JPS6016705B2 - 燃料電池装置およびその操作法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、燃料電池に関する。

特に本発明はこの種の電池の温度制御に関する。電気化
学的反応を受ける反応ガスまたは反応生成ガス（プロセ
スガス）を含む燃料電池その他の電気ェネルギ発生装置
を設計する場合に、温度制御は主要パラメータとなる。

この種の装置における電気化学反応は、反応に付随する
ェントロピ変化および拡散、活性化過電圧および電気抵
抗によって生じる不可逆性のために常に発熱または吸熱
をともなう。温度制御を適用するのに、この分野では種
々の技術をあてにしてきているが、そのどれも全面的に
満足なものはない。最も有望と思われる温度制御技術は
温度制御の媒介としてプロセスガスそのものの顕熱を利
用するものである。

すなわち、電池からの熱除去を希望するとき、電池に供
給給されるプロセスガスは電池の操作温度より低い温度
で電池に供され、流出ガスが電池を通る通路中でプロセ
スガスの温度上昇だけで熱を除去することができる。こ
の方法で、プロセスガスの流量を、予定量の電気ェネル
ギの発生に必要な流量レベル以上に調節し、その余剰の
プロセスガスを使用して熱除去をおこなう。この方法に
ともなう欠点は、プロセスガス流量の増加による好まし
くない圧力降下が生じること、補助電力が余計に必要な
こと、および電解質が蒸発または飛沫同伴によって損失
することである。こ）でいう補助電力とは、燃料電池本
体に付属する装置、たとえばガスポンプ、加圧装置等に
必要な電力のことである。電解質の損失についていえば
、このガスの顕熱を利用する技術で、すべてのプロセス
ガスは電池を通るガスの通路で電池の電解質と連絡して
おり、温度制御のためにかなりの量のガスを追加しなけ
ればならない場合に、プロセスガスが電解質の蒸気で飽
和されるために、非常に多量の電解質の損失が通路で起
り、きわめて多量の電解質の損失を生じる。第二の温度
制御法で、たとえば米国特許第３６２３９１３号明細書
に記載のように、この分野では、電池本体から外方に延
在するフィンを有する双極プレートを使用することによ
って、燃料電池内の温度勾配を制限することをあてにし
ている。

この方法はある程度均一な電池温度を生じるが、電池を
通って直接流れる多量のプロセスガスが電解質の損失量
を多くし、補助電力を増すことがある。第三の温度制御
法は誘電性液体の頭熱に依存する。

このような液体の顕熱を利用する方法はガス状の熱伝達
媒に比較して非常に少量の補助電力しか必要としないが
、別個の熱伝達ループおよび電気的に絶縁されたマニホ
ルド系を必要とする。鏡重ねられた電池列間の分電流を
避けるために、熱伝達嬢として、従釆フルオロカーボン
油またはシリコーン油のような誘電性液体が使用されて
いた。触媒はこれらの誘電性流体によって痕跡量でも著
しく被毒作用を受けるので、熱伝達ループからの少量の
漏れでも電池に致命的なことがある。また誘電性液体は
可燃性であってその燃焼反応生成物に毒性がある。温度
制御の第四の方法では、液体の潜熱を使用する。

