JPH0636780A

JPH0636780A - 燃料電池

Info

Publication number: JPH0636780A
Application number: JP4187921A
Authority: JP
Inventors: Hidekazu Fujimura; 秀和藤村; Shoji Ito; 昌治伊藤; Shozo Nakamura; 昭三中村
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1992-07-15
Filing date: 1992-07-15
Publication date: 1994-02-10
Anticipated expiration: 2011-11-06
Also published as: JP2551713B2

Abstract

(57)【要約】【目的】負荷増大で電流密度が高くなり、カソードガ
ス流量が飛躍的に増大した時、電池セル面内温度の分布
を均一化して燃料電池性能の低下を防止する。【構成】セル内カソードガス流路（６）を、カソード
電極（５）に接する第１流路（１７）と、バリヤによっ
てカソード電極から遠い側に形成される第２流路（１
８）とに分割し、第２流路（１８）の入口側始点から一
部の路長に亘るカソード電極（５）から第２流路（１
８）への熱伝達率低下手段を設ける。具体的手段として
は、第２流路（１８）の電極（５）に近い側に閉塞空間
（２４）を設ける。下流領域では第１・第２流路間のガ
ス流通を図る。【効果】上流領域での過冷却状態が回避され、下流領
域での冷却効果が大きくなって温度分布の均一化が達成
され、セル電圧向上と最高温度低下による寿命、信頼性
向上を図ることが可能になる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、燃料電池に係り、特に
溶融炭酸塩型燃料電池の冷却構造に関する。

【０００２】

【従来の技術】サイエンスフォーラム発行の「燃料電池
設計技術」第２０２頁に記載されているように、大規模
発電電力用燃料電池として使用される溶融炭酸塩型燃料
電池においては、水素燃料が運転温度６５０℃で有する
エンタルピーは２４８kＪ／molで、理論的最大発電エネ
ルギーに相当するものは１９７kＪ／molである。しかし
電池内に存在する各種抵抗によって通常運転の条件では
その約３０％が熱に変換され、電池内発電量とほぼ同量
の熱エネルギーが発生する。大型の燃料電池スタックで
は周辺部からの熱伝導による熱移送寄与率が小さくなる
ので、その発熱の除去方法としてはプロセスガス（アノ
ードおよびカソードガス）循環とスタック内冷却板挿入
による冷却専用熱媒体循環の２方法が考えられる。この
中、カソードガスの循環方式は、可燃性の水素ガスを含
んでおらず、冷却板挿入方式に比べて構造が簡単であっ
て一番優れている。

【０００３】カソードガス循環は電池サブシステムに設
けたブロワによって行われるので、スタック構造の設計
としては、多量のカソードガスを流せるカソードガスチ
ャンネルを工夫することになる。ある条件の下ではリサ
イクルガス量とカソード出口ガス量との比を表わすカソ
ードガスリサイクル比が約７４％と推算されている。こ
のように溶融炭酸塩型燃料電池においては、電気化学反
応の反応ガスとして用いられる空気と二酸化炭素の混合
気、すなわちカソードガスが同時に冷却媒体として電池
内発生熱の除去用循環ガスとして利用される。したがっ
て、負荷が増加し発生電流が増大する以上に電池発熱量
が増大し、その分だけ必要なカソードガス流量も増える
ことになり、その循環流量確保のための手段が採られる
ことになる。例えば、図２に示すような強度を保持しな
がらカソードガスの流路を確保するよう表裏間のガス流
通孔を有する波形部材を用いた構造が、燃料電池内のカ
ソードガス流路全長に亘って採用されてきた。この場
合、表裏側カソードガス流路の断面積は等しくするのが
普通であった。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】燃料電池の運転にあた
っては負荷変動があっても常に最適動作温度に電池温度
を保つために、負荷量に見合ったアノードガスとカソー
ドガスを供給するのは勿論のこと、冷却用のカソードガ
ス量をも考慮に入れたプロセスガスの制御が必要にな
る。もし最適動作温度よりも電池温度が低下すると電池
性能が低下して発電効率が低下し、極端な場合は電解質
の溶融温度（炭酸塩では約４９０℃）以下で電池として
の動作が不可能になる。逆に最適温度よりも高くなり過
ぎると、電池部材が電解質に腐食され易くなったり、電
解質の蒸発速度が早くなって電解質の不足状態に陥った
り、劣化や性能低下を招来することになる。

