JPH10199552A - 燃料電池のスタック積層構造 - Google Patents
燃料電池のスタック積層構造Info
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- JPH10199552A JPH10199552A JP9005963A JP596397A JPH10199552A JP H10199552 A JPH10199552 A JP H10199552A JP 9005963 A JP9005963 A JP 9005963A JP 596397 A JP596397 A JP 596397A JP H10199552 A JPH10199552 A JP H10199552A
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Abstract
(57)【要約】
【課題】 スタック内の各セル間の流量差を低減するこ
とができ、これにより、中間ヘッダ部を設けることな
く、スタック積層数を増大させることができる燃料電池
のスタック積層構造を提供する。 【解決手段】 供給側マニホールド１４と排出側マニホ
ールド１５の少なくとも一方が、反応ガス１６の流入流
出側から離れるにつれ流路面積が漸減していおり、これ
により、マニホールド内の流速ｖの変化を低減し、静圧
Ｐの増大割合を変え、スタック内の各セル間の圧力差Δ
Ｐ（及び流量差）を低減する。
とができ、これにより、中間ヘッダ部を設けることな
く、スタック積層数を増大させることができる燃料電池
のスタック積層構造を提供する。 【解決手段】 供給側マニホールド１４と排出側マニホ
ールド１５の少なくとも一方が、反応ガス１６の流入流
出側から離れるにつれ流路面積が漸減していおり、これ
により、マニホールド内の流速ｖの変化を低減し、静圧
Ｐの増大割合を変え、スタック内の各セル間の圧力差Δ
Ｐ（及び流量差）を低減する。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は溶融炭酸塩型燃料電
池のスタック積層構造に関する。
池のスタック積層構造に関する。
【０００２】
【従来の技術】溶融炭酸塩型燃料電池は、図３に示すよ
うに、薄い平板状の電解質板（タイル）１を燃料極（ア
ノード）２と空気極（カソード）３の平板状の電極で挟
んだ単セル４と、導電性のバイポーラプレート（セパレ
ータ）５とからなる。セパレータ５は、単セルでは電圧
が低い（０．８Ｖ程度）ため、これを多段に積層した電
池とするために用いられる。この積層電池をスタックと
呼ぶ。
うに、薄い平板状の電解質板（タイル）１を燃料極（ア
ノード）２と空気極（カソード）３の平板状の電極で挟
んだ単セル４と、導電性のバイポーラプレート（セパレ
ータ）５とからなる。セパレータ５は、単セルでは電圧
が低い（０．８Ｖ程度）ため、これを多段に積層した電
池とするために用いられる。この積層電池をスタックと
呼ぶ。
【０００３】更に、スタック内の各セルにプロセスガス
を供給する手段として、図４に示すように、スタックの
側面から直接プロセスガスを供給する外部マニホールド
方式（Ａ）と、セパレータ自体に垂直な貫通マニホール
ド６を備え、このマニホールドを介して各セルにプロセ
スガスを供給する内部マニホールド方式（Ｂ）とがあ
る。内部マニホールド方式は、スタックの高さ，スタッ
ク側面の凹凸の影響を受けないため、スタック構成要素
の寸法，精度を緩やかにでき、量産化に適していると共
に、組立性に優れている特徴がある。
を供給する手段として、図４に示すように、スタックの
側面から直接プロセスガスを供給する外部マニホールド
方式（Ａ）と、セパレータ自体に垂直な貫通マニホール
ド６を備え、このマニホールドを介して各セルにプロセ
スガスを供給する内部マニホールド方式（Ｂ）とがあ
る。内部マニホールド方式は、スタックの高さ，スタッ
ク側面の凹凸の影響を受けないため、スタック構成要素
の寸法，精度を緩やかにでき、量産化に適していると共
に、組立性に優れている特徴がある。
【０００４】一般に、マニホールドは大きいほど、各セ
ルへの流配（流量の配分）は良くなる。しかし、マニホ
ールドを大きくすることはスタックのコストに直接影響
するため、流配，コストを考慮した最適設計が要求され
る。内部マニホールド方式におけるガスの流れ方式に
は、図５に示すように、（Ａ）正流方式と（Ｂ）反流方
式とがあり、マニホールド内の圧力分布は、図６に示す
ようになる。各セルを流れるガス流量を一様に近ずける
には、各セルの出入口間の圧力差を同一にする必要があ
り、図５及び図６から、反流方式（Ｂ）のほうが各セル
の圧力差がより一様であり、好ましいことがわかる。
ルへの流配（流量の配分）は良くなる。しかし、マニホ
