JP2005533359A - 向流式冷却システムとスタック軸に並行に配置された複数の冷却剤集積ダクトとを含む燃料電池スタック - Google Patents

Abstract

燃料電池スタックは、重なり合った数枚のポリマー型電解質メンブラン皮膜構造の燃料電池セル（２）を含んでいる。水素供給用の複数の縦方向ダクト（１０）と、該ダクトを横切る方向の、酸素供給用及び冷却用の複数のダクトを備えたバイポーラー・プレートが隣接するメンブラン−電極−ユニット（４，５，６）の間に配列されている。１つおきの流出側端に冷却用ダクトが設置されている複数の集積用ダクト（１１）を介して、両サイドからスタックに流体が供給されている場合に、同一の燃料電池セル（２）の隣接するダクトを通る逆方向の流れを、複数の空気用ダクト（８）内に生じさせることができ、その結果、セル（２）又はスタック（１）内は、非常に均一な温度配分となる。

Description

本発明は、請求項１の上位概念に挙げられた特徴に基づく燃料電池スタックを対象とする。

このような燃料電池スタックは、ポリマー型電解質膜構造の燃料電池セルにて構成され、重なり合って設置された複数の燃料電池セルの積み重ね（スタック）構造である。このようなセルの基本的な構造は、それ自体は周知のものであり、この関連ではＤＥ１９５４４３２３Ａ１（特許文献１）とＤＥ１９９３８５８９Ａ１（特許文献２）を参照のこと。
ＤＥ１９５４４３２３Ａ１ ＤＥ１９９３８５８９Ａ１

このような種類の燃料電池セルから形成された燃料電池スタックも、同様に現段階では周知技術とみなすことができる。プロトンモーターゲーメムベーハ杜からは、ＨＺ４０というモデル番号で５．５Ｋｗ出力の流体冷却式燃料電池スタックが提供されている。このスタックでは、一方で燃料供給が、他方で空気供給という形式にて酸素供給が、中央接続部を通じて行われ、スタック内の配分はダクトシステムを通じて行われる。発電中に発生する熱を排出するために、流体による冷却が行われるが、この冷却作業も同様に、中央接続部とバイポーラー・プレート内部に通されたダクトシステムとを介して行われる。

このような燃料電池スタックでの課題のひとつは、往々にして、触媒反応過程によって生じる反応熱の排出である。この反応熱は、流入させられた空気内の酸素を介して、あるいは、例えば、流体式の独立の冷却システムを用いて、排出することができる。一方で、燃料電池セルは、十分な作業効率で仕事をするために、できるだけ高温でなければならないが、他方では、この温度は、ポリマー型電解質膜に貯められた水が蒸発するほどに高温であってはならない。というのは、膜（メンブラン）のプロトン（陽子）伝導能力は、水の濃度が減れば減るほど低下するからである。従って、使用する膜次第で、例えば６０℃〜９０℃までの操業温度が追求に値する。この温度は、燃料電池セルの表面全体にてできるだけ一定であるのが望ましいだけでなく、同様にスタック内部でもできるだけ一定であることが望ましい。このようにして、すべての燃料電池セルが、その全表面にて高い効率で仕事ができるようになるからである。

小出力ないし中程度の出力の燃料電池スタックでの別の課題のひとつは、ダクトの断面と長さが不都合であるが故に、冷却剤をダクトシステム内に流すために、比較的高圧を与えなければならない場合に生じる。このために必要なサブコンポーネント（パワーソース）の出力は、通例、効率を悪化させる。

この背景に基づいて、以下の課題が、本発明を提案することになる、すなわち、個別の燃料電池セル内部と個別の燃料電池スタック内部で、貫流に対する抵抗をできる限り僅少にした上で、できる限り均等な温度配分がされるように、はじめに述べた種類の燃料電池スタックを形成するという、課題である。

この課題は、請求項１に挙げられた本質的特徴によって、本発明に従って解決される。本発明で具体化された形態の諸利点は、各従属項、以下の説明、及び図面に記述されている。

