JPH0821402B2 - 燃料電池 - Google Patents
燃料電池Info
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- JPH0821402B2 JPH0821402B2 JP60125031A JP12503185A JPH0821402B2 JP H0821402 B2 JPH0821402 B2 JP H0821402B2 JP 60125031 A JP60125031 A JP 60125031A JP 12503185 A JP12503185 A JP 12503185A JP H0821402 B2 JPH0821402 B2 JP H0821402B2
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- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
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- H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
- H01M8/04007—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids related to heat exchange
- H01M8/04029—Heat exchange using liquids
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- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
- H01M8/24—Grouping of fuel cells, e.g. stacking of fuel cells
- H01M8/249—Grouping of fuel cells, e.g. stacking of fuel cells comprising two or more groupings of fuel cells, e.g. modular assemblies
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- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
- Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
- Y02E60/30—Hydrogen technology
- Y02E60/50—Fuel cells
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Description
【発明の詳細な説明】 ［発明の技術分野］ この発明は、燃料電池に関する。
［発明の技術的背景とその問題点］ 近年、エネルギの有効利用の観点から発電装置として
燃料電池が見直され、その開発が活発化している。
燃料電池が見直され、その開発が活発化している。
一般に、燃料電池は積層された単電池に例えば酸化剤
としての酸素と燃料としての水素を供給し、燃料の反応
によって生ずるエネルギを電気エネルギに変換するもの
である。
としての酸素と燃料としての水素を供給し、燃料の反応
によって生ずるエネルギを電気エネルギに変換するもの
である。
ところで、燃料電池は上記反応により発熱を伴なう
が、燃料電池の発電効率を高めるためには単電池の発熱
を除去冷却するとともに、全体を均一な温度に保持する
必要がある。
が、燃料電池の発電効率を高めるためには単電池の発熱
を除去冷却するとともに、全体を均一な温度に保持する
必要がある。
このための燃料電池冷却装置として、例えば特公昭58
−33670号公報及び特開昭52−13638号公報に記載のよう
なものがある。
−33670号公報及び特開昭52−13638号公報に記載のよう
なものがある。
これは、例えば第５図に示すものと略同様なものであ
り、この第５図を例に説明する。すなわち、上下方向に
積層された単電池101が複数段（第５図では３段）の燃
料電池積層体103a,103b,103cに分割され、各燃料電池積
層体103a,103b,103cには、それぞれ上下両端部及び中間
部に冷却板105a,105b,105cが介設されている。
り、この第５図を例に説明する。すなわち、上下方向に
積層された単電池101が複数段（第５図では３段）の燃
料電池積層体103a,103b,103cに分割され、各燃料電池積
層体103a,103b,103cには、それぞれ上下両端部及び中間
部に冷却板105a,105b,105cが介設されている。
各燃料電池積層体103a,103b.103cの各冷却板105a,105
b.105cには、その入口側において入口マニホールド106
a,106b,106cが接続され、この入口マニホールド106a,10
6b,106cには一端側が主供給配管107に接続された入口配
管109a,109b,109cの他端側が接続されている。
b.105cには、その入口側において入口マニホールド106
a,106b,106cが接続され、この入口マニホールド106a,10
6b,106cには一端側が主供給配管107に接続された入口配
管109a,109b,109cの他端側が接続されている。
また、冷却板105a,105b.105cには、その出口側におい
て出口マニホールド110a,110b,110cが接続され、この出
口マニホールド110a,110b,110cには一端側が主流出配管
111に接続された出口配管113a,113b,113cの他端側が接
続されている。
て出口マニホールド110a,110b,110cが接続され、この出
口マニホールド110a,110b,110cには一端側が主流出配管
111に接続された出口配管113a,113b,113cの他端側が接
続されている。
前記主供給配管107には、主流量調整弁115が設けら
れ、図示しないポンプおよび熱交換器を介して主供給配
管107と主流出配管111とが接続され、冷却装置としての
