JPH05242903A

JPH05242903A - 燃料電池積層体

Info

Publication number: JPH05242903A
Application number: JP4041215A
Authority: JP
Inventors: Toshihiko Takeu; 俊彦竹生
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1992-02-27
Filing date: 1992-02-27
Publication date: 1993-09-21

Abstract

(57)【要約】【目的】冷却板の数に対する単位セルの積層数を増や
すことにより、燃料電池積層体一基当たりの出力を増大
可能で、電池特性及びコンパクト性に優れ、出力当たり
のコストを大幅に削減可能な、実用性の高い燃料電池積
層体を提供する。【構成】複数個の単位セル６の上下端部及び内部に冷
却板８を配置して、複数個のサブスタック１９からなる
単位セル積層体を構成する。単位セル積層体の上下端部
に配置された冷却板８と、集電板９、絶縁版１０、及び
締付板１１を含む構造材との間に、複数個の単位セル６
をセパレータ７を介して積層し、追加電池部２０を形成
する。あるいは、単位セル積層体の上下端部のサブスタ
ック１９ａの単位セル６の積層数を、その他の中央部の
サブスタック１９ｂの積層数よりも多くする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、燃料電池積層体に係
り、特に、積層構造を改良することにより、燃料電池積
層体一基当たりの出力を増大するための技術に関する。

【０００２】

【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ギー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
すると共に、一方の電極の背面に水素などの燃料ガスを
接触させ、且つ、他方の電極の背面に酸素などの酸化剤
ガスを接触させ、このとき起こる電気化学的反応を利用
して電極間から電気エネルギーを出力する単位セルを、
セパレータを介して複数個積層して構成されるものであ
る。

【０００３】このような構成を有する燃料電池は、一対
の電極の背面に、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、小容量でも発電効率が高いという特徴を有して
おり、近年は、特に、小容量のオンサイト型燃料電池発
電プラントへの需要が急速に高まっている。また、電池
製造技術の進歩により、単位セルサイズが拡大可能とな
っており、燃料電池積層体の積層数は減少傾向にある。

【０００４】図７は、以上のような燃料電池を構成する
単位セルの一般的な構成を示す模式的斜視図である。す
なわち、図７に示すように、電解質を含浸したマトリッ
クス１を挟んで、アノード電極２とカソード電極３とが
配置されている。この場合、アノード電極２及びカソー
ド電極３は、共に多孔質体によって形成され、そのマト
リックス１に接する面である前面には、共に触媒が塗布
されている。また、アノード電極２及びカソード電極３
の、マトリックス１の反対側に位置する背面には、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。そして、以上のようなマトリ
ックス１、アノード電極２、及びカソード電極３によ
り、単位セル６が形成されている。なお、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。

【０００５】また、一般に、１枚の単位セルより得られ
る電圧は１Ｖ以下と低いため、図８に示すように、多数
枚の単位セル６を、耐熱性及び耐リン酸性のセパレータ
プレート７を介して積層し、単位セル積層体を形成する
ことにより、高電圧を得るように構成している。この場
合、一基の燃料電池を構成する単位セル６の積層枚数
は、例えば、４００〜５００枚である。

【０００６】ところで、前記のような、燃料電池の電気
化学反応は、発熱反応であるため、多数枚の単位セル６
を積層した場合、全体の発熱量は著しいものとなる。そ
のため、単位セル６を積層する場合には、一般的に、図
８に示すように、一定枚数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、温度上昇を防止している。

【０００７】また、前述のような単位セル積層体には、
さらに、図９に示すように、その上下端部に、集電板
９、絶縁板１０、締付板１１、及び端子１２が取り付け
られ、適当な締付け圧によって上下方向から締付けられ
るように構成される。そして、この単位セル積層体の側
面には、電気絶縁性ガスケット１３を介して、燃料ガス
及び酸化剤ガスを供給及び排出するための２組の一対の
マニホールド１４〜１７が、それぞれ対向して配置さ
れ、適当な圧力で締付け固定されることにより、燃料電
池積層体が構成されている。各マニホールド１４〜１７
には、燃料ガス及び酸化剤ガスを供給及び排出するため
の配管１８が接続されている。さらに、このような構成
を有する燃料電池積層体は、図示していない圧力容器内
に収納され、窒素などの絶縁性シールガスを充填される
ことにより、燃料電池として完成される。

