JPH0638344B2 - 燃料電池 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の目的〕 （産業上の利用分野） 本発明は特に燃料ガス供給マニホールド内の積層方向圧
力分布を補正し燃料ガスが各セルに一様に分流するよう
に改良した燃料電池に関する。

（従来の技術） 従来、燃料の有しているエネルギーを直接電気的エネル
ギーに変換する装置として燃料電池が知られている。こ
の燃料電池は通常、電解質層を挟んで一対の多孔質電極
を配置するとともに、一方の電極の背面に水素等の燃料
ガスを接触させ、また他方の電極の背面に酸素等の酸化
剤ガスを接触させ、このときに起こる電気化学的反応を
利用して、上記電極板間から電気エネルギーを取出すよ
うにしたものである。このように構成された燃料電池に
おいては、前記燃料ガスと酸化剤ガスが供給されている
限り高い変換効率で電気エネルギーを取り出すことがで
きるものである。

第７図は上記原理に基づいて特にリン酸を電解質とした
リブ付電極型の燃料電池における単位セルの構成例を縦
断面斜視図にて示したものである。図において１は電解
質としてのリン酸をマトリックスに含浸してなる電解質
層、3aおよび3bはこの電解質層１を挟んで配置された多
孔質炭素材からなるアノード電極およびカソード電極で
ある。このアノード電極3aおよびカソード電極3bの電解
質層１と接する側には触媒2aおよび2bが夫々塗布され、
かつ背面側にはリブ4aおよび4bが形成され、このリブ4a
および4bで燃料ガスおよび酸化剤ガスの流通する溝5aお
よび5bをそれぞれ形成している。ここで、燃料ガスの流
通する溝5aと酸化剤ガスの流通する溝5bとは互いに直交
する規則的に複数本平行に形成されている。以上により
単位セルが形成され、かかる単位セルをち密な炭素質で
作られたセパレータ６を挟んで単位セル積層体を構成し
ている。

また、上記単位セル積層体は第８図に示す如くその上下
端部に集電板７，絶縁板８，締付板９および端子10を夫
々取付け、適当な締付け圧で上下方向から締付けるよう
にしている。さらにかかる単位セル積層体の側面側に
は、ガスケット11を介して燃料ガス12および酸化剤ガス
13をそれぞれ管14，14を通して供給、排出するための一
対のマニホールド15および16と17および18を夫々対向し
て配置し、適当な圧力で締付固定することにより燃料電
池を構成している。

（発明が解決しようとする問題点） さて、燃料ガス供給マニホールド15の下部に接続された
管14より流入する燃料ガス12および酸化剤ガス供給マニ
ホールド17の下部に接続された管より流入する酸化剤ガ
ス13は夫々マニホールド内を単位セルの積層方向に沿っ
て上昇し単位積層体内部に分流し化学反応を起こすと共
にガス組成を変化しながら燃料ガス排出マニホールド16
および酸化剤ガス排出マニホールド18に達しそれぞれの
管14より外部へ流出する。

以上述べたような燃料電池内部に流れ、流出する燃料ガ
ス12や酸化剤ガス13の流れの様子は、例えば燃料ガスに
ついての流れの様子は第９図（第８図の縦方向断面）に
示すようになる。酸化剤ガス13についても同様となるの
で図は省略する。

リン酸を電解質とする燃料電池では燃料ガス12としては
天然ガスを改良して得られる水素を主成分とするガス
を、酸化剤ガスとしては空気を用いる。上述したように
燃料ガス12と酸化剤ガス13は化学反応によってガス組成
が変化するが、このリン酸を電解質とする燃料電池では
燃料ガス12はガス組成の変化によって、反応前のガス密
度よりも反応後のガス密度が増加する。通常の場合、そ
の増加は２倍程度となる。

他方、酸化剤ガス13は化学反応に関与しない窒素を主成
分としているから、反応前後のガス密度の変化は小さ
い。通常の場合、前述した燃料ガス12とは逆に酸化剤13
の反応前のガス密度よりも反応後のガス密度は減少する
がその割合は15％程度である。

ところで、燃料ガス供給マニホールド15および排出マニ
ホールド16や酸化剤ガス供給マニホールド17および排出
マニホールド18の内部圧力変化はそれぞれのマニホール
ド内のガス密度によって生じる静水圧作用でマニホール
ド上部からマニホールド下部に向って直線的に増加す
る。そしてこの直線的に増加する圧力変化の勾配はガス
密度に比例している。

この結果、前に述べた燃料ガス12や酸化剤ガス13の反応
前後のガス組成変化による密度変化により燃料ガス供給
マニホールド15と燃料ガス排出マニホールド16の上下方
向内部圧力変化は異なる、同様のことは、酸化剤ガス供
給マニホールド17と酸化剤ガス排出マニホールド18につ
いても言える。