米国特許第３４９機４４号、同第３５０７７０２号、同
第３７６１３１６号および同第３９６９１４５号明細書
に記載のように液体の潜熱を利用すると、ほとんど均一
な温度で熱を伝達することができるが。伝熱板を鰭池列
の間に置くと、積重ねた方向にある程度の温度勾配が起
ることがある。補助電力の必要量は低いと思われる。電
池の操作温度範囲内に沸点を有する適当な誘電性液体を
使用することができるが、液体の顕熱を利用するときの
欠点がこの方法にもあてはまる。これらの欠点を克服す
るために「水のような非議電性液体を使用することがで
きる。水を使用するときは、プラントの他の部分で使用
するのに適する品質のスチームを発生する。熱伝達係数
が大きいので外部熱交換も効果的であると思われる。米
国特許第３９６９１４５号、同第３９２３５４６号およ
び同第３９４０２８５号明細書に記載の如く、不幸にも
非議電性液体を使用すると、手のこんだ耐食計画および
／または電気伝導度がきわめて低い液体の使用を必要と
する。電池の操作中に伝導率が上昇することがあるので
、伝導率を低く保つための装置を要することもある。冷
却ループが加圧されているときには、良好なシールが必
要である。電池列の寿命がこないうち腐食またはシール
の劣化によって生じるピンホールのために漏れが次第に
大きくなる場合には系全体が無効になることがある。防
食を必要とし、またマニホルドが複雑になるために、誘
電性冷却煤で運転される熱伝達サプシステムのコストは
かなり高くなる。本出願人の見解によれば、前述の技術
は、燃料電池の温度制御技術、特に、信頼でき簡単でか
つ効果的な方法による制御の限界を例示しており、温度
制御の問題に対して根本的に異なったアプローチをする
必要が存在する。本発明の目的は、温度制御を効果的に
、また簡単におこなうことができる燃料電池の操作法お
よびこれに対するシステム配鷹を得ることである。

前述その他の目的達成のために、本発明では、電解質の
損失と電池を通る圧力降下の増大とをともに防止するよ
うに、プロセスガスの顕熱による温度制御に必要な量の
プロセスガス流を燃料電池に補給する。このプロセスガ
スの顕熱を利用する技術を実施するために、本発明では
電極を通って電池の電解質と連絡する通常のプロセスガ
ス通路のほかに、電池の電解質から隔離され、電池の熱
発生面と熱的に連絡しているプロセスガス通路を電池内
に導入する。これらの電解質と連絡している通路および
電解質から隔離されている通路は共通のマニホルド‘こ
よってプロセスガスの加圧供給源に接続され、それぞれ
の通路の流量レベルは電池からの電気ェネルギの所要レ
ベルの出力および目的とする熱除去を得るように通路パ
ラメータによって設定される。本発明の前述その他の目
的および特徴は次の詳細な説明および図面からより深く
理解されるであろう。

第１図および第３図において、燃料電池１川まガス拡散
型の負極および正極１２，１４およびその間にある電解
質マトリックスまたは電解質層１６を有する。

隔離板１８，２０‘ま、第１図の単電池例の説明図では
、単極型で負極ｉ２にプロセスガスを供給するチャンネ
ル通路１８ａおよび正極１４にプロセスガスを供Ｖ給す
る通路２０ａを形成するように図示されている。電極１
２，１４がガス拡散性であるので、通路１８ａおよび２
０ａは電解質と連絡する通路を構成する。本発明に従っ
て温度制御板２２および２４が隔離板１８の上および２
０の下にそれぞれ重ね合わされる。

温度制御板２２には通路１８ａと同方向、すなわち第１
図の平面と同一の方向に延在する導管通路２２ａがあり
、入口負極ガスマニホルド２６および出口負極ガスマニ
ホルド２８に通路１８と共通して接続される。温度制御
板２４には通路２０ａと同方向すなわち第１図の平面と
交わる方向に延在する導管通路２４ａがあり、入口正極
ガスマニホルド３０（第２図）および出口正極ガスマニ
ホルド３２によって通路２０ａと共通して接続される。

