【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料電池に係わり、特に単位セルを複数個積層設置して形成される電池積層体において、積層セル数が増加しても積層方向で温度分布を少なくした燃料電池に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、燃料電池積層体１の温度分布均一化のための技術としては、特許文献１のように冷却板７に流れる冷却水量を冷却水量調節手段によって調節可能に構成した構造の燃料電池が知られている。また、特許文献２のように積層体の両端部における熱放散率が低減される構成を備えた燃料電池や、特許文献３のように積層体の両端部に冷却水の出入口部を設けて両側から冷却水を導入する燃料電池がある。
【０００３】
特許文献１は、冷却板に流れる冷却水量を冷却水量調節手段によって調節可能に構成した構造の燃料電池に関する。この文献記載の技術は、セルスタック両端のセルの温度が中央部のセルより温度が低くなる傾向にあることを解決するために、両端部冷却板に供給する冷却水量を他の冷却板よりも少なくし、冷却効果を弱め、セルスタックの温度分布均一化を図るものである。
【０００４】
この構成の場合、セルスタック外部に設けられた冷却水の入口マニホールドがある場合はマニホールド内の流れ方向での温度分布は生じにくい反面、セルスタックのコンパクト化が図れないという問題がある。セルスタックの内部に冷却水入口マニホールド５を設けた場合は、マニホールドを通過する間に、マニホールドを形成するセルスタックとの間の伝熱により、冷却水が流れ方向で温度上昇し、各冷却板に分流するときの温度に差が生じ、温度分布を均一にできない問題がある。
【０００５】
特許文献２記載の技術は、積層体の両端部における熱放散率が低減される構成を備えた燃料電池である。この技術も、特許文献１と同様に、セルスタック両端のセルの温度が低い点に着目し、熱放散率を他の中央部のセルより小さくすることで温度分布の均一化を図るものである。
【０００６】
【特許文献１】
特開平８−１３００２７号公報（要約）
【特許文献２】
特開平８−１３００２８号公報（要約）
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、内部マニホールド型燃料電池における冷却流体のセル積層方向における温度バラツキを少なくして、燃料電池の性能を向上することを目的とする。本発明は特に個体高分子電解質を用いた、内部マニホールド型燃料電池に適する。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
セルスタックを構成する積層部品に設けられたマニホールド穴を、セルスタックを積層することによって形成されるマニホールドを内部マニホールドと称する。
【０００９】
良好な電池性能で電池寿命を長寿命化するためには、セルスタック内の温度分布をなるべく小さくし、制限最高温度を超えないで、セル内の最低温度を引き上げることが電池性能を上げかつ電池寿命を長くするのに必要である。
【００１０】
本発明は、内部マニホールド型燃料電池の電池セルと冷却セルとの間の冷却板またはセパレータの伝熱抵抗を、冷却流体の流れ方向に沿って、小さくすることによって、目的を達成したものである。
【００１１】
以下、本発明の原理を、伝熱モデルを用いて説明する。
【００１２】
本発明で用いられる固体高分子電解質は、分子中にプロトン（水素イオン）交換基を有するもので、これに含水させると、低い抵抗値を示してプロトン導電性電解質として機能する。例えば、スルホン酸基を持つポリスチレン系の陽イオン交換膜をカチオン導電性膜として使用するもの、フロロカーボンスルホン酸とポリビニリデンフロライドの混合膜などがある。
【００１３】
電解質層を挟んで一対の電極を配置した単位発電セルを複数個積層し、所定個の単位発電セル毎に冷却板または冷却セパレータ７を介挿して燃料電池積層体１を形成する。この積層体１を締付板２により締め付けて構成した燃料電池セルスタック１０は温度が低下すると、それに従い発電性能も低下する。その一方で、温度が過度に上昇すると、電解質層が劣化して電池寿命を短くする。
【００１４】
内部マニホールド型燃料電池のセルスタック１０では、冷却用流体を流通させる流路を有する冷却板または冷却セパレータ７を所定個の単位セル毎に設置する。
【００１５】
図５は、燃料電池セルスタック１０内の冷却用流体の流れを説明する説明図である。燃料電池セルスタック冷却用流体は、セルスタック端部の冷却用流体導入口３からセルスタックに供給され、冷却用流体入口マニホールド５を介して、積層された各冷却用流体流通路８に分配される。冷却用流体は、燃料電池発電反応によって生じた熱を、各冷却用流体流通路８において熱交換により吸収した後、冷却用流体出口マニホールド６を介して、冷却用流体排出口４からセルスタック外に排出される。
