JP2774496B2 - 燃料電池電圧分布制御方法 - Google Patents

燃料電池電圧分布制御方法

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JP2774496B2 JP62126004A JP12600487A JP2774496B2 JP 2774496 B2 JP2774496 B2 JP 2774496B2 JP 62126004 A JP62126004 A JP 62126004A JP 12600487 A JP12600487 A JP 12600487A JP 2774496 B2 JP2774496 B2 JP 2774496B2
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Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の目的〕 (産業上の利用分野) 本発明は特に燃料電池電位セル積層体の各単位セルへ
燃料ガスを均一に配分し、燃料電池の長寿命化を図り得
る様にした燃料ガスマニホールドに関する。 (従来の技術) 従来、燃料の有しているエネルギーを直接電気的エネ
ルギーに変換する装置として燃料電池が知られている。
この燃料電池は通常、電解質層を挟んで一対の多孔質電
極を配置するとともに、一方の電極の背面に水素等の燃
料ガスを接触させ、また他方の電極の背面に酸素等の酸
化剤ガスを接触させ、このとき起こる電気化学的反応を
利用して、電気エネルギーを取り出すようにしたもので
あり、前記燃料ガスと酸化剤ガスが供給されている限り
高い変換効率で電気エネルギーを取り出すことができる
ものである。 第5図は、上記原理に基づく特にリン酸を電解質とし
た、リブ付電極型の燃料電池における単位セルの構成例
を縦断面視斜図にて示したものである。第5図におい
て、1は電解質としてのリン酸をマトリックスに含浸し
てる電解質層、3a,3bはこの電解質層1を挟んで配置さ
れた多孔質炭素材からなるアノード電極、カソード電極
であり、その電解質層1と接する側には触媒2a,2bが夫
々塗布され、かつ背面側にはリブ4a,4bおよび燃料ガ
ス、酸化剤ガスの流通する溝5a,5bを夫々有している。
ここで、燃料ガスの流通する溝5aと酸化剤ガスの流通す
る溝5bとは互いに直交する方向に規則的に複数本平行に
形成されている。以上により単位セルが形成され、かか
る単位セルをち密な炭素質で作られセパレータ6を挟ん
で複数個積層することにより単位セル積層体を構成して
いる。 また、上記単位セル積層体は第6図に示す如く、その
上下端側に集電板7、絶縁板8、締付板9、端子10を夫
々取付け、適当な締付け圧でもって上下方向から締付け
るようにしている。さらに、かかる単位セル積層体の側
面側には電気絶縁性ガスケット11(以下単にガスケット
と称する)を介して、燃料ガス、酸化剤ガスを管16を通
し供給および排出するための一対のマニホールド12およ
び13,14および15を夫々対向して配置し、適当な圧力で
締付け固定することにより燃料電池を構成している。 (発明が解決しようとする問題点) 燃料電池固有の問題として、電気化学反応による燃料
ガスの組成変化のためアノード電極の入口と出口とで燃
料ガスの密度が変化し、電池高さ方向の流量不均一が生
ずるという現象がある。この現象について以下に説明す
る。 燃料電池では、マニホールド入口と出口の燃料ガスの
組成が違うために、マニホールド入口と出口の燃料ガス
の密度は異なっている。この密度の違いは発電負荷によ
っても変化し、負荷が高い程密度の差が大きくなる。そ
れは次の理由による。電池の発電負荷を示す指標に、水
素利用率というものがある。これは燃料ガス中の水素ガ
ス成分が、電池の中を通過する際に発電によってどれだ
け利用されたかを示すものであり、水素利用率が高けれ
ば発電負荷も高くなる。例えば、水素利用率80%という
状態は、電池入口マニホールド内の燃料ガス中に水素ガ
スが100〔mol/Hour〕含まれていたとすれば、電池内部
でこの80%、すなわち80〔mol/Hour〕が酸素との化学反
応に利用されて発電を行ない、出口マニホールドの燃料
