JPH07296832A - 燃料電池 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 本発明の目的は、燃料電池セル面内の温度分
布を少なくし、局部的なセルの損傷を少なくしセルの寿
命を長くすることである。 【構成】 本発明の燃料電池は、セル面内の燃料ガス及
び空気ガス濃度の違いに合わせて燃料ガス流路溝及び空
気ガス流路溝の少なくともどちらか一方の単位体積当た
りの溝占有率を変え、セル面内の温度偏差を小さくする
ことを特徴とする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、燃料電池の燃料極及び
空気極の背面に形成された燃料ガス流路溝及び空気ガス
流路溝の形状に関するものであり、特に単セルを多数積
層してなる燃料電池に関する。

【０００２】

【従来の技術】燃料電池は、燃料の有する化学エネルギ
ーを電気化学プロセスで酸化させることにより、酸化反
応に伴って放出されるエネルギーを直接電気エネルギー
に変換する装置である。この燃料電池を用いた発電シス
テムは、比較的小さな規模でも発電効率が40〜50％にも
達し、新鋭の火力発電をはるかにしのぐもので、大きな
期待をされている。また、近年大きな社会問題に成って
いる公害要因であるＳＯｘ，ＮＯｘの排出が極めて小さ
く、さらに電気化学的に直接電気を得ることができるた
め原理的に高いエネルギー変換効率が期待できると共
に、騒音・排ガス等の環境問題が少なく、加えて負荷変
動に対して応答性がよい等の特徴があることから、その
開発、実用化の研究に期待と関心が寄せられている。

【０００３】前述のごとく燃料電池発電プラントは、ク
リーンなエネルギーであるため特に大都市部における分
散電源用としての適用が期待されている。一方、この様
な大都市部における火力代替用プラントとしての燃料電
池発電プラントを可能としているのは、特に燃料電池本
体の高出力化であり、近年における高性能触媒の開発、
大型セル製造技術の開発等により１スタック当り 500Ｋ
Ｗ〜1000ＫＷの出力が可能となってきたためである。今
後、発電コストの低減を行うには１スタックの出力をさ
らに増加する必要がある。

【０００４】この燃料電池は、通常、電解質板を挟んで
燃料極及び空気極の一対の多孔質電極を配置すると共
に、燃料極の背面に水素などの燃料ガスを接触させ、ま
た、空気極の背面に酸素等の酸化剤ガスを接触させ、こ
の時に起こる電気化学的反応により発生する電気エネル
ギーを上記一対の電極から取り出す様にしたものであ
る。

【０００５】即ち、図２に示す様に、対向して配置され
たアノード電極１及びカソード電極２の間に電解質層３
が設けられている。アノード電極１及びカソード電極２
は炭素質の多孔性の電極であり、通常、電解質層３に接
する面に白金触媒が塗布されている。さらに、アノード
電極１の背面側には、水素を含む燃料ガスが流れる燃料
ガス流路溝４、カソード電極２の背面側には、酸化剤ガ
ス（通常は空気）が流れる空気ガス流路溝５が形成され
ている。また、前記電解質層３と接する面には、それぞ
れアノード触媒層６及びカソード触媒層７が形成されて
いる。

【０００６】この様に構成されたリン酸形燃料電池は、
以下に述べる様に作用する。即ち、燃料ガス流路溝４に
流入した水素は、アノード電極１の気孔中に拡散してア
ノード触媒層６に達する。ここで、水素ガスは次式の様
に触媒の作用によって水素イオンと電子に解離する。

【０００７】 Ｈ₂ →２Ｈ＋２ｅ ……（反応１） この水素イオンは電解質層３に入り、濃度拡散及び電界
作用によってカソード電極に向かって永動する。一方、
水素ガスの解離によって分離した電子はアノード電極１
に流れ込む。カソード電極２ではアノード電極１から永
動してきた水素イオンと、酸化剤ガスとして空気ガス流
路溝５に供給され、さらに、カソード電極２の気孔を拡
散してきた酸素と、アノード電極１から外部の電力負荷
を通って仕事をし、電池のカソード電極２に戻ってきた
電子の３つがカソード触媒層で次式の反応を起こす。

