JP2007207454A

JP2007207454A - 燃料電池スタック

Info

Publication number: JP2007207454A
Application number: JP2006021823A
Authority: JP
Inventors: Minoru Hosaka; 実保坂; Naoki Fujiwara; 直樹藤原
Original assignee: IHI Corp
Current assignee: IHI Corp
Priority date: 2006-01-31
Filing date: 2006-01-31
Publication date: 2007-08-16

Abstract

【課題】電極の有効面積を大きくできて簡単な構造にすることができるようにして、カソード側を外部マニホールド方式、アノード側を内部マニホールド方式の燃料電池スタックを提供する。
【解決手段】タイル３２の両面側をアノード３３とカソード３４で挟持させた燃料電池セルを、セパレータ３５を介して多層に積層させる。セパレータ３５は、センタープレート３６と、アノード側の四角枠レール３７と、カソード側レール３８と、シールリング３９と、流路形成板兼集電板４０，４１からなる。タイル３２とセンタープレート３６の各一端側と他端側の端に近い位置に設けた燃料ガスの給排用マニホールド４２と４３に、アノード３３と流路形成板兼集電板４０の各両端側の切欠部４４，４５を連通させる。カソード３４と流路形成板兼集電板４１の各両端側の切欠部４６，４７に、シールリング３９を嵌合させる。側方にカソードの外部マニホールドを取り付ける。
【選択図】図５

Description

本発明は、燃料の有する化学エネルギーを直接電気エネルギーに変換させるエネルギー部門で用いる燃料電池セルをセパレータを介して積層してなる燃料電池スタックに関するものである。

燃料電池のうち、溶融炭酸塩型燃料電池は、電解質として溶融炭酸塩を多孔質物質にしみ込ませたタイル（電解質板）を、カソード（酸素極）とアノード（燃料極）の両電極で両面から挟み、カソード側に酸化ガスを供給すると共に、アノード側に燃料ガスを供給することにより、カソード側とアノード側での反応により発電が行われるようにしたものを１セルとし、各セルを仕切板としてのセパレータを介し多層に積層して積層型の燃料電池（以下、燃料電池スタックという）とするようにしてある。

又、上記燃料電池スタック内の各セルにプロセスガスとしての酸化ガスと燃料ガスを供給する手段として、従来より酸化ガスと燃料ガスをともに燃料電池スタックの側面から直接各セルへ供給する外部マニホールド方式と、セルやセパレータの周辺部に積層方向に貫通する酸化ガス用マニホールドと燃料ガス用マニホールドを設けて、酸化ガス用マニホールドに酸化ガスを、又、燃料ガス用マニホールドに燃料ガスをそれぞれ供給して各セルのカソード側に酸化ガスを供給すると共にアノード側に燃料ガスを供給する内部マニホールド方式とがある。

外部マニホールド方式は、燃料電池スタックの側面から直接酸化ガスと燃料ガスを供給するものであるため、燃料電池スタックにガス給排用の孔をあける必要がなく、構造が簡単である。又、酸化ガスと燃料ガスの流れ方向が直交する直交流方式とすることによりセパレータの構造も簡単にできる。しかし、ガスの流れが直交流方式の場合は、平行流方式に比してタイル全面を最適な温度に均一化させるのに難がある。

一方、内部マニホールド方式は、各セルや各セパレータの周辺部の一側に酸化ガスと燃料ガスの各供給側のマニホールドを形成し、反対側に酸化ガスと燃料ガスの各排出用のマニホールドを形成することによりガスの流れを平行流方式とすることができる。又、ガスシールの信頼性が高いという利点がある。

しかし、内部マニホールド方式の場合は、セパレータで電極の占める面積の割合いが小さく、電極の大きさに比し燃料電池スタックや該スタックの締付け装置が大きいという問題点がある。

すなわち、内部マニホールド方式の燃料電池スタックに用いられているセパレータの一例を示すと、図１０及び図１１に示す如く、セパレータ１を、センタープレート２と、中央部分を切り抜いて周辺部のみとしてあって上記センタープレート２の周辺部の両面側に位置させるアノード側マスクプレート３ａとカソード側マスクプレート３ｂとの３つのプレートを重ね合わせ、且つセンタープレート２の周辺部と両マスクプレート３ａ及び３ｂとの間にコルゲート板４及び５を介在させて配置している。又、上記センタープレート２の中央部分の両面側にアノード６とカソード７の両電極を支持するためのコルゲート板４及び５を配置している。更に、周辺部に形成するマニホールドのうち、カソード７への酸化ガスＯＧの給排用マニホールド（図では供給用マニホールド８を示す）では、図１０の如くセンタープレート２のマニホールド周辺部を折り曲げてアノード側マスクプレート３ａに当接させ、該当接部を溶接にて接合させるようにしている。

