JPS61176075A - 燃料電池冷却システム - Google Patents

燃料電池冷却システム

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JPS61176075A
JPS61176075A JP60014260A JP1426085A JPS61176075A JP S61176075 A JPS61176075 A JP S61176075A JP 60014260 A JP60014260 A JP 60014260A JP 1426085 A JP1426085 A JP 1426085A JP S61176075 A JPS61176075 A JP S61176075A
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air
cooling
cathode
heat exchanger
cell
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JP60014260A
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English (en)
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Narihisa Sugita
杉田 成久
Koji Shiina
孝次 椎名
Haruichiro Sakaguchi
坂口 晴一郎
Kazuhito Koyama
一仁 小山
Tomio Mochizuki
望月 富夫
Yoshiki Noguchi
芳樹 野口
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Hitachi Ltd
Original Assignee
Hitachi Ltd
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Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の利用分野〕 本発明は燃料電池冷却システムに係シ、特に、燃料電池
の長寿命化を図る燃料電池冷却システムに関する。
〔発明の背景〕
従来、燃料電池冷却システムは、例えば、EPRI  
EM−3161,Project 1777−1(8e
pt。
1983)のDescription of a Qe
neric 11−MW Fuel (::ell p
ower plant  for [JtilityA
pplications において、水を媒体とした冷
却システムが、また、例えば、Modern powe
r3ystems(June 1982)(PP35〜
38)のAircooled phoshoric a
cidfuel cells give high c
ogeneration’efficiencyにおい
ては空気を媒体とした冷却システムがそれぞれ論んじら
れている。
前者のような水冷却方式では、冷却媒体として伝熱特性
が良好な水を使用するため、冷却性能が゛高く、さらに
、電池冷却熱により冷却水が加熱されることによシ冷却
水よル蒸気を発生させ、その蒸気をり7オーマに供給し
燃料改質用に利用できらず、構造が複雑となる。従って
、水冷却方式では各セルユニットごとでなく、数セルユ
ニットごとに冷却ユニットを設けるのが通常であるため
、冷却ユニット間にはさまれ九セルユニット関に温度分
布が生じ、各セルユニットの寿命が均一にできないとい
う問題がある。
また、後者の場合のような空冷方式でも、前述の文献に
示されているように、数セルユニットに対し空冷ユニッ
トを設ける場合には、前述の水冷方式のように、各セル
ユニット間に温度分布が生じるという間1点がある。空
冷方式は水冷方式と比較し、空気が扱いやすい媒体であ
る点を除き、空気の冷却性能が悪いため、冷却空気用の
配管等の容積が大きくなったシ、大R,1kを必要とす
る、さらに燃料改質用の蒸気発生を別の装置で行なわな
ければならないという問題がある。
〔発明の目的〕
本発明の目的は、積層セル簡の温度分布を均一にする冷
却シ〜テムを葎用することによシ、各セルの作動温度を
