JP2007027014A - Fuel cell stack, separator and unit cell mounting plate - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、燃料電池スタック用セパレータ及び単セル搭載板に係り、更に詳細には、小型軽量化が可能で組立が容易な燃料電池スタックを実現し得るセパレータ、単セル搭載板及びこれらを用いた燃料電池スタックに関する。 The present invention relates to a separator for a fuel cell stack and a single cell mounting plate, and more specifically, a separator capable of realizing a fuel cell stack that can be reduced in size and weight and easy to assemble, a single cell mounting plate, and the like. The present invention relates to a fuel cell stack.
従来、燃料電池スタックは、セルやセル搭載基板、セパレータ及びガスマニホールドなどから成り、これらの部品を多段に積層して形成されていた。
また、スタック自体の小型・軽量化を図るために、個々の部品の薄型化や軽量化も検討されており、更には、組立を簡易にすべく部品点数の削減が望まれている。
Conventionally, a fuel cell stack includes cells, a cell mounting substrate, a separator, a gas manifold, and the like, and is formed by laminating these components in multiple stages.
In addition, in order to reduce the size and weight of the stack itself, the individual parts are being made thinner and lighter, and further, it is desired to reduce the number of parts in order to simplify the assembly.
このような背景において、単セルの燃料電極同士及び空気電極同士を対向して積層し、これらの電極同士の間に燃料ガス流路と空気流路を形成し、燃料電極同士及び空気電極同士を相互に電気接続することにより、セパレータを不要にして、部品点数を削減した平板型固体電解質型燃料電池が提案されている(例えば、特許文献1参照)。
しかしながら、近年は燃料電池スタックの更なる小型・軽量化が望まれており、このような従来の燃料電池スタックにおいて、そのまま個々の部品の小型・軽量化を追求し過ぎると、燃料電池スタックが、特に熱履歴に繰り返し曝される構造物である関係上、強度や剛性の確保が必ずしも十分とは言えなくなるという問題があった。
また、単に部品点数を削減したとしても、部品同士の接合などが煩雑なことがあり、スタックの組み立てが実際に簡易になるとは限らなかった。
However, in recent years, further reduction in size and weight of the fuel cell stack has been desired. In such a conventional fuel cell stack, if the individual components are pursued too much in size and weight, the fuel cell stack In particular, due to the structure that is repeatedly exposed to the thermal history, there is a problem that it is not always sufficient to ensure strength and rigidity.
Moreover, even if the number of components is simply reduced, joining of components may be complicated, and stack assembly is not always simplified.
本発明は、このような従来技術の有する課題に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、小型・軽量化が実現でき、剛性維持と応力緩和を両立でき、組み立てが簡易な燃料電池スタックを実現し得るセパレータ、単セル搭載板及びこれらを用いた燃料電池スタックを提供することにある。 The present invention has been made in view of the above-described problems of the prior art. The object of the present invention is to realize a fuel that can be reduced in size and weight, can maintain rigidity and relieve stress, and can be easily assembled. It is an object of the present invention to provide a separator capable of realizing a battery stack, a single cell mounting plate, and a fuel cell stack using these.
本発明者らは、上記目的を達成すべく鋭意検討を重ねた結果、接合部とガス流路部を一体的に取り扱い可能な中空フレームを採用することなどにより、上記目的が達成できることを見出し、本発明を完成するに至った。 As a result of intensive studies to achieve the above object, the present inventors have found that the above object can be achieved by adopting a hollow frame that can handle the joint and the gas flow path unit integrally, The present invention has been completed.
即ち、本発明の燃料電池スタック用セパレータは、気密性の平板と、この平板の表面及び裏面の縁部に配設された気密性の中空フレームを備え、当該平板がその表面側と裏面側に設けられる燃料ガス室と酸化性ガス室とを仕切る構造を有する燃料電池スタック用セパレータである。
このセパレータにおいて、上記中空フレームは、スタッキングの際に他のセパレータ又は単セル搭載板との接合に供される接合部と、燃料ガス及び酸化性ガスをそれぞれ上記燃料ガス室及び上記酸化性ガス室に供給し排出するガス流路部を有し、
上記中空フレームの接合部は、スタッキング方向に延在し燃料ガス又は酸化性ガスを流通させるガス管が連結される連結孔を有する。
That is, the separator for a fuel cell stack of the present invention includes an airtight flat plate and an airtight hollow frame disposed at the edge of the front and back surfaces of the flat plate, and the flat plates are on the front side and the back side. It is a fuel cell stack separator having a structure that partitions a provided fuel gas chamber and an oxidizing gas chamber.
In this separator, the hollow frame includes a joint portion used for joining with another separator or a single cell mounting plate during stacking, and a fuel gas and an oxidizing gas chamber for the fuel gas and the oxidizing gas, respectively. A gas flow path section for supplying and discharging
The joint portion of the hollow frame has a connection hole that is connected to a gas pipe that extends in the stacking direction and circulates the fuel gas or the oxidizing gas.