一方、アノード６への燃料ガスＦＧの給排用マニホールド（図では供給用マニホールド９を示す）では、図１１の如く、センタープレート２の周辺部を反対方向へ折り曲げてカソード側マスクプレート３ｂに当接させ、該当接部を溶接にて接合させるようにしている。

更に又、上記センタープレート２の周辺と両マスクプレート３ａ，３ｂの周辺とを溶接にて一体に接合させるようにした構成としてある。１０はタイル（電解質板）である。

このように、内部マニホールド方式の燃料電池スタックで採用されているセパレータ１は、周辺部にマスクプレート３ａ及び３ｂがあり、これらマスクプレート３ａ及び３ｂの内側にアノード６及びカソード７が配置される構造となるため、電極の占める面積割合いが低くなるという問題があった。

そのため、内部マニホールド方式の燃料電池スタックにおいて、電極の占める面積割合いを高めるようにするものが提案されている。

図１２（イ）（ロ）（ハ）は、その一例を示すもので、周辺部の一側に酸化ガスＯＧの供給用マニホールド１１と燃料ガスＦＧの供給用マニホールド１２が形成され且つ他側に酸化ガスＯＧの排出用マニホールド１３と燃料ガスＦＧの排出用マニホールド１４が形成されているタイル１０に対応させて、セパレータのセンタープレート１５を次のような構成としてある。すなわち、プレートをプレス成形して周辺を上方へ折り曲げた後、水平方向に外方へ折り曲げてウエットシール面Ｃを形成させると共に、上記酸化ガスＯＧの給排用マニホールド１１，１３に対応する位置に、アノード側となる上方へ凸状に折り曲げてウエットシール面Ｄとマニホールド１１，１３を形成している。一方、上記燃料ガスＦＧの給排用マニホールド１２，１４に対応する位置には、カソード側となる下方へ凸状に折り曲げてウエットシール面Ｅとマニホールド１２，１４を形成したセンタープレート１５としてある。このセンタープレート１５の周辺に、上下両端部を外側へ折り曲げて上下方向に柔軟性をもたせ且つセンタープレート１５の形状に合わせて筒状に形成してある四角枠状のカソードレール１６が配置してある。更に、上記カソードレール１６の上端部の折り曲げ部を、センタープレート１５周辺のウエットシール面Ｃの裏面とメタルタッチで接触させると共に、各マニホールド１１，１２，１３，１４の折り曲げ部には、ガスを流通させるオリフィス１７ａと１８ａを有するブロック状の頑丈な構造のディストリビュータ１７と１８を各々嵌合させて配置し、上下からの締め付け力を受けてウエットシール面のガスシール性能を確保する構成としてあり、センタープレート１５の表裏両面には、ガス流路形成用のコルゲート板１９，２０が配置してある構成としてある。

したがって、タイル１０の両面にアノード６とカソード７の両電極を重ね合わせてなるセルを、セパレータを介して積層させるときには、図１２（ロ）（ハ）に示す如く、センタープレート１５周辺のウエットシール面Ｃと、マニホールド部のウエットシール面Ｄ，Ｅを、タイル１０に接触させると共に、カソードレール１６の下端部の折り曲げ部の下面をタイル１０に接触させるようにして、それ以外のところのタイルとコルゲート板１９，２０との間にアノード６とカソード７が挟持されるようになる。そのため、アノード６とカソード７は、タイル１０の面積から図１２（イ）のウエットシール面Ｃのほかウエットシール面Ｄ，Ｅの面積を減じた大きさとなり、従来のマスクプレートのある構成に比べ、電極の占める面積割合いが高くなるものが提案されている（たとえば、特許文献１参照）。

