JP2000353536A - 燃料電池及びその運転方法 - Google Patents
燃料電池及びその運転方法Info
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Abstract
(57)【要約】
【課題】 燃料電池セルを冷却するためのポンプ、冷却
循環水配管、専用の冷却装置または空冷手段等の設備が
不要で、冷却媒体を循環させるためのポンプ動力、さら
に冷却媒体である水の管理等を必要とせず、装置の小型
・軽量化と低コスト化を達成し、発電中の効率を向上さ
せ、保守管理の容易な燃料電池を提供する。 【解決手段】 燃料電池セルのセパレータにヒートパイ
プを用いて電気化学的に反応する際に発熱する反応熱を
ヒートパイプを介して排熱し、複数個の放熱用フィンに
て大気中に放出し、複数枚積層して積層体を構成する燃
料電池の温度を均一に保ち、冷却媒体をポンプ動力によ
り循環させる方式の冷却板の代わりにヒートパイプを用
いた構造であることを特徴とする。この構造を採用した
ことにより、従来の燃料電池に比べ、装置の小型化、低
コスト化を達成し、発電中の効率を向上させ、冷却循環
水の保守管理等の必要もなく、起動に要する時間の短縮
化を図る燃料電池を提供することができる。
循環水配管、専用の冷却装置または空冷手段等の設備が
不要で、冷却媒体を循環させるためのポンプ動力、さら
に冷却媒体である水の管理等を必要とせず、装置の小型
・軽量化と低コスト化を達成し、発電中の効率を向上さ
せ、保守管理の容易な燃料電池を提供する。 【解決手段】 燃料電池セルのセパレータにヒートパイ
プを用いて電気化学的に反応する際に発熱する反応熱を
ヒートパイプを介して排熱し、複数個の放熱用フィンに
て大気中に放出し、複数枚積層して積層体を構成する燃
料電池の温度を均一に保ち、冷却媒体をポンプ動力によ
り循環させる方式の冷却板の代わりにヒートパイプを用
いた構造であることを特徴とする。この構造を採用した
ことにより、従来の燃料電池に比べ、装置の小型化、低
コスト化を達成し、発電中の効率を向上させ、冷却循環
水の保守管理等の必要もなく、起動に要する時間の短縮
化を図る燃料電池を提供することができる。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、固体高分子電解質
膜を電解質として用いる固体高分子型燃料電池のセル構
造、特にヒートパイプより構成されるセパレータを備え
た燃料電池及びその運転方法に関するものである。
膜を電解質として用いる固体高分子型燃料電池のセル構
造、特にヒートパイプより構成されるセパレータを備え
た燃料電池及びその運転方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】図４に従来の燃料電池の構成を示す。固
体高分子型燃料電池１′は、固体高分子電解質膜２と、
この固体高分子電解質膜２の両面に配された導電性と通
気性とを兼ね備えた燃料電極膜３及び酸化剤電極膜４、
さらにその電極膜にガスを供給し、あるいは電極膜から
ガスを排出するための燃料ガス流路を有する燃料ガス用
セパレータ５及び酸化剤ガス流路を有する酸化剤ガス用
セパレータ６からなる燃料電池セル７が複数枚積層さ
れ、積層枚数毎にまたは燃料電池セル７と交互に冷却媒
体流路を有する冷却板８が配置され構成されている。
体高分子型燃料電池１′は、固体高分子電解質膜２と、
この固体高分子電解質膜２の両面に配された導電性と通
気性とを兼ね備えた燃料電極膜３及び酸化剤電極膜４、
さらにその電極膜にガスを供給し、あるいは電極膜から
ガスを排出するための燃料ガス流路を有する燃料ガス用
セパレータ５及び酸化剤ガス流路を有する酸化剤ガス用
セパレータ６からなる燃料電池セル７が複数枚積層さ
れ、積層枚数毎にまたは燃料電池セル７と交互に冷却媒
体流路を有する冷却板８が配置され構成されている。
【０００３】この燃料電池１′において、水素を主燃料
とする燃料ガスと空気あるいは酸素等の酸化剤ガスをそ
れぞれ供給し、電気化学的に反応する際に発熱する反応
熱を排熱し、燃料電池セル７の温度を一定に保つため、
冷却板８が配置されている。
とする燃料ガスと空気あるいは酸素等の酸化剤ガスをそ
れぞれ供給し、電気化学的に反応する際に発熱する反応
熱を排熱し、燃料電池セル７の温度を一定に保つため、
冷却板８が配置されている。
【０００４】また、図５に従来の燃料電池システム図を
示す。図において、１４は燃料電池システム、１７は固
体高分子型燃料電池１′に接続されたポンプ、１９は同
じく燃料電池１′に接続された冷却装置であり、この冷
却装置１９は冷却循環水配管１８を介し水タンク２０に
接続されている。２１は燃料部である。この燃料電池シ
ステム１４では、冷却媒体として主に水が用いられ、ポ
ンプ１７等の動力により冷却媒体流路に供給され、図４
に示した燃料電池セル７の温度を一定に保ちながら冷却
