JPS6217962A

JPS6217962A - 燃料電池

Info

Publication number: JPS6217962A
Application number: JP60044860A
Authority: JP
Inventors: Koji Shiina; 孝次椎名; Narihisa Sugita; 杉田　成久; Haruichiro Sakaguchi; 坂口　晴一郎; Kazuhito Koyama; 一仁小山; Yoshiki Noguchi; 芳樹野口
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1985-03-08
Filing date: 1985-03-08
Publication date: 1987-01-26

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】〔発明の利用分野〕本発明は燃料電池に係り、積層電池外部へ取り付けた燃
料、及び空気用マニホールド内へ熱遮蔽体を設置するこ
とにより、燃料電池本体の発熱に伴う放熱を低減して電
池性能の低下を防止することができる燃料電池に関する
。

〔発明の背景〕

従来は、一般に、燃料、及び空気マニホールド内には何
も８１１１しないか、あるいは高さ方向に対する燃料及
び空気の流量分配を円滑に行うための流れの誘導体を設
置したものがあるにすぎなかった。

これらの構造の場合、全負荷時には問題ないが部分負荷
時に燃料、あるいは、空気の供給流量を低下させた場合
、各マニホールド内の燃料、及び、空気が強制対流から
自然対流支配になり得るので、このような条件で放射放
熱量が極めて大きくなる可能性がある。従って、部分負
荷から全負荷運転に変化させる際、電池本体の系内の温
度降下が大きく、定格運転のために再び昇温時間を必要
とするなどの欠点がある。

〔発明の目的〕

本発明の目的は、電池本体を収納する圧力容器内に設置
された燃料、及び空気のマニホールド内へ燃料、あるい
は空気が通過するための流路を設けた熱遮蔽体を設置す
ることにより、燃料あるいは空気の流速の小さな場合、
特に、部分負荷運転時のマニホールド内からの放射放熱
量を低減することができ、しかも電池セパレータ内の燃
料あるいは空気の反応通路への流量の均一分配を促進さ
せることにより、燃料電池スタックの電池性能向上が望
める高効率な燃料電池を提供することにある。

〔発明の概要〕

燃料電池発電システムにおいて、電池性能は電池スタッ
クを構成する各パーツの平均温度に比例する。特に、発
電システムの部分負荷運転時には燃料、及び空気は供給
量が低下、あるいは、ストップするが、燃料電池本体、
特に、各マニホールドを設置した積層燃料電池の温度降
下を防止しなければならない。この時、燃料、及び空気
の供給が停止すると、電池本体内部での発熱反応は起ら
ず、しかも自然対流支配の場となるので溶融炭酸塩型燃
料電池（’Ｉ’＝６５０℃）、及び高温固体電解質型燃
料電池（１”＝１０００℃）の場合、放射による放熱量
が大きくなる。そこで、このような部分負荷運転時の系
外への放熱を抑制するため、燃料及び空気の供給、ある
いは排気マニホールド内へ放射放熱防止用の熱遮蔽体を
設置する。この際、定格の全負荷運転時の燃料又は空気
の供給を考えて各マニホールド内に設置された熱遮蔽体
には燃料又は空気の通路用の孔、あるいは、誘導管を設
置して、電池本体内で反応する燃料と空気のセパレータ
内への均一分配供給を行うことにより、積層された燃料
電池の高さ方向の反応不安定、つまり、不均一温度分布
が生じないようにする。

従って、マニホールド内へ通気孔を設けた熱遮蔽体を設
けることにより、全負荷運転時の燃料。

空気の均一分配を促し、又、部分負荷運転時の電池スタ
ックから系外へ流出する放射熱址を低減することを目的
とする。

〔発明の実施例〕

本発明の一実施例を第１図により説明する。まず１本発
明の構造は円筒の圧力容器１３内へ積層された燃料電池
本体１を設置し、燃料電池本体１の周囲には電池内部で
の電気化学反応に必要な燃料２、及び空気７を燃料用通
路】８、及び空気用通路に均一に流すために必要な燃料
用マニホールド、及び空気用マニホールドを設置してい
る。ここで、燃料２を空気７に置き換えれば、その構成
料供給用マニホールド３には燃料供給管４を取り付け、
また、燃料排気用マニホールド５には燃料排気管６を取
り付けている。この時、燃料供給用マニホールド３、及
び燃料排気用マニホールド５内へ熱遮蔽体１５を設置す
る。また、圧力容器１３と各マニホールド３，５，８，
１．０の間は、不活性ガス層１２を充填し、さらに、圧
力容器１の外部には断熱材１４を設置している。

