JPH0748381B2 - 加圧型燃料電池のガス流れ構造 - Google Patents
加圧型燃料電池のガス流れ構造Info
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- JPH0748381B2 JPH0748381B2 JP3075403A JP7540391A JPH0748381B2 JP H0748381 B2 JPH0748381 B2 JP H0748381B2 JP 3075403 A JP3075403 A JP 3075403A JP 7540391 A JP7540391 A JP 7540391A JP H0748381 B2 JPH0748381 B2 JP H0748381B2
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Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、燃料電池に係り、特
に、単位電池を複数個積層した電池積層体を加圧して運
転する際、各セルに燃料ガスを均等に分配するのに好適
な燃料電池のガス流れ構造に関する。
に、単位電池を複数個積層した電池積層体を加圧して運
転する際、各セルに燃料ガスを均等に分配するのに好適
な燃料電池のガス流れ構造に関する。
【０００２】
【従来の技術】燃料電池に供給されるガスは、通常、燃
料ガス及び酸化剤ガスがともに、積層電池の上側から入
り、上から排出する構造となっているか、あるいは、逆
に、下側から供給され下側から排出される構造となって
いる。従って、供給側のマニホールドのガス流れ方向と
排出側のガス流れ方向とは、互いに逆向きに流れ、いわ
ゆる、両マニホールドのガス流れは反流タイプであるの
が一般的である。これは、主として電池構造の面から考
慮されたものであり、入口、出口ヘッダーを一ヶ所にま
とめることができるので電池構造が簡略化される利点が
ある。
料ガス及び酸化剤ガスがともに、積層電池の上側から入
り、上から排出する構造となっているか、あるいは、逆
に、下側から供給され下側から排出される構造となって
いる。従って、供給側のマニホールドのガス流れ方向と
排出側のガス流れ方向とは、互いに逆向きに流れ、いわ
ゆる、両マニホールドのガス流れは反流タイプであるの
が一般的である。これは、主として電池構造の面から考
慮されたものであり、入口、出口ヘッダーを一ヶ所にま
とめることができるので電池構造が簡略化される利点が
ある。
【０００３】さらに他の例としては『大容量溶融炭酸塩
型燃料電池(MCFC)発電装置のセル、及びスタック技術』
( 機械学会シンポジウム、動力、エネルギ- 技術の最前
線パート２）に示されるような中間ヘッダー構造の積層
電池が挙げられる。この積層電池においては、燃料ガス
は、中間部のヘッダーから上下のセル積層部に供給さ
れ、再び中間ヘッダーに戻る流れになっており、酸化剤
ガスは、積層電池上下のヘッダーから中間ヘッダーに向
かって流れ、反応後のガスは、再び、上下のヘッダーに
戻る流れ構造となっているが、この構造のものにあって
は中間ヘッダーを境に、燃料ガス、酸化剤ガスについ
て、積層電池内の供給マニホールドを上向きに流れるも
のと、下向きに流れるものとが個別に存在している。
型燃料電池(MCFC)発電装置のセル、及びスタック技術』
( 機械学会シンポジウム、動力、エネルギ- 技術の最前
線パート２）に示されるような中間ヘッダー構造の積層
電池が挙げられる。この積層電池においては、燃料ガス
は、中間部のヘッダーから上下のセル積層部に供給さ
れ、再び中間ヘッダーに戻る流れになっており、酸化剤
ガスは、積層電池上下のヘッダーから中間ヘッダーに向
かって流れ、反応後のガスは、再び、上下のヘッダーに
戻る流れ構造となっているが、この構造のものにあって
は中間ヘッダーを境に、燃料ガス、酸化剤ガスについ
て、積層電池内の供給マニホールドを上向きに流れるも
のと、下向きに流れるものとが個別に存在している。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】電池の運転圧力が大気
圧条件で、積層枚数が少なく電池の高さが低い場合、ガ
スの流れ方向は大きな問題には至らないが、電池の運転
圧力が高くなり、積層枚数が増加すると上記のような従
来の構造のものでは、いずれも、下記の理由から積層セ
ル間での流量分布の不均一度が大きくなることは避けら
れない。
圧条件で、積層枚数が少なく電池の高さが低い場合、ガ
スの流れ方向は大きな問題には至らないが、電池の運転
圧力が高くなり、積層枚数が増加すると上記のような従
来の構造のものでは、いずれも、下記の理由から積層セ
ル間での流量分布の不均一度が大きくなることは避けら
れない。
【０００５】特に、電池内の圧力が高くなると、供給側
