JP2021111455A

JP2021111455A - 冷却装置及び燃料電池システム

Info

Publication number: JP2021111455A
Application number: JP2020000517A
Authority: JP
Inventors: 洋二中森; Yoji Nakamori
Original assignee: Toshiba Corp; Toshiba Energy Systems and Solutions Corp
Current assignee: Toshiba Corp; Toshiba Energy Systems and Solutions Corp
Priority date: 2020-01-06
Filing date: 2020-01-06
Publication date: 2021-08-02

Abstract

【課題】空気冷却の冷却能力をより増加可能である冷却装置及び燃料電池システムを提供する。【解決手段】本実施形態に係る冷却装置は、液浸槽本体と、熱交換器とを備える。液浸槽本体は、液相の冷媒と冷媒中に液浸する電気装置とを入れる。熱交換器は、電気装置との熱交換により発生した冷媒の蒸気を空気との熱交換により冷却する。熱交換器により凝縮された冷媒は、電気装置の冷却に再使用される。【選択図】図１

Description

本発明の実施形態は、冷却装置及び燃料電池システムに関する。

燃料電池の電気化学反応による発電にともない発生する熱は一般に冷却される。この冷却方式としては冷媒として水などを使用する液冷方式、空気を使用する空冷方式が知られている。

一般的な液冷方式は、配管や液冷を循環させる駆動モータなどの付帯設備が必要となる。一方で、空冷方式は液冷方式と比較して気密性、電気絶縁性の点で簡便な構造であり、初期コストが安く、故障要因が少ないという利点がある。ところが、冷却用媒体である空気は、その熱容量が小さいため燃料電池の冷却能力に制限が生じてしまう。

特開平３−２１６９６１号公報

本発明が解決しようとする課題は、空気冷却の冷却能力をより増加可能である冷却装置及び燃料電池システムを提供することである。

本実施形態に係る冷却装置は、液浸槽本体と、熱交換器とを備える。液浸槽本体は、液相の冷媒と冷媒中に液浸する電気装置とを入れる。熱交換器は、電気装置との熱交換により発生した冷媒の蒸気を空気との熱交換により冷却する。熱交換器により凝縮された冷媒は、電気装置の冷却に再使用される。

本実施形態によれば、空気冷却の冷却能力をより増加できる。

一実施形態に係る燃料電池システムの構成例を示す図。燃料電池スタックの１単位の構成例を示す側面図。燃料電池スタックにおける１単位の別の構成例を示す側面図。放熱板を積層した燃料電池スタックの斜視図。冷却装置による燃料電池の冷却の様子を示す図。冷媒を使用しない空冷による燃料電池の冷却の様子を示す図。

以下、本発明の実施形態に係る冷却装置及び燃料電池システムについて、図面を参照しながら詳細に説明する。なお、以下に示す実施形態は、本発明の実施形態の一例であって、本発明はこれらの実施形態に限定して解釈されるものではない。また、本実施形態で参照する図面において、同一部分又は同様な機能を有する部分には同一の符号又は類似の符号を付し、その繰り返しの説明は省略する場合がある。また、図面の寸法比率は説明の都合上実際の比率とは異なる場合や、構成の一部が図面から省略される場合がある。

（一実施形態）
図１は、本実施形態に係る燃料電池システム１の構成例を示す図である。燃料電池システム１は、冷媒１０２を介した空気冷却により燃料電池を冷却する。この燃料電池システム１は、冷却装置１０と、燃料電池２０と、メタノール改質器３０と、空気ブロア４０とを備える。図１には更に、メタノール供給配管Ｌ２、改質ガス供給配管Ｌ４、空気供給配管Ｌ６、空気排出配管Ｌ８、燃料排出配管Ｌ１０、及び固定台Ｓが図示されている。