板８から排出された高温となった冷却媒体は専用の冷却
装置１９または空冷手段等により冷却され低温となった
後、再度冷却板８に供給され循環していた。
示す。図において、１４は燃料電池システム、１７は固
体高分子型燃料電池１′に接続されたポンプ、１９は同
じく燃料電池１′に接続された冷却装置であり、この冷
却装置１９は冷却循環水配管１８を介し水タンク２０に
接続されている。２１は燃料部である。この燃料電池シ
ステム１４では、冷却媒体として主に水が用いられ、ポ
ンプ１７等の動力により冷却媒体流路に供給され、図４
に示した燃料電池セル７の温度を一定に保ちながら冷却
板８から排出された高温となった冷却媒体は専用の冷却
装置１９または空冷手段等により冷却され低温となった
後、再度冷却板８に供給され循環していた。
【０００５】従来、このような燃料電池１′において
は、前記燃料電池セル７を冷却するためのポンプ１７、
冷却循環水配管１８、専用の冷却装置１９または空冷手
段等の設備、冷却媒体を循環させるためのポンプ動力、
冷却媒体である水の管理等の保守が必要であった。ま
た、燃料電池セル７の構成部材であるセパレータ、冷却
板８は導電性を有するカーボンから形成されており、材
料・加工費を含め製作コストが高価であり、また冷却装
置等の設備のコストもかかり低コスト化を阻害してい
た。
は、前記燃料電池セル７を冷却するためのポンプ１７、
冷却循環水配管１８、専用の冷却装置１９または空冷手
段等の設備、冷却媒体を循環させるためのポンプ動力、
冷却媒体である水の管理等の保守が必要であった。ま
た、燃料電池セル７の構成部材であるセパレータ、冷却
板８は導電性を有するカーボンから形成されており、材
料・加工費を含め製作コストが高価であり、また冷却装
置等の設備のコストもかかり低コスト化を阻害してい
た。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】従来の燃料電池におい
ては、燃料電池セルを冷却するためのポンプ、冷却循環
水配管、専用の冷却装置または空冷手段等の設備が必要
で、かつ燃料電池セルの製作コストが高価であることか
ら装置の小型化・軽量化と低コスト化を阻止しており、
また冷却媒体を循環させるためのポンプ動力が必要で発
電中の効率を低下させ、冷却媒体である水の管理等の保
守稼動が必要であるという欠点があり、燃料電池及び装
置の周辺に配置される機器をできるだけ少なくして簡単
な構成にすることが望まれる。
ては、燃料電池セルを冷却するためのポンプ、冷却循環
水配管、専用の冷却装置または空冷手段等の設備が必要
で、かつ燃料電池セルの製作コストが高価であることか
ら装置の小型化・軽量化と低コスト化を阻止しており、
また冷却媒体を循環させるためのポンプ動力が必要で発
電中の効率を低下させ、冷却媒体である水の管理等の保
守稼動が必要であるという欠点があり、燃料電池及び装
置の周辺に配置される機器をできるだけ少なくして簡単
な構成にすることが望まれる。
【０００７】本発明は、上記課題を解決するために提案
されたもので、その目的とするところは、燃料ガス流路
及び酸化剤ガス流路が配置されたセパレータと冷却板を
兼ねた構造とすることにより、燃料電池セルを冷却する
ためのポンプ、冷却循環水配管、専用の冷却装置または
空冷手段等の設備が不用で、冷却媒体を循環させるため
のポンプ動力、さらに冷却媒体である水の管理等を必要
とせず、装置の小型・軽量化と低コスト化を達成し、発
電中の効率を向上させ、保守管理が容易で、安価に得ら
れる燃料電池及びその運転方法を提供することにある。
されたもので、その目的とするところは、燃料ガス流路
及び酸化剤ガス流路が配置されたセパレータと冷却板を
兼ねた構造とすることにより、燃料電池セルを冷却する
ためのポンプ、冷却循環水配管、専用の冷却装置または
空冷手段等の設備が不用で、冷却媒体を循環させるため
のポンプ動力、さらに冷却媒体である水の管理等を必要
とせず、装置の小型・軽量化と低コスト化を達成し、発
電中の効率を向上させ、保守管理が容易で、安価に得ら
れる燃料電池及びその運転方法を提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に本発明は、固体高分子電解質膜２と、この固体高分子
電解質膜２の両面に配置された導電性と通気性とを兼ね
備えた燃料電極膜３及び酸化剤電極膜４と、この燃料電
極膜３、酸化剤電極膜４にガスを供給し、あるいは電極
膜３、４からガスを排出するための燃料ガス流路を有す
る燃料ガス用セパレータ５及び酸化剤ガス流路を有する
酸化剤ガス用セパレータ６から構成される燃料電池セル
７を複数枚積層して積層体を構成する固体高分子型の燃
料電池１において、前記燃料ガス用セパレータ５及び酸
化剤ガス用セパレータ６がヒートパイプ９を有し、この
ヒートパイプ９に放熱用フィン１１が設けられた構造で
あることを特徴とする。
