JP2005078970A - Fuel battery and fuel battery radiation heat utilization system - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、燃料電池セル、例えば固体高分子膜を電解質として用いた燃料電池セルの複数を積層した積層体を備えた燃料電池、および上記燃料電池からの放熱を利用した燃料電池放熱利用システムに関し、詳しくは上記燃料電池セルの冷却構造が改善された燃料電池および上記燃料電池からの放熱の回収機構が改善された燃料電池放熱利用システムに関するものである。 The present invention relates to a fuel cell, for example, a fuel cell including a laminate in which a plurality of fuel cells using a solid polymer membrane as an electrolyte are stacked, and a fuel cell heat radiation utilization system utilizing heat radiation from the fuel cell. More particularly, the present invention relates to a fuel cell having an improved cooling structure for the fuel cell and a fuel cell heat radiation utilization system having an improved recovery mechanism for heat radiation from the fuel cell.
従来の固体高分子型燃料電池においては、複数積層された燃料電池セルの間に冷却媒体流路を有する冷却板が配置され、冷却水ポンプによって冷却媒体を循環させて発電による廃熱を回収し熱交換器で再利用するようにしている。さらに後記の特許文献1から、燃料電池セルを構成する燃料ガス用導電性セパレータおよび酸化剤ガス用導電性セパレータのそれぞれに高温側となる円管状のパイプ部を内蔵せしめたヒートパイプを配置し、上記ヒートパイプの他端に放熱用フィン設け、固体高分子型燃料電池で発生した熱を上記ヒートパイプを通じて燃料電池外に導いて空気中に放熱する技術も公知である。 In a conventional polymer electrolyte fuel cell, a cooling plate having a cooling medium flow path is arranged between a plurality of stacked fuel cells, and the cooling medium is circulated by a cooling water pump to recover waste heat generated by power generation. They are reused in heat exchangers. Further, from Patent Document 1 described later, a heat pipe in which a tubular pipe portion on the high temperature side is built in each of the conductive separator for fuel gas and the conductive separator for oxidant gas constituting the fuel cell is arranged, A technique is also known in which a heat radiating fin is provided at the other end of the heat pipe, and heat generated in the polymer electrolyte fuel cell is guided to the outside of the fuel cell through the heat pipe and radiated into the air.
ところで従来の冷却媒体流路による固体高分子型燃料電池の冷却方法においては、冷却媒体を循環させるためのポンプと冷却媒体を送る配管が必要であって、このために燃料電池システムは複雑で高価なものになるという問題があった。また特許文献1の技術においては、上記ヒートパイプの高温側となる円管状のパイプ部を各セパレータ中に内蔵し、固着する必要がある。このとき、積層されるセパレータは隣接するセパレータと隙間なく密着する必要があり、このような構造を円管状のヒートパイプによって実現するには製造コストが高くなるという問題があった。
本発明は、上述のような従来技術における問題を解決するためになされたものであって、燃料電池内で発生する熱を簡単な構成で効果的に外部に放出することができる燃料電池および当該燃料電池を用いた燃料電池放熱利用システムを提供することを課題とするものである。 The present invention has been made to solve the above-described problems in the prior art, and is capable of effectively releasing heat generated in the fuel cell to the outside with a simple configuration. It is an object of the present invention to provide a fuel cell heat radiation utilization system using a fuel cell.
