JP3548433B2 - 燃料電池スタック - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、固体高分子電解質膜をアノード側電極とカソード側電極で挟んで構成される単位燃料電池セルとセパレータとを、交互に積層した燃料電池スタックに関する。
【0002】
【従来の技術】
固体高分子電解質膜型燃料電池は、高分子イオン交換膜からなる電解質とこの電解質の両側にそれぞれ配置される触媒電極および多孔質カーボン電極とからなる単位燃料電池セルを、セパレータと交互に複数個ずつ積層することにより、燃料電池スタックとして構成されている。
【0003】
この種の燃料電池スタックにおいて、アノード側電極に供給された水素は、触媒電極上で水素イオン化され、適度に加湿された電解質、あるいは、強酸をしみ込ませた電解質を介してカソード側電極側へと移動する。その間に生じた電子が外部回路に取り出され、直流の電気エネルギとして利用される。カソード側電極には、酸化剤ガス、例えば、酸素ガスあるいは空気が供給されているために、このカソード側電極において、前記水素イオン、前記電子および酸素が反応して水が生成される。
【0004】
ところで、この種の燃料電池スタックにおいては、有効な発電機能を確保するために、単位燃料電池セルの電極発電部(発電面)を所定の温度範囲に維持する必要がある。このため、セパレータに冷却媒体を流すための流路を設けることにより、電極発電部から吸熱を行うことが一般的に考えられている。具体的には、図6に示すように、アノード側電極またはカソード側電極に対向するセパレータ1の平面2内には、外周縁に位置して冷媒入口3と冷媒出口4とが設けられ、前記冷媒入口3と前記冷媒出口4とが前記平面2に形成された流路5を介して連通している。この流路5は、図6中、下方向から上方に向かって蛇行しながら冷却媒体を流すように構成されている。
【0005】
ところが、上記のセパレータ1では、冷却水が発電面から吸熱を行いながら流路5に沿って流れるため、この冷却水の温度が前記流路5の下流側(図6中、上方)にいくに従って上昇する。このため、セルの発電面には、図6に示すような一方向の温度勾配が生じてしまい、前記発電面における発電性能の不均一が惹起され、燃料電池スタック全体の性能が低下するという問題が指摘されている。
【0006】
そこで、例えば、特開平8−45520号公報に開示されているように、冷却水供給口および冷却水排出口を、平面視において高分子電解質膜の中心部または周縁部に配置し、前記冷却水供給口と前記冷却水排出口とを渦巻き状の一本の通路で連通する固体高分子型燃料電池が知られている。
【0007】
【発明が解決しようとする課題】
上記の従来技術では、冷却水供給口および冷却水排出口が高分子電解質膜の中心部に配置されていると、冷却水は、この高分子電解質膜の中心部から外周部に向かって渦巻き状に流れた後、この外周部から前記中心部側に向かって渦巻き状に戻される。一方、冷却水供給口および冷却水排出口が高分子電解質膜の周縁部に配置されていると、冷却水は、この高分子電解質膜の周縁部から中心部に向かって渦巻き状に流れた後、前記周縁部側に戻されている。
【0008】
しかしながら、燃料電池スタックが室温大気中に設置された場合、各単位燃料電池セルの外周部から外部への放熱が発生するため、この外周部は、中心部に比較して温度低下が惹起され易い。これにより、冷却水供給口および冷却水排出口のいずれもが高分子電解質膜の中心部または周縁部に配置されていると、この高分子電解質膜の発電面全体の温度分布が不均一になってしまうという問題が指摘されている。
【0009】
本発明はこの種の問題を解決するものであり、単位燃料電池セルの発電面の温度分布を均一化することができ、しかも構成を有効に簡素化することが可能な燃料電池スタックを提供することを目的とする。
【0010】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る燃料電池スタックでは、セパレータの平面内に、電極発電部の中央部分に対応した冷却媒体供給口と、この電極発電部の外周部分に対応した冷却媒体排出口とが設けられ、この冷却媒体供給口とこの冷却媒体排出口とが渦巻き状の冷却媒体流路を介して連通している。このため、冷却媒体は、電極発電部の中央部分から外周部分に向かって流れながら前記電極発電部を冷却した後、冷却媒体排出口へと排出される。
【0011】
ここで、電極発電部は、外周部分が中央部分に比べて放熱し易いために、この外周部分の温度が前記中央部分に比べて低下し易い。すなわち、本発明では、電極発電部の温度の高い中央部分に冷却媒体流路の上流側を設定し、この冷却媒体流路の下流側に向かって前記電極発電部の温度の低い外周部分を近づけている。これにより、電極発電部の温度分布を全体にわたって均一化させることができ、単位燃料電池セルの冷却効率を有効に向上させることが可能になる。
