JPH0766828B2 - 燃料電池本体冷却系 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 イ．技術分野 本発明は閉冷却材再循環回路内の燃料電池本体冷却液を
冷却する系及び方法に係る。特に、本発明は蒸気凝縮を
伴わずそして冷却材が電池本体へ再導入されるのに先立
つて亜冷温レベルまで冷却される冷却系及び冷却方法に
係る。

ロ．背景技術 冷却材として水を使用する燃料電池本体を有する動力装
置は、電池本体を通る冷却材の実質的に全ての流路に亙
つて水／蒸気の二相形式を以て冷却材を有する。二相冷
却材において水の温度は、冷却材が電池本体を通過する
間、実質的に一定であり、冷却材の入口から冷却材の出
口まで二相冷却材における蒸気の百分率は増加する。か
くして、冷却材はそれが電池本体の冷却流路を通つて流
れる間実質的等温状態に保たれる。冷却材の等温性を維
持するため、前記方式で冷却される系は、典型的に、水
が電池本体に復帰される前に過度に冷えないように蒸気
凝縮器と蒸気分離器とを協調させて使用する。従つて、
冷却材は二相水／蒸気混合物として電池本体の冷却材流
路から排出され、そして蒸気凝縮器へ送られて蒸気相か
らより多くの水を凝縮させ、次いで蒸気分離器へ送られ
そこにおいて蒸気相と水相とが互いに分離され、そして
蒸気は燃料改質装置へ送られ、水は電池本体内の冷却材
流路へ戻される。凝縮器と分離器は二つの順序の何れで
も使用され得る。電池本体に復帰する前に、典型的に、
復帰する水に補給水が混合されるが、復帰する水の温度
は、この再循環の間、極めて僅少の度数以上には低下さ
れない。従つて、冷却材としての水が電池本体に復帰さ
れるとき、ほとんど直ちに水は沸騰し始め、より多くの
蒸気を発生させる。

以上述べた燃料電池本体冷却再循環回路系の構成には幾
つかの問題が存在する。それら問題の一つは蒸気相の処
理に関するものであり、蒸気凝縮器が蒸気分離器よりも
物理的に高く位置されなくてはならず、そして蒸気分離
器は電池本体よりも物理的に高く位置されなくてはなら
ない事実である。このことは燃料電池装置が収容される
ハウジングの必要高さに関して燃料電池装置の一括実装
即ち収容問題を生じさせる。この問題は小型から中型の
範囲の動力装置において特に顕著である。燃料電池本体
の等温冷却によつて惹起されるもう一つの問題は、水性
電解質溶液を使用する電池、例えば酸性電池またはアル
カリ電池、において発生する。この第２の問題は酸化剤
気体中への電解液の蒸発に関連する。この蒸発した電解
液は酸化剤排気と一緒に電池本体区域から出で行く。電
池構造に特別の修正を施さないかぎり、これは高負荷出
力において続く重大な問題である。これは電解液の交換
及び電池本体マニホルドなどの腐食を防ぐための特別の
電池本体構造を必要にする。

ハ．発明の開示 本発明は、非等温でありそして冷却材が電池本体へ復帰
する以前に冷却材から熱を排除することに関して蒸気凝
縮を伴わない燃料電池本体冷却系に係る。電池本体冷却
管から排出される水／蒸気二相冷却材は、蒸気分離器ド
ラムへ運搬され、そこにおいて蒸気相が水相から分離さ
れ、蒸気相は触媒式改質装置へ案内される。改質装置に
おいて、蒸気によつて原料炭化水素燃料は燃料電池本体
において消費するための水素含量の大きい燃料に改質さ
れる。分離された水相は熱交換器へ運搬され、そこにお
いて水の温度は電池本体冷却流路内へ再入する前に予決
定された亜冷温レベルまで低下される。熱交換器をバイ
パスするように水が流れ通るバイパス導管と、熱交換器
に関連する水の流路を制御する制御弁とが設けられる。
かようにして、蒸気分離器から出た後、水はその全部ま
たは一部が熱交換器を通つて流れるか、もしくは、全く
それを通つて流れず、そして水の残部は熱交換器をバイ
パスし、次いで再混合した後、電池本体に再入する。温
度検出器が蒸気分離器の下流に配置され、それにより、
蒸気分離器から出る水の温度を連続的に検出する。温度
検出器は動力装置のマイクロプロセツサに接続され、そ
の結果、マイクロプロセツサは電池本体へ入る水の温度
を適正に維持するように制御弁を連続的に調整し得る。
従つて、蒸気分離器から出てくる水が比較的熱いとき
は、制御弁はより多くの水を熱交換器を通つて流れさせ
るように調整され、そして蒸気分離器から出てくる水が
比較的冷たいときは、バイパス流路へ導かれる。電池本
体に進入する亜冷温にされた水は、電解液蒸気を酸化剤
気体流が電池本体から排出される以前に酸化剤気体から
凝縮させて電解液マトリツクスへ復帰させるように電池
本体内において指向される。このような凝縮特性は電池
本体内における電解液の有効寿命を実質的に増す。

