JP2551713B2 - 燃料電池 - Google Patents
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- JP2551713B2 JP2551713B2 JP4187921A JP18792192A JP2551713B2 JP 2551713 B2 JP2551713 B2 JP 2551713B2 JP 4187921 A JP4187921 A JP 4187921A JP 18792192 A JP18792192 A JP 18792192A JP 2551713 B2 JP2551713 B2 JP 2551713B2
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- electrode
- gas
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- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
- Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
- Y02E60/30—Hydrogen technology
- Y02E60/50—Fuel cells
Landscapes
- Fuel Cell (AREA)
Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、燃料電池に係り、特に
溶融炭酸塩型燃料電池の冷却構造に関する。
溶融炭酸塩型燃料電池の冷却構造に関する。
【０００２】
【従来の技術】サイエンスフォーラム発行の「燃料電池
設計技術」第２０２頁に記載されているように、大規模
発電電力用燃料電池として使用される溶融炭酸塩型燃料
電池においては、水素燃料が運転温度６５０℃で有する
エンタルピーは２４８kＪ／molで、理論的最大発電エネ
ルギーに相当するものは１９７kＪ／molである。しかし
電池内に存在する各種抵抗によって通常運転の条件では
その約３０％が熱に変換され、電池内発電量とほぼ同量
の熱エネルギーが発生する。大型の燃料電池スタックで
は周辺部からの熱伝導による熱移送寄与率が小さくなる
ので、その発熱の除去方法としてはプロセスガス（アノ
ードおよびカソードガス）循環とスタック内冷却板挿入
による冷却専用熱媒体循環の２方法が考えられる。この
中、カソードガスの循環方式は、可燃性の水素ガスを含
んでおらず、冷却板挿入方式に比べて構造が簡単であっ
て一番優れている。
設計技術」第２０２頁に記載されているように、大規模
発電電力用燃料電池として使用される溶融炭酸塩型燃料
電池においては、水素燃料が運転温度６５０℃で有する
エンタルピーは２４８kＪ／molで、理論的最大発電エネ
ルギーに相当するものは１９７kＪ／molである。しかし
電池内に存在する各種抵抗によって通常運転の条件では
その約３０％が熱に変換され、電池内発電量とほぼ同量
の熱エネルギーが発生する。大型の燃料電池スタックで
は周辺部からの熱伝導による熱移送寄与率が小さくなる
ので、その発熱の除去方法としてはプロセスガス（アノ
ードおよびカソードガス）循環とスタック内冷却板挿入
による冷却専用熱媒体循環の２方法が考えられる。この
中、カソードガスの循環方式は、可燃性の水素ガスを含
んでおらず、冷却板挿入方式に比べて構造が簡単であっ
て一番優れている。
【０００３】カソードガス循環は電池サブシステムに設
けたブロワによって行われるので、スタック構造の設計
としては、多量のカソードガスを流せるカソードガスチ
ャンネルを工夫することになる。ある条件の下ではリサ
イクルガス量とカソード出口ガス量との比を表わすカソ
ードガスリサイクル比が約７４％と推算されている。こ
のように溶融炭酸塩型燃料電池においては、電気化学反
応の反応ガスとして用いられる空気と二酸化炭素の混合
気、すなわちカソードガスが同時に冷却媒体として電池
内発生熱の除去用循環ガスとして利用される。したがっ
て、負荷が増加し発生電流が増大する以上に電池発熱量
が増大し、その分だけ必要なカソードガス流量も増える
ことになり、その循環流量確保のための手段が採られる
ことになる。例えば、図２に示すような強度を保持しな
がらカソードガスの流路を確保するよう表裏間のガス流
通孔を有する波形部材を用いた構造が、燃料電池内のカ
ソードガス流路全長に亘って採用されてきた。この場
合、表裏側カソードガス流路の断面積は等しくするのが
普通であった。
けたブロワによって行われるので、スタック構造の設計
としては、多量のカソードガスを流せるカソードガスチ
ャンネルを工夫することになる。ある条件の下ではリサ
イクルガス量とカソード出口ガス量との比を表わすカソ
ードガスリサイクル比が約７４％と推算されている。こ
のように溶融炭酸塩型燃料電池においては、電気化学反
応の反応ガスとして用いられる空気と二酸化炭素の混合
気、すなわちカソードガスが同時に冷却媒体として電池
内発生熱の除去用循環ガスとして利用される。したがっ
て、負荷が増加し発生電流が増大する以上に電池発熱量
が増大し、その分だけ必要なカソードガス流量も増える
