JPS6286669A - 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５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が各層で
すべて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を形成ざぜると共に、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のみを
、又他側に図示しない酸化ガス排出流路孔のみをそれぞ
れ設け、又、各層の燃料極３側に供給する燃料ガスＦＧ
が、各層ですへて同一方向で且つ上記各層の酸化ガスＯ
Ｇ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
ス供給流路孔のみを、又他側に図示しない燃料ガス排出
流路孔のみ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である。

上記の直交流型を外部マニホールド方式に適用したもの
が第７図であり、４つの側面に各々１つのマニホールド
７を被着させ、相対向する一方のマニホールド７に酸化
ガス供給管８を接続すると他方のマニホールド７に酸化
ガス排出管９を接続させ、又、異なるマニホールド７の
一方には燃料ガス供給管１０を接続すると共に相対する
他方のマニホールド７に燃料ガス排出管１１を接続させ
、前記したガス流れを実用させている。

［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６図（Ａ）に示す如く、燃料ガス「Ｇ
の入口で酸化ガスＯＧの出口付近（第６図の８部）で大
きな温度勾配があり、これに伴なって第６図（ｓ）に示
す如く、電流密度も酸化ガス出口部で最大値をもつ大き
な勾配をもつ分布となる。これにより直交流型では、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ない。

しかも各層で酸化ガス同士と燃料ガス同士はともに同一
方向へのみ流れる平行流となるように構成されるので、
上記温度分布、電流密度分布がそのまま重畳されて、ま
すますはげしくなり、平面内温度分布により電解質、電
極、セパレータへ大きな熱応力を生じさせ、燃料電池と
じての性能、寿命、信頼性、等に欠ける問題がある。

又、直交流型燃料電池を外部マニホールド型とすること
は、電解質板１にガスの流路孔をあけなくてよいが、シ
ールが大変である。更に直交流型燃料電池を内部マニホ
ールド型とすることは、２種のガスには流量差が大きく
、流量大の方のガスを内部マニホールドで流す場合に流
路を大きくしなければならず、分配が大変である。

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
、酸化ガスの温度分布があることに着目して、酸化ガス
と燃料ガスの流れ形式を変えることにより従来の直交流
型燃料電池で現われていた温度勾配、電流密度勾配を分
散させてその勾配、最大値を緩和させると共に、電解質
板の有効面積を増大させ且つ流量大の方のガス＠容易に
多く流せ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いて、上記電解質板
、セパレータの周辺部の相対する側にガスの供給流路孔
と排出流路孔とをそれぞれ設けると共に該ガスが各段ご
とに任意方向に流れるよう各段のセパレータの流路孔に
切欠を設け、且つ上記ガスとは直交流となる別のガスを
外部マニホールドで流すようにするため外側に外部マニ
ホールドを取り付けてなる構成とする。

［作　　用］ 流量差のめる２種のガスのうち、流量大の方のガスは外
部に設けたマニホールドより供給されてセパレータの片
面に沿い流される。一方、？？ｆｆｉ小の方のガスは、
セパレータの相対する側の周辺部に設けた供給流路孔よ
りセパレータの反対面に沿い上記流量大の方のガス流方
向とは直交する方向へ流される。又、例えば上記流量小
の方のガスは、各段ごとに対向流となるようにすればこ
れにより成る段の電解質仮に生じるホットスポット部と
、隣接する段の電解質仮に生じるホットスポット部とが
異なる位置となって、電解質板の温度分布が平坦化し、
同時に電流密度分布が均一化される。又、流量大の方の
ガスはセパレータの流路孔を通らないので、容易に多量
のガスが流せる。

［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図は本発明の燃料電池のガスの流し方の一例を原理
的に示し、第２図は本発明の一実施例の内部を示し、第
３図は本発明の一実施例の外部を示すものである。