さて、単位セル積層体の積層されている各単位セルへの
反応ガス分流は、例えば燃料ガス12では、燃料ガス供給
マニホールド15と燃料ガス排出マニホールド16のとの内
部圧力差を起動力として行なわれる。酸化剤ガス13につ
いても酸化剤ガス供給マニホールド17と酸化剤ガス排出
マニホールド18との間で同様にして行なわれる。

ここで注目すべき点は燃料ガス12のように反応前後で密
度変化の大きい場合にはマニホールド上部と下部では単
位セル積層体のうちこれらの部分に位置する単位セルで
は燃料ガス12の分流の起動力に大きな変化をきたし単位
セル間で分流の不均一を生じる。第10図は以上説明した
燃料ガス12の燃料ガス供給マニホールド15，燃料ガス排
出マニホールド16の内部圧力分布を燃料ガス排出マニホ
ールド16の最上段単位セル位置に相当する箇所の圧力を
基準として、ここから最下段単位セルの位置に相当する
箇所までについて示している。

これによれば、単位セル積層体において、燃料ガス供給
マニホールドの圧力分布 19aの圧力勾配と燃料ガス排出
マニホールドの圧力分布20の圧力勾配が異なるため、各
単焦セルへのガス分流の起動力となる圧力差はすべて異
ったものとなる。すなわち、上部に積層される単位セル
から下部に積層される単位セルに向ってガス分流の起動
力となる圧力差が直線的に変化して小さくなり、この結
果前者の単位セルに比較して後者の単位セルへのガス分
流々量が低下することになる。

この現象の傾向は単位セル積層体の出力増大をはかるた
めに単位セル積層数を増して行うような場合には積層高
さが大きくなることによって増々拡大する方向に向うこ
ととなる。

なお、酸化剤ガス13についてはもともと反応前後のガス
密度変化は小さく燃料ガス12の場合のように分流の不均
一が大きく生じることはない。

以上述べたように単位セル積層体に燃料ガス供給マニホ
ールド15より各単位セルに供給される燃料ガス12は単位
セル積層体の上下方向の各単位セル間で大きな分流不均
一を生じこの結果、各単位セル間での化学反応条件が変
化し、当初期待したような高い変換効率で電気エネルギ
ーを取出すことができないというような事態を招くこと
になる。

本発明の目的は単位セル積層体の各単位セルに均一に燃
料ガスを供給するようにし高い変換効率で電気エネルギ
ーを取出すことのできる燃料電池を得ることを目的とす
る。

〔発明の構成〕

（問題点を解決するための手段） 本発明の燃料電池は燃料ガスのガス供給マニホールド内
部にオリフィス板を設けてマニホールド内を単位セル積
層体の積層方向に沿って複数に分割し単位セルに燃料ガ
スを供給するようにマニホールド内部のガス流路を構成
したことを特徴とする。

（作 用） 本発明においては燃料ガス供給マニホールド内部に流入
した燃料ガスは第一オリフィス板によって形成された第
一仕切り室において、この仕切り室部分に位置する各単
位セルへ分流すると共に余剰となったガスは第一オリフ
ィス板より流出して第二仕切り室へ流入する。このとき
第一オリフィス板により燃料ガス流に圧力損失が発生
し、この第一オリフィス板の通過後のガス圧力は通過前
のガス圧力よりも減少する。この圧力損失は燃料ガス供
給マニホールド内部を仕切るようにして設けたオリフィ
ス板の数だけ発生することになる。

これにより燃料ガスのガス密度によって生じる静水圧作
用で単位セル積層方向に直線的に分布するガス圧力に変
化を与えることができ、ガス圧力分布の勾配を近似的に
大きくすることができる。これにより、ガス密度の大き
い燃料ガス排出マニホールドの圧力分布の勾配に近づけ
ることができ、燃料ガス供給および排出マニホールドの
圧力差を単位セル積層方向にほぼ等しくすることがで
き、これを起動力とする各単位セルへのガス分流の均一
化をはかることができる。

（実施例） 以下、本発明の一実施例を第１図に基づいて説明する。
尚、第１図において第８図と同一部分には同一の符号を
付しその説明を省略しここでは異なる部分についてのみ
述べる。

すなわち、本実施例においては、第１図に示すように燃
料ガス供給マニホールド15の内部を複数の仕切り室に分
け、下部より順に第一仕切り室21a,第二仕切り室21bお
よび第３仕切り室21cとする。これらの仕切り室の数は
単位セル積層体の積層高さ、燃料ガス12の流入流量と電
池内部での反応前後のガス密度変化などをパラメータと
して決められるもので、本実施例では３個の仕切り室を
設けた場合を示している。

