JPH06314570A - 燃料電池のマニホールド構造 - Google Patents

燃料電池のマニホールド構造

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JPH06314570A
JPH06314570A JP5103409A JP10340993A JPH06314570A JP H06314570 A JPH06314570 A JP H06314570A JP 5103409 A JP5103409 A JP 5103409A JP 10340993 A JP10340993 A JP 10340993A JP H06314570 A JPH06314570 A JP H06314570A
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Japan
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gas
fuel
cell
fuel cell
manifold
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JP5103409A
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Jun Tanaka
潤 田中
彰 ▲さい▼合
Akira Saiai
Satoshi Sakurada
智 櫻田
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SEKIYU SANGYO KASSEIKA CENTER
Tonen General Sekiyu KK
Japan Petroleum Energy Center JPEC
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SEKIYU SANGYO KASSEIKA CENTER
Petroleum Energy Center PEC
Tonen Corp
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    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30Hydrogen technology
    • Y02E60/50Fuel cells

Abstract

(57)【要約】 【目的】電池積層体のガス出入口部のガス圧を均一に
し、各単位電池に流れるガス量を均等化することによ
り、安定した電池出力と出力効率の向上を図る。 【構成】電解質板を挟んで燃料極と酸化剤極を設けて単
位電池Uを形成し、該単位電池を多段に積層した電池積
層体Sを備える燃料電池において、発電用ガスの供給用
または排出用のマニホールド9〜12の少なくとも一方
の内部にガス分配部材21を配設する。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、電解質板を挟んで燃料
極と酸化剤極を設けて単位電池を形成し、該単位電池を
多段に積層した電池積層体を備える燃料電池において、
発電用ガスを供給または排出するためのマニホールド構
造に関する。
【0002】
【従来の技術】燃料電池は、水素、一酸化炭素、炭化水
素等の燃料ガスと空気等の酸化剤ガスの持つ化学エネル
ギーを電気化学的な反応によって直接電気エネルギーに
変換する装置であり、使用する電解質の種類によって、
アルカリ型、燐酸型、溶融炭酸塩型、固体電解質型に分
類される。従来の燃料電池を溶融炭酸塩型燃料電池(M
CFC)を例にして図2により説明する。図2(A)は
電池積層体の斜視図、図2(B)は燃料電池の全体構成
を示す水平断面図、図2(C)は図2(B)のC−C線
に沿って矢印方向に見た垂直断面図である。
【0003】図2(A)において、1つの単位電池U
は、溶融アルカリ炭酸塩からなる電解質をリチウムアル
ミネート等の多孔質セラミック体に含浸保持させた電解
質板2を間に挟むようにしてアノード(燃料極)3とカ
ソード(酸化剤極)4が接触するように配設され、アノ
ード3側には燃料ガス流路5が形成され、カソード4側
には酸化剤ガス流路6が形成されている。燃料ガス流路
5と酸化剤ガス流路6には、それぞれアノード3、カソ
ード4とセパレータ1とに接し、電気的接合体を兼ねた
波板状の流路形成板8、7が配設されている。そして、
セパレータ1を介して単位電池Uを多数積層することに
より電池積層体Sが構成されている。
【0004】図2(B)および図2(C)において、電
池積層体Sの外周側は、燃料ガス供給用マニホールド
9、燃料ガス排出用マニホールド10、酸化剤ガス供給
用マニホールド11、酸化剤ガス排出用マニホールド1
2で封止され、それぞれ、燃料ガス供給用配管13、燃
料ガス排出用配管14、酸化剤ガス供給用配管15およ
び酸化剤ガス排出用配管16が接続される。そして、燃
料ガス供給用配管13、燃料ガス供給用マニホールド9
から各単位電池Uの燃料ガス通路5に燃料ガスを供給
し、酸化剤ガス供給用配管15、酸化剤ガス供給用マニ
ホールド11から酸化剤ガス通路6に空気を供給する
と、このとき、カソード4側では酸素が電子を取り込ん
