JPH01281682A - 燃料電池 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

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、燃料電池に関するもので、特に、燃料電池の
各単位セルに燃料ガス及び酸化剤ガスを均一に配分する
ことができるように、燃料ガスマニホールド及び酸化剤
ガスマニホールドに改良を施した燃料電池に係る。

（従来の技術） 従来、燃料の有している化学的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、電解質を保持したマトリック
ス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、上記電極間から電
気エネルギーを取り出すようにしたものでおり、前記燃
料ガスと酸化剤カ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。

しかし、上記の様な燃料電池においては、消費されるの
は燃料ガス中の水素及び酸化剤ガス中の酸素のみである
ため、電極入口から出口まで燃料ガス及び酸化剤ガスが
移動していくにつれて、燃料ガス中の水素ガス分圧及び
酸化剤ガス中の酸素ガス分圧は漸減する。

一方、電池反応の速度は、燃料ガス中の水素分圧又は酸
化剤ガス中の酸素分圧が高い程、或いは燃料ガス又は酸
化剤ガスの流量が多い程大きくなる。従って、各電極の
入口と出口の間で電池反応を均一に進行させるためには
、燃料ガス中の水素分圧、酸化剤ガス中の酸素分圧、燃
料ガスの流量及び酸化剤ガスの流量を補正するなどの処
置を取る必要がある。

第１９図は、上記原理に基づく特にリン酸を電解質とし
た、リブ付き電極型の燃料電池における単位セルの構成
例を縦断面斜視図にて示したものである。即ち、電解質
としてのリン酸をマトリックスに含浸して成る電解質層
１を挟んで、多孔質炭素材から成るアノード電極３ａ、
カソード電極３ｂが配設され、その電解質層１と接する
側には、触媒２ａ、２ｂがそれぞれ塗布され、且つ背面
側にはリブ４ａ、４ｂ及び燃料ガス、酸化剤ガスの流通
する溝５ａ、５ｂが形成されている。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。この様にして単位セルが形成され、この単位セル
を緻密な炭素質で作られたセパレータ６を挟んで複数個
積層することにより、単位セル積層体が構成されている
。

また、上記単位セル積層体は、第２０図に示した様に、
その上下端側に集電板７、絶縁板８、締付板９、端子１
０をそれぞれ取付け、適当な締付は圧で上下方向から締
付けるようにしている。さらに、この様な単位セル積層
体の側面側には、電気絶縁性を有するガスケット１１を
介して、燃料、ガス、酸化剤ガスを管１６を通して供給
及び排出する為の一対の燃料ガス供給用マニホールド１
２゜排出用マニホールド１３、及び酸化剤ガス供給用マ
ニホールド１４．排出用マニホールド１５がそれぞれ対
向して配設され、適当な圧力で締付は固定することによ
って、燃料電池が構成されている。

ところで、前記の様な電気化学反応は発熱反応であるた
め、単位セルを多数積層した場合、その温度上昇は著し
いものとなる。そのため、単位セルを積層する場合、第
２１図に示した様に、数枚の単位セル毎に冷却板１７を
挿入し、電気化学反応によって生じる熱を外部に取り出
すように構成して、温度上昇を防止できるようにしてい
る。

第２２図に従来から用いられている冷却板１７の構成を
示した。即ち、冷却板１７は、通常圧縮成形グラフフィ
ト樹脂等から構成され、内部に絶縁処理を施した直径３
ｍｍ程度の冷却管１８が等間隔で複数本埋め込まれてい
る。また、前記冷却管１８内に送り込まれる冷媒として
は、通常水が使用され、冷媒供給管１９より導入され、
冷媒排出管２０より排出される。

第２３図は、従来の燃料電池における燃料ガス供給用マ
ニホールド１２、排出用マニホールド１３、積層電池２
１及び冷媒供給管１９及び冷媒排出管２０の一構成例を
示したものである。なお、酸化剤ガス供給用マニホール
ド、排出用マニホールドにおいても同様に構成されてい
る。

