JPH1040945A

JPH1040945A - 燃料電池の冷却装置

Info

Publication number: JPH1040945A
Application number: JP8199047A
Authority: JP
Inventors: Yoshitsugu Gocho; 義次牛膓; Kazuhisa Tanaka; 和久田中; Toshiro Konno; 敏郎金野
Original assignee: Toshiba Corp; Toshiba Industrial Technology Corp
Current assignee: Toshiba Corp; Toshiba Industrial Technology Corp
Priority date: 1996-07-29
Filing date: 1996-07-29
Publication date: 1998-02-13

Abstract

(57)【要約】【課題】積層された冷却板内の冷却管を流れる冷却水
流量をセルスタック構造の全体に亘って可能な限り均一
にし、冷却能力を最適な状態に維持する。【解決手段】複数の単セル１からなる多数のサブスタ
ック７と多数の冷却板６とが交互に積層されてセルスタ
ック構造１０が形成される。セルスタック構造１０の一
側面の近傍には、冷却水の給水マニホールド１４と排水
マニホールド１５が並べて立設される。複数の冷却板６
に設けられた各冷却管１２の給水側および排水側の端部
は、ユニオン２１によって各絶縁ホース２２の一端に直
接接続される。給水／排水マニホールド１４，１５の元
管の各々には、複数の冷却管１２の各々に対応する複数
の枝管２３が溶接され、各枝管２３の端部は、ユニオン
２１によって各絶縁ホース２２の他端に直接接続され
る。全てのユニオン２１の内部に、冷却水流量を抑制す
る流量調整スリーブ２４が挿入される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、電気化学反応によ
って電気エネルギーを発生させる燃料電池に係り、特
に、複数の単電池からなる複数のサブスタックと複数の
冷却板とが交互に積層されて形成された積層体構造を冷
却するための、燃料電池の冷却装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】燃料電池では、天然ガス等を改質して得
られた燃料である水素と、酸化剤である空気とが燃料電
池本体内に供給され、リン酸液等の電解質を介して電気
化学反応により電気エネルギーの発生が行われている。
また、燃料電池の発電時に発生する熱を回収して有効利
用することにより、効率的なエネルギー発生システムが
実現されている。このような燃料電池においては、最小
単位の発電機能を有する一つの単電池（以下、単セルと
呼ぶ）が多数積層され、積層体構造（以下、セルスタッ
ク構造と呼ぶ）が構成されている。図６は、このような
セルスタック構造と冷却装置の部分切欠きを含む斜視図
であり、図７は、単セルを示す分解斜視図である。

【０００３】［１．単セルの構成］以下には、図７を参
照して単セル１の構成を説明する。図７に示すように、
単セル１は、電解質を保持したマトリックス２を有す
る。このマトリックス２の両側には、矢印Ａ方向から燃
料である水素が供給される燃料極３ａと、矢印Ｂ方向か
ら空気が供給される空気極３ｂとがそれぞれ配置されて
いる。この場合、燃料極３ａの外側には、水素を流すた
めのリブ付電極基材４ａが配置され、空気極３ｂの外側
には、空気を流すためのリブ付電極基材４ｂが配置され
ている。また、これらの一対のリブ付電極基材４ａ，４
ｂの外側両面には、ガス不透過性のセパレータ５がそれ
ぞれ配置されている。すなわち、以上のようなマトリッ
クス２、燃料極３ａ、空気極３ｂ、一対のリブ付電極基
材４ａ，４ｂにより、一つの単セル１が構成され、セパ
レータ５を介して多数の単セル１が積層されている。

【０００４】［２．セルスタック構造の構成］以下に
は、図６を参照してセルスタック構造１０の構成を説明
する。まず、上記のような単セル１が５〜１０個積層さ
れる毎に、水冷却式の冷却板６が挿入され、図６に示す
ように、この冷却板６で区分された単セル１の積層部分
毎に、一つのサブスタック７が構成されている。そし
て、このような多数のサブスタック７と多数の冷却板６
とが交互に積層されてセルスタック構造１０が形成され
ている。なお、図６に示すように、複数の冷却板６に
は、セルスタック構造１０の下側から上側に向かって、
ここでは例えば、Ｎｏ．１、Ｎｏ．２、…、Ｎｏ．４
０、Ｎｏ．４１という連続番号が付けられている。

【０００５】さらに、このセルスタック構造１０の最上
部と最下部とには、締付板８が設けられ、これらの締付
板８は、タイロッド（図示せず）でセルスタック構造全
体を積層方向に所定の荷重で締め付けている。また、こ
の上下の締付板８には、停止時保温用の電気ヒータ９が
設けられている。

【０００６】［３．冷却装置の給水／排水システムの構
成］以下には、図６、図８〜図１１を参照して、セルス
タック構造１０の冷却を行う冷却装置のうち、特に、給
水マニホールドから冷却板６に冷却水を供給し、冷却板
６から排水マニホールドに冷却水を排水するための給水
／排水システムの構成を説明する。ここで、図８は、冷
却板を示す断面図、図９は、排水マニホールドを示す断
面図、図１０は、冷却管と絶縁ホースとの嵌め込み部分
を示す断面図、図１１は、給水／排水マニホールドと絶
縁ホースとの嵌め込み部分を示す断面図である。