【０００５】従来のプロセスガス冷却方式では、特に高
電流密度での運転時に単位燃料電池を構成するセル面内
の温度分布の不均一が大きくなる。電流密度と電池内の
発生熱量との関係は比例関係ではなく、電流密度が高く
なるにつれて発熱量が飛躍的に増大する。このためカソ
ードガス流量を大幅に増やすことになるが、電池温度に
比べて可成り低温のカソードガスがセル入口から大量に
流入してセルのカソードガス入口付近を過冷却状態に陥
れることになる。この結果その部分のセル温度が許容温
度範囲を逸脱してセル性能を低下させることになる。

【０００６】本発明の目的は、負荷が増大して電流密度
が高くなりカソードガスの流量が飛躍的に増大した場合
にもセル面内の温度分布の不均一性を是正し、温度低下
による燃料電池性能低下の防止をする燃料電池冷却構造
の提供にある。

【０００７】

【課題を解決するための手段】前記の目的を達成するた
めに、セル内に設けられたカソードガス流路を間隙を有
するカソード集電板を含むカソード電極に直接接するこ
とが可能な第１流路と、バリヤによってカソード電極か
ら遠い側に形成される第２流路とに分割し、該第２流路
の入口側始点から一部の路長に亘ってカソード電極と第
２流路との間の熱伝達率を低下させる手段を設ける。

【０００８】前記熱伝達率低下手段としては、前記第２
流路の断面積を第１流路のそれより大きく採り、ガス流
れの進行と共に第１流路の第２流路に対する断面積比を
拡大しながら前記第２流路のカソード電極に近い一部の
空間に閉塞された部屋を設ける。さらに効果を高揚する
ためには該閉塞空間を真空にする。この場合、前記熱伝
達率低下手段を設ける範囲外では、第１流路と第２流路
の連絡孔を設けてカソードガスの流通を計る。

【０００９】セパレータ内に配された、強度を保持しな
がら前記カソードガスの第１流路と第２流路とを形成す
るための波形部材を備え、第２流路の一部を仕切って前
記閉塞空間を構成する構造のものと、この第２流路部分
に相当する空間全体を前記の閉塞空間部分に当て波形部
材の外側に配されたセパレータ部材の中に開孔を設けて
これを第２流路に当てる構造のものとが採用できる。い
づれの場合にも前記熱伝達率低下手段を設ける範囲外で
は、開孔によって第１流路と第２流路を連絡し、カソー
ドガスの流通を計ってある。

【００１０】前記波形部材のカソード電極との接触側表
面はこれを粗くして前記電極との間の熱伝導抵抗を増大
させる構造を採る。また、セパレータ部材中の開孔第２
流路の内面には断熱性部材を介在させる。

【００１１】

【作用】プロセスガスとしてのカソードガスを冷却媒体
としても利用するプロセスガス冷却方式の燃料電池にあ
っては、特に負荷が増大して電流密度が高くなるとカソ
ードガス流量を飛躍的に増加させる必要が生ずる。この
時カソードガスを燃料電池セル面に一様分布するよう流
動させると、セルのカソードガス入口付近は、電池温度
に比べて低温のカソードガスの冷却効果のために温度が
低くなり、セル内出口に近ずくにつれて冷却効果が薄れ
て温度が高くなる。カソード電極における電気化学反応
に必要なカソードガスをカソード電極に供給しながら冷
却材としてのカソードガスを減らすためには、カソード
電極に直接接することが可能なカソードガス流路の第１
流路とバリヤによってカソード電極から遠い側に形成さ
れた第２流路とを備え、該第２流路の入口側始点から一
部の路長に亘ってカソード電極と前記第２流路との間の
熱伝達率を低下させる手段を設ける必要がある。勿論カ
ソードガス流路の出口に近い領域では、前記第１流路と
第２流路を開孔によって連絡しガスを流通させることに
よって、従来から採用されて来たのと同程度以上の冷却
効果をもたらす必要がある。

【００１２】これを実現する手段として、第１流路の入
口付近のカソードガス流量を反応ガスとして必要な量よ
りは多いが全ガス量の半分以下に絞ってカソード電極の
冷却効果を減じ、第２流路のカソード電極に近い側には
対流による熱拡散を防止するための閉塞空間をカソード
ガス入口側始点から一部の路長に亘って設ける。またこ
の領域では、第１流路、第２流路及び閉塞空間を構成す
る部材を通って、カソード電極から第２流路内のカソー
ドガスへ伝達される熱を極力少なく押える構造を採用す
る。この領域より下流の流路では、前記の閉塞空間は設
けず、第２流路から第１流路およびカソード電極へ向け
た開孔を設けると共に、第１流路断面積を拡大して冷却
効果の増大を図る。この場合、第２流路から隔離された
第１流路のカソードガスは、電気科学反応により酸素と
二酸化炭素とが消費され、体積流量が減少するので流速
が落ち、冷却効果を更に低下させる効果を有している。
また第１流路と第２流路の断面積比をカソードガス流路
の全長に亘って調整することにより熱伝達率の調整を行
うことができる。

