JPS62103982A - 燃料電池発電システム - 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】 〔発明の技術分野〕 本発明は燃料電池発電システムに係り、特に燃料電池の
発生熱を除去する冷却水系統を備えて成る燃料電池発電
システムの改良に関する。

〔発明の技術的背景〕

燃料電池は、燃料の持つ化学エネルギーを電気化学プロ
セスで酸化させることにより、酸化反応に伴って放出さ
れる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。この燃料電池を用いた発電システムは、比較的小
さな規模でも発電の効率が４０〜５０％にも達し、新鋭
火力をはるかにしのぐと期待されている。さらに、近年
大きな社会問題になっている公害要因であるＳＯＸ。

ＮＯｘの排出が極めて少ない、発電装置内に燃焼サイク
ルを含まないので大量の冷却水を必要としない、振動音
が小さいなど、原理的に高いエネルギー変換効率が期待
できると共に、騒音・排ガス等の環境問題が少なく、さ
らに、負荷変動に対して応答性が良い等の特徴があるこ
とから、その開発、実用化の研究に期待と関心が寄せら
れている。

また、この燃料電池発電システムはモジュール化するこ
とができるので、建設工事期間が短いという特徴もある
。さらに、燃料電池本体の排熱温度が給湯等の熱源とし
て利用できる範囲にあり、熱供給発電システムを作るこ
とができるなど高効率であるため、将来火力発電の一部
代替え用大形発電システムとしても期待と関心が寄せら
れている。

この様な燃料電池発電システムのうち小規模のものはす
でに試作され、実験運転の段階に入っている。しかし、
大容量の燃料電池発電システムの実用化への最大の技術
的問題点は、単器容量の増加による個々の燃料電池の小
型化と、多数台の燃料電池をいかに効率良く配設し、そ
の据付スペースを縮小し、燃料ガス冷却系統の各種配管
及び電力端子の接続系統をいかに効率化することができ
るかにかかっている。

さて、この様な燃料電池の原理を示す断面模型図を第５
図に示した。即ち、−組の多孔質電極１の間に、リン酸
等の電解液を含浸させた電解質層２を介在させて単電池
を形成し、この単電池の両端面に燃料ガスである水素ガ
スＨと酸化剤ガスである空気Ａを連続して供給する。こ
の様にすると、反応生成物及び反応残余物りが外部に連
続して除去されるので発電が長期にわたり継続される。

また、この様な燃料電池の基本的な構成は、第６図に示
す通りである。即ち、電解質７１〜リツクスＩｌ！３の
両側に正極４及びｆ４極５が配設されて四角形の板状を
なす単電池が構成され、この単電池を発電装置として使
用するために多数の単電池が直列に結合して積層されて
いるが、これら単電池の間にはガスを供給するための溝
を設けたインクコネクタ６が配設され、上記単電池と交
互に積重ねられている。このインクコネクタ６には、対
向する二側縁に開口する複数の溝が設けられており、−
側面の溝を流路とする水素ガス流路７と空気流路８とは
互いに直交する方向に配列されている。

ところで、現在開発が進められている燃料電池Ｎは第７
図＜ａ）（ｂ）に示す如く、上記の様な単電池を四角柱
状に複数個Ｖ４層してセルスタック９が構成され、その
四周の側面には反応ガス供給用のマニホールド１０が取
付けられている。このマニホールド１０には、それぞれ
水素ガス供給管１１、水素ガス排出管１２、空気供給管
１３及び空気排出管１４が接続されており、水素ガス及
び空気は、セルスタック９内を図示矢印Ａ、Ｂの方向に
流れる様に設計されている。また、セルスタック９の運
転温度は＾い方が反応論的には好ましいが、構成材料の
耐熱性や電解質の蒸気圧等の制約から２００℃前後に維
持することが望ましい。

従って、セルスタック９内に埋設された導管（冷却管）
内に冷却水を循環通水させて、燃料電池起動時の加熱と
運転中に発生する熱を冷却するようにしている。即ち、
この型の燃料電池では、第７図（ａ）に示した様に冷却
水供給管１５及び冷却水排出管１６が配設され、冷却水
はセルスタック９内を図示破線Ｃの様に循環している。

