JPS6266580A - 燃料電池のマニホ−ルド構造 - Google Patents

燃料電池のマニホ−ルド構造

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JPS6266580A
JPS6266580A JP60204425A JP20442585A JPS6266580A JP S6266580 A JPS6266580 A JP S6266580A JP 60204425 A JP60204425 A JP 60204425A JP 20442585 A JP20442585 A JP 20442585A JP S6266580 A JPS6266580 A JP S6266580A
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JP
Japan
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fuel gas
manifold
outlet
inlet
cell
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JP60204425A
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Makoto Nakajima
良 中島
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Toshiba Corp
Original Assignee
Toshiba Corp
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Publication date
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Pending legal-status Critical Current

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    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/24Grouping of fuel cells, e.g. stacking of fuel cells
    • H01M8/2465Details of groupings of fuel cells
    • H01M8/2484Details of groupings of fuel cells characterised by external manifolds
    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30Hydrogen technology
    • Y02E60/50Fuel cells

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  • Electrochemistry (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
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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】 し発明の技術分野〕 本発明は、燃料電池発電装置に係わり、特鴫二燃料電池
のマニホールド構造域二関する。
〔発明の技術的背景とその問題点〕
近年、クリーンでかつ高効率であるという特徴を有する
燃料電池1:よる発電システムを、都市近郊1:おける
中規模分散型発電所として用いる事に関心が高まってい
る。この燃料電池の電池本体の構造は、例えば第5図に
示す如く構成されている。
すなわち複数個の単電池を積層すること(=よって組み
立てられたセルスタック1を電池押さえ2を用いて上下
部で固定し、燃料ガス入口座4および整流板5を備えた
燃料ガス入口マニホールド3を電池の一側面に配し、対
向する一側面偽二は燃料ガス出口座7を備えた燃料ガス
出口マニホールド6を配して電池本体は構成される。
この様な構成から成る燃料電池(二おいては、電池本体
のセルスタックが、伺段のセルから構成されているが、
言いかえれば、何個の単電池から構成されているかが重
要となってくる。何故ならば、燃料電池の発電出力の大
小は単電池の数4=よって決定されるからである。近年
の単電池積層技術の進展に伴なって、1つの電池の81
t層高さは2mを超えるものも実現できる様4二なって
きたが、この様1;1つのセルスタックの高さを増スこ
とによって1セルスタツクあたりの発電出力を高められ
る様になってきている。一般こ二、都市近郊における発
電用に燃料電池を用いるシステムは、その需要1:応じ
て複数個のセルスタックを組みあわせて構成される。セ
ルスタックの電池高さを、積層技術上可能な限り高くす
ることができれば、システム中のセルスタックの数を減
らすことができ、配管系統が簡単になり、制御系統も簡
単にでき、ひいては発電システム全体の構成が簡潔とな
ってコンパクトかつ安価で信頼性の高い燃料電池発電所
を提供できるという有理な面がある。
ところが、セルスタックの積層高さを高くすることm:
よって、新たな技術的課題が生じてくる。
それは重力下;二おいて使用される燃料電池に固有I:
生じる問題である。
燃料電池では、マニホールド入口と出口の燃料ガスの組
成が違うためも=、マツホールド入口と出口の燃料ガス
