JPH02256169A - 燃料電池 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［発明の目的］ （産業上の利用分野） この発明は溶融炭酸塩型燃料電池等のように、高温条件
で運転される燃料電池に関する。

（従来の技術） 溶融炭酸塩型、リン酸型を始めとする燃料電池では単位
電池によって得られる起電力が低いために、実用的な電
圧を有する発電プラントを構成するには数多くの単位電
池を直列に積層してこれらの加算出力を得る必要がある
。

以下溶融炭酸塩型燃料電池を例にとって説明すると、こ
の燃料電池の単位電池は、炭酸塩の電解質層を挟んで負
電極と正電極とを配置し、負電極には水素を含む燃料ガ
スを、また正電極には空気と炭酸ガスを含む酸化剤ガス
を供給して電気化学反応を進行させることにより起電力
を得るようにしたものである。そして、上記反応の際に
は発熱を伴い、この反応熱の発生母と放熱量との関係を
制御しながら上記積層体の温度を積層方向・面内方向共
に６５０〜７００℃に保持させると高い発電効率が得ら
れ、また電池の寿命を延ばすことができる。

従来、このような運転温度制御の手段としては、例えば
単位電池の間に冷却板を配送し、これに流聞制御弁を介
して冷却剤を流通させるようにしたものが公知であり（
特公昭５８−３３６７０号公報参照）、また例えば前記
酸化剤ガスの入口温度や供給量を制御してこの酸化剤ガ
スにより所要の冷却作用を営ませるようにしたものも知
られている。

しかしながら、上記手段は何れも制御が面倒であること
から、かかる流量制御等をほとんど必要としないものと
して、前記積層体を容器に収容し、容器内に所定の温度
雰囲気を封入することにより、電池運転温度を所望の範
囲に保持するようにした燃料電池が開発されている。こ
の燃料電池の構成を第５図を参照して以下に説明する。

多数の単位電池１を電気および熱の良導体で作られたセ
パレータを介して直列に積層してなる積層体３は、その
上下に当てがった押し板５．５の四隅を締伺はバー７で
締付けることにより、積層方向に所定の圧力が附加され
た状態で一体化されている。かかる一体構成体からなる
電池主体９が容器１５に収容され、支持脚１１を介して
底壁１７上に据付けられている。容器１５は上記底壁１
７と円筒状の側壁１９と蓋壁２１とによって密閉され、
これら缶壁の内側には保温材屑からなる保温壁２３が形
成されている。そしてこの容器１５内には不活性ガス２
５が加圧された状態で封入されている。不活性ガス２５
を用いているからは、前記燃料ガス中の水素が漏洩して
も安全である。

ところで、積層体３内で発生した前記の反応熱は、この
積層体３の外側面へ伝導してきて放射熱伝達と自然対流
とに一；り容器１５側へ逃げる。ここで、保温壁２３は
容器１５から外部への熱の逃げを抑制し、内部温度をほ
ぼ一定の高温に保持し、これによって積層体３表面の温
度降下を少なくし、該表面の温度分布をできるだけ均一
化し、燃料電池を適正な温度範囲で運転できるようにす
る。しかし積層体３から受熱して高温となった不活性ガ
ス２５は容器１５の上部へ集まる傾向となり、また容器
１５の壁面へ伝熱して低温となった不活性ガス２５は下
部へ集まる傾向を呈する。このため従来の燃料電池にあ
っては、積層体３上部から不活性ガス２５への熱伝達が
比較的小さいのに対し同下部から不活性ガス２５への熱
伝達は大きく、積層体３の下部に比べて上部の温度が著
しく高くなり、積層方向の温度制御が難がしくなるとい
う問題があった （発明が解決しようとする課題） このように、従来の燃料電池では、保温壁を有した容器
内に収容して、不活性ガスを封入したため、酸化剤ガス
の流量制御等を必要とすることなく、積層体の面内方向
の温度制御を可能とするが、積層方向の温度制御が困難
であった。

そこでこの発明は、さらに、積層体の積層方向への温度
制御も可能にした燃料電池の提供を目的とする。

［発明の構成］ （課題を解決するための手段） 前記課題を解決するためのこの発明の手段は、単位電池
が上下に積層された積層体と、この□積層体を収容する
とともに不活性ガスが封入された容器とをそなえた燃料
電池において、上記容器の内面に沿って、かつこの内面
から間隔をおいて隔壁を設け、この隔壁の内外を連通ず
る対流通路を構成したものである。

（作用） この手段によれば、容器の内面に沿ってこの内壱面から
間隔をおいて設けられた隔壁により、この容器内には積
層体に沿う内側流路と容器の内書面に沿う外側流路とか
らなる対流通路が区画される。よって積層体から熱伝達
されて高温となった不活性ガスは内側流路を上昇し、ま
た容器側への熱伝達により温度が降下した不活性ガスは
外側流路を下降する。これにより、隔壁を挟んで不活性
ガスが循環しながら攪拌されるので、その温度が均等化
され、これに伴って積層体における上下積層方向の温度
分布も均等化される。

（実施例） 第１図を参照してこの発明の第一の実施例を説明する。

この実施例は前記従来の燃料電池を基本としこれに隔壁
３１を追設したものである。したがって従来のものと共
通する構成部分には第５図で用いた符号をつけることに
より重複する説明を省略する。

上記隔壁３１は直円筒形に形成されて容器１５の側壁１
９と同心に、かつ保温壁２３から間隔をおいて配置され
、これを複数のブラケット３３を介し上記側壁１９に固
定しである。またこの状態で、隔壁３１は積層体３にお
ける上下方向のほぼ全域を内包している。

