JPH01320772A - 燃料電池 - Google Patents
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- JPH01320772A JPH01320772A JP63153584A JP15358488A JPH01320772A JP H01320772 A JPH01320772 A JP H01320772A JP 63153584 A JP63153584 A JP 63153584A JP 15358488 A JP15358488 A JP 15358488A JP H01320772 A JPH01320772 A JP H01320772A
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Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
- H01M8/02—Details
- H01M8/0202—Collectors; Separators, e.g. bipolar separators; Interconnectors
- H01M8/0247—Collectors; Separators, e.g. bipolar separators; Interconnectors characterised by the form
-
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-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
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- Sustainable Energy (AREA)
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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。
め要約のデータは記録されません。
Description
【発明の詳細な説明】
〔産業上の利用分野〕
本発明は、燃料電池本体に係り、特に改質ガスを燃料と
した外部マニホールド型の燃料電池に関する。
した外部マニホールド型の燃料電池に関する。
燃料電池は、燃料の有する化学エネルギーを直接電気エ
ネルギーに変換する発電方式である。このような燃料電
池は一般に、電解質をはさんで一対の多孔質ガス拡散電
極を配置し、一方の電極（燃料極）の電解質と反対側に
水素等の燃料ガスを供給し、他方（酸化剤極）には空気
に含まれる酸素を供給して、触媒反応により電気化学的
に電気エネルギーを取り出すものである。上記において
、電解質としては溶融塩、アルカリ液、酸性液等が用い
られ、特に第一世代型として代表的なものにリン酸があ
げられる。第６図は、リン酸を電解質とした電池の構成
を示している。燃料電池は第６図に示すように、ガス流
路を有する一対の電極１゜２間に電解質３を配して成る
単電池をセパレータ４を介して複数個積層して構成され
る。このように積層した電池本体に酸化剤ガス５及び燃
料ガス６を供給及び排出する手段として、第７図に示す
ように、電池本体７の側面にマニホールド８を設けてい
る。第７図ではガスは側面から供給されているが、マニ
ホールド８の下部又は上部から供給されるものもある。
ネルギーに変換する発電方式である。このような燃料電
池は一般に、電解質をはさんで一対の多孔質ガス拡散電
極を配置し、一方の電極（燃料極）の電解質と反対側に
水素等の燃料ガスを供給し、他方（酸化剤極）には空気
に含まれる酸素を供給して、触媒反応により電気化学的
に電気エネルギーを取り出すものである。上記において
、電解質としては溶融塩、アルカリ液、酸性液等が用い
られ、特に第一世代型として代表的なものにリン酸があ
げられる。第６図は、リン酸を電解質とした電池の構成
を示している。燃料電池は第６図に示すように、ガス流
路を有する一対の電極１゜２間に電解質３を配して成る
単電池をセパレータ４を介して複数個積層して構成され
る。このように積層した電池本体に酸化剤ガス５及び燃
料ガス６を供給及び排出する手段として、第７図に示す
