JPH05190195A

JPH05190195A - 燃料電池

Info

Publication number: JPH05190195A
Application number: JP4133592A
Authority: JP
Inventors: Tetsuya Taniguchi; 哲也谷口; Masaaki Matsumoto; 正昭松本; Kenro Mitsuta; 憲朗光田; Toshiaki Murahashi; 俊明村橋
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 1990-10-31
Filing date: 1992-05-26
Publication date: 1993-07-30
Anticipated expiration: 2014-06-23
Also published as: JP2909307B2

Abstract

(57)【要約】【目的】コストを上げることなく、燃料利用率が高く
なっても安定に動作させることができる燃料電池を提供
することを目的とする。【構成】積層体を、燃料ガスが供給される第１積層体
７とその排出ガスが供給される第２積層体８とに区分
し、第１積層体７の単セル１の数を第２積層体８の単セ
ル１の数よりも少なくした。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、燃料電極、電解質マ
トリックス、及び酸化剤電極を有する単セル、ガス分離
板、並びに冷却板で構成される燃料電池単体を複数個積
層した積層体を備えた燃料電池に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来、燃料電池積層体への燃料ガス供給
方法としては、特公昭６２−２３４３４号公報に開示さ
れた方法があった。これは、一つの積層体を第１積層体
と第２積層体とに区分し、第１積層体に燃料ガスを供給
し、その排出ガスを第２積層体に供給するとともに、第
１積層体に含まれる積層単セルの数（以下、上流セル数
と呼ぶ）を、第２積層体に含まれる積層単セルの数（以
下、下流セル数と呼ぶ）に比べて、少なくとも１セル以
上多くしたものである。このように第１積層体の排出ガ
スを第２積層体に供給するフロー形式は、一般にシリア
ルフロー方式と呼ばれている。

【０００３】上述の燃料電池は、燃料ガスの消費に伴う
流速の低下を下流側の燃料ガス空間を減らすことで防止
しようとするものであるが、その効果をむしろ積層体全
域で実質的な燃料利用率を低下させて、燃料供給の不均
一などによる局部的燃料欠乏状態を回避し、セルの腐食
を防止することにあった。この腐食防止の効果は、上流
セル数と下流セル数とを同じにした場合についての実証
データを示した「腐食（Ｃｏｒｒｏｓｉｏｎ）第４６巻
Ｐ６２８〜Ｐ６３３（１９９０）」に記述されている。
また、燃料利用率の上昇によってセルの腐食が起きるメ
カニズムについては、Ｊ．Ｅｌｅｃｔｒｏｃｈｅｍ．Ｓ
ｏｃ．第１３７巻Ｐ３０７９〜Ｐ３０８５（１９９０）
に記述されている。

【０００４】実際に上流セル数を下流セル数の２倍とし
たリン酸型燃料電池の積層体に、メタンを改質した一酸
化炭素を含む燃料ガスを供給して、我々は運転試験を行
った。燃料利用率を９０％まで上昇させた時、下流セル
の冷却板近傍でのセル電圧の低下が著しく大きくなり、
そのセルの電圧がマイナスに転じて運転できない状況に
なった。これは下流セルでは上流セルでの水素の消費に
伴ない、水素分圧が低下し、相対的に一酸化炭素の濃度
が上昇するため、下流セルで温度の最も低くなる冷却板
近傍のセルにおいてＣＯ被毒の影響が著しくなったもの
と推定された。なお、９０％という燃料利用率は燃料電
池の効率を上げるために必要な利用率である。

【０００５】この問題が解決する方法として、特開昭６
３−２９４６３号公報に開示されているものがある。こ
れは上流セルの排ガスから水蒸気を除去して下流セルに
供給される燃料ガスの水素分圧を上げるという方法であ
る。しかし水蒸気を除去するための装置を必要とするた
めに、コストが高くなるという欠点があった。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】従来のリン酸型燃料電
池は、上記のように構成されており、９０％程度の燃料
利用率まで安定に動作させることができなかった。ま
た、安定に動作させるために水蒸気を除去する方法では
コストが高くなるという課題があった。この発明は、上
記のような課題を解消するためになされたもので、コス
トを上げることなく、燃料利用率が高くなっても安定に
動作させることのできる燃料電池を提供することを目的
とする。

【０００７】

【課題を解決するための手段】この発明の請求項１に係
る燃料電池は、積層体を燃料ガスを供給される第１積層
体とその排出ガスが供給する第２積層体とに区分し、第
１積層体の単セルの数を第２積層体の単セルの数よりも
少なくしたものである。

【０００８】この発明の請求項２に係る燃料電池は、積
層体を、燃料ガスが供給される第１積層体とその排出ガ
スが供給される第２積層体とに区分し、また第１積層体
と第２積層体との電極反応面積を異なるようにしたもの
である。

【０００９】さらに、この発明の請求項３に係る燃料電
池は、積層体を、燃料ガスが供給される第１積層体とそ
の排出ガスが供給される第２積層体とを区分し、また第
１積層体と第２積層体との発電反応の全電流値を異なる
ようにしたものである。

【００１０】

【作用】この発明の請求項１に係る燃料電池は、第１積
層体である上流セルの数を第２積層体である下流セルの
数よりも少なくしたことで、下流セルに供給される燃料
ガスに含まれる水素濃度を高く保ち、一酸化炭素濃度を
低く抑えることができ、冷却板近傍のセルでのＣＯ被毒
の影響を低く抑えることができるので、高い燃料利用率
でも安定に動作させることができる。