【００１３】第１流路と第２流路と閉塞空間とを構成す
る具体的構造としては、波形部材を使い、カソード電極
に対して開放されている側を第１流路、反対側を第２流
路とし、第２流路のカソード電極に近い側に閉塞空間を
設けることが可能である。第２流路の熱的隔離をより徹
底する構造として、上記の第２流路部分全体を閉塞空間
にし、その外側セパレータ部材内部に設けた開孔で第２
流路を構成し、その内面に断熱性材料を介在させる構造
の採用も可能である。

【００１４】カソード電極から構造部材への熱伝導を極
力小さくするための手段としては、その構造部材のカソ
ード電極の接触面積を減らす工夫が必要で、波形部材の
前記接触側の表面を粗いものにすると効果がある。また
閉塞空間も空気を内在させるよりは真空にした方が断熱
効果が大きくなる。

【００１５】

【実施例】本発明による一実施例を図１、２および３に
より説明する。図１および２に示すように電解質板１を
挾んでその外側にそれぞれアノード集電板２とカソード
集電板３を含むアノード電極４とカソード電極５があ
り、これら電極にそれぞれ接してアノードガス流路６と
カソードガス流路７をそれぞれ設けたセパレータ８がそ
の外側にある。参照番号９で図示したセパレータ部材の
外側にはそれぞれカソードガス流路７およびアノードガ
ス流路６が配され、かくて単位燃料電池１０が複数個積
層される構造となっている。これらのアノードガス流路
６およびカソードガス流路７は図３に示すアノードガス
入口マニホールド１１とアノードガス出口マニホールド
１２およびカソードガス入口マニホールド１３とカソー
ドガス出口マニホールド１４にそれぞれアノードガス導
入溝（図示せず）とアノードガス導出溝（図示せず）お
よびカソードガス導入溝１５とカソードガス導出溝１６
を介して連絡し、その先はヘッダーを介してそれぞれア
ノードガス供給管（図示せず）、アノードガス排気管
（図示せず）およびカソードガス供給管（図示せず）、
カソードガス排気管（図示せず）に接続されている。ア
ノードガス流路６とカソードガス流路７とは構造上９０
°位相がづれている。カソードガス流路７をカソード電
極５に直接接することが可能な第１流路１７とバリヤに
よってカソード電極５から遠い側に形成される第２流路
１８とに分け、カソード電極５と第２流路１８との間で
の熱伝達率低下手段の設置範囲Ａ部と、その下流に位置
するＢ部とではカソードガス流路の構造を別のものとし
てある。Ａ部相当の構造が図１であり、Ｂ部相当の構造
が図２である。

【００１６】本実施例においては、強度を保持しながら
カソードガス流路を形成するために波形部材１９を使用
している。図１に示すものでは反応ガスを通すための第
１流路１７とカソード電極５からカソードガスを隔離し
て流すための第２流路１８の断面積は第１流路１７のほ
うがより小さくなっている。図２に示すものでは、図１
の第１流路１７および第２流路１８に繋がる第１流路１
７および第２流路１８は両流路のガスを流通させるため
の開孔２０によって連絡されており、断面積もほぼ等し
くしてある。さらに第２流路１８に存在するガスが直接
カソード電極５に接触できるようにするための開孔２１
も設けられている。

【００１７】通常の運転時のカソード電極５の温度は流
入するカソードガス２２の温度に比べて非常に高い。負
荷が増大して電池内発熱量が飛躍的に増加すると、それ
に応じて冷却媒体としてのカソードガス２２の流量を増
加させる必要がある。しかし流入カソードガス全部を冷
却用に使用すると、セル内入口付近Ａ部の冷却効果が過
大になり、Ｂ部との温度差が大きくなる。この結果入口
部ではカソード電極５の許容温度範囲より低温に、出口
部では許容範囲ぎりぎりの高温になって仕舞い易い。こ
の温度差を小さくして許容範囲に納めるために、Ａ部の
第２流路１８のガスをカソード電極５から隔離して冷却
作用を弱め、しかも第１流路１７の断面積を小さくして
反応用ガスによる冷却効果を下げるようにする。これに
よって電気化学反応で酸素と二酸化炭素が消費されて体
積が減り、その結果流速が減少する効果が加わって温度
低下の低減が可能になる。Ｂ部では従来から実施されて
いるのと同様に第１流路１７と第２流路１８の断面積を
ほぼ同じにして両者間の開孔２０を通してのガスの流通
を行わせる。さらにカソード電極５との接触部開孔２１
を通る第２流路１８からのガスを直接カソード電極５に
接触させるようにして冷却を促進させる。

