JPS6386270A - 積層構造型燃料電池 - 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】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、平板状の電解質板、電極板及びセパレータを
積層して構成される積層溝造形燃料電池に係り、特に燃
料電池内の温度分布を均一化して電池性能を向上するの
に好適な燃料電池の構造に関する。

〔従来の技術〕

菰層構造形燃料電池の一部に平板状の冷却板を介在させ
て、この冷却板を介して電池内の冷却を行なうとともに
、該冷却板に冷却促進用の切片部材を冷却ガス流路中に
突出するように取付けたものがある（たとえば特開昭５
８−１７６８７８）。

〔発明が解決しようとする問題点〕

上記従来技術は、積層溝造形燃料電池の一部に冷却部材
を介在させることによって電池の冷却を行なうものであ
るため、冷却部材は全く燃料電池の電気化学反応に使う
ことができず、冷却部材を取付ける空間だけ燃料電池要
素を取除かなければならないから、燃料電池出力が減る
。

本発明の目的は、冷却部材を介在させないで、燃料電池
の冷却を行なうことができる積層構造型燃料電池を提供
することにある。

〔問題点を解決するための手段〕

上記目的は、燃料電池を構成するセパレータの一部を燃
料電池の外周に切片状に突出すとともに燃料電池本体の
外周に冷却ガスを流すことにより。

セパレータの切片状部材を介して燃料電池内を冷却する
ことにより、達成される。

〔作用〕

積層構造型燃料電池の出力性能は、平板状の電解質、正
極、負極及びセパレータとから構成される単位電池を何
枚積層するかによって決まる。それ故、単位高さ当りに
積層できる単位電池の数が多い程、燃料電池の出力性能
が向上する。

また、一般的に、燃料′ｔ！ｉ池は燃料ガスと酸化剤ガ
スを高温、高圧の条件で電気化学反応させて発電を□行
なうものであるから、燃料電池本体は、耐圧容器内に断
熱状態で支持される。そこで、耐圧容器と燃料電池本体
の間の空間を燃料電池の冷却ガス流路とするとともに、
セパレータの一部を前記ガス流路内に切片状に突出して
燃料型部内部の熱エネルギーをセパレータを介して燃料
電池外に取出す。燃料電池を冷却する冷却ガスは、燃料
ガスや酸化剤ガスと異なり、本来は清浄であるから、外
部の熱エネルギー源として利用することも可能であると
ともに、冷却ガス内の不純物濃度を検出することにより
、高い信頼性で燃料電池からのガス漏れを検出すること
ができる。

〔実施例〕

以下、本発明の実施例を図面に基づいて詳細に説明する
。

第１図は、本発明の燃ｒト電池用セパレータの構造を説
明するための図であり、セパレータの平面図である。１
はセパレータ、２は波形板、３は仕切り板、４は枠材、
５は突起部、６は燃料ガスである。本発明の燃？：Ｆ電
池は、平板状の電解質板、電極板及びセパレータを交互
に積層して燃料電池セルを構成する積層溝造形燃料電池
であり、溶融炭酸塩型燃料電池やリン酸塩型燃料電池な
どである。第１図に示した燃ｉ−電池用セパレータ１は
。

複数枚の波形板２と平板状の仕切り板３でセパレータを
構成したものである１次切り板３の両面に波形板２を図
示のように取付け、波形板のσｌ形？ＩＩＹ部をガスｄ
ε路にする。また、仕切り扱３の周辺部には燃料電池内
のガスＡ路を燃料１ｕ池外と気密。

分離するための枠材４を取付ける。また、枠材４は、セ
パレータ１の両面を流れる燃料ガス６と酸化剤ガス７の
分離も行なう。さらに、枠材４は、これらのガスの流入
口及び流出口であるマニホールドの一部を構成する。ま
た仕切り抜３の一部は。

枠材４の外周部分に切片状に突出され、突起部５を形成
し、燃料電池内の熱を燃料電池外に排出するための冷却
フィンとなり、燃料電池の周囲を流れる冷却ガスに熱を
放出する。

第２図と第３図は、燃料電池の全体構造を説明するため
の図であり、第２図は中央断面図、第３図はＡ−Ａ’断
面図である。燃料電池本体８は１、圧力容器９内に断熱
状態に保持され、さらに、圧力容器と電気的に絶縁され
ている。また、燃料電池本体８は、複数個の燃料電池ス
タックを互に平行に並べて、積層方向の上下から締付は
治具で締付けて一体に構成される０本発明の燃料電池で
は。

