WO2003028132A1

WO2003028132A1 - Fuel cell device and method of cooling fuel cell

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Publication number: WO2003028132A1
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Inventors: Tadashi Tsuji
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Description

明細書燃料電池装置および燃料電池の冷却方法技術分野

本発明は、燃料電池装置に関し、特に、固体電解質型燃料電池（ S O F C ： S o l i d O x i d e F u e l C e l l ) 装置に関する。背景技術

燃料電池装置では、水素,ガスがそのまま燃料ガスとして燃料電池装置に供給される場合もあるし、またメタンガスが回質されて燃料ガスとして燃料電池装置に供給される場合もある。また、酸素ガスがそのまま酸化剤ガスとして燃料電池装置に供給される場合もあるし、また空気が酸化剤ガスとして燃料電池装置に供給される場合もある。酸化剤ガスとして空気が使用される場合、空気はコンプレツサで圧縮されて燃料電池装置に供給されている。

燃料電池装置では、燃料ガスと酸化剤ガスとの以下のような電気化学反応によつて電力が得られる。

C _m H _η + ( + n / 4 ) O 2 → m C O ₂ + ( n / 2 ) H ₂0

ここで、燃料当量比の酸素とは、上記電気化学反応に必要な最小限の量の酸素に相当する。上記電気化学反応は発熱を伴うので、運転中は燃料電池装置を冷却する必要がある。従来の燃料電池装置では、燃料当量比の 4〜 5倍の量の空気が供給されており、そのうち燃料当量比の 3〜 4倍に相当する量の空気は、燃料電池装置の冷却のために用いられていた。

図 1 8に示されるように、燃料電池装置 F Cは、複合発電プラント Pの一部として組み込まれて使用される場合がある。このプラント Pでは、コンプレッサ C により圧縮空気が固体電解質型燃料電池装置 F Cに供給され、固体電解質型燃料電池装置 F Cからの排出ガスはタービン Tによる発電に利用される。このプラント Pの発電エネルギー量 Xは、

X = W_Pr + W_T— C_n である。ここで、 W _FC は、燃料電池 F Cによる発電エネルギー量であり、 W τ は、タービン Tによる発電エネルギー量であり、 C _p は、コンプレッサ Cの駆動に要するエネルギー量である。

従って、冷却にのみ用いられていた空気が供給されなくても、燃料電池が十分に冷却されることができれば、コンプレッサ Cの駆動能力が下げられることができ、コンプレッサ Cの駆動に要するエネルギー量 C _p を削減することができる。こうして、燃料当量比の量の空気を供給するだけで、燃料電池が十分冷却されることができれば、プラント Pの全体の効率を上げることができる。例えば、コンプレッサ Cによつて供給された圧縮空気の全てが燃料電池装置の電気化学反応のために用いられることができれば、燃料電池装置から（ 4〜 5 ) ' W _FCの発電量が得られ、プラント Pの全体では、（（ 4〜 5 ) - W _FC + E a ) の量の電力が得られる。発明の開示

本発明の目的は、供給される空気量が削減されても、効率よく冷却'されることが可能な燃料電池装置を提供することである。

本発明の他の目的は、単位面積当たりの発電効率を改善することができる燃料電池装置を提供することである。

本発明の他の目的は、プラントに組み込まれる場合、コンプレッサの駆動に要するエネルギー量が低減され、プラント全体の効率を高めることのできる燃料電池装置を提供することである。

本発明の他の目的は、上記の燃料電池装置で使用される冷却方法を提供することである。

第 1観点で、本発明の燃料電池装置は、電解質膜、空気極、および燃料極を備えてなる燃料電池本体と、前記燃料電池本体と電気的に接続された導電性部材とを備えている。前記燃料電池本体と前記導電性部材との間には、前記燃料電池本体を冷却するための流体の流路が設けられている。

本発明の燃料電池装置において、前記流体は、空気、前記燃料極に供給される燃料、ならびに蒸気および前記燃料の混合物、のいずれかである。また、本発明の燃料電池装置において、前記燃料電池本体の特定面は、前記導電性部材に接触する接触部と、前記導電性部材に接触しない非接触部とを有してもよく、前記流路は、前記導電性部材と前記非接触部との間に形成されていてもよい。 ■

また、本発明の燃料電池装置において、第 1前記燃料電池装置が、第 2前記燃料電池装置と互いに隣接するように積層されたときに、第 1燃料電池装置の前記導電性部材は、前記第 1燃料電池装置の前記空気極および前記燃料極の一方を冷却するための流体の第 1前記流路と、前記第 2燃料電池装置の前記空気極および前記燃料極の他方を冷却するための流体の第 2前記流路とを形成する。

本発明の燃料電池装置において、前記第 1流路と前記第 2流路とは、冷却伝熱面積と熱伝達設計によつて表面積おょぴ容積が決まるので両者は必ずしも同一ではなくともよい。

本発明の燃料電池装置において、前記燃料電池本体および前記導電性部材のー方は、概ね波形に形成され、前記燃料電池本体および前記導電性部材の他方も概ね波形に形成され、前記第 1および第 2燃料電池装置は、前記第 1燃料電池装置の前記燃料電池本体および前記導電性部材の前記一方に対応する第 1波が、前記第 2燃料電池装置の前記燃料電池本体および前記導電性部材の前記一方に対応する第 2波と位相が同じになるように積層される。

本発明の燃料電池装置において、前記第 1および第 2燃料電池装置は、前記第 1波と前記第 2波の位相が互いに 1 8 0 °ずれるように積層される。

本発明の燃料電池装置において、前記導電性部材には、前記第 1流路と前記第 2流路を連通させる孔が形成されている。

本発明の燃料電池装置において、前記流体が前記第 1流路を流れるときの第 1 向きと、前記流体が前記第 2流路を流れるときの第 2向きは、同じである。本発明の燃料電池装置において、前記流体が前記第 1流路を流れるときの第 1 向きと、前記流体が前記第 2流路を流れるときの第 2向きは、互いに異なっていてもよい。

本発明の燃料電池装置において、前記流体は、前記第 1流路を第 1向きに流れた後に前記流体の流れの向きを変えて、前記第 2流路を前記第 1 向きと異なる第 2向きに流れてもよい。

