JP2005078970A - 燃料電池および燃料電池放熱利用システム - Google Patents

Abstract

【課題】固体高分子型燃料電池内で発生する熱を簡単な構成で効果的に外部に放出することができる燃料電池および当該燃料電池を用いた燃料電池システムを提供すること。
【解決手段】複数の第一ヒートパイプ４ａのそれぞれは、燃料電池セル２０の各間に挟着された導電性挟着部４１、および隣接する燃料電池セル２０間から外部に突出した突出部４２から構成されており、さらに突出部４２は、導電性挟着部４１と同じ方向に延在する突出根部４２１および積層体２の側面２８と略平行に延在する折曲部４２２から構成されている。導電性挟着部４１において、燃料電池セル２０からの放熱によって内部の動作液が沸騰蒸発して低温端の折曲部４２２に向って移動し、そこで冷却され、上記放熱が積層体２の外部に設置された第二ヒートパイプ６に伝達され、第二ヒートパイプ６から熱交換器７に送るようにする。
【選択図】図２

Description

本発明は、燃料電池セル、例えば固体高分子膜を電解質として用いた燃料電池セルの複数を積層した積層体を備えた燃料電池、および上記燃料電池からの放熱を利用した燃料電池放熱利用システムに関し、詳しくは上記燃料電池セルの冷却構造が改善された燃料電池および上記燃料電池からの放熱の回収機構が改善された燃料電池放熱利用システムに関するものである。

従来の固体高分子型燃料電池においては、複数積層された燃料電池セルの間に冷却媒体流路を有する冷却板が配置され、冷却水ポンプによって冷却媒体を循環させて発電による廃熱を回収し熱交換器で再利用するようにしている。さらに後記の特許文献１から、燃料電池セルを構成する燃料ガス用導電性セパレータおよび酸化剤ガス用導電性セパレータのそれぞれに高温側となる円管状のパイプ部を内蔵せしめたヒートパイプを配置し、上記ヒートパイプの他端に放熱用フィン設け、固体高分子型燃料電池で発生した熱を上記ヒートパイプを通じて燃料電池外に導いて空気中に放熱する技術も公知である。

ところで従来の冷却媒体流路による固体高分子型燃料電池の冷却方法においては、冷却媒体を循環させるためのポンプと冷却媒体を送る配管が必要であって、このために燃料電池システムは複雑で高価なものになるという問題があった。また特許文献１の技術においては、上記ヒートパイプの高温側となる円管状のパイプ部を各セパレータ中に内蔵し、固着する必要がある。このとき、積層されるセパレータは隣接するセパレータと隙間なく密着する必要があり、このような構造を円管状のヒートパイプによって実現するには製造コストが高くなるという問題があった。
特開２０００−３５３５３６号公報（請求項１、請求項2、段落番号００１７、図１）

本発明は、上述のような従来技術における問題を解決するためになされたものであって、燃料電池内で発生する熱を簡単な構成で効果的に外部に放出することができる燃料電池および当該燃料電池を用いた燃料電池放熱利用システムを提供することを課題とするものである。

本発明の請求項１に係る燃料電池は、複数の燃料電池セルの積層体、および上記燃料電池セル同士の間に挟着された平板状の導電性挟着部と上記燃料電池セル間から外部に突出した突出部を有すると共に上記燃料電池セル内で発生する熱を外部に放出するための第一放熱装置を備えたことを特徴とし、本発明の請求項４に係る燃料電池は、隣接する上記第一放熱装置の上記突出部の端部同士は、接触することないように互いに異なる方向に上記燃料電池セル間から外部に突出しているか、または互いに反対方向に折り曲げられていることを特徴とし、さらに本発明の請求項５に係る燃料電池は、上記突出部の折り曲げられた外面上に電気絶縁シートを介して第二放熱装置を備えたことを特徴とするものである。

本発明の請求項８に係る燃料電池放熱利用システムは、上記燃料電池の上記第二放熱装置に集められた上記燃料電池からの放熱を熱交換する熱交換器を備えたことを特徴とするものである。

本発明の燃料電池では、第一放熱装置として燃料電池セル間に挟着された平板状の導電性挟着部を有するものを採用するので、前記従来技術におけるような冷却媒体の循環が不要となって燃料電池の構造が簡素化される。さらに上記導電性挟着部は、特許文献１の場合のようにセパレータ内に内蔵されずに、単に燃料電池セル間に挟着設置されるのみであるので燃料電池の製造工程が頗る簡素化され、しかして製造コストが低減する効果がある。その際、上記導電性挟着部が平板状であることが燃料電池セル間での挟着設置を容易にし、しかも挟着設置状態での燃料電池セル間の電気的接続が容易であり且つ安定化する効果もある。

