JP2866034B2 - 燃料電池 - Google Patents
燃料電池Info
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- JP2866034B2 JP2866034B2 JP7232311A JP23231195A JP2866034B2 JP 2866034 B2 JP2866034 B2 JP 2866034B2 JP 7232311 A JP7232311 A JP 7232311A JP 23231195 A JP23231195 A JP 23231195A JP 2866034 B2 JP2866034 B2 JP 2866034B2
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- gas flow
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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)
Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は燃料電池に関し、特に溶
融炭酸塩型燃料電池の燃料ガスと酸化剤ガスとが直交方
向であるガス流路構造を有する燃料電池に係る。
融炭酸塩型燃料電池の燃料ガスと酸化剤ガスとが直交方
向であるガス流路構造を有する燃料電池に係る。
【０００２】
【従来の技術】燃料電池に供給するガス流量を調節する
ものとして、特開昭63−116368号，特開昭56−168364号
がある。前者の発明は、反応ガスの濃度面から燃料ガス
を反応の活発な領域、すなわち酸化剤ガス入口側に多く
流し、反応が比較的活発でない領域、すなわち酸化剤ガ
ス出口側には少ない流量を流すことにより、燃料の無駄
をなくし燃料の利用率を面内で均一にし、ガス不足領域
を生じないことを狙ったものが記載されている。後者は
酸化剤ガス側にも流量分布をつけ、反応分布を均一化し
ようとするものである。
ものとして、特開昭63−116368号，特開昭56−168364号
がある。前者の発明は、反応ガスの濃度面から燃料ガス
を反応の活発な領域、すなわち酸化剤ガス入口側に多く
流し、反応が比較的活発でない領域、すなわち酸化剤ガ
ス出口側には少ない流量を流すことにより、燃料の無駄
をなくし燃料の利用率を面内で均一にし、ガス不足領域
を生じないことを狙ったものが記載されている。後者は
酸化剤ガス側にも流量分布をつけ、反応分布を均一化し
ようとするものである。
【０００３】特開平1−63272号はガス流路面内に設けら
れた流路構成要素であるリブの配置に関するもので、流
れ方向に対してリブに角度をつけることにより、任意の
方向にガスを流して温度の均一化や反応の均一化を図ろ
うとするものであり、また、流路抵抗を変化させて、ア
ノード，カソード両電極間の圧力差を低減するものであ
る。
れた流路構成要素であるリブの配置に関するもので、流
れ方向に対してリブに角度をつけることにより、任意の
方向にガスを流して温度の均一化や反応の均一化を図ろ
うとするものであり、また、流路抵抗を変化させて、ア
ノード，カソード両電極間の圧力差を低減するものであ
る。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】特開昭63−116368号，
特開昭56−168364号等の発明では、温度分布を均一にす
ることは考慮されておらずセル内の温度差の低減には寄
与しない。すなわち温度分布は電流密度分布あるいは周
囲との熱伝達とガスの流路形式（特に酸化剤ガス側）に
よって定まる。そのうち電流密度分布は燃料ガスの流れ
方向に沿って変化し、その水素濃度の低下とともに電流
密度が低下することは避けられず、従って燃料ガス入口
側は出口側に比べて、電流密度は高くなり、また発熱密
度も入口ほど高くなる。また、共に燃料ガスに流量分布
をつけている記載がある。
特開昭56−168364号等の発明では、温度分布を均一にす
ることは考慮されておらずセル内の温度差の低減には寄
与しない。すなわち温度分布は電流密度分布あるいは周
囲との熱伝達とガスの流路形式（特に酸化剤ガス側）に
よって定まる。そのうち電流密度分布は燃料ガスの流れ
方向に沿って変化し、その水素濃度の低下とともに電流
密度が低下することは避けられず、従って燃料ガス入口
側は出口側に比べて、電流密度は高くなり、また発熱密
度も入口ほど高くなる。また、共に燃料ガスに流量分布
をつけている記載がある。
【０００５】また、流量分布をつける手段として、流路
の断面積を流路幅や流路高さを変えることを提示してい
る。
の断面積を流路幅や流路高さを変えることを提示してい
る。
【０００６】流路幅が面内で変わると電極と仕切板間の
接触面積が均一でなくなり、電流分布が変化する可能性
がある。また、流路高さを変えることは仕切板を含む流
路構造が製作上、非常に難しくなり、コスト増につなが
ってしまうし、電極に対して面内で均一な面圧を得るこ
とがより困難になる。
接触面積が均一でなくなり、電流分布が変化する可能性
がある。また、流路高さを変えることは仕切板を含む流
路構造が製作上、非常に難しくなり、コスト増につなが
