JPH08306381A - Lamination type fuel cell - Google Patents

Lamination type fuel cell

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JPH08306381A
JPH08306381A JP7110384A JP11038495A JPH08306381A JP H08306381 A JPH08306381 A JP H08306381A JP 7110384 A JP7110384 A JP 7110384A JP 11038495 A JP11038495 A JP 11038495A JP H08306381 A JPH08306381 A JP H08306381A
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JP
Japan
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fuel
manifold
gas
fuel gas
fuel cell
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JP7110384A
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Japanese (ja)
Inventor
Katsuya Okae
功弥 岡江
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Fuji Electric Co Ltd
Original Assignee
Fuji Electric Co Ltd
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Publication date
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    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
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    • Y02E60/30Hydrogen technology
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  • Fuel Cell (AREA)

Abstract

PURPOSE: To use a lamination type fuel cell which can be safely used for a long period by preventing damage generated by lack of hydrogen inside a unit cell. CONSTITUTION: A flow regulation means 21 is provided on a fuel gas supply manifold 16 installed on a side surface of a fuel cell lamination body 12 in which unit cells are laminated, and the flow of fuel gas is adjusted in such a way that flow through the closer side to an oxidizer gas discharge manifold 16 is larger than flow through the closer side to an oxidizer gas supply manifold 15. Lack of hydrogen generated at a place upstream of oxidizer gas and downstream of fuel gas is eliminated, thereby damaging can be avoided.

Description

【発明の詳細な説明】Detailed Description of the Invention

【0001】[0001]

【産業上の利用分野】この発明は、単セルを積層し側面
より反応ガスを流して電気化学反応により発電する積層
型燃料電池に関するもので、特に反応ガスを効果的に通
流させる流量分布調整構造に関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a stacked fuel cell in which unit cells are stacked and a reaction gas is flowed from the side surface to generate electric power by an electrochemical reaction. Regarding the structure.

【0002】[0002]

【従来の技術】図6は、この種の積層型燃料電池に従来
より用いられている燃料電池積層体の基本構成を示す斜
視図である。単セル8は、電解質を保持するマトリック
ス1を燃料電極2と酸化剤電極5とで挟んで構成されて
いる。燃料電極2は、多孔質カーボンからなるガス透過
性の電極基材のマトリックス1に相対する面に燃料触媒
層3を備え、反対の面に反応ガスの一つである燃料ガス
を流すための燃料ガス通流溝4を備えている。同様に酸
化剤電極5は電極基材のマトリックス1に相対する面に
酸化剤触媒層6を備え、反対の面にもう一つの反応ガス
である酸化剤ガスを流すための酸化剤ガス通流溝7を備
えている。単セル8を構成する際には、燃料ガス通流溝
4の流れの方向と酸化剤ガス通流溝7の流れの方向が互
いに直交するよう配置して積層されている。このように
構成された単セル8をセパレータ9を挿入して複数層積
層し、さらに冷却板10を介在させながら積層すること
により燃料電池積層体が形成されている。なお、冷却板
10は埋設した冷媒通流管11に冷媒を流すことにより
発電に伴う発熱を除去し運転温度を調節する役割を果た
している。
2. Description of the Related Art FIG. 6 is a perspective view showing the basic structure of a fuel cell stack conventionally used in this type of stacked fuel cell. The unit cell 8 is configured by sandwiching a matrix 1 holding an electrolyte between a fuel electrode 2 and an oxidant electrode 5. The fuel electrode 2 is provided with a fuel catalyst layer 3 on a surface of a gas permeable electrode base material made of porous carbon, which faces the matrix 1, and a fuel for flowing a fuel gas, which is one of reaction gases, on the opposite surface. The gas flow groove 4 is provided. Similarly, the oxidant electrode 5 is provided with an oxidant catalyst layer 6 on a surface of the electrode base material facing the matrix 1, and an oxidant gas flow groove for flowing an oxidant gas which is another reaction gas on the opposite surface. Equipped with 7. When the unit cell 8 is formed, the unit cells 8 are stacked such that the flow direction of the fuel gas flow groove 4 and the flow direction of the oxidant gas flow groove 7 are orthogonal to each other. The fuel cell stack is formed by inserting the separator 9 into a plurality of layers of the single cells 8 configured in this way, and stacking them with the cooling plate 10 interposed therebetween. The cooling plate 10 plays a role of removing the heat generated by power generation and adjusting the operating temperature by flowing the refrigerant through the buried refrigerant flow pipe 11.

