JPH01279575A - 燃料電池 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は燃料電池に係り、特に平板状の電解質板、電極
及びセパレータを多数積層して構成される積層［！形燃
料電池において、反応ガスの撹拌分配性能に優れかつ燃
料電池内の温度分布が均一な燃料電池を実現する燃料電
池の構造に関する。

〔従来の技術〕

複数個の燃料電池のセルスタックを両端開口の横形円筒
タンク内に配列、収納し、各セルの４側面に配設された
マニホールドを接続管で互に連結した燃料電池発電装置
（特開昭６０−９３７６４号公報）。

長方形の平板状部材を積層して構成した燃料電池ガス流
路を各々概略り字状に形成するとともに冷却空気流路を
概略Ｓ字状に形成したことにより短辺に各ガスの流入口
、長辺に各ガスの排出口と冷却空気の流入、排出口を設
ける（特開昭６０−１０１８７３号公報）。

〔発明が解決しようとする課題〕

上記従来技術の特開昭６０−９３７６４号公報は、各燃
料電池セルスタック内の温度分布を考慮したものでない
ため１例えば、参考資料工に詳述されたように、燃料電
池内の温度分布が不均一になる可能性が大きい。

上記従来技術の特開昭６０−１０１８７３号公報は、空
冷式燃料電池の構造に関するものである。該燃料電池は
、酸化剤ガスと燃料ガス以外に、冷却空気を用いて燃料
電池内部を冷却するものであるため。

■各々気密分離された３種類の気体流路が必要、■空気
は冷却性能が劣る、■冷却空気を流すために、そのため
の空間が必要、等の問題がある。

本発明の目的は、ｆｉ単な構造の燃料電池でかつ燃料電
池内部の温度分布を均一にしやすい構造の燃料電池を実
現することにある。

〔課題を解決するための手段〕

上記目的は、積層構造形燃料電池の平板状部材の形状を
長方形とするとともに、燃料電池の長辺部分に酸化剤ガ
スと燃料ガスのガス供給口及びガス排出口を設けること
により、燃料電池のガス供給口からガス排出口までのガ
ス流路長さを短かくすることができるとともに、セパレ
ータの表側と裏側に形成される酸化剤ガスと燃料ガスの
ガス流れ方向が概略平行とすることにより、［、ＱＬな
構造でかつ温度分布が均一な燃料１′！！池を実現する
ことができる。

本発明の燃料電池は、平板状の電解質板、電極板及びセ
パレータとから構成される積層摺造形燃料電池において
、該燃料電池の平板状部材を概略長方形状となすととも
に、該長方形状の長辺部分に酸化剤ガスと燃料ガスのマ
ニホールド部分を設け、該マニホールド部を通じて設燃
料電池へ、それぞれの反応ガスの供給と排出ができるよ
うに構成したことを特徴とする。

本発明の望ましい態様は次の通りである。

（１）平板状セパレータの表裏を流れる酸化剤ガスと燃
料ガスのガス流れ方向を一致させるとともに、前記燃料
電池の長辺部分に設けたマニホールドのガス供給口また
は排出口付近にガス温度の検出手段を設ける。

（２）該燃料電池の長辺部分に燃料ガスまたは酸化剤ガ
スを個別に加熱または冷却することができる熱交換手段
を有する。

尚１本発明を用いた燃料電池発電装置は次の構成となる
。すなわち、上記１層構造形の燃料電池を複数個組立て
て構成した燃料電池発電装置において、前記燃料電池を
横形円筒容器内に収納するとともに、該円筒容器の軸方
向と前記燃料電池の長辺とが互に直交するように配列す
る構造である。

この場合、積層構造形燃料電池の上端面と下端面に絶縁
材を介在して複数個の燃料電池を差渡すように部材を配
置するとともに、該部材にガス用配管の取付口を設ける
ことが望ましい、また、積層構造形燃料電池の上端面ま
たは下端面または両端面にガスマニホールド用のエンド
プレートを設けるとともに、該エンドプレートが相隣合
う燃料電池間の通電路を構成し、燃料電池を電気的に直
列状態に接続することが好ましい。

