JPS63128562A - 燃料電池 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 （発明の目的） （産業上の利用分野） 本発明は燃料電池に係り、特に集電及び冷却機能を有す
る冷却プレートの構成を改良した燃料電池に関する。

（従来の技術） 従来、燃料の有している化学的エネルギーを直接電気的
エネルギーに変換する装置として燃料電池が知られてい
る。この燃料電池は通常、電解質店を挟んで一対の多孔
質の電極を配置するとともに、一方の電極の背面に水素
ガス等の燃料ガスを接触させ、また他方の電極の背面に
酸素ガス等の酸化剤ガスを接触させ、このとき起こる電
気化学的反応を利用して、上記両電極間から高いエネル
ギーの変換効率で電気エネルギーを取り出すことができ
るものである。

ところで、上記のような原理に基づく、特にリン酸を電
解質とした燃料電池の単位セルは、第６図に示すように
構成されており、またこの単位セルを複数個積層するこ
とによって、第７図に示すように燃料電池全体を構成し
ている。

すなわち、第６図において単位セルは、電解質を含浸し
たマトリックス１を境にして両側に多孔質体で形成され
触媒が付加されているリブ付電極２．３（通常炭素材か
ら成る）を配置し、またこのリブ付電極２，３は触媒付
加面の反対面にそれぞれ流体燃料または流体酸化剤の流
通路４，５を有している。さらに、両リブ付電極２，３
のマトリックス１と反対側の背面には、それぞれセパレ
ータ６を配置している。このように、マトリックス１、
リブ付電極２，３およびセパレータ６を積層し、この状
態でそれぞれリブ付電極２，３の流体燃料流通路および
流体酸化剤流通路の両端開口だけを残し、各積層端面部
を気密にシールして単位セルを構成している。

第６図のように構成された単位セルは複数個積層され、
第７図に示すように単位セル間の電気的導通を得るため
に、締付具１０により所定圧で締゛付けられた後に、こ
の積層体の１つの対向する端面の一方に燃料供給口１１
を有したマニホルド１２と、他に燃料排出口１３を有し
たマニホルド１４とが当てがわれ、また他の対向する端
面の一方に酸化剤供給口１５を有したマニホルド１６と
、他方に酸化剤排出口１７を有したマニホルド１８とが
当てがわれ、これらマニホルド１２．１４．１６．１８
がボルト等で締付けられて気密保持され、これによって
燃料電池装置１９が構成されている。したがってこの燃
料電池装置１９によると、燃料供給口１１から流体燃料
を供給すると、この燃料は各単位セルの流路４を分流し
て多孔性のリブ付電極２の背面に接しながら流れ、その
後燃料排出口１３から排出される。また酸化剤供給口１
５から流体酸化剤を供給すると、この酸化剤は各単位セ
ルの流通路５を分流して多孔性のリア付電極３の背面に
浸蝕しながら流れ、その後酸化剤排出口１７から排出さ
れることになり、そのとき流体燃料と流体酸化剤とはそ
れぞれ拡散によって多孔性のリブ付電極２，３内に供給
され、燃料電池としての電気エネルギーを発生する。な
お、図では出力端子を省略している。

ところで、上述したような燃料電池においては、運転時
における単位セル部分の発熱による温度上昇のために、
触媒層の劣化、電解液の飛散の増大等による性能低下が
起こる。このため、通常では数個の単位セル毎に、第８
図に示すように冷却プレート３０を配設し、単位セル内
部の発熱を外部に取り出して、電池温度の過度の上昇を
防止するようにしている。

一方この種の冷却プレートとしては、単位セルの積層方
向に高い熱伝導性および電気伝導性を有し、また耐リン
酸性、耐熱性ならびに寸法安定性が要求される。このた
め一般には、熱硬化性の樹脂と黒鉛粒子を混合成形して
得られる黒鉛樹脂板や、黒鉛板に樹脂を含浸してガスの
不浸透化を図った不浸透黒鉛板に、機械加工して冷却管
を伝熱性の接着剤で埋め込み固定し、更に同じ部材の合
せ板を導電性の高い接着剤で貼り合せることにより冷却
プレートを形成している。（たとえば、特開昭５８−１
６６６６１　＞ しかしながら、このような従来使用されている冷却管理
込型の冷却プレートにおいては、第９図に示すように、
冷却管３１に冷却水を供給する冷却水母管３２はマニホ
ルド３３内に設けられている。このために電池内界囲気
による腐食防止を計るために、冷却水母管３２及び冷却
管３１に耐食チューブ又はコーテングが行われている。

また冷却管については、マニホルド内に露出している部
分の他に、冷却管界面を通しての腐食性物質の浸透によ
る腐食防止のため実質的に冷却プレート内の冷却管も耐
食処理が行われている。

