JP2005209526A

JP2005209526A - 固体高分子形燃料電池

Info

Publication number: JP2005209526A
Application number: JP2004015889A
Authority: JP
Inventors: Yoshimasa Enami; 義昌榎並
Original assignee: Fuji Electric Holdings Ltd
Current assignee: Fuji Electric Co Ltd
Priority date: 2004-01-23
Filing date: 2004-01-23
Publication date: 2005-08-04

Abstract

【課題】マニホールド内部での流体の温度変化にともなうスタック内部での温度分布の形成や、マニホールド内部での水蒸気の凝縮に伴うセル電圧の低下などの悪影響を防ぐことが可能であって、かつ低コストで実現可能な固体高分子形燃料電池を提供する。
【解決手段】複数のセルがセパレータ１を介して接続され、各セパレータの積層方向に連通した内部マニホールド７を通して冷却水や反応ガスなどの流体が各セルに供給または排出される固体高分子形燃料電池において、マニホールド内周の少なくとも一部に、断熱体８を配設する。
【選択図】図２

Description

本発明は、固体高分子形燃料電池に関わり、特に、燃料電池の積層方向温度分布を緩和するための内部マニホールド構造に関する。

固体高分子形燃料電池のスタックは、図１のように電解質膜と触媒層と拡散層を一体化した膜電極接合体２をカーボンまたは金属製のセパレータ１を介して積層して構成される。膜電極接合体に向き合うセパレータの表面には燃料ガス流路4または酸化剤ガス流路５があり、一部のセパレータは反対面に冷却水流路３を有する。スタックの積層方向にセパレータを貫通するマニホールド7には、図６のように各セルの流路が接続され流体が供給・排出される。

一般的に燃料ガス・酸化剤ガスならびに冷却媒体用にそれぞれ入口・出口マニホールドが存在するので、少なくとも６個のマニホールドが各セパレータに存在することになる。このようにセパレータを貫通するマニホールドから流体が各セルに分配される構造を内部マニホールドと呼び、スタック側面の開口部から各セルに流体が分配される外部マニホールド構造と大別される。

内部マニホールド構造では流体が各セルに分配されるまで、マニホールドの内壁と流体が接触しているため、流体とスタックとの間に熱伝達が生じる。冷却水の場合は電池の発熱によって加熱されるために、外部からの接続口から遠くなるほど冷却水の温度が上昇する。各セルに流入する冷却水の温度が一様ではなくなるとスタック内部で温度分布が発生することになり、高温になったセルでは電解質膜が乾燥するために、また低温になったセルでは水蒸気の凝縮によって流路が閉塞し反応ガスの供給量が減少するために、セル電圧の低下が生じる。

燃料ガスや酸化剤ガスの場合でも、スタックの外周に近いマニホールド内壁は放熱のために温度が低くなっているために、熱を奪われた流体中の水蒸気が凝縮して加湿量が変動したりマニホールド内部に水がたまってガスの流通を妨げるなどの悪影響を及ぼす。

スタックの温度分布を均一化するための先行技術としては、特許文献１のように冷却水の均等分配を目的としてマニホールド内に流体抵抗を用いた例があるが、マニホールド内部での熱伝達を問題としたものはなかった。

スタック外部との接続口から遠くなるほどマニホールド内の流量は減少するため、流体とマニホールドとの接触時間が増加する。その結果として冷却水の温度変化量や反応ガス中の水蒸気の凝縮量も外部との接続口から遠くなるほど増加することとなる。マニホールド内壁と流体との接触時間を場所によらず均一にするには、特許文献２で開示されているようにマニホールド内部の流路面積を場所によって変化させることが有効であるが、この先行技術では具体的なマニホールド形状の漸減方法の記載がなく単に流路面積を漸減させることが述べられているのみである。各セパレータのマニホールド寸法を変えた場合には、金型成形や機械加工のいずれの方法でセパレータを製作する場合でも大幅なコスト増加につながる。また各セパレータのマニホールド部に流路断面積を変えるための部品を取り付ける方法でも部品種類の増加によるコスト増加が避けられない。

