JP3899316B2 - 平面矩形燃料電池並びに燃料電池ブロック - Google Patents

Description

本発明は、冷却要素を備え、該要素が４つの隅領域を備えた矩形の冷却材室を有し、その第１隅領域に冷却材入口の開口、第２隅領域に冷却材出口の開口が配置された平面矩形燃料電池に関する。また本発明は、この燃料電池を備えた燃料電池ブロックに関する。

燃料電池では、水素（Ｈ₂）と酸素（Ｏ₂）の結合時の電気化学反応で、電気エネルギと熱が生ずる。その際、水素と酸素は化合して水（Ｈ₂Ｏ）となる。個々の燃料電池は最大で１．１Ｖの電圧しか発生しない。従って、多数の平面燃料電池を積層し、燃料電池ブロックの形にまとめる。燃料電池ブロックでの燃料電池の直列接続によって、燃料電池ブロックの発生電圧は数１００Ｖになる。燃料電池ブロックの燃料電池は、電解質電極ユニットとも呼ばれる電極電解質膜接合体と、その両側に隣接された複合導体板を含む。該導体板は冷却要素としても形成される。

燃料電池の原理的な転換方式は種々存在し、詳しくは各種の電解質と８０〜１０００℃の運転温度で動作する。その運転温度に応じ、燃料電池は低温、中温、高温燃料電池に分けられ、これら燃料電池はまた、種々の技術的実施形態に応じ互いに区別される。

燃料電池での電気化学反応に伴い生ずる熱は、燃料電池が過熱により壊れないよう燃料電池から排出せねばならない。低温燃料電池の場合、熱の排出は、通常冷却材回路で行われ、冷却材（通常は水）が燃料電池を貫流し、そこで熱を吸収し、その熱を燃料電池外に放出する。この目的のため、燃料電池は冷却要素を有し、該要素は、燃料電池を冷却するため或いは例えば燃料電池ブロックの始動時に燃料電池を加熱するため選択的に利用される。その冷却要素は冷却材室を有し、燃料電池の運転中、冷却材、通常は冷却水がその冷却材室内を貫流する。冷却材室は冷却材入口と出口を有し、該入口と出口は、その入口から出口に流れる冷却材流が燃料電池をできるだけ一様に冷却するよう配置される。

欧州特許第０５９１８００号明細書は、２つのプレートからなる冷却要素を開示する。該要素は矩形の冷却材室を有し、冷却材の入口と出口は、冷却材室の対角線上に対向して位置する２つの隅領域に配置されている。かかる冷却材室を冷却水が貫流する際、冷却材室の中央範囲が効果的に冷却される。しかし、冷却材室の冷却材入口と出口のいずれにも隣接しない残りの２つの隅領域は、ほんの僅かな冷却水しか貫流しない。そのため、燃料電池はそれら隅領域で中央範囲より強く加熱される。極端な場合、それら隅領域での冷却水の弱い貫流による放熱不足のため、その個所で燃料電池の電解質膜が壊れてしまう。

本発明の課題は、冷却材室に接する燃料電池の構成要素から、従来に比べて一様に放熱することができる燃料電池を提供することにある。また、そのように良好に放熱できる燃料電池を備えた燃料電池ブロックを提供することにある。

本発明の最初の課題は、請求項１の前文に述べた燃料電池において、冷却材室の上側であって第１隅領域と対向する側に配設された第３隅領域に第２の冷却材出口を配置し、第１の冷却材出口がその最狭部に流れ断面積Ｑ₁を有し、第２の冷却材出口がその最狭部に流れ断面積Ｑ₂を有し、その第１、第２の両流れ断面積の比Ｑ₁／Ｑ₂が７〜２５であることにより解決される。ここで、前記の「最狭部」とは、冷却材出口に設けた孔（例えば、矩形の孔）において、流れ断面積が最も小さい箇所を意味する。

もう１つの隅領域に存在する第２冷却材出口により、さもなければ冷却水が弱く貫流するその隅領域における冷却水の貫流を改善する。この結果、その隅領域での冷却水の滞在時間が減少する。この結果、熱を放出する燃料電池の部品から多量の熱を吸収し、従って冷却水による燃料電池からの放熱を一様化できる。冷却要素は、１つの隅領域に唯一の第２冷却材出口或いは２つの異なった隅領域に夫々第２冷却材出口を備える。１つ或いは複数の第２冷却材出口を、冷却要素の冷却材室からその第２冷却材出口を経て、第１冷却材出口からよりも少ない量の冷却水が流出するように形成する。このため、冷却材入口から第１冷却材出口迄冷却材室を経て流れる冷却材主流は殆ど害されない。

