JPH0646573B2 - 燃料電池 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は燃料の有する化学エネルギーを直接電気エネル
ギーに変換させるエネルギー部門で用いる燃料電池に関
するものである。

［従来の技術］ 燃料電池は、電解質板を酸素極と燃料極とにより両面か
ら挾み、各電極に酸化ガスと燃料ガスを供給することに
より酸素極と燃料極との間で発生する電位差により発電
が行われるようにしたユニットを、セパレータを介して
複数層に積層させた構成としてある。

従来、かかる燃料電池において、電解質板を挾んで酸素
極側に供給する酸化ガスと燃料極側に供給する燃料ガス
の流れ形式によって、直交流型、対向流型、並行流型の
燃料電池に分けられていた。

直交流型燃料電池は、第５図に示す如く、電解質板１を
上下両面から酸素極２と燃料極３とにより挾んでなるユ
ニットを、セパレータ４を介して積層させた構成におい
て、各層の酸素極２側に供給する酸化ガスOGが各層です
べて同一方向となるよう各セパレータ４の下面のガス通
路５を形成させると共に、該ガス通路５の一端側となる
周辺部の一側に図示しない酸化ガス供給流路孔のみを、
又他側に図示しない酸化ガス排出流路孔のみをそれぞれ
設け、又、各層の燃料極３側に供給する燃料ガスFGが、
各層ですべて同一方向で且つ上記各層の酸化ガスOGの流
れ方向と直交する方向へ流れるように、各セパレータ４
の上面のガス通路６を形成させると共に、該ガス通路６
の一端側となる周辺部の一側に図示しない燃料ガス供給
流路孔のみを、又他側に図示しない燃料ガス排出流路孔
のみをそれぞれ設けた構成としてあり、常に酸化ガスと
燃料ガスが直交して流れるようにしてある。

上記の直交流型を外部マニホールド方式に適用したもの
が第７図であり、４つの側面に各々１つのマニホールド
７を被着させ、相対向する一方のマニホールド７に酸化
ガス供給管８を接続すると他方のマニホールド７に酸化
ガス排出管９を接続させ、又、異なるマニホールド７の
一方には燃料ガス供給管10を接続すると共に相対する他
方のマニホールド７に燃料ガス排出管11を接続させ、前
記したガス流れを実現させている。

［発明が解決しようとする問題点］ ところが、直交流型燃料電池の場合は、電解質板１の平
面内に、例えば第６図(A)に示す如く、燃料ガスFGの入
口で酸化ガスOGの出口付近（第６図のＢ部）で大きな温
度勾配があり、これに伴なって第６図(B)に示す如く、
電流密度も酸化ガス出口部で最大値をもつ大きな勾配を
もつ分布となる。これにより直交流型では、酸化ガスと
燃料ガスの組成比を電解質板の全平面で均一にできず、
これに伴ない電解質板の温度分布の均一化ができず、発
電密度の均一化ができない。しかも各層で酸化ガス同士
と燃料ガス同士はともに同一方向へのみ流れる平行流と
なるように構成されるので、上記温度分布、電流密度分
布がそのまま重畳されて、ますますはげしくなり、平面
内温度分布により電解質、電極、セパレーターへ大きな
熱応力を生じさせ、燃料電池としての性能、寿命、信頼
性、等に欠ける問題がある。又、直交流型燃料電池を外
部マニホールド型とすることは、電解質板１にガスの流
路孔をあけなくてよいが、シールが大変である。

そこで、本発明は、燃料電池性能を決める因子として、
電解質板の温度と、該電解質板を挾んで流れる燃料ガ
ス、酸化ガスの温度分布があることに着目して、酸化ガ
スと燃料ガスの流れ形式を変えることにより従来の直交
流型燃料電池で現われていた温度勾配、電流密度勾配を
分散させてその勾配、最大値を緩和させることを内部マ
ニホールド型で行わせようとするものである。

