JPH0253909B2 - - Google Patents
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- JPH0253909B2 JPH0253909B2 JP56063506A JP6350681A JPH0253909B2 JP H0253909 B2 JPH0253909 B2 JP H0253909B2 JP 56063506 A JP56063506 A JP 56063506A JP 6350681 A JP6350681 A JP 6350681A JP H0253909 B2 JPH0253909 B2 JP H0253909B2
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Description
【発明の詳細な説明】
本発明は燃料電池装置用の冷却装置に関するも
のである。
のである。
燃料電池装置（燃料電池システム）には多くの
形式があるが、マトリツクスを２枚の双極板の間
に設けた燃料電池がある。燃料電池は上下に重ね
られ、普通は直列に電気的に接続されて燃料電池
スタツクを構成している。燃料電池の動作、即ち
例えば水素と酸素とが反応して熱、電力および水
を発生する反応は、発熱反応であり、燃料電池要
素の健全性を維持するために要素を冷却すること
が必要である。例えば、双極板あるいは電解質マ
トリツクスは高温で劣化する傾向のある樹脂によ
り結合された炭素含有材料で作られることがあ
る。更に、発熱反応により燃料電池内に不均等な
温度分布を生ずることがあり、燃料電池の動作温
度および効率を制限し、また例えば一酸化炭素に
よる触媒劣化の問題を引起こす。
形式があるが、マトリツクスを２枚の双極板の間
に設けた燃料電池がある。燃料電池は上下に重ね
られ、普通は直列に電気的に接続されて燃料電池
スタツクを構成している。燃料電池の動作、即ち
例えば水素と酸素とが反応して熱、電力および水
を発生する反応は、発熱反応であり、燃料電池要
素の健全性を維持するために要素を冷却すること
が必要である。例えば、双極板あるいは電解質マ
トリツクスは高温で劣化する傾向のある樹脂によ
り結合された炭素含有材料で作られることがあ
る。更に、発熱反応により燃料電池内に不均等な
温度分布を生ずることがあり、燃料電池の動作温
度および効率を制限し、また例えば一酸化炭素に
よる触媒劣化の問題を引起こす。
従つて従来の燃料電池装置に於ては閉流体冷却
ループが提案されていた。普通のものは、例えば
４番目毎の燃料電池が冷却水を循環させる小型金
属管を有するようにした堆積された複数の燃料電
池を有する燃料電池装置である。循環用動力が必
要であり燃料電池全体の効率を低下させる。これ
は更に小径管内の圧力降下および或る場合には酸
等の燃料電池スタツク内の媒体に対する冷却管の
耐性によつて複雑になる。
ループが提案されていた。普通のものは、例えば
４番目毎の燃料電池が冷却水を循環させる小型金
属管を有するようにした堆積された複数の燃料電
池を有する燃料電池装置である。循環用動力が必
要であり燃料電池全体の効率を低下させる。これ
は更に小径管内の圧力降下および或る場合には酸
等の燃料電池スタツク内の媒体に対する冷却管の
耐性によつて複雑になる。
又、電気化学的反応に必要な化学量論的量の数
倍の量の大量の空気等の酸化剤を燃料電池スタツ
クに循環させて冷却媒体としても用いることも提
案されている。液体冷却型装置の場合と同様、循
環に要する動力が大きいという不利益がある。
倍の量の大量の空気等の酸化剤を燃料電池スタツ
クに循環させて冷却媒体としても用いることも提
案されている。液体冷却型装置の場合と同様、循
環に要する動力が大きいという不利益がある。
最近提案されたものに燃料電池スタツクの例え
ば４番目毎の燃料電池間に冷却モジユールを配置
した燃料電池のスタツクを有する装置がある。空
気がマニフオールドで案内されて燃料電池の酸化
剤チヤンネル内と冷却モジユールの冷却通路内と
を平行に流される。冷却モジユールの冷却通路は
燃料電池内チヤンネルよりもずつと大きく、約80
％の空気が冷却通路を流れ残りが燃料電池内を流
れる。このような装置は機械的必要動力の点では
改善されているが、更に改善する余地がある。例
えば、空気流量が適正である場合、即ち過大な循
環用動力を要しないような量を用いる場合、冷却
チヤンネルを流れる空気が冷却通路を流れる際に
相当な量の熱エネルギーを吸収しチヤンネルの出
口端での冷却効果が小さい。このため燃料電池装
置内の温度分布が不均等になり、反応率、電圧お
よび電流分布が不平衡となつて最大動作温度を制
限することになる。
ば４番目毎の燃料電池間に冷却モジユールを配置
した燃料電池のスタツクを有する装置がある。空
