WO2005062409A1 - スタックの冷却方法及び固体高分子電解質型燃料電池 - Google Patents

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polymer electrolyte
liquid refrigerant
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Koji Okazaki
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Honda Motor Co., Ltd.
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    • Y02E60/30—Hydrogen technology
    • Y02E60/50—Fuel cells

Definitions

  • the present invention relates to a stack cooling method for cooling a stack formed by stacking a plurality of unit power generation cells including a solid polymer electrolyte, and a solid polymer electrolyte fuel cell including the stack.
  • An electrolyte 'electrode assembly of a solid polymer electrolyte fuel cell is formed by interposing a solid polymer, for example, a perfluorosulfonic acid polymer membrane as an electrolyte between an anode electrode and a force source electrode. Is done.
  • a unit power generation cell is formed by sandwiching the electrolyte-electrode assembly between a pair of separators, and a stack is formed by stacking a plurality of the unit power generation cells.
  • a current collecting plate is disposed at each end of the stack, and one current collecting plate is electrically connected to the anode electrode of each unit power generation cell, and the other one of the current collecting plates is connected to the power collecting plate. It is electrically connected to the power source side electrode of each unit power generation cell.
  • the stack is generally configured to include a metal cooling plate in addition to the unit power generation cells.
  • the cooling plate is interposed at a rate of one for every two or three unit power generation cells stacked, and in some cases, is interposed between the unit power generation cells.
  • Patent Document 1 JP-A-5-283091
  • the cooling plate is usually made of metal, and the piping, heat exchange, and the like that constitute the refrigerant supply and discharge system are usually made of metal.
  • Patent Document 1 even when an insulating organic solvent is used as a refrigerant, metal powder and the like adhering to cooling plates, pipes, heat exchangers, and the like can be used as an insulating organic solvent.
  • electricity may flow through the metal powder and the like when mixed into the solvent.
  • a ground fault or a liquid fault occurs, and the output of the solid polymer electrolyte fuel cell decreases.
  • this type of solid polymer electrolyte fuel cell requires a large space for installing the solid polymer electrolyte fuel cell because the coolant supply and discharge system is connected to the stack.
  • a general object of the present invention is to provide a stack cooling method capable of avoiding occurrence of a ground fault or a liquid fault.
  • a main object of the present invention is to provide a solid polymer electrolyte fuel cell having a small installation space.
  • an electrolyte-electrode assembly in which a solid polymer electrolyte is interposed between an anode-side electrode and a force-sword-side electrode, and the electrolyte-electrode assembly is sandwiched.
  • the stack since the stack is immersed in the insulating liquid refrigerant, it is not necessary to provide a refrigerant passage for flowing the refrigerant through the stack, and it is necessary to connect a pipe for supplying and discharging the refrigerant to the stack.
  • the polymer electrolyte fuel cell can be reduced in size and weight, and the installation space can be reduced.
  • the solid polymer electrolyte fuel cell is efficiently cooled by immersion, and the occurrence of liquid or ground fault is avoided by using an insulating liquid refrigerant.
  • FIG. 1 is a schematic overall perspective view of a solid polymer electrolyte fuel cell according to the present embodiment.
  • FIG. 3 is a plan sectional view of the stack of FIG. 2.
  • the MEA 28 is sandwiched between a pair of separators 34 and 36, and the separator 34 in contact with the anode 22 is provided with a first gas passage 38 through which hydrogen as a fuel gas flows. I have.
  • the separator 36 in contact with the force side electrode 24 is provided with a second gas passage 40 through which air as an oxidizing gas containing oxygen flows.
  • the current collecting plate 60 is electrically connected to the anode 22 of each unit power generation cell 18, and the current collecting plate 58 is electrically connected to the force side electrode 24.
  • a gas outlet 74, a first gas supply port 76 for supplying hydrogen, and a second gas supply port 78 for supplying air are provided.
  • the second gas outlet 72, the first gas outlet 74, the first gas supply 76, and the second gas supply 78 are connected to the second gas discharge passage 48, the first gas discharge passage 50, and the first gas supply passage 52.
  • the second gas supply passage 54 is provided below the end plates 62 and 64.
  • two stay portions 80 are formed so as to protrude along the stacking direction of the unit power generation cells 18 (the direction of arrow B in FIG. 2).
  • a plate member 88 is provided upright on the inner wall surface of the stack housing case 14, and each plate member 88 extends in a direction protruding toward each side surface of the stack 12. For this reason, the stack 12 is housed in a substantially central portion of the stack housing case 14 so as to be surrounded by the tip of the plate member 88.
  • five through holes are provided on one side surface of the stack housing case 14, and among the through holes provided at the four corners, (2)
  • Pipe 94 and the second gas supply pipe 96 The
  • a through-hole provided at a substantially central portion of the side surface has a refrigerant circulation pump to be described later.
  • an insulating coating made of a material such as PTFE on the outer peripheral wall surfaces of the second gas discharge pipe 90, the first gas discharge pipe 92, the first gas supply pipe 94, and the second gas supply pipe 96.
  • the inner wall surface and the plate member 88 of the stack housing case 14 configured as described above are provided with a film made of PTFE.
  • the organic solvent 108 a liquid having a boiling point lower than the operating temperature of the stack 12 is selected.
  • Specific examples include lower alcohols such as methanol and ethanol, and fluorine compound solvents such as perfluorocarbon and alternative fluorocarbons.
  • the organic solvent 108 is preferably a liquid that can be boiled in a nucleate boiling state, that is, a liquid in which bubbles are generated with a foaming point as a nucleus. If so-called film boiling occurs, the entire stack 12 is covered with the vapor film, and the contact area force S with the organic solvent 108 is reduced, so that there is a concern that the cooling efficiency of the stack 12 is reduced.
