JPH04308665A - 加圧型燃料電池のガス流れ構造 - Google Patents
加圧型燃料電池のガス流れ構造Info
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- JPH04308665A JPH04308665A JP3075403A JP7540391A JPH04308665A JP H04308665 A JPH04308665 A JP H04308665A JP 3075403 A JP3075403 A JP 3075403A JP 7540391 A JP7540391 A JP 7540391A JP H04308665 A JPH04308665 A JP H04308665A
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- H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
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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
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、燃料電池に係り、特に
、単位電池を複数個積層した電池積層体を加圧して運転
する際、各セルに燃料ガスを均等に分配するのに好適な
燃料電池のガス流れ構造に関する。
、単位電池を複数個積層した電池積層体を加圧して運転
する際、各セルに燃料ガスを均等に分配するのに好適な
燃料電池のガス流れ構造に関する。
【０００２】
【従来の技術】燃料電池に供給されるガスは、通常、燃
料ガス及び酸化剤ガスがともに、積層電池の上側から入
り、上から排出する構造となっているか、あるいは、逆
に、下側から供給され下側から排出される構造となって
いる。従って、供給側のマニホールドのガス流れ方向と
排出側のガス流れ方向とは、互いに逆向きに流れ、いわ
ゆる、両マニホールドのガス流れは反流タイプであるの
が一般的である。これは、主として電池構造の面から考
慮されたものであり、入口、出口ヘッダーを一ヶ所にま
とめることができるので電池構造が簡略化される利点が
ある。
料ガス及び酸化剤ガスがともに、積層電池の上側から入
り、上から排出する構造となっているか、あるいは、逆
に、下側から供給され下側から排出される構造となって
いる。従って、供給側のマニホールドのガス流れ方向と
排出側のガス流れ方向とは、互いに逆向きに流れ、いわ
ゆる、両マニホールドのガス流れは反流タイプであるの
が一般的である。これは、主として電池構造の面から考
慮されたものであり、入口、出口ヘッダーを一ヶ所にま
とめることができるので電池構造が簡略化される利点が
ある。
【０００３】さらに他の例としては『大容量溶融炭酸塩
型燃料電池（ＭＣＦＣ）発電装置のセル、及びスタック
技術』（ 機械学会シンポジウム、動力、エネルギ−
技術の最前線パート２）に示されるような中間ヘッダー
構造の積層電池が挙げられる。この積層電池においては
、燃料ガスは、中間部のヘッダーから上下のセル積層部
に供給され、再び中間ヘッダーに戻る流れになっており
、酸化剤ガスは、積層電池上下のヘッダーから中間ヘッ
ダーに向かって流れ、反応後のガスは、再び、上下のヘ
ッダーに戻る流れ構造となっているが、この構造のもの
にあっては中間ヘッダーを境に、燃料ガス、酸化剤ガス
について、積層電池内の供給マニホールドを上向きに流
れるものと、下向きに流れるものとが個別に存在してい
る。
型燃料電池（ＭＣＦＣ）発電装置のセル、及びスタック
技術』（ 機械学会シンポジウム、動力、エネルギ−
技術の最前線パート２）に示されるような中間ヘッダー
構造の積層電池が挙げられる。この積層電池においては
、燃料ガスは、中間部のヘッダーから上下のセル積層部
に供給され、再び中間ヘッダーに戻る流れになっており
、酸化剤ガスは、積層電池上下のヘッダーから中間ヘッ
ダーに向かって流れ、反応後のガスは、再び、上下のヘ
ッダーに戻る流れ構造となっているが、この構造のもの
にあっては中間ヘッダーを境に、燃料ガス、酸化剤ガス
について、積層電池内の供給マニホールドを上向きに流
れるものと、下向きに流れるものとが個別に存在してい
る。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】電池の運転圧力が大気
圧条件で、積層枚数が少なく電池の高さが低い場合、ガ
スの流れ方向は大きな問題には至らないが、電池の運転
圧力が高くなり、積層枚数が増加すると上記のような従
来の構造のものでは、いずれも、下記の理由から積層セ
ル間での流量分布の不均一度が大きくなることは避けら
れない。
圧条件で、積層枚数が少なく電池の高さが低い場合、ガ
スの流れ方向は大きな問題には至らないが、電池の運転
