JP4762578B2

JP4762578B2 - 燃料電池

Info

Publication number: JP4762578B2
Application number: JP2005070286A
Authority: JP
Inventors: 勇菊池
Original assignee: Toshiba Fuel Cell Power Systems Corp
Current assignee: Toshiba Energy Systems and Solutions Corp
Priority date: 2005-03-14
Filing date: 2005-03-14
Publication date: 2011-08-31
Anticipated expiration: 2025-03-14
Also published as: JP2006253047A

Description

本発明は燃料電池に係り、特に、複数の燃料電池単体を積層してなる燃料電池に関する。

典型的な燃料電池は、電解質を２枚のガス拡散電極で挟持した単位電池と、ガス拡散電極にそれぞれ接して配置した燃料ガス流通路および酸化剤ガス流通路からなる燃料電池単体を複数個積層した燃料電池積層体を有し、さらに燃料ガス流通路および酸化剤ガス流通路に燃料および酸化剤を供給するガスマニホールドが設けられている。そして、水素等の燃料と空気等の酸化剤を燃料電池積層体に供給して、電気化学的に反応させることにより燃料の持つ化学エネルギーを直接電気エネルギーに変換し、外部へ取り出す。

ここで、供給された燃料の総量に対して燃料電池の反応に使用されずに燃料電池外部に排出される燃料の総量を少なくし燃料利用率を１００％に近づけることにより、供給された燃料の総量に対するエネルギー変換効率を向上させることが可能である。しかし、燃料電池積層体は上述の通り多数の燃料ガス流通路および酸化剤ガス流通路を持つ複数の燃料電池単体から構成されており各燃料流路に流れる燃料の配流アンバランスにより燃料が多く流れる部分と燃料が少なく流れる部分が発生してしまう。このため、仮に全体として１００％に近い燃料利用率とした場合には、部分的に燃料利用率が１００％に到達し局部的な燃料不足により燃料電池単体内で電極基板を構成するカーボン材の腐食が発生し燃料電池単体が損傷してしまう恐れがある。そのため通常は８０％程度の燃料利用率で運転されている。

これらの問題に対する解決策としては、一般に、複数の燃料電池から構成される燃料電池システムにおいて、燃料ガス流通経路の上流側に設置された燃料電池から使用されずに排出された燃料を燃料ガス流通経路の下流側に設置された別の燃料電池で再び使用することでシステム全体の燃料利用率を上げる方法がある。また、単一の燃料電池積層体において、燃料ガスマニホールドの内部空間を燃料電池単体と平行に設置された仕切り板で燃料入口側マニホールド空間と燃料出口側マニホールド空間に仕切り、燃料入口側マニホールド空間に隣接する燃料電池単体を通過し使用されなかった燃料ガスを燃料出口側マニホールド空間に隣接する燃料電池単体に再び通過させる方法が提案されている（例えば、特許文献１および２参照）。
特開平５−１９０１９５号公報（図１）特公昭６２−２３４３４号公報（第４図）

しかしながら、特許文献１および２に開示された方法では、一般に厚さの薄い燃料電池単体の側面部にガスマニホールド仕切り板とのシール部を形成する必要があり、燃料電池積層体とガスマニホールド仕切り板の接触面で十分なシール性を確保するためには、ガスマニホールドの仕切り板と相対する燃料電池積層体の接触部に厚板状のスペーサーを積層してシール幅を確保するか、燃料電池単体の端部から板状のシール部を突き出し、その先端とガスマニホールドの仕切り板もしくはガスマニホールド内壁との間にシール材を挟持させてシールする必要がある。この場合、上述のように、特別なシール構造部品を設置するが必要であるという課題があった。

本発明は、上記のような従来技術の課題を解決するためになされたものであり、その目的は、複数の燃料電池単体を積層してなる燃料電池で、特別なシール構造を必要とせずに、高い燃料利用率での運転が可能とすることにある。

上記目的を達成するために、本発明の燃料電池は、板状に延びた電解質の両面を２枚の板状のガス拡散電極で挟持した単位電池と、前記ガス拡散電極の面に沿ってそれぞれ燃料ガスおよび酸化剤ガスが流れるように構成された燃料ガス流通路および酸化剤ガス流通路と、を有する燃料電池単体を複数個積層して構成された燃料電池積層体と、前記燃料ガス流通路に燃料ガスを供給して排気する燃料ガスマニホールドと、前記酸化剤ガス流通路に酸化剤ガスを供給して排気する酸化剤ガスマニホールドと、を有する燃料電池において、前記燃料ガスマニホールドは、前記燃料電池単体の積層方向にそれぞれ延びる第１燃料ガス室と第２燃料ガス室と第３燃料ガス室とを有し、前記燃料ガス流通路は、前記第１燃料ガス室および前記第２燃料ガス室に連絡し、前記第３燃料ガス室に連絡しない第１燃料ガス流通路と、前記第２燃料ガス室および前記第３燃料ガス室に連絡し、前記第１燃料ガス室に連絡せず、前記第１燃料ガス流通路と異なる面内に配置された第２燃料ガス流通路と、を有し、燃料電池に供給された燃料ガスが、前記第１燃料ガス室、第１燃料ガス流通路、第２燃料ガス室、第２燃料ガス流通路、第３燃料ガス室の順に通って燃料電池外部に排出されるように構成され、前記第１燃料ガス流通路を含む前記燃料電池単体の数が、前記第２燃料ガス流通路を含む前記燃料電池単体の数よりも多いこと、を特徴とする。

