JPH06251790A - 燃料電池 - Google Patents
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- JPH06251790A JPH06251790A JP5032261A JP3226193A JPH06251790A JP H06251790 A JPH06251790 A JP H06251790A JP 5032261 A JP5032261 A JP 5032261A JP 3226193 A JP3226193 A JP 3226193A JP H06251790 A JPH06251790 A JP H06251790A
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- H01M8/0202—Collectors; Separators, e.g. bipolar separators; Interconnectors
- H01M8/0267—Collectors; Separators, e.g. bipolar separators; Interconnectors having heating or cooling means, e.g. heaters or coolant flow channels
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- H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
- H01M8/02—Details
- H01M8/0297—Arrangements for joining electrodes, reservoir layers, heat exchange units or bipolar separators to each other
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- H—ELECTRICITY
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- H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
- H01M8/04007—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids related to heat exchange
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- Y02E60/50—Fuel cells
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- Electrochemistry (AREA)
- General Chemical & Material Sciences (AREA)
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Abstract
(57)【要約】
【目的】 サブスタックの温度分布を均一化して、積層
体全体の運転温度を許容温度により近い温度に設定可能
とすることにより、発電効率に優れ、長期に渡って安定
した高い電池性能を維持可能な、電池寿命の長い燃料電
池を提供する。 【構成】 複数個の単位セル１２ａ〜１２ｆとセパレー
タ板１３ａ〜１３ｅを交互に積層してサブスタック１４
を形成する。サブスタック１４と冷却板１１ａ，１１ｂ
とを交互に複数個積層して積層体を形成する。サブスタ
ック１４の積層方向中央部のセパレータ板１３ｃの厚さ
を他の部分よりも厚くする。あるいは、サブスタック１
４の積層方向中央部の単位セル１２ｃの反応ガス流通路
１６の断面積またはガス接触面積を他の部分よりも大き
くする。あるいは、サブスタックの積層方向中央部の単
位セル１２ｃ，１２ｄ間に放熱板２１を介在させる。
体全体の運転温度を許容温度により近い温度に設定可能
とすることにより、発電効率に優れ、長期に渡って安定
した高い電池性能を維持可能な、電池寿命の長い燃料電
池を提供する。 【構成】 複数個の単位セル１２ａ〜１２ｆとセパレー
タ板１３ａ〜１３ｅを交互に積層してサブスタック１４
を形成する。サブスタック１４と冷却板１１ａ，１１ｂ
とを交互に複数個積層して積層体を形成する。サブスタ
ック１４の積層方向中央部のセパレータ板１３ｃの厚さ
を他の部分よりも厚くする。あるいは、サブスタック１
４の積層方向中央部の単位セル１２ｃの反応ガス流通路
１６の断面積またはガス接触面積を他の部分よりも大き
くする。あるいは、サブスタックの積層方向中央部の単
位セル１２ｃ，１２ｄ間に放熱板２１を介在させる。
Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は燃料電池に係り、特に燃
料電池積層体を構成する複数個の単位セル間の温度分布
を均一化して、局部的な温度上昇を防止することによ
り、燃料電池の発電効率を向上するための技術に関す
る。
料電池積層体を構成する複数個の単位セル間の温度分布
を均一化して、局部的な温度上昇を防止することによ
り、燃料電池の発電効率を向上するための技術に関す
る。
【０００２】
【従来の技術】燃料電池は、化学エネルギーを有する燃
料を、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。この燃料電池発電システム
は、比較的小さな規模でも、発電の熱効率が４０〜５０
％にも達する、という特徴があるため、新鋭火力発電シ
ステムをはるかにしのぐ高効率の発電システムとして期
待されている。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い、
発電装置内に燃焼サイクルを含まないので大量の冷却水
を必要としない、振動が小さい、などの特徴があること
から、騒音・排ガスなどの環境問題が少ないという利点
もある。さらに、負荷変動に対して応答性が良い、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、などの優れ
た特徴があるため、その研究開発には期待と関心が寄せ
られ、実用化は目前に迫っている。
料を、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。この燃料電池発電システム
は、比較的小さな規模でも、発電の熱効率が４０〜５０
％にも達する、という特徴があるため、新鋭火力発電シ
ステムをはるかにしのぐ高効率の発電システムとして期
待されている。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い、
発電装置内に燃焼サイクルを含まないので大量の冷却水
を必要としない、振動が小さい、などの特徴があること
から、騒音・排ガスなどの環境問題が少ないという利点
もある。さらに、負荷変動に対して応答性が良い、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、などの優れ
た特徴があるため、その研究開発には期待と関心が寄せ
られ、実用化は目前に迫っている。
【０００３】この種の燃料電池としては、例えば、特開
昭６０−９３７６５号公報に示されたものが知られてい
る。すなわち、電池本体は、図８に示すように、発電の
ための単位セルとこの単位セルで発生する熱を排出する
ための冷却板を多数積層してなる積層体１、その積層体
１を上下両側から締付ける締付板２、積層体１と締付板
２の間に挿入するスペーサ３、反応ガス供給・排出用の
ガスマニホールド４、ガスマニホールド４と積層体１の
間をシールするシール材５とを備えている。
昭６０−９３７６５号公報に示されたものが知られてい
る。すなわち、電池本体は、図８に示すように、発電の
ための単位セルとこの単位セルで発生する熱を排出する
ための冷却板を多数積層してなる積層体１、その積層体
１を上下両側から締付ける締付板２、積層体１と締付板
