JPH0850904A - Fuel cell - Google Patents

Fuel cell

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JPH0850904A
JPH0850904A JP6183511A JP18351194A JPH0850904A JP H0850904 A JPH0850904 A JP H0850904A JP 6183511 A JP6183511 A JP 6183511A JP 18351194 A JP18351194 A JP 18351194A JP H0850904 A JPH0850904 A JP H0850904A
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JP
Japan
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gas
fuel
fuel cell
fuel gas
electrode
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Pending
Application number
JP6183511A
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Japanese (ja)
Inventor
Masamichi Ono
正道 大野
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Toshiba Corp
Original Assignee
Toshiba Corp
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Filing date
Publication date
Application filed by Toshiba Corp filed Critical Toshiba Corp
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Publication of JPH0850904A publication Critical patent/JPH0850904A/en
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    • Y02E60/30Hydrogen technology
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Abstract

PURPOSE:To take out electric energy at high conversion efficiency by uniformly supplying a fuel gas and an oxidant gas. CONSTITUTION:An electrode protruded part 30, protruded in a manifold for supplying a fuel gas and an oxidant gas from the side surface of a laminated unit cell, is provided on the end parts of gas diffusion electrodes 3a and 3b. The size of the pore diameter of the electrode protruded part 30 is made equal to or larger than the pore diameter of a porous body composing gas diffusion electrodes 3a and 3b to increase gas diffusivity into a cell.

Description

【発明の詳細な説明】Detailed Description of the Invention

【0001】[0001]

【産業上の利用分野】本発明は燃料電池に係り、特に燃
料ガスおよび酸化剤ガスが各セルに一様にガス拡散でき
るようにした燃料電池に関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a fuel cell, and more particularly to a fuel cell in which a fuel gas and an oxidant gas can be uniformly diffused in each cell.

【0002】[0002]

【従来の技術】燃料の有しているエネルギーを直接電気
的エネルギーに変換する装置として燃料電池が知られて
いる。この燃料電池は通常、電解質層を挟んで一対の多
孔質電極を配置するとともに、一方の電極の背面に水素
などの燃料ガスを接触させ、また他方の電極の背面に酸
素などの酸化剤ガスを接触させ、このときに発生する電
気化学的反応を利用して、上記電極間から電気エネルギ
ーを取り出すようにしたものである。このように構成さ
れた燃料電池においては、前記燃料ガスと酸化剤ガスが
供給されている限り、高い変換効率で電気エネルギーを
取り出すことができる。
2. Description of the Related Art A fuel cell is known as a device for directly converting the energy of a fuel into electric energy. In this fuel cell, usually, a pair of porous electrodes are arranged with an electrolyte layer sandwiched between them, a fuel gas such as hydrogen is brought into contact with the back surface of one electrode, and an oxidant gas such as oxygen is contacted with the back surface of the other electrode. The electrodes are brought into contact with each other, and the electrochemical reaction generated at this time is used to extract electric energy from between the electrodes. In the fuel cell configured as described above, as long as the fuel gas and the oxidant gas are supplied, electric energy can be extracted with high conversion efficiency.

【0003】以下に代表的な燃料電池としてリン酸を電
解質とする燃料電池について説明する。図6は上記原理
に基づいて特にリン酸を電解質としたリブ付電極型の燃
料電池における単位セルの構成例を示す。図6におい
て、電解質層1は電解質としてのリン酸をマトリックス
に含浸したものであり、この電解質層1を挟んで多孔質
炭素材からなるアノード電極3aおよびカソード電極3
bがそれぞれ配置されている。このアノード電極3aお
よびカソード電極3bの電解質層1と接する側には触媒
層2aおよび2bがそれぞれ塗布されている。また、各
電極3a,3bの背面側にはリブ4aおよび4bがそれ
ぞれ複数形成され、これらリブ4a間およびリブ4b間
にはそれぞれ燃料ガスおよび酸化剤ガスを流通させる流
通溝5aおよび5bが形成されている。
A fuel cell using phosphoric acid as an electrolyte will be described below as a typical fuel cell. FIG. 6 shows a structural example of a unit cell in a ribbed electrode type fuel cell using phosphoric acid as an electrolyte based on the above principle. In FIG. 6, the electrolyte layer 1 is obtained by impregnating a matrix with phosphoric acid as an electrolyte, and the anode electrode 3a and the cathode electrode 3 made of a porous carbon material sandwiching the electrolyte layer 1 are used.
b are arranged respectively. Catalyst layers 2a and 2b are coated on the sides of the anode electrode 3a and the cathode electrode 3b which are in contact with the electrolyte layer 1, respectively. A plurality of ribs 4a and 4b are formed on the back side of each of the electrodes 3a and 3b, and flow channels 5a and 5b are formed between the ribs 4a and between the ribs 4b to pass the fuel gas and the oxidant gas, respectively. ing.

【0004】ここで、燃料ガスを流通させる流通溝5a
と酸化剤ガスを流通させる流通溝5bとは、互いに直交
する方向に配置され、それらの流通溝5a,5bは複数
本互いに平行に形成されている。このような単位セルを
緻密な炭素質で作られたセパレータ6により挟んで単位
セル積層体を構成している。
Here, the flow groove 5a for flowing the fuel gas
And the flow grooves 5b through which the oxidant gas flows are arranged in directions orthogonal to each other, and a plurality of these flow grooves 5a and 5b are formed in parallel with each other. Such a unit cell is sandwiched between the separators 6 made of dense carbon to form a unit cell stack.

