JPS622430B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は簡単なマニフオールドおよび封止を使
用して燃料、酸化剤および冷却気体の流れを独立
させることのできる多角形の燃料電池装置に関す
るものである。

燃料電池装置（燃料電池システム）には多くの
型式があるが、その中に電極と酸電解質とをマト
リツクスとして間に支持した２枚の双極板からな
る小組立体を有するものがある。小組立体（ここ
では燃料電池と呼ぶ）は上下に重ねられ、普通は
直列に電気的に接続されて燃料電池スタツクを構
成している。燃料電池の動作、即ち例えば水素と
酸素とが反応して熱、電力および水を発生する反
応は、発熱反応であり、燃料電池要素の健全性を
維持するために要素を冷却することが必要であ
る。従つて液体あるいは気体の冷却流体がスタツ
クを通して流されて熱を除去する。従つて、３種
の流体、即ち燃料、酸化剤および冷却流体が燃料
電池スタツクに出入する。

幾何学的形状および充分な冷却の必要性等の設
計限界のために、流体流れは一般に組合わされあ
るいは種々の流体を導くために比較的複雑な封止
された導管形状が必要になる。例えば、冷却流体
と酸化剤とを空気等の同じ媒体とするものが提案
されている。このような装置は循環用の大動力を
要し、装置全体の効率を低下させ、また熱交換器
等の下流側機器を使用済み酸化剤で運ばれて来た
望ましくない反応生成物に曝させる。更に、燃料
電池スタツクから除去した排熱を用いてエネルギ
ーを発生する組合わせ型装置に於ては、熱を高温
で回収するのが望ましいが、温度は過大な空気流
量により制限される。米国特許第4074020号に記
載されている如き他の装置は、スタツクの長手方
向端から入り、スタツクの選択された部分を通つ
て放射状に流れ、長方向に排出される流路を要
し、流路が多数になり圧力降下が大きくなる。離
間した入口および出口も複数となつて導管を複雑
にしなければならない。

従つて本発明の目的は、従来装置の欠点を克服
する多角形燃料電池装置を得ることである。

本発明によれば、効率を改善し、構造を簡単に
し封止導管要求を簡単にする燃料電池構造が得ら
れる。望ましい態様に於ては、スタツク内に複数
の燃料電池が設けられ、選択された２つの燃料電
池間に周期的に冷却モシユールが設けられてい
る。個々の燃料電池あるいは冷却モジユールのス
タツクの断面形は互いに平行な対辺を有する長い
多角形である。望ましくは、多角形は矩形あるい
は六角形で対向面間の距離が１つの対辺の対が他
の対辺の対よりも短かい。いずれのものでも、空
気等の冷却流体は、角に設けられたガスケツトに
よりスタツクに封止されたマニフオールドによ
り、近い面に対して出入するように案内される。
六角形の構造の場合、マニフオールドが角のガス
ケツトによりスタツクに対して封止され、燃料は
１対の対向面を通つて流れ、酸化剤は他の対を通
つて流れる。矩形の構造の場合、角のガスケツト
の他に、矩形の短辺の中央長手方向部分に取付ら
れたガスケツトを有し、燃料ダクトおよび酸化剤
ダクトが短かい面上に並置される。このようにし
て燃料および酸化剤はスタツクの長い断面寸法部
を通つて流れ、冷却流体は短かい部分を流れる。

燃料電池および冷却モジユールを形成する板に
より形成されるチヤンネル内の流れは、スタツク
の種々の辺に略々平行で直角な流路に沿つて流す
のが望ましい。特に矩形形状に於ては、燃料およ
び酸化剤は、入口部分と、略々平行な出口部分
と、これらを連結する直角なクロスオーバー部分
とを有する同様な形状のチヤンネルを通つて流れ
る。クロスオーバー部分は各入口あるいは出口通
路用の複数の通路を有していても良い。