で酸素イオンとなり、アノード側3ではこの酸素イオン
と燃料ガスが反応して電子を放出し、アノード3とカソ
ード4の間に生じた電位差によって発電が行われる。
【0005】前記燃料ガスとしては、例えば炭化水素と
水蒸気を、主に水素および一酸化炭素に改質したガスを
用いる。ここで、MCFCは、燃料ガスの改質方式によ
り、燃料改質装置を燃料電池の外部に設ける外部改質型
と、燃料改質装置を特別に設けずに燃料電池の内部で燃
料を改質する内部改質型に分けられ、内部改質型は、ま
た改質反応に必要な触媒の配置方法によって、直接式と
間接式に分けられる。直接式は、電池内のアノードに面
する燃料ガス流路に触媒を配置し、燃料ガスの改質反応
とアノードでの電気化学反応を一箇所で進行させる方式
であり、間接式は、電解質による触媒の被毒を避けるた
め、アノードに面する燃料ガス流路と隣接、若しくは隔
離された位置に独立した改質触媒室を設け、そこで燃料
ガスを改質し燃料ガス室に供給する方式である。
【0006】直接式の内部改質型MCFCを例にしてそ
の動作を説明すると、燃料ガス流路5に炭化水素等の燃
料ガスと水蒸気が供給されると、改質触媒上での改質反
応により、炭化水素は水蒸気と反応して水素、一酸化炭
素および炭酸ガスに変換される。生成された水素は、多
孔性のアノード3内を拡散し、電解質板2を介してカソ
ード4から移動してきた炭酸イオンと下式のように、 H2+CO3 2- →H2O+CO2+2e- と反応し、他方、カソード4には空気と炭酸ガスとの混
合ガスが供給され、二酸化炭素と酸素は多孔性のカソー
ド4内を拡散し、下式のように、 CO2 +1/2O2 +2e- →CO3 2- と反応する。このようにして、炭化水素等の燃料ガスと
空気等の酸化剤ガスの持つ化学エネルギーを電気化学的
な反応によって直接電気エネルギーに変換し電力を得る
ことができる。
【0007】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、燃料ガ
ス供給用マニホールド9(または酸化剤ガス供給用マニ
ホールド11)の各供給路の入口部17側と奥部18側
では流量が異なるため、入口部17側の圧力が高く奥部
18側の圧力が低くなってしまい、また、燃料ガス排出
用マニホールド10(または酸化剤ガス排出用マニホー
ルド12)の各排出路の出口部19側と奥部20側では
流量が異なるため、出口部19側の圧力が高く奥部20
側の圧力が低くなってしまう。その結果、各単位電池U
の燃料ガス通路5や酸化剤ガス通路6への供給ガスの流
量配分が不均一になってしまうという問題を有してい
る。この問題は、電極面積が大きくなる程、また単位電
池Uの積層数を増大させる程、影響が大となり、流量配
分が不均一になると一部の単位電池Uに必要量のガスが
供給されず、その単位電池Uの電圧が低下するととも
に、局所的な発熱が生じ他の単位電池Uにも悪影響を及
ぼすことになる。
【0008】この問題を解決するために、特開平4−3
55061号公報においては、燃料ガス供給用マニホー
ルド9や酸化剤ガス供給用マニホールド11の各供給路
の入口部17側から奥部18側へ進むに従い断面積が減
少する傾斜部を設け、燃料ガス排出用マニホールド10
や酸化剤ガス排出用マニホールド12の各排出路の出口
部19側から奥部20側へ進むに従い断面積が減少する
傾斜部を設け、供給ガスが単位電池Uへ均一に流れるよ
うにした構造を提案している。しかしながら、この方式
においては、傾斜部の最適設計が難しく、ある運転条件
で最適に設計したとしても他の運転条件では最適になる
保証がないという問題を有し、また、マニホールドに対
する配管の接続位置や配管の曲がり等により前記した流
量配分に悪影響を与えるという問題を有している。特
に、燃料ガス供給側の流量配分は効率に大きな影響を与
えるため重要であり、さらに、直接式の内部改質型MC
FC等のように、燃料ガス入口側の流量が少ない場合
に、燃料ガス供給側の流量配分が極めて重要な課題とな
る。
【0009】本発明は、上記問題を解決するものであっ
て、電池積層体のガス出入口部のガス圧を均一にし、各
単位電池に流れるガス量を均等化することにより、安定
した電池出力と出力効率の向上を図ることができる燃料
電池のマニホールド構造を提供することを目的とする。
【0010】
【課題を解決するための手段】そのために本発明の燃料
電池のマニホールド構造は、電解質板を挟んで燃料極と
酸化剤極を設けて単位電池Uを形成し、該単位電池を多
段に積層した電池積層体Sを備える燃料電池において、
発電用ガスの供給用または排出用のマニホールド9〜1
2の少なくとも一方の内部にガス分配部材21を配設し
たことを特徴としている。なお、上記構成に付加した番
号は、図面と対比させるものであり、これにより本発明
の構成が何ら限定されるものではない。
【0011】
【作用】本発明においては、本発明においては、ガス分
配部材の作用により電池積層体のガス出入口部のガス圧
を均一にし、各単位電池へ流れるガス量を均等化する。
【0012】
【実施例】以下、本発明の実施例について説明する。図
1は本発明の燃料電池のマニホールド構造の1実施例を
示し、図1(A)は燃料電池の全体構成を示す水平断面
図、図1(B)は図1(A)のB−B線に沿って矢印方
向に見た垂直断面図である。なお、単位電池Uおよび電
