JP2837625B2

JP2837625B2 - 燃料電池

Info

Publication number: JP2837625B2
Application number: JP6037245A
Authority: JP
Inventors: 後藤　　正博; 馨象大塚; 俊樹加原; 正高島; 正吉田
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1994-03-08
Filing date: 1994-03-08
Publication date: 1998-12-16
Anticipated expiration: 2013-12-16
Also published as: JPH07249419A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、燃料電池に係り、特に
セル面内における温度分布の均一化を図った燃料電池に
関する。

【０００２】

【従来の技術】燃料電池は、電気化学反応を利用して、
化学エネルギーを電気エネルギーに直接変換するもので
あり、クリーン、且つ、エネルギー変換効率の高い発電
方法として注目され、実用化に向けて研究開発が精力的
に進められている。

【０００３】燃料電池を発電システムとして使用するた
めには、長期間に渡って、安定的に電気化学反応を行わ
せる必要がある。そして、そのためには、電池の温度を
一定に保持しておかなければならない。電池温度が低す
ぎると電池性能が低くなり、反対に、温度が高すぎると
電池の寿命が短くなる。従って、温度制御は燃料電池に
とって大変重要な要素である。なお、温度は使用する電
解質の種類によって異なり、例えば、リン酸型では２０
０℃程度、溶融炭酸塩型では６５０℃程度、固体電解質
型では１０００℃程度である。

【０００４】ところで、電池一つ一つは、発生電圧が小
さいため、燃料電池として使用するためには、一般に、
多数の単電池（セル）を積み重ねて構成する必要があ
る。セルの温度は個々のセル毎に異なるため、上記温度
制御は燃料電池全体としてまとめて行うだけでは不十分
である。温度制御は、各々のセル毎に独立して行う必要
がある。

【０００５】さらには、電池の温度分布は、様々な条件
（例えば、燃料ガス流量、酸化剤ガス流量、電解質板の
状態、アノード電極の状態カソード電極の状態）が複合
して作用するため、一つのセルについても、その位置に
よって、電極面内の発電量と発熱量が異なる。その結
果、同一のセル面内においても、温度の高い所と低い所
ができる。従って、一つのセル内における温度分布も均
一化することが必要となる。

【０００６】このような温度制御を実現すべく、従来か
ら様々な技術が提案されている。例えば、特開昭６３−
１６５６２号では、セル温度に応じて作動するガス流量
制御板を備えた冷却板を、数セルおきに設置している。
そして、冷却板内部のガス流量を制御することによっ
て、セル温度分布の均一化を図ろうとしている。

【０００７】また、特開昭６３−４１７６９号、特開昭
６１３−５８１７３号のように、温度変化に応じて変形
し、ガス流量を制御する部材（例えば、バイメタル）を
備えた、放熱板を設けた例もある。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】しかし、上記従来技術
は、燃料電池高温部を冷却するために専用の冷却装置を
取付けたものである。そのため、装置全体が、大型化、
複雑化するという欠点があった。また、装置の小型化点
・簡略化を優先すれば、放熱効果、温度分布均一効果が
小さくなってしまうという問題があった。

【０００９】また、上記従来技術における温度制御は、
基本的に、高温部分を流れる冷却流体（この場合、酸化
ガス）の流量を増大させることによって、該酸化ガスが
奪う熱の量を増大させるというものであった。つまり、
基本的に、冷却能力（＝熱を奪う能力）を増大させるこ
とのみに頼ったものであった。従って、後述する変換効
率との兼ね合いもあり、十分な温度制御を行うことがで
きないという問題があった。

【００１０】さらに、上記従来技術では、同一セル面内
における温度制御を十分に決め細かく行うことができな
かった。つまり、同一のセル面内においては、高温部
は、スポット状に分布していることが多い。これに対し
酸化ガスは、一セル面内において、一定の方向に流れて
行くものである。そのため、該高温部を最適な温度に維
持しようとすると、該高温部の周辺（特に、該高温部の
上流部分）における温度が低下してしまうという問題が
あった。そして、これは、燃料電池最大のセールスポイ
ントである、電気エネルギーへの変換効率を低下させて
しまうという結果をもたらしていた。逆に、このような
点を考慮すると、あまり酸化ガスの流量を増やすことは
できず、温度の調整可能な範囲には限りがあった。

【００１１】本発明は、装置全体の大型化、複雑化を招
くこと無く、各セルのセル面内における電流密度、温度
分布の均一化を図った燃料電池を提供することを目的と
する。