なお、下記特許文献の内、特許文献３および４に関しては、後述する。
特開平７−３２６３７８号公報特開平１０−１９９５５２号公報特開平５−１２９０３２号公報特開２００２−２５２０２１号公報

本発明は、上記問題点に鑑みてなＳれたもので、この発明の課題は、マニホールド内部での流体の温度変化にともなうスタック内部での温度分布の形成や、マニホールド内部での水蒸気の凝縮に伴うセル電圧の低下などの悪影響を防ぐことが可能であって、かつ低コストで実現可能な固体高分子形燃料電池を提供することにある。

上記課題は、以下により達成される。即ち、複数のセルがセパレータを介して接続され、各セパレータの積層方向に連通した内部マニホールドを通して冷却水や反応ガスなどの流体が各セルに供給または排出される固体高分子形燃料電池において、マニホールド内周の少なくとも一部に、断熱体を配設することを特徴とする（請求項１）。

前記請求項１の発明の実施態様としては、下記請求項２ないし６の発明が好ましい。即ち、請求項１に記載の固体高分子形燃料電池において、マニホールドから各セルへの流体分配口に当たる部分で、マニホールドの内壁がマニホールド内部に突出してなることを特徴とする（請求項２）。

また、請求項１に記載の固体高分子形燃料電池において、前記断熱体は、シート状の断熱材を各セルへの流体分配口に当たる部分を覆わないようにマニホールド内周に沿って挿入した構造とすることを特徴とする（請求項３）。

さらに、請求項１に記載の固体高分子形燃料電池において、前記断熱体は、発泡体のような内部に空孔を有する材質であるか、またはシート状の材質を重ねて接合することにより、内部に空隙を持たせたものとすることを特徴とする（請求項４）。

また、請求項１に記載の固体高分子形燃料電池において、前記断熱体は、各セルへの流体分配口に当たる部分に開口部を有し、断面形状がＵ字状の断熱材とすることを特徴とする（請求項５）。

さらに、請求項５に記載の固体高分子形燃料電池において、前記断熱体の流体流れ方向に垂直な面での断面積は、マニホールド内の流量が多い部分では大きく、流量が少ない部分では小さくしてなることを特徴とする（請求項６）。

上記のように、マニホールドの内壁と流体との間に断熱体を配置することで、流体とセパレータとの間の熱移動を抑制することができる。マニホールド内部に物体を配置する先行技術としては、前記特許文献３のように各セルへの流体分配を均一化するために導管や大きさの異なる粒子状の物体を用いた例がある。また、前記特許文献４のように、マニホールド内に円筒または円柱状の貫通材を配する例があるが、これらはセパレータ内壁と流体とを隔絶して熱移動を抑制する効果はなく、本発明とは構成・目的ともに異なる。

また、マニホールドの流路面積を漸減させる方法として、本発明では断面積を漸増させた断熱体をマニホールド内部に挿入することにより、セパレータのマニホールド流路面積は均一でありながら実効的な流路断面積を減少させると同時に、温度変化や水蒸気の凝縮量が大きくなりやすい低流速部分での断熱性を向上させることができる。

この発明によれば、流体とマニホールド内壁を断熱することにより、マニホールド内部での流体の温度変化にともなうスタック内部での温度分布の形成や、マニホールド内部での水蒸気の凝縮に伴うセル電圧の低下などの悪影響を防ぐことができる。マニホールド壁との熱伝達の影響は冷却水や反応ガスの流量が少ない場合に著しくなるため、部分負荷運転では断熱の効果が大きい。

また、マニホールド内部の流路断面積をセパレータごとに変えると大きなコスト上昇要因となるが、本発明のようにマニホールドへ挿入する断熱体の断面積を変化させる方法では部品１個の増加で断熱効果と流速を均一化する効果が得られる。

