JPH071701B2 - 燃料電池組立体 - Google Patents

燃料電池組立体

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JPH071701B2
JPH071701B2 JP59267283A JP26728384A JPH071701B2 JP H071701 B2 JPH071701 B2 JP H071701B2 JP 59267283 A JP59267283 A JP 59267283A JP 26728384 A JP26728384 A JP 26728384A JP H071701 B2 JPH071701 B2 JP H071701B2
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Description

【発明の詳細な説明】 技術分野 本発明は、燃料電池に係り、更に詳細には燃料電池積重
ね体のための冷却システムに係る。
発明の背景 燃料電池の如き電気化学的電池は反応ガスを消費して反
応生成物と電力と熱を発生する。この熱は電気化学的反
応の副産物である。この熱を除去し、燃料電池の温度を
それに使用されている材料の特性に適した温度に維持し
て燃料電池の作動性能を確保するため冷却システムが設
けられている。
燃料電池に使用される冷却システムの例は米国特許第4,
245,009号、同第3,969,145号、同第4,233,369号、同第
4,269,642号に示されている。
米国特許第4,233,369号には燃料電池積重ね体を冷却す
べくその内部に配置された冷却器組立体が示されてい
る。この場合一つの供給室からの冷却流体が供給管によ
り冷却器組立体へ供給され、この冷却体は該冷却器組立
体より戻り管を経て前記供給室へ戻されている。前記供
給管には一つの入口ヘッダが接続されており、前記戻り
管には一つの出口ヘッダが接続されている。各冷却器組
立体に於ては複数個の冷却管がその入口ヘッダと出口ヘ
ッダの間に平行に設けられている。かかる冷却器組立体
は冷却管を受ける溝に納められている。
燃料電池積重ね体の電気的出力は燃料電池の数をふやす
ことによって増大する。このように燃料電池がふやされ
ると、その積重ね体の長さが増大する。燃料電池積重ね
体の長さが増大すると、冷却器組立体のための供給管と
戻り管が長くなる。この供給管と戻り管の長さの増大に
より冷却流体が第一のヘッダと最後のヘッダとの間に流
れる圧力損失が増大する。供給管と戻り管の大きさを適
当に定めることによりこれら両管に於ける全体の圧力損
失をほぼ等しくすることができる。これらの管が長くな
ると各管には異なった流れ特性が生じ、或は領域では圧
力勾配が不均一となり、或はヘッダでは冷却流体の流れ
が不十分となり、又他のヘッダでは冷却流体の流れが過
剰になる。このようなヘッダ間の流れの不均一は流れの
不良分布として認識されている。各冷却部間の流れの不
良分布は各冷却部間の熱負荷の違い、燃料電池性能の違
い、管内に於ける沈積物による流路断面の違い等によっ
ても生ずる。又流れの不良分布は、一つの冷却器の中に
於てもそこに含まれる並列配置された管の間で熱負荷の
相違により生じ、燃料電池の断面方向に於ける燃料密度
の相違を生ずる。
流れの不良分布の問題を解決する一つの方法は冷却器組
立体に於けるフィールド抵抗を増大することであり、即
ち供給管と戻り管との間の流れ抵抗を第一のヘッダと最
後のヘッダの間の流れ抵抗に於ける差がフィールド抵抗
に比して意味をなさない程度に増大することである。流
れ抵抗を増大するには、例えば管の直径より小さい直径
のオリフィスを設ければ良い。しかし最近の経験によれ
ば、オリフィスは水の如き冷却流体を用いる場合にはそ
の中に溶けている物質がオリフィスの壁に沈着すること
により詰まる傾向にあるという問題を含んでいる。これ
に対する一つの解法は冷却中に溶けている物質や混入し
ている粒子を除去する処理を行うことである。しかし冷
却流体の正常化については経済的或いは物理的な理由か
ら制限が課せられている。
従って詰りの問題がなくて各冷却器組立体間の流れの不
良分布がなく、かつ燃料電池積重ね体中に生ずる温度変
化も少ない冷却システムが望まれる。
発明の要約 本発明によれば、燃料電池組立体のための冷却器組立体
を有する冷却システムは、供給管と戻り管と、これらの
管を互いに接続し冷却流体を導く複数個の管を有し、該
管の各々は順次直列に接続されて当該冷却器組立体を通
って冷却流体を導くための曲りくねった通路を形成する
一組の冷却管よりなっている。
本発明の第一の特徴は、燃料電池積重ね体の熱を発生す
る電池より熱を除去するための複数個の冷却器組立体を
有するシステムにある。このシステムは供給管と戻り管
とを有する。本発明の他の一つの特徴は、これらの供給
管と戻り管とを接続する複数個の管にある。各管は該当
