JP2005116323A - 燃料電池の冷却構造 - Google Patents

Abstract

【課題】外部の過熱手段を用いずに燃料電池の温度を均一にする燃料電池の冷却構造を提供する。
【解決手段】セル２１と冷媒プレートを積層したスタック列１と、スタック列１を両側から挟むエンドプレート２ａ、２ｂを備えた燃料電池の冷却構造において、セル２１の両スタック端部１ｂを冷却する冷却経路５ｂと、スタック中央部１ａを冷却する冷却経路５ａを備える。また、冷却経路５ａから排出された冷却水が流れる冷却経路５ｃをエンドプレート２ａ、２ｂの内部に備える。
【選択図】 図１

Description

本発明はセルを積層した燃料電池の冷却に関するものである。

セルを積層した燃料電池は、主にエンドプレート熱容量の大きさのために、冷機起動から定常運転に移行する過程において、中央部セルと端部セルで温度差が発生する。他方、セルの起電力はセル自身の温度への依存性が大きいため、結果、スタック列内でセル間の起電力差が発生する。このセル間の起電力差によって、燃料電池全体での起電力は低くなってしまい、また、反応膜の劣化を促進させる、といった問題がある。そして、その解決方法として、燃料電池のセルの間にヒータを設け、必要時にヒータによってセルを温めるものが、特許文献１に開示されている。
特開２００３−１５１５９４号公報

しかし、上記の発明では、温度上昇の遅れる端部セルの温度の調整にヒータを用いるために燃料電池で発電した電力の一部を消費する、もしくは、外部電力によって電力を供給することになり、燃料電池システム全体の発電効率を低下させるといった問題点がある。

本発明ではこのような問題点を解決するために発明されたもので、セルの積層位置に対応して異なる冷却経路を設け、燃料電池全体の温度を適正に調整することを目的とする。

本発明では、単位燃料電池セルと冷却プレートを積層した燃料電池積層体と、燃料電池積層体を両端から挟むエンドプレートを備えた燃料電池の冷却構造において、燃料電池積層体の両端部付近の冷却プレートにそれぞれ冷媒を導く第１冷媒流路と、両端部以外の燃料電池セルにそれぞれ冷媒を導く第２冷媒流路を備える。また、中央部付近の冷却プレートから排出された冷媒が流れる第３冷媒流路をエンドプレートの内部に備える。

本発明によると、単位燃料電池セルと冷却プレートを積層した燃料電池積層体の両端部の燃料電池セルと中央部の燃料電池セルを第１冷媒流路と第２冷媒流路の異なる冷媒流路によって冷却するので、例えば、各冷媒流路の流量を調整することで、中央部と端部の温度をそれぞれ調整することができ、ヒータなどを用いずに燃料電池の温度を均一にすることができる。また、エンドプレートの内部に第２冷媒流路を通った冷媒が通る第３冷媒流路を設け、冷媒により端部の燃料電池セルを温めることができる。

本発明の構成を図１（ａ）〜（ｃ）を用いて説明する。

燃料電池２０は単位燃料電池セル２１（以下、セル）と冷却プレート３ａ、３ｂを複数積層した燃料電池積層体であるスタック列１と、スタック列１の積層方向の両端にエンドプレート２ａ、２ｂを備え、エンドプレート２ａ、２ｂの両側から４つのボルト１３にナット１４をそれぞれ螺合することによって、スタック列１とエンドプレート２ａ、２ｂを締結する。

燃料電池２０のスタック列１はスタック中央部１ａと、スタック中央部１ａの両端に位置するスタック端部１ｂとから構成される。スタック中央部１ａとスタック端部１ｂの積層方向中心にはそれぞれの温度を検出する第２温度検出手段である温度センサ１１ａと第１温度検出手段である１１ｂ、１１ｃを備える。

スタック中央部１ａはセル２１と第２冷媒流路である冷却経路５ａを有する中央部冷却プレート３ａを積層し、構成する。中央部冷却プレート３ａについて図２を用いて詳しく説明する。