圧力が高くなり、積層枚数が増加すると上記のような従
来の構造のものでは、いずれも、下記の理由から積層セ
ル間での流量分布の不均一度が大きくなることは避けら
れない。
【０００５】特に、電池内の圧力が高くなると、供給側
マニホールドと排出側マニホールドを流れるガス密度の
差が、大気圧の場合に比べてより大きくなり、それが、
電池内のガス流れにも大きな影響を及ぼし、その結果、
流量分布の不均一度が大きくなるという点に関して、上
記のような従来公知のいずれの燃料電池においてもこれ
まで格別の考慮がなされていなかった。
マニホールドと排出側マニホールドを流れるガス密度の
差が、大気圧の場合に比べてより大きくなり、それが、
電池内のガス流れにも大きな影響を及ぼし、その結果、
流量分布の不均一度が大きくなるという点に関して、上
記のような従来公知のいずれの燃料電池においてもこれ
まで格別の考慮がなされていなかった。
【０００６】もし、両マニホールドを流れるガス密度が
同じであると仮定すれば、従来構造の反流タイプの流れ
構造のものにおいて、上からガスを供給しようと下から
供給しようと、流量分布の均一化にとって大きな差はな
いが、実際の電池では、セル内で化学反応が生じるため
、ガス密度が変化する。即ち、燃料ガス側では、反応ガ
スである水素が消費され、密度の大きい炭酸ガスや水を
生成するため、水素に富む供給側のマニホールドに比べ
、炭酸ガスや水が主成分である排出側のマニホールドを
流れるガスの方が密度が高くなる。この結果、従来の反
流タイプの燃料電池において、燃料ガスを電池の上方か
ら供給した場合は、ガスの密度差による循環力の影響に
より積層電池の上側のセルにはガスが流れやすくなり、
下側のセルにはガスが流れ難くなる。
同じであると仮定すれば、従来構造の反流タイプの流れ
構造のものにおいて、上からガスを供給しようと下から
供給しようと、流量分布の均一化にとって大きな差はな
いが、実際の電池では、セル内で化学反応が生じるため
、ガス密度が変化する。即ち、燃料ガス側では、反応ガ
スである水素が消費され、密度の大きい炭酸ガスや水を
生成するため、水素に富む供給側のマニホールドに比べ
、炭酸ガスや水が主成分である排出側のマニホールドを
流れるガスの方が密度が高くなる。この結果、従来の反
流タイプの燃料電池において、燃料ガスを電池の上方か
ら供給した場合は、ガスの密度差による循環力の影響に
より積層電池の上側のセルにはガスが流れやすくなり、
下側のセルにはガスが流れ難くなる。
【０００７】一般に、セルの積層数が増えるとガスの密
度差がない場合であっても下側のセルは上側のセルに比
べてガスは流れ難くなる傾向があるが、それに加え、上
記の密度差の影響がこれに加わることになり、セル間の
流量分布の不均一度がさらに増加する。また、酸化剤ガ
スの場合は、燃料ガスとは逆に、密度の大きい炭酸ガス
と酸素を消費するために、排出側では密度の小さい窒素
の割合が増加することとなり、排出側のマニホールドを
流れるガスの密度が供給側のマニホールドを流れるガス
の密度よりも低くなる。
度差がない場合であっても下側のセルは上側のセルに比
べてガスは流れ難くなる傾向があるが、それに加え、上
記の密度差の影響がこれに加わることになり、セル間の
流量分布の不均一度がさらに増加する。また、酸化剤ガ
スの場合は、燃料ガスとは逆に、密度の大きい炭酸ガス
と酸素を消費するために、排出側では密度の小さい窒素
の割合が増加することとなり、排出側のマニホールドを
流れるガスの密度が供給側のマニホールドを流れるガス
の密度よりも低くなる。
【０００８】従って、従来の反流タイプの燃料電池にお
いて、下から酸化剤ガスを供給する場合は、ガスの密度
差による循環力の影響により積層電池の下側の方にガス
が流れやすくなり、上側のセルにはガスが流れ難くなる
。特に、燃料電池のようにマニホールド内の管摩擦が小
さい場合、この傾向はより強く現われる。このように、
燃料ガスと酸化剤ガスでは反応に伴う密度変化の傾向が
異なるにもかかわらず、ガス流れ方向そのものついては
、特に積層電池構造の中でのガス流れ方向について格別
の配慮はされていなかった。
いて、下から酸化剤ガスを供給する場合は、ガスの密度
差による循環力の影響により積層電池の下側の方にガス
が流れやすくなり、上側のセルにはガスが流れ難くなる
。特に、燃料電池のようにマニホールド内の管摩擦が小
さい場合、この傾向はより強く現われる。このように、
燃料ガスと酸化剤ガスでは反応に伴う密度変化の傾向が
異なるにもかかわらず、ガス流れ方向そのものついては
、特に積層電池構造の中でのガス流れ方向について格別
の配慮はされていなかった。
【０００９】本発明は、従来の積層電池構造の持つ上記
のような問題点を解決し積層電池を構成する各セルに燃
料ガスを均等に分配しうるガスの流れ構造をうることを
目的とする。
のような問題点を解決し積層電池を構成する各セルに燃
料ガスを均等に分配しうるガスの流れ構造をうることを