ことになり、その循環流量確保のための手段が採られる
ことになる。例えば、図２に示すような強度を保持しな
がらカソードガスの流路を確保するよう表裏間のガス流
通孔を有する波形部材を用いた構造が、燃料電池内のカ
ソードガス流路全長に亘って採用されてきた。この場
合、表裏側カソードガス流路の断面積は等しくするのが
普通であった。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】燃料電池の運転にあた
っては負荷変動があっても常に最適動作温度に電池温度
を保つために、負荷量に見合ったアノードガスとカソー
ドガスを供給するのは勿論のこと、冷却用のカソードガ
ス量をも考慮に入れたプロセスガスの制御が必要にな
る。もし最適動作温度よりも電池温度が低下すると電池
性能が低下して発電効率が低下し、極端な場合は電解質
の溶融温度（炭酸塩では約４９０℃）以下で電池として
の動作が不可能になる。逆に最適温度よりも高くなり過
ぎると、電池部材が電解質に腐食され易くなったり、電
解質の蒸発速度が早くなって電解質の不足状態に陥った
り、劣化や性能低下を招来することになる。
っては負荷変動があっても常に最適動作温度に電池温度
を保つために、負荷量に見合ったアノードガスとカソー
ドガスを供給するのは勿論のこと、冷却用のカソードガ
ス量をも考慮に入れたプロセスガスの制御が必要にな
る。もし最適動作温度よりも電池温度が低下すると電池
性能が低下して発電効率が低下し、極端な場合は電解質
の溶融温度（炭酸塩では約４９０℃）以下で電池として
の動作が不可能になる。逆に最適温度よりも高くなり過
ぎると、電池部材が電解質に腐食され易くなったり、電
解質の蒸発速度が早くなって電解質の不足状態に陥った
り、劣化や性能低下を招来することになる。
【０００５】従来のプロセスガス冷却方式では、特に高
電流密度での運転時に単位燃料電池を構成するセル面内
の温度分布の不均一が大きくなる。電流密度と電池内の
発生熱量との関係は比例関係ではなく、電流密度が高く
なるにつれて発熱量が飛躍的に増大する。このためカソ
ードガス流量を大幅に増やすことになるが、電池温度に
比べて可成り低温のカソードガスがセル入口から大量に
流入してセルのカソードガス入口付近を過冷却状態に陥
れることになる。この結果その部分のセル温度が許容温
度範囲を逸脱してセル性能を低下させることになる。
電流密度での運転時に単位燃料電池を構成するセル面内
の温度分布の不均一が大きくなる。電流密度と電池内の
発生熱量との関係は比例関係ではなく、電流密度が高く
なるにつれて発熱量が飛躍的に増大する。このためカソ
ードガス流量を大幅に増やすことになるが、電池温度に
比べて可成り低温のカソードガスがセル入口から大量に
流入してセルのカソードガス入口付近を過冷却状態に陥
れることになる。この結果その部分のセル温度が許容温
度範囲を逸脱してセル性能を低下させることになる。
【０００６】本発明の目的は、負荷が増大して電流密度
が高くなりカソードガスの流量が飛躍的に増大した場合
にもセル面内の温度分布の不均一性を是正し、温度低下
による燃料電池性能低下の防止をする燃料電池冷却構造
の提供にある。
が高くなりカソードガスの流量が飛躍的に増大した場合
にもセル面内の温度分布の不均一性を是正し、温度低下
による燃料電池性能低下の防止をする燃料電池冷却構造
の提供にある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】前記の目的を達成するた
めに、カソード電極とセパレータ部材との間に両者に接
する波形部材を挿入し、該波形部材によって仕切られる
空間のうち、カソード電極（カソード集電板を含む）に
直接接する空間をカソードガスの第１流路とし、セパレ
ータ部材に直接接する空間をカソードガスの第２流路と
し、カソードガス流路を２つに分ける。そして、第２流
路の入口側始点から一部の路長に亘り、第２流路のカソ
ード電極側空間を仕切り部材によって閉塞して閉塞空間
を設ける。また、その閉塞空間よりも第２流路の出口側
の波形部材に第１流路と第２流路を連通する開孔を設け
る。
めに、カソード電極とセパレータ部材との間に両者に接
する波形部材を挿入し、該波形部材によって仕切られる
空間のうち、カソード電極（カソード集電板を含む）に
直接接する空間をカソードガスの第１流路とし、セパレ
ータ部材に直接接する空間をカソードガスの第２流路と
し、カソードガス流路を２つに分ける。そして、第２流
路の入口側始点から一部の路長に亘り、第２流路のカソ
ード電極側空間を仕切り部材によって閉塞して閉塞空間
を設ける。また、その閉塞空間よりも第２流路の出口側
の波形部材に第１流路と第２流路を連通する開孔を設け
る。
【０００８】これに代えて、上記の第２流路の空間全体
を閉塞空間とし、セパレータ部材の内部にカソードガス
の供給管と排気管にそれぞれ連通させたカソードガスの
第２流路を形成し、その第２流路の入口側始点から一部
の路長を除いて第１流路と第２流路を連通する開孔をセ
パレータ部材に設けてもよい。
を閉塞空間とし、セパレータ部材の内部にカソードガス
の供給管と排気管にそれぞれ連通させたカソードガスの
第２流路を形成し、その第２流路の入口側始点から一部