図２は中央部冷却プレート３ａの矢視Ａ方向図である。中央部冷却プレート３ａは冷却水供給流路４ａを通った冷却水が流入する冷却水入口４ｂと、冷却水を冷却水排出流路４ｄへと排出する冷却水出口４ｃと、冷却水入口４ｂと冷却水出口４ｃを接続し、冷却水によってセル２１と熱交換を行う複数の並列する溝状の冷却経路５ａを備える。各冷却経路５ａは互いに接しながら冷却水入口４ｂと冷却水出口４ｃ間を各冷却経路５ａの流路面積がほぼ一定となるように蛇行し、冷却面のほぼ全域に配置されている。

また、中央部冷却プレート３ａは、端部冷却プレート３ｂへ冷却水を導入するための冷却水供給流路６ａと、端部冷却プレート３ｂから冷却水を排出するための冷却水排出流路６ｄが、冷却経路５ａの外側に形成される。

スタック端部１ｂはセル２１と第１冷媒流路である冷却経路５ｂを有する端部冷却プレート３ｂを積層し、構成する。端部冷却プレート３ｂについて図３を用いて詳しく説明する。

図３は端部冷却プレート３ｂの矢視Ａ方向図である。端部冷却プレート３ｂは冷却水供給流路６ａを通った冷却水が流入する冷却水入口６ｂと、冷却水を冷却水排出流路６ｄへ排出する冷却水出口６ｃと、冷却水入口６ｂと冷却水出口６ｃを接続し、冷却水によってセル２１と熱交換を行う複数の並列する溝状の冷却経路５ｂを備える。各冷却経路５ｂは互いに接しながら冷却水入口６ｂと冷却水出口６ｃ間を各冷却経路５ｂの流路面積がほぼ一定となるように蛇行し、配置されている。

また、端部冷却プレート３ｂは、中央部冷却プレート３ａへ冷却水を導入するための冷却水供給流路４ａと、中央部冷却プレート３ａから冷却水を排出するための冷却水排出流路４ｄが、冷却経路５ｂの外側に形成される。

中央部冷却プレート３ａ、端部冷却プレート３ｂには、セル２１へ水素を供給するための水素供給流路８ａ、酸素を供給するための酸素供給流路９ａと、セル２１の発電反応後の排出ガスを外部へ排出するための水素排出流路８ｂ、酸素を排出するための酸素排出流路９ｂを各冷却プレート３ａ、３ｂの周辺部に形成する。

なお、図示しないが、セル２１の周辺部にも冷却水供給流路４ａ、６ａと冷却水排出流路４ｄ、６ｄを貫通して形成する。これによりスタック中央部１ａ、スタック端部１ｂを通った冷却水をエンドプレート２ａ、２ｂに導くことができるようになっている。

次にエンドプレート２ａについて図４を用いて詳しく説明する。図４は図１のエンドプレート２ａのＢ−Ｂ断面図である。

エンドプレート２ａには中央部冷却プレート３ａに冷却水を供給する冷却水供給流路４ａと接続する冷却水導入口７ａと、端部冷却プレート３ｂに冷却水を供給する冷却水供給流路６ａと接続する冷却水導入口７ｂを備える。また、冷却水排出流路４ｄと接続し、スタック中央部１ａを通った冷却水をエンドプレート２ａに流入させる排出冷却水入口７ｃと、冷却水を外部へ排出する冷媒排出口である冷却水排出口７ｄを備える。エンドプレート２ａの内部には、大きさの異なるＵ字型の冷却経路５ｃを並列に複数備え、各冷却経路５ｃの端部は排出冷却水入口７ｃと接続し、もう一つの端部は冷却水排出口７ｄと接続する。また、冷却水排出口７ｄは、冷却水排出流路６ｄとも接続しいる。つまり、スタック中央部１ａとスタック端部１ｂを流れた冷却水は、冷却水排出口７ｄにおいて合流し、外部へ排出されるのである。また、セル２１へ水素を供給するための水素供給流路８ａ、酸素を供給するための酸素供給流路９ａと、セル２１の発電反応後の排出ガスを外部へ排出するための水素排出流路８ｂ、酸素排出流路９ｂを備える。なお、エンドプレート２ｂは冷却水導入口７ａ、７ｂ、水素供給口８ａ、酸素供給口９ａ、水素排出口８ｄ、酸素排出口９ｄを備えていないが、内部はエンドプレート２ａと同様である。

