JPS6039773A - 積層形燃料電池 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の技術分野〕 この発明は積層形燃料屯池に関し、特に積層方向と直角
な面の面圧、温度、及び′電流分布を均一化しようとす
るものである。

〔従来技術〕

第１図は従来の積層形燃料゛厖池の一部切欠いて内部を
示す斜視図であり、図において、ｔＤ　Ｈ燃料電極と酸
化剤電極間Ｉて電解ｎマＩ−ＩＪラックス介在した単電
池、（２）灯燃料電極に対設する燃料ガス流路（図示せ
ず）と酸化剤電極に対設する酸化剤ガス流路（図示せず
）とを分離するガス分離板、（３１は単電池ｔ１＋と！
、′ス分離板（２）とを交互に複数個積層して構成した
。噴層体の上下に配置した端板、（１４ａｌ。

（１４１））、　（ｌ！５ａ）、　（１５ｂ）　ｔｒｉ
それぞれ上記積層体の側面に配設され、燃料及び酸化剤
ガスを積層体に設は几燃料及び酸化剤ガス流路（図示せ
ず）に供給、排出するマニホールドであり、（１４ａ）
　Ｉｔｓ燃料入口側マニホールド、（１４１））ｔ−を
燃料出口側マニホールド、（１５ａ）　ｈ　酸化剤入口
側マニホールド、（１５ｂ）　ｆｉ酸化剤出口側マラホ
ールドである。なお、矢印Ａ、Ｂはそれぞれ燃料および
酸化剤ガスの流れる方向を示す。

次に動作について説明する。燃料および酸化剤入口側マ
ニホールド（１４ａ）、　（１５ａ）　’ｆ＜介して燃
料及び酸化剤ガス流路に供給された燃料及び酸化剤ガス
は、多孔質の各電極に拡散し、電気化学反応に寄与して
水を生成すると共に直流電力を発生する。

このとき発生した直流電力は、単電池ｔｌ）がガス分離
板（２）ヲ介して直列に接続されているため、端板（３
）より外部の電気回路へ導かれる。なお、反応に寄与し
なか°つた未反応の燃料及び酸化剤ガスは、それぞれｔ
亥当する出口側マニホールド（１４１））、　（１５ｂ
）から外部へ排出される。

ところで、従来の積層形燃料電池では、燃料及び酸化剤
ガスが一定方向に流れていたため、単電池ｆｉ＋平面内
において、燃料及び酸化剤ガスの入口側に相当する部分
と出口側に相当する部分とで燃料及び酸化剤ガスの分圧
が高いもの同志、低いもの同志が重なるため、ガス分圧
に依存する電気化学反応量が単電池ｆｉ＋平面内で非常
に不均一となり、その結果電気分布、温度分布１面圧の
分布が不均一となる。さらに、この単電池ｆｉ＋の積層
体である積層形燃料電池においては、上記不均一な電流
。

温度、及び面圧の分布が積層方向に重なるため相乗作用
を生じ、安定な電池特性が得られない。すなわち、第１
図ｉｃｋいて、ｄで示す部分は燃料及び酸化剤ガスの分
圧が共に高く、上記電気化学反応が盛んであるので、発
電量も多く、温度も高く、熱膨張にＬり面圧も為＜彦っ
ている。高温で、しかも熱膨張により燃料及び酸化剤ガ
ス流路の断面積が大きくなったｄの部分で灯、エリ反応
が盛んとなる。他方、ｂで示す部分は燃料及び酸化剤ガ
スの分圧が共に低く反応量が少ないため、発電量も少な
く、温度２面圧も低くなっている。ａとＣで示す部分に
ついては、発電量、温度２面圧共に両者の中間ぐらいで
ある。

以上のように、従来の積層形燃料電池においては、積層
方向と直角な面の電流、温度、及び面圧の分布が不均一
であり、積層方向でこの不均一さの相乗作用を生じるた
め、安定な電池特性が得られないという欠点があった。

