JPS6282654A - 燃料電池 - Google Patents

燃料電池

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JPS6282654A
JPS6282654A JP60222817A JP22281785A JPS6282654A JP S6282654 A JPS6282654 A JP S6282654A JP 60222817 A JP60222817 A JP 60222817A JP 22281785 A JP22281785 A JP 22281785A JP S6282654 A JPS6282654 A JP S6282654A
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JP
Japan
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fuel cell
electrolyte
thermal conductivity
plate
cell according
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JP60222817A
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English (en)
Inventor
Shoji Ito
昌治 伊藤
Hidekazu Fujimura
秀和 藤村
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Hitachi Ltd
Original Assignee
Hitachi Ltd
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Publication date
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    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/02Details
    • H01M8/0289Means for holding the electrolyte
    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30Hydrogen technology
    • Y02E60/50Fuel cells

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  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
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  • Sustainable Energy (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
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  • Electrochemistry (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
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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、特に、電解質部の熱伝導性を
高めることにより、電解質部の而内温度差を小さくした
燃料電池である。
〔発明の背景〕
燃料電池の発電機構は電気化学反応であり、その発電効
率、寿命、特に電解質の消失に伴う寿命の短縮が製品化
にあたっての解決しなければならない重要な課題となっ
ている。
従来の燃料電池(例えば特開昭57−154766)で
は、燃料及び酸化剤ガスの流し方を、熱交換器などで用
いられている、自流、平行流、あるいは、直交流などの
タイプが用いられている。これら、何れのフローパター
ンにおいても、電池性能、信頼性及び耐久性に大きな影
響を及ぼす、電解質部に用いられる材料の熱伝導率は一
般に小さいことなどもあり、燃料電池動作中電解質部面
内の温度分布に大きな差が生じている。
発明者等の研究によると、この電解質部面内の大きな温
度差が電解質消失に影響し、結果として寿命を下げてい
ることを見出した。
〔発明の目的〕
本発明の目的は、燃料電池の電解質部に生じる面内温度
差を小さくした高性能、長寿命の燃料電池を提供するこ
とにある。
〔発明の概要〕
燃料電池の内部では、反応ガスの流れに伴い、電気化学
反応により反応物質の濃度や流量が各場所で異なってく
る。このため、界面上の電気化学反応に伴う熱発生や、
ガス流路と電極間の物質移動に伴う熱移動も各場所で異
なることになり、電池内部の温度も不均一となる。この
電池内の温度は当然、電気化学反応やガスの電解質への
溶解。
拡散、@解質等の電導度等に影響を及ぼすために。
発生電流は温度場の影響をも受ける。すなわち、電池内
部では温度場と電流密度場とが互いに影響し合っている
ことになる。
燃料電池の電解質板についての熱収支は次式に示す関係
にある。
ここで、 Ts :電解質部の温度 Tf :ガス温度 As、 Ax :面積 λ :電解質部の熱伝導率 K :熱通過率 Q :電解質部で発生する熱量 上式で、第1項は電解質部面内の2次元の熱伝導の項で
あり、第2項は流体側との熱伝達の項である。第3項の
熱量は電解質部の内部抵抗によるジュール熱と水の生成
熱である。従来、電解質部の素材としては、アルミナ繊
維などの熱伝導率λが小さい物質が用いられているため
、温度分布にも大きな差が生じることになっていた。
そこで、本発明は、上記の点に鑑み、電解質部の熱伝導
率λを大きくするために、電解質部に熱伝導性の大きい
部材を組み入れた構造とし、温度分布の一様化を図った
燃料電池である。
〔発明の実施例〕
以下、本発明を実施例に基づき、更に説明する。
第1図は本発明の燃料電池の構成とその積層状態を示す
。伝熱板11と電解質部]−〇の両側にカソード電極1
とアノードff1t!2が設けられ、ffl極のセパレ
ータ側には集電板が取り付けられる。電解質部と電極は
セパレータ20によって両側から押えつけられ電解質部
とセパレータのシール面24とで燃料ガス、酸化剤用ガ
スのシールが行われる。外部から供給された燃料、酸化
剤ガスはセパレータ、電解質部に開けられたガス供給マ
ニホールド21,12を通して、セパレータに加工され
たガス流路22.23に供給され、その流路を流れる間
に電極と電解質との界面で電気化学反応を起こし、発電
