JPS61185871A - 空冷型燃料電池 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の属する技術分野〕 本発明は、単電池とセパレータとを交互に積層１−１て
なる燃料電池積層体の対向する側面から、こり単電池の
ガス供給路に２種の反応ガスを給排し、前記積層体の対
向する他の側面から反応ガスと独立した冷却カスを給排
してなる空冷型燃料電池に関するっ 〔従来技術とその問題点〕 燃料電池のセルスタックは一般に単電池とセパレータを
交互に積層して構成される。この単電池は電解質を含浸
する電解質層と、このマ）　ＩＪソックス挟持する燃料
電極および酸化剤電極と、これら電極に２稲の反応ガス
、すなわち燃料と酸化剤を供給するガス供給路から構成
されている。そし。

て、このガス供給路がセパレータに設けられるか、ある
いは電極基材に設けられるかにより、いわゆるリブ付セ
パレータ方式とリブ付電極方式とに分けられる。

リブ付セパレータ方式は、導電性を有しガス不透過性の
リブ付セパレート板と呼ばれるプレートの両面に、それ
ぞれ燃料ガスと酸化剤ガスの溝状の供給路を形成し、燃
料電極と酸化剤電極にそれぞれ開口して設けたものであ
る。一方リブ付電極方式は、導電性を有しガス透過性の
プレートの一方の面に、燃料ガスの溝状の供給路を形成
し、他方の面を燃料電極に接し、また上記と同性質の他
のプレートの一方の面を酸化剤ガスの溝状の供給路を形
成し、他方の面を酸化剤電極に接しているものであるが
、この場合単電池の積層には反応ガスの混合をさけるた
め導電性でガス不透過性のセパレート板を介装する。

ところで、このような燃料電池積層体においては、通常
１９０℃もの高温で運転されるため、電池で発生する熱
を冷却により除去する必要がある。

この冷却には、酸化剤としての空気を冷却ガスとし５て
代用することもできるが、より効率的な運転を行なうた
め、近年、反応ガスと分離した冷却ガスを電池の一個ま
たは複数個ごとに通流するものが提案されている。例え
ば、本件出願人が先に提案した実顯昭５９−１４１９０
１こよれば、冷却ガスを通流する通路をセパレータに貫
通して設けることにより、冷却板をセパレータにより兼
ねさせ、の一方の面に形成された燃料ガスの供給路をＵ
字形にして、供給口と排気口とをセルスタックの一方の
側面に設け、酸化剤ガスの供給路も同様にしてＵ字形に
し、燃料ガスの供給口と排気口とが設けられた側面の対
向する側面に設けている。そして反応ガスの両電極への
通流により電気化学反応を起こさせて電気を取出す際に
発生する熱を冷却する冷却ガスを前記対向する側面に隣
接して対向する側面のそれぞれに冷却ガスの供給口と排
出口とを備えた供給通路に通流させている。以下図面を
用いて上記のガス冷却構造について説明する。

第６図は上記の燃料電池の単電池分の構成を示す部分断
面図であり、第７図は第６図のＸ−Ｘ断を 面図である。第Ｘ図において方形状の単電池１は、例え
ばりん酸形燃料電池で、電解質のりん酸をマトリックス
に含浸させた電解質層１ａと、この電解質層１ａを挟持
してその両側に配した燃料電極１ｂと酸化剤電極ＩＣと
を配し、この両電極の両側にガス不透過性のリブ付セパ
レート板２を配し、セパレート板２に燃料ガスを燃料電
極１ｂに供給する溝状の供給路３と酸化剤ガスを酸化剤
電極ＩＣに供給する溝状の供給路４とを設けて構成され
る。なお供給路３は複数の供給路がＵ字形に形成され、
供給口と排気口とを側面Ａに開口している。また供給路
４も複数の供給路がＵ字形に形成され、その供給口と排
気口とを側面Ｂに開口している。そして第７図に示すよ
うに、燃料電池運転時の発生熱を冷却する冷却ガスが通
流する供給通路５は、セパレート板２の前記反応ガスが
通流する方向とは直交する側面Ｃ，Ｄに開口し、これら
の側面の中層部に前記燃料ガスと酸化剤ガスとの供給路
に独立してトンネル状に形成されている。

第８図はこのような単電池を複数積層したセルスタック
をケースに収納してなる燃料電池の断面図である。第８
図において、セルスタック６の側面には燃料ガスを供給
するマニホ・−ルド７ａとセル内のＵ字形の供給路を通
って排出するマニホールド７ｂ（！−を形成するマニホ
ールド蓋７を取付けており、燃料ガスは図示しない供給
管により供給マニホールド７ａからセルスタック６内を
矢印のように通流し、排出マニホールド７ｂｌＣ集めら
れ図示しない排出管から排出される。