２の間に挿入するスペーサ３、反応ガス供給・排出用の
ガスマニホールド４、ガスマニホールド４と積層体１の
間をシールするシール材５とを備えている。
【０００４】また、このような電池本体は、さらに、図
示しない冷媒供給・排出用の冷媒マニホールド、図示し
ない電気出力取出し用ブスバーなどを備えている。そし
て、積層体１の単位セルには、ガスマニホールド４を介
し、反応ガスである燃料ガスと酸化剤ガスが外部から供
給・排出され、積層体１の冷却板には、冷媒マニホール
ドを介し、水などの冷媒が外部から供給・排出される。
示しない冷媒供給・排出用の冷媒マニホールド、図示し
ない電気出力取出し用ブスバーなどを備えている。そし
て、積層体１の単位セルには、ガスマニホールド４を介
し、反応ガスである燃料ガスと酸化剤ガスが外部から供
給・排出され、積層体１の冷却板には、冷媒マニホール
ドを介し、水などの冷媒が外部から供給・排出される。
【０００５】一般的に、上述のような燃料電池の積層体
１は、複数個の単位セルを積層し、各単位セル間に反応
ガスを区分するセパレータ板をそれぞれ挿入して一つの
サブスタックを形成し、このようなサブスタックと冷却
板とを交互に複数個積層して構成される。この場合、積
層体１を構成する単位セルは、通常は、電極基体の一方
の面に触媒を担持させるとともに他方の面に反応ガス流
通路を形成してなる一対の多孔質電極を、その触媒面を
対向させて配置し、この触媒面間に電解質層を挟んで形
成される。そして、一方の電極を燃料極としてその背面
に水素などの燃料ガスを接触させるとともに、他方の電
極を酸化剤極としてその背面に酸素などの酸化剤ガスを
接触させ、このときに起こる電気化学反応により発生す
る電気エネルギーを、上記一対の電極間から取り出すよ
うに構成される。また、冷却板には、冷媒流通路が形成
され、ここに冷媒を流通させることによって、冷却板周
辺の単位セルを冷却するように構成される。
１は、複数個の単位セルを積層し、各単位セル間に反応
ガスを区分するセパレータ板をそれぞれ挿入して一つの
サブスタックを形成し、このようなサブスタックと冷却
板とを交互に複数個積層して構成される。この場合、積
層体１を構成する単位セルは、通常は、電極基体の一方
の面に触媒を担持させるとともに他方の面に反応ガス流
通路を形成してなる一対の多孔質電極を、その触媒面を
対向させて配置し、この触媒面間に電解質層を挟んで形
成される。そして、一方の電極を燃料極としてその背面
に水素などの燃料ガスを接触させるとともに、他方の電
極を酸化剤極としてその背面に酸素などの酸化剤ガスを
接触させ、このときに起こる電気化学反応により発生す
る電気エネルギーを、上記一対の電極間から取り出すよ
うに構成される。また、冷却板には、冷媒流通路が形成
され、ここに冷媒を流通させることによって、冷却板周
辺の単位セルを冷却するように構成される。
【０００６】より詳細には、構造を容易化して信頼性や
生産性を高める観点から、積層体１を構成する複数個の
単位セルの外形とその反応ガス流通路の寸法形状、セパ
レータ板の寸法形状、および冷却板とその冷媒流通路の
寸法形状などは、それぞれ全て規格・統一化される。ま
た、電解質として一般に用いられているのは、リン酸な
どの酸性溶液である。さらに、単位セルの多孔質電極
は、通常は、電極基体としてカーボンペーパーのような
多孔質炭素基体を使用し、この多孔質炭素基体の一方の
面に貴金属触媒を担持させるとともに、他方の面に反応
ガス流通路として多数の平行な溝を形成して構成され
る。
生産性を高める観点から、積層体１を構成する複数個の
単位セルの外形とその反応ガス流通路の寸法形状、セパ
レータ板の寸法形状、および冷却板とその冷媒流通路の
寸法形状などは、それぞれ全て規格・統一化される。ま
た、電解質として一般に用いられているのは、リン酸な
どの酸性溶液である。さらに、単位セルの多孔質電極
は、通常は、電極基体としてカーボンペーパーのような
多孔質炭素基体を使用し、この多孔質炭素基体の一方の
面に貴金属触媒を担持させるとともに、他方の面に反応
ガス流通路として多数の平行な溝を形成して構成され
る。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】ところで、以上のよう
な従来の燃料電池においては、積層体１を構成する複数
個の単位セル間の温度に格差を生じるため、最高温度を
許容温度以下に設定した場合には、単位セルの大部分に
ついて必要以上に低温で運転しなければならず、その結
果、発電効率が低くなるという問題がある。この点につ
いて、以下に説明する。
な従来の燃料電池においては、積層体１を構成する複数
個の単位セル間の温度に格差を生じるため、最高温度を
許容温度以下に設定した場合には、単位セルの大部分に
ついて必要以上に低温で運転しなければならず、その結
果、発電効率が低くなるという問題がある。この点につ
いて、以下に説明する。
【０００８】すなわち、まず、前述したような単位セル
の電気化学反応は、単位セルの運転温度が高いほど促進
されるため、燃料電池の発電効率は、基本的には、単位
セルの運転温度が高いほど大きくなる。しかしながら、
単位セルの運転温度がある値を越えると、電気化学反応
を促進する触媒の劣化や電解質の減少により電池性能が
急激に低下し電池寿命が短くなる。このため、単位セル
内の最高温度を、ある値以下に設定・保持する必要があ
る。
の電気化学反応は、単位セルの運転温度が高いほど促進
されるため、燃料電池の発電効率は、基本的には、単位
セルの運転温度が高いほど大きくなる。しかしながら、
単位セルの運転温度がある値を越えると、電気化学反応
を促進する触媒の劣化や電解質の減少により電池性能が
急激に低下し電池寿命が短くなる。このため、単位セル
内の最高温度を、ある値以下に設定・保持する必要があ
る。
【０００９】その一方で、燃料電池の積層体１は、前述
したように、複数個の単位セルと各単位セル間に挿入さ
れたセパレータ板により構成されるサブスタックを、冷
却板と交互に多数積層して構成されるが、サブスタック
内の温度は、一般に不均一で三次元的な分布となる。具
体的に、冷却板間のサブスタック内の単位セル平面の中
心付近における積層方向の温度分布は、図３のＢに示す
ようになる。この図３のＢに示すように、サブスタック
の積層方向端部から積層方向中央部に向かって単位セル
の温度は傾斜的に高くなっている。そして、積層方向中
央部の単位セル、すなわち、冷却板から最も遠い位置に
ある単位セルの温度が最も高くなっており、この最高温
度ｔ2 は、サブスタックの平均温度ｔ0 に比べて極めて
高くなっている。例えば、積層体に２００ｍＡ／ｃｍ2
の負荷状態で一定利用率の反応ガス量を供給した場合
に、平均温度ｔ0 は２００℃であるのに対して、最高温
度ｔ2 は２１５℃まで上昇したことが確認されている。
したように、複数個の単位セルと各単位セル間に挿入さ
れたセパレータ板により構成されるサブスタックを、冷
却板と交互に多数積層して構成されるが、サブスタック
内の温度は、一般に不均一で三次元的な分布となる。具
体的に、冷却板間のサブスタック内の単位セル平面の中
心付近における積層方向の温度分布は、図３のＢに示す
ようになる。この図３のＢに示すように、サブスタック
の積層方向端部から積層方向中央部に向かって単位セル
の温度は傾斜的に高くなっている。そして、積層方向中
央部の単位セル、すなわち、冷却板から最も遠い位置に
ある単位セルの温度が最も高くなっており、この最高温
度ｔ2 は、サブスタックの平均温度ｔ0 に比べて極めて
高くなっている。例えば、積層体に２００ｍＡ／ｃｍ2
の負荷状態で一定利用率の反応ガス量を供給した場合
に、平均温度ｔ0 は２００℃であるのに対して、最高温
度ｔ2 は２１５℃まで上昇したことが確認されている。
【００１０】さらに、このような、積層方向中央部の単
位セルの平面内の温度分布を等温線（Ｔ１〜Ｔ６）で示
すと、図２の（Ｂ）に示すようになる。この図２から明
らかなように、単位セル中心付近は、等温線の間隔が小
さく、すなわち温度勾配が大きくなっており、等温線Ｔ