本発明によれば、特別なシール構造を必要とせずに、燃料ガスマニホールドの内部空間を分割し、それらの燃料ガス空間に順次燃料ガスを流通させることで高い燃料利用率での運転が可能な燃料電池を提供することができる。

以下、本発明に係る燃料電池の種々の実施形態について、図面を参照して説明する。ここで、相互に同一または類似の構成部分には共通の符号を付し、重複する説明は省略する。

［実施形態１］
本発明に係る燃料電池の実施形態１を、図１〜図６を用いて説明する。図１は実施形態１の燃料電池の全体構成を示す斜視図である。ただし、図１では酸化剤ガスマニホールド（図2参照）および冷却水マニホールドの図示を省略している。図2はこの燃料電池の平面図である。

本実施形態１の燃料電池は、燃料電池単体１と燃料電池単体２をそれぞれ複数積層してなる燃料電池積層体３と、燃料電池積層体３の上下に設置された集電板４と、燃料電池積層体３の側面に設置され燃料電池の燃料ガス流通路に燃料ガスを供給するための燃料ガスマニホールド５ａ、５ｂと、酸化剤ガスマニホールド３０および冷却水マニホールド（図示せず）と、で構成される。

燃料ガスマニホールド５ａ、５ｂは燃料電池積層体３をはさんで両側に配置されている。燃料ガスマニホールド５ａ、５ｂの並ぶ方向と直角の方向に燃料電池積層体３をはさんで両側に酸化剤ガスマニホールド３０が配置されていて、各燃料電池単体１、２に酸化剤を供給するようになっている。

燃料電池単体１は、図３に示すように、電解質３１を２枚のガス拡散電極３２で挟持した単位電池３３にそれぞれ接して配置した第１燃料ガス流通路１０を持つ第１燃料ガスセパレータ板１１および酸化剤ガス流通路３６を持つ酸化剤ガスセパレータ板３７からなる。同様に、燃料電池単体２は、単位電池にそれぞれ接して配置した第２燃料ガス流通路１４を持つ第２燃料ガスセパレータ板１５および酸化剤ガス流通路３６を持つ酸化剤ガスセパレータ板３７からなる。なお、隣接する第１燃料ガスセパレータ板１１または第２燃料ガスセパレータ板１５と酸化剤ガスセパレータ板３７はそれぞれ一体のセパレータ板で構成してもよい。

燃料ガスマニホールド５ａ内部のガス室は、燃料ガスマニホールド５ａの内面に設置された仕切り板６により積層方向に貫通した第１燃料ガス室７と第３燃料ガス室８に分割されている。第１燃料ガス室７および第３燃料ガス室８はそれぞれ、燃料配管９ａおよび燃料配管９ｂを介して外部の図示されない燃料供給手段および燃料排気手段に接続されている。

次に、図４を用いて、第１燃料ガス流通路１０を持つ第１燃料ガスセパレータ板１１について説明する。本実施形態１の第１燃料ガスセパレータ板１１は片面に凸状のリブ部１１ａを有するガス不透過性の板であり、平板状の単位電池とリブ部１１ａが接するように配置されることにより、第１燃料ガスセパレータ板１１のリブ部１１ａ以外の部分に形成される空間が第１燃料ガス流通路１０となる。なお、同様に、第２燃料ガスセパレータ板１５も片面に凸状のリブ部を有するガス不透過性の板であり、平板状の単位電池とリブ部が接するように配置されることにより、第２燃料ガスセパレータ板１５のリブ部以外の部分に形成される空間（溝）が第２燃料ガス流通路となる。

次に、図５を用いて、第１燃料ガス流通路１０および燃料ガスマニホールド５ａ、５ｂの第１燃料ガス室７、第２燃料ガス室１３、第３燃料ガス室８の構成について説明する。図５は、図１の燃料電池を第１燃料ガス流通路１０の面で切断したときの断面図であり、第１燃料ガス流通路１０を持つ第１燃料ガスセパレータ板１１と燃料ガスマニホールド５ａ、５ｂおよび仕切り板６の間はシール材１２によりシールされており、それぞれ第１燃料ガス室７と第２燃料ガス室１３と第３燃料ガス室８を形成している。ここで、第１燃料ガス流通路１０の第３燃料ガス室８および仕切り板６に接する部分には流路が形成されておらず、第１燃料ガス流通路１０は第１燃料ガス室７および第２燃料ガス室１３に対してのみ開口部を持っている。

同様に、図６を用いて、第２燃料ガス流通路１４および燃料ガスマニホールド５ａ、５ｂの第１燃料ガス室７、第２燃料ガス室１３、第３燃料ガス室８の構成について説明する。図６は、図１の燃料電池を第２燃料ガス流通路１４の面で切断したときの断面図であり、第２燃料ガス流通路１４を持つ第２燃料ガスセパレータ板１５と燃料ガスマニホールド５ａ、５ｂおよび仕切り板６の間はシール材１２によりシールされており、それぞれ第１燃料ガス室７と第２燃料ガス室１３と第３燃料ガス室８を形成している。ここで、第２燃料ガス流通路１４の第１燃料ガス室７および仕切り板６に接する部分には流路が形成されておらず、第２燃料ガス流通路１４は第２燃料ガス室１２および第３燃料ガス室８に対してのみ開口部を持っている。

