JPH10340733A

JPH10340733A - 燃料電池積層体

Info

Publication number: JPH10340733A
Application number: JP9147417A
Authority: JP
Inventors: Akihiko Asano; 明彦浅野
Original assignee: Fuji Electric Co Ltd
Current assignee: Fuji Electric Co Ltd
Priority date: 1997-06-05
Filing date: 1997-06-05
Publication date: 1998-12-22

Abstract

(57)【要約】【課題】積層された各セルへの供給ガス量、ガス利用率
が均一化され、安定して運転できるものとする。【解決手段】複数のセルをガス分離板９と交互に積層し
て積層ブロックを形成し、さらに積層ブロックを冷却板
１０を介装して積層するものにおいて、積層ブロックの
隣接する２個のセルのうち、冷却板１０からより隔たっ
た位置に配されるセルに備える燃料ガス通路の断面積
を、もう一方のセルに備える燃料ガス通路の断面積と同
等、もしくはそれ以上とする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、水素などの還元
剤ガス、および酸素などの酸化剤ガスの反応エネルギ−
を電気化学的な作用により電力に変換する燃料電池の積
層体に関する。

【０００２】

【従来の技術】図５は、燃料電池の基本構成例を示すリ
ン酸型燃料電池の単セルの斜視図である。図において、
２は電解質層、３は空気極触媒層、４は燃料極触媒層、
５は空気極電極、６は燃料極電極、７は空気極リン酸貯
蔵板、８は燃料極リン酸貯蔵板であり、これらを積層し
てセル１が構成される。また、９はガス分離板であり、
燃料電池積層体を形成する際に積層されるセル１とセル
１との間を気密に保持する機能を果たしている。このう
ち、電解質層２は、炭化ケイ素（SiC）の微粒子とポリ
テトラフロロエチレンの微粒子を混合して形成されてお
り、電解質としてはリン酸が用いられている。空気極触
媒層３および燃料極触媒層４は、ポリテトラフロロエチ
レンの微粒子と炭素の微粒子の混合層中に触媒として白
金微粒子を5〜20（重量％）程度混合して形成されてい
る。また、空気極電極５と燃料極電極６、ならびに空気
極リン酸貯蔵板７と燃料極リン酸貯蔵板８は、いずれも
多孔質炭素材より形成されている。図に見られるよう
に、空気極電極５および燃料極電極６には、それぞれ側
面に入口部をもち、相対する側面へと連通する複数の空
気通路１１および燃料ガス通路１２が備えられている。
空気および燃料ガスは、それぞれこれらの通路を並列に
流れ、各電極を構成する多孔質炭素材中を拡散して各触
媒層へと達し、電気化学反応を生じて電気エネルギーを
生じることとなる。なお、この例では燃料ガスの流れの
方向と空気の流れの方向が互いに直交するよう配されて
いる。

【０００３】図５のごとき単一のセル１のみでは得られ
る電圧が小さいので、発電装置として使用する場合には
複数個の単セルを積層し、電気的に直列接続した積層体
として構成する。発電に伴い生じる発熱を回収するため
に、リン酸型燃料電池の場合、通常 3〜10個のセルを積
層する毎に冷却板を介装して構成されている。図６は、
燃料電池積層体の要部の構成を模式的に示す斜視図で、
一組の冷却板の間の積層構造を示すものである。本構成
では、８個のセル１をガス分離板９を介在させて積層し
て積層ブロックを形成し、冷却水を通流して冷却される
冷却板１０を積層ブロックと積層ブロックとの間に介装
することにより方形状の燃料電池積層体が形成されてい
る。電気化学反応に寄与する反応ガスは、積層体の側面
より供給される構成で、図７に平面図を示したごとく、
燃料電池積層体２０の４つの側面に、空気入口マニフォ
ールド２１と空気出口マニフォールド２２、および燃料
ガス入口マニフォールド２３と燃料ガス出口マニフォー
ルド２４をそれぞれ相対して組み込んで、空気と燃料ガ
スが供給される。すなわち、空気は、空気入口マニフォ
ールド２１より一括して取り込まれ、図６に見られる多
数の空気通路１１に分散して送られ、電気化学反応に供
され、未反応の残余のガスは側面より空気出口マニフォ
ールド２２へ集められたのち外部へと排出される。同様
に、燃料ガスは、燃料ガス入口マニフォールド２３より
多数の燃料ガス通路１２に分散して送られ、残余のガス
は燃料ガス出口マニフォールド２４へ集められたのち外
部へと排出される。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】上記のように、従来の
燃料電池積層体においては、側面に配したマニフォール
ドから、同一寸法に形成した多数の空気通路に空気を並
列に分散して供給し、同じく同一寸法に形成した多数の
燃料ガス通路に燃料ガスを並列に分散して供給する方法
が採られている。しかしながら、このように多数の通路
が同一形状、同一寸法に形成されていても、各通路に均
一に分配されて流れるわけではなく、空気においては各
通路毎に酸素消費量が異なり、また燃料ガスにおいては
各通路毎に水素消費量が異なり、またいずれの場合も各
通路毎に温度条件が異なるので、これらの条件における
圧力損失に見合って、それぞれ異なった流量が流れるこ
ととなる。通常のリン酸型燃料電池においては、空気の
酸素利用率に比べて燃料ガスの利用率を高くして使用さ
れるので、特に燃料ガスの通路毎の流量の差異が大き
く、水素消費量が多い流路ほど燃料ガスの流量が多くな
り、または温度が低い流路ほど燃料ガスの流量が増大す
ることとなる。