一方燃料ガスのマニホールド蓋７が取付けられたセルス
タック６の側面と対向する側面には酸化剤ガスを供給す
るマニホールド８ａとセル内のＵ字形の供給路を通って
排出するマニホールド８ｂとを形成するマニホールド蓋
８を取付けており、燃料ガスと同様に酸化剤ガスはマニ
ホールド８ａから矢印のようにセルスタック内を通流し
、排出マニホールド８ｂに集められて外部に排出される
。

ケーシング９はその底部に据付けられたセルスタック６
と、燃料ガスと酸化剤ガスとのマニホールド蓋７，８を
内包して設けられている。そしてケーシング９内の空間
をセルスタック６およびマニホールド蓋７，８等の周域
を部分する仕切板ｌＯを設けて冷却空気を供給するマニ
ホールド９ａと排出するマニホールド９ｂとを形成し、
図示しない供給管から供給された冷却ガスとしての冷却
空気をマニホールド９ａからセルスタック６内の供給通
路５を通流させてマニホールド９ｂに集め図示しない排
出管から排出している。なおケーシング９に上記の反応
ガスや冷却空気の供給、排出管等が図示しないが貫通し
ている。

ところが、このように冷却ガスを一方向から供給する構
成では電池の面方向に温度分布が生じるという問題があ
った。

第９図は冷却空気が上記のようにセパレート板に設けら
れた冷却空気の供給通路供給口を通って排出口に向って
流れるときの電極の面内温度および冷却空気温度と冷却
空気の路程との関係を示したものである。第９図におい
て破線Ｓは冷却空気の温度を３−Ｔは電極の面内温度を
示しており、図から分るように冷却空気が一方向の流れ
であるとともに、空気の比熱が小さいため実線Ｔに示す
ように供給口と排出口との間において電極の面内温度差
は大きくなり電池特性が低下する。また電極の面内温度
の低い部分にては改質ガスに含まれるＣＯにより電池特
性が低下する。したがって電池の特性を向上するため電
極の面内温度を所定値内に納めるためには大量の空気を
通流させる必要がある。しかしながら燃料電池の大きさ
を小さく保ちながら上記のような大量の空気を流すには
風損が増加し、また空気を送風する補機動力も増加し、
発電装置としての効率が低下するという問題がある。こ
れは、リブ付電極方式においても同様である。

〔発明の目的〕

本発明は、前述のような点に鑑み燃料電池の大きさを大
きくすることなく、冷却ガスの合理的な通流により電極
の面内温度を均一にすることのできる空冷型燃料電池を
提供することを目的とする。

〔発明の要点〕

この目的は本発明によれば、単電池とセパレータとを交
互に積層してなる燃料電池積層体の対向する側面から当
該単電池のガス供給路に２種の反応ガスを給排し、前記
積層体の対向する他の側面から前記反応ガスと独立した
冷却ガスを給排するものにおいて、前記積層体の当該他
の側面における冷却ガスの供給、排出口を、電池の積層
方向に沿って交互に設けることにより達成される。

〔発明の実施例〕

以下図面に基づいて本発明の詳細な説明する。

第１図は本発明の実施例による燃料電池のセルスタック
の斜視図である。第１図および後述する第２図ないし第
５図において、８６図ないし第８図の従来例と同一部品
には同じ符号を付している。

第１図において電解質を保持した電解質層とこれを挟持
する燃料電極と酸化剤電極と、さらにこの両側に分離さ
れたセパレート板２ａ、２ｂを合体したガス不透過性の
プレートとしてのリブ付セパレート板２が配設されて積
層されセルスタック６を構成している。セパレート板２
ｂの側面Ｂには酸化剤電極へ酸化剤ガスを供給するＵ字
形に形成された供給路の供給口４ａと排出口４ｂとが開
口しており、酸化剤ガスは矢印Ｅ方向に供給口４ａから
セル内をＵ字状に通流し、排出口４ｂから矢印Ｆ方向に
排出される。また図示しないがセパレート板２ａにも燃
料電極に燃料ガスを供給するＵ字形の供給路が設けられ
、その供給口と排出口とが酸化剤ガスの供給、排出する
セルスタック６の側面Ｂと対向する側面Ａに設けられ、
燃料ガスは酸化剤と同様に供給口からセル内をＵ字状に
流れ排出口から排出される。

