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発明の名称 燃料電池
発行国 日本国特許庁(JP)
公報種別 公開特許公報(A)
公開番号 特開平6−36780
公開日 平成6年(1994)2月10日
出願番号 特願平4−187921
出願日 平成4年(1992)7月15日
代理人 【弁理士】
【氏名又は名称】鵜沼 辰之
発明者 藤村 秀和 / 伊藤 昌治 / 中村 昭三
要約 目的
負荷増大で電流密度が高くなり、カソードガス流量が飛躍的に増大した時、電池セル面内温度の分布を均一化して燃料電池性能の低下を防止する。

構成
セル内カソードガス流路(6)を、カソード電極(5)に接する第1流路(17)と、バリヤによってカソード電極から遠い側に形成される第2流路(18)とに分割し、第2流路(18)の入口側始点から一部の路長に亘るカソード電極(5)から第2流路(18)への熱伝達率低下手段を設ける。具体的手段としては、第2流路(18)の電極(5)に近い側に閉塞空間(24)を設ける。下流領域では第1・第2流路間のガス流通を図る。
特許請求の範囲
【請求項1】 電解質板を挾んでアノード電極とカソード電極を配し、該各電極に接するアノードガス流路とカソードガス流路とをそれぞれ設けたセパレータを外側に配し、該各流路にアノードガスとカソードガスの供給管と排気管とを連通してなる単位燃料電池を有する燃料電池において、前記カソードガス流路をカソード電極に直接接することが可能な第1流路と、バリヤによってカソード電極から遠い側に形成される第2流路とに分け、該第2流路の入口側始点から一部の路長に亘って前記カソード電極と前記第2流路との間の熱伝達率を低下させる手段を設けたことを特徴とする燃料電池。
【請求項2】 請求項1において、前記平均熱伝達率低下手段を設ける範囲内だけは前記第1流路と前記第2流路の間のカソードガス流通開孔を設けず、前記範囲外では該流通開孔を設け、前記第2流路入口点での流路断面積を前記第1流路断面積より大きく採り、かつガス流れの進行と共に該断面積比率を変化させることを特徴とする燃料電池。
【請求項3】 請求項2において、前記熱伝達率低下手段を設ける範囲内だけは、前記第2流路の前記カソード電極に近い一部空間に、さらに閉塞された部屋を設けることを特徴とする燃料電池。
【請求項4】 請求項1において、前記第1流路と第2流路とを波形部材を配して形成し、前記熱伝達率低下手段を設ける範囲内だけは前記第1流路と前記第2流路間のカソードガス流通開孔を設けずに前記第2流路の前記カソード電極に近い一部の空間に閉塞された部屋を設けることを特徴とする燃料電池。
【請求項5】 請求項1において、前記第1流路を波形部材を配して形成し、前記第2流路を該波形部材の外側に位置するセパレータ部材内に開孔を設けて配し、前記熱伝達率低下手段を設ける範囲だけは前記波形部材により形成された前記カソード電極から遠い側の空間を閉塞し、前記範囲外のカソードガス流路では前記第1流路と前記波形部材により形成された前記カソード電極から遠い側の空間と前記第2流路とを開孔を設けて連通し、カソードガスの流通を可能にすることを特徴とする燃料電池。
【請求項6】 請求項5において、前記熱伝達率低下手段を設ける範囲だけには、前記第2流路の内面に断熱性部材を介在させることを特徴とする燃料電池。
【請求項7】 請求項4、5および6において、前記波形部材の前記カソード電極との接触側表面を粗くして該電極との間の熱伝導抵抗を増大させることを特徴とする燃料電池。
【請求項8】 請求項3、4、5、6および7において、前記カソード電極と前記第2流路との間に設けられた閉塞空間を真空にすることを特徴とする燃料電池。
発明の詳細な説明
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、燃料電池に係り、特に溶融炭酸塩型燃料電池の冷却構造に関する。
【0002】