【０００８】図１０は、図９に示すような燃料電池積層
体における従来の積層構造の一例を示す模式的側面図で
ある。すなわち、多数枚の積層単位セル６の上下端部に
冷却板８が配置されると共に、その内部に冷却板８が挿
入されることにより、隣接する２枚の冷却板８の間に、
複数枚の積層単位セル６が挟まれている。このような冷
却板８の間の積層単位セル６は、通常、サブスタック１
９と称されるが、この例では、いずれのサブスタック１
９も、共に６枚の単位セル６で構成されている。そし
て、このようなサブスタック１９と冷却板８とを積層し
てなる単位セル積層体の上下端部の冷却板８には、それ
ぞれ、集電板９、絶縁板１０、及び締付板１１が順次取
り付けられている。

【０００９】ところで、以上のような構成を有する燃料
電池積層体において、その運転温度範囲は極めて限られ
ている。すなわち、代表的なリン酸型燃料電池におい
て、セル電圧は、運転温度上昇により約１ｍＶ／cell・
℃上昇することが、文献値及び実験結果から知られてお
り、そのため、リン酸型燃料電池は、約１９０℃以上で
運転されるのが一般的である。一方、リン酸型燃料電池
において、運転温度が約２３０℃以上になると、白金触
媒の劣化、リン酸電解質のロス、及び使用材料の劣化が
促進され、電池特性低下、寿命短縮が進行するという欠
点を生じる。このため、リン酸型燃料電池の運転温度範
囲は、約１９０〜２２０℃程度に設定されることが一般
的である。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、従来の
燃料電池積層体においては、前述のように、その運転温
度範囲が極めて限られているために、サブスタックを構
成する単位セルの積層枚数は、冷却板の冷却能力の制約
を受けて一定枚数に制限されてしまい、その結果とし
て、燃料電池積層体一基当たりの出力を増大できず、電
池特性、コンパクト性、及びコスト性を向上できないと
いう欠点を有している。この点について以下に説明す
る。

【００１１】まず、図９及び図１０に示すような燃料電
池積層体において、単位セルの総数が同一で出力が同一
の場合には、サブスタックを構成する単位セルの積層枚
数が多い程、燃料電池積層体の冷却板の数を減少させ、
電池特性及びコンパクト性を向上し、コストを削減する
ことができる。すなわち、冷却板は、電気抵抗要因とな
る上に、厚さが厚く、値段も高価であるため、冷却板の
数が少ない程、電池特性・コンパクト性・コスト性に関
して有利となる。

【００１２】しかしながら、冷却板の冷却能力には制約
があるため、サブスタックを構成する単位セルの積層枚
数を増やし過ぎると、電池温度が前記の適切な運転温度
範囲を越えて上昇してしまう可能性があり、前記のよう
な各種の問題を生じる可能性がある。そのため、前述の
通り、サブスタックを構成する単位セルの積層枚数は、
冷却板の冷却能力の制約を受けて、一定枚数に制限され
ている。従って、一基の燃料電池積層体において、冷却
板の数に対する単位セルの積層数は、自ずと制限される
ことになる。この場合、図１０に示した燃料電池積層体
の従来例においては、サブスタックを構成する積層枚数
は、６枚とされている。そして、このように、冷却板の
数に対する単位セルの積層数が制限される結果、従来の
燃料電池積層体は、前述のように、燃料電池積層体一基
当たりの出力を増大できず、電池特性、コンパクト性、
及びコスト性を向上できないという欠点を有している。

