JP3585992B2 - 燃料電池積層体用冷却板 - Google Patents

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Description

【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は燃料電池組立に使用される冷却板に関し、特に高められた伝熱特性を有し、空孔率が小さく且つ耐熱応力性の優れた冷却板に関する。
【０００２】
【従来の技術】
燃料電池積層体に用いられる冷却板は、典型的には炭素と結着材の混合体で形成された導電板の中に埋め込まれた金属製の蛇行状の冷却管を含んでいる。良導体の板は基本的には楕円体の形態をした炭素粒子と高撥水性のフッ素樹脂の結着材から成り、冷却板には高撥水性を持たせている。冷却板は板の厚み方向に炭素と結着材の均質な混合体である。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
従来技術の冷却板に関する問題点は、一般的には燃料電池積層体の運転条件に於ける冷却板の安定性と冷却管への熱伝達の性能に関するものであった。
冷却板の導電性構成部材として楕円体の形態をした炭素粒子を使用しているため、燃料電池の運転時の耐久性を増す結合力の強い部材を形成する為に撥水性を有している樹脂の結着材を比較的多い割合で使用する必要があった。
結着材の高い含有率は結果として合成板の熱膨張係数を大きくして他の積層部材の熱膨張係数との相違が拡大して電池を運転した時に熱応力を発生させる。
【０００４】
従来技術の冷却板組立には、蛇行状の金属冷却管に対する炭素粒子／結着材混合物の接着性能に関する他の問題がある。
冷却板から冷媒への良熱伝達を得るためには、炭素粒子と金属の永続的かつ強固な結着が必要である。
しかしながら、この様な結着は、従来の技術を使った炭素粒子／撥水性結着材のシステムによつては提供されたことが無かった。
結着の問題に関する一つの解決策は金属冷却管を樹脂層で覆う方法が有る。そうすると、板の中の樹脂成分が冷却管上の同様な樹脂と結合するであろう。
このやり方は、結合としては問題ない結果となるが、冷却管の表面の樹脂層のため熱伝達の効率を低下させてしまうことになる。
【０００５】
従来技術の冷却板組立に付随した更なる他の問題は、炭素粒子構成材と金属管の熱伸び率の違いに関するものである。
【０００６】
電池本体の設計者は黒鉛／結着剤と金属の合成部材と黒鉛／結着剤部材とが接触するところの熱応力を最小化する必要からヂィレンマに直面する。
金属成分の熱膨張係数は黒鉛／結着材部材の熱膨張係数と相違するので設計者は積層体の種々の部材間の熱応力を最小化するために冷却板の黒鉛／結着材部材の部分を如何に捌くかと言う問題に直面する。
【０００７】
本発明の目的の１つはリン酸燃料電池積層体に使うための、冷却板構造を提供することをである。
本発明の他の目的は、前記の本質的に空孔の無い、撥水性を有する冷却板構造を提供することである。
本発明のもう一つの目的はスタックの熱膨張及び収縮によって機能的に損なわれない冷却板構造を提供することである。
本発明に付加される目的はスタックの運転において性能の劣化を防止し最適運転性能を維持できる冷却板構造を提供することである。
本発明の更に付加される目的は冷却管と黒鉛／結着材からなる板成分との接着性が改良された冷却板構造を提供することである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明は、燃料電池積層体に用いる冷却板において、；（ａ） 冷却媒体の流体の流れを含む管状の導管と、（ｂ） 前記の管状の流路の周囲を取り囲んでいるフレーク状の黒鉛とポリマー結着材組成の板とを含むことを特徴とする。
【０００９】
第２の発明は、燃料電池積層体に用いる冷却板において、冷却媒体の流体の流れを含む管状の流路、外側表面の面粗度を粗くした管状の流路を包含し、鱗片状の黒鉛とポリマー結着材の混合体で形作られた板で、前記管状の流路の周囲にモールドされており、前記流路の外側表面の面粗度を粗くしたことにより前記の板が前記管状の導管ににしっかりと結合されていることを特徴とする。