この耐食処理層のために、伝熱抵抗が増大し、冷却プレ
ートの熱効率の低下の原因となっている。

また、合せ板に同材質の黒鉛板を使用しているために、
合せ板の厚みの低減に限度があり冷却プレートとして厚
いものしか得られない。

以上のような観点から、冷却性能の優れた、よりコンパ
クトな冷却板の出現が望まれてきている。

（発明が解決しようとする問題点） 本発明は上記のような問題を解決するために成されたも
ので、その目的とするところは冷却プレートの伝熱性を
高くして冷却性能ならびに効率の向上を図ることが可能
な信頼性の高い、かつ、冷却プレートの厚みの低減によ
りコンパクトな燃料電池を提供することにある。

（発明の構成〕 （問題点を解決するための手段） 上記の目的を達成するために本発明では、電解質層を挟
んで一対の電極を配置すると共に、一方の電極の背面に
燃料ガスをまた他方の電極の背面に酸化剤ガスを夫々流
通させて電気エネルギーを出力する単位セルを形成し、
上記燃料ガスと前記酸化剤ガスの混合を防止するととも
に上記単位セルを電気的に接続する機能を有するプレー
トを介して上記単位セルを複数個積層し、かつ冷却プレ
ートを上記所定個の単位セル毎に配設して成る燃料電池
において、上記冷却プレートとして、導電性接着剤を用
いて耐食処理をしていない冷却管を溝に全面に埋設し、
かつ冷却水の出入口がマニホルドの外部に取り出し可能
な位置に設置埋設してなる黒鉛を主体とするプレートと
、グラツシーカーボンから膨脹黒鉛を成形して得られる
シートを介して合せたものを用いるようにしたことを特
徴とする。

（作　用） 発明の特徴とするところは、前述した冷却プレートを、
熱硬化性樹脂と黒鉛粒子を混合し成形して得られる黒鉛
樹脂板、または黒鉛と結着剤を混合、成形し高温処理し
た黒鉛板に樹脂を含浸することによりガスの不浸透化を
図った黒鉛を主体とする板に、冷却管が実質的に電池雰
囲気ガスに曝露しないように、冷却管全面埋め込み用の
溝加工をして、伝熱抵抗の大きい耐食処理層を有しない
冷却管を上記黒鉛板に内側全面に伝導性の高い接着剤で
埋設し、かつ上記冷却管の出入口は、実質的に電池雰囲
気ガスに曝露しないようにマニホルド外になる位置に埋
設してなるプレートの上に、厚みを小ざくすることが可
能なグラツシーカーボンシートを厚みを小さくすること
が可能な膨脹黒鉛からなるシートを介して合せて形成す
ることにより、冷却プレートの伝熱抵抗を小ざくし、か
つ伝熱方向の厚みを小さくするようにした点にある。プ
（実施例） 以下、本発明を図面に示す具体的な一実施例に基づいて
説明する。

第１図は、本発明による冷却プレートの構成例を斜視図
にて示したものである。第２図は、本発明による冷却プ
レートの冷却管配置の１つの例を示した模式図である。

図において黒鉛粒子をピッチを結着剤として成形したも
のを２０００℃で黒鉛化処理し、その後減圧化で樹脂を
含浸した６００Ｘ７００口の不浸透黒鉛板４１に冷却管
埋込用溝４２を形成する。次に、冷却管をカーボンフエ
ーノール導電接着剤４３で埋設してプレートを形成する
。

ざらに、この第１のプレートの埋込み面４４の表面研磨
を行い、６００ｍＸ　７００ｓ口の厚み０．６履のグラ
ッシーカーボンプレート４５を同形状の厚み０．４ｍの
膨脹黒鉛シート４６を介して合せ冷却プレートを形成す
る。第３図に、かかる冷却プレートの断面図を併せて従
来の冷却プレートの断面図を第４図に示している。

次に、このようにして形成した冷却プレートの冷却効果
、すなわち、熱伝導性について検討した。

この場合、積層面方向面積を一定として、断熱された容
器に水を満し、その中に冷却プレートを浸漬し、一定温
度の温水を冷却管に流して水の温度上昇を測定した。第
３図のＡに本実施例の場合を示し、第３図のＢに従来の
場合を示している。図から明らかに、温度の上昇は従来
のものに比較して本実施例のものの方が高く、高い熱伝
導性を有していることがわかる。

また、埋込部及び合せ部界面のシール性について検討し
た。この場合、冷却管配管の一方の面から加圧して反対
面へのリークの凸を測定したところ、電池運転温度の２
００’Ｃ付近では殆んどリークは認められず、充分なる
シール性を有していることが確認された。

次に表１は本実施例による冷却プレートの形状寸法を示
すものであり、併せて従来の冷却プレートについても示
している。

［表　１］ 単− 表１から明らかなように本実施例によれば、冷却プレー
ト１枚について約２ｍだけ厚さを従来のものよりも薄く
することができる。このことは、大容量の４００セル積
層の電池の場合、５セルにつき１枚の冷却プレートが配
設されるとすると、従来のものに比して約１６０ｍだけ
＠層高さを低減することができることを意味するもので
ある。