さらに、燃料電池Ｎの出力は直流で、セルスタック９の
上下端に配設された電力端子（プラス極）１７、電力端
子（マイナス極）１８から、接続導体１９及びブッシン
グ２０を介してタンク２１外に引出される。

以上、説明した様な燃料電池の本体はタンク２１内に収
納され、タンク２１内にはマニホールド１０やその他か
らの反応ガスの漏れを抑制するために窒素ガス等が封入
されている。そして、セルスタック９を適切な温度に保
持するためと、運転中の発生熱を外部に放散することな
く冷却管を通じて有効に利用するために、タンク２１の
内面などに保温材２２が取付けられている。

〔背景技術の問題点〕

さて、燃料電池は電気化学反応により直流電圧を発生す
るが、その反応にともない熱が発生する。

この燃料電池を効率よく、適切な運転を行なうためには
セルスタックの温度を一定にＩＩＩ　ｍする必要があり
、その目的で冷却水系統を備えて水による冷却がなされ
ている。また、燃料電池は単電池あるいはセルスタック
を直並列に多数接続するので、均一な温度分布を得るた
めには冷却水流量′のバランスを良くする必要があり、
この目的のためには通水路に絞りを設けるという一般的
な方法を用いることができる。しかし、並列に接続され
る冷却系統が多数ある場合には絞りの数も多くなり、そ
れが占るスペースあるいは製作時の接合点数の増加によ
るコストアップ、信頼性の低下等の問題が生じる恐れが
ある。

一方、燃料電池発電システムの冷却水系統には、燃料電
池で発生する直流電圧を電気的に絶縁する必要があるこ
とから絶縁継手が設けられる。各燃料電池への流量はこ
の絶縁継手内の流量と同じであるから、流量バランスを
絶縁継手部でとる方法が考えられる。すなわち、絶縁継
手内の継手金具内に絞りを設けると前述したような問題
点は解決される。しかしながら、この絶縁継手にはセル
スタック内でも直ＰＥ３００ポルト程度、セルスタック
間では数千ボルトもの直流電圧がかがるものもある。そ
して、このように絶縁継手に直流電圧がかかっている場
合、冷却水配管等で発生した腐蝕生成物が、電圧がプラ
ス側の極性となる継手金具内面に付着（水の流れ方向と
は無関係）することが判明した。なお、この関係を下表
に示しており、表中ではプラス側の電圧が印加された継
手金具の漏れ電流をプラス（＋）として表わしている。

この付着物は、継手金具内面に鋭いオリフィス状に付着
するため通水抵抗が大きくなり、その結果冷却水量が減
少して冷却能力が低下する。そして、この付１１最によ
っては冷却水の流量バランスが悪くなったり、通水路の
狭い上述した絞り部などに付着した場合は付着量が少量
でも閉塞状態となる恐れがあり、通水路が閉塞すると局
所的な過熱を起こし、燃料電池の性能低下や寿命の短縮
につながることになる。

〔表〕腐食生成物の付着と漏電流との関係〔発明の目的
〕 本発明は上記のような問題を解決するために成されたも
ので、その目的は腐蝕生成物の付着による冷却水流量の
アンバランスを最少限に抑え流量減少による局部過熱を
確実に防止して燃料電池性能を向上させると共に長寿命
化を図り、効率の高い安定した電池運転を行なうことが
可能な小形でかつ安価なしかも信頼性の高い燃料電池発
電システムを提供することにある。

