JP2005327558A - 固体高分子形燃料電池 - Google Patents

Abstract

【課題】集電端子から電線を経由して生じる熱損失を低減する。
【解決手段】燃料電池の単電池１０を多数積層したセル部分と、燃料電池が発電した電流を外部へ導くためにセル部分の両端に配置された集電板２０と、集電板２０の一部分に電線４０を接続するための集電端子２０ｂとを固体高分子形燃料電池に設け、集電端子２０ｂの近傍の集電端子近傍部２０ａと燃料電池の単電池１０との間に断熱材３０ａを配置する。代わりに、集電端子２０ｂの近傍の集電端子近傍部２０ａと燃料電池の単電池１０との間を隙間のままとしてもよい。
【選択図】図１

Description

本発明は、燃料電池の単電池を多数積層したセル部分と、燃料電池が発電した電流を外部へ導くためにセル部分の両端に配置された集電板と、集電板の一部分に電線を接続するための集電端子とを具備する固体高分子形燃料電池に関し、特には、集電端子から電線を経由して生じる熱損失を低減することができる固体高分子形燃料電池に関する。

固体高分子形燃料電池の主要な用途であるコジェネレーション用の小規模定置用発電装置では、燃料電池スタックからの放熱を抑えることが重要である。放熱量が大きいと、燃料電池冷却水の温度が低下して外部への熱出力が減少するので、燃料電池発電システムとしての総合エネルギー効率は低下する。特に燃料電池スタックの発熱量が少なくなる部分負荷運転では、放熱の影響は相対的に大きくなる。

燃料電池スタックの熱損失は、燃料電池スタック出口ガスが持ち出す熱エネルギーと、燃料電池スタック外表面からの放熱と、集電端子から電線を経由する熱損失との３通りに大別することができる。燃料電池スタック出口ガスによる熱損失は外部で熱交換により回収できるが、燃料電池スタック外表面からの放熱と電線を経由する熱損失は回収できないため、可能なかぎり小さくすることが望ましい。燃料電池スタック外表面からの放熱は断熱を強化することで小さくすることが容易にできるが、結果として、電線を経由する熱損失の比率が無視できなくなる。特に低コスト化を狙って電極面積を大きくすると、大電流を流すために電線導体の断面積が増加し、それにより、電線を経由する熱損失も大きくなる。

電線を経由する熱損失を防ぐには、電線全体を完全に断熱して導体温度が電池温度に近くなるようにする方法がある。しかし、一定以上の長さがある電線は体積に比べて表面積が大きいため、断熱により導体温度を維持することは難しい。電線を細くすることで電線自体の抵抗発熱により温度を維持することもできるが、発熱量に相当する電気エネルギーが消費され発電効率が低下することになる。

集電端子からの熱損失を低減するための従来技術としては、例えば特開２００３−１０９６５０号公報に記載されたような集電端子に熱交換コイルを巻きつけて反応ガスを予熱する方法がある。この方法は固体電解質形燃料電池のように電池温度が数百度にもなる場合には効率的な熱交換が可能であるが、固体高分子形燃料電池では運転温度が１００℃以下と低いためにコイル方式では効率的な熱交換は難しく、また構造が複雑になるという欠点がある。

別の方法としては、例えば特開２００３−４５４６２号公報に開示されているように集電板の外側に発熱体を設け、温度低下時には発熱体から電流を取り出す方法がある。この方法は熱損失に伴うセル温度の低下を防ぐことが目的であるので、熱損失そのものを低減することはできない。従って、熱損失による総合エネルギー利用効率低下を防ぐことができないだけではなく、電力エネルギーの一部を熱に変えてセル温度低下を防ぐ方法であるために発電効率まで低下してしまうという欠点がある。

通常の構成として固体高分子形燃料電池のスタックでは、図２に示すように、単電池１０を多数積層したセル部分の両端に集電板２０が配置される。集電板２０の端に設けられた集電端子２０ｂから電線４０を通して他の機器と電気的に接続される。スタックを一定の圧力で締め付けるための締付板２２は、絶縁板２１によって集電板２０と隔てられる。スタックの外表面は放熱を抑えるために断熱材３０で覆われ、さらに断熱カバー３１で外気から遮断される。集電端子２０ｂの周辺も断熱材３０ｂと断熱カバー３１ｂで覆って断熱される。

