JP2003346870A - 固体高分子型燃料電池スタック - Google Patents
固体高分子型燃料電池スタックInfo
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- polymer electrolyte
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- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
- Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
- Y02E60/30—Hydrogen technology
- Y02E60/50—Fuel cells
Landscapes
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Abstract
(57)【要約】
【課題】本発明は、ガスの高利用率による運転を実現す
るとともに、構成部材の精度の幅を広く設定できて歩留
りを向上することを課題とする。 【解決手段】固体高分子膜の両側を燃料極、空気極で夫
々挟んだ固体高分子型燃料電池を、両サイドから燃料極
側セパレータ、空気極側セパレータで挟んでセルを構成
し、これらセルを複数個直列に接続して発電を行う固体
高分子型燃料電池スタックであり、複数個のセルを複数
のユニット１２，１３に分け、これらユニット１２，１
３同士を直列に接続して発電を行うことを特徴とする固
体高分子型燃料電池スタック１１。
るとともに、構成部材の精度の幅を広く設定できて歩留
りを向上することを課題とする。 【解決手段】固体高分子膜の両側を燃料極、空気極で夫
々挟んだ固体高分子型燃料電池を、両サイドから燃料極
側セパレータ、空気極側セパレータで挟んでセルを構成
し、これらセルを複数個直列に接続して発電を行う固体
高分子型燃料電池スタックであり、複数個のセルを複数
のユニット１２，１３に分け、これらユニット１２，１
３同士を直列に接続して発電を行うことを特徴とする固
体高分子型燃料電池スタック１１。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、複数個直列に接続
されたセルから構成される固体高分子型燃料電池スタッ
クに関する。
されたセルから構成される固体高分子型燃料電池スタッ
クに関する。
【０００２】
【従来の技術】従来、図３に示すように、例えば６０枚
のセルを直列に並べた固体高分子型燃料電池スタック1
が知られている。ここで、セルは、固体高分子膜を２種
類の電極（燃料極、空気極）で挟み込み、更にこれらの
部材をセパレータで挟んだ構成の固体高分子型燃料電池
（ＰＥＦＣ：Ｐｏｌｙｍｅｒ Ｅｌｅｃｔｒｏｌｙｔｅ
Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ）となっている。
のセルを直列に並べた固体高分子型燃料電池スタック1
が知られている。ここで、セルは、固体高分子膜を２種
類の電極（燃料極、空気極）で挟み込み、更にこれらの
部材をセパレータで挟んだ構成の固体高分子型燃料電池
（ＰＥＦＣ：Ｐｏｌｙｍｅｒ Ｅｌｅｃｔｒｏｌｙｔｅ
Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ）となっている。
【０００３】こうした構成のスタック１において、燃料
ガス及び酸化剤ガスが全てのセルに並列に供給されるよ
うになっている。燃料ガスは例えばガス供給管２よりス
タック１の長手方向に設置されたマニホールド３を介し
て全てのセルに供給された後、別のマニホールド４、ガ
ス排出管５より排気されるようになっている。なお、図
３では、便宜上燃料ガスの供給のみを図示している。と
ころで、前記セルの一部を構成するセパレータには燃料
電池に燃料ガスや酸化剤ガスを供給するため、溝加工が
施されている。
ガス及び酸化剤ガスが全てのセルに並列に供給されるよ
うになっている。燃料ガスは例えばガス供給管２よりス
タック１の長手方向に設置されたマニホールド３を介し
て全てのセルに供給された後、別のマニホールド４、ガ
ス排出管５より排気されるようになっている。なお、図
３では、便宜上燃料ガスの供給のみを図示している。と
ころで、前記セルの一部を構成するセパレータには燃料
電池に燃料ガスや酸化剤ガスを供給するため、溝加工が
施されている。
【０００４】しかし、ガスがセルに並列に供給されるた
め、セパレータの溝加工精度のバラツキ、拡散層の溝へ
の食い込みのバラツキを原因とする溝形状のバラツキに
