JPH0646572B2 - 燃料電池 - Google Patents

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ー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てある。

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６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てある。

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８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７図(A)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７図のＢ部）で大きな温
度勾配があり、これに伴なって第７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を容易
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１の一面に酸素極２をまた他面に燃
料極３を配置した複数の単セルの間に交互に積層された
第１のセパレータ4a並びに第２のセパレータ4bと、第１
のセパレータ4a、第２のセパレータ4bの燃料極側の面に
形成された一端近傍から他端近傍へ延びる凹状の燃料ガ
ス通路６と、第１のセパレータ4a、第２のセパレータ4b
の酸素極側の面に形成され且つ前記燃料ガス通路６に対
し略直交する方向へ延びる凹状の酸化ガス通路５と、各
電解質板１、第１のセパレータ4a、第２のセパレータ4b
の燃料極側の面の周縁部に形成され且つ単セルを構成す
る燃料極３の周縁部に接触する凸部25と、各第１のセパ
レータ4a、第２のセパレータ4bの一端側に位置するよう
に前記凸部25に交互に穿設した燃料ガス供給流路孔26並
びに燃料ガス排出流路孔27と、各第１のセパレータ4a、
第２のセパレータ4bの他端側に位置するように前記凸部
25に交互に穿設した燃料ガス供給流路孔28並びに燃料ガ
ス排出流路孔29と、各単セルを構成する燃料極３、電解
質板１、酸素極２の一端側に前記燃料ガス供給流路孔26
並びに燃料ガス排出流路孔27に対し連通するように交互
に穿設した燃料ガス供給流路孔12並びに燃料ガス排出流
路孔13と、各単セルを構成する燃料極３、電解質板１、
酸素極２の他端側に前記燃料ガス供給流路孔28並びに燃
料ガス排出流路孔29に対し連通するように交互に穿設し
た燃料ガス供給流路孔14並びに燃料ガス排出流路孔15
と、前記第１のセパレータ4aの一端側に位置する燃料ガ
ス供給流路孔26と燃料ガス通路６とが連通するように凸
部25に設けた切欠16と、前記第１のセパレータ4aの他端
側に位置する燃料ガス排出流路孔29と燃料ガス通路６と
が連通するように凸部25に設けた切欠16と、前記第２の
セパレータ4bの一端側に位置する燃料ガス排出流路孔27
と燃料ガス通路６とが連通するように凸部25に設けた切
欠18と、前記第２のセパレータ4bの他端側に位置する燃
料ガス供給流路孔28と燃料ガス通路６とが連通するよう
に凸部25に設けた切欠19と、前記酸化ガス通路５に酸化
ガスを流通させるための外部マニホールド20，21とを備
えてなる構成とする。

［作用］ 外部マニホールド20に酸化ガスを供給すると、該酸化ガ
スは、第１のセパレータ4a、第２のセパレータ4bの酸化
ガス通路５をそれぞれ同一方向に流通する。

各燃料ガス供給流路孔12に燃料ガスを供給すると、該燃
料ガスは、第１のセパレータ4aの燃料ガス通路６を、前
記酸化ガスに対し交差する方向へ流通する。

各燃料ガス供給流路孔14に燃料ガスを供給すると、該燃
料ガスは、第２のセパレータ4bの燃料ガス通路６を、前
記第１のセパレータ4aの燃料ガス通路６を流通する燃料
ガスに対し対向する方向へ流通する。

このように、それぞれ燃料電池の外部から供給される燃
料ガスが、隣接する単セルごとに対向する方向へ流通す
るので、各単セルにおける電解質板の温度分布が平坦化
され、各単セルごとの電流密度分布が均一化される。

また、酸化ガスは、外部マニホールド20から酸化ガス通
路５へ流入するので、容易に大量の酸化ガスを供給する
ことができる。

［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の一面に酸素極２を、ま
た他側に燃料極３を配置した複数の単セルの間に、第１
のセパレータ4a、第２のセパレータ4bを交互に配置積層
し、第１のセパレータ4a、第２のセパレータ4bの酸素極
側の面に設けた酸化ガス通路５にそれぞれ酸化ガスOGを
同方向へ流すようにし、第１のセパレータ4a、第２のセ
パレータ4bの燃料極側の面に設けた前記酸化ガス通路５
とは略直交する方向へ延びる燃料ガス通路６に燃料ガス
ＦＧ−１，ＦＧ−２を、第１のセパレータ4a、第２のセ
パレータ4bにおいて流通方向が逆となるように流すよう
にし、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図から第４図に示すように、燃料ガスFG-1，
FG-2を内部マニホールドにより、また酸化ガスOGを外部
マニホールドによってそれぞれ流すようにしている。