ールドを大きくすることはスタックのコストに直接影響
するため、流配，コストを考慮した最適設計が要求され
る。内部マニホールド方式におけるガスの流れ方式に
は、図５に示すように、（Ａ）正流方式と（Ｂ）反流方
式とがあり、マニホールド内の圧力分布は、図６に示す
ようになる。各セルを流れるガス流量を一様に近ずける
には、各セルの出入口間の圧力差を同一にする必要があ
り、図５及び図６から、反流方式（Ｂ）のほうが各セル
の圧力差がより一様であり、好ましいことがわかる。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】上述したように、内部
マニホールド方式（図４Ｂ）の燃料電池では、従来、マ
ニホールド内をガスの流れ方式として、反流方式（図５
Ｂ）が用いられ、各セパレータには、主として製造上の
理由から同一寸法のマニホールドが設けられていた。
マニホールド方式（図４Ｂ）の燃料電池では、従来、マ
ニホールド内をガスの流れ方式として、反流方式（図５
Ｂ）が用いられ、各セパレータには、主として製造上の
理由から同一寸法のマニホールドが設けられていた。
【０００６】しかし、上述した燃料電池（スタック）に
おける積層段数が大きくなる（例えば１００段以上）
と、内部マニホールド内の流速差が大きくなり過ぎる問
題点があった。このため、図６（Ｂ）に示すように、ガ
スが流入／流出する低段部における入口／出口間の圧力
差が高段部よりも大きくなり、流量差が過大になる問題
点があった。
おける積層段数が大きくなる（例えば１００段以上）
と、内部マニホールド内の流速差が大きくなり過ぎる問
題点があった。このため、図６（Ｂ）に示すように、ガ
スが流入／流出する低段部における入口／出口間の圧力
差が高段部よりも大きくなり、流量差が過大になる問題
点があった。
【０００７】この問題点を解決するため、従来のスタッ
クでは、流量差が問題にならない程度の段数以下にスタ
ック積層数を制限し、そのスタック数毎に中間ヘッダ部
（ガスの流入流出部）を設けていた。しかし、中間ヘッ
ダ部は、ガスの流入／流出部や電流取出部等を設ける必
要があるため、セルとセパレータが積層された部分に比
較して大型になり、全体としてスタックが大型化しコス
トダウンが困難になる等の問題点があった。
クでは、流量差が問題にならない程度の段数以下にスタ
ック積層数を制限し、そのスタック数毎に中間ヘッダ部
（ガスの流入流出部）を設けていた。しかし、中間ヘッ
ダ部は、ガスの流入／流出部や電流取出部等を設ける必
要があるため、セルとセパレータが積層された部分に比
較して大型になり、全体としてスタックが大型化しコス
トダウンが困難になる等の問題点があった。
【０００８】本発明は、かかる問題点を解決するために
創案されたものである。すなわち本発明の目的は、スタ
ック内の各セル間の流量差を低減することができ、これ
により、中間ヘッダ部を設けることなく、スタック積層
数を増大させることができる燃料電池のスタック積層構
造を提供することにある。
創案されたものである。すなわち本発明の目的は、スタ
ック内の各セル間の流量差を低減することができ、これ
により、中間ヘッダ部を設けることなく、スタック積層
数を増大させることができる燃料電池のスタック積層構
造を提供することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】本発明によれば、複数の
セルがセパレータを介して積層され、各セパレータが積
層方向に連通した内部マニホールドを有し、該マニホー
ルドを介して各セルに反応ガスが供給されかつ排出され
る燃料電池において、供給側マニホールドと排出側マニ
ホールドの少なくとも一方が、ガスの流入流出側から離
れるにつれ流路面積が漸減している、ことを特徴とする
燃料電池のスタック積層構造が提供される。
セルがセパレータを介して積層され、各セパレータが積
層方向に連通した内部マニホールドを有し、該マニホー
ルドを介して各セルに反応ガスが供給されかつ排出され
る燃料電池において、供給側マニホールドと排出側マニ
ホールドの少なくとも一方が、ガスの流入流出側から離
れるにつれ流路面積が漸減している、ことを特徴とする
燃料電池のスタック積層構造が提供される。
【００１０】マニホールド内では各セルへのガス流があ
るためガスの流入流出側から徐々に流量が少なくなり、
ベルヌーイの定理（ρｖ2 ／２＋Ｐ＝一定）により、静
圧は徐々に増大する（マニホールドの流路面積が同一の
場合：図６参照）。これに対して、上述した本発明の構
成によれば、マニホールドの流路面積が流入流出側から
離れるにつれ漸減しているので、このマニホールド内で
は、流速の変化が低減され、静圧の増大割合を変えるこ
とができる。従って、供給側又は排出側のマニホールド
の一方又は両方の流路面積を最適に設定することによ
