JPH01298653A - 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
池に関する。。

（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４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、解媒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５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１２
、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。

上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【こおける酸化剤ガス
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
荷が高い程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かを示すものである
。

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（＋ｏｆｆ／Ｈｏｕｒ）含まれていたとすれば、
電池内部でこの８０％、即ち８０〔履ｏＱ／Ｈｏｕｒ）
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［ｍ
ｏ１２／Ｈｏｕｒ］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ルド１４
と酸化剤ガス排出用マニホールド１５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
う問題が生じていた。

この点を以下に説明する。第６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１５の積層
電池１７の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した結果を第７図に示
す、第７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）×（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、
ガス密度の小さい排出用マニホールド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Δｐは、電池上
部における圧力差ΔＰ工の方が、電池下部における圧力
差Δｐ２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８図に示した様に、電池下方に
多くの燃料ガスが流れ、上方には平均流量以下の酸化剤
ガスしが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。すなわち、
カソード電極入口付近り酸素分圧に比べ、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、酸化剤
ガスマニホールド内に電池積層高さ方向の複数個のマニ
ホールドが形成できるよう仕切板を配設し、この仕切板
により区画されたマニホールドを積層した電池の電圧分
布が均一になるように制御する流量調整装置を介してガ
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、分割形成したマニホールド
に接続する流量調整装置により電池積層高さ方向の電圧
分布が均一になるように制御するので、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について第１図を参照して説明す
る。なお、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説明図であり、積層
電池１７を囲むように管１６に接続する酸化剤ガス供給
用マニホールド１４と酸化剤ガス排出用マニホールド１
５とがガスケット１１を介して気密に装着されている。

酸化剤ガス排出用マニホールド１５は積層電池１７の積
層高さ方向を区画する仕切板１８により複数個のマニホ
ールド１５ａ、　１５ｂ、　１５ｃに分割形成され、そ
れぞれのマニホールド１５ａ、　１５ｂ。

１５ｃは酸化剤ガス流量を制御する自動制御弁１９を介
して管１６に接続されている。自動制御弁１９は積層電
池１７を数セル毎に、たとえばマニホールド１５ａ、　
１５ｂ、　１５ｃ毎に設置された電圧センサー（図示せ
ず。）により計測された信号を入力とする制御装置２０
に接続されている。

次に作用について説明する。燃料電池運転時、電圧セン
サーにより計測された電圧信号は制御装置！２０に入力
され、この制御装置２０により各電圧を比較するととも
に、電池積層高さ方向の電圧分布が均一になるように自
動制御弁１９の開度を調整する信号を出力する。

したがって、この実施例によれば電池積層高さ方向の流
量分布を均一にできるので、酸化剤ガスの欠えによる電
圧低下過熱による焼損等を防止でき、燃料電池の長寿命
化を実現することができる。

次に他の実施例について説明する。第２図は酸化剤ガス
供給用マニホールド１４内に仕切板１８を配設したもの
であり、他の構成は前記実施例と同様である。この実施
例においても前記実施例と同様の効果を奏することがで
きる。

また、運転条件たとえば、電池出方、ガス利用率等をあ
らかじめ設定している場合には第１図および第２図に示
す自動制御弁１９のがわりにオリフィスを設置しても有
効である。オリフィス２１は手動の流量制御弁でも良い
ことはもちろんである。

なお、第２図に示すように、酸化剤ガス供給用マニホー
ルド１４内に仕切板１８を配置した場合には供給側の配
管１６に流量調整装置を装着しても良い。

また、流量調整装置は必ずしも仕切られた各マニホール
ドに対し１個装着するものではなく、第３図に示すよう
に、特に電圧分布が不均一となりやすいマニホールドに
対して個々に配置し、他のマニホールドは一括して調整
できるように配置しても良い、さらに、制御装置２０に
は各種運転条件（電池出力、ガス利用率等）に対する最
適弁開度をあらかじめ設定しておき、運転条件変更時に
はこの設定値になるよう自動制御弁１９の開度を調整し
ても良い。

〔発明の効果〕

以上説明したように本発明によれば電池積層高さ方向の
電圧分布を流量調整装置により制御するようにしたもの
で、流量分布を均一にすることができ、長寿命で高性能
の燃料電池を得ることが可能となる。

【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
ドの構成を示す説明図、第２図乃至第３図は本発明の他
の実施例を示す説明図、第４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５図は従来の燃料電池の
構成を示す分解斜視図、第６図は従来の酸化剤ガスマニ
ホールドの構成を示す説明図、第７図は第６図の酸化剤
ガスマニホールド内の電池高さ方向性力布図、第８図は
第６図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　　　　　　３ａ・・・アノード電極
３ｂ・・・カソード電極　　　　６・・・セパレータ１
２・・・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
・・・管　　　　　　　　　１７・・・積層電池１８・
・・仕切板　　　　　　　１９・・・流量ｍａｔ弁２０
・・・制御装置 代理人　弁理士　則　近　憲　佑 同　　　　第子丸　　　健 第２図 第４図 第５図 第６図 第７図 ジ（量□ 第８図

Claims (1)

【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、
   酸化剤ガスマニホールド内に電池積層高さ方向に複数個
   のマニホールドが形成できるよう仕切板を配設し、この
   仕切板により区画されたマニホールドを積層した電池の
   電圧分布が均一になるように制御する流量調整装置を介
   して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。