  • the organic solvent 108 to be surely boiled in a nucleate boiling state has a boiling point of the operation of the stack 12. It is preferable to select a liquid 10-25 ° C lower than the temperature. When the operating temperature of the stack 12 is a liquid having a boiling point minus 10 ° C or less, nucleate boiling hardly occurs. When the operating temperature of the stack 12 is a liquid whose boiling point is less than 25 ° C., the tendency of boiling due to film boiling increases. It is more preferable to select an organic solvent 108 having a value obtained by subtracting the boiling point from the operating temperature of the stack 12 within the range of 11 to 23 ° C.
  • the condenser 16 is positioned and fixed above the opening of the stack housing case 14 by the bolt 110 (see FIG. 1).
  • the condenser 16 has a fin portion 112 provided with a fin extending in the direction of arrow A in FIG. 1, and a fin 114 provided at the one end of the fin portion 112 so as to protrude and extend vertically.
  • a collection unit 118 disposed at the lower end of the guide unit 116.
  • at least the fin portion 112 and the guide portion 116 are provided with a film made of PTFE.
  • the height of the fins of fin portion 112 increases slightly as the distance from guide portion 116 increases.
  • the fins lower from the ends connected to the first gas supply port 76 and the second gas supply port 78 side end of the stack housing case 14 as they approach the guide part 116. It is slightly inclined.
  • a suction pipe 122 leading to a refrigerant circulation pump 98 is connected to a drain window 120 provided on one end surface of the collection section 118 (see FIG. 1).
  • the refrigerant circulation pump 98 constitutes a circulation mechanism for returning the organic solvent 108 condensed in the condenser 16 to the stack accommodating case 14 after being vaporized as the stack 12 is cooled, as described above. Further, the discharge pipe 100 from the refrigerant circulation pump 98 is passed through a through hole provided on one end surface of the stack housing case 14.
  • suction pipe 122 and the discharge pipe 100 pipes in which lining force is previously applied to the inner peripheral wall thereof are preferable. Further, it is preferable to provide an insulating film on at least the outer peripheral wall of the discharge pipe 100 for the above-described reason.
  • the solid polymer electrolyte fuel cell 10 according to the present embodiment is basically configured as described above. Next, the operation and effect thereof will be described in relation to the cooling method of the stack 12.
  • the stack 12 is placed on a rubber supporting spacer 82 installed on the bottom surface of the stack housing case 14, and A part 80 of each of the end plates 62 and 64 is connected to the bottom of the stack housing case 14 (see FIGS. 4 and 6). As a result, the stack 12 housed in the stack housing case 14 is positioned and fixed.
  • a second gas discharge pipe 90, a first gas discharge pipe 92, a first gas supply pipe 94, a second gas supply pipe 96, and a discharge hole are formed in through holes provided in one end surface of the stack housing case 14. Pass the pipes 100 through each (see Fig. 1) and connect the pipes 90, 92, 94, 96, 100 to the second gas outlet 72, the first gas outlet 74, the first gas supply port 76, the second gas supply Port 78 and refrigerant circulation pump 98, respectively.
  • the terminal cables 102, 104 are passed through the through-holes on the end face opposite to the one end face, and the terminal cables 102, 104 are connected to the tab portions 56, 56 of the current collecting plates 58, 60.
  • an insulating organic solvent 108 such as Novec HFE-7100 ⁇ Novec HFE-7200 is stored in the stack housing case 14.
  • an insulating organic solvent 108 such as Novec HFE-7100 ⁇ Novec HFE-7200 is stored in the stack housing case 14.
  • the inner wall surface of the stack accommodating case 14 and the plate member 88 are provided with a PTFE film, it is possible to prevent metal powder from being mixed into the organic solvent 108 from the stack accommodating case 14 and the plate member 88.
  • the stack 12 includes the cooling plate 20, between the first convex portion 42 and the separator 36 of the cooling plate 20, and between the second convex portion 44 and the separator 34. There are gaps between them (see Fig. 3). Therefore, when the organic solvent 108 is stored in the stack housing case 14, the organic solvent 108 flows into the stack 12.
  • the amount of the organic solvent 108 is such that the liquid level is higher than the upper end surface of the stack 12 (see FIGS. 5 and 6).
  • the condenser 16 is positioned and fixed to the upper portion of the opening of the stack housing case 14 via the bolt 110 (see FIG. 1), and the suction pipe 122 is connected to the collection part 118 of the condenser 16 and the refrigerant circulation pump.
  • the solid polymer electrolyte fuel cell 10 is constituted.
  • the protons move through the solid polymer electrolyte membrane 26 and reach the force side electrode 24, and the oxygen in the air supplied to the cathode side electrode 24 and the force via the terminal cable 104 It reacts with the electrons that have reached the sword side electrode 24 to generate moisture.
  • Unreacted hydrogen is discharged from the first gas passage 38 via the first gas discharge pipe 92 via the first gas discharge port 74. Further, the moisture, unreacted oxygen, and nitrogen in the air generated at the force side electrode 24 are discharged from the second gas passage 40 to the second gas discharge pipe 90 via the second gas discharge port 72. .
  • the rubber supporting spacer 82 supporting the stack 12 is an insulator, and a gap exists between the stack 12 and the stack accommodating case 14.
  • an insulating film having a PTFE force is formed on the inner wall surface of the stack housing case 14. Therefore, no liquid or ground faults occur.
  • the temperature of the stack 12 increases to 80 to 90 ° C.
  • the boiling point of the organic solvent 108 is lower than the operating temperature of the stack 12, The solvent 108 starts to boil and evaporate. At this time, heat is taken from the stack 12 by the latent heat, and the stack 12 is cooled.
  • the organic solvent 108 is a liquid that causes nucleate boiling
  • air bubbles are continuously generated on the outer surface of the stack 12. These bubbles quickly escape from the stack 12 and then rapidly rise in the organic solvent 108. Therefore, the outer surface of the stack 12 is not covered with bubbles. Therefore, the stack 12 is cooled efficiently.
  • the organic solvent 108 flows into the stack 12 in the present embodiment. For this reason, the amount of heat is also quickly taken away inside the stack 12, so that the stack 12 can be cooled more efficiently.
