JPH08306381A - 積層型燃料電池 - Google Patents
積層型燃料電池Info
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- JPH08306381A JPH08306381A JP7110384A JP11038495A JPH08306381A JP H08306381 A JPH08306381 A JP H08306381A JP 7110384 A JP7110384 A JP 7110384A JP 11038495 A JP11038495 A JP 11038495A JP H08306381 A JPH08306381 A JP H08306381A
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- Japan
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- manifold
- fuel
- fuel gas
- flow rate
- gas
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- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
- Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
- Y02E60/30—Hydrogen technology
- Y02E60/50—Fuel cells
Landscapes
- Fuel Cell (AREA)
Abstract
(57)【要約】
【目的】単セル内部において水素不足によって生じる損
傷を防止し、長期にわたり安全に使用できるものとす
る。 【構成】単セルが積層された燃料電池積層体１２の側面
に設置された燃料ガス供給用マニホールド１３に流量調
整手段２１を付設し、酸化剤ガス排出用マニホールド１
６に近接する側を流れる流量が、酸化剤ガス供給用マニ
ホールド１５に近接する側を流れる流量より多くなるよ
うに燃料ガスの流量を調整して、酸化剤ガスの上流部で
燃料ガスの下流部に当たる場所において生じていた水素
不足を解消し、損傷を回避する。
傷を防止し、長期にわたり安全に使用できるものとす
る。 【構成】単セルが積層された燃料電池積層体１２の側面
に設置された燃料ガス供給用マニホールド１３に流量調
整手段２１を付設し、酸化剤ガス排出用マニホールド１
６に近接する側を流れる流量が、酸化剤ガス供給用マニ
ホールド１５に近接する側を流れる流量より多くなるよ
うに燃料ガスの流量を調整して、酸化剤ガスの上流部で
燃料ガスの下流部に当たる場所において生じていた水素
不足を解消し、損傷を回避する。
Description
【０００１】
【産業上の利用分野】この発明は、単セルを積層し側面
より反応ガスを流して電気化学反応により発電する積層
型燃料電池に関するもので、特に反応ガスを効果的に通
流させる流量分布調整構造に関する。
より反応ガスを流して電気化学反応により発電する積層
型燃料電池に関するもので、特に反応ガスを効果的に通
流させる流量分布調整構造に関する。
【０００２】
【従来の技術】図６は、この種の積層型燃料電池に従来
より用いられている燃料電池積層体の基本構成を示す斜
視図である。単セル８は、電解質を保持するマトリック
ス１を燃料電極２と酸化剤電極５とで挟んで構成されて
いる。燃料電極２は、多孔質カーボンからなるガス透過
性の電極基材のマトリックス１に相対する面に燃料触媒
層３を備え、反対の面に反応ガスの一つである燃料ガス
を流すための燃料ガス通流溝４を備えている。同様に酸
化剤電極５は電極基材のマトリックス１に相対する面に
酸化剤触媒層６を備え、反対の面にもう一つの反応ガス
である酸化剤ガスを流すための酸化剤ガス通流溝７を備
えている。単セル８を構成する際には、燃料ガス通流溝
４の流れの方向と酸化剤ガス通流溝７の流れの方向が互
いに直交するよう配置して積層されている。このように
構成された単セル８をセパレータ９を挿入して複数層積
層し、さらに冷却板１０を介在させながら積層すること
により燃料電池積層体が形成されている。なお、冷却板
１０は埋設した冷媒通流管１１に冷媒を流すことにより
発電に伴う発熱を除去し運転温度を調節する役割を果た
している。
より用いられている燃料電池積層体の基本構成を示す斜
視図である。単セル８は、電解質を保持するマトリック
ス１を燃料電極２と酸化剤電極５とで挟んで構成されて
いる。燃料電極２は、多孔質カーボンからなるガス透過
性の電極基材のマトリックス１に相対する面に燃料触媒
層３を備え、反対の面に反応ガスの一つである燃料ガス
を流すための燃料ガス通流溝４を備えている。同様に酸
化剤電極５は電極基材のマトリックス１に相対する面に
酸化剤触媒層６を備え、反対の面にもう一つの反応ガス
である酸化剤ガスを流すための酸化剤ガス通流溝７を備
えている。単セル８を構成する際には、燃料ガス通流溝
４の流れの方向と酸化剤ガス通流溝７の流れの方向が互
いに直交するよう配置して積層されている。このように
