JPH04294067A - 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】

【０００１】［発明の目的］

【０００２】

【産業上の利用分野】本発明は複数の単電池積層体を備
えた燃料電池に係り、特に、単電池積層体を冷却するた
めの冷媒入口及び冷媒出口マニホールドの少なくとも一
方に改良を施した燃料電池に関する。

【０００３】

【従来の技術】燃料電池は、燃料のもつ化学エネルギー
を、電気化学プロセスで酸化させることにより、酸化反
応に伴って放出されるエネルギーを、直接電気エネルギ
ーに変換する装置である。この燃料電池を用いた発電シ
ステムは、比較的小さな規模であっても、発電の熱効率
が４０〜５０％にも達し、新鋭火力発電をはるかにしの
ぐと期待されている。

【０００４】また、近年大きな社会問題になっている公
害要因であるＳＯｘ、ＮＯｘ　の排出が極めて少なく、
発電装置内に燃料サイクルを含まないため、大量の冷却
水を必要とせず、振動も小さいことなどから、騒音・排
ガス等の環境問題が少ないという利点がある。さらに、
負荷変動に対して応答性が良く、原理的に高い変換効率
が期待できると共に、発電と同時に熱も利用するコジェ
ネシステムに向いている等の特徴があることから、その
研究開発に期待と関心が寄せられている。

【０００５】ところで、燃料電池は、反応ガスの運転圧
力により、高圧型、低圧型、常圧型に分類できるが、な
かでも常圧型は、その構造やシステムが簡単なため、一
般需要家をターゲットとしたオンサイト用に適している
。

【０００６】オンサイト用燃料電池は、その需要規模に
より、例えば５０ｋＷ〜１０００ｋＷの出力幅があるが
、これらの各出力段階に対して、それぞれ異なったサイ
ズの単電池（セルと呼ばれる）で設計するのは、セルを
大量生産する上で好ましくない。そのため、セルサイズ
は１種類とし、セルの積層数を変化させることによって
出力を調整することが一般に行なわれている。

【０００７】ところが、出力が１０００ｋＷに達すると
、現在の技術では、積層されるセルの高さが陸上輸送限
界を大きく越えてしまうため、さらに大きなセルを製作
するか、または複数の積層体を必要としていた。

【０００８】また、セルは比較的脆い材料で構成されて
いるため、製作時の取扱いや大量生産に適した寸法形状
とする必要があり、現在の技術では、１辺が約１ｍ程度
の正方形のものが適当と考えられている。このため、大
容量の常圧形燃料電池としては、正方形のセルを積層し
た複数個の積層体（セルスタックと呼ばれる）を、でき
るだけ小さい筐体に収納する必要があった。

【０００９】さて、従来から、この種の燃料電池として
は、たとえば、特開昭６０−９３７６５号公報に示すも
のが知られている。すなわち、この燃料電池においては
、図４に示すよう、電解質を含浸させた電解質層を挟ん
で設けられた一対の多孔質電極を備えた単電池１と、所
定数の単電池１ごとに液体の冷媒を供給して電池を冷却
する冷却板２とを複数個積層し、上下の締付板３によっ
て一体に固定して単電池積層体９が構成されている。

【００１０】この単電池積層体９の側面には、各単電池
１に対する燃料ガスと空気である反応ガスの供給排出用
マニホールド４、各冷却板２に冷却水等の冷媒を分配し
て供給する冷媒入口マニホールド５、及び各冷却板２か
ら排出される冷媒を集める冷媒出口マニホールド６が配
置されている。また、図示しない電気出力取出し用ブス
バーも設けられている。

【００１１】すなわち、単電池積層体９を冷却するため
に、冷媒として主に水が、冷媒入口マニホールド５から
絶縁ホース８を通して各冷却板２に供給され、冷却板２
内部で熱を吸収し、出口側の絶縁ホース８を通して冷媒
出口マニホールド６に排出される。この冷媒は、冷却板
入口では液単相流であるが、冷却板内部でその一部が沸
騰し、二相流となって流出し、積層体を効率的に冷却す
る。

【００１２】冷媒入口及び出口マニホールド内の高さ方
向・圧力分布を図５に示す。冷媒入口マニホールド内の
圧力分布１０は、液単相流のため下部に行くに従って静
水頭の分だけ圧力が大きくなる。一方、冷媒出口マニホ
ールド内の流体は、体積としては大部分が水蒸気の二相
流のため、その平均比重は冷媒入口マニホールドと比較
して小さい。このため、冷媒出口マニホールド内の圧力
分布１１の高さ方向変化は図示のように小さい。また、
一般に冷却板の中の管は水平のため、マニホールドのよ
うに高さによるヘッドの影響はないので各冷却板の圧損
特性は同一と考えてよい。

【００１３】従って、高さ方向の各冷却板には、各高さ
方向の入口側と出口側の各マニホールドの圧力差ΔＰに
相当する流量の冷媒が流れる。すなわち、上側の冷却板
ほど圧力差ΔＰが小さいので、流量も小さくなる。

