JP2000323155A

JP2000323155A - 平板式燃料電池

Info

Publication number: JP2000323155A
Application number: JP11133383A
Authority: JP
Inventors: Atsushi Murata; 篤思村田; Kiichi Komada; 紀一駒田; Takashi Hosoi; 敬細井; Atsuyuki Kawasaki; 敬幸川崎; Yasuhiro Suzuki; 康宏鈴木
Original assignee: Mitsubishi Materials Corp
Current assignee: Mitsubishi Materials Corp
Priority date: 1999-05-13
Filing date: 1999-05-13
Publication date: 2000-11-24

Abstract

(57)【要約】【課題】積層体周囲から取り入れる酸化剤ガスの流量
を増やして電気化学反応を促進させることができる平板
式燃料電池の提供を課題とする。【解決手段】酸化剤ガス流通溝３０の、酸化剤ガスの
取り入れ口となる端末部３０Ａが、セパレータ３１の外
周面３１ａに向かって傾斜するように延長して開口され
ている構成を採用した。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、燃料ガスと酸化剤
ガスとの電気化学反応で電力を発生させる燃料電池に関
し、特に平板形状のセパレータを備えた平板式燃料電池
に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】平板式燃料電池は、リン酸型や溶融炭酸
型と類似の構造を有しており、固体電解質の両主面をア
ノード及びカソードで挟み込んだ電極／固体電解質集合
体とセパレータとを交互に積層した発電部分である積層
体を備えている。この種の平板式燃料電池では、その一
つとして、例えば特開平６−１３０８８号に示される構
造のものがある。この平板式燃料電池では、セパレータ
３１の一方の主面に燃料ガスが流れる酸化剤ガス流通溝
が形成され、他方の主面に酸化剤ガスが流れる酸化剤ガ
ス流通溝が形成され、これら酸化剤ガス流通溝と燃料ガ
ス流通溝に酸化剤ガス供給管と燃料ガス供給管がそれぞ
れ接続されている。また、本出願人は特願平１１−８３
３０１号により、単位体積あたりの燃料ガス及び酸化剤
ガスが電極／固体電解質集合体に接触している時間を極
力長くして、燃料利用効率を高める提案をしている。こ
の平板式燃料電池の一つとして、図８、９に示すように
セパレータ１の一方の面２に形成された、酸化剤ガスが
流通する凹溝である酸化剤ガス流通溝３を従来より長く
して、酸化剤ガスが電解質板（図示せず）に接触して通
過する時間を比較的長くする方法がある。

【０００３】すなわち、酸化剤ガス流通溝３は、その全
長を長くするために往路３ａと復路３ｂとからなる構成
とされている。往路３ａは、図８に示す視線においてセ
パレータ外周面４の上下両端から径方向中央に向かうと
共に手前側に向かって直角に曲がって形成された一対の
酸化剤ガス吸入口５に連通する端部から面２の中央に向
かって螺旋状に形成された凹溝である。復路３ｂは、面
２の中央における往路３ａのターニングポイント３ｃに
一端が連通するように往路３ａに連続して形成され、往
路３ａと一定間隔を保ちかつ近接して往路３ａに沿って
螺旋状に形成された凹溝である。図８の面２の右側に位
置する復路３ｂの他端は、セパレータ１の厚み方向中央
まで至った後、右側に折曲してセパレータ外周面４に開
口された酸化剤ガス排出口６に連通されている。そし
て、酸化剤ガス排出口６より排気管７を通って酸化剤ガ
スが排気されるようになっている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】ところで、上記説明の
従来の平板式燃料電池は、以下に説明する問題を有して
いる。すなわち、セパレータ１の周囲（前記積層体の周
囲）の酸化剤ガスを酸化剤流通溝３内に取り入れるに際
し、酸化剤ガスは直角に折れ曲がった形状の流路である
酸化剤ガス吸入口５を通らねばならず、ここが流路抵抗
を増大させる原因となって吸入する酸化剤ガスの流量を
増すことができないので、電気化学反応の促進が妨げら
れているという問題である。これは、特開平６−１３０
８８号のものも同様であり、酸化剤ガス供給管と燃料ガ
ス供給管が酸化剤ガス流通溝と燃料ガス流通溝にそれぞ
れ接続されている構成であるため、同様の問題を有して
いる。

