JPS62223975A - 燃料電池の熱交換装置 - 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】 〔産業上の利用分野〕 本発明は燃料電池に係り、特に、冷却及び加熱等に好適
な燃料電池の熱交換装置に関する。

〔従来の技術〕

従来の装置は、特開昭５７−１８００７９号公報に記載
のように水平に配置され、かつ、媒体（冷却流体）ｆｔ
封入した冷却管と、冷却管より高い位置の放熱器と、冷
却管より低い位置の加熱器と、一つのクローズドシステ
ムに密閉接続する接続管とからなり、冷却流体を自然循
環させ、熱交換させる燃料電池用温度調節器となってい
た。しかし、一段の冷却管について述べられているだけ
で、冷却管を多層に積み重ね集合させた点については言
及されていなかった。

〔発明が解決しようとする問題点〕

上記従来技術は冷却セル各層に各々放熱器と加熱器を設
置する方式であり、多層に積み重ねたセルの冷却管より
排出する冷却流体を集合して放熱、あるいは、加熱する
点については考慮されておらず、不安定流動の問題、及
び、各冷却セルの水頭差に伴う飽和温度の違いによる上
・下方向の不均質な冷却の問題があった。

本発明の目的は、多層に積み重ねた水平な冷却管を集合
させ念冷却システムにおいて、各層の冷却管内の自然循
環流を安定にし、かつ、多層の冷却セルを均質に冷却す
ることにある。

〔問題点を解決するための手段〕

上記目的は、冷却管の流入部に、各冷却管の水頭の一次
式で表わせる抵抗係数をもつ絞りを設置することにより
達成される。

〔作用〕

冷却管に流入する自然循環流では、■冷却管内の気液二
相流の流動抵抗が液相流の抵抗より大きいので、循環力
が同じ場合、流体が液相ならば流量が大きく、気液二相
流ならば流量が小さくなる性質がある。また、■冷却管
内に多量の流体が流入すると蒸気の割合が減少して循環
力が低下し、少量の流体が流入すると蒸気の割合が増加
して循環力が増大する。

従って、不安定流動の原因として、液相流と二相流との
抵抗差とそれに伴う流量変動、及び、流量変動に伴う循
環力の変動が考えられる。

そこで、液相流と二相流の抵抗差を小さくすれば、流動
変動が小さくなり、循環力の変動も小さくなり、不安定
流動を防止できる。また、何かの条件で流動変動が生じ
た場合、変動を小さく収束させるには、流量が大きくな
ったら抵抗が増大し流量を抑え、流量が小さくなったら
抵抗が減少し、流量を増大させるようにすれば良い。

この抵抗差を小さくし、流動変動を収束させる手段とし
て冷却管流入部に絞りを設ける方法がある。

流入部の絞りが液相流の流動抵抗になるので、適正な絞
り（径）全選ぶことにより、液相流抵抗と二相流抵抗と
を同程度にすることができる。

流動抵抗ΔＰは（１）式で表わせる。

ここで、ζ：抵抗係数、ρ１：液相の密度、Ｕ：流入速
度。従って、抵抗係数ζが一定ならば、・流量（速度）
が増加すると絞りの流動抵抗が増大し流量を減少させ、
流量（速度）が減少すれば抵抗が減少し、流量を増大さ
せる。

それによって、流入部の絞りは流量調節機能をもつので
、流量変動を防止できる。

ま次、絞りの流動抵抗が冷却管内の圧力を下げることが
できる。これを次に説明する。下から１段目の冷却管内
の圧力Ｐは、 ここで、ＰｂＪは水頭による静圧（Ｐｂ３：ρ１・ｇ・
Ｈｔ）、Ｐｏは上部タンク内圧力。そこで、各層の冷却
管内圧力全一定Ｃとするには（２）式より抵抗係数ζｊ
ｔ（８）式のように決めれば良い。

従って、各層の絞りの抵抗係数を第２図のように水頭の
一次式として与えれば、各層の冷却管内の圧力を等しく
できる。それによって、上・下方向に積層された冷却管
内の飽和温度が等しくなるので、上・下方向に均質な冷
却ができる。

