JPH10302826A

JPH10302826A - 燃料電池

Info

Publication number: JPH10302826A
Application number: JP9112629A
Authority: JP
Inventors: Kentaro Matsunaga; 健太郎松永; Taiji Kogami; 泰司小上; Hiroshi Chisawa; 洋知沢
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1997-04-30
Filing date: 1997-04-30
Publication date: 1998-11-13

Abstract

(57)【要約】【課題】電池本体の冷却を簡易な構造で効率よく行う
ことができ、長期の運転時間にわたって良好な発電性能
を維持できる燃料電池を提供する。【解決手段】電池スタック３を４枚の単位電池１及び
２枚の冷却板５によって構成し、その周囲にガス流入排
出用のマニホールド９を設ける。改質器７を調節弁１
０、熱交換器８1 ，８2 を介して、電池スタック３の上
下にある冷却板５へ接続する。冷却板５のガス排出側に
熱交換器８3 及び循環システム１２を接続する。熱交換
器８3 のガス排出側をマニホールド９に接続する。循環
システム１２をポンプ１３及び熱交換器８4 にて構成
し、熱交換器８4 のガス排出側を冷却板５のガス流入側
に接続する。温度センサー６、調整弁１０、ポンプ１３
及び熱交換器８2 ，８4 の冷却水量を、フィードバック
系１１によって制御可能に設ける。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、単位電池を複数積
層した電池スタックの冷却を、冷却媒体との熱交換によ
り行う燃料電池に係り、特に、冷却媒体として燃料ガス
を用いた燃料電池に関する。

【０００２】

【従来の技術】燃料電池は、天然ガスなどの燃料を改質
して得られる水素と、空気中の酸素とを電気化学的に反
応させることにより、燃料のもつ化学エネルギーを直接
電気エネルギーに変換する装置である。この燃料電池
は、火力発電や水力発電のような熱エネルギーや運動エ
ネルギーの過程を経ない直接発電なので、小規模でも発
電効率が高い。また、燃料電池を用いた発電プラント
は、発電に伴って発生する熱が給湯や冷暖房として利用
しやすく、発電の熱効率が４０〜５０％にも達するた
め、火力発電などと比較しても極めて高効率である。さ
らに、燃料電池は、負荷変動に対する応答性が良いこと
の他に、公害要因であるＳＯX やＮＯX の排出量が極め
て少なく、燃焼サイクルを含まないので大量の冷却水を
要せず、振動音が小さいために、環境調和上非常に優れ
ているという長所を併せ持っている。このため、近年で
は、その実用化に向けての研究、開発が進められてい
る。

【０００３】このような燃料電池のうち、電解質にリン
酸を用いたリン酸型燃料電池の一例を、図１２を参照し
て以下に説明する。なお、図１２は、燃料電池スタック
の一部分解斜視図である。すなわち、マトリックス層に
電解質であるリン酸を保持した電解質層１ｃが、燃料極
１ａ及び酸化剤極１ｂによって挟持されることにより、
単位電池１が構成されている。燃料極１ａ及び酸化剤極
１ｂは、ガス透過性の電極基材（多孔質炭素板）の一方
の面に、電極触媒層を形成したものであり、電解質層１
ｃはこの電極触媒層の間に挟持されている。かかる単位
電池１における燃料極１ａに燃料ガス（水素と二酸化炭
素の混合ガス）を供給し、酸化剤極１ｂに酸化剤ガス
（空気）を供給すると、電気化学的反応により起電力が
得られる。各電極での反応は、それぞれ次の式１及び式
２の通りである。

【０００４】

【数１】酸化剤極：１／２Ｏ₂＋２Ｈ⁺＋２ｅ^-→Ｈ₂Ｏ …式１

【数２】燃料極：Ｈ₂→２Ｈ⁺＋２ｅ^- …式２ここで、通常のリン酸型燃料電池においては、１枚の単
位電池１当たりの出力電圧は０．７Ｖ前後と低い。この
ため、実際のプラントでは、必要とされる出力を得るた
めに、両極へ供給する反応ガスの混合を防ぐガス不透過
性のセパレータ２を介して、単位電池１を直列に積層す
ることにより、電池スタック３が構成されている。そし
て、かかる積層体である電池スタック３は、締付板Ｐに
よって上下から締付固定されている。

【０００５】ところで、リン酸型燃料電池の動作温度と
しては２００℃前後が望ましいが、上記の式１及び式２
で示した反応は発熱を伴う。この反応による発熱で電池
温度が過剰に上昇すると、電解質であるリン酸の蒸発や
構成材料の腐食などを引き起こし、電池の性能を劣化さ
せる原因となる。このため、通常のリン酸型燃料電池に
おいては、電池スタック３をいくつかのサブスタック４
と呼ばれる構成単位に分け、これらのサブスタック４間
に冷却板５を挿入し、外部から冷却媒体を通じて熱交換
することにより、電池スタック３全体を発電に適当な温
度に保っている。このような冷却方式としては、水冷方
式や空冷方式があるが、リン酸型燃料電池では運転温度
が比較的低温であるため、水冷方式が用いられることが
多い。また、水冷方式では冷却効率が良く、排熱の利用
が比較的容易であるという利点がある。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】ところで、上記のよう
に構成された水冷方式の燃料電池を長時間運転すると、
冷却板５の中に、水を流通させる冷却管から水が漏れ出
す場合がある。これは、電池の電解質であるリン酸が、
冷却板５の単位電池１に接する表面や冷却板５の側面か
ら冷却板５の内部に浸透し、冷却管を腐食させることが
原因である。この冷却管の材質としては、一般に、カー
ボンなどに比べて強度に富み熱伝導率に優れ、機械的な
加工も容易な金属材料が用いられるが、リン酸型燃料電
池の構成材料としては、その重さや耐リン酸性が問題と
なる。

【０００７】このような現象を防ぐために、冷却板５と
単位電池１とが接する面及び冷却板５の側面に、リン酸
浸透を防止するための様々な対策が施すことが行われて
いる。しかし、燃料電池の運転条件下で、浸透防止効果
を長期間保つのは難しく、燃料電池の長期連続運転を行
うにあたっての改良を要する点となっている。

