JPH0660901A

JPH0660901A - 燃料電池のガス供給構造

Info

Publication number: JPH0660901A
Application number: JP4207961A
Authority: JP
Inventors: Hiroshi Takahashi; 高橋　　宏; Tadashi Takashima; 正高島; Keizo Otsuka; 馨象大塚; Toshiki Kahara; 俊樹加原
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1992-08-04
Filing date: 1992-08-04
Publication date: 1994-03-04
Anticipated expiration: 2011-11-20
Also published as: JP2555515B2

Abstract

(57)【要約】【目的】内部マニホールド型燃料電池において、各セ
ルへの燃料ガスと酸化剤ガスの流量配分を均一に供給す
る構造。【構成】単位セルを複数個積層した積層セルスタック
１によって形成させるガス給排気用内部マニホールド
２，３と、複数のガス供給・排出管７，８を備えたガス
ヘッダ４，５，６のマニホールドを接続し、前記積層セ
ルスタック１のマニホールド２，３を、上ガスヘッダ
４、中間ガスヘッダ６、下ガスヘッダ５まで連通させ
る。供給流量不均一による流量減少部分と流量増加部分
とが重なり合い、各セルに供給されるガスの流量をより
均一化できるので電池性能が向上する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、燃料電池に係り、特に
内部マニホールド型にて各セルへ均一にガスを供給する
ガス供給構造に関する。

【０００２】

【従来の技術】燃料電池において、燃料ガス及び酸化剤
ガスを単位セルに供給する方式には種々の構造が採用さ
れている。図６は、内部マニホールド型燃料電池の斜視
図である。図に示されるように、単位セルを構成するセ
パレータ１１、電解質板１３の周辺部に燃料ガス及び酸
化剤ガスそれぞれを給排気する流路即ちマニホールド
が、通常は前記２種のガスの流れが直交するように穿設
されている。単位セルを複数個積層して形成される積層
セルスタックに前記２種のガスを供給・排出する場合、
その積層セルスタックの上下にガスを供給・排出するた
めのガスヘッダ４及び５を設ける。ガスヘッダ４、５は
通常、ガスヘッダの上あるいは下のいずれか一方に隣接
する積層セルスタックにガスを供給する構造となってい
る。

【０００３】しかし、セルの積層数が増加すると積層セ
ルスタックの上下に配したガスヘッダのみでこれらのガ
スを供給・排出すると、積層セルスタック内に形成され
るマニホールド流路内でのガス流速が大きくなり、各セ
ルに均一にガスを供給することが困難になってくる。

【０００４】そこで、従来のガス供給構造としては特開
昭６３−２３６２７３号公報にあるように、積層セルス
タックの中間に中間ガスヘッダを配設し、上ガスヘッダ
及び下ガスヘッダから燃料ガス、あるいは、酸化剤ガス
のいずれか一方のガスを供給し、中間ガスヘッダからそ
の上下にある積層セルスタックに他方のガスを供給する
燃料電池のガス供給構造が用いられていた。

【０００５】ここで従来の中間ガスヘッダは図７に示す
ように、積層セルスタック内に形成されているマニホー
ルド部分と一体となって内部マニホールドを構成するマ
ニホールド２、３部分を仕切板６で上下に分割し、中間
ガスヘッダの上下に隣接する積層セルにガスを供給する
構造となっている。

【０００６】燃料ガスを例にとり従来のガスの流れを図
５（ａ）で説明する。図５（ａ）に示された積層セルス
タックは、上ガスヘッダ４及び下ガスヘッダ５で構成さ
れた積層群が２段重ねになっている。燃料ガスはガスヘ
ッダ４、５から供給される。酸化剤ガスはガスヘッダ４
と５の間に配置された中間ガスヘッダ６から供給されて
いる。上ガスヘッダ４から供給されるガスは給気側マニ
ホールド２ａにおいて下向きに流れ、排気側マニホール
ド３ａでは上向きに流れる。また、下ガスヘッダから供
給されるガスは前記と逆向きの流れになる。このよう
に、給気側マニホールド２ａ内と、排気側マニホールド
３ａ内で流れが逆向きになるような構造を反流型のガス
供給構造という。

