(57)【要約】【課題】燃料電池の運転態様が変化した場合であっても、セルの温度分布を一定に保つことができる燃料電池システムを提供すること。【解決手段】この燃料電池システムＦＣＳは、燃料電池セルスタックＦＳ内に冷媒を供給すると共に、燃料電池セルスタックＦＳ内から冷媒を排出する冷媒給排出部を備え、その冷媒給排出部は、燃料電池セルスタックＦＳから延出して冷媒を排出する第一排出管４５１と燃料電池セルスタックＦＳ内に配されて第一排出管４５１に繋がれた第一マニホールド４０１とを有する第一冷媒給排出部５１と、燃料電池セルスタックＦＳから延出して冷媒を排出する第二排出管４５２と燃料電池セルスタックＦＳ内に配されて第二排出管４５２に繋がれた第二マニホールド４０２とを有する第二冷媒給排出部５２とを備え、第一排出管４５１は第二排出管４５２よりも熱膨張率の高い材料で構成されていることを特徴とする。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電解質膜と前記電解質膜の一方の面に設けられたアノードと前記電解質膜の他方の面に設けられたカソードとを有する膜電極接合体と、前記アノードに対向する燃料流路を有するアノード側プレートと、前記カソードに対向する酸化剤流路を有するカソード側プレートとを有するセルを複数積層してなる燃料電池セルスタックを含む燃料電池システムであって、
前記燃料電池セルスタック内に冷媒を供給すると共に、前記燃料電池セルスタック内から冷媒を排出する冷媒給排出部を備え、
前記冷媒給排出部は、前記燃料電池セルスタックから延出して冷媒を排出する第一排出管と前記燃料電池セルスタック内に配されて前記第一排出管に繋がれた第一マニホールドとを有する第一冷媒給排出部と、前記燃料電池セルスタックから延出して冷媒を排出する第二排出管と前記燃料電池セルスタック内に配されて前記第二排出管に繋がれた第二マニホールドとを有する第二冷媒給排出部とを備え、
前記第一排出管は前記第二排出管よりも熱膨張率の高い材料で構成されていることを特徴とする燃料電池システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、膜電極接合体を有するセルを複数積層してなる燃料電池セルスタックを含む燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、このような燃料電池システムを構成する燃料電池セルスタックとして下記特許文献１に記載されているようなものが提案されている。下記特許文献１に記載されている燃料電池セルスタックは、セルの温度の適正化を図ることを目的とし、冷却プレートを通過した熱媒体が流れるスタック端部流路が端板の一部に設けられ、スタック端部流路がセルの高温領域に対応する領域に位置することを特徴としている。更に、スタック端部流路に流入する熱媒体の流量を熱媒体の温度に応じて制御する第１の流量制御素子を有することを特徴としている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００５−２８５６８２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上述した従来の技術では、スタック端部流路がセルの高温領域に対応する領域に位置するように構成されているので、セルの温度分布を一定に保つことに相応の効果があるものと考えられる。また、熱媒体の流量を熱媒体の温度に応じて制御することも、セルの温度分布を一定に保つことに相応の効果があるものと考えられる。更には、上記特許文献には記載がないが、熱媒体としての冷却水が流れる流路をセル面内の中央が下流となるように構成することで、セル面内中央の高温状態を利用して水蒸気を発生させ、その発生した水蒸気を利用することも考えられる。
【０００５】
しかしながら、これらの態様はいずれも、熱媒体としての冷却水の流路が固定されており、発電集中する部位が変化してもそれに対応することができない。この状況に対処するために、燃料電池セルスタックに燃料を供給するためのマニホールドを分割すると共に、燃料電池セルスタックに酸化剤を供給するためのマニホールドを分割することが考えられる。このように分割したマニホールドそれぞれにマスフローコントローラを設け、セル面内の発電分布に応じてガス流量を調整することが有効であるとも考えられる。しかしながらこの場合には、セル面内の発電分布情報を取得しなければ有用な制御を行うことができないため、その実現のためには新たな課題が発生する。
【０００６】
