JP2735656B2 - 燃料電池の積層体冷却装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ この発明は、燃料電池に係わるもので、特に燃料電池
の積層体冷却装置に関するものである。

［従来の技術］ 第５図は例えば特開昭63−128562号公報に示された従
来の燃料電池における積層体構造を示す分解斜視図、第
６図は第５図に示す燃料電池の積層体冷却装置を示す平
面図、第７図は第６図における線VII−VIIに沿う断面図
である。

図において、１は電解液を含浸したマトリックス、２
および３は導電性を有する多孔体質で形成して、マトリ
ックス１の両側に配設し、マトリックス１と接する面に
は触媒を付加するとともに、その反対面にはそれぞれ燃
料ガスあるいは酸化剤ガスの流通するガス流通路2aおよ
び3aを有する電極で、マトリックス１と電極２および３
とで単位セル４をなしている。なお、流通路2aおよび3a
のガス流通方向は互いに直交する方向になるようにマト
リックス１と電極２および３を組み立ててある。５は隣
接する単位セル４の電極２および３の間に配設され、導
電性を有し、かつ燃料ガスおよび酸化剤ガス（両者を併
せて、以下単に反応ガスと呼ぶ）のいずれをも透過させ
ることなく、２つの反応ガスを分離するセパレータ、６
は複数個の単位セル４毎に電極２および３の間に配設さ
れ、セパレータ５と同等な機能を有するとともに、その
内部に伝熱管を埋設する埋設溝を設けた冷却プレート、
７は冷却プレート６に設けた埋設溝にコンパウンド８で
埋め込んだ伝熱管である。単位セル４、セパレータ５お
よび冷却プレート６に伝熱管７を埋め込んだ積層体冷却
装置を１単位として所定の単位数を積み重ねて燃料電池
の積層体を構成している。なお図示しないが、積層体の
相対向する一対の側面には燃料供給口および燃料排出口
を有する２つのマニホールドが、また他の一対の側面に
は酸化剤供給口および酸化剤排出口を有する２つのマニ
ホールドがそれぞれ気密に組み付けてあり、燃料電池の
主要部を構成している。

次に動作について説明する。

燃料電池の最小基本構成単位である単位セル４に燃料
ガスおよび酸化剤ガスを供給し、電気化学的反応によっ
て発電を行うとき、単位セル４内部ではほぼ発電量に匹
敵する熱損失が生じる。単位セルでの電気化学的反応に
よる発電を継続的に行うためには、この熱損失による熱
エネルギーを積層体冷却装置によって外部に排出しなけ
ればならない。

伝熱管７は積層体冷却装置の主要部分をなすもので、
水などの冷却媒体を入口7aから供給して冷却プレート６
を冷却し、出口7bから排出する。電極２および３は冷却
プレート６との接触面を通して冷却される。コンパウン
ド８は冷却プレート６に設けた埋設溝の表面と伝熱管表
面の間の隙間を埋め、両表面の温度差を小さくして冷却
プレート６と伝熱管７との間の伝熱抵抗を減少させてい
る。なお、伝熱管７は互いに平行で所定長さを有する複
数の直線部がその両端の折り曲げ部と連結し、この折り
曲げ部が隣接する直線部と連結するつづら折状に形成し
てあるが、このような形状をとるのは、冷却プレート６
に施す埋設溝の加工を容易にするための必須条件である
ことはいうまでもない。