〔作用〕

燃料電池内部のガス流路を短かくすれば、燃料電池内の
電気化学反応に伴なう温度上昇を抑えることができると
ともに、供給ガスと排出ガスの温度差を小さくすること
ができる。また、酸化剤ガスと燃料ガスのマニホールド
を混在させることにより１両ガス間の温度差を少なくす
ることができる。さらに、参考資料工に詳述されている
ように、平行ガス流れにおいては、ガス流れに沿って一
様の電気化学反応がおこるので発電電流密度及び温度分
布の均一化を実現できる。

また５燃料電池の長辺側面に、酸化剤ガスと燃料ガスの
加熱手段または冷却手段または加熱及び冷却手段を設け
て、燃料電池内の温度分布のより一層の均一化を実現す
るとともに、燃料電池内の過剰発熱量を速やかかつ効率
良く燃料電池外に排除できる。燃料電池内の過剰発熱量
は、燃料な港外に取出して有効に利用することができる
ので、適宜の伝熱媒体を介して効率良く熱交換し、高温
かつクリーンな熱源として活用することにより燃料電池
の発電コストを削減することができる。

従来技術のように、燃料電池を別途に導入した冷却空気
で冷却するならば、■熱交換性能が劣る。

■熱効率が悪くなる、■高温状態で過剰発熱量を取出し
にくい、■冷却空気内に燃料ガスや酸化剤ガスが混入す
る危険性がある。などの問題があるため排熱空気の利用
用途は限定される。しかしながら１例えば、高温蒸気を
伝熱媒体として、燃料電池内の過剰発熱量を燃料電池外
に取出すならば熱効率が良く、広い利用分野で活用する
ことが出来る熱源を得る。

〔実施例〕

以下１本発明を図面に示す実施例に基づいて説明する。

第１図から第３図は１本発明の燃料電池の構造を示した
第１実施例に係り、第１図は本発明の積層構造形燃料電
池の積層縦断面図、第２図は第１図の燃料電池の構成す
るためのセパレータ平面図。

第３図は第２図のセパレータのＡ−Ａ’断面図である。

図において、１は積層構造形の燃料電池、２は電解質板
、３は正極板、４は負極板、５はセパレータ、６は波礼
板、７は仕切り板、８は枠材、９は貫通穴、１０はマニ
ホールド、１１と１２は波形板の頂部と溝部、１３は波
形板の頂部の一部を切欠いた切欠きである。

燃料電池１は、平板状の電解質板２．正極板３゜負極板
４及びセパレータ５を第１図のように多数枚積層して形
成されており、それぞれの平板状部材に設けた貫通穴を
互に連結して１体となった貫通穴９が形成される０本発
明の燃料電池に用いるセパレータ５の第１実施例が第２
図と第３図に示したものであり、セパレータ５は、仕切
り板７の表と裏にそれぞれ第１．第２の波形板６ａ、６
ｂ及び第１．第２の枠材８ａ、８ｂを取付け、各部材間
の接触部分の一部分または全面を接合して１枚のセパレ
ータとしたものである。セパレータ５を構成する波形板
６は、波形板６の頂部１１の一部分を適宜に切取って複
数個の切欠き１３を設けてあり、該切欠き１３及び波形
板の溝部１２が酸化剤ガスまたは燃料ガスのガス流路を
構成するものである。また、セパレータ５を構成する枠
材８は、額縁状に中央に切欠き部１周辺部分に複数個の
独立した貫通穴９を有し、さらに中央の切欠き部分と貫
通穴９の一部とを連通ずるように周辺枠部分の一部を切
欠いてマニホールド１０を形成する０本発明の燃料電池
を構成する平板状の電解質板２．正極板３．負極板４及
びセパレータ５は、いずれも長方形であり、かつこれら
の長方形の長辺側の両側面に複数の貫通穴９を有する。

