(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
水を主成分とする冷却媒体を燃料電池スタックに流入させる冷却媒体入口集合管と、
前記燃料電池スタックからの前記冷却媒体を流出させる冷却媒体出口集合管と、
前記燃料電池スタック内の電池を前記冷却媒体入口集合管と結ぶ複数個の冷却媒体入口管と、
前記燃料電池スタック内の電池を前記冷却媒体出口集合管と結ぶ複数個の冷却媒体出口管と、
前記燃料電池スタック内の電池をバイパスし、前記冷却媒体入口集合管を流れる冷却媒体の総流量の一部を前記冷却媒体入口集合管から前記冷却媒体出口集合管に直接送る冷却媒体バイパス管と、
を備え、
前記冷却媒体バイパス管は、前記複数個の冷却媒体出口管よりも上流側において前記冷却媒体出口集合管に接続されていることを特徴とする燃料電池スタックの冷却装置。
【請求項２】
前記冷却媒体入口集合管から前記冷却媒体バイパス管に送る前記冷却媒体流量を調節する調節弁を備えることを特徴とする請求項１記載の燃料電池スタックの冷却装置。
【請求項３】
前記冷却媒体バイパス管に、前記冷却媒体バイパス管を通して送る前記冷却媒体の流量を調節するための手段を備えることを特徴とする請求項１記載の燃料電池スタックの冷却装置。
【請求項４】
前記冷却媒体の流量を調節するための手段が、前記冷却媒体バイパス管に形成されるループ部であることを特徴とする請求項３記載の燃料電池スタックの冷却装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は燃料電池発電プラントの電池スタックを冷却するための装置に係り、特に各電池の全域にわたりより均一かつ最適な電池運転温度を保ち、また冷却装置内において最適な量の蒸気を発生させるのに好適な冷却装置および冷却方法に関する。
【０００２】
【従来の技術および発明が解決しようとする課題】
燃料電池発電プラントにはある種の化学反応物質を直流電気出力に変換するように運転される１基ないしそれ以上の電気化学的電池スタックが備えられる。酸性電解質電池に代表される通常の燃料電池発電プラントは電気出力を発生させるために天然ガスのような炭化水素燃料から生成する水素および活物質として空気中の酸素を使用する。
【０００３】
燃料電池発電プラントにおける各電池内で生じる反応では電気出力、水および熱が発生する。燃料電池発電プラントにおいて電池性能を最適に保つには燃料電池スタック内の各電池の全域にわたり運転温度を均一に保つようにしなければならない。この温度は、理論上、適切な冷却媒体を選定し、適正な電池運転温度を維持するように使用することで達成することができる。
【０００４】
今日、大容量電池スタックは電池運転温度を調節するために水を主成分とする冷却媒体を使用している。この冷却媒体は電池が過熱状態に陥るのを防ぐと同時に、反応物質を効率的に反応させるのに必要な十分に高い温度を保持するものでなければならない。理想的には水を主成分とする冷却媒体が電池の最適運転温度において蒸気になるか、あるいは気水混合流体になるように用いることになる。しかしながら、こうした理想的条件を達成するには冷却媒体の温度を適切に調節するのに冷却系に過剰ないし複雑な熱交換器を必要とすることから、発電プラントのコストが大きく上昇する。
【０００５】
冷却媒体の組成はその沸点を変えるために変化させることが可能である。たとえば、最適運転温度よりも高い温度で運転している電池は適当な比率で混ぜた水と、グリコールないしそれに類するものなど、より高い沸点の液体との混合媒体を用いて冷却することができる。同様に、最適運転温度よりも低い温度で運転している電池は本来的に沸点が高くなる成分を全く欠く水を用いて冷却することが可能である。望ましくは、冷却媒体の組成がどのようであるかに関係なく、冷却媒体が燃料電池スタックの活性域に流入した後、直ちに沸点に達するようにする。
【０００６】
燃料電池発電プラントが運転される環境の温度に依存して起こる問題の１つに次のことがある。すなわち、燃料電池スタックの活性域に冷却媒体が流入した後、直ちに沸騰する前述の目的が達成されたとき、スタックの活性域を去る冷却媒体の流れに多量の蒸気が発生することである。燃料電池発電プラントの冷却系は本来的に閉ループであるために発生した蒸気は冷却系内で液状に凝縮させるか、あるいは発電プラントの改質装置において改質蒸気として用いるか、もしくは大気中に放出しなければならない。
【０００７】
繰り返しいえば、電池運転温度を一定に保つという目的を達成するのに大量の蒸気を発生させると、この蒸気の再凝縮ないし系外への排出が必要となるために熱交換器等の手段が発電プラントのコストに上乗せされることになる。燃料電池スタックの運転に直接貢献する電池冷却中に発生する蒸気だけを天然ガスを改質するために用いることは前述の理由から考慮する必要がある。
【０００８】
したがって、冷却媒体が燃料電池スタックの活性域に入ったとき、素早く冷却媒体を沸騰させる一方、同時に、燃料電池スタックの活性域を去る冷却媒体で改質装置を運転するのに必要な蒸気量を発生させるようにした冷却装置が強く望まれている。