ってしまうし、電極に対して面内で均一な面圧を得るこ
とがより困難になる。
【０００７】また、リブ角度により、面内のガス流れ方
向が異なるようにするとガス流れのよどみ部や低流速、
低流量領域の発生による反応ガス不足が生じやすくな
る。
向が異なるようにするとガス流れのよどみ部や低流速、
低流量領域の発生による反応ガス不足が生じやすくな
る。
【０００８】本発明は以上の点に鑑みなされたものであ
り、流路高さや電極との接触面積や接触面圧を面内で実
質均一に保ったまま、流量分布を作り出せ、セルの温度
分布の均一化を図る燃料電池を提供することを目的とす
る。他の目的として前記目的を同一の流路構成部材のみ
で前記燃料電池を達成することを目的とする。
り、流路高さや電極との接触面積や接触面圧を面内で実
質均一に保ったまま、流量分布を作り出せ、セルの温度
分布の均一化を図る燃料電池を提供することを目的とす
る。他の目的として前記目的を同一の流路構成部材のみ
で前記燃料電池を達成することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】前記目的は、電解質板、
該電解質板を挾持するアノード及びカソード極からなる
単位電池、該単位電池はセパレータを介して積層されて
なり、前記アノード或いはカソード極と隣接するセパレ
ータとの間には燃料ガス或いは酸化剤ガスが流通するガ
ス流路面が形成され、該ガス流路面には支持材が介在さ
れてなり、前記燃料ガスと酸化剤ガスとの流れ方向は実
質直交してなる燃料電池において、前記燃料ガス流路面
と酸化剤ガス流路面の少なくとも一方の前記支持材は突
起部を有する板からなり、該突起部は投影面積が大きい
方向と小さい方向とを有し、前記流路面に、ガス流れ方
向に対し前記投影面積が大きい方向を対向させた投影面
積大領域とを有し、前記投影面積が小さい方向を対向さ
せた投影面積小領域とを有し、前記投影面積大領域及び
前記投影面積小領域は酸化剤ガス流れ方向に対し平行に
区切られてなることで達成できる。本発明により、ガス
流路面を仕切板等で区切ることなく面内の流量を調整で
きる。また、ガスの実質の流れ方向を入口側から出口側
まで同じ方向にすることができる。ガス流れを湾曲させ
てガスを流すのに対し、面内の大きなガスのよどみ或い
は集中を防ぐことができるので積層した燃料電池におい
ても各電池ごとにガスの流量分布を調整することを容易
に行うことができる。
該電解質板を挾持するアノード及びカソード極からなる
単位電池、該単位電池はセパレータを介して積層されて
なり、前記アノード或いはカソード極と隣接するセパレ
ータとの間には燃料ガス或いは酸化剤ガスが流通するガ
ス流路面が形成され、該ガス流路面には支持材が介在さ
れてなり、前記燃料ガスと酸化剤ガスとの流れ方向は実
質直交してなる燃料電池において、前記燃料ガス流路面
と酸化剤ガス流路面の少なくとも一方の前記支持材は突
起部を有する板からなり、該突起部は投影面積が大きい
方向と小さい方向とを有し、前記流路面に、ガス流れ方
向に対し前記投影面積が大きい方向を対向させた投影面
積大領域とを有し、前記投影面積が小さい方向を対向さ
せた投影面積小領域とを有し、前記投影面積大領域及び
前記投影面積小領域は酸化剤ガス流れ方向に対し平行に
区切られてなることで達成できる。本発明により、ガス
流路面を仕切板等で区切ることなく面内の流量を調整で
きる。また、ガスの実質の流れ方向を入口側から出口側
まで同じ方向にすることができる。ガス流れを湾曲させ
てガスを流すのに対し、面内の大きなガスのよどみ或い
は集中を防ぐことができるので積層した燃料電池におい
ても各電池ごとにガスの流量分布を調整することを容易
に行うことができる。
【００１０】本発明の燃料電池は前記支持材を有するこ
とにより、所定のガス通路前を構成し、通路面の機械的
強度を保ち、かつ電極と仕切板間の電気的導通を良好に
するために、前記仕切板と電極の両方に充分な接触部を
持つことができる。
とにより、所定のガス通路前を構成し、通路面の機械的
強度を保ち、かつ電極と仕切板間の電気的導通を良好に
するために、前記仕切板と電極の両方に充分な接触部を
持つことができる。
【００１１】通路の高さ、電極および仕切板との単位面
積あたりの接触面積を変えることなく前記突起部を有す
る支持材の配置をガス流れ方向からみた、前記支持材の
投影面積が大きくなる投影面積大領域と、小さくなる投
影面積小領域とを面内に少なくとも２つ組み合わせたこ
とを特徴とすることができる。
積あたりの接触面積を変えることなく前記突起部を有す
る支持材の配置をガス流れ方向からみた、前記支持材の
投影面積が大きくなる投影面積大領域と、小さくなる投
影面積小領域とを面内に少なくとも２つ組み合わせたこ
とを特徴とすることができる。
【００１２】本発明は、前記燃料ガス流路面と酸化剤ガ
ス流路面の少なくとも一方の前記支持材は突起部を有す
る板からなり、該突起部は湾曲或いは屈曲部を有する板
状であり、且つ該突起部は正面と側面とで投影面積が異
なり、前記正面は実質突起部の幅及び高さで規定される
前記投影面積を有し、前記側面は実質突起部の幅及び板
厚で規定される前記投影面積を有し、前記流路面に、ガ
ス流れ方向に対し前記正面を向くように前記突起を配置
した正面突起領域（投影面積大領域、或いは第１の流路