マニホールドと排出側マニホールドを流れるガス密度の
差が、大気圧の場合に比べてより大きくなり、それが、
電池内のガス流れにも大きな影響を及ぼし、その結果、
流量分布の不均一度が大きくなるという点に関して、上
記のような従来公知のいずれの燃料電池においてもこれ
まで格別の考慮がなされていなかった。
マニホールドと排出側マニホールドを流れるガス密度の
差が、大気圧の場合に比べてより大きくなり、それが、
電池内のガス流れにも大きな影響を及ぼし、その結果、
流量分布の不均一度が大きくなるという点に関して、上
記のような従来公知のいずれの燃料電池においてもこれ
まで格別の考慮がなされていなかった。
【０００６】もし、両マニホールドを流れるガス密度が
同じであると仮定すれば、従来構造の反流タイプの流れ
構造のものにおいて、上からガスを供給しようと下から
供給しようと、流量分布の均一化にとって大きな差はな
いが、実際の電池では、セル内で化学反応が生じるた
め、ガス密度が変化する。即ち、燃料ガス側では、反応
ガスである水素が消費され、密度の大きい炭酸ガスや水
を生成するため、水素に富む供給側のマニホールドに比
べ、炭酸ガスや水が主成分である排出側のマニホールド
を流れるガスの方が密度が高くなる。この結果、従来の
反流タイプの燃料電池において、燃料ガスを電池の上方
から供給した場合は、ガスの密度差による循環力の影響
により積層電池の上側のセルにはガスが流れやすくな
り、下側のセルにはガスが流れ難くなる。
同じであると仮定すれば、従来構造の反流タイプの流れ
構造のものにおいて、上からガスを供給しようと下から
供給しようと、流量分布の均一化にとって大きな差はな
いが、実際の電池では、セル内で化学反応が生じるた
め、ガス密度が変化する。即ち、燃料ガス側では、反応
ガスである水素が消費され、密度の大きい炭酸ガスや水
を生成するため、水素に富む供給側のマニホールドに比
べ、炭酸ガスや水が主成分である排出側のマニホールド
を流れるガスの方が密度が高くなる。この結果、従来の
反流タイプの燃料電池において、燃料ガスを電池の上方
から供給した場合は、ガスの密度差による循環力の影響
により積層電池の上側のセルにはガスが流れやすくな
り、下側のセルにはガスが流れ難くなる。
【０００７】一般に、セルの積層数が増えるとガスの密
度差がない場合であっても下側のセルは上側のセルに比
べてガスは流れ難くなる傾向があるが、それに加え、上
記の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加する。また、酸化剤ガ
スの場合は、燃料ガスとは逆に、密度の大きい炭酸ガス
と酸素を消費するために、排出側では密度の小さい窒素
の割合が増加することとなり、排出側のマニホールドを
流れるガスの密度が供給側のマニホールドを流れるガス
の密度よりも低くなる。
度差がない場合であっても下側のセルは上側のセルに比
べてガスは流れ難くなる傾向があるが、それに加え、上
記の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加する。また、酸化剤ガ
スの場合は、燃料ガスとは逆に、密度の大きい炭酸ガス
と酸素を消費するために、排出側では密度の小さい窒素
の割合が増加することとなり、排出側のマニホールドを
流れるガスの密度が供給側のマニホールドを流れるガス
の密度よりも低くなる。
【０００８】従って、従来の反流タイプの燃料電池にお
いて、下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電池の下側の方にガス
が流れやすくなり、上側のセルにはガスが流れ難くな
る。特に、燃料電池のようにマニホールド内の管摩擦が
小さい場合、この傾向はより強く現われる。このよう
に、燃料ガスと酸化剤ガスでは反応に伴う密度変化の傾
向が異なるにもかかわらず、ガス流れ方向そのものつい
ては、特に積層電池構造の中でのガス流れ方向について
格別の配慮はされていなかった。
いて、下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電池の下側の方にガス
が流れやすくなり、上側のセルにはガスが流れ難くな
る。特に、燃料電池のようにマニホールド内の管摩擦が
小さい場合、この傾向はより強く現われる。このよう
に、燃料ガスと酸化剤ガスでは反応に伴う密度変化の傾
向が異なるにもかかわらず、ガス流れ方向そのものつい
ては、特に積層電池構造の中でのガス流れ方向について
格別の配慮はされていなかった。
【０００９】本発明は、従来の積層電池構造の持つ上記
のような問題点を解決し積層電池を構成する各セルに燃
料ガスを均等に分配しうるガスの流れ構造をうることを
目的とする。
のような問題点を解決し積層電池を構成する各セルに燃
料ガスを均等に分配しうるガスの流れ構造をうることを