冷却材主流から僅かな部分流だけを分岐させ、第２冷却材出口を経て導く。この部分流の量は、さもなければ冷却水が弱く貫流する隅領域を、冷却材室の中央領域と略同温にするのに十分であるよう選定する。実験の結果、矩形の冷却材室の際、第３隅領域で冷却材室の中央領域と比べ一様な放熱を達成すべく、この第３隅領域、即ち第２冷却材出口を経て、約３〜１０％、特に４〜７％の量の冷却材が流れることで十分であることを確認した。冷却材出口の形態に応じて、第１冷却材出口の最狭部における流れ断面積Ｑ₁が、第２冷却材出口の最狭部における流れ断面積Ｑ₂のほぼ７〜２５倍であるとき、そのような第２冷却材出口を通る流れが生ずる。第１冷却材出口を例えば２０個の小さな孔で形成する場合、第２冷却材出口は、例えば同じような形の１個の孔で形成するとよい。第１冷却材出口を例えば唯一の孔で形成するとき、その最狭部での流れ断面積Ｑ₁は、単一孔として形成した第２冷却材出口の流れ断面積Ｑ₂の７〜１０倍の大きさにすると目的に適う。

本発明の有利な実施態様では、第１および第２隅領域を対角線上に対向して配置する。冷却材入口の開口を備えた第１隅領域と、第１の大きな冷却材出口の開口を備えた第２隅領域とは、夫々燃料電池の冷却要素の冷却材室を通る冷却材主流の始点および終点を形成する。これら両隅領域が対角線的に対向して位置していると、その冷却材主流によって、非常に多量の熱を、燃料電池から冷却水に伝達できる。この冷却材主流によって最も少なく貫流される冷却材室の範囲は、冷却材室の互いに対向して位置する残りの２つの隅領域に位置している。しかしその１つ或いは両方の隅領域に第２冷却材出口を配置し、これによって、冷却材室を通る冷却材流を著しく一様化する。

即ち、燃料電池ブロックにおいて測地学的に垂直に立てて運転する燃料電池の場合、燃料電池平面を地面に対し垂直に向け、運転中に冷却材室の上縁に気泡を集める。かかる運転に対し用意された燃料電池の場合、第２冷却材出口を備えた第３隅領域を、冷却材室の上縁に配置する。この配置の場合、気泡は第２冷却材出口を経て冷却材室から流出でき、その結果、冷却材室の上縁における燃料電池の過熱は有効に防止できる。

燃料電池ブロックに関する課題は、上述した本発明に基づく燃料電池を備えた燃料電池ブロックによって解決される。その場合、第１の冷却材出口は燃料電池ブロックの第１軸方向流路に開口し、第２の冷却材出口は燃料電池ブロックの第２軸方向流路に開口し、第１、第２の両軸方向流路は圧力平衡管を経て互いに接続されている。

ここで軸方向流路とは、積層した多数の燃料電池で構成された燃料電池ブロックの内部を燃料電池の積層方向に延びる流路を意味している。即ちその流路は燃料電池ブロックの軸方向に向いている。燃料電池ブロックのそのような軸方向流路を経て、冷却液を燃料電池ブロックから運び出す。燃料電池ブロックを含む燃料電池設備における冷却水回路は、一般に開放回路である。その場合、冷却水を排出する軸方向流路の内部における液圧は、その軸方向流路或いはそれに続く配管が大気圧に開口している測地学的高さに関係する。従って、第１軸方向流路における液圧と第２軸方向流路における液圧との圧力比は、両軸方向流路或いはそれらに続く配管が大気に開口する場所に関係する。冷却材出口を経ての冷却液の貫流が、冷却液が流入する軸方向流路の内部における圧力に関係するので、第１軸方向流路の内部における液圧が第２軸方向流路の内部における液圧に対して固定比にあることが望ましい。なぜならば、そのようにしてしか、第１軸方向流路を通る液体流が第２軸方向流路を通る冷却材流に対して予め設定できる比率にすることを保証できないからである。従ってこの比率は、燃料電池ブロックから燃料電池設備への冷却材の案内と無関係となる。両軸方向流路間における圧力平衡管によって、両軸方向流路に常に略同じ圧力がかかる。これに伴い、両液体出口を通る流れ状態は常に一定に規定され、軸方向流路の大気への出口と無関係となる。従って、燃料電池から冷却材への一様な放熱を達成し、この結果、燃料電池の内部における一様な温度を達成できる。

圧力平衡管は配管の形で形成するが、両軸方向流路を互いに接続する燃料電池ブロックの内部における流路によっても良好に形成できる。そのような流路は、例えば燃料電池ブロックの端板或いは閉鎖板の内部に配置され、或いは燃料電池ブロックとこれに隣接する加湿器との間の、中間板の内部に配置できる。