【0012】
また、本発明では、冷却媒体排出口が複数個設けられており、冷却媒体流路が冷却媒体供給口から各冷却媒体排出口に連通する多重流路を構成している。従って、各冷却媒体流路毎の流路長を短縮化することができ、前記冷却媒体流路における冷却媒体の圧力損失を確実に低減させることが可能になる。
【0013】
さらにまた、セパレータの端面が、このセパレータの両側に隣接する各単位燃料電池セルの端面よりも積層方向に直交する方向に突出している。このため、外部に突出するセパレータの端部が冷却フィンとしての機能を有し、燃料電池スタック全体の冷却効率を有効に向上させることができる。
【0014】
【発明の実施の形態】
図1は、本発明の第1の実施形態に係る燃料電池スタック10の要部斜視説明図であり、図2は、前記燃料電池スタック10の一部断面説明図である。
【0015】
燃料電池スタック10は、単位燃料電池セル12とセパレータ14a、14bとを水平方向に交互に積層した多層構造を有している。単位燃料電池セル12は、固体高分子電解質膜16を挟んでアノード側電極18とカソード側電極20とから構成される。単位燃料電池セル12は、例えば、作動温度が100℃以上であり、固体高分子電解質膜16としてパーフルオロカーボンスルフォン酸膜、あるいは強酸をしみ込ませたポリベンゾイミダゾール膜が使用されている。固体高分子電解質膜16、アノード側電極18およびカソード側電極20は同一の外径寸法を有しており、これらから一体的に構成される単位燃料電池セル12がガスケット22に設けられた開口部24内に収容される。
【0016】
ガスケット22の上部側には、燃料ガスを通過させるための孔部26aと、酸化剤ガスを通過させるための孔部28aとが設けられるとともに、このガスケット22の下部側には、燃料ガスを通過させるための孔部26bと、酸化剤ガスを通過させるための孔部28bとが形成される。ガスケット22の両側部側には、冷却媒体、例えば、冷却水を通過させるための孔部30a、30bが形成されている。
【0017】
セパレータ14a、14bは、上部側に燃料ガス供給用孔部32aと酸化剤ガス供給用孔部34aとを備えるとともに、下部側に燃料ガス排出用孔部32bと酸化剤ガス排出用孔部34bとを設けている。このセパレータ14a、14bの両側部側には、冷却水を通すための孔部36a、36bが形成される。
【0018】
セパレータ14aのアノード側電極18に対向する一方の面部37aには、燃料ガス供給用孔部32aと燃料ガス排出用孔部32bとを連通して鉛直方向に延在する複数本の燃料ガス流路38が形成される。セパレータ14bのカソード側電極20に対向する一方の面部39aには、酸化剤ガス供給用孔部34aと酸化剤ガス排出用孔部34bとを連通して鉛直方向に延在する複数本の酸化剤ガス流路40が設けられる。
【0019】
セパレータ14bの他方の面部39bには、図1および図3に示すように、アノード側電極18およびカソード側電極20の電極発電部の中央部に対応して冷却媒体供給口42が設けられるとともに、前記電極発電部の外周部分に対応して一箇所に冷却媒体排出口44が設けられる。冷却媒体供給口42は溝部で構成されており、セパレータ14bの側部側に設けられた孔部36aに前記セパレータ14b内に形成された通路46を介して連通する。冷却媒体排出口44は、セパレータ14bの側部側に形成された孔部36bに連通している。
【0020】
セパレータ14bの面部39b内には、冷却媒体供給口42と冷却媒体排出口44とを連通する渦巻き状の冷却媒体流路48が形成される。冷却媒体流路48は、実際上、セパレータ14bの面部39bに所定の深さまで溝部を形成することによって設けられている。なお、セパレータ14aの面部37bには、セパレータ14bの面部39bに設けられた冷却媒体供給口42を中央部に設定して冷却媒体排出口44および渦巻き状の冷却媒体流路48が左右を反転した状態で設けられている。
【0021】
図1および図2に示すように、燃料電池スタック10は、単位燃料電池セル12とセパレータ14a、14bとの積層方向(矢印A方向)に直交する方向に対し、前記セパレータ14a、14bの端面が前記単位燃料電池セル12の端面よりも面方向外方に突出するように設定されている。セパレータ14a、14bは、さらに単位燃料電池セル12を収容するガスケット22の外径寸法よりも面方向に大きな寸法に設定されており、このガスケット22の端面から面方向外方に突出する前記セパレータ14a、14bの突出部分が冷却フィンを構成している。
【0022】
このように構成される第1の実施形態に係る燃料電池スタック10の動作について、以下に説明する。
【0023】
