JP2006147337A - 燃料電池 - Google Patents

Abstract

【課題】 冷却セル１２のディフューザ部１６、１７での冷却水の滞留により、発電セルの面内温度の均一化が図れず、発電領域全体で効率よく発電を行うことができず、低温始動性も悪化する。
【解決手段】 発電セル面内の非発電部に対応するディフューザ部１６、１７に撥水性を有する材料を適用して、冷却液との親和性を発電部に対応する冷却液流路部１５よりも小とし、当該部分の滞留冷却水を気体で置き換わるようにする。これにより、当該部分の熱容量を小さく抑え、発電セルの面方向の温度分布の偏りを小さくしてその出力性能および始動性を向上させることができる。
【選択図】図１

Description

本発明は燃料電池に関し、特にその出力性能および低温始動性を改善するためのセル構造の改良に関する。

燃料電池の発電セル内の面内温度を均一化して有効な発電性能を確保することを目的として、冷却セルの発電面に対応する面内において、中央部よりも端部側により多くの冷却媒体を供給するようにしたものが提案されている（特許文献１参照）。
特開2003-346830号公報

低温始動時には燃料電池の自己発熱による昇温を促すために冷却媒体を供給しない。このような場合には、前記従来技術によると面内温度の均一化が図れず、発電セルのアクティブエリア（発電領域）全体で効率よく発電を行うことができないという問題が生じる。

本発明は、燃料電池セルを構成する発電セルに、該セルの発電面に沿って冷却液を流す冷却セルを備えた燃料電池において、前記冷却セルの冷却液との親和性を、前記発電セルの面内の非発電部に対応する領域について、発電部に対応する領域よりも小さくした。

本発明によれば、ディフューザ部など発電セルの面内の非発電部に対応する冷却セル領域の冷却液流路部分に冷却液が滞留しないので、該当部分の熱容量を小さく抑えられる。これにより、燃料電池始動時における昇温速度が非発電部と発電部とで同等になるので、発電セルの面方向の温度分布の偏りを小さくしてその出力性能および始動性を向上させることができる。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。図1は本発明の一実施形態の概略構成を示している。

図は燃料電池スタックを構成するセル１１の冷却セル１２の断面を表しており、発電セルはセパレータを介してその裏面側に積層されている。１３は多数積層されたセル１１の積層方向を貫通して各セルに冷却液を供給するための入口マニホールド部、１４は同じく積層方向を縦貫して各セルからの冷却液を排出するための出口マニホールド部である。

１５は前記発電セルないしセパレータのアクティブエリアに対応する部分に形成された冷却液流路部であり、該流路部１５の入口側と出口側はそれぞれ発電セルの非発電領域に対応する部分に形成されたディフューザ部１６，１７を介して前記入口マニホールド部１３、出口マニホールド部１４に連通している。入口マニホールド部１３からの冷却液は、ディフューザ部１６を経由して冷却液流路部１５に流入し、冷却液流路部１５を通過した冷却液はディフューザ部１７を経由して出口マニホールド部１４へと排出される。

反応ガスをセル１１の一端側から他端側へと一方向に通過させる図示したような構成の燃料電池では、アクティブエリアへのガス分配を良好にするためにその前後にディフューザが設けられている。ディフューザの部分は発電に寄与せず、起動時には発電による発熱を生じないので、その部分に冷却液が溜まっていると、その冷却液によりアクティブエリアでの発生熱が奪われてスタック全体の昇温が遅くなり、発電効率および起動性が悪化する。

この対策として本実施形態では、前記ディフューザに対応するように冷却セル１２に形成したディフューザ部１６、１７を、アクティブエリアに対応する冷却液流路部１５に比較して冷却液に対する親和性を低くする。たとえば、冷却液として水を使用する場合には、撥水性を有する樹脂材料を塗布または被覆して、ディフューザ部１６、１７の流路表面の親水性を低くする。

