JP2773134B2 - 燃料電池 - Google Patents

燃料電池

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JP2773134B2 JP63133072A JP13307288A JP2773134B2 JP 2773134 B2 JP2773134 B2 JP 2773134B2 JP 63133072 A JP63133072 A JP 63133072A JP 13307288 A JP13307288 A JP 13307288A JP 2773134 B2 JP2773134 B2 JP 2773134B2
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Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 この発明は、燃料電池、特にその長寿命化に関するも
のである。
〔従来の技術〕
燃料電池として、リン酸型燃料電池(以下、PAFCと略
す)を例にとり説明する。
第4図は、例えば「“燃料電池設計技術",サイエンス
フオーラム社,P.153,昭和62年発行」に示されている従
来のPAFCの基本的な構成とガス流体の供給方法の原理を
示す図である。図において、(10)は異なるガス流体が
供給されて電気化学反応(以下、反応と呼ぶ)を起こ
す、燃料電池の基本単位を構成する単電池で、リン酸が
含浸された多孔質体の電解質層(11)を挾んで対向する
一対の電極、すなわち、燃料電極(22)と酸化剤電極
(13)とで構成されている。(14)は燃料電極(12)で
反応する水素を主成分とするメタン改質ガスなどの燃料
ガスが供給される流れの方向を示し、(15)は酸化剤電
極(13)で反応する酸化剤ガス、すなわち空気が供給さ
れる流れの方向を示し、両者の流れの方向は通常直交し
ている。これらの両ガス流体は、それぞれの電極(1
2),(13)で電解質層(11)と反対の側にガス不透過
性の分離板(16)でそれぞれ囲繞されたガス流路内を流
通する。上記の単電池(10)と分離板(16)とが多段に
積層されて燃料電池が構成されている。
このような燃料電池において、燃料ガス流体(14)
は、燃料電池の一側面から供給され、燃料電極(12)で
反応したのち反対側の側面から未反応水素や不活性ガス
であるCO2等が排出される。一方、酸化剤ガス流体(1
5)である空気は、燃料ガス流路と直交する側面から供
給され、空気中の有効反応成分である酸素が酸化剤電極
(13)で反応したのち反対側の側面から未反応酸素や反
応生成物である水蒸気及び不活性ガスである窒素が排出
される。このように、ガス流体の流れ方向はいずれも一
方向である。従つて、いずれのガス流体においても、電
池内で発電しているとき、すなわち、電気化学反応で起
り電流が取り出されているときには、ガス流体の有効反
応成分(燃料ガス流体では水素、空気流体では酸素)
は、上流側では濃度が高く、下流になるにつれて濃度は
低下する。このとき、仮りに有効反応ガスを全部使いき
つて所定の出力を出したときが、反応ガスの利用率が10
0(%)である。この場合、下流側の反応ガス濃度は0
(%)になる。ただし、実際的な運転では、この利用率
は、空気の場合で60(%)程度、燃料ガスの場合で80
(%)程度が一般的である。このとき、上流側から下流
側へ至るまでのガス濃度は、酸素の場合で21(%)から
約8(%)にまで、また燃料ガスの場合で約77(%)か
ら約16(%)にまで低下する。
ところで、このような燃料電池においては、反応ガス
の濃度が出力電圧を左右する要素の一つになる。すなわ
ち、濃度が高い程、同一電流密度では電圧は高くなる。
今、燃料電池の一平面内において、電流密度が均一であ
るとすれば、前述したように上流側と下流側との濃度差
により、上流側の電圧の方が高くなろうとする。実際的
には、上流側と下流側とは導電性の分離板(16)で電気
的につながつているので、平板的を電流が流れ、結果と
して電池平面内では電圧が均一になり、電流密度が不均
一になる。すなわち、上流側では電圧を下げるように、
下流側では電圧を上げるように働くので、電流密度は上
流側では高くなり下流側では低くなる。
低くなる。
このように電池内の電流密度が不均一になつたとき
は、電流内部材が腐食する可能性が生じる。すなわち、
腐食は、炭素及び水分が存在し、電極の電位が高ければ