【００１２】本発明は、冷却流体の流量の調整のみに頼
ること無く、温度制御を行うことのできる燃料電池を提
供することを目的とする。

【００１３】本発明は、異常部分以外の部分に与える影
響を最小限に押さえつつ、より的確な温度制御を可能と
した燃料電池を提供することを目的とする。

【００１４】上記目的を解決するための本発明の第１の
態様によれば、アノード電極と、カソード電極と、上記
アノード電極と上記カソード電極との間に配置され、電
解質を保持する電解質保持部材と、上記アノード電極に
接し、互いに並列的に配置された複数の燃料支流路を含
んで構成される燃料ガス流路と、上記カソード電極に接
し、互いに並列的に配置された複数の酸化剤支流路を含
んで構成される酸化剤ガス流路と、上記燃料支流路を流
れる燃料ガスの流量を、各燃料支流路ごとに調整可能な
燃料流量制御手段と、上記酸化剤支流路を流れる酸化剤
ガスの流量を、各酸化剤支流路ごとに調整可能な酸化剤
流量制御手段とを有し、上記アノード電極と、上記電解
質保持部材と、上記カソード電極とは、積層して配置さ
れており、上記燃料支流路は、上記積層方向から見て上
記酸化剤支流路に直交する向きに設けられ、上記燃料流
量制御手段は、上記燃料支流路を通過する燃料ガスの温
度が高いときには当該燃料支流路を流れる燃料ガスの流
量を減少させ、上記燃料支流路を通過する燃料ガスの温
度が低いときには当該燃料支流路を流れる燃料ガスの流
量を増大させ、上記酸化剤流量制御手段は、上記酸化剤
支流路を通過する酸化剤ガスの温度に応じて、当該酸化
剤支流路を通過する酸化剤ガスの流量を調整することを
特徴とする燃料電池が提供される。

【００１５】上記目的を解決するための本発明の第２の
態様によれば、第１の態様において、上記燃料ガス流路
は、上記燃料支流路を互いにつなぐ燃料バイパス流路を
さらに備え、上記燃料支流路を流れる燃料ガスの流量を
上記燃料バイパス流路との交差点の前側と後側とで独立
的に調整可能とすべく、上記燃料流量制御手段が、上記
燃料バイパス流路との交差点の前側と後側とにそれぞれ
設けられていること、を特徴とする燃料電池が提供され
る。

【００１６】上記目的を解決するための本発明の第３の
態様によれば、第１または第２の態様において、上記酸
化剤ガス流路は、上記酸化剤支流路を互いにつなぐ酸化
剤バイパス流路をさらに備え、上記酸化剤支流路を流れ
る酸化剤ガスの流量を上記酸化剤バイパス流路との交差
点の前側と後側とで独立的に調整可能とすべく、上記酸
化剤流量制御手段が、上記酸化剤バイパス流路との交差
点の前側と後側とにそれぞれ設けられていること、を特
徴とする燃料電池が提供される。

【００１７】

【００１８】上記目的を解決するための本発明の第４の
態様によれば、第１、第２および第３の内のいずれかの
態様において、上記温度は、上記燃料支流路の出口にお
ける温度であること、を特徴とする燃料電池が提供され
る。

【００１９】上記目的を解決するための本発明の第５の
態様によれば、第１、第２および第３の内のいずれかの
態様において、上記燃料流量制御手段は、バイメタルを
含んで構成された弁を有すること、を特徴とする燃料電
池が提供される。

【００２０】上記目的を解決するための本発明の第６の
態様によれば、第１、第２および第３の内のいずれかの
態様において、上記燃料流量制御手段は、形状記憶合金
を含んで構成された弁を有すること、を特徴とする燃料
電池が提供される。

【００２１】上記目的を解決するための本発明の第７の
態様によれば、第５または第６の態様において、上記弁
は、上記燃料支流路の出口部に配置されていること、を
特徴とする燃料電池が提供される。

【００２２】上記目的を解決するための本発明の第８の
態様によれば、第１、第２および第３の内のいずれかの
態様において、上記燃料流量制御手段は、上記燃料ガス
の温度を検出する温度検出手段と、上記温度検出手段の
検出結果に応じて開度が変化する弁と、を含んで構成さ
れることを特徴とする燃料電池が提供される。

【００２３】上記目的を解決するための本発明の第９の
態様によれば、第５、第６、第７および第８の内のいず
れかの態様において、上記アノード電極と隣接して配置
されたセパレータを有し、上記セパレータは、上記アノ
ード電極との対向面に、上記燃料ガス支流路の一部を構
成する溝を備え、上記弁は、上記溝内に配置されている
ことを特徴とする燃料電池が提供される。

【００２４】上記目的を解決するための本発明の第１０
の態様によれば、第１、第２、第３、第４、第５、第
６、第７、第８および第９の内のいずれかの態様におい
て、上記酸化剤流量制御手段は、上記酸化剤ガスの温度
が高いと当該酸化剤支流路を流れる酸化剤ガスの流量を
減少させ、上記酸化剤ガスの温度が低いと当該支流路を
流れる酸化剤ガスの流量を増大させるものであること、
を特徴とする燃料電池が提供される。

