JP5145680B2

JP5145680B2 - 燃料電池セパレータ

Info

Publication number: JP5145680B2
Application number: JP2006263714A
Authority: JP
Inventors: 務奥澤; 正也小境; 秀和藤村; 宏高橋
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 2006-09-28
Filing date: 2006-09-28
Publication date: 2013-02-20
Anticipated expiration: 2026-09-28
Also published as: US20080081239A1; JP2008084702A; US8277996B2

Description

本発明は、固体高分子型燃料電池に関する。

燃料電池の高出力密度化のために、発電には直接寄与しない部分を削減することが考えられている。この手段として有効なのが冷却剤として用いられている冷却水の使用量を減らすことである。冷却水を減らすには、冷却水の比熱を利用する顕熱冷却でなく、蒸発熱を利用する潜熱冷却を行うことが考えられる。理論的には潜熱冷却では、顕熱冷却の２％の水の量で同等の冷却効果を得ることができる。

潜熱を利用した冷却方法の従来例として特許文献１が挙げられる。

特開２００５−２３５７２７号公報

潜熱冷却を推進するには蒸発しやすいように微細水滴状にして体積当たりの表面積を増やすことが考えられる。微細水滴を発生させ、冷却場所まで微細水滴を運搬し衝突させるのである。運搬は、微細水滴にすればガス中の沈降速度が著しく小さくなるのでガスにより搬送することは可能であるが、配管内の曲がり部等で作用する加速度により搬送ガス中から分離し管壁に衝突する部分があり冷却すべきでない場所を冷却することが発生するという課題がある。

また、反応ガスがセパレータに入る前の加湿蒸気を含んだ状態で微細水滴を加える場合には、すでに飽和蒸気圧に近いので蒸発できず冷却効果が発揮できないばかりでなく、水を管理する上で過多の水分となり、反応発生水の除去を困難にさせる可能性が大きい。

反応ガスを膜電極集合体に案内する反応ガス流路板と、反応ガス流路板に隣接する第１の冷却水流路と、第１の冷却水流路と水噴出孔を介して接続される第２の冷却水流路とを有する燃料電池である。

セパレータ内に２層の冷却剤流路を設けることにより、セパレータ内で潜熱を利用した冷却ができるようになるので燃料利用率が高くでき補機動力が小さく、コンパクトで、高出力運転ができる。

燃料電池では、下記反応によりアノードガス（以降、Ａｎガス）である水素とカソードガス（以降、Ｃａガス）である空気中の酸素が消費されて、水と熱と電力が発生する。

２Ｈ₂＋Ｏ₂→２Ｈ₂Ｏ＋（熱）＋（電力）
この反応は、従来流路に沿って上流から下流に流れる間に生じているので流れるに従い反応ガス流量が減り、Ｃａガス側であれば電池反応により発生した水蒸気が流入し、Ａｎガス側でも濃度拡散及び電気浸透に基づく水が流入し、水蒸気濃度は増大する。その結果、飽和濃度を超えれば、凝縮水が発生してガス欠また凝縮水によるフラディングを生じて、セル電圧の低下や寿命の低下を招くという課題がある。

同時に、凝縮水発生により潜熱が解放され温度の不均一を招いて温度分布も偏りが生じて最高温度が上がり膜電極集合体（以降、ＭＥＡ）を保護する観点から燃料利用率を下げ低出力化しなければならない。
一方、出力密度を極限まで上げて高効率化（高出力密度化）、すなわち、低コスト化を図るには燃料利用率を１００％近くまで高めざるをえない。また、セパレータのマニホールドを含む発電に寄与しない部分の面積を減らして体積削減による高出力密度化を図らなければならない。この場合、温度均一化と冷却性能向上が必須であるため、水の潜熱冷却を利用して必要水量を減らして、かつ、温度均一化を図らなければならないという課題が生じる。同時に、この冷却水によりフラディングを加速しない工夫が必要である。