【0003】図7は、上記の燃料電池積層体を用いた従
来の積層型燃料電池の基本構成を模式的に示す縦断面図
である。本図は、酸化剤ガス通流側から見た断面図であ
り、単セル8と冷却板10を積層して構成された燃料電
池積層体12の燃料ガス通流側の側面の一方に燃料ガス
供給用マニホールド13が、また他方に燃料ガス排出用
マニホールド14が組み込まれており、さらに、図中紙
面に垂直方向の酸化剤ガス通流側の側面に図示しない酸
化剤ガス供給用マニホールドと酸化剤ガス排出用マニホ
ールドを組み込んで積層型燃料電池が構成されている。
燃料ガス入口17より供給された燃料ガスは、燃料ガス
供給用マニホールド13の内部で分散し、積層された各
単セル8の燃料ガス通流溝を通流したのち、燃料ガス排
出用マニホールド14に集まり、燃料ガス出口18より
排出される。同様に、酸化剤ガスは、酸化剤ガス供給用
マニホールドの内部で分散し、単セル8の酸化剤ガス通
流溝中を燃料ガスと直交する方向に流れ、酸化剤ガス排
出用マニホールドの酸化剤ガス出口より外部へと排出さ
れる。
FIG. 7 is a vertical cross-sectional view schematically showing the basic structure of a conventional laminated fuel cell using the above fuel cell laminated body. This figure is a cross-sectional view as seen from the oxidant gas flow side, and one side of the fuel cell stack 12 formed by stacking the unit cells 8 and the cooling plate 10 on the fuel gas flow side has the fuel gas. A supply manifold 13 and a fuel gas discharge manifold 14 are incorporated in the other side, and an oxidant gas supply manifold and an oxidant (not shown) are provided on a side surface of the oxidant gas flow side perpendicular to the plane of the drawing. A laminated fuel cell is constructed by incorporating a gas exhaust manifold.
The fuel gas supplied from the fuel gas inlet 17 is dispersed inside the fuel gas supply manifold 13 and flows through the fuel gas flow groove of each of the stacked unit cells 8 and then to the fuel gas discharge manifold 14. Collected and discharged from the fuel gas outlet 18. Similarly, the oxidant gas is dispersed inside the oxidant gas supply manifold and flows in the oxidant gas flow groove of the single cell 8 in a direction orthogonal to the fuel gas, so that the oxidant gas is discharged from the oxidant gas discharge manifold. It is discharged from the gas outlet to the outside.

【0004】[0004]

【発明が解決しようとする課題】上記の構成の積層型燃
料電池において、燃料ガス通流溝を通流する燃料ガス中
の水素と、酸化剤ガス通流溝を通流する酸化剤ガス中の
酸素が単セルの電気化学反応に寄与して直流電力を生
じ、水素と酸素が消費されることとなる。通常、燃料ガ
ス中の水素は約80%の高い利用率で使用されているの
で、単セルの燃料ガスの出口側での燃料ガス中の水素濃
度は、入口側に比べ大幅に低下しており、同様に酸化剤
ガス中の酸素濃度も、酸化剤ガスの入口側と出口側で大
きく異なることとなる。
In the stacked fuel cell having the above-mentioned structure, hydrogen in the fuel gas flowing through the fuel gas flow groove and hydrogen in the oxidant gas flowing through the oxidant gas flow groove are formed. Oxygen contributes to the electrochemical reaction of the single cell to generate direct current power, and hydrogen and oxygen are consumed. Normally, hydrogen in fuel gas is used at a high utilization rate of about 80%, so the hydrogen concentration in the fuel gas at the outlet side of the fuel gas of a single cell is significantly lower than that at the inlet side. Similarly, the oxygen concentration in the oxidant gas also greatly differs between the inlet side and the outlet side of the oxidant gas.

【0005】図8は、単セルの面内の燃料ガス中の水素
濃度の分布を示したもので、入口(図中で右側端面)で
の水素濃度を10として面内の水素濃度を表示してい
る。また、図9は、単セルの面内の酸化剤ガス中の酸素
濃度の分布を示したもので、入口(図中で上側端面)で
の酸素濃度を10として面内の水素濃度を表示したもの
である。いずれの図においても、単セルで発電される電
流密度が面内で均一であると仮定した場合の水素あるい
は酸素の濃度分布を点線によって、また従来の実際の運
転条件における濃度分布を実線によって表示している。
FIG. 8 shows the distribution of the hydrogen concentration in the fuel gas in the plane of the single cell. The hydrogen concentration in the plane is displayed by setting the hydrogen concentration at the inlet (the right end face in the figure) to 10. ing. Further, FIG. 9 shows the distribution of oxygen concentration in the oxidant gas in the plane of the single cell, where the oxygen concentration at the inlet (upper end face in the figure) is set to 10 and the hydrogen concentration in the plane is displayed. It is a thing. In both figures, the concentration distribution of hydrogen or oxygen, assuming that the current density generated by a single cell is uniform in the plane, is shown by the dotted line, and the concentration distribution under conventional actual operating conditions is shown by the solid line. are doing.

