(57)【要約】【課題】内部マニホールド型の燃料電池スタックにおけるセルの積層方向での冷却用流体の温度バラツキを少なくすること。【解決手段】燃料電池セルスタックにおいて、発電セルと冷却セルとの間の伝熱抵抗を冷却流体の流れ方向に向かって小さくする。【効果】高積層スタックにおいても、積層方向の温度分布の低減が図れ、電池性能が向上する。【選択図】  図１
2004335254.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電解質層を挟んで一対の電極を配置したセルを複数個積層し、その積層体内に冷却用流体を通流させる内部マニホールド型燃料電池において、発電セルと冷却セルとの間の伝熱抵抗が１個のセルスタック内で、冷却流体の流れ方向に沿って小さくなるように構成したことを特徴とする燃料電池。
【請求項２】
電解質とそれを挟む一対の電極により構成される単位セルの複数個を、積層位置によって伝熱係数の異なる伝熱性基体を介して積層し、冷却流体を該伝熱性基体に流しながら、冷却流体の上流側よりも下流側でより多くの単位セルと冷却流体の伝熱を行わせる内部マニホールド型燃料電池。
【請求項３】
電解質とそれを挟む一対の電極により構成される単位セルの複数個を、冷却流体の供給側よりも出口側の伝熱係数の小さい伝熱性基体を介して積層し、冷却流体を該伝熱性基体に流しながら、冷却流体の上流側と下流側での温度差を小さくするように単位セルと冷却流体の伝熱を行わせる内部マニホールド型燃料電池。
【請求項４】
前記発電セルと冷却セルとの間の伝熱抵抗を積層体の積層方向の温度分布に応じて配置することを特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載の燃料電池。
【請求項５】
発電セルと冷却セルとの間のセパレータに、熱伝導率の異なる冷却板を用いることを特徴とする請求項１ないし４のいずれかに記載の燃料電池。
【請求項６】
冷却用流体の通流路に伝熱フィンを設けて、発電セルと冷却セルとの間の伝熱抵抗を変えることを特徴とする請求項１ないし５のいずれかに記載の燃料電池。
【請求項７】
発電セルと冷却セルとの間のセパレータの厚さが、冷却流体の流れ方向に沿って異なることを特徴とする請求項１ないし６のいずれかに記載の燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料電池に係わり、特に単位セルを複数個積層設置して形成される電池積層体において、積層セル数が増加しても積層方向で温度分布を少なくした燃料電池に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、燃料電池積層体１の温度分布均一化のための技術としては、特許文献１のように冷却板７に流れる冷却水量を冷却水量調節手段によって調節可能に構成した構造の燃料電池が知られている。また、特許文献２のように積層体の両端部における熱放散率が低減される構成を備えた燃料電池や、特許文献３のように積層体の両端部に冷却水の出入口部を設けて両側から冷却水を導入する燃料電池がある。
【０００３】
特許文献１は、冷却板に流れる冷却水量を冷却水量調節手段によって調節可能に構成した構造の燃料電池に関する。この文献記載の技術は、セルスタック両端のセルの温度が中央部のセルより温度が低くなる傾向にあることを解決するために、両端部冷却板に供給する冷却水量を他の冷却板よりも少なくし、冷却効果を弱め、セルスタックの温度分布均一化を図るものである。
【０００４】
この構成の場合、セルスタック外部に設けられた冷却水の入口マニホールドがある場合はマニホールド内の流れ方向での温度分布は生じにくい反面、セルスタックのコンパクト化が図れないという問題がある。セルスタックの内部に冷却水入口マニホールド５を設けた場合は、マニホールドを通過する間に、マニホールドを形成するセルスタックとの間の伝熱により、冷却水が流れ方向で温度上昇し、各冷却板に分流するときの温度に差が生じ、温度分布を均一にできない問題がある。