本実施形態の燃料電池は、第２の冷却水流路に加圧水を流すことにより、水噴出孔を介して第１の冷却水流路に微細な水滴を発生させ、その潜熱を冷却に利用するものである。

以下に示すのは、本発明の一実施例である。

図１は、２層の冷却水流路のうち、セパレータ板１から遠い方の冷却水流路２を示す。図２は、セパレータ板１に近い冷却水流路３を示す。図３は、図１，図２で示した部分を、反応ガス流路４，ガス拡散層５（以降、ＧＤＬ５）と膜電極集合体６(以降、ＭＥＡ６)との関係で示した拡大Ａ−Ａ断面図を示す。ここで、反応ガスとは、ＡｎガスとＣａガスとのいずれであっても良い。拡大図は、２層の冷却水流路からなるジェット冷却部７の○で囲った部分の拡大断面図を示す。図１から説明すると、ＧＤＬ５から遠い部分で、緻密層から構成され、２層のジェット冷却部７と反応ガス流路４と反応ガス隔壁１８を支えるセパレータ板１には、それぞれのガス及び冷却水をセルに分配導入するためのＣａガス，Ａｎガス及び冷却水の入口，出口のマニホールドがあり、このうち、この潜熱冷却を行うためのジェット冷却部７に関係するのは、水をセル毎に分配するための水入口マニホールド８，分配され除熱に用いられた後の水を集合させ排出するための水出口マニホールド９である。この層部分には、冷却水の流れを均等化するとともに、除熱の重要性の低いシール１６近辺への水の流入を低減させるための流路案内壁１０，冷却水流路２，３の間にあり、冷却水滴を発生させるための水噴出口１２が開けられている層間仕切り壁１１，層間仕切り壁１１に設けられ、冷却水流路２から冷却水流路３へ水を噴出させるための水噴出口１２、そこに開けられた多数の水噴出口１２と流路案内壁１０より構成される冷却水流路２、この冷却水流路２では、水出口マニホールド９に通じる流路が流路案内板１０の一部により閉止状態としている。

冷却水流路２と冷却水流路３の間にあり、水噴出口１２を除いて両者の流体の透過を防止する層間仕切り壁１１，層間仕切り壁１１を挟んで反対側にあり、その一面に水とガスを仕切るガス・水隔壁２２を有する冷却水流路３，冷却水流路３の一部をなすとともに、水噴出口１２からでる微細水滴が衝突し潜熱冷却される対象であるガス・水隔壁２２よりなる。この冷却水流路３を含む部分が図２に示した部分である。ここでは、流路案内壁
１０の替りに多数の邪魔板１３を噴出孔１２の上流に設けてある。ただし、この冷却水流路３では、流路案内壁１５の一部で冷却水入口マニホールド８からの流れを閉止している。シール１６は、同じセパレータ板１に付属しており、２層を共通にカバーしてシールしている。なお、反応ガスによる搬送性や蒸発性を考えると、微細水滴には３０μｍ以下が望ましい。その動作は次に記載する。

冷却水入口マニホールド８から入った水は、流路案内壁１０に制御されて冷却水流路２内に広がり、冷却水出口マニホールド９が閉止されているため、水噴出口１２を通り、噴出して衝突水滴１７になってセパレータ板１により形成されるガス・水隔壁２２に衝突し熱を奪って一部蒸発する。この結果発生した水，水蒸気の混合流体は、邪魔板１３に制御されて、冷却作用を行っている他の微細水滴がガス・水隔壁２２に衝突するのを妨害しない保護するようにして配置する、勿論、この配置によりフィン的効果により、伝熱を促進されたのち、閉止されていない冷却水出口マニホールド９より流れ去る。

なお、伝熱工学便覧によると、水滴冷却では同じ水量で通常５〜１０倍の熱伝達率が期待できる。

このような構成により、冷却水量が１０〜２０％に低減できるため冷却水マニホールドの大きさを削減できるので、コンパクト化，高出力密度化，冷却水系補機のコンパクト化が図れるという効果がある。

図４，図５，図６に示すものは、実施例１における、緻密層から構成される層間仕切り壁１１を多孔質層間仕切り壁１９に変えて水噴出口１２をなくしたもので、撥水処理をしたものを用いる。この多孔質は、３０μｍ近傍の平均気孔を持つものを使用する。これにより、ランダムに分布する気孔をとおり、冷却水圧力により押し出されて冷却水流路２から冷却水流路３へ微細水滴となり出現する。出現した微細水滴は、その噴出の運動量と多孔質層間仕切り壁１９の撥水性により多孔質層間仕切り壁１９から分離してセパレータ板１に衝突し水滴冷却を行う。また、同時に、多孔質層間仕切り壁１９から直接蒸発して邪魔板１３を間接的に冷却もする。