【００１６】
図４は基本的な燃料電池セルスタック１０の構成を示す側面図である。図６は内部マニホールド型燃料電池におけるセルスタック積層方向のセル入口冷却水温度分布、発電セル−冷却セル間伝熱抵抗分布、セル出口冷却水温度分布およびセル内最高温度分布の概略傾向を示した説明図である。
【００１７】
この内部マニホールド型の燃料電池セルスタックの場合は、図６に示したように冷却用流体入口マニホールド５内を冷却用流体が流れる間に、内部マニホールドの内壁を構成するセルスタック積層部品との間で熱交換を行うことにより、冷却用流体の温度がセルスタック積層方向で上昇する。
【００１８】
そのため、冷却用流体導入口近傍と冷却用流体排出口近傍とで、各冷却用流体通流路入口での温度差が生じる。すなわち、通常の発電状態では、冷却用流体はセルスタックより温度が低いため、冷却用流体導入口３近傍の冷却用流体通流路８入口での冷却用流体温度より、冷却用流体排出口４近傍の冷却用流体通流路８入口での冷却用流体温度の方が高くなる。
【００１９】
各単位発電セルでの発電性能が均一であるとすると、発熱量も等しくなるが、供給される冷却用流体の温度が異なる場合、発電セルと冷却セルとの間の伝熱抵抗が一定であるセルスタックにおいては、発電セル部と冷却用流体との温度差が異なり、熱交換量に差が生じ、その結果としてセルスタック内の積層方向に温度分布が生じる。即ち、冷却用流体導入口３側に積層されたセルの温度よりも、冷却用流体排出口４側に積層されたセルの温度の方が高くなる。
【００２０】
本発明は、燃料電池セルスタック１０の積層方向すなわち冷却流体の流れ方向に沿って、冷却板または冷却セパレータ７の伝熱抵抗を小さくし、セルスタック内の温度分布のバラツキを最小化するという思想に基づいている。
【００２１】
以上のことから、本発明により、電解質とそれを挟む一対の電極により構成される単位セルの複数個を、積層位置によって伝熱係数の異なる伝熱性基体を介して積層し、冷却流体を該伝熱性基体に流しながら、冷却流体の上流側よりも下流側でより多くの単位セルと冷却流体の伝熱を行わせる内部マニホールド型燃料電池が提供される。
【００２２】
また、同様に、電解質とそれを挟む一対の電極により構成される単位セルの複数個を、燃料の供給側よりも出口側の伝熱係数の小さい伝熱性基体を介して積層し、冷却流体を該伝熱性基体に流しながら、冷却流体の上流側と下流側での温度差が小さくなるように、単位セルと冷却流体の伝熱を行わせる内部マニホールド型燃料電池が提供される。
【００２３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施例を図１から図１２により説明する。
【００２４】
図１は本発明の第１実施例による燃料電池セルスタック１０の構成を示す側面図である。燃料電池積層体１は電解質を挟んで一対の電極を配置した単位発電セルを複数個積層する。これら単位発電セルを所定個毎に冷却板または冷却用セパレータ７を介挿し、この積層体の積層方向両端部はスペーサを介して両端の締付板２により積層方向に締め付けられている。
【００２５】
図１の場合は、冷却流体の上流側のスタックのセパレータの伝熱抵抗を大きくし、下流側のスタックのセパレータの伝熱抵抗を小さくしたものである。
【００２６】
図１に示した燃料電池セルスタック１０は、冷却板または冷却用セパレータ７の伝熱抵抗を積層方向で変化させて制御する一例を示したものである。図７は本発明の第１実施例によるセルスタック積層方向の発電セル−冷却セル間伝熱抵抗分布とセル内最高温度分布との概略を示した説明図である。
【００２７】
冷却用流体入口マニホールド５を通流する冷却用流体の温度が冷却用流体排出口４側ブロックＢの範囲よりも比較的低温となる冷却用流体導入口３側ブロックＡの範囲に、伝熱抵抗が比較的大きく交換熱量を少なくできる冷却板または冷却セパレータ７を配置する。
【００２８】
セパレータの材質は、燃料電池の最高運転温度に設定した温度で十分耐えられるもので、例えばステンレス、アルミニウムなどの金属、金属のクラッド材、セラミックス、樹脂、黒鉛、黒鉛とバインダーの混合物などがある。これらの材料は１種または複数種組み合わせてもよい。また、積層位置によって材質を変えてもよい。
【００２９】
また、冷却用流体入口マニホールド５を流通する冷却用流体が比較的高温となる冷却用流体排出口４側ブロックＢの範囲に伝熱抵抗が比較的小さく、交換熱量を多くできる冷却板または冷却セパレータ７を配置する。
【００３０】