本発明の燃料電池装置において、前記流路は、第 1 および第 2領城に分割され、前記流体は、前記第 1領域を第 1向きに流れた後に前記流体の流れの向きを変えて、前記第 2領域を前記第 1 向きと異なる第 2向きに流れてもよい。

本発明の燃料電池装置において、前記流路には、前記流路を前記第 1および第 2領域に分割するための分割部材が設けられ、前記分割部材の内部に、前記第 1 領域が形成され、前記流路における前記分割部材以外の領域が前記第 2領域とされ、前記流路の開口部の形状が保持されるように、前記形状の輪郭と、前記開口部から露出される前記分割部材の部分の外形輪郭とは、概ね共通している。本発明の燃料電池装置において、前記第 1流路を流れた前記第 1流体は、前記第 1燃料電池装置の前記空気極および前記燃料極の前記一方に流入し、前記第 2 流路を流れた前記第 2流体は、前記第 2燃料電池装置の前記空気極および前記燃料極の前記他方に流入し、前記第 1流体は、前記一方にて燃料電池の反応に必要な流体であり、前記第 2流体は、前記他方にて燃料電池の反応に必要な流体である。

本発明の燃料電池装置において、前記第 1および第 2流路のそれぞれは、第 1 および第 2領域に分割され、前記第 1流体は、前記第 1流路を流れるとき、前記第 1流路の前記第 1領域を第 1向きに流れた後に前記第 1流体の流れの向きを変えて、前記第 1流路の前記第 2領域を前記第 1 向きと異なる第 2向きに流れ、前記第 2流体は、前記第 2流路を流れるとき、前記第 2流路の前記第 1領域を第 3 の向きに流れた後に前記第 2流体の流れの向きを変えて、前記第 2流路の前記第 2領域を前記第 3の向きと異なる第 4の向きに流れる。

本発明の燃料電池装置において、前記第 1流路に供給される前記第 1流体の温度は、前記第 1流体が前記第 1流路を流れることで前記一方を冷却して温度上昇してなる第 1温度が、設定された第 1設定温度になるように設定され、前記第 2 流路に供給される前記第 2流体の温度は、前記第 2流体が前記第 2流路を流れることで前記他方を冷却して温度上昇してなる第 2温度が、設定された第 2設定温度になるように設定されている。

本発明の燃料電池の冷却方法は、（ a ) 電解質膜、空気極、および燃料極を備えてなる燃料電池を提供することと、（ b ) 前記空気極に臨む位置に第 1流路を形成することと、（ c ) 前記燃料極に臨む位置に第 2流路を形成することと、

( d ) 前記第 1流路に空気を供給して前記空気極を冷却することと、（ e ) 前記第 2流路に燃料を供給して-前記燃料極を冷却することと、（ f ) 前記空気極を冷却した前記空気を前記空気極に供給して前記燃料電池の反応のために直接的に使用することと、（ g ) 前記燃料極を冷却した前記燃料を前記燃料極に供給して前記燃料電池の反応のために直接的に使用することと、（ h ) 前記（ d ) ステップにて前記第 1流路に供給される前記空気の温度を、前記空気が前記（ f ) ステツプにて前記使用されるときに適した温度になるように設定することと、（ i ) 前記（ e ) ステップにて前記第 2流路に供給される前記燃料の温度を、前記燃料が前記（ g ) ステップにて前記使用されるときに適した温度になるように設定することとを備えている。図面の簡単な説明

図 1 は、本発明の第 1実施例による燃料電池装置の単位セルの構造を示す断面図である。 ' 図 2 Aは、第 1実施例の燃料電池装置の単位セルの構造の第 1変形例を示す断' 面図である。