目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
めに、本発明においては、上述したような密度差による
対流効果を考慮して、流量分布の均一化を図るため、積
層電池の下側から燃料ガスを供給マニホールドに流し、
各セル内で反応し終ったガスは、排出マニホールドを供
給マニホールドと逆に、下向きに流れるように、排出マ
ニホールドの下側から排出するようにし、また、酸化剤
ガスについては燃料ガスの流れとは逆に、積層電池の上
側から供給マニホールドに流し、排出マニホールドの上
側から排出するようにした。
めに、本発明においては、上述したような密度差による
対流効果を考慮して、流量分布の均一化を図るため、積
層電池の下側から燃料ガスを供給マニホールドに流し、
各セル内で反応し終ったガスは、排出マニホールドを供
給マニホールドと逆に、下向きに流れるように、排出マ
ニホールドの下側から排出するようにし、また、酸化剤
ガスについては燃料ガスの流れとは逆に、積層電池の上
側から供給マニホールドに流し、排出マニホールドの上
側から排出するようにした。
【００１１】即ち、本発明は、溶融炭酸塩を保持した電
解質板、電解質板を両側からはさむアノード及びカソー
ド、及びその外側に位置し燃料ガス及び酸化剤ガスを流
す流路を有しかつ燃料ガスと酸化剤ガスとの混合を防止
するセパレータとから構成される単位電池を複数個積層
すると共に、該セパレータには燃料ガスと酸化剤ガスの
供給、排出用のマニホールドが設けられている内部マニ
ホールド型燃料電池において、あるいは該積層電池の側
面のガス出入口に燃料ガスと酸化剤ガスの供給、排出用
のマニホールドを設けた外部マニホールド型燃料電池に
おいて、該燃料電池を構成するすべての単位電池につい
て、燃料ガス側については供給側マニホールドを流れる
ガスは下から上に向かって流れ、排出側マニホールドを
流れるガスは上から下に向かって流れるようにし、さら
に酸化剤ガス側については供給側マニホールドを流れる
ガスは上から下に向かって流れ、排出マニホールドを流
れるガスは下から上に向かって流れるように構成したこ
とを特徴とする燃料電池のガスの流れ構造を開示し、提
供する。
解質板、電解質板を両側からはさむアノード及びカソー
ド、及びその外側に位置し燃料ガス及び酸化剤ガスを流
す流路を有しかつ燃料ガスと酸化剤ガスとの混合を防止
するセパレータとから構成される単位電池を複数個積層
すると共に、該セパレータには燃料ガスと酸化剤ガスの
供給、排出用のマニホールドが設けられている内部マニ
ホールド型燃料電池において、あるいは該積層電池の側
面のガス出入口に燃料ガスと酸化剤ガスの供給、排出用
のマニホールドを設けた外部マニホールド型燃料電池に
おいて、該燃料電池を構成するすべての単位電池につい
て、燃料ガス側については供給側マニホールドを流れる
ガスは下から上に向かって流れ、排出側マニホールドを
流れるガスは上から下に向かって流れるようにし、さら
に酸化剤ガス側については供給側マニホールドを流れる
ガスは上から下に向かって流れ、排出マニホールドを流
れるガスは下から上に向かって流れるように構成したこ
とを特徴とする燃料電池のガスの流れ構造を開示し、提
供する。
【００１２】
【作用】密度変化のない場合、上記反流タイプでは、供
給マニホールドにおけるガスの分岐、排出マニホールド
におけるガスの合流に伴うモーメンタム効果により、両
マニホールド間の圧力差はガス入口側が大きくなり、入
口から遠ざかるに従って小さくなる。このためガス供給
部に近いセルのガス流量は、遠いセルに比べて多くなる
。従って、燃料側では積層電池の下側のセルほど上側の
セルに比べて流量が増える分布を示す。逆に、酸化剤側
では積層電池の上側のセルほど下側のセルに比べて流量
が増える分布を示す。これに、ガスの密度変化が加わる
ことになる。先に述べたように、燃料側では電池の入口
、出口で密度が異なる場合は、積層電池の上側の方が循
環力が大きくなるため、より多くのガスが流れようとす
る。即ち、マニホールド内の分岐、合流に伴うモーメン
タム効果と密度変化に伴う対流効果が組合さることによ
り、互いの流量分布不均一さを打消しあうため、流量分
布の不均一性が解消される方向に向かうことになる。 同様に酸化剤側では、積層電池の下側の方が循環力が大
きくなるため、やはり、互いの流量分布不均一さを打消
しあうことになり、その結果、電池全体の流量分布の不
均一性が解消される方向に向かうことになる。
給マニホールドにおけるガスの分岐、排出マニホールド
におけるガスの合流に伴うモーメンタム効果により、両
マニホールド間の圧力差はガス入口側が大きくなり、入
口から遠ざかるに従って小さくなる。このためガス供給
部に近いセルのガス流量は、遠いセルに比べて多くなる
。従って、燃料側では積層電池の下側のセルほど上側の
セルに比べて流量が増える分布を示す。逆に、酸化剤側
では積層電池の上側のセルほど下側のセルに比べて流量
が増える分布を示す。これに、ガスの密度変化が加わる