  • the vaporized organic solvent 108 further increases the liquid surface force as vapor, and the fin portion of the condenser 16
  • the liquid is condensed by being cooled by the fins of the fin portion 112 to form droplets.
  • a part of the droplet is dropped from the fin portion 112 to the stack housing case 14.
  • the fins that are not dripped incline so as to become lower as the fins approach the guide portion 116, the fins flow toward the guide portion 116 along the fin.
  • the liquid droplets that have reached the guide portion 116 are collected by the collection portion 118 along the fins 114 and under the action of the refrigerant circulation pump 98 via the suction pipe 122 and the discharge pipe 100.
  • the steam that has reached the guide portion 116 without being aggregated in the fin portion 112 is condensed by the guide fin 114 and returns to the stack housing case 14 along the same route as described above.
  • the fin portion 112 and the guide portion 116 of the condenser 16 are provided with a PTFE film, it is possible to prevent metal powder from entering the droplets from the fins and the guide fins 114.
  • the solid polymer electrolyte fuel cell 10 can be space-saving, and the solid polymer electrolyte fuel cell 10 can be efficiently cooled. it can. Furthermore, it is possible to reliably avoid occurrence of a liquid junction or a ground fault.
  • the solid polymer electrolyte fuel cell 10 having such a configuration can be used, for example, mounted on an automobile. When the vehicle is driven and the vehicle body tilts when traveling on a curve or on an uneven road surface, the organic solvent 108 stored in the stack housing case 14 is blocked by the plate member 88. For this reason, the stack 12 can be prevented from being exposed from the organic solvent 108, so that the stack 12 can be reliably cooled.
  • the organic solvent 108 condensed by the fins of the condenser and formed into droplets is dropped into the stack housing case 14 only by stacking.
  • the organic solvent 108 vaporized by cooling the 12 may be returned to the stack housing case.

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Abstract

　固体高分子電解質型燃料電池(10)のスタック(12)は、スタック収容ケース(14)内で有機溶媒等の液体冷媒(108)に浸漬され、この状態で運転される。これに伴って発生した熱量によって温度が上昇したスタック(12)は、液体冷媒(108)によって冷却される。スタック(12)を冷却した液体冷媒(108)は気化し、凝縮器(16)によって凝縮されてスタック収容ケース(14)に戻る。

Description

スタックの冷却方法及び固体高分子電解質型燃料電池
技術分野
[0001] 本発明は、固体高分子電解質を含む単位発電セルが複数個積層されて形成され たスタックを冷却するスタックの冷却方法及び前記スタックを具備する固体高分子電 解質型燃料電池に関する。
背景技術
[0002] 固体高分子電解質型燃料電池の電解質'電極接合体は、固体高分子、例えば、パ 一フルォロスルホン酸ポリマー膜が電解質としてアノード側電極と力ソード側電極との 間に介装されて構成される。この電解質'電極接合体が 1対のセパレータで挟持され ることによって単位発電セルが構成され、さらに、この単位発電セルが複数個積層さ れること〖こよってスタックが構成される。スタックの各端部には集電プレートがそれぞ れ配設され、一方の集電プレートが各単位発電セルのアノード側電極と電気的に接 続されるとともに、残余の一方の集電プレートが各単位発電セルの力ソード側電極と 電気的に接続される。
[0003] ここで、スタックは、前記単位発電セルの他に金属製の冷却用プレートを含めて構 成されるのが一般的である。冷却用プレートは、単位発電セルが 2— 3個積層される 毎に 1枚の割合で介在され、場合によっては、単位発電セル同士の間に介在される ことちある。