【０００７】まず、冷却板６は、図８に示すように、一
対のホルダー１１ａ，１１ｂからなる冷却基板１１を備
えている。この冷却基板１１内には、金属製の冷却管１
２が熱伝導性の高い充填材１３を介して埋設されてい
る。この冷却管１２は、図６に示すように、蛇行ループ
状に構成されている。

【０００８】一方、図６に示すように、セルスタック構
造１０の一側面の近傍には、冷却水の給水マニホールド
１４と排水マニホールド１５が並べて立設されており、
これらの給水／排水マニホールド１４，１５に対し、複
数の冷却板６の冷却管１２の両端がそれぞれ接続されて
いる。

【０００９】このような個別の冷却管１２と共通の給水
／排水マニホールド１４，１５との接続は、冷却管１２
の両端にそれぞれ設けられたニップル１６，１７と、給
水／排水マニホールド１４，１５の各々にそれぞれ複数
ずつ設けられたニップル１８，１９、およびニップル１
６，１８間とニップル１７，１９間をそれぞれ接続する
複数の絶縁ホース２０によって行われている。

【００１０】すなわち、図６と図１０に示すように、各
冷却管１２の給水端側端部には、ニップル１６が拡管に
よりそれぞれ接続されており、各冷却管１２の排水側端
部には、ニップル１７が拡管によりそれぞれ接続されて
いる。また、図６と図１１に示すように、給水マニホー
ルド１４の元管には、各冷却管１２への給水のための複
数のニップル１８がそれぞれ溶接されており、排水マニ
ホールド１５の元管には、各冷却管１２からの排水のた
めの複数のニップル１９がそれぞれ溶接されている。こ
れらのニップル１６〜１９の各々においては、図９〜図
１１に示すように、その先端部の外周面にタケノコ溝３
１が加工されている。そして、このタケノコ溝３１の外
周に、絶縁ホース２０の一端がそれぞれ嵌め込まれ、こ
の嵌め込み部分は、絶縁ホース２０の外周からクランプ
３２によって堅くかしめられている。

【００１１】このような、ニップル１６〜１９と絶縁ホ
ース２０とを使用した接続構造により、給水マニホール
ド１４から供給された冷却水は、ニップル１８、絶縁ホ
ース２０、およびニップル１６を順次介して冷却管１２
に供給され、各冷却管１２を流通した後、ニップル１
７、絶縁ホース２０、およびニップル１９を順次介して
排水マニホールド１５に排出される。

【００１２】［４．リン酸液の回収機能を有する冷却装
置］ところで、以上のような燃料電池であって、特に、
電解質に例えばリン酸液を用いた燃料電池においては、
その運転の際に反応気体リン酸液が多少蒸発することが
ある。このようなリン酸液の蒸発は短期的には僅かでは
あるが、長期に亘る運転の後には、蒸発するリン酸液の
総量は相当な量に達し、場合によっては燃料電池の運転
が不可能になる可能性がある。

【００１３】従来、このようなリン酸液の蒸発を防止す
るため、蒸発したリン酸液を回収して電池に戻すことが
可能な冷却装置が提案されている。このようなリン酸液
の回収機能を有する冷却装置は、例えば、特開昭６４−
１４８７６号公報において開示されている。この冷却装
置では、冷却板６の冷却管１２に、この管内の所定圧力
に対する飽和温度より十分低い温度（例えば、飽和温度
が１８０℃の場合には、１６０℃に設定される。）の単
相流である冷却水が、給水マニホールド１４を介して供
給される。この単相流の冷却水は、冷却管１２内を進む
うちに次第に加熱されてその温度が上昇し、飽和温度に
達して沸騰する。この沸騰した冷却水は、残りの冷却管
１２内を進むうちに気液２相流となり、排水マニホール
ド１５を介して排出される。

【００１４】このようなリン酸液の回収機能を有する冷
却装置において、給水マニホールド１４から供給される
単相流の冷却水は、図１２に示すように、Ｐ₁点で冷却
管１２内に流入した後、Ｐ₂点で沸騰して気液２相流と
なり、Ｐ₃点で冷却管１２から流出する。この場合、単
相流の冷却水がＰ₁点で冷却管１２内に流入してからＰ
₂点で沸騰するまでの単相流領域（リン酸液凝縮領域）
では、反応後の排気が単相流の冷却水によって冷却さ
れ、蒸発されたリン酸液が凝縮される。一方、Ｐ₂点で
冷却水が沸騰して気液２相流となり、Ｐ₃点で冷却管１
２から流出するまでの気液２相流領域（等温冷却領域）
では、電気化学反応が生起され、実質的に等温冷却され
る。このようにして蒸発したリン酸液を回収することに
より、リン酸液がセルの外部に流出することを制御でき
る。

【００１５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上述し
たような従来の燃料電池の冷却装置では、図６と図９に
示すように、給水／排水マニホールド１４，１５に多数
の冷却管１２が取り付けられており、給水側と排出側と
が共に同じ構造となっているが、排水マニホールド１５
側に流れる冷却水は気液２相流状態であるため、単相流
状態である給水側に比べて流体の比重が小さい。そのた
め、給水マニホールド１４から各冷却管１２に供給され
る冷却水流量は、重力の影響によってセルスタック構造
の下側ほど多くなる。