そして、これらの貫通穴９は、同じ位置に設けであるの
で。

これらを積層すると積層高さ方向に各貫通穴９が連結さ
れて、一体の貫通穴９を形成する。さらに、セパレータ
５の枠材８の一部分を切欠いて設けたマニホールド１０
により、長辺の両側に配列した貫通穴９が連結される６
以上述べたように、本発明の燃料電池は、簡単な平板状
の部材を多数積層することにより、酸化剤ガスと燃料ガ
スの独立したガス流路を形成したものであり、各ガス流
路は各部材の積層面とセパレータ５によって気密分離さ
れている。各貫通穴９を通して酸化剤ガスと燃料ガスを
供給すれば、セパレータ５のマニホールド１０を通って
セパレータ５と正極板３で囲まれた空間に酸化剤ガス、
また、セパレータ５と負極板４で囲まれた閉空間に燃料
ガスが供給される。

電解質板２の両面から電離、拡散してきた反応ガス成分
は、電解質板中で電気化学反応をおこして起電力を生じ
るとともに、再びガスとなって各ガス流路中へ放出され
る。そして、燃料電池内の反応ガスは、長方形の長辺の
一方に配置した軸通穴から燃料電池セル内に供給され、
長辺の他辺に配置した貫通穴から排出される。

第４図から第７図は、第１図に示した本発明の燃料電池
を複数個用いて構成した燃料電池発電装置の構造の一実
施例であり、第４図が燃料電池発電装置の全体図、第５
図は第４図の縦断面図、第６図は第４図の横断面図、第
７図は第４図のガス流れ説明図である。第４図から第７
図において、１は燃料電池、１４は圧力容器、１５はエ
ンドプレート、１６は配管、１７は絶縁材、１８と１９
は脚、２０は燃料ガス、２１は酸化剤ガスである。

燃料電池では、実用規模の電力を得るためには。

平板状の各部材を非常に多数、例えば、数十万枚から数
百万枚、積層しなければならない。第４図に示す本発明
の燃料電池発電装置は、複数個の燃料電池１を横形の圧
力容器１４内に配列するとともに、全ての燃料電池１を
直列状態に電気的接続したものであるから、実用規模の
発電装置であっても積層高さを低く抑えることができる
。また、第４図の燃料電池９！電装置は、１個の横形圧
力容器１４内に複数個の燃料電池１を互に並行状態とな
るように配列するとともに、各燃料電池１の上下、また
は上下と中間部、または中間部にエンドプレート１５を
取付け、該エンドプレート１５と配管１６を適宜に連結
したものである。さらに。

燃料電池１の上下に取付けたエンドプレート１５を隣合
う燃料電池間をその上下で交互に差渡すように配置する
とともに、配管１６とエンドプレート１５の間に絶縁材
１７を介在させることにより、隣合う燃料電池１を互に
直列状態に電気的に接続する。第４図のように、燃料電
池を積層高さ方向に適宜に分割して構成した単位電池を
積層状態で互に平行に複数個配置した後、ガスの供給と
排出及ぎ電気的接続を一体化することにより、燃料ガス
２０と酸化剤ガス２１のガス配管の構造及び電気的接続
が簡単かつ容易となるとともに、圧力容器１４の内部空
間の無駄をなくすることができる。

