JP4043352B2

JP4043352B2 - 燃料電池スタック

Info

Publication number: JP4043352B2
Application number: JP2002350540A
Authority: JP
Inventors: 保則吉本; 隆川鍋
Original assignee: Sanyo Electric Co Ltd
Current assignee: Sanyo Electric Co Ltd
Priority date: 2002-12-02
Filing date: 2002-12-02
Publication date: 2008-02-06
Anticipated expiration: 2022-12-02
Also published as: JP2004185933A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料電池スタックに係り、特に燃料電池スタックの両端部に位置するセルの温度低下を防止するようにした燃料電池スタックに関する。
【０００２】
【従来の技術】
一般に、固体高分子形燃料電池のスタックは、固体高分子電解質膜の一方の面にアノード（燃料極）、他方の面にカソード（空気極）を接合して膜電極接合体（ＭＥＡ）を構成し、この膜電極接合体をアノードに対向して燃料流路を設けたプレートと、カソードに対向して酸化剤流路を設けたプレートとで挟んでセルを構成し、このセル間に冷却プレートを介在させて複数積層することにより積層体を形成し、この積層体の両端に端板を添えて締め付け一体化することにより構成される。
【０００３】
上記燃料電池スタックは、前記アノード側のプレートに改質ガス等の燃料ガスを流通させると共に、カソード側のプレートに空気等の酸化剤ガスを流通させ、電解質膜を介して電気化学反応を生じさせることにより直流電力を発電する。電気化学反応は発熱反応であるため、前記冷却プレートに冷却水を流通させてセルを冷却し、燃料電池スタックの正常な運転温度（約８０℃）を維持するようにしている。
【０００４】
このような燃料電池スタックにおいて、端板に隣接している両端部のセルは外気の影響を受けやすく、このため両端部のセルは他の部分のセルよりも冷やされてセル温度が低くなる。セル温度が低下すると、プレートの流路を流れる反応ガス中の水蒸気が流路内で凝縮し、その凝縮水によって反応ガスの流れが阻害され、電池性能の低下を招く。このような両端セルの温度低下を防止するために、両端の端板に冷却水を流すための流路を設け、発電後に排出される冷却水（運転温度に近い温度に昇温されている）を端板の流路に流して両端部のセルを加温するようにした先行技術が開示されている（例えば、特許文献１）。
【０００５】
【特許文献１】
特開２００１−６８１４１号公報
【特許文献２】
特開平０８−１１１２３１号公報
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記の先行技術によると、燃料電池スタックでの発電後に排出される冷却水を一方の端板の流路に導入して流通させ、この後一方の端板から出た冷却水を他方の端板の流路に導入して流通させ、この他方の端板から排出する構成となっている。従って、先に冷却水を流す一方の端板では、高温の冷却水により加温できるものの、その後に冷却水を流す他方の端板では、低温の冷却水が流れるため十分加温することは難しい。これにより、一方の端板に隣接するセルと、他方の端板に隣接するセルとでは温度差が生じて不安定になりやすい。
【０００７】
又、両端セルの面内温度に関しては、中央部よりも外周部が外気の影響を受けやすく、このため外周部は低温域、中央部は高温域になるような温度分布が生じる。従って、両端セルの外周部を中央部よりも多く加温して温度分布を平均化することが望まれる。
【０００８】