長い多角形のために、冷却流体用の比較的短か
い多数のチヤンネルが得られ、圧力降下および循
環に要する動力が減少する。ガスケツトおよびマ
ニフオールドにより従来用いられていたものより
も簡単なマニフオールド構造とすることができ
る。

次に添附図面に示す本発明の実施例に沿つて本
発明を説明する。

第１図に電気化学的燃料電池装置１０が示され
ている。この燃料電池装置１０は複数の燃料電池
１２を有し、燃料電池１２が直列に接続されるよ
うにスタツクに構成されている。スタツクを並列
に構成することもできる。

燃料電池１２′等の個々の燃料電池は２つの双
極板１４を有し、その間に例えば燐酸等の酸で飽
和された多孔質グラフアイトマトリツクス１６等
の電解質が挾まれている。電気的に絶縁性の材料
を用いた多くの他の材料および構造も使用でき
る。双極板１４は、電解質マトリツクス１６の両
側に設けられた圧縮成型グラフアイト−樹脂組成
物と正極２０および負極２２等の電極１８とを備
えることもできる。各電極１８は又補強用の多孔
質グラフアイト繊維裏打２４を有する多孔質グラ
フアイト材料とすることもできる。

双極板１４は燃料チヤンネル２６および酸化剤
チヤンネル２８を有するチヤンネルの組を備えて
いる。チヤンネル２６および２８は断面形が略々
矩形で、例えば成形型を外すのに必要な場合の如
く製造を容易にする僅かに傾いた縁３０を持つて
いる。従つて例えば接着剤あるいは外枠等の周知
手段によつて互いに結合されたとき、各燃料電池
は略々封止された装置を形成する。

ハロゲンあるいは空気あるいは他の酸素含有物
質等の酸化剤が酸化剤チヤンネル２８を通つて流
れ、水素、有機物あるいは金属等の燃料が燃料チ
ヤンネル２６を通つて流れる。電極および電解質
マトリツクス１６を通る燃料と酸化剤との相互作
用により電力と熱とが発生する。図示の燃料電池
１２は水素燃料と空気の酸化剤とを用い電解質は
燐酸である。

電気化学的反応により相当の熱が発生し、従つ
てスタツク１０には冷却モジユール４２が設けて
ある。所望の作動温度に応じてスタツク１０内の
適当な位置で燃料電池１２の間に冷却モジユール
４２が配置されている。冷却モジユール４２は例
えば３乃至８番目毎の燃料電池の間に設けること
ができる。

各冷却モジユール４２は望ましくは双極板１４
と同様の材料、即ち図示の例では圧縮成型された
グラフアイト−樹脂組成物で作るのが望ましい。
冷却モジユール４２はリブ４５で分離された複数
の冷却通路４４を備えている。冷却モジユール４
２は一体に形成することもできるが、図示の如く
２つの部分４６を別々に作つて後で封止するのが
望ましい。冷却通路４４は望ましくは略々矩形で
あるが他の形も同様に用い得る。冷却モジユール
４２を２つの部分４６で形成する場合、冷却通路
の縁４８を燃料電池のチヤンネルと同様に僅かに
傾け（垂直から約７度）て製造を容易とするのが
望ましい。空気等の冷却流体が冷却通路を流れ
る。

第２図および第３図に於て、スタツク即ち燃料
電池装置１０の望ましい構造が示されており、燃
料電池装置１０および例えば双極板１４と冷却モ
ジユール４２の如き個々の要素の断面形は、対向
する略々平行な面６０，６２，６４の対、例えば
６０と６０′の対、６２と６２′の対、６４と６
４′の対を有する長い多角形である。ここで用い
る長いという意味は一対の面が他の対の面よりも
長いという意味である。対面間の距離は長い対面
間よりも他の対面間の方が大きい。第２図では長
い面は符号６０および６０′で示されている。