に本発明は、固体高分子電解質膜２と、この固体高分子
電解質膜２の両面に配置された導電性と通気性とを兼ね
備えた燃料電極膜３及び酸化剤電極膜４と、この燃料電
極膜３、酸化剤電極膜４にガスを供給し、あるいは電極
膜３、４からガスを排出するための燃料ガス流路を有す
る燃料ガス用セパレータ５及び酸化剤ガス流路を有する
酸化剤ガス用セパレータ６から構成される燃料電池セル
７を複数枚積層して積層体を構成する固体高分子型の燃
料電池１において、前記燃料ガス用セパレータ５及び酸
化剤ガス用セパレータ６がヒートパイプ９を有し、この
ヒートパイプ９に放熱用フィン１１が設けられた構造で
あることを特徴とする。
【０００９】また、前記ヒートパイプ９を有する燃料ガ
ス用セパレータ５及び酸化剤ガス用セパレータ６は、導
電性を有する金属プレート中に円管状のパイプを配置
し、このパイプ中に熱輸送媒体である作動液１０が封入
された構造であることを特徴とする。
ス用セパレータ５及び酸化剤ガス用セパレータ６は、導
電性を有する金属プレート中に円管状のパイプを配置
し、このパイプ中に熱輸送媒体である作動液１０が封入
された構造であることを特徴とする。
【００１０】また、前記ヒートパイプ９の放熱部は、ヒ
ートパイプの内部に空気、窒素ガス等の不活性ガスをベ
ローズ１２等の容器に封入することにより、一定温度以
上に達すると冷却効果が発現する構造であることを特徴
とする。
ートパイプの内部に空気、窒素ガス等の不活性ガスをベ
ローズ１２等の容器に封入することにより、一定温度以
上に達すると冷却効果が発現する構造であることを特徴
とする。
【００１１】また、上記構成の燃料電池の運転方法とし
ては、燃料ガス、酸化剤ガスを供給することにより燃料
電池１を発電させ、燃料電池１の起動時にはヒートパイ
プ９の断熱効果により燃料電池セル７自身の発熱によ
り、迅速に温度上昇させるとともに、燃料電池セル７が
ある温度以上になった時、ヒートパイプ９の冷却機能が
作動し電池反応とともに発生する反応熱をヒートパイプ
９を介して大気中に放出することを特徴とする。
ては、燃料ガス、酸化剤ガスを供給することにより燃料
電池１を発電させ、燃料電池１の起動時にはヒートパイ
プ９の断熱効果により燃料電池セル７自身の発熱によ
り、迅速に温度上昇させるとともに、燃料電池セル７が
ある温度以上になった時、ヒートパイプ９の冷却機能が
作動し電池反応とともに発生する反応熱をヒートパイプ
９を介して大気中に放出することを特徴とする。
【００１２】
【発明の実施の形態】本発明は、燃料電池において、燃
料電池セルのセパレータにヒートパイプを用いて電気化
学的に反応する際に発熱する反応熱をヒートパイプを介
して複数個の放熱用フィンに熱を伝達して大気中に排熱
し、複数枚積層して積層体を構成する燃料電池の温度を
均一に保つことを最も主要な特徴とする。
料電池セルのセパレータにヒートパイプを用いて電気化
学的に反応する際に発熱する反応熱をヒートパイプを介
して複数個の放熱用フィンに熱を伝達して大気中に排熱
し、複数枚積層して積層体を構成する燃料電池の温度を
均一に保つことを最も主要な特徴とする。
【００１３】従来の技術とは、燃料ガス流路及び酸化剤
ガス流路が配されてなるセパレータと冷却媒体流路を有
する冷却板、専用の冷却装置がそれぞれ独立して配置さ
れていた代わりに、燃料ガス流路及び酸化剤流路が配さ
れたセパレータがヒートパイプより構成され、前記ヒー
トパイプに複数個の放熱用フィンを形成し、熱輸送媒体
である作動液を金属プレート中に封入して一体化構造と
し、冷却効果を有する点が異なる。
ガス流路が配されてなるセパレータと冷却媒体流路を有
する冷却板、専用の冷却装置がそれぞれ独立して配置さ
れていた代わりに、燃料ガス流路及び酸化剤流路が配さ
れたセパレータがヒートパイプより構成され、前記ヒー
トパイプに複数個の放熱用フィンを形成し、熱輸送媒体
である作動液を金属プレート中に封入して一体化構造と
し、冷却効果を有する点が異なる。
【００１４】このように、前記燃料電池セルを燃料ガス
流路及び酸化剤ガス流路が配置されたセパレータと冷却
板とを兼ね一体化構造として燃料電池を構成すること
で、図３に示す本発明による燃料電池システム１４のよ
うに、燃料電池及び装置の周辺に配置される機器を簡略
にすることが可能となり、その結果、製作コストが従来
装置の約１／３、容積・重量が１／２削減可能となり、
かつ保守管理が容易になり、装置の小型・軽量化と低コ
スト化を達成できる。また、本発明よる燃料電池の運転
方法は、燃料ガス、酸化剤ガスを供給することにより燃
料電池を発電させ、電池反応とともに発生する反応熱を
ヒートパイプを介して大気中に放出することを特徴とす
る。また、ヒートパイプに空気、窒素ガス等の不活性ガ
スをベローズ等の容器に封入し、ヒートパイプの内部に
形成することにより、燃料電池起動時には断熱効果を有
し、迅速に燃料電池セルを加熱して起動時間の短縮を図