【０００８】 ４Ｈ⁺ ＋４ｅ＋Ｏ₂ →２Ｈ₂ Ｏ＋Ｑ ……（反応２） この様にして、水素が酸化されて水になる反応と、この
時の化学エネルギーが電気エネルギーとなって、外部の
電気負荷中で電気エネルギーを与える電池としての全反
応が完了する。

【０００９】ここで、上記反応式（２）の反応は発熱反
応であり反応の量に比較した反応熱Ｑが発生する。上記
反応熱によるセル温度は上昇するが、セル温度が許容温
度以上になると、セル中に含浸されているリン酸の損失
量が大きくなる等の問題が生じるため、上記反応熱を除
去し取り出す必要がある。上記反応熱を取り出す方法と
しては例えば図３に示すように、数枚の単セル毎に冷却
水を流れる冷却管を挿入した冷却板８を配置しサブスタ
ック（冷却板と冷却板の間）を形成し、この冷却板８に
より上記反応熱を取り出す冷却方法がある。上記冷却方
法によるサブスタック間の上記反応熱の移動を以下に述
べる。

【００１０】上記反応式（２）の反応が起こるカソード
触媒層７で発生した反応熱は、カソード電極２の炭素板
中、空気ガス流路溝５のリブを伝導しこのリブを介して
セパレータ15に伝達される。上記セパレータ15に伝達さ
れた上記反応熱は、上記セパレータ15中を伝導しアノー
ド電極１の背面に形成された燃料ガス流路溝４のリブに
伝達される。更に上記反応熱は上記燃料ガス流路溝４の
リブ、上記アノード電極１、アノード触媒層６、電解質
層３、カソード触媒層７に伝導し、ここで発生する反応
熱を加え上述した過程を繰り返し、最終的に冷却板８と
接触している空気ガス流路溝のリブから冷却板８に伝達
されセル内で発生した上記反応熱は除去される。

【００１１】

【発明が解決しようとする課題】上述の過程を経て、セ
ル内で発生した反応熱は冷却板８により除去されるが、
従来、燃料ガス流路溝４及び空気ガス流路溝５はセル面
内の場所によらず同一形状、同ピッチで形成されてお
り、セル内で発生した反応熱が冷却板８に伝わるまでの
熱抵抗はセル面内でほぼ均一である。

【００１２】しかしながら、上記反応式（２）の反応が
セル平面内で均一に起こるわけではない。例えば図４の
様に燃料ガス及び空気ガスが流れる場合を考えてみる
と、空気ガスは空気入口マニホールド９より供給され空
気ガス流路溝５に沿って徐々に反応で消費され濃度を薄
めながら空気出口マニホールド10に排出される。また、
燃料ガスも燃料入口マニホールド11より供給され燃料ガ
ス流路溝４に沿って徐々に反応で消費され濃度を薄めな
がら燃料出口マニホールド12に排出される。この場合、
燃料ガス流路溝及び空気ガス流路の両ガス流路の入口に
近い部分では、燃料ガス及び空気ガスともにガス濃度が
高いため反応が盛んに起こる高反応領域13が形成され
る。

【００１３】一方、燃料ガス流路及び空気ガス流路の両
ガス流路の出口に近い部分では、空気ガス及び燃料ガス
とも濃度が低いため、反応が余り盛んに行われない低反
応領域14が形成される。高反応領域13では、反応がセル
面内の他の部分に比べ盛んであるため、反応熱の発生が
多く、熱流束と共に電流密度も大きくなる。一方、低反
応領域14では反応が盛んに行われないため反応熱の発生
が少なく、熱流束と共に電流密度も小さくなる。

【００１４】このように、セル平面における高反応領域
13と低反応領域14とでは熱流束及び電流密度の大きさに
違いがあるにもかかわらず、燃料ガス流路溝４及び空気
ガス流路溝５の溝占有率は、セル面内の場所によらず均
一であるため、セル面内の熱抵抗及び電気抵抗はほぼ同
じとなる。このため、高反応領域13では熱流束が大きい
にもかかわらず熱伝達がそれほど良くなく、電流密度も
大きいためジュール熱が大きくなり、高反応領域13は、
セル面内の他の部分に比べセル濃度が高くなる。