【０００７】ここで、燃料ガス及び酸化剤ガスは、セル
反応面で体積変化と、組成変化による密度変化が生ず
る。燃料ガス側では、給気側マニホールドに比べ、排気
側マニホールドを流れるガスは、炭酸ガスや水が主成分
で密度は高くなる。この結果、従来の反流型ガス給気構
造で、燃料ガスを積層セル上方から供給した場合は、ガ
スの密度差による循環力の影響により、積層電池の積層
上側のセルにガスが流れ易くなり、下側のセルにはガス
が流れにくくなる。また、酸化剤ガス側では、燃料ガス
とは逆に、給気側マニホールドに比べ、排気側マニホー
ルドを流れるガスの方が密度が低くなる。この結果、積
層下方から酸化剤ガスを供給する場合は、ガスの密度差
による循環力の影響により積層セルの積層下側のセルに
ガスが流れ易くなり、上側のセルにはガスが流れにくく
なる。

【０００８】また、燃料電池はその性能を向上するため
に加圧運転を行うが、反応ガスの圧力が高くなると、セ
ルの反応面でのガス流速が小さくなって圧力損失が小さ
くなり、そのため、流路抵抗による圧力損失に対する密
度差の影響が相対的に大きくなり、密度差による不均一
分散の度合が燃料電池の加圧運転下で大きくなり、積層
セル間での流量分布の不均一度が大きくなる。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】上述したように、電池
セル内での電気化学反応に伴う反応ガスの各セルの入口
と出口での密度変化によって、各セル間での流量分布の
不均一さが助長され、その影響は積層セル数が多くなる
ほど、また、運転圧力が高くなる程大きくなる。本発明
の目的は、燃料電池積層スタックの各セルへ配分される
燃料ガス及び酸化剤ガスの流量分布を改善するための燃
料電池のガス供給構造を提供することにある。

【００１０】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、単位セルの周辺部に燃料ガスと酸化剤ガスの給気及
び排気用流路を穿設して内部マニホールドを設けた内部
マニホールド型積層セルスタックと、前記内部マニホー
ルドの一部を形成し、かつ前記燃料ガスと酸化剤ガスを
前記積層セルスタックの内部マニホールドに供給及び排
出する複数のガスヘッダを具備し、該複数のガスヘッダ
が上部ガスヘッダと下部ガスヘッダと該上部ガスヘッダ
と下部ガスヘッダの間に少くとも１個の中間ガスヘッダ
を含んでなる燃料電池のガス供給構造において、前記中
間ガスヘッダの内部マニホールドが前記積層セルスタッ
クの内部マニホールドを連通していることを特徴とする
燃料電池のガス供給構造としたのである。

【００１１】前記中間ガスヘッダのマニホールド上下仕
切板を貫通する貫通管を具えることでも同様の結果がえ
られる。

【００１２】

【作用】このように構成することにより、本発明によれ
ば次の作用により上記の目的が達成される。◆燃料ガス
と酸化剤ガスは、積層セルスタックの上部のガスヘッダ
と下部のガスヘッダと、両ガスヘッダの間に設置される
少くとも１個の中間ガスヘッダを経て供給される。この
両ガスにはそれぞれ別の流路が形成されている。

【００１３】ガスは、ガスヘッダのマニホールドから積
層セルスタックのマニホールドへ流れ込み、そのあとマ
ニホールドから各セルへ分流してゆく。従来は積層セル
スタックのマニホールドは中間ガスヘッダで区切られて
おり、１個所のガスヘッダからガスを供給し他の１個所
のガスヘッダから排出すると各セルへのガス流量配分が
多少不均一となる。ガスはセルで反応したあと、供給側
と対称な逆の通路を通り、排出される。

【００１４】燃料電池では、供給されたガスは、化学反
応によりセルへの供給側と排出側で密度変化を生じるの
で、上側にあるガスヘッダから下向きにマニホールドへ
供給されて各セルへ分配されるガスは、ガスヘッダに近
いセルに多く流れ、反対に、下側にあるガスヘッダから
上向きにマニホールドへ供給されて各セルへ分配される
ときは、ガスヘッダに遠いセルに多くのガスが流れる。
従来の技術では、上述した２組のセルグループは他方の
ガスを供給するガスヘッダのマニホールドで仕切られて
いたので、流量は不均一になったままであった。

【００１５】これに対し、前記中間ガスヘッダの内部マ
ニホールドの仕切を廃止し積層セルスタックの内部マニ
ホールドを、上から下まで連通させたのである。このよ
うにすることにより、隣合うガス流量の多いセルと少な
いセルのマニホールドが連通して、流量配分の不均一さ
が相殺され、各セルへのガス供給を改善することができ
る。