許容最大値近くに保ち各セルの寿命を平均化し、高温化
による電池劣化を防止した高効率な燃料電池システムを
提供することにある。
〔発明の概要〕
本発明は、各電池セルユニットのカソードに反応用空気
が供給されていることに着目し、この反応用空気を4池
冷却に用い、さらK、伝熱特性の良い水を冷却媒体とし
て併用し、冷却空気により各電池セルユニット間の温度
分布を平均化するようにし、かつ、冷却空気による冷却
熱を冷却水へ伝えることによ)電池冷却熱の有効利用を
図るもので8る。
〔発明の実施例〕
本発明の一実施例を第1図に示す。
積層電池lは多くのセルユニット2および、セルユニッ
ト数個ごとに配置てれた冷却ユニット3を積層したもの
よ構成る。第1図中には示していないが、セルユニット
2は、電屏質板をはさみ一方にはアノード、他方にカソ
ードを設け、アノードの他の面には燃料通路、カソード
の他の面には空気通路を設けたものよ構成9立っている
第1図には十五セルユニットのみが示されているが、例
えば、前述のEP几IEM−3161によれば、約五百
セルユニットの積層によシー、積層電池が構成されてい
る。
圧縮機6はファン8と導管7で結ばれ、ファン8は電動
機9と機械的に連結される。セルユニットlのカソード
入口部には空気入ロマニホールドtO,カソード出口部
には空気出口マニホールド13、を設置する。
燃料処理装置23とセルユニットアノード入口部に設け
られた燃料人口マニホールド19とは導管18で結ばれ
る。アノード出口部には燃料出口マニホールド21が設
けられている。
冷却水処理装置t24と給水ポンプ25は導管で結ばれ
、給水ポンプ出口と積層電池1の冷却ユニット3の入口
部に設けられた冷却水人口マニホールド26とは導管で
結ばれ、冷却ユニット出口部には冷却水75−Dマニホ
ールド29が設けられている。
窒気出ロマニホールド13と熱交換器4、冷却水出口マ
ニホールド29と熱交換器4は導管で結ばれ、熱交換器
出口の空気側通路14は燃料処理装置23への導管16
とファン8人口への導管15に分かれている。一方、熱
某換器4冷却水側出口と蒸気分離器30は導管で結ばれ
、蒸気分離器30からはブロー管31、水処理装置24
と結ばれた給水導管33、燃料処理装置23と結ばれた
蒸気導管32が設置されている。
膨張タービン34は圧縮機6と連結され、燃料処理装置
23と膨張タービン34とは排ガス導管36で結ばれる
大気よりの空気5は圧縮機6によシ昇圧される。
昇圧圧力の値は電池作動圧力に応じて設定される。
電池作動圧力Pは電池性能に影響をおよぼす電池電圧と
関連する。すなわち、例えば、リン酸型燃料電池の開路
電圧を示すネルンストゲインは、一般に、 EOはギブスエネルギによる理論電圧、几はガス定数、
Tは電池温度、Fはファラデイ定数、Psn+ Psu
o、 Po!はそれぞれHs 、H2O、Osの分圧を
示す。
この式よりFJAらかなように1燃料分圧Pusおよび
酸化剤分圧Faxが高いほど開路電圧Eが高くなる。開
路電圧Eに分極を考慮したのが実際の電圧である閉路電
圧Vでアク、閉路電圧Vに対する4池作動圧力Pの関係
は、例えば、DOE  EC−77−C−03−454
5のHondbook of fuel、cell p
arformance(May 1980)Kよればつ
ぎのようになる。すなわち、電池作動圧力Pit−P2
に変化させた場合の閉路電圧のゲインΔVp(QIV)
は、 ΔVp (mV)=142tog P2/Pi電池作動
圧力の上限を決める要因は、燃料処理装置23と関連し
、燃料供給圧力および燃料処理装置内のり7オームの主
反応である。すなわち、リフオーミング反応が高圧にな
るほど低下し、水素転換率が低くなる点、および、リフ
オーミ、ング反応用の高圧蒸気の発生をシステム内で考
えなければならないことなどによっている。現在考えら
れている電池圧力は7〜B ata程度である。
本実施例では、圧縮機出口部で圧縮機出口空気と電池出
口部よシリサイクルした排空気とを混合し、77ン8を
用い、さらに、供給空気を昇圧する。7アン8はファン
出口よシミ池内を通過し、再び、ファン入口へ戻る導管
15の圧力損失をおぎなっておシ、電動機9によシ駆動
される。供給空気は空気入口マニホールド10へ供給さ
れ、積層電池1の各セルユニット2へ分配され、カソー