より、各セルでの圧力損失のバラツキが発生し、ガスを
理論量よりも過剰に供給しないと、全セルに理論量以上
のガスを供給することが困難となる。ここで、ガスが供
給されないセルがあると、セルの損傷につながる。ま
た、ガスの供給を理論量よりも過剰にした場合、消費さ
れずにスタック外に排出されるガスが発生し、燃料電池
の効率低下の原因となるので、理論量よりも過剰に供給
されるガスの量は少ないほど好ましい。
め、セパレータの溝加工精度のバラツキ、拡散層の溝へ
の食い込みのバラツキを原因とする溝形状のバラツキに
より、各セルでの圧力損失のバラツキが発生し、ガスを
理論量よりも過剰に供給しないと、全セルに理論量以上
のガスを供給することが困難となる。ここで、ガスが供
給されないセルがあると、セルの損傷につながる。ま
た、ガスの供給を理論量よりも過剰にした場合、消費さ
れずにスタック外に排出されるガスが発生し、燃料電池
の効率低下の原因となるので、理論量よりも過剰に供給
されるガスの量は少ないほど好ましい。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】本発明は、こうした事
情を考慮してなされたもので、複数個のセルを複数のユ
ニットに分け、これらユニット同士の燃料ガス供給路を
直列に接続し、ユニット同士の空気ガス供給路を並列に
接続して発電を行うことにより、燃料ガスの高利用率に
よる運転を実現するとともに、構成部材の精度の幅を広
く設定できて歩留りを向上しえる固体高分子型燃料電池
スタックを提供することを目的とする。
情を考慮してなされたもので、複数個のセルを複数のユ
ニットに分け、これらユニット同士の燃料ガス供給路を
直列に接続し、ユニット同士の空気ガス供給路を並列に
接続して発電を行うことにより、燃料ガスの高利用率に
よる運転を実現するとともに、構成部材の精度の幅を広
く設定できて歩留りを向上しえる固体高分子型燃料電池
スタックを提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】本発明は、固体高分子膜
の両側を燃料極、空気極で夫々挟んだ固体高分子型燃料
電池を、両サイドから燃料極側セパレータ、空気極側セ
パレータで挟んでセルを構成し、これらセルを複数個直
列に接続して発電を行う固体高分子型燃料電池スタック
であり、複数個のセルを複数のユニットに分け、これら
ユニット同士の燃料ガス供給路を直列に接続し、ユニッ
ト同士の空気ガス供給路を並列に接続して発電を行うこ
とを特徴とする固体高分子型燃料電池スタックである。
の両側を燃料極、空気極で夫々挟んだ固体高分子型燃料
電池を、両サイドから燃料極側セパレータ、空気極側セ
パレータで挟んでセルを構成し、これらセルを複数個直
列に接続して発電を行う固体高分子型燃料電池スタック
であり、複数個のセルを複数のユニットに分け、これら
ユニット同士の燃料ガス供給路を直列に接続し、ユニッ
ト同士の空気ガス供給路を並列に接続して発電を行うこ
とを特徴とする固体高分子型燃料電池スタックである。
【０００７】
【発明の実施の形態】以下、本発明の固体高分子型燃料
電池スタックについて更に具体的に説明する。本発明
は、固体高分子型燃料電池スタックを構成する複数個の
セルを複数のユニットに分け、これらユニット同士の燃
料ガス供給路を直列に接続し、ユニット同士の空気ガス
供給路を並列に接続して発電を行うことを特徴とする。
後述する実施例のように上流ユニットと下流ユニットの
２つのユニットに分ける場合のセル枚数の好ましい範囲
は、上流ユニットのセル枚数：下流ユニットのセル枚数
＝９：１〜２：１である。この理由は、この範囲を外れ
ると、十分な発電効率を得ることができないからであ
る。なお、ユニットは２つに限らず、３つ以上に分けて
もよい。
電池スタックについて更に具体的に説明する。本発明
は、固体高分子型燃料電池スタックを構成する複数個の
セルを複数のユニットに分け、これらユニット同士の燃
料ガス供給路を直列に接続し、ユニット同士の空気ガス
供給路を並列に接続して発電を行うことを特徴とする。
後述する実施例のように上流ユニットと下流ユニットの
２つのユニットに分ける場合のセル枚数の好ましい範囲
は、上流ユニットのセル枚数：下流ユニットのセル枚数
＝９：１〜２：１である。この理由は、この範囲を外れ
ると、十分な発電効率を得ることができないからであ
る。なお、ユニットは２つに限らず、３つ以上に分けて
もよい。
【０００８】上記のように、例えば、上流ユニットと下
流ユニットの２つのユニットに分けた場合、上流，下流
ユニット共に、従来のスタックよりも多くの流量のガス
が燃料極側に流れることとなる。このときにスタックで