セパレート板２の中層部を［７してセパレート板２ａ　
、２ｂにまたがって燃料ガスや酸化剤ガスの供給路と独
立して冷却ガスとしての冷却空気を供給する複数′の供
給通路５が、燃料ガスや酸化剤ガスを供給口、排出口を
備えたセルスタック６の側面Ａ、Ｂと直交する両側面Ｃ
，Ｄにまたがって設けられて冷却層を形成している。複
数の供給通路の開口は側面Ｃにその半数の供給口５ａを
、側面りに残りの半数の排出口５ｂをセルスタック６の
対称面の両側に設け、供給口５ａから矢印Ｇ方向に流入
する冷却空気は供給口５ａを流入し平行通路５ｆに連通
ずる通路５Ｃ，５ｄを経由してセパレート板２内のすべ
ての供給通路５を通流して排出口５ｂより矢印Ｈ方向に
排出するようにしている。そして隣接するセパレート板
２には供給通路５の半数の排出口５１を側面りに設けら
れた排出口５ｂと対向して側面Ｃにまた残りの供給口を
側面Ｃに設けられた供給口５ａと対向する側面りに設け
ており、同一側面に供給口と排出口とを積層方向に交互
に開口させている。

したがって今着目するセパレート板２に矢印Ｇ。

Ｈ方向に冷却空気を流す時には、このセパレート板２に
隣接するセパレート板には矢印Ｇ、Ｈと逆方向に通流さ
せる。すなわち冷却空気はセルスタックの側面りからセ
ルスタック内を通流して矢印Ｊ方向に排出されるように
する。このようにしてセルスタック６の積層方向にセパ
レート板ごとに冷却空気を交互に逆方向に流すようにし
ている。

第２図、第３図は上記のようなセルスタックを備えた燃
料電池の断面図であり、第２図、第３図によりさらに説
明を補足する。

第２図は着目するセパレート板２のセパレート板２ａ、
２ｂを接合した面での断面図である。第２図においてセ
ルスタック６のセルの燃料電極および酸化剤電極へそれ
ぞれ燃料ガスと酸化剤ガスとを供給、排出する手段は従
来技術と同じであるので説明を省略する。マニホールド
１２ａはセルスタック６の側面Ｃに設けられた冷却空気
の供給通路５の供給口５ａに供給するようにマニホール
ド蓋１２により形成されている。そしてマニホールド１
３ａはマニホールド１２ａに対向するセルスタック６の
側面に設けられている。

第３図は第２図のセパレート板に隣接する分離したセパ
レート板の合せ面での断面図であり、図に示すようにマ
ニホールド１３ａは供給口５ｅに冷却空気を供給するよ
うに設けられている。第２図、第３図においてケーシン
グ９はマニホールド蓋７，８，１２．１３を取付けたセ
ルスタックを据付けて内包しており、さらに図示しない
燃料ガス、酸化剤ガス、冷却空気の入口、出口管等を貫
通させている。

したがって燃料電池の運転により従来技術の項で説明し
たように燃料ガスは矢印のようにマニホールド７ａ、セ
ルスタック、マニホールド７ｂを通流し、酸化剤ガスは
マニホールド８ａ、セルスタック、マニホールド８ｂを
通流する。また冷却空気は、図示しない入口管からマニ
ホールド１２ａ。

１３ａに供給されるが、第２図に示すセパレート板２に
はマニホールド１２ａから矢印のように流れ供給口５ａ
からセパレート板２の内の供給路５のすべてを通流して
排出口５ｂからケーシング９とセルスタック６等で形成
される空間であるマニホールド／ド９Ｃに排出される。

一方第２図のセパレート板に隣接するセパレート板では
第３図に示すように冷却空気はマニホールド１３ａから
矢印のように流れ供給口５ｅからセパレート板肉の供給
通路５のすべてを通流してマニホールド９ｃに排出され
る。したがって第２図と第３図の隣接するセパレート板
には逆方向に冷却空気が流れる、すなわちセルスタック
６の積層方向に交互に逆方向に冷却空気が流れる。なお
排出口５ｂ　、５ｇから排出された冷却空気は合流され
て図示しない排出管により外部に排出される。したがっ
て燃料電池の運転により発生した熱は積層方向にセパレ
ートごとに交互に逆方向に冷却空気が流れることになる
。