の路長を除いて第１流路と第２流路を連通する開孔をセ
パレータ部材に設けてもよい。
【０００９】また、波形部材のカソード電極との接触側
表面はこれを粗くして電極との間の熱伝導抵抗を増大さ
せる構造を採ることが好ましい。セパレータ部材中の第
２流路の内面のうち、開孔が設けられていない入口側の
内面に断熱性部材を配することが好ましい。閉塞空間は
真空にすることが好ましい。
表面はこれを粗くして電極との間の熱伝導抵抗を増大さ
せる構造を採ることが好ましい。セパレータ部材中の第
２流路の内面のうち、開孔が設けられていない入口側の
内面に断熱性部材を配することが好ましい。閉塞空間は
真空にすることが好ましい。
【００１０】
【００１１】
【作用】プロセスガスとしてのカソードガスを冷却媒体
としても利用するプロセスガス冷却方式の燃料電池にあ
っては、特に負荷が増大して電流密度が高くなるとカソ
ードガス流量を飛躍的に増加させる必要が生ずる。この
時カソードガスを燃料電池セル面に一様分布するよう流
動させると、セルのカソードガス入口付近は、電池温度
に比べて低温のカソードガスの冷却効果のために温度が
低くなり、セル内出口に近ずくにつれて冷却効果が薄れ
て温度が高くなる。カソード電極における電気化学反応
に必要なカソードガスをカソード電極に供給しながら冷
却材としてのカソードガスを減らすためには、カソード
電極に直接接することが可能なカソードガス流路の第１
流路とバリヤによってカソード電極から遠い側に形成さ
れた第２流路とを備え、該第２流路の入口側始点から一
部の路長に亘ってカソード電極と前記第２流路との間の
熱伝達率を低下させる手段を設ける必要がある。勿論カ
ソードガス流路の出口に近い領域では、前記第１流路と
第２流路を開孔によって連絡しガスを流通させることに
よって、従来から採用されて来たのと同程度以上の冷却
効果をもたらす必要がある。
としても利用するプロセスガス冷却方式の燃料電池にあ
っては、特に負荷が増大して電流密度が高くなるとカソ
ードガス流量を飛躍的に増加させる必要が生ずる。この
時カソードガスを燃料電池セル面に一様分布するよう流
動させると、セルのカソードガス入口付近は、電池温度
に比べて低温のカソードガスの冷却効果のために温度が
低くなり、セル内出口に近ずくにつれて冷却効果が薄れ
て温度が高くなる。カソード電極における電気化学反応
に必要なカソードガスをカソード電極に供給しながら冷
却材としてのカソードガスを減らすためには、カソード
電極に直接接することが可能なカソードガス流路の第１
流路とバリヤによってカソード電極から遠い側に形成さ
れた第２流路とを備え、該第２流路の入口側始点から一
部の路長に亘ってカソード電極と前記第２流路との間の
熱伝達率を低下させる手段を設ける必要がある。勿論カ
ソードガス流路の出口に近い領域では、前記第１流路と
第２流路を開孔によって連絡しガスを流通させることに
よって、従来から採用されて来たのと同程度以上の冷却
効果をもたらす必要がある。
【００１２】これを実現する手段として、第１流路の入
口付近のカソードガス流量を反応ガスとして必要な量よ
りは多いが全ガス量の半分以下に絞ってカソード電極の
冷却効果を減じ、第２流路のカソード電極に近い側には
対流による熱拡散を防止するための閉塞空間をカソード
ガス入口側始点から一部の路長に亘って設ける。またこ
の領域では、第１流路、第２流路及び閉塞空間を構成す
る部材を通って、カソード電極から第２流路内のカソー
ドガスへ伝達される熱を極力少なく押える構造を採用す
る。この領域より下流の流路では、前記の閉塞空間は設
けず、第２流路から第１流路およびカソード電極へ向け
た開孔を設けると共に、第１流路断面積を拡大して冷却
効果の増大を図る。この場合、第２流路から隔離された
第１流路のカソードガスは、電気科学反応により酸素と
二酸化炭素とが消費され、体積流量が減少するので流速
が落ち、冷却効果を更に低下させる効果を有している。
また第１流路と第２流路の断面積比をカソードガス流路
の全長に亘って調整することにより熱伝達率の調整を行
うことができる。
口付近のカソードガス流量を反応ガスとして必要な量よ
りは多いが全ガス量の半分以下に絞ってカソード電極の
冷却効果を減じ、第２流路のカソード電極に近い側には
対流による熱拡散を防止するための閉塞空間をカソード
ガス入口側始点から一部の路長に亘って設ける。またこ
の領域では、第１流路、第２流路及び閉塞空間を構成す
る部材を通って、カソード電極から第２流路内のカソー
ドガスへ伝達される熱を極力少なく押える構造を採用す
る。この領域より下流の流路では、前記の閉塞空間は設
けず、第２流路から第１流路およびカソード電極へ向け
た開孔を設けると共に、第１流路断面積を拡大して冷却
効果の増大を図る。この場合、第２流路から隔離された
第１流路のカソードガスは、電気科学反応により酸素と
二酸化炭素とが消費され、体積流量が減少するので流速
が落ち、冷却効果を更に低下させる効果を有している。
また第１流路と第２流路の断面積比をカソードガス流路
の全長に亘って調整することにより熱伝達率の調整を行
うことができる。
【００１３】第１流路と第２流路と閉塞空間とを構成す