従つて、本発明の目的は、改良された燃料電池本体冷却
系であつて電池本体を等温的に冷却しないものを提供す
ることである。

本発明の追加の目的は、前記特徴を有する冷却系であつ
て冷却材を電池本体へ復帰させる以前に冷却材の熱を除
去するための蒸気の凝縮を伴わないものを提供すること
である。

本発明のもう一つの目的は、前記特徴を有する冷却系で
あつて電池本体冷却流路から排出される水／蒸気二相混
合物がその二つの相に分離され、次いで水が電池本体へ
復帰される以前に亜冷温に冷却されるものを提供するこ
とである。

本発明のもう一つの目的は、前記特徴を有する冷却系で
あつて水／蒸気分離器を離れ去る水の温度に従つて亜冷
温に冷却される水の割合を変更するため制御弁が設けら
れたものを提供することである。

本発明のさらにもう一つの目的は、前記特徴を有する冷
却系であつて蒸発した電解液が酸化材気体が燃料電池本
体から排出される以前に酸化剤気体から凝縮されるもの
を提供することである。

本発明のこれら及びその他の目的並びに利点は、本発明
の一好適実施例につき以下述べる詳細な説明から、添付
図面とともに検討するとき、より容易に明らかになるで
あろう。

ニ．発明を実施する最良の態様 第１図を参照すると、本発明に従つて形成される燃料電
池本体冷却再循環回路の一好適実施例がその概略的形式
を以て図示される。燃料電池本体は全体として２を以て
表されそして燐酸装置として以下説明されるが、本発明
には任意の水性電解質が使用され得ることが特に言及さ
れる。冷却板４が燃料電池本体２内に示され、冷却水は
入口６において冷却板４に進入しそして出口８において
冷却板４から退出する。入口６と出口８は蛇行する冷却
水流路10によって相互に連結されている。言うまでもな
く、第１図においては１個の冷却板４が図示されている
に過ぎないが、実際の燃料電池本体２は複数のそのよう
な冷却板を有することと、冷却板４は１本または複数本
の湾曲流路をその内部に形成された板形式か、または、
それに冷却水管を結合された板形式を採用し得ることは
理解されるであろう。冷却水はそれが出口８を離去する
とき水／蒸気二相混合物の形式になつている。この二相
混合物は電気ヒータとして図示される加熱装置12を通過
し、そしてそこから水／蒸気分離ドラム14へ到達する。
加熱装置12の目的は、始動運転モード及び低出力負荷モ
ードのために使用することである。二相混合物の蒸気部
分は分離ドラム14において導管16内に案内され、導管16
は蒸気を触媒式炭化水素燃料改質装置（図示せず）へ運
搬する。水部分は分離ドラム14から導管18を通じて移転
される。導管18においては温度検出器Ｔが分離ドラム14
を離去する水の温度を連続的に監視する。温度検出器Ｔ
は水温データを動力装置内の運転を制御するマイクロプ
ロセツサ20へ供給する。分離された水はポンプＰによつ
て熱交換器22へ圧送され、そこにおいて水の温度は亜冷
温レベル、即ち電池本体冷却再循環回路圧に対応する飽
和温度より低いレベル、まで低下される。ポンプＰの上
流で補給水が導管24を通じて電池本体冷却再循環回路へ
追加され、それにより、該再循環回路から蒸気として失
われた水を再び満たす。

熱交換器22は好ましくは液体または気体冷却材を用いて
運転される。熱交換器22と冷却水の入口６との間には、
マイクロプロセツサ20により制御されるアクチユエータ
Ａによつて作動される、または調整される、制御弁26が
配置される。制御弁26は三方弁であり、熱交換器22から
の出口導管28と、入口６と、そして熱交換器22を迂回し
て水を案内するバイパス導管30とに接続されている。マ
イクロプロセツサ20は温度検出器Ｔにより検出される水
の温度の変動に応答して制御弁26の作動を無段階的に変
える。かくして、制御弁26は熱交換器22とバイパス導管
30とを通つて流れる水を、制御弁26を通つて流れる水が
目標亜冷温を有するように配分する。このことは、より
高い水の温度が温度検出器Ｔによつて検出されるとき
は、制御弁26がより多量の水を熱交換器22を通じて導く
ように調節され、そしてより低い水の温度が温度検出器
Ｔにおいて検出されるときは、制御弁26がより多量の水
をバイパス導管30を通じて導くように調節されることを
意味する。