本発明はこのような課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、燃料電池の運転態様が変化した場合であっても、セルの温度分布を一定に保つことができる燃料電池システムを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記課題を解決するために本発明は、電解質膜と前記電解質膜の一方の面に設けられたアノードと前記電解質膜の他方の面に設けられたカソードとを有する膜電極接合体と、前記アノードに対向する燃料流路を有するアノード側プレートと、前記カソードに対向する酸化剤流路を有するカソード側プレートとを有するセルを複数積層してなる燃料電池セルスタックを含む燃料電池システムであって、前記燃料電池セルスタック内に冷媒を供給すると共に、前記燃料電池セルスタック内から冷媒を排出する冷媒給排出部を備え、前記冷媒給排出部は、前記燃料電池セルスタックから延出して冷媒を排出する第一排出管と前記燃料電池セルスタック内に配されて前記第一排出管に繋がれた第一マニホールドとを有する第一冷媒給排出部と、前記燃料電池セルスタックから延出して冷媒を排出する第二排出管と前記燃料電池セルスタック内に配されて前記第二排出管に繋がれた第二マニホールドとを有する第二冷媒給排出部とを備え、前記第一排出管は前記第二排出管よりも熱膨張率の高い材料で構成されていることを特徴とする。
【０００８】
本発明では、燃料電池セルスタック内に冷媒を供給し排出する冷媒給排出部を第一冷媒給排出部と第二冷媒給排出部とに分割し、第一冷媒給排出部を構成する第一排出管を、第二冷媒給排出部を構成する第二排出管よりも熱膨張率の高い材料で構成している。このような構成とすることで、第一冷媒給排出部が配置された部分が高温状態となった場合に、その温度上昇に応じて第一排出管が膨張することで第一冷媒給排出部の圧損が低下し、第一冷媒給排出部を流れる冷媒が第二冷媒給排出部を流れる冷媒よりも速く流れるようになる。従って、第一冷媒給排出部を配する位置を燃料電池セルスタック内の高温となる部分に配することで、その部分に円滑に冷媒を供給することができ、セルの温度分布を一定に保つことができる。また、本発明では燃料電池セルスタックから延出する第一排出管と第二排出管とを構成する材料の熱膨張率を変えることとしているので、燃料電池セルスタック内の第一マニホールド及び第二マニホールドの構成を変えることなく、例えば第一排出管と第二排出管とを入れ替えるといった作業により、セルの温度上昇に伴って円滑に冷媒を供給する部分の位置を変えることができる。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、燃料電池の運転態様が変化した場合であっても、セルの温度分布を一定に保つことができ、高温発電時のドライアップを防ぐことができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明の実施形態である燃料電池システムの構成を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下、添付図面を参照しながら本発明の実施の形態について説明する。説明の理解を容易にするため、各図面において同一の構成要素に対しては可能な限り同一の符号を付して、重複する説明は省略する。
【００１２】
本発明の実施形態である燃料電池システムの構成を図１に示す。図１は、燃料電池システムＦＣＳの構成を示す概略図である。図１に示すように、燃料電池システムＦＣＳは、燃料電池セルスタックＦＳと、燃料電池セルスタックＦＳから延出して冷媒を排出する第一排出管４５１及び第二排出管４５２と、燃料電池セルスタックＦＳに冷媒を供給する第一供給管３５１及び第二供給管３５２と、を備えている。
【００１３】
燃料電池セルスタックＦＳは、複数のセル１０と、複数の冷却プレート１５と、一対の集電板２０と、一対の絶縁板２５と、一対の端板３０とを供えている。複数のセル１０と複数の冷却プレート１５とは、交互に配置されるように積層されており、その積層体の両端がそれぞれセル１０となるように構成されている。複数のセル１０及び複数の冷却プレート１５からなる積層体は、両端に集電板２０が配置され、更にその外側に絶縁板２５が配置されている。このように構成された、セル１０と冷却プレート１５と集電板２０と絶縁板２５とからなる積層体は、一対の端板３０によって挟みこまれて締め付けられている。
【００１４】
セル１０は、固体高分子膜の一方の面にアノード、他方の面にカソードを接合して膜電極接合体を構成し、このアノードに対向して燃料流路を設けたアノード側プレートと、膜電極接合体のカソードに対向して酸化剤流路を設けたカソード側プレートとを配置して構成されるものである。
【００１５】
