JPS6280972A - 燃料電池の温度分布改善方法 - 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の温
度分布改善方法に関するもので、アルカリ型燃料電池リ
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、各電極に醸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
供給する酸化カスと燃料極側に供給する燃料ガスの流し
方の代表的なものに、直交流、対向流、並行流があり、
各々の流し方によって単セルの平面に生じる温度分イ５
、電流密度分布が異なり、違った性質を示す。

先ず、直交流型燃料電池についてみると、第４図に示す
如く、電解質板１を上下両面から閑素極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、恒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
面のカス通路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カス供給別横
のみを、又、他側に図示しない酸化カス排出機構のみを
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機構のみを、又、他側
に図示しない燃料ガス排出機構のみをそれぞれ設けた構
成としており、常に酸化ガスと燃料ガスが直交し且つ酸
素ガス同士、燃料ガス同士は並行に流れるようにしであ
る。

対向流型燃料電池は、第５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醸化ガス供
ＩＦＡ構と燃料ガス排出機構を、又、他側に図示しない
酸化ガス排出機構と燃料ガス供給機構をそれぞれ交互に
設け、各層とも酸素ガスＯＧは周辺部の一側から他側の
方向へのみ流れ、燃料ガスＦＧは逆に周辺部の他側から
一側の方向へのみ流れるようにして、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ておる。

並行流型燃料電池は、第６図に示す如く、閲素極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５図のｉ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機構
及び燃料ガス供給機構を、又、他側に図示しない酸化ガ
ス排出機溝及び燃料ガス排出機構をそれぞれ設け、酸化
カス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。

［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と電
極２．３の平面内に、例えば第７図（Ａ）に示す如き温
度の分布が市ると共に、第７図（Ｂ）に示す如き電流密
度の分布が必る。これは、直交流であるため、燃料ガス
ＦＧの入口で且つ酸化ガスＯＧの出口付近（第７図のＢ
部）で大きな温度勾配がおり、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、酸化ガスの出口付近で且
つ燃料ガスの入口側が最も高温となるホットスポット部
が発生する。従来の直交流型の燃料電池では、酸化ガス
ＯＧの流れ方向、燃料ガスＦＧの流れ方向が各層で同一
であるため、電解質板１と電極２，３に発生するホット
スポット部の位置が各層で重なり、電解質板１の温度勾
配が大となる。そのため電解質板の温度分布の均一化が
できず、したがって電極全面にわたっての発電出力密度
を最大にすることは出来ない。又、電解質板の熱応力が
人となり、燃料電池としての性能、庁命、信頼性、等に
欠ける問題かある。

対向流型燃料電池の場合は、例えば第８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、電流密度分布を示し、この部
分にホットスポットが発生する。これは燃料ガスＦＧが
電解質板１、電極３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量の増加
が考えられるが、燃料電池の構造上、効率上困難である
。

又、並行流型燃料電池の場合は、例えば第９図に示す如
く、セパレータ４を介して開化ガスと燃料ガスとの熱交
換によって両ガスの温度差はほとんどなく、流れ方向に
進むに従って電解質板１、電極２，３からの発熱によっ
て電解質板（電極もほぼ同一温度）、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９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、一様に増加し
、両ガスの排出機構側にホットスポットが発生する。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単セルの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。

燃料電池としては、その性能向上、耐熱サイクル性向上
からみて単セル平面内の温度分布はなるべく均一である
ことが望ましい。又、温度分布が均一でおれば電流密度
も均一化する傾向にあり高い平均電流密度が得られるこ
とになり性能の向上につながる。

そこで、本発明者は、種々研究を重ねた結果、燃料電池
性能を決める因子として、電解質板と電極の温度と、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
あることに着目し、酸化ガスと燃お１ガスの流れ形式を
変えることによって電解質板と２つの電極からなる単セ
ルの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単セルの全平面で均一化した高い電
池性能か得られることを見い出して本発明をなした。

したがって、本発明の目的とするところは、単セルの平
面内に発生するホットスポット部を分散させて温度カイ
ロをなるべく均一にし、それに伴ない電流密度の均一化
を図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１ 本発明は、電解質板と２つの電極からなる単セルの両面
を酸素極と燃料極で挾むように椙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
電池における上記各層の単セルを挾んで流れる酸化ガス
と燃料ガスの流れ方向を各層毎に変えるようにしたもの
である。