【００２５】

【００２６】

【００２７】

【００２８】

【００２９】

【００３０】

【００３１】

【００３２】

【００３３】

【作用】燃料流量制御手段は、燃料支流路それぞれを通
過する燃料ガスの温度（特に、出口部における温度）に
応じて、当該燃料支流路を通過する燃料ガスの流量を調
整する。この流量調整は、上記燃料ガスの温度が高い時
には当該燃料支流路を流れる燃料ガスの流量を減少さ
せ、上記燃料ガスの温度が低い時には当該燃料支流路を
流れる燃料ガスの流量を増大させる方向に行なう。これ
により、高温部への燃料ガス供給を抑制し、該高温部に
おける反応量すなわち、発熱量を抑制する。

【００３４】また、酸化剤流量制御手段は、酸化剤支流
路を流れる酸化剤ガスの温度（特にでぐち部における温
度）に応じて、当該酸化剤支流路を通過する酸化剤ガス
の流量を調整する。この流量調整は、酸化剤ガスの温度
が高いと当該酸化剤支流路を流れる酸化剤ガスの流量を
減少させ、上記酸化剤ガスの温度が低いと当該支流路を
流れる酸化剤ガスの流量を増大させる方向に行なう。こ
れにより、高温部への酸化剤ガスの供給量を増大し、該
高温部において酸化剤ガスが奪う熱の量（高温部におけ
る冷却能力）を増大する。

【００３５】なお、低温部においては、上述の説明とは
逆に、発熱量の増大と、冷却能力の抑制が行われる。

【００３６】燃料支流路と、酸化剤支流路とを互いに交
差する向きに設けておけば、異常部においては、上記発
熱量制御の効果と、冷却能力制御の効果とが重複して作
用する。従って、他の正常な領域に与える影響を最小限
にとどめつつ、最大の効果を得ることができる。

【００３７】酸化剤バイパス流路、燃料バイパス流路を
備えた例では温度等の均一化をよりきめ細かに行うこと
ができる。

【００３８】

【実施例】本発明の第１の実施例を図面を用いて説明す
る。

【００３９】本実施例の燃料電池は、図１に示すとお
り、ポンプ９１，９２によって供給される燃料ガスと酸
化剤ガスとを反応させて発電を行う。そして、発電した
電気を負荷に供給している。

【００４０】燃料電池は、複数個の単電池を積層して構
成されている。本実施例の燃料電池の基本となる単電池
の構成を図２に示す。

【００４１】該単電池は、電解質板３と、電解質板３を
挾んでその両側に配置されるアノード電極２およびカソ
ード電極４と、セパレータ１とを含んで構成されてい
る。なお、セパレータ１は、単電池間を区切るためのも
のであって厳密には、単電池を構成するものではない。
しかし、通常、該セパレータの表面に溝を設けここを燃
料ガス等の流路としているためここでは、該セパレータ
も単電池の構成要素として扱うこととする。

【００４２】セパレータ１は、各単電池の間を区切るも
のである。該セパレータ１の一面側には燃料ガス流路５
を構成する複数の溝５０が平行に設けられている。セパ
レータ１の他面側には、同様に、酸化剤ガス流路６を構
成する複数の溝６０が平行に設けられている。但し、酸
化剤ガス流路６と燃料ガス流路５とは、単電池の積層方
向から直交して見えるような位置関係に設けられてい
る。燃料ガスは、溝５０とアノード電極２との間に形成
される空間を、一方、酸化剤ガスは、溝６０とカソード
電極４との間に形成される空間を通って、それぞれ一定
の方向に流れる構造となっている。

【００４３】さらに、本実施例のセパレータ１は、図２
には描かれていないが、溝５０のそれぞれに流量調節弁
５９を備えている。また、溝６０のそれぞれに該流量調
節弁６９を備えている。該流量調節弁５９，６９を図３
に示す。

【００４４】流量調節弁５９は、反応量（発熱量）を調
整することによって、電流密度および温度を制御するた
めのものである。流量調節弁５９は、各溝５０の出口付
近に配置されており、当該溝５０を流れてきた燃料ガス
の温度に応じて当該溝５０の出口部を開閉する。流量調
節弁５９は、燃料ガスの温度が設計運転温度より高くな
ると閉じる方向（すなわち、燃料ガスの流量を減らす方
向に）に作動し、逆に、設計運転温度より低くなると開
く方向に（すなわち、燃料ガスの流量を増やす方向に）
作動するように構成されている。また、個々の流量調節
弁５９は、互いに独立的に動作することができる。