【従来の技術】サイエンスフォーラム発行の「燃料電池設計技術」第202頁に記載されているように、大規模発電電力用燃料電池として使用される溶融炭酸塩型燃料電池においては、水素燃料が運転温度650℃で有するエンタルピーは248kJ/molで、理論的最大発電エネルギーに相当するものは197kJ/molである。しかし電池内に存在する各種抵抗によって通常運転の条件ではその約30%が熱に変換され、電池内発電量とほぼ同量の熱エネルギーが発生する。大型の燃料電池スタックでは周辺部からの熱伝導による熱移送寄与率が小さくなるので、その発熱の除去方法としてはプロセスガス(アノードおよびカソードガス)循環とスタック内冷却板挿入による冷却専用熱媒体循環の2方法が考えられる。この中、カソードガスの循環方式は、可燃性の水素ガスを含んでおらず、冷却板挿入方式に比べて構造が簡単であって一番優れている。
【0003】カソードガス循環は電池サブシステムに設けたブロワによって行われるので、スタック構造の設計としては、多量のカソードガスを流せるカソードガスチャンネルを工夫することになる。ある条件の下ではリサイクルガス量とカソード出口ガス量との比を表わすカソードガスリサイクル比が約74%と推算されている。このように溶融炭酸塩型燃料電池においては、電気化学反応の反応ガスとして用いられる空気と二酸化炭素の混合気、すなわちカソードガスが同時に冷却媒体として電池内発生熱の除去用循環ガスとして利用される。したがって、負荷が増加し発生電流が増大する以上に電池発熱量が増大し、その分だけ必要なカソードガス流量も増えることになり、その循環流量確保のための手段が採られることになる。例えば、図2に示すような強度を保持しながらカソードガスの流路を確保するよう表裏間のガス流通孔を有する波形部材を用いた構造が、燃料電池内のカソードガス流路全長に亘って採用されてきた。この場合、表裏側カソードガス流路の断面積は等しくするのが普通であった。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】燃料電池の運転にあたっては負荷変動があっても常に最適動作温度に電池温度を保つために、負荷量に見合ったアノードガスとカソードガスを供給するのは勿論のこと、冷却用のカソードガス量をも考慮に入れたプロセスガスの制御が必要になる。もし最適動作温度よりも電池温度が低下すると電池性能が低下して発電効率が低下し、極端な場合は電解質の溶融温度(炭酸塩では約490℃)以下で電池としての動作が不可能になる。逆に最適温度よりも高くなり過ぎると、電池部材が電解質に腐食され易くなったり、電解質の蒸発速度が早くなって電解質の不足状態に陥ったり、劣化や性能低下を招来することになる。
【0005】従来のプロセスガス冷却方式では、特に高電流密度での運転時に単位燃料電池を構成するセル面内の温度分布の不均一が大きくなる。電流密度と電池内の発生熱量との関係は比例関係ではなく、電流密度が高くなるにつれて発熱量が飛躍的に増大する。このためカソードガス流量を大幅に増やすことになるが、電池温度に比べて可成り低温のカソードガスがセル入口から大量に流入してセルのカソードガス入口付近を過冷却状態に陥れることになる。この結果その部分のセル温度が許容温度範囲を逸脱してセル性能を低下させることになる。
【0006】本発明の目的は、負荷が増大して電流密度が高くなりカソードガスの流量が飛躍的に増大した場合にもセル面内の温度分布の不均一性を是正し、温度低下による燃料電池性能低下の防止をする燃料電池冷却構造の提供にある。
【0007】
【課題を解決するための手段】前記の目的を達成するために、セル内に設けられたカソードガス流路を間隙を有するカソード集電板を含むカソード電極に直接接することが可能な第1流路と、バリヤによってカソード電極から遠い側に形成される第2流路とに分割し、該第2流路の入口側始点から一部の路長に亘ってカソード電極と第2流路との間の熱伝達率を低下させる手段を設ける。
