JPS5822866B2 - 積層燃料電池 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 この発明は燃料電池に係り、特に、電気的に直列に接続
された複数個の燃料電池から成る積層燃料電池に係る。

基本的な燃料電池は正極と、それから間隔をおいた負極
と、両電極の間に形成される隔室に挿置された電解質か
ら成り、各電極はその電解質側に触媒層を含んでいる。

負極の非電解質側は燃料を通すだめの反応ガス空間であ
り、また、正極の非電解質側は酸化剤を通すための反応
ガス空間である。

両電極は、ガスが電極を通って拡散し、触媒層のなかで
電解質と接触して、電気化学的な反応を行なうことによ
り、イオンが正極から電解質を通って負極へ移動するよ
う、構成されている。

このイオンの流れが基本的に燃料電池により得られる電
流である。

燃料電池発電設備では、複数個の燃料電池が隔離板を介
して積み重ねられ、電気的に直列に接続されて、燃料電
池積層体を形成している。

これらの隔離板は、それに隣接する電極とともに、一般
に、前記の反応ガスの通路を郭定している。

積層体の両端の電圧は、個々の電池により得られる電流
の関数としての各電池の両端の電圧降下の和である。

各電池により得られる電流の大きさは電気化学的反応に
利用される反応ガスの量に正比例している。

先行技術の一つの形態では、燃料は積層体中の各電池を
平行に一回だけ通過する。

すなわち、その一つの側に流入した燃料は直線的にそれ
を貫通して、他の側に流出する。

もし積層体中の電池の一つにおいて反応ガスの分布状態
が不良になると（このような異常状態は触媒層の不均等
などにより起るおそれがある）、その電池のある領域は
電流を正し−割合で通じなくなり、その電池の残余の部
分が全電流を通じなければならなくなる。

たとえば、この電池の残余の部分は電池を通過する燃料
の８０％しか供給されていないのに、前記の異常状態で
は電流の１００％を負担しなければならなくなる。

この電流を負担するのに十分な燃料がない場合は、その
電池が過熱しはじめ、時によっては、その電池あるいは
積層体の故障の原因となる。

この現象は不良分布状態を呈する個々の電池において起
るだけでなく、不良電池からすぐ下流（電流の方向に関
して下流）のいくつかの電池にも波及する。

一つの解決方法は、曲折した形で電池に燃料を流すこと
により、理論的には、電池に流入する燃料の全量が電極
のあらゆる部分を通過するようにすることであった。

この方法によれば、電池のたとえば８０係の部分だけで
１００％の電流を負担しているとはいえ、１００％の燃
料が８０％の電・池部分を通過して、１００％の電流を
負担するのに利用され得る。

しかし、曲折流路による方法は、燃料空間に閉塞を生じ
て、そこを通る燃料の流れを阻止するおそれのある電池
に対しては満足でない。

その電池は必然的に水素に不足して、構造体の腐食を生
しついには個々の電池および／あるいは積層体の故障に
つながるおそれがある。

まだ、曲折した流路を用いる場合、電池のある領域への
反応ガスの分布状態が不良になると、ガスが曲折流路の
隅を周って移動する時に流れが不連続になることがある
。

本発明の一つの目的は、燃料電池積層体として電気的に
直列に接続された電池群において、そこを通過する反応
ガスの不良分布が連鎖波及する現象を減することである
。

本発明の別の目的は、燃料電池積層体として電気的に直
列に接続された電池群のなかで、不均等な電流分布が連
鎖波及する現象を減することである。

本発明のさらに別の目的は、電気的に直列に接続された
燃料電池積層体における反応ガスの利用率を向上するこ
とである。

これらの目的を達成するため、本発明によれば、積層体
の各電池を平行に通過する反応ガスの少くとも一方は一
つの電極の一つの部分とのガス連絡路のみに流入し、各
電池からの排出ガスは混合され、各電池を逆方向に平行
に通過する混合ガスは前記電極の別の部分とのガス連絡
路のみに流入しさらに同様にして、反応ガスが各電池か
ら排出されるたびに、排出ガスが混合され、これらの排
出ガスが各電極の別の部分とのガス連絡路から各電池を
平行に通過するという過程を、各電池の電極全体が反応
ガスと接触し終るまで、繰り返す。