構成された単セル８をセパレータ９を挿入して複数層積
層し、さらに冷却板１０を介在させながら積層すること
により燃料電池積層体が形成されている。なお、冷却板
１０は埋設した冷媒通流管１１に冷媒を流すことにより
発電に伴う発熱を除去し運転温度を調節する役割を果た
している。
【０００３】図７は、上記の燃料電池積層体を用いた従
来の積層型燃料電池の基本構成を模式的に示す縦断面図
である。本図は、酸化剤ガス通流側から見た断面図であ
り、単セル８と冷却板１０を積層して構成された燃料電
池積層体１２の燃料ガス通流側の側面の一方に燃料ガス
供給用マニホールド１３が、また他方に燃料ガス排出用
マニホールド１４が組み込まれており、さらに、図中紙
面に垂直方向の酸化剤ガス通流側の側面に図示しない酸
化剤ガス供給用マニホールドと酸化剤ガス排出用マニホ
ールドを組み込んで積層型燃料電池が構成されている。
燃料ガス入口１７より供給された燃料ガスは、燃料ガス
供給用マニホールド１３の内部で分散し、積層された各
単セル８の燃料ガス通流溝を通流したのち、燃料ガス排
出用マニホールド１４に集まり、燃料ガス出口１８より
排出される。同様に、酸化剤ガスは、酸化剤ガス供給用
マニホールドの内部で分散し、単セル８の酸化剤ガス通
流溝中を燃料ガスと直交する方向に流れ、酸化剤ガス排
出用マニホールドの酸化剤ガス出口より外部へと排出さ
れる。
来の積層型燃料電池の基本構成を模式的に示す縦断面図
である。本図は、酸化剤ガス通流側から見た断面図であ
り、単セル８と冷却板１０を積層して構成された燃料電
池積層体１２の燃料ガス通流側の側面の一方に燃料ガス
供給用マニホールド１３が、また他方に燃料ガス排出用
マニホールド１４が組み込まれており、さらに、図中紙
面に垂直方向の酸化剤ガス通流側の側面に図示しない酸
化剤ガス供給用マニホールドと酸化剤ガス排出用マニホ
ールドを組み込んで積層型燃料電池が構成されている。
燃料ガス入口１７より供給された燃料ガスは、燃料ガス
供給用マニホールド１３の内部で分散し、積層された各
単セル８の燃料ガス通流溝を通流したのち、燃料ガス排
出用マニホールド１４に集まり、燃料ガス出口１８より
排出される。同様に、酸化剤ガスは、酸化剤ガス供給用
マニホールドの内部で分散し、単セル８の酸化剤ガス通
流溝中を燃料ガスと直交する方向に流れ、酸化剤ガス排
出用マニホールドの酸化剤ガス出口より外部へと排出さ
れる。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】上記の構成の積層型燃
料電池において、燃料ガス通流溝を通流する燃料ガス中
の水素と、酸化剤ガス通流溝を通流する酸化剤ガス中の
酸素が単セルの電気化学反応に寄与して直流電力を生
じ、水素と酸素が消費されることとなる。通常、燃料ガ
ス中の水素は約８０％の高い利用率で使用されているの
で、単セルの燃料ガスの出口側での燃料ガス中の水素濃
度は、入口側に比べ大幅に低下しており、同様に酸化剤
ガス中の酸素濃度も、酸化剤ガスの入口側と出口側で大
きく異なることとなる。
料電池において、燃料ガス通流溝を通流する燃料ガス中
の水素と、酸化剤ガス通流溝を通流する酸化剤ガス中の
酸素が単セルの電気化学反応に寄与して直流電力を生
じ、水素と酸素が消費されることとなる。通常、燃料ガ
ス中の水素は約８０％の高い利用率で使用されているの
で、単セルの燃料ガスの出口側での燃料ガス中の水素濃
度は、入口側に比べ大幅に低下しており、同様に酸化剤
ガス中の酸素濃度も、酸化剤ガスの入口側と出口側で大
きく異なることとなる。
【０００５】図８は、単セルの面内の燃料ガス中の水素
濃度の分布を示したもので、入口（図中で右側端面）で
の水素濃度を１０として面内の水素濃度を表示してい
る。また、図９は、単セルの面内の酸化剤ガス中の酸素
濃度の分布を示したもので、入口（図中で上側端面）で
の酸素濃度を１０として面内の水素濃度を表示したもの
である。いずれの図においても、単セルで発電される電
流密度が面内で均一であると仮定した場合の水素あるい
は酸素の濃度分布を点線によって、また従来の実際の運
転条件における濃度分布を実線によって表示している。
濃度の分布を示したもので、入口（図中で右側端面）で
の水素濃度を１０として面内の水素濃度を表示してい
る。また、図９は、単セルの面内の酸化剤ガス中の酸素
濃度の分布を示したもので、入口（図中で上側端面）で
の酸素濃度を１０として面内の水素濃度を表示したもの
である。いずれの図においても、単セルで発電される電
流密度が面内で均一であると仮定した場合の水素あるい
は酸素の濃度分布を点線によって、また従来の実際の運
転条件における濃度分布を実線によって表示している。
【０００６】電流密度が面内で均一であれば、水素ある
いは酸素の消費量も面内で均一となるので、図８、９の
点線のように水素あるいは酸素の濃度は距離とともに直
線的に減少することとなる。しかしながら、実際には、
水素および酸素の濃度に応じて反応が生じ電流密度分布
を生じて、水素および酸素が消費されることとなるの
で、燃料ガスの上流側ほど、また酸化剤ガスの上流側ほ
ど消費される量が多くなる。すなわち、燃料ガス入口と
酸化剤ガス入口に近い部分で消費量が最も多く、燃料ガ