【００１１】また、この発明の請求項２に係る燃料電池
は、上流セルと下流セルの電極反応面積を異なるように
したので、シリアルフロー方式の上流と下流での水素消
費量の比は一定でも上流と下流でのセルの動作電流密度
が調整可能になり、上流および下流でのセル特性（セル
電圧）を任意に設定することができる。

【００１２】さらに、この発明の請求項３に係る燃料電
池は、上流セルと下流セルの発電反応の全電流値を異な
るようにしたので、燃料電池全体の水素消費量は一定で
もシリアルフローの上流と下流での水素消費量とセルの
動作電流密度が同時に調整可能になり、上流および下流
でのセル特性（セル電圧）を任意に設定することができ
る。

【００１３】

【実施例】

実施例１．以下、最初にこの発明に係り、この発明者ら
が行なった理論的考察について説明する。従来のように
上流セルを下流セルよりも多くした場合の長所は、下流
セルの実質燃料利用率が低下することである。逆に短所
は、下流セルの水素濃度が低下することと下流セルのＣ
Ｏ濃度が増大することである。そこで、下流セルの実質
燃料利用率，水素濃度，ＣＯ濃度について定量的な解析
を行なった。まず、下流セルの実質燃料利用率につい
て、名目燃料利用率（積層体全体の燃料利用率）をＵ_F
（１００％＝１）とし、上流セルと下流セルとの実質燃
料利用率をそれぞれＵ_FU，Ｕ_FD（１００％＝１）とす
る。また、上流セル数と下流セル数との比をα（＝上流
セル数／下流セル数）とすると、Ｕ_FUとＵ_FDはそれぞれ
式（１），式（２）で表わされる。また名目燃料利用率
に対する変化を図３に示す。図３は横軸に名目燃料利用
率（Ｕ_F ；％）、縦軸に実質燃料利用率（Ｕ_FU，Ｕ_FD；
％）を示すグラフであり、上部の矢印Ａの領域は腐食危
険領域を示す。ただし、ここでは第１積層体（上流セ
ル）と第２積層体（下流セル）との電極面積と電流値が
同じ場合について説明する。Ｕ_FU ＝｛α／（１＋α）｝×Ｕ_F ・・・（１）Ｕ_FD ＝Ｕ_F ／（１＋α−α×Ｕ_F ）・・・（２）図３ではα＝０．５，１，２の３通りについて示してい
るが、実質燃料利用率が上流セルが大幅に改善されてい
て、下流セルではαが大きい方が実質燃料利用率が改善
されていることが分かる。矢印Ａで示すように、実質燃
料利用率が９０％以上になった場合に酸化剤電極の腐食
の危険性が高くなる。

【００１４】図４はＵ_FDが９０％となる時の名目燃料利
用率Ｕ_F （％）を縦軸に取り、αを横軸に示したグラフ
である。このグラフで分かるように、例えばα＝１の時
Ｕ_Fは９４．７％であり、４．７％程度燃料利用率に余
裕があることを示している。即ち、名目燃料利用率が９
４．７％にまで高まらないとＵ_FDが９０％に達しないた
め、腐食の危険性が大幅に低下していることが分かる。
図４ではαが大きくなるほど酸化剤電極の腐食を防止す
る効果が高いことを示している。しかし、改質器の不調
でメタンから水素への改質率が低下した場合を想定して
も、名目燃料利用率が９０％を大幅に上廻るとは考えに
くく、例えば、２％程度燃料利用率が改善されているだ
けでも防止効果は充分である。従って、α＝０．３程度
でも腐食効果は充分であると考えられる。なお、燃料利
用率が高まった場合の腐食の危険性については、平成元
年電気学会全国大会要旨集、第１１−２１２頁〜第１１
−２１３頁に記述されており、燃料利用率の上昇と共に
加速度的に腐食の危険性が高まることが示されている。

【００１５】次に、下流セルの水素濃度とＣＯ濃度につ
いてであるが、上流セル入口側での水素濃度をＰ（Ｈ
₂ ），ＣＯ濃度をＰ（ＣＯ）と（いずれも１００％＝
１）すると、下流セル入口側での水素濃度Ｐ_D（Ｈ₂），
ＣＯ濃度Ｐ_D （ＣＯ）はそれぞれ式（３），式（４）で
示される。Ｐ_D（Ｈ₂）＝（α＋１−α×Ｕ_F）／｛（α＋１）／Ｐ（Ｈ₂）−α×Ｕ_F｝・・・（３）Ｐ_D（ＣＯ）＝（α＋１）×Ｐ（ＣＯ）／｛α＋１−α×Ｕ_F ×Ｐ（Ｈ₂）｝・・・（４）メタンの改質は約６００〜８００℃で水蒸気を過剰に加
えて行なわれ、ＣＯ転化器を経て水素リッチガスが燃料
電池に供給される。この改質反応の際のカーボンと水蒸
気の比のことを一般にＳ／Ｃと称し、通常Ｓ／Ｃ＝２〜
４で改質反応が行なわれる。この時に燃料電池に供給さ
れる改質ガスの組成は、水素が５５〜８０％，一酸化炭
素が０．１〜３．０％，残りが二酸化炭素，水蒸気その
他になる。このような組成はメタンに限るものではな
く、メタンノールやプロパンを原料として改質した場合
も同様である。