また、エンドプレート２ａと中央部冷却プレート３ａと端部冷却プレート３ｂの冷却水供給流路４ａ、６ａ、冷却水排出流路４ｄ、６ｄ、水素供給流路８ｂ、水素排出流路８ｃ、酸素供給流路９ｂ、酸素排出流路９ｃは同じ位置に形成され、詳しくは図示しないがセル２１にも同様に設けられており、エンドプレート２ａ、２ｂの両側からボルト１３にナット１４を螺合することにより締結し、各流路はセル２１の積層方向に連続した一つの流路を形成する。

これにより、冷却水導入口７ａより流入した冷却水は、冷却水供給流路４ａから中央部冷却プレート３ａを通り、冷却水出口４ｃで二手に分かれ、冷却水排出流路４ｄからエンドプレート２ａ、２ｂのそれぞれ冷却経路５ｃを通り、冷却水排出口７ｄから外部へ排出される。また、冷却水導入口７ｂより流入した冷却水は、冷却水供給流路６ａから端部冷却プレート３ｂ、冷却水排出流路４ｄを通り、冷却水排出口７ｄでスタック中央部１ａを通った冷却水と合流し、外部へ排出される。

ここでスタック列１の両端に設けた２つのスタック端部１ｂは同一枚数のセル２１と端部冷却プレート３ｂをそれぞれ積層するものとする。これは、スタック中央部１ａによって温められた冷却水をエンドプレート２ａ、２ｂの内部に流入させ、スタック端部１ｂの温度を上昇させるので、これによるスタック端部１ｂの温度を均一化するためである。

冷却水導入口７ｂの上流には冷却水供給流路６ａに流れる冷却水の流量を調整する流量調整手段である流量調整弁１０を備える。なお、冷却水導入口７ａの上流にも流量調整弁などを備え、流量を制御しても良い。

また、温度センサ１１ａ〜１１ｃによって検出された温度によって、流量調整弁１０を制御する流量制御手段であるコントローラ３０を備える。

次にコントローラ３０による燃料電池の起動時の流量調整弁１０の制御について図５のフローチャートを用いて説明する。ここで、初期条件として流量調整弁１０は全閉状態となっている。

ステップＳ５００において、図示しない水素タンクなどから水素を、また図示しないコンプレッサなどから空気をそれぞれ水素供給口８ａ、酸素供給口９ａからスタック列１へ供給し、発電を開始する。発電によって生じた熱により、温度が上昇するが、スタック端部１ｂでは外部と熱交換を行い易く、スタック中央部１ａと比べると温度の上昇が遅くなり、スタック中央部１ａとスタック端部１ｂでは温度差が生じる。また、停止中にはスタック端部１ｂから冷却され易いので、発電を開始した時点で、スタック中央部１ａとスタック端部１ｂとでは既に温度差が生じている場合もある。

ステップＳ５０１において、温度センサ１１ａによってスタック列１の中央部温度Ｔａ、温度センサ１１ｂ、１１ｃによって端部温度Ｔｂ、Ｔｃを検出する。

ステップＳ５０２において、温度Ｔａと温度Ｔｂ、Ｔｃとの温度差ｄＴ（ｄＴ＝Ｔａ−ＴｂｏｒＴｃ）を算出し、ｄＴを或る所定値Ｔ１と比較する。そして、ｄＴがＴ１よりも大きい場合、すなわち、スタック中央部１ａの温度Ｔａとスタック端部１ｂの温度Ｔｂ、Ｔｃの温度差が大きく、所定値Ｔ１以上である場合には、ステップＳ５０１へ戻り、流量調整弁１０を全閉としたまま、運転を継続する。所定値Ｔ１よりも小さい場合には、ステップＳ５０５へ進む。ここでＴ１はスタック中央部１ａとスタック端部１ｂの温度差が大きくスタック列１の起電力低下を招く温度であり、予め実験などにより求められた温度である。