起こりやすくなる。ここで、炭素は電極に使用されてい
るので充分に存在し、また水分は電池反応が進行すれば
生成される。このとき、上述したように、電流密度が不
均一になり、局所的に電流密度が低い箇所、特にもとも
と高電位にある酸化剤(空気)電極(13)では、電位が
充分に低下しなくて高電位に保たれたままになり、上述
の腐食が起こる条件になることがある。実際にも電池内
部材の腐食現象が発生している。
これに関連して、反応ガスの分布を均等にさせる一手
段として、特公昭58−22866号公報に記載されているガ
ス流体供給方法がある。第5図は、その供給流路の一例
を示す図である。ガス流体(14)は、入口導管(18a)
から供給されて中央帯部(17)で区画された流路の半部
分を流通し、反対側の側面(19)でリターンしたのち残
りの半部分を流通して出口導管(18b)から排出され
る。さらに、分割数を増やして、例えば二往復させる供
給径路にすることもできる。
〔発明が解決しようとする課題〕
従来の燃料電池は、上記のように構成されていたの
で、ガス流体の流れ方向が一方向の場合には、反応ガス
濃度が不均一になり腐食現象が発生し電池の寿命を損な
うことがあつた。尚、ガス流体を反対側の側面でリター
ンさせるものでは、反応ガスの濃度が局所的に、特に隣
接する入口部と出口部とでは不均一になるという課題が
あつた。
この発明は、かかる課題を解決するためになされたも
のであり、反応ガスの利用率を高めつつ腐食の可能性を
回避して長寿命運転ができる燃料電池を得ることを目的
とする。
〔課題を解決するための手段〕
この発明に係る燃料電池は、電解質層を挾んで対向す
る一対の電極と、この両電極の上記電解質層と反対の側
にガス不透過性分離板で囲繞され、それぞれ電気化学反
応を起こす異なるガス流体を流通させる一対のガス流路
とが多段に積層された燃料電池で、少なくとも一方のガ
ス流路を、その両側を流れるガス流体に濃度差があると
きは濃度拡散できる透過性部材で該ガス流路の流れ方向
に沿つて区画した複数の区画流路と、これら各々隣接す
る区画流路を流れるガス流体の流れが対向するように上
記ガス流体を供給するガス供給手段を備えたものであ
る。
〔作用〕
この発明においては、隣接する区画流路を対向して流
れるガス流体が、透過性部材を介在して高濃度側から低
濃度側へ透過して濃度拡散し、その反応ガス濃度を均一
化する。
〔実施例〕
第1図は、この発明に係る一実施例の燃料電池におい
て、ガス流体を供給するときに反応ガス濃度が均一化さ
れる動作を説明するための模式図である。簡単のため、
同種のガス流体を一組対向させ、それぞれの供給側の反
応ガス濃度が隣接する相手方の排気側のそれよりも高い
場合で説明する。図において、(20a)は流体Aの供給
側、(20b)は流体Aの排気側、(21a)は流体Bの供給
側、(21b)は流体Bの排気側である。(22)は流体A
と流体Bを区画し、両流体に濃度差があるときは濃度拡
散できる多孔質炭素などの透過性部材、(23)は流体A
の高濃度側(I)から流体Bの低濃度側(II)へ透過性
部材(22)を介在して透過する濃度拡散流、(24)は流
体Bの高濃度側(III)から流体Aの低濃度側(IV)へ
同様に透過する濃度拡散流である。
さて、第1図のように流体Aと流体Bとをこれらの流
れ方向が対向するように流して発電を行うとき、それぞ
れの流れの上流側と下流側とで反応ガスに濃度差が生じ
る。このとき、それぞれの高濃度域は相手方の低濃度域
に隣接しているので透過性部材(22)を透過して濃度拡
散流が流れ、互いの濃度差を解消するように働き、領域
(I)と(II)及び領域(III)と(IV)の濃度は互い
に接近し均一化されてくる。このようにして、反応ガス
濃度の不均一さに基づく電流密度のアンバランスが解消
されてその分布はなだらかになる。その結果、反応ガス
の利用率が高い運転においても、電流密度が局所的に低
い領域は発生しなくなるので、電池構造部材の腐食の可
能性を回避することができる。尚、このようにガス流体
の流れを対向させるのは少なくとも一方のガス流体だけ
でもそのガス流体の濃度差が解消されるため電流密度の
アンバランスは軽減されてくるが、さらに両者ともに行
えばより効果的である。
第2図は、この発明に係る一実施例の燃料電池の基本
単位である単電池とガス流路の断面を示す図であり、
(10)〜(22)は前述のものと同様である。(25)は多
孔質炭素などの透過性部材(22)で区画されたガス流体
の区画流路であり、例えば第1図で左から右の方向に流