ように、電池本体７の側面にマニホールド８を設けてい
る。第７図ではガスは側面から供給されているが、マニ
ホールド８の下部又は上部から供給されるものもある。
上記燃料電池において、燃料ガスとしては、天然ガス（
主成分がメタン）等を水蒸気改質して得られる水素を含
むガスが用いられ、その組成は水素：約７５％、二酸化
炭素２５％である。
主成分がメタン）等を水蒸気改質して得られる水素を含
むガスが用いられ、その組成は水素：約７５％、二酸化
炭素２５％である。
一方酸化剤ガスとしては通常空気が用いられるため、そ
の組成は、酸素２１％、窒素７９％である。
の組成は、酸素２１％、窒素７９％である。
燃料電池では、供給された反応成分（水素及び酸素）の
うち、その１００％の量を消費するのでは無く、通常水
素は８０％程度、酸素は６０％程度消費される。これを
利用率と呼ぶ。従って、入口ガス組成と、利用率によっ
て、出口ガスの組成が変化することになる。燃料電池で
は直流のエネルギーを発生する際、水を生成し、その大
半は酸化剤極としての空気極側へ排出されるため、空気
極の出口側では多くの水分を含むことになる。従って、
燃料電池では、入口と出口のガス組成が大きく異なった
状態で運転される。この出入口のガス状態を第８図に示
す。空気極側よりも燃料極側での出入口の差、つまり、
ガス組成、ガス流量及びガス密度の差が大きいことがわ
かる。出口流量が減少することで出口付近でのガス流分
布に差が生じ易くなり、セル面内の電流分布に悪影響を
及ぼす。又、燃料極は出口側の方が密度が高く、マニホ
ールドの高さ、セルの圧損の関係により、積層下部でガ
スが流れ難くなり、性能が低下する等の問題点がある。
うち、その１００％の量を消費するのでは無く、通常水
素は８０％程度、酸素は６０％程度消費される。これを
利用率と呼ぶ。従って、入口ガス組成と、利用率によっ
て、出口ガスの組成が変化することになる。燃料電池で
は直流のエネルギーを発生する際、水を生成し、その大
半は酸化剤極としての空気極側へ排出されるため、空気
極の出口側では多くの水分を含むことになる。従って、
燃料電池では、入口と出口のガス組成が大きく異なった
状態で運転される。この出入口のガス状態を第８図に示
す。空気極側よりも燃料極側での出入口の差、つまり、
ガス組成、ガス流量及びガス密度の差が大きいことがわ
かる。出口流量が減少することで出口付近でのガス流分
布に差が生じ易くなり、セル面内の電流分布に悪影響を
及ぼす。又、燃料極は出口側の方が密度が高く、マニホ
ールドの高さ、セルの圧損の関係により、積層下部でガ
スが流れ難くなり、性能が低下する等の問題点がある。
これらの問題点を解決するため、例えば特開昭５９＝１
４９６６１号公報に記載されているように電池本体を複
数個のブロックに分割するとともに、ガスを各電池ブロ
ックに順次直列に流してガス流路を流れる流量を多くす
ることで、ガス流分布を均一化する試みが成されていた
。
４９６６１号公報に記載されているように電池本体を複
数個のブロックに分割するとともに、ガスを各電池ブロ
ックに順次直列に流してガス流路を流れる流量を多くす
ることで、ガス流分布を均一化する試みが成されていた
。
しかし、マニホールドの仕切り構造が複雑となる問題点
があった。一方、ガス組成に基づく問題点に関しては、
利用率を下げて運転をする等の運転力士の対策や、マニ
ホールド高さを低くして、積層下部にガスのヘッド圧が
かからないようにする等構造上の対策が考えられるが、
プラント効率が下がること、スタックが内部で多数に分
割した構造となるため、結果的に高さが高くなる等の問
題があった。
があった。一方、ガス組成に基づく問題点に関しては、
利用率を下げて運転をする等の運転力士の対策や、マニ
ホールド高さを低くして、積層下部にガスのヘッド圧が
かからないようにする等構造上の対策が考えられるが、
プラント効率が下がること、スタックが内部で多数に分
割した構造となるため、結果的に高さが高くなる等の問
題があった。
従来の燃料電池は、このように運転されていたが、特に
、ガス組成に基づく対策は、プラント効率が下がること
や、スタックが高くなるなどの問題があった。
、ガス組成に基づく対策は、プラント効率が下がること
や、スタックが高くなるなどの問題があった。
すなわち、ガス組成に基づく問題点は、燃料出入口マニ
