JPS6290871A - 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】 〔発明の利用分野〕 本発明は燃料電池に係り、特に長寿命化、高性能化に好
適な反応ガス流路構造を備えた燃料電池に関する。

〔発明の背景〕

燃料電池は、燃料の持っている化学エネルギを直接電気
エネルギーに変換する装置であり、その効率の高さ及び
、環境保全性の良さ等の利点があるため、次世代の発電
装置として注目を集めているが、電解質保持力や、腐食
等の問題があり、寿命が短いという欠点となっており、
これを克服することが必要とされている。

燃料電池には、使用する電解質により、アルカリ型、リ
ン酸型、溶融塩型、固体電解質型等の種類があるが、こ
こでは溶融炭酸塩型を例にとって説明を行なう。

第２図に公知の燃料電池の構成を示している。

第２図において、２１は電解質保持板、２２はアノード
、２３はカソードをそれぞれ示し、燃料ガスは、セパレ
ータ１１の上面に形成された燃料ガス流路１２を通り、
また酸化剤ガスはセパレータ１１の下面に形成された酸
化剤流路１３を通る。

燃料ガス及び酸化剤ガスはガス流路を流れる間に、それ
ぞれアノード、カソード中に拡散してゆき、電解質板２
１に含まれている電解質と反応し、電気が生ずる。

使用する反応ガス組成は、メタンの水蒸気改質ガスを例
にとれば、燃料ガス組成は、Ｈ３８０％−ｃｏ、２０％
、酸化剤ガス組成は０．１５％−Ｃ０，３０％−Ｎ、５
６％となる。

反応式は、アノード側で、燃料中の水素と電解質中の炭
酸イオンとが反応して Ｈ，＋　Ｇ　Ｏ，”−→Ｈｚ　Ｏ＋　Ｇ　Ｏ−＋　２　
ｅ　−カソード側では、酸化剤ガス中の酸素と２酸化炭
素、さらにアノード側で発生した電子とが反応して −Ｏ，＋ＧＯ，＋２　ｅ−４ＧＯ，”−となる、このこ
とから、反応ガスは、セパレータのガス流路を流れるに
従って組成が変化し、燃料ガスは反応に関与するＨ２が
消費され、生成物の水と二酸化炭素が混入するため、流
量は漸増し。

Ｈ２の分圧は低下する。一方酸化剤ガスは、反応に関与
する酸素と二酸化炭素が消費され、流量は漸減し、窒素
は消費されないため、反応成分（ｏ２゜Ｃｏ、）の分圧
が低下する。そこで、反応ガスは下流に行く程不活性と
なり、電流密度に不均一を生じることになる。

従来この様な、ガス流路断面積が一様なセパレータを用
いた時の電流密度分布を第３図に示す。

平均電流密度ｊ、、＝１５０〜１６０ｍＡ／ａＪであり
、最大電流密度ｊｍ　ａ　ｍ　＝　２５０　ｍ　Ａ　／
　ａＪ最小電流密度ｊ−＊、　＝　５０　ｍ　Ａ　／　
ａ＃となっている。この電流密度の分布は、燃料ガスの
上流から下流に向って減少しており、酸化剤ガスの流れ
方向の影響がほとんど無いことがわかる。それは、水素
ガスの利用率が約７５％であり、酸素（二酸化炭素）の
利用率の５０％と比べて高いことと５反応による分圧の
低下が燃料ガスの方が大きいということが原因である。

このように、電流密度に不均一が生じると高電流密度領
域で過負荷状態となり、その部分において分極が大きく
なり、電池性能が低下する。また電極や電解質板にも負
担がかかり、劣化が進み寿命が短くなる。

この電流密度の不均一を少なくする流路構造として、特
開昭５８−１６６６５８号に示されるものがある。

これは、リン酸型燃料電池の場合であり、煙流ガスは反
応に伴って流量が減少し酸化剤ガスは増加するため、前
述の溶融炭酸塩型とは反対ではあるが、流量が変化した
分だけ流路溝の幅をかえ、流速を一定に保ち、圧力差を
なくし、電流密度を均一化しようとするものである。し
かし、ガス組成が変化するため、圧力を一定にしても、
電流密度があまり均一化されないという欠点があった。

