JP2001351662A - 燃料電池システム - Google Patents
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- JP2001351662A JP2001351662A JP2000167851A JP2000167851A JP2001351662A JP 2001351662 A JP2001351662 A JP 2001351662A JP 2000167851 A JP2000167851 A JP 2000167851A JP 2000167851 A JP2000167851 A JP 2000167851A JP 2001351662 A JP2001351662 A JP 2001351662A
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- cell stack
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- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
- H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
- H01M8/04007—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids related to heat exchange
- H01M8/04029—Heat exchange using liquids
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- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B60—VEHICLES IN GENERAL
- B60K—ARRANGEMENT OR MOUNTING OF PROPULSION UNITS OR OF TRANSMISSIONS IN VEHICLES; ARRANGEMENT OR MOUNTING OF PLURAL DIVERSE PRIME-MOVERS IN VEHICLES; AUXILIARY DRIVES FOR VEHICLES; INSTRUMENTATION OR DASHBOARDS FOR VEHICLES; ARRANGEMENTS IN CONNECTION WITH COOLING, AIR INTAKE, GAS EXHAUST OR FUEL SUPPLY OF PROPULSION UNITS IN VEHICLES
- B60K1/00—Arrangement or mounting of electrical propulsion units
- B60K2001/003—Arrangement or mounting of electrical propulsion units with means for cooling the electrical propulsion units
- B60K2001/005—Arrangement or mounting of electrical propulsion units with means for cooling the electrical propulsion units the electric storage means
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- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M2250/00—Fuel cells for particular applications; Specific features of fuel cell system
- H01M2250/20—Fuel cells in motive systems, e.g. vehicle, ship, plane
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- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
- Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
- Y02E60/30—Hydrogen technology
- Y02E60/50—Fuel cells
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- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02T—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
- Y02T90/00—Enabling technologies or technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
- Y02T90/40—Application of hydrogen technology to transportation, e.g. using fuel cells
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- Sustainable Energy (AREA)
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- Electrochemistry (AREA)
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Abstract