本発明の基本的な考えは、同一の燃料電池セルにて隣接する複数のダクトの貫流方向が互いに反対になるように、燃料電池スタックの各燃料電池セル内に冷却用流体を流すことである。ダクトは両側が開放されているので、流入は常に並列に生じる。ということは、ダクトは、直列、つまり連続的に継続して配置されていて、貫流が行われるのではない。これによって非常に均等な温度配分を、燃料電池セル内部にて得ることができ、そのため燃料電池スタック内部においても非常に均等な温度配分を得ることができる。この際、特に、流れに対する抵抗は、以下に個別に記述されるように、ダクトに適切な接続を施した場合には、比較的僅かである。

個別の燃料電池セル内部にて、空気内の酸素供給用のダクトを蛇行させる、あるい曲流させるように形成することは、確かに周知技術に属する。このような形成においては、隣接する複数のダクトでの貫流方向は、同様に互いに反対になってはいる。しかし、この際、ダクトは、貫流方向に向かって並列に置かれてはおらず、連続形成されており、これは熱に関しても流体技術上においてもどちらかといえば不都合なことである。というのは、一方では、流出口近くでは、熱の排出は通例不十分であり、他方では、貫流を起こすためにかなりの圧力をかけなければならないからであり、これも同様に効率を悪化させることになる。

これとは反対に、同一の燃料電池セルにて隣接する複数のダクトでの貫流方向が互いに反対になるように、両側が開放されている複数のダクトが互いに並列に設置されている場合、このダクトの並列の流れ（貫流）は、貫流への抵抗が僅かな状態にて良好な冷却を可能にし、これにより均等な温度配分が燃料電池セル内部にて、それゆえ更に燃料電池スタック内部にてもたらされる。

個別の燃料電池セルのダクトを、いちいち配管接続せずに、生産技術上わずかな手間でダクトの接続ができるようにするためには、ひとつのスタックになるよう配置された燃料電池セルにおいて、重なって隣接する複数のダクトの流入・流出方向をひとつの共同の集積ダクトに結合することが、合目的である。この集積ダクトの特長は、スタック軸に対して並列に置かれていることであり、これによって、短く、かつ、そのために抵抗の僅かな配管接続が製作できる。

多数の集積ダクトが互いに並列に、かつ、スタックの両側に対して配置されている場合は非常に好都合であり、全ダクトが、流入側ないし流出側にて、ひとつの集積ダクトに合流するという利点がある。燃料電池セルないし燃料電池スタックのエンド（縁）に対して正面に設置されたこのような複数の集積ダクトによって、設計上簡単でかつ流体技術上好都合な手法で、本発明に従った貫流配置を実現することができる。

燃料電池スタック内のエネルギー密度に応じて、ダクトは冷却専用とすることも、又はそうしないこともできる。ダクトが冷却用ダクトとしてのみ使用される場合には、他の機能からは独立したなんらかの流体、つまりガスもしくは液体をダクトに流すことができる。液体を使用する場合には、特に、排出可能な熱量は比較的大きなものとなる。

冷却ダクトが同時に燃料電池セルの酸素供給に用いられ、それぞれの膜−電極−ユニットの陰極方向へ開放されたダクトとして形成されているような仕様は、特に好都合である。このような配置が特に好都合である理由は、この場合に、手間のかからぬ酸素供給が、場合によっては洗浄を行なった周囲の外気を流入させることにより可能となるからである。このような配置においては、熱排出が増大するに連れて同時に燃料電池スタックヘの酸素供給の改善も得られる。これも利点の一つである。さらに、この場合には、冷却目的で貫流を行うために必要なエネルギー消費量は、冷却ダクトを別途の流路で具体化する場合よりも、通例、より僅かである。