燃料電池内の熱放散を良くするために燃料電池の幅寸法
が長手方向及び高さ方向寸法よりも短かくしてあり、燃
料電池内で発生した反応熱は速やかに燃料電池外からは
さらに圧力容器外へ排出される。また、本構造の燃料電
池は、積層面において燃料ガス６と酸化剤ガス７の気密
分離を行なう必要があるため、積層面の面圧を均一化し
て気密分離を確実にする必要がある。本実施例では、第
２図に示すように、長手方向に配列したベース１１゜バ
ー１２及びボルト１３によって燃料電池を一体として締
付ける。さらに、締付圧力の均一化を実現するために、
締付治具と燃料電池の間に面圧負荷要素１５を介在し、
燃料電池に一定の締付圧力を与える。また、燃料電池ス
タックは、上下に取付けた絶縁材１４により、電気的に
絶縁するとともに、断熱した状態で圧力容器内に保持す
る。燃料電池出力は、これらのスタックを互い結線して
単一出力として外部に取出す、さらに、個々の燃料電池
スタックの出力性能、燃料電池スタックの局部の出力性
能を検出するために、セパレータ１の突起部５に電圧検
出端子を取付け、各部の端子電圧を検出する。燃料電池
では、各電池要素が直列に結線されているので、全ての
電池内を流れる電流は同一である。一方、各電池要素の
出力は電流と電圧の積として得られるため、個々の電圧
出力を測定することにより個々の電池出力を測定するこ
とができる。セパレータの突起部５は、電池内と同一電
位であるから、突起部５の端子電圧を測定することによ
り燃料電池内の反応状況や発電性能を測定することがで
きる。そして、燃料電池内の電気化学反応によって生じ
る反応熱量を突起部５の端子電圧から推定することも可
能である。

第４図は、本発明の燃料電池の別の実施例における燃料
電池の構造を示したものである。燃料電池内の電気化学
反応は、燃料ガス、酸化剤ガスの反応成分濃度、燃料電
池内の温度、燃料電池の発電性能、電解質の劣化程度な
ど各種の要因によって変化するため、各部における反応
熱量も大きく異なる。また、反応ガス自体の保有熱量及
び反応ガス間の熱伝達などによって熱量の移ｇｊＪ量が
大きく異なる。そのため、燃料電池内から除去すべき熱
量は、燃料電池の各部で異なってくる。また、燃料電池
性能を劣化させないで最も電気化学反応を行なうために
は、最適な温度範囲が存在する。

そこで、燃料電池各部の温度を調節するため、燃料電池
を収納する圧力容器９を適宜の空間に分割し、各空間を
流れる冷却ガス流量を調節する。第４図の例では、冷却
ガス１６の流入口１７のみを個別とし、各流入口１７に
流れ込む流量を調節し、流出口（図示せず）は冷却ガス
をまとめて排出する。

本発明の燃料電池では、燃料電池内を流れる燃料ガス６
、酸化剤ガス７と燃料電池の外周を流れる冷却ガス１６
は完全に気密分離されているため、冷却ガスは汚染され
ない。また、燃料電池では。

反応ガスの保有エネルギーの約半分は電気化学反応に伴
なう反応熱として消費される。冷却ガスを介して燃料電
池から除去される熱量は、熱エネルギーとして外部で利
用することが十分可能である。

それ故、冷却ガスを外部の熱利用システム内に導入し１
発電、給湯、暖房等に活用し、燃料電池システムとして
のエネルギー利用効率向上を計ることもできる。

本発明の燃料電池の実施例として溶融炭酸塩型燃料電池
を想定した場合、燃料電池の発電条件は。

ガス温度６５０〜８００℃、ガス圧力５〜８気圧である
。また、冷却ガスは、反応ガスよりも低温の５００〜５
５０℃のものを入れて、７００〜８００°Ｃの高温ガス
として回収するとともに、反応ガスよりも若干低い圧力
に設定して、反応ガスのガス漏れを検出できるようにす
る。さらに、燃料電池の締付圧力は、燃料電池の上部に
取付けた面圧負荷要素に反応ガス圧力よりも１〜５気圧
高い液体または気体を供給し、この圧力媒体を介して燃
料電池の締付けを行なうことにより、燃料電池が大形か
つ高積層化しても均一な締付圧力で締付けることができ
る。また、積層高さ、燃料′市池要素の寸法精度などの
状況に応じては血圧負荷要素を積層の途中に適宜追加す
ることが望ましい。