【０００５】本発明の平板式燃料電池は、上記事情を鑑
みてなされたものであって、下記をその目的としてい
る。すなわち、積層体周囲から取り入れる酸化剤ガスの
流量を増やして電気化学反応をより促進させることがで
きる平板式燃料電池の提供を目的とする。

【０００６】

【課題を解決するための手段】本発明の平板式燃料電池
は、上記課題を解決するために以下の手段を採用した。
すなわち、請求項１記載の平板式燃料電池は、平板状に
形成され、その一方の面に沿って燃料ガスを均等に流通
させる燃料ガス流通溝と他方の面に沿って酸化剤ガスを
均等に流通させる酸化剤ガス流通溝とがそれぞれ形成さ
れた導電性を有するセパレータと、アノード及びカソー
ドで挟み込まれた板形状の電解質板とを交互に積層して
組み立てた積層体を備え、該積層体の周囲の酸化剤ガス
を前記酸化剤ガス流通溝内に導いて、前記燃料ガス流通
溝内を流通する前記燃料ガスと前記電解質板を介在して
電気化学反応を起こす平板式燃料電池において、前記酸
化剤ガス流通溝の、前記酸化剤ガスの取り入れ口となる
端末部が、前記セパレータの外周面に向かって傾斜する
ように延長して開口されていることを特徴とする。

【０００７】上記請求項１記載の平板式燃料電池によれ
ば、積層体周囲に供給された酸化剤ガスは、セパレータ
の外周面に形成された酸化剤ガス流通溝の端末部より酸
化剤ガス流通溝内に流入する。このときの酸化剤ガス流
通溝の端末部は、従来のように折曲した流路形状ではな
いので、スムーズに酸化剤ガスが導入される。そして、
酸化剤ガスは、酸化剤ガス流通溝内を流れながら電解質
板を介在させて燃料ガス流通溝内を流れる燃料ガスと電
気化学反応を起こし、アノード及びカソード間に電流を
発生させる。

【０００８】

【発明の実施の形態】本発明の平板式燃料電池の一実施
形態について、図面を参照しながら以下に説明するが、
本発明がこれらに限定解釈されるものでないことはもち
ろんである。図１に示すように、本実施形態の平板式燃
料電池は、発電を行う発電部２０と、該発電部２０より
電力を集電する一対の集電部２１と、これら発電部２０
及び集電部２１を収納保持する本体部２３とを備えてい
る。本発明の平板式燃料電池は、後述されるセパレータ
３１が従来と特に異なっているので、これが装着されて
いる発電部２０を中心に説明を続ける。

【０００９】図２に示すように、発電部２０は、積層体
２４とステンレス製の燃料ガス供給マニホールド２５及
び排気ガスマニホールド２６とから概略構成されてい
る。積層体２４は、平板状に形成され、その一方の面２
７に沿って燃料ガスを均等に流通させる燃料ガス流通溝
２８と他方の面２９に沿って酸化剤ガスを均等に流通さ
せる酸化剤ガス流通溝３０とがそれぞれ形成された導電
性を有するステンレス製の６枚のセパレータ３１と、か
らなるアノード及びカソードで挟み込まれた板形状の５
枚の電解質板３２とを交互に積層して組み立てたもので
ある。なお、各セパレータ３１の面２７と電解質板３２
との間には、電解質板３２に加えられる圧迫力を弾性で
吸収してその割れを防止する円盤形状のクッション３３
が挟み込まれている。このクッション３３の材質として
は、例えばニッケルが考えられる。そして、各電解質板
３２が挟み込まれる各セパレータ３１間には、これらセ
パレータ３１及び電解質板３２の外周面を覆って保持す
る環状体である５本のガイドリング３４が設けられてい
る。このガイドリング３４の材質としては、例えばステ
ンレスが考えられる。