燃料電池スタック10では、燃料ガス(水素ガス)がセパレータ14a、14bの燃料ガス供給用孔部32aから燃料ガス流路38を介して上下方向に移動する際、この燃料ガス流路38に対向するアノード側電極18に水素ガスが供給される。一方、燃料電池スタック10に供給される酸化剤ガス(空気または酸素ガス)は、セパレータ14a、14bの酸化剤ガス供給用孔部34aから酸化剤ガス流路40を介して上下方向に移動する際、カソード側電極20に供給される。これにより、単位燃料電池セル12で発電が行われる。
【0024】
その際、セパレータ14a、14bの孔部36aに投入された冷却水は、通路46から前記セパレータ14a、14bの中央部分に設けられた冷却媒体供給口42に送られる。冷却水は、冷却媒体供給口42からセパレータ14a、14bの面部37b、39bに設けられた冷却媒体流路48に供給され、この冷却媒体流路48の流れ方向に沿って、すなわち、渦巻き状に移動して、前記セパレータ14a、14bの外周縁に設けられた冷却媒体排出口44から孔部36bに排出される。
【0025】
この場合、第1の実施形態では、冷却水がセパレータ14a、14bの中央部に形成された冷却媒体供給口42から冷却媒体流路48に供給され、この冷却媒体流路48に沿って渦巻き状に移動した後、前記セパレータ14a、14bの外周縁部に形成された冷却媒体排出口44から排出される。このため、アノード側電極18およびカソード側電極20の電極発電部の中央部分に対応して温度の低い冷却水が供給され、この冷却水は、前記電極発電部の冷却を行ってそれ自体が昇温した状態で、該電極発電部の外周部側に移動する。
【0026】
従って、冷却水は、アノード側電極18およびカソード側電極20のそれぞれの電極発電部の中央部分で最大の吸熱効果(冷却効果)を有することになる。一方、単位燃料電池セル12は、外縁部分から外部への放熱により電極発電部の外周部分の温度が中央部分の温度に比べて低下し易い。
【0027】
これにより、冷却水が電極発電部の中央部分で最大の冷却効果を有することによって、前記電極発電部全体の温度分布が均一化され、各単位燃料電池セル12の冷却効率が有効に向上するという効果が得られる。このため、単位燃料電池セル12の発電性能が均一化し、燃料電池スタック10全体の性能を有効に維持することが可能となる。
【0028】
また、第1の実施形態では、セパレータ14a、14bの外径寸法が単位燃料電池セル12の外径寸法、さらにこの単位燃料電池セル12を収容するガスケット22の外径寸法よりも、面方向に大きく設定されており、このセパレータ14a、14bの外周部分が冷却フィンとしての機能を有している。従って、各単位燃料電池セル12の外周側から有効に放熱することができ、冷却効率の向上が容易に図られる。
【0029】
図4は、本発明の第2の実施形態に係る燃料電池スタックを構成するセパレータ60a、60bの正面説明図である。
【0030】
セパレータ60a、60bは、第1の実施形態に係る燃料電池スタック10を構成するセパレータ14a、14bに代替して使用されるものであり、図1に示すアノード側電極18およびカソード側電極20に対向する面部とは反対側の面部62に、電極発電部の中央部分に対応した冷却媒体供給口64と、前記電極発電部の外周部分に対応した一組の冷却媒体排出口66a、66bとが設けられる。
【0031】
冷却媒体供給口64は、セパレータ60a、60bに形成された通路68を介して孔部70に連通している。セパレータ60a、60bの面部62には、単一の冷却媒体供給口64とそれぞれの冷却媒体排出口66a、66bとを連通する渦巻き状の第1および第2冷却媒体流路72a、72bが形成され、前記第1および第2冷却媒体流路72a、72bによって多重流路が構成されている。
【0032】
このように構成される第2の実施形態では、冷却水が電極発電部の中央部分に対応した冷却媒体供給口64から第1および第2冷却媒体流路72a、72bに供給される。この冷却水は、電極発電部を冷却しながら第1および第2冷却媒体流路72a、72bに沿って渦巻き状に流れ、前記電極発電部の外周部分に対応した冷却媒体排出口66a、66bから排出される。
【0033】
このため、第2の実施形態においても第1の実施形態と同様に、放熱され難く外周部分に比べて温度が高い電極発電部の中央部分に低温の冷却水が供給されるため、前記電極発電部全体の冷却効率を有効に向上させることができるという効果が得られる。しかも、第2の実施形態では、第1および第2冷却媒体流路72a、72bが独立して設けられるため、それぞれの流路長が有効に短尺化され、前記第1および第2冷却媒体流路72a、72bにおける冷却水の圧損を軽減し得るという利点がある。
【0034】