【００１５】一方、低反応領域14では熱流束が小さく、
電流密度も小さいためジュール熱が小さく、セル面内の
他の部分に比べセル温度は余り高くならない。この結
果、セル平面の温度分布は図５のＡ−Ｂ間温度分布図中
の破線で示す如く、高反応領域13では温度（θmax ）が
高く、低反応領域14では温度（θmin ）が低くなる。更
に、電気化学反応は温度が高いほど反応が盛んに行われ
るため、高反応領域13と低反応領域14との間の反応量の
違いが大きくなり、温度偏差を助長することになる。

【００１６】また、積層方向においてもサブスタック間
のセルでは図６に示すように、冷却板８に接触している
セル温度（θ１）が一番低く、冷却板８から離れるほど
温度は高くなり、サブスタックの中央のセル温度（θ
２）が一番高くなる。このθ１とθ２との差はサブスタ
ック間のセル数が多くなる程大きくなる。通常サブスタ
ックのセル数は７枚程度であるが、この場合運転中にお
いては、サブスタックの最も温度の高いセル（サブスタ
ックの中央のセル）の高反応領域13（最高温度領域）の
温度（θ２max ）と最も温度の低いセル（冷却板と接触
しているセル）の低反応領域（最低温度分布）の温度
（θ１mim ）との温度差は20〜30℃に達することもあ
る。

【００１７】スタックの冷却を考える場合、上記サブス
タック間の最高温度（θ２max ）が上記許容温度以下に
なるようにサブスタックのセル枚数が制限されている。
サブスタック間のセル枚数が少ないと１スタックで使用
する冷却板の枚数がそれだけ増加することになる。現
在、燃料電池のスタック高さは陸上輸送制限により制限
されており、約４ｍのスタック高さが限界となってい
る。この高さの間に積層されるセル枚数により１スタッ
クの出力が決まるので、できるだけ積層するセル枚数を
増加したほうが１スタックの出力が増加できる。

【００１８】冷却板１枚の厚さはセル１枚の約５倍であ
り、１スタック中に占める総冷却板の厚さはスタック長
全体の約40％にもなり、それだけ１スタックの出力が抑
えられていることになる。

【００１９】また、温度偏差があると温度の高い部分が
他の部分より触媒の劣化が進むことやリン酸の局部的損
失が生じる等の問題が生じる。燃料電池の場合、単セル
を直列に積層しており、一部分の損傷でもスタック全体
の出力に影響を及ぼすことになる。

【００２０】本発明の目的は、積層方向、セル面内の温
度分布を少なくし、サブスタック間のセル枚数を増加さ
せ、１スタックで用いる冷却板の枚数を減らし、減少し
た冷却板枚数の厚さ分に相当するセル枚数を増加し、１
スタックの出力を増加させる。また、セル中の温度偏差
を少なくし、局部的なセルの損傷を少なくしセル寿命を
長くすることである。

【００２１】

【課題を解決するための手段】本発明の燃料電池は、電
解質保持マトリックスを挟んで対向する燃料極と空気極
とを有する単セルと冷却板とを複数枚積層して、燃料極
背面に形成された燃料ガス流路溝に燃料ガスを、上記空
気極背面に形成された空気ガス流路溝に空気ガスを流し
電気化学反応により電気を得る燃料電池であって、セル
面内の燃料ガス及び空気ガス濃度の違いに合わせて燃料
ガス流路溝及び空気ガス流路溝の少なくともどちらか一
方の単位体積当たりの溝の占有体積（以下溝占有率）を
変え、セル面内の温度偏差を小さくすることを特徴とす
る。

