JP2009170112A - 燃料電池 - Google Patents

Abstract

【課題】 ファンやヒータ等の電力消費機器を使用することなく、電池本体の温度分布を均一化できる燃料電池を提供する。
【解決手段】 セルスタック構造の電池本体２を金属製のケース３に収納する。ケース３を構成する六枚の壁板７ａ〜７ｆにそれぞれ複数本のヒートパイプ８を内蔵する。セル４の積層方向や冷却水の流動方向を考慮し、ヒートパイプ８の向きを決める。ヒートパイプ８に封入した熱媒体は、自然対流により電池本体２の偏熱を解消し、全表面部の温度分布を均一にする。
【選択図】 図１

Description

本発明は、セルスタック構造の燃料電池に関する。

近年、セルの多層化に伴い、電池本体の強度を維持するために、セル締付板の厚さが大きくなる傾向にある。セル締付板にはアルミニウム等の金属材料が広く使われているが、熱伝導率が高いため、特に電池本体の両端部の温度が下がり、セル電圧が低下し、電池出力の低下を招く。そこで、従来、電池本体の温度分布を均一にするために、図２〜図４に示すような燃料電池が提案されている。

（Ａ）図２に示す燃料電池２１では、ファン２２により排気用ガス２３を電池本体２４に供給している（特許文献１参照）。
（Ｂ）図３に示す燃料電池３１では、電池本体３２の両端板３３を平面ヒータ３４で加温している（特許文献２参照）。
（Ｃ）図４に示す燃料電池４１では、ケース４２の両側に多孔質材料４３を配置し、冷却水４４の流量および圧力を電池本体４５の上流側と下流側とで均等にしている。

特開２００４−１９２８８９号公報 特開平９−４５３５３号公報

ところが、従来の燃料電池によると、次のような問題点があった。
（ａ）図２に示す燃料電池２１は、ファン２２が電力を消費し、ファン２２の制御に温度センサー２５と温度制御回路２６が必要になり、構成が複雑でメンテナンスも面倒であった。
（ｂ）図３に示す燃料電池３１は、平面ヒータ３４が電力を消費し、電力供給回路を電池制御装置に追加する必要があった。
（ｃ）図４に示す燃料電池４１は、ケース４２の形状や冷却水路の構成が複雑化し、製作コストが高くついた。

本発明の目的は、上記課題を解決し、電力消費機器を使用せず、簡単かつ安価な構成で温度分布を均一化できる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、本発明の燃料電池は、セルスタック構造の電池本体をケースに収納し、ケースを構成する壁板にヒートパイプを内蔵し、ヒートパイプに熱媒体を封入し、熱媒体の自然対流により電池本体の温度分布を均一にすることを特徴とする。

ここで、ヒートパイプの向きは、セルの積層方向や冷却水の流動方向を考慮して決めることができる。例えば、セル積層方向に長い壁板には、ヒートパイプを壁板の長手方向に延びるように配列するとよい。電池本体の両端部の締付板に対向する壁板には、ヒートパイプを冷却水の流動方向（上下方向）と直交する横方向（水平方向）に配列するとよい。電池本体の垂直面に対向する壁板には、ヒートパイプを縦横に配列するとよい。

本発明の燃料電池によれば、ヒートパイプが熱媒体の自然対流によって電池本体の偏熱を解消するので、ファンやヒータ等の電力消費機器を使用することなく、簡単かつ安価な構成により、電池本体の温度分布を均一にすることができるという効果がある。

以下、本発明の一実施形態を図面に基づいて説明する。図１に示すように、この実施形態の燃料電池１は、セルスタック構造の電池本体２と、電池本体２を収納するケース３とを備えている。電池本体２は、多数のセル４を積層し、両端の締付板５で締結し、全体が直方体となる形状に構成されている。電池本体２の表面全体は、耐熱性および絶縁性のある樹脂等からなる皮膜６で被覆されている。

ケース３は、電池本体２の全表面を覆う六枚の壁板７を分解可能に組み立て、全体が直方体となる箱型に構成されている。各壁板７はアルミニウム等の熱伝導率の高い金属材料で形成され、それぞれに複数本のヒートパイプ８が内蔵されている。ヒートパイプ８には、液体または気体からなる熱媒体（図示略）が封入され、自然対流により電池本体２の熱を拡散するようになっている。

六枚の壁板７のうち、電池本体２の締付板５に対向する壁板７ａ，７ｂには、空気、燃料ガス、冷却水の出入配管９（一部を図示）が設けられている。壁板７ａ，７ｂの内側部分は、冷却水がセル４のセパレータ（図示略）を下から上に流れるため、電池本体２の熱が横方向に偏りやすい。この偏熱を解消するために、壁板７ａ，７ｂには、上下に複数本のヒートパイプ８が横向きに配列され、熱媒体が電池本体２の両端部の熱を壁板７ａ，７ｂの全域に拡散する。

電池本体２の上部および下部の温度分布は、締付板５の吸熱等によって、長手方向（セル４の積層方向）の中央部が高く両端部が低くなる。このため、上下の壁板７ｃ，７ｄには、幅方向に複数本のヒートパイプ８が長手方向に延びるように配列され、熱媒体が電池本体２の上部および下部の熱を壁板７ｃ，７ｄの全域に拡散するようになっている。

電池本体２の左右両側部の温度分布は、長手方向の中央部が高く両端部が低く、かつ上部が高く下部が低くなる。このため、左右の壁板７ｅ，７ｆには、上下に複数本のヒートパイプ８が長手方向に延び、かつ長手方向に複数本のヒートパイプ８が上下に延びるように配列されている。そして、縦横のヒートパイプ８に封入した熱媒体が電池本体２の左右両側部の熱を壁板７ｅ，７ｆの全域に拡散するようになっている。

なお、冷却水の温度は電池本体２の上部で高く下部で低くなるので、壁板７ｅ，７ｆの縦向きのヒートパイプ８には、熱媒体が上下方向に対流しやすい構造のものを使用するのが望ましい。また、上下の壁板７ｃ，７ｄの熱伝達量ができるだけ等しくなるように、下側の壁板７ｄに脚台１０を設け、ケース３を他の燃料電池や周辺機材から浮かせて熱絶縁するのが好ましい。

この実施形態の燃料電池１によれば、次のような作用効果が得られる。
（１）ケース３の六枚の壁板７にそれぞれ複数本のヒートパイプ８を内蔵したので、電池本体２の全表面部の温度分布を均一にすることができる。
（２）ヒートパイプ８は熱媒体の自然対流により電池本体２の偏熱を解消するので、ファンやヒータ等の電力消費機器を不要にでき、外部エネルギーや所内電力を消費することなく、電池温度を制御できる。

（３）電池温度の制御に可動機器を使用していないので、燃料電池１のメンテナンスを容易に行うことができる。
（４）ヒートパイプ８は壁板７に内蔵されているので、ケース３を単純な形状の箱型に形成でき、電池本体２の構造やセル４の水路構成を変える必要もなく、既設燃料電池の温度特性を簡単かつ安価に改良できる。

本発明の一実施形態を示す燃料電池の斜視図である。 従来の燃料電池を示す概略図である。 従来の別の燃料電池を示す概略図である。 従来のさらに別の燃料電池を示す概略図である。

符号の説明

１ 燃料電池
２ 電池本体
３ ケース
７ 壁板
８ ヒートパイプ

Claims (1)

1. セルスタック構造の電池本体をケースに収納し、ケースを構成する壁板にヒートパイプを内蔵し、ヒートパイプに熱媒体を封入し、熱媒体の自然対流により電池本体の温度分布を均一にすることを特徴とする燃料電池。

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