JPH081805B2 - 燃料電池 - Google Patents

燃料電池

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JPH081805B2
JPH081805B2 JP60128164A JP12816485A JPH081805B2 JP H081805 B2 JPH081805 B2 JP H081805B2 JP 60128164 A JP60128164 A JP 60128164A JP 12816485 A JP12816485 A JP 12816485A JP H081805 B2 JPH081805 B2 JP H081805B2
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Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の利用分野〕 本発明は燃料電池に係り、特に長寿命化、高性能化に
好適な反応ガス流路構造を備えた燃料電池に関する。
〔発明の背景〕
燃料電池は、燃料の持つている化学エネルギを直接電
気エネルギーに変換する装置であり、その効率の高さ及
び、環境保全性の良さ等の利点があるため、次世代の発
電装置として注目を集めているが、電解質保持力や、腐
食等の問題があり、寿命が短いという欠点となつてお
り、これを克服することが必要とされている。
燃料電池には、使用する電解質により、アルカリ型,
リン酸型,溶融塩型,固体電解質型等の種類があるが、
ここでは溶融炭酸塩型を例にとつて説明を行なう。
第2図に公知の燃料電池の構成を示している。
第2図において、21は電解質保持板、22はアノード、
23はカソードをそれぞれ示し、燃料ガスは、セパレータ
11の上面に形成された燃料ガス流路12を通り、また酸化
剤ガスはセパレータ11の下面に形成された酸化剤流路13
を通る。燃料ガス及び酸化剤ガスはガス流路を流れる間
に、それぞれアノード,カソード中に拡散してゆき、電
解質板21に含まれている電解質と反応し、電気が生ず
る。
使用する反応ガス組成は、メタンの水蒸気改質ガスを
例にとれば、燃料ガス組成は、H2 80%−CO2 20%、酸
化剤ガス組成はO215%−CO2 30%−N2 55%となる。
反応式は、アノード側で、燃料中の水素と電解質中の
炭酸イオンとが反応して H2+CO3 2-→H2O+CO2+2e- カソード側では、酸化剤ガス中の酸素と2酸化炭素、さ
らにアノード側で発生した電子とが反応して となる。このことから、反応ガスは、セパレータのガス
流路を流れるに従つて組成が変化し、燃料ガスは反応に
関与するH2が消費され、生成物の水と二酸化炭素が混入
するため、流量は漸増し、H2の分圧は低下する。一方酸
化剤ガスは、反応に関与する酸素と二酸化炭素が消費さ
れ、流量は漸減し、窒素は消費されないため、反応成分
(O2,CO2)の分圧が低下する。そこで、反応ガスは下流
に行く程不活性となり、電流密度に不均一を生じること
になる。
従来この様な、ガス流路断面積が一様なセパレータを
用いた時の電流密度分布を第3図に示す。平均電流密度
jav=150〜160mA/cm2であり、最大電流密度jmax=250mA
/cm2最小電流密度jmin=50mA/cm2となつている。この電
流密度の分布は、燃料ガスの上流から下流に向つて減少
しており、酸化剤ガスの流れ方向の影響がほとんど無い
ことがわかる。それは、水素ガスの利用率が約75%であ
り、酸素(二酸化炭素)の利用率の50%と比べて高いこ
とと、反応による分圧の低下が燃料ガスの方が大きいと
いうことが原因である。
このように、電流密度に不均一が生じると高電流密度
領域で過負荷状態となり、その部分において分極が大き
くなり、電池性能が低下する。また電極や電解質板にも
負担がかかり、劣化が進み寿命が短くなる。
この電流密度の不均一を少なくする流路構造として、
特開昭58−166658号に示されるものがある。これは、リ
ン酸型燃料電池の場合であり、燃流ガスは反応に伴つて
流量が減少し酸化剤ガスは増加するため、前述の溶融炭
酸塩型とは反対ではあるが、流量が変化した分だけ流路
溝の幅をかえ、流速を一定に保ち、圧力差をなくし、電
流密度を均一化しようとするものである。しかし、ガス
組成が変化するため、圧力を一定にしても、電流密度が
あまり均一化されないという欠点があつた。
また、電池内の温度分布は、従来の一様な流路の場合
第4図に示す様になる。ここで平均温度Tav=650℃、最
低温度Tmin=550℃、Tmax=750℃となつている。この場
合の温度分布は、酸化剤ガスの上流側から下流側に向か
つて温度勾配がついており、燃料ガスの流れ方向には、
あまり影響されていない。これは、電池の電気化学反応
で発生した熱量の除去が、反応ガスによつて行なわれ、
また、酸化剤ガス流量が、燃料ガス流量の約4倍である
ことから、酸化剤ガスの方が支配的であるためである。
酸化剤ガスによる発生熱の除去量はガスが下流に行く
ほどガス温度が高くなり、伝熱量が少なくなり、その結
果、下流程、電池温度が高くなつている。この様な温度
分布が存在すると、温度の低い部分では、反応速度が遅
くなり、性能が低くなり、温度の高い部分では、電解質
の蒸発及び劣化、また電極やセパレータの腐食等がある
ため、高性能長寿命化のためには電池温度を均一にする
必要があつた。
温度分布均一化のためのガス流れに関しては特開昭56