【００１０】同図に示すように、燃料ガス供給マニホー
ルド２５は、積層体２４の略真上に配設されており、改
質触媒２５ｃが内蔵されている。なお、各セパレータ３
１の最上部より真上に向かって延在する各燃料ガス供給
管３６は、後述される絶縁継手３９を介在させて燃料ガ
ス供給マニホールド２５にそれぞれ接続されており、両
者間での電気的絶縁性が保たれている。また、排気ガス
マニホールド２６は、積層体２４の真下に配設されてお
り、各酸化剤ガス流通溝３０から排出される酸化剤ガス
を、各セパレータ３１の最下部より真下に向かって延在
する排気管３７より導き入れて排出管３８に排出するよ
うになっている。これら排出管３８は、絶縁性を有する
例えばニッケルからなる絶縁継手３９で排気ガスマニホ
ールド２６に固定されており、排気ガスマニホールド２
６に対して電気的絶縁性を保った状態で接続されてい
る。

【００１１】そして、この排気ガスマニホールド２６上
に、積層体２４が各排気管３７で支持されている。した
がい、各セパレータ３１は、互いの軸線がずれないよう
に前記ガイドリング３１によって相互固定されると共
に、燃料ガス供給管３６と排気管３７とを介在させて上
下に位置する燃料ガス供給マニホールド２５と排気ガス
マニホールド２６との間に保持されている。

【００１２】図３、図４に示すように、セパレータ３１
は、ステンレス材からなる円盤形状の板体を切削加工し
て製作したものであり、前記面２９には、往路３０ａ及
び復路３０ｂからなる前記酸化剤ガス流通溝３０が形成
されている。往路３０ａは、図３に示す視線において、
左斜め下の側端より右回り中央に向かって螺旋状に形成
された凹溝と、同図の右斜め上の側端より右回り中央に
向かって螺旋状に形成された凹溝とが途中で連通するよ
うに形成したものである。復路３０ｂは、面２９の中央
における往路３０ａのターニングポイント３０ｃに一端
が連通するように往路３０ａに連続して形成され、往路
３０ａと一定間隔を保ちかつ近接して往路３０ａに沿っ
て螺旋状に形成された凹溝である。面２９下部に位置す
る復路３０ｂの他端は、図３の紙面に直交すると共にセ
パレータ３１の厚み方向中央より真下に向かって直角に
曲がるように形成された酸化剤ガス排出口４１に連通さ
れている。

【００１３】図３、図５に示すように、酸化剤ガス流通
溝３０（往路３０ａ）の、酸化剤ガスの取り入れ口とな
る各往路３０ａの端末部３０Ａは、セパレータ３１の外
周面３１ａに向かって傾斜するように延長して開口され
ている。すなわち、端末部３０Ａは、従来のセパレータ
のように直角に曲がる折曲箇所などの不連続点を持た
ず、周囲からの酸化剤ガスを容易に取り入れられるよう
に、図３の視線においては往路３０ａの主要部分に連続
して徐々にセパレータ３１の外周面３１ａに向かって近
づくような流路となり、図５に示す厚み方向の断面では
往路３０ａの主要部分との間に段差が生じないように溝
深さが同一な流路を形成している。セパレータ３１は、
図３の斜線部分が前記電解質板３２と面接触すること
で、該電解質板３２と共に閉断面を形成して酸化剤ガス
が流れる酸化剤ガス流通路３０を構成する。

