JPS6016706B2 - 燃料電池 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は燃料電池に関する。

特に本発明はこのような電池の温度制御に関する。電気
化学反応を受ける反応ガスまたは反応生成ガス（プロセ
スガス）を含む燃料電池その他の電気ェネルギ発生装置
の設計にあたって、温度制御は支配的なパラメータとな
る。

この種の装置の電気化学反応は、反応に伴なわれるェン
トロピ変化および拡散、活性化過電圧および電気抵抗に
よる不可逆性によって発熱または吸熱を避けることはで
きない。温度制御をおこなうために、この分野は種々の
方法に依存してきたが、そのどれも全面的に満足なもの
はなかった。最も好ましいと思われる温度制御法は温度
制御の媒介としてプロセスガスそれ自体の顕熱を利用す
る方法である。

すなわち電池から熱を除去したし、場合には、電池へ供
給されるプロセスガスの温度を電池の操作温度より低く
して、電池を通る通路中でプロセスガスの温度を上昇さ
せることだけによって排出ガスが熱を除去することがで
きる。この方法で「プロセスガスの流量を予定量の電気
ェネルギを発生させるのに必要なしベル以上に調節し、
この余分のプロセスガスに熱除去作用をさせる。この実
施にともなう欠点には、プロセスガス流量の増加による
好ましくない圧力降下、補助電力の負担およびプロセス
ガスによる蒸発または同伴による電解質の損失がある。
ここにいう補助電力とは、燃料電池本体に付属する装置
、たとえばガスポンプ、加圧装置等に要する電力のこと
である。電解質の損失についていえば、このプロセスガ
スの頭熱利用法におけるすべてのプロセスガスは電池を
通る通路中で電池の電解質と連絡しているので、温度制
御にかなりの量のガスを追加しなければならない場合に
は、ガスが電解質の蒸気で飽和されることによる非常に
多量の電解質の損失が電池に見られ、その結果非常に多
量の電解質の損失を生じる。第二の温度制御法では、米
国特許第３，６２３，９１３号明細書に記載の如く、電
池本体の外側に延在するフィンを有する双極板を使用す
ることによって燃料電池内の温度勾配を限定する方法が
利用される。

この方法はある程度均一な電池温度を与えるが、電池の
直接通る高いガス流量は電解質の損失を大きくし、補助
電力を増すことがある。第三の温度制御法は誘電性液体
の頭熱に依存する。このような液体の顕熱を利用する方
法はガス状の伝熱媒に比較して著しく少ない補助電力を
要するだけであるが、伝熱ループおよび電気的に絶縁さ
れたマニホルド系を別個に必要とする。積重ねられた電
池列間の分流を避けるために伝熱媒として従釆フルオロ
カーボンまたはシリコーン油のような誘電性液体が使用
されていた。触媒はこれらの誘電性液体が痕跡量存在し
ても著しい彼溝があるので、伝熱嬢ループから少量の漏
れがあっても、電池に致命的となることがある。また誘
電性液体は可燃性であり、燃焼反応生成物に毒性がある
。温度制御の第四の方法は液体の潜熱に依存する。

米国特許第３，７６ｉ，３１６号および同第３，９６９
，１４５号明細書に記載の如く、液体の潜熱を利用する
と、ほとんど均一な温度で熱伝達がおこなわれるが、伝
熱板が積重ねられた電池列の間に設置されると、積重ね
られた方向にある程度の温度勾配を生じることがある。
予定される補助電力量は小さい。電池の操作温度範囲に
沸点を有する適当な誘電性液体を使用できるが、液体の
顕熱を利用するときの欠点がこの場合にも起る。これら
の欠点を克服するために、水のような非議電性煤を使用
することができる。水を使用する場合、プラントの他の
部分での使用に適する品質のスチームを発生することが
できる。外部熱交換も、熱伝達係数が大きいので有効で
あることが期待される。不幸にも、非議電性液体を使用
すると、米国特許第３，９６９， １４５号、同第３，
９２３，５４６号および同第３，９４０，２８５号明細
書に記載のような手のこんだ耐食計画および／または電
気伝導性がきわめて低い液体を使用しなければならない
。操業中に伝導率が増加することがあるので、伝導率を
低く回復させる装置を要することがある。冷却ループが
加圧されている場合にはシールをよくする必要がある。
積重ね電池列の寿命がくる前に腐食またはシールの劣化
によって起これるピンホールによって漏れが大きくなる
と、系全体がだめになることがある。腐食防止および複
雑なマニホルドのために誘電性液体を処理する伝熱サブ
システムのコストがかなりの額になることがある。本出
願人によって同日出願された特顔昭５４−８７３９３号
明細書には燃料電池の温度制御に関する根本的に異なる
方法、すなわち、プロセスガスの顕熱によって温度制御
するのに必要な量のプ。