【０００５】
特許文献２記載の技術は、積層体の両端部における熱放散率が低減される構成を備えた燃料電池である。この技術も、特許文献１と同様に、セルスタック両端のセルの温度が低い点に着目し、熱放散率を他の中央部のセルより小さくすることで温度分布の均一化を図るものである。
【０００６】
【特許文献１】
特開平８−１３００２７号公報（要約）
【特許文献２】
特開平８−１３００２８号公報（要約）
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、内部マニホールド型燃料電池における冷却流体のセル積層方向における温度バラツキを少なくして、燃料電池の性能を向上することを目的とする。本発明は特に個体高分子電解質を用いた、内部マニホールド型燃料電池に適する。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
セルスタックを構成する積層部品に設けられたマニホールド穴を、セルスタックを積層することによって形成されるマニホールドを内部マニホールドと称する。
【０００９】
良好な電池性能で電池寿命を長寿命化するためには、セルスタック内の温度分布をなるべく小さくし、制限最高温度を超えないで、セル内の最低温度を引き上げることが電池性能を上げかつ電池寿命を長くするのに必要である。
【００１０】
本発明は、内部マニホールド型燃料電池の電池セルと冷却セルとの間の冷却板またはセパレータの伝熱抵抗を、冷却流体の流れ方向に沿って、小さくすることによって、目的を達成したものである。
【００１１】
以下、本発明の原理を、伝熱モデルを用いて説明する。
【００１２】
本発明で用いられる固体高分子電解質は、分子中にプロトン（水素イオン）交換基を有するもので、これに含水させると、低い抵抗値を示してプロトン導電性電解質として機能する。例えば、スルホン酸基を持つポリスチレン系の陽イオン交換膜をカチオン導電性膜として使用するもの、フロロカーボンスルホン酸とポリビニリデンフロライドの混合膜などがある。
【００１３】
電解質層を挟んで一対の電極を配置した単位発電セルを複数個積層し、所定個の単位発電セル毎に冷却板または冷却セパレータ７を介挿して燃料電池積層体１を形成する。この積層体１を締付板２により締め付けて構成した燃料電池セルスタック１０は温度が低下すると、それに従い発電性能も低下する。その一方で、温度が過度に上昇すると、電解質層が劣化して電池寿命を短くする。
【００１４】
内部マニホールド型燃料電池のセルスタック１０では、冷却用流体を流通させる流路を有する冷却板または冷却セパレータ７を所定個の単位セル毎に設置する。
【００１５】
図５は、燃料電池セルスタック１０内の冷却用流体の流れを説明する説明図である。燃料電池セルスタック冷却用流体は、セルスタック端部の冷却用流体導入口３からセルスタックに供給され、冷却用流体入口マニホールド５を介して、積層された各冷却用流体流通路８に分配される。冷却用流体は、燃料電池発電反応によって生じた熱を、各冷却用流体流通路８において熱交換により吸収した後、冷却用流体出口マニホールド６を介して、冷却用流体排出口４からセルスタック外に排出される。
【００１６】
図４は基本的な燃料電池セルスタック１０の構成を示す側面図である。図６は内部マニホールド型燃料電池におけるセルスタック積層方向のセル入口冷却水温度分布、発電セル−冷却セル間伝熱抵抗分布、セル出口冷却水温度分布およびセル内最高温度分布の概略傾向を示した説明図である。
【００１７】
この内部マニホールド型の燃料電池セルスタックの場合は、図６に示したように冷却用流体入口マニホールド５内を冷却用流体が流れる間に、内部マニホールドの内壁を構成するセルスタック積層部品との間で熱交換を行うことにより、冷却用流体の温度がセルスタック積層方向で上昇する。
【００１８】