る具体的構造としては、波形部材を使い、カソード電極
に対して開放されている側を第１流路、反対側を第２流
路とし、第２流路のカソード電極に近い側に閉塞空間を
設けることが可能である。第２流路の熱的隔離をより徹
底する構造として、上記の第２流路部分全体を閉塞空間
にし、その外側セパレータ部材内部に設けた開孔で第２
流路を構成し、その内面に断熱性材料を介在させる構造
の採用も可能である。
る具体的構造としては、波形部材を使い、カソード電極
に対して開放されている側を第１流路、反対側を第２流
路とし、第２流路のカソード電極に近い側に閉塞空間を
設けることが可能である。第２流路の熱的隔離をより徹
底する構造として、上記の第２流路部分全体を閉塞空間
にし、その外側セパレータ部材内部に設けた開孔で第２
流路を構成し、その内面に断熱性材料を介在させる構造
の採用も可能である。
【００１４】カソード電極から構造部材への熱伝導を極
力小さくするための手段としては、その構造部材のカソ
ード電極の接触面積を減らす工夫が必要で、波形部材の
前記接触側の表面を粗いものにすると効果がある。また
閉塞空間も空気を内在させるよりは真空にした方が断熱
効果が大きくなる。
力小さくするための手段としては、その構造部材のカソ
ード電極の接触面積を減らす工夫が必要で、波形部材の
前記接触側の表面を粗いものにすると効果がある。また
閉塞空間も空気を内在させるよりは真空にした方が断熱
効果が大きくなる。
【００１５】
【実施例】本発明による一実施例を図１、２および３に
より説明する。図１および２に示すように電解質板１を
挾んでその外側にそれぞれアノード集電板２とカソード
集電板３を含むアノード電極４とカソード電極５があ
り、これら電極にそれぞれ接してアノードガス流路６と
カソードガス流路７をそれぞれ設けたセパレータ８がそ
の外側にある。参照番号９で図示したセパレータ部材の
外側にはそれぞれカソードガス流路７およびアノードガ
ス流路６が配され、かくて単位燃料電池１０が複数個積
層される構造となっている。これらのアノードガス流路
６およびカソードガス流路７は図３に示すアノードガス
入口マニホールド１１とアノードガス出口マニホールド
１２およびカソードガス入口マニホールド１３とカソー
ドガス出口マニホールド１４にそれぞれアノードガス導
入溝（図示せず）とアノードガス導出溝（図示せず）お
よびカソードガス導入溝１５とカソードガス導出溝１６
を介して連絡し、その先はヘッダーを介してそれぞれア
ノードガス供給管（図示せず）、アノードガス排気管
（図示せず）およびカソードガス供給管（図示せず）、
カソードガス排気管（図示せず）に接続されている。ア
ノードガス流路６とカソードガス流路７とは構造上９０
°位相がづれている。カソードガス流路７をカソード電
極５に直接接することが可能な第１流路１７とバリヤに
よってカソード電極５から遠い側に形成される第２流路
１８とに分け、カソード電極５と第２流路１８との間で
の熱伝達率低下手段の設置範囲Ａ部と、その下流に位置
するＢ部とではカソードガス流路の構造を別のものとし
てある。Ａ部相当の構造が図１であり、Ｂ部相当の構造
が図２である。
より説明する。図１および２に示すように電解質板１を
挾んでその外側にそれぞれアノード集電板２とカソード
集電板３を含むアノード電極４とカソード電極５があ
り、これら電極にそれぞれ接してアノードガス流路６と
カソードガス流路７をそれぞれ設けたセパレータ８がそ
の外側にある。参照番号９で図示したセパレータ部材の
外側にはそれぞれカソードガス流路７およびアノードガ
ス流路６が配され、かくて単位燃料電池１０が複数個積
層される構造となっている。これらのアノードガス流路
６およびカソードガス流路７は図３に示すアノードガス
入口マニホールド１１とアノードガス出口マニホールド
１２およびカソードガス入口マニホールド１３とカソー
ドガス出口マニホールド１４にそれぞれアノードガス導
入溝（図示せず）とアノードガス導出溝（図示せず）お
よびカソードガス導入溝１５とカソードガス導出溝１６
を介して連絡し、その先はヘッダーを介してそれぞれア
ノードガス供給管（図示せず）、アノードガス排気管
（図示せず）およびカソードガス供給管（図示せず）、
カソードガス排気管（図示せず）に接続されている。ア
ノードガス流路６とカソードガス流路７とは構造上９０
°位相がづれている。カソードガス流路７をカソード電
極５に直接接することが可能な第１流路１７とバリヤに
よってカソード電極５から遠い側に形成される第２流路
１８とに分け、カソード電極５と第２流路１８との間で
の熱伝達率低下手段の設置範囲Ａ部と、その下流に位置
するＢ部とではカソードガス流路の構造を別のものとし
てある。Ａ部相当の構造が図１であり、Ｂ部相当の構造
が図２である。
【００１６】本実施例においては、強度を保持しながら
カソードガス流路を形成するために波形部材１９を使用
している。図１に示すものでは反応ガスを通すための第
１流路１７とカソード電極５からカソードガスを隔離し
て流すための第２流路１８の断面積は第１流路１７のほ
うがより小さくなっている。図２に示すものでは、図１
の第１流路１７および第２流路１８に繋がる第１流路１
７および第２流路１８は両流路のガスを流通させるため