【０００５】図８は、図６のごとく８個のセルを冷却板
間に配して構成した積層ブロックよりなる燃料電池積層
体について、セルの面積を 0.49 ｍ²(0.7ｍ×0.7 ｍ)
、平均負荷電流密度を 300〔mA／cm²〕、冷却水温度
を 165℃、通路入口での燃料ガスおよび空気の温度を 1
60℃、水素利用率を 80 ％、酸素利用率を 50 ％、燃料
ガス流路入口での水素濃度、二酸化炭素濃度、水蒸気濃
度を順に 65 ％、 17 ％、 18 ％、とする条件におい
て、数値シミュレ−ションを行い、求めた燃料ガス通路
入口における燃料分配比の分布を等高線表示した特性図
である。図において、横軸は空気通路の入口側端面から
の距離、また縦軸は積層したセルの番号で、図６の８個
のセルを下側より上側へと順次１，２，・・・，８とし
て表示したものである。図中の数値は燃料が完全に等配
された場合を 100％として表示した値である。図に見ら
れるように、電流密度が高い空気通路の入口側と、冷却
板に隣接する温度の低い第１セルと第８セルの燃料分配
比が高いことがわかる。図８に示した例では、冷却板に
隣接する第１、第８セルと、冷却板間の中央に位置する
第４、第５セルとの温度差は約 20 ℃である。また、セ
ル面内中央に対応する空気通路の入口側端面から 350mm
の距離における燃料の分配比は、第１、第８セルで 102
％、第４、第５セルで99.5％である。

【０００６】図９は、図６のごとく８個のセルで構成し
た積層ブロックよりなるリン酸型燃料電池積層体につい
て測定した燃料ガス通路の出口側端面における水素濃度
分布を示す特性図である。表示した水素濃度は、各燃料
電池の燃料ガス通路の出口から採集した排気ガスについ
て、水素分圧と二酸化炭素分圧をガスクロマトグラフィ
ーにより、また水蒸気分圧を露点計によりそれぞれ測定
し、水素濃度＝水素分圧／（水素分圧＋二酸化炭素分圧＋水
蒸気分圧）として算出した値である。なお、空気電極に備えた空気
通路、および燃料電極に備えた燃料ガス通路は共に同一
寸法に形成されており、その幅および深さは、いずれも
1.0 mm および 0.8 mm である。また、これらのガス通
路の本数密度はいずれも均一で、１ｍ当たり 500本であ
る。また、運転条件は、水素利用率 80％、酸素利用率
50 ％、平均負荷電流密度 300〔mA/cm²〕である。ま
た、水素濃度は、第１セルと第８セル、第２セルと第７
セル、第３セルと第６セル、第４セルと第５セルが同等
で、冷却板間の中央に位置する第４セルと第５セルの境
界面に関して上下対称な分布となった。