そのため、冷却用流体導入口近傍と冷却用流体排出口近傍とで、各冷却用流体通流路入口での温度差が生じる。すなわち、通常の発電状態では、冷却用流体はセルスタックより温度が低いため、冷却用流体導入口３近傍の冷却用流体通流路８入口での冷却用流体温度より、冷却用流体排出口４近傍の冷却用流体通流路８入口での冷却用流体温度の方が高くなる。
【００１９】
各単位発電セルでの発電性能が均一であるとすると、発熱量も等しくなるが、供給される冷却用流体の温度が異なる場合、発電セルと冷却セルとの間の伝熱抵抗が一定であるセルスタックにおいては、発電セル部と冷却用流体との温度差が異なり、熱交換量に差が生じ、その結果としてセルスタック内の積層方向に温度分布が生じる。即ち、冷却用流体導入口３側に積層されたセルの温度よりも、冷却用流体排出口４側に積層されたセルの温度の方が高くなる。
【００２０】
本発明は、燃料電池セルスタック１０の積層方向すなわち冷却流体の流れ方向に沿って、冷却板または冷却セパレータ７の伝熱抵抗を小さくし、セルスタック内の温度分布のバラツキを最小化するという思想に基づいている。
【００２１】
以上のことから、本発明により、電解質とそれを挟む一対の電極により構成される単位セルの複数個を、積層位置によって伝熱係数の異なる伝熱性基体を介して積層し、冷却流体を該伝熱性基体に流しながら、冷却流体の上流側よりも下流側でより多くの単位セルと冷却流体の伝熱を行わせる内部マニホールド型燃料電池が提供される。
【００２２】
また、同様に、電解質とそれを挟む一対の電極により構成される単位セルの複数個を、燃料の供給側よりも出口側の伝熱係数の小さい伝熱性基体を介して積層し、冷却流体を該伝熱性基体に流しながら、冷却流体の上流側と下流側での温度差が小さくなるように、単位セルと冷却流体の伝熱を行わせる内部マニホールド型燃料電池が提供される。
【００２３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施例を図１から図１２により説明する。
【００２４】
図１は本発明の第１実施例による燃料電池セルスタック１０の構成を示す側面図である。燃料電池積層体１は電解質を挟んで一対の電極を配置した単位発電セルを複数個積層する。これら単位発電セルを所定個毎に冷却板または冷却用セパレータ７を介挿し、この積層体の積層方向両端部はスペーサを介して両端の締付板２により積層方向に締め付けられている。
【００２５】
図１の場合は、冷却流体の上流側のスタックのセパレータの伝熱抵抗を大きくし、下流側のスタックのセパレータの伝熱抵抗を小さくしたものである。
【００２６】
図１に示した燃料電池セルスタック１０は、冷却板または冷却用セパレータ７の伝熱抵抗を積層方向で変化させて制御する一例を示したものである。図７は本発明の第１実施例によるセルスタック積層方向の発電セル−冷却セル間伝熱抵抗分布とセル内最高温度分布との概略を示した説明図である。
【００２７】
冷却用流体入口マニホールド５を通流する冷却用流体の温度が冷却用流体排出口４側ブロックＢの範囲よりも比較的低温となる冷却用流体導入口３側ブロックＡの範囲に、伝熱抵抗が比較的大きく交換熱量を少なくできる冷却板または冷却セパレータ７を配置する。
【００２８】
セパレータの材質は、燃料電池の最高運転温度に設定した温度で十分耐えられるもので、例えばステンレス、アルミニウムなどの金属、金属のクラッド材、セラミックス、樹脂、黒鉛、黒鉛とバインダーの混合物などがある。これらの材料は１種または複数種組み合わせてもよい。また、積層位置によって材質を変えてもよい。
【００２９】
また、冷却用流体入口マニホールド５を流通する冷却用流体が比較的高温となる冷却用流体排出口４側ブロックＢの範囲に伝熱抵抗が比較的小さく、交換熱量を多くできる冷却板または冷却セパレータ７を配置する。
【００３０】
このときのセル内最高温度の積層方向温度分布は図７に示したように、温度勾配は従来技術と変わらないものの、２分割されることによって、温度分布範囲を縮小することができる。
