JPH0521083A

JPH0521083A - 燃料電池

Info

Publication number: JPH0521083A
Application number: JP3172683A
Authority: JP
Inventors: Kazunari Ihara; 和成井原
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1991-07-12
Filing date: 1991-07-12
Publication date: 1993-01-29

Abstract

(57)【要約】【目的】筐体内に収納する複数の単電池積層体を近接
配置することにより、燃料電池パッケージ全体の小型化
に貢献可能であり、輸送時の寸法を輸送限界内に抑制可
能であると共に、据付スペースを削減可能であるような
燃料電池を提供する。【構成】一つの筐体２８内に、複数の単電池積層体２
１ａ，２１ｂを収納する。単電池積層体２１ａ，２１ｂ
の側面には、反応ガス循環用のマニホールド２２，２
３，２４，２６を配置する。第１の単電池積層体２１ａ
と、これに隣接する第２の単電池積層体２１ｂとの対向
面間を、連結部材２５を介して連結する。連結部材２５
は、一般的には、第１、第２の単電池積層体２１ａ，２
１ｂの反応ガスＡ，Ｆの流路を連通する反応ガス循環用
の共通マニホールドとして構成する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、燃料電池に係るもので
あり、特に、複数個の電池本体を一つの筐体内に収納し
てなる燃料電池に関する。

【０００２】

【従来の技術】燃料電池は、燃料のもつ化学エネルギー
を、電気化学プロセスで酸化させることにより、酸化反
応に伴って放出されるエネルギーを、直接電気エネルギ
ーに変換する装置である。この燃料電池を用いた発電シ
ステムは、比較的小さな規模であっても、発電の熱効率
が４０〜５０％にも達し、新鋭火力発電をはるかにしの
ぐと期待されている。

【０００３】また、近年大きな社会問題になっている公
害要因であるＳＯ_X、ＮＯ_Xの排出量が極めて少なく、
発電装置内に燃料サイクルを含まないため、大量の冷却
水を必要とせず、振動も小さいことなどから、騒音・排
ガスなどの環境問題をほとんど生じないという利点があ
る。さらに、負荷変動に対して応答性が良く、原理的に
高い変換効率が期待できると共に、発電と同時に熱も利
用するコジェネシステムに向いているなどの特徴がある
ことから、その研究開発に期待と関心が寄せられてい
る。この種の装置としては、例えば、特開昭６０−９３
７６５号公報の技術が知られている。

【０００４】図３は、以上のような燃料電池のセルスタ
ック（単電池積層体）の一例を示す正面図である。すな
わち、図３に示すように、電解質を含浸させたマトリッ
クス層（電解質層）と、これを挟んで配置された一対の
多孔質電極とからなるセル（単電池）１が、多数枚積層
されると同時に、所定の枚数のセル１毎に、冷却板２が
配置されることにより、セルスタック（単電池積層体）
３が形成されている。このセルスタック３は、上下に配
置された締め付け板４によって締め付け固定されると共
に、その側面には、反応ガス循環用のマニホールド５が
配置されている。この場合、セルスタック３の各セル１
には、反応ガス循環用のマニホールド５を介して、燃料
ガスと空気が、供給・排出されるようになっている。な
お、図中６は、電気出力取出用のブスバー、７は、マニ
ホールド５に接続された配管である。

【０００５】そして、以上のようなセルスタックにおけ
る反応ガス循環方式の一例として、図４に示すような構
成が提案されている。すなわち、図４に示すように、セ
ルスタック３の四方の側面には、空気供給マニホールド
８、空気排出マニホールド９、燃料ガス供給・排出マニ
ホールド１０、及び燃料ガス折り返しマニホールド１１
が、それぞれ配置されている。この場合、空気供給マニ
ホールド８と空気排出マニホールド９とは、対向する側
面に配置され、同様に、燃料ガス供給・排出マニホール
ド１０と燃料ガス折り返しマニホールド１１とは、対向
する側面に配置されている。この配置構成において、空
気Ａ及び燃料ガスＦは、矢印で示すように循環する。す
なわち、空気Ａは、空気供給マニホールド８からセルス
タック３に供給された後、対向する側面に配置された空
気排出マニホールド９から排出される。また、燃料ガス
Ｆは、燃料ガス供給・排出マニホールド１０からセルス
タック３に供給された後、対向する側面に配置された燃
料ガス折り返しマニホールド１１において折り返され、
再びセルスタック３内に戻された後、最終的に燃料ガス
供給・排出マニホールド１０から排出される。