６内の狭い領域が他に比べて格段に高温の最高温度領域
となる。そのため、従来の燃料電池では、この積層方向
中央部の単位セルの狭い最高温度領域の温度（最高温
度）を許容温度以下にするようにして、冷却水温度など
の値を設定することになる。したがって、積層体全体の
平均温度に比べて格段に高い温度を、許容温度以下に設
定することになるため、サブスタックの積層方向端部側
の多くの単位セルを必要以上に低温で運転する結果とな
る。すなわち、サブスタックを構成する複数個の単位セ
ル間の温度差の大きさと最高温度領域を有する積層方向
中央部の単位セル内の温度差の大きさに応じて、単位セ
ルの大部分については、許容温度よりはるかに低い温度
で運転する結果となり、このことが、発電効率の向上の
支障となる。また、局部的な高温部における触媒の劣化
により、長期に渡って連続運転した場合には、図４に示
すように、電池性能が大きく低下してしまう。
位セルの平面内の温度分布を等温線（Ｔ１〜Ｔ６）で示
すと、図２の（Ｂ）に示すようになる。この図２から明
らかなように、単位セル中心付近は、等温線の間隔が小
さく、すなわち温度勾配が大きくなっており、等温線Ｔ
６内の狭い領域が他に比べて格段に高温の最高温度領域
となる。そのため、従来の燃料電池では、この積層方向
中央部の単位セルの狭い最高温度領域の温度（最高温
度）を許容温度以下にするようにして、冷却水温度など
の値を設定することになる。したがって、積層体全体の
平均温度に比べて格段に高い温度を、許容温度以下に設
定することになるため、サブスタックの積層方向端部側
の多くの単位セルを必要以上に低温で運転する結果とな
る。すなわち、サブスタックを構成する複数個の単位セ
ル間の温度差の大きさと最高温度領域を有する積層方向
中央部の単位セル内の温度差の大きさに応じて、単位セ
ルの大部分については、許容温度よりはるかに低い温度
で運転する結果となり、このことが、発電効率の向上の
支障となる。また、局部的な高温部における触媒の劣化
により、長期に渡って連続運転した場合には、図４に示
すように、電池性能が大きく低下してしまう。
【００１１】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、積
層体のサブスタック中央部における局部的な高温部をな
くし、サブスタックの温度分布を均一化して、積層体全
体の運転温度を許容温度により近い温度に設定可能とす
ることにより、発電効率に優れ、長期に渡って安定した
高い電池性能を維持可能な、電池寿命の長い燃料電池を
提供することである。
解決するために提案されたものであり、その目的は、積
層体のサブスタック中央部における局部的な高温部をな
くし、サブスタックの温度分布を均一化して、積層体全
体の運転温度を許容温度により近い温度に設定可能とす
ることにより、発電効率に優れ、長期に渡って安定した
高い電池性能を維持可能な、電池寿命の長い燃料電池を
提供することである。
【００１２】
【課題を解決するための手段】本発明の燃料電池は、電
極基体の一方の面に触媒を担持させるとともに他方の面
に反応ガス流通路を形成してなる一対の電極を、その触
媒面を対向させて配置し、この一対の電極の触媒面間に
電解質層を挟んで単位セルを形成し、この単位セルを複
数個積層し、各単位セル間にセパレータ板をそれぞれ挿
入してサブスタックを形成し、このサブスタックと冷却
板とを交互に複数個積層して積層体を形成してなる燃料
電池において、次のような特徴を有するものである。
極基体の一方の面に触媒を担持させるとともに他方の面
に反応ガス流通路を形成してなる一対の電極を、その触
媒面を対向させて配置し、この一対の電極の触媒面間に
電解質層を挟んで単位セルを形成し、この単位セルを複
数個積層し、各単位セル間にセパレータ板をそれぞれ挿
入してサブスタックを形成し、このサブスタックと冷却
板とを交互に複数個積層して積層体を形成してなる燃料
電池において、次のような特徴を有するものである。
【００１３】まず、請求項１に記載の燃料電池は、前記
サブスタックの積層方向中央部のセパレータ板の厚さ
を、他の部分のセパレータ板の厚さよりも厚くしたこと
を特徴としている。また、請求項２に記載の燃料電池
は、前記サブスタックの積層方向中央部の単位セルの反
応ガス流通路の断面積またはガス接触面積を、他の部分
の単位セルの反応ガス流通路の断面積またはガス接触面
積よりも大きくしたことを特徴としている。さらに、請
求項３に記載の燃料電池は、前記サブスタックの積層方
向中央部の単位セル間に少なくとも１個の放熱板を介在
させたことを特徴としている。
サブスタックの積層方向中央部のセパレータ板の厚さ
を、他の部分のセパレータ板の厚さよりも厚くしたこと
を特徴としている。また、請求項２に記載の燃料電池
は、前記サブスタックの積層方向中央部の単位セルの反
応ガス流通路の断面積またはガス接触面積を、他の部分
の単位セルの反応ガス流通路の断面積またはガス接触面
積よりも大きくしたことを特徴としている。さらに、請
求項３に記載の燃料電池は、前記サブスタックの積層方
向中央部の単位セル間に少なくとも１個の放熱板を介在
させたことを特徴としている。
【００１４】
【作用】以上のような構成を有する本発明の作用は次の
通りである。まず、請求項１に記載の燃料電池において
は、サブスタックの積層方向中央部のセパレータ板の厚
さを他の部分よりも厚くしたことにより、このセパレー
タ板によってその両側の単位セル間の積層方向の熱伝導
を抑制し、その分だけ単位セルの平面方向の熱伝導を促
進させることができる。この結果、最高温度領域を有す
る積層方向中央部の単位セル内の温度分布を均一化し
て、この単位セル内の最高温度領域の温度を低下させ、
積層体全体の平均温度に近付けることができるため、積
層体を構成する複数個の単位セル間の温度分布を均一化
することができる。したがって、積層方向中央部の単位
セルの最高温度領域を許容温度以下に設定した場合に、
積層体全体の運転温度を許容温度により近付けることが
でき、それにより、発電効率を向上することができる。
また、局部的な高温部をなくすことができるため、触媒
の劣化を抑制し、長期に渡って安定した高い電池性能を
維持することができる。
通りである。まず、請求項１に記載の燃料電池において
は、サブスタックの積層方向中央部のセパレータ板の厚
さを他の部分よりも厚くしたことにより、このセパレー
タ板によってその両側の単位セル間の積層方向の熱伝導
を抑制し、その分だけ単位セルの平面方向の熱伝導を促
進させることができる。この結果、最高温度領域を有す
る積層方向中央部の単位セル内の温度分布を均一化し
て、この単位セル内の最高温度領域の温度を低下させ、
積層体全体の平均温度に近付けることができるため、積
層体を構成する複数個の単位セル間の温度分布を均一化
することができる。したがって、積層方向中央部の単位
セルの最高温度領域を許容温度以下に設定した場合に、
積層体全体の運転温度を許容温度により近付けることが
でき、それにより、発電効率を向上することができる。
また、局部的な高温部をなくすことができるため、触媒
の劣化を抑制し、長期に渡って安定した高い電池性能を
維持することができる。
【００１５】次に、請求項２に記載の燃料電池において
は、サブスタックの積層方向中央部の単位セルの反応ガ
ス流通路の断面積またはガス接触面積を他の部分よりも
大きくしたことにより、この反応ガス流通路内の反応ガ
ス流通によって積層方向中央部の単位セルを冷却するこ
とができる。この結果、最高温度領域を有する積層方向
中央部の単位セルの温度を低下させ、積層体を構成する
複数個の単位セル間の温度分布を均一化することができ
る。したがって、積層方向中央部の単位セルの最高温度
領域を許容温度以下に設定した場合に、積層体全体の運
転温度を許容温度により近付けることができ、それによ
り、発電効率を向上することができる。また、局部的な
高温部をなくすことができるため、触媒の劣化を抑制
し、長期に渡って安定した高い電池性能を維持すること
ができる。
は、サブスタックの積層方向中央部の単位セルの反応ガ
ス流通路の断面積またはガス接触面積を他の部分よりも