ホールド内のガス密度差にあり、第９図に示すように、
密度差に基づくヘッド圧とセルのガス溝の流路抵抗との
関係によるものである。ガス密度差を小さくする手段と
しては、１番目に第９図に示すマニホールド高さＨを低
くすることである。ヘッド圧は密度差△Ｐ×高さＨの関
係であるから、Ｈを低くすれば、下部セルへガスが流れ
易くなるわけであるが、ある容量のスタックを設計する
場合、上記マニホールドの高さの制約上、スタック高さ
を小さくしてスタック数を増やすか、又は、１つの圧力
容器内に複数に分割したマニホールドを有するブロック
を重ねて収納するか、どちらかの方法をとる必要が生し
る。いずれの場合もプラント内に占めるスタック部分の
容積が大きくなり、又、配管構造が複雑となり、得策で
はない。２番目の手段として密度差を小さくすることが
考えられる。これは、人口の燃料量を増やして水素利用
率を下げるか、入口水素濃度を下げて出口の水素濃度低
下、すなわち出口ガス密度上昇を抑えるものであるが、
余分な燃料が必要なため、プラント効率が低下すること
、燃料極出口ガスを燃料とした改質器バーナ等の燃焼部
の温度制御が複雑となる等、種々の問題点が考えられる
。
ホールド内のガス密度差にあり、第９図に示すように、
密度差に基づくヘッド圧とセルのガス溝の流路抵抗との
関係によるものである。ガス密度差を小さくする手段と
しては、１番目に第９図に示すマニホールド高さＨを低
くすることである。ヘッド圧は密度差△Ｐ×高さＨの関
係であるから、Ｈを低くすれば、下部セルへガスが流れ
易くなるわけであるが、ある容量のスタックを設計する
場合、上記マニホールドの高さの制約上、スタック高さ
を小さくしてスタック数を増やすか、又は、１つの圧力
容器内に複数に分割したマニホールドを有するブロック
を重ねて収納するか、どちらかの方法をとる必要が生し
る。いずれの場合もプラント内に占めるスタック部分の
容積が大きくなり、又、配管構造が複雑となり、得策で
はない。２番目の手段として密度差を小さくすることが
考えられる。これは、人口の燃料量を増やして水素利用
率を下げるか、入口水素濃度を下げて出口の水素濃度低
下、すなわち出口ガス密度上昇を抑えるものであるが、
余分な燃料が必要なため、プラント効率が低下すること
、燃料極出口ガスを燃料とした改質器バーナ等の燃焼部
の温度制御が複雑となる等、種々の問題点が考えられる
。
本発明は、これにかんがみ、なされたものであり、出入
口のガス密度差が生じても、プラント効率や他の機器の
燃焼制御性を犠牲にすることもなく、又、スタックの大
きさや、配管の構造を犠牲にすることなく、マニホール
ド内上下にわたって均一なガス流の得られる燃料電池を
提供することにある。
口のガス密度差が生じても、プラント効率や他の機器の
燃焼制御性を犠牲にすることもなく、又、スタックの大
きさや、配管の構造を犠牲にすることなく、マニホール
ド内上下にわたって均一なガス流の得られる燃料電池を
提供することにある。
すなわち本発明は、第９図の圧損△Ｐに着目し。
この△Ｐを増大せしめるべく、セパレータに、ガス流路
の一部を閉塞あるいは流路抵抗が増大するような突起を
設け、その突起形状、員数をマニホールド高さに応して
最適に設計し、前記ガス密度差に基づく流れの問題を解
決しようとするものである。
の一部を閉塞あるいは流路抵抗が増大するような突起を
設け、その突起形状、員数をマニホールド高さに応して
最適に設計し、前記ガス密度差に基づく流れの問題を解
決しようとするものである。
セパレータに突起を設ける他、電極の特に燃料極側のガ
ス流路における流路抵抗を増大せしめるべく空気極側い
よりもガス流路本数を少なくするか、流路断面積を小さ
くすることにより、前記問題を解決しようとするもので
ある。
ス流路における流路抵抗を増大せしめるべく空気極側い
よりもガス流路本数を少なくするか、流路断面積を小さ
くすることにより、前記問題を解決しようとするもので
ある。
すなわち、このように形成された電池本体であると、第
９図に示す圧損△Ｐと、ヘッド圧へＰ×Ｈの関係を八Ｐ
〉八ＰＸＨとなるようにすれば、運転条件によって決ま
る燃料極出入口マニホールドの密度差に基づく積層上下
間の流れの問題が解決される。
９図に示す圧損△Ｐと、ヘッド圧へＰ×Ｈの関係を八Ｐ
