JP2007329121A

JP2007329121A - スタック内蔵型の熱交換器を備えた燃料電池

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Publication number: JP2007329121A
Application number: JP2007114593A
Authority: JP
Inventors: Seung-Jae Lee; 承宰李; Tae-Won Song; 泰元宋
Original assignee: Samsung SDI Co Ltd
Current assignee: Samsung SDI Co Ltd
Priority date: 2006-06-09
Filing date: 2007-04-24
Publication date: 2007-12-20
Anticipated expiration: 2027-04-24
Also published as: JP5154824B2; CN101087031A; KR100790851B1; CN100530799C; KR20070117841A; US7579099B2; US20070287045A1

Abstract

【課題】装置全体の体積を減少させるとともに、冷却効率を向上することができる燃料電池を提供する。
【解決手段】燃料の化学エネルギーを電気エネルギーに変換するための反応が生じるスタック１００と、スタック内でのエネルギー変換過程中に発生した熱を除去するための熱交換器２００と、を備える燃料電池が提供される。本燃料電池は、熱交換器がスタックに設置された少なくともいずれかのプレート１１０に内蔵されたことを特徴とする。かかる構成によれば、スタックに設置されたいずれかのプレートに熱交換器が内蔵されるので、熱交換器を併設する燃料電池に比して、熱交換器を含む燃料電池の装置全体の体積を減少させることができる。また、燃料電池本体と熱交換器との間を循環する冷却水の循環流路が短縮されるので、冷却効率を向上させることができる。
【選択図】図４

Description

本発明は、燃料電池に係り、特に、空間占有率を低下することができるように熱交換器の構造を改良した燃料電池に関する。

一般的に、燃料電池は、燃料が有する化学エネルギーを電気化学反応により電気エネルギーに直接変換する装置であって、燃料が供給されるかぎり、継続的に電気を生成できる一種の発電装置である。図１は、このような燃料電池のエネルギー変換構造を概略的に示す図面であって、図１に示すように、カソード１に酸素を含む空気が、アノード３に水素を含む燃料が供給されれば、電解質膜２を通じて水の電気分解と逆反応が行われながら、電気が発生する。ところが、一般的に、一つの単位セル１０から発生する電気は、その電圧が低いため、図２に示すように、いくつかのセル１０を直列に連結したスタック２０の形態として使用する。このスタック２０に積層されている各セル１０には、図３に示すように、両極プレート４の面に流路４ａを備えて、水素や酸素を各電極１、３に供給して回収するための流路が連結されている。したがって、図２に示すように、スタック２０のエンドプレート２１を通じて外部から水素および酸素を供給すれば、各セル１０の流路４ａを通じて電極１に物質が供給される。もちろん、前述のように、水素が化学燃料の形態として、酸素が空気の形態として供給される。

一方、このような電気化学反応の過程では、電気とともに熱が発生するため、燃料電池を円滑に機能させるためには、この熱を継続的に除去する必要がある。このために、燃料電池には、図２のような熱交換器３０が併設されており、スタック２０には、熱交換用冷却水が通過するための冷却板５が５〜６個のセル１０ごとに設置されている。したがって、冷却水は、この冷却板５の流路５ａ（図３を参照）を通過しながら、スタック２０内の熱を吸収し、熱を吸収した冷却水は、熱交換器３０内で副冷却水により冷却された後、再びスタック２０内を循環する。このとき、冷却水の循環は、別途の動力源により行われるものではなく、冷却水の熱吸収により生じる自然対流現象を利用して行われる。そして、参照符号４０は、熱交換器３０に流入する冷却水の温度を測定するセンサーを示し、参照符号５０は、熱交換器３０からスタック２０に至る流路を開閉するソレノイドバルブを示す。通常運転時には、バルブ５０を開放して冷却水を循環させ、熱交換器３０に流入する冷却水の温度が過度に低下した場合には、バルブ５０を閉じてスタック２０内の冷却水の温度がある程度上昇するまで待機し、再びバルブ５０を開くように機能する。ここで、バルブ５０の開閉は、コントローラ（図示せず）により自動制御される。