の開孔２０によって連絡されており、断面積もほぼ等し
くしてある。さらに第２流路１８に存在するガスが直接
カソード電極５に接触できるようにするための開孔２１
も設けられている。
カソードガス流路を形成するために波形部材１９を使用
している。図１に示すものでは反応ガスを通すための第
１流路１７とカソード電極５からカソードガスを隔離し
て流すための第２流路１８の断面積は第１流路１７のほ
うがより小さくなっている。図２に示すものでは、図１
の第１流路１７および第２流路１８に繋がる第１流路１
７および第２流路１８は両流路のガスを流通させるため
の開孔２０によって連絡されており、断面積もほぼ等し
くしてある。さらに第２流路１８に存在するガスが直接
カソード電極５に接触できるようにするための開孔２１
も設けられている。
【００１７】通常の運転時のカソード電極５の温度は流
入するカソードガス２２の温度に比べて非常に高い。負
荷が増大して電池内発熱量が飛躍的に増加すると、それ
に応じて冷却媒体としてのカソードガス２２の流量を増
加させる必要がある。しかし流入カソードガス全部を冷
却用に使用すると、セル内入口付近Ａ部の冷却効果が過
大になり、Ｂ部との温度差が大きくなる。この結果入口
部ではカソード電極５の許容温度範囲より低温に、出口
部では許容範囲ぎりぎりの高温になって仕舞い易い。こ
の温度差を小さくして許容範囲に納めるために、Ａ部の
第２流路１８のガスをカソード電極５から隔離して冷却
作用を弱め、しかも第１流路１７の断面積を小さくして
反応用ガスによる冷却効果を下げるようにする。これに
よって電気化学反応で酸素と二酸化炭素が消費されて体
積が減り、その結果流速が減少する効果が加わって温度
低下の低減が可能になる。Ｂ部では従来から実施されて
いるのと同様に第１流路１７と第２流路１８の断面積を
ほぼ同じにして両者間の開孔２０を通してのガスの流通
を行わせる。さらにカソード電極５との接触部開孔２１
を通る第２流路１８からのガスを直接カソード電極５に
接触させるようにして冷却を促進させる。
入するカソードガス２２の温度に比べて非常に高い。負
荷が増大して電池内発熱量が飛躍的に増加すると、それ
に応じて冷却媒体としてのカソードガス２２の流量を増
加させる必要がある。しかし流入カソードガス全部を冷
却用に使用すると、セル内入口付近Ａ部の冷却効果が過
大になり、Ｂ部との温度差が大きくなる。この結果入口
部ではカソード電極５の許容温度範囲より低温に、出口
部では許容範囲ぎりぎりの高温になって仕舞い易い。こ
の温度差を小さくして許容範囲に納めるために、Ａ部の
第２流路１８のガスをカソード電極５から隔離して冷却
作用を弱め、しかも第１流路１７の断面積を小さくして
反応用ガスによる冷却効果を下げるようにする。これに
よって電気化学反応で酸素と二酸化炭素が消費されて体
積が減り、その結果流速が減少する効果が加わって温度
低下の低減が可能になる。Ｂ部では従来から実施されて
いるのと同様に第１流路１７と第２流路１８の断面積を
ほぼ同じにして両者間の開孔２０を通してのガスの流通
を行わせる。さらにカソード電極５との接触部開孔２１
を通る第２流路１８からのガスを直接カソード電極５に
接触させるようにして冷却を促進させる。
【００１８】ここでＡ部におけるカソード電極５から第
２流路１８内ガスへの熱伝導削減のために、波形部材１
９のカソード電極５との接触側表面２３を粗くする。し
かしこれだけでは、Ａ部の断熱効果が不充分かも知れな
い。
２流路１８内ガスへの熱伝導削減のために、波形部材１
９のカソード電極５との接触側表面２３を粗くする。し
かしこれだけでは、Ａ部の断熱効果が不充分かも知れな
い。
【００１９】第２の実施例について図４を用いて説明す
る。図３のＡ部の構造を図１より断熱性の優れたものに
するもので、Ｂ部には図２の構造を採用する。図１の第
２流路１８の中のカソード電極５に近い部分に閉塞空間
２４を設ける。その他は図１と同一構造である。この閉
塞空間は勿論図３のＡ部の入口端と下流端の境界部２
５、２６において端蓋を以って他の空間から遮断され
る。
る。図３のＡ部の構造を図１より断熱性の優れたものに
するもので、Ｂ部には図２の構造を採用する。図１の第
２流路１８の中のカソード電極５に近い部分に閉塞空間
２４を設ける。その他は図１と同一構造である。この閉
塞空間は勿論図３のＡ部の入口端と下流端の境界部２
５、２６において端蓋を以って他の空間から遮断され
る。
【００２０】この閉塞空間を設けることによって、波形
部材１９のカソード電極５との接触部分を貫通する、直
接第２流路１８内ガスへの熱伝達は殆んどなくなる。こ
の貫通熱伝達を完全に遮断するためには、閉塞空間内を
真空に保つことが必要になる。また第２の実施例の構造
でも波形部材１９を通る熱伝導によって、第２流路１８
内ガスへの熱伝達は行われる。この場合にも第１の実施
例同様波形部材１９のカソード電極５との接触側表面２
３を粗くすることは効果がある。この構造では、第１流
路１７と第２流路１８の断面積比をカソードガス流路全
長に亘って調整することにより熱伝達率の調整を行うこ
とができる。しかしこの構造ではＡ部の断熱効果が不充
分かも知れない。
部材１９のカソード電極５との接触部分を貫通する、直
