JPH01294365A - 燃料電池の冷却板構造 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 この発明は、セルスタック内に組み込んだ燃料電池の発
生熱を水冷により除熱する冷却板構造に関する。

〔従来の技術〕

まず、頭記の冷却板を装備した燃料電池の一般的なセル
スタック構造を第５図に示す０図において、ｌは電解質
を保持したマトリックス層１１．燃料極１２．酸化剤極
１３．リブ付き電極基材１４．１５およびセパレータ１
６より成る単セルであり、かかる単セル１の多数個を積
層してセルスタック２を構成している。さらに、前記の
セルスタック２には数セル置きに水冷式の冷却板３が介
装されている。

この冷却板３は、前記したリブ付き電極基材１４゜１５
およびセパレータ１６と熱膨張係数が略等しいカーボン
製の冷却基板４と、該冷却基板４の層内に埋設して並置
配管された金属製の冷却パイプ５との組立体として成り
、かつ各冷却パイプ５はヘッダパイプロに一括接続した
上で外部の図示されてない冷却水供給ラインに接続され
ている。

また、冷却基板４に冷却パイプ５を埋設配管する方法と
しては、上下二つ側構造の冷却基板４の合わせ面に形成
した複数列のパイプ溝内に各冷却パイプ５を収容する方
式、あるいは−枚の冷却基板４の面上に複数列のＵ字形
パイプ溝を形成し、かつこの溝内に各冷却パイプ５を収
容した上で溝を同じカーボン材より成る蓋で塞ぐように
した方式等で実施されている。なお、当該冷却板３は燃
料電池の定常運転時には冷却パイプ５に外部より水等の
冷却媒体を通流して電池の発熱を除熱する他、特に燃料
電池の起動時には冷却パイプ５μ温水を通流して低温状
態にある電池本体を起動温度にまで昇温させるように使
用される。

ところで、上記構造のままでは、冷却基板４に形成した
パイプ溝の加工精度、冷却パイプの寸法公差等が原因で
冷却パイプ５の周面全域を完全に冷却基板４のパイプ溝
面に密着させることが実際面で極めて難しく、両者の間
には僅かながら空隙の残ることが避けられない、しかも
、空隙の熱抵抗は冷却基板４．冷却パイプ５の熱抵抗に
比べて桁違いに大きく、したがって前記のような空隙が
冷却基板４のパイプ溝と冷却パイプ５との間に僅かでも
残っていると冷却基板４と冷却パイプ５との間の伝熱性
が著しく低下するようになる。

一方、このための対策として、冷却パイプ５を冷却基板
４のパイプ溝内に収容した後に溝内の残余空隙を埋め尽
くすように伝熱性の高いグラファイト、セラミック材と
熱硬化性樹脂とを混合した充填体を充填して冷却基板４
と冷却パイプ５との間の伝熱抵抗の低減化を図るように
したものも提案、実施されている。

〔発明が解決しようとする課題〕

ところで、前記した従来の冷却板構造では、燃料電池の
実運転結果から次記のような不具合の派生することが判
明した。すなわち、前記構成では冷却基板と冷却パイプ
との間が熱硬化性樹脂の介在の下で結着し合っている。

このために運転初期では冷却基板と冷却パイプとの間で
高い伝熱性が得られるが、異種材料であるカーボン製の
冷却基板と金属製の冷却パイプとの熱膨張率の差が原因
し、燃料電池の運転、停止を繰り返す長期使用の間には
ヒートサイクルにより、特に冷却パイプと固形物である
充填体との間が剥離して両者間の接触熱抵抗が増大する
ようになる他、前記熱膨張率の差から冷却基板に不当な
熱応力が加わり、最悪の場合にはカーボンの冷却基板に
クランクが生じて破損することがある。

この発明は上記の点にかんがみ成されたものであり、そ
の目的は溝加工上の寸法精度、冷却パイプの寸法公差等
を吸収し、冷却基板と冷却パイプとの間に僅かな空隙も
残すことな（密着して嵌め合わせ、両者間に安定した高
い伝熱性が確保できるようにした燃料電池の冷却板構造
を提供することにある。

〔課題を解決するための手段〕

上記課題を解決するために、この発明は、パイプ溝を形
成したそれ自身が塑性ないし低弾性の変形可能な多孔質
カーボン板である第１の基板層と、第１の基板層の両面
に重ね合わせて結着されたそれ自身が高強度でガス不透
過性のカーボン板である第２の基板層との積層体で冷却
板を構成するものとする。

