JPH0810603B2 - 燃料電池 - Google Patents

燃料電池

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JPH0810603B2
JPH0810603B2 JP1234635A JP23463589A JPH0810603B2 JP H0810603 B2 JPH0810603 B2 JP H0810603B2 JP 1234635 A JP1234635 A JP 1234635A JP 23463589 A JP23463589 A JP 23463589A JP H0810603 B2 JPH0810603 B2 JP H0810603B2
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秀和 藤村
成嘉 小林
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    • 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

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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わり、特に積層電池全体の温度
分布を均一化するに好適な燃料電池に関する。
〔従来の技術及び問題点〕
従来の燃料電池は特開昭62-147664号公報に記載され
ているように、単位電池セル内でガスの供給方向を変え
たような構造となっている。
燃料電池内では電池化学反応による発熱、電気イオン
伝導に伴う発熱などがあり、電池を許容温度範囲内に運
転するためには、これらの発熱による温度上昇を冷却に
より許容値内に保たなければならない。冷却方法として
は、積層電池の間に冷却板を設ける方法と、酸化剤ガス
を発電に必要な流量よりも多く供給し、酸化剤として利
用すると同時に、冷却ガスとしても使用するプロセスガ
ス冷却とがある。
このうち冷却板方式では、積層電池全体を冷却するた
めには、その数も増加することになり、電池高さが増加
することになる。また空冷、液冷を問わず、何れの場合
も、専用配管が必要となり、構造が複雑化するという問
題もある。
またプロセスガス冷却方式では、酸化剤ガスの流量を
電池許容温度範囲内に保つのに必要なだけ供給しなけれ
ばならない。この場合、酸化剤ガス供給のための補機動
力が増えるばかりでなく、発電効率の低下を招くという
問題がある。
このため、前記記載の従来の燃料電池は、単位電池に
供給するガスのフローパターンを変えることにより、電
池内の温度分布を変化させ、電池全体の温度分布均一化
を図る方法について記載されている。
しかしながら上記従来技術は、積層電池全体の温度分
布均一化の点について配慮されておらず、セル内のガス
流路隔壁のシール方法については、従来のウェットシー
ル方法が設けられることになり、この場合、シール効果
を達成するためには、隔壁の幅が大きくなり、セル全体
の温度分布が不均一となる問題がある。
〔発明が解決しようとする課題〕
本発明は、以上の点に鑑みなされたものであり、積層
電池全体の温度分布が一様になることを可能とした燃料
電池を提供することを目的とするものである。
〔課題を解決するための手段〕
本発明者らは、電池内のガスフローパターンの違いに
より電池内の温度分布が異なり、さらにはそのフローパ
ターンを単位電池間で変えることにより、各単位電池が
異なる温度分布となり、これを積層することにより電池
全体の温度分布を均一化することができることを見出
し、この新知見に基づいて、さらに研究を進めた結果、
本発明を完成したものである。
本発明は、電解質板と、該電解質板を両側から挟む酸
化剤極及び燃料極、さらに燃料ガスと酸化剤ガスを分離
するセパレータ板とからなる単位電池を積層した燃料電
池において、燃料ガスの流れ方向は全ての単位電池で同
一方向であり、酸化剤ガスの流れ方向が燃料ガスの流れ
方向と同一方向である単位電池と、酸化剤ガスの流れ方
向が燃料ガスの流れ方向と直交する第1の方向である単
位電池と、酸化剤ガスの流れ方向が燃料ガスの流れ方向
と直交し、かつ前記第1の方向と逆向きである第2の方
向である単位電池とを積層したことを特徴とする燃料電
池である。
前記酸化剤ガスの流れ方向が燃料ガスの流れ方向と同
一方向である単位電池と、酸化剤ガスの流れ方向が燃料
ガスの流れ方向と直交する第1の方向である単位電池
と、酸化剤ガスの流れ方向が燃料ガスの流れ方向と直交
し、かつ前記第1の方向と逆向きである第2の方向であ
る単位電池を、この順序で順次積層するのが好ましい。
上記したように、酸化剤ガスをどの方向に流すかによ
り種々のフローパターンが構成されるが、最大温度を許
容温度以下に抑制し、しかも温度分布を均一にするため
には、そのフローパターンの組合わせ方が最も重要な因
子となる。
特に好ましくは、カソード、アノード直交流型におい
て、酸化剤ガスが隣接するセルを流れる酸化剤ガス流れ
と逆方向に流すようにすると、お互いのセルの高温部と
低温部の熱交換が生じ、カソード入口部の温度低下、及
びカソード出口の温度上昇が抑制され、全体として温度
分布が均一になる方向に進む。
特に酸化剤ガスが冷却媒体を兼ねる場合は、酸化剤ガ
スを発電に必要な量以上に流すため、電池内温度分布は
酸化剤ガス流れに大きく依存する。従って本発明では酸
化剤ガスの流れ方向のみを変化させる方法をとってい
る。
しかしながら、上記のような酸化剤ガスを互いに対向
にする方式のみでは、セル中央部のアノード入口側が高
温部となってしまう。これをさらに改善するためには、
上記酸化剤ガスと直交する、カソード、アノード平行流
型のセルを組入れることにより、アノード入口側近傍の
高温部の冷却が促進され、温度分布の改善が図れること
になる。但しこの平行型のセルの積層電池全体に占める
割合が大きすぎると、平行流型の温度分布の影響が強く
出てカソード入口側の温度低下が顕著になり、温度分布
の均一化にとって却って不利となる。
本発明に示すように、それぞれのフローパターンをも
つセルの全体に占める割合を等分化することにより、最
も効果的な温度分布の緩和が図れる。
従って本発明では、カソード、アノード平行流型と2
種類の酸化剤ガスの流れ方向が互いに逆向きであるカソ
ード、アノード直交流型の3種のフローパターンをもつ
積層電池において、それぞれのセルが1/3ずつを占める
ことになる。
〔作用〕
本発明の燃料電池においては、燃料電池を構成してい
る、積層された個々の単位電池に供給する燃料ガス、あ
るいは酸化剤ガスのフローパターンを、前記単位電池間
で変化させることにより、各セルはそのフローパターン