のガス損失を低下させるために、従来スタックのセパレ
ータ上のガス供給溝形状と比較すると、次のようにな
る。
流ユニットの２つのユニットに分けた場合、上流，下流
ユニット共に、従来のスタックよりも多くの流量のガス
が燃料極側に流れることとなる。このときにスタックで
のガス損失を低下させるために、従来スタックのセパレ
ータ上のガス供給溝形状と比較すると、次のようにな
る。
【０００９】上流ユニットのセパレータの溝深さをａ１
［ｍ］、溝幅をｂ１［ｍ］、溝長さをＬ１［ｍ］、溝本
数をｎ１［本］、上流ユニットのセル１枚に供給される
ガス流量をＳ１［ｍ３／ｓｅｃ］としたとき、下流ユニ
ットのセパレータの溝形状は、溝深さをａ２［ｍ］、溝
幅をｂ２［ｍ］、溝長さをＬ２［ｍ］、溝本数をｎ
２［本］、下流ユニットのセパレータ１枚に供給される
ガス流量をＳ２［ｍ３／ｓｅｃ］として、下記式（１）
を満たすように溝深さａ２、溝幅ｂ２、溝長さＬ２、溝
本数ｎ２を選んでやればよい。
［ｍ］、溝幅をｂ１［ｍ］、溝長さをＬ１［ｍ］、溝本
数をｎ１［本］、上流ユニットのセル１枚に供給される
ガス流量をＳ１［ｍ３／ｓｅｃ］としたとき、下流ユニ
ットのセパレータの溝形状は、溝深さをａ２［ｍ］、溝
幅をｂ２［ｍ］、溝長さをＬ２［ｍ］、溝本数をｎ
２［本］、下流ユニットのセパレータ１枚に供給される
ガス流量をＳ２［ｍ３／ｓｅｃ］として、下記式（１）
を満たすように溝深さａ２、溝幅ｂ２、溝長さＬ２、溝
本数ｎ２を選んでやればよい。
【００１０】
ΔＰ＝３２(μＬ１Ｓ１／ｎ１ａ１ｂ１){(ａ１＋ｂ１)／２ａ１ｂ１}2
＝３２(μＬ２Ｓ２／ｎ２ａ２ｂ２){(ａ２＋ｂ２)／２ａ２ｂ２}2 …(1)
ここで、ΔＰは従来スタックでのガス損失、μは流そう
とするガスの粘度を示す。
とするガスの粘度を示す。
【００１１】しかして、本発明では、３２（μＬ１Ｓ１
／ｎ１ａ１ｂ１）｛（ａ１＋ｂ１）／２ａ１ｂ１｝２＞
３２（μＬ２Ｓ２／ｎ２ａ２ｂ２）｛（ａ２＋ｂ２）／
２ａ ２ｂ２｝２を満たすように、溝深さ、溝幅、溝長
さ、及び溝本数を決めることが好ましい。この理由は、
下流ユニットの圧損が、上流ユニットの圧損より大きく
なるとスタック全体にガスを供給する為の圧縮動力が大
きくなり、余分な動力を必要とする為である。
／ｎ１ａ１ｂ１）｛（ａ１＋ｂ１）／２ａ１ｂ１｝２＞
３２（μＬ２Ｓ２／ｎ２ａ２ｂ２）｛（ａ２＋ｂ２）／
２ａ ２ｂ２｝２を満たすように、溝深さ、溝幅、溝長
さ、及び溝本数を決めることが好ましい。この理由は、
下流ユニットの圧損が、上流ユニットの圧損より大きく
なるとスタック全体にガスを供給する為の圧縮動力が大
きくなり、余分な動力を必要とする為である。
【００１２】本発明において、上流ユニットと下流ユニ
ットを接続するための連結部材を有し、この連結部材の
内部に上流ユニットと下流ユニットの燃料供給路は直列
に接続し、空気供給路は並列に接続できるように配管を
形成することが好ましい。ユニットにおけるガスの流れ
について、固体高分子型燃料電池スタックが上流ユニッ
トと下流ユニットの２つのユニットから構成される場合
を例にとると、例えば図７に示すようになる。
ットを接続するための連結部材を有し、この連結部材の
内部に上流ユニットと下流ユニットの燃料供給路は直列
に接続し、空気供給路は並列に接続できるように配管を
形成することが好ましい。ユニットにおけるガスの流れ
について、固体高分子型燃料電池スタックが上流ユニッ
トと下流ユニットの２つのユニットから構成される場合
を例にとると、例えば図７に示すようになる。
【００１３】図７において、符番３１は複数のセル３２
からなる上流ユニットを示し、符番３３は上流ユニット
３１に連結部材３４を介して直列に連結された下流ユニ
ットを示す。ここで、下流ユニット３３も複数のセル３
２を積層して構成されるが、セル数は上流ユニットより
も少なくする。燃料ガスとしての例えば水素（Ｈ２）
は、上流ユニット３１において各セル３２に並列に供給
され、発電に使用されなかったＨ２は連結部材３４を経
て下流ユニット３３に供給される。
からなる上流ユニットを示し、符番３３は上流ユニット
３１に連結部材３４を介して直列に連結された下流ユニ
ットを示す。ここで、下流ユニット３３も複数のセル３
２を積層して構成されるが、セル数は上流ユニットより
も少なくする。燃料ガスとしての例えば水素（Ｈ２）
は、上流ユニット３１において各セル３２に並列に供給
され、発電に使用されなかったＨ２は連結部材３４を経
て下流ユニット３３に供給される。
【００１４】下流ユニット３３においても、Ｈ２は各セ
ル３２に並列に供給される。一方、酸化剤ガスとしての