【0005】また、流通溝5a,5bを流れる反応ガス
が、アノード電極3aおよびカソード電極3bの多孔質
炭素材の気孔中を拡散し、電解質層1との間に形成され
た触媒層2a,2bまで流入することができるように、
アノード電極3aおよびカソード電極3bは、ガス拡散
を妨げない程度の密度で、且つ気孔の大きさも部材の強
度、ガス拡散性を考慮して構成されている。
Further, the reaction gas flowing through the flow channels 5a, 5b diffuses in the pores of the porous carbon material of the anode electrode 3a and the cathode electrode 3b, and the catalyst layers 2a, 2b formed between them and the electrolyte layer 1 are formed. So that it can flow up to
The anode electrode 3a and the cathode electrode 3b have a density that does not hinder gas diffusion, and the size of pores is configured in consideration of the strength and gas diffusibility of the members.

【0006】さらに、上記単位セル積層体は、図7に示
すように、その上下端部に集電板7、絶縁板8、締付板
9および端子10をそれぞれ取り付け、適当な締付圧で
上下方向から締付けた状態で組み立てられている。そし
て、上述した単位セル積層体の側面側には、ガスケット
11を介して燃料ガス12および酸化剤ガス13をそれ
ぞれ管14,14を通して供給・排出するための一対の
燃料ガス供給マニホールド15および燃料ガス排出マニ
ホールド16、一対の酸化剤ガス供給マニホールド17
および酸化剤ガス排出マニホールド18を各々対向して
配置し、適当な圧力で締付け固定することにより、燃料
電池を構成している。
Further, as shown in FIG. 7, the unit cell laminated body has a collector plate 7, an insulating plate 8, a tightening plate 9 and a terminal 10 attached to the upper and lower ends thereof, respectively, with an appropriate tightening pressure. It is assembled with it tightened from the top and bottom. A pair of fuel gas supply manifolds 15 and a fuel gas for supplying / discharging the fuel gas 12 and the oxidant gas 13 through the gaskets 11 through the pipes 14 and 14 are provided on the side surfaces of the unit cell stack described above. Exhaust manifold 16, pair of oxidant gas supply manifolds 17
The fuel cell is constructed by disposing the oxidant gas discharge manifold 18 and the oxidant gas discharge manifold 18 so as to face each other and tightening and fixing them at an appropriate pressure.

【0007】そのため、図8に示すように燃料ガス供給
マニホールド15の管14から流入する燃料ガス12
は、単位セル積層体内部に分流し、化学反応を起こすと
ともにガス組成を変化させながら燃料ガス排出マニホー
ルド16に達し、管14から外部へ排出するように燃料
電池内部に流れる。酸化剤ガス13についても同様とな
るのでその図は省略する。なお、リン酸を電解質とする
燃料電池では、燃料ガス12として天然ガスを改良して
得られる水素を主成分とするガスを、また酸化剤ガスと
して空気を用いる。
Therefore, as shown in FIG. 8, the fuel gas 12 flowing from the pipe 14 of the fuel gas supply manifold 15 is introduced.
Flows into the unit cell stack, reaches the fuel gas discharge manifold 16 while causing a chemical reaction and changes the gas composition, and flows into the fuel cell so as to be discharged from the pipe 14 to the outside. The same applies to the oxidant gas 13, so the drawing is omitted. In a fuel cell using phosphoric acid as an electrolyte, a gas containing hydrogen as a main component obtained by improving natural gas is used as the fuel gas 12, and air is used as the oxidant gas.

【0008】上述したように燃料ガス12および酸化剤
ガス13は、化学反応によってガス組成が変化するが、
このリン酸を電解質とする燃料電池では燃料ガス12が
ガス組成の変化によって、反応前のガス密度よりも反応
後のガス密度が増加する。通常の場合、その増加は2倍
程度となる。
As described above, the gas composition of the fuel gas 12 and the oxidant gas 13 changes due to a chemical reaction.
In the fuel cell using phosphoric acid as the electrolyte, the gas density after the reaction is higher than the gas density before the reaction due to the change in the gas composition of the fuel gas 12. In the usual case, the increase is about double.

【0009】他方、酸化剤ガス13は化学反応に関与し
ない窒素を主成分としているから、反応前後のガス密度
の変化は小さい。通常の場合、前述した燃料ガス12と
は逆に酸化剤ガス13の反応前のガス密度よりも反応後
のガス密度は減少するが、その割合は15%程度であ
る。
On the other hand, since the oxidant gas 13 contains nitrogen which is not involved in the chemical reaction as a main component, the change in gas density before and after the reaction is small. In the usual case, the gas density after the reaction is lower than the gas density before the reaction of the oxidant gas 13 contrary to the above-mentioned fuel gas 12, but the ratio is about 15%.

【0010】ところで、燃料ガス供給マニホールド15
および燃料ガス排出マニホールド16や酸化剤ガス供給
マニホールド17および酸化剤ガス排出マニホールド1
8の内部圧力変化は、それぞれのマニホールド内のガス
密度によって生じる静水圧作用でマニホールド上部から
マニホールド下部に向かって、直線的に増加する圧力変
化の勾配はガス密度に比例している。
By the way, the fuel gas supply manifold 15
And the fuel gas discharge manifold 16, the oxidant gas supply manifold 17, and the oxidant gas discharge manifold 1
The internal pressure change of 8 is a hydrostatic pressure effect generated by the gas density in each manifold, and the gradient of the pressure change that linearly increases from the upper part of the manifold to the lower part of the manifold is proportional to the gas density.