特開平７−２２６２２１号公報

しかしながら、このような既存の構造では、スタック２０と熱交換器３０とが別途に構成されているため、装置全体の体積が増加し、空間占有率が上昇する。すなわち、スタック２０と熱交換器３０とが別途に分離された状態で空間を占有するため、燃料電池を設置するために多くの空間が必要となる。このことは、燃料電池の利用を制限する主要な問題点となっている。また、冷却水が循環する流路の流路長が長大となるため、循環過程における熱損失が増加する。したがって、このような問題点を克服するためには、さらにコンパクトな構造で発電および冷却を行うことができる新たな形態の燃料電池が要求されている。

本発明は上記問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、装置全体の体積を減少させるとともに、冷却効率を向上することができる、新規かつ改良された燃料電池を提供することにある。

上記課題を解決するために、本発明の第１の観点によれば、燃料の化学エネルギーを電気エネルギーに変換するための反応が生じるスタックと、スタック内でのエネルギー変換過程中に発生した熱を除去するための熱交換器と、を備える燃料電池が提供される。本燃料電池は、熱交換器がスタックに設置された少なくともいずれかのプレートに内蔵されたことを特徴とする。

かかる構成によれば、スタックに設置されたいずれかのプレートに熱交換器が内蔵されるので、熱交換器を併設する燃料電池に比して、熱交換器を含む燃料電池の装置全体の体積を減少させることができる。また、燃料電池本体と熱交換器との間を循環する冷却水の循環流路が短縮されるので、冷却効率を向上させることができる。

また、上記熱交換器が内蔵されるプレートは、スタックの両端に配置された一対のエンドプレートの少なくともいずれかであるようにしてもよい。

また、上記熱交換器が内蔵されるエンドプレートは、スタック内を循環する冷却水を一時的に収容する冷却水収容部と、冷却水収容部を通過しており、冷却水との熱交換のために副冷却水が通過する副冷却水の流路と、を備えるようにしてもよい。

また、上記冷却水収容部は、副冷却水の流路と接触する第１収容部と、副冷却水の流路と接触することにより冷却された冷却水を収容する第２収容部と、第１収容部と第２収容部とを連結する流路を選択的に開閉するバルブと、を備えるようにしてもよい。

また、上記熱交換器が内蔵されるプレートは、スタックの両端に配置されたエンドプレートの間に設置された熱交換プレートであるようにしてもよい。

また、上記熱交換プレートは、スタック内を循環する冷却水を一時的に収容する冷却水収容部と、冷却水収容部を通過しており、冷却水との熱交換のために副冷却水が通過する副冷却水の流路と、を備えるようにしてもよい。

本発明によれば、装置全体の体積を減少させるとともに、冷却効率を向上することができる燃料電池を提供することができる。

以下に、添付した図面を参照しながら、本発明の好適な実施形態について詳細に説明する。なお、本明細書および図面において、実質的に同一の機能構成を有する構成要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略する。

図４は、本発明の一実施形態に係る燃料電池を示す図面である。

図４に示すように、本実施形態に係る燃料電池も、燃料の化学エネルギーを電気エネルギーに変換するための反応が生じる複数の単位セル１０を直列に連結したスタック１００を備えている。このスタック１００の所々には、冷却水が通過する流路を有する冷却板５が設置されており、エネルギー変換過程で発生する熱を冷却水が吸収しながらスタック１００内を冷却する。冷却板５は、単位セル１０毎に設置してもよいが、通常、５〜６個のセル１０ごとに１枚ずつ設置される。そして、このような吸熱状態の冷却水を冷却して、再び冷却板５に循環させるための熱交換器２００は、従来のようにスタック１００の外部に設置される代わりに、スタック１００の両端に配置されたエンドプレート１１０に内蔵されている。その詳細な構造は、次の通りである。

まず、冷却板５の流路５ａと連通される冷却水収容部１１１がエンドプレート１１０に設けられている。この冷却水収容部１１１は、エンドプレート１１０の一面に溝を形成して設けられた収容空間であって、吸熱状態の冷却水が副冷却水の流路１１４と接触して冷却される第１収容部１１１ａと、冷却された冷却水が収容される第２収容部１１１ｂとから構成されている。そして、この第１収容部１１１ａと第２収容部１１１ｂとの間がソレノイドバルブ１１２を介して連結されており、バルブ１１２を開けば、第１収容部１１１ａの冷却水が第２収容部１１１ｂに流入してスタック１００内の冷却板５を循環し、バルブ１１２を閉じれば、循環が一時的に停止するように構成されている。