次に、本発明の動作について説明する。まず、改質器か
ら出た燃料２は燃料供給管４を通り、燃料供給用マニホ
ールド３内に入り、電池本体１内の燃料用通路１８へ均
等に分配される。空気７も燃料２と同様の流れで電池本
体１内へ入る。ここで、電気化学反応により、発熱を伴
いながら起電力Ｅを生じ、反応を終えた燃料２（未反応
ガス組成を含む）は燃料排気用マニホールド５内に集ま
り、燃料排気管６から流出する。空気７もまた同様であ
る。そして、定格になる全負荷運転時に、電池本体１内
で発熱した熱量は定常状態で系外への放熱がある状態で
ヒートバランスを保っている。

ところが、部分負荷運転の場合、燃料２及び空気７の供
給量を低下することがある。このような場合、燃料マニ
ホールド、供給管及び排出管内での燃料流速が低下する
ため、電池本体ＩＩ！！ｅとマニホールド壁との間での
熱移動は強制対流熱伝達から自然対流熱伝達が支配的と
なる。このため、放射熱伝達による熱損失が増え、その
結果、部分負荷運転時の系外への放熱量は全負荷運転時
よりもきわめて大きくなる。つまり、放射伝熱の場合、
温度差のある二点間での熱伝達は温度の四乗の差で定ま
るために、他の熱伝達系との比較のために等偏熱伝達率
を考えると極めて大きな熱伝達特性を持つことがわかる
。そこで、本発明ではこれら放射による放熱を抑制する
ため、マニホールド内に熱遮蔽体１５を設置して、第１
２図（ｂ）に示すように電池本体壁とマニホールド壁と
の温度差を小さくして系外への放熱量を小さくしようと
するものである。つまり、第２図に示すように、熱遮蔽
体がある場合には無い場合に比べて熱遮蔽体の枚数分だ
け熱抵抗が増えるため、トータルの熱抵抗が増えること
になる。また温度降下分も小さくなる。従って、次式で
示す単位時間、単位面積当たりの放熱量、即ち熱流束ｑ
は小さくなる。

ｑ”（Ｔｘ。ｗ＝Ｔｃｏ）／Ｒ但し、ｑ　　：熱流束（放熱量）Ｔ、−：電池本体壁面温度Ｔ−：外部周囲温度Ｒ：余熱抵抗例えば、燃料電池端の温度をＴ、。Ｉｌ＋　＝６５０”
Ｃと固定し、マニホールド内の流れをＴ（、に限定し、
空間３００ｍ／ｍ内に熱遮蔽体として５ＵＳ３１６を１
２枚設置し、マニホールドと圧力容器との間をＮ２ガス
（３００ｍ／ｍ空間）を充填して圧力容器の外部を断熱
材（ファインフェルト）８５ｍ／ｍおおった場合、５０
３部分負荷運転時、熱遮蔽体挿入により、ふく射伝熱が
支配的な場合には１次元熱流仮定のもとて約２７％の放
熱損失の低減が図れる。

また、不活性ガス層】２は真空にして真空断熱をすれば
更に放熱量を７０％程低減できる。

もちろん、この熱遮蔽体１５の一般的な構造は第３図に
示すようなプレートを積層する場合が考えられる。材料
として、オーステナイト系耐熱合金鋼、例えば、ＳＵＳ
　３１６等が用いられる。なお、この場合、部分負荷の
みではなく全負荷時も考慮して、燃料や空気の流れ阻害
を生じないよう。

また、特に積層された電池の高さ方向に対する流量の均
−防分配を考えて、熱遮蔽板へ孔をあけている。

また、第４図に示すように、燃料供給管４が燃料供給用
マニホールド３の下部にある場合、高さく８）方向の圧力損失を考えて、上部の通気孔１６程大きな径
にしている。このようにして、燃料用通路１８の位置に
関係なく、均一に燃料を供給することができる。