目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
めに、本発明においては、上述したような密度差による
対流効果を考慮して、流量分布の均一化を図るため、積
層電池の下側から燃料ガスを供給マニホールドに流し、
各セル内で反応し終ったガスは、排出マニホールドを供
給マニホールドと逆に、下向きに流れるように、排出マ
ニホールドの下側から排出するようにし、また、酸化剤
ガスについては燃料ガスの流れとは逆に、積層電池の上
側から供給マニホールドに流し、排出マニホールドの上
側から排出するようにした。
めに、本発明においては、上述したような密度差による
対流効果を考慮して、流量分布の均一化を図るため、積
層電池の下側から燃料ガスを供給マニホールドに流し、
各セル内で反応し終ったガスは、排出マニホールドを供
給マニホールドと逆に、下向きに流れるように、排出マ
ニホールドの下側から排出するようにし、また、酸化剤
ガスについては燃料ガスの流れとは逆に、積層電池の上
側から供給マニホールドに流し、排出マニホールドの上
側から排出するようにした。
【００１１】即ち、本発明は、溶融炭酸塩を保持した電
解質板、電解質板を両側からはさむアノード及びカソー
ド、及びその外側に位置し燃料ガス及び酸化剤ガスを流
す流路を有しかつ燃料ガスと酸化剤ガスとの混合を防止
するセパレータとから構成される単位電池を複数個積層
すると共に、該セパレータには燃料ガスと酸化剤ガスの
供給、排出用のマニホールドが設けられている内部マニ
ホールド型燃料電池において、あるいは該積層電池の側
面のガス出入口に燃料ガスと酸化剤ガスの供給、排出用
のマニホールドを設けた外部マニホールド型燃料電池に
おいて、該燃料電池を構成するすべての単位電池につい
て、燃料ガス側については供給側マニホールドを流れる
ガスは下から上に向かって流れ、排出側マニホールドを
流れるガスは上から下に向かって流れるようにし、さら
に酸化剤ガス側については供給側マニホールドを流れる
ガスは上から下に向かって流れ、排出マニホールドを流
れるガスは下から上に向かって流れるように構成したこ
とを特徴とする燃料電池のガスの流れ構造を開示し、提
供する。
解質板、電解質板を両側からはさむアノード及びカソー
ド、及びその外側に位置し燃料ガス及び酸化剤ガスを流
す流路を有しかつ燃料ガスと酸化剤ガスとの混合を防止
するセパレータとから構成される単位電池を複数個積層
すると共に、該セパレータには燃料ガスと酸化剤ガスの
供給、排出用のマニホールドが設けられている内部マニ
ホールド型燃料電池において、あるいは該積層電池の側
面のガス出入口に燃料ガスと酸化剤ガスの供給、排出用
のマニホールドを設けた外部マニホールド型燃料電池に
おいて、該燃料電池を構成するすべての単位電池につい
て、燃料ガス側については供給側マニホールドを流れる
ガスは下から上に向かって流れ、排出側マニホールドを
流れるガスは上から下に向かって流れるようにし、さら
に酸化剤ガス側については供給側マニホールドを流れる
ガスは上から下に向かって流れ、排出マニホールドを流
れるガスは下から上に向かって流れるように構成したこ
とを特徴とする燃料電池のガスの流れ構造を開示し、提
供する。
【００１２】
【作用】密度変化のない場合、上記反流タイプでは、供
給マニホールドにおけるガスの分岐、排出マニホールド
におけるガスの合流に伴うモーメンタム効果により、両
マニホールド間の圧力差はガス入口側が大きくなり、入
口から遠ざかるに従って小さくなる。このためガス供給
部に近いセルのガス流量は、遠いセルに比べて多くな
る。従って、燃料側では積層電池の下側のセルほど上側
のセルに比べて流量が増える分布を示す。逆に、酸化剤
側では積層電池の上側のセルほど下側のセルに比べて流
量が増える分布を示す。これに、ガスの密度変化が加わ
ることになる。先に述べたように、燃料側では電池の入
口、出口で密度が異なる場合は、積層電池の上側の方が
循環力が大きくなるため、より多くのガスが流れようと
する。即ち、マニホールド内の分岐、合流に伴うモーメ
ンタム効果と密度変化に伴う対流効果が組合さることに
より、互いの流量分布不均一さを打消しあうため、流量
分布の不均一性が解消される方向に向かうことになる。
同様に酸化剤側では、積層電池の下側の方が循環力が大
きくなるため、やはり、互いの流量分布不均一さを打消
しあうことになり、その結果、電池全体の流量分布の不
均一性が解消される方向に向かうことになる。
給マニホールドにおけるガスの分岐、排出マニホールド
におけるガスの合流に伴うモーメンタム効果により、両
マニホールド間の圧力差はガス入口側が大きくなり、入
口から遠ざかるに従って小さくなる。このためガス供給
部に近いセルのガス流量は、遠いセルに比べて多くな
る。従って、燃料側では積層電池の下側のセルほど上側
のセルに比べて流量が増える分布を示す。逆に、酸化剤
