JPH04144069A

JPH04144069A - 燃料電池

Info

Publication number: JPH04144069A
Application number: JP2268751A
Authority: JP
Inventors: Shoji Ito; 昌治伊藤; Hidekazu Fujimura; 秀和藤村; Shozo Nakamura; 中村　昭三
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1990-10-05
Filing date: 1990-10-05
Publication date: 1992-05-18
Anticipated expiration: 2010-05-31
Also published as: JPH0750614B2

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〕本発明は燃料電池、特に、電池内に供給するガスの加熱
昇温を、電池から排気されるガスの排熱を利用するよう
にした燃料電池構造、及びそこに用いられるガスヘッダ
ーの構造に関する。

〔従来の技術〕

従来の燃料電池は、例えば日本工業新聞社、エネルギー
、Ｖｏｌ、２４．　Ｎα４．　ｐ、３０　（１９９０）
　ＭＷ級ＭＣＦＣ発電プラントに記載されているように
、燃料ガスであるアノードガスは改質器から得られるガ
スを使用し、また、酸化剤ガスであるカソードガスは、
改質器からの排ガスとコンプレッサーからの空気及び燃
料電池から排出されるカソードガスを循環させ、それら
を混合して使用するようになっている（第７図にその概
略を示す）。

〔発明か解決しようとする課題〕

溶融炭酸塩型燃料電池の場合、運転温度は６５０℃附近
と考えられており、電池の発電方法としては、発電開始
時に、積層電池を周囲の加熱ヒータにより６５０℃附近
まで加熱した後に、アノード及びカソードガスを供給す
る。電池内では電気化学反応による発熱及び電気イオン
の伝導に伴う発熱があるため、電池内温度は上昇する。

従って、発電開始一定時間後には周囲の加熱ヒータは遮
断し、電池だけの自立運転となる。

この場合、電池へ供給されるガス温度も当然のことなが
ら、６５０°Ｃレベルの高温ガスであることが要求され
る。アノードガスであるＨ２ガスは、前記従来例のプラ
ントのシステム図（第７図）で示されるような改質器か
らのガスを用いた場合、ガス温度は７００°Ｃ以上で比
較的高温であるが、カソードガスであるＣＯ２と空気の
混合ガスは、コンプレッサーから供給される圧縮空気の
温度か比較的低温なため、改質器からの排ガス及び電池
からの循環ガスになどによる昇温を考慮しても、電池へ
供給するには、更に他の加熱手段によりガス温度を昇温
する必要があった。

そのために、従来の発電プラントにあっては、通常、カ
ソードガス供給ラインにガス加熱器を設はカソードガス
を６５０℃レベルまで加熱するようにしている。しかし
ながら、このようにガスラインに加熱器を設けることは
、近年の燃料電池の高出力化、それに伴うガス供給量の
多量化を考えると、そのガスを加熱するための補機装置
は大型化し、またその駆動に必要とされる動力も増大す
ることからシステム全体としての発電効率か低下すると
いう問題を有している。

また、上記した従来技術のように、燃料電池への供給ガ
ス昇温方法について、特段の配慮か成されていないもの
にあっては、ガス加熱器などの補機を用いない場合は、
燃料電池への供給ガス温度が低下し、発電性能が低下す
るという問題を有している。

本発明は上記従来の燃料電池のもつ問題点を解決し、燃
料電池への供給ガス温度を特別の補機を用いることなく
加熱、昇温し得るようにすることを目的としている。

また、本発明の他の目的は燃料電池への供給ガス温度を
特別の補機を用いることなく加熱、昇温し得るように特
に設計されたガスヘッダーを提供することにある。

さらに本発明の他の目的は上記の手段を用いた発電効率
の高い燃料電池を提供することにある。

〔課題を解決するための手段〕

上記目的は、電解質板、それを両側から珠むアノード及
びカソード、燃料ガスであるアノードガスと酸化剤ガス
であるカソードガスを分離するセパレータ板とを有する
単位電池を積層した燃料電池におて、燃料電池に設けた
前記燃料ガス又は酸化剤ガスの給気管と排気管とを２重
管構造をもつ一本の管体により構成し、２重管の一方を
給気管、他方を排気管として用いるようにすることによ
り達成される。