ことになる。先に述べたように、燃料側では電池の入口
、出口で密度が異なる場合は、積層電池の上側の方が循
環力が大きくなるため、より多くのガスが流れようとす
る。即ち、マニホールド内の分岐、合流に伴うモーメン
タム効果と密度変化に伴う対流効果が組合さることによ
り、互いの流量分布不均一さを打消しあうため、流量分
布の不均一性が解消される方向に向かうことになる。 同様に酸化剤側では、積層電池の下側の方が循環力が大
きくなるため、やはり、互いの流量分布不均一さを打消
しあうことになり、その結果、電池全体の流量分布の不
均一性が解消される方向に向かうことになる。
【００１３】
【実施例】以下、本発明を添付の図面を用いた幾つかの
実施例に基づきより詳細に説明する。図１は、内部マニ
ホールド型の溶融炭酸塩型燃料電池積層構造の断面を示
す。電解質板１とアノード２、カソード３両電極、セパ
レータ４から成る単位電池が複数個積層されて燃料電池
を形成している。該積層電池の上、下には端板５ａ，５
ｂ が備わっている。該端板はその内部にガスヘッダー
６ａ，６ｂ，６ｃ，６ｄ を備えている。上端版のＡー
Ａ断面の平面図を図２に示す。
実施例に基づきより詳細に説明する。図１は、内部マニ
ホールド型の溶融炭酸塩型燃料電池積層構造の断面を示
す。電解質板１とアノード２、カソード３両電極、セパ
レータ４から成る単位電池が複数個積層されて燃料電池
を形成している。該積層電池の上、下には端板５ａ，５
ｂ が備わっている。該端板はその内部にガスヘッダー
６ａ，６ｂ，６ｃ，６ｄ を備えている。上端版のＡー
Ａ断面の平面図を図２に示す。
【００１４】燃料である水素と炭酸ガス、及び水の混合
ガス１００が、供給口７から下端板５ｂ のガスヘッダ
ー６ａ に流入する。該燃料ガス１００は、ヘッダー６
ａ から電解質板１、及びセパレータ４に設けたマニホ
ールド孔８ａ を通りながら、積層電池内を上向きに供
給マニホールド１０内を流れる。その際、該燃料ガス１
００は、セパレータ４に設けられた溝９ａ と、アノー
ド２によって形成されたガス流路１１を通って各単位電
池に供給される。各電池内ではアノード２で電極反応を
行いながら、水素を消費し、炭酸ガスと水を生成しなが
ら排出側のマニホールド１２に達する。該マニホールド
１２に達し、反応を終えた排ガス１０１は電解質板１、
及びセパレータ４に設けたマニホールド孔８ｂ を通り
ながら、積層電池内を下向きに流れる。そして、下端板
５ｂ に設けられた出口ヘッダー６ｂ に入り、排出口
１３から系外に排出される。
ガス１００が、供給口７から下端板５ｂ のガスヘッダ
ー６ａ に流入する。該燃料ガス１００は、ヘッダー６
ａ から電解質板１、及びセパレータ４に設けたマニホ
ールド孔８ａ を通りながら、積層電池内を上向きに供
給マニホールド１０内を流れる。その際、該燃料ガス１
００は、セパレータ４に設けられた溝９ａ と、アノー
ド２によって形成されたガス流路１１を通って各単位電
池に供給される。各電池内ではアノード２で電極反応を
行いながら、水素を消費し、炭酸ガスと水を生成しなが
ら排出側のマニホールド１２に達する。該マニホールド
１２に達し、反応を終えた排ガス１０１は電解質板１、
及びセパレータ４に設けたマニホールド孔８ｂ を通り
ながら、積層電池内を下向きに流れる。そして、下端板
５ｂ に設けられた出口ヘッダー６ｂ に入り、排出口
１３から系外に排出される。
【００１５】一方、酸化剤ガスである空気と炭酸ガスの
混合ガス１０２は、上端板５ａ の供給口１６を通り、
入口ガスヘッダー６ｃ から、燃料の場合と同様に、電
解質板１、及びセパレータ４に設けたマニホールド孔８
ｃ を通りながら積層電池内を下向きに流れる。そして
、燃料側と同様に、セパレータに設けられた溝９ｂとカ
ソード３によって形成されたガス流路１４を通って各単
位電池に供給される。各電池内ではカソード３で電極反
応を行いながら、酸素と炭酸ガスを消費し排出側のマニ
ホールドに達する。該マニホールドに達し、反応を終え
たカソード排ガス１０３は電解質板１、及びセパレータ
４に設けたマニホールド孔８ｄ を通りながら、今度は
、積層電池内を上向きに流れる。そして、上端板５ａ
に設けられた出口ヘッダーに６ｄ 入り、排出口１５か
ら系外に排出される。
混合ガス１０２は、上端板５ａ の供給口１６を通り、
入口ガスヘッダー６ｃ から、燃料の場合と同様に、電
解質板１、及びセパレータ４に設けたマニホールド孔８
ｃ を通りながら積層電池内を下向きに流れる。そして
、燃料側と同様に、セパレータに設けられた溝９ｂとカ
ソード３によって形成されたガス流路１４を通って各単
位電池に供給される。各電池内ではカソード３で電極反
応を行いながら、酸素と炭酸ガスを消費し排出側のマニ
ホールドに達する。該マニホールドに達し、反応を終え
たカソード排ガス１０３は電解質板１、及びセパレータ
４に設けたマニホールド孔８ｄ を通りながら、今度は
、積層電池内を上向きに流れる。そして、上端板５ａ