大きくしたことにより、この反応ガス流通路内の反応ガ
ス流通によって積層方向中央部の単位セルを冷却するこ
とができる。この結果、最高温度領域を有する積層方向
中央部の単位セルの温度を低下させ、積層体を構成する
複数個の単位セル間の温度分布を均一化することができ
る。したがって、積層方向中央部の単位セルの最高温度
領域を許容温度以下に設定した場合に、積層体全体の運
転温度を許容温度により近付けることができ、それによ
り、発電効率を向上することができる。また、局部的な
高温部をなくすことができるため、触媒の劣化を抑制
し、長期に渡って安定した高い電池性能を維持すること
ができる。
【００１６】さらに、請求項３に記載の燃料電池におい
ては、サブスタックの積層方向中央部の単位セル間に放
熱板を介在させたことにより、この放熱板によって積層
方向中央部の単位セルを冷却することができる。この結
果、最高温度領域を有する積層方向中央部の単位セルの
温度を低下させ、積層体を構成する複数個の単位セル間
の温度分布を均一化することができる。したがって、積
層方向中央部の単位セルの最高温度領域を許容温度以下
に設定した場合に、積層体全体の運転温度を許容温度に
より近付けることができ、それにより、発電効率を向上
することができる。また、局部的な高温部をなくすこと
ができるため、触媒の劣化を抑制し、長期に渡って安定
した高い電池性能を維持することができる。
ては、サブスタックの積層方向中央部の単位セル間に放
熱板を介在させたことにより、この放熱板によって積層
方向中央部の単位セルを冷却することができる。この結
果、最高温度領域を有する積層方向中央部の単位セルの
温度を低下させ、積層体を構成する複数個の単位セル間
の温度分布を均一化することができる。したがって、積
層方向中央部の単位セルの最高温度領域を許容温度以下
に設定した場合に、積層体全体の運転温度を許容温度に
より近付けることができ、それにより、発電効率を向上
することができる。また、局部的な高温部をなくすこと
ができるため、触媒の劣化を抑制し、長期に渡って安定
した高い電池性能を維持することができる。
【００１７】
（１）第１実施例 以下には、請求項１に記載の発明による燃料電池の一実
施例（第１実施例）について、図１乃至図４を参照して
具体的に説明する。ここで、図１は、燃料電池の積層体
の一部を模式的に示す斜視図である。また、図２は、図
１の燃料電池と従来の燃料電池について、そのサブスタ
ック内の積層方向中央部の単位セルの平面内の温度分布
を比較的に等温線でそれぞれ示す図であり、図２の
（Ａ）は図１の燃料電池の単位セル平面の温度分布図、
（Ｂ）は従来の燃料電池の単位セル平面の温度分布図で
ある。さらに、図３は、図１の燃料電池Ａと従来の燃料
電池Ｂについて、そのサブスタック内の単位セル平面の
中心付近における積層方向の温度分布を比較的に示すグ
ラフ、図４は、図１の燃料電池Ａと従来の燃料電池Ｂに
ついて、運転時間に対する電池性能を比較的に示すグラ
フである。
施例（第１実施例）について、図１乃至図４を参照して
具体的に説明する。ここで、図１は、燃料電池の積層体
の一部を模式的に示す斜視図である。また、図２は、図
１の燃料電池と従来の燃料電池について、そのサブスタ
ック内の積層方向中央部の単位セルの平面内の温度分布
を比較的に等温線でそれぞれ示す図であり、図２の
（Ａ）は図１の燃料電池の単位セル平面の温度分布図、
（Ｂ）は従来の燃料電池の単位セル平面の温度分布図で
ある。さらに、図３は、図１の燃料電池Ａと従来の燃料
電池Ｂについて、そのサブスタック内の単位セル平面の
中心付近における積層方向の温度分布を比較的に示すグ
ラフ、図４は、図１の燃料電池Ａと従来の燃料電池Ｂに
ついて、運転時間に対する電池性能を比較的に示すグラ
フである。
【００１８】まず、図１に示すように、隣接する冷却板
１１ａ，１１ｂの間には、６個の単位セル１２ａ〜１２
ｆと５個のセパレータ板１３ａ〜１３ｅとを交互に積層
してなるサブスタック１４が配置されている。サブスタ
ック１４を構成するセパレータ板１３ａ〜１３ｅのう
ち、サブスタック１４の積層方向中央部の２個の単位セ
ル１２ｃ，１２ｄの間に挿入された積層方向中央部のセ
パレータ板１３ｃの厚さは、他のセパレータ板１３ａ，
１３ｂ，１３ｄ，１３ｅの厚さの３倍以上に厚くされて
いる。なお、図中１５は、冷却板１１ａ，１１ｂに設け
られた冷媒流通路であり、１６，１７は、単位セル１２
ａ〜１２ｆに設けられた反応ガス流通路である。
１１ａ，１１ｂの間には、６個の単位セル１２ａ〜１２
ｆと５個のセパレータ板１３ａ〜１３ｅとを交互に積層
してなるサブスタック１４が配置されている。サブスタ
ック１４を構成するセパレータ板１３ａ〜１３ｅのう
ち、サブスタック１４の積層方向中央部の２個の単位セ
ル１２ｃ，１２ｄの間に挿入された積層方向中央部のセ
パレータ板１３ｃの厚さは、他のセパレータ板１３ａ，
１３ｂ，１３ｄ，１３ｅの厚さの３倍以上に厚くされて
いる。なお、図中１５は、冷却板１１ａ，１１ｂに設け
られた冷媒流通路であり、１６，１７は、単位セル１２
ａ〜１２ｆに設けられた反応ガス流通路である。
【００１９】以上のような構成を有する本実施例の作用
は次の通りである。すなわち、燃料電池の運転時に、各
単位セル１２ａ〜１２ｆから発生した熱は、単位セル１
２ａ〜１２ｆとセパレータ板１３ａ〜１３ｅで構成され
るサブスタック１４の中を三次元的に移動し、サブスタ
ック１４の両端にある冷却板１１ａ，１１ｂに吸収され
る。このとき、各単位セルでの発熱量は一般に不均一で
あるため、従来のように、セパレータ板１３ａ〜１３ｅ
の厚さが等しい場合には、図２の（Ｂ）に示すように、
積層方向中央部の単位セル１２ｃ，１２ｄの温度が最も
高くなり、さらに、その単位セルの平面に、面積が狭
く、積層体全体の平均温度よりも格段に高温の最高温度
領域を生じてしまう。
は次の通りである。すなわち、燃料電池の運転時に、各
単位セル１２ａ〜１２ｆから発生した熱は、単位セル１
２ａ〜１２ｆとセパレータ板１３ａ〜１３ｅで構成され
るサブスタック１４の中を三次元的に移動し、サブスタ
ック１４の両端にある冷却板１１ａ，１１ｂに吸収され
る。このとき、各単位セルでの発熱量は一般に不均一で
あるため、従来のように、セパレータ板１３ａ〜１３ｅ
の厚さが等しい場合には、図２の（Ｂ）に示すように、
積層方向中央部の単位セル１２ｃ，１２ｄの温度が最も
高くなり、さらに、その単位セルの平面に、面積が狭
く、積層体全体の平均温度よりも格段に高温の最高温度
領域を生じてしまう。
【００２０】これに対して、本実施例においては、サブ
スタック１４の積層方向中央部のセパレータ板１３ｃの
厚さを、他のセパレータ板１３ａ，１３ｂ，１３ｄ，１
３ｅの厚さの３倍以上に厚くしているため、このセパレ
ータ板１３ｃによってその両側の単位セル１２ｃ，１２
ｄ間の積層方向の熱伝導を抑制し、その分だけ単位セル
１２ｃ，１２ｄの平面方向の熱伝導を促進させることが
できる。そのため、図２の（Ａ）に示すように、積層方
向中央部の単位セル１２ｃ，１２ｄ内の平面方向におけ
る局部的な高温部Ｔ６をなくし、温度分布を均一化し
て、この単位セル１２ｃ，１２ｄ内の最高温度領域の温
度を、従来のＴ６からＴ５へと低下させ、積層体全体の
平均温度に近付けることができる。
スタック１４の積層方向中央部のセパレータ板１３ｃの
厚さを、他のセパレータ板１３ａ，１３ｂ，１３ｄ，１
３ｅの厚さの３倍以上に厚くしているため、このセパレ
ータ板１３ｃによってその両側の単位セル１２ｃ，１２
ｄ間の積層方向の熱伝導を抑制し、その分だけ単位セル
１２ｃ，１２ｄの平面方向の熱伝導を促進させることが
できる。そのため、図２の（Ａ）に示すように、積層方
向中央部の単位セル１２ｃ，１２ｄ内の平面方向におけ
る局部的な高温部Ｔ６をなくし、温度分布を均一化し
て、この単位セル１２ｃ，１２ｄ内の最高温度領域の温
度を、従来のＴ６からＴ５へと低下させ、積層体全体の
平均温度に近付けることができる。
【００２１】ところで、仮に、全部のセパレータ板１３
ａ〜１３ｅを厚くした場合には、水平方向の熱伝導がさ