本発明は、このような要望に応えるためになされ、両端セルの外周部を中央部よりも効率良く加温して温度分布を平均化し、且つ両端セルに温度差が生じないようにした燃料電池スタックを提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するための手段として、本発明の請求項１は、電解質膜の一方の面にアノード、他方の面にカソードを有する膜電極接合体を、前記アノードに対向して燃料流路を設けたプレートと前記カソードに対向して酸化剤流路を設けたプレートとで挟んで構成したセルと、冷却水流路を設けた冷却プレートと、を複数積層して形成した積層体と、前記積層体の両端に設けられ、前記積層体を締め付ける端板と、前記端板に設けられ、前記冷却プレートを通過した水が流れる端板流路と、を備える燃料電池スタックにおいて、前記端板流路は、外周部から中央部に向かって略渦巻状に形成される略渦巻状流路と、前記略渦巻状流路の外周端部に形成され、排水マニホールドに連通する冷却水供給口と、前記略渦巻状流路の中央端部に形成される冷却水排出口と、を備えることを特徴とする。
【００１０】
又、本発明の請求項２は、請求項１の燃料電池スタックにおいて、前記端板は、前記略渦巻状流路の形成部に配され、熱伝導性を有する熱伝導プレートを備えることを特徴とする。
【００１１】
更に、本発明の請求項３は、請求項１又は請求項２の燃料電池スタックにおいて、前記燃料電池スタック内に形成される排水マニホールドは、内部に仕切りを設けて二分されていることを特徴とする。
【００１２】
【発明の実施の形態】
次に、本発明に係る燃料電池スタックの実施形態について、添付図面を参照しながら説明する。図１は、本発明に係る燃料電池スタックを示す模式図である。図１において、１はセルであり、複数のセル１を積層して積層体２が構成され、これらセル１間には冷却水流路３が設けられている。冷却水流路３は冷却プレートに設けるのが一般的であるが、燃料流路を設けたプレート及び／又は酸化剤流路を設けたプレートの背面側に形成する場合もある。
【００１３】
前記積層体２の下部には、積層方向に連通する冷却水供給用マニホールド４が設けられ、積層体２の上部には同じく積層方向に連通する冷却水排出用マニホールド５が設けられており、この冷却水排出用マニホールド５の中央部には仕切り６を設けて前後（この図では左右）に二分してある。
【００１４】
又、積層体２の両端には端板７、８が添えられ、全体をロッド等で締め付け一体化することにより燃料電池スタック９を構成してある。
【００１５】
一方の端板７は、図２に示すように外周部から中央部に向かって略渦巻状流路１０が凹溝状に設けられ、この略渦巻状流路１０の外周端部に前記冷却水排出用マニホールド５に連通する凹部状の冷却水供給口１１を設けると共に、略渦巻状流路１０の中央端部には冷却水排出口１２を貫通させて設けた構成にしてある。１３は冷却水入口であり、前記冷却水供給マニホールド４に連通している。尚、１４は燃料入口、１５は燃料出口、１６は酸化剤入口、１７は酸化剤出口である。
【００１６】
他方の端板８も上記端板７とほぼ同じ構成にしてあるが、冷却水入口１３、燃料入口１４、燃料出口１５、酸化剤入口１６、酸化剤出口１７は設けられていない。又、端板７、８の略渦巻状流路１０は前記のように凹溝状に形成されており、その上に薄いプレート１８を取り付けてトンネル状の流路を形成する。このプレート１８は熱伝導性の良好な材料で形成することが好ましい。
【００１７】
このように構成された燃料電池スタック９において、改質ガス等の燃料ガスは前記燃料入口１４から供給され、燃料電池スタック９の積層方向に連通して設けられた燃料供給用マニホールド（図略）を通って各セル１に分配供給されて燃料流路を流通し、空気等の酸化剤ガスは前記酸化剤入口１６から供給され、燃料電池スタック９の積層方向に連通して設けられた酸化剤ガス供給用マニホールド（図略）を通って各セル１に分配供給されて酸化剤流路を流通する。
【００１８】
燃料ガス及び酸化剤ガスが流通する各セル１では、電解質膜を介して電気化学反応が生じることにより発電が行われる。そして、各セル１から排出される未反応の燃料ガスは、燃料電池スタック９の積層方向に連通して設けられた燃料排出用マニホールド（図略）で合流し、この燃料排出用マニホールドを通って前記燃料出口１５から外部に出される。燃料出口１５から出た未反応燃料ガスは、図示を省略した燃料改質装置の改質器バーナに導入されて燃焼するのが一般的である。
【００１９】
発電後に各セル１から排出される未反応の酸化剤ガスは、燃料電池スタック９の積層方向に連通して設けられた酸化剤排出用マニホールド（図略）で合流し、この酸化剤排出用マニホールドを通って前記酸化剤出口１７から外部に排気される。
【００２０】
冷却水は、前記冷却水入口１３から供給され、燃料電池スタック９の積層方向に連通して設けられた冷却水供給マニホールド４を通って各冷却水流路３に分配供給されて流通し、各セル１を冷却して適性運転温度（約８０℃）に保持する。