【０００６】ところで、燃料電池は、反応ガスの運転圧
力により、高圧型、低圧型、常圧型に分類できる。この
なかでも常圧型燃料電池、すなわち、ほぼ大気圧で反応
ガスを循環させるタイプの燃料電池は、セルスタックを
筐体に収納するだけの小型・簡単な構造であり、システ
ムが簡単なため、据付が容易であり、一般需要家をター
ゲットとしたオンサイト用燃料電池として適している。

【０００７】オンサイト用燃料電池は、その需要規模に
より、例えば５０ｋＷ〜１０００ｋＷの出力幅がある
が、これらの出力段階の異なる燃料電池に対して、それ
ぞれ異なったサイズの多種類のセルを使用することは、
セルを大量生産する上で好ましくない。そのため、セル
サイズを１種類のみに規格化し、セルスタックを構成す
るセルの積層数を変化させることによって出力を調整す
ることが一般的に考えられている。

【０００８】ところが、１０００ｋＷ以上の大出力を得
ようとした場合、現在の技術では、セルスタックの高さ
が陸上輸送限界を大きく越えてしまう。そのため、この
ような大容量の燃料電池を実現するためには、さらに大
きなセルを製作してセルスタックの高さを低くするか、
または複数のセルスタックを使用する構成が要求され
る。一方、セルは、比較的脆い材料で構成されているた
め、製作時の取扱いや大量生産に適した寸法形状とする
必要があり、現在の技術では、１辺が約１ｍ程度の正方
形のものが適当と考えられている。このような事情か
ら、大容量の常圧型燃料電池としては、正方形のセルを
積層してなる複数個のセルスタックを、できるだけ小さ
い筐体に収納する必要がある。

【０００９】このような大容量の燃料電池を実現するた
めに、図４に示すようなセルスタックを、筐体内に２個
配置して１つの燃料電池パッケージを構成する場合、一
般的には、図５に示すような配置構成が考えられる。す
なわち、図５においては、筐体１２内に、２個のセルス
タック３ａ，３ｂを並べて配置し、２個のセルスタック
３ａ，３ｂにおけるマニホールド８〜１１の配置を同一
として、これらのセルスタック３ａ，３ｂにおける空気
Ａ及び反応ガスＦの循環経路が全く同一となるように構
成されている。そして、各セルスタック３ａ，３ｂの四
方に設けられたマニホールド８〜１１のうち、燃料ガス
折り返しマニホールド１１を除く各マニホールド８〜１
０の外周面には、それぞれ、反応ガス供給・排出用の配
管７が接続されている。これらの配管７は、全て筐体１
２の一側面（図中左側）に集められ、この側面から、空
気及び燃料ガスの供給・排出を行うように構成されてい
る。このように、複数のセルスタックを同じ向きに配置
し、その循環経路を同一とした場合には、複数のセルス
タックに対して、反応ガスの均一配流を実現するための
配管の設計が容易である。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】上記のような構成を有
する図５の燃料電池においては、１つの筐体１２内に２
個のセルスタック３ａ，３ｂを収納して１つの燃料電池
パッケージを構成しているため、作業能率の上からは、
このパッケージ全体を工場で組み立て、試験を行った
後、そのままの状態で現地へ輸送して据え付けることが
好ましい。そのためには、輸送限界との関係から、パッ
ケージ全体の大きさをある一定の寸法以下、特にその長
さを５ｍ以下に抑えることが必要である。ところが、大
容量のオンサイト燃料電池が望まれている近年では、セ
ルサイズが大きくなり、それに伴って輸送時のパッケー
ジ寸法も大きくなる傾向にあり、前記のような輸送限界
寸法を越えてしまうことがある。