本発明の請求項1に係る燃料電池は、複数の燃料電池セルの積層体、および上記燃料電池セル同士の間に挟着された平板状の導電性挟着部と上記燃料電池セル間から外部に突出した突出部を有すると共に上記燃料電池セル内で発生する熱を外部に放出するための第一放熱装置を備えたことを特徴とし、本発明の請求項4に係る燃料電池は、隣接する上記第一放熱装置の上記突出部の端部同士は、接触することないように互いに異なる方向に上記燃料電池セル間から外部に突出しているか、または互いに反対方向に折り曲げられていることを特徴とし、さらに本発明の請求項5に係る燃料電池は、上記突出部の折り曲げられた外面上に電気絶縁シートを介して第二放熱装置を備えたことを特徴とするものである。 According to a first aspect of the present invention, there is provided a fuel cell stack comprising: a plurality of fuel cell stacks; and a plate-like conductive sandwiched portion sandwiched between the fuel cells and an external portion between the fuel cells. And a first heat dissipating device for releasing heat generated in the fuel cell to the outside. The fuel cell according to claim 4 of the present invention is adjacent to the fuel cell. The ends of the protruding portions of the first heat radiating device protrude outward from the fuel cells in different directions so as not to contact each other, or are bent in opposite directions to each other. Furthermore, the fuel cell according to claim 5 of the present invention is characterized in that a second heat dissipating device is provided on the outer surface of the protruding portion bent through an electric insulating sheet.
本発明の請求項8に係る燃料電池放熱利用システムは、上記燃料電池の上記第二放熱装置に集められた上記燃料電池からの放熱を熱交換する熱交換器を備えたことを特徴とするものである。 A fuel cell heat radiation utilization system according to claim 8 of the present invention includes a heat exchanger for exchanging heat from the fuel cell collected in the second heat radiation device of the fuel cell. It is.
本発明の燃料電池では、第一放熱装置として燃料電池セル間に挟着された平板状の導電性挟着部を有するものを採用するので、前記従来技術におけるような冷却媒体の循環が不要となって燃料電池の構造が簡素化される。さらに上記導電性挟着部は、特許文献1の場合のようにセパレータ内に内蔵されずに、単に燃料電池セル間に挟着設置されるのみであるので燃料電池の製造工程が頗る簡素化され、しかして製造コストが低減する効果がある。その際、上記導電性挟着部が平板状であることが燃料電池セル間での挟着設置を容易にし、しかも挟着設置状態での燃料電池セル間の電気的接続が容易であり且つ安定化する効果もある。 In the fuel cell of the present invention, since the first heat radiating device having a flat conductive sandwiched portion sandwiched between the fuel cells is adopted, it is unnecessary to circulate the cooling medium as in the prior art. Thus, the structure of the fuel cell is simplified. Further, the conductive sandwiching portion is not built in the separator as in the case of Patent Document 1, but is simply sandwiched between the fuel cells, so that the fuel cell manufacturing process is simplified. However, the manufacturing cost can be reduced. At that time, the conductive sandwiched portion is flat, facilitating the sandwich installation between the fuel cells, and the electrical connection between the fuel cells in the sandwich installation state is easy and stable. There is also an effect that.
本発明の燃料電池放熱利用システムでは、上記燃料電池の上記第二放熱装置に集められた上記燃料電池からの放熱は上記熱交換器により熱交換されるので、簡単な構造で効率的に電池からの放熱を再利用できる。 In the fuel cell heat radiation utilization system of the present invention, the heat radiation from the fuel cell collected in the second heat radiation device of the fuel cell is heat-exchanged by the heat exchanger, so that the heat can be efficiently removed from the battery with a simple structure. The heat dissipation can be reused.
以下において、説明の順位の早い図に示された部位と同じ部位が後続の図に示される場合には、互に同じ部位については同じ符号を付して後続の図では部位の説明を省略することがある。 In the following, when the same part as the part shown in the earlier figure of the description is shown in the subsequent figure, the same part is given the same symbol and the description of the part is omitted in the subsequent figure Sometimes.
実施の形態1.
図1〜図5は、本発明の燃料電池における実施の形態1を説明するものであって、図1は実施の形態1の斜視図、図2は図1のII-II線に沿った断面図、図3は図2の一部拡大図、図4は図1のIV-IV線に沿った断面図、図5は実施の形態1において用いられた第一ヒートパイプ4aの斜視図である。図1〜図5において、燃料電池1は、その主要部として、複数の燃料電池セル20の積層体2、端子電極31、端子電極32、前記第一放熱装置の一例としての複数の第一ヒートパイプ4a、電気絶縁シート5、および前記第二放熱装置の一例としての平板状の第二ヒートパイプ6を備えている。端子電極31、端子電極32は、それぞれ電線接続用のターミナル311、ターミナル321を有する。
Embodiment 1 FIG.