ド空気11として使用される。
燃料17は燃料処理装置23に導入される。燃料処理装
置は主に燃料改質用のリフオーマ、シフトコンバータ等
よシ成り、必要ならば燃料脱硫装置を含む。燃料処理装
置23を出た高水素濃度の燃料は燃料導管18によって
燃料人口マニホールド19へ供給され積層電池1の各セ
ルユニット2へ分配されアノード燃料20として使用さ
れる。
冷却水は、水処理装置24によシ出た水を給水ポンプ2
5により昇圧し使用する。水処理装置では必要ならば冷
却水の水質を調整するが一般には冷却水の大部分は冷却
水ループをリサイクルし、給水ポンプはループの圧力損
失を補なう。給水ポンプ25を出た冷却水は冷却水入ロ
ホニホールド26へ供給され積層電池1の各冷却ユニッ
ト3へ分配される。
積層電池のセルユニット内ではカソードへ供給された酸
素とアノードへ供給され次水素によシ、電気化学反応を
生じ、電気、熱を発生する。セルユニット1を出九反応
後の排空気12は、空気出口マニホールド13に集めら
れ熱交換器4へ導入される。
セルユニット1を出た反応後の排燃料22は燃料出口マ
ニホールド21に集められ、防料処理装置23へ供給さ
れ、熱交換器4出口の排空気14の一部を用いた燃焼が
行なわれ燃焼熱はり7オーマ加熱に使用される。す7オ
ーマ加熱後の燃焼排ガスは排ガス導管36を通って膨張
タービン34に供給され、膨張タービンを駆動した後に
システム外部へ排出35される。
膨張タービン34は空気圧縮機6を駆動する。
冷却ユニット3内で冷却水は反応熱によシ加熱され温度
が上昇する。これは前述の7ノード、カソード間の燃料
と空気の電気化学反応熱によるもので、反応熱はアノー
ドを通過する燃料、カソードを通過する空気も加熱する
。冷却ユニットを出念冷却水28は冷却水出口マニホー
ルド29JC集められ、熱交換器4に供給され前述の排
空気によシさらに加熱される。冷却水と排空気の熱交換
の詳細については後述する。
熱交換器は出九排空気の一部は、前述のように、導管1
6を通シ燃料処理装置23において、排燃料を燃焼する
ために使用され、残りは導管15を通って7アン8の入
口部ヘリサイクルされる。
熱交換器を出た冷却水は蒸気分離器30へ導かれ気液分
離を行なう。蒸気の分離には給水圧力を高め蒸気分離器
30内でフラッシュさせる方式や冷却ユニット、熱交換
器を蒸発器として使用する方式等が考えられるが、本発
明はこれらの方式に限定したものではない。蒸気分離器
30を出た蒸気は蒸気導管によって燃料処理装置へ導ひ
かれ、リフオーミング反応に使用される。ブロー管31
では蒸気分離器30内に不純物が濃縮されるのを防止す
るために、一定量のブローを行なう。
第2図に本発明の実施例の効果を示す。セルユニット2
は電解質板41、アノード42、カソード44.7ノ一
ド燃料通路43、カソード空気通路45およびセパレー
タ46からなシ、この例では五セルユニットごとに冷却
ユニット3が設けである。冷却ユニット3には冷却水管
40が設けである。7ノ一ド燃料通路43を流れる燃料
は、カソード空気通路45を流れる空気と反応し電気と
同時に電池本体の発熱対応によシ熱を発生する。
電解質板41には電解液、例えば、リン酸水溶液等が含
まれておシ、電解質をイオンが通過することによシ反応
が生じる。電池温度Tと電池開路電圧Eとの関係は、前
述のネルンストゲインの式が適用でき温度Tと開路゛電
圧は比例する。前述の)(andbook of fu
el  cell pertormanceによれば、
電池作動温度をT1からT2(ア)に上昇させた場合の
閉路電圧のゲインΔV’t (mv)は、ΔV ? (
mv)=0.64 (T2−T l )電池温度の上限
は解織のシンタリング、部品の腐食、電解液の蒸発等電
池寿命に関する条件で、一定の電池寿命を設定すると、
電池内の最高温度の許容値が定まる。
電気化学反応時に発生する熱の一部は燃料通路43を通
る燃料および空気通路を通る空気によシ除去されるが、
一般には、冷却ユニット3を設ける必要がある。冷却ユ
ニット内には冷却水管が設けられる。冷却ユニットはセ
ルユニットにはさまれるため、良電気伝導体であること
が必要であり、そのため、各冷却ユニットを結ばないで
いる冷却水管と冷却ユニット間には絶縁処理を必要とし