冷却装置１０は、冷媒１０２を介した空気冷却により燃料電池２０を冷却する装置であり、メタノールタンク１００と、冷媒１０２と、熱交換器１０４と、を有する。メタノールタンク１００は、液相の冷媒１０２と、冷媒１０２中に液浸する電気装置である燃料電池２０とを内包する。このメタノールタンク１００には、液相の冷媒１０２が充填されており、密閉状態となっている。なお、本実施形態に係るメタノールタンク１００が液浸槽本体に対応する。

冷媒１０２は、燃料電池２０全体が充分に浸る程度にメタノールタンク１００に充填されている。メタノールタンク１００中には、冷媒１０２のみが充填されており、メタノールタンク１００内における冷媒１０２の上部は気化した冷媒が存在している。

冷媒１０２は、燃料電池２０の作動温度（例えば６５℃程度）より低い又は同程度の沸点を有し、かつ、絶縁性を有するものを用いる。燃料電池２０の作動温度と同程度の沸点を有する冷媒１０２を用いることで、燃料電池２０の温度を作動温度付近に保持することができる。また、絶縁性を有する冷媒１０２を用いることで、冷却装置１０の絶縁抵抗が低下することを防ぐことができる。

冷媒１０２は、例えば水素ガスの原料となるメタノールを用いている。メタノールの導電率は０．００１５μＳ／ｃｍ（２５℃）である。なお、本実施形態ではメタノールを用いるがこれに限定されない。例えば、メタノール水やエタノール、エタノール水などを用いても良いが、導電率が比較的高い冷媒を使用する場合においては燃料電池２０の導通部を保護し、絶縁性を維持する必要がある。

熱交換器１０４は、燃料電池２０との熱交換により気化した冷媒１０２を空気との熱交換により冷却する。熱交換器１０４は、例えば空気との熱交換を行う冷却放熱フィンである。熱交換器１０４は、メタノールタンク１００の上部に配置され、メタノールタンク１００と一体的に構成されている。熱交換器１０４の下面は、メタノールタンク１００の内部に面している。これにより、熱交換器１０４により凝縮された冷媒１０２は、メタノールタンク１００内を下方に移動し、再使用される。

燃料電池２０は、固定部材Ｓによってメタノールタンク１００内の底面に固定されている。固定部材Ｓは、樹脂等の絶縁材料から構成されている。燃料電池２０の詳細は後述する。

メタノール改質器３０は、メタノール供給配管Ｌ２、及び改質ガス供給配管Ｌ４を介して燃料電池２０と接続されている。このメタノール改質器３０は、改質触媒の作用により、メタノール供給配管Ｌ２から供給されるメタノールを用いて水素含有ガスを生成し、燃料電池２０に供給する。メタノール改質器３０は、例えば不図示の温熱器、水供給管を有し、メタノールと水蒸気の改質反応により、水素含有ガスを生成する。

空気ブロア４０は、空気供給配管Ｌ６を介して燃料電池２０と接続されている。空気ブロア４０は、燃料電池は２０に空気供給配管Ｌ６を介して酸素含有ガスを供給する。

ここで、図２及び図３を参照しつつ、燃料電池は２０の詳細を説明する。燃料電池２０は、燃料電池スタックを有する。燃料電池スタックの基本セルは、電解質膜をアノード電極とカソード電極とによって挟み、アノード電極に水素を含有する水素含有ガス、カソード電極に酸素を含有する酸素含有ガスを供給することによって発電する。

燃料電池２０は、改質ガス供給配管Ｌ４を介して水素含有ガスが供給され、空気供給配管Ｌ６を介して酸素含有ガスが供給される。アノード電極及びカソード電極の両電極において進行する電極反応は以下の通りである。この（１）、（２）の電極反応によって起電力を生じる。発電後のカソード電極極側のガスは空気排出配管Ｌ８を介して排出され、アノード電極燃料のガスは燃料排出配管Ｌ１０を介して排出される。

