JP2555515B2 - 燃料電池 - Google Patents
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Classifications
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- 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
- Fuel Cell (AREA)
Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、燃料電池に係り、特に
内部マニホールド型にて各セルへ均一にガスを供給する
ガス供給構造に関する。
内部マニホールド型にて各セルへ均一にガスを供給する
ガス供給構造に関する。
【０００２】
【従来の技術】燃料電池において、燃料ガス及び酸化剤
ガスを単位セルに供給する方式には種々の構造が採用さ
れている。図６は、内部マニホールド型燃料電池の斜視
図である。図に示されるように、単位セルを構成するセ
パレータ１１、電解質板１３の周辺部に燃料ガス及び酸
化剤ガスそれぞれを給排気する流路即ちマニホールド
が、通常は前記２種のガスが電解質板の方向に流れる際
にそれらガス流の方向が直交するように、穿設されてい
る。単位セルを複数個積層して形成される積層セルスタ
ックに前記２種のガスを供給・排出する場合、その積層
セルスタックの上下にガスを供給・排出するためのガス
ヘッダ４及び５を設ける。通常、上ガスヘッダ４はその
下側に隣接する積層セルスタックにガスを供給し、下ガ
スヘッダ５はその上側に隣接する積層セルスタックにガ
スを供給する構造となっている。
ガスを単位セルに供給する方式には種々の構造が採用さ
れている。図６は、内部マニホールド型燃料電池の斜視
図である。図に示されるように、単位セルを構成するセ
パレータ１１、電解質板１３の周辺部に燃料ガス及び酸
化剤ガスそれぞれを給排気する流路即ちマニホールド
が、通常は前記２種のガスが電解質板の方向に流れる際
にそれらガス流の方向が直交するように、穿設されてい
る。単位セルを複数個積層して形成される積層セルスタ
ックに前記２種のガスを供給・排出する場合、その積層
セルスタックの上下にガスを供給・排出するためのガス
ヘッダ４及び５を設ける。通常、上ガスヘッダ４はその
下側に隣接する積層セルスタックにガスを供給し、下ガ
スヘッダ５はその上側に隣接する積層セルスタックにガ
スを供給する構造となっている。
【０００３】しかし、セルの積層数が増加すると積層セ
ルスタックの上下に配したガスヘッダのみでこれらのガ
スを供給・排出すると、積層セルスタック内に形成され
るマニホールド流路内でのガス流速が大きくなり、各セ
ルに均一にガスを供給することが困難になってくる。
ルスタックの上下に配したガスヘッダのみでこれらのガ
スを供給・排出すると、積層セルスタック内に形成され
るマニホールド流路内でのガス流速が大きくなり、各セ
ルに均一にガスを供給することが困難になってくる。
【０００４】そこで、従来のガス供給構造としては特開
昭６３−２３６２７３号公報にあるように、積層セルス
タックの中間に中間ガスヘッダを配設し、上ガスヘッダ
及び下ガスヘッダから燃料ガス、あるいは、酸化剤ガス
のいずれか一方のガスを供給し、中間ガスヘッダからそ
の上下にある積層セルスタックに他方のガスを供給する
燃料電池のガス供給構造が用いられていた。
昭６３−２３６２７３号公報にあるように、積層セルス
タックの中間に中間ガスヘッダを配設し、上ガスヘッダ
及び下ガスヘッダから燃料ガス、あるいは、酸化剤ガス
のいずれか一方のガスを供給し、中間ガスヘッダからそ
の上下にある積層セルスタックに他方のガスを供給する
燃料電池のガス供給構造が用いられていた。
【０００５】ここで従来の中間ガスヘッダ６は図７に示
すように、積層セルスタック内に形成されているマニホ
ールド部分と一体となって内部マニホールドを構成する
マニホールド２、３部分を仕切板６ａで上下に分割し、
中間ガスヘッダの上下に隣接する積層セルにガスを供給
する構造となっている。
すように、積層セルスタック内に形成されているマニホ
ールド部分と一体となって内部マニホールドを構成する
マニホールド２、３部分を仕切板６ａで上下に分割し、
中間ガスヘッダの上下に隣接する積層セルにガスを供給
する構造となっている。
【０００６】燃料ガスを例にとり従来のガスの流れを図
５（ａ）で説明する。図５（ａ）に示された２個の積層
セルスタック１ａはそれらの間に中間ガスヘッダ６を介
在させて２段重ねになっており、上側の積層スタックの
上には上ガスヘッダ４が、また下側の積層スタックの下
には下ガスヘッダ５が配置されている。燃料ガスは、上
ガスヘッダ４から２段重ねの上側の積層スタックに供給
され、下ガスヘッダ５から２段重ねの下側の積層スタッ
クに供給される。酸化ガスは、中間ガスヘッダ６から２
段重ね積層スタックの両方に供給される。上ガスヘッダ
４から供給されるガスは給気側マニホールド２ａにおい
て下向きに流れ、排気側マニホールド３ａでは上向きに
流れる。また、下ガスヘッダから供給されるガスは前記
と逆向きの流れになる。このように、給気側マニホール
ド２ａ内と、排気側マニホールド３ａ内で流れが逆向き
になるような構造を反流型のガス供給構造という。
５（ａ）で説明する。図５（ａ）に示された２個の積層
セルスタック１ａはそれらの間に中間ガスヘッダ６を介
在させて２段重ねになっており、上側の積層スタックの
上には上ガスヘッダ４が、また下側の積層スタックの下
には下ガスヘッダ５が配置されている。燃料ガスは、上
ガスヘッダ４から２段重ねの上側の積層スタックに供給
され、下ガスヘッダ５から２段重ねの下側の積層スタッ
