JPH01296570A

JPH01296570A - 燃料電池

Info

Publication number: JPH01296570A
Application number: JP63125805A
Authority: JP
Inventors: Toshihiko Takeu; 竹生　俊彦
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1988-05-25
Filing date: 1988-05-25
Publication date: 1989-11-29

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
各単位セルに酸化剤ガスを均一に配分することができる
ように、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の配置するとともに、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、」二記電極間から
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
。

しかし、上記の様な燃料電池においては、酸化剤ガスの
内消費されるのは酸素のみであるため、電極入口から出
口まで酸化剤ガスが移動していくにつれて酸化剤ガス中
の酸素ガス分圧は漸減する。

一方、電池反応は酸化剤ガス中の酸素分圧が高い程、或
いは酸化剤ガスの流量が多い程速度が大きくなる。従っ
て、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、酸化剤ガス中の酸素分圧あるいは酸化剤ガスの流
量を補正するなどの処理を取る必要がある。

第６図は、」二記原理に基づく特にリン酸を電解質とし
た、リブイ」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Ｉ〜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３
ａ、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及びリブ４ａ、　４ｂによ
り区画された燃料ガス、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。

そして、上記単位セル積層体は、第７図に示した様に、
その上下端側に集電板７、絶縁液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−に下方向から
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】
２．排出側マニホールド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。

」−記の様な構成を有する燃料電池においては、酸化剤
ガスマニホールドの供給側と排出側に１月つる酸化剤ガ
スの組成が異なる為、その酸化剤ガスの密度も異なって
いる。この密度の違いは、発電負荷によっても変化し、
負荷か高い程密度の差が大きくなる。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がを示すもので
ある。

例えば、酸素利用率８０％という状態は、酸化剤ガス供
給用マニホールド１４内の酸化剤ガス中に、酸素ガスが
１００　［ｍｏＱ／　１ｌｏｕｒｌ含まれていたとすれ
ば、電池内部でこの８０％、即ち８０［ｍｏＱ／　ｆｌ
ｏｕｒ］　が水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１５の酸化剤ガス中には、残り
の２０［ｍｏ（１／　Ｈｏｕｒｌの酸素ガスが未利用の
まま排出される運転を示している。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のため酸化剤ガ
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１４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１５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、この様に酸化剤ガス供給用マニホー＝４− ルド１４と酸化剤ガス排出用マニホール１〜］５間の密
度が違うと、各単位電池への酸化剤ガスの供給が不均一
となるという間助か生じていた。

この点を以下に説明する。第８図は従来の酸化剤ガスマ
ニホールドを模式的に示した図であり、酸化剤ガス供給
用マニホールド１４及び排出用マニホールド部１５の検
層電池１７の高さ方向の出力分布を、カソード電極の入
口部の圧力及び出口部の圧力を測定した結果を、第９図
に示す。第９図より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ｇ）×（高さ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１４と排出用マ
ニホールド１５における酸化剤ガスの密度の違いから、
ガス密度の小さい餠：出用マニホールド１５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△ｐは、電池
上池における圧力差△ｐ、の方が、電池下部における圧
力差△ｐ、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１０図に示した様に、電池下
方に多くの燃料ガスが流れ、−に方には平均流星以下の
酸化剤ガスしか流れないという不均一が生しる。

そのため、酸素利用率の高い運転では、酸化剤ガス流星
の少ない電池上部において酸素が不足する。すなわち、
カソード電極入口付近の酸素分圧に比へ、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
圧の低下およびジュール熱増加による過熱、さらに電池
の焼損が発４：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酸化剤ガスの流量分布を
均一化し、電圧低下および過熱を防止して、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）上記目的を達成するために本発明の燃料電池は、すくな
くとも酸化剤ガス供給用マニホールド内に仕切板を配設
し、この仕切り板により区画された空間をそれぞれ酸化
剤ガス配管に接続するようにしたことを特徴とする。

（作　　用）本発明の燃料電池によれば、酸化剤ガスマニホールドを
電池積層高さ方向に複数個に分割形成したので、電池」
二部と下部との圧力分布を均一化するように調整するこ
とができ、電極内における電池高さ方向の酸化剤ガス流
量分布を均一化することが可能となる。