【００１６】この一例として、図１３に、Ｎｏ．１、Ｎ
ｏ．２、…、Ｎｏ．４０、Ｎｏ．４１の各冷却板６の各
冷却管１２の冷却水流量として、冷却管１２から排水マ
ニホールド１５に流れ込む冷却水流量を近似計算により
求めたグラフを示す。この図１３のグラフにおいては、
Ｎｏ．１とＮｏ．４１として示す最上部および最下部の
冷却管を除いて、各冷却管を流れる冷却水流量は、セル
スタック構造１０の下側ほど多くなっており、セルスタ
ック構造１０の上側と下側とでは不均一になっている。
なお、Ｎｏ．４１とＮｏ．１として示す最上部および最
下部の冷却管の流量は、締付板８に隣接していることか
ら冷却板６に侵入する入熱が半分となり、冷却水が単相
流として流れ、通水抵抗が小さくなるため、局部的に流
量が過大となっている。

【００１７】上記のように、図６〜図１１に示すような
従来の燃料電池の冷却装置において、冷却管１２の冷却
水流量はセルスタック構造１０の上側と下側とでは不均
一になっているため、以下のような問題がある。すなわ
ち、冷却水流量Ｑがセルスタック構造１０の上側と下側
とで均一である場合には、気液２相流領域の開始点は図
１２中のＰ₂に維持され、単相流領域と気液２相流領域
を最適な範囲に確保できる。これに対して、冷却水流量
Ｑが小である場合には、気液２相流領域の開始点は、図
１２中のＰ₂からＰ₄へと変化する。この場合には、単
相流領域（リン酸凝縮領域）が狭くなり、リン酸回収効
果が大幅に低下し、燃料電池の寿命低下を招来する可能
性がある。また、冷却効果が低下して高温領域の温度が
高くなり、セル材料の腐食が加速される可能性もある。
一方、冷却水流量Ｑが大である場合には、気液２相流領
域の開始点は、Ｐ₂からＰ₅へと変化する。この場合に
は、気液２相流領域（等温冷却領域）が狭くなり、セル
が過冷却され、電池電圧特性の低下を生起する可能性が
ある。

【００１８】このような、冷却管の冷却水流量の不均一
を防止するための対策として、従来、例えば、特開平１
−１６６４７２号公報においては、給水マニホールドに
比べて排水マニホールドの内径を小さくし、気液２相流
状態で通水抵抗が大きくなることを利用して、下部ほど
圧力損失が高くなるように構成することにより、全体の
流量の均一化を図っている。しかしながら、このような
対策では、各冷却板の冷却管を流れる冷却水流量を個別
かつ確実に調整することは困難である。

【００１９】本発明は、上述したような事情に鑑みてな
されたものであり、その目的は、積層された複数の冷却
板の冷却管を流れる冷却水流量を、セルスタック構造の
全体に亘って可能な限り均一にし、それによって、冷却
能力を最適な状態に維持し、燃料電池の長寿命化や電池
特性の向上等に貢献可能な燃料電池の冷却装置を提供す
ることである。

【００２０】

【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
め、本発明は、複数の単電池からなる複数のサブスタッ
クと複数の冷却板とが交互に積層されて形成された積層
体構造を冷却するために、各冷却板の冷却管の両端が複
数の絶縁ホースの各々を介して給水側および排水側のマ
ニホールドにそれぞれ接続されている燃料電池の冷却装
置において、冷却管とマニホールドとの接続部分に特徴
を有するものである。

【００２１】請求項１記載の発明は、冷却管とマニホー
ルドにニップルを設けず、これらを絶縁ホースに対して
ユニオンで直接接続し、このユニオン内部に流量調整手
段を挿入することを特徴としている。すなわち、請求項
１記載の発明においてはまず、給水側および排水側のマ
ニホールドの両方に、冷却管の各々に対応する複数の枝
管がそれぞれ設けられる。また、複数の絶縁ホースの各
々の両側に、この絶縁ホースと冷却管との間、およびこ
の絶縁ホースと前記マニホールドの前記枝管との間を接
続する複数のユニオンがそれぞれ設けられる。そして、
複数のユニオンの中から選択された一部のユニオン内部
に、冷却水に流抵抗を付与して冷却水流量を抑制する流
量調整手段が挿入される。

【００２２】以上のような構成を有する請求項１記載の
発明によれば、次のような作用が得られる。すなわち、
前述したように、従来の燃料電池の冷却装置において
は、重量の影響によりセルスタック構造（積層体構造）
の下側ほど冷却管の冷却水流量が多くなるという傾向が
あった。これに対して、本発明によれば、マニホールド
と冷却管との接続部分に、冷却水に流抵抗を付与して冷
却水流量を抑制する流量調整手段を挿入していることか
ら、冷却管を流れる冷却水流量を冷却管毎に個別に抑制
することができるため、重力の影響により下側ほど冷却
管の冷却水流量が多くなるという傾向を調整することが
できる。したがって、セルスタック構造の全体に亘って
冷却管を流れる冷却水流量を均一にすることができる。
なお、本発明によれば、定格負荷運転時だけでなく部分
負荷運転時であっても同じ作用が得られる。

【００２３】請求項２記載の発明は、請求項１記載の発
明において、流量調整手段が次のように構成されること
を特徴としている。すなわち、請求項２記載の発明にお
いて、流量調整手段の中で、前記絶縁ホースと前記冷却
管との間を接続する前記ユニオン内部に設けられた流量
調整手段は、絶縁ホースの端面と冷却管の端面との間に
保持される。また、絶縁ホースと前記マニホールドとの
間を接続するユニオン内部に設けられた流量調整手段
は、絶縁ホースの端面とマニホールドの前記枝管の端面
との間に保持される。請求項３記載の発明は、請求項２
記載の発明において、流量調整手段が、その端面に段部
を有する段付き形状であることを特徴としている。