その場合に、２重管構造とした給排気管を酸化剤ガスの
給排気管とし、その内側管をガス供給管、外側管をガス
排気管とすることにより、カソードガスを昇温する目的
をより有効に達成することかできる。

さらに、２重管構造とした給排気管を燃料！？１！の両
側辺部分に相対抗させて対として設け、それぞれ、一方
の給排気管から給気されたガスを他方の給排気管から排
気される構造とするとともに、各単位電池のガス流の方
向を、隣接する単位電池ごとに逆方向とすることにより
、単位電池内での温度勾配が均一な燃料電池を得ること
ができ、より目的を達成することができる。

また、本発明は、上記の目的を達成するのに有効に用い
ることの可能な、カス給排気用ヘッダーをも提供する。

すなわち、ガス給排気用ヘッダー内の一つの側辺部分に
、給気チャンバーと排気チャンバーとの双方を形成し該
給気チャンバーへの給気管と該排気チャンバーからの排
気管とを２重管構造をもつ一本の管体に対して、該２重
管の一方を該給気管に他方を該排気管にそれぞれ接続し
た構造の、燃料電池に用いるガス給排気用ヘッダーを提
供する。

さらに、そのような２重管構造を、ガス給排気用ヘッダ
ー内の相対抗する二つの側辺部分に、給気チャンバーと
排気チャンバーとの双方をそれぞれ形成し該給気チャン
バーへの給気管と該排気チャンバーからの排気管とを２
重管構造をもつ一本の管体に対して、該一方の２重管の
給気管から給気されたガスを他方の２重管の排気管から
排気されるように接続した構造のガス給排気用ヘッダー
を用いることにより、単位電池内での温度勾配か均一な
燃料電池を得ることかでき、さらに目的を達成すること
か可能となる。

〔作　用〕

燃料電池のガス給排気管を二重管構造としたことにより
、例えば内側管を電池への供給ガス流路、外側管を電池
からの排気ガス流路とすることか可能となり、電池から
排気される高温ガスにより、電池への供給ガスを加熱昇
温することかできる。

これにより、ガス供給ラインに加熱器等の補機を設ける
必要かなくなり、システム全体の発電効率を向上させる
ことかでき、さらに、システムのコンパクト化も達成す
ることができる。

特に好ましくは、燃料電池に設けられるガス供給及び排
気のためのヘッダ一部に二重管構造の給排気管を直接接
続することにより、配管の途中で管路が冷却されガス温
度が低下するという問題もなくなり、電池への高温ガス
供給を一層良好なものとすることかできる。

〔実施例〕

以下、本発明の実施例を添付図面により説明する。第１
図および第２図には本発明の一実施例か示されている。

第１図に示されているように単位電池を積層した積層電
池ｌの下端には外部から電池１へ、あるいは電池ｌから
外部へガスを給排気するためのガスヘッダー２が位置し
ている。このガスヘッダー２には酸化剤ガスのための給
気管が内側管３として及び排気管が外側管４として構成
された二重管構造の給排気管Ｐと燃料ガスのための給気
管５及び排気管６とが取り付けられている。

ガスヘッダー２の上には、電解質板７とセパレータ板８
とが、電極（図示されない）を挟んで交互に積層され、
一つの積層電池か構成されている。

第２図はガスヘッダー２の内部構造を示している。ガス
ヘッダー２内は、燃料ガスの給、排気用チャンバー１０
、ＩＩ及び酸化剤ガスの給、排気用チャンバー１２．１
３に分割されており、燃料ガスの給気用チャンバーｌＯ
には給気管５か、排気用チャンバー１１には排気管６が
接続されている。

また、酸化剤ガスの給気用チャンバー１２には前記した
給気管としての内側管３が接続しており、該内側管３は
、対抗する側に位置する排気用チャンバー１３内を通過
して外方にまで延出している。

一方、排気用チャンバー１３には前記した排気管として
の外側管４が、前記給気用内側管３を内部に包含する状
態で外方に延出している。従って、内側管３と外側管４
とは、２重管構造をなす形で排気用チャンバーから延出
し２重管構造の給排気管Ｐを構成する構造となっている
（第１図参照）。