第５図は、第４図の燃料電池発電装置の縦断面図の一部
分を示したものであり、圧力容器１４内に収納された複
数個の燃料電池１と、燃料電池１の上下に取付けたエン
ドプレート１５と、絶縁材１７及び配管１６などから構
成される。各燃料電池１には、各々、配管工６．エンド
プレート１５及び貫通穴９（図示せず）を通じて燃料ガ
ス２０と酸化剤ガス２１がセパレータ５　（図示せず）
の表面と裏面に供給される。同様に、第６図は、第４図
の横断面であり、円筒状圧力容器１４内に積層した燃料
電池１を配列するとともに、絶縁材１７及びエンドプレ
ート１５を介して脚１８で容器内に固定する。また、ガ
スの供給及び排出用の配ＩＷ１６が燃料電池１の上及び
下に各々２本通っている。第７図は、燃料電池１内のガ
ス流れの１実施例を示したものであり、本実施例の燃料
ガス２０は、燃料電池１の上方すら絶縁材１７．エンド
プレート１５を通して燃料電池内の貫通穴９図示せず）
に供給される。さらに、燃料ガス２０は、各貫通穴９に
連通したセパレータ５のマニホールド１０（図示せず）
を通して燃料電池のセパレータ５と負極板４で囲まれた
閉空間に供給される。そして、燃料ガス２０は、電解質
板内で酸化剤ガス２１と電気化学反応する。最後に、未
反応ガス及び廃ガスが、燃料電池１の下部より配管１６
に排出される。同様に、酸化剤ガス２１は、燃料電池１
の下部右側から供給され、電気化学反応後、上部左側か
ら排出される。第４図から第７図で示した燃料電池１は
、第２図と第３図に示した波板構造セパレータであり、
セパレータ５の長辺側に貫通穴９が配置されている。該
セパレータ５と適宜形状の電解質板２．正極板３．負極
板４を板厚方向に積層して直方体状の燃料電池１を構成
する。該燃料電池１の長辺が圧力容器１４の軸と直交す
るように平行状態に配置する０以上のように圧力容器１
４内に燃料電池１を配置するならば、■ガス流路が短か
い、■セパレータの表側と裏側のガス流れが概略平行流
となる、■積層枚数が多くできる。■燃料電池の構造が
簡単かつ製作が容易である、■燃料電池発電装置の組立
１分解が容易である、■ガス配管が簡単である、■発電
装置の主構造物は横形の円筒圧力容器であるから、振動
及び地震に安定かつ強度の高い構造である。

■発電装置の保守２点検及び修理が容易な構造である、
等の特徴をもつことができる。また、本発明の燃料電池
発電装置は、横置きの円筒圧力容器１４内に燃料電池１
を収納しであるので、燃料電池１の途中の発電性能、温
度分布、ガス流量分布を検出することが容易であるとと
もに、燃料電池の途中のガス流量を制御することや、燃
料電池及び反応ガスの加熱冷却を行なうことも容易であ
る。

第８図と第９図は本発明の別の実施例を記載したもので
あり、セパレータ５の構造を示す０本実施例のセパレー
タ５は、複数個の０．２〜２Ｗ１１８度の穴があけられ
た穴あき平板をプレス成形により波形状に成形し、該波
形板６ａ、６ｂを仕切り板７の両面に接合するとともに
、波形板６ａ。

６ｂの周囲を囲むように枠材８ａ、８ｂを取付ける。ま
た、枠材８ａ、８ｂ及び仕切り板７に設けた貫通穴９を
互に合せるようにして、仕切り板７の両面に枠材８ａと
８ｂを接合する。セパレータ５の両面を流れる反応ガス
は、波形板６ａ、６ｂ及び波形板の穴２２を通して混合
、拡攪１合流されながら、ガス供給口からガス排出口へ
と流れる。

また、波形板６ａ、６ｂの波の高さは、１〜２．５ｍ波
形板の板厚は０．２〜ＩＩＴＩＩＳ度が望ましい。

第１０図は、本発明の別の実施例を記載したものであり
、ガス流路の構造を示す、燃料ガス２０は、燃料電池り
の上部に取付けたエンドプレート１５の右側から燃料電
池内に供給された後、エンドプレート１５の左側から排
出される。！２化剤ガス２１は、ａ料電池ｌの途中に挿
入されたマニホールド板２３ａから供給された後、再び
マニホールド板２３ｂから排出される。各反応ガスは（
・）印から供給され（０）印へ排出される。また、酸化
剤ガス２１用配管１６の内部にそれぞれ温度検出部を差
込んで、供給ガス温度及び排出ガス温度を測定する。そ
して、配管の内部または配管の外周部に取付けた加熱ま
たは冷却手段によって、酸化剤ガス２１の供給温度や排
出温度をｕ標温度となるように温度調節する。これによ
り、本発明の燃料電池では、温度分布の不均一さを解消
できるとともに、燃料電池内部の温度を適正温度状態に
保つことができるようになる。