(57)【要約】
【課題】高出力運転での耐久性を向上させるとともに、
容易に小型化を図ることを可能にする。 【解決手段】発電セル１４が積層される燃料電池スタッ
ク１０と、冷却媒体を前記燃料電池スタック１０に循環
供給して前記発電セル１４の冷却を行う冷却媒体循環路
５８と、前記冷却媒体循環路５８に配置され、前記発電
セル１４の冷却に使用された冷却媒体を熱交換処理する
熱交換手段６０とを備え、前記燃料電池スタック１０の
運転温度が１００℃〜２１０℃の範囲内に設定されてい
る。
容易に小型化を図ることを可能にする。 【解決手段】発電セル１４が積層される燃料電池スタッ
ク１０と、冷却媒体を前記燃料電池スタック１０に循環
供給して前記発電セル１４の冷却を行う冷却媒体循環路
５８と、前記冷却媒体循環路５８に配置され、前記発電
セル１４の冷却に使用された冷却媒体を熱交換処理する
熱交換手段６０とを備え、前記燃料電池スタック１０の
運転温度が１００℃〜２１０℃の範囲内に設定されてい
る。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、電解質をアノード
側電極とカソード側電極とで挟んで構成される接合体を
有し、前記接合体をセパレータにより挟持した複数の発
電セルが積層された燃料電池スタックを備える燃料電池
システムに関する。
側電極とカソード側電極とで挟んで構成される接合体を
有し、前記接合体をセパレータにより挟持した複数の発
電セルが積層された燃料電池スタックを備える燃料電池
システムに関する。
【０００２】
【従来の技術】燃料電池、例えば、固体高分子型燃料電
池（ＳＰＦＣ）は、高分子イオン交換膜（陽イオン交換
膜）からなる電解質膜を採用しており、前記電解質膜の
両側にそれぞれカーボンを主体とするアノード側電極お
よびカソード側電極を対設して構成される接合体（ＭＥ
Ａ）を、セパレータ（バイポーラ板）によって挟持する
ことにより構成される発電セルを備えている。通常、燃
料電池は、この発電セルが所定数だけ積層されて一体的
に保持された燃料電池スタックとして使用されている。
池（ＳＰＦＣ）は、高分子イオン交換膜（陽イオン交換
膜）からなる電解質膜を採用しており、前記電解質膜の
両側にそれぞれカーボンを主体とするアノード側電極お
よびカソード側電極を対設して構成される接合体（ＭＥ
Ａ）を、セパレータ（バイポーラ板）によって挟持する
ことにより構成される発電セルを備えている。通常、燃
料電池は、この発電セルが所定数だけ積層されて一体的
に保持された燃料電池スタックとして使用されている。
【０００３】この種の燃料電池スタックにおいて、アノ
ード側電極に供給された燃料ガス、例えば、主に水素を
含有するガス（水素含有ガス）は、触媒電極上で水素が
イオン化され、電解質を介してカソード側電極側へと移
動する。その間に生じた電子が外部回路に取り出され、
直流の電気エネルギとして利用される。なお、カソード
側電極には、酸化剤ガス、例えば、主に酸素を含有する
ガスあるいは空気（酸素含有ガス）が供給されているた
めに、このカソード側電極において、水素イオン、電子
および酸素が反応して水が生成される。
ード側電極に供給された燃料ガス、例えば、主に水素を
含有するガス（水素含有ガス）は、触媒電極上で水素が
イオン化され、電解質を介してカソード側電極側へと移
動する。その間に生じた電子が外部回路に取り出され、
直流の電気エネルギとして利用される。なお、カソード
側電極には、酸化剤ガス、例えば、主に酸素を含有する
ガスあるいは空気（酸素含有ガス）が供給されているた
めに、このカソード側電極において、水素イオン、電子
および酸素が反応して水が生成される。
【０００４】ところで、高分子イオン交換膜、例えば、
ナフィオン１１２（デュポン社製）に含水させた電解質
層が用いられている燃料電池では、電解質層中の水素イ
オン伝導性が該電解質層の含水量に大きく依存してお
り、前記電解質層中に液状水を保持する必要がある。こ
のため、燃料電池の発電温度（作動温度）を液状水の沸
点温度以上に設定することができず、通常、発電温度と
して８０℃〜９０℃以下に制御されている。
ナフィオン１１２（デュポン社製）に含水させた電解質
層が用いられている燃料電池では、電解質層中の水素イ
オン伝導性が該電解質層の含水量に大きく依存してお
り、前記電解質層中に液状水を保持する必要がある。こ
のため、燃料電池の発電温度（作動温度）を液状水の沸
点温度以上に設定することができず、通常、発電温度と
して８０℃〜９０℃以下に制御されている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】上記のように、発電セ
ルを所定の発電温度に制御するために、種々の冷却構造
が用いられている。例えば、脱イオン水や純水、あるい
はこれらとエチレングリコールの混合液を冷却媒体とし
て使用し、この冷却媒体を燃料電池スタック内に導入し
て前記発電セルの冷却を行った後、前記燃料電池スタッ
ク外に設けられた、例えば、ラジエータにより熱交換を
行ってこの冷却媒体を所定温度に冷却し、再度、前記燃
料電池スタック内に循環供給する循環型冷却構造が採用
されている。
ルを所定の発電温度に制御するために、種々の冷却構造
が用いられている。例えば、脱イオン水や純水、あるい
はこれらとエチレングリコールの混合液を冷却媒体とし
て使用し、この冷却媒体を燃料電池スタック内に導入し
て前記発電セルの冷却を行った後、前記燃料電池スタッ
ク外に設けられた、例えば、ラジエータにより熱交換を
行ってこの冷却媒体を所定温度に冷却し、再度、前記燃
料電池スタック内に循環供給する循環型冷却構造が採用
されている。
【０００６】しかしながら、上記の燃料電池スタックで
は、発電温度が８０℃〜９０℃以下に設定されるため、
燃料電池スタックから排出される冷却媒体の温度、すな
わち、ラジエータの冷却媒体入口側温度が８０℃〜９０
