JPH01302670A - 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】 〔産業上の利用分舒〕 この発明は、燃料電池、特にその長寿命化に関するもの
である。

〔従来の技術〕

燃料電池として、リン酸型燃料電池（以下、ＰＡ７０と
略す）を例にとり説明する。

第４図は、例えば［１燃料電池設計技１！　’　ｔサイ
エンスフォーラム社ｅＰ、１５３．　　昭和６２年発行
」に示されている従来のＰＡＦＯの基本的な構成とガス
流体の供給方法の原理を示す図である。図において、α
Ｏは異なるガス流体が供給されて電気化学反応（以下、
反応と呼ぶ）を起こす、燃料電池の基本単位を構成する
単電池で、リン酸が含浸された多孔質５体の電解質層α
ｐを挾んで対向する一対の電極、すなわち、燃料電極（
６）と酸化剤電極（至）とで構成されている０α４は燃
料電極Ｑ擾で反応する水素を主成分とするメタン改質ガ
スなどの燃料ガスが供給される流れの方向を示し、（至
）は酸化剤電極０で反応する酸化剤ガス、すなわち空気
が供給される流れの方向を示し、両者の流れの方向は通
常直交している。これらの両ガス流体は、それぞれの電
極（２）、（１３で電解質層０と反対の側にガス不透過
性の分離板（至）でそれぞれ囲繞されたガス流路内を流
通する。上記の単電池αＧと分離板（至）とが多段に積
層されて燃料電池が構成されている。

このような燃料電池において、燃料ガス流体α４は、燃
料電池の一側面から供給され、燃料電極０才で反応した
のち反対側の側面から未反応水素や不活性ガスである０
０２等が排出される。一方、酸化剤ガス流体αｅである
空気は、燃料ガス流路と直交する側面から供給され、空
気中の有効反応成分である酸素が酸化剤電極αｊで反応
したのち反対側の側面から未反応酸素や反応生成物であ
る水蒸気及び不活性ガスである窒素が排出される。この
ように、ガス流体の流れ方向はいずれも一方向である。

従って、いずれのガス流体においても、電池内で発電し
ているとき、すなわち、電気化学反応て起り電流が取り
出されているときには、ガス流体の有効反応成分（燃料
ガス流体では水素、空気流体では酸素）は、上流側では
濃度が高く、下流になるにつれて濃度は低下する。この
とき、仮りに有効反応ガスを全部使いきって所定の出力
を出したときが、反応ガスの利用率が１００（％）であ
る。この場合、下流側の反応ガス濃度は０（％）になる
。

ただし、実際的な運転では、この利用率は、空気の場合
で６０（％）程度、燃料ガスの場合で８０（％）程度が
一般的である。このとき、上流側から下流側へ至るまで
のガス濃度は、酸素の場合で２１（％）から約８（傳）
にまで、また燃料ガスの場合で約フグ（％）から約１６
（％）にまで低下する。

ところで、このような燃料電池において１よ、反応ガス
の濃度が出力電圧を左右する要素の一つになる。すなわ
ち、濃度が高い程、同一電流密度では電圧は高くなる。

今、燃料電池の一平面内において、電流密度が均一であ
るとすれば、前述したように上流側と下流側との濃度差
により、」三原側の電圧の方が高くなろうとする。実際
的には、上流側と下流側とは導電性の分離板Ｇルで電気
的につながっているので、平板内を電流が流れ、結果と
して電池平面内では電圧が均一になり、電流密度が不均
・−になる。すなわち、上流側では電圧を下げるように
、下流側では電圧を上げるように働くので、電流密度は
上流側では高くなり下流側では低くなる。

低くなる。

このように電池内の電流密度が不均一になったときは、
電池内部材が腐食する可能性が生じる。

すなわち、腐食は、炭素及び水分が存在し、電極の１位
が高ければ起こりやす２くなる。ここで、炭素は電極に
使用されているので充分に存在し、また水分は電池反応
が進行すれば生成される。このとき、上述したように、
電流密度が不均一になり、局所的に電流密度が低い箇所
、特にもともと高１位にある酸化剤（空気）′ＩＥ極（
至）では、１位が充分に低下しなくて高電位に保たれた
ままになり、上述の腐食が起こる条件になることがある
。実際にも電池内部材の腐食現象が発生している。