【０００８】さらに、水冷方式の冷却板５では、冷却器
毎の電気的絶縁や、循環させる冷却水の純度の管理が必
要とされるなど、システムの複雑化を招くという問題が
ある。これに対処するため、空冷方式の冷却板５を用い
ることも考えられる。かかる空冷式によれば、冷却板５
自体の構造が簡略化され、冷却器の耐リン酸性の問題は
緩和されるが、冷却媒体である空気や水素の循環システ
ムが大型化する上に、排熱の利用が難しくなる。

【０００９】本発明は、以上のような従来技術の問題点
を解決するために提案されたものであり、その目的は、
電池本体の冷却を簡易な構造で効率よく行うことがで
き、長期の運転時間にわたって良好な発電性能を維持で
きる燃料電池を提供することにある。

【００１０】

【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
めに、本発明は、燃料極及び酸化剤極によって電解質層
を挟持した単位電池とガス不透過性のセパレータとを交
互に複数枚積層することにより構成された電池スタック
と、各単位電池における燃料極及び酸化剤極に対してそ
れぞれ燃料ガス及び酸化剤ガスを供給又は排出するマニ
ホールドと、前記電池スタックに供給する燃料ガスの温
度を調整する熱交換器とを有する燃料電池において、以
下のような技術的特徴を有する。

【００１１】すなわち、請求項１記載の発明は、内部に
燃料ガスを流通させて冷却を行う冷却板が、前記電池ス
タックに挿入され、前記熱交換器からの燃料ガスを前記
冷却板に供給した後、各単位電池の燃料極に供給する燃
料供給経路を備えたことを特徴とする。以上のような請
求項１記載の発明では、燃料ガスを冷却板に供給して電
池スタックの冷却に用いた後に、各単位電池の燃料極に
供給して発電を行うので、水冷方式の場合の冷却管の腐
食による水漏れなどの問題を排して寿命特性を向上さ
せ、簡易な構造で効率のよい冷却及び発電を行うことが
できる。

【００１２】請求項２記載の発明は、請求項１記載の燃
料電池において、前記冷却板が金属製であり、前記冷却
板における単位電池と接する部分の表面に金メッキ処理
が施され、若しくは前記冷却板とこれに隣接する単位電
池との間に金箔が挟まれ、前記冷却板の側面に金メッキ
処理が施され、若しくは前記冷却板の側面にフッ素樹脂
被膜が形成されていることを特徴とする。以上のような
請求項２記載の発明では、冷却板の材質が金属であるた
めに、優れた熱伝導効率で良好な冷却特性を得ることが
できるとともに、加工が容易となる。また、冷却板の表
面には、金メッキ処理やフッ素樹脂被膜の形成がなされ
ているので、リン酸等の電解質による腐食が防止され
る。

【００１３】請求項３記載の発明は、請求項１記載の燃
料電池において、前記冷却板における燃料ガスが通過す
る部分がカーボン多孔質体で構成され、前記冷却板にお
ける単位電池に接する面及び燃料ガスの入口及び出口以
外の前記冷却板の側面に、ガス不透過性のカーボン層が
設けられていることを特徴とする。以上のような請求項
３記載の発明では、冷却板の冷却媒体が通過する部分、
すなわち熱交換部がカーボン多孔質体であるため、冷却
媒体との接触面積が増加し、簡易な構造で優れた冷却効
率が得られる。また、カーボンは通常の燃料電池の電極
と同種の材料であるため、冷却板をカーボンとすること
により、各部材の熱膨張率が均一化され、運転状態にお
ける内部の歪みの発生が最小限に抑えられる。

【００１４】請求項４記載の発明は、請求項３記載の燃
料電池において、前記冷却板における燃料ガスが通過す
るカーボン多孔質体の空隙の一部に電解質が含浸され、
前記カーボン多孔質体における電解質含浸部分に電解質
を補給する機構が、前記電池スタックに接続されている
ことを特徴とする。以上のような請求項４記載の発明で
は、冷却板内部に電解質が含浸されているので、電池ス
タックへの燃料ガスの供給とともに電解質が供給され、
電池スタック中の電解質の減少が抑制される。また、電
解質補給機構によって冷却板内部へ電解質が補給される
ので、冷却板内部の電解質の減少も防止される。従っ
て、電解質不足による電池スタックの寿命特性低下が防
止される。

【００１５】請求項５記載の発明は、請求項１〜４のい
ずれか１項に記載の燃料電池において、前記冷却板内
に、燃料ガスが通過する複数の流路が設けられ、一部の
流路における単位断面積当たりの流量が、その他の部分
の流路における単位断面積当たりの流量よりも大きくな
るように形成されていることを特徴とする。以上のよう
な請求項５記載の発明では、電池温度の高くなる部分の
冷却媒体の流量を大きくして、他の部分よりも強く冷却
することができるので、単位電池の面内温度分布を均一
化し、局部的な特性の劣化を抑制することができる。

【００１６】請求項６記載の発明は、前記熱交換器から
の燃料ガスを前記電池スタックの複数の単位電池におけ
る一部のグループの燃料極に供給した後、排出した燃料
ガスを残りのグループの単位電池の燃料極に供給する燃
料供給経路を備えたことを特徴とする。以上のような請
求項６記載の発明では、電池スタックを構成する単位電
池を２つのグループに分け、熱交換器によって冷却した
燃料ガスを、一方のグループで熱交換後、他方のグルー
プの単位電池に供給するので、冷却板を用いずに電池ス
タックを発電に適当な温度に保つことができ、小形で寿
命特性が良好となる。

【００１７】請求項７記載の発明は、請求項６記載の燃
料電池において、前記電池スタックの複数の単位電池に
おける一部のグループと残りのグループとの間の燃料供
給経路に、第２の熱交換器が設けられていることを特徴
とする。以上のような請求項７記載の発明では、一方の
グループの単位電池からの燃料ガスを熱交換器によって
冷却後、他方のグループの単位電池に供給するので、燃
料ガスの温度を、電池スタックの発電に適当な温度に正
確に保つことができ、寿命特性が向上する。