に基づく温度分布を生じるが、各セル間で面内の温度分
布が異なると、積層方向間に、すなわち隣接セル間にお
いて熱移動、熱交換が発生し、積層電池全体として温度
分布が緩和され、温度分布均一化を達成することができ
るものである。
〔実施例〕
以下、本発明の実施例を添付図面により説明する。第
1図および第2図には本発明の一実施例が示されてい
る。第1図および第2図に示されているように、積層電
池1の下端には外部から電池1へ、あるいは電池1から
外部へガスを給排気するためのヘッダー2があり、この
ヘッダー2には、酸化剤ガス3の給気管4,排気管5がそ
れぞれ3本ずつと燃料ガス6の給気管7,排気管8がそれ
ぞれ1本ずつ取付けられている。ヘッダー2の上には両
側に電極を備えた電解質板9とセパレータ板10とが交互
に積層され、1つの積層電池が構成されている。
外部から供給された燃料ガス6、酸化剤ガス3はヘッ
ダー2内のプレナムへ流入し、そこから各ガスの内部供
給用マニホールド11,13へ流入し、各単位電池へ分配さ
れる。そして各単位電池内で電気化学反応により発電し
た後、燃料ガスと生成ガスとの混合ガス17と残った酸化
剤ガス16とは、再度、内部排出用マニホールド12,14へ
流入し、ヘッダー2内のプレナムに入った後、排気管8
及び5から電池外へ流出する。マニホールド11,12,13,1
4から電池外へのガス洩れ、および燃料ガス6の酸化剤
ガス3との相互洩れ込みはセパレータ板10のシール面15
と電解質板9とのウェットシールにより防止され、この
シール効果を確実なものにするため電池全体は面圧2〜
5kg/cm2で締付けられている。
このように構成された燃料電池で本実施例のガスフロ
ーパターンを第2図により説明する。第2図はヘッダー
2とその上部の積層電池のセパレータ10のみを図示した
ものである。図示のように、ヘッダー2の上部は酸化剤
ガス3のうち内部供給用マニホールド11Aを通るガスの
みが矢印の方向に流れ、内部排出用マニホールド12Aか
ら流出する。なお、燃料ガスはセパレータの裏面を流れ
ており、図の破線で示す矢印の方向に流れ、積層電池の
各セルは全て同一方向である。従って第1セルでは、酸
化剤ガス3と燃料ガス6のガス流れはほぼ直交してい
る。
次に上記ヘッダー2の上部の第1セパレータの表側を
流れる酸化剤ガス3は、内部供給用マニホールド11Bを
通って流入し、図の矢印の方向、すなわち、先のヘッダ
ー2上部を流れた酸化剤ガス3とは直交に流れ、又、セ
パレータ1の裏面を流れる燃料ガスとは、平行方向に流
れることになる。そして内部排出用マニホールド12Bを
通って電池外へ排出される。
次に上記第1セパレータの1つ上に積層される第2セ
パレータの表側を流れる酸化剤ガス3は、内部供給用マ
ニホールド11Cを通って流入し、図の矢印の方向、すな
わち先の第1セパレータを流れた酸化剤ガス3とはやは
り直交方向に流れ、又、セパレータ2の裏面を流れる燃
料ガスとも直交して流れることになる。さらにその上に
積層される第3セパレータの酸化剤ガス3のガス流れは
前記ヘッダー2を流れる酸化剤ガス3の流れと同一な流
れに戻り、先の第2セパレータの酸化剤ガス3の流れと
は方向が逆向きとなる。以後、積層されるセルのガス流
れは、上記に説明した順番通りに3種類のフローパター
ンをもつ単位電池が順次、積層されることになる。
このように酸化剤ガス3の流れを先のヘッダー2、第
1,第2セパレータにみられるようにセル間で互いに直交
させるフローパターンと先の第2,第3セパレータにみら
れるように酸化剤ガス3の流れが互いに対向するフロー
パターンを組合わせることにより、積層電池全体の温度
分布を均一化できる燃料電池を得ることができる。これ
をセパレータ内の温度分布について説明する。
第3図は、酸化剤ガス、燃料ガスが一方向に流れ、互
いに直交する従来型燃料電池である。図のように、酸化
剤ガス3、燃料ガス6は上下ヘッダー2A、2から供給管
4,7を通って一方向から流入し、電池内を流れた後、排
出管5,8から電池外へ流出する。このような先の第2,第
3セパレータと同様な直交流型ガスフローパターンの温
度分布を第4図に示す。本図はセパレータ板の温度分布
解析結果である。図のように、燃料ガスの入口側、酸化
剤のガスの出口側に高温部が発生する。また、同様に先
の第1セパレータに示される、酸化剤ガスと燃料ガスが
互いに平行に同一方向に流されるフローパターンをもつ
積層電池の場合についての温度分布解析結果を第5図に
示す。平行流の場合は、両ガスの入口側の温度が低く、
出口側で最も温度が高くなる。
上記のフローパターンを組合わせた本発明の実施例に
対して同様な温度分布解析を行った結果を第6図に示
す。それぞれ高温部及び低温部の位置が異なる3種類の
フローパターンをもつセルを組合わせたことにより、高
温部の位置はセル中央のやや後方、すなわち酸化剤ガス
の供給部のない唯一の箇所であるアノード出口側の近傍
に存在しており、これらの温度分布からも、積層方向に
おける隣接する単位電池間の熱交換により相互の温度差
が小さくなることがわかる。ちなみに面内の最大温度差
で比較しても第4図に示したような直交流型のものにお
いては150℃以上、第5図に示したような平行流型のも
のにおいては100℃、と大きいのに対し、本発明の実施
例のものにおいては約75℃と最も小さくなっており、積
層電池全体の温度分布が改善されていることがわかる。
〔発明の効果〕
以上述べたように、本発明の燃料電池は、前記したよ
うな構成であるから、積層電池全体の温度分布がより一
様となり、温度分布の均一化を可能とした燃料電池を得
ることができる。
さらに本発明の実施例に記載したような構成とするこ
とにより、積層電池全体の温度分布がより均一化へと改
善されるため、性能、寿命、信頼性の優れた燃料電池を
得ることができる、という優れた効果を有するものであ
る。
【図面の簡単な説明】
第1図は本発明の燃料電池の一実施例の電池積層状態を
示す斜視図、第2図は同じく一実施例のガス流れを示す
斜視図、第3図は酸化剤ガス、燃料ガスが各々一方向か
ら流入する従来型燃料電池の積層状態を示す斜視図、第
4図は酸化剤ガスと燃料ガスが直交した場合の単位電池
温度分布図、第5図は酸化剤ガスと燃料ガスが平行して
流れる場合の単位電池の温度分布図、第6図は第1図の
積層電池の任意の単位電池の温度分布図。 1……積層電池、2……ヘッダー、3……酸化剤ガス、
4……酸化剤ガス給気管、5……酸化剤ガス排気管、6
……燃料ガス、7……燃料ガス給気管、8……燃料ガス
排気管、9……電解質板、10……セパレータ板、11,13
……内部供給用マニホールド、12,14……内部排出用マ
ニホールド、15……シール面、16……酸化剤ガス、17…
…混合ガス