（実　施　例）以下本発明の一実施例について第１図乃至第３図を参照
して説明する。尚、従来技術と同一部分には同一符号を
付し、その詳細な説明は省略する。

第１図は燃料電池を模式的に示した断面図であり、積層
電池１７を囲むように酸化剤ガスを供給および排出する
管１６に接続する酸化剤ガス供給用マニホールｌ−１４
および酸化剤ガス排出用マニホールド１５がガスケット
１１を介して装着されている。酸化剤ガス供給用マニホ
ールド１４は積層電池１７の積層高さ方向をガスケット
１１により支持した仕切板］、８ａ、　１８ｂにより独
立した３室に区画され、その各々の室は酸化剤ガスを供
給する管１６にそれぞれ連通ずるように配設されている
。

次に作用について説明する。酸化剤ガス供給用マニホー
ルド１４内に配設された仕切板１８ａ、　１８ｂにより
電池高さ方向を区画したので、第２図に示すごとくマニ
ホールド内の静水圧力ρｇｈの影響を小さく　（仕切板
１８ａ、　］８ｂにより高さｈを小さくできる。）して
電池積層高さ方向の圧力分布が均一になる。その結果、
従来のマニホールドに比べ電池入口と出口との圧力差を
均一化することができ、第３図に示すごとく電池積層高
さ方向の流量分布をほぼ均一にすることができる。

したがって、この実施例によれば積層されたカッ−１〜
電極の内、電池の高さ方向のいづれの部分においても、
酸素ガスが欠乏することはなく、電圧低下および過熱の
発生を防止できるので、電池の長寿命化および高性能化
を実現することができる。

次に他の実施例について第４図祭参照して説明する。第
４図は酸化剤供給マニホールド１４内のみならず酸化剤
排出マニホールド１５内にも前記実施例と同様の仕切板
１９ａ、　１！ｊｂを配設するようにしたものであり、
他の構成は前記実施例と同様である。

この実施例によれば、排出側の電池積層高さ方向圧力分
布をも均一化することができるので、電池入口と出口と
の圧力差をさらに均一化することができ、第５図に示す
ように電池積層高さ方向の流量分布を前記実施例よりさ
らに均一化することが可能となる。

なお、上述した実施例においては仕切板を２個配設した
場合について説明したが、仕切板の個数および設置間隔
は特に限定するものではない。

〔発明の効果〕

以」二説明したように本発明によれば、酸化剤ガスマニ
ホール１〜を仕切板により複数のマニホールドに分割す
ることにより、電池出入口間の差圧を均一化したので電
池高さ方向の流量分布を均一化することが可能となり、
長寿命で高性能の燃料電池を得ることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例である酸化剤ガスマニホール
ドの構成を示す断面図、第２図は第１図の酸化剤ガスマ
ニホールド内の電池高さ方向圧力分布図、第３図は第１
図のカソード電極内における酸化剤ガスの流量分布図、
第４図は本発明の他の実施例を示す断面図、第５図は第
４図における酸化剤ガスマニホールド内の電池高さ方向
圧力分布図、第６図は一般的な燃料電池の単位セルを示
す縦断面斜視図、第７図は従来の燃料電池の構成を示す
分解斜視図、第８図は従来の酸化剤ガスマニホールドの
構成を示す断面図、第９図は第８図の酸化剤ガスマニホ
ールド内の電池高さ方向圧力分布図、第１０図は第８図
のカッ−１−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、　　　　３ａ　　アノード電極、３
ｂ・・カソード電極、　　　６・セパレータ、１２・・
燃料ガス供給用マニホール１へ、１３・・燃料ガス排出
用マニホールド、Ｊ４・・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　　管
、　　　　　　　１７　　積層電池、］、８ａ、　１．
８ｂ−−仕切板、　　１９ａ、　］、９ｂ　　仕切板。代理人　弁理士　則　近　憲　佑同　　第子丸　健 ←ψ酷智−叡でに琴≦θ閣￥４へＩ１ｍ、？ツバ夫ｒ−
ｊ口二第３図及カー〉第５図第４図第６図第９図第７図第８図第１０図

Claims

【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、す
くなくとも酸化剤ガス供給用マニホールド内に仕切板を
配設し、この仕切り板により区画された空間をそれぞれ
酸化剤ガス配管に接続するようにしたことを特徴とする
燃料電池。