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JPH07183036A - Phosphoric acid fuel cell - Google Patents

Phosphoric acid fuel cell

Info

Publication number
JPH07183036A
JPH07183036A JP5324147A JP32414793A JPH07183036A JP H07183036 A JPH07183036 A JP H07183036A JP 5324147 A JP5324147 A JP 5324147A JP 32414793 A JP32414793 A JP 32414793A JP H07183036 A JPH07183036 A JP H07183036A
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
fuel cell
phosphoric acid
fuel
gas
cell
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
JP5324147A
Other languages
Japanese (ja)
Inventor
Tetsuya Taniguchi
哲也 谷口
Masaaki Matsumoto
正昭 松本
Hiroshi Horiuchi
弘志 堀内
Kunio Kotani
邦男 小谷
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Mitsubishi Electric Corp
Original Assignee
Mitsubishi Electric Corp
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Mitsubishi Electric Corp filed Critical Mitsubishi Electric Corp
Priority to JP5324147A priority Critical patent/JPH07183036A/en
Publication of JPH07183036A publication Critical patent/JPH07183036A/en
Pending legal-status Critical Current

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Classifications

    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30Hydrogen technology
    • Y02E60/50Fuel cells
    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02PCLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
    • Y02P70/00Climate change mitigation technologies in the production process for final industrial or consumer products
    • Y02P70/50Manufacturing or production processes characterised by the final manufactured product

Landscapes

  • Fuel Cell (AREA)

Abstract

PURPOSE:To aim at reducing the differential pressure between the electrodes of a phosphoric acid fuel cell, providing a uniform flow rate within the cell, enhancing the corrosion resistance and various characteristics of the cell, and lowering the highest temperature, while enhancing a quality regarding assembly and the productivity of members. CONSTITUTION:A phosphoric acid fuel cell 1 is of rectangular longitudinal section with the ratio of the lengths of the longer to shorter sides 1.4 3.0. Reduction in the differential pressure between the electrodes of the phosphoric acid fuel cell, a uniform flow rate, enhancement of corrosion resistance and various characteristics of the cell, and lowering of the highest temperature are achieved, and a quality regarding assembly is enhanced. Further, a plurality of composite separators 36 and a plurality of electrodes 2, both of which are members constituting the fuel cell 1 of rectangular longitudinal section, are manufactured in a single operation, thereby enhancing the productivity of the members constituting the cell.

Description

【発明の詳細な説明】Detailed Description of the Invention

【0001】[0001]

【産業上の利用分野】この発明はリン酸を電解質として
用いるリン酸型燃料電池に関するもので、特に燃料電池
単体をその積層方向に見た平面形状に関するものであ
る。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a phosphoric acid type fuel cell using phosphoric acid as an electrolyte, and more particularly to a planar shape of a fuel cell alone when viewed in the stacking direction.

【0002】[0002]

【従来の技術】図17は従来のリン酸型燃料電池の斜視
図、図18はその平面図である。図において、1は燃料
電池の基本ユニットをなす単電池で、電極2と複合化セ
パレータ6からなり、電極2は電解質を保持するマトリ
ックス3、燃料極4、酸素極5から構成されている。ま
た、複合化セパレータ6はガス不透過性の緻密層7、こ
の緻密層7の両面に形成された多孔層8および9から構
成されている。そして複合化セパレータ6の両面に設け
られた多孔層8および9にはそれぞれ溝状の燃料流路1
0と酸化剤流路11が設けられ、この燃料流路10と酸
化剤流路11の溝の方向は互いに直交するようになされ
ている。12は単電池1を所定個数積み重ねてなる電池
積層体、13は冷却板であり、電池積層体12と冷却板
13が所定個数積層されて燃料電池を構成している。一
般に燃料流路10と酸化剤流路11は、その溝方向が上
述の通りそれぞれ直交する方向に設けられており、この
溝に沿って燃料ガスおよび酸化剤ガスが流されている。
このようなガスの流し方はクロスフローと呼ばれる。
2. Description of the Related Art FIG. 17 is a perspective view of a conventional phosphoric acid fuel cell, and FIG. 18 is a plan view thereof. In the figure, reference numeral 1 is a unit cell which is a basic unit of a fuel cell and comprises an electrode 2 and a composite separator 6, and the electrode 2 comprises a matrix 3 holding an electrolyte, a fuel electrode 4 and an oxygen electrode 5. The composite separator 6 is composed of a gas impermeable dense layer 7 and porous layers 8 and 9 formed on both surfaces of the dense layer 7. The groove-shaped fuel channel 1 is formed in each of the porous layers 8 and 9 provided on both surfaces of the composite separator 6.
0 and an oxidant flow channel 11 are provided, and the grooves of the fuel flow channel 10 and the oxidant flow channel 11 are orthogonal to each other. Reference numeral 12 is a cell stack formed by stacking a predetermined number of unit cells 1, 13 is a cooling plate, and a predetermined number of the cell stack 12 and the cooling plate 13 are stacked to form a fuel cell. Generally, the fuel flow path 10 and the oxidant flow path 11 are provided such that the groove directions thereof are orthogonal to each other as described above, and the fuel gas and the oxidant gas are flowed along the grooves.
Such a gas flow method is called cross flow.

【0003】次に動作について説明する。燃料ガスおよ
び酸化剤ガスは、複合化セパレータ6の両面で互いに直
交する燃料流路10、酸化剤流路11に供給され、燃料
極4と酸素極5の全面に達する。燃料極4では燃料ガス
中の水素が燃料極4中の触媒の働きにより水素イオンと
電子になる。水素イオンはマトリックス3の電解質中を
移動して酸素極5に達し、電子は複合化セパレータを介
して隣接する単電池の酸素極に達する。酸素極5では、
供給された酸化剤ガス中の酸素と、電解質を移動してき
た水素イオンと、別の単電池から移動してきた電子が、
やはり酸素極5中の触媒の働きのもと反応して水を生成
し、同時に熱を発生する。電子が燃料電池の両端に設け
られた端子の一方から外部の負荷を経由して他方の端子
に循環することにより電力がとりだされる。
Next, the operation will be described. The fuel gas and the oxidant gas are supplied to the fuel channel 10 and the oxidant channel 11 which are orthogonal to each other on both sides of the composite separator 6, and reach the entire surfaces of the fuel electrode 4 and the oxygen electrode 5. At the fuel electrode 4, hydrogen in the fuel gas becomes hydrogen ions and electrons due to the function of the catalyst in the fuel electrode 4. The hydrogen ions move in the electrolyte of the matrix 3 to reach the oxygen electrode 5, and the electrons reach the oxygen electrode of the adjacent unit cell via the composite separator. At the oxygen electrode 5,
Oxygen in the supplied oxidant gas, hydrogen ions moving in the electrolyte, and electrons moving from another unit cell
Again, it reacts under the action of the catalyst in the oxygen electrode 5 to generate water, and at the same time generates heat. Electricity is taken out by circulating electrons from one of the terminals provided at both ends of the fuel cell to the other terminal via an external load.

【0004】図18で示すように、従来の燃料電池にお
ける単電池はその積層方向にみた平面形状(以下、単に
平面形状と記す。)がほぼ正方形を成していることが多
かった。特開平1−146263号公報や実公平3−1
886号公報等に、矩形のものの記載が見受けられる
が、その理由などは一切記載されていない。なお、実公
平5−42618号公報にも積層面が長方形の燃料電池
が記載されているが、マニホールドを適正に締め付ける
ために、その電池積層体との接触面積の比を適当な値に
することが述べられているにとどまっている。また、リ
ン酸型燃料電池ではなく第2世代の燃料電池と目されて
いる溶融炭酸塩型燃料電池の場合、例えば「石川島播磨
技報 第30巻第1号(平成2年1月)」の第1頁〜第
7頁、あるいは「同、第31巻第2号(平成3年3
月)」第102頁〜第108頁、さらには「同、第31
巻第6号(平成3年11月)」口絵および第414頁〜
第429頁に、平面形状が長方形のものの記載が見受け
られる。しかしながら、その内容は溶融炭酸塩型燃料電
池特有の冷却方法である空冷方式による冷却効果の改善
に主眼が置かれており、燃料電池スタック内部の温度制
御を容易にすることを目的とし、ガス供給方式として平
行流内部マニホールド方式が採用されている。また、平
面形状が長方形の燃料電池は大容量型スタック方式とし
て開発されており、小容量のものについては、ほぼ正方
形ものが示され、このような形態で評価試験がなされて
いる。このように、上記文献の記載は空冷方式を基本と
する溶融炭酸塩型燃料電池の場合に限られた検討であっ
て、水冷式を基本とするリン酸型燃料電池ではその検討
結果を適用することができない。
As shown in FIG. 18, the unit cell in the conventional fuel cell often has an approximately square planar shape (hereinafter simply referred to as planar shape) when viewed in the stacking direction. Japanese Unexamined Patent Publication No. 1-146263 and Actual Fair 3-1
Although the description of a rectangular shape can be seen in Japanese Patent No. 886, etc., the reason therefor is not described at all. Note that Japanese Utility Model Publication No. 5-42618 also describes a fuel cell having a rectangular stacking surface. However, in order to properly tighten the manifold, the ratio of the contact area with the cell stack is set to an appropriate value. Is only mentioned. Further, in the case of a molten carbonate fuel cell, which is regarded as a second-generation fuel cell rather than a phosphoric acid fuel cell, for example, “Ishikawajima Harima Technical Report Vol. 30, No. 1 (January 1990)” Pages 1 to 7, or "Ibid., Vol. 31, No. 2, (March 1991)
Mon) ”, pp. 102-108, and“ Do, 31
Volume 6 (November 1991) "Frontiers and pages 414-
On page 429, it can be seen that the planar shape is rectangular. However, the content is focused on improving the cooling effect by the air-cooling method, which is a cooling method peculiar to molten carbonate fuel cells, and the purpose of facilitating temperature control inside the fuel cell stack is to supply gas. The parallel flow internal manifold system is adopted as the system. Further, a fuel cell having a rectangular planar shape has been developed as a large-capacity stack type, and a small-capacity one has a substantially square shape, and an evaluation test has been performed in such a form. As described above, the description of the above document is limited to the case of the molten carbonate fuel cell based on the air cooling system, and the study result is applied to the phosphoric acid fuel cell based on the water cooling system. I can't.

【0005】[0005]

【発明が解決しようとする課題】前述のとおり、従来の
リン酸型燃料電池では平面形状がほぼ正方形をしている
ものが多かったのは、次のような理由によるものと推定
される。リン酸型燃料電池の商用電力供給システムとし
ての本格的な研究開発は、分散発電用を目的として発電
効率の向上を追求した加圧タイプの燃料電池から始まっ
ている。加圧タイプの燃料電池においては、燃料電池本
体を約圧力5kg/cm2 あるいはそれ以上の高圧雰囲
気下で動作させる必要があるため、高圧容器中に燃料電
池本体が収納される。高圧容器はその強度上の要請等か
ら一般に円筒状とせざるを得ないから、円筒状の高圧容
器内部に燃料電池本体をスペースの無駄を少なくして効
率よく収納するため、燃料電池本体の平面形状をほぼ正
方形としたというものであると考えられる。その後、分
散発電用燃料電池だけでなくコジェネ用として常圧タイ
プのリン酸型燃料電池の研究開発が行われるようになっ
たが、燃料電池本体の平面形状は高圧タイプと同じ形状
が踏襲されている。
As described above, it is presumed that the conventional phosphoric acid fuel cells often had a substantially square planar shape for the following reason. Full-scale research and development of a phosphoric acid fuel cell as a commercial power supply system began with a pressurized fuel cell that pursues improved power generation efficiency for distributed power generation. In a pressurized fuel cell, the fuel cell main body is housed in a high-pressure container because it is necessary to operate the fuel cell main body under a high pressure atmosphere of about 5 kg / cm 2 or higher. Since the high-pressure container generally has to be cylindrical due to its strength requirements, etc., the planar shape of the fuel-cell main unit is designed to efficiently store the fuel-cell main unit inside the cylindrical high-pressure container with less waste of space. Is considered to be almost square. After that, research and development of atmospheric pressure type phosphoric acid type fuel cells for cogeneration as well as fuel cells for distributed power generation began, but the planar shape of the fuel cell body followed the same shape as the high pressure type. There is.

【0006】本願の発明者等はリン酸型燃料電池に関し
て研究を重ねた結果、平面形状がほぼ正方形を成した従
来の燃料電池にはいくつかの問題点があることを発見し
た。特に、高圧容器内部に設置するなどの寸法制約がな
い常圧タイプのリン酸型燃料電池においては、正方形の
平面形状は、デメリットが多いという結論に達した。以
下、正方形の平面形状における問題点を述べる。まず第
1の問題点は、極間差圧分布の問題である。リン酸型燃
料電池では燃料ガスと酸化剤ガスが、非常に薄い電解質
マトリックス(例えば100μm程度)を挟んで対向し
ている。
The inventors of the present application have conducted research on phosphoric acid fuel cells, and as a result, found that the conventional fuel cell having a substantially square planar shape has some problems. In particular, it has been concluded that the square planar shape has many disadvantages in a normal-pressure type phosphoric acid fuel cell in which there is no size restriction such as installation inside a high-pressure container. The problems in the plane shape of the square will be described below. The first problem is the problem of the differential pressure distribution between poles. In the phosphoric acid fuel cell, the fuel gas and the oxidant gas face each other with a very thin electrolyte matrix (for example, about 100 μm) interposed therebetween.