クに供給される。酸化ガスは、中間ガスヘッダ６から２
段重ね積層スタックの両方に供給される。上ガスヘッダ
４から供給されるガスは給気側マニホールド２ａにおい
て下向きに流れ、排気側マニホールド３ａでは上向きに
流れる。また、下ガスヘッダから供給されるガスは前記
と逆向きの流れになる。このように、給気側マニホール
ド２ａ内と、排気側マニホールド３ａ内で流れが逆向き
になるような構造を反流型のガス供給構造という。
【０００７】ここで、燃料ガス及び酸化剤ガスは、セル
反応面で体積変化と、組成変化による密度変化が生ず
る。燃料ガス側では、給気側マニホールド２ａに比べ、
排気側マニホールド３ａを流れるガスは、炭酸ガスや水
が主成分で密度は高くなる。この結果、従来の反流型ガ
ス給気構造で、燃料ガスを積層セルスタック１ａ上方か
ら供給した場合は、ガスの密度差による循環力の影響に
より、積層電池の積層上側のセルにガスが流れ易くな
り、下側のセルにはガスが流れにくくなる。また、酸化
剤ガス側では、燃料ガスとは逆に、給気側マニホールド
に比べ、排気側マニホールドを流れるガスの方が密度が
低くなる。この結果、積層下方から酸化剤ガスを供給す
る場合は、ガスの密度差による循環力の影響により積層
セルスタック１ａの積層下側のセルにガスが流れ易くな
り、上側のセルにはガスが流れにくくなる。
反応面で体積変化と、組成変化による密度変化が生ず
る。燃料ガス側では、給気側マニホールド２ａに比べ、
排気側マニホールド３ａを流れるガスは、炭酸ガスや水
が主成分で密度は高くなる。この結果、従来の反流型ガ
ス給気構造で、燃料ガスを積層セルスタック１ａ上方か
ら供給した場合は、ガスの密度差による循環力の影響に
より、積層電池の積層上側のセルにガスが流れ易くな
り、下側のセルにはガスが流れにくくなる。また、酸化
剤ガス側では、燃料ガスとは逆に、給気側マニホールド
に比べ、排気側マニホールドを流れるガスの方が密度が
低くなる。この結果、積層下方から酸化剤ガスを供給す
る場合は、ガスの密度差による循環力の影響により積層
セルスタック１ａの積層下側のセルにガスが流れ易くな
り、上側のセルにはガスが流れにくくなる。
【０００８】また、燃料電池はその性能を向上するため
に加圧運転を行うが、反応ガスの圧力が高くなると、セ
ルの反応面でのガス流速が小さくなって圧力損失が小さ
くなり、そのため、流路抵抗による圧力損失に対する密
度差の影響が相対的に大きくなり、密度差による不均一
分散の度合が燃料電池の加圧運転下で大きくなり、積層
セル間での流量分布の不均一度が大きくなる。
に加圧運転を行うが、反応ガスの圧力が高くなると、セ
ルの反応面でのガス流速が小さくなって圧力損失が小さ
くなり、そのため、流路抵抗による圧力損失に対する密
度差の影響が相対的に大きくなり、密度差による不均一
分散の度合が燃料電池の加圧運転下で大きくなり、積層
セル間での流量分布の不均一度が大きくなる。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】上述したように、電池
セル内での電気化学反応に伴う反応ガスの各セルの入口
と出口での密度変化によって、各セル間での流量分布の
不均一さが助長され、その影響は積層セル数が多くなる
ほど、また、運転圧力が高くなる程大きくなる。本発明
の目的は、燃料電池積層スタックの各セルへ配分される
燃料ガス及び酸化剤ガスの流量分布を改善した燃料電池
を提供することにある。
セル内での電気化学反応に伴う反応ガスの各セルの入口
と出口での密度変化によって、各セル間での流量分布の
不均一さが助長され、その影響は積層セル数が多くなる
ほど、また、運転圧力が高くなる程大きくなる。本発明
の目的は、燃料電池積層スタックの各セルへ配分される
燃料ガス及び酸化剤ガスの流量分布を改善した燃料電池
を提供することにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明の第１の燃料電池は、複数の単位セルが積層
されかつ各単位セルの周辺部に穿設された燃料ガスの給
気用流路及び排気用流路、及び酸化剤ガスの給気用流路
及び排気用流路がそれぞれ積層されて内部マニホールド
を形成する内部マニホールド型積層セルスタックの複数
個を上下に配置し、最上段の積層セルスタック上に上部
ガスヘッダを、隣合う積層セルスタック間に中間ガスヘ
ッダを、最下段の積層セルスタックの下に下部ガスヘッ
ダを設置された燃料電池において、上部ガスヘッダは下
側に隣接する積層セルスタックの内部マニホールドに連
通する内部マニホールドを、中間ガスヘッダは上下側で
隣接する積層セルスタックの内部マニホールドに連通し
かつ自らは上下に貫通するマニホールドを、下部ガスヘ
ッダは上側に隣接する積層セルスタックの内部マニホー
ルドに連通するマニホールドをそれぞれ有し、ガスヘッ
ダ、中間ガスヘッダおよび下部ガスヘッダはそれぞれ燃
料ガス及び酸化剤ガスを供給、排出することを特徴とす
る。
に、本発明の第１の燃料電池は、複数の単位セルが積層
されかつ各単位セルの周辺部に穿設された燃料ガスの給
気用流路及び排気用流路、及び酸化剤ガスの給気用流路
及び排気用流路がそれぞれ積層されて内部マニホールド
を形成する内部マニホールド型積層セルスタックの複数
個を上下に配置し、最上段の積層セルスタック上に上部
ガスヘッダを、隣合う積層セルスタック間に中間ガスヘ
ッダを、最下段の積層セルスタックの下に下部ガスヘッ
ダを設置された燃料電池において、上部ガスヘッダは下
側に隣接する積層セルスタックの内部マニホールドに連
通する内部マニホールドを、中間ガスヘッダは上下側で
隣接する積層セルスタックの内部マニホールドに連通し
かつ自らは上下に貫通するマニホールドを、下部ガスヘ