構成体ともいう）、及び前記側面を向くように前記突起
を配置した側面突起領域（投影面積小領域、或いは第２
の流路構成体ともいう）を有することを特徴とする。
ス流路面の少なくとも一方の前記支持材は突起部を有す
る板からなり、該突起部は湾曲或いは屈曲部を有する板
状であり、且つ該突起部は正面と側面とで投影面積が異
なり、前記正面は実質突起部の幅及び高さで規定される
前記投影面積を有し、前記側面は実質突起部の幅及び板
厚で規定される前記投影面積を有し、前記流路面に、ガ
ス流れ方向に対し前記正面を向くように前記突起を配置
した正面突起領域（投影面積大領域、或いは第１の流路
構成体ともいう）、及び前記側面を向くように前記突起
を配置した側面突起領域（投影面積小領域、或いは第２
の流路構成体ともいう）を有することを特徴とする。
【００１３】実質突起部の幅及び高さで規定される前記
投影面積は、前記突起部を横方向から投影した際に、例
えば最大の投影面積を有するものである。前記実質突起
部の幅及び板厚で規定される前記投影面積は、突起部を
横方向から投影した際に、例えば最小の投影面積を有す
るものである。
投影面積は、前記突起部を横方向から投影した際に、例
えば最大の投影面積を有するものである。前記実質突起
部の幅及び板厚で規定される前記投影面積は、突起部を
横方向から投影した際に、例えば最小の投影面積を有す
るものである。
【００１４】これにより、簡単な構成で前記目的を達成
することができる。
することができる。
【００１５】また、前記酸化剤ガス流路面の前記正面突
起領域及び側面突起領域は酸化剤ガス流れ方向に対し平
行に区切られてなることを特徴とする。
起領域及び側面突起領域は酸化剤ガス流れ方向に対し平
行に区切られてなることを特徴とする。
【００１６】本発明は、実質的なガス流れを、同一方向
にするものであり、ガス流路面内をガスが湾曲した流路
を有するものでない。また、ガス流路面内の反応を均一
にすることもできる。
にするものであり、ガス流路面内をガスが湾曲した流路
を有するものでない。また、ガス流路面内の反応を均一
にすることもできる。
【００１７】また、前記側面突起領域は燃料ガスの入り
口側に配置したことを特徴とする。セル中心より燃料ガ
ス入口側寄りに酸化剤ガス入口から出口にわたり側面突
起領域を配置し、残りの部分を正面突起領域を配置する
ことができる。特に燃料ガス入口側付近にヒートスポッ
トができ易い場合に有効に作用する。
口側に配置したことを特徴とする。セル中心より燃料ガ
ス入口側寄りに酸化剤ガス入口から出口にわたり側面突
起領域を配置し、残りの部分を正面突起領域を配置する
ことができる。特に燃料ガス入口側付近にヒートスポッ
トができ易い場合に有効に作用する。
【００１８】また、前記燃料ガス流路面は前記正面突起
領域からなり、前記酸化剤ガス流路面は前記正面突起領
域及び側面突起領域が酸化剤ガス流れ方向に対し平行に
区切られてなり、前記側面突起領域は燃料ガスの入り口
側に配置したことを特徴とする。
領域からなり、前記酸化剤ガス流路面は前記正面突起領
域及び側面突起領域が酸化剤ガス流れ方向に対し平行に
区切られてなり、前記側面突起領域は燃料ガスの入り口
側に配置したことを特徴とする。
【００１９】基本的には反応ガス（燃料ガス）に流量分
布をつけると、多く流量が流れる領域では、反応量すな
わち電流は益々増加し、逆に流量の少ない流域では、反
応量が益々減少し結果的には電流密度分布が大きくなり
セル性能を低下させてしまうことになる。特に燃料側は
一般的には酸化剤側に比べて流量が少なく利用率が高い
ため、流量分布の不均一がセル性能低下に及ぼす影響は
より顕著となる。本願発明は特に酸化剤ガス流路面を制
御することにより前記不都合を回避することもできる。
布をつけると、多く流量が流れる領域では、反応量すな
わち電流は益々増加し、逆に流量の少ない流域では、反
応量が益々減少し結果的には電流密度分布が大きくなり
セル性能を低下させてしまうことになる。特に燃料側は
一般的には酸化剤側に比べて流量が少なく利用率が高い
ため、流量分布の不均一がセル性能低下に及ぼす影響は
より顕著となる。本願発明は特に酸化剤ガス流路面を制
御することにより前記不都合を回避することもできる。
【００２０】また、前記突起部は突起の上下方向に変形
可能であることを特徴とする。面内の接触を良好にし、
電極板と支持材を直接接触させるような電池構成である
場合にも電極板への応力集中を緩和し良好な電池となる
ことができる。
可能であることを特徴とする。面内の接触を良好にし、
電極板と支持材を直接接触させるような電池構成である
場合にも電極板への応力集中を緩和し良好な電池となる
ことができる。
【００２１】また、前記燃料ガス流路面は、何れか一方
の前記突起領域のみで構成された場合に最も温度の高く
なる領域に、前記側面突起領域が配置されたことを特徴
とする。例えば、ガス流路面内のガス流量に変化を持た
せない場合にヒートスポットのできる部分を前記側面突
起領域とすることにより、効率的に該領域を冷却でき、
温度均一化を図ることができる。
の前記突起領域のみで構成された場合に最も温度の高く
なる領域に、前記側面突起領域が配置されたことを特徴
とする。例えば、ガス流路面内のガス流量に変化を持た