り、燃料電池セル温度がある温度以上となった時にはヒ
ートパイプが作動することにより冷却効果が発現し、温
度制御により燃料電池セルの温度を均一に保つ燃料電池
を提供する。
流路及び酸化剤ガス流路が配置されたセパレータと冷却
板とを兼ね一体化構造として燃料電池を構成すること
で、図３に示す本発明による燃料電池システム１４のよ
うに、燃料電池及び装置の周辺に配置される機器を簡略
にすることが可能となり、その結果、製作コストが従来
装置の約１／３、容積・重量が１／２削減可能となり、
かつ保守管理が容易になり、装置の小型・軽量化と低コ
スト化を達成できる。また、本発明よる燃料電池の運転
方法は、燃料ガス、酸化剤ガスを供給することにより燃
料電池を発電させ、電池反応とともに発生する反応熱を
ヒートパイプを介して大気中に放出することを特徴とす
る。また、ヒートパイプに空気、窒素ガス等の不活性ガ
スをベローズ等の容器に封入し、ヒートパイプの内部に
形成することにより、燃料電池起動時には断熱効果を有
し、迅速に燃料電池セルを加熱して起動時間の短縮を図
り、燃料電池セル温度がある温度以上となった時にはヒ
ートパイプが作動することにより冷却効果が発現し、温
度制御により燃料電池セルの温度を均一に保つ燃料電池
を提供する。
【００１５】
【実施例】図１は本発明の一実施例にかかる固体高分子
型燃料電池１の分解斜視図を示す。以下、図１を用いて
本発明の一実施例について説明する。本発明において
は、固体高分子電解質膜２と、前記固体高分子電解質膜
２の両面に配された導電性と通気性とを兼ね備えた燃料
電極膜３及び酸化剤電極膜４と、前記電極膜にガスを供
給し、あるいは電極膜からガスを排出するための燃料ガ
ス流路を有する燃料ガス用セパレータ５及び酸化剤ガス
流路を有する酸化剤ガス用セパレータ６とを備え、燃料
ガス用セパレータ５、酸化剤ガス用セパレータ６に、端
部に放熱用フィン１１を有するヒートパイプ８が設けら
れ、これらによって燃料電池セル７が構成されている。
型燃料電池１の分解斜視図を示す。以下、図１を用いて
本発明の一実施例について説明する。本発明において
は、固体高分子電解質膜２と、前記固体高分子電解質膜
２の両面に配された導電性と通気性とを兼ね備えた燃料
電極膜３及び酸化剤電極膜４と、前記電極膜にガスを供
給し、あるいは電極膜からガスを排出するための燃料ガ
ス流路を有する燃料ガス用セパレータ５及び酸化剤ガス
流路を有する酸化剤ガス用セパレータ６とを備え、燃料
ガス用セパレータ５、酸化剤ガス用セパレータ６に、端
部に放熱用フィン１１を有するヒートパイプ８が設けら
れ、これらによって燃料電池セル７が構成されている。
【００１６】この場合、放熱用フィン１１付きヒートパ
イプ８はほぼ矩形をなす酸化剤ガス用セパレータ６の一
方の側部に接続されている。また、下側に配置された同
ほぼ矩形をなす燃料ガス用セパレータ５には酸化剤ガス
用セパレータ６とは異なる他方の側部側に同様のヒート
パイプ８が設けられている。そして、この燃料電池セル
７を複数枚積層して積層体を構成し、固体高分子型燃料
電池１を構成している。
イプ８はほぼ矩形をなす酸化剤ガス用セパレータ６の一
方の側部に接続されている。また、下側に配置された同
ほぼ矩形をなす燃料ガス用セパレータ５には酸化剤ガス
用セパレータ６とは異なる他方の側部側に同様のヒート
パイプ８が設けられている。そして、この燃料電池セル
７を複数枚積層して積層体を構成し、固体高分子型燃料
電池１を構成している。
【００１７】本発明で用いられるヒートパイプ９は、金
属プレート表面に耐腐食性に優れた貴金属にて蒸着等に
よる表面コーティングを施してもよい。また、導電性を
有する金属プレート中に円管状のパイプを配置し、この
パイプ中に熱輸送媒体である作動液１０が封入されてい
る。導電性を有する金属プレートには、アルミニウム、
ステンレス、銅等の導電性、加工性に優れた金属のもの
が用いられ、表面コーティングには、耐腐食性に優れた
金、銀、ニッケル、アルミナ合金、チタン等のものが用
いられる。本発明のヒートパイプ９に導電性が必要とさ
れる理由は、複数の燃料電池セル７間を電気的に直列に
接続させるためである
属プレート表面に耐腐食性に優れた貴金属にて蒸着等に
よる表面コーティングを施してもよい。また、導電性を
有する金属プレート中に円管状のパイプを配置し、この
パイプ中に熱輸送媒体である作動液１０が封入されてい
る。導電性を有する金属プレートには、アルミニウム、
ステンレス、銅等の導電性、加工性に優れた金属のもの
が用いられ、表面コーティングには、耐腐食性に優れた
金、銀、ニッケル、アルミナ合金、チタン等のものが用
いられる。本発明のヒートパイプ９に導電性が必要とさ
れる理由は、複数の燃料電池セル７間を電気的に直列に
接続させるためである
【００１８】ヒートパイプ９の先端に金属の薄板を加工
した放熱用フィン１１を設け、これを複数個取付けるこ
とにより熱輸送を容易に行えるよう配置する。作動液１