このような構成にすることで、実施例１よりもさらに全体における冷却効果が向上しさらに、水の使用量ができるという効果がある。

図７，図８，図９に示すものは、実施例１における、層間仕切り壁１１をセパレータ板１（シール１６が付着しているものをセパレータ板とする）にすることで、冷却水の排出側である冷却水流路３にＣａガスを導入し、積極的に水を排出することにより伝熱効果を促進しようとしたもの。図７にあるように冷却水流路２は、シール１６により冷却水出口マニホールド９と閉じられており、唯一の出口は、冷却水流路３に向かう、複数の水噴出口１２であり、冷却水入口マニホールド８から入った水は、冷却水流路２を満たしたのち、水噴出口１２を通って冷却水流路３に向かう。図８は、冷却水流路２を示す。実施例１と異なる部分は、実施例１ではセパレータ板１の同じ側の面にあったのが、セパレータ板１を挟む反対側の面にあるため、シール１６と異なるシール２３が使用されることである。このシール２３は、図の左側では、Ｃａガス入口マニホールド２０、右側では冷却水出口マニホールド９とＣａガス出口マニホールド２１をその密封範囲に含む。

なお、図１０は、この冷却水流路３に反応ガス隔壁１８を隔てて設けられた反応ガス流路４と反応ガス流れを制御する反応ガス隔壁１８を示す。

なお、冷却水流路３は、流路案内板１５により、冷却水出口マニホールドへ、反応ガス流路４では、Ｃａガス出口マニホールド２１へ向かいやすいように抵抗をしている。

冷却水入口マニホールド８から入った水は、冷却水流路２を満たしたのち、水噴出口
１２を通り冷却水流路３に入り冷却作用を行う。このとき、同時に、Ｃａガス入口マニホールド２０からＣａガスが送り込まれて水及び除熱の結果発生した水蒸気の混合物を下流に押し流す。このため、水，水蒸気及び空気の混合物が冷却水出口マニホールド９へ押し出されるが、曲がりの加速度により水の大部分が冷却水出口マニホールド９に向かい、残りの空気，水及び水蒸気の一部はＣａガス出口マニホールド２１から排出される。このとき、反応ガス流路４では、Ｃａガスは、Ｃａガス入口マニホールド２０から送り込まれ
ＧＤＬ５を介しＭＥＡ６で電気化学反応を行い、その結果、酸素を失い発生した水蒸気を得て下流に流れてＣａガス出口マニホールド２１に排出される。

このような構成にすることで、実施例１と異なり、空気により除熱した水および水蒸気を排出でき、かつ、水の蒸発場を提供できるため伝熱を促進できるので伝熱効果をさらに促進することが可能となる。このため、さらに、小形化高出力密度化できるという効果がある。

図１１，図１２，図１３に示すものは、実施例３の変形例で、異なる点は、Ｃａガスの流れ方向を冷却水流路２の流れ方向と対抗するようにした点及び冷却水出口マニホールド９を削除した点にある。これにより、Ｃａガスが最も高温となるＣａガスの下流で冷却水が最も低温である上流の部分の水と熱交換できる。また、冷却水流路２，３の流れ方向を見ると反転しているので、これによっても温度の均一化が図れる。これにより、実施例３に比べると、さらに温度の均一性が向上する。