単電池１０はカソードセパレータ６０ａとアノードセパレータ６０ｂにより構成される。セパレータ６０ａ，６０ｂには、図３に示すように、空気、燃料、冷却水を単電池に分配・回収するためのマニホールド５０ａ，５０ｂ，５１ａ，５１ｂ，５２ａ，５２ｂが設けられていて、マニホールド接続部６２により電極部６１と接続される。外部から空気を供給するためのマニホールドを空気入口マニホールド５０ａ、反応後の空気を排出するためのマニホールドを空気出口マニホールド５０ｂと称し、外部から燃料を供給するためのマニホールドを燃料入口マニホールド５１ａ、反応後の燃料を排出するためのマニホールドを燃料出口マニホールド５１ｂと称し、外部から冷却水を供給するためのマニホールドを冷却水入口マニホールド５２ａ、反応後の冷却水を排出するためのマニホールドを冷却水出口マニホールド５２ｂと称する。マニホールド接続部６２と電極部６１には任意形状のガス流路が存在するが本発明では関連が少ないため説明を省略する。各マニホールドはパッキン６３によりシールされる。またマニホールドは集電板２０にも存在する。絶縁板２１と締付板２２にもマニホールドが連通して外部配管と接続される場合が多いが、厚い絶縁板の側面に外部配管との接続口を設ける場合もある。絶縁板２１と締付板２２の詳細な説明も本発明との関連が少ないため省略する。

特開２００３−１０９６５０号公報

特開２００３−４５４６２号公報

前記問題点に鑑み、本発明は、集電端子から電線を経由して生じる熱損失を低減することができる固体高分子形燃料電池を提供することを目的とする。

請求項１に記載の発明によれば、燃料電池の単電池を多数積層したセル部分と、前記燃料電池が発電した電流を外部へ導くために前記セル部分の両端に配置された集電板と、前記集電板の一部分に電線を接続するための集電端子とを具備する固体高分子形燃料電池において、前記集電端子の近傍における前記集電板と前記燃料電池の単電池との間に断熱材を配置したことを特徴とする固体高分子形燃料電池が提供される。

請求項２に記載の発明によれば、前記集電端子の近傍における前記断熱材の厚さを、前記集電端子の近傍以外の場所における前記集電板の厚さの半分以下としたことを特徴とする請求項１に記載の固体高分子形燃料電池が提供される。

請求項３に記載の発明によれば、燃料電池の単電池を多数積層したセル部分と、前記燃料電池が発電した電流を外部へ導くために前記セル部分の両端に配置された集電板と、前記集電板の一部分に電線を接続するための集電端子とを具備する固体高分子形燃料電池において、前記集電端子の近傍における前記集電板と前記燃料電池の単電池との間に隙間を設けたことを特徴とする固体高分子形燃料電池が提供される。

請求項４に記載の発明によれば、燃料電池の単電池を多数積層したセル部分と、前記燃料電池が発電した電流を外部へ導くために前記セル部分の両端に配置された集電板と、前記集電板の一部分に電線を接続するための集電端子とを具備する固体高分子形燃料電池において、前記集電端子の近傍で前記集電板と前記燃料電池の単電池とを離間させたことを特徴とする固体高分子形燃料電池が提供される。

請求項５に記載の発明によれば、燃料電池の単電池を多数積層したセル部分と、前記燃料電池が発電した電流を外部へ導くために前記セル部分の両端に配置された集電板と、前記集電板の一部分に電線を接続するための集電端子と、各単電池に反応ガスを分配するための反応ガス入口マニホールドとを具備する固体高分子形燃料電池において、前記集電端子を前記反応ガス入口マニホールドに近接して配置したことを特徴とする固体高分子形燃料電池が提供される。