第４図は電極の面内温度の上記のような逆方向の冷却空
気の通流による電極温度特性を示す特性図であり、縦軸
と横軸は第９図の従来例と同じに表示している。第４図
において破線Ｓ１はマニホールド１２から一つおきのセ
パレート板の供給通路５に流入し、発生する熱を冷却し
て排出される冷却空気の温度を示し、その温度はセルス
タックの側面Ｃから側面りに向って上昇している。また
一点鎖線Ｓ２は上記のセパレート板に隣接するセパレー
ト板をマニホールド１３からセパレート板の供給通路５
に流れて発生する熱を冷却して排出される冷却空気の温
度を示し、その温度は上記の冷却空気と逆方向に流れる
ため冷却空気の温度はセルスタックの側面りから側面Ｃ
に向って上昇している。したがって電極はその両面に勾
配の逆な冷却空気により冷却されることになるため電極
の面内温度は実線Ｔのように均一になる。

第５図は本発明の異なる実施例による燃料電池のガス冷
却構造を示す断面図であり、一つおきのセパレート板に
マニホールド１２ａかう供給口５ａに供給し、供給通路
５を通って排出口５ｂから排出される冷却空気をマニホ
ールドｘａｂｔｃ集め、マニホールド１３ａと１３ｂと
を形成するマニホールド蓋１３をセルスタック６の側面
に取付けている。そして上記のセパレート板に隣接する
セパレート板の供給通路５にマニホールド１３ａから冷
却空気を供給口５ｅ（第３図参照）から供給通路５に送
り排出口５ｇ（第３図参照）から排出してマニホールド
１２ｂに集め、マニホールド１２ａと１２ｂとを形成す
るマニホールド蓋１２をセルスタックの側面に取付けて
いるが、その作用は前述と同じである。

また本実施例ではセパレート板を一つおきに冷却空気の
流れを逆方向にしているが、複数の単電池ごとにそのセ
パレート板に供給通路を設けたり、また別に供給通路を
設けたセパレート板を介装して冷却空気の流れを逆方向
にしても同じ作用が得られる。

なお単電池がリブ付電極方式によるものである場合は冷
却ガスの供給通路をガス不透過性のセパレート板の中層
部に貫通して前述と同様に冷却ガスが積層方向に対し逆
方向に通流するように設け、このセパレート板を単電池
の一個または複数個ごとに介装して積層することにより
前述と同じ作用が得られる。なおリブ付電極方式による
場合反応ガスの供給路が設けられたプレートの側面にシ
ール材を被覆して側面からのガスの透過を防止する。

〔発明の効果〕　　　。

以上の説明から明らかなように、本発明屹よればセルス
タックの積層方向において交互に逆方向に流れるような
冷却ガスの供給通路を配したことにより、燃料電池の運
転により温度上昇した電極の両側を逆方向の冷却ガスが
流れ、したがって温度勾配の逆の冷却ガスの冷却作用に
より電極の面内温度は均一になり、電池特性が向上し、
また局部的な低温度がないため改質ガス中に含まれるＣ
Ｏに対しても電池特性が低下せず、冷却ガス量も少なく
てよいので補機動力が低減し、発電装置の効率も向上す
るという効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の実施例によるガス冷却構造を備えたセ
ルスタックの斜視図、第２図は第１図のセルスタックを
備えた燃料電池の断面図、第３図は第２図の断面と冷却
ガスが逆方向に流れる断面を示す燃料電池の断面図、第
４図は本発明の電極温度特性を説明する特注図、第５図
は本発明の異なる実施例を示す燃料電池の断面図、第６
図は本発明に係る燃料電池の１セル分の断面を示す断面
図、第７図は第６図のＸ−Ｘ断面図、Ｍ８図は第６図の
単電池を積層してなるセルスタックを備えた燃料電池の
断面図、第９図は第８図の燃料電池の電極温度特性を説
明する特性図である。 １：単電池、１ａ：を解質層、１　ｂ　：　ｉａ料電ｆ
ｆｌ、ＩＣ：ｃｉ７Ｒ化剤電他剤電極ブレートとしての
リブ付セパレー　ト板、３：燃料ガスの供給路、４二酸
化剤ガスの供給路、５：冷却ガスの供給通路。 才１図 オ　５　図 オ　７　　図 ｆ　８　目 す　ｑ　　図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 単電池とセパレータとを交互に積層してなる燃料電池積
   層体の対向する側面から当該単電池のガス供給路に２種
   の反応ガスを給排し、前記積層体の対向する他の側面か
   ら前記反応ガスと独立した冷却ガスを給排するものにお
   いて、前記積層体の当該他の側面における冷却ガスの供
   給、排出口を、電池の積層方向に沿って交互に設けたこ
   とを特徴とする空冷型燃料電池。