℃よりも低温となっている。一方、このラジエータに供
給される外気温度が約４０℃であるために、冷却媒体の
温度と外気温度との差が４０℃〜５０℃以下と低いもの
となってしまう。
は、発電温度が８０℃〜９０℃以下に設定されるため、
燃料電池スタックから排出される冷却媒体の温度、すな
わち、ラジエータの冷却媒体入口側温度が８０℃〜９０
℃よりも低温となっている。一方、このラジエータに供
給される外気温度が約４０℃であるために、冷却媒体の
温度と外気温度との差が４０℃〜５０℃以下と低いもの
となってしまう。
【０００７】これにより、冷却媒体を有効に冷却するた
めには相当に大型なラジエータが必要となり、特に、燃
料電池スタックの最大出力を維持する際には、前記ラジ
エータの容量を現行の内燃機関型自動車用ラジエータに
比べて大幅に増加しなければならない。従って、設備全
体が大型化してしまい、燃料電池スタックを自動車車体
に組み込む際に、レイアウトが相当に困難になるという
問題が指摘されている。
めには相当に大型なラジエータが必要となり、特に、燃
料電池スタックの最大出力を維持する際には、前記ラジ
エータの容量を現行の内燃機関型自動車用ラジエータに
比べて大幅に増加しなければならない。従って、設備全
体が大型化してしまい、燃料電池スタックを自動車車体
に組み込む際に、レイアウトが相当に困難になるという
問題が指摘されている。
【０００８】本発明はこの種の問題を解決するものであ
り、高出力運転を有効に維持するとともに、容易に小型
化が可能な燃料電池システムを提供することを目的とす
る。
り、高出力運転を有効に維持するとともに、容易に小型
化が可能な燃料電池システムを提供することを目的とす
る。
【０００９】
【課題を解決するための手段】本発明の請求項１および
２に係る燃料電池システムでは、燃料電池スタックに冷
却媒体を循環供給して発電セルの冷却を行うとともに、
冷却媒体循環路に熱交換手段が配置され、前記発電セル
の冷却に使用された冷却媒体が所定の温度に冷却され
る。ここで、燃料電池スタックの運転温度が１００℃〜
２１０℃の範囲内に設定されており、前記燃料電池スタ
ックの冷却媒体出口側温度が１１０℃〜１３０℃の近傍
に制御される。
２に係る燃料電池システムでは、燃料電池スタックに冷
却媒体を循環供給して発電セルの冷却を行うとともに、
冷却媒体循環路に熱交換手段が配置され、前記発電セル
の冷却に使用された冷却媒体が所定の温度に冷却され
る。ここで、燃料電池スタックの運転温度が１００℃〜
２１０℃の範囲内に設定されており、前記燃料電池スタ
ックの冷却媒体出口側温度が１１０℃〜１３０℃の近傍
に制御される。
【００１０】これにより、熱交換手段の冷却媒体入口側
温度の上限を高温に、例えば、１３０℃に設定すること
ができ、外気温度との温度差が大きくなって前記冷却媒
体との熱交換作業が効率的に遂行され、該熱交換手段の
小型化が容易に可能になる。しかも、高出力運転条件下
で所望の耐久性を得ることができ、車載用として使用さ
れる際に好適に機能する。
温度の上限を高温に、例えば、１３０℃に設定すること
ができ、外気温度との温度差が大きくなって前記冷却媒
体との熱交換作業が効率的に遂行され、該熱交換手段の
小型化が容易に可能になる。しかも、高出力運転条件下
で所望の耐久性を得ることができ、車載用として使用さ
れる際に好適に機能する。
【００１１】また、本発明の請求項３に係る燃料電池シ
ステムでは、燃料電池スタックがリン酸型燃料電池スタ
ックであり、運転温度が１００℃〜２１０℃の範囲内に
あるために良好に使用することが可能になる。
ステムでは、燃料電池スタックがリン酸型燃料電池スタ
ックであり、運転温度が１００℃〜２１０℃の範囲内に
あるために良好に使用することが可能になる。
【００１２】さらに、本発明の請求項４に係る燃料電池
システムでは、発電セルがポリベンズイミダゾールにリ
ン酸を保持させた電解質を備えている。このため、燃料
電池スタック全体の軽量化および小型化が容易に図られ
る。
システムでは、発電セルがポリベンズイミダゾールにリ
ン酸を保持させた電解質を備えている。このため、燃料
電池スタック全体の軽量化および小型化が容易に図られ
る。
【００１３】さらにまた、本発明の請求項５に係る燃料
電池システムでは、熱交換手段が内燃機関型自動車用ラ
ジエータを備えるとともに、冷却媒体は前記内燃機関型
自動車用ラジエータにより冷却される内燃機関型自動車
用冷却液である。従って、汎用性に優れるとともに、製
造費を抑え、かつ所望の冷却機能を確実に維持すること
が可能になる。
電池システムでは、熱交換手段が内燃機関型自動車用ラ
ジエータを備えるとともに、冷却媒体は前記内燃機関型
自動車用ラジエータにより冷却される内燃機関型自動車
用冷却液である。従って、汎用性に優れるとともに、製
造費を抑え、かつ所望の冷却機能を確実に維持すること
が可能になる。
【００１４】
【発明の実施の形態】図１は、本発明の実施形態に係る
燃料電池スタック１０が組み込まれる燃料電池システム
１２の概略構成説明図である。
燃料電池スタック１０が組み込まれる燃料電池システム
１２の概略構成説明図である。
【００１５】燃料電池スタック１０は発電セル１４を備
え、この発電セル１４が矢印Ａ方向に所定数だけ積層さ
れており、その積層方向両端側に前記発電セル１４に対
して電気的に一体的に接続される集電用電極１６ａ、１
６ｂが配置されるとともに、前記集電用電極１６ａ、１
６ｂ間に所定数の冷却セル１８が介装される。集電用電
極１６ａ、１６ｂの外側にエンドプレート２０ａ、２０
ｂが配置され、前記エンドプレート２０ａ、２０ｂが図
示しないタイロッド等により締め付けられることによ
り、発電セル１４、集電用電極１６ａ、１６ｂおよび冷
却セル１８が一体的に矢印Ａ方向に締め付け保持され
る。集電用電極１６ａ、１６ｂには、例えば、モータ等
の負荷２２が接続されている。
