JPH0746612B2 - 燃料電池の冷却装置 - Google Patents

燃料電池の冷却装置

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JPH0746612B2
JPH0746612B2 JP61110994A JP11099486A JPH0746612B2 JP H0746612 B2 JPH0746612 B2 JP H0746612B2 JP 61110994 A JP61110994 A JP 61110994A JP 11099486 A JP11099486 A JP 11099486A JP H0746612 B2 JPH0746612 B2 JP H0746612B2
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cooling
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    • H01M8/04Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04007Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids related to heat exchange
    • H01M8/04067Heat exchange or temperature measuring elements, thermal insulation, e.g. heat pipes, heat pumps, fins
    • H01M8/04074Heat exchange unit structures specially adapted for fuel cell
    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
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Description

【発明の詳細な説明】 [発明の目的] (産業上の利用分野) 本発明は、燃料電池に関するもので、特に、電池表面の
温度分布の不均一を解消できるように改良を施した燃料
電池の冷却装置に係る。
(従来の技術) 従来、燃料の有している化学的エネルギーを直接電気的
エネルギーに変換する装置として燃料電池が知られてい
る。この燃料電池は通常、電解質を保持したマトリック
スを挟んで一対の多孔質電極を配置するとともに、一方
の電極背面に水素等の燃料ガスを接触させ、また他方の
電極の背面に酸素等の酸化剤ガスを接触させ、このとき
起こる電気化学的反応を利用して上記電極間から電気エ
ネルギーを出力する単位セルを、複数個積層して構成す
るようにしたものであり、上記燃料ガスと酸化剤ガスが
供給されている限り高い変換効率で電気エネルギーを取
り出すことができるものである。
第6図は、従来の単位セルの構成を示す斜視図である。
即ち、電解質を含浸したマトリックス1に接する面に触
媒が塗布され、多孔質体によって形成されたアノード電
極2と、同様に前記マトリックス1に接する面に触媒が
塗布され、多孔質体によって形成されたカソード電極3
とが、前記マトリックス1を挟んで対向する位置に配置
されて、単位セルが構成されている。
また、アノード電極2及びカソード電極3には、それぞ
れマトリックス1の反対側に燃料ガス流通路4及び酸化
剤ガス流通路5が、互いに直交する方向に形成されてい
る。一般にリン酸型燃料電池においては、燃料ガスは水
素であり、酸化剤ガスは空気中の酸素である。
また、一般に、燃料電池は単位セルより得られる電圧が
1V以下と低いため、第7図に示した様に400〜500枚の単
位セル6を耐熱性及び耐リン酸性のセパレータープレー
ト7を介して積層し高電圧を得るようにしている。
ところで、上記の様な電気化学反応は、発熱反応である
ため、単位セル6を多数積層した場合、その温度上昇は
著しいものとなる。そのため、単位セル6を積層する場
合、数枚の単位セル毎に冷却板8を挿入し、電気化学反
応によって生じる熱を外部に取り出すように構成して、
温度上昇を防止できるように構成されている。
第8図に、従来から用いられている冷却板8の構成を示
した。即ち、冷却板8は、通常圧縮成型グラファイト樹