【００１８】請求項８記載の発明は、請求項６又は請求
項７記載の燃料電池において、前記電池スタックに対す
る燃料ガスの入口と出口とを、逆に切り替える機構を備
えたことを特徴とする。以上のような請求項８記載の発
明では、先に燃料供給されるグループの単位電池と後に
燃料供給されるグループの単位電池との劣化速度に差異
が生じる場合であっても、入口と出口とを切り替えて、
両グループへの燃料供給順を逆にすることにより、単位
電池間の特性を均一に保つことができる。また、燃料ガ
スの流通方向を正逆入れ替えることにより、単位電池内
で電流密度が集中する部分を変化させることができるの
で、個々の単位電池の反応面における劣化箇所の偏りが
防止できる。

【００１９】請求項９記載の発明は、請求項６〜８のい
ずれか１項に記載の燃料電池において、先に燃料ガスが
供給される単位電池のグループから排出される燃料ガス
中の二酸化酸素の分圧を減少させ、残りの他のグループ
の単位電池に供給する機構を備えたことを特徴とする。
以上のような請求項９記載の発明では、後のグループの
単位電池に供給される燃料ガスは、その二酸化炭素の分
圧が減少しているので、燃料ガスの水素濃度が高くな
り、各単位電池へ供給する燃料ガスの水素利用率を平均
化して、電池スタック全体の特性を向上させることがで
きる。

【００２０】

【発明の実施の形態】本発明の実施の形態を図面を参照
して以下に説明する。なお、図１２で示した従来技術と
同様の部材は同一の符号を付し、説明を省略する。ま
た、電池スタックには上述のように空気と燃料ガスが供
給されるが、以下の系統図においては、説明の都合上燃
料ガスの供給ラインのみを示している。

【００２１】（１）第１の実施の形態請求項１記載の発明に対応する一つの実施の形態を第１
の実施の形態として、図１を参照して以下に説明する。
なお、図１は、本実施の形態のリン酸型燃料電池による
発電システムの模式的な系統図であり、図２は、冷却板
の縦断面の模式図を示す。

【００２２】（構成）まず、本実施の形態の構成を説明
する。すなわち、電池スタック３は、４枚の単位電池１
及びこれらの単位電池１の上下に配設された２枚の冷却
板５によって構成されている。各単位電池１の間には、
ガス不透過性のセパレータ（図示せず）が介在してい
る。セパレータには温度センサー６が埋設され、運転中
の電池スタックの温度が検出可能に設けられている。そ
して、電池スタック３の周囲には、ガス供給用及び排出
用のマニホールド９が配設されている。

【００２３】また、冷却板５は、図２に示すように、二
つのガス不透過性の稠密なカーボン材１４が上下から接
合されることによって構成され、内部にガスが流通可能
な空間を有している。上下のカーボン材１５を接合した
部分には、ＦＥＰフィルム１５が挟まれて溶着されてい
る。冷却板５におけるガスが流通する内部には、その内
部を複数の部屋に仕切る隔壁１６が、緻密なカーボン材
によって構成されるとともに、これらの各部屋に放熱板
１７が多数均等に並設されている。さらに、冷却板５の
周囲は、ＦＥＰフィルム１５′で覆われ、上下がセパレ
ータ２で挟まれて溶着されている。

【００２４】このような燃料電池に対して燃料ガスを供
給するラインは、以下の通りである。すなわち、改質器
７は調節弁１０、熱交換器８₁，８₂を介して、電池ス
タック３の上下にある冷却板５へ接続されている。熱交
換器８1 へは燃料ガスが供給可能に設けられ、熱交換器
８₂には冷却水が循環可能に設けられている。なお、調
節弁１０には、熱交換器８₁及び８₂を介さずに燃料ガ
スを冷却板５へ送るバイパスが接続されている。冷却板
５のガス排出側には、熱交換器８₃が接続され、この熱
交換器８3 のガス排出側は、電池すタック３の燃料ガス
供給側のマニホールド９に接続されている。

【００２５】さらに、冷却板５のガス排出側には、循環
システム１２が接続されている。この循環システム１２
は、ガス流量調整用のポンプ１３及び熱交換器８₄にて
構成されている。熱交換器８₄には、冷却水が循環可能
に設けられるとともに、そのガス排出側が冷却板５のガ
ス流入側に接続されている。そして、温度センサー６、
調整弁１０、ポンプ１３及び熱交換器８₂，８₄の冷却
水量は、フィードバック系１１によって制御される構成
となっている。

【００２６】（作用）以上のような構成を有する本実施
の形態の作用は以下の通りである。すなわち、燃料ガス
は、改質器７から熱交換器８₁，８₂を通って（バイパ
スからの経路の場合もあり、以下の実施の形態において
同様）、電池スタック３の上下にある冷却板５へ供給さ
れる。供給された燃料ガスは、冷却板５において熱交換
を行った後、熱交換器８₃に送られて電池スタック３の
運転温度近くまで熱せられた後、マニホールド９を経て
電池スタック３を構成する単位電池１の燃料極に供給さ
れる。

【００２７】ここで、単位電池１間に介在するセパレー
タ（図示せず）によって、隣接する単位電池１に供給さ
れる空気及び燃料ガスが混合することが防止される。ま
た、冷却板５の周囲はＦＥＰフィルム１５´で覆われ、
上下にセパレータ２が溶着されているので、冷却媒体で
ある燃料ガスが冷却板５の上下方向あるいは側面方向へ
漏れ出し、酸化剤である空気と直接反応することが防止
されるともに、電解質層に含浸されているリン酸の冷却
板５への移動が防止される。さらに、冷却板５の内部の
放熱板１７によって燃料ガスとの接触面積が増え、熱交
換が効率よく行われるとともに、隔壁１６によって冷却
板５の強度が確保される。

【００２８】次に、冷却板５に供給する燃料ガスの温度
の調節について説明する。燃料ガスの原料の改質反応を
十分に進行させるために、改質器７は高温に保たれてい
る。このため、改質器７から供給される燃料ガスは、６
００〜８００℃程度の高温となっている。この燃料ガス
の全部または一部は、調節弁１０から熱交換器８₁及び
熱交換器８₂に送られ、電池スタックの温度以下に冷却
される。

【００２９】熱交換器８₁の冷却媒体には、改質を行う
前の燃料ガスの原料である石油ガスや天然ガス、メタノ
ールなどを用いる。このような熱交換器８₁において必
要な冷却効率が得られない場合には、さらに下流側の熱
交換器８₂において、冷却水を流通させて冷却する。こ
のため、この熱交換器８₂においては、冷却水によっ
て、燃料の改質反応で生じた熱を系外に回収することが
できる。