に設けられた出口ヘッダーに６ｄ 入り、排出口１５か
ら系外に排出される。
【００１６】このようなガスの流れに対し、電池内の流
動抵抗の大部分はセパレータ内の管摩擦損失分が占める
。マニホールド内１０，１２の管摩擦損失や分岐、合流
損失、あるいはセパレータ４内のガスの消費量や生成に
伴って溝内１１，１４で発生するガスの吹き出し損失は
、ガスが低速でＲｅ数が小さい層流域のため小さい。図
３ａ にこの時の燃料側マニホールド内の圧力分布を示
す。供給マニホールド側１０の圧力分布Ｐｉ はガスの
流れ方向に従って圧力が高くなっている。これは、流れ
方向に従ってガスが分岐され運動量が減るためである。 逆に、排出側のマニホールド１２の圧力分布Ｐｏ では
ガスの流れ方向に従って圧力が下がっている。これは、
流れ方向に従ってガスが合流され運動量が増えることと
、マニホールド内の管摩擦のためである。
動抵抗の大部分はセパレータ内の管摩擦損失分が占める
。マニホールド内１０，１２の管摩擦損失や分岐、合流
損失、あるいはセパレータ４内のガスの消費量や生成に
伴って溝内１１，１４で発生するガスの吹き出し損失は
、ガスが低速でＲｅ数が小さい層流域のため小さい。図
３ａ にこの時の燃料側マニホールド内の圧力分布を示
す。供給マニホールド側１０の圧力分布Ｐｉ はガスの
流れ方向に従って圧力が高くなっている。これは、流れ
方向に従ってガスが分岐され運動量が減るためである。 逆に、排出側のマニホールド１２の圧力分布Ｐｏ では
ガスの流れ方向に従って圧力が下がっている。これは、
流れ方向に従ってガスが合流され運動量が増えることと
、マニホールド内の管摩擦のためである。
【００１７】その結果、上側のセル５０に比べて下側の
セル５１の方が圧力差ΔＰが大きくなり燃料電池の場合
ΔＰの大部分を占めるΔＰｆ も下側セルの方が大きく
なり、その結果流量も多く流れることになる。次に、電
池に負荷がかかり、電流が流れると、上述したように、
燃料側では排出側のマニホルド１２内は、生成ガスであ
る炭酸ガスと水で占められ、ガス密度は、水素が大部分
を占める供給マニホールド１０内のガスの密度に比べて
、相当に大きくなる。このマニホールド間の密度差のた
め、電池の高さ方向の圧力分布が影響を受けることにな
る。即ち、セパレータのガス流れ方向２０とは逆向きに
、セパレータ内に排出側マニホールド１２から供給側マ
ニホールド１０に向かって循環力が働くことになる。 電池の最上部の位置をゼロとすると下側のセルほどその
力は大きくなる（下記の式（１）を参照）。従って、図
３ａの圧力分布ΔＰｆは図３ｂ のように変化する。即
ち、式（１）の関係より電池の下側のセル内における圧
力損失ΔＰｆ は循環力の影響で小さくなり、逆に、電
池の上側の圧力損失は大きくなる。つまり、流路内１１
を流れるガス流量は、密度変化のなかった反応前に比べ
て電池上側のセルの流量が増え、下側のセルの流量が減
ることになる。その結果、燃料側は、電池内の流量分配
がより均一な方向に向かうことになる。 （ΔＰ） ＝（ΔＰｆ）ｊ ＋（ρｏ
ーρｉ ）・ｇ・Ｚ …式１Ｚ：電池
最上部からの距離 ｇ：重力加速度 ρｏ ：排出マニホールドのガス密度 ρｉ ：供給マニホールドのガス密度 （ΔＰ）：マニホールド間の圧力損失 （ΔＰｆ）ｊ ：ｊ番目のセルの摩擦損失酸化剤側につ
いては、燃料側ほど密度の変化は大きくないが、燃料側
とは逆に電極反応後の方が密度は小さくなる。つまり循
環力は流れの方向と同方向に働き、しかも、電池の下側
ほどその力は大きい。本実施例のように、上側ヘッダー
６ｃ からガスを入れて、同じく上側ヘッダー６ｄ か
ら排出させる反流タイプの場合は、燃料側と同様な考え
方から、上側のセルにより多くのガスが流れる。均一効
果は燃料側ほど密度変化は大きくないため、燃料側ほど
は顕著ではないが、少なくとも、下側ヘッダーからガス
を供給するよりは流量分布の均一化を図るに好ましい方
法といえる。
セル５１の方が圧力差ΔＰが大きくなり燃料電池の場合
ΔＰの大部分を占めるΔＰｆ も下側セルの方が大きく
なり、その結果流量も多く流れることになる。次に、電
池に負荷がかかり、電流が流れると、上述したように、
燃料側では排出側のマニホルド１２内は、生成ガスであ
る炭酸ガスと水で占められ、ガス密度は、水素が大部分
を占める供給マニホールド１０内のガスの密度に比べて
、相当に大きくなる。このマニホールド間の密度差のた
め、電池の高さ方向の圧力分布が影響を受けることにな
る。即ち、セパレータのガス流れ方向２０とは逆向きに
、セパレータ内に排出側マニホールド１２から供給側マ
ニホールド１０に向かって循環力が働くことになる。 電池の最上部の位置をゼロとすると下側のセルほどその
力は大きくなる（下記の式（１）を参照）。従って、図
３ａの圧力分布ΔＰｆは図３ｂ のように変化する。即
ち、式（１）の関係より電池の下側のセル内における圧
力損失ΔＰｆ は循環力の影響で小さくなり、逆に、電
池の上側の圧力損失は大きくなる。つまり、流路内１１
