JP2018186052A - 燃料電池 - Google Patents

Abstract

【課題】燃料電池全体の均温化を図る。【解決手段】複数の燃料電池セルが積層されてなる燃料電池スタックと、前記燃料電池スタック内に配置された燃料電池セルの積層方向に伸張し、各燃料電池セルに冷却媒体を供給する冷却媒体供給流路と、燃料電池セルの積層方向に伸張し、各燃料電池セルから排出された冷却媒体を受け取り、排出する冷却媒体排出流路と、前記冷却媒体供給流路内に配置された第１ヒートパイプと、前記冷却媒体排出流路内に配置された第２ヒートパイプと、燃料電池スタックの両端に位置する２つの端部セルの外側に配置され、各々が前記第１ヒートパイプ及び第２ヒートパイプに接続された一対の第３ヒートパイプを備える燃料電池。【選択図】図２

Description

本発明は、燃料電池に関し、詳細には電池全体の温度分布を均一化することができる燃料電池に関する。

現在広く用いられている燃料電池は、膜電極接合体と、この膜電極接合体を挟む２つのセパレータとからなる燃料電池セルが複数積層された構成をとっている。このような燃料電池では、両端に位置する２つの最外層セル（以後、端部セルとする）は、それぞれ他の燃料電池セルとは異なり、外側においてターミナル（集電板）と接している。この端部セルは外部環境の影響を受けやすくなっている。

例えば、このターミナルの外側には、燃料電池セルの積層体である燃料電池スタックを保持するためのセル締付板が設けられているが、このセル締付板としては、アルミニウム等の金属材料が広く用いられており、熱電効率が高いため、特に外気が低温の場合、燃料電池スタックにおいて最も外側に位置する端部セルの温度が低下する。その結果、端部セル内に存在する水の凍結や水詰まり等により反応ガスが行き渡らず、電池出力の低下をまねくことになる。

このような問題を解決するため、様々な手段が提案されている。例えば、特許文献１では、端部セル側に、冷却水流路側を受熱部、端部セル発電面を放熱部とした棒状のヒートパイプを設けることにより端部セルを加熱し、端部セルの温度低下を防止している燃料電池が提案されている。

特許文献２では、端部セル外側のエンドプレートに、冷却水出口流路側を受熱部、エンドプレート側を放熱部としたヒートパイプを埋設することで、エンドプレートを介して端部セルを加温し、端部セルの温度低下を防止している燃料電池が提案されている。

特許文献３では、冷却水出入口側の端部セル側において、スタックから出た冷却水出口流路を端部セルの外側面方向に配置することにより出口側冷却水の熱を利用して端部セルを加温し、一方、反対側の端部セル側においては、集電用ターミナルの熱を放熱部を介して、端部セルに供給される冷却水を加温することにより、両端の端部セルの温度低下を防止している燃料電池が提案されている。

特許文献４では、燃料電池ケースの壁板にヒートパイプを内蔵することにより、本体の温度分布を均一にする燃料電池が提案されている。

特開２０１５−２２０１４２号公報 特開２０１５−１１１５４５号公報 特開２０１５−５６２９６号公報 特開２００９−１７０１１２号公報

ところが、引用文献１〜３に記載の燃料電池では、加熱源に面した端部セルしか加温することができず、端部セルほどではないが、温度低下が生ずるセルを加温することができず、燃料電池スタック全体の温度差を解消することはできない。また、引用文献４に記載の燃料電池では、各壁板面内の温度分布を均一にすることは可能であるが、ヒートパイプが各壁板内ごとに形成されているため、冷却媒体入口側の壁板面と冷却媒体出口側の壁板面との間に生ずる温度差を均一にすることが不十分であった。

上記課題を解決するために本発明によれば、
複数の燃料電池セルが積層されてなる燃料電池スタックと、
前記燃料電池スタック内に配置された
燃料電池セルの積層方向に伸張し、各燃料電池セルに冷却媒体を供給する冷却媒体供給流路と、
燃料電池セルの積層方向に伸張し、各燃料電池セルから排出された冷却媒体を受け取り、排出する冷却媒体排出流路と、
前記冷却媒体供給流路内に配置された第１ヒートパイプと、
前記冷却媒体排出流路内に配置された第２ヒートパイプと、
燃料電池スタックの両端に位置する２つの端部セルの外側に配置され、各々が前記第１ヒートパイプ及び第２ヒートパイプに接続された一対の第３ヒートパイプ
を備える燃料電池が提供される。