【0011】この結果、燃料ガス12や酸化剤ガス13
の反応前後のガス組成変化による密度変化により燃料ガ
ス供給マニホールド15と燃料ガス排出マニホールド1
6の上下方向内部圧力変化は異なる。同様のことは、酸
化剤ガス供給マニホールド17と酸化剤ガス排出マニホ
ールド18についても言える。
As a result, the fuel gas 12 and the oxidant gas 13
Of the fuel gas supply manifold 15 and the fuel gas discharge manifold 1 due to the density change due to the gas composition change before and after the reaction
The change in internal pressure in the vertical direction of 6 is different. The same applies to the oxidizing gas supply manifold 17 and the oxidizing gas discharge manifold 18.

【0012】さらに、単位セル積層体の積層されている
各単位セルへの反応ガス分流は、例えば燃料ガス12で
は、燃料ガス供給マニホールド15と燃料ガス排出マニ
ホールド16との内部圧力差を起動力として行われる。
Further, the reaction gas branch flow to each of the unit cells stacked in the unit cell stack is, for example, in the fuel gas 12, the internal pressure difference between the fuel gas supply manifold 15 and the fuel gas discharge manifold 16 as the starting force. Done.

【0013】[0013]

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上述し
た従来の燃料電池には、以下に述べるような解決すべき
課題が残されていた。すなわち、燃料ガス12のように
反応前後で密度変化の大きい場合、マニホールド上部と
下部では単位セル積層体の内、これらの部分に位置する
単位セルでは燃料ガス12の分流の起動力に大きな変化
を来し、単位セル間での分流の不均一を生じるという問
題点がある。
However, the above-mentioned conventional fuel cell has the following problems to be solved. That is, when the density change before and after the reaction is large like the fuel gas 12, the starting force of the branching of the fuel gas 12 is greatly changed in the unit cell stacks in the upper and lower parts of the manifold and in the unit cells located in these parts. However, there is a problem in that the shunt current is not uniform among the unit cells.

【0014】図9は以上説明した燃料ガス12の燃料ガ
ス供給マニホールド15、燃料ガス排出マニホールド1
6の最上段単位セル位置に相当する箇所の圧力を基準と
して、ここから最下段単位セルの位置に相当する箇所ま
でについて示している。
FIG. 9 shows the fuel gas supply manifold 15 for the fuel gas 12 and the fuel gas discharge manifold 1 described above.
6 is shown from the point corresponding to the position of the uppermost unit cell position to the position corresponding to the position of the lowermost unit cell.

【0015】なお、酸化剤ガス13の酸化剤ガス供給マ
ニホールド17、酸化剤ガス排出マニホールド18の最
上段単位セル位置に相当する箇所の圧力を基準として、
ここから最下段単位セルの位置に相当する箇所について
も同様となるのでその説明は省略する。
It should be noted that the pressure of the oxidizing gas supply manifold 17 for the oxidizing gas 13 and the oxidizing gas discharge manifold 18 corresponding to the uppermost unit cell position is used as a reference.
Since the same applies to the portion corresponding to the position of the lowermost unit cell from here, the description thereof will be omitted.

【0016】さて、図9によれば、単位セル積層体にお
いて、燃料ガス供給マニホールド15の圧力分布19a
の圧力勾配と、燃料ガス排出マニホールド16の圧力分
布20の圧力勾配とが異なるため、各単位セルへのガス
分流の起動力となる圧力差は全て異なったものとなる。
すなわち、上部に積層される単位セルから下部に積層さ
れる単位セルに向かってガス分流の起動力となる圧力差
が直線的に変化して小さくなり、この結果前者の単位セ
ルに比較して後者の単位セルへのガス分流流量が低下す
ることになり、電池としての発電性能も低下するといっ
た問題点があった。
Referring to FIG. 9, the pressure distribution 19a of the fuel gas supply manifold 15 in the unit cell stack is shown.
Of the fuel gas exhaust manifold 16 and the pressure gradient of the pressure distribution 20 of the fuel gas exhaust manifold 16 are different from each other, the pressure difference which is the starting force of the gas branch flow to each unit cell is different.
That is, the pressure difference, which is the motive force of the gas shunt, changes linearly and decreases from the unit cell stacked on the upper side to the unit cell stacked on the lower side. As a result, the latter is smaller than the unit cell of the former. There is a problem in that the gas split flow rate to the unit cell is reduced, and the power generation performance as a battery is also reduced.

【0017】この減少の傾向は単位セル積層体の出力増
大を図るために、単位セル積層数を増加させて行うよう
な場合には、積層高さが高くなることによって増大する
方向に向かうこととなる。
In order to increase the output of the unit cell stack, this decreasing tendency tends to increase as the stack height increases when the number of unit cell stacks is increased. Become.

【0018】なお、酸化剤ガス13については、もとも
と反応前後のガス密度変化は小さく燃料ガス12の場合
ほどに分流の不均一が大きく生じることはない。このよ
うに単位セル積層体に燃料ガス供給マニホールド15お
よび酸化剤ガス供給マニホールド17から各単位セルに
供給される燃料ガス12および酸化剤ガス13は単位セ
ル積層体の上下方向の各単位セル間での化学反応条件が
変化し、当初期待したような高い変換効率で電気エネル
ギーを取り出すことができないという事態を招くことに
なる。したがって、電気化学反応により単位セルから電
気エネルギーが発生する過程においては、図10に示す
ような積層方向の電圧分布21aとなる。
With respect to the oxidant gas 13, the change in gas density before and after the reaction is originally small, and the nonuniformity of the split flow does not occur as much as in the case of the fuel gas 12. In this way, the fuel gas 12 and the oxidant gas 13 supplied to the unit cells from the fuel gas supply manifold 15 and the oxidant gas supply manifold 17 to the unit cell stack are distributed between the unit cells in the vertical direction of the unit cell stack. As a result, the chemical reaction conditions will change, resulting in a situation in which electrical energy cannot be extracted with the high conversion efficiency that was initially expected. Therefore, in the process in which electric energy is generated from the unit cell by the electrochemical reaction, the voltage distribution 21a in the stacking direction is as shown in FIG.