例えば空気は、上流ユニット３１、下流ユニット３３関
係なく全てのセル３１に並列に供給されるように配管さ
れている。この連結部材３４を導入することにより、従
来どおりのスタック組立て手順で容易に燃料ガス供給路
を直列に、空気供給路を並列に接続することができ、製
作が容易となる。
ル３２に並列に供給される。一方、酸化剤ガスとしての
例えば空気は、上流ユニット３１、下流ユニット３３関
係なく全てのセル３１に並列に供給されるように配管さ
れている。この連結部材３４を導入することにより、従
来どおりのスタック組立て手順で容易に燃料ガス供給路
を直列に、空気供給路を並列に接続することができ、製
作が容易となる。
【００１５】前記各セル３２を構成する構成部材の一つ
であるセパレータにおいては、空気、燃料ガスは図８に
示すように流れる。図８中、符番３５、３６はセパレー
タ３７に形成された空気供給穴、排出穴を示す。空気は
セパレータ３７の一方の面に形成された通路３８に沿っ
て矢印ａのように流れる。また、符番３９，４０は、セ
パレータ３７に形成された燃料ガス供給穴、使用されな
い燃料ガスの排出穴を示す。燃料ガスはセパレータ３７
の他方の面に形成された通路に沿って流れる。
であるセパレータにおいては、空気、燃料ガスは図８に
示すように流れる。図８中、符番３５、３６はセパレー
タ３７に形成された空気供給穴、排出穴を示す。空気は
セパレータ３７の一方の面に形成された通路３８に沿っ
て矢印ａのように流れる。また、符番３９，４０は、セ
パレータ３７に形成された燃料ガス供給穴、使用されな
い燃料ガスの排出穴を示す。燃料ガスはセパレータ３７
の他方の面に形成された通路に沿って流れる。
【００１６】本発明において、各ユニットでの燃料利用
率をηＨ２[％]としたとき、各ユニット内でのセパレー
タ間の燃料ガス流量偏差は±(１００-ηＨ２)[％]以内
にすることが好ましい。もし、流量偏差がこの範囲を越
えると、発電に必要なガスが供給されないセルが発生
し、セルの損傷につながる為である。
率をηＨ２[％]としたとき、各ユニット内でのセパレー
タ間の燃料ガス流量偏差は±(１００-ηＨ２)[％]以内
にすることが好ましい。もし、流量偏差がこの範囲を越
えると、発電に必要なガスが供給されないセルが発生
し、セルの損傷につながる為である。
【００１７】
【実施例】以下、本発明の実施例について説明する。な
お、下記実施例に記載された数値等は一例を示すもの
で、本願の権利範囲を特定するものではない。 （実施例１）図１及び図２を参照する。ここで、図１は
実施例１に係る固体高分子型燃料電池スタック１１の概
略的な説明図、図２は同スタック１１の一構成部材であ
るセル１９の断面図を示す。
お、下記実施例に記載された数値等は一例を示すもの
で、本願の権利範囲を特定するものではない。 （実施例１）図１及び図２を参照する。ここで、図１は
実施例１に係る固体高分子型燃料電池スタック１１の概
略的な説明図、図２は同スタック１１の一構成部材であ
るセル１９の断面図を示す。
【００１８】固体高分子型燃料電池スタック１１は、セ
ル枚数４８枚の上流ユニット１２と、セル枚数１２枚の
下流ユニット１３を備えている。上流ユニット１２で
は、燃料ガス及び酸化剤ガスが全てのセル１９に並列に
供給されるようになっている。燃料ガスは例えばガス供
給管１４より上流ユニット１２の長手方向に設置された
マニホールド１５ａを介して全てのセル１９に供給さ
れ、セル１９で発電に使用されなかった排気ガスが別の
マニホールド１５ｂを経てガス排出管１６より下流側の
下流ユニット１２に供給されるように配管されている。
ル枚数４８枚の上流ユニット１２と、セル枚数１２枚の
下流ユニット１３を備えている。上流ユニット１２で
は、燃料ガス及び酸化剤ガスが全てのセル１９に並列に
供給されるようになっている。燃料ガスは例えばガス供
給管１４より上流ユニット１２の長手方向に設置された
マニホールド１５ａを介して全てのセル１９に供給さ
れ、セル１９で発電に使用されなかった排気ガスが別の
マニホールド１５ｂを経てガス排出管１６より下流側の
下流ユニット１２に供給されるように配管されている。
【００１９】下流ユニット１３では、ガス排出管１６に
接続されたガス供給管１７より下流ユニット１３の長手
方向に設置されたマニホールド１５ｃを介して全てのセ
ルに供給された後、別のマニホールド１５ｄ、ガス排出
管１８より排気されるように配管されている。また、酸
化剤ガスは、上流ユニット１２、下流ユニット１３関係
なく、全てのセル１９に並列に供給されるように配管さ
れている。
接続されたガス供給管１７より下流ユニット１３の長手