ス出口と酸化剤ガス出口に近い部分で消費量が最も少な
くなり、また、燃料ガス入口と酸化剤ガス出口に近い部
分では燃料ガス中の水素濃度が高いので酸化剤ガス中の
酸素も多量に消費され、燃料ガス出口と酸化剤ガス入口
に近い部分では酸化剤ガス中の酸素濃度が高いので燃料
ガス中の水素も多量に消費されるので、図８、９に実線
で示したごとき濃度分布をもつこととなる。
いは酸素の消費量も面内で均一となるので、図８、９の
点線のように水素あるいは酸素の濃度は距離とともに直
線的に減少することとなる。しかしながら、実際には、
水素および酸素の濃度に応じて反応が生じ電流密度分布
を生じて、水素および酸素が消費されることとなるの
で、燃料ガスの上流側ほど、また酸化剤ガスの上流側ほ
ど消費される量が多くなる。すなわち、燃料ガス入口と
酸化剤ガス入口に近い部分で消費量が最も多く、燃料ガ
ス出口と酸化剤ガス出口に近い部分で消費量が最も少な
くなり、また、燃料ガス入口と酸化剤ガス出口に近い部
分では燃料ガス中の水素濃度が高いので酸化剤ガス中の
酸素も多量に消費され、燃料ガス出口と酸化剤ガス入口
に近い部分では酸化剤ガス中の酸素濃度が高いので燃料
ガス中の水素も多量に消費されるので、図８、９に実線
で示したごとき濃度分布をもつこととなる。
【０００７】このように、従来の積層型燃料電池では、
単セルの燃料ガス出口と酸化剤ガス入口に近い部分で酸
素濃度に比較して水素濃度が相対的に低くなるので、例
えば、急激な負荷の上昇とか燃料ガスの供給量の変動と
かによって、容易に水素不足の状態となり、過剰酸素の
透過により燃料電極が腐食、損傷し、発電不能に陥って
しまうという危険性がある。
単セルの燃料ガス出口と酸化剤ガス入口に近い部分で酸
素濃度に比較して水素濃度が相対的に低くなるので、例
えば、急激な負荷の上昇とか燃料ガスの供給量の変動と
かによって、容易に水素不足の状態となり、過剰酸素の
透過により燃料電極が腐食、損傷し、発電不能に陥って
しまうという危険性がある。
【０００８】また、通常、燃料ガスは二酸化炭素と電気
化学反応に寄与する水素が主成分であるが、水素は二酸
化炭素に比べて極めて軽いので、図７に示したように燃
料ガス入口１５より供給した燃料ガスを燃料ガス供給用
マニホールド１３において分流させると、上部に位置す
る単セル８へ流れる燃料ガスの水素濃度が高くなり、下
部に位置する単セル８へ流れる燃料ガスの水素濃度が低
くなる。これに対して酸化剤ガスとして通常用いられる
空気においては、電気化学反応に寄与する酸素の比重
は、主たる構成元素である窒素の比重とほぼ同等であ
り、上部と下部で濃度変化を生じることはない。したが
って、燃料電池積層体の下部の単セルでは相対的に水素
濃度が低くなって水素不足の状態になりやすく、燃料電
極の腐食、損傷を起こしやすいという危険性がある。
化学反応に寄与する水素が主成分であるが、水素は二酸
化炭素に比べて極めて軽いので、図７に示したように燃
料ガス入口１５より供給した燃料ガスを燃料ガス供給用
マニホールド１３において分流させると、上部に位置す
る単セル８へ流れる燃料ガスの水素濃度が高くなり、下
部に位置する単セル８へ流れる燃料ガスの水素濃度が低
くなる。これに対して酸化剤ガスとして通常用いられる
空気においては、電気化学反応に寄与する酸素の比重
は、主たる構成元素である窒素の比重とほぼ同等であ
り、上部と下部で濃度変化を生じることはない。したが
って、燃料電池積層体の下部の単セルでは相対的に水素
濃度が低くなって水素不足の状態になりやすく、燃料電
極の腐食、損傷を起こしやすいという危険性がある。
【０００９】本発明は、このような問題点を考慮してな
されたもので、その目的は、単セル内部の水素不足によ
る損傷の発生を回避し、長期にわたり安全に使用できる
積層型燃料電池を提供することにある。
されたもので、その目的は、単セル内部の水素不足によ
る損傷の発生を回避し、長期にわたり安全に使用できる
積層型燃料電池を提供することにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
めに、本発明においては、電解質を保持するマトリック
スを酸化剤電極と燃料電極とで挟持してなる単セルを複
数層積層する毎に冷却板を挿入して略垂直方向に積層し
て形成される燃料電池積層体と、その側面に配置される
酸化剤ガス供給用のマニホールド、酸化剤ガス排出用の
マニホールド、燃料ガス供給用のマニホールドおよび燃
料ガス排出用のマニホールドとを備える積層型燃料電池
において、上記の４個のマニホールドのうち少なくとも
いずれか一つのマニホールドに、ガス流量分布を調整す
る流量調整手段を付設することとする。
めに、本発明においては、電解質を保持するマトリック
スを酸化剤電極と燃料電極とで挟持してなる単セルを複
数層積層する毎に冷却板を挿入して略垂直方向に積層し
て形成される燃料電池積層体と、その側面に配置される
酸化剤ガス供給用のマニホールド、酸化剤ガス排出用の
マニホールド、燃料ガス供給用のマニホールドおよび燃
料ガス排出用のマニホールドとを備える積層型燃料電池
において、上記の４個のマニホールドのうち少なくとも
いずれか一つのマニホールドに、ガス流量分布を調整す
