JP5082290B2 - 熱の利用効率が高い燃料電池 - Google Patents

Description

この発明は、燃料電池に関する。

燃料電池は、その使用に際し、しばしば起動と停止が繰り返し行われる場合がある。そのような使用態様においては、燃料電池の放熱量が多ければ、燃料電池の運転停止後に燃料電池本体の温度は著しく低下してしまうおそれがある。すると再起同時に燃料電池の作動温度に達するまでの昇温に必要なエネルギー量が増加し、燃料電池の発電効率が悪化する可能性があった。また、運転温度が高い燃料電池においては、連続運転をする場合であっても、燃料電池からの放熱量が多ければ、発電効率の低下を招き燃費の悪化につながる可能性があった。そうした燃料電池の放熱量を低減し保温性を向上するために、燃料電池を構成する単セルに放熱を防ぐ機能を持たせた種々の燃料電池が提案されている（特許文献１等）。

特開２００４−１５２５０２ 特開２００５−１９２２３ 特開２００４−１４６３３７

ところで、燃料電池は、上記単セルを積層したスタック構造を有するものが普通であり、積層されたセルスタックはさらにエンドプレートで挟持されている。エンドプレートは、スタック構造を締結する荷重に耐えうるような金属などで構成されており、放熱性が高い場合がある。そのため、エンドプレートから多くの熱が放熱してしまう可能性のあることが、本発明の発明者によって見出された。しかし、そのような問題に対してこれまで充分な工夫がなされていなかった。

本発明は、燃料電池スタックからの放熱を低減する技術を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明は、燃料電池であって、マニホールド孔を有する単セルを積層したセルスタックと、前記セルスタックを両側から挟持するエンドプレートと、前記エンドプレートを介して前記マニホールド孔と接続する流体用配管とを備え、前記流体用配管と前記エンドプレートとの間に断熱材が設けられていることを特徴とする。

この構成によれば、エンドプレートを通じて流体用配管へ伝導する熱量を低減でき、かつ流体用配管から外部へ伝導するの熱量を低減できる。これによって燃料電池自体の放熱性を低減し、燃料電池の発電効率が向上することができる。

前記エンドプレートと、前記断熱材とは別部材で構成されており、前記断熱材の断熱性は、前記エンドプレートの断熱性より高く、前記エンドプレートは、前記断熱材よりも剛性が高いことを特徴とするものとしても良い。

この構成によれば、エンドプレートの剛性を確保しつつ、エンドプレートを通じて流体用配管へ伝導する熱量をさらに低減できる。

前記流体用配管は、前記セルスタックに供給ガスを供給する第１のガス配管と、前記セルスタックからの排気ガスを排出する第２のガス配管とを含み、前記第１と第２のガス配管を通過する供給ガス及び排気ガスの温度は、前記エンドプレートの温度よりも高いことを特徴とするものとしても良い。

この構成によれば、流体配管を通過する供給ガス及び排気ガスの熱がエンドプレートへ伝導する可能性を断熱材によって低減できる。

前記断熱材は、弾性部材又は防震材によって構成されていることを特徴とするものとしても良い。

この構成によれば、振動などによって流体用配管とエンドプレートとがその接続部位において損傷する可能性を低減できる。

前記単セルは、水素透過膜が設けられたアノード電極層を有していることを特徴とするものとしても良い。

この構成によれば、水素分離膜電池において、その放熱性を低減できる。

なお、本発明は、種々の形態で実現することが可能であり、例えば、エンドプレートを備えた燃料電池スタック、その燃料電池スタックを使用した燃料電池システム、その燃料電池を搭載した車両等の形態で実現することができる。

Ａ．実施例：
図１は本発明の一実施例としての燃料電池システムの構成を示すブロック図である。この燃料電池システムは、燃料電池１００と、改質器１１０とを備えている。燃料電池１００は、アノード電極層に水素分離膜をもちいる水素分離膜電池（Ｈｙｄｒｏｇｅｎ Ｍｅｍｂｒａｎｅ Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ）である。燃料電池１００は、改質器１１０の改質反応によって得た水素と供給された酸素の電気化学反応によって発電する。改質器１１０としては、例えば、改質原料としてガソリンを用いるガソリン改質器を利用することができる。