Claims (2)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】電解質板と、該電解質板を両側から挟む酸
    化剤極及び燃料極、さらに燃料ガスと酸化剤ガスを分離
    するセパレータ板とからなる単位電池を積層した燃料電
    池において、 燃料ガスの流れ方向は全ての単位電池で同一方向であ
    り、酸化剤ガスの流れ方向が燃料ガスの流れ方向と同一
    方向である単位電池と、酸化剤ガスの流れ方向が燃料ガ
    スの流れ方向と直交する第1の方向である単位電池と、
    酸化剤ガスの流れ方向が燃料ガスの流れ方向と直交し、
    かつ前記第1の方向と逆向きである第2の方向である単
    位電池とを積層したことを特徴とする燃料電池。
  2. 【請求項2】前記酸化剤ガスの流れ方向が燃料ガスの流
    れ方向と同一方向である単位電池と、酸化剤ガスの流れ
    方向が燃料ガスの流れ方向と直交する第1の方向である
    単位電池と、酸化剤ガスの流れ方向が燃料ガスの流れ方
    向と直交し、かつ前記第1の方向と逆向きである第2の
    方向である単位電池を、この順序で順次積層したことを
    特徴とする請求項1記載の燃料電池。
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JP4507650B2 (ja) * 2004-03-15 2010-07-21 トヨタ自動車株式会社 燃料電池

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