1 to 5 illustrate a first embodiment of the fuel cell according to the present invention. FIG. 1 is a perspective view of the first embodiment, and FIG. 2 is a cross-sectional view taken along line II-II in FIG. 3 is a partially enlarged view of FIG. 2, FIG. 4 is a cross-sectional view taken along line IV-IV of FIG. 1, and FIG. 5 is a perspective view of the first heat pipe 4a used in the first embodiment. . 1 to 5, the fuel cell 1 includes, as main parts, a
複数の燃料電池セル20のそれぞれは、図2に示すように固体高分子膜21、固体高分子膜21の一方の面に設けられて導電性と通気性を兼ね備えた燃料電極22、固体高分子膜21の他方の面に設けられて導電性と通気性を兼ね備えた酸化剤電極23、燃料電極22にガスを供給し、あるいは燃料電極22からガスを排出するための燃料ガス流路24を有する燃料ガス用セパレータ25、および酸化剤ガス流路26を有する酸化剤ガス用セパレータ27を備えている。なお個々の燃料電池セル20の側面では、通常、上記符号21、22、23、25、27で示される各要素の側面が露出しているが、図1および後続の諸図では図面の簡略化のために燃料電池セル20の側面での各要素の明示は省略されている。
As shown in FIG. 2, each of the plurality of
複数の第一ヒートパイプ4aのそれぞれは、図5に示すように燃料電池セル20の各間に挟着された導電性挟着部41、および隣接する燃料電池セル20間から、換言すると積層体2の側面28から外部に突出した突出部42から構成されており、さらに突出部42は、導電性挟着部41と同じ方向に延在する突出根部421および積層体2の側面28と略平行に延在する折曲部422から構成されている。なお図5での点線DLは、積層体2の側面28のレベルであって、しかして導電性挟着部41と突出部42との区分けラインとなる。
As shown in FIG. 5, each of the plurality of first heat pipes 4a includes a conductive sandwiched
突出根部421の寸法、即ち側面28と折曲部422の内面(側面28と対向する面)との間の距離は、燃料電池1を可及的小型化する立場から、側面28と折曲部422との間での電気的短絡の問題を安全に回避し得る限り、可及的短いことが好ましく、例えば1〜5mm程度が適当である。一方、折曲部422の折曲長さBLは、それが大きい程放熱性能が向上するものの、それが過大であると隣接する第一ヒートパイプ4aの突出根部421と接触して電気的に短絡する問題があるので、かかる短絡問題を安全に回避し得るように折曲部422の折曲先端と隣接する第一ヒートパイプ4の突出根部421との間に少なくとも0.3mm程度、特に少なくとも0.5mm程度のギャップが生じるようにすることが好ましい。
The dimension of the
各第一ヒートパイプ4aは、厚さ0.1mm程度の薄い導電性板材で構成され、その空間内部には水、アンモニア、アセトンなどの動作液が真空下で封閉されており、低温端たる折曲部422で凝縮液化した動作液を高温端たる導電性挟着部41に戻すために、導電性挟着部41の内面には溝式あるいは突起式などの方法によって毛管作用が生じるようになっている。各第一ヒートパイプ4aの導電性挟着部41は、一方の側の燃料電池セル20の燃料ガス用セパレータ25との接触抵抗と、他方の側の燃料電池セル20の酸化剤ガス用セパレータ27との接触抵抗を低減するために端子電極31と端子電極32との間の加圧力により両側の燃料電池セル20と圧接される。導電性挟着部41は、その内部に導電性挟着部41を構成する対向板材間を電気的に橋絡する複数のブロック導体411を内蔵しており、ブロック導体411は、上記の電気的橋絡作用に加えて、上記した両側の燃料電池セル20との圧接力にても導電性挟着部41が圧潰しないように保護する圧潰防止作用、さらには燃料電池セル20からの放熱を導電性挟着部41内で効率的に伝達する作用もなす。
Each first heat pipe 4a is composed of a thin conductive plate material having a thickness of about 0.1 mm. Inside the space, a working liquid such as water, ammonia, acetone or the like is sealed under vacuum. In order to return the working fluid condensed and liquefied at the