気がマニフオールドで案内されて燃料電池の酸化
剤チヤンネル内と冷却モジユールの冷却通路内と
を平行に流される。冷却モジユールの冷却通路は
燃料電池内チヤンネルよりもずつと大きく、約80
％の空気が冷却通路を流れ残りが燃料電池内を流
れる。このような装置は機械的必要動力の点では
改善されているが、更に改善する余地がある。例
えば、空気流量が適正である場合、即ち過大な循
環用動力を要しないような量を用いる場合、冷却
チヤンネルを流れる空気が冷却通路を流れる際に
相当な量の熱エネルギーを吸収しチヤンネルの出
口端での冷却効果が小さい。このため燃料電池装
置内の温度分布が不均等になり、反応率、電圧お
よび電流分布が不平衡となつて最大動作温度を制
限することになる。
従つて本発明の目的は、圧力降下に対処し循環
供給に必要な動力を過大にせず、燃料電池装置全
体に亙つて温度分布を改善する冷却装置を備えた
燃料電池装置を得ることである。
供給に必要な動力を過大にせず、燃料電池装置全
体に亙つて温度分布を改善する冷却装置を備えた
燃料電池装置を得ることである。
本発明は、電気的に接続され、流体酸化剤が通
る酸化剤チヤンネルを有する２つの燃料電池と、
上記燃料電池の間に設けられた冷却モジユール
と、上記冷却モジユール内に入口および出口を有
して形成され、上記酸化剤チヤンネルと並列に冷
却モジユール内を通つて延び、上記流体酸化剤を
上記酸化剤チヤンネルと並列に供給できる少なく
とも１つの冷却通路とを備えた燃料電池装置に於
いて、上記少なくとも１つの冷却通路が、上記入
口から上記出口に向かつて増大して変化する表面
積を有することを特徴とする燃料電池装置に在
る。
る酸化剤チヤンネルを有する２つの燃料電池と、
上記燃料電池の間に設けられた冷却モジユール
と、上記冷却モジユール内に入口および出口を有
して形成され、上記酸化剤チヤンネルと並列に冷
却モジユール内を通つて延び、上記流体酸化剤を
上記酸化剤チヤンネルと並列に供給できる少なく
とも１つの冷却通路とを備えた燃料電池装置に於
いて、上記少なくとも１つの冷却通路が、上記入
口から上記出口に向かつて増大して変化する表面
積を有することを特徴とする燃料電池装置に在
る。
本発明は不平衡温度分布を軽減し過大な冷却流
体流量を要しない堆積された冷却装置を有する燃
料電池装置を提供する。望ましい態様に於ては、
スタツクに複数の燃料電池が設けられ選択された
２つの燃料電池間に周期的に冷却モジユールが配
置される。燃料電池内のチヤンネルは空気等の酸
化剤を、冷却モジユールの冷却通路を流れる空気
流れに望ましくは略々平行な方向に燃料電池内を
流すように構成される。
体流量を要しない堆積された冷却装置を有する燃
料電池装置を提供する。望ましい態様に於ては、
スタツクに複数の燃料電池が設けられ選択された
２つの燃料電池間に周期的に冷却モジユールが配
置される。燃料電池内のチヤンネルは空気等の酸
化剤を、冷却モジユールの冷却通路を流れる空気
流れに望ましくは略々平行な方向に燃料電池内を
流すように構成される。
冷却通路は燃料電池チヤンネルよりも相当に大
きい。燃料電池チヤンネルは全長に亘つて略々一
定の断面積でも、あるいは変化する断面積のもの
でも良い。しかしながら冷却通路は入口から出口
へ所定の態様で変化する表面積を備えている。冷
却通路入口は、入口が新しい酸化剤に曝されるス
タツクの面に沿い、出口がスタツクの使用済酸化
剤に曝される面に沿うように構成するのが望まし
い。冷却通路の表面積は入口から出口に向つて次
第に増大させる。このようにして、冷却空気が燃
料電池チヤンネルを流れて熱エネルギーを吸収し
それに応じて冷却能力が減少される一方、より大
きな表面積に接触して冷却能力がそれに応じて増
大する。従つて実効効果としては冷却がより一様
に行なわれ、燃料電池温度がより一様になる。
きい。燃料電池チヤンネルは全長に亘つて略々一
定の断面積でも、あるいは変化する断面積のもの
でも良い。しかしながら冷却通路は入口から出口
へ所定の態様で変化する表面積を備えている。冷
却通路入口は、入口が新しい酸化剤に曝されるス
タツクの面に沿い、出口がスタツクの使用済酸化
剤に曝される面に沿うように構成するのが望まし
い。冷却通路の表面積は入口から出口に向つて次
第に増大させる。このようにして、冷却空気が燃
料電池チヤンネルを流れて熱エネルギーを吸収し
それに応じて冷却能力が減少される一方、より大
きな表面積に接触して冷却能力がそれに応じて増
大する。従つて実効効果としては冷却がより一様
に行なわれ、燃料電池温度がより一様になる。
燃料電池内の流路に沿つた位置に応じて冷却通
路の冷却表面積を変化させることに加えて、隣り
のチヤンネル間の間隔をも変化させて反応度分布
をより一様にさせることもできる。反応度分布は
燃料電池燃料入口端で大きく、燃料出口端で低く