らに促進され、単位セルの平面方向の温度分布は一層均
一化するが、その反面、積層体全体の高さが高くなり、
輸送や耐震上不利になるだけでなく、積層方向の熱抵抗
が大きくなり、必ずしもセル内の最高温度を下げること
ができるとは限らない。これに対して、図１に示す実施
例のように、冷却板１１ａ，１１ｂ間の単位セルが偶数
個の場合、積層方向の熱伝導は中央部のセパレータを中
心として上下に対称的に行われるため、中央部のセパレ
ータ板のみを厚くしても、積層方向の熱抵抗の増加には
ならず、前述したように、単位セルの平面方向の熱伝導
促進の効果が有効に作用し、単位セルの最高温度を低下
させることができる。
ａ〜１３ｅを厚くした場合には、水平方向の熱伝導がさ
らに促進され、単位セルの平面方向の温度分布は一層均
一化するが、その反面、積層体全体の高さが高くなり、
輸送や耐震上不利になるだけでなく、積層方向の熱抵抗
が大きくなり、必ずしもセル内の最高温度を下げること
ができるとは限らない。これに対して、図１に示す実施
例のように、冷却板１１ａ，１１ｂ間の単位セルが偶数
個の場合、積層方向の熱伝導は中央部のセパレータを中
心として上下に対称的に行われるため、中央部のセパレ
ータ板のみを厚くしても、積層方向の熱抵抗の増加には
ならず、前述したように、単位セルの平面方向の熱伝導
促進の効果が有効に作用し、単位セルの最高温度を低下
させることができる。
【００２２】したがって、本実施例においては、冷却水
の温度および単位セルの発熱量が同じ場合、従来よりも
単位セルの最高温度を低く押さえることができるため、
サブスタック１４を構成する６個の単位セル１２ａ〜１
２ｆ間の温度分布を均一化することができる。すなわ
ち、図３に示すように、本実施例の燃料電池Ａのサブス
タック内の積層方向中央部の単位セルの最高温度ｔ
1 は、従来の燃料電池Ｂの最高温度ｔ2 よりも低くなっ
ており、最高温度ｔ1 とサブスタックの平均温度ｔ0と
の差は、従来よりも小さくなっている。例えば、サブス
タックの積層方向における全ての単位セルとセパレータ
板を同一規格とした従来の燃料電池と、サブスタックの
積層方向中央部のセパレータ板の厚さを変えた本実施例
の燃料電池とについて、それぞれの積層体に、２００ｍ
Ａ／ｃｍ2 の負荷状態で一定利用率の反応ガス量を供給
したところ、従来の燃料電池では、前述したように、２
００℃の平均温度ｔ0 に対して最高温度ｔ2 は２１５℃
まで上昇したのに比べ、本実施例の燃料電池では、２０
０℃の平均温度ｔ0 に対する最高温度ｔ1 は２０５℃で
あった。
の温度および単位セルの発熱量が同じ場合、従来よりも
単位セルの最高温度を低く押さえることができるため、
サブスタック１４を構成する６個の単位セル１２ａ〜１
２ｆ間の温度分布を均一化することができる。すなわ
ち、図３に示すように、本実施例の燃料電池Ａのサブス
タック内の積層方向中央部の単位セルの最高温度ｔ
1 は、従来の燃料電池Ｂの最高温度ｔ2 よりも低くなっ
ており、最高温度ｔ1 とサブスタックの平均温度ｔ0と
の差は、従来よりも小さくなっている。例えば、サブス
タックの積層方向における全ての単位セルとセパレータ
板を同一規格とした従来の燃料電池と、サブスタックの
積層方向中央部のセパレータ板の厚さを変えた本実施例
の燃料電池とについて、それぞれの積層体に、２００ｍ
Ａ／ｃｍ2 の負荷状態で一定利用率の反応ガス量を供給
したところ、従来の燃料電池では、前述したように、２
００℃の平均温度ｔ0 に対して最高温度ｔ2 は２１５℃
まで上昇したのに比べ、本実施例の燃料電池では、２０
０℃の平均温度ｔ0 に対する最高温度ｔ1 は２０５℃で
あった。
【００２３】このように、本実施例においては、サブス
タック内における最高温度ｔ1 と平均温度ｔ0 との差を
従来よりも小さくできるため、積層方向中央部の単位セ
ル１２ｃ，１２ｄの最高温度ｔ1 を許容温度以下に設定
した場合には、積層体全体の運転温度を従来よりも許容
温度に近付けることができ、それにより、発電効率を従
来よりも格段に向上することができる。また、サブスタ
ックにおいて従来生じていた局部的な高温部をなくすこ
とができるため、燃料電池を長期に渡って連続運転した
場合には、図４に示すように、本実施例の燃料電池Ａ
は、従来の燃料電池Ｂに比べて格段に高い電池性能を維
持できる。
タック内における最高温度ｔ1 と平均温度ｔ0 との差を
従来よりも小さくできるため、積層方向中央部の単位セ
ル１２ｃ，１２ｄの最高温度ｔ1 を許容温度以下に設定
した場合には、積層体全体の運転温度を従来よりも許容
温度に近付けることができ、それにより、発電効率を従
来よりも格段に向上することができる。また、サブスタ
ックにおいて従来生じていた局部的な高温部をなくすこ
とができるため、燃料電池を長期に渡って連続運転した
場合には、図４に示すように、本実施例の燃料電池Ａ
は、従来の燃料電池Ｂに比べて格段に高い電池性能を維
持できる。
【００２４】なお、前記第１実施例においては、冷却板
１１ａ，１１ｂ間のサブスタック１４を６個の単位セル
１２ａ〜１２ｆと５個のセパレータ板１３ａ〜１３ｅに
て構成し、積層方向中央部の１個のセパレータ板１３ｃ
のみを他より厚くする例を示したが、冷却板間のサブス
タックを奇数個とし、セパレータ板を偶数個として構成
した場合には、中央の２個のセパレータ板を厚くしても
よい。すなわち、一般的に、温度が高くなる積層方向中
央部の単位セル付近の１個または複数個のセパレータ板
を厚くすることによって、このセパレータ板の両側の単
位セルの平面方向の熱伝達を促進させることができるた
め、それにより、この単位セルの温度分布を均一化し
て、最高温度を従来より低下させ、積層体全体の平均温
度に近付けることができる。
１１ａ，１１ｂ間のサブスタック１４を６個の単位セル
１２ａ〜１２ｆと５個のセパレータ板１３ａ〜１３ｅに
て構成し、積層方向中央部の１個のセパレータ板１３ｃ
のみを他より厚くする例を示したが、冷却板間のサブス
タックを奇数個とし、セパレータ板を偶数個として構成
した場合には、中央の２個のセパレータ板を厚くしても
よい。すなわち、一般的に、温度が高くなる積層方向中
央部の単位セル付近の１個または複数個のセパレータ板
を厚くすることによって、このセパレータ板の両側の単
位セルの平面方向の熱伝達を促進させることができるた
め、それにより、この単位セルの温度分布を均一化し
て、最高温度を従来より低下させ、積層体全体の平均温
度に近付けることができる。
【００２５】（２）第２実施例 以下には、請求項２に記載の発明による燃料電池の一実
施例（第２実施例）について、図５を参照して具体的に
説明する。ここで、図５は、燃料電池の積層体の一部を
模式的に示す斜視図である。なお、前記第１実施例と同
一部分には同一符号を付し、説明を省略する。
施例（第２実施例）について、図５を参照して具体的に
説明する。ここで、図５は、燃料電池の積層体の一部を
模式的に示す斜視図である。なお、前記第１実施例と同
一部分には同一符号を付し、説明を省略する。
【００２６】まず、図５に示すように、隣接する冷却板
１１ａ，１１ｂの間には、５個の単位セル１２ａ〜１２
ｅと４個のセパレータ板１３ａ〜１３ｄとを交互に積層
してなるサブスタック１４が配置されている。サブスタ
ック１４を構成する単位セル１２ａ〜１２ｅのうち、サ
ブスタック１４の積層方向中央部の１個の単位セル１２
ｃについては、その一方の反応ガス流通路１６の溝の深
さが、他の４個の単位セル１２ａ，１２ｂ，１２ｄ，１
２ｅの対応する反応ガス流通路１６の溝の深さの２倍に
されている。この溝の深さの際に伴い、中央部の単位セ
ル１２ｃの厚さは、それ以外の単位セル１２ａ，１２
ｂ，１２ｄ，１２ｅの厚さよりも厚くなっている。な
お、単位セル１３ｃの他方の反応ガス流通路１７の溝の
深さは、他の単位セル１２ａ，１２ｂ，１２ｄ，１２ｅ
の対応する反応ガス流通路１７の溝の深さと等しくされ
ている。
１１ａ，１１ｂの間には、５個の単位セル１２ａ〜１２
ｅと４個のセパレータ板１３ａ〜１３ｄとを交互に積層
してなるサブスタック１４が配置されている。サブスタ