溶融炭酸塩型燃料電池は、燃料電池の電気化学反応を促
進するために、３〜１０気圧程度の高圧状態で電気化学
反応を行なう。それ故、燃料電池内外の気密を保つため
、圧力容器内に密封するとともに、燃料電池周囲の雰囲
気を窒素またはアルゴンなどの不活性ガスで置換し、か
つその気圧を反応ガスの圧力と同程度としなければなら
ない。

本発明の燃料電池では、燃料電池内のガス流路長さが短
かくかつガス流路の圧力損失が少ないので、燃料電池内
の圧力差が少ない上に、燃料ガス２０と酸化剤ガス２１
間の差圧を少なくすることができる。しかも、全燃料電
池は、１本の横形圧力容器１４に取納されており、燃料
電池全体を高圧密封状態に保つことが容易である。

第１１図と第１２図は１本発明の燃料電池発電装置の別
の実施例を説明したものであり、第１１図が燃料電池発
電装置の正面図、第１２図は第１１図の発電装置の横断
面図である。長方形の平板状部材を板厚方向に多数枚数
積層して構成した′Ｍ層構造形燃料電池は、構造的に不
安定な構造であるため、十分な強度部材で周囲から補強
しなければならならない、そこで、数個から数十個の燃
料電池をこれらの上端部と下端部に取付けた拘束板２６
ａと２６ｂをボルト２７で締付けてこれらの燃料電池１
を一体の構造物とする１個々の燃料電池は構造的に不安
定であるが、これらをボルト連結することにより構造的
に安定となり、燃料電池本体の強度が増す、しかも、個
々の燃料電池を補強及び締付拘束するのに比べて、構造
が簡単であり、燃料電池の信頼性も向上する。多数の燃
料電池をボルト締付によって一体構造化すると、組立て
た燃料電池は大形となり、取扱いが難しくなる。そこで
、拘束板の上下に車輪２８ａ、２８ｂを取付けて１組立
てた燃料電池を圧力容器１４外に引出して保守９点検を
可能とすることにより取扱い性を改善する。また、各燃
料電池１に供給する反応ガスは、拘束板２６ａに取付け
た配管工６から一括供給、−括排出することにより、圧
力容器１４内の配管をなくするとともに、燃料電池の配
管を簡単にできる。第１１図及び第１２図に示した燃料
電池発電装置では、全てのガス供給と排出を燃料電池上
部の拘束板２６ａ上に設けた配管から、拘束板２６ａ、
絶縁材１７ａ、エンドプレート１５を貫通して燃料電池
へ供給及び排出できるガス流路が形成されている。そし
て、燃料電池１と、拘束板２６ａ、ｂ、絶縁材１７ａ、
ｂ及びエンドプレート１５を一体的にボルト締付するこ
とにより全配管の連結が完了する。さらに、各燃料電池
１は、ボルト締付によって、全燃料電池の電気的接続が
可能であり、エンドプレート１５及び適宜の端子板（図
示せず）を通ｆＩｉ路として直列状態に電気的に接続で
きる。また、燃料電池の上下に取付けた一対の拘束板２
６ａ、２６ｂによってボルト締付された燃料電池集合体
は、直方体の大形構造物を構成するため、多数の燃料電
池を一体構造物として取扱うことができる。

なお、溶融炭酸塩型燃料電池では、燃料電池の反応温度
が高いため、燃料電池構成部材の温度膨張を無視するこ
とができない、しかも、燃料電池を構成する各部材の温
度膨張量は大きく異なる上、燃料電池内外の温度差も大
きい、さらに、燃料電池の起動及び停止に伴なう。温度
分布の不均一さも非常に大きい。これらの温度分布の不
均一さ・温度膨張量の差違に伴なって、前記ボルト締付
部分の締付力が変化すると、燃料電池のガスシールド性
が低下してガス漏れが生じる可能性がある。

この問題は、拘束板２６とボルト２７の間にバネを介在
させるとか、燃料電池の積層部の一部に空気部材を介在
させることにより、温度膨張の差違を解消させることに
より、解決できる。