請求項６に記載の発明によれば、断熱材を挿入するための空間を、前記集電端子の近傍における前記集電板と前記反応ガス入口マニホールドとの間に設けたことを特徴とする請求項５に記載の固体高分子形燃料電池が提供される。

請求項１に記載の固体高分子形燃料電池では、集電端子の近傍における集電板と燃料電池の単電池との間に断熱材が配置されている。そのため、集電端子の近傍で集電板と燃料電池の単電池との間に断熱材が配置されない場合よりも、集電端子の近傍における燃料電池の単電池から集電板への熱伝導を妨げることができ、それにより、集電端子の温度を下げることができ、集電端子から電線を経由して生じる熱損失を低減することができる。

請求項２に記載の固体高分子形燃料電池では、集電端子の近傍における断熱材の厚さが、集電端子の近傍以外の場所における集電板の厚さの半分以下とされている。そのため、集電端子の近傍における集電板の厚さが薄すぎるのに伴って集電端子の近傍における集電板および集電端子の電気抵抗が高くなりすぎてしまうのを回避することができる。

好ましくは、断熱材としてウレタンフォームが用いられる。そのため、薄い断熱材によって効果的に燃料電池の単電池から集電端子への熱移動量を下げることができる。

請求項３に記載の固体高分子形燃料電池では、集電端子の近傍における集電板と燃料電池の単電池との間に隙間が設けられている。そのため、その隙間を占める熱伝導率の低い空気によって、集電端子の近傍における燃料電池の単電池から集電板への熱伝導を妨げることができる。それにより、集電端子の温度を下げることができ、集電端子から電線を経由して生じる熱損失を低減することができる。

熱伝導によるエネルギーの移動は導体の温度差に比例するため、集電端子からの熱損失を減少させるには集電端子の温度が低いことが望ましい点に鑑み、請求項４に記載の固体高分子形燃料電池では、集電端子の近傍で集電板と燃料電池の単電池とが直接接触しないように、集電端子の近傍で集電板と燃料電池の単電池とが離間せしめられている。そのため、集電端子の近傍で集電板と燃料電池の単電池とが接触せしめられている場合よりも、集電端子の近傍における燃料電池の単電池から集電板への熱伝導を妨げることができる。それにより、集電端子の近傍で集電板と燃料電池の単電池とが接触せしめられている場合よりも、集電端子の温度を下げることができる。その結果、集電端子の近傍で集電板と燃料電池の単電池とが接触せしめられている場合よりも、集電端子から電線を経由して生じる熱損失を低減することができる。

つまり、請求項４に記載の固体高分子形燃料電池では、集電板と燃料電池の単電池とが部分的に離間せしめられており、詳細には、集電端子の近傍で集電板と燃料電池の単電池とが離間せしめられている。

燃料電池の単電池に供給される反応ガス、特に空気の温度は燃料電池の単電池の温度よりも低い場合が多いので、集電板の中でも空気入口マニホールドの周辺の温度が最も低くなる点に鑑み、請求項５に記載の固体高分子形燃料電池では、単電池よりも低温の反応ガスが通過せしめられる反応ガス入口マニホールドに近接して集電端子が配置されている。そのため、集電端子が反応ガス入口マニホールドから離れて配置される場合よりも、集電端子の温度を下げることができる。それにより、集電端子と外気との温度差が小さくなる。その結果、集電端子が反応ガス入口マニホールドから離れて配置される場合よりも、集電端子から電線を経由して生じる熱損失を低減することができる。

反応ガス入口マニホールドには、空気入口マニホールドと、燃料入口マニホールドとが含まれるが、空気入口マニホールド内での反応ガス温度が燃料入口マニホールド内での反応ガス温度よりも低い場合には、空気入口マニホールドに近接して集電端子が配置される。一方、空気入口マニホールド内での反応ガス温度が燃料入口マニホールド内での反応ガス温度よりも高い場合には、燃料入口マニホールドに近接して集電端子が配置される。また、空気入口マニホールド内での反応ガス温度と燃料入口マニホールド内での反応ガス温度とが同程度である場合には、反応ガスに含まれる水蒸気濃度が低い側の入口マニホールドに近接して集電端子が配置される。