【0006】電流密度が面内で均一であれば、水素ある
いは酸素の消費量も面内で均一となるので、図8、9の
点線のように水素あるいは酸素の濃度は距離とともに直
線的に減少することとなる。しかしながら、実際には、
水素および酸素の濃度に応じて反応が生じ電流密度分布
を生じて、水素および酸素が消費されることとなるの
で、燃料ガスの上流側ほど、また酸化剤ガスの上流側ほ
ど消費される量が多くなる。すなわち、燃料ガス入口と
酸化剤ガス入口に近い部分で消費量が最も多く、燃料ガ
ス出口と酸化剤ガス出口に近い部分で消費量が最も少な
くなり、また、燃料ガス入口と酸化剤ガス出口に近い部
分では燃料ガス中の水素濃度が高いので酸化剤ガス中の
酸素も多量に消費され、燃料ガス出口と酸化剤ガス入口
に近い部分では酸化剤ガス中の酸素濃度が高いので燃料
ガス中の水素も多量に消費されるので、図8、9に実線
で示したごとき濃度分布をもつこととなる。
If the current density is uniform in the plane, the consumption of hydrogen or oxygen is also uniform in the plane, so that the concentration of hydrogen or oxygen decreases linearly with distance as shown by the dotted lines in FIGS. Will be done. However, in practice,
A reaction occurs depending on the concentrations of hydrogen and oxygen to generate a current density distribution, and hydrogen and oxygen are consumed. Therefore, the amount consumed in the upstream side of the fuel gas and the upstream side of the oxidant gas is Will increase. That is, the amount of consumption is highest in the portion near the fuel gas inlet and the oxidant gas inlet, and is the smallest in the portion near the fuel gas outlet and the oxidant gas outlet. Since the hydrogen concentration in the fuel gas is high in the near part, a large amount of oxygen in the oxidant gas is also consumed, and the oxygen concentration in the oxidant gas is high in the part near the fuel gas outlet and the oxidant gas inlet. Since a large amount of hydrogen is also consumed, it has a concentration distribution as shown by the solid lines in FIGS.

【0007】このように、従来の積層型燃料電池では、
単セルの燃料ガス出口と酸化剤ガス入口に近い部分で酸
素濃度に比較して水素濃度が相対的に低くなるので、例
えば、急激な負荷の上昇とか燃料ガスの供給量の変動と
かによって、容易に水素不足の状態となり、過剰酸素の
透過により燃料電極が腐食、損傷し、発電不能に陥って
しまうという危険性がある。
As described above, in the conventional laminated fuel cell,
Since the hydrogen concentration becomes relatively low compared to the oxygen concentration in the portions near the fuel gas outlet and the oxidant gas inlet of the single cell, it is easy to change depending on, for example, a sudden load increase or a change in the fuel gas supply amount. In addition, there is a danger that the fuel electrode will be deficient in hydrogen, and the permeation of excess oxygen will corrode and damage the fuel electrode, resulting in the inability to generate electricity.

【0008】また、通常、燃料ガスは二酸化炭素と電気
化学反応に寄与する水素が主成分であるが、水素は二酸
化炭素に比べて極めて軽いので、図7に示したように燃
料ガス入口15より供給した燃料ガスを燃料ガス供給用
マニホールド13において分流させると、上部に位置す
る単セル8へ流れる燃料ガスの水素濃度が高くなり、下
部に位置する単セル8へ流れる燃料ガスの水素濃度が低
くなる。これに対して酸化剤ガスとして通常用いられる
空気においては、電気化学反応に寄与する酸素の比重
は、主たる構成元素である窒素の比重とほぼ同等であ
り、上部と下部で濃度変化を生じることはない。したが
って、燃料電池積層体の下部の単セルでは相対的に水素
濃度が低くなって水素不足の状態になりやすく、燃料電
極の腐食、損傷を起こしやすいという危険性がある。
Further, normally, the main component of the fuel gas is hydrogen which contributes to the electrochemical reaction with carbon dioxide, but since hydrogen is extremely lighter than carbon dioxide, as shown in FIG. When the supplied fuel gas is split in the fuel gas supply manifold 13, the hydrogen concentration of the fuel gas flowing to the upper unit cell 8 becomes higher, and the hydrogen concentration of the fuel gas flowing to the lower unit cell 8 becomes lower. Become. On the other hand, in air usually used as an oxidant gas, the specific gravity of oxygen that contributes to the electrochemical reaction is almost the same as the specific gravity of nitrogen, which is the main constituent element, and the concentration change does not occur in the upper part and the lower part. Absent. Therefore, in the unit cell below the fuel cell stack, the hydrogen concentration is relatively low and the hydrogen is deficient, and there is a risk that the fuel electrode is likely to be corroded or damaged.

【0009】本発明は、このような問題点を考慮してな
されたもので、その目的は、単セル内部の水素不足によ
る損傷の発生を回避し、長期にわたり安全に使用できる
積層型燃料電池を提供することにある。
The present invention has been made in consideration of such problems, and an object thereof is to prevent the occurrence of damage due to lack of hydrogen inside a single cell and to provide a laminated fuel cell which can be safely used for a long period of time. To provide.