【００１６】

【実施例】以下、本発明の実施例を図により説明する。
図１は本発明の一実施例の構造とガスの流れを説明する
断面図であり、図１（ａ）は図６のＡーＡ´断面したも
ので、燃料ガスの流れを示し、図１（ｂ）は同様にＢー
Ｂ´断面したもので酸化剤ガスの流れを示している。

【００１７】図１（ａ）及び（ｂ）において、積層セル
スタックは単位セルを複数積層した積層セルスタックの
ブロック１ａ毎に中間ガスヘッダ６が挿入されている。
上部と下部には、下または上いずれか一方のみへガスを
流す上ガスヘッダ４、下ガスヘッダ５が配置されてい
る。

【００１８】この一実施例では、最下段に下ガスヘッダ
５を設け、積層セルスタックのブロック１ａを積層し、
次に酸化剤ガス供給用の中間ガスヘッダ６を設置し、そ
の上にブロック１ａを積層したのち、燃料ガス供給用の
中間ガスヘッダ６を配置する。さらにその上部へブロッ
ク１ａと酸化剤ガス供給用の中間ガスヘッダ６とブロッ
ク１ａを積み上げたのち、上ガスヘッダ４を最後に設置
してある。これらのガスヘッダにはそれぞれ供給管７
ａ、７ｂと排出管８ａ、８ｂが設けられている。

【００１９】図３（ａ）に、上記実施例で用いられた中
間ガスヘッダ６の一構造例を示す。ガスヘッダは燃料電
池の運転温度、電解質、燃料ガス、酸化剤ガスの雰囲気
に曝されるので化学的に、また積層セルスタックを保持
したり、締付るので機械的に、耐えるものでなくてはな
らないので、材料にはステンレス鋼などが用いられてい
る。このガスヘッダは燃料ガスマニホールド２ａ及び３
ａと、酸化剤ガスマニホールド２ｂ及び３ｂを形成する
楕円状のガス通路が、ボックス状外箱を貫通している構
造となっている。そして燃料ガス給気管７ａと燃料ガス
排出管８ａが、マニホールド２ａ及び３ａの側面に外部
から貫通して設けられている。この中間ガスヘッダ６は
燃料ガス用として記載したが、９０度水平に回転させれ
ば、酸化剤ガス用になることは明らかである。

【００２０】図１（ａ）に示す燃料ガス側では燃料ガス
１６が、ガス供給管７ａから上ガスヘッダ４、下ガスヘ
ッダ５、中間ガスヘッダ６へ供給される。また、図１
（ｂ）の酸化剤ガス側では酸化剤ガス１８が、ガス供給
管７ｂから中間ガスヘッダ６へ供給される。燃料ガス及
び酸化剤ガスはそれぞれ給気側マニホールド２ａ及び２
ｂを通り、各セルに配分される。その際、燃料ガス１６
及び酸化剤ガス１８は図６に示すように、セパレータ１
１に設けられた溝と電極１３とによって形成されるガス
流路を通りながら、各単位セルに供給される。燃料ガス
１６は各セル内ではアノード１２で電極反応を生じ、排
気側マニホールド３ａに達し、排出管８ａからセルスタ
ック外に排出される。一方、酸化剤ガス１８は燃料ガス
１６同様に、カソード１４で電極反応を生じ、排気側マ
ニホールド３ｂに達し、排出口８ｂからセルスタック外
に排出される。

【００２１】給気側マニホールド２ａ及び２ｂと排気側
マニホールド３ａ及び３ｂは、図１（ａ）及び（ｂ）に
示すように、上ガスヘッダ４から下ガスヘッダ５まで区
切りなく連続して形成されている。◆このガス供給構造
は上述した反流型ガス供給構造であるので、各セルの反
応面のガス流量分布が給気側マニホールド２と排気側マ
ニホールド３を流れるガスの密度変化の影響を受ける。

【００２２】ガスの密度変化は次のようにして生じる。
◆燃料電池の反応面であるセル流路内では、燃料ガス１
６及び酸化剤ガス１８が、それぞれ数式１、数式２に示
す電気化学反応によって体積変化が生じ、さらに、組成
変化による密度変化が生ずる。

