JPH0414471B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の屈する技術分野〕 本発明は単位電池を積層、とくに上下方向に積
層してなる電池積層体の積層方向の複数個所に分
布した冷却体を介装し、該冷却体内に冷却媒体を
並列的に通流させて電池積層体を冷却するように
した積層燃料電池の冷却方法に関する。

〔従来技術とその問題点〕

周知のように実用的な燃料電池は、多数個の単
位電池が積層された電池積層体として構成される
が、発電運転を行なうと各単位電池内で若干の熱
が発生するので、燃料電池を適正な運転温度で動
作させるために、かかる発生熱を取り除いてやる
必要がある。とくに多数個の単位電池を積層した
ものでは、積層体の中央部の温度が高くなりやす
いので、板状の冷却体を積層個所に分布させて介
装し、この冷却体内に冷却媒体を流すことによつ
て電池積層体を冷却することが必要になる。この
冷却体に流す冷却媒体としては空気や水など、気
体状のものでも液体状のものでもよいが、冷却能
力の点からは液状の媒体が望ましく、かつ発生熱
を顕熱の形で除去するよりは潜熱の形で除去する
ものの方が有利である。かかる潜熱を利用する冷
却媒体としても、電池の運転温度に適したものを
選ぶ必要があるが、最近の実用的な燃料電池の運
転温度が180度前後のものに対しては、水がコス
トの点からも蒸気圧の点からも有利である。

第１図はかかる考え方に基づく従来の燃料電池
の冷却方法を示すものである。図中１で示された
電池積層体は多数個の単位電池２と積層体中の要
所に介装された冷却体３とを積層した上、図示し
ない上下に配された締結手段により締め合わされ
てなる。各冷却体３にはそれぞれ複数個の冷却管
４が埋め込みまたは挿通されており、その内部に
冷却媒体５が矢印の方向に通流される。各冷却体
の入口部は共通の入口集合配管６に接続されてお
り、ポンプ８により付勢された冷却媒体５例えば
水がこの入口集合配管６を介して各冷却体３の冷
却管４に並列的に供給される。

冷却管４内の冷却媒体５は、冷却体３が単位電
池２から受けた熱により温度上昇し、その一部が
蒸発する沸騰状態に達する。図では純液相の冷却
媒体は５ａで示されており、冷却管４内で一部が
蒸気化して液相の一部に気相の蒸気泡を含むに至
つた冷却媒体が５ｂで示されている。かかる気液
混合状態の冷却媒体５ｂは、各冷却管４の出口に
共通に接続された出口集合配管７に入り、該出口
集合配管７を通つて気液分離器９に上方から入
り、この気液分離器９内で気相と液相に分離し、
液相の冷却媒体５ａは気液分離器９の下部９ａに
溜まり、気相の冷却媒体５ｃつまり冷却媒体の蒸
気は上方の配管中の制御弁１０を通つて冷却系の
外部に出る。気液分離器９の下部に溜まる冷却媒
体は前述のポンプ８により付勢されて再び電池積
層体１の冷却に用いられるが、電池積層体１中の
発生熱は主に気相の冷却媒体５ｃ中の潜熱となつ
ているので、前述の制御弁１０から出た冷却媒体
５ｃは、図示しない熱交換器により熱回収される
と同時に凝縮されて液相の冷却媒体５ａに戻り、
補給用の冷却媒体１２として気液分離器９の下部
６ａに注入される。

さて、このように構成された冷却系内の圧力
は、容易にわかるように気液分離器９の上部９ｂ
内の気相の冷却媒体５ｃのもつ圧力によつてほぼ
決まるので、この冷却系内の支配圧力を所定値に
保つように圧力制御器１１が設けられ、気液分離
器９の上部配管内の冷却媒体の圧力を検出してそ
の圧力が一定になるよう、例えば前述の制御弁１
０の開度を調節する。また、前述の気液二相混合
状態の冷却媒体５ｂの温度は冷却媒体の飽和蒸気
圧線図中の前記冷却系の系統圧力に対応する温度
になるから、前述の圧力制御器１１が保つ所定圧
力値はとりもなおさず電池積層体１の運転温度を
決めていることになる。