脂等から構成され、内部に絶縁処理を施した直径3mm程
度の冷却管9が等間隔で複数本埋め込まれている。ま
た、前記冷却管9内に送り込まれる冷媒としては通常水
が使用され、冷媒供給管10よりで導入され、冷媒排出管
11より排出される。
ところが、アノード電極2に形成されている燃料ガス流
通路4及びカソード電極3に形成されている酸化剤ガス
流通路5において、燃料ガス及び酸化剤ガスは前記流通
路4,5を通過中に電気化学反応を起こすことにより連続
的に消費されるので、各流通路の入口付近における反応
ガスの分圧が高くなり、出口付近における分圧は小さく
なる。
この結果、燃料ガス及び酸化剤ガスによって起こる電気
化学反応は、反応ガスの分圧の高い、各流通路4,5の入
口付近で起こりやすく、セル平面の電流密度分布も各流
通路の入口付近に集中する傾向にある。そのため、単位
セルの平面温度も各流通路の入口付近が高くなり、出口
付近が低くなるといった傾向がある。
第9図に、出願人らがセル平面温度分布を測定した結果
を示した。即ち、通常の運転条件(運転温度205℃,酸
素利用率60%,水素利用率80%)において、酸素流通路
に沿った温度分布の方が、燃料流通路に沿った温度分布
より傾斜が大きく、酸素流通路の入口付近と出口付近の
温度差が10〜15℃と大きいことがわかる。
この様に、燃料電池を構成する単位セルにおける局部的
な温度上昇は、燃料電池を構成する電極、マトリックス
等の寿命に大きな影響を及ぼすだけでなく、燃料電池内
部における電気化学反応が不均一になり、燃料電池の性
能が大幅に低下するという欠点があった。
(発明が解決しようとする問題点) 上記の様に、従来の燃料電池の冷却装置においては、単
位セル平面を画一的に冷却していたので、電極表面の温
度が均一なものとならず、電池を構成している電極、マ
トリックス等の寿命に影響を及ぼし、また、電池内にお
ける反応が不均一なものとなり、燃料電池の性能が大幅
に低下していた。
そこで、本発明は以上の欠点を除去するもので、酸化剤
ガス流通路の出口付近の冷却板の冷却能力を、入口部分
の冷却板の冷却能力より低下させて、電池表面の温度分
布を均一化し、電池の長寿命化および電池性能の大幅な
向上を実現した燃料電池の冷却装置を提供することにあ
る。
[発明の構成] (問題点を解決するための手段) 本発明の燃料電池の冷却装置は、冷却板に内蔵される冷
却管に、放熱量変更手段あるいは冷媒流量変更手段を設
けることにより、酸化剤ガス流通路の入口付近の冷却能
力を大きくしたものである。具体的には、酸化剤ガス流
通路の入口付近に配設される冷却管に冷却フィンを形成
したり、酸化剤ガス流通路の出口付近に配設される冷却
管に、冷媒流量を制限するオリフィスを配設したり、周
囲に熱伝導率又は厚さの異なる絶縁被膜を形成すること
により、酸化剤ガス流通路の入口付近の冷却能力を大き
くしたものである。
(作用) 本発明の燃料電池の冷却装置によれば、冷却板に内蔵さ
れる冷却管に、放熱量変更手段あるいは冷媒流量変更手
段を設けることにより、酸化剤ガス流通路の入口付近の
冷却能力を大きくして、単位セルにおける局部的な温度
上昇を防止し、電池表面の温度分布を均一化し、燃料電
池を構成する電極、マトリックス等の寿命を長時間維持
できるようにすることができる。
(実施例) 以下、本発明の一実施例を第1図乃至第5図に基づいて
具体的に説明する。なお、第6図乃至第9図に示した従
来型と同一の部材は同一の符号を付して説明は省略す
る。
第1実施例 *実施例の構成* 本実施例において、第1図に示した様に、積層された単
位セル内に適宜配設される冷却板8内に、絶縁処理を施
した冷却管20が等間隔に複数本配設されている。前記冷
却管20のうち、酸化剤ガス流通路の入口付近に配設され
る冷却管20aには、その周囲に冷却フィン21が設けら
れ、一方、酸化剤ガス流通路の出口付近に配設される冷
却管20bは、従来と同様の冷却管から構成されている。
*実施例の作用* この様な構成を有する本実施例の燃料電池の冷却装置に
おいては、酸化剤ガス流通路の入口付近に配設される冷
却管20aに、冷却フィン21を形成したため、酸化剤ガス
流通路の入口付近の冷却板8の単位面積あたりの冷却管
表面積が増大する。この結果、酸化剤ガス流通路の入口
付近の冷却効率が大幅に向上し、この部分に生じていた
局部的な温度上昇を抑制することができ、電極表面の温
度を均一に保つことができる。