る流量調整手段を付設することとする。
【００１１】さらに、上記の流量調整手段を、燃料ガス
供給用のマニホールドと燃料ガス排出用のマニホールド
のうち少なくともいずれか一方に付設し、酸化剤ガス供
給用のマニホールドに近接する側面から酸化剤ガス排出
用のマニホールドに近接する側面へと水平方向に行くに
従い連続的に、あるいは断続的に流路抵抗が増大するよ
うに形成させることとする。
供給用のマニホールドと燃料ガス排出用のマニホールド
のうち少なくともいずれか一方に付設し、酸化剤ガス供
給用のマニホールドに近接する側面から酸化剤ガス排出
用のマニホールドに近接する側面へと水平方向に行くに
従い連続的に、あるいは断続的に流路抵抗が増大するよ
うに形成させることとする。
【００１２】さらにまた、上記の流量調整手段を、燃料
ガス供給用のマニホールドと燃料ガス排出用のマニホー
ルドのうち少なくともいずれか一方に付設し、下部から
上部へと垂直方向に行くに従い連続的に、あるいは断続
的に流路抵抗が増大するように形成させることとする。
ガス供給用のマニホールドと燃料ガス排出用のマニホー
ルドのうち少なくともいずれか一方に付設し、下部から
上部へと垂直方向に行くに従い連続的に、あるいは断続
的に流路抵抗が増大するように形成させることとする。
【００１３】
【作用】上記のように、燃料電池積層体の側面に配置さ
れた４個のマニホールドのうち少なくともいずれか一つ
のマニホールドに、ガス流量分布を調整する流量調整手
段を付設することとすれば、水素の消費量の多い部分や
水素濃度の低い部分に多量の燃料ガスを供給し、水素濃
度の高い部分や水素の消費量の少ない部分に少量の燃料
ガスを供給するよう流量分布を調整することができ、ま
た、水素の消費量の多い部分や水素濃度の高い部分に多
量の酸化剤ガスを供給し、水素濃度の低い部分や水素の
消費量の少ない部分に少量の酸化剤ガスを供給するよう
流量分布を調整することができるので、単セルの内部で
の水素不足部分の発生を回避することができる。
れた４個のマニホールドのうち少なくともいずれか一つ
のマニホールドに、ガス流量分布を調整する流量調整手
段を付設することとすれば、水素の消費量の多い部分や
水素濃度の低い部分に多量の燃料ガスを供給し、水素濃
度の高い部分や水素の消費量の少ない部分に少量の燃料
ガスを供給するよう流量分布を調整することができ、ま
た、水素の消費量の多い部分や水素濃度の高い部分に多
量の酸化剤ガスを供給し、水素濃度の低い部分や水素の
消費量の少ない部分に少量の酸化剤ガスを供給するよう
流量分布を調整することができるので、単セルの内部で
の水素不足部分の発生を回避することができる。
【００１４】とくに、上記の流量調整手段を、燃料ガス
供給用のマニホールドと燃料ガス排出用のマニホールド
のうち少なくともいずれか一方に付設し、酸化剤ガス供
給用のマニホールドに近接する側面から酸化剤ガス排出
用のマニホールドに近接する側面へと水平方向に行くに
従い連続的に、あるいは断続的に流路抵抗が増大するよ
うに形成させることとすれば、燃料ガスの流量は、流路
抵抗に反比例して、酸化剤ガス排出用のマニホールドに
近接する側面から酸化剤ガス供給用のマニホールドに近
接する側面へと水平方向に行くに従い増大することとな
る。したがって、水素の消費量の多い部分や水素濃度の
低い部分に多量の燃料ガスを供給することとなり、多量
の水素が供給されるので、従来の装置で問題となってい
た水素不足部分の発生が回避されることとなる。
供給用のマニホールドと燃料ガス排出用のマニホールド
のうち少なくともいずれか一方に付設し、酸化剤ガス供
給用のマニホールドに近接する側面から酸化剤ガス排出
用のマニホールドに近接する側面へと水平方向に行くに
従い連続的に、あるいは断続的に流路抵抗が増大するよ
うに形成させることとすれば、燃料ガスの流量は、流路
抵抗に反比例して、酸化剤ガス排出用のマニホールドに
近接する側面から酸化剤ガス供給用のマニホールドに近
接する側面へと水平方向に行くに従い増大することとな
る。したがって、水素の消費量の多い部分や水素濃度の
低い部分に多量の燃料ガスを供給することとなり、多量
の水素が供給されるので、従来の装置で問題となってい
た水素不足部分の発生が回避されることとなる。
【００１５】またさらに、上記の流量調整手段を、燃料
ガス供給用のマニホールドと燃料ガス排出用のマニホー
ルドのうち少なくともいずれか一方に付設し、下部から
上部へと垂直方向に行くにしたがい、連続的に、あるい
は断続的に流路抵抗が増大するように形成させることと
すれば、燃料ガスの流量は上部から下部に下がるに従い
増大することとなる。したがって、比重差によって水素
濃度の低下した下部の燃料ガスの流量が増大し、水素供
給量の低下を避けることができるので、従来の装置で問
題となっていた下層部分の単セルでの水素不足の発生が
回避されることとなる。
ガス供給用のマニホールドと燃料ガス排出用のマニホー
ルドのうち少なくともいずれか一方に付設し、下部から
上部へと垂直方向に行くにしたがい、連続的に、あるい
は断続的に流路抵抗が増大するように形成させることと
すれば、燃料ガスの流量は上部から下部に下がるに従い