上記のような内部マニホールド方式の燃料電池スタックは、上下にエンドホルダーが配置してあり、たとえば、下部のエンドホルダーＥＨを通して酸化ガスＯＧの給排や、燃料ガスＦＧの給排を行うようにしたものでは、図１３に示す如く、エンドホルダーＥＨの内部に燃料ガスＦＧのヘッダー１２ａが穿設され、且つ酸化ガスＯＧの流路が穿設されている。すなわち、図１２（イ）に示す如く燃料電池スタックに設けられている酸化ガス給排用マニホールド１１，１３と燃料ガス給排用マニホールド１２，１４に連通するようにエンドホルダーＥＨには、酸化ガス給排用マニホールド１１，１３と燃料ガス給排用マニホールド１２，１４が設けられている。更に、エンドホルダーＥＨの内部には、ガス流量の少ない燃料ガスＦＧを外部から給排用マニホールド１２へ供給したり、排出用マニホールド１４から外部へ排出させるよう供給側ヘッダー１２ａと排出側ヘッダー１４ａがそれぞれ横方向に穿設してある。又、ガス流量が多い酸化ガスＯＧの場合は、外部に設けてある酸化ガス供給側ヘッダー１１ａと排出側ヘッダー１３ａが各酸化ガス供給用マニホールド１１と排出用マニホールド１３に各々エンドホルダーＥＨに穿設した流路１１ｂ，１３ｂを介して連通させた構成としてある。そのため、エンドホルダーＥＨは厚板構造としてある。

又、従来、上述した外部マニホールド方式と内部マニホールド方式のそれぞれの利点を生かすため、内部マニホールド方式と外部マニホールド方式を組み合わせたものも提案されている。

この場合、高いガスシール性が要求されないカソード側に外部マニホールドを採用して安価に製作できるようにすると共に、加圧型のプラントで常圧プラントに比べて高いガスシール性が求められるアノード側にガスシールの信頼性が高い内部マニホールド方式を採用したものが提案されている。

図１４はその一例を示すもので、タイル２１の両面に、アノード２２とカソード２３の両電極を重ね合わせてなるセルをセパレータ２４を介し積層してセル積層体としてある。セパレータ２４は、プレス加工して両面側に凹凸が形成されているセンタープレート２５と、中央部分を切り抜いて周辺部のみとしてあるマスクプレート２６とからなり、センタープレート２５の周辺部にマスクプレート２６を重ねて周辺を接合した構成としてある。各セパレータ２４の周辺部同士の間には、電気的に絶縁性を有し且つ燃料電池の運転状態で耐える耐熱性と耐食性を備えたシール材からなるガスシール部材２７が挟持されている。上記ガスシール部材２７が挟持されている部分のセパレータ２４には燃料ガス用の内部マニホールド２８が形成され、ガスシール部材２７により内部マニホールド２８は外部と気密にシールされ、内部マニホールド２８を流れる燃料ガスＦＧは、アノード２２側へのみ供給されるようにしてある。上記セパレータ２４の外側は、酸化ガス用の外部マニホールド２９が設けられ、外部マニホールド２９から供給される酸化ガスＯＧがセパレータ２４の間からカソード２３側へのみ供給されるようにしてある。３０はアノード集電板、３１はカソード集電板である（たとえば、特許文献２参照）。

又、上記特許文献１にも、燃料ガスの給排用マニホールドのみをセンタープレートに設け、カソードレールに酸化ガスを通すための孔を設け、燃料電池スタックを内蔵する容器そのものにヘッダーの役割を持たせてスタックの側方から酸化ガスを供給できる外部マニホールド方式とすることが提案されている。

更に、セパレータの周辺部にマスクプレートを重ねて、セパレータとマスクプレートに燃料ガス用のマニホールドを設け、酸化ガスは燃料電池スタックの側方より供給するようにして、酸化ガスと燃料ガスを平行流で供給するようにしたものもある（たとえば、特許文献３参照）。

特許第３１１１５７３号公報特開２０００−２１５９０４号公報米国特許第６７７７１２６Ｂ１号明細書

ところが、カソード外部マニホールド方式、アノード内部マニホールド方式としてある特許文献２及び特許文献３に記載されているものでは、内部マニホールド部にセパレータの構成部材としてマスクプレート２６が用いられているものであるため、セパレータ２４の周辺部におけるマスクプレート２６の占める割合いが大きい。