【００１６】図５はＰ（Ｈ₂ ）＝６０％（０．６）とし
た場合のＰ_D（Ｈ₂ ）のＵ_F による変化を示したもの
で、横軸に名目燃料利用率（Ｕ_F ；％）、縦軸に水素濃
度（Ｐ_D（Ｈ₂）及びＰ（Ｈ₂ ）；％）を示すグラフであ
る。α＝２では９０％のＵ_F で下流セル入口側での水素
濃度が３０％台にまで低下しているのが分かる。また、
図６はＣＯ濃度を１％とした場合のＰ_D （ＣＯ）のＵ_F
による変化を示したもので、横軸に名目燃料利用率（Ｕ
_F ；％）、縦軸に一酸化炭素濃度（Ｐ_D（ＣＯ）及びＰ
（ＣＯ）；％）を示すグラフである。α＝２では９０％
のＵ_F でＣＯ濃度が２％近くにまで上昇していることが
分かる。ＣＯ被毒は白金触媒へのＣＯの特異吸着により
Ｈ₂ 分子の白金への吸着を阻害して起こるもので、水素
濃度が低いほど、またＣＯ濃度が高いほど、さらにまた
動作温度が低いほど、ＣＯ被毒の影響が大きく、セル電
圧の低下が著しくなる。

【００１７】図７は縦軸に水素濃度（Ｐ_D（Ｈ₂ ）；
％）と一酸化炭素（Ｐ_D（ＣＯ）；％）、横軸にαをと
ってその関係を示すグラフである。αが大きくなるほど
Ｐ_D（Ｈ₂）が低下し、Ｐ_D（ＣＯ）が上昇するのが分か
る。

【００１８】この発明者らは以上の理論的考察を基にし
て、図１に示すように実際に大型の１８セルからなるリ
ン酸型燃料電池積層体を用いて、上流セル数と下流セル
数の比を燃料ガスマニホールドに取り付けた仕切り板を
変化させることで、種々に変化させてメタンの改質ガス
を供給し、冷却板近傍のセルの出力電圧の変化を調べ
た。図１はこの発明の一実施例によるリン酸型燃料電池
を示す構成図である。図において、１は単セルで、燃料
電極２、電解質マトリックス３、及び酸化剤電極４から
構成される。この単セル１と冷却板５とガス分離板６を
順に積層してリン酸型燃料電池単体が構成されている。
７は矢印Ｂ方向から燃料ガスが供給される第１積層体
（以下、上流セルと称す）、８はその排出ガスが供給さ
れる第２積層体（以下、下流セルと称する）である。

【００１９】このリン酸型燃料電池積層体を用いて、上
流セル数と下流セル数との比を変化させてメタンの改質
ガスを供給し、冷却板５近傍のセルの出力電圧の変化を
調べた結果を図２に示す。図において、横軸はα、縦軸
は２００ｍＡ／ｃｍ² の負荷におけるＵ_F ＝９０％の時
の冷却板５近傍のセル電圧Ｖである。図中、１１〜１３
は燃料電池本体に供給される水蒸気濃度、即ち水素濃度
が異なる場合で、１１は水素濃度が６２％、１２は水素
濃度が６０％、１３は水素濃度が５８％の時の結果であ
る。図２の結果から、αが１よりも大きいと、２００ｍ
Ａ／ｃｍ² においてセル電圧が急激に低下してしまうこ
とが明らかになった。一方、α＝０．２９（上流セルが
４セル：下流セルが１４セル），α＝０．５（上流セル
が９セル：下流セルが９セル），α＝０．８（上流セル
が８セル：下流セルが１０セル）の実施例ではセル電圧
が安定していて、安定に動作させることができることが
分かった。即ち、αが１より小さい場合に安定して動作
できる。

【００２０】このように、第１積層体の単セルの数を第
２積層体の単セルの数よりも少なくすることにより、下
流セルに供給される燃料ガスに含まれる水素濃度を高く
保ち、一酸化炭素濃度を低く抑えることができ、燃料利
用率を高くしても安定に動作させることができる。ま
た、従来上流セルと下流セルの間に設けていた水蒸気除
去設備を設ける必要がなくなり、コストの上昇を防止で
きる。なお、上記実施例ではメタンの改質ガスを用いた
場合を示したが、メタノールやプロパンなどの改質ガス
を用いても同様の結果が得られるであろうことは、改質
ガスの組成がよく似ていることからみて明らかである。
また、改質ガスの水素濃度が変化しても、α＝１を変曲
点としてセル電圧が変化していることは図２の結果から
みて明らかである。また、αが１以上でも燃料利用率が
９０％よりも低ければ安定に動作させることができる
が、酸化剤電極の腐食の危険性は燃料利用率が９０％以
上に高まった時に大きくなるので、シリアルフローにし
て腐食を防止する効果が充分に発揮できない。従って、
燃料利用率が９０％でも安定に動作させることができ、
しかも燃料利用率に余裕のできる０＜α＜１の範囲、さ
らに望ましくは２％以上の燃料利用率の余裕が見込まれ
る０．３＜α＜１の範囲が適している。