【００４５】本実施例においては、流量調節弁５９をバ
イメタルを用いて構成している。使用したバイメタルの
材質は、低膨張側材料が鉄・ニッケル合金、高膨張側材
料が鉄・マンガン・クロム・合金である。該流量調節弁
５９は、流量の調整を効率良く行うことができるように
溝５０の形状に合わせた形状（本実施例においては、角
型）としている。セパレータ１への取付けは、スポット
溶接によって行っている。流量調節弁５９の形状はこれ
に限定されるものではなく、円形、半円形等、適宜色々
な形状を用いる事ができる。また、流量調節弁５９の取
り付け方法についても、溶接に限らず、ビス止め、流路
との一体構造化等、他の様々な方法を適用可能である。

【００４６】流量調節弁６９は、冷却能力を調整するこ
とによって温度を制御しようとするものである。流量調
節弁６９は、酸化剤ガスの温度に応じて、当該溝６０を
開閉するものである。該流量調節弁６９は、基本的に
は、流量調節弁５９と同様であるが、温度変化に対する
弁の作動方向が流量調節弁５９とは逆にされている。つ
まり、流量調節弁６９は、酸化剤ガスの温度が設計運転
温度より高くなると、開く方向（すなわち、酸化剤ガス
の流量を増やす方向に）に作動し、設計運転温度より低
くなると閉じる方向（すなわち、酸化剤ガスの流量を減
らす方向に）に作動するように構成されている。

【００４７】セパレータ１、アノード電極２は、カソー
ド電極４、電解質板３の材質、形状等は、燃料電池の種
類に応じて決定されるものである。例えば、溶融炭酸塩
を電解質とする場合には、セパレータ１としてステンレ
ス鋼を、また、アノード電極２、カソード電極３として
は、ニッケル合金の多孔質体を用いることができる。ま
た、電解質板３としては、アルミナやマグネシウムの多
孔質体を用いることができる。

【００４８】特許請求の範囲においていう”燃料流量制
御手段”とは、本実施例においては流量調節弁５９に相
当するものである。”酸化剤流量制御手段”とは、流量
調節弁６９に相当するものである。また、”燃料支流
路”とは、個々の溝５０と、アノード電極２とに形成さ
れる空間に相当するものである。”互いに、並列的に配
置された燃料支流路”とは、溝５０ａ，ｂ，ｃ，ｄ，ｅ
相互の位置関係を意味するものである。また、”酸化剤
支流路”とは、個々の溝６０と、カソード電極３とによ
って形成される空間として実現されている。”互いに、
並列的に配置された酸化剤支流路”とは、溝６０ａ，
ｂ，ｃ，ｄ，ｅ相互の位置関係を意味するものである。

【００４９】本実施例の燃料電池における温度制御動作
を図４を用いて説明する。

【００５０】図４は、本実施例の燃料電池のセルを上側
から見た様子を示したものある。なお、燃料ガス流路５
の構造を表すため、一部を透視図としている。また、セ
ル面内に発生した高温部分（あるいは低温部分）を異常
部Ａとして破線の円で描いた。溝５０には、燃料ガス７
が白抜き矢印の方向に流れているものとする。溝６０に
は、酸化剤ガス８が黒塗矢印の方向に流れているものと
する。

【００５１】燃料ガス７は、溝５０を通りアノード電極
２に供給される。酸化剤ガス８も同様に、溝６０を通っ
てカソード電極４に供給される。そして、アノード電極
２およびカソード電極４の全面で、電気化学反応により
電気と熱が発生されている。

【００５２】異常部Ａにおける電流密度および温度が異
常に高くなっている場合には、該異常部Ａに対応する位
置にある溝５０ａ，ｂを通過してきた燃料ガス７は高温
になっている。そのため、流量調節弁５９ａ、５９ｂは
閉方向に作動して、溝５０ａ，５０ｂを通って流れる燃
料ガス７の流量を減少させる。その結果、溝５０ａ，ｂ
に沿った領域における電気化学反応の反応量（すなわ
ち、発熱量）が減少し、電流密度及び温度が低下する。

【００５３】燃料電池では、ポンプ９１等（図１参照）
によって、燃料電池全体デの燃料ガスの供給量を制御し
ている。従って、溝５０ａ，５０ｂを流れる燃料ガス７
の量が減少させられた分だけ、そのまま燃料ガスの供給
量が減少してしまうことはない。該減少分のうちの少な
くとも一部に相当する量だけは、溝５０ｃ，５０ｄ，５
０ｅを流れる燃料ガス７の量が増大する。これによっ
て、燃料電池全体での出力値を維持するとともに、セル
面全体での電流密度分布及び温度分布の均一化を図るこ
とができる。このような意味において、流量調節弁５９
は、各溝５０への燃料ガスの分配機能をも発揮している
ことになる。この点については、流量調節弁６９も同様
である。

【００５４】溝６０ａ，ｂを通過してきた酸化剤ガス８
も同様に高温になっている。そのため、流量調節弁６９
ａ、６９ｂは開方向に作動して、溝６０ａ，６０ｂを流
れる酸化剤ガス８の流量を増大させる。その結果、溝６
０ａ，６０ｂに沿った領域における冷却能力が増大し、
該領域における温度を下げることができる。

