JPS62223983A - 燃料電池 - 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、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ｆ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！Ｌ＋　Ｉ／セフ　ｍ　今　拍　プ　Ｓ　４し
　礒（と　ｎ）＋す　を訃　　　η１−レ　嬉　Ｈ→Δ
へ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一燃料電池の熱交換器にヒートパ
イプ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５７−１
８００８０号公報に示されている。

それらの−例の構成を第７図に示す０図において、（ｌ
ａ）、（ｌｂ）はそれぞれ燃料電池の冷却板上板１冷却
板下板であり、冷却板下板（１ｂ）の冷却板上板（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）　、　（８ｃ）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
された燃料電池で発生した熱は、上下から冷却板上板（
ｌａ）　ｓ冷却板下板（１ｂ）に伝えられ、さらにこの
中の冷却管（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１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（８ｂ）、（
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。電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１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）、（８ａ）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
（ｌｂ）に熱を与え燃料電池を加熱する・そこで冷却さ
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。

〔発明が解決しようとする問題点〕

ところで１燃料電池の冷却板は、燃料電池の効果的な冷
却１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。しかるに上述した従来の装置では、冷却板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、燃料電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
いう問題点があった。また仮に配置できたとしても、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
たもので、コンパクトでシンプルで且つ安価な燃料電池
の温度調節装置を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接続配管を、ヘッ
ダ管を介してマニホールド管でつなぎ、このマニホール
ド管の上部に放熱器を、また下部に加熱器を配置して、
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、温度
調節系の熱媒体の液面を調節する液面調節機構を設けた
ものである。

〔作用〕

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第１図９第２図１第８図に
基いて説明する。第２図は、多数の冷却板（６）をはさ
む燃料電池（ロ）と温度調節系（６）との組合せを概念
的に示したもので、第１図は冷却板（６）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
る複数の接続配管（８）に接続される。

接続配管（８）は、冷却管（７）と同じ高さの位置にあ
るヘッダ管（９）と水平につながれ、ヘッダ管（９）は
上下につながるマニホールド管ＱＯに接続される。第２
図において、（６）、　（７）、（ｓｌ　、（９）　、
α０は第１図と同じものを多少概念的に描いている。

ヘッダ管（９）は１枚の冷却板に対し１組配置され１燃
料電池αυの積層方向に冷却板の数だけ配置されるが、
マニホールド管ＱＧはこれらを垂直方向に連通させるも
のである。（至）は胴体（２）とチューブα４より構成
され、燃料電池αη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。放熱器（至）のチューブα→
は水平から傾斜させて配置してあり、チューブ（ロ）の
低い側の一端がマニホールド管ａＯの上部に接続される
。また％　Ｑｌは胴体（ト）とチューブ曲より構成され
、燃料電池αυの最下部の冷却板（６）より低位に配置
された加熱器であり、同様に加熱器Ｑ６のチューブＱη
は水平から傾斜させて配置してあり、チューブ０ηの高
い側の一端がマニホールド管ＱＯの下部に接続される。

この様にして、冷却管（７）、接続配管（８）、ヘッダ
管（９）　、マニホールド’ＩＦ　ＱＯ、放熱器（至）
のチューブａ４、加熱器ＱＣ３のチューブαηは１つの
閉ループの温度調節系（至）を構成する。温度調節系（
２）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。ａＩは燃料電池ａηの冷却動作時
に維持すべき熱媒体の第１の液面であり、燃料電池αη
の最上部の冷却板の高さ以上で且つ放熱器（至）のチュ
ーブαくの高さ以下の範囲に設定される。（イ）は、燃
料電池αηの加熱動作時に維持すべき熱媒体の第２の液
面であり、燃料電池０１）の最下部の冷却板の高さ以下
で且つ加熱器α・のチューブαηの高さ以上の範囲に設
定される。（財）は、燃料電池αηの冷却、加熱に応じ
て熱媒体の液面を調節するための液面調節機構であり、
導入管（２）を経由して熱媒体は液面調節機構（２）に
チャージ、あるいは液面調節機構３υより放出される。