また、本発明の燃料電池スタック用セパレータの好適形態は、上記ガス流路部が、上記接合部よりも剛性が低く、スタッキングの際、スタッキング方向の逆方向に押圧されて潰れ変形し、その高さが上記接合部とほぼ同じになることを特徴とする。 Also, a preferred embodiment of the separator for a fuel cell stack according to the present invention is such that the gas flow path portion has a rigidity lower than that of the joint portion, and is pressed in the opposite direction to the stacking direction during stacking to be crushed and deformed. The length is substantially the same as that of the joint portion.
更に、本発明の燃料電池スタック用単セル搭載板は、平板状の固体電解質と、この固体電解質の表面及び裏面の縁部に配設された気密性の中空フレームを備え、当該固体電解質がその表面側と裏面側に設けられる燃料極室と空気極室とを仕切る構造を有するとともに、この固体電解質の表面及び裏面にそれぞれ燃料極及び空気極を配置して成る燃料電池スタック用単セル搭載基板である。
この単セル搭載板において、上記中空フレームは、スタッキングの際にセパレータとの接合に供される接合部と、燃料ガス及び酸化性ガスをそれぞれ上記燃料極室及び上記空気極室に供給し排出するガス流路部を有し、
上記中空フレームの接合部は、スタッキング方向に延在し燃料ガス又は酸化性ガスを流通させるガス管が連結される連結孔を有する。
Furthermore, a single cell mounting plate for a fuel cell stack according to the present invention comprises a flat solid electrolyte and an airtight hollow frame disposed on the edge of the front and back surfaces of the solid electrolyte, the solid electrolyte being A single cell mounting substrate for a fuel cell stack having a structure for partitioning a fuel electrode chamber and an air electrode chamber provided on the front surface side and the back surface side, and disposing a fuel electrode and an air electrode on the front surface and the back surface of the solid electrolyte, respectively. It is.
In the single cell mounting plate, the hollow frame supplies and discharges the fuel gas and the oxidizing gas to the fuel electrode chamber and the air electrode chamber, respectively, to the joint portion used for joining with the separator during stacking. Having a gas flow path,
The joint portion of the hollow frame has a connection hole that is connected to a gas pipe that extends in the stacking direction and circulates the fuel gas or the oxidizing gas.
更に、本発明の他の燃料電池スタック用単セル搭載板は、固体電解質を燃料極と空気極で挟持して成る単セルと、この単セルを搭載する搭載フレームを備える燃料電池スタック用単セル搭載板である。
この単セル搭載板において、上記単セルの空気極又は燃料極が、上記搭載フレームの開口部内に配置可能な大きさを有し、
上記空気極又は燃料極が上記搭載フレームの開口部内に配置されるとともに、上記固体電解質がこの開口部を閉塞するように、上記単セルが上記搭載フレーム上に搭載されており、
上記搭載フレームの一部に、スタッキング方向に延在し燃料ガス又は酸化性ガスを流通させるガス管が連結される連結孔を有する。
Furthermore, another unit cell mounting plate for a fuel cell stack according to the present invention comprises a unit cell comprising a solid electrolyte sandwiched between a fuel electrode and an air electrode, and a unit cell for a fuel cell stack comprising a mounting frame for mounting the unit cell. It is a mounting board.
In this single cell mounting plate, the air electrode or fuel electrode of the single cell has a size that can be disposed in the opening of the mounting frame,
The single cell is mounted on the mounting frame so that the air electrode or the fuel electrode is disposed in the opening of the mounting frame, and the solid electrolyte closes the opening.
A part of the mounting frame has a connection hole to which a gas pipe that extends in the stacking direction and circulates the fuel gas or the oxidizing gas is connected.
また、本発明の燃料電池スタックは、上述の如き燃料電池スタック用セパレータと、燃料電池スタック用単セル搭載板、又は他の燃料電池スタック用単セル搭載板とを交互に積層して成ることを特徴とする。 Further, the fuel cell stack of the present invention is formed by alternately laminating the separator for a fuel cell stack as described above and a single cell mounting plate for a fuel cell stack, or another single cell mounting plate for another fuel cell stack. Features.
本発明によれば、接合部とガス流路部を一体的に取り扱い可能な中空フレームを採用することなどとしたため、小型・軽量化が実現でき、剛性維持と応力緩和を両立でき、組み立てが簡易な燃料電池スタックを実現し得るセパレータ、単セル搭載板及びこれらを用いた燃料電池スタックを提供することができる。 According to the present invention, a hollow frame capable of integrally handling the joint and the gas flow path is adopted, so that the size and weight can be reduced, both rigidity maintenance and stress relaxation can be achieved, and assembly is easy. It is possible to provide a separator capable of realizing a simple fuel cell stack, a single cell mounting plate, and a fuel cell stack using these.