〔発明の概要〕

上記目的を達成するために本発明では、電解質を含浸さ
せた電解質層を挟んで一対の多孔質電極を配置してなる
単電池を複数個積層して成るセルスタックをタンク内に
収納すると共に、一方の電極に燃料ガスをまた他方のｉ
ｔ極に酸化剤ガスを夫々供給してこのとき起こる電気化
学的反応により上記各電極間から電気エネルギーを取出
すように構成した燃料電池と、上記セルスタックの内部
に複数本の冷却管を埋設すると共に当該冷却管に冷却水
供給用および排出用の配管を夫々接続して冷却水を循環
通水させるようにし、かつ上記冷却管と冷却水供給用配
管との間および上記冷却管と冷却水排出用配管との間の
夫々の接続部分に、第１゜第２の管状の継手金具および
これら各継手金具相互を接続する絶縁管からなる電気的
絶縁用の絶縁継手を設けて構成した冷却水系統とを備え
て成る燃料電池発電システムにおいて、上記絶縁継手に
おける対向する第１の継手金具に対して電圧がプラス側
の極性となる第２の継手金具内に、当該第２の継手金具
の第１の継手金具との対向側先端部からの距離が第２の
継手金具の内径に等しい部分までを除いた位置に流量分
配用の絞りを設けることにより、腐蝕生成部の付着によ
る冷却水流量のアンバランスを最少限に抑えて均一な冷
却が行なえるようにしたことを特徴とする。

〔発明の実施例〕

以下、本発明を図面に示す一実施例について説明する。

第１図は、本発明による燃料電池発電システムの構成例
を示すもので、本例では２つのセルスタックから成る燃
料電池発電システムについて示しπいる。なお、図にお
いて第７図（ａ）（ｂ）と同一部分には同一符号を付し
てその説明を省略し、ここでは異なる部分についてのみ
述べる。

図においてまず冷却水系統について説明すると、各セル
スタック９内に埋設された複数基の冷却管２６は、その
各端部が供給および排出側のヘッダー２５に夫々接続し
ている。また、供給側のヘッダー２５は絶縁継手２７ａ
を介して供給側マニホールド２３に接続すると共に、排
出側のヘッダー２５は絶縁継手２７ｂを介して排出側マ
ニホールド２４に接続している。さらに上記供給側マニ
ホールド２３は、上側および下側のセルスタック９とも
に絶縁継手２７ｂを介して冷却水供給管１５に夫々接続
している。また上記排出側マニホールド２３は、上側お
よび下側のセルスタック９ともに絶縁継手２７ｂを介し
て冷却水排出管１６に夫々接続している。一方、冷却水
は冷却水供給管１５側から入り、冷却管２６で加熱され
て冷」水排出管１６側へと流れる。この加熱された冷却
水は、一部水蒸気を含んだ流体いわゆる二相流となって
流れることもあるが、この熱を含んだ冷却水は気水分離
器３１内で冷却して適温に調節された後、冷却水配管２
９を通り循環ポンプ２８により冷却水配管３０を通って
冷却水供給管１５へと送られる。このようにして冷却水
を循環させることにより、燃料電池を適当な温度に保つ
ようにしている。

一方、図中の絶縁継手２７ａおよび２７ｂはそれに接続
される配管を電気的に絶縁するために設けられたちので
あり、直流電圧を発生する燃料電池の冷却水通水用の配
管には必要不可欠なものである。この絶縁継手２７ａお
よび２７ｂを用いることにより、それに接続される配管
を異なる電位に保つ事が可能となる。また、第２図（ａ
）は第１図における絶縁継手２７ａの拡大図を示すもの
であり、同図（ｂ）はその゛断面構成を示すものである
。この絶縁継手２７ａには方向があり、その方向は′Ｒ
流の流れる方向、換言すると電圧の極性によって決まる
。つまり絶縁継手２７ａは、２つの管状の継手金具であ
る陰極、陽極金具３４゜３５およびこれら陰極、陽極金
具３４．３５相互を接続するテフロン絶縁管３３から成
るもので、当該絶縁継手２７ａにおける対向する陰極金
具３４に対して電圧がプラス側の極性となる陽極金具３
５内には、当該陽極金具３５の陰極金具３４との対向側
先端部からの距離１が陽極金具３５の内径に等しい部分
までを除いた位置に、流量バランスを良くするための流
量分配用の絞りを図示の如く設けている。なお絶縁継手
２７ｂは、同様に陰極、陽極金具３４．３５およびテフ
ロン絶縁管３３から成り、上記流ｍ分配用の絞りを設け
ない構成となっている。ここで、陰極金具３４の材料と
しては一般の配管に使用される金属（炭素鋼。