ここでシール材１２は燃料電池積層体の積層方法に一直線の帯状の形状をしており、ガスマニホールド５ａ、５ｂのシール部およびガスマニホールドの仕切り板６のシール部に対向する燃料電池積層体３の側面にはガスマニホールドの内部空間に対して開口部が無いのでシール材１２としては、弾性体のシール材料もしくは硬化性のコーキング材を挟持させることで容易にシール性が確保される。

次に本実施形態における燃料電池について燃料ガスの流れを説明する。燃料電池の運転中は外部の図示されない燃料供給手段から燃料電池に供給された燃料ガスは配管９ａを介して第１燃料ガス室７に入り第１燃料ガス流通路１０を通過するとともに燃料の一部が燃料電池の発電に使用され、発電に使用されなかった排ガスが第２燃料ガス室１３に導入される。次に第２燃料ガス室１３に流通した燃料排ガスは第２燃料ガス室１３室内で積層方向に移動し第２燃料ガス流通路１４に導入され、同様に第２燃料ガス流通路１４において燃料の一部が燃料電池の発電に使用され、発電に使用されなかった排ガスが第３燃料ガス室８に流通し、燃料配管９ｂを介して外部の図示されない燃料排気手段に排気される。

ここで、燃料電池に供給される燃料ガス中の燃料の総量をＱとし、第１燃料ガス流通路１０における燃料の使用量をＱ１、第２燃料ガス流通路１４における燃料の使用量をＱ２とすると、第１燃料ガス流通路１０における燃料利用率Ｕｆ１と第２燃料ガス流通路１４における燃料利用率Ｕｆ２と燃料電池全体の燃料利用率Ｕｆは、
Ｕｆ１＝Ｑ１／Ｑ・・・（１）
Ｕｆ２＝Ｑ２／（Ｑ−Ｑ１）・・・（２）
Ｕｆ＝（Ｑ１＋Ｑ２）／Ｑ
＝１−（１−Ｕｆ１）＊（１−Ｕｆ２）・・・（３）
となる。仮に第１燃料ガス流通路１０および第２ガス流通路１４においてそれぞれ燃料電池に供給された燃料の総量Ｑの４４％ずつの燃料が消費された場合、それぞれのガス流通路および燃料電池全体の燃料利用率は、式（１）、（２）、（３）より、Ｕｆ１＝４４％、Ｕｆ２＝７８％、Ｕｆ＝８８％となり、各燃料ガス流路での燃料利用率が８０％以下であっても燃料電池全体の燃料利用率は８８％に達する。

以上説明したように、本実施形態では、ガスマニホールド５ａ，５ｂと燃料電池積層体３との間のシール部およびガスマニホールドの内部空間を分割する仕切り板６と燃料電池積層体３とのシール部は燃料電池単体に対して垂直方向に設置されるので、ガスマニホールド内の仕切り板６を燃料電池単体に対して水平に設置する必要がなくなり、ガスマニホールドの内部空間を分割する際に特別なシール構造部品を追加することなしに容易に気密性を確保できる。

また、第１燃料ガス流通路１０からの排出燃料ガスが第２燃料ガス流通路１４に再び流通され発電に使用されるため、それぞれの燃料電池単体での燃料利用率を高くすることなしに、燃料電池積層体の全体としての燃料利用率を高くすることができる。

以上説明した実施形態１の燃料電池において、燃料電池単体１と燃料電池単体２に含まれる単位電池をそれぞれ、第１燃料ガス流通路１０を通過する燃料ガス組成に対して最適化された第１の単位電池と、第２燃料ガス流通路１４を通過する燃料ガス組成に対して最適化された第２の単位電池とすることが好ましい。

すなわち、燃料電池の燃料ガス流通路を通過する燃料ガスは、その通過中に燃料の一部が燃料電池の発電に使用されるが、燃料ガス中に含まれる燃料以外の成分量は変化しない。そのため燃料流通路の上流側に比べ燃料流通路の下流側ではその燃料ガス中に含まれる燃料以外の成分量は相対的に増加してしまう。また、燃料電池の発電には燃料ガスに含まれる水蒸気が使用されるとともに、燃料電池の発電に伴う生成水の一部が燃料ガスに水蒸気として排出されるため燃料流通路の上流側と下流側ではその燃料ガス中に含まれる水蒸気量にも違いが生じる。さらに、燃料電池の酸化剤ガスとして空気を使用する場合は、空気中の窒素ガスの一部が酸化剤ガス流通路から燃料ガス流通路に拡散するので、燃料ガス流通路の下流側では燃料ガス中の窒素濃度が高くなる。

また、燃料電池単体に吸着される性質を持つ燃料ガス中の成分についても、燃料流通路の上流側と下流側ではその燃料ガス中に含まれる量が変化する。したがって、燃料ガス流通路の上流側を流通する燃料ガスと燃料ガス流通路の下流側を流通する燃料ガスとでは、その燃料ガス組成および燃料ガス流量が異なってしまう。