【００５５】異常部Ａにおける電流密度および温度が異
常に低下している場合には、以上とは逆に作用する。す
なわち、流量調節弁５９ａ、５９ｂが開方向に作動し、
溝５０ａ，５０ｂを通って流れる燃料ガス７の流量が増
大する。その結果、溝５０ａ，ｂに沿った領域における
電気化学反応の反応量（すなわち、発熱量）が増大し、
該領域における電流密度および温度が高まる。また、流
量調節弁６９ａ、６９ｂが閉方向に作動し、溝６０ａ，
６０ｂを通って流れる酸化剤ガス８の流量が減少する。
その結果、溝６０ａ，６０ｂに沿った領域における冷却
能力が低下し、該領域における温度が高まる。

【００５６】このようなメカニズムで実現される電流密
度および温度の調整機能は、流量調節弁５９による発熱
量の抑制（あるいは、増大）と、流量調節弁６９による
冷却能力の増大（あるいは、抑制）とが重複して作用す
る部分（この場合、異常部Ａ）において最も効果的に発
揮されることになる。

【００５７】本実施例では各溝５０（６０）ごとにそれ
ぞれ流量調節弁５９（６９）を取り付けているが、図５
のごとく、複数本の溝５０（６０）を１つにまとめた上
で流量調節弁５９（６９）を設けるようにしても良い。
このようにすれば、コスト低減を図ることができる。逆
に、図６のごとく一つの溝５０（６０）に複数の流量調
整弁５９（６９）を設けても良い。このようにすれば、
流量の調整可能な範囲が広くなる。

【００５８】本発明の第２の実施例を図７を用いて説明
する。

【００５９】本実施例は、セパレータ１’の各溝５０
（６０）間をつなぐバイパス溝５２（６２）を設けると
ともに、溝５０（６０）とバイパス溝５２（６２）との
交点の直前位置にも流量調節弁５９’（６９’）を設け
たことを特徴とするものである。以下、溝５０（６０）
のバイパス溝５２（６２）よりも上流側にある部分を溝
５０’（６０’）と、また、下流側にある部分を溝５
０”（６０”）という。

【００６０】流量調節弁５９’，６９’自体の構成は、
上記第１の実施例と同様である。また、他の部分につい
ても、上記第１の実施例と同様である。なお、図７
（ａ）はセパレータ１’を溝５０の側から見た図、図７
（ｂ）はセパレータ１’を溝６０の側から見た図であ
る。

【００６１】バイパス溝５２（６２）は、各溝５０（６
０）間をつなぐように設けられている。これにより、例
えば、溝５０ａ”には、溝５０’ａを通過してきたガス
だけでなく、溝５０’ｂ，ｃ，ｄ，ｅを通過してきたガ
スの一部も流れ込むことができる。また、逆に、溝５
０’ａを通過してきたガスは、溝５０ａ”だけでなく溝
５０’ｂ，ｃ，ｄ，ｅにも流入可能になっている。

【００６２】なお、溝５０’と、溝５０”とは、それぞ
れが別の”燃料支流路”を構成している。一方、”互い
に、並列的に配置された燃料支流路”とは、溝５０’
ａ，ｂ，ｃ，ｄ，ｅ相互の位置関係、また、溝５０”
ａ，ｂ，ｃ，ｄ，ｅ相互の位置関係を意味するものであ
る。同様に、並列的に配置された酸化剤支流路とは、溝
６０’ａ，ｂ，ｃ，ｄ，ｅ相互の位置関係、また、溝６
０”ａ，ｂ，ｃ，ｄ，ｅ相互の位置関係を意味するもの
である。

【００６３】動作を説明する。

【００６４】異常部Ｂにおける電流密度および温度が異
常に高くなっている場合には、該異常部Ｂの直後の位置
にある流量調節弁５９ａ’、５９ｂ’が閉方向に作動す
る。すると、溝５０ａ’，５０ｂ’に流入する燃料ガス
７の流量が減少する。その結果、溝５０ａ’，５０ｂ’
に沿った領域（つまり、異常部Ｂ）における電気化学反
応の反応量（すなわち、発熱量）が減少し、電流密度及
び温度が低下する。

【００６５】溝５０ａ’，５０ｂ’を流れる燃料ガス７
の量が減少した分のうちの少なくとも一部は、溝５０
ｃ’，５０ｄ’，５０ｅ’に流入する。そして、溝５０
ａ”，５０ｂ”には、溝５０ａ’，５０ｂ’を通って流
れてきたガスだけでなく、溝５０ｃ’，５０ｄ’，５０
ｅ’を通って流れてきたガスもパイバス溝５２を通じて
流れ込む。従って、該溝５０ａ”，５０ｂ”に沿った領
域には、燃料ガスが十分に供給される。つまり、燃料ガ
スは異常部Ｂのみを迂回して流れるため、異常部Ｂ以外
の部分（図７の例では特に異常部Ｂの下流側部分）に与
える悪影響を小さくすることができる。図７の例とは異
なり、異常部Ｂがもっと下流側（つまり、溝５０”の領
域）に生じた場合も同様に、燃料ガスが異常部Ｂを迂回
して流れることができる。