閉ループが構成されている。従って、ポンプ駆動により
供給される冷却流体としての冷却水は、主流量調整弁11
5で流量調整されて主供給配管107から各入口配管109a,1
09b,109c及び各入口マニホールド106a,106b,106cを介し
て各冷却板105a,105b,105cへ供給される。
れ、図示しないポンプおよび熱交換器を介して主供給配
管107と主流出配管111とが接続され、冷却装置としての
閉ループが構成されている。従って、ポンプ駆動により
供給される冷却流体としての冷却水は、主流量調整弁11
5で流量調整されて主供給配管107から各入口配管109a,1
09b,109c及び各入口マニホールド106a,106b,106cを介し
て各冷却板105a,105b,105cへ供給される。
冷却板105a,105b,105cでは、単電池101での発熱を吸
収して沸騰し、蒸気相と液相との二相流となって各出口
マニホールド110a,110b.110c、各出口配管113a,113b,11
3cを介して主流出配管111へ流出されるようになってい
る。
収して沸騰し、蒸気相と液相との二相流となって各出口
マニホールド110a,110b.110c、各出口配管113a,113b,11
3cを介して主流出配管111へ流出されるようになってい
る。
ここで、主供給配管107から各入口配管109a,109b,109
cへ流入する冷却水の圧力Pninは、 Pnin＝Poin−ρＬ・ｇ・Hn … （１） で与えられる。
cへ流入する冷却水の圧力Pninは、 Pnin＝Poin−ρＬ・ｇ・Hn … （１） で与えられる。
ここに、Poin:主供給配管下端の圧力、ρL:冷却水の
液密度、g:重力加速度、Hn:主供給配管下端から各入口
配管までの高さである。
液密度、g:重力加速度、Hn:主供給配管下端から各入口
配管までの高さである。
一方、主流出配管111における各出口配管113a,113b,1
13c位置での冷却水の圧力Pnoutは、各出口配管113a,113
b,113cで同じ二相流の状態とすれば、 Pnout＝Poout−（ρＬ（１−α）＋ρＧ・α）・ｇ・Hn
… （２） で与えられる。
13c位置での冷却水の圧力Pnoutは、各出口配管113a,113
b,113cで同じ二相流の状態とすれば、 Pnout＝Poout−（ρＬ（１−α）＋ρＧ・α）・ｇ・Hn
… （２） で与えられる。
ここに、Poout;主流出配管下端の圧力、ρG:冷却水の
蒸気密度、α：ボイド率である。
蒸気密度、α：ボイド率である。
従って、各燃料電池積層体103a,103b,103cの各冷却板
105a,105b,105cにおける冷却水の入口と出口の圧力差
は、上記（１）式及び（２）式より Pnin−Pnout＝（Poin−Poout） −（ρＬ−ρＧ）・α・ｇ・Hn … （３） で与えられる。この場合、ρＧ＜＜ρＬであるから、ρ
Ｇの項は無視することができ、上記（３）式は Pnin,−Pnout＝（Poin−Poout）−ρＬ・α・ｇ・Hn …
（４） となる。
105a,105b,105cにおける冷却水の入口と出口の圧力差
は、上記（１）式及び（２）式より Pnin−Pnout＝（Poin−Poout） −（ρＬ−ρＧ）・α・ｇ・Hn … （３） で与えられる。この場合、ρＧ＜＜ρＬであるから、ρ
Ｇの項は無視することができ、上記（３）式は Pnin,−Pnout＝（Poin−Poout）−ρＬ・α・ｇ・Hn …
（４） となる。
上記（４）式より明らかなように、Hnが大の上段の燃
料電池積層体程、冷却板の入口と出口との圧力差が小さ
くなり、各燃料電池積層体103a,103b,103cへの冷却水供
給流量の均一化は保てない。このため各燃料電池積層体
103a,103b,103cにおける冷却板の冷却能力に不均一が生
じ、また後述する二相流流動不安定を生じる可能性も大
きく、発電効率の低下を招くものとなっていた。
料電池積層体程、冷却板の入口と出口との圧力差が小さ
くなり、各燃料電池積層体103a,103b,103cへの冷却水供
給流量の均一化は保てない。このため各燃料電池積層体
103a,103b,103cにおける冷却板の冷却能力に不均一が生
じ、また後述する二相流流動不安定を生じる可能性も大
きく、発電効率の低下を招くものとなっていた。
これに対して、第６図に示すように、各入口配管109
a,109b,109cに固定絞り117a,117b,117cを設け、各燃料
電池積層体103a,103b,103c毎に供給される冷却水の流量
及び各燃料電池積層体103a,103b,103c毎に流出される流
体の全流量中の蒸気相流量の重量比（以下クオリティと
呼ぶ）を略等しくなるように設定する構造が考えられ
る。
a,109b,109cに固定絞り117a,117b,117cを設け、各燃料
電池積層体103a,103b,103c毎に供給される冷却水の流量
及び各燃料電池積層体103a,103b,103c毎に流出される流
体の全流量中の蒸気相流量の重量比（以下クオリティと
呼ぶ）を略等しくなるように設定する構造が考えられ
る。
ここで、蒸気相流量は冷却水が沸騰して液相から蒸気
相へと変化した量であり、冷却板が単電池から吸収した
熱量、即ち各燃料電池積層体の発熱量に略比例して定ま
る。従って、各燃料電池積層体毎に流出される流体のク
オリティも、各燃料電池積層体の発熱量に略比例して定
まる。
相へと変化した量であり、冷却板が単電池から吸収した
熱量、即ち各燃料電池積層体の発熱量に略比例して定ま
る。従って、各燃料電池積層体毎に流出される流体のク
オリティも、各燃料電池積層体の発熱量に略比例して定
まる。
また、前記固定絞り117a,117b,117cは例えば燃料電池
の運転条件が全負荷運転の時の各燃料電池積層体103a,1
03b,103cの発熱量と、主供給配管107を流れる冷却水の
定格流量（総流量）とに基づき、入口配管109a,109b,10
9cの出口側流量が均一となるように設定されているもの
である。そして、この場合の固定絞り117a,117b,117cに
よって定められる各冷却水流量と、一つの燃料電池積層
体103a（103b,103c）当りの平均流量との比（流量
比）、及び各冷却板105a,105b,105cの各出口配管113a,1
