JPS62268062A

JPS62268062A - 燃料電池の冷却装置

Info

Publication number: JPS62268062A
Application number: JP61110994A
Authority: JP
Inventors: Toshihiko Takeu; 竹生　俊彦
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1986-05-15
Filing date: 1986-05-15
Publication date: 1987-11-20
Anticipated expiration: 2010-05-17
Also published as: JPH0746612B2

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】［発明の目的］（産業上の利用分野）本発明は、燃料電池に関するもので、特に、電池表面の
温度分布の不均一を解消できるように改良を施した燃料
電池の冷却装置に係る。

（従来の技術）従来、燃料の有している化学的エネルギーを直接電気的
エネルＹ−に変換する装置として燃料電池が知られてい
る。この燃料電池は通常、電解質を保持したマトリック
スを挟んで一対の多孔質電極を配置するとともに、一方
の電極背面に水素等の燃料ガスを接触させ、また他方の
電極の背面にＦＷｉ等の酸化剤ガスを接触させ、このと
き起こる心気化学的反応を利用して上記電極間から電気
エネル〜−一を出力する単位セルを、複数個積層して１
１カ成するようにしたものであり、上記燃料ガスと酸化
剤ガスが供給されている限り高い変換効率で電気エネル
ギーを取り出すことができるものである。

第６図は、従来の単位セルの構成を示す斜視図である。

即ち、電解質を含浸したマトリックス１に接する面に触
媒が塗布され、多孔質体によって形成されたアノード電
極２と、同様に前記マトリックス１に接する面に触媒が
塗布され、多孔質体によって形成されたカソード電極３
とが、前記マトリックス１を挟んで対向する位置に配置
されて、単位セルが構成されている。

また、アノード電極２及びカソード電極３には、それぞ
れマトリックス１の反対側に燃料ガス流通路４及び酸化
剤ガス流通路５が、互いに直交する方向に形成されてい
る。一般にリン酸型燃料電池においては、燃料ガスは水
素であり、酸化剤ガスは空気中の酸素である。

また、一般に、燃料電池は単位レルよりＹｌられる゛電
圧が１ｖ以下と低いため、第７図に示した様に４００〜
５００枚の単位セル６を耐熱性及び耐リン酸性のセパレ
ータープレート７を介して積層し高電圧を得るようにし
ている。

ところで、上記の様な電気化学反応は、発熱反応でおる
ため、単位セル６を多数積層した場合、その温度上界は
召しいものとなる。そのため、単位セル６を積層する場
合、数枚の単位セル毎に冷却板８を挿入し、電気化学反
応によって生じる熱を外部に取り出すように構成して、
温度上界を防止できるように構成されている。

第８図に、従来から用いられている冷却板８の構成を示
した。即ら、冷却板８は、通常圧縮成型グラファイト樹
脂等から構成され、内部に絶縁処理を施した直径３ｍｍ
程度の冷ＨＪ管９が等間隔で複数本埋め込まれている。

また、前記冷却管９内に遂り込まれる冷媒としては通常
水が使用され、冷媒供給管１ｏより導入され、冷媒排出
管１１より排出される。

ところが、アノード電１（ｉ２に形成されている燃料ガ
ス流通路４及びカソードＴｉ極３に形成されている酸化
剤ガス流通路５において、燃料ガス及び酸化剤ガスは前
記流通路４．５を通過中に電気化学反応を起こすことに
より連続的に消費されるので、各流通路の入口付近にお
ける反応ガスの分圧が高くなり、出口付近における分圧
は小さくなる。

この結果、燃料ガス及び酸化剤ガスによって起こる電気
化学反応は、反応ガスの分圧の高い、各流通路４．５の
入日付近で起こりやすく、セル平面の゛上流密度分布も
各流通路の入口付近に集中する傾向にある。そのため、
単位セルの平面温度も各流通路の入口付近が高くなり、
出口付近が低くなるといった傾向がある。

