JPH10340733A - Fuel cell laminate - Google Patents
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- JPH10340733A JPH10340733A JP9147417A JP14741797A JPH10340733A JP H10340733 A JPH10340733 A JP H10340733A JP 9147417 A JP9147417 A JP 9147417A JP 14741797 A JP14741797 A JP 14741797A JP H10340733 A JPH10340733 A JP H10340733A
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Landscapes
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Abstract
Description
【０００１】[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。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to the reaction energy of a reducing agent gas such as hydrogen and an oxidizing gas such as oxygen.
The present invention relates to a stack of a fuel cell, which converts carbon dioxide into electric power by electrochemical action.
【０００２】[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。2. Description of the Related Art FIG. 5 is a perspective view of a single cell of a phosphoric acid type fuel cell showing an example of a basic configuration of the fuel cell. In the figure,
2 is an electrolyte layer, 3 is an air electrode catalyst layer, 4 is a fuel electrode catalyst layer,
Reference numeral 5 denotes an air electrode, 6 denotes a fuel electrode, 7 denotes an air phosphoric acid storage plate, and 8 denotes a fuel electrode phosphoric acid storage plate. 9 is a gas separation plate,
When the fuel cell stack is formed, it functions to keep airtight between the cells 1 that are stacked. The electrolyte layer 2 is formed by mixing fine particles of silicon carbide (SiC) and fine particles of polytetrafluoroethylene, and phosphoric acid is used as the electrolyte. The air electrode catalyst layer 3 and the fuel electrode catalyst layer 4 are formed by mixing about 5 to 20% by weight of platinum fine particles as a catalyst in a mixed layer of polytetrafluoroethylene fine particles and carbon fine particles. The air electrode 5 and the fuel electrode 6, and the air electrode phosphoric acid storage plate 7 and the fuel electrode phosphoric acid storage plate 8 are all formed of a porous carbon material. As shown in the figure, each of the air electrode 5 and the fuel electrode 6 is provided with a plurality of air passages 11 and fuel gas passages 12 each having an inlet on one side and communicating with the opposite side.
The air and the fuel gas respectively flow in parallel in these passages, diffuse in the porous carbon material constituting each electrode, reach each catalyst layer, generate an electrochemical reaction, and generate electric energy. In this example, the flow direction of the fuel gas and the flow direction of the air are arranged so as to be orthogonal to each other.
【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。[0005] Since the voltage obtained with only a single cell 1 as shown in FIG. 5 is small, when used as a power generator, a plurality of single cells are stacked and configured as a stacked body that is electrically connected in series. In order to recover heat generated by power generation, a phosphoric acid type fuel cell is usually provided with a cooling plate interposed every 3 to 10 cells stacked. FIG.
FIG. 3 is a perspective view schematically illustrating a configuration of a main part of the fuel cell stack,
3 shows a laminated structure between a pair of cooling plates. In this configuration, eight cells 1 are stacked with a gas separation plate 9 interposed therebetween to form a stacked block, and a cooling plate 10 cooled by flowing cooling water is interposed between the stacked blocks. By mounting, a rectangular fuel cell stack is formed. The reaction gas contributing to the electrochemical reaction is supplied from the side of the laminate, and as shown in the plan view of FIG.
Air and fuel gas are supplied by assembling the air inlet manifold 21 and the air outlet manifold 22, and the fuel gas inlet manifold 23 and the fuel gas outlet manifold 24 on the four side surfaces of the fuel cell stack 20, respectively. That is, air is collectively taken in from the air inlet manifold 21 and distributed and sent to the many air passages 11 shown in FIG. 6 to be subjected to an electrochemical reaction. After being collected in the outlet manifold 22, it is discharged to the outside. Similarly, the fuel gas is distributed from the fuel gas inlet manifold 23 to the plurality of fuel gas passages 12, and the remaining gas is collected in the fuel gas outlet manifold 24 and then discharged to the outside.
【０００４】[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。As described above, in the conventional fuel cell stack, air is distributed in parallel from the manifold arranged on the side to a large number of air passages formed in the same size, A method is also employed in which fuel gas is distributed and supplied in parallel to a number of fuel gas passages having the same dimensions. However, even if a large number of passages are formed in the same shape and the same size as described above, they do not flow evenly in each passage. In (2), the hydrogen consumption differs for each passage, and in each case, the temperature condition differs for each passage, so that different flow rates flow in accordance with the pressure loss under these conditions. In a normal phosphoric acid type fuel cell, since the fuel gas is used with a higher utilization rate than the oxygen utilization rate of air, the difference in the flow rate of each fuel gas passage is particularly large, and the hydrogen consumption is large. The flow rate of the fuel gas increases in the flow path, or the flow rate of the fuel gas increases in the flow path having a lower temperature.
