JP5426083B2 - 冷却板 - Google Patents

Description

本発明は、冷却板に関し、特に、燃料電池などの冷却プロセスに使われる冷却板に係り、部位別の温度偏差を減らすことができるように流路が改善された冷却板に関する。

一般的に、燃料電池は、燃料の有する化学エネルギーを化学反応により直接電気エネルギーに変える装置であり、燃料が供給される限り続けて電気を作りだすことができる一種の発電装置である。

図１は、かかる燃料電池のエネルギー転換構造を概略的に示したものであり、図面でのように、カソード１に酸素を含んだ空気が、アノード３に水素を含有した燃料が供給されれば、電解質膜２を介して水の電気分解と逆反応が進みつつ、電気が発生する。

ところで、一般的にかかる単位セル１０の一つから発生する電気は、有用に使われるほどにその電圧が高くないために、図２に示すように、いくつかのセル１０を直列に連結したスタック２０の形態で使用する。このスタック２０に積層されている各セル１０には、図３に図示されているように、バイポーラプレート４の面流路４ａを備え、水素や酸素が各電極１，３に供給されて回収されるための流路が連結されている。

従って、図２に示すように、スタック２０のエンドプレート２１を介して外部から水素と酸素とを供給すれば、各セル１０の流路を介し、該当電極に該当物質が経由して循環する。もちろん、前述のように、水素は、化学燃料の状態で、酸素は空気の状態で供給される。

一方、このような電気化学反応過程では、電気だけではなく、熱も共に発生するために、燃料電池の円滑な稼動のためには、この熱を継続して冷却する必要がある。このために、燃料電池には、図２でのような熱交換器３０が共に備わっており、スタック２０には、熱交換用の冷却水が通過するための冷却板５が５，６個のセル１０ごとに設置されている。

従って、冷却水がこの冷却板５の流路５ａ（図３）を通過しつつスタック２０内の熱を冷却水が吸収し、このように熱を吸収した冷却水は、熱交換器３０内で二次冷却水（副冷却水）により冷やされた後で、再びスタック２０中へ循環する。

ところで、かかる冷却が進むときの冷却板５の部位別温度を測定してみれば、図４に図示されているように、吸熱作用が最も活発な中央部５ａ−２の温度が最も高く、冷却水が入って出て行く流入口５ａ−１と流出口５ａ−３との周辺の温度は、相対的に低い分布を示す。これは、熱交換器３０で冷やされた冷却水が流入口５ａ−１に入った後、中央部５ａ−２を通過しつつ最も多くの熱を吸収し、さらに中央部５ａ−２を通過して流出口５ａ−３に抜け出る間に若干冷えるために、当然のこととして予測される温度分布である。

特開平９−０３５７２６号公報 特開平７−１７６６５４号公報 特開平７−１０５９６０号公報 特開平５−２９９５４９号公報 大韓民国特許公開第２００６−００４４９０４号明細書 米国特許第６４９２０５５号明細書

しかしながら、冷却板５の中央部と両端部との間の温度偏差が非常に大きくなるという問題がある。すなわち、実際に温度偏差を測定した結果によれば、図４に示すように、中央部の温度は約１５０℃に至り、流入口５ａ−１付近は約１３５℃、流出口５ａ−３付近は約１４０℃になり、同じ冷却板５内で、部位別に１０℃〜１５℃の非常に大きな温度偏差が生じることが示されている。このように、温度偏差が大きくなると、熱応力を受けて冷却板５が変形する場合があるばかりではなく、何よりも隣接したセル１０での電気化学反応にも好ましくない影響を及ぼしうる。すなわち、温度偏差が大きくなると、セル１０内の電解質膜２でも部位別に抵抗値が大きく異なるために、電流密度の偏差が激しくなり、この結果、安定した電圧を生成できなくなる。従って、かかる問題点を解決するためには、部位別温度偏差を最小化できる新しい形態の冷却板が要求されている。

そこで、本発明は、上記問題に鑑みてなされたものであり、本発明の目的とするところは、部位別の温度偏差を可能な限り減らすことが可能な、新規かつ改良された冷却板を提供することにある。

上記課題を解決するために、本発明のある観点によれば、発熱体の熱を吸収する冷却水の流路が設けられた冷却板において、前記流路は、前記冷却水が出入りする流入口及び流出口付近の体積に比べて前記流入口及び流出口の間の中央部の体積が大きく、その中央部を通過する冷却水の流量が前記流入口及び流出口付近に比べて相対的に多くなることを特徴とする、冷却板が提供される。