【００２１】実施例１の例はいずれも第１積層体および
第２積層体で電極反応面積が同じ場合であり、下流セル
に供給される燃料ガスの組成に着目しセルの腐食防止や
ＣＯ被毒低減を考えたものである。しかしながら、いず
れにしてもシリアルフロー方式では上流セルの排ガスを
下流セルに供給するのであるから、下流セルの水素濃度
は上流セルよりも高くはなり得ず、上流セルと下流セル
の発電反応の動作電流密度が同じで、動作温度条件等が
同じで有れば（実際のシリアルフロー方式燃料電池は、
こういう条件で動作されている）、下流セルの特性は
（具体的にはセル電圧）上流セルの特性よりも低くな
り、燃料電池全体の発電効率が低下する。

【００２２】実施例２．図８は実施例２を示す燃料電池
の要部断面図である。図８において、２１は燃料電池積
層体で、２１ａ，２１ｂがそれぞれ第１積層体及び第２
積層体を表す。２２ａは燃料供給ヘッダー、２２ｂは燃
料排出ヘッダー、２２ｃは中間ヘッダー、２３は空気側
ヘッダー、２４は集電板、２５は絶縁板、２６ａは第２
積層体２１ａ中に積層された上流セル、２６ｂは第２積
層体２１ｂ中に積層された下流セルである。ここで、第
１積層体２１ａに積層された上流セル２６ａの数をＮ
ａ、第２積層体２１ｂに積層された下流セル２６ｂの数
をＮｂとしている。尚、図中に示されたＩは、燃料電池
積層体２１で発電された全電流を示す。

【００２３】図９は、上流セル２６ａと下流セル２６ｂ
だけを取り出して比較した斜視図で、２７ａ，２７ｂが
それぞれ上流セル２６ａ及び下流セル２６ｂの電極反応
部分、２８ａ，２８ｂがそれぞれ上流セル２６ａ及び下
流セル２６ｂの電極シール部分である。本実施例の場合
は、上流セル２６ａと下流セル２６ｂとのセル外形サイ
ズは同じだが、上流セル２６ａの電極シール部分２８ａ
が下流セル２６ｂの電極シール部分２８ｂよりも大き
く、上流セル２６ａの電極反応部分２７ａの電極反応面
積Ｓａの方が下流セル２６ｂの電極反応部分２７ｂの電
極反応面積Ｓｂよりも小さい場合を示している。尚、図
中ｉａ及びｉｂは、それぞれ上流セル２６ａ及び下流セ
ル２６ｂでの動作電流密度を表す。

【００２４】次に作用、動作について説明する。外部か
ら供給された燃料は、燃料供給ヘッダー２２ａから第１
積層体２１ａに入りセル２６ａにて発電反応をして、中
間ヘッダー２２ｃに排出される。排出されたガスは、引
き続き中間ヘッダー２２ｃから第２積層体２１ｂに供給
され、セル２６ｂにて発電反応を行い燃料排出ヘッダー
２２ｂを通って排ガスとなって排出される。即ち、外部
から供給された燃料は、燃料供給ヘッダー２２ａから燃
料排出ヘッダー２２ｂに至る間に、第１積層体２１ａ中
のセル２６ａと第２積層体２１ｂ中のセル２６ｂにて、
２回の発電反応の燃料として利用される機会を持つ。空
気側も燃料側と同様な構成・動作をさせることは可能で
あるが、本実施例の場合は空気は第１積層体２１ａと第
２積層体２１ｂに並列に、即ち全セル並列に供給・排出
する場合を示している。

【００２５】一方、第１積層体２１ａと第２積層体２１
ｂとは電気的には直列に接続されているので、第１積層
体２１ａと第２積層体２１ｂも同じ量の電流が流れる。
即ち、第１積層体２１ａ中のセル２６ａと第２積層体２
１ｂ中のセル２６ｂも電極反応面全体では同じだけの電
流を発生するので、１セルあたりの水素消費量は同じ量
になる。燃料電池積層体２１での電流値をＩとすると、
第１積層体２１ａでの水素消費量Ｃａ及び第２積層体２
１ｂでの水素消費量Ｃｂは比例定数ｋを使ってそれぞれ
次のように表される。Ｃａ＝ｋ × Ｎａ × Ｉ・・・・（５）Ｃｂ＝ｋ × Ｎｂ × Ｉ・・・・（６）外部から供給された燃料中の水素量をｑＨとすると、燃
料電池積層体２１全体の燃料（水素）利用率η及び第１
積層体２１ａの燃料利用率ηａ及び第２積層体２１ｂの
燃料利用率ηｂは次式で表される。 η＝｛（Ｎａ＋Ｎｂ）×ｋ×Ｉ／ｑＨ｝×１００（％）・・・（７） ηａ＝（ｋ×Ｎａ×Ｉ／ｑＨ）×１００（％）・・・（８） ηｂ＝｛ｋ×Ｎｂ×Ｉ／（ｑＨ−ｋ×Ｎａ×Ｉ）｝×１００（％）・・・（９）式（７）〜式（９）から、 ηａ＝Ｎａ／（Ｎａ＋Ｎｂ）×η ・・・（１０） ηｂ＝［１００×Ｎｂ／｛（１００−η）×Ｎａ＋１００×Ｎｂ｝］×η ・・・（１１）となるので、燃料電池積層体全体の燃料利用率ηが与え
られると第１積層体２１ａと第２積層体２１ｂとの各燃
料利用率ηａとηｂは上流セル数と下流セル数だけで決
まってしまう。また、 η＝ηａ＋ηｂ−ηａ×ηｂ／１００・・・（１２）通常の使用で考えられる０≦η，ηａ，ηｂ≦１００
（％）の範囲では次の関係が成り立つ。 η ＞ ηａ，ηｂ燃料電池積層体２１に供給される燃料の水素成分割合を
χ（０〜１．０）とし、発電反応の際の生成水は全て空
気側に排出されると仮定すると、燃料供給ヘッダー２２
ａおよび中間ヘッダー２２ｃ及び燃料排出ヘッダー２２
ｂでのそれぞれの水素成分割合χａ，χｂ，χｃは次の
ようになる。 χａ＝χ ・・・（１３） χｃ＝｛（ｑＨ−Ｃａ）／（ｑＨ−χ×Ｃａ）｝×χ ・・・（１４） χｂ＝［｛ｑＨ−（Ｃａ＋Ｃｂ）｝／｛ｑＨ−χ（Ｃａ＋Ｃｂ）｝］×χ ・・・（１５）