〔実施例〕

以下、本発明の一実施例を第１図により説明する。主要
構成要素は冷却管１、冷却セル２、タンク３、下降管４
、上昇管５、絞り６、加熱器７、レベル設定器８、圧力
設定器９、流量調節弁１０゜１１、レベルセンサ１２、
圧力センサ１３、温度センサ１４、ポンプ１５、弁１６
ないし１８、リフオーマ１９、電池セル２Ｇ、導入管２
１、流入孔２２、排出孔２３、排出管２４等である。ま
た、装置系統は冷却流体の自然循環系１０１、加熱器１
０２、補給液系１０３、排気系１０４、熱源流体系１０
５、信号系１０６〜１１３等から構成される。

電池セル２０と冷却セル２とを多層に積層して燃料電池
本体を形成する。冷却管１は下降管４と上昇管５とを連
絡し、冷却セル２にはさまれ、水平に設置された部材で
あり、下降管４から冷却流体を導入し、電池セル２０を
冷却し、上昇管５へ冷却流体を排出するためのものであ
る。下降管４はタンク３の下部の流入孔２２から冷却流
体を液相の状態で導入し、各層の冷却管１へ分配するた
めの部材である。流入孔２２はタンク３の下部に設け、
常に液面より低位置にセットし九ので、不安定流動時に
下降管４へ気泡が流入するのを防止できるため、流れを
安定化へ導く効果がある。上昇管５は冷却管１とタンク
３とを連絡し、各層の冷却管１から排出された気液に相
状態の冷却流体を集合して、排出孔２３よりタンク３へ
排出するた゛めの部材である。排出孔２３はタンク３の
液面より高位置に設置したので、不安定流動時にタンク
３の液が上昇管５へ逆流するのを防ぐ効果がある。

自然循環は下降管４内の液相の冷却流体と上昇管５内の
気液二相の冷却流体との密度差によって生じるので、下
降管４への気泡の流入、あるいは、上昇管５への液の逆
流がおこると、両者の密度差が無くなり、自然循環しな
くなったり、不安定流動あるいは逆流が生じたりする。

本発明では、流入孔２２を液中に、排出孔２３を液面の
上に設置したので、逆流、あるいは、不安定流動を防止
でき、安定した自然循環が得られる効果がある。

タンク３はレベルセンサ１２及び圧力センサ１３を備え
、上昇管５の排出孔２３から排出される二相流の気液分
離を行ない、蒸気を排気系１０４゜を経て、リフオーマ
１９へ送り、液を流入孔２２より下降管４へ送り、冷却
流体を補給液系１０３より導入するための部材である。

導入管２１は下降管４と冷却管１とを連絡する管であり
、冷却管１へ上り勾配で流入させたので、冷却管１内の
蒸気泡が下降管４へ逆流するのを防止する効果がある。

排出管２４は冷却管１と上昇管５とを連絡し、冷却管１
内で発生した蒸気泡を上昇管５ヘスムーズ忙排出するた
めの管であり、上昇管５へ向けて上υ勾配にしたので、
蒸気泡が容易に排出される効果がある。

このように、冷却流体の流れ方向に対し、導入管２１及
び排出管２４を上り勾配としたので、冷却管１へのスム
ーズな液の流入、及び、二相流の排出ができる効果があ
る。絞り６は冷却管１と下降管４の間に設置した部材で
あり、冷却管１に流入する冷却流体の液相流と冷却管内
の二相流との流動抵抗の差を小さくするので、流量変動
を防止する効果がある。また、本発明では各層の絞りの
抵抗係数を第２図のように、水頭の一次式として与えた
ので、冷却管１内の圧力、即ち、飽和温度を上・下方向
で等しくできる効果がある。本実施例では、絞り６に弁
を用いたが、オリフィス等の他の絞りを用いてもよい。

加熱器７は運転停止時、あるいは、起動時に電池セル２
０を加熱して電解液の凝固を防止するための部材である
。その場合、弁１６１ｆｔ：閉じて自然循環系１０１を
閉じ、ポンプ１５ｔ−運転し、弁１７ｆＩｒ：開き、加
熱器１０２へ冷却流体を導入し、弁１８を開き熱源流体
系１０５を加熱器７へ導入する。