【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。[0005] FIG. 8 shows a fuel cell stack composed of a stacked block in which eight cells are arranged between cooling plates as shown in FIG. 6, and the cell area is 0.49 m 2 (0.7 m × 0.7 m).
The average load current density is 300 [mA / cm 2 ], the cooling water temperature is 165 ° C, and the temperature of fuel gas and air at the passage entrance is 1
Under the conditions of 60 ° C, hydrogen utilization rate of 80%, oxygen utilization rate of 50%, hydrogen concentration, carbon dioxide concentration, and water vapor concentration at the inlet of fuel gas passage in order of 65%, 17%, 18% FIG. 9 is a characteristic diagram in which a simulation is performed and the distribution of the fuel distribution ratio at the entrance of the fuel gas passage obtained is displayed by contour lines. In the figure, the horizontal axis is the distance from the inlet side end face of the air passage, and the vertical axis is the number of the stacked cells. The eight cells in FIG. 8 is displayed. The figures in the figure are the values when the fuel is completely evenly distributed as 100%. As shown in the figure, it can be seen that the fuel distribution ratio between the inlet side of the air passage having a high current density and the first and eighth cells adjacent to the cooling plate and having low temperatures is high. In the example shown in FIG. 8, the temperature difference between the first and eighth cells adjacent to the cooling plate and the fourth and fifth cells located at the center between the cooling plates is about 20 ° C. Also, 350mm from the inlet side end face of the air passage corresponding to the center in the cell plane
The fuel distribution ratio at a distance of
%, 99.5% for the fourth and fifth cells.
【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。FIG. 9 is a characteristic diagram showing the hydrogen concentration distribution at the outlet side end face of the fuel gas passage measured for a phosphoric acid type fuel cell stack composed of a stack of eight cells as shown in FIG. The indicated hydrogen concentration was obtained by measuring the hydrogen and carbon dioxide partial pressures of the exhaust gas collected from the outlet of the fuel gas passage of each fuel cell by gas chromatography, and measuring the water vapor partial pressure by a dew point meter. = Hydrogen partial pressure / (hydrogen partial pressure + carbon dioxide partial pressure + water vapor partial pressure). The air passage provided in the air electrode and the fuel gas passage provided in the fuel electrode are both formed to have the same dimensions, and the width and the depth thereof are all equal.
1.0 mm and 0.8 mm. Further, the number density of these gas passages is uniform and is 500 per m. The operating conditions were as follows: hydrogen utilization rate 80%, oxygen utilization rate
50%, average load current density 300 [mA / cm 2 ]. In addition, the hydrogen concentration was determined as follows: the first cell and the eighth cell, and the second cell and the seventh cell.
The cells, the third cell and the sixth cell, and the fourth cell and the fifth cell were equivalent, and the distribution was vertically symmetric with respect to the boundary between the fourth cell and the fifth cell located at the center between the cooling plates.
【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。As shown in FIG. 9, in the first and eighth cells adjacent to the cooling plate, the minimum value of the hydrogen concentration is about 20%.
%, Whereas a part of the outlet of the fuel gas passage of the fourth cell and the fifth cell in the center between the cooling plates may have a portion where the hydrogen concentration is reduced to about 10.5%. Recognize. When operating at a hydrogen utilization of 80%, the average hydrogen concentration in the exhaust gas of the fuel cell stack is about 23%.
The hydrogen concentration of 10.5% is extremely low, and it is considered that the power generation current density is considerably reduced in the vicinity.
【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。As described above, in the phosphoric acid type fuel cell stack, the hydrogen utilization rate is usually as high as 80% or more. Therefore, even if the fuel distribution ratio to some of the stacked cells is reduced by about 2 to 3%. In addition, there has been a problem that the fuel utilization rate of the cell increases, the hydrogen concentration and the current density in the electrode surface significantly decrease, and the operation of the fuel cell stack becomes unstable. The present invention
It was made in consideration of the difficulties of the prior art as described above, the gas supply amount to each cell constituting the fuel cell stack is made uniform, the gas utilization rate of each cell is made uniform,
An object of the present invention is to provide a fuel cell stack capable of stable operation.