アノード電極：２Ｈ_２→４Ｈ^＋＋４ｅ⁻ （１）
カソード電極：４Ｈ^＋＋４ｅ⁻＋Ｏ_２→２Ｈ_２Ｏ（２）

図２は、燃料電池２０を構成する燃料電池スタックの１単位である基本セルの構成例を示す側面図である。図２に示すように、燃料電池スタックの１単位は、発電体（ＭＥＡ）２０２の表裏両面に、アノードセパレータ２０４とカソードセパレータ２０６とが配置されて構成される。発電体２０２は、電解質膜の一方の面にアノード電極を有し、他方の面にカソード電極を有する。

アノードセパレータ２０４は、アノード電極に水素含有ガスを供給するための複数の溝状のアノードガス流路を有する。カソードセパレータ２０６は、カソード電極に酸素含有ガスを供給するための複数の溝状のカソードガス流路を有する。

また、カソードセパレータ２０６には、上下方向（鉛直方向）に複数の冷媒１０２の通路である直線流路２０８が形成されている。直線流路２０８は、冷媒１０２が通過する溝として構成されている。なお、直線流路２０８は、アノードセパレータ２０４に設けてもよい。これにより、冷媒１０２と燃料電池２０との接触面積を増やすことができ、冷媒１０２と燃料電池２０との熱交換の効率をより上げることができる。

図３は、燃料電池２０を構成する燃料電池スタックにおける基本セルの別の構成例を示す側面図である。図４は、放熱板２１０を積層した燃料電池スタックの斜視図である。図３及び４に示すように、この構成例では、セパレータ２０４、２０６内に直線流路２０８を形成する替わりに、放熱板（ヒートシンク）２１０を積層している。放熱板２１０により、冷媒１０２と燃料電池２０との接触面積を増やすことができ、冷媒１０２と燃料電池２０との熱交換の効率をより上げることができる。

図５は、冷却装置１０による燃料電池２０の冷却の様子を示す図である。図６は、冷媒１０２を使用しない空冷による燃料電池２０の冷却の様子を示す図である。図５に示すように、燃料電池２０にメタノール改質器３０から水素含有ガスと、空気ブロア４０から酸素含有ガスの供給を開始する。これにより、燃料電池２０で発電が開始する。燃料電池２０は発電に伴い自己発熱を生じ、燃料電池２０で発生した熱が冷媒１０２に伝わる。

燃料電池２０が昇温し冷媒１０２に熱が伝導すると、冷媒１０２の気化熱により燃料電池２０が冷却される。この場合、燃料電池２０と冷媒１０２との間の熱伝達率ｑ’を例えば３０００〜７０００Ｗ／ｍ^２Ｋ（代表値４５００Ｗ／ｍ^２Ｋ）とし、燃料電池２０の表面積（ｍ^２）をＳとすると、燃料電池２０と冷媒１０２の温度差ΔＴ１の時に伝達する熱は、ｑ’×Ｓ×ΔＴ１となる。

一方で、図６に示すように、燃料電池２０と空気との間の熱伝達率ｑを例えば１０〜１００Ｗ／ｍ^２Ｋ（代表値５０Ｗ／ｍ^２Ｋ）とし、燃料電池２０の表面積をＳ（ｍ^２）とすると、燃料電池２０と空気の温度差ΔＴ１の時に伝達する熱は、ｑ×Ｓ×ΔＴ１となる。これから分かるように、冷媒１０２を介すことにより、燃料電池２０から外部への熱の伝達量が１〜２桁大きくなる。

再び図５に示すように、気化した冷媒１０２は、メタノールタンク１００の最上部に移動し、熱交換器１０４との熱交換により凝縮して液相となりメタノールタンク１００内を下方に移動する。熱交換器１０４における冷媒１０２の蒸気から外気に伝達する熱をｃ（Ｗ／ｍ^２／Ｋ）（＝外気に放熱される熱）とし、熱交換器１０４における冷媒１０２の蒸気と外気との熱交換面積をＡとし、冷媒１０２の蒸気と外気の温度差をΔＴ２とすると、熱交換器１０４により熱交換される熱はｃ×Ａ×ΔＴ２となる。ここで、冷媒１０２の気化熱をＶとすると、ｑ’×Ｓ×ΔＴ１＝Ｖ＝ｃ×Ａ×ΔＴ２なる関係を有する。