【００２６】上記の式を使って具体的に計算してみると
以下のようになる。今、仮に上流セル数Ｎａと下流セル
数Ｎｂが共に１５０（セル）と等しく、燃料電池積層体
の発生電流値Ｉが６００（Ａ）で、供給燃料の流量が
６，５００（ｍｏｌ／ｈ）で、燃料中の水素成分割合が
６０％即ちχ＝０．６である場合を考えてみる。水素量
の単位を（ｍｏｌ／ｈ）で表すとｋはｋ≒０．０１８７
となるので、式（５），（６）より各積層体での水素消
費量はＣａ＝Ｃｂ≒１，６７９（ｍｏｌ／ｈ）となる。供給燃料中の水素量ｑＨはｑＨ＝６５００×χ
＝３，９００（ｍｏｌ／ｈ）となるので、式（１０），
（１１）及び式（１２）〜（１４）から各燃料利用率及
び水素成分割合は以下のようになる。 η≒８６（％） ηａ≒４３（％） ηｂ≒７６（％） χａ＝０．６ χｂ＝０．４６ χｃ＝０．１７ここで比較のために燃料流れ方式として全セル並列に流
す通常の場合を考えると全体の燃料利用率η及び排ガス
中の水素成分割合χｃの値は変わらないが、燃料電池積
層体の各セルのセル出口水素量が大きく違ってくる。並
列流れとシリアルフローの場合の、各セル出口残水素量
は次のようになる。並列流れ；（ｑｈ−Ｃａ−Ｃｂ）／（Ｎａ＋Ｎｂ）≒１．８（ｍｏｌ／ｈ／セル）シリアルフロー［上流］；（ｑｈ−Ｃａ）／Ｎａ≒１４．８（ｍｏｌ／ｈ／セル）〃［下流］；（ｑｈ−Ｃａ−Ｃｂ）／Ｎｂ≒３．６（ｍｏｌ／ｈ／セル）このようにシリアルフローの下流セルでは並列流れの場
合の約２倍、上流セルでは約８倍という水素量が残存し
ていることが、シリアルフロー方式での大きな特徴であ
る。このようにシリアルフローでは水素の残量が多く、
水素欠乏状態が回避できるので、セルの腐食を防止でき
るのである。

【００２７】しかしながら、上記例でも分かるようにシ
リアルフロー方式では上流セルの水素成分と下流セルの
水素成分を比べると大きな差がある。上記例の場合、上
流セルと下流セルでの入口ー出口の平均水素成分は、具
体的には次のようになっている。上流水素成分；χｕ＝（χａ＋χｃ）／２≒０．５３
（入出口平均値）下流水素成分；χｄ＝（χｃ＋χｂ）／２≒０．３２
（入出口平均値）このように、上流セルと下流セルでは水素分圧が異なる
ので、もし上流セルと下流セルの動作条件（電流密度，
動作温度など）が同じであれば、上流セルの方が下流セ
ルよりもセル電圧が良くなることは電気化学的に当然の
ことである。そこで、本発明の実施例２では上流セルと
下流セルの電極反応面積を変えてその対策を行ってい
る。具体的には、下流セル２６ｂの電極反応面積Ｓｂを
上流セル２６ａの電極反応面積Ｓａよりも大きくしてい
る。ここで、燃料電池積層体２１を流れる全電流をＩ、
上流セル２６ａでの電流密度ｉａと下流セル２６ｂの電
流密度ｉｂとすると、Ｉ＝Ｓａ×ｉａ＝Ｓｂ×ｉｂ・・・（１６）なので、ｉａ（＝Ｉ／Ｓａ）＞ｉｂ（＝Ｉ／Ｓｂ）

【００２８】一般に、燃料電池の単セルの電流密度とセ
ル電圧は図１０のような特性を示す。即ち、電流密度が
高いほどセル電圧は低くなってくる。また、図１０に示
したように水素分圧により特性曲線が変化してくる。即
ち、水素分圧が高いほどセル特性は向上する。本発明の
実施例２では、前述の通り上流セル２６ａは下流２６ｂ
に比べて水素分圧は高いが動作電流密度も高くすること
により、図１１に示すように上流セルと下流セルが同じ
セル電圧を呈するようなＡ点及びＢ点で動作させること
ができる分けである。