【０００９】[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。In order to achieve the above object, according to the present invention, a plurality of fuel cells are formed by arranging a fuel electrode and an air electrode on both main surfaces of a flat electrolyte layer. Then, the laminated blocks are laminated with a cooling plate interposed therebetween, and a reducing agent gas is supplied to a gas passage provided in a fuel electrode, and an oxidizing gas is supplied to a gas passage provided in an air electrode. The fuel cell stack converts the reaction energy into electric power by an electrochemical action. (1) Two fuel cells adjacent to each other in the stack block are provided with gas passages of the same number density and a cooling plate The cross-sectional area of the gas passage of the fuel cell at a position further away from the fuel cell is made larger than the cross-sectional area of the gas passage of the other fuel cell.
【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。(2) Alternatively, two adjacent blocks in the laminated block
One fuel cell is provided with gas passages having the same cross-sectional area, and the number density of the gas passages of the fuel cell at a position further away from the cooling plate is made larger than the number density of the gas passages of the other fuel cell. . If the cross-sectional area or the number density of the gas passages of the fuel cells arranged further away from the cooling plate in this way is increased, the fluid resistance of the gas passages of these fuel cells is reduced, so that the gas passages of the fuel cells are further separated from the cooling plate. Even if the temperature is relatively higher than that of the fuel cell close to the cooling plate due to the disposition, the increase in the pressure loss at the gas inlet-outlet of the fuel cell is suppressed. Therefore, the fuel gas or the oxidizing gas is uniformly dispersed and supplied by each fuel cell in the stacking block, and is used at substantially the same gas utilization rate, thereby stabilizing the output of the fuel cell stack. Becomes
【００１１】[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。DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS Hereinafter, embodiments of the phosphoric acid type fuel cell stack of the present invention will be described with reference to the drawings. <Embodiment 1> FIG. 1 is a perspective view schematically showing a configuration of a main part of a fuel cell stack according to a first embodiment of the present invention, that is, a configuration of a stacked block disposed between cooling plates. is there. The difference between this configuration and the configuration of the conventional example shown in FIG. 6 lies in the width of the gas passages of the fuel electrodes of the eight stacked cells. In the conventional configuration, the gas passages of all the cells have the same width. On the other hand, the configuration of the present embodiment is characterized in that a cell integrated at a position separated from the cooling plate 10 has a wider gas passage.
【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。FIG. 2 is a characteristic diagram showing the distribution of the gas passage width of the fuel electrode of each cell of the above-mentioned laminated block. As shown in the figure, the fuel electrodes of the first cell 31 and the eighth cell 38, the second cell 32 and the seventh cell 37, the third cell 33 and the sixth cell 36, and the fourth cell 34 and the fifth cell 35 The widths of the gas passages are formed identically, respectively, 0.955 mm, 0.
They are 99 mm, 1.025 mm and 1.04 mm. The depth of each of the gas passages was the same as 0.80 mm, and the density of the gas passages was uniform at 500 per m. In addition,
The gas passage provided on the air electrode side is the same for all eight fuel cells, the gas passage width is 1 mm, the gas passage depth is 0.80 mm, and the number density of the gas passage is 5 m / m.
There are 00.
【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。[0013] The fuel cell stack thus constructed was subjected to a hydrogen utilization rate of 80%, an oxygen utilization rate of 50%, and an average load current density.
The operation was performed at 300 [mA / cm 2 ]. Hydrogen as fuel gas 65
%, Carbon dioxide 17%, and steam 18%, and air was used as the oxidizing gas. The fuel cell electrode area is 0.49 m 2 (0.7 mx 0.7 m). FIG.
FIG. 9 is a characteristic diagram showing a measurement result of a hydrogen concentration distribution on an end face on a fuel outlet side in the present power generation operation. The method of measuring the hydrogen concentration distribution is as described in the conventional example of FIG. Comparing the obtained results of FIG. 3 with those of FIG. 9 of the conventional example, the lowest values of the hydrogen concentration of the fourth and fifth cells, which were reduced to about 10.5% in the conventional example, increased to about 15%. By selecting the width of the gas passage of the fuel electrode as in the present embodiment, local decrease in hydrogen concentration and current density is avoided,
It can be seen that the gas supply amount to each cell is made uniform and stable operation is possible. <Embodiment 2> The basic configuration of this embodiment is the same as the conventional example shown in FIG. 6 or the first embodiment shown in FIG.
In the first embodiment, the width of the gas passage of the fuel electrode of each cell of the laminated block is formed wider as the distance from the cooling plate is increased. Is characterized in that the width and depth of the gas passages are the same, and the number density of the gas passages is arranged more densely in the cells separated from the cooling plate.
