JPH0158629B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は複数の燃料電池スタツクを有する集合
体に関し、より詳細には、燃料、酸化剤及び冷却
剤の別々の流れをもつて作動される燃料電池スタ
ツクのダクト構造に関するものである。

各種の燃料電池装置のうちの或るものは、２枚
のバイポーラー極板及びその間のマトリツクス中
に支持された酸電解質から各々成るサブアセンブ
リを備えている。本明細書中において燃料電池と
称されるこれらのサブアセンブリは、上下に積重
ねられ、普通は直列に電気接続され、燃料電池ス
タツクを形成する。燃料電池の作動、例えば酸素
と水素との反応による熱、電気エネルギー及び水
の生成は、発熱的であり、装置の健全性を保つに
は燃料電池の各部分を冷却する必要がある。その
ため冷却剤（液体又は気体）を積層物に通過させ
て熱を除去する。従つてこれら３種の流体即ち燃
料、酸化剤及び冷却剤が何らかのしかたで燃料電
池スタツクに対し流入出される。

装置設計上の限定条件例えば幾何学的形状又は
燃料電池を充分冷却する必要性のため、各流を結
合させたり、各流を指向させるための比較的複雑
な封止されたダクト構造が必要になつたりする。
一例として冷却剤と酸化剤とを同一の媒体例えば
空気とした装置が提案されたが、この装置には大
きな循環電力が必要とされるため、装置全体の効
率が低下すること、消耗した酸化剤により運ばれ
る腐食性の酸のような不所望の物質により下流側
の機器例えば熱交換器が損傷を受け易いことなど
の欠点がある。また燃料電池スタツクから除かれ
た熱を利用してエネルギーを発生させる組合せ方
式の装置の場合、高温において熱を回収すること
が望まれるが、これは空気の流速が非常に高いこ
とにより制限される。米国特許第4074020号に記
載された更に別の装置においては、スタツクの長
手方向の一端に入り、スタツクの選択された区画
を通り径方向に向けられて長手方向の排出端に至
る流路が必要とされ、これにより多重式の通路及
び大きな圧力降下を生ずるようになつている。ま
た相互に隔だてられた多重式の入口及び出口には
複雑なダクト装置が必要とされる。

多重式のスタツクを用いた場合には、燃料電池
スタツクへの流体媒体の供給及び排出の制御は一
層複雑になる。各々のスタツクへの、又は１つの
スタツクの異なるレベルへの別々のダクト取付け
によつて、接続が高度に複雑化する。冷却剤と酸
化剤とが同一の媒体である場合には接続が簡略に
なり得る。例えば短い端側を互に近接させてほぼ
四角形のアレイに４つの矩形のスタツクを配列す
ることが提案されている。燃料は矩形の一の短か
い面から別の短かい面に流れ、酸化剤と冷却剤と
の結合流は矩形の一の長い面から別の長い面に流
れ、かくして燃料に対する冷却剤及び酸化剤の90
度交差流が形成される。集合体は４個のスタツク
により画定されたダクト状中央流路を形成する。
四角形アレイの２つの隅角部に各１つ設けたダク
トにより、２つの連続するスタツクに燃料を給送
し、残りの２つの隅角部に各１つ設けたダクトに
より、２つの連続するスタツクから燃料を引出
す。冷却剤と酸化剤との結合した流れは、四角形
アレイの外部からスタツクを通り中央流路に流れ
る。冷却剤と酸化剤との結合流を用いることによ
り、スタツクの冷却能力及び冷却剤の選択範囲が
非常に制限される。

従つて本発明の目的は、これらの従来技術の欠
点を解消するように改良された燃料電池スタツク
集合体を提供することにある。

この目的を達成するため、本発明により、各々
の燃料電池スタツクが、多角形断面をもつように
形成され、対向配置された複数対の周面をもち、
各々の燃料電池スタツクは一の周面の燃料入口か
ら対向配置の周面の燃料出口に燃料を貫流させる
装置と、一の周面の酸化剤入口から対向配置の周
面の酸化剤出口に酸化剤を貫流させる装置と、上
記燃料入口及び酸化剤入口となる上記一の周面と
異なる一の周面の冷却剤入口から上記燃料出口及
び酸化剤出口となる上記対向配置の周面と異なる
周面の冷却剤出口に冷却剤を貫流させる装置と、
を有し、少くとも４に等しい偶数の上記燃料電池
スタツクが１つのループをなすように配列されて
集合体を形成し、この集合体は、上記ループの内
部が１つの囲いダクトを形成するように上記ルー
プの次々のスタツクを封止する封止装置と、上記
ループの２つの連続した燃料電池スタツクに燃料
を供給し且つそれから酸化剤を排出するために燃
料電池スタツクの１つおきの接合箇所に設けられ
た装置と、２つの連続した燃料電池スタツクに酸
化剤を供給し且つそれから燃料を排出するために
燃料電池スタツクの他の１つおきの接合箇所に設
けられた装置と、上記冷却剤入口から上記燃料電
池スタツクを通り冷却剤を流入させ上記冷却剤出
口を経て燃料電池スタツクから外方に冷却剤を排
出させる装置と、を有するようにしたことを特徴
とする燃料電池スタツク集合体が提供される。