【００３０】冷却板５に供給される燃料ガスの温度の調
整は、熱交換器８₁及び８₂に送るガスの流量の調節弁
１０による調節、及び熱交換器８₂における冷却水の流
量の調節などにより行う。すなわち、運転中の電池スタ
ック３の温度は、セパレータに埋設された温度センサー
６によって検出される。この情報と、運転中に電池に発
生する熱量、冷却板の熱伝達能、及び燃料ガスの比熱な
どのデータを基に、フィードバック系１１で、電池スタ
ック３の冷却に適当な温度となるように、電池に供給す
る燃料ガスの温度を調整する。

【００３１】さらに、熱交換器８₁，８₂による燃料ガ
スの冷却だけでは電池スタック３を十分に冷却できない
場合には、循環システム１２に余分の燃料ガスを循環さ
せ、冷却板５に流通させる燃料ガスの流量を増加させ
る。循環させる燃料ガスの流量は、ポンプ１３により調
整され、熱交換器８₄において循環ガスを必要な温度ま
で冷却し、系外へ熱を取り出す。

【００３２】（効果）以上のような本実施の形態の効果
は以下の通りである。すなわち、本実施の形態において
は、冷却媒体として、冷却効率の良い水素ガスを含む燃
料ガスを用いるので、冷却媒体に空気などを用いた場合
と比較して、良好な冷却効率が得られる。

【００３３】また、冷却に用いた燃料ガスをそのまま発
電に用いるので、冷却のための水素と発電に用いる燃料
ガスを各々別系統で流す方式と比較して、電池内部にお
いて冷却媒体を巡回させる必要がないため、より単純な
構造の電池を得ることができる。そして、水冷方式にお
ける複雑な冷却循環構造などの不具合の生じる原因とな
るような複雑な機構を持たないため、良好な寿命特性を
得ることができる。

【００３４】（２）第２の実施の形態請求項２記載の発明に対応する一つの実施の形態を第２
の実施の形態として、図３（Ａ），（Ｂ）を参照して以
下に説明する。なお、図３は、本実施の形態における冷
却板の模式的な構造図であり、（Ａ）は側面断面図、
（Ｂ）は平面断面図を示す。

【００３５】（構成）まず、本実施の形態の構成を説明
する。すなわち、冷却板５は、上下の電池に接する面と
燃料ガスの流通方向に平行な側面からなる外枠を備え、
その内部には複数の波状の放熱板１７が並置されてい
る。これらの外枠及び放熱板１７は、ＳＵＳ３０４など
の金属材料で形成されている。そして、放熱板１７は波
型に整形され、上下のエッジの部分が外枠の上下の内壁
に固定されている。また、外枠の上下の電池に接する面
には、金メッキ処理Ｍが施され、側面には、ＰＴＦＥな
どのフッ素樹脂の薄膜１８が形成されている。

【００３６】（作用効果）以上のような本実施の形態の
作用効果は以下の通りである。すなわち、上述のよう
に、金属材料は強度、熱伝導、加工性の点で優れている
が、重さや耐リン酸性に問題がある。本実施の形態にお
いては、金属製の冷却板内部の放熱板１７が波型に整形
され、エッジの部分が冷却板５の内壁に固定されている
ので、簡単な加工で冷却板５の構造的な強度が確保さ
れ、軽量化を実現できるとともに、燃料ガスの流路にお
いて大きな接触面積が得られるため、冷却効率が向上す
る。さらに、金属製の冷却板５の表面には、金メッキや
フッ素樹脂によう表面処理が施されているので、耐リン
酸性が向上し、冷却板５の寿命特性が良好となる。

【００３７】（３）第３の実施の形態請求項３記載の発明に対応する一つの実施の形態を、図
４を参照して以下に説明する。なお、図４は、本実施の
形態における冷却板の模式的な構造を示す概略縦断面図
である。

【００３８】（構成）まず、本実施の形態の構成を説明
する。すなわち、冷却板５の外形は、図４に示すよう
に、図２に示した第１の実施の形態と同様に、カーボン
材１４を上下から接合し、ＦＥＰフィルム１５を挟んで
溶着することにより構成されている。冷却板５における
燃料ガスが流通する内部は、空隙率約７５％のカーボン
多孔質体１９が複数配設されている。そして、各カーボ
ン多孔質体１９の間には、稠密なカーボン材による隔壁
１６が設けられている。さらに、冷却板５の周囲は、Ｆ
ＥＰフィルム１５′で覆われ、上下がセパレータ２で挟
まれて溶着されている。

【００３９】（作用）以上のような本実施の形態の作用
は以下の通りである。すなわち、燃料ガスは、このカー
ボン多孔質体１９の空隙を通過する間に、電池スタック
３との熱交換が行われる。また、ＦＥＰフィルム１５′
とセパレータ２によって、電池に含浸されているリン酸
が冷却板へ吸収されることが防止されるとともに、冷却
媒体として冷却板内部に流通する燃料ガスが、冷却板５
の上下方向あるいは側面方向へ漏れ出して、酸化剤であ
る空気と直接反応することが防止される。そして、冷却
板５の内部の隔壁１６によって、上下方向の締め付けに
耐える強度が保たれる。

【００４０】（効果）以上のような本実施の形態の効果
は以下の通りである。すなわち、冷却板５の熱交換を行
う部分がカーボン多孔質体１９なので、単純な構造で冷
却媒体である燃料ガスとの接触面積を大きくすることが
でき、冷却能力が向上する。

【００４１】また、一般的な電極材料と同種の材料であ
るカーボンを主体として冷却板５を構成しているので、
各部材の熱膨脹率が均一化し、運転条件における内部の
歪みの発生が最小限に抑えられ、運転の安定性と良好な
寿命特性を得ることができる。

【００４２】（４）第４の実施の形態請求項４記載の発明に対応する一つの実施の形態を第４
の実施の形態として、図５を参照して以下に説明する。
なお、図５は、本実施の形態のリン酸型燃料電池による
発電システムの模式的な系統図を示す。