ステンレス銅、銅および銅合金など）が使用できる。こ
れに対して、陽極金具３５の材料としては銅および銅合
金あるいは炭素鋼以外の、直流電流による電食を起こし
にくい金属（ステンレス銅等の高ニッケル、高クロム合
金）を使用することが好ましい。

次に電気的な接続について説明すると、第１図において
下側のセルスタック９と上側のセルスタック９との間、
あるいは下側のセルスタック９と下側の負荷３２の端子
間、あるいは上側のセルスタック９と上側の負荷３２と
の間には多数のセルスタックが存在し、夫々の電力端子
（プラス極）１７と電力端子（マイナス極）１８とは、
全セルスタックが直列となるように接続している。そし
て、最終的に最上段のセルスタックの電力端子（マイナ
ス極）１８は上側の負荷３２に接続し、最下段のセルス
タックの電力端子（プラス極）１７は下側の負荷３２に
接続している。一方、上側のセルスタック９の電力端子
（プラス極）１７は供給側マニホールド２３および排出
側マニホールド２４に接続し、下側のセルスタック９の
電力端子（マイナス極）１８は供給側マニホールド２３
および排出側マニホールド２４に接続している。さらに
、上記冷却水系統の冷却水供給管１５゜冷却水排出管１
６．冷却水配管２９および３０゜気水分離器３１．循環
ポンプ２８は電気的に接続され大地に接地している。こ
こで、セルスタック間およびセルスタック９と負荷３２
間には大電流が流れるので電力線で接続する必要がある
が、電力端子（プラス極）１７あるいは電力端子（マイ
ナス極）１８と供給側マニホールド２３および排出側マ
ニホールド２４間の電線には大電流は流れないので電力
線を用いる必要はない。つまり、この電線には絶縁継手
２７ａおよび２７ｂの漏電流分が流れる。

かかる如く構成した冷却水系統を備えて成る燃料電池発
電システムにおいては、上側のセルスタック９に接続さ
れている供給側の絶縁継手２７ａは冷却水通水方向の上
流側がプラスとなるのに対し、下側のセルスタック９に
接続されている供給側の絶縁継手２７ａは冷却水通水方
向の上流側がマイナスとなっている。上流側がプラスと
なっている上側セルスタック９の供給側の絶縁継手２７
ａは上流側に腐蝕生成物が付着し、上流側がマイナスと
なっている下側セルスタック９の供給側の絶縁継手２７
ａは下流側の継手金具内面に腐蝕生成物が付着する。

この場合の付着位置は、実験の結果から第３図に示すよ
うに、電圧がプラスとなる陽極金具３５の内径に対して
先端部から付着位置までの距離の比は、０．０５〜０．
９５であることがわかった。

従って、第３図に示した陽極金具３５の先端部から絞り
までの距離１が継手金具３５の内径寸法以上あれば、オ
リフィス状に付着する腐蝕生成物を絞り以外の部分に付
着させることができる。継手金具内の断面形状が円形で
ない場合の付着位置は径の最も小さい位置により決定さ
れるので、この場合の内径としては最も小さい位置を基
準として絞り位置を決定することができる。さらに形状
が複雑な場合には、断面積から求められる相当直径を用
いるのが適当である。

このようにして、腐蝕生成物が絞り部以外の陽極金具３
５内に付着するが、この部分は内径が大きいため付着に
よる内径の減少が小さく、付着物によるオリフィス抵抗
は絞りの断中積の減少率に比例するので、絞り部に付着
する場合に比較して抵抗の増加率は非常に少ない。特に
、絞り部に近接して付着する場合には付着による抵抗の
増加はほとんど生じない。