六角形の６つの角６８にはガスケツト６６が取
付られていて流体導管即ちマニフオールド７０用
のシールを形成している。ガスケツトは各角につ
き１つとすることもできるが、望ましくは第３図
に示す如く各角６８に２つづつガスケツトを設け
る。この構成によりガスケツト６６をスタツクの
各面の平担面に容易に取付ることができる。ガス
ケツトは望ましくはビトン（VITON）即ちデユ
ポン社から販売されているフツ化炭素材料であ
り、機械的結合装置によつてスタツクと導管とに
封止される。例えば、第９図では縦型燃料装置１
０の頂部と底部に支持板５０が示されている。ス
タツクの一面に沿つたガスケツト６６はマニフオ
ールド７０とスタツクとの間に支持板５０内に延
びたボルト５２によつて挾持保持されている。更
にタイバー５４とタイロツド５６とを用いて各要
素間の封止を更に維持してある。導管は燃料電池
環境による腐食に対して耐食性の材料で内部を被
覆されたアルミニウム等の金属である。ビトン・
スプレーを用いても良い。

流体媒体はこのようにしてスタツクに対して封
止され出入する。燃料と酸化剤とは略々反対方向
に流れるようにしてある。燃料は燃料入口７２に
導びかれ、燃料チヤンネル２６を通つて流れ、燃
料出口７４を通つてスタツク１０から出る。酸化
剤は酸化剤入口７６に導びかれ、酸化剤チヤンネ
ル２８を通つて流れ、酸化剤出口７８を通つてス
タツク１０から出る。破線の流れ線８０で示す如
く、チヤンネル２６，２８は３つの部分で構成す
るのが望ましく、入口部分および出口部分は入口
面および出口面に略々直角であり、中央の部分は
長い面６０，６０′に略々平行である。燃料チヤ
ンネル２６および酸化剤チヤンネル２８は同様の
形である。またこれらチヤンネルは第３図に示す
如く角度αと角度βとが直角の場合には同じ長さ
で同様の圧力降下を生ずる。チヤンネル２６，２
８は又電解質に反応接触する流れ面積が変化する
ように構成することもできる。この構成の詳細は
本願と同じ出願人の昭和56年４月28日付の特許出
願(1)（特開昭56−168364号）に記載されている。

冷却流体は冷却通路入口８２に導びかれ、冷却
通路４４を通つて流れ、冷却通路出口８４を通つ
てスタツク１０から出る。冷却通路４４は望まし
くは変化した一様でない冷却をするように構成さ
れ、例えば本願と同じ出願人の昭和56年４月28日
付の特許出願(3)（特開昭57−852号）に詳細に説
明され、第４図に分岐通路として示されている如
く構成される。長い多角形のために、適切な冷却
が維持される一方で多数の短かい冷却通路を使用
できるので圧力降下が少ない。

第５図、第６図および第７図にはスタツク１０
の別の構成が示されている。この例ではスタツク
１０は矩形であり、第３図の構造の角度αおよび
βが夫々180度のものと考えることができる。更
に、封止ガスケツト６６は４つの角６８にだけで
なく２つの短かい面６１の中央位置にも設けてあ
る。従つて燃料および酸化剤マニフオールド７０
は夫々角のガスケツト６６と中央位置の別の長手
方向に延びたガスケツト６６とによりスタツクに
封止されている。

冷却通路４４は長い面６３間に延びており、従
つて燃料チヤンネルおよび酸化剤チヤンネルより
も短かい流路となる。第８図に示す如く、変化す
る面積の分岐冷却通路を容易に組合わせることが
できる。