【００１３】特に、現在、燃料電池のコストダウンの必
要性は高く、同一積層数の燃料電池積層体の出力を１．
５倍に増加するために、技術的に高度で困難な多くの課
題の解決方法が検討されている。仮に、これらの課題が
全て解決され、触媒などの材料、製造プロセスのコスト
が全く増加しなかったと仮定した場合、そのコストダウ
ン効果は約３３％である。

【００１４】本発明は、以上のような従来技術の課題を
解決するために提案されたものであり、その目的は、冷
却板の数に対する単位セルの積層数を増やすことによ
り、燃料電池積層体一基当たりの出力を増大可能で、電
池特性及びコンパクト性に優れ、出力当たりのコストを
大幅に削減可能な、実用性の高い燃料電池積層体を提供
することである。

【００１５】

【課題を解決するための手段】本発明の燃料電池積層体
は、従来の燃料電池積層体における上下端部のサブスタ
ックの温度が、中央部に配置されたサブスタックの温度
に比べて低くなっている点に着目して提案されたもので
ある。

【００１６】すなわち、図１１は、図１０に示した従来
の燃料電池積層体をリン酸型燃料電池に適用した場合に
おける各単位セルの温度分布図であり、各単位セルの燃
料ガス流通路４に、図示していない熱電対を挿入して温
度を測定した結果を示している。この図１１に示すよう
に、上下端部に配置されたサブスタックの温度は、約１
９０〜２１０℃であるのに対し、中央部に配置されたそ
の他のサブスタックの温度は、約２００〜２２０℃であ
る。従って、上下端部のサブスタックの温度は、中央部
に配置されたサブスタックの温度に比べ、約１０℃低く
なっている。この現象は、集電板９、絶縁板１０、及び
締付板１１などからなる構造材に、上下端部のサブスタ
ックの熱が吸収されることによって生じる現象であり、
従来の燃料電池積層体に共通して見られるものである。
なお、前記の温度差の値は、構造材の仕様による熱伝達
率の差や、運転条件の設計仕様に基づく絶縁性シールガ
スの温度の差などの影響を受けるため、燃料電池積層体
の設計仕様や電池プラント仕様が変わると異なる値とな
るが、いずれにせよ、上下端部のサブスタックの温度
が、中央部に配置されたサブスタックの温度に比べて低
くなる現象が生じるものである。

【００１７】そして、以上のような現象を前提として、
まず、請求項１に記載の燃料電池積層体は、単位セル積
層体の上下端部に配置された冷却板と前記構造材との間
に、複数個の単位セルをセパレータを介して積層し、追
加電池部を形成したことを特徴としている。次に、請求
項２に記載の燃料電池積層体は、単位セル積層体の上下
端部に配置されたサブスタックの単位セルの積層数を、
その他の中央部のサブスタックの単位セルの積層数より
も多くしたことを特徴としている。

【００１８】

【作用】以上のような構成を有する本発明の燃料電池積
層体の作用は次の通りである。すなわち、請求項１の燃
料電池積層体においては、上下端部の冷却板と構造材と
の間に形成した追加電池部の電池温度が、冷却板に挟ま
れた各サブスタックの電池温度と同様の適切な温度レベ
ルとなるように、追加電池部を構成する単位セルの積層
数を調節可能である。従って、電池温度が適切な運転温
度範囲を越えて上昇することによる電池特性の低下及び
電池寿命の短縮などの問題を生じることなく、冷却板の
数に対する単位セルの積層数を増やすことができるた
め、燃料電池積層体一基当たりの電池出力を増加可能で
ある。

【００１９】また、請求項２の燃料電池積層体において
は、上下端部のサブスタックの電池温度が、その他の中
央部のサブスタックの電池温度と同様の適切な温度レベ
ルとなるように、上下端部のサブスタックを構成する単
位セルの積層数を調節可能である。従って、請求項１の
燃料電池積層体と同様に、電池特性の低下及び電池寿命
の短縮などの問題を生じることなく、冷却板の数に対す
る単位セルの積層数を増やすことができるため、燃料電
池積層体一基当たりの電池出力を増加可能である。