そのため、アノード２２及びカソード２３の両電極の占める面積割合いが低くなるという問題があり、電極の有効面積を大きくすることができなかった。

一方、特許文献１に記載されているカソードレールに孔をあけてカソード側を外部マニホールド方式とするようにしたものでは、アノード６及びカソード７の両電極をセパレータのセンタープレート１５の周辺のシール面Ｃの内側まで大きくできる利点がある。しかし、アノード６及びカソード７の面積については、図１２（イ）にあるセパレータのセンタープレート１５の周縁部のウエットシール面Ｃだけでなく、ディストリビュータ１７，１８部のウエットシール面Ｄ，Ｅの面積分が小さくなる。又、内部マニホールド部に頑丈なブロック状のディストリビュータ１７，１８を嵌め込めるように、センタープレート１５の周辺部を凸状に折り曲げ、更に周辺側を上方へ折り曲げてから外方へ水平に延びるように折り曲げてシール面Ｃを形成するようにしてあるため、アノード６、カソード７の電極は周辺部に孔があけられ、そこからガスがディストリビュータ１７，１８のオリフィス１７ａ，１８ａを通し給排されるようになり、しかも、ディストリビュータ１７，１８の嵌合部は電極の周辺から離れている。そのため、図１２（ハ）に示す如く、燃料ガス供給用マニホールド１２から導かれた燃料ガスＦＧは、ディストリビュータ１８のオリフィス１８ａを通り排出側へ流れ易く、アノード６の周辺側へは流れにくく、ガスの流配が十分とは云えない。これを避けるために、ディストリビュータ１８のオリフィス１８ａを周辺側を大きくする等複雑な構造とする必要がある。又、特許文献１に記載されているものでは、センタープレート１５として、周辺部から周辺にかけて複雑な折り曲げ構造とすること、頑丈なディストリビュータ１７，１８を用いることが特徴となるもので、全体として複雑な構造となっている。

そこで、本発明は、電極の有効面積を大きくできて簡単な構造にすることができるようにして、カソード側を外部マニホールド方式、アノード側を内部マニホールド方式の燃料電池スタックを提供しようとするものである。

本発明は、上記課題を解決するために、タイルの両面側をアノードとカソードの両電極で挟持させるようにしてあるセルをセパレータを介し積層させ、各セルのアノード側に燃料ガスを、又、カソード側に酸化ガスをそれぞれ流すようにしてある燃料電池スタックにおいて、上記タイルとセパレータの平面形状を同じ大きさとして、燃料ガスがセパレータに沿って流れる方向の一端側と他端側の辺縁部を積層方向に燃料ガスが導かれるようにし、且つ上記アノードを、上記積層方向に導かれる燃料ガスを上記一端側の辺縁部から他端側の辺縁部まで流せるようにし、更に、上記カソードの上記酸化ガスの流れ方向の長さを、上記タイルと同じ寸法として、カソード側を外部マニホールド方式、アノード側を内部マニホールド方式とした構成とする。

具体的には、セパレータは、一端側の辺縁部に燃料ガス供給用マニホールドを形成すると共に他端側の辺縁部に燃料ガス排出用マニホールドを形成したセンタープレートと、アノードを内側に配置するように四角枠としてあるレールと、カソードの酸化ガス流れ方向と直交する側を内側に配置するように２本としたカソード側レールと、センタープレートの各マニホールドに燃料ガスを導くようにするシールリングとを備えて、センタープレートの両面側にガス流路を形成するようにし、アノードの一端側と他端側の各辺縁部に切欠部を設けて、上記四角枠のレールとの間で燃料ガス用のマニホールドが形成されるようにした構成とする。

更に、上下のエンドホルダーを薄板構造とし、且つ上下又は一方のエンドホルダーに、燃料電池スタック内部の複数の燃料ガス供給用マニホールドと複数の燃料ガス排出用マニホールドに対応する複数の燃料ガスの供給管と複数の排出管を備えた構成としたり、酸化ガス供給用の外部マニホールドから排出用の外部マニホールドへ流れる酸化ガスと燃料ガス供給用マニホールドから排出用マニホールドへ流れる燃料ガスを平行流となるようにして、上記ガスの流れ方向と直交する両側に締付装置を設けた構成とする。