[0004] 冷却用プレートには、冷媒を流通させるための冷媒通路が設けられている。この冷 媒通路には、固体高分子電解質型燃料電池が運転される際、スタックに連結された 冷媒供給'排出システムを介して冷媒が流通される。これにより、スタックの運転温度 力 ¾0— 90°Cに維持される。その一方で、各単位発電セルにて発生した電子は、前 記集電プレートから取り出され、外部に接続された負荷を付勢するための電気エネ ルギとなる。
[0005] ところで、このようにスタックの内部に冷媒を流通させた場合、この冷媒が水等の導 電性であると、該冷媒中に電気が流れることが懸念される。このような事態が生じると 、冷媒供給'排出システムにまで電気が流れ、その結果、地絡や液絡が発生して固 体高分子電解質型燃料電池の出力が低下してしまう。
[0006] そこで、先ず、冷媒を流通させる冷媒通路に絶縁性皮膜を設けることが想起される 。し力しながら、冷媒通路は開口面積が小さい上、屈曲部が存在することもあり、絶縁 性皮膜を設けることは困難である。
[0007] 次に、特許文献 1に記載されているように、絶縁体である有機溶媒を使用することが 想起される。
特許文献 1：特開平 5— 283091号公報
発明の開示
発明が解決しょうとする課題
[0008] 上記したように、冷却用プレートは金属からなり、また、冷媒供給'排出システムを構 成する配管や熱交 等も金属カゝら構成されるのが通常である。このため、特許文 献 1に記載されているように、冷媒として絶縁性有機溶媒を使用した場合であっても、 冷却用プレートや配管、熱交換器等に付着した金属粉等が絶縁性有機溶媒に混入 し、この金属粉等を介して電気が流れることが懸念される。勿論、この場合においても 地絡や液絡が発生し、固体高分子電解質型燃料電池の出力が低下する。
[0009] また、この種の固体高分子電解質型燃料電池は、スタックに冷媒供給'排出システ ムを連結するため、固体高分子電解質型燃料電池を設置するのに大きなスペースを 必要とする。
[0010] 本発明の一般的な目的は、地絡や液絡が発生することを回避可能なスタックの冷 却方法を提供することにある。
[0011] 本発明の主たる目的は、設置スペースが小さな固体高分子電解質型燃料電池を 提供することにある。
[0012] 本発明の一実施形態によれば、アノード側電極と力ソード側電極との間に固体高分 子電解質が介在された電解質 ·電極接合体と、前記電解質 ·電極接合体を挟持する 第 1セパレータ及び第 2セパレータとを有する単位発電セルが複数個積層されて形 成されたスタックを冷却するスタックの冷却方法であって、
前記スタックをスタック収容ケース内で電気絶縁性の液体冷媒に浸漬することによ つて該スタックを冷去 Pし、
前記スタックを冷却することに伴って前記スタック収容ケース力 気化した液体冷媒 を凝縮器で凝縮させ、前記スタック収容ケースに戻すスタックの冷却方法が提供され る。
[0013] スタックを冷媒に浸漬して冷却することにより、スタックに冷媒を流通させる必要がな くなる。従って、スタックに冷媒通路を設ける必要も、冷媒通路に絶縁性皮膜を設ける 必要もない。
[0014] また、冷媒として絶縁性の液体を使用することにより、冷媒への電気伝導、ひいて は液絡や地絡が起こることが回避されるので、スタックを浸漬することに伴って固体高 分子電解質型燃料電池の発電性能が低下することもない。
[0015] 液体冷媒を、核沸騰状態で沸騰させて気化させることが好ま ゝ。膜沸騰状態で沸 騰させると、スタックが蒸気膜で覆われて液体冷媒との接触面積力 、さくなるので、ス タックの冷却効率が低下することが懸念される。確実に核沸騰を起こさせるには、液 体冷媒として、沸点がスタックの運転温度に比して 10— 25°C低い液体を使用するこ とが好ましい。
[0016] そして、スタックの内部に液体冷媒を流入させることが好ましい。これによりスタック が内部からも冷却されるので、冷却効率が一層向上する。
[0017] 本発明の別の一実施形態によれば、アノード側電極と力ソード側電極との間に固体 高分子電解質が介在された電解質 ·電極接合体と、前記電解質 ·電極接合体を挟持 する第 1セパレータ及び第 2セパレータとを有する単位発電セルが複数個積層されて 形成されたスタックを具備する固体高分子電解質型燃料電池であって、
前記スタックを収容するスタック収容ケースと、
前記スタック収容ケースに設置された凝縮器と、
を備え、
前記スタックは、前記スタック収容ケース中で電気絶縁性の液体冷媒に浸漬される こと〖こよって冷去 Pされ、
前記凝縮器は、前記スタックを冷却することに伴って前記スタック収容ケース力 気 化した前記液体冷媒を凝縮する固体高分子電解質型燃料電池が提供される。 [0018] このような構成においては、スタックに冷媒を流通させる必要がない。従って、スタツ クに冷媒通路を設ける必要もなぐし力も、冷媒を供給'排出するための配管をスタツ クに連結する必要もない。このため、固体高分子電解質型燃料電池の構成が著しく 簡素化する。これに伴って固体高分子電解質型燃料電池の小型化及び軽量化が図 られ、結局、該固体高分子電解質型燃料電池の設置スペースが小さくなる。
[0019] また、冷媒として絶縁性の液体を使用しているので、液絡や地絡が起こることが回 避される。
[0020] 凝縮器の表面及びスタック収容ケースの内表面の少なくともいずれか一方に、皮膜 を設けることが好ましい。これにより、凝縮器やスタック収容ケースが金属力も構成さ れている場合でも、これらから金属粉が液体冷媒に混入することが回避され、液体冷 媒の絶縁性が確保される。皮膜の好適な例としては、フッ素系榭脂が挙げられる。
[0021] スタックには、液体冷媒を該スタックの内部に流入させるための溝が設けられた冷 却用プレートを含めることが好ましい。これによりスタックの内部が冷却されるようにな り、スタックの冷却効率が向上する。
[0022] さらに、スタック収容ケースの内表面に、スタックに指向して突出するとともに液体冷 媒の液面力 露呈した複数個の突出部を設けることが好ましい。これにより、該固体 高分子電解質型燃料電池を自動車に搭載した場合にお!ヽて車体が傾！ヽた場合でも 液体冷媒が突出部で堰止される。このため、スタックが液体冷媒から露呈することが 回避されるので、スタックの冷却効率が低下することが回避される。
[0023] そして、凝縮器に凝縮した液体冷媒を捕集する捕集部を設け、且つ前記捕集部か らスタック収容ケースに液体冷媒を戻す循環機構を設けることが好ま 、。この循環 機構の作用により、凝縮した液体冷媒が効率よくスタック収容ケースに戻る。