図 2 Bは、第 1実施例の燃料電池装置の単位セルの構造の第 2変形例を示す断面図である。

図 2 Cは、第 1実施例の燃料電池装置の単位セルの構造の第 3変形例を示す断面図である。

図 2 Dは、第 1実施例の燃料電池装置の単位セルの構造の第 4変形例を示す断面図である。

図 3は、本発明の燃料電池装置の全体構成を示す斜視図である。

図 4は、本発明の燃料電池装置の単位セルの動作原理を示す図である。

図 5 Aは、第 1実施例の燃料電池装置の単位セルの第 1積層状態を示す断面図である。

図 5 Bは、第 1実施例の燃料電池装置の単位セルの第 2積層状態を示す断面図である。

図 5 Cは、第 1実施例の燃料電池装置の単位セルの第 3積層状態を示す断面図である。

図 5 Dは、第 1実施例の燃料電池装置の単位セルの第 4積層状態を示す断面図である。

図 5 Eは、第 1実施例の燃料電池装置の単位セルの第 5積層状態を示す断面図である。

図 5 Fは、第 1実施例の燃料電池装置の単位セルの第 6積層状態を示す断面図である。

図 6 Aは、本発明の第 1実施例による燃料電池装置の単位セルにおける波形部の構造を示す斜視図である。

図 6 Bは、第 1実施例による燃料電池装置の単位セルにおける波形部の構造の他の例を示す斜視図である。

図 6 C— 1 から図 6 C— 4は、本発明の第 1実施例による燃料電池装置の単位セルにおける波形部の構造の他の例を示す図である。

図 7 Aは、本発明の第 1実施例による燃料電池装置において冷却用流体の順流を示す斜視図である。

図 7 Bは、本発明の第 1実施例による燃料電池装置において冷却用流体の向流を示す斜視図である。

図 7 Cは、本発明の第 1実施例による燃料電池装置において冷却用流体の反転流を示す斜視図である。

図 8は、本発明の第 1実施例による燃料電池装置に組立セグメントサポートが適用された状態を示す側面図である。

図 9 Aは、図 8における冷却用流体の流れ方を示す斜視図である。

図 9 Bは、本発明の第 1実施例による燃料電池装置に組立セグメントサボ一トが適用された他の状態を示す側面図である。

図 1 O Aは、本発明の第 1実施例による燃料電池装置において流路内で往復した冷却用空気が空気極に供給される状態を説明するための図である。

図 1 0 Bは、本発明の第 1実施例による燃料電池装置において流路内で往復した冷却用燃料ガスが燃料極に供給される状態を説明するための図である。

図 1 0 Cは、冷却用流体の伝熱面積の関係を説明するための図である。

図 1 1 は、本発明の第 2実施例による燃料電池装置の単位セルの構造を示す断面図である。

図 1 2 Aは、本発明の第 2実施例による燃料電池装置の単位セルの構造の第 1 変形例を示す断面図である。

図 1 2 Bは、本発明の第 2実施例による燃料電池装置の単位セルの構造の第 2- 変形例を示す断面図である。

図 1 3は、本発明の第 3実施例による燃料電池装置の単位セルの積層形態を示す斜視図である。

図 1 4 A— 1から図 1 4 A— 3は、本発明の第 4実施例による燃料電池装置におけるセグメントサポート部材の形状の態様を模式的に示す側面図である。

図 1 4 B— 1から図 1 4 B .— 3は、本発明の第 4実施例による燃料電池装置におけるセグメントサポート部材の形状の他の態様を模式的に示す側面図である。図 1 5は、本発明の燃料電池装置が適用されたプラントの構成を概略的に示すブロック図である。発明を実施するための最良の形態

以下に添付図面を参照して、本発明の燃料電池装置を詳細に説明する。

まず、図 3は、本発明による燃料電池装置の構造を示す斜視図である。図 3を参照して、燃料電池装置 1 では、複数の単位セル 2 0が積層され、即ち直列に接続されている。図 4に示されるように、単位セノレ (u n i t s e g m e n t ) 2 0は、電解質膜 2 3 と、この電解質膜 2 3をはさむ空気極 2 4および燃料極 2 5 と、インターコネクタ 2 6 とを有している。電解質膜 2 3は、最適なもの、現状では例えばイットリア安定化ジルコニァ（Y S Z ) からなる固体電解質膜が使用される。空気極 2 4には、コンプレッサにより空気が供給される。空気中の酸素が酸化剤ガスとして用いられる。燃料極 2 5には、水素ガスが供給される。水素ガスは、原燃料であるメタン（C H₄) が改質されて作られる。燃料極 2 5の内部の改質領域 2 5 aでは、メタンに高温で水蒸気が加えられることにより、以下のような改質反応が進行する。

C H 4 + 2 H 2 O → 4 H 2 + C O ₂

改質反応により水素の豊富なガス（例えば、水素 7 5 %、一酸化炭素 1 5 %、二酸化炭素 8 %程度）が得られる。改質反応は加熱を必要とする反応（吸熱反応）であり、メタンの改質の場合は改質領域 2 5 a が 7 5 0〜 9 5 0 °Cである必要がある。改質領域は単位セル内に設けられずに、単位セルの外部に設けられてもよい。ィンターコネクタ 6は、単位セル 2 0間の仕切り板であり、単位セル 2 0が積層されたときに空気極 2 4に供給される空気と燃料極 2 5に供給される水素ガスとが混ざることを防ぐ機能と、単位セル 2同士を電気的に直列接続するための導電体としての機能を有している。

次に、図 1 は、本発明の第 1実施例による燃料電池装置 1 の単位セル 2 0の構造を示す断面図である。図 1 を参照して、単位セル 2 0は、電解質膜 2 3 と、電解質膜 2 3 をはさむ空気極 2 4および燃料極 2 5 と、インターコネクタ 2 6 と、セグメントサポート部材 2 8 とを有している。単位セル 2 0が積層されて燃料電池装置 1 が形成される。第 1 実施例の燃料電池装置では、電解質膜 2 3、空気極 2 4、燃料極 2 5およぴィンターコネクタ 2 6は、一体として形成され、波形構成部 2 O Aと称される。波形構成部 2 O Aは、一定の周期かつ一定の振幅を有する連続的な波形（概ね正弦波形）に形成される。

波形に形成されたインターコネクタ 2 6の下に、セグメントサポート部材 2 8 が設けられている。セグメントサポート部材 2 8は、単位セル 2 0 と単位セル 2 0 を仕切る機能と、単位セル 2 0同士を電気的に直列接続する機能を有している。セグメントサポート部材 2 8の上面 2 8 u とインターコネクタ 2 6の下面 2 6 d との接触点、およびセグメントサポート部材 2 8の下面 2 8 d と空気極 2 4 の外側上面 2 4 u との接触点を介して、互いに隣接する単位セル 2 0同士が電気的に接続されている。

セグメントサポート部材 2 8の上面 2 8 uは、インターコネクタ 2 6の下面 2 6 dの一部と接触している。セグメントサポート部材 2 8 とインターコネクタ 2 6の非接触の部分には、流路 S 1が形成されている。流路 S 1 は電解質膜 2 3の面と平行に単位セル 2 0内に延在している。また、上側の単位セル 2 0のセグメントサポート部材 2 8 の下面 2 8 dは、空気極 2 4 の上面 2 4 uの一部と接触している。上側の単位セル 2 0のセグメントサポート部材 2 8 と空気極 2 4の上面 2 4 uの非接触の部分には、流路 S 2が形成されている。流路 S 2は電解質膜 2 3の面と平行に単位セル 2 0内に延在している。第 1実施例では、流路 S 2は、流路 S 1 間の上方に形成されている。

流路 S 1 には、空気、原燃料（メタン）、蒸気および原燃料の混合体のいずれかの流体が供給される。流路 S 1 に供給された流体は、インタ一コネクタ 2 6 を介して間接的に、燃料極 2 5側を冷却する。流路 S 2にも、空気、原燃料（メタン）、蒸気および原燃料の混合体のいずれかの流体が供給される。流路 S 2に供給された流体は、空気極 2 4側を冷却する。流路 S 1 に流れる流体の種類と流路 S 2に流れる流体の種類は同一であってもよいし、あるいは異なっていてもよレ、。 .