の密度は異なっている。この密度の違いは発電負荷によ
っても変化し、負荷が高い程密度の差が大きくなる。そ
れは次の理由蝋二よる。
電池の発電負荷を示す指標に、水素利用率というものが
ある。これは燃料ガス中の水素ガス成分が、電池の中を
通過する際に発電によってどれだけ利用されたかを示す
ものであり、水素利用率が高ければ発電負荷も高くなる
。例えば、水素利用率80チという状態は、電池入口マ
ニホールド内の燃料ガス中(=水素ガスが100100
(/Hour)含まれていたとすれば、電池内部でこの
80チ、すなわち80[moe/)!our )が酸素
との化学反応(:利用されて発磁を行ない、出口マニホ
ールドの燃料ガス中1=は残りの20 [moe/Ho
ur )の水素ガスが未利用のまま排出される運転を指
し示す。燃料ガス中で、水素以外のガス成分は炭酸ガス
、メタン等、水素に比べて比重の大きいガスばかりなの
で、燃料ガス中に占める水素の割合が減れば、燃料ガス
の密度は大きくなっていく。従って、入口マニホールド
の燃料ガスが同じ場合、発電負荷が大きいほど、すなわ
ち水素利用率が大きいほど出口マニホールドの燃料ガス
の密度は大きくなっていく。
ところで、この様(二人口と出口のマニホールド間の密
度が違うということが、各単電池への燃料ガスの供給不
均一を生じさせるという問題を引き起こす。これを、第
6図を用いて説明する。第6図は入口マニホールドと出
口マニホールドの圧力分布を電池高さ方向4;示したも
のである。
燃料ガスの静水圧力す々わち(ガス密度ρ)×(重力加
速度g)×(高さh)の効果のため分布は直線的で、電
池下部はど圧力が高くなる。しかし、入口と出口の密度
の違いから、ガス密度の大きい出口マニホールド側の方
が、直線の傾きが大きくなっており、マニホールド出入
口間の圧力差ΔPは、電池上部(△P上)が犬きく、電
池下部(ΔP下)が小さくなってしまう。電池セル溝内
の流れは、流速が低いために層流であるから、流量と入
口、出口の圧力差はほぼ比例する。(但し、流れていく
途中で水素が利用されるため物性値が刻々と変化してい
くので、完全な比例関係ではない。)そこで、電池高さ
方向の流量分布は第7図を二示す様1;、電池上方1:
多くの燃料ガスが流れ、下方には平均流1以下のガスし
か流れないという不均一が生じる。
この流量分布は、セルスタックの高さが高いほど、また
発電負荷が高くて水素利用率が大きいほど不均一が激し
くなる。
この様亀二、電池下部への燃料ガスが供給不足I:なる
と、十分に発電を行なうことができなくなってしまう。
これは燃料ガス中の水素ガスが利用されつくしてしまう
、いわばガス欠状態が生じるからである。このことを、
図を用いて詳細(二説明する。まず、第8図は、電池内
のガス反応の様子を模式的(=示したものである。水素
利用率80チで、流量が100%、すなわち平均流量が
セル内を通過した場合、水素は80%消費されるので、
入口マニホールドで100あった水素は出口で20(=
なって排出される。一方、セルスタック高さ方向に流量
分布の不均一が生じて、あるセルじは平均流量の140
チが流れた場合を考える。入口での水素量は平均流量時
を100とすると140になる。燃料電池内の化学反応
は触媒を介して行なわれる不均一反応であるため、燃料
ガス中を二占める水素ガスの濃度の大小によって反応度
が変化することはない。そこで、流量が変化しても反応
にあずかる水素量は常+: 80であるから、流量が1
40チ でも、出口では60の水素が排出され、このセ
ルだけ番:着目してみると、水素利用率は1X101v
57%となっている。
すなわち、燃料電池の負荷の指標として用いられる水素
利用率とは、入口、出口マニホールド内の平均的水素ガ
ス量から定義されるため、局部的も二みた場合は、各単
電池の水素利用率は流量分布の不拘−亀;よって変化し
ている可能性がある。ここで問題となるのは、燃料電池
内の反応形態がこの様に不均一反応であるため(二、セ
ルへ流れるガス量が不足した場合1二水素ガスをすべて
消費しつくしてしまう、いわば水素ガス欠現象が生じる
ことである。これは、同じく第8図中の流量60%の線
4二よって表わされている。流量60チでは、電池内部
途中で水素ガス成分を消費しつくしている。単電池でガ
ス欠状態が生じると、その電池は定格の電圧を発生不可
能となる。電池は直列(二接続して構成されているから
、単電池1つでも発電が不十分だと、燃料電池全体の発
電能力が不足してしまう。第9図は電池高さ方向の流量
分布と出口の水素量を示したものであるが、゛峨池下部
で水素ガス欠の生じる可能性がある。第10図は水素利
用率喀二よる燃料ガス流量と出口マニホールドの水素濃
度の関係を示したものである。発電負荷を高めてひって
水素利用率を上げていくと、それ1:つれてガス欠の生
じる流量下限界が上昇していくため、突然発電電圧が急
激(−低下する現象が生じる恐れがある。
以上述べた様に、セルスタックを高層化してゆくこと1
二よって、燃料ガスの電池高さ方向の流量分布不均一が
大きくなり、水素ガスが欠乏して発電が不安定になると
いう不具合が生じてしまう。
このために現状の燃料電池は、セルスタックを高層化し
て、システム構成上有利な燃料電池を作れる積層技術が
ある(=もかかわらず、セルスタックの段数を低くして
、流量の不均一があまり生じない様な構成をとられてい
る事が多い。これは前述した様堪二電池の個数が増える
ために、システム構成が複雑となり、コスト、連室面積
、信頼性のいずれの点からも好ましくない。
〔発明の目的〕
本発明は、上記従来技術のもつ問題点を除去するために