〔作用〕

上記の構成で、第１の基板層は例えばカーボン繊維材に
バインダを添加し、かつ適当な圧力で加圧成形した上で
焼成した多孔質カーボン板であり、それ自身は塑性ない
し低弾性で変形可能である。

これに対して第２の基板層は例えばグラファイトの粉末
にバインダを添加し、これを加圧成形した上で焼成した
緻密なカーボン板であり、セルスタック内に組み込んだ
状態で単セル間のガス透過を阻止するセパレータの役目
を果たすとともに、強度の弱い第１の基板層を補強して
セルスタックの組立作業の際に冷却板の取扱いを容易に
する。

なお、第１基板層の外周側面に該側面を封止するように
シールを施しておくことにより、マニホールドを通じて
供給された反応ガスが第１基板層内に侵入して混気する
のを防ぐことができる。

かかる構成により、冷却基板に冷却パイプを配管した嵌
め合い状態で、外部より力を加えて締付けることにより
、第１の基板層がパイプ溝と冷却パイプとの間の寸法誤
差を吸収するように変形して冷却パイプとの間に残余間
隙を残すことなく密着した嵌め合いが得られ、これによ
り冷却基板と冷却パイプとの間に高い伝熱性を確保する
ことができる。しかも、燃料電池の運転時における冷却
パイプと冷却基板との間の熱膨張差も変形可能な第１の
基板層が吸収するので冷却基板に不当な応力が加わるこ
ともなくなる。

〔実施例〕

第１図、第２図はそれぞれ本発明の異なる実施例の構造
断面図を示すものであり、第３図に対応する同一部材に
は同じ符号が付しである。

まず、第１図の実施例において、冷却基板４は冷却パイ
プ５が層内に配管されている第１の基板層４１と、該第
１の基板層４１をサンドインチ状に挟んでその表裏両面
に重ね合わせて結着した第２の基板ＪｉＩ４２との積層
体として成り、冷却パイプ５Ｌよ第１の基板層４１に形
成したパイプ溝４３に収めて配管されている。ここで、
前記第１の基板層４１は塑性ないし低弾性の変形可能な
多孔質のカーボン板として作られたものであり、例えば
カーボン繊維にバインダを添加し、適当な圧力を加えて
加圧成形した後に焼成して作製される。これに対して、
第２の基板層４２は高強度でガス不透過性なカーボン板
として作られたものであり、例えばグラファイトの粉末
にバインダを添加して高圧力で加圧成形した後に焼成し
て作製される。なお、第１の基板層４１と第２の基板層
４２とは同時焼成、接着等の適宜な方法で結着して一体
化されている。

また、図示例は第１の基板層４１が上下二つ側構造であ
ってその合わせ面に複数例のパイプ溝４３が形成されて
おり、このパイプ溝４３内に冷却パイプ５を収めて挟持
するように構成している。この場合に、パイプ溝４３は
あらかじめ冷却パイプ５のパイプ径よりも−回り小さく
形成されており、該パイプ溝内に冷却パイプ５を収めた
状態で外方より締付力を加えることにより、冷却パイプ
５が上下分割板４１の間に密着して挟持される。

また、図示例では、冷却基板４の外周側面に例えばふっ
素樹脂フィルムなどのシール層４４を被着して側面を封
止し、マニホールドを通じて側方から反応ガスが多孔質
な第１の基板層４１内へ侵入するのを阻止するようにし
ている。

かかる構成の冷却板は、セルスタックの組立工程で数セ
ル置きに単セルの間に介装され・かつ全体を積層方向に
締付けてセルスタックが組立てられる。なお、冷却基板
４を構成する第２の基板層４２がガス不透過性であるこ
とから、該基板層４２にセパレータの機能を持たせて第
３図に示したセルスタック構造で冷却板３に隣接するセ
パレータ１６を省略することも可能である。

一方、上記の構成により、冷却基板４に冷却パイプ５を
配管した状態では、第１の基板層４１に形成したパイプ
溝４３と冷却パイプ５の間の寸法公差を第１の基板層４
１自身の変形で吸収し、冷却パイプ５との間に僅かな間
隙も残すことなく密接した嵌め合い状態が得られる。こ
れにより冷却基板４と冷却パイプ５との間に高い伝熱性
を確保することができる他、燃料電池の運転時における
冷却基板４と冷却パイプ５の膨張差も第１の基板層４１
で吸収できるので冷却基板４に不当な応力が加わるおそ
れもない。