図 2 Aは、第 1 実施例の燃料電池装置の単位セルの構造の第 1変形例を示す断面図である。図 2 Aを参照して、セグメントサポート部材 2 8は、平板状に形成されている。空気極 2 4の断面形状を f r e e とするときは空気極 2 4 の外側上面 2 4 uを上段の単位セル 2 0のインターコネクタ 2 6 あるいはセグメントサポ一ト部材 2 8 と同形として良い。即ち、単位セルの第 1変形例では、第 1実施例の燃料電池装置の単位セルと異なり、空気極 2 4は上側の単位セル 2 0のセグメントサポート部材 2 8 とは接触していない。このため、流路 S 2は形成されていない。電解質膜 2 3、空気極 2 4、燃料極 2 5およびインターコネクタ 2 6は、一体として形成され、波形構成部 2 0 Aと称される。

図 2 Bは、第 1実施例の燃料電池装置の単位セルの構造の第 2変形例を示す断面図である。図 2 Bに示されるように、単位セル 2 0の第 2変形例では、単位セルは上部セグメントサポート部材 2 8 と下部セグメントサポート部材 2 8の 2つを有している。上部セグメントサボ一ト部材 2 8、電解質膜 2 3、空気極 2 4、燃料極 2 5および下部インターコネクタ 2 6は、一体として形成され、波形構成部 2 O Aと称される。上部セグメントサポート部材 2 8の下面は、空気極 2 4の上面 2 4 u と同じ形状を有するように形成されている。こうして、上部セグメントサポート部材 2 8の下面は下段の単位セル 2 0の空気極 2 4の上面 2 4 u と全 01 08148 面で接触している。上部セグメントサポート部材 2 8の波形の位相は、電解質膜 2 3 と同様であるが、下部セグメントサポート部材 2 8の波形の位相は上部セグメントサポート部材 2 8の波形の位相から 1 8 0度（半周期）ずれている。こうして、下部セグメントサポート部材 2 8は、その上面が、インターコネクタ 2 6 の下面と部分的に接触するように形成されている。下部セグメントサポート部材 2 8 とインターコネクタ 2 6の非接触部には流路 S 1が形成されている。このような、単位セル 2 0が積層されることにより、上段の単位セル 2 0の下部セグメントサポート部材 2 8 と下段の単位セル 2 0の上部セグメントサポート部材 2 8 により流路 S 2が形成される。

尚、上部セグメントサポート部材 2 8は、上段の単位セルの下部セグメントサポート部材 2 8 として形成されてもよいことは勿論である。この場合には、 2段毎に下部セグメントサポート部材 2 8 の形状が異なることになる。

図 2 Cは、第 1実施例の燃料電池装置の単位セルの構造の第 3変形例を示す断面図である。図 2 Cを参照して、単位セル 2 0の第 3変形例では、上部インターコネクタ 2 6 と下部ィンターコネクタ 2 6 とを有している。上部ィンタ一コネクタ 2 6、電解質膜 2 3、空気極 2 4、燃料極 2 5および下部ィンターコネクタ 2 6は、一体として形成され、波形構成部 2 O Aと称される。上部インターコネクタ 2 6 の下面は、空気極 2 4の上面 2 4 u と同じ形状を有するように形成されている。こうして、上部インターコネクタ 2 6の下面は下段の単位セル 2 0の空気極 2 4の上面 2 4 u と全面で接触している。上部インターコネクタ 2 6の波形の位相は、電解質膜 2 3 と同様であり、下部インターコネクタ 2 6の波形の位相とも同じである。こうして、下部インターコネクタ 2 6の下面は、燃料極 2 5の下面と全面で接触するように形成されている。このような単位セル 2 0が積層されることにより、上段の単位セルのセグメントサポート部材 2 8 と上部インターコネクタ 2 6 の非接触部には流路 S 2が形成されている。また、単位セル 2 0の下部インターコネクタ 2 6 とセグメントサポート部材 2 8 との非接触部には流路 S 1 が形成される。

図 2 Dは、第 1実施例の燃料電池装置の単位セルの構造の第 4変形例を示す断面図である。図 2 Dを参照して、単位セル 2 0の第 4変形例では、インターコネクタ 2 6は使用されていない。電解質膜 2 3、空気極 2 4、及ぴ燃料極 2 5は、一体として形成され、波形構成部 2 O Aと称される。空気極 2 4の上面は平坦であり、上段の単位セル 2 0のセグメントサポート部材 2 8 とは全面で接触している。燃料極 2 5は、セグメントサボ一ト部材 2 8 と部分的に接触している。こうして、燃料極 2 5 とセグメントサポート部材 2 8 との非接触部には流路 S 1が形成される。

従来は、前述のように、図 4に示される構造において、空気極 4に供給される当量比 4〜 5倍の空気によって、単位セル 2 0が冷却されていた。本実施例では、流路 S l、 S 2に供給された上記流体により単位セル 2 0が冷却される。第 1実施例の燃料電池装置では、波形に形成された波形構成部 2 0 Aと、平板状のセグメントサポート部材 2 8 とによって区画される流路 S 1 、 S 2の断面形状は、概ね円弧状ないし 2次曲線状に形成されている。従って、流路 S 1 、 S 2内の上記流体が単位セル 2 0を冷却するときの接触面積が大きい。そのため、従来に比べてコンプレッサの駆動に要するエネルギーを低減させることができ、プラント全体としての発電効率が高まる。

図 1 に示されるように、単位セル 2 0では、電解質膜 2 3、空気極 2 4、および燃料極 2 5が波形に形成されている。そのため、単位セル 2 0を上方から見たときの面積より、燃料電池装置の電解質膜の面積、即ち反応面積は大きい。従つて、燃料電池装置から、より大きな出力を得ることができる。

次に、図 5 Aから図 5 Dを参照して、単位セル 2 0の積層形態を説明する。図図 5 Aから図 5 Dでは、波形構成部 2 0 Aが示されているだけであり、空気極の上にインターコネクタが形成されている場合もあり、形成されていない場合もある。また、燃料極の下にインターコネクタが形成されている場合もあり、形成されていない場合もある。以下の例では、インターコネクタが形成されていないとして説明するが、空気極の上あるいは燃料極の下にインターコネクタが形成されていてもよいことは明らかであろう。

図 5 Aに示されるように、互いに隣接する単位セル 2 0は、それらの波形構成部 2 0 Aの波の位相が概ね同じになるように積層されることができる。この例では、波形構成部 2 0 Aの空気極は上段のセグメントサポート部材 2 8の底面に接触し、燃料極はセグメントサポート部材 2 8の上面に接触している。また、図 5 Bに示されるように、互いに隣接する単位セル 2 0は、それらの波形構成部 2 0 Aの波の位相が概ね 1 8 0 °ずれて千鳥状になるように積層されてもよい。この例では、波形構成部 2 0 Aの空気極は上段のセグメントサポート部材 2 8の底面に接触し、燃料極はセグメントサポート部材 2 8の上面に接触している。