【0007】この電解質マトリックスは、内部に含浸さ
れた電解質によってイオンを伝導し、両面で対向する燃
料ガスと酸化剤ガスの混合防止および電子電導の遮断を
する役割を担っている。リン酸型燃料電池においては、
耐食性の高い材料で多孔性の電解質マトリックスを形成
し、その空孔部に電解質であるリン酸を含浸させること
によって上記の目的を達成している。しかしながら、非
常に薄い層にリン酸を含浸させて両面で対向する燃料ガ
スと酸化剤ガスの混合防止をしているため、燃料ガスと
酸化剤ガスの圧力差(これを極間差圧という。)が大き
くなると燃料ガスと酸化剤ガスの混合防止が難しくな
る。この極間差圧に耐えるためには、電解質マトリック
スを構成する素材の粒径を小さくすることによって、空
孔部のサイズ(以下、単に孔径と記す。)を小さくして
リン酸の毛管吸引力を高めることが行われるが、この孔
径は使用される素材の粒径により制約を受け、孔径を小
さくするには一定の限界がある。一方、孔径を小さくす
ると一般に多孔層の空隙率(多孔層の全体積に対する空
孔部容積の占める割合であり、電解質マトリックスにあ
ってはリン酸が充填される。)も減少するため、孔径を
小さくすると耐差圧性能は向上するものの、イオン伝導
にともなう抵抗が増大し、その結果電池特性が低下する
という問題がある。孔径を小さくする以外に、耐極間差
圧を高める手段として、電解質マトリックスの厚さを大
きくする方法が考えられるが、上記と同じくイオン伝導
にともなう抵抗が増大するため電池特性の低下が避けら
れない。
This electrolyte matrix plays a role of conducting ions by the electrolyte impregnated inside, preventing mixing of fuel gas and oxidant gas facing each other on both sides, and blocking electron conduction. In the phosphoric acid fuel cell,
The above object is achieved by forming a porous electrolyte matrix with a material having high corrosion resistance and impregnating the pores thereof with phosphoric acid as an electrolyte. However, since a very thin layer is impregnated with phosphoric acid to prevent mixing of the fuel gas and the oxidant gas that face each other on both sides, the pressure difference between the fuel gas and the oxidant gas (this is called the inter-electrode differential pressure). ) Becomes large, it becomes difficult to prevent the mixture of fuel gas and oxidant gas. In order to withstand this electrode-to-electrode differential pressure, the size of the pores (hereinafter simply referred to as the pore size) is reduced by reducing the particle size of the material forming the electrolyte matrix, and the capillary suction force of phosphoric acid. However, this pore size is limited by the particle size of the material used, and there is a certain limit to reducing the pore size. On the other hand, generally, when the pore size is reduced, the porosity of the porous layer (the ratio of the pore volume to the total volume of the porous layer, which is filled with phosphoric acid in the electrolyte matrix) is also reduced. If it is reduced, the resistance to differential pressure is improved, but the resistance associated with ionic conduction is increased, resulting in a problem that battery characteristics are deteriorated. In addition to reducing the pore size, a method of increasing the thickness of the electrolyte matrix is conceivable as a means of increasing the resistance to differential pressure between electrodes.However, as with the above, the resistance associated with ionic conduction increases and the deterioration of battery characteristics is avoided. Absent.

【0008】電解質マトリックスでの極間差圧に対する
抵抗機能(以下、耐差圧性能と呼ぶ。)が低いと、燃料
極と酸素極の間の電解質マトリックスを通してガスリー
ク(以下、極間リークと呼ぶ。)が発生し、燃料ガスと
酸化剤ガスの直接混合燃焼(以下、クロスオーバーと呼
ぶ。)につながり、電池特性の低下を招くだけでなく、
単電池が損傷し燃料電池の運転が不能に陥るという状態
を来す。このように耐差圧性能は燃料電池にとって重要
な要素であるが、上述のように電池特性向上のために非
常に薄い膜状とすること必要であるため、運転時の極間
差圧をできるだけ小さく保つことが、燃料電池の信頼性
向上という観点から非常に重要である。
If the resistance function against the inter-electrode differential pressure in the electrolyte matrix (hereinafter referred to as “differential pressure resistance performance”) is low, a gas leak (hereinafter referred to as inter-electrode leak) through the electrolyte matrix between the fuel electrode and the oxygen electrode. ) Is generated, which leads to direct mixed combustion of the fuel gas and the oxidant gas (hereinafter, referred to as crossover), resulting in deterioration of battery characteristics, and
This leads to a state in which the cell is damaged and the fuel cell cannot operate. Thus, the differential pressure resistance performance is an important factor for the fuel cell, but it is necessary to make it a very thin film to improve the cell characteristics as described above, so that the inter-electrode differential pressure during operation can be minimized. It is very important to keep it small from the viewpoint of improving the reliability of the fuel cell.

【0009】リン酸型燃料電池では、一般に、燃料ガス
には天然ガス等を改質して水素分子の含有成分を増大
(水素濃度約60%)させたものが用いられ、酸化剤ガ
スには空気(酸素濃度約21%)が用いられている。供
給するガスのうち発電反応に使用される割合(以下、利
用率と呼ぶ。)は、一般に水素では75〜85%である
のに対して、酸素では60%前後と水素に比べて比較的
少ない。このため燃料電池に供給されるガスの流量は、
酸化剤ガスのほうが燃料ガスに比べて圧倒的に多くな
り、燃料ガス流路と酸化剤ガス流路の形状、寸法、溝本
数等の流路構造を同一とした場合には、ガス流路の入口
から出口までの間における圧力損失が、圧倒的に酸化剤
ガスの側で大きくなる。このガス流路での圧力損失が酸
化剤ガスと燃料ガスとで異なるため、単電池の平面内で
燃料ガス圧力と酸化剤ガス圧力の分布に相違が生じる。
その結果、マトリックス平面上で極間差圧に特定の傾き
をなす分布が発生する。図19には、平面形状がほぼ正
方形の従来のリン酸型燃料電池における極間差圧分布を
示している。
In a phosphoric acid type fuel cell, generally, a fuel gas obtained by reforming natural gas or the like to increase the content of hydrogen molecules (hydrogen concentration is about 60%) is used as the oxidant gas. Air (oxygen concentration about 21%) is used. The proportion of the supplied gas used for power generation reaction (hereinafter, referred to as utilization rate) is generally 75 to 85% for hydrogen, while it is around 60% for oxygen, which is relatively small compared to hydrogen. . Therefore, the flow rate of gas supplied to the fuel cell is
Oxidant gas is overwhelmingly larger than fuel gas, and if the flow channel structure such as the shape, size, and number of grooves of the fuel gas flow channel and the oxidant gas flow channel is the same, The pressure loss from the inlet to the outlet is overwhelmingly large on the oxidant gas side. Since the pressure loss in the gas flow path is different between the oxidant gas and the fuel gas, the distribution of the fuel gas pressure and the oxidant gas pressure differs in the plane of the unit cell.
As a result, a distribution having a specific gradient in the inter-electrode differential pressure is generated on the matrix plane. FIG. 19 shows an inter-electrode differential pressure distribution in a conventional phosphoric acid fuel cell having a substantially square planar shape.

【0010】この場合の単電池の大きさは、平面形状の
投影面積が5000cm2 程度のものであり、動作条件
は電流密度:300mA/cm2 、水素利用率:80
%、酸素利用率:60%である。この図から分かるよう
に、従来の燃料電池では燃料ガス出口と酸化剤ガス出口
で極間差圧が最も小さくなるように調整制御しても、酸
化剤ガス入口付近と燃料ガス出口付近の領域では酸化剤
ガス側の圧力が燃料ガス側の圧力よりも大きくなり、常
にクロスオーバーの危険が存在する状態で運転せざるを
得ないという問題があった。また、クロスオーバーの危
険を解消のために、電解質マトリックスの構造面につい
て対策を講じようとしても、前述の通り電解質マトリッ
クスの肉厚化や細孔径化という手段によっては、燃料電
池特性が低下せざるを得ないという問題があった。
[0010] Single cell size in this case are those projected area of the planar shape is about 5000 cm 2, operating conditions are current density: 300 mA / cm 2, a hydrogen utilization factor: 80
%, Oxygen utilization rate: 60%. As can be seen from this figure, in the conventional fuel cell, even if the adjustment control is performed so that the inter-electrode differential pressure is minimized at the fuel gas outlet and the oxidant gas outlet, There is a problem that the pressure on the oxidant gas side becomes higher than the pressure on the fuel gas side, and there is no choice but to operate in a state where there is always a risk of crossover. Further, in order to eliminate the risk of crossover, even if measures are taken with respect to the structural aspect of the electrolyte matrix, the fuel cell characteristics must be degraded by the means of increasing the thickness and pore size of the electrolyte matrix as described above. There was the problem of not getting.

【0011】第2の問題点は、燃料ガスおよび酸化剤ガ
スの流れの均一化の問題である。前述の通り、リン酸型
燃料電池の場合供給されるガス流量は、酸化剤ガスが燃
料ガスに比べて圧倒的に多く、燃料ガス流路と酸化剤ガ
ス流路の構成を同一とした場合では、流路入口から流路
出口間の流路圧損も、圧倒的に酸化剤ガス側が燃料ガス
側よりも大きくなる。このことは、酸化剤ガスよりも燃
料ガスのほうが、積層された単電池ごとに、あるいは単
電池中のガス流路ごとに流量のばらつきが発生しやすい
ということを示している。具体的には、ガスを供給・排
出するために電池積層体に取り付けられているマニホー
ルドの構造等に起因する、各単電池および各単電池の各
流路に供給される燃料ガスおよび酸化剤ガスの流速(動
圧)分布かたよりや、入口側マニホールドと出口側マニ
ホールド内部におけるガス組成の違いにより生じる、積
層体上側と積層体下側の各単電池間の流量分布のガス密
度差によるヘッド差の影響等により、各単電池ごとある
いは各単電池のガス流路ごとのガス流量に、ばらつきが
発生する。図20は、積層体上側と積層体下側の各単電
池間の流量分布の影響を模式的に表したものである。
The second problem is that the flow of fuel gas and oxidant gas is made uniform. As described above, in the case of the phosphoric acid fuel cell, the gas flow rate supplied is predominantly higher than the oxidant gas compared to the fuel gas, and when the fuel gas flow path and the oxidant gas flow path have the same configuration. Also, the flow path pressure loss between the flow path inlet and the flow path outlet is predominantly larger on the oxidant gas side than on the fuel gas side. This indicates that the fuel gas is more likely to have a variation in the flow rate than the oxidant gas for each stacked unit cell or for each gas flow path in the unit cell. Specifically, fuel gas and oxidant gas supplied to each unit cell and each flow path of each unit cell due to the structure of a manifold attached to the cell stack for supplying and discharging gas. Difference due to the difference in flow velocity (dynamic pressure) distribution and the gas composition inside the inlet side manifold and outlet side manifold due to the gas density difference in the flow rate distribution between the cells above and below the stack. As a result, the gas flow rate varies for each cell or for each gas flow path of each cell. FIG. 20 schematically shows the influence of the flow distribution between the unit cells on the upper side of the stack and the unit cells on the lower side of the stack.

【0012】これら流量のばらつきをできるだけ抑える
ためには、ガス流量を増加させるかガス流路抵抗を大き
くすることによって、流路圧損を高くして解消できる
が、ガス流量を増やすことはガス利用率および発電効率
が低下するため適用は不可能である。このため、ガスの
流路抵抗を大きくして流量のばらつきを抑制することが
行われている。ガスの流路抵抗を大きくするために、ガ
ス流路を細くあるいは浅くすること、流路間隔を広げて
流路本数を減らすこと、あるいは流路内部に絞り機構等
を付設するなどして、ガス流路内のガス流速を高めるこ
と等が行われる。しかし、酸化剤ガスと燃料ガスの流量
ばらつきを同じ程度にするには、かなり燃料側の流路寸
法を小さくするか流路間隔を広げる必要があり、電極全
面への均一なガス拡散性を阻害するため電池特性上は好
ましくない。また、酸化剤ガス流路と燃料ガス流路の形
状を異なったものにすることは、複合化セパレータ製作
の面からも、燃料電池の組立品質を保つ点でも問題があ
る。ガス流路内部に絞り機構等を付設する方法は、ガス
流路の製作が非常に困難になることはいうまでもない
が、絞り部分で異物や電解質等による詰まり・閉塞が発
生しやすくなるという点からも好ましいものではない。
In order to suppress these variations in the flow rate as much as possible, the gas pressure loss can be increased by increasing the gas flow rate or increasing the gas flow path resistance. However, increasing the gas flow rate means increasing the gas utilization rate. Also, it cannot be applied because the power generation efficiency will decrease. Therefore, the flow path resistance of the gas is increased to suppress the variation in the flow rate. In order to increase the flow resistance of the gas, make the gas flow narrow or shallow, widen the flow passage interval to reduce the number of flow passages, or attach a throttle mechanism etc. inside the flow passage. For example, the gas flow velocity in the flow path is increased. However, in order to make the flow rate variations of the oxidant gas and the fuel gas to be about the same, it is necessary to reduce the flow passage size on the fuel side considerably or widen the flow passage interval, which impedes uniform gas diffusivity over the entire surface of the electrode. Therefore, it is not preferable in terms of battery characteristics. Further, making the shapes of the oxidant gas flow path and the fuel gas flow path different from each other poses a problem in terms of manufacturing the composite separator and in maintaining the assembly quality of the fuel cell. It goes without saying that the method of attaching a throttling mechanism etc. inside the gas flow path makes it very difficult to manufacture the gas flow path, but it is easy for clogging / blockage due to foreign matter or electrolytes to occur in the throttled part. It is not preferable from the point of view.