ッダは上側に隣接する積層セルスタックの内部マニホー
ルドに連通するマニホールドをそれぞれ有し、ガスヘッ
ダ、中間ガスヘッダおよび下部ガスヘッダはそれぞれ燃
料ガス及び酸化剤ガスを供給、排出することを特徴とす
る。
【００１１】また、本発明の第２の燃料電池は、複数の
単位セルが積層されかつ各単位セルの周辺部に穿設され
た燃料ガスの給気用流路及び排気用流路、及び酸化剤ガ
スの給気用流路及び排気用流路がそれぞれ積層されて内
部マニホールドを形成する内部マニホールド型積層セル
スタックの複数個を上下方向に配置し、最上位の積層セ
ルスタック上に上部ガスヘッダを、隣合う積層セルスタ
ック間に中間ガスヘッダを、最下位の積層セルスタック
の下に下部ガスヘッダを設置された燃料電池において、
(a)上部ガスヘッダは下側に隣接する積層セルスタック
の燃料ガスの給気用及び排気用の内部マニホールドに連
通する内部マニホールドを有して燃料ガスを供給、排出
し、(b)上部ガスヘッダに１番近い中間ガスヘッダは上
下側で隣接する積層セルスタックの酸化剤ガスの給気用
及び排気用の内部マニホールドに連通し自らは上下に貫
通する内部マニホールドを有して酸化剤ガスを供給、排
出すると共にこの上下側で隣接する積層セルスタックの
燃料ガスの給気用及び排気用の内部マニホールド間を上
下に貫通させる内部マニホールドを有し、(c)上部ガス
ヘッダに２番目に近い中間ガスヘッダは上下側で隣接す
る積層セルスタックの燃料ガスの給気用及び排気用の内
部マニホールドに連通しかつ自らは上下に貫通する内部
マニホールドを有して燃料ガスを供給、排出すると共に
この上下側で隣接する積層セルスタックの酸化剤ガスの
給気用及び排気用の内部マニホールド間を上下に貫通さ
せる内部マニホールドを有し、(d)上部ガスヘッダに３
番目に近い中間ガスヘッダは上記(a)の1番目の中間ガス
ヘッダと同じであって、(e)下部ガスヘッダは上側に隣
接する積層セルスタックの燃料ガスの給気用及び排気用
の内部マニホールドに連通する内部マニホールドを有し
て燃料ガスを供給、排出することを特徴とする。
単位セルが積層されかつ各単位セルの周辺部に穿設され
た燃料ガスの給気用流路及び排気用流路、及び酸化剤ガ
スの給気用流路及び排気用流路がそれぞれ積層されて内
部マニホールドを形成する内部マニホールド型積層セル
スタックの複数個を上下方向に配置し、最上位の積層セ
ルスタック上に上部ガスヘッダを、隣合う積層セルスタ
ック間に中間ガスヘッダを、最下位の積層セルスタック
の下に下部ガスヘッダを設置された燃料電池において、
(a)上部ガスヘッダは下側に隣接する積層セルスタック
の燃料ガスの給気用及び排気用の内部マニホールドに連
通する内部マニホールドを有して燃料ガスを供給、排出
し、(b)上部ガスヘッダに１番近い中間ガスヘッダは上
下側で隣接する積層セルスタックの酸化剤ガスの給気用
及び排気用の内部マニホールドに連通し自らは上下に貫
通する内部マニホールドを有して酸化剤ガスを供給、排
出すると共にこの上下側で隣接する積層セルスタックの
燃料ガスの給気用及び排気用の内部マニホールド間を上
下に貫通させる内部マニホールドを有し、(c)上部ガス
ヘッダに２番目に近い中間ガスヘッダは上下側で隣接す
る積層セルスタックの燃料ガスの給気用及び排気用の内
部マニホールドに連通しかつ自らは上下に貫通する内部
マニホールドを有して燃料ガスを供給、排出すると共に
この上下側で隣接する積層セルスタックの酸化剤ガスの
給気用及び排気用の内部マニホールド間を上下に貫通さ
せる内部マニホールドを有し、(d)上部ガスヘッダに３
番目に近い中間ガスヘッダは上記(a)の1番目の中間ガス
ヘッダと同じであって、(e)下部ガスヘッダは上側に隣
接する積層セルスタックの燃料ガスの給気用及び排気用
の内部マニホールドに連通する内部マニホールドを有し
て燃料ガスを供給、排出することを特徴とする。
【００１２】また、本発明の第３の燃料電池は、第２の
燃料電池において、下部ガスヘッダとその上側に隣接す
る積層セルスタックの間に、上部ガスヘッダに２番目に
近い中間ガスヘッダとその下側に隣接する積層セルスタ
ック、および上部ガスヘッダに３番目に近い中間ガスヘ
ッダとその下側に隣接する積層セルスタックからなる構
成要素を、繰り返し設置したものである。
燃料電池において、下部ガスヘッダとその上側に隣接す
る積層セルスタックの間に、上部ガスヘッダに２番目に
近い中間ガスヘッダとその下側に隣接する積層セルスタ
ック、および上部ガスヘッダに３番目に近い中間ガスヘ
ッダとその下側に隣接する積層セルスタックからなる構
成要素を、繰り返し設置したものである。
【００１３】そして本発明の第１〜３の各燃料電池にお
いて、中間ガスヘッダの内部マニホールドに、この内部
マニホールドの流路を遮る上下仕切板を設け、この仕切
り板を貫通する貫通管を設けて、上下積層セルスタック
の各内部マニホールドを連通させた構造としても同様の
結果がえられる。
いて、中間ガスヘッダの内部マニホールドに、この内部
マニホールドの流路を遮る上下仕切板を設け、この仕切
り板を貫通する貫通管を設けて、上下積層セルスタック
の各内部マニホールドを連通させた構造としても同様の
結果がえられる。
【００１４】
【作用】このように構成することにより、本発明によれ
ば次の作用により上記の目的が達成される。燃料ガスと
酸化剤ガスは、積層セルスタックの上部ガスヘッダと下
部ガスヘッダと、両ガスヘッダの間に設置される中間ガ
スヘッダを経て供給される。この両ガスにはそれぞれ別
の流路が形成されている。
ば次の作用により上記の目的が達成される。燃料ガスと
酸化剤ガスは、積層セルスタックの上部ガスヘッダと下
部ガスヘッダと、両ガスヘッダの間に設置される中間ガ
スヘッダを経て供給される。この両ガスにはそれぞれ別