【0008】前記熱伝達率低下手段としては、前記第2流路の断面積を第1流路のそれより大きく採り、ガス流れの進行と共に第1流路の第2流路に対する断面積比を拡大しながら前記第2流路のカソード電極に近い一部の空間に閉塞された部屋を設ける。さらに効果を高揚するためには該閉塞空間を真空にする。この場合、前記熱伝達率低下手段を設ける範囲外では、第1流路と第2流路の連絡孔を設けてカソードガスの流通を計る。
【0009】セパレータ内に配された、強度を保持しながら前記カソードガスの第1流路と第2流路とを形成するための波形部材を備え、第2流路の一部を仕切って前記閉塞空間を構成する構造のものと、この第2流路部分に相当する空間全体を前記の閉塞空間部分に当て波形部材の外側に配されたセパレータ部材の中に開孔を設けてこれを第2流路に当てる構造のものとが採用できる。いづれの場合にも前記熱伝達率低下手段を設ける範囲外では、開孔によって第1流路と第2流路を連絡し、カソードガスの流通を計ってある。
【0010】前記波形部材のカソード電極との接触側表面はこれを粗くして前記電極との間の熱伝導抵抗を増大させる構造を採る。また、セパレータ部材中の開孔第2流路の内面には断熱性部材を介在させる。
【0011】
【作用】プロセスガスとしてのカソードガスを冷却媒体としても利用するプロセスガス冷却方式の燃料電池にあっては、特に負荷が増大して電流密度が高くなるとカソードガス流量を飛躍的に増加させる必要が生ずる。この時カソードガスを燃料電池セル面に一様分布するよう流動させると、セルのカソードガス入口付近は、電池温度に比べて低温のカソードガスの冷却効果のために温度が低くなり、セル内出口に近ずくにつれて冷却効果が薄れて温度が高くなる。カソード電極における電気化学反応に必要なカソードガスをカソード電極に供給しながら冷却材としてのカソードガスを減らすためには、カソード電極に直接接することが可能なカソードガス流路の第1流路とバリヤによってカソード電極から遠い側に形成された第2流路とを備え、該第2流路の入口側始点から一部の路長に亘ってカソード電極と前記第2流路との間の熱伝達率を低下させる手段を設ける必要がある。勿論カソードガス流路の出口に近い領域では、前記第1流路と第2流路を開孔によって連絡しガスを流通させることによって、従来から採用されて来たのと同程度以上の冷却効果をもたらす必要がある。
【0012】これを実現する手段として、第1流路の入口付近のカソードガス流量を反応ガスとして必要な量よりは多いが全ガス量の半分以下に絞ってカソード電極の冷却効果を減じ、第2流路のカソード電極に近い側には対流による熱拡散を防止するための閉塞空間をカソードガス入口側始点から一部の路長に亘って設ける。またこの領域では、第1流路、第2流路及び閉塞空間を構成する部材を通って、カソード電極から第2流路内のカソードガスへ伝達される熱を極力少なく押える構造を採用する。この領域より下流の流路では、前記の閉塞空間は設けず、第2流路から第1流路およびカソード電極へ向けた開孔を設けると共に、第1流路断面積を拡大して冷却効果の増大を図る。この場合、第2流路から隔離された第1流路のカソードガスは、電気科学反応により酸素と二酸化炭素とが消費され、体積流量が減少するので流速が落ち、冷却効果を更に低下させる効果を有している。また第1流路と第2流路の断面積比をカソードガス流路の全長に亘って調整することにより熱伝達率の調整を行うことができる。
【0013】第1流路と第2流路と閉塞空間とを構成する具体的構造としては、波形部材を使い、カソード電極に対して開放されている側を第1流路、反対側を第2流路とし、第2流路のカソード電極に近い側に閉塞空間を設けることが可能である。第2流路の熱的隔離をより徹底する構造として、上記の第2流路部分全体を閉塞空間にし、その外側セパレータ部材内部に設けた開孔で第2流路を構成し、その内面に断熱性材料を介在させる構造の採用も可能である。
【0014】カソード電極から構造部材への熱伝導を極力小さくするための手段としては、その構造部材のカソード電極の接触面積を減らす工夫が必要で、波形部材の前記接触側の表面を粗いものにすると効果がある。また閉塞空間も空気を内在させるよりは真空にした方が断熱効果が大きくなる。