【００１４】また、燃料電池の定格運転条件付近におけ
る冷媒の圧力損失と流量の特性例を図６に示す。図中１
４は電池の圧力損失で、冷媒入口マニホールドの入口と
冷媒出口マニホールドの出口の圧力差を示す。これは入
口マニホールドの入口から冷却板内の沸騰開始点までの
単相流部分の圧力損失１２と、沸騰開始点から出口マニ
ホールドまでの二相流部分の圧力損失１３の合計となる
。単相流部分の圧力損失１２は流量と共に増加するが、
二相流部分の圧力損失１３は単相流部の数倍の大きさで
、しかも流量と共に減少する。これは冷媒流量が増加す
ると冷却板２内の沸騰開始点が開始点が下流側に移動し
、二相流領域が小さくなることと、ボイド率（水蒸気の
占める体積割合）が減少することによる。

【００１５】燃料電池の圧力損失１４が図６に示すよう
に冷媒流量の増加とともに大きくなる傾向であれば流れ
は安定であるから、このような特性になるように，燃料
電池の冷却系は計画・設計されている。

【００１６】

【発明が解決しようとする課題】ところが、上記のよう
な構成を有する従来の燃料電池においては、次のような
２つの大きな問題点があった。

【００１７】（１）第１の問題点 前記のような流動特性を有する２個の単電池積層体９を
図４のように並べ、各積層体ごとに冷媒出口マニホール
ド６を取り付けた場合、２個の単電池積層体９に特性の
違いによる微小な発熱量等の差異があると、負荷変動等
の外乱が作用した場合、２個の積層体間の相互作用によ
って流量が変動することがある。

【００１８】例えば、２個の積層体９をＡ，Ｂ、各積層
体９の発熱量をＱＡ，ＱＢ　、各圧力損失をΔＰＡ　，
ΔＰＢ　、各流量をＧＡ　，ＧＢ　とすると、ＱＡ　＜
ＱＢ　のとき、負荷が大きくなった場合、Ｂの沸騰開始
点はＡよりも早く上流に移動しΔＰＡ　＜ΔＰＢ　とな
りＱＡ　＞ＱＢ　となる。その結果、ΔＰＡ　＞ΔＰＢ
　となり、ＧＡ　＜ＧＢ　となる流量のハンチング現象
が繰り返されやがて安定する。

【００１９】一般に燃料電池の冷却板２の中の管は、他
の二相流熱交換器等の機器より長く、電池入口の流量変
動が出口まで伝播するまでの時間遅れが大きい。このた
め流量変動の周期が比較的長いため、図６に示すように
積層体出口の２本のマニホールド内のボイド率分布に差
異が生じ損失と流量の関係が計画値から大きくずれてく
ることになる。

【００２０】このときは、定常状態における図６の関係
は適用できず、場合によっては過度的に大きくな流量減
が発生する可能性もある。すなわち、図４のように各積
層体ごとに冷媒出口マニホールド６を取付けた場合、冷
媒の流れが不安定となり、一時的・部分的に冷媒流量が
不足し積層体が過熱すると言う不具合が生じることがあ
った。

【００２１】（２）第２の問題点 前記のような構成を有する従来の燃料電池においては、
１つの筐体９内に２個の単電池積層体１が収納されて１
つのパッケージを構成しているため、このパッケージを
工場で組み立て試験を行った後、現地へ輸送して据え付
けることが作業能率の上からは好ましい。そのためには
、パッケージの大きさを輸送限界との関係から、ある一
定の寸法以下、特にその長さを５ｍ以下に抑えることが
必要である。

【００２２】ところが、大容量のオンサイト燃料電池が
望まれている近年では、単電池のサイズが大きくなり、
それに伴って輸送時のパッケージ寸法も大きくなる傾向
にあり、前記のような輸送限界寸法を越えてしまうこと
がある。特に、前記のような従来の燃料電池は、筐体９
内に単に単電池積層体１を２つ併設しただけにすぎない
ので、単電池積層体１が大型化すると、パッケージ全体
も大型化し、輸送限界を越えることになる。このことは
、燃料電池の現地組み立てや試験を要求されることに繋
がり、作業効率の大幅な低下を招く。

【００２３】また、パッケージ全体の大型化は、現地で
の据え付けスペースの増大も招き、小型で需要家の近傍
に設置し易いというオンサイト用燃料電池の持つ基本的
な利点が失われる。

【００２４】本発明は、上記のような従来技術の各問題
点を解決し、複数個の積層体を１個の筐体に収納する燃
料電池おいて、冷媒を各積層体に安定して供給・排出し
、かつできるだけ小さい筐体を提供することを目的とす
る。

【００２５】［発明の構成］

【００２６】

【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
めに、本発明は、複数個の単電池積層体を１個の筐体に
収納した燃料電池おいて、各単電池積層体に設けられた
各冷却板には冷媒を分配して供給する冷媒入口マニホー
ルドと、各冷却板から排出される冷媒を集める冷媒出口
マニホールドを設け、冷媒入口マニホールドと冷媒出口
マニホールドの少なくとも一方を、複数の単電池積層体
で共有したことを特徴とする。