の流路が形成されている。
【００１５】ガスは、ガスヘッダのマニホールドから積
層セルスタックのマニホールドへ流れ込み、そのあとマ
ニホールドから各セルへ分流してゆく。従来は積層セル
スタックのマニホールドは中間ガスヘッダで区切られて
おり、１個所のガスヘッダからガスを供給し他の１個所
のガスヘッダから排出すると各セルへのガス流量配分が
多少不均一となる。ガスはセルで反応したあと、供給側
と対称な逆の通路を通り、排出される。
層セルスタックのマニホールドへ流れ込み、そのあとマ
ニホールドから各セルへ分流してゆく。従来は積層セル
スタックのマニホールドは中間ガスヘッダで区切られて
おり、１個所のガスヘッダからガスを供給し他の１個所
のガスヘッダから排出すると各セルへのガス流量配分が
多少不均一となる。ガスはセルで反応したあと、供給側
と対称な逆の通路を通り、排出される。
【００１６】燃料電池では、供給されたガスは、化学反
応によりセルへの供給側と排出側で密度変化を生じるの
で、上側にあるガスヘッダから下向きにマニホールドへ
供給されて各セルへ分配されるガスは、ガスヘッダに近
いセルに多く流れ、反対に、下側にあるガスヘッダから
上向きにマニホールドへ供給されて各セルへ分配される
ときは、ガスヘッダに遠いセルに多くのガスが流れる。
従来の技術では、上述した２組のセルグループは他方の
ガスを供給するガスヘッダのマニホールドで仕切られて
いたので、流量は不均一になったままであった。
応によりセルへの供給側と排出側で密度変化を生じるの
で、上側にあるガスヘッダから下向きにマニホールドへ
供給されて各セルへ分配されるガスは、ガスヘッダに近
いセルに多く流れ、反対に、下側にあるガスヘッダから
上向きにマニホールドへ供給されて各セルへ分配される
ときは、ガスヘッダに遠いセルに多くのガスが流れる。
従来の技術では、上述した２組のセルグループは他方の
ガスを供給するガスヘッダのマニホールドで仕切られて
いたので、流量は不均一になったままであった。
【００１７】これに対し、前記の従来のような中間ガス
ヘッダの内部マニホールドの仕切を廃止し積層セルスタ
ックの内部マニホールドを、上から下まで連通させたの
である。このようにすることにより、隣合うガス流量の
多いセルと少ないセルのマニホールドが連通して、流量
配分の不均一さが相殺され、各セルへのガス供給を改善
することができる。
ヘッダの内部マニホールドの仕切を廃止し積層セルスタ
ックの内部マニホールドを、上から下まで連通させたの
である。このようにすることにより、隣合うガス流量の
多いセルと少ないセルのマニホールドが連通して、流量
配分の不均一さが相殺され、各セルへのガス供給を改善
することができる。
【００１８】
【実施例】以下、本発明の実施例となる燃料電池を図に
より説明する。図１は本発明の一実施例の構造とガスの
流れを説明する断面図であり、図１(ａ)は図６のＡーＡ
´断面したもので、燃料ガスの流れを示し、図１(ｂ)は
同様にＢーＢ´断面したもので酸化剤ガスの流れを示し
ている。
より説明する。図１は本発明の一実施例の構造とガスの
流れを説明する断面図であり、図１(ａ)は図６のＡーＡ
´断面したもので、燃料ガスの流れを示し、図１(ｂ)は
同様にＢーＢ´断面したもので酸化剤ガスの流れを示し
ている。
【００１９】図１（ａ）及び（ｂ）において、燃料電池
は単位セルを複数積層した積層セルスタックのブロック
１ａを複数積み重ねて有し、かつ隣接するブロック１
ａ、１ａ間にはそれぞれ中間ガスヘッダ６が挿入されて
いる。燃料電池の上部には、上ガスヘッダ４が、燃料電
池の下部には下ガスヘッダ５が配置されており、そして
上ガスヘッダ４はその下側に隣設するブロック１ａに、
下ガスヘッダ５はその上側に隣設するブロック１ａにガ
スを供給する。
は単位セルを複数積層した積層セルスタックのブロック
１ａを複数積み重ねて有し、かつ隣接するブロック１
ａ、１ａ間にはそれぞれ中間ガスヘッダ６が挿入されて
いる。燃料電池の上部には、上ガスヘッダ４が、燃料電
池の下部には下ガスヘッダ５が配置されており、そして
上ガスヘッダ４はその下側に隣設するブロック１ａに、
下ガスヘッダ５はその上側に隣設するブロック１ａにガ
スを供給する。
【００２０】この一実施例では、最下段に下ガスヘッダ
５を設け、積層セルスタックのブロック１ａを段積み
し、次に酸化剤ガス供給用の中間ガスヘッダ６を設置
し、その上にブロック１ａを段積みしたのち、燃料ガス
供給用の中間ガスヘッダ６を配置する。さらにその上部
へブロック１ａと酸化剤ガス供給用の中間ガスヘッダ６
とブロック１ａを積み上げたのち、上ガスヘッダ４を最
後に設置してある。これらのガスヘッダのうち、燃料ガ
ス供給用にはそれぞれ供給管７ａと排出管８ａが設けら
れ、酸化剤ガス供給用にはそれぞれ供給管７ｂと排出管
８ｂが設けられている。
５を設け、積層セルスタックのブロック１ａを段積み
し、次に酸化剤ガス供給用の中間ガスヘッダ６を設置
し、その上にブロック１ａを段積みしたのち、燃料ガス
供給用の中間ガスヘッダ６を配置する。さらにその上部
へブロック１ａと酸化剤ガス供給用の中間ガスヘッダ６
とブロック１ａを積み上げたのち、上ガスヘッダ４を最
後に設置してある。これらのガスヘッダのうち、燃料ガ
ス供給用にはそれぞれ供給管７ａと排出管８ａが設けら
れ、酸化剤ガス供給用にはそれぞれ供給管７ｂと排出管
８ｂが設けられている。
【００２１】図３（ａ）に、上記実施例で用いられた中
間ガスヘッダ６の一構造例を示す。中間ガスヘッダ６は
燃料電池の運転温度、電解質、燃料ガス、酸化剤ガスの
雰囲気に曝されるので化学的に、また積層セルスタック
を保持したり、締付るので機械的に、耐えるものでなく
てはならないので、材料にはステンレス鋼などが用いら
