JP2005322569A - 燃料電池スタック及び燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】セルスタックを並列に複数個並べて配置した燃料電池スタックにおいて、寒冷時の放置後に種々の不具合が発生するまでの時間を可及的に長くする。
【解決手段】隣接するセルスタック１、２間及びセルスタック２、３間に、空気層よりも熱伝導率が高く且つ絶縁性を有する熱伝導性絶縁材４を配置するとともに、最も外側に配置されるセルスタック１、３とケース６の側壁との間に熱伝導性絶縁材４よりも熱伝導率が低く且つ絶縁性を有する断熱性絶縁材５を配置する。
【選択図】図１

Description

本発明は、燃料電池自動車等に用いられる燃料電池スタック及び燃料電池システムに関する。

以下の説明において、セルスタックとは、燃料電池の基本単位となる単セルを複数積層したものを指し、燃料電池スタックとは、セルスタックを並列に複数個並べて配置したものを指すものとする。

従来、燃料電池自動車等に用いられる燃料電池システムでは、車両への搭載性を考慮して、単セルの積層方向の寸法を低く抑えつつ、大きな発電電圧を得るために、積層段数の少ないセルスタックを並列に複数個並べて配置して、電気的に直列に接続するようにしている。また、積層方向の寸法を小さくする必要がない場合でも、発電効率や信頼性確保の観点から、積層方向以外の寸法の小さいセルスタックを並列に複数個並べて配置して、電気的に並列に接続するようにしている。

上記各構成において、セルスタックの最外層以外の側面は互いに電気的に絶縁されている必要がある。このため、一般的には各セルスタックの側面に絶縁シートを設けたうえで、空間を持たせて配置するようにしている。

なお、特許文献１には、セル底部のほかに側壁部分からも均一にガス供給可能なガス供給開口部を形成したガス供給管を燃料ガスと酸素ガスのセル内部に挿入して、ガス流路がセルの電極全面に均等なガス濃度となるようにすることで、セルの出力密度の増大とともに、セルスタックの温度分布を均一化するようにした燃料電池のセル構造が提案されている。
特開平０５−３１５００１号公報

燃料電池システムでは反応の過程で純水が生成されるため、システムの運転を停止したまま氷点下で放置すると純水が凍結し、体積膨張によって破損等の不具合が発生するおそれがある。また、寒冷時の始動直後のような冷機状態においては十分な出力が得られず、始動から走行可能となるまでに長時間を要したり、走行可能であっても十分暖機されるまでは運転性が悪いなどの不具合を生じることがある。

上記のような不具合を防止するために、特開平０５−３１５００１号公報に示されたセル構造を採用することが考えられる。しかしながら、セルスタックを複数個、とくに３個以上を並列に並べて配置した場合について見てみると、外側に配置されたセルスタックは冷たい外気に接触しやすいために放熱が促進され、内側に配置されたセルスタックでは放熱が抑制されることになる。このため、複数のセルスタック間で大きな温度差が生じ、内側に配置されたセルスタックは十分に温度が高いにも係わらず、外側に配置されたセルスタックは温度が低いために、セルスタック自身やセルスタックを収納したケースの破損等を招く可能性があった。

本発明に係わる燃料電池スタックは、単セルを複数積層してなるセルスタックを少なくとも３個備え、ケース内に前記セルスタックを隣接して並列に配置した燃料電池スタックにおいて、隣接する前記セルスタック間に、空気層よりも熱伝導率が高く且つ絶縁性を有する第１の絶縁材を配置するとともに、最も外側に配置される前記セルスタックと前記ケースの側壁との間に前記第１の絶縁材よりも熱伝導率が低く且つ絶縁性を有する第２の絶縁材を配置したことを特徴とするものである。

本発明によれば、内側に配置されたセルスタックの熱は第１の絶縁材を介して外側に配置されたセルスタックに伝わるため、内側のセルスタックでは放熱が促進され、また冷たい外気は第２の絶縁材により外側に配置されたセルスタックと接触することがないため、外側のセルスタックでは放熱が抑制される。このように、各セルスタック間の温度差を少なくすることができるため、寒冷時の放置後に種々の不具合が発生するまでの時間を可及的に長くすることができる。したがって、寒冷時の放置後に再始動したときに不具合の発生する可能性を大幅に少なくすることができ、またセルスタック間の温度差によりセルスタック自身やケースに破損等が生じる可能性を低くすることができる。