第９図に、出願人らがセル平面温度分布を測定した結果
を示した。即ち、通常の運転条件（運転温度２０５℃１
ｗＪ素利用率６０％、水素利用率８０％）において、酸
素流通路に沿った温度分布の方が、燃料流通路に沿った
温度分布より傾斜が大きく、酸素流通路の入口付近と出
口付近の温度外が１０〜１５℃と大きいことがわかる。

この様に、燃料電池を構成する単位セルにおける局部的
な温度上昇は、燃料電池を構成する電極、マトリックス
等の寿命に大きな影響を及ぼすだけでなく、燃料電池内
部における電気化学反応が不均一になり、燃料電池の性
能が大幅に低下するという欠点があった。

（発明が解決しようとする問題点）上記の様に、従来の燃料電池の冷却装置においては、単
位ヒル平面を画一的に冷却していたので、電極表面の温
度が均一なものとならず、電池を構成しているｉ極、マ
トリックス等の寿命に影響を及ぼし、また、電池内にお
ける反応が不均一なものとなり、燃料電池の性能が大幅
に低下していた。

そこで、本発明は以上の欠点を除去するもので、酸化剤
ガス流通路の出口付近の冷却板の冷却能力を、入口部分
の冷却板の冷却能力より低下させて、″電池表面の温度
分布を均一化し、電池の長寿命化および電池性能の大幅
な向上を実現した燃料電池の冷却装置を提供することに
ある。

［発明の構成］（問題点を解決するための手段）本発明の燃料電池の冷却装置は、酸化剤ガス流通路の入
［コ付近に配設される冷却管に冷却フィンを形成したり
、酸化剤ガス流通路の出口付近に配設される冷ｆＪＩ管
に、冷媒流量を制限するオリフィスを配設したり、周囲
に熱伝導率又は厚さの異なる絶縁被膜を形成することに
より、酸化剤ガス流通路の入口付近の冷却能力を大きく
したものである。

（作用）本発明の燃料電池の冷却装置は、酸化剤ガス流通路の入
口付近の冷却能力を大きくして、単位セルにおける局部
的な温度上昇を防止し、電池表面の温度分布を均一化し
、燃料電池を構成する電極、マトリックス等の寿命を長
期間維持できるようにしたものである。

（実施例）以下、本発明の一実施例を第１図乃至第５図に基づいて
具体的に説明する。なお、第６図乃至第９図に示した従
来型と同一の部材は同一の７１号を付して説明は省略す
る。

■第１実施例；ト実施例の構成＊本実施例において、第１図に示した様に、積層された単
位セル内に適宜配設される冷却板８内に、絶縁処理を施
した冷却管２０が等間隔に複数本配設されている。前記
冷却管２ｏのうち、酸化剤ガス流通路の入【］付近に配
設される冷却管２０ａには、その周囲に冷却フィン２１
が設けられ、一方、酸化剤ガス流通路の出口付近に配設
される冷却管２０ｂは、従来と同様の冷却管から構成さ
れている。

：Ｆ、実施例の作用＊この様な構成を有する本実施例の燃料電池の冷却装置に
おいては、酸化剤ガス流通路の入口付近に配設される冷
ｆＪｌ管２０ａに、冷却フィン２１を形成したため、酸
化剤ガス流通路の入口付近の冷却板８の単位面積あたり
の冷却管表面積が増大する。この結果、酸化剤ガス流通
路の入口付近の冷却効率が大幅に向上し、この部分に生
じていた局部的な温度上昇を抑制することができ、電極
表面の′ｇＡ度を均一に保つことができる。

＊他の実施例＊なお、本発明は上記の実施例に限定されるものではなく
、冷却板８内に配設される冷却管のうち、酸化剤ガス流
通路の入口付近に配設される冷却管を、第２図に示した
様に断面形状が波型をした冷却管２２から構成しても良
い。この場合も、酸化剤ガス流通路付近に配設される冷
ＩＩ管の表面積が増大し、また、冷却管の所面栢が増加
するので、冷却管内に送られる冷媒の流量も増大し、冷
却効果が著しく向上でき、電池表面の温度を均一に保つ
ことができる。