【0013】以上説明したように、従来の平面形状がほ
ぼ正方形を成したリン酸型燃料電池の場合、酸化剤ガス
よりも燃料ガスのほうが、単電池或いはガス流路ごとの
流量のばらつきが発生しやすいという問題があった。ま
た、これを抑制するための様々な手段が提案されている
が、いずれも電池特性、運転の信頼性、流路の製作性な
どの点から満足できるものにはならないという問題があ
った。
As described above, in the case of the conventional phosphoric acid fuel cell having a substantially square planar shape, the flow rate of the fuel gas differs from that of the oxidant gas in the unit cell or in each gas flow path. There was a problem that it was easy to do. Further, various means for suppressing this have been proposed, but none of them has a problem in that they are not satisfactory in terms of battery characteristics, operation reliability, flow path manufacturability, and the like.

【0014】第3の問題点は、単電池の耐食性という問
題で、特に、水素利用率の局部的な上昇による単電池の
腐食に関するものである。水素利用率の上昇によって、
単電池の腐食が起きるメカニズムについては、J.El
ectrochem.Soc.第137巻p3079〜
p3085(1990)に記載されている。また、本願
の発明者などが先に出願し公開された特開平5−190
195号公報にも記載されている。
The third problem is the problem of the corrosion resistance of the single cell, and particularly the corrosion of the single cell due to the local increase in the hydrogen utilization rate. With the increase in hydrogen utilization,
For the mechanism of corrosion of a single cell, see J. El
microchem. Soc. Vol. 137, p3079-
p3085 (1990). In addition, Japanese Patent Application Laid-Open No. 5-190, which was filed and published earlier by the inventors of the present application, etc.
It is also described in Japanese Patent Publication No. 195.

【0015】この問題を要約すると以下のようなもので
ある。水素利用率の局部的な上昇による単電池の腐食と
は、燃料流路出口近傍で燃料中の水素の絶対量が不足し
てくるに従い、その領域の電解質中の水素イオンも不足
し、燃料極での反応(H2 →2H+ +2e- )における
分極が大きくなり燃料極電位が高くなると同時に、この
領域の対極つまり酸素極の電位が持ち上げられ、酸素極
の構成材料(カーボンや白金など)が腐食電位以上に晒
され、腐食反応が起こるというものである。
The summary of this problem is as follows. Corrosion of a cell due to a local increase in the hydrogen utilization rate means that as the absolute amount of hydrogen in the fuel near the outlet of the fuel flow channel becomes insufficient, the hydrogen ions in the electrolyte in that region also become insufficient, causing In the reaction (H2 → 2H + + 2e-) at the same time, the electric potential of the fuel electrode becomes higher as the polarization increases, and at the same time, the potential of the counter electrode, that is, the oxygen electrode in this region is raised, and the constituent materials of the oxygen electrode (carbon, platinum, etc.) When exposed to a potential or higher, a corrosion reaction occurs.

【0016】リン酸型燃料電池では、酸素利用率が60
%前後なのに対し、水素利用率は75〜85%と高い。
これは、電池特性が同じならば消費する水素量が少ない
ほど(即ち水素利用率が高いほど)、発電効率が向上す
るからである。これから分かるように、電池としては発
電効率を上げるためには水素利用率を高くする方が望ま
しいが、水素利用率を高くすると燃料流路出口近傍で燃
料中の水素の絶対量が不足しやすくなり、対極の酸素極
の腐食という危険が増加することになる。特に、平面形
状がほぼ正方形を成した燃料電池の場合、後で説明する
本願発明の燃料電池に比べてこの危険度が著しく大きく
なるという問題がある。実際の発電プラントの運転で
は、定格の水素利用率はこのような危険を回避するよう
な動作点に設定されているが、軽負荷時, 負荷変化時、
その他の過渡的な状況においては、腐食が起きる範囲の
水素利用率に晒されることがある。
In the phosphoric acid fuel cell, the oxygen utilization rate is 60.
%, The hydrogen utilization rate is high at 75 to 85%.
This is because if the battery characteristics are the same, the smaller the amount of hydrogen consumed (that is, the higher the hydrogen utilization rate), the higher the power generation efficiency. As can be seen from the above, it is desirable for the battery to have a high hydrogen utilization rate in order to increase power generation efficiency, but if the hydrogen utilization rate is increased, the absolute amount of hydrogen in the fuel tends to become insufficient near the outlet of the fuel flow path. , The risk of corrosion of the opposite oxygen electrode will increase. In particular, in the case of a fuel cell having a substantially square planar shape, there is a problem in that this degree of risk becomes significantly higher than in the fuel cell of the present invention described later. In actual power plant operation, the rated hydrogen utilization rate is set at an operating point that avoids such danger, but at light load, when the load changes,
In other transient situations, it may be exposed to hydrogen utilization in the range where corrosion occurs.

【0017】また、電池積層体全体の平均的な水素利用
率が腐食の危険を回避した動作点に設定されていても、
前述したように従来の平面形状がほぼ正方形を成した燃
料電池の場合、単電池或いはガス流路ごとに燃料ガス流
量のばらつきが発生しやすいため、特定の単電池や流路
では実際には燃料流路出口近傍の局部水素利用率が高く
なり、腐食の起こり得る水素利用率範囲あるいはその境
界点で運転がなされている可能性もある。図21、図2
2は、平面形状がほぼ正方形の従来の燃料電池で、流量
および反応が面内で均一と仮定した場合の水素利用率を
示す参考図であり、図21には燃料流路に沿った局部水
素利用率の変化を、図22には平均利用率と燃料流路出
口近傍の局部水素利用率の関係を模式的に示している。
Further, even if the average hydrogen utilization rate of the entire battery stack is set to the operating point which avoids the risk of corrosion,
As described above, in the case of a conventional fuel cell in which the planar shape is almost square, the fuel gas flow rate variation easily occurs for each cell or gas flow path. There is a possibility that the local hydrogen utilization rate near the outlet of the flow channel becomes high, and the operation is performed in the hydrogen utilization rate range where corrosion may occur or the boundary point thereof. 21, FIG.
2 is a reference diagram showing a hydrogen utilization rate in the case of a conventional fuel cell having a substantially square planar shape, assuming that the flow rate and the reaction are uniform in the plane, and FIG. 21 shows local hydrogen along the fuel flow path. FIG. 22 schematically shows the change in the utilization rate, which shows the relationship between the average utilization rate and the local hydrogen utilization rate near the outlet of the fuel flow path.

【0018】第4の問題点は、単電池面内での発電反応
の分布に関するもので、これは電池特性にも影響する。
図23は、正方形の単電池の場合の、単電池面内での反
応分布を示している。ここで縦軸には、平均電流密度を
基準として、面内各点での電流密度を百分率で示してい
る。電流密度分布は発電反応分布に対応するから、発電
反応が面内でどのように分布しているかを示している。
例えば図中のある点が150ならば、その点では平均の
1.5倍の電流が流れていることを表している。図23
に示しているように、酸化剤ガス入口側に偏った電流密
度分布が存在しており、これは専ら酸化剤分圧に依存し
た反応活性度の違いにより、酸化剤分圧の高い領域では
高活性となり、出口側の低い酸化剤分圧の領域では低い
活性しか得られないことによるものである。こうした現
象は、本発明者等が先に出願し公開された特開平4−7
9165にも記載されている。
The fourth problem relates to the distribution of the power generation reaction within the cell surface, which also affects the cell characteristics.
FIG. 23 shows the reaction distribution in the plane of the unit cell in the case of a square unit cell. Here, the vertical axis shows the current density at each point in the plane as a percentage with reference to the average current density. Since the current density distribution corresponds to the power generation reaction distribution, it shows how the power generation reaction is distributed in the plane.
For example, if a certain point in the figure is 150, it means that 1.5 times the average current flows at that point. FIG. 23
As shown in Fig. 4, there is a biased current density distribution on the oxidant gas inlet side, which is high in the region where the oxidant partial pressure is high due to the difference in reaction activity mainly depending on the oxidant partial pressure. This is because it becomes active and only low activity is obtained in the region of low oxidant partial pressure on the outlet side. Such a phenomenon is disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No. 4-7 which was filed by the present inventors and published earlier.
9165.

【0019】高活性領域での高い電流密度の領域と、低
活性領域での低い電流密度領域との間では面内を平準化
させるように単電池水平方向に平準化電流が流れる。単
電池内には面内の水平方向の電気抵抗が存在しており、
この平準化電流による抵抗損失が存在している。この抵
抗損失が大きいほど単電池特性が低下する。このように
正方形単電池では電流密度の大きな空気入口−出口間の
距離を短くすることができず、平準化電流による抵抗損
失を小さくすることができず、単電池特性が低下すると
いった問題があった。
A leveling current flows in the horizontal direction of the unit cell so as to level the plane between the high current density region in the high active region and the low current density region in the low active region. There is an in-plane horizontal electric resistance in the unit cell,
There is a resistance loss due to this leveling current. The larger the resistance loss, the lower the cell characteristics. As described above, in the square cell, there is a problem that the distance between the air inlet and the outlet having a large current density cannot be shortened, the resistance loss due to the leveling current cannot be reduced, and the cell characteristics deteriorate. It was

【0020】第5の問題点は、単電池面内の最高温度に
関するもので、これは電池寿命にも影響を与える。リン
酸型燃料電池では、発電反応の際に発生する熱を電池本
体から除去するために複数の単電池を積層した電池積層
体毎に、冷却器を備えた冷却板冷却器が積層されてい
る。基本的に発生した熱は単電池積層方向に伝熱され、
この冷却器により熱が持ち去られるわけであるが、この
他に燃料ガスや酸化剤ガスによる熱の持ち去りもある。
特に酸化剤ガスによる除熱量は無視できず、全体の発熱
量の10〜15%にもおよぶ。(これに比べると燃料ガ
スによる除熱量は少なく無視しても差し支えない程度で
ある。)酸化剤ガスによる冷却は、電池本体に供給され
た酸化剤ガスが単電池温度よりも低いために、複合化セ
パレータなどから酸化剤ガスに熱が対流熱伝達すること
によって起こる。しかしながら、酸化剤ガスの比熱が小
さいために供給された酸化剤ガスは直に温度上昇し、流
路をある程度酸化剤ガスが進むと酸化剤ガスへの熱の伝
達は殆ど起こらなくなってしまう。
The fifth problem relates to the maximum temperature in the plane of the unit cell, which also affects the battery life. In a phosphoric acid fuel cell, a cooling plate cooler having a cooler is stacked for each battery stack in which a plurality of unit cells are stacked in order to remove heat generated during a power generation reaction from the battery body. . Basically, the heat generated is transferred in the cell stacking direction,
The heat is taken away by this cooler, but in addition to this, there is also the heat taken away by the fuel gas and the oxidant gas.
In particular, the amount of heat removed by the oxidant gas cannot be ignored, and reaches 10 to 15% of the total amount of heat generated. (Compared to this, the amount of heat removed by the fuel gas is small and can be neglected.) Cooling by the oxidant gas is not possible because the oxidant gas supplied to the battery body is lower than the unit cell temperature. Convective heat transfer from the volatile separator to the oxidant gas. However, since the specific heat of the oxidant gas is small, the temperature of the supplied oxidant gas directly rises, and when the oxidant gas advances to some extent in the flow path, the heat transfer to the oxidant gas hardly occurs.