増大することとなる。したがって、比重差によって水素
濃度の低下した下部の燃料ガスの流量が増大し、水素供
給量の低下を避けることができるので、従来の装置で問
題となっていた下層部分の単セルでの水素不足の発生が
回避されることとなる。
【００１６】
【実施例】図１は、本発明の積層型燃料電池の第１の実
施例の横断面図である。単セルと冷却板を積層して構成
された方形状の燃料電池積層体１２の一方の相対する側
面に、燃料ガス入口１７を備えた燃料供給用マニホール
ド１３と、燃料ガス出口１８を備えた燃料排出用マニホ
ールド１４とが組み込まれ、もう一方の相対する側面
に、酸化剤ガス入口１９を備えた酸化剤ガス供給用マニ
ホールド１５と、酸化剤ガス出口２０を備えた酸化剤ガ
ス排出用マニホールド１６が組み込まれており、燃料ガ
スと酸化剤ガスとは、燃料電池積層体１２を互いに直交
して通流している。このうち、燃料供給用マニホールド
１３の内部には、図中に模式的に示したように、大きさ
の異なる三角形断面の流路抵抗体を分散配置して形成さ
れた流量調整手段２１が備えられている。流量調整手段
２１は、図中左から右に、すなわち、酸化剤ガス供給用
マニホールド１５に近接する側から酸化剤ガス排出用マ
ニホールド１６に近接する側に向かうに従って流体抵抗
が増大するように構成されており、燃料ガス入口１７よ
り供給された燃料ガスは、酸化剤ガス排出用マニホール
ド１６に近接する側に比べて酸化剤ガス供給用マニホー
ルド１５に近接する側に多量に流れる。
施例の横断面図である。単セルと冷却板を積層して構成
された方形状の燃料電池積層体１２の一方の相対する側
面に、燃料ガス入口１７を備えた燃料供給用マニホール
ド１３と、燃料ガス出口１８を備えた燃料排出用マニホ
ールド１４とが組み込まれ、もう一方の相対する側面
に、酸化剤ガス入口１９を備えた酸化剤ガス供給用マニ
ホールド１５と、酸化剤ガス出口２０を備えた酸化剤ガ
ス排出用マニホールド１６が組み込まれており、燃料ガ
スと酸化剤ガスとは、燃料電池積層体１２を互いに直交
して通流している。このうち、燃料供給用マニホールド
１３の内部には、図中に模式的に示したように、大きさ
の異なる三角形断面の流路抵抗体を分散配置して形成さ
れた流量調整手段２１が備えられている。流量調整手段
２１は、図中左から右に、すなわち、酸化剤ガス供給用
マニホールド１５に近接する側から酸化剤ガス排出用マ
ニホールド１６に近接する側に向かうに従って流体抵抗
が増大するように構成されており、燃料ガス入口１７よ
り供給された燃料ガスは、酸化剤ガス排出用マニホール
ド１６に近接する側に比べて酸化剤ガス供給用マニホー
ルド１５に近接する側に多量に流れる。
【００１７】図２は、上記の第１の実施例の積層型燃料
電池の燃料供給用マニホールド１３における燃料ガスの
流れ方を示すもので、（ａ）は流量調整手段２１の前後
の流れの変化を示す模式図、（ｂ）は（ａ）に対応して
表示した流量調整板２１通過後の流量分布図である。燃
料ガス入口１７より供給された燃料ガスは、流量調整板
２１を構成する大きさの異なる５種類の三角形断面の流
路抵抗体によって流量に差異が生じ、燃料電池積層体の
入口部においては（ｂ）のごとき流量分布をもつことと
なる。
電池の燃料供給用マニホールド１３における燃料ガスの
流れ方を示すもので、（ａ）は流量調整手段２１の前後
の流れの変化を示す模式図、（ｂ）は（ａ）に対応して
表示した流量調整板２１通過後の流量分布図である。燃
料ガス入口１７より供給された燃料ガスは、流量調整板
２１を構成する大きさの異なる５種類の三角形断面の流
路抵抗体によって流量に差異が生じ、燃料電池積層体の
入口部においては（ｂ）のごとき流量分布をもつことと
なる。
【００１８】図３は、上記の第１の実施例の積層型燃料
電池における発電運転時の単セル面内の水素濃度分布を
示したものである。本図も図８と同様に入口（図中右側
端面）での水素濃度を１０として表示している。図８に
おいて説明したように、水素は酸素濃度の高い酸化剤ガ
ス入口側（図中上端）ほど消費量が多いが、本構成の積
層型燃料電池においては、上述のように、酸化剤ガス出
口に近接する側に比べて酸化剤ガス入口に近接する側に
多量の燃料ガスが供給され、供給水素量も酸化剤ガス入
口に近接する側ほど多量となるので、水素濃度の減少が
緩和され、水素濃度分布は従来例に比べて均等となり、
燃料ガス出口と酸化剤ガス入口に近い部分での水素不足
の発生が回避されることとなる。なお、本構成のように
燃料ガスの流量分布を構成すれば、酸化剤ガス出口に近
接する側の水素濃度が減少することとなるが、図４に単
セル面内の酸素濃度分布を示したように、酸化剤ガス中
の酸素濃度は酸化剤ガス出口側だは低下しているので、
水素不足の発生の恐れはない。
電池における発電運転時の単セル面内の水素濃度分布を
示したものである。本図も図８と同様に入口（図中右側
端面）での水素濃度を１０として表示している。図８に
おいて説明したように、水素は酸素濃度の高い酸化剤ガ
ス入口側（図中上端）ほど消費量が多いが、本構成の積
層型燃料電池においては、上述のように、酸化剤ガス出
口に近接する側に比べて酸化剤ガス入口に近接する側に