さらに第１の単位電池と第２の単位電池の枚数が異なる場合には（実施形態７参照）、それぞれ１枚ごとの単位電池の第１燃料ガス流通路１０と第２燃料ガス流通路１４に流通する燃料ガスの流量も、第１の単位電池と第２の単位電池の枚数の比率に応じて異なる流量となる。

したがって、第１の単位電池は第１燃料ガス流通路に流通される燃料ガスの組成に対して最適化し、第２の単位電池は第２燃料ガス流通路に流通される燃料ガスの組成に対して最適化する。すなわち、第１の単位電池と第２の単位電池を同一構造とせず、それぞれの条件に適合させて、電極材料、気孔率、撥水性等を選択して設計する。第１の単位電池と第２の単位電池をそれぞれ最適化することにより、第１の単位電池と第２の単位電池を同一の単位電池とした場合よりも燃料電池の高効率化もしくは長寿命化を実現させることが可能である。

このように構成することによって、ガスマニホールド内に燃料電池単体に対して水平方向の仕切り板を設置することなしに、それぞれ燃料ガスの上流側と下流側に相当する第１燃料ガス流通路と第２燃料ガス流通路を設けることができ、第１の単位電池は第１燃料ガス流通路に流通される燃料ガスの組成に対して最適化し、第２の単位電池は第２燃料ガス流通路に流通される燃料ガスの組成に対して最適化することで高性能な燃料電池を提供できる。

［実施形態２］
図７〜図９を用いて本発明に係る燃料電池の実施形態２の構成を説明する。図７に示すように、本実施形態２の燃料電池では、第１燃料ガス流通路１０と第２燃料ガス流通路１４をそれぞれ往路と復路に分ける。燃料ガスマニホールド５ａ内部のガス室は燃料ガスマニホールド５ａの内面に設置された仕切り板６ａ、６ｂにより積層方向に貫通した第１燃料ガス室７と第２燃料ガス室１３と第３燃料ガス室８とに分割されている。第１燃料ガス室７と第３燃料ガス室８はそれぞれ、燃料配管９ａおよび燃料配管９ｂを介して外部の図示されない燃料供給手段および燃料排気手段に接続されている。また、燃料ガスマニホールド５ｂ内部のガス室は燃料ガスマニホールド５ｂの内面に設置された仕切り板６ｃにより積層方向に貫通した第４燃料ガス室１６と第５燃料ガス室１７とに分割されている。図７で酸化剤がスマニホールドなどの図示を省略している点は図１と同様である。

次に、図８を用いて、第１燃料ガス流通路１０および燃料ガスマニホールド５ａ、５ｂの第１燃料ガス室７、第２燃料ガス室１３、第３燃料ガス室８、第４燃料ガス室、第５燃料ガス室の構成について説明する。図８は、図７の燃料電池を第１燃料ガス流通路１０の面で切断したときの断面図である。第１燃料ガス流通路１０を持つ第１燃料ガスセパレータ板１１と燃料ガスマニホールド５ａ、５ｂおよび仕切り板６ａ、６ｂ、６ｃの間は、シール材１２によりシールされており、それぞれ第１燃料ガス室７と第２燃料ガス室１３と第３燃料ガス室８と第４燃料ガス室１６と第５燃料ガス室１７を形成している。

第１燃料ガス流通路１０は第１燃料ガス流通路の往路１０ａと第１燃料ガス流通路の往路１０ｂとに分割されている。第１燃料ガス流通路の往路１０ａは、第１燃料ガス室７と第４燃料ガス室１６に対してのみ開口部を持ち、第１燃料ガス流通路の復路１０ｂは、第４燃料ガス室１６と第２燃料ガス室１３に対してのみ開口部を持っている。

同様に、図９を用いて、第２燃料ガス流通路１４および燃料ガスマニホールド５ａ、５ｂの第１燃料ガス室７、第２燃料ガス室１３、第３燃料ガス室８、第４燃料ガス室１６、第５燃料ガス室１７の構成について説明する。図９は、図７の燃料電池を第２燃料ガス流通路１４の面で切断したときの断面図である。第２燃料ガス流通路１４を持つ第２燃料ガスセパレータ板１５と燃料ガスマニホールド５ａ、５ｂおよび仕切り板６ａ、６ｂ、６ｃの間は、シール材１２によりシールされており、それぞれ第１燃料ガス室７と第２燃料ガス室１３と第３燃料ガス室８と第４燃料ガス室１６と第５燃料ガス室１７を形成している。

第２燃料ガス流通路１４は第２燃料ガス流通路の往路１４ａと第２燃料ガス流通路の往路１４ｂとに分割されている。第２燃料ガス流通路の往路１４ａは、第２燃料ガス室１３と第５燃料ガス室１７に対してのみ開口部を持ち、第２燃料ガス流通路の復路１４ｂは第５燃料ガス室１７と第３燃料ガス室８に対してのみ開口部を持っている。

シール材１２は燃料電池積層体の積層方法に一直線の帯状の形状をしており、ガスマニホールド５ａ、５ｂのシール部およびガスマニホールドの仕切り板６ａ，６ｂ，６ｃのシール部に対向する燃料電池積層体の側面にはガスマニホールドの内部空間に対して開口部が無い。そのため、シール材１２としては、弾性体のシール材料もしくは硬化性のコーキング材を挟持させることで容易にシール性が確保される。