【0021】このように、酸化剤ガスによる熱の持ち去
りがあるのは、酸化剤ガス流路の上流側の領域が支配的
である。図24に平面形状がほぼ正方形をした従来の燃
料電池の場合の面内伝熱形態を示している。これから正
方形をした燃料電池の場合には、単電池面内の最高温度
領域から酸化剤ガス冷却ゾーンまでの伝導伝熱距離が長
く、伝熱断面の幅寸法も単電池平面幅しかないことが分
かる。このため、単電池面内の最高温度領域から酸化剤
ガス冷却領域までの沿面方向の熱伝導熱抵抗が大きくな
り、単電池の最高温度が高くなりやすい。このように平
面形状がほぼ正方形をした従来の燃料電池の場合には、
酸化剤ガスの顕熱による冷却効果を有効に利用できない
ため、単電池面内の最高温度が高くなりやすいという問
題があった。最高温度が高いということは、その部分で
の材料劣化やリン酸の飛散が起こり易く、電池寿命の観
点からも望ましくない。なお、二次的な問題ではある
が、正方形という形は同一面積の四角形の中で、周囲長
さが最も短く、相当直径が最も大きい四角形であり、そ
ういう意味から周囲への放熱抵抗が最も大きくなり、冷
却しにくい構造であるという問題を内在している。
As described above, the heat removed by the oxidant gas is dominant in the upstream region of the oxidant gas flow path. FIG. 24 shows an in-plane heat transfer pattern in the case of a conventional fuel cell having a substantially square planar shape. From this, it can be seen that in the case of a square fuel cell, the conduction heat transfer distance from the maximum temperature region in the cell surface to the oxidant gas cooling zone is long, and the width dimension of the heat transfer cross section is only the cell cell plane width. . For this reason, the heat conduction thermal resistance in the creeping direction from the maximum temperature region within the cell surface to the oxidant gas cooling region increases, and the maximum temperature of the cell tends to increase. In the case of a conventional fuel cell whose planar shape is almost square,
Since the cooling effect by the sensible heat of the oxidant gas cannot be effectively used, there is a problem that the maximum temperature in the cell surface tends to be high. A high maximum temperature is not desirable from the viewpoint of battery life, because material degradation and phosphoric acid scattering at that portion are likely to occur. In addition, although it is a secondary problem, the square shape is the square with the shortest perimeter and the largest equivalent diameter among the quadrilaterals with the same area. However, there is an inherent problem that the structure is difficult to cool.

【0022】以上、第1から第5の問題点を列挙した
が、平面形状がほぼ正方形をした従来のリン酸型燃料電
池の場合には、この他に下記のような問題点がある。そ
の一つは電池積層体の組立上の問題である。平面形状が
正方形をした燃料電池では、燃料ガス流路面と酸化剤ガ
ス流路面が一見しただけでは区別がつきにくい。燃料極
および酸素極も同様で、誤って燃料側と酸化剤側の部材
を逆に積層しても判別がつき難い。燃料電池は通常多く
の単電池を積層して構成されており、積層作業の回数も
非常に多い。このように紛らわしい形状の部品を多数積
層組立することは、積層作業のミスや組立時間の遅延を
生じる原因にもなり、燃料電池の組立作業品質上大いに
問題である。特に燃料電池の場合、積層された単電池が
全て電気的に直列に接続されたものであるため、多数積
層されたものの中に1単電池でも間違いがあると、電池
積層体全てが不良となることを考えれば非常に重要な問
題といえる。
The first to fifth problems have been enumerated above. However, the conventional phosphoric acid fuel cell having a substantially square planar shape has the following problems. One of them is a problem in assembling the battery stack. In a fuel cell having a square planar shape, it is difficult to distinguish the fuel gas passage surface and the oxidant gas passage surface at a glance. The same applies to the fuel electrode and the oxygen electrode, and it is difficult to determine if the fuel-side member and the oxidant-side member are mistakenly stacked in reverse. A fuel cell is usually constructed by stacking many unit cells, and the number of stacking operations is very large. Laminating and assembling a large number of confusing parts causes a mistake in the laminating work and a delay in the assembling time, which is a serious problem in the assembling work quality of the fuel cell. Particularly in the case of a fuel cell, since all the stacked cells are electrically connected in series, if one cell is wrong among many stacked cells, the entire cell stack will be defective. Considering this, it can be said to be a very important issue.

【0023】もう一つの問題は、部材の生産性の問題で
ある。リン酸型燃料電池部材の中でも主要な部材の素材
であるカーボン板の場合、その製造プロセス中の焼成炉
などの制約から、その製作可能最大サイズは一辺が1.
2m程度の正方形の平板までである。現在、主に製作さ
れている平面形状の投影面積が5000cm2 程度の燃
料電池では、平面形状が正方形の場合には、各部材を1
枚しか得られない。また、一辺が1.2m程度の正方形
平板の素材中央付近に小さな欠陥などがあった場合は、
この素材から部材を得ることができない。このことは、
燃料極、マトリックス、酸素極などについても同様であ
り、これらの製造設備の制約寸法から従来の正方形形状
の単電池では全製造プロセスを完了して1枚の完成品し
か得ることができないという問題があった。燃料極、マ
トリックス、酸素極の従来の製造プロセスを図25に示
す。カーボン板、燃料極、マトリックス、酸素極のいず
れの場合も、非常に生産性が悪くなり、燃料電池部材コ
ストおよび製造コスト上昇の原因となっている。実用化
を間近に控えたリン酸型燃料電池では、コスト低減は最
も優先されるべき課題であり、生産性を向上させること
はコスト低減に大きく寄与する。
The other problem is the productivity of the member. In the case of carbon plates, which are the main material of phosphoric acid fuel cell members, the maximum manufacturable size is 1.
It is up to a square flat plate of about 2 m. Currently, in a fuel cell with a projected area of about 5,000 cm 2 in a planar shape, which is mainly manufactured at present, if the planar shape is a square, each member is
I can only get one. Also, if there is a small defect near the center of the material of a square plate with a side of about 1.2 m,
No member can be obtained from this material. This is
The same applies to the fuel electrode, the matrix, the oxygen electrode, etc., and due to the limited dimensions of these manufacturing facilities, there is a problem that the conventional square-shaped unit cell can complete the entire manufacturing process and obtain only one finished product. there were. FIG. 25 shows a conventional manufacturing process of the fuel electrode, matrix and oxygen electrode. In any case of the carbon plate, the fuel electrode, the matrix, and the oxygen electrode, the productivity becomes extremely poor, which causes an increase in fuel cell member cost and manufacturing cost. In a phosphoric acid fuel cell, which is about to be put into practical use, cost reduction is the most important issue, and improving productivity greatly contributes to cost reduction.

【0024】この発明は上記のような課題を解決するた
めになされたものであり、リン酸型燃料電池の極間差圧
の低減、流量の均一化、耐食性向上、特性向上、最高温
度の低減等を目的とするとともに、組立作業品質と部材
生産性の向上を実現させるものである。
The present invention has been made in order to solve the above problems, and reduces the inter-electrode differential pressure of a phosphoric acid fuel cell, makes the flow rate uniform, improves the corrosion resistance, improves the characteristics, and reduces the maximum temperature. It is intended to improve the quality of assembly work and the productivity of members.

【0025】[0025]

【課題を解決するための手段】請求項1に係る発明は、
リン酸型燃料電池を構成する各部材をその積層方向に見
た形状が長方形であって、該長方形の長辺と短辺の長さ
の比が1.4ないし3.0の範囲としたものである。
The invention according to claim 1 is
Each member constituting the phosphoric acid fuel cell has a rectangular shape as viewed in the stacking direction, and the ratio of the long side to the short side of the rectangle is in the range of 1.4 to 3.0. Is.

【0026】請求項2に係る発明は、リン酸型燃料電池
を構成する各部材をその積層方向に見た形状を長方形と
し、この長方形の長辺に沿って燃料ガスを、短辺に沿っ
て酸化剤ガスを流すようにしたものである。
According to the second aspect of the present invention, each member constituting the phosphoric acid fuel cell has a rectangular shape as viewed in the stacking direction, and the fuel gas is supplied along the long side of this rectangle and the fuel gas is supplied along the short side thereof. The oxidant gas is made to flow.

【0027】請求項3に係る発明は、リン酸型燃料電池
を構成する各部材をその積層方向に見た形状を長方形と
し、この長方形の長辺方向に冷却板の冷却溝を形成した
ものである。
According to a third aspect of the present invention, each member constituting the phosphoric acid fuel cell has a rectangular shape as viewed in the stacking direction, and cooling grooves of the cooling plate are formed in the long side direction of the rectangle. is there.

【0028】請求項3に係る発明は、燃料電池を前段、
後段からなる一対の積層体から構成し、燃料ガスを前段
の積層体に供給しその排出ガスを後段の積層体に供給す
るようにしたシリアル・フロー型燃料電池において、積
層体を構成する各部材をその積層方向に見た形状を長方
形とし、この長方形の長辺に沿って酸化剤ガスを、短辺
に沿って燃料ガスを流すようにしたものである。
In the invention according to claim 3, the fuel cell is provided in the front stage,
In the serial flow type fuel cell, which is composed of a pair of laminated bodies composed of the latter stage, and which supplies the fuel gas to the former stage laminated body and supplies the exhaust gas to the latter stage laminated body, each member constituting the laminated body The shape viewed from the stacking direction is a rectangle, and the oxidant gas is caused to flow along the long side of this rectangle and the fuel gas is caused to flow along the short side thereof.

【0029】[0029]

【作用】請求項1に係る発明では、リン酸型燃料電池を
構成する各部材をその積層方向に見た形状を長方形と
し、この長方形の長辺と短辺の長さの比を1.4ないし
3.0の範囲としたことにより、各部材の製作に当たっ
て材料の歩留りが向上するほか、平面形状が長方形であ
るので積層部材の組立の際に、燃料側と酸化剤側の部材
を誤って積層するなどの組立作業のミスが減少する。
According to the first aspect of the invention, each member forming the phosphoric acid fuel cell has a rectangular shape when viewed in the stacking direction, and the ratio of the long side to the short side of the rectangle is 1.4. By setting the range to 3.0, the material yield is improved in the production of each member, and since the planar shape is rectangular, the members on the fuel side and the oxidizer side are mistakenly mistaken during assembly of the laminated members. Errors in assembly work such as stacking are reduced.

【0030】請求項2に係る発明では、リン酸型燃料電
池を構成する各部材をその積層方向に見た形状を長方形
とし、この長方形の長辺に沿って燃料ガスを、短辺に沿
って酸化剤ガスを流すようにしたので、燃料ガス流路と
酸化剤ガス流路の幅、深さ、ピッチ寸法などが同一であ
っても、酸化剤ガス流路圧損を大幅に削減され、燃料ガ
ス流路圧損と酸化剤ガス流路圧損がバランスしやすくな
る。そして、燃料電池運転時の単電池平面上での極間差
圧分も均一化し、クロスオーバー発生の機会が減少す
る。
According to the second aspect of the present invention, each member constituting the phosphoric acid fuel cell has a rectangular shape as viewed in the stacking direction, and the fuel gas is supplied along the long side of the rectangle and the fuel gas is supplied along the short side thereof. Since the oxidant gas is made to flow, even if the fuel gas flow path and the oxidant gas flow path have the same width, depth, pitch dimensions, etc., the pressure loss of the oxidant gas flow path is greatly reduced, It becomes easy to balance the flow path pressure loss and the oxidant gas flow path pressure loss. Further, the pressure difference between the electrodes on the plane of the unit cell during fuel cell operation is made uniform, and the chance of crossover occurring is reduced.

【0031】請求項3に係る発明では、長方形の冷却板
の長手方向の冷却溝を形成することにより、冷却板に埋
設する冷却器の曲げ回数が少なくなる。また、冷却板の
冷却器挿入用の冷却溝の本数が少なくなる。さらに、運
転中に飛散するリン酸の量が抑制される。
According to the third aspect of the present invention, by forming the cooling groove in the longitudinal direction of the rectangular cooling plate, the number of bends of the cooler embedded in the cooling plate is reduced. Further, the number of cooling grooves for inserting the cooler in the cooling plate is reduced. Further, the amount of phosphoric acid scattered during operation is suppressed.

【0032】請求項4に係る発明では、シリアル・フロ
ー型燃料電池において、積層体を構成する各部材をその
積層方向に見た形状を長方形とし、この長方形の長辺に
沿って酸化剤ガスを、短辺に沿って燃料ガスを流すよう
にしたことにより、改質器での圧力上昇や、極間差圧の
上昇などが低減する。
In the invention according to claim 4, in the serial flow fuel cell, each member constituting the laminated body has a rectangular shape as viewed in the laminating direction, and the oxidant gas is supplied along the long side of the rectangular shape. By causing the fuel gas to flow along the short side, the pressure increase in the reformer and the increase in the inter-electrode differential pressure are reduced.