このときのセル内最高温度の積層方向温度分布は図７に示したように、温度勾配は従来技術と変わらないものの、２分割されることによって、温度分布範囲を縮小することができる。
【００３１】
図１０〜図１２は冷却用流体通流路例の鳥瞰図を示す。
【００３２】
発電セルと冷却セルとの間の伝熱抵抗を変化させ、制御する方法を以下に説明する。
【００３３】
図１０及び１１は基本流路形状の例である。両者の流路形状はまったく同じである。冷却板または冷却セパレータを設置するセルスタックの位置により、熱伝導率の異なる材質の冷却板または冷却セパレータに用いるか、図１０と図１１に示すように、厚さの異なる冷却板または冷却セパレータを用いる。これにより、冷却流体の流れ方向に沿って、伝熱抵抗を変化させ、冷却用流体と発電セルとの熱交換量を制御することができる。
【００３４】
冷却板または冷却セパレータの材質は変えずに、図１１に示すように、図１０に示した冷却板または冷却セパレータに比べて厚さを大きくすることにより、伝熱抵抗を大きくし、冷却用流体と発電セルとの熱交換量を制限することができる。勿論、厚さと材質の組み合わせ、あるいはさらに後述する流路形状の変更など、複数の要素の組み合わせによって、電熱抵抗を調節することができる。
【００３５】
各セパレータに形成する流路は、例えば相当直径が０．０５〜２ｍｍ程度のものが好ましい。また、セパレータの厚さは任意であるが、例えば０．１から３ｍｍ程度がよい。
【００３６】
また、図１２に示すように、冷却用流体通流路に伝熱フィン９を設け、その伝熱フィン９の形状を変えることにより伝熱抵抗を変化させ、冷却用流体と発電セルとの熱交換量を制御することができる。
【００３７】
図２は、本発明の第２実施例による燃料電池セルスタックの構成図である側面図である。図２に示した燃料電池セルスタック１０は、冷却板または冷却用セパレータ７の伝熱抵抗を、積層方向で変化させ制御する例を示したものである。
【００３８】
図２の場合は、１つのスタックを複数（この場合４つ）の領域に分け、それぞれ冷却流体の上流側の伝熱抵抗を下流側よりも大きくした。
【００３９】
図８は、本発明の第２実施例によるセルスタック積層方向の発電セル−冷却セル間の伝熱抵抗分布とセル内最高温度分布との概略を示した説明図である。これは、燃料電池セルスタックの１締付単位中において、発電セルと冷却セルとの間の伝熱抵抗が、積層方向で２種類以上となるように冷却板またはセパレータを積層設置した例である。
【００４０】
冷却用流体入口マニホールド５を通過する冷却用流体は、前記のように積層方向に冷却用流体導入口３から冷却用流体排出口４に向かって徐々に温度が上昇する。冷却用流体温度が比較的低い冷却用流体導入口３近傍Ａの範囲は、発電セルと冷却セルとの間の伝熱抵抗が比較的大きくなる構成とすることにより、発電セルと冷却用流体との熱交換量を小さくし、過冷却を防止する。
【００４１】
また、冷却用流体温度が比較的高い冷却用流体排出口４近傍Ｄの範囲は、発電セルと冷却セルとの間の伝熱抵抗が比較的小さくなる構成とすることにより、交換熱量を大きくし、発電セルが制限最高温度を超えないように過昇温を防止する。
【００４２】
セルスタックの温度分布の範囲を狭めるためには、伝熱抵抗を変化させる区分を増加させ、図２に示したように冷却用流体導入口３から冷却用流体排出口４に向かって、範囲Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄの順で伝熱抵抗が小さくなるように積層方向に変化させる。これにより、図８に示すように、第１実施例よりもさらに温度分布範囲を狭くすることができる。
【００４３】
図３は、本発明の第３実施例による燃料電池セルスタックの構成図である側面図である。図３に示した燃料電池セルスタック１０は、冷却板または冷却用セパレータ７の伝熱抵抗を積層方向で変化させて制御する一例である。これは、発電セルと冷却セルとの間の伝熱抵抗を積層方向に変化させ、制御する範囲を最小単位であるセル毎に実施する場合を示したものである。
【００４４】
図９は、本発明の第３実施例によるセルスタック積層方向の発電セル−冷却セル間の伝熱抵抗分布とセル内最高温度分布との概略傾向を示した説明図である。この場合、各セルともセル内の最高温度をほぼ制限最高温度近傍とすることができ、効率の良い運転をすることができる。
【００４５】
燃料電池では電池寿命の観点からセルスタック内の最高温度を監視、制御する運転が必要となる。一方、電池温度は高いほうが冷却用流体のセルスタック排出温度が高くなり、排熱利用効率が上昇することから燃料電池の高効率化を図ることができる。また、セルスタックの温度分布が大きく、最低温度が低いと、これも燃料電池の効率を下げる可能性がある。したがって、セルスタックの最低温度の引き上げも必要である。