〉八ＰＸＨとなるようにすれば、運転条件によって決ま
る燃料極出入口マニホールドの密度差に基づく積層上下
間の流れの問題が解決される。
すなわち、前記突起を設けたことや、流路抵抗を空気極
側よりも大きくしたことで、マニホールド入口の圧力が
上昇し、出口マニホールド下部にかかるヘッド圧よりも
入口から出口に向かって押し込む圧の方が大きくなり、
マニホールド内積層上下部ともに、良好なガス流れが得
られるわけである。
側よりも大きくしたことで、マニホールド入口の圧力が
上昇し、出口マニホールド下部にかかるヘッド圧よりも
入口から出口に向かって押し込む圧の方が大きくなり、
マニホールド内積層上下部ともに、良好なガス流れが得
られるわけである。
以下図示した実施例に基づいて、本発明の詳細な説明す
る。
る。
第１図は、本発明による電池構成が示されている。ガス
拡散電極１，２のガス流路９の入口部に対向したセパレ
ータ４に突起１０が設けられている。この突起は、セパ
レータ４と同一材質のガス不透過性カーボン材料を接着
するか、セパレータ４を制作する時に同時に成形しても
良い。又、突起１０は電極と同一材質の多孔質カーボン
材料でも、流路抵抗を増大する目的は得られる。本実施
例では、ガス入口部の一部に突起１０を設けているが、
これに限るものでは無く、どこに配置しても同様な結果
が得られる。又、本実施例では、全てのガス流路に突起
１０を設けているが、これは必要な圧損を得るために必
要な数だけで良いことは、言うまでもない。又、第２図
に示す例では、ガス流路９の約半分を突起１０で塞いで
いるが、この形状も必要な圧損を得ることが出来れば良
く、第２図の形状に限るものではない。第３図から第５
図に他の実施例を示す。前に述べたように、出入口マニ
ホールド内の密度差が問題となるのは、一般に燃料極側
であるため、空気極１と燃料極２のガス流路形状を変え
たものである。尚、以下図面は簡略図として空気及び燃
料極のガス流れを同一方向に示すこととするが、流し方
を限定するものでは無い。第３図は、燃料極２のガス流
路本数を空気極１よりも少なくした例である。この少な
くする割合は、前の実施例と同様に、必要な圧損によっ
て最適に決定される。第４図は、燃料極２のガス溝深さ
を浅くした例であり、第５図は燃料極２のガス溝巾を狭
くした例である。
拡散電極１，２のガス流路９の入口部に対向したセパレ
ータ４に突起１０が設けられている。この突起は、セパ
レータ４と同一材質のガス不透過性カーボン材料を接着
するか、セパレータ４を制作する時に同時に成形しても
良い。又、突起１０は電極と同一材質の多孔質カーボン
材料でも、流路抵抗を増大する目的は得られる。本実施
例では、ガス入口部の一部に突起１０を設けているが、
これに限るものでは無く、どこに配置しても同様な結果
が得られる。又、本実施例では、全てのガス流路に突起
１０を設けているが、これは必要な圧損を得るために必
要な数だけで良いことは、言うまでもない。又、第２図
に示す例では、ガス流路９の約半分を突起１０で塞いで
いるが、この形状も必要な圧損を得ることが出来れば良
く、第２図の形状に限るものではない。第３図から第５
図に他の実施例を示す。前に述べたように、出入口マニ
ホールド内の密度差が問題となるのは、一般に燃料極側
であるため、空気極１と燃料極２のガス流路形状を変え
たものである。尚、以下図面は簡略図として空気及び燃
料極のガス流れを同一方向に示すこととするが、流し方
を限定するものでは無い。第３図は、燃料極２のガス流
路本数を空気極１よりも少なくした例である。この少な
くする割合は、前の実施例と同様に、必要な圧損によっ
て最適に決定される。第４図は、燃料極２のガス溝深さ
を浅くした例であり、第５図は燃料極２のガス溝巾を狭
くした例である。
以上説明してきたように、燃料電池のセパレータにガス
拡散電極のガス流路の一部を閉塞あるいは流路抵抗が増
大するような突起を設け、その突起形状、員数をマニホ
ールドの高さに応じて最適に設計し、セル出入口の圧損
がガス密度差に基づく出口マニホールド下部のヘッド圧
よりも大きくすることで、マニホールド高さが高くても
、燃料利用率を低くすることなく、従って、効率を犠牲
にすることなくガス密度差に基づくマニホールド内積層
上下方向のガス流アンバランスを防止することが出来る
。