燃料チヤンネル２６および酸化剤チヤンネル２
８は望ましくは、燃料と酸化剤とが、第７Ａ図お
よび第７Ｂ図に最も良く示されている如く、面に
対して略々平行かつ直角な部分を略々反対方向に
反抗流となるように流れるよう構成される。図示
の形状によれば、燃料チヤンネルおよび酸化剤チ
ヤンネルが同じ流れ特性を有し、反応剤の一様な
流れ分布および同様な圧力降下をもたらす反応剤
形状が得られる。平行なチヤンネル部分８６およ
び８８はクロスオーバー部分９０によつて連結さ
れている。部分８６および８８は夫々１つのチヤ
ンネルを有するものとして図示されているが多数
のチヤンネルを設けることもできる。クロスオー
バー部分９０は、燃料電池全体の活性領域に亘つ
て略々一様なチヤンネル間隔を維持するように選
択された一群の平行なチヤンネルを含んでいる。
図示の矩形形状の縦横比の場合、クロスオーバー
部分９０は平行な各々の入口部分につき３つのチ
ヤンネルを有している。第７Ａ図および第７Ｂ図
に於ては単一の酸化剤チヤンネルおよび単一の燃
料チヤンネルが強調されて示されている。

ここに説明した構成では、改善された電圧出力
等の貫流システムの利点が維持されている。矩形
のスタツク形状は面の数の多い多角形に対して製
造が容易であるので有利である。また矩形形状で
は冷却通路の入口および出口で付加的面積が得ら
れ、冷却通路間のリブの所定最小厚さに対して、
冷却通路出口でより多くの分岐チヤンネルを形成
でき、圧力降下を著しく減少できる。また冷却通
路入口では冷却通路の間隔を大きくでき、入口を
大きくできるので層流を維持するのが容易となり
改善された温度の一様性の維持も容易となる。更
にまた冷却通路断面積に対するリブ断面積の比を
一定に保つことができる。このため一様な厚さの
冷却モジユール部分４６の製造が容易になる。ま
たここに説明したマニフオールドとガスケツトの
構成により流体媒体を燃料電池スタツクに対して
供給するための簡単で信頼性の高い構成が得られ
る。