［問題点を解決するための手段］ 本発明は、電解質板１の一面に酸素極２をまた他面に燃
料極３を配置した複数の単セルの間に交互に積層された
第１のセパレータ4a並びに第２のセパレータ4bと、第１
のセパレータ4a、第２のセパレータ4bの燃料極側の面に
形成された一端近傍から他端近傍へ延びる凹状の燃料ガ
ス通路６と、第１のセパレータ4a、第２のセパレータ4b
の酸素極側の面に形成され且つ前記燃料ガス通路６に対
し略直交する方向へ延びる凹状の酸化ガス通路５と、第
１のセパレータ4a、第２のセパレータ4bの燃料極側の面
の周縁部に形成され且つ単セルを構成する燃料極3の周
縁部に接触する凸部28と、第１のセパレータ4a、第２の
セパレータ4bの酸素極側の面の周縁部に形成され且つ単
セルを構成する酸素極２の周縁部に接触する凸部29と、
各第１のセパレータ4a、第２のセパレータ4bの酸化ガス
通路５の一方の端部近傍に位置するように前記凸部28，
29に交互に穿設した酸化ガス供給流路孔30並びに酸化ガ
ス排出流路孔31と、各第１のセパレータ4a、第２のセパ
レータ4bの酸化ガス通路５の他方の端部近傍に位置する
ように前記凸部28，29に交互に穿設した酸化ガス供給流
路孔32並びに酸化ガス排出流路孔33と、各第１のセパレ
ータ4a、第２のセパレータ4bの燃料ガス通路６の一方の
端部近傍に位置するように前記凸部28，29に交互に穿設
した燃料ガス供給流路孔34並びに燃料ガス排出流路孔35
と、各第１のセパレータ4a、第２のセパレータ4bの燃料
ガス通路６の他方の端部近傍に位置するように前記凸部
28，29に交互に穿設した燃料ガス供給流路孔36並びに燃
料ガス排出流路孔37と、各単セルを構成する燃料極３、
電解質板１、酸素極２に前記酸化ガス供給流路孔30並び
に酸化ガス排出流路孔31に対し連通するように交互に穿
設した酸化ガス供給流路孔12並びに酸化ガス排出流路孔
13と、各単セルを構成する燃料極3、電解質板１、酸素
極２に前記酸化ガス供給流路孔32並びに酸化ガス排出流
路孔33に対し連通するように交互に穿設した酸化ガス供
給流路孔14並びに酸化ガス排出流路孔15と、各単セルを
構成する燃料極３、電解質板１、酸素極２に前記燃料ガ
ス供給流路孔34並びに燃料ガス排出流路孔35に対し連通
するように交互に穿設した燃料ガス供給流路孔16並びに
燃料ガス排出流路孔17と、各単セルを構成する燃料極
３、電解質板１、酸素極２に前記燃料ガス供給流路孔36
並びに燃料ガス排出流路孔37に対し連通するように交互
に穿設した燃料ガス供給流路孔18並びに燃料ガス排出流
路孔19と、前記第１のセパレータ4aの燃料ガス供給流路
孔34と燃料ガス通路６とが連通するように凸部28に設け
た切欠20と、前記第１のセパレータ4aの燃料ガス排出流
路孔37と燃料ガス通路６とが連通するように凸部28に設
けた切欠21と、前記第１のセパレータ4aの酸化ガス供給
流路孔30と酸化ガス通路５とが連通するように凸部29に
設けた切欠22と、前記第１のセパレータ4aの酸化ガス排
出流路孔33と酸化ガス通路５とが連通するように凸部29
に設けた切欠23と、前記第２のセパレータ4bの燃料ガス
供給流路孔36と燃料ガス通路６とが連通するように凸部
28に設けた切欠24と、前記第２のセパレータ4bの燃料ガ
ス排出流路孔35と燃料ガス通路６とが連通するように凸
部28に設けた切欠25と、前記第２のセパレータ4bの酸化
ガス供給流路孔32と酸化ガス通路５とが連通するように
凸部29に設けた切欠26と、前記第２のセパレータ4bの酸
化ガス排出流路孔31と酸化ガス通路５とが連通するよう
に凸部29に設けた切欠27とを備えてなる構成とする。

［作用］ 各燃料ガス供給流路孔16に燃料ガスを供給すると、該燃
料ガスは、第１のセパレータ4aの燃料ガス通路６を、一
端から他端へ向って流通し、各燃料ガス供給流路孔18に
燃料ガスを供給すると、該燃料ガスは、第２のセパレー
タ4bの燃料ガス通路６を、他端から一端に向って流通す
る。

