JPS62223979A - 燃料電池の温度調節装置 - 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） この発明は熱媒体を循環させて燃料電池と外部との間の
熱輸送を行う燃料電池の温度調節装置に関するものであ
る。

【従来の技術〕

燃料電池は、停止状態から始動するときに１反応を促進
するために外部から加熱する必要があり。 また運転時には内部で発生した熱を定常的に外部に取り
出す必要がある。従来、このための手段として、燃料電
池の積層方向に適当なピッチで配置された冷却板内の冷
却管に、外部循環ポンプから温水または冷却水を送り込
む通水熱交換方式が一般に採用されてきたが、この方式
は１通水管内の腐食問題を避けることができず、このた
めにきびしい水質管理を要求されるという欠点があった
。 これに代るものとして、燃料電池の熱交換器にヒ・−ド
パイブを用いる方式が考案されており、その先行技術の
一例が特開昭５７−１８００７９号公報、特開昭５７−
１８００８０号公報・に示されている。 それらの−例の構成を第５図に示す。図において、　　
（ｌａ）、（ｌｂ）はそれぞれ燃料電池の冷却板と板。 冷却板下板であり、冷却板下板（ｌｂ）の冷却板土板（
１ａ〕に対向する側の面に冷却管（２）が設置されてい
る。（４）は冷却管（２）の位置よりも高所に設けられ
た放熱器、（５）は冷却管（２）の位置よりも低いとこ
ろに設けられた加熱器であり、これらの冷却管（２）、
放熱器（４）、加熱器（５）は、接続配管（８ａ）、（
８ｂ）、（ａｃ）により、互いに接続されて１つの密閉
ループを形成する。この内部は、真空に排気された後に
、水またはフロンなどの熱媒体が封入されている。 この様な従来構成のものの動作について説明する。積層
されＴこ燃料電池で発生した熱は、上下から冷却板上板
（ｌａ）　、冷却板下板（ｌｂ）に伝えられ。 さらにこの中の冷却！　（２）に伝えられる。この熱は
冷却管（２）内に封入されている熱媒体を蒸発させ、こ
の蒸気は冷却管（２）より高所に配置されている放熱器
（４）へ、接続配管（８ａ）、（８ｂ）を経由して導か
れる。放熱器（４）において、外部への放熱が行われ、
蒸気は凝縮液化する。凝縮液は自重によって、接続配管
（ｌｌｂ）、（８ａ）を通って冷却管（２）に戻る。次
に起動時の加熱方法を説明する。１！気ヒータ等の加熱
手段により、加熱器（５）内で加熱され密度が小さくな
った熱媒体は、冷却管（２）内の熱媒体との密度差に基
く浮力によって、接続配管（８ｃ）、（３ａ）を通って
上昇して、冷却管（２）内に流入し、冷却板上板（ｌａ
）、冷却板下板（１ｂ）に熱を与え燃料ｆｓｔ池を加熱
する。ここで冷却され、密度が大きくなった熱媒体は自
重によって再び加熱器（５）まで戻る。かくして動力を
用いることなく、密閉ループで熱媒体を循環させて熱輸
送を行うことを可能としている。 Ｌ発明が解決しようとする問題点コ ところで、燃料電池の冷却板（６）は、燃料電池の効果
的な冷却、加熱のために、積層方向に適当なピッチで多
数配置される。しかるに上記先行発明の装置では、冷却
板（６）１組に対して放熱器（４）、加熱器（５）が１
組配置され、この組合せが高さ方向に大きなスペースを
占有するために、燃料１に池の限られた積層高さの寸法
内に、この放熱器（４）と加熱器（５）を配置すること
が困難であるという問題点があつ１こ。また仮に配置で
きｔことしても、多数の放熱器（４）と加熱器（５）を
構成する関係上、多大のスペースを要求すること、構造
が複雑になること、多大の製作コストがかかるなどの欠
点を有していた。 この発明は、上記の様な問題点を解消するためになされ
Ｔこもので、コンパクトでシンプルで且つ安価な燃料電