以下、本発明を実施するための最良の形態となる実施例を図面を参照しながら説明する。

図１は、実施例１に係わる燃料電池スタックの内部構造を示す概略断面図である。燃料電池スタックは、セルスタック１、２及び３を縦方向（図の上下方向）において３列に並べて配置したものである。各セルスタックは、燃料となる水素を供給する燃料極と、酸素を含む酸素を供給する空気極とを有する単セルを水平方向に複数積層したものであり、このセル積層体の最外層に集電板及び絶縁板を備えている（一部図示を省略）。

セルスタック１、２及び３は、ケース６内に収納されている。ケース６には図示しない取り合い部が設けられ、燃料、水素、冷却水などを内部のセルスタックに供給し、また排出するように構成されている。

隣接するセルスタック１、２の間、及びセルスタック２、３の間には、熱伝導性絶縁材４（第１の絶縁材）が配置されている。熱伝導性絶縁材４は、ケース内の空気層よりも熱伝導率が高く、且つ電気的な絶縁性を有するものである。また、熱伝導性絶縁材４として弾性を有する部材を使用した場合は、積層された単セルの側面における段差を埋めるように密着して熱伝導性を向上させることができるため、空気層による断熱効果を抑制することができる。

熱伝導性絶縁材４は、セルスタックの温度が通常８０℃程度かそれ以上の高温になるため、例えばＥＰＤＭゴムなどが適している。また、セルスタック１、２及び３を接続する際に寸法の許容差が必要とされる場合など、ある程度の厚みを持たせることが要求される場合がある。このような場合は、熱伝導率がより高い銅やアルミニウムなどの金属を芯材として、それにＥＰＤＭゴムをコーティングした構造とすることにより、内部の熱伝導性を向上させることができるため、厚みの増加による熱伝導性の悪化を少なくすることができる。

一方、外側に配置されたセルスタック１とケース６の側壁との間、及びセルスタック３とケース６の側壁との間には、断熱性絶縁材５（第２の絶縁材）が配置されている。この断熱性絶縁材５は、熱伝導性絶縁材４よりも熱伝導率が大幅に低く、且つ電気的な絶縁性を有するものである。断熱性絶縁材５は、絶縁シートと空気層とで構成することができる。また、ケース６の密閉性が低い場合はケース内空気の流れにより放熱が促進されるため、空気層ではなく、他の材料と組み合わせることで断熱性及び絶縁性を確保することが望ましい。この場合に用いられる材料としては、セルスタックの温度が８０℃程度になること、反応時における凝縮水の生成などが考えられるため、ＥＰＤＭゴム、シリコーンゴム等を発泡させた、いわゆる発泡ゴムなどが適している。とくに、熱伝導性絶縁材４と同じ材質で且つ内部に気泡を有する発泡タイプの部材を使用した場合は、使用する材料種を少なくすることができるため、開発に要する時間と手間を削減することができる。さらには、セルスタックへの固定に使用する粘着材等を共通化することができるため、作業性の向上とコスト削減を実現することができる。

上記のように構成された燃料電池スタックによれば、内側に配置されたセルスタック２の熱は、熱伝導性絶縁材４を介して外側に配置されたセルスタック１、２に伝わるため、内側のセルスタック２では放熱が促進し、また冷たい外気は断熱性絶縁材５によりセルスタック１、３と直接に接触することがないので、外側のセルスタック１、３では放熱が抑制されることになる。すなわち、図１の右図に太線で示すように、内側のセルスタック２の温度は低下するが、外側のセルスタック１、２の温度は高くなるので、熱伝導性絶縁材４や断熱性絶縁材５を配置しない従来例（細線）に比べて、セルスタック１、２及び３の間での温度差を少なくすることができる。

このように、本実施例の構成によれば、各セルスタック間の温度差を少なくすることができるため、寒冷時の放置後に種々の不具合が発生するまでの時間を可及的に長くすることができる。したがって、寒冷時の放置後に再始動したときに不具合の発生する可能性を大幅に少なくすることができ、またセルスタック間の温度差によりセルスタック自身やケース６に破損等が生じる可能性を低くすることができる。