え、この発電セル１４が矢印Ａ方向に所定数だけ積層さ
れており、その積層方向両端側に前記発電セル１４に対
して電気的に一体的に接続される集電用電極１６ａ、１
６ｂが配置されるとともに、前記集電用電極１６ａ、１
６ｂ間に所定数の冷却セル１８が介装される。集電用電
極１６ａ、１６ｂの外側にエンドプレート２０ａ、２０
ｂが配置され、前記エンドプレート２０ａ、２０ｂが図
示しないタイロッド等により締め付けられることによ
り、発電セル１４、集電用電極１６ａ、１６ｂおよび冷
却セル１８が一体的に矢印Ａ方向に締め付け保持され
る。集電用電極１６ａ、１６ｂには、例えば、モータ等
の負荷２２が接続されている。
【００１６】発電セル１４は、運転（作動）温度が１０
０℃〜２１０℃の範囲内に設定されたリン酸型燃料電池
（ＰＡＦＣ）であり、図２に示すように、塩基性ポリマ
ー、特にポリベンズイミダゾールのマトリックスにリン
酸を保持させた電解質（電解質層）２４の両側に、カソ
ード側電極２６およびアノード側電極２８が配設される
接合体３０を有するとともに、前記カソード側電極２６
および前記アノード側電極２８には、例えば、多孔質層
である多孔質カーボンペーパ等からなるガス拡散層が配
設される。接合体３０の両側に一対のセパレータ３２が
配置されることにより、発電セル１４が構成される。
０℃〜２１０℃の範囲内に設定されたリン酸型燃料電池
（ＰＡＦＣ）であり、図２に示すように、塩基性ポリマ
ー、特にポリベンズイミダゾールのマトリックスにリン
酸を保持させた電解質（電解質層）２４の両側に、カソ
ード側電極２６およびアノード側電極２８が配設される
接合体３０を有するとともに、前記カソード側電極２６
および前記アノード側電極２８には、例えば、多孔質層
である多孔質カーボンペーパ等からなるガス拡散層が配
設される。接合体３０の両側に一対のセパレータ３２が
配置されることにより、発電セル１４が構成される。
【００１７】セパレータ３２のカソード側電極２６に対
向する一方の面には、酸化剤ガス流路３４が形成される
とともに、前記セパレータ３２のアノード側電極２８に
対向する他方の面には、燃料ガス流路３６が形成され
る。酸化剤ガス流路３４および燃料ガス流路３６は、水
平方向に蛇行しながら鉛直方向に設けられている。
向する一方の面には、酸化剤ガス流路３４が形成される
とともに、前記セパレータ３２のアノード側電極２８に
対向する他方の面には、燃料ガス流路３６が形成され
る。酸化剤ガス流路３４および燃料ガス流路３６は、水
平方向に蛇行しながら鉛直方向に設けられている。
【００１８】冷却セル１８は、燃料電池スタック１０内
で８セルおき、すなわち、前記冷却セル１８間に８つの
発電セル１４を配置して積層されている。この冷却セル
１８は、流路プレート３８と、この流路プレート３８に
重ね合わされて冷却媒体通路４０を形成する蓋プレート
４２と、前記冷却媒体通路４０に供給される冷却媒体を
発電セル１４から電気的に絶縁するための絶縁シート体
４４ａ、４４ｂと、前記冷却セル１８を挟んで前記発電
セル１４同士を互いに電気的に接続するための導電プレ
ート４６ａ、４６ｂとを備える。各冷却セル１８間に
は、冷却媒体管路４８が配置されており（図１参照）、
この冷却媒体管路４８を介して前記冷却セル１８内の冷
却媒体通路４０同士が連通している。
で８セルおき、すなわち、前記冷却セル１８間に８つの
発電セル１４を配置して積層されている。この冷却セル
１８は、流路プレート３８と、この流路プレート３８に
重ね合わされて冷却媒体通路４０を形成する蓋プレート
４２と、前記冷却媒体通路４０に供給される冷却媒体を
発電セル１４から電気的に絶縁するための絶縁シート体
４４ａ、４４ｂと、前記冷却セル１８を挟んで前記発電
セル１４同士を互いに電気的に接続するための導電プレ
ート４６ａ、４６ｂとを備える。各冷却セル１８間に
は、冷却媒体管路４８が配置されており（図１参照）、
この冷却媒体管路４８を介して前記冷却セル１８内の冷
却媒体通路４０同士が連通している。
【００１９】図１に示すように、エンドプレート２０ａ
には、燃料ガスを供給するための燃料ガス供給路５０
と、酸化剤ガスを供給するための酸化剤ガス供給路５２
とが設けられるとともに、エンドプレート２０ｂには、
未使用の燃料ガスを排出するための燃料ガス排出路５４
と、未使用の酸化剤ガスを排出するための酸化剤ガス排
出路５６とが設けられている。
には、燃料ガスを供給するための燃料ガス供給路５０
と、酸化剤ガスを供給するための酸化剤ガス供給路５２
とが設けられるとともに、エンドプレート２０ｂには、
未使用の燃料ガスを排出するための燃料ガス排出路５４
と、未使用の酸化剤ガスを排出するための酸化剤ガス排
出路５６とが設けられている。
【００２０】燃料電池システム１２は、上記のように構
成される燃料電池スタック１０と、冷却媒体を前記燃料
電池スタック１０に循環供給して発電セル１４の冷却を
行う冷却媒体循環路５８と、前記冷却媒体循環路５８に
配置され、前記発電セル１４の冷却に使用された冷却媒
体を前記燃料電池スタック１０の外部で冷却する熱交換
手段６０とを備える。
成される燃料電池スタック１０と、冷却媒体を前記燃料
電池スタック１０に循環供給して発電セル１４の冷却を
行う冷却媒体循環路５８と、前記冷却媒体循環路５８に
配置され、前記発電セル１４の冷却に使用された冷却媒
体を前記燃料電池スタック１０の外部で冷却する熱交換
手段６０とを備える。
【００２１】冷却媒体循環路５８には、冷却媒体を燃料
電池スタック１０に所定量だけ供給するためのポンプ６
２が配置されている。熱交換手段６０は、内燃機関型自
動車用ラジエータ６４と、このラジエータ６４に対向し
て配置されているファン６６とを備えるとともに、冷却
媒体は内燃機関型自動車用冷却液として一般的に使用さ
れる冷却液が用いられている。
電池スタック１０に所定量だけ供給するためのポンプ６