り、スタック内の各セル間の圧力差（及び流量差）を低
減することができ、これにより、中間ヘッダ部を設ける
ことなく、スタック積層数を増大させることができる。
るためガスの流入流出側から徐々に流量が少なくなり、
ベルヌーイの定理（ρｖ2 ／２＋Ｐ＝一定）により、静
圧は徐々に増大する（マニホールドの流路面積が同一の
場合：図６参照）。これに対して、上述した本発明の構
成によれば、マニホールドの流路面積が流入流出側から
離れるにつれ漸減しているので、このマニホールド内で
は、流速の変化が低減され、静圧の増大割合を変えるこ
とができる。従って、供給側又は排出側のマニホールド
の一方又は両方の流路面積を最適に設定することによ
り、スタック内の各セル間の圧力差（及び流量差）を低
減することができ、これにより、中間ヘッダ部を設ける
ことなく、スタック積層数を増大させることができる。
【００１１】本発明の好ましい実施形態によれば、供給
側マニホールドと排出側マニホールドの差圧が所定値以
内になるように、複数段毎に漸減する流路面積を有す
る。この構成により、同一の流路面積を有するセパレー
タを複数段（例えば数十段）共通に使用することがで
き、製造コストの上昇を最少限に抑えることができる。
側マニホールドと排出側マニホールドの差圧が所定値以
内になるように、複数段毎に漸減する流路面積を有す
る。この構成により、同一の流路面積を有するセパレー
タを複数段（例えば数十段）共通に使用することがで
き、製造コストの上昇を最少限に抑えることができる。
【００１２】
【発明の実施の形態】以下に本発明の好ましい実施形態
を図面を参照して説明する。なお、各図において、共通
する部分には同一の符号を付し重複した説明を省略す
る。図１は、本発明の燃料電池のスタック積層構造の原
理図であり、（Ａ）は本発明によるスタック積層構造を
備えた燃料電池、（Ｂ）はその模式図を示している。
を図面を参照して説明する。なお、各図において、共通
する部分には同一の符号を付し重複した説明を省略す
る。図１は、本発明の燃料電池のスタック積層構造の原
理図であり、（Ａ）は本発明によるスタック積層構造を
備えた燃料電池、（Ｂ）はその模式図を示している。
【００１３】図１（Ａ）において、複数のセル１１がセ
パレータ１２を介して積層され、各セパレータ１２が積
層方向に連通した内部マニホールド１４，１５を有し、
このマニホールド１４，１５を介して各セル１１に反応
ガス１６が供給されかつ排出されるようになっている。
図１（Ｂ）は（Ａ）に対応する分配・集合管である。こ
の図に示すように、燃料電池におけるスタック積層方向
の流配性能は、反流形の分配・集合管として扱うことが
できる。すなわち、燃料電池（Ａ）における内部マニホ
ールド（供給側マニホールド１４と排出側マニホールド
１５）は、（Ｂ）における分配管と集合管に相当し、燃
料電池（Ａ）における各セル１１を流れる流路が、
（Ｂ）における支管に相当する。
パレータ１２を介して積層され、各セパレータ１２が積
層方向に連通した内部マニホールド１４，１５を有し、
このマニホールド１４，１５を介して各セル１１に反応
ガス１６が供給されかつ排出されるようになっている。
図１（Ｂ）は（Ａ）に対応する分配・集合管である。こ
の図に示すように、燃料電池におけるスタック積層方向
の流配性能は、反流形の分配・集合管として扱うことが
できる。すなわち、燃料電池（Ａ）における内部マニホ
ールド（供給側マニホールド１４と排出側マニホールド
１５）は、（Ｂ）における分配管と集合管に相当し、燃
料電池（Ａ）における各セル１１を流れる流路が、
（Ｂ）における支管に相当する。
【００１４】本発明によれば、供給側マニホールド１４
と排出側マニホールド１５の少なくとも一方（この例で
は、供給側マニホールド１４）が、ガスの流入流出側か
ら離れるにつれ流路面積が漸減している。すなわち、供
給側マニホールド１４は、複数段毎に漸減する流路面積
を有しており、この漸減の度合は、供給側マニホールド
と排出側マニホールドの差圧が所定値以内になるように
設定されている。
と排出側マニホールド１５の少なくとも一方（この例で
は、供給側マニホールド１４）が、ガスの流入流出側か
ら離れるにつれ流路面積が漸減している。すなわち、供
給側マニホールド１４は、複数段毎に漸減する流路面積
を有しており、この漸減の度合は、供給側マニホールド
と排出側マニホールドの差圧が所定値以内になるように
設定されている。
【００１５】図２は、本発明の積層電池におけるマニホ
ールド内圧力分布図であり、（Ａ）は従来例、（Ｂ）は
図１に示した本発明の場合を示している。上述した反流
形の分配・集合管との対応から、供給側マニホールド１
４（分配管）と排出側マニホールド１５（集合管）にお
ける圧力は〔数１〕の式と式で表すことができる。