【００２４】以上のような構成を有する請求項２、３記
載の各発明によれば、次のような作用が得られる。すな
わち、請求項２記載の発明によれば、流量調整手段をユ
ニオン内に容易に挿入することができる。また、請求項
３記載の発明によれば、冷却管や給水マニホールドの枝
管の内径が流量調整手段の外径より大きい場合でも、段
部を利用して確実に流量調整手段を保持することができ
る。

【００２５】請求項４〜６記載の各発明は、請求項１記
載の発明において、流量調整手段が次のように構成され
ることを特徴としている。まず、請求項４記載の発明に
おいて、流量調整手段は、複数の絶縁ホースの中から選
択された一部の絶縁ホースの両側の前記ユニオン内部に
それぞれ挿入される。また、請求項５記載の発明におい
て、流量調整手段は、前記冷却管の給水側と排水側の両
方に設けられる。さらに、請求項６記載の発明におい
て、流量調整手段は、前記ユニオン内部において軸方向
に多段に組み合わされた複数の流量調整手段である。

【００２６】以上のような構成を有する請求項４〜６記
載の各発明によれば、絶縁ホースの両側、あるいは冷却
管の両側に流量調整手段を設けるか、または、一つのユ
ニオン内に多段の流量調整手段を使用することにより、
流量調整手段の内径を極端に小さくすることなく、必要
な圧力損失を生じさせ、冷却水流量を十分に調整するこ
とができる。なお、それほど大きな調整量を要求されな
い場合には、絶縁ホースの片側のみ、あるいは、冷却管
の給水側または排水側のみに単体の流量調整手段を設け
るだけで十分な作用が得られる。

【００２７】請求項７記載の発明は、請求項１記載の発
明において、流量調整手段の配置が次のように限定され
ることを特徴としている。すなわち、請求項７記載の発
明において、流量調整手段は、前記複数のユニオンの中
で、前記積層体構造の最上部および最下部に位置する前
記冷却板の各冷却管にそれぞれ接続される各ユニオン内
部に挿入される。

【００２８】請求項８記載の発明は、請求項７記載の発
明において、流量調整手段の配置および構成が次のよう
に限定されることを特徴としている。すなわち、請求項
８記載の発明において、流量調整手段は、第１と第２の
種類の流量調整手段を有する。このうち、第１の種類の
流量調整手段は、最上部および最下部に位置する前記冷
却板の各冷却管にそれぞれ接続される各ユニオン内部に
挿入される。また、第２の種類の流量調整手段は、最上
部および最下部の冷却板に隣接する冷却板の各冷却管に
それぞれ接続される各ユニオン内部に挿入される。そし
て、この第２の種類の流量調整手段は、前記第１の種類
の流量調整手段よりも大きい内径を有する。

【００２９】請求項９記載の発明は、請求項７記載の発
明において、昇温時の流量調整のために、締付板に通常
設けられる停止時保温用の電気ヒータがさらに利用され
ることを特徴としている。すなわち、請求項９記載の発
明において、積層体構造は、その最上部および最下部に
締付板をそれぞれ備えており、各締付板には、電気ヒー
タがそれぞれ取り付けられる。そして、各電気ヒータ
は、燃料電池の起動時には負荷運転の状態になるまでＯ
Ｎとなり、運転状態時と停止時にはＯＦＦとなるように
設定される。

【００３０】以上のような構成を有する請求項７〜９記
載の各発明によれば、次のような作用が得られる。すな
わち、従来、セルスタック構造（積層体構造）の最上部
および最下部の冷却板は、それぞれ上下の締付板に隣接
しているため、これらの冷却板に侵入する入熱は、内部
層の冷却板の半分となっており、冷却水が単相流として
流れ、その結果、最上部および最下部の冷却板の冷却管
内の流量が過大となっている。しかし、請求項７記載の
発明によれば、特に、最上部および最下部に位置する冷
却板の冷却管に接続されるユニオン内に流量調整手段が
挿入されているため、最上部および最下部の冷却管内の
流量過剰を解消し、中央部の冷却管内の流量との差を解
消することができる。

【００３１】また、請求項８記載の発明によれば、最上
部および最下部の冷却板だけでなく、これらの冷却板に
隣接する上下端部から２番目の冷却板の冷却管に接続さ
れるユニオン内に流量調整手段を挿入することにより、
この２番目の冷却板における冷却管内の流量過剰を防止
することができる。

【００３２】さらに、最上部および最下部の冷却板の冷
却管に接続されるユニオン内に流量調整手段を挿入した
場合には、昇温時における冷却水量の低下によって最上
部および最下部のサブスタックの昇温スピードが低下す
る可能性があるが、請求項９記載の発明によれば、この
ような最上部および最下部のサブスタックの昇温スピー
ドの低下を防止することができる。

【００３３】

【発明の実施の形態】

［１．基本的な実施の形態］［１−１．構成］以下には、本発明による基本的な実施
の形態として、請求項２、４、５、７記載の各発明を適
用した燃料電池の一つの実施の形態について、図１〜図
４を参照して具体的に説明する。なお、図６〜図１１に
示した従来例と同じ部材に関しては、同じ符号を付して
いる。