【００１４】図４、図６に示すように、セパレータ３１
のもう一方の面２７の中央部には、燃料ガス噴射口４３
が面２７に垂直に形成され、該燃料噴射口４３は、セパ
レータ３１の厚み方向中央より鉛直上方に向かって形成
された燃料ガス供給路４４の下端に連通している。燃料
ガス供給路４４の上端は、前記燃料ガス供給管３６が接
続固定されるように内径が広げられた形状となってい
る。また、面２７には、環状の凹溝４５と、燃料噴射口
４３を中心に放射状に配置された１０本の凹溝４６とが
形成されている。そして、凹溝４５は、貫通孔４５ａに
おいて燃料ガス供給路４４と連通されるとともに、各凹
溝４６との交差点においても連通されている。このよう
な構成により、燃料ガス供給路４４内から供給される燃
料ガスは、燃料噴射口４３と凹溝４５と各凹溝４６とか
ら面２７上を満遍なく均等に満たすように噴射され、こ
れが当接する電解質板３２の当接面に吹き付けられるよ
うになっている。

【００１５】図７に示すように、ガイドリング３４は環
状体であり、その内壁面３４ａの内径は、セパレータ３
１と電解質板３２とが容易に収納可能であると共に、が
たつくほどの隙間が生じないような内径寸法に設計され
ている。そして、上下方向の２箇所には、燃料ガス供給
管３６と排気管３７とを通すための切り欠き３４ｂが形
成され、左右方向の２箇所には、セパレータ３１の酸化
剤ガス吸入口４０が周囲の酸化剤ガスを吸入するために
切り欠き３４ｃが形成されている。

【００１６】以上説明の構成を有する発電部２０は、図
１に示すように、一対の前記集電体２１によって挟み込
まれ、これら集電体２１より発電部２０で発電された電
力が取り出せるようになっている。なお、本体部２３に
は、発電部２０を覆うように環状のメタルスポンジ２３
ａが内部に取り付けられていると共に、このメタルスポ
ンジ２３ａの周囲から周囲空間５８内に酸化剤ガスを供
給する図示されない酸化剤ガス供給配管が前記周囲空間
５８に連通して設けられている。

【００１７】本実施形態の平板式燃料電池は、前記酸化
剤ガス供給配管から積層体２４の周囲に供給された酸化
剤ガスを酸化剤ガス流通溝３０内に導いて燃料ガス流通
溝２８内を流通する燃料ガスと電解質板３２を介在させ
て電気化学反応を起こすようになっている。その動作の
詳細について、以下に説明を続ける。積層体２４の周囲
に供給された酸化剤ガスは、セパレータ３１の外周面３
１ａに形成された酸化剤ガス流通溝３０（往路３０ａ）
の端末部３０Ａより酸化剤ガス流通溝３０内に流入され
る。このとき、端末部３０Ａは、従来のセパレータのも
ののように、直角に曲がる折曲箇所を有する流路ではな
いので、周囲の酸化剤ガスがスムーズな流線を描きなが
ら酸化剤ガス流通溝３０（往路３０ａ）内に流入する。
さらに、燃料ガス供給マニホールド２５から燃料ガス流
通溝２８内に燃料ガスを供給すると、酸化剤ガス流通溝
３０内を流れる酸化剤ガスと共に電解質板３２を介在し
て電気化学反応を起こし、前記アノード及びカソード間
に電流を発生させる。電気化学反応後の酸化剤ガスは、
各排気管３７を通って排気ガスマニホールド２６へと排
出される。一方、電気化学反応後の燃料ガスは、各セパ
レータ３１間から積層体２４の外部に向かって排出さ
れ、積層体２４を包んでこれを加熱する。

【００１８】本実施形態の平板式燃料電池によれば、酸
化剤ガス流通溝３０の端末部３０Ａを、セパレータ３１
の外周面３１ａに向かって傾斜するように延長してスム
ーズに開口される形状としたことで、従来のセパレータ
のように酸化剤ガスを導き入れる開口部分に折曲部分を
有して流路抵抗を増大させることがないので、積層体２
４周囲の酸化剤ガスが取り入れ易くなって酸化剤ガス流
通溝３０内を流れる酸化剤ガスの流量を増やすことがで
き、電気化学反応を従来よりも促進させることが可能と
なる。