複数の第一ヒートパイプ4aの各折曲部422によって積層体2の側面28上に一つの平面が形成され、その平面上に電気絶縁シート5を介して第二ヒートパイプ6が設置されている。第二ヒートパイプ6は、平板状であり、第一ヒートパイプ4aの折曲部422同士間での第二ヒートパイプ6による電気的短絡を防止するために、電気絶縁シート5を介して折曲部422群上に設置されている。
One plane is formed on the
次に、実施の形態1の燃料電池1の動作に就いて説明する。以上のように構成された第一ヒートパイプ4aでは、高温端たる導電性挟着部41において燃料電池セル20からの放熱によって内部の動作液が沸騰蒸発して低温端たる折曲部422に向って移動する。そして、低温端で冷却されて液状に戻り毛管作用によって再び高温端にもどることによって上記放熱が積層体2の外部に設置された第二ヒートパイプ6に伝達され、第二ヒートパイプ6から燃料電池1の外部に放熱される。
Next, the operation of the fuel cell 1 of Embodiment 1 will be described. In the first heat pipe 4a configured as described above, the internal working fluid is boiled and evaporated by the heat radiation from the
この結果、固体高分子膜21、燃料電極22、酸化剤電極23、燃料ガス用セパレータ25、および酸化剤ガス用セパレータ27を含む燃料電池セル20から発生する熱は、第一ヒートパイプ4aの導電性挟着部41から突出部42、特に折曲部422に向かって速やかに伝達されるので、従来のように冷却媒体を還流させるための冷却媒体流路を設ける必要が無く、また、第一ヒートパイプ4aを採用したことによって、燃料電池セル20群との密着性が向上して効率的に放熱を伝達することが出来る。
As a result, the heat generated from the
実施の形態2.
図6〜図7は、本発明の燃料電池における実施の形態2を説明するものであって、図6は実施の形態2の斜視図、図7は実施の形態2において用いられた第一ヒートパイプ4bの斜視図である。第一ヒートパイプ4bは、実施の形態1で用いられた第一ヒートパイプ4aとは、図7に示すように突出部42の幅が導電性挟着部41の幅(図5の点線DLで示す幅)の1/2より少し小さい点で異なり、その他の構造は同じである。また実施の形態2の燃料電池では、第一ヒートパイプ4bがその折曲部422の延在方向が交互に逆方向となるように、換言すると、いま図7に示された第一ヒートパイプ4bの一面をS面、その裏面をR面すると、端子電極31から端子電極32に向かう方向にS面とR面とが交互となるように第一ヒートパイプ4bが設置されていて、図6の向かって左半分はS面が端子電極32の方に向いた第一ヒートパイプ4bの折曲部422により、一方図6の向かって右半分はR面が端子電極32の方に向いた第一ヒートパイプ4bの折曲部422によりそれぞれ平面が形成され、それら両平面上に電気絶縁シート5と第二ヒートパイプ6とが設置されている。その結果、積層体2の側面28の略全面上が第二ヒートパイプ6の設置面積として利用可能となって、放熱性能が向上する。
6 to 7 illustrate the second embodiment of the fuel cell of the present invention. FIG. 6 is a perspective view of the second embodiment, and FIG. 7 is the first heat used in the second embodiment. It is a perspective view of the
第一ヒートパイプ4bは、突出部42の幅が第一ヒートパイプ4aのそれより小さい点において放熱機能がやや低下するが、第一ヒートパイプ4aよりも工業的に製造し易い利点がある。その理由は、第一ヒートパイプ4aは、前記したように厚さ0.1mm程度の薄い導電性板材間に動作液が封閉される空間を設けて、しかして通常1mm程度の厚みを有する平板状筐体を先ず製造し、その一端の数mm部分を例えば90度に折り曲げて折曲部422を形成して製造されるが、その折曲部422の長さBL(図5参照)は、燃料電池セル20の厚み(通常、3〜8mm程度)より僅かに小さい寸法であるので、それを広幅の上記平板の全幅に亘って一様に折り曲げて形成ことは一般的に容易ではないが、折り曲げ幅を小さくすると、例えば1/2とすると折り曲げ作業が容易となり、第一ヒートパイプ4bの生産効率が向上する利点がある。
The
実施の形態2の変形の実施の形態として、第一ヒートパイプ4bの全部S面を端子電極32の方に向ける、あるいは端子電極31の方に向けるようにしてもよい。但しそれらの場合には、図6の向かって右半分または左半分のみに折曲部422の平面が形成されることになる。
As an embodiment of the modification of the second embodiment, the entire S surface of the
実施の形態3.
