JPH11111324A - ガス絶縁装置直結型燃料電池 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】発電システム全体の寸法を大幅に縮小した大容
量のガス絶縁装置直結型燃料電池を提供すること。 【解決手段】ガス絶縁装置直結型燃料電池は、燃料極と
空気極間に電解質層と触媒、冷却板などを挟み込み構成
とし、水素と空気をそれぞれ燃料極と空気極に流して発
電する燃料電池からなるセルを、電気的に並列になるよ
うに多数個接続して１単位のセルとし、この１単位のセ
ルを直列に多数個接続してガス絶縁管路内に収納して１
ユニットとし、この１ユニットの電池を直列に多数個接
続することで大容量の燃料電池を形成し、さらにガス絶
縁管路を介してガス絶縁機器と一体としているので、縮
小型の大容量のガス絶縁装置直結型燃料電池を得ること
ができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は水素と酸素を燃料と
し発電する燃料電池に係り、単位セルの配置を直並列に
することで大容量化し、さらに縮小化を図るためガス絶
縁機器と直結したガス絶縁装置直結燃料電池に関するも
のである。

【０００２】

【従来の技術】燃料電池は燃料の有する化学エネルギー
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プラン
トは、比較的小さな規模でも発電の熱効率が４０〜５０
％にも達し、新鋭火力発電プラントを遥かに凌ぐと期待
されている。また、近年、大きな社会問題となっている
公害要因であるＳＯ_x ，ＮＯ_x 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、振動音が小さいなど、原理的に高いエ
ネルギー変換効率が期待できるとともに、騒音、排ガス
などの環境問題が少なく、さらに負荷変動に対して応答
性が良いなどの特徴があることから、本格的な実用化が
期待されている。

【０００３】図６はリン酸を電解質とした燃料電池の単
位セルの構成例を分解斜視図で示したものである。図に
おいて、２２は電解質としてのリン酸をマトリックスに
含浸してなる電解質層、２１，２３はこの電解質層２２
を挟んで配置された多孔質炭素材からなるアノード電
極，カソード電極である。両電極２１，２３は背面側に
燃料ガス，酸化剤ガスの流通する溝２７，２８をそれぞ
れ有している。ここで、燃料ガスの流通する溝２７と酸
化剤ガスの流通する溝２８とは、互いに直交する方向に
規則的に複数本平行に形成されている。

【０００４】上述したような構成により単位セルが形成
され、かかる単位セルを緻密な炭素質で作られたセパレ
ータ２０，２４を挟んで複数個積層することで単位セル
積層体を構成している。さらに単位セル内では反応熱が
発生し、この熱が単位セル内の化学反応を過剰にさせ、
結果的に発電能力を低下させる要因になっている。この
ことを防止するため冷却の必要がある。一般的には、冷
却パネル２５に冷却管２６を複数本配置し冷却する。冷
却パネル２５は単位セルを複数枚重ねた毎に設けられ
る。

【０００５】ところで、燃料電池を現在の電力需要に新
エネルギー源として組み入れるには、大電力を出力する
大型器が必要であり、要求されている。上記した燃料電
池の単位セルの発電電圧は、約１．０Ｖ／枚程度である
ため、大きな電力を得るためには、セル自身の面積をで
きるだけ大きくし、反応面積を大きくする必要がある
（大電流を得る条件作り）。また、高電圧を発生させる
ために単位セルの多段積み数を多くすることが必要であ
る。これらの方策を達成するためにいろいろな工夫がな
されているが、セル面積が大きくなることによる偏流
（電流がアンバランスに流れる）の問題、セルを多段積
みにすることによる冷却程度が各セル間のアンバランス
になる問題があり、大電力の燃料電池が得られ難い状況
にあった。

【０００６】また、従来の燃料電池発電システム、特に
電池出力端子以降の機器は、発生電圧が低いこともあ
り、気中絶縁方式になっている。この絶縁形態は、今
後、燃料電池の出力が大型化するに従い、スペース拡大
化につながり不都合が生じる恐れがある。従って、近い
将来、燃料電池発電システムの縮小化の要求が生じるこ
とが十分考えられるので、このことに対処する必要があ
る。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】燃料電池は多くの利点
を有し、新エネルギー源として期待されている。しかし
ながら大電力を得る場合、セルの反応面積を大きくする
ことと、セルの多段積み枚数を多くすることが必要であ
るのは、前記した通りである。

【０００８】ここで、セルの反応面積を大きくするため
には、セル自身の面積を大きくする必要がある。セル
は、電極（カーボン）間にリン酸からなる電解質層、触
媒層を挟み込む構成とされている。この構成において、
電極間の電解質層、触媒層の厚さが全面にわたり均等に
なっていること、つまり、電極間の全面で同等な化学反
応が行われることが理想である。しかしながら、実際に
は電極間の電解質層、触媒層の厚さを全面にわたり均等
にすることは製造上難しく、この点がセル製造上のキー
ポイントになっている。当然ながらセル面積が大きくな
るほど、この点は難しい技術になる。