なる傾向にある。
路の冷却表面積を変化させることに加えて、隣り
のチヤンネル間の間隔をも変化させて反応度分布
をより一様にさせることもできる。反応度分布は
燃料電池燃料入口端で大きく、燃料出口端で低く
なる傾向にある。
冷却通路の表面積を変化させる方法は種々あ
り、例えば単一の入口から望ましくはより小さい
出口へ等冷却通路を分岐させることができる。ま
た断面形を矩形から十字形に変形しても良い。発
熱分布による冷却条件に最も良く適合させるため
にはチヤンネルの断面形の基本形を略々矩形とす
るのが望ましい。
り、例えば単一の入口から望ましくはより小さい
出口へ等冷却通路を分岐させることができる。ま
た断面形を矩形から十字形に変形しても良い。発
熱分布による冷却条件に最も良く適合させるため
にはチヤンネルの断面形の基本形を略々矩形とす
るのが望ましい。
次に添附図面に示す本発明の実施例に沿つて本
発明を説明する。
発明を説明する。
第１図に電気化学的燃料電池装置１０が示され
ている。この燃料電池装置は複数の燃料電池１２
を有し、燃料電池１２が直列に接続されるように
スタツクに構成されている。スタツクを並列に構
成することもできる。
ている。この燃料電池装置は複数の燃料電池１２
を有し、燃料電池１２が直列に接続されるように
スタツクに構成されている。スタツクを並列に構
成することもできる。
燃料電池１２′等の個々の燃料電池は２つの双
極板１４を有し、その間に例えば燐酸等の酸で飽
和された多孔質グラフアイトマトリツクス１６等
の電解質が挾まれている。電気的に絶縁性の材料
を用いた多くの他の材料および構造も使用でき
る。双極板１４は、電解質マトリツクス１６の両
側に設けられた圧縮成型グラフアイト−樹脂組成
物と正極２０および負極２２等の電極１８とを備
えることもできる。各電極１８は又補強用の多孔
質グラフアイト繊維裏打２４を有する多孔質グラ
フアイト材料とすることもできる。
極板１４を有し、その間に例えば燐酸等の酸で飽
和された多孔質グラフアイトマトリツクス１６等
の電解質が挾まれている。電気的に絶縁性の材料
を用いた多くの他の材料および構造も使用でき
る。双極板１４は、電解質マトリツクス１６の両
側に設けられた圧縮成型グラフアイト−樹脂組成
物と正極２０および負極２２等の電極１８とを備
えることもできる。各電極１８は又補強用の多孔
質グラフアイト繊維裏打２４を有する多孔質グラ
フアイト材料とすることもできる。
双極板１４は燃料チヤンネル２６および酸化剤
チヤンネル２８を有するチヤンネルの組を備えて
いる。チヤンネル２６および２８は望ましくは断
面形が略々矩形で、例えば成形型を外すのに必要
な場合の如く製造を容易にする僅かに傾いた縁３
０を持つている。従つて例えば接着剤あるいは外
枠等の周知手段によつて互いに結合されたとき、
各燃料電池は略々封止された装置を形成する。
チヤンネル２８を有するチヤンネルの組を備えて
いる。チヤンネル２６および２８は望ましくは断
面形が略々矩形で、例えば成形型を外すのに必要
な場合の如く製造を容易にする僅かに傾いた縁３
０を持つている。従つて例えば接着剤あるいは外
枠等の周知手段によつて互いに結合されたとき、
各燃料電池は略々封止された装置を形成する。
ハロゲンあるいは空気あるいは他の酸素含有物
質等の酸化剤が酸化剤チヤンネル２８を通つて流
れ、水素、有機物あるいは金属等の燃料が燃料チ
ヤンネル２６を通つて流れる。一般にはマニフオ
ールド２７が用いられて、例えば酸化剤を燃料電
池システムスタツクの酸化剤入口側３４に供給
し、スタツクの酸化剤出口側３６から酸化剤を受
入れるようにしてある。同様に燃料入口側３８お
よび燃料出口側４０にもマニフオールドが設けら
れている。電極１８および電解質マトリツクス１
６を通る燃料と酸化剤との相互作用により電力と
熱とが発生する。図示の燃料電池１２は水素燃料
と空気の酸化剤とを用い電解質は燐酸である。
質等の酸化剤が酸化剤チヤンネル２８を通つて流
れ、水素、有機物あるいは金属等の燃料が燃料チ
ヤンネル２６を通つて流れる。一般にはマニフオ
ールド２７が用いられて、例えば酸化剤を燃料電
池システムスタツクの酸化剤入口側３４に供給
し、スタツクの酸化剤出口側３６から酸化剤を受
入れるようにしてある。同様に燃料入口側３８お
よび燃料出口側４０にもマニフオールドが設けら
れている。電極１８および電解質マトリツクス１
６を通る燃料と酸化剤との相互作用により電力と
熱とが発生する。図示の燃料電池１２は水素燃料
と空気の酸化剤とを用い電解質は燐酸である。
電気化学的反応により相当の熱が発生し、従つ
てスタツク１０には冷却モジユール４２が設けて
ある。所望の作動温度に応じてスタツク１０内の
適当な位置で燃料電池１２の間に冷却モジユール
４２が配置されている。冷却モジユール４２は例