ている。
1度パターン47は水冷却のみによる場合を示すもので
、冷却水温度48と冷却セルユニットの境界49の温度
差は、主に前述の絶縁処理による伝熱特性の低下によっ
ている。また、水冷却のみの場合、冷却ユニットより遠
い中心部のセルユニットで最高温度を生じて冷却水温度
はこの温度によシ上限を抑えられ、さらに、全体の電池
寿命は中心部の最高温度のセルに支配されてしまう。
本実施例ではカソード空気通路にリサイクルした排空気
を流し、カソード空気による冷却効果を高める。このこ
とによっては冷却水温度51と冷却ユニット境界部52
の温度差は改善されない、しかし、電池平均温度は上昇
し、許容最大温度に近づくフラットな温度パターン50
が与えられる。
この結果、冷却水温度が上昇し、さらに1電池平均温度
の上昇によシカノード出口排空気温度も上昇する。この
カソード出口排空気を用いて冷却水を加熱することによ
り、熱交換後の冷却水温度はさらに上昇し、熱交換後の
カソード出口排空気は温度低下し、リサイクル排空気と
して冷却に再利用可能となる。
例えば、一般のリン酸型燃料電池で本発明の効果を試算
すると電池最高温度210C下で平均温度200C閉路
電圧Q、72V、冷却水温度170Cの水冷電池の条件
で、本発明によって、平均温度205C,冷却水温度1
80Cが得られたと仮定すると、 電池温度上昇による閉路電圧ゲインは、となる。
冷却水温度170Cで得られる蒸気の圧力は飽和の関係
から8.08 ata、同様に180Cで得られる蒸気
の圧力は、10.22ataでろるから、電池圧力を制
限するり7オーマ圧力の値を支配する蒸気圧力の上昇が
可能となりl!電池圧力、蒸気分離器=リフオーマ=電
池アノード間の圧力損失を同一とすれば、(10,22
/8.083倍高くできる。すなわち、電池圧力上昇に
よる閉路電圧ゲインはΔV’p=142tog(10,
22/8.08)=1448 (mV)となる。
従って、閉路電圧は0.72 Vから0.74 Vとな
シ、同一条件における電池出力は、 0、74 / 0.72 = 1.02倍となシ、シス
テムの効率は2%向上する。
本発明の実施例によればセルユニットカソード部にカソ
ード出口部の排空気をリサイクルさせて流すために、カ
ソードの消費酸素量を一定とすればカソード部の平均酸
素分圧を高くすることが可能となシ、さらに、閉路電圧
を高くすることができる。
第3図は本発明の他の実施例を示す。N1図の実施例と
機器の構成ははtよ同一でろシ、第3図には第1図と異
なる電池周夛のみを示す。
積層電池1は多数のセルユニント2と数セルユニットご
とに組み合わされた冷却ユニット3を積み重ね、電池基
盤67と上部おさえ板64の間におかれ、タイボルト6
5で支えられる。積層電池の一面には空気入口マニホー
ルド10.および、反対側面には空気出口マニホールド
13を設置し、本図には示していないが、他の一対側面
にはそれぞれ燃料人口マニホールドおよび燃料出口マニ
ホールドが設置しである。空気入口マニホールド−IO
には空気入口配管60が設置され、空気出口マニホール
ド13には空気出口配f61が設置fれる。このように
構成された電池は圧力容器66中におさえられる。
空気入ロマニホールドIO内には冷却水入ロマニホール
上?26が設置されておシ、冷却水入口マニホールドへ
は冷却水入口配管62が設置されている。空気出口マニ
ホールド13内には熱交換器4が設置され、熱交換器に
は冷却水出口配管63が設置されている。
圧力容器66内には不活性ガス等が封入されており、燃
料のリーク時の危険を防止する。
77ン8を出た空気は、カソード出口部の空気入口マ二
ホールドlOへ空気入口配管6oを通って流入する。一
方、冷却ユニット3への冷却水は冷却水入口配管62を
通って、冷却水入口マニホールド26に入シ各々の冷却
ユニットへ分配される。
セルユニット内を通シ電気化学反応を行ない、反応熱に
よシ昇温され九カソード内の空気は空気出口マニホール
ド13へ排出される。また、冷却wニットを通過し冷却
を行なつ九冷却水は冷却水出口部に設けられ良熱交換器
4に流入する。熱交換器4で冷却水は、空気出口マニホ
ールド13内のカソード出口空気によ〕さらに昇温され
る。また、熱交換器4は冷却水の流れをスムーズに行な