各酸化ガス供給流路孔12に酸化ガスを供給すると、該酸
化ガスは、第１のセパレータ4aの酸化ガス通路５を前記
燃料ガスの流通方向に対し略直交する方向へ流通し、各
酸化ガス供給流路14に酸化ガスを供給すると、該酸化ガ
スは、第２のセパレータ4bの酸化ガス通路５を第１のセ
パレータ4aを流通する酸化ガスとは逆方向に流通する。

このように、それぞれ燃料電池の外部から供給される燃
料ガスが隣接する単セルごとに対向する方向へ流通し、
且つそれぞれ燃料電池の外部から供給される酸化ガスが
隣接する単セルごとに対向する方向へ流通するととも
に、燃料ガスと酸化ガスとが互いに略直交する方向へ流
通する本願発明では、各単セルにおける電解質板１の温
度分布が平坦化されるので、各単セルごとの電流密度分
布が均一化され、また、単セル箇々の性能も同等とな
る。

［実施例］ 以下、本発明の実施例を図面を参照して説明する。

第１図は本発明の燃料電池のガスの流し方を原理的に示
し、第２図は本発明の燃料電池の一実施例を示すもの
で、先ず、第１図に示す基本原理について説明する。

電解質板１の一面に酸素極２を、また他側に燃料極３を
配置した複数の単セルの間に、第１のセパレータ4a、第
２のセパレータ4bを交互に配置積層し、第１のセパレー
タ4a、第２のセパレータ4bの酸素極側の面に設けた酸化
ガス通路５にそれぞれ酸化ガスＯＧ−１，ＯＧ−２を、
第１のセパレータ4a、第２のセパレータ4bにおいて流通
方向が逆となるように流すようにし、第１のセパレータ
4a、第２のセパレータ4bの燃料極側の面に設けた前記酸
化ガス通路５とは略直交する方向へ延びる燃料ガス通路
６に燃料ガスＦＧ−１，ＦＧ−２を、第１のセパレータ
4a、第２のセパレータ4bにおいて流通方向が逆となるよ
うに流すようにし、１つの単セルを挾んで流れる酸化ガ
スと燃料ガスは各段で直交流となり、且つ各段ごとに酸
化ガス同士と燃料ガス同士が対向流となるように各ガス
の入口と出口を規制する。

本発明の燃料電池は、上記の考え方に基づき第１のセパ
レータ4a、第２のセパレータ4bの周辺部に設ける酸化ガ
スの供給流路孔及び排出流路孔と、燃料ガスの供給流路
孔及び排出流路孔を各段のセパレータごとに変えて各々
のガス通路に開口させる内部マニホールド型とする。

第２図は上記の実施例を示すもので、第１のセパレータ
4a、第２のセパレータ4bは、電解質板１の一面に酸素極
２をまた他面に燃料極３を配置した複数の単セルの間に
交互に積層されている。

両セパレータ4a，4bの燃料極側の面には、一端近傍から
他端近傍へ延びる凹状の燃料ガス通路６が形成され、ま
た、両セパレータ4a，4bの酸素極側の面には、前記燃料
ガス通路６に対し略直交する方向へ延びる凹状の酸化ガ
ス通路５が形成されている。

また、両セパレータ4a，4bの燃料極側の面の周縁部に
は、単セルを構成する燃料極３の周縁部に接触する凸部
28が形成され、両セパレータ4a，4bの酸素極側の面の周
縁部には、単セルを構成する酸素極２の周縁部に接触す
る凸部29が形成されている。

30は酸化ガス供給流路孔（酸化ガスOG-1の供給流路
孔）、31は酸化ガス排出流路孔（酸化ガスOG-2の排出流
路孔）であり、両流路孔30，31は、各セパレータ4a，4b
の酸化ガス通路５の一方の端部近傍に位置するように前
記凸部28，29に適宜間隔で交互に複数穿設されている。

32は酸化ガス供給流路孔（酸化ガスOG-2の供給流路
孔）、33は酸化ガス排出流路孔（酸化ガスOG-1の排出流
路孔）であり、両流路孔32，33は、各セパレータ4a，4b
の酸化ガス通路５の他方の端部近傍に位置するように前
記凸部28，29に適宜間隔で交互に複数穿設されている。