〔発明の概要〕

この発明は上記のような従来のものの欠点全除去するた
めになされたもので、積層体を第１．第２、・・−・−
・・、第ｎブロックのように複数個にブロック化し、第
１ブロツクの燃料ガス流路ニ供給した燃料ガスを順ＶＣ
第２．・・−・−・・、第ｎブロックに供給し、逆に第
ｎブロックの酸化剤ガス流ＦＮｒｃ供給した酸化剤ガス
全項に第ｎ−１，・・・・・−・・、第１ブロツクに供
給することにより、上記第１．第２．・・・・・−・・
。

第１ブロツクに亘って反応を均一化させるようにするこ
とにより、上記各ブロックに亘って電流。

温度、及び面圧の分布も均一化でき、積層方向での相乗
作用を緩和できる積層形燃料電池を提供することを目的
としている。

〔発明の実施例〕

第２図はこの発（７）の一実施例による積層形燃料電池
の一部切欠いて内部を示す斜視図である。図におＶｈで
＝４ｒｔａ積層体を２つのブロックに分割するために用
いるガスリターン分離板であり、ガス分離板（２）と同
じ材質でできている。（５ａ）　ｕ燃料入口、出口用マ
ニホールド、（５ｂ）Ｖｉ燃料リターンマニホールド、
（６ａ）　ｉｊ酸化剤入口、出口用マニホールド、（６
ｂ）　Ｈ酸化剤リターンマニホールドである。

第３図は第２図のｌｌａ　−１１１ａ線又は■ｂ　−１
１ｂ線断面図であり、燃料ガスの流れ方向と酸化剤ガス
の流れ方向とは同等の断面図になる。図において、矢印
で示したガスの流れ方向は実線が燃料ガスを、破線が酸
化剤ガスを示している。また、マニホールＦ　（５ａ）
、　（６ａ）の内部において、燃料ガスあるいは酸化剤
ガスの入口側と出口側が混同しないように仕切板（７）
が設けられている。

次に動作について説明する。単電池（１）内における電
気化学反応及び生じた電流を外部の電気回路へ導く方法
は、従来の積層形燃料電池を動作させる場合と同様であ
る。以下の説明においては、主に燃料及び酸化剤ガスの
流れる様子について説明する。そこで、説明の都合上ガ
スリターン分離板（４）の上部に積層されている積層体
を第１ブロツク、下部に積層されている積層体を第２ブ
ロツクと称す。第２図において、燃料入口、出口用マニ
ホールド（５ａ）の第１ブロツク側に供給された燃料ガ
スは、第１ブロツク内で電気化学反応に寄与した後、燃
料リターンマニホールド（５ｂ）の内部に流出する。

続いて、この燃料ガスな第２ブロツクに供給され、第２
ブロツク内で電気化学反応に寄与した後、燃料入口、出
口用マニホールド（５ａ）の第２ブロツク側に流出し系
外へ排出される。一方、酸化剤ガスは、酸化剤入口、出
口用マニホールド（６ａ）の第２プ四ツク側より流入し
、第２ブロツク内で電気化学反応に寄与した後、酸化剤
リターンマニホールド（６ｂ）の内部に流出する。続い
て、この酸化剤ガスは第１プロツ、りに供給され、第１
ブロツク内で電気化学反応に寄与しπ後、酸化剤入口、
出口用マニホールド（６ａ）の第１ブロツク側に流出し
、系外へ排出される。

この実施例によると、第１ブロツクでは燃料ガス分圧が
高く酸化剤ガス分圧が低くなり、第２ブロツクでは逆に
燃料ガス分圧が低く酸化剤ガス分圧が高くなる。このよ
うな圧力分布を生じきせることにより、燃料及び酸化剤
ガス分圧の両方共が高い部分あるいは両方共が低い部分
が積層方向に重々って生じることがなくなり、第１．第
２両ブロックに亘って反応全均一化させることができる
ので、両ブロックに亘って電流、温度、及び面圧の分布
も均一化できる。このため、従来形の欠点であった電流
等の分布の不均一性の積層方向での相乗作用が緩和され
、安定な電池特性が得られる。