【００１９】なお、本実施形態で説明した各構成部品の
材質は一例であり、これらに限定されず、設計条件に応
じて適宜材質の変更を行っても良い。また、燃料ガス流
通溝２８と酸化剤ガス流通溝３０の形状及び本数は、上
記説明のものに限定されず、設計条件に応じて適宜変更
しても良い。また、セパレータ３１と電解質板３２とガ
イドリング３４の数量及び外形も、上記説明のものに限
定されず、設計条件に応じて適宜変更しても良い。

【００２０】

【発明の効果】本発明の上記請求項１記載の平板式燃料
電池によれば、酸化剤ガスの取り入れ口となる酸化剤ガ
ス流通溝の端末部を、セパレータの外周面に向かって傾
斜するように延長して開口される構成を採用したこと
で、従来のセパレータのように酸化剤ガスを導き入れる
開口部分に折曲部分を有して流路抵抗を増大させること
がないので、積層体周囲の酸化剤ガスが取り入れ易くな
って酸化剤ガス流通溝内を流れる酸化剤ガスの流量を増
やすことができ、電気化学反応を従来よりも促進させる
ことが可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の平板式燃料電池の一実施形態を示す
図であって、側断面図である。

【図２】同平板式燃料電池の発電部を示す図であっ
て、図１のＢ部の拡大図である。

【図３】同平板式燃料電池のセパレータを示す図であ
って、正面図である。

【図４】同平板式燃料電池のセパレータを示す図であ
って、図３のＣ−Ｃ線での断面図である。

【図５】同平板式燃料電池のセパレータを示す図であ
って、図３のＤ−Ｄ線での断面図である。

【図６】同平板式燃料電池のセパレータを示す図であ
って、裏面図である。

【図７】同平板式燃料電池のガイドリングを示す図で
あって、正面図である。

【図８】従来の平板式燃料電池のセパレータの一例を
示す図であって、正面図である。

【図９】同平板式燃料電池のセパレータを示す図であ
って、図８のＡ−Ａ線での断面図である。

【符号の説明】

２４・・・積層体２７・・・一方の面２８・・・燃料ガス流通溝２９・・・他方の面３０・・・酸化剤ガス流通溝３０Ａ・・・端末部３１・・・セパレータ３１ａ・・・外周面３２・・・電解質板

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者細井敬東京都文京区小石川１丁目３番25号三菱マテリアル株式会社システム事業センター内 (72)発明者川崎敬幸東京都文京区小石川１丁目３番25号三菱マテリアル株式会社システム事業センター内 (72)発明者鈴木康宏東京都文京区小石川１丁目３番25号三菱マテリアル株式会社システム事業センター内Ｆターム(参考） 5H026 AA06 CC03 CC06 CV01 HH03

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】平板状に形成され、その一方の面に沿っ
て燃料ガスを均等に流通させる燃料ガス流通溝と他方の
面に沿って酸化剤ガスを均等に流通させる酸化剤ガス流
通溝とがそれぞれ形成された導電性を有するセパレータ
と、アノード及びカソードで挟み込まれた板形状の電解
質板とを交互に積層して組み立てた積層体を備え、該積層体の周囲の酸化剤ガスを前記酸化剤ガス流通溝内
に導いて、前記燃料ガス流通溝内を流通する前記燃料ガ
スと前記電解質板を介在して電気化学反応を起こす平板
式燃料電池において、前記酸化剤ガス流通溝の、前記酸化剤ガスの取り入れ口
となる端末部は、前記セパレータの外周面に向かって傾
斜するように延長して開口されていることを特徴とする
平板式燃料電池。