このようにすることにより、伝熱効果がさらに促進されるので、さらに、小形化高出力密度化できるという効果がある。

このような構成により、コンパクト化及び高出力化の高い燃料電池を提供できるという効果がある。

実施例５は、実施例１，３，４のいずれかのセパレータを積層させたスタック１００を図１５に示す。なお、実施例２の場合も水噴出口１２を用いないで多孔質にするところが異なるだけなので本実施例が準用できる。このスタックの構成は、次のとおり。Ａｎガスを供給する供給口１１２，Ｃａガスを供給する供給口１１１，冷却水を供給する供給口
１１０，両端にある絶縁板１０９，電力を外部に取り出すための集電板１１３と、本発明の２枚のセパレータ１０１を、冷却水流路部１２１側を背中合わせにしたものと、電解質膜１０２を、電極１０３，ガス拡散層１０６でサンドイッチ状に挟んだ発電部分１０５を交互に積層したスタック１００，Ａｎガスを排出する排出口１０４，Ｃａガスを排出する排出口１０８，冷却水を排出する排出口１０７。発電部分１０５には、Ａｎガス流路部
１２０とＣａガス流路部１２２が接して発電部分１０５に水素と酸素を供給する。同時に、それぞれのガスの流路部１２０，１２２の裏側に形成された冷却水流路部１２１で発電部分１０５での発熱を吸収する。

このようにすることにより、本発明のセパレータの効果により、スタック全体の反応ガス流路の温度分布の均一化ばかりでなく、さらに高出力化を図るための冷却水量の削減が図れるので、高出力密度でコンパクトなスタックが可能にできるという効果がある。

セパレータの構成を示した説明図である。（実施例１）セパレータの構成を示した説明図である。（実施例１）セパレータの構成を示した断面図である。（実施例１）セパレータの構成を示した説明図である。（実施例２）セパレータの構成を示した説明図である。（実施例２）セパレータの構成を示した断面図である。（実施例２）セパレータの構成を示した説明図である。（実施例３）セパレータの構成を示した説明図である。（実施例３）セパレータの構成を示した断面図である。（実施例３）セパレータの構成を示した説明図である。（実施例３）セパレータの構成を示した説明図である。（実施例４）セパレータの構成を示した説明図である。（実施例４）セパレータの構成を示した断面図である。（実施例４）セパレータの構成を示した説明図である。（実施例４）スタックの構成を示した説明図である。（実施例５）

符号の説明

１セパレータ板
２，３冷却水流路
４反応ガス流路
５ガス拡散層（ＧＤＬ）
６膜電極接合体（ＭＥＡ）
７ジェット冷却部
８冷却水入口マニホールド
９冷却水出口マニホールド
１０，１５，２４流路案内壁
１１層間仕切り壁
１２水噴出口
１３邪魔板
１６シール
１７衝突水滴
１８反応ガス隔壁
１９多孔質層間仕切り壁
２０Ｃａガス入口マニホールド
２１Ｃａガス出口マニホールド
２２ガス・水隔壁
２３シール
１００スタック
１０１セパレータ
１０２電解質膜
１０３電極
１０４Ａｎガス排出口
１０５発電部分
１０６ガス拡散層
１０７冷却水排出口
１０８Ｃａガス排出口
１０９絶縁板
１１０冷却水供給口
１１１Ｃａガス供給口
１１２Ａｎガス供給口
１１３集電板
１２０Ａｎガス流路部
１２１冷却水流路部
１２２Ｃａガス流路部

Claims

膜電極集合体と、
冷却水入口マニホールド及び冷却水出口マニホールドを有するセパレータ板と、
前記セパレータ板の一方の面に設けられ、反応ガスを前記膜電極集合体に案内する反応ガス流路と、
前記セパレータ板の他方の面に設けられ、冷却水流路が形成された冷却部を備える燃料電池において、
前記冷却部は、前記セパレータ板に隣接する第１の冷却水流路と、前記第１の冷却水流路に隣接する第２の冷却水流路と、前記第１の冷却水流路と第２の冷却水流路の間に設けられた層間仕切り壁とを備え、
前記層間仕切り壁は一方の冷却水流路から他方の冷却水流路に冷却水を通過させる複数の水噴出口または細孔を有し、
前記第２の冷却水流路のみが前記冷却水入口マニホールドと接続され、前記第１の冷却水流路のみが前記冷却水出口マニホールドと接続されていることを特徴とする燃料電池。
請求項１に記載の燃料電池において、前記層間仕切り壁の水噴出口から冷却水の水滴を噴出することを特徴とする燃料電池。
請求項１に記載の燃料電池において、層間仕切り壁が多孔質材であり、多孔質材の細孔から冷却水の水滴を噴出することを特徴とする燃料電池。
請求項２又は３に記載の燃料電池において、前記水滴の蒸発時の潜熱によって冷却することを特徴とする燃料電池。