０は、液体から気体へ、気体から液体に相変化すること
によって熱源から熱を輸送するための燃料電池の使用温
度領域に適した水、アンモニア、アセトン、メタノール
系作動液が用いられる。
した放熱用フィン１１を設け、これを複数個取付けるこ
とにより熱輸送を容易に行えるよう配置する。作動液１
０は、液体から気体へ、気体から液体に相変化すること
によって熱源から熱を輸送するための燃料電池の使用温
度領域に適した水、アンモニア、アセトン、メタノール
系作動液が用いられる。
【００１９】ヒートパイプ９の冷却方法は、図２
（ａ）、（ｂ）に示す。図２（ａ）は冷却作動中、図２
（ｂ）は冷却停止状態を示す。ヒートパイプ８の構造と
しては、ヒートパイプ９の放熱部にあたる円管の金属パ
イプの中に、ベローズ１２等の容器が挿入されその中に
空気、窒素ガス等の不活性ガス１３がある一定の圧力を
有し封入されている。燃料電池セル７の温度上昇ととも
にヒートパイプ９の熱輸送媒体である作動液１０の蒸発
圧力がベローズ１２等の容器圧力より高くなる時、ベロ
ーズ１２等の容器を押し上げ放熱部にあたる容積が広く
なる。この空間に蒸気となった作動液１０が移動し放熱
フィン１１に熱を伝達することにより冷却され作動液が
凝縮されて液体になり、ヒートパイプ９の内壁にそって
下部の加熱領域に戻り冷却効果が発現する。
（ａ）、（ｂ）に示す。図２（ａ）は冷却作動中、図２
（ｂ）は冷却停止状態を示す。ヒートパイプ８の構造と
しては、ヒートパイプ９の放熱部にあたる円管の金属パ
イプの中に、ベローズ１２等の容器が挿入されその中に
空気、窒素ガス等の不活性ガス１３がある一定の圧力を
有し封入されている。燃料電池セル７の温度上昇ととも
にヒートパイプ９の熱輸送媒体である作動液１０の蒸発
圧力がベローズ１２等の容器圧力より高くなる時、ベロ
ーズ１２等の容器を押し上げ放熱部にあたる容積が広く
なる。この空間に蒸気となった作動液１０が移動し放熱
フィン１１に熱を伝達することにより冷却され作動液が
凝縮されて液体になり、ヒートパイプ９の内壁にそって
下部の加熱領域に戻り冷却効果が発現する。
【００２０】図３は、上述の本発明にかかる燃料電池１
が適形状の筐体内に収納された固体高分子型燃料電池シ
ステム１４を示す。この図に示すように、ヒートパイプ
９の放熱用フィン１１をダクトで囲い、ダクトの上部に
設けられた冷却ファン等で強制冷却して迅速に冷却効果
が得られるようにしてもよい。なお、図中矢印は空気の
流れを示す。また、２１は燃料部である。
が適形状の筐体内に収納された固体高分子型燃料電池シ
ステム１４を示す。この図に示すように、ヒートパイプ
９の放熱用フィン１１をダクトで囲い、ダクトの上部に
設けられた冷却ファン等で強制冷却して迅速に冷却効果
が得られるようにしてもよい。なお、図中矢印は空気の
流れを示す。また、２１は燃料部である。
【００２１】一方、ヒートパイプ９の冷却停止時は、作
動液１０の蒸発圧力がベローズ１２等の容器のガス圧力
よりも低いため、放熱用フィン１１に熱を放出する空間
がなく熱を蓄積して燃料電池セル７を速やかに加熱す
る。
動液１０の蒸発圧力がベローズ１２等の容器のガス圧力
よりも低いため、放熱用フィン１１に熱を放出する空間
がなく熱を蓄積して燃料電池セル７を速やかに加熱す
る。
【００２２】このように燃料電池セル７の温度が上昇し
て、ある温度に到達した時点、例えば本発明の固体高分
子型燃料電池１の場合、約８０℃に到達した時点で冷却
が作動するようベローズ１２等の容器のガス圧力を調整
して、燃料電池セル７の温度制御を行うことができる。
て、ある温度に到達した時点、例えば本発明の固体高分
子型燃料電池１の場合、約８０℃に到達した時点で冷却
が作動するようベローズ１２等の容器のガス圧力を調整
して、燃料電池セル７の温度制御を行うことができる。
【００２３】本発明に用いるヒートパイプ９は、燃料電
池の発熱量によって異なるが、例えば本発明の固体高分
子型燃料電池１の場合、５００Ｗ相当の発熱量の燃料電
池セルの温度制御を行うとすると、直径５ｍｍの円管形
のヒートパイプ９を５本導電性を有する金属プレート中
に配置し、放熱用フィンは長さ１５０ｍｍの範囲で高さ
１０ｍｍのものを３ｍｍ間隔で配置して用いればよい。
池の発熱量によって異なるが、例えば本発明の固体高分
子型燃料電池１の場合、５００Ｗ相当の発熱量の燃料電
池セルの温度制御を行うとすると、直径５ｍｍの円管形
のヒートパイプ９を５本導電性を有する金属プレート中
に配置し、放熱用フィンは長さ１５０ｍｍの範囲で高さ
１０ｍｍのものを３ｍｍ間隔で配置して用いればよい。
【００２４】次に、本発明における燃料電池セルの運転
方法について説明する。水素を主燃料とする燃料ガスと
空気あるいは酸素等の酸化剤ガスをそれぞれ供給するこ
とにより燃料電池を発電させ、燃料電池起動時はセル温
度が環境温度と同一温度にありヒートパイプ９の機能で
