JPH0646575B2 - 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、リン酸型燃料電池、溶融炭酸塩型燃料電
池、固体電解質を用いた燃料電池、その他酸化ガスと燃
料ガスによって発電を行う燃料電池のすべての型式に適
用できるものである。

［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ツトを、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６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
ニツトを、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と他側に図示しない酸
化ガス排出流路孔とをそれぞれ設け、又、各層の燃料極
３側に供給する燃料ガスFGが、上記酸化ガス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
孔と他側に図示しない燃料ガス排出流路孔とをそれぞれ
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。

対向流型燃料電池は、第７図に示す如く、酸素極２側に
供給される酸化ガスOGと燃料極３側に供給される燃料ガ
スFGが電解質板１を挾んで対向して流されるように、セ
パレータ４の上下両面に同一方向のガス通路６と５を形
成し、且つ周辺部の一側に図示しない酸化ガス供給流路
孔と燃料ガス排出流路孔を、又、他側に図示しない酸化
ガス排出流路孔と燃料ガス供給流路孔をそれぞれ交互に
設け、酸化ガスOGと燃料ガスFGが各層で対向して流れる
ようにしてある。

並行流型燃料電池は、第８図に示す如く、酸素極２側に
供給される酸化ガスOGと燃料極３側に供給される燃料ガ
スFGが電解質板１を挾んで同一方向に並行して流れるよ
うに、セパレータ４を第７図の場合と同様に形成すると
共に、周辺部の一側に図示しない酸化ガス供給流路孔及
び燃料ガス供給流路孔を、又、他側に図示しない酸化ガ
ス排出流路孔及び燃料ガス排出流路孔をそれぞれ設け、
酸化ガスOGと燃料ガスFGが各層で同一方向に並行して流
れるようにしてある。

上記はガスの流れ形式により分類されるものであるが、
ガスの供給方式の１つとして採用される従来の外部マニ
ホールド型は第12図に示す如く、４つの側面に各々１個
の外部マニホールド7,8,9,10を被着させ、相対向する一
方の外部マニホールド７に酸化ガス供給管7aを接続する
と共に他方の外部マニホールド８に酸化ガス排出管8a接
続させ、又、異なる外部マニホールド９に燃料ガス供給
管9aを接続すると共に他方の外部マニホールド10に燃料
ガス排出管10aを接続させ、各段が第６図と同じ流れと
なる直交流方式で両ガスを流すようにしている。

［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９図(A)に示す如き温度の分布がある
と共に、第９図(B)に示す如き電流密度の分布がある。
これは、直交流であるため、燃料ガスFGの入口で酸化ガ
スOGの出口付近（第９図のＢ部）で大きな温度勾配があ
り、これに伴なって電流密度も酸化ガス出口部で最大値
をもつ分布となるからである。このように、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ず、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。

対向流型燃料電池の場合は、例えば第10図に示す如く、
酸化ガスOGと燃料ガスFGはセパレータ４を介して熱交換
を行うために熱容量の小さい側の燃料ガス入口付近で最
大値をもつ温度分布、電流密度分布を示す。これは燃料
ガスFGが電解質板１のみでなく酸化ガスOGからも加熱さ
れるために、その入口付近で急激な温度勾配をもって昇
温されるからである。この最大温度を低下するために熱
伝達率の制御、酸化ガスもしくは燃料ガス流量の増加が
考えられるが、燃料電池の構造上、効率上困難である。

又、並行流型のものでは、例えば第11図に示す如く、セ
パレータ４を介して酸化ガスと燃料ガスとの熱交換によ
って両ガスの温度差はほとんどなく、流れ方向に進むに
従って電極３からの発熱によって電解質板、酸化ガス、
燃料ガス及びセパレータの各温度（セパレータの温度は
第11図に示してないが、酸化ガス、燃料ガス温度曲線と
電解質板の温度曲線の中間に位置する温度）は、一様に
増加する。又、電流密度は図示の曲線の分布となるが、
反面、酸化ガスと燃料ガスの組成比を電解質板全面で均
一化することが困難で高い電池性能が得られない。