レベル設定器８はレベルセンサ１２からのレベル位ｆ１
．を信号系１１１より受信し、設定レベルと比較して、
信号系１１４により弁開度を流量調節弁１０へ送信する
。

圧力設定器９は圧力センサ１３からタンク３内の圧力を
信号系１１２より受信し、また、電池セル２０内の温度
センサから温度を信号系１０６より受信してタンク３内
の圧力を設定し、タンク内の測定圧力と設定圧力とを比
較し、信号系１１３により、弁開度を流量調節弁１１へ
送信する。電力負荷が増加して電池セル２０の発熱量が
増加した場合は、電池セル２０の温度が上昇するので、
第３図のようにタンク３内の設定圧力を下げ、冷却流体
温度を低下させた。逆に、発熱量が低下した場合は、タ
ンク内の設定圧力を上げ、冷却流体温度を高くした。冷
却流体温度が高くなれば、電池セル２０と冷却流体との
温度差が小さくなって冷却量が減少し、逆に、冷却流体
温度が低くなれば、電池セル２０と冷却流体との温度差
が犬きくなって冷却量が増大することになる。従って、
本実施例によれば、タンク３内の設定圧力を調節して、
冷却流体温度を変え、電池セル２０の温度を一定に保つ
効果がある。

また、本圧力設定器は電池セル２０の温度が下限値以下
ならば、信号系１１３により流量調節弁１０が閉じ、信
号系１１０により弁１６が閉じ、信号系１０９によりポ
ンプ動作、信号系１０８により弁１７が開き、信号系１
０７により弁１８が開く信号を送る機能をもつつ 流量調節弁１１は圧力設定器９の設定圧力を信号系１１
３により受信し、タンク３内が設定圧力になるように排
気系１０４の流量を調節するための部材である。

流量調節弁１２はレベル設定器８の電気信号を信号系１
１４により受け、弁開度を調節する。

本実施例によれば、冷却流体を下降管４より各層の冷却
管に分配流入させ、熱交換後、集合させて上昇管５へ排
出し、タンク３で気液分離するので、集中して気液分離
、熱交換、冷却流体の輸送等を行なうことができ、機器
をコンパクトにする効果がある。

また、各層の冷却管から排出された気液二相流を上昇管
へ流入させ九ので、下層部の冷却管から排出された気泡
が、上昇管の上部を溝にするため、上層部の冷却管の循
環を促進し、タンクの高さを低くできる。

さらに、自然循環流れの逆流あるいは不安定流動を防止
する効果がある。

冷却管への流入部に水頭の一次式で表わせる抵抗係数を
もつ絞りを設置したので、各層における冷却流体の飽和
温度を一定にすることができ、多層の電池セルを上・下
方向に均一に冷却する効果がある。

電池セルに温度センサを設け、タンクに圧力センサ、圧
力設定器を設け、電池セルの発熱量に合わせてタンクの
圧力を制御したので、電池セルの温度を一定にする効果
がある。

第４図は本発明の冷却管１及び冷却セル２の部分の詳細
図である。冷却流体を下降管４より絞り６を経て分配管
２５へ導入し、上り勾配の導入管２１より各冷却管１へ
流入させ、−回または複数回Ｕターンさせて熱交換後、
上り勾配の排出管２４より集合管２６へ、さらに、上昇
管５へ排出した。本実施例によれば、同一層内の複数の
冷却管１を分配管２５、集合管２６で下降管４、上昇管
５と接続したので、下降管４及び上昇管５ｔ−各々一本
づつにでき、配管数を低減する効果がある。

第５図は本発明の他の実施例である。熱交換後の冷却管
１より排出された冷却流体の温度を温度センサ２８によ
り検出し、流量設定器２７により流量調節弁２９の開度
を設定し、排出された冷却流体温度を一定にした点が、
第４図に示した実施例と異なり、本実施例では、各層の
冷却流体の温度を確実に一定に制御できるので、均質に
冷却する効果がある。

第６図は本発明の他の実施例であり、上昇管５の下部に
加熱器３０を設けた点が第１図の実施例と界なり、起動
時、あるいは、停止時に弁３１を開いて冷却流体を加熱
して、自然循環させることができるので、停止時にもポ
ンプ動力を不要にする効果がある。