【００６６】一方、該異常部Ｂの直後の位置にある流量
調節弁６９ａ’、６９ｂ’は開方向に作動する。する
と、溝６０ａ’，６０ｂ’に流入する酸化剤ガス８の流
量が増え、溝６０ａ’，６０ｂ’に沿った領域における
冷却能力が増大する。その結果、異常部Ｂの温度が低下
する。

【００６７】溝６０ａ’，６０ｂ’を流れる酸化剤ガス
８の量が増大した分だけ、溝６０ｃ’，６０ｄ’，６０
ｅ’を流れる酸化剤ガス８の量が減少する。しかし、溝
６０ｃ’，６０ｄ’，６０ｅ’の各々についてみれば、
その減少量は小さいため悪影響はない。

【００６８】溝６０ａ’，６０ｂ’を通って流れてきた
酸化剤ガスは、溝６０ａ”，６０ｂ”だけでなく、パイ
バス溝６２を通じて、溝６０ｃ”，６０ｄ”，６０ｅ”
にも流れ込む。従って、該溝６０ａ”，６０ｂ”には、
大量の酸化剤ガスが流れ込むことはない。つまり、酸化
剤ガスは、酸化剤流路の全体から集まって、異常部Ｂの
みを集中的に冷却した後、再び全体に広がるため、異常
部Ｂ以外の部分（特に異常部Ｂの下流側部分および上流
側部分）に与える影響を小さくすることができる。

【００６９】バイパス溝５２（６２）をさらに多数設け
れば、よりきめ細かな制御が可能となる。

【００７０】該第２の実施例では、燃料電池全体での出
力値を維持するとともに、セル面全体での電流密度分布
及び温度分布のより一層の均一化を図ることができる。

【００７１】以上説明した各実施例は、冷却能力と発熱
量との双方の面から作用するため、電流密度および温度
の制御を効果的に行うことができる。また、異常高温
（低温）部分に集中的に作用するため効率的である。温
度制御に伴う発電量の低下は、他の正常な部分において
補うことができるため、燃料電池全体としてみた場合に
は、出力の低下はほとんどない。だたし、燃料電池その
ものの発電効率の低減を極力小さくするためには、冷却
能力の増大は補助手段として用いることが好ましい。

【００７２】なお、このような冷却能力の調整による効
果は、酸化剤ガスを本来的に冷却用に用いているタイプ
の燃料電池、すなわち、溶融炭酸塩型燃料電池等におい
て特に有用である。

【００７３】的確な温度制御が可能となったことによ
り、セル面内の部分的な腐食、変形、電解質の蒸発によ
る飛散等を防止することができる。また、燃料ガスの無
駄な消費を防止できる。さらに、電流密度分布を均一化
したことによって、セル性能が向上し、発電効率が上昇
する。また温度の低下による発電反応低下も解消するこ
とができる。

【００７４】また、複雑な制御機構等を必要としないた
め、装置の信頼性、製造コストの面でも有利である。

【００７５】さらに、本実施例の構成は、単なる温度お
よび電流密度の制御機構としての役割を越えて、安全機
構としても機能しうるものである。つまり、流量調節弁
５９、６９は、すべて互いに独立的に作動するため、燃
料電池が暴走を始めた場合等においては、流量調節弁５
９のすべてが閉じた状態、流量調節弁６９のすべてが開
いた状態となることで、暴走を停止（あるいは未然に防
止）することができる。しかも、その信頼性は極めて優
れている。一般に、安全機構は、機器（この場合燃料電
池）が正常に動作している時には、まったく作動してい
ない。そのため、事故が発生した場合に、その安全機構
が正常に作動するか否かを通常は確認できない。しか
し、本実施例においては、温度等の制御機構として普段
から作動しているため、正常に動作することを常に確認
することができる。

【００７６】上記実施例においては、流量調節弁５９，
６９をバイメタルを用いて実現していた。しかし、具体
的な実現方法はこれに限定されるものではなく、例え
ば、形状記憶合金を用いてもよい。形状記憶合金として
は、ＴｉＮｉＮｂ合金、ＦｅＮｉＣ合金、ＦｅＭｎＳｉ
合金等がある。どのようなものを使用するかは、使用条
件等にあわせて適宜選択すれば良い。

