JPS62287576A - 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】 ３、発明の詳細な説明 〔産業上の利用分野〕 本発明は新規な燃料電池に係り、特に電池内の燃料ガス
、酸化剤ガスの濃度分布が均一で、電池面内の出力分布
、温度分布を一様にした燃料電池に関する。

〔従来の技術〕

従来、電池内の出力、温度分布をガス濃度との関係につ
いては、ジャーナル、オブ、エレクトロケミカル、ソサ
エティ、１３０．１　（１９８３）第４８頁から第５５
頁（Ｊ、　Ｅｌｅｃｔｒｏｃｈｅｍ、　ｓｏｃ。

Ｖｏｌ、１３０．Ｍａｌ、（１９８３）ｐｐ４８〜５５
）において論じられている。しかし、燃料ガス、Ｍ他剤
ガスが電池入口から出口へ流れる電池構造では、電気化
学反応に伴ないガス濃度１発生態によるガス温度上昇が
あり、ｆｆｉ池内に入口、出口間に大きな出力、温度差
が生じてしまう。電池内に大きな電流密度、温度差が発
生すると電池性能面からは効率の低下、信頼性、寿命面
からは熱応力の増大、電解質損失量の増加などによる信
頼性、寿命の低下をまねくという問題点が考慮されてい
なかった。

〔発明が解決しようとする問題点〕

上記従来技術は電池内を流れる燃料ガス、酸化剤ガスの
濃度不均一、ガス温度上昇の点について配慮がされてお
らず、電池入口、出口間に生ずる大きな電流密度、温度
差にともなう性能、信頼性、及び寿命の低下という問題
があった。

本発明の目的は電池内を流れる燃料ガス、酸化剤ガスの
濃度分布を均一にし、かつ電池温度分布をも一様にする
ことにより高性能、高信頼性、及び長寿命な燃料電池を
提供することにある〔問題点を解決するための手段〕 上記目的は燃料ガス、酸化剤ガスを電池容器とセパレー
タ板とで構成される空間にそれぞれ導入し、電極で電気
化学反応を行なうガス中の燃料、酸化剤濃度と電池温度
とが一様になるようにピッチ、孔径を設計された該セパ
レータ板の複数個のガス供給孔からアノード、カソード
電極へガスを供給することにより達成される。

セパレータに設けるガス供給孔は同じ大きさで等間隔に
することが好ましい、更に、ガス入口側より出口側で電
池的温度が高くその差が大きい場合には酸化剤ガス供給
量を多くなるようにガス供給孔面積を入口側より大きく
してそのガス量によって冷却する構造とするのが好まし
い。

電池容器及びセパレータとしてはステンレス鋼が好まし
く、特にオーステナイト系又はフェライト系鋼が好まし
い、オーステナイト系として重量でＣｒ１５〜３０％及
びＮｉ６〜２５％を含むもの又はフェライト系として７
〜２０％Ｃｒを含むものが好ましい、なお、電解質に接
触する部分にＡＱ拡散コーテングを施すことにより耐食
性の向上が図られる。また、Ａｌ２１〜１０％を含むフ
ェライト鋼が用いることができる。また、他にセパレー
タとして鋼、ニッケル等も使用できる。セパレータは電
解質に接触するので、全面にＡｆｌ拡散コーティングを
設けることが好ましい、ＡΩ拡散コーティングの厚さは
０．２ｍ以下が好ましい。

アノード電極及びカソード電極にはガスの流れるように
多孔質材が使用される。アノード側は還元性なのでＮｉ
粉末からなる多孔質焼結板およびカソード側は酸化性な
ので酸化Ｎｉ粉末からなる多孔質焼結体が用いられる。

これらの多孔質焼結体は強度が低いのでともにガス側に
強度の高いステンレス鋼又は炭素鋼からなる網目シート
を介在させることができる。これらの材料は電解質に直
接接触するので前述と同様にＡΩ拡散コーティングを施
すことが好ましい。

電解質としては使用温度で溶融する炭酸塩が用いられ、
セラミックス焼結体中に含浸させた電解質板として用い
られる。

燃料としては水素が使用されるが、燃料中に炭酸ガスと
して２０〜３５体積％が加えられる。また、酸化剤とし
ては空気が使用され、空気に対して炭酸ガスが２５〜３
５体積％が混入して使用される。