燃料電池１００は、アノード電極層Ａｎとカソード電極層Ｃｔと冷却部ＣＳとで構成さる。カソード電極層Ｃｔは、酸化ガスである空気を供給する空気供給ポンプ１０２と、空気供給配管１０３を介して接続されている。冷却部ＣＳは、冷媒である空気（冷媒空気）を供給する冷媒空気供給ポンプ１０４と、冷媒空気供給配管１０５を介して接続されている。アノード電極層Ａｎは、改質器１１０の改質部１１２と改質ガス供給配管１２０を介して接続されている。

改質器１１０は、改質部１１２と加熱部１１４とを備えている。改質部１１２と加熱部１１４には図示しない触媒が担持されている。改質部１１２には、改質原料タンク１３０からガソリンが、改質原料供給ポンプ１３２を介して供給される。また、改質部１１２には、燃料電池１００のカソード電極層Ｃｔから排出されたカソードオフガスが、カソードオフガス配管１２１を介して供給される。加熱部１１４には、燃料電池１００のアノード電極層Ａｎからアノードオフガスが、アノードオフガス配管１２３を介して供給される。さらに加熱部１１４には、燃料電池１００の冷却部ＣＳにおいて熱を帯びて排出された冷媒空気が、冷媒空気排出配管１２５を介して供給される。

カソードオフガスには、燃料電池１００において反応に供されることのなかった酸素と、反応によって生成した水などが含まれている。改質部１１２は、カソードオフガスと改質原料タンク１３０から供給されたガソリンとの水蒸気改質反応によって改質ガスを生成する。改質ガスは、水素とそれ以外の成分（例えば一酸化炭素）を含む水素リッチなガスである。なお、この水蒸気改質反応は吸熱反応である。

アノードオフガスには、燃料電池１００において反応に供されることのなかった水素と、種々の炭化水素（例えば、ＨＣ）等が含まれている。加熱部１１４は、アノードオフガスに含まれる上記の成分を、燃料電池１００からの排出冷媒である空気に含まれる酸素によって燃焼し、熱を発生する。この発生した熱によって加熱部１１４は改質部１１２を加熱し、改質部１１２における改質反応を促進する。

図２（Ａ）は、燃料電池１００の概観を示す斜視図である。燃料電池１００は、図２（Ｂ）に示す単セル２００を積層したスタック構造を有する。単セル２００を積層したセルスタック２０１は、その積層方向に第１のエンドプレート２１０と第２のエンドプレート２１１によって挟持される。２つのエンドプレート２１０、２１１は、締結具２１５によって締結され、セルスタック２０１に押圧力を加えてセルスタック２０１を保持している。

燃料電池１００には、流体流路となる複数のマニホールド孔Ｍｎが積層方向に貫通するように形成されている。従って単セル２００にもマニホールド孔Ｍｎが形成されている。マニホールド孔Ｍｎはそれぞれ、水素と酸素及び冷媒空気の供給及び排出を担っている。第一のエンドプレート２１０に形成されたマニホールド孔Ｍｎは、改質器１１０などの燃料電池システム内の各構成部と各配管を介して接続されている（図１参照）。

なお、２つエンドプレート２１０、２１１は、締結荷重を支持するために剛性（曲げ強度）の高い部材で構成されることが好ましい。特に、第１のエンドプレート２１０は、各配管と接続するため、腐食に強い部材で構成されることが好ましく、例えばステンレス鋼やチタン等で構成されるものとしても良い。

図３は、図２（Ｂ）に示す３−３切断における単セル２００の断面図である。単セル２００は、電解質膜３０をアノード電極層Ａｎとカソード電極層Ｃｔで挟持した膜電極接合体３００を有している。電解質膜３０はプロトン伝導性を有する電解質である。

アノード電極層Ａｎは、水素透過膜３１と、水素透過膜３１を補強する補強板材３３と、アノードガス流路層３５ａを有している。水素透過膜３１は、パラジウム（Ｐｄ）で形成され、アノード電極層Ａｎに供給された改質ガスから水素を選択的に透過させる。また、水素透過膜３１は、電解質膜３０と接するように配置され、電極としても機能する。

アノードガス流路層３５ａは、セパレータ３７と接するように配置されている。アノードガス流路層３５ａは、供給された改質ガスを水素透過膜３１に供給するためのものである。