第８図は液面調節機構（財）の機構の１例を示したもの
で、液面調節機構Ｑすは、チャンバに）、ベローズに）
、アクチュエータ（財）、スピンドル（至）より構成さ
れベローズ働の内部に熱媒体が収容されている。

次いで、第１図、第２図、第８図の実施例の動作につい
て説明する。まず、燃料電池ａηの冷却時の動作を述べ
る。燃料電池ａηの冷却動作時は、液面調節機構Ｑυの
操作により、温度調節系（イ）の熱媒体の液面を第１の
液面０１１に設定しておく。この状態で、積層された燃
料電池αηで発生した熱は冷却板（６）に伝えられ、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Ｍ発さ
せる。蒸発＃熱を奪った熱媒体の蒸気は、浮力により接
続配管（８）に導かれ、ヘッダ管（９）を経由してマニ
ホールド管ＱＧに導かれる。

冷却板毎に配置された多数のヘッダ管（９）から出てき
た蒸気は、１本のマニホールド管α０に集合され、さら
に浮力によって蒸気はマニホールド管α０内を上昇して
第１の液面Ｑｌに到達する。そこから蒸気はマニホール
ド管ａＯ内をさらに上昇し、放熱器（２）のチューブα
尋に到達する。放熱器（至）の胴体α０には冷却水を通
水しており、この冷却水との熱交換によれチューブ八６
内／７−Ｉ余Ｑけ旦噛霞／ｌ−ナスー＋−−７’Ｑ４内
の凝縮液は自重によってマニホールド管α０に戻り、さ
らに凝縮液はマニホールド管Ｑ（Ｉ内を落下して第１の
液面α呻に至り、そこから液はマニホールド管α０１ヘ
ッダ管（９）、接続配管（８］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０次いで燃料電池αηの加熱時の動作を述べる。燃料
電池（ロ）の加熱動作時は、液面調節機構に）の操作に
より、温度調節系（２）の熱媒体の液面を第２の液面−
に設定しておく、また、放熱器０への冷却水の通水は停
止し、加熱器α・の胴体（財）には、スチームまたは温
水などの加熱媒体を流す、加熱器α・のチューブ（財）
内の熱媒体は、胴体ＣＪｓ側の加熱媒体より熱を与えら
れて、チューブα力内で蒸発する。ここで発生した熱媒
体の蒸気は、浮力によりマニホールド管（１０に至り、
さらに蒸気はマニホールド管００内を浮力で上昇し、第
２の液面（ホ）に到達する。そこから蒸気はマニホール
ド管０〔内をさらに上昇し、ヘッダ（９）、接続配管（
８）を経由して冷却管（７）に至る。ここで燃料電池的
の冷却板（６）は蒸気より熱を与えられて加熱され、一
方冷却管（７）の中の蒸気は熱を奪われることによって
凝縮液化する。凝縮液は自重によって冷却管（７）から
接続配管（８）、ヘッダ管（９）を経てマニホールド管
ｏＯに至り、さらに凝縮液はマニホールド管００内を落
下して第２の液面（ホ）に至り、そこから液は、マニホ
ールド管αＯを経由して、加熱器α０のチューブＱ７）
に戻る０以上の様にして、ヒートパイプ動作を利用した
燃料電池αηの温度調節系（２）が構成される。

ここで、燃料電池０υの冷却時と加熱時で熱媒体の液面
を変えるときの液面調節機構に）の操作を述べる。第８
図において、アクチュエータ（ハ）は電動モータあるい
は空気圧などを駆動力としてスピンドル（ハ）を動かす
もので、アクチュエータ（財）の動作によりスピンド／
Ｉ／＠、ベローズ（至）が上下し、液面調節機構６！心
の中のベローズ（至）内の熱媒体が導入管四を介して出
入りする。燃料電池αυの冷却時には、このベローズ（
至）を押し上げて、温度調節系（２）の液面を第１の液
面０１まで上昇させ、一方燃料電池の１５．１熱時には
、ベローズ（ハ）を押し下げて、温度調節系（財）の液
面を第２の液面勾まで降下させる。