好ましくは、反応ガス入口マニホールドから５０ｍｍ以内の位置に集電端子が配置される。更に好ましくは、集電端子の近傍における集電板と反応ガス入口マニホールドとの間に断熱材が配置される。そのため、断熱効果を更に高めることができる。

また、好ましくは、集電端子の近傍においては、１０ｍｍ以上の長さにわたって集電板と燃料電池の単電池とが、離間せしめられる。更に好ましくは、長穴形状の反応ガス入口マニホールドの頂点ではなく、反応ガス入口マニホールドの長辺に近接して集電端子が配置される。

請求項６に記載の固体高分子形燃料電池では、断熱材を挿入するための空間が、集電端子の近傍における集電板と反応ガス入口マニホールドとの間に設けられている。そのため、例えばその空間に断熱材を挿入することにより、断熱効果を更に高めることができる。

図１は本発明の固体高分子形燃料電池の第１の実施形態の断面図である。図１において、１０は単電池、２０は集電板、２０ａは集電端子近傍部、２０ｂは集電端子、３０，３０ａ，３０ｂは断熱材、３１，３１ｂは断熱カバーである。４０は電線、４１は締付ボルト、６０ａはカソードセパレータ、６０ｂはアノードセパレータである。図１に示すように、第１の実施形態の固体高分子形燃料電池では、集電板２０は、表面に錫、亜鉛、ニッケルなどによるメッキが施された銅板である。集電板２０の厚さは、通常１〜５ｍｍである。燃料電池スタックの出力電流に応じた厚さの集電板が使用される。集電板２０のうち、集電端子２０ｂの近傍に位置する部分である集電端子近傍部２０ａと、単電池１０とは、０．５〜２ｍｍの幅をもって離間せしめられている。第１の実施形態の固体高分子形燃料電池では、集電端子近傍部２０ａと単電池１０との間に断熱材３０ａが配置される。断熱材３０ａが厚いほど断熱効果は高くなるが、集電端子２０ｂの電気抵抗を低くするために、断熱材３０ａの厚さは集電板２０の厚さの半分以下とすることが望ましい。

断熱材３０ａの材質としては、ウレタンフォームが適している。このような断熱材の典型的な熱伝導率は０．０３Ｗ／ｍＫであり、銅の熱伝導率（４００Ｗ／ｍＫ）に対して非常に小さいため、薄い断熱層でも効果的に単電池１０と集電端子２０ｂとの間の熱移動量を下げることができる。また、第２の実施形態の固体高分子形燃料電池では、集電端子近傍部２０ａと単電池１０との間に断熱材３０ａを配置せず、集電端子近傍部２０ａと単電池１０との間を隙間のままとすることも可能である。その場合でも、隙間の空気の熱伝導率は０．０３Ｗ／ｍＫと非常に小さく、空気の対流による熱伝達を含めても断熱効果を得ることができる。

図３は図１に示した第１の実施形態の固体高分子形燃料電池の主要部品の構成図である。図３において、５０ａは空気入口マニホールド、５０ｂは空気出口マニホールド、５１ａは燃料入口マニホールド、５１ｂは燃料出口マニホールド、５２ａは冷却水入口マニホールド、５２ｂは冷却水出口マニホールド、６１は電極部、６２はマニホールド接続部、６３はパッキンである。第１の実施形態の固体高分子形燃料電池では、図３に示すように、集電端子２０ｂが空気入口マニホールド５０ａの近くに配置される。ここでいう「近く」とは、空気入口マニホールド５０ａの外周から５０ｍｍ以内を目安とし、望ましくは、マニホールドの外形線を集電板の外形線上に垂直に投影した部分から、マニホールドに最も近い集電板の頂点までの部分である。

図４は第１の実施形態の固体高分子形燃料電池の集電板の斜視図である。図３および図４に示すように、第１の実施形態の固体高分子形燃料電池では、断熱材３０ａを挿入するための空間が、集電端子近傍部２０ａと単電池１０との間だけではなく、集電端子近傍部２０ａと空気入口マニホールド５０ａとの間にも設けられている。そのため、断熱効果を更に高めることができる。集電端子近傍部２０ａの長さは任意であるが、適切な断熱効果を得るためには、少なくとも１０ｍｍ以上の長さがあることが望ましい。