れている。この中間ガスヘッダ６は燃料ガスの給気側マ
ニホールド２ａ及び排気側マニホールド３ａと、酸化剤
ガスの給気側マニホールド２ｂ及び排気側マニホールド
３ｂを形成する楕円状のガス通路が、ボックス状外箱を
貫通している構造となっている。そして燃料ガス給気管
７ａがマニホールド２ａの側面に、また燃料ガス排出管
８ａが、マニホールド３ａの側面にそれぞれ外部から貫
通して設けられている。この中間ガスヘッダ６は燃料ガ
ス用として記載したが、９０度水平に回転させて燃料ガ
ス用と組み合わせて用いれば、酸化剤ガス用になること
は明らかである。
間ガスヘッダ６の一構造例を示す。中間ガスヘッダ６は
燃料電池の運転温度、電解質、燃料ガス、酸化剤ガスの
雰囲気に曝されるので化学的に、また積層セルスタック
を保持したり、締付るので機械的に、耐えるものでなく
てはならないので、材料にはステンレス鋼などが用いら
れている。この中間ガスヘッダ６は燃料ガスの給気側マ
ニホールド２ａ及び排気側マニホールド３ａと、酸化剤
ガスの給気側マニホールド２ｂ及び排気側マニホールド
３ｂを形成する楕円状のガス通路が、ボックス状外箱を
貫通している構造となっている。そして燃料ガス給気管
７ａがマニホールド２ａの側面に、また燃料ガス排出管
８ａが、マニホールド３ａの側面にそれぞれ外部から貫
通して設けられている。この中間ガスヘッダ６は燃料ガ
ス用として記載したが、９０度水平に回転させて燃料ガ
ス用と組み合わせて用いれば、酸化剤ガス用になること
は明らかである。
【００２２】図１（ａ）に示す燃料ガス側では燃料ガス
１６が、ガス供給管７ａから上ガスヘッダ４、下ガスヘ
ッダ５、３つの中間ガスヘッダ６のうち中央にある１つ
へ供給される。また、図１（ｂ）の酸化剤ガス側では酸
化剤ガス１８が、ガス供給管７ｂから、３つの中間ガス
ヘッダ６のうち上下にある２つへ供給される。燃料ガス
は給気側マニホールド２ａを通り、酸化剤ガスはマニホ
ールド２ｂを通り、それぞれ各セルに配分される。その
際、燃料ガス１６及び酸化剤ガス１８は図６に示すよう
に、セパレータ１１に設けられた溝と電極１３とによっ
て形成されるガス流路を通りながら、各単位セルに供給
される。燃料ガス１６は各セル内ではアノード１２で電
極反応を生じ、排気側マニホールド３ａに達し、排出管
８ａからセルスタック外に排出される。一方、酸化剤ガ
ス１８は燃料ガス１６同様に、カソード１４で電極反応
を生じ、排気側マニホールド３ｂに達し、排出口８ｂか
らセルスタック外に排出される。
１６が、ガス供給管７ａから上ガスヘッダ４、下ガスヘ
ッダ５、３つの中間ガスヘッダ６のうち中央にある１つ
へ供給される。また、図１（ｂ）の酸化剤ガス側では酸
化剤ガス１８が、ガス供給管７ｂから、３つの中間ガス
ヘッダ６のうち上下にある２つへ供給される。燃料ガス
は給気側マニホールド２ａを通り、酸化剤ガスはマニホ
ールド２ｂを通り、それぞれ各セルに配分される。その
際、燃料ガス１６及び酸化剤ガス１８は図６に示すよう
に、セパレータ１１に設けられた溝と電極１３とによっ
て形成されるガス流路を通りながら、各単位セルに供給
される。燃料ガス１６は各セル内ではアノード１２で電
極反応を生じ、排気側マニホールド３ａに達し、排出管
８ａからセルスタック外に排出される。一方、酸化剤ガ
ス１８は燃料ガス１６同様に、カソード１４で電極反応
を生じ、排気側マニホールド３ｂに達し、排出口８ｂか
らセルスタック外に排出される。
【００２３】給気側マニホールド２ａ及び２ｂと排気側
マニホールド３ａ及び３ｂは、図１（ａ）及び（ｂ）に
示すように、上ガスヘッダ４から下ガスヘッダ５まで、
積層セルスタック１ａと中間ガスヘッダ６を通って、区
切りなく連続して形成されている。このガス供給構造は
上述した反流型ガス供給構造であるので、各セルの反応
面のガス流量分布が給気側マニホールド２と排気側マニ
ホールド３を流れるガスの密度変化の影響を受ける。
マニホールド３ａ及び３ｂは、図１（ａ）及び（ｂ）に
示すように、上ガスヘッダ４から下ガスヘッダ５まで、
積層セルスタック１ａと中間ガスヘッダ６を通って、区
切りなく連続して形成されている。このガス供給構造は
上述した反流型ガス供給構造であるので、各セルの反応
面のガス流量分布が給気側マニホールド２と排気側マニ
ホールド３を流れるガスの密度変化の影響を受ける。
【００２４】ガスの密度変化は次のようにして生じる。
燃料電池の反応面であるセル流路内では、燃料ガス１６
及び酸化剤ガス１８が、それぞれ化学式（１）、化学式
（２）に示す電気化学反応によって体積変化が生じ、さ
らに、組成変化による密度変化が生ずる。
燃料電池の反応面であるセル流路内では、燃料ガス１６
及び酸化剤ガス１８が、それぞれ化学式（１）、化学式
（２）に示す電気化学反応によって体積変化が生じ、さ
らに、組成変化による密度変化が生ずる。
【００２５】 燃料ガス側 ： Ｈ2＋ＣＯ3 2~→Ｈ2Ｏ＋ＣＯ2＋２ｅ~ ……（１） この他反応後も未反応のＨ2が含まれる。
【００２６】 酸化剤ガス側： 1/2Ｏ2＋ＣＯ2＋２ｅ~→ＣＯ3 2~ ……（２） 反応後も未反応のＯ2が含まれ、また反応前後、空気中
のＮ2が含まれる。
のＮ2が含まれる。
【００２７】もし、給気マニホールド２・排気マニホー
ルド３を流れるガス密度が同じであれば、従来の反流型
のガス供給構造において、マニホールド内のガスの流れ
が上向きであっても下向きであっても、積層セル間での
流量分布の均一化にとって大きな差はないが、実際の燃
料電池においては上記に述べた密度変化があるため、流
量分布の均一化に悪影響が生ずる。
ルド３を流れるガス密度が同じであれば、従来の反流型
のガス供給構造において、マニホールド内のガスの流れ
が上向きであっても下向きであっても、積層セル間での
流量分布の均一化にとって大きな差はないが、実際の燃