池の温度調節装置！！８提供することを目的とする。 〔問題点を解決するための手段） この発明に係る燃料電池の温度調節装置は、各々の冷却
板における冷却管の出入口を構成する第１、第２の接続
配管を、第１．第２のヘッダ管を介して共通の第１１第
２のマニホールド管でつなぎ、第１．第２のマニホール
ド管の一方を上部に配置した放熱器と、第１１第２のマ
ニホールド管のもう一方を下部に配置した加熱器と接続
して。 冷却管−接続配管−ヘッダ管−マニホールド管−放熱器
−加熱器で１つの閉ループの温度調節系を構成させると
ともに、この系の中に適当な量の熱媒体を封入し１こも
のである。 【作用フ この発明における燃料電池の温度調節装置は。 燃料電池の冷却動作時には、冷却管と上部の放熱器との
間で熱媒体の循環を行わせ、燃料電池の加熱動作時には
、冷却管と下部の加熱器との間で熱媒体の循環を行わせ
ることによって燃料電池の効果的な冷却、加熱を実現す
る。 〔実施例］ 以下、この発明の一実施例を＠１図、第２図１こ基づい
て説明する。第２図は、多数の冷却板（６）をはさむ燃
料電池Ｑｌ）と温度調節系（ロ）との組合せを概念的に
示したもので、第１図は冷却板（６）の周りの構造を示
したものである。第１図において、（７）は冷却板（６
）に設置された冷却管で、冷却管（７）は冷却板（６）
の中で複数の並行流を構成するように配列され、対応す
る複数の第１．第２の接続配管（８ａＬ（８ｂ〕に接続
される。第１（７）接続配管【８ａ】は冷却管（７）よ
りも高位にある第１のヘッダ管（９ａ〕につながれ、第
１のヘッダ管（９ａ）は上下につながる第１のマニホー
ルド管（１０ａ）に接続される。もう一方の第２の接続
配管（８ｂ月よ冷却ｗ（７）よりも低位Ｅこある第２の
ヘッダ管（９ｂ）につながれ、第２のヘッダ管（９ｂ）
は上下につながる第２のマニホールド管（１０ｂ）に接
続される。第２図において、　（６）　、　（７）　＊
　（８ａ）。 （８ｂ）　、　（９ａ）、（９ｂ）、（１０ａ）、（１
０ｂ）は第１図と同じものを多少概念的に描いている。 第１．第２のヘッダ管（９８）、（９ｂ）は１枚の冷却
板（６）に対し１組配置され、燃料電池ａυの積層方向
に冷却板の数だけ配置されるが、第１、第２のマニホー
ルド管（１０ａ）、（１０ｂ）は、これらを垂直方向に
連通させるもので、１対で構成される。口は胴体（ト）
とチューブＱ４より構成され、燃料電池ａυの最上部の
冷却板（６）より高位に配置された放熱器である、第１
のマニホールド管（１０ａ）の上部は、放熱器口のチュ
ーブα◆の一端の上部に接続され、一方の第２のマニホ
ールド管（１０ｂ）の上部は、放熱器Ｑのチューブａ◆
のもう一方の端の下部ｌζ接続される。また、（ＩＩは
胴体（７）とチューブ（１７）より構成され。 燃料電池側の最下部冷却板より低位に配置された加熱器
であり、第１のマニホールド管（１０ａ）の下部が加熱
器Ｏ・のチューブ曹の一端のと部に接続され、一方の第
２のマニホールド管（１０ｂ）の下部が加熱器ａＩのチ
ューブＯηのもう一方の端の下部に接続される。仁の様
にして、冷却管（７）、第１．第２の接続配管（８ａ）
、（８ｂ）　、第１、第２のヘッダ管（９ａ）、（９ｂ
）　、第１．第２のマニホールド管（１０ａ）。 （１０ｂ）　、放熱器□□□のチューブα４％加熱器α
ＱのチューブＯηは１つの閉ループの温度調節系四を構
成する。温度調節系（ロ）には、内部を真空に排気した
あと、水、フロンなどの熱媒体を封入する。ａ９は封入
した熱媒体の液面であり、燃料電池ａυの最上部の冷却
板（６）の高さ以上で且つ放熱器韓のチューブａ４の高
さ以下の範囲に設定される。 次いで、第１図、第２図の実施例の動作について説明す