せない場合にヒートスポットのできる部分を前記側面突
起領域とすることにより、効率的に該領域を冷却でき、
温度均一化を図ることができる。
【００２２】具体的には、前記酸化剤ガス流路面を、何
れか一方の前記突起領域のみで構成された場合に最も温
度の高くなる領域に、前記側面突起領域が配置され、前
記酸化剤ガス流路面の他の部分に正面突起領域を有する
ようにすることができる。例えば、上記支持材の配列の
組み合わせを、酸化剤ガス通路側にのみ施し、均一にガ
スが流れたときの温度分布に対応させて最も温度の高い
領域を通過する通路には、ガス流れに対し側面を向くよ
うに配置された突起の割合が最も多くなるように領域を
形成し、通過する領域の温度に対応して温度が低い通路
ほど徐々に正面を向くように配置された突起の占める割
合が側面を向くように配置された突起の割合より大きく
なることを特徴とし、燃料ガス側は正面を向くように配
置された突起からなる正面突起領域で構成されているこ
とができる。
れか一方の前記突起領域のみで構成された場合に最も温
度の高くなる領域に、前記側面突起領域が配置され、前
記酸化剤ガス流路面の他の部分に正面突起領域を有する
ようにすることができる。例えば、上記支持材の配列の
組み合わせを、酸化剤ガス通路側にのみ施し、均一にガ
スが流れたときの温度分布に対応させて最も温度の高い
領域を通過する通路には、ガス流れに対し側面を向くよ
うに配置された突起の割合が最も多くなるように領域を
形成し、通過する領域の温度に対応して温度が低い通路
ほど徐々に正面を向くように配置された突起の占める割
合が側面を向くように配置された突起の割合より大きく
なることを特徴とし、燃料ガス側は正面を向くように配
置された突起からなる正面突起領域で構成されているこ
とができる。
【００２３】本発明に適応する突起は、例えば図１０の
ような形状にすることもできる。例えば、（ａ）のよう
な形状にすることができる。他にも（ｂ）に示すように
Ｃ型（半円型），Ｓ（逆Ｓ）字型，椀型（アーチ型），
一部平面形状を有する半円型、その他の形状が使用でき
る。図中の矢印は矢印方向（突起の上下方向）に変形可
能であることを示している。
ような形状にすることもできる。例えば、（ａ）のよう
な形状にすることができる。他にも（ｂ）に示すように
Ｃ型（半円型），Ｓ（逆Ｓ）字型，椀型（アーチ型），
一部平面形状を有する半円型、その他の形状が使用でき
る。図中の矢印は矢印方向（突起の上下方向）に変形可
能であることを示している。
【００２４】Ｃ型（半円型），Ｓ（逆Ｓ）字型では、矢
印方向の剛性をより低くできるので電極との面接触が良
好にできる。例えば圧縮変形量は４０μｍ以上にするこ
とができる。
印方向の剛性をより低くできるので電極との面接触が良
好にできる。例えば圧縮変形量は４０μｍ以上にするこ
とができる。
【００２５】板厚は、例えば０.３〜０.４mm程度のもの
が使用できる。材質は一般にステンレス製のものが使用
できる。例えば、酸化剤ガス側：SUS316、燃料ガス側：
Ｎｉクラッド（Ｎｉ＋SUS310S＋Ｎｉ)を使用することが
できる。これらの突起は剛性が低いものが使用できる。
これにより、電極との接触が良好となることができる。
圧縮変形量は４０μｍ以上変形することが好ましい。例
えば、圧縮変形量は３kg／cm2 で４０μｍ程度か、或い
は以上であることが好ましい。
が使用できる。材質は一般にステンレス製のものが使用
できる。例えば、酸化剤ガス側：SUS316、燃料ガス側：
Ｎｉクラッド（Ｎｉ＋SUS310S＋Ｎｉ)を使用することが
できる。これらの突起は剛性が低いものが使用できる。
これにより、電極との接触が良好となることができる。
圧縮変形量は４０μｍ以上変形することが好ましい。例
えば、圧縮変形量は３kg／cm2 で４０μｍ程度か、或い
は以上であることが好ましい。
【００２６】
【作用】本発明により、積層電池の各単位電池にガスを
効率良く流しつつ、各流路において、明確な流量差を任
意につけることができる。面圧の分布等を均一にして、
面内のガス流量差を任意につけることができる。
効率良く流しつつ、各流路において、明確な流量差を任
意につけることができる。面圧の分布等を均一にして、
面内のガス流量差を任意につけることができる。
【００２７】また、実質同一形状の突起を有する支持材
が流路面内にほぼ均一に分散しているので、支持材の剛
性が面内で均一にすることができ、電極等との接触面圧
を均一にできる。このため、接触抵抗を均一でき、均一
な集電を図ることができるので、面内に電流集中が起こ
ることを抑制できる。また、ガス流路面内のガス流量を
流路幅や深さで調整するには、かなりの幅等を変える必
要があるが、本発明では、幅等を大きく変えることによ
る電流集中やセパレータの剛性不均一になるおそれや、
接触面圧が不均一になるおそれがなく良好な電池ができ
る。
が流路面内にほぼ均一に分散しているので、支持材の剛
性が面内で均一にすることができ、電極等との接触面圧
を均一にできる。このため、接触抵抗を均一でき、均一
な集電を図ることができるので、面内に電流集中が起こ
ることを抑制できる。また、ガス流路面内のガス流量を
流路幅や深さで調整するには、かなりの幅等を変える必
要があるが、本発明では、幅等を大きく変えることによ
る電流集中やセパレータの剛性不均一になるおそれや、