【００２３】

【数１】燃料ガス側：Ｈ₂＋ＣＯ₃ ²~→Ｈ₂Ｏ＋ＣＯ₂＋２ｅ~ この他反応後も未反応のＨ₂が含まれる。

【００２４】

【数２】酸化剤ガス側： 1/2Ｏ₂＋ＣＯ₂＋２ｅ~→ＣＯ₃ ²~ 反応後も未反応のＯ₂が含まれ、また反応前後、空気中
のＮ₂が含まれる。

【００２５】もし、給気マニホールド２・排気マニホー
ルド３を流れるガス密度が同じであれば、従来の反流型
のガス供給構造において、マニホールド内のガスの流れ
が上向きであっても下向きであっても、積層セル間での
流量分布の均一化にとって大きな差はないが、実際の燃
料電池においては上記に述べた密度変化があるため、流
量分布の均一化に悪影響が生ずる。

【００２６】燃料ガス１６側では、給気側マニホールド
２ａに比べ、排気側マニホールド３ａを流れるガスは、
炭酸ガスや水が主成分で密度は高くなる。ガスの利用率
に左右されるが、密度変化の割合は、反応後は反応前に
比較して、およそ２．６程度である。この結果、従来の
反流型ガス給気構造で、燃料ガス１６を積層セル上方か
ら供給した場合は、ガスの密度差による循環力の影響に
より、積層電池の積層上側のセルにガスが流れ易くな
り、下側のセルにはガスが流れにくくなる。積層セル数
が増加すると密度差がない場合でも下側セルは上側に比
べて流れにくくなるのに、密度差の影響がこれに加わる
ことになり、セル間の流量分布の不均一度がさらに増大
する。

【００２７】また、酸化剤ガス１８側では、燃料ガス１
６とは逆に、給気側マニホールド２ｂに比べ、排気側マ
ニホールド３ｂを流れるガスの方が密度が低くなる。ガ
スの利用率に左右されるが、密度変化の割合は、反応後
は反応前に比較しておよそ０．９６程度になる。従っ
て、反流型ガス供給構造で、積層下方から酸化剤ガス１
８を供給する場合は、ガスの密度差による循環力の影響
により積層セルの積層下側のセルにガスが流れ易くな
り、上側のセルにはガスが流れにくくなる。

【００２８】まず、燃料ガス１６について考えてみる。
任意のガス供給管７ａから供給された燃料ガス１６は、
中間ガスヘッダ６から、その上下にある積層セルによっ
て形成された給気側マニホールド２ａに上向きと下向き
とに分岐して供給される。

【００２９】燃料ガス１６が、給気側マニホールド２ａ
において下向き、かつ、排気側マニホールド３ａで上向
きの流れの場合に、密度変化に伴う対流効果の影響でガ
ス供給管７ａよりも下方に位置するセルの流量が減少す
る。最も流量の減少が顕著となるセルは、ガス供給管７
ａと下方に隣接する下側ガス供給管７ａとの丁度中間点
に位置するものである。

【００３０】これに対して、前記の下側に隣接するガス
供給管７ａからの燃料ガス１６の流れのように、給気側
マニホールド２ａにおいて上向き、かつ、排気側マニホ
ールド３ａで下向きの流れの場合には、ガス供給管７ａ
の上方に位置するセルの流量が増加する。最も流量の増
加が顕著となるセルは、前述の上方のガス供給管７ａと
の中間点に位置するものとなる。

【００３１】従って上述した２個のガス供給管７ａの中
間に位置するセルは上方からは少ない流量、下方のガス
供給管７ａからは多い流量のガスが供給されることにな
る。その結果、ガスの密度変化に伴う対流効果による各
セルへのガス流量配分の不均一は、前述のように２個の
ガス供給管７ａにより緩和されるために、各セルに対し
てより均一にガスを供給することができる。

【００３２】一実施例により流量分布の改善された状態
を図４に示した。ここで図１（ａ）と同一の燃料ガス１
６の流れを示す断面で、図４は各セルを流れる燃料ガス
１６の流量の大きさを積層方向順に示したものである。
２個のガス供給管７ａの中間に位置するセルにおいて平
均化がみられる。中央部の中間ガスヘッダ６付近にも改
善がみられる。

【００３３】他の実施例を図２で説明する。図２は本発
明の他の実施例の構造とガスの流れを説明する断面図で
ある。図１と同じ断面を示し、図２（ａ）は燃料ガスの
流れを、図２（ｂ）は酸化剤ガスの流れを示している。
図で明らかなように、燃料ガス及び酸化剤ガス専用のガ
スヘッダを設けずに、上、下及び中間のガスヘッダを両
ガスに共用としたものである。図３（ｂ）はこの実施例
の中間ガスヘッダ６の構造を示すもので、隣合う２辺に
ガス供給管７とガス排出管８をそれぞれ設けたものであ
る。