【００３４】まず、図１は、本実施の形態に係る燃料電
池において、特に、セルスタック構造と冷却装置の部分
切欠きを含む斜視図であり、図２は、図１の冷却板と給
水／排水マニホールドとの接続部分を示す構成図であ
る。

【００３５】［１−１−１．セルスタック構造の構成］
図１に示すように、セルスタック構造１０は、図６に示
した従来例と同様である。すなわち、多数のサブスタッ
ク７と多数の冷却板６とが交互に積層されてセルスタッ
ク構造１０が形成されている。そして、複数の冷却板６
には、セルスタック構造１０の下側から上側に向かっ
て、ここでは例えば、Ｎｏ．１、Ｎｏ．２、…、Ｎｏ．
４０、Ｎｏ．４１という連続番号が付けられている。

【００３６】さらに、このセルスタック構造１０の最上
部と最下部とには、締付板８が設けられ、これらの締付
板８は、タイロッド（図示せず）でセルスタック構造全
体を積層方向に所定の荷重で締め付けている。また、こ
の上下の締付板８には、保温用の電気ヒータ９が設けら
れている。

【００３７】［１−１−２．冷却装置の構成］本実施の
形態において、以上のようなセルスタック構造１０の冷
却を行う冷却装置のうち、特に、給水マニホールドから
冷却板６に冷却水を供給し、冷却板６から排水マニホー
ルドに冷却水を排水するための給水／排水システムは、
次のように構成されている。

【００３８】まず、図１に示すように、冷却板６内に設
けられた冷却管１２は、図６の従来例と同様、蛇行ルー
プ状に構成されている。そして、セルスタック構造１０
の一側面の近傍には、冷却水の給水マニホールド１４と
排水マニホールド１５が並べて立設されており、これら
の給水／排水マニホールド１４，１５に対し、複数の冷
却板６の冷却管１２の両端がそれぞれ接続されている。

【００３９】そして、図２に示すように、本実施の形態
において、このような個別の冷却管１２と共通の給水／
排水マニホールド１４，１５との接続は、ユニオン２
１、絶縁ホース２２、および枝管２３によって行われて
いる。すなわち、複数の冷却板６の各冷却管１２の給水
側および排水側の端部は、いずれも、ユニオン２１によ
って各絶縁ホース２２の一端に直接接続されている。ま
た、給水／排水マニホールド１４，１５の元管の各々に
は、複数の冷却管１２の各々に対応する複数の枝管２３
がそれぞれ溶接されている。これらの枝管２３の端部
は、いずれも、ユニオン２１によって各絶縁ホース２２
の他端に直接接続されている。

【００４０】さらに、図３の（ａ）は、図２のユニオン
２１部分の基本的な構成を示す断面図である。この図３
の（ａ）に示すように、本実施の形態においては、全て
のユニオン２１の内部に、流量調整スリーブ（流量調整
手段）２４が挿入されている。この場合、給水／排水マ
ニホールド１４，１５側の流量調整スリーブ２４は、給
水／排水マニホールド１４，１５の枝管２３の端面と絶
縁ホース２２の端部管２２ａの端面とによって軸方向に
保持されている。図示していないが、冷却管１２側の流
量調整スリーブ２４は、冷却管１２の端面と絶縁ホース
２２の端部管２２ａの端面とによって同様に軸方向に保
持されている。なお、この図３の（ａ）に使用されてい
る流量調整スリーブ２４は、図４の（ａ）に示すような
基本的な円筒形状の流量調整スリーブであり、流量調整
スリーブ２４の内径は、各々の必要通水抵抗に応じて決
定されている。

【００４１】［１−２．作用］以上のような構成を有す
る本実施の形態によれば、次のような作用が得られる。
すなわち、前述したように、図６〜図１１に示したよう
な従来の燃料電池の冷却装置においては、重量の影響に
よりセルスタック構造１０の下側ほど冷却管１２を流れ
る冷却水流量が多くなるという傾向があった。これに対
して、本実施の形態によれば、給水／排水マニホールド
１４，１５と冷却管１２との接続部分に、流量調整スリ
ーブ２４を挿入していることから、冷却管１２を流れる
冷却水流量を冷却管１２毎に個別に抑制することができ
る。そのため、従来例において問題となっていたところ
の、重力の影響により下側ほど冷却管１２の冷却水流量
が多くなるという傾向を解消することができ、セルスタ
ック構造１０の上下方向の全体に亘って冷却管１２を流
れる冷却水流量を均一にすることができる。

【００４２】ここで、図５は、本実施の形態に係る燃料
電池（図１）の定格負荷運転時において、Ｎｏ．１、Ｎ
ｏ．２、…、Ｎｏ．４０、Ｎｏ．４１の各冷却板６の各
冷却管１２の冷却水流量として、冷却管１２から排水マ
ニホールド１５に流れ込む冷却水流量を近似計算により
求めたグラフを示す。この図５のグラフに示すように、
冷却管１２を流れる冷却水流量は、セルスタック構造１
０の全体に亘って均一化されている。

【００４３】なお、この図５のグラフに示すように、Ｎ
ｏ．１とＮｏ．４１として示す最上部および最下部の冷
却管の冷却水流量は、意図的に、他の冷却管の冷却水流
量よりも若干多くされている。このように、最上部およ
び最下部の冷却管の冷却水流量を若干多くすることによ
り、昇温時やクールダウン時における昇温・クールダウ
ンスピードの局部的な低下を防止することができる。