本発明の燃料電池スタックによれば、次の如き優れた効果を奏し得る。
（１）タイルの両面側をアノードとカソードの両電極で挟持させるようにしてあるセルをセパレータを介し積層させ、各セルのアノード側に燃料ガスを、又、カソード側に酸化ガスをそれぞれ流すようにしてある燃料電池スタックにおいて、上記タイルとセパレータの平面形状を同じ大きさとして、燃料ガスがセパレータに沿って流れる方向の一端側と他端側の辺縁部を積層方向に燃料ガスが導かれるようにし、且つ上記アノードを、上記積層方向に導かれる燃料ガスを上記一端側の辺縁部から他端側の辺縁部まで流せるようにし、更に、上記カソードの上記酸化ガスの流れ方向の長さを、上記タイルと同じ寸法として、カソード側を外部マニホールド方式、アノード側を内部マニホールド方式とした構成としてあるので、電極をタイル及びセパレータの外周とほぼ同じ大きさにすることができることから、内部マニホールド方式であってアノード電極の占める面積を大きくすることができ、しかも、燃料ガスをアノードの一端側の辺縁部から他端側の辺縁部に流すことができて、電極の端までガスが流れて流配をよくすることができる。この場合、アノード側及びカソード側へ流すガスの流路を、流路形成板兼集電板により形成するようにすれば、センタープレートを平板状のものとすることができて、従来の如き複雑なプレス加工を不要とすることができる。又、上記ガス流路を、センタープレートに両面に突部が形成される程度のプレス加工を行うのみで形成するようにすると、上記流路形成板を単なるパンチ板（多孔板）とすることができる。
（２）（１）の構成において、セパレータは、一端側の辺縁部に燃料ガス供給用マニホールドを形成すると共に他端側の辺縁部に燃料ガス排出用マニホールドを形成したセンタープレートと、アノードを内側に配置するように四角枠としてあるレールと、カソードの酸化ガス流れ方向と直交する側を内側に配置するように２本としたカソード側レールと、センタープレートの各マニホールドに燃料ガスを導くようにするシールリングとを備えて、センタープレートの両面側にガス流路を形成するようにし、アノードの一端側と他端側の各辺縁部に切欠部を設けて、上記四角枠のレールとの間で燃料ガス用のマニホールドが形成されるようにした構成とすることにより、センタープレートに四角枠レール、カソード側レール、シールリングを接合するだけの簡単な構成でセパレータを構成することができる。これにより、アノード側にはシールリングがないことから、ウエットシール面の面積を周縁部の四角枠レールだけとすることができ、一方、カソード側は、シールリングがあるが、周縁部のウエットシール面は四角枠レールではなく２本のカソード側レールですむので、従来の複雑な構造とすることなく電極の有効面積を大きくすることができる。又、シールリングがアノード側四角枠レールの直下となり、上下からの締付力も十分に伝わり、ウエットシールからのガス洩れのない構造とすることができる。
（３）燃料電池スタックのエンドホルダーを薄板構造とすることにより、重量低減を図ることができると共に、熱容量が小さくなり、温度変化に対応できて、歪を小さくすることができる。又、薄板構造のため、柔構造となり、締付力を小さくでき、締付装置を小型化することができ、ガス洩れのおそれのない締め付けを行うことができる。更に、燃料ガスを供給したり、排出させる小口径の管を貫通させて用いることができる。
（４）酸化ガスと燃料ガスが平行流となるようにして、外部マニホールドのないスタック外側面に締付装置の締付ロッドを通すようにすることにより、外部マニホールドの外側に締付ロッドを通すよう締付装置を小型化することができる。

以下、本発明を実施するための最良の形態を図面を参照して説明する。

図１乃至図７は本発明の実施の一形態を示すもので、図５にセルを分解して示す如く、矩形状として一端側としての左右方向一側の辺縁部の最も端に近い位置に燃料ガスＦＧの供給用マニホールド４２を複数個（図では３個の場合を示している）前後方向に所要間隔で形成すると共に、他端側としての反対側の辺縁部の最も端に近い位置に燃料ガスＦＧの排出用マニホールド４３を複数個前後方向に所要間隔で形成した平板状のタイル（電解質板）３２と、該タイル３２の大きさよりも僅かに小さくし且つ左右方向の一側と反対側の各辺縁部に、上記タイル３２に設けた燃料ガス給排用マニホールド４２，４３に対応させて該マニホールド４２，４３に連通する大きさとしてある複数の切欠部４４，４５を形成したアノード３３と、上記タイル３２よりも前後方向の幅を小さくし且つ左右方向の長さをタイル３２と同じ長さとして該左右方向の一側と反対側の各辺縁部に、上記タイル３２に設けた燃料ガス給排用マニホールド４２，４３に対応させて後述するセパレータ３５のシールリング３９が嵌まる大きさで複数の切欠部４６，４７を上記アノード３３の切欠部４４，４５よりも前後方向の寸法を大きくして形成したカソード３４とを構成し、該アノード３３とカソード３４の両電極を、上記タイル３２の両面側に重ね合わせて燃料電池セルとし、該燃料電池セルをセパレータ３５を介して積層させるようにする。

