JPS6286670A - 燃料電池 - Google Patents

燃料電池

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JPS6286670A
JPS6286670A JP60226074A JP22607485A JPS6286670A JP S6286670 A JPS6286670 A JP S6286670A JP 60226074 A JP60226074 A JP 60226074A JP 22607485 A JP22607485 A JP 22607485A JP S6286670 A JPS6286670 A JP S6286670A
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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】 [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4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
、各層ですべて同一方向で且つ上記各層の酸化ガスOG
の流れ方向と直交する方向へ流れるように、各せパレー
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おり、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6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現させている。
[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5図い)に示す如く燃料ガスFGの入
口で酸化ガスOGの出口付近(第5図の8部)で大きな
温度勾配があり、これに伴なって第5図(B)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、セパレーターへ大きな熱応力を生じさせ、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。
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にガスの流路孔をおけなくてよいが、シ
ールが大変でおる。
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ことを内部マニ
ホールド型で行わせ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1
1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向する側に各々酸化ガス
供給流路孔と排出流路孔を設けると共に、別の面の相対
向する側に各々燃料ガス供給流路孔と排出流路孔とを設
け、上記単セルを挾んで流れる酸化ガスと燃料ガスとは
直交流となり、且つセパレータを挾んで流れる酸化ガス
と燃料ガスとは直交流となるよう各段に用いる各セパレ
ータの両面に形成するガス通路を直交させて、該各ガス
通路と上記各ガスの供給側及び排出側の流路孔とを切欠
を設けて連通させ、更に各段ごとに酸化ガス同士及び燃
料ガス同士が任意の並行流と対向流の組み合せができる
ように、セパレータのカス通路に連通させる各ガスの供
給側及び排出側の切り欠きを設置した構成とする。
[作  用] 一例として、セパレータの周辺部−側と他側に各々設け
られた酸化ガス供給流路孔に導かれた酸化ガスは、各段
セパレータに形成した各々異なる位置の切欠からガス通
路へ入って各段ごとに対向流として流れる。一方、燃料
ガスは、上記酸化ガスとは直交流となり、各段ごとに燃
料ガスは対向流となる。これにより成る段の電解質板に
生じるホットスポット部は、隣接する段の電解質板に生
じるホットスポット部とは別の位置になり分散されるの
で、電解質板の温度分布が平坦化し、同時に電流密度分
布が平坦化される。
[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図は本発明の燃料電池のガスの流し方を原理的に示
し、第2図は本発明の燃料電池の一実施例を示すもので
、先ず、第1図に示す基本原理について説明する。
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酸化ガ
スOGと燃料ガスFG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、且つ各段ごとに酸化ガス同士と燃料ガス同士が対向
流となるように各ガスの入口と出口を規制する。
本発明の燃料電池は、上記の考え方に基づきセパレータ
4の周辺部に設ける酸化ガスの供給流路孔及び排出流路
孔と、燃料ガスの供給流路孔及び排出流路孔を各段のセ
パレータごとに変えて各々のガス通路に開口さける内部
マニホールド型とする。
第2図は上記の実施例を示すもので、電解質板1及びセ
パレータ4a、 4bの周辺部の相対向する側の一側に
は酸化ガスの供給流路孔12と排出流路孔13を、又他
側にも酸化ガスの供給流路孔14と排出流路孔15をそ
れぞれ適宜間隔で複数個ずつ設けると共に、これより9
0度ずれた側の相対向する周辺部の一側には燃料ガスの
供給流路孔16と排出流路孔17を、又、他側にも燃料
ガスの供給流路孔18と排出流路孔19とをそれぞれ適
宜間隔で設ける。セパレータ4aを挾んで流れる酸化ガ
ス燃料ガスが直交流となるように、該セパレータ4a上
面のガス通路6の一端側に位置する燃料ガス供給流路孔
16のみをガス通路6に開口させるための切欠20を設
けると共に、他端側に位置する燃料ガス排出流路孔19
のみをガス通路6に開口させるための切欠21を第3図
(A)に示す如く設け、セパレータ4aのガス通路6で
は燃料ガスが一端から他端側へのみ流れるようにする。
又、セパレータ4aの下面のガス通路5側では、一端側
の酸化ガス供給流路孔12のみをガス通路5に開口させ
るための切欠22を設けると共に、他端側の酸化ガス排
出流路孔15のみをガス通路5に開口させるための切欠
23を第3図(B)に示す如く設ける。
一方、電解質板1を挾んで流れる酸化ガスと燃料ガスが
直交流となり、且つセパレータ4aを流れる燃料ガスと
セパレータ4bを流れる燃料ガス同士が対向流となり、
又セパレータ4aを流れる酸化ガスとセパレータ4bを
流れる酸化ガス同士が対向流となるように、セパレータ
4bでは、ガス通路6の他端側の燃料ガス供給流路孔1
8のみをガス通路6に開口させるための切欠24を設け
ると共に、一端側の燃料ガス排出流路孔17のみをガス
通路6に開口さぜるための切欠25を設け、セパレータ
4bの下面のガス通路5ではセパレータ4aの下面の場
合とは正反対に酸化ガスが流れるように他端側の酸化ガ
ス供給流路孔14と一端側の酸化ガス排出流路孔13と
をガス通路5に開口させるための切欠(図示せず)を設
ける。
上記各酸化カス供給流路孔12’、14及び排出流路孔
13.15と燃料ガス供給流路孔16.18及び排出流
路孔17.19には、燃料電池外部に配した配管に接続
させる。
電解質板1、セパレータ4a、4bの各周辺部の相対向
する位置に設けられている各酸化ガス供給流路孔12.