当然のことながら３個の仕切り室を設ける場合には２個
のオリフィス板が必要となるが、これらのオリフィス板
を下部より順に第一オリフィス板22aおよび第２オリフ
ィス板22bとし、それぞれの形状を第２図および第３図
に示す。第２図に示す第一オリフィス板 22aについては
燃料ガス12がここを通過する際に発生させるべき圧力損
失からオリフィス 23aの直径と数を選定することができ
る。またオリフィス 23aの配置は燃料ガス12に偏流が生
じないように適度に分散して行えばよい。

第３図に示す第二オリフィス板 22bについては、第一仕
切り室 21a部分の各単位セルに分流した残りの燃料ガス
12が通過することになるのでガス流量は第一オリフィス
板 22aに比べ減小する。第一オリフィス板 22aと同程度
の圧力損失の発生を得るためには、第一オリフィス板22
a のオリフィス23a より直径を小さくし数を減じて、オ
リフィス23b のガス流速を大きくし圧力損失を発生する
ようにすればよい。

ここで、本実施例のオリフィス板22aや22bのオリフィス
23aや23bは円形のオリフィスの場合について示したもの
であるが、単に圧力損失を発生させるためのものである
から円形以外の形状であっても、必要な圧力損失を発生
することができれば何ら不都合はない。

以上、述べたように燃料ガス供給マニホールドの内部を
少なくとも１個以上のオリフィス板で仕切るように構成
した燃料電池において、燃料ガス12が燃料ガス供給マニ
ホールド15下部の管14より流入すると、まず第一仕切り
室 21aにおいてこの部分に積層されている各単位セルへ
燃料ガス12が分流すると共に残りの燃料ガス12は第一オ
リフィス板22aに設けたオリフィス23aに向って流れ込
み、このオリフィス 23aを通過する際に圧力損失を発生
する。

次いでオリフィス23aより第二仕切り室21bに流入する燃
料ガス12は第一仕切り室 21aの場合と全く同様にして第
二仕切り室 21bの部分に積層されている各単位セルへ燃
料ガス12が分流すると共に残りの燃料ガス12は第二オリ
フィス板 22bに設けたオリフィス 23bに向って流れ込
み、このオリフィス 23bを通過する際に圧力損失を発生
する。

更に、オリフィス23bより第三仕切り室21cに流入する燃
料ガス12は第三仕切り室 21cの部分に積層されている各
単位セルへ分流する。

以上のようにして単位セル積層体内部に分流した燃料ガ
ス12はこれに直交して単位セル積層体内部に流通する酸
化剤ガスと化学反応しながら燃料ガス排出マニホールド
16に達する。このようにして各単位セルから排出される
燃料ガス12は燃料ガス排出マニホールド16の内部で合流
すると共にこの下部の管14より外部へ流出する。

以上説明した燃料電池内の燃料ガス12の流れ過程におい
て、燃料ガス供給マニホールド15の内部圧力分布は第４
図のようになる。この図は本実施例の場合を実線で示す
と共に従来例の場合（第10図で示したもの）を破線で示
している。本実施例の場合は各オリフィス板22aおよび2
2bの部分で発生する圧力損失のため、従来単位セル積層
体全体に亘って直線的に分布していた燃料ガス供給マニ
ホールドの圧力分布19aが、各仕切り室21a,21bおよび21
c毎に階段状に変化し圧力分布19bとなる。この結果、単
位セル積層方向の圧力勾配は近似的に大きくなり、燃料
ガス排出マニホールド圧力分布20の単位セル積層方向の
圧力勾配に近づけることができ、燃料ガス供給マニホー
ルド15と燃料ガス排出マニホールドとの圧力差の均一化
をはかることができる。これにより、この圧力差を起動
力として流れる各単位セルへのガス分流の均一化をはか
ることができる。次ぎに、本発明による他の実施例を第
５図に示す。

尚、第５図においては第一の実施例と同様に、第８図と
同一の部分には同一の符号を付しその説明は省略し、異
なる部分についてのみ述べる。

本実施例においては第５図に示すように、燃料ガス供給
マニホールド15の内部に５個の仕切り室24a〜24eを設
け、これらの仕切り室24a〜24eの各間に配置する４個の
仕切り板25a〜25eは単位セル積層体の側面から間隙26a
〜26dをそれぞれ設けて配置し、間隙の大きさは上部側
へいくほど小さくする。