本発明の好ましい実施態様によれば、燃料電池
スタツク集合体は、燃料、酸化剤及び冷却剤の
別々の流れを複数の燃料電池スタツクに流入出さ
せる。各々のスタツクは、複数の燃料電池から成
り、横長の多角形状の断面形状を有し、対角配置
の複数対の周面のうち１対のものは他の対のもの
よりも長く、長い１対の周面間の距離は他の対の
周面間の距離よりも短かい。好ましい形式によれ
ばスタツクは矩形である。一般には短い面どうし
が接するように偶数のスタツクを１つの集合体と
して配列し、１つのループを形成する。従つてル
ープの外周面と内周面とはスタツクの長い面によ
り形成される。冷却剤はループの外周部に供給さ
れ、スタツクを通つて流れ、ループの中心部内の
囲いダクト中に排出される。囲いダクトは連続す
るスタツクの長い面とこれらの間に好ましくは位
置されたシールとにより形成される。

短い面の１つおきの接合箇所において１本のダ
クトが燃料を２つの連続するスタツクに供給す
る。同じ場所において別のダクトは、２つの連続
するスタツクから燃料を排出させ、更に別のダク
トは２つの連続するスタツクに酸化剤を供給す
る。入口からの冷却剤を除く３種の流体媒体は、
スタツクの集合体の頂部と底部とのどちらか一方
又は両方のダクトに対し供給又は排出される。

これにより複数の燃料電池スタツク集合体に３
種の異なる流体の流れを供給し排出するために必
要とされるダクトの数が少くなり、その複雑さも
緩和される。

本発明の種々の利点及び特徴は、添付図面に示
した好ましい実施例についての以下の詳細な説明
により一層明らかにされるであろう。

第１図には電気化学的装置例えば燃料電池１２
の堆積体即ちスタツク１０が示されている。周知
のように複数の反復する燃料電池１２が堆積され
て普通は直列に電気接続される。各々の燃料電池
１２は、説明の目的のため、、板体１４を有し、
板体１４の間には電解液１６及び２個の電極１８
が介設されている。燃料２０と酸化剤２２とは、
電解液１６に対して反応連通関係で燃料電池１２
を通過し、直流電気エネルギーと熱及び他の反応
生成物を生成させる。通常は冷却剤も各々の燃料
電池１２を通つて、又は図示したようにスタツク
１０中の燃料電池１２の間に位置された冷却モジ
ユール２４を通つて循環される。

燃料電池１２及びスタツク１０を対向する対の
表面をもつた横長の多角形に形成することが望ま
しい。代表的な多角形の形状は、第２図および第
３図にそれぞれ示すように、横長の六角形のスタ
ツク２６及び四角形のスタツク２８を含む。各々
の形状について燃料及び酸化剤は、１つのスタツ
クを形成する複数の燃料電池にそれぞれマニフオ
ルド３０，３２を通つて入り、一の周面の入口及
びスタツク中の流路を通つて流れ、反対側の周面
の出口を経てマニフオルド３４，３６にそれぞれ
排出される。冷却剤（流体）は、入口マニフオル
ド３８から入り、一の周面の入口、内部流路、反
対側の周面の出口を通り、スタツク２６，２８の
長い周面４２に配設された排出マニフオルド４０
に至る。長い周面４２の間の距離は短かい周面４
４の対向する対の間の距離よりも短かい。本発明
はこのような横長のスタツクの形状に特に適し、
３個の別々の流体媒体を用いたその他の断面形状
のスタツクにも有用である。

本発明の好ましい実施例によれば、燃料電池１
２の少くとも４個の偶数個のスタツク１０をルー
プ状に配列して１つの集合体５０を形成する（第
４図）。集合体５０は短い周面４４においてほぼ
端部どうし接し且つ互に近接されるように位置さ
れる。従つて短い周面４４の対の組Ａ，Ｂ，Ｃ，
Ｄが集合体５０の回りに形成される。そのため長
い周面４２は一般に集合体５０のループの外周面
５２及び内周面５４を形成する。好ましくはスタ
ツク１０の冷却剤入口面５６は集合体５０の外周
面５２の主要部分を形成し、冷却剤排出面５８は
内周面５４の主要部分を形成する。