上記の様な構成を有する燃料電池においては、燃料ガス
マニホールドの供給側と排出側における燃料ガスの組成
が異なる為、その燃料ガスの密度も異なっている。また
、同様に酸化剤ガスマニホールドの供給側と排出側にお
ける酸化剤ガスの組成も異なる為、酸化剤ガスの密度も
異なっている。

これらの密度の違いは、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。

ところで、水素利用率は、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、また、酸素利用率は、酸化剤
ガス中の酸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る。例え
ば、水素利用率８０％という状態は、燃料ガス供給用マ
ニホールド内の燃料ガス中に、水素ガスが１００　［ｍ
ＯＬｚ”ＨＯＬＩｒ］含まれていたとすれば、電池内部
でこの８０％、即ち８０　［ｍｏｉ／Ｈｏｕｒ］が酸素
との化学反応に利用されて発電を行ない、排出用マニホ
ールドの燃料ガス中には、残りの２０［ｍｏ　ｉ／Ｈｏ
　ｕ　ｒ　］の水素ガスが未利用のまま排出される運転
を指し示す。

ところが、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る。従って、供給用マニホールドの
燃料ガスが同一である場合、水素利用率が大きい程、排
出用マニホールドの燃料ガスの密度は大きくなる。

一方、酸化剤ガスとして空気を使用する場合、酸素以外
のガス成分は主に窒素ガスであり、酸素に比べて比重の
小さいガスなので、酸化剤ガス中に占める酸素の割合が
減れば、酸化剤ガスの密度は小さくなる。従って、供給
用マニホールドの酸化剤ガスが同一である場合、酸素利
用率が大きい程、排出用マニホールドの酸化剤ガスの密
度は小さくなる。

（発明が解決しようとする課題） ところで、この様に燃料ガス又は酸化剤ガス供給用マニ
ホールドと排出用マニホールド間のガス密度が違うと、
各単位電池への燃料ガス及び酸化剤ガスの供給が不均一
となるという問題が生じていた。

この点を以下に説明する。第２３図に示した様な従来の
燃料電池における、燃料ガス供給用マニホールド及び排
出用マニホールドの電池高さ方向の圧力分布を、アノー
ド電極の入口部の圧力及び出口部の圧力を測定すること
により、第２４図に示したが、７ノード電極の入口部及
び出口部とも、燃料ガスの静水圧力、即ち、（ガス密度
ρ）×（重力加速度Ｑ）Ｘ（高ざｈ）の影響の為に、圧
力分布は直線的であり、電池下部程圧力が高くなる。

しかし、燃料ガス供給用マニホールドと排出用マニホー
ルドにおける燃料ガスの密度の違いから、ガス密度の大
きい排出用マニホールドの方が、電池の上部と下部にお
ける圧力の差が大きくなっており、アノード電極の入口
部と出口部間の圧力差ΔＰは、電池上部における圧力差
ΔＰ１の方が、電池下部における圧力差ΔＰ２より大き
くなる。

また、電池セル溝内の燃料ガスの流れは、流速が低い為
に層流となり、燃料ガス流量と、アノード電極入口部、
出口部間の圧力差はほぼ比例する。

（但し、燃料ガスは流れていく途中で水素が利用される
為、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。）その結果、電池高さ方向の燃料ガス流量分
布は、第２５図に示した様に、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燃料ガスしか流れな
いという不均一が生じる。

そのため、水素利用率の高い運転では、燃料ガス流量の
少ない電池下部において水素が不足し、転極を起こす恐
れがある。この転極によって、カソード電極において、
電気分解反応により水素が発生し、その水素が空気と燃
焼することにより、局部的に過熱状態となる為、リン酸
電解質が蒸発を開始し、クロスオーバーの増加、電池特
性の低下、さらに電池の焼損等を引き起こしていた。