第12図に示す従来の外部マニホールド型は直交流となる
ように酸化ガス及び燃料ガスを流すものであるため、前
記した直交流型と同様の問題を生じている。

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、酸化ガスの組成比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って電解質板全
面をその最適な温度に均一化し、且つ燃料ガスと酸化ガ
スの組成比を電解質板の全平面で均一化した高い電池性
能が得られるようにし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、電解質板の両面を酸素極と燃料極で挾んで構
成した単セルをセパレータを介して積層し、セパレータ
と酸素極との間に酸化ガスを、又、セパレータと燃料極
との間に燃料ガスをそれぞれ流す流路を形成した燃料電
池において、積層体の積層方向に延びる、燃料ガスの供
給側と排出側及び酸化ガスの供給側と排出側の４種類の
外部マニホールドを互いに隣接配置して成る外部マニホ
ールドの組を積層体の周辺部に少くとも４組以上設け、
各段ごとに、異なる組から酸化ガスの供給側と排出側及
び燃料ガスの供給側と排出側の外部マニホールドを選択
して、酸化ガスの流路及び燃料ガスの流路にそれぞれ連
通させる連通路をセパレータに形成すると共に、残りの
各マニホールドと酸化ガスの流路及び燃料ガスの流路と
の間を遮断するシール壁をセパレータに形成したもので
ある。

［作用］ 燃料電池スタツクの外周部に配した各外部マニホールド
のうち、各燃料ガス供給用のマニホールド及び各酸化ガ
ス供給用のマニホールドに燃料ガス及び酸化ガスを供給
すると、燃料ガスは各供給用のマニホールドに連通して
いる各段異なるセパレータのガス通路へ導かれ、一方、
酸化ガスは各供給側マニホールドに連通している各段異
なるセパレータのガス通路へ導かれる。セパレータは表
面のガス通路を周辺に開口させるガス供給側とガス排出
側の切欠と、裏面のガス通路を周辺に開口させるガス供
給側とガス排出側の切欠とが各段ごとに異なる位置とし
てあるので、電解質板及び電極を挾んで流れる燃料ガス
と酸化ガスの流れ方向、セパレータを挾んで流れる燃料
ガスと酸化ガスの流れ方向を各段ごとに変えることがで
き、直交流方式で酸化ガス同士及び燃料ガス同士は対向
流となるように流したり、あるいはその他あらゆる流し
方ができて電解質板の温度を均一化せさることができる
ことになる。

［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図乃至第３図は本発明の一実施例を示すもので、電
解質板１の両面を酸素極２と燃料極３で挾むように構成
された単セルの酸素極２側に酸化ガスを、又、燃料極３
側に燃料ガスを流すようにしてある燃料電池ユニツト
を、セパレータ４を介して多層に積層して組み立てる燃
料電池において、各段のセパレータ4-1,4-2,4-3,4-4,4-
5の各表面側のガス通路を流れる燃料ガスと各裏面側の
ガス通路を流れる酸化ガスとは直交流となり、電解質板
１及び電極2,3を挾んで流れる燃料ガスと酸化ガスは対
向流となり、又、隣接する燃料ガス同士及び酸化ガス同
士は直交流となるようにしたものである。そのために平
面形状を四角形とした各段のセパレータの周辺部をシー
ル壁として残すと共に表裏両面に直交するようにガス通
路を凹凸（図示せず）により形成し、各段のセパレータ
4-1,4-2,4-3,4-4,4-5ごとに上面の（表面）のガス通路
の一端側と他端側にそれぞれシール壁の４分の１区画分
を切欠いて周辺に開口させ、各々燃料ガス供給側切欠11
と燃料ガス排出側切欠12などの連通路とし、同様に各段
のセパレータごとの下面（裏面）のガス通路の一端側と
他端側にそれぞれシール壁の４分の１区画分を切欠いて
周辺に開口させ、各々酸化ガス供給側切欠13と酸化ガス
排出側切欠14などの連通路とする。各段のセパレータ4-
1,4-2,4-3,4-4,4-5は、各段ごとに燃料ガスFG,FG-1,FG-
2,FG-3同士が直交流となり、酸化ガスOG,OG-1,OG-2,OG-
3同士も各段ごとに直交流となり、且つ電解質板１及び
電極2,3を挾んで流れる燃料ガスFG-1と酸化ガスOG、FG-2
とOG-1,FG-3とOG-2,FGとOG-3とが各々対向流となるよう
に適宜向きを変えて配置する。