ループ状の集合体５０中の連続するスタツク１
０は、集合体５０の内部の連続する冷却剤排出面
５８の全長に位置させたガスケツト６０により相
互に封止されている。ガスケツト６０は第４Ｂ図
に示すように集合体５０の内部の外側に位置させ
てもよい。水素を燃料とし、空気を酸化剤とし更
にヘリウムを冷却剤とする代表的な燐酸燃料電池
装置の場合、ガスケツト６０は、デユポン社から
市販されているフルオロカーボン材料「ビトン」
から出来ていてもよい。即ちガスケツト６０と冷
却材排出面５８とは、囲いダクト６２を共同形成
し、囲いダクト６２中には集合体５０を形成する
スタツク１０から冷却剤が排出される。冷却剤排
出面５８に沿つて冷却剤排出部に適切な開口を有
する完全なダクト構造も、スタツク１０の集合体
５０の内部に形成された囲い域に対し封止され、
これに機械的に固着されていてもよい。冷却剤
（流体）は個々のスタツク中に導いてもよいが、
１個以上の集合体５０を収納容器６４中に配設
し、支圧された流体が容器６４中においてスタツ
ク１０の回りからその内部に入つてそれを貫流す
るようにすることが特に望ましい。集合体５０の
スタツク１０を180度回転させ、冷却剤が中央部
の囲いダクト６２に導かれ、スタツク１０を通つ
て外側に容器６４中に排出されるようにしてもよ
い。

対の組Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄを形成する各々の接合箇
所には、スタツク１０に対し燃料及び酸化剤を給
排するための全長のダクト６６が配設されてい
る。ダクト６６は第４図に示すように２面により
形成し、ダクト断面の残りの面は２個の隣接する
スタツク１０の面により形成してもよく、あるい
はまた燃料及び酸化剤の入口及び出口に適切な開
口を有し２つの隣接するスタツク１０に封止され
固着されている完全な構造部材であつてもよい。
各々のダクト６６は１つの対の組を形成する両方
のスタツク１０と連通されている。１つおきの対
の組（組Ａ，Ｃ及び組Ｂ，Ｄ）のダクト６６は搬
送される流体については互に同一である。例えば
組Ａ，Ｃにおいてのダクト６８はどちらも酸化剤
排出ダクトであり、ダクト７０はどちらも燃料入
口ダクトである。即ちダクト６８は２つの連続す
るスタツク１０から排出される酸化剤を受ける。
他の１つおきの組Ｂ，Ｄには燃料排出ダクト７２
と酸化剤入口ダクト７４とが位置されている。

第４図ではダクト６６はほぼ四角形の隅角部を
もつように図示されているが、それ以外の形状と
しても差支えない。酸化剤の流率は一般に燃料の
流率の数倍の値であることから、酸化剤を導くダ
クトの内部流通容積が燃料を導くダクトの内部容
積より大きくなるようにすると有利である。一例
として第４Ａ図および第４Ｂ図に示した形状を用
いてもよい。第４図に示した構成においても、燃
料電池１２及びスタツク１０中のＺ字状流路形態
に基づいて、燃料及び酸化剤の180度交差流が得
られる。他の構成も可能であり、例えばダクト６
６はスタツク１０の面に沿つて中心線のところで
封止する必要はない。スタツク１０に対するダク
ト封止は「ビトン」製ガスケツト７６及び周知の
機械的締着手段を用いて、第２図および第３図に
示すように行うことができる。

ダクトは、電気絶縁材料例えばポリフエノール
スルフアイド又はポリカーボネートフオームで作
つても、あるいは「ビトン」その他の材料により
スタツク１０と直接電気接触せぬように適当に絶
縁された金属材料例えばアルミニウムで作つても
よい。

集合体５０は、第５図に示すように支持体７８
により容器６４内に支持されている。燃料及び酸
化剤の入口ダクト及び排出ダクト又はこれらのダ
クトに至る導管は底部の入口８０から容器６４に
入り、冷却剤は側部の入口８２から容器６４に入
る。形成された囲いダクト６２は好ましくは底部
において閉止し、冷却剤は導管８４中に排出させ
る。第５図には電気導線８６も図示されており、
電気導線８６は導管８４中の冷却剤と共に周知の
適当なしかたで容器６４から引出される。明らか
なように、形成された囲いダクト６２及び全部の
ダクト６６は、一端又は両端において開放させ、
導管を適宜連結することができる。

第６図に４つの積層物１０から成る別の集合体
５０を示し、各々のスタツク１０は横長の六角形
の形状を有し、次に続くスタツク１０から隔だて
られている。ダクト６８，７２はスタツク１０の
それぞれの排出面のシール８８の間にスタツク１
０の長さに沿つて形成されている。これらの領域
には別の構造ダクトを適切な開口と共に配設する
こともできる。

第７図には６つのスタツク１０から成る集合体
５０が示されている。１つおきの対の組Ａ，Ｃ，
Ｅは互に類似したダクト構造を有し、他の組Ｂ，
Ｄ，Ｆも互に類似している。