【００１１】特に、前記のような従来の燃料電池におい
ては、筐体１２内に２つのセルスタック３ａ，３ｂを併
設して、各セルスタック３ａ，３ｂの四方にそれぞれマ
ニホールド８〜１１を設け、さらに、これらのマニホー
ルド８〜１１のうち、燃料ガス折り返しマニホールド１
１を除く各マニホールド８〜１０の外周面には、このマ
ニホールドに接続する配管７を配置している。そのた
め、２個のセルスタック３ａ，３ｂの外周スペース及び
２個のセルスタック３ａ，３ｂ間の配置間隔が大きくな
り、その結果、筐体１２の寸法が大きくなり、従って、
燃料電池パッケージ全体の寸法が大きくなるという欠点
があった。

【００１２】この場合、配管７をセルスタック３ａ，３
ｂの上下方向に配置できればセルスタック３ａ，３ｂの
外周スペースを縮小できるが、前述のような輸送限界に
関連する高さ方向寸法の制限から、配管７をセルスタッ
ク３ａ，３ｂの上下方向に配置することは不可能であ
る。従って、セルスタック３ａ，３ｂの外周スペースを
縮小することは困難であった。

【００１３】また、２個のセルスタック３ａ，３ｂの間
には、一方のセルスタック３ｂの燃料ガス折り返しマニ
ホールド１１の厚さＭ１と、他方のセルスタック３ａの
燃料ガス供給・排出マニホールド１０の厚さＭ２、及び
セルスタック３ａの燃料ガス供給・排出マニホールド１
０に接続される配管７のスペースを加えた大きな配置間
隔Ｇ１が必要となる。

【００１４】この場合、燃料ガス折り返しマニホールド
１１の厚さＭ１としては、燃料ガスの折り返し（方向変
換）のために大きな寸法が必要であり、また、燃料ガス
供給・排出マニホールド１０の厚さＭ２としては、燃料
ガスの均一配流を行うために、大きな寸法が必要であ
る。そして、仮に、これらのマニホールドの厚さＭ１，
Ｍ２を縮小した場合には、各セルスタック３ａ，３ｂに
おける燃料ガスの配分が不均一となり、電池性能に大き
な悪影響を与えることになる。従って、これらのマニホ
ールドの厚さＭ１，Ｍ２を縮小することはできない。ま
た、これらのマニホールド間の配管スペースについて
も、円滑なガス循環を行う関係上、その縮小は不可能で
あった。その結果、セルスタック３ａ，３ｂ間には、前
述の通り、大きな配置間隔Ｇ１が必要となり、筐体１２
の寸法の拡大化の大きな要因となっていた。

【００１５】このようにして、筐体１２が拡大し、従っ
て、燃料電池パッケージ全体が拡大すると、前述した輸
送限界寸法を越えてしまう恐れがある。このことは、燃
料電池パッケージの現地組み立て、現地試験を要求され
ることにつながり、作業効率の大幅な低下を招く。ま
た、燃料電池パッケージ全体の大型化は、現地での据付
スペースの拡大も招くため、小型で据付が容易であると
いう常圧型燃料電池の有する基本的な利点を損なうこと
になり、極めて不都合である。

【００１６】本発明は、上記のような従来技術の課題を
解決するために提案されたものであり、その目的は、筐
体内に収納する複数の単電池積層体を近接配置すること
により、燃料電池パッケージ全体の小型化に貢献可能で
あり、輸送時の寸法を輸送限界内に抑制可能であると共
に、据付スペースを削減可能であるような燃料電池を提
供することである。

【００１７】

【課題を解決するための手段】本発明による燃料電池
は、電解質層を挟んで配置された一対の多孔質電極から
成る単電池を複数個積層して単電池積層体を形成し、こ
の単電池積層体を、一つの筐体内に複数個収納し、これ
らの単電池積層体の側面に反応ガス循環用のマニホール
ドを配置してなる燃料電池において、複数個の単電池積
層体のうち、第１の単電池積層体と、これに隣接する第
２の単電池積層体との対向面間を、連結部材を介して連
結したことを特徴としている。

【００１８】また、本発明における連結部材は、一般的
には、第１、第２の単電池積層体の反応ガス流路を連通
する反応ガス循環用の共通マニホールドとして構成する
ことができる。すなわち、例えば、第１の単電池積層体
から連結部材を介して第２の単電池積層体に反応ガスを
流通させるように構成することが可能である。