【００４４】すなわち、運転状態を良くするために、最
上部および最下部の冷却管の冷却水流量を絞り過ぎる
と、昇温時や冷却時におけるこの部分の冷却水流量が極
端に少なくなり過ぎて、最上部および最下部のサブスタ
ックの昇温スピードや冷却スピードが局部的に低下する
可能性がある。しかしながら、図５のグラフに示すよう
に、最上部および最下部の冷却管の冷却水流量を若干多
めに設定することにより、そのような不都合を防止する
ことができる。

【００４５】特に、本実施の形態においては、給水／排
水マニホールド１４，１５の枝管２３の端面または冷却
管１２の端面と絶縁ホース２２の端部管２２ａの端面と
によって流量調整スリーブ２４を軸方向に保持している
ため、流量調整スリーブ２４をユニオン２１内に容易に
挿入することができる。

【００４６】また、本実施の形態においては、冷却管１
２の給水側と排水側の両方にそれぞれ流量調整スリーブ
２４を設けている上、しかも、各絶縁ホース２２の両側
にそれぞれ流量調整スリーブ２４を設けており、その結
果、１つの冷却管１２に対し、４つもの多数の流量調整
スリーブ２４が設けられている。そのため、これらの流
量調整スリーブ２４の内径を極端に小さくすることな
く、必要な圧力損失を生じさせ、冷却水流量を十分に調
整することができる。

【００４７】なお、以上の記載においては、定格負荷運
転時における冷却管１２の冷却水流量の均一化について
説明したが、本実施の形態によれば、部分負荷運転時に
おいても、同様に冷却管１２の冷却水流量を均一化する
ことができる。

【００４８】［１−３．効果］上記のように、本実施の
形態によれば、各冷却管１２と給水／排水マニホールド
１４，１５との接続を、絶縁ホース２２とその両側のユ
ニオン２１によってそれぞれ行うと共に、全てのユニオ
ン２１内に流量調整スリーブ２４を設けたことにより、
複数の冷却板６の冷却管１２を流れる冷却水流量を、セ
ルスタック構造１０の全体に亘って可能な限り均一にす
ることができる。その結果、図１２に示す単相流領域
（リン酸凝縮領域）および気液２相流領域（等温冷却領
域）を最適な範囲に確保できるため、冷却能力を最適な
状態に維持できる。

【００４９】すなわち、高温領域の温度が高くなること
がないため、セル材料の腐食が促進されることがない。
また、セル面内の温度分布が均一に維持されるため、リ
ン酸のバランスが維持され、応答特性の規則性が確保さ
れる。さらに、リン酸回収機能が正常に作用するため、
燃料電池の寿命低下や電圧特性の低下が生起されること
がない。このような効果は、定格負荷運転時だけでな
く、部分負荷運転時であっても同様に得られるものであ
る。

【００５０】［１−４．変形例］［１−４−１．流量調整スリーブの構成の変形例］図４
の（ｂ）は、図４の（ａ）に示すような基本的な円筒形
状の流量調整スリーブ２４の一つの変形例として、請求
項３記載の発明を適用し、両端部に大径のフランジ（段
部）２５ａを設けて段付き形状とした流量調整スリーブ
２５を示す断面図である。また、図３の（ｂ）は、この
ような段付き形状の流量調整スリーブ２５を使用したユ
ニオン２１部分の構成を示す断面図である。この図３の
（ｂ）に示すように、段付き形状の流量調整スリーブ２
５を使用することにより、冷却管１２や給水／排水マニ
ホールド１４，１５の枝管２３の内径が流量調整スリー
ブ２５の外径より大きい場合であっても、フランジ２５
ａを利用して流量調整スリーブ２５を確実に保持するこ
とができる。

【００５１】図４の（ｃ）は、図４の（ａ）に示すよう
な基本的な円筒形状の流量調整スリーブ２４の別の変形
例として、請求項６記載の発明を適用し、軸方向に分割
した多数の分割片２６ａを組み合わせて多段状とした流
量調整スリーブ２６を示す断面図である。この図４の
（ｃ）に示すような多段の流量調整スリーブ２６を使用
することにより、流量調整スリーブの内径を極端に小さ
くすることなく、必要な圧力損失を生じさせ、冷却水流
量を十分に調整することができる。

【００５２】この多段の流量調整スリーブ２６は、特
に、下部の冷却管１２に接続されるユニオン２１に挿入
される流量調整スリーブとして好適である。すなわち、
排水マニホールド１５内は気液２相流のため比重が小さ
く、給水側の冷却水流量の抑制によりセルスタック構造
１０の下部の冷却水流量が多めになる。そのため、下部
の冷却管１２に接続されるユニオン２１に挿入される流
量調整スリーブとして、このような多段の流量調整スリ
ーブ２６を使用することにより、複数の冷却板６の冷却
管１２を流れる冷却水流量を、セルスタック構造１０の
全体に亘ってより均一化することができる。なお、流量
調整スリーブ２６の分割段数は適宜選択可能である。