【００２２】

【作用】上述したように、セルの反応熱が冷却板に伝達
される際、電極板とセパレータ間、電極板と冷却板間の
熱伝達は、ガス流路溝のリブ部を介して行われるため、
熱抵抗はガス流路溝の溝占有率を小さくし、リブ部の断
面積を大きくする程小さくなり冷却特性が良くなる。ま
た、電気抵抗に関してもガス流路溝のリブ部の断面積が
大きいほど小さくなるためジュール発熱も小さくなる。
このように、ガス流路溝の溝占有率を小さくしリブ部断
面積を大きくするほどセル温度の上昇を抑制することが
できる。また、ガス流路溝のリブ部が大きいと、ガスが
電極中へ拡散する距離が長くなるため触媒層にガスが行
き難くなり反応が抑制される。一方、ガス流路溝の溝占
有率を大きくリブ部断面積を小さくするほどセル温度を
上昇させることができる。また、ガス流路溝のリブ部が
小さいと、ガスが電極中へ拡散する距離が短くなるため
触媒層にガスが行き易くなり反応が促進される。

【００２３】

【実施例】以下、本発明の実施例を説明する。図１は本
発明の一実施例を示す構成図である。図１に示すように
燃料ガス流路溝４の溝占有率を高反応領域13では小さく
し、リブ部断面積を大きくすることにより熱抵抗を小さ
くし冷却特性を向上させる。また、電気抵抗は小さくな
るのでジュール熱の発生も少なくなる。このため、高反
応領域13のセル温度上昇を抑制することができる。ま
た、高反応領域13では空気ガスの濃度が高いためセル面
内の他の部分に比べ反応が促進される。これによる他の
部分との反応量のアンバランスを抑えるため、燃料ガス
流路溝の溝占有率を小さくし燃料ガスが電極中を拡散す
る距離を長くすることによって、アノード触媒面に燃料
ガスを供給し難くしこの部分での反応量を抑える。ま
た、低反応領域14では燃料ガス流路溝４の溝占有率を大
きくし、リブ部断面積を小さくすることにより熱抵抗を
大きくし温度上昇を促進させる。また、電気抵抗は大き
くなるのでジュール熱の発生も多くなる。このため、低
反応領域14のセル温度を上昇させることができる。ま
た、低反応領域14では空気ガスの濃度が低いためセル面
内の他の部分に比べ反応が余り盛んに行われない。その
ため燃料ガス流路溝の溝占有率を大きくし燃料ガスが電
極中を拡散する距離を短くすることによって、アノード
触媒面に燃料ガスを供給し易くしこの部分での反応を促
進させることができる。

【００２４】このように高反応領域13の燃料ガス流路溝
４の溝占有率を小さくし、低反応領域14の燃料ガス流路
溝13の溝占有率を大きくすることによりセル面内の反応
のばらつきとともに、図５のＡ−Ｂ間温度分布図中の実
線で示す如くセル面内の温度偏差を小さくすることがで
きる。

【００２５】また、空気ガス流路溝５においても同様の
形状とすることにより同様の効果を得ることができる。
さらに、燃料ガス流路溝４及び空気ガス流路溝５の両方
において上述の形状とすることは上記効果をより高める
ことができる。

【００２６】積層方向のセル温度は冷却板８から離れる
程高くなるため、冷却板８から離れたセルのガス流路溝
は溝占有率を小さくしリブ部断面積を大きくすることに
より熱伝達を良くし、冷却板８に近いセルのガス流路溝
は溝占有率を大きくしリブ部断面積を小さくすることに
より温度を上昇させる。これにより、冷却板８から離れ
たセルの温度は現在より低くなり、冷却板８に近いセル
の温度は現在より上昇するためサブスタック積層方向の
セル温度偏差を小さくすることができる。

【００２７】また同じ様な効果を得る方法として下記に
示すようにしてもよい。セルの反応熱が冷却板８に伝達
される際、反応熱はリブ部中を通過する。そのため、リ
ブ部及び基板材質の熱伝導率を高く（例えば密度を高く
する）するほど熱抵抗は小さくなり冷却特性が良くな
る。また、電気抵抗に関しても密度が高いほど小さくな
るためジュール発熱も小さくなる。このように、リブ部
及び基板材質の密度を高くするほどセル温度の上昇を抑
制することができる。また、ガス流路溝のリブ部及び基
板の密度が大きいと、ガスが電極中へ拡散する抵抗が大
きくなるため触媒層にガスが行き難くなり反応が抑制さ
れる。一方、ガス流路溝のリブ部及び基板の密度を小さ
くするほどセル温度を上昇させることができる。また、
ガス流路溝のリブ部及び基板の密度が小さいと、ガスが
電極中へ拡散する抵抗が小さくなるため触媒層にガスが
行き易くなり反応が促進される。