えば３乃至８番目毎の燃料電池の間に設けること
ができる。
てスタツク１０には冷却モジユール４２が設けて
ある。所望の作動温度に応じてスタツク１０内の
適当な位置で燃料電池１２の間に冷却モジユール
４２が配置されている。冷却モジユール４２は例
えば３乃至８番目毎の燃料電池の間に設けること
ができる。
各冷却モジユール４２は望ましくは双極板１４
と同様の材料、即ち図示の例では圧縮成型された
グラフアイト−樹脂組成物で作るのが望ましい。
冷却モジユール４２はリブ４５で分離された後に
詳しく説明する複数の冷却通路４４を備えてい
る。冷却モジユール４２は一体に形成することも
できるが、図示の如く２つの部分４６を別々に作
つて後で封止するのが望ましい。冷却通路４４は
望ましくは略々矩形であるが他の形も同様に用い
得る。冷却モジユール４２を２つの部分４６で形
成する場合、冷却通路の縁４８を燃料電池のチヤ
ンネル２８と同様に僅かに傾け（垂直から約７
度）て製造を容易とするのが望ましい。
と同様の材料、即ち図示の例では圧縮成型された
グラフアイト−樹脂組成物で作るのが望ましい。
冷却モジユール４２はリブ４５で分離された後に
詳しく説明する複数の冷却通路４４を備えてい
る。冷却モジユール４２は一体に形成することも
できるが、図示の如く２つの部分４６を別々に作
つて後で封止するのが望ましい。冷却通路４４は
望ましくは略々矩形であるが他の形も同様に用い
得る。冷却モジユール４２を２つの部分４６で形
成する場合、冷却通路の縁４８を燃料電池のチヤ
ンネル２８と同様に僅かに傾け（垂直から約７
度）て製造を容易とするのが望ましい。
冷却通路４４は酸化剤チヤンネル２８に略々平
行にするのが望ましいが、燃料チヤンネル２６に
平行とすることもできる。しかしながら後者の場
合にはマニフオールドがより複雑になる。冷却流
体は冷却通路４４内を通つて流れる。望ましい態
様では冷却流体と酸化剤とは空気等の同じ媒体で
ある。従つて図示の構成では空気は単一のマニフ
オールド２７から燃料電池装置１０の酸化剤入口
側３４に供給され、冷却通路４４および酸化剤チ
ヤンネル２８を通つて平行に同じ方向に流れる。
行にするのが望ましいが、燃料チヤンネル２６に
平行とすることもできる。しかしながら後者の場
合にはマニフオールドがより複雑になる。冷却流
体は冷却通路４４内を通つて流れる。望ましい態
様では冷却流体と酸化剤とは空気等の同じ媒体で
ある。従つて図示の構成では空気は単一のマニフ
オールド２７から燃料電池装置１０の酸化剤入口
側３４に供給され、冷却通路４４および酸化剤チ
ヤンネル２８を通つて平行に同じ方向に流れる。
冷却空気が冷却通路４４を流れると、電気化学
的反応により発生した熱が吸収される。過大な冷
却空気流量を要さずに燃料電池１２内の温度を比
較的一定に維持するために、冷却通路４４の表面
積を冷却通路の入口端からの距離に応じて変化さ
せてある。入口端では表面積が小さく、出口端で
は表面積が大きい。表面積を増大させるのは種々
の方法により行なわれ、例えば距離の関数として
冷却通路の形状を変化させ、あるいは流れ方向に
沿つて通路を分岐させることによる。この変化は
連続的なものでも段階的なものでも良い。実際の
通路の形は製造上の理由により定めて良い。
的反応により発生した熱が吸収される。過大な冷
却空気流量を要さずに燃料電池１２内の温度を比
較的一定に維持するために、冷却通路４４の表面
積を冷却通路の入口端からの距離に応じて変化さ
せてある。入口端では表面積が小さく、出口端で
は表面積が大きい。表面積を増大させるのは種々
の方法により行なわれ、例えば距離の関数として
冷却通路の形状を変化させ、あるいは流れ方向に
沿つて通路を分岐させることによる。この変化は
連続的なものでも段階的なものでも良い。実際の
通路の形は製造上の理由により定めて良い。
分岐した冷却通路の構成は第２図乃至第５図に
示されている。この例では冷却通路４４は、入口
から出口に向つて単一通路４４′を有する第１部
分と、２つの分岐通路４４″を有する第２部分と、
３つの分岐通路４４を有する第３部分とを備え
ている。各部分は全体の長さの約1/3である。図
示の矩形は、製造が比較的容易で所望の冷却条件
に合うので望ましい。通路４４′，４４″，４４
による表面積は次第に増大している。
示されている。この例では冷却通路４４は、入口
から出口に向つて単一通路４４′を有する第１部
分と、２つの分岐通路４４″を有する第２部分と、
３つの分岐通路４４を有する第３部分とを備え
ている。各部分は全体の長さの約1/3である。図
示の矩形は、製造が比較的容易で所望の冷却条件
に合うので望ましい。通路４４′，４４″，４４
による表面積は次第に増大している。
第６図乃至第８図は夫々入口から出口までの一
連の部分を示し、表面積が増大するような形状に