13b,113cにおけるクオリティを求めると、第３図の線分
及び第４図の線分ａで示される結果となる。
の運転条件が全負荷運転の時の各燃料電池積層体103a,1
03b,103cの発熱量と、主供給配管107を流れる冷却水の
定格流量（総流量）とに基づき、入口配管109a,109b,10
9cの出口側流量が均一となるように設定されているもの
である。そして、この場合の固定絞り117a,117b,117cに
よって定められる各冷却水流量と、一つの燃料電池積層
体103a（103b,103c）当りの平均流量との比（流量
比）、及び各冷却板105a,105b,105cの各出口配管113a,1
13b,113cにおけるクオリティを求めると、第３図の線分
及び第４図の線分ａで示される結果となる。
ここで、燃料電池の運転条件が変化して部分負荷運転
が行なわれると、各燃料電池積層体103a,103b,103cにお
ける発熱量も減少することとなる。今、各燃料電池積層
体103a,103b,103cにおける発熱量が全負荷運転時に対し
て1/2の発熱量のときに、定格流量の冷却水によって各
燃料電池積層体103a,103b,103cの冷却を行ったとする。
このときの各冷却板105a,105b,105cの出口側におけるク
オリティを求めると、第４図の線分ａで示されるよう
に、全負荷運転時のクオリティに対して約1/4に減少す
る。
が行なわれると、各燃料電池積層体103a,103b,103cにお
ける発熱量も減少することとなる。今、各燃料電池積層
体103a,103b,103cにおける発熱量が全負荷運転時に対し
て1/2の発熱量のときに、定格流量の冷却水によって各
燃料電池積層体103a,103b,103cの冷却を行ったとする。
このときの各冷却板105a,105b,105cの出口側におけるク
オリティを求めると、第４図の線分ａで示されるよう
に、全負荷運転時のクオリティに対して約1/4に減少す
る。
ところで、一般に、管路を流れる液相流体がその流れ
の途中で沸騰現象を生じる管路群においては、クオリテ
ィが通常１％以下及び４％以上の場合には気液二相流に
独特の流動不安定現象を生じ、管路を流れる流量が急激
に減少したり、一定周期で上下したりして、冷却能力の
低下や熱疲労の助長を起こす危険性がある。
の途中で沸騰現象を生じる管路群においては、クオリテ
ィが通常１％以下及び４％以上の場合には気液二相流に
独特の流動不安定現象を生じ、管路を流れる流量が急激
に減少したり、一定周期で上下したりして、冷却能力の
低下や熱疲労の助長を起こす危険性がある。
従って、上記のような各冷却板105a,105b,105cの出口
側におけるクオリティが燃料電池の運転条件の変化によ
って大きく異なることは好ましくない。
側におけるクオリティが燃料電池の運転条件の変化によ
って大きく異なることは好ましくない。
一方、冷却板105a,105b,105cの出口側におけるクオリ
ティの上記のような減少を抑制するために燃料電池積層
体103a,103b,103cの発熱量に応じて主供給配管107に供
給される冷却水の総流量を調整すると、固定絞り117a,1
17b,117cを通過する流量が定格流量の場合と大きく異な
るために、固定絞り117a,117b,117cによる冷却水の流量
均一化の効果が弱まり、第３図の線分で示されるよう
に流量比が燃料電池積層体3a,3b,3c間でプラス、マイナ
ス15％の相違を生ずる。
ティの上記のような減少を抑制するために燃料電池積層
体103a,103b,103cの発熱量に応じて主供給配管107に供
給される冷却水の総流量を調整すると、固定絞り117a,1
17b,117cを通過する流量が定格流量の場合と大きく異な
るために、固定絞り117a,117b,117cによる冷却水の流量
均一化の効果が弱まり、第３図の線分で示されるよう
に流量比が燃料電池積層体3a,3b,3c間でプラス、マイナ
ス15％の相違を生ずる。
また、第４図の線分ａで示されるように各冷却板10
5a,105b,105cの出口側におけるクオリティは最大値1.75
％、最小値0.95％と大きな差を生ずる。このため冷却水
の流量比及びクオリティともに不均一を生じ、この場合
も第５図の冷却装置と同様の理由で冷却能力の低下を生
じるという問題点があった。
5a,105b,105cの出口側におけるクオリティは最大値1.75
％、最小値0.95％と大きな差を生ずる。このため冷却水
の流量比及びクオリティともに不均一を生じ、この場合
も第５図の冷却装置と同様の理由で冷却能力の低下を生
じるという問題点があった。
［発明の目的］ この発明は、上記の問題点に鑑み創案されたもので、
供給される定格流量の冷却流体総流量に対し、燃料電池
の運転負荷条件が変化しても、各冷却板へ供給される冷
却流体流量のばらつき、及び冷却板出口側のクオリティ
の変化を著しく抑制し、全体を安定な冷却状態に保持す
ることのできる燃料電池の提供を目的とする。
供給される定格流量の冷却流体総流量に対し、燃料電池
の運転負荷条件が変化しても、各冷却板へ供給される冷
却流体流量のばらつき、及び冷却板出口側のクオリティ
の変化を著しく抑制し、全体を安定な冷却状態に保持す
ることのできる燃料電池の提供を目的とする。
［発明の概要］ 前述のごとき従来の問題に鑑みて、本発明は、複数の
単電池を上下に積層してなる積層体の上下両端部及び中
間部に冷却板を介設してなる燃料電池積層体を上下に複
数段設け、前記各燃料電池積層体の各冷却板に冷却液を
供給するための主供給配管と、前記各燃料電池積層体に
対応して前記主供給配管から分岐された各入口配管と、
上記各入口配管から各燃料電池積層体の各冷却板に接続
した各入口マニホールドと、各燃料電池積層体の各冷却
板に接続した各出口マニホールドと、前記冷却板を回収
するための主流出配管と、前記各出口マニホールドと前
記主流出配管とを接続する各出口配管と、を備えてなる
燃料電池において、前記複数の燃料電池積層体の定格運
転時の冷却液流量に相当する冷却液の流量が各燃料電池
積層体に常にほぼ等しく供給されるように前記各入口配
管に介設された複数の固定絞りと、上記各固定絞りの下
流側から前記各出口配管に連通接続された複数のバイパ