〔作用〕

燃料電池は燃料ガスと酸化剤ガスとが電気化学反応を起
こし、電気を発生するが、電池の出力は燃料、酸化剤の
濃度、電池温度、ガス圧力などの影響を受ける。電池入
口部から出口部のガスが流れる間に、入口部での高濃度
燃料、酸化剤ガスは電気化学反応によって消費され、そ
れにともなって生成ガスがガス中へ流れ込み、下流に流
れるにしたがって濃度が低下する。この濃度低下は電気
出力の低下に直接影響し、入口、出口間に大きな電気出
力差を生じる。しかし、セパレータに設けたガス供給孔
から電極表面上の燃料、酸化剤濃度が均一になるように
ガスを供給することにより、電気出力分布を一様にする
ことができる。

燃料電池の寿命、信頼性は電池温度と密接に関係し、特
に、寿命が電解質損失量で支配される場合には、電解質
の損失量が電池面内の最高温度（電解質板）によって決
まり、長寿命を達成するためには電池内の最高温度を極
力低くすることが要求されている。セパレータ板に設け
るガス供給孔のピッチ、孔径を調節することにより、ｆ
！！池温度の高くなりそうな部分に反応ガスよりは温度
の低い供給ガスをより多く供給することができ、最高温
度が低下し、温度差が小さくなる。これにより、同時に
熱応力も低減でき、信頼性の向上が達成されることにな
る。

〔実施例〕

以下、本発明の一実施例を図により説明する。

第１図は本発明による内部マニホールド型燃料電池単極
構造の平面図であり、第２，３図は第１図の断面ｎ−ｎ
、ｍ−ｍを示し、第４図は第１図に示す単極の電池構造
で電解質板、電極を設置し、直交流型単セル電池を構成
した場合の断面回す。

第１図に示す電池単極構造は、機械加工、あるいは精紡
などで造られたオーステナイト系ステンレス鋼からなる
電池容器１に打ち抜き加工などで穴あけされたオーステ
ナイト系ステンレス鋼の薄板をプレスで波形に成形され
たセパレータ板１０を電池容器に接合面４でニッケルロ
ー付け、あるいは拡散接合などで接合し、電池容器とセ
パレータ板との間にヘッダー２３と電極とセパレータ板
との間に反応流路２４とヘッダー２３へ連通した内部マ
ニホールド２から構成されている。セパレータ板１０の
周囲はセラミックスからなる電解質板とのシール面１３
になっており、ウェットシールにより燃料、酸化剤ガス
が電池外へ漏れるのを防止する。セパレータ板と電極と
はセパレータ板の山部１２、あるいはセパレータ板１０
の上にｔ流補集板を設けて電極に接触させる。

電池内におけるガスの流れは、内地にマニホールド２へ
供給された燃料、あるいは酸化剤ガスはマニホールドか
らヘッダー２３へ流入し、ガス供給孔１１から反応流路
２４へ分岐しながらヘッダー内を流れ、供給孔のピッチ
、孔径により反応流路内へ流入する流量分布が制御さ九
ることになる。

反応流路内に流入したガスはその上流で反応をそれに伴
なう熱移動により濃度低下、温度上昇したガスと混合し
、燃料、酸化剤濃度を高くし、さらに低温の流入ガスと
の混合により温度も低下して下流に流れながら電気化学
反応により発電を行ない、この流入、混合を繰り返しな
がらガス排出孔１４から反応流路を流出し、再び内部マ
ニホールド２へ流入し、電池外へ排気される。

尚、カソードには酸化Ｎｉ多孔質板、アノードにはＮｉ
多孔質板を使用した。

第４図は第１図に示す単極構造７ノード、カソード側に
使用し、電解質板１″８を電極１６．１７ではさみ単電
池を構成した場合の断面図である。

この図ではアノード、カソードガスの流れは直交流にな
っているが、平行流、向流でも単電池を構成することは
可能である。燃料ガス２０酸化剤ガス２１は内部マニホ
ールド２からヘッダー２３へ流入し、以後、第１図で説
明したように供給孔１１から反応流路２４へ供給され、
排出孔１４から流出する。この間に電気化学反応により
燃料、酸化剤ガス濃度は流れとともに変化し、各ガス濃
度で決まる出力が発生することになる。したがって、電
池内の出力分布が一様になるようにするために、供給孔
１４を同じ大きさとし等間隔で配置することにより燃料
、酸化剤ガス濃度の組み合わせが一様になるようにこれ
らのガスが全体に均一に供給される。しかし、電池温度
性能はもちろん寿命、信頼性の点で大きく影響するため
、電池面内、特に電解質面の温度を一様にする必要があ
るが、供給孔１４のピッチ、孔径分布を制御することに
より温度分布も同時に一様にすることができる。