２が配置されている。熱交換手段６０は、内燃機関型自
動車用ラジエータ６４と、このラジエータ６４に対向し
て配置されているファン６６とを備えるとともに、冷却
媒体は内燃機関型自動車用冷却液として一般的に使用さ
れる冷却液が用いられている。
【００２２】このように構成される燃料電池システム１
２の動作について、以下に説明する。
２の動作について、以下に説明する。
【００２３】燃料電池スタック１０内には、燃料ガス供
給路５０を介して燃料ガス、例えば、炭化水素を改質し
た水素を含むガス、または水素ボンベや水素吸蔵合金か
ら純水素が供給されるとともに、酸化剤ガス供給路５２
を介して酸化剤ガスである酸素含有ガス（空気）が供給
され、さらに冷却媒体循環路５８を介して発電セル１４
の発電面を冷却するための冷却媒体が供給される。
給路５０を介して燃料ガス、例えば、炭化水素を改質し
た水素を含むガス、または水素ボンベや水素吸蔵合金か
ら純水素が供給されるとともに、酸化剤ガス供給路５２
を介して酸化剤ガスである酸素含有ガス（空気）が供給
され、さらに冷却媒体循環路５８を介して発電セル１４
の発電面を冷却するための冷却媒体が供給される。
【００２４】エンドプレート２０ａに供給された燃料ガ
スは、図２に示すように、セパレータ３２の他方の面側
に形成されている燃料ガス流路３６に供給され、この燃
料ガス流路３６に沿って水平方向に蛇行しながら重力方
向に移動する。その際、燃料ガス中の水素ガスは、発電
セル１４のアノード側電極２８に供給される。そして、
未使用の燃料ガスは、エンドプレート２０ｂに設けられ
ている燃料ガス排出路５４に排出される。
スは、図２に示すように、セパレータ３２の他方の面側
に形成されている燃料ガス流路３６に供給され、この燃
料ガス流路３６に沿って水平方向に蛇行しながら重力方
向に移動する。その際、燃料ガス中の水素ガスは、発電
セル１４のアノード側電極２８に供給される。そして、
未使用の燃料ガスは、エンドプレート２０ｂに設けられ
ている燃料ガス排出路５４に排出される。
【００２５】一方、エンドプレート２０ａに供給された
酸化剤ガスは、セパレータ３２の一方の面側に形成され
ている酸化剤ガス流路３４に導入され、この酸化剤ガス
流路３４に沿って水平方向に蛇行しながら重力方向に移
動する間、この空気中の酸素ガスがカソード側電極２６
に供給される。また、未使用の空気は、エンドプレート
２０ｂに設けられている酸化剤ガス排出路５６に排出さ
れる。これにより、発電セル１４で発電が行われ、モー
タ等の負荷２２に電力が供給されることになる（図１参
照）。
酸化剤ガスは、セパレータ３２の一方の面側に形成され
ている酸化剤ガス流路３４に導入され、この酸化剤ガス
流路３４に沿って水平方向に蛇行しながら重力方向に移
動する間、この空気中の酸素ガスがカソード側電極２６
に供給される。また、未使用の空気は、エンドプレート
２０ｂに設けられている酸化剤ガス排出路５６に排出さ
れる。これにより、発電セル１４で発電が行われ、モー
タ等の負荷２２に電力が供給されることになる（図１参
照）。
【００２６】さらにまた、ポンプ６２の駆動作用下に、
冷却媒体循環路５８に沿って冷却媒体が循環し、この冷
却媒体が燃料電池スタック１０を構成する冷却セル１８
に導入される。この冷却セル１８では、図２に示すよう
に、流路プレート３８と蓋プレート４２との間に形成さ
れた冷却媒体通路４０に冷却媒体が供給され、発電セル
１４の発電面を冷却した後、冷却媒体循環路５８に戻さ
れる。発電セル１４の冷却に使用された冷却媒体は、図
１に示すように、ラジエータ６４に導入されて外気空気
と熱交換されるとともに、必要に応じてファン６６の送
風作用下に熱交換された後、ポンプ６２を介して燃料電
池スタック１０内の冷却媒体管路４８の入口側（エンド
プレート２０ａ側）に供給される。冷却媒体は、さらに
各冷却セル１８に分配されて冷却媒体通路４０を通って
冷却媒体管路４８の出口側（エンドプレート２０ｂ側）
に排出され、冷却媒体循環路５８を通ってラジエータ６
４に戻される。
冷却媒体循環路５８に沿って冷却媒体が循環し、この冷
却媒体が燃料電池スタック１０を構成する冷却セル１８
に導入される。この冷却セル１８では、図２に示すよう
に、流路プレート３８と蓋プレート４２との間に形成さ
れた冷却媒体通路４０に冷却媒体が供給され、発電セル
１４の発電面を冷却した後、冷却媒体循環路５８に戻さ
れる。発電セル１４の冷却に使用された冷却媒体は、図
１に示すように、ラジエータ６４に導入されて外気空気
と熱交換されるとともに、必要に応じてファン６６の送
風作用下に熱交換された後、ポンプ６２を介して燃料電
池スタック１０内の冷却媒体管路４８の入口側（エンド
プレート２０ａ側）に供給される。冷却媒体は、さらに
各冷却セル１８に分配されて冷却媒体通路４０を通って
冷却媒体管路４８の出口側（エンドプレート２０ｂ側）
に排出され、冷却媒体循環路５８を通ってラジエータ６
４に戻される。
【００２７】この場合、本実施形態では、運転温度が１
００℃〜２１０℃の範囲内に設定されたリン酸型燃料電
池である発電セル１４を備えており、冷却セル１８に供
給されて発電セル１４の冷却を行った冷却媒体が燃料電
池スタック１０から排出される際の冷却媒体出口側温度
の上限は、１１０℃〜１３０℃の近傍に制御される。こ
こで、燃料電池スタック１０の冷却媒体出口とラジエー
タ６４の冷却媒体入口との距離を短尺化することが可能
であり、この間で冷却媒体の温度低下を低減して前記ラ
ジエータ６４の冷却媒体入口側温度の上限を１００℃〜
１３０℃に設定することができる。
００℃〜２１０℃の範囲内に設定されたリン酸型燃料電
池である発電セル１４を備えており、冷却セル１８に供
給されて発電セル１４の冷却を行った冷却媒体が燃料電
池スタック１０から排出される際の冷却媒体出口側温度
の上限は、１１０℃〜１３０℃の近傍に制御される。こ
こで、燃料電池スタック１０の冷却媒体出口とラジエー