【0010】[0010]

【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
めに、本発明においては、電解質を保持するマトリック
スを酸化剤電極と燃料電極とで挟持してなる単セルを複
数層積層する毎に冷却板を挿入して略垂直方向に積層し
て形成される燃料電池積層体と、その側面に配置される
酸化剤ガス供給用のマニホールド、酸化剤ガス排出用の
マニホールド、燃料ガス供給用のマニホールドおよび燃
料ガス排出用のマニホールドとを備える積層型燃料電池
において、上記の4個のマニホールドのうち少なくとも
いずれか一つのマニホールドに、ガス流量分布を調整す
る流量調整手段を付設することとする。
In order to achieve the above-mentioned object, in the present invention, every time a plurality of single cells are laminated, a matrix holding an electrolyte is sandwiched between an oxidant electrode and a fuel electrode. A fuel cell stack formed by inserting cooling plates and stacking them in a substantially vertical direction, a manifold for supplying an oxidant gas, a manifold for discharging an oxidant gas, and a manifold for supplying a fuel gas, which are arranged on the side surfaces thereof. In a laminated fuel cell including a fuel gas discharge manifold, at least one of the four manifolds described above is provided with a flow rate adjusting unit for adjusting a gas flow rate distribution.

【0011】さらに、上記の流量調整手段を、燃料ガス
供給用のマニホールドと燃料ガス排出用のマニホールド
のうち少なくともいずれか一方に付設し、酸化剤ガス供
給用のマニホールドに近接する側面から酸化剤ガス排出
用のマニホールドに近接する側面へと水平方向に行くに
従い連続的に、あるいは断続的に流路抵抗が増大するよ
うに形成させることとする。
Further, the above-mentioned flow rate adjusting means is attached to at least one of the manifold for supplying the fuel gas and the manifold for discharging the fuel gas, and the oxidizing gas is supplied from a side surface adjacent to the manifold for supplying the oxidizing gas. It is formed so that the flow path resistance increases continuously or intermittently in the horizontal direction toward the side surface close to the discharge manifold.

【0012】さらにまた、上記の流量調整手段を、燃料
ガス供給用のマニホールドと燃料ガス排出用のマニホー
ルドのうち少なくともいずれか一方に付設し、下部から
上部へと垂直方向に行くに従い連続的に、あるいは断続
的に流路抵抗が増大するように形成させることとする。
Furthermore, the above-mentioned flow rate adjusting means is attached to at least one of the manifold for fuel gas supply and the manifold for fuel gas discharge, and continuously from the lower part to the upper part in the vertical direction. Alternatively, the flow path resistance is intermittently increased.

【0013】[0013]

【作用】上記のように、燃料電池積層体の側面に配置さ
れた4個のマニホールドのうち少なくともいずれか一つ
のマニホールドに、ガス流量分布を調整する流量調整手
段を付設することとすれば、水素の消費量の多い部分や
水素濃度の低い部分に多量の燃料ガスを供給し、水素濃
度の高い部分や水素の消費量の少ない部分に少量の燃料
ガスを供給するよう流量分布を調整することができ、ま
た、水素の消費量の多い部分や水素濃度の高い部分に多
量の酸化剤ガスを供給し、水素濃度の低い部分や水素の
消費量の少ない部分に少量の酸化剤ガスを供給するよう
流量分布を調整することができるので、単セルの内部で
の水素不足部分の発生を回避することができる。
As described above, if at least any one of the four manifolds arranged on the side surface of the fuel cell stack is provided with the flow rate adjusting means for adjusting the gas flow rate distribution, hydrogen is provided. It is possible to adjust the flow rate distribution so that a large amount of fuel gas is supplied to the parts with high hydrogen consumption and low hydrogen concentration, and a small amount of fuel gas is supplied to the parts with high hydrogen concentration and low hydrogen consumption. It is possible to supply a large amount of oxidant gas to the part that consumes a large amount of hydrogen or a high hydrogen concentration, and to supply a small amount of oxidant gas to a part that has a low hydrogen concentration or a small amount of hydrogen consumption. Since the flow rate distribution can be adjusted, it is possible to avoid the occurrence of a hydrogen deficient portion inside the single cell.

【0014】とくに、上記の流量調整手段を、燃料ガス
供給用のマニホールドと燃料ガス排出用のマニホールド
のうち少なくともいずれか一方に付設し、酸化剤ガス供
給用のマニホールドに近接する側面から酸化剤ガス排出
用のマニホールドに近接する側面へと水平方向に行くに
従い連続的に、あるいは断続的に流路抵抗が増大するよ
うに形成させることとすれば、燃料ガスの流量は、流路
抵抗に反比例して、酸化剤ガス排出用のマニホールドに
近接する側面から酸化剤ガス供給用のマニホールドに近
接する側面へと水平方向に行くに従い増大することとな
る。したがって、水素の消費量の多い部分や水素濃度の
低い部分に多量の燃料ガスを供給することとなり、多量
の水素が供給されるので、従来の装置で問題となってい
た水素不足部分の発生が回避されることとなる。
In particular, the above-mentioned flow rate adjusting means is attached to at least one of the manifold for supplying the fuel gas and the manifold for discharging the fuel gas, and the oxidizing gas is supplied from the side surface close to the manifold for supplying the oxidizing gas. The flow rate of the fuel gas is inversely proportional to the flow path resistance if the flow path resistance is formed to increase continuously or intermittently in the horizontal direction toward the side surface close to the exhaust manifold. Thus, the amount increases in the horizontal direction from the side surface adjacent to the oxidant gas discharge manifold to the side surface adjacent to the oxidant gas supply manifold. Therefore, a large amount of fuel gas is supplied to a portion that consumes a large amount of hydrogen or a portion that has a low hydrogen concentration, and a large amount of hydrogen is supplied. It will be avoided.