ある冷却作用は停止している。この時、作動液１０は電
気化学的に反応する際に発熱する反応熱により、高温高
圧の蒸気となりヒートパイプ９の内部で循環し、その蒸
気圧力はベローズ１２等の容器のガス圧力よりも低いた
め、放熱用フィン１１に熱を放出する空間がなく熱を蓄
積し、燃料電池セル７を速やかに加熱して温度を上昇さ
せる。燃料電池セル７の温度が室温以上に達すると、電
極中の触媒の活性化が増し、電池反応速度が増加する。
この電池反応速度の増加により、反応に伴う発熱量も増
加することから、燃料電池セル７の温度も急激に上昇す
る。
方法について説明する。水素を主燃料とする燃料ガスと
空気あるいは酸素等の酸化剤ガスをそれぞれ供給するこ
とにより燃料電池を発電させ、燃料電池起動時はセル温
度が環境温度と同一温度にありヒートパイプ９の機能で
ある冷却作用は停止している。この時、作動液１０は電
気化学的に反応する際に発熱する反応熱により、高温高
圧の蒸気となりヒートパイプ９の内部で循環し、その蒸
気圧力はベローズ１２等の容器のガス圧力よりも低いた
め、放熱用フィン１１に熱を放出する空間がなく熱を蓄
積し、燃料電池セル７を速やかに加熱して温度を上昇さ
せる。燃料電池セル７の温度が室温以上に達すると、電
極中の触媒の活性化が増し、電池反応速度が増加する。
この電池反応速度の増加により、反応に伴う発熱量も増
加することから、燃料電池セル７の温度も急激に上昇す
る。
【００２５】このように、燃料電池セル７の温度が上昇
し、ある温度に到達した時点、例えば本発明の固体高分
子型燃料電池１の場合、約８０℃に到達した時点でヒー
トパイプ９の機能である冷却作用が作動する。すなわ
ち、ヒートパイプ９の熱輸送媒体である作動液１０の蒸
発圧力が、約８０℃に到達した時点でベローズ１２等の
容器圧力よりも高くなり、ベローズ１２等の容器を押し
上げ放熱部にあたる容積が広くなり、この空間に蒸気と
なった作動液が移動し放熱フィン１１に熱を伝達するこ
とにより冷却された作動液１０が凝縮され液体となり、
ヒートパイプ９の内壁にそって下部の加熱領域に戻る。
この作動液１０の循環現象により冷却効果を発現させる
ことによって、燃料電池セル７の温度制御を行う。この
ように、ヒートパイプ９の冷却作用の作動、停止を繰り
返すことによって発電中の燃料電池セル７の温度を一定
に保つことができる。
し、ある温度に到達した時点、例えば本発明の固体高分
子型燃料電池１の場合、約８０℃に到達した時点でヒー
トパイプ９の機能である冷却作用が作動する。すなわ
ち、ヒートパイプ９の熱輸送媒体である作動液１０の蒸
発圧力が、約８０℃に到達した時点でベローズ１２等の
容器圧力よりも高くなり、ベローズ１２等の容器を押し
上げ放熱部にあたる容積が広くなり、この空間に蒸気と
なった作動液が移動し放熱フィン１１に熱を伝達するこ
とにより冷却された作動液１０が凝縮され液体となり、
ヒートパイプ９の内壁にそって下部の加熱領域に戻る。
この作動液１０の循環現象により冷却効果を発現させる
ことによって、燃料電池セル７の温度制御を行う。この
ように、ヒートパイプ９の冷却作用の作動、停止を繰り
返すことによって発電中の燃料電池セル７の温度を一定
に保つことができる。
【００２６】本実施例では、放熱用フィン１１を形成し
た円管形のヒートパイプ９を用いた例を示しているが、
本発明はこれに限定されず、導電性を有する金属プレー
ト中に、熱輸送特性に優れたヒートパイプ９の機能があ
ればよい。
た円管形のヒートパイプ９を用いた例を示しているが、
本発明はこれに限定されず、導電性を有する金属プレー
ト中に、熱輸送特性に優れたヒートパイプ９の機能があ
ればよい。
【００２７】このように、本発明である燃料ガス流路及
び酸化剤ガス流路が配されてなる燃料ガス用、酸化剤ガ
ス用のセパレータ５、６にヒートパイプ９を用いること
により、図５に示したように、燃料電池セル７を冷却す
るためのポンプ１７、冷却循環水配管１８、専用の冷却
装置１９または冷却手段等の設備が不要で、冷却媒体を
循環させるためのポンプ動力、さらに冷却媒体である水
の管理等を必要とせず、装置の小型・軽量化と低コスト
化を達成し、発電中の効率を向上させ、保守管理が容易
で、安価に得られる燃料電池を提供することができる。
び酸化剤ガス流路が配されてなる燃料ガス用、酸化剤ガ
ス用のセパレータ５、６にヒートパイプ９を用いること
により、図５に示したように、燃料電池セル７を冷却す
るためのポンプ１７、冷却循環水配管１８、専用の冷却
装置１９または冷却手段等の設備が不要で、冷却媒体を
循環させるためのポンプ動力、さらに冷却媒体である水
の管理等を必要とせず、装置の小型・軽量化と低コスト
化を達成し、発電中の効率を向上させ、保守管理が容易
で、安価に得られる燃料電池を提供することができる。
【００２８】
【発明の効果】本発明によれば、従来の燃料電池に比
べ、装置の小型化、低コスト化を達成し、発電中の効率
を向上させ、冷却循環水の保守管理等の必要もなく、起