流量調整弁１０を全閉としたときの燃料電池２０の状態を図６（ａ）〜（ｃ）を用いて説明する。流量調整弁１０を全閉とし、スタック端部１ｂへの冷却水の供給を停止すると、スタック端部１ｂには冷却水は供給されずにスタック中央部１ａにのみ冷却水を供給することになる。

スタック中央部１ａでは冷却水供給通路４ａを通った冷却水が冷却水入口４ｂから流入し、冷却経路５ａを流れることで発電によって発生した熱と熱交換を行う。これによってセル２１は冷却され、冷却水は温められる。温められた冷却水は冷却水出口４ｃから冷却水排出経路４ｄを通り、エンドプレート２ａ、２ｂのどちらかの排出冷却水入口７ｃから冷却経路５ｃを流れ、冷却水の熱によってスタック端部１ｂを温め、その後冷却水排出口７ｄより外部へ排出される。

スタック端部１ｂは発電による発熱と、スタック中央部１ａによって温められた冷却水がエンドプレート２ａ、２ｂ内を流れることによって温められる。これによりスタック列１のスタック中央部１ａは冷却され、スタック端部１ｂは温められるので、スタック中央部１ａとスタック端部１ｂの温度差を小さくすることができ、燃料電池２０の起電力を高くすることができる。

ステップＳ５０２でｄＴがＴ１よりも小さい、すなわちスタック中央部１ａとスタック端部１ｂの温度差がさほど大きくないときには、ステップＳ５０３において、ｄＴをＴ１よりも小さい或る所定値Ｔ２と比較する。そして、ｄＴがＴ２よりも大きいときにはステップＳ５０４へ進み、小さいときにはステップＳ５０５へ進む。ここでＴ２はスタック端部１ｂの温度が上昇し、冷却を開始しなければ、スタック端部１ｂの温度がスタック中央部１ａの温度を超える可能性がある温度であり、実験などによって求められた温度である。

ステップＳ５０４では、流量調整弁１０を開き、冷却水供給流路６ａに冷却水を供給する。また、温度センサ１１ａ〜１１ｃによって温度を検出し、スタック中央部１ａとスタック端部１ｂの温度差ｄＴを算出する。

このときの燃料電池２０の状態を図７（ａ）〜（ｃ）を用いて説明する。ステップＳ５０４で流量調整弁１０の開度を調整することで、冷却水は冷却水供給流路６ａを通り、スタック端部１ｂにも冷却水が流れるようになる。スタック端部１ｂではエンドプレート２ａの冷却水導入口７ｂから冷却水が冷却水供給流路６ａを通り冷却水入口６ｂに流入し、冷却経路５ｂを流れ、セル２１の発電によって発生した熱と熱交換を行う。これによってセル２１は冷却される。冷却経路５ｂを通った冷却水は冷却水出口６ｃから冷却水排出流路６ｄを通り、エンドプレート２ａ、２ｂのどちらかの冷却水排出口７ｄでスタック中央部１ａを通った冷却水と合流し、外部へ排出される。

スタック中央部１ａに加えて、スタック端部１ｂにも冷却水が流れるようになり、スタック端部１ｂでは発電によって生じた熱と冷却水との間で熱交換を行い、スタック端部１ｂの温度が上がり過ぎないようにする。この時の流量調整弁１０の開度は或る所定の開度とする。この或る所定の開度は冷却水によってスタック端部１ｂの温度が下がり過ぎることのない流量を冷却水供給流路６ａに供給する開度であり、予め実験などによって決められ、コントローラ３０に記憶されている。ここで、流量調整弁１０の開度は固定せずに温度差ｄＴに対応した開度としても良い。