冷却プレート１５は、それぞれの内部に冷媒を流すための流路が形成されており、第一マニホールド４０１と第二マニホールド４０２とを構成している。第一マニホールド４０１は、一端側が第一供給管３５１に繋がれると共に、他端側が第一排出管４５１に繋がれている。第二マニホールド４０２は、一端側が第二供給管３５２に繋がれると共に、他端側が第二排出管４５２に繋がれている。このような構成とすることで、第一排出管４５１と第一マニホールド４０１とを有する第一冷媒給排出部５１と、第二排出管４５２と第二マニホールド４０２とを有する第二冷媒給排出部５２とを併設することができる。
【００１６】
本実施形態の場合、第一排出管４５１は樹脂によって形成されており、第二排出管４５２はＳＵＳ又はアルミニウムによって形成されている。第一排出管４５１を形成する樹脂の熱膨張率は、第二排出管４５２を形成するＳＵＳ又はアルミニウムの熱膨張率の約５〜１０倍となるように形成されている。
【００１７】
上述したように、燃料電池セルスタックＦＳ内に冷媒を供給すると共に、燃料電池セルスタックＦＳ内から冷媒を排出する冷媒給排出部を、第一冷媒給排出部５１と第二冷媒給排出部５２とに分割形成し、第一冷媒給排出部５１を構成する第一排出管４５１を樹脂によって形成し、第二冷媒給排出部５２を構成する第二排出管４５２をＳＵＳ又はアルミニウムによって形成することで、燃料電池セルスタックＦＳ内の温度上昇に応じてその内部を流れる冷媒の流れ方を制御することができる。
【００１８】
具体的には、燃料電池セルスタックＦＳ内の温度が上昇し、その内部を流れる冷媒の温度も上昇すると、第一排出管４５１と第二排出管４５２とは共に熱膨張する。第一排出管４５１を形成している材料の熱膨張率は、第二排出管４５２を形成している材料の熱膨張率よりも大きいので、第一排出管４５１がより膨張し、結果として第一冷媒給排出部５１の圧力損失が低下し、冷媒がより流れるようになる。そのため、第一冷媒給排出部５１が配置されている部分の温度上昇を、第二冷媒給排出部５２が配置されている部分よりもより効果的に抑制することができる。
【００１９】
本実施形態の場合、図中Ａ方向（第二冷媒給排出部５２側）から水素を供給し、図中Ｂ方向（第一冷媒給排出部５１側）から空気を供給している。そのため、各セル１０の面内においては、第一冷媒給排出部５１側で温度が高くなる傾向にある。上述したように第一冷媒給排出部５１の第一排出管４５１の熱膨張率は、第二冷媒給排出部５２の第二排出管４５２の熱膨張率よりも高いので、このような温度上昇に伴ってより大きく膨張し、温度が高くなっている第一冷媒給排出部５１に冷媒がより多く供給されて冷却される。
【００２０】
尚、本実施形態では、冷媒給排出部を第一冷媒給排出部５１と第二冷媒給排出部５２との二つに分けて形成したけれども、三つ以上に分けて形成することも好ましい態様である。このように冷媒給排出部を三つ以上に分けて形成する場合、それぞれの排出管の熱膨張率を異ならせるように形成することも、一つの排出管の熱膨張率が高く他は低くなるように形成することも好ましい態様である。冷媒給排出部の分割数を増やすことで、より細かい冷媒流量制御が可能となる。
【００２１】
本実施形態では第一冷媒給排出部５１を構成する第一排出管４５１の熱膨張率が高くなるように構成しているけれども、燃料電池セルスタックＦＳ内の温度分布の変化によっては、第一排出管４５１と第二排出管４５２とを交換して、温度上昇に伴って冷媒が流れやすくなる部分を変えることも可能である。このように第一排出管４５１と第二排出管４５２とを交換することで、燃料電池セルスタックＦＳ内の第一マニホールド４０１及び第二マニホールド４０２の構成を変更せずに、実質的に第一冷媒給排出部５１と第二冷媒給排出部５２との機能を入れ替えることができる。
【００２２】
また、本実施形態では、第一冷媒給排出部５１には第一供給管３５１を設けると共に、第二冷媒給排出部５２には第二供給管３５２を設けている。このように第一冷媒給排出部５１と第二冷媒給排出部５２とのそれぞれに冷媒の供給口を設けずに、共通の供給管を燃料電池セルスタックＦＳに繋げ、それを分岐して第一マニホールド４０１と第二マニホールド４０２とに冷媒を供給するように構成することも好ましい態様である。
【符号の説明】
【００２３】
１０：セル
１５：冷却プレート
２０：集電板
２５：絶縁板
３０：端板
５１：第一冷媒給排出部
５２：第二冷媒給排出部
３５１：第一供給管
３５２：第二供給管
４０１：第一マニホールド
４０２：第二マニホールド
４５１：第一排出管
４５２：第二排出管
ＦＣＳ：燃料電池システム
ＦＳ：燃料電池セルスタック
【図１】
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