[0024] すなわち、スタックを絶縁性の液体冷媒中に浸漬するので、スタックに冷媒を流通さ せるための冷媒通路を設ける必要がなぐ冷媒を供給'排出するための配管をスタツ クに連結する必要もない。このため、固体高分子電解質型燃料電池の小型化及び軽 量ィ匕が図られ、設置スペースが小さくなる。また、浸漬することによって固体高分子電 解質型燃料電池が効率よく冷却され、絶縁性の液体冷媒を使用することによって液 絡や地絡が起こることが回避される。 図面の簡単な説明
[0025] [図 1]図 1は、本実施の形態に係る固体高分子電解質型燃料電池の概略全体斜視 図である。
[図 2]図 2は、図 1の固体高分子電解質型燃料電池を構成するスタックの概略全体斜 視図である。
[図 3]図 3は、図 2のスタックの平面断面図である。
[図 4]図 4は、図 1の固体高分子電解質型燃料電池の上平面切欠図である。
[図 5]図 5は、図 4の V— V線矢視断面図である。
[図 6]図 6は、図 4の VI— VI線矢視断面図である。
発明を実施するための最良の形態
[0026] 以下、本発明に係るスタックの冷却方法につき固体高分子電解質型燃料電池との 関係で好適な実施の形態を挙げ、添付の図面を参照して詳細に説明する。
[0027] 本実施の形態に係る固体高分子電解質型燃料電池の概略全体斜視図を図 1に示 す。この固体高分子電解質型燃料電池 10は、スタック 12と、該スタック 12を収容する 金属製のスタック収容ケース 14と、該スタック収容ケース 14の開口上部に配設された 凝縮器 16とを有する。
[0028] 図 2に示すように、スタック 12は、単位発電セル 18と、該単位発電セル 18に隣接し て配設された冷却用プレート 20を有する。このうち、単位発電セル 18は、図 3に示す ように、アノード側電極 22と力ソード側電極 24との間にパーフルォロスルホン酸ポリ マーからなる固体高分子電解質膜 26が介装された電解質 ·電極接合体 (以下、 ME Aともいう） 28を有し、該 MEA28は、ポリテトラフルォロエチレン榭脂（PTFE)製のガ スケット 30の開口部 32に保持されている。
[0029] MEA28は、 1対のセパレータ 34、 36で挟持されており、アノード側電極 22に当接 するセパレータ 34には、燃料ガスとしての水素を流通させる第 1ガス通路 38が設けら れている。一方、力ソード側電極 24に当接するセパレータ 36には、酸素を含有する 酸化剤ガスとしての空気を流通させる第 2ガス通路 40が設けられている。
[0030] また、冷却用プレート 20には、セパレータ 34に指向して突出し且つセパレータ 36 力も離間する方向に陥没した第 1凸部 42と、セパレータ 36に指向して突出し且つセ ノルータ 34から離間する方向に陥没した第 2凸部 44とが連続的に設けられており（ 図 3参照）、これにより、スタック 12の一側面力も他側面、すなわち、図 2における矢印 A方向に指向する波形部が形成されている。このため、冷却用プレート 20は、図 3に 示すように、両端部を除き、第 1凸部 42の各頂部でのみセパレータ 34と当接する一 方、第 2凸部 44の各頂部でのみセパレータ 36と当接する。このため、第 1凸部 42と セパレータ 36との間、及び第 2凸部 44とセパレータ 34との間に、それぞれ、間隙が 形成される。
[0031] なお、冷却用プレート 20の端部とセパレータ 34又はセパレータ 36との間には、空 気や水素が漏出することを防止するためのスぺーサ 46が介装されている。
[0032] 以上の構成において、ガスケット 30、セパレータ 34、 36、冷却用プレート 20及びス ぺーサ 46の図 2における左下隅角部、右下隅角部、左上隅角部、右上隅角部には 、それぞれ、空気を排出するための第 2ガス排出通路 48、水素を排出するための第 1ガス排出通路 50、水素を供給するための第 1ガス供給通路 52、空気を供給するた めの第 2ガス供給通路 54が設けられている。勿論、第 1ガス供給通路 52及び第 1ガ ス排出通路 50は前記第 1ガス通路 38に連通し、第 2ガス供給通路 54及び第 2ガス 排出通路 48は前記第 2ガス通路 40に連通する。
[0033] 上記した単位発電セル 18及び冷却用プレート 20が交互に積層され、さらに、タブ 部 56を有する集電プレート 58、 60、絶縁シート（図示せず）、及びエンドプレート 62 、 64が各端部にそれぞれ配設され、エンドプレート 62側には、さらにバックアッププ レート 66が配設される。エンドプレート 64とバックアッププレート 66とが図 4に示すタ ィロッド 68を介して緊締されることにより、スタック 12が形成される。なお、スタック 12 の上端面及び下端面には、該スタック 12がタイロッド 68に干渉することを回避するた めの凹部 70が設けられている。
[0034] このうち、集電プレート 60は各単位発電セル 18のアノード側電極 22に電気的に接 続されており、且つ集電プレート 58は力ソード側電極 24に電気的に接続されている
[0035] また、エンドプレート 62の図 2における左下隅角部、右下隅角部、左上隅角部、右 上隅角部には、それぞれ、空気を排出する第 2ガス排出口 72、水素を排出する第 1 ガス排出口 74、水素を供給する第 1ガス供給口 76、空気を供給する第 2ガス供給口 78が設けられている。第 2ガス排出口 72、第 1ガス排出口 74、第 1ガス供給口 76、 第 2ガス供給口 78は、第 2ガス排出通路 48、第 1ガス排出通路 50、第 1ガス供給通 路 52、第 2ガス供給通路 54にそれぞれ連通する。さらに、エンドプレート 62、 64の下 方には、単位発電セル 18の積層方向（図 2における矢印 B方向）に沿って 2個のステ 一部 80が突出形成されている。
[0036] ノックアッププレート 66は、エンドプレート 62に設けられた第 2ガス排出口 72、第 1 ガス排出口 74、第 1ガス供給口 76及び第 2ガス供給口 78を閉塞しな 、形状に形成 されている。
[0037] 図 1に示すように、スタック収容ケース 14は直方体形状であり、上部が開口している 。このスタック収容ケース 14の底面には、ゴム製支持スぺーサ 82が 4箇所に設置され ているとともに、エンドプレート 62、 64に設けられた各ステ一部 80を通されたボルト 8 6を螺合するための図示しないボルト穴が設けられている。