一方、酸化剤ガス供給用マニホールド及び排出用マニホ
ールドの電池高さ方向の圧力分布を、カソード電極の入
口部の圧力及び出口部の圧力を測定することにより、第
２６図に示したが、カソード電極の入口部及び出口部と
も、酸化剤ガスの静水圧力、即ち、（ガス密度ρ）Ｘ（
重力加速度ｑ）Ｘ（高ざｈ）の影響の為に、圧力分布は
直線的であり、電池下部程圧力が高くなる。

しかし、酸化剤ガス供給用マニホールドと排出用マニホ
ールドにおける酸化剤ガスの密度の違いから、ガス密度
の小さい排出用マニホールドの方が、電池の上部と下部
における圧力の差が小さくなっており、カソード電極の
入口部と出口部間の圧力差ΔＰは、電池上部における圧
力差ΔＰ３の方が、電池下部における圧力差ΔＰ４より
小さくなる。また、電池セル溝内の酸化剤ガスの流れは
、流速が低い為に層流となり、酸化剤ガス流量と、カソ
ード電極入口部、出口部間の圧力差はほぼ比例する。（
但し、酸化剤ガスは流れていく途中で酸素が利用される
為、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。）その結果、電池高さ方向の酸化剤ガス流量
分布は、第２７図に示した様に、電池下方に多くの酸化
剤ガスが流れ、上方には平均流量以下の酸化剤ガスしか
流れないという不均一が生じる。

そのため、酸素利用率の高い運転では、酸化剤ガス流量
の少ない電池上部において酸素が不足する。この様に酸
素が不足した電池上部セルでは、セル平面内に酸素分圧
の差が生じる。即ち、カソード電極入口付近の酸素分圧
に比べ、出口付近の酸素分圧が減少する。その結果、カ
ソード電極入口付近に電気化学反応が集中し、電流密度
が増加するため、セル電圧の低下及びジュール熱増加に
よる加熱、ざらに、電池の焼損が発生する。

そこで、本発明は以上の欠点を除去するもので、その目
的は、燃料電池の内部における燃料ガス及び酸化剤ガス
の流量分布を均一化し、転極、電圧低下及び過熱を防止
して、優れた電池特性を維持できる、長寿命化及び高性
能化を可能とした、信頼性の高い燃料電池を提供するこ
とにある。

［発明の構成］ （課題を解決するための手段） 本発明の燃料電池は、燃料ガス排出用マニホールド及び
酸化剤ガス排出用マニホールド内に、燃料ガス及び酸化
剤ガスの流量を均一化するために、複数個の穴を適宜形
成した流量調節板、または、幅を変えて形成した流量調
節板を適宜設置したものである。

また、積層電池と冷媒供給管及び冷媒排出管との距離を
変えて設置したものである。

（作用） 本発明の燃料電池によれば、燃料ガス供給用マニホール
ドと排出用マニホールドとの圧力差及び酸化剤ガス供給
用マニホールドと排出用マニホールドとの圧力差を、積
層電池の上部及び下部において等しくなる様に調節する
ことができるので、各電極内における電池高さ方向の燃
料ガス及び酸化剤ガスの流量分布を均一化することがで
きる。

（実施例） 以下、本発明の一実施例を第１図乃至第１８図に基づい
て具体的に説明する。なお、第１９図乃至第２７図に示
した従来型と同一の部材は同一の符号を付して説明は省
略する。

■第１実施例 本実施例の構成＊ 本実施例においては、第１図に示した様に、燃料ガス排
出用マニホールド１３内に、燃料ガスの流量調節板とし
て、仕切板２２が積層電池２１の高さ方向に配設されて
いる。また、この仕切板２２には、第２図に示した様な
穴２３が形成され、その径が上方７小さくなる様に、ま
た、燃料ガスが通過可能な開孔面積が下方７大きくなる
様に、開孔密度を変えて形成されている。