また、一般に、燃料ガスと酸化剤ガスの流れ方向による
ガス分圧降下の電池特性に及ぼす影響は酸化剤ガスの方
が大きい。この酸化剤ガスの分圧降下の影響全緩和する
ために、酸化剤ガス上流側の積層数が下流側の積層数よ
りも多くなるようにブロック化することが考えられる。

第２図、第３図はこの点を考慮して図示したものであり
、酸化剤ガス上流側（第２ブロツク）の積層数全下流側
（第１ブロツク）よりも多くしである。このように各ブ
ロックの積層ａｋ変える事ＫＬす、エリ安定な電池特性
が得られる。

なお、上記実施例では積層体を積層方向で被数個（上記
実施例では２個）Ｋブロック化した積層方向でのガスリ
ターンについて示したが、積層方向と直角な方向で複数
個Ｑζブロック化した積層方向と直角な方向でのガスリ
ターンであってもＬく、両者を組み合せてもよい。第４
図は両者７組み合せたこの発明の他の実施例で、ガスの
流れ方向ケ中心に示している。図Ｋｂいて、（Ｉ）〜（
１ｖ）はそれぞれ第１〜第４ブロツクを示す。酸化剤ガ
スは積層方向でのリターンのみで、燃料ガスは両者の組
み合せである。また、積層方向では酸化剤ガス上流側昨
）、（２）め積層数を下流側（■）　、　（Ｉ）の積層
数エリも多く、積層方向と直角な方向では燃料ガスの上
流側（Ｄ、４１０対下流側（Ｉｌ）、　（ＩＶ）がそれ
ぞれほぼ２対１となるようにブロック化した場合を示し
ている。

次に燃料及び酸化剤ガスの流れる様子について説明する
。燃料入口、出口用マニホールド（５ａ）の第１ブロツ
ク（Ｉ）側に供給された燃料ガスは、燃料リターンマニ
ホールド（５ｂ）　ｋ経て第２ブロツク（［１）へ供給
される。この燃料ガスは以下同様ＶＣ第３ブロック唾、
第４ブロック（ＩＶ）へと順に供給され、各ブロック（
Ｉ）〜（ＩＶ）内で電気化学反応に寄与した後、燃料入
口、出口用マニホールド（５ａ）の第４ブロツク（ＩＶ
）側に流出し、系外へ排出される。一方、酸化剤ガスは
、酸化剤入口、出口用マニホールド（６ａ）の第４ブロ
ツク（ＩＶ）側エリ流入し、第３ブロツク（２）から酸
化剤リターンマニホールド（ａｂ）　ｋ経て第２ブロツ
ク（■）、第１ブロツク（Ｉ）へと順に供給され、各ブ
ロック（Ｉ）〜（至）内で電気化学反応に寄与しπ後、
酸化剤入口、出口用マニホールド（６ａ）の第１ブロツ
ク（Ｉ）側に流出し、系外へ排出される。この実施例に
よると、第１〜第４の各ブロック（Ｉ）〜ＱＶ）Ｋ亘っ
て反応をエリ均一に行なわせることができる。

また、積層体のブロック化に際し、その仕切として用い
るガスリターン分離板（４）ハ必ずしも必要ではなく、
マニホールド（５ａ）、　（６ａ）で入口、出口を規制
し１、同じく了１、二ホールド（５ｂ）、　（６ｂ）に
よる反転通路を設けて、例えば次のように実施すること
もできる。つまり、積層体を積層方向にブロック化する
場合は、従来のガス分離板（２）全仕切として用いるこ
とができる。また、積層方向と直角な方向にブロック化
する場合は、燃料及び酸化剤ガス流路が例えば第５図に
示すように四部（８）と凸部（９）による溝で構成され
、凸部（９）が単電池ｆｉ＋またはガス分離板（２）と
気密に接している場合は、この凸部（９）全仕切として
用いることができる。