方向に設置されたマニホールド１５ｃを介して全てのセ
ルに供給された後、別のマニホールド１５ｄ、ガス排出
管１８より排気されるように配管されている。また、酸
化剤ガスは、上流ユニット１２、下流ユニット１３関係
なく、全てのセル１９に並列に供給されるように配管さ
れている。
【００２０】前記セル１９は、固体高分子膜２０を２種
類の燃料極２１、空気極２２で挟み込んでＰＥＦＣ２３
を構成し、更にこのＰＥＦＣ２３を２枚のセパレータ２
４，２５で挟んだ構成となっている。また、ＰＥＦＣ２
３とセパレータ２４，２５の間にはカーボンペーパの拡
散層２６，２７が挿入されている。前記セパレータ２
４，２５には燃料ガス、空気（酸化剤ガス）を夫々供給
する為の溝２４ａ，２５ａが形成されている。
類の燃料極２１、空気極２２で挟み込んでＰＥＦＣ２３
を構成し、更にこのＰＥＦＣ２３を２枚のセパレータ２
４，２５で挟んだ構成となっている。また、ＰＥＦＣ２
３とセパレータ２４，２５の間にはカーボンペーパの拡
散層２６，２７が挿入されている。前記セパレータ２
４，２５には燃料ガス、空気（酸化剤ガス）を夫々供給
する為の溝２４ａ，２５ａが形成されている。
【００２１】このように、実施例１に係る固体高分子型
燃料電池スタック１１は、４８枚のセル１９を積層した
上流ユニット１２と１２枚のセル１９を積層した下流ユ
ニット１３の２つのユニットに分け、これらユニット同
士を直列に接続して発電を行う構成となっている。従っ
て、従来と比べて、ガスの高利用率による運転が可能で
ある。また、構成部材の精度の幅を広く設定できて歩留
りが向上する。
燃料電池スタック１１は、４８枚のセル１９を積層した
上流ユニット１２と１２枚のセル１９を積層した下流ユ
ニット１３の２つのユニットに分け、これらユニット同
士を直列に接続して発電を行う構成となっている。従っ
て、従来と比べて、ガスの高利用率による運転が可能で
ある。また、構成部材の精度の幅を広く設定できて歩留
りが向上する。
【００２２】例えば、上流ユニット１２に４８枚のセル
を利用率９０［％］で発電するのに必要な燃料ガス（水
素濃度75［％］）を供給して利用率８０［％］で発電を
行う場合、上流ユニット１２からの排気ガスを下流ユニ
ット１３に供給し、下流ユニット１３で利用率８０
［％］で発電を行うことにより、各ユニットは利用率８
０［％］の運転ながらスタックとしては利用率９０
［％］の運転が可能である。また、このとき下流ユニッ
ト１３ではセル１枚あたりの燃料ガス流量が上流ユニッ
トよりも大きくなるため、燃料ガスの圧損が大きくなる
のを防ぐ目的で、下流ユニット１３の溝深さ、溝溝幅、
溝長さを上流ユニットのそれらに対し夫々数倍すること
により圧損の増加を抑えることができる。
を利用率９０［％］で発電するのに必要な燃料ガス（水
素濃度75［％］）を供給して利用率８０［％］で発電を
行う場合、上流ユニット１２からの排気ガスを下流ユニ
ット１３に供給し、下流ユニット１３で利用率８０
［％］で発電を行うことにより、各ユニットは利用率８
０［％］の運転ながらスタックとしては利用率９０
［％］の運転が可能である。また、このとき下流ユニッ
ト１３ではセル１枚あたりの燃料ガス流量が上流ユニッ
トよりも大きくなるため、燃料ガスの圧損が大きくなる
のを防ぐ目的で、下流ユニット１３の溝深さ、溝溝幅、
溝長さを上流ユニットのそれらに対し夫々数倍すること
により圧損の増加を抑えることができる。
【００２３】更に、スタックを締め付けると、拡散層が
セパレータの溝に食込み溝の断面積を小さくするため
に、各セル間で圧損がばらつき、流量がばらつく可能性
があるが、本発明を用いることにより食込み量の幅を広
く設定でき、スタックの締付け条件等を広く設定でき
る。
セパレータの溝に食込み溝の断面積を小さくするため
に、各セル間で圧損がばらつき、流量がばらつく可能性
があるが、本発明を用いることにより食込み量の幅を広
く設定でき、スタックの締付け条件等を広く設定でき
る。
【００２４】上記実施例１に係るスタックと従来のスタ
ック（図３図示）における水素利用率（＝理論必要水素
量÷供給水素量×１００）と発電電圧（平均電圧）との
関係を調べたところ、図４に示す結果が得られた。但
し、発電条件は、下記のとおりである。
ック（図３図示）における水素利用率（＝理論必要水素
量÷供給水素量×１００）と発電電圧（平均電圧）との
関係を調べたところ、図４に示す結果が得られた。但
し、発電条件は、下記のとおりである。
【００２５】・利用ガス 燃料ガス：７５％Ｈ２−１
０％Ｎ２−１５ＣＯ２ 酸化剤ガス：空気 ・ガス利用率 ηＨ２＝ｘ［％］，ηＯ２＝４０［％］ ・スタック平均温度 ６５［℃］ ・電流密度 ０．３５［Ａ／ｃｍ２］ ・出口圧力 ０．２［ＭＰａ］ 図４より、本実施例１の場合、従来例と比較して高水素