【００２１】
冷却水流路３から排出される冷却水は、各セル１内で昇温されて７８〜８０℃になっており、この高温の冷却水は前記冷却水排出用マニホールド５内に流入する。冷却水排出用マニホールド５内には、前記のように仕切り６が設けられているため、この仕切り６を境として高温の冷却水は二方向に分かれる。
【００２２】
そして、図１で右方向に分かれた高温の冷却水は、冷却水排出用マニホールド５の右半部を通過して前記端板７の冷却水供給口１１から略渦巻状流路１０内に流入し、端板７の外周部から中央部に向かって流れる。この高温の冷却水の流れによって、前記プレート１８を通して端板７に隣接している端部セルを加温することができ、しかも端部セルの外周部を効率良く加温することができ、中央部に向かうにつれて加温度合いが漸次減少する。端部セルは、前記のように外周部が中央部に比して低温となっており、その低温の外周部を高温度で加温し、中央部に行くに連れて低温度で加温するので、セルの温度分布を平均化することができる。略渦巻状流路１０の中央部に至った低温の冷却水は、前記冷却水排出口１２から外部に排水される。
【００２３】
一方、図１で左方向に分かれた高温の冷却水は、冷却水排出用マニホールド５の左半部を通過して前記端板８の冷却水供給口１１から略渦巻状流路１０内に流入し、端板８の外周部から中央部に向かって流れる。この高温の冷却水の流れによって、前記プレート１８を通して端板８に隣接している端部セルを加温することができ、しかも端部セルの外周部を効率良く加温することができ、中央部に向かうにつれて加温度合いが漸次減少する。従って、この場合も端部セル表面の温度分布を平均化することができる。略渦巻状流路１０の中央部に至った低温の冷却水は、端板８の冷却水排出口１２から外部に排水される。
【００２４】
図３は、上記実施例と比較するために構成した比較例１における燃料電池スタック９Ａであり、基本的な構成は同じであるから同一部材に同じ符号を付して詳しい説明は省略するが、端板７Ａ、８Ａに設ける水流路の形態が上記実施形態のものとは相違している。即ち、図４に示すように、端板７Ａと８Ａとはほぼ同じ構成であるから端板７Ａについて説明すると、水流路１０Ａが略渦巻状ではなく、略連続Ｓ字形に形成されている点で相違している。
【００２５】
この比較例１においては、発電後に各セル１から排出される高温の冷却水は、冷却水排出用マニホールド５を通って冷却水供給口から１１から略連続Ｓ字形水流路１０Ａに流れ込み、その上方部から下方部に向けて蛇行しながら流れ、下端部に設けられた冷却水排出口１２から外部に排水される。この場合も仕切り６が設けられているため高温の冷却水は、二分されて端板７Ａ、８Ａをそれぞれ流れる。
【００２６】
このような比較例１では、両端板に隣接する端部セルの上方部は効率良く加温できるが、下方部に行くにつれて加温の度合いが減少し、セルの温度分布を平均化することはできない。
【００２７】
図５は、上記実施例と比較するために構成した比較例２における燃料電池スタック９Ｂであり、基本的な構成は同じであるから同一部材に同じ符号を付して詳しい説明は省略するが、端板７Ｂ、８Ｂに水流路を設けない点で上記実施形態のものとは著しく相違している。但し、端板７Ｂ、８Ｂに冷却水排出用マニホールド５に連通する冷却水排出口１２Ａ、１２Ｂをそれぞれ設け、冷却水排出用マニホールド５内には仕切り６を設ける。
【００２８】
このような比較例２では、発電後に各セル１から排出される高温の冷却水は、冷却水排出用マニホールド５を通って前記端板７Ｂ、８Ｂの冷却水排出口１２Ａ、１２Ｂからそれぞれ外部に排水される。従って、高温の冷却水を用いて端部セルを加温することはできない。
【００２９】
上記実施例と、比較例１及び２の３種類の燃料電池スタック（３０セル）を作製し、発電中における各セルの温度分布の測定実験を行った。その実験結果を図６に示す。これによると、実施例は両端セルの温度が他の部分のセル温度（約８０℃）とほぼ同じであり、燃料電池スタック内における各セル間で殆ど温度差が生じないことがわかった。又、比較例１のものは実施例とほぼ同じような結果が得られたが、両端セルの温度が実施例のものより若干低い温度であった。これに対して、比較例２は両端セルの温度が約７６℃で最も低く、それに隣接する内側の２〜３個のセル温度も８０℃未満の低い温度を示した。以上のことから、端板に発電後の冷却水を流すことによりセル間の温度分布を小さくできることが分かった。
