JP2803288B2 - リン酸型燃料電池の冷却方法 - Google Patents
リン酸型燃料電池の冷却方法Info
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- JP2803288B2 JP2803288B2 JP2022997A JP2299790A JP2803288B2 JP 2803288 B2 JP2803288 B2 JP 2803288B2 JP 2022997 A JP2022997 A JP 2022997A JP 2299790 A JP2299790 A JP 2299790A JP 2803288 B2 JP2803288 B2 JP 2803288B2
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- 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
この発明は、水冷式のリン酸型燃料電池において、電
極の面方向の温度分布を改善するための冷却方法に関す
る。
極の面方向の温度分布を改善するための冷却方法に関す
る。
大面積の単セルを多数積層したリン酸型燃料電池では
数セルごとに冷却板を挿入し、これに純水を通水してセ
ル内を反応に最適な温度に保つようにしている。第４図
及び第５図はこのような水冷式燃料電池をセルスタック
の概略構成を示すもので、第４図は平面図、第５図はそ
のＶ−Ｖ線に沿う断面図である。 図において、１はリン酸が含浸されたマトリクス２を
挟んで燃料電極３及び空気電極４が配置された方形の単
セルで、図のセルスタックはこの単セル１が図示しなセ
パレータを介して多数積層され、また数セルごとに冷却
板５が挿入されて構成されている。 燃料電極３には図の前後方向（紙面に垂直な方向）に
角溝状の燃料通路６が無数に形成され、また空気電極４
にはそれと直交する図の左右方向にやはり角溝状の空気
通路７が無数に形成されている。水素を主成分とする燃
料ガスは矢印で示すように燃料入口マニホルド８から燃
料電極３に供給され、この燃料ガスは燃料通路６を通過
した後、燃料出口マニホルド９で集められて排出され
る。同様に、空気電極４には空気入口マニホルド10から
矢印で示すように空気が供給され、この空気は空気通路
７を通過した後、空気出口マニホルド11で集められて排
出される。 また、加圧水冷却（加圧した冷却水を供給して通水中
の沸騰を抑えるようにした冷却方式）の場合に、冷却水
は空気入口マニホルド10内の一側に垂直配管された冷却
水供給管12から供給され、冷却板５ごとにその前端面に
沿って配管された分岐管12aと、更にこれから直角に導
出された多数の細管12bとで各冷却板５に導入される。
この冷却水は冷却板５内に空気の流れに沿って平行に設
けられた多数の図示しない通水路を図の左から右に向か
って流れ、空気出口マニホルド11内に同様に設けられた
細管13bを通って分岐管13aで集められ、垂直な冷却水排
出管13で排出される。 このような燃料電池におけるセルスタック出入口での
冷却水、燃料ガス及び空気の温度設定の一例を示すと次
の通りである。まず、約6.5kg/cm2Gに加圧した冷却水を
約167℃に冷却水供給管12から供給し、約172℃で冷却水
排出管13から排出させる。次に、燃料ガスは約160℃で
入口マニホルド８に供給し、約175℃にして出口マニホ
ルド９から排出させる。また、空気は約130℃で入口マ
ニホルド10に供給し、ここで冷却水配管12,12a,12bに接
触させて約150℃まで昇温させた上でセルスタックに入
れ、約170℃で出口マニホルド11から排出させる。この
場合の単セル１の表面での面方向の要求温度分布は185
〜195℃の範囲内である。
数セルごとに冷却板を挿入し、これに純水を通水してセ
ル内を反応に最適な温度に保つようにしている。第４図
及び第５図はこのような水冷式燃料電池をセルスタック
の概略構成を示すもので、第４図は平面図、第５図はそ
のＶ−Ｖ線に沿う断面図である。 図において、１はリン酸が含浸されたマトリクス２を
挟んで燃料電極３及び空気電極４が配置された方形の単
セルで、図のセルスタックはこの単セル１が図示しなセ
パレータを介して多数積層され、また数セルごとに冷却
板５が挿入されて構成されている。 燃料電極３には図の前後方向（紙面に垂直な方向）に
角溝状の燃料通路６が無数に形成され、また空気電極４
にはそれと直交する図の左右方向にやはり角溝状の空気
通路７が無数に形成されている。水素を主成分とする燃