[0038] スタック 12がゴム製支持スぺーサ 82上に載置された後、ボルト 86が前記ボルト穴 に螺合されることによって、スタック 12が位置決め固定される。その結果、スタック 12 の底面が、各ステ一部 80及びゴム製支持スぺーサ 82の厚み分だけスタック収容ケ ース 14から離間し、これによりスタック 12の底面とスタック収容ケース 14との間に間隙 が形成される。なお、上記したように、集電プレート 58、 60とエンドプレート 62、 64と の間に絶縁シートが介装されているので、エンドプレート 62、 64とスタック収容ケース 14との間に短絡が生じることはない。
[0039] また、スタック収容ケース 14の内壁面には板部材 88が立設されており、各板部材 8 8は、スタック 12の各側面に指向して突出する方向に延在している。このため、スタツ ク 12は、板部材 88の先端部に囲繞されるようにして、スタック収容ケース 14の略中 央部に収容される。
[0040] 図 1に示すように、スタック収容ケース 14の一側面には 5個の貫通孔が設けられて おり、このうち、 4方の隅角部に設けられた各貫通孔には、第 2ガス排出口 72、第 1ガ ス排出口 74、第 1ガス供給口 76、第 2ガス供給口 78にそれぞれ接続された第 2ガス 排出管 90、第 1ガス排出管 92、第 1ガス供給管 94、第 2ガス供給管 96が通されてい る。また、該ー側面の略中央部に設けられた貫通孔には、後述する冷媒循環ポンプ
98力らの吐出管 100力通されている。勿餘、全管 90、 92、 94、 96、 100と全貫通孔 との間にはゴムパッキン 101が介装され、これによりスタック収容ケース 14の内部に 貯留された冷媒が漏洩することが阻止されて!ヽる。
[0041] 第 2ガス排出管 90、第 1ガス排出管 92、第 1ガス供給管 94及び第 2ガス供給管 96 の外周壁面には、 PTFE等カゝらなる絶縁性皮膜を設けることが好ましい。これにより、 スタック収容ケース 14に貯留された冷媒に仮に金属粉等が混入して冷媒に電気伝 導性が生じた場合であっても、冷媒と各管とが短絡することを回避することができる。
[0042] また、図 5に示すように、前記一側面に対向する側面には 2個の長尺な貫通孔が設 けられており、各貫通孔からは、ターミナルケーブル 102、 104がそれぞれ突出して いる。ターミナルケーブル 102、 104は、それぞれ、集電プレート 58、 60の各タブ部 5 6、 56にボルト 106を介して接続されている。上記と同様に、ターミナルケーブル 102 、 104と貫通孔との間にはゴムパッキン 101が介装されており、これにより冷媒が漏洩 することが阻止されるとともに、ターミナルケーブル 102、 104力もスタック収容ケース 14に電気伝導が起こることが阻止される。
[0043] このように構成されたスタック収容ケース 14の内壁面及び板部材 88には、 PTFEか らなる皮膜が設けられて 、る。
[0044] スタック収容ケース 14には、冷媒としての絶縁性有機溶媒 108が貯留される。換言 すれば、スタック 12は、スタック収容ケース 14の内部で有機溶媒 108中に浸漬される
[0045] この場合、有機溶媒 108としては、スタック 12の運転温度よりも低沸点である液体が 選定される。具体例としては、メタノールやエタノール等の低級アルコール、又は、パ 一フルォロカーボンや代替フロン等のフッ素化合物系溶媒が挙げられる。
[0046] 有機溶媒 108は、核沸騰状態で沸騰し得る液体、すなわち、発泡点を核として気 泡が発生する液体であることが好ましい。いわゆる膜沸騰が生じるものであると、スタ ック 12全体が蒸気膜で覆われて有機溶媒 108との接触面積力 S小さくなるので、スタツ ク 12の冷却効率が低下することが懸念される。
[0047] 確実に核沸騰状態で沸騰させるベぐ有機溶媒 108は、沸点がスタック 12の運転 温度に比して 10— 25°C低い液体を選定することが好ましい。スタック 12の運転温度 力も沸点を差し引いた値が 10°C未満の液体であると、核沸騰が生じ難い。また、スタ ック 12の運転温度力も沸点を差し引いた値が 25°Cよりも大きい液体であると、膜沸 騰で沸騰する傾向が大きくなる。スタック 12の運転温度力 沸点を差し引いた値が 1 1一 23°Cの範囲内である有機溶媒 108を選定することがより好ましい。
[0048] 例えば、スタック 12の運転温度を 80°Cとする場合、ノベック HFE— 7100 (住友 3M 社製の商品名、組成式は C F OCH、沸点 61°C)が好適である。また、スタック 12の
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運転温度を 90°Cとする場合、ノベック HFE - 7200 (住友 3M社製の商品名、組成式 はじ F OC H、沸点 76°C)が好適である。
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[0049] 上記したように、スタック収容ケース 14の開口上部には、前記凝縮器 16がボルト 11 0によって位置決め固定される（図 1参照)。この凝縮器 16は、図 1の矢印 A方向に延 在するフィンが設けられたフィン部 112と、該フィン部 112の一端部に膨出して設けら れて垂直方向に案内フィン 114が設けられた案内部 116と、該案内部 116の下端部 に配設された捕集部 118とを有する。これらのうち、少なくともフィン部 112及び案内 部 116には、 PTFE力 なる皮膜が設けられて 、る。
[0050] 図 6に示すように、フィン部 112のフィンの高さは、案内部 116から離間するにつれ て若干上昇する。換言すれば、フィンは、スタック収容ケース 14の第 1ガス供給口 76 及び第 2ガス供給口 78側端部に連結された端部から、案内部 116に接近するに連 れて低くなるように若干傾斜している。また、捕集部 118の一端面に設けられたドレン 窓 120には、冷媒循環ポンプ 98に至る吸入管 122が連結される（図 1参照)。
[0051] 冷媒循環ポンプ 98は、スタック 12を冷却することに伴って気化した後、凝縮器 16で 凝縮した有機溶媒 108をスタック収容ケース 14に戻すための循環機構を構成し、上 記したように、冷媒循環ポンプ 98からの吐出管 100は、スタック収容ケース 14の一端 面に設けられた貫通孔に通されている。