【０００９】
本発明の目的は燃料電池発電プラントの運転をより向上させるように電池温度プロファイルをより安定に保って運転することのできる燃料電池スタックの冷却装置を提供することにある。
【００１０】
さらに、別の目的は燃料電池発電プラントで用いる最適な蒸気量を発生するように適応させる冷却装置を提供することにある。
【００１１】
また、別の目的は適切な運転のために冷却媒体の流量制御を必要としない冷却装置を提供することにある。
【００１２】
さらに、別の目的は燃料電池発電プラントを適切に運転するために必要とされる熱交換器の数を最少にすることのできる冷却装置を提供することにある。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
上記の課題を解決する本発明の燃料電池スタックの冷却装置は、
水を主成分とした冷却媒体を燃料電池スタックに供給する冷却媒体入口集合管と、
前記燃料電池スタックから流出した前記冷却媒体が流れる冷却媒体出口集合管と、
前記冷却媒体入口集合管と前記燃料電池スタックの各冷却媒体通路とをそれぞれ結ぶ複数個の冷却媒体入口管と、
前記冷却媒体出口集合管と前記燃料電池スタックの各冷却媒体通路とをそれぞれ結ぶ複数個の冷却媒体出口管と、
前記燃料電池スタックをバイパスして、前記冷却媒体入口集合管を流れる冷却媒体の総流量の一部を前記冷却媒体入口集合管から前記冷却媒体出口集合管に直接送るための冷却媒体バイパス管と、を備え、
前記冷却媒体バイパス管は、前記複数個の冷却媒体出口管よりも上流側において前記冷却媒体出口集合管に接続されていることを特徴としている。
【００１４】
また、本発明による冷却装置は、燃料電池スタックの電池および冷却媒体出口系統内を流動する気水混合冷却媒体として供するために冷却装置内の冷却媒体の第１部分量を燃料電池スタックの冷却媒体入口系統から電池を通して冷却媒体出口系統にかけて通し、冷却媒体出口系統に流入させる気水混合冷却媒体中の蒸気の一部を凝縮させる蒸気を含まない冷却媒体として供するために冷却装置内の冷却媒体の第２部分量を燃料電池スタックの冷却媒体入口系統から電池を迂回して冷却媒体出口系統に直接通すものである。
【００１５】
本発明は燃料電池発電プラントに係り、特に電池温度をより一定した温度に保つと共に、最適な量の蒸気を発生させる燃料電池スタックの冷却装置に関する。この冷却装置は閉ループを再循環する水ないし水−グリコール混合流体のような水を主成分とする決められた量の冷却媒体を利用する。２００キロワット出力の典型的なリン酸型燃料電池スタックにおいて、冷却媒体は約１４８．８９℃（３００°Ｆ）の温度でスタック内の電池に流入し、約１７３．８９℃（３４５°Ｆ）の温度で電池を流出する。各電池の冷却媒体通路を流れる冷却媒体は冷却系に備えられる電池をバイパスするバイパス管を通すことで最短の時間で出口温度まで上昇する。このバイパス管は冷却媒体の総流量のある予め決められた量をバイパスさせる。
【００１６】
この冷却装置において、電池を冷却するために用いる冷却媒体はバイパス管がない場合と比べて冷却系の総流量に対する比率がより小さくなる。比率が小さく保たれた冷却媒体が各電池の冷却媒体通路を通って流れるので、電池領域にある冷却媒体はより迅速に、すなわち電池の冷却媒体通路の入口側近くで目標運転温度まで上昇する。この場合、電池の冷却媒体通路においては多量の蒸気が発生し、冷却系の出口集合管にこの蒸気が放出される。
【００１７】
しかしながら、同時に、バイパス管を通って流れる一部の冷却媒体は沸点まで加熱されず、冷却系の出口集合管に蒸気が流れたとき、蒸気を凝縮させる熱交換器が不要となるように一定量の蒸気を凝縮させる。冷却系内の出口集合管に残される蒸気量はバイパス管を通る冷却媒体の総流量に対する比率から決まる最適な流量を循環させることで正確に調節することができる。この比率はバイパス管の口径と長さとを適切な値にすることで簡単に変えられ、目的を達成することが可能である。
【００１８】
【発明の実施の形態】
図１を参照すると、一般に、米国特許第４８２４７４０号に説明されるように、運転される燃料電池発電プラントの燃料電池スタックの一部が示される。この特許の開示内容は本発明と組み合わせて用いることができる。この燃料電池スタックは符号２によって示され、互いに積層された複数個の電池から構成されている。この燃料電池スタック２に組み込まれる電池は隣接する電池間に設けられた冷却媒体通路を通して循環する水ないし水−グリコール冷却媒体によって個々に冷却される。この冷却媒体は冷却系によって発電プラントを再循環する。図１に示される冷却系の関係する部分は冷却媒体入口集合管４と冷却媒体出口集合管６である。
【００１９】
例として図面に示される発電プラントは最大出力運転時、２００キロワットの出力を生じるプラントである。全出力中、燃料電池スタック２内の電池は、好ましくは約１７６．６７℃（３５０°Ｆ）から２２１．１１℃（４３０°Ｆ）の間の温度で運転される。冷却媒体は入口集合管４から入口管８を通って各電池の冷却媒体通路に流れる。この後、冷却媒体は電池の冷却媒体通路を通って冷却系の出口集合管６と通じている出口管１０に向かって流れる。