〔発明の効果〕

燃料電池内の温度分布を均一化できるので、例えば、直
交流形燃料電池で問題となっている「ホットスポット」
　（燃料電池内の局部が異常に高温となる現象）を解消
することができる。溶融炭酸塩型燃料電池においては、
電気化学反応度と温度は比例的な関係、また、燃料電池
の寿命と温度は反比例的な関係を示す。それ故、溶融炭
酸塩型燃料電池は、電池寿命を大幅に損なわない範囲で
温度を出来るだけ高く保つことが燃料電池の性能向上と
電池寿命の改善に有効である。

本発明の燃料電池は、酸化剤ガスと燃料ガスの温度差が
少なくなる構造である。また、燃料電池のガス供給、ガ
ス排出口の近傍に加熱冷却手段及び温度検出手段を設け
て、燃料電池内の温度分布の均一化と最適反応温度に保
つように燃料電池温度の調節を行なうことにより高性能
、長寿命化が可能となる。さらに、前記加熱冷却手段か
ら得られる排出熱を燃料電池外に取出して有効に利用す
ることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例に係る燃料電池の断面図、第
２図は上記実施例におけるセパレータの平面図、第３図
は同じくセパレータの断面図、第４図は本発明を用いた
燃料電池発電装置の正面図、第５図及び第７図は夫々ガ
ス流路配置説明図、第６図は第４図の装置の断面図、第
８図は本発明の燃料電池の第２実施例に係るセパレータ
の平面図、第９図は同じく断面図、第１０図は本発明の
別の実施例に係るガス流路配置説明図、第１１図は本発
明の燃料電池発電装置の他の実施例に係る発電装置の正
面図、第１２図はその断面図である・１・・・燃料電池
、２・・・電解質板、３・・・正極板、４・・・負極板
、５・・・セパレータ、６・、・波形板、８・・・枠材
、９・・・貫通穴、１０・・・マニホールド、１４°゛
°圧力容器・１５°゛・エンドプレート、１６・・・配
管、１７・・・絶縁材、１８．１９・・・脚、２０・・
・燃料ガス、２１・・・酸化剤ガス、２６・・・拘束板
、２７・・・ボルト。 巣１図 ４−　弓掻梧 」ｉ−一一乞へ°［−７ ｑ　−−一葵通尺 力　４　図 １−　　燃料電池 ／、ｉ−一一反力ｇ、器 １５−−一工＞ｋフ１斗 １６−　　配管 ／１−ｇ抹々 ｚｌ−−一酸化剤掌ス 第　６　図 Ａ 上−−−燃料電池 １４−　　圧力容器 １５−−一工＞ｋフ゛Ｌ−ト ／２−　ん配管 １７−　　鉋昧没 ／３−　脚 １９−　　雇ｙ 第　７　図 去−広料電池 １５−ｔ＞）；　７’４−ト １６−・−配管 ／７−杷縁紗 ２θ　−・にｉ茅斗ケス ｚｌ　−−一酸イ乙を］かス 巣ｌρ図 ＋　　１！！、ｆＦ電尤 １５　　　エ〉ｋフ・Ｌ斗 ２１　　　区發化荊刀゛ス ｚ３　　マ二ホール１′ネ及 ２４　　　穴−ス ２ぢ　温戻硬出仰 （’Ｊ　　　　　　　％　　　　　　〜、（〈　　　　
　　　　　　　　　　　　　　μ冨　１１　　図 ／　−−一屑糾電池 Ｉ４−圧オ琢器 １５−−一工、＞ト°）Ｌ斗 １６−　　配Ｖ １７−φ色Ｒ秋 ｚ７−−−爪゛ルト 四−−−車輪 Ｚ’？−Ｌ−ル 窩１２図 １−−−メグ料電氾　ｌｑ−脚 ／７−−山絶鋒款　２ｑ−Ｌ−ル

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １、平板状の電解質板、電極板及びセパレータとから構
   成される積層構造形燃料電池において、該燃料電池の平
   板状部材を概略長方形状となすとともに、該長方形状の
   長辺部分に酸化剤ガスと燃料ガスのマニホールド部分を
   設け、該マニホールド部を通じて燃料電池へ、それぞれ
   の反応ガスの供給と排出ができるように構成したことを
   特徴とする燃料電池。