【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。FIG. 4 is a characteristic diagram showing the distribution of the number density of the gas passages of the fuel electrode of each cell in the laminated block of this embodiment. As can be seen from the figure, the number density of the gas passages of the fuel electrode of the present embodiment is as follows: the first cell and the eighth cell, the second cell and the seventh cell, the third cell and the sixth cell, and the fourth cell and the fourth cell. 5 cells are the same, 480 [lines / m], 495
[Books / m], 512 [books / m] and 520 [books / m].
The shape of the gas passage of the fuel electrode was 0.8
mm, the width is the same as 1.0 mm, and the gas passage on the air electrode side is 1 mm in width, 0.80 mm in depth, and the number density of gas passages per 1 m, as in the first embodiment. There are 500.
【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。The fuel cell stack having the above-described structure was used in the same manner as in the first embodiment, except that the hydrogen utilization rate was 80% and the oxygen utilization rate was 5%.
The operation was performed under the conditions of 0% and an average load current density of 300 [mA / cm 2 ], and the hydrogen concentration distribution at the end face on the fuel outlet side was measured. The measured result is equivalent to the measured result of the first embodiment shown in FIG. 3. By selecting the number density of the gas passages of the fuel electrode, a local decrease in the hydrogen concentration and the current density is avoided. It can be seen that the gas supply amount to each cell is made uniform and stable operation is possible.
【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。In each of the above two embodiments, in each case, the width of the gas passage of the fuel electrode, that is, the passage cross-sectional area or the number density is adjusted, and the gas passage on the side of the air electrode is adjusted to any one of the gas passages. Although the same applies to the cell, the gas supply on the air electrode side can be stabilized by adjusting the cross-sectional area or the number density of the gas. That is, in a normal phosphoric acid type fuel cell, the oxygen utilization is generally 50 to 60%, which is low, so that the flow rate is not likely to be uneven. However, when the oxygen utilization is high and the same problem as the fuel side occurs, cooling is performed. It is easily presumed that similar stabilization can be achieved by providing a distribution in the gas passage cross-sectional area or the number density between the plates.
【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。The gas passages in the above two embodiments are not limited to the air passage 11 and the fuel gas passage 12 provided in the air electrode 5 and the fuel electrode 6 in the cell configuration shown in FIG. Also, in the configuration in which the air electrode phosphoric acid storage plate 7 and the fuel electrode phosphoric acid storage plate 8 are provided with gas passages instead of the air electrode 5 and the fuel electrode 6, the same applies by controlling the cross-sectional area and the number density of the gas passages. It goes without saying that stabilization can be achieved.
【００１８】[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。As described above, according to the present invention, a stacked block is formed by stacking a plurality of fuel cells formed by arranging a fuel electrode and an air electrode on both main surfaces of a flat electrolyte layer. Further, the laminated blocks are laminated with a cooling plate interposed therebetween, and a reducing agent gas is supplied to a gas passage provided in a fuel electrode, and an oxidizing gas is supplied to a gas passage provided in an air electrode, and the reaction energy thereof is reduced. In a fuel cell stack that converts electric power by electrochemical action, (1) two fuel cells adjacent to each other in a stack block are provided with gas passages of the same number density and are located further away from the cooling plate. The cross-sectional area of the gas passage of the fuel cell is made larger than the cross-sectional area of the gas passage of the other fuel cell, or (2) a gas passage having the same cross-sectional area is provided to two adjacent fuel cells of the stacked block. Prepared and from the cold plate Since the number density of the gas passages of the fuel cell at the separated position is set to be higher than the number density of the gas passages of the other fuel cell, the gas supply amount to each stacked fuel cell is made uniform. As a result, the gas utilization rate of each fuel cell is made uniform, a local decrease in the hydrogen concentration in the electrode plane is avoided, and a fuel cell stack that operates stably can be obtained.
【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FIG. 1 is a perspective view schematically showing a configuration of a main part of a fuel cell stack according to a first embodiment of the present invention.
【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FIG. 2 is a characteristic diagram showing a distribution of a gas passage width of a fuel electrode of each cell of the stacked block of the fuel cell stack according to the first embodiment of the present invention.
【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FIG. 3 is a characteristic diagram showing a measurement result of a hydrogen concentration distribution on a fuel outlet side end surface in a power generation operation of the fuel cell stack according to the first embodiment of the present invention.