隔離板１８および２０は本質的にガスを透過しないので
、温度制御板通路２２ａおよび２４ａは電解質と隔離さ
れた通路を構成する。従ってプロセスガス、すなわちマ
ニホルド２６から供給され通路２２ａに入る負極ガスお
よびマニホルド３０から供給され通路２４ａに入る正極
ガスは電解質の損失を生じないで燃料電池を通って導か
れ温度制御の目的をおこなうことができる。これに対し
て、通路１８ａおよび２０ａを通って導かれるプロセス
ガスはどうしても電解質の蒸気で部分的に飽和されるこ
とを避けることができない出口ガスを生じる。前述の如
く、ある種の電池、たとえば亜鉛−空気電池は単一ガス
状反応剤だけを含む。このような系で本発明を実施する
場合には、電解質から隔離されている単一通路が、電解
質と連絡する単一ガス通路と、入口および出口で共通の
マニホルドに連絡することができる。さらに後述の如く
、複数のガス状反応剤を使用する電池、、たとえば燃料
電池では、プロセスガスのどちらか一方のプロセスガス
に対して温度制御板を使用することができる。場合によ
っては、電解質と連絡している通路および電解質から隔
離されている通路を通って導かれるプロセスガスの出口
における混合は、これらのちがつた性質の通路に供給さ
れる入口プロセスガスを共通マニホルドから通すことだ
けによって省略することができる。また後述の如く、本
発明は、プロセスガス供給源と共通の入口マニホルドに
連絡され電解質から隔離されているプロセスガス通路に
、積重ねられた電池列の複数個の電池毎にこれらのプロ
セスガスの一方または両方を導入することを意図してい
る。第２図において入口負極ガスマニホルド２６は導管
３４を通ってプロセスガスを供Ｖ給され、導管３４は加
圧負極ガス供給源３６からのプロセスガスを供給される
。

供給源３６からのプロセスガスは燃料電池を通ってそれ
以前に導かれたプロセスガスと混合し、従ってこの使用
されたプロセスガスで補給することができる。この目的
のために「マニホルド２８から出たガスは導管３８を通
って外部熱交換装置４０１こ導かれ、そこから供孫舎源
３６にある混合バルブに導かれる。バルブ４２を操作す
ることによって、必要に応じて、ガスをパージ管４４に
送ることもできる。循環する前に、導管３８を通って導
かれるガスから熱を除去しようとする典型的な場合には
、装置４０は温度低下型のものとし、装置４０から供Ｖ
給源３６へ供給されるガスの温度を電池の操作温度より
低くする。正極プロセスガスの熱処理、パージおよび循
環のための負極ガスのそれらと対になった部品には、入
口導管４６、加圧正極ガス供給源４８、出口ガス導管５
０、パージバルブ５２、パージ管５４および外部熱交換
装置５６がある。本発明の方法を実施するには、電解質
と連絡する通路１８ａおよび／または２０ａのプロセス
ガス流量を、燃料電池によって発生させようとする予定
量の電気ェネルギを得るレベルに設定する。

燃料電池中で起る電気化学反応の可逆性を仮定した場合
でも、最低量の熱の発生が認められる。また前述の如く
、活性化、濃縮および抵抗過電圧による燃料電池中の不
可逆性はさらに熱を発生させる。典型的にいって燃料電
池では入ってくるェンタルピの約５０％が熱となり、残
りのェンタルピが予定量の電気ェネルギとなる。発生す
る熱ェネルギの約１／５は可逆性であり、約４／５は不
可逆性による熱である。電池の出力として予定量の目的
電気ェネルギに従って通路１８ａおよび２０ａ中のプロ
セスガスの流量を設定したら、次に電解質から隔離れて
いる通路２２ａおよび／または２４ａ中のプロセスガス
流量を、燃料電池に予定された操作温度を得るように設
定する。

電解質から隔離されている通路中の流量は電解質と連絡
している通路中の流量より著しく大きい。入口および出
口オリフイスの幾何学的形状、導管表面の摩擦、導管の
長さおよびマニホルドの幾何学的形状は実験を要するの
で、流量の決定に解析的手法を使用できない。各通路に
望ましい流量を得るための実施法には、一方または両方
の通路における流路の寸法および幾何学的形状を変更す
ること、および／または固定もしくは調節可能ないまり
を設けることが含まれる。第４図は積重ねられた電池列
からこれに結合する電気的出力接続およびケーシングを
取去った好ましい例を示す。