以下、本発明の燃料電池スタック用セパレータにつき詳細に説明する。なお、本明細書及び請求の範囲において、説明の便宜上、基板などの一方の面を「表面」、他方の面を「裏面」と記載しているが、これらは機能的に等価な面であり、原則として、双方を置換した構成のものも本発明の範囲に含まれる。 Hereinafter, the fuel cell stack separator of the present invention will be described in detail. In the present specification and claims, for convenience of explanation, one surface of a substrate or the like is described as “front surface” and the other surface as “back surface”, but these are functionally equivalent surfaces. In principle, a configuration in which both are replaced is also included in the scope of the present invention.
上述の如く、本発明の燃料電池スタック用セパレータは、気密性の平板と、この平板の表面、裏面双方の縁部に配設された気密性の中空フレームを備える。
また、この平板は、その表面側と裏面側に設けられる燃料ガス室と酸化性ガス室とを仕切っており、燃料ガス室の燃料ガスと酸化性ガス室の酸化性ガスとが混合しないようにしている。
As described above, the fuel cell stack separator of the present invention includes an airtight flat plate and an airtight hollow frame disposed on both the front and back edges of the flat plate.
The flat plate partitions the fuel gas chamber and the oxidizing gas chamber provided on the front surface side and the back surface side so that the fuel gas in the fuel gas chamber and the oxidizing gas in the oxidizing gas chamber do not mix. ing.
そして、上述の中空フレームは、接合部とガス流路部を有しており、この接合部は、スタッキングによって燃料電池スタックを形成するの際に、他のセパレータ又は単セル搭載板との接合に用いられる。
また、この接合部にはガス管が連結される連結孔が設けられており、このガス管はスタッキング方向、代表的には鉛直方向に延在しており、炭化水素やアルコールなどの燃料ガス又は酸素や空気などの酸化性ガスを流通させる機能を果たす。
一方、ガス流路部は、上述の接合部に連結しているガス管からの燃料ガスを燃料ガス室に、酸化性ガスを酸化性ガス室に供給し、また排出する機能を果たす。
And the above-mentioned hollow frame has a joint part and a gas channel part, and when this joint part forms a fuel cell stack by stacking, it joins with other separators or a single cell mounting board. Used.
In addition, a connecting hole to which a gas pipe is connected is provided at the joint, and the gas pipe extends in the stacking direction, typically in the vertical direction, and is a fuel gas such as hydrocarbon or alcohol or It functions to circulate oxidizing gases such as oxygen and air.
On the other hand, the gas flow path portion functions to supply and discharge the fuel gas from the gas pipe connected to the above-described joining portion to the fuel gas chamber and the oxidizing gas to the oxidizing gas chamber.
本発明において、代表的には、中空フレームの接合部とガス流路部とは一体的に形成されており、両者間では気密性が確保されている。
よって、スタッキングの際には、上記接合部によって単セル搭載板や他のセパレータとの接合を行えば、これと同時にガス流路部が配設されるので、ガス流路を接合とは別工程で作成する手間が無く、スタッキング効率を向上させることができる。
In the present invention, typically, the joint portion of the hollow frame and the gas flow path portion are integrally formed, and airtightness is ensured between them.
Therefore, when stacking, if the single cell mounting plate or other separator is joined by the joint, the gas flow path is disposed at the same time. The stacking efficiency can be improved because there is no need to create the file by using the above method.
また、本発明においては、ガス流路部の剛性を接合部の剛性よりも低く設定し、スタッキングの際に、スタッキング方向の逆方向、典型的には鉛直下向きに押圧して潰し、その高さが接合部とほぼ同じにすることが好ましい。
これにより、肉厚が大きいか又はほぼ塊状(ブロック状)で剛性の高い接合部で燃料電池スタックに要求される剛性を満足させつつ、肉厚の薄いガス流路部を用いることで軽量化を図ることができる。例えば、接合部はスタッキング時の押圧力に耐えて変形せず、ガス流路部が必要以上に潰れ変形するのを抑制することができる。
Further, in the present invention, the rigidity of the gas flow path portion is set lower than the rigidity of the joint portion, and when stacking, it is crushed by pressing in the reverse direction of the stacking direction, typically vertically downward. Is preferably substantially the same as the joint.
This makes it possible to reduce the weight by using a thin-walled gas flow path while satisfying the rigidity required for the fuel cell stack with a joint having a large wall thickness or almost a block (block shape) and high rigidity. Can be planned. For example, the joint portion can withstand the pressing force during stacking and does not deform, and the gas flow path portion can be prevented from being crushed and deformed more than necessary.
なお、上述の平板及び中空フレームは、気密性を有し、ある程度の剛性を有すれば特に限定されるものではないが、金属薄板から形成することができる。
代表手には、平板の厚さは0.5〜1mmとすることができ、ニッケルメッキなどの金属メッキを施すことができる。一方、ガス流路部の壁厚は0.1〜0.5mmとすることができる。
The flat plate and the hollow frame described above are not particularly limited as long as they have airtightness and a certain degree of rigidity, but can be formed from a thin metal plate.