タ６４の冷却媒体入口との距離を短尺化することが可能
であり、この間で冷却媒体の温度低下を低減して前記ラ
ジエータ６４の冷却媒体入口側温度の上限を１００℃〜
１３０℃に設定することができる。
【００２８】従って、ラジエータ６４では、１００℃〜
１３０℃の上限温度を有する冷却媒体が外気温度（約４
０℃）と熱交換されるため、前記冷却媒体が効率的に冷
却されて前記ラジエータ６４から排出される。このた
め、所定温度、例えば、１００℃に冷却された冷却媒体
が燃料電池スタック１０を構成する冷却セル１８に供給
されることになる。
１３０℃の上限温度を有する冷却媒体が外気温度（約４
０℃）と熱交換されるため、前記冷却媒体が効率的に冷
却されて前記ラジエータ６４から排出される。このた
め、所定温度、例えば、１００℃に冷却された冷却媒体
が燃料電池スタック１０を構成する冷却セル１８に供給
されることになる。
【００２９】このように、本実施形態では、ラジエータ
６４の冷却媒体入口側温度の上限が１００℃〜１３０
℃、より好適には、１３０℃に設定されるため、この冷
却媒体と外気温度との温度差が相当に大きくなり、前記
冷却媒体の熱交換作業が小容量のラジエータ６４を用い
て効果的に遂行される。特に、高出力運転を維持する際
にも、燃料電池スタック１０を所望の運転温度に確実に
冷却することができ、耐久性を有効に向上させるととも
に、燃料電池システム１０全体の小型化が容易に遂行可
能になるという効果が得られる。
６４の冷却媒体入口側温度の上限が１００℃〜１３０
℃、より好適には、１３０℃に設定されるため、この冷
却媒体と外気温度との温度差が相当に大きくなり、前記
冷却媒体の熱交換作業が小容量のラジエータ６４を用い
て効果的に遂行される。特に、高出力運転を維持する際
にも、燃料電池スタック１０を所望の運転温度に確実に
冷却することができ、耐久性を有効に向上させるととも
に、燃料電池システム１０全体の小型化が容易に遂行可
能になるという効果が得られる。
【００３０】しかも、ラジエータ６４として、通常、内
燃機関型自動車に使用されているラジエータを用いるこ
とができ、汎用性に優れるとともに、経済的かつ高信頼
性を有するという利点がある。従って、固体高分子型燃
料電池を使用する構造に比べ、ラジエータ６４が一挙に
小型化され、例えば、燃料電池システム１２を自動車車
体に組み込む際においてもレイアウト上の不具合がな
く、取り付け作業性が大幅に向上するという効果があ
る。
燃機関型自動車に使用されているラジエータを用いるこ
とができ、汎用性に優れるとともに、経済的かつ高信頼
性を有するという利点がある。従って、固体高分子型燃
料電池を使用する構造に比べ、ラジエータ６４が一挙に
小型化され、例えば、燃料電池システム１２を自動車車
体に組み込む際においてもレイアウト上の不具合がな
く、取り付け作業性が大幅に向上するという効果があ
る。
【００３１】さらにまた、本実施形態では、発電セル１
４が塩基性ポリマー、特に、ポリベンズイミダゾールの
マトリックスにリン酸を保持させた電解質２４を備えて
いる。このため、燃料電池スタック１０全体の軽量化お
よび小型化が容易に遂行されるという利点が得られる。
４が塩基性ポリマー、特に、ポリベンズイミダゾールの
マトリックスにリン酸を保持させた電解質２４を備えて
いる。このため、燃料電池スタック１０全体の軽量化お
よび小型化が容易に遂行されるという利点が得られる。
【００３２】なお、本実施形態では、燃料電池スタック
１０としてリン酸型燃料電池スタックを用いて説明した
が、これに限定されるものではなく、運転温度が１００
℃〜２１０℃の範囲内に設定されるものであれば種々の
燃料電池スタックが使用可能である。
１０としてリン酸型燃料電池スタックを用いて説明した
が、これに限定されるものではなく、運転温度が１００
℃〜２１０℃の範囲内に設定されるものであれば種々の
燃料電池スタックが使用可能である。
【００３３】
【発明の効果】本発明に係る燃料電池システムでは、発
電セルの冷却に使用された冷却媒体が熱交換手段に導入
される際の温度を比較的高温に設定することができ、こ
の熱交換手段を介して効率的な熱交換作業が施される。
このため、熱交換手段の容量を増大させる必要がなく、
この熱交換手段全体を有効に小型化し得るとともに、高
出力運転での耐久性の向上を容易に図ることが可能にな
る。
電セルの冷却に使用された冷却媒体が熱交換手段に導入
される際の温度を比較的高温に設定することができ、こ
の熱交換手段を介して効率的な熱交換作業が施される。
このため、熱交換手段の容量を増大させる必要がなく、
この熱交換手段全体を有効に小型化し得るとともに、高
出力運転での耐久性の向上を容易に図ることが可能にな
る。
【図１】本発明の実施形態に係る燃料電池スタックが組
み込まれる燃料電池システムの概略構成説明図である。
み込まれる燃料電池システムの概略構成説明図である。
【図２】前記燃料電池スタックの内部構成説明図であ
る。
る。
１０…燃料電池スタック １２…燃料電池シス
テム １４…発電セル １６ａ、１６ｂ…集
電用電極 １８…冷却セル ２０ａ、２０ｂ…エ
ンドプレート ２４…電解質 ２６…カソード側電
極 ２８…アノード側電極 ３０…接合体 ３２…セパレータ ３８…流路プレート ４０…冷却媒体通路 ４２…蓋プレート ５８…冷却媒体循環路 ６０…熱交換手段 ６２…ポンプ ６４…ラジエータ ６６…ファン
テム １４…発電セル １６ａ、１６ｂ…集
電用電極 １８…冷却セル ２０ａ、２０ｂ…エ
ンドプレート ２４…電解質 ２６…カソード側電
極 ２８…アノード側電極 ３０…接合体 ３２…セパレータ ３８…流路プレート ４０…冷却媒体通路 ４２…蓋プレート ５８…冷却媒体循環路 ６０…熱交換手段 ６２…ポンプ ６４…ラジエータ ６６…ファン