これに関連して、反応ガスの分布を均等にさせる一手段
として、特公昭５Ｂ　−２２８６６号公報に記載。

されているガス流体供給方法がある。第５図は、その供
給流路の一例を示す図である。ガス流体α４は、入口導
管（ｌｓａ　）から供給されて中央帝都（財）で区画さ
れた流路の半部分を流通し、反対側の側面的でリターン
したのち残りの半部分を流通して出口導管（：ｔｓｂ　
）から排出される。さらに、分割数を増やして、例えば
二往復させる供給径路にすることもできる。

〔発明が解決しようとする課題〕

従来の燃料電池は、上記のように６１成されていたので
、ガス流体の流れ方向が一方向の場合には、反応ガス濃
度が不均一になシ腐食現象が発生し電池の寿命を損なう
ことがあった。尚、ガス流体を反対側の側面でリターン
させるものでは、反応ガスの濃度が局所的に、特に隣接
する入口部と出口部とでは不均一になるという課題があ
った。

この発明は、かかる課題を解決するだめになされたもの
であシ、反応ガスの利用率を高めつつ腐食の可能性を回
避して長寿命運転ができる燃料電池を得ることを目的と
する。

〔課題を解決するだめの手段〕

この発明に係る燃料電池は、電解質層を挾んで対向する
一対の電極と、この両電極の上記電解質層と反対の側に
ガス不透過性分離板で囲繞され、それぞれ電気化学反応
を起こす異なるガス流体を流通させる一対のガス流路と
が多段に積層された燃料電池で、少なくとも一方のガス
流路を、その両側を流れるガス流体に濃度差があるとき
は濃度拡散できる透過性部材で該ガス流路の流れ方向に
沿って区画した複数の区画流路と、これら各々隣接する
区画流路を流れるガス流体の流れが対向するように上記
ガス流体を供給するガス供給手段を備えたものである。

〔作用〕

この発明においては、隣接する区画流路を対向して流れ
るガス流体が、透過性部材を介在して高濃度側から低濃
度側へ透過して濃度拡散し、その反応ガス濃度を均一化
する。

〔実施例〕

第１図は、この発明に係る一実施例の燃料電池において
、ガス流体を供給するときに反応ガス濃度が均一化され
る動作を説明するための模式図である。簡単のため、同
種のガス流体を一組対向させ、それぞれの供給側の反応
ガス濃度が隣接する相手方の排気側のそれよシも高い場
合で説明する０図において、（２０＆）は流体ムの供給
側、（２ｏｂ）は流体人の排気側、（２１ｍ）は流体Ｂ
の供給側、（２１ｂ）は流体Ｂの排気側である。のは流
体Ａと流体Ｂを区画し、両流体に濃度差があるときは濃
度拡散できる多孔質炭素などの透過性部材、（至）は流
体Ａの高８度側（１）から流体Ｂの低濃度側（ＩＩ）へ
透過性部材のを介在して透過する濃度拡散流、（財）は
流体Ｂの高濃度ｇＩ（ＩＩＩ）から流体Ａの低濃度側（
１’ｌ’）へ同様に透過する濃度拡散流である。

さて、第１図のように流体人と流体Ｂとをこれらの流れ
方向が対向するように流して発電を行うとき、それぞれ
の流れの上流側と下流側とで反応ガスに濃度差が生じる
。このとき、それぞれの高濃度域は相手方の低濃度域に
隣接しているので透過性部材のを透過して濃度拡散流が
流れ、互いの濃度差を解消するように働き、領域（１）
と（ＩＩ）及び領域（ＩＩＩ）と（Ｉｔ／）の濃度は互
いに接近し均一化されてくる。このようにして、反応ガ
ス濃度の不均一さに基づく電流密度のアンバランスが解
消されてその分布はなだらかになる。その結果、反応ガ
スの利用率が高い運転においても、電流密度が局所的に
低い領域は発生しなくなるので、電池構造部材の腐食の
可能性を回避することができる。

尚、このようにガス流体の流れを対向させるのは少なく
とも一方のガス流体だけでもそのガス流体の濃度差が解
消されるため電流密度のアンバランスは軽減されてくる
が、さらに両者ともに行えばより効果的である。

第２図は、この発明に係る一実施例の燃料電池の基本単
位である単電池とガス流路の断面を示す図であり、α０
−ｂは前述のものと同様である。＠は多孔質炭素などの
透過性部材勿で区画されたガス流体の区画流路であり、
例えば第１図で左から右の方向に流れる流体Ａの流路で
ある。このよう杉 な区画流路を区画する透過性部材のは、電極に構成して
も、分離板に構成してもよく、あるいは電極と分離板と
で挾持してもよい０＠はガス流体が横方向へ漏れるのを
防ぐサイドシール、鰭はこのガス流体と直交する他のガ
ス流体の漏れを防ぐサイドシールである０このような単
電池を多段積層すれば、燃料電池スタックを構成できる
。