側では積層電池の上側のセルほど下側のセルに比べて流
量が増える分布を示す。これに、ガスの密度変化が加わ
ることになる。先に述べたように、燃料側では電池の入
口、出口で密度が異なる場合は、積層電池の上側の方が
循環力が大きくなるため、より多くのガスが流れようと
する。即ち、マニホールド内の分岐、合流に伴うモーメ
ンタム効果と密度変化に伴う対流効果が組合さることに
より、互いの流量分布不均一さを打消しあうため、流量
分布の不均一性が解消される方向に向かうことになる。
同様に酸化剤側では、積層電池の下側の方が循環力が大
きくなるため、やはり、互いの流量分布不均一さを打消
しあうことになり、その結果、電池全体の流量分布の不
均一性が解消される方向に向かうことになる。
【００１３】
【実施例】以下、本発明を添付の図面を用いた幾つかの
実施例に基づきより詳細に説明する。図１は、内部マニ
ホールド型の溶融炭酸塩型燃料電池積層構造の断面を示
す。電解質板１とアノード２、カソード３両電極、セパ
レータ４から成る単位電池が複数個積層されて燃料電池
を形成している。該積層電池の上、下には端板５a,５b
が備わっている。該端板はその内部にガスヘッダー６a,
６b,６c,６d を備えている。上端版のＡーＡ断面の平面
図を図２に示す。
実施例に基づきより詳細に説明する。図１は、内部マニ
ホールド型の溶融炭酸塩型燃料電池積層構造の断面を示
す。電解質板１とアノード２、カソード３両電極、セパ
レータ４から成る単位電池が複数個積層されて燃料電池
を形成している。該積層電池の上、下には端板５a,５b
が備わっている。該端板はその内部にガスヘッダー６a,
６b,６c,６d を備えている。上端版のＡーＡ断面の平面
図を図２に示す。
【００１４】燃料である水素と炭酸ガス、及び水の混合
ガス１００が、供給口７から下端板５b のガスヘッダー
６a に流入する。該燃料ガス１００は、ヘッダー６a か
ら電解質板１、及びセパレータ４に設けたマニホールド
孔８a を通りながら、積層電池内を上向きに供給マニホ
ールド１０内を流れる。その際、該燃料ガス１００は、
セパレータ４に設けられた溝９a と、アノード２によっ
て形成されたガス流路１１を通って各単位電池に供給さ
れる。各電池内ではアノード２で電極反応を行いなが
ら、水素を消費し、炭酸ガスと水を生成しながら排出側
のマニホールド１２に達する。該マニホールド１２に達
し、反応を終えた排ガス１０１は電解質板１、及びセパ
レータ４に設けたマニホールド孔８b を通りながら、積
層電池内を下向きに流れる。そして、下端板５b に設け
られた出口ヘッダー６b に入り、排出口１３から系外に
排出される。
ガス１００が、供給口７から下端板５b のガスヘッダー
６a に流入する。該燃料ガス１００は、ヘッダー６a か
ら電解質板１、及びセパレータ４に設けたマニホールド
孔８a を通りながら、積層電池内を上向きに供給マニホ
ールド１０内を流れる。その際、該燃料ガス１００は、
セパレータ４に設けられた溝９a と、アノード２によっ
て形成されたガス流路１１を通って各単位電池に供給さ
れる。各電池内ではアノード２で電極反応を行いなが
ら、水素を消費し、炭酸ガスと水を生成しながら排出側
のマニホールド１２に達する。該マニホールド１２に達
し、反応を終えた排ガス１０１は電解質板１、及びセパ
レータ４に設けたマニホールド孔８b を通りながら、積
層電池内を下向きに流れる。そして、下端板５b に設け
られた出口ヘッダー６b に入り、排出口１３から系外に
排出される。
【００１５】一方、酸化剤ガスである空気と炭酸ガスの
混合ガス１０２は、上端板５a の供給口１６を通り、入
口ガスヘッダー６c から、燃料の場合と同様に、電解質
板１、及びセパレータ４に設けたマニホールド孔８c を
通りながら積層電池内を下向きに流れる。そして、燃料
側と同様に、セパレータに設けられた溝９bとカソード
３によって形成されたガス流路１４を通って各単位電池
に供給される。各電池内ではカソード３で電極反応を行
いながら、酸素と炭酸ガスを消費し排出側のマニホール
ドに達する。該マニホールドに達し、反応を終えたカソ
ード排ガス１０３は電解質板１、及びセパレータ４に設
けたマニホールド孔８d を通りながら、今度は、積層電
池内を上向きに流れる。そして、上端板５a に設けられ
た出口ヘッダーに６d 入り、排出口１５から系外に排出
される。
混合ガス１０２は、上端板５a の供給口１６を通り、入
口ガスヘッダー６c から、燃料の場合と同様に、電解質
板１、及びセパレータ４に設けたマニホールド孔８c を
通りながら積層電池内を下向きに流れる。そして、燃料
側と同様に、セパレータに設けられた溝９bとカソード
３によって形成されたガス流路１４を通って各単位電池
に供給される。各電池内ではカソード３で電極反応を行
いながら、酸素と炭酸ガスを消費し排出側のマニホール