【０００７】図９に見られるように、冷却板に隣接する
第１セルおよび第８セルでは水素濃度の最低値が約 20
％であるのに対して、冷却板間の中央部の第４セルおよ
び第５セルの燃料ガス通路の出口の一部で、10.5％程度
まで水素濃度が低下している部分が存在することがわか
る。水素利用率 80 ％で運転する場合、燃料電池積層体
の排ガスの平均水素濃度は約 23 ％であるから、上記の
10.5％の水素濃度は極端に低い濃度であり、この近傍領
域では発電電流密度も相当低下しているものと考えられ
る。

【０００８】以上のように、リン酸型燃料電池積層体で
は水素利用率が通常 80 ％以上と高いため、積層されて
いる一部のセルへの燃料分配比が 2〜3 ％程度でも低下
すると、そのセルの燃料利用率が増加し、電極面内で水
素濃度や電流密度が著しく低下して、燃料電池積層体の
運転が不安定になるという問題があった。この発明は、
上記のごとき従来技術の難点を考慮してなされたもの
で、燃料電池積層体を構成する各セルへのガス供給量の
均一化が図られ、各セルのガス利用率が均一化されて、
安定した運転が可能な燃料電池積層体を提供することを
目的とする。

【０００９】

【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、平板状の電解質層の両主面に
燃料電極と空気電極を配して形成した燃料電池を複数個
積層して積層ブロックを構成し、さらにこの積層ブロッ
クを冷却板を介装して積層し、燃料電極に備えたガス通
路に還元剤ガスを、また空気電極に備えたガス通路に酸
化剤ガスを供給し、その反応エネルギ−を電気化学的な
作用により電力に変換する燃料電池積層体において、（１）積層ブロックの隣接する２個の燃料電池に同一本
数密度のガス通路を備え、かつ、冷却板からより隔たっ
た位置にある燃料電池のガス通路の断面積を、もう一方
の燃料電池のガス通路の断面積よりも大きくする。

【００１０】（２）または、積層ブロックの隣接する２
個の燃料電池に同一断面積のガス通路を備え、かつ、冷
却板からより隔たった位置にある燃料電池のガス通路の
本数密度を、もう一方の燃料電池のガス通路の本数密度
よりも大きくする。このように冷却板からより隔たって
配される燃料電池のガス通路の断面積、あるいは本数密
度を増加させれば、これらの燃料電池のガス通路の流体
抵抗が低減するので、冷却板からより隔たって配される
ことによって冷却板に近接した燃料電池に比べて温度が
相対的に高くなっても、この燃料電池のガス入口−出口
での圧力損失の増大は抑制されることとなる。したがっ
て、燃料ガス、あるいは酸化剤ガスは、積層ブロック内
の各燃料電池により均一に分散されて供給され、ほぼ同
程度のガス利用率で使用され、燃料電池積層体の出力安
定化が図られることとなる。

【００１１】

【発明の実施の形態】以下、本発明のリン酸型の燃料電
池積層体の実施例について図面を用いて説明する。＜実施例１＞図１は、本発明の第１の実施例における燃
料電池積層体の要部の構成、すなわち冷却板に挟まれて
配された積層ブロックの構成を模式的に示す斜視図であ
る。本構成と図６に示した従来例の構成との差異は積層
された８個のセルの燃料電極のガス通路の幅にあり、従
来の構成ではいずれのセルのガス通路も同一の幅を有し
ていたのに対して、本実施例の構成においては、冷却板
１０より隔たった位置に組み込まれたセルほど幅の広い
ガス通路を備えているのが特徴である。

【００１２】図２は、上記の積層ブロックの各セルの燃
料電極のガス通路幅の分布を示す特性図である。図に見
られるように、第１セル３１と第８セル３８、第２セル
３２と第７セル３７、第３セル３３と第６セル３６、第
４セル３４と第５セル３５の燃料電極のガス通路の幅
は、それぞれ同一に形成されており、順に0.955 mm、0.
99 mm 、1.025 mm、1.04 mm である。ガス通路の深さは
いずれも0.80 mm と同一であり、またガス通路の本数密
度も、いずれも１ｍあたり 500本と均一である。なお、
空気電極側に設けられたガス通路は、８個の燃料電池の
すべてについて同一で、ガス通路幅は１ mm 、ガス通路
の深さは0.80 mm 、ガス通路の本数密度は１ｍあたり 5
00本である。