上記セパレータ３５は、平板状のセンタープレート３６と、前後左右の周辺部を覆うようにするアノード側四角枠レール３７と、前後側のみのカソード側レール３８と、燃料ガスＦＧを流すための複数個（３個）のシールリング３９と、アノード側の流路形成板兼集電板４０と、カソード側の流路形成板兼集電板４１とからなる構成としてある。

上記センタープレート３６は、平板状としてあって、左右方向の一端側と反対側の各辺縁部に、上記タイル３２に形成した燃料ガス給排用マニホールド４２，４３に対応する燃料ガス給排用マニホールド４２，４３を形成した構成としてある。

上記アノード側四角枠レール３７は、上記センタープレート３６と同じ大きさの外周と上記アノード３３を嵌入できる内周を有する挟幅のリング状にしてあり、且つ所要高さとしてあって、上面がウエットシール面、下面がセンタープレート３６へのメタルタッチ面となるようにしてある。

カソード側レール３８は、上記センタープレート３６の左右方向の長さと同じ長さとし且つ上記四角枠レール３７の幅寸法と同じとして、所要高さを持たせた前後の２本からなる構成としてあり、内側にカソード３４を配置するようにしてある。又、上面はセンタープレート３６へのメタルタッチ面、下面はウエットシール面としてある。

又、上記シールリング３９は、上記センタープレート３６に設けた燃料ガス給排用マニホールド４２，４３と同じ大きさの内周と上記カソード３４に設けた切欠部４６，４７に嵌入できる大きさの外周を有する筒状構造としてあり、カソード側レール３８と同じ高さとし、上端面がセンタープレート３６へのメタルタッチ面、下面がウエットシール面となるようにしてある。

更に、上記アノード側の流路形成板兼集電板４０は、セパレータ３５のセンタープレート３６の片面に燃料ガスＦＧを流すようにガス流路を形成すると共に、燃料ガスＦＧをアノード３３に沿わせるようにするように多数の孔を有するもので、アノード３３と同じ大きさとしてあって、左右方向両側の各辺縁部にアノード３３の切欠部４４，４５と同じ大きさの切欠部４４，４５を有し、アノード３３と一緒に四角枠レール３７の内側に配置されて四角枠レール３７と切欠部４４，４５によりマニホールド４２，４３を形成するようにしてある。且つ中央部分は、図６（イ）に拡大した斜視図を示す如く、多数の孔とガス流路を形成するように任意の個所を下向きに所要高さ突出させて、多数のブリッジ状の流路形成用突部４０ｂと該各突部４０ｂの側部に開口する切欠き孔４０ａを形成するか、あるいはスリットを入れて下向きに折り曲げ形成してなる流路形成用突部を形成した構成としてある。

上記カソード側の流路形成板兼集電板４１は、上記アノード側の流路形成板兼集電板４０と同じように、セパレータ３５のセンタープレート３６の反対側の面に酸化ガスＯＧを流すようにガス流路を形成すると共に、酸化ガスＯＧをカソード３４に沿わせるように多数の孔を有するもので、カソード３４と同じ大きさとしてあって、左右方向両側の各辺縁部にカソード３４の切欠部４６，４７と同じ大きさの切欠部４６，４７を有し、カソード３４と一緒に前後のカソード側レール３８の間に配置されるようにしてある。更に、図６（ロ）に拡大した斜視図を示す如く、多数の孔とガス流路を形成するように任意の個所を上向きに所要高さ突出させて、多数のブリッジ状の流路形成用突部４１ｂと該突部４１ｂの側部に開口する切欠き孔４１ａを形成するか、あるいはスリットを入れて上向きに折り曲げて流路形成用突部を形成した構成としてある。

セパレータ３５を構成するセンタープレート３６、四角枠レール３７、カソード側レール３８、シールリング３９、アノード側及びカソード側の各流路形成板兼集電板４０及び４１は、上記のように構成してあるので、センタープレート３６の周辺の上面に四角枠レール３７を載せて、該レール３７の下面とセンタープレート３６の周辺の上面同士を全周にわたり溶接又はろう付けにて接合する。同様に、センタープレート３６の下面に前後のカソード側レール３８の上面のメタルタッチ面を当接させ、溶接又はろう付けにて接合し、センタープレート３６と四角枠レール３７及びカソード側レール３８とを気密状態に一体化させる。