本発明において、第３ヒートパイプが第１ヒートパイプ及び第２ヒートパイプのそれぞれに接続していることにより、比較的高温になりやすい冷却媒体出口側の熱を冷却媒体入口側に伝え、その結果、燃料電池全体の均温化を図ることができる。

本発明の燃料電池における燃料電池スタックの構成を示す説明図である。 本発明の燃料電池におけるヒートパイプの配置を示す斜視図である。

本発明を図面を参照して説明する。図１は、本発明の一実施形態としての燃料電池の概略構成を示す説明図である。燃料電池１は、複数の燃料電池セル２が積層されてなる燃料電池スタック３を備え、前記燃料電池スタック内には、燃料電池セルの積層方向に伸張し、各燃料電池セルに冷却媒体を供給する冷却媒体供給流路４と、燃料電池セルの積層方向に伸張し、各燃料電池セルから排出された冷却媒体を受け取り、排出する冷却媒体排出流路５を備えている。なお、図１において−Ｚ方向は重力方向（鉛直下方）と一致する。また、図１における実線の矢印は、冷却媒体の流れを示している。

燃料電池１は、いわゆる固体高分子型燃料電池であり、反応ガス（燃料ガスおよび酸化剤ガス）の供給部や、冷却媒体の供給部等と共に燃料電池システムを構成する。このような燃料電池システムは、例えば、駆動用電源を供給するためのシステムとして、電気自動車等に搭載されて用いられる。本実施形態では、冷却媒体として冷却水（純水）が用いられる。但し、冷却水に代えて、不凍液や空気など、熱伝導性を有する任意の媒体を採用してもよい。

燃料電池スタック３は、Ｘ軸方向（＋Ｘ方向および−Ｘ方向）に沿って積層された多数の燃料電池セル（単セル）２を備えている。換言すると、燃料電池スタック３は、直列接続された多数の燃料電池セル２を備えている。燃料電池セル２は、図示しないＭＥＡと、ＭＥＡを挟む２枚の図示しないセパレータとからなる。ＭＥＡは、電解質膜と、電解質膜の両面を挟む２つの触媒層と、電解質膜および２つの触媒層とを挟む２つのガス拡散層とで構成されている。

電解質膜としては、例えば、スルホン酸基を含むフッ素樹脂系イオン交換膜を用いることができ、また、スルホン酸基に限らず、リン酸基やカルボン酸基など、他のイオン交換基を含む膜をも用いることができる。触媒層は、白金や白金合金等の触媒を、導電性を有する担体（例えば、カーボン粒子）上に担持させた基材（触媒担持体）により形成されている。ガス拡散層は、多孔質の部材により形成されている。多孔質の部材としては、例えば、カーボンペーパー等のカーボン多孔質体や、金属メッシュや発泡金属等の金属多孔質体を用いることができる。セパレータは、ガス不透過の導電性部材により形成されている。このような部材として、例えば、カーボンを圧縮してガス不透過とした緻密質カーボンや、プレス成型した金属板を採用することができる。セパレータの内部には、反応ガスの流路と、冷却媒体の流路とが形成されている。

燃料電池スタック３の両端に位置する燃料電池セル２（「端部セル」と呼ぶ）は、他の燃料電池セル２と接する側とは反対側において、図示しないターミナルと接している。

燃料電池スタック３の内部には、冷却媒体供給流路４と冷却媒体排出流路５とが形成されている。冷却媒体供給流路４及び冷却媒体排出流路５は、いずれも燃料電池スタック３の積層方向（Ｘ軸方向）に沿って延設されている。冷却媒体供給流路４は、燃料電池スタック３に供給される冷却媒体を、各燃料電池セル２に供給する。冷却媒体排出流路５は、各燃料電池セル２から排出される冷却媒体を、燃料電池スタック３の外部に排出する。冷却媒体供給流路４は、各燃料電池スタック３において積層方向に見て同じ位置に設けられた厚さ方向の貫通孔が、互いに連なって構成されている。冷却媒体排出流路５は、冷却媒体供給流路４と同様にして構成されている。

図１の実線の矢印で示すように、燃料電池１の外部から冷却媒体供給流路４に供給された冷却媒体は、各燃料電池セル２に供給される。また、各燃料電池セル２から排出された冷却媒体は、冷却媒体排出流路５を介して、燃料電池１の外部に排出される。