電解質層、ガス拡散性負極および正極はまとめて電池ア
センブリ５８ａ〜５８ｊで表わされる。頂部隔離板６０
は第１図の隔離板１８の場合と同様に電解質と連絡する
通路６０ａを有する単極構造物であり、頂部電池アセン
ブリ５８ａの負極の上に重なっている。隔離板６２は双
極横造体であって、頂部電池アセンブリ５８ａの正極の
下に重なった電解質と連絡するみぞ通路６２ａおよび第
二の電池アセンブリ５８ｂの負極に重なった通路６２ｂ
を形成する。双極横造の隔離板６４，６６および６８は
電池アセンブリ５８ｂ，５８ｃおよび５８ｄを隔離し、
隔離板６８は電池アセンブリ５８ｅの負極の上に重なっ
たガス遍路６８ｂを形成する。隔離板７０は単極構造体
で電池アセンブリ６８ｅの正極の下に重なった通路７０
ａを有する。このようにして５個の電池の積重ねからな
るサブスタックが得られる。温度制御板はこのサブスタ
ックの下に配置され、その導管通路７２ａはサブスタッ
クの熱発生面、すなわち隔離板７０の下面と連絡してい
る。電池アセンブリ５８ｆ〜５８ｊよりなる５個の燃料
電池の同様なサブスタックが温度制御板７２の下に配置
される。単極隔離板７４および７６がこのサブスタック
の両端に配置され、双極隔離板７８，８０，８２および
８３がサブスタックの中間に配置される。温度制御板８
４はその導管通路８４ａが隔離板７６の下面と連絡する
ように配置される。負極および正極入口ガスマニホルド
８６および８８を積重ねられた電池列５６から離して説
明図として示す。温度制御板７０および８４に負極ガス
導管通路７２ａおよび８４ａがあるので、マニホルド８
６は電解質と連絡している通路および亀鱗質から隔離さ
れている通路に共通にプロセスガスを通す。この図面で
はマニホルド８８からの正極燃料流は電解質と連絡して
いる通路だけに供給される。図示の配置では、ひとつの
電解質から隔離されている通路が５個の燃料電池のサブ
スタックへそれぞれ連絡している。温度制御板が７２の
場合のようにサプスタックの間にある場合には両方のサ
ブスタックを冷却する作用をする。場合によっては、こ
れらの燃料電池に対して温度制御板の割当てを変えるこ
ともできる。補強部材７３を第４図に示すように温度制
御板７２に導入して電池列を補強し、伝熱面積を増すこ
ともできる。好ましくは補強部材は電気伝導性のものに
して、温度制御板７２を通る電気の通過を促進する。第
５図に、温度制御板の配置以外は電池列９０が第４図の
電池列５６と同一構造を有する第４図と逆の配置を示す
。従って第５図では、温度制御板９２および９４は熱を
除去するために電池列に正極ガスを導入するように配置
された導管通路９２ａおよび９４ａを有する。もちろん
第４図および第５図の実施例を組合わせることもできる
。本発明の温度制御法およびそのための配置は２，３の
重要な利点があるように思われる。熱伝達は液状熱伝達
嬢を使用する場合に必要であるような別個なマニホルド
を必要としないで、プロセスガスを別個に流すことによ
って達成される。分流による腐食の可能性および漏れに
よる有害な作・用が完全に避けられる。従って系の信頼
度は液状の熱伝達媒の場合より著しく大きくなる。プロ
セスガスによって同伴され、あるいはプロセスガスへ蒸
発することによる電解質の損失も、その限られた量しか
電解質と接触しないので最低となる。温度制御板を通る
プロセスガスは電解質と接触しないので、熱伝達ガスを
流すごねの蒸気損失は超らにし、。温度制御板は補強部
材としての作用をなし、頭重ねられた電池アセンブ川こ
さらに強度を与える。さらに、操業中に欠陥電池を交換
しなければならないときには２枚の温度制御板の間の電
池列を容易に取外し、新しい電池列と交換することがで
きる。本発明はガス反応剤を有する任意の電気化学的電
池に一般的に実施できるが、燃料電池、たとえば温度制
御にも使用されるプロセスガスが正極ガスおよび／また
は水素リッチな負極ガスであるリン酸燃料電池、および
温度制御にも使用されるプロセスガスが空気／二酸化炭
素正極ガスおよび／または水素リッチな負極ガス混合物
である溶融炭酸塩燃料電池に適している。