一例として、以下において、前記電池本体冷却再循環回
路において目標として設定されそして使用され得るいく
つかの動作温度について説明する。前記電池本体２は約
204℃（400゜F）の温度で動作される。冷却水飽和温度は
約190℃（375゜F）であり、そして水圧は約13kg/c²（185
psi）である。熱交換器22の後、しかし、冷却水の入口
６の前における冷却水の亜冷温は、約176℃（350゜F）に
目標を設定される。かようにして、冷却水は公称約176
℃（350゜F）で電池本体２の冷却水流路10に進入すると
ともに、水の温度は着実に約190℃（375゜F）に上昇し、
該温度において水は沸騰し、それが電池本体２内の冷却
水流路10の残余を通過するとき蒸気を発生する。従つ
て、最初に進入する水により冷却される電池本体の部分
は、その残余部分よりも低温になる。酸性電池装置の場
合には陰極空気流路である酸化剤流路は、空気が第１図
及び第２図において矢印32によつて表示されるように冷
却水の出口８に隣接する電池本体２内に流入し、そして
陰極排ガスが第１図及び第２図において矢印34によつて
表されるように冷却水の入口６に隣接する電池本体２か
ら流出するように配列される。第２図において、鎖線36
は飽和温度の液体によって冷却されないことを理由とし
てより低い温度である電池本体２の部分の内縁を表すの
に使用される。かようにして、電池本体２の部分38は陰
極排ガス34が電池本体２から外へ出る前に冷却される凝
縮帯域であり、そして陰極排ガス34中に蒸発した酸が凝
縮して再び出現しそして電解質マトリツクスに再入する
凝縮帯域でもある。好ましくは、第２図で見たとき鎖線
36の右に在る電池本体２の部分は電気化学反応が生じる
区域であり、そしてまた実質的に全域に亘つて等温冷却
される。第２図で見たとき鎖線36の左に在る電池本体２
の部分は、電気化学反応が実質的に全く生じない区域で
あり、そしてその上に酸が凝縮して電池本体２の電気化
学的活性部分内に毛管作用で戻され得るマトリツクス延
長部を有する。

第３図を参照すると、冷却水温度Ｔと、冷却水が入口６
から出口８まで電池本体２を通過するのに要する時間ｔ
との関係がグラフで表されている。在来技術全等温冷却
形式における前記温度対時間関係は破線を以て示されて
おり、そして本発明予加熱プラス部分等温冷却形式は実
線を以て示されている。在来技術全等温冷却形式への補
給水の加給は、1.11℃（２゜F）または1.67℃（３゜F）の
オーダーで冷却水の入口６に入る水の温度を下げるが、
等温沸騰温度への復帰は極めて急速であり、いかなる認
識され得るほどの亜冷時間間隔をも生じさせない。第３
図において、ΔＴは亜冷進入温度に属する等温沸騰温度
より低い度数を表し、そしてΔｔは冷却水が電池本体２
内の冷却水流路10を通過するにつれて亜冷温の水が等温
冷却温度に達するのに要する時間間隔を表す。ΔＴは熱
交換器22及び制御弁26によつて制御され、そしてΔｔは
冷却水流路10内の冷却水の流量によつて制御される。従
つて、陰極排ガス34からそれが電池本体の冷却板４の区
域から離れ去る前に酸蒸気を凝縮させるために十分な冷
却を提供するΔＴと、電池本体の冷却板４の区域内にそ
の電気化学的活性部分に隣接して良好に画成された凝縮
帯域を生じさせるΔｔとを選択することが必要とされる
に過ぎない。

本発明に基づく燃料電池本体冷却再循環回路系は在来の
構成要素を以て形成され得そして電池本体へ戻される冷
却材の熱を排除するのに蒸気の凝縮を利用する動力装置
に従来化された一括実装即ち収容制限を緩和することは
容易に理解されるであろう。先行技術と比較して構成要
素の個数が少なく、そして蒸発による電解液損失の問題
も対処され得る。本発明に基づく電解液凝縮回収能力を
用いることによつて、電解液の寿命はほかの点では通常
の条件下で動作する電池本体において２倍にされ得る。
冷却材再入温度の極めて精密な制御が、相互作用する温
度検出器及び冷却材流量制御弁の使用を通じて、本発明
の冷却再循環回路系により達成される。