図 5 Cは、図 5 Aの構造の変形例を示している。単位セル 2 0の波形構成部 2 0 Aの燃料極がセグメントサポート部材 2 8に接触していない部分に対応するセグメントサポート部材 2 8 には複数の孔 2 8 h、 2 8 h…が形成されている。また、空気極は図に示される領域では、上段のセグメントサポート部材 ² 8には接触していないが、図示されない領域で空気極は上段のセグメントサボ一ト部材 2 8 と電気的に接続されている。セグメントサポート部材 2 8に孔 2 8 hが開口されていることにより、流路 S 1 に供給された上記流体と流路 S 2に供給された上記流体とを仕切る仕切りが無くなり、両方の上記流体の混合物により、互いに隣接する単位セル 2 0が冷却される。流路 S 1 と流路 S 2 の仕切りが無くなることにより、流路の断面積が拡大する。符号 S L 1 は、この拡大された流路を示している。

図 5 Dの構造においては、単位セル 2 0の波形構成部 2 0 Aは、上下の段で位相が 1 8 0度ずれたように配置されている。下段の波形構成部 2 O Aの空気極は、上段の単位セルのセグメントサポート部材 2 8の下面に部分的に接触し、下段の波形構成部 2 0 Aの燃料極は、その段のセグメントサポート部材 2 8の上面に部分的に接触している。こうして、セグメントサポート部材 2 8 に形成された孔 2 8 hを介して流路 S 1および S 2の間が連通し、流路の断面積が拡大する。符号 S L 2は、この拡大された流路を示している。

図 5 Eは、図 6 ( c ) の拡大された流路 S L 1 を模式的に示している。図 5 E に示されるように、拡大された流路 S L 1 は、図 5 Cの波形構成部 2 0 Aの波と概ね同位相の波状に形成され、その断面（開口）方向の幅は、その波の形成方向 (横方向）のいずれの箇所においても概ね均一である。

図 5 Fは、図 5 Dの拡大された流路 S L 2を模式的に示している。図 5 Fに示されるように、流路 S 1 の断面形状の頂部 S I t と流路 S 2の断面形状の頂部 S 2 t とが上下方向において概ね一致するように配置されている。このため、拡大された流路 S L 2の断面方向の幅は均一ではなく、多管状に形成されている。互いに隣接する流路 S L 2、 S L 2では、それぞれの流路 S L 2の管状の部分（幅の広い部分）が交互となるように配置されている。

図 6 Aは、本発明の第 1実施例による燃料電池装置の単位セルにおける波形構成部 2 0 Aの構造を示す斜視図である。図 6 Aに示されるように、波形構成部 2 O Aは、波板状に形成されることができる。その場合、図 1 に示される波形構成部 2 O Aの波形は、図 6 Aの B— B断面図であると捉えることができる。

図 6 Bは、第 1実施例による燃料電池装置の単位セルにおける波形部の構造の他の例を示す斜視図である。図 6 Bに示されるように、波形構成部 2 O Aは、デインプル板状に形成されることができる。その場合、図 1 に示される波形構成部 2 O Aの波形は、図 6 Bの D— D断面図であると捉えることができる。

図 6 Aと図 6 Bでは、波形構成部？ 0 Aは正弦波形であるとして説明された。しかしながら、正弦波形に代えて、図 6 C— 1 から図 6 C— 4 に示されるように、波形構成部 2 0 Aの断面形状は、角形（長方形（パルス状）、台形）または三角形であることができる。さらに、その形状は、図 6 C— 1 から図 6 C— 4に示されるものに限られず、平板状のセグメントサポート部材 2 8 との間で冷却用流体の流路（間隙）が形成されるものであれば、全ての形状が含まれる。

次に、図 7 Aから図 7 Cを参照して、流路 S 1および流路 S 2に供給される上記流体の流れ方向を説明する。図 7 の矢印丫 1、 Y 2に示されるように、流路 S 1および流路 S 2のそれぞれには、互いに同一の方向から流体が一方向に供給されることができる。この流れ方は順流と称される。また、図 7 Bの矢印 Y 3、 Υ 4に示されるように、流路 S 1およぴ流路 S 2のそれぞれには、互いに逆の方向から上記流体が供給されることができる。流路 S 1 には、上記流体が一方の向きに供給され、流路 S 2には、他方の向きに供給される。この流れ方は向流と称される。さらに、図 7 Cの矢印 Υ 5、 Υ 6、 Υ 7に示されるように、流路 S 2に供給された上記流体は、流路 S 2 を通過した後に反転して流路 S 1 に供給される。流路 S 2に一方の向きに供給された上記流体は、流路 S 2を通過後に、図示されないガイド部によって還流または逆流し、流路 S 1 に対して他方の向きに供給される。この流れ方は反転流と称される。

図 7 Aの順流および図 7 Bの向流では、上記流体の一方向の流れによって、必要な熱回収が行われる。図 7 Cの反転流では、上記流体が往復するので、波形構成部 2 0 Aに対する接触時間および接触面積がより多く確保される。そのため、同一量の空気量が供給された場合、反転流の場合では、順流または向流の場合に比べて、冷却効率が高い。

次に、図 8 と図 9 Aと 9 Bを参照して、組立セグメントサポート 4 0 について説明する。組立セグメントサボ一ト 4 0は、セグメントサボ一ト部材 2 8の上面 2 8 uおよび下面 2 8 dにそれぞれに設けられている。組立セグメントサポート 4 0は、熱伝熱率が高い材料を使用して形成される。符号 4 0 & は、上面 2 8 11 に設けられた組立セグメントサポート 4 0を示している。符号 4 O bは、下面 2 8 dに設けられた組立セグメントサポート 4 0を示している。組立セグメントサポート 4 0 a は、流路 S 1 に設けられている。組立セグメントサポート 4 0 b は、流路 S 2に設けられている。 ' 組立セグメントサポート 4 0は、台形の断面を有するように形成され、その台形の概ね中心部には、流路 S 1 または流路 S 2の延在方向に沿う流路 4 1が形成されている。流路 S 1 において、組立セグメントサポート 4 0 a における上記台形の斜辺に相当する部分と、インターコネクタ 2 6の下面 2 6 d との間には、隙間 4 2が確保されている。流路 S 2において、組立セグメントサポート 4 0 bにおける上記台形の斜辺および上辺に相当する部分と、インターコネクタ 2 6の外側上面 2 6 u との間には、隙間 4 2が確保されている。