料ガスは矢印で示すように燃料入口マニホルド８から燃
料電極３に供給され、この燃料ガスは燃料通路６を通過
した後、燃料出口マニホルド９で集められて排出され
る。同様に、空気電極４には空気入口マニホルド10から
矢印で示すように空気が供給され、この空気は空気通路
７を通過した後、空気出口マニホルド11で集められて排
出される。 また、加圧水冷却（加圧した冷却水を供給して通水中
の沸騰を抑えるようにした冷却方式）の場合に、冷却水
は空気入口マニホルド10内の一側に垂直配管された冷却
水供給管12から供給され、冷却板５ごとにその前端面に
沿って配管された分岐管12aと、更にこれから直角に導
出された多数の細管12bとで各冷却板５に導入される。
この冷却水は冷却板５内に空気の流れに沿って平行に設
けられた多数の図示しない通水路を図の左から右に向か
って流れ、空気出口マニホルド11内に同様に設けられた
細管13bを通って分岐管13aで集められ、垂直な冷却水排
出管13で排出される。 このような燃料電池におけるセルスタック出入口での
冷却水、燃料ガス及び空気の温度設定の一例を示すと次
の通りである。まず、約6.5kg/cm2Gに加圧した冷却水を
約167℃に冷却水供給管12から供給し、約172℃で冷却水
排出管13から排出させる。次に、燃料ガスは約160℃で
入口マニホルド８に供給し、約175℃にして出口マニホ
ルド９から排出させる。また、空気は約130℃で入口マ
ニホルド10に供給し、ここで冷却水配管12,12a,12bに接
触させて約150℃まで昇温させた上でセルスタックに入
れ、約170℃で出口マニホルド11から排出させる。この
場合の単セル１の表面での面方向の要求温度分布は185
〜195℃の範囲内である。
セルスタックには上述したように各方向から各種の温
度の燃料ガス、空気及び冷却水を供給し、発電に最適の
温度を維持しようとしているが、従来は単セル１内での
空気の流れ方向と冷却水の通水方向の組み合わせが適切
でなく、上記要求温度分布に対して実際には175〜205℃
の範囲の大きな温度分布が生じている。そのため、発電
性能が低下して部分的に電圧が低下し、また高温域では
電池寿命の低下をきたしている。 更に、従来は燃料ガスと空気とを互いに直交させて一
方向に通流させているが、そのためにセルスタック内に
導入されたばかりの低温の燃料ガスと空気とが相対する
第４図の入口部分Ａと、反応により昇温した高温の燃料
ガスと空気とが相対する出口部分Ｂとで電極に大きな温
度差が生じている。 そこで、この発明は、空気の流れ方向と冷却水の通水
方向との組み合わせに工夫を講じて、電極の温度部分を
改善したリン酸型燃料電池の冷却方法を提供することを
目的とするものである。 また、この発明は、燃料ガスと空気の通流方向に工夫
を講じて、電極の温度分布を改善したリン酸型燃料電池
の冷却方法を提供することを目的とするものである。
度の燃料ガス、空気及び冷却水を供給し、発電に最適の
温度を維持しようとしているが、従来は単セル１内での
空気の流れ方向と冷却水の通水方向の組み合わせが適切
でなく、上記要求温度分布に対して実際には175〜205℃
の範囲の大きな温度分布が生じている。そのため、発電
性能が低下して部分的に電圧が低下し、また高温域では
電池寿命の低下をきたしている。 更に、従来は燃料ガスと空気とを互いに直交させて一
方向に通流させているが、そのためにセルスタック内に
導入されたばかりの低温の燃料ガスと空気とが相対する
第４図の入口部分Ａと、反応により昇温した高温の燃料
ガスと空気とが相対する出口部分Ｂとで電極に大きな温
度差が生じている。 そこで、この発明は、空気の流れ方向と冷却水の通水
方向との組み合わせに工夫を講じて、電極の温度部分を
改善したリン酸型燃料電池の冷却方法を提供することを
目的とするものである。 また、この発明は、燃料ガスと空気の通流方向に工夫
を講じて、電極の温度分布を改善したリン酸型燃料電池
の冷却方法を提供することを目的とするものである。
上記目的を達成するために、この発明は、互いに直交
する方向に燃料ガスと空気とが供給される単セルが多数
積層され、数セルごとに前記空気の流れに沿って冷却水
が通水される冷却板が挿入されたリン酸型燃料電池にお
いて、加圧水冷却の場合の冷却水の通水方向を空気の流
れ方向と反対にするものである。 また、上記リン酸型燃料電池において、二相水冷却
（配管内で冷却水の一部を沸騰させ、蒸発熱によっても
吸熱するようにした冷却方式）の場合には、冷却水の通