セスガスを、燃料電池に、電解質の損失および電池を通
るときの圧力降下の増加を避けるように供給する方法が
記載されている。プロセスガスの顕熱を利用するこの方
法を実施するために、前記出願の発明は、電池の電解質
と連絡する通常のプロセスガス通路のほかに、電池の電
解質から隔離され、電池の熱発生面と熱的に連絡してい
るプロセスガス通路を電池に導入した。これらの電解質
と連絡している通路および電解質から隔離されている通
路はプロセスガスの加圧供給源と共通マニホルドによっ
て連絡される。それぞれの通路の流量は電池の所要レベ
ルの電気ェネルギ出力および所要の熱除去を得るように
通路のパラメータによって個別的に設定される。本発明
の目的はプロセスガスの顕熱の利用を含む前述の温度制
御法を実施するための燃料電池の改良構造を得ることで
ある。

前述その他の目的を達成するために、本発明によれば、
電解質層、電解質層に隣接する電極、および、電極を通
して電解質と流体的に連絡している第一の通路と、電解
質に対して流体的に隔離され電極に隣接する表面を境界
とする第二の通路とを有するプレート構造物よりなる燃
料電池が得られる。

このようなプレート構造物は、好ましくは、電極に対し
て開き第一の通路を形成する第一のみぞと、第一のみそ
一の次に配置され電極と隣接した山部をもち第二の通路
を形成する第二のみぞとを有する波形シート部材によっ
て実現される。本発明の前述その他の目的および特徴は
次の詳細な説明および図面からより深く理解できよう。
第１図および第２図において、燃料電池１０はガス拡散
型の負極および正極１２および１４ならびに電極間の電
解質マトリックスまたは電解質層１６を含む。隔離板１
８は、すべり流体的に電解質と連絡し負極１２にプロセ
スガスを供給するための多くのみぞ状通路１８ａを有す
るように設計される。隔離板２０は本発明を実施するよ
うな構造をもち、第１図の単電池例の説明図に示すよう
に単極構造をもち、正極１４へプロセスガスを供給する
みぞ状通路２０ａがある。電極１２および１４はガス拡
散性があるので、通路１８ａおよび２０ａは電解質と連
絡している通路となる。隔離板２０の通路２０ｂは正極
１４に対して流体的に隔離され、通路の境界壁２０ｃ，
２０ｄおよび２０ｅは実質的にガスを透過せず、壁２０
ｄは電極１４に隣接する。プレート２０ｆは通路２０ｂ
に並置され、通路２０ｂのふたをする。従って通路２０
ｂは電解質１６に対して流体的に隔離され、通路２０ｂ
に供給されるプロセスガスは燃料電池を通って導かれ、
電解質の損失を起さないで温度制御の目的を果すことが
できる。これに反して、通路１８ａおよび２０ａを通っ
て導かれるプロセスガスは、電解質の蒸気で部分的に飽
和されたガスとなって排出されることを避けることがで
きない。図示の態様で、通路２０ａおよび２０ｂは同一
平面上に交互に続いており、通路２０ａは電解質から隔
離されている通路２０ｂの山部２０ｄに隣接する電極１
４の表面を横切って延在する。本出願人により本願と同
日出願された前述の出願明細書では、隔離板１８のよう
な単極隔離板は燃料電池の各電極に隣接して使用されて
いる。

温度制御のために電解質から隔離された通路を通って導
かれる補給プロセスガスは、単極隔離板によって電極か
ら隔離されている別のプレートの導管を通って供給され
る。前述の特許出願に特記されている態様で、このよう
な導管を形成する別のプレートは積重ねられた１運の電
池列の中のひとつの電池に使用される。前述の如く熱の
除去は、ある程度隔遣された位置にある補給プロセスガ
スの顕熱によっておこなわれるので、かなりの程度の温
度勾配を生じる可能性がある。このような欠点は、温度
勾配を、各電池の熱発生面から希望通りに熱除去を達成
できるために低下させる本発明に記載の方法によって克
服される。隔離板２０の単極構造は一体構造のシート材
を使用し、これを波形に形成してそれぞれ異なる通路を
形成するみぞとすることによって容易に作ることができ
る。

第１図ないし第３図でみそ１は対称的なものとして図示
されているが、目的とする熱除去および電気ェネルギ出
力を得るのに必要な通路を通るプロセスガスの流量比に
従って、みそ１の断面積がことなるようにあらかじめ選
ぶこともできる。代表的にいって、電解質から隔離され
た通路を通るプロセスガスの流量は電解質と連絡してい
る通路の流量の５倍となることがある。各通路に所要の
流量を得る実施法には通路の大きさおよび幾何学的形状
を変えることおよび／または一方もしくは両方の通路に
固定もしくは調節可能なしぼりを設ける方法がある。第
３図の例で示されるように、みぞ２０ａに部分端壁２０
ｇを形成するか、フロック状の障害物２２をみぞに入れ
ることができる。第４図および第５図に本発明を実施す
るための双極隔離板を示す。