【0015】またさらに、上記の流量調整手段を、燃料
ガス供給用のマニホールドと燃料ガス排出用のマニホー
ルドのうち少なくともいずれか一方に付設し、下部から
上部へと垂直方向に行くにしたがい、連続的に、あるい
は断続的に流路抵抗が増大するように形成させることと
すれば、燃料ガスの流量は上部から下部に下がるに従い
増大することとなる。したがって、比重差によって水素
濃度の低下した下部の燃料ガスの流量が増大し、水素供
給量の低下を避けることができるので、従来の装置で問
題となっていた下層部分の単セルでの水素不足の発生が
回避されることとなる。
Furthermore, the above-mentioned flow rate adjusting means is attached to at least one of the manifold for supplying the fuel gas and the manifold for discharging the fuel gas, and as the vertical direction goes from the lower part to the upper part, it is continuously connected. If it is formed such that the flow path resistance increases intermittently or intermittently, the flow rate of the fuel gas increases as the flow rate decreases from the upper portion to the lower portion. Therefore, the flow rate of the fuel gas in the lower part where the hydrogen concentration has decreased due to the difference in specific gravity increases, and it is possible to avoid a decrease in the hydrogen supply amount.Therefore, there is a shortage of hydrogen in the lower unit cell, which has been a problem with conventional equipment. Will be avoided.

【0016】[0016]

【実施例】図1は、本発明の積層型燃料電池の第1の実
施例の横断面図である。単セルと冷却板を積層して構成
された方形状の燃料電池積層体12の一方の相対する側
面に、燃料ガス入口17を備えた燃料供給用マニホール
ド13と、燃料ガス出口18を備えた燃料排出用マニホ
ールド14とが組み込まれ、もう一方の相対する側面
に、酸化剤ガス入口19を備えた酸化剤ガス供給用マニ
ホールド15と、酸化剤ガス出口20を備えた酸化剤ガ
ス排出用マニホールド16が組み込まれており、燃料ガ
スと酸化剤ガスとは、燃料電池積層体12を互いに直交
して通流している。このうち、燃料供給用マニホールド
13の内部には、図中に模式的に示したように、大きさ
の異なる三角形断面の流路抵抗体を分散配置して形成さ
れた流量調整手段21が備えられている。流量調整手段
21は、図中左から右に、すなわち、酸化剤ガス供給用
マニホールド15に近接する側から酸化剤ガス排出用マ
ニホールド16に近接する側に向かうに従って流体抵抗
が増大するように構成されており、燃料ガス入口17よ
り供給された燃料ガスは、酸化剤ガス排出用マニホール
ド16に近接する側に比べて酸化剤ガス供給用マニホー
ルド15に近接する側に多量に流れる。
1 is a cross-sectional view of a first embodiment of a laminated fuel cell of the present invention. A fuel supply manifold 13 having a fuel gas inlet 17 and a fuel gas outlet 18 on one of opposite sides of a rectangular fuel cell stack 12 formed by stacking unit cells and cooling plates. An exhaust gas manifold 14 is incorporated, and an oxidant gas supply manifold 15 having an oxidant gas inlet 19 and an oxidant gas exhaust manifold 16 having an oxidant gas outlet 20 are provided on the other opposite side surfaces. Incorporated, the fuel gas and the oxidant gas flow through the fuel cell stack 12 at right angles to each other. Among them, inside the fuel supply manifold 13, as schematically shown in the figure, there is provided a flow rate adjusting means 21 formed by arranging dispersed flow path resistors having triangular cross sections having different sizes. ing. The flow rate adjusting means 21 is configured so that the fluid resistance increases from left to right in the figure, that is, from the side close to the oxidant gas supply manifold 15 to the side close to the oxidant gas discharge manifold 16. Therefore, the fuel gas supplied from the fuel gas inlet 17 flows in a larger amount on the side closer to the oxidant gas supply manifold 15 than on the side closer to the oxidant gas discharge manifold 16.

【0017】図2は、上記の第1の実施例の積層型燃料
電池の燃料供給用マニホールド13における燃料ガスの
流れ方を示すもので、(a)は流量調整手段21の前後
の流れの変化を示す模式図、(b)は(a)に対応して
表示した流量調整板21通過後の流量分布図である。燃
料ガス入口17より供給された燃料ガスは、流量調整板
21を構成する大きさの異なる5種類の三角形断面の流
路抵抗体によって流量に差異が生じ、燃料電池積層体の
入口部においては(b)のごとき流量分布をもつことと
なる。
FIG. 2 shows the flow of the fuel gas in the fuel supply manifold 13 of the laminated fuel cell of the first embodiment. (A) shows the change in the flow before and after the flow rate adjusting means 21. FIG. 3B is a schematic diagram showing a flow rate distribution diagram of FIG. The flow rate of the fuel gas supplied from the fuel gas inlet 17 varies depending on the flow path adjusting plate 21 having five types of triangular cross-section flow path resistors having different sizes, and at the inlet portion of the fuel cell stack ( It will have a flow rate distribution as in b).