ック１４を構成する単位セル１２ａ〜１２ｅのうち、サ
ブスタック１４の積層方向中央部の１個の単位セル１２
ｃについては、その一方の反応ガス流通路１６の溝の深
さが、他の４個の単位セル１２ａ，１２ｂ，１２ｄ，１
２ｅの対応する反応ガス流通路１６の溝の深さの２倍に
されている。この溝の深さの際に伴い、中央部の単位セ
ル１２ｃの厚さは、それ以外の単位セル１２ａ，１２
ｂ，１２ｄ，１２ｅの厚さよりも厚くなっている。な
お、単位セル１３ｃの他方の反応ガス流通路１７の溝の
深さは、他の単位セル１２ａ，１２ｂ，１２ｄ，１２ｅ
の対応する反応ガス流通路１７の溝の深さと等しくされ
ている。
【００２７】以上のような構成を有する本実施例の作用
は次の通りである。すなわち、本実施例においては、サ
ブスタック１４の積層方向中央部の単位セル１２ｃの反
応ガス流通路１６の溝の深さを、他の単位セル１２ａ，
１２ｂ，１２ｄ，１２ｅの溝の深さの２倍として、その
断面積およびガス接触面積を大きくしているため、この
単位セル１２ｃの反応ガス流通路１６の反応ガス流通に
よって、単位セル１２ｃを冷却することができる。その
ため、前記第１実施例と同様に、積層方向中央部の単位
セル１２ｃ内の平面方向における局部的な高温部をなく
し、温度分布を均一化して、この単位セル１２ｃ内の最
高温度領域の温度を、従来より低下させ、積層体全体の
平均温度に近付けることができる。
は次の通りである。すなわち、本実施例においては、サ
ブスタック１４の積層方向中央部の単位セル１２ｃの反
応ガス流通路１６の溝の深さを、他の単位セル１２ａ，
１２ｂ，１２ｄ，１２ｅの溝の深さの２倍として、その
断面積およびガス接触面積を大きくしているため、この
単位セル１２ｃの反応ガス流通路１６の反応ガス流通に
よって、単位セル１２ｃを冷却することができる。その
ため、前記第１実施例と同様に、積層方向中央部の単位
セル１２ｃ内の平面方向における局部的な高温部をなく
し、温度分布を均一化して、この単位セル１２ｃ内の最
高温度領域の温度を、従来より低下させ、積層体全体の
平均温度に近付けることができる。
【００２８】したがって、本実施例においても、前記第
１実施例と同様に、冷却水の温度および単位セルの発熱
量が同じ場合、従来よりも単位セルの最高温度を低く押
さえることができるため、サブスタック１４を構成する
５個の単位セル１２ａ〜１２ｅ間の温度分布を均一化す
ることができる。すなわち、図３に示すように、本実施
例の燃料電池Ａのサブスタック内の積層方向中央部の単
位セルの最高温度ｔ1は、従来の燃料電池Ｂの最高温度
ｔ2 よりも低くなり、最高温度ｔ1 とサブスタックの平
均温度ｔ0 との差が従来よりも小さくなる。例えば、サ
ブスタックの積層方向における全ての単位セルの反応ガ
ス流通路を同一規格とした従来の燃料電池と、サブスタ
ックの積層方向中央部の単位セルの反応ガス流通路の溝
の深さを変えた本実施例の燃料電池とについて、それぞ
れの積層体に、２００ｍＡ／ｃｍ2 の負荷状態で一定利
用率の反応ガス量を供給したところ、従来の燃料電池で
は、前述したように、２００℃の平均温度ｔ0 に対して
最高温度ｔ2 は２１５℃まで上昇したのに比べ、本実施
例の燃料電池では、前記第１実施例と同様に、２００℃
の平均温度ｔ0 に対する最高温度ｔ1 は２０５℃であっ
た。
１実施例と同様に、冷却水の温度および単位セルの発熱
量が同じ場合、従来よりも単位セルの最高温度を低く押
さえることができるため、サブスタック１４を構成する
５個の単位セル１２ａ〜１２ｅ間の温度分布を均一化す
ることができる。すなわち、図３に示すように、本実施
例の燃料電池Ａのサブスタック内の積層方向中央部の単
位セルの最高温度ｔ1は、従来の燃料電池Ｂの最高温度
ｔ2 よりも低くなり、最高温度ｔ1 とサブスタックの平
均温度ｔ0 との差が従来よりも小さくなる。例えば、サ
ブスタックの積層方向における全ての単位セルの反応ガ
ス流通路を同一規格とした従来の燃料電池と、サブスタ
ックの積層方向中央部の単位セルの反応ガス流通路の溝
の深さを変えた本実施例の燃料電池とについて、それぞ
れの積層体に、２００ｍＡ／ｃｍ2 の負荷状態で一定利
用率の反応ガス量を供給したところ、従来の燃料電池で
は、前述したように、２００℃の平均温度ｔ0 に対して
最高温度ｔ2 は２１５℃まで上昇したのに比べ、本実施
例の燃料電池では、前記第１実施例と同様に、２００℃
の平均温度ｔ0 に対する最高温度ｔ1 は２０５℃であっ
た。
【００２９】このように、本実施例においても、前記第
１実施例と同様に、サブスタック内における最高温度ｔ
1 と平均温度ｔ0 との差を従来よりも小さくできるた
め、積層方向中央部の単位セル１２ｃの最高温度ｔ1 を
許容温度以下に設定した場合には、積層体全体の運転温
度を従来よりも許容温度に近付けることができ、それに
より、発電効率を従来よりも格段に向上することができ
る。また、サブスタックにおいて従来生じていた局部的
な高温部をなくすことができるため、燃料電池を長期に
渡って連続運転した場合には、前記第１実施例と同様、
図４に示すように、本実施例の燃料電池Ａは、従来の燃
料電池Ｂに比べて格段に高い電池性能を維持できる。
１実施例と同様に、サブスタック内における最高温度ｔ
1 と平均温度ｔ0 との差を従来よりも小さくできるた
め、積層方向中央部の単位セル１２ｃの最高温度ｔ1 を
許容温度以下に設定した場合には、積層体全体の運転温
度を従来よりも許容温度に近付けることができ、それに
より、発電効率を従来よりも格段に向上することができ
る。また、サブスタックにおいて従来生じていた局部的
な高温部をなくすことができるため、燃料電池を長期に
渡って連続運転した場合には、前記第１実施例と同様、
図４に示すように、本実施例の燃料電池Ａは、従来の燃
料電池Ｂに比べて格段に高い電池性能を維持できる。
【００３０】なお、前記第２実施例においては、積層方
向中央部の単位セル１２ｃの一方の反応ガス流通路１６
の溝の深さを大きくした例を示したが、この他にも、溝
深さ・溝幅を同時に大きくした形状、溝幅のみを大きく
した形状などが可能である。すなわち、請求項２の発明
では、積層方向中央部の単位セルについて、その反応ガ
ス流通路の断面積またはガス接触面積を大きくするよう
なあらゆる形状変更が可能であり、前記実施例と同様の
作用効果を得られるものである。
向中央部の単位セル１２ｃの一方の反応ガス流通路１６
の溝の深さを大きくした例を示したが、この他にも、溝
深さ・溝幅を同時に大きくした形状、溝幅のみを大きく
した形状などが可能である。すなわち、請求項２の発明
では、積層方向中央部の単位セルについて、その反応ガ
ス流通路の断面積またはガス接触面積を大きくするよう
なあらゆる形状変更が可能であり、前記実施例と同様の
作用効果を得られるものである。
【００３１】（３）第３実施例 以下には、請求項３に記載の発明による燃料電池の一実
施例（第３実施例）について、図６および図７を参照し
て具体的に説明する。ここで、図６は、燃料電池の積層
体の一部を模式的に示す斜視図、図７は、図６の放熱板
を模式的に示す斜視図である。なお、前記第１、第２実
施例と同一部分には同一符号を付し、説明を省略する。
施例（第３実施例）について、図６および図７を参照し
て具体的に説明する。ここで、図６は、燃料電池の積層
体の一部を模式的に示す斜視図、図７は、図６の放熱板
を模式的に示す斜視図である。なお、前記第１、第２実
施例と同一部分には同一符号を付し、説明を省略する。
【００３２】まず、図６に示すように、隣接する冷却板
１１ａ，１１ｂの間には、６個の単位セル１２ａ〜１２
ｆを積層してなるサブスタック１４が配置されている。
このサブスタック１４の積層方向中央部の２個の単位セ
ル１２ｃ，１２ｄの間には、１個の放熱板２１が挿入さ
れている。この放熱板２１は、単位セルの多孔質電極の
電極基体と同様の多孔質炭素基体から構成されている。
そして、このような多孔質性の放熱板２１の片面には、
図７に示すように、反応ガス流通路２２が形成されてお
り、この反応ガス流通路２２の両側に相当する放熱板２
１端部には、シール部２３が設けられ、反応ガスのリー