ドに達する。該マニホールドに達し、反応を終えたカソ
ード排ガス１０３は電解質板１、及びセパレータ４に設
けたマニホールド孔８d を通りながら、今度は、積層電
池内を上向きに流れる。そして、上端板５a に設けられ
た出口ヘッダーに６d 入り、排出口１５から系外に排出
される。
【００１６】このようなガスの流れに対し、電池内の流
動抵抗の大部分はセパレータ内の管摩擦損失分が占め
る。マニホールド内１０，１２の管摩擦損失や分岐、合
流損失、あるいはセパレータ４内のガスの消費量や生成
に伴って溝内１１，１４で発生するガスの吹き出し損失
は、ガスが低速でRe数が小さい層流域のため小さい。図
３a にこの時の燃料側マニホールド内の圧力分布を示
す。供給マニホールド側１０の圧力分布Ｐi はガスの流
れ方向に従って圧力が高くなっている。これは、流れ方
向に従ってガスが分岐され運動量が減るためである。逆
に、排出側のマニホールド１２の圧力分布Ｐo ではガス
の流れ方向に従って圧力が下がっている。これは、流れ
方向に従ってガスが合流され運動量が増えることと、マ
ニホールド内の管摩擦のためである。
動抵抗の大部分はセパレータ内の管摩擦損失分が占め
る。マニホールド内１０，１２の管摩擦損失や分岐、合
流損失、あるいはセパレータ４内のガスの消費量や生成
に伴って溝内１１，１４で発生するガスの吹き出し損失
は、ガスが低速でRe数が小さい層流域のため小さい。図
３a にこの時の燃料側マニホールド内の圧力分布を示
す。供給マニホールド側１０の圧力分布Ｐi はガスの流
れ方向に従って圧力が高くなっている。これは、流れ方
向に従ってガスが分岐され運動量が減るためである。逆
に、排出側のマニホールド１２の圧力分布Ｐo ではガス
の流れ方向に従って圧力が下がっている。これは、流れ
方向に従ってガスが合流され運動量が増えることと、マ
ニホールド内の管摩擦のためである。
【００１７】その結果、上側のセル５０に比べて下側の
セル５１の方が圧力差ΔＰが大きくなり燃料電池の場合
ΔＰの大部分を占めるΔＰf も下側セルの方が大きくな
り、その結果流量も多く流れることになる。次に、電池
に負荷がかかり、電流が流れると、上述したように、燃
料側では排出側のマニホルド１２内は、生成ガスである
炭酸ガスと水で占められ、ガス密度は、水素が大部分を
占める供給マニホールド１０内のガスの密度に比べて、
相当に大きくなる。このマニホールド間の密度差のた
め、電池の高さ方向の圧力分布が影響を受けることにな
る。即ち、セパレータのガス流れ方向２０とは逆向き
に、セパレータ内に排出側マニホールド１２から供給側
マニホールド１０に向かって循環力が働くことになる。
電池の最上部の位置をゼロとすると下側のセルほどその
力は大きくなる（下記の式（１）を参照）。従って、図
３aの圧力分布ΔＰfは図３b のように変化する。即ち、
式（１）の関係より電池の下側のセル内における圧力損
失ΔＰf は循環力の影響で小さくなり、逆に、電池の上
側の圧力損失は大きくなる。つまり、流路内１１を流れ
るガス流量は、密度変化のなかった反応前に比べて電池
上側のセルの流量が増え、下側のセルの流量が減ること
になる。その結果、燃料側は、電池内の流量分配がより
均一な方向に向かうことになる。 （ΔＰ) ＝（ΔＰf)j ＋（ρo ーρi ）・ｇ・Ｚ …式１ Ｚ：電池最上部からの距離 ｇ：重力加速度 ρo ：排出マニホールドのガス密度 ρi ：供給マニホールドのガス密度 （ΔＰ):マニホールド間の圧力損失 （ΔＰf)j ：ｊ番目のセルの摩擦損失 酸化剤側については、燃料側ほど密度の変化は大きくな
いが、燃料側とは逆に電極反応後の方が密度は小さくな
る。つまり循環力は流れの方向と同方向に働き、しか
も、電池の下側ほどその力は大きい。本実施例のよう
に、上側ヘッダー６c からガスを入れて、同じく上側ヘ
ッダー６d から排出させる反流タイプの場合は、燃料側
と同様な考え方から、上側のセルにより多くのガスが流
れる。均一効果は燃料側ほど密度変化は大きくないた
め、燃料側ほどは顕著ではないが、少なくとも、下側ヘ
ッダーからガスを供給するよりは流量分布の均一化を図
るに好ましい方法といえる。
セル５１の方が圧力差ΔＰが大きくなり燃料電池の場合
ΔＰの大部分を占めるΔＰf も下側セルの方が大きくな
り、その結果流量も多く流れることになる。次に、電池
に負荷がかかり、電流が流れると、上述したように、燃
料側では排出側のマニホルド１２内は、生成ガスである
炭酸ガスと水で占められ、ガス密度は、水素が大部分を
占める供給マニホールド１０内のガスの密度に比べて、
相当に大きくなる。このマニホールド間の密度差のた
め、電池の高さ方向の圧力分布が影響を受けることにな
る。即ち、セパレータのガス流れ方向２０とは逆向き
に、セパレータ内に排出側マニホールド１２から供給側
マニホールド１０に向かって循環力が働くことになる。