4aは第１のセパレータ、4bは第２のセパレータであり、
両セパレータ4a，4bは、電解質板１の一面に酸素極２を
また他面に燃料極３を配置した複数の単セルの間に交互
に積層されている。

両セパレータ4a，4bの燃料極側の面には、一端近傍から
他端近傍へ延びる凹状の燃料ガス通路６が形成され、ま
た、両セパレータ4a，4bの酸素極側の面には、前記燃料
ガス通路６に対し略直交する方向へ延びる凹状の酸化ガ
ス通路５が形成されている。

更に、両セパレータ4a，4bの燃料極側の面の周縁部に
は、単セルを構成する燃料極３の周縁部に接触する凸部
25が形成されている。

26は燃料ガス供給流路孔（酸化ガスFG-1の供給流路
孔）、27は燃料ガス排出流路孔（酸化ガスFG-2の排出流
路孔）であり、両流路孔26，27は、各セパレータ4a，4b
の一端側に位置するように前記凸部25に適宜間隔で交互
に複数穿設されている。

28は燃料ガス供給流路孔（酸化ガスFG-2の供給流路
孔）、29は燃料ガス排出流路孔（酸化ガスFG-1の排出流
路孔）であり、両流路孔28，29は、各セパレータ4a，4b
の他端側に位置するように前記凸部25に適宜間隔で交互
に複数穿設されている。

12は燃料ガス供給流路孔（酸化ガスFG-1の供給流路
孔）、13は燃料ガス排出流路孔（酸化ガスFG-2の排出流
路孔）であり、両流路孔12，13は、各単セルを構成する
燃料極３、電解質板１、酸素極２の一端側に前記燃料ガ
ス供給流路孔26並びに燃料ガス排出流路孔27に対し連通
するように交互に穿設されている。

14は燃料ガス供給流路孔（酸化ガスFG-2の供給流路
孔）、15は燃料ガス排出流路孔（酸化ガスFG-1の排出流
路孔）であり、両流路孔14，15は、各単セルを構成する
燃料極３、電解質板１、酸素極２の他端側に前記燃料ガ
ス供給流路孔28並びに燃料ガス排出流路孔29に対し連通
するように交互に穿設されている。

16は切欠であり、該切欠16は、前記第１のセパレータ4a
の一端側に位置する燃料ガス供給流路孔26と燃料ガス通
路６とを連通させるように凸部25に設けられている。

17は切欠であり、該切欠17は、前記第１のセパレータ4a
の他端側に位置する燃料ガス排出流路孔29と燃料ガス通
路６とを連通させるように凸部25に設けられている。

18は切欠であり、該切欠18は、前記第２のセパレータ4b
の一端側に位置する燃料ガス排出流路孔27と燃料ガス通
路６とを連通させるように凸部25に設けられている。

19は切欠であり、該切欠19は、前記第２のセパレータ4b
の他端側に位置する燃料ガス供給流路孔28と燃料ガス流
路６とを連通させるように凸部25に設けられている。

従って、燃料ガス供給流路孔26へ流通する燃料ガスFG-1
は、切欠16から燃料ガス通路６を一端側から他端側へ向
って流通し、切欠17を経て燃料ガス排出流路孔29へ回収
され、また、燃料ガス供給流路孔28へ流通する燃料ガス
FG-2は、切欠19から燃料ガス流路６を他端側から一端側
へ向って流通し、切欠18を経て燃料ガス排出流路孔27へ
回収され、第１のセパレータ4aの燃料ガス通路６を流通
する燃料ガスFG-1の流れ方向と、第２のセパレータ4bの
燃料ガス通路６を流通する燃料ガスFG-2の流れ方向とが
反対になる対向流が形成される。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，4b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てある。

なお、燃料ガスの各燃料ガス供給流路孔12，26，14，28
と各燃料ガス排出流路孔13，27，15，29は、燃料電池ス
タックの外部の配管にそれぞれ接続してある。

今、各燃料ガス供給流路孔12，26に燃料ガスFG-1を、ま
た各燃料ガス供給流路孔14，28に燃料ガスFG-2をそれぞ
れ供給し、外部マニホールド20に酸化ガスOGを供給する
と、第１のセパレータ4aの燃料ガス通路６には、一端側
から他端側へ向って燃料ガスFG-1が流通し、また、第２
のセパレータ4bの燃料ガス通路６には、他端側から一端
側へ向って燃料ガスFG-2が流通し、両セパレータ4a，4b
の酸化ガス流路５には、それぞれ同方向に酸化ガスOGが
流通する。