【００２７】

【作用】上記のような構成を有する本発明の燃料電池で
は、１本の冷媒入口または出口マニホールドを複数の単
電池積層体で共用しているため、各積層体に微小な発熱
量等の特性の差異があっても、従来のような複数本の冷
媒入口または出口マニホールド内のボイド率の違いに起
因する流動不安定が解決され、各積層体に流れる冷媒流
量は安定する。

【００２８】また、本発明の燃料電池においては、複数
の単電池積層体が冷媒入口または出口マニホールドを共
用することになるので、従来では個々の単電池積層体の
間に設けられていた冷媒入口または出口マニホールド用
のスペースが削減され、筐体の小型化が可能となる。

【００２９】

【実施例】以下、本発明の実施例を図１乃至図３に基づ
いて説明する。なお、前記従来技術と同一の部材につい
ては同一の符号を付し、説明は省略する。

【００３０】（１）第１実施例…図１ 本実施例において、２個の単電池積層体１，１の間に設
けられた１本の冷媒出口マニホールド６に対して、その
両側の単電池積層体１，１の冷媒回収用の絶縁ホース８
が接続されている。その結果、両単電池積層体１，１か
ら排出された冷却水などの冷媒は、共用された中間の冷
媒出口マニホールド６を通って単電池積層体外部に排出
される。

【００３１】このような構成の本実施例の燃料電池では
、冷媒出口マニホールド６が共通のため、これに接続さ
れた２つの単電池積層体１，１において上下方向位置が
同一の各冷却板２の出口圧力は等しくなる。このため、
上下方向位置が同一の各冷却板２の冷媒流量もほぼ等し
くなり、２つの積層体の冷媒の圧損特性は計画値となる
。すなわち、図６に示すように流量と共に圧損も増加す
る特性となり、安定した冷却が行われる。

【００３２】また、従来各積層体ごとにあった冷媒出口
マニホールドは１本となるので、筐体の小形化、放熱損
失の減少、部品点数の削減等の効果も生じる。特に、筐
体の小型化により、燃料電池全体を輸送限界内に収める
ことも可能となるので、現地組立や試験の必要もなくな
り、燃料電池の製造作業が迅速かつ簡略化される。

【００３３】（２）第２実施例…図２ 本実施例は、冷媒入口マニホールド５と冷媒出口マニホ
ールド６の両者について、２個の単電池積層体１，１で
共有した例である。

【００３４】本実施例においても、上下方向位置が同一
の各冷却板２の入口圧力もほぼ等しくなるので、流動安
定性はさらに向上し、冷却特性がより優れたものとなる
。また、冷媒用マニホールド５，６の共用により、筐体
もより小形化できる。

【００３５】（３）第３実施例…図３ 本実施例は、１本の冷媒出口マニホールド６を４個の単
電池積層体１で共有し、かつ１本の冷媒入口マニホール
ド５を２個の単電池積層体１で共有した例である。もち
ろん、マニホールドや絶縁パイプ８の配置スペースが許
すのであれば、４個の単電池積層体１の間に、それぞれ
１本の冷媒入口マニホールド５と冷媒出口マニホールド
６を設けて、各単電池積層体１でこれを共用することも
可能である。

【００３６】本実施例では、４個の単電池積層体１が冷
媒入口マニホールド５及び冷媒出口マニホールド６を共
用しているので、より多くの単電池積層体１について流
動安定性の向上、筐体の小形化、放熱損出の減少、価値
低減等の効果を得られる。

【００３７】

【発明の効果】以上述べた様に、本発明によれば、冷媒
入口マニホールド及び冷媒出口マニホールドの少なくと
も一方を複数の積層体で共有するという簡単な手段によ
って、流動安定性の向上、筐体の小形化、放熱損失の減
少、部品点数の削減等の優れた効果を有する燃料電池を
提供することが可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による燃料電池の第１実施例の正面図

【
図２】本発明による燃料電池の第２実施例の平面図

【図
３】本発明による燃料電池の第３実施例の平面図

【図４
】従来の燃料電池の正面図

【図５】燃料電池冷媒の高さ方向圧力分布を示すグラフ

【図６】燃料電池の圧力損失と冷媒流量の関係を示すグ
ラフ

【符号の説明】

１…単電池 ２…冷却板 ３…締付板 ４…反応ガス供給排出用ガスマニホールド５…冷媒入口
マニホールド ６…冷媒出口マニホールド ９…単電池積層体

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】電解質を含浸させた電解質層を挟んで設け
   られた一対の多孔質電極を備えた単電池と、所定数の単
   電池ごとに液体の冷媒を供給して電池を冷却する冷却板
   とを複数個積層して単電池積層体を構成し、この単電池
   積層体の側面に各単電池に対する反応ガス供給排出用の
   マニホールドを配置してなる燃料電池において、各冷却
   板には冷媒を分配して供給する冷媒入口マニホールドと
   、各冷却板から排出される冷媒を集める冷媒出口マニホ
   ールドを設け、冷媒入口マニホールドと冷媒出口マニホ
   ールドの少なくとも一方を、複数の単電池積層体で共有
   したことを特徴とする燃料電池。