【００４６】
以上のことから、セルスタック内の温度分布のバラツキを最小化し、かつ制限最高温度近傍の電池温度にて運転することが望ましい。本発明によれば、セルスタックの最低温度が引き上げられ、かつ最高温度も引き下げられる。
【００４７】
以上のように、発電セルと冷却セルとの間の伝熱抵抗を積層方向で変化させ、制御することにより、燃料電池セルスタック内の積層方向温度分布の均一化を図ることができ、高効率化も図ることができる。
【００４８】
【発明の効果】
上記の本発明によれば、高積層の燃料電池セルスタックにおいても、冷却板または冷却用セパレータの伝熱抵抗を変化、制御させるだけで、積層方向において最小の温度分布範囲を達成できる。したがって、セルスタック温度を制限最高温度近傍に維持した発電が可能となり、発電効率および排熱温度の高い燃料電池を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施例による燃料電池セルスタックの構成図である側面図。
【図２】本発明の一実施例による燃料電池セルスタックの構成図である側面図。
【図３】本発明の一実施例による燃料電池セルスタックの構成図である側面図。
【図４】燃料電池セルスタックの基本構成の側面図。
【図５】燃料電池セルスタック内の冷却用流体の流れを説明する説明図。
【図６】セルスタック積層方向のセル入口冷却水温度分布、発電セル−冷却セル間伝熱抵抗分布、セル出口冷却水温度分布およびセル内最高温度分布の概略を示した説明図。
【図７】本発明の一実施例によるセルスタック積層方向の発電セル−冷却セル間伝熱抵抗分布とセル内最高温度分布との概略を示した説明図。
【図８】本発明の一実施例によるセルスタック積層方向の発電セル−冷却セル間伝熱抵抗分布とセル内最高温度分布との概略を示した説明図。
【図９】本発明の一実施例によるセルスタック積層方向の発電セル−冷却セル間伝熱抵抗分布とセル内最高温度分布との概略を示した説明図。
【図１０】本発明において採用することのできる冷却用流体通流路例の鳥瞰図。
【図１１】本発明において採用することのできる他の実施例による冷却用流体通流路例の鳥瞰図。
【図１２】本発明の他の一実施例による冷却用流体通流路例の鳥瞰図。
【符号の説明】
１…燃料電池積層体、２…締付板、３…冷却用流体導入口、４…冷却用流体排出口、５…冷却用流体入口マニホールド、６…冷却用流体出口マニホールド、７…冷却板または冷却セパレータ、８…冷却用流体通流路、９…伝熱フィン、１０…燃料電池セルスタック。[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a fuel cell, and more particularly to a fuel cell in which a temperature distribution in a stacking direction is reduced in a stacking direction even when the number of stacked cells is increased, in a battery stack formed by stacking a plurality of unit cells.
[0002]
[Prior art]
Conventionally, as a technique for making the temperature distribution of the fuel cell stack 1 uniform, there is known a fuel cell having a structure in which the amount of cooling water flowing through a cooling plate 7 can be adjusted by cooling water amount adjusting means as in Patent Document 1. ing. Further, as in Patent Document 2, a fuel cell having a configuration in which the heat dissipation rate at both ends of a laminate is reduced, or as in Patent Document 3, both sides of a laminate are provided with inlets and outlets of cooling water at both ends. There is a fuel cell that introduces cooling water from.