る。まず、燃料電池側の冷却時の動作を述べる。積層さ
れた燃料電池側で発生した熱は冷却板（６）ｌζ伝えら
れ、さらにその熱は冷却板（６）内の冷却管（７）に伝
えられ、この熱は冷却管（７）内に満ちている熱媒体を
蒸発させる。蒸発潜熱を奪った熱媒体の蒸気は、浮力に
より上勾配をもった第１の接続配管（８ａ）に導かれ、
第１のヘッダ管

【９ａ】を経由して第１のマニホールド
管（１０ａ）に導かれる。 冷却板毎に配置された多数の第１のヘッダ管（９ａ）か
ら出てきた蒸気は、１本の第１のマニホールド管（１０
ａ）に集合され、さらに浮力によって蒸気は第１のマニ
ホールド管（１０ａ）内を上昇して液面−１ζ到達する
。そこから蒸気は第１のマニホールド管（１０ａ　）内
をさらに上昇し、放熱器口のチューブＱ４１ζ到達する
。放熱器０の胴体μｓには冷却水を通水しており、この
冷却水との熱交換によりチューブ０４内の蒸気は凝縮液
化する。チューブ０４内の凝縮液は自重によって第２の
マニホールド管（１０ｂ）に至り、さらに凝縮液は第２
のマニホールド管（１０ｂ）内を落下して液面Ｑ９に至
り、そこから液は第２のマニホールド管（１０ｂ）　、
第２のヘッダ管（９ｂ）、第２の接続配管（８ｂ）を経
由して冷却管（７）に戻る。かくして相変化を伴う潜熱
の吸収、放出を利用した。いわゆるヒートパイプとして
の冷却系が構成される。次いで燃料電池側の加熱時の動
作を述べる。燃料電池ａ時の加熱動作時は、放熱器時へ
の冷却水の通水は停止し、加熱器ＵＳの胴体（ト）には
スチームまたは温水などの加熱媒体を流す。加−熱器（
ｌのチューブαη内の熱媒体は胴体（至）側の加熱媒体
より熱を与えられて温度が上昇する。温度上昇により密
度が小さくなった熱媒体は、冷却管（７）内の熱媒体と
の密度差に基く浮力によって、第１のマニホールド管（
１０ａ）内を上昇し、第１のヘッダ１ｆ（９ａ）、第１
の接続配管（８ａ〕を経由して冷却管（７）に至る。そ
こで熱媒体は冷却板（６）に熱を与えて燃料電池側を加
熱する。−万態を奪われ密度が大きくなった熱媒体は自
重によって、冷却管（７）、第２の接続配管（８ｂ）、
第２のヘッダ管（９ｂ］、第２のマニホールド管（１０
ｂ）を降下して再び加熱器ＱｌのチューブＱηに戻る。 この様にして、密閉ループ内での密度差を利用した熱媒
体の循環による。燃料電池συの加熱系が構成される。 以上、燃料電池Ｑｌ）の冷却、加熱の動作を述べたが、
この方式は、燃料電池Ｑυの積層方向に多数配置された
冷却板（６）の冷却管（７）を１対の第１．第２のマニ
ホールド管（１０ａ）、（１０ｂ）に接続させることで
、放熱器（至）及び加熱器Ｕｔｔの共通化を可能とじた
もので・、従来技術で冷却板１枚に対し１組の放熱器、
加熱器を要した構成に比べ、大幅なコンパクト化を図る
ことができる。 なお、上記実施例では、冷却管（７）の構成として１往
復流れの場合を示したが、特にこの構成に限定するもの
ではなく、２以上の往復数の流れであっても良く、また
片道流れの構成でも良く同じ効果を奏する。片道流れ構
成の場合の実施例を第３図、第４図に示す。第８図、第
４図において、（６）〜α嗜は第１図、第２図と同じも
のを示す。第８図、Ｗｉ４図は冷却！（７）の流れの構
成が異なるのみで、温度調節系（２）の構成、伝熱の機
構などは＠１図、第２図の実施例と全く同一である。な
お、第３図。 第４図の構成において、冷却板（６）内の冷却管（１）
は。 接続配管（８ｂ〕側から接続配管（８ａ）側に向けて上
向きの勾配を持つように配置しても良い。 また上記第１図〜第４図の実施例において、放熱器口の
チューブσ４及′び加熱器αＱのチューブαηは。 図示のように水平配置でも良いが、凝縮液の還流あるい