【００３１】
図１０〜図１２は冷却用流体通流路例の鳥瞰図を示す。
【００３２】
発電セルと冷却セルとの間の伝熱抵抗を変化させ、制御する方法を以下に説明する。
【００３３】
図１０及び１１は基本流路形状の例である。両者の流路形状はまったく同じである。冷却板または冷却セパレータを設置するセルスタックの位置により、熱伝導率の異なる材質の冷却板または冷却セパレータに用いるか、図１０と図１１に示すように、厚さの異なる冷却板または冷却セパレータを用いる。これにより、冷却流体の流れ方向に沿って、伝熱抵抗を変化させ、冷却用流体と発電セルとの熱交換量を制御することができる。
【００３４】
冷却板または冷却セパレータの材質は変えずに、図１１に示すように、図１０に示した冷却板または冷却セパレータに比べて厚さを大きくすることにより、伝熱抵抗を大きくし、冷却用流体と発電セルとの熱交換量を制限することができる。勿論、厚さと材質の組み合わせ、あるいはさらに後述する流路形状の変更など、複数の要素の組み合わせによって、電熱抵抗を調節することができる。
【００３５】
各セパレータに形成する流路は、例えば相当直径が０．０５〜２ｍｍ程度のものが好ましい。また、セパレータの厚さは任意であるが、例えば０．１から３ｍｍ程度がよい。
【００３６】
また、図１２に示すように、冷却用流体通流路に伝熱フィン９を設け、その伝熱フィン９の形状を変えることにより伝熱抵抗を変化させ、冷却用流体と発電セルとの熱交換量を制御することができる。
【００３７】
図２は、本発明の第２実施例による燃料電池セルスタックの構成図である側面図である。図２に示した燃料電池セルスタック１０は、冷却板または冷却用セパレータ７の伝熱抵抗を、積層方向で変化させ制御する例を示したものである。
【００３８】
図２の場合は、１つのスタックを複数（この場合４つ）の領域に分け、それぞれ冷却流体の上流側の伝熱抵抗を下流側よりも大きくした。
【００３９】
図８は、本発明の第２実施例によるセルスタック積層方向の発電セル−冷却セル間の伝熱抵抗分布とセル内最高温度分布との概略を示した説明図である。これは、燃料電池セルスタックの１締付単位中において、発電セルと冷却セルとの間の伝熱抵抗が、積層方向で２種類以上となるように冷却板またはセパレータを積層設置した例である。
【００４０】
冷却用流体入口マニホールド５を通過する冷却用流体は、前記のように積層方向に冷却用流体導入口３から冷却用流体排出口４に向かって徐々に温度が上昇する。冷却用流体温度が比較的低い冷却用流体導入口３近傍Ａの範囲は、発電セルと冷却セルとの間の伝熱抵抗が比較的大きくなる構成とすることにより、発電セルと冷却用流体との熱交換量を小さくし、過冷却を防止する。
【００４１】
また、冷却用流体温度が比較的高い冷却用流体排出口４近傍Ｄの範囲は、発電セルと冷却セルとの間の伝熱抵抗が比較的小さくなる構成とすることにより、交換熱量を大きくし、発電セルが制限最高温度を超えないように過昇温を防止する。
【００４２】
セルスタックの温度分布の範囲を狭めるためには、伝熱抵抗を変化させる区分を増加させ、図２に示したように冷却用流体導入口３から冷却用流体排出口４に向かって、範囲Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄの順で伝熱抵抗が小さくなるように積層方向に変化させる。これにより、図８に示すように、第１実施例よりもさらに温度分布範囲を狭くすることができる。
【００４３】
図３は、本発明の第３実施例による燃料電池セルスタックの構成図である側面図である。図３に示した燃料電池セルスタック１０は、冷却板または冷却用セパレータ７の伝熱抵抗を積層方向で変化させて制御する一例である。これは、発電セルと冷却セルとの間の伝熱抵抗を積層方向に変化させ、制御する範囲を最小単位であるセル毎に実施する場合を示したものである。
【００４４】