を流れるガス流量は、密度変化のなかった反応前に比べ
て電池上側のセルの流量が増え、下側のセルの流量が減
ることになる。その結果、燃料側は、電池内の流量分配
がより均一な方向に向かうことになる。 （ΔＰ） ＝（ΔＰｆ）ｊ ＋（ρｏ
ーρｉ ）・ｇ・Ｚ …式１Ｚ：電池
最上部からの距離 ｇ：重力加速度 ρｏ ：排出マニホールドのガス密度 ρｉ ：供給マニホールドのガス密度 （ΔＰ）：マニホールド間の圧力損失 （ΔＰｆ）ｊ ：ｊ番目のセルの摩擦損失酸化剤側につ
いては、燃料側ほど密度の変化は大きくないが、燃料側
とは逆に電極反応後の方が密度は小さくなる。つまり循
環力は流れの方向と同方向に働き、しかも、電池の下側
ほどその力は大きい。本実施例のように、上側ヘッダー
６ｃ からガスを入れて、同じく上側ヘッダー６ｄ か
ら排出させる反流タイプの場合は、燃料側と同様な考え
方から、上側のセルにより多くのガスが流れる。均一効
果は燃料側ほど密度変化は大きくないため、燃料側ほど
は顕著ではないが、少なくとも、下側ヘッダーからガス
を供給するよりは流量分布の均一化を図るに好ましい方
法といえる。
【００１８】ちなみに、電池の電極有効面積が９００
平方センチ、電池高さ３０センチ、電池内の圧力が５気
圧、燃料利用率８０％、燃料組成を水素７２％、炭酸ガ
ス１８％、水１０％とすると、定格の電流値である１３
５Ａの電流が流れると、反応後のガス密度は約２．６倍
にもなる。このときのセパレータ内の圧力損失は１．４
ｍｍＡｑ 程度になるのに対して、密度差による循環力
は、一番下側のセルで約０．５ｍｍＡｑ にもなり、セ
パレータ内の管摩擦力に対して密度変化による循環力の
影響が無視できないことが分かる。
平方センチ、電池高さ３０センチ、電池内の圧力が５気
圧、燃料利用率８０％、燃料組成を水素７２％、炭酸ガ
ス１８％、水１０％とすると、定格の電流値である１３
５Ａの電流が流れると、反応後のガス密度は約２．６倍
にもなる。このときのセパレータ内の圧力損失は１．４
ｍｍＡｑ 程度になるのに対して、密度差による循環力
は、一番下側のセルで約０．５ｍｍＡｑ にもなり、セ
パレータ内の管摩擦力に対して密度変化による循環力の
影響が無視できないことが分かる。
【００１９】次に、本発明の第２の実施例として、中間
ヘッダーを用いたスタックの場合について、そのときの
ガス流れを図４ａ，ｂ にて説明する。一般に中間ヘッ
ダーを有するスタック構造では、特にスタックの積層数
が多い場合に、ガス供給用ヘッダーの数が増えるために
、それに応じて各セルへ分配されるガスの流量がより均
一になると考えられる。
ヘッダーを用いたスタックの場合について、そのときの
ガス流れを図４ａ，ｂ にて説明する。一般に中間ヘッ
ダーを有するスタック構造では、特にスタックの積層数
が多い場合に、ガス供給用ヘッダーの数が増えるために
、それに応じて各セルへ分配されるガスの流量がより均
一になると考えられる。
【００２０】図４ａ は中間ヘッダーを有するスタック
構造でのガスの流れを示す。スタックの上下端部と中央
の３か所にガスヘッダー５ａ，５ｂ，５ｃ がそれぞれ
設けられている。燃料ガス１００Ａ，Ｂ はガス供給配
管７Ａ，Ｂ から２つの入口ガスヘッダー３０Ａ，Ｂ
に導入される。下側入口ヘッダー３０Ｂ に導入された
燃料ガス１００Ｂ は、下部ヘッダー５ｂ から中間ヘ
ッダー５ｃ までのサブスタック２０Ｂ の各セルに供
給されるものである。また、中間ヘッダー５ｃ に導入
された燃料ガス１００Ａ は中間ヘッダー５ｃ から上
のサブスタック２０Ａ の各セルに供給されるものであ
る。そのため、各セルの入口側セパレータ及び電解質板
には、第１の実施例と同様にガス通路用の孔が設けられ
ており、いわゆる内部マニホールド１０Ａ，Ｂ を形成
している。それぞれのサブスタックを流れる燃料ガスは
この内部マニホールドを下から上に向かって流れること
になり、各セルで反応を終えたガス１０１Ａ，Ｂ は、
セルの出口側に設けられた内部マニホールド１２Ａ，Ｂ
を上から下に向かって流れ、もとのヘッダー位置まで
戻り、出口ガスヘッダー３１Ａ，Ｂ から排気用配管１
３Ａ，Ｂ を通って系外に排出される。これより燃料ガ
スは両サブスタックともガス供給側のマニホールドでは
下から上に、排出側のマニホールドでは上から下に流れ
ることとなる。
構造でのガスの流れを示す。スタックの上下端部と中央
の３か所にガスヘッダー５ａ，５ｂ，５ｃ がそれぞれ
設けられている。燃料ガス１００Ａ，Ｂ はガス供給配
管７Ａ，Ｂ から２つの入口ガスヘッダー３０Ａ，Ｂ
に導入される。下側入口ヘッダー３０Ｂ に導入された
燃料ガス１００Ｂ は、下部ヘッダー５ｂ から中間ヘ
ッダー５ｃ までのサブスタック２０Ｂ の各セルに供
給されるものである。また、中間ヘッダー５ｃ に導入
された燃料ガス１００Ａ は中間ヘッダー５ｃ から上
のサブスタック２０Ａ の各セルに供給されるものであ
る。そのため、各セルの入口側セパレータ及び電解質板