第１図に示す如く、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を介して各層に積
層して組み立てる積層燃料電池において、上記単セルを
挾んで流れる一方のガス、たとえば、酸化ガスＯＧと他
方のガス、たとえば、燃料ガスＦＧ−１，ＦＧ−２が直
交流となるようセパレータ４の上面に凹凸による燃料ガ
スのガス通路６を、又、セパレータ４の下面に凹凸によ
る酸化ガスのガス通路５を各々その長手方向が直交する
ように形成し、１つの単セルを挾んで流れる酸化ガスと
燃料ガスは各段で直交流となり、且つ各段ごとに燃料ガ
スＦＧ−１，ＦＧ−２同士のみが対向流となるようにガ
スの入口と出口を規制する。

本発明の燃料電池は、上記のようなガス流れを実現する
ため、第２図及び第３図の如く、燃料ガスを内部マニホ
ールドに、酸化ガスを外部マニホールドにそれぞれ流す
ようにする。先ず、各セパレータ４ａ、４ｂ及び電解質
板１の周辺部−側で且つガス通路６の一端側には、燃料
ガスの供給流路孔１２と排出流路孔１３とを適宜間隔で
複数個ずつ設けると共に、これと対向する周辺部の他側
にも燃料ガスの供給流路孔１４と排出流路孔１５を適宜
間隔で複数個ずつ設け、セパレータ４ａでは、燃料ガス
の供給流路孔１２と排出流路孔１５のみがガス通路６に
開口するよう切欠１６と１７を設け、又、セパレータ４
ｂでは、燃料ガスの供給流路孔１４と排出流路孔１３の
みがガス通路６に開口するよう切欠１８と１９を設ける
。これにより燃料ガスは、セパレータ４ａのガス通路６
を流れる方向とセパレータ４ｂのガス通路６を流れる方
向とが反対方向となる対向流で流されることになる。

一方、セパレータ４ａ、　４ｂのガス通路５の両端側の
周辺部及び電解質板１の同方向の周辺部には酸化ガスの
流路孔を一切設けることなく、その外方にスタックの側
面を覆うように外部マニホールド２０と２１を気密に取
り付け、外部マニホールド２０に接続した酸化ガス供給
管２２を通して供給された酸化ガスＯＧが外部マニホー
ルド２０内から各段に分配されて各セパレータ４ａ、４
ｂのガス通路５に沿って同一方向へ流されるようにする
。又、外部マニホールド２１にも酸化ガス排出管２３が
接続されていて、外部マニホールド２１に出た酸化ガス
ＯＧが排出管２３より排出されるようにしである。

なお、燃料ガスの各供給流路孔１２．１４と各排出流路
孔１３，１５は、燃料電池スタックの外部の配管にそれ
ぞれ接続しである。

今、各燃料ガス供給流路孔１２，１４に燃料ガスを供給
し、外部マニホールド２０に酸化ガスを供給すると、各
段のセパレータ４ａ、４ｂのガス通路６には燃料ガスが
規制された方向に流され、各段のセパレータ４ａ、　４
ｂのガス通路５には同一方向に酸化ガスが流される。セ
パレータ４ａを挾んで流れる燃料ガスＰＧ−１と酸化ガ
スＯＧは直交流であり、セパレータ４ｂを挾んで流れる
燃料ガス「Ｇ−２と酸化ガスＯＧも直交流でおり、電解
質板１を挾んで流れる燃料ガスＦＧ−１と酸化ガスＯＧ
、又は燃料ガスＦＧ−２と酸化ガスＯＧはいずれも直交
流である。一方、各段ごとに燃料ガスＦＧ−１，ＦＧ−
２同士は対向流となる。これにより直交流型の場合に燃
料ガスの入口側で且つ酸化ガスの出口側に生じるホット
スポット部が、各段ごとに位置を異にすることになり、
電解質板１同士の熱伝導作用によって電解質板１の温度
分布が平坦化され、電流密度分布が平均化されることに
なる。

酸化ガスと燃料ガスには、流量差があり、酸化ガス流量
が大であるのが通常であり、かかる場合は、上記の実施
例の如く、外部マニホールド２０．２１に流量の大きい
酸化ガスを流すようにするのが構造的に容易に実現でき
て有利である。