【0033】[0033]

【実施例】【Example】

実施例1.図1は、この発明の実施例1によるリン酸型
燃料電池積層体の分解斜視図、図2は、平面図である。
図中の各符号は従来例で述べたものと同一である。図2
はリン酸型燃料電池単体の平面形状が長方形を成し、そ
の長辺と短辺の長さの比がほぼ2.0であるものを示し
ており、その長手方向に(長辺に沿って)燃料ガスを、
短手方向に(短辺に沿って)酸化剤ガスを流す。動作に
ついては従来例と同じであり省略する。
Example 1. 1 is an exploded perspective view of a phosphoric acid fuel cell stack according to Embodiment 1 of the present invention, and FIG. 2 is a plan view.
Each reference numeral in the figure is the same as that described in the conventional example. Figure 2
Shows that the phosphoric acid fuel cell itself has a rectangular planar shape, and the ratio of the length of the long side to the length of the short side is about 2.0. ) Fuel gas,
The oxidant gas is flowed in the lateral direction (along the short side). The operation is the same as in the conventional example and will not be described.

【0034】以下、この発明の動作について説明する。
まず、極間差圧分布について述べる。図3は、すでに説
明した従来例である図19と同じ動作条件で、同じ形
状、寸法(幅、深さ、ピッチ)の燃料ガス流路と酸化剤
ガス流路で、リン酸型燃料電池積層体の平面形状、即ち
単電池平面形状だけが長方形をしている場合の、極間差
圧面内分布である。ここでは、長辺と短辺の長さの比は
(長辺長さ/短辺長さ)=2なる関係の場合を示してお
り、燃料ガス流路が長辺に沿って、酸化剤ガス流路が短
辺に沿って設けられている。図3の場合、図19の平面
形状が正方形の場合と比較すると、各辺の長さは長辺側
で1.4倍、短辺側で0.7倍になっているので、燃料
ガス流路は流路長が1.4倍、流路全幅(即ち、流路本
数)が0.7倍になっており、酸化剤ガス流路は流路長
が0.7倍、流路全幅(即ち、流路本数)が1.4倍に
なっている。このため、ガス流路1本づつについてみる
と、燃料側は通過ガス流量が1.4倍に増加して、逆に
酸化剤側は0.7倍に減少している。リン酸型燃料電池
のガス流路における流速は非常に遅く、毎秒数m以下で
あり層流状態にある。この場合、流路圧損は次式のよう
に表される。 Δp=K×L×v (1) ここで、Δp:流路圧損、L:流路長さ、v:流速、
K:係数であり、Kは通過ガスの種類、温度、圧力、流
路幅、流路深さ寸法で決まる係数である。(1)式か
ら、図19では図3に比べると、燃料側圧損は流路長と
流量(即ち流速)共に1.4倍になるため約2倍にな
り、酸化剤側圧損は流路長と流量共に0.7倍になるた
め約半分になる。
The operation of the present invention will be described below.
First, the distribution of differential pressure between poles will be described. FIG. 3 shows a phosphoric acid fuel cell stack having the same operating conditions and the same shape and size (width, depth, and pitch) of the fuel gas flow path and the oxidant gas flow path as in the conventional example shown in FIG. This is the inter-electrode differential pressure in-plane distribution when only the planar shape of the body, that is, the planar shape of the unit cell, is rectangular. Here, the case where the ratio of the length of the long side to the length of the short side is (long side length / short side length) = 2 is shown, and the fuel gas flow path is along the long side and the oxidant gas is The flow path is provided along the short side. In the case of FIG. 3, the length of each side is 1.4 times on the long side and 0.7 times on the short side, as compared with the case where the planar shape of FIG. 19 is square. The passage has a passage length of 1.4 times and the passage width (that is, the number of passages) of 0.7 times, and the oxidant gas passage has a passage length of 0.7 times and the passage width ( That is, the number of channels is 1.4 times. Therefore, regarding each gas flow path, the passing gas flow rate increases 1.4 times on the fuel side, and conversely decreases 0.7 times on the oxidant side. The flow velocity in the gas flow channel of the phosphoric acid fuel cell is very slow, being several meters per second or less, and in a laminar flow state. In this case, the flow path pressure loss is expressed by the following equation. Δp = K × L × v (1) where Δp: flow channel pressure loss, L: flow channel length, v: flow velocity,
K: coefficient, K is a coefficient determined by the type of passing gas, temperature, pressure, flow channel width, and flow channel depth dimension. From equation (1), in FIG. 19, the fuel-side pressure loss is approximately doubled because both the flow passage length and the flow rate (that is, the flow velocity) are 1.4 times larger than in FIG. 3, and the oxidant-side pressure loss is the flow passage length. Since both the flow rate and the flow rate are 0.7 times, they are about half.

【0035】図19の正方形形状では、極間差圧(=燃
料側圧力−酸化剤側圧力)の面内分布は、−200mm
Aqないし+50mmAqであった。一方、図3の長方
形形状の場合には、極間差圧分布は−100mmAqか
ら+100mmAqになっている。このように極間差圧
幅が小さくなっている。同時に、極間差圧のマイナス側
の最大値が半減している。さらには、極間差圧がマイナ
スになる領域が大幅に減っている。このことにより、運
転時の電解質マトリックスに加わる燃料ガスと酸化剤ガ
スの圧力差を小さく保てるので、特性向上を図り薄膜化
された電解質マトリックスであっても、極間リークなど
に対して信頼性の高いリン酸型燃料電池を得ることが可
能になる。また、極間差圧の絶対値が低いということ
は、たとえ極間リークが発生しても、そのリーク量が極
間差圧に比例して少なくなるということであり、さらに
燃料ガス側圧力が高い領域が広いということは、リーク
ガスが燃料ガス側から酸化剤ガス側に流れるということ
であり、腐食発生の危険性が高い燃料ガス出口領域での
水素ガスの欠乏が発生しにくいということでもある。
(もし、酸化剤ガス側から燃料ガス側にリークが起こる
と、そのリーク箇所から下流領域の燃料ガス流路中の水
素ガスが極端に減少する。)また、酸化剤ガスを短辺に
沿って流すことにより、酸化剤ガスの圧損が減り空気ブ
ロワー動力の低減ができ、燃料電池発電プラントの発電
効率向上という効果が得られる。
In the square shape of FIG. 19, the in-plane distribution of the inter-electrode differential pressure (= fuel side pressure-oxidant side pressure) is -200 mm.
It was Aq to +50 mmAq. On the other hand, in the case of the rectangular shape of FIG. 3, the inter-electrode differential pressure distribution is −100 mmAq to +100 mmAq. In this way, the inter-electrode differential pressure width is reduced. At the same time, the negative maximum value of the differential pressure between the poles is halved. Furthermore, the area in which the inter-electrode differential pressure becomes negative is significantly reduced. As a result, the pressure difference between the fuel gas and the oxidant gas applied to the electrolyte matrix during operation can be kept small, so that even if the electrolyte matrix is thinned to improve its characteristics, reliability against interelectrode leakage etc. It is possible to obtain a high phosphoric acid fuel cell. Further, the low absolute value of the inter-electrode differential pressure means that even if the inter-electrode leak occurs, the amount of the leak decreases in proportion to the inter-electrode differential pressure. The wide high region means that the leak gas flows from the fuel gas side to the oxidant gas side, and it is also difficult for hydrogen gas deficiency to occur in the fuel gas outlet region where the risk of corrosion is high. .
(If a leak occurs from the oxidant gas side to the fuel gas side, the hydrogen gas in the fuel gas flow passage in the downstream region is extremely reduced from the leak location.) By flowing, the pressure loss of the oxidant gas is reduced, the power of the air blower can be reduced, and the effect of improving the power generation efficiency of the fuel cell power plant can be obtained.

【0036】次ぎに単電池あるいはガス流路毎の流量の
均一化について説明する。図3についての説明からも分
かるように、長方形形状でその長辺に沿って燃料ガス
を、短辺に沿って酸化剤ガスを流すと、燃料側流路およ
び酸化剤側流路の圧損をほぼ等しくすることができる。
このため、従来の正方形形状の単電池に比べて、酸化剤
側の圧損は低くなり燃料側圧損は高くなり、従来は燃料
ガス側で大きかった(マニホールドの構造等に起因する
ガスのかたよりや、積層体上側と積層体下側の各単電池
間の流量分布のばらつきを、燃料ガス側と酸化剤ガス側
でほぼ等しくすることが可能になる。図4は、長方形単
電池の場合の積層体上側と積層体下側の単電池間の流量
分布の影響による流量ばらつきを模式的に表している。
すでに説明した従来例である図20と比較すると、ヘッ
ド差の影響が小さくなり積層方向の流量ばらつきが半分
に抑えられ、積層方向流量分配が均一化している。
Next, the uniformization of the flow rate for each cell or gas flow path will be described. As can be seen from the description of FIG. 3, when the fuel gas is flowed along the long side and the oxidant gas is flowed along the short side in the rectangular shape, the pressure loss of the fuel side flow path and the oxidant side flow path is almost eliminated. Can be equal.
Therefore, compared with the conventional square cell, the pressure loss on the oxidizer side is low and the pressure loss on the fuel side is high, and it was large on the fuel gas side in the past (the shape of the gas caused by the manifold structure, etc. It is possible to make the variation in the flow rate distribution between the cells above and below the stack substantially equal on the fuel gas side and the oxidant gas side. The flow rate variation due to the influence of the flow rate distribution between the upper and lower cell stacks is schematically shown.
Compared with FIG. 20, which is the conventional example already described, the influence of the head difference is reduced, the flow rate variation in the stacking direction is suppressed to half, and the flow rate distribution in the stacking direction is made uniform.

【0037】図5、図6には、すでに説明した従来例で
ある図21、図22と同じ条件で、同じ形状、寸法
(幅、深さ、ピッチ)の燃料ガス流路で、単電池平面形
状が長方形をしている場合の、水素利用率の関係を示し
ている。ここでは、長辺と短辺の長さの比は(長辺長さ
/短辺長さ)=2.25なる関係の場合を示しており、
燃料ガス流路が長辺に沿って、酸化剤ガス流路が短辺に
沿って設けられている。単電池平面の面積は図21、図
22の場合と同じである。図5には燃料流路に沿った局
部水素利用率の変化を、図6には平均利用率と燃料流路
出口近傍の局部水素利用率の関係を模式的に示してい
る。図21と図5、図22と図6を比較すると、長方形
単電池の場合には正方形単電池に比べて局部的な利用率
が10%程度小さくなっていることが分かる。出口の局
部水素利用率が同じになる平均水素利用率で評価する
と、長方形単電池の方が正方形単電池の場合に比べて5
〜7%高い平均水素利用率でも運転可能ということにな
る。即ち、燃料電池スタックに供給する燃料ガス流量を
5〜7%程度低減させても、単電池の耐食性が十分にあ
る信頼性の高い燃料電池を供給できるということであ
る。これは、燃料電池の発電効率の点からいっても、必
要な原燃料が少なくなる方向であり非常に効果が大き
い。
FIGS. 5 and 6 show fuel cell flow paths having the same shape and dimensions (width, depth, pitch) under the same conditions as those of the conventional example described above and shown in FIGS. The relationship between hydrogen utilization rates when the shape is rectangular is shown. Here, the case where the ratio of the length of the long side to the length of the short side is (long side length / short side length) = 2.25 is shown.
A fuel gas channel is provided along the long side and an oxidant gas channel is provided along the short side. The area of the unit cell plane is the same as in FIGS. 21 and 22. FIG. 5 schematically shows changes in the local hydrogen utilization rate along the fuel flow channel, and FIG. 6 schematically shows the relationship between the average utilization rate and the local hydrogen utilization rate near the outlet of the fuel flow channel. Comparing FIG. 21 with FIG. 5 and FIG. 22 with FIG. 6, it can be seen that the rectangular cell has a local utilization rate of about 10% smaller than that of the square cell. When evaluated by the average hydrogen utilization rate at which the local hydrogen utilization rate at the outlet is the same, the rectangular cell has 5 times more than the square cell.
It is possible to operate even with an average hydrogen utilization rate of ~ 7% higher. That is, even if the flow rate of the fuel gas supplied to the fuel cell stack is reduced by about 5 to 7%, it is possible to supply a highly reliable fuel cell having sufficient corrosion resistance of the unit cell. From the viewpoint of the power generation efficiency of the fuel cell, this is in the direction of reducing the amount of raw fuel required and is extremely effective.

【0038】図7は、長方形単電池の場合の単電池面内
での反応分布を示している。ここでもすでに説明した従
来例である図23と同様に、空気入口側に偏った電流密
度分布が存在している。抵抗損失が大きいほど単電池特
性が低下するため、単電池特性を向上させるためには、 (1)水平方向の電気抵抗を固有物性値として低減させ
る。 (2)水平方向の距離を小さくする。 (3)高電流密度領域と低電流密度領域との電流密度の
差を低減する。 ことが重要である。(1)の場合は、材料として低抵抗
の材料を適用することで実現できる。(2)の場合は、
本発明にあるような長方形単電池を採用することで、電
流密度差の大きな空気入口−出口間の距離を小さくする
ことにより、実現できる。(3)の場合は、例えば空気
入口に低活性触媒を採用し、空気出口に高活性触媒を採
用することによって実現できる。ただし、(3)につい
ての発明者らの検討によれば、こうした触媒分布を講じ
た場合には、上記の抵抗損失は下がるが触媒利用度の低
下があるため、単電池特性が低下することが判ってい
る。
FIG. 7 shows the reaction distribution in the plane of the unit cell in the case of the rectangular unit cell. Here, similarly to FIG. 23 which is the conventional example already described, there is a current density distribution that is biased toward the air inlet side. The larger the resistance loss, the lower the unit cell characteristics. Therefore, in order to improve the unit cell characteristics, (1) the electrical resistance in the horizontal direction is reduced as a specific physical property value. (2) Reduce the horizontal distance. (3) The difference in current density between the high current density region and the low current density region is reduced. This is very important. The case of (1) can be realized by applying a low resistance material as the material. In case of (2),
By adopting the rectangular unit cell as in the present invention, it can be realized by reducing the distance between the air inlet and the outlet having a large current density difference. In the case of (3), for example, a low activity catalyst is used for the air inlet and a high activity catalyst is used for the air outlet. However, according to the inventors' study on (3), when such a catalyst distribution is taken, the resistance loss is reduced but the catalyst utilization is lowered, so that the cell characteristics may be lowered. I know.