ステップＳ５０３、５０４の制御を行わない場合には、燃料電池２０の発電開始時に流量調整弁１０を閉じているので、スタック端部１ｂには冷却水が流れないために、時間の経過とともにスタック端部１ｂの温度が急激に上昇し、セル２１の反応膜の限界温度を超える場合があり、セル２１の劣化を引き起こし、更に上昇すると燃料電池２０の故障を引き起こす可能性がある。また、後述するスタック中央部１ａとスタック端部１ｂの温度差がほとんどなくなった後に、流量調整弁１０を全開とすると冷却までの時間遅れが生じ、温度制御が間に合わず、スタック端部１ｂの温度が上昇し過ぎる可能性もある。また、急激に冷却水の流量を増やすと、セル２１の温度を急激に下げる可能性があり、スタック中央部１ａとスタック端部１ｂの温度差が大きくなり、燃料電池１の起電力の低下を生じる可能性がある。このために或る温度差になると流量調整弁１０を開きスタック端部１ｂにも冷却水を流し、温度を調整する。ステップＳ５０３、Ｓ５０４では流量調整弁１０の全閉時と全開時の中間的な制御として行うものである。

その後ステップＳ５０３へ戻り、上記ステップを繰り返す。

ステップＳ５０３でｄＴがＴ２よりも小さいと判断されると、スタック中央部１ａとスタック端部１ｂの温度差がほぼなくなっていると判断し、ステップＳ５０５へ進み、流量調整弁１０を全開する。

このときの燃料電池２０の状態を図８（ａ）〜（ｃ）を用いて説明する。流量調整弁１０を全開とすることで、冷却水供給流路６ａにも多くの冷却水が流れ、スタック端部１ｂで発生する熱と熱交換を行い、スタック中央部１ａとスタック端部１ｂの温度差が生じないようにし、燃料電池２０の起電力を確保する。なお、スタック中央部１ａとスタック端部１ｂに流れる冷却水の流量は予め実験などで求められており、セル２１の温度を発電に適した温度に保ち、燃料電池２０の起電力を十分に確保できる流量である。

次に通常運転中のコントローラ３０による流量調整弁１０の制御について図９のフローチャートに示すが、これは図５のフローチャートのステップＳ５０１以降と同じであるので、ここでの説明は省略する。

本発明の効果について説明する。

スタック列１のスタック中央部１ａとスタック端部１ｂとで異なる冷却水供給流路４ａ、６ａから冷却水を供給される冷却経路５ａ、５ｃを備えるので、冷却水によってスタック中央部１ａとスタック端部１ｂのそれぞれで温度調整を行うことができ、温度の低い箇所にヒータなどの熱源を設ける必要がなく、ヒータなどによるエネルギー損失をなくすことができる。

スタック端部１ｂはセル２１での発電による発熱の他に、スタック中央部１ａで熱交換を行い温められた冷却水をエンドプレート２ａ、２ｂへ流すことによって積層方向からも温められ、更にスタック中央部１ａとスタック端部１ｂの温度差が大きいときには、スタック端部１ｂへ冷却水を供給しないので、スタック端部１ｂを素早く温めることができ、スタック中央部１ａとスタック端部１ｂの温度差をなくし、燃料電池２０の温度均一化を素早く行うことができる。

温度差が小さくなると流量調整弁１０によってスタック端部１ｂへ流れる冷却水の流量を調整することで、スタック端部１ｂの急激な温度上昇を防ぐことができ、セル２１の劣化を防ぐことができる。また、放熱性の低いスタック中央部１ａにのみ冷却水を供給することができるので、スタック中央部１ａでのセル２１の過熱を防ぐことができる。