【０００９】電極間の電解質層、触媒層の厚さが不均等
になっている場合、反応に比例するセル面上の電流密度
分布は不均等になる。この様子を図７に示す。同図
（ａ）のカソード２３面上の電流分布を（イ）〜（ニ）
に示す。同図（ｂ）にそれぞれの部分の電流密度を示し
た。この図によると、他の部分に比べ（イ）の部分の電
流密度は、著しく大きくなっている。この状態では部分
的に反応過多になり、熱等により部分的な損傷、部分的
寿命の低下が生じる。つまりセルとしての寿命が極端に
短くなる。

【００１０】また、高電圧を得るためにセルの多段積み
枚数を多くする必要があるが、セル枚数を多くすること
はセルの温度分布を不均一にすることになる。このこと
を図８に示す。同図（ａ）のように多段積みをしたセル
３１のほぼ中間部にセル冷却のための冷却板３０を設け
る。この状態のときの各セルの温度分布を同図（ｂ）に
示す。この図によると、冷却板２９，３０に近いセルの
温度は低く、冷却板２９，３０から離れたセルほど温度
は高くなる。それぞれのセル温度が異なることによりセ
ルの化学反応が一様でなくなり、セルの寿命にバラツキ
が生じる。セル温度を一様にするためには冷却板３０の
セル数に対する枚数を多くする必要があるが、部品点数
の増加、セル高さの増加などを招き、機器寸法増、コス
ト増につながる。

【００１１】また前述した通り、従来の燃料電池出力端
子以降の機器は、気中絶縁方式になっており、今後燃料
電池の出力が大型化するに従いスペース拡大化が予想さ
れる。近い将来の要求に応えるため、縮小化することが
必要である。以上のように、従来の燃料電池の構成では
大電力用に対応することが難しく、それを解決すべき課
題が多くあった。

【００１２】本発明は、上記したような従来の燃料電池
の持つ課題に対処するためになされたもので、その目的
は、発電システム全体の寸法を大幅に縮小した大容量の
ガス絶縁装置直結型燃料電池を提供することにある。

【００１３】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明の請求項１のガス絶縁装置直結型燃料電池
は、燃料極と空気極間に電解質層と触媒、冷却板などを
挟み込み構成とし、水素と空気をそれぞれ前記燃料極と
前記空気極に流して発電する燃料電池からなるセルを、
電気的に並列になるように多数個接続して１単位のセル
とし、この１単位のセルを直列に多数個接続してガス絶
縁管路内に収納して１ユニットとし、この１ユニットの
電池を直列に多数個接続することで大容量の燃料電池を
形成し、さらに前記ガス絶縁管路を介してガス絶縁機器
と一体にしたことを特徴とする。

【００１４】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を図を
参照して説明する。図１は本発明の一実施例である燃料
電池の１ユニットの構成図である。図において、１は小
さく構成したセルを電気的に並列になるようにした１単
位のセルであり、この１単位のセル１を直列に多数個接
続してガス絶縁管路２内に収納して１ユニットの燃料電
池としている。説明の便宜上この１ユニットの燃料電池
は３個の１単位のセル１から構成されているが、個数は
特に限定しない。

【００１５】本実施例において、空気と燃料ガスは下記
に示すように流れる。空気極に送る空気は、バルブ８ａ
を通り、燃料電池を収納するガス絶縁管路２の一端面口
から流入し、管路内部の１単位のセルを通過し、次に隣
に位置する１単位のセルに送られ、最終的にはガス絶縁
管路２内の全セルの内部を通って他の一端面口のバルブ
８ｂから流出する。また、燃料極に流入する水素ガス
は、バルブ７ａを通り、ガス絶縁管路２の一端面口に近
い部分の側面から流入し、ガス絶縁管路２内部の１単位
のセルを通り、対向する側面に流出し、さらに配管４ａ
または４ｂを経由して直列接続された次の１単位のセル
に送られ、最終的にガス絶縁管路２内部の全セルを通っ
た後、流入口と対向する側の一部分の側面に排出され
る。このように、空気と燃料（水素）がガス絶縁管路２
内の１単位のセル１を多数個直列にした経路で流れる。

【００１６】また、１単位のセル１同士間は，冷却水が
通過できる口径をもつ絶縁体６で結合して冷却系を直線
状にして、ガス絶縁管路２の一端面側から他の一端面側
へ冷却水を直線的に流すものであり、このように冷却水
を直線的に流すことにより冷却水系の配管ロスを少なく
することができる。また、９ａ，９ｂは直流出力線、１
０ａ，１０ｂは出力端子、５０ａ，５０ｂは空気用接続
配管である。