変形されている。第９図乃至第１２図にも同様の
順で示してある。第１３図および第１４図は断面
形が矩形で入口から出口に向つて表面積が次第に
増大する冷却通路４４を示し、第１５図および第
１６図は断面形が円形で入口から出口に向つて表
面積が次第に増大する冷却通路４４を示す。他の
多くの形も同様に使用できる。
連の部分を示し、表面積が増大するような形状に
変形されている。第９図乃至第１２図にも同様の
順で示してある。第１３図および第１４図は断面
形が矩形で入口から出口に向つて表面積が次第に
増大する冷却通路４４を示し、第１５図および第
１６図は断面形が円形で入口から出口に向つて表
面積が次第に増大する冷却通路４４を示す。他の
多くの形も同様に使用できる。
燃料電池１２内の温度分布をより一様にするた
めに冷却通路の長さに沿つて表面積を変化させる
他に、隣接の冷却通路を所定の態様で横方向に離
間させることもできる。特に、第１７図に示す如
く、冷却通路４４ａおよび４４ｂは例えば冷却通
路４４ｃおよび４４ｄよりも接近している。燃料
が入口３８から出口４０までチヤンネル２６内を
移動するにつれ、燃料が次第に使用される。従つ
て発熱反応による熱は燃料入口３８で大きく、燃
料出口４０に向つて次第に少なくなる。燃料入口
近傍で冷却空気を多量に流し、燃料出口で冷却空
気を少なくするように冷却通路４４を離間させれ
ば、燃料電池内の温度分布をより一様にすること
ができる。
めに冷却通路の長さに沿つて表面積を変化させる
他に、隣接の冷却通路を所定の態様で横方向に離
間させることもできる。特に、第１７図に示す如
く、冷却通路４４ａおよび４４ｂは例えば冷却通
路４４ｃおよび４４ｄよりも接近している。燃料
が入口３８から出口４０までチヤンネル２６内を
移動するにつれ、燃料が次第に使用される。従つ
て発熱反応による熱は燃料入口３８で大きく、燃
料出口４０に向つて次第に少なくなる。燃料入口
近傍で冷却空気を多量に流し、燃料出口で冷却空
気を少なくするように冷却通路４４を離間させれ
ば、燃料電池内の温度分布をより一様にすること
ができる。
冷却通路の実際の寸法、形および間隔は、与え
られた燃料電池装置の発熱および冷却流体流れの
型式および量等の熱伝達に影響を及ぼす要素によ
り変わるものである。燃料電池に必要な表面積の
変化の例として、ｑ（ｘ）が双極板に発生する単
位面積当り熱束（Btu／ft2−hr）である場合、
局部的冷却空気温を越える燃料電池チヤンネルの
温度上昇は次の通りである。
られた燃料電池装置の発熱および冷却流体流れの
型式および量等の熱伝達に影響を及ぼす要素によ
り変わるものである。燃料電池に必要な表面積の
変化の例として、ｑ（ｘ）が双極板に発生する単
位面積当り熱束（Btu／ft2−hr）である場合、
局部的冷却空気温を越える燃料電池チヤンネルの
温度上昇は次の通りである。
△Ｔ＝Tp(x)−Ta(x)＝ｑ（ｘ）／ｈ（ｘ）Ａ（ｘ）(1
) 但し、Ａ（ｘ）は双極板の単位面積当り冷却表面
積（無次元）、ｈ（ｘ）は局部的熱伝達係数
（Btu／hr−ft2−〓）、Tp（ｘ）は双極板温度
（〓）、Ta（ｘ）は局部的冷却空気温度である。
) 但し、Ａ（ｘ）は双極板の単位面積当り冷却表面
積（無次元）、ｈ（ｘ）は局部的熱伝達係数
（Btu／hr−ft2−〓）、Tp（ｘ）は双極板温度
（〓）、Ta（ｘ）は局部的冷却空気温度である。
冷却空気温度は
Ta（ｘ）＝Ta(p)＋ｗ／mcp∫x pｑ（ｘ）dx） (2)
を満足し、Ta(x)＝Ta(p)＋wxq（ｘ）／mcpである。但し
、 ｗは双極板の幅、Ta(p)は入口冷却空気温度（〓）、
ｑ（ｘ）はｘ＝０からｘまでの平均熱束、ｍは双
極板当りの冷却空気重量流量（1b／hr）、Cpは冷
却空気の比熱（Btu／1b−〓）である。従つて、 Tp(x)＝Ta(p)＋wxq（ｘ）／mcp＋ｑ（ｘ）／ｈ（ｘ）
Ａ（ｘ）(3) 双極板は Ｕ（ｘ）＝ｈ（ｘ）Ａ（ｘ）＝ｑ（ｘ）／Tpp
−Ta(p)−ｗ／mcp∫x／pｑ（ｘ）dx(4) とすることにより一定温度Tppにできる。説明の
ための特定の例として、双極板単位面積に発生す
る熱ｑ（ｘ）が一定、ｑ、であるとすると、冷却
係数Ｕ（ｘ）は Ｕ（ｘ）＝ｑ／―／Tpp−Tap−wxq／mcp (5) そして Ｕ(I)／Ｕ（Ｏ）＝Tpp−Tap／Tpp−Tap−△Ta、 (6) 但し△Taは冷却流体の温度上昇である。
、 ｗは双極板の幅、Ta(p)は入口冷却空気温度（〓）、
ｑ（ｘ）はｘ＝０からｘまでの平均熱束、ｍは双
極板当りの冷却空気重量流量（1b／hr）、Cpは冷
却空気の比熱（Btu／1b−〓）である。従つて、 Tp(x)＝Ta(p)＋wxq（ｘ）／mcp＋ｑ（ｘ）／ｈ（ｘ）
Ａ（ｘ）(3) 双極板は Ｕ（ｘ）＝ｈ（ｘ）Ａ（ｘ）＝ｑ（ｘ）／Tpp