*他の実施例* なお、本発明は上記の実施例に限定されるものではな
く、冷却板8内に配設される冷却管のうち、酸化剤ガス
流通路の入口付近に配設される冷却管を、第2図に示し
た様に断面形状が波型をした冷却管22から構成しても良
い。この場合も、酸化剤ガス流通路付近に配設される冷
却管の表面積が増大するので、冷却効果が著しく向上で
き、電池表面の温度を均一に保つことができる。
第2実施例 *実施例の構成* 本実施例において、第3図に示した様に、冷却板8内に
配設される冷却管30のうち、酸化剤ガス流通路の出口付
近に配設される冷却管30bには、冷媒供給管10との各接
続部に、冷却管内に送り込まれる冷媒流量を制限するオ
リフィス31が複数個配設されている。
*実施例の作用* この様な構成を有する本実施例の燃料電池の冷却装置に
おいては、冷媒供給管10より冷却管30内に送り込まれる
冷媒流量が、オリフィス31を配設した部分において制限
されるため、酸化剤ガス流通路の入口付近に配設されて
いる冷却管30a内を通る冷媒流量が相対的に増加する。
その結果、酸化剤ガス流通路の入口付近の冷却板8の単
位面積あたりの冷却効率が向上し、この部分に生じてい
た局部的な温度上昇を抑制することができ、電極表面の
温度を均一に保つことができる。
*他の実施例* なお、本発明は上述の実施例に限定されるものではな
く、冷媒供給管10の中央部にオリフィス32を一つだけ設
けて、酸化剤ガス流通路の出口付近に配設される冷却管
30b内に送り込まれる冷媒流量を一括して制限してもよ
い。
また、前記オリフィスのサイズ、配設個数および取付け
位置は、電極表面の温度分布が均一なものとなるもので
あれば、上記実施例に限定されない。
第3実施例 *実施例の構成* 本実施例において、第5図に示した様に、冷却板8の内
部に配設される冷却管40の周囲に、絶縁材料よりなる絶
縁被膜41が形成されている。そして、酸化剤ガス流通路
の出口付近に配設される冷却管40bの周囲に形成される
絶縁被膜41bが、酸化剤ガス流通路の入口付近に配設さ
れる冷却管40aの周囲に形成される絶縁被膜41aより厚く
なるように構成されている。
*実施例の作用* この様な構成を有する本実施例の燃料電池の冷却装置に
おいては、冷却管40の周囲に絶縁被膜41を配設したこと
により、絶縁被膜41の内外壁の温度差が大きなものとな
る。ここで、酸化剤ガス流通路の出口付近に配設される
冷却管40bの周囲に形成される絶縁被膜の厚さを、酸化
剤ガス流通路の入口付近に配設される冷却管40aの周囲
に形成される絶縁被膜の厚さより厚くしたので、出口付
近の冷却管40b周囲の熱抵抗が増加し、酸化剤ガス流通
路の出口付近における冷却板8の冷却能率が低下する。
その結果、酸化剤ガス流通路の入口付近の冷却板8の単
位面積あたりの冷却効率が相対的に向上し、この部分に
生じていた局部的な温度上昇を抑制することができ、電
極表面の温度を均一に保つことができる。
なお、冷却管の周囲に絶縁被膜を形成したので、冷却板
全体としては、従来に比べ冷却能力は低下してしまう。
そこで、冷却管内に送り込まれる冷媒の温度を下げた
り、冷媒の循環流量を増加させて、電池温度を適性なも
のとする。
*他の実施例* なお、本発明は上述の実施例に限定されるものではな
く、酸化剤ガス流通路の出口付近に配設される冷却管40
bの周囲に形成される絶縁被膜41bを、熱伝導率の小さい
材料から形成することにより、酸化剤ガス流通路の出口
付近の冷却能力を低下させてもよい。
[発明の効果] 以上述べた様に、本発明によれば、酸化剤ガス流通路の
入口付近に配設される冷却管に冷却フィンを形成した
り、酸化剤ガス流通路の出口付近に配設される冷却管
に、冷媒流量を制限するオリフィスを配設したり、周囲
に熱伝導率又は厚さの異なる絶縁被膜を形成するといっ
た簡単な手段で、酸化剤ガス流通路の出口付近の冷却板
の冷却能力を、入口部分の冷却板の冷却能力より低下さ
せて、電池表面の温度分布を均一化し、電池の長寿命化
および電池性能の大幅な向上を実現した燃料電池の冷却
装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
第1図は本発明の燃料電池の冷却装置の第1実施例を示
す断面図、第2図は第1実施例の他の実施例を示す断面
図、第3図は本発明の第2実施例を示す平面図、第4図