水方向を空気の流れ方向と一致させるものとする。 更に、上記リン酸型燃料電池において、燃料ガス及び
空気の入口マニホルドに通路を左右に二分する仕切板を
設け、一方の通路から供給した燃料ガス及び空気を出口
マニホルド内で反転させて前記入口マニホルドの他方の
通路から排出させるようにし、かつ前記燃料ガスは反転
後に前記冷却水の入口側と相対する側を流れ、また前記
空気は反転後に前記燃料ガスの出入口側と相対する側を
前記冷却水の入口側に向かって流れるように設定するも
のとする。
する方向に燃料ガスと空気とが供給される単セルが多数
積層され、数セルごとに前記空気の流れに沿って冷却水
が通水される冷却板が挿入されたリン酸型燃料電池にお
いて、加圧水冷却の場合の冷却水の通水方向を空気の流
れ方向と反対にするものである。 また、上記リン酸型燃料電池において、二相水冷却
（配管内で冷却水の一部を沸騰させ、蒸発熱によっても
吸熱するようにした冷却方式）の場合には、冷却水の通
水方向を空気の流れ方向と一致させるものとする。 更に、上記リン酸型燃料電池において、燃料ガス及び
空気の入口マニホルドに通路を左右に二分する仕切板を
設け、一方の通路から供給した燃料ガス及び空気を出口
マニホルド内で反転させて前記入口マニホルドの他方の
通路から排出させるようにし、かつ前記燃料ガスは反転
後に前記冷却水の入口側と相対する側を流れ、また前記
空気は反転後に前記燃料ガスの出入口側と相対する側を
前記冷却水の入口側に向かって流れるように設定するも
のとする。
入口マニホルドに供給された空気をそのまま導入した
のでは空気電極の温度が低下してしまう。そこで、空気
入口マニホルド内の冷却水配管に接触させて空気温度を
上昇させるのであるが、この昇温を確実に行うために、
加温水冷却の場合には昇温した冷却水が通る出口側の冷
却水配管を空気入口マニホルド内に配置する。一方、反
応により昇温した出口側の空気は、低温の冷却水が通る
入口側の冷却水配管と接触させる。すなわち、加圧水冷
却の場合の冷却水の通水方向を空気の流れ方向と反対に
する。 これに対して、二相水冷却の場合には蒸発熱による吸
熱により、セルスタックの入口と出口とで冷却水の温度
にそれほどの差が生じないため、加圧水冷却の場合に比
べて高温で供給できる。したがって、空気入口マニホル
ド内に入口側の冷却水配管を配置しても供給された空気
の加熱に支障がない。その上、出口側の空気に入口側の
冷却水配管を急に接触させると、加圧水冷却に比べて流
量が1/2以下と少ないため沸騰が進行し過ぎて通水でき
なくなる事態も考えられる。そこで、二相水冷却の場合
には、冷却水の通水方向を空気の流れ方向と一致させ
る。 次に、燃料ガス及び空気の入口マニホルドに通路を左
右に二分する仕切板を設け、一方の通路から供給した燃
料ガス及び空気を出口マニホルド内で反転させて前記入
口マニホルドの他方の通路から排出させるようにするこ
よにより、燃料ガス空気とは、入口側の低温のものと反
応が進んで昇温した出口側のものとが相対するような関
係となり、単セルの面方向における温度差の発生が緩和
される。燃料ガス中の水素及び空気中の酸素は反応によ
って消費されるため、燃料ガス及び空気の流量は下流ほ
ど小さくなる。したがって、入口マニホルドを仕切板で
二分する際には左右均等ではなく、入口側の通路幅が出
口側より大きくなるようにする。
のでは空気電極の温度が低下してしまう。そこで、空気
入口マニホルド内の冷却水配管に接触させて空気温度を
上昇させるのであるが、この昇温を確実に行うために、
加温水冷却の場合には昇温した冷却水が通る出口側の冷
却水配管を空気入口マニホルド内に配置する。一方、反
応により昇温した出口側の空気は、低温の冷却水が通る
入口側の冷却水配管と接触させる。すなわち、加圧水冷
却の場合の冷却水の通水方向を空気の流れ方向と反対に
する。 これに対して、二相水冷却の場合には蒸発熱による吸
熱により、セルスタックの入口と出口とで冷却水の温度
にそれほどの差が生じないため、加圧水冷却の場合に比
べて高温で供給できる。したがって、空気入口マニホル
ド内に入口側の冷却水配管を配置しても供給された空気
の加熱に支障がない。その上、出口側の空気に入口側の
冷却水配管を急に接触させると、加圧水冷却に比べて流
量が1/2以下と少ないため沸騰が進行し過ぎて通水でき
なくなる事態も考えられる。そこで、二相水冷却の場合
には、冷却水の通水方向を空気の流れ方向と一致させ
る。 次に、燃料ガス及び空気の入口マニホルドに通路を左
右に二分する仕切板を設け、一方の通路から供給した燃
料ガス及び空気を出口マニホルド内で反転させて前記入