【0019】本発明は上述した事情を考慮してなされた
もので、均一に燃料ガスおよび酸化剤ガスを供給するよ
うにし、高い変換効率で電気エネルギーを取り出すこと
のできる燃料電池を提供することを目的とする。
The present invention has been made in consideration of the above circumstances, and provides a fuel cell capable of uniformly supplying a fuel gas and an oxidant gas and extracting electric energy with high conversion efficiency. To aim.

【0020】[0020]

【課題を解決するための手段】上述した課題を解決する
ために、本発明の請求項1は、マトリックスに電解質を
含浸した電解質層を挟んで、多孔質体からなる一対のガ
ス拡散電極を配置してなる単位セルを複数個積層し、そ
の側部に燃料ガスおよび酸化剤ガス供給・排出用マニホ
ールドを設けた燃料電池において、前記積層した単位セ
ルの側面から前記燃料ガスおよび酸化剤ガス供給用マニ
ホールド内に突出する電極突出部を前記ガス拡散電極の
端部に設けるとともに、この電極突出部の気孔径の大き
さを前記ガス拡散電極を構成する多孔質体のそれ以上の
大きさとしたことを特徴とする。
In order to solve the above-mentioned problems, the first aspect of the present invention is to arrange a pair of gas diffusion electrodes made of a porous body with an electrolyte layer in which a matrix is impregnated with an electrolyte sandwiched therebetween. In a fuel cell in which a plurality of unit cells each having the above structure are stacked, and a manifold for supplying and discharging a fuel gas and an oxidant gas is provided on the side of the unit cell, An electrode protrusion protruding into the manifold is provided at the end of the gas diffusion electrode, and the size of the pore diameter of the electrode protrusion is set to be larger than that of the porous body forming the gas diffusion electrode. Characterize.

【0021】請求項2は、請求項1記載の燃料ガスおよ
び酸化剤ガス供給・排出用マニホールドは、部分負荷運
転時において、燃料ガスおよび酸化剤ガスの中にそれ以
外の不活性ガスを導入することを特徴とする。
According to a second aspect of the present invention, in the fuel gas and oxidant gas supply / discharge manifold according to the first aspect, an inert gas other than that is introduced into the fuel gas and the oxidant gas during partial load operation. It is characterized by

【0022】請求項3は、請求項2記載の不活性ガスを
導入する不活性ガス導入管は、電池ブロック毎に配設さ
れたことを特徴とする。
A third aspect of the present invention is characterized in that the inert gas introducing pipe for introducing the inert gas according to the second aspect is provided for each battery block.

【0023】請求項4は、請求項3記載の不活性ガス導
入管からの不活性ガス導入量は、単位セル毎に可変する
ことを特徴とする。
A fourth aspect of the present invention is characterized in that the amount of the inert gas introduced from the inert gas introducing pipe according to the third aspect is variable for each unit cell.

【0024】請求項5は、請求項4記載の不活性ガス導
入管は、各単位セルに対応する位置に複数個のガス導入
分岐管を設けたことを特徴とする。
A fifth aspect of the invention is characterized in that the inert gas introducing pipe according to the fourth aspect is provided with a plurality of gas introducing branch pipes at positions corresponding to the respective unit cells.

【0025】[0025]

【作用】請求項1においては、積層した単位セルの側面
から燃料ガスおよび酸化剤ガス供給用マニホールド内に
突出する電極突出部をガス拡散電極の端部に設けるとと
もに、この電極突出部の気孔径の大きさをガス拡散電極
を構成する多孔質体のそれ以上の大きさとしたことで、
外部から供給される燃料ガスおよび酸化剤ガスを電極突
出部により受け止め、気孔径の大きい方の気体の圧力が
大きいため、電池内へのガス拡散性を向上することがで
きる。
According to the first aspect of the present invention, the electrode protrusion protruding from the side surface of the stacked unit cells into the fuel gas and oxidant gas supply manifold is provided at the end of the gas diffusion electrode, and the pore diameter of the electrode protrusion is increased. By making the size of the porous body larger than that of the gas diffusion electrode,
The fuel gas and the oxidant gas supplied from the outside are received by the electrode protruding portion, and the gas pressure with the larger pore diameter is higher, so that the gas diffusibility into the cell can be improved.

【0026】請求項2においては、請求項1記載の燃料
ガスおよび酸化剤ガス供給・排出用マニホールドが、部
分負荷運転時において、燃料ガスおよび酸化剤ガスの中
にそれ以外の不活性ガスを導入することにより、ガス流
量を多くして、燃料電池全体へのガス流量供給を確実に
することができる。
According to a second aspect of the present invention, the fuel gas and oxidant gas supply / discharge manifold according to the first aspect introduces an inert gas other than that into the fuel gas and the oxidant gas during partial load operation. By doing so, it is possible to increase the gas flow rate and ensure the gas flow rate supply to the entire fuel cell.

【0027】請求項3においては、請求項2記載の不活
性ガスを導入する不活性ガス導入管が電池ブロック毎に
配設されたことで、各電池ブロック当たりのガス流量供
給の過不足を防ぎ、必要十分な量を供給することができ
る。
In the third aspect, the inert gas introducing pipe for introducing the inert gas according to the second aspect is provided for each battery block, thereby preventing excess and deficiency of gas flow rate supply for each battery block. The necessary and sufficient amount can be supplied.