【００１８】ここでＡ部におけるカソード電極５から第
２流路１８内ガスへの熱伝導削減のために、波形部材１
９のカソード電極５との接触側表面２３を粗くする。し
かしこれだけでは、Ａ部の断熱効果が不充分かも知れな
い。

【００１９】第２の実施例について図４を用いて説明す
る。図３のＡ部の構造を図１より断熱性の優れたものに
するもので、Ｂ部には図２の構造を採用する。図１の第
２流路１８の中のカソード電極５に近い部分に閉塞空間
２４を設ける。その他は図１と同一構造である。この閉
塞空間は勿論図３のＡ部の入口端と下流端の境界部２
５、２６において端蓋を以って他の空間から遮断され
る。

【００２０】この閉塞空間を設けることによって、波形
部材１９のカソード電極５との接触部分を貫通する、直
接第２流路１８内ガスへの熱伝達は殆んどなくなる。こ
の貫通熱伝達を完全に遮断するためには、閉塞空間内を
真空に保つことが必要になる。また第２の実施例の構造
でも波形部材１９を通る熱伝導によって、第２流路１８
内ガスへの熱伝達は行われる。この場合にも第１の実施
例同様波形部材１９のカソード電極５との接触側表面２
３を粗くすることは効果がある。この構造では、第１流
路１７と第２流路１８の断面積比をカソードガス流路全
長に亘って調整することにより熱伝達率の調整を行うこ
とができる。しかしこの構造ではＡ部の断熱効果が不充
分かも知れない。

【００２１】第３の実施例について図５を用いて説明す
る。この場合、図３のＡ部の流路構成を図１に対して変
形してある。すなわち、図１の第２流路１８の部分を閉
塞空間２４として使用し、図１のセパレータ部材９の部
分に開孔を設けて第２流路１８を構成する。第２流路１
８の内面には例えばガラスウール等の断熱性部材２７を
介在させる。図６は、Ｂ部のカソードガス流路７の構造
を示す。カソードガス２２が左から右へ流れる方向、す
なわち、図１、図２、図４、図５とは９０°位相のずれ
た位置で示してある。Ａ部の第２流路に直接連絡するＢ
部の第２流路１８には断熱性部材を介在させない。この
第２流路１８からは、Ａ部の閉塞空間に直接連結する部
分と第１流路に対して連絡する小孔２８が設けられてい
る。第２流路１８の出口端は端蓋で直接のガス排出が止
められている。直接Ａ部の閉塞空間に連結するＢ部の部
分からは、ガス流通用開孔２０を通して第１流路へ、カ
ソード電極へのガス流通用開孔２１を通してカソード電
極５へもカソードガスが流通する。

【００２２】第２流路１８をセパレータ部材９の中に設
け、内面に断熱性部材２７を配することにより、波形部
材１９を通り第２流路内ガスへ伝えられる熱の伝達抵抗
は第２の実施例に比べても更に大きくなり、全体的な熱
伝達率はますます低下する。さらに閉塞空間２４を真空
にし、波形部材の電極接触側表面２３を粗くすると効果
が累積される。Ｂ部に対応する図６の構造部では、Ａ部
の第２流路１８を通った比較的低温のカソードガス２２
が、ガス流通用小孔２８を通ってカソード電極５で暖め
られた第１流路のカソードガスと混合する。これにより
第１流路のガスが冷却されることになる。この結果は、
図２に示す従来からのＢ部構造、すなわち第１および第
２の実施例におけるＢ部構造よりも冷却効果が大きくな
り、Ｂ部の温度上昇が抑制されることが判明した。図７
に従来の構造の場合と第２の実施例の場合との比較デー
タを示す。本実施例の場合には電池温度のカソードガス
流路に沿った位置に対する最高と最低の温度差が可成り
低減されたことがわかる。この温度差改善の結果、セル
平均温度を上昇させることが可能になり、１mＶ／degの
割合でセル電圧を向上することができた。また電池最高
温度を低く押えることができるので、寿命、信頼性も向
上する。アノードガス流路に対しても上記カソードガス
流路に対するのと同様の構造を採用すればセル内温度分
布の均一化に寄与するが、その効果はカソードガス冷却
方式を採用する以上、それ程大きくはならない。