［発明が解決しようとする問題点］ 従来の燃料電池における積層体冷却装置は以上のよう
に構成されており、１本の伝熱管が１枚の冷却プレート
内に埋め込まれている。積層体冷却装置としては、伝熱
管の伝熱面積をできる限り大きくして伝熱抵抗を減ら
し、冷却能力を大きくすることを要求されるが、伝熱管
が上記のような構造であるため、伝熱管の直線部両端に
おける折り曲げ部の曲率半径が伝熱面積の上限を決める
要素となっている。折り曲げ部の曲率半径を可能な限り
小さくして伝熱管の隣接する直線部の間隔を狭めること
により伝熱面積を大きくする工夫がなされている。しか
しながら、折り曲げ部の曲率半径は加工上の制約から伝
熱管外径寸法の２〜３倍とするのが限界である。このた
め、従来の燃料電池の積層体冷却装置では、伝熱管の直
線部間隔は伝熱管外径寸法の４〜６倍とするのが限界
で、燃料電池の単位体積あたりの出力（以下、単に単位
出力密度と呼ぶ）が大きくなると、それに見合った冷却
能力が実現できなくなるという問題点があった。一方、
１本の伝熱管全長が大きいと、伝熱管中の冷却媒体圧力
損失が大きくなり、沸騰冷却における冷却媒体の飽和圧
力・飽和温度が伝熱管のなかで不均一になり積層体を均
一に冷却ができなくなるばかりではなく、燃料電池発電
プラントにおける冷却系統の所用圧力が増大するため、
冷却媒体供給用のポンプ動力が増大し、燃料電池プラン
トの発電効率低下にもつながるなどの問題点もあった。

この発明は上記のような問題点を解消するためになさ
れたもので、伝熱管の伝熱面積を増やし冷却能力を高め
ることができるとともに、伝熱管を流れる冷却媒体の圧
力損失も大幅に減少させることのできる燃料電池におけ
る積層体冷却装置を得ることを目的とするものである。

［問題点を解決するための手段］ この発明に係わる燃料電池の積層体冷却装置は、伝熱
管埋設溝を設けた矩形の平板状をなし導電性を有して燃
料ガスおよび酸化剤ガスのいずれをも透過しない冷却プ
レート、互いに平行で所定長さを有する複数の直線部が
その両端で折り曲げ部と連結しこの折り曲げ部が隣接す
る直線部と連結するつづら折状に形成するとともに、冷
却媒体の入口および出口を冷却プレートの隣あう２つの
隅に配置して伝熱管埋設溝に埋め込んだ第１の伝熱管、
この第１の伝熱管とほぼ同じ形状で隣あう直線部の間隔
が不均一であり第１の伝熱管と同一平面上に互いに重な
りあうことなく両者の直線部を隣接しかつ平行に配置で
きるように形成するとともに、冷却媒体の入口および出
口を冷却プレートの他の２つの隅に配置して伝熱管埋設
溝に埋め込んだ第２の伝熱管とで構成したものである。

［作用］ この発明による燃料電池の積層体冷却装置は１つの冷
却プレートに埋設する伝熱管の伝熱面積が増して冷却能
力が向上するとともに冷却媒体の圧力損失が減少する。

［発明の実施例］ 以下、この発明の一実施例について説明する。

第１図は本発明の一実施例による燃料電池の積層体冷
却装置を示す平面図、第２図は第１図の線II−IIに沿う
部分断面図、第３図は第１図中での伝熱管単体を示す平
面図である。なお燃料電池における積層体の構造は第５
図と同等であり、説明は省略する。

図において、９は複数個の単位セル４毎に電極２およ
び３の間に配設され、セパレータ５と同等な機能を有す
るとともに、その内部に伝熱管を埋設する埋設溝を設け
た冷却プレート、10は互いに平行で所定長さを有する複
数の直線部がその両端の折り曲げ部と連結し、この折り
曲げ部が隣接する直線部と連結するつづら折状に形成す
るとともに、冷却媒体の入口10a、出口10bを冷却プレー
ト９の隣あう２つの隅に位置させて冷却プレート９に設
けた埋設溝にコンパウンド12で埋め込んだ第１の伝熱
管、11は伝熱管10とほぼ同じ形状であり、かつ隣あう直
線部の間隔が不均一であって伝熱管10と同一平面上に互
いに重なることなく両者の直線部を隣接しかつ平行に配
置できるように形成するとともに、冷却媒体の入口11
a、出口11bを冷却プレート９の他の２つの隅に位置させ
て、冷却プレート９に設けた埋設溝にコンパウンド12で
埋め込んだ第２の伝熱管である。