ールド内圧力分布図であり、（Ａ）は従来例、（Ｂ）は
図１に示した本発明の場合を示している。上述した反流
形の分配・集合管との対応から、供給側マニホールド１
４（分配管）と排出側マニホールド１５（集合管）にお
ける圧力は〔数１〕の式と式で表すことができる。
【００１６】
【数１】
【００１７】式において、ｊはスタック積層位置を
表し、ガスヘッダー側（ガスの流入流出側）を１とす
る。反流形では、両式右辺の第１項は常に正（分配側の
静圧回復分）となり、図２（Ａ）に示すような圧力分布
となる。スタックにおける流配を改善するためには、分
配に従って流速を回復させること、すなわち式の右辺
第１項を大きくする必要がある。
表し、ガスヘッダー側（ガスの流入流出側）を１とす
る。反流形では、両式右辺の第１項は常に正（分配側の
静圧回復分）となり、図２（Ａ）に示すような圧力分布
となる。スタックにおける流配を改善するためには、分
配に従って流速を回復させること、すなわち式の右辺
第１項を大きくする必要がある。
【００１８】従って、図１に示したように、供給側マニ
ホールド１４の流路面積をガスの流入流出側から離れる
につれ漸減させることにより、図２（Ｂ）に模式的に示
すように、このマニホールド内では、流速の変化が低減
され、静圧の増大割合を変えることができる。すなわ
ち、供給側又は排出側のマニホールドの一方又は両方の
流路面積を最適に設定することにより、スタック内の各
セル間の圧力差（及び流量差）を低減することができ、
これにより、中間ヘッダ部を設けることなく、スタック
積層数を増大させることができる。
ホールド１４の流路面積をガスの流入流出側から離れる
につれ漸減させることにより、図２（Ｂ）に模式的に示
すように、このマニホールド内では、流速の変化が低減
され、静圧の増大割合を変えることができる。すなわ
ち、供給側又は排出側のマニホールドの一方又は両方の
流路面積を最適に設定することにより、スタック内の各
セル間の圧力差（及び流量差）を低減することができ、
これにより、中間ヘッダ部を設けることなく、スタック
積層数を増大させることができる。
【００１９】なお、上述した実施形態では、排出側マニ
ホールド１５の流路面積のみを段階的に漸減させたが、
本発明はこれに限定されず、供給側又は排出側のマニホ
ールドの一方又は両方を漸減させてもよい。また、マニ
ホールドの流路面積は、各セル毎に変化（漸減）させて
もよいが、図２（Ｂ）に示したように、供給側マニホー
ルドと排出側マニホールドの差圧が所定値以内になるよ
うに、複数段毎に漸減させることにより、同一の流路面
積を有するセパレータを複数段（例えば数十段）共通に
使用することができ、製造コストの上昇を最少限に抑え
ることができる。
ホールド１５の流路面積のみを段階的に漸減させたが、
本発明はこれに限定されず、供給側又は排出側のマニホ
ールドの一方又は両方を漸減させてもよい。また、マニ
ホールドの流路面積は、各セル毎に変化（漸減）させて
もよいが、図２（Ｂ）に示したように、供給側マニホー
ルドと排出側マニホールドの差圧が所定値以内になるよ
うに、複数段毎に漸減させることにより、同一の流路面
積を有するセパレータを複数段（例えば数十段）共通に
使用することができ、製造コストの上昇を最少限に抑え
ることができる。
【００２０】なお、本発明は上述した実施形態に限定さ
れず、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々変更できる
ことは勿論である。
れず、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々変更できる
ことは勿論である。
【００２１】
【発明の効果】上述したように、本発明の燃料電池のス
タック積層構造は、スタック内の各セル間の流量差を低
減することができ、これにより、中間ヘッダ部を設ける
ことなく、スタック積層数を増大させることができる、
等の優れた効果を有する。
タック積層構造は、スタック内の各セル間の流量差を低
減することができ、これにより、中間ヘッダ部を設ける
ことなく、スタック積層数を増大させることができる、
等の優れた効果を有する。
【図１】本発明の燃料電池のスタック積層構造の原理図
である。
である。
【図２】本発明の積層電池におけるマニホールド内圧力
分布図である。
分布図である。
【図３】従来の積層電池の構造図である。
【図４】外部マニホールド方式と内部マニホールド方式
の構造図である。
の構造図である。
【図５】マニホールド内のガスの流れ方式の比較図であ
る。
る。
【図６】マニホールド内の圧力分布の比較図である。
１ 電解質板（タイル） ２ 燃料極（アノード） ３ 空気極（カソード） ４ 単セル ５ バイポーラプレート（セパレータ） ６ マニホールド １１ セル １２ セパレータ １４ 供給側マニホールド １５ 排出側マニホールド １６ 反応ガス