本発明の開示実施例に関して多くの変更並びに修正が発
明の概念から逸脱することなしに為され得るから、特許
請求の範囲により要求される事項以内に本発明を限定す
ることは意図されない。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に従つて形成された燃料電池本体冷却再
循環回路の概略図である。 第２図は酸化剤気体の上置流路に沿つて通る冷却材の一
般的流路を示す冷却板の概略図である。 第３図は冷却材が冷却板を通つて流れるときの冷却材の
熱輪郭を示すグラフである。 図面上、２…燃料電池本体、４…冷却板、６…入口、８
…出口、10…冷却水流路、12…加熱装置、14…水／蒸気
分離ドラム、Ｔ…温度検出器、Ｐ…ポンプ、20…マイク
ロプロセツサ、22…熱交換器、26…制御弁、30…バイパ
ス導管、32…空気、34…陰極排ガス。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭59−214167（ＪＰ，Ａ) 特開 昭61−158671（ＪＰ，Ａ) 特公 昭48−40369（ＪＰ，Ｂ１)

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】水である冷却材と、蒸気凝縮器を有しない
   冷却材熱除去再循環回路とを使用する燃料電池本体冷却
   系において、 ａ）水を受取る入口端及び水／蒸気混合物を排出する出
   口端を有する冷却材流路を電池本体に形成する装置と、 ｂ）水と蒸気が互いに分離される蒸気分離器へ前記再循
   環回路内の水／蒸気混合物を移送する、前記冷却材流路
   の出口端に接続された第１の導管装置と、 ｃ）燃料電池本体圧力下の自動熱沸騰温度より低く且つ
   酸化剤の気体に同伴される電解液蒸気の凝縮を生じさせ
   るのに十分に低い目標亜冷温まで水温を低下させる熱交
   換器と、 ｄ）その熱交換器へ前記蒸気分離器から水を移転するた
   め前記蒸気分離器に接続された第２の導管装置と、 ｅ）水を前記熱交換器から前記冷却材流路の入口端へ移
   送する、前記熱交換器に接続された第３の導管装置と、 ｆ）酸化剤の気体に同伴される電解液蒸気を酸化剤の気
   体の排気から凝縮させるように画成された帯域を前記冷
   却材流路に隣接して構成し、前記目標亜冷温と協同して
   働き得る予め決定された流量を前記電池本体の冷却材流
   路を通る冷却材に提供するように働く装置と、 ｇ）前記第３の導管装置に配置された調整自在の弁装置
   と、 ｈ）前記熱交換器を迂回して前記第２と第３の導管装置
   を互いに連結するバイパス導管装置と、 ｉ）蒸気分離器から流れ出る水の温度を検出する、前記
   第２の導管装置に配置された検出装置と、 ｊ）前記検出装置から送られる水温の増加に応答して前
   記弁装置に前記熱交換器を通って流れる水の割合を増加
   させるように働き、そして逆に、前記検出装置から送ら
   れる水温の減少に応答して前記弁装置に前記バイパス導
   管装置を通って流れる水の割合を増加させるように働
   き、それにより、前記熱交換器及び前記バイパス導管装
   置からの前記第３の導管装置内で混合する水の温度が前
   記目標亜冷温と実質的に同等に保たれるように制御す
   る、前記検出装置と弁装置とに動作自在に接続された制
   御装置と、 を有することを特徴とする燃料電池本体冷却系。
2. 【請求項２】特許請求の範囲第１項記載の燃料電池本体
   冷却系において、電池本体内において形成される蒸気の
   実質的に全部が第４の導管装置を通じて触媒式燃料改質
   装置へ移送されることを特徴とする燃料電池本体冷却
   系。
3. 【請求項３】特許請求の範囲第２項記載の燃料電池本体
   冷却系において、さらに、前記検出装置と前記熱交換器
   との間において前記第２の導管装置内へ補給水を導入す
   るための補給水導管装置を有することを特徴とする燃料
   電池本体冷却系。
4. 【請求項４】特許請求の範囲第１項記載の燃料電池本体
   冷却系において、酸化剤の気体中に同伴される電解液蒸
   気を酸化剤の気体を電池本体から排出するに先立って酸
   化剤の気体から凝縮させるために、前記電池本体の残部
   より十分により低温の電解液凝縮区域を構成する帯域
   が、電池本体の酸化剤気体排出側に隣接して配置されて
   いることを特徴とする燃料電池本体冷却系。
5. 【請求項５】特許請求の範囲第１項記載の燃料電池本体
   冷却系において、前記調整自在の弁装置が三方弁である
   ことを特徴とする燃料電池本体冷却系。