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 佐藤 修二 埼玉県和光市中央１丁目４番１号 株式会 社本田技術研究所内 Ｆターム(参考） 5H026 AA04 CC03 EE18 HH08 5H027 AA04 CC06 KK48
Claims (5)
- 【請求項１】電解質をアノード側電極とカソード側電極
とで挟んで構成される接合体を有し、前記接合体をセパ
レータにより挟持した複数の発電セルが積層される燃料
電池スタックと、 冷却媒体を前記燃料電池スタックに循環供給して前記発
電セルの冷却を行う冷却媒体循環路と、 前記冷却媒体循環路に配置され、前記発電セルの冷却に
使用された冷却媒体を前記燃料電池スタックの外部で冷
却する熱交換手段と、 を備えるとともに、 前記燃料電池スタックの運転温度が、１００℃〜２１０
℃の範囲内に設定されることを特徴とする燃料電池シス
テム。 - 【請求項２】請求項１記載の燃料電池システムにおい
て、前記熱交換手段の冷却媒体入口側温度の上限が、１
３０℃に設定されることを特徴とする燃料電池システ
ム。 - 【請求項３】請求項１または２記載の燃料電池システム
において、前記燃料電池スタックは、リン酸型燃料電池
スタックであることを特徴とする燃料電池システム。 - 【請求項４】請求項１乃至３のいずれか１項に記載の燃
料電池システムにおいて、前記発電セルは、ポリベンズ
イミダゾールにリン酸を保持させた電解質層を備えるこ
とを特徴とする燃料電池システム。 - 【請求項５】請求項１乃至４のいずれか１項に記載の燃
料電池システムにおいて、前記熱交換手段は、内燃機関
型自動車用ラジエータを備えるとともに、前記冷却媒体
は、前記内燃機関型自動車用ラジエータにより冷却され
る内燃機関型自動車用冷却液であることを特徴とする燃
料電池システム。
Priority Applications (4)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2000167851A JP2001351662A (ja) | 2000-06-05 | 2000-06-05 | 燃料電池システム |
| DE60139586T DE60139586D1 (de) | 2000-06-05 | 2001-06-05 | Kühlen eines Brenstoffzellensystems |
| EP01304915A EP1162681B1 (en) | 2000-06-05 | 2001-06-05 | Cooling of a fuel cell system |
| US09/875,574 US6815109B2 (en) | 2000-06-05 | 2001-06-05 | Fuel cell system |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2000167851A JP2001351662A (ja) | 2000-06-05 | 2000-06-05 | 燃料電池システム |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2001351662A true JP2001351662A (ja) | 2001-12-21 |
Family
ID=18670958
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2000167851A Withdrawn JP2001351662A (ja) | 2000-06-05 | 2000-06-05 | 燃料電池システム |
Country Status (4)
| Country | Link |
|---|---|
| US (1) | US6815109B2 (ja) |
| EP (1) | EP1162681B1 (ja) |
| JP (1) | JP2001351662A (ja) |
| DE (1) | DE60139586D1 (ja) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR20040037411A (ko) * | 2002-10-28 | 2004-05-07 | 현대자동차주식회사 | 연료전지 스택용 외부 냉각 모듈 |
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|---|---|---|---|---|
| US20040001984A1 (en) * | 2002-06-28 | 2004-01-01 | Julio Alva | Fuel cell cooling system for low coolant flow rate |
| US8715882B2 (en) * | 2004-04-29 | 2014-05-06 | Lawrene Livermore National Security, LLC. | High power density fuel cell comprising an array of microchannels |
| JP2006216303A (ja) * | 2005-02-02 | 2006-08-17 | Denso Corp | 発熱機器の冷却構造 |
| US20070082245A1 (en) * | 2005-10-12 | 2007-04-12 | Volker Druenert | Evaporative cooling system for fuel cell systems using cathode product water |
| KR100748362B1 (ko) * | 2006-11-14 | 2007-08-09 | 삼성에스디아이 주식회사 | 고온형 연료전지 스택 및 이를 채용한 연료전지 |