多量の燃料ガスが供給され、供給水素量も酸化剤ガス入
口に近接する側ほど多量となるので、水素濃度の減少が
緩和され、水素濃度分布は従来例に比べて均等となり、
燃料ガス出口と酸化剤ガス入口に近い部分での水素不足
の発生が回避されることとなる。なお、本構成のように
燃料ガスの流量分布を構成すれば、酸化剤ガス出口に近
接する側の水素濃度が減少することとなるが、図４に単
セル面内の酸素濃度分布を示したように、酸化剤ガス中
の酸素濃度は酸化剤ガス出口側だは低下しているので、
水素不足の発生の恐れはない。
【００１９】図５は、本発明の積層型燃料電池の第２の
実施例の縦断面図である。本実施例においては、燃料電
池積層体１２の側面の一つに設けられた燃料ガス供給用
マニホールド１３に、下部から上部に行くに従い流路抵
抗が増大するよう構成された流量調整手段２１Ａが設け
られているのが特徴である。したがって、本構成では、
燃料ガス入口１７より供給された燃料ガスは、燃料電池
積層体１２の下側に配置された単セルに多量に流れ、上
側に配置された単セルには少量流れることとなる。すで
に述べたように、燃料ガス中の水素は相対的に比重が小
さいので上部を流れる燃料ガスほど水素濃度が高くなり
下部を流れる燃料ガスほど水素濃度が低くなるが、本構
成のごとく流量を調整すれば、下部においても水素流量
の減少が防止されるので水素不足の発生に伴うトラブル
を回避することが可能となる。
実施例の縦断面図である。本実施例においては、燃料電
池積層体１２の側面の一つに設けられた燃料ガス供給用
マニホールド１３に、下部から上部に行くに従い流路抵
抗が増大するよう構成された流量調整手段２１Ａが設け
られているのが特徴である。したがって、本構成では、
燃料ガス入口１７より供給された燃料ガスは、燃料電池
積層体１２の下側に配置された単セルに多量に流れ、上
側に配置された単セルには少量流れることとなる。すで
に述べたように、燃料ガス中の水素は相対的に比重が小
さいので上部を流れる燃料ガスほど水素濃度が高くなり
下部を流れる燃料ガスほど水素濃度が低くなるが、本構
成のごとく流量を調整すれば、下部においても水素流量
の減少が防止されるので水素不足の発生に伴うトラブル
を回避することが可能となる。
【００２０】なお、上述の実施例においては、いずれも
燃料ガス供給用マニホールド１３に流量調整手段を組み
込んで流量を調整しているが、燃料ガス排出用マニホー
ルド１４に組み込んでも同様に流量が調整され、水素不
足が回避される。また、燃料ガス供給用マニホールド１
３あるいは燃料ガス排出用マニホールド１４に組み込ん
で燃料ガスの流量を調整する代わりに、酸化剤ガス供給
用マニホールド１５あるいは酸化剤ガス排出用マニホー
ルド１６に流量調整手段を組み込んで酸化剤ガスの流量
を調整し、燃料ガス中の水素濃度の高い部分に多量の酸
化剤ガスを、水素濃度の低い部分には少量の酸化剤ガス
を流すこととしても水素不足個所の発生が回避される。
燃料ガス供給用マニホールド１３に流量調整手段を組み
込んで流量を調整しているが、燃料ガス排出用マニホー
ルド１４に組み込んでも同様に流量が調整され、水素不
足が回避される。また、燃料ガス供給用マニホールド１
３あるいは燃料ガス排出用マニホールド１４に組み込ん
で燃料ガスの流量を調整する代わりに、酸化剤ガス供給
用マニホールド１５あるいは酸化剤ガス排出用マニホー
ルド１６に流量調整手段を組み込んで酸化剤ガスの流量
を調整し、燃料ガス中の水素濃度の高い部分に多量の酸
化剤ガスを、水素濃度の低い部分には少量の酸化剤ガス
を流すこととしても水素不足個所の発生が回避される。
【００２１】
【発明の効果】上述のように、本発明によれば、単セル
を複数層積層する毎に冷却板を挿入して略垂直方向に積
層して形成される燃料電池積層体と、その側面に配置さ
れる酸化剤ガス供給用のマニホールド、酸化剤ガス排出
用のマニホールド、燃料ガス供給用のマニホールドおよ
び燃料ガス排出用のマニホールドを備える積層型燃料電
池において、上記の４個のマニホールドのうち少なくと
もいずれか一つのマニホールドに、ガス流量分布を調整
する流量調整手段を付設することとし、とくに、酸化剤
ガス供給用のマニホールドに近接する側面から酸化剤ガ
ス排出用のマニホールドに近接する側面へと水平方向に
行くに従い連続的に、あるいは断続的に流路抵抗が増大
するように形成した流量調整手段を、燃料ガス供給用の
マニホールドと燃料ガス排出用のマニホールドの少なく
ともいずれか一方に付設することとしたので、単セルの
面内での水素不足部分の発生による損傷が回避され、長
期にわたり安全に使用できる積層型燃料電池が得られる
こととなった。
を複数層積層する毎に冷却板を挿入して略垂直方向に積
層して形成される燃料電池積層体と、その側面に配置さ
れる酸化剤ガス供給用のマニホールド、酸化剤ガス排出
用のマニホールド、燃料ガス供給用のマニホールドおよ
び燃料ガス排出用のマニホールドを備える積層型燃料電
池において、上記の４個のマニホールドのうち少なくと
もいずれか一つのマニホールドに、ガス流量分布を調整
する流量調整手段を付設することとし、とくに、酸化剤
ガス供給用のマニホールドに近接する側面から酸化剤ガ
ス排出用のマニホールドに近接する側面へと水平方向に