上記電解質板１及び電極2,3をセパレータを介して多層
に積層してなるスタックの外周面には、第２図に示す如
く、各面４個ずつの外部マニホールド15a,16a,17a,18a、
15b,16,17b,18b、15c,16,17c,18c、15d,16d,17d,18dを各
セパレータ４の切欠11,12,13,14に対応させて横に並べ
て、気密に被着させ、各面における外部マニホールド15
a,15b,15c,15dには燃料ガスFG,FG-1,FG-2,FG-3の各供給
管19,20,21,22を接続する。外部マニホールド16a,16b,1
6c,16dには燃料ガスFG-2,FG-3,FG,FG-1の各供給管23,2
4,25,26を接続する。外部マニホールド17a,17b,17c,17d
には酸化ガスOG-1,OG-2,OG-3,OGの各供給管27,28,29,30
を接続する。更に、外部マニホールド18a,18b,18c,18d
には、酸化ガスOG-3,OG,OG-1,OG-2の各供給管31,32,33,
34を接続する。

今、酸化ガスの各供給管27,28,29,30から酸化ガスOG,OG
-1,OG-2,OG-3を供給し、燃料ガスの各供給管19,20,21,2
2から燃料ガスFG,FG-1,FG-2,FG-3を供給すると、酸化ガ
スは各段ごとに異なるセパレータ４の裏面のガス通路に
通じる供給側の切欠13より各段別々にガス通路に導か
れ、排出側の切欠14の方向へ流される。一方、燃料ガス
は各段ごとに異なるセパレータ４の表面のガス通路に通
じる供給側の切欠11より各段別々にガス通路に導かれ、
排出側の切欠12の方向へ流される。この際、各段のセパ
レータ４は第１図や第２図に示す如く、各段ごとに向き
が変えてあるので、各段の電解質板１及び電極2,3より
なる単セルを挾んで流れる酸化ガスOGと燃料ガスFG-1,O
G-1とFG-2,OG-2とFG-3,OG-3とFGとはいずれも対向流形
式で流される。これにより電解質板の両面では酸化ガス
と燃料ガスとが対向流となることから、燃料ガスと酸化
ガスの組成比を電解質板１の全平面でほぼ均一化させる
ことができ、また、各段毎のガスの流れ方の影響により
燃料ガスの温度と酸化ガスの温度が両ガスの平均温度に
近くなり、ほぼ平坦な温度分布を得ることができる。
又、電流密度は、電解質板１の温度が均一であり且つガ
ス組成比がほぼ均一であることから、ほとんで電解質板
温度と同一の平坦化された分布となる。

なお、上記においては、各段のセパレータ４の片面を燃
料ガスが一方から反対側へ流れ、セパレータ４の反対面
を酸化ガスが一方から反対側へ流れ、この燃料ガスと酸
化ガスがセパレータ４を挾んで直交流なるようにした場
合を示したが、燃料ガスの供給側切欠11と排出側切欠1
2、酸化ガスの供給側切欠13と排出側切欠14を相対向す
る側に設けることなく、たとえば、供給側から90度の方
向へ排出させるようにしてもよく、供給側から再び供給
側へ戻されるよう隔壁をガス通路に設けてガスがＵター
ンするようにしてもよい。このような任意のガス流れと
することにより電解質板１及び電極2,3を挾んで流れる
燃料ガスと酸化ガスを直交流としながら隣接する各段で
燃料ガスと酸化ガスを対向流形式で流すことも可能とな
り、直交流形式において生じるホツトスポツト部を各段
ごとに別の位置へと分散でき１つの電解質板１に現われ
ていたホツトスポツト部の温度も相互作用により平坦化
され、電流密度分布も平均化されることになる。

次に、第４図及び第５図は本発明の別の実施例を示す
もので、燃料電池スタツクの平面形状を前記実施例にお
ける四角形から円形にしたもので、各段のセパレータ４
電解質板１、電極2,3をすべて円形に成形し、各セパレ
ータ４は各段ごとに燃料ガスの供給側の切欠と排出側の
切欠を、円周方向に各々位置を異にして最低限16個所
に、第１図と同じ要領で設け、スタックの外周部に各切
欠に対応させて合計16個の外部マニホールド35を気密に
配置する。又、上記各外部マニホールド35の下部には、
酸化ガスの供給用マニホールド、酸化ガス排出用マニホ
ールド、燃料ガス供給用マニホールド、燃料ガス排出用
マニホールドの合計４つの下部マニホールド36を備え、
上記16個の外部マニホールド35のうち、酸化ガス供給用
の４つの外部マニホールドを１つの下部マニホールド
に、酸化ガス排出用の４つの外部マニホールドを１つの
下部マニホールドに燃料ガス供給用の４つの外部マニホ
ールドを１つの下部マニホールドに、更に燃料ガス排出
用の４つの外部マニホールドを残りの１つの下部マニホ
ールドに、それぞれ配管37を介して接続したものであ
る。