また、電池内の温度分布は、従来の一様な流路の場合第
４図に示す様になる。ここで平均温度Ｔ、、＝　６５０
℃、最低温度’１．．＝５５０℃、Ｔ、、、＝７５０’
Ｃとなっている。この場合の温度分布は、酸化剤ガスの
上流側から下流側に向かって温度勾配がついており、燃
料ガスの流れ方向には、あまり影響されていない、これ
は、電池の電気化学反応で発生した熱量の除去が、反応
ガスによって行なわれ、また、酸化剤ガス流量が、燃料
ガス流量の約４倍であることから、酸化剤ガスの方が支
配的であるためである。

酸化剤ガスによる発生熱の除去量はガスが下流に行くほ
どガス温度が高くなり、伝熱量が少なくなり、その結果
、下流程、電池温度が高くなっている。この様な温度分
布が存在すると、温度の低い部分では１反応速度が遅く
なり、性能が低くなり、温度の高い部分では、電解質の
蒸発及び劣化、また電極やセパレータの腐食等があるた
め、高性能長寿命化のためには電池温度を均一にする必
要があった。

温度分布均一化のためのガス流れに関しては特開昭５６
−１６７２７６号公報があるが、これは、酸化剤ガス流
れと直角方向の温度分布を均一化する構造であり、第４
図の電流密度分布を見ても明らかな様に、酸化剤ガスの
流れ方向の温度分布を均一化する方が効果的である。

〔発明の目的〕

本発明の目的は、電池内の電流密度分布及び温度分布が
均一になるガス流路構造をもち、高性能。

長寿命な燃料電池を提供することにある。

〔発明の概要〕

本発明は、燃料ガス流路幅を入口側から出口側にかけて
徐々に広げ、反応ガスが電極と接する面積を入口側を狭
く、出口側を広くすることにより、入口側の反応量を少
なくし、下流側での反応ガス（Ｈ３）の分圧の低下を少
なくする。さらに、下流側で電極の有効反応面積が広い
ことによって下流側の平均電流密度を高くし、セル内の
燃料ガス流れ方向の電流密度分布を均一化する。

また、酸化剤ガス流路深さを入口側から出口側にかけて
徐々に小さくすることにより、出口側のガス流速を大き
くし、境界層厚さを薄くして熱伝達率を大きくシ、出口
側の熱除去量を多くすることで、セル内の酸化剤流れ方
向の温度分布を均一にする。

入口側に比べて出口側の熱除去量を多くする方法として
、入口側から出口側にかけて流路幅を漸次広くしてゆき
、反応ガスとの接触面積を広くしてゆくことも考えられ
るが、この方法では、入口側の反応有効面積が狭くなっ
てしまうため、酸化剤ガス流れ方向に電流密度分布が生
じてしまう。

このことから、酸化剤ガス流路に関しては、深さを変え
る方が望ましい。

以上のことからセル内の反応を均一化し、電池性能を向
上させ、さらに長寿命化を実現する。

〔発明の実施例］ 次に本発明の実施例を図面に基づいて説明する。

第１図は本発明の流路構造の一実施例を示す斜視図であ
る。

第１図において、セパレータ１１の上面には燃料流路１
２が、下面には酸化剤流路１３が形成されている。燃料
流路１２は、入口側から出口側にかけて流路幅が漸次広
がっており、酸化剤流路１３は、入口側から出口側にか
けて、流路深さが漸次浅くなっている。

第５ａ図及び第５ｂ図は第１図の煙流ガス流路の詳細を
示した図である。燃料流路１２は、第５ｂ＠の如く溝深
さが一様であり、溝の幅のみ第５ａ図の如く流れ方向に
広がっている。この実施例では、流路幅は出口側が入口
側の約３倍となっており、電流密度は最大値ｊ、、、＝
２００ｍＡ／ｄ、最小値ｊ、、ｔ、＝１００ｍＡ／ａｄ
と大巾に均一化した。また溶融炭酸塩型の場合、反応と
伴に流量が増加し、さらに、ガスの温度上昇により体積
が増加するため、流速は、出口側と入口側の比が０．７
　程度であり、流速の変化はあまり無かった。