本発明は上記した実施形態に限定されるものではなく、その技術的思想の範囲内でなしうるさまざまな変更、改良が含まれることは言うまでもない。

本発明は、燃料電池を使用した様々な分野において利用することができる。

本発明の燃料電池の構成を示した図である。（ａ）燃料電池の正面図である。（ｂ）燃料電池の右側面図である。（ｃ）燃料電池の左側面図である。 本発明の中央部冷却プレートの図１の矢視Ａ図である。 本発明の端部冷却プレートの図１の矢視Ａ図である。 本発明のエンドプレートのＢ−Ｂ断面図である。 本発明の燃料電池始動時のコントローラにおけるフローチャートである。 中央部と端部の温度差が大きいときの燃料電池に流れる冷却水の流れ状態である。（ａ）燃料電池の正面図である。（ｂ）燃料電池の右側面図である。（ｃ）燃料電池の左側面図である。 中央部と端部の温度差がさほど大きくないときの燃料電池に流れる冷却水の流れ状態である。（ａ）燃料電池の正面図である。（ｂ）燃料電池の右側面図である。（ｃ）燃料電池の左側面図である。 中央部と端部の温度差が小さいときの燃料電池に流れる冷却水の流れ状態である。（ａ）燃料電池の正面図である。（ｂ）燃料電池の右側面図である。（ｃ）燃料電池の左側面図である。 本発明の通常運転時のコントローラにおけるフローチャートである。

符号の説明

１ スタック列（燃料電池積層体）
１ａ スタック中央部
１ｂ スタック端部
２ エンドプレート
３ａ 中央部冷却プレート
３ｂ 端部冷却プレート
４ａ 冷却水供給流路
４ｄ 冷却水排出流路
５ａ 冷却経路（第２冷媒流路）
５ｂ 冷却経路（第１冷媒流路）
５ｃ 冷却経路（第３冷媒流路）
６ａ 冷却水供給流路
６ｄ 冷却水供給流路
１０ 流量調整弁（流量調整手段）
１１ａ 温度センサ（第２温度検出手段）
１１ｂ 温度センサ（第１温度検出手段）
１１ｃ 温度センサ（第１温度検出手段）
２０ 燃料電池
２１ 単位燃料電池セル
３０ コントローラ（流量制御手段）

Claims (6)

1. 単位燃料電池セルと、冷媒によって冷却する冷却プレートを積層した燃料電池積層体と、
   前記燃料電池積層体を両端から挟むエンドプレートと、を備えた燃料電池の冷却構造において、
   前記燃料電池セルの積層方向の両端部付近の冷却プレートにそれぞれ前記冷媒を導く第１冷媒流路と、
   前記燃料電池セルの積層方向の中央部付近の冷却プレートにそれぞれ前記冷媒を導く第２冷媒流路と、
   前記中央部付近の冷却プレートから排出された冷媒をそれぞれ前記エンドプレートの内部へ導く第３冷媒流路と、を備えた燃料電池の冷却構造。
2. 前記両端部の燃料電池セルの温度を検出する第１温度検出手段と、
   前記中央部の燃料電池セルの温度を検出する第２温度検出手段と、
   前記第１と第２冷媒流路へ供給する冷媒の流量を調整する流量調整手段と、
   前記両端部と前記中央部の燃料電池セルの温度差に基づいて前記流量調整手段の開度を制御する流量制御手段と、を備える請求項１に記載の燃料電池の冷却構造。
3. 前記流量制御手段は、前記両端部と前記中央部の燃料電池セルの温度差が大きい場合には、前記第２冷媒流路にのみ冷媒を供給することを特徴とする請求項２に記載の燃料電池の冷却構造。
4. 前記流量制御手段は、前記両端部と前記中央部の燃料電池セルの温度差が小さい場合には前記第２冷媒流路に加え、前記第１冷媒流路にも冷媒を供給することを特徴とする請求項３に記載の燃料電池の冷却構造。
5. 前記エンドプレートは、冷媒を排出する冷媒排出口を備え、
   前記第３冷媒流路から排出された冷媒と、前記第１冷媒流路から排出された冷媒は、前記冷媒排出口で合流することを特徴とする請求項１から４に記載の燃料電池の冷却構造。
6. 前記第３冷媒流路は、大きさの異なる複数のＵ字型流路を並列に配置し、構成することを特徴とする請求項１から５のいずれか一つに記載の燃料電池の冷却構造。

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