34は燃料ガス供給流路孔（燃料ガスFG-2の供給流路
孔）、35は燃料ガス排出流路孔（燃料ガスFG-1の排出流
路孔）であり、両流路孔34，35は、各セパレータ4a，4b
の燃料ガス通路６の一方の端部近傍に位置するように前
記凸部28，29に適宜間隔で交互に複数穿設されている。

36は燃料ガス供給流路孔（燃料ガスFG-1の供給流路
孔）、37は燃料ガス排出流路孔（燃料ガスFG-2の排出流
路孔）であり、両流路孔36，37は、各セパレータ4a，4b
の燃料ガス通路６の他方の端部近傍に位置するように前
記凸部28，29に適宜間隔で交互に複数穿設されている。

12は酸化ガス供給流路孔、13は酸化ガス排出流路孔であ
り、両流路孔12，13は、各単セルを構成する燃料極３、
電解質板１、酸素極２に前記酸化ガス供給流路孔30並び
に酸化ガス排出流路孔31に対し連通するように交互に穿
設されている。

14は酸化ガス供給流路孔、15は酸化ガス排出流路孔であ
り、両流路孔14，15は、各単セルを構成する燃料極３、
電解質板１、酸素極２に前記酸化ガス供給流路孔32並び
に酸化ガス排出流路孔33に対し連通するように交互に穿
設されている。

16は燃料ガス供給流路孔、17は燃料ガス排出流路孔であ
り、両流路孔16，17は、各単セルを構成する燃料極３、
電解質板１、酸素極２に前記燃料ガス供給流路孔34並び
に燃料ガス排出流路孔35に対し連通するように交互に穿
設されている。

18は燃料ガス供給流路孔、19は燃料ガス排出流路孔であ
り、両流路孔18，19は、各単セルを構成する燃料極３、
電解質板１、酸素極２に前記燃料ガス供給流路孔36並び
に燃料ガス排出流路孔37に対し連通するように交互に穿
設されている。

20は切欠であり、該切欠20は、前記第１のセパレータ4a
の燃料ガス供給流路孔34と燃料ガス通路６とが連通する
ように凸部28に設けられている。

21は切欠であり、該切欠21は、前記第１のセパレータ4a
の燃料ガス供給流路孔37と燃料ガス通路６とが連通する
ように凸部28に設けられている。

22は切欠であり、該切欠22は、前記第１のセパレータ4a
の酸化ガス供給流路孔30と酸化ガス通路５とが連通する
ように凸部29に設けられている。

23は切欠であり、該切欠23は、前記第１のセパレータ4a
の酸化ガス排出流路孔33と酸化ガス通路５とが連通する
ように凸部29に設けられている。

24は切欠であり、該切欠24は、前記第２のセパレータ4b
の燃料ガス供給流路孔36と燃料ガス通路６とが連通する
ように凸部28に設けられている。

25は切欠であり、該切欠25は、前記第２のセパレータ4b
の燃料ガス排出流路孔35と燃料ガス通路６とが連通する
ように凸部28に設けられている。

26は切欠であり、該切欠26は、前記第２のセパレータ4b
の酸化ガス供給流路孔32と酸化ガス通路５とが連通する
ように凸部29に設けられている。

27は切欠であり、該切欠27は、前記第２のセパレータ4b
の酸化ガス排出流路孔31と酸化ガス通路５とが連通する
ように凸部29に設けられている。

上記各酸化ガス供給流路孔12，30，14，32及び酸化ガス
排出流路孔13，31，15，33と、燃料ガス供給流路孔16，
34，18，36及び燃料ガス排出流路孔17，35，19，37に
は、燃料電池外部に配した配管に接続させる。

電解質板１、セパレータ4a，4bの各周辺部の相対向する
位置に設けられている各酸化ガス供給流路孔12，30，1
4，32に外部から酸化ガスを導入し、又、各燃料ガス供
給流路孔16，34，18，36に外部から燃料ガスを導入する
と、或る段のセパレータ4aを挾んで流れる酸化ガスOG-1
と燃料ガスFG-2は矢印で示す如く直交流となる。又、セ
パレータ4bを挾んで流れる酸化ガスOG-2と燃料ガスFG-1
も直交流となり、電解質板を挾んで流れる酸化ガスOG-1
又はOG-2と燃料ガスFG-1又はFG-2も直交流となる。しか
し、酸化ガスOG-1とOG-2同士及び燃料ガスFG-1とFG-2同
士は、ともに図示の如く対向流となる。