【0015】
【実施例】本発明による一実施例を図1、2および3により説明する。図1および2に示すように電解質板1を挾んでその外側にそれぞれアノード集電板2とカソード集電板3を含むアノード電極4とカソード電極5があり、これら電極にそれぞれ接してアノードガス流路6とカソードガス流路7をそれぞれ設けたセパレータ8がその外側にある。参照番号9で図示したセパレータ部材の外側にはそれぞれカソードガス流路7およびアノードガス流路6が配され、かくて単位燃料電池10が複数個積層される構造となっている。これらのアノードガス流路6およびカソードガス流路7は図3に示すアノードガス入口マニホールド11とアノードガス出口マニホールド12およびカソードガス入口マニホールド13とカソードガス出口マニホールド14にそれぞれアノードガス導入溝(図示せず)とアノードガス導出溝(図示せず)およびカソードガス導入溝15とカソードガス導出溝16を介して連絡し、その先はヘッダーを介してそれぞれアノードガス供給管(図示せず)、アノードガス排気管(図示せず)およびカソードガス供給管(図示せず)、カソードガス排気管(図示せず)に接続されている。アノードガス流路6とカソードガス流路7とは構造上90°位相がづれている。カソードガス流路7をカソード電極5に直接接することが可能な第1流路17とバリヤによってカソード電極5から遠い側に形成される第2流路18とに分け、カソード電極5と第2流路18との間での熱伝達率低下手段の設置範囲A部と、その下流に位置するB部とではカソードガス流路の構造を別のものとしてある。A部相当の構造が図1であり、B部相当の構造が図2である。
【0016】本実施例においては、強度を保持しながらカソードガス流路を形成するために波形部材19を使用している。図1に示すものでは反応ガスを通すための第1流路17とカソード電極5からカソードガスを隔離して流すための第2流路18の断面積は第1流路17のほうがより小さくなっている。図2に示すものでは、図1の第1流路17および第2流路18に繋がる第1流路17および第2流路18は両流路のガスを流通させるための開孔20によって連絡されており、断面積もほぼ等しくしてある。さらに第2流路18に存在するガスが直接カソード電極5に接触できるようにするための開孔21も設けられている。
【0017】通常の運転時のカソード電極5の温度は流入するカソードガス22の温度に比べて非常に高い。負荷が増大して電池内発熱量が飛躍的に増加すると、それに応じて冷却媒体としてのカソードガス22の流量を増加させる必要がある。しかし流入カソードガス全部を冷却用に使用すると、セル内入口付近A部の冷却効果が過大になり、B部との温度差が大きくなる。この結果入口部ではカソード電極5の許容温度範囲より低温に、出口部では許容範囲ぎりぎりの高温になって仕舞い易い。この温度差を小さくして許容範囲に納めるために、A部の第2流路18のガスをカソード電極5から隔離して冷却作用を弱め、しかも第1流路17の断面積を小さくして反応用ガスによる冷却効果を下げるようにする。これによって電気化学反応で酸素と二酸化炭素が消費されて体積が減り、その結果流速が減少する効果が加わって温度低下の低減が可能になる。B部では従来から実施されているのと同様に第1流路17と第2流路18の断面積をほぼ同じにして両者間の開孔20を通してのガスの流通を行わせる。さらにカソード電極5との接触部開孔21を通る第2流路18からのガスを直接カソード電極5に接触させるようにして冷却を促進させる。
【0018】ここでA部におけるカソード電極5から第2流路18内ガスへの熱伝導削減のために、波形部材19のカソード電極5との接触側表面23を粗くする。しかしこれだけでは、A部の断熱効果が不充分かも知れない。
【0019】第2の実施例について図4を用いて説明する。図3のA部の構造を図1より断熱性の優れたものにするもので、B部には図2の構造を採用する。図1の第2流路18の中のカソード電極5に近い部分に閉塞空間24を設ける。その他は図1と同一構造である。この閉塞空間は勿論図3のA部の入口端と下流端の境界部25、26において端蓋を以って他の空間から遮断される。