次に、本実施形態における燃料電池について燃料ガスの流れを説明する。燃料電池の運転中は、外部の図示されない燃料供給手段から燃料電池に供給された燃料ガスは、燃料配管９ａを介して第１燃料ガス室７に入り、第１燃料ガス流通路の往路１０ａを通過するとともに燃料の一部が燃料電池の発電に使用される。第１燃料ガス流通路の往路１０ａで発電に使用されなかった燃料ガスは、第４燃料ガス室１６を介して第１燃料ガス流通路の復路１０ｂに導入され、燃料の一部が燃料電池の発電に使用される。ここでも発電に使用されなかった燃料ガスは第２燃料ガス室１３に導入される。

次に、第２燃料ガス室１３に流通した燃料排ガスは、第２燃料ガス室１３室内で積層方向に移動し、第２燃料ガス流通路の往路１４ａに導入される。そして同様に、第２燃料ガス流通路の往路１４ａにおいて、燃料の一部が燃料電池の発電に使用される。第２燃料ガス流通路の往路１４ａで発電に使用されなかった燃料ガスは、第５燃料ガス室１７を介して第２燃料ガス流通路の復路１４ｂに導入され、燃料の一部が燃料電池の発電に使用される。ここでも発電に使用されなかった排ガスは第３燃料ガス室８に流通し、燃料配管９ｂを介して外部の図示されない燃料排気手段に排気される。

ここで、第１燃料ガス流通路１０を第１燃料ガス流通路の往路１０ａと第１燃料ガス流通路の復路１０ｂに分割すると、燃料流路を分割しない場合の第１燃料ガス流通路１０の出口付近での燃料ガス流通路の全幅に比べて第１燃料ガス流通路の復路１０ｂの出口付近での燃料ガス流通路の全幅が狭くなる。そのため、第１燃料ガス流通路１０および第１燃料ガス流通路の復路１０ｂから排出される燃料ガスの流量が同じ場合、燃料電池の単位反応面積に対する燃料ガスの流量が相対的に大きくなる。さらに、第４燃料ガス室１６において複数の燃料電池単体に存在する第１燃料ガス流通路の往路１０ａからの排出ガスが一旦混合され再分配されてそれぞれの第１燃料ガス流通路の復路１０ｂに流入させられるため、各燃料電池単体間での燃料流量が均一化されるので、特定の燃料電池単体での燃料流量の不均一による燃料不足が発生しない。

以上説明したように、本実施形態では実施形態１と同等の効果が得られるとともに、それぞれの燃料電池単体での燃料利用率をさらに高くしても燃料ガス流通路の出口部でも燃料不足による燃料電池の破損が発生しない燃料電池を提供できる。

［実施形態３］
図１０、図１１を用いて本発明に係る燃料電池の実施形態３の構成を説明する。本実施形態３の燃料電池は、実施形態１の燃料電池の変形であって、第１燃料ガス流通路１０と第２燃料ガス流通路１４の流路を点対称の形状にしている。すなわち、本実施形態３の燃料電池では第１燃料ガス流通路１０を持つ第１燃料ガスセパレータ板１１と第２燃料ガス流通路１４を持つ第２燃料ガスセパレータ板１５とは同一の形状を有しており、それらを燃料電池積層体として積層する際にその向きを１８０°回転させることで第１燃料ガス流通路もしくは第２燃料ガス流通路として使用する。本実施形態における燃料電池運転中の燃料ガスの流れについては実施形態１と同様である。

以上説明したように、本実施形態では実施形態１と同等の効果が得られるとともに、第１燃料ガス流通路１０と第２燃料ガス流通路１４の流路形状が点対称であるために、各燃料ガス流通路をもつ燃料ガスセパレータ板を同一形状に製作し、燃料電池積層体に積層する際にその向きを１８０°回転させることで第１燃料ガス流通路１０もしくは第２燃料ガス流通路１４として使用できるため、燃料ガスセパレータ板を２種類製作する必要がなくなり、生産コストを削減することができる。

［実施形態４］
図１２、図１３を用いて本発明に係る燃料電池の実施形態４の構成を説明する。本実施形態４の燃料電池は、実施形態２の燃料電池の変形であって、第１燃料ガスセパレータ板１１と第２燃料ガスセパレータ板１５の燃料ガス流通路を点対称の形状にしている。すなわち、本実施形態４の燃料電池では第１燃料ガス流通路の往路１０ａおよび復路１０ｂを持つ第１燃料ガスセパレータ板１１と第２燃料ガス流通路の往路１４ａおよび復路１４ｂを持つ第２燃料ガスセパレータ板１５とは同一の形状を有しており、それらを燃料電池積層体として積層する際にその向きを１８０°回転させることで第１燃料ガス流通路１０もしくは第２燃料ガス流通路１４として使用する。本実施形態における燃料電池運転中の燃料ガスの流れについては実施形態２と同様である。

以上説明したように、本実施形態では実施形態２と同等の効果が得られるとともに、第１燃料ガスセパレータ板１１と第２燃料ガスセパレータ板１５の流路形状が点対称であるために、各燃料ガス流通路をもつ燃料ガスセパレータ板を同一形状に製作し、燃料電池積層体に積層する際にその向きを１８０°回転させることで第１燃料ガス流通路１０もしくは第２燃料ガス流通路１４として使用できるため、燃料ガスセパレータ板を２種類製作する必要がなくなり、生産コストを削減することができる。