しかし、このようにして電池の運転温度が決定
されることは、電池積層体１内の各部分がすべて
同一温度で運転されることをなんら保証するもの
ではない。すなわち、第１図に示された電池積層
体１内の最上部の冷却体３と最下部の冷却体３と
の間の高低差ｈは、実用的な燃料電池において数
ｍにも達するので、かかる高低差ｈに気液混合状
態の冷却媒体５ｂの比重ρを乗算したρhg（ｇは
重力定数）だけの圧力差が最高部の冷却管４と最
底部冷却管４との間に発生し、かかる圧力差に相
当する温度差が両冷却管の間に、従つてその付近
の電池積層体内の部分間に生じるからである。か
かる原因に基づいて生じる電池積層体１内の運転
温度分布の上下の温度差は、前述のように電池の
積層高さが数ｍにもなり、冷却媒体として水を使
用し、運転温度を180度Ｃ前後に選んだ場合２〜
３度Ｃになつて、この値自体は大きくないように
も思えるが、燃料電池の効率がこの付近の運転温
度で１度Ｃあたり0.1％以上変化することを考え
ると、決して無視することができない量である。
以上説明のように従来の冷却方法とくに上述のよ
うな沸騰冷却を用いる方法は、冷却容量の点では
十分な能力をもつているが、積層数の大な燃料電
池の冷却に適用した場合は積層体内の温度分布を
十分に均一化できない欠点を有する。

〔発明の目的〕

本発明は従来の冷却方法をさらに改良して、積
層数の大な燃料電池に適用しても、積層体内の温
度分布を十分に均一化できる積層燃料電池の冷却
方法を得ることにある。

〔発明の要旨〕

上述の目的を達成するため、本発明においては
まず各冷却体内における冷却条件を従来よりさら
に進んだ沸騰冷却条件にする。冷却媒体が被冷却
体との境界面付近で局部沸騰するいわゆる沸騰冷
却域は、周知のように純液相状態で冷却媒体に熱
が伝達されるいわゆる対流伝達域よりも冷却面積
当たりの熱伝達が極めて高い利点があるが、本発
明においてはいわゆる核沸騰域中の気相分が比較
的高い領域での沸騰冷却条件を採用する。核沸騰
状態が進むと熱伝達率が上昇し、冷却媒体のほぼ
50％が気相になる状態では熱伝達率が最大に達す
るから、気相分の高い領域の沸騰冷却条件を彩用
することは熱伝達率の上からいつても有利であ
る。しかし、さらに沸騰冷却条件を進めて局部膜
沸騰ないし膜沸騰の条件を採用することは、熱伝
達率の上で必ずしも有利でないし、冷却体の沸騰
冷却条件を長期に亘つて安定に維持する上からも
あまり望ましくない。また、沸騰冷却条件は冷却
体への冷却媒体の入口部と出口部とでは当然異な
つてきて、入口部から出口部に向けて進むことに
なるが、本発明の冷却方法においては、出口部付
近で冷却媒体中の気相が支配的になり、従つて出
口部付近の冷却媒体中の圧力が気相により決定さ
れるように沸騰冷却条件を選ぶことが最低必要で
ある。このようにすることにより、気液混合状態
の冷却媒体の比重ρに比べて気相のみの比重ρの
値が格段に小さいために前述の積層電池の高低差
ｈにもとずく圧力差ρghの値、ひいては該圧力差
に相応する温度差の値は実用上、無視し得る程度
に小さくなる。

さらに本発明においては、前述のような沸騰冷
却条件で運転される各冷却体から流れ出る冷却媒
体を共通の冷却媒体の集合区画、例えば後述の集
合管に導き、該集合区画内の冷却媒体中の気相の
圧力が各冷却体内の冷却媒体に共通に掛かるよう
にする。すなわち前述のように、冷却体の出口付
近ですべに冷却媒体内では気相が支配的になつて
いるから、この状態を集合区画にまで導くことに
よつて、各冷却体内の冷却媒体の圧力は集合区画
内の一つの圧力に完全に統一され、各冷却体は同
一の冷却媒体の圧力条件下で、従つてその圧力に
相応する同一の温度条件下で運転されることが保
証される。このようにして、本発明の冷却方法に
おいては、燃料電池積層体を従来よりも格段に均
一化された温度分布下で運転することが可能にな
る。