【００２０】

【実施例】以下には、本発明による燃料電池積層体をリ
ン酸型燃料電池に適用してなる幾つかの実施例を、図１
乃至図６を参照して説明する。この場合、図１は、請求
項１の発明に従う燃料電池積層体の一実施例（第１実施
例）における積層構造を示す模式的側面図、図２は、図
１の燃料電池積層体における各単位セルの温度分布図、
図３は、請求項１の発明に従う燃料電池積層体の異なる
実施例（第２実施例）における各単位セルの温度分布
図、図４は、請求項２の発明に従う燃料電池積層体の一
実施例（第３実施例）における積層構造を示す模式的側
面図、図５は、図４の燃料電池積層体における各単位セ
ルの温度分布図、図６は、請求項２の発明に従う燃料電
池積層体の異なる実施例（第４実施例）における各単位
セルの温度分布図である。なお、図７乃至図１１に示し
た従来例と同一部分には同一の符号を付して説明は省略
する。

【００２１】（１）請求項１の発明の実施例図１は、請求項１の発明に従う第１実施例を示す図であ
る。この第１実施例においては、各サブスタック１９を
それぞれ６枚の単位セル６で構成すると共に、単位セル
積層体の上下端部の冷却板８と集電板９の間に、それぞ
れ、２枚の単位セル６とセパレータプレート７を積層
し、追加電池部２０を形成した。なお、このように構成
した場合、実際には、燃料電池積層体の高さが、上下端
部の追加電池部２０を構成する単位セル６及びセパレー
タプレート７の分だけ、数ミリメートル高くなるが、こ
のような若干の高さの変更に対しては、構造材の寸法変
更の必要はない。

【００２２】以上のような構成を有する本実施例の燃料
電池積層体において、各単位セル６の燃料ガス流通路４
に、図示していない熱電対を挿入して温度を測定した結
果、図２に示すような結果が得られた。この図２におい
て、冷却板８に挟まれた各サブスタック１９の電池温度
は、上下端部のサブスタック１９も含めて、約２００〜
２２０℃であり、上下端部に追加した追加電池部２０の
電池温度も、同様に、約２００〜２２０℃である。すな
わち、上下端部に追加した追加電池部２０の片側には、
冷却板８が配置されていないが、この追加電池部２０の
熱は、これに隣接する集電板９、絶縁板１０、及び締付
板１１などからなる構造材に吸収されるため、その結果
として、全体の電池温度が約２００〜２２０℃の同レベ
ルとなる。この温度は、リン酸型燃料電池の適正な運転
温度範囲である約１９０〜２２０℃内である。

【００２３】従って、本実施例においては、冷却板の数
を増やすことなく、電池温度を適正な温度範囲内に保持
しながら、燃料電池積層体の単位セルの積層数を、上下
端部で合計４枚増加し、燃料電池積層体一基当たりの出
力を増大することが可能である。そしてまた、冷却板の
数を増やさない分だけ、電池特性及びコンパクト性に優
れており、出力当たりのコストを大幅に削減可能であ
る。以下には、単位セルの積層数の増加によるコストダ
ウン効果に関し、より具体的に、本実施例の燃料電池積
層体をオンサイト型に適用した場合について、５０ｋＷ
オンサイト型燃料電池積層体と比較して説明する。

【００２４】すなわち、一般に、５０ｋＷオンサイト型
燃料電池積層体は、図１０の従来例と同様に、６枚の単
位セルからなるサブスタック１９が６個積層され、全体
で３６枚の単位セルが積層されている。これに対して、
本実施例のオンサイト型燃料電池積層体では、図１に示
すように、単位セル積層体の上下端部に、２枚の単位セ
ルがそれぞれ追加され、全体では、４０枚の単位セルが
積層されることになる。