図２は、実施例２に係わる燃料電池システムの概略構成図であり、図１と同等部分を同一符号で表している（一部符号を省略する）。また、図３は発電時における冷却水の流れを示す概略構成図、図４は発電停止後における冷却水の流れを示す概略構成図である。

上記各図に示す燃料電池システムは、燃料電池スタックと周辺装置との構成を示したもので、その他の構成については図示を省略している。

通常、燃料電池スタックに供給される流体としては、水素ガス、空気、冷却水などが考えられるが、本実施例では流体として熱の授受がされやすい冷却水を用いた例について説明する。ただし、使用条件によっては流体として水素ガス、空気などを用いることもできる。また、本実施例においてセルスタック１、２及び３を収納する図示しないケースは従来構造のものを使用するものとする。

セルスタック１、２及び３は、冷却水の導入口１１、１２及び１３と、冷却水の排出口２１、２２及び２３をそれぞれ備えている。導入口１１〜１３は、循環ポンプ７の流体送り側と分岐配管により並列に接続され、このうち導入口１２、１３と循環ポンプ７との間にはバルブ３２、３３が接続されるとともに、バルブ３２、３３の下流側には、導入口１２、１３間を接続するバイパス通路５１が設けられている。一方、排出口２１、２２及び２３は、循環ポンプ７の流体戻り側と集合配管により並列に接続され、このうち排出口２１、２２の下流側にはバルブ４１、４２が接続されるとともに、排出口２１、２２とバルブ４１、４２との間には、排出口２１、２２間を接続するバイパス通路５２が設けられている。また、循環ポンプ７の流体戻り側には、冷却水の熱を外気と熱交換して放熱するラジエータ６０、バイパス通路６１、及び三方弁６２が接続されている。

バイパス通路６１は、排出口２１〜２３から排出された冷却水をラジエータ６０を通さずに（又は冷却水の一部をラジエータ６０を通しながら）循環ポンプ７へ戻すために使用される。

三方弁６２は、排出口２１〜２３からの戻り配管、ラジエータ６０及びバイパス通路６１とそれぞれ接続され、排出口２１〜２３から排出された冷却水を、ラジエータ６０とバイパス通路６１にどのような比率で流すかが連続的、または段階的に制御される。

なお図２において、バルブ３２、３３、バルブ４１、４２、ラジエータ６０、三方弁６２、循環ポンプ７、及びこれらを接続する流路（配管）は、冷却水を循環させるための閉流路を構成するとともに、本実施例において、冷却水を各セルスタック１〜３に流通させるための流体循環手段として機能している。

制御装置２０は、燃料電池システムの全体を制御するコントローラでああり、図示しない各種の検出手段と接続されるとともに、バルブ３２、３３、バルブ４１、４２、三方弁６２、及び循環ポンプ７などの制御部分と図示しない配線を通じて電気的に接続されている。これによって、バルブ３２、３３、バルブ４１、４２の開／閉状態や、三方弁６２の流路切り換え、開度などが制御される。制御装置２０は、所定時間毎に上記各検出手段からの検出値を取り込むとともに、この検出値と所定の制御プログラムに基づいて上記各部の動作を制御している。

次に、上記のように構成された燃料電池システムの動作について説明する。

まず、発電時の動作を図３とともに説明する。

発電時においては、総てのバルブ３２、３３、４１、４２が開状態となるように制御される。これによると、循環ポンプ７から送り出される冷却水は分岐配管により分岐して、セルスタック１、２及び３の導入口１１、１２及び１３にそれぞれ導入される。そして、各セルスタック１、２及び３に導入された冷却水は、セルスタック内部を流通しながら、反応により発生した熱を受け取って排出口２１、２２及び２３から排出される。排出口２１、２２及び２３から排出された冷却水は集合配管により集められ、三方弁６２へ導かれる。ここで、三方弁６２はラジエータ６０とバイパス通路６１につながる各排出口の開度が制御され、各セルスタック１〜３での反応が効率的に行われる温度となるように、ラジエータ６０とバイパス通路６１に振り分けられる。このように、発電時においては、冷却水がセルスタック１〜３を並列的に流通することになる。