〔発明の実施例〕

以下図面を参照しながら本発明の実施例を詳細
に説明する。なお以下の図面において第１図と同
じ部分には同じ符号が付されている。

第２図には本発明の冷却方法を実施するための
冷却系が一部断面図で示されている。この図で電
池積層体１はすべて縦断が示されており、単位電
池２と電池積層体１の適所に介装された板状の冷
却体３とのほかに、上下の締め付け板１３，１３
が示されており、電池積層体１は電池締付板１
３，１３の上下から図示しない締結手段により上
下方向に締め付けられている。電池積層体１はそ
の側面１ａ，１ｂの一方から反応ガスを供給し他
方からその反応ガスを排出するよう構成されてお
り、この反応ガスを通流させる反応ガス室を形成
するためのマニホールド蓋１４，１５がパツキン
１４ａ，１５ａを介して電池積層体１の側面１
ａ，１ｂにそれぞれ気密に取に付けられている。
冷却体３は第３図に外形が示されているように、
多数本の冷却管４ａを埋込みあるいはそれらによ
つて貫通されており、該冷却管の入口部および出
口部は共通のマニホールド管４ｂ，４ｃと接続さ
れている。

前述のマニホールド蓋１４の下面を貫通して冷
却媒体のための入口集合管６が反応ガスのマニホ
ールド室内に導入されており、前述の各冷却管４
ａへのマニホールド管４ｂに接続管６ａを介して
それぞれ接続されている。一方、他方のマニホー
ルド蓋１５の方にも、その上下面を貫通して出口
集合管１６がマニホールド室内に導入され、各冷
却管４ａからの出口集合管４ｃに接続管１６ａを
介してそれぞれ接続されている。該出口集合管１
６の上端は図では逆Ｕ字状の屈曲部として示され
た液切り部１７ａを備えた蒸気排出管１７ａと図
示のようにフランジ接続されており、その下端は
図の下方に示された冷却媒体溜め１８に接続され
ている。

以上のような冷却媒体系において、まず冷却媒
体溜め１８の下部に溜められた液相の冷却媒体５
ａがポンプ８によつて付勢され入口集合管６、接
続管６ａ；入口マニホールド管４ｂを通つて冷却
板３と熱的に密に結合された各冷却管４の図の左
方の入口部に供給される。このように冷却管４の
入口に供給された液相の冷却媒体は電池積層体１
の発生熱によつて直ちに加熱され、冷却体３、冷
却管４を冷却しながら前述のような核沸騰状況に
入り、入口から出口に流れるに従つて気相分が液
相分よりも優勢になり、出口付近に至つて気相分
が支配的な気液二相の混合状態になる。かかる気
相が支配的な状態の冷却媒体５ｄは出口マニホー
ルド管４ｃ、接続管１６ａを通つて出口集合管１
６の図で１６ｂで示された開口から該出口集合管
１６内に気液混合状態のままで入る。該開口１６
ｂは図示のように出口マニホールド管４ｃよりも
低い位置に開口されており、冷却媒体５ｄ内の液
相分が該出口マニホールド管４ｃまたは接続管１
６ａ内で停滞しないように考慮が払われている。

気液混合状態で出口集合管１６に入つた冷却媒
体５ｄは、そこで気相と液相とが分離し、内液相
は出口集合管１６の内壁面をつたつて、あるいは
液滴が滴下する形で下方に落ち、前述の冷却媒体
溜め１８に入る。一方気相分は出口集合管を上方
に向かつて進み前述の蒸気排出管１７に入るが、
この蒸気内に若干液相分が混入していても、液切
り部１７ａの所で分離されて出口集合管１６内に
返る。なお出口集合管１６は入口集合管６よりも
大径に構成されていて、冷却媒体の液相分が下方
に落ちる際にもこれによつてふさがれることがな
いようにされているので、出口集合管１６内の圧
力はその中の冷却媒体の気相分の圧力によつて決
定される。このように出口集合配管１６は各冷却
体３からの冷却媒体に対する集合区画として働
き、その中の冷却媒体の圧力を各冷却体３の冷却
管４ａのすくなくとも出口に共通に掛ける役目を
演じるとともに、冷却媒体の気液分離装置として
の役割りを果す。

蒸気排出管１７に入つた冷却媒体の蒸気５ｃ
は、第１図の場合と同様に圧力制御器２０によつ
て制御される制御弁１９を通つて排出され、図示
しない熱交器内で熱回収されると同時に凝縮され
て液相の冷却媒体５ａとなつて、冷却媒体溜め１
８の補給口１８ａに戻される。圧力制御器２０は
蒸気排出管１７内の圧力、従つて出口集合管１６
内の圧力を検出して、それを一定にするよう動作
することによつて、各冷却管４ａ内の圧力を、従
つて冷却体３の動作温度を決定する。一方、前述
のポンプ８も流量制御器２１の制御下で作動して
おり、ポンプ８が移送する冷却媒体の流量Ｑを冷
却管４ａ内の冷却媒体が適正な沸騰冷却状態にな
る流量QOに電動機制御される。この流量制御器
２１への流量設定値QOは、例えば燃料電池が出
力する電力値や電流値に関連して容易に決めるこ
とができる。

