JPS6280967A - 燃料電池 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は燃料の有する化学エネルギーを直接電気エネル
ギーに変換させるエネルギ一部門で用いる燃料電池に関
するもので、特に、電解質板の両面を酸素極と燃料極で
挾み、酸素極側に酸化ガスを、燃料極側に燃料ガスをそ
れぞれ流せるようにするガスの出入口部に特徴をもたせ
た内部マニホールド型の燃料電池に関するものである。

［従来の技術］ 燃料電池は、電解質板を酸素極と燃料極とにζり両面か
ら挾み、各電極に酸化ガスと燃料ガスを供給することに
より酸素極と燃料極との間で発生する電位差により発電
が行われるようにしたユニットを、セパレータを介して
複数層に積層させた構成としておる。

従来、かかる燃料電池において、電解質板を挾んで酸素
極側に供給する酸化ガスと燃料極側に供給する燃料ガス
の流れ形式によって、直交流型、対向流型、並行流型の
燃料電池に分けられていた。

そのうちの並行流型燃料電池は、第４図に示す如く、電
解質板１を上下両面から酸素極２と燃料極３とにより挾
んでなるユニットを、セパレータ４を介して積層させた
構成において、各層の酸素極２側に供給する酸化ガスＯ
Ｇと燃料極側３に供給される燃料ガス「Ｇとが電解質板
１を挾んで同一方向へ並行に流れるようにセパレータ４
のガス通路５，６の向きを定めると共に、該セパレータ
４を挾んで流れる酸化ガスＯＧと燃料ガスＦＧも上記と
同一の方向へ並行して流れるようにしである。

そのために、従来の並行流型燃料電池では、第５図及び
第６図に一例を示す如く、電解質板１とセパレータ４、
及び電極２，３がセパレータ４により電解質板１へ押し
付は過ぎるのを防止すると共に酸化ガスＯＧ及び燃料ガ
スＦＧをセパレータ４両面に沿い流すようにするための
酸素極側スペーサ７、燃料極側スペーサ８の各周辺部の
一側に、酸化ガスＯＧの供給流路孔９と燃料ガスＦＧの
供給流路孔１０のみを適宜の間隔で交互に設けると共に
、上記周辺部の他側に、酸化ガスＯＧの排出流路孔１１
と燃料ガスＦＧの排出流路孔１２のみを適宜の間隔で交
互に設けている。更に、各層において各セパレータ４の
両面に酸化ガスＯＧと燃料ガスＦＧとを供給して排出で
きるようにするため、各層の酸素極側スペーサ７に設け
られたすべての酸化ガス供給流路孔９及び各酸化ガス排
出流路孔１１の部分に切欠１３．１４を設け、酸素極側
スペーサ７の個所で供給側の酸化ガスＯＧのみがすべて
セパレータ４のガス通路５に導かれた後、排出流路孔１
１に流出させられるようにしである。同様に各位の燃料
極側スペーサ８に設けられたすべての燃料ガス供給通路
孔１０及び各燃料排出流路孔１２の部分には切欠１５．
１Ｂを設け、燃料極側スペーサ７の個所では燃料ガスＦ
Ｇのみがすべての供給流路孔１０からすべての排出流路
孔１２へ流されるようにしである。

［発明が解決しようとする問題点］ ところが、並行流型燃料電池では、酸化ガスＯＧと燃料
ガスＦＧがセパレータ４及び電解質板１を挾んで並行に
供給側から排出側へ流れる間に、セパレータ４を介して
酸化ガスと燃料ガスとの熱交換によって両ガスの温度差
はほとんどなく、流れ方向に進むに従って電解質板１か
らの発熱によって電解質板（電極もほぼ同一温度）、酸
化ガス、燃料ガス及びセパレータの各温度は一環に増加
し、電ｗｌ−質板１の全平面では、両ガスの排出側に高
温部が発生し、両ガスの入口側では温度が低く、排出側
で温度が高いという温度分布となる。これに伴ない発電
電流密度分布も電解質板全面で均一化できず、効率が低
下する。

上記のように電解質板の入口側と排出側で大きな温度勾
配が生ずると、電解質板の熱応力が大きく、又、寿命短
縮する。

そこで、本発明は、かかる問題を解消するため、電解質
板全平面において温度差が生じることを少なくして温度
分布の均一化を図ると共に電流密度分布を電解質板の全
平面で均一化した高い電池性能が得られるようにしよう
とするものである。

［問題点を解決するための手段］ 本発明は、電解質板の両面を酸素極と燃料極で挾むよう
に構成された単セルの酸素極側に酸化ガスを、又、燃料
極側に燃料ガスを流すようにしたユニットを、セパレー
タを介して積層させた燃料電池において、上記電解質板
、セパレータの周辺部一側と該一側と対向する他側に、
それぞれ酸化ガス及び燃料ガスの各供給流路孔と排出流
路孔とを設け、且つ上記セパレータを挾んで流れる酸化
ガスと燃料ガスは並行流となり且つ上記電解質板を挾ん
で流れる酸化ガスと燃料ガスは対向流となるよう隣接す
る各段ごとに各セパレータの周辺部に設けられた各々相
対向する酸化ガスの供給流路孔及び排出流路孔と燃料ガ
スの供給流路孔及び排出流路孔とをセパレータ中央部の
ガス通路に交互に開口させた構成とする。