次に、四角枠レール３７の内側にアノード側の流路形成板兼集電板４０を配置して、下方へ突出している各突部４１ｂの先端をセンタープレート３６の上面に接触させて、センタープレート３６の上面に燃料ガスＦＧの流路（通路）を形成させるようにする。

次いで、カソード側レール３８の間にカソード側の流路形成板兼集電板４１を配置して、上方へ突出している各突部４１ｂの先端をセンタープレート３６の下面に接触させて、センタープレート３６の下面に酸化ガスＯＧの流路を形成させるようにすると共に、上記カソード側の流路形成板兼集電板４１の左右両端部の各切欠部４６，４７に、それぞれシールリング３９を嵌合させ、各シールリング３９をセンタープレート３６の各マニホールド４２，４３に一致させて、溶接又はろう付けにて気密に接合させ、セパレータ３５を組み立て形成させるようにする。なお、シールリング３９は、センタープレート３６の下面にカソード側レール３８を溶接するときに、センタープレート３６の下面にマニホールド４２，４３と連通するように溶接またはろう付けで接合してから、カソード側の流路形成板兼集電板４１の切欠部４６，４７に嵌合させるようにしてもよい。

本発明の燃料電池スタックは、上記構成を有するセパレータ３５を用いて燃料電池セルを積層させる。この場合、タイル３２の上下両面をアノード３３とカソード３４の両電極で挟持してなる燃料電池セルを構成する。アノード３３は、セパレータ３５のセンタープレート３６の上方に燃料ガスＦＧの流路を形成している流路形成板兼集電板４０の上面のフラットな面の上に載せられて、四角枠レール３７の内側に配置され、左右方向両端部の切欠部４４，４５と四角枠レール３７の内周面との間でセンタープレート３６及びタイル３２の各燃料ガス給排用マニホールド４２，４３と連通するマニホールドが形成されるようになる。

上記タイル３２は、周辺が上記四角枠レール３７の上端面に載置されて、該レール３７の上面のウエットシール面で全周にわたりガス洩れがないようにウエットシールされるようになる。

又、カソード３４の上側に、カソード側の流路形成板兼集電板４１の下面のフラットな面を載せる。これにより燃料電池セルの上にセパレータ３５が重ねられ、該セパレータ３５を構成する前後のカソード側レール３８の下端面のウエットシール面と左右に位置する各シールリング３９の下端面のウエットシール面を、タイル３２の上面に載せてガス洩れがないようにウエットシールさせるようにする。

このようにして、燃料電池セルの上にセパレータ３５が置かれると、該セパレータ３５のセンタープレート３６上方のアノード側流路形成板兼集電板４０の上面に、燃料電池セルのアノード３３を載せる。

以後、同様にして燃料電池セルをセパレータ３５のアノード側四角枠レール３７の内側にアノード３３を、又、カソード側レール３８の内側にカソード３４をそれぞれ配置するようにして、アノード３３及びカソード３４のセパレータ３５に占める面積効率を大きくした燃料電池スタックとするようにする。

上記のように構成される本発明の燃料電池スタックは、図１に示す如く、上部と下部にエンドホルダー４８と４９を配置し、該上部と下部のエンドホルダー４８と４９は、薄肉構造として、燃料ガスＦＧの小口径の供給管５０と小口径の排出管５１とを、燃料電池スタックの内部に形成されている燃料ガス給排用マニホールド４２と４３に連通するように各マニホールド４２，４３に対応して複数個貫通させて備えた構成とするようにする。

又、本発明の燃料電池スタックは、側部に、酸化ガスＯＧを各段のセルに供給するようにするガスタクトからなる供給側の外部マニホールド５２と、各セルから排出される酸化ガスＯＧを下流側へ排出させるようにする排出側の外部マニホールド５３が装着させた構成とする。これにより、図１に示す如く、酸化ガスＯＧを側方へ開放されている各セルのカソード３４側へ導入させるようにして、カソード側を外部マニホールド方式、アノード側を内部マニホールド方式とすることができるようにする。