このように、燃料ガス供給マニホールド15の内部を構成
した燃料電池において燃料ガス12が燃料ガス供給マニホ
ールド15の下部の管14より流入すると、まず第一仕切り
室 24aにおいてこの部分に積層されている各単位セルへ
燃料ガス12が分流すると共に残りの燃料ガス12は第１仕
切り室 25aと単位セル積層体の側面の間に形成された間
隙 26aに向って流れ込みこの間隙 26aを通過する際に圧
力損失を発生する。ここで、間隙 26aで発生する圧力損
失は間隙の大きさによって変えることができ、適度な圧
力損失の大きさを選定することができる。

次に間隙26aにより第二の仕切り室24dに流入する燃料ガ
ス12は同様にして順次、上部側の仕切り室24c,24dおよ
び 24eまで各オリフィス26b,26cおよび 26eを通過して
各単位セルへ分流すし、以後は第一の実施例と同様にし
て燃料ガス排出マニホールド16内を流れる。

以上の燃料ガス12の流れ過程における燃料ガス供給マニ
ホールド15の内部圧力分布は第６図のようになる。第４
図の場合と同様に本実施例の場合を実線、従来例の場合
を破線で示すが、本実施例では、第一の実施例の場合よ
り仕切り室の個数が増しているので各仕切り板部で発生
する圧力損失の大きさを小さくでき、燃料ガス排出マニ
ホールド16の直線的に変化する内部圧力分布に更に近づ
けることができる。

したがって、本実施例のように構成した燃料電池におい
ては第一の実施例で得られた効果と同等あるいはそれ以
上の効果を期待できる。

尚、本発明は以上述べた実施例の他その要旨を変形しな
い範囲で、種々に変形して実施することができるもので
ある。

〔発明の効果〕

以上説明したように本発明による燃料電池において、単
位セル積層体に燃料ガスを供給するマニホールド内部に
燃料ガス流によって圧力損失を発生する流れ制御体を配
置して、内部圧力分布の勾配を、燃料ガスを排出するマ
ニホールドの内部圧力分布の勾配に可能なかぎり近づ
け、各単位セルに供給する燃料ガスの分流のための圧力
差を均一化し、これにより各単位セルに流入する燃料ガ
ス流量の均一化をはかることができる。

したがって、従来単位セル積層体に供給される燃料ガス
の積層体上下方向の各単位セル間で不均一な分流のため
に起こっていた化学反応条件の変化より生じる燃料電池
の特性低下をなくすことができ、高い変換効率で電気エ
ネルギーを取出すことのできる燃料電池を得るのに功を
奏する。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の燃料電池の一実施例を示す断面図、第
２図および第３図は第１図に示すオリフィス板の詳細
図、第４図は第１図の燃料マニホールドの圧力分布を示
す図、第５図は本発明の燃料電池の他の実施例を示す断
面図、第６図は第５図の燃料マニホールドの圧力分布を
示す図、第７図は従来の燃料電池における単位セルを示
す斜視図、第８図は従来の燃料電池における単位セル積
層状態を示す斜視図、第９図は第８図の断面図、第10図
は第８図の燃料マニホールドの圧力分布を示す図であ
る。 １……電解質層、2a,2b……触媒 3a……アノード電極、3b……カソード電極 4a,4b……リブ、5a,5b……溝 ６……セパレータ、７……集電板 ８……絶縁板、９……締付板 10……端子、11……ガスケット 12……燃料ガス、13……酸化剤ガス 14……管 15……燃料ガス供給マニホールド 16……燃料ガス排出マニホールド 17……酸化剤ガス供給マニホールド 18……酸化剤ガス排出マニホールド 19a,19b,19c……燃料ガス供給マニホールドの圧力分布 20……燃料ガス排出マニホールドの圧力分布 21a,21b,21c,24a,24b,24c,24d,24e……仕切り室 22a,22b……オリフィス板 23a,23b……オリフィス 25a,25b,25c,25d……仕切り板 26a,26b,26c,26d……間隙

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】マトリックスに電解質を含浸した電解質層
   を挟んで一対の多孔質電極を配置して成る単位セルを複
   数個積層して四角柱状の単位セル積層体形成し、この単
   位セル積層体の側面に当該単位セル積層体の側面との間
   に燃料ガスや酸化剤ガスの供給および配出用のマニホー
   ルドを配置し、前記マニホールドの下部よりマニホール
   ド内に単位セルの積層方向に沿って燃料ガスや酸化剤ガ
   スを流すようにした燃料電池において、燃料ガス供給マ
   ニホールドのガス流路空間を単位セル積層方向に複数個
   のガス流路空間に分割し、隣接する当該ガス流路空間の
   境界に当該ガス流路空間を結ぶすくなくとも一個以上の
   連通路を設け燃料ガス供給マニホールドの燃料ガス流入
   口に近い分割されたガス流路空間の境界に設ける連通路
   ほど当該連通路の合計断面積を大きくしたことを特徴と
   する燃料電池。