【図面の簡単な説明】

第１図は燃料電池スタツクの概略図、第２図及
び第３図は燃料電池スタツクへの従来の２種のダ
クト装置の部に断面概略平面図、第４図は本発明
の好ましい実施例による燃料電池スタツク及びダ
クトの集合体の概略平面図、第４Ａ図および第４
Ｂ図は本発明の好ましい実施例による燃料電池ス
タツクとダクトとの集合体を示す部分平面図、第
５図は第４図の燃料電池スタツク集合体の概略立
面図、第６図及び第７図は本発明の別の好ましい
実施例による燃料電池スタツク集合体を示す第４
図と同様の平面図、第８図は第４図及び第５図の
集合体の一部を示す斜視図である。 １０…燃料電池スタツク、１２…燃料電池、２
０…燃料、２２…酸化剤、５２，５６…内周面、
５４，５８…外周面、６０…ガスケツト（封止装
置）、６２…囲いダクト。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 各々の燃料電池スタツクが、多角形断面をも
   つように形成され、対向配置された複数対の周面
   をもち、各々の燃料電池スタツクは一の周面の燃
   料入口から対向配置の周面の燃料出口に燃料を貫
   流させる装置と、一の周面の酸化剤入口から対向
   配置の周面の酸化剤出口に酸化剤を貫流させる装
   置と、上記燃料入口及び酸化剤入口となる上記一
   の周面と異なる一の周面の冷却剤入口から上記燃
   料出口及び酸化剤出口となる上記対向配置の周面
   と異なる周面の冷却剤出口に冷却剤を貫流させる
   装置と、を有し、少くとも４に等しい偶数の上記
   燃料電池スタツクが１つのループをなすように配
   列されて集合体を形成し、この集合体は、上記ル
   ープの内部が１つの囲いダクトを形成するように
   上記ループの次々のスタツクを封止する封止装置
   と、上記ループの２つの連続した燃料電池スタツ
   クに燃料を供給し且つそれから酸化剤を排出する
   ために燃料電池スタツクの１つおきの接合箇所に
   設けられた装置と、２つの連続した燃料電池スタ
   ツクに酸化剤を供給し且つそれから燃料を排出す
   るために燃料電池スタツクの他の１つおきの接合
   箇所に設けられた装置と、上記冷却剤入口から上
   記燃料電池スタツクを通り冷却剤を流入させ上記
   冷却剤出口を経て燃料電池スタツクから外方に冷
   却剤を排出させる装置と、を有するようにしたこ
   とを特徴とする燃料電池スタツク集合体。 ２ 冷却剤入口となる上記周面が上記ループの外
   方に指向し、冷却剤出口となる上記周面が上記ル
   ープの内方に指向し、冷却剤は燃料電池スタツク
   から外方に上記囲いダクトに流入するように、燃
   料電池スタツクをループ状に配列したことを特徴
   とする特許請求の範囲第１項記載の燃料電池スタ
   ツク集合体。 ３ 冷却剤入口となる上記周面が上記ループの内
   方に指向し、冷却剤出口となる上記周面が上記ル
   ープの外方に指向し、冷却剤は上記囲いダクトか
   ら上記冷却剤入口を経て燃料電池スタツク中に流
   入するように、燃料電池スタツクをループ状に配
   列したことを特徴とする特許請求の範囲第１項記
   載の燃料電池スタツク集合体。 ４ ２つの連続する燃料電池スタツクに燃料を供
   給し且つそれから酸化剤を排出する上記装置及び
   ２つの連続する燃料電池スタツクに酸化剤を供給
   し且つそれから燃料を排出する上記装置が、ダク
   トから成り、酸化剤を供給し排出するためのダク
   トの内部流通面積は燃料を供給し排出するための
   ダクトの内部流通面積より大きくしたことを特徴
   とする特許請求の範囲第１項乃至第３項のいずれ
   か記載の燃料電池スタツク集合体。 ５ 各々の燃料電池スタツクは横長の多角形状の
   断面形状を有し、上記周面のうち少くとも１対は
   残りの対よりも長くし、対向する長い１対の周面
   の間の距離は対向する残りの対の周面の間の距離
   よりも大とし、上記燃料入口及び燃料出口は上記
   の短い対の周面に形成し、上記酸化剤入口及び出
   口はやはり上記の短い対の周面に形成し、上記冷
   却剤入口及び冷却剤出口は上記の長い周面に形成
   したことを特徴とする特許請求の範囲第１項乃至
   第４項のいずれか記載の燃料電池スタツク集合
   体。 ６ 横長の多角形を四角形とすることを特徴とす
   る特許請求の範囲第５項記載の燃料電池スタツク
   集合体。 ７ 多角形を横長の六角形とすることを特徴とす
   る特許請求の範囲第５項記載の燃料電池スタツク
   集合体。