口マニホルドの他方の通路から排出させるようにするこ
よにより、燃料ガス空気とは、入口側の低温のものと反
応が進んで昇温した出口側のものとが相対するような関
係となり、単セルの面方向における温度差の発生が緩和
される。燃料ガス中の水素及び空気中の酸素は反応によ
って消費されるため、燃料ガス及び空気の流量は下流ほ
ど小さくなる。したがって、入口マニホルドを仕切板で
二分する際には左右均等ではなく、入口側の通路幅が出
口側より大きくなるようにする。
以下、図に基づいてこの発明の実施例を説明する。な
お、従来例と対応する部分には同一の符号を用いるもの
とする。 第１図は加圧水冷却における冷却方法を説明するため
のセルスタックの分解斜視図で、簡単のために冷却板5,
5間の単セル１は一層だけを示してある。また、図の中
の高、中及び低の記号は、電極3,4及び冷却板５の面方
向の相対的な温度比較を示し、それぞれ高温、中温及び
低温を表すものとする。 図において、単セル１は電解液としてのリン酸が含浸
されたマトリクス２とその上下に配置された燃料電極３
及び空気電極４とからなり、燃料電極３には反マトリク
ス側に、図の前後方向に無数の平行な燃料通路６が形成
されている。また同様に、空気電極４の反マトリクス側
には、図の左右方向に無数の平行な空気通路７が形成さ
れている。この単セル１の数層ごとに冷却板５が挿入さ
れ、それには図示しないが空気電極４の通路７と平行な
20〜30本の通水路が図の左右方向に形成されている。12
及び13は図示しない空気の出口マニホルド及び入口マニ
ホルド内にそれぞれ垂直に配管された冷却水の供給管及
び排出管で、冷却板５の端面に沿って分岐管12a及び13a
が配管され、更にこれから導出された細管12b及び13bが
各通水路の両端に接続されている。 燃料ガスは矢印で示すように燃料電極３の手前側から
供給され、通路６を通流して反対側から排出される。こ
れに対して、空気は矢印で示すように空気電極４の左側
から供給され、通路７を通流して右側から排出される。
また、6.5kg/cm2G程度に加圧された冷却水は冷却水供給
管12から供給され、矢印で示すように分岐管12a及び細
管12bを経て空気と反対方向に図の右から左に通水路を
流れ、細管13b及び分岐点13aで集められて冷却水排出管
13から排出される。 このようなセルスタックにおける各部の面方向の温度
分布は図示の通りとなる。まず、燃料電極３に隣接する
図の上部の冷却板５は図の右側から例えば約167℃で冷
却水が供給されるが、この冷却水は左に向かって流れる
間に反応熱を吸収するため、その温度分布は右から左に
低温→中温→高温となる。燃料電極３は手前側から例え
ば約160℃で供給され、左側からの低温の空気と右側か
らの低温の冷却水とに挟まれて図示の通りほとんど中温
となり、燃料ガスの入口側中央部で一部低温、燃料ガス
の出口側中央部及び冷却水の出口側中央部で一部高温と
なる。中央部で高温になるのは、周辺部に比べて熱放散
が小さいためである。 一方、空気電極４には図の左側から空気が供給される
が、この空気は高温の出口側冷却水配管13,13a,13bで昇
温されるため空気電極４は左から中温→中温（中央部で
一部高温）となり、更に出口側では高温となるところ、
低温の入口側の冷却水で冷却されて中温となる。また、
空気電極４に隣接する下部の冷却板５は、右側から供給
される低温の冷却水により上部の冷却板５と同様に入口
側が低温となるところ、高温の出口側空気で加熱されて
中温となる。ちなみに、空気は反応に寄与する酸素が約
20％しかないため、水素が65〜80％含まれる燃料ガスに
比べて必要流量が増え、その分熱容量も大きい。 図示の冷却方法によれば、加圧冷却水は熱容量の大き
い空気の流れに沿って、通水方向が空気の流れ方向と反
対になるように冷却板５に通水されているため、空気の
入口側空気の高温の出口側冷却水による昇温と、高温の
出口側空気の低温の入口側冷却水による冷却とが効果的
に組み合わされ、燃料電極３及び空気電極４の面方向の
温度分布はほとんど中温付近になる。 次に第２図は二相水冷却における冷却方法を示す第１
図と同様の斜視図である。この場合は入口側の冷却水配
管12,12a,12bが空気入口マニホルド内に配置され、出口
側の冷却水配管13,13a,13bが空気出口マニホルド内に配
置されている点を除けば加圧水冷却の場合と同じなので
構成についての説明は省略する。二相水冷却（沸騰冷
却）は冷却水の一部を通水路中で蒸発させ、その蒸発熱
によっても吸熱するもので、冷却水配管12から供給され