【0018】図3は、上記の第1の実施例の積層型燃料
電池における発電運転時の単セル面内の水素濃度分布を
示したものである。本図も図8と同様に入口(図中右側
端面)での水素濃度を10として表示している。図8に
おいて説明したように、水素は酸素濃度の高い酸化剤ガ
ス入口側(図中上端)ほど消費量が多いが、本構成の積
層型燃料電池においては、上述のように、酸化剤ガス出
口に近接する側に比べて酸化剤ガス入口に近接する側に
多量の燃料ガスが供給され、供給水素量も酸化剤ガス入
口に近接する側ほど多量となるので、水素濃度の減少が
緩和され、水素濃度分布は従来例に比べて均等となり、
燃料ガス出口と酸化剤ガス入口に近い部分での水素不足
の発生が回避されることとなる。なお、本構成のように
燃料ガスの流量分布を構成すれば、酸化剤ガス出口に近
接する側の水素濃度が減少することとなるが、図4に単
セル面内の酸素濃度分布を示したように、酸化剤ガス中
の酸素濃度は酸化剤ガス出口側だは低下しているので、
水素不足の発生の恐れはない。
FIG. 3 shows the hydrogen concentration distribution in the single cell plane during power generation operation in the laminated fuel cell of the first embodiment. Also in this figure, the hydrogen concentration at the inlet (the right end surface in the figure) is displayed as 10 as in FIG. As described with reference to FIG. 8, hydrogen is consumed more toward the oxidant gas inlet side (upper end in the figure) where the oxygen concentration is higher. However, in the stacked fuel cell of this configuration, as described above, the oxidant gas outlet is A large amount of fuel gas is supplied to the side closer to the oxidant gas inlet than to the side closer to, and the amount of supplied hydrogen is larger toward the side closer to the oxidant gas inlet, so the decrease in hydrogen concentration is alleviated, The hydrogen concentration distribution is even compared to the conventional example,
The occurrence of hydrogen deficiency in the portion near the fuel gas outlet and the oxidant gas inlet will be avoided. If the flow rate distribution of the fuel gas is configured as in this configuration, the hydrogen concentration on the side close to the oxidant gas outlet will decrease, but FIG. 4 shows the oxygen concentration distribution in the unit cell plane. As described above, since the oxygen concentration in the oxidant gas is decreasing on the oxidant gas outlet side,
There is no fear of hydrogen shortage.

【0019】図5は、本発明の積層型燃料電池の第2の
実施例の縦断面図である。本実施例においては、燃料電
池積層体12の側面の一つに設けられた燃料ガス供給用
マニホールド13に、下部から上部に行くに従い流路抵
抗が増大するよう構成された流量調整手段21Aが設け
られているのが特徴である。したがって、本構成では、
燃料ガス入口17より供給された燃料ガスは、燃料電池
積層体12の下側に配置された単セルに多量に流れ、上
側に配置された単セルには少量流れることとなる。すで
に述べたように、燃料ガス中の水素は相対的に比重が小
さいので上部を流れる燃料ガスほど水素濃度が高くなり
下部を流れる燃料ガスほど水素濃度が低くなるが、本構
成のごとく流量を調整すれば、下部においても水素流量
の減少が防止されるので水素不足の発生に伴うトラブル
を回避することが可能となる。
FIG. 5 is a longitudinal sectional view of a second embodiment of the laminated fuel cell of the present invention. In this embodiment, the fuel gas supply manifold 13 provided on one of the side surfaces of the fuel cell stack 12 is provided with the flow rate adjusting means 21A configured so that the flow path resistance increases from the lower portion to the upper portion. It is characterized by being. Therefore, in this configuration,
A large amount of the fuel gas supplied from the fuel gas inlet 17 flows to the unit cells arranged on the lower side of the fuel cell stack 12, and a small amount flows to the unit cells arranged on the upper side. As described above, the specific gravity of hydrogen in the fuel gas is relatively small, so the fuel gas flowing in the upper part has a higher hydrogen concentration and the fuel gas flowing in the lower part has a lower hydrogen concentration, but the flow rate is adjusted as in this configuration. In this case, the hydrogen flow rate is prevented from decreasing even in the lower part, so that it is possible to avoid troubles caused by the hydrogen shortage.