【００７７】さらには、必ずしも、１の部品が、温度を
検知する機能と、検知した温度に応じて流量を調整する
弁機能とを兼ね備えている必要はない。例えば、熱電対
の温度センサと、開度調整可能な弁とを組み合わせるこ
とによって実現しても構わない。なお、このように温度
検知機能と、流量調整機能とを分けて考えた場合でも、
温度検知の対象となる領域は、流路（溝５０，６０）の
出口部であることが好ましい。これは、温度検知を流路
（溝５０，６０）の途中で行うと、当該温度検知対象領
域よりも下流側において発生した異常を検知できないか
らである。これに対し、流量を調整するための弁は、必
ずしも流路の出口部に配置する必要はない。弁は、流路
の入り口、途中等いずれの位置に配置しても、当該流路
（溝５０，６０）の流量を調整することが可能だからで
ある。

【００７８】上記実施例は、流量調節弁５９と流量調節
弁６９との両方を備えていた。しかし、いずれか一方の
みを備えた構成としてもある程度の効果を期待できる。

【００７９】上記実施例は、セル面内における温度、電
流密度の均一化を図ることをも目的としていたため、支
流路を並列的、直列的に複数設けていた。また、酸化剤
ガスの流路と、燃料ガスの流路とを互いに交差するよう
な向きに設けていた。しかし、単に、温度を所定の範囲
に保つことのみを目的とするのであれば、流路を複数に
分けて設ける必要はない。流路を複数に分けることなく
本実施例を適用した場合も、温度制御を正確に行うこと
ができる。これは、発熱部のすぐ近くで温度の検出等を
行っているからである。

【００８０】最後に、上記上記実施例の適用可能な範囲
について述べておく。

【００８１】上記実施例では、燃料ガスについては冷却
媒体としての側面に触れることなく、反応量制御という
面にのみ注目して説明を行った。しかし、実際には、燃
料ガスも冷却媒体としても機能しうるものである。ま
た、逆に、酸化剤ガスも反応量制御に用いることが可能
である。従って、本発明を適用する際には、以下の点を
考慮する必要がある。但し、現実に研究開発が行われて
いる燃料電池の運転条件下においては、上記実施例をそ
のまま適用可能である。

【００８２】上記実施例は、反応量が、酸化剤ガスの流
量ではなく、燃料ガスの流量によって決定されているよ
うな運転条件下（つまり、燃料ガスに対し酸化剤ガスが
過剰に存在するような運転条件）においてのみ適用可能
なものである。酸化剤ガスに対して燃料ガスが過剰に存
在しているような運転状態においては、燃料ガスの流量
を制御しても反応量を調整することはできない。このよ
うな運転条件下では、燃料ガスの流量を低減させると、
単に燃料ガスによる冷却効果の低減を招くのみである。
また、酸化剤ガスの流量を増大させると、かえって反応
量を増大させることになる。このような運転条件下にお
いては、反応量の制御は酸化剤ガスの流量調整によっ
て、また、冷却能力の制御は燃料ガスの流量によって行
うことができる。従って、この場合には流量調節弁５
９，６９の作動方向を上記実施例とは逆にする。つま
り、温度が高くなると、流量調節弁５９が開き、一方、
流量調節弁６９は閉じるようにする。

【００８３】また、燃料ガスに対して酸化剤ガスが過剰
に存在するような運転条件下においても、燃料ガス流量
がある一定レベルを越えるとそれ以上流量を増大させて
も反応量はほとんど増大することはない。このような運
転領域においては、燃料ガス流量の増大は、燃料ガスが
奪う熱の量（つまり、燃料ガスによる冷却作用）を増大
させることとなり、燃料電池に対して温度を低下させる
ように作用する。そのため流量の調整範囲は、このよう
な点を考慮して決定する必要がある。なお、上記ある一
定レベルは、反応物質の拡散速度、拡散層の厚さ、電極
表面の状態等の各種条件によって決定されるものであ
る。

【００８４】

【発明の効果】以上説明したとおり本発明によれば、燃
料電池のセル面内における電流密度分布および温度分布
を均一化することができる。また、セル面内の異常発熱
によるセル部材の腐食、セル部材の熱膨張による変形、
電解質の蒸発による飛散等を抑制することができる。ま
た、燃料ガスの利用率が向上し発電効率が上昇する。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施例である燃料電池の概要を
示すブロック図である。

【図２】燃料電池に含まれる単電池の基本構成を示す斜
視図である。

【図３】流量調節弁５９および流量調節弁６９の取付け
状態を示す斜視図である。

【図４】本実施例の作動原理を示す図である。

【図５】該第１の実施例の変形例を示す図である。

【図６】該第１の実施例の変形例を示す図である。

【図７】本発明の第２の実施例におけるセパレータ１’
および流量調節弁５９’，５９”，６９’，６９”を示
す図である。

【符号の説明】

１……セパレータ、２……アノード電極、３……電
解質板、４……カソード電極、５……燃料ガス流
路、６……酸化剤ガス流路、７……燃料ガス、８
……酸化剤ガス、１０……流量調節弁、５０……
溝、５２……バイパス溝、５９……流量調節弁、
６０……溝、６２……バイパス溝、６９……流量調
節弁、９１……ポンプ、９２……ポンプ、Ａ……
異常部、Ｂ……異常部