本実施例の作用＊ この様な構成を有する本実施例の燃料電池においては、
燃料ガス排出用マニホールド１３内に配設された仕切板
２２によって、燃料ガスの流れが妨げられ、仕切板２２
と積層電池２１の間の圧力が上方７高くなる。

その結果、燃料ガス供給用マニホールド及び排出用マニ
ホールド内における電池高さ方向の圧力分布は、第３図
に示した様になる。即ち、仕切板２２によってアノード
電極出口部の電池高さ方向の圧力分布が変化し、電池の
上部におけるアノード電極入口部と出口部の圧力差ΔＰ
＋　′は、従来に比べて小さくなり、ΔＰ１−−ΔＰ２
の値は従来のΔＰ１−ΔＰ２に比べて小さくなる。その
ため、燃料ガス供給用マニホールドと排出用マニホール
ドの圧力差は、積層電池の上部及び下部においてほぼ均
一となるので、積層されたアノード電極の上部及び下部
における燃料ガスの流量分布は、第４図に示した様にほ
ぼ均一となる。

この様に、燃料ガス排出用マニホールド内に配設される
仕切板２２に形成される穴２３の大きざを調節して、燃
料ガス供給用マニホールドと排出用マニホールドの圧力
差を、積層電池の上部及び下部において等しくなるよう
に構成することにより、アノード電極内における電池高
さ方向の燃料ガスの流量分布を均一化することができる
。その結果、積層された７ノード電極の内、電池の高さ
方向のいずれの部分においても、水素ガスが欠乏するこ
とはなく、転極を生じることを防止できるので、電池の
長寿命化を実現することができる。

＊他の実施例＊ なお、本発明は上述した実施例に限定されるものではな
く、燃料ガス排出用マニホールドの上部における圧力を
高くし、燃料ガス供給用マニホールドと排出用マニホー
ルドの間の圧力差を、積層電池の上部及び下部において
等しくなるように構成できるものであれば、燃料ガスの
流量調節板である仕切板の長さ、設置枚数、設置位置及
び穴の数、穴の形成箇所及び大きさ等は適宜設定して良
い。

即ち、第５図及び第６図に示した様に、仕切板２４の長
さを積層電池２１の上部のみとなる様に構成しても良い
。この場合も仕切板２４に形成する穴は、第２図と同様
に上方程その径が小さくなるように構成する。

また、第７図及び第８図に示した様に、仕切板２５には
穴は形成せず、仕切板の幅を変え、また、設置間隔を調
節しても良い。この場合も積層電池の上方における圧力
が高くなるように調整する。

ざらに、第９図に示した様に、積層電池２１と冷媒供給
管１９及び冷媒排出管２０との距離を上方程短くし、積
層電池２１と冷媒供給管１９及び冷媒排出管２０との間
の圧力が、上方７高くなる様に構成しても良い。

また、第１図乃至第８図に示した各仕切板を、第９図に
示した様に、積層電池との距離が上方程短くなる様に設
置しても良い。

■第２実施例 本実施例の構成＊ 本実施例においては、第１０図に示した様に、酸化剤ガ
ス排出用マニホールド１５内に、酸化剤ガスの流量調節
板として、仕切板３２が積層電池２１の高さ方向に配設
されている。また、この仕切板３２には、第１１図に示
した様な穴３３が形成され、その径が上方７大きくなる
様に、また、酸化剤ガスが通過可能な開孔面積が下方７
小さくなる様に、開孔密度を変えて形成されている。

本実施例の作用＊ この様な構成を有する本実施例の燃料電池においては、
酸化剤ガス排出用マニホールド１５内に配設された仕切
板３２によって、酸化剤ガスの流れが妨げられ、仕切板
３２と積層電池２１の間の圧力が下方７高くなる。