を行う。その際、溶融炭酸塩型燃料電池ではアノード側
、カソード側の電極で次の反応により電気が発生する。
H2+CO52−→COz+HzO+2e−CO2+−
OZ+2e−−+C○82−この反応からも判るように
、アノード側では水素が反応物として消費され、炭酸ガ
スと水とが生成物として燃料ガス中へ流入してくる。こ
の際に前記第(1)式でも述へたような反応熱が生じる
のであるが、ガスの流れにより、電池各部における水素
及び炭酸ガス濃度が異なり、その反応熱も当然ながら、
各部で異なったものとなっている。
例えば、第2図は、従来型の燃料電池断面図を示すが、
この場合の電解質部10の温度分布を計算した。第3図
はその計算結果であり、電池運転電圧C6v=o、as
v、  アノード、カソードガスの利用率70%、50
%、セル寸法30 cs X 30 tyn 。
電解質部の厚さ5mn+、電解質部の熱伝導率λを0 
、02 W / am ’Cとし、セパレータ温度を冷
却セルの効果を考慮し500℃一定の条件として行った
。図のように、燃料ガス32.酸化剤ガス33の入口部
では650℃となるのに、出口部では580℃であり、
その温度差Δtは70℃にもなっている。また、次の第
4図は、前記条件のうち、セル寸法を1oocnX10
0cnとし冷却セルによるセパレータ温度の均一処理を
取り除いた場合である。この場合のΔtは約160℃に
もなり、アノードガス、カソードガスの出口部、すなわ
ち第4図の右下部では700℃以上になっていることが
わかる。第3図と第4図の温度分布が逆の傾向。
すなわち、第3図ではガスの入口側が高く、出口側が低
くなるのに、第4図では、入口側が低く、出口側が高く
なっている。これは、前記したセパレータ温度の条件に
よるものである。即ち、第3図はセパレータ温度を50
0”C以上にあげないように例えば風冷し、第4図は無
冷却とした条件での計算結果である。
第5図は、第3図と同様の条件により、横軸の電解質部
の熱伝導率λを変えた場合に、電解質部の最高温度と最
低温度の差を温度差Δtとした場合の計算結果を示す。
図のように、熱伝導率λが約1 、 OW / am 
”C以下になると、温度差Δtが急激に大きくなること
がわかる。
第6図は、本発明の一実施例による燃料電池断面図を示
す。電解質部10内には、高熱伝導率の伝熱板11が設
けられ、電気絶縁性の高い支え25により支持されてい
る。伝熱板11は多孔質に形成されており、電解質内の
反応が阻止されない構造としである。このような伝熱板
11の素材としでは、例えば、熱伝導率の大きい銅が用
いられているが、その他SiC系のセラミックスでも特
に、酸化ベリリアBeOを2%程度含むSiC等がある
。その他、高熱伝導性、高絶縁性の素材であれば本発明
に利用することができる。伝熱板に銅を用いる場合には
電気絶縁性のコーティングを表面に施し性能の安定化を
図ることが必要である。次の第7図は第3図と同様の条
件で、電解質部の熱伝導率λを上記、BeO2%を含む
高熱伝導SiCの熱伝導率2 、72 W / cs 
’Cとした場合の計算結果である。図のように温度差Δ
tは約4℃となり、はとんど一様な温度分布となる。ま
た、第8図は第4図と同様な条件でλを同じ< 2.7
2W / tyn ’Cとした場合である。この場合Δ
tは約50℃となり、第4図の160℃に比べ約]/3
に低減する。
ここで、電解質部1oの温度と電解質のガス中への消失
量を検討すると、例えば、溶融炭酸塩型燃料電池の電解
質材である炭酸カリウム、炭酸リチウムの場合、電解質
材の温度が1−0℃変化するとその重量消失量が約10
%変化することになる。
したがって、電解質部の温度差Δtが160℃と4℃の
場合では、後者の寿命は前者の寿命に比較し、電解質の
消失による寿命効果だけで考えれば、約10倍長くなる
以上のように、電解質部の熱伝導率を大きくすることに
より、電池内部の温度場が一様になり、電池性能、信頼
性及び寿命の向上が達成できることになる。
第9図は本発明の他の実施例で、電解質部10内に伝熱
線13を設けた場合で、電解質部の温度不均一は、この
伝熱線13により一様なものとすることができる。第1
0図は、第9図の伝熱線13の配線状態を示したもので
ある。第9図では伝熱線13は2本の場合の図であるが
、その他に、単数及び複数の場合も同様の効果で、伝熱
線13の材料、あるいは、燃料電池の運転条件により選
定することになる。また、第10図に示す配線方法の他
にも、第11図、第12図に示すような方法もあり、こ
の配線方法は、その他何れの場合も本発明の一実施例に
関するものである。
第13図も本発明の一実施例で、伝熱板11と電解質部
10とを三層構造としたものである。伝熱板11は、前
記した如く多孔質の素材より成り、反応が阻止されない
構造となっている。このような構造の場合は、先の第6
図に示す、電解質部内に伝熱板を設ける場合よりも、取
付方法が容易となる。
次の第14図の実施例は、伝熱板14に設けた、孔内に
電解質部10を充填したもので、伝熱板14の多孔質の
空隙率が小さく反応性が悪い場合に本図のような構造に
することにより、良好な電池性能を維持することができ
る。第15図は、第14図の伝熱板14の部分図である
。伝熱板14に設ける孔15としては本図の様な配置が
一実施例として考えられるが、その他の配置方法も当然
のことながら、本発明の一実施例に関するものである。
第16図の実施例は、電解質部10内゛に、熱電導率の
大きい伝熱材の粒子16を混入させ、電解質板として構
成したものである。粒子16の特質としては、熱伝導率
が高いことは当然であるが、その他に、電解質保持力が
高く、更に、熱による変形が小さい物質よりなる。この
ような構成にした電解質部による効果は、前記のように
熱伝導率が大きくなり、更に耐久性、性能が向上するこ
とになる。
〔発明の効果〕
本発明によれば、燃料電池の電解質部に生じる温度差を
小さくすることができるので、電解質部の熱伝導率が高
くなり、電池性能、信頼性、耐久性が向上する。
【図面の簡単な説明】
第1図は本発明の一実施例を示す燃料電池の構造と積層
状態図、第2図は従来の燃料電池を示す断面図、第3図
、第4図は従来構造の電解質板温度分布を示す解析結果
の図、第5図は電解質部の熱伝導率と温度差の関係図、
第6図は本発明の断面図、第7図、第8図は本発明の電
解質板温度分布を示す解析結果の図、第9図、第10図
、第11図、第12図、第13図、第14図、第15図
、第16図は本発明の他の実施例を説明する図で、第9
図、第13図、第14図及び第16図は燃料電池の断面
図、第10図、第11図及び第12図は電解質板に設け
られた伝熱線の配置状態を示す図、第15図は伝熱板の
一部拡大平面図である。 1o・・・電解質部、11・・・伝熱板、13・・・伝
熱線、20・・・セパレータ、32・・・燃料ガス、3
3・・・酸化剤ガス。