う冷却水出口マニホールドの役割もになっている。
空気出口マニホールド内の熱交換器4で冷却水を加熱し
、温度低下したカソード出口空気は望見出口配管′61
を通って圧力容器66外へ排出される。
また、熱交換器4で加熱された冷却水は冷却水出口配管
63を通って圧力容器66外へ排出される。
本実施例によれば、熱交換器を空気出口マニホールド内
に設置することによシ、構造がコンパクトとなシ、配管
等がないため外部に対する放熱損失をなくす効果がある
第4図は本発明の他の実施例を示す。第3図と、異なる
点は、空気出口マニホールド13内に熱交換器4をもた
ず、冷却ユニットと冷却水出口マニホールド29間くい
冷却水排出管の表面にフィン状の突起を持つフィン付き
冷却水排出管68を設けたことである。
冷却ユニットを出た冷却水はフィン付き冷却水排出管6
8部分で、カソード排出空気により加熱され温度が上昇
する。
本実施例によれば、空気出口マニホールド内に熱交換器
を設置する必要がないので、燃料電池の従来構造を大き
く変更せず、コンパクトで安価な構造を提供できる。
本発明の他の実施例を第5図に示す。
第1図と異なる点は、第1図に示す実施例忙加え、カソ
ード用空気7ア/出口とカソード入口間に流量制御用の
弁70を設けている点である。本実施例では、流量制御
用弁をtriいているが、本発明は弁のみに限定せず、
流量制御可能なオリフィス等の流路面積の変化可能な機
構、装置を含んでいる。
圧縮機6で高圧化された空気5は、ファン8を出た後に
空気入口マニホールドlOに流入する。
空気入口マニホールド10とカソード入口部間に設けた
弁70はセルユニット2への流入空気量を制御する。す
なわち、第2図で示したように冷却ユニットにはさまれ
たセルユニットの温度は、冷却ユニットから遠くなるほ
ど高温になる。従って、効果的な冷却を行なうためには
、温度が高くなるセルユニットによ〕多くの空気を供給
し、冷却ユニッ)K近1声の低いセルユニットには空気
の供給量を少なくすることである。本実施例に示す弁7
0は各ユニット温度上昇に対応した流を制御を目的とし
ている。最も好ましいのは、各セルユニットの代表点温
度を計測し、それに対応し、動的に各セルユニットへの
供給空気量を制御することであるが、予め各セルに対し
必要とされ不空気量を予測し、弁70を調整しておくこ
とによっても、本実施例の目的は十分達成可能である。
本実施例によれば、各セルユニットの温度東件に最適な
供給空気量の配分が可能となシ、各セルユニットの温度
パターンを許容最大一度に近づけることができる。
第6図は本発明の他の実施例を示し、第1図と異なる点
は、ファン8およびファン駆動用電動機9に代えて、熱
交換器4と圧縮機6出ロ部間にカソード冷却用望見循環
7アン80、および、それと機械的に連結した循環ファ
ン駆動電動機81を設置したことである。
カソード入口間の空気出口マニホールド13より熱交換
器4に入ったカソード出口排空気の一部は燃料処理装置
jt23へ導入され、浅りは導1f15により、カノー
ド冷却用儂47アン80に導入される。カソード冷却用
循凍ファン80は11I塊7アン駆fIIb堀動機81
によυ駆動され、熱交換器よシ循環してきた冷却空気を
圧m慎出口の外気よシ取り入れた新らしい空気5と混合
し、積層lt油へ供給する。
本実施例によれば、循環ファンは冷却用循環空気のみを
扱うことKなシ、循環ファンの回転数制御等によりカソ
ード冷却傭璋望気量のTy4整が可能となる。
第7図は本発明の他の実施例を示す。第6図と異なる点
は、カソード入口間にefjtシた空気出口マニホール
ド13よりの配管を分けて、一方は、熱交換器4へ、他
方は燃料処理装置へ供給するようにしたことである。
これによって、熱交換器へは冷却水畠f、を所定の値ま
で加熱するに必要な童のみを供給することが可能になシ
、燃料処理装置へ高温な排空気を供給することが可能と
なる。
また、第7図に示されていないが、セルユニット内部で
カソード反応用空気と冷却用空気を分は別々の通路を流
し、カソード通路を流れた空気を燃料処理装置に導き、
冷却通路を流れた空気を熱交換器を経由して、カソード
冷却用空気循環77ン80に導入することも容易に考え
られる。
本発明の他の実施例を第8図に示す。第1図と異なる点