たとえば、燃料ガスは電池を通る第一の経路として各正
極の二手部の一つを平行に通過し、電池からの排出ガス
はマニホルドのなかで混合されてから、電池を通る第二
の経路として各正極の二半部の他方に戻るように構成で
きよう。

あるいは、反応ガスが四回にわたり電池を横断して流れ
るように各電極を四つの部分に分割しておき、あとの三
つの経路の各々には、その前の経路からの排出ガスを混
合したガスが流れるようにも構成できよう。

この構成は燃料と酸化剤のいずれか一方あるいは双方で
実施することができる。

この発明によれば、電池の一つの部分に閉塞を生じても
、中間マニホルドから供給されている他方の部分へのガ
スの流れは遮断されず、あるいは、減少さえしないこと
は明らかであろう。

したがって、閉塞により影響されない電池の部分が超過
電流を負担することができる。

ガスを電池に曲折して流す方法では、閉塞個所の下流お
よび上流の電池の部分にはガスが達しないか、あるいは
少量のガスが達するだけであるが、本発明の方法では、
閉塞を生じても電池全体にとって致命的ではない。

また、曲折流路の鋭い折り返しに伴う欠点も本発明によ
れば回避されるので、電池のすべての部分へのガスの分
布が、より均等になる。

より均等な分布は、本発明の目的の一つであるガスの利
用率の向上につながる。

また、本発明によれば、電池の一つの領域に閉塞を生じ
ても、在来の曲折流路構成に比較して、電池のより小さ
い部分へのガスの流れが断たれるだけであることによっ
ても、ガスの利用率が高められる。

これらの利益に加えて、本発明は、電流の不良分布によ
り生ずる問題すなわち、たとえば電極の一つの領域が触
媒に欠けることにより電極の残余の部分が前記のように
電流のすべてを通さなければならなくなることに伴う問
題、をも減少する。

この発明によれば、電極の他の部分までガス量が減少す
ることはないので、超過電流を支えること。

ができるからである。

前記および他の目的、特徴および利益は、添付図面に図
解されている好ましい実施例を以下に詳細に説明するな
かで、一層間らかになるであろう。

第１図を参照して、本発明による燃料電池積層体は全体
として数字１０で示されている。

積層体１０は、電気的に互いに直列接続された複数個の
燃料電池組立体１２から成る。

各電池組立体１２は隔離板１４および電極組立体１６か
ら成る。

第２図を参照すると、電極組立体１６は負極あるいは燃
料電極１８と、正極あるいは酸化剤電極２０と、両者の
中間に形成される隔室に配設された電解質保持マトリク
ス２２から成ることが示されている。

各電極はサブストレート２４と、その電解質と面する表
面上に配設された触媒層２６から成る。

マトリクス２２は電解質リン酸、サブストレート２４は
炭素、また、触媒は白金であってよい。

しかし、これは例示に過ぎず、本発明はこれに限定され
るものではない。

隔離板１４は、負極１８の非電解質に面する表面ととも
に、反応燃料ガス空間２８を郭定している。

隣接する隔離板１４ａは、正極２０の非電解質に面する
表面とともに、反応酸化剤ガス空間３０を郭定してｂる
。

この実施例において、隔離板１４は電極１８．２０にそ
れぞれ当接するリブ３２．３３を含み、それにより電極
を支持している。

また、中央のリブ３２ａは燃料空間２８を二半部２８ａ
および２８ｂに分割するだめの隔壁の役割をしている。

リブ３２ａ以外の支持リブは本発明に不可欠なものでは
ない。

しかし、支持リブを用いれば、空間２８ａ 、２８ｂお
よび３０の各各を通じて気体を自由に流し、まだ、均等
に分布させるよう設計することができる。

さて第１図に戻り、この実施例において燃料空間２８の
なかのリブ３２は電池１２の長さ方向に延びて、長方形
の直線溝３４を形成し、また、電池の両端に開口３５を
有する。