図９は、本発明の第３実施例によるセルスタック積層方向の発電セル−冷却セル間の伝熱抵抗分布とセル内最高温度分布との概略傾向を示した説明図である。この場合、各セルともセル内の最高温度をほぼ制限最高温度近傍とすることができ、効率の良い運転をすることができる。
【００４５】
燃料電池では電池寿命の観点からセルスタック内の最高温度を監視、制御する運転が必要となる。一方、電池温度は高いほうが冷却用流体のセルスタック排出温度が高くなり、排熱利用効率が上昇することから燃料電池の高効率化を図ることができる。また、セルスタックの温度分布が大きく、最低温度が低いと、これも燃料電池の効率を下げる可能性がある。したがって、セルスタックの最低温度の引き上げも必要である。
【００４６】
以上のことから、セルスタック内の温度分布のバラツキを最小化し、かつ制限最高温度近傍の電池温度にて運転することが望ましい。本発明によれば、セルスタックの最低温度が引き上げられ、かつ最高温度も引き下げられる。
【００４７】
以上のように、発電セルと冷却セルとの間の伝熱抵抗を積層方向で変化させ、制御することにより、燃料電池セルスタック内の積層方向温度分布の均一化を図ることができ、高効率化も図ることができる。
【００４８】
【発明の効果】
上記の本発明によれば、高積層の燃料電池セルスタックにおいても、冷却板または冷却用セパレータの伝熱抵抗を変化、制御させるだけで、積層方向において最小の温度分布範囲を達成できる。したがって、セルスタック温度を制限最高温度近傍に維持した発電が可能となり、発電効率および排熱温度の高い燃料電池を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施例による燃料電池セルスタックの構成図である側面図。
【図２】本発明の一実施例による燃料電池セルスタックの構成図である側面図。
【図３】本発明の一実施例による燃料電池セルスタックの構成図である側面図。
【図４】燃料電池セルスタックの基本構成の側面図。
【図５】燃料電池セルスタック内の冷却用流体の流れを説明する説明図。
【図６】セルスタック積層方向のセル入口冷却水温度分布、発電セル−冷却セル間伝熱抵抗分布、セル出口冷却水温度分布およびセル内最高温度分布の概略を示した説明図。
【図７】本発明の一実施例によるセルスタック積層方向の発電セル−冷却セル間伝熱抵抗分布とセル内最高温度分布との概略を示した説明図。
【図８】本発明の一実施例によるセルスタック積層方向の発電セル−冷却セル間伝熱抵抗分布とセル内最高温度分布との概略を示した説明図。
【図９】本発明の一実施例によるセルスタック積層方向の発電セル−冷却セル間伝熱抵抗分布とセル内最高温度分布との概略を示した説明図。
【図１０】本発明において採用することのできる冷却用流体通流路例の鳥瞰図。
【図１１】本発明において採用することのできる他の実施例による冷却用流体通流路例の鳥瞰図。
【図１２】本発明の他の一実施例による冷却用流体通流路例の鳥瞰図。
【符号の説明】
１…燃料電池積層体、２…締付板、３…冷却用流体導入口、４…冷却用流体排出口、５…冷却用流体入口マニホールド、６…冷却用流体出口マニホールド、７…冷却板または冷却セパレータ、８…冷却用流体通流路、９…伝熱フィン、１０…燃料電池セルスタック。
【図１】
2004335254.tif 000003
【図２】
2004335254.tif 000004
【図３】
2004335254.tif 000005
【図４】
2004335254.tif 000006
【図５】
2004335254.tif 000007
【図６】
2004335254.tif 000008
【図７】
2004335254.tif 000009
【図８】
2004335254.tif 000010
【図９】
2004335254.tif 000011
【図１０】
2004335254.tif 000012
【図１１】
2004335254.tif 000013
【図１２】
2004335254.tif 000014