14に外部から酸化ガスを導入し、又、各燃料ガス供給
流路孔1B、 18に外部から燃料ガスを導入すると、
成る段のセパレータ4aを挾んで流れる酸化ガス0G−
1と燃料ガス「G−2は矢印で示す如く直交流となる。
又、セパレータ4bを挾んで流れる酸化ガス0G−2と
燃料ガスFG−1も直交流となり、電解質板を挾んで流
れる酸化ガス0G−1又は0G−2と燃料ガスFG−1
又はFG−2も直交流となる。しかし、酸化ガス0G−
1と0G−2同士及び燃料ガスFG−1と「G−2同士
は、ともに図示の如く対向流となる。
[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
流となるようにセパレータ周辺部のガス流路孔を選択的
にガス通路に切欠いて連通させ、電解質板を挾んで流れ
る酸化ガスと燃料ガスが直交流となり且つ各段ごとに酸
化ガス同士及び燃料ガス同0士は対向流となるよう、燃
料電池ユニットを仕切る各段のセパレータのガス通路に
連通させる各ガスの供給流路孔と排出流路孔がセパレー
タごとに正反対の位置となるようにしであるので、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。したがって、 (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比が図れる。
(n)  電解質板から生ずる反応熱の除去に対して 
/燃料ガスと酸化ガスの流量を反応に必要な最小流量に
抑えることができるので、動力を小さくでき高効率化が
図れる。
(2)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。
Qv)  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され、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)  燃料電池の性能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か、
本発明では、後者の冷却性能に関する制約条件が緩和さ
れるので、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ガス流れ形式を示す斜視図
、第2図は本発明の燃料電池の一実施例を示す概略図、
第3図い)は1つのセパレータの表面を、第3図(B)
はそのセパレータの裏面を示す図、第4図は直交流型燃
料電池の斜視図、第5図(A)は第4図の場合の温度分
布を、第5図(B)は第4図の場合の電流密度分布を示
す図、第6図は外部マニホールド型の従来例を示す斜視
図である。 1は電解質板、2は酸素極、3は燃料極、4゜4a、4
bはセパレータ、5,6はガス通路、12.14は酸化
ガス供給流路孔、13.15は酸化ガス排出流路孔、1
6.18は燃料ガス供給流路孔、17.19は燃料ガス
排出流路孔、20.21.22.23.24.25は切
欠を示す。 第2図 第3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いて、上記電解質板、セパ
    レータの周辺部の相対向する側に各々酸化ガス供給流路
    孔と排出流路孔を設けると共に、別の面の相対向する側
    に各々燃料ガス供給流路孔と排出流路孔とを設け、上記
    単セルを挾んで流れる酸化ガスと燃料ガスとは直交流と
    なり、且つセパレータを挾んで流れる酸化ガスと燃料ガ
    スとは直交流となるよう各段に用いる各セパレータの両
    面に形成するガス通路を直交させて、該各ガス通路と上
    記各ガスの供給側及び排出側の流路孔とを切欠を設けて
    連通させ、更に各段ごとに酸化ガス同士及び燃料ガス同
    士が任意の並行流と対向流の組み合せができるよう、セ
    パレータのガス通路に連通させる各ガスの供給側及び排
    出側の流路孔を連通させる切り欠きを、各段のセパレー
    タごと配置としたことを特徴とする燃料電池。
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Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2000026981A3 (en) * 1998-10-29 2001-10-25 3M Innovative Properties Co Microstructured flow fields
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