第１図ないし第３図に示すものでは、第１および第２
の伝熱管10および11が、いずれも隣接する直線部の間隔
が小ピッチP1（そのパイプのサイズから必然的に制約さ
れる最小曲げ半径の２倍程度）と大ピッチP2（P1＜P2＜
３×P1）を交互に繰り返すように形成してあり、一方の
伝熱管における直線部の間隔が大きい部分の間に他方の
伝熱管における直線部の間隔が小さい部分を挟み込むよ
うにし、かつ互いに重なりあわないように配置してあ
る。

第１図は伝熱管10および11の外径寸法および冷却プレ
ート９の平面寸法を第６図に示した従来の燃料電池にお
ける積層体冷却装置と同じにした場合を示しており、冷
却プレート９には２本の伝熱管が埋め込まれ、その直線
部の数は20である。第６図の場合では直線部の数が14で
あり、伝熱管の直線部の数がおよそ40％増加している。
さらに、伝熱管１本の全長は第６図の場合に比べて短く
なっている。

単位セル４内部で生じる熱損失による熱エネルギーを
積層体冷却装置により外部に排出するという基本的動作
は従来の積層体冷却装置と同じである。しかし冷却プレ
ート１枚に埋設する伝熱管直線部の数を従来の積層体冷
却装置よりも多くすることが可能なため、伝熱管直線部
の数にほぼ比例する伝熱面積も広くできる。このため、
冷却プレート９の伝熱管10および11を流れる冷却媒体の
間の伝熱抵抗は小さくなり、燃料電池の運転中における
冷却プレート９と伝熱管10および11を流れる冷却媒体の
温度差を従来の積層体冷却装置に比べて小さく抑えるこ
とができる。その結果、各単位セルの動作温度を低く抑
えることが可能である。

単位セルの動作温度が高いと単位セルに保持している
電解液が飛散して、単位セルの発電効率低下を招くだけ
でなく単位セルの寿命を縮めることにもなる。

単位セルの動作時における温度上昇は単位出力密度に
ほぼ比例して大きくなるので、本発明による積層体冷却
装置を使用することによって、大きな単位出力密度で燃
料電池を動作させることが可能になり、燃料電池をより
コンパクトにすることができる。また、積層体冷却装置
の冷却媒体入口の温度を高くすることが可能で、この場
合は燃料電池プラントの排熱回収温度を高くすること、
いいかえれば排熱品位を向上できるという効果も得られ
る。

１個の積層体冷却装置に供給する冷却媒体の流量を従
来の積層体冷却装置と同一にした場合、伝熱管１本あた
りの冷却媒体の流量は従来の積層体冷却装置の半分でよ
い。さらに第１図からもわかるように、本発明による伝
熱管１本の全長は従来の積層体冷却装置における伝熱管
のそれより短いので、冷却媒体の圧力損失は従来の積層
体冷却装置に比べて1/4以下に減少する。

このため、燃料電池プラントにおける冷却媒体の供給
圧力が低減できるため、補機動力も低減でき燃料電池発
電プラントの発電効率を高めることができる。

なお、以上の説明では、伝熱管を冷却プレートの全面
にほぼ均一に分布するよう埋設するものとしたが、第４
図に示すように、伝熱プレート13の中央部により密に伝
熱管14および15を埋設するようにしてもよい。

また、以上の説明では伝熱管はパイプを曲げるものと
したが、各伝熱管は直線状のパイプと円弧状のパイプを
溶接したものであってもよい。

また、伝熱管の耐蝕性被覆層については説明していな
いが、ふっ素系樹脂等のコーティングなどで形成した耐
蝕性被覆層の有無には関係なく冷却能力向上という効果
を得ることができる。もちろん、第１図および第４図を
用いて説明した伝熱管は、いずれも冷却プレートの４隅
から取り出す形になっているため、伝熱管の冷却媒体出
入口が反応ガスのマニホールド中を経由する必要がない
ため、耐蝕性被覆層を施す必要はない。