る冷却水の圧力及び温度は加圧水冷却の場合と同程度で
あるが流量が例えば1/2と少なく、通水路中の冷却水は
沸点まで温度上昇するので過度に沸騰すると通水が困難
になる。したがって、徐々に吸熱させながら気泡を２〜
３％含む気液混合の冷却水の流れにする必要があり、通
水方向を空気の入口側から空気の流れ方向と一致させて
冷却板５に通水する。 この冷却水は給水した熱が蒸発熱として消費されるた
め、入口側と出口側とで温度はほとんど変わらず、した
がって上下の冷却板５の温度分布も図示の通り中温→中
温→中温で推移する。燃料電極３では燃料ガスの入口側
と空気の入口側が相対する部分で一部低温になり、燃料
の出口側中央部で一部高温になるが、全体としての温度
分布は加温水冷却の場合とほとんど変わらない。 二相水冷却の場合、冷却水の入口側温度は加圧水冷却
の場合より高くできるので、同じ側から供給された低温
の空気はこれにより昇温され、空気電極４の入口側中央
部は中温となる。ただ、その前後の周辺部は低温とな
る。空気は空気電極４内を左から右に流れながら反応熱
で加熱されるが、この熱は気泡を少しずつ増加させなが
ら同方向に流れる冷却水で吸収されるため、空気電極４
は中間から右に向かって中温→中温となる。ただ、出口
側中央部では一部高温となる。 以上の通り、二層水冷却の場合も燃料電極３及び空気
電極４の面方向の温度分布は中温主体に維持される。 最後に第３図は、燃料ガス及び空気の入口マニホルド
に通路を左右に二分する仕切板14及び15を設けた冷却方
法を示すものである。冷却水は加圧水及び二相水のいず
れでもよいが、図は二相水冷却の場合を示している。図
において、燃料ガスは矢印で示すように、燃料電極３の
手前の仕切板14の右側から供給され、燃料電極３を通過
した後、図示しない出口マニホルド内で反転して再び燃
料電極３に入り、仕切板14の左側から排出される。すで
に述べたように燃料ガス中には65〜80％の水素が含まれ
ているが、この水素は反応で消費されて出口側で30〜45
％となるため、出口側に近づくにつれて燃料ガスの流量
は減少する。そこで、仕切板14の左右の通路幅の割合を
入口側70％、出口側30％としてある。 一方、空気は矢印で示すように空気電極４の左の仕切
板15の奥側から供給され、右側の図示しない出口マニホ
ルド内で反転して再び空気電極４内に入り、仕切板15の
手前側から排出される。空気中には酸素が約20％含まれ
ているが、この酸素は出口側で約10％となるため、仕切
板15の左右の通路幅の割合は入口側60％、出口側40％と
してある。 このように燃料電極３及び空気電極４内で反応ガスが
Ｕターンする方式では、入口側から出口側に向かって次
第に昇温する燃料ガス及び空気がマトリクス２を挟んで
温度的に互いに補い合うように相対する。ただし、燃料
ガスと空気の各々の出口付近では高温部と高温部とが部
分的に重なるので、この部分に冷却水の入口側を相対さ
せて特に冷却を図っている。したがって、電極3,4内に
極端な高温や低温が発生せず、温度分布は図示のとおり
全体として緩やかなものになる。なお、中高の記号は中
温よりもやや高い温度を示す。また、この方式では燃料
ガス及び空気が出口マニホルドで反転する際に反応が半
分完了したガスの撹拌が行われているため、後半の反応
を行うガスが均質となって発電性能が向上するという効
果もある。
お、従来例と対応する部分には同一の符号を用いるもの
とする。 第１図は加圧水冷却における冷却方法を説明するため
のセルスタックの分解斜視図で、簡単のために冷却板5,
5間の単セル１は一層だけを示してある。また、図の中
の高、中及び低の記号は、電極3,4及び冷却板５の面方
向の相対的な温度比較を示し、それぞれ高温、中温及び
低温を表すものとする。 図において、単セル１は電解液としてのリン酸が含浸
されたマトリクス２とその上下に配置された燃料電極３
及び空気電極４とからなり、燃料電極３には反マトリク
ス側に、図の前後方向に無数の平行な燃料通路６が形成
されている。また同様に、空気電極４の反マトリクス側
には、図の左右方向に無数の平行な空気通路７が形成さ
れている。この単セル１の数層ごとに冷却板５が挿入さ
れ、それには図示しないが空気電極４の通路７と平行な
20〜30本の通水路が図の左右方向に形成されている。12
及び13は図示しない空気の出口マニホルド及び入口マニ
ホルド内にそれぞれ垂直に配管された冷却水の供給管及
び排出管で、冷却板５の端面に沿って分岐管12a及び13a
が配管され、更にこれから導出された細管12b及び13bが
