JPH0850904A - 燃料電池 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】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。 【構成】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１５，１７内に突出する電
極突出部３０をガス拡散電極３ａ，３ｂの端部に設ける
とともに、この電極突出部３０の気孔径の大きさをガス
拡散電極３ａ，３ｂを構成する多孔質体のそれ以上の大
きさとして、電池内へのガス拡散性を高めた。

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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【００３２】次に、本実施例の作用について説明する。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【図面の簡単な説明】

【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。

【図２】第１実施例の燃料ガスマニホールドの圧力分布
図。

【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。

【図４】本発明に係る燃料電池の第２実施例を示す断面
図。

【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。

【図６】一般的な燃料電池の構成を示す説明図。

【図７】従来の燃料電池を示す斜視図。

【図８】図７の縦断面図。

【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。

【図１０】従来の燃料電池の積層方向電圧を示す電圧分
布図。

【符号の説明】

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

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【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。
2. 【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。
3. 【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。
4. 【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。
5. 【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。