冷却媒体供給流路４と冷却媒体排出流路５は、各燃料電池セル２の端面（隣接する燃料電池セル２と接する面）において、周縁領域の対向する位置となるように配置されている。冷却媒体供給流路４は、冷却媒体排出流路５に比べてより−Ｙ方向に位置しているため、各燃料電池セル２に供給された冷却媒体は、各燃料電池セル２（より正確には、各燃料電池セル２のセパレータ）の内部をＹ方向に向かって流れ、その後、冷却媒体排出流路５に排出される。

このような構成の燃料電池スタックにおいては、端部セルは冷却水温度が低く、温まりにくく、また端部セルから、セル締付板等の燃料電池スタック端部の部品に放熱し、冷えやすいため、端部セルの温度が燃料電池スタックの中央部に位置する主セルより５〜１０℃低下し、そのため軽負荷走行時に端部セルの電圧低下が発生するという問題がある。

そこで、本発明においては、図２に示すようにヒートパイプを配置することにより、上記の課題を解決している。すなわち、冷却媒体供給流路内に、第１ヒートパイプ６を、冷却媒体排出流路内に第２ヒートパイプ７を、燃料電池スタックの積層方向に配置し、さらに端部セルの外側に、このセルのセル面方向に、前記第１ヒートパイプ６と第２ヒートパイプ７に接続された一対の第３ヒートパイプ８を配置する。

これらのヒートパイプの形状は特に制限はないが、第１ヒートパイプ６及び第２ヒートパイプ７は薄型板状とし、第３ヒートパイプ８は棒状とすることが好ましい。またこれらのヒートパイプの構成として、その外側は、ポリイミド樹脂等の熱伝導性に優れかつ絶縁性が高い材料の薄膜から構成し、内側は、銅等の熱伝導性の高い材料より構成した２層構造とすることが好ましい。さらに、これらのヒートパイプの内壁は、銅等の熱伝導性の高い材料より構成した、メッシュタイプ、焼結タイプ、グルーブタイプ等のウィックとすることが好ましく、内部表面を、陽極酸化、プラズマ処理、有機親水性分子膜付与、酸化チタン膜付与等によって親水化処理されていることがさらに好ましい。このヒートパイプ内の作動流体としては、純水を用いる。

図２に示すようにヒートパイプ６及び７を配置することにより、冷却媒体供給流路４及び冷却媒体排出流路５において、端部側と中央部との間の冷却媒体の温度差を０〜１℃程度に均温化することができ、端部セルにおける冷却媒体温度の低下を防止することができる。さらに、第１ヒートパイプ６と第２ヒートパイプ７に接続された一対の第３ヒートパイプ８を設けることにより、高温である冷却媒体出口側の冷却媒体の熱により、端部セル面内を加温することができる。その結果、端部セルの発電面の温度低下を防止することができ、また低温である入口側の冷却媒体の温度を高めることができる。

図示していないが、燃料電池スタックの端部セルの外側又は内側に、電熱部材又は断熱／高熱伝導部材を配置することも好ましい。このような部材を配置することにより、端部セルからの放熱を抑制しつつ、端部セルの加温を容易にすることができる。

図２に示すようなヒートパイプを配置しない場合、端部セルと主セルの間の温度差は５〜１０℃程度であったが、上記のようにヒートパイプを配置することにより、端部セルと主セルの間の温度差は０〜１℃程度となり、端部セルと主セルの間の温度差が解消され、燃料電池の発電効率が向上することになる。

１ 燃料電池
２ 燃料電池セル
３ 燃料電池スタック
４ 冷却媒体供給流路
５ 冷却媒体排出流路
６ 第１ヒートパイプ
７ 第２ヒートパイプ
８ 第３ヒートパイプ

Claims (1)

1. 複数の燃料電池セルが積層されてなる燃料電池スタックと、
   前記燃料電池スタック内に配置された
   燃料電池セルの積層方向に伸張し、各燃料電池セルに冷却媒体を供給する冷却媒体供給流路と、
   燃料電池セルの積層方向に伸張し、各燃料電池セルから排出された冷却媒体を受け取り、排出する冷却媒体排出流路と、
   前記冷却媒体供給流路内に配置された第１ヒートパイプと、
   前記冷却媒体排出流路内に配置された第２ヒートパイプと、
   燃料電池スタックの両端に位置する２つの端部セルの外側に配置され、各々が前記第１ヒートパイプ及び第２ヒートパイプに接続された一対の第３ヒートパイプ
   を備える燃料電池。

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