As a representative hand, the thickness of the flat plate can be 0.5 to 1 mm, and metal plating such as nickel plating can be performed. On the other hand, the wall thickness of the gas flow path portion can be set to 0.1 to 0.5 mm.
上述した平板の平面形状としては、特に限定されるものではなく、円形、楕円形、三角形その他の多角形状とすることができるが、スタックのスペース効率、即ちスタックが実際に占有する空間の体積からは、正方形又は長方形のものを好適に用いることができる。
平面形状が多角形、特に正方形などの正多角形の平板を用いる場合、スタック剛性の保持を良好にすべく、角部分に上記接合部を配することが好ましい
また、中空フレームの形状も特に限定されるものではないが、平板の形状と同一か又は近似するものであることが好ましい。
The planar shape of the flat plate described above is not particularly limited, and may be a circular shape, an elliptical shape, a triangular shape, or other polygonal shapes. However, from the space efficiency of the stack, that is, the volume of the space actually occupied by the stack. A square or rectangular shape can be preferably used.
When a flat plate having a polygonal shape, particularly a regular polygon such as a square, is used, it is preferable to arrange the joints at the corners in order to maintain good stack rigidity. The shape of the hollow frame is also particularly limited. Although it is not performed, it is preferable that the shape is the same as or approximate to the shape of the flat plate.
次に、本発明の燃料電池スタック用単セル搭載板について説明する。
上述の如く、本発明の燃料電池スタック用単セル搭載板は、平板状の固体電解質基板と、この固体電解質の表面及び裏面の縁部に配設された気密性の中空フレームを備えるものであるが、上述した本発明の燃料電池スタック用セパレータと近似した構成を有する。
Next, the single cell mounting plate for a fuel cell stack according to the present invention will be described.
As described above, the single cell mounting plate for a fuel cell stack according to the present invention includes a flat solid electrolyte substrate and an airtight hollow frame disposed on the front and back edges of the solid electrolyte. However, it has the structure approximated to the separator for fuel cell stacks of the present invention described above.
即ち、本発明の単セル搭載板は、本発明のセパレータにおいて気密性平板を、固体電解質基板を燃料極と空気極で挟持した構成を有する単セルと置換したような構成を有するものであり、単セル(板)の形状や中空フレームなどの説明については省略する。
この単セル搭載板では、燃料極と空気極が通気性(多孔性)を有する一方で固体電解質基板が気密性を有するので、その表面側及び裏面側に設けられる燃料極室と空気極室とが気密性を保持した状態で区画されることになる。
That is, the single cell mounting plate of the present invention has a configuration in which the airtight flat plate in the separator of the present invention is replaced with a single cell having a configuration in which the solid electrolyte substrate is sandwiched between the fuel electrode and the air electrode, Description of the shape of the single cell (plate) and the hollow frame will be omitted.
In this single cell mounting plate, since the fuel electrode and the air electrode have air permeability (porosity), while the solid electrolyte substrate has air tightness, the fuel electrode chamber and the air electrode chamber provided on the front surface side and the back surface side Is partitioned in a state in which airtightness is maintained.
なお、本発明の単セル搭載板において、固体電解質材料としては、特に限定されるものではなく、イットリア安定化ジルコニウム(YSZ)、スカンジア安定化ジルコニウム(ScSZ)及びガドリニウム添加セリアを用いることができ、また、燃料極材料としては、ニッケル−イットリア安定化ジルコニウム(YSZ)サーメット材、ニッケル−サマリウム添加セリアサーメット材、更に、空気極材料としては、ランタン・ストロンチウム・マンガン酸化物、ランタン・カルシウム・マンガン酸化物、ランタン・コバルト酸化物を用いることができる。 In the single cell mounting plate of the present invention, the solid electrolyte material is not particularly limited, and yttria stabilized zirconium (YSZ), scandia stabilized zirconium (ScSZ), and gadolinium-added ceria can be used. The fuel electrode material is nickel-yttria stabilized zirconium (YSZ) cermet material, nickel-samarium-added ceria cermet material, and the air electrode material is lanthanum / strontium / manganese oxide, lanthanum / calcium / manganese oxide. And lanthanum / cobalt oxide can be used.
次に、本発明の他の単セル搭載板につき説明する。
上述の如く、本発明の他の単セル搭載板は、固体電解質を燃料極と空気極で挟持して成る単セルと、この単セルを搭載する搭載フレームを備える。
単セルについては上記同様であるが、空気極又は燃料極が、搭載フレームの開口部内に配置可能な大きさを有しており、当該空気極又は燃料極が搭載フレームの開口部内に配置されている。
即ち、断面観察すると、空気極及び燃料極の一方が、搭載フレームの開口部内に進入している構成を有する。
Next, another single cell mounting plate of the present invention will be described.