供給孔１４から流入したガスは電極面に向かって流れる
ため、上流で反応により電極がら反応流路へ出てくる生
成したガスとよく混合するため、電極表面の燃料、酸化
剤ガス濃度が高くなり、それだけ反応抵抗が小さくなり
、電池性能の向上をもたらす。

第５図は本発明による他の実施例であり、外部マニホー
ルド用電池構造であり、第４図と異なる点は内部マニホ
ールド孔がセパレータシール面にないことだけである。

燃料、酸化剤ガスは流入孔３０からヘッダー２３へ流入
し、第４図と同様な経路を通り、流出孔３１から図示さ
れていないが、外部マニホールドへ排出される。本構造
によって得られる効果は第４図の場合と同じである。

第６図は燃料、酸化剤ガス濃度分布を示す線図である、
第６図に示すように電池内の入口から出口への燃料、酸
化剤ガス濃度Ｃｆを均一化することができ、一様なガス
濃度分布によるガス供給によって電気出力分布が一様に
なり、効率向上などの効果が得られる。

第７図はガス供給孔からの反応生成ガス濃度と燃料ガス
濃度分布を示す図である１図に示すように１本発明では
燃料、酸化剤ガスを供給孔から分散させて反応流路へ供
給することにより、上流で電気化学反応により生成した
ガス、例えば水（ＨｚＯ）、炭酸ガス（Ｃｏｔ）などが
電極表面に沿って流れ、燃料、例えば水素ガス（Ｈｚ）
の電極表面濃度が従来法（ｂ）のように低下する。しか
し１本発明（ｃ）に示すように供給ガスの混合効果によ
り表面の濃度低下が防止できる。したがって、図のよう
に電極表面の水素ガス濃度が上昇し、ガス拡散抵抗が小
さくなり、性能が向上するという効果が得られる。

第８図は電池の温度を示す線図である６図に示す如く、
従来法ではガスの入口での濃度が出口に比較し高温にな
るので、これらの温度差をｔＪＸさくすることが必要で
ある。そのために反応流路へのガス供給量分布を供給孔
のピッチ、孔径などの分布で制御することにより、電池
温装置の高くなる部分にガス、特に酸化剤ガスの供給量
を多くし、反応流路を流れるガス温度の低減、及び前記
の混合効果による冷却性能向上により、図のように電池
最高温度が低下する。また、電池内の温度差も同時に小
さくなるため、温度依存性の強い電解質損失量が減少す
ることによる長寿命化と温度差にもとづく熱応力低減に
よる信頼性向上の効果が達成される。

〔発明の効果〕

本発明によれば、燃料及び酸化剤の供給が電池全体に調
整されて行われるので、顕著な発電効率の向上が得られ
る。

【図面の簡単な説明】

第４図は内部マニホールド型の単電池構造の断面図、第
５図は外部マニホールド型の断面図、第６図は本発明の
実施例による電池内のガス濃度分布を示す線図、第７図
は反応流路内のガス濃度分布を示す説明図と濃度分布線
図、第８図は電池の温度分布を示す線図である。 １・・・電池容器、１０・・・セパレータ板、１１・・
・ガス供給孔、１４・・・ガス排出孔、１６・・・カソ
ード電極、１７・・・アノード電極、１８・・・電解質
板、２３・・・ヘッダー、２４・・・反応流路。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、電解質板と、該電解質板の両側に各々配置されたア
   ノード電極板及びカソード電極板と、該両電極表面に燃
   料、酸化剤ガスが流れる流路を両電極との間で構成し該
   両電極からの電流を取り出すセパレータ板及び上記の各
   部材を収納する電池容器とからなる燃料電池において、
   前記セパレータ板に複数個の穴を設け、セパレータ板と
   電池容器とで構成するアノード、カソード側空間に燃料
   及び酸化剤ガスをそれぞれ供給し、上記するセパレータ
   板の穴から電極側へ燃料及び酸化剤ガスを供給すること
   を特徴とした燃料電池。 ２、特許請求の範囲第一項において、セパレータ板に設
   ける複数個の穴は同じ大きさで等間隔で一様に配置され
   、燃料ガス及び酸化剤ガス濃度が一様に供給されるよう
   にしたことを特徴とする燃料電池。