その結果、酸化剤ガス供給用マニホールド及び排出用マ
ニホールド内における電池高さ方向の圧力分布は、第１
２図に示した様になる。即ち、仕切板３２によってカソ
ード電極出口部の電池高さ方向の圧力分布が変化し、電
池の下部におけるカソード電極入口部と出口部の圧力差
ΔＰ４−は、従来に比べて小さくなり、ΔＰ４−−ΔＰ
３の値は従来のΔＰ４−ΔＰ３に比べて小さくなる。そ
のため、酸化剤ガス供給用マニホールドと排出用マニホ
ールドの圧力差は、積層電池の上部及び下部においてほ
ぼ均一となるので、積層されたカソード電極の上部及び
下部における酸化剤ガスの流量分布は、第１３図に示し
た様にほぼ均一となる。

この様に、酸化剤ガス排出用マニホールド内に配設され
る仕切板３２に形成される穴３３の大きざを調節して、
酸化剤ガス供給用マニホールドと排出用マニホールドの
圧力差を、積層電池の上部及び下部において等しくなる
ように構成することにより、カソード電極内における電
池高さ方向の酸化剤ガスの流量分布を均一化することが
できる。

その結果、積層されたカソード電極の内、電池の高さ方
向のいずれの部分においても、酸素ガスが欠乏すること
はなく、電圧低下及び過熱が生じることを防止できるの
で、電池の長寿命化を実現することができる。

＊他の実施例＊ なお、本発明は上述した実施例に限定されるものではな
く、酸化剤ガス排出用マニホールドの下部における圧力
を高くし、酸化剤ガス供給用マニホールドと排出用マニ
ホールドの間の圧力差を、積層電池の上部及び下部にお
いて等しくなるように構成できるものであれば、酸化剤
ガスの流量調節板である仕切板の長さ、設置枚数、設置
位置及び穴の数、穴の形成箇所及び大ぎざ等は適宜設定
して良い。

即ち、第１４図及び第１５図に示した様に、仕切板３４
の長さを積層電池２１の下部のみとなる様に構成しても
良い。この場合も仕切板３４に形成する穴は、第１１図
と同様に下方程その径が小さくなるように構成する。

また、第１６図及び第１７図に示した様に、仕切板３５
には穴は形成せず、仕切板の幅を変え、また、設置間隔
を調節しても良い。この場合も積層電池の下方における
圧力が高くなるように調整する。

さらに、第１８図に示した様に、積層電池２１と冷媒供
給管１９及び冷媒排出管２０との距離を下方７短くし、
積層電池２１と冷媒供給管１９及び冷媒排出管２０との
間の圧力が、下方７高くなる様に構成しても良い。