前述の操作法および図示されたシステムに、本発明から
逸脱しないで種々の変更を導入することができる。

たとえば第２図の供給源３６および／または４８によっ
て供聯合される補給プロセスガスは、電解質と連絡して
いる通路および電解質から隔離されている通路を通って
導かれる前述のガス混合物としないで、電解質から隔離
されている通路から導かれるプロセスガスだけを補給す
るように選ぶことができる。この変更を実施するために
、電池から排出されるガスをマニホルドに供Ｖ給しない
で独立して取出し、電解質から隔離されている通路から
の出口導管を入口マニホルドと連絡させて両方の通路に
供給するようにする。従って本明細書に記載されている
特定の実施法およびシステムの例は例示を目的とするも
のであって、本発明を限定するものではない。本発明の
真の精神および範囲を特許請求の範囲に示す。

【図面の簡単な説明】

第１図は第２図の平面１−１に沿って見た本発明の燃料
電池の例の説明断面図であり、第２図はプロセスガスの
供給および処理装置を付属した第１図の燃料電池の立面
図であり、第３図は第１図の平面ｍ−ｍに沿って見た第
１図の燃料電池の断面図である。 第４図および第５図は本発明の積重ね電池列の透視図あ
る。これらの図面全体にわたり、類似の部品は類似の参
照数字で示される。主要部品を次に示す。１０１・・燃
料電池、１２，１４・・・電極、１６…電解質層、１８
，２０・・・隔離板、１８ａ，２０ａ・・・通路、２２
，２４・・・温度制御板、２２ａ，２４ａ・・・通路、
２６，２８，３０，３２．．・マニホルド、３４・・・
導管、３６…ガス供給源、３８・・・導管、４０・・・
熱交換装置、４２・・・バルブ、４４・・・パージ管、
４６…入口導管、４８・・・供給源、５０・・・出口導
管、５２・・・バルブ、５４・・・パージ管、５６・・
・熱交換装置、５８ａ〜５８ｉ・・・電池アセンブリ、
６０・・・頂部隔離板、６０ａ…通路、６２，６４，６
６，６８，７０・・・隔離板、６２ａ，６８ｂ，７０ａ
…通路、７２・・・温度制御板、７２ａ・・・通路、７
３・・・補強部材、７４，７６，７８，８０，８２，８
３…隔離板、８４…温度制御板、８４ａ・・・通路、８
６，８８…マニホルド、９０・・・電池列、９２，９４
・・・温度制御板、９２ａ，９４ａ・・・通路。 第１図第．３図 第２図 第４図 第５図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 電解質および少なくともひとつの電極を有する燃料
   電池と、該電解質と反応させるためにプロセスガスを該
   電極に導くために該電池中にある第一通路と、該電解質
   から隔離されかつ該電池の熱発生面と熱的に連絡した状
   態で該電池に冷却ガスを導くために該電池中にある第二
   通路とからなる、供給源から供給されたプロセスガスと
   電気化学的反応により出力電気エネルギを発生するよう
   に作用する装置において、ａ 該第一および第二通路に
   共通する入口マニホルドが該供給源からの該プロセスガ
   スを受け該プロセスガスを該第一および第二通路へ供給
   し、該プロセスガスの第一および第二部分がそれぞれ共
   通入口マニホルドから該第一および第二通路を通り、該
   プロセスガスの第二部分が該冷却ガスとして作用し、ｂ
   該第一通路が、該電池からの予定量の電気エネルギを
   得るために該プロセスガスの第一部分のガスの流量レベ
   ルを設定するよう形成され、ｃ 該第二通路が、該電池
   の予定の操作温度範囲を得るために該プロセスガスの第
   二部分のガスの流量レベルを設定するように形成された
   ことを特徴とする燃料電池装置。 ２ さらに、第一および第二通路と連絡しこれらを通っ
