JPS63291364A

JPS63291364A - 燃料電池電圧分布制御方法

Info

Publication number: JPS63291364A
Application number: JP62126004A
Authority: JP
Inventors: Toshihiko Takeu; 竹生　俊彦
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1987-05-25
Filing date: 1987-05-25
Publication date: 1988-11-29
Anticipated expiration: 2013-07-09
Also published as: JP2774496B2

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】〔発明の目的〕（産業上の利用分野）本発明は特に燃料電池電位セル積層体の各単位セルへ燃
料ガスを均一に配分し、燃料電池の長寿命化を図り得る
様にした燃料ガスマニホールドに関する。

（従来の技術）従来、燃料の有しているエネルギーを直接電気的エネル
ギーに変換する装置として燃料電池が知られている。こ
の燃料電池は通常、電解質層を挟んで一対の多孔質電極
を配置するとともに、一方の電極の背面に水素等の燃料
ガスを接触させ、また他方の電極の背面に酸素等の酸化
剤ガスを接触させ、このとき起こる電気化学的反応を利
用して、電気エネルギーを取り出すようにしたものであ
り、前記燃料ガスと酸化剤ガスが供給されている限り高
い変換効率で電気エネルギーを取り出すことができるも
のである。

第５図は、上記原理に基づく特にリン酸を電解質とした
、リブ付電極型の燃料電池における単位セルの構成例を
縦断面視斜図にて示したものである。第５図において、
１は電解質としてのリン酸をマトリックスに含浸してる
電解質層、３ａ、　３ｂはこの電解質層１を挟んで配置
された多孔質炭素材からなるアノード電極、カソード電
極であり、その電解質層１と接する側には触媒２ａ、　
２ｂが夫々塗布され、かつ背面側にはリブ４ａ、　４ｂ
および燃料ガス、酸化剤ガスの流通する溝５ａ、　５ｂ
を夫々有している。ここで、燃料ガスの流通する溝５ａ
と酸化剤ガスの流通する溝５ｂとは互いに直交する方向
に規則的に複数本平行に形成されている。以上により単
位セルが形成され、かかる単位セルをち密な炭素質で作
られセパレータ６を挟んで複数個積層することにより単
位セル積層体を構成している。

また、上記単位セル積層体は第６図に示す如く、その上
下端側に集電板７、絶縁板８、締付板９、端子１０を夫
々取付け、適当な締付は圧でもって上下方向から締付け
るようにしている。さらに、かかる単位セル積層体の側
面側には電気絶縁性ガスケット１１（以下単にガスケッ
トと称する）を介して。

燃料ガス、酸化剤ガスを管１６を通し供給および排出す
るための一対のマニホールド１２および１３．１４およ
び１５を夫々対向して配置し、適当な圧力で締付は固定
することにより燃料電池を構成している。

（発明が解決しようとする問題点）燃料電池固有の問題として、電気化学反応による燃料ガ
スの組成変化のためアノード電極の入口と出口とで燃料
ガスの密度が変化し、電池高さ方向の流量不均一が生ず
るという現象がある。この現象について以下に説明する
。

燃料電池では、マニホールド入口と出口の燃料ガスの組
成が違うために、マニ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、負荷が高い秘密度の差が大きくなる。それ
は次の理由による。

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
１例えば、水素利用率８０％という状態は、＠泡入ロマ
ニホールド内の燃料ガス中に水素ガスが１００（１００
（／Ｈｏｕｒ）含まれていたとすれば、電池内部でこの
８０％、すなわち８０（＋＋＋ｏＱ／）ｌｏｕｒｌが酸
素との化学反応に利用されて発電を行ない、出口マニホ
ールドの燃料ガス中には残りの２０〔菖ｏｊ２／Ｈｏｕ
ｒ）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、この様に入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、ここで第７図
に示した従来の燃料ガス入口側及び出口側マニホールド
の電池高さ方向の圧力分布を第８図に示す。燃料ガスの
静水圧力すなわち（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（ΔＰ上）が大きく、電池下部（Δ
Ｐ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
分布は電池上方に多くの燃料ガスが流れ。

下方には平均流量以下のガスしか流れないという不均一
が生じる。

以上述べた問題のため、高負荷運転の様な水素利用率の
高い運転では電池下部で水素が不足し、転極を起こす恐
れがある。転極によりカソード電極では電気分解反応に
よる水素が発生し空気と燃焼して局部的に過熱するため
、リン酸電界質が蒸発を開始しクロスオーバの増加・電
池特性の低下・さらに電池の焼損へと至る。従って、燃
料ガス流量分布不均一による転極発生は深刻な問題とな
っていた。

本発明の目的は、“燃料ガス流量分布を均一とし転極を
防止し得る燃料電池を提供することにある。

〔発明の構成〕

（問題点を解決するための手段）本発明は上記の目的を達成するために、燃料ガスマニホ
ールドにガスをしゃ断する仕切板を設置してマニホール
ドを仕切り、仕切られた各燃料ガスマニホールドに接続
したガス配管に燃料ガス流量制御弁を設置したもので、
電池高さ方向の電圧分布が均一となる様上記制御弁の弁
開度を制御することを特徴とするものである。