同様の手法にて、陽極側の、燃料供給用ダクトの配置を形成することができる。すなわち、陽極側にても、燃料によってそれぞれの燃料電池セルの追加冷却効果を得ることかできる。場合によっては、陽極側及び陰極側の一方又は双方で冷却を行うのに加えて、前述のような独立した冷却ダクトシステムを作ることもできる。燃料供給用ないし酸素供給用の複数のダクトを本発明に従って配置したものは、均等な温度配分を燃料電池セル内部にて、それゆえ更に燃料電池スタック内部にて行うようにするだけでなく、さらに本質的な利点を有している。それは、燃料電池セルの表面全体へ反応物が非常に均等に分配されて供給されることであり、これにより燃料電池セルに対して非常に均等な負荷がもたらされ、これにより燃料電池セルの非常に均等な稼動が行われることになる。

冷却ダクトの内法幅は、３ｍｍ未満であることが望ましいが、約２ｍｍ程度であれぱ、更に好都合である。冷却ダクトがスタックヘ空気内の酸素を供給するためにも用いられる場合、このような配置は特に好都合である。というのはこの場合には、カーボンフイルム（このフイルムには陰極側に向けて開放された複数の冷却ダクトが通常設定されている）から成る装置表面が、陽子（プロトン）交換用メンブラン（膜）に対して十分なプレス圧力が与えられているように、形成されているからであり、その結果、膜は、ほとんどその全表面において、仕事をするからである。他方で前述の寸法取りにより、ダクト内の貫流が比較的僅かに流れを喪失するだけで可能となるよう、すなわち、ほんの僅かに正圧を与えるだけで十分であるように、保証することができる。この際、冷却ダクトは長さが２０ｍｍ〜２００ｍｍの間であることが、合目的である。冷却ダクトの内法幅は、長さが短ければ短いほど、小さくすることができ、またその逆も真であることは、言うまでもない。

複数の冷却ダクトに流入・流出の両側で供給を行う複数の集積ダクトは、燃料電池スタック内の縁側部分に、対応した複数の凹部を設置することにより、簡単なやり方で形成することができる。

この凹部は、燃料電池セル、つまり、燃料電池スタックのこの縁部分をカバーしているあらゆる層に設置されるが、仕事をしていない縁部分に設置することに利点があり、その結果、スタックの組み立て後に、スタック軸と並列に配置された複数の集積ダクトが形成されることとなる。

周知技術に属することではあるが、燃料電池セルのバイポーラープレートを、それぞれの燃料電池セルの脇側パッキングを同時に外側に向けて形成する、柔軟な縁部分に組み込んだ場合には、重なり合っているパッキング縁部分にある複数の凹部分によって、複数の集積ダクトを形成することができる。これにより、設計上、上記の複数の集積ダクトを作るためには、複数の凹部分を例外として、何ら特別の措置を必要としない。

冷却剤は、０．１ｈＰａ（０．１ｍｂａｒ）〜１０ｈＰａ（１０ｍｂａｒ）の正圧流入させ、ないしは同等の負圧にて流出させることが、好都合である。この圧力は、あまりパワー用エネルギーを必要としない、例えば半導体電子工学で使用されているような、ベンチレーター（一例としてはＣＰＵ用ファン）で作ることができる。上記の高圧レベルでさえも、比較的エネルギー効率良く仕事をする放射型ベンチレーターによつて、作ることが可能である、

以下に、本発明を図示された一例に基づいて更に詳細に説明する。図１に模式的に描かれた燃料電池スタック１は、それ自体は周知の手法で、複数、本例では６個の燃料電池セル２から構築されており、これらの燃料電池セルは積層されていて、エンドプレート３の間にクランプされている。各燃料電池セル２は、１つの膜（メンブラン）−電極−ユニットからできており、この膜−電極−ユニット自体は、ポリマー型電解質メンブラン皮膜形式の１枚のフォイル４と、その一面に密着する１つの陽極５と、反対の面に密着する１つの陰極６とから形成されている。隣接している膜−電極−ユニット４，５，６の間には、１枚のバイポーラープレート７が配置されており、このバイポーラープレートは導電体であり、本質的に炭素によって形成されている。