   て導かれるガスを混合する出口マニホルドを有する特許
   請求の範囲第１項に記載の装置。 ３ 該出口マニホルドと該入口マニホルドとを連絡する
   ための導管を有する特許請求の範囲第２項に記載の装置
   。 ４ さらに、該出口マニホルドを通って導かれるガスの
   熱交換装置を有する特許請求の範囲第３項に記載の装置
   。 ５ さらに、第二の通路と連絡し、第二の通路を通って
   導かれるガスを受入れるための出口導管を有する特許請
   求の範囲第１項に記載の装置。 ６ さらに、出口導管と入口マニホルドとを連絡する導
   管を有する特許請求の範囲第５項に記載の装置。 ７ さらに、出口導管を通って導かれるガスの熱交換装
   置を有する特許請求の範囲第６項に記載の装置。 ８ 熱交換装置が熱除去装置である特許請求の範囲第４
   項に記載の装置。 ９ 熱交換装置が熱除去装置である特許請求の範囲第７
   項に記載の装置。 １０ チヤンネルを有する隔離板が該電極の上に横たわ
   り、該チヤンネルが該電極とともに該第一通路を形成し
   、導管を有する温度制御板が該隔離板の上に横たわり、
   該導管が該温度制御板とともに該第二通路を形成し、該
   入口マニホルドが該チヤンネルと該プロセスガスを供給
   する該導管と共通する特許請求の範囲第１項記載の装置
   。 １１ 該供給源から該共通マニホルドへの共通導管を含
   む特許請求の範囲第１０項記載の装置。 １２ 燃料電池の電解質と連絡する該電池中の通路へガ
   ス供給源からプロセスガスを供給し、冷却ガスが該電池
   の別の通路へ供給され、該別の通路が電解質から隔離さ
   れ該電池の熱発生面と熱的に連絡している電気化学的反
   応によって電気エネルギを発生させる方法において、ａ
   該プロセスガスが該ガス供給源から電解質と連絡して
   いる通路および電解質から隔離されている通路との共通
   入口マニホルドへ供給され、該プロセスガスの第一およ
   び第二部分がそれぞれ該共通入口マニホルドから該電解
   質と連絡している通路と電解質から隔離されている通路
   とを通り、該プロセスガスの第二部分が冷却ガスとして
   作用し、ｂ 該プロセスガスの第一部分の該電池を通る
   ガスの流量レベルが、該電池から予定電気エネルギを得
   るよう設定され、ｃ 該プロセスガスの第二部分の該電
   池を通るガスの流量レベルが、該電池の予定操作温度範
   囲を得るために設定されたことを特徴とする燃料電池の
   操作法。 １３ 電解質と連絡している通路と電解質から隔離され
   ている通路とを通って導かれるガスが、該電池を通った
   後で共通に混合される特許請求の範囲第１２項に記載の
   方法。 １４ さらに、共通に混合したガスの少なくとも一部を
   電解質と連絡している通路および電解質から隔離されて
   いる通路へさらに供給する工程を有する特許請求の範囲
   第１３項に記載の方法。 １５ さらに、共通に混合したガスを通路へ供給する前
   に熱交換させる工程を有する特許請求の範囲第１４項に
   記載の方法。 １６ 熱交換させる工程が共通に混合したガスの温度低
   下を含む特許請求の範囲第１５項に記載の方法。 １７ さらに、電解質から隔離されている通路を通って
   導かれるガスの少なくとも一部を電解質と連絡している
   通路および電解質から隔離されている通路にさらに供給
   する工程を含む特許請求の範囲第１２項に記載の方法。 １８ さらに、一部のガスをそれらの通路にさらに供給
   する前に熱交換させる工程を含む特許請求の範囲第１７
   項に記載の方法。１９ 熱交換させる工程がその一部の
   ガスの温度低下を含む特許請求の範囲第１８項に記載の
   方法。