動に要する時間の短縮化を図る燃料電池を提供すること
ができる。
べ、装置の小型化、低コスト化を達成し、発電中の効率
を向上させ、冷却循環水の保守管理等の必要もなく、起
動に要する時間の短縮化を図る燃料電池を提供すること
ができる。
【図１】本発明の一実施例による燃料電池セルの構造を
示す構成図である。
示す構成図である。
【図２】本発明に用いられるヒートパイプ構造の詳細及
び、加熱、冷却方法を示す説明図である。
び、加熱、冷却方法を示す説明図である。
【図３】本発明を用いた燃料電池システムを示す構成図
である。
である。
【図４】従来の燃料電池セルの構造を示す構成図であ
る。
る。
【図５】従来の燃料電池システムの構成を示す構成図で
ある。
ある。
１ 固体高分子型燃料電池 ２ 固体高分子電解質膜 ３ 燃料電極膜 ４ 酸化剤電極膜 ５ 燃料ガス用セパレータ ６ 酸化剤ガス用セパレータ ７ 燃料電池セル ８ 冷却板 ９ ヒートパイプ １０ 作動液 １１ 放熱用フィン １２ ベローズ １３ 不活性ガス １４ 燃料電池システム １５ 冷却ファン １６ ダクト １７ ポンプ １８ 冷却装置 １９ 冷却循環水配管 ２０ タンク ２１ 燃料部
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.7 識別記号 ＦＩ テーマコート゛(参考） Ｈ０１Ｍ 8/24 Ｈ０１Ｍ 8/24 Ｚ
Claims (4)
- 【請求項１】 固体高分子電解質膜（２）と、この固体
高分子電解質膜（２）の両面に配置された導電性と通気
性とを兼ね備えた燃料電極膜（３）及び酸化剤電極膜
（４）と、この燃料電極膜（３）、酸化剤電極膜（４）
にガスを供給し、あるいは電極膜（３）、（４）からガ
スを排出するための燃料ガス流路を有する燃料ガス用セ
パレータ（５）及び酸化剤ガス流路を有する酸化剤ガス
用セパレータ（６）から構成される燃料電池セル（７）
を複数枚積層して積層体を構成する固体高分子型の燃料
電池（１）において、前記燃料ガス用セパレータ（５）
及び酸化剤ガス用セパレータ（６）がヒートパイプ
（９）を有し、このヒートパイプ（９）に放熱用フィン
（１１）が設けられた構造であることを特徴とする燃料
電池。 - 【請求項２】 前記ヒートパイプ（９）を有する燃料ガ
ス用セパレータ（５）及び酸化剤ガス用セパレータ
（６）は、導電性を有する金属プレート中に円管状のパ
イプを配置し、このパイプ中に熱輸送媒体である作動液
（１０）が封入された構造であることを特徴とする請求
項１記載の燃料電池。 - 【請求項３】 前記ヒートパイプ（９）は、内部に空
気、窒素ガス等の不活性ガスをベローズ（１２）等の容
器に封入することにより、一定温度以上に達すると冷却
効果が発現する構造であることを特徴とする請求項１記
載の燃料電池。 - 【請求項４】 燃料ガス、酸化剤ガスを供給することに
より燃料電池（１）を発電させ、燃料電池（１）の起動
時にはヒートパイプ（９）の断熱効果により燃料電池セ
ル（７）自身の発熱により、迅速に温度上昇させるとと
もに、燃料電池セル（７）がある温度以上になった時、
ヒートパイプ（９）の冷却機能が作動し電池反応ととも
に発生する反応熱をヒートパイプ（９）を介して大気中
に放出することを特徴とする請求項１〜３記載の燃料電
池の運転方法。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP11162152A JP2000353536A (ja) | 1999-06-09 | 1999-06-09 | 燃料電池及びその運転方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP11162152A JP2000353536A (ja) | 1999-06-09 | 1999-06-09 | 燃料電池及びその運転方法 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2000353536A true JP2000353536A (ja) | 2000-12-19 |
Family
ID=15749035
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP11162152A Pending JP2000353536A (ja) | 1999-06-09 | 1999-06-09 | 燃料電池及びその運転方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2000353536A (ja) |
Cited By (13)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| FR2827427A1 (fr) * | 2001-07-12 | 2003-01-17 | Commissariat Energie Atomique | Pile a combustile a gestion thermique optimisee |
