JPS62103985A - 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】 ［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一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ットを、セパレータを介して
複数層に積層させた構成としである。

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
ニットを、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おる。

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とが電解質板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である。

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である。

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を被着さぜ、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７
ａ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ＣＡ）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８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
流世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どの熱交換に
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看目し、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ｗＩ質板の両面を酸素極と燃料極で挾むよ
うに構成された単セルのＭ素極側に酸化ガスを、又、燃
料極側に燃料ガスをそれぞれ流すようにしたユニットを
、セパレータを介してｇｉ層させた燃料電池において、
上記セパレータの上下両面に形成したガス通路を周辺に
開口させるための切欠を、各段のセパレータごとに位置
をずらして最低１６個所に分散させて設け、且つ各セパ
レータの片面におけるガス供給側及び排出側の各切欠及
び反対面におけるガス供給側及び排出側の各切欠ごとに
対応させた数の外部マニホールドを並べて外周部に配設
し、各セパレータのガス供給側の切欠に対応した各外部
のマニホールドにはガス供給管を、又、各セパレータの
ガス排出側の切欠に対応した各外部マニホールドにはガ
ス排出管をそれぞれ接続してなる構成とする。

［作　　用］ 燃料電池スタッ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
異なる位置としであるので、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させ
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である燃料電池ユニットを
、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Ｆ３＋
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残して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とし、同様に
各段のセパレータごとの下面（裏面の）のガス通路の一
端側と他端側にそれぞれ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、０Ｇ−１゜０Ｇ−２，０Ｇ−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０Ｇ−１，ＦＧ−３と０Ｇ−２，ＦＧと０Ｇ
−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個ずつの外部マ二ホー／Ｌｚト１５ａ、１
６ａ、１７ａ、１８ａ　、　１５ｂ、１６，１７ｂ、１
８ｂ。

１５ｃ、　１６．１７ｃ、　１８ｃ、　１５ｄ、　１６
ｄ、　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１５ａ、　１５ｂ
、　１５ｃ、　１５ｄには燃料ガスＦＧ。

ＦＧ−１，ＦＧ−２，ＦＧ−３（７）各供給管１９，２
０，２１．２２　ヲ接続する。外部マニホールド１６ａ
、　１６ｂ、　１６ｃ、　１６ｄには燃料ガスＦＧ−２
，ＦＧ−３，ＦＧ、　ＦＧ−１の各供給管２３．２４゜
２５．２６を接続する。外部マニホールド１７ａ、　１
７ｂ。

１７Ｃ，１７ｄ　ｋ：ハｍ化カス０Ｇ−１，０Ｇ−２，
０Ｇ−３，ＯＧ　（７）各供給管２７．２Ｂ、　２９．
３０を接続する。更に、外部マニホールド１８ａ、　１
８ｂ、　１８ｃ、　１８ｄには、酸化ガス０Ｇ−３，Ｏ
Ｇ、　０Ｇ−１，０Ｇ−２の各供給管３１　、３２．３
３．３４を接続する。

今、酸化ガスの各供給管２７．２８．２９．３０がら酸
化ｊｊス０Ｇ、０Ｇ−１，０Ｇ−２，０Ｇ−３ヲ供給し
、燃料カスの各供給管１９，２０，２１．２２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であるので、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Ｏ
Ｇと燃料カスＦＧ−１，０Ｇ−１トＦＧ−２，０Ｇ−２
トＦＧ−３，０Ｇ−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、は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
比がほぼ均一でおることから、はとんど電解質板温度と
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
１２、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９
０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ットスポッ
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に現われていたホットスポッ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、燃料電池スタッ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個以上の偶数個であ
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、Ｓ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、次の如き
優れた効果を秦し得る。

（１）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。

（Ｕ）　　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。

（至）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、ホッ
トスポッ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。

（ト）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
件がほとんどなくなるので、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対応が極めて容易に
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図は第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、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、　１５ｂ、　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. １）電解質板の両面を酸素極と燃料極で挾むように構成
   された単セルの酸素極側に酸化ガスを、又、燃料極側に
   燃料ガスをそれぞれ流すようにしたユニットを、セパレ
   ータを介して積層させた燃料電池において、上記セパレ
   ータの上下両面に形成したガス通路を周辺に開口させる
   ための切欠を、各段のセパレータごとに位置をずらして
   最低１６個所に分散させて設け、且つ各セパレータの片
   面におけるガス供給側及び排出側の各切欠及び反対面に
   おけるガス供給側及び排出側の各切欠ごとに対応させた
   数の外部マニホールドを並べて外周部に配設し、各セパ
   レータのガス供給側の切欠に対応した各外部のマニホー
   ルドにはガス供給管を、又、各セパレータのガス排出側
   の切欠に対応した各外部マニホールドにはガス排出管を
   それぞれ接続してなることを特徴とする燃料電池。