図5は、本発明の第3の実施形態に係る燃料電池スタックを構成するセパレータ80a、80bの正面説明図である。
【0035】
セパレータ80a、80bでは、図1に示すアノード側電極18およびカソード側電極20に対向する面部とは反対側の面部82に、電極発電部の中央部分に対応した冷却媒体供給口84と、前記電極発電部の外周部分に対応した冷却媒体排出口86a〜86dとが設けられる。冷却媒体供給口84は、通路88を介してセパレータ80a、80bの側部端縁部に形成された孔部90に連通している。セパレータ80a、80bの面部82には、冷却媒体供給口84と四つの冷却媒体排出口86a〜86dとに連通する渦巻き状の第1乃至第4冷却媒体流路92a〜92dが形成され、これらによって多重流路が構成されている。
【0036】
このように構成される第3の実施形態では、電極発電部の中央部分から外周部分に向かって冷却水が供給されるため、この電極発電部全体を均一に冷却し得る等、第1の実施形態と同様の効果が得られる。さらに、冷却媒体供給口84から四つの冷却媒体排出口86a〜86dに連通する四本の第1乃至第4冷却媒体流路92a〜92dが設けられている。これにより、第1乃至第4冷却媒体流路92a〜92dは、それぞれ第2の実施形態の第1および第2冷却媒体流路72a、72bよりもさらに短尺化され、冷却水の圧損を大幅に削減し得るという利点がある。
【0037】
【発明の効果】
本発明に係る燃料電池スタックでは、セパレータの平面内に、電極発電部の中央部分に対応した冷却媒体供給口と前記電極発電部の外周部分に対応した冷却媒体排出口とが設けられるとともに、前記冷却媒体供給口と前記冷却媒体排出口とが渦巻き状の冷却媒体流路を介して連通している。このため、冷却媒体は、電極発電部の中央部分で最大の吸熱機能を有する一方、前記電極発電部の外周部分が放熱により冷却され易い。これにより、電極発電部全体の温度分布を均一化することができ、単位燃料電池セルの発電性能を有効に維持して燃料電池スタック全体の性能を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の第1の実施形態に係る燃料電池スタックの要部斜視説明図である。
【図2】前記燃料電池スタックの一部を水平方向に切断した断面説明図である。
【図3】前記燃料電池スタックを構成するセパレータの正面説明図である。
【図4】本発明の第2の実施形態に係る燃料電池スタックを構成するセパレータの正面説明図である。
【図5】本発明の第3の実施形態に係る燃料電池スタックを構成するセパレータの正面説明図である。
【図6】従来技術に係るセパレータの正面説明図である。
【符号の説明】
10…燃料電池スタック 12…単位燃料電池セル
14a、14b、60a、60b、80a、80b…セパレータ
16…電解質膜 18…アノード側電極
20…カソード側電極 22…ガスケット
26a、26b、28a、28b、30a、30b、32a、32b、34a、34b、36a、36b、70、90…孔部
38…燃料ガス流路 40…酸化剤ガス流路
42、64、84…冷却媒体供給口
44、66a、66b、86a〜86d…冷却媒体排出口
48、72a、72b、92a〜92d…冷却媒体流路
Claims (4)
- 固体高分子電解質膜をアノード側電極およびカソード側電極で挟んで構成される単位燃料電池セルとセパレータとを、交互に積層した燃料電池スタックであって、
少なくとも1つの前記セパレータの前記アノード側電極または前記カソード側電極に対向する平面内には、電極発電部の中央部分に対応した冷却媒体供給口と前記電極発電部の外周部分に対応した冷却媒体排出口とが設けられるとともに、前記平面内には、前記冷却媒体供給口から前記冷却媒体排出口に連通して冷却媒体が一方向に流れる渦巻き状の冷却媒体流路が形成されることを特徴とする燃料電池スタック。 - 請求項1記載の燃料電池スタックにおいて、前記冷却媒体排出口が複数個設けられており、前記冷却媒体流路は、前記冷却媒体供給口から各冷却媒体排出口に連通する多重流路を構成することを特徴とする燃料電池スタック。
- 請求項1または2記載の燃料電池スタックにおいて、前記セパレータの端面が、該セパレータの両側に隣接する各単位燃料電池セルの端面よりも積層方向に直交する方向に突出するように構成されることを特徴とする燃料電池スタック。
- 請求項1乃至3のいずれか1項に記載の燃料電池スタックにおいて、前記セパレータの平面内には、前記電極発電部の外周部分に対応して積層方向に貫通する冷却媒体用孔部が形成されるとともに、
前記セパレータ内に通路が形成され、前記通路を介して前記冷却媒体用孔部と前記冷却媒体供給口とが連通することを特徴とする燃料電池スタック。
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