［作　　用］ 電解質板を挾んで流れる酸化ガスと燃料ガスは対向する
位置の各供給流路孔からセパレータに沿って流されて対
向流となる。これにより酸化ガスと燃料ガスの組成比を
電解質板の全平面で均一に保つことができ、電解質板の
全面をその最高性能で利用できて高い電流密度が得られ
る。又、セパレータを挾んで流れる酸化ガスと燃料ガス
は並行流となるので電解質板全面を最適な温度に均一化
させることができる。

［実　施　例］ 以下、本発明の実施例を図面を参照して説明する。

第１図は本発明の一実施例を示すもので、第５図及び第
６図と同様に電極に対応する中央部を切り後いて空間部
としである酸素極スペーサ７と燃料極側スペーサ８を電
解質板１とセパレータ４との間に介在させて使用し、セ
パレータ４の中央部の凹凸が電極２，３を強く押し付け
ることがないようにしである燃料電池において、各層の
電解質板１、セパレータ４、酸素極側スペーサ７ａ、７
ｂ及び燃料極側スペーサ８ａ、８ｂのそれぞれの周辺部
の一側に、酸化ガスの供給流路孔９及び排出流路孔１１
、燃料ガスの供給通路孔１０及び排出流路孔１２とをそ
れぞれ適宜間隔で設けると共に、相対向する周辺部の弛
側にも、上記各流路孔９，１１．１０．１２を適宜間隔
で設ける。

上記セパレータ４を挾んで流れる酸化ガス０Ｇ−１，０
Ｇ−２と燃料ガスＦＧ−１，ＦＧ−２が並行流となるよ
うにし且つ電解質板１を挾んで流れる酸化ガス０Ｇ−１
，０Ｇ−２と燃料ガスＦＧ−１，ＦＧ−２とは互に反対
方向の流れとなる対向流となるようにそれぞれガスが流
せるようにするため、電解質板１の上方に直上方に位置
する酸素極側スペーサ７ａの周辺部一側に設けられた酸
化ガス排出流路孔１１のみを中央部の空間に開口させる
ための切欠１３を設けると共に、相対する周辺部他側に
設けられた燃料ガス排出流路孔１２のみを中央部の空間
に開口する切欠１５を設けると共に、相対する周辺部他
側に設けられた燃料ガス供給流路孔１０のみが中央部の
空間に開口する切欠１６を設ける。

一方、電解質板１の直下方に位置する燃料極側スペーサ
８ｂでは、周辺一側に設けられている燃料ガス供給流路
孔１０のみを中央部の空間に開口させる切欠１６を設け
ると共に、相対する周辺部他側に設けられている。燃料
ガス排出流路孔１２のみを中央部の空間に開口させる切
欠１５を設け、又、上記燃料極側スペーサ８ｂの下方に
位置する酸素極側スペーサ７ｂでは、周辺部一側に設け
られている酸化ガス供給流路孔９のみを中央部の空間に
開口させる切欠１４を設けると共に、相対する周辺部他
側に設けられている酸化ガス排出流路孔１１のみを中央
部の空間に開口させる切欠１３を設ける。

上記各酸化ガス供給流路孔９及び排出流路孔１１と燃料
ガス供給流路孔１０及び排出流路孔１２には、燃料電池
の外部に配した配管に接続される。

電解質板１、セパレータ４、スペーサ７ａ、７ｂ　。

８ａ、８ｂの各周辺部の相対向する位置に設けられてい
る各酸化ガス供給流路孔９に外部から酸化ガスを導入し
、又、各燃料ガス供給流路孔１０に外部から燃料ガスを
導入すると、成る段のセパレータ４を挾んで流れる酸化
ガス０Ｇ−１又は０Ｇ−２と燃料ガスＦＧ−１又はＦＧ
−２は矢印で示す如く同一方向に流れる並流となるが、
電解質板１を挾んで流れる酸化ガス０Ｇ−１と燃料ガス
［Ｇ−１あるいは０Ｇ−２とＦＧ−２は互に反対方向に
流れる対向流となる。すなわち、上記両ガスの流れ方向
は、ガスの流れのみを示す第２図のようになる。これに
より、電解質板１の両面では酸化ガスと燃料ガスとが対
向流となることから、燃料ガスと酸化ガスの組成比を電
解質板１の全平面で均一化させることができ、又、セパ
レータ４を挾んで酸化ガス０Ｇ−１又は０Ｇ−２及び燃
料ガスＦＧ−２又はＦＧ−１が並行流となるので電解質
板１全面を最適な温度に均一化させることができる。こ
のように、本発明では、対向流の特長と並行流の特長を
同時に得られて第３図に示す如き温度分布、電流密度分
布となる。すなわち、１つのセパレータ４を挾んで流れ
る酸化ガス０Ｇ−２と燃料ガスＦＧ−１は入口部ａから
曲線■で示す如く一様に昇温される。一方、隣接する他
のセパレータ４を挾んで流れる酸化ガス０Ｇ−１と燃料
ガスＦＧ−２は、排出側から入口部すに向けて曲線■で
示す如く逆に流れ方向距離Ｘにつれて一様に降温して行
く。