接触面圧が不均一になるおそれがなく良好な電池ができ
る。
【００２８】また、本発明では、実質的にガス流路面の
ガス入口側と出口側とでガス流れ方向が同じなので、ガ
ス流路面内を湾曲した流路を構成するもののように、大
きな低流速部（よどみ部）を作らないので、濃度低下や
反応ガス不足による性能低下を防ぐことができる。
ガス入口側と出口側とでガス流れ方向が同じなので、ガ
ス流路面内を湾曲した流路を構成するもののように、大
きな低流速部（よどみ部）を作らないので、濃度低下や
反応ガス不足による性能低下を防ぐことができる。
【００２９】直交流タイプの電池の場合、電流密度分布
あるいは発熱密度分布からみて燃料ガスの入口側近傍に
高温部が生じやすく、燃料ガス出口側に向かって温度は
低くなる。従って、高温部を通過することになる酸化剤
ガス通路に投影面積の小さい、すなわち流路抵抗の小さ
い第２の流路構成体を設けることにより、そこにはより
多くのガスが流れることにより、セル温度の冷却効果が
高くなり、最高温度が低くなる。逆に温度が低くなる酸
化剤ガス出口側近傍には流路抵抗の大きい第１の流路構
成体が配置されているため、通過ガス量も少なくなり温
度低下が防げる。これにより結果的には最高温度が下が
り最低温度は上がり、面内の温度差が小さくなる。ま
た、温度を均一化するためには相当大きい流量差が必要
であり、そのため流路抵抗差を大きくするための最適な
流路構造は、ガス流れ方向からみた流路構成支持材の投
影面積が大きく異なっていることが必要であり、本発明
の薄板で作られた支持材を用いることによって、初めて
その配置方向及び支持材の突起部幅を変えるだけで、非
常に小さなものから、大きな面積まで容易に形成するこ
とができる。
あるいは発熱密度分布からみて燃料ガスの入口側近傍に
高温部が生じやすく、燃料ガス出口側に向かって温度は
低くなる。従って、高温部を通過することになる酸化剤
ガス通路に投影面積の小さい、すなわち流路抵抗の小さ
い第２の流路構成体を設けることにより、そこにはより
多くのガスが流れることにより、セル温度の冷却効果が
高くなり、最高温度が低くなる。逆に温度が低くなる酸
化剤ガス出口側近傍には流路抵抗の大きい第１の流路構
成体が配置されているため、通過ガス量も少なくなり温
度低下が防げる。これにより結果的には最高温度が下が
り最低温度は上がり、面内の温度差が小さくなる。ま
た、温度を均一化するためには相当大きい流量差が必要
であり、そのため流路抵抗差を大きくするための最適な
流路構造は、ガス流れ方向からみた流路構成支持材の投
影面積が大きく異なっていることが必要であり、本発明
の薄板で作られた支持材を用いることによって、初めて
その配置方向及び支持材の突起部幅を変えるだけで、非
常に小さなものから、大きな面積まで容易に形成するこ
とができる。
【００３０】本発明により、同一の流路構成部材を使用
して流路高さ、電極との接触面積や接触面圧を面内で均
一に保ったまま、しかも面内のガス流れ方向は実質的に
同一方向であり、面内によどみ部を作ることなく、任意
の流量分布を作り出せ、セルの温度分布の均一化を図る
燃料電池を提供することができる。
して流路高さ、電極との接触面積や接触面圧を面内で均
一に保ったまま、しかも面内のガス流れ方向は実質的に
同一方向であり、面内によどみ部を作ることなく、任意
の流量分布を作り出せ、セルの温度分布の均一化を図る
燃料電池を提供することができる。
【００３１】
【実施例】以下、実施例に基づいて本発明を説明する。
【００３２】（実施例１）図１〜図４に本発明の一実施
例が示されている。図１〜図２に示す燃料電池の単位セ
ル１において、電池を構成する各単位セルに反応ガスを
供給するため、燃料ガスを供給する内部マニホールド
２，酸化剤ガスを供給する内部マニホールド３が単位セ
ル１の周囲に設けられている。単位セルは対向配置され
た電極アノード４，カソード５と、これら電極４，５間
に設けられた電解質板６とを有し、アノード４，カソー
ド５の非電解質板側には、燃料ガス７，酸化剤ガス８を
通す、空間が設けられている。すなわち、アノード４，
カソード５の電解質板６と反対側にガス通路９，１０が
それぞれ設けられ、内部マニホールド２によって燃料ガ
ス７をアノード４の各ガス通路９に供給し、内部マニホ
ールド３によって酸化剤ガス８をカソード５の各ガス通
路１０に供給している。また、両ガスを分離する仕切板
１１が両ガス通路９，１０の間に設けられている。この
ように構成された単位セルで本実施例では、前記両ガス
通路９，１０両通路の強度を確保して通路の変形を防止
し、さらに該電極で発生した電流を仕切板１１側に伝え
る導電作用を行うため、図３に示す厚さ０.３mm の薄板
で作られた突起部１２を有する支持材１３が設けられて
いる。
例が示されている。図１〜図２に示す燃料電池の単位セ
ル１において、電池を構成する各単位セルに反応ガスを
供給するため、燃料ガスを供給する内部マニホールド
２，酸化剤ガスを供給する内部マニホールド３が単位セ
ル１の周囲に設けられている。単位セルは対向配置され
た電極アノード４，カソード５と、これら電極４，５間
に設けられた電解質板６とを有し、アノード４，カソー
ド５の非電解質板側には、燃料ガス７，酸化剤ガス８を