【0028】請求項4においては、請求項3記載の不活
性ガス導入管からの不活性ガス導入量が単位セル毎に可
変することにより、各単位セル当たりのガス流量供給の
過不足を防ぎ、必要十分な量を供給することができる。
In the fourth aspect, the amount of the inert gas introduced from the inert gas introducing pipe according to the third aspect is changed for each unit cell, thereby preventing excess and deficiency of the gas flow rate supply per each unit cell. A necessary and sufficient amount can be supplied.

【0029】請求項5においては、請求項4記載の不活
性ガス導入管が各単位セルに対応する位置に複数個のガ
ス導入分岐管を設けたことにより、各セルへのガス流量
供給を確実にすることができる。
According to a fifth aspect of the present invention, a plurality of gas introduction branch pipes are provided at positions corresponding to the unit cells of the inert gas introduction pipe according to the fourth aspect, so that the gas flow rate is reliably supplied to each cell. Can be

【0030】[0030]

【実施例】以下、本発明の実施例を図面に基づいて説明
する。図1〜図5は本発明に係る燃料電池の各実施例を
示し、これら各実施例において、従来の構成と同一の部
材には図6〜図10と同一の符号を付して説明する。
Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings. 1 to 5 show each embodiment of the fuel cell according to the present invention. In each of these embodiments, the same members as those of the conventional structure will be described with the same reference numerals as those in FIGS. 6 to 10.

【0031】<第1実施例>図1は本発明に係る燃料電
池の第1実施例を示す要部斜視図である。図1に示すよ
うに、ガス拡散電極であるアノード電極3aおよびカソ
ード電極3bの反応ガス流路である流通溝5a,5bを
形成した側には、燃料ガス供給マニホールド15および
酸化剤ガス供給マニホールド17内に突出するように、
多孔質体から構成された電極突出部30が配設されてい
る。この電極突出部30はカーボンファイバーなどから
構成され、その気孔径がアノード電極3aおよびカソー
ド電極3bを形成している多孔質体の気孔径と同等もし
くはより大きく形成されている。
<First Embodiment> FIG. 1 is a perspective view showing a main part of a first embodiment of a fuel cell according to the present invention. As shown in FIG. 1, the fuel gas supply manifold 15 and the oxidant gas supply manifold 17 are provided on the side where the flow channels 5a and 5b, which are the reaction gas flow paths of the anode electrode 3a and the cathode electrode 3b, which are gas diffusion electrodes, are formed. So that it projects inside
An electrode protrusion 30 composed of a porous body is provided. The electrode protrusion 30 is made of carbon fiber or the like, and has a pore diameter equal to or larger than the pore diameter of the porous body forming the anode electrode 3a and the cathode electrode 3b.

【0032】次に、本実施例の作用について説明する。Next, the operation of this embodiment will be described.

【0033】このような構成を有する本実施例の燃料電
池においては、以下に述べるようにして、燃料ガス12
および酸化剤ガス13が供給される。すなわち、これら
供給された反応ガスは電極突出部30内で受け止めら
れ、気孔径の大きい方の気体の圧力が高いため、反応ガ
スは電極突出部30を拡散して、電極突出部30と接す
るアノード電極3aおよびカソード電極3bにまで拡が
る。このようにしてアノード電極3aおよびカソード電
極3bと接触した反応ガスは、気孔径のガスの圧力差に
よって、電極突出部30から気孔径の小さいアノード電
極3aおよびカソード電極3bへ取り込まれる。
In the fuel cell of this embodiment having such a structure, the fuel gas 12 is produced as described below.
And the oxidant gas 13 is supplied. That is, these supplied reaction gases are received in the electrode protrusions 30, and the pressure of the gas having the larger pore diameter is higher, so that the reaction gas diffuses through the electrode protrusions 30 and contacts the electrode protrusions 30. It extends to the electrode 3a and the cathode electrode 3b. The reaction gas that has come into contact with the anode electrode 3a and the cathode electrode 3b in this manner is taken into the anode electrode 3a and the cathode electrode 3b having the small pore diameters from the electrode protrusion 30 due to the pressure difference between the gas having the pore diameters.

【0034】さらに、図2に示すように燃料ガス供給マ
ニホールド15の内部圧力分布19bおよび燃料ガス排
出マニホールド16の内部圧力分布20は、燃料ガス流
量を大きくすることで、圧力損失が増加する結果、燃料
ガス供給マニホールド15と燃料ガス排出マニホールド
16との圧力差をセルスタック高さ方向全体に亘って均
一化することができる。これにより、この圧力差を起動
力として流れる各単位セルへのガス分流の均一化を可能
にすることができる。
Further, as shown in FIG. 2, the internal pressure distribution 19b of the fuel gas supply manifold 15 and the internal pressure distribution 20 of the fuel gas discharge manifold 16 increase the fuel gas flow rate, resulting in an increase in pressure loss. The pressure difference between the fuel gas supply manifold 15 and the fuel gas discharge manifold 16 can be made uniform over the entire cell stack height direction. As a result, it is possible to make the gas partial flow uniform to each unit cell that flows using this pressure difference as a starting force.