【0020】この閉塞空間を設けることによって、波形部材19のカソード電極5との接触部分を貫通する、直接第2流路18内ガスへの熱伝達は殆んどなくなる。この貫通熱伝達を完全に遮断するためには、閉塞空間内を真空に保つことが必要になる。また第2の実施例の構造でも波形部材19を通る熱伝導によって、第2流路18内ガスへの熱伝達は行われる。この場合にも第1の実施例同様波形部材19のカソード電極5との接触側表面23を粗くすることは効果がある。この構造では、第1流路17と第2流路18の断面積比をカソードガス流路全長に亘って調整することにより熱伝達率の調整を行うことができる。しかしこの構造ではA部の断熱効果が不充分かも知れない。
【0021】第3の実施例について図5を用いて説明する。この場合、図3のA部の流路構成を図1に対して変形してある。すなわち、図1の第2流路18の部分を閉塞空間24として使用し、図1のセパレータ部材9の部分に開孔を設けて第2流路18を構成する。第2流路18の内面には例えばガラスウール等の断熱性部材27を介在させる。図6は、B部のカソードガス流路7の構造を示す。カソードガス22が左から右へ流れる方向、すなわち、図1、図2、図4、図5とは90°位相のずれた位置で示してある。A部の第2流路に直接連絡するB部の第2流路18には断熱性部材を介在させない。この第2流路18からは、A部の閉塞空間に直接連結する部分と第1流路に対して連絡する小孔28が設けられている。第2流路18の出口端は端蓋で直接のガス排出が止められている。直接A部の閉塞空間に連結するB部の部分からは、ガス流通用開孔20を通して第1流路へ、カソード電極へのガス流通用開孔21を通してカソード電極5へもカソードガスが流通する。
【0022】第2流路18をセパレータ部材9の中に設け、内面に断熱性部材27を配することにより、波形部材19を通り第2流路内ガスへ伝えられる熱の伝達抵抗は第2の実施例に比べても更に大きくなり、全体的な熱伝達率はますます低下する。さらに閉塞空間24を真空にし、波形部材の電極接触側表面23を粗くすると効果が累積される。B部に対応する図6の構造部では、A部の第2流路18を通った比較的低温のカソードガス22が、ガス流通用小孔28を通ってカソード電極5で暖められた第1流路のカソードガスと混合する。これにより第1流路のガスが冷却されることになる。この結果は、図2に示す従来からのB部構造、すなわち第1および第2の実施例におけるB部構造よりも冷却効果が大きくなり、B部の温度上昇が抑制されることが判明した。図7に従来の構造の場合と第2の実施例の場合との比較データを示す。本実施例の場合には電池温度のカソードガス流路に沿った位置に対する最高と最低の温度差が可成り低減されたことがわかる。この温度差改善の結果、セル平均温度を上昇させることが可能になり、1mV/degの割合でセル電圧を向上することができた。また電池最高温度を低く押えることができるので、寿命、信頼性も向上する。アノードガス流路に対しても上記カソードガス流路に対するのと同様の構造を採用すればセル内温度分布の均一化に寄与するが、その効果はカソードガス冷却方式を採用する以上、それ程大きくはならない。
【0023】
【発明の効果】本発明によれば、カソード電極に直接接することが可能なカソードガスの第1流路と、バリヤによってカソード電極から遠い側に形成されるカソードガスの第2流路とを備え、この第2流路の入口側始点から一部の路長に亘って第2流路のカソードガスとの間の熱伝達率を低下させる手段を設けることによって、カソードガス入口付近セルの過冷却状態を排除することができる。その結果、電池セル内の温度分布均一化への改善がなされ、セル平均温度を上げてセル電圧の向上を図ることが可能になる。また局部的最高温度を低くして寿命、信頼性の向上を図ることも可能になる。




 

 


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