【００４３】（構成）まず、本実施の形態の構成を説明
する。すなわち、本実施の形態の基本構成は、循環シス
テム１２（図１参照）を有しない他は、第１の実施の形
態と同様であり、電池スタック３に熱交換器８₁，
８₂，８₃が接続されている。但し、本実施の形態にお
ける電池スタック３には、冷却板５の端部のリン酸補充
口２１を介してリン酸を補給するリン酸リザーバ２０が
接続されている点に特徴を有する。そして、冷却板５の
内部において、冷却媒体である燃料ガスが流通して熱交
換を行う部分は、第３の実施の形態と同様に、カーボン
多孔質体１９によって構成され、空隙の一部にはリン酸
が含浸されている。

【００４４】（作用）以上のような構成を有する本実施
の形態の作用は、以下の通りである。すなわち、改質器
７から供給される燃料ガスは、第１の実施の形態で述べ
たように、熱交換器８₁，８₂にて適当な温度まで冷却
され、冷却板５から熱交換器８₃を経て電池スタック３
に達する。そして、燃料ガスが冷却板３内において熱交
換を行う際に、カーボン多孔質体１９に含浸されたリン
酸の蒸気をガス中に取り込み、このリン酸蒸気を含んだ
ガスが電池スタック３に燃料として供給される。従っ
て、電池スタック３中のリン酸蒸気の蒸発が抑制され
る。

【００４５】さらに、冷却板５中のカーボン多孔質体１
９に含浸されたリン酸は、運転中に燃料ガスによってリ
ン酸蒸気として徐々に搬出されるため、電池スタック３
の外部のリン酸リザーバ２０から、冷却板５の端部のリ
ン酸補充口２１を通じて、失われた分のリン酸が定期的
に補完される。

【００４６】（効果）以上のような本実施の形態の効果
は以下の通りである。すなわち、燃料ガスとともにリン
酸蒸気が供給され、電池スタック３からのリン酸の減少
が抑制されるので、リン酸補給のための機構を特別にガ
ス流路に組み入れる必要がなく、簡易な構造で高い冷却
性能を実現できる。

【００４７】また、冷却板５へのリン酸の補給が定期的
に行われ、冷却板５から電池スタック３へのリン酸補給
を長期にわたって継続することにより、リン酸不足によ
る電池スタックの劣化が防止でき、電池スタックの寿命
特性を向上させることができる。

【００４８】（５）第５の実施の形態請求項５に発明に対応する一つの実施の形態を、図６及
び図７を参照して以下に説明する。なお、図６は、一般
的なリン酸型燃料電池システムにおける単位電池へのガ
ス供給方向の模式図であり、図７は、本実施の形態にお
ける冷却板の縦断面の模式図である。

【００４９】（構成）まず、本実施の形態の構成を説明
する。すなわち、第３の実施の形態と同様に、図７に示
すように、冷却板５内部の熱交換部分は、隔壁１６によ
って３つに分割され、カーボン多孔質体１９Ａ及び１９
Ｂを有している。但し、カーボン多孔質体１９Ａと１９
Ｂとは、以下のように相違している。つまり、図６に示
すように、電池スタック３を構成する単位電池１に対し
ては、空気は燃料ガスと直交する方向から供給される。
本実施の形態では、多孔質体を２つの部分に分けて、空
気入口に近い部分では気孔率を残りの部分に比べて大き
く設定されている。すなわち、図６に示すように、Ａの
部分では気孔率が約８５％の材料であるカーボン多孔質
体１９Ａが用いられ、Ｂの部分では気孔率が約７０％の
材料であるカーボン多孔質体１９Ｂが用いられている。

【００５０】（作用効果）以上のような構成を有する本
実施の形態の作用効果は以下の通りである。すなわち、
一般に、反応ガス（特に酸素）の濃度が高い部分では反
応が集中し、電流密度が高くなるため、他の部分に比べ
て電池温度が上昇する傾向がある。図６に示した単位電
池１においては、Ａの部分は空気中の酸素利用率が小さ
く、電流密度が高くなる傾向にある部分、すなわち電池
平面内の温度分布において温度上昇が顕著な部分に相当
する。かかる電池温度の過度な上昇は触媒の劣化を招
き、電池の寿命特性にも悪影響を与える。

【００５１】これに対して、本実施の形態においては、
図７に示した冷却板５におけるカー本多孔質体１９Ａの
部分では、カーボン多孔質体１９Ｂの部分に比べて冷却
板５の熱交換部材の気孔率が高く、冷却媒体である燃料
ガスに対する流路抵抗が低い。従って、冷媒流路におけ
る単位断面積当たりの燃料ガスの流量を比較すると、カ
ーボン多孔質体１９Ａではカーボン多孔質体１９Ｂより
燃料ガスの流量が大きい。このため、カーボン多孔質体
１９Ａの部分の冷却能は、カーボン多孔質体１９Ｂの部
分の冷却能に比べて大きくなっている。これにより、電
池平面内における温度分布の偏りが解消され温度分布が
均一化するので、局部的な特性の劣化が押さえられ、電
池スタック３の寿命特性を向上させることができる。

【００５２】（６）第６の実施の形態請求項６及び請求項７記載の発明に対応する一つの実施
の形態を、図８を参照して以下に説明する。なお、図８
は、本実施の形態のリン酸型燃料電池による発電システ
ムの模式的な系統図である。

【００５３】（構成）まず、本実施の形態の構成を説明
する。本実施の形態においては、電池スタック３が７枚
の単位電池１，１´によって構成され、各単位電池１，
１´の間には、第１の実施の形態と同様のガス不透過性
のセパレータ（図示せず）が介在している。かかる電池
スタック３に対して、第１の実施の形態と同様の熱交換
器８₁，８₂，８₃、循環システム１２が接続されてい
るが、熱交換器８₁，８₂及び循環システム１２からの
燃料ガスは、上下の各２枚の単位電池１´の燃料極へ供
給される構成となっている。

【００５４】また、上下の単位電池１´から排出される
燃料ガスは、熱交換器８₃を介して、中央の３枚の単位
電池１へ供給される構成となっている。なお、これらの
燃料ガスの供給排出は、電池スタック３の側面に設けら
れたマニホールド９を介して行われる。

【００５５】（作用）以上のような構成を有する本実施
の形態の作用は、以下の通りである。すなわち、燃料ガ
スは、改質器７から熱交換器８₁，８₂を通って電池ス
タック３の上下各２枚の単位電池１′の燃料極へ供給さ
れる。燃料ガスの温度は、第１の実施の形態と同様に、
温度センサー６で検出した電池スタック３の運転温度
と、運転中に電池で発生する熱量、冷却板５の熱伝達
能、及び燃料ガスの比熱などのデータを基にフィードバ
ック系１１において設定される。