ス管と、各燃料電池積層体の冷却板へ供給される冷却液
の流量を検出して実流量信号を出力する複数の流量検出
装置と、各燃料電池積層体の運転条件の変化に伴う発熱
量の変動を確認可能なファクタを検出する複数の検出手
段と、各検出手段から出力される各ファクタに基づいて
各燃料電池積層体に供給される冷却液の適正流量を設定
して適正流量信号を出力する複数の変換装置と、前記各
流量検出装置から入力される実流量信号と前記各変換装
置から入力される適正流量信号とを比較して前記各燃料
電池積層体に供給される冷却液の流量を適正流量に制御
すべく前記各バイパス管に流れる冷却液の流量を制御自
在の複数の流量制御装置と、を備え、前記各燃料電池積
層体における冷却板を流れる冷却液の流量を、各燃料電
池積層体の部分負荷運転に伴う発熱量の変動に応じて制
御する構成としてなるものである。
単電池を上下に積層してなる積層体の上下両端部及び中
間部に冷却板を介設してなる燃料電池積層体を上下に複
数段設け、前記各燃料電池積層体の各冷却板に冷却液を
供給するための主供給配管と、前記各燃料電池積層体に
対応して前記主供給配管から分岐された各入口配管と、
上記各入口配管から各燃料電池積層体の各冷却板に接続
した各入口マニホールドと、各燃料電池積層体の各冷却
板に接続した各出口マニホールドと、前記冷却板を回収
するための主流出配管と、前記各出口マニホールドと前
記主流出配管とを接続する各出口配管と、を備えてなる
燃料電池において、前記複数の燃料電池積層体の定格運
転時の冷却液流量に相当する冷却液の流量が各燃料電池
積層体に常にほぼ等しく供給されるように前記各入口配
管に介設された複数の固定絞りと、上記各固定絞りの下
流側から前記各出口配管に連通接続された複数のバイパ
ス管と、各燃料電池積層体の冷却板へ供給される冷却液
の流量を検出して実流量信号を出力する複数の流量検出
装置と、各燃料電池積層体の運転条件の変化に伴う発熱
量の変動を確認可能なファクタを検出する複数の検出手
段と、各検出手段から出力される各ファクタに基づいて
各燃料電池積層体に供給される冷却液の適正流量を設定
して適正流量信号を出力する複数の変換装置と、前記各
流量検出装置から入力される実流量信号と前記各変換装
置から入力される適正流量信号とを比較して前記各燃料
電池積層体に供給される冷却液の流量を適正流量に制御
すべく前記各バイパス管に流れる冷却液の流量を制御自
在の複数の流量制御装置と、を備え、前記各燃料電池積
層体における冷却板を流れる冷却液の流量を、各燃料電
池積層体の部分負荷運転に伴う発熱量の変動に応じて制
御する構成としてなるものである。
［発明の効果］ 上記構成より明らかなように、本発明においては、複
数の単電池を上下に積層してなる積層体の上下両端及び
中間部に冷却板を介設してなる燃料電池積層体を上下に
複数段備えており、各燃料電池積層体の冷却板に接続し
た各入口マニホールドに接続した各入口配管は主供給配
管から分岐されている。そして、各入口配管には、複数
の燃料電池積層体の定格運転時の冷却液流量に相当する
冷却液の流量が各燃料電池積層体に常にほぼ等しく供給
されるように固定絞りがそれぞれ介設してある。
数の単電池を上下に積層してなる積層体の上下両端及び
中間部に冷却板を介設してなる燃料電池積層体を上下に
複数段備えており、各燃料電池積層体の冷却板に接続し
た各入口マニホールドに接続した各入口配管は主供給配
管から分岐されている。そして、各入口配管には、複数
の燃料電池積層体の定格運転時の冷却液流量に相当する
冷却液の流量が各燃料電池積層体に常にほぼ等しく供給
されるように固定絞りがそれぞれ介設してある。
したがって、主供給配管から各燃料電池積層体の冷却
板側へ供給される冷却液の流量は常にほぼ等しいもので
ある。すなわち、主供給配管に供給する冷却液の流量は
常に一定で良く、外部制御を必要とせず、それだけ構造
が簡単になるものである。
板側へ供給される冷却液の流量は常にほぼ等しいもので
ある。すなわち、主供給配管に供給する冷却液の流量は
常に一定で良く、外部制御を必要とせず、それだけ構造
が簡単になるものである。
さらに本発明においては、各燃料電池積層体の冷却板
へ供給される冷却液の流量を検出して実流量信号を出力
する複数の流量検出装置を備えると共に、各燃料電池積
層体の運転条件の変化に伴う発熱量の変動を確認可能な
ファクタを検出する複数の検出手段を備え、かつ上記各
検出手段から出力される各ファクタに基づいて各燃料電
池積層体に供給される冷却液の適正流量を設定し適正流
量信号を出力する複数の変換装置を備えている。
へ供給される冷却液の流量を検出して実流量信号を出力
する複数の流量検出装置を備えると共に、各燃料電池積
層体の運転条件の変化に伴う発熱量の変動を確認可能な
ファクタを検出する複数の検出手段を備え、かつ上記各
検出手段から出力される各ファクタに基づいて各燃料電
池積層体に供給される冷却液の適正流量を設定し適正流
量信号を出力する複数の変換装置を備えている。
そして、各燃料電池積層体の入口配管に介設した各固
定絞りの下流側と各燃料電池積層体の出口配管とを接続
した複数のバイパス管が設けてあり、各バイパス管に流
れる冷却液の流量は、前記各流量検出装置から入力され
る実流量信号と前記各変換装置から入力される適正流量
信号とを比較して各燃料電池積層体に供給される冷却板
の流量を適正流量に制御する各流量制御装置の下に制御
される構成であり、かつ各燃料電池積層体における冷却
板を流れる冷却液の流量を、各燃料電池積層体の部分負
荷運転に伴う発熱量の変動に応じて制御する構成であ
る。
定絞りの下流側と各燃料電池積層体の出口配管とを接続
した複数のバイパス管が設けてあり、各バイパス管に流
れる冷却液の流量は、前記各流量検出装置から入力され
る実流量信号と前記各変換装置から入力される適正流量
信号とを比較して各燃料電池積層体に供給される冷却板
の流量を適正流量に制御する各流量制御装置の下に制御
される構成であり、かつ各燃料電池積層体における冷却
板を流れる冷却液の流量を、各燃料電池積層体の部分負
荷運転に伴う発熱量の変動に応じて制御する構成であ
る。
したがって本発明によれば、主供給配管から複数の燃
料電池積層体側へ供給される冷却板の流量は常にほぼ等