接第２流路１８内ガスへの熱伝達は殆んどなくなる。こ
の貫通熱伝達を完全に遮断するためには、閉塞空間内を
真空に保つことが必要になる。また第２の実施例の構造
でも波形部材１９を通る熱伝導によって、第２流路１８
内ガスへの熱伝達は行われる。この場合にも第１の実施
例同様波形部材１９のカソード電極５との接触側表面２
３を粗くすることは効果がある。この構造では、第１流
路１７と第２流路１８の断面積比をカソードガス流路全
長に亘って調整することにより熱伝達率の調整を行うこ
とができる。しかしこの構造ではＡ部の断熱効果が不充
分かも知れない。
【００２１】第３の実施例について図５を用いて説明す
る。この場合、図３のＡ部の流路構成を図１に対して変
形してある。すなわち、図１の第２流路１８の部分を閉
塞空間２４として使用し、図１のセパレータ部材９の部
分に開孔を設けて第２流路１８を構成する。第２流路１
８の内面には例えばガラスウール等の断熱性部材２７を
介在させる。図６は、Ｂ部のカソードガス流路７の構造
を示す。カソードガス２２が左から右へ流れる方向、す
なわち、図１、図２、図４、図５とは９０°位相のずれ
た位置で示してある。Ａ部の第２流路に直接連絡するＢ
部の第２流路１８には断熱性部材を介在させない。この
第２流路１８からは、Ａ部の閉塞空間に直接連結する部
分と第１流路に対して連絡する小孔２８が設けられてい
る。第２流路１８の出口端は端蓋で直接のガス排出が止
められている。直接Ａ部の閉塞空間に連結するＢ部の部
分からは、ガス流通用開孔２０を通して第１流路へ、カ
ソード電極へのガス流通用開孔２１を通してカソード電
極５へもカソードガスが流通する。
る。この場合、図３のＡ部の流路構成を図１に対して変
形してある。すなわち、図１の第２流路１８の部分を閉
塞空間２４として使用し、図１のセパレータ部材９の部
分に開孔を設けて第２流路１８を構成する。第２流路１
８の内面には例えばガラスウール等の断熱性部材２７を
介在させる。図６は、Ｂ部のカソードガス流路７の構造
を示す。カソードガス２２が左から右へ流れる方向、す
なわち、図１、図２、図４、図５とは９０°位相のずれ
た位置で示してある。Ａ部の第２流路に直接連絡するＢ
部の第２流路１８には断熱性部材を介在させない。この
第２流路１８からは、Ａ部の閉塞空間に直接連結する部
分と第１流路に対して連絡する小孔２８が設けられてい
る。第２流路１８の出口端は端蓋で直接のガス排出が止
められている。直接Ａ部の閉塞空間に連結するＢ部の部
分からは、ガス流通用開孔２０を通して第１流路へ、カ
ソード電極へのガス流通用開孔２１を通してカソード電
極５へもカソードガスが流通する。
【００２２】第２流路１８をセパレータ部材９の中に設
け、内面に断熱性部材２７を配することにより、波形部
材１９を通り第２流路内ガスへ伝えられる熱の伝達抵抗
は第２の実施例に比べても更に大きくなり、全体的な熱
伝達率はますます低下する。さらに閉塞空間２４を真空
にし、波形部材の電極接触側表面２３を粗くすると効果
が累積される。Ｂ部に対応する図６の構造部では、Ａ部
の第２流路１８を通った比較的低温のカソードガス２２
が、ガス流通用小孔２８を通ってカソード電極５で暖め
られた第１流路のカソードガスと混合する。これにより
第１流路のガスが冷却されることになる。この結果は、
図２に示す従来からのＢ部構造、すなわち第１および第
２の実施例におけるＢ部構造よりも冷却効果が大きくな
り、Ｂ部の温度上昇が抑制されることが判明した。図７
に従来の構造の場合と第２の実施例の場合との比較デー
タを示す。本実施例の場合には電池温度のカソードガス
流路に沿った位置に対する最高と最低の温度差が可成り
低減されたことがわかる。この温度差改善の結果、セル
平均温度を上昇させることが可能になり、１mＶ／degの
割合でセル電圧を向上することができた。また電池最高
温度を低く押えることができるので、寿命、信頼性も向
上する。アノードガス流路に対しても上記カソードガス
流路に対するのと同様の構造を採用すればセル内温度分
布の均一化に寄与するが、その効果はカソードガス冷却
方式を採用する以上、それ程大きくはならない。
け、内面に断熱性部材２７を配することにより、波形部
材１９を通り第２流路内ガスへ伝えられる熱の伝達抵抗
は第２の実施例に比べても更に大きくなり、全体的な熱
伝達率はますます低下する。さらに閉塞空間２４を真空
にし、波形部材の電極接触側表面２３を粗くすると効果
が累積される。Ｂ部に対応する図６の構造部では、Ａ部
の第２流路１８を通った比較的低温のカソードガス２２
が、ガス流通用小孔２８を通ってカソード電極５で暖め
られた第１流路のカソードガスと混合する。これにより
第１流路のガスが冷却されることになる。この結果は、
図２に示す従来からのＢ部構造、すなわち第１および第
２の実施例におけるＢ部構造よりも冷却効果が大きくな
り、Ｂ部の温度上昇が抑制されることが判明した。図７
に従来の構造の場合と第２の実施例の場合との比較デー
タを示す。本実施例の場合には電池温度のカソードガス
流路に沿った位置に対する最高と最低の温度差が可成り
低減されたことがわかる。この温度差改善の結果、セル
平均温度を上昇させることが可能になり、１mＶ／degの