通す、空間が設けられている。すなわち、アノード４，
カソード５の電解質板６と反対側にガス通路９，１０が
それぞれ設けられ、内部マニホールド２によって燃料ガ
ス７をアノード４の各ガス通路９に供給し、内部マニホ
ールド３によって酸化剤ガス８をカソード５の各ガス通
路１０に供給している。また、両ガスを分離する仕切板
１１が両ガス通路９，１０の間に設けられている。この
ように構成された単位セルで本実施例では、前記両ガス
通路９，１０両通路の強度を確保して通路の変形を防止
し、さらに該電極で発生した電流を仕切板１１側に伝え
る導電作用を行うため、図３に示す厚さ０.３mm の薄板
で作られた突起部１２を有する支持材１３が設けられて
いる。
【００３３】突起部１２は通路の高さである１.８mm 程
度の長さがあり電極と接触しており、集電作用及び、電
極の変形やガス通路９，１０の空間が変形しないよう、
強度面からみた支持材の役割を果たす。ここでアノード
側通路９に対しては、前記支持材１３が図３に示すよう
に、ガス流れに対して、支持材１３の側面１４が直面す
るように配置される。すなわちガス流れからみて前記支
持材１３の投影面積が最も大きくなるように配置され
る。これを第１の流路構成体と呼ぶ。燃料ガスをセル全
面にわたってよく拡散されるようにするため配慮された
ものであり、支持材の側面部１４によってガス流れが乱
され、反応成分である水素と生成成分である水，炭酸ガ
スの混合がよくなり、電極面上の水素濃度が向上する。
またセル面内の流れの偏流も少なくなり、ガス不足領域
がなくなり、セル性能が向上する。次にカソード側につ
いては、図３の配置に加えて図４に示す配置がさらに組
み合わされる。図４に示すように、支持材１３の側面部
がガス流れと平行するように配置されている。すなわち
図３の配置を９０°回転したものである。これを第２の
流路構成体と呼ぶ。そして、図１に示すように、燃料ガ
ス７の入口側に第２の流路構成体を配置し、燃料ガス７
の出口側に第１の流路構成体を配置する。本実施例で
は、第１と第２の流路構成体の占める面積割合は３：７
としている。
度の長さがあり電極と接触しており、集電作用及び、電
極の変形やガス通路９，１０の空間が変形しないよう、
強度面からみた支持材の役割を果たす。ここでアノード
側通路９に対しては、前記支持材１３が図３に示すよう
に、ガス流れに対して、支持材１３の側面１４が直面す
るように配置される。すなわちガス流れからみて前記支
持材１３の投影面積が最も大きくなるように配置され
る。これを第１の流路構成体と呼ぶ。燃料ガスをセル全
面にわたってよく拡散されるようにするため配慮された
ものであり、支持材の側面部１４によってガス流れが乱
され、反応成分である水素と生成成分である水，炭酸ガ
スの混合がよくなり、電極面上の水素濃度が向上する。
またセル面内の流れの偏流も少なくなり、ガス不足領域
がなくなり、セル性能が向上する。次にカソード側につ
いては、図３の配置に加えて図４に示す配置がさらに組
み合わされる。図４に示すように、支持材１３の側面部
がガス流れと平行するように配置されている。すなわち
図３の配置を９０°回転したものである。これを第２の
流路構成体と呼ぶ。そして、図１に示すように、燃料ガ
ス７の入口側に第２の流路構成体を配置し、燃料ガス７
の出口側に第１の流路構成体を配置する。本実施例で
は、第１と第２の流路構成体の占める面積割合は３：７
としている。
【００３４】第１と第２の流路構成体の決定的な違い
は、流路抵抗である。図５に流量と通路を流れる時の圧
力損失の関係を比較して示す。これより、第１の流路構
成体の方は、第２の流路構成体よりも、同じ流量が流れ
ても、大きな圧力損失が生じており、流路抵抗が大き
い。本実施例の支持材１３を電池に適用した場合におけ
る第１の流路構成体を流れるガス流量と第２の流路構成
体を流れるガス流量の比は１：３〜１：４となる。
は、流路抵抗である。図５に流量と通路を流れる時の圧
力損失の関係を比較して示す。これより、第１の流路構
成体の方は、第２の流路構成体よりも、同じ流量が流れ
ても、大きな圧力損失が生じており、流路抵抗が大き
い。本実施例の支持材１３を電池に適用した場合におけ
る第１の流路構成体を流れるガス流量と第２の流路構成
体を流れるガス流量の比は１：３〜１：４となる。
【００３５】マニホールド３から入った酸化剤ガス８
は、出口に向かって流れるが第１の流路構成体及び第２
の流路構成体を流れるガスは同一方向であり、わずかに
第１と第２の境界部で流れが乱れるだけであり、殆どま
っ直に流れるため、面内に低流速領域やよどみ部の発生
は生じない。
は、出口に向かって流れるが第１の流路構成体及び第２
の流路構成体を流れるガスは同一方向であり、わずかに
第１と第２の境界部で流れが乱れるだけであり、殆どま
っ直に流れるため、面内に低流速領域やよどみ部の発生
は生じない。
【００３６】従来のようにカソード側を単一な流路構成
体で形成されたセルの温度分布例を図６に示す。最高温
度領域が燃料ガスの入口側寄りに存在している。これに
対し、図１の本実施例の場合の温度分布例を図７に示
す。温度が高くなる領域を通る酸化剤ガス通路部に第２
の流路構成体を、比較的温度が低い燃料ガス７の出口側
を通る酸化剤ガス通路部に第１の流路構成体を設けるこ