【００１３】このように構成した燃料電池積層体を、水
素利用率 80 ％、酸素利用率 50 ％、平均負荷電流密度
300〔mA/cm²〕で運転した。燃料ガスとしては水素 65
％と二酸化炭素 17 ％、水蒸気 18 ％の混合ガスを、ま
た酸化剤ガスとしては空気を用いた。なお、燃料電池の
電極面積は0.49ｍ²(0.7ｍ× 0.7ｍ) である。図３は、
本発電運転における燃料出口側の端面における水素濃度
分布の測定結果を示す特性図である。水素濃度分布の測
定方法は図９の従来例において説明した通りである。得
られた図３の結果を従来例の図９と比較すると、従来例
において 10.5 ％程度に低下していた第４セル、第５セ
ルの水素濃度の最低値が約 15％に増加しており、本実
施例のごとく燃料電極のガス通路の幅を選定することに
より、局部的な水素濃度や電流密度の低下が回避され、
各セルへのガス供給量の均一化が図られ、安定した運転
が可能となることが分かる。＜実施例２＞本実施例の基本構成は、図６に示した従来
例、あるいは図１に示した第１の実施例と同一である。
第１の実施例では積層ブロックの各セルの燃料電極のガ
ス通路の幅が冷却板より隔たるほど幅広に形成されてい
たのに対して、本実施例では、各セルの燃料電極のガス
通路の幅および深さは同一とし、ガス通路の本数密度を
冷却板より隔たったセルほど密に配置して構成した点が
特徴である。

【００１４】図４は、本実施例の積層ブロックにおける
各セルの燃料電極のガス通路の本数密度の分布を示す特
性図である。図に見られるように、本実施例の燃料電極
のガス通路の本数密度は、第１セルと第８セル、第２セ
ルと第７セル、第３セルと第６セル、第４セルと第５セ
ルでそれぞれ同一であり、順に 480〔本／ｍ〕、 495
〔本／ｍ〕、 512〔本／ｍ〕、 520〔本／ｍ〕である。
なお、燃料電極のガス通路の形状はいずれも深さが 0.8
mm 、幅が 1.0 mm と同一であり、また、空気電極側の
ガス通路も、第１の実施例と同様に、幅が１ mm 、深さ
が0.80 mm で、ガス通路の本数密度は１ｍあたり 500本
である。

【００１５】このように構成した燃料電池積層体を、第
１の実施例と同一の、水素利用率 80 ％、酸素利用率 5
0 ％、平均負荷電流密度 300〔mA/cm²〕の条件で運転
し、燃料出口側の端面における水素濃度分布を測定し
た。測定された結果は、図３に示した第１の実施例の測
定結果と同等であり、燃料電極のガス通路の本数密度の
選定により、局部的な水素濃度や電流密度の低下が回避
され、各セルへのガス供給量の均一化が図られ、安定し
た運転が可能となることが分かる。

【００１６】なお、上記の二つの実施例では、いずれの
場合にも燃料電極のガス通路について通路の幅すなわち
通路断面積、あるいは本数密度を調整することとし、空
気電極側のガス通路はいずれのセルについても同一とし
ているが、空気電極側のガス通路についても通路断面
積、あるいは本数密度を調整することによりガス供給の
安定化が図られる。すなわち、通常のリン酸型燃料電池
では酸素利用率が一般に50 〜 60 ％と低いために流量
の偏りが生じにくいが、酸素利用率が高く、燃料側と同
様の問題が生ずる場合には、冷却板間でガス通路断面積
または本数密度に分布をつけることにより、同様の安定
化が図られることは容易に類推される。

【００１７】また、上記の二つの実施例におけるガス通
路は、図５に示したセルの構成において空気極電極５お
よび燃料極電極６に備えた空気通路１１および燃料ガス
通路１２に限るものでなく、空気極電極５、燃料極電極
６に代わって空気極リン酸貯蔵板７、燃料極リン酸貯蔵
板８にガス通路を備える構成においても、ガス通路の断
面積や本数密度の制御により同様の安定化を図ることが
可能であることは言うまでもない。