［発明の効果］ 以上述べた如く本発明の燃料電池によれば、第１のセパ
レータ4a、第２のセパレータ4bの酸素極側の面に設けた
酸化ガス通路５にそれぞれ酸化ガスを、第１のセパレー
タ4a、第２のセパレータ4bにおいて流通方向が逆となる
ように流すようにし、第１のセパレータ4a、第２のセパ
レータ4bの燃料極側の面に設けた前記酸化ガス通路５と
は略直交する方向へ延びる燃料ガス通路６に燃料ガス
を、第１のセパレータ4a、第２のセパレータ4bにおいて
流通方向が逆となるように流すようにしてあるので、１
つの段の電解質板に現われていたホットスポット部が次
の段の電解質板では別の位置になり、１つの電解質板の
ホットスポット部の温度が隣接する別の電解質板へ伝え
られて電解質板同士の熱伝導作用によって電解質板の温
度分布が平坦化され、電流密度分布が均一化されること
になる。したがって、 (i)電解質板がその全面で最適温度に均一化され、且つ
燃料ガスと酸化ガスの組成比を均一に保つことができる
ので、電解質板の全面をその最高性能で利用でき、高い
電流密度が得られて燃料電池の高性能比が図れる。

(ii)電解質板から生ずる反応熱の除去に対して燃料ガス
と酸化ガスの流量を反応に必要な最小流量に抑えること
ができるので、動力を小さくでき高効率化が図れる。

(iii)電流密度が均一であるため、電解質板の損耗が局
部的に大きくならず、電池の長寿命化が図れる。

(i)電池を構成する電解質板、電極、セパレータの温
度分布が均一化され、温度勾配も小さいため、熱応力が
発生しにくいと共に、ホットスポットが電解質板に分散
されるため、電解質板の破損等が起こりにくく、電池の
性能の安定性、信頼性が高い。

