JPS62198058A - 液冷式燃料電池の電熱供給システム - Google Patents

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】 〔発明の属する技術分野〕 この発明は、冷却媒体として水あるいは絶縁油を用いる
液冷式燃料電池に係わり、詳しくは単一セルが直列に多
数個積み重ねられ、複数セル毎に冷却板を有する集合燃
料電池の電熱復給システムに関する。

〔従来技術とその問題点〕

燃料電池は大規模な電力発電装置として、また比較的小
容量のｗＩ要地向発電システムとしての適用の拡大が期
待されている。後者のシステムに対しては、据置形や可
搬形とも種々の使われ方がなされるが、いずれも燃料電
池からの電気エネルギーと共に熱エネルギーも効果的に
利用できるシステム、いわゆる「ｔ・熱供給システム」
の実用化が望まれている。

第３図、第４図に従来の「電ゆ熱禮給システム」の構成
例を示す。第３図、第４図において、燃料電池１は、電
解質１２と懲料極】１の間に燃料たる水素に富んだガス
４が住給され、さらに電解質と酸素極１３の間に酸化剤
たる反応空気３が祷給されて、燃料の燃焼反応の化学エ
ネルギーを熱エネルギーを径由せずに直接電気エネルギ
ーに変換することができる。ただし、この電気エネルギ
ーは直流電力５として取り出されるから、例えば商用周
波数の交流電力系統に持続するには、サイリスタインバ
ータなどによる直交電力費換装［６が必要であり、また
直流で使用される場合にも直流出方電圧制御のためのチ
、、ハにょるＬ）Ｃ−ＤＣコンバータが必要となる場合
もある。また、燃料電池の燃料には、水素ガスに富んだ
合成ガスのほかにも天然ガス、石炭あるいはメタノール
が使用される。これらの燃料から水素に富んだ改質ガス
を得るため、また反応空気を燃料電池に導入しても支障
がないようにするために燃料処理装置２が必要である。

例えば、第４図のように燃料がメタノールの場合には、
メタノールと水の混合液体田は熱交換器ｎで加温されて
気化される。この混合気体調はさらにバーナや反応速度
を速めるための触媒を含ん゛だ政情装置２１で水素に富
んだ改質ガス４となり、このような機能を備えた装置が
燃料処理装置２である。

一方、燃料電池１から安定して直流電力５を取り出し、
さらに燃料電池の寿命を長くするためには、燃料電池の
動作温度（電解液がリン酸の場合は１９０℃前後と言わ
れている）を安定して維持することが大切である。燃料
電池１の冷却構造により、空冷式あるいは液冷（水、油
）式に区別されるが、電熱傭給システムには、燃料電池
からの排熱８を効果的に利用できる液冷〒Ｖの方が適し
ていると言える。第３図、第４図に示すように、燃料電
池からの余分な熱８は燃料電池の中に設けられた冷却板
１４からポンプ１７で循環される冷却媒体ユ５によって
排出される。この排熱８は燃料処理装置２への利用とし
て、熱交換器（液体−気体）２５で反応空気の加熱のた
めに利用され、また熱交換器（液体−液体）２２もメタ
ノールと水の混合液体の加温に利用されている。さらに
この排熱は、熱交換器（液体−液体）１６で給湯・給温
水設備９へも利用されている。なお、この冷媒循環径路
には燃料電池の動作温度を制御するヒータ部と冷却ファ
ン部などを備えた温度調整器１８が設けられている。

上記のような構成の液冷式燃料電池発電システムにおい
て、燃料電池１を起動するに際しては、改質ガス中の少
量の一酸化炭素が燃料電池の電極触媒に悪影響をおよぼ
さない温度２例えば１４０℃以上ｌこ燃料電池を昇温す
る必要がある。このため、第４図に示した温度調整器１
８のヒータ部（ｉｔ気上ヒータたは燃焼バーナ）で冷却
媒体を加熱し、燃料電池を所要温度（１９０°°Ｃ）ま
で昇温する方法がとられていた。