【図面の簡単な説明】

第１図は主な要素を示す燃料電池の分解斜視
図、第２図は本発明の望ましい実施例による六角
形燃料電池装置の斜視図、第３図は特に封止され
たマニフオールドの構造を示す第２図の六角形燃
料電池の概略平面図、第４図は交互の冷却流路の
構成を示す六角形燃料電池装置の概略平面図、第
５図は本発明の別の実施例の矩形燃料電池装置の
斜視図、第６図は特に封止されたマニフオールド
の構造を示す第５図の矩形燃料電池装置の概略平
面図、第７Ａ図および第７Ｂ図は本発明の矩形燃
料電池装置の選択された部分の断面平面図、第８
図は交互の冷却流路の構成を示す矩形燃料電池装
置の概略平面図、第９図は本発明の燃料電池装置
用の結合構造を示す斜視図である。 １０……燃料電池装置、１２……燃料電池、１
４……双極板、１６……マトリツクス、１８……
電極、２６……燃料チヤンネル、２７……マニフ
オールド、２８……酸化剤チヤンネル、４２……
冷却モジユール、４４……冷却通路。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 複数の電気的に接続された燃料電池と選択さ
   れた上記燃料電池間に設けられた少なくとも１つ
   の冷却モジユールとをスタツクに配列してなる燃
   料電池装置に於て、上記燃料電池および上記冷却
   モジユールの断面形が、複数対の対向配置された
   周縁面を有する長い多角形とされ、各上記燃料電
   池が１対の双極板間に設けられた電解質を有し、
   上記双極板は酸化剤を上記電解質に対して反応連
   通関係に移送する酸化剤チヤンネルと、燃料を上
   記電解質に対して反応連通関係に移送する燃料チ
   ヤンネルとを形成し、上記燃料チヤンネルおよび
   上記酸化剤チヤンネルは各々上記多角形の一つの
   周縁面に設けられた入口と、反対側の周縁面に設
   けられた出口とを有し、上記冷却モジユールは冷
   却流体が流れる冷却通路を備え、上記冷却通路は
   上記多角形の一つの周縁面に設けられた入口と、
   反対側の周縁面に設けられた出口とを有し、上記
   冷却通路の上記出口および上記入口は上記多角形
   の上記長い周縁面に設けられてなることを特徴と
   する燃料電池装置。 ２ 周縁面には燃料、酸化剤または冷却流体を各
   入口に導入するための、また各出口から排出する
   ための導管装置が封止されていることを特徴とす
   る特許請求の範囲第１項記載の燃料電池装置。 ３ 上記導管装置は、各燃料チヤンネル入口に共
   通の入口マニフオールドと、各燃料チヤンネル出
   口に共通の出口マニフオールドと、各酸化剤チヤ
   ンネル入口に共通の入口マニフオールドと、各酸
   化剤チヤンネル出口に共通の出口マニフオールド
   と、各冷却通路入口に共通の入口マニフオールド
   と、各冷却通路出口に共通の出口マニフオールド
   とより成ることを特徴とする特許請求の範囲第２
   項記載の燃料電池装置。 ４ 上記長い多角形が６つの周縁面と６つの角を
   有する長い六角形であり、各上記マニフオールド
   が上記６つの周縁面に１つづつ封止されてなる特
   許請求の範囲第３項記載の燃料電池装置。 ５ 上記長い多角形が２つの90゜の角を持つ六角
   形である特許請求の範囲第４項記載の燃料電池装
   置。 ６ 上記酸化剤チヤンネルが、上記酸化剤入口の
   面に略々直角な第１部分と、上記長い面に略々平
   行な第２部分と、上記酸化剤入口の面に略々直角
   な第３部分との３つの部分を有し、上記燃料チヤ
   ンネルが、上記燃料入口の面に略々直角な第１部
   分と、上記長い面に略々平行な第２部分と、上記
   燃料出口の面に略々直角な第３部分との３つの部
   分を有する特許請求の範囲第４項あるいは第５項
   記載の燃料電池装置。 ７ 上記長い多角形が４つの周縁面と４つの角を
   持つ長い矩形であり、上記導管装置は、一方の長
   い周縁面に封止された冷却通路入口マニフオール
   ドと、他方の長い周縁面に封止された冷却通路出
   口マニフオールドと、一方の短い周縁面に封止さ
   れた燃料チヤンネル入口マニフオールドと、他方
   の短い周縁面に封止された燃料チヤンネル出口マ
   ニフオールドと、上記燃料入口マニフオールドと
   同じ周縁面に封止された酸化剤出口マニフオール
   ドと、上記燃料出口マニフオールドと同じ周縁面
   に封止された酸化剤入口マニフオールドとより成
   ることを特徴とする特許請求の範囲第２項記載の
   燃料電池装置。 ８ 上記冷却通路入口および出口マニフオールド
   が上記角に設けられたガスケツトにより上記夫々
   の周縁面に封止され、各上記燃料チヤンネルおよ
   び酸化剤チヤンネルマニフオールドが１つの角に
   設けられたガスケツトと夫々の周縁面に沿つた中
   間位置に設けられた別のガスケツトとにより上記
   夫々の周縁面に封止されてなる特許請求の範囲第
   ７項記載の燃料電池装置。 ９ 上記燃料チヤンネルが、上記長い周縁面に
   略々平行な第１部分と、上記長い周縁面に略々直
   角なクロスオーバー部分と、上記長い周縁面に
   略々平行な第３部分との３つの部分を有し、上記
   酸化剤チヤンネルが、上記長い周縁面に略々平行
   な第１部分と、上記長い周縁面に略々直角なクロ
   スオーバー部分と、上記長い周縁面に略々平行な
   第３部分との３つの部分を有する特許請求の範囲
   第７項あるいは第８項記載の燃料電池装置。 １０ 上記クロスオーバー部分の断面積が他のい
   ずれの上記部分の断面積よりも大きい特許請求の
   範囲第９項記載の燃料電池装置。