【００１９】そして、一つの筐体内に４個の単電池積層
体を収納した場合には、４箇所に形成される単電池積層
体間の空間に連結部材をそれぞれ配置する形で、隣接す
る単電池積層体間を全て接続し、２種類の反応ガスを、
これらの連結部材を介して流通させるように構成するこ
とができる。例えば、第１の単電池積層体から連結部材
を介して第２の単電池積層体に第１の反応ガスを流通さ
せると共に、第３の単電池積層体から連結部材を介して
第４の単電池積層体に第１の反応ガスを流通させ、さら
に、第１の単電池積層体から連結部材を介して第３の単
電池積層体に第２の反応ガスを流通させ、第２の単電池
積層体から連結部材を介して第４の単電池積層体に第２
の反応ガスを流通させるように構成することが可能であ
る。

【００２０】なお、本発明における連結部材は、反応ガ
ス循環用の共通マニホールドとして構成せず、一方の単
電池積層体の折り返しマニホールドとして構成したり、
あるいは、単電池積層体間を単に連結するだけの構成と
することも可能である。この場合には、連結部材は、一
方あるいは両方の単電池積層体に対して、反応ガス流路
のシール機能を有するように構成する。

【００２１】

【作用】以上のような構成を有する本発明の燃料電池の
作用は、次の通りである。すなわち、例えば、第１の単
電池積層体から連結部材を介して第２の単電池積層体に
反応ガスを流通させるように構成した場合には、連結部
材における反応ガスの流れは、一方向の単純な流れとな
る。このようなマニホールドは、流れの方向を変換させ
る折り返しマニホールドや、均一配流の必要な供給・排
出マニホールドなどに比べて、ガス配流の問題がない分
だけ薄くすることができる。また、このように連結部材
を共通マニホールドとして構成した場合には、２個の単
電池積層体の間に配管を取り付ける必要がない。従っ
て、２個の単電池積層体の間の配置間隔を、通常のマニ
ホールドの１個分の厚さ以下の寸法に縮小できるため、
２個の単電池積層体の間に２個のマニホールド及び配管
を配置する場合に比べて筐体を格段に縮小でき、燃料電
池パッケージ全体を大幅に小型化できる。

【００２２】そして、４個の単電池積層体を収納し、４
個の連結部材を使用して２種類の反応ガスを流通させる
ように構成した場合には、４箇所の配置間隔の全てを縮
小でき、特に、筐体を縦横に縮小できるため、燃料電池
パッケージ全体の小型化に極めて有効である。また、連
結部材を一方の単電池積層体の折り返しマニホールドと
して構成したり、あるいは、単電池積層体間を単に連結
するだけの構成とした場合にも、同様に、単電池積層体
間の間隔を縮小できるため、筐体を格段に縮小でき、燃
料電池パッケージ全体を大幅に小型化できる。

【００２３】

【実施例】以下、本発明による燃料電池の実施例を図１
及び図２を参照して説明する。この場合、図１は、一つ
の筐体内に２個のセルスタック（単電池積層体）を収納
してなる第１実施例を示す平面図、図２は、一つの筐体
内に４個のセルスタック（単電池積層体）を収納してな
る第２実施例を示す平面図である。

【００２４】まず、図１に示す第１実施例においては、
第１、第２のセルスタック（単電池積層体）２１ａ，２
１ｂが、並べて配置されている。このうち、第１のセル
スタック２１ａにおいて、第２のセルスタック２１ｂに
対向する側面に隣接し、且つ互いに対向する２側面に
は、空気供給マニホールド２２及び空気排出マニホール
ド２３が、それぞれ配置されている。第２のセルスタッ
ク２１ｂにおける対応する２側面にも、同様に、空気供
給マニホールド２２及び空気排出マニホールド２３が、
それぞれ配置されている。

【００２５】一方、第１のセルスタック２１ａにおい
て、第２のセルスタック２１ｂと反対側の側面には、燃
料ガス供給マニホールド２４が設けられている。そし
て、第１、第２のセルスタック２１ａ，２１ｂとの対向
する側面間は、本発明に従い、連結部材２５で連結され
ている。この場合、連結部材２５は、共通マニホールド
を兼ねており、第１、第２のセルスタック２１ａ，２１
ｂの各燃料ガス流路を連通させるように構成されてい
る。さらに、第２のセルスタック２１ｂにおいて、第１
のセルスタック２１ａと反対側の側面には、燃料ガス排
出マニホールド２６が設けられている。