には、第１の実施例と同様にガス通路用の孔が設けられ
ており、いわゆる内部マニホールド１０Ａ，Ｂ を形成
している。それぞれのサブスタックを流れる燃料ガスは
この内部マニホールドを下から上に向かって流れること
になり、各セルで反応を終えたガス１０１Ａ，Ｂ は、
セルの出口側に設けられた内部マニホールド１２Ａ，Ｂ
を上から下に向かって流れ、もとのヘッダー位置まで
戻り、出口ガスヘッダー３１Ａ，Ｂ から排気用配管１
３Ａ，Ｂ を通って系外に排出される。これより燃料ガ
スは両サブスタックともガス供給側のマニホールドでは
下から上に、排出側のマニホールドでは上から下に流れ
ることとなる。
【００２１】次に、酸化剤ガスの流れについて図４ｂ
により説明する。酸化剤ガス１０２はスタック上部の入
口ヘッダー３２に供給配管１６を通って導入される。上
部入口ヘッダー３２に導入されたガス１０２はセルの酸
化剤ガス入口側に設けられた供給用マニホールド１０ｃ
を上から下に向かって流れる。中間ヘッダー５ｃ に
達したガスは、該中間ヘッダー３３を介してさらに下の
サブスタック２０Ｂ にまで流れる。セル内を反応しな
がら出口に達したガス１０３は排出用マニホールド１２
ｃ を下から上に向かって流れ、中間ヘッダー部３４を
通り、スタック上部の出口ヘッダー３５に導かれ排気用
配管１５を通って系外に排出される。酸化剤ガスは電池
の冷却媒体としても働くため、燃料ガスと比べ流量が相
当多い。このため、１系統で２つのサブスタックのガス
供給を賄っても、流量分布の不均一が電池性能に与える
影響は燃料側に比べてはるかに小さい。従って、燃料側
のように２系統にする必要はなく、本実施例の構造によ
り充分な酸化剤供給の役割を果たすことか可能となる。
により説明する。酸化剤ガス１０２はスタック上部の入
口ヘッダー３２に供給配管１６を通って導入される。上
部入口ヘッダー３２に導入されたガス１０２はセルの酸
化剤ガス入口側に設けられた供給用マニホールド１０ｃ
を上から下に向かって流れる。中間ヘッダー５ｃ に
達したガスは、該中間ヘッダー３３を介してさらに下の
サブスタック２０Ｂ にまで流れる。セル内を反応しな
がら出口に達したガス１０３は排出用マニホールド１２
ｃ を下から上に向かって流れ、中間ヘッダー部３４を
通り、スタック上部の出口ヘッダー３５に導かれ排気用
配管１５を通って系外に排出される。酸化剤ガスは電池
の冷却媒体としても働くため、燃料ガスと比べ流量が相
当多い。このため、１系統で２つのサブスタックのガス
供給を賄っても、流量分布の不均一が電池性能に与える
影響は燃料側に比べてはるかに小さい。従って、燃料側
のように２系統にする必要はなく、本実施例の構造によ
り充分な酸化剤供給の役割を果たすことか可能となる。
【００２２】このように中間ヘッダーを有する構造のス
タックにおいても、本実施例のように燃料ガス側を２系
統、酸化剤側を１系統にすることにより、スタック側に
備わる供給、排気配管の総本数を変更することなく本発
明の特徴である燃料ガスと酸化剤ガスを積層方向に相互
に対向して流すことが可能となり、各サブスタックの流
量分布を均一にすることができる。この結果、２つのサ
ブスタック間における性能差はなくなり、スタック全体
の性能の向上が図れる。
タックにおいても、本実施例のように燃料ガス側を２系
統、酸化剤側を１系統にすることにより、スタック側に
備わる供給、排気配管の総本数を変更することなく本発
明の特徴である燃料ガスと酸化剤ガスを積層方向に相互
に対向して流すことが可能となり、各サブスタックの流
量分布を均一にすることができる。この結果、２つのサ
ブスタック間における性能差はなくなり、スタック全体
の性能の向上が図れる。
【００２３】
【発明の効果】本発明によれば、加圧条件で運転される
燃料電池に発生するガス密度変化に基づく流量分布の不
均一をより小さくすることができるため、各セル間の性
能のバラツキを無くして、高利用率運転時の電池性能の
向上を図ることができる。
燃料電池に発生するガス密度変化に基づく流量分布の不
均一をより小さくすることができるため、各セル間の性
能のバラツキを無くして、高利用率運転時の電池性能の
向上を図ることができる。
【図１】本発明の一実施例の縦断面図。
【図２】図１のＡーＡ線による断面図。
【図３】本発明の一実施例における圧力分布線図
【図４
】本発明の他の実施例の縦断面図。
】本発明の他の実施例の縦断面図。
１：電解質板 ２、３：電極 ４：セパレ
ータ ５ａ，ｂ ：上下端板 ６：ガスヘッダー １０：供給マニホールド
１２：排出マニホールド １１：燃料側セパレータ流路 １００：燃料ガス
１０１：排出ガス
ータ ５ａ，ｂ ：上下端板 ６：ガスヘッダー １０：供給マニホールド
１２：排出マニホールド １１：燃料側セパレータ流路 １００：燃料ガス
１０１：排出ガス
Claims (2)
- 【請求項１】 溶融炭酸塩を保持した電解質板、電解
質板を両側からはさむアノード及びカソード、及びその
外側に位置し燃料ガス及び酸化剤ガスを流す流路を有し