ここで、前記流路は、前記流入口付近の体積に比べて前記流出口付近の体積の方がより大きいものであってもよい。

また、前記冷却板は、前記冷却水が前記流入口から流出口に至る少なくとも一部の領域で垂直に流れるように配置されたものであってもよい。

また、前記発熱体は、燃料電池のスタックに装着されたセルであり、そのセルでのエネルギー変換過程中に発生する熱を冷却するために使用されるものであってもよい。

また、前記流路は、前記流入口及び流出口付近の流路断面積に比べて前記流入口及び流出口の間の中央部の流路断面積が大きいものであってもよい。

本発明の冷却板は、以下のような効果を奏する。
第一に、冷却水が通過する流路を部位別に差別化して温度偏差を減らすことにより、熱応力による変形を抑えることができる。
第二に、温度偏差が減少するために、燃料電池のような発熱体を冷却する際に、温度偏差による抵抗変化などの発生を抑えることができる。従って、発熱体、すなわち、冷却対象体の安定した性能を保証できる。
第三に、バイポーラプレート内の均一な温度分布を介して熱的ストレスを減らすことにより、プレートまたはスタック構成要素の熱的耐久性の増大、ＭＥＡ（Ｍｅｍｂｒａｎｅ Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ Ａｓｓｅｍｂｌｙ）の耐久性増大のような効果を得ることができる。
第四に、ＭＥＡの温度偏差を既存のものより２倍以上減らすことにより、電流密度の安定性などを得ることができる。

以下に添付図面を参照しながら、本発明の好適な実施の形態について詳細に説明する。なお、本明細書及び図面において、実質的に同一の機能構成を有する構成要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略する。

図５は、本発明の一実施形態による冷却板１００が使用される燃料電池のスタック７０を図示したものであり、図６は、その冷却板１００を拡大して図示したものである。

図示されているように、本実施形態の冷却板１００も、例示された燃料電池のスタック７０に装着されて冷却水を流路１１０に流しつつ、発熱体から熱を吸収する役割を行う。すなわち、各冷却板１００の流入口１１０ａを介して入った冷却水は、流路１１０を流れつつ、発熱体である燃料電池のセル１０から熱を吸収し、流出口１１０ｂを介して抜け出した後、熱交換器３０の副冷却水で冷却されて再び燃料電池のスタック７０に戻ってくる循環を行う。

ところで、本実施形態の冷却板１００は、流路１１０が既存のように一直線型に形成されておらず、中央部１１２が両端部１１１，１１３に比べて冷却水をさらに多く収容できるように、体積が差別化された様子に形成されている。これは、冷却板１００の中央部１１２が両端部１１１，１１３に比べてさらに多くの熱と接触するために、冷却能力をさらに高めるための措置であり、本実施形態では、流路１１０の幅を差別化して体積を区間別に異なって設けている。すなわち、中央部１１２の流路１１０の幅を、両端部である流入口１１０ａの付近の領域１１１及び流出口１１０ｂの付近の領域１１３より広くし、冷却水が収容される空間を大きくすることにより、中央部１１２の冷却能力を相対的にさらに大きくしたのである。このように、本実施形態では、中央部１１２の流路１１０の体積が、両端部である流入口１１０ａの付近の領域１１１及び流出口１１０ｂの付近の領域１１３の流路の体積よりも大きくなるように構成されている。この構成を実現するため、例えば、中央部１１２の流路断面積を、両端部である流入口１１０ａの付近の領域１１１及び流出口１１０ｂの付近の領域１１３の流路断面積よりも大きくなるように構成することができる。また、中央部１１２の流路の体積を両端部の領域１１１及び領域１１３の流路の体積よりも大きくするため、流路１１０の幅を調整する他に、流路１１０の長さ、冷却板１００の厚さ方向における流路１１０の深さを調整しても良い。これにより、中央部１１２を流れる冷却水の量が流入口１１０ａの付近の領域１１１や流出口１１０ｂの付近の領域１１３に比べて多くなるために、相対的に熱が多く発生する領域が冷却水により接触することになり、多量の熱を吸収できるようになる。

このように区間別に冷却能力が差別化された冷却板１００を燃料電池に装着して使用した場合の区間別温度をシミュレーションした結果、図７のグラフのような結果を確認することができた。ここでは、流入口１１０ａの付近の領域１１１−中央部１１２−流出口１１０ｂの付近の領域１１３の流路１１０の幅をそれぞれ３ｍｍ−７ｍｍ−４ｍｍにした場合（実線）と、３ｍｍ−５ｍｍ−４ｍｍにした場合（点線）とに設定してシミュレーションを実施したが、グラフに示されているように、いずれの場合にも従来に比べて中央部１１２の温度が大幅に低くなっているということが分かる。これは、中央部１１２の冷却能力増大によるものであり、冷却板１００の部位別最高温度と最低温度との差も既存に比べて半分程度に小さくなっている。従って、部位別温度偏差が既存の１／２に減少するので、熱応力による変形発生の可能性や抵抗変化による電流密度偏差発生の可能性を顕著に減らすことができる。

図８は、流入口１１０ａの付近の領域１１１−中央部１１２−流出口１１０ｂの付近の領域１１３の流路１１０の幅をそれぞれ３ｍｍ−７ｍｍ−４ｍｍにした場合において、冷却水の流量を最大水位の８０％とした場合（実線）と、５０％とした場合（点線）との冷却板１００の温度分布をシミュレーションしたものである。ここでも、流量によって全体的に温度が増減することはあるが、同様に既存に比べて、部位別温度偏差は大きく減少するということを確認することができる。