量であり、各燃料電池積層体の冷却板に対しては、各燃
料電池積層体の部分負荷運転の発熱量に対応して適正流
量の冷却液が供給され、余分な冷却液はバイパス管を経
て出口配管に流出されるので、燃料電池積層体を複数段
に備えた構成において各燃料電池積層体の発熱量が個々
に変化する場合であっても、各燃料電池積層体及び、各
燃料電池積層体を経て各出口配管に流出される冷却液の
クオリティを略変化なく維持させることができ、全体の
冷却が安定な状態に維持させることができ、常に効率の
良い発電を行うことができるものである。
料電池積層体側へ供給される冷却板の流量は常にほぼ等
量であり、各燃料電池積層体の冷却板に対しては、各燃
料電池積層体の部分負荷運転の発熱量に対応して適正流
量の冷却液が供給され、余分な冷却液はバイパス管を経
て出口配管に流出されるので、燃料電池積層体を複数段
に備えた構成において各燃料電池積層体の発熱量が個々
に変化する場合であっても、各燃料電池積層体及び、各
燃料電池積層体を経て各出口配管に流出される冷却液の
クオリティを略変化なく維持させることができ、全体の
冷却が安定な状態に維持させることができ、常に効率の
良い発電を行うことができるものである。
［発明の実施例］ 以下、この発明の一実施例を第１図に基づいて説明す
る。
る。
第１図は燃料電池の冷却系統図を示し、複数の単電池
１を上下方向に積層してなる燃料電池積層体3a,3b,3cが
複数段（第１図では３段）配置してあり、各燃料電池積
層体3a,3b,3cには、それぞれ上下両端部及び中間部に冷
却板5a,5b,5cが介設されている。各冷却板5a,5b,5cに
は、その入口側において入口マニホールド6a,6b,6cが接
続され、この入口マニホールド6a,6b,6cには、一端側が
主供給配管７に接続された入口配管9a,9b,9cの他端側が
接続されている。また、各冷却板5a,5b,5cには、その出
口側において、出口マニホールド10a,10b,10cが接続さ
れ、この出口マニホールド10a,10b,10cには、一端側が
主流出配管11に接続された出口配管13a,13b,13cの他端
側が接続されている。
１を上下方向に積層してなる燃料電池積層体3a,3b,3cが
複数段（第１図では３段）配置してあり、各燃料電池積
層体3a,3b,3cには、それぞれ上下両端部及び中間部に冷
却板5a,5b,5cが介設されている。各冷却板5a,5b,5cに
は、その入口側において入口マニホールド6a,6b,6cが接
続され、この入口マニホールド6a,6b,6cには、一端側が
主供給配管７に接続された入口配管9a,9b,9cの他端側が
接続されている。また、各冷却板5a,5b,5cには、その出
口側において、出口マニホールド10a,10b,10cが接続さ
れ、この出口マニホールド10a,10b,10cには、一端側が
主流出配管11に接続された出口配管13a,13b,13cの他端
側が接続されている。
前記主供給配管７には、当該主供給配管７に供給する
冷却水の流量を常に一定に保持する主流量調整弁15が設
けられ、図示しないポンプ及び熱交換器を介して主供給
配管７と主流出配管11とが接続され、冷却装置が構成さ
れている。
冷却水の流量を常に一定に保持する主流量調整弁15が設
けられ、図示しないポンプ及び熱交換器を介して主供給
配管７と主流出配管11とが接続され、冷却装置が構成さ
れている。
前記各入口配管9a,9b,9cには、固定絞り17a,17b,17c
が介設され、定格運転時の冷却水流量に対して各燃料電
池積層体3a,3b,3c毎に供給される冷却水の流量を略等し
く設定するように構成されている。
が介設され、定格運転時の冷却水流量に対して各燃料電
池積層体3a,3b,3c毎に供給される冷却水の流量を略等し
く設定するように構成されている。
前記各入口配管9a,9b,9cには、固定絞り17a,17b,17c
の下流側から各出口配管13a,13b,13c側に連通接続され
た複数のバイパス管19a,19b,19cが付設されている。各
バイパス管19a,19b,19cには、流量検出装置21a,21b,21c
及び流量制御装置23a,23b,23cが介設されている。
の下流側から各出口配管13a,13b,13c側に連通接続され
た複数のバイパス管19a,19b,19cが付設されている。各
バイパス管19a,19b,19cには、流量検出装置21a,21b,21c
及び流量制御装置23a,23b,23cが介設されている。
前記各流量検出装置21a,21b.21cは、各バイパス管19
a,19b,19cを流れる冷却流体としての冷却水の実流量を
検出し、この検出結果に基づいて実流量信号La,Lb,Lcを
出力するものである。このバイパス管19a,19b,19cの実
流量は、各冷却板5a,5b,5cに供給される冷却水と相関関
係にあり、結果的に各冷却板5a,5b,5cに供給される冷却
水の実流量を検出することとなる。この実流量信号La,L
b,Lcは、各流量制御装置23a,23b,23cに入力されるよう
に構成されている。
a,19b,19cを流れる冷却流体としての冷却水の実流量を
検出し、この検出結果に基づいて実流量信号La,Lb,Lcを
出力するものである。このバイパス管19a,19b,19cの実
流量は、各冷却板5a,5b,5cに供給される冷却水と相関関
係にあり、結果的に各冷却板5a,5b,5cに供給される冷却
水の実流量を検出することとなる。この実流量信号La,L
b,Lcは、各流量制御装置23a,23b,23cに入力されるよう
に構成されている。
また、各流量制御装置23a,23b,23cには、変換装置25
a,25b,25cから出力される適正流量信号Sa,Sb,Scが入力
されるように構成されている。
a,25b,25cから出力される適正流量信号Sa,Sb,Scが入力
されるように構成されている。
前記変換装置25a,25b,25cは、燃料電池の運転条件の
変化に伴う発熱量の変動を確認可能なファクタ、例えば
各燃料電池積層体3a,3b,3cの発電量を検出する検出手段
27a,27b,27cから出力される検出信号Ha,Hb,Hcが入力さ
れるように構成されている。変換装置25a,25b,25cはこ