この円形とした実施例でも酸化ガスと燃料ガスを全方向
から出し入れ可能で各段の電解質板１及び電極2,3を挾
んで流れる酸化ガスと燃料ガスを対向流、直交流等あら
ゆる方向の流れとすることができ、第１図の場合と同様
の効果が得られる。

なお、本発明は前記した各実施例のみに限定されるもの
ではなく、たとえば、燃料電池スタックの平面形状は前
記した以外に多角形でもよく、又、周辺部に配設した合
計16個の場合を例示したが、16個以上の４の倍数個であ
れば何個としてもよい。

又、本発明においては、酸化ガスOG、燃料ガスFGの入口
温度を適当に選ぶことで電解質板１の全面がその最適作
動温度に維持されるので、全面での発電量が高い値に維
持でき、更に、電解質板１、酸素極２、燃料極３及びセ
パレータ４が全面でほぼ均一温度となり、熱応力が発生
しにくく耐久性のある電池が得られる。

［発明の効果］ 以上述べた如く、本発明の燃料電池によれば、電解質板
の両面を酸素極と燃料極で挾んで構成した単セルをセパ
レータを介して積層し、セパレータと酸素極との間に酸
化ガスを、又、セパレータと燃料極との間に燃料ガスを
それぞれ流す流路を形成した燃料電池において、積層体
の積層方向に延びる、燃料ガス供給側と排出側及び酸化
ガス供給側と排出側の４種類の外部マニホールドを互い
に隣接配置して成る外部マニホールドの組を積層体の周
辺部に少くとも４組以上設け、各段ごとに、異なる組か
ら酸化ガスの供給側と排出側及び燃料ガスの供給側と排
出側の外部マニホールドを選択して、酸化ガスの流路を
燃料ガスの流路にそれぞれ連通させる連通路をセパレー
タに形成すると共に、残りの各マニホールドと酸化ガス
の流路及び燃料ガスの流路との間を遮断するシール壁を
セパレータに形成したため、燃料ガスの流れ方向及び酸
化ガスの流れ方向をそれぞれ各段ごとに変えることがで
き、しかも、燃料ガスと酸化ガスの流れを各段ごとに対
向流や並行流などのいずれにでも任意に設定することが
できるので、次の如き優れた効果を奏し得る。

(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化が図れる。

(ii)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。

(iii)電池を構成する電解質板、電極、セパレータの温
度分布が小さいため熱応力が発生しにくいと共に、ホツ
トスポツ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。

(iv)燃料ガスと酸化ガスの利用率は、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
がほとんでなくなるので、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。したがっ
て、部分負荷運転時にその反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一実施例の要部を示す斜視
図、第２図は本発明の一実施例の全体を分解した際の斜
視図、第３図は全体の平面図、第４図は本発明の他の実
施例を示す斜視図、第５図は平面図、第６図乃至第８図
はいずれも従来の燃料電池の異なるガス流れ形式を示す
斜視図、第９図(A)は第３図の場合の温度分布を、第９
図(B)は第３図の場合の電流密度分布を示す図、第10は
第７図の場合の温度、電流密度の分布を示す図、第11図
は第８図の場合の温度、電流密度の分布を示す図であ
る。第12図は従来の外部マニホールド型燃料電池の斜視
図である。 １は電解質板、２は酸素極、３は燃料極、４，4-1,4-2,
4-3,4-4,4-5はセパレータ、11,12,13,14は切欠、15a,15
b,15c,15d,16a,16b,16c,16d,17a,17b,17c,17d,18a,18b,
18c,18d,35は外部マニホールドを示す。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】電解質板の両面を酸素極と燃料極で挾んで
   構成した単セルをセパレータを介して積層し、セパレー
   タと酸素極との間に酸化ガスを、又、セパレータと燃料
   極との間に燃料ガスをそれぞれ流すガス流路を形成した
   燃料電池において、積層体の積層方向に延びる、燃料ガ
   スの供給側と排出側及び酸化ガスの供給側と排出側の４
   種類の外部マニホールドを互いに隣接配置して成る外部
   マニホールドの組を積層体の周辺部に少くとも４組以上
   設け、各段ごとに、異なる組から酸化ガスの供給側と排
   出側及び燃料ガスの供給側と排出側の外部マニホールド
   を選択して、酸化ガスの流路及び燃料ガスの流路にそれ
   ぞれ連通させる連通路をセパレータに形成すると共に、
   残りの各マニホールドと酸化ガスの流路及び燃料ガスの
   流路との間を遮断するシール壁をセパレータに形成した
   ことを特徴とする燃料電池。