【００２５】ここで、５０ｋＷオンサイト型燃料電池積
層体のセル電圧を、Ａ［Ｖ／cell］、電流を、Ｂ［Ａ］
とすると、電池出力は、３６ＡＢ［Ｗ］である。また、
本実施例のオンサイト型燃料電池積層体の電池出力は、
４０ＡＢ［Ｗ］である。従って、５０ｋＷオンサイト型
と本実施例の電池出力の比は、４０ＡＢ／３６ＡＢ＝１．１１１１… となる。

【００２６】そして、５０ｋＷオンサイト型のコストを
Ｃとすると、単位セル１枚のコストは、Ｃの０．０５〜
０．１％であるから、本実施例のコストは、１．００２
Ｃ〜１．００４Ｃである。従って、本実施例の電池出力
当たりのコストは、（１．００２Ｃ〜１．００４Ｃ）／１．１１１＝０．９０２Ｃ〜０．９０４Ｃとなる。すなわち、本実施例によれば、５０ｋＷオンサ
イト型に比べて９．６〜９．８％という大幅なコストダ
ウンを実現できる。

【００２７】以上のように、本実施例は、構成が簡単で
あるにも拘らず、今後大きな需要が見込まれるオンサイ
ト型などの積層数の少ない燃料電池積層体において、大
幅なコストダウンが可能であるなど、極めて有効であ
り、また、小容量の燃料電池積層体を複数個接続して高
出力を得る設計の燃料電池発電設備にも有効である。

【００２８】次に、請求項１の発明に従う第２実施例に
ついて説明する。第２実施例においては、図示していな
いが、前記第１実施例と同様に、各サブスタック１９を
それぞれ６枚の単位セル６で構成すると共に、単位セル
積層体の上下端部の冷却板８と集電板９の間に、それぞ
れ、３枚の単位セル６とセパレータプレート７を積層
し、追加電池部２０を形成した。なお、本実施例におい
ても、前記第１実施例と同様に、実際には、燃料電池積
層体の高さが、上下端部の追加電池部２０を構成する単
位セル６及びセパレータプレート７の分だけ、数ミリメ
ートル高くなるが、同様に、構造材の寸法変更の必要は
ない。

【００２９】以上のような構成を有する本実施例の燃料
電池積層体において、前記第１実施例と同様に、各単位
セル６の温度を測定した結果、図３に示すような結果が
得られた。すなわち、本実施例においても、冷却板８に
挟まれた全てのサブスタック１９の電池温度のレベル
と、上下端部に追加した追加電池部２０の電池温度のレ
ベルとを、約２００〜２２０℃の同レベルとすることが
でき、この温度は、適正な運転温度範囲内である。

【００３０】従って、本実施例においては、冷却板の数
を増やすことなく、電池温度を適正な温度範囲内に保持
しながら、燃料電池積層体の単位セルの積層数を、上下
端部で合計６枚増加し、燃料電池積層体一基当たりの出
力を第１実施例よりもさらに増大することが可能であ
る。そしてまた、冷却板の数を増やさない分だけ、電池
特性及びコンパクト性に優れており、出力当たりのコス
トを大幅に削減可能である。

【００３１】以下には、単位セルの積層数の増加による
コストダウン効果に関し、より具体的に、本実施例の燃
料電池積層体をオンサイト型に適用した場合について、
５０ｋＷオンサイト型燃料電池積層体と比較して説明す
る。すなわち、前記第１実施例と同じ要領で、５０ｋＷ
オンサイト型燃料電池積層体のセル電圧を、Ａ［Ｖ／ce
ll］、電流を、Ｂ［Ａ］とすると、５０ｋＷオンサイト
型と本実施例の電池出力の比は、４２ＡＢ／３６ＡＢ＝１．１６６６… である。そして、５０ｋＷオンサイト型のコストをＣと
すると、本実施例のコストは、１．００３Ｃ〜１．００
６Ｃであるため、本実施例の電池出力当たりのコスト
は、（１．００３Ｃ〜１．００６Ｃ）／１．１６７＝０．８５９Ｃ〜０．８６２Ｃとなる。従って、本実施例によれば、５０ｋＷオンサイ
ト型に比べて１３．８〜１４．１％の大幅なコストダウ
ンを実現できる。