の検出信号Ha,Hb,Hcに基づいて各バイパス管19a,19b,19
cに流される冷却水の適正流量、換言すれば各冷却板5a,
5b,5cに供給される冷却水の適正流量を設定し、適正流
量信号Sa,Sb,Scを出力するように構成されている。この
適正流量は、各冷却板5a,5b,5cの出口側のクオリティを
一定に保つようなものとして決定されるものである。
変化に伴う発熱量の変動を確認可能なファクタ、例えば
各燃料電池積層体3a,3b,3cの発電量を検出する検出手段
27a,27b,27cから出力される検出信号Ha,Hb,Hcが入力さ
れるように構成されている。変換装置25a,25b,25cはこ
の検出信号Ha,Hb,Hcに基づいて各バイパス管19a,19b,19
cに流される冷却水の適正流量、換言すれば各冷却板5a,
5b,5cに供給される冷却水の適正流量を設定し、適正流
量信号Sa,Sb,Scを出力するように構成されている。この
適正流量は、各冷却板5a,5b,5cの出口側のクオリティを
一定に保つようなものとして決定されるものである。
そして、前記流量制御装置23a,23b,23cは、流量検出
装置21a,21b,21c及び変換装置25a,25b,25cから入力され
た実流量信号La,Lb,Lcと適正流量信号Sa,Sb,Scとをそれ
ぞれ比較し、前者を後者に一致させるようにして各バイ
パス管19a,19b,19cに流れる冷却水の流量を適正流量に
調整制御するように構成されている。
装置21a,21b,21c及び変換装置25a,25b,25cから入力され
た実流量信号La,Lb,Lcと適正流量信号Sa,Sb,Scとをそれ
ぞれ比較し、前者を後者に一致させるようにして各バイ
パス管19a,19b,19cに流れる冷却水の流量を適正流量に
調整制御するように構成されている。
つぎに、上記一実施例の作用について述べる。
外部から液相状態で供給される冷却流体としての冷却
水は、燃料電池の全負荷運転時における定格流量に主流
量調整弁15で総流量が調整され、主供給配管７、入口配
管9a,9b,9c、固定絞り17a,17b,17c、各入口マニホール
ド6a,6b,6cを経て各燃料電池積層体3a,3b,3cの冷却板5
a,5b,5cに流入される。
水は、燃料電池の全負荷運転時における定格流量に主流
量調整弁15で総流量が調整され、主供給配管７、入口配
管9a,9b,9c、固定絞り17a,17b,17c、各入口マニホール
ド6a,6b,6cを経て各燃料電池積層体3a,3b,3cの冷却板5
a,5b,5cに流入される。
この場合、入口配管9a,9b,9cにおける固定絞り17a,17
b,17cの下流側の流量は、各入口配管9a,9b,9cで略同一
となっている。また全負荷運転時には、入口配管9a,9b,
9cから全ての冷却水が各入口マニホールド6a,6b,6cを介
して各冷却板5a,5b,5cに供給され、各冷却板5a,5b,5cの
流量は均一化が図られている。
b,17cの下流側の流量は、各入口配管9a,9b,9cで略同一
となっている。また全負荷運転時には、入口配管9a,9b,
9cから全ての冷却水が各入口マニホールド6a,6b,6cを介
して各冷却板5a,5b,5cに供給され、各冷却板5a,5b,5cの
流量は均一化が図られている。
冷却板5a,5b,5cでは、単電池１での発熱を吸収して、
各出口マニホールド10a,10b,10c、出口配管13a,13b,13c
を介して主流出配管11へ流出される。
各出口マニホールド10a,10b,10c、出口配管13a,13b,13c
を介して主流出配管11へ流出される。
ここで、燃料電池の運転条件の変化により部分負荷運
転が行なわれると、そのときの各燃料電池積層体3a,3b,
3cにおける発電量が検出手段27a,27b,27cにより検出さ
れ、検出結果に基づいて検出信号Ha,Hb,Hcが出力され
る。
転が行なわれると、そのときの各燃料電池積層体3a,3b,
3cにおける発電量が検出手段27a,27b,27cにより検出さ
れ、検出結果に基づいて検出信号Ha,Hb,Hcが出力され
る。
この検出信号Ha,Hb,Hcは変換装置25a,25b,25cに入力
され、該変換装置25a,25b,25cにおいて検出信号Ha,Hb,H
cに対応する各バイパス管19a,19b,19cの適正流量、換言
すれば発電量に応じて冷却板出口側における各出口配管
13a,13b,13cと各バイパス管19a,19b,19cとの合流点より
上流の点におけるクオリティを一定に保つような適正流
量が設定され、これに基づいて適正流量信号Sa,Sb,Scが
出力される。
され、該変換装置25a,25b,25cにおいて検出信号Ha,Hb,H
cに対応する各バイパス管19a,19b,19cの適正流量、換言
すれば発電量に応じて冷却板出口側における各出口配管
13a,13b,13cと各バイパス管19a,19b,19cとの合流点より
上流の点におけるクオリティを一定に保つような適正流
量が設定され、これに基づいて適正流量信号Sa,Sb,Scが
出力される。
一方、流量検出装置21a,21b,21cでは、各バイパス管1
9a,19b,19cを流れる冷却水の実流量が検出され、これに
基づいて実流量信号La,Lb,Lcが出力される。
9a,19b,19cを流れる冷却水の実流量が検出され、これに
基づいて実流量信号La,Lb,Lcが出力される。
流量制御装置23a,23b,23cは、流量検出装置21a,21b,2
1c及び変換装置25a,25b,25cから出力される実流量信号L
a,Lb,Lcと適正流量信号Sa,Sb,Scとを比較し、前者を後
者に一致させるように各バイパス管19a,19b,19cに流れ
る冷却水の流量を調整制御する。
1c及び変換装置25a,25b,25cから出力される実流量信号L
a,Lb,Lcと適正流量信号Sa,Sb,Scとを比較し、前者を後
者に一致させるように各バイパス管19a,19b,19cに流れ
る冷却水の流量を調整制御する。
従って、各燃料電池積層体3a,3b,3cの冷却板5a,5b,5c
を流れる冷却水は、各燃料電池積層体3a,3b,3cの部分負
荷運転の発熱量に応じて制御され、各冷却板5a,5b,5cの
出口側における各出口配管13a,13b,13cのクオリティ