補強板材３３は、水素透過膜３１を補強するためのものであり、水素透過膜３１とアノードガス流路層３５ａとで挟持されている。補強板材３３には、改質ガスが水素透過膜３１へ流入するための複数の流入孔３３Ｈが設けられている。補強板材３３は、例えばステンレス鋼で構成される。

カソード電極層Ｃｔは、カソード電極板３４とカソードガス流路層３５ｃとを有している。カソード電極板３４は、電解質膜３０に接するように配置され、電極として機能する。カソード電極板３４は、パラジウムなどで構成される。また、カソード電極層Ｃｔには、例えば白金（Ｐｔ）などの触媒が担持されている。

カソードガス流路層３５ｃはセパレータ３７と接するように配置されている。カソードガス流路層３５ｃは、供給された空気中の酸素をカソード電極板３４へと供給するためのものである。

膜電極接合体３００の外周縁にはガスケット３６が成形されている。ガスケット３６は、流体が燃料電池の外部へ漏洩するのを防止し、単セルに供給される流体の流路を形成するために設けられている。ガスケット３６は絶縁層などを設けた多層構造のものとしても良く、高温（３００℃〜６００℃）に耐えうるような材質であることが好ましい。

膜電極接合体３００及びガスケット３６はセパレータ３７によって挟持されており、マニホールド孔Ｍｎが、セパレータ３７とガスケット３６を貫通するように形成されている。

セパレータ３７は複数の薄い金属板によって構成されており、金属板同士の接触面に溝を設けて冷媒空気の流路３８を形成している。冷媒空気は、マニホールド孔Ｍｎからセパレータ３７の冷媒流路３８へ流入し、単セル２００を冷却した後、冷媒空気排出用のマニホールド孔Ｍｎへと排出される。このように、セパレータ３７には冷却部ＣＳとしての機能がある。なお、冷媒流路３８は、２つの電極層Ａｎ、Ｃｔを均一に冷却できるように設けられていることが好ましい。

マニホールド孔Ｍｎから供給された改質ガス及び酸素は、セパレータ３７の図示しない流路によりそれぞれアノードガス流路層３５ａ及びカソードガス流路層３５ｃへと供給される。水素と酸素の電気化学反応により発電した後、反応に供されることのなかったアノードオフガス及びカソードオフガスは、アノードガス流路層３５ａ及びカソードガス流路層３５ｃから図示しない流路によりセパレータ３７のそれぞれの排出用のマニホールド孔Ｍｎへと排出される。なお、セパレータ３７には導電性があり、発電した電気を集電する機能も有する。

図４は、図２（Ａ）に示す燃料電池１００の４−４切断における断面図を示している。セルスタック２０１は、２つのエンドプレート２１０、２１１によって挟持されており、セルスタック２０１と第１のエンドプレート２１０との間には断熱性と電気絶縁性とを有するガスケット４２が設けられている。ガスケット４２は、単セル２００のガスケット３６と同様に周状に形成されており、マニホールド孔Ｍｎが設けられている。また、セルスタック２０１と第２のエンドプレート２１１との間には断熱性と電気絶縁性を有したインシュレータ４４が設けられている。

ガスケット４２とインシュレータ４４により、２つのエンドプレート２１０、２１１とセルスタック２０１との間の断熱性が向上している。また、ガスケット４２を設けたことにより、セルスタック２０１と第１のエンドプレート２１０との間にはガスケット４２に囲まれた空間４５が生じる。この空間４５により、さらにセルスタック２０１と第１のエンドプレート２１０との間の断熱性が向上し、燃料電池１００からの放熱の可能性を低減している。

なお、ガスケット４２とインシュレータ４４は電気絶縁性を有しているので、２つのエンドプレート２１０、２１１にセルスタック２０１から電気が漏洩する可能性も低減しており、発電効率の低下の可能性も低減している。

図５は、図４に示す燃料電池１００の断面の一部位５を拡大した図を示している。第１のエンドプレート２１０には、アノードオフガス配管１２３と接続する部位にエンドプレート用断熱材Ａｄｅがアノードオフガス配管１２３の表面を覆うように形成されている。

エンドプレート用断熱材Ａｄｅは、ガスケット４２と接する側の外周に凸部５１を有しており、この凸部５１によって、２つのエンドプレート２１０、２１１に締結加重が加えられた際に、エンドプレート用断熱材Ａｄｅが第１のエンドプレート２１０から脱落することを防ぐことができる。なお、エンドプレート用断熱材Ａｄｅは、接着剤によって第１のエンドプレート２１０に固定されるものとしても良い。