| US8557480B2 (en) * | 2009-08-26 | 2013-10-15 | Lawrence Livermore National Security, Llc | High power density fuel cell comprising an array of microchannels |
| JP5641340B2 (ja) * | 2011-03-04 | 2014-12-17 | スズキ株式会社 | 燃料電池車両の吸気装置 |
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|---|---|---|---|---|
| US3964929A (en) * | 1975-07-21 | 1976-06-22 | United Technologies Corporation | Fuel cell cooling system with shunt current protection |
| US4945010A (en) * | 1983-06-02 | 1990-07-31 | Engelhard Corporation | Cooling assembly for fuel cells |
| US5525436A (en) * | 1994-11-01 | 1996-06-11 | Case Western Reserve University | Proton conducting polymers used as membranes |
| JP3769882B2 (ja) * | 1997-06-06 | 2006-04-26 | トヨタ自動車株式会社 | 燃料電池装置および燃料電池装置の温度調整方法 |
| US6053266A (en) | 1997-12-01 | 2000-04-25 | Dbb Fuel Cell Engines Gmbh | Fuel cell engine having a propulsion motor operatively connected to drive a fluid supply device |
| US6223843B1 (en) | 1998-12-16 | 2001-05-01 | General Motors Corporation | Electrochemical propulsion system |
| AU2197400A (en) * | 1998-12-17 | 2000-07-03 | International Fuel Cells, Llc | A cooling plate for a fuel cell stack assembly |
| JP2001043878A (ja) * | 1999-05-27 | 2001-02-16 | Honda Motor Co Ltd | 燃料電池発電システム |
| JP2001068127A (ja) * | 1999-08-30 | 2001-03-16 | Toyota Autom Loom Works Ltd | 燃料電池冷却装置及び燃料電池システム |
| US6492044B1 (en) * | 2000-06-29 | 2002-12-10 | Plug Power Inc. | Reactant conditioning for high temperature fuel cells |
-
2000
- 2000-06-05 JP JP2000167851A patent/JP2001351662A/ja not_active Withdrawn
-
2001
- 2001-06-05 EP EP01304915A patent/EP1162681B1/en not_active Expired - Lifetime
- 2001-06-05 US US09/875,574 patent/US6815109B2/en not_active Expired - Fee Related
- 2001-06-05 DE DE60139586T patent/DE60139586D1/de not_active Expired - Lifetime
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|---|---|---|---|---|
| KR20040037411A (ko) * | 2002-10-28 | 2004-05-07 | 현대자동차주식회사 | 연료전지 스택용 외부 냉각 모듈 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| EP1162681B1 (en) | 2009-08-19 |
| EP1162681A2 (en) | 2001-12-12 |
| US20010049042A1 (en) | 2001-12-06 |
| EP1162681A3 (en) | 2005-09-07 |
| US6815109B2 (en) | 2004-11-09 |
| DE60139586D1 (de) | 2009-10-01 |
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| A621 | Written request for application examination |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621 Effective date: 20061201 |
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| A761 | Written withdrawal of application |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A761 Effective date: 20091218 |