第２図から第４図に例示した燃料電池は、水平配置の場
合のものであるが、本発明の燃料電池は垂直配置も可能
である。また、燃料電池内を流れるガスの流れ方向は一
方向のみであるが、マニホールドの構造を変えることに
より、燃料電池内でガスの流れを反転させることも可能
である。すなわち、反応ガス、冷却ガス共に圧力容器の
一端から供給及び排出することにより、燃料電池の配置
及びガス配管が容易となる。

第５図と第６図は、本発明の燃料電池に用いる燃料電池
用セパレータ１の実施例を説明したものである。本発明
の燃料電池では、燃料電池内の反応熱を速やかに排出す
るため、燃料電池の幅寸法が長手方向寸法よりも短かく
なるように設定されている。それ故、燃料電池内を流れ
る反応ガスは長時間反応に供される。第５図は、セパレ
ータ１の一部を示したものであり、仕切り板３の上下に
波形板３を取付け、それぞれの面を燃料ガス６及び酸化
剤ガス７のガス流路となす。また、各ガス流路は、波形
板３によって２種類のガス流路に分割されている。第６
図は、第５図のセパレータの平面配置図を示す、セパレ
ータ１は、ガスの流れ方向に沿って、合流部１８２反応
部１９及び無反応部２０に区分けされる。反応ガスは、
流入側の合流部１８ａにおいて各流路に均一に分配され
る。

反応部１９は、すなわち電気化学反応を行なう部分であ
り、ガス流路と電極板に開放されており。

電極板界面を通じて電解貿内に反応成分を供給すること
ができる。一方、無反応部２０は、すなわち電気化学反
応を全く行なわない部分であり、ガス流路は電極板から
波形板２によって分離されている。すなわち、流入した
反応ガスの半分のみが電気化学反応に供され、残りは全
く反応に供されない。本発明のセパレータは、反応ガス
が順次消費されると、波形板２の連結部において、ガス
流路の変更を行なわし、今まで反応部を流れていた反応
ガスが無反応部へ、一方、今まで無反応部を流れていた
反応ガスが反応部へと流れるように構成されている。す
なわち、セパレータ１の表面を流れる反応ガスの１度分
布変化をゆるやかにするとともに、反応が均一に行なわ
れるようにすることができる。第７図は、反応ガスのｄ
３度変化とガス流入口からの距雛の関係を示したもので
ある。

流路ａを流れる反応ガスのＱ”Ａノσは実線に示すよう
に反応部１９．無反応部２ｏを通過するのに伴ない断続
的に濃度が低下する。同様に流路すを流れる反応ガスの
濃度は破線に示すように断続的に低下する。燃料電池を
通過する反応ガスは、最終的には同じように消費されて
排出される。本発明のセパレータ１では、波形板２の両
面をガス流路として利用することができる上に、頻繁に
流路を変更させられるため、ガス流路が広くとれてかつ
均一な反応を実現することができる。それ故、燃料電池
の小形化、高性能化を実現することができる。

本発明の燃料電池は、燃料電池内を流れる反応ガスと燃
料電池の外周を流れる冷却ガスが完全に気密分離された
構造である。また、燃料電池は、面圧負荷要素によって
積層面からのガス漏れを防ぐように構成されている。し
かしながら、燃料電池内を流れる燃料ガスが大気中に漏
れると爆発の危険があるので取扱いに十分注意しなけれ
ばならない。また、冷却ガスは、燃料電池を冷却するの
に十分な流量、すなわち、反応ガスの３〜１０倍の流量
を常に流す必要がある。そこで、万一にも燃料ガスまた
は酸化剤ガスが燃料電池外に漏れたとしても、冷却ガス
中の反応ガス成分を検出することにより、速やかかつ確
実にガス漏れを検出することができる。

以上述べた実施例では、反応ガスの流れ方向が対向する
場合を例示したが、本発明の燃料電池は反応ガスの流れ
方向が対向流に限定されるものでなく並行流や直交流及
びその他の流れ形式も可能である。また、例示したセパ
レータの構造は、平板と波形板とから構成された場合の
みを例示したが、本発明の燃料電池は例示したもの以外
にも、一枚の平板にガス流路を切削したものや平板上に
多孔質板、パイプ、棒等を取付けたもの、セパレータを
鋳造や焼結で製造したものであってもよい。