−167276号公報があるが、これは、酸化剤ガス流れと直
角方向の温度分布を均一化する構造であり、第4図の電
池内温度分布を見ても明らかな様に、酸化剤ガスの流れ
方向の温度分布を均一化する方が効果的である。
〔発明の目的〕
本発明の目的は、電池内の電流密度分布及び温度分布
が均一になるガス流路構造をもち、高性能,長寿命な燃
料電池を提供することにある。
〔発明の概要〕
本発明は、電解質を保持している電解質板の一方の面
にアノードを、他方の面にカソードを設け、該アノード
の電解質板と接する側と反対側の面に、外部から供給さ
れた電池反応に直接使用する燃料ガスが流れる燃料ガス
流路を、またカソードの電解質板と接する側と反対側の
面に、前記燃料ガス流路方向と実質直交する方向に酸化
剤ガスが流れる酸化剤ガス流路をそれぞれ形成するため
のガスセパレータから構成されている燃料電池におい
て、前記燃料ガス流路は流路幅を入口側から出口側にわ
たって漸次広くし、前記酸化剤ガス流路は入口側から出
口側にわたって、流路幅は一定にし、流路深さを酸化剤
ガスの反応による体積減少率よりも大きな割合で漸次小
さくしたことを特徴とする。燃料ガス流路幅を入口側か
ら出口側にかけて徐々に広げ、反応ガスが電極と接する
面積を入口側を狭く、出口側を広くすることにより、入
口側の反応量を少なくし、下流側での反応ガス(H2)の
分圧を低下を少なくする。さらに、下流側で電極の有効
反応面積が広いことによつて下流側の平均電流密度を高
くし、セル内の燃料ガス流れ方向の電流密度分布を均一
化する。
また、酸化剤ガス流路深さを入口側から出口側にかけ
て徐々に小さくすることにより、出口側のガス流速を大
きくし、境界層厚さを薄くして熱伝達率を大きくし、出
口側の熱除去量を多くすることで、セル内の酸化剤流れ
方向の温度分布を均一にする。
入口側に比べて出口側の熱除去量を多くする方法とし
て、入口側から出口側にかけて流路幅を漸次広くしてゆ
き、反応ガスとの接触面積を広くしてゆくことも考えら
れるが、この方法では、入口側の反応有効面積が狭くな
つてしまうため、酸化剤ガス流れ方向に電流密度分布が
生じてしまう。このことから、酸化剤ガス流路に関して
は、深さを変える方が望ましい。
以上のことからセル内の反応を均一化し、電池性能を
向上させ、さらに長寿命化を実現する。
〔発明の実施例〕
次に本発明の実施例を図面に基づいて説明する。
第1図は本発明の流路構造の一実施例を示す斜視図で
ある。
第1図において、セパレータ11の上面には燃料流路12
が、下面には酸化剤流路13が形成されている。燃料流路
12は、入口側から出口側にかけて流路幅が漸次広がつて
おり、酸化剤流路13は、入口側から出口側にかけて、流
路深さが漸次浅くなつている。
第5a図及び第5b図は第1図の燃流ガス流路の詳細を示
した図である。燃料流路12は、第5b図の如く溝深さが一
様であり、溝の幅のみ第5a図の如く流れ方向に広がつて
いる。この実施例では、流路幅は出口側が入口側の約3
倍となつており、電流密度は最大値jmax=200mA/cm2
最小値jmin=100mA/cm2と大巾に均一化した。また溶融
炭酸塩型の場合、反応と伴に流量が増加し、さらに、ガ
スの温度上昇により体積が増加するため、流速は、出口
側と入口側の比が0.7程度であり、流速の変化はあまり
無かつた。
第6a図及び第6b図は第1図に示す酸化剤流路の詳細を
示した図である。酸化剤ガス流路13は溝の幅が一定であ
り、溝の深さが第6b図のようにガス流れ方向に漸次浅く
なつている。この実施例では溝深さが、出口側と入口側
の比が0.5程度であり、温度分布は少なくなつた。電流
密度分布より、温度分布の均一化が優先する場合には、
さらに温度分布均一化を図るための実施例を、第7a図及
び第7b図に示す。第7a図は、第6a図の流速の変化による
熱伝達率の変化を利用したものに加えて、伝熱面積も変
化させ、温度分布の均一化を向上させたものである。つ
まり酸化剤流路13の溝幅を入口側から出口側にかけて漸
次広くしてゆき、電極が酸化剤ガスと接触する面積を入
口側で狭く、出口側で広くした。この場合、出口側の流
速が小さくなつてしまうので、溝深さの勾配を第6a図の
実施例より大きくし、流速が小さくならない様にする必
要がある。この構造により、ガス入口側の反応有効面積
の減少から、酸化剤ガス流れ方向の電流密度分布が生じ
たが、セル内の酸化剤ガス流れ方向の温度分布をほぼ無
くすことができた。
〔発明の効果〕
以上説明した様に、本発明によれば、電流密度の燃料
ガス流れ方向の分布及び、セル温度の酸化剤ガス流れ方
向の分布を均一化することができることにより、電池性
能を向上させ、さらに長寿命化を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
第1図は、本発明の流路構造をもつセパレータの斜視
図、第2図は従来の電池積層体の分解斜視図、第3図は
従来のガス流路構造における電流密度分布図、第4図は
従来のガス流路構造における温度分布図、第5a図は本発
明の燃料流路形状を示す平面図、第5b図は同断面図、第
6a図は本発明の酸化剤流路構造の平面図、第6b図は同断
面図、第7a図は本発明の酸化剤流路構造の変形応用例を
示す平面図、第7b図は同断面図である。 11……セパレータ、12……燃料ガス流路、13……酸化剤
ガス流路、21……電解質保持板、22……アノード、23…
…カソード。