[0003]
Patent Literature 1 relates to a fuel cell having a structure in which the amount of cooling water flowing through a cooling plate can be adjusted by cooling water amount adjusting means. In order to solve the problem that the temperature of the cells at both ends of the cell stack tends to be lower than that of the cell at the center, the technology described in this document requires a smaller amount of cooling water to be supplied to the cooling plates at both ends than the other cooling plates. It is intended to reduce the cooling effect and to make the temperature distribution of the cell stack uniform.
[0004]
In the case of this configuration, if there is a cooling water inlet manifold provided outside the cell stack, the temperature distribution in the flow direction in the manifold hardly occurs, but there is a problem that the cell stack cannot be made compact. When the cooling water inlet manifold 5 is provided inside the cell stack, while passing through the manifold, the cooling water rises in the flow direction due to heat transfer between the cooling water and the cell stack forming the manifold. However, there is a problem that a difference occurs in the temperature at the time of shunting, and the temperature distribution cannot be made uniform.
[0005]
The technique described in Patent Literature 2 is a fuel cell having a configuration in which the heat dissipation rate at both ends of the stacked body is reduced. This technique also focuses on the point that the temperature of the cells at both ends of the cell stack is low, as in Patent Literature 1, and makes the heat dissipation rate smaller than that of the other central cells, thereby achieving a uniform temperature distribution. .
[0006]
[Patent Document 1]
JP-A-8-130027 (abstract)
[Patent Document 2]
JP-A-8-130028 (abstract)
[0007]
[Problems to be solved by the invention]
An object of the present invention is to improve the performance of a fuel cell by reducing the temperature variation in the cell stacking direction of a cooling fluid in an internal manifold fuel cell. The present invention is particularly suitable for an internal manifold type fuel cell using a solid polymer electrolyte.
[0008]
[Means for Solving the Problems]
A manifold hole provided in a laminated component constituting the cell stack is referred to as an internal manifold when a manifold formed by stacking the cell stack is referred to as an internal manifold.
[0009]
In order to extend the battery life with good battery performance, the temperature distribution in the cell stack should be made as small as possible, and raising the minimum temperature in the cell without exceeding the maximum temperature limit will increase the battery performance and increase the battery performance. Necessary to extend life.
[0010]
The present invention has achieved the object by reducing the heat transfer resistance of a cooling plate or a separator between a battery cell and a cooling cell of an internal manifold fuel cell along the flow direction of a cooling fluid. .
[0011]
Hereinafter, the principle of the present invention will be described using a heat transfer model.
[0012]
The solid polymer electrolyte used in the present invention has a proton (hydrogen ion) exchange group in the molecule, and when hydrated therein, exhibits a low resistance value and functions as a proton conductive electrolyte. For example, there are those using a polystyrene cation exchange membrane having a sulfonic acid group as the cation conductive membrane, and a mixed membrane of fluorocarbon sulfonic acid and polyvinylidene fluoride.
[0013]
A plurality of unit power generation cells each having a pair of electrodes arranged with an electrolyte layer interposed therebetween are stacked, and a fuel cell stack 1 is formed by interposing a cooling plate or a cooling separator 7 for every predetermined unit power generation cells. When the temperature of the fuel cell stack 10 formed by fastening the stack 1 with the fastening plate 2 decreases, the power generation performance also decreases accordingly. On the other hand, if the temperature rises excessively, the electrolyte layer deteriorates and the battery life is shortened.
[0014]
In the cell stack 10 of the internal manifold type fuel cell, a cooling plate or a cooling separator 7 having a flow path through which a cooling fluid flows is provided for each predetermined unit cell.
[0015]
FIG. 5 is an explanatory diagram illustrating the flow of the cooling fluid in the fuel cell stack 10. The cooling fluid for the fuel cell stack is supplied to the cell stack from the cooling fluid inlet 3 at the end of the cell stack, and distributed to the stacked cooling fluid flow passages 8 via the cooling fluid inlet manifold 5. You. The cooling fluid absorbs the heat generated by the fuel cell power generation reaction by heat exchange in each cooling fluid flow passage 8, and then passes through the cooling fluid outlet manifold 6 from the cooling fluid discharge port 4 to outside the cell stack. Is discharged.