ガス中には残りの20〔mol/Hour〕の水素ガスが未利用の
まま排出される運転を指し示す。燃料ガス中で、水素以
外のガス成分は炭酸ガス、メタン等、水素に比べて比重
の大きいガスばかりなので、燃料ガス中に占める水素の
割合が減れば、燃料ガスの密度は大きくなっていく。従
って、入口マニホールドの燃料ガスが同じ場合、発電負
荷が大きいほど、すなわち水素利用率が大きいほど出口
マニホールドの燃料ガスの密度は大きくなっていく。 ところで、この様に入口と出口のマニホールド間の密
度が違うということが、各単電池への燃料ガスの供給不
均一を生じさせるという問題を引き起こす。ここで第7
図に示した従来の燃料ガス入口側及び出口側マニホール
ドの電池高さ方向の圧力分布を第8図に示す。燃料ガス
の静水圧力すなわち(ガス密度ρ)×(重力加速度g)
×(高さh)の効果のため分布は直線的で、電池下部ほ
ど圧力が高くなる。しかし、入口と出口の密度の違いか
ら、ガス密度の大きい出口マニホールド側の方が、直線
の傾きが大きくなっており、マニホールド出入口間の圧
力差ΔPは、電池上部(ΔP上)が大きく、電池下部
(ΔP下)が小さくなつてしまう。電池セル溝内の流れ
は、流速が低いために層流であるから、流量と入口,出
口の圧力差はほぼ比例する。(但し、流れていく途中で
水素が利用されるため物性値が刻々と変化していくの
で、完全な比例関係ではない。)そこで、電池高さ方向
の流量分布は電池上方に多くの燃料ガスが流れ、下方に
は平均流量以下のガスしか流れないという不均一が生じ
る。 以上述べた問題のため、高負荷運転の様な水素利用率
の高い運転では電池下部で水素が不足し、転極を起こす
恐れがある。転極によりカソード電極では電気分解反応
による水素が発生し空気と燃焼して局部的に過熱するた
め、リン酸電界質が蒸発を開始しクロスオーバの増加・
電池特性の低下・さらに電池の焼損へと至る。従って、
燃料ガス流量分布不均一による転極発生は深刻な問題と
なっていた。 本発明の目的は、燃料ガス流量分布を均一とし転極を
防止し得る燃料電池を提供することにある。 〔発明の構成〕 (問題点を解決するための手段) 本発明は上記の目的を達成するために、燃料ガスマニ
ホールドにガスをしゃ断する仕切板 を設置してマニホ
ールドを仕切り、仕切られた各燃料ガスマニホールドに
接続したガス配管に燃料ガス流量制御弁を設置したもの
で、電池高さ方向の電圧分布が均一となる様上記制御弁
の弁開度を制御することを特徴とするものである。 (作用) このように構成することにより、水素不足による転極
の防止が可能であり、燃料電池の長寿命が図れる。 (実 施 例) 以下本発明を第1図に示す実施例について説明する。
第1図乃至第4図において第5図乃至第7図と同一符号
は同一部分を示すものであるからその説明を省略する。
第1図に示す本発明による燃料電池においては、第7図
に示した従来の燃料電池の燃料ガス出口側マニホールド
13内部を、ガスをしゃ断可能な仕切板18で仕切り、仕切
られた各マニホールドにそれぞれ燃料ガス排出用のガス
配管16を接続し、上記の各ガス配管16には燃料ガス流量
自動制御弁19を設置した。仕切板18と積層電池17とはガ
スケット11を用い電気的に絶縁し積層電池の短絡を防止
した。積層電池17の電圧は、数セル毎に設置された図示
しない電圧センサーによって計測され図示しない制御用
コンピュータに信号が入力される。電池高さ方向の電圧
分布が均一となる様に、コンピユータは上記の各燃料ガ
ス流量自動制御弁19に制御信号を送る。故に従来の燃料
電池に見られた下部電池の水素不足による転極が防止さ
れる。 なお本発明は上記実施例に限定されるものではなく、
第2図は燃料ガス入口側マニホールド12にも仕切板18を
設置、ガス配管16を接続したものであり、また第3図は
第2図の自動制御弁19のかわりに流量制限用のオリフィ
ス20を設置したものである。第2図と第3図の構造の場
合は、自動制御弁19あるいはオリフィス20をアノード電
極入口側ガス配管16に設置しても良い。 電池電圧のコンピュータ制御は、各運転条件(電池出
力、ガス利用率等)に対する上記自動制御弁19の最適弁