2行なったもので、燃料電池のセルスタックが高層化さ
れても、各単電池へ流れる燃料ガスの分布を均−亀二し
て水素ガスの供給が十分行なわれる様也ニジ、高負荷時
においても安定嘔二発電する事ができ、システム構成上
も有利な燃料電池を提供することを目的とする。
〔発明の概要〕
上記目的を達成するため1;、本発明はセルスタックの
積層高さを変えることなく、燃料ガス入口。
出口のマニホールド内部−二仕切板を設けてマニホール
ド内部を分割し、ガス密度幅二よる静水圧効果を低減し
て流量の均一化を計った燃料電池のマニホールド構造を
提供する。
〔発明の実施例〕
□     以下、本発明の詳細を図示した実施例によ
ってi    説明する。
構成 第1図、+、本発明の一実施例の燃料電池構成図を示す
。この実施例が第5図で示した従来構造と異なるのは次
の点である。すなわち、入口、出口のマニホールドに、
マニホールド内の空間を2っに分割する仕切板8を設置
し、入口マニホールド3では、分割された各空間へ燃料
ガスが均等通=供給されるように連通管9と整理板5が
配されている。また出口マニホールド側は、分割された
各空間の燃料ガスを出口座7から排出するため1=、連
通管9および連通板10が配されている。
作用 この様な構成からなる燃料電池の入口出口マニホールド
内圧力分布は第2図の様に示される。すなわち、仕切板
1:よってマニホールド1空間内の重力方向高さが半減
されているためじ、入口、出口マニホールド間の圧力差
(最大ΔP、、最小ΔPt)が、従来構成をもつ燃料電
池に比べて均一化される。セルスタックの高さを変える
ことなく、静水圧力ρghのうち高さhの項を半減した
からである。
この実施例ζ=おける燃料ガスの電池高さ方向の流量分
布を示したのが第3図である。従来構造の流量分布を示
した第7図と比較するまでもなく、流量が各単電池1;
均一に供給されることがわかる。
効果 本実施例鳴二よれば、第3図に示される如く流量分布が
均一化されるため1二、出口マニホールドの水素量も第
4図6=示す如く、各単電池のどの部分をとっても水素
ガス欠乏が生じることなく、安定に発電することが可能
となる。
他の実施例 本実施例では、マニホールド内部を2分割したが、さら
(:セルスタック高さが高い場合にはマニホールドを3
分割なり4分割する事も可能である。
し発明の効果〕 以上の説明から明らかな様礁二、本発明1二よれば、セ
ルスタックの高さを減じることなく、つまりセルスタッ
クの数量を増やすことなく、入口、出口マニホールド間
の燃料ガス密度差から生じる流量分布の不均一を解消す
る事ができ、水素高利用率運転時嗜二も安定に発電可能
な燃料電池を提供することができる。また、電池本体の
数量が最低減に押さえられるため、システムの簡素化が
計れ、信頼性、コストの面からも有利な燃料電池発電所
を提供することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
第1図は、本発明の一実施例を示す燃料電池の構成図、
第2図は、本発明の一実施例の構成を持つ燃料電池入口
、出口マニホールド内の圧力分布図、第3図は同じく電
池内の流量分布図、第4図は同じく、出口マニホールド
の水素量分布図、第5図は、従来の燃料電池の構成図、
第6図は従来の構成を持つ燃料電池入口、出口マニホー
ルド内の圧力分布図、第7図は同じく電池内の流量分布
図、第8図は、電池内での水素ガスの反応の過程を示し
た模式図、第9図は従来の構成を持つ燃料電池の出口マ
ニホールドの水素量分布図、第10図は水素利用率をパ
ラメータとして、燃料ガス流量と出口マニホールドの水
素量の関係を示した模式1・・・セルスタック  8・
・・仕切板3・・・燃料ガス入口マニホールド 6・・・燃料ガス出口マニホールド 9・・・連通管 代理人 弁理士 則 近 憲 佑 同  三促弘文 第1図 第2図    第3図 第4図 第5図 第8図 ン鼠量−一−−−− 第9図 第10図

Claims (1)

    【特許請求の範囲】
  1. 複数個の単電池を積層することによって組みたてられた
    セルスタックの1側面に燃料ガス入口マニホールドを配
    し、対向する側面に燃料ガス出口マニホールドを配した
    燃料電池において、入口、出口のマニホールド内に、マ
    ニホールド内空間を分割する仕切板を配し、各仕切板に
    よって分割された空間内へ燃料ガスを入口マニホールド
    側では分散供給し、出口マニホールド側では排出する連
    通管を備えた燃料電池のマニホールド構造。
JP60204425A 1985-09-18 1985-09-18 燃料電池のマニホ−ルド構造 Pending JPS6266580A (ja)

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JPS6266580A true JPS6266580A (ja) 1987-03-26

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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP1363342A1 (en) * 2001-02-23 2003-11-19 Sanyo Electric Co., Ltd. Fuel cell
JP2006032328A (ja) * 2004-06-17 2006-02-02 Mitsubishi Materials Corp 燃料電池

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