利用率でも高いセル電圧を得ることができ、また発電効
率［％］（＝電圧［Ｖ／ｃｅｌｌ］×０．６７５（定
数）×水素利用率）は水素利用率が大きくなるために２
０％程度改善されることが確認できた。
０％Ｎ２−１５ＣＯ２ 酸化剤ガス：空気 ・ガス利用率 ηＨ２＝ｘ［％］，ηＯ２＝４０［％］ ・スタック平均温度 ６５［℃］ ・電流密度 ０．３５［Ａ／ｃｍ２］ ・出口圧力 ０．２［ＭＰａ］ 図４より、本実施例１の場合、従来例と比較して高水素
利用率でも高いセル電圧を得ることができ、また発電効
率［％］（＝電圧［Ｖ／ｃｅｌｌ］×０．６７５（定
数）×水素利用率）は水素利用率が大きくなるために２
０％程度改善されることが確認できた。
【００２６】（実施例２）本実施例２の固体高分子型燃
料電池スタックは、実施例１のスタックと比べ、上流ユ
ニット１２を５４枚のセルを積層して構成し、下流ユニ
ット１３を６枚のセルを積層して構成した点を除いて、
基本的な構成は同じである。
料電池スタックは、実施例１のスタックと比べ、上流ユ
ニット１２を５４枚のセルを積層して構成し、下流ユニ
ット１３を６枚のセルを積層して構成した点を除いて、
基本的な構成は同じである。
【００２７】実施例２においても、燃料ガスはまず上流
ユニット１２に供給され、発電に使用されなかった排気
ガスは下流ユニット１３に供給されるように配管されて
いる。また、酸化剤ガスは、上流ユニット１２、下流ユ
ニット１３関係なく全てのセルに並列に供給されるよう
に配管されている。
ユニット１２に供給され、発電に使用されなかった排気
ガスは下流ユニット１３に供給されるように配管されて
いる。また、酸化剤ガスは、上流ユニット１２、下流ユ
ニット１３関係なく全てのセルに並列に供給されるよう
に配管されている。
【００２８】上記実施例２に係る固体高分子型燃料電池
スタックと従来スタック（図３）における水素利用率と
発電電圧（平均電圧）との関係を調べたところ、図５に
示す結果が得られた。但し、発電条件は、下記のとおり
である。
スタックと従来スタック（図３）における水素利用率と
発電電圧（平均電圧）との関係を調べたところ、図５に
示す結果が得られた。但し、発電条件は、下記のとおり
である。
【００２９】・利用ガス 燃料ガス：７５％Ｈ２−１
０％Ｎ２−２５ＣＯ２ 酸化剤ガス：空気 ・ガス利用率 ηＨ２＝ｘ［％］，ηＯ２＝４０［％］ ・スタック平均温度 ６５［℃］ ・電流密度 ０．３５［Ａ／ｃｍ２］ ・出口圧力 ０．２［ＭＰａ］ 図５より、本実施例２の場合、従来例と比較して高水素
利用率でも高いセル電圧を得ることができ、また発電効
率は水素利用率が大きくなるために２０％程度改善され
ることが確認できた。
０％Ｎ２−２５ＣＯ２ 酸化剤ガス：空気 ・ガス利用率 ηＨ２＝ｘ［％］，ηＯ２＝４０［％］ ・スタック平均温度 ６５［℃］ ・電流密度 ０．３５［Ａ／ｃｍ２］ ・出口圧力 ０．２［ＭＰａ］ 図５より、本実施例２の場合、従来例と比較して高水素
利用率でも高いセル電圧を得ることができ、また発電効
率は水素利用率が大きくなるために２０％程度改善され
ることが確認できた。
【００３０】（実施例３）本実施例３の固体高分子型燃
料電池スタックは、実施例１のスタックと比べ、上流ユ
ニット１２を４０枚のセルを積層して構成し、下流ユニ
ット１３を２０枚のセルを積層して構成した点を除い
て、基本的な構成は同じである。
料電池スタックは、実施例１のスタックと比べ、上流ユ
ニット１２を４０枚のセルを積層して構成し、下流ユニ
ット１３を２０枚のセルを積層して構成した点を除い
て、基本的な構成は同じである。
【００３１】実施例３においても、燃料ガスはまず上流
ユニット１２に供給され、発電に使用されなかった排気
ガスは下流ユニット１３に供給されるように配管されて
いる。また、酸化剤ガスは、上流ユニット１２、下流ユ
ニット１３関係なく全てのセルに並列に供給されるよう
に配管されている。
ユニット１２に供給され、発電に使用されなかった排気
ガスは下流ユニット１３に供給されるように配管されて
いる。また、酸化剤ガスは、上流ユニット１２、下流ユ
ニット１３関係なく全てのセルに並列に供給されるよう
に配管されている。
【００３２】上記実施例３に係る固体高分子型燃料電池
スタックと従来スタック（図３）における水素利用率と
発電電圧（平均電圧）との関係を調べたところ、図６に
示す結果が得られた。但し、発電条件は、下記のとおり
である。
スタックと従来スタック（図３）における水素利用率と
発電電圧（平均電圧）との関係を調べたところ、図６に