次に、発電停止後の動作を図４とともに説明する。

運転停止後は、総てのバルブ３２、３３、４１、４２が閉状態となるように制御される。循環ポンプ７から送り出される冷却水は、バルブ３２、３３が閉状態となっているため、セルスタック１の導入口１１に導入される。そして、セルスタック１の内部を流通して排出口２１から排出された冷却水は、バルブ４１、４２が閉状態となっているため、バイパス通路５２を通ってセルスタック２の排出口２２から逆向きに導入される。次いで、セルスタック２の内部を流通して導入口１２から排出された冷却水は、バルブ３２、３３が閉状態となっているため、バイパス通路５１を通ってセルスタック３の導入口１３に導入される。さらに、セルスタック３の内部を流通して排出口２３から排出された冷却水は、バルブ４１、４２が閉状態となっているため、三方弁６２へ導かれる。ここで、三方弁６２は全流量がバイパス通路６１へ流れるように開度が制御されているため、冷却水はバイパス通路６１を通って循環ポンプ７へ戻される。

上記発電停止後の動作によれば、冷却水はセルスタック１〜３を直列的に流通し、ラジエータ６０で冷やされることなくセルスタック１〜３の内部を循環することになるため、外側のセルスタック１、３の放熱量が内側のセルスタック２より大きくても、セルスタック１、２及び３の間での温度差を少なくすることができる。

このように、本実施例の構成においても、各セルスタック間の温度差を少なくすることができるため、寒冷時の放置後に種々の不具合が発生するまでの時間を可及的に長くすることができる。したがって、寒冷時の放置後に再始動したときに不具合の発生する可能性を大幅に少なくすることができ、またセルスタック間の温度差によりセルスタック自身やケース６（図１）に破損等が生じる可能性を低くすることができる。

本実施例において、セルスタック１〜３を実施例１のような熱伝導性絶縁材４や断熱性絶縁材５を備えたケース６に収納した場合は、各セルスタック間の温度をより均等化することができる。

上記各実施例の燃料電池スタックでは、単セルを水平方向に積層してなるセルスタックを縦方向において３列に並べて配置した例について示したが、単セルを垂直方向に積層してなるセルスタックを横方向（図の左右方向）において３列に並べて配置したものであってもよいし、セルスタックの数は４個以上であってもよい。また、これら燃料電池スタックをさらに複数個配置したものであってもよい。

実施例１に係わる燃料電池スタックの内部構造を示す概略断面図。 実施例２に係わる燃料電池システムの概略構成図。 実施例２に係わる燃料電池システムの概略構成図（発電時における冷却水の流れを示す図）。 実施例２に係わる燃料電池システムの概略構成図（発電停止後における冷却水の流れを示す図）。

符号の説明

１〜３…セルスタック
４…熱伝導性絶縁材
５…断熱性絶縁材
６…ケース
７…循環ポンプ
１１〜１３…導入口
２０…制御装置
２１〜２３…排出口
３２、３３、４１、４２…バルブ
５１、５２、６１…バイパス通路
６０…ラジエータ
６２…三方弁

Claims (5)

1. 単セルを複数積層してなるセルスタックを少なくとも３個備え、ケース内に前記セルスタックを隣接して並列に配置した燃料電池スタックにおいて、
   隣接する前記セルスタック間に、空気層よりも熱伝導率が高く且つ絶縁性を有する第１の絶縁材を配置するとともに、最も外側に配置される前記セルスタックと前記ケースの側壁との間に前記第１の絶縁材よりも熱伝導率が低く且つ絶縁性を有する第２の絶縁材を配置したことを特徴とする燃料電池スタック。
2. 前記第１の絶縁材は、空気層よりも熱伝導率が高く且つ絶縁性を有することに加えて、弾性を有することを特徴とする請求項１に記載の燃料電池スタック。
3. 前記第１の絶縁材は、内部に金属製の芯材を有することを特徴とする請求項１又は２に記載の燃料電池スタック。
4. 前記第２の絶縁材は、前記第１の絶縁材と同じ材質で且つ内部に気泡を有する部材であることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一項に記載の燃料電池スタック。
5. 単セルを複数積層してなるセルスタックを少なくとも３個、互いに隣接して並列に配置した燃料電池スタックと、閉流路内を循環する流体を前記各セルスタックの内部に流通させる流体循環手段とを備えた燃料電池システムであって、
   前記各セルスタックで発電が行われている間は、前記流体を前記各セルスタックに並列的に流通させ、前記各セルスタックで発電が行われていない間は、前記流体を前記各セルスタックに直列的に流通させることを特徴とする燃料電池システム。
   

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