行くに従い連続的に、あるいは断続的に流路抵抗が増大
するように形成した流量調整手段を、燃料ガス供給用の
マニホールドと燃料ガス排出用のマニホールドの少なく
ともいずれか一方に付設することとしたので、単セルの
面内での水素不足部分の発生による損傷が回避され、長
期にわたり安全に使用できる積層型燃料電池が得られる
こととなった。
【００２２】さらにまた、下部から上部へと垂直方向に
行くに従い連続的に、あるいは断続的に流路抵抗が増大
するように形成した流量調整手段を、燃料ガス供給用の
マニホールドと燃料ガス排出用のマニホールドの少なく
ともいずれか一方に付設することとすれば、比重差によ
る燃料ガス中の水素濃度の変動に起因する水素不足部分
の発生による損傷が回避され、長期にわたり安全に使用
できる積層型燃料電池が得られることとなる。
行くに従い連続的に、あるいは断続的に流路抵抗が増大
するように形成した流量調整手段を、燃料ガス供給用の
マニホールドと燃料ガス排出用のマニホールドの少なく
ともいずれか一方に付設することとすれば、比重差によ
る燃料ガス中の水素濃度の変動に起因する水素不足部分
の発生による損傷が回避され、長期にわたり安全に使用
できる積層型燃料電池が得られることとなる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の積層型燃料電池の第１の実施例の横断
面図
面図
【図２】第１の実施例の積層型燃料電池の燃料供給用マ
ニホールド１３における燃料ガスの流れの特性図で、
（ａ）は流量調整板２１の前後の流れの模式図、（ｂ）
は流量調整板２１通過後の流量分布図
ニホールド１３における燃料ガスの流れの特性図で、
（ａ）は流量調整板２１の前後の流れの模式図、（ｂ）
は流量調整板２１通過後の流量分布図
【図３】第１の実施例の積層型燃料電池の単セル面内の
水素濃度分布図
水素濃度分布図
【図４】第１の実施例の積層型燃料電池の単セル面内の
酸素濃度分布
酸素濃度分布
【図５】本発明の積層型燃料電池の第２の実施例の縦断
面図
面図
【図６】この種の積層型燃料電池の燃料電池積層体の基
本構成を示す斜視図
本構成を示す斜視図
【図７】従来の積層型燃料電池の基本構成を模式的に示
す縦断面図
す縦断面図
【図８】従来の積層型燃料電池の単セル面内の水素濃度
分布図
分布図
【図９】従来の積層型燃料電池の単セル面内の酸素濃度
分布
分布
８ 単セル １０ 冷却板 １２ 燃料電池積層体 １３ 燃料ガス供給用マニホールド １４ 燃料ガス排出用マニホールド １５ 酸化剤ガス供給用マニホールド １６ 酸化剤ガス排出用マニホールド １７ 燃料ガス入口 １８ 燃料ガス出口 １９ 酸化剤ガス入口 ２０ 酸化剤ガス出口 ２１ 流量調整手段 ２１Ａ 流量調整手段
Claims (3)
- 【請求項１】電解質を保持するマトリックスを酸化剤電
極と燃料電極とで挟持してなる単セルを複数層積層する
毎に冷却板を挿入して略垂直方向に積層して形成される
燃料電池積層体と、その側面に配置される酸化剤ガス供
給用のマニホールド、酸化剤ガス排出用のマニホール
ド、燃料ガス供給用のマニホールドおよび燃料ガス排出
用のマニホールドとを備える積層型燃料電池において、
前記の４個のマニホールドのうち少なくともいずれか一
つのマニホールドに、ガス流量分布を調整する流量調整
手段を有することを特徴とする積層型燃料電池。 - 【請求項２】前記流量調整手段が、燃料ガス供給用のマ
ニホールドと燃料ガス排出用のマニホールドのうち少な
くともいずれか一方に付設され、かつ酸化剤ガス供給用
のマニホールドに近接する側面から酸化剤ガス排出用の
マニホールドに近接する側面へと水平方向に行くに従い
連続的に、あるいは断続的に流路抵抗が増大するよう形
成されていることを特徴とする請求項１に記載の積層型
燃料電池。 - 【請求項３】前記流量調整手段が、燃料ガス供給用のマ
ニホールドと燃料ガス排出用のマニホールドのうち少な
くともいずれか一方に付設され、かつ下部から上部へと
垂直方向に行くに従い連続的に、あるいは断続的に流路
抵抗が増大するよう形成されていることを特徴とする請
求項１または２に記載の積層型燃料電池。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP7110384A JPH08306381A (ja) | 1995-05-09 | 1995-05-09 | 積層型燃料電池 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP7110384A JPH08306381A (ja) | 1995-05-09 | 1995-05-09 | 積層型燃料電池 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH08306381A true JPH08306381A (ja) | 1996-11-22 |
Family
ID=14534446