なお、上記燃料電池ａυの加熱動作時に、加熱器Ｑｔう
のチューブαηで発生した熱媒体の蒸気の一部はマニホ
ールド管００を経由して放熱器Ｑ３のチューブα荀に至
り、放熱器（至）の加熱に費やされるが、放熱器（至）
の熱容量は燃料電池αυの熱容量まに比し僅かであり、
放熱器（２）はすぐに加熱されてしまうので、実質的に
は問題にならない。ただし、少しでも早く燃料電池Ｏυ
を加熱したいときには、同時に放熱器０３にも胴体ＯＧ
にスチームが温水を流してやるのが望ましい。

以上１燃料電池０ηの冷却、加熱の動作を述べたが、こ
の方式は一燃料電池０１）の積層方向に多数配置された
冷却板（６）の冷却管（７）を１本のマニホールド管０
０に接続させることで、放熱器に）及び加熱器αＱの共
通化を可能としたもので、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１上記実施例ではそれぞれの冷却管（７）と同じ高
さの位置に１本のヘッダ管（９）を設け、冷却管（７）
とこのヘッダ管（９）を接続配管（８）によって水平に
つなぎ、ヘッダ管（９）を１本のマニホールド管０１ｍ
に接続したものを示したが冷却管（７）に対し高い位置
と低い位置に１本ずつのヘッダ管を設け、冷却管（７）
を２本の接続配管によってそれぞれのヘッダ管に分岐さ
せて接続し、この２本のヘッダ管を１本の共通のマニホ
ールド管ＱＯに接続する様に構成してもよく亀この場合
の実施例を第４図および第５図に示す。図において、（
８ａ）は冷却管（７）よりも高位にあるヘッダ管（９ａ
）につながれた接続配管、（ｓｂ）は冷却管（７）より
も低位にあるヘッダ管（９ｂ）につながれた接続配管で
ある。この場合、若干構造は複雑となるが１燃料電池０
ηの冷却時には、接続配管（８ａ）の勾配により、冷却
管（７）内で発生した蒸気が浮力により冷却管（７）か
らヘッダ管（９ａ）に向はスムーズに流れ同時にマニホ
ールド管ａｏからヘッダ管（９ａ）へ戻ってくる凝縮液
が自重によりヘッダ管（９ａ）から冷却管（７）に向は
スムーズに流れるという利点があり箋また同様に、燃料
電池αηの加熱時には、接続配管（８ｂ）の勾配により
、加熱器αＱのチューブα力内で発生した蒸気が浮力に
よりマニホールド管αＯを上昇し、ヘッダ管（９ｂ）か
ら冷却管（７）に向はスムーズに流れ、同時に冷却管（
７）内で熱を奪われ凝縮液化した熱媒体が、自重により
冷却管（７）からヘッダ管（９ｂ）に向はスムーズに流
れるという利点がある。これらはいずれも熱輸送能力を
向上させる効果がある。

また、上記実施例では、１本の冷却管（７）に対し、上
下勾配を持つ２本の接続配管（ｓａ）、（８ｂ）をつな
いだ例を示したが、冷却管（７）１本おきにそれぞれの
接続配管（８ａ）、（８ｂ）を交互に接続しても良く、
同じ効果を奏する。この実施例を第６図に示す。

また、上記実施例では、２本のヘッダ管（９ａ）。

（９ｂ）を冷却管（７）に対し水平に配置したが、さら
に蒸気の流れと液の流れをスムーズにするために、高い
位置のヘッダ管（９ａ）をマニホールド管αＧに向って
上勾配を持たせ、低い位置のヘッダ管（９ｂ）をマニホ
ールド管αＧに向って上勾配を持たせる様に配置しても
良い。