開度をあらかじめ設定しておき、運転条件変更時の電圧
分布の不均一を防ぐ事が可能である。 第4図は自動制御弁16を手動調節弁21とし圧力容器22
の外部に設置したもので、コンピュータによる電圧制御
のかわりに手動で電圧分布を調節可能としたものであ
る。 自動制御弁16、手動調節弁21は必ずしも仕切られた各
マニホールドに対し一個ずつ設置するのではなく、第4
図の様に特に電圧分布が不均一となり易い部分のマニホ
ールドに対して取り付け、その他のマニホールドは一個
あるいは少数個の弁により一括して調節することも可能
である。 〔発明の効果〕 以上説明したように本発明による燃料ガスマニホール
ドにおいては、燃料ガスマニホールドをガスをしゃ断す
る仕切板で仕切り、仕切られた各マニホールドに接続し
た各ガス配管に燃料ガス流量制御を設置し、電池高さ方
向の電圧分布が均一となる様に上記制御弁の弁開度を制
御するものである。従って従来の燃料電池で生じた水素
不足による転極の防止が可能であり、電池の長寿命化が
はかれる効果がある。
【図面の簡単な説明】 第1図は本発明の一実施例を示す燃料ガスマニホールド
の構造説明図、第2図は本発明の他の実施例を示す燃料
ガスマニホールドの構造説明図、第3図は本発明のさら
に他の実施例を示す燃料ガスマニホールドの構造説明
図、第4図は本発明の他の実施例を示す燃料ガスマニホ
ールドの構造説明図、第5図は一般的な燃料電池の単位
セルを示す断面斜視図、第6図は一般的な燃料電池を示
す分解斜視図、第7図は従来の燃料ガスマニホールドの
構造説明図、第8図は第7図の燃料ガスマニホールドの
電池高さ方向の圧力分布図である。 1……電解質層、2a,2b……触媒層 3a……アノード電極、3b……カソード電極 4a,4b……リブ、5a,5b……溝 6……セパレータ、7……集電板 8……絶縁板、9……締付板 10……端子、11……ガスケット 12……燃料ガス入口側マニホールド 13……燃料ガス出口側マニホールド 14……酸化剤ガス入口側マニホールド 15……酸化剤ガス出口側マニホールド 16……ガス配管、17……積層電池 18……仕切板、19……自動制御弁 20……オリフィス、21……手動調節弁 22……圧力容器

Claims (1)

  1. (57)【特許請求の範囲】 1.マトリックスに電解質を含浸した電解質層を挟んで
    一対の多孔質電極を配置して成り、前記一方の電極に燃
    料ガスが流通し、また他方の電極に酸化剤ガスが流通し
    ている条件下で電気エネルギーを出力する単位セルをセ
    パレータを介して複数個積層して構成した単位セル積層
    体に燃料ガスまたは酸化剤ガスを供給あるいは排出すべ
    く取り付けられたマニホールドを有する燃料電池におい
    て、上記の燃料ガスのマニホールド内にマニホールド内
    空間を仕切る仕切板を設置し、各仕切板によって仕切ら
    れた各空間に接続したガス配管に燃料ガス流量制御弁を
    設置し、積層した各電池の電圧を監視しながら、電池高
    さ方向の電圧分布が均一となる様上記制御弁の弁開度を
    制御することを特徴とする燃料電池電圧分布制御方法。 2.弁開度の制御は燃料ガス流量制御弁の各運転条件に
    おける各最適弁開度をあらかじめスケジュールしてお
    き、各最適弁開度に設定した後の運転での電圧分布不均
    一はさらに弁開度の微調整により均一化した特許請求の
    範囲第1項記載の燃料電池電圧分布制御方法。 3.燃料ガス流量制御弁は、電池入口ガス配管あるいは
    電池出口ガス配管に設置した特許請求の範囲第1項記載
    の燃料電池電圧分布制御方法。 4.燃料ガス流量制御弁は流量制限オリフィスとした特
    許請求の範囲第1項記載の燃料電池電圧分布制御方法。 5.圧力容器の外部に出たガス配管部にガス流量を調節
    する手動調節弁を設置し、積層した各電池の電圧を監視
    しながら電池高さ方向の電圧分布が均一となる様上記手
    動調節弁を調節する特許請求の範囲第1項記載の燃料電
    池電圧分布制御方法。
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