［発明の効果］ 以上のように、この発明によれば燃料電池の積層体冷
却装置を伝熱管埋設溝を設けた矩形の平板状をなし導電
性を有して燃料ガスおよび酸化剤ガスのいずれをも透過
しない冷却プレート、互いに平行で所定長さを有する複
数の直線部がその両端の折り曲げ部と連結しこの折り曲
げ部が隣接する直線部と連結するつづら折状に形成する
とともに、冷却媒体の入口および出口を冷却プレートの
隣あう２つの隅に配置して伝熱管埋設溝に埋め込んだ第
１の伝熱管、この第１の伝熱管とほぼ同じ形状で隣あう
直線部の間隔が不均一であり第１の伝熱管と同一平面上
に互いに重なりあうことなく両者の直線部を隣接しかつ
平行に配置できるように形成するとともに、冷却媒体の
入口および出口を冷却プレートの他の２つの隅に配置し
て伝熱管埋設溝に埋め込んだ第２の伝熱管とで構成した
ので、１つの冷却プレートに埋設する伝熱管の伝熱面積
が増して冷却能力が向上するとともに冷却媒体の圧力損
失が減少する。その結果、燃料電池の単位出力密度の向
上が可能になり、あるいは燃料電池プラントにおける冷
却媒体の供給圧力が低減が可能になり、補機動力の低減
にともなって燃料電池発電プラントの発電効率を高める
ことなどができる。さらに、冷却媒体出入口が反応ガス
のマニホールド中を経由する必要がないため、耐蝕性被
覆層を施す必要がなくなる等の効果が得られる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例による燃料電池の積層体冷却
装置の平面図、第２図は第１図の線II−IIに沿う部分断
面図、第３図は第１図中での伝熱管単体を示す平面図、
第４図は本発明の他の実施例による積層体冷却装置の平
面図、第５図は従来の燃料電池における積層体の構造を
示す分解斜視図、第６図は第５図に示す燃料電池の積層
体冷却装置を示す平面図、第７図は第６図における線VI
I−VIIに沿う断面図である。 ４は単位セル、９は冷却プレート、10は第１の伝熱管、
11は第２の伝熱管である。 なお、図中、同一符号は同一、または相当部分を示す。

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】伝熱管埋設溝を設けた矩形の平板状をなし
   導電性を有して燃料ガスおよび酸化剤ガスのいずれをも
   透過しない冷却プレート、互いに平行で所定長さを有す
   る複数の直線部がその両端の折り曲げ部と連結し該折り
   曲げ部が隣接する直線部と連結するつづら折状に形成す
   るとともに、冷却媒体の入口および出口を前記冷却プレ
   ートの隣あう２つの隅に配置して前記伝熱管埋設溝に埋
   め込んだ第１の伝熱管、該第１の伝熱管とほぼ同じ形状
   で隣合う直線部の間隔が不均一であり前記第１の伝熱管
   と同一平面上に互いに重なりあうことなく両者の直線部
   を隣接しかつ平行に配置できるように形成するととも
   に、冷却媒体の入口および出口を前記冷却プレートの他
   の２つの隅に配置して前記伝熱管埋設溝に埋め込んだ第
   ２の伝熱管とからなり、前記第１および第２の伝熱管
   が、いずれも隣接する直線部の間隔が小ピッチP1（その
   伝熱管の外径から必然的に制約される最小曲げ半径の２
   倍程度）と大ピッチP2（P1＜P2＜３×P1）を交互に繰返
   すように形成してあり、一方の伝熱管における直線部の
   間隔が大きい部分の間に他方の伝熱管における直線部の
   間隔が小さい部分を挟み込むようにし、かつ互いに重な
   り合わないように配置してあることを特徴とする燃料電
   池の積層体冷却装置。