池積層体Sの構成は図2の従来例と同様であるので説明
を省略する。
【0013】電池積層体Sの外周側は、燃料ガス供給用
マニホールド9、燃料ガス排出用マニホールド10、酸
化剤ガス供給用マニホールド11、酸化剤ガス排出用マ
ニホールド12で封止され、それぞれ、燃料ガス供給用
配管13、燃料ガス排出用配管14、酸化剤ガス供給用
配管15および酸化剤ガス排出用配管16が接続され
る。各マニホールド9〜12内には、電池積層体Sと各
配管13〜16の開口とを分離するように、ガス分配部
材21を配設している。ガス分配部材21は、多孔質金
属板やガラス、金属、カーボンその他無機物繊維のマッ
トなどの耐熱、通気性材料から形成される。ガス分配部
材21の通気性は、その圧損(P1−P2またはP3−P
4)は、電池積層体Sの圧損(P2−P3)の1〜10
0、好ましくは2〜20倍程度のものが適している。本
発明においては、マニホールド内にガス分配部材21を
配設した以外に流量配分を良くするための特別な設計は
行っていない。
【0014】本発明においては、ガス分配部材21の作
用により電池積層体Sのガス出入口部のガス圧を均一に
し、各単位電池へ流れるガス量を均等化する。なお、図
1の実施例においては、各マニホールド9〜12の全て
にガス分配部材21を設けているが、これに限定される
ものではなく、燃料ガス供給用マニホールド9および酸
化剤ガス供給用マニホールド11のようにガス供給側に
設ける方式や、燃料ガス供給用マニホールド9のみに設
ける方式が好適である。また、プロパンのように元圧を
もっている燃料を使う燃料電池においては、燃料極入口
側で十分な圧力があるため昇圧手段を設けなくてもよい
ためとくに好適である。
【0015】表1は、直接式の内部改質型MCFC(電
極面積780cm2 、積層数10段)の燃料ガス供給用
マニホールド9内にガス分配部材21としてニッケルフ
ェルトを配設した実験結果を示し、各運転条件における
最低電圧を示している。
【0016】
【0017】
【発明の効果】以上の説明から明らかなように本発明に
よれば、電池積層体のガス出入口部のガス圧を均一に
し、各単位電池に流れるガス量を均等化することによ
り、安定した電池出力と出力効率の向上を図ることがで
きる。また、各マニホールドへどのように配管を接続し
ても流量配分を均等化させることができ、配管、マニホ
ールド形状に自由度が出る。さらに、運転条件が変化し
ても流量配分は良好な状態を維持し、従って、各単位電
池の出力電圧がばらつかず、高効率の発電が可能とな
る。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の燃料電池のマニホールド構造の1実施
例を示し、図1(A)は燃料電池の全体構成を示す水平
断面図、図1(B)は図1(A)のB−B線に沿って矢
印方向に見た垂直断面図である。
【図2】従来の燃料電池の例を示し、図2(A)は電池
積層体の斜視図、図2(B)は燃料電池の全体構成を示
す水平断面図、図2(C)は図2(B)のC−C線に沿
って矢印方向に見た垂直断面図である。
【符号の説明】
U…単位電池、S…電池積層体、1…セパレータ、2…
電解質板 3…アノード、4…カソード、5…燃料ガス流路、6…
酸化剤ガス流路、7、8…流路形成板、9…燃料ガス供
給用マニホールド 10…燃料ガス排出用マニホールド、11…酸化剤ガス
供給用マニホールド 12…酸化剤ガス排出用マニホールド、13…燃料ガス
供給用配管 14…燃料ガス排出用配管、15…酸化剤ガス供給用配
管 16…酸化剤ガス排出用配管、21…ガス分配部材
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 櫻田 智 埼玉県入間郡大井町西鶴ケ岡一丁目3番1 号 東燃株式会社総合研究所内

Claims (1)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】電解質板を挟んで燃料極と酸化剤極を設け
    て単位電池を形成し、該単位電池を多段に積層して電池
    積層体を備える燃料電池において、発電用ガスの供給用
    または排出用のマニホールドの少なくとも一方の内部に
    ガス分配部材を配設したことを特徴とする燃料電池のマ
    ニホールド構造。
JP5103409A 1993-04-30 1993-04-30 燃料電池のマニホールド構造 Pending JPH06314570A (ja)

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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2006060247A2 (en) 2004-11-30 2006-06-08 Corning Incorporated Fuell cell stack assembly
US8734971B2 (en) 2005-10-27 2014-05-27 Nissan Motor Co., Ltd. Fluid passage structure for fuel cell stack

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