しかし、上述のような燃料電池による電熱僕給システム
では、燃料電池自体の熱容量に加えて冷却媒体、各種熱
交換器、およびその配管路の熱容量が加算され、さらに
これらからの熱放散が増大するため、燃料電池昇温用の
ヒータ部の容量を容認できない程過大にしなければなら
ない欠点があった。また１日に１回とか、それ以上にわ
たって起動、停止を繰り返して使用するような用途に対
しては、起動に時間がかかり過ぎて実用に適さないなど
の欠点があった。

〔発明の目的〕

本発明は上記の如く欠点に鑑みてｆ【されたものであり
、液冷式燃料電池による電熱僕給システム特に燃料電池
を停止状態より短詩ｔｔＪ１に所要の温度まで昇温でき
る装置を提供することを目的とする。

〔発明の要点〕

本発明は、単一セルを直列に積み重ね、複数セル毎に設
けられた冷却板に液体の冷却媒体を通過せしめることの
できる液冷式燃料電池の冷却系に、反応空気や燃料等の
外部負荷を加熱するための熱交換器と、起動時には加熱
器として作動し、定常運転時には冷却媒体を所定温度に
維持する熱交換器として作動する冷却媒体の温度調整器
と、冷却媒体を循環させるための循環ポンプとを備えた
燃料電池による電熱イ笑給システムにおいて、前記外部
負荷加熱用の熱交換器を短絡するバイパス流路と、この
バイパス流路を起動時には開放し、定常運転時には閉鎖
する開閉パルプとを設けたことにより、前記冷却系の熱
容量と放散熱ｆＩｋ、を軽減し、もって燃料電池を短時
間に起動するようにしたものである。

〔発明の実施例〕

第１図はこの発明の実施例であり、以下第１図に基づい
て詳細に説明する。ただし、図中における記号は第３図
および第４図の記号に対応しており、第３図および第４
図で説明した部分についての説明は簡略に行う。

単一の燃料電池は電解質１２と燃料極１１と酸素極１３
の両電極材を主なる構成材料としており、この単セルを
直列に積み重ね所要の電圧が得られるように集合化して
燃料電池（以下ＦＣＣメタりと言う）１が形成される。

このような１”Ｃスタ、りを動車よく運転するため、か
つＦＣラスタりの寿命を長く維持するためにＦＣラスタ
りの動作温度はある範囲内で安定して維持されることが
必要である。

このため、水あるいは絶縁油などの冷却媒体１５（以下
冷媒と言う）を用いる液冷式ＦＣスタックの場合は％　
４〜６セル毎に冷媒が通過できる冷却板１４が設けられ
る。

ＦＣラスタりの定常の運転に右いて、この冷却板からは
電気出力とほぼ同程度の熱量が排出されるので、この排
熱は、まず燃料処理装置２に利用される。例えば熱交換
′ａ２５を介してセルの酸化剤たる反応空気３を常温か
ら例えば１４０℃まで加熱するのに利用され、また熱交
換器ｎを介してセルの燃料たる水素に富んだ改質ガス４
を得るのに、つまりメタノールと水との混合液体を気化
するのに利用される。次なる排熱利用としては、熱交換
器１６を介して給湯・給温水設備などで利用される。

このように、ＦＣラスタりの冷却板から冷媒を通じて排
出された余剰の熱を反応空気や燃料等の外部負荷に与え
て排熱を効果的に利用するため、この冷却系の中には複
数の熱交換器と冷媒を循環させるためのポンプ１７が設
けられる。このポンプ１７は、起動時と定常運転時に冷
媒流ｔＱを変えることのできる流量制御装置ｎを有して
いる。この流量制御装置Ｉは起動時に例えばポンプのモ
ータ回転数が費えられることのできるもので、従来技術
をそのまま適用できる。

さらにこの冷却系には、定常運転時にＦＣラスタりの動
作温度を例えば１９０℃になるように制御し、起動時に
は冷却を加熱してＦＣスタックを昇温するための加熱器
と冷却ファンを備えた冷媒温度調整器１８と、放熱用の
熱交換器１６　、２２　、２５を短絡するバイパス配管
流路とを有し、このバイパス配管流路には、このバイパ
ス流路を起動時に開放し、定常運転時に閉鎖する開閉パ
ルプ加が設けられている。