一方、表２は冷却プレートの軽量化について調べた結果
を、本実施例による合せ板及び膨脹黒鉛シートの単口お
よび従来の合せ板の重量について夫々示したものである
。

［表　２］ 表２から明らかなように本実施例によれば、６００Ｘ　
７００ｍ形状の冷却プレート１枚当り、約１．６９Ｋｆ
ｆの軽量化を図ることができる。このことは、上述の４
００セル積層の電池の場合に、約１３６Ｋｇだけの軽量
化を図ることが可能となることを意味するものである。

ざらに、本実施例の冷却プレートを単位セル５セル毎に
１枚組込んで電池発電試験を行った結果、同一冷却条件
でセルの最高温度を３〜５°Ｃ低下させることが可能で
あることが示され、かかる冷却効果はより高温、高負荷
の運転条件で著しいことが示された。

かくして、本実施例の冷却プレートを組み込んだ燃料電
池によれば、従来と異なり冷却管及び冷却水母管が直接
燃料電池の腐食性雰囲気に曝露されないために、それら
の熱抵抗の増大の主因である腐食迫理層を省略できるた
めに、冷却プレートとしての熱抵抗を低減でき、結果的
に伝熱性を高めて冷却性能を向上させ、高い一定した発
電効率を得ることができる。

また、冷却プレートの厚みを小さくすることができるこ
とから、電池本体での一定積層当りの高さを低くして電
池の小形化を図ることが可能である。ざらに、上記理由
により冷却プレート重口を小さくできることから、結果
的に電池本体の軽量化を図ることが可能である。

尚、上記各実施例では導電性接着剤としてカーボンフェ
ノ°−ル接着剤を用いた場合について述べたが、かかる
接着剤は接着機能と導電機能を有するものであれば上記
以外の接着剤、例えばエポキシ系樹脂の接着樹脂からな
るものであってもよいものである。

また、上記各実施例では第１のプレートとして不浸透黒
鉛板を用いたが、これに限らず前述したような黒鉛樹脂
板を用いるようにしてもよいものである。

その他、本発明はその要旨を変更しない範囲で、種々変
形して実施することができるものである。

〔発明の効果〕

以上説明したように本発明によれば、冷却プレ−トの伝
熱性を高くして冷却性能ならびに効率の向上を図ること
が可能な極めて信頼性の高い、かつ装置の小型化、軽量
化が計れる燃料電池を提供できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例を示す冷却プレートの分解斜
視図、第２図は同実施例による冷却プレートの模式図、
第３図は同実施例による冷却プレートの断面図、第４図
は従来の冷却プレートの断面図、第５図は本発明の一実
施例の効果を説明するための特性図、第６図は燃料電池
の単位セルを示す分解斜視図、第７図は同単位セルを組
込んだ３０・・・冷却プレート　　　３１・・・冷却管
４１・・・不浸透黒鉛板　　　４２・・・冷却管理込み
溝４３・・・導電接着剤 ４５・・・グラッシーカーボン板 ４６・・・膨脹黒鉛シート 第　　２　　図 第　　４　図 第　　５　図 第　　６　　図 第　　７　図 第　８　図

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. （１）電解質層を挟んで一対の電極を配置すると共に、
   一方の電極の電極の背面に燃料ガスまた他方の電極の背
   面に酸化剤ガスを夫々流通させて電気エネルギーを出力
   する単位セルを形成し、前記燃料ガスと前記酸化剤ガス
   の混合を防止するとともに前記単位セルを電気的に接続
   する機能を有するプレートを介して前記単位セルを複数
   個積層し、かつ冷却管を埋設した冷却プレートを前記所
   定個の単位セル毎に配設して成る燃料電池において、前
   記冷却プレートは、溝を加工した黒鉛を主体とする板と
   前記溝に埋設した冷却管とこの冷却管と前記溝との間隙
   に充填する導電性接着剤とからなるプレートと、膨脹黒
   鉛シートとクラッシーカーボンとを積層してなることを
   特徴とする燃料電池。
2. （２）上記冷却管は主たる熱交換部では耐食層を具備し
   ない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。
3. （３）導電性接着剤は、カーボン又は銀のうちのいずれ
   か一種類又はこれらの混合物を充填剤とすることを特徴
   とする特許請求の範囲第（１）項記載の燃料電池。
4. （４）導電性接着剤は、フェノール系樹脂又はエポキシ
   系樹脂の接着樹脂からな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。
5. （５）黒鉛を主体とする板は、黒鉛樹脂結着体、黒鉛板
   、樹脂含浸不浸透黒鉛のいずれかからなることを特徴と
   する特許請求の範囲第（１）項記載の燃料電池。