【００３２】以上のように、本実施例は、構成が簡単で
あるにも拘らず、今後大きな需要が見込まれるオンサイ
ト型などの積層数の少ない燃料電池積層体において、前
記第１実施例よりもさらに大幅なコストダウンが可能で
あるなど、極めて有効であり、また、小容量の燃料電池
積層体を複数個接続して高出力を得る設計の燃料電池発
電設備にも有効である。

【００３３】なお、以上のような第２実施例では、上下
端部の冷却板８と構造材との間の単位セル数が増加する
ため、熱抵抗が増加する。この場合、燃料電池昇温は、
冷却板内を流れる温水を熱媒体としているため、構造材
の昇温時間が長くなる。

【００３４】（２）請求項２の発明の実施例図４は、請求項２の発明に従う第３実施例を示す図であ
る。この第３実施例においては、単位セル積層体の上下
端部のサブスタック１９ａをそれぞれ７枚の単位セル６
で構成し、その他の中央部のサブスタック１９ｂをそれ
ぞれ６枚の単位セル６で構成した。具体的には、燃料電
池積層工程において、上下端部のサブスタック１９ａの
み、７枚の単位セルを積層することになる。この場合に
も、前記各実施例と同様に、実際には、燃料電池積層体
全体の高さが、上下端部のサブスタック１９ａに追加し
た単位セル６及びセパレータプレート７の分だけ、数ミ
リメートル高くなるが、前記各実施例と同様に、構造材
の寸法変更の必要はない。

【００３５】以上のような構成を有する本実施例の燃料
電池積層体において、前記各実施例と同様に、各単位セ
ル６の温度を測定した結果、図５に示すような結果が得
られた。すなわち、本実施例においては、上下端部のサ
ブスタック１９ａの電池温度のレベルと、その他の中央
部のサブスタック１９ｂの電池温度のレベルとを、約２
００〜２２０℃の同レベルとすることができ、この温度
は、適正な運転温度範囲内である。

【００３６】従って、本実施例においては、冷却板の数
を増やすことなく、電池温度を適正な温度範囲内に保持
しながら、燃料電池積層体の単位セルの積層数を、上下
端部のサブスタックで合計２枚増加し、燃料電池積層体
一基当たりの出力を増大することが可能である。そして
また、冷却板の数を増やさない分だけ、電池特性及びコ
ンパクト性に優れており、出力当たりのコストを大幅に
削減可能である。

【００３７】以下には、単位セルの積層数の増加による
コストダウン効果に関し、より具体的に、本実施例の燃
料電池積層体をオンサイト型に適用した場合について、
５０ｋＷオンサイト型燃料電池積層体と比較して説明す
る。すなわち、前記各実施例と同じ要領で、５０ｋＷオ
ンサイト型燃料電池積層体のセル電圧を、Ａ［Ｖ／cel
l］、電流を、Ｂ［Ａ］とすると、５０ｋＷオンサイト
型の電池出力は、前述の通り、３６ＡＢ［Ｗ］であり、
本実施例の電池出力は、３８ＡＢ［Ｗ］である。より厳
密には、上下端部のサブスタック２０を構成する合計１
４枚の単位セルの温度が約１０℃上昇するため、セル電
圧は、（Ａ＋０．０１）［Ｖ／cell］となる。従って、
本実施例の電池出力は、厳密には、｛２４ＡＢ＋１４
（Ａ＋０．０１）Ｂ｝［Ｗ］である。この結果、５０ｋ
Ｗオンサイト型と本実施例の電池出力の比は、｛２４ＡＢ＋１４（Ａ＋０．０１）Ｂ｝／３６ＡＢとなる。この場合、セル電圧Ａ＝０．６［Ｖ／cell］と
すると、電池出力比は、１．０６２となる。そして、５
０ｋＷオンサイト型のコストをＣとすると、本実施例の
コストは、１．００１Ｃ〜１．００２Ｃであるため、本
実施例の電池出力当たりのコストは、（１．００１Ｃ〜１．００２Ｃ）／１．０６２＝０．９４３Ｃ〜０．９４４Ｃとなる。従って、本実施例によれば、５０ｋＷオンサイ
ト型に比べて５．６〜５．７％の大幅なコストダウンを
実現できる。