【0020】なお、上述の実施例においては、いずれも
燃料ガス供給用マニホールド13に流量調整手段を組み
込んで流量を調整しているが、燃料ガス排出用マニホー
ルド14に組み込んでも同様に流量が調整され、水素不
足が回避される。また、燃料ガス供給用マニホールド1
3あるいは燃料ガス排出用マニホールド14に組み込ん
で燃料ガスの流量を調整する代わりに、酸化剤ガス供給
用マニホールド15あるいは酸化剤ガス排出用マニホー
ルド16に流量調整手段を組み込んで酸化剤ガスの流量
を調整し、燃料ガス中の水素濃度の高い部分に多量の酸
化剤ガスを、水素濃度の低い部分には少量の酸化剤ガス
を流すこととしても水素不足個所の発生が回避される。
In each of the above-described embodiments, the flow rate adjusting means is incorporated in the fuel gas supply manifold 13 to adjust the flow rate, but the flow rate is similarly adjusted by incorporating it in the fuel gas discharge manifold 14. , Hydrogen shortage is avoided. Further, the fuel gas supply manifold 1
3 or instead of being incorporated in the fuel gas discharge manifold 14 to adjust the flow rate of the fuel gas, flow rate adjusting means is incorporated in the oxidant gas supply manifold 15 or the oxidant gas discharge manifold 16 to adjust the flow rate of the oxidant gas. However, even if a large amount of oxidant gas is supplied to a portion of the fuel gas having a high hydrogen concentration and a small amount of oxidant gas is supplied to a portion of the fuel gas having a low hydrogen concentration, occurrence of a hydrogen deficient portion is avoided.

【0021】[0021]

【発明の効果】上述のように、本発明によれば、単セル
を複数層積層する毎に冷却板を挿入して略垂直方向に積
層して形成される燃料電池積層体と、その側面に配置さ
れる酸化剤ガス供給用のマニホールド、酸化剤ガス排出
用のマニホールド、燃料ガス供給用のマニホールドおよ
び燃料ガス排出用のマニホールドを備える積層型燃料電
池において、上記の4個のマニホールドのうち少なくと
もいずれか一つのマニホールドに、ガス流量分布を調整
する流量調整手段を付設することとし、とくに、酸化剤
ガス供給用のマニホールドに近接する側面から酸化剤ガ
ス排出用のマニホールドに近接する側面へと水平方向に
行くに従い連続的に、あるいは断続的に流路抵抗が増大
するように形成した流量調整手段を、燃料ガス供給用の
マニホールドと燃料ガス排出用のマニホールドの少なく
ともいずれか一方に付設することとしたので、単セルの
面内での水素不足部分の発生による損傷が回避され、長
期にわたり安全に使用できる積層型燃料電池が得られる
こととなった。
As described above, according to the present invention, a fuel cell stack formed by inserting a cooling plate every time a plurality of single cells are stacked and stacking them in a substantially vertical direction, and a side surface thereof At least one of the above four manifolds in a stacked fuel cell provided with an oxidant gas supply manifold, an oxidant gas discharge manifold, a fuel gas supply manifold, and a fuel gas discharge manifold that are arranged. One of the manifolds will be equipped with a flow rate adjusting means for adjusting the gas flow rate distribution, especially in the horizontal direction from the side surface close to the oxidant gas supply manifold to the side surface close to the oxidant gas discharge manifold. The flow rate adjusting means formed so that the flow path resistance increases continuously or intermittently as Since it will be attached to at least one of the gas exhaust manifolds, damage due to hydrogen deficiency in the plane of the single cell can be avoided, and a laminated fuel cell that can be used safely for a long time can be obtained. Became.

【0022】さらにまた、下部から上部へと垂直方向に
行くに従い連続的に、あるいは断続的に流路抵抗が増大
するように形成した流量調整手段を、燃料ガス供給用の
マニホールドと燃料ガス排出用のマニホールドの少なく
ともいずれか一方に付設することとすれば、比重差によ
る燃料ガス中の水素濃度の変動に起因する水素不足部分
の発生による損傷が回避され、長期にわたり安全に使用
できる積層型燃料電池が得られることとなる。
Furthermore, a flow rate adjusting means formed so that the flow path resistance increases continuously or intermittently from the lower part to the upper part in the vertical direction is provided with a manifold for fuel gas supply and a fuel gas discharge. If it is attached to at least one of the manifolds, it is possible to avoid damage due to the occurrence of hydrogen deficiency due to fluctuations in hydrogen concentration in the fuel gas due to the difference in specific gravity, and it is possible to use it safely for a long time. Will be obtained.

【図面の簡単な説明】[Brief description of drawings]

【図1】本発明の積層型燃料電池の第1の実施例の横断
面図
FIG. 1 is a cross-sectional view of a first embodiment of a laminated fuel cell of the present invention.

【図2】第1の実施例の積層型燃料電池の燃料供給用マ
ニホールド13における燃料ガスの流れの特性図で、
(a)は流量調整板21の前後の流れの模式図、(b)
は流量調整板21通過後の流量分布図
FIG. 2 is a characteristic diagram of the flow of fuel gas in the fuel supply manifold 13 of the stacked fuel cell of the first embodiment,
(A) is a schematic diagram of the flow before and after the flow rate adjusting plate 21, (b)
Is the flow distribution map after passing through the flow adjustment plate 21

【図3】第1の実施例の積層型燃料電池の単セル面内の
水素濃度分布図
FIG. 3 is a hydrogen concentration distribution map within a single cell plane of the stacked fuel cell according to the first embodiment.