参照符号１１４は、前述のように、第１収容部１１１ａに収容された冷却水と熱交換を行うための副冷却水の流路を示す。副冷却水は、この流路１１４を循環しながら第１収容部１１１ａの冷却水と間接的に接触して熱交換を行う。

このようなエンドプレート１１０に内蔵された熱交換器２００を備えた燃料電池を稼動すれば、スタック１００内の各セル１０では、燃料の化学エネルギーを電気エネルギーに変換するための反応が生じる。このとき、冷却板５を介して冷却水が循環しながら、エネルギー変換過程で発生する熱を吸収して冷却する。そして、この吸熱状態の冷却水は、エンドプレート１１０に設けられた冷却水収容部１１１のうち、第１収容部１１１ａに流入して副冷却水と間接的に接触しながら再び冷却される。バルブ１１２が開いていれば、冷却された冷却水は、第２収容部１１１ｂに流入してスタック１００内の冷却板５を循環する。しかし、第１収容部１１１ａに流入する冷却水の温度が低下しすぎていることをセンサー１１３が感知すれば、コントローラ（図示せず）は、バルブ１１２を閉じて冷却水の循環を一時的に停止させる。これにより、スタック１００内の温度が上昇しながら流入冷却水の温度も上昇するので、再びバルブ１１２を開いて冷却水を循環させる。

以上のような構成を有する本実施形態に係る燃料電池は、熱交換器２００が別途に構成される代わりに、スタック１００内のエンドプレート１１０に内蔵されるので、従来の燃料電池に比べて装置全体の空間占有率を大幅に低下させることができる。通常、スタックおよび熱交換器の規模がほぼ類似しているという点に鑑みれば、前述のようなスタック内蔵型の構造を実現することによって、空間占有率を略１／２に低下させることができる。また、熱交換特性に関しても、従来の非内蔵型の熱交換器を備えた燃料電池に比べても劣らないことが確認されている。表１は、従来の非内蔵型の熱交換器３０（図２を参照）と、本実施形態に係る内蔵型の熱交換器２００とを採用した場合における冷却水温度、電気発生量および熱回収量などを比較するものである。

表１に示すように、同じ電気発生量（６０５Ｗ）を条件として稼動させた場合において、熱回収量および熱損失量を比較すれば、内蔵型の熱交換器２００を備えた本実施形態に係る燃料電池の方が優れた熱交換特性を示すことが確認される。これは、熱交換器２００がスタック１００内に内蔵されることで、流路が短縮されて熱損失が低下したことに起因するものと判断される。

したがって、空間占有率を低下させるだけでなく、熱交換特性においても優れた燃料電池が実現された。

ここでは、スタック１００の両端にある一対のエンドプレート１１０のいずれかに熱交換器２００を内蔵する場合について例示しているが、両側のエンドプレート１１０に内蔵するようにしてもよい。そして、本実施形態に係る燃料電池のようにエンドプレート１１０の一面に溝を形成して冷却水収容部１１１として利用してもよく、他面に溝を形成して冷却水収容部１１１として利用してもよい。これらは、いずれも本発明の技術的な思想の範囲に属する設計変更事項になる。

以上説明した実施形態では、既存のエンドプレート１１０を熱交換器２００のハウジングとして利用したが、別途の熱交換プレート１２０をスタック１００内に内蔵することで熱交換器を構成するようにしてもよい。

例えば、図５に示すように、スタック１００の単位セル１０が整列された中央位置に、冷却水収容部１２１を構成する第１収容部１２１ａおよび第２収容部１２１ｂと、流路連結用バルブ１２２とが設けられた熱交換プレート１２０を内蔵して、スタック１００の熱を吸収した冷却水が熱交換プレート１２０の冷却水収容部１２１を循環しながら、副冷却水の流路１２３と熱交換するように構成してもよい。この場合には、前述の実施形態に係る燃料電池と異なり別途の熱交換プレート１２０を追加しているが、熱交換器を内蔵しているので、空間占有率を低下させる効果が同様に得られる。