次に、この発明の実施例に関して、図１〜図５に基いて説明する。図１は、本発明に関わる燃料電池スタックの構成断面図である。図１において、冷却水マニホールド７の内部にはシート状の断熱体８が挿入されている。断熱体にはセル間を短絡しないように電気絶縁性が求められるため、材質としてはPTFEやPE（ポリエチレン）、PPS（ポリスチレンサルファイド）のような樹脂材料が適している。

マニホールド内部に配置する断熱体としては図２のようにシート状の断熱材をマニホールド内壁に沿って挿入する方法と、図４のようにマニホールド内部形状に合わせて成形した断熱体を挿入する方法がある。組立て工数を削減するには成形品を用いることが望ましいが、部品コストはシート材の方が安くなると考えられる。いずれの方法でも各セルへの流体分配口に当たる部分を塞ぐことが無いように断熱体に開口部を設ける必要がある。このとき流体分配口９をマニホールド内部に突出させることで断熱体の位置ずれや断熱体開口部の方向を誤って挿入することを防止することができる。

断熱体の断面積が大きいと実質的なマニホールド流路面積が減少するため、空孔を多く含む発泡材を用いるなどして断熱性を高めることが望ましい。また図３のように凹凸を有する樹脂フィルムを２枚の平坦な樹脂フィルムで挟んで接合し内部に空隙を持たせることでも断熱性を高めることができる。

外部との流体接続口から離れた場所ではマニホールド内の流量が減少するため、図４のように断熱体の断面積を大きくすることで断熱性の向上と内壁との接触時間の均一化が同時に達成される。断熱体の全体形状は図５のようになり、断熱体を大流量部分では薄く小流量部分では厚くすることで最適な断熱性と流路断面積のバランスを実現することができる。

本発明の実施例に関わる燃料電池スタックの構成断面図。図１のマニホールド部の平面拡大断面図。図２とは異なる実施例に関わるマニホールド部の平面拡大断面図。図２とはさらに異なる実施例に関わるマニホールド部の平面拡大断面図。本発明の実施例に関わる断熱材の形状を示す図。従来のマニホールド部の一例を示す平面拡大断面図。

符号の説明

１セパレータ
２膜電極接合体
３冷却水流路
４燃料ガス流路
５酸化剤ガス流路
６ガスケット
７マニホールド
８断熱体
９マニホールド内に突出した流路接続部
10 断熱体断面（大流量部分）
11 断熱体断面（中間流量部分）
12 断熱体断面（小流量部分）

Claims

複数のセルがセパレータを介して接続され、各セパレータの積層方向に連通した内部マニホールドを通して冷却水や反応ガスなどの流体が各セルに供給または排出される固体高分子形燃料電池において、マニホールド内周の少なくとも一部に、断熱体を配設することを特徴とする固体高分子形燃料電池。
請求項１に記載の固体高分子形燃料電池において、マニホールドから各セルへの流体分配口に当たる部分で、マニホールドの内壁がマニホールド内部に突出してなることを特徴とする固体高分子形燃料電池。
請求項１に記載の固体高分子形燃料電池において、前記断熱体は、シート状の断熱材を各セルへの流体分配口に当たる部分を覆わないようにマニホールド内周に沿って挿入した構造とすることを特徴とする固体高分子形燃料電池。
請求項１に記載の固体高分子形燃料電池において、前記断熱体は、発泡体のような内部に空孔を有する材質であるか、またはシート状の材質を重ねて接合することにより、内部に空隙を持たせたものとすることを特徴とする固体高分子形燃料電池。
請求項１に記載の固体高分子形燃料電池において、前記断熱体は、各セルへの流体分配口に当たる部分に開口部を有し、断面形状がＵ字状の断熱材とすることを特徴とする固体高分子形燃料電池。
請求項５に記載の固体高分子形燃料電池において、前記断熱体の流体流れ方向に垂直な面での断面積は、マニホールド内の流量が多い部分では大きく、流量が少ない部分では小さくしてなることを特徴とする固体高分子形燃料電池。