[0016]
FIG. 4 is a side view showing the configuration of the basic fuel cell stack 10. FIG. 6 shows a schematic trend of the cell inlet cooling water temperature distribution, the heat transfer resistance distribution between the power generation cell and the cooling cell, the cell outlet cooling water temperature distribution, and the cell maximum temperature distribution in the stack direction of the cell stack in the internal manifold fuel cell. FIG.
[0017]
In the case of this internal manifold type fuel cell stack, while the cooling fluid flows through the cooling fluid inlet manifold 5 as shown in FIG. , The temperature of the cooling fluid rises in the cell stack laminating direction.
[0018]
For this reason, a temperature difference occurs at the inlet of each cooling fluid passage between the vicinity of the cooling fluid inlet and the vicinity of the cooling fluid outlet. That is, in a normal power generation state, the temperature of the cooling fluid is lower than that of the cell stack, so that the temperature of the cooling fluid outlet 4 is smaller than the temperature of the cooling fluid at the inlet of the cooling fluid passage 8 near the cooling fluid inlet 3. The temperature of the cooling fluid at the inlet of the nearby cooling fluid passage 8 becomes higher.
[0019]
If the power generation performance in each unit power generation cell is uniform, the calorific value is also equal, but if the temperature of the supplied cooling fluid is different, the heat transfer resistance between the power generation cell and the cooling cell is constant In the cell stack, the temperature difference between the power generation cell section and the cooling fluid is different, causing a difference in the amount of heat exchange. As a result, a temperature distribution occurs in the stacking direction in the cell stack. That is, the temperature of the cells stacked on the cooling fluid outlet 4 side is higher than the temperature of the cells stacked on the cooling fluid inlet 3 side.
[0020]
The present invention reduces the heat transfer resistance of the cooling plate or the cooling separator 7 along the stacking direction of the fuel cell stack 10, that is, the flow direction of the cooling fluid, and minimizes the variation in the temperature distribution in the cell stack. Based on
[0021]
In view of the above, according to the present invention, a plurality of unit cells each composed of an electrolyte and a pair of electrodes sandwiching the electrolyte are stacked via a heat conductive substrate having a different heat transfer coefficient depending on the stacking position, and the cooling fluid is transferred through the heat transfer substrate. There is provided an internal manifold type fuel cell in which more unit cells and heat transfer of the cooling fluid are performed on the downstream side than on the upstream side of the cooling fluid while flowing through the thermal substrate.
[0022]
Similarly, a plurality of unit cells each composed of an electrolyte and a pair of electrodes sandwiching the electrolyte are laminated via a heat conductive substrate having a smaller heat transfer coefficient on the outlet side than on the fuel supply side, and the cooling fluid is discharged. There is provided an internal manifold type fuel cell that transfers heat between a unit cell and a cooling fluid such that a temperature difference between an upstream side and a downstream side of the cooling fluid is reduced while flowing through the heat conductive substrate.
[0023]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
An embodiment of the present invention will be described below with reference to FIGS.
[0024]
FIG. 1 is a side view showing a configuration of a fuel cell stack 10 according to a first embodiment of the present invention. The fuel cell stack 1 includes a plurality of unit power generation cells each having a pair of electrodes arranged with an electrolyte interposed therebetween. A cooling plate or a cooling separator 7 is interposed every predetermined number of these unit power generation cells, and both ends in the stacking direction of the laminate are fastened in the stacking direction by fastening plates 2 at both ends via spacers.
[0025]
In the case of FIG. 1, the heat transfer resistance of the separator of the stack on the upstream side of the cooling fluid is increased, and the heat transfer resistance of the separator of the stack on the downstream side is reduced.
[0026]
The fuel cell stack 10 shown in FIG. 1 shows an example in which the heat transfer resistance of the cooling plate or the cooling separator 7 is controlled by changing in the stacking direction. FIG. 7 is an explanatory view schematically showing the heat transfer resistance distribution between the power generation cell and the cooling cell and the maximum temperature distribution in the cell in the stacking direction of the cell stack according to the first embodiment of the present invention.
[0027]
The heat transfer resistance is set in the range of the block A on the cooling fluid inlet 3 where the temperature of the cooling fluid flowing through the cooling fluid inlet manifold 5 is relatively lower than the range of the block B on the side of the cooling fluid outlet 4. However, a cooling plate or a cooling separator 7 which is relatively large and can reduce the amount of exchanged heat is arranged.