As described above, another single cell mounting plate of the present invention includes a single cell in which a solid electrolyte is sandwiched between a fuel electrode and an air electrode, and a mounting frame on which the single cell is mounted.
The single cell is the same as above, but the air electrode or the fuel electrode has a size that can be disposed in the opening of the mounting frame, and the air electrode or the fuel electrode is disposed in the opening of the mounting frame. Yes.
That is, when the cross section is observed, one of the air electrode and the fuel electrode has a configuration that enters the opening of the mounting frame.
但し、この単セル搭載板においては、燃料極室と空気極室との気密区画を実行すべく、固体電解質がこの開口部を閉塞するように、上記単セルが上記搭載フレーム上に搭載されている。
また、搭載フレームの一部には、スタッキング方向に延在し燃料ガス又は酸化性ガスを流通させるガス管が連結される連結孔が設けられている。
なお、他のスタック要素、例えばセパレータや単セル搭載板が多角形、特に正多角形の場合には、この単セル(板)及び搭載フレームも対応する正多角形をなし、その角部分にガス管連結孔が配設されていることが望ましい。
However, in this single cell mounting plate, the single cell is mounted on the mounting frame so that the solid electrolyte closes the opening in order to perform an airtight section between the fuel electrode chamber and the air electrode chamber. Yes.
Further, a part of the mounting frame is provided with a connection hole that is connected to a gas pipe that extends in the stacking direction and circulates the fuel gas or the oxidizing gas.
When other stack elements such as separators and single cell mounting plates are polygons, particularly regular polygons, these single cells (plates) and mounting frames also form corresponding regular polygons, and gas is provided at the corners. It is desirable that a pipe connection hole is provided.
本発明の他の単セル搭載板において、搭載フレームは板状の単セルに対し、これを搭載できるとともに、一方側に燃料極又は空気極を露出し、且つ他方側に空気極又は燃料極(一方側とは極性が逆の基板)を露出できれば十分である。
よって、上述した本発明の単セル搭載板と異なり、この搭載フレームは中空である必要はない。
In the other single cell mounting plate of the present invention, the mounting frame can mount the plate-shaped single cell, and the fuel electrode or the air electrode is exposed on one side, and the air electrode or the fuel electrode on the other side ( It is sufficient to expose a substrate having a polarity opposite to that of the one side.
Therefore, unlike the single cell mounting plate of the present invention described above, this mounting frame does not have to be hollow.
次に、本発明の燃料電池スタックについて説明する。
本発明の燃料電池スタックは、上述した本発明の燃料電池スタック用セパレータと、本発明の燃料電池スタック用単セル搭載板、又は本発明の他の燃料電池スタック用単セル搭載板とを交互に積層して成ることを特徴とする。
即ち、この燃料電池スタックは、典型的には、本発明のセパレータと本発明の単セル搭載板(単セル搭載板A)とを交互に積層した構造、又は本発明のセパレータと本発明の他の単セル搭載板(単セル搭載板B)とを交互に積層した構造を有するが、当該セパレータと単セル搭載板との交互積層さえ確保できれば、単セル搭載板Aと単セル搭載板Bを併用してもよい。
Next, the fuel cell stack of the present invention will be described.
The fuel cell stack of the present invention comprises the above-described separator for the fuel cell stack of the present invention and the single cell mounting plate for the fuel cell stack of the present invention or the other single cell mounting plate for the fuel cell stack of the present invention alternately. It is characterized by being laminated.
That is, this fuel cell stack typically has a structure in which the separator of the present invention and the single cell mounting plate of the present invention (single cell mounting plate A) are alternately laminated, or the separator of the present invention and the other of the present invention. The single cell mounting plate (single cell mounting plate B) is alternately stacked. However, if the alternate stacking of the separator and the single cell mounting plate can be secured, the single cell mounting plate A and the single cell mounting plate B are provided. You may use together.
本発明の燃料電池スタックは、セパレータや単セル搭載板が上述のような機能を有するので、小型・軽量化が実現されており、剛性維持と応力緩和が両立されており、高温状態や低温状態などを経る熱履歴を被っても耐久性に優れており、更には、組み立て(スタッキング)も簡易に行うことができるものである。 In the fuel cell stack of the present invention, since the separator and the single cell mounting plate have the functions as described above, the size and weight are reduced, and both rigidity maintenance and stress relaxation are achieved. It is excellent in durability even if it undergoes a thermal history that passes through the above, and further, assembly (stacking) can be easily performed.
以下、本発明を実施例及び比較例により更に詳細に説明するが、本発明はこれら実施例に限定されるものではない。 EXAMPLES Hereinafter, although an Example and a comparative example demonstrate this invention further in detail, this invention is not limited to these Examples.