【００５６】そして、熱交換器８₁，８₂の冷却能では
電池スタック３を十分冷却できない場合は、循環システ
ム１２により冷却に用いる燃料ガスの流量を増加させ、
電池スタック３の温度を発電に適当な温度となるように
調節する。電池スタック３の上下各２枚の単位電池１′
において、発電及び電池スタックとの熱交換を行った燃
料ガスは、いったん出口側のマニホールド９へ排出さ
れ、熱交換器８₃に送られて電池スタック３の運転温度
近くまで熱せられた後、残りの３枚の単位電池１の燃料
極に供給され、発電が行われる。

【００５７】（効果）以上のような本実施の形態の効果
は以下の通りである。すなわち、冷却した燃料ガスを、
電池スタック３を構成する単位電池１，１´のうちの上
下の単位電池１´に供給することにより、電池スタック
３全体の冷却を行うので、冷却板５を用いない電池スタ
ック３を構成することができ、電池構造をより小形化
し、冷却機構に関係した不具合を起こりにくくすること
ができる。

【００５８】さらに、冷却される電池には、少なくとも
電池スタック３を構成する電池全体で消費される分の燃
料ガスが供給されるため、熱伝達能の高い水素の流量が
大きく、冷却効率が高くなる。

【００５９】（７）第７の実施の形態請求項６及び７記載の発明に対応する他の一つの実施の
形態を第７の実施の形態として、図９に従って以下に説
明する。なお、図９は、本実施の形態のリン酸型燃料電
池による発電システムの模式図を示す。

【００６０】（構成）まず、本実施の形態の構成を説明
する。すなわち、本実施の形態においては、電池スタッ
ク３が７枚の単位電池１，１´によって構成され、各単
位電池１，１´の間には、第１の実施の形態と同様のガ
ス不透過性のセパレータ（図示せず）が介在している。
かかる電池スタック３に対して、第１の実施の形態と同
様の熱交換器８₁，８₂，８₃、循環システム１２が接
続されているが、熱交換器８₁，８₂からの燃料ガス
は、中央の３枚の単位電池１の燃料極へ供給される構成
となっている。そして、この中央の単位電池１への燃料
ガスの供給経路に温度センサー６´が設けられ、フィー
ドバック系１１に接続されている。

【００６１】また、中央の単位電池１から排出される燃
料ガスは、熱交換器８₃を介して、上下の各２枚の単位
電池１´へ供給される構成となっている。これらの上下
の各２枚の単位電池１´から排出される燃料ガスの一部
は、循環システム１２を介して再び上下の単位電池１´
に供給可能に設けられている。さらに、中央の単位電池
１のセパレータには、温度センサー６が埋設され、フイ
ードバック系１１´に接続されている。そして、循環シ
ステム１２及び熱交換器８3 の冷却水量は、フィードバ
ック系１１によって制御される構成となっている。な
お、電池スタック３への燃料ガスの供給排出は、電池ス
タック３の側面に設けられたマニホールド９を介して行
われる。

【００６２】（作用）以上のような構成を有する本実施
の形態の作用は以下の通りである。すなわち、燃料ガス
は、改質器７から熱交換器８₁，８₂を通って、中央の
３枚の単位電池１の燃料極に供給される。このとき燃料
ガスの温度は、電池スタック３の運転温度の設定値と同
じ温度に調節される。すなわち、温度センサー６′によ
って検出された燃料ガスの温度と電池スタック３の運転
温度の設定値との差が小さくなるように、フィードバッ
ク系１１によって熱交換器８₂の冷却水流量及び調節弁
１０が調節される。

【００６３】３枚の単位電池１から排出された燃料ガス
は、熱交換器８₃へ導かれる。ここで、燃料ガスの温度
は、電池スタック３の冷却に適当な温度となるように調
節される。すなわち、温度センサー６で検出された電池
スタック３の運転温度と、運転中に電池で発生する熱
量、単位電池の熱伝達能、及び燃料ガスの比熱などのデ
ータを基にフィードバック系１１′が熱交換器８₃の冷
却水流量を調節する。

【００６４】冷却された燃料ガスは、上下各２枚の単位
電池１´の燃料極へ供給される。熱交換器８₃の冷却能
で電池スタック３を十分冷却できない場合は、循環シス
テム１２により冷却に用いる燃料ガスの流量を増加さ
せ、電池スタック３の温度を発電に適当な温度となるよ
うに調節する。

【００６５】（効果）以上のような本実施の形態の効果
は以下の通りである。すなわち、冷却した燃料ガスを、
電池スタック３を構成する単位電池のうちの上下の単位
電池１´に供給することにより、電池スタック全体の冷
却を行うので、冷却板５を用いない電池スタックの構成
が可能になり、電池構造をより小形化し、冷却機構に関
係した不具合を起こりにくくすることができる。

【００６６】さらに、中央部の温度の比較的高い単位電
池１に、電池スタック３を構成する電池全体で消費され
る燃料ガスが供給されるため、これらの電池における水
素利用率は小さくなり、これらの電池でより高い特性を
得ることができる。

【００６７】（８）第８の実施の形態請求項８記載の発明に対応する一つの実施の形態を第８
の実施の形態として、図１０を参照して以下に説明す
る。なお、図１０は、本実施の形態のリン酸型燃料電池
による発電システムの模式的な系統図を示す。

【００６８】（構成）まず、本実施の形態の構成を説明
する。すなわち、本実施の形態においては、電池スタッ
ク３が７枚の単位電池１，１´によって構成され、各単
位電池１，１´の間には、第１の実施の形態と同様のガ
ス不透過性のセパレータ（図示せず）が介在している。
かかる電池スタック３に対する熱交換器８₁，８₂及び
バイパスからの供給経路には、バルブ２２が設けられて
いる。バルブ２２による燃料ガスの供給はＡ，Ｂの２つ
の方向に切り替え可能な構成となっている。Ａ方向は中
央にある３枚の単位電池１へ接続され、Ｂ方向は上下に
ある各２枚の単位電池１´へ接続されている。さらに、
Ａ方向の経路から分岐した経路には、排出バルブ２３Ａ
が設けられ、Ｂ方向の経路から分岐した経路には、排出
バルブ２３Ｂが設けられている。