する冷却器組立体に配置されている。各管は一組の冷却
管よりなっている。各冷却管は燃料電池積重ね体を横切
って冷却器組立体の一方の側より他方の側へ延びてい
る。これらの管は供給管及び戻り管と連結されており、
互いに直列に接続されて冷却流体のための曲りくねった
通路を形成している。本発明の一つの特徴は、冷却流体
のためのこの曲りくねった通路の性質からくる導管の流
れ抵抗にある。また、冷却システムは二組の管を有して
いる。各組の管は他の組の管の一組の冷却管と交互に配
置された一組の冷却管を有している。
本発明の第一の利点は、水の如く溶解したり浮遊してい
る異物質を含む冷却流体を長期間に亙って冷却システム
の故障を生ずることなく使用することのできる冷却シス
テムを提供することである。これは流れの分布を平均化
する冷却管の流れ抵抗特性によって各組の冷却管の間の
冷却流体の好ましからざる不良分布を避けることにより
小さい直径の流れ制御オリフィスを用いることを回避し
たことによっている。一つの実施例に於いては、その利
点は、供給管及び冷却管に接続されたヘッダ及びヘッダ
と管の間の接続をなくし、直列的に接続された管を有す
る単一の導管を用いたことにより得られる構造的信頼性
と簡潔性にある。一つの実施例に於ては、その利点は熱
を発生する燃料電池と冷却器組立体の管の温度勾配及び
熱流に於ける均一性にあり、これは交互に配置され対向
流の関係に流体を流される二つの導管を与えたことによ
り得られるものである。
上記の如き特徴及び利点は以下に添付の図を参照して行
われる実施例の説明より明らかとなるであろう。
発明の実施の最良の態様 第１図は燃料電池積重ね体組立体10の一部を示してい
る。この組立体は燃料電池積重ね体12と４個の反応ガス
マニホルド14,16,18,20を有している。各反応ガスマニ
ホルドは燃料電池積重ね体の４つの面の各々を覆ってい
る。マニホルド14は燃料のための入口マニホルドであ
る。マニホルド16は燃料のための出口マニホルドであ
る。マニホルド18は酸化剤即ち空気のための入口マニホ
ルドである。マニホルド20は酸化剤のための出口マニホ
ルドである。これらのマニホルドは燃料電池積重ね体の
各面に対し複数個のバンド22により密封関係に押し付け
られている。
燃料電池積重ね体組立体10は図に示されていない流体供
給源より流体を受ける冷却システム24を有している。こ
の冷却システムは冷却流体を貫通させる手段と、供給管
26と、戻り管28と、その一つが32で示されている如き複
数個の冷却器組立体とを有している。冷却流体のための
複数個の導管が前記供給管と戻り管の間に延びており、
その一つが管32として示されている。これらの管は燃料
電池積重ね体の長さ方向に沿って規則的に隔置されてお
り、それらの供給管に対する接続部が第１図に於て点線
にて示されている。各管は該当する冷却器組立体内に配
置されている。
第２図は本発明における燃料電池積重ね体組立体10一部
を詳細に示す図である。燃料電池積重ね体は積重ね形状
に集合された複数個の燃料電池34を含んでいる。ガスを
通さない分離板36又は冷却器組立体30が各二つの燃料電
池の間に延在している。各冷却器組立体はガスを通さな
い分離板36′を有しており、これは分離板36と同じもの
であってガスを通さない層を形成するものである。この
実施例に於ては板36,36′は0.84mmの厚みで約50.8cmの
長さと約50.8cmの幅を有してる。
基本的な燃料電池の構造は本件出願人が所有する米国特
許第4,115,627号に示され且記載されているものと同じ
である。燃料電池34は電解質を保持するための薄いマト
リックス層38を含んでいる。このマトリックス層の一方
の側には負極42が又他方の側には正極44が配置されてい
る。これらの負極と正極の間にあるマトリックス内に燐
酸電解質が含ませられている。陰極基材46を有し、この
基材は約2.03mmの厚みを有し、繊維質の多孔性のもので
あってガスを通すようになっている。この基材はマトリ
ックス層38に面する平らな表面48を有する。この面上に
は薄い触媒層（図には示されていない）が設けられてい
る。この触媒層は好ましくは50.8〜12.7ミクロンの厚み
のものである。この基材は第二の表面52を有する。複数
個のリブ54がこの第二の表面より突出しており、これら
のリブは互いに隔置されてその間に複数個の溝56を与え
ている。これらの溝は燃料電池全体を横切って延在して
おり、燃料入口マニホルド14を燃料出口マニホルド16に
流体的に連通させている。
正極44はその構造に於ては負極と類似している。この正
極は正極基材58を有する。薄い触媒層がその表面62に設
けられているが、図には示されていない。正極は第二の
表面64を有する。この第二の面からは複数個のリブ66が
突出しており、これらのリブは互いに隔置されてその間
に複数個の溝68を形成している。これらの溝は空気入口
