JP2000348745A

JP2000348745A - 燃料電池

Info

Publication number: JP2000348745A
Application number: JP11156000A
Authority: JP
Inventors: Kunio Kotani; 邦男小谷
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 1999-06-03
Filing date: 1999-06-03
Publication date: 2000-12-15

Abstract

(57)【要約】【課題】複数の積層体を有する燃料電池内の反応ガス
流路の詰まりを検出し反応ガスの流れの向きを容易に反
転させる。【解決手段】燃料電池外部に設けた入口３および出口
配管５間に分岐配管３ａを設け、この分岐配管３ａに設
けられた複数個のバルブ６〜９の開閉状態に応じて複数
個の積層体１ａ、１ｂに供給、排出する反応ガスの流れ
の向きを変える。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は燃料電池に係り、
特に燃料電池発電システムの反応ガス供給構造に関する
ものである。

【０００２】

【従来の技術】燃料電池は、燃料を電気化学プロセスで
酸化させることにより、酸化反応に伴って放出されるエ
ネルギーを、直接電気エネルギーに変換する装置であ
る。この燃料電池は、電解質層を挟んで１対の多孔質電
極を配置した単電池を、複数個積層して構成され、その
側面には、空気及び燃料等の反応ガス供給、排気用のマ
ニホールドが取りつけられている。図６は特開昭６３−
２９４６３号公報に記載された燃料電池発電システムの
主要の構成略図である。図において、単電池を積み重ね
た燃料電池１は、第１積層体１ａと第２積層体１ｂとで
構成され、集電端子２により外部負荷に配線されてい
る。３〜５は配管であり、反応ガスは入口３より供給さ
れ出口５より排出される。図６には記載を省略している
が、反応ガスの供給はマニホールド等を用いて、燃料電
池１に対して並列に各単電池にほぼ同条件で供給される
よう構成されている。なお図６では、配管として単管を
図示しているが、これは燃料ガスや酸化剤ガス等の複数
のガス管を代表させて記載している。また、特開平６−
２６７５５１号公報に記載されたものは、複数の単電池
毎に冷却装置が配置され、ガスの出口付近を冷却して電
解質の搬出を防ぐ構造が示され、この燃料電池の４辺の
側面には、燃料ガス及び配化剤ガス等の反応ガス供給、
排出用マニホールドが取り付けられている。以上のよう
に図６に示す従来例では、燃料電池１は、第１積層体１
ａと第２積層体１ｂに区分され、反応ガスは配管３より
第１積層体１ａに供給されて電池反応に供される。第１
積層体１ａより排出された反応ガスは配管４を通って第
２積層体１ｂに供給され、電池反応に供される。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】図６に示した従来の燃
料電池は、反応ガスに不純物が含まれていた場合、第１
積層体１ａ内の流路で詰まりが発生し、第２積層体１ｂ
への供給が減少し、いわゆるガス欠が発生する。一般に
は、第１積層体１ａ内ではガス欠は発生しにくいが、第
２積層体１ｂ内ではガス欠になりやすく、反応ガス分圧
が低くなるために出力電圧が低下するという問題点があ
った。またさらに、積層体の面内方向の反応ガス入口付
近および高温部分で、電解質として含浸しているリン酸
が枯渇しやすく、その部位の発電特性が低下するという
問題点もあった。さらに、特開平６−２６７７５１号公
報に記載されているように反応ガスである燃料ガス及び
酸化剤反応ガスの出口付近を冷却することによって電解
質を凝縮させ、電解質の搬出を防ぐ構造が示されている
が、メンテナンス時にマニホールドの取り外し交換等の
必要があり、高価なものとなると共に、手間のかかる装
置となっている。

【０００４】この発明は上記のような問題点を解決する
為になされたもので、反応ガス流路の詰まりの発生を検
出し、または定期的に、燃料電池外側に設けた配管のバ
ルブを切換え、或いはマニホールドに設けた作業窓を介
してガス仕切板の取付を行い、第１積層体と第２積層体
間のガス流の向きを変えて運転条件を良くし、燃料電池
の信頼性向上及び組立の簡素化をはかることを目的とす
る。

【０００５】

【課題を解決するための手段】この発明に係る燃料電池
は、入口、出口配管と、この配管間に設けられた分岐配
管に複数個設けられたバルブとを備え、このバルブの開
閉状態に応じて、複数の電池積層体に供給、排気する反
応ガスの方向を変える。