−Ta(p)−ｗ／mcp∫x／pｑ（ｘ）dx(4) とすることにより一定温度Tppにできる。説明の
ための特定の例として、双極板単位面積に発生す
る熱ｑ（ｘ）が一定、ｑ、であるとすると、冷却
係数Ｕ（ｘ）は Ｕ（ｘ）＝ｑ／―／Tpp−Tap−wxq／mcp (5) そして Ｕ(I)／Ｕ（Ｏ）＝Tpp−Tap／Tpp−Tap−△Ta、 (6) 但し△Taは冷却流体の温度上昇である。
従つて、入口冷却空気と近接した双極板の対応
する部分との温度差が100〓であり、冷却空気温
度が冷却通路を流れる間に75〓上昇すると、入口
での熱伝達係数を表面積に掛けた値Ｕ（Ｏ）に対
する出口での熱伝達係数を表面積に掛けた値Ｕ(L)
の所要の比は、100対100−75＝４対１となる。こ
の比は、入口の大きなチヤンネルを出口で２つあ
るいは３つのチヤンネルに分割することにより容
易に得られ、特に４対１の冷却係数の比を得るた
めに、ｈが出口でのチヤンネルの流体的直径が小
さいために増大するので表面積の比を４対１とす
る必要がない。
する部分との温度差が100〓であり、冷却空気温
度が冷却通路を流れる間に75〓上昇すると、入口
での熱伝達係数を表面積に掛けた値Ｕ（Ｏ）に対
する出口での熱伝達係数を表面積に掛けた値Ｕ(L)
の所要の比は、100対100−75＝４対１となる。こ
の比は、入口の大きなチヤンネルを出口で２つあ
るいは３つのチヤンネルに分割することにより容
易に得られ、特に４対１の冷却係数の比を得るた
めに、ｈが出口でのチヤンネルの流体的直径が小
さいために増大するので表面積の比を４対１とす
る必要がない。
当業者には、冷却通路の形を様々に変えること
ができ、冷却通路の形および表面積を選択すると
きに流体的直径が重要な要素であることが理解で
きるであろう。望ましい形状は、流体的直径を減
少させると同時に表面積を増大させて冷却面積と
熱伝達係数の両者を増大させ、単位面積当りの冷
却能力を増大させるような形状である。
ができ、冷却通路の形および表面積を選択すると
きに流体的直径が重要な要素であることが理解で
きるであろう。望ましい形状は、流体的直径を減
少させると同時に表面積を増大させて冷却面積と
熱伝達係数の両者を増大させ、単位面積当りの冷
却能力を増大させるような形状である。
75〓（41℃）の温度上昇をする冷却空気流れ
は、この発明による如き冷却チヤンネル表面積の
変化を採用しない場合には隣接の双極板間に約75
〓の温度変化をもたらす。この温度変化はこの発
明による表面積の変化を採用すると約25〓（14
℃）に減少する。
は、この発明による如き冷却チヤンネル表面積の
変化を採用しない場合には隣接の双極板間に約75
〓の温度変化をもたらす。この温度変化はこの発
明による表面積の変化を採用すると約25〓（14
℃）に減少する。
より一様な温度分布による利点は相当なもので
あり、例えば与えられた最高温度に対して双極板
平均温度を上げることができる。ここに説明した
燃料電池装置は必要な空気流れを減少させて必要
な循環用動力を減少させるだけでなく、動作温度
の上昇と共に減少し従つて高い平均温度により減
少する一酸化炭素触媒劣化（ポイズニング）の影
響を更に軽減させる。
あり、例えば与えられた最高温度に対して双極板
平均温度を上げることができる。ここに説明した
燃料電池装置は必要な空気流れを減少させて必要
な循環用動力を減少させるだけでなく、動作温度
の上昇と共に減少し従つて高い平均温度により減
少する一酸化炭素触媒劣化（ポイズニング）の影
響を更に軽減させる。
第１図は本発明の冷却装置を有する燃料電池装
置の分解斜視図、第２図は冷却モジユールの一部
の平面断面図、第３図乃至第５図は夫々第２図の
線−，−および−に沿つた断面図、
第６図乃至第８図は夫々第１８図の線−，
−および−に沿つた別の実施例の第３図乃
至第５図と同様の断面図、第９図乃至第１２図は
夫々第１９図の線−，−，XI−XIおよび
XII−XIIに沿つた更に別の実施例の断面図、第１３
図および第１５図は冷却モジユールの別の実施例
の断面平面図、第１４図および第１６図は夫々第
１３図および第１５図の線−および
−に沿つた図、第１７図は本発明の別の実施
例の燃料電池装置の一部の概略分解斜視図、第１
８図および第１９図は別の冷却モジユール冷却通
路構造の断面平面図である。 １０……燃料電池装置、１２……燃料電池、１
４……双極板、１６……電解質マトリツクス、１
８……電極、２６……燃料チヤンネル・２８……
酸化剤チヤンネル、２７……マニフオールド、３
４……酸化剤入口側、３６……酸化剤出口側、３
８……燃料入口側、４０……燃料出口側、４２…
…冷却モジユール、４４……冷却通路。
置の分解斜視図、第２図は冷却モジユールの一部
の平面断面図、第３図乃至第５図は夫々第２図の
線−，−および−に沿つた断面図、