マニホルド18を空気出口マニホルド20と流体的に連結し
ており、先の陰極に於ける燃料を流す溝に対し直角の方
向に延在している。
各冷却器組立体30はそれを貫通して延びる複数個の溝72
を有しており、これらの溝は関連する冷却管102,104を
受けるようになっている。
冷却システムは第一および第二の供給管88,90と第一及
び第二の戻り管92,94とを有し、第一の供給管88と第一
の戻り管92は、冷却流体が貫通するジグザグ状に曲りく
ねった流路を構成する第一の組の冷却管102によって接
続されている。また、第二の供給管90と第二の戻り管94
も同様に第二の組の冷却管104によって接続されてい
る。
ところで、第一の供給管88は第二の戻り管94に隣接して
配置されており、第一の戻り管92は第二の供給管90に隣
接して配置されている。また、両組の冷却管102,104の
直線部は各冷却組立体30ら設けられた互いに平行な複数
の溝72に交互に収容され、第一の組の冷却管102の直線
部の隣りに第２の組の冷却管104の直線部が配置されて
いる。そして、第一の組の冷却管102の冷却流体入口部
が第一の供給管88に接続され、その冷却流体出口部が第
一の戻り管92に接続されている。同様に第二の組の冷却
管104の冷却流体入口部は、第一の戻り管92に隣接して
配置されている第二の供給管90に接続され、冷却管104
の冷却流体出口部は、第一の供給管88に隣接して配置し
てある第二の戻り管94に接続されている。このようにし
て、第一の組の冷却管102の入口が第二の組の冷却管104
の出口に隣接し、第一の組の冷却管102の出口が第二の
組の冷却管104の入口に隣接している。こうしてこれら
の二つの導管を通って冷却流体が対向流関係に流され
る。
燃料電池積重ね体組立体12の作動中には、水素（燃料）
と空気（酸化剤）とが燃料電池積重ね体内にて化学的に
結合して電力と熱を発生する。この熱は電池34を通って
冷却器組立体30へ移動する。この実施例に於ては燃料電
池積重ね体は約270個の燃料電池を有し、その５つ置き
に冷却器組立体を有している。冷却流体は供給管88,90
より冷却管102,104を通って戻り管92,94へ向けて流れる
要領にて冷却器組立体を通過する。熱は冷却器組立体内
にてその管を流れる冷却流体へ伝えられる。各冷却管は
互いに並行に配置された他の管との比較に於て所要の流
量の流体を流すに十分な直径を有している。冷却流体の
流量が大きい程又冷却管の表面積が大きい程冷却管の熱
除去容量は大きい。この曲りくねった流路の流れ抵抗特
性は並行に走るより短い管の流れ抵抗特性より遥かに高
い。その結果として導管の入口部より出口部へ至るフィ
ールド圧力降下は供給管に沿った圧力降下よりも高く、
これによって各冷却器組立体が受ける冷却流体の量は均
一に分割されたものとなる。勿論各導管の間に冷却流体
の流量の差はあるが、各導管を通って大量の冷却流体が
流れるので、各冷却器組立体を通る冷却流体の量の間に
好ましからざる不良分布を生ずることは回避される。
これらの冷却管は個々に作られた管が一体に接続された
ものより構成されても或いは単一の長い管より構成され
てもよい。いずれの場合にも従来のヘッダとそれらの間
に接続された平行管を有するシステムに比して管の接続
部が大幅に低減される。このことによって接続部に於て
漏洩が生ずるという可能性も大幅に低減される。
しかも、冷却システムの運転に於ては、冷却流体は二つ
の異なる管系中を反対方向に流されている。この場合一
つの管系に於ける温度上昇と他方の管系に於ける温度上
昇とは逆の関係にある。このことによって燃料電池積重
ね体中に生ずる温度変化はより小さくなる。
以上に説明した実施例について本発明の範囲内にて種々
の修正が可能であることは当業者にとって明らかであろ
う。
【図面の簡単な説明】
第１図は一つの燃料電池積重ね組立体の一部を示す斜視
図、第２図は本発明の燃料電池積重ね組立体の一部を拡
大して示す図、第３図は本発明の燃料電池積重ね体の冷
却器組立体を示す概略図である。 10……燃料電池積重ね組立体、12……燃料電池積重ね
体、14,16,18,20……ガスマニホルド、22……バンド、2
4……冷却器組立体、26……供給管、28……戻り管、30
……冷却器組立体、32……導管、34……燃料電池、36…
…ガス不透過性分離板、38……マトリックス層、42……
負極、44……正極、46……負極の基材、48……マトリッ
クス層の表面、52……基材の表面、54……リブ、56……
溝、58……正極の基材、84……正極の面、66……リブ、
68溝、72……溝、88,90……供給管、92,94……戻り管、
102,104……冷却管。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭57−80677（ＪＰ，Ａ) 特開 昭60−7066（ＪＰ，Ａ)