[0052] 吸入管 122及び吐出管 100としては、その内周壁にライニング力卩ェが予め施され ている管が好ましい。また、少なくとも吐出管 100の外周壁には、上記した理由から、 絶縁性皮膜を設けることが好まし 、。
[0053] 本実施の形態に係る固体高分子電解質型燃料電池 10は、基本的には以上のよう に構成されるものであり、次に、その作用効果につきスタック 12の冷却方法との関係 で説明する。
[0054] 先ず、固体高分子電解質型燃料電池 10を構成する際、スタック収容ケース 14の底 面に設置されたゴム製支持スぺーサ 82上にスタック 12を載置し、ボルト 86を介して エンドプレート 62、 64の各ステ一部 80をスタック収容ケース 14の底面に連結する（ 図 4一図 6参照）。これにより、スタック収容ケース 14に収容されたスタック 12が位置 決め固定される。
[0055] 次に、該スタック収容ケース 14の一端面に設けられた貫通孔に第 2ガス排出管 90 、第 1ガス排出管 92、第 1ガス供給管 94、第 2ガス供給管 96、吐出管 100をそれぞ れ通し（図 1参照）、各管 90、 92、 94、 96、 100を第 2ガス排出口 72、第 1ガス排出 口 74、第 1ガス供給口 76、第 2ガス供給口 78、冷媒循環ポンプ 98にそれぞれ接続 する。その一方で、前記一端面に対向する端面の貫通孔にターミナルケーブル 102 、 104を通し、各ターミナルケーブル 102、 104を集電プレート 58、 60の各タブ部 56 、 56に連結する。
[0056] 次に、スタック収容ケース 14にノベック HFE— 7100ゃノベック HFE— 7200等の絶 縁性の有機溶媒 108を貯留する。この際、スタック収容ケース 14の内壁面や板部材 88には PTFEの皮膜が設けられているので、スタック収容ケース 14や板部材 88から 有機溶媒 108に金属粉が混入することが回避される。
[0057] 上記したように、スタック 12には冷却用プレート 20が含まれており、該冷却用プレー ト 20の第 1凸部 42とセパレータ 36との間、及び第 2凸部 44とセパレータ 34との間に は、間隙がそれぞれ存在する（図 3参照)。従って、スタック収容ケース 14に有機溶媒 108が貯留される際、有機溶媒 108は、スタック 12の内部に流入する。
[0058] 有機溶媒 108の量は、液面の高さがスタック 12の上端面に比して高い位置になる 程度とすれば十分である（図 5及び図 6参照)。
[0059] 次に、ボルト 110を介して凝縮器 16をスタック収容ケース 14の開口上部に位置決 め固定し (図 1参照）、吸入管 122を凝縮器 16の捕集部 118と冷媒循環ポンプ 98と に橋架すれば、固体高分子電解質型燃料電池 10が構成されるに至る。
[0060] このように、本実施の形態によれば、スタック 12内に冷媒を流通させるための冷媒 通路を設ける必要がない。必然的に、冷媒通路に絶縁性皮膜を設ける必要もない。 このため、スタック 12を作製することが著しく容易となる。
[0061] また、冷媒を流通させるための配管ゃ冷媒供給源を設置する必要がな!、ので、固 体高分子電解質型燃料電池 10の構成が簡素になる。このため、固体高分子電解質 型燃料電池 10の設置スペースを小さくすることができるとともに、重量を小さくするこ とがでさる。
[0062] この固体高分子電解質型燃料電池 10を運転するに際しては、図示しない水素供 給源、例えば、水素ガスボンベ等力 第 1ガス供給管 94に水素を供給するとともに、 図示しない空気供給源、例えば、コンプレッサ等力も第 2ガス供給管 96に空気を供 給する。水素は、第 1ガス供給口 76及び第 1ガス通路 38を介してアノード側電極 22 に到達し、一方、空気は、第 2ガス供給口 78及び第 2ガス通路 40を介して力ソード側 電極 24に到達する。アノード側電極 22では水素の電離反応が起こり、これに伴って 生じた電子が集電プレート 60から外部へと取り出され、ターミナルケーブル 102、 10 4に電気的に接続された負荷を付勢する電気工ネルギとして利用される。
[0063] そして、プロトンは、固体高分子電解質膜 26中を移動して力ソード側電極 24に到 達し、該カソード側電極 24に供給された空気中の酸素と、ターミナルケーブル 104を 介して力ソード側電極 24に到達した電子と反応し、水分を生成する。
[0064] 未反応の水素は、第 1ガス通路 38から第 1ガス排出口 74を経由して第 1ガス排出 管 92から排出される。また、力ソード側電極 24で生成した水分、未反応の酸素、空 気中の窒素は、第 2ガス通路 40から第 2ガス排出口 72を経由して第 2ガス排出管 90 力 排出される。
[0065] このようにして発電が生じても、スタック 12を支持するゴム製支持スぺーサ 82が絶 縁体であり、且つスタック 12とスタック収容ケース 14との間に間隙が存在し、この間隙 に絶縁性の有機溶媒 108が存在する。また、スタック収容ケース 14の内壁面には、 P TFE力 なる絶縁性の皮膜が形成されている。このため、液絡や地絡が発生すること はない。
[0066] 上記した電池反応が生じることにより、スタック 12の温度が 80— 90°Cに上昇する。
上記したように、有機溶媒 108の沸点がスタック 12の運転温度に比して低いため、有 機溶媒 108が沸騰して気化し始める。この際の潜熱によってスタック 12から熱量が奪 われ、このためにスタック 12が冷却される。
[0067] この沸騰の際、有機溶媒 108が核沸騰を起こす液体であると、スタック 12の外表面 で連続的に気泡が発生する。この気泡は、スタック 12から速やかに離脱した後、有機 溶媒 108中を迅速に上昇する。従って、スタック 12の外表面が気泡で覆われることが ない。このため、スタック 12が効率よく冷却される。
[0068] し力も、本実施の形態においては、スタック 12の内部に有機溶媒 108が流入してい る。このため、スタック 12の内部においても熱量が迅速に奪われるので、スタック 12を 一層効率よく冷却することができる。
[0069] 気化した有機溶媒 108は、蒸気として液面力もさらに上昇し、凝縮器 16のフィン部
112に到達する。そして、フィン部 112のフィンで冷却されることによって凝縮し、液滴 となる。