【００３０】
更に、上記実験において、端部セルの面内温度分布を測定した。その結果を表１に示す。
【００３１】
【表１】

【００３２】
表１における温度の数字は端部セルの最高温度と最低温度との差であり、これによると実施例の面内温度分布が１番小さい。従って、端板に設けた略渦巻状の流路に、発電後の冷却水を外周部から中央部に向けて流すことによって端部セルの面内温度分布を平均化できることが分かった。
【００３３】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明に係る請求項１の発明によれば、電解質膜の一方の面にアノード、他方の面にカソードを有する膜電極接合体を、前記アノードに対向して燃料流路を設けたプレートと前記カソードに対向して酸化剤流路を設けたプレートとで挟んで構成したセルと、冷却水流路を設けた冷却プレートと、を複数積層して形成した積層体と、前記積層体の両端に設けられ、前記積層体を締め付ける端板と、前記端板に設けられ、前記冷却プレートを通過した水が流れる端板流路と、を備える燃料電池スタックにおいて、前記端板流路は、外周部から中央部に向かって略渦巻状に形成される略渦巻状流路と、前記略渦巻状流路の外周端部に形成され、排水マニホールドに連通する冷却水供給口と、前記略渦巻状流路の中央端部に形成される冷却水排出口と、を備えるので、セルの低温域を高温度で効率良く加温し、セルの高温域は低温度で加温することにより温度分布を平均化することができる。又、両端セルの温度を他の部分のセル温度とほぼ同等に保つことができる。
【００３４】
又、発電後の高温冷却水を端板の略渦巻状流路に沿って流すことにより端部セルの外周部から中央部に向けて温度傾斜を付けて加温することができる。
【００３５】
更に、本発明に係る請求項３の発明によれば、請求項１又は請求項２の燃料電池スタックにおいて、前記燃料電池スタック内に形成される排水マニホールドは、内部に仕切りを設けて二分されているので、発電後の高温冷却水を二分して両端の端板水流路にほぼ均等に流すことができ、これにより両端セルの温度差を防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る燃料電池スタックの実施形態を示す模式図である。
【図２】図１の燃料電池スタックにおいて、外周部から中央部に向かって略渦巻状流路が設けられた端板を示す概略側面図である。
【図３】比較例１の燃料電池スタックを示す模式図である。
【図４】図３の燃料電池スタックにおいて、連続Ｓ字形の水流路が設けられた端板を示す概略側面図である。
【図５】比較例２の燃料電池スタックを示す模式図である。
【図６】本発明に係る実施例と、比較例１及び比較例２との燃料電池スタック内のセル温度の実験結果を示すグラフである。
【符号の説明】
１…セル
２…積層体
３…冷却水流路
４…冷却水供給用マニホールド
５…冷却水排出用マニホールド
６…仕切り
７、８…端板
９…燃料電池スタック
１０…略渦巻状流路
１１…冷却水供給口
１２…冷却水排出口
１３…冷却水入口

Claims

電解質膜の一方の面にアノード、他方の面にカソードを有する膜電極接合体を、前記アノードに対向して燃料流路を設けたプレートと前記カソードに対向して酸化剤流路を設けたプレートとで挟んで構成したセルと、冷却水流路を設けた冷却プレートと、を複数積層して形成した積層体と、
前記積層体の両端に配され、前記積層体を締め付ける端板と、
前記端板に設けられ、前記冷却プレートを通過した水が流れる端板流路と、を備える燃料電池スタックにおいて、
前記端板流路は、
外周部から中央部に向かって略渦巻状に形成される略渦巻状流路と、
前記略渦巻状流路の外周端部に形成され、排水マニホールドに連通する冷却水供給口と、
前記略渦巻状流路の中央端部に形成される冷却水排出口と、
を備えることを特徴とする燃料電池スタック。
前記端板は、
前記略渦巻状流路の形成部に配され、熱伝導性を有する熱伝導プレートを備えることを特徴とする請求項１記載の燃料電池スタック。
前記燃料電池スタック内に形成される排水マニホールドは、内部に仕切りを設けて二分されていることを特徴とする請求項１又は請求項２記載の燃料電池スタック。