［作　　用］ 各層で酸化ガスと燃料ガスの流れ方向が変わるので、単
セルの平面内に発生する温度勾配は各層毎に変化し、各
層の隣接する電解質板と電極酸化ガス、燃料ガスとの間
での熱交換を抑制、又は促進させることで単セルの平面
内の温度分布を均一化させ、各層でより均一な温度分布
がもたらされひいては積層されたスタック全体での温度
分布が均一され、ざらに発電電流密度の分布が均一化さ
れる。

［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図は本発明の方法を実施する一例を示すもので、セ
パレータ４で仕切られた燃料電池ユニットでは、電解質
板１と電極２，３の上下両面を挾んでいる酸素極２側と
燃料極３側に供給する酸化ガス０Ｇ−１と燃料ガスＦＧ
−１の流れが対向流となるようにし、且つセパレータ４
を挾んで流れる一方のユニット側の酸化ガス０Ｇ−１又
は０Ｇ−２と他方のユニット側の燃料ガスＦＧ−２又は
ＦＧ−１が互に並行流となるようにする。そのために、
各段のセパレータ４はガス通路６．５を凹凸によって形
成し、該セパレータ４及び電解質板１の上記ガス通路５
，６方向の周辺部−側と他側に、図示してないが酸化ガ
スの機構と燃料ガスのｖＵ構とをそれぞれ適宜の間隔で
設け、酸化ガス０Ｇ−１は、酸素！？Ｕ２の一端側から
他端側へ流されてセパレータ４及び電解質板１の周辺部
の機構を通り、又、隣接する他の段の酸素極２側に入る
酸化ガス０Ｇ−２は、酸素極２の他端側から一端側へと
流れる。一方、燃料ガス［Ｇ−１は燃料極３の他端側か
ら一端側へ流されてセパレータ４及び電解質板１の周辺
部の機構を通り、又、隣接する他の段の燃料極３側に入
る燃料ガス「Ｇ−２は、燃料極３の一端側から（ｔ！！
　’Ａ側へと流されるように、酸化ガスの供給側及び排
出側の機構を各段の酸素極２側に開口させ、燃料ガスの
供給側及び排出側のＲ＠を各段の燃料極３側に開口させ
る。

燃料電池の運転に際して１つの電解質板１を挾むように
酸化ガス０Ｇ−１及び燃料ガス「Ｇ−１を供給すると、
１つの電解質板１を挾むように設置された酸素極２と燃
料極３の各電極面上を酸化ガス０Ｇ−１と燃料カス［Ｇ
−１が流れるが、この電解筒板１を挾んで流れる酸化ガ
ス０Ｇ−１と燃料ガス［Ｇ−１は対向流形式で流される
。各段において酸化カス０Ｇ−１と燃料ガス「Ｇ−１を
同様な流し方とするようにすれば、従来の第５図ついて
説明したような最大値をもつ大きな温度分布をもつこと
になるが、本発明では、上記酸化ガス０Ｇ−１及び燃料
カス［Ｇ−１を、セパレータ４を介して隣りの燃料電池
ユニットの酸素極２と燃料極３の各電１重面上に酸化ガ
ス０Ｇ−２、燃料ガスＦＧ−２として供給させ、順次隣
接する各段ごとに同様に供給させるが、セパレータ１を
挾んで隣りのユニットを流れる酸化ガス０Ｇ−１又は０
Ｇ−２と燃料ガスＦＧ−２又は「Ｇ−１は図示のように
同一方向に流れる並行流形式で流すので、隣り合う電解
質板１を流れる各ガスとの熱交換が抑制され、隣り合う
電解質板１間でガス温度が第２図示す如く逆転した温度
分布をもち、結果として電極や電解質板は均一な温度分
布をもつことになる。すなわち、１つのセパレータ４を
挾んで流れる酸化ガス０Ｇ−２と燃料ガスＦＧ−１は入
口部ａから曲線■で示す如く一様に昇温される。これは
第９図の並行流形式の場合と同様で必る。一方、隣接す
る他のセパレータ４を挾んで流れる酸化ガス０Ｇ−１と
燃料ガスＦＧ−２は、排出側から入口部すに向けて曲線
■で示す如く逆に流れ方向距離Ｘにつれて一様に降温し
て行く。電解質板１と電極２，３の温度は、電解質板１
を挾んで流れる酸化ガス０Ｇ−１と燃料ガスＦＧ−１の
湿度が対向して流れるので、両ガスの平均温度に近くな
り、はぼ平坦な温度分布を１ｑることができる。

電流密度は、曲線■で示す如く、電解質板１の温度が均
一であり、且つガス組成比かほぼ均一であることからほ
とんど電解質板と電極の温度と同様に一平坦化された分
布となる。