【0039】本発明により、平準化電流による抵抗損失
を低減した結果、単電池特性が正方形のものに比べて長
方形のものでは2〜3%程度の性能の向上が観測され
た。しかも図7、図23における最大の電流密度域(1
60〜180)の面積割合として比較した場合、図23
に示した従来の正方形単電池と、図7に示した本発明の
長方形単電池とでは、後者の方が小さくなっている。最
大値と最小値の差も前者が120で後者は100であ
り、電流密度の勾配が低減されている。すなわち、長方
形単電池を採用することで発電反応分布の平準化をもも
たらすことが出来るようになっている。
As a result of reducing the resistance loss due to the leveling current according to the present invention, it was observed that the rectangular cell has a performance improvement of about 2 to 3% as compared with the square cell. Moreover, the maximum current density region (1
When compared as an area ratio of 60 to 180), FIG.
In the conventional square cell shown in Fig. 7 and the rectangular cell of the present invention shown in Fig. 7, the latter is smaller. The difference between the maximum value and the minimum value is 120 for the former and 100 for the latter, and the gradient of the current density is reduced. That is, by adopting the rectangular unit cell, it is possible to equalize the power generation reaction distribution.

【0040】図8には、長方形単電池の場合の単電池面
内での最高温度と酸化剤ガス冷却領域までの面内伝熱形
態を示している。図24と図8を比較すれば分かるよう
に、酸化剤ガス冷却領域が全平面に対し占める割合は殆
ど変わらないが、沿層方向への伝導伝熱の伝熱距離と伝
熱断面積の幅を大きく変えることができる。その結果、
長方形の場合の伝導伝熱抵抗R’は、正方形の場合の伝
熱抵抗Rに比べて半分以下に抑えることができる。伝熱
抵抗が低減できた分だけ単電池面内の最高温度も低減で
きるており、これは酸化剤ガスの顕熱による冷却効果を
有効に利用していることを示している。このように単電
池面内の最高温度を低く保てると、単電池を構成する各
部材の劣化や電解質であるリン酸の飛散の防止にも効果
があり、電池寿命の点からも非常に効果が大きい。
FIG. 8 shows the in-plane heat transfer form up to the maximum temperature and the oxidant gas cooling region in the cell surface in the case of the rectangular cell. As can be seen by comparing FIG. 24 with FIG. 8, the ratio of the oxidant gas cooling region to all the planes is almost the same, but the heat transfer distance and the width of the heat transfer cross-section in the creeping direction. Can be greatly changed. as a result,
The heat transfer resistance R ′ in the case of a rectangle can be suppressed to half or less as compared with the heat transfer resistance R in the case of a square. The maximum temperature in the cell surface can be reduced by the amount that the heat transfer resistance can be reduced, which indicates that the cooling effect by the sensible heat of the oxidizing gas is effectively used. If the maximum temperature in the cell surface is kept low in this way, it is effective in preventing deterioration of each member constituting the cell and scattering of phosphoric acid, which is the electrolyte, and is extremely effective from the viewpoint of battery life. large.

【0041】以上、実施例1について説明したが、長方
形単電池の場合にはこの他にも次のような特徴がある。
その一つは、積層体平面形状が長方形をしているので、
燃料ガス流路面と酸化剤ガス流路面が一見しただけで区
別がつく。燃料極および酸素極も同様で、誤って燃料側
と酸化剤側の部材を逆に積層するようなことがなくな
る。リン酸型燃料電池では多くの単電池積層組立作業が
必要で、積層組立作業の合理化と組立作業品質向上に大
きな効果が得られる。もう一つは、部材の生産性が向上
である。リン酸型燃料電池の主要部材であるカーボン板
の場合、現状ではその製作可能最大サイズは一般に1.
2m角程度の平板までであるが、現在主流の外形面積5
000cm2 程度のリン酸型燃料電池を(長辺:短辺≒
2:1)の長方形サイズで製作する場合には、1枚のカ
ーボン平板から2枚のリン酸型燃料電池用素材を切り出
すことができる。また、製作した1.2m角のカーボン
板の中央付近に小さな欠陥などがあった場合でも、長方
形の平面形状ならば少なくとも1枚は燃料電池用素材を
切り出すことができる。即ち、非常に生産性が向上し、
リン酸型燃料電池部材のコスト低減が実現できる。
Although the first embodiment has been described above, the rectangular cell has the following other characteristics.
One of them is that the laminate plane shape is rectangular,
The fuel gas flow path surface and the oxidant gas flow path surface can be distinguished at a glance. The same applies to the fuel electrode and the oxygen electrode, and it is possible to prevent the fuel side member and the oxidant side member from being mistakenly laminated in reverse. The phosphoric acid fuel cell requires a lot of unit cell stacking and assembling work, which has a great effect on streamlining the stacking and assembling work and improving the quality of the assembling work. The other is to improve the productivity of parts. In the case of carbon plates, which are the main members of phosphoric acid fuel cells, the maximum size that can be manufactured is currently 1.
Although it is up to a flat plate of about 2 m square, the mainstream external area currently 5
A phosphoric acid fuel cell of about 000 cm 2 (long side: short side ≒
When manufacturing in a 2: 1) rectangular size, two phosphoric acid fuel cell materials can be cut out from one carbon flat plate. Further, even if there is a small defect near the center of the manufactured 1.2 m square carbon plate, at least one material for a fuel cell can be cut out if it has a rectangular planar shape. That is, productivity is greatly improved,
Cost reduction of phosphoric acid fuel cell members can be realized.

【0042】最後に発明者等は長辺長さと短辺長さの比
率の制約について検討した。先に述べた流量分配の均一
化、局部水素利用率の低減、単電池の反応分布改善、面
内温度分布の改善については、(長辺長さ/短辺長さ)
の比率が高くなるほど好ましい方になるので、ここでは
単電池平面内の極間差圧分布と部材の生産性について述
べる。
Finally, the inventors examined restrictions on the ratio of the long side length to the short side length. Regarding the above-mentioned uniform distribution of flow rate, reduction of local hydrogen utilization rate, improvement of reaction distribution of single cells, and improvement of in-plane temperature distribution, (long side length / short side length)
The higher the ratio is, the more preferable it is. Therefore, the distribution of the inter-electrode differential pressure in the plane of the unit cell and the productivity of the members will be described here.

【0043】図9は、(長辺長さ/短辺長さ)の比率と
極間差圧の関係を示したもので、投影面積5000cm
2 のリン酸型燃料電池で従来例図19と同じ動作条件
で、同じ形状、寸法(幅、深さ、ピッチ)の燃料ガス流
路と酸化剤ガス流路を使用した場合に、(長辺長さ/短
辺長さ)の比率を変えることにより、極間差圧がどのよ
うに変化するかを示している。これから運転中にマトリ
ックスに加わる極間差圧が、正方形単電池の場合の極間
差圧に比べて小さくなるのは、(長辺長さ/短辺長さ)
の比率が1〜4の範囲である。明かに極間差圧の有意差
が得られる点として、極間差圧絶対値の最大値が正方形
単電池の場合の75%以下になる点を選ぶと、この比率
は1.4〜3.0の範囲になる。
FIG. 9 shows the relationship between the ratio of (long side length / short side length) and the differential pressure between electrodes. The projected area is 5000 cm.
In the case of the phosphoric acid fuel cell of No. 2 under the same operating conditions as the conventional example shown in FIG. 19 and using the fuel gas passage and the oxidant gas passage having the same shape and dimensions (width, depth, pitch), It shows how the differential pressure between the electrodes changes by changing the ratio of (length / short side length). The gap between electrodes applied to the matrix during operation is smaller than the gap between electrodes in the case of a square cell (long side length / short side length)
Is in the range of 1 to 4. If a point where the maximum value of the absolute value of the inter-electrode differential pressure is 75% or less of that in the case of a square cell is clearly selected as a point at which a significant difference in the inter-electrode differential pressure is obtained, this ratio is 1.4 to 3. It will be in the range of 0.

【0044】図10は、現状で製作可能な最大サイズ
1.2m角のカーボン平板から、投影面積5000cm
2 燃料電池カーボン材料が何枚取り出せるかを、上記の
比率を変えて表したものである、これから上記比率が
1.5以下では、1.2m角のカーボン平板からは、投
影面積5000cm2 の燃料電池カーボン材料は1枚し
か取り出せないが、1.5〜2.8の範囲では、投影面
積5000cm2 の燃料電池カーボン材料が2枚取り出
せることが分かる。もちろん、上記比率が2.8以上で
は部材の製作は不可能である。
FIG. 10 shows a projected area of 5000 cm from a carbon flat plate having a maximum size of 1.2 m square that can be currently manufactured.
2 The number of sheets of carbon material that can be taken out from a fuel cell is expressed by changing the above ratio. From this, when the above ratio is 1.5 or less, a fuel with a projected area of 5000 cm 2 is drawn from a 1.2 m square carbon flat plate. Although only one cell carbon material can be taken out, it can be seen that two fuel cell carbon materials having a projected area of 5000 cm 2 can be taken out in the range of 1.5 to 2.8. Of course, if the above ratio is 2.8 or more, it is impossible to manufacture a member.

【0045】以上の結果から、現状で製作可能な最大サ
イズ1.2m角程度のカーボン平板から、投影面積が5
000cm2 の燃料電池カーボン材料を2枚の製作する
ための(長辺長さ/短辺長さ)の比率は、1.5〜2.
8の範囲であることが分かる。尚、燃料ガス圧力が酸化
剤ガス圧力よりも高くなる領域が平面全体の半分以上を
占めるようになる、(長辺長さ/短辺長さ)の比率2〜
2.8の範囲が更に望ましい。
From the above results, it is possible to obtain a projected area of 5 from a carbon flat plate having a maximum size of about 1.2 m square that can be currently manufactured.
The ratio of (long side length / short side length) for producing two pieces of fuel cell carbon material of 000 cm 2 is 1.5 to 2.
It can be seen that the range is 8. The region where the fuel gas pressure is higher than the oxidant gas pressure occupies more than half of the entire plane. (Long side length / short side length) ratio 2 to
The range of 2.8 is more desirable.

【0046】実施例2.図11は、実施例2による平面
図であり、先に述べた特開平5−190195号公報に
も記載されているガスフロー形式(シリアル・フロー)
の場合である。シリアル・フローも基本的には燃料ガス
流れと酸化剤ガス流れが直交するのでクロスフロー形式
には相違ないが、この場合には実施例1と異なり長辺方
向に酸化剤ガスを、短辺方向に燃料ガスを流している。
長辺方向と短辺方向の長さ比率は実施例1と同じく、そ
の長辺と短辺の長さの比が1.5〜3.0である。
Example 2. FIG. 11 is a plan view according to the second embodiment, and the gas flow type (serial flow) described in the above-mentioned JP-A-5-190195 is also used.
Is the case. The serial flow is basically the same as the cross-flow type because the fuel gas flow and the oxidant gas flow are orthogonal to each other, but in this case, unlike the first embodiment, the oxidant gas is supplied in the long side direction and the short side direction. Fuel gas is flowing through.
The length ratio in the long side direction and the short side direction is the same as in Example 1, and the ratio of the lengths of the long side and the short side is 1.5 to 3.0.