(実施例1)
[セパレータ]
図1は、本発明の燃料電池スタック用セパレータの一実施例を示す斜視、平面及び底面図であり、図1(X)は同セパレータの斜視図、(Y)は平面図、(Z)は底面図である。
これらの図において、このセパレータ1では、気密性平板の一例である金属薄板10は正方形状をなしニッケルメッキを施されており、その表面及び裏面における縁部には、正方形の枠状をなす同一構成の中空フレーム20及び20’がそれぞれ配設されている。
Example 1
[Separator]
FIG. 1 is a perspective view, a plan view, and a bottom view showing an embodiment of a separator for a fuel cell stack according to the present invention. FIG. 1 (X) is a perspective view of the separator, (Y) is a plan view, and (Z) is a plan view. It is a bottom view.
In these figures, in this
このセパレータ1において、中空フレーム20と金属薄板10の表面とで規定される凹所は燃料ガス室30に供され(図1(Y)参照。)、中空フレーム20’と金属薄板10’の裏面とで規定される凹所は酸化性ガス室の一例である空気室40に供される(図1(Z)参照。)
In this
本実施例において、中空フレーム20は、金属薄板で形成され正方形枠の辺部分に相当するガス流路部24と、金属ブロックで形成され角部分に相当する接合部22とで構成されており、この点については、中空フレーム20’も同様である。
ガス流路部24は燃料ガス室30に燃料ガスを供給・排出し、空気室40に空気を供給・排出するのに用いられ、接合部22は単セル搭載板、例えば図4に示す単セル搭載板2とのスタッキングの際に両者の接合・固定に用いられる。
In this embodiment, the
The gas
上述のように、ガス流路部24が金属薄板で形成されているため、このセパレータ1は軽量であり、且つ接合部22が金属ブロックで形成されているため、適度な剛性も保持されている。
よって、このセパレータを用いて形成される燃料電池スタックは、全体として軽量でありながら十分な剛性を有し、また、ガス流路部24と接合部22との剛性差に起因する応力緩和性をも有する。
As described above, since the gas
Therefore, the fuel cell stack formed by using this separator has a sufficient rigidity while being lightweight as a whole, and has a stress relaxation property due to a difference in rigidity between the gas
なお、このセパレータ1は、図2及び図3に示すように、スタッキング前(積層前)にはガス流路部24の高さが接合部22の高さよりも高く形成されており、ガス流路部24はスタッキング時に鉛直下向きに押圧されて潰れ変形し、接合部22とほぼ同じ高さとなる。
As shown in FIGS. 2 and 3, the
次に、このセパレータにおける燃料ガス及び空気の流通につき説明する。
まず、燃料ガスは、矢印Fで示したように、接合部22の連結孔26fに連結しているガス管(図示せず。)から供給されてガス流路部24に流入し、更にガス流路部24に穿設されたガス孔24hから燃料ガス室30に流入する。
その後、燃料ガスは、対向するガス流路部に穿設されたガス孔を介して燃料ガス室30から排出され、対向するガス流路部及び連結孔27fに連結されたガス管(図示せず。)を介して、図示しない単セル搭載板や他のセパレータに供給されることになる(図1(X)、(Y)及び(Z)参照。)。
Next, the flow of fuel gas and air in the separator will be described.
First, as shown by the arrow F, the fuel gas is supplied from a gas pipe (not shown) connected to the
Thereafter, the fuel gas is discharged from the
一方、空気も燃料ガスと同様に、矢印Aで示したように、連結孔26aに連結されたガス管(図示せず。)からガス流路部24’に流入し、更に空気室40に流入した後、対向するガス流路部から排出され、連結孔27aに連結されたガス管(図示せず。)を介して、図示しない単セル搭載板や他のセパレータに供給される(図1参照。)。
このように、本実施例のセパレータにおいて、燃料ガス流Fと空気流Aは、それぞれ金属薄板10の表面側と裏面側を流通しているが、その流れ方向自体は直交しており、両流れはいわば3次元的に直交している。
On the other hand, as with the fuel gas, air also flows from the gas pipe (not shown) connected to the connecting
As described above, in the separator of this embodiment, the fuel gas flow F and the air flow A circulate on the front surface side and the back surface side of the
(実施例2)
[単セル搭載板]
図4は、本発明の単セル搭載板(単セル搭載板A)の一実施例を示す斜視、平面及び底面図である。以下、上述した部材と実質的に同一の部材には同一符号を付し、その説明を省略する。
この単セル搭載板2は、金属薄板10の代わりに、固体電解質基板12を燃料極層32と空気極層42とで挟持した構造を有する板状単セルを備える以外は、実施例1のセパレータ1とほぼ同一の構造を有する。
(Example 2)
[Single cell mounting plate]
FIG. 4 is a perspective view, a plan view, and a bottom view showing an embodiment of the single cell mounting plate (single cell mounting plate A) of the present invention. Hereinafter, members that are substantially the same as those described above are given the same reference numerals, and descriptions thereof are omitted.