料電池においては上記に述べた密度変化があるため、流
量分布の均一化に悪影響が生ずる。
【００２８】燃料ガス１６側では、給気側マニホールド
２ａに比べ、排気側マニホールド３ａを流れるガスは、
炭酸ガスや水が主成分で密度は高くなる。ガスの利用率
に左右されるが、密度変化の割合は、反応後は反応前に
比較して、およそ２．６程度である。この結果、従来の
反流型ガス給気構造で、燃料ガス１６を積層セル上方か
ら供給した場合は、ガスの密度差による循環力の影響に
より、積層電池の積層上側のセルにガスが流れ易くな
り、下側のセルにはガスが流れにくくなる。積層セル数
が増加すると密度差がない場合でも下側セルは上側に比
べて流れにくくなるのに、密度差の影響がこれに加わる
ことになり、セル間の流量分布の不均一度がさらに増大
する。
２ａに比べ、排気側マニホールド３ａを流れるガスは、
炭酸ガスや水が主成分で密度は高くなる。ガスの利用率
に左右されるが、密度変化の割合は、反応後は反応前に
比較して、およそ２．６程度である。この結果、従来の
反流型ガス給気構造で、燃料ガス１６を積層セル上方か
ら供給した場合は、ガスの密度差による循環力の影響に
より、積層電池の積層上側のセルにガスが流れ易くな
り、下側のセルにはガスが流れにくくなる。積層セル数
が増加すると密度差がない場合でも下側セルは上側に比
べて流れにくくなるのに、密度差の影響がこれに加わる
ことになり、セル間の流量分布の不均一度がさらに増大
する。
【００２９】また、酸化剤ガス１８側では、燃料ガス１
６とは逆に、給気側マニホールド２ｂに比べ、排気側マ
ニホールド３ｂを流れるガスの方が密度が低くなる。ガ
スの利用率に左右されるが、密度変化の割合は、反応後
は反応前に比較しておよそ０．９６程度になる。従っ
て、反流型ガス供給構造で、積層下方から酸化剤ガス１
８を供給する場合は、ガスの密度差による循環力の影響
により積層セルの積層下側のセルにガスが流れ易くな
り、上側のセルにはガスが流れにくくなる。
６とは逆に、給気側マニホールド２ｂに比べ、排気側マ
ニホールド３ｂを流れるガスの方が密度が低くなる。ガ
スの利用率に左右されるが、密度変化の割合は、反応後
は反応前に比較しておよそ０．９６程度になる。従っ
て、反流型ガス供給構造で、積層下方から酸化剤ガス１
８を供給する場合は、ガスの密度差による循環力の影響
により積層セルの積層下側のセルにガスが流れ易くな
り、上側のセルにはガスが流れにくくなる。
【００３０】まず、燃料ガス１６について考えてみる。
任意のガス供給管７ａから供給された燃料ガス１６は、
中間ガスヘッダ６から、その上下にある積層セルスタッ
クによって形成された給気側マニホールド２ａに上向き
と下向きとに分岐して供給される。
任意のガス供給管７ａから供給された燃料ガス１６は、
中間ガスヘッダ６から、その上下にある積層セルスタッ
クによって形成された給気側マニホールド２ａに上向き
と下向きとに分岐して供給される。
【００３１】燃料ガス１６が、給気側マニホールド２ａ
において下向き、かつ、排気側マニホールド３ａで上向
きの流れの場合に、密度変化に伴う対流効果の影響でガ
ス供給管７ａよりも下方に位置するセルの流量が減少す
る。最も流量の減少が顕著となるセルは、ガス供給管７
ａと下方に隣接する下側ガス供給管７ａとの丁度中間点
に位置するものである。
において下向き、かつ、排気側マニホールド３ａで上向
きの流れの場合に、密度変化に伴う対流効果の影響でガ
ス供給管７ａよりも下方に位置するセルの流量が減少す
る。最も流量の減少が顕著となるセルは、ガス供給管７
ａと下方に隣接する下側ガス供給管７ａとの丁度中間点
に位置するものである。
【００３２】これに対して、前記の下側に隣接するガス
供給管７ａからの燃料ガス１６の流れのように、給気側
マニホールド２ａにおいて上向き、かつ、排気側マニホ
ールド３ａで下向きの流れの場合には、ガス供給管７ａ
の上方に位置するセルの流量が増加する。最も流量の増
加が顕著となるセルは、前述の上方のガス供給管７ａと
の中間点に位置するものとなる。
供給管７ａからの燃料ガス１６の流れのように、給気側
マニホールド２ａにおいて上向き、かつ、排気側マニホ
ールド３ａで下向きの流れの場合には、ガス供給管７ａ
の上方に位置するセルの流量が増加する。最も流量の増
加が顕著となるセルは、前述の上方のガス供給管７ａと
の中間点に位置するものとなる。
【００３３】従って上述した２個のガス供給管７ａの中
間に位置するセルは上方からは少ない流量、下方のガス
供給管７ａからは多い流量のガスが供給されることにな
る。その結果、ガスの密度変化に伴う対流効果による各
セルへのガス流量配分の不均一は、前述のように２個の
ガス供給管７ａにより緩和されるために、各セルに対し
てより均一にガスを供給することができる。
間に位置するセルは上方からは少ない流量、下方のガス
供給管７ａからは多い流量のガスが供給されることにな
る。その結果、ガスの密度変化に伴う対流効果による各
セルへのガス流量配分の不均一は、前述のように２個の
ガス供給管７ａにより緩和されるために、各セルに対し
てより均一にガスを供給することができる。
【００３４】一実施例により流量分布の改善された状態
を図４に示した。ここで図１（ａ）と同一の燃料ガス１
６の流れを示す断面で、図４は各セルを流れる燃料ガス
１６の流量の大きさを積層方向順に示したものである。
２個のガス供給管７ａの中間に位置するセルにおいて平
均化がみられる。中央部の中間ガスヘッダ６付近にも改
善がみられる。
を図４に示した。ここで図１（ａ）と同一の燃料ガス１
６の流れを示す断面で、図４は各セルを流れる燃料ガス
１６の流量の大きさを積層方向順に示したものである。
２個のガス供給管７ａの中間に位置するセルにおいて平