他の実施例を第５図により説明する。これは、熱遮蔽体
１５をマニホールド内に加えて不活性ガス層１２の充填
された圧力容器１３と各マニホールドの間にも設置され
た場合である。この場合には、放射による放熱量が実に
低下する。

また、流量分配の構造に関する他の実施例を第６図によ
り説明する。この際、熱遮蔽体１５にオーステナイト系
耐熱合金鋼の平板を用い、燃料の通気用の孔へ全て燃料
分配管を取り付け、その先端、つまり、各燃料用通路１
８の入口付近にノズル２０を設置することにより、燃料
２を確実に各通路へ供給することができる。この場合、
燃料供給管４はマニホールド下部に設置するのではなく
、マニホールドの高さ方向に数ケ所設置して、燃料が各
燃料分配管１９へ均一に供給されるようにしている。ま
た、第７図はこの燃料供給管４内に整流量２２を設けて
、燃料２の分配を促進する。

第８図は積層された熱遮蔽板へ設けた通気孔の構造を示
す。この構造は単に孔をあけるだけではなく、ある楕円
形状のプレスを行うことにより、平板に変形を与え、そ
の両際を通気孔とする。この際、第８図（ｂ）のように
通気孔の位置を一致させる場合と、第８図（ｃ）のよう
に通気孔の位置をオフセットさせる場合の二種である。

料、あるいは、空気の噴き出しが安定し、圧損も小さく
なる。ここで第９図（ｂ）は通気孔の位置を一致させた
場合、第９図（ｃ）はオフセットさせた場合である。さ
らに、第１０図は深絞り円形構造の孔径を上部に沿って
大きくしたものである。

これは燃料供給管がマニホールドの下部に設置されてい
る場合、流量の均一分配を行うのに有効である。

なお、図中９は空気供給管、１１は空気排気管、１７は
熱遮蔽体、２１は、熱遮蔽体支持部材である。

〔発明の効果〕

本発明によれば、部分負荷運転時におけるマニホールド
からの放射放熱を低減させ、かつ燃料と空気の供給流量
を各通路へ均一に分配することができるため、燃料電池
スタックの電池性能が向上し高効率な燃料電池システム
を達成できる。

【図面の簡単な説明】

第１図（ａ）は本発明の一実施例の横断面図、図、第３
図は本発明の斜視図、第４図は本発明の縦断面図、第５
図は本発明の他の実施例の横断面図、第６図は本発明の
他の実施例の縦断面図、第７図は本発明の他の実施例の
縦断面図、第８図（ａ）は熱遮蔽体構造の斜視図、第８
図（ｂ）は第８図（ａ）の縦断面図、第８図（ｃ）はち
どり配置の縦断面図、１９図（ａ）は第１０図（ａ）他
の熱遮蔽体構造の斜視図、第１０図（ｂ）。（ｃ）は熱遮蔽体構造の断面図である。１・・・電池本体、３・・・燃料供給用マニホールド、
４・・・燃料供給管、５・・・燃料排気用マニホールド
、６・・・燃料排気管、８・・・空気供給用マニホール
ド、９・・・空気供給管、１０・・・空気排気用マニホ
ールド、１１・・・空気排気管、１３・・・圧力容器、
１４・・・断熱材、１５・・・熱遮蔽体。

Claims

【特許請求の範囲】１、積層された燃料電池本体の外部へ設置された燃料供
給用、及び排気用マニホールド内と空気供給用、及び排
気用マニホールド内へ多層の熱遮蔽体を設置したことを
特徴とする燃料電池。２、特許請求の範囲第１項において、積層された前記燃
料電池本体と燃料、及び空気用マニホールドを収納する
ための外部を断熱材でおおった圧力容器との間を真空断
熱することを特徴とする燃料電池。３、特許請求の範囲第１項において、多層に設置された
前記熱遮蔽体へ前記燃料、あるいは前記空気を均一に流
すための流路用通路を設けたことを特徴とする燃料電池
。