とにより、セル内の温度分布が改善され、最高温度の低
減、セル面内の温度差が低減される。
体で形成されたセルの温度分布例を図６に示す。最高温
度領域が燃料ガスの入口側寄りに存在している。これに
対し、図１の本実施例の場合の温度分布例を図７に示
す。温度が高くなる領域を通る酸化剤ガス通路部に第２
の流路構成体を、比較的温度が低い燃料ガス７の出口側
を通る酸化剤ガス通路部に第１の流路構成体を設けるこ
とにより、セル内の温度分布が改善され、最高温度の低
減、セル面内の温度差が低減される。
【００３７】これにより、最高温度が低くなるため、腐
食による電解質の消耗や、蒸発量が抑制され、電池寿命
が向上する。また、温度分布が小さくなることにより、
熱応力も低減し、電池信頼性が向上する。
食による電解質の消耗や、蒸発量が抑制され、電池寿命
が向上する。また、温度分布が小さくなることにより、
熱応力も低減し、電池信頼性が向上する。
【００３８】（実施例２）実施例２では、さらにセル内
の酸化剤ガス流量分布をより細かく制御するものであ
る。図８に示すように、酸化剤ガス通路側を燃料ガスの
入口から出口側に向けて複数に分割するとともに、先の
図６の温度分布に対応させて最も温度の高い領域を通過
する通路には第２の流路構成体のみとし、温度が低くす
るにつれて、第１の流路構成体の割合が増えるようにし
たことである。図９に理想的な流量分布が形成されたと
きの温度分布を示す。表１に従来例，実施例１、および
実施例２における理想的な流量分布が実現できた場合の
温度分布結果を比較して示す。実施例２によりさらに温
度分布が改善されることがわかる。
の酸化剤ガス流量分布をより細かく制御するものであ
る。図８に示すように、酸化剤ガス通路側を燃料ガスの
入口から出口側に向けて複数に分割するとともに、先の
図６の温度分布に対応させて最も温度の高い領域を通過
する通路には第２の流路構成体のみとし、温度が低くす
るにつれて、第１の流路構成体の割合が増えるようにし
たことである。図９に理想的な流量分布が形成されたと
きの温度分布を示す。表１に従来例，実施例１、および
実施例２における理想的な流量分布が実現できた場合の
温度分布結果を比較して示す。実施例２によりさらに温
度分布が改善されることがわかる。
【００３９】
【表１】
【００４０】
【発明の効果】上述のように、本発明は同一の流路構成
部材を使用して、流路高さ、電極との接触面積や接触面
圧を面内で一定に保ったまま、セルの温度分布をより均
一にできる。
部材を使用して、流路高さ、電極との接触面積や接触面
圧を面内で一定に保ったまま、セルの温度分布をより均
一にできる。
【図１】本発明の燃料電池の一実施例のカソード側表面
を上から見た横断面図。
を上から見た横断面図。
【図２】一実施例の単位セル縦断面図。
【図３】本発明の支持材の鳥観図。
【図４】本発明の支持材の鳥観図。
【図５】図３，図４の支持材を使用したときの流路抵抗
比較を示す図。
比較を示す図。
【図６】従来の温度分布を示す図。
【図７】実施例１の温度分布を示す図。
【図８】実施例２の支持材配置を示す概念図。
【図９】本発明による温度分布を示す図。
【図１０】本発明の支持材の突起を示す図。
【図１１】本発明の酸化剤ガス流路面内の支持材の分布
の一例の図。
の一例の図。
１…単位セル、２，３…内部マニホールド、４…アノー
ド、５…カソード、６…電解質板、７…燃料ガス、８…
酸化剤ガス、９…アノード側通路、１０…カソード側通
路、１１…仕切板、１２…突起部、１３…支持材、２１
…高温部。
ド、５…カソード、６…電解質板、７…燃料ガス、８…
酸化剤ガス、９…アノード側通路、１０…カソード側通
路、１１…仕切板、１２…突起部、１３…支持材、２１
…高温部。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 平６−267559（ＪＰ，Ａ) 特開 昭63−236265（ＪＰ，Ａ) 特表 平５−503606（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.6，ＤＢ名) H01M 8/00 - 8/24
Claims (4)
- 【請求項１】電解質板、該電解質板を挾持するアノード
及びカソード極からなる単位電池、該単位電池はセパレ
ータを介して積層されてなり、前記アノード或いはカソ
ード極と隣接するセパレータとの間には燃料ガス或いは
酸化剤ガスが流通するガス流路面が形成され、該ガス流
路面には支持材が介在されてなり、前記燃料ガスと酸化
剤ガスとの流れ方向は実質直交してなる燃料電池におい
て、前記燃料ガス流路面と酸化剤ガス流路面の少なくと
も一方の前記支持材は突起部を有する板からなり、該突
起部は湾曲或いは屈曲部を有する板状であり、且つ該突
起部は正面と側面とで投影面積が異なり、前記正面は実
質突起部の幅及び高さで規定される前記投影面積を有
し、前記側面は実質突起部の幅及び板厚で規定される前
記投影面積を有し、前記流路面にガス流れ方向に対し、
前記正面を向くように前記突起を配置した正面突起領
域、及び前記側面を向くように前記突起を配置した側面
突起領域を有し、 前記酸化剤ガス流路面の前記正面突起領域及び側面突起
領域は、酸化剤ガス流路面内を酸化剤ガスの流れ方向に
対してほぼ平行に複数の領域に区切り、その各々の領域