本発明の燃料電池放熱利用システムでは、上記燃料電池の上記第二放熱装置に集められた上記燃料電池からの放熱は上記熱交換器により熱交換されるので、簡単な構造で効率的に電池からの放熱を再利用できる。

以下において、説明の順位の早い図に示された部位と同じ部位が後続の図に示される場合には、互に同じ部位については同じ符号を付して後続の図では部位の説明を省略することがある。

実施の形態１．
図１〜図５は、本発明の燃料電池における実施の形態１を説明するものであって、図１は実施の形態１の斜視図、図２は図１のII-II線に沿った断面図、図３は図２の一部拡大図、図４は図１のIV-IV線に沿った断面図、図５は実施の形態１において用いられた第一ヒートパイプ４ａの斜視図である。図１〜図５において、燃料電池１は、その主要部として、複数の燃料電池セル２０の積層体２、端子電極３１、端子電極３２、前記第一放熱装置の一例としての複数の第一ヒートパイプ４ａ、電気絶縁シート５、および前記第二放熱装置の一例としての平板状の第二ヒートパイプ６を備えている。端子電極３１、端子電極３２は、それぞれ電線接続用のターミナル３１１、ターミナル３２１を有する。

複数の燃料電池セル２０のそれぞれは、図２に示すように固体高分子膜２１、固体高分子膜２１の一方の面に設けられて導電性と通気性を兼ね備えた燃料電極２２、固体高分子膜２１の他方の面に設けられて導電性と通気性を兼ね備えた酸化剤電極２３、燃料電極２２にガスを供給し、あるいは燃料電極２２からガスを排出するための燃料ガス流路２４を有する燃料ガス用セパレータ２５、および酸化剤ガス流路２６を有する酸化剤ガス用セパレータ２７を備えている。なお個々の燃料電池セル２０の側面では、通常、上記符号２１、２２、２３、２５、２７で示される各要素の側面が露出しているが、図１および後続の諸図では図面の簡略化のために燃料電池セル２０の側面での各要素の明示は省略されている。

複数の第一ヒートパイプ４ａのそれぞれは、図５に示すように燃料電池セル２０の各間に挟着された導電性挟着部４１、および隣接する燃料電池セル２０間から、換言すると積層体２の側面２８から外部に突出した突出部４２から構成されており、さらに突出部４２は、導電性挟着部４１と同じ方向に延在する突出根部４２１および積層体２の側面２８と略平行に延在する折曲部４２２から構成されている。なお図５での点線ＤＬは、積層体２の側面２８のレベルであって、しかして導電性挟着部４１と突出部４２との区分けラインとなる。

突出根部４２１の寸法、即ち側面２８と折曲部４２２の内面（側面２８と対向する面）との間の距離は、燃料電池１を可及的小型化する立場から、側面２８と折曲部４２２との間での電気的短絡の問題を安全に回避し得る限り、可及的短いことが好ましく、例えば１〜５ｍｍ程度が適当である。一方、折曲部４２２の折曲長さＢＬは、それが大きい程放熱性能が向上するものの、それが過大であると隣接する第一ヒートパイプ４ａの突出根部４２１と接触して電気的に短絡する問題があるので、かかる短絡問題を安全に回避し得るように折曲部４２２の折曲先端と隣接する第一ヒートパイプ４の突出根部４２１との間に少なくとも０．３ｍｍ程度、特に少なくとも０．５ｍｍ程度のギャップが生じるようにすることが好ましい。

各第一ヒートパイプ４ａは、厚さ０．１ｍｍ程度の薄い導電性板材で構成され、その空間内部には水、アンモニア、アセトンなどの動作液が真空下で封閉されており、低温端たる折曲部４２２で凝縮液化した動作液を高温端たる導電性挟着部４１に戻すために、導電性挟着部４１の内面には溝式あるいは突起式などの方法によって毛管作用が生じるようになっている。各第一ヒートパイプ４ａの導電性挟着部４１は、一方の側の燃料電池セル２０の燃料ガス用セパレータ２５との接触抵抗と、他方の側の燃料電池セル２０の酸化剤ガス用セパレータ２７との接触抵抗を低減するために端子電極３１と端子電極３２との間の加圧力により両側の燃料電池セル２０と圧接される。導電性挟着部４１は、その内部に導電性挟着部４１を構成する対向板材間を電気的に橋絡する複数のブロック導体４１１を内蔵しており、ブロック導体４１１は、上記の電気的橋絡作用に加えて、上記した両側の燃料電池セル２０との圧接力にても導電性挟着部４１が圧潰しないように保護する圧潰防止作用、さらには燃料電池セル２０からの放熱を導電性挟着部４１内で効率的に伝達する作用もなす。