フロントページの続き (72)発明者高島正茨城県日立市幸町三丁目１番１号株式会社日立製作所日立工場内 (72)発明者吉田正茨城県日立市幸町三丁目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63−16562（ＪＰ，Ａ) 実開平５−66877（ＪＰ，Ｕ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁶，ＤＢ名) H01M 8/00 - 8/24

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】アノード電極と、カソード電極と、上記アノード電極と上記カソード電極との間に配置さ
れ、電解質を保持する電解質保持部材と、上記アノード電極に接し、互いに並列的に配置された複
数の燃料支流路を含んで構成される燃料ガス流路と、上記カソード電極に接し、互いに並列的に配置された複
数の酸化剤支流路を含んで構成される酸化剤ガス流路
と、上記燃料支流路を流れる燃料ガスの流量を、各燃料支流
路ごとに調整可能な燃料流量制御手段と、上記酸化剤支流路を流れる酸化剤ガスの流量を、各酸化
剤支流路ごとに調整可能な酸化剤流量制御手段とを有
し、上記アノード電極と、上記電解質保持部材と、上記カソ
ード電極とは、積層して配置されており、上記燃料支流路は、同一面内において上記酸化剤支流路
に交わらず、かつ、前記積層方向からは上記酸化剤支流
路に直交して見えるように設けられ、上記燃料流量制御手段は、上記燃料支流路を通過する燃
料ガスの温度が高いときには当該燃料支流路を流れる燃
料ガスの流量を減少させ、上記燃料支流路を通過する燃
料ガスの温度が低いときには当該燃料支流路を流れる燃
料ガスの流量を増大させ、上記酸化剤流量制御手段は、上記酸化剤支流路を通過す
る酸化剤ガスの温度に応じて、当該酸化剤支流路を通過
する酸化剤ガスの流量を調整することを特徴とする燃料
電池。
【請求項２】上記燃料ガス流路は、上記燃料支流路を互
いにつなぐ燃料バイパス流路をさらに備え、上記燃料支流路を流れる燃料ガスの流量を上記燃料バイ
パス流路との交差点の前側と後側とで独立的に調整可能
とすべく、上記燃料流量制御手段が、上記燃料バイパス
流路との交差点の前側と後側とにそれぞれ設けられてい
ること、を特徴とする請求項１記載の燃料電池。
【請求項３】上記酸化剤ガス流路は、上記酸化剤支流路
を互いにつなぐ酸化剤バイパス流路をさらに備え、上記酸化剤支流路を流れる酸化剤ガスの流量を上記酸化
剤バイパス流路との交差点の前側と後側とで独立的に調
整可能とすべく、上記酸化剤流量制御手段が、上記酸化
剤バイパス流路との交差点の前側と後側とにそれぞれ設
けられていること、を特徴とする請求項１または２記載の燃料電池。
【請求項４】上記温度は、上記燃料支流路の出口におけ
る温度であること、を特徴とする請求項１、２および３の内のいずれか１項
記載の燃料電池。
【請求項５】上記燃料流量制御手段は、バイメタルを含
んで構成された弁を有すること、を特徴とする請求項１、２および３の内のいずれか１項
記載の燃料電池。
【請求項６】上記燃料流量制御手段は、形状記憶合金を
含んで構成された弁を有すること、を特徴とする請求項１、２および３の内のいずれか１項
記載の燃料電池。
【請求項７】上記弁は、上記燃料支流路の出口部に配置
されていること、を特徴とする請求項５または６記載の燃料電池。
【請求項８】上記燃料流量制御手段は、上記燃料ガスの温度を検出する温度検出手段と、上記温度検出手段の検出結果に応じて開度が変化する弁
と、を含んで構成されることを特徴とする請求項１、２およ
び３の内のいずれか１項記載の燃料電池。
【請求項９】上記アノード電極と隣接して配置されたセ
パレータを有し、上記セパレータは、上記アノード電極との対向面に、上
記燃料ガス支流路の一部を構成する溝を備え、上記弁は、上記溝内に配置されていることを特徴とする
請求項５、６、７および８の内のいずれか１項記載の燃
料電池。
【請求項１０】上記酸化剤流量制御手段は、上記酸化剤
ガスの温度が高いと当該酸化剤支流路を流れる酸化剤ガ
スの流量を減少させ、上記酸化剤ガスの温度が低いと当
該支流路を流れる酸化剤ガスの流量を増大させるもので
あること、を特徴とする請求項１、２、３、４、５、６、７、８お
よび９の内のいずれか１項記載の燃料電池。