【００５３】［１−４−２．流量調整スリーブの配置の
変形例］燃料電池のセルスタック構造１０が比較的低い
場合には、冷却管１２を流れる冷却水流量の不均一性は
比較的少なくなるため、請求項７記載の発明を限定的に
適用して、最上部および最下部の冷却管１２に接続され
るユニオン２１のみに流量調整スリーブを挿入すること
も可能である。すなわち、セルスタック構造１０が比較
的低い場合には、重量の影響が少なくなるため、中央部
の冷却管１２の不均一性が比較的少なくなる一方で、最
上部および最下部の冷却管１２の局部的な流量過剰は存
在している。したがって、最上部および最下部の冷却管
１２に接続されるユニオン２１のみに流量調整スリーブ
を挿入することにより、この部分の冷却管１２の流量過
剰を解消し、冷却管１２の冷却水流量を、セルスタック
構造１０の全体に亘って均一化することができる。

【００５４】また、上記のように、最上部および最下部
の冷却管１２に接続されるユニオン２１のみに流量調整
スリーブを挿入した場合には、上下端部から２番目の冷
却管１２にその反動が出て、この部分が流量過剰となる
可能性がある。そのため、この場合には、請求項８記載
の発明を適用して、上下端部から２番目の冷却管１２に
接続されるユニオン２１に、最上部および最下部の冷却
管１２に接続されるユニオン２１内の流量調整スリーブ
（第１の種類の流量調整スリーブ）よりも若干大きめの
内径を有する流量調整スリーブ（第２の種類の流量調整
スリーブ）を挿入することも可能である。この場合に
は、上下端部から２番目までの冷却管１２の流量過剰を
解消し、冷却管１２の冷却水流量を、セルスタック構造
１０の全体に亘ってより均一化することができる。

【００５５】なお、前記実施の形態においては、１つの
冷却管１２に対して、給水側と排水側にそれぞれ２つ、
合計４つもの多数の流量調整スリーブを設けた場合につ
いて説明したが、１つの冷却管１２に対して、給水側と
排水側にそれぞれ適当数の流量調整スリーブを選択的に
配置することが可能である。例えば、給水側と排水側と
で異なる数の流量調整スリーブを設ける構成等も可能で
あり、また、そのような流量調整スリーブの一部あるい
は全部の流量調整スリーブとして、前述したような多段
の流量調整スリーブ２６を設ける構成等も可能である。
さらに、単体の流量調整スリーブと多段の流量調整スリ
ーブ２６との組み合わせだけでなく、分割段数の異なる
複数種類の多段の流量調整スリーブ２６を組み合わせる
構成等も考えられる。

【００５６】［１−４−３．保温用の電気ヒータを利用
した変形例］本発明は、以上のように、特に、最上部お
よび最下部の冷却管１２に接続されるユニオン２１に流
量調整スリーブを挿入して、この部分の通水抵抗を大き
くするように調整を行うものである。しかしながら、昇
温時には全ての冷却管１２内の流れが単相流になるた
め、流量調整の効果が効き過ぎて、最上部および最下部
のサブスタック７において局部的に冷却水流量が少なく
なり、昇温スピードが低下する傾向がある。その対策と
して、請求項９記載の発明を適用して、締付板８に取り
付けられた停止時保温用の電気ヒータ９を、昇温時に自
動的にＯＮになるようにシーケンス上に組み入れる構成
が考えられる。この構成により、最上部および最下部の
サブスタック７の昇温スピードの低下を防止することが
できる。なお、クールダウン時には、セパレータ温度が
急激に低下することはなく、締付板８による放熱効果も
あるため、多少冷却水が少なくとも問題はない。

【００５７】［２．他の実施の形態］なお、本発明は、
前記実施の形態やその変形例に限定されるものではな
く、本発明の範囲内で、他にも多種多様の形態を実施可
能である。特に、前述した各種の流量調整スリーブは、
流量調整手段の単なる例示であり、具体的には流量を抑
制可能な各種の手段を流量調整手段として使用すること
ができる。そして、どのような流量調整手段を使用した
場合であっても、各種の流量調整手段の内径、一つの冷
却管に対する取り付け数、分割段数等を、各冷却管の必
要通水抵抗に応じて適宜決定することにより、冷却管を
流れる冷却水流量をセルスタック構造の全体に亘って容
易に均一にすることができる。

【００５８】

【発明の効果】以上述べたように、本発明によれば、冷
却管とマニホールドとの間に設けた流量調整手段によっ
て、各冷却管の必要通水抵抗に応じて流量を調整できる
ため、重量の影響等による下側ほど冷却水流量が多くな
る傾向を調整して、冷却管を流れる冷却水流量をセルス
タック構造全体に亘って均一にすることができる。

【００５９】したがって、積層された複数の冷却板の冷
却管を流れる冷却水流量を、セルスタック構造の全体に
亘って可能な限り均一にし、それによって、冷却能力を
最適な状態に維持し、燃料電池の長寿命化や電池特性の
向上等に貢献可能な燃料電池の冷却装置を提供すること
ができる。

【００６０】また、以上のように、冷却水流量の均一化
を達成できることから、燃料電池全体に使用する冷却水
量を低減でき、排水マニホールドの乾き度を向上できる
ため、廃熱利用の観点からも、蒸気の取出量が増え、結
果として燃料電池プラント効率の向上に寄与することが
できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明を適用した燃料電池の基本的な実施の形
態を示す図であり、特に、セルスタック構造と冷却装置
の部分切欠きを含む斜視図。

【図２】図１の冷却板と給水マニホールドとの接続部分
を示す構成図。

【図３】本発明によるユニオン部分を示す図であり、
（ａ）は円筒形状の流量調整スリーブを使用した基本的
な一例を示す断面図、（ｂ）は段付き形状の流量調整ス
リーブを使用した変形例を示す断面図。