【００２９】実施例３．なお、上記実施例２．では、上
流セル２６ａの電極反応面積Ｓａが下流セル２６ｂの電
極反応面積Ｓｂより小さい場合を説明したが、上流セル
２６ａの電極反応面積Ｓａが下流セル２６ｂの電極反応
面積Ｓｂよりも大きくしてもよい。上流セルと下流セル
の動作条件が異なる場合（例えば、上流セルは低温動作
で下流セルは高温動作）など、第１積層体と第２積層体
の動作条件によっては、このようにした方が燃料電池全
体の特性の向上または均一化が図れることがある。

【００３０】実施例４．なお、上記、実施例２．，実施
例３．では、第１積層体と第２積層体の電極反応面積を
変更する方法として、セルのシール部分の面積を変更す
る場合を説明したが、シール面積は同じでもセル外形サ
イズを変更することにより電極反応面積を変更しても同
じ効果が得られることは言うまでもない。

【００３１】実施例５．また、上記実施例２．〜実施例
４．では、第１積層体２１ａと第２積層体２１ｂとが燃
料電池積層体２１を形成しているような場合を説明した
が、第１積層体と第２積層体で必ずしも１コの燃料電池
を形成している必要はない。図１２に示すように、第１
積層体２１ａと第２積層体２１ｂが別々の燃料電池で、
第１積層体２１ａと第２積層体２１ｂとで燃料電池群を
形成していても構わない。

【００３２】実施例６．さらに、上記実施例２．〜実施
例５．では、第１積層体２１ａと第２積層体２１ｂとが
電気的に直列に接続されている場合を説明したが、図１
３に示すように電気的に並列に接続されている場合でも
同様の効果が期待できる。この時、第１積層体と第２積
層体との各々の電圧が等しくなるので、上流セル数と下
流セル数を等しくすれば自ずと上流セルと下流セルの単
セル電圧（換言すればセル特性）は等しくなり、上流セ
ルと下流セルでの動作環境（水素濃度や一酸化炭素濃度
や利用率や動作温度など）の違いにより自動的に上流セ
ルと下流セルでの電流密度が最適値に決まる。逆に言え
ば、面積を変えても上流セルと下流セルでの各々の動作
電流密度と消費水素量の把握が難しくなる。

【００３３】実施例７．さらに、上記実施例２．〜実施
例６．では、第１積層体２１ａと第２積層体２１ｂとが
電気的に接続されている場合を説明したが、電気的に接
続されていなくても同様の効果が期待できることは言う
までもない。

【００３４】実施例８．さらに、上記実施例２．〜実施
例７．では、第１積層体と第２積層体としか無い場合を
説明したが、第３，第４・・・と複数の積層体が有る場
合でも、同様の効果が期待できることは当業者に関係す
るものであれば容易に類推できるところである。

【００３５】実施例９．図１４において、２１から２６
までは実施例２ないし実施例８と同じものを表す。但
し、実施例では集電板２４が第１積層体２１ａと第２積
層体２１ｂとの間にも設けられており、計燃料電池積層
体で３枚の集電板が使用されている。また、本発明では
第１積層体２１ａに積層されているセルも第２積層体に
積層されているセルも同じ電極反応面積Ｓを有し同じ仕
様である場合を示している。２９は燃料電池積層体に接
続された負荷を表しており、２９ａは第１接続２１ａの
上下の集電板２４に接続されており、２９ｂは第２接続
２１ｂの上下の集電板２４に接続されている。ＺａとＺ
ｂはそれぞれ負荷２９ａと２９ｂのインピーダンスを表
し、ＩａとＩｂはそれぞれ第１積層体２１ａと第２積層
体２１ｂで発電した電流、即ち負荷２９ａと２９ｂを流
れる電流を表し、Ｉｃは中間の集電板を流れる電流を示
す。ＶａとＶｂは第１積層体２１ａと第２積層体２１ｂ
の出力電圧を示す。

【００３６】次に作用、動作について説明する。外部か
ら供給された燃料が、燃料供給ヘッダー２２ａから第１
積層体２１ａに入りセル２６ａにて発電反応をして、中
間ヘッダー２２ｃに排出され、引き続き第２積層体２１
ｂに供給され、セル２６ｂにて発電反応を行い燃料排出
ヘッダー２２ｂを通って排ガスとなって排出される。即
ち、外部から供給された燃料が、燃料供給ヘッダー２２
ａから燃料排出ヘッダー２２ｂに至る間に、第１積層体
２１ａ中のセル２６ａと第２積層体２１ｂ中のセル２６
ｂにて、２回の発電反応の燃料として利用される機会を
持つところは、実施例２ないし実施例８と同じである。
実施例９が実施例２ないし実施例８の発明と異なるとこ
ろは、第１積層体２１ａと第２積層体２１ｂとの電極反
応面積Ｓがいずれも同じであるにもかかわらず、第１積
層体２１ａと第２積層体２１ｂでの全電流値が異なるこ
とである。その結果、第１積層体２１ａと第２積層体２
１ｂにおける電流密度ｉａとｉｂも異なってくる。ｉａ＝Ｉａ／Ｓ・・・（１７）ｉｂ＝Ｉｂ／Ｓ・・・（１８）