この種の隔離板ではどちらも細長い通路が隔離板の対向
表面の長手方向に延在する。第４図では双極隔離板２４
はプレート２８の上に配置された波形シート材を含み、
プレート２８はプレートの底面に開いているプロセスガ
スのみぞ通路２８ａを形成する。波形シート材２６には
プレートの頂面に開き電解質と連絡している通路２６ａ
、およびこれらと平行に延在し電解質から隔離している
通路２６ｂを有する。このような第４図のプレートを積
重ねられた電池列に積重ねて使用した場合を第６図に示
す。第５図の双極隔離板３０では、裏当てプレート３２
は波形シート材３４および３６を支持し、その電解質か
ら隔離されている通路３４ｂおよび３６ｂのふたをする
。

互に交差する関係になっている電解質と連絡している通
路３４ａおよび３６ａは、プロセスガスとともに、通路
に並置された電極（図示せず）を助ける。本発明は一般
に反応ガスを有する任意の電気化学的電池に実施できる
が、燃料電池、たとえば温度制御にも使用されるプロセ
スガスが正極ガスおよび／または水素リッチな負極ガス
であるリン酸燃料電池、および温度制御にも使用される
プロセスガスが空気／二酸化炭素正極ガス混合物および
／または水素リッテ負極ガス混合物である溶融炭酸塩燃
料電池に使用するのに特に適している。

もちろん、本発明から逸脱しないで前述の態様に種々の
変更を導入することができる。すなわち、通路の幾何学
的形状は、第７ａ図〜第７ｄ図に説明図として波形シー
ト材３８，４０，４２，４４が示すように広く変更する
ことができる。本明細書に特記されている態様および実
施法は説明を目的としたもので、本発明を限定するもの
ではない。本発明の真の精神および範囲は特許請求の範
囲に記載されている。

【図面の簡単な説明】

第１図は第２図の平面１−１から見た本発明の燃料電池
の１例の断面説明図であり、第２図は第１図の電池の側
面図であり、第３図は第１図および第２図の電池に使用
される隔離板を示す透視図である。 第４図および第５図は本発明の双極隔離板の透視図であ
る。第６図は本発明の隔離板を使用した積重ね電池列の
断面図である。第７図は本発明の隔離板の他の例の説明
図である。これらの図面で同様な参照数字は全体にわた
って同様な部品を表わす。 主要部品を次に示す。１０・・・・・・燃料電池、１２
，１４・…・・電極、１６・・・・・・電解質層、１８
・・・・・・隔離板、１８ａ…・・・通路、２０・・・
・・・隔離板、２０ａ，２０ｂ・・…・通路、２０ｃ，
２０ｄ，２０ｅ・・・・・・壁、２０ｆ…・・・プレー
ト部村、２２・・…・障害物、２４，３０…・・・隔離
板、２６ａ，２６ｂ，２８ａ・・・・・・通路、３２・
・・・・・プレート部村、３４，３６，３８，４０，４
２，４４…・・・波形シート材、３４ａ，３４ｂ，３６
ａ，３６ｂ・・・・・・通路。 第１図 第２図 第３図 第４図 第５図 第６図 第７図ｂソ 仏Ｊ たノ 付」

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 電解質、電解質に隣接する電極、および、電解質と
   流体的に連絡する第一のガス通路を規定するプレート構
   造物、よりなる燃料電池であり、プレート構造物が電解
   質から流体的に隔離された第二のガス通路をさらに規定
   し、この第二のガス通路が電極に隣接するプレート構造
   物の表面を境界としており、 プレート構造物が波形シ
   ート部材およびプレート部材を含み、 波形シート部材
   は、電極に対して開いておりかつ第一の通路を構成する
   ために電極と並置される第一のみぞ、および、この第一
   のみぞに続いて第二の通路を構成するために電極と隣接
   する山部を有する第二のみぞを規定し、 プレト部材は
   、第一のみぞの長手方向にそつてその山部と隣接する平
   らな表面を有し、第二のみぞをその長手方向にそつて閉
   じることを特徴とする燃料電池。 ２ プレート部材の平らな表面の反対側表面も平らであ
   る特許請求の範囲第１項記載の燃料電池。 ３ プレート構造物が、前記反対側表面に隣接する山部
   を有する波形シート部材をさらに含む特許請求の範囲第
   ２項記載の燃料電池。 ４ プレート部材の平らな表面の反対側表面に第三のガ
   ス通路を構成する第三のみぞをさらに有する特許請求の
   範囲第１項記載の燃料電池。 ５ 第一および第二の通路が第一の方向にのび、第三の
   通路がその第一の方向と交差する方向にのびる特許請求
   の範囲第４項記載の燃料電池。