第４図はマニホールド蓋１５を横断した状態を
示すもので、接続管１６ａの詳細が示されてい
る。出口マニホールド管４ｃと出口集合管１６へ
の開口１６ｂとを結ぶこの接続管１６ａは可撓管
として構成されており、マニホールド蓋１５を電
池積層体の側面１ｂから取り外す場合に、接続管
接手１６ｃを外して出口集合管１６と一体となつ
たマニホールド蓋１５を切り離せるように考慮さ
れている。

第５図および第６図は本発明方法のそれぞれ異
なる実施例を適用した冷却系の系統図である。こ
れらの図では電池本体１は破線で囲まれた部分と
して略示されており、積層体としてなる該電池本
体１の要所には前例と同じく冷却体３とその冷却
管４とが介装されている。ガス供給系のマニホー
ルド蓋１４，１５は一点鎖線により略示されてい
る。第５図の実施例では、出口集合管１６は、各
冷却管４からの気相が支配的な気液二相混合状態
の冷却媒体を集めて、下方の気液分離装置として
の役割を兼ねた冷却媒体溜め２２に導くために設
けられており、第２図における蒸気排出管１７及
び液切り部１７ａを有しないが、第５図の実施例
では、出口集合管１６を入口集合管６より大径と
することにより、出口集合管１６内が液相でふさ
がれることのないようにすることができる。第５
図における蒸気排出管１７は冷却媒体溜め２２に
接続され、その管中に設けられた制御弁１９は、
冷却媒体溜め２２の上部の気相空間内の圧力を検
出してそれを一定にするように働く圧力制御器２
０によつて制御される。従つて、この実施例にお
いては冷却媒体の集合区画としての役割りは出口
集合管および冷却媒体溜め２２が果しており、そ
のガス相空間内の圧力によつて冷却管４従つて電
池本体１の動作温度が決定される。

一方この実施例における各冷却管４の入口部に
は絞り２３が設けられており、該絞り２３により
各冷却管４が所定の沸騰冷却条件で動作するに適
した即ち、冷却管４の出口付近の冷却媒体は、気
相が支配的となる条件を満たす流量の液体の冷却
媒体が該各冷却管に導入される。この場合ポンプ
８の制御は入口集合管６内の圧力を検出してこれ
を一定に調節する圧力制御器２４によつて制御さ
れ、これによつて常に一定の圧力の液相の冷却媒
体が前述の絞り２３に与えられる。

第６図の実施例では、冷却媒体の集合区画とし
ての役目はマニホールド蓋１５と一体に構成され
た気液分離装置２５が果しており、冷却管３の出
口からの気液混合状態の冷却媒体を受け入れ、蒸
気状態の冷却媒体を上方に排出し、液相の冷却媒
体をその下部に貯留させる。圧力制御器２０は、
この気液分離装置２５内の気相の圧力を一定に保
つよう、蒸気排出管１７に設けられた制御弁１９
を操作する。この図では排出蒸気中の潜熱を回収
する熱交換器２６が示されており、蒸気状態の冷
却媒体は、この熱交換器２６内で熱媒体２７に潜
熱を与えることにより、みずからは凝縮されて液
相の冷却媒体となり、移送ポンプあるいは昇圧ポ
ンプ２８により気液分離装置２５の下部の冷却媒
体貯留部に還流される。また、この実施例におい
てはポンプ８の吐出側に設けられた制御弁２９
は、前記の気液分離装置２５内の液相の冷却媒体
の液面２５ａを一定に制御する液面制御器３０に
よつて制御される。