第６図乃至第８図は夫々第１８図の線−，
−および−に沿つた別の実施例の第３図乃
至第５図と同様の断面図、第９図乃至第１２図は
夫々第１９図の線−，−，XI−XIおよび
XII−XIIに沿つた更に別の実施例の断面図、第１３
図および第１５図は冷却モジユールの別の実施例
の断面平面図、第１４図および第１６図は夫々第
１３図および第１５図の線−および
−に沿つた図、第１７図は本発明の別の実施
例の燃料電池装置の一部の概略分解斜視図、第１
８図および第１９図は別の冷却モジユール冷却通
路構造の断面平面図である。 １０……燃料電池装置、１２……燃料電池、１
４……双極板、１６……電解質マトリツクス、１
８……電極、２６……燃料チヤンネル・２８……
酸化剤チヤンネル、２７……マニフオールド、３
４……酸化剤入口側、３６……酸化剤出口側、３
８……燃料入口側、４０……燃料出口側、４２…
…冷却モジユール、４４……冷却通路。
Claims (1)
- 【特許請求の範囲】 １ 電気的に接続され、流体酸化剤が通る酸化剤
チヤンネルを有する２つの燃料電池と、上記燃料
電池の間に設けられた冷却モジユールと、上記冷
却モジユール内に入口および出口を有して形成さ
れ、上記酸化剤チヤンネルと並列に上記冷却モジ
ユール内を通つて延び、上記流体酸化剤を上記酸
化剤チヤンネルと並列に供給できる少なくとも１
つの冷却通路とを備えた燃料電池装置に於いて、 上記少なくとも１つの冷却通路が、上記入口か
ら上記出口に向かつて増大して変化する表面積を
有することを特徴とする燃料電池装置。 ２ 上記少なくとも１つの冷却通路の断面形が矩
形である特許請求の範囲第１項記載の燃料電池装
置。 ３ 上記冷却通路が所定の態様で互いに不均等に
離間されてなる特許請求の範囲第１項あるいは第
２項記載の燃料電池装置。
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| US06/144,090 US4324844A (en) | 1980-04-28 | 1980-04-28 | Variable area fuel cell cooling |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPS57852A JPS57852A (en) | 1982-01-05 |
| JPH0253909B2 true JPH0253909B2 (ja) | 1990-11-20 |
Family
ID=22506996
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP6350681A Granted JPS57852A (en) | 1980-04-28 | 1981-04-28 | Cooler for fule battery |
Country Status (6)
| Country | Link |
|---|---|
| US (1) | US4324844A (ja) |
| EP (1) | EP0039236B1 (ja) |
| JP (1) | JPS57852A (ja) |
| BR (1) | BR8102275A (ja) |
| DE (1) | DE3170475D1 (ja) |
| ZA (1) | ZA812049B (ja) |
Families Citing this family (83)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| DE3119409A1 (de) * | 1981-05-15 | 1982-12-09 | Brown, Boveri & Cie Ag, 6800 Mannheim | "hochtemperaturbatterie" |
| US4416955A (en) * | 1982-01-11 | 1983-11-22 | Energy Research Corporation | Fuel cell sub-assembly |
| US4444851A (en) * | 1982-06-28 | 1984-04-24 | Energy Research Corporation | Fuel cell stack |
| US4508793A (en) * | 1982-09-08 | 1985-04-02 | Sanyo Electric Co., Ltd. | Air-cooled fuel cell system |
| JPS607066A (ja) * | 1983-06-02 | 1985-01-14 | エンゲルハード・コーポレーション | 熱伝達アセンブリ |