図8〜図9は、本発明の燃料電池における実施の形態3を説明するものであって、図8は実施の形態3の平面図であり、図9は実施の形態3の側面図である。但し図8では、電気絶縁シート5と第二ヒートパイプ6とを除去した状態を示す。実施の形態3では、実施の形態2において用いられた前記第一ヒートパイプ4bに代えて第一ヒートパイプ4cが用いられている。第一ヒートパイプ4cは、前記第一ヒートパイプ4bと同様に、突出部42の幅が導電性挟着部41の幅の1/2未満である(図7参照)が、その折曲部422の長さBLは、燃料電池セル20の2個分の厚みに近い長さを有する。第一ヒートパイプ4cは、端子電極31から端子電極32に向かう方向に、前記実施の形態2の場合のように、S面とR面とが交互となるように設置されており、このために図8の向かって上側は、S面が端子電極32の方に向いた第一ヒートパイプ4bの折曲部422により、一方図8の向かって下側は、R面が端子電極32の方に向いた第一ヒートパイプ4bの折曲部422によりそれぞれ平面が形成され、それら両平面上に電気絶縁シート5と第二ヒートパイプ6とが設置されている。
Embodiment 3 FIG.
8 to 9 illustrate the third embodiment of the fuel cell of the present invention. FIG. 8 is a plan view of the third embodiment, and FIG. 9 is a side view of the third embodiment. . However, FIG. 8 shows a state where the electrical insulating sheet 5 and the
第一ヒートパイプ4cは、突出部42の幅が導電性挟着部41の幅の1/2未満であり、しかも各折曲部422の折り曲げ長さBLが長いので、前記した理由から各折曲部422の形成が一層容易であって、そのために第一ヒートパイプ4cの生産効率が一層向上する利点がある。
In the
実施の形態4.
図10〜図11は、本発明の燃料電池における実施の形態4を説明するものであって、図10は実施の形態4の平面図、図11は実施の形態4の側面図である。但し図10では、電気絶縁シート5と第二ヒートパイプ6とを除去した状態を示す。実施の形態4では、実施の形態3において用いられた前記第一ヒートパイプ4cに代えて、第一ヒートパイプ4dが用いられている。第一ヒートパイプ4dは、前記第一ヒートパイプ4cと同様に、突出部42の幅が導電性挟着部41の幅の1/2未満であるが、その折曲部422は、燃料電池セル20の4個分の厚みに近い長さBLを有し、しかも第一ヒートパイプ4dは、図11から明らかなように積層体2の同図上の上下の両側面上で各折曲部422にてA面およびB面が形成されるように、後記する状態で燃料電池セル20間に挟着されている。
Embodiment 4 FIG.