電池の最上部の位置をゼロとすると下側のセルほどその
力は大きくなる（下記の式（１）を参照）。従って、図
３aの圧力分布ΔＰfは図３b のように変化する。即ち、
式（１）の関係より電池の下側のセル内における圧力損
失ΔＰf は循環力の影響で小さくなり、逆に、電池の上
側の圧力損失は大きくなる。つまり、流路内１１を流れ
るガス流量は、密度変化のなかった反応前に比べて電池
上側のセルの流量が増え、下側のセルの流量が減ること
になる。その結果、燃料側は、電池内の流量分配がより
均一な方向に向かうことになる。 （ΔＰ) ＝（ΔＰf)j ＋（ρo ーρi ）・ｇ・Ｚ …式１ Ｚ：電池最上部からの距離 ｇ：重力加速度 ρo ：排出マニホールドのガス密度 ρi ：供給マニホールドのガス密度 （ΔＰ):マニホールド間の圧力損失 （ΔＰf)j ：ｊ番目のセルの摩擦損失 酸化剤側については、燃料側ほど密度の変化は大きくな
いが、燃料側とは逆に電極反応後の方が密度は小さくな
る。つまり循環力は流れの方向と同方向に働き、しか
も、電池の下側ほどその力は大きい。本実施例のよう
に、上側ヘッダー６c からガスを入れて、同じく上側ヘ
ッダー６d から排出させる反流タイプの場合は、燃料側
と同様な考え方から、上側のセルにより多くのガスが流
れる。均一効果は燃料側ほど密度変化は大きくないた
め、燃料側ほどは顕著ではないが、少なくとも、下側ヘ
ッダーからガスを供給するよりは流量分布の均一化を図
るに好ましい方法といえる。
【００１８】ちなみに、電池の電極有効面積が900 平方
センチ、電池高さ30センチ、電池内の圧力が５気圧、燃
料利用率80％、燃料組成を水素72％、炭酸ガス18％、水
10％とすると、定格の電流値である135Aの電流が流れる
と、反応後のガス密度は約２．６倍にもなる。このとき
のセパレータ内の圧力損失は1.4mmAq 程度になるのに対
して、密度差による循環力は、一番下側のセルで約0.5m
mAq にもなり、セパレータ内の管摩擦力に対して密度変
化による循環力の影響が無視できないことが分かる。
センチ、電池高さ30センチ、電池内の圧力が５気圧、燃
料利用率80％、燃料組成を水素72％、炭酸ガス18％、水
10％とすると、定格の電流値である135Aの電流が流れる
と、反応後のガス密度は約２．６倍にもなる。このとき
のセパレータ内の圧力損失は1.4mmAq 程度になるのに対
して、密度差による循環力は、一番下側のセルで約0.5m
mAq にもなり、セパレータ内の管摩擦力に対して密度変
化による循環力の影響が無視できないことが分かる。
【００１９】次に、本発明の第２の実施例として、中間
ヘッダーを用いたスタックの場合について、そのときの
ガス流れを図４a,b にて説明する。一般に中間ヘッダー
を有するスタック構造では、特にスタックの積層数が多
い場合に、ガス供給用ヘッダーの数が増えるために、そ
れに応じて各セルへ分配されるガスの流量がより均一に
なると考えられる。
ヘッダーを用いたスタックの場合について、そのときの
ガス流れを図４a,b にて説明する。一般に中間ヘッダー
を有するスタック構造では、特にスタックの積層数が多
い場合に、ガス供給用ヘッダーの数が増えるために、そ
れに応じて各セルへ分配されるガスの流量がより均一に
なると考えられる。
【００２０】図４a は中間ヘッダーを有するスタック構
造でのガスの流れを示す。スタックの上下端部と中央の
３か所にガスヘッダー５a,５b,５c がそれぞれ設けられ
ている。燃料ガス１００A,B はガス供給配管７A,B から
２つの入口ガスヘッダー３０A,B に導入される。下側入
口ヘッダー３０B に導入された燃料ガス１００B は、下
部ヘッダー５b から中間ヘッダー５c までのサブスタッ
ク２０B の各セルに供給されるものである。また、中間
ヘッダー５c に導入された燃料ガス１００A は中間ヘッ
ダー５c から上のサブスタック２０A の各セルに供給さ
れるものである。そのため、各セルの入口側セパレータ
及び電解質板には、第１の実施例と同様にガス通路用の
孔が設けられており、いわゆる内部マニホールド１０A,
B を形成している。それぞれのサブスタックを流れる燃
料ガスはこの内部マニホールドを下から上に向かって流
れることになり、各セルで反応を終えたガス１０１A,B
は、セルの出口側に設けられた内部マニホールド１２A,
B を上から下に向かって流れ、もとのヘッダー位置まで
戻り、出口ガスヘッダー３１A,B から排気用配管１３A,
B を通って系外に排出される。これより燃料ガスは両サ
ブスタックともガス供給側のマニホールドでは下から上
に、排出側のマニホールドでは上から下に流れることと
なる。
造でのガスの流れを示す。スタックの上下端部と中央の
３か所にガスヘッダー５a,５b,５c がそれぞれ設けられ
ている。燃料ガス１００A,B はガス供給配管７A,B から
２つの入口ガスヘッダー３０A,B に導入される。下側入