［実施形態５］
この実施形態は実施形態１（図１〜図６）の変形例であって、図１４および図１５に示すように、第１燃料ガス流通路１０と第２燃料ガス流通路１４の形状を、途中に屈曲部のある蛇管状の形状にする。このような構成により、第１燃料ガス流通路１０および第２燃料ガス流通路１４の長さを長くすることができる。

［実施形態６］
この実施形態は実施形態２（図７〜図９）の変形例であって、図１６および図１７に示すように、第１燃料ガス流通路１０と第２燃料ガス流通路１４の形状を、途中に屈曲部のある蛇管状の形状にする。このような構成により、実施形態５と同様に第１燃料ガス流通路１０および第２燃料ガス流通路１４の長さを長くすることができる。

［実施形態７］
図１８を用いて本発明に係る燃料電池の実施形態７の構成を説明する。本実施形態７の燃料電池は、実施形態１の変形例であって、第１燃料ガス流通路１０を有する燃料電池単体１を、第２燃料ガス流通路１４を有する燃料電池単体２よりも多数積層している。

ここで、一例として第１燃料ガス流通路１０を持つ燃料電池単体１の数ｎ１と第２燃料ガス流通路１４を持つ燃料電池単体２の数ｎ２の比（ｎ１／ｎ２）を５とする。第１燃料ガス流通路１０で使用される燃料ガスの使用量Ｑ１を燃料電池に供給された燃料Ｑの８０％とし、第２燃料ガス流通路１４で使用される燃料ガスの使用量Ｑ２を燃料電池に供給された燃料Ｑの１６％を使用すると、Ｑ１／Ｑ２＝８０／１６＝５となり、各燃料ガス流通路を有する一枚ごとの燃料電池単体で発電に使用される燃料ガスの量が同じになる。さらに、それぞれのガス流通路および燃料電池全体の燃料利用率は上述の式（１）、（２）、（３）より、Ｕｆ１＝８０％、Ｕｆ２＝８０％、Ｕｆ＝９６％となり、各燃料ガス流路での燃料利用率を８０％に制限しても燃料電池全体の燃料利用率は９６％に達する。

なお、第１燃料ガス流通路１０を持つ燃料電池単体１の数ｎ１と第２燃料ガス流通路１４を持つ燃料電池単体２の数ｎ２の比ｎ１／ｎ２は５に限られたものではなく、第１燃料ガス流通路１０を有する燃料電池単体１を、第２燃料ガス流通路１４を有する燃料電池単体２よりも１枚でも多く積層することで、相応の効果が得られる。

一般に各燃料電池単体での燃料利用率はできるだけ大きく設計するので、Ｕｆ１＝Ｕｆ２とすると、式（１）、（２）、（３）より次の式が得られる。

Ｑ１／Ｑ２＝１／（１−Ｕｆ１）・・・（４）
Ｕｆ＝Ｕｆ１（２−Ｕｆ１）・・・（５）
さらに、一般に各燃料電池単体での燃料使用量を等しくして発電量が最大限で等しくなるのが望ましいので、Ｑ１／Ｑ２は、望ましくは、第１燃料ガス流通路１０を持つ燃料電池単体１の数ｎ１と第２燃料ガス流通路１４を持つ燃料電池単体２の数ｎ２の比ｎ１／ｎ２に等しい。

よってこのとき、式（４）は次のように表現できる。

ｎ１／ｎ２＝１／（１−Ｕｆ１）・・・（６）
ここで、０＜Ｕｆ１＜１であるから、式（６）より、
ｎ１／ｎ２＞１となり、
ｎ１＞ｎ２となる。

前述の例では、Ｕｆ１＝０．８としたので、これを式（６）に代入すると、
ｎ１／ｎ２＝５が得られる。

また、式（５）から
Ｕｆ＝０．９６となる。

以上説明したように、本実施形態では実施形態１と同等の効果が得られるとともに、複数の第１燃料ガス流通路１０をもつ燃料電池単体１からの排出燃料ガスが、第１燃料ガス流通路１０からなる燃料電池単体１より個数の少ない第２燃料ガス流通路１４をもつ燃料電池単体２に再び流通され発電に使用される。そのため、燃料電池単体２の一枚毎の第２燃料ガス流通路１４からの排出燃料ガスの量を十分に確保でき、第２燃料ガス流通路１４の出口付近で燃料不足により燃料電池が破損することを防止できるとともに、燃料電池全体としての燃料利用率を高くして、高効率の運転ができる。

［実施形態８］
図１９は実施形態７の燃料電池において、第２燃料ガス流通路１４を有する燃料電池単体２を集電板４の近辺に集中的に積層した場合の実施形態であり、本発明における燃料電池の第２燃料ガス流通路１４の積層方向での配置は上記の通り等間隔に配置することも不等間隔に配置することも可能であり、その配置は、上述の実施形態に限定されるものではない。