各バイポーラープレート７は、両端に亘って陰極６側が開放された複数の横方向ダクト８を有し、この複数のダクトは互いに並列に設置されていて、スタック軸９と、並びにバイポーラープレート７内に同様に設置されている複数の縦方向ダクト１０とを、横断するように伸びており、複数の縦方向ダクトは陽極５方向に開放されている。複数の縦方向ダクト１０は、セルの燃料供給、特に水素供給に使用される。このダクトは、各バイボーラープレート７の上面にある複数の溝によって形成されているが、この複数の溝は陽極５に向かって開放されていて、その断面は矩形である。これに対して、複数の横方向ダクト８は、燃料電池セル２の酸素供給並びに熱排出、つまり冷却に使用される。酸素供給と冷却は、１基のベンチレーターによって形成される空気流れにより行われ、この空気流れは、図１に描写されている燃料電池スタック１では、スタックの左右両側で、適切なダクトシステム（図示せず）によって、供給される。

各燃料電池セル２の複数の横方向ダクト８は、最初に詳述した如く、空気流れ（矢印）が、隣接する横方向ダクト８を互いに反対方向に流れるように、燃料電池セル２内に形成されているので、重なり合っている複数の燃料電池セル２の横方向ダクト８の複数の排出口は、図１に図示されているように、スタック軸９に対して並列に配置されている複数の集積ダクト１１によって、互いに配管接続されている。図１において、Ｕ字型断面のパーツとして表されている複数の集積ダクト１１は、はじめに説明されているように、種々の手法で形成することができる。かように、燃料電池セル２すべてにおいて、複数の横方向ダクト８の軸９方向でそれぞれ重なり合っているエンド（端）の流出側と集積ダクトが配管接続されながらも、それぞれ左右に隣接しているダクト８の流入側とは集積ダクトが接触しないように、集積ダクトは形成され、配置されている。つまり、燃料電池スタックの空気の流れに関して、それぞれの燃料電池セル２で、図１で図示されている左と右の側から複数の横方向ダクト８内へと流れがおこるように、すなわち、図２の断面図にて一例として、１つの燃料電池セル２における複数の空気ダクト８を用いて矢印で示されている如く、空気流れがおこるように、各パーツは形成され、配置されている。

ここで図示されている実施例では、ダクト接続は、それぞれ流出側にて集積ダクト１１を用いて形成されているが、このダクト接続はもう一つの選択肢として、流入側で形成しても構わない。この際には、上記各図で流れの方向は全て逆となるであろう。

図１，２で模式的に図示した複数の集積ダクトは、通例、燃料電池スタック１の組み立て時に、例えぱパーツ４，５，６，７の縁部分に、対応した凹部分が形成され、あるいは、これらのパーツの縁側に枠が形成されることを通じて、作られる。この際、複数の集積ダクト１１は、流れに対する抵抗ができる限り僅かとなるように、形成される。

燃料電池セル内の流れに対する抵抗、特に空気供給の流れに対する抵抗を僅かに抑えるために、複数の横方向ダクト８は、断面と長さの双方に適切に寸法取りをしてある。この実施例では、複数の横方向ダクト８は、内法幅２ｍｍ、長さ１００ｍｍである。このやり方にて、僅かな正圧だけのもとでも、燃料電池スタック１に良好な貫流を保証することができる。この例では燃料電池スタック１の正面側に適切なダクトシステムを設置すれば、燃料電池スタック１に十分に酸素と冷却用空気を供給するためには、小型の放射ベンチレーターないしＣＰＵ用ファン一基で十分である。

ここで説明された配置は、通例、燃料電池スタック１内部で非常に均等な温度配分を可能とする。このような配置の冷却効果が不十分である場合や、他の理由から独立した冷却システムを設置すべき場合には、冷却ダクトを適切に配置することによって、これが実現できる。例えば、バイポーラープレート７内で複数の横方向ダクト８と複数の縦方向ダクト１０の間に、複数の集積ダクト１１を用いた適切なダクトシステムを設置することによって、実現ができる。この場合、酸素供給を行っている複数のダクト８と燃料供給を行っている複数のダクト１０との配管接続を別個に設置しなけれぱならないことは、言うまでもない。