【００１７】図２は図１の１単位のセルのＡ−Ａ線から
みた内部構成図である。図に示すように、１単位のセル
は、燃料極と空気極間に電解質層と触媒、冷却板などを
挟み込んだ構成とし、水素と空気をそれぞれ燃料極と空
気極に流して発電することは従来通りの発電原理に基い
ている。本実施例では、小さく構成したセル１１を電気
的に並列になるように接続している。また電極１４，１
５を両側に配置し、小さなセル１１の電極１２，１３を
電極１４，１５にそれぞれ接続する。小さなセル１１各
々について、同様に接続することにより、電極１４と電
極１５間には各セル１１が並列になった分のセル面積が
できる。このようなセル構成の燃料電池を燃料用接続配
管４ａ，４ｂを設けたガス絶縁管路１７内に配設されて
いる。このようなセル構成によりセル面積は大きいが、
断面積の小さいセル構成にすることができるので、従来
セル断面積が大きいために生じた電流の偏流現象をなく
することができる。

【００１８】また、図５（ａ）に示すように、冷却板１
６を１単位のセルのほぼ中央に位置するように配設し、
積層されたセルの中央を冷却することで、同図（Ｂ）に
示すように各セル１１の冷却不均等を少なくできる（外
側のセルは放熱特性がよいため、冷却板１６を単位セル
のほぼ中央に設けることでバランスがとれる）。

【００１９】上述したように、本実施例の燃料電池によ
ると、従来の燃料電池のような電流の偏流現象やセルの
温度分布の不均一をなくすことができるので、温度分
布、電流分布の均一な大容量燃料電池を得ることができ
る。

【００２０】図３は本発明の他の実施例である大容量の
燃料電池装置の構成図である。図に示すように、本実施
例ではガス絶縁管路内に収納した１ユニットの燃料電池
を多数個（５１ａ，５１ｂ，５１ｃ）直列に接続するこ
とで大容量の燃料電池を比較的簡単に形成することがで
きる。また、９ａ，９ｂは直流出力線、１０ａ，１０ｂ
は出力端子である。

【００２１】図４は本発明のさらに他の実施例であるガ
ス絶縁装置直結型燃料電池の構成図である。図に示すよ
うに、ガス絶縁管路内に収納した１ユニットの燃料電池
４０と交直変換器４２とを接続管４１で管接続、この交
直変換器４２とガス絶縁変圧器４４とを接続管４３で管
接続、このガス絶縁変圧器４４とガス絶縁開閉装置４６
とを接続管４５で管接続、このガス絶縁開閉装置４６と
ブッシングポケツト４７とブッシング４８とからなるブ
ッシング装置とを菅接続して全体を一体構成とする。さ
らにブッシング４８を高圧リード線４９に接続してい
る。このような配置構成とすることにより、縮小化した
大容量のガス絶縁装置直結型燃料電池を提供することが
できる。

【００２２】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
面積の小さなセルを並列接続することにより、温度分
布、電流分布の均一な大容量燃料電池が得られ、さら
に、ガス絶縁機器と直結することにより、縮小型の大容
量のガス絶縁装置直結型燃料電池を得ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の燃料電池の１ユニットの構成図。

【図２】図１のＡ−Ａから１単位のセルの内部構成図。

【図３】本発明の燃料電池における１ユニット単位の直
列接続を示す図。

【図４】本発明の一実施例である燃料電池とガス絶縁機
器が直結したガス絶縁型燃料電池装置の構成図。

【図５】本発明の燃料電池における１単位のセル内部の
温度分布を示す図。

【図６】従来の燃料電池の単位セルの分解斜視図。

【図７】従来の燃料電池のセル上の電流密度分布を示す
図。

【図８】従来の燃料電池の温度分布の不均一性を示す
図。

【符号の説明】

１…１単位のセル、２…ガス絶縁管路、３…電位接続
線、４ａ，４ｂ…燃料用接続配管、５…管路内絶縁ガ
ス、６…冷却水用配管、７ａ…燃料流入口バルブ、７ｂ
…燃料流出口バルブ、８ａ…空気流入口バルブ、８ｂ…
空気流出口バルブ９ａ，９ｂ…直流出力線、１０ａ，１
０ｂ…出力端子、１１，３１…セル、１２，１３…電
極、１４，１５…電位固定板、１６，２９，３０…冷却
板、１７…ガス絶縁管路、２０，２４…セパレータ、２
１…アノード電極、２２…電解質層、２３…カソード電
極、２５…冷却パネル、２６…冷却管、２７，２８…
溝、４０…燃料電池、４１，４３，４５…接続管、４２
…交直変換器、４４…ガス絶縁変換器用変圧器、４６…
ＧＩＳ、４７…ブッシングポケット、４８…ブッシン
グ、４９…高圧リード線、５０ａ，５０ｂ…空気用接続
配管、５１ａ，５１ｂ，５１ｃ…１ユニットの燃料電
池。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 燃料極と空気極間に電解質層と触媒、冷
   却板などを挟み込み構成とし、水素と空気をそれぞれ前
   記燃料極と前記空気極に流して発電する燃料電池からな
   るセルを、電気的に並列になるように多数個接続して１
   単位のセルとし、この１単位のセルを直列に多数個接続
   してガス絶縁管路内に収納して１ユニットとし、この１
   ユニットの電池を直列に多数個接続することで大容量の
   燃料電池を形成し、さらに前記ガス絶縁管路を介してガ
   ス絶縁機器と一体にしたことを特徴とするガス絶縁装置
   直結型燃料電池。