【００２０】
冷却媒体が入口管８から出口管１０にかけて流動するとき、冷却媒体温度は入口温度から出口温度まで上昇する。この冷却媒体は電池の活性域に流入した後、直ちに電池の最適運転温度を与える出口温度まで加熱するのが望ましい。明らかに、燃料電池スタック２は設計された電力量を発生するために多数の電池からなる。たとえば、スタックが百個の電池からなるとすれば、冷却装置内の冷却媒体流量の１パーセントが各電池の冷却媒体通路を通って流れることになる。
本冷却装置は冷却系内の冷却媒体総流量中の一定の部分量を入口集合管４から出口集合管６に直接流すバイパス管１２を有する。
このバイパス管１２は各電池の冷却媒体通路を通過する冷却媒体の流量を減少させ、冷却媒体を入口温度から出口温度まで加熱するのに要する時間を短縮する。
この方法によれば、燃料電池スタック２内の各電池のうち、多くの部分を最高温度で運転することができ、より効率的に電気出力を発生することが可能である。
【００２１】
上述のような各電池を通過する冷却媒体の流量が減少したとき、冷却媒体は直ちに沸騰し始め、より高温になる。
このため、各電池を通過する冷却媒体の流量が多いときよりも多量の蒸気が発生する。
蒸気−冷却媒体混合流体が冷却系の出口集合管６に達したとき、この混合流体はバイパス管１２を通り、液状に保たれたまま流れる部分量を含む冷却媒体の流れと混合する。
バイパス管からの冷却媒体と電池からの蒸気−冷却媒体混合流体とが混合されることで、気液混合流体中の蒸気の凝縮は早くなり、気液混合流体が出口エルボ１６を通って流れるとき、他の発電プラントの運転に必要とする蒸気量を気液混合流体中に残すことができる。
【００２２】
この蒸気量は単に発電プラントの改質装置を運転するのに十分な量とするか、あるいは改質装置に加えて発電プラントと関係するビルないしそれに類する建物の暖房用に供するのに十分な量、もしくは他の有用な１つの目的に必要な量とすることができる。
【００２３】
上述したように望ましい量の蒸気を発生させ、かつ望ましい電池温度プロファイルを得る１つの方法はバイパス管１２の直径および／または長さを、バイパス流量を増加させるためにはバイパス管の直径を大きく、または長さを短くし、バイパス流量を減少させるためには、バイパス管の直径を小さくし、または長さを長くすることである。ある決められた値のバイパス管直径が望ましい結果を生じない場合における解決方法は、蛇状に巻くループ部１４を用いることにより長さを長くし、あるいはバイパス管１２の長さを調節する他の知られた幾つかの方法を用いることである。また、燃料電池スタックの耐用期間を通して用いる調節弁１１を配置し、冷却媒体流量を調節するようにしてもよい。
【００２４】
図２は冷却媒体入口側から冷却媒体出口側にかけて電池の全域にわたり示される電池および冷却媒体温度プロファイルグラフである。このプロファイルグラフにおいて、横ないしＸ軸は電池の冷却媒体入口および出口側間位置を示し、縦ないしＹ軸は電池および冷却媒体の温度を示している。図２に破線で示される電池および冷却媒体温度プロファイルは冷却装置内に冷却媒体のバイパスがあるときに得られるプロファイルであり、実線で示される温度プロファイルは冷却装置内に冷却媒体のバイパスがないときに得られるプロファイルである。
【００２５】
注目されるのは冷却装置内にバイパスが備えられないと、冷却媒体入口側で電池温度は冷却媒体のバイパスが備えられるときの電池温度よりも低くなることである。この温度差が生じる理由はバイパスがないとき、電池の活性域に入る冷却媒体の量がバイパスがあるときよりも多くなるためである。それ故、電池温度はより低くなる。
【００２６】
また、電池の平均運転温度がバイパスがあるときより高く保たれることも注目される。このため、電池温度は理想的な電池運転温度により近づけることができる。
【００２７】
【発明の効果】
以上説明したように本発明による冷却装置を備えた燃料電池スタックにおいては望ましい蒸気量を発生する燃料電池スタックを得ることができ、また、電池全域にわたり最適運転温度により近い平均運転温度を保って電池を運転することが可能である。さらに、この冷却装置は熱交換器の数をより少なくするように燃料電池発電プラントを簡素化することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による冷却装置で冷却される燃料電池スタックを示す立面図。
【図２】冷却媒体バイパスを備えた燃料電池スタックおよび冷却媒体バイパスを持たない燃料電池スタックの電池温度および冷却媒体温度を示すプロファイルグラフ。
【符号の説明】
２  燃料電池スタック
４  入口集合管
６  出口集合管
１２  バイパス管
１４  ループ部
【図１】
0003575932.tif 000002
【図２】
0003575932.tif 000003