【図4】第1の実施例の積層型燃料電池の単セル面内の
酸素濃度分布
FIG. 4 is an oxygen concentration distribution in a single cell plane of the stacked fuel cell of the first embodiment.

【図5】本発明の積層型燃料電池の第2の実施例の縦断
面図
FIG. 5 is a longitudinal sectional view of a second embodiment of the stacked fuel cell of the present invention.

【図6】この種の積層型燃料電池の燃料電池積層体の基
本構成を示す斜視図
FIG. 6 is a perspective view showing the basic structure of a fuel cell stack of this type of stacked fuel cell.

【図7】従来の積層型燃料電池の基本構成を模式的に示
す縦断面図
FIG. 7 is a vertical cross-sectional view schematically showing the basic structure of a conventional stacked fuel cell.

【図8】従来の積層型燃料電池の単セル面内の水素濃度
分布図
FIG. 8 is a hydrogen concentration distribution map in a single cell plane of a conventional stacked fuel cell.

【図9】従来の積層型燃料電池の単セル面内の酸素濃度
分布
FIG. 9: Oxygen concentration distribution in a single cell plane of a conventional stacked fuel cell

【符号の説明】[Explanation of symbols]

8 単セル 10 冷却板 12 燃料電池積層体 13 燃料ガス供給用マニホールド 14 燃料ガス排出用マニホールド 15 酸化剤ガス供給用マニホールド 16 酸化剤ガス排出用マニホールド 17 燃料ガス入口 18 燃料ガス出口 19 酸化剤ガス入口 20 酸化剤ガス出口 21 流量調整手段 21A 流量調整手段 8 Single Cell 10 Cooling Plate 12 Fuel Cell Stack 13 Fuel Gas Supply Manifold 14 Fuel Gas Discharge Manifold 15 Oxidant Gas Supply Manifold 16 Oxidant Gas Discharge Manifold 17 Fuel Gas Inlet 18 Fuel Gas Outlet 19 Oxidant Gas Inlet 20 oxidant gas outlet 21 flow rate adjusting means 21A flow rate adjusting means

Claims (3)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】電解質を保持するマトリックスを酸化剤電
極と燃料電極とで挟持してなる単セルを複数層積層する
毎に冷却板を挿入して略垂直方向に積層して形成される
燃料電池積層体と、その側面に配置される酸化剤ガス供
給用のマニホールド、酸化剤ガス排出用のマニホール
ド、燃料ガス供給用のマニホールドおよび燃料ガス排出
用のマニホールドとを備える積層型燃料電池において、
前記の4個のマニホールドのうち少なくともいずれか一
つのマニホールドに、ガス流量分布を調整する流量調整
手段を有することを特徴とする積層型燃料電池。
1. A fuel cell which is formed by inserting a cooling plate every time a plurality of single cells, in which a matrix holding an electrolyte is sandwiched between an oxidant electrode and a fuel electrode, is stacked and stacked in a substantially vertical direction. In a laminated fuel cell including a laminated body and an oxidant gas supply manifold, a oxidant gas discharge manifold, a fuel gas supply manifold, and a fuel gas discharge manifold arranged on the side surface thereof,
A laminated fuel cell, wherein at least one of the four manifolds has a flow rate adjusting means for adjusting a gas flow rate distribution.
【請求項2】前記流量調整手段が、燃料ガス供給用のマ
ニホールドと燃料ガス排出用のマニホールドのうち少な
くともいずれか一方に付設され、かつ酸化剤ガス供給用
のマニホールドに近接する側面から酸化剤ガス排出用の
マニホールドに近接する側面へと水平方向に行くに従い
連続的に、あるいは断続的に流路抵抗が増大するよう形
成されていることを特徴とする請求項1に記載の積層型
燃料電池。
2. The flow rate adjusting means is attached to at least one of a manifold for supplying fuel gas and a manifold for discharging fuel gas, and the oxidizing gas is supplied from a side surface adjacent to the manifold for supplying oxidizing gas. The laminated fuel cell according to claim 1, wherein the laminated fuel cell is formed so that the flow path resistance increases continuously or intermittently in the horizontal direction toward the side surface close to the discharge manifold.
【請求項3】前記流量調整手段が、燃料ガス供給用のマ
ニホールドと燃料ガス排出用のマニホールドのうち少な
くともいずれか一方に付設され、かつ下部から上部へと
垂直方向に行くに従い連続的に、あるいは断続的に流路
抵抗が増大するよう形成されていることを特徴とする請
求項1または2に記載の積層型燃料電池。
3. The flow rate adjusting means is attached to at least one of a manifold for supplying a fuel gas and a manifold for discharging a fuel gas, and continuously or vertically as it goes from the lower part to the upper part. The laminated fuel cell according to claim 1 or 2, wherein the laminated fuel cell is formed so that the flow path resistance increases intermittently.
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