[0028]
The separator is made of a material that can sufficiently withstand the temperature set at the maximum operating temperature of the fuel cell. Examples thereof include metals such as stainless steel and aluminum, metal clad materials, ceramics, resins, graphite, and mixtures of graphite and a binder. These materials may be used alone or in combination. Further, the material may be changed depending on the lamination position.
[0029]
Further, a cooling plate or a cooling separator having a relatively small heat transfer resistance and a large exchange heat amount in a range of the block B on the cooling fluid discharge port 4 side where the cooling fluid flowing through the cooling fluid inlet manifold 5 has a relatively high temperature. 7 is arranged.
[0030]
As shown in FIG. 7, the temperature distribution in the stacking direction of the highest temperature in the cell at this time is the same as that of the prior art, but the temperature distribution range can be reduced by dividing into two.
[0031]
10 to 12 show bird's-eye views of examples of the cooling fluid passage.
[0032]
A method of changing and controlling the heat transfer resistance between the power generation cell and the cooling cell will be described below.
[0033]
10 and 11 show examples of the basic flow path shape. The shape of the two channels is exactly the same. Depending on the position of the cell stack where the cooling plate or the cooling separator is installed, the cooling plate or the cooling separator having a different thermal conductivity may be used or the cooling plate or the cooling separator having a different thickness may be used as shown in FIGS. Used. Thus, the heat transfer resistance can be changed along the flow direction of the cooling fluid, and the amount of heat exchange between the cooling fluid and the power generation cells can be controlled.
[0034]
As shown in FIG. 11, the heat transfer resistance is increased by increasing the thickness of the cooling plate or the cooling separator without changing the material of the cooling plate or the cooling separator as shown in FIG. The amount of heat exchange between the fuel cell and the power generation cell can be limited. Of course, the electrothermal resistance can be adjusted by a combination of a plurality of factors, such as a combination of thickness and material, or a change in the shape of the flow path described later.
[0035]
The flow path formed in each separator preferably has, for example, an equivalent diameter of about 0.05 to 2 mm. The thickness of the separator is arbitrary, but is preferably, for example, about 0.1 to 3 mm.
[0036]
Further, as shown in FIG. 12, heat transfer fins 9 are provided in the cooling fluid passage, and the heat transfer resistance is changed by changing the shape of the heat transfer fins 9 so that the heat transfer between the cooling fluid and the power generation cells is prevented. The exchange amount can be controlled.
[0037]
FIG. 2 is a side view illustrating a configuration of a fuel cell stack according to a second embodiment of the present invention. The fuel cell stack 10 shown in FIG. 2 shows an example in which the heat transfer resistance of the cooling plate or the cooling separator 7 is changed and controlled in the stacking direction.
[0038]
In the case of FIG. 2, one stack is divided into a plurality of (in this case, four) regions, and the heat transfer resistance of the upstream side of the cooling fluid is larger than that of the downstream side.
[0039]
FIG. 8 is an explanatory diagram showing an outline of a heat transfer resistance distribution between a power generation cell and a cooling cell in a cell stack laminating direction and a maximum temperature distribution in a cell according to a second embodiment of the present invention. This is an example in which cooling plates or separators are stacked so that the heat transfer resistance between the power generation cells and the cooling cells is two or more in the stacking direction in one tightening unit of the fuel cell stack. .
[0040]
As described above, the temperature of the cooling fluid passing through the cooling fluid inlet manifold 5 gradually increases from the cooling fluid inlet 3 toward the cooling fluid outlet 4 in the laminating direction. The range of the vicinity A of the cooling fluid inlet 3 where the temperature of the cooling fluid is relatively low is configured such that the heat transfer resistance between the power generation cell and the cooling cell is relatively large. To reduce the amount of heat exchange and prevent overcooling.
[0041]
Further, in the range of the vicinity D of the cooling fluid discharge port 4 where the cooling fluid temperature is relatively high, the heat transfer resistance between the power generation cell and the cooling cell is configured to be relatively small, thereby increasing the heat exchange amount. In addition, overheating is prevented so that the power generation cell does not exceed the maximum temperature limit.
[0042]
In order to narrow the range of the temperature distribution of the cell stack, the section for changing the heat transfer resistance is increased, and the range A from the cooling fluid inlet 3 toward the cooling fluid outlet 4 as shown in FIG. , B, C, and D are changed in the stacking direction so that the heat transfer resistance decreases. Thereby, as shown in FIG. 8, the temperature distribution range can be further narrowed than in the first embodiment.