図 9 Aに示されるように、流路 S 1 において、上記流体は、組立セグメントサポート 4 0内に形成された流路 4 1 に一方の向きに供給される。その上記流体は、流路 4 1 を通過した後に図示されないガイド部において反転され、流路 S 1 の隙間 4 2を通して他方の向きに供給される。流路 S 2においても、上記流体の供給の仕方は、流路 S 1 と同様である。

組立セグメントサポート 4 0は、単一の、. 流路 S 1 または流路 S 2において、上記流体を往復させるという上記機能を有していれば、その形状は台形状に限定されない。正方形状、長方形状、三角形状、円状、楕円状、半円状の他、様々な形状が含まれる。

上記の組立セグメントサポート 4 0は、その台形の斜辺および上辺に相当する部分と、下面 2 6 dまたは外側上面 2 6 u との間に隙間 4 2 ,が確保されるように形成された。これに代えて、組立セグメントサポート 4 0は、その台形の斜辺に相当する部分と下面 2 6 dまたは外側上面 2 6 u との間に隙間 4 2が形成され、その台形の上辺に相当する部分と下面 2 6 dまたは外側上面 2 6 u との間には隙間 4 2が形成されないような形状であることができる。

組立セグメントサポート 4 0に関し、上記流体が単一の流路 S 1 または流路 S 2において往復する回数は、上記では 1回として説明されたが、複数回にするように、組立セグメントサポート 4 0が形成されることができる。

尚、図 9 Aに示される例では、燃料極 2 5 とセグメントサポート部材 2 8 との間にインターコネクタ 2 6が提供されているが、それは無くともよい。また、図 9 Bに示されるように、空気極 2 4の上面を平坦に設計し、上面 2 4 uにインタ一コネクタ 2 6 を設けなくても良い。この場合には、組立セグメントサポート 4 0がセグメントサポート部材 2 8 と接触しながら、空気極 2 4の中に埋め込まれている。

図 1 O Aから図 1 O Cを参照して、流体加熱方法について説明する。

この流体加熱方法では、上記組立セグメントサポート 4 0が用いられる。流路 S 1の流路 4 1 には、上記流体としてメタン（またはメタンと蒸気の混合流体）が供給される。そのメタン（もしくは混合流体'）は、流路 S 1内の流路 4 1および隙間 4 2により流路 S 1 内を往復した後に、燃料極 2 5 ί'こ供給される。流路 S 2内の流路 4 1 には、上記流体として空気が供給される。その空気は、流路 S 2 内の流路 4 1および隙間 4 2により流路 S 2内を往復した後に、空気極 2 4に供給される。

図 1 0 Αは、流路 S 2内で往復した空気が空気極 2 4に供給される状態を示している。図 1 0 Bは、流路 S 1 内で往復したメタンが燃料極 2 5 に供給される状態を示している。図 1 O Aに示されるように、コンプレッサで昇温された（例えば 4 0 0 °C ) 空気が流路 S 2内の流路 4 1 に供給される。流路 4 1 を通過した後に反転して隙間 4 2に流入するときの空気は、 6 7 5 °Cまで温度が上昇している。隙間 4 2を通過した後に反転して空気極 2 4に流入するときの空気は、目的温度である 9 5 0 °Cまで上昇している。燃料電池の反応部分は、冷却しなければ 2 0 0 0〜 3 0 0 0 °Cの熱源である。空気極 2 4を、隙間 4 2内の空気が冷却する。その隙間 4 2内の空気は、流路 4 1内の空気の熱源となる。

図 1 0 Bに示されるように、室温（例えば 1 5 °C) のメタンが流路 S 1内の流路 4 1 に供給される。流路 4 1 を通過した後に反転して隙;間 4 2に流入するときのメタンは、 5 0 0〜 6 0 0 °Cまで温度が上昇している。隙間 4 2を通過した後に反転して燃料極 2 5に流入するときのメタンは、目標温度（例えば 9 5 0 °C) まで上昇している。熱源である燃料極 2 5を、隙間 4 2内のメタンが冷却する。その隙間 4 2内のメタンは、流路 4 1 内のメタンの熱源となる。

図 1 O Aから 1 0 Cに示されるように、熱源と上記空気または上記メタン（または混合流体）間の温度差により、交換熱量 Q い d iが決定される。熱量 Q i は、燃料電池装置の空気極 2 4または燃料極 2 5から供給される熱量を示している。熱量 q iは、隙間 4 2内の下流の冷却流体から流路 4 1 内の上流の冷却流体供給される熱量を示している。隙間 4 2を通過する直前の冷却流体（空気又は燃料ガス）の温度と、それが反転されて空気極 2 4または燃料極 2 5に流入した直後の冷却流体の温度との差は、非常に小さく（両温度ともに概ね 9 5 0 °C) 、熱量 Q ₃に対応している。それに対して、隙間 4 2に流入した直後の冷却流体の温度と、その位置（直下）に相当する燃科電池の空気極 2 4または燃料極 2 5内の冷却流体の温度との差は、非常に大きく（ 6 7 5 °Cと 1 0 5 0 °C) 、熱量 Q iに対応している。流路 4 1 を通過する直前の冷却流体の温度と、それが反転して隙間 4 2に流入た直後の冷却流体の温度との差は、非常に小さく（両温度ともに概ね 6 7 5 °C) 、熱量 q ₃に対応している。それに対して、流路 4 1 に流入した直後の冷却流体の温度と、その位置（直下）に相当する隙間 4 2内の冷却流体の温 '度との差は、非常に大きく（ 4 0 0 °Cと 9 5 0 °C) 、熱量 _{q i}に対応している。このように熱量 q i と Q _;は場所により分布をもつが、その合計 ∑ q ；は ∑Q ；に同量であり移動し、流体に回収される。