は第2実施例の他の実施例を示す平面図、第5図は本発
明の第3実施例を示す断面図、第6図は単位セルの構成
を示す斜視図、第7図は燃料電池の構成を示す斜視図、
第8図は従来の冷却板を示す平面図、第9図は電池表面
の温度分布を示す図である。 1……マトリックス、2……アノード電極、3……カソ
ード電極、4……燃料ガス流通路、5……酸化剤ガス流
通路、6……単位セル、7……セパレータープレート、
8……冷却板、9……冷却管、10……冷媒供給管、11…
…冷媒排出管、20a,20b……冷却管、21……冷却フィ
ン、22……冷却管、30……冷却管、31,32……オリフィ
ス、40……冷却管、41……絶縁被膜。

Claims (7)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】燃料ガス流通路および酸化剤ガス流通路を
    有する一対のガス拡散電極間に、電解質を保持するマト
    リックスを配してなる単位セルを、複数個積層して電池
    本体を形成し、 前記電池本体の側面に、前記ガス拡散電極へ燃料ガスお
    よび酸化剤ガスをそれぞれ供給又は排出するマニホール
    ドを配置し、前記単位セルの間に、冷媒を導入する複数
    の冷却管を内蔵した冷却板を挿入して構成される燃料電
    池において、 前記冷却板に内蔵される冷却管に、放熱量変更手段を設
    けたことを特徴とする燃料電池の冷却装置。
  2. 【請求項2】前記冷却板に内蔵される冷却管に設けられ
    た放熱量変更手段が、酸化剤ガス流通路の入口付近に配
    設される冷却管に、冷却フィンを形成したものである特
    許請求の範囲第1項記載の燃料電池の冷却装置。
  3. 【請求項3】前記冷却板に内蔵される冷却管に設けられ
    た放熱量変更手段が、酸化剤ガス流通路の入口付近に配
    設される冷却管の断面形状を波型としたものである特許
    請求の範囲第1項記載の燃料電池の冷却装置。
  4. 【請求項4】前記冷却板に内蔵される冷却管に設けられ
    た放熱量変更手段が、酸化剤ガス流通路の出口付近に配
    設される冷却管の周囲に絶縁被膜を形成し、この絶縁被
    膜の厚さが、酸化剤ガス流通路の入口付近の冷却管に形
    成される絶縁被膜の厚さより厚くなるように構成したも
    のである特許請求の範囲第1項記載の燃料電池の冷却装
    置。
  5. 【請求項5】前記冷却板に内蔵される冷却管に設けられ
    た放熱量変更手段が、酸化剤ガス流通路の出口付近に配
    設される冷却管の周囲に絶縁被膜を形成し、この絶縁被
    膜の熱伝導率が、酸化剤ガス流通路の入口付近の冷却管
    に形成される絶縁被膜の熱伝導率より小さくなるように
    構成したものである特許請求の範囲第1項記載の燃料電
    池の冷却装置。
  6. 【請求項6】燃料ガス流通路および酸化剤ガス流通路を
    有する一対のガス拡散電極間に、電解質を保持するマト
    リックスを配してなる単位セルを、複数個積層して電池
    本体を形成し、 前記電池本体の側面に、前記ガス拡散電極へ燃料ガスお
    よび酸化剤ガスをそれぞれ供給又は排出するマニホール
    ドを配置し、前記単位セルの間に、冷媒を導入する複数
    の冷却管を内蔵した冷却板を挿入して構成される燃料電
    池において、 前記冷却板に内蔵される冷却管に、冷媒流量変更手段を
    設けたことを特徴とする燃料電池の冷却装置。
  7. 【請求項7】前記冷却板に内蔵される冷却管に設けられ
    た冷媒流量変更手段が、酸化剤ガス流通路の出口付近に
    配設される冷却管に、冷媒流量を制限するためのオリフ
    ィスを配設したものである特許請求の範囲第6項記載の
    燃料電池の冷却装置。
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JPS62268062A JPS62268062A (ja) 1987-11-20
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JPS6273568A (ja) * 1985-09-26 1987-04-04 Toshiba Corp 燃料電池

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