Claims (1)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】複数の燃料電池を積層して組立てた燃料電
    池組立体において、一対の燃料電池の間に配設され、一
    端が冷却流体供給管に接続され他端が戻り管に接続され
    たジグザグ状の冷却管からなる二組の冷却流体流通装置
    を装着した複数個の冷却器組立体を有し、各冷却器組立
    体における両組の冷却管はその直線部が互いに平行にか
    つ交互に配列され、第一の組の冷却管の冷却流体入口部
    と第二の組の冷却管の冷却流体出口部が互いに隣接する
    ように配設され、第一の組の冷却管の冷却流体流出口部
    と第二の組の冷却管の冷却流体流入口部が互いに隣接す
    るように配設され、両組の冷却管では冷却流体が互いに
    逆方向に流通するようにしたことを特徴とする、燃料電
    池組立体。
JP59267283A 1983-12-23 1984-12-18 燃料電池組立体 Expired - Lifetime JPH071701B2 (ja)

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Application Number Priority Date Filing Date Title
US06/564,989 US4574112A (en) 1983-12-23 1983-12-23 Cooling system for electrochemical fuel cell
US564989 1983-12-23

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Publication Number Publication Date
JPS60154473A JPS60154473A (ja) 1985-08-14
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JP59267283A Expired - Lifetime JPH071701B2 (ja) 1983-12-23 1984-12-18 燃料電池組立体

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BR (1) BR8406484A (ja)
CA (1) CA1230641A (ja)
CH (1) CH665732A5 (ja)
DE (1) DE3445191C2 (ja)
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