クを防止できるようになっている。また、隣接する各単
位セル間および、単位セル１２ｃ，１２ｄと放熱板２１
との間には、６個のセパレータ板１３ａ〜１３ｆがそれ
ぞれ挿入されている。
１１ａ，１１ｂの間には、６個の単位セル１２ａ〜１２
ｆを積層してなるサブスタック１４が配置されている。
このサブスタック１４の積層方向中央部の２個の単位セ
ル１２ｃ，１２ｄの間には、１個の放熱板２１が挿入さ
れている。この放熱板２１は、単位セルの多孔質電極の
電極基体と同様の多孔質炭素基体から構成されている。
そして、このような多孔質性の放熱板２１の片面には、
図７に示すように、反応ガス流通路２２が形成されてお
り、この反応ガス流通路２２の両側に相当する放熱板２
１端部には、シール部２３が設けられ、反応ガスのリー
クを防止できるようになっている。また、隣接する各単
位セル間および、単位セル１２ｃ，１２ｄと放熱板２１
との間には、６個のセパレータ板１３ａ〜１３ｆがそれ
ぞれ挿入されている。
【００３３】以上のような構成を有する本実施例の作用
は次の通りである。すなわち、本実施例においては、サ
ブスタック１４の積層方向中央部の単位セル１２ｃ，１
２ｄ間に、放熱板２１を挿入したため、この放熱板２１
によって、その両側の単位セル１２ｃ，１２ｄを冷却す
ることができる。特に、本実施例においては、放熱板２
１に反応ガス流通路２２を設けたため、この反応ガス流
通路２２の反応ガス流通によって、冷却効率をさらに高
くすることができる。そのため、前記第１、第２実施例
と同様に、積層方向中央部の単位セル１２ｃ，１２ｄ内
の平面方向における局部的な高温部をなくし、温度分布
を均一化して、この単位セル１２ｃ，１２ｄ内の最高温
度領域の温度を従来より低下させ、積層体全体の平均温
度に近付けることができる。
は次の通りである。すなわち、本実施例においては、サ
ブスタック１４の積層方向中央部の単位セル１２ｃ，１
２ｄ間に、放熱板２１を挿入したため、この放熱板２１
によって、その両側の単位セル１２ｃ，１２ｄを冷却す
ることができる。特に、本実施例においては、放熱板２
１に反応ガス流通路２２を設けたため、この反応ガス流
通路２２の反応ガス流通によって、冷却効率をさらに高
くすることができる。そのため、前記第１、第２実施例
と同様に、積層方向中央部の単位セル１２ｃ，１２ｄ内
の平面方向における局部的な高温部をなくし、温度分布
を均一化して、この単位セル１２ｃ，１２ｄ内の最高温
度領域の温度を従来より低下させ、積層体全体の平均温
度に近付けることができる。
【００３４】したがって、本実施例においても、前記第
１、第２実施例と同様に、冷却水の温度および単位セル
の発熱量が同じ場合、従来よりも単位セルの最高温度を
低く押さえることができるため、サブスタック１４を構
成する６個の単位セル１２ａ〜１２ｆ間の温度分布を均
一化することができる。すなわち、図３に示すように、
本実施例の燃料電池Ａのサブスタック内の積層方向中央
部の単位セルの最高温度ｔ1 は、従来の燃料電池Ｂの最
高温度ｔ2 よりも低くなり、最高温度ｔ1 とサブスタッ
クの平均温度ｔ0 との差が従来よりも小さくなる。例え
ば、サブスタック内に放熱板を持たない従来の燃料電池
と、サブスタックの積層方向中央部に放熱板を配置した
本実施例の燃料電池とについて、それぞれの積層体に、
２００ｍＡ／ｃｍ2 の負荷状態で一定利用率の反応ガス
量を供給したところ、従来の燃料電池では、前述したよ
うに、２００℃の平均温度ｔ0 に対して最高温度ｔ2 は
２１５℃まで上昇したのに比べ、本実施例の燃料電池で
は、前記第１、第２実施例と同様に、２００℃の平均温
度ｔ0 に対する最高温度ｔ1 は２０５℃であった。
１、第２実施例と同様に、冷却水の温度および単位セル
の発熱量が同じ場合、従来よりも単位セルの最高温度を
低く押さえることができるため、サブスタック１４を構
成する６個の単位セル１２ａ〜１２ｆ間の温度分布を均
一化することができる。すなわち、図３に示すように、
本実施例の燃料電池Ａのサブスタック内の積層方向中央
部の単位セルの最高温度ｔ1 は、従来の燃料電池Ｂの最
高温度ｔ2 よりも低くなり、最高温度ｔ1 とサブスタッ
クの平均温度ｔ0 との差が従来よりも小さくなる。例え
ば、サブスタック内に放熱板を持たない従来の燃料電池
と、サブスタックの積層方向中央部に放熱板を配置した
本実施例の燃料電池とについて、それぞれの積層体に、
２００ｍＡ／ｃｍ2 の負荷状態で一定利用率の反応ガス
量を供給したところ、従来の燃料電池では、前述したよ
うに、２００℃の平均温度ｔ0 に対して最高温度ｔ2 は
２１５℃まで上昇したのに比べ、本実施例の燃料電池で
は、前記第１、第２実施例と同様に、２００℃の平均温
度ｔ0 に対する最高温度ｔ1 は２０５℃であった。
【００３５】このように、本実施例においても、前記第
１、第２実施例と同様に、サブスタック内における最高
温度ｔ1 と平均温度ｔ0 との差を従来よりも小さくでき
るため、積層方向中央部の単位セル１２ｃ，１２ｄの最
高温度ｔ1 を許容温度以下に設定した場合には、積層体
全体の運転温度を従来よりも許容温度に近付けることが
でき、それにより、発電効率を従来よりも格段に向上す
ることができる。また、サブスタックにおいて従来生じ
ていた局部的な高温部をなくすことができるため、燃料
電池を長期に渡って連続運転した場合には、前記第１、
第２実施例と同様、図４に示すように、本実施例の燃料
電池Ａは、従来の燃料電池Ｂに比べて格段に高い電池性
能を維持できる。さらに、本実施例の放熱板２１は、単
位セルの多孔質電極の電極基体と同様の多孔質炭素基体
を使用しているため、電解質を含浸保持する電解質リザ
ーバーとしての機能をも有する。
１、第２実施例と同様に、サブスタック内における最高
温度ｔ1 と平均温度ｔ0 との差を従来よりも小さくでき
るため、積層方向中央部の単位セル１２ｃ，１２ｄの最
高温度ｔ1 を許容温度以下に設定した場合には、積層体
全体の運転温度を従来よりも許容温度に近付けることが
でき、それにより、発電効率を従来よりも格段に向上す
ることができる。また、サブスタックにおいて従来生じ
ていた局部的な高温部をなくすことができるため、燃料
電池を長期に渡って連続運転した場合には、前記第１、
第２実施例と同様、図４に示すように、本実施例の燃料
電池Ａは、従来の燃料電池Ｂに比べて格段に高い電池性
能を維持できる。さらに、本実施例の放熱板２１は、単
位セルの多孔質電極の電極基体と同様の多孔質炭素基体
を使用しているため、電解質を含浸保持する電解質リザ
ーバーとしての機能をも有する。
【００３６】なお、前記実施例においては、放熱板２１
に反応ガス流通路２２を設けたが、請求項３の発明は、
これに限定されるものではなく、反応ガス流通路２２を
設けない構成も可能であり、その場合にも十分な作用効
果が得られる。また、１つのサブスタック１４内に放熱
板２１を２個以上設ける構成も可能である。
に反応ガス流通路２２を設けたが、請求項３の発明は、
これに限定されるものではなく、反応ガス流通路２２を
設けない構成も可能であり、その場合にも十分な作用効
果が得られる。また、１つのサブスタック１４内に放熱
板２１を２個以上設ける構成も可能である。
【００３７】
【発明の効果】以上説明したように、本発明の燃料電池
は、サブスタックの積層方向中央部のセパレータ板の厚
さを他の部分より厚くするか、あるいは、サブスタック
の積層方向中央部の単位セルの反応ガス流通路の断面積
またはガス接触面積を他の部分よりも大きくするか、あ
るいは、サブスタックの積層方向中央部の単位セル間に
放熱板を介在させるという簡単な構成の改良により、積
層体のサブスタック中央部における局部的な高温部をな
くし、サブスタックの温度分布を均一化することができ
る。したがって、積層体全体の運転温度を許容温度によ
り近い温度に設定可能できるため、従来に比べて発電効
率に優れ、長期に渡って安定した高い電池性能を維持可
能な、電池寿命の長い燃料電池を提供することができ
る。
は、サブスタックの積層方向中央部のセパレータ板の厚
さを他の部分より厚くするか、あるいは、サブスタック