【００３７】このときの第１積層体２１ａと第２積層体
２１ｂの水素消費量は、Ｃａ＝ｋ×Ｎａ×Ｉａ・・・（１９）Ｃｂ＝ｋ×Ｎｂ×Ｉｂ・・・（２０）のようになるので、外部からの供給水素量をｑＨとする
と全体の燃料利用率η，上流セルの燃料利用率ηａ，下
流セルの燃料利用率ηｂは、次のようになる。 η＝｛（Ｎａ×Ｉａ＋Ｎｂ×Ｉｂ）×ｋ／ｑＨ｝×１００（％）（２１） ηａ＝（ｋ×Ｎａ×Ｉａ／ｑＨ）×１００（％）（２２） ηｂ＝｛ｋ×Ｎｂ×Ｉｂ／（ｑＨ−ｋ×Ｎａ×Ｉａ）｝×１００（％）（２３）これから、 ηａ＝｛Ｎａ×Ｉａ／（Ｎａ×Ｉａ＋Ｎｂ×Ｉｂ）｝×η （２４） ηｂ＝［１００×Ｎｂ×Ｉｂ／｛（１００−η）×Ｎａ×Ｉａ＋１００×Ｎｂ×Ｉｂ｝］×η （２５）となり、上流セルと下流セルの燃料利用率が、第１積層
体２１ａと第２積層体２１ｂを流れる電流値でも調整で
きることになる。（第１の発明のように、上流と下流の
セル数だけでは決まらない）。尚、上流セルの水素分圧
が下流セルの水素分圧よりも高いことは、燃料流れ方式
がシリアルフロー方式である限り変わりはない。

【００３８】ところで、図１４に示した各部の電圧と電
流と接続された負荷との間に次の関係が成り立つ。Ｉｃ＝Ｉａ−Ｉｂ（２６）Ｖａ＝Ｚａ×Ｉａ（２７）Ｖｂ＝Ｚｂ×Ｉｂ（２８）これから、上流セル２６ａと下流セル２６ｂの平均単セ
ル電圧ｖｃａ，ｖｃｂは、ｖｃａ＝Ｚａ×ｉａ×Ｓ／Ｎａ（２９）ｖｃｂ＝Ｚｂ×ｉｂ×Ｓ／Ｎｂ（３０）と表せるので、上流セルと下流セルの特性（単セル電
圧）が第１積層体と第２積層体とに接続された負荷によ
り、それぞれ調整できる。水素分圧が低く、単セルの特
性曲線が上流セルよりも低い下流セルに、上流セルより
も単セル当たりのインピーダンス値（Ｚ×Ｓ／Ｎ）が若
干大きな負荷を接続してやれば、図１５に示すように上
流セルの単セル電圧ｖｃａと下流セルの単セル電圧ｖｃ
ｂとを均一にすることも可能である。

【００３９】以上のように、実施例９によれば第１積層
体と第２積層体との各燃料利用率およびセル特性を、燃
料電池の外部に接続した負荷により調整することができ
るようになり、シリアルフローの特徴であるセルの腐食
防止効果を保つと同時にセル特性の最適化を、燃料電池
組立完了の後からでも燃料電池運転時に調整することが
可能になる。

【００４０】実施例１０．なお、上記、実施例９では、
第１積層体と第２積層体との発電反応の全電流値を変更
することにより上流セルと下流セルのセル特性（単セル
電圧）を均一化する場合を説明したが、プラントでの要
求運転パターンや外部から供給される燃料ガス条件によ
っては、セル特性の均一化の為ではなく燃料電池全体の
高出力化やセル腐食防止のために、実施例９とは逆方向
に全電流値を変更させることも可能である。

【００４１】実施例１１．また、上記実施例９．，実施
例１０．では、第１積層体２１ａと第２積層体２１ｂと
が燃料電池説明２１を形成しているような場合を説明し
たが、第１積層体と第２積層体とで必ずしも１コの燃料
電池を形成している必要はない。図１６に示すように、
第１積層体２１ａと第２積層体２１ｂとが別々の燃料電
池で、第１積層体２１ａと第２積層体２１ｂで燃料電池
群を形成していても構わない。

【００４２】実施例１２．また、上記実施例９〜１１で
は、第１積層体と第２積層体との発電反応の全電流値を
変更する方法として、個々に接続されている負荷を変更
する方法を説明したが、負荷の接続や調整方法の違い等
のほか各積層体の発電反応の全電流値を変更する方法で
あればどのような方法であっても、上記実施例と同様の
効果が期待される。

【００４３】実施例１３．さらに、上記実施例９．〜実
施例１２．では、第１積層体と第２積層体しか無い場合
を説明したが、第３，第４・・・と複数の積層体が有る
場合でも、同様の効果が期待できることは当業者に関係
するものであれば容易に類推できるところである。

【００４４】実施例１４．図１７に示すように、実施例
２〜８と実施例９〜１３とを組み合わせて使用しても同
様な効果が期待されることは言うまでもない。

【００４５】

【発明の効果】以上説明したように、この発明の請求項
１に係る燃料電池によれば、積層体を、燃料ガスを供給
する第１積層体とその排出ガスを供給する第２積層体に
区分し、第１積層体の単セルの数を第２積層体の単セル
の数よりも少なくしたことにより、燃料利用率を高くし
ても安定に動作させることができ、コストの上昇を防ぐ
ことのできる効果がある。