そして、それぞれの給気チャンバー１０．１２には積層
電池へガスを給気するためのマニホールド１４、Ｉ５か
、また、排気チャンバーＩ！、１３にはガスを排気する
ためのマニホールド１６．１７が設けられている。

外部から供給された燃料ガスＧ１と、２重管構造の給排
気管Ｐの内側管３を流れた酸化剤ガスＧ２は、それぞれ
ガスヘッダー２内のチャンバー１０．１２に流入し、そ
こから各ガスの供給用マニホールド１４、Ｉ５へ流入し
、各単位電池へ分配される。そして、各単位電池内で電
気化学反応により発電した後、燃料ガスはその残ガスと
生成ガスとの混合ガスＧｌ’　　として、排出用マニホ
ールド１６を通って、排気チャンバー１１に流入した後
、排気管６より、電池外に流出する。他方、酸化剤の排
出ガスＧ２’　は排出用マニホールド１７を通って、ガ
スヘッダー２内のチャンバー１３に流入した後、２重管
構造の給排気管Ｐの外側管４である排気管を通過して電
池外へ流出する。

本発明の効果について説明する。通常、供給ガスは、そ
の入口部と出口部との間で温度の上昇か伴う。第３図は
、電池内のガス温度変化を示すもので、測定した電池の
形状は、従来の電池と同様に酸化剤ガスを一本の流入管
によりガスヘッダー内へ流入させたものであり、ガスヘ
ッダー内の入口ガス温度が５５０℃となるように、配管
途中に加熱器を設け、ガスを加熱昇温した場合である。

第３図に示すように、入口部において５５０°Ｃで流入
したガスは、電池内の発電に伴う熱発生により、出口部
では７３０°Ｃ附近と約１８０°Ｃも温度上昇する。

本発明はこのガス温度の上昇に着目して得られたもので
、第１図及び第２図の実施例に示すように、酸化剤ガス
の配管を内側管３と外側管４とからなる二重管構造とし
、その内側管３を流入用配管、外側管４を流出用配管と
したことにより、排出ガスＧ２’　の排熱を用いて、入
口ガスＧ２を加熱昇温するようにしている。

この実施例において、配管構造としては、第２図に基づ
き先に記したようにガスヘッダー２に直接二重管構造の
給排気管Ｐを取付け、ガスヘッダー２内をガス給気管と
しての内管３を貫通させガス供給側チャンバー１２に接
続する。ガスヘッダー２内は、高温ガスによる放熱によ
り、高温雰囲気となっており、ガス流入管としての内管
３を冷却することなく供給用がスチャンバー１２に酸化
剤ガスＧ２を流入させることが可能となる。

以上のように、本実施例によれば、積層電池への供給ガ
スの加熱昇温を、特別の補機を用いることなく排気ガス
の排熱により実施するようにしたので、電池全体の発電
システムの効率向上を達成するばかりでなく、システム
のコンパクト化も図ることができる。

第４図は本発明による他の実施例を示している。

この実施例においても、ガスガスヘッダー２には、燃料
ガスのための給、排気チャンバー１０，１１か相対抗す
る側辺部に、また、酸化剤ガスのためのチャンバーが、
ガスヘッダー２内の他の対抗している側辺部に形成され
ているが、酸化剤ガスのためのチャンバーの構成が第１
の実施例のものと相違している。

第４図に示されるように、図において、上下方向に位置
している二つの酸化剤ガス用のチャンバーの一方には、
酸化剤ガスの給気用ガスチャンバー１２Ａと排気用チャ
ンバー１３Ｂとを、及ヒ他方には同様に酸化剤ガスの給
気用ガスチャンバー１２Ｂと排気用チャンバー１３Ａと
を配置させ、さらに供給用ガスチャンバー１２Ａ、１２
Ｂには給気用マニホールド１５Ａ、１５Ｂを、また、排
気用チャンバー１３Ｂ、１’３Ａには排気用マニホール
ド１７Ｂ、１７Ａとをそれぞれ形成する。