燃料電池と電線４０との接続方法としては、図１に示したように燃料電池の外部まで集電端子４０ｂが延長されて電線４０と接続される場合と、電線４０に装着した端子を直に集電板２０へ挿入する場合がある。いずれの場合でも、電線４０の周囲は断熱材３０ｂと断熱カバー３１ｂで覆われる。断熱材３０ｂとしては、ウレタンフォームといった発泡樹脂や、グラスウール、ロックウールなどが適しており、断熱カバー３１ｂとしては、アルミテープなどが適している。燃料電池スタックの周囲も断熱材３０と断熱カバー３１で覆われている。この断熱材３０としては、熱伝導率が低い真空断熱材が用いられ、断熱カバー３１としては、ステンレスやアルミニウムの薄板が用いられる。絶縁板２１としては、ポリアミドなどの樹脂材が用いられ、締付板２２としては、アルミニウム、鉄などの金属または繊維強化プラスチックなどが用いられる。図示していないが、断熱材３０と断熱カバー３１には反応ガスや冷却水を接続するための開口部があり、絶縁板２１の側面や締付板２２の表面を通して各種流体が燃料電池スタックに供給され、そこから排出される。電解質膜が金属イオンによって汚染されないようにするために、流体は金属材料に直接触れないようになっている。

図５は第３の実施形態の固体高分子形燃料電池の集電端子付近の拡大斜視図である。図５に示すように、空気入口マニホールド５０ａが長穴形状である場合には、空気入口マニホールド５０ａの長辺を集電板２０の外周上に投影した部分（図５の右手前部分）に集電端子近傍部２０ａが配置される。それにより、集電板２０から集電端子２０ｂへの熱移動量を少なくすることができる。

上述した実施形態では、集電端子２０ｂが集電板２０から突出した形状となっているが、集電端子の形状は本発明の本質とは無関係であり、集電端子近傍部２０ａに切り欠きやネジ穴などを設けることにより電線４０との接続が可能な任意の形状を選択することができる。

図１に示したように、第１の実施形態の固体高分子形燃料電池では、集電端子２０ｂの近傍における集電板２０である集電端子近傍部２０ａと、燃料電池の単電池１０との間に断熱材３０Ａが配置されている。そのため、集電端子の近傍で集電板と燃料電池の単電池との間に断熱材が配置されない場合よりも、集電端子２０ｂの近傍における燃料電池の単電池１０から集電板２０への熱伝導を妨げることができ、それにより、集電端子２０ｂの温度を下げることができ、集電端子２０ｂから電線４０を経由して生じる熱損失を低減することができる。

また、上述したように第２の実施形態の固体高分子形燃料電池では、集電端子２０ｂの近傍における集電板２０である集電端子近傍部２０ａと、燃料電池の単電池１０との間に隙間が設けられている。そのため、その隙間を占める熱伝導率の低い空気によって、集電端子２０ｂの近傍における燃料電池の単電池１０から集電板２０への熱伝導を妨げることができる。それにより、集電端子２０ｂの温度を下げることができ、集電端子２０ｂから電線４０を経由して生じる熱損失を低減することができる。

更に、図１に示したように、第１および第２の実施形態の固体高分子形燃料電池では、集電端子２０ｂの近傍で集電板２０と燃料電池の単電池１０とが直接接触しないように、集電端子２０ｂの近傍で集電板２０と燃料電池の単電池１０とが離間せしめられている。そのため、集電端子の近傍で集電板と燃料電池の単電池とが接触せしめられている場合よりも、集電端子２０ｂの近傍における燃料電池の単電池１０から集電板２０への熱伝導を妨げることができる。それにより、集電端子の近傍で集電板と燃料電池の単電池とが接触せしめられている場合よりも、集電端子２０ｂの温度を下げることができる。その結果、集電端子の近傍で集電板と燃料電池の単電池とが接触せしめられている場合よりも、集電端子２０ｂから電線４０を経由して生じる熱損失を低減することができる。