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、たとえば、燃料ガスをセパレータ４ａ、４ｂのガ
ス通路６の一方から他方へのみ流すようにした場合を示
したが、セパレータ４ａ。

４ｂのガス通路６の一端側に設けた供給流路孔と排出流
路孔がガス通路を介して連通し、同様に他端側に設けた
供給流路孔と排出流路孔がガス通路を介して連通するよ
うにガス通路を仕切る隔壁を設け、一端側から供給され
た燃料ガスがガス通路を一端側から他端側へ流れるとＵ
ターンして該一端側へ戻されるような流れ方をするよう
にしてもよく、その伯、内部マニホールドに流すガスの
流れ方向は上記以外の流れ方としてもよいことは勿論で
あり、外部マニホールドと内部マニホールドに流すガス
を流量差が小ざい場合は前記実施例とは逆にしてもよい
。

第４図は、スタック内に別系統の冷却装置２４を設置し
た例を示すものでおる。外部マニホールドを採用するこ
とにより冷却装置２４の設置が容易であり、スタック冷
却の必要がある場合に有利である。

［発明の効果］ 以上述べた如く本発明の燃料電池によれば、セパレータ
の表裏両面に沿って流れる酸化ガスと燃料ガスとが直交
流となるようにガス通路を形成してなるセパレータを用
いて燃料電池ユニットを多段に積層した燃料電池におい
て、１種類のガスは内部マニホールドとして流せるよう
にセパレータ、電解質板の周辺部−側と該−側と対向す
る側に各々供給流路孔と排出流路孔を設けると共に、当
該ガスが各段ごとに反対方向に流れるように出入口部を
規制し、又、伯の１種類のガスは外部マニホールドに流
せるようにしておるので、次の如き優れた効果を秦する
。

（１）１つの段の電解質板に現われていたホットスポッ
ト部が次の段の電解質板では別の位置になり、１つの電
解質板のホットスポット部の温度が隣接する別の電解質
板へ伝えられて電解質板同士の熱伝導作用によって電解
質板の温度分布が平坦化され、電流密度分布が均一化さ
れることになる。

（ｎ）　　上記（１）により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。

（ト）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。

ＯＶ）　　電池を構成する電解質板、電極、セパレータ
の温度分布が均一化の方向にあり、温度勾配も小さいた
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。

（Ｖ）　　一方のガスは内部マニホールドに流されるが
他方のガスは外部マニホールドに流されるので、電解質
板周辺部全面にガスの流路孔を設ける必要がなく、電解
質板の有効面積が増す。

ｌｙＤ　　２種のガスの流量差が大きい場合は、構造的
に大流量を流せる外部マニホールドに流量大の方のガス
を流すことができ、内部マニホールドに流量大の方のガ
スを流すことは流路孔を大きくしなければならず、且つ
分配が大変であるが、このようなことを防止できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の燃料電池にあけるガスの流れ形式の一
例を原理的に示す図、第２図は本発明の燃料電池の一例
を示す内部の概要図、第３図は本発明の燃料電池の一例
を示す外部の斜視図、第４図は本発明の燃料電池の他の
実施例を示す説明図、第５図は直交流型燃料電池の斜視
図、第６図（Ａ）は第５図の場合の温度分布を示す図、
第６図ＣＢ＞は第５図の場合の電流密度分布を示す図、
第７図は従来の外部マニホールド型の直交流型燃料電池
の斜視図である。 １は電解質板、２は１２索極、３は燃料極、４゜４ａ、
４ｂはセパレータ、１２．１４は燃料ガス供給流路孔、
１３．１５は燃料ガス排出流路孔、１６．１７．１８゜
１９は切欠、２０．２１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、上記電解質板、セパ
   レータの周辺部の相対する側にガスの供給流路孔と排出
   流路孔とをそれぞれ設けると共に該ガスが各段ごとに任
   意の並行流と対向流の組み合せができるよう各段のセパ
   レータの流路孔に切欠を設け、且つ上記ガスとは直交流
   となる別のガスを外部マニホールドで流すようにするた
   め外側に外部マニホールドを取り付けてなることを特徴
   とする燃料電池。