示す結果が得られた。但し、発電条件は、下記のとおり
である。
【００３３】・利用ガス 燃料ガス：７５％Ｈ２−１
０％Ｎ２−２５ＣＯ２ 酸化剤ガス：空気 ・ガス利用率 ηＨ２＝ｘ［％］，ηＯ２＝４０［％］ ・スタック平均温度 ６５［℃］ ・電流密度 ０．３５［Ａ／ｃｍ２］ ・出口圧力 ０．２［ＭＰａ］ 図６より、本実施例３の場合、従来例と比較して高水素
利用率でも高いセル電圧を得ることができ、また発電効
率は水素利用率が大きくなるために２０％程度改善され
ることが確認できた。
０％Ｎ２−２５ＣＯ２ 酸化剤ガス：空気 ・ガス利用率 ηＨ２＝ｘ［％］，ηＯ２＝４０［％］ ・スタック平均温度 ６５［℃］ ・電流密度 ０．３５［Ａ／ｃｍ２］ ・出口圧力 ０．２［ＭＰａ］ 図６より、本実施例３の場合、従来例と比較して高水素
利用率でも高いセル電圧を得ることができ、また発電効
率は水素利用率が大きくなるために２０％程度改善され
ることが確認できた。
【００３４】
【発明の効果】以上詳述したように本発明によれば、複
数個のセルを複数のユニットに分け、これらユニット同
士を直列に接続して発電を行うことにより、ガスの高利
用率による運転を実現するとともに、構成部材の精度の
幅を広く設定できて歩留りを向上しえ、またスタックの
締付け条件等を広く設定でき、組立て工程を簡素化でき
るる固体高分子型燃料電池スタックを提供できる。
数個のセルを複数のユニットに分け、これらユニット同
士を直列に接続して発電を行うことにより、ガスの高利
用率による運転を実現するとともに、構成部材の精度の
幅を広く設定できて歩留りを向上しえ、またスタックの
締付け条件等を広く設定でき、組立て工程を簡素化でき
るる固体高分子型燃料電池スタックを提供できる。
【図１】本発明の実施例１に係る固体高分子型燃料電池
スタックの説明図。
スタックの説明図。
【図２】図１のスタックを構成するセルの説明図。
【図３】従来の固体高分子型燃料電池スタックの説明
図。
図。
【図４】実施例１及び従来に係る固体高分子型燃料電池
スタックにおける水素利用率と平均電圧との関係を示す
特性図。
スタックにおける水素利用率と平均電圧との関係を示す
特性図。
【図５】実施例２及び従来に係る固体高分子型燃料電池
スタックにおける水素利用率と平均電圧との関係を示す
特性図。
スタックにおける水素利用率と平均電圧との関係を示す
特性図。
【図６】実施例３及び従来に係る固体高分子型燃料電池
スタックにおける水素利用率と平均電圧との関係を示す
特性図。
スタックにおける水素利用率と平均電圧との関係を示す
特性図。
【図７】本発明に係る固体高分子型燃料電池スタックに
おける燃料ガス及び酸化剤ガスの流れの概略的な説明
図。
おける燃料ガス及び酸化剤ガスの流れの概略的な説明
図。
【図８】図７のスタックのセルにおけるガスの流れの説
明図。
明図。
１１…固体高分子型燃料電池スタック、
１２…上流ユニット、
１３…下流ユニット、
１４，１７…ガス供給管、
１５ａ，１５ａ，１５ｃ，１５ｄ…マニホールド、
１６，１８…ガス排出管、
１９…セル、
２０…固体高分子膜、
２１…燃料極、
２２…空気極、
２３…固体高分子型燃料電池（ＰＥＦＣ）、
２４，２５…セパレータ、
２４ａ，２５ａ…溝。
─────────────────────────────────────────────────────
フロントページの続き
(72)発明者 森賀 卓也
広島県広島市西区観音新町四丁目６番22号
三菱重工業株式会社広島研究所内
(72)発明者 山田 保
広島県広島市西区観音新町四丁目６番22号
三菱重工業株式会社広島研究所内
(72)発明者 佐藤 昭男
広島県広島市西区観音新町四丁目６番22号
三菱重工業株式会社広島研究所内
Ｆターム(参考） 5H026 AA06 CC03 CC08 CC10
Claims (7)
- 【請求項１】 固体高分子膜の両側を燃料極、空気極で
夫々挟んだ固体高分子型燃料電池を、両サイドから燃料
極側セパレータ、空気極側セパレータで挟んでセルを構
成し、これらセルを複数個直列に接続して発電を行う固
体高分子型燃料電池スタックであり、 複数個のセルを複数のユニットに分け、これらユニット
同士の燃料ガス供給路を直列に接続し、ユニット同士の
空気ガス供給路を並列に接続して発電を行うことを特徴
とする固体高分子型燃料電池スタック。 - 【請求項２】 前記ユニットの数が３つ以内であること
を特徴とする請求項１記載の固体高分子型燃料電池スタ
ック。 - 【請求項３】 上流側のユニットのセル数は下流側のユ
ニットのセル数に比べて多いことを特徴とする請求項１
もしくは請求項２いずれか１項記載の固体高分子型燃料