【００４６】この発明の請求項２に係る燃料電池によれ
ば、第１積層体の電極反応面積と第２積層体の電極反応
面積を異なるようにしたことにより、第１積層体と第２
積層体の電流密度を異なるようにすることができ、シリ
アルフローの特徴であるセルの腐食防止効果を保ったま
ま、シリアルフロー下流でのセル特性を向上させ、燃料
電池プラント全体の発電効率を上昇させることができる
という効果がある。

【００４７】この発明の請求項３に係る燃料電池によれ
ば、第１積層体の発電反応の全電流値と第２積層体の発
電反応の全電流値を異なるようにしたことにより、シリ
アルフローの特徴であるセルの腐食防止効果を保ったま
ま、シリアルフロー上・下流でのセル特性を調整でき、
燃料電池プラント全体の発電効率を上昇させるなど燃料
電池の最適化が可能になるという効果がある。また、こ
のような最適化のための調整を、燃料電池組立完了後に
燃料電池プラントの発電運転を実施した後からでも実施
することが可能であり、このことは発電プラントでは少
しでも発電効率を上昇させて、少しでも経済的な運転を
心掛けようとしているプラントユーザーにとっては非常
に大きな魅力である。

【図面の簡単な説明】

【図１】実施例１のリン酸型燃料電池の構成図である。

【図２】実施例１に係る燃料ガス供給方法を適用した場
合の上流と下流とのセル比αに冷却板近傍のセル電圧
（Ｖ）を示すグラフである。

【図３】名目燃料利用率（Ｕ_F ；％）に対する実質燃料
利用率（Ｕ_Fu，Ｕ_FD；％）を示すグラフである。

【図４】下流セルの実質燃料利用率Ｕ_FDが９０％のとき
の名目燃料利用率Ｕ_F とαとの関係を示すグラフであ
る。

【図５】名目燃料利用率（Ｕ_F ；％）と水素濃度（Ｐ_D
（Ｈ₂）及びＰ（Ｈ₂ )；％）との関係を示すグラフであ
る。

【図６】名目燃料利用率（Ｕ_F ；％）と一酸化炭素濃度
（Ｐ_D（ＣＯ）及びＰ（ＣＯ）；％）との関係を示すグ
ラフである。

【図７】水素濃度（Ｐ_D（Ｈ₂）；％）と一酸化炭素濃度
（Ｐ_D（ＣＯ）；％）に対するαの関係を示すグラフで
ある。

【図８】実施例２の燃料電池の断面図である。

【図９】実施例２の上流セルと下流セルとの斜視図であ
る。

【図１０】燃料電池の一般的な単セル電流密度ー電圧を
表す特性曲線である。

【図１１】実施例２の上流セルと下流セルの特性曲線で
ある。

【図１２】実施例５の燃料電池の断面図である。

【図１３】実施例６の燃料電池の断面図である。

【図１４】実施例９の燃料電池の断面図である。

【図１５】実施例９の上流セルと下流セルの特性曲線で
ある。

【図１６】実施例１１の燃料電池の断面図である。

【図１７】実施例１４の燃料電池の断面図である。

【符号の説明】

１単セル２燃料電池３電解質マトリックス４酸化剤電極５冷却板６ガス分離板７第１積層体８第２積層体２１燃料電池積層体２１ａ第１積層体２１ｂ第２積層体２２ａ燃料供給ヘッダー２２ｂ燃料排出ヘッダー２２ｃ中間ヘッダー２３空気側ヘッダー２４集電板２５絶縁板２６ａ上流セル２６ｂ下流セル２７ａ上流セル電極反応部分２７ｂ下流セル電極反応部分２８ａ上流セルシール部分２８ｂ下流セルシール部分

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者村橋俊明尼崎市塚口本町８丁目１番１号三菱電機株式会社中央研究所内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】燃料電極、電解質マトリックス、及び酸
化剤電極を有する単セル、ガス分離板、並びに冷却板で
構成される燃料電池単体を複数個積層して積層体を構成
する燃料電池において、前記積層体を、燃料ガスが供給
される第１積層体とその排出ガスが供給される第２積層
体とに区分し、第１積層体の単セルの数を第２積層体の
単セルの数よりも少なくしたことを特徴とする燃料電
池。
【請求項２】燃料電極、電解質マトリックス、及び酸
化剤電極を有する単セル、ガス分離板、並びに冷却板で
構成される燃料電池単体を複数個積層して積層体を構成
する燃料電池において、前記積層体を、燃料ガスが供給
される第１積層体とその排出ガスが供給される第２積層
体とに区分し、また第１積層体と第２積層体との電極反
応面積を異なるようにしたことを特徴とする燃料電池。
【請求項３】燃料電極、電解質マトリックス、及び酸
化剤電極を有する単セル、ガス分離板、並びに冷却板で
構成される燃料電池単体を複数個積層して積層体を構成
する燃料電池において、前記積層体を、燃料ガスが供給
される第１積層体とその排出ガスが供給される第２積層
体とに区分し、また第１積層体と第２積層体との発電反
応の全電流値を異なるようにしたことを特徴とする燃料
電池。