以下、２つの図を参照して、本発明の実施例を詳細に説明する。

図１は、矩形の平面燃料電池の冷却要素１を断面図で示す。燃料電池は、冷却要素１の他に、図１に図示しない電極電解質膜接合体を含む。該接合体は、図１において冷却要素１の下側に配置されている。冷却要素１は冷却材室３と４つの隅領域５ａ、５ｂ、５ｃ、５ｄを含んでいる。その第１隅領域５ａに冷却材入口７ａの開口が配置され、該入口７ａは冷却材室３を軸方向流路９ａに接続している。第２隅領域５ｂに第１冷却材出口７ｂが開口し、この出口７ｂは冷却材室３を第１軸方向流路９ｂに接続している。冷却材室３の第３隅領域５ｃに第２冷却材出口７ｃの開口が存在し、この出口７ｃは冷却材室３を第２軸方向流路９ｃに接続している。冷却材室３は第４隅領域５ｄを有するが、この領域５ｄには、冷却材入口も出口も開口していない。

燃料電池と冷却要素１は、共に図１の紙面に対し平行な平坦な形をしている。軸方向流路９ａ、９ｂ、９ｃは燃料電池の平面に対し垂直、即ち紙面に対し垂直に延びている。燃料電池の運転中、冷却液、例えば冷却水は、燃料電池に付属した供給装置から軸方向流路９ａを経て燃料電池の冷却要素１に向けて流れる。冷却水は冷却材入口７ａを貫流し、第１隅領域５ａに達する。冷却水の大部分は、冷却材室３を貫流し、第２隅領域５ｂ、続いて第１冷却材出口７ｂを貫流し、第１軸方向流路９ａに到達し、この第１軸方向流路９ａを経て燃料電池から排出される。冷却材入口７ａを経て冷却材室３に到達した冷却水の僅か一部は、冷却材室３の上縁１１に沿って流れ、第３隅領域５ｃに到達する。冷却水はそこから第２冷却材出口７ｃを貫流し、第２軸方向流路９ｃに到達し、この第２軸方向流路９ｃを経て燃料電池から排出される。冷却要素１の冷却材室３内に集まった気泡は、重力の作用に伴い冷却材室３の上縁１１に移動する。この空気は冷却水により更に進められ、第２冷却材出口７ｃを経て冷却材室３から流出し、冷却水が燃料電池から流出する第２軸方向流路９ｃに運び入れられる。

第３隅領域５ｃに第２冷却材出口７ｃを配置した結果、上縁１１に集まる、昇温した水の搬出を保証できる。この結果、燃料電池で発生する反応熱は、冷却要素１の内部の冷却水に領域的に一様に放出される。従って燃料電池の局所的な過熱を効果的に防止できる。

燃料電池およびそれと共に冷却要素１は、燃料電池ブロック内に、冷却材室３の上縁１１を重力の観点から上に配置して運転すべく設計されている。このため、第４隅領域５ｄの冷却材出口或いは入口を省くことができる。冷却材室３の下半部で温まった冷却水は、対流により上向きに流れ、従って第４隅領域５ｄからも追い出され、このため第４隅領域５ｄを連続して冷たい冷却水が貫流する。従って、第４隅領域５ｄにおける第３冷却材出口或いは第２冷却材入口は、必ずしも必要ではない。

冷却材出口７ｂ、７ｃは夫々断面矩形の唯一の孔として形成している。第１冷却材出口７ｂの流れ断面積Ｑ１は、第２冷却材出口７ｃの流れ断面積Ｑ２に対し７倍の断面積を有している。冷却材出口７ｂ、７ｃの幾何学形状に条件づけられて、冷却材入口７ａを経て冷却材室３に流入する冷却水の約７％が、第２冷却材出口７ｃを経て流出する。

図２は、燃料電池ブロック２２の３つの燃料電池２１を分解斜視図で示す。これら各燃料電池２１は、冷却要素２３と電極電解質膜接合体２５を含む。冷却要素２３は枠２３ｂを含み、該枠２３ｂの両側に夫々プレート２３ａ、２３ｃが隣接している。その結果、枠２３ｂは両側のプレート２３ａ、２３ｃと共に中空室、即ち冷却材室を形成している。