| WO2006006589A1 (ja) * | 2004-07-13 | 2006-01-19 | Nissan Motor Co., Ltd. | 燃料電池スタック |
| JP2007299565A (ja) * | 2006-04-28 | 2007-11-15 | Equos Research Co Ltd | 燃料電池 |
| JP2007317674A (ja) * | 2007-08-03 | 2007-12-06 | Sony Corp | 燃料電池及びこれを搭載した電子機器 |
| JP2007324136A (ja) * | 2006-06-02 | 2007-12-13 | Samsung Sdi Co Ltd | 燃料電池の熱交換器 |
| JP2008147026A (ja) * | 2006-12-11 | 2008-06-26 | Hitachi Ltd | 固体酸化物形燃料電池 |
| US8020613B2 (en) | 2006-10-27 | 2011-09-20 | Canon Kabushiki Kaisha | Heat transfer controlling mechanism and fuel cell system having the heat transfer controlling mechanism |
| US8101311B2 (en) | 2002-12-12 | 2012-01-24 | Sony Corporation | Fuel cell and electronic apparatus with the same mounted thereon |
| WO2012132428A1 (ja) * | 2011-03-30 | 2012-10-04 | 三洋電機株式会社 | 燃料電池モジュール |
| JP2012526366A (ja) * | 2009-05-11 | 2012-10-25 | コミッサリア ア レネルジー アトミーク エ オ ゼネルジ ザルタナテイヴ | コンパクトな燃料電池 |
| CN103715441A (zh) * | 2013-12-18 | 2014-04-09 | 孙世梅 | 基于阵列热管相变传热的质子交换膜燃料电池热管理方法 |
| EP2867945A4 (en) * | 2012-06-28 | 2016-03-02 | Intelligent Energy Ltd | REGULATION OF TEMPERATURE IN A FUEL CELL SYSTEM |
| CN109066007A (zh) * | 2018-07-26 | 2018-12-21 | 东南大学 | 一种基于热管的大规模电池模组集成箱冷却*** |
-
1999
- 1999-06-09 JP JP11162152A patent/JP2000353536A/ja active Pending
Cited By (15)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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| US7255951B2 (en) | 2001-07-12 | 2007-08-14 | Commissariat A L'energie Atomique | Optimized thermal management fuel cell |
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| US8679693B2 (en) | 2009-05-11 | 2014-03-25 | Commissariat à l′énergie atomique et aux énergies alternatives | Compact fuel cell |
| WO2012132428A1 (ja) * | 2011-03-30 | 2012-10-04 | 三洋電機株式会社 | 燃料電池モジュール |
| EP2867945A4 (en) * | 2012-06-28 | 2016-03-02 | Intelligent Energy Ltd | REGULATION OF TEMPERATURE IN A FUEL CELL SYSTEM |
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| CN109066007A (zh) * | 2018-07-26 | 2018-12-21 | 东南大学 | 一种基于热管的大规模电池模组集成箱冷却*** |
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