は、給水ポンプ25出口の給水の一部にバイパス流路8
6を設け、積層電池1の冷却ユニット3の出口と熱交換
器4は結ばれておらず、バイパス流路86が熱交換器4
と結ばれ、冷却ユニット3の出口の流路と熱交換器4の
出口の流路が集合し蒸気分離器30へつながっているこ
とでおる。
給水ポンプ25を出九冷却水の一部はバイパス流路86
へ流れ、残シは、冷却水入口マニホールド26に入シ、
各冷却ユニットへ分配される。一方、バイパス流路86
へ入った冷却水は熱交換器4に入りカンード出口の排出
空気によシ昇温される。冷却ユニット出口の冷却水およ
び熱交換器出口の冷却水は蒸気発生器入口前で混合し、
蒸気発生器に導入される。
本実施例によれば、熱交換器4には冷却ユニットをバイ
パスし九低温の冷却水を供給することが可能となり、温
度差が大きくなシ熱交換器4の伝熱面積を少なくできる
効果がある。
〔発明の効果〕
本発明によれば、積層セルの各セル温度を均一化するこ
とができるので、積層各セルの寿命を平均化し、電池寿
命を変化させず燃料電池システムの高効率化を達成でき
る。
【図面の簡単な説明】
第1図、第3図ないし第8図は本発明の一実施例を示す
図、第2図は本発明の詳細な説明図である。

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 1、電解質板の一方の面にアノードを、他方の面にカソ
    ードを設け、前記アノードの前記電解質板と接する反対
    面に燃料通路を、前記カソードの前記電解質板と接する
    反対面に空気通路をそれぞれ設け、これらをセパレータ
    で挟着したセルユニットを積層して積層電池を構成し、
    前記セルユニット数組毎に水を媒体とする冷却ユニット
    を設けた燃料電池において、 前記カソードより排出される空気と、前記冷却ユニット
    用冷却水との間に熱交換器を設けたことを特徴とする燃
    料電池冷却システム。 2、特許請求の範囲第1項において、 前記カソードの出口と前記カソードの入口間にリサイク
    ルファンを設けたことを特徴とする燃料電池冷却システ
    ム。 3、特許請求の範囲第1項において、 前記冷却ユニット用冷却水は、前記冷却ユニットおよび
    、前記カソードの排出空気との前記熱交換器の通過後に
    蒸気分離装置に供給されることを特徴とする燃料電池冷
    却システム。 4、特許請求の範囲第1項において、 積層電池側面に設けられた前記カソードの出口の空気マ
    ニホールド内に熱交換器を設置し、前記カソードの出口
    空気は前記熱交換器の外部を流れ、前記熱交換器の内部
    流路の一方は前記冷却ユニットの冷却水配管と結ばれ、
    他の一方は前記空気マニホールド外部へと結ばれること
    を特徴とする燃料電池冷却システム。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO1996013871A2 (de) * 1994-10-19 1996-05-09 Siemens Aktiengesellschaft Brennstoffzellenanlage mit wärmenutzung des kathodenabgases und verfahren zu ihrem betrieb

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO1996013871A2 (de) * 1994-10-19 1996-05-09 Siemens Aktiengesellschaft Brennstoffzellenanlage mit wärmenutzung des kathodenabgases und verfahren zu ihrem betrieb
WO1996013871A3 (de) * 1994-10-19 1996-06-13 Siemens Ag Brennstoffzellenanlage mit wärmenutzung des kathodenabgases und verfahren zu ihrem betrieb

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