【００３４】このような構成の場合も、各ガスヘッダの
間の積層セルスタック１ａはそれぞれ反流型のガス供給
構造となり、給気側マニホールド２と排気側マニホール
ド３とも上部から下部まで連通させることで、前記一実
施例と同様な流量分布の改善が期待できる。

【００３５】積層セルスタック１ａの積層数、中間ガス
ヘッダ６の挿入個数などは、対象となる燃料電池により
ことなるが、本発明はそれらの個数に制限されるもので
はない。

【００３６】燃料電池の出力によっては、図５に示した
ように、上ガスヘッダ４と下ガスヘッダ５で構成される
ユニットを複数積み重ねることがある。このような場合
はそのユニットに本発明は適用されるものである。

【００３７】また、ガスヘッダ４，５，６の何れかのガ
ス供給管７または排出管８の内の１部に不都合が生じた
場合も、本発明によるガス供給構造によれば、流量分布
不均一が解消される方向に対流が起こり、各セルに燃料
ガス１６及び酸化剤ガス１８を供給することができるよ
うになる効果がある。

【００３８】電極とセパレータに設けられた溝とによっ
て形成されるガス流路はその断面積が微小であるため
に、積層セルスタック内の流動抵抗の大部分はガス流路
の管摩擦損失が占める。これに対して、マニホールド内
の管摩擦損失や給気側マニホールドから各セルのガス流
路への分岐による損失、各ガス流路から排気側マニホー
ルドへの排ガスの合流による損失、あるいは、ガス流路
における反応ガスの消費やガスの生成に伴う電極からガ
ス流路へのガスの吹き出し等の損失は、ガス流路におけ
る流れが非常に低速で、レイノルズ数が小さい層流域で
あるため、全体の流れに影響するような値とはならな
い。

【００３９】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
燃料電池の各セルに平均化して燃料ガス及び酸化剤ガス
を供給することができるので、積層された各セルの発電
性能が平均するので、積層燃料電池の性能が向上すると
いう効果がある。◆また、ガス供給管または排出管の内
の１部に不都合が生じた場合も、各セルへガスが供給さ
れるという効果がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例の構造とガスの流れを説明す
る断面図である。（ａ）は燃料ガスの流れを、（ｂ）は
酸化剤ガスの流れを示す。

【図２】本発明の他の実施例の構造とガスの流れを説明
する断面図である。（ａ）は燃料ガスの流れを、（ｂ）
は酸化剤ガスの流れを示す。

【図３】（ａ）は図１の実施例の、（ｂ）は図２の実施
例に用いられる中間ガスヘッダの斜視図である。

【図４】一実施例のガス供給構造による燃料ガス流量分
布例を示す図である。

【図５】従来技術の構造とガスの流れの一例を示す図で
ある。（ａ）は燃料ガスの流れ状態を、（ｂ）は燃料ガ
ス流量分布を示す。

【図６】内部マニホールド型燃料電池の内部構造を示す
斜視図である。

【図７】従来の中間ガスヘッダの斜視図である。

【符号の説明】

１積層セルスタック２給気側マニホールド３排気側マニホールド４上ガスヘッダ５下ガスヘッダ６中間ガスヘッダ６ａ中間ガスヘッダ上下仕切板７ガス供給管８ガス排出管１０カレントコレクタ１１セパレータ１２アノード１３電解質板１４カソード１６燃料ガス１８酸化剤ガス

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者加原俊樹茨城県日立市幸町３丁目１番１号株式会社日立製作所日立工場内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】単位セルの周辺部に燃料ガスと酸化剤ガ
スの給気及び排気用流路を穿設して内部マニホールドを
設けた内部マニホールド型積層セルスタックと、前記内
部マニホールドの一部を形成し、かつ前記燃料ガスと酸
化剤ガスを前記積層セルスタックの内部マニホールドに
供給及び排出する複数のガスヘッダを具備し、該複数の
ガスヘッダが上部ガスヘッダと下部ガスヘッダと該上部
ガスヘッダと下部ガスヘッダの間に少くとも１個の中間
ガスヘッダを含んでなる燃料電池のガス供給構造におい
て、前記中間ガスヘッダの内部マニホールドが前記積層
セルスタックの内部マニホールドを連通させていること
を特徴とする燃料電池のガス供給構造。
【請求項２】請求項１において、前記中間ガスヘッダ
の内部マニホールドが、マニホールド上下仕切板に該マ
ニホールド上下仕切板を貫通する貫通管を具えているこ
とを特徴とする燃料電池のガス供給構造。