【0035】以上説明したような単位セルを用いて構成
したセルスタック内部に分流した燃焼ガスはこれに直交
してセルスタック内部に流通する酸化剤が燃料ガス供給
マニホールド15と化学反応を行いながら燃料ガス排出
マニホールド16に達する。このときに起こる電気化学
反応により単位セルから電気エネルギーが発生する過程
において、積層方向の電圧分布21bは図3に示すよう
になる。
The combustion gas split into the cell stack constructed by using the unit cell as described above is orthogonal to the combustion gas and flows into the cell stack. Reach the gas exhaust manifold 16. The voltage distribution 21b in the stacking direction is as shown in FIG. 3 in the process in which electric energy is generated from the unit cell by the electrochemical reaction that occurs at this time.

【0036】すなわち、本実施例において、燃料ガス供
給マニホールド15内部に流入した燃料ガス12は、各
単位セルに分流し流通溝5a,5bを通って燃料ガス排
出マニホールド16内部に達する。各単位セルに流れ込
む燃料ガス流量は、燃料ガス供給マニホールド15と燃
料ガス排出マニホールド16との圧力差に等しい。
That is, in the present embodiment, the fuel gas 12 that has flowed into the fuel gas supply manifold 15 is divided into each unit cell and reaches the inside of the fuel gas discharge manifold 16 through the flow grooves 5a and 5b. The flow rate of the fuel gas flowing into each unit cell is equal to the pressure difference between the fuel gas supply manifold 15 and the fuel gas discharge manifold 16.

【0037】したがって、流通溝5a,5bを通る燃料
ガス流量を多くして、発生する圧力損失を大きくすれ
ば、燃料ガス供給マニホールド15内部の反応前の燃料
ガス密度と燃料ガス排出マニホールド16内部の反応後
の燃料ガス密度の静水圧作用による大きな圧力差が生じ
たとしても、セルスタック上部に位置する各単位セルと
セルスタック下部に位置する各単位セルの燃料ガス分流
の起動力となる圧力差が静水圧作用の圧力差を大きく上
回り、各単位セルへの燃料ガス分流流量の均一化を図る
ことができる。
Therefore, if the flow rate of the fuel gas passing through the flow grooves 5a and 5b is increased to increase the generated pressure loss, the fuel gas density before the reaction inside the fuel gas supply manifold 15 and the inside of the fuel gas discharge manifold 16 are increased. Even if there is a large pressure difference due to the hydrostatic effect of the fuel gas density after the reaction, the pressure difference that becomes the starting force of the fuel gas branch flow between each unit cell located at the top of the cell stack and each unit cell located at the bottom of the cell stack. Can greatly exceed the hydrostatic pressure difference, and the fuel gas branch flow rate to each unit cell can be made uniform.

【0038】他方、酸化剤ガスとして用いる空気は、反
応に関与しない窒素ガスを主成分としているから、空気
供給マニホールド内部のガス密度と空気排出マニホール
ドのガス密度に大きな差はなく、したがって静水圧作用
の効果はほぼ等しい。しかしながら、反応に必要な酸素
量を得るためには、流量を大きくして酸化剤ガス13の
流通溝に発生する圧力損失を大きくし、各単位セルへの
酸化剤ガス分流流量の均一化を図ることができる。
On the other hand, since the air used as the oxidant gas is mainly composed of nitrogen gas that does not participate in the reaction, there is no great difference between the gas density inside the air supply manifold and the gas density inside the air discharge manifold, and therefore the hydrostatic pressure action is exerted. Effects are almost equal. However, in order to obtain the amount of oxygen necessary for the reaction, the flow rate is increased to increase the pressure loss generated in the flow groove of the oxidant gas 13, and the oxidant gas branch flow rate to each unit cell is made uniform. be able to.

【0039】ところで、本実施例においては、部分負荷
運転時、図1に示すように燃料ガス12および酸化剤ガ
ス13の中に燃料ガスおよび酸化剤ガス以外の不活性ガ
ス31を導入してガス流量を多くなるように構成し、電
極突出部(ガス拡散電極端部)30でガス拡散させるこ
とで、圧力損失が増加する結果、燃料ガス供給マニホー
ルド15および燃料ガス排出マニホールド16の内部圧
力分布は、燃料ガス供給マニホールド15と燃料ガス排
出マニホールド16との圧力差をセルスタック高さ方向
全体に亘って均一化することができる。電気化学反応に
より単位セルから電気エネルギーが発生する過程におい
て、積層方向の電圧分布は図10から図3に示すように
なる。
By the way, in the present embodiment, during partial load operation, as shown in FIG. 1, an inert gas 31 other than the fuel gas and the oxidant gas is introduced into the fuel gas 12 and the oxidant gas 13 to produce a gas. By increasing the flow rate and diffusing the gas at the electrode protrusion (gas diffusion electrode end) 30, the pressure loss increases. As a result, the internal pressure distribution of the fuel gas supply manifold 15 and the fuel gas discharge manifold 16 is The pressure difference between the fuel gas supply manifold 15 and the fuel gas discharge manifold 16 can be made uniform over the entire cell stack height direction. During the process in which electric energy is generated from the unit cell by the electrochemical reaction, the voltage distribution in the stacking direction is as shown in FIGS.

【0040】また、本実施例においては、部分負荷運転
時、図1に示すように電池ブロックごとに不活性ガス導
入管60を設けることで、燃料電池全体へ不活性ガス3
1を確実に供給し、ガス流量の減少による燃料電池のガ
ス分流流量の不均一化を未然に防止し、安定した運転を
可能にする。
Further, in this embodiment, during the partial load operation, by providing the inert gas introducing pipe 60 for each cell block as shown in FIG.
1 is reliably supplied, and nonuniformity of the gas split flow rate of the fuel cell due to a decrease in gas flow rate is prevented in advance, and stable operation is enabled.