【０００６】また、燃料電池に設けられたマニホールド
に、ガス仕切板とこの仕切板に設けられたドレン、なら
びに作業窓が備えたものである。

【０００７】またさらに、入口、出口配管間には差圧計
と、燃料電池に出力電圧計とが設けられたものである。

【０００８】また、分岐配管には電磁弁（バルブ）また
は三方向電磁弁（バルブ）が備えられたものである。

【０００９】

【発明の実施の形態】実施の形態１．以下、この発明の
実施の形態１を図１に基づいて説明する。図１におい
て、共に単電池を積ねて構成された第１積層体１ａと第
２積層体１ｂは、電気的に直列に接続され集電端子２に
より外部負荷に配線されている。この集電端子２には、
電圧計１０が接続され、燃料電池の出力電圧をモニタし
ている。入口配管３と出口配管５との間には、差圧計１
１と分岐配管３ａが設けられるとともに、各配管には例
えば電磁弁（バルブ）６〜９が設置されている。

【００１０】次に動作について図２（ａ）、（ｂ）に基
づいて説明する。図２（ａ）、（ｂ）は、図１に示した
本発明の実施の形態１の構成の動作を説明する図であ
る。図において第１積層体１ａと第２積層体１ｂとに区
分された燃料電池１に対し、図２（ａ）に示すように、
反応ガスはまず配管３を経て第１積層体１ａ内に供給さ
れ、配管４を経由して積層体１ｂ内へと流れ電池反応に
供される。この流れの向き、すなわち第１積層体１ａ内
を左から右へ、次に第２積層体１ｂ内を右から左へとの
流れの向きを、ここでは例えば順方向流と称する。反応
ガス流を順方向流とするには、配管３、５に設けられた
電磁弁（バルブ）６、９を開とし、分岐配管３ａに設け
られた電磁弁（バルブ）７、８を閉とする。このように
順方向流で反応ガスを供給した状態で燃料電池システム
の運転中に、反応ガス中の異物等により流路の詰まりが
発生すると、第２積層体１ｂにガス欠現象が生ずる。そ
して当然のことながら差圧計１１が差圧の増加を検知す
る。またこのガス欠現象による出力電圧低下が発生する
がそれ以外にも、第２積層体１ｂの面内方向で、ガス入
口部分及び高温部分でリン酸が枯渇し、その部位の特性
が低下して出力電圧が低下する場合がある。このよう
に、第２積層体１ｂの電圧が低下してきた際及び第１積
層体１ａのガス流路に詰まりが生じた場合、供給する反
応ガスがある設定値以上の差圧が発生するか、もしくは
ある値以上の出力電圧の低下を示したとき、差圧計１
１、電圧計１０から図示省略の出力信号を受けて電磁弁
（バルブ）６〜９を自動操作し、図２（ｂ）に示すよう
に、電磁弁６〜９を閉とし、電磁弁７、８を開とする。
これにより、反応ガスの流れを逆方向とさせる。この流
れを例えば逆方向流と称する。反応ガスはまず第２積層
体１ｂを流れ次に第１積層体１ａへと流れ、従前の流れ
の方向と反転する。図２（ｂ）からわかるように、第２
積層体１ｂは左から右へ、第１積層体１ａは右から左へ
と流れが図２（ａ）に比べ反転している。このように反
応ガス流路の詰まりが発生しガス欠が生じたとき、ガス
流を自動的に反転して新鮮なガスを流すことで、運転条
件を良くすることができる。すなわち積層体の面内方向
で、反応ガスの入口部分及び高温部分でリン酸が枯渇し
てその部位の特性が低下しても、ガス流を反転すること
で、面内の反応分布が変わり、反応が改善され、特定部
のリン酸の枯渇がなくなる。言い換えるとガスの流れで
リン酸に戻り、特性が回復する。また、差圧が大きくな
れば、他のシステム機器例えばブロア等の能力にも影響
を及ぼし、十分な反応ガス流量がとれなくなるが、反転
することにより、詰まりを取り除き、十分な流量を確保
できる。またさらに、定期的に第１、第２積層体１ａ、
１ｂ間で反応ガスの流れを反転させることも出来、厳し
い条件下での単電池に対し、運転条件を良くすることが
出来る。以上のように、燃料電池の出力を示す電圧計１
０やガス流路の差圧計１１の出力信号を受け、電磁弁を
操作することにより、自動的に反応ガスの流れを反転さ
せることができ、運転特性が格段に上昇する。なお上記
実施の形態でガス流の向きを図２で順方向、逆方向と特
定し称したが、これは説明の都合上であって、それに何
ら束縛されるものではない。