［実施形態９］
図２０を用いて本発明に係る燃料電池の実施形態９の構成を説明する。本実施形態９の燃料電池は、実施形態１の変形例であって、第２燃料ガス室１３に連通された燃料配管９ｃと燃料配管９ｂ、燃料配管９ｃの燃料ガスの流通状態を切り換えることのできる燃料給排気切換手段１８ａ、１８ｂを設置している。

次に本実施形態における燃料電池について燃料ガスの流れを説明する。通常の燃料電池運転状態では、燃料給排気切換手段１８ａは燃料排気状態に設定されており、燃料電池からの排出ガスは、実線矢印２５に示すように、燃料配管９ｂを介して外部の図示されない燃料排気手段に排気される。また、燃料給排気切換手段１８ｂは燃料閉止状態に設定されており、燃料配管９ｃには燃料の流通がない。したがって、燃料電池内部の燃料ガスの流れは実施形態１の燃料電池と同様である。

次に、燃料ガスの流路を切り換えた場合の燃料ガスの流れを説明する。燃料ガス流路切り換え状態では、外部の図示されない燃料供給手段から燃料配管９ａを介して第１燃料ガス室７に燃料ガスが供給されるとともに、燃料給排気切換手段１８ａは燃料供給状態に設定されており、点線矢印２６に示すように、外部の図示されない燃料供給手段から燃料配管９ｂを介して第３燃料ガス室８にも燃料が直接供給される。また、燃料給排気切換手段１８ｂは燃料排気状態に設定されており、第１燃料ガス流通路１０および第２燃料ガス流通路１４を通過し発電に使用されなかった燃料排気ガスが、点線矢印２７に示すように、燃料配管９ｃを介して外部の図示されない燃料排気手段に排気される。

以上説明したように、本実施形態では燃料給排気切換手段１８ａ、１８ｂにより燃料ガスの流通状態を切換えることで、第１燃料ガス流通路１０からの燃料排出ガスを、第２燃料ガス流通路１４を経由せずに燃料電池の外部に排出する（図５、図６等参照）とともに、第２燃料ガス流通路１４にも第１燃料ガス流通路１０を経由せずに燃料ガスを供給でき。その結果、燃料ガスの供給部から排出部までの流路長および圧損が低減でき、必要に応じて燃料供給に要する動力を低減した運転が可能になる。また、燃料電池の発電運転の開始時に各燃料ガス室７、１３、８等と第１ガス流通路１０および第２ガス流通路１４に迅速に燃料ガスを供給することと、燃料電池の発電運転の終了時に各燃料ガス室と第１ガス流通路１０および第２ガス流通路１４に迅速に不活性ガス等のパージガスを導入して燃料ガスを不活性ガスに置換することで燃料電池の性能劣化を低減することができる。

［他の実施形態］
以上種々の実施形態について説明したが、これらは単なる例示であって、本発明はこれらに限定されるものではない。

たとえば、第９の実施形態（図２０）は、第１の実施形態（図１〜図６）をベースにして燃料配管９ｃや燃料給排気切替手段１８ａ、１８ｂなどを追加した例であるが、第２の実施形態（図７〜図９）をベースにしてもよい。この場合、燃料配管を、第１〜第５燃料ガス室のいずれか二つに接続することが考えられる。

また、上記の実施形態の説明では、説明の便宜上、各燃料電池単体が水平方向に広がるように配置されてこれらの燃料電池単体を鉛直方向に積層するものとしたが、その向きは任意であり、たとえば各燃料電池単体が鉛直向きであってもよい。

また、上記の実施形態では、燃料ガスマニホールドおよび酸化剤ガスマニホールドを燃料電池積層体の外側に配置する構成としたが、各セパレータ板の外周部近くにマニホールド孔を設けて、セパレータ板を積層したときにこれらのマニホールド孔が連続したマニホールドとなるように構成することも可能である。

本発明の実施形態１の燃料電池を示す斜視図。図１の燃料電池の平面図。図１の燃料電池積層体の部分縦断面図。図１の燃料電池の燃料ガスセパレータ板を取り出して示す斜視図。図１の燃料電池の第１燃料ガス流通路部を示す水平断面図。図１の燃料電池の第２燃料ガス流通路部を示す水平断面図。本発明の実施形態２の燃料電池を示す斜視図。図７の燃料電池の第１燃料ガス流通路部を示す水平断面図。図７の燃料電池の第２燃料ガス流通路部を示す水平断面図。本発明の実施形態３の燃料電池の第１燃料ガス流通路部を示す水平断面図。本発明の実施形態３の燃料電池の第２燃料ガス流通路部を示す水平断面図。本発明の実施形態４の燃料電池の第１燃料ガス流通路部を示す水平断面図。本発明の実施形態４の燃料電池の第２燃料ガス流通路部を示す水平断面図。本発明の実施形態５の燃料電池の第１燃料ガス流通路部を示す水平断面図。本発明の実施形態５の燃料電池の第２燃料ガス流通路部を示す水平断面図。本発明の実施形態６の燃料電池の第１燃料ガス流通路部を示す水平断面図。本発明の実施形態６の燃料電池の第２燃料ガス流通路部を示す水平断面図。本発明の実施形態７の燃料電池を示す斜視図。本発明の実施形態８の燃料電池を示す斜視図。本発明の実施形態９の燃料電池を示す斜視図。