【００２６】なお、各マニホールド２２〜２４，２６に
接続された各配管２７は、全て、筐体２８の一側面（図
中左側）に集められ、この側面から、空気及び燃料ガス
の供給・排出を行うように構成されている。そして、以
上のような構成の全体が、筐体２８内に収納され、２個
のセルスタック２１ａ，２１ｂを有する一つの燃料電池
パッケージが構成されている。

【００２７】以上のような構成を有する第１実施例の作
用は次の通りである。

【００２８】すなわち、まず、第１、第２のセルスタッ
ク２１ａ，２１ｂにおいて、空気Ａは、矢印で示すよう
に、各空気供給マニホールド２２から個々のセルスタッ
クに供給された後、対向する側面に配置された各空気排
出マニホールド２３から個別に排出されるようになって
いる。このような空気流路は、図５に示す従来技術と全
く同様であり、従って、従来技術と同等の均一な配流を
得られる。

【００２９】これに対して、燃料ガスＦは、従来と異な
る流路を流れる。すなわち、２個のセルスタック２１
ａ，２１ｂの対向する側面間を、共通マニホールドを兼
ねた連結部材２５によって連結しているため、燃料ガス
Ｆは、燃料ガス供給マニホールド２４、第１のセルスタ
ック２１ａ、連結部材２５、及び第２のセルスタック２
１ｂを順次通って直線状に流れ、最終的に燃料ガス排出
マニホールド２６から排出される。この燃料ガス流路
は、燃料ガスを折り返しマニホールドによって押し返し
て流通させていた従来技術（図５）における各セルスタ
ックの燃料ガス流路と同様の長さの流路となる。従っ
て、この燃料ガス流路においても、前述の空気流路と同
様に、従来技術と同等の均一な配流を得られる。また、
図５の従来技術の燃料ガス流路は、Ｕ字形状である上
に、各セルスタック毎に個別に設ける必要があったのに
対して、この第１実施例の燃料ガス流路は、直線状の単
一の流路で２個のセルスタックに対応できるため、流路
構成が格段に簡略化されており、その分だけ設計が容易
になる利点もある。

【００３０】そして、本発明に従って設けられた連結部
材２５は、以上説明したように、共通マニホールドを兼
ねて構成されているが、この連結部材５は、図５に示す
ような燃料ガス折り返しマニホールド１１や、燃料ガス
供給・排出マニホールド１０に比べて、ガス配流の機能
が必要でない分だけ、薄くすることができる。加えて、
このように連結部材２５を共通マニホールドとして構成
した場合には、２個のセルスタック２１ａ，２１ｂの間
に、配管２８を取り付ける必要がない。そのため、２個
のセルスタック２１ａ，２１ｂの間の配置間隔Ｇ２を、
図５に示すようなマニホールド１０，１１の１個分の厚
さＭ１またはＭ２以下の寸法に縮小できる。すなわち、
図１及び図５を比較すれば明らかなように、この第１実
施例におけるセルスタック２１ａ，２１ｂ間の配置間隔
Ｇ２は、従来のセルスタック３ａ，３ｂ間の配置間隔Ｇ
２よりも格段に縮小されている。この結果、第１実施例
においては、従来技術に比べて、筐体の寸法を格段に縮
小でき、従って、燃料電池パッケージ全体を大幅に小型
化できる。

【００３１】具体的に、セルスタック平面寸法が１００
０ｍｍ角のセルスタックを使用した場合、図５に示すよ
うな従来の構成においては、セルスタック間の配置間隔
Ｇ１は、約６００ｍｍ程度以上必要となるが、図１に示
すような本発明による第１実施例の構成においては、セ
ルスタック間の配置間隔Ｇ２を約５０ｍｍ以下と、従来
の約１／１２の寸法に縮小することができる。従って、
長さ方向において、その差分（約５５０ｍｍ）だけ縮小
された筐体内に収納することが可能となる。