は、燃料電池の全負荷運転時におけるクオリティと近似
値となる。従って、各冷却板5a,5b,5cを流れる冷却水
に、流動不安定が生じる危険がなくなる。
を流れる冷却水は、各燃料電池積層体3a,3b,3cの部分負
荷運転の発熱量に応じて制御され、各冷却板5a,5b,5cの
出口側における各出口配管13a,13b,13cのクオリティ
は、燃料電池の全負荷運転時におけるクオリティと近似
値となる。従って、各冷却板5a,5b,5cを流れる冷却水
に、流動不安定が生じる危険がなくなる。
また、主供給配管７を流れる冷却水流量は全負荷、部
分負荷運転によらず、主流量調整弁15の作用によって一
定であるので、各入口配管9a,9b,9cに介設された固定絞
り17a,17b,17cを通過した後の冷却水流量は、燃料電池
の運転条件の変化に係わらず各入口配管9a,9b,9c毎に常
に略均一である。
分負荷運転によらず、主流量調整弁15の作用によって一
定であるので、各入口配管9a,9b,9cに介設された固定絞
り17a,17b,17cを通過した後の冷却水流量は、燃料電池
の運転条件の変化に係わらず各入口配管9a,9b,9c毎に常
に略均一である。
従って、各冷却板を流れる冷却水流量も略均一化さ
れ、極めて効率の良い発電を行なわせることができる。
れ、極めて効率の良い発電を行なわせることができる。
上記の作用をグラフを用いて具体的に説明すると、例
えば各燃料電池積層体3a,3b,3cの発熱量が全負荷運転時
に対して1/2となり、各燃料電池積層体3a,3b,3cの冷却
に必要な冷却水流量が発熱量に比例するという設定をす
ると、一つの燃料電池積層体3a（3b,3c）のバイパス管1
9a（19b,19c）を流れる冷却水の適正流量は定格流量
（総流量）の1/6流量となる（この実施例ではバイパス
管が３本設けられているため）。この値を用いて数値解
析を行なうと、第３図の線分で示されるように、平均
流量に対する流量比がプラス・マイナス５％の範囲の変
化であり、また第４図の線分ａで示されるように、各
冷却板5a,5b,5cの出口側におけるクオリティは最大1.5
％、最小1.2％であり、第３図の線分及び第４図の線
分ａで示される従来例（総流量:1/2定格流量）の場合
と比較して、全負荷運転、定格流量（同図線分，
ａ）に対する変化が著しく抑制され、上記のように大幅
に改善されることが明らかである。
えば各燃料電池積層体3a,3b,3cの発熱量が全負荷運転時
に対して1/2となり、各燃料電池積層体3a,3b,3cの冷却
に必要な冷却水流量が発熱量に比例するという設定をす
ると、一つの燃料電池積層体3a（3b,3c）のバイパス管1
9a（19b,19c）を流れる冷却水の適正流量は定格流量
（総流量）の1/6流量となる（この実施例ではバイパス
管が３本設けられているため）。この値を用いて数値解
析を行なうと、第３図の線分で示されるように、平均
流量に対する流量比がプラス・マイナス５％の範囲の変
化であり、また第４図の線分ａで示されるように、各
冷却板5a,5b,5cの出口側におけるクオリティは最大1.5
％、最小1.2％であり、第３図の線分及び第４図の線
分ａで示される従来例（総流量:1/2定格流量）の場合
と比較して、全負荷運転、定格流量（同図線分，
ａ）に対する変化が著しく抑制され、上記のように大幅
に改善されることが明らかである。
さらに、主供給配管７に供給する冷却水の流量は一定
であり、外部制御を必要とせず、構造を簡単にすること
ができる。
であり、外部制御を必要とせず、構造を簡単にすること
ができる。
第２図は、この発明の他の実施例を示すもので、この
実施例では、流量検出装置21a,21b,21cを各入口配管9a,
9b,9cの各バイパス管19a,19b,19cとの分岐点の下流側に
介設し、変換装置25a,25b,25cが出力する適正流量信号S
a,Sb,Scが各燃料電池積層体3a,3b,3cの冷却板5a,5b,5c
に供給される冷却水の適正流量を設定するように構成さ
れている。
実施例では、流量検出装置21a,21b,21cを各入口配管9a,
9b,9cの各バイパス管19a,19b,19cとの分岐点の下流側に
介設し、変換装置25a,25b,25cが出力する適正流量信号S
a,Sb,Scが各燃料電池積層体3a,3b,3cの冷却板5a,5b,5c
に供給される冷却水の適正流量を設定するように構成さ
れている。
この実施例による数値解析の結果として、流量比は第
３図の線分で示されるように、プラス・マイナス10％
内の変化であり、また、各冷却板5a,5b,5cの出口側にお
けるクオリティは、また、第４図の線分ａで示される
ように、最大1.4％、最小1.3％の変化であり、上記実施
例同様、第３図の線分及び第４図の線分ａで示され
る従来例に比べて大幅に改善されることが明らかであ
る。
３図の線分で示されるように、プラス・マイナス10％
内の変化であり、また、各冷却板5a,5b,5cの出口側にお
けるクオリティは、また、第４図の線分ａで示される
ように、最大1.4％、最小1.3％の変化であり、上記実施
例同様、第３図の線分及び第４図の線分ａで示され
る従来例に比べて大幅に改善されることが明らかであ
る。
このように、運転条件の変化に係わらず主供給配管７
に定格流量の冷却水を供給した状態で、各冷却板5a,5b,
5cに略同流量の冷却水を供給することができるととも
に、各冷却板5a,5b,5cの出口側におけるクオリティの変
化を著しく抑制することができ、極めて効率の良い発電
を行なわせることができる。
に定格流量の冷却水を供給した状態で、各冷却板5a,5b,
5cに略同流量の冷却水を供給することができるととも
に、各冷却板5a,5b,5cの出口側におけるクオリティの変
化を著しく抑制することができ、極めて効率の良い発電
を行なわせることができる。
なお、この発明は上記一実施例に限定されない。検出
手段27a,27b,27cで検出するファクタとして、各単電池
１の中心温度、燃料供給量等を検出することにより、燃
料電池積層体の部分負荷運転に伴う発熱量の変動に応じ
て、冷却板を流れる冷却液の流量を制御するように構成
することもできる。
手段27a,27b,27cで検出するファクタとして、各単電池
１の中心温度、燃料供給量等を検出することにより、燃