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP7110384A Pending JPH08306381A (ja) | 1995-05-09 | 1995-05-09 | 積層型燃料電池 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH08306381A (ja) |
Cited By (9)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US6270917B1 (en) | 1999-03-16 | 2001-08-07 | Mitsubishi Denki Kabushiki Kaisha | Fuel cell |
| US6348280B1 (en) | 1998-12-24 | 2002-02-19 | Mitsubishi Denki Kabushiki Kaisha | Fuel cell |
| JP2002208417A (ja) * | 2001-01-10 | 2002-07-26 | Tokyo Gas Co Ltd | 平板型固体電解質燃料電池における空気及び燃料供給方法 |
| KR20030055605A (ko) * | 2001-12-27 | 2003-07-04 | 현대자동차주식회사 | 균일한 연료 및 산화제를 공급해 주는 연료 전지 스택 |
| JP2006260919A (ja) * | 2005-03-17 | 2006-09-28 | Honda Motor Co Ltd | 燃料電池 |
| EP2109175A4 (en) * | 2007-07-10 | 2011-06-29 | Seiko Instr Inc | FUEL CELL |
| WO2012103064A3 (en) * | 2011-01-28 | 2012-10-18 | Fuelcell Energy, Inc. | Manifold assembly for controlling gas flow and flow distribution in a fuel cell stack |
| JP2016119298A (ja) * | 2014-12-19 | 2016-06-30 | ヘクシス アクチェンゲゼルシャフト | 燃料電池モジュール、及び燃料電池モジュールを動作させる方法 |
| DE102016225444A1 (de) * | 2016-12-19 | 2018-06-21 | Robert Bosch Gmbh | Verbesserte Medienverteilung in Brennstoffzellenstacks |
-
1995
- 1995-05-09 JP JP7110384A patent/JPH08306381A/ja active Pending
Cited By (12)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US6348280B1 (en) | 1998-12-24 | 2002-02-19 | Mitsubishi Denki Kabushiki Kaisha | Fuel cell |
| US6270917B1 (en) | 1999-03-16 | 2001-08-07 | Mitsubishi Denki Kabushiki Kaisha | Fuel cell |
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| US8778553B2 (en) | 2005-03-17 | 2014-07-15 | Honda Motor Co., Ltd. | Fuel cell |
| EP2109175A4 (en) * | 2007-07-10 | 2011-06-29 | Seiko Instr Inc | FUEL CELL |
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| US8911914B2 (en) | 2011-01-28 | 2014-12-16 | Fuelcell Energy, Inc. | Manifold assembly for controlling gas flow and flow distribution in a fuel cell stack |
| JP2016119298A (ja) * | 2014-12-19 | 2016-06-30 | ヘクシス アクチェンゲゼルシャフト | 燃料電池モジュール、及び燃料電池モジュールを動作させる方法 |
| US11069906B2 (en) | 2014-12-19 | 2021-07-20 | Hexis Ag | Fuel cell module and method of operating a fuel cell module |
| DE102016225444A1 (de) * | 2016-12-19 | 2018-06-21 | Robert Bosch Gmbh | Verbesserte Medienverteilung in Brennstoffzellenstacks |
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