【００１８】

【発明の効果】上述のように、この発明によれば、平板
状の電解質層の両主面に燃料電極と空気電極を配して形
成した燃料電池を複数個積層して積層ブロックを構成
し、さらにこの積層ブロックを冷却板を介装して積層
し、燃料電極に備えたガス通路に還元剤ガスを、また空
気電極に備えたガス通路に酸化剤ガスを供給し、その反
応エネルギ−を電気化学的な作用により電力に変換する
燃料電池積層体において、（１）積層ブロックの隣接す
る２個の燃料電池に同一本数密度のガス通路を備え、か
つ、冷却板からより隔たった位置にある燃料電池のガス
通路の断面積を、もう一方の燃料電池のガス通路の断面
積よりも大きくするか、（２）あるいは、積層ブロック
の隣接する２個の燃料電池に同一断面積のガス通路を備
え、かつ、冷却板からより隔たった位置にある燃料電池
のガス通路の本数密度を、もう一方の燃料電池のガス通
路の本数密度よりも大きくすることとしたので、積層さ
れた各燃料電池へのガス供給量の均一化が図られ、各燃
料電池のガス利用率が均一化されて、電極面内における
水素濃度の局部的な低下が回避され、安定して運転され
る燃料電池積層体が得られることとなった。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施例における燃料電池積層体
の要部の構成を模式的に示す斜視図

【図２】本発明の第１の実施例における燃料電池積層体
の積層ブロックの各セルの燃料電極のガス通路幅の分布
を示す特性図

【図３】本発明の第１の実施例における燃料電池積層体
の発電運転における燃料出口側の端面における水素濃度
分布の測定結果を示す特性図

【図４】本発明の第２の実施例における燃料電池積層体
の積層ブロックにおける各セルの燃料電極のガス通路の
本数密度の分布を示す特性図

【図５】燃料電池の基本構成例を示すリン酸型燃料電池
の単セルの斜視図

【図６】従来の技術による燃料電池積層体の要部の構成
を模式的に示す斜視図

【図７】燃料電池積層体への燃料ガスと空気の供給方法
を示す平面図

【図８】８個のセルを冷却板間に配して構成した積層ブ
ロックよりなる燃料電池積層体について、数値シミュレ
−ションを行い、求めた燃料ガス通路入口における燃料
分配比の分布図

【図９】８個のセルで構成した積層ブロックよりなるリ
ン酸型燃料電池積層体について測定した燃料ガス通路の
出口側端面における水素濃度分布を示す特性図

【符号の説明】

１セル２電解質層３空気極触媒層４燃料極触媒層５空気極電極６燃料極電極７空気極リン酸貯蔵板８燃料極リン酸貯蔵板９ガス分離板１０冷却板１１空気通路１２燃料ガス通路３１第１セル３２第２セル３３第３セル３４第４セル３５第５セル３６第６セル３７第７セル３８第８セル

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】平板状の電解質層の両主面に燃料電極と空
気電極を配してなる燃料電池を複数個積層して積層ブロ
ックを構成し、さらに該積層ブロックを冷却板を介装し
て積層し、燃料電極に備えたガス通路に還元剤ガスを、
また空気電極に備えたガス通路に酸化剤ガスを供給し、
その反応エネルギ−を電気化学的な作用により電力に変
換する燃料電池積層体において、前記積層ブロックの隣接する２個の燃料電池が同一本数
密度のガス通路を備えてなり、かつ、冷却板からより隔
たった位置にある燃料電池のガス通路の断面積が、もう
一方の燃料電池のガス通路の断面積よりも大きいことを
特徴とする燃料電池積層体。
【請求項２】平板状の電解質層の両主面に燃料電極と空
気電極を配してなる燃料電池を複数個積層して積層ブロ
ックを構成し、さらに該積層ブロックを冷却板を介装し
て積層し、燃料電極に備えたガス通路に還元剤ガスを、
また空気電極に備えたガス通路に酸化剤ガスを供給し、
その反応エネルギ−を電気化学的な作用により電力に変
換する燃料電池積層体において、前記積層ブロックの隣接する２個の燃料電池が同一断面
積のガス通路を備えてなり、かつ、冷却板からより隔た
った位置にある燃料電池のガス通路の本数密度が、もう
一方の燃料電池のガス通路の本数密度よりも大きいこと
を特徴とする燃料電池積層体。
【請求項３】前記燃料電池の電解質層がリン酸を保持し
た層よりなることを特徴とする請求項１または２に記載
の燃料電池積層体。