このようにして、非発電領域に相当するディフューザ部１６、１７の冷却液に対する親和性を低くすることにより、燃料電池の運転停止時に当該ディフューザ部１６、１７には冷却液が滞留しにくくなる。すなわち、燃料電池が停止すると、冷却系内に侵入した気体がディフューザ部１６、１７内の冷却液と置き換わり、ほぼ気体で満たされる。これによりディフューザ部１６、１７の熱容量が低下し、その後の燃料電池起動時のアクティブエリアでの発生熱が奪われにくくなるので、スタック全体でアクティブエリアの昇温を促進して、部分的な発電効率の低下を抑制しつつ低温起動性を高めることができる。なお、始動時は燃料電池の暖機が完了するまで冷却液を流さず、ディフューザ部１６、１７に気体が止まるように図ることは言うまでもない。

ところで、冷却液循環系の密閉度が高いシステムの場合は、燃料電池停止時に冷却経路内へのガスの混入が起こりにくいので、前述したディフューザ部１６、１７内の冷却液をガスで置き換える作用が期待できない場合がある。図２はこのようなシステムに対応するための冷却液循環装置に関する実施形態を示している。

図において、２１は図１に示したセル構成を有する燃料電池スタック、２２は該スタックの冷却セルに冷却液を供給する冷却液循環通路、２３と２４はその途中に介装したポンプとラジエータである。ポンプ２３より吐出された冷却液は、スタック２１の冷却セルを通過してセルを冷却した後、ラジエータ２４にて放熱し、再びポンプ２３に吸い込まれる。

この実施形態では、図示したように冷却液循環通路２２の途中、この場合ポンプ２３とスタック２１との間の通路部分に、外部から気体としてたとえば大気を加圧供給する気体導入通路３１と、この通路３１を開閉するバルブ３２とからなる気体導入装置を接続している。

前記構成において、燃料電池の運転中はバルブ３２を閉ざして冷却液循環通路２２内に冷却液のみを循環させ、運転停止時またはその後にバルブ３２を開いて冷却液循環通路２２内に適量の気体を混入させる。この実施形態では、気体を加圧して冷却液循環通路２２に導入するようにしているが、このようにする代わりに、気体導入通路３１をポンプ２３の上流側に接続し、ポンプ２３の停止直前にバルブ３２を開いて、ポンプ２３の吸込作用により大気圧の外気を冷却液循環通路２２内に導入するようにしてもよい。

このようにして気体導入を行うことにより、冷却液循環停止時に冷却液循環通路２２内に気体が混在することになるので、冷却水循環系の密閉性が高い場合であっても、冷却セル１２のディフューザ部１６、１７に冷却液が滞留するのを回避して、前述した燃料電池の効率および低温始動性の低下を防止することができる。なお、冷却液循環通路２２内に導入した気体はそのままにしておいてもよいが、燃料電池の再起動が完了したのちバルブ３２を開いて気体導入通路３１から外部へと排出させるようにしてもよい。このためには気体導入通路３１を冷却液循環通路２２の最高位置に接続すると共に、冷却液の余剰分を貯溜するサブタンクを設けるようにする。

本発明による燃料電池セルの一実施形態の概略構成を示す縦断面図。 前記燃料電池セルを適用した冷却液循環装置の一実施形態緒概略構成図。

符号の説明

１１ 燃料電池のセル
１２ 冷却セル
１３ 入口マニホールド部
１４ 出口マニホールド部
１５ 冷却液流路部
１６、１７ ディフューザ部
２１ 燃料電池スタック
２２ 冷却液循環通路
２３ ポンプ
２４ ラジエータ
３１ 気体導入通路
３２ バルブ

Claims (4)

1. 燃料電池セルを構成する発電セルに、該セルの発電面に沿って冷却液を流す冷却セルを備えた燃料電池において、
   前記冷却セルの冷却液との親和性を、前記発電セルの面内の非発電部に対応する領域について、発電部に対応する領域よりも小さくしたことを特徴とする燃料電池
2. 前記冷却セルの非発電部に対応する領域に撥水材を適用した請求項１に記載の燃料電池。
3. 前記冷却セルに冷却液を循環させる冷却液循環装置を設けると共に、
   前記冷却液循環装置の冷却液循環流路に気体を導入する気体導入装置を設けた請求項１に記載の燃料電池。
4. 前記冷却液循環装置は、冷却セルに接続する冷却液循環通路と、この冷却液循環通路に介装される循環ポンプとを備えると共に、
   前記気体導入装置は、冷却液循環通路に気体を導入する気体導入通路と、この気体導入通路を開閉するバルブとを備える請求項３に記載の燃料電池。