複数の第一ヒートパイプ４ａの各折曲部４２２によって積層体２の側面２８上に一つの平面が形成され、その平面上に電気絶縁シート５を介して第二ヒートパイプ６が設置されている。第二ヒートパイプ６は、平板状であり、第一ヒートパイプ４ａの折曲部４２２同士間での第二ヒートパイプ６による電気的短絡を防止するために、電気絶縁シート５を介して折曲部４２２群上に設置されている。

次に、実施の形態１の燃料電池１の動作に就いて説明する。以上のように構成された第一ヒートパイプ４ａでは、高温端たる導電性挟着部４１において燃料電池セル２０からの放熱によって内部の動作液が沸騰蒸発して低温端たる折曲部４２２に向って移動する。そして、低温端で冷却されて液状に戻り毛管作用によって再び高温端にもどることによって上記放熱が積層体２の外部に設置された第二ヒートパイプ６に伝達され、第二ヒートパイプ６から燃料電池１の外部に放熱される。

この結果、固体高分子膜２１、燃料電極２２、酸化剤電極２３、燃料ガス用セパレータ２５、および酸化剤ガス用セパレータ２７を含む燃料電池セル２０から発生する熱は、第一ヒートパイプ４ａの導電性挟着部４１から突出部４２、特に折曲部４２２に向かって速やかに伝達されるので、従来のように冷却媒体を還流させるための冷却媒体流路を設ける必要が無く、また、第一ヒートパイプ４ａを採用したことによって、燃料電池セル２０群との密着性が向上して効率的に放熱を伝達することが出来る。

実施の形態２．
図６〜図７は、本発明の燃料電池における実施の形態２を説明するものであって、図６は実施の形態２の斜視図、図７は実施の形態２において用いられた第一ヒートパイプ４ｂの斜視図である。第一ヒートパイプ４ｂは、実施の形態１で用いられた第一ヒートパイプ４ａとは、図７に示すように突出部４２の幅が導電性挟着部４１の幅（図５の点線ＤＬで示す幅）の１／２より少し小さい点で異なり、その他の構造は同じである。また実施の形態２の燃料電池では、第一ヒートパイプ４ｂがその折曲部４２２の延在方向が交互に逆方向となるように、換言すると、いま図７に示された第一ヒートパイプ４ｂの一面をＳ面、その裏面をＲ面すると、端子電極３１から端子電極３２に向かう方向にＳ面とＲ面とが交互となるように第一ヒートパイプ４ｂが設置されていて、図６の向かって左半分はＳ面が端子電極３２の方に向いた第一ヒートパイプ４ｂの折曲部４２２により、一方図６の向かって右半分はＲ面が端子電極３２の方に向いた第一ヒートパイプ４ｂの折曲部４２２によりそれぞれ平面が形成され、それら両平面上に電気絶縁シート５と第二ヒートパイプ６とが設置されている。その結果、積層体２の側面２８の略全面上が第二ヒートパイプ６の設置面積として利用可能となって、放熱性能が向上する。

第一ヒートパイプ４ｂは、突出部４２の幅が第一ヒートパイプ４ａのそれより小さい点において放熱機能がやや低下するが、第一ヒートパイプ４ａよりも工業的に製造し易い利点がある。その理由は、第一ヒートパイプ４ａは、前記したように厚さ０．１ｍｍ程度の薄い導電性板材間に動作液が封閉される空間を設けて、しかして通常１ｍｍ程度の厚みを有する平板状筐体を先ず製造し、その一端の数ｍｍ部分を例えば９０度に折り曲げて折曲部４２２を形成して製造されるが、その折曲部４２２の長さＢＬ（図５参照）は、燃料電池セル２０の厚み（通常、３〜８ｍｍ程度）より僅かに小さい寸法であるので、それを広幅の上記平板の全幅に亘って一様に折り曲げて形成ことは一般的に容易ではないが、折り曲げ幅を小さくすると、例えば１／２とすると折り曲げ作業が容易となり、第一ヒートパイプ４ｂの生産効率が向上する利点がある。