【００２３】

【発明の効果】本発明によれば、カソード電極に直接接
することが可能なカソードガスの第１流路と、バリヤに
よってカソード電極から遠い側に形成されるカソードガ
スの第２流路とを備え、この第２流路の入口側始点から
一部の路長に亘って第２流路のカソードガスとの間の熱
伝達率を低下させる手段を設けることによって、カソー
ドガス入口付近セルの過冷却状態を排除することができ
る。その結果、電池セル内の温度分布均一化への改善が
なされ、セル平均温度を上げてセル電圧の向上を図るこ
とが可能になる。また局部的最高温度を低くして寿命、
信頼性の向上を図ることも可能になる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明を適用した第１の実施例のカソード電極
から第２流路への熱伝達率低下手段実施範囲の燃料電池
構造説明図である。

【図２】本発明を適用した第１、第２の実施例のカソー
ド電極から第２流路への熱伝達率低下手段実施範囲より
下流の範囲の燃料電池構造説明図である。

【図３】本発明を適用した燃料電池をカソードガス流路
面で断面をした構造説明図である。

【図４】本発明を適用した第２の実施例のカソード電極
から第２流路への熱伝達率低下手段実施範囲の燃料電池
構造説明図である。

【図５】本発明を適用した第３の実施例のカソード電極
から第２流路への熱伝達率低下手段実施範囲の燃料電池
構造説明図である。

【図６】本発明を適用した第３の実施例のカソード電極
から第２流路への熱伝達率低下手段実施範囲より下流の
範囲の燃料電池構造説明図である。

【図７】従来の構造と本発明を適用した第２の実施例の
構造とによるカソードガスと電池の温度のプロファイル
を比較した図である。

【符号の説明】

１電解質板４アノード電極５カソード電極６アノードガス流路７カソードガス流路８セパレータ９セパレータ部材１０単位燃料電池１７第１流路１８第２流路１９波形部材２０ガス流通用開孔２１アノード電極へのガス流通用開孔２３波形部材の電極接触側表面２４閉塞空間２７断熱性部材２８ガス流通用小孔

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】電解質板を挾んでアノード電極とカソー
ド電極を配し、該各電極に接するアノードガス流路とカ
ソードガス流路とをそれぞれ設けたセパレータを外側に
配し、該各流路にアノードガスとカソードガスの供給管
と排気管とを連通してなる単位燃料電池を有する燃料電
池において、前記カソードガス流路をカソード電極に直
接接することが可能な第１流路と、バリヤによってカソ
ード電極から遠い側に形成される第２流路とに分け、該
第２流路の入口側始点から一部の路長に亘って前記カソ
ード電極と前記第２流路との間の熱伝達率を低下させる
手段を設けたことを特徴とする燃料電池。
【請求項２】請求項１において、前記平均熱伝達率低
下手段を設ける範囲内だけは前記第１流路と前記第２流
路の間のカソードガス流通開孔を設けず、前記範囲外で
は該流通開孔を設け、前記第２流路入口点での流路断面
積を前記第１流路断面積より大きく採り、かつガス流れ
の進行と共に該断面積比率を変化させることを特徴とす
る燃料電池。
【請求項３】請求項２において、前記熱伝達率低下手
段を設ける範囲内だけは、前記第２流路の前記カソード
電極に近い一部空間に、さらに閉塞された部屋を設ける
ことを特徴とする燃料電池。
【請求項４】請求項１において、前記第１流路と第２
流路とを波形部材を配して形成し、前記熱伝達率低下手
段を設ける範囲内だけは前記第１流路と前記第２流路間
のカソードガス流通開孔を設けずに前記第２流路の前記
カソード電極に近い一部の空間に閉塞された部屋を設け
ることを特徴とする燃料電池。
【請求項５】請求項１において、前記第１流路を波形
部材を配して形成し、前記第２流路を該波形部材の外側
に位置するセパレータ部材内に開孔を設けて配し、前記
熱伝達率低下手段を設ける範囲だけは前記波形部材によ
り形成された前記カソード電極から遠い側の空間を閉塞
し、前記範囲外のカソードガス流路では前記第１流路と
前記波形部材により形成された前記カソード電極から遠
い側の空間と前記第２流路とを開孔を設けて連通し、カ
ソードガスの流通を可能にすることを特徴とする燃料電
池。
【請求項６】請求項５において、前記熱伝達率低下手
段を設ける範囲だけには、前記第２流路の内面に断熱性
部材を介在させることを特徴とする燃料電池。
【請求項７】請求項４、５および６において、前記波
形部材の前記カソード電極との接触側表面を粗くして該
電極との間の熱伝導抵抗を増大させることを特徴とする
燃料電池。
【請求項８】請求項３、４、５、６および７におい
て、前記カソード電極と前記第２流路との間に設けられ
た閉塞空間を真空にすることを特徴とする燃料電池。