電解質板１の温度は、電解質板１を挾んで流れる酸化ガ
ス０Ｇ−１と燃料ガスＦＧ−１の温度が対向して流れる
ので、両ガスの平均温度に近くなり、はぼ平坦な温度分
布を得ることができる。

電流密度は、曲線■で示す如く、電解質板１の温度が均
一であり、且つガス組成比がほぼ均一であることからほ
とんど電解質板温度と同一の平坦化された分布となる。

上記においては、酸化ガス０Ｇ−１，０Ｇ−２、燃料ガ
スＦＧ−１，ＦＧ−２の入口温度を適当に選ぶことで電
解質板１の全面がその最適作動温度に維持されるので、
全面での発電量が高い値に維持できる。又、電解質板１
、酸素極２、燃料極３及びセパレータ４が第３図に示す
如く全面でほぼ均一温度となり、熱応力が発生しにくく
耐久性のある電池が得られる。

なお、本発明は上記実施例のみに限定されるものではな
い。たとえば、スペーサ７ａ、　７ｂ、　８ａ。

８ｂを用いて、これに切欠１３．１４．１５．１６を設
けてガスがセパレータ４のガス通路と、各ガスの供給流
路孔及び排出流路孔とを連通させるようにした場合を例
示したが、セパレータ４自体に切欠溝を設けてガスの各
流路孔とセパレータのガス通路とを連通させるようにし
てもよく、又、切欠１３．１４．１５．１６の各形状、
数は図示以外のものでもよい。

［発明の効果］ 以上述べた如く本発明の燃料電池によれば、セパレータ
に沿って流される酸化ガスと燃料ガスの流れ方向を各段
で異なるように規制するため、各ガスの供給通路孔と排
出流路孔を定め、常にセパレータを挾んで流れる酸化ガ
スと燃料ガスは並行流となり、電解質板を挾んで流れる
酸化ガスと燃料ガスは対向流となるようにしであるので
、次の如き優れた効果を秦し得る。

（１）電解質板がその全面で最適温度に均一化され、且
つ燃料ガスと酸化ガスの組成比を均一に保つことができ
るので、電解質板の全面をその最高性能で利用でき、高
い電流密度が得られて燃料電池の高性能化が図れる。

（ｎ）　　電解質板から生ずる反応熱の除去に対して燃
料ガスと酸化ガスの流量を反応に必要な最小流量に抑え
ることができるので、動力を小さくでき高効率化が図れ
る。

（２）電流密度が均一であるため、電解質板の損耗が局
部的に大きくならず、電池の長寿命化が図れる。

ＯＶ）　　電池を構成する電解質板、電極、セパレータ
の温度分布が小さいため熱応力が発生しにくいと共に、
ホットスポットが電解質板に生じにくいため。電解質板
の破損等が起こりにくく、電池の性能の安定化、信頼性
が高い。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例を示す説明用斜視図、第２図
は本発明により得られるガスの流れを示す斜視図、第３
図は第２図の如きガスの流れ型式の場合の温度、電流密
度の分布を示す図、第４図は並行流型燃料電池のガス流
れを示す斜視図、第５図は第４図の如きガス流れを実現
する従来のガス出入口部の一例を示す斜視図、第６図は
従来の並行流型燃料電池の断面図である。 １は電解質板、２は酸素極、３は燃料極、４はセパレー
タ、７．７ａ、　７ｂは酸素極側スペーサ、８、８ａ、
　８ｂは燃料極側スペーサ、９は酸化ガス供給流路孔、
１０は燃料ガス供給流路孔、１１は酸化ガス排出流路孔
、１２は燃料ガス排出流路孔を示す。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １）電解質板の両面を酸素極と燃料極で挾むように構成
   された単セルの酸素極側に酸化ガスを、又、燃料極側に
   燃料ガスを流すようにしたユニットを、セパレータを介
   して積層させた燃料電池において、上記電解質板、セパ
   レータの周辺部一側と該一側と対向する他側に、それぞ
   れ酸化ガス及び燃料ガスの各供給流路孔と排出流路孔と
   を設け、且つ上記セパレータを挾んで流れる酸化ガスと
   燃料ガスは並行流となり且つ上記電解質板を挾んで流れ
   る酸化ガスと燃料ガスは対向流となるよう隣接する各段
   ごとに各セパレータの周辺部に設けられた各々相対向す
   る酸化ガスの供給流路孔及び排出流路孔と燃料ガスの供
   給流路孔及び排出流路孔とをセパレータ中央部のガス通
   路に交互に開口させたことを特徴とする燃料電池。