電池スタック。 - 【請求項４】 前記ユニットは上流ユニットと該上流ユ
ニットに直列に接続された下流ユニットの２つのユニッ
トであり、上流ユニットのセル数と下流ユニットのセル
数の比は９：１〜２：１であることを特徴とする請求項
１乃至請求項３いずれか1項記載の固体高分子型燃料電
池スタック。 - 【請求項５】 上流ユニットのセパレータの燃料ガス側
溝深さをａ１［ｍ］、溝幅をｂ１［ｍ］、溝長さをＬ１
［ｍ］、溝本数をｎ１［本］、上流ユニットのセル１枚
に供給されるガス流量をＳ１［ｍ３／ｓｅｃ］としたと
き、下流ユニットの燃料ガス側溝形状を、溝深さをａ２
［ｍ］、溝幅をｂ２［ｍ］、溝長さをＬ２ｓ［ｍ］、溝
本数をｎ２［本］、下流ユニットのセル１枚に供給され
るガス流量をＳ２［ｍ３／ｓｅｃ］として、３２（μＬ
１Ｓ１／ｎ１ａ１ｂ１）｛（ａ １＋ｂ１）／２ａ
１ｂ１｝２＞３２（μＬ２Ｓ２／ｎ２ａ２ｂ２）｛（ａ
２＋ｂ ２）／２ａ２ｂ２｝２を満たすように決めたこと
を特徴とする請求項1乃至請求項４いずれか1項記載の固
体高分子型燃料電池スタック。 - 【請求項６】 上流ユニットと下流ユニットを接続する
為の連結部材を有し、この連結部材の内部には上流ユニ
ットと下流ユニットの燃料供給路は直列に接続し、空気
供給路は並列に接続できるように配管が形成されている
ことを特徴とする請求項1乃至請求項４いずれか1項記載
の固体高分子型燃料電池スタック。 - 【請求項７】 各ユニットでの燃料利用率をηＨ２[％]
としたとき、各ユニット内でのセパレータ間の燃料ガス
流量偏差を±(１００-ηＨ２)[％]以内にしたことを特
徴とする請求項1乃至請求項４いずれか1項記載の固体高
分子型燃料電池スタック。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2002158476A JP2003346870A (ja) | 2002-05-31 | 2002-05-31 | 固体高分子型燃料電池スタック |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2002158476A JP2003346870A (ja) | 2002-05-31 | 2002-05-31 | 固体高分子型燃料電池スタック |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2003346870A true JP2003346870A (ja) | 2003-12-05 |
Family
ID=29773734
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2002158476A Pending JP2003346870A (ja) | 2002-05-31 | 2002-05-31 | 固体高分子型燃料電池スタック |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2003346870A (ja) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP5073737B2 (ja) * | 2007-03-16 | 2012-11-14 | 日立マクセルエナジー株式会社 | 燃料電池発電システム |
| CN114365313A (zh) * | 2019-09-24 | 2022-04-15 | 日产自动车株式会社 | 燃料电池系统和燃料电池系统的控制方法 |
-
2002
- 2002-05-31 JP JP2002158476A patent/JP2003346870A/ja active Pending
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP5073737B2 (ja) * | 2007-03-16 | 2012-11-14 | 日立マクセルエナジー株式会社 | 燃料電池発電システム |
| CN114365313A (zh) * | 2019-09-24 | 2022-04-15 | 日产自动车株式会社 | 燃料电池系统和燃料电池系统的控制方法 |
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|
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| A02 | Decision of refusal |
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