さらに、それぞれの給気用ガスチャンバー１２Ａ、１２
Ｂには酸化剤ガス給気管が内側管３Ａ。

３Ｂとして接続しており、排気用がスチャンバー１３Ｂ
、１３Ａには、排気管か、第１図の実施例の場合と同様
に、内側管３Ａ、３Ｂを覆うような形で、外側管４Ａ、
４Ｂとして接続していて、内側管と外側管とで、２重管
構造の給排気管Ｐ、　Ｐを形成している。

そして、二重管内の内側管３Ａ、３Ｂを通った酸化剤ガ
スＧ２は、両側辺部の給気用ガスチャンバー１３Ａ、１
３Ｂにそれぞれ流入し、マニホールド１５Ａ、１５Ｂを
通って各単位電池へ供給される、各星位電池からの餠気
ガスＧ２’　はマニホールド１７Ａ、１７Ｂを通って排
気用ガスチャンバー１３Ａ、１３Ｂに戻り、二重管構造
の給排気管Ｐの外側管４Ａ、４Ｂを通って外部へ流出す
る。

第５図は本実施例における積層電池内セパレータ８のカ
ソード面の形状を示しており、積層電池は、供給用マニ
ホールド１５Ｂから酸化剤ガスの供給を受けるカソード
８面を持つ単位電池（第５図（ｂ））と供給用マニホー
ルド１５Ａから酸化剤ガスの供給を受けるカソード入面
を持つ単位電池（第５図（ａ））とが、交互に積層され
た形で形成されている。図に示すように、セパレータ８
のマニホールド１５Ｂ、１５Ａから流入した酸化剤ガス
Ｇ２は、それぞれ、本図では省略したが、必要に応じて
設けられるセパレータリブにより形成されるガス流路を
図（ｂ）、（ａ）中の矢印で示すように流れ、排出用マ
ニホールド１７Ｂ、１７Ａに流入し、その後、第４図に
示したガスヘッダー２に設けた２重管構造の給排気管Ｐ
の外側管４Ｂ、４Ａを通り、外部へ排出される。

この実施例においては、このような構造にすることによ
り、先の実施例で説明した、排出ガスの排熱による供給
ガスの加熱昇温という効果に加え、積層電池全体の温度
分布を一様化するという効果がある。

すなわち、この温度分布−様化について説明すると、第
３図で示したようにガスの流れ方向か一方向からの場合
、ガスの入口部と出口部では大きな温度差かある。この
温度差は積層電池全体についても言えることであり、電
池内の温度分布か不均一になる。電池内の温度分布か不
均一となると、電池の性能、寿命、信頼性を考えた場合
、反応分布の不均一に伴う性能低下や、熱応力の増大、
材料腐食要因の増加など種々の問題が生じる。そこで、
この温度分布を一様化する手段として、本実施例の電池
構造か有効となる。

第６図は本実施例におけるカソード面のガス流れ方向の
温度と、積層電池の温度変化を示している。同図の破線
ａは第４図（ａ）のカソード入面についての温度変化を
示しており、破線すは第４図（ｂ）のカソード８面につ
いての温度変化を示している。

それぞれの単位電池においては、上記したようにガスの
入口、出口間で大きな温度差が生じ、積層電池の温度分
布も不均一となっている。

そこで、このガス流れ方向を第４図の（ａ）、　（ｂ）
に示すように、積層電池の各単位電池毎に交互に逆方向
の流れとなるようにする。このようにすることにより、
第６図で示すように、カソード入面と隣合うカソード８
面は破線すで示したような温度変化となり、この両面を
積層した場合に、高温領域と低温領域が重なり合うため
、相互の熱移動により、積層電池全体としては図の実線
で示すように、入口、出口間で−様な温度変化となり、
温度分布の−様な燃料電池とすることかできる。

以上のように、本実施例によれば、先の実施例の効果の
他に、積層電池全体の温度分布を一様化することか可能
となり、性能、寿命、信頼性などがさらに優れた燃料電
池を得ることができる。

以上の説明においては、酸化剤ガスの給、排気のための
配管を２重管構造にしたものについて説明をしてきたが
、給、排気のための配管の構造をを２重管構造とする技
術思想は、必要に応じ、燃料ガスの給、排気のだめの配
管にも、適用し得ることは明らかであろう。また、燃料
ガス及び酸化剤ガス双方の給排気管構造に用いても良い
ものである。