(v)燃料電池の性能は電解質板の電流分布の適正化と電
解質板の冷却性能の両者によって決定されるが、本発明
では、後者の冷却性能に関する制約条件が緩和されるの
で、電流密度分布に対してのみ考慮すればよく、その選
択の自由度が広くなる。したがつて、部分負荷運転時に
その対応が極めて容易になる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の燃料電池のガス流れ形式を示す斜視
図、第２図は本発明の燃料電池の一実施例を示す概略
図、第３図は本発明の燃料電池に用いるセパレータの流
路孔の詳細を示す部分切断斜視図、第４図（Ａ）は１つ
のセパレータの表面を、第４図（Ｂ）はそのセパレータ
の裏面を示す図、第５図は直交流型燃料電池の斜視図、
第６図（Ａ）は第５図の燃料電池の温度分布を示す図、
第６図（Ｂ）は第５図の燃料電池の電流密度分布を示す
図、第７図は従来の外部マニホールド型の燃料電池の斜
視図である。 １は電解質板、２は酸素極、３は燃料極、4aはセパレー
タ（第１のセパレータ）、(4b)はセパレータ（第２のセ
パレータ）、５，６はガス通路、12，14，30，32は酸化
ガス供給流路孔、13，15，31，33は酸化ガス排出流路
孔、16，18，34，36は燃料ガス供給流路孔、17，19，3
5，37は燃料ガス排出流路孔、20，21，22，23，24，2
5，26，27は切欠を示す。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】電解質板(1)の一面に酸素極(2)をまた他面
   に燃料極(3)を配置した複数の単セルの間に交互に積層
   された第１のセパレータ(4a)並びに第２のセパレータ(4
   b)と、第１のセパレータ(4a)、第２のセパレータ(4b)の
   燃料極側の面に形成された一端近傍から他端近傍へ延び
   る凹状の燃料ガス通路(6)と、第１のセパレータ(4a)、
   第２のセパレータ(4b)の酸素極側の面に形成され且つ前
   記燃料ガス通路(6)に対し略直交する方向へ延びる凹状
   の酸化ガス通路(5)と、第１のセパレータ(4a)、第２の
   セパレータ(4b)の燃料極側の面の周縁部に形成され且つ
   単セルを構成する燃料極(3)の周縁部に接触する凸部(2
   8)と、第１のセパレータ(4a)、第２のセパレータ(4b)の
   酸素極側の面の周縁部に形成され且つ単セルを構成する
   酸素極(2)の周縁部に接触する凸部(29)と、各第１のセ
   パレータ(4a)、第２のセパレータ(4b)の酸化ガス通路
   (5)の一方の端部近傍に位置するように前記凸部(28)，
   (29)に交互に穿設した酸化ガス供給流路孔(30)並びに酸
   化ガス排出流路孔(31)と、各第１のセパレータ(4a)、第
   ２のセパレータ(4b)の酸化ガス通路(5)の他方の端部近
   傍に位置するように前記凸部(28)，(29)に交互に穿設し
   た酸化ガス供給流路孔(32)並びに酸化ガス排出流路孔(3
   3)と、各第１のセパレータ(4a)、第２のセパレータ(4b)
   の燃料ガス通路(6)の一方の端部近傍に位置するように
   前記凸部(28)，(29)に交互に穿設した燃料ガス供給流路
   孔(34)並びに燃料ガス排出流路孔(35)と、各第１のセパ
   レータ(4a)、第２のセパレータ(4b)の燃料ガス通路(6)
   の他方の端部近傍に位置するように前記凸部(28)，(29)
   に交互に穿設した燃料ガス供給流路孔(36)並びに燃料ガ
   ス排出流路孔(37)と、各単セルを構成する燃料極(3)、
   電解質板(1)、酸素極(2)に前記酸化ガス供給流路孔(30)
   並びに酸化ガス排出流路孔(31)に対し連通するように交
   互に穿設した酸化ガス供給流路孔(12)並びに酸化ガス排
   出流路孔(13)と、各単セルを構成する燃料極(3)、電解
   質板(1)、酸素極(2)に前記酸化ガス供給流路孔(32)並び
   に酸化ガス排出流路孔(33)に対し連通するように交互に
   穿設した酸化ガス供給流路孔(14)並びに酸化ガス排出流
   路孔(15)と、各単セルを構成する燃料極(3)、電解質板
   (1)、酸素極(2)に前記燃料ガス供給流路孔(34)並びに燃
   料ガス排出流路孔(35)に対し連通するように交互に穿設
   した燃料ガス供給流路孔(16)並びに燃料ガス排出流路孔
   (17)と、各単セルを構成する燃料極(3)、電解質板(1)、
   酸素極(2)に前記燃料ガス供給流路孔(36)並びに燃料ガ
   ス排出流路孔(37)に対し連通するように交互に穿設した
   燃料ガス供給流路孔(18)並びに燃料ガス排出流路孔(19)
   と、前記第１のセパレータ(4a)の燃料ガス供給流路孔(3
   4)と燃料ガス通路(6)とが連通するように凸部(28)に設
   けた切欠(20)と、前記第１のセパレータ(4a)の燃料ガス
   排出流路孔(37)と燃料ガス通路(6)とが連通するように
   凸部(28)に設けた切欠(21)と、前記第１のセパレータ(4
   a)の酸化ガス供給流路孔(30)と酸化ガス通路(5)とが連
   通するように凸部(29)に設けた切欠(22)と、前記第１の
   セパレータ(4a)の酸化ガス排出流路孔(33)と酸化ガス通
   路(5)とが連通するように凸部(29)に設けた切欠(23)
   と、前記第２のセパレータ(4b)の燃料ガス供給流路孔(3
   6)と燃料ガス通路(6)とが連通するように凸部(28)に設
   けた切欠(24)と、前記第２のセパレータ(4b)の燃料ガス
   排出流路孔(35)と燃料ガス通路(6)とが連通するように
   凸部(28)に設けた切欠(25)と、前記第２のセパレータ(4
   b)の酸化ガス供給流路孔(32)と酸化ガス通路(5)とが連
   通するように凸部(29)に設けた切欠(26)と、前記第２の
   セパレータ(4b)の酸化ガス排出流路孔(31)と酸化ガス通
   路(5)とが連通するように凸部(29)に設けた切欠(27)と
   を備えてなることを特徴とする燃料電池。