【００１１】実施の形態２．上記実施の形態１では、電
磁弁６〜９のＯＮ、ＯＦＦで第１、第２積層体１ａ、１
ｂへの供給ガスの向きを第１、第２積層体１ａ、１ｂ間
で反転させていたが、この実施の形態２では、図３に示
すように上記実施の形態１の電磁弁６〜９の替わりに、
三方向電磁弁６ａ〜９ａを設け、同様に差圧計１１、電
圧計１０の信号により、反応ガスの流れを第１、第２積
層体１ａ、１ｂ間で反転させている。

【００１２】次に動作について図３および図４（ａ）
（ｂ）を基に説明する。ここで図４（ａ）（ｂ）は、図
３の動作を説明する図である。図３において、６ａ〜９
ａは三方向切り替え可能な三方向電磁弁である。図４
（ａ）を例えば順方向の流れと称する。図４（ａ）の矢
印および各三方向電磁弁６ａ〜９ａの開口方向に沿って
反応ガスがまず第１積層体１ａに供され、次に第２積層
体１ｂにと供給される。そしてガス欠等の異常が発生し
た際には、上記実施の形態１と同様に各三方向電磁弁６
ａ〜９ａが操作され、図４（ｂ）に示すように、第１、
第２積層体１ａ、１ｂ間で反転し、まず、第２積層体１
ｂに反応ガスが供され、次に第１積層体１ａにと供給さ
れる。このように反応ガス流を反転させることによっ
て、上記実施の形態１に示したと同様の効果を奏する。

【００１３】実施の形態３．以下実施の形態３を図に基
づいて説明する。図５は燃料電池積層体部分を示す概略
断面図である。この図である集電端子の記載を省略して
いる。図５において、燃料電池１の側面には、マニホー
ルド１２、１３が取り付けられ、さらにこのマニホール
ド１２、１３には配管１６が設けられ、使用しない配管
１６は盲フランジ１６ａで封止されている。またマニホ
ールド１２、１３にはそれぞれガス仕切ボス１５が設け
られていて、ガス仕切板１４が図５（ａ）ではマニホー
ルド１２側に、図５（ｂ）にはマニホールド１３側にガ
ス仕切板１４が取り付けられている。尚このガス仕切板
１４にはドレン１８が設けてある。さらにまた、マニホ
ールド１２、１３の側面にはガス仕切板の取替えの便の
ため作業窓１７が設置されている。

【００１４】次に動作について説明する。燃料電池１は
第１積層体１ａと第２積層体１ｂとに区分されており、
図５（ａ）の順方向のガス流の場合、反応ガスはまずマ
ニホールド１２に取り付けられた配管１６より第１積層
体１ａに供給され、ここから排出された反応ガスは、マ
ニホールド１３を通って第２積層体１ｂに供給され、マ
ニホールド１２に取り付けられた配管１６から排出され
る。この場合マニホールド１３に取り付けられた配管１
６はそれぞれ盲フランジ１６ａで閉止されている。また
マニホールド１２の仕切ボス１５には、ガス仕切板１４
が取り付けられ、供給、排出ガスが遮断されている。マ
ニホールド１３の仕切ボス１５にはガス仕切板１４は取
り付けられていないから、第１積層体１ａから排出され
た反応ガスは、マニホールド１３の仕切ボス１５の間を
通り、第２積層体１ｂに供給されている。ガスの流れを
反転させようとする場合には、作業窓１７を介して、ガ
ス仕切板１４を図５（ａ）から図５（ｂ）に示す状態に
付け替えを行う。つまりマニホールド１２に取り付けら
れていたドレン１８付のガス仕切板１４をマニホールド
１３の仕切ボス１５上に設置する。またフランジ１６ａ
も夫々マニホールド１２側に取り付けこの側の配管１６
を封止する。このように再配置を行った後に、例えばこ
の図５では記載を省略したが、図１、図３の実施の形態
１、２に示したように、外部配管に設けた弁（バルブ）
の切り替えにより、反応ガスの流れを反転させる。この
状態での反応ガスの流れは、まず第２積層体１ｂに供給
されそこから排出された反応ガスは、マニホールド１２
を通って第１積層体１ａに供給され、マニホールド１３
に設けられた配管１６から排出される。この場合、マニ
ホールド１２の配管１６は盲フランジ１６によって封止
されている。また、マニホールド１３の仕切ボス１５に
は仕切板１４が取り付けられているので、供給、排出ガ
スが遮断されている。マニホールド１２の仕切ボス１５
には、ガス仕切板１４は取り付けられていないので、第
２積層体１ｂから排出された反応ガスは、マニホールド
１２の仕切ボス１５の間を通り、第１積層体１ａに供給
されている。また、反応ガスである燃料ガスと酸化剤ガ
スの反応により生成水が発生する。通常排出側マニホー
ルド下部には、ドレンが設けられているが、本実施の形
態３では、ガス仕切板１４にドレン１８が設けられ、第
１積層体１ａで発生した生成水も排出可能としている。
このように、マニホールド１２、１３に設けられた配管
のフランジ１６ａ及び仕切板１４をガスの流れに応じて
取り付け、取り外しを行うことで、マニホールドを交換
することなく容易にガスの流れを第１積層体１ａ、第２
積層体１ｂ間で反転させることができる。そして、反応
ガスの出口付近を冷却することによる電解質の搬出を未
然に防ぎ、燃料電池の運転の信頼性を向上させることが
できる。尚以上述べた実施の形態１〜３は、第１積層体
１ａと第２積層体１ｂの２分体に構成された燃料電池１
について記載したが、２分体に限らず３分体以上につい
ても適用出来ることは言うまでもない。