〔発明の効果〕

本発明によれば、積層電池への供給ガスの加熱昇温を、
排気ガスの排熱により実施することかできるので、電池
全体の発電システムの効率か向上し、システムのコンパ
クト化を図ることができる。

また、積層電池の各単位電池のガス流れ方向を逆方向と
することが可能となり、積層電池全体の温度分布−様化
が図られ、性能、寿命、信頼性の優れた燃料電池を得る
ことができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例の電池積層構造を示す図、第
２図はガスガスヘッダー内の構造を示す図、第３図は電
池内のガス温度変化を示す図、第４図は本発明の他の実
施例におけるガスガスヘッダー内の構造を示す図、第５
図はセパレータ内のｊ、ｆス流れ方向を説明する図、第
６図は電池内ガス温度と積層電池の温度変化を示す図、
及び第７図は、従来例における燃料電池を用いた発電プ
ラントのシステム構成図である。 ■・・・積層電池、２・・・ガスヘッダー　３・・・内
側管、４・・外側管、Ｐ・・・二重管構造の給排気管、
５・・・燃料ガス用給気管、６・・・燃料ガス用排気管
、７・・・電解質板、８・・・セパレータ板、１０・・
・燃料ガスの給気用チャンバー、１１・・・燃料ガスの
排気用チャンバ＝　１２・・・酸化剤ガスの給気用チャ
ンバー１３・・・酸化剤ガスの排気用チャンバー　１４
．１５・・・給気マニホールド、１６．１７・・・排気
マニホールド、Ｇ１・・・燃料ガス、Ｇｌ’・・・燃料
ガスの排気ガス、Ｇ２・・・酸化剤ガス、Ｇ２’　・・
・酸化剤ガスの排気ガス第図入口第３図入口からの無次元「園呂口第４図第５図ノ　　（ｉ５Ａ　　Ｇ２

Claims

【特許請求の範囲】１、電解質板、それを両側から挟むアノード及びカソー
ド、燃料ガスであるアノードガスと酸化剤ガスであるカ
ソードガスを分離するセパレータ板とを有する単位電池
を積層した燃料電池におて、燃料電池に設けた前記燃料
ガス及び／又は酸化剤ガスの給気管と排気管とを２重管
構造をもつ一本の管体により構成し、２重管の一方を給
気管、他方を排気管として用いるようにしたことしたこ
とを特徴とする燃料電池。２、請求項１に記載の燃料電池において、２重管構造と
した給排気管の内側管をガス供給管、外側管をガス排気
管としたことを特徴とする燃料電池。３、請求項１又は２に記載の燃料電池において、２重管
構造とした給排気管が酸化剤ガスの給排気管であること
を特徴とする燃料電池。４、請求項１ないし３に記載の燃料電池において、２重
管構造とした給排気管を相対抗させて対として設け、そ
れぞれ、一方の給排気管から給気されたガスを他方の給
排気管から排気される構造とするとともに、各単位電池
のガス流の方向を、隣接する単位電池ごとに逆方向とし
たことを特徴とする燃料電池。５、ガス給排気用ヘッダー内の一つの側辺部分に、給気
チャンバーと排気チャンバーとの双方を形成し該給気チ
ャンバーへの給気管と該排気チャンバーからの排気管と
を２重管構造をもつ一本の管体に対して、該２重管の一
方を該給気管に他方を該排気管にそれぞれ接続したこと
したことを特徴とする、請求項１ないし４に記載の燃料
電池に用いるガス給排気用ヘッダー。６、ガス給排気用ヘッダー内の相対抗する二つの側辺部
分に、給気チャンバーと排気チャンバーとの双方をそれ
ぞれ形成し該給気チャンバーへの給気管と該排気チャン
バーからの排気管とを２重管構造をもつ一本の管体に対
して、該一方の２重管の給気管から給気されたガスを他
方の２重管の排気管から排気されるように接続した構造
としたことを特徴とする、請求項５に記載の燃料電池に
用いるガス給排気用ヘッダー。