非常に単純化した模式的描写にて、本発明に従った、排出側に複数の集積ダクトが付いた１個の燃料電池スタックの一部切り欠き斜視図。 非常に単純化した模式的描写にて、図１の切断線II−IIに沿って燃料電池スタック軸を横断した、図１に基づいて１個燃料電池セルの冷却ダクトシステムを示す断面図。

符号の説明

１…燃料電池スタック、２…燃料電池セル、３…エンドプレート、４…フォイル、５…陽極、６…陰極、７…バイポーラープレート、８…横方向ダクト（空気）、９…スタック軸、１０…縦方向ダクト（燃料）、１１…集積ダクト

Claims (11)

1. ポリマー型電解質膜構造の複数の燃料電池セル（２）を配設して１つの燃料電池スタック（１）を形成し、該スタック内に、冷却用流体用の複数のダクト（８）が、冷却用流体が並列に流入するように、隣接している膜−電極−ユニット（４，５，６）の間に本質的に互いに並列に配置されており、さらに、前記ダクトの両側は開放されている燃料電池スタックであって、同じ燃料電池セル（２）の隣接した複数のダクト（８）の貫流方向が互いに反対であることである燃料電池スタック。
2. １つの燃料電池スタック（１）を形成すべく配置された複数の燃料電池セル（２）において、重なり合っている前記ダクト（８）の流入側・流出側が、スタック軸（９）に対して並列に位置している共同の集積ダクト（１１）に配管接続されている請求項１記載の燃料電池スタック。
3. 複数の集積ダクト（１１）が前記スタック（１）の両側にて互いに並列に配置され、かつ、全ての冷却用流体用ダクト（８）が流入側あるいは流出側で、一つの集積ダクト（１１）に合流するように配置されている請求項１又は２記載の燃料電池スタック。
4. 前記複数の冷却用流体用ダクトが冷却専用に使用され、ガスないし液体を冷却用に貫流させている請求項１乃至３のいずれか１項記載の燃料電池スタック。
5. 複数の冷却用ダクト（８）が、同時に燃料電池セル（２）の酸素供給に使用され、かつ、それぞれの膜−電極−ユニット（４，５，６）の陰極（６）方向に開放されて形成されている請求項１乃至４のいずれか１項記載の燃料電池スタック。
6. 複数の冷却用ダクトが、燃料電池セルの燃料供給に使用され、かつ、それぞれの膜−電極−ユニット（４，５，６）の陽極方向に開放されて形成されている請求項１乃至５のいずれか１項記載の燃料電池スタック。
7. 複数の冷却用ダクト（８）の内法幅は３ｍｍ未満、好ましくは、約２ｍｍである請求項１乃至６のいずれか１項記載の燃料電池スタック。
8. 複数の冷却用ダクト（８）の長さは２０ｍｍ〜２００ｍｍである請求項１乃至７のいずれか１項記載の燃料電池スタック。
9. スタック（１）の側部に、複数の集積ダクト（１１）を形成する複数の凹部分が設置されている請求項１乃至８のいずれか１項記載の燃料電池スタック。
10. 隣接する燃料電池セル（２）の側部に、バイポーラープレートを囲む弾力性を有するパッキング縁部分が設置され、かつ、重なり合っているパツキング縁部分に存在す凹部分によって、複数の集積ダクト（１１）が形成されている請求項１乃至８のいずれか１項記載の燃料電池スタック。
11. 冷却用媒体が０．１ｈＰａ（０．１ｍｂａｒ）〜１０ｈＰａ（１０ｍｂａｒ）までの正圧ないし同程度の負圧にて貫流させられている請求項１乃至１０のいずれか１項記載の燃料電池スタック。

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