各燃料電池２１は隅に夫々三角形の開口を備える。これら開口は、燃料電池を並べて配置した際、燃料電池平面に対し垂直に延びる軸方向流路２７ａ、２７ｂ、２７ｃを形成する。燃料電池ブロック２２の運転中、燃料電池ブロック２２に対する冷却水供給装置（図２に図示せず）から、冷却水が燃料電池ブロック２２の軸方向流路２７ａの入口Ｅに流入する。冷却水はこの流路２７ａを経て燃料電池ブロック２２の冷却要素２３に導かれる。その冷却水の一部が各冷却要素２３の冷却材入口２９ａを経て冷却要素２３の冷却材室に流入する。冷却水の大部分は冷却材室を対角線的に流れ、第１冷却材出口２９ｂに達し、該出口２９ｂを貫流して、第１軸方向流路２７ｂに到達する。この冷却水は、燃料電池ブロック２２における燃料電池２１の冷却要素２３から第１軸方向流路２７ｂに集められ、燃料電池ブロック２２の外の配管として形成された圧力平衡管３１を経て第２軸方向流路２７ｃに導かれる。冷却水はこの流路２７ｃにおいて燃料電池ブロック２２を貫流し、第２軸方向流路２７ｃの出口Ａを経て燃料電池ブロック２２から出る。各冷却要素２３の冷却材入口２９ａから流入した冷却水の僅か一部は、第２冷却材出口２９ｃに流れ、この出口２９ｃを経て第２軸方向流路２７ｃに導かれる。冷却水はそこで、第１軸方向流路２７ｂからやって来る冷却水と合流し、第２軸方向流路２７ｃの出口Ａに向かって流れる。

各冷却材室の第１冷却材出口２９ｂは２０個の小さな孔からなり、図２はその内の幾つを示している。それらの孔は、冷却材室を軸方向流路２７ｂに接続している。各冷却材室の第２冷却材出口２９ｃは、冷却材室を第２軸方向流路２７ｂに接続する唯一の孔で形成されている。各孔の幾何学形状は同じなので、２０個の孔の断面積を含む第１冷却材出口の流れ断面積Ｑ₁は、１個の孔から成る第２冷却材出口２９ｃの流れ断面積Ｑ₂の２０倍の大きさとなる。圧力平衡管３１により、両軸方向流路２７ｂ、２７ｃの内部の液圧は同一である。従って、両軸方向流路２７ｂ、２７ｃの内部の圧力状態が、冷却材入口２９ａから冷却材出口２９ｂ、２９ｃへの流れを助長することはない。この結果、冷却材出口２９ｂ、２９ｃを経て流出する冷却材量は、冷却材室を流れる冷却水の約５％が第２冷却材出口２９ｃを経て冷却材室から流出するよう、流れ断面積Ｑ₁、Ｑ₂で定めている。

平面矩形燃料電池の冷却要素の断面図。 燃料電池ブロックの概略分解斜視図。

符号の説明

１ 冷却要素、３ 冷却材室、５ａ、５ｂ、５ｃ 隅領域、７ａ 冷却材入口、７ｂ、７ｃ 冷却材出口、２１ 燃料電池、２２ 燃料電池ブロック、２７ｂ、２７ｃ 軸方向流路、２９ａ 冷却材入口、２９ｂ、２９ｃ 冷却材出口、３１ 平衡管

Claims (3)

1. 冷却要素（１）を備え、該要素（１）が４つの隅領域（５ａ、５ｂ、５ｃ、５ｄ）を備えた矩形の冷却材室（３）を有し、その第１隅領域（５ａ）に冷却材入口（７ａ、２９ａ）の開口、第２隅領域（５ｂ）に冷却材出口（７ｂ、２９ｂ）の開口が配置され、重力の観点から上側に前記第１隅領域（５ａ）が、下側に第２隅領域（５ｂ）が配設されている平面矩形燃料電池（２１）において、冷却材室（３）の上側であって前記第１隅領域（５ａ）と対向する側に配設された第３隅領域（５ｃ）に第２の冷却材出口（７ｃ、２９ｃ）が配置され、第１の冷却材出口（７ｂ、２９ｂ）がその最狭部において流れ断面積（Ｑ₁）、第２の冷却材出口（７ｃ、２９ｃ）がその最狭部において流れ断面積（Ｑ₂）を夫々有し、前記第１、第２の両流れ断面積の比（Ｑ₁／Ｑ₂）が７〜２５であることを特徴とする燃料電池（２１）。
2. 第１隅領域（５ａ）と第２隅領域（５ｂ）が対角線上に配置されたことを特徴とする請求項１記載の燃料電池（２１）。
3. 請求項１又は２記載の燃料電池（２１）を複数個、水平軸方向に積層してなる燃料電池ブロック（２２）であって、第１の冷却材出口（７ｂ、２９ｂ）が燃料電池ブロック（２２）の第１軸方向流路（２７ｂ）に開口し、第２の冷却材出口（７ｃ、２９ｃ）が燃料電池ブロック（２２）の第２軸方向流路（２７ｃ）に開口し、第１、第２の両軸方向流路（２７ｂ、２７ｃ）が圧力平衡管（３１）を経て互いに接続されたことを特徴とする燃料電池ブロック（２２）。
   

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