の積層方向中央部の単位セルの反応ガス流通路の断面積
またはガス接触面積を他の部分よりも大きくするか、あ
るいは、サブスタックの積層方向中央部の単位セル間に
放熱板を介在させるという簡単な構成の改良により、積
層体のサブスタック中央部における局部的な高温部をな
くし、サブスタックの温度分布を均一化することができ
る。したがって、積層体全体の運転温度を許容温度によ
り近い温度に設定可能できるため、従来に比べて発電効
率に優れ、長期に渡って安定した高い電池性能を維持可
能な、電池寿命の長い燃料電池を提供することができ
る。
【図１】本発明による燃料電池の第１実施例の積層体の
一部を模式的に示す斜視図。
一部を模式的に示す斜視図。
【図２】図１の燃料電池と従来の燃料電池について、そ
のサブスタック内の積層方向中央部の単位セルの平面内
の温度分布を比較的に等温線でそれぞれ示す図であり、
（Ａ）は図１の燃料電池の単位セル平面の温度分布図、
（Ｂ）は従来の燃料電池の単位セル平面の温度分布図。
のサブスタック内の積層方向中央部の単位セルの平面内
の温度分布を比較的に等温線でそれぞれ示す図であり、
（Ａ）は図１の燃料電池の単位セル平面の温度分布図、
（Ｂ）は従来の燃料電池の単位セル平面の温度分布図。
【図３】図１の燃料電池Ａと従来の燃料電池Ｂについ
て、そのサブスタック内の単位セル平面の中心付近にお
ける積層方向の温度分布を比較的に示すグラフ。
て、そのサブスタック内の単位セル平面の中心付近にお
ける積層方向の温度分布を比較的に示すグラフ。
【図４】図１の燃料電池Ａと従来の燃料電池Ｂについ
て、運転時間に対する電池性能を比較的に示すグラフ。
て、運転時間に対する電池性能を比較的に示すグラフ。
【図５】本発明による燃料電池の第２実施例の積層体の
一部を模式的に示す斜視図。
一部を模式的に示す斜視図。
【図６】本発明による燃料電池の第３実施例の積層体の
一部を模式的に示す斜視図。
一部を模式的に示す斜視図。
【図７】図６の放熱板を模式的に示す斜視図。
【図８】燃料電池本体の構造を示す斜視図。
１…積層体 ２…締付板 ３…スペーサ ４…ガスマニホールド ５…シール材 Ｔ１〜Ｔ６…等温線 １１ａ，１１ｂ…冷却板 １２ａ〜１２ｆ…単位セル １３ａ〜１３ｆ…セパレータ板 １４…サブスタック １５…冷媒流通路 １６，１７…反応ガス流通路 ２１…放熱板 ２２…反応ガス流通路 ２３…シール部
Claims (3)
- 【請求項１】 電極基体の一方の面に触媒を担持させる
とともに他方の面に反応ガス流通路を形成してなる一対
の電極を、その触媒面を対向させて配置し、この一対の
電極の触媒面間に電解質層を挟んで単位セルを形成し、
この単位セルを複数個積層し、各単位セル間にセパレー
タ板をそれぞれ挿入してサブスタックを形成し、このサ
ブスタックと冷却板とを交互に複数個積層して積層体を
形成してなる燃料電池において、 前記サブスタックの積層方向中央部のセパレータ板の厚
さを、他の部分のセパレータ板の厚さよりも厚くしたこ
とを特徴とする燃料電池。 - 【請求項２】 電極基体の一方の面に触媒を担持させる
とともに他方の面に反応ガス流通路を形成してなる一対
の電極を、その触媒面を対向させて配置し、この一対の
電極の触媒面間に電解質層を挟んで単位セルを形成し、
この単位セルを複数個積層し、各単位セル間にセパレー
タ板をそれぞれ挿入してサブスタックを形成し、このサ
ブスタックと冷却板とを交互に複数個積層して積層体を
形成してなる燃料電池において、 前記サブスタックの積層方向中央部の単位セルの反応ガ
ス流通路の断面積またはガス接触面積を、他の部分の単
位セルの反応ガス流通路の断面積またはガス接触面積よ
りも大きくしたことを特徴とする燃料電池。 - 【請求項３】 電極基体の一方の面に触媒を担持させる
とともに他方の面に反応ガス流通路を形成してなる一対
の電極を、その触媒面を対向させて配置し、この一対の
電極の触媒面間に電解質層を挟んで単位セルを形成し、
この単位セルを複数個積層し、各単位セル間にセパレー
タ板をそれぞれ挿入してサブスタックを形成し、このサ
ブスタックと冷却板とを交互に複数個積層して積層体を
形成してなる燃料電池において、 前記サブスタックの積層方向中央部の単位セル間に少な
くとも１個の放熱板を介在させたことを特徴とする燃料
電池。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP5032261A JPH06251790A (ja) | 1993-02-22 | 1993-02-22 | 燃料電池 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP5032261A JPH06251790A (ja) | 1993-02-22 | 1993-02-22 | 燃料電池 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH06251790A true JPH06251790A (ja) | 1994-09-09 |
Family
ID=12354075
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP5032261A Pending JPH06251790A (ja) | 1993-02-22 | 1993-02-22 | 燃料電池 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH06251790A (ja) |
Cited By (14)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2004311279A (ja) * | 2003-04-09 | 2004-11-04 | Sony Corp | 燃料電池、セパレータ、燃料電池の製造方法及び酸化剤の供給方法 |
| WO2004079838A3 (ja) * | 2003-03-05 | 2004-11-04 | Sony Corp | セパレータ、燃料電池装置及び燃料電池装置の温度調整方法 |
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| US7582376B2 (en) | 2004-09-29 | 2009-09-01 | Kabushiki Kaisha Toshiba | Proton conductive polymer and fuel cell using the same |
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| JP2012238622A (ja) * | 2012-09-13 | 2012-12-06 | Kyocera Corp | 燃料電池 |
| WO2013126075A1 (en) * | 2012-02-24 | 2013-08-29 | Utc Power Corporation | Avoiding fuel starvation of anode end fuel cell |
| WO2019108308A1 (en) * | 2017-11-30 | 2019-06-06 | Doosan Fuel Cell America, Inc. | Fuel cell assembly including varied flow resistance |
| US10991957B2 (en) | 2017-11-30 | 2021-04-27 | Doosan Fuel Cell America, Inc. | Fuel cell assembly including multiple flow capacities in a condensation zone |
-
1993
- 1993-02-22 JP JP5032261A patent/JPH06251790A/ja active Pending
Cited By (20)
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