（作　　用）このように構成することにより、水素不足による転極の
防止が可能であり、燃料電池の長寿命が図れる。

（実　施　例）以下本発明を第１図に示す実施例について説明する。第
１図乃至第４図において第５図乃至第７図と同一符号は
同一部分を示すものであるがらその説明を省略する。第
１図に示す本発明による燃料電池においては、第７図に
示した従来の燃料電池の燃料ガス出口側マニホールド１
３内部を、ガスをしゃ断可能な仕切板１８で仕切り、仕
切られた各マニホールドにそれぞれ燃料ガス排出用のガ
ス配管１６を接続し、上記の各ガス配管１６には燃料ガ
ス流量自動制御弁１９を設置した。仕切板１８と積層電
池１７とはガスケット１１を用い電気的に絶縁し積層電
池の短絡を防止した。積層電池１７の電圧は、数セル毎
に設置された図示しない電圧センサーによって計測され
図示しない制御用コンピュータに信号が入力される。電
池高さ方向の電圧分布が均一となる様に、コンピュータ
は上記の各燃料ガス流量自動制御弁１９に制御信号を送
る。故に従来の燃料電池に見られた下部電池の水素不足
による転極が防止される。

なお本発明は上記実施例に限定されるものではなく、第
２図は燃料ガス入口側マニホールド１２にも仕切板１８
を設置、ガス配管１６を接続したものであり、また第３
図は第２図の自動制御弁１９のかわりに流量制限用のオ
リフィス２０を設置したものである。第２図と第３図の
構造の場合は、自動制御弁１９あるいはオリフィス２０
をアノード電極入口側ガス配管１６に設置しても良い。

電池電圧のコンピュータ制御は、各運転条件（電池出力
、ガス利用率等）に対する上記自動制御弁１９の最適弁
開度をあらかじめ設定しておき、運転条件変更時の電圧
分布の不均一を防ぐ事が可能である。

第４図は自動制御弁１６を手動調節弁２１とし圧力容器
２２の外部に設置したもので、コンピュータによる電圧
制御のかわりに手動で電圧分布を調節可能としたもので
ある。゛自動制御弁１６、手動調節弁２１は必ずしも仕切られた
各マニホールドに対し一個ずつ設置するのではなく、第
４図の様に特に電圧分布が不均一となり易い部分のマニ
ホ−ルドに対して取り付け、その他のマニホールドは一
個あるいは少数個の弁により一括して調節することも可
能である。　゛〔発明の効果〕以上説明したように本発明による燃料ガスマニホールド
においては、燃料ガスマニホールドをガスをしゃ断する
仕切板で仕切り、仕切られた各マニホールドに接続した
各ガス配管に燃料ガス流量制御を設置し、電池高さ方向
の電圧分布が均一となる様に上記制御弁の弁開度を制御
するものである。従って従来の燃料電池で生じた水素不
足による転極の防止が可能であり、電池の長寿命化がは
かれる効果がある。

【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ガスマニホールド
の構造説明図、第２図は本発明の他の実施例を示す燃料
ガスマニホールドの構造説明図、第３図は本発明のさら
に他の実施例を示す燃料ガスマニホールドの構造説明図
、第４図は本発明の他の実施例を示す燃料ガスマニホー
ルドの構造説明図、第５図は一般的な燃料電池の単位セ
ルを示す断面斜視図、第６図は一般的な燃料電池を示す
分解斜視図、第７図は従来の燃料ガスマニホールドの構
造説明図、第８図は第７図の燃料ガスマニホールドの電
池高さ方向の圧力分布図である。１・・・電解質層　　　　　２ａ　、　２ｂ・・・触媒
層３ａ・・・アノード電極　　　３ｂ・・・カソード電
極４ａ、４ｂ・＝リブ　　　　　　５ａ、５ｂ−溝６・
・・セパレータ　　　　７・・・集電板８・・・絶縁板
　　　　　　９・・・締付板１０・・・端子　　　　　
　　ＩＩ・・・ガスケット１２・・・燃料ガス入口側マ
ニホールド１３・・・燃料ガス出口側マニホールド１４
・・・酸化剤ガス入口側マニホールド１５・・・酸化剤
ガス出口側マニホールド１６・・・ガス配管　　　　　
１７・・・積層電池１８・・・仕切板　　　　　　１９
・・・自動制御弁２０・・・オリフィス　　　　２１・
・・手動調節弁２２・・・圧力容器代理人　弁理士　則　近　憲　佑同　　第子丸　健第２図第３図第６図第７図

Claims

【特許請求の範囲】

（１）マトリックスに電解質を含浸した電解質層を挟ん
で一対の多孔質電極を配置して成り、前記一方の電極に
燃料ガスが流通し、また他方の電極に酸化剤ガスが流通
している条件下で電気エネルギーを出力する単位セルを
セパレータを介して複数個積層して構成した単位セル積
層体に燃料ガスまたは酸化剤ガスを供給あるいは排出す
べく取り付けられたマニホールドを有する燃料電池にお
いて、上記の燃料ガスのマニホールド内にマニホールド
内空間を仕切る仕切板を設置し、各仕切板によって仕切
られた各空間に接続したガス配管に燃料ガス流量制御弁
を設置し、積層した各電池の電圧を監視しながら、電池
高さ方向の電圧分布が均一となる様上記制御弁の弁開度
を制御することを特徴とする燃料電池電圧分布制御方法
。
（２）弁開度の制御は燃料ガス流量制御弁の各運転条件
における各最適弁開度をあらかじめスケジュールしてお
き、各最適弁開度に設定した後の運転での電圧分布不均
一はさらに弁開度の微調整により均一化した特許請求の
範囲第１項記載の燃料電池電圧分布制御方法。
（３）燃料ガス流量制御弁は、電池入口ガス配管あるい
は電池出口ガス配管に設置した特許請求の範囲第１項記
載の燃料電池電圧分布制御方法。
（４）燃料ガス流量制御弁は流量制限オリフィスとした
特許請求の範囲第１項記載の燃料電池電圧分布制御方法
。
（５）圧力容器の外部に出たガス配管部にガス流量を調
節する手動調節弁を設置し、積層した各電池の電圧を監
視しながら電池高さ方向の電圧分布が均一となる様上記
手動調節弁を調節する特許請求の範囲第１項記載の燃料
電池電圧分布制御方法。