また、第１０図乃至第１７図に示した各仕切板を、第１
８図に示した様に、積層電池との距離が下方７短くなる
様に設置しても良い。

［発明の効果］ 以上述べた様に、本発明によれば、燃料ガス排出用マニ
ホールド内に、燃料ガスの流量を調節する流量調節板を
配設し、または、前記流量調節板或いは冷媒供給管・排
出管と積層電池との距離を調節し、また、酸化剤ガス排
出用マニホールド内に、酸化剤ガスの流量を調節する流
量調節板を配設し、または、前記流量調節板或いは冷媒
供給管・排出管と積層電池との距離を調節するという簡
単な手段によって、燃料ガス供給用マニホールドと排出
用マニホールドの圧力差及び酸化剤ガス供給用マニホー
ルドと排出用マニホールドの圧力差を、積層電池の上部
及び下部において等しくなるようにして、燃料電池の内
部にお（ブる燃料ガス及び酸化剤ガスの流１分布を均一
化し、転極及び電圧低下、過熱を防止して、優れた電池
特性を維持できる、長寿命化及び高性能化を可能とした
、信頼性の高い燃料電池を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の燃料電池の一実施例である燃料ガスマ
ニホールド内部の構成を示す断面図、第２図は第１図の
実施例に用いられる仕切板のＡ矢視図、第３図は本発明
の燃料電池における、燃料ガス供給用マニホールド及び
排出用マニホールド内の電池高さ方向の圧力分布図、第
４図は本発明の燃料電池の７ノード電極内における燃料
ガスの流量分布図、第５図及び第７図は本発明の燃料電
池の他の実施例を示す断面図、第６図及び第８図はそれ
ぞれ第５図及び第７図の実施例に用いられる仕切板のＡ
矢視図、第９図は本発明の燃料電池マニホールド内の冷
媒供給管及び排出管の設置例を示す断面図、第１０図は
本発明の燃料電池の一実施例である酸化剤ガスマニホー
ルド内部の構成を示す断面図、第１１図は第１０図の実
施例に用いられる仕切板のＡ矢視図、第１２図は本発明
の燃料電池における、酸化剤ガス供給用マニホールド及
び排出用マニホールド内の電池高さ方向の圧力分布図、
第１３図は本発明の燃料電池のカソード電極内における
酸化剤ガスの流量分布図、第１４図及び第１６図は本発
明の燃料電池の他の実施例を示す断面図、第１５図及び
第１７図はそれぞれ第１４図及び第１６図の実施例に用
いられる仕切板のＡ矢視図、第１８図は本発明の燃料電
池マニホールド内の冷媒供給管及び排出管の設置例を示
す断面図、第１９図は従来の燃料電池における単位セル
の構成を示す縦断面斜視図、第２０図は、従来の燃料電
池マニホールドの構成を示す分解斜視図、第２１図は従
来の積層電池の分解斜視図、第２２図は冷却板の構成を
示す平面図、第２３図は従来の燃料電池マニホールド内
の冷媒供給管及び排出管の設置例を示す断面図、第２４
図は従来の燃料ガスマニホールド内の電池高さ方向の圧
力分布図、第２５図は従来の燃料電池のアノード電極内
における燃料ガスの流量分布図、第２６図は従来の酸化
剤ガスマニホールド内の電池高さ方向の圧力分布図、第
２７図は従来の燃料電池のカソード電極内における酸化
剤ガスの流量分布図である。 １・・・電解質層、２ａ、２ｂ・・・触媒層、３ａ・・
・アノード電）析、３ｂ・・・カソード電極、４ａ、４
ｂ・・・リブ、５ａ、５ｂ・・・溝、６・・・セパレー
タ、７・・・果電仮、８・・・絶縁板、９・・・締付板
、１０・・・端子、１１・・・ガスケット、１２・・・
燃料ガス供給用マニホールド、１３・・・燃料ガス排出
用マニホールド、１４・・・酸化剤ガス供給用マニホー
ルド、１５・・・酸化剤ガス排出用マニホールド、１６
・・・ガス配管、１７・・・冷却板、１８・・・冷却管
、１９・・・冷媒供給管、２０・・・冷媒排出管、２１
・・・積層電池、２２・・・仕切板、２３・・・穴、２
４．２５・・・仕切板、３２・・・仕切板、３３・・・
穴、３４．３５・・・仕切板。 第３図 ！４　　図 ｔｘ　Ｓ　図 笛　７　図 第　９　図 第　１０　　図 惰　１１　　図 ＄　　１４　　図 第１６図 第　１７　図 第１８　　図 第　２１　　図 第　２２　　ロ 第２３図 −−−寸 まカーシ 第２４図 ｔ！−一〉 １ｉ　２５図 ｉ亜ｉ＝ 第　２６　ＷＪ 漿、量−＋ ＠　２７図

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （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なり、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、燃料ガス供給用マニホールド及び排出用マ
   ニホールド、また、酸化剤ガス供給用マニホールド及び
   排出用マニホールドが配設された燃料電池において、燃
   料ガス排出用マニホールド内に、燃料ガスの流量分布を
   均一化する為の流量調節板が配設されていることを特徴
   とする燃料電池。
2. （２）前記酸化剤ガス排出用マニホールド内に、酸化剤
   ガスの流量分布を均一化する為の流量調節板が配設され
   ていることを特徴とする請求項１記載の燃料電池。