【００１５】

【発明の効果】この発明は以上説明したように構成され
ているので、以下に示すような効果を奏する。

【００１６】入口、出口配管間の分岐配管に設けられた
複数個のバルブの開閉状態に応じて、複数の積層体に供
給、排気する反応ガスの方向を変え得るので、反応ガス
流路の詰まりが発生しても新鮮なガスを流すことで運転
条件を良くすることができる。

【００１７】また、マニホールドに取り付け、取り外し
可能なドレンを有するガス仕切板と作業窓とを備えてい
るので、複数の積層体に供給、排気する反応ガスの方向
を容易な作業で変えることができ、また生成水を容易に
排出できる。

【００１８】またさらに、分岐配管に設けられた複数個
のバルブは、差圧計または燃料電池の出力電圧計の出力
信号に応じて開閉させることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の実施の形態１を示す燃料電池の構
成図である。

【図２】この発明の実施の形態１の動作を示す図であ
る。

【図３】この発明の実施の形態２を示す燃料電池の構
成図である。

【図４】この発明の実施の形態２の動作を示す図であ
る。

【図５】この発明の実施の形態３を示す燃料電池の構
成図である。

【図６】従来の燃料電池を示す構成図である。

【符号の説明】

１燃料電池、１ａ第１積層体、１ｂ第２積層体、
３〜５配管、３ａ分岐配管、６〜９電磁弁、６ａ
〜９ａ三方向電磁弁、１０電圧計、１１差圧計、
１２，１３マニホールド、１４ガス仕切板、１５
仕切ボス、１６配管、１６ａ盲フランジ、１７作
業窓、１８ドレン。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】単電池を複数個積層してなる積層体と、
前記積層体を複数個電気的に直列に接続した燃料電池に
おいて、前記燃料電池の外部に設けられた入口および出
口配管と、前記入口および出口配管の間に設けられた分
岐配管に複数個設けられたバルブとを備え、前記複数の
バルブの開閉状態に応じて、上記入口および出口配管を
介して上記複数の積層体に供給、排気する反応ガスの向
きを変え得ることを特徴とする燃料電池。
【請求項２】単電池を複数個積層してなる積層体、前
記積層体を複数個電気的に直列に接続された燃料電池に
おいて、前記燃料電池に設けられたマニホールドに、ガ
ス仕切板とこの仕切板に設けられたドレン、ならびに作
業窓とが備えられたことを特徴とする燃料電池。
【請求項３】燃料電池の外部に設けられた入口および
出口配管と、前記入口および出口配管の間に設けられた
分岐配管に複数個設けられたバルブとをさらに備え、前
記複数のバルブの開閉状態に応じて、上記入口、出口配
管を介して上記複数の積層体に供給、排気する反応ガス
の向きを変え得ることを特徴とする請求項２記載の燃料
電池。
【請求項４】バルブは、上記入口および出口配管間に
設けられた差圧計または燃料電池に設けられた出力電圧
計の出力信号に応じて開閉されることを特徴とする請求
項１または請求項３記載の燃料電池。
【請求項５】バルブは電磁弁とすることを特徴とする
請求項４記載の燃料電池。
【請求項６】バルブは三方向電磁弁とすることを特徴
とする請求項４記載の燃料電池。