かつ燃料ガスと酸化剤ガスとの混合を防止するセパレー
タとから構成される単位電池を複数個積層すると共に、
該セパレータには燃料ガスと酸化剤ガスの供給、排出用
のマニホールドが設けられている内部マニホールド型燃
料電池において、該燃料電池を構成するすべての単位電
池について、燃料ガス側については供給側マニホールド
を流れるガスは下から上に向かって流れ、排出側マニホ
ールドを流れるガスは上から下に向かって流れるように
し、さらに酸化剤ガス側については供給側マニホールド
を流れるガスは上から下に向かって流れ、排出マニホー
ルドを流れるガスは下から上に向かって流れるように構
成したことを特徴とする燃料電池のガスの流れ構造。 - 【請求項２】 溶融炭酸塩を保持した電解質板、電解
質板を両側からはさむアノード及びカソード、及びその
外側に位置し燃料ガス及び酸化剤ガスを流す流路を有し
かつ燃料ガスと酸化剤ガスとの混合を防止するセパレー
タとから構成される単位電池を複数個積層すると共に、
該積層電池の側面のガス出入口に燃料ガスと酸化剤ガス
の供給、排出用のマニホールドを設けた外部マニホール
ド型燃料電池において、該燃料電池を構成するすべての
単位電池について、燃料ガス側については供給側マニホ
ールドを流れるガスは下から上に向かって流れ、排出側
マニホールドを流れるガスは上から下に向かって流れる
ようにし、さらに酸化剤ガス側については供給側マニホ
ールドを流れるガスは上から下に向かって流れ、排出マ
ニホールドを流れるガスは下から上に向かって流れるよ
うに構成したことを特徴とする燃料電池のガスの流れ構
造。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP3075403A JPH0748381B2 (ja) | 1991-04-08 | 1991-04-08 | 加圧型燃料電池のガス流れ構造 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP3075403A JPH0748381B2 (ja) | 1991-04-08 | 1991-04-08 | 加圧型燃料電池のガス流れ構造 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH04308665A true JPH04308665A (ja) | 1992-10-30 |
| JPH0748381B2 JPH0748381B2 (ja) | 1995-05-24 |
Family
ID=13575179
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP3075403A Expired - Fee Related JPH0748381B2 (ja) | 1991-04-08 | 1991-04-08 | 加圧型燃料電池のガス流れ構造 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH0748381B2 (ja) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US6524735B1 (en) * | 1999-05-18 | 2003-02-25 | Honda Giken Kogyo Kabushiki Kaisha | Fuel cell stack with a curved flow guide section |
-
1991
- 1991-04-08 JP JP3075403A patent/JPH0748381B2/ja not_active Expired - Fee Related
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US6524735B1 (en) * | 1999-05-18 | 2003-02-25 | Honda Giken Kogyo Kabushiki Kaisha | Fuel cell stack with a curved flow guide section |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH0748381B2 (ja) | 1995-05-24 |
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| S111 | Request for change of ownership or part of ownership |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R313111 |
|
| R350 | Written notification of registration of transfer |
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