〔発明の効果〕

本発明方法においては、上述のように電池積層
体内に介装された冷却体に並列に冷却媒体を通流
させて電池積層体内の温度分布を均一化させるに
際して、各冷却体内の冷却条件を該冷却体の出口
付近では気相が支配的になるような沸騰冷却条件
に保ちながら、該各冷却体からの気液混合状態の
冷却媒体を共通の集合区画内に集め、該集合区画
内の気相の圧力が各冷却体内の冷却媒体に共通に
掛かるように構成したので、各冷却体の動作温度
は集合区画の気相部の圧力により一義的に共通に
決まることになり、従来方法におけるような冷却
体の介装位置によつて動作温度が変わる欠点は実
用上、無視し得る程度に解消される。この効果
は、熱料電池発電装置が大容量化して、一つの電
池積層体内の単位電池の積層数が大きくなつても
なんら変わらずに従来方法により有利になる。即
ち、冷却体出口付近では、比重が小さい気相が支
配的であるため、積層電池の高低差にもとずく圧
力差ひいては温度差が僅小であつて、積層数の影
響をほとんど受けず、従来方法より有利になる。
燃料電池は本発明方法によつて各部の温度が均一
化された理想的な温度下で運転されるので、総合
効率の上昇がはかれるほか、局部的な温度上昇に
よつて劣化を起こすおそれがほとんどなくなる。
また前述のように、この運転温度は冷却媒体の集
合区画内の気相の圧力によつて一義的に決まるか
ら、この１個所の圧力を基準に簡単にかつ極めて
効果的に電池の運転温度の制御をすることができ
る効果をも有する。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来の燃料電池の冷却方法を模式的に
示す冷却系の系統図、第２図以降はすべて本発明
による積層燃料電池の冷却方法の実施例を示すも
ので、内第２図は本発明の一実施例を説明する冷
却系の一部を断面で示す系統図、第３図は冷却系
内の冷却管つき冷却体の具体構造を示す斜視外形
図、第４図は燃料電池積層体側面のマニホールド
蓋内の冷却系の冷却管と集合管と接続管との接続
状態を示す横断面図、第５図は本発明方法の異な
る実施例を示す冷却系の系統図、第６図は本発明
方法のさらに異なる実施例を示す冷却系の系統図
である。図において、 １：電池積層体としての電池本体、２：単位電
池、３：冷却体、４：冷却管、５：冷却媒体、５
ａ：液相状態の冷却媒体、５ｃ：気相状態の冷却
媒体、５ｄ：気相が支配的な気液二相混合状態の
冷却媒体、６：冷却体に冷却媒体を並列に通流さ
せる手段としての入口集合配管、１６：冷却媒体
の集合区画としての出口集合配管、１９：集合区
画内の気相部の圧力を制御する手段としての制御
弁、２０：集合区画内の気相部の圧力を制御する
手段としての圧力制御器、２１：冷却体への冷却
媒体の供給流量を制御する手段としての流量制御
器、２２：冷却媒体の集合区画および気液分離装
置としての冷却媒体溜め、２３：冷却体への冷却
媒体の供給流量を制御する手段としての絞り、２
５：冷却媒体の集合区画としての気液分離装置、
２９：冷却体への冷却媒体の供給流量を制御する
手段としての制御弁、である。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 単位電池を積層してなる電池積層体の積層方
   向の複数個所に分布して冷却体を介装し、該冷却
   体内に冷却媒体を並列的に流して電池積層体を冷
   却する燃料電池の冷却方法において、前記各冷却
   体内における冷却を冷却媒体の沸騰条件下で、か
   つ該冷却体内の少なくとも冷却媒体の出口付近で
   は冷却媒体中の気相が支配的となる条件下で運転
   するとともに、該各冷却体の出口から流出する冷
   却媒体を、各冷却体出口に共通に接続され上下方
   向に設けられた冷却媒体の集合区画内に導き、該
   集合区画内で冷却媒体を液相媒体の下方落下にと
   もなつて液相部と気相部とに分離し、前記集合区
   画内の気相部の圧力が所定値となるように制御す
   ることを特徴とする積層燃料電池の冷却方法。 ２ 特許請求の範囲第１項記載の冷却方法におい
   て、冷却体内の冷却媒体が沸騰冷却条件を満たす
   よう該冷却体への液相の冷却媒体の供給流量が制
   御されることを特徴とする積層燃料電池の冷却方
   法。 ３ 特許請求の範囲第１項記載の冷却方法におい
   て、冷却媒体の集合区画を気泡分離装置として構
   成し、各冷却体からの冷却媒体を気相が支配的な
   気液混合状態で該気液分離装置内の冷却媒体の気
   相区画に導くようにしたことを特徴とする積層燃
   料電池の冷却方法。 ４ 特許請求の範囲第１項または第３項記載の冷
   却方法において、冷却媒体の集合区画を上下方向
   に配された集合管として構成し、該集合管の内部
   で気相の冷却媒体を上方に、液相の冷却媒体を下
   方に分離して導くようにしたことを特徴とする積
   層燃料電池の冷却方法。 ５ 特許請求の範囲第１項記載の冷却方法におい
   て、冷却体内の冷却が冷却媒体の核沸騰条件下で
   運転されることを特徴とする積層燃料電池の冷却
   方法。