、Ｅ述したように、燃料電池は通常多数の単電池を８１
層することで必要な電流容量が得られるので、それにと
もなう冷却管の本数、絶縁継手の本数。

大きさ、長さなどが電池全体のスペースに大きく効いて
くる。この点、本実施例による燃料電池発電システムで
は、冷却水の流量バランスを良くするための方法として
用いられる絞りが、絶縁継手２７ａ内に納められている
ことからスペースの面でメリットがあり、更にその近く
で絞りのない部分に腐蝕生成物を付着させることで、付
着による流路抵抗の増加を低く抑えることができ、冷却
水の流量減少による局部過熱を防止することができ、極
めて効率の高い安定した燃料電池の運転を行なうことが
可能となる。

尚、本発明は上記実施例に限定されるものではなく、そ
の要旨を変更しない範囲で梗々に変形して実施すること
ができるものである。

（ａ）　　上記実施例では、供給側マニホールド２３と
冷却水供給用のヘッダー２５との間の接続部分に設けら
れる絶縁継手の継手金具内にのみ絞りを設けたが、第４
図に示すように供給側マニホールド２３と冷却水供給用
のヘッダー２５との問および排出側マニホールド２４と
冷却水排出用のヘッダー２５との間の接続部分に設けら
れる夫々の絶縁継手における冷却水通水方向の上流側に
なる継手金具内に絞りを設けるようにしても、上述と同
様の作用効果が得られるものである。この場合、供給側
および排出側に設けられる夫々の絶縁継手２７ａは、前
述と同様に絶縁継手２７ａにおける対向する陰極金具３
４に対して電圧がプラス側の極性となる陽極金具３５内
に、当該陽極金具３５の陰極金具３４との対向側先端部
からの距離がｒａ極金具３５の内径に等しい部分までを
除いた位置に流量分配用の絞りを設けるようにしている
。

（ｂ）上記実施例において、供給側マニホールド２３を
電力端子（プラス）１７に接続し、出口側マニホールド
２４を電力端子（マイナス）１８に接続するようにする
ことも可能であり、また同慟性の接続も可能である。い
ずれにしても、絶縁継手２７ａ内の陰極金具３４が電圧
の低い側、陽極金具３５が電圧の高い側に接続するよう
にしていれば、上述と同様の作用効果を得ることができ
るものである。

（Ｃ）　　上記実施例では、２つのセルスタックから構
成される燃料電池発電システムに本発明を適用した場合
を述べたが、これに限らず１つのセルスタックあるいは
３つ以上の複数のセルスタックから構成される燃料電池
発電システムについても同様に本発明を適用し得るもの
である。