空気極 2 4または燃料極 2 5 を冷却するには、その空気極 2 4または燃料極 2 5に直接接触する通路に低温の流体を流すのがよいが、空気極 2 4または燃料極 2 5に、 9 5 0 °C (所望の温度）の流体が流入されるようにするために、上記の経路が設定される。上記では、反転の回数（段数）が 2回とされたが、 2回に限定されるわけではなく、上記流体が所望の温度に設定されるように反転の回数が設定される。さらに、図 1 O Aから図 1 0 Cの流体加熱方法において、流体を反転（往復）させる手段は、組立セグメントサポート 4 0に限定されないことは勿論である。

次に、図 1 1 を参照して、本発明の第 2実施例による燃料電池装置を説明する。単位セル 3 0 の電解質膜 3 3、燃料極 3 5およびィンターコネクタ 3 6 のそれぞれは、いずれも平板状に形成されている。図 1 1 において、空気極 3 4は、その上面 3 4 uの上に設けられたインターコネクタ 3 6 (または不図示のセグメントサポート部材 3 8 ) と共に、平板状であっても良い。インターコネクタ 3 6 の下に、それと接触してセグメントサポート部材 3 8が設けられている。セグメントサポート部材 3 8は、波形に形成されている。セグメントサポート部材 3 8 は、一定の周期および一定の振幅を有する連続的な波形（概ね正弦波状）に形成されている。

セグメントサポート部材 3 8の上面 3 8 uの一部は、インターコネクタ 3 6 の下面 3 6 d と接触している。インターコネクタ 3 6の下面 3 6 dのうちセグメントサポート部材 3 8の上面 3 8 uに対して非接触の部分と、セグメントサポート部材 3 8の上面 3 8 u との間には、流路 S 3が形成されている。流路 S 3には、空気、原燃料（メタン）、蒸気おょぴ原燃料の混合体のいずれかの流体が供給される。流路 S 3 に供給された上記流体は、インターコネクタ 3 6 を介して間接的に、燃料極 3 5側を冷却する。

セグメントサポート部材 3 8の下面 3 8 は、下段の単位セル 3 0 (図示されず）の空気極 3 4の外側に設けられたィンターコネクタ 3 6の一部と接触している。セグメントサポート部材 3 8の下面 3 8 dのうち空気極 3 4の外側のインタ一コネクタ 3 6 に対して非接触の部分と、空気極 3 4の外側のインターコネクタ

3 6 との間には、流路 S 4が形成されている。流路 S 4には、空気、原燃料（メタン）、蒸気おょぴ原燃料の混合体のいずれかの流体が供給される。流路 S 4に供給される上記流体は、流路 S 3に供給された上記流体と同じ種類のものであることができる。あるいは、流路 S 4に供給される上記流体は、流路 S 3に供給された上記流体と異なる種類のものであることができる。流路 S 4に供給された上記流体は、インターコネクタ 3 6 を介して間接的に、空気極 3 4側を冷却する。図 1 2 Aは、本発明の第 2実施例による燃料電池装置の単位セルの構造の第 1 変形例を示す断面図である。図 1 2 Aに示されるように、空気極 3 4側にはィンターコネクタ 3 6 を設けず、空気極 3 4の上面 3 4 uは上段のセグメントサポ一ト部材 3 8の形状に合わせて波形に形成されてもよい。

図 1 2 Bは、本発明の第 2実施例による燃料電池装置の単位セルの構造の第 2 変形例を示す断面図である。図 1 2 Bに示されるように、セグメントサポート部材 3 8は、図 1 1 と図 1 2 Aに示される構造と異なり、流路 S 3 の開口面積（断面積）が流路 S 4の開口面積よりも大きくなるように形成される。燃料電池装置の反応時に、空気極よりも燃料極の方が発熱量が大きく、集中的に冷却する必要があるからである。セグメントサポート部材 3 8 の形状が変更されることにより、流路 S 3および流路 S 4に収められる上記流体の量が任意に設定されることができる。

なお、本発明の第 1実施例において、波形構成部 2 0 Aの形状は、流路 S 1 の開口面積が流路 S 2の開口面積よりも大きくなるように形成されてもよい。図 1 2 B と同様の考え方に基づいて、第 1実施例の空気極 2 4は波形断面を持つように形成されることができる。

図 1 3に示されるように、単位セル 3 0は、セグメントサポート部材 3 8の波の位相が概ね同じになるように積層されることができる。あるいは、図示されないが、単位セル 3 0は、それらのセグメントサポート部材 3 8の波の位相が概ね 1 8 0 °ずれて千鳥状になるように積層されることができる。

図 1 4 A— 1 力ら 1 4 A— 3及ぴ図 1 4 8— 1から図 1 4 B— 3 に示されるように、セグメントサポート部材 3 8 の断面形状は、波形または角形（長方形（パルス状）、台形）であることができる。さらに、流路 S 3および流路 S 4の開口面積の比率が任意に設定可能なように、セグメントサポート部材 3 8の形状は不均等なものであることができる。またさらに、その形状は、図 1 4 A— 1から 1 4 A— 3及び図 1 4 B — 1から図 1 4 B— 3に示されるものに限られず、平板状 W のインターコネクタ 3 6または空気極 3 4 との間で冷却用流体の流路（間隙）が形成されるものであれば、全ての形状が含まれる。

以上、説明された図 1から図 1 4 B— 1から図 1 4 B— 3に示される構造は、適宜組み合わせて用いられることができる。

そのような、燃料電池装置は、図 1 5 に示されるブラントに適用することができ、発電効率を改善することができる。 '

本発明によれば、供給される空気量が少なくても燃料電池装置の冷却の問題が生じない。

Claims

請求の範囲 ' '

1 . 電解質膜、空気極、および燃料極を備えてなる燃料電池本体と、

前記燃料電池本体と電気的に接続された導電性部材とを備えてなり、前記燃料電池本体と前記導電性部材との間には、前記燃料電池本体を冷却するための流体の流路が設けられている

燃料電池装置。

2 . 請求項 1記載の燃料電池装置において、

前記流体は、空気、前記燃料極に供給される燃料、ならびに前記空気および前記燃料の混合物、のいずれかである

燃料電池装置。

3 - 請求項 1または 2に記載の燃料電池装置において、

前記燃料電池本体の特定面は、前記導電性部材に接触する接触部と、前記導電性部材に接触しない非接触部とを有し、

前記流路は、前記導電性部材と前記非接触部との間に形成されている燃料電池装置。 '