本発明においては、酸化カス０Ｇ−１，０Ｇ−２、燃料
ガスＦＧ−１，ＦＧ−２の入口温度を適当に選ぶことで
電解質板１と電極２，３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る。

又、電解質板１、酸素極２、燃料極３及びセパレータ４
が第２図に示す如く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める電池が得られる。

次に第３図は本発明の方法を実施する他の例を示すもの
で、第４図に示したと同様に単セルを挾んで流れる酸化
カスと燃料ガスが直交流となるようにした型式の燃料電
池において、各段において酸化ガス０Ｇ−１と０Ｇ−２
及び燃料ガス「Ｇ−１とＦＧ−２か各々反対方向となる
対向流となるようにすることにより、単セルの電解質板
１と電極２．３に発生するホットスポット部を分散させ
るようにしたものでおる。

第４図に示す従来の直交流型をそのまま積層した場合は
、前記したように１つの電解質板１と電極２，３内に温
度勾配が大きく且つ温度の高い点が１個所に現われる（
各カスの流量比によっては温度の低い点も１個所用われ
る）ことになる。

この点、第３図の如く、酸化ガス０Ｇ−１，０Ｇ−２と
燃料ガスＦＧ−１，ＦＧ−２を各単セル毎に対向流とな
るように交互に流すことにより、従来の温度分布で現わ
れていた１個所のホットスポット部が点対称位置に現わ
れて分散され、温度差が少なくなって温度分布が改善さ
れることになる。

これは、酸化ガスと燃料ガスの熱伝達が電解質板及び電
極からなる単セルに大きく影響するため、各層毎の一対
のガス通路のガスの流れ方向を逆にすることにより１つ
の単セルを挾むようにして流れる酸化ガスと燃料カスの
温度分布を同一とならないように、すなわち、点対称と
なるようになる。したがって、単セルの温度が両ガスの
平均的分布を示すことになり、従来型式より最大温度の
位置か２個所に分散され、同時に最大温度が半減するか
らでおること、又、単セルの温度分布が各層毎に異なる
ので、セパレータ４を介して隣り合う単セルの熱伝導に
より熱交換が行われ、両者の温度が平均化されること、
による。

なお、本発明は上記の実施例のみに限定されるものでは
なく、酸化ガス０Ｇ−１，０Ｇ−２と燃料ガスＦＧ−１
，ＦＧ−２の流れ方向は第１図や第３図に示すもの以外
でも、温度の高い点くホットスポット部）が隣り合う単
セル間で重なり合うことがないように流せるものであれ
ば、どのような流し方でもよい。

［発明の効果］ 以上述べた如く本発明の方法によれば、燃料電池の各層
の電解質板を挾んで流れる酸化ガスと燃料ガス及びセパ
レータを挾んで流れる酸化ガスと燃料ガスを、電解質板
と電極に発生する高温部が重なることがないように流す
ようにするので、電解質板と電極の平面内に発生する高
温部が分散されて温度分布を極力均一となるようにでき
その結果として電池の作動温度を電池として許容される
範囲において全面的に高い平均温度に設定することが可
能となり、これに伴ない電流密度も均一化させると共に
全面的に高い発電出力密度をうろことができ、燃料電池
の性能向上、耐熱サイクル性向上を図ることができる。

またこの結果として電池の冷却に要するガスは従来形式
のガス流方法の場合に比し少量となることか期待され、
別個の冷却機備を追加することなくまた、カスを供給す
るための動力も少なくてすむため、プラントとしての総
合効率や、経済匹にも寄与するものである。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の方法の一実施例を示す斜視図、第２図
は第１図におけるガス流れ型式の場合の温度、電流密度
の分布を示す図、第３図は本発明の他の実施例を示す斜
視図、第４図乃至第６図はいずれも従来の燃料電池の異
なるガス流れ型式を示す斜視図、第７図（Ａ）は第４図
の場合の温度分布を、第７図（Ｂ）は第４図の場合の電
流密度分布を示す図、第８図は第５図の場合の温度、電
流密度の分布を示す図、第９図は第６図の場合の温度、
電流密度の分布を示す図である。 １は電解質板、２は酸素極、３は燃料極、４はセパレー
タ、５．６はガス通路、ＯＧ、　０Ｇ−１，０Ｇ−２は
酸化ガス、ＦＧ、　ＦＧ−１，ＦＧ−２は燃料ガスを示
す。 第３図 第５図 第４図 Ｇ 第６図

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ける上記各層の単セルを挾
   んで流れる酸化ガスと燃料ガスの流れ方向を各層毎に変
   えることを特徴とする燃料電池の温度分布改善方法。