【００１０】
また、第３の発明は、燃料電池積層体に用いる冷却板において、鱗片状の黒鉛と重合体結着剤の混合体からで形作られた板であって、前記混合体は板状にモールドされ、且つ前記混合体が前記板の中に空間的に分離された表面層を形成し、前記表面層に接する積層体の炭素の構成部材の熱膨張係数と折り合いの良い熱膨張係数を有し、且つ前記黒鉛と重合体結着剤の混合体が前記表面層よりも高い熱膨張係数を有する中央層を有するように形作られた板と、積層体の熱サイクルの間に隣あう内部積層体構成部材の間に熱的に誘起される応力を最小にする様に構成された前記板の前記中央層の熱膨張係数と折り合いの良い熱膨張係数を有している冷却媒体の流体の流れを含む金属の管状の流路と、を包含する。
【００１１】
【作用】
この発明は、炭素粒子／結着材板に埋め込まれた蛇行状の金属冷媒通水管を含む冷却板複合体の構造に関する。冷却板に使われる黒鉛粒子はフレーク状黒鉛である。フレーク状黒鉛は色々な方法で人造黒鉛とは区別される。フレーク黒鉛は粒子形状で鱗片状をしており、人造黒鉛類に見られるもっと楕円体の形態または針状の形態をした炭素粒子とは反対である。
【００１２】
鱗片状の形状はモールド製品としては人造黒鉛に対しかなり高い密度従ってより低い空孔率をもたらす。これはモールド圧力の影響のもとに鱗片状の材料によって達成された「スタック効果」（規則正しく積み重なる）によるものである。
これは樹脂の必要量を減少させる効果を持っている。
即ち構成部材を一体にするにかわの役目をする樹脂の必要量を減少させる。
【００１３】
この効果はいくつかの利点を持っている。
１．ポリマーは高い熱膨張係数を持っている。リン酸型燃料電池の設計では低い熱膨張係数は好ましい。
フレーク状黒鉛は２ｐｐｍ／℃程度の低い熱膨張係数のモールド構成部材を作ることが出来る。
２．エンヂニアリングポリマーはおよそフレーク黒鉛の少なくとも５ないし１０倍の価格である。樹脂の需要を減少させることは材料費の低下になる。
３．ポリマーは本来的に良導体ではない。
リン酸型燃料電池の設計では良導体の部材が有利である。
ポリマーの量を減じたフレーク黒鉛／ポリマーのシステムには熱及び電気の伝導度を改善する。
４．低い空孔率の板は、構成部材に対する電解質の吸収量を最小にすると言う観点から、モールド冷却板の概念の要件である。
鱗片状黒鉛は、低い電解質吸収性を持った低い空孔率構造を提供する。
５．互いに規則正しく積み重ねられた鱗片状の構造は圧縮荷重に抵抗する能力を有する。
フッ化炭素熱可塑性樹脂を結着剤として用いたこの様な構造に於いては運転温度に於ける樹脂のクリープの心配はより少ない。何故なら圧縮耐力は、樹脂でなく、鱗片に支配されるからである。
６．黒鉛の顕微鏡構造が理論的に理想的な黒鉛の結晶構造に近いものはより安定で最大の耐腐食性を有すると信じられている。
種々の人造黒鉛や精製された天然のフレーク材のＸ線回折の研究によると精製された天然の黒鉛フレーク材が優れた黒鉛結晶構造を持っていることが判った。
【００１４】
冷却板複合体は金属の（ステンレス鋼が好ましい）、サーペンタイン冷媒循環冷却管を組み込んでおり、複合板内でフレーク黒鉛／結着材と冷媒管構成材の間の接着を改良するため外表面を粗くしている。
これは、フレーク黒鉛結着体構成材が熱サイクルの間に割れるのを防ぐことを助け、同時にモールドクーラ材から冷却管への卓越した熱伝達を提供する。
【００１５】
冷却板構成部材は上下表面層と中央層とで熱膨張率値が異なるように黒鉛フレーク／結着材混合体の性質を熱的に変化させた構成にしている。熱応力から結果として生ずる従来技術に見られる問題点は、この発明の冷却板複合体により改善される。
【００１６】
【実施例】