【００３８】以上のように、本実施例は、構成が簡単で
あるにも拘らず、今後大きな需要が見込まれるオンサイ
ト型などの積層数の少ない燃料電池積層体において、大
幅なコストダウンが可能であるなど、極めて有効であ
り、また、小容量の燃料電池積層体を複数個接続して高
出力を得る設計の燃料電池発電設備にも有効である。

【００３９】次に、請求項２の発明に従う第４実施例に
ついて説明する。第４実施例においては、図示していな
いが、単位セル積層体の上下端部のサブスタック１９ａ
をそれぞれ８枚の単位セル６で構成し、その他の中央部
のサブスタック１９ｂをそれぞれ６枚の単位セル６で構
成した。具体的には、燃料電池積層工程において、上下
端部のサブスタック１９ａのみ、８枚の単位セルを積層
することになる。この場合にも、前記各実施例と同様
に、実際には、燃料電池積層体全体の高さが、上下端部
のサブスタック１９ａに追加した単位セル６及びセパレ
ータプレート７の分だけ、数ミリメートル高くなるが、
前記各実施例と同様に、構造材の寸法変更の必要はな
い。

【００４０】以上のような構成を有する本実施例の燃料
電池積層体において、前記各実施例と同様に、各単位セ
ル６の温度を測定した結果、図６に示すような結果が得
られた。すなわち、本実施例においては、中央部のサブ
スタック１９ｂの電池温度のレベルは、前記第３実施例
と同様に、約２００〜２２０℃のレベルである反面、上
下端部のサブスタック１９ａの電池温度のレベルは、前
記第３実施例よりも高くなり、最高温度が約２２５℃と
高くなった。この場合、リン酸型燃料電池の運転温度の
限界点である２３０℃に対するマージンは減少するが、
急激な負荷上昇などの電池温度が過渡的に上昇し易い運
転方法を避ければ、運転可能である。

【００４１】従って、本実施例においても、冷却板の数
を増やすことなく、電池温度を適正な温度範囲内に保持
しながら、燃料電池積層体の単位セルの積層数を、上下
端部のサブスタックで合計４枚増加し、燃料電池積層体
一基当たりの出力を第３実施例よりもさらに増大するこ
とが可能である。そしてまた、冷却板の数を増やさない
分だけ、電池特性及びコンパクト性に優れており、出力
当たりのコストを大幅に削減可能である。

【００４２】以下には、単位セルの積層数の増加による
コストダウン効果に関し、より具体的に、本実施例の燃
料電池積層体をオンサイト型に適用した場合について、
５０ｋＷオンサイト型燃料電池積層体と比較して説明す
る。すなわち、前記各実施例と同じ要領で、５０ｋＷオ
ンサイト型と本実施例のコスト比を求めれば、本実施例
により、１０〜１１％の大幅なコストダウンを実現でき
ることが分かる。

【００４３】（３）他の実施例なお、本発明は、前記各実施例に限定されるものではな
く、オンサイト型以外の各種の燃料電池にも同様に適用
可能であり、例えば、単位セル積層体の上下端部におけ
る構造材との間に積層され、あるいは上下端部のサブス
タックに追加される単位セルの具体的な積層数は、燃料
電池の具体的な設計仕様に応じて適宜選択される。