【0047】シリアル・フローの場合には、一度前段単
電池を通過して排気された残燃料ガスを再度後段単電池
に供給するため、従来例について説明した多くの問題点
は既に解決されている。具体的には、燃料ガス流量の均
一化、出口水素利用率の向上、単電池面内発電反応分布
の改善などは、シリアルフローにすることで達成されて
いる。逆にシリアルフローでは、1箇所の単電池に供給
される燃料ガス流量が通常のクロスフローの数倍になる
ため、燃料ガス側の圧損が大きくなる。このため、極間
差圧分布も必然的に大きくなる。(燃料側圧力が高くな
る。)また、燃料電池よりもプラント上流側にある改質
器に送り込む原燃料ガスの圧力もそれに応じて上昇する
ので、エジェクターでの原燃料ガスへのスチーム供給が
困難になる。そこで、シリアル・フローを採用している
リン酸型燃料電池の場合は、長辺方向に酸化剤ガスを、
短辺方向に燃料ガスを流すことによって、極間差圧の上
昇を防止する効果がある。尚、実施例2ではシリアル・
フローに限定して説明を行ったが、供給ガスの全部また
は一部を複数回単電池に供給するガスフロー形式であれ
ばどんなフローであっても実施例2で説明したような構
成が成り立つことはいうまでもない。
In the case of the serial flow, the residual fuel gas exhausted after passing through the former unit cell is supplied again to the latter unit cell, so that many problems described in the conventional example have already been solved. . Specifically, uniformization of the fuel gas flow rate, improvement of the outlet hydrogen utilization rate, improvement of the in-plane power generation reaction distribution of the unit cell, etc. have been achieved by the serial flow. On the contrary, in the serial flow, the flow rate of the fuel gas supplied to one unit cell is several times that of the normal cross flow, so that the pressure loss on the fuel gas side becomes large. For this reason, the distribution of the differential pressure between the electrodes also inevitably becomes large. (The pressure on the fuel side becomes higher.) Also, the pressure of the raw fuel gas sent to the reformer located upstream of the fuel cell in the plant also rises accordingly, making it difficult to supply steam to the raw fuel gas by the ejector. become. Therefore, in the case of a phosphoric acid fuel cell that uses a serial flow, oxidant gas is supplied in the long side direction,
Flowing the fuel gas in the direction of the short side has an effect of preventing an increase in the inter-electrode differential pressure. In the second embodiment, serial
Although the description has been limited to the flow, the configuration as described in the second embodiment should be established regardless of the flow of gas, as long as it is a gas flow type in which all or part of the supply gas is supplied to the single cell a plurality of times. Needless to say.

【0048】実施例3.図12は、実施例3による平面
図で、図1の線A−Aから見たものである。図12にお
いては、冷却板13の冷却溝を長手方向に形成してい
る。動作については以上の説明と相違がないため省略す
る。このように長手方向に冷却溝を形成したことにより
冷却板13に埋設する冷却器14の曲げ回数が少なくな
り、冷却器の曲げ加工コストが低減できるという効果が
ある。また、冷却板13についても、冷却器挿入用の冷
却溝の本数が少なくなるので、溝加工のための加工コス
トの低減が図れる。
Example 3. FIG. 12 is a plan view according to the third embodiment as seen from the line AA in FIG. In FIG. 12, the cooling groove of the cooling plate 13 is formed in the longitudinal direction. The operation is the same as the above description and is omitted. By thus forming the cooling groove in the longitudinal direction, the number of times of bending the cooler 14 embedded in the cooling plate 13 can be reduced, and the bending cost of the cooler can be reduced. Further, also in the cooling plate 13, since the number of cooling grooves for inserting the cooler is reduced, it is possible to reduce the processing cost for groove processing.

【0049】冷却方式としては加圧冷却方式あるいは沸
騰冷却方式が用いられるが、いずれの場合にあっても冷
却水の入口領域は冷却水温が多少低く冷却効果が大き
い。本実施例では図12から分かるように、冷却水入口
領域が長方形単電池の酸化剤ガス出側に配置されてい
る。即ち、酸化剤ガスの出側の冷却効果が大きくなるよ
うにすることができる。通常、リン酸型燃料電池では飛
散するリン酸の多くは酸化剤ガスに随伴されて燃料電池
外部に排出されるが、出側の酸化剤ガスを効率的に冷却
すると、その中のリン酸飽和蒸気圧が低減するので、飛
散するリン酸量を大幅に抑制できる。このように、実施
例3の構成をとることにより、飛散するリン酸量を抑制
でき、燃料電池スタック寿命の長期化が図れるという効
果がある。
As a cooling method, a pressure cooling method or a boiling cooling method is used. In either case, the cooling water temperature in the inlet region of the cooling water is somewhat low and the cooling effect is large. In this embodiment, as can be seen from FIG. 12, the cooling water inlet region is arranged on the oxidant gas outlet side of the rectangular unit cell. That is, the cooling effect on the outlet side of the oxidant gas can be increased. Usually, in phosphoric acid fuel cells, most of the scattered phosphoric acid is discharged along with the oxidant gas and is discharged to the outside of the fuel cell. However, if the oxidant gas on the outlet side is cooled efficiently, the phosphoric acid saturation in it will occur. Since the vapor pressure is reduced, the amount of scattered phosphoric acid can be greatly suppressed. As described above, by adopting the configuration of Example 3, there is an effect that the amount of scattered phosphoric acid can be suppressed and the life of the fuel cell stack can be extended.

【0050】実施例4.図13は、リン酸型燃料電池群
を複数使用するシステムにおいて、上記長方形燃料電池
群を2台の燃料電池スタック毎に対にして、組立レイア
ウトしたものである。ガスフロー形式は、各々の燃料電
池スタックはクロスフローであるが、2台の対のうち片
方の燃料電池スタックにのみ燃料ガスを供給し、その排
気ガスをもう一方の燃料電池スタックに供給するとい
う、いわゆるスタック間シリアル・フローを成してい
る。酸化剤ガスは通常のフローと同じく、個々の燃料電
池に供給・排出する方式であるが、酸化剤供給・排出の
マニホールドは、対をなす2台のスタックに対して共通
の1つのマニホールドから構成されている。このように
長方形リン酸型燃料電池群を2台の燃料電池毎に対にし
て、その長辺同士が向き合うように組み立てることによ
って、対をなす2台でほぼ正方形を成しコンパクトにレ
イアウトすることができる。
Example 4. FIG. 13 shows an assembly layout in which the rectangular fuel cell group is paired for every two fuel cell stacks in a system using a plurality of phosphoric acid fuel cell groups. The gas flow method is such that each fuel cell stack is a cross flow, but the fuel gas is supplied only to one of the two fuel cell stacks and the exhaust gas is supplied to the other fuel cell stack. , So-called serial flow between stacks. The oxidant gas is supplied and discharged to each fuel cell as in the normal flow, but the oxidant supply and discharge manifold consists of one common manifold for two stacks that make a pair. Has been done. In this way, the rectangular phosphoric acid type fuel cell group is paired for every two fuel cells and assembled so that the long sides thereof face each other, so that the paired two cells form a substantially square shape and lay out compactly. You can

【0051】以上の各実施例の説明を補足するために、
各部材の製造過程についてこの発明を適用した場合の具
体例を説明する。図14は、長方形平面形状のマトリッ
クス3、燃料極4、酸素極5の製造フローである。現状
ではカーボン材で製作可能な最大サイズは1.2m角程
度であり、図14に示す製造フローにおいて1.2m角
の大面積マトリックス、燃料極、酸素極を製造し、それ
から投影面積5000cm2 程度の長方形マトリック
ス、燃料極、酸素極を分割して製造する。こうすること
によって、図14に示すような従来1枚製造するために
その都度行われてきた成形、乾燥、圧着、焼成といった
多くの工程を大面積のマトリックス、燃料極、酸素極を
製造しそれから分割し複数枚採りすることによって工程
を1回に省略することができる。このように製造工程す
なわち製造時間を短縮することができるとともに、製造
コストを著しく低減することができる。大面積のマトリ
ックス、燃料極、酸素極から、長方形のマトリックス、
燃料極、酸素極を分割して採出する例を図15に示し
た。燃料極、酸素極の製造では、現状ではカーボン材サ
イズの制約から5000cm2 程度のものは2枚しかま
とめて製造することができないが、マトリックス製造に
おいては図に示すように圧延工程で連続的に材料を供給
すれば2枚以上のマトリックスをまとめて製造すること
ができ、複数枚数を一度に製造することが可能である。
In order to supplement the above description of each embodiment,
A specific example in the case where the present invention is applied will be described with respect to the manufacturing process of each member. FIG. 14 is a manufacturing flow of the rectangular planar matrix 3, the fuel electrode 4, and the oxygen electrode 5. At present, the maximum size that can be manufactured with carbon material is about 1.2 m square, and in the manufacturing flow shown in FIG. 14, a 1.2 m square large area matrix, fuel electrode and oxygen electrode are manufactured, and then a projected area of about 5000 cm 2 It is manufactured by dividing the rectangular matrix, the fuel electrode, and the oxygen electrode. By doing so, many steps such as molding, drying, pressure bonding, and firing, which have been performed each time to manufacture a single sheet as shown in FIG. 14, are carried out to manufacture a large-area matrix, fuel electrode, and oxygen electrode. By dividing and collecting a plurality of sheets, the process can be omitted at one time. Thus, the manufacturing process, that is, the manufacturing time can be shortened, and the manufacturing cost can be remarkably reduced. Large area matrix, fuel electrode, oxygen electrode, rectangular matrix,
FIG. 15 shows an example in which the fuel electrode and the oxygen electrode are separated and taken out. Currently, in the production of fuel electrode and oxygen electrode, due to the limitation of the carbon material size, it is possible to produce only two sheets having a size of about 5000 cm 2, but in matrix production, as shown in the figure, the rolling process is performed continuously. If materials are supplied, two or more matrices can be manufactured collectively, and a plurality of matrices can be manufactured at once.

【0052】図16は、実施例6による平面形状が長方
形のリン酸型燃料電池用カーボン部材を、正方形の大面
積カーボン材料から板取りする図面である。このように
することによって従来と同じ抄紙、含浸、成形、焼成、
黒鉛化の工程だけで、従来の2倍の数量の燃料電池用カ
ーボン部材を得ることができる。これによりカーボン部
材の製作工期が短くなるだけでなく、生産性向上による
無駄の削減や焼成、黒鉛化時の外部放熱エネルギーの削
減ができるので、カーボン板の部材コストの低減が図れ
る。また、大面積カーボン材料に小さな欠陥などがあっ
ても、その欠陥部分を避けて板取りすることにより、大
面積のカーボン材料から少なくとも1枚の燃料電池用カ
ーボン部材を取り出すことが可能になる。
FIG. 16 is a view showing that a carbon member for a phosphoric acid fuel cell having a rectangular planar shape according to the sixth embodiment is cut from a square large area carbon material. By doing this, the same papermaking, impregnation, molding, firing, and
Only by the graphitization process, it is possible to obtain twice the number of carbon members for fuel cells as in the conventional case. This not only shortens the manufacturing period of the carbon member, but also reduces waste due to improved productivity, and reduces external heat radiation energy during firing and graphitization, thus reducing the cost of the carbon plate member. Further, even if the large-area carbon material has a small defect or the like, it is possible to take out at least one carbon member for a fuel cell from the large-area carbon material by performing plate cutting while avoiding the defective portion.

【0053】[0053]

【発明の効果】請求項1に係る発明では、リン酸型燃料
電池を構成する各部材をその積層方向に見た形状を長方
形とし、この長方形の長辺と短辺の長さの比を1.4な
いし3.0の範囲としたことにより、各部材の製作に当
たって材料の歩留りが向上するほか、平面形状が長方形
であるので積層部材の組立の際に、燃料側と酸化剤側の
部材を誤って積層するなどの組立作業のミスが減少する
などの効果が得られる。
In the invention according to claim 1, each member constituting the phosphoric acid fuel cell has a rectangular shape when viewed in the stacking direction, and the ratio of the long side to the short side of the rectangle is 1. The range of 4 to 3.0 improves the material yield in manufacturing each member, and the planar shape is rectangular, so that the members on the fuel side and the oxidizer side can be separated when the laminated members are assembled. It is possible to obtain an effect such that mistakes in assembling work such as erroneous stacking are reduced.

【0054】請求項2に係る発明では、リン酸型燃料電
池を構成する各部材をその積層方向に見た形状を長方形
とし、この長方形の長辺に沿って燃料ガスを、短辺に沿
って酸化剤ガスを流すようにしたので、燃料ガス流路と
酸化剤ガス流路の幅、深さ、ピッチ寸法などが同一であ
っても、酸化剤ガス流路圧損を大幅に削減され、燃料ガ
ス流路圧損と酸化剤ガス流路圧損がバランスしやすくな
る。そして、燃料電池運転時の単電池平面上での極間差
圧分も均一化し、クロスオーバー発生の機会が減少する
という効果がある。
According to the second aspect of the present invention, each member forming the phosphoric acid fuel cell has a rectangular shape as viewed in the stacking direction, and the fuel gas is supplied along the long side of the rectangle and the fuel gas is supplied along the short side thereof. Since the oxidant gas is made to flow, even if the fuel gas flow path and the oxidant gas flow path have the same width, depth, pitch dimensions, etc., the pressure loss of the oxidant gas flow path is greatly reduced, It becomes easy to balance the flow path pressure loss and the oxidant gas flow path pressure loss. Further, there is an effect that the pressure difference between the electrodes on the flat surface of the unit cell during the fuel cell operation is made uniform, and the chance of occurrence of crossover is reduced.