【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FIG. 4 is a characteristic diagram showing a distribution of the number density of gas passages of fuel electrodes of each cell in a stacked block of a fuel cell stack according to a second embodiment of the present invention.
【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FIG. 5 is a perspective view of a single cell of a phosphoric acid type fuel cell showing a basic configuration example of the fuel cell.
【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FIG. 6 is a perspective view schematically showing a configuration of a main part of a fuel cell stack according to a conventional technique.
【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FIG. 7 is a plan view showing a method of supplying fuel gas and air to the fuel cell stack.
【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FIG. 8 is a distribution diagram of a fuel distribution ratio at a fuel gas passage entrance obtained by performing a numerical simulation on a fuel cell stack composed of a stack block in which eight cells are arranged between cooling plates.
【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FIG. 9 is a characteristic diagram showing a hydrogen concentration distribution at an outlet end face of a fuel gas passage measured for a phosphoric acid type fuel cell stack composed of a stack block composed of eight cells.
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 Reference Signs List 1 cell 2 electrolyte layer 3 air electrode catalyst layer 4 fuel electrode catalyst layer 5 air electrode electrode 6 fuel electrode electrode 7 air electrode phosphoric acid storage plate 8 fuel electrode phosphoric acid storage plate 9 gas separation plate 10 cooling plate 11 air passage 12 fuel gas Passageway 31 First cell 32 Second cell 33 Third cell 34 Fourth cell 35 Fifth cell 36 Sixth cell 37 Seventh cell 38 Eighth cell
Claims (3)
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。1. A laminated block is formed by laminating a plurality of fuel cells each having a fuel electrode and an air electrode on both main surfaces of a flat electrolyte layer, and further comprising a cooling plate interposed between the laminated blocks. The reducing agent gas into the gas passage provided in the fuel electrode,
Also, an oxidizing gas is supplied to a gas passage provided in the air electrode,
In a fuel cell stack for converting the reaction energy into electric power by electrochemical action, two fuel cells adjacent to each other in the stack block are provided with gas passages having the same number density, and further from the cooling plate. A fuel cell stack, wherein a cross-sectional area of a gas passage of a fuel cell located at a separated position is larger than a cross-sectional area of a gas passage of another fuel cell.
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。2. A laminated block is formed by laminating a plurality of fuel cells each having a fuel electrode and an air electrode on both main surfaces of a flat electrolyte layer, and further comprising a cooling plate interposed between the laminated blocks. The reducing agent gas into the gas passage provided in the fuel electrode,
Also, an oxidizing gas is supplied to a gas passage provided in the air electrode,
In a fuel cell stack for converting the reaction energy into electric power by electrochemical action, two fuel cells adjacent to each other in the stack block have gas passages having the same cross-sectional area, and are provided with a plurality of gas passages. A fuel cell stack, wherein the number density of gas passages of a fuel cell at a separated position is higher than the number density of gas passages of another fuel cell.
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。3. The fuel cell stack according to claim 1, wherein the electrolyte layer of the fuel cell comprises a layer holding phosphoric acid.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP9147417A JPH10340733A (en) | 1997-06-05 | 1997-06-05 | Fuel cell laminate |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP9147417A JPH10340733A (en) | 1997-06-05 | 1997-06-05 | Fuel cell laminate |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH10340733A true JPH10340733A (en) | 1998-12-22 |
Family
ID=15429846
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP9147417A Pending JPH10340733A (en) | 1997-06-05 | 1997-06-05 | Fuel cell laminate |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH10340733A (en) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2019108308A1 (en) * | 2017-11-30 | 2019-06-06 | Doosan Fuel Cell America, Inc. | Fuel cell assembly including varied flow resistance |
| US10991957B2 (en) | 2017-11-30 | 2021-04-27 | Doosan Fuel Cell America, Inc. | Fuel cell assembly including multiple flow capacities in a condensation zone |
-
1997
- 1997-06-05 JP JP9147417A patent/JPH10340733A/en active Pending
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2019108308A1 (en) * | 2017-11-30 | 2019-06-06 | Doosan Fuel Cell America, Inc. | Fuel cell assembly including varied flow resistance |
| US10991957B2 (en) | 2017-11-30 | 2021-04-27 | Doosan Fuel Cell America, Inc. | Fuel cell assembly including multiple flow capacities in a condensation zone |
| US11133519B2 (en) | 2017-11-30 | 2021-09-28 | Doosan Fuel Cell America, Inc. | Fuel cell assembly including varied flow resistance |
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