口ヘッダー３０B に導入された燃料ガス１００B は、下
部ヘッダー５b から中間ヘッダー５c までのサブスタッ
ク２０B の各セルに供給されるものである。また、中間
ヘッダー５c に導入された燃料ガス１００A は中間ヘッ
ダー５c から上のサブスタック２０A の各セルに供給さ
れるものである。そのため、各セルの入口側セパレータ
及び電解質板には、第１の実施例と同様にガス通路用の
孔が設けられており、いわゆる内部マニホールド１０A,
B を形成している。それぞれのサブスタックを流れる燃
料ガスはこの内部マニホールドを下から上に向かって流
れることになり、各セルで反応を終えたガス１０１A,B
は、セルの出口側に設けられた内部マニホールド１２A,
B を上から下に向かって流れ、もとのヘッダー位置まで
戻り、出口ガスヘッダー３１A,B から排気用配管１３A,
B を通って系外に排出される。これより燃料ガスは両サ
ブスタックともガス供給側のマニホールドでは下から上
に、排出側のマニホールドでは上から下に流れることと
なる。
【００２１】次に、酸化剤ガスの流れについて図４b に
より説明する。酸化剤ガス１０２はスタック上部の入口
ヘッダー３２に供給配管１６を通って導入される。上部
入口ヘッダー３２に導入されたガス１０２はセルの酸化
剤ガス入口側に設けられた供給用マニホールド１０c を
上から下に向かって流れる。中間ヘッダー５c に達した
ガスは、該中間ヘッダー３３を介してさらに下のサブス
タック２０B にまで流れる。セル内を反応しながら出口
に達したガス１０３は排出用マニホールド１２c を下か
ら上に向かって流れ、中間ヘッダー部３４を通り、スタ
ック上部の出口ヘッダー３５に導かれ排気用配管１５を
通って系外に排出される。酸化剤ガスは電池の冷却媒体
としても働くため、燃料ガスと比べ流量が相当多い。こ
のため、１系統で２つのサブスタックのガス供給を賄っ
ても、流量分布の不均一が電池性能に与える影響は燃料
側に比べてはるかに小さい。従って、燃料側のように２
系統にする必要はなく、本実施例の構造により充分な酸
化剤供給の役割を果たすことか可能となる。
より説明する。酸化剤ガス１０２はスタック上部の入口
ヘッダー３２に供給配管１６を通って導入される。上部
入口ヘッダー３２に導入されたガス１０２はセルの酸化
剤ガス入口側に設けられた供給用マニホールド１０c を
上から下に向かって流れる。中間ヘッダー５c に達した
ガスは、該中間ヘッダー３３を介してさらに下のサブス
タック２０B にまで流れる。セル内を反応しながら出口
に達したガス１０３は排出用マニホールド１２c を下か
ら上に向かって流れ、中間ヘッダー部３４を通り、スタ
ック上部の出口ヘッダー３５に導かれ排気用配管１５を
通って系外に排出される。酸化剤ガスは電池の冷却媒体
としても働くため、燃料ガスと比べ流量が相当多い。こ
のため、１系統で２つのサブスタックのガス供給を賄っ
ても、流量分布の不均一が電池性能に与える影響は燃料
側に比べてはるかに小さい。従って、燃料側のように２
系統にする必要はなく、本実施例の構造により充分な酸
化剤供給の役割を果たすことか可能となる。
【００２２】このように中間ヘッダーを有する構造のス
タックにおいても、本実施例のように燃料ガス側を２系
統、酸化剤側を１系統にすることにより、スタック側に
備わる供給、排気配管の総本数を変更することなく本発
明の特徴である燃料ガスと酸化剤ガスを積層方向に相互
に対向して流すことが可能となり、各サブスタックの流
量分布を均一にすることができる。この結果、２つのサ
ブスタック間における性能差はなくなり、スタック全体
の性能の向上が図れる。
タックにおいても、本実施例のように燃料ガス側を２系
統、酸化剤側を１系統にすることにより、スタック側に
備わる供給、排気配管の総本数を変更することなく本発
明の特徴である燃料ガスと酸化剤ガスを積層方向に相互
に対向して流すことが可能となり、各サブスタックの流
量分布を均一にすることができる。この結果、２つのサ
ブスタック間における性能差はなくなり、スタック全体
の性能の向上が図れる。
【００２３】
【発明の効果】本発明によれば、加圧条件で運転される
燃料電池に発生するガス密度変化に基づく流量分布の不
均一をより小さくすることができるため、各セル間の性
能のバラツキを無くして、高利用率運転時の電池性能の
向上を図ることができる。
燃料電池に発生するガス密度変化に基づく流量分布の不
均一をより小さくすることができるため、各セル間の性
能のバラツキを無くして、高利用率運転時の電池性能の
向上を図ることができる。
【図１】本発明の一実施例の縦断面図。
【図２】図１のＡーＡ線による断面図。
【図３】本発明の一実施例における圧力分布線図
【図４】本発明の他の実施例の縦断面図。
１：電解質板 ２、３：電極 ４：セパレータ
５a,b ：上下端板 ６：ガスヘッダー １０：供給マニホールド １