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 1、二枚の電極と、その間に介在する電解質部及び燃料
    と酸化剤との流路を形成するセパレータとから構成され
    る燃料電池に於いて、前記電解質部の内部又は近傍に高
    熱伝導率部材を設けたことを特徴とする燃料電池。 2、高熱伝導率部材が表面を絶縁性物質で被覆した銅で
    ある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。 3、高熱伝導率部材が酸化ベリリアを約2%合むSiC
    である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。 4、高熱伝導部材が板状であることを特徴とする特許請
    求の範囲第1項、又は第2項又は第3項記載の燃料電池
    。 5、高熱伝導率部材が線状で、電解質部内部に又は近接
    して所定の間隔で配置されていることを特徴とする特許
    請求の範囲第1項又は第2項又は第3項記載の燃料電池
    。 6、高熱伝導率部材が粒子状で、電解質部内部に分布し
    て配置されていることを特徴とする特許請求の範囲第1
    項又は第2項又は第3項記載の燃料電池。 7、板状高熱伝導部材が多孔質板であることを特徴とす
    る特許請求の範囲第4項記載の燃料電池。 8、板状高熱伝導部材が複数で上記板状高熱伝導部材間
    に電解質部を介在させたことを特徴とする特許請求の範
    囲第4項又は第7項記載の燃料電池。 9、板状高熱伝導部材の所定個所に穴を設け、該穴を電
    解質部で充填したことを特徴とする特許請求の範囲第4
    項記載の燃料電池。 10、線状高熱伝導部材が複数本電解質部内部に配置さ
    れていることを特徴とする特許請求の範囲第5項記載の
    燃料電池。
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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH01117278A (ja) * 1987-10-30 1989-05-10 Ishikawajima Harima Heavy Ind Co Ltd 燃料電池
WO2010005002A1 (ja) * 2008-07-10 2010-01-14 株式会社 東芝 燃料電池

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