【0055】請求項3に係る発明では、長方形の冷却板
の長手方向の冷却溝を形成することにより、冷却板に埋
設する冷却器の曲げ回数が少なくなり、また、冷却板の
冷却器挿入用の冷却溝の本数が少なくなるため、冷却板
や冷却器が安価に製作できという効果がある。さらに、
酸化剤ガスの冷却が効果的に行われるため、運転中に飛
散するリン酸の量が抑制されるという効果もある。
According to the third aspect of the present invention, by forming the cooling groove in the longitudinal direction of the rectangular cooling plate, the number of bends of the cooler embedded in the cooling plate is reduced, and the cooling plate is inserted into the cooler. Since the number of the cooling grooves is reduced, the cooling plate and the cooler can be manufactured at low cost. further,
Since the oxidant gas is effectively cooled, there is also an effect that the amount of phosphoric acid scattered during operation is suppressed.

【0056】請求項4に係る発明では、シリアル・フロ
ー型燃料電池において、積層体を構成する各部材をその
積層方向に見た形状を長方形とし、この長方形の長辺に
沿って酸化剤ガスを、短辺に沿って燃料ガスを流すよう
にしたので、改質器での圧力上昇や、極間差圧の上昇な
どが低減するという効果がある。
In the invention according to claim 4, in the serial flow fuel cell, each member constituting the laminated body has a rectangular shape as viewed in the laminating direction, and the oxidant gas is supplied along the long side of the rectangular shape. Since the fuel gas is caused to flow along the short side, there is an effect that a pressure increase in the reformer, an increase in inter-electrode differential pressure, and the like are reduced.

【図面の簡単な説明】[Brief description of drawings]

【図1】本願発明による実施例1のリン酸型燃料電池積
層体の分解斜視図である。
FIG. 1 is an exploded perspective view of a phosphoric acid fuel cell stack according to a first embodiment of the present invention.

【図2】本願発明による実施例1のリン酸型燃料電池積
層体の平面図である。
FIG. 2 is a plan view of a phosphoric acid fuel cell stack of Example 1 according to the present invention.

【図3】本願発明による実施例1の極間差圧分布を示す
説明図である。
FIG. 3 is an explanatory diagram showing an inter-electrode differential pressure distribution according to the first embodiment of the present invention.

【図4】本願発明による実施例1の積層方向流量分布を
示す説明図である。
FIG. 4 is an explanatory view showing a flow rate distribution in the stacking direction of Example 1 according to the present invention.

【図5】本願発明による実施例1の局部水素利用率を示
す説明図である。
FIG. 5 is an explanatory diagram showing a local hydrogen utilization rate of Example 1 according to the present invention.

【図6】本願発明による実施例1の平均水素利用率−出
口水素利用率を示す説明図である。
FIG. 6 is an explanatory diagram showing average hydrogen utilization rate-outlet hydrogen utilization rate of Example 1 according to the present invention.

【図7】本願発明による実施例1の面内発電反応分布を
示す説明図である。
FIG. 7 is an explanatory diagram showing an in-plane power generation reaction distribution of Example 1 according to the present invention.

【図8】本願発明による実施例1の面内伝熱形態図を示
す説明図である。
FIG. 8 is an explanatory diagram showing an in-plane heat transfer pattern diagram of Example 1 according to the present invention.

【図9】長辺/短辺長さ比率と極間差圧の関係を示す説
明図である。
FIG. 9 is an explanatory diagram showing the relationship between the long side / short side length ratio and the inter-electrode differential pressure.

【図10】長辺/短辺長さ比率と板取り可能枚数の関係
を示す説明図である。
FIG. 10 is an explanatory diagram showing the relationship between the long side / short side length ratio and the number of boards that can be cut.

【図11】本願発明による実施例2のリン酸型燃料電池
積層体の平面図である。
FIG. 11 is a plan view of a phosphoric acid fuel cell stack according to a second embodiment of the present invention.

【図12】本願発明による実施例3のリン酸型燃料電池
積層体の平面図である。
FIG. 12 is a plan view of a phosphoric acid fuel cell stack of Example 3 according to the present invention.

【図13】本願発明による実施例4の長方形形状の複数
のリン酸型燃料電池群システムの組立レイアウト図であ
る。
FIG. 13 is an assembly layout diagram of a plurality of rectangular phosphoric acid fuel cell group systems according to a fourth embodiment of the present invention.

【図14】本願発明による長方形平面形状のマトリック
ス、燃料極、酸素極の製造フローを示す説明図である。
FIG. 14 is an explanatory diagram showing a manufacturing flow of a rectangular planar matrix, a fuel electrode, and an oxygen electrode according to the present invention.

【図15】本願発明による長方形平面形状のマトリック
ス、燃料極、酸素極の取出し方法を示す説明図である。
FIG. 15 is an explanatory diagram showing a method of taking out a rectangular planar matrix, a fuel electrode, and an oxygen electrode according to the present invention.

【図16】本願発明によるカーボン部材の板取りを示す
説明図である。
FIG. 16 is an explanatory view showing how to cut a carbon member according to the present invention.

【図17】従来の正方形形状のリン酸型燃料電池積層体
の斜視図である。
FIG. 17 is a perspective view of a conventional square phosphoric acid fuel cell stack.

【図18】従来の正方形形状のリン酸型燃料電池積層体
の平面図である。
FIG. 18 is a plan view of a conventional square phosphoric acid fuel cell stack.

【図19】従来の正方形形状燃料電池の極間差圧分布を
示す説明図である。
FIG. 19 is an explanatory diagram showing an inter-electrode differential pressure distribution of a conventional square fuel cell.

【図20】従来の正方形形状燃料電池の積層方向流量分
布を示す説明図である。
FIG. 20 is an explanatory diagram showing a stacking direction flow rate distribution of a conventional square fuel cell.

【図21】従来の正方形形状燃料電池の局部水素利用率
を示す説明図である。
FIG. 21 is an explanatory diagram showing a local hydrogen utilization rate of a conventional square fuel cell.

【図22】従来の正方形形状燃料電池の平均水素利用率
−出口水素利用率を示す説明図である。
FIG. 22 is an explanatory diagram showing average hydrogen utilization rate-outlet hydrogen utilization rate of a conventional square fuel cell.

【図23】従来の正方形形状燃料電池の面内発電反応分
布を示す説明図である。
FIG. 23 is an explanatory diagram showing an in-plane power generation reaction distribution of a conventional square fuel cell.

【図24】従来の正方形形状燃料電池の面内伝熱形態を
示す説明図である。
FIG. 24 is an explanatory diagram showing an in-plane heat transfer form of a conventional square fuel cell.

【図25】従来の正方形形状燃料電池の燃料極、マトリ
ックス、酸素極の製造フローを示す説明図である。
FIG. 25 is an explanatory view showing a manufacturing flow of a fuel electrode, a matrix and an oxygen electrode of a conventional square fuel cell.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1 単電池 2 電極 3 マトリックス 4 燃料極 5 酸素極 6 複合化セパレータ 7 緻密層 8 多孔層 9 多孔層 10 燃料流路 11 酸化剤流路 12 電池積層体 13 冷却板 14 冷却器 1 Cell 2 Electrode 3 Matrix 4 Fuel Electrode 5 Oxygen Electrode 6 Composite Separator 7 Dense Layer 8 Porous Layer 9 Porous Layer 10 Fuel Flow Path 11 Oxidant Flow Path 12 Cell Laminate 13 Cooling Plate 14 Cooler

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 小谷 邦男 神戸市兵庫区和田崎町1丁目1番2号 三 菱電機株式会社神戸製作所内 ─────────────────────────────────────────────────── ─── Continuation of the front page (72) Inventor Kunio Otani 1-2-2 Wadazakicho, Hyogo-ku, Kobe Sanritsu Electric Co., Ltd. Kobe Works

Claims (4)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 燃料極と電解質マトリックスと酸素極の
3要素からなる電極と複合化セパレータとを交互に複数
個積層した燃料電池積層体と、この燃料電池積層体で発
生する熱損失を冷却する冷却手段を備えた冷却板とを交
互に複数組積層してなるリン酸型燃料電池において、こ
のリン酸型燃料電池を構成する各部材をその積層方向に
見た形状が長方形であって、該長方形の長辺と短辺の長
さの比が1.4ないし3.0の範囲であることを特徴と
するリン酸型燃料電池。
1. A fuel cell stack in which a plurality of electrodes consisting of three elements of a fuel electrode, an electrolyte matrix, and an oxygen electrode and a composite separator are alternately stacked, and a heat loss generated in the fuel cell stack is cooled. In a phosphoric acid fuel cell in which a plurality of sets of cooling plates provided with cooling means are alternately laminated, each member constituting the phosphoric acid fuel cell has a rectangular shape when viewed in the laminating direction, A phosphoric acid fuel cell, characterized in that the ratio of the length of the long side of the rectangle to the length of the short side is in the range of 1.4 to 3.0.
【請求項2】 燃料極と電解質マトリックスと酸素極の
3要素からなる電極と複合化セパレータとを交互に複数
個積層した燃料電池積層体と、この燃料電池積層体で発
生する熱損失を冷却する冷却手段を備えた冷却板とを交
互に複数組積層してなるリン酸型燃料電池において、こ
のリン酸型燃料電池を構成する各部材をその積層方向に
見た形状が長方形であって、該長方形の長辺に沿って燃
料ガスを、短辺に沿って酸化剤ガスを流すようにしたこ
とを特徴とするリン酸型燃料電池。
2. A fuel cell stack in which a plurality of electrodes consisting of three elements of a fuel electrode, an electrolyte matrix, and an oxygen electrode and a composite separator are alternately stacked, and a heat loss generated in the fuel cell stack is cooled. In a phosphoric acid fuel cell in which a plurality of sets of cooling plates provided with cooling means are alternately laminated, each member constituting the phosphoric acid fuel cell has a rectangular shape when viewed in the laminating direction, A phosphoric acid fuel cell, characterized in that a fuel gas is made to flow along a long side of a rectangle and an oxidant gas is made to flow along a short side thereof.
【請求項3】 燃料極と電解質マトリックスと酸素極の
3要素からなる電極と複合化セパレータとを交互に複数
個積層した燃料電池積層体と、この燃料電池積層体で発
生する熱損失を冷却する冷却手段を備えた冷却板とを交
互に複数組積層してなるリン酸型燃料電池において、こ
のリン酸型燃料電池を構成する各部材をその積層方向に
見た形状が長方形であって、該長方形の長辺方向に冷却
板の冷却溝を形成したことを特徴とするリン酸型燃料電
池。
3. A fuel cell stack in which a plurality of electrodes composed of three elements of a fuel electrode, an electrolyte matrix, and an oxygen electrode and a composite separator are alternately stacked, and a heat loss generated in the fuel cell stack is cooled. In a phosphoric acid fuel cell in which a plurality of sets of cooling plates provided with cooling means are alternately laminated, each member constituting the phosphoric acid fuel cell has a rectangular shape when viewed in the laminating direction, A phosphoric acid fuel cell, characterized in that cooling grooves of a cooling plate are formed in a rectangular long side direction.
【請求項4】 燃料極と電解質マトリックスと酸素極の
3要素からなる電極と複合化セパレータとを交互に複数
個積層した燃料電池積層体と、この燃料電池積層体で発
生する熱損失を冷却する冷却手段を備えた冷却板とを交
互に複数組積層して構成される前段および後段一対の積
層体を有し、燃料ガスを前記前段の積層体に供給しその
排出ガスを前記後段の積層体に供給するようにしたリン
酸型燃料電池において、前記積層体を構成する各部材を
その積層方向に見た形状が長方形であって、該長方形の
長辺に沿って酸化剤ガスを、短辺に沿って燃料ガスを流
すようにしたことを特徴とするリン酸型燃料電池。
4. A fuel cell stack in which a plurality of electrodes composed of three elements of a fuel electrode, an electrolyte matrix, and an oxygen electrode and a composite separator are alternately stacked, and a heat loss generated in the fuel cell stack is cooled. A pair of pre-stage and post-stage laminated bodies configured by alternately laminating a plurality of cooling plates provided with a cooling means are provided, and fuel gas is supplied to the preceding laminated body and the exhaust gas is supplied to the latter laminated body. In the phosphoric acid fuel cell, the shape of each member constituting the stack is rectangular when viewed in the stacking direction, and the oxidant gas is short side along the long side of the rectangle. A phosphoric acid fuel cell, characterized in that a fuel gas is caused to flow along the phosphoric acid fuel cell.
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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2000031814A1 (en) * 1998-11-26 2000-06-02 Kabushiki Kaisha Toshiba Solid polymer fuel cell stack
WO2000036680A1 (en) * 1998-12-17 2000-06-22 International Fuel Cells, Llc A cooling plate for a fuel cell stack assembly

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2000031814A1 (en) * 1998-11-26 2000-06-02 Kabushiki Kaisha Toshiba Solid polymer fuel cell stack
US6492055B1 (en) 1998-11-26 2002-12-10 Kabushiki Kaisha Toshiba Polymer electrolyte fuel stack
WO2000036680A1 (en) * 1998-12-17 2000-06-22 International Fuel Cells, Llc A cooling plate for a fuel cell stack assembly

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