各通水路の両端に接続されている。 燃料ガスは矢印で示すように燃料電極３の手前側から
供給され、通路６を通流して反対側から排出される。こ
れに対して、空気は矢印で示すように空気電極４の左側
から供給され、通路７を通流して右側から排出される。
また、6.5kg/cm2G程度に加圧された冷却水は冷却水供給
管12から供給され、矢印で示すように分岐管12a及び細
管12bを経て空気と反対方向に図の右から左に通水路を
流れ、細管13b及び分岐点13aで集められて冷却水排出管
13から排出される。 このようなセルスタックにおける各部の面方向の温度
分布は図示の通りとなる。まず、燃料電極３に隣接する
図の上部の冷却板５は図の右側から例えば約167℃で冷
却水が供給されるが、この冷却水は左に向かって流れる
間に反応熱を吸収するため、その温度分布は右から左に
低温→中温→高温となる。燃料電極３は手前側から例え
ば約160℃で供給され、左側からの低温の空気と右側か
らの低温の冷却水とに挟まれて図示の通りほとんど中温
となり、燃料ガスの入口側中央部で一部低温、燃料ガス
の出口側中央部及び冷却水の出口側中央部で一部高温と
なる。中央部で高温になるのは、周辺部に比べて熱放散
が小さいためである。 一方、空気電極４には図の左側から空気が供給される
が、この空気は高温の出口側冷却水配管13,13a,13bで昇
温されるため空気電極４は左から中温→中温（中央部で
一部高温）となり、更に出口側では高温となるところ、
低温の入口側の冷却水で冷却されて中温となる。また、
空気電極４に隣接する下部の冷却板５は、右側から供給
される低温の冷却水により上部の冷却板５と同様に入口
側が低温となるところ、高温の出口側空気で加熱されて
中温となる。ちなみに、空気は反応に寄与する酸素が約
20％しかないため、水素が65〜80％含まれる燃料ガスに
比べて必要流量が増え、その分熱容量も大きい。 図示の冷却方法によれば、加圧冷却水は熱容量の大き
い空気の流れに沿って、通水方向が空気の流れ方向と反
対になるように冷却板５に通水されているため、空気の
入口側空気の高温の出口側冷却水による昇温と、高温の
出口側空気の低温の入口側冷却水による冷却とが効果的
に組み合わされ、燃料電極３及び空気電極４の面方向の
温度分布はほとんど中温付近になる。 次に第２図は二相水冷却における冷却方法を示す第１
図と同様の斜視図である。この場合は入口側の冷却水配
管12,12a,12bが空気入口マニホルド内に配置され、出口
側の冷却水配管13,13a,13bが空気出口マニホルド内に配
置されている点を除けば加圧水冷却の場合と同じなので
構成についての説明は省略する。二相水冷却（沸騰冷
却）は冷却水の一部を通水路中で蒸発させ、その蒸発熱
によっても吸熱するもので、冷却水配管12から供給され
る冷却水の圧力及び温度は加圧水冷却の場合と同程度で
あるが流量が例えば1/2と少なく、通水路中の冷却水は
沸点まで温度上昇するので過度に沸騰すると通水が困難
になる。したがって、徐々に吸熱させながら気泡を２〜
３％含む気液混合の冷却水の流れにする必要があり、通
水方向を空気の入口側から空気の流れ方向と一致させて
冷却板５に通水する。 この冷却水は給水した熱が蒸発熱として消費されるた
め、入口側と出口側とで温度はほとんど変わらず、した
がって上下の冷却板５の温度分布も図示の通り中温→中
温→中温で推移する。燃料電極３では燃料ガスの入口側
と空気の入口側が相対する部分で一部低温になり、燃料
の出口側中央部で一部高温になるが、全体としての温度
分布は加温水冷却の場合とほとんど変わらない。 二相水冷却の場合、冷却水の入口側温度は加圧水冷却
の場合より高くできるので、同じ側から供給された低温
の空気はこれにより昇温され、空気電極４の入口側中央
部は中温となる。ただ、その前後の周辺部は低温とな
る。空気は空気電極４内を左から右に流れながら反応熱
で加熱されるが、この熱は気泡を少しずつ増加させなが
ら同方向に流れる冷却水で吸収されるため、空気電極４
は中間から右に向かって中温→中温となる。ただ、出口
側中央部では一部高温となる。 以上の通り、二層水冷却の場合も燃料電極３及び空気
電極４の面方向の温度分布は中温主体に維持される。 最後に第３図は、燃料ガス及び空気の入口マニホルド
に通路を左右に二分する仕切板14及び15を設けた冷却方
法を示すものである。冷却水は加圧水及び二相水のいず
れでもよいが、図は二相水冷却の場合を示している。図
において、燃料ガスは矢印で示すように、燃料電極３の
手前の仕切板14の右側から供給され、燃料電極３を通過