Claims (2)
- 【請求項１】 複数のセルがセパレータを介して積層さ
れ、各セパレータが積層方向に連通した内部マニホール
ドを有し、該マニホールドを介して各セルに反応ガスが
供給されかつ排出される燃料電池において、 供給側マニホールドと排出側マニホールドの少なくとも
一方が、ガスの流入流出側から離れるにつれ流路面積が
漸減している、ことを特徴とする燃料電池のスタック積
層構造。 - 【請求項２】 供給側マニホールドと排出側マニホール
ドの差圧が所定値以内になるように、複数段毎に漸減す
る流路面積を有する、ことを特徴とする請求項１に記載
の燃料電池のスタック積層構造。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP00596397A JP3627834B2 (ja) | 1997-01-17 | 1997-01-17 | 燃料電池のスタック積層構造 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP00596397A JP3627834B2 (ja) | 1997-01-17 | 1997-01-17 | 燃料電池のスタック積層構造 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH10199552A true JPH10199552A (ja) | 1998-07-31 |
| JP3627834B2 JP3627834B2 (ja) | 2005-03-09 |
Family
ID=11625546
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP00596397A Expired - Fee Related JP3627834B2 (ja) | 1997-01-17 | 1997-01-17 | 燃料電池のスタック積層構造 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP3627834B2 (ja) |
Cited By (10)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| EP0999605A2 (en) * | 1998-11-06 | 2000-05-10 | Honda Giken Kogyo Kabushiki Kaisha | Fuel cell stack |
| US6524735B1 (en) | 1999-05-18 | 2003-02-25 | Honda Giken Kogyo Kabushiki Kaisha | Fuel cell stack with a curved flow guide section |
| EP1387428A2 (en) | 2002-06-24 | 2004-02-04 | Delphi Technologies, Inc. | Manifold sizing and configuration for a fuel cell stack |
| WO2007046231A1 (ja) * | 2005-10-20 | 2007-04-26 | Nec Corporation | 燃料電池システム及び燃料電池セル |
| JP2007141574A (ja) * | 2005-11-16 | 2007-06-07 | Paloma Ind Ltd | 燃料電池スタック |
| JP2008053105A (ja) * | 2006-08-25 | 2008-03-06 | Toyota Motor Corp | 燃料電池セルおよびそれを備えた燃料電池 |
| JP2010129266A (ja) * | 2008-11-26 | 2010-06-10 | Kyocera Corp | 燃料電池セルスタック装置、燃料電池モジュールおよび燃料電池装置 |
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| WO2018083920A1 (ja) * | 2016-11-04 | 2018-05-11 | 日本特殊陶業株式会社 | 電気化学反応セルスタック |
| CN117727991A (zh) * | 2024-02-08 | 2024-03-19 | 浙江海盐力源环保科技股份有限公司 | 新型电堆结构 |
-
1997
- 1997-01-17 JP JP00596397A patent/JP3627834B2/ja not_active Expired - Fee Related
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