均化がみられる。中央部の中間ガスヘッダ６付近にも改
善がみられる。
【００３５】他の実施例を図２で説明する。図２は本発
明の他の実施例の構造とガスの流れを説明する断面図で
ある。図１と同じ断面を示し、図２（ａ）は燃料ガスの
流れを、図２（ｂ）は酸化剤ガスの流れを示している。
図で明らかなように、燃料ガス及び酸化剤ガス専用のガ
スヘッダを設けずに、上、下及び中間のガスヘッダを両
ガスに共用としたものである。図３（ｂ）はこの実施例
の中間ガスヘッダ６の構造を示すもので、隣合う２辺に
ガス供給管７とガス排出管８をそれぞれ設けたものであ
る。
明の他の実施例の構造とガスの流れを説明する断面図で
ある。図１と同じ断面を示し、図２（ａ）は燃料ガスの
流れを、図２（ｂ）は酸化剤ガスの流れを示している。
図で明らかなように、燃料ガス及び酸化剤ガス専用のガ
スヘッダを設けずに、上、下及び中間のガスヘッダを両
ガスに共用としたものである。図３（ｂ）はこの実施例
の中間ガスヘッダ６の構造を示すもので、隣合う２辺に
ガス供給管７とガス排出管８をそれぞれ設けたものであ
る。
【００３６】このような構成の場合も、各ガスヘッダの
間の積層セルスタック１ａはそれぞれ反流型のガス供給
構造となり、給気側マニホールド２と排気側マニホール
ド３とも上部から下部まで連通させることで、前記一実
施例と同様な流量分布の改善が期待できる。
間の積層セルスタック１ａはそれぞれ反流型のガス供給
構造となり、給気側マニホールド２と排気側マニホール
ド３とも上部から下部まで連通させることで、前記一実
施例と同様な流量分布の改善が期待できる。
【００３７】積層セルスタック１ａの積層数、中間ガス
ヘッダ６の挿入個数などは、対象となる燃料電池により
ことなるが、本発明はそれらの個数に制限されるもので
はない。
ヘッダ６の挿入個数などは、対象となる燃料電池により
ことなるが、本発明はそれらの個数に制限されるもので
はない。
【００３８】燃料電池の出力によっては、図５に示した
ように、上ガスヘッダ４と下ガスヘッダ５で構成される
ユニットを複数積み重ねることがある。このような場合
はそのユニットに本発明は適用されるものである。
ように、上ガスヘッダ４と下ガスヘッダ５で構成される
ユニットを複数積み重ねることがある。このような場合
はそのユニットに本発明は適用されるものである。
【００３９】また、ガスヘッダ４，５，６の何れかのガ
ス供給管７または排出管８の内の１部に不都合が生じた
場合も、本発明によるガス供給構造によれば、流量分布
不均一が解消される方向に対流が起こり、各セルに燃料
ガス１６及び酸化剤ガス１８を供給することができるよ
うになる効果がある。
ス供給管７または排出管８の内の１部に不都合が生じた
場合も、本発明によるガス供給構造によれば、流量分布
不均一が解消される方向に対流が起こり、各セルに燃料
ガス１６及び酸化剤ガス１８を供給することができるよ
うになる効果がある。
【００４０】電極とセパレータに設けられた溝とによっ
て形成されるガス流路はその断面積が微小であるため
に、積層セルスタック内の流動抵抗の大部分はガス流路
の管摩擦損失が占める。これに対して、マニホールド内
の管摩擦損失や給気側マニホールドから各セルのガス流
路への分岐による損失、各ガス流路から排気側マニホー
ルドへの排ガスの合流による損失、あるいは、ガス流路
における反応ガスの消費やガスの生成に伴う電極からガ
ス流路へのガスの吹き出し等の損失は、ガス流路におけ
る流れが非常に低速で、レイノルズ数が小さい層流域で
あるため、全体の流れに影響するような値とはならな
い。
て形成されるガス流路はその断面積が微小であるため
に、積層セルスタック内の流動抵抗の大部分はガス流路
の管摩擦損失が占める。これに対して、マニホールド内
の管摩擦損失や給気側マニホールドから各セルのガス流
路への分岐による損失、各ガス流路から排気側マニホー
ルドへの排ガスの合流による損失、あるいは、ガス流路
における反応ガスの消費やガスの生成に伴う電極からガ
ス流路へのガスの吹き出し等の損失は、ガス流路におけ
る流れが非常に低速で、レイノルズ数が小さい層流域で
あるため、全体の流れに影響するような値とはならな
い。
【００４１】
【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
燃料電池の各セルに平均化して燃料ガス及び酸化剤ガス
を供給することができるので、積層された各セルの発電
性能が平均するので、積層燃料電池の性能が向上すると
いう効果がある。また、ガス供給管または排出管の内の
１部に不都合が生じた場合も、各セルへガスが供給され
るという効果がある。
燃料電池の各セルに平均化して燃料ガス及び酸化剤ガス
を供給することができるので、積層された各セルの発電
性能が平均するので、積層燃料電池の性能が向上すると
いう効果がある。また、ガス供給管または排出管の内の
１部に不都合が生じた場合も、各セルへガスが供給され
るという効果がある。
【図１】本発明の一実施例の構造とガスの流れを説明す
る断面図である。（ａ）は燃料ガスの流れを、（ｂ）は
酸化剤ガスの流れを示す。
る断面図である。（ａ）は燃料ガスの流れを、（ｂ）は
酸化剤ガスの流れを示す。
【図２】本発明の他の実施例の構造とガスの流れを説明
する断面図である。（ａ）は燃料ガスの流れを、（ｂ）
は酸化剤ガスの流れを示す。
する断面図である。（ａ）は燃料ガスの流れを、（ｂ）
は酸化剤ガスの流れを示す。
【図３】（ａ）は図１の実施例の、（ｂ）は図２の実施
例に用いられる中間ガスヘッダの斜視図である。
例に用いられる中間ガスヘッダの斜視図である。
【図４】一実施例のガス供給構造による燃料ガス流量分
布例を示す図である。
布例を示す図である。
【図５】従来技術の構造とガスの流れの一例を示す図で