しかし、リン酸型の場合は燃料ガス流量が反応と伴に減
少することから、この構造では流速の変化が大きくなり
すぎる。その問題を解決するのが第６ａ図及び第６ｂ図
に示す実施例である。この構造は燃料流路１２の流路幅
が第５ａ図の実施例と同様に入口側から出口側にかけて
漸次広くなっているのに加えて、流路深さが第６ｂ図に
如く入口側から出口側にかけて漸次浅くなっている。こ
の構造により煙流ガスの流速変化を緩和することができ
た。

第７ａ図及び第７ｂ図は第１図に示す酸化剤流路の詳細
を示した図である。酸化剤ガス流路１３は溝の幅が一定
であり、溝の深さが第７ｂ図のようにガス流れ方向に漸
次浅くなっている。この実施例では溝深さが、出口側と
入口側の比が０．５程度であり、温度分布は少なくなっ
た。電流密度分布より、温度分布の均一化が優先する場
合には、さらに温度分布均一化を図るための実施例を、
第８ａ図及び第８ｂ図に示す、第８ａ図は、第７ａ図の
流速の変化による熱伝達率の変化を利用したものに加え
て、伝熱面積も変化させ、温度分布の均一化を向上させ
たものである。つまり酸化剤流路１３の溝幅を入口側か
ら出口側にかけて漸次広くしてゆき、電極が酸化剤ガス
と接触する面積を入口側で狭く、出口側で広くした。こ
の場合、出口側の流速が小さくなってしまうので、溝深
さの勾配を第７ａ図の実施例より大きくし、流速が小さ
くならない様にする必要がある。この構造により、ガス
入口側の反応有効面積の減少から、酸化剤ガス流れ方向
の電流密度分布が生じたが、セル内の酸化剤ガス流れ方
向の温度分布をほぼ無くすことができた。

〔発明の効果〕

以上説明した様に１本発明によれば、電流密度の燃料ガ
ス流れ方向の分布及び、セル温度の酸化剤ガス流れ方向
の分布を均一化することができることにより、電池性能
を向上させ、さらに長寿命化を図ることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明の流路構造をもつセパレータの斜視図
、第２図は従来の電池積層体の分解斜視図、第３図は従
来のガス流路構造における電流密度分布図、第４図は従
来のガス流路構造における温度分布図、第５ａ図は本発
明の燃料流路形状を示す平面図、第５ｂ図は同断面図、
第６ａ図は本発明の燃料流路構造の変形応用例を示す平
面図、第６ｂ図は同断面図、第７ａ図は本発明の酸化剤
流路構造の平面図、第７ｂ図は同断面図、第８ａ図は本
発明の酸化剤流路構造の変形応用例を示す平面図、第８
ｂ図は同断面図である。 １１・・・セパレータ、１２・・・燃料ガス流路、１３
・・・酸化剤ガス流路、２１・・・電解質保持板、２２
・・・アノード、２３・・・カソード。 へ＼ 代理人　弁理士　小川勝男　　　゛□ −−′ 茅１固 θＸｉｄａｆＬｔ 茅５目 （久）　　　　　　　　　　　　　　ζ恨２ａｅｌ 第７目 （久） （に２ 第δω （久９ 手続補正書（方式） ％式％ 事件の表示 昭　和６０年特許願第　１２８１６＋　号発明の名称燃
料電池 補正をする者 すを件との関係　　特許出願人 名　称＋５１０１株式会社　日　立　製　イ乍　折代　
　　理　　　人 Ｉ〆：　　帽〒１００１東京都千代田区丸の内−丁目５
番１号補正命令の日付　昭和６１年１０月２８日　　　
（）補正の対　象　明細書の発明の名称の欄。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、電解質を保持している電解質板の一方の面にアノー
   ドを、他方の面にカソードを設け、アノードの、電解質
   板と接しない側の面に燃料流路を、またカソードの、電
   解質板と接しない側の面に酸化剤流路をそれぞれ形成す
   るためのガスセパレータから構成されている燃料電池に
   おいて、前記燃料流路を、入口側から出口側にわたって
   流路幅を漸次大きくしたことを特徴とする燃料電池。 ２、特許請求の範囲第１項において、前記酸化剤流路を
   その入口側から出口側にわたって、酸化剤ガスの反応に
   よる体積減少率よりも大きな割合で流路深さを小さくし
   てゆくことを特徴とする燃料電池。