酸化剤空間３０のなかのリブ３３はリブ３２に直交し、
電池１２０幅方向に延びて、積層体１００両側面に開口
３６を有する溝を形成している。

また積層体１０は酸化剤入口マニホルド３８、酸化剤出
口マニホルド４０、燃料入口マニホルド４２、燃料出口
マニホルド４４および燃料混合マニホルド４６を含む。

仕切板４７はマニホルド４２．４４を隔離している。

酸化剤入口マニホルド３８は単一の大きな隔室を郭定し
、空間３０への開口３６のすべてと連絡している。

酸化剤はこの実施例では適当な空気源（図示せず）から
の空気であるが、導管４８を経てマニホルド３８に入り
、空間３０を経て電池の全てを平行に通過し、出口マニ
ホルド４０のなかに排出する。

さらに酸化剤は導管を通じて積層体１０から流れ去って
よい。

この実施例において酸化剤は電池を通じて流れて後、積
層体から排出されるけれども、このことは本発明に必須
の要件ではない。

塩基性電解質電池のような、ある種の電池を用いた積層
体では、酸化剤空間は行止まりであってよく、また、電
池を通じて酸化剤を再循環する手段を備えてよい。

これらの他の構成方法は本発明の範囲内にあるものとす
る。

さて、第１図とならんで第３図を参照して、燃料は、こ
の実施例では図示しない供給源からの、改質された水素
であるが、導管５０を経て燃料入口マニホルド４２に入
る。

燃料の流れ方は矢印５４により示されている。

燃料入口マニホルド４２は中央リブ３２ａの一つの側の
開口３４のみと連絡しており、この開口３４は空間２８
の二半部２８ａに通じている。

燃料はすべての電池の負極の一部分、この実施例におい
ては各負極の二半部、にわたる空間２８ａのなかを平行
に通過する。

燃料は電池１２の空間２８ａから流出し、混合マニホル
ド４６に入り、そこで一部不活性化されたガスが混合さ
れて、中央リブ３２ａの他方の側の空間２８ｂを経て電
池１２を通って戻る。

燃料は燃料出口マニホルド４４のなかに排出し、導管５
８を経て積層体から流れ去る。

空間２８の二半部の一つが全部閉塞したとしても、各二
半部はマニホルドから燃料を供給されているので、電池
の他方の二半部への燃料の流れに影響を与えないことは
注目すべきである。

リブ３２により形成される空間の一つにおける閉塞によ
る悪影響を最小にするだめ、ガスが相異なる空間３４の
間を交さして流れ得るよう、このリブ（ただし３２ａを
除く）はその長さ方向に沿って開口を有してよい。

また、本発明による反応ガス空間は等間隔の部分に分割
されたものとして図解されているが、このことは本発明
の不可欠の要件ではない。

ガスは継続する各流路において次第に不活性化されてく
るので、ガスの継続する各流路におおわれる電極の部分
が次第に小さくなるように空間を分割することは望まし
いであろう。

このことは本発明の範囲内にあるものとする。

この実施例のようにガス拡散電極を電極とする燃料電池
では、負極のサブストレートは、燃料を触媒層に到達さ
せるよう、反応ガスに対し多孔性である。

サブストレートは、たとえば、疎水性ポリマーにより防
水された多孔性炭素紙であってよいが、他の適当な材料
であってもよいことは当業者に知られている。

リブ３２ａの縁部はその長さ方向に沿って電極の表面と
接触しているに過ぎないので、リブ３２ａが燃料空間を
部分しているとはいえ、燃料はリブの一方の側のサブス
トレートに入り、また、電池の他方の側のサブストレー
トを通って横方向に拡散することができる。