に正面突起領域或いは側面突起領域を形成し、前記側面
突起領域は燃料ガスの入口側に形成され、酸化剤が供給
される酸化剤供給端部から酸化剤流路面を流れた酸化剤
が回収される回収端に至るまで形成される、 ことを特徴とする燃料電池。 - 【請求項２】 請求項１の燃料電池において、前記燃料ガ
ス流路面は前記正面突起領域からなり、前記酸化剤ガス
流路面は前記正面突起領域及び側面突起領域からなるこ
とを特徴とする燃料電池。 - 【請求項３】 請求項１或いは２の燃料電池において、前
記突起部は突起の上下方向に変形可能であることを特徴
とする燃料電池。 - 【請求項４】 請求項１から３の燃料電池において、前記
酸化剤ガス流路面は、何れか一方の前記突起領域のみで
構成された場合に最も温度の高くなる領域に、前記側面
突起領域が配置され、前記酸化剤ガス流路の他の部分に
正面突起領域を有することを特徴とする燃料電池。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP7232311A JP2866034B2 (ja) | 1995-09-11 | 1995-09-11 | 燃料電池 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP7232311A JP2866034B2 (ja) | 1995-09-11 | 1995-09-11 | 燃料電池 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH0982344A JPH0982344A (ja) | 1997-03-28 |
| JP2866034B2 true JP2866034B2 (ja) | 1999-03-08 |
Family
ID=16937220
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP7232311A Expired - Fee Related JP2866034B2 (ja) | 1995-09-11 | 1995-09-11 | 燃料電池 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2866034B2 (ja) |
Families Citing this family (11)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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| JP2002313372A (ja) * | 2001-04-09 | 2002-10-25 | Ishikawajima Harima Heavy Ind Co Ltd | 燃料電池用セパレータ |
| JP4639744B2 (ja) * | 2004-10-07 | 2011-02-23 | トヨタ自動車株式会社 | 燃料電池 |
| JP5224649B2 (ja) * | 2006-03-29 | 2013-07-03 | 日本碍子株式会社 | 導電性接続部材および固体酸化物形燃料電池 |
| JP4924829B2 (ja) * | 2007-07-10 | 2012-04-25 | トヨタ車体株式会社 | 燃料電池用セパレータ |
| JP2009277390A (ja) * | 2008-05-12 | 2009-11-26 | Central Res Inst Of Electric Power Ind | 燃料電池の流路板及びこれを用いた燃料電池 |
| JP5401438B2 (ja) * | 2010-12-08 | 2014-01-29 | 本田技研工業株式会社 | 平板型固体電解質燃料電池 |
| KR101359157B1 (ko) * | 2011-12-28 | 2014-02-06 | 주식회사 포스코 | 유체분배판 및 이를 포함한 연료전지 |
| JP5958746B2 (ja) * | 2012-05-23 | 2016-08-02 | 日産自動車株式会社 | 燃料電池スタック |
| KR101725695B1 (ko) * | 2012-07-27 | 2017-04-10 | 니뽄 도쿠슈 도교 가부시키가이샤 | 연료 전지 셀 및 연료 전지 스택 |
| JP7294239B2 (ja) * | 2020-05-26 | 2023-06-20 | 株式会社Soken | 燃料電池システム |
-
1995
- 1995-09-11 JP JP7232311A patent/JP2866034B2/ja not_active Expired - Fee Related
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH0982344A (ja) | 1997-03-28 |
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| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| LAPS | Cancellation because of no payment of annual fees |