なおバルブ加は、第１図で示した単路を開閉できるバル
ブに限らず、第２図に示した２方向切換パルプがか用い
られてもよく、さらに複数バルブの組合せでも前記熱交
換器類（１６，２２，２５）を起動時に冷却系から切り
離せるものなら本発明の目的に適していることは明白で
ある。

このような構成において、ＦＣラスタりの起動時には、
開閉バルブ加を開いてバイパス流路１９を開放すれば、
冷却板１４をでた冷却媒体は抵抗の小さいバイパス流路
を介して流れるため、冷却系の実効上の容量は大幅に軽
減され、温度調節器により加えられた熱はＩ”Ｃスタ、
りを有効に加熱する。

また、このとき流量制御器Ｈにより循環ポンプ１７の流
量を定常運転時より少量に制御すれば、ノくイパス流路
による熱容量の低減効果と相俟って、冷却板中での冷却
媒体の温度がより高温となって。

ＦＣラスタりへの熱伝達がより効果的になされ、より短
時間にＦＣラスタりを昇温することができる。

第５図に本発明によるＦＣラスタりの昇温特性を示す。

同図において、縦軸はＦＣラスタりの温度を、横軸は時
間を表わしており、特性Ａはバイパス流路がない従来の
システムを、特性Ｂはバイパス流路を設けた本発明の一
実施例を、特性Ｃはバイパス流路を設は冷却媒体の流量
を定常時の半分に軽減した本発明の他の実施例をそれぞ
れ示すものである。このグラフから明らかなように、本
発明によればより短時間でＦＣラスタりを昇温できるこ
とがわかる。特に特性Ｃでは、昇温時間を従来の約半分
に短縮することのできる特性が得られた。

〔発明の効果〕

以、上の説明から明らかなように本発明によれば、燃料
電池の冷却系に外部負荷を加熱するための熱交換器を短
絡するバイパス流路を設け、この流路を起νｈ時に開放
し、定常運転時に閉鎖する開閉パルプを設けたので、起
動時には冷却系の実効上の熱容量が大幅に騒減でき、起
動時用の加熱器の容置を増大することなく燃料電池を短
時間に起動させる効果が得られる。さらに、循環ポンプ
の流量制御器により、冷媒の流速を定常運転時よりも起
動時の方が遅くなるように制御すれば、冷却板中での冷
媒温度がより高温となり、冷却板への熱伝達が効果的に
なされ燃料電池の昇温をより短時間に行なうことができ
る。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例を示す燃料電池の電熱供給シ
ステムの系統図、第２図は本発明の他の実施例を示す系
統図、８８３図は従来の燃料電池による電熱供給システ
ムの基本構成を示すプロ、り図、第４図は従来例を示す
燃料電池の電熱伎給システムの系統図、第５図は本発明
の実施例による昇温特性を示すグラフである。 １：燃料電池（ＦＣラスタり）％　２：燃料処理、装置
、３：反応空気、４：水素に富んだ改質ガス、８　：　
ＦＣラスタりからの排熱、９：給湯・給温水設備、１５
：冷媒、１４：冷却板、ｌｆｉ、２２．２５：熱交換器
、１７：循環ポンプ、１８．２７：温度調整器、１９：
バイパス流路、２０：開閉バルブ、２６　：　２方向開
閉バルブ。 第１　聞 ”５１ｔｚ口 聞４　図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １）複数セル毎に介装された冷却板に液体性の冷却媒体
   を供給する液冷式燃料電池の冷却系統に、外部負荷を加
   熱するための熱交換器と、冷却媒体を所定温度に維持す
   るための温度調整器と、冷却媒体を循環させるための循
   環ポンプとを備えた燃料電池の電熱供給システムにおい
   て、前記熱交換器を短絡するバイパス流路と、このバイ
   パス流路を燃料電池の起動時に開放し、定常運転時に閉
   鎖する開閉バルブとを設けたことを特徴とする液冷式燃
   料電池の電熱供給システム。 ２）特許請求の範囲第１項記載の電熱供給システムにお
   いて、循環ポンプは冷却媒体の流量速度を制御する流量
   制御装置を有し、冷却媒体の流量速度が定常運転時より
   も起動時の方が減少することを特徴とする液冷式燃料電
   池の電熱供給システム。