以上の構成によって次のような作用が営まれる。

づなわち、前述したように積層体３の外側面へ伝導され
た反応熱は、その一部が不活性ガス２５へ伝達される。

この熱伝達により高温となった不活性ガス２５は、隔壁
３１と積層体３とで区画された内側流路３５を上昇して
全体的に上昇気流Ａを生成する。一方、隔壁３１と保温
壁２３とで区画された外側流路３７では、不活性ガス２
５がこの保温壁２３へ熱を伝達しながら降温して全体的
に下降気流Ｂを生成する。そして、下降気流Ｂは上昇気
流Ａのあとへ矢線Ｃのように流入し、上昇気流Ａは下降
気流Ｂのあとへ矢線りのように流入するごとくして、隔
壁３１を挟んで不活性ガス２５の自然対流が行なわれる
。

このような対流によって、内側流路３５内はほぼ上昇気
流Ａのみで満たされるので、積層体３に接触して高温軽
量となったガスがより速く上昇しようとすると、これが
上昇気流Ａの本流に巻込まれてそのあとに新気が侵入す
る。このようにして雰囲気ガスが攪拌されながら上昇し
てゆく。

以上のことから、内側流路３５内の不活性ガス２５は、
保温壁２３と加熱された隔壁３１とに囲まれて所定の高
温を保持しながら、その温度分布が上下方向へも均等化
され、これにより積層体３の各部からほぼ等量づつの熱
を吸収してこの積層体全体を運転温度の範囲内に維持さ
せる。

尚、隔壁３１の熱放射率を積層体３のそれよりも低く設
定しておけば、積層体３から隔壁３１への放射熱伝達量
が相対的に少くなるので、この積層体３の面内方向での
温度勾配が小さくなってこの方向での温度分布が一層均
等化される。更にまた隔壁３１の熱放射率を保温壁２３
のそれよりも低く設定すれば、この保温壁２３が一層低
温に保持されるので不活性ガス２５の冷却作用が助長さ
れる。この熱放射率の調整は、例えば隔壁３１をセラミ
ックスで形成し、あるいは金属材料にセラミックコーテ
ィングを施こすなどの表面処理によって達成できる。

次に第２図に示したこの発明の第二の実施例は、前記直
円筒形の隔壁３１の内周面に、１条ないし複数条の螺旋
形フィン４１を接合したものである。

これによって前記内側流路３５内の不活性ガス２５が矢
線Ａ′のように旋回しながら上昇してこの過程で前述し
た攪拌作用を受けるので、上下方向とともに積層体３の
周囲にわたっての温度が一層均等化される。

また第３図に示した第三の実施例は、前記隔壁３１の外
周面に１条ないし複数条の螺旋形フィン４３を接合した
ものである。これによって前記外側流路３７内の雰囲気
ガスが矢線Ｂ′のように旋回しながら下降してゆくので
、このガスが一層均等に冷却されるとともに、隔壁３１
の温度も周方向にわたって均等化されるので、内側流路
３５内での前記作用が助長される。

尚、上述した第二および第三の実施例を併用して上記の
作用を相乗させれば一層効果的である。

更に第４図を参照してこの発明の第四の実施例・を説明
する。

この実施例では断面四角形の前記積層体３を、同じく断
面が四角形の容器５１に収容してあって、この容器５１
の内側には保温壁５５が形成され、容器の内部には前記
不活性ガス２５を封入しである。符号５３は容器５１の
側壁を示している。

この実施例の隔壁５７は両側に縦フランジ５９ａを形成
した４枚のパネル５９で構成しである。

そして各パネル５９のフランジ５９ａを内側に向け、こ
れらのパネル５９を側壁５３の保温壁５５から間隔をお
いて、また積層体３の四方の外側面３ａと対向させた状
態でブラケット６１を介して側壁５３に固定している。

これによって隔壁５７と積層体３との間に内側流路６３
が、また保温壁５５との間に外側流路６５がそれぞれ形
成される。

この構成によれば、積層体の外側面３ａとパネル５９と
の間にこの外側面からの間隔が等しい流路が形成される
ので、不活性ガス２５への熱伝達と攪拌作用とが積層体
３の周りでほぼ一様に営まれる結果、雰囲気温度が一層
均等化する。

尚、隔壁５７はこれを単純な角筒によって形成すること
もでき、また容器５１の断面は円形であってもよい。

この実施例のように構成すれば、パネル５９のフランジ
５９ａにより積層体３における４つの外側面３ａに対応
して内側流路６３が実質的に区切られるので前記上昇気
流の流れが安定する。また断面四角形の容器５１は、円
形のものよりは内容量に対しての表面積が大きいので、
不活性ガス２５の冷却が促進される。

［発明の効果Ｊ 以上説明したようにこの発明の構成によれば、容器内に
封入された不活性ガスが、隔壁を挟んで積層体と容器壁
との間を整然と循環をしながら攪拌されてゆくので、不
活性ガスの温度が均等化され、これに伴い積層体の温度
分布が面内方向のみならず積層方向にも均衡化される。

その結果、積層体を構成する単位電池の発電効率を向上
したり、寿命を延ばすことができる。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の第一の実施例に係る燃料電池の縦断
面図、第２図はこの発明の第二の実施例に係る燃料電池
の要部断面斜視図、第３図はこの発明の第三の実施例に
係る燃料電池の要部斜視図、第４図はこの発明の第四の
実施例に係る燃料電池の横断面図、第５図は従来例に係
る燃料電池の縦断面図である。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 単位電池が上下に積層された積層体と、この積層体を収
   容するとともに不活性ガスが封入された容器とをそなえ
   た燃料電池において、前記容器の内面に沿って、かつ、
   この内面から間隔をおいて隔壁を設け、この隔壁の内外
   を連通する対流通路を構成した燃料電池。