JP4361360B2 - 燃料電池スタック - Google Patents
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Description
この生成水の凍結防止のために外部熱源を備えることが考えられたが、外部熱源を備えると燃料電池システムの複雑化、大型化を招いてしまう。
そこで、発電による自己発熱を利用して燃料電池スタック自身を暖機する方法が考えられている(例えば、特許文献1参照)。さらに、これに加えて、始動時に燃料電池スタック内の冷媒流路から冷媒を抜き取ることにより、発電に伴う自己発熱で発生した熱が冷却液を介して持ち去られるのを阻止し、セルの温度上昇を速めて、生成水の凍結防止を図る方法が考えられている(例えば、特許文献2参照)。
また、始動時に冷媒を抜き取ってしまうと、セル内部の温度が過剰に上昇して膜電極構造体の性能劣化を引き起こし、経時的にスタック電圧が低下していくという問題が生じる。
このように構成した燃料電池スタックでは、前記第1冷媒流路溝と前記第2冷媒流路溝との間にインサート材を挿入したことにより、冷媒流路の断面積を小さくすることが可能となり、燃料電池内における冷媒の保有量を減らすことが可能になる。そして、金属プレートからなるセパレータは熱容量が小さいことと、燃料電池スタック内の冷媒保有量が少ないことが相俟って、燃料電池スタックの熱容量を大幅に減少することができる。その結果、始動時における燃料電池スタックの昇温速度を速めることができる。
このように構成することにより、特別な固定手段を用いることなく、インサート材を移動不能に固定することが可能になる。
請求項2に係る発明によれば、簡単な構成でインサート材を移動不能に固定することができる。
燃料電池スタック1は固体高分子型の燃料電池であり、図1および図2に示すように、例えば固体ポリマーイオン交換膜等からなる固体高分子電解質膜51をアノード電極52とカソード電極53とで両側から挟み込んで膜電極構造体54を形成し、膜電極構造体54の両側にセパレータ55,56を配置してセル(単位燃料電池)50を構成し、このセル50を複数積層して燃料電池スタック1が構成されている。
このように、セパレータ55,56は、水素ガス(燃料)と空気(酸化剤)と冷却液(冷媒)を分離する機能を有する。
図5は、この発明に関連する技術を示した参考例であり、この参考例ではインサート材61を多孔質体で棒状に形成している。
前述した燃料流路58、空気流路59、および冷媒流路60a,60bは膜電極構造体54における電極52,53に対応する領域(すなわち、発電部)に形成されており、セパレータ55,56の左右端部にも膜電極構造体54と同様に開口71〜76が設けられている。これら開口71〜76は膜電極構造体54とセパレータ55,56を積層した状態(すなわち、燃料電池スタック1として組み立てられた状態)においてシール材(図示略)を介して各開口毎にそれぞれ1本の管の如く連通し、分配流路もしくは集合流路として機能する。
そして、図中左側に位置する燃料流路溝55cの始端は燃料供給開口71に連通し、図中右側に位置する燃料流路溝55cの終端は燃料排出開口76に連通しており、水素ガスは、燃料分配流路71Aから燃料供給開口71を介して燃料流路58に導入され、燃料流路58を水平方向に流通した後、燃料排出開口76を介して燃料集合流路76Aに排出される。
そして、図中右側に位置する空気流路溝56cの始端が空気供給開口74に連通し、図中左側に位置する空気流路溝56cの終端が空気排出開口73に連通しており、空気は、空気分配流路74Aから空気供給開口74を介して空気流路59に導入され、空気流路59を水平方向に流通した後、空気排出開口73を介して空気集合流路73Aに排出される。
特に、氷点下環境における始動時には、発電に伴って生じる生成水が燃料電池スタック1内で凍結するのを確実に防止することができ、確実で安定した始動性を確保することができる。
例えば、セパレータ55,56のうちの一方のセパレータとインサート材61との間に形成される空間だけを冷媒流路とし、他方のセパレータとインサート材61との間の空間は空気層として冷媒を流さないようにしてもよい。
また、参考例として、ターミナルプレート10に隣接する部位だけでなく、他のセパレータ55,56間に、図5に示すインサート材62を設けることにより、セパレータ55,56のうちの一方のセパレータとインサート材61との間に形成される空間だけを冷媒流路としてもよい。
この実施例2の燃料電池スタック1においても、インサート材61を設けたことにより、実施例1の場合と同様、燃料電池スタック1の低温始動性が向上する。
なお、この実施例2においても、冷媒流路を間引いて設けることが可能である。
この発明は前述した実施例に限られるものではない。
例えば、冷媒流路溝の断面形状は実施例のような多角形状に限らず、サインカーブのような波状であってもよい。
また、実施例では冷媒流路のほぼ全長に亘ってインサート材を挿入しているが、これに限るものではなく、所望する低温始動性が確保される限りにおいて、冷媒流路の一部にだけあるいは所定間隔にインサート材を設置してもよい。
なお、燃料電池スタックは車両搭載用に限らず、車両以外の移動体に搭載してもよいし、あるいは定置式としてもよい。
50 セル
51 固体高分子電解質膜
52 アノード電極
53 カソード電極
54 膜電極構造体
55 アノード側セパレータ(第1金属プレート)
55c 燃料流路溝
55d 第1冷媒流路溝
56 カソード側セパレータ(第2金属プレート)
56c 空気流路溝(酸化剤流路溝)
56d 第2冷媒流路溝
60a,60b 冷媒流路
61,62 インサート材
G 交差部
H 平行部
Claims (2)
- 固体高分子電解質膜をアノード電極とカソード電極とで挟んでなる膜電極構造体とセパレータとを交互に積層して構成される燃料電池スタックにおいて、
前記セパレータの少なくとも一部は、前記アノード電極に面して配置される第1金属プレートと前記カソード電極に面して配置される第2金属プレートを積層してなり、
前記第1金属プレートは、アノード電極側の面に燃料流路溝を備えるとともに、アノード電極から離間する側の面に第1冷媒流路溝を備え、
前記第2金属プレートは、カソード電極側の面に酸化剤流路溝を備えるとともに、カソード電極から離間する側の面に第2冷媒流路溝を備え、
対向配置された前記第1冷媒流路溝と前記第2冷媒流路溝の間に形成される空間にこれら冷媒流路溝の長手方向に沿ってインサート材が挿入され移動不能に固定され、該インサート材は中空筒状でその両端が閉塞されており、
前記第1冷媒流路溝と前記第2冷媒流路溝の少なくとも一方と前記インサート材との間に冷媒流路が形成されていることを特徴とする燃料電池スタック。 - 前記第1金属プレートと第2金属プレートは、前記第1冷媒流路溝と前記第2冷媒流路溝の長手方向が互いに平行をなす平行部と、前記長手方向が互いに交差する交差部を有し、
前記インサート材の中央部が前記平行部に配置され、前記インサート材の端部が前記交差部において前記第1金属プレートと前記第2金属プレートによって挟持されていることを特徴とする請求項1に記載の燃料電池スタック。
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