割合でセル電圧を向上することができた。また電池最高
温度を低く押えることができるので、寿命、信頼性も向
上する。アノードガス流路に対しても上記カソードガス
流路に対するのと同様の構造を採用すればセル内温度分
布の均一化に寄与するが、その効果はカソードガス冷却
方式を採用する以上、それ程大きくはならない。
【００２３】
【発明の効果】本発明によれば、カソード電極に直接接
することが可能なカソードガスの第１流路と、バリヤに
よってカソード電極から遠い側に形成されるカソードガ
スの第２流路とを備え、この第２流路の入口側始点から
一部の路長に亘って第２流路のカソードガスとの間の熱
伝達率を低下させる手段を設けることによって、カソー
ドガス入口付近セルの過冷却状態を排除することができ
る。その結果、電池セル内の温度分布均一化への改善が
なされ、セル平均温度を上げてセル電圧の向上を図るこ
とが可能になる。また局部的最高温度を低くして寿命、
信頼性の向上を図ることも可能になる。
することが可能なカソードガスの第１流路と、バリヤに
よってカソード電極から遠い側に形成されるカソードガ
スの第２流路とを備え、この第２流路の入口側始点から
一部の路長に亘って第２流路のカソードガスとの間の熱
伝達率を低下させる手段を設けることによって、カソー
ドガス入口付近セルの過冷却状態を排除することができ
る。その結果、電池セル内の温度分布均一化への改善が
なされ、セル平均温度を上げてセル電圧の向上を図るこ
とが可能になる。また局部的最高温度を低くして寿命、
信頼性の向上を図ることも可能になる。
【図１】本発明を適用した第１の実施例のカソード電極
から第２流路への熱伝達率低下手段実施範囲の燃料電池
構造説明図である。
から第２流路への熱伝達率低下手段実施範囲の燃料電池
構造説明図である。
【図２】本発明を適用した第１、第２の実施例のカソー
ド電極から第２流路への熱伝達率低下手段実施範囲より
下流の範囲の燃料電池構造説明図である。
ド電極から第２流路への熱伝達率低下手段実施範囲より
下流の範囲の燃料電池構造説明図である。
【図３】本発明を適用した燃料電池をカソードガス流路
面で断面をした構造説明図である。
面で断面をした構造説明図である。
【図４】本発明を適用した第２の実施例のカソード電極
から第２流路への熱伝達率低下手段実施範囲の燃料電池
構造説明図である。
から第２流路への熱伝達率低下手段実施範囲の燃料電池
構造説明図である。
【図５】本発明を適用した第３の実施例のカソード電極
から第２流路への熱伝達率低下手段実施範囲の燃料電池
構造説明図である。
から第２流路への熱伝達率低下手段実施範囲の燃料電池
構造説明図である。
【図６】本発明を適用した第３の実施例のカソード電極
から第２流路への熱伝達率低下手段実施範囲より下流の
範囲の燃料電池構造説明図である。
から第２流路への熱伝達率低下手段実施範囲より下流の
範囲の燃料電池構造説明図である。
【図７】従来の構造と本発明を適用した第２の実施例の
構造とによるカソードガスと電池の温度のプロファイル
を比較した図である。
構造とによるカソードガスと電池の温度のプロファイル
を比較した図である。
１ 電解質板 ４ アノード電極 ５ カソード電極 ６ アノードガス流路 ７ カソードガス流路 ８ セパレータ ９ セパレータ部材 １０ 単位燃料電池 １７ 第１流路 １８ 第２流路 １９ 波形部材 ２０ ガス流通用開孔 ２１ アノード電極へのガス流通用開孔 ２３ 波形部材の電極接触側表面 ２４ 閉塞空間 ２７ 断熱性部材 ２８ ガス流通用小孔
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭61−288379（ＪＰ，Ａ) 特開 昭55−12699（ＪＰ，Ａ) 特開 昭57−852（ＪＰ，Ａ) 特開 平５−151980（ＪＰ，Ａ)
Claims (5)
- 【請求項１】 電解質板を挾んでアノード電極とカソー
ド電極を配し、該各電極に接するアノードガス流路とカ
ソードガス流路とをそれぞれ画成するセパレータ部材を
外側に配し、該各流路にアノードガスとカソードガスの
供給管と排気管とを連通してなる単位燃料電池を有する
燃料電池において、前記カソード電極と前記セパレータ
部材との間に両者に接する波形部材を挿入し、該波形部
材によって仕切られる空間のうち、カソード電極に直接
接する空間をカソードガスの第１流路とし、前記セパレ
ータ部材に直接接する空間をカソードガスの第２流路と
してなり、該第２流路の入口側始点から一部の路長に亘
り、該第２流路の空間を仕切り部材によってカソード電
極側空間と反カソード電極側空間とに仕切るとともに、
該カソード電極側空間を閉塞して閉塞空間とし、該閉塞
空間よりも第２流路の出口側の前記波形部材に第１流路
と第２流路を連通する開孔を設けてなることを特徴とす
る燃料電池。 - 【請求項２】 電解質板を挾んでアノード電極とカソー
ド電極を配し、該各電極に接するアノードガス流路とカ
ソードガス流路とをそれぞれ画成するセパレータ部材を
外側に配し、該各流路にアノードガスとカソードガスの
供給管と排気管とを連通してなる単位燃料電池を有する
燃料電池において、前記カソード電極と前記セパレータ