【0041】<第2実施例>図4は本発明に係る燃料電
池の第2実施例を示す断面図である。なお、前記第1実
施例と同一の部分には同一の符号を付して説明する。以
下の実施例についても同様である。本実施例において
は、部分負荷運転時、図4に示すように単位セルごとへ
の不活性ガス導入管32において、不活性ガス分岐管3
3の個数や内径を変えることにより供給量を変えること
ができる不活性ガス導入管32を有する。したがって本
実施例によれば、単位セルの電極突出部20への不活性
ガス31の供給量を調節することができ、不活性ガス3
1の供給量の過不足を防止し、必要十分な量を供給する
ことができる。その他の構成および作用は前記第1実施
例と同様であるのでその説明を省略する。
<Second Embodiment> FIG. 4 is a sectional view showing a second embodiment of the fuel cell according to the present invention. The same parts as those in the first embodiment will be described with the same reference numerals. The same applies to the following examples. In the present embodiment, during the partial load operation, as shown in FIG. 4, in the inert gas introducing pipe 32 for each unit cell, the inert gas branch pipe 3 is provided.
It has an inert gas introducing pipe 32 whose supply amount can be changed by changing the number of 3 and the inner diameter. Therefore, according to this embodiment, the amount of the inert gas 31 supplied to the electrode protrusions 20 of the unit cell can be adjusted, and the inert gas 3 can be adjusted.
It is possible to prevent excess and deficiency of the supply amount of No. 1 and to supply a necessary and sufficient amount. The other structure and operation are the same as those of the first embodiment, and the description thereof will be omitted.

【0042】<第3実施例>図5は本発明に係る燃料電
池の第3実施例を示す要部斜視図である。本実施例にお
いては、部分負荷運転時、図5に示すように不活性ガス
導入管32に階段状に突出形成した各単位セルに対応す
る位置に複数個の不活性ガス分岐管33を配設すること
で、各セルの不活性ガス31の供給を確実にすることが
できる。その他の構成および作用は前記第1実施例と同
様であるのでその説明を省略する。
<Third Embodiment> FIG. 5 is a perspective view of a main portion of a third embodiment of the fuel cell according to the present invention. In the present embodiment, during partial load operation, a plurality of inert gas branch pipes 33 are provided at positions corresponding to the unit cells formed in a stepwise manner on the inert gas introduction pipe 32 as shown in FIG. By doing so, the supply of the inert gas 31 to each cell can be ensured. The other structure and operation are the same as those of the first embodiment, and the description thereof will be omitted.

【0043】[0043]

【発明の効果】以上説明したように、本発明の請求項1
によれば、積層した単位セルの側面からマニホールド内
に突出する電極突出部をガス拡散電極の端部に設けると
ともに、この電極突出部の気孔径の大きさをガス拡散電
極を構成する多孔質体以上の大きさとしたことで、外部
から供給される燃料ガスおよび酸化剤ガスのガス拡散性
を良くすることで、各単位セルへの分流の均一化を可能
とした、精度の高い燃料電池を提供することができる。
したがって、各単位セルへの燃料ガスおよび酸化剤ガス
流量を大きくすることで、燃料電池の性能向上を可能と
し、高い変換効率で電気エネルギーを得ることができ
る。
As described above, according to the first aspect of the present invention.
According to the above, an electrode protrusion protruding from the side surface of the stacked unit cells into the manifold is provided at the end of the gas diffusion electrode, and the size of the pore diameter of the electrode protrusion is set to a porous body forming the gas diffusion electrode. By providing the above size, by improving the gas diffusivity of the fuel gas and oxidant gas supplied from the outside, it is possible to provide a highly accurate fuel cell that makes it possible to evenly divide the flow into each unit cell. can do.
Therefore, by increasing the flow rates of the fuel gas and the oxidant gas to each unit cell, the performance of the fuel cell can be improved and electric energy can be obtained with high conversion efficiency.

【0044】請求項2によれば、請求項1記載の燃料ガ
スおよび酸化剤ガス供給・排出用マニホールドが、部分
負荷運転時において、燃料ガスおよび酸化剤ガスの中に
それ以外の不活性ガスを導入することにより、ガス流量
を多くして、燃料電池全体へのガス流量供給を確実にす
ることができる。
According to a second aspect of the present invention, the fuel gas and oxidant gas supply / discharge manifold according to the first aspect contains the other inert gas in the fuel gas and the oxidant gas during the partial load operation. By introducing the gas, the gas flow rate can be increased and the gas flow rate can be reliably supplied to the entire fuel cell.

【0045】請求項3によれば、請求項2記載の不活性
ガスを導入する不活性ガス導入管が電池ブロック毎に配
設されたことで、各電池ブロック当たりのガス流量供給
の過不足を防ぎ、必要十分な量を供給することができ
る。
According to the third aspect, since the inert gas introducing pipe for introducing the inert gas according to the second aspect is provided for each battery block, excess or deficiency of gas flow rate supply for each battery block can be prevented. It can prevent and supply necessary and sufficient amount.

【0046】請求項4によれば、請求項3記載の不活性
ガス導入管からの不活性ガス導入量が単位セル毎に可変
することにより、各単位セル当たりのガス流量供給の過
不足を防ぎ、必要十分な量を供給することができる。
According to the fourth aspect, the amount of the inert gas introduced from the inert gas introducing pipe according to the third aspect is changed for each unit cell, so that excess or deficiency of gas flow rate supply for each unit cell is prevented. The necessary and sufficient amount can be supplied.