実施の形態２の変形の実施の形態として、第一ヒートパイプ４ｂの全部Ｓ面を端子電極３２の方に向ける、あるいは端子電極３１の方に向けるようにしてもよい。但しそれらの場合には、図６の向かって右半分または左半分のみに折曲部４２２の平面が形成されることになる。

実施の形態３．
図８〜図９は、本発明の燃料電池における実施の形態３を説明するものであって、図８は実施の形態３の平面図であり、図９は実施の形態３の側面図である。但し図８では、電気絶縁シート５と第二ヒートパイプ６とを除去した状態を示す。実施の形態３では、実施の形態２において用いられた前記第一ヒートパイプ４ｂに代えて第一ヒートパイプ４ｃが用いられている。第一ヒートパイプ４ｃは、前記第一ヒートパイプ４ｂと同様に、突出部４２の幅が導電性挟着部４１の幅の１／２未満である（図７参照）が、その折曲部４２２の長さＢＬは、燃料電池セル２０の２個分の厚みに近い長さを有する。第一ヒートパイプ４ｃは、端子電極３１から端子電極３２に向かう方向に、前記実施の形態２の場合のように、Ｓ面とＲ面とが交互となるように設置されており、このために図８の向かって上側は、Ｓ面が端子電極３２の方に向いた第一ヒートパイプ４ｂの折曲部４２２により、一方図８の向かって下側は、Ｒ面が端子電極３２の方に向いた第一ヒートパイプ４ｂの折曲部４２２によりそれぞれ平面が形成され、それら両平面上に電気絶縁シート５と第二ヒートパイプ６とが設置されている。

第一ヒートパイプ４ｃは、突出部４２の幅が導電性挟着部４１の幅の１／２未満であり、しかも各折曲部４２２の折り曲げ長さＢＬが長いので、前記した理由から各折曲部４２２の形成が一層容易であって、そのために第一ヒートパイプ４ｃの生産効率が一層向上する利点がある。

実施の形態４．
図１０〜図１１は、本発明の燃料電池における実施の形態４を説明するものであって、図１０は実施の形態４の平面図、図１１は実施の形態４の側面図である。但し図１０では、電気絶縁シート５と第二ヒートパイプ６とを除去した状態を示す。実施の形態４では、実施の形態３において用いられた前記第一ヒートパイプ４ｃに代えて、第一ヒートパイプ４ｄが用いられている。第一ヒートパイプ４ｄは、前記第一ヒートパイプ４ｃと同様に、突出部４２の幅が導電性挟着部４１の幅の１／２未満であるが、その折曲部４２２は、燃料電池セル２０の４個分の厚みに近い長さＢＬを有し、しかも第一ヒートパイプ４ｄは、図１１から明らかなように積層体２の同図上の上下の両側面上で各折曲部４２２にてＡ面およびＢ面が形成されるように、後記する状態で燃料電池セル２０間に挟着されている。

即ち、いま第一ヒートパイプ４ｄが端子電極３１から端子電極３２に向かう面がＳ面である場合をＳ、端子電極３１から端子電極３２に向かう面がＲ面である場合をＲと表示し、さらに折曲部４２２がＡ面側となるように設置する場合をＡ、Ｂ面側となるように設置する場合をＢと表示すると、第一ヒートパイプ４ｄは図１２の端子電極３１から端子電極３２に向かって、同図の左端から同パイプ４ｄの１番目がＳＢ状態、２番目がＳＡ状態、３番目がＲＢ状態，４番目がＲＡ状態となるように設置され、以下１番目〜４番目が繰り返えされる。

実施の形態５．
図１２は、本発明の燃料電池放熱利用システムにおける実施の形態５の概略斜視図である。図１２において、燃料電池放熱利用システムは、第一ヒートパイプ４および第二ヒートパイプ６を含む燃料電池１と熱交換器７を備えている。第二ヒートパイプ６は、その高温端６１が電気絶縁シート５を介して第一ヒートパイプ４と熱的に接触しており、その低温端６２が熱交換器７に接触接続されている。第一ヒートパイプ４から放出された燃料電池１からの放熱は、第二ヒートパイプ６によって熱交換器７に運ばれ、ここで温水などに熱交換される。この結果、従来技術において用いられた冷却媒体循環ポンプや循環パイプなどが不要となって、簡単な構造で効率的に燃料電池１からの放熱を熱交換器７に送り、これを有効に再利用できるようになる。