Claims (1)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】電解質を保持している電解質板の一方の面
    にアノードを、他方の面にカソードを設け、該アノード
    の電解質板と接する側と反対側の面に、外部から供給さ
    れた電池反応に直接使用する燃料ガス流路を、またカソ
    ードの電解質板と接する側と反対の面に、前記燃料ガス
    流路方向と実質直交する方向に酸化剤ガスが流れる酸化
    剤ガス流路をそれぞれ形成するためのガスセパレータか
    ら構成されている溶融炭酸塩型燃料電池において、前記
    燃料ガス流路は流路幅を入口側から出口側にわたって漸
    次広くし、前記酸化剤ガス流路は入口側から出口側にわ
    たって、流路幅は一定にし、流路深さを酸化剤ガスの反
    応による体積減少率よりも大きな割合で漸次小さくした
    ことを特徴とする溶融炭酸塩型燃料電池。
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Families Citing this family (16)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2569550B2 (ja) * 1987-05-08 1997-01-08 石川島播磨重工業株式会社 燃料電池の温度分布改善方法
JP2510676B2 (ja) * 1988-06-23 1996-06-26 株式会社日立製作所 燃料電池
EP0440968A1 (de) * 1990-02-08 1991-08-14 Asea Brown Boveri Ag Vorrichtung zur Erzielung einer möglichst gleichmässigen Temperaturverteilung auf der Oberfläche einer plattenförmigen keramischen Hochtemperatur-Brennstoffzelle
US7138200B1 (en) 1997-12-18 2006-11-21 Toyota Jidosha Kabushiki Kaisha Fuel cell and separator for the same
DE19963594C2 (de) * 1999-12-23 2002-06-27 Mannesmann Ag Vorrichtung in Mikrostrukturtechnik zum Hindurchleiten von Medien sowie Verwendung als Brennstoffzellensystem
US6780536B2 (en) * 2001-09-17 2004-08-24 3M Innovative Properties Company Flow field
JP4585737B2 (ja) * 2002-08-12 2010-11-24 本田技研工業株式会社 燃料電池
JP4894767B2 (ja) * 2003-02-19 2012-03-14 セイコーエプソン株式会社 燃料電池及び燃料電池の製造方法
JP4645007B2 (ja) * 2003-04-09 2011-03-09 ソニー株式会社 燃料電池
JP2006114387A (ja) * 2004-10-15 2006-04-27 Toyota Motor Corp 燃料電池
CN101047255B (zh) * 2006-03-28 2011-03-16 亚太燃料电池科技股份有限公司 燃料电池反应极板的气体入口压力调节结构
JP2007265939A (ja) * 2006-03-30 2007-10-11 Ngk Insulators Ltd 電気化学装置
US8309273B2 (en) 2007-03-15 2012-11-13 Panasonic Corporation Polymer electrolyte fuel cell and fuel cell stack including the same
JP5056637B2 (ja) * 2008-07-16 2012-10-24 パナソニック株式会社 燃料電池のセパレータ
WO2010029758A1 (ja) * 2008-09-12 2010-03-18 パナソニック株式会社 高分子電解質形燃料電池及びそれを備える燃料電池スタック
JP2012190746A (ja) * 2011-03-14 2012-10-04 Denso Corp 燃料電池スタックおよび燃料電池

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS58166658A (ja) * 1982-03-27 1983-10-01 Hitachi Ltd 燃料電池
JPS6032255A (ja) * 1983-07-29 1985-02-19 Mitsubishi Electric Corp 内部改質形燃料電池

Family Cites Families (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS59188678U (ja) * 1983-06-01 1984-12-14 三菱電機株式会社 燃料電池におけるガス分配装置

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS58166658A (ja) * 1982-03-27 1983-10-01 Hitachi Ltd 燃料電池
JPS6032255A (ja) * 1983-07-29 1985-02-19 Mitsubishi Electric Corp 内部改質形燃料電池

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JPS6290871A (ja) 1987-04-25

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