〔発明の効果〕

以上説明したように本発明によれば、電解質を含浸させ
た電解質層を挟んで一対の多孔質電極を配置してなる単
電池を複数個積層して成るセルスタックをタンク内に収
納すると共に、一方の電極に燃料ガスをまた他方の電極
に酸化剤ガスを夫々供給してこのとき起こる電気化学的
反応により上記各電極間から電気エネルギーを取出すよ
うに構成した燃料電池と、上記セルスタックの内部に複
数本の冷却管を埋設すると共に当該冷却管に冷却水供給
用および排出用の配管を夫々接続して冷却水を循環通水
させるようにし、かつ上記冷却管と冷却水供給用配管と
の間および上記冷却管と冷却水排出用配管との間の夫々
の接続部分に、第１゜第２の管状の継手金具およびこれ
ら各継手金具相互を接続する絶縁管からなる電気的絶縁
用の絶縁継手を設けて構成した冷却水系統とを備えて成
る燃料電池発電システムにおいて、上記絶縁継手におけ
る対向する第１の継手金具に対して電圧がプラス側の極
性となる第２の継手金具内に、当該筒２の継手金具の第
１の継手金具との対向側先端部からの距離が第２の継手
金具の内径に等しい部分までを除いた位置に流量分配用
の絞りを設けるようにしたので、腐蝕生成物の付着によ
る冷却水流量のアンバランスを最少限に抑え流量減少に
よる局部過熱を確実に防止して燃料電池性能を向上させ
ると共に長寿命化を図り、効率の＾い安定した電池運転
を行なうことが可能な小形でかつ安価なしかも信頼性の
高い燃料電池発電システムが提供できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の燃料電池の一実施例を示す構成図、第
２図（ａ）（ｂ）は同実施例に適用する絶縁継手を夫々
示す拡大図および断面図、第３図は腐蝕生成物の付着範
囲を示す特性図、第４図は本発明の他の実施例を示す構
成図、第５図は燃料電池の原理を示す断面模型図、第６
図は燃料電池の基本構成を示す縦断面斜視図、第７図（
ａ＞は現在開発が進められている燃料電池の概略構成を
示す平面図、第７図（ｂ）は同じくその縦断面図である
。 Ｎ・・・燃料電池、１・・・多孔質電極、２・・・電解
質層、３・・・電解質マトリックス、４・・・正極、５
・・・負極、６・・・インタコネクタ、７・・・水素ガ
ス流路、８・・・空気流路、９・・・セルスタック、１
０・・・マニホールド、１１・・・水素ガス供給管、１
２・・・水素ガス排出管、１３・・・空気供給管、１４
・・・空気排出管、１５・・・冷却水供給管、１６・・
・冷却水排出管、１７・・・電力端子（プラス極）、１
８・・・電力端子（マイナス極）、１９・・・接続導体
、２０・・・ブッシング、２１・・・タンク、２２・・
・保温材、２３・・・供給側マニホールド、２４・・・
排出側マニホールド、２５・・・ヘッダー、２６・・・
冷却管、２７ａ・・・（絞り付き）絶縁継手、２７ｂ・
・・（絞り無し）絶縁継手、２８・・・循環ポンプ、２
９・・・冷却水配管、３０・・・冷却水配管、３１・・
・気水分離器、３２・・・負荷、３３・・・テフロン絶
縁管、３４・・・陰極金具、３５・・・（絞り付き）陽
極金具、３６・・・配管、Ａ・・・空気、Ｈ・・・水素
、し・・・反応生成物及び反応残余物。 出願人代理人　　弁理士　鈴江武彦 第１図 （ａ） （ｂ） 第２図 ０　　０．１　　０．２　　０．３　　０．４　　０．
５　　０．６オｆ！Ａｔｆｌ’ｒ＊Ｘ　ノ清ｔＪ−（ｍ
Ａ／ｃｍリーー−第３図 第４図 第５図 第６図

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. （１）電解質を含浸させた電解質層を挟んで一対の多孔
   質電極を配置してなる単電池を複数個積層して成るセル
   スタックをタンク内に収納すると共に、一方の電極に燃
   料ガスをまた他方の電極に酸化剤ガスを夫々供給してこ
   のとき起こる電気化学的反応により前記各電極間から電
   気エネルギーを取出すように構成した燃料電池と、前記
   セルスタックの内部に複数本の冷却管を埋設すると共に
   当該冷却管に冷却水供給用および排出用の配管を夫々接
   続して冷却水を循環通水させるようにし、かつ前記冷却
   管と冷却水供給用配管との間および前記冷却管と冷却水
   排出用配管との間の夫々の接続部分に、第１、第２の管
   状の継手金具およびこれら各継手金具相互を接続する絶
   縁管からなる電気的絶縁用の絶縁継手を設けて構成した
   冷却水系統とを備えて成る燃料電池発電システムにおい
   て、前記絶縁継手における対向する第１の継手金具に対
   して電圧がプラス側の極性となる第２の継手金具内に、
   当該第２の継手金具の第１の継手金具との対向側先端部
   からの距離が第２の継手金具の内径に等しい部分までを
   除いた位置に流量分配用の絞りを設けるようにしたこと
   を特徴とする燃料電池発電システム。
2. （２）冷却管と冷却水供給用配管との間の接続部分に設
   けられる絶縁継手の第２の継手金具のみに絞りを設ける
   ようにしたことを特徴とする特許請求の範囲第（１）項
   記載の燃料電池発電システム。
3. （３）冷却管と冷却水供給用配管との間および冷却管と
   冷却水排出用配管との間の接続部分に設けられる夫々の
   絶縁継手の第２の継手金具に絞りを設けるようにしたこ
   とを特徴とする特許請求の範囲第（１）項記載の燃料電
   池発電システム。