拡散電極のガス流路の一部を閉塞あるいは流路抵抗が増
大するような突起を設け、その突起形状、員数をマニホ
ールドの高さに応じて最適に設計し、セル出入口の圧損
がガス密度差に基づく出口マニホールド下部のヘッド圧
よりも大きくすることで、マニホールド高さが高くても
、燃料利用率を低くすることなく、従って、効率を犠牲
にすることなくガス密度差に基づくマニホールド内積層
上下方向のガス流アンバランスを防止することが出来る
。
この結果、どのような運転状態においてもガス流分布の
均一な運転が可能となり、信頼性の高い燃料電池を得る
ことが出来る。
均一な運転が可能となり、信頼性の高い燃料電池を得る
ことが出来る。
第１図は本発明の実施例を示すセル構成を示す斜視図、
第２図は同側面図、第３図から第５図は本発明の別な実
施例を示すセル構成の側面図、第６図は従来の電池構成
を示す斜視図、第７図は従来の電池構成を示す外形図、
第８図はガスの出入口での状態を示す説明図、第９図は
本説明の原理を示す説明図をそれぞれ示す。 １・・・ガス拡散電極（空気極）、２・・・ガス拡散電
極（燃料ｉ） 、４・・・セパレータ、８・・・マニホ
ールド、９・・・ガス流路、１０・・・突起 「−Ｃ’Ｊ ■ 」 出口
第２図は同側面図、第３図から第５図は本発明の別な実
施例を示すセル構成の側面図、第６図は従来の電池構成
を示す斜視図、第７図は従来の電池構成を示す外形図、
第８図はガスの出入口での状態を示す説明図、第９図は
本説明の原理を示す説明図をそれぞれ示す。 １・・・ガス拡散電極（空気極）、２・・・ガス拡散電
極（燃料ｉ） 、４・・・セパレータ、８・・・マニホ
ールド、９・・・ガス流路、１０・・・突起 「−Ｃ’Ｊ ■ 」 出口
Claims (1)
- 【特許請求の範囲】 １、ガス流路をそれぞれ有する燃料極及び酸化剤極から
成る一対のガス拡散電極を、セパレータを介して複数段
積層した電池本体にガスを一括して給排するマニホール
ドを取り付けて成る燃料電池において、前記構成により
形成された複数のガス流路の少なくとも一つの流路を閉
塞せしめる突起あるいは該流路の断面積を減小せしめる
突起を、前記セパレータのガス流路面に設けて、該流路
の流路抵抗を増大せしめる手段としたことを特徴とする
燃料電池。 ２、ガス流路をそれぞれ有する燃料極及び酸化剤極から
成る一対のガス拡散電極を、セパレータを介して複数段
積層した電池本体にガスを一括して給排するマニホール
ドを取り付けて成る燃料電池において、前記構成により
形成された複数のガス流路の個数を減少せしめるか、あ
るいは前記ガス流路の少なくとも一つの流路自体の断面
積を減小して、該流路の流路抵抗を増大せしめる手段と
したことを特徴とする燃料電池。 ３、ガス流路のうち燃料極ガス流路の流路抵抗を酸化剤
極ガス流路の流路抵抗よりも大きくしたことを特徴とす
る請求項１または２記載の燃料電池。 ４、マニホールド高さに対応せしめて突起を設けたガス
流路の個数を増加するか、該突起の形状を拡大するか、
該ガス流路の個数の増加および該突起の形状の拡大を併
せて行ったことを特徴とする請求項１または３記載の燃
料電池。 ５、マニホールド高さに対応せしめてガス流路自体の断
面積を減小せしめたことを特徴とする請求項２または３
記載の燃料電池。 ６、燃料極ガス流路の流路抵抗を酸化剤極ガス流路の流
路抵抗よりも大きくする手段として、燃料極ガス流路の
本数を酸化剤極ガス流路の本数よりも少なくしたことを
特徴とする請求項３記載の燃料電池。 ７、燃料極ガス流路の流路抵抗を酸化剤極ガス流路の流
路抵抗よりも大きくする手段として、個々の燃料極ガス
流路の断面積を個々の酸化剤極ガス流路の断面積よりも
小さくしたことを特徴とする請求項３記載の燃料電池。 ８、燃料極ガス流路の流路抵抗を酸化剤極ガス流路の流
路抵抗よりも大きくする手段として、燃料極ガス流路の
本数を酸化剤極ガス流路の本数よりも少なくし、かつ、
個々の燃料極ガス流路の断面積を個々の酸化剤極ガス流
路の断面積よりも小さくしたことを特徴とする請求項３
記載の燃料電池。
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ID=15565684
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