本発明は、以上説明した実施の形態１〜５に限定されるものではなく、本発明の課題とその解決手段の精神に沿った種々の変形形態を包含する。例えば前記実施の形態１〜４では、折曲部４２２で形成される平面を燃料電池セル２０の積層方向に向って直線上に夫々１列配設または２列配設としたが、４列、６列、あるいはそれ以上の多列としても良い。また第一ヒートパイプ４ａ〜４ｄに代えて平板のヒィンであってもよい。

本発明の燃料電池並びに燃料電池放熱利用システムは、従来技術と比較して構造が簡単であって、コンパクト化が可能であるので、大量生産に好適であり、且つ狭隘な個所への設置に適している。

本発明の燃料電池における実施の形態１の斜視図。 図１のII-II線に沿った断面図。 図２の一部拡大図。 図１のIV-IV線に沿った断面図。 実施の形態１において用いられた第一ヒートパイプ４ａの斜視図。 本発明の燃料電池における実施の形態２の斜視図。 実施の形態２において用いられた第一ヒートパイプ４ｂの斜視図。 本発明の燃料電池における実施の形態３の平面図（但し電気絶縁シート５と第二ヒートパイプ６とを除去した状態）。 実施の形態３の側面図。 本発明の燃料電池における実施の形態４の平面図（但し電気絶縁シート５と第二ヒートパイプ６とを除去した状態）。 実施の形態４の側面図。 本発明の燃料電池放熱利用システムにおける実施の形態５の概略斜視図。

符号の説明

１ 燃料電池、２ 積層体、２０ 燃料電池セル、２１ 固体高分子膜、
２２ 燃料電極、２３ 酸化剤電極、２４ 燃料ガス流路、
２５ 燃料ガス用セパレータ、２６ 酸化剤ガス流路、２７ 酸化剤ガス用セパレータ、２８ 積層体２の側面、３１ 端子電極、３２ 端子電極、
４ａ〜４ｄ 第一ヒートパイプ、４１ 導電性挟着部、４１１ ブロック導体、
４２ 突出部、４２１ 突出根部、４２２ 折曲部、５ 電気絶縁シート、
６ 第二ヒートパイプ、６１ 高温端、 低温端６２、７ 熱交換器。

Claims (8)

1. 複数の燃料電池セルの積層体、および上記燃料電池セルの間に挟着された平板状の導電性挟着部と上記燃料電池セル間から外部に突出した突出部を有すると共に上記燃料電池セル内で発生する熱を外部に放出するための第一放熱装置を備えたことを特徴とする燃料電池。
2. 上記燃料電池セルは、固体高分子膜と、上記固体高分子膜の一方の面に配置された燃料電極と、上記固体高分子膜の他方の面に配置された酸化剤電極と、上記燃料電極に当接されて燃料ガスを供給するための燃料ガス用導電性セパレータと、上記酸化剤電極に当接されて酸化剤ガスを供給するための酸化剤ガス用導電性セパレータを有することを特徴とする請求項１記載の燃料電池。
3. 上記突出部は平板状であって、且つ上記突出部の端部は上記積層体の側面と略平行するように折り曲げられていることを特徴とする請求項１または請求項２記載の燃料電池。
4. 隣接する上記第一放熱装置の上記突出部の端部同士は、接触することないように互いに反対方向に折り曲げられているか、または上記燃料電池セル間から互いに異なる方向に外部に突出していることを特徴とする請求項３記載の燃料電池。
5. 上記突出部の上記折り曲げられた折曲部の外面上に電気絶縁シートを介して第二放熱装置を備えたことを特徴とする請求項３または請求項４記載の燃料電池。
6. 上記第一放熱装置は、ヒートパイプであることを特徴とする請求項１〜請求項５のいずれか一項記載の燃料電池。
7. 上記ヒートパイプの導電性挟着部は、その内部に上記導電性挟着部を構成する対向板材間を電気的に橋絡するブロック導体を有することを特徴とする請求項６記載の燃料電池。
8. 請求項５〜請求項７のいずれか一項記載の燃料電池を備え、上記第二放熱装置に集められた上記燃料電池からの放熱を熱交換する熱交換器を備えたことを特徴とする燃料電池放熱利用システム。

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