【図４】本発明による流量調整スリーブを示す図であ
り、（ａ）は基本的な円筒形状の流量調整スリーブを示
す断面図、（ｂ）は段付き形状の流量調整スリーブを示
す断面図、（ｃ）は多段の流量調整スリーブを示す断面
図。

【図５】図１の燃料電池の定格負荷運転時における各冷
却管の流量分布を示すグラフ。

【図６】従来の燃料電池の一例を示す図であり、特に、
セルスタック構造と冷却装置の部分切欠きを含む斜視
図。

【図７】図６の燃料電池の単セルを示す分解斜視図。

【図８】図６の冷却板を示す断面図。

【図９】図６の排水マニホールドを示す断面図。

【図１０】図６の冷却管と絶縁ホースとの嵌め込み部分
を示す断面図。

【図１１】図６の給水／排水マニホールドと絶縁ホース
との嵌め込み部分を示す断面図。

【図１２】冷却管の単相流領域および気液２相流領域を
示す説明図。

【図１３】図６の燃料電池の定格負荷運転時における各
冷却管の流量分布を示すグラフ。

【符号の説明】

１：単セル２：マトリックス３ａ：燃料極３ｂ：空気極４ａ，４ｂ：リブ付電極基材５：セパレータ６：冷却板７：サブスタック８：締付板９：電気ヒータ１０：セルスタック構造１１：冷却基板１１ａ，１１ｂ：ホルダー１２：冷却管１３：充填材１４：給水マニホールド１５：排水マニホールド１６〜１９：ニップル２０：絶縁ホース２１：ユニオン２２：絶縁ホース２２ａ：端部管２３：枝管２４：流量調整スリーブ２５：段付き形状の流量調整スリーブ２５ａ：段部２６：多段の流量調整スリーブ２６ａ：分割片

フロントページの続き (72)発明者金野敏郎神奈川県横浜市鶴見区末広町２−４東芝アイテック株式会社内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】複数の単電池からなる複数のサブスタッ
クと複数の冷却板とが交互に積層されて形成された積層
体構造を冷却するために、各冷却板の冷却管の両端が複
数の絶縁ホースの各々を介して給水側および排水側のマ
ニホールドにそれぞれ接続されている燃料電池の冷却装
置において、前記給水側および排水側のマニホールドの両方に、前記
冷却管の各々に対応する複数の枝管がそれぞれ設けら
れ、前記複数の絶縁ホースの各々の両側に、この絶縁ホース
と冷却管との間、およびこの絶縁ホースと前記マニホー
ルドの前記枝管との間を接続する複数のユニオンがそれ
ぞれ設けられ、前記複数のユニオンの中から選択された一部のユニオン
内部に、冷却水に流抵抗を付与して冷却水流量を抑制す
る流量調整手段が挿入されていることを特徴とする燃料
電池の冷却装置。
【請求項２】前記流量調整手段の中で、前記絶縁ホー
スと前記冷却管との間を接続する前記ユニオン内部に設
けられた流量調整手段は、絶縁ホースの端面と冷却管の
端面との間に保持され、絶縁ホースと前記マニホールド
との間を接続するユニオン内部に設けられた流量調整手
段は、絶縁ホースの端面とマニホールドの前記枝管の端
面との間に保持されていることを特徴とする請求項１記
載の燃料電池の冷却装置。
【請求項３】前記流量調整手段は、その端面に段部を
有する段付き形状であることを特徴とする請求項２記載
の燃料電池の冷却装置。
【請求項４】前記流量調整手段は、前記複数の絶縁ホ
ースの中から選択された一部の絶縁ホースの両側の前記
ユニオン内部にそれぞれ挿入されていることを特徴とす
る請求項１記載の燃料電池の冷却装置。
【請求項５】前記流量調整手段は、前記冷却管の給水
側と排水側の両方に設けられていることを特徴とするこ
とを特徴とする請求項１記載の燃料電池の冷却装置。
【請求項６】前記流量調整手段は、前記ユニオン内部
において軸方向に多段に組み合わされた複数の流量調整
手段であることを特徴とする請求項１記載の燃料電池の
冷却装置。
【請求項７】前記流量調整手段は、前記複数のユニオ
ンの中で、前記積層体構造の最上部および最下部に位置
する前記冷却板の各冷却管にそれぞれ接続される各ユニ
オン内部に挿入されていることを特徴とする請求項１記
載の燃料電池の冷却装置。
【請求項８】前記流量調整手段は、前記最上部および最下部に位置する前記冷却板の各冷却
管にそれぞれ接続される各ユニオン内部に挿入されてい
る第１の種類の流量調整手段と、前記最上部および最下部の冷却板に隣接する冷却板の各
冷却管にそれぞれ接続される各ユニオン内部に挿入され
ている第２の種類の流量調整手段とを有し、前記第２の種類の流量調整手段は、前記第１の種類の流
量調整手段よりも大きい内径を有することを特徴とする
請求項７記載の燃料電池の冷却装置。
【請求項９】前記積層体構造は、その最上部および最
下部に締付板をそれぞれ備えており、各締付板には、電
気ヒータがそれぞれ取り付けられ、各電気ヒータは、燃
料電池の起動時には負荷運転の状態になるまでＯＮとな
り、運転状態時と停止時にはＯＦＦとなるように設定さ
れていることを特徴とする請求項７記載の燃料電池の冷
却装置。