２：排出マニホールド １１：燃料側セパレータ流路 １００：燃料ガス
１０１：排出ガス
５a,b ：上下端板 ６：ガスヘッダー １０：供給マニホールド １
２：排出マニホールド １１：燃料側セパレータ流路 １００：燃料ガス
１０１：排出ガス
Claims (2)
- 【請求項１】 溶融炭酸塩を保持した電解質板、電解質
板を両側からはさむアノード及びカソード、及びその外
側に位置し燃料ガス及び酸化剤ガスを流す流路を有しか
つ燃料ガスと酸化剤ガスとの混合を防止するセパレータ
とから構成される単位電池を複数個積層すると共に、該
セパレータには燃料ガスと酸化剤ガスの供給、排出用の
マニホールドが設けられている内部マニホールド型燃料
電池において、該燃料電池を構成するすべての単位電池
について、燃料ガス側については供給側マニホールドを
流れるガスは下から上に向かって流れ、排出側マニホー
ルドを流れるガスは上から下に向かって流れるように
し、さらに酸化剤ガス側については供給側マニホールド
を流れるガスは上から下に向かって流れ、排出マニホー
ルドを流れるガスは下から上に向かって流れるように構
成したことを特徴とする燃料電池のガスの流れ構造。 - 【請求項２】 溶融炭酸塩を保持した電解質板、電解質
板を両側からはさむアノード及びカソード、及びその外
側に位置し燃料ガス及び酸化剤ガスを流す流路を有しか
つ燃料ガスと酸化剤ガスとの混合を防止するセパレータ
とから構成される単位電池を複数個積層すると共に、該
積層電池の側面のガス出入口に燃料ガスと酸化剤ガスの
供給、排出用のマニホールドを設けた外部マニホールド
型燃料電池において、該燃料電池を構成するすべての単
位電池について、燃料ガス側については供給側マニホー
ルドを流れるガスは下から上に向かって流れ、排出側マ
ニホールドを流れるガスは上から下に向かって流れるよ
うにし、さらに酸化剤ガス側については供給側マニホー
ルドを流れるガスは上から下に向かって流れ、排出マニ
ホールドを流れるガスは下から上に向かって流れるよう
に構成したことを特徴とする燃料電池のガスの流れ構
造。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP3075403A JPH0748381B2 (ja) | 1991-04-08 | 1991-04-08 | 加圧型燃料電池のガス流れ構造 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP3075403A JPH0748381B2 (ja) | 1991-04-08 | 1991-04-08 | 加圧型燃料電池のガス流れ構造 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH04308665A JPH04308665A (ja) | 1992-10-30 |
| JPH0748381B2 true JPH0748381B2 (ja) | 1995-05-24 |
Family
ID=13575179
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP3075403A Expired - Fee Related JPH0748381B2 (ja) | 1991-04-08 | 1991-04-08 | 加圧型燃料電池のガス流れ構造 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH0748381B2 (ja) |
Families Citing this family (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2000331691A (ja) * | 1999-05-18 | 2000-11-30 | Honda Motor Co Ltd | 燃料電池スタック |
-
1991
- 1991-04-08 JP JP3075403A patent/JPH0748381B2/ja not_active Expired - Fee Related
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH04308665A (ja) | 1992-10-30 |
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| S111 | Request for change of ownership or part of ownership |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R313111 |
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