また、図４に示したように、第１の実施形態の固体高分子形燃料電池では、単電池１０よりも低温の反応ガスが通過せしめられる反応ガス入口マニホールドの一つである空気入口マニホールド５０ａに近接して集電端子２０ｂが配置されている。そのため、集電端子が反応ガス入口マニホールドから離れて配置される場合よりも、集電端子２０ｂの温度を下げることができる。それにより、集電端子２０ｂと外気との温度差が小さくなる。その結果、集電端子が反応ガス入口マニホールドから離れて配置される場合よりも、集電端子２０ｂから電線４０を経由して生じる熱損失を低減することができる。

本発明の固体高分子形燃料電池の第１の実施形態の断面図である。 従来の固体高分子形燃料電池の断面図である。 図１に示した第１の実施形態の固体高分子形燃料電池の主要部品の構成図である。 第１の実施形態の固体高分子形燃料電池の集電板の斜視図である。 第３の実施形態の固体高分子形燃料電池の集電端子付近の拡大斜視図である。

符号の説明

１０ 単電池
２０ 集電板
２０ａ 集電端子近傍部
２０ｂ 集電端子
３０ 断熱材
３０ａ 集電端子近傍部の断熱材
３０ｂ 集電端子の断熱材
３１ 断熱カバー
３１ｂ 集電端子の断熱カバー
４０ 電線
４１ 締付ボルト
５０ａ 空気入口マニホールド
５０ｂ 空気出口マニホールド
５１ａ 燃料入口マニホールド
５１ｂ 燃料出口マニホールド
５２ａ 冷却水入口マニホールド
５２ｂ 冷却水出口マニホールド
６０ａ カソードセパレータ
６０ｂ アノードセパレータ
６１ 電極部
６２ マニホールド接続部
６３ パッキン

Claims (6)

1. 燃料電池の単電池を多数積層したセル部分と、前記燃料電池が発電した電流を外部へ導くために前記セル部分の両端に配置された集電板と、前記集電板の一部分に電線を接続するための集電端子とを具備する固体高分子形燃料電池において、前記集電端子の近傍における前記集電板と前記燃料電池の単電池との間に断熱材を配置したことを特徴とする固体高分子形燃料電池。
2. 前記集電端子の近傍における前記断熱材の厚さを、前記集電端子の近傍以外の場所における前記集電板の厚さの半分以下としたことを特徴とする請求項１に記載の固体高分子形燃料電池。
3. 燃料電池の単電池を多数積層したセル部分と、前記燃料電池が発電した電流を外部へ導くために前記セル部分の両端に配置された集電板と、前記集電板の一部分に電線を接続するための集電端子とを具備する固体高分子形燃料電池において、前記集電端子の近傍における前記集電板と前記燃料電池の単電池との間に隙間を設けたことを特徴とする固体高分子形燃料電池。
4. 燃料電池の単電池を多数積層したセル部分と、前記燃料電池が発電した電流を外部へ導くために前記セル部分の両端に配置された集電板と、前記集電板の一部分に電線を接続するための集電端子とを具備する固体高分子形燃料電池において、前記集電端子の近傍で前記集電板と前記燃料電池の単電池とを離間させたことを特徴とする固体高分子形燃料電池。
5. 燃料電池の単電池を多数積層したセル部分と、前記燃料電池が発電した電流を外部へ導くために前記セル部分の両端に配置された集電板と、前記集電板の一部分に電線を接続するための集電端子と、各単電池に反応ガスを分配するための反応ガス入口マニホールドとを具備する固体高分子形燃料電池において、前記集電端子を前記反応ガス入口マニホールドに近接して配置したことを特徴とする固体高分子形燃料電池。
6. 断熱材を挿入するための空間を、前記集電端子の近傍における前記集電板と前記反応ガス入口マニホールドとの間に設けたことを特徴とする請求項５に記載の固体高分子形燃料電池。

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