4 . 請求項 1から 3のいずれか 1項に記載の燃料電池装置において、

第 1前記燃料電池装置が、第 2前記燃料電池装置と互いに隣接するように積層されたときに、前記第 1燃料電池装置の前記導電性部材は、前記第 1燃料電池装置の前記空気極および前記燃料極の一方を冷却するための流体の第 1前記流路と、前記第 2燃料電池装置の前記空気極および前記燃料極の他方を冷却するための流体の第 2前記流路とを形成する

燃料電池装置。

5 . 請求項 4記載の燃料電池装置において、

前記第 1流路と前記第 2流路とは、互いに容積が異なっている

燃料電池装置。

6 . 請求項 4または 5に記載の燃料電池装置において、

前記燃料電池本体および前記導電性部材の一方は、概ね波形に形成され、前記燃料電池本体および前記導電性部材の他方は、平板状に形成され、前記第 1および第 2燃料電池装置は、前記第 1燃料電池装置の前記燃料電池本体および前記導電性部材の前記一方に対応する第 1波が、前記第 2燃料電池装置の前記燃料電池本体および前記導電性部材の前記一方に対応する第 2波と位相が同じになるように積層される

燃料電池装置。

7 . 請求項 6記載の燃料電池装置において、

前記第 1および第 2燃料電池装置は、前記第 1波と前記第 2波の位相が互いに 1 8 0 °ずれるように積層される

燃料電池装置。

8 . 請求項 4から 7のいずれか 1項に記載の燃料電池装置において、

前記導電性部材には、前記第 1流路と前記第 2流路を連通させる孔が形成されている

燃料電池装置。

9 . 請求項 4から 8のいずれか 1項に記載の燃料電池装置において、

前記流体が前記第 1流路を流れるときの第 1向きと、前記流体が前記第 2流路を流れるときの第 2向きは、同じである

燃料電池装置。

1 0 . 請求項 4から 8のいずれか 1項に記載の燃料電池装置において、前記流体が前記第 1流路を流れるときの第 1向きと、前記流体が前記第 2流路を流れるときの第 2向きは、互いに異なっている

燃料電池装置。

1 1 . 請求項 4から 8のいずれか 1項に記載の燃料電池装置において、前記流体は、前記第 1流路を第 1 向きに流れた後に前記流体の流れの向きを変えて、前記第 2流路を前記第 1 向きと異なる第 2向きに流れる

燃料電池装置。

1 2 . 請求項 1から 8のいずれか 1項に記載の燃料電池装置において、前記流路は、第 1および第 2領域に分割され、

前記流体は、前記第 1領域を第 1向きに流れた後に前記流体の流れの向きを変えて、前記第 2領域を前記第 1 向きと異なる第 2向きに流れる

燃料電池装置。

1 3 . 請求項 1 2記載の燃料電池装置において、

前記流路には、' 前記流路を前記第 1および第 2領域に分割するための分割部材が設けられ、

前記分割部材の内部に、前記第 1領域が形成され、前記流路における前記分割部材以外の領域が前記第 2領域とされ、

前記流路の開口部の形状が保持されるように、前記形状の輪郭と、前記開口部ら露出される前記分割部材の部分の外形輪郭とは、概ね共通している燃料電池装置。

1 4 . 請求項 4から 1 1 のいずれか 1項に記載の燃料電池装置において、前記第 1流路を流れた前記第 1流体は、前記第 1燃料電池装置の前記空気極およぴ前記燃料極の前記一方に流入し、

前記第 2流路を流れた前記第 2流体は、前記第 2燃料電池装置の前記空気極および前記燃料極の前記他方に流入し、

前記第 1流体は、前記一方にて燃料電池の反応に必要な流体であり、前記第 2流体は、前記他方にて燃料電池の反応に必要な流体である

燃料電池装置。

1 5 . 請求項 1 4記載の燃料電池装置において、

前記第 1および第 2流路のそれぞれは、第 1および第 2領域に分割され、前記第 1流体は、前記第 1流路を流れるとき、前記第 1流路の前記第 1領域を第 1 向きに流れた後に前記第 1流体の流れの向きを変えて、前記第 1流路の前記第 2領域を前記第 1向きと異なる第 2向きに流れ、

前記第 2流体は、前記第 2流路を流れるとき、前記第 2流路の前記第 1領域を第 3の向きに流れた後に前記第 2流体の流れの向きを変えて、前記第 2流路の前記第 2領域を前記第 3の向きと異なる第 4の向きに流れる

燃料電池装置。

1 6 . 請求項 1 4または 1 5に記載の燃料電池装置において、

前記第 1流路に供給される前記第 1流体の温度は、前記第 1流体が前記第 1流路を流れることで前記一方を冷却して温度上昇してなる第 1温度が、設定された第 1設定温度になるように設定され、

前記第 2流路に供給される前記第 2流体の温度は、前記第 2流体が前記第 2流路を流れることで前記他方を冷却して温度上昇してなる第 2温度が、設定された第 2設定温度になるように設定されている

燃料電池装置。

1 7 . ( a ) 電解質膜、空気極、および燃料極を備えてなる燃料電池を提供することと、

( b ) 前記空気極に臨む位置に第 1流路を形成することと、

( c ) 前記燃料極に臨む位置に第 2流路を形成することと、

( d ) 前記第 1流路に空気を供給して前記空気極を冷却することと、

( e ) 前記第 2流路に燃料を供給して前記燃料極を冷却することと、

( f ) 前記空気極を冷却した前記空気を前記空気極に供給して前記燃料電池の反応のために直接的に使用することと、

( g ) 前記燃料極を冷却した前記燃料を前記燃料極に供給して前記燃料電池の反応のために直接的に使用することと、 (h) 前記（ d ) ステップにて前記第 1流路に供給される前記空気の温度を、前記空気が前記（ f ) ステップにて前記使用されるときに適した温度になるように設定することと、 '

( i ) 前記（ e ) ステップにて前記第 2流路に供給される前記燃料の温度を、前記燃料が前記（ g ) ステップにて前記使用されるときに適した温度になるように設定することと

を備えた燃料電池の冷却方法。