This single
燃料極室34と空気極室44との気密性を保持した区分は、気密性を有する固体電解質基板12によって実現されている。
燃料ガスF及び空気Aの流れもセパレータ1と同様である。
この単セル搭載板2も、軽量で剛性が比較的低いガス流路部24と、比較的剛性の高い接合部22を有するので、このセパレータを用いて形成される燃料電池スタックは、全体として軽量でありながら十分な剛性を有し、また、ガス流路部24と接合部22との剛性差に起因する応力緩和性をも有する。
The section in which the
The flow of the fuel gas F and air A is the same as that of the
Since this single
(実施例3)
[単セル搭載板]
図5は、本発明の単セル搭載板(単セル搭載板A)の他の実施例を示す平面及び底面図である。
同図に示すように、この単セル搭載板においては、燃料極層32に露出孔36rが設けられたカバー層36、空気極層42にも露出孔46rが設けられたカバー層46が設置されており、露出孔36r及び46rによって、それぞれ燃料極層32及び空気極層42が部分的に露出している。
このような露出孔を設けることによって、セルを設置する際、堅牢な設置という効果が得られる。
(Example 3)
[Single cell mounting plate]
FIG. 5 is a plan view and a bottom view showing another embodiment of the single cell mounting plate (single cell mounting plate A) of the present invention.
As shown in the figure, in this single cell mounting plate, a
By providing such an exposure hole, the effect of robust installation can be obtained when the cell is installed.
(実施例4)
[燃料電池スタック]
図6は、本発明の燃料電池スタックの一実施例を簡略的に示す断面図である。
本実施例の燃料電池スタックは、実施例1のセパレータ1と実施例2の単セル搭載板2とを交互に積層して接合したものである。
スタッキング(積層)は、セパレータ1と単セル搭載板2とを交互に積み上げ、次いで、多重管のような構造を有する押圧具100で鉛直下向きに押圧すればよく、簡便な作業で行うことができる。
Example 4
[Fuel cell stack]
FIG. 6 is a cross-sectional view schematically showing one embodiment of the fuel cell stack of the present invention.
The fuel cell stack of the present example is obtained by alternately laminating the
Stacking (stacking) can be performed by simple operations by stacking the
このような簡易作業で得られる本実施例の燃料電池スタックは、セパレータ1及び単セル搭載板2がそれぞれ優れた軽量性や剛性、応力緩和性を有するので、両者の相乗効果によって更に優れた軽量性や剛性、応力緩和性を発揮し得るものであり、高温及び低温の繰り返しによる熱履歴や、繰り返しの振動などに対する抵抗性に優れており、耐久性に優れるもので、長期間に亘って安定した発電を可能にするものである。
In the fuel cell stack of this embodiment obtained by such a simple operation, the
(実施例5)
[他の単セル搭載板]
図7は、本発明の燃料電池スタック用の他の単セル搭載板(単セル搭載板B)の一実施例を示す斜視及び断面図である。
同図において、この単セル搭載板3は、角部分にガス管用の連結孔を有する中実の正方形フレーム200を用いており、このフレーム200の開口部に空気極層42が収容されるとともに、固体電解質12が当該開口部を閉塞する構造を有している。
なお、本例では、燃料極基板32が比較的厚く形成されており、これにより、単セルの剛性が確保されている。
(Example 5)
[Other single cell mounting plates]
FIG. 7 is a perspective view and a cross-sectional view showing one embodiment of another single cell mounting plate (single cell mounting plate B) for the fuel cell stack of the present invention.
In this figure, the single
In this example, the
(実施例6)
[他の単セル搭載板を用いた燃料電池スタック]
図8は、本発明の他の燃料電池スタックの一実施例を示す斜視図であり、図9はこの燃料電池スタックの断面図である。
これらの図において、この燃料電池スタックは、実施例1のセパレータ1と実施例5の単セル搭載板3とを交互に積層して構成されており、角部分には鉛直方向に延在するガス管50が配設されている。
(Example 6)
[Fuel cell stack using other single cell mounting plate]
FIG. 8 is a perspective view showing another embodiment of the fuel cell stack of the present invention, and FIG. 9 is a cross-sectional view of this fuel cell stack.
In these figures, this fuel cell stack is configured by alternately laminating
実施例4の燃料電池スタックと同様に、セパレータ1と単セル搭載板3と交互に積み上げて鉛直下向きに押圧すればスタッキングを行うことができ、簡便である。
また、この燃料電池スタックも優れた軽量性や剛性、応力緩和性を発揮し得るものであり、高温及び低温の繰り返しによる熱履歴や、繰り返しの振動などに対する抵抗性に優れており、耐久性に優れるもので、長期間に亘って安定した発電を可能にするものである。
Similarly to the fuel cell stack of the fourth embodiment, stacking can be performed simply by stacking the
In addition, this fuel cell stack can also exhibit excellent lightness, rigidity, and stress relaxation, and has excellent resistance to thermal history and repeated vibration due to repeated high and low temperatures, making it durable. It is excellent and enables stable power generation over a long period of time.