図８（イ）（ロ）は、燃料電池スタックの締付状態を示すもので、図８（イ）に示す如く、燃料電池スタックの上下にエンドホルダー４８，４９を配置し、その外側に電流取出板５９，６０を配置する。上記上下の電流取出板５９，６０の外側にはそれぞれ上下の断熱材６１，６２を介して上下のボルスタ６３，６４を重ね合わせ、該上下のボルスタ６３，６４を締付ロッド５４で締め付けるようにする。この際、締付ロッド５４を、外部マニホールド５２，５３のない面側に配置し、該締付ロッド５４に皿ばね等の弾性材を用いて締付け力を与えるようにする。これにより薄板構造としてある上下のエンドホルダー４８，４９に締付力を付与させることができる。

本発明の燃料電池スタックは、上記構成としてあるので、燃料ガスＦＧは、上下又は一方のエンドホルダー４９の小口径供給管５０を通してスタック内の燃料ガス供給用マニホールド４２を通り供給される。各層の燃料電池セルでは、図２、図４に示す如く各燃料ガス供給用マニホールド４２がセンタープレート３６上面側のアノード側流路形成板兼集電板４０により形成されるガス流路に連通させられているので、シールリング３９を通してセンタープレート３６のマニホールド４２に導かれた燃料ガスＦＧは、各層でアノード３３と接しながら流される。この際、センタープレート３６に形成されている燃料ガス供給用マニホールド４２は、最も周辺に近いところに形成されており、又、アノード３３には、切欠部４４が端部に形成されて、この切欠部４４と四角枠レール３７の内面との間に燃料ガス供給用マニホールド４２が形成されるようにしてあり、又、排出側のマニホールド４３も同様に最も端に近い位置に形成されているので、該マニホールド４２から出てセンタープレート３６の上側を流れる燃料ガスＦＧは、アノード３３の端から中央部側へ流れ、反対側の端を通って排出側マニホールド４３に入るようになる。これにより、アノード３３のセパレータの大きさに占める電極面積の割合を大きくすることができる上に、アノード３３の全面に燃料ガスＦＧを接触させることができることになり、有効に反応させることが可能となる。

一方、外部マニホールド５２から供給される酸化ガスＯＧは、燃料電池スタックの側方から図１に示す如く、各セルのカソード３４側に導入される。この際、酸化ガスＯＧの供給側には、タイル３２とセパレータ３５のセンタープレート３６との間に位置している各シールリング３９の外側を通って図３に矢印で示す如く酸化ガスＯＧは流され、この間にカソード３４と接触させられる。各セルのカソード３４側のガス流路を流された酸化ガスＯＧは、各セルから排出側の外部マニホールド５３に流れ、ここから下流側へ排出される。

上記において、本発明の燃料電池スタックのアノード３３側とカソード３４側に流れる燃料ガスＦＧと酸化ガスＯＧは同一方向へ流される平行流となるようにしてあるため、温度分布が単調となり、燃料電池スタック内の温度分布による熱歪を少なくすることができる。

又、燃料電池スタックのカソード３４側には、上記のように酸化ガスＯＧとして空気が流されることから、スタック内は冷却される。しかし、図１３に示す如き従来の内部マニホールドのようにエンドホルダーとして、厚肉として内部に内部マニホールドに連通するガスヘッダや流路を穿設するようにして外部のガスヘッダーに接続するようにしてある厚肉構造のものを用いている場合は、エンド部にガスが流れにくいことから、冷えにくい。そのため、過度変化時の温度差が大きくなり、温度による歪も生じ易く、又、締付装置の構造も大型化するという問題がある。この点、本発明の燃料電池スタックでは、エンドホルダー４８，４９を薄板構造としているので、重量を低減できると共に、熱容量が小さくなって、温度変化に対応できるものとすることができる。これにより、歪を小さくできるものとすることができる。しかも、薄板構造であることから、全体として柔構造とすることができて締付けが容易で、シール性をよくすることができて、締付構造として簡易なものを使用できることになる。

図９は本発明の燃料電池スタックの実施の他の形態を示すもので、図１乃至図７において、耐食性を有する無垢材を筒状に成形してなるシールリング３９に代えて、連結管方式のシールリング５５としたものである。すなわち、外周を前記シールリング３９の外周寸法と同じにし且つ中央部開口５７の内周を該シールリング３９の内周寸法と同じにした平板状の薄板５６と、該薄板５６の開口５７とセンタープレート３６のマニホールド４２，４３とを連通させて弾力性を有するようにした連結管５８