【００４４】

【発明の効果】以上説明したように、本発明において
は、単位セル積層体の上下端部における構造材との間に
複数個の単位セルを積層するか、あるいは上下端部のサ
ブスタックの単位セルの積層数を他のサブスタックより
も多くすることにより、冷却板の数に対する単位セルの
積層数を増やすことができるため、従来技術に比べて、
燃料電池積層体一基当たりの出力を増大可能で、電池特
性及びコンパクト性に優れ、出力当たりのコストを大幅
に削減可能な、実用性の高い燃料電池積層体を提供する
ことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】請求項１の発明に従う燃料電池積層体の一実施
例（第１実施例）における積層構造を示す模式的側面
図。

【図２】図１の燃料電池積層体における各単位セルの温
度分布図。

【図３】請求項１の発明に従う燃料電池積層体の異なる
実施例（第２実施例）における各単位セルの温度分布
図。

【図４】請求項２の発明に従う燃料電池積層体の一実施
例（第３実施例）における積層構造を示す模式的側面
図。

【図５】図４の燃料電池積層体における各単位セルの温
度分布図。

【図６】請求項２の発明に従う燃料電池積層体の異なる
実施例（第４実施例）における各単位セルの温度分布
図。

【図７】燃料電池を構成する単位セルの一般的な構成を
示す斜視図。

【図８】図７に示す単位セルを複数個積層してなる単位
セル積層体の一般的な構成を示す分解斜視図。

【図９】一般的な燃料電池積層体の構成を示す分解斜視
図。

【図１０】従来の燃料電池積層体における積層構造の一
例を示す模式的側面図。

【図１１】図１０の燃料電池積層体における各単位セル
の温度分布図。

【符号の説明】

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…セパレータプレート８…冷却板９…集電板１０…絶縁板１１…締付板１２…端子１３…電気絶縁性ガスケット１４〜１７…マニホールド１８…配管１９，１９ａ，１９ｂ…サブスタック２０…追加電池部

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】マトリックスに電解質を含浸した電解質
層を挟んで一対の電極を配置してなり、一方の電極に燃
料ガスが流通し、他方の電極に酸化剤ガスが流通してい
る条件下で電気エネルギーを出力する単位セルを、セパ
レータを介して複数個積層すると共に、この複数個の積
層単位セルの上下端部に冷却板を配置し、且つ、その内
部に冷却板を挿入して、隣接する冷却板の間に複数個の
積層単位セルをサブスタックとして挟む形の単位セル積
層体を構成し、さらに、この単位セル積層体の上下端部
に、集電板、絶縁板、及び締付板を含む構造材を取り付
けて構成した燃料電池積層体において、前記単位セル積層体の上下端部に配置された冷却板と前
記構造材との間に、複数個の単位セルをセパレータを介
して積層し、追加電池部を形成したことを特徴とする燃
料電池積層体。
【請求項２】マトリックスに電解質を含浸した電解質
層を挟んで一対の電極を配置してなり、一方の電極に燃
料ガスが流通し、他方の電極に酸化剤ガスが流通してい
る条件下で電気エネルギーを出力する単位セルを、セパ
レータを介して複数個積層すると共に、この複数個の積
層単位セルの上下端部に冷却板を配置し、且つ、その内
部に冷却板を挿入して、隣接する冷却板の間に複数個の
積層単位セルをサブスタックとして挟む形の単位セル積
層体を構成し、さらに、この単位セル積層体の上下端部
に、集電板、絶縁板、及び締付板を含む構造材を取り付
けて構成した燃料電池積層体において、前記単位セル積層体の上下端部に配置されたサブスタッ
クの単位セルの積層数を、その他の中央部のサブスタッ
クの単位セルの積層数よりも多くしたことを特徴とする
燃料電池積層体。