[0070] 液滴の一部は、フィン部 112からスタック収容ケース 14に滴下する。また、滴下しな い分は、フィンが案内部 116に接近するに連れて低くなるように傾斜しているため、フ インに沿って案内部 116側に指向して流動する。案内部 116に到達した液滴は、案 内フィン 114に沿って捕集部 118に捕集され、冷媒循環ポンプ 98の作用下に、吸入 管 122及び吐出管 100を経由してスタック収容ケース 14に戻る。また、フィン部 112 で凝集することなく案内部 116に到達した蒸気は、案内フィン 114によって凝縮し、 上記と同様の経路でスタック収容ケース 14に戻る。
[0071] この際、凝縮器 16におけるフィン部 112及び案内部 116に PTFEの皮膜が設けら れているため、フィンや案内フィン 114から液滴に金属粉が混入することが回避され る。
[0072] また、仮に金属粉が有機溶媒 108に混入した場合であっても、第 2ガス排出管 90、 第 1ガス排出管 92、第 1ガス供給管 94、第 2ガス供給管 96及び吐出管 100の外周 壁面に絶縁性皮膜を形成することにより、液絡を回避することができる。
[0073] すなわち、本実施の形態によれば、固体高分子電解質型燃料電池 10の省スぺー ス化を図ることができるとともに、固体高分子電解質型燃料電池 10を効率よく冷却さ せることができる。さらに、液絡や地絡が起こることを確実に回避することができる。 [0074] このような構成の固体高分子電解質型燃料電池 10は、例えば、自動車に搭載して 使用することができる。この自動車が運転に供され、カーブを走行する際や凹凸路面 を走行する際に車体が傾いた場合、スタック収容ケース 14に貯留された有機溶媒 10 8が板部材 88に堰止される。このため、スタック 12が有機溶媒 108から露呈すること を回避することができるので、該スタック 12を確実に冷却することができる。
[0075] なお、上記した実施の形態にぉ 、ては、スタック収容ケース 14を金属で構成するよ うにして!/ヽるが、榭脂で構成するようにしてもょ 、。
[0076] また、冷媒循環ポンプ 98等の循環機構を設けることは特に必須ではなぐ凝縮器 のフィンで凝縮し、液滴となった有機溶媒 108をスタック収容ケース 14に滴下させる ことによってのみ、スタック 12を冷却することに伴って気化した有機溶媒 108をスタツ ク収容ケースに戻すようにしてもよい。

Claims

請求の範囲
[1] アノード側電極 (22)と力ソード側電極 (24)との間に固体高分子電解質 (26)が介在さ れた電解質'電極接合体 (28)と、前記電解質'電極接合体 (28)を挟持する第 1セパレ ータ (34)及び第 2セパレータ (36)とを有する単位発電セル (18)が複数個積層されて形 成されたスタック (12)を冷却するスタック (12)の冷却方法であって、
前記スタック (12)をスタック収容ケース (14)内で電気絶縁性の液体冷媒に浸漬する ことによって該スタック (12)を冷却し、
前記スタック (12)を冷却することに伴って前記スタック収容ケース (14)力も気化した液 体冷媒 (108)を凝縮器 (16)で凝縮させ、前記スタック収容ケース (14)に戻すことを特徴 とするスタック (12)の冷却方法。
[2] 請求項 1記載の冷却方法にお!、て、前記液体冷媒 (108)を核沸騰状態で沸騰させ て気化させることを特徴とするスタック (12)の冷却方法。
[3] 請求項 2記載の冷却方法にぉ 、て、前記液体冷媒 (108)として、沸点が前記スタック (12)の運転温度に比して 10— 25°C低い液体を使用することを特徴とするスタック (12) の冷却方法。
[4] 請求項 2記載の冷却方法にぉ 、て、前記液体冷媒 (108)として、低級アルコール又 はフッ素化合物系溶媒を用いることを特徴とするスタック (12)の冷却方法。
[5] 請求項 1一 4のいずれか 1項に記載の冷却方法において、前記スタック (12)の内部 に前記液体冷媒 (108)を流入させることを特徴とするスタック (12)の冷却方法。
[6] アノード側電極 (22)と力ソード側電極 (24)との間に固体高分子電解質 (26)が介在さ れた電解質'電極接合体 (28)と、前記電解質'電極接合体 (28)を挟持する第 1セパレ ータ (34)及び第 2セパレータ (36)とを有する単位発電セル (18)が複数個積層されて形 成されたスタック (12)を具備する固体高分子電解質型燃料電池 (10)であって、 前記スタック (12)を収容するスタック収容ケース (14)と、
前記スタック収容ケース (14)に設置された凝縮器 (16)と、
を備え、
前記スタック (12)は、前記スタック収容ケース (14)中で電気絶縁性の液体冷媒 (108) に浸漬されることによって冷却され、 前記凝縮器 (16)は、前記スタック (12)を冷却することに伴って前記スタック収容ケー ス (14)力も気化した前記液体冷媒 (108)を凝縮することを特徴とする固体高分子電解 質型燃料電池 (10)。
[7] 請求項 6記載の燃料電池 (10)において、前記凝縮器 (16)の表面及び前記スタック収 容ケース (14)の内表面の少なくともいずれか一方に皮膜が設けられていることを特徴 とする固体高分子電解質型燃料電池 (10)。
[8] 請求項 7記載の燃料電池 (10)において、前記皮膜がフッ素系榭脂からなることを特 徴とする固体高分子電解質型燃料電池 (10)。
[9] 請求項 8記載の燃料電池 (10)において、前記皮膜がポリテトラフルォロエチレンで あることを特徴とする固体高分子電解質型燃料電池 (10)。
[10] 請求項 6— 9のいずれか 1項に記載の燃料電池 (10)において、前記スタック (12)に、 前記液体冷媒 (108)を該スタック (12)の内部に流入させるための溝 (42,44)が設けられ た冷却用プレート (20)が含まれていることを特徴とする固体高分子電解質型燃料電 池 (10)。
[11] 請求項 6— 10のいずれか 1項に記載の燃料電池 (10)において、前記スタック収容ケ ース (14)の内表面に、前記スタック (12)に指向して突出するとともに液体冷媒 (108)の 液面力 露呈した複数個の突出部 (88)が設けられていることを特徴とする固体高分 子電解質型燃料電池 (10)。
[12] 請求項 6— 11のいずれか 1項に記載の燃料電池 (10)において、前記凝縮器 (16)に 凝縮した液体冷媒 (108)を捕集する捕集部 (118)が設けられ、且つ前記捕集部 (118)か ら前記スタック収容ケース (14)に液体冷媒 (108)を戻す循環機構を有することを特徴と する固体高分子電解質型燃料電池 (10)。
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