以上、本発明を若干の好適実施例より詳細に説明したが、本発明はこれら実施例に限定されるものではなく、本発明の要旨の範囲内において種々の変形が可能である。
例えば、単セル搭載板3のフレーム200を中空にすれば更に軽量性を向上させることができる。
また、燃料電池スタックとして、セパレータ1、単セル搭載板2、セパレータ1及び単セル搭載板3という積層構造のものも作成かのうである。
Although the present invention has been described in more detail than some preferred embodiments, the present invention is not limited to these embodiments, and various modifications can be made within the scope of the gist of the present invention.
For example, if the
Further, as the fuel cell stack, a stacked structure of the
1 セパレータ
2,3 単セル搭載板
10 金属薄板
12 固体電解質
20 中空フレーム
22 接合部
24 ガス流路部
24h ガス孔
30 燃料ガス室
32 燃料極層
34 燃料極室
36 カバー層
36r 露出孔
40 空気室
42 空気極層
44 空気極室
46 カバー層
46r 露出孔
50 ガス管
100 押圧具
200 フレーム
A 空気流
F 燃料ガス流
DESCRIPTION OF
Claims (13)
上記中空フレームは、スタッキングの際に他のセパレータ又は単セル搭載板との接合に供される接合部と、燃料ガス及び酸化性ガスをそれぞれ上記燃料ガス室及び上記酸化性ガス室に供給し排出するガス流路部を有し、
上記中空フレームの接合部は、スタッキング方向に延在し燃料ガス又は酸化性ガスを流通させるガス管が連結される連結孔を有する、ことを特徴とする燃料電池スタック用セパレータ。 An airtight flat plate and an airtight hollow frame disposed on the front and back edges of the flat plate, and a fuel gas chamber and an oxidizing gas chamber provided on the front side and the back side of the flat plate. A separator for a fuel cell stack having a partitioning structure,
The hollow frame supplies and discharges a fuel gas and an oxidizing gas to the fuel gas chamber and the oxidizing gas chamber, respectively, to a joint portion used for joining with another separator or a single cell mounting plate during stacking. A gas flow path section
The joining part of the said hollow frame has a connection hole to which the gas pipe which extends in a stacking direction and distribute | circulates fuel gas or oxidizing gas is connected, The separator for fuel cell stacks characterized by the above-mentioned.
上記中空フレームは、スタッキングの際にセパレータとの接合に供される接合部と、燃料ガス及び酸化性ガスをそれぞれ上記燃料極室及び上記空気極室に供給し排出するガス流路部を有し、
上記中空フレームの接合部は、スタッキング方向に延在し燃料ガス又は酸化性ガスを流通させるガス管が連結される連結孔を有する、ことを特徴とする燃料電池スタック用単セル搭載板。 A fuel cell and an air electrode chamber each having a flat solid electrolyte and an airtight hollow frame disposed on the front and back edges of the solid electrolyte, the solid electrolyte being provided on the front side and the back side And a single cell mounting substrate for a fuel cell stack, in which a fuel electrode and an air electrode are respectively disposed on the front and back surfaces of the solid electrolyte,
The hollow frame has a joint portion used for joining to the separator during stacking, and a gas flow path portion that supplies and discharges fuel gas and oxidizing gas to the fuel electrode chamber and the air electrode chamber, respectively. ,
The single-cell mounting plate for a fuel cell stack, wherein the joint portion of the hollow frame has a connection hole to which a gas pipe that extends in the stacking direction and circulates a fuel gas or an oxidizing gas is connected.
上記単セルの空気極又は燃料極が、上記搭載フレームの開口部内に配置可能な大きさを有し、
上記空気極又は燃料極が上記搭載フレームの開口部内に配置されるとともに、上記固体電解質がこの開口部を閉塞するように、上記単セルが上記搭載フレーム上に搭載されており、
上記搭載フレームの一部に、スタッキング方向に延在し燃料ガス又は酸化性ガスを流通させるガス管が連結される連結孔を有する、ことを特徴とする燃料電池スタック用単セル搭載板。 A single cell mounting plate for a fuel cell stack comprising a single cell in which a solid electrolyte is sandwiched between a fuel electrode and an air electrode, and a mounting frame for mounting the single cell,
The air electrode or fuel electrode of the single cell has a size that can be disposed in the opening of the mounting frame,
The single cell is mounted on the mounting frame so that the air electrode or the fuel electrode is disposed in the opening of the mounting frame, and the solid electrolyte closes the opening.
A single cell mounting plate for a fuel cell stack, characterized in that a part of the mounting frame has a connection hole to which a gas pipe extending in the stacking direction and flowing a fuel gas or an oxidizing gas is connected.
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