すなわち、セパレータ4aを挾んで流れる燃料ガスFG-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FG-2と酸化ガスOGも直交流であり、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、その他、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さ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
例を示すものである。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、第１のセパ
レータ4a、第２のセパレータ4bの酸素極側の面に設けた
酸化ガス通路５にそれぞれ酸化ガスを同方向へ流すよう
にし、第１のセパレータ4a、第２のセパレータ4bの燃料
極側の面に設けた前記酸化ガス通路５とは略直交する方
向へ延びる燃料ガス通路６に燃料ガスを、第１のセパレ
ータ4a、第２のセパレータ4bにおいて流通方向が逆とな
るように流すようにしてあるので、次の如き優れた効果
を奏する 。

(i)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。

(ii)上記(i)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。

(iii)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。

(iv)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。

(vi)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お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に用い
るセパレータの流路孔の詳細を示す部分切断斜視図、第
４図は本発明の燃料電池の一例の外部を示す斜視図、第
５図は本発明の燃料電池の他の例の説明図、第６図は直
交流型燃料電池の斜視図、第７図（Ａ）は第６図の燃料
電池の温度分布を示す図、第７図（Ｂ）は第６図の燃料
電池の電流密度分布を示す図、第８図は従来の外部マニ
ホールド型の燃料電池の斜視図である。 １は電解質板、２は酸素極、３は燃料極、4aはセパレー
タ（第１のセパレータ）、(4b)はセパレータ（第２のセ
パレータ）、５は酸化ガス通路、６は燃料ガス通路、1
2，14，26，28は燃料ガス供給流路孔、13，15，27，29
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. 【請求項１】電解質板(1)の一面に酸素極(2)をまた他面
   に燃料極(3)を配置した複数の単セルの間に交互に積層
   された第１のセパレータ(4a)並びに第２のセパレータ(4
   b)と、第１のセパレータ(4a)、第２のセパレータ(4b)の
   燃料極側の面に形成された一端近傍から他端近傍へ延び
   る凹状の燃料ガス通路(6)と、第１のセパレータ(4a)、
   第２のセパレータ(4b)の酸素極側の面に形成され且つ前
   記燃料ガス通路(6)に対し略直交する方向へ延びる凹状
   の酸化ガス通路(5)と、第１のセパレータ(4a)、第２の
   セパレータ(4b)の燃料極側の面の周縁部に形成され且つ
   単セルを構成する燃料極(3)の周縁部に接触する凸部(2
   5)と、各第１のセパレータ(4a)、第２のセパレータ(4b)
   の一端側に位置するように前記凸部(25)に交互に穿設し
   た燃料ガス供給流路孔(26)並びに燃料ガス排出流路孔(2
   7)と、各第１のセパレータ(4a)、第２のセパレータ(4b)
   の他端側に位置するように前記凸部(25)に交互に穿設し
   た燃料ガス供給流路孔(28)並びに燃料ガス排出流路孔(2
   9)と、各単セルを構成する燃料極(3)、電解質板(1)、酸
   素極(2)の一端側に前記燃料ガス供給流路孔(26)並びに
   燃料ガス排出流路孔(27)に対し連通するように交互に穿
   設した燃料ガス供給流路孔(12)並びに燃料ガス排出流路
   孔(13)と、各単セルを構成する燃料極(3)、電解質板
   (1)、酸素極(2)の他端側に前記燃料ガス供給流路孔(28)
   並びに燃料ガス排出流路孔(29)に対し連通するように交
   互に穿設した燃料ガス供給流路孔(14)並びに燃料ガス排
   出流路孔(15)と、前記第１のセパレータ(4a)の一端側に
   位置する燃料ガス供給流路孔(26)と燃料ガス通路(6)と
   が連通するように凸部(25)に設けた切欠(16)と、前記第
   １のセパレータ(4a)の他端側に位置する燃料ガス排出流
   路孔(29)と燃料ガス通路(6)とが連通するように凸部(2
   5)に設けた切欠(17)と、前記第２のセパレータ(4b)の一
   端側に位置する燃料ガス排出流路孔(27)と燃料ガス通路
   (6)とが連通するように凸部(25)に設けた切欠(18)と、
   前記第２のセパレータ(4b)の他端側に位置する燃料ガス
   供給流路孔(28)と燃料ガス通路(6)とが連通するように
   凸部(25)に設けた切欠(19)と、前記酸化ガス流路(5)に
   酸化ガスを流通させるための外部マニホールド(20)，(2
   1)とを備えてなることを特徴とする燃料電池。