このことは、燃料を可能な限り均等に分布させて、最大
限に利用しようという本発明の目的の一つを阻害・する
。

この実施例では、サブストレート２４は、空間２８を二
半部に分割している中央リブ３２ａに沿っている狭い帯
部６０（第３図）に沿って、親水性材料で含浸されてい
る。

サブストレート２４の残余の部分が一般的に疎水性であ
るのと異なり、帯部６０はマトリクス２２から電解質を
吸収して、帯部６０の範囲内の多孔を充満し、それを通
って燃料が交さして流れるのを防止する。

含浸材料は電解質と適合できるものでなければならず、
たとえば、テフロンと結合した炭素粉のように適当な樹
脂と結合した粉状物質の親水性混合物であってよい。

しかし、このことは例として示しだに過ぎず、本発明の
範囲を制限するものではない。

もし、交さするガス流が最初から非常に小さければ、サ
ブストレートに特別な処理を施す必要はないであろう。

本発明の別の実施例は第４図に示されている。

この実施例では酸素は導管１０２を経てマニホルド１０
０に流入し、単一流路で電池を長さ方向に通過し、マニ
ホルド１０４に流出し、導管１０６を経て電池から流れ
去る。

積層体の電池とマニホルドを通る燃料の流れ方は矢印１
０８により示されている。

電解質と反対側の負極の表面は数字１１０により示され
ている。

この実施例では負極は１１０ａ、１’ｌＯｂ 、’１１
０ｃおよび１１０ｄで示されている四つの部分に分割さ
れている。

これらの部分は、第３図の実施例における帯部６０と類
似した親水性材料の帯部１１２により仕切られている。

各仕切り板は帯部１１２の各々に対応してリブを有し、
燃料ガス空間を四つの部分に仕切っている。

燃料はまず導管１１５を経て初端マニホルド１１４に流
入し、表面１１０ａの上を通過して第一混合マニホルド
１１６のなかに排出する。

全部の電池からの排出ガスはマニホルド１１６のなかで
混合されてから、表面１１０ｂの上を通過して第二混合
マニホルド１１８のなかに排出する。

もう一度、全部の電池からの排出ガスが混合されてから
、今度は表面１１０ｃの上を通過して第三混合マニホル
ド１２０のなかに排出する。

さらに、もう一度、全部の電池からの排出ガスが混合さ
れてから、各負極の最終部分（表面１１０ｄ）の上を通
過して、最終的にマニホルド１２２のなかに排出し、導
管１２４を経て積層体から流れ去る。

この実施例から、各電池が任意の所望の数の部分に分割
され得ることは明らかである。

本発明の実施にあたって、いくつの部分に分割するのが
最適かを決めるためには、部分の数を増加することによ
り得られる利益と、マニホルド システムが複雑化する
不利益とが考慮されなければならない。

まだ、この発明は燃料のかわりに酸化剤にも適用できる
し、同一の積層体のなかで燃料と酸化剤の双方にも適用
できることは明らかであろう。

本発明を好ましい実施例について図解し、説明してきだ
が、その形態および細部において種々の変更および省略
が本発明の範囲から逸脱することなく行なわれてよいこ
とは当業者により理解されよう。