さらに、煙流電池本体から突出すセパレータの切片状部
材は、仕切り板の場合を例示したが、波形板、枠材等で
あっても、本発明の目的は達成できる。

〔発明の効果〕

本発明によれば、燃料電池内の温度を適正温度範囲内に
収めることができるため、ｉ）燃料電池内の電気化学反
応を最良の状態に保つことができる、ｉｉ）燃料電池内
の電解質過熱を防止できて、性能劣化を防げる、１ｉｉ
）燃温電池を構成する構成部材の高温酸化及び高温腐食
を抑えることができる、〜）燃料電池内の温度分布を均
一化することができ、熱応力を緩和することができる、
■）燃料電池構成部材の過熱が防止できて、熱クリープ
変形が抑えられ、均一な締付面圧を維持できる、などの
効果がある。

また、特別な冷却板を燃料電池の間に介在させる必要が
なく、かつ、燃料電池の性能が向上し。

圧力容器内の空間が有効に活用できるため、燃料電池の
小形、コンパクト化を実現することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明の燃料電池に用いるセパレータの縦断
面図、第２図は本発明の燃料電池の縦断面図、第３図は
横断面図、第４図は縦断面図、第５図から第７図は、本
発明に用いるセパレータ及び機能を説明するための図で
あり、第５図がセパレータの断面図、第６図がセパレー
タの各部の配置図、第７図が同セパレータにおける反応
ガス濃度の変化状態を説明する図である。 １・・・セパレータ、２・・・波形板、３・・・仕切り
板、４・・・枠材、５・・・突起部、６・・・燃料ガス
、７・・・酸化剤ガス、８・・・燃料電池、９・・・圧
力容器、１０・・・マニホールド、１３・・・ボルト、
１４・・・絶縁材、１５・・・面圧負荷要素、１６・・
・冷却ガス。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、平板状の電解質板、正極、負極及びセパレータとか
   ら構成される積層構造型燃料電池において、前記セパレ
   ータの一部を燃料電池本体の外周に突出すとともに、前
   記燃料電池と該電池収納容器の間の空間を冷却ガス流路
   としたことを特徴とする燃料電池。 ２、特許請求の範囲第１項に記載した燃料電池において
   、平板状セパレータが、一枚の平板とその一面または両
   面に波形板を取付けるとともに、該波形板の両面が燃料
   ガスまたは酸化剤ガスのガス流路であることを特徴とす
   る積層構造型燃料電池。 ３、平板状の電解質板、正極、負極及びセパレータとか
   ら構成される積層構造型燃料電池において、前記セパレ
   ータが一枚の平板とその一面または両面に波形板を取付
   けた構造であるとともに、該セパレータの両面が燃料ガ
   スと酸化剤ガスのガス流路を構成し、燃料ガスまたは酸
   化剤ガスまたは両ガスの流量を適宜に分割するとともに
   、このガス流れを流路の途中において波形板の表側から
   裏側へまたは裏側から表側へと流路変更させることがで
   きるように構成したことを特徴とする積層構造型燃料電
   池。 ４、特許請求の範囲第１項に記載した燃料電池において
   、セパレータの両面を燃料ガスと酸化剤ガス流路とする
   とともに、セパレータの長手方向と両反応ガスの流れ方
   向が一致するように構成し、さらにセパレータの長手方
   向寸法がセパレータの幅方向寸法よりも長くなるように
   構成したことを特徴とする積層構造型燃料電池。 ５、特許請求の範囲第１項に記載した燃料電池において
   、燃料電池本体と収納容器の間の冷却ガス流路を燃料電
   池の長手方向で複数個に分割するとともに、各冷却ガス
   流路の冷却ガス流量を適宜に調整可能としたことを特徴
   とする積層構造型燃料電池。 ６、特許請求の範囲第１項に記載した燃料電池において
   、セパレータの一部を燃料電池本体の外周に突出すとと
   もに、該突出し部に電圧検出端子を接続したことを特徴
   とする積層構造型燃料電池。 ７、特許請求の範囲第１項に記載した燃料電池において
   、燃料電池を板厚方向に多数積層して構成した燃料電池
   スタック、該燃料電池スタックを並列に複数個並べると
   ともに、各燃料電池スタックの上部に面圧負荷要素を積
   層し、これらの燃料電池スタックと面圧負荷要素を一体
   として板厚方向に締付ける締付け手段により耐圧容器内
   に、電気的に絶縁しかつ断熱状態に保持したことを特徴
   とする、積層構造型燃料電池。