以上のように、本実施形態によれば、メタノールタンク１００に、液相の冷媒１０２と冷媒１０２中に液浸する燃料電池２０とを入れ、熱交換器１０４により燃料電池２０との熱交換により発生した気化した冷媒を空気との熱交換により冷却することとした。空気よりも熱伝達率の高い相の冷媒１０２を介することにより、燃料電池２０から放出する熱伝達量をより大きくでき、冷却装置１０の空冷による冷却能力をより増加可能である。

また、メタノールである冷媒１０２中に燃料電池２０を液浸し、燃料電池２０のセパレータ２０４、２０６にメタノールを流通する直線流路２０８を形成した。これにより、絶縁性の高いメタノールにより燃料電池２０を冷却でき、燃料電池２０の絶縁抵抗が低下することを防ぐことができる。

また、メタノールで燃料電池２０を冷却し、メタノール改質器３０がメタノールを改質して水素含有ガスを生成し、燃料電池２０に供給することとした。これにより、冷媒１０２であるメタノールを燃料電池２０の冷却とメタノール改質器３０における水素含有ガスの双方に用いることが可能となる。また、燃料電池２０から得た熱は、メタノールを昇温することで、メタノール改質反応に必要な熱の一部として利用することが出来る。

以上、いくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例としてのみ提示したものであり、発明の範囲を限定することを意図したものではない。本明細書で説明した新規な装置、方法及びプログラムは、その他の様々な形態で実施することができる。また、本明細書で説明した装置、方法及びプログラムの形態に対し、発明の要旨を逸脱しない範囲内で、種々の省略、置換、変更を行うことができる。

１：燃料電池システム、１０：冷却装置、２０：燃料電池、３０：メタノール改質器、４０：空気ブロア、１００：メタノールタンク、１０２：冷媒、
１０４：熱交換器、２０４：アノードセパレータ、２０６：カソードセパレータ、２０８：直線流路。

Claims

液相の冷媒と前記冷媒中に液浸する電気装置とを入れる液浸槽本体と、
前記電気装置との熱交換により発生した気化した冷媒を空気との熱交換により冷却する熱交換器と、を備え、
前記熱交換器により凝縮された冷媒は、前記電気装置の冷却に再使用される冷却装置。
前記熱交換器は、空気との熱交換を行う冷却放熱フィンである請求項１に記載の冷却装置。
前記熱交換器は、液浸槽本体の上部に配置される、請求項１又は２に記載の冷却装置。
前記冷媒はメタノールであり、前記電気装置は燃料電池である、請求項１乃至３のいずれか一項に記載の冷却装置。
請求項４に記載の冷却装置と、
前記メタノールを改質して水素含有ガスを生成し、前記燃料電池に供給するメタノール改質器と、
を備える燃料電池システム。
前記燃料電池は、アノードセパレータと、発電体層と、カソードセパレータとを積層した燃料電池スタックを備え、前記アノードセパレータ、及び前記カソードセパレータの少なくとも一方に前記メタノールを流通する流路を有する、請求項５に記載の燃料電池システム。
前記燃料電池は、アノードセパレータと、発電体層と、カソードセパレータと、放熱板とを積層する、請求項５に記載の燃料電池システム。
前記燃料電池に酸素含有ガスを供給する空気ブロアを更に備える、請求項５乃至７のいずれか一項に記載の燃料電池システム。
燃料電池と、
メタノールと前記メタノール中に液浸する前記燃料電池とを入れる液浸槽本体と、を備え、
前記燃料電池は、アノードセパレータと、発電体層と、カソードセパレータとを積層した燃料電池スタックを備え、前記アノードセパレータ、及び前記カソードセパレータの少なくとも一方に前記メタノールを流通する流路を有する、
燃料電池システム。
メタノールで冷却する燃料電池と、
前記メタノールを改質して水素含有ガスを生成し、前記燃料電池に供給するメタノール改質器と、
を備える燃料電池システム。