次に、積層された燃料電池スタックでのガス流体の供給
方法について説明する。第３図は、このガス流体供給流
路の構成の一例を示す図である。

図において、（至）は燃料電池スタック、（２）はガス
流体供給用ヘッダであり、ヘッダ仕切り（至）により区
画流路毎に供給流路を分割している。（至）はその区画
流路毎にガス流体を供給する配管、（至）は区画流路の
流体で矢印の方向が流体の方向を表わしている。Ａ１．
ム２ｙＡＢは例えば燃料ガス流体の区画流路の流れ方向
、Ｂ１　ｅ　Ｂ２　ｔ　”！は空気ガス流体の区画流路
の流れ方向であシ、それぞれｌａＩ接する区画流路では
その流れの方向が対向している。第３図では、ガス流路
を区画流路に分割しているのは、両方のガス流体に適用
している場合を例示しているが、少なくとも一方でもよ
く、またヘッダ仕切シ（２）による区画流路の分割数は
三分割の場合を示しているが、任意数でよい。さらに、
ヘッダへの配管の取り付は位置は、例えば区画流路Ａ１
では、流入口は上方で流出口は下方であるが、ガス流体
の流れ方向が図示しプζ矢印方向であれば、ヘッダの途
中など任意のところでよい。

上記実施例では、リン酸型燃料電池（ｐＡｙｏ）の場合
について説明したが、これに限らず溶融炭酸塩型燃料電
池（ＭＯＦＯ）や固体酸化物電解質型燃料電池（ＳＯＦ
Ｏ）などの種々の燃料電池においても適用できることは
言うまでもない。

〔発明の効果〕

この発明は、以上説明したとおり、電解質層を挾んで対
向する一対の電極と、この両電極の上記電解質層と反対
の側にガス不透過性分離板で囲繞され、それぞれ電気化
学反応を起こす異なるガス流体を流通させる一対のガス
流路とが多段に積層された燃料電池で、少なくとも一方
のガス流路を、その両側を流れるガス流体に濃度差があ
るときは濃度拡散できる透過性部材で該ガス流路の流れ
方向に沿って区画した複数の区画流路と、これら各々隣
接する区画流路を流れるガス流体の流れが対向するよう
に上記ガス流体を供給するガス供給手段を（ｊ府える構
成にしだので、同種のガス流体の反応ガス濃度が均一化
され、反応ガスの利用率を高めつつ腐食の可能性を回避
して長寿命運転ができる効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明に係る一実施例の燃料電池でガス流体
を供給するときにその反応ガス濃度が均一化される動作
を説明するための模式図、第２図はこの発明に係る一実
施例の燃料電池の基本単位である単電池とガス流路の断
面を示す図、第３図はこの発明に係る一実施例の燃料電
池のガス供給流路の構成の一例を示す図、第４図は従来
の燃料電池の基本的な構成とガス流体の供給方法の原理
を示す図、第５図は従来の燃料電池のガス供給流路の一
例を示す図である。 図において、（１０は単電池、ａυは電解質層、０の。 ａ３は電極、ｆｉ４　、α９はガス流体、Ｂ６１はガス
不透過性分離板、■、（２）はガス流体の流れ方向、（
イ）は透過性部材、υ、（ハ）は濃度拡散流、（至）は
区画流路、（ム１）〜（Ａｓ）　ｐ　（Ｂ１）〜ＣＢｓ
）　　は区画流路ノ流し方向である。 なお、各図中、同一符号は同一または相当部分を示す。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 電解質層を挾んで対向する一対の電極と、この両電極の
   上記電解質層と反対の側にガス不透過性分離板で囲繞さ
   れ、それぞれ電気化学反応を起こす異なるガス流体を流
   通させる一対のガス流路とが多段に積層された燃料電池
   において、少なくとも一方のガス流路を、その両側を流
   れるガス流体に濃度差があるときは濃度拡散できる透過
   性部材で該ガス流路の流れ方向に沿つて区画した複数の
   区画流路、及び上記各々隣接する区画流路を流れるガス
   流体の流れが対向するように上記ガス流体を供給するガ
   ス供給手段を備えた燃料電池。