した後、図示しない出口マニホルド内で反転して再び燃
料電極３に入り、仕切板14の左側から排出される。すで
に述べたように燃料ガス中には65〜80％の水素が含まれ
ているが、この水素は反応で消費されて出口側で30〜45
％となるため、出口側に近づくにつれて燃料ガスの流量
は減少する。そこで、仕切板14の左右の通路幅の割合を
入口側70％、出口側30％としてある。 一方、空気は矢印で示すように空気電極４の左の仕切
板15の奥側から供給され、右側の図示しない出口マニホ
ルド内で反転して再び空気電極４内に入り、仕切板15の
手前側から排出される。空気中には酸素が約20％含まれ
ているが、この酸素は出口側で約10％となるため、仕切
板15の左右の通路幅の割合は入口側60％、出口側40％と
してある。 このように燃料電極３及び空気電極４内で反応ガスが
Ｕターンする方式では、入口側から出口側に向かって次
第に昇温する燃料ガス及び空気がマトリクス２を挟んで
温度的に互いに補い合うように相対する。ただし、燃料
ガスと空気の各々の出口付近では高温部と高温部とが部
分的に重なるので、この部分に冷却水の入口側を相対さ
せて特に冷却を図っている。したがって、電極3,4内に
極端な高温や低温が発生せず、温度分布は図示のとおり
全体として緩やかなものになる。なお、中高の記号は中
温よりもやや高い温度を示す。また、この方式では燃料
ガス及び空気が出口マニホルドで反転する際に反応が半
分完了したガスの撹拌が行われているため、後半の反応
を行うガスが均質となって発電性能が向上するという効
果もある。
セル内の温度分布に偏りがあると、同一電極内で電気
化学反応が異なったレベルで進行し、高温部分が初期に
中心的に発電してリン酸を飛散させ、急速に電極を劣化
させて発電有効面積を低下させることになる。 この方法によれば、加圧水冷却と二相水冷却とで空気
の流れ方向と冷却水の通水方向を適正に規定することに
より、また電極内で反応ガスをＵターンさせることによ
りセル内の温度分布を有効に改善し、発電性能の向上を
図るとともに電極の劣化を防止することができる。
化学反応が異なったレベルで進行し、高温部分が初期に
中心的に発電してリン酸を飛散させ、急速に電極を劣化
させて発電有効面積を低下させることになる。 この方法によれば、加圧水冷却と二相水冷却とで空気
の流れ方向と冷却水の通水方向を適正に規定することに
より、また電極内で反応ガスをＵターンさせることによ
りセル内の温度分布を有効に改善し、発電性能の向上を
図るとともに電極の劣化を防止することができる。
第１図はこの発明の第１の実施例を説明するためのセル
スタックの分解斜視図、第２図はこの発明の第２の実施
例を説明するためのセルスタックの分解斜視図、第３図
はこの発明の第３の実施例を説明するためのセルスタッ
クの分解斜視図、第４図は従来例を説明するためのセル
スタックの平面図、第５図は第４図のＶ−Ｖ線に相断面
図である。 １……単セル、２……マトリクス、３……燃料電極、４
……空気電極、５……冷却板、８……燃料入口マニホル
ド、９……燃料出口マニホルド、10……空気入口マニホ
ルド、11……空気出口マニホルド、12……冷却水供給
管、13……冷却水排出管。
スタックの分解斜視図、第２図はこの発明の第２の実施
例を説明するためのセルスタックの分解斜視図、第３図
はこの発明の第３の実施例を説明するためのセルスタッ
クの分解斜視図、第４図は従来例を説明するためのセル
スタックの平面図、第５図は第４図のＶ−Ｖ線に相断面
図である。 １……単セル、２……マトリクス、３……燃料電極、４
……空気電極、５……冷却板、８……燃料入口マニホル
ド、９……燃料出口マニホルド、10……空気入口マニホ
ルド、11……空気出口マニホルド、12……冷却水供給
管、13……冷却水排出管。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.6，ＤＢ名) H01M 8/00 - 8/24
Claims (3)
- 【請求項１】互いに直交する方向に燃料ガスと空気とが
供給される単セルが多数積層され、数セルごとに挿入さ
れた冷却板に前記空気の流れに沿って冷却水が通水され
るリン酸型燃料電池の冷却方法において、加圧水冷却の
場合の冷却水の通水方向を空気の流れ方向と反対にした
ことを特徴とするリン酸型燃料電池の冷却方法。 - 【請求項２】互いに直交する方向に燃料ガスと空気とが
供給される単セルが多数積層され、数セルごとに挿入さ
れた冷却板に前記空気の流れに沿って冷却水が通水され