10 to 11 illustrate the fourth embodiment of the fuel cell of the present invention. FIG. 10 is a plan view of the fourth embodiment, and FIG. 11 is a side view of the fourth embodiment. However, FIG. 10 shows a state where the electrical insulating sheet 5 and the
即ち、いま第一ヒートパイプ4dが端子電極31から端子電極32に向かう面がS面である場合をS、端子電極31から端子電極32に向かう面がR面である場合をRと表示し、さらに折曲部422がA面側となるように設置する場合をA、B面側となるように設置する場合をBと表示すると、第一ヒートパイプ4dは図12の端子電極31から端子電極32に向かって、同図の左端から同パイプ4dの1番目がSB状態、2番目がSA状態、3番目がRB状態,4番目がRA状態となるように設置され、以下1番目〜4番目が繰り返えされる。
That is, the case where the surface of the
実施の形態5.
図12は、本発明の燃料電池放熱利用システムにおける実施の形態5の概略斜視図である。図12において、燃料電池放熱利用システムは、第一ヒートパイプ4および第二ヒートパイプ6を含む燃料電池1と熱交換器7を備えている。第二ヒートパイプ6は、その高温端61が電気絶縁シート5を介して第一ヒートパイプ4と熱的に接触しており、その低温端62が熱交換器7に接触接続されている。第一ヒートパイプ4から放出された燃料電池1からの放熱は、第二ヒートパイプ6によって熱交換器7に運ばれ、ここで温水などに熱交換される。この結果、従来技術において用いられた冷却媒体循環ポンプや循環パイプなどが不要となって、簡単な構造で効率的に燃料電池1からの放熱を熱交換器7に送り、これを有効に再利用できるようになる。
Embodiment 5 FIG.
FIG. 12 is a schematic perspective view of Embodiment 5 in the fuel cell heat radiation utilization system of the present invention. In FIG. 12, the fuel cell heat radiation utilization system includes a fuel cell 1 including a first heat pipe 4 and a
本発明は、以上説明した実施の形態1〜5に限定されるものではなく、本発明の課題とその解決手段の精神に沿った種々の変形形態を包含する。例えば前記実施の形態1〜4では、折曲部422で形成される平面を燃料電池セル20の積層方向に向って直線上に夫々1列配設または2列配設としたが、4列、6列、あるいはそれ以上の多列としても良い。また第一ヒートパイプ4a〜4dに代えて平板のヒィンであってもよい。
The present invention is not limited to the first to fifth embodiments described above, and includes various modifications in accordance with the problems of the present invention and the spirit of the solution. For example, in the first to fourth embodiments, the plane formed by the
本発明の燃料電池並びに燃料電池放熱利用システムは、従来技術と比較して構造が簡単であって、コンパクト化が可能であるので、大量生産に好適であり、且つ狭隘な個所への設置に適している。 The fuel cell and the fuel cell heat radiation utilization system of the present invention have a simple structure and can be made compact as compared with the prior art, and are therefore suitable for mass production and suitable for installation in a narrow space. ing.
1 燃料電池、2 積層体、20 燃料電池セル、21 固体高分子膜、
22 燃料電極、23 酸化剤電極、24 燃料ガス流路、
25 燃料ガス用セパレータ、26 酸化剤ガス流路、27 酸化剤ガス用セパレータ、28 積層体2の側面、31 端子電極、32 端子電極、
4a〜4d 第一ヒートパイプ、41 導電性挟着部、411 ブロック導体、
42 突出部、421 突出根部、422 折曲部、5 電気絶縁シート、
6 第二ヒートパイプ、61 高温端、 低温端62、7 熱交換器。
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Fuel cell, 2 laminated body, 20 fuel battery cell, 21 solid polymer membrane,
22 fuel electrode, 23 oxidant electrode, 24 fuel gas flow path,
25 Separator for fuel gas, 26 Oxidant gas flow path, 27 Separator for oxidant gas, 28 Side surface of
4a-4d 1st heat pipe, 41 electroconductive clamping part, 411 block conductor,
42 Protruding part, 421 Protruding root part, 422 Bending part, 5 Electrical insulation sheet,
6 Second heat pipe, 61 High temperature end,
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