[0043]
FIG. 3 is a side view illustrating a configuration of a fuel cell stack according to a third embodiment of the present invention. The fuel cell stack 10 shown in FIG. 3 is an example in which the heat transfer resistance of the cooling plate or the cooling separator 7 is controlled by changing in the stacking direction. This shows a case where the heat transfer resistance between the power generation cell and the cooling cell is changed in the stacking direction, and the control range is implemented for each cell which is the minimum unit.
[0044]
FIG. 9 is an explanatory diagram showing a general tendency of a heat transfer resistance distribution between a power generation cell and a cooling cell in the cell stack laminating direction and a maximum temperature distribution in the cell according to the third embodiment of the present invention. In this case, in each cell, the maximum temperature in the cell can be set to approximately the limit maximum temperature, and efficient operation can be performed.
[0045]
Fuel cells require an operation to monitor and control the maximum temperature in the cell stack from the viewpoint of battery life. On the other hand, the higher the battery temperature is, the higher the cell stack discharge temperature of the cooling fluid is, and the higher the waste heat utilization efficiency is, so that the efficiency of the fuel cell can be improved. Also, if the temperature distribution of the cell stack is large and the minimum temperature is low, this may also reduce the efficiency of the fuel cell. Therefore, it is necessary to raise the minimum temperature of the cell stack.
[0046]
From the above, it is desirable to minimize the variation in the temperature distribution in the cell stack and to operate at a battery temperature near the maximum limit temperature. According to the present invention, the minimum temperature of the cell stack is raised, and the maximum temperature is also lowered.
[0047]
As described above, by changing and controlling the heat transfer resistance between the power generation cell and the cooling cell in the stacking direction, the temperature distribution in the stacking direction in the fuel cell stack can be made uniform, and high efficiency can be achieved. Can also be achieved.
[0048]
【The invention's effect】
According to the present invention, even in a highly stacked fuel cell stack, a minimum temperature distribution range in the stacking direction can be achieved only by changing and controlling the heat transfer resistance of the cooling plate or the cooling separator. Therefore, power generation can be performed while maintaining the cell stack temperature near the maximum limit temperature, and a fuel cell having high power generation efficiency and high exhaust heat temperature can be provided.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a side view showing a configuration of a fuel cell stack according to an embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a side view showing a configuration of a fuel cell stack according to one embodiment of the present invention.
FIG. 3 is a side view showing a configuration of a fuel cell stack according to an embodiment of the present invention.
FIG. 4 is a side view of a basic configuration of a fuel cell stack.
FIG. 5 is an explanatory diagram illustrating a flow of a cooling fluid in the fuel cell stack.
FIG. 6 is an explanatory diagram schematically showing a cell inlet cooling water temperature distribution, a power generation cell-cooling cell heat transfer resistance distribution, a cell outlet cooling water temperature distribution, and a maximum cell internal temperature distribution in the cell stack stacking direction.
FIG. 7 is an explanatory view schematically showing a heat transfer resistance distribution between a power generation cell and a cooling cell and a maximum temperature distribution in a cell in a cell stack laminating direction according to an embodiment of the present invention.
FIG. 8 is an explanatory diagram schematically showing a heat transfer resistance distribution between a power generation cell and a cooling cell and a maximum temperature distribution in a cell in a cell stack laminating direction according to an embodiment of the present invention.
FIG. 9 is an explanatory view schematically showing a heat transfer resistance distribution between a power generation cell and a cooling cell and a maximum temperature distribution in a cell in a cell stack laminating direction according to an embodiment of the present invention.
FIG. 10 is a bird's-eye view of an example of a cooling fluid passage that can be employed in the present invention.
FIG. 11 is a bird's eye view of an example of a cooling fluid passage according to another embodiment that can be employed in the present invention.
FIG. 12 is a bird's-eye view of an example of a cooling fluid passage according to another embodiment of the present invention.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Fuel cell laminated body, 2 ... Clamping plate, 3 ... Cooling fluid inlet, 4 ... Cooling fluid outlet, 5 ... Cooling fluid inlet manifold, 6 ... Cooling fluid outlet manifold, 7 ... Cooling plate or Cooling separator, 8: cooling fluid passage, 9: heat transfer fin, 10: fuel cell stack.