■第２実施例：１１実施例の構成ニド本実施例において、第３図に示した様に、冷却板８内に
配設される冷却管３０のうち、酸化剤ガス流通路の出口
付近に配設される冷却管３０ｂには、冷媒供給管１０と
の各接続部に、冷部管内に送り込まれる冷媒流量を制限
するＡリフイス３１が複数個配設されている。

本実施例の作用；トこの様な構成を有する本実施例の燃料電池の冷却装置に
おいては、冷媒供給管１０より冷却管３０内に送り込ま
れる冷媒流量が、オリフィス３１を配設した部分におい
て制限されるため、酸化剤ガス流通路の入口付近に配設
されている冷却管ａＱａ内を通る冷媒流量が相対的に増
加する。その結末、酸化剤ガス流通路の人口付近の冷却
板８のＩＩｊ（Ｉ′Ｉ！而栢あ面りの冷却効率が向上し
、この部分に生じていた局部的な温度上昇を抑制するこ
とができ、電極表面の温１旦を均一に保つことができる
。

１；他の実１０；なお、本発明は上述の実施例に限定されるものではなく
、冷媒供給管１０の中央部にオリフィス３２を一つだけ
設けて、酸化剤ガス流通路の出口付近に配設される冷却
管３０ｂ内に送り込まれる冷媒流量を一括して制限して
もよい。

また、前記オリフィスのサイズ、配設個数および取付ｔ
プ位置は、電極表面の温度分布が均一なものとなるもの
であれば、上記実施例に限定されない、。

■第３実施例＊実施例の構成＝１＝本実施例において、第５図に示した様に、冷ｙ、ｔｉ板
８の内部に配設される冷″ｉＡ管４０の周囲に、絶縁材
料よりなる絶縁被膜４１が形成されている。

そして、酸化剤ガス流通路の出口付近に配設される冷却
管４０ｂの周囲に形成される絶縁被膜４１ｂが、酸化剤
ガス流通路の入口付近に配設される冷却管４０ａの周囲
に形成される絶縁被膜４１２１より厚くなるように構成
されている。

＊実施例の作用＊この様な構成を有する本実施例の燃料電池の冷却装置に
おいては、冷却管４０の周囲に絶縁被膜４１を配設した
ことにより、絶縁被膜４１の内外壁の温度差が大きなも
のとなる。ここで、酸化剤ガス流通路の出口付近に配設
される冷却管４０ｂの周囲に形成される絶縁被膜の厚さ
を、酸化剤ガス流通路の入ｌコ付近に配設される冷）Ｊ
管４０ａの周囲に形成される絶縁被膜の厚さより厚くし
たので、出口付近の冷却管４０ｂ周囲の熱抵抗が増加し
、酸化剤ガス流通路の出口付近における冷却板８の冷に
１能率が低下する。

その結果、酸化剤ガス流通路の入口付近の冷却板８の単
位部活あたりの冷却効率が相対的に向上し、この部分に
生じていた局部的な温度上昇を抑制することができ、電
極表面の温度を均一に保つことがでさ゛る。

くｒお、冷却管の周囲に絶縁被膜を形成したので、冷却
板全体としては、従来に比べ冷月１能力は低下して１ノ
よう。そこで、冷」管内に送り込まれる冷媒の温度を下
げたり、冷媒の循環流量を増加させて、Ｈ１ｉ池記度合
適性なものとり−る。

１；他の実施例；１：なＪ３、本発明は上述の実施例に限定されるものではな
（、醇化剤ガス流通路の出口付近に配設される冷却管４
０ｂの周囲に形成される絶縁被膜４１ｂを、熱伝導率の
小さい材料から形成することにより、酸化剤ガス流通路
の出口付近の冷却能力を低下さげてもよい。