【0047】請求項5によれば、請求項4記載の不活性
ガス導入管が各単位セルに対応する位置に複数個のガス
導入分岐管を設けたことにより、各セルへのガス流量供
給を確実にすることができる。
According to the fifth aspect, the inert gas introducing pipe according to the fourth aspect is provided with a plurality of gas introducing branch pipes at positions corresponding to the respective unit cells, so that the gas flow rate is supplied to each cell. You can be sure.

【図面の簡単な説明】[Brief description of drawings]

【図1】本発明に係る燃料電池の第1実施例を示す要部
斜視図。
FIG. 1 is a perspective view of essential parts showing a first embodiment of a fuel cell according to the present invention.

【図2】第1実施例の燃料ガスマニホールドの圧力分布
図。
FIG. 2 is a pressure distribution diagram of the fuel gas manifold according to the first embodiment.

【図3】第1実施例の燃料電池の積層方向電圧を示す電
圧分布図。
FIG. 3 is a voltage distribution diagram showing a stacking direction voltage of the fuel cell of the first embodiment.

【図4】本発明に係る燃料電池の第2実施例を示す断面
図。
FIG. 4 is a sectional view showing a second embodiment of the fuel cell according to the present invention.

【図5】本発明に係る燃料電池の第3実施例を示す要部
斜視図。
FIG. 5 is a perspective view of a main part showing a third embodiment of the fuel cell according to the present invention.

【図6】一般的な燃料電池の構成を示す説明図。FIG. 6 is an explanatory diagram showing a configuration of a general fuel cell.

【図7】従来の燃料電池を示す斜視図。FIG. 7 is a perspective view showing a conventional fuel cell.

【図8】図7の縦断面図。8 is a vertical cross-sectional view of FIG.

【図9】従来の燃料電池における燃料ガスマニホールド
の圧力分布図。
FIG. 9 is a pressure distribution diagram of a fuel gas manifold in a conventional fuel cell.

【図10】従来の燃料電池の積層方向電圧を示す電圧分
布図。
FIG. 10 is a voltage distribution diagram showing a stacking direction voltage of a conventional fuel cell.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1 電解質層 3a アノード電極(ガス拡散電極) 3b カソード電極(ガス拡散電極) 5a 流通溝 5b 流通溝 12 燃料ガス 13 酸化剤ガス 15 燃料ガス供給マニホールド 16 燃料ガス排出マニホールド 17 酸化剤ガス供給マニホールド 18 酸化剤ガス排出マニホールド 30 電極突出部 31 不活性ガス 32 不活性ガス導入管 33 不活性ガス分岐管 1 Electrolyte Layer 3a Anode Electrode (Gas Diffusion Electrode) 3b Cathode Electrode (Gas Diffusion Electrode) 5a Flow Channel 5b Flow Channel 12 Fuel Gas 13 Oxidizer Gas 15 Fuel Gas Supply Manifold 16 Fuel Gas Discharge Manifold 17 Oxidant Gas Supply Manifold 18 Oxidation Agent gas discharge manifold 30 Electrode protrusion 31 Inert gas 32 Inert gas introduction pipe 33 Inert gas branch pipe

Claims (5)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 マトリックスに電解質を含浸した電解質
層を挟んで、多孔質体からなる一対のガス拡散電極を配
置してなる単位セルを複数個積層し、その側部に燃料ガ
スおよび酸化剤ガス供給・排出用マニホールドを設けた
燃料電池において、前記積層した単位セルの側面から前
記燃料ガスおよび酸化剤ガス供給用マニホールド内に突
出する電極突出部を前記ガス拡散電極の端部に設けると
ともに、この電極突出部の気孔径の大きさを前記ガス拡
散電極を構成する多孔質体のそれ以上の大きさとしたこ
とを特徴とする燃料電池。
1. A plurality of unit cells each having a pair of gas diffusion electrodes made of a porous body disposed with a matrix sandwiching an electrolyte layer impregnated with an electrolyte, and a fuel gas and an oxidant gas being provided on the sides thereof. In a fuel cell provided with a supply / discharge manifold, an electrode protrusion protruding from the side surface of the stacked unit cells into the fuel gas and oxidant gas supply manifold is provided at an end of the gas diffusion electrode, and The fuel cell is characterized in that the electrode projection has a pore size larger than that of the porous body forming the gas diffusion electrode.
【請求項2】 燃料ガスおよび酸化剤ガス供給用マニホ
ールドは、部分負荷運転時において、燃料ガスおよび酸
化剤ガスの中にそれ以外の不活性ガスを導入することを
特徴とする請求項1記載の燃料電池。
2. The fuel gas and oxidant gas supply manifold introduces an inert gas other than that into the fuel gas and the oxidant gas during partial load operation. Fuel cell.
【請求項3】 不活性ガスを導入する不活性ガス導入管
は、電池ブロック毎に配設されたことを特徴とする請求
項2記載の燃料電池。
3. The fuel cell according to claim 2, wherein an inert gas introducing pipe for introducing an inert gas is provided for each cell block.
【請求項4】 不活性ガス導入管からの不活性ガス導入
量は、単位セル毎に可変することを特徴とする請求項3
記載の燃料電池。
4. The amount of inert gas introduced from the inert gas introduction pipe is variable for each unit cell.
The fuel cell described.
【請求項5】 不活性ガス導入管は、各単位セルに対応
する位置に複数個のガス導入分岐管を設けたことを特徴
とする請求項4記載の燃料電池。
5. The fuel cell according to claim 4, wherein the inert gas introducing pipe is provided with a plurality of gas introducing branch pipes at positions corresponding to the respective unit cells.
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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2007179992A (en) * 2005-12-28 2007-07-12 Toshiba Fuel Cell Power Systems Corp Fuel cell stack

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