【００２８】そこで、例えば図４に示すように高反応領
域13部のリブ部及び基板の密度を高くすることにより温
度上昇を抑制することができる。また、低反応領域14で
はリブ部及び基板の密度を小さくすることにより温度上
昇を促進させることができる。

【００２９】このように高反応領域13のリブ部及び基板
の密度を高くし、低反応領域14のリブ部及び基板の密度
を小さくすることによりセル面内の反応のばらつきとと
もにセル面内の温度偏差を小さくすることができる。

【００３０】積層方向のセル温度は冷却板８から離れる
程高くなるため、冷却板８から離れたセルのリブ部及び
基板の密度を高くすることにより熱伝達を良くし、冷却
板８に近いセルのリブ部及び基板の密度を低くすること
によりガス温度を上昇させる。これにより、冷却板８か
ら離れたセルの温度は現在より低くなり、冷却板８に近
いセルの温度は現在より上昇するためサブスタック積層
方向のセル温度偏差を小さくすることができる。

【００３１】

【発明の効果】以上述べたように本発明によれば、サブ
スタック間の最高温度（θ２max ）と最低温度（θ１mi
n ）との温度差を小さくするとともに、反応のばらつき
を抑え、セルの局部的損傷を防ぐと共に、単セルの出力
を低下することなく最高温度（θ２max ）を現在より低
く抑え、サブスタック間のセル数を現在より増加するこ
とができる。これにより、１スタックで用いる冷却板の
枚数を減らすことができ、減少した冷却板の枚数の厚さ
に相当するセルの枚数を増やすことができ、１スタック
の出力を増加できる。また、セル中の温度偏差が小さく
なるので、局部的なセル損傷は少なくなりセル寿命を長
くすることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例を示す構成図

【図２】燃料電池１セル本体の斜視図

【図３】燃料電池積層体の側面図

【図４】燃料電池積層体の上面図

【図５】燃料電池積層体の温度分布の特性図

【図６】燃料電池積層体縦方向の温度分布の特性図

【符号の説明】

１…アノード電極 ２…カソード電極 ３…電解質層 ４…燃料ガス流路溝 ５…空気ガス流路溝 ６…アノード触媒層 ７…カソード触媒層 ８…冷却板 ９…空気入口マニホールド 10…空気出口マニホールド 11…燃料入口マニホールド 12…燃料出口マニホールド 13…高反応領域 14…低反応領域 15…セパレータ

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 電解質保持マトリックスを挟んで対向す
   る燃料極と空気極とを有する単セルと冷却板とを複数枚
   積層して、上記燃料極背面に形成された燃料ガス流路溝
   に燃料ガスを、上記空気極背面に形成された空気ガス流
   路溝に空気ガスを流し電気化学反応により電気を得る燃
   料電池において、セル面内の上記燃料ガス及び空気ガス
   濃度の違いに合わせて上記燃料ガス流路溝及び上記空気
   ガス流路溝の少なくともどちらか一方の単位体積当たり
   の溝占有率を変え、上記セル面内の温度偏差を小さくす
   ることを特徴とする燃料電池。
2. 【請求項２】 上記燃料ガス流路溝及び空気ガス流路溝
   の溝占有率を冷却板からの距離により変化させることを
   特徴とする請求項１に記載の燃料電池。
3. 【請求項３】 上記燃料ガス流路及び空気ガス流路溝の
   基板を含むリブの密度を変え上記セル面内の温度偏差を
   小さくすることを特徴とする請求項１に記載の燃料電
   池。
4. 【請求項４】 上記燃料ガス流路及び空気ガス流路溝の
   リブの材質を冷却板からの距離により変化させることを
   特徴とする請求項１に記載の燃料電池。