［発明の効果］以上述べた様に、本発明によれば、酸化剤ガス流通路の
入口付近に配設される冷却管に冷却フィンを形成したり
、酸化剤ガス流通路の出口付近に配設される冷？ＪＪ管
に、冷媒流量をυｊ限するオリフィスを配設したり、周
囲に熱伝導率又は厚さの異なる絶縁被膜を形成するとい
った簡単な手段で、酸化剤ガス流通路の出口付近の冷却
板の冷」能力を、入口部分の冷却板の冷却能力より低下
させて、電池表面の温度分布を均一化し、電池の長寿命
化および電池性能の大幅な向上を実現した燃料電池の冷
却装置を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の燃料電池の冷却装置の第１実施例を示
す断面図、第２図は第１実施例の他の実施例を示ず断面
図、第３図は本発明の第２実施例を示す平面図、第４図
は第２実施例の他の実施例を示す平面図、第５図は本発
明の第３実施例を示す断面図、第６図は単位ヒルの構成
を示す斜視図、第７図は燃料電池の構成を示づ斜視図、
第８図は従来の冷却板を示す平面図、第９図は電池表面
の温度分布を示す図である。１・・・マトリックス、２・・・アノード電極、３・・
・カソード電極、４・・・燃料ガス流通路、５・・・酸
化剤ガス流通路、６・・・単位セル、７・・・セパレー
タープレート、８・・・冷却板、９・・・冷却管、１０
・・・冷媒供給管、１１・・・冷媒排出管、２０ａ、２
０ｂ・・・冷却管、２１・・・冷Ｗフィン、２２・・・
冷却管、３０・・・冷却管、３１．３２・・・オリフィ
ス、４０・・・冷却管、４１・・・絶縁被膜。

Claims

【特許請求の範囲】

（１）燃料ガス流通路および酸化剤ガス流通路を有する
一対のガス拡散電極間に、電解質を保持するマトリック
スを配してなる単位セルを、複数個積層して電池本体を
形成し、前記電池本体の側面に、前記ガス拡散電極へ燃料ガスお
よび酸化剤ガスをそれぞれ供給又は排出するマニホール
ドを配置し、前記単位セルの間に、冷媒を導入する複数
の冷却管を内蔵した冷却板を挿入して構成される燃料電
池において、前記冷却板の冷却能力を、酸化剤ガス流通路の出口付近
よりも、入口付近の方が大きくなるように構成したこと
を特徴とする燃料電池の冷却装置。
（２）前記冷却板に内蔵される冷却管のうち、酸化剤ガ
ス流通路の入口付近に配設される冷却管が、冷却フィン
を形成したものである特許請求の範囲第１項記載の燃料
電池の冷却装置。
（３）前記冷却板に内蔵される冷却管のうち、酸化剤ガ
ス流通路の入口付近に配設される冷却管が、断面形状が
波型をしたものである特許請求の範囲第１項記載の燃料
電池の冷却装置。
（４）前記冷却板に内蔵される冷却管のうち、酸化剤ガ
ス流通路の出口付近に配設される冷却管が、冷媒流量を
制限するためのオリフィスを配設したものである特許請
求の範囲第１項記載の燃料電池の冷却装置。
（５）前記冷却板に内蔵される冷却管のうち、酸化剤ガ
ス流通路の出口付近に配設される冷却管が、その周囲に
絶縁被膜を形成したものであり、前記絶縁被膜の厚さが
酸化剤ガス流通路の入口付近の冷却管に形成される絶縁
被膜の厚さより厚くなるように構成したものである特許
請求の範囲第１項記載の燃料電池の冷却装置。
（６）前記冷却板に内蔵される冷却管のうち、酸化剤ガ
ス流通路の出口付近に配設される冷却管が、その周囲に
絶縁被膜を形成したものであり、前記絶縁被膜の熱伝導
率が酸化剤ガス流通路の入口付近の冷却管に形成される
絶縁被膜の熱伝導率より小さくなるように構成したもの
である特許請求の範囲第１項記載の燃料電池の冷却装置
。