符号の説明

１…第１燃料ガス流通路を有する燃料電池単体
２…第２燃料ガス流通路を有する燃料電池単体
３…燃料電池積層体
４…集電板
５ａ、５ｂ…燃料ガスマニホールド
６、６ａ、６ｂ、６ｃ…仕切り板
７…第１燃料ガス室
８…第３燃料ガス室
９ａ、９ｂ…燃料配管
１０…第１燃料ガス流通路
１０ａ…第１燃料ガス流通路の往路
１０ｂ…第１燃料ガス流通路の復路
１１…第１燃料ガスセパレータ板
１１ａ…第１燃料ガスセパレータ板のリブ部
１２…シール材
１３…第２燃料ガス室
１４…第２燃料ガス流通路
１４ａ…第２燃料ガス流通路の往路
１４ｂ…第２燃料ガス流通路の復路
１５…第２燃料ガスセパレータ板
１６…第４燃料ガス室
１７…第５燃料ガス室
１８ａ、１８ｂ…燃料給排気切換手段
３０…酸化剤ガスマニホールド
３１…電解質
３２…ガス拡散電極
３３…単位電池
３６…酸化剤ガス流通路
３７…酸化剤ガスセパレータ板

Claims

板状に延びた電解質の両面を２枚の板状のガス拡散電極で挟持した単位電池と、前記ガス拡散電極の面に沿ってそれぞれ燃料ガスおよび酸化剤ガスが流れるように構成された燃料ガス流通路および酸化剤ガス流通路と、を有する燃料電池単体を複数個積層して構成された燃料電池積層体と、
前記燃料ガス流通路に燃料ガスを供給して排気する燃料ガスマニホールドと、
前記酸化剤ガス流通路に酸化剤ガスを供給して排気する酸化剤ガスマニホールドと、
を有する燃料電池において、
前記燃料ガスマニホールドは、前記燃料電池単体の積層方向にそれぞれ延びる第１燃料ガス室と第２燃料ガス室と第３燃料ガス室とを有し、
前記燃料ガス流通路は、
前記第１燃料ガス室および前記第２燃料ガス室に連絡し、前記第３燃料ガス室に連絡しない第１燃料ガス流通路と、
前記第２燃料ガス室および前記第３燃料ガス室に連絡し、前記第１燃料ガス室に連絡せず、前記第１燃料ガス流通路と異なる面内に配置された第２燃料ガス流通路と、
を有し、
燃料電池に供給された燃料ガスが、前記第１燃料ガス室、第１燃料ガス流通路、第２燃料ガス室、第２燃料ガス流通路、第３燃料ガス室の順に通って燃料電池外部に排出されるように構成され、
前記第１燃料ガス流通路を含む前記燃料電池単体の数が、前記第２燃料ガス流通路を含む前記燃料電池単体の数よりも多いこと、
を特徴とする燃料電池。
前記燃料ガスマニホールドは、前記燃料電池単体の積層方向に延びる第４燃料ガス室をさらに有し、
前記第１燃料ガス流通路は、同一面内で第１燃料ガス往路と第１燃料ガス復路とに分割されており、
燃料ガスが、前記第１燃料ガス往路、第４燃料ガス室、第１燃料ガス復路の順に流れるように構成されていること、
を特徴とする請求項１に記載の燃料電池。
前記燃料ガスマニホールドは、前記燃料電池単体の積層方向に延びる第５燃料ガス室をさらに有し、
前記第２燃料ガス流通路は、同一面内で第２燃料ガス往路と第２燃料ガス復路とに分割されており、
燃料ガスが、前記第２燃料ガス往路、第５燃料ガス室、第２燃料ガス復路の順に流れるように構成されていること、
を特徴とする請求項１または２に記載の燃料電池。
前記第１燃料ガス流通路および前記第２燃料ガス流通路の流路形状が互いに点対称であ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。
前記燃料電池単体それぞれにおける燃料利用率をいずれもＵｆ１とするときに、前記第１燃料ガス流通路を含む前記燃料電池単体の数と前記第２燃料ガス流通路を含む前記燃料電池単体の数との比が１／（１−Ｕｆ１）にほぼ等しいこと、を特徴とする請求項４に記載の燃料電池。
前記第１ないし第３燃料ガス室のいずれか２つ以上に、燃料ガスの流通状態を供給か排気か閉止かのいずれか２つ以上の状態に切り換えることのできる燃料給排気切換手段が接続されていること、を特徴とする請求項１ないし５のいずれかに記載の燃料電池。
前記第４ガス室と、前記第１ないし第３ガス室のうちのいずれか１つ以上に、燃料ガスの流通状態を供給か排気か閉止かのいずれか２つ以上の状態に切り換えることのできる燃料給排気切換手段が接続されていること、
を特徴とする請求項２に記載の燃料電池。
前記第５ガス室と、前記第１ないし第４ガス室のうちのいずれか１つ以上に、燃料ガスの流通状態を供給か排気か閉止かのいずれか２つ以上の状態に切り換えることのできる燃料給排気切換手段が接続されていること、
を特徴とする請求項３に記載の燃料電池。
前記燃料電池単体同士はセパレータ板で仕切られており、第１燃料ガス流通路および第２燃料ガス流通路は、前記セパレータ板の表面の溝として形成されていること、を特徴とする請求項１ないし８のいずれかに記載の燃料電池。