また、上記実施例では、１本のマニホールド管００で構
成される例を示したが、例えばヘッダ管（９）または（
９ａ）・（９ｂ）のそれぞれ両側に１本ずつマニホール
ド管を設けるなど複数本のマニホールド管を設置しても
良く、同じ効果を奏する。またマニホールド管の本故に
応じて複数の放熱器、複数の加熱器を配置しても良く、
さら【は冷却板（６）を燃料電池０υの積層方向に複数
のブロックに分け、各ブロック毎にマニホールド管と放
熱器と加熱器の組合せを配置しても良い〇 さらに、上記実施例においては、蒸気の流れと液の流れ
をスムーズにするために、放熱器（至）のチューブＱ４
及び加熱器ａ・のチューブαηにそれぞれ勾配を持たせ
たが、必ずしもこれらに勾配を持たせる必要はなく、い
ずれかかあるいは全て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、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。またこのチューブα◆、
αηの勾配をとるのに、放熱器（至）自体あるいは加熱
器αｅ自体を傾けても良く、さらには放熱器（至）、加
熱器（至）をチューブα４−αηが垂直方向を向く様に
配置しても良い。

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（至）、加熱器α・を配置した例を述べたが、放熱器
（至）、加熱器α・はどの様な形式でも良い。放熱器０
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αＯの加熱方法も
スチームや温水によるものに限らず、例えば電気ヒータ
を用いても良い。

なお、液面調節機構Ｑυの構造は第８図のものに限定さ
れる訳ではなく、要するに、外部からの操作によって液
の貯え（チャージ）と放出ができる機構であれば良い。

また液面調節機構なｐの導入管翰の接続位置は、第２図
、第５図に示す位置に限定される臥ではなく、燃料電池
ａυの最下部の冷却板の高さ以下であれば、マニホール
ド管α＊、加熱器ＱｌのチューブＱηのいずれに接続し
ても良い。

〔発明の効果〕

以上のように、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１本のマニホールド管
でつなぎ、このマニホールド管の上部に放熱器を、また
下部に加熱器を配置したのでコンパクトで、構造がシン
プルで且つ安価な燃料電池の温度調節装置を得ることが
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図はこの
発明に係る液面調節機構を示す詳細図、第４図、第６図
、および第６図はそれぞれこの発明の他の実施例による
燃料電池の温度調節装置を示す要部斜視図、系統図、お
よび要部斜視図、第７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、（８）
、お。 よび（８ａ）、（８ｂ）は接続配管、（９）、および（
９ａ）　、（９ｂ）はヘッダ管、αＯはマニホールド管
、ａｌｌは燃料電池、（２）は温度調節系、（至）は放
熱器、αｅは加熱器、（２）は液面調節機構である。 尚、図中同一符号は同一、又は相当部分を示す。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （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枚毎に配置されたヘッダ管と、このヘ
   ッダ管と前記冷却管とを接続する接続配管と、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、前記ヘッ
   ダ管と前記放熱器と前記加放器とを接続するマニホール
   ド管とによって密閉ループの温度調節系を構成し、この
   中に熱媒体を封入するとともに、前記燃料電池の前記最
   下部の冷却板の高さより低い位置で前記温度調節系に接
   続され前記温度調節系の熱媒体の液面を調節するための
   液面調節機構を備えたことを特徴とする燃料電池の温度
   調節装置。
2. （２）液面調節機構は燃料電池の冷却動作時、熱媒体を
   燃料電池の最上部の冷却板の高さ以上で且つ放熱器の高
   さ以下の範囲で液面を維持するように動作し、燃料電池
   の加熱動作時、熱媒体を燃料電池の最下部の冷却板の高
   さ以下で且つ加熱器の高さ以上の範囲で液面を維持する
   ように動作するように構成したことを特徴とする特許請
   求の範囲第１項記載の燃料電池の温度調節装置。