ある。（ａ）は燃料ガスの流れ状態を、（ｂ）は燃料ガ
ス流量分布を示す。
ある。（ａ）は燃料ガスの流れ状態を、（ｂ）は燃料ガ
ス流量分布を示す。
【図６】内部マニホールド型燃料電池の内部構造を示す
斜視図である。
斜視図である。
【図７】従来の中間ガスヘッダの斜視図である。
１ 積層セルスタック ２ 給気側マニホールド ３ 排気側マニホールド ４ 上ガスヘッダ ５ 下ガスヘッダ ６ 中間ガスヘッダ ６ａ 中間ガスヘッダ上下仕切板 ７ ガス供給管 ８ ガス排出管 １０ カレントコレクタ １１ セパレータ １２ アノード １３ 電解質板 １４ カソード １６ 燃料ガス １８ 酸化剤ガス
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 加原 俊樹 茨城県日立市幸町３丁目１番１号 株式 会社 日立製作所 日立工場内 (56)参考文献 特開 昭63−236273（ＪＰ，Ａ) 特開 昭63−53856（ＪＰ，Ａ)
Claims (4)
- 【請求項１】 複数の単位セルが積層されかつ各単位セ
ルの周辺部に穿設された燃料ガスの給気用流路及び排気
用流路、及び酸化剤ガスの給気用流路及び排気用流路が
それぞれ積層されて内部マニホールドを形成する内部マ
ニホールド型積層セルスタックの複数個を上下に配置
し、最上段の積層セルスタック上に上部ガスヘッダを、
隣合う積層セルスタック間に中間ガスヘッダを、最下段
の積層セルスタックの下に下部ガスヘッダを設置された
燃料電池において、 前記上部ガスヘッダは下側に隣接する積層セルスタック
の内部マニホールドに連通する内部マニホールドを、前
記中間ガスヘッダは上下側で隣接する積層セルスタック
の内部マニホールドに連通しかつ自らは上下に貫通する
内部マニホールドを、前記下部ガスヘッダは上側に隣接
する積層セルスタックの内部マニホールドに連通する内
部マニホールドをそれぞれ有し、前記ガスヘッダ、前記
中間ガスヘッダおよび前記下部ガスヘッダはそれぞれ燃
料ガス及び酸化剤ガスを供給、排出することを特徴とす
る燃料電池。 - 【請求項２】 複数の単位セルが積層されかつ各単位セ
ルの周辺部に穿設された燃料ガスの給気用流路及び排気
用流路、及び酸化剤ガスの給気用流路及び排気用流路が
それぞれ積層されて内部マニホールドを形成する内部マ
ニホールド型積層セルスタックの複数個を上下方向に配
置し、最上位の積層セルスタック上に上部ガスヘッダ
を、隣合う積層セルスタック間に中間ガスヘッダを、最
下位の積層セルスタックの下に下部ガスヘッダを設置さ
れた燃料電池において、 前記上部ガスヘッダは下側に隣接する積層セルスタック
の燃料ガスの給気用及び排気用の内部マニホールドに連
通する内部マニホールドを有して燃料ガスを供給、排出
し、前記上部ガスヘッダに１番近い中間ガスヘッダは上
下側で隣接する積層セルスタックの酸化剤ガスの給気用
及び排気用の内部マニホールドに連通しかつ自らは上下
に貫通する内部マニホールドを有して酸化剤ガスを供
給、排出すると共に該上下側で隣接する積層セルスタッ
クの燃料ガスの給気用及び排気用の内部マニホールド間
を上下に貫通させる内部マニホールドを有し、前記上部
ガスヘッダに２番目に近い中間ガスヘッダは上下側で隣
接する積層セルスタックの燃料ガスの給気用及び排気用
の内部マニホールドに連通しかつ自らは上下に貫通する
内部マニホールドを有して燃料ガスを供給、排出すると
共に該上下側で隣接する積層セルスタックの酸化剤ガス
の給気用及び排気用の内部マニホールド間を上下に貫通
させる内部マニホールドを有し、前記上部ガスヘッダに
３番目に近い中間ガスヘッダは上下側で隣接する積層セ
ルスタックの酸化剤ガスの給気用及び排気用の内部マニ
ホールドに連通しかつ自らは上下に貫通する内部マニホ
ールドを有して酸化剤ガスを供給、排出すると共に該上
下側で隣接する積層セルスタックの燃料ガスの給気用及
び排気用の内部マニホールド間を上下に貫通させる内部
マニホールドを有し、前記下部ガスヘッダは上側に隣接
する積層セルスタックの燃料ガスの給気用及び排気用の
内部マニホールドに連通する内部マニホールドを有して
燃料ガスを供給、排出することを特徴とする燃料電池。 - 【請求項３】 請求項２記載の燃料電池に加えて、前記
下部ガスヘッダと該下部ガスヘッダの上側に隣接する積
層セルスタックの間に、前記上部ガスヘッダに２番目に
近い中間ガスヘッダと該中間ガスヘッダの下側に隣接す
る積層セルスタック、および前記上部ガスヘッダに３番
目に近い中間ガスヘッダと該中間ガスヘッダの下側に隣
接する積層セルスタックからなる構成要素を、繰り返し
設置したことを特徴とする燃料電池。 - 【請求項４】 前記中間ガスヘッダの内部マニホールド
が、該内部マニホールドの流路を遮る上下仕切板と該上
下仕切り板を貫通する貫通管を具えていることを特徴と
する請求項１ないし３のいずれかに記載の燃料電池。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP4207961A JP2555515B2 (ja) | 1992-08-04 | 1992-08-04 | 燃料電池 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP4207961A JP2555515B2 (ja) | 1992-08-04 | 1992-08-04 | 燃料電池 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH0660901A JPH0660901A (ja) | 1994-03-04 |
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