なお、積層体を複数個にブロック化する仕方は第２図〜
第４図の実施例に限るものではなく、積層方向ｖｃ３つ
あるいけそれ以上に分割してもよく、積層方向と直角な
方向についても同様である。また、燃料及び酸化剤ガス
の入口用マニホールドと出口用マニホールドとは積層体
の同一側面に設けなくてもよく、例えば積層体を積層方
向・でのみ３つにブロック化する場合、入口用マニホー
ルドと出口用マニホールドとはそれぞれ対向する側面に
設けられる事となる。

〔発明の効果〕

以上のように、こ９発明によ１！Ｉ−ば、積層体を第１
、第２．・・・・・−・・、第ｎブロックのように複数
個にブロック化し、第１ブロツクの燃料ガス流路に供給
した燃料ガスを順に第２．・・・・・・・・・、第ｎブ
ロックに供給し、逆に第ｎブロックの酸化剤ガス流路に
供給した酸化剤ガスを順に第ｎ−１，・・−・・・・・
、第１ブロツクに供給することＫｆす、上記第１．第２
゜・・・・・−・・、第ｎブロックに亘って反応を均一
化させるようにしたので、上記各ブロックに亘って電流
。

温度、及び面圧の分布も均一化でき、積層方向での相乗
作用を緩和できるため、安定した電池特性が得られる効
果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来の積層形燃料電池の一部切欠いて内部を示
す斜視図、第２図はこの発明の一実施例による積層形燃
料電池の一部切欠いて内部を示す斜視図、第３図は第２
図に示す積層形燃料電池の１１１ｒａ　１ｌｌａ線又は
用ｂ−１１１ｂ線断面図、第４図はこの発明の他の実施
例ＶＣＬる積層形燃料電池の主に燃料及、び酸化剤ガス
の流れ方向全中心に示す構成説明図、第５図は一般に用
いられる燃料及び酸化剤ガスの流路を拡大して示す断面
図である。 図において、（ｌは単電池、（２）はガス分離板、（４
）はガスリターン分離板、（５ａ）、　（５ｂ）、　（
１４ａ）、　（１４ｂ）　ｌ−を燃料用マニホールド、
（６ａ）、　（６ｂ）、　（１５ａ）、　（１５ｂ）　
ｌ”ｉ酸化剤用マニホールド、（７）す仕切板、ｔ８１
　、　ｔ９１１ｄそれぞれガス流路凹部及び凸部、（Ｉ
）〜ＧＶ）ａそれぞれ第１〜第４ブロツク、Ａ、Ｂの矢
印はそれぞれ燃料及び酸化剤の流れる方向を示す。 なお、図中同一符号は同一または相当部分ケ示すものと
する。 代理人　大岩増雄 第を図、 第２図 第３図

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. （１）燃料Ｎ極と酸化剤電極間に電解質マドＩ／ックス
   を介在した単電池、及び燃料電極に対設する燃料ガス流
   路と、酸化剤電極に対設する酸化剤ガス流路と全分離す
   るガス分離板ケ交互に複数個積層して積層体を構成し、
   上記燃料ガス流路と酸化剤ガス流路にそれぞれ燃料ガス
   と酸化剤ガスを供給し、発電する積層形燃料電池におい
   て、上記積層体を第１．第２．・・−・・・・、第ｎブ
   ロックのように複数個にブロック化し、第１ブロツクの
   燃料ガス流路に供給した燃料ガスを順に第２．・・−・
   ・・・・、第ｎブロックに供給し、逆に第ｎブロックの
   酸化剤ガス流路に供給した酸化剤ガス？順に第ｎ−１，
   ・・・・−・・。 第１ブロツクに供給することにより、上記第１゜第２．
   　・・−・・・・、第ｎブロックに亘って反応を均一化
   させるようにしたこと全特徴とする積層形燃料電池。
2. （２）　積層体を積層方向で複数個にブロック化したこ
   とを特徴とする特許請求の範囲第１項記載の積層形燃料
   電池。
3. （３）積層体を４層方向と直角な方向で複数個にブロッ
   ク化したこと全特徴とする特許請求の範囲第２項記載の
   積層形燃料電池。