上記以外にも、図６Ａに示すように、熱交換プレート１２０をエンドプレート１１０に隣接する端部に配置してもよく、図６Ｂに示すように、一対の熱交換プレート１２０を両端に配置してもよい。いずれの場合も、スタック１００内に熱交換器を内蔵した燃料電池の実施形態であり、これらの構造を適切に採用すれば、空間占有率を低下させ、発電および冷却機能にも優れた燃料電池を実現することができる。

本発明の実施形態によれば、簡潔な構造を有するとともに、十分な発電機能および冷却機能を有する、新規かつ改良された燃料電池を実現することができる。

以上説明したように、本発明の実施形態に係る燃料電池は、次のような効果を奏するものである。第一に、非内蔵型の熱交換器を備えた従来の燃料電池に比べて、体積が略半分になるので、空間占有率を低下させることができる。第二に、冷却水が循環する流路の流路長が短縮されるので、断熱が容易となり、熱損失も低減する。第三に、構造が簡素化されるので、製作および組立作業も容易となる。

以上、添付図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明は係る例に限定されない。当業者であれば、特許請求の範囲に記載された技術的思想の範疇内において、各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、それらについても当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。

本発明は、燃料電池関連の技術分野で好適に利用されうる。

一般的な燃料電池の発電原理を示す説明図である。従来の熱交換器が採用された燃料電池の構造を示す斜視図である。図２に示す燃料電池スタックの単位セル内での物質循環構造を示す斜視図である。本発明の一実施形態に係る熱交換器内蔵型の燃料電池を示す斜視図である。本発明の他の実施形態に係る熱交換器内蔵型の燃料電池を示す斜視図である。本発明のさらに他の実施形態に係る熱交換器内蔵型の燃料電池を示す正面図である。本発明のさらに他の実施形態に係る熱交換器内蔵型の燃料電池を示す正面図である。

符号の説明

５冷却板
５ａ冷却板の流路
１０単位セル
１００スタック
１１０エンドプレート
１１１冷却水収容部
１１１ａ第１収容部
１１１ｂ第２収容部
１１２バルブ
１１３センサー
１１４副冷却水の流路
２００熱交換器

Claims

燃料の化学エネルギーを電気エネルギーに変換するための反応が生じるスタックと、前記スタック内でのエネルギー変換過程中に発生した熱を除去するための熱交換器と、を備える燃料電池において、
前記熱交換器は、前記スタックに設置された少なくともいずれかのプレートに内蔵されたことを特徴とする、燃料電池。
前記熱交換器が内蔵されるプレートは、前記スタックの両端に配置された一対のエンドプレートの少なくともいずれかであることを特徴とする、請求項１に記載の燃料電池。
前記熱交換器が内蔵されるエンドプレートは、前記スタック内を循環する冷却水を一時的に収容する冷却水収容部と、前記冷却水収容部を通過しており、前記冷却水との熱交換のために副冷却水が通過する副冷却水の流路と、を備えることを特徴とする、請求項２に記載の燃料電池。
前記冷却水収容部は、前記副冷却水の流路と接触する第１収容部と、前記副冷却水の流路と接触することにより冷却された冷却水を収容する第２収容部と、前記第１収容部と前記第２収容部とを連結する流路を選択的に開閉するバルブと、を備えることを特徴とする、請求項３に記載の燃料電池。
前記熱交換器が内蔵されるプレートは、前記スタックの両端に配置されたエンドプレートの間に設置された熱交換プレートであることを特徴とする、請求項１に記載の燃料電池。
前記熱交換プレートは、前記スタック内を循環する冷却水を一時的に収容する冷却水収容部と、前記冷却水収容部を通過しており、前記冷却水との熱交換のために副冷却水が通過する副冷却水の流路と、を備えることを特徴とする、請求項５に記載の燃料電池。
前記冷却水収容部は、前記副冷却水の流路と接触する第１収容部と、前記副冷却水の流路と接触することにより冷却された冷却水を収容する第２収容部と、前記第１収容部と前記第２収容部とを連結する流路を選択的に開閉するバルブと、を備えることを特徴とする、請求項６に記載の燃料電池。