リン酸型燃料電池セルスタックで用いられる、ガス流域／セパレータ板／冷却板の部分構造の一部を図１に示す。部分構造は一般的に符号２で表され、スタック中の一セルにおける第１のガス流通電極板４及び隣接セルの第２のガス流通電極板６を含んでいる。板４及び６はそれぞれ反応ガスが流れる溝８及び１０を含んでいる。第１及び第２の電気伝導性セパレータ板１２及び１４は溝８及び１０の端部である各ガス流通板４及び６にそれぞれ接して配置されている。
【００１７】
冷却板１６はフッ化エチレンプロピレンポリマー（ＦＥＰ）のような撥水性の樹脂によって結着された黒鉛フレークで形成された保持板の中に埋め込まれている金属製のサーペンタイン冷却管１８を含んでいる。冷却管１８の外面２２は黒鉛フレーク／結着材からなる板への接着性を改善するために粗面化されている。粗面化はフレーム溶射、サンドブラスト等の方法で行われる。接着性を改善することにより熱サイクルにおける板２０の割れを防ぐことができる。管１８の上の分離用の樹脂層を設ける必要がなくなり熱伝達は改善される。保持板２０の端部は耐腐食性で酸不浸透性の層２７によって酸の侵入から保護される。層２７は接着剤層をもつフロロエチレンポリマーあるいはポリテトラフロロエチレンのテープを板２０に接着することにより設けられる。
別の方法としては、層２７はフローレルエラストマーのような耐食性の材料からなり、板２０の上に塗布してスタックの初期加熱の間にその場で接着して設けられるいずれの場合も板２０は運転中の酸浸透から守られる。
【００１８】
図２は保持板２０の段階性を示すものである。板２０は厚み方向に見られるように３層の内部領域２１、２３、２５に分かれている。セパレータ板１２はフッ素樹脂層１３によって領域２１に結合され、セパレータ板１４はフッ素樹脂層１５によって領域２５に結合される。冷却管１８は領域２３に含まれる。領域２１及び２５の黒鉛フレーク／結着材組成は領域２１及び２５の熱膨張率を低くする。また、領域２３の黒鉛フレーク／結着材組成は領域２３の熱膨張率を高くする。熱膨張率の低い領域２１及び２５はセパレータ板１２及び１４とより適合し、熱膨張率の高い領域２３は冷却管１８とより適合する。領域２１及び２５は、例えば４〜５ｐｐｍ／℃の熱膨張率となる混合物から、また、領域２３は、例えば７〜１１ｐｐｍ／℃の熱膨張率となる混合物から形成されて良い。４〜５ｐｐｍ／℃の熱膨張率となる混合物の例として、約１１ｗｔ％のＦＥＰポリマー粉＃ＴＥ９０５０（Ｄｕｐｏｎｔ製テフロン）と約８９ｗｔ％の黒鉛フレークＳＧＣ ２９０１（ＳｕｐｅｒｉｏｒＧｒａｐｈｉｔｅ Ｃｏｍｐａｎｙ製）の組成があげられる。また、７〜１１ｐｐｍ／℃の熱膨張率となる混合物の例としては、約１１ｗｔ％のＦＥＰポリマー粉＃ＴＬ−１２０（ＩＣＩ Ａｄｖａｎｃｅｄ Ｃｅｒａｍｉｃｓ製）と黒鉛フレークＥ−４９８（Ｓｕｐｅｒｉｏｒ Ｇｒａｐｈｉｔｅ Ｃｏｍｐａｎｙ製）の組成があげられる。望ましい熱膨張率が黒鉛及び結着材の各成分のいずれかあるいは両方を変えることによって得られることが分かるであろう。
【００１９】
上記実施例においては黒鉛フレークを使用したものを示したが、鱗片状の黒鉛を使用してもよい。また、本発明の開示された具体化には発明の概念から逸脱することなしに多くの変更及び変形が可能であり、記載された請求範囲によって制限されるものではない。
【００２０】
【発明の効果】
本発明の冷却板構造は改善された熱サイクル安定性、熱伝達及び冷却能力を提供することができる。また、冷却管保持板中の黒鉛フレーク成分を使用することにより長寿命が得られる。ポリフェニレンサルファイド（ＰＰＳ）のような他の熱可塑性ポリマー及びフェノール樹脂のような熱硬化性樹脂も成形冷却板を作るのに用いることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】リン酸型燃料電池セルスタックにおける二つの反応ガス流域、２枚のセパレータ板、及び本発明に基づく冷却板構造を含む部分の断面図である。
【図２】図１における冷却板構造とセパレータ板とからなる部分の冷却板構造の段階的に変化する構成を示す部分拡大図である。
【符号の説明】
２，２０ 冷却板
４，６ ガス流通電極板
８，１０ 反応ガスが流れる溝
１２，１４ 電気伝導性セパレータ板
１３，１５ フッ素樹脂層