図９は、発熱量の尺度のヒートフラックス（ｈｅａｔ ｆｌｕｘ）の多い場合（実線）と少ない場合（点線）とでの温度分布を、既存と比較してシミュレーションしたものであり、同様に発熱量による全体的な温度の増減はあるが、部位別温度偏差が減少するパターンはそのまま示されている。

従って、かかるシミュレーション結果を総合してみれば、本実施形態のように中央部１１２の冷却水収容体積を両端部１１１，１１３に比べて大きくした場合、さまざまな変数が作用しても、冷却板１００の部位別温度偏差を、既存に比べて１／２レベルに減らすことができるということには、変わりないということが分かる。

一方、上述した実施形態では、流入口１１０ａの付近の領域１１１と流出口１１０ｂの付近の領域１１３とのうちで、流出口１１０ｂの付近の領域１１３の体積をさらに大きくした場合を例示したが、もちろん反対に流入口１１０ａの付近の領域１１１がさらに大きくなるように設けることも可能である。ところで、そのようにする場合には、図１０のシミュレーション結果に示されているように、流出口１１０ｂの付近の領域１１３の温度が高まり、全体的な温度偏差が８〜９℃ほど生じるということが分かる。これは、流入口１１０ａの付近の領域１１１は、冷えた冷却水が通過する区間であり、流出口１１０ｂの付近の領域１１３が中央部１１２を通過した吸熱状態の冷却水が通過する区間であるので、相対的に流出口１１０ｂの付近の領域１１３の温度が高いのであるが、反対に流出口１１０ｂの付近の領域１１３の流路１１０を小さくしたために示される現象と判断される。もちろん、中央部１１２の温度が低くなるので、既存に比べては全体的な温度偏差が多少減るが、望ましくは、流路１１０の体積を「中央部１１２＞流出口１１０ｂの付近の領域１１３＞流入口１１０ａの付近の領域１１１」の順序にすることが温度偏差を最小化するにおいて最も効果的である。

なお、前記の実施形態では流路１１０の幅を異にして冷却水が収容される体積を変化させたが、それ以外に、流路の深さや長さを差別化して体積を調整することが可能であることはいうまでもない。

以上、添付図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明は係る例に限定されないことは言うまでもない。当業者であれば、特許請求の範囲に記載された範疇内において、各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、それらについても当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。

本発明の流路の改善された冷却板は、例えば、燃料電池関連の技術分野に幅広く効果的に適用可能である。

一般的な燃料電池の発電原理を示した図である。 従来の冷却板が採用された燃料電池のスタック構造を図示した図である。 図２に図示された燃料電池のスタック中の単位セルでの物質循環構造を示した図である。 図２に図示された冷却板の部位別温度分布を示した図である。 本発明の冷却板が採用された燃料電池のスタック構造を図示した図である。 図５に図示された冷却板を拡大して図示した図である。 図５に図示された冷却板の部位別温度分布を、さまざまな変数を調整してシミュレーションした結果を表した特性図である。 図５に図示された冷却板の部位別温度分布を、さまざまな変数を調整してシミュレーションした結果を表した特性図である。 図５に図示された冷却板の部位別温度分布を、さまざまな変数を調整してシミュレーションした結果を表した特性図である。 図５に図示された冷却板の部位別温度分布を、さまざまな変数を調整してシミュレーションした結果を表した特性図である。

符号の説明

１ カソード
２ 電解質膜
３ アノード
４ バイポーラプレート
４ａ バイポーラプレートの面流路
５，１００ 冷却板
５ａ 冷却板の流路
５ａ−１，１１０ａ 冷却板の流入口
５ａ−２，１１２ 冷却板の中央部
５ａ−３，１１０ｂ 冷却板の流出口
１０ セル
２０，７０ スタック
２１ スタックのエンドプレート
３０ 熱交換器
１１０ 流路
１１１ 冷却板の端部（流入口付近）
１１３ 冷却板の端部（流出口付近）

Claims (4)

1. 発熱体の熱を吸収する冷却水の流路が設けられた冷却板において、
   前記流路は、前記冷却水が出入りする流入口及び流出口付近の体積に比べて前記流入口及び流出口の間の中央部の体積が大きく、
   前記流路は、前記流入口付近の体積に比べて前記流出口付近の体積の方がより大きく、前記流路の体積は、前記中央部、前記流出口付近、前記流入口付近の順で大きいことを特徴とする、冷却板。
2. 前記冷却水が前記流入口から前記流出口に至る少なくとも一部の領域で鉛直方向に流れるように配置されたことを特徴とする、請求項１に記載の冷却板。
3. 前記発熱体は、燃料電池のスタックに装着されたセルであり、そのセルでのエネルギー変換過程中に発生する熱を冷却するために使用されることを特徴とする請求項１又は２に記載の冷却板。
4. 前記流路は、前記流入口及び流出口付近の流路断面積に比べて前記流入口及び流出口の間の中央部の流路断面積が大きいことを特徴とする、請求項１に記載の冷却板。

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