| US4945010A (en) * | 1983-06-02 | 1990-07-31 | Engelhard Corporation | Cooling assembly for fuel cells |
| US4476197A (en) * | 1983-10-12 | 1984-10-09 | The United States Of America As Represented By The United States Department Of Energy | Integral manifolding structure for fuel cell core having parallel gas flow |
| US4476198A (en) * | 1983-10-12 | 1984-10-09 | The United States Of America As Represented By The United States Department Of Energy | Solid oxide fuel cell having monolithic core |
| US4510212A (en) * | 1983-10-12 | 1985-04-09 | The United States Of America As Represented By The United States Department Of Energy | Solid oxide fuel cell having compound cross flow gas patterns |
| US4476196A (en) * | 1983-10-12 | 1984-10-09 | The United States Of America As Represented By The United States Department Of Energy | Solid oxide fuel cell having monolithic cross flow core and manifolding |
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| US4572876A (en) * | 1985-04-01 | 1986-02-25 | Westinghouse Electric Corp. | Apparatus for supplying electrolyte to fuel cell stacks |
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| US4853301A (en) * | 1985-12-04 | 1989-08-01 | The United States Of America As Represented By The United States Department Of Energy | Fuel cell plates with skewed process channels for uniform distribution of stack compression load |
| US4732822A (en) * | 1986-12-10 | 1988-03-22 | The United States Of America As Represented By The United States Department Of Energy | Internal electrolyte supply system for reliable transport throughout fuel cell stacks |
| US4988583A (en) * | 1989-08-30 | 1991-01-29 | Her Majesty The Queen As Represented By The Minister Of National Defence Of Her Majesty's Canadian Government | Novel fuel cell fluid flow field plate |
| US5108849A (en) * | 1989-08-30 | 1992-04-28 | Her Majesty The Queen In Right Of Canada, As Represented By The Minister Of National Defence In Her Britannic Majesty's Government Of The United Kingdom Of Great Britain And Northern Ireland | Fuel cell fluid flow field plate |
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