【００６９】また、中央の単位電池１から排出される燃
料ガスは、熱交換器８₃を介して、上下の各２枚の単位
電池１´へ供給される構成となっている。これらの上下
の各２枚の単位電池１´から排出される燃料ガスの一部
は、循環システム１２を介して再び上下の単位電池１´
に供給可能に設けられている。さらに、中央の単位電池
１のセパレータには、温度センサー６が埋設され、フイ
ードバック系１１に接続されている。そして、循環シス
テム１２及び熱交換器８₃の冷却水量は、フィードバッ
ク系１１によって制御される構成となっている。なお、
電池スタック３への燃料ガスの供給排出は、電池スタッ
ク３の側面に設けられたマニホールド９を介して行われ
る。

【００７０】（作用）以上のような構成を有する本実施
の形態の作用は以下の通りである。すなわち、燃料ガス
は、改質器７から熱交換器８₁及び８₂、さらにバルブ
２２を経て電池スタック１又は１´に供給される。ここ
で、燃料ガスの温度は、熱交換器８₁及び８₂によっ
て、電池スタック３の運転温度とほぼ同じ温度に調節さ
れる。

【００７１】そして、本実施の形態においては、バルブ
２２によって、燃料ガスの供給はＡ，Ｂの２つの方向に
切り替えることができる。まず、バルブ２２をＡ方向に
開いて燃料ガスをＡ方向に流す場合には、排出バルブ２
３Ａを閉じ排出バルブ２３Ｂを開く。すると、全体の構
造は、図９で示した第８の実施の形態と同様となる。つ
まり、燃料ガスは、まず電池スタック３の中央にある３
枚の単位電池１の燃料極に供給される。前記の３枚の単
位電池１から排出された燃料ガスは、次に熱交換器８₃
によって電池スタック３の冷却に適当な温度まで冷却さ
れた後、残りの上下各２枚の単位電池１´の燃料極へ供
給される。電池スタック３から最終的に排気された燃料
ガスは、排出バルブ２３Ｂから系外に排出される。

【００７２】次に、バルブ２２をＢ方向に開いて燃料ガ
スをＢ方向に流す場合には、排出バルブ２３Ａを開き排
出バルブ２３Ｂを閉じる。すると、全体の構造は、図８
で示した第７の実施の形態とほぼ同様となる。つまり、
燃料ガスは、まず電池スタック３の上下各２枚の単位電
池１´へ供給され、熱交換器８₃を経て電池スタックの
冷却に適当な温度まで冷却された後、中央の３枚の単位
電池１に至る。残りの燃料ガスは、排出バルブ２３Ａか
ら最終的に外部へ排出される。

【００７３】（効果）以上のような本実施の形態の効果
は以下の通りである。すなわち、運転温度や水素利用率
など運転条件の異なる電池では電池特性の劣化の速度も
異なるため、比較的温度の高い電池スタック３の中央３
枚の単位電池１と、温度の低くなる上下各２枚の単位電
池１´とでは、長時間の運転によって特性に格差が生じ
ることが考えられる。しかし、本実施の形態において
は、バルブの操作により、電池スタック３の中央部の３
枚の単位電池１と上下各２枚の単位電池１´との運転条
件を入れ替えることができるので、単位電池１及び１´
間の特性を均一に保つことができ、電池スタック３全体
として長期にわたって安定した特性を得ることができ
る。

【００７４】また、燃料の流れる方向がを正逆入れ替え
ることにより、単位電池１，１´における反応平面内に
おいて、電流密度が集中する部分を変化させることがで
きるため、反応平面における特性劣化箇所が偏ることを
防ぐことができ、このことによっても長期にわたる安定
性を確保できる。

【００７５】（９）第９の実施の形態請求項９記載の発明に対応する一つの実施の形態を第９
の実施の形態として、図１１に従って以下に説明する。
なお、図１１は、本実施の形態のリン酸型燃料電池によ
る発電システムの模式図を示す。

【００７６】（構成）まず、本実施の形態の構成を説明
する。すなわち、本実施の形態は、基本的には、図９に
示した第７の実施の形態と同様の構成である。但し、熱
交換器８₃と上下の２枚の各単位電池との間に、バブラ
ー２４が設けられている点が異なる。このバブラー２４
は、内部にアルカリ性の水溶液が保持され、この水溶液
に燃料ガスを通過させることにより、二酸化炭素を溶解
させる装置である。このバブラー２４には、アルカリ性
水溶液を補充する補充口２６と、排出用のドレン２５が
設けられている。

【００７７】（作用）以上のような構成を有する本実施
の形態の作用は以下の通りである。すなわち、燃料ガス
は、改質器７から熱交換器８₁及び８₂を通って、中央
にある３枚の単位電池１の燃料極に供給される。このと
き、燃料ガスの温度は、第７の実施の形態と同様に、電
池スタック３の運転温度とほぼ同じ温度に調節される。
そして、３枚の単位電池１から排出された燃料ガスは、
熱交換器８₃へ導かれる。ここで、燃料ガスの温度は、
第７の実施の形態と同様に、電池スタック３の冷却に適
当な温度となるように調節される。このように冷却され
た燃料ガスは、さらにバブラー２４へ導かれる。

【００７８】すると、バブラー２４内部において、燃料
ガス中の二酸化炭素の一部が、バブリングの際にアルカ
リ性の水溶液と反応して溶液中に溶解するので、燃料ガ
ス中の二酸化炭素が吸収され、燃料ガスの水素濃度が高
くなる。このようにバブラー２４を通って水素濃度が高
くなった燃料ガスは、電池スタック３の上下各２枚の単
位電池１´の燃料極へ供給され、発電及び電池スタック
３との熱交換を行う。一方、二酸化炭素の溶解によって
アルカリ性が中和されたバブラー２４内の水溶液は、ド
レン２５から適宜排出され、新しい溶液が補充口２６か
ら補充される。