【００３２】次に、図２に示す第２実施例においては、
第１乃至第４のセルスタック２１ａ〜２１ｄが、２列２
段に並べて配置されている。この第２実施例において
は、第１、第２のセルスタック２１ａ，２１ｂ間を連結
部材２５で連結すると共に、第３、第４のセルスタック
２１ｃ，２１ｄ間を連結部材２５で連結することによ
り、前記第１実施例と同様に、第１のセルスタック２１
ａから第２のセルスタック２１ｂに直線的に流れる燃料
ガス流路に加えて、第３のセルスタック２１ｃから第４
のセルスタック２１ｄに直線的に流れる燃料ガス流路を
形成している。また、第１、第３のセルスタック２１
ａ，２１ｃ間を連結部材２５で連結すると共に、第２、
第４のセルスタック２１ｂ，２１ｄ間を連結部材２５で
連結することにより、第１のセルスタック２１ａから第
３のセルスタック２１ｃに直線的に流れる空気流路、及
び第２のセルスタック２１ｂから第４のセルスタック２
１ｄに直線的に流れる空気流路を形成している。

【００３３】以上のような構成を有する第２実施例にお
いても、前記第１実施例と同様の作用効果が得られる
が、特に、４箇所の配置間隔の全てを縮小できるため、
筐体を縦横に縮小できる利点がある。

【００３４】なお、本発明は、前記実施例に限定される
ものではなく、前述した通り、連結部材を、反応ガス循
環用の共通マニホールドとして構成せず、一方のセルス
タックの折り返しマニホールドとして構成したり、ある
いは、セルスタック間を単に連結するだけの構成とする
ことも可能であり、この場合にも、同様に筐体を縮小で
き、燃料電池パッケージ全体を大幅に小型化できる。ま
た、この場合には、連結部材を、一方あるいは両方のセ
ルスタックに対して、反応ガス流路のシール機能のみを
有するように簡略に構成することができる。さらに、本
発明において、一つの筐体内に収納するセルスタックの
数は２個または４個に限定されるものではなく、３個ま
たは５個以上のセルスタックを収納する場合にも、同様
に適用可能であり、その場合にも、前記実施例と同様の
作用効果を得ることができる。すなわち、本発明は、セ
ルスタック間を連結部材で連結するという配置構成を特
徴とするものであるため、この構成を有する燃料電池で
ある限り、連結部材やマニホールド、配管、あるいは筐
体などの要素の具体的構成や、周辺の構成などは適宜選
択可能であり、いずれの場合にも、前記実施例と同様の
優れた作用効果を得られるものである。

【００３５】

【発明の効果】以上説明したように、本発明において
は、隣接する単電池積層体の対向面間を連結部材で連結
するという簡単な構成により、筐体内に収納する複数の
単電池積層体を近接配置することができるため、燃料電
池パッケージ全体の小型化に貢献可能であり、輸送時の
寸法を輸送限界内に抑制可能であると共に、据付スペー
スを削減可能であるような燃料電池を提供することがで
きる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による燃料電池の第１実施例を示す平面
図。

【図２】本発明による燃料電池の第２実施例を示す平面
図。

【図３】燃料電池のセルスタックの一例を示す正面図。

【図４】従来の燃料電池のセルスタック単体の一例を示
す平面図。

【図５】図４のセルスタックを、一つの筐体内に２個収
納してなる従来の燃料電池の一例を示す平面図。

【符号の説明】

２１ａ〜２１ｄ…セルスタック（単電池積層体）２２…空気供給マニホールド２３…空気排出マニホールド２４…燃料ガス供給マニホールド２５…連結部材２６…燃料ガス排出マニホールド２７…配管２８…筐体

Claims

【特許請求の範囲】【請求項１】電解質層を挟んで配置された一対の多孔
質電極から成る単電池を複数個積層して単電池積層体を
形成し、この単電池積層体を、一つの筐体内に複数個収
納し、これらの単電池積層体の側面に反応ガス循環用の
マニホールドを配置してなる燃料電池において、前記複数個の単電池積層体のうち、第１の単電池積層体
と、これに隣接する第２の単電池積層体との対向面間
を、連結部材を介して連結したことを特徴とする燃料電
池。