れる流体Aの流路である。このような区画流路を区画す
る透過性部材(22)は、電極に形成しても、分離板に形
成してもよく、あるいは電極と分離板とで挾持してもよ
い。(26)はガス流体が横方向へ漏れるのを防ぐサイド
シール、(27)はこのガス流体と直交する他のガス流体
の漏れを防ぐサイドシールである。このような単電池を
多段積層すれば、燃料電池スタツクを構成できる。
次に、積層された燃料電池スタツクでのガス流体の供
給方法について説明する。第3図は、このガス流体供給
流路の構成の一例を示す図である。図において、(30)
は燃料電池スタツク、(31)はガス流体供給用ヘツダで
あり、ヘツダ仕切り(32)により区画流路毎に供給流路
を分割している。(33)はその区画流路毎にガス流体を
供給する配管、(34)は区画流路の流体で矢印の方向が
流体の方向を表わしている。A1,A2,A3は例えば燃料ガス
流体の区画流路の流れ方向、B1,B2,B3は空気ガス流体の
区画流路の流れ方向であり、それぞれ隣接する区画流路
ではその流れの方向が対向している。第3図では、ガス
流路を区画流路に分割しているのは、両方のガス流体に
適用している場合を例示しているが、少なくとも一方で
もよく、またヘツダ仕切り(32)による区画流路の分割
数は三分割の場合を示しているが、任意数でよい。さら
に、ヘツダへの配管の取り付け位置は、例えば区画流路
A1では、流入口は上方で流出口は下方であるが、ガス流
体の流れ方向が図示した矢印方向であれば、ヘツダの途
中など任意のところでよい。
上記実施例では、リン酸型燃料電池(PAFC)の場合に
ついて説明したが、これに限らず溶融炭酸塩型燃料電池
(MCFC)や固体酸化物電解質型燃料電池(SOFC)などの
種々の燃料電池においても適用できることは言うまでも
ない。
〔発明の効果〕
この発明は、以上説明したとおり、電解質層を挾んで
対向する一対の電極と、この両電極の上記電解質層と反
対の側にガス不透過性分離板で囲繞され、それぞれ電気
化学反応を起こす異なるガス流体を流通させる一対のガ
ス流路とが多段に積層された燃料電池で、少なくとも一
方のガス流路を、その両側を流れるガス流体に濃度差が
あるときは濃度拡散できる透過性部材で該ガス流路の流
れ方向に沿つて区画した複数の区画流路と、これら各々
隣接する区画流路を流れるガス流体の流れが対向するよ
うに上記ガス流体を供給するガス供給手段を備える構成
にしたので、同種のガス流体の反応ガス濃度が均一化さ
れ、反応ガスの利用率が高めつつ腐食の可能性を回避し
て長寿命運転ができる効果がある。
【図面の簡単な説明】
第1図はこの発明に係る一実施例の燃料電池でガス流体
を供給するときにその反応ガス濃度が均一化される動作
を説明するための模式図、第2図はこの発明に係る一実
施例の燃料電池の基本単位である単電池とガス流路の断
面を示す図、第3図はこの発明に係る一実施例の燃料電
池のガス供給流路の構成の一例を示す図、第4図は従来
の燃料電池の基本的な構成とガス流体の供給方法の原理
を示す図、第5図は従来の燃料電池のガス供給流路の一
例を示す図である。 図において、(10)は単電池、(11)は電解質層、(1
2),(13)は電極、(14),(15)はガス流体、(1
6)はガス不透過性分離板、(20),(21)はガス流体
の流れ方向、(22)は透過性部材、(23),(24)は濃
度拡散流、(25)は区画流路、(A1)〜(A3),(B1
〜(B3)は区画流路の流れ方向である。 なお、各図中、同一符号は同一または相当部分を示す。

Claims (1)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】電解質層を挾んで対向する一対の電極と、
    この両電極の上記電解質層と反対の側にガス不透過性分
    離板で囲繞され、それぞれ電気化学反応を起こす異なる
    ガス流体を流通させる一対のガス流路とが多段に積層さ
    れた燃料電池において、少なくとも一方のガス流路を、
    その両側を流れるガス流体に濃度差があるときは濃度拡
    散できる透過性部材で該ガス流路の流れ方向に沿つて区
    画した複数の区画流路、及び上記各々隣接する区画流路
    を流れるガス流体の流れが対向するように上記ガス流体
    を供給するガス供給手段を備えた燃料電池。
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