は液の循環をスムーズにするために、いずれも第１のマ
ニホールド（ＸＯａ）との接続位置から第２のマニホー
ルド（ＩＱｂ）との接続位置にかけて下向きの勾配をも
たせて配置しても良く、さらには放熱器□□□のチュー
ブα４あるいは加熱器ＱＱのチューブＱ７）が垂直方向
を向（様に配置し、チューブσ４あるいはチューブαη
の上端、下端をそれぞれ第１、第２のマニホールド管（
１０ａ）、（１０ｂ）に接続する様に構成しても良い。 なお上記実施例では、シェルアンドチューブ方式の放熱
器−、加熱器σＱを配置した例を述べたが、放熱器口、
加熱器Ｑｌはどの様な形式でも良い。放熱器−の冷却媒
体は水に限定される訳ではなく例えばフィン付きの風冷
方式でも良く、一方加熱器Ｑｔｉの加熱方法もスチーム
や温水によるものに限らず１例えば電気ヒータを用いて
も良い。また上記実施例においては、蒸気の流れ、液の
流れをスムーズにするために第１の接続間＠（８ａ）と
第２の接続配管（８ｂ〕に勾配をも１ごせたが、必ずし
も両者Ｇこ勾配を持たせる必要はなく。 どちらか一方を水平に配置しても良く、さらに両者を水
平に配置しても良く、所期の目的を達成する。この場合
は、構造がさらにシンプルになり製作容易という利点が
ある。 また上記実施例では、燃料電池１基に対し１組の放熱器
口、加熱器Ｍを配置した例を述べたが。 冷却板（６）を積層方向に複数のブロックに分け・各ブ
ロック毎に１対のマニホールド管と１組の放熱器、加熱
器を配置しても良く、また１対のマニホールド管に対し
複数組の放熱器、加熱器を配置しても良い。 【発明の効果フ 以上のよう屹、この発明によれば、燃料電池の積層方向
に配置された複数の冷却管を共通の第１゜第２のマニホ
ールド管でつなぎ、第１．第２のマニホールド管の一方
を上部に配置した放熱器に、第１．第２のマニホールド
管のもう一方を下部に配置した加熱器に接続するように
構成したので、コンパクトで構成がシンプルで且つ安価
な燃料電池の温度調節装置を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図、第２図はこの発明の一実施例による燃料電池の
温度調節装置を示す要部斜視図、系統図。 第８図、第４図はこの発明の他の実施例昏こよる燃料電
池の温度調節装置を示す要部斜視図、系統図。 第５図は従来の燃料電池の温度調節装置を示す斜視図で
ある。 図において、（６）は冷却板、（７）は冷却管ｓ　（８
ａ）。 （８ｂ〕は第１、第２の接続配管、（９ａ）、（９ｂ）
は第１゜第２のヘッダ管、　（１０ａ）、（１０ｂ）は
第１．第２のマニホールド管、α旧よ燃料電池、（ロ）
は温度調節系。 Ｑは放熱器、　ａＳは加熱器である。 尚１図中、同一符号は同一、又は相当部分を示す。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 燃料電池の積層方向に配置された複数の冷却板の中で複
   数の並行流を構成するように配列された冷却管と、前記
   冷却板１枚毎に配置された第１のヘッダ管と第２のヘッ
   ダ管と、前記第１のヘッダ管と前記冷却管の一方の出口
   とを接続する第１の接続配管と、前記第２のヘッダ管と
   前記冷却管のもう一方の出口とを接続する第２の接続配
   管と、前記最上部の冷却板よりも高位に配置された放熱
   器と、前記最下部の冷却板よりも低位に配置された加熱
   器と、前記第１のヘッダ管と前記放熱器と前記加熱器と
   を接続する第１のマニホールド管と、前記第２のヘッダ
   管と前記放熱器と前記加熱器とを接続する第２のマニホ
   ールド管とによって、密閉ループの冷却系を構成し、こ
   の中に熱媒体を封入したことを特徴とする燃料電池の温
   度調節装置。