部材との間に両者に接する波形部材を挿入し、該波形部
材によって仕切られる空間のうち、カソード電極に直接
接する空間をカソードガスの第１流路とし、前記セパレ
ータ部材に直接接する空間を閉塞空間としてなり、前記
セパレータ部材の内部に前記カソードガスの供給管と排
気管にそれぞれ連通させたカソードガスの第２流路を形
成し、該第２流路の入口側始点から一部の路長を除いて
第１流路と第２流路を連通する開孔を前記波形部材と前
記セパレータ部材に設けてなることを特徴とする燃料電
池。 - 【請求項３】 請求項２において、前記第２流路の前記
開孔が設けられていない入口側の内面に断熱性部材を配
してなることを特徴とする燃料電池。 - 【請求項４】 請求項１，２，３に記載のいずれかにお
いて、前記波形部材の前記カソード電極との接触側表面
を粗くして該電極との間の熱伝導抵抗を増大させること
を特徴とする燃料電池。 - 【請求項５】 請求項１，２，３，４に記載のいずれか
において、前記閉塞空間を真空にすることを特徴とする
燃料電池。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP4187921A JP2551713B2 (ja) | 1992-07-15 | 1992-07-15 | 燃料電池 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP4187921A JP2551713B2 (ja) | 1992-07-15 | 1992-07-15 | 燃料電池 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH0636780A JPH0636780A (ja) | 1994-02-10 |
| JP2551713B2 true JP2551713B2 (ja) | 1996-11-06 |
Family
ID=16214538
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP4187921A Expired - Fee Related JP2551713B2 (ja) | 1992-07-15 | 1992-07-15 | 燃料電池 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2551713B2 (ja) |
Families Citing this family (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2003028132A1 (fr) * | 2000-06-14 | 2003-04-03 | Mitsubishi Heavy Industries, Ltd. | Dispositif de pile a combustible et procede de refroidissement de pile a combustible |
| JP5125275B2 (ja) | 2007-02-05 | 2013-01-23 | トヨタ自動車株式会社 | 燃料電池および燃料電池搭載車両 |
| CN114744233B (zh) * | 2022-05-07 | 2024-02-09 | 中汽创智科技有限公司 | 一种双极板及燃料电池 |
Family Cites Families (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US4169917A (en) * | 1978-07-10 | 1979-10-02 | Energy Research Corporation | Electrochemical cell and separator plate thereof |
| US4324844A (en) * | 1980-04-28 | 1982-04-13 | Westinghouse Electric Corp. | Variable area fuel cell cooling |
| JPS61288379A (ja) * | 1985-06-14 | 1986-12-18 | Sanyo Electric Co Ltd | 燃料電池の冷却装置 |
-
1992
- 1992-07-15 JP JP4187921A patent/JP2551713B2/ja not_active Expired - Fee Related
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH0636780A (ja) | 1994-02-10 |
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|---|---|---|---|
| S111 | Request for change of ownership or part of ownership |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R313111 |
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