第７図は本発明の他の実施例であり、冷却管１を高さ方
向に接続させ、加熱器３２を冷却管１の下部に設置し次
点が第１図及び第６図の実施例と異なり、本実施例では
、運転停止時に、加熱器３２で加熱した気液二相流を冷
却管１内に流入させることができるので、加熱効率を向
上させる効果がある。

〔発明の効果〕

本発明によれば、自然循環流の流量変動を小さくできる
ので、各層の冷却管内の流れを安定にし、多層の冷却セ
ルを均質に冷却することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例の系統図、第２図は各層の冷
却管流入部に設置した絞りの抵抗係数と水頭の特性図、
第３図は電池セルの温度とタンク内の設定圧力の特性図
、第４図は第１図の冷却管部分の斜視図、第５図は第４
図の他の実施例の斜視図、第６図、第７図は第１図の他
の実施例の系統図である。 １・・・冷却管っ 第１　口 菓２図 水頭　（Ｔｎ） も３０ 電電温度（°０） 某庁図 篤５図 も６　口 ｑ

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、電池セルと冷却管をはさんだ冷却セルとを積層した
   燃料電池において、 上部にタンク、前記タンクと各層の前記冷却管とを連絡
   する下降管、前記冷却管と前記タンクを連絡する上昇管
   を設けたことを特徴とする燃料電池の熱交換装置。 ２、特許請求の範囲第１項において、前記タンクに冷却
   流体を内蔵させ、液を前記下降管より前記冷却管へ分配
   流入させ、前記冷却管から排出された冷却流体を前記上
   昇管に排出集合させ、これを前記上昇管より前記タンク
   に導入し、前記タンクで気液分離し、液を再び前記下降
   管へ送る自然循環系統、蒸気をリフォーマへ送る排気系
   統、補給液を流入させる補給液系統を設けたことを特徴
   とする燃料電池の熱交換装置。 ３、特許請求の範囲第１項の前記冷却管と前記下降管と
   の間に絞りを設けたことを特徴とする燃料電池の熱交換
   装置。 ４、特許請求の範囲第３項における各層の絞りの抵抗係
   数を水頭の一次式で与えたことを特徴とする燃料電池の
   熱交換装置。 ５、特許請求の範囲第１項において、前記下降管と前記
   冷却管の間に流れ方向に対して上り勾配の導入管、前記
   冷却管と前記上昇管の間に上り勾配の排出管を設けたこ
   とを特徴とする燃料電池の燃交換装置。 ６、特許請求の範囲第１項または第２項において、前記
   タンクの下部の液面下に前記下降管との接続孔を設け、
   前記タンクの上部の液面より上位に前記上昇管との接続
   孔を設けたことを特徴とする燃料電池の熱交換装置。 ７、特許請求の範囲第１項において、前記電池セル内に
   温度センサ、前記タンクに圧力センサ、温度の増減によ
   り設定圧力を変える圧力設定器、前記タンクの排気系統
   に流量調節弁、前記温度センサから前記圧力設定器に温
   度を送信する信号系統、前記圧力センサから前記圧力設
   定器に圧力を送信する信号系統、前記圧力設定器から前
   記流量調節弁に弁開度を送信する信号系統を設けたこと
   を特徴とする燃料電池の熱交換装置。 ８、特許請求の範囲第１項または第２項における前記タ
   ンクにレベルセンサ及びレベル設定器、前記補給液系統
   に流量調節弁、前記レベルセンサから設定器へ送信する
   信号系統、前記レベル設定器から前記流量調節弁へ開度
   を送信する信号系統を設けたことを特徴とする燃料電池
   の熱交換装置。 ９、特許請求の範囲第１項における前記冷却管と前記下
   降管とを連絡する管に流量調節弁、前記冷却管と前記上
   昇管との連絡管に温度センサ、温度変化により流量を設
   定する流量設定器を設け、前記温度センサから前記流量
   設定器へ温度を送信する信号系統、前記流量設定器から
   前記流量調節弁へ弁開度を送信する信号系統を設けたこ
   とを特徴とする燃料電池の熱交換装置。 １０、特許請求の範囲第１項における前記上昇管の下部
   に加熱器を設けたことを特徴とする燃料電池の熱交換装
   置。