るリン酸型燃料電池の冷却方法において、二相水冷却の
場合の冷却水の通水方向を空気の流れ方向と一致させた
ことを特徴とするリン酸型燃料電池の冷却方法。 - 【請求項３】互いに直交する方向に燃料ガスと空気とが
供給される単セルが多数積層され、数セルごとに挿入さ
れた冷却板に前記空気の流れに沿って冷却水が通水され
るリン酸型燃料電池の冷却方法において、燃料ガス及び
空気の入口マニホルドに通路を左右に二分する仕切板を
設け、一方の通路から供給した燃料ガス及び空気を出口
マニホルド内で反転させて前記入口マニホルドの他方の
通路から排出させるようにし、かつ前記燃料ガスは反転
後に前記冷却水の入口側と相対する側を流れ、また前記
空気は反転後に前記燃料ガスの出入口側と相対する側を
前記冷却水の入口側に向かって流れるように設定したこ
とを特徴とするリン酸型燃料電池の冷却方法。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2022997A JP2803288B2 (ja) | 1990-02-01 | 1990-02-01 | リン酸型燃料電池の冷却方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2022997A JP2803288B2 (ja) | 1990-02-01 | 1990-02-01 | リン酸型燃料電池の冷却方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH03230478A JPH03230478A (ja) | 1991-10-14 |
| JP2803288B2 true JP2803288B2 (ja) | 1998-09-24 |
Family
ID=12098165
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2022997A Expired - Lifetime JP2803288B2 (ja) | 1990-02-01 | 1990-02-01 | リン酸型燃料電池の冷却方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2803288B2 (ja) |
Families Citing this family (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| EP1992038A4 (en) * | 2005-12-29 | 2011-01-19 | Utc Power Corp | STABILIZED FUEL CELL FLOW FIELD |
| JP6573149B2 (ja) * | 2015-02-25 | 2019-09-11 | 株式会社Ihi | 燃料電池発電装置と方法 |
| JP2016157597A (ja) * | 2015-02-25 | 2016-09-01 | 株式会社Ihi | 燃料電池発電装置と方法 |
Family Cites Families (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPS5973856A (ja) * | 1982-10-20 | 1984-04-26 | Toshiba Corp | 燃料電池の制御方法 |
| JPS6266574A (ja) * | 1985-09-19 | 1987-03-26 | Fuji Electric Co Ltd | 空冷式燃料電池 |
| JPS6316576A (ja) * | 1986-07-07 | 1988-01-23 | Fuji Electric Co Ltd | 空冷式燃料電池 |
| JPS6452387A (en) * | 1987-08-22 | 1989-02-28 | Fuji Electric Co Ltd | Fuel cell |
-
1990
- 1990-02-01 JP JP2022997A patent/JP2803288B2/ja not_active Expired - Lifetime
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH03230478A (ja) | 1991-10-14 |
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
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