【００７９】（効果）以上のような本実施の形態の効果
は以下の通りである。すなわち、本実施の形態において
は、バブラー２４によって燃料ガスの水素濃度を再び高
くして、単位電池１´へ供給するので、電池スタック３
を構成する各電池へ供給する燃料ガスの水素利用率が平
均化され、電池スタック３全体の特性を向上させること
ができる。また、バブラー２４中のアルカリ性水溶液
は、随時交換されるので、長期にわたって上記の効果を
維持することができる。従って、電池スタック全体の発
電性能を向上させ、長期間にわたって発電性能を良好に
維持することができる。

【００８０】（１０）その他の実施の形態本発明は上記のような実施の形態に限定されるものでは
ない。例えば、請求項２記載の発明に対応する他の実施
の形態として、第２の実施の形態の冷却板の側面の処理
を金メッキ処理としたものも構成可能であり、これによ
っても耐リン酸性を確保することができる。また、請求
項９記載の発明に対応する他の実施の形態として、第９
の実施の形態のバブラー２４を、水素ガスの膜分離装置
などで代用させたものも構成可能である。

【００８１】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
電池本体の冷却を簡易な構造で効率よく行うことがで
き、長期の運転時間にわたって良好な発電性能を維持可
能な燃料電池を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の燃料電池の第１の実施の形態を示す模
式的な系統図である。

【図２】本発明の燃料電池の第１の実施の形態における
冷却板の模式的な構造を示す概略縦断面図である。

【図３】本発明の燃料電池の第２の実施の形態における
冷却板の模式的な構造を示す側面断面図（Ａ）、平面断
面図（Ｂ）である。

【図４】本発明の燃料電池の第３の実施の形態における
冷却板の模式的な構造を示す概略縦断面図である。

【図５】本発明の燃料電池の第４の実施の形態を示す模
式的な系統図である。

【図６】一般的な燃料電池の単位電池へのガス供給方向
を示す模式図である。

【図７】本発明の燃料電池の第５の実施の形態における
冷却板の模式的な構造を示す概略縦断面図である。

【図８】本発明の燃料電池の第６の実施の形態を示す模
式的な系統図である。

【図９】本発明の燃料電池の第７の実施の形態を示す模
式的な系統図である。

【図１０】本発明の燃料電池の第８の実施の形態を示す
模式的な系統図である。

【図１１】本発明の燃料電池の第９の実施の形態を示す
模式的な系統図である。

【図１２】一般的なリン酸型燃料電池の電池スタックを
示す一部分解斜視図である。

【符号の説明】

１…単位電池１ａ…燃料極１ｂ…酸化剤極１ｃ…電解質層２…セパレータ３…電池スタック４…サブスタック５…冷却板６…温度センサー７…改質器８…熱交換器９…マニホールド１０…調節弁１１…フィードバック系１２…循環システム１３…ポンプ１４…緻密なカーボン材１５…ＦＥＰフィルム１６…隔壁１７…放熱板１８…フッ素樹脂の薄膜１９…カーボン多孔質体２０…リン酸リザーバ２１…リン酸補給口２２…バルブ２３…排出バルブ２４…バブラー２５…ドレン２６…補充口

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】燃料極及び酸化剤極によって電解質層を
挟持した単位電池とガス不透過性のセパレータとを交互
に複数枚積層することにより構成された電池スタック
と、各単位電池における燃料極及び酸化剤極に対してそ
れぞれ燃料ガス及び酸化剤ガスを供給又は排出するマニ
ホールドと、前記電池スタックに供給する燃料ガスの温
度を調整する熱交換器とを有する燃料電池において、内部に燃料ガスを流通させて冷却を行う冷却板が、前記
電池スタックに挿入され、前記熱交換器からの燃料ガスを前記冷却板に供給した
後、各単位電池の燃料極に供給する燃料供給経路を備え
たことを特徴とする燃料電池。
【請求項２】前記冷却板が金属製であり、前記冷却板における単位電池と接する部分の表面に金メ
ッキ処理が施され、若しくは前記冷却板とこれに隣接す
る単位電池との間に金箔が挟まれ、前記冷却板の側面に金メッキ処理が施され、若しくは前
記冷却板の側面にフッ素樹脂被膜が形成されていること
を特徴とする請求項１記載の燃料電池。
【請求項３】前記冷却板における燃料ガスが通過する
部分がカーボン多孔質体で構成され、前記冷却板における単位電池に接する面及び燃料ガスの
入口及び出口以外の前記冷却板の側面に、ガス不透過性
のカーボン層が設けられていることを特徴とする請求項
１記載の燃料電池。
【請求項４】前記冷却板における燃料ガスが通過する
カーボン多孔質体の空隙の一部に電解質が含浸され、前記カーボン多孔質体における電解質含浸部分に電解質
を補給する機構が、前記電池スタックに接続されている
ことを特徴とする請求項３記載の燃料電池。
【請求項５】前記冷却板内に、燃料ガスが通過する複
数の流路が設けられ、一部の流路における単位断面積当たりの流量が、その他
の部分の流路における単位断面積当たりの流量よりも大
きくなるように構成されていることを特徴とする請求項
１〜４のいずれか１項に記載の燃料電池。
【請求項６】燃料極及び酸化剤極によって電解質層を
挟持した単位電池とガス不透過性のセパレータとを交互
に複数枚積層することにより構成された電池スタック
と、各単位電池における燃料極及び酸化剤極に対してそ
れぞれ燃料ガス及び酸化剤ガスを供給又は排出するマニ
ホールドと、前記電池スタックに供給する燃料ガスの温
度を調整する熱交換器とを有する燃料電池において、前記熱交換器からの燃料ガスを前記電池スタックの複数
の単位電池における一部のグループの燃料極に供給した
後、排出した燃料ガスを残りのグループの単位電池の燃
料極に供給する燃料供給経路を備えたことを特徴とする
燃料電池。
【請求項７】前記電池スタックの複数の単位電池にお
ける一部のグループと残りのグループとの間の燃料供給
経路に、第２の熱交換器が設けられていることを特徴と
する請求項６記載の燃料電池。
【請求項８】前記電池スタックに対する燃料ガスの入
口と出口とを、逆に切り替える機構を備えたことを特徴
とする請求項６又は請求項７記載の燃料電池。
【請求項９】先に燃料ガスが供給される単位電池のグ
ループから排出される燃料ガス中の二酸化酸素の分圧を
減少させ、残りのグループの単位電池に供給する機構を
備えたことを特徴とする請求項６〜８のいずれか１項に
記載の燃料電池。