料電池積層体の部分負荷運転に伴う発熱量の変動に応じ
て、冷却板を流れる冷却液の流量を制御するように構成
することもできる。
第１図は、この発明の一実施例に係る燃料電池冷却装置
の冷却系統図、第２図はこの発明の他の実施例の冷却系
統図、第３図は各冷却板へ供給される冷却水の流量比に
ついてこの発明の実施例と従来例との比較を示した図、
第４図は各燃料電池積層体の各冷却板出口側のクオリテ
ィについてこの発明の実施例と従来例との比較を示した
図、第５図は従来例の冷却系統図、第６図は考えられる
冷却系統図である。 （図面の主要部を表わす符号の説明） １……単電池 3a,3b,3c……燃料電池積層体 5a,5b,5c……冷却板 9a,9b,9c……入口配管 13a,13b,13c……出口配管 17a,17b,17c……固定絞り 19a,19b,19c……バイパス管 21a,21b,21c……流量検出装置 23a,23b,23c……流量制御装置 25a,25b,25c……変換装置 27a,27b,27c……検出手段
の冷却系統図、第２図はこの発明の他の実施例の冷却系
統図、第３図は各冷却板へ供給される冷却水の流量比に
ついてこの発明の実施例と従来例との比較を示した図、
第４図は各燃料電池積層体の各冷却板出口側のクオリテ
ィについてこの発明の実施例と従来例との比較を示した
図、第５図は従来例の冷却系統図、第６図は考えられる
冷却系統図である。 （図面の主要部を表わす符号の説明） １……単電池 3a,3b,3c……燃料電池積層体 5a,5b,5c……冷却板 9a,9b,9c……入口配管 13a,13b,13c……出口配管 17a,17b,17c……固定絞り 19a,19b,19c……バイパス管 21a,21b,21c……流量検出装置 23a,23b,23c……流量制御装置 25a,25b,25c……変換装置 27a,27b,27c……検出手段
Claims (1)
- 【請求項１】複数の単電池を上下に積層してなる積層体
の上下両端部及び中間部に冷却板を介設してなる燃料電
池積層体を上下に複数段設け、前記各燃料電池積層体の
各冷却板に冷却液を供給するための主供給配管と、前記
各燃料電池積層体に対応して前記主供給配管から分岐さ
れた各入口配管と、上記各入口配管から各燃料電池積層
体の各冷却板に接続した各入口マニホールドと、各燃料
電池積層体の各冷却板に接続した各出口マニホールド
と、前記冷却液を回収するための主流出配管と、前記各
出口マニホールドと前記主流出配管とを接続する各出口
配管と、を備えてなる燃料電池において、 前記複数の燃料電池積層体の定格運転時の冷却液流量に
相当する冷却液の流量が各燃料電池積層体に常にほぼ等
しく供給されるように前記各入口配管に介設された複数
の固定絞りと、 上記各固定絞りの下流側から前記各出口配管に連通接続
された複数のバイパス管と、 各燃料電池積層体の冷却板へ供給される冷却液の流量を
検出して実流量信号を出力する複数の流量検出装置と、 各燃料電池積層体の運転条件の変化に伴う発熱量の変動
を確認可能なファクタを検出する複数の検出手段と、 各検出手段から出力される各ファクタに基づいて各燃料
電池積層体に供給される冷却液の適正流量を設定して適
正流量信号を出力する複数の変換装置と、 前記各流量検出装置から入力される実流量信号と前記各
変換装置から入力される適正流量信号とを比較して前記
各燃料電池積層体に供給される冷却液の流量を適正流量
に制御すべく前記各バイパス管に流れる冷却液の流量を
制御自在の複数の流量制御装置と、 を備え、前記各燃料電池積層体における冷却板を流れる
冷却液の流量を、各燃料電池積層体の部分負荷運転に伴
う発熱量の変動に応じて制御する構成としてなることを
特徴とする燃料電池。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP60125031A JPH0821402B2 (ja) | 1985-06-11 | 1985-06-11 | 燃料電池 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP60125031A JPH0821402B2 (ja) | 1985-06-11 | 1985-06-11 | 燃料電池 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPS61284068A JPS61284068A (ja) | 1986-12-15 |
| JPH0821402B2 true JPH0821402B2 (ja) | 1996-03-04 |
Family
ID=14900131
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP60125031A Expired - Fee Related JPH0821402B2 (ja) | 1985-06-11 | 1985-06-11 | 燃料電池 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH0821402B2 (ja) |
Families Citing this family (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2774496B2 (ja) * | 1987-05-25 | 1998-07-09 | 株式会社東芝 | 燃料電池電圧分布制御方法 |
| JP4081896B2 (ja) * | 1998-12-02 | 2008-04-30 | トヨタ自動車株式会社 | 燃料電池システム |
| FR2975834B1 (fr) * | 2011-05-26 | 2013-07-05 | Commissariat Energie Atomique | Pile a combustible a gestion thermique amelioree |
| JP2024004593A (ja) * | 2022-06-29 | 2024-01-17 | 株式会社Subaru | 燃料電池システム |
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