アノードオフガス配管１２３の先端にはねじ山を設けた雄ねじ部Ｓｃｍが設けられており、エンドプレート用断熱材Ａｄｅにも雄ねじ部Ｓｃｍに対応するねじ溝である雌ねじ部Ｓｃｆが設けられている。雄ねじ部Ｓｃｍと、雌ねじ部Ｓｃｆによって、アノードオフガス配管１２３とエンドプレート用断熱材Ａｄｅとが互いに連結される。なお、エンドプレート用断熱材Ａｄｅは第１のエンドプレート２１０に接続する全ての配管１０３、１０５、１２０、１２１、１２３、１２５（図１）との接続部位に対してそれぞれ設けられている。

図５に示すように、アノードオフガス配管１２３の第１のエンドプレート２１０から露出している部位には、配管用断熱材Ａｄｐがアノードオフガス配管１２３の表面を覆うように形成されている。配管用断熱材Ａｄｐは、第１のエンドプレート２１０に接続する全ての配管１０３、１０５、１２０、１２１、１２３、１２５に対してそれぞれ設けられている。

エンドプレート用断熱材Ａｄｅは、第１のエンドプレート２１０より断熱性の高い部材で構成されることが好ましい。そうすると、各配管と第１のエンドプレート２１０との間の熱伝導量を、エンドプレート用断熱材Ａｄｅによって低減できる。

仮に、エンドプレート用断熱材Ａｄｅを設けず、各配管と第１のエンドプレート２１０とを直接接続した場合、各配管を通る高温ガスの熱が第１のエンドプレート２１０へと伝導し、第１のエンドプレート２１０から外部へと放熱する。この放熱は、各配管を通過する供給ガス及び排出ガスの温度が第１のエンドプレート２１０より高温となる高温型燃料電池において顕著であり、特に高温ガスを直接改質器から燃料電池へと供給する水素分離膜電池を用いた燃料電池システムにおいて顕著であると言える。

また、燃料電池は、起動と停止をしばしば行う動作環境においては、燃料電池の放熱性が高ければ、その停止時に放熱してしまい、再起動する際、その作動温度に達するのに時間がかかり、昇温に必要なエネルギー量が増加する場合がある。また連続稼働している際にも、燃料電池の放熱性が高ければ、作動温度が低下し、発電効率が悪化する可能性がある。これは、他の高温型燃料電池においても同様である。

本実施例の燃料電池システム（図１参照）においては、ガソリン改質を行う改質器１１０を有しており、その動作温度は８００℃程度と高温である。それに準じて改質器１１０から燃料電池１００に供給される改質ガスも高温となる。その改質ガスは高温のまま燃料電池１００へと直接供給され、その改質ガスの熱が水素分離膜電池である燃料電池１００の作動温度（３００℃〜６００℃程度）の維持に貢献している。従って、エンドプレート用断熱材Ａｄｅ及び配管用断熱材Ａｄｐを設けて上記放熱を低減することによって、燃料電池１００の発電効率が向上する。

また、この燃料電池システムでは、燃料電池１００からアノードオフガスとカソードオフガスと排出冷媒空気とが改質器１１０へと供給される。これらの燃料電池排出ガスも燃料電池１００の作動温度に準じて高温であり、この燃料電池排出ガスの熱が改質器１１０の作動温度の維持にも貢献している。従って、エンドプレート用断熱材Ａｄｅ及び配管用断熱材Ａｄｐによって燃料電池排出ガスからの放熱を低減することによって燃料電池１００の発電効率が向上する。

さらに、エンドプレート用断熱材Ａｄｅ及び配管用断熱材Ａｄｐによって、第１のエンドプレート２１０から空気供給配管１０３及び冷媒空気供給配管１０５への伝熱量を低減している。これによって燃料電池１００の放熱量が低減され、燃料電池１００の発電効率が向上する。