【図面の簡単な説明】 第１図は本発明による積層燃料電池を示す斜視図であり
、一部を切欠いである。 第２図は第１図の積層体を構成する燃料電池組立体の断
面図であるが、各部の縮尺は実際と異なる。 第３図は第１図の積層体のなかの負極の非電解質と面す
る表面を上から見た横断面図である。 第４図は第３図の断面図と類似の断面図であるが、本発
明の別の実施例を示している。 １０〜燃料電池積層体（全体）、１２〜燃料電池組立体
、１４〜隔離板、１６〜電極組立体、１８〜負極（燃料
電極）２０〜正極（酸イレ１］電極）２２〜電解質保持
マトリクス、２４〜サブストレート、２６〜触媒層、２
８〜燃料ガス空間、３０〜酸化剤ガス空間、３２．３３
〜リブ、３４〜直線溝、３５〜燃料ガス空間の開口、３
６〜酸化剤ガス空間の開口、３８〜酸化剤入ロマニホル
ド、４０〜同出ロマニホルド、４２〜燃料入ロマニホル
ド、４４〜同出ロマニホルド、４６〜同混合マニホルド
、４７〜仕切板、６０〜帯部、１００〜酸化剤入ロマニ
ホルド、１０４〜同出ロマニホルド、１１０〜負極表面
、１１２〜帯部、１１４〜初端マニホルド、１１６〜第
一混合マニホルド、１１８〜第二混合マニホルド、１２
０〜第三混合マニホルド、１２２〜終端マニホルド。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 各々が第一及び第二の電極とこれら第−及び第二の
   電極の間に設けられた電解質と前記第一の電極の前記電
   解質とは反対の側に郭定された第一の反応ガス室と前記
   第二の電極の前記電解質とは反対の側に郭定された第二
   の反応ガス室とを有する燃料電池が複数個電気的に直列
   に接続された燃料電池積層体と、前記燃料電池の各々に
   於ける前記第−及び第二の反応ガス室の少なくとも一方
   をそれぞれが入口開口と出口開口とを有する第−及び第
   二の室部を含む複数個の個別の室部に仕切る仕切手段と
   、前記燃料電池積層体の各燃料電池の前記第一の室部の
   前記入口開口とガス連通関係にあり前記第一の室部の全
   てに並列的に反応ガスを導入する第一のマニホルドと、
   前記燃料電池積層体の各燃料電池の前記第一の室部の前
   記出口開口及び前記第二の室部の前記入口開口とガス連
   通関係にあり前記第一の室部の全てより並列的に反応ガ
   スを集め又これら各燃料電池の前記第一の室部より集め
   られた反応ガスを混合し更に前記第二の室部の全てに並
   列的に反応ガスを導入する第二のマニホルドと、前記燃
   料電池積層体の各燃料電池の前記第二の室部の前記出口
   開口とガス連通関係にあり該第二の室部の全てより並列
   的に反応ガスを集める第三のマニホルドとを有する積層
   燃料電池。 ２、特許請求の範囲第１項の積層燃料電池に於て、各燃
   料電池に於ける前記一方の反応ガス室は二つの個別の室
   部に仕切られており、その一つが前記第一の室部であり
   、他の一つが前記第二の室部であることを特徴とする積
   層燃料電池。 ３ 特許請求の範囲第１項又は第２項の積層燃料電池に
   於て、各燃料電池に於ける前記一方の反応ガス室は燃料
   ガス室であることを特徴とする積層燃料電池。 ４ 特許請求の範囲第１項乃至第３項の何れかの積層燃
   料電池に於て、前記仕切手段は前記第−及び第二の室部
   の間に仕切壁を郭定する少なくとも一つのリブを有し、
   該リブはその長さ方向に沿って前記電極の一部と接触す
   る縁部を有し、前記電極の前記接触部は積層燃料電池の
   作動中に前記リブの下部にて前記電極内を通って反応ガ
   スが拡散することを防ぐべく含浸材を含んでいることを
   特徴とする積層燃料電池。 ５ 特許請求の範囲第４項の積層燃料電池に於て、前記
   含浸材は電解質に馴染み積層燃料電池の作動中電解質の
   塊りから電解質を吸収するのに適した親水性の含浸材で
   あることを特徴とする積層燃料電池。 ６ 特許請求の範囲第４項の積層燃料電池に於て、前記
   含浸材は樹脂と結合された粒状物質の親水性混合物であ
   り、電解質と馴染む性質を有するものであることを特徴
   とする積層燃料電池。