第２図は第１図の実施例をさらに発展させた別な実施例
を示すもので、第１図の実施例とのｑａ点は、第１の基
板層４１に付いてその板面方向にカーボン材が疎の領域
４５と、カーボン材が密の領域４６とが交互に並んで成
形されており、かつ冷却パイプ５が線領域４４に配管さ
れている点にある。なお、この線領域４５と密領域４６
は、第１の基板層４１を製作する際にカーボン繊維材の
充填割合を変えることにより容易に形成できる。

このように第１の基板層４１に疎、密領域４５．４６を
形成して冷却パイプ５を線領域４５に配管した構成とす
るにより、冷却パイプ５と前記線領域４５の部分との間
で密接な嵌め合い状態を得て両者間に高い伝熱性を確保
しつつ、一方では密領域４６の部分でセルスタックの積
層方向に電気抵抗の小さな導電路を確保することができ
る。

さらに、第３図、第４図はそれぞれ第１図、第２図の実
施例に対応した応用実施例であり、第１ｆ）基板層４１
の側面にはフィルム状のシール層（第１図、第２図の実
施例）の代わりに、第２の基板層４２と同様に例えばグ
ラファイトの粉末にパインダを添加して加圧成形した後
に焼成したガス不透過部４７が設けである。なお、この
ガス不透過部４７は第１の基板層４１を焼成する際に同
時に焼成、接着して一体化することができる。また、４
８は上下に重なり合うガス不透過部４７の間を封止して
上下の分割面を通して外部から反応ガスが侵入するのを
阻止するシール層である。

なお、冷却基板４の側面を封止する手段として、第１図
２第２図の実施例に示したシール層４４、あるいは第３
図、第４図の実施例に示したガス不透過部４７は、側方
からの反応ガスの侵入を阻止する機能として同等な効果
が得られ、いずれの手段を採用するかは冷却基板４の製
作工程との兼ね合いで選択される。

〔発明の効果〕

以上述べたようにこの発明によれば、冷却基板を、パイ
プ溝を形成したそれ自身が塑性ないし低弾性の変形可能
な多孔質カーボン板である第１の基板層と、第１の基板
層の両面に重ね合わせて結着されたそれ自身が高強度で
ガス不透過性のカーボン板である第２の基板層との積層
体として構成したことにより、基板側のパイプ溝と冷却
パイプ針との間の寸法公差を第１の基板層の変形により
吸収し、冷却基板と冷却パイプとの間に密接した嵌め合
い状態を確保して高い伝熱性を得ることができる。しか
も第２の基板層が高強度、ガス不透過性であり、これに
より強度の弱い第１の基板層を補強してセルスタック組
立の際に冷却板を単体として容易に取扱えるとともに、
第２の基板層をそのまま単セル間のセパレータとして反
応ガスの透過を阻止する役目を果たせる等、伝熱性、信
鯨性の面で優れた燃料電池の冷却板構造を提供すること
ができる。

【図面の簡単な説明】

第１図、第２図、第３図、第４図はそれぞれ本発明の異
なる実施例の構成断面図、第５図は冷却板を装備した燃
料電池のセルスタック構成図である。各図において、 ２：セルスタック、３：冷却板、４：冷却基板、４１：
第１の基板層、４２：第２の基板層、４３：パイプ溝、
５：冷却パイプ。 第１図 第２聞 第３図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １）セルスタックに組み込まれたカーボン製の冷却基板
   と、該冷却基板に形成したパイプ溝内に収めて配管され
   た金属製の冷却パイプとの組立体として成り、前記冷却
   パイプに外部より冷却媒体を通流して燃料電池の発生熱
   を除熱するようにした燃料電池の冷却板構造において、
   前記冷却基板が、パイプ溝を形成したそれ自身が塑性な
   いし低弾性の変形可能な多孔質カーボン板である第１の
   基板層と、第１の基板層の両面に重ね合わせて結着され
   たそれ自身が高強度でガス不透過性のカーボン板である
   第２の基板層との積層体として成ることを特徴とする燃
   料電池の冷却板構造。