本実施例においては、第１のエンドプレート２１０とエンドプレート用断熱材Ａｄｅを別部材として構成している。第１のエンドプレート２１０の剛性は、エンドプレート用断熱材Ａｄｅの剛性より高いことが好ましい。そうすると、エンドプレート用断熱材Ａｄｅによって、各配管と第１のエンドプレートとの間における熱伝導量を低減しつつ、第１のエンドプレート２１０には、締結荷重に耐えうるような剛性を持った部材を選択できる。

エンドプレート用断熱材Ａｄｅとしては、弾性部材や防震材を用いるものとしても良い。例えばマイカを用いたガスケットとしても良い。この構成によれば、燃料電池１００を車両など振動の発生する可能性のあるものに搭載された場合などに、第１のエンドプレート２１０とそれに接続する各配管の損傷を低減できる。

Ｂ．変形例：
なお、この発明は上記の実施例や実施形態に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の態様において実施することが可能であり、例えば次のような変形も可能である。

Ｂ１．変形例１：
上記実施例の燃料電池システムにおいては、燃料電池１００から排出される高温な排出ガスとその熱を改質器１１０で利用しているが、他の加熱を必要とする装置（例えば、湯沸かし器など）に接続させて熱源として利用することも可能である。

Ｂ２．変形例２：
上記実施例においては、燃料電池１００として水素分離膜電池を採用しているが、他の高温型燃料電池、例えば、固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）を用いることも可能である。固体酸化物形燃料電池も高温型燃料電池であるため、燃料電池からの排出ガスとその熱を他の加熱を必要とする装置で熱源として利用することも可能である。

燃料電池システムを示すブロック図。 燃料電池の概観を示す斜視図。 単セルの断面図。 燃料電池の断面図。 燃料電池の断面の一部拡大図。

符号の説明

３０…電解質膜
３１…水素透過膜
３３…補強板材
３３Ｈ…流入孔
３４…カソード電極板
３５ａ…アノードガス流路層
３５ｃ…カソードガス流路層
３６…ガスケット（単セル）
３７…セパレータ
３８…冷媒流路
４２…ガスケット
４４…インシュレータ
４５…空間
５１…エンドプレート用断熱材の凸部
１００…燃料電池
１０２…空気供給ポンプ
１０３…空気供給配管
１０４…冷媒空気供給ポンプ
１０５…冷媒空気供給配管
１１０…改質器
１１２…改質部
１１４…加熱部
１２０…改質ガス供給配管
１２１…カソードオフガス配管
１２３…アノードオフガス配管
１２５…冷媒空気排出配管
１３０…改質原料タンク
１３２…改質原料供給ポンプ
２００…単セル
２０１…セルスタック
２１０…第１のエンドプレート
２１１…第２のエンドプレート
２１５…締結具
３００…膜電極接合体
Ａｄｅ…エンドプレート用断熱材
Ａｄｐ…配管用断熱材
Ａｎ…アノード電極層
ＣＳ…冷却部
Ｃｔ…カソード電極層
Ｍｎ…マニホールド孔
Ｓｃｆ…雌ねじ部
Ｓｃｍ…雄ねじ部

Claims (5)

1. 燃料電池であって、
   マニホールド孔を有する単セルを積層したセルスタックと、
   前記セルスタックを両側から挟持するエンドプレートと、
   前記エンドプレートに固定されるとともに前記マニホールド孔と接続し、前記エンドプレートの温度より高い温度のガスが流通される流体用配管と、
   を備え、
   前記流体用配管と前記エンドプレートとの間に断熱材が設けられていることを特徴とする燃料電池。
2. 請求項１記載の燃料電池であって、
   前記エンドプレートと、前記断熱材とは別部材で構成されており、
   前記断熱材の断熱性は、前記エンドプレートの断熱性より高く、
   前記エンドプレートは、前記断熱材よりも剛性が高いことを特徴とする燃料電池。
3. 請求項１または請求項２のいずれかに記載の燃料電池であって、
   前記流体用配管は、前記セルスタックに供給ガスを供給する第１のガス配管と、前記セルスタックからの排気ガスを排出する第２のガス配管とを含むことを特徴とする燃料電池。
4. 請求項１ないし請求項３のいずれかに記載の燃料電池であって、
   前記断熱材は、弾性部材又は防震材によって構成されていることを特徴とする燃料電池。
5. 請求項１ないし請求項４のいずれかに記載の燃料電池であって、
   前記単セルは、水素透過膜が設けられたアノード電極層を有していることを特徴とする燃料電池。

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