１６ 黒鉛フレーク／結着材組成の層
１８ 管
２１，２５ 熱膨張率の低い領域
２２ 管外面
２３ 熱膨張率の高い領域
２７ 酸不浸透性の層

Claims (11)

  1. 燃料電池積層体に用いる冷却板において、；（ａ） 冷却媒体の流体の流れを含む管状の導管と、（ｂ） 前記の管状の流路の周囲を取り囲んでいるフレーク状の黒鉛とポリマー結着材組成の板とを含むことを特徴とする燃料電池積層体用冷却板。
  2. 前記黒鉛とポリマー結着材組成の混合体と前記の管状の流路とを結合したことを特徴とする、請求項１記載の燃料電池積層体用冷却板。
  3. 前記の管状の流路が金属管であって、外側表面の面粗度を粗くすることによって黒鉛とポリマー結着材組成の混合体と管の結合の度合いを強化することを特徴とする、請求項２記載の燃料電池積層体用冷却板。
  4. 前記の金属管が蛇行状をしていることを特徴とする請求項３記載の燃料電池積層体用冷却板。
  5. 黒鉛とポリマー結着材組成の混合体が前記板の中に空間的に分離された表面層を形成し、前記表面層に接する積層体の炭素の構成部材の熱膨張係数と折り合いの良い熱膨張係数を有し、且つ、前記黒鉛とポリマー結着材組成の混合体が前記表面層よりも高い熱膨張係数を有する中央層を有するように形作られ、、前記の管状の流路の熱膨張係数と折り合いを良くすることによって積層体の熱サイクルの間に隣あう内部積層体構成部材の間に熱的に誘起される応力を最小化することを特徴とする請求項１記載の燃料電池積層体用冷却板。
  6. 請求項１の冷却器に於いてさらに耐腐食、酸不透過材料の層を前記板の周辺部及び側面に形成し、前記材料の層が前記板を酸浸透から防ぐように機能させることを特徴とする請求項１記載の燃料電池積層体用冷却板。
  7. 燃料電池積層体に用いる冷却板において、冷却媒体の流体の流れを含む管状の流路、外側表面の面粗度を粗くした管状の流路を包含し、鱗片状の黒鉛とポリマー結着材の混合体で形作られた板で、前記管状の流路の周囲にモールドされており、前記流路の外側表面の面粗度を粗くしたことにより前記の板が前記管状の導管ににしっかりと結合されていることを特徴とする燃料電池積層体用冷却板。
  8. 前記の管状の流路が金属管であって、前記鱗片状の黒鉛とポリマー結着材の混合体が前記板の中に空間的に分離された表面層を形成し、前記表面層に接する積層体の炭素の構成部材の熱膨張係数と折り合いの良い熱膨張係数を有し、且つ前記黒鉛とポリマー結着材の混合体が前記表面層よりも高い熱膨張係数を有する前記の管状の流路が配置される中央層を有するように形作られ、前記の管状の流路の熱膨張係数と折り合いを良くすることによって積層体の熱サイクルの間に隣あう内部積層体構成部材の間に熱的に誘起される応力を最小化することを特徴とする請求項７記載の燃料電池積層体用冷却板。
  9. 耐腐食、酸不透過材料の層を前記板の周辺部及び側面に形成し、前記材料の層が前記板を酸浸透から防ぐように機能させることを特徴とする請求項７記載の燃料電池積層体用冷却板。
  10. 燃料電池積層体に用いる冷却板において、鱗片状の黒鉛と重合体結着剤の混合体からで形作られた板であって、前記混合体は板状にモールドされ、且つ前記混合体が前記板の中に空間的に分離された表面層を形成し、前記表面層に接する積層体の炭素の構成部材の熱膨張係数と折り合いの良い熱膨張係数を有し、且つ前記黒鉛と重合体結着剤の混合体が前記表面層よりも高い熱膨張係数を有する中央層を有するように形作られた板と、積層体の熱サイクルの間に隣あう内部積層体構成部材の間に熱的に誘起される応力を最小にする様に構成された前記板の前記中央層の熱膨張係数と折り合いの良い熱膨張係数を有している冷却媒体の流体の流れを含む金属の管状の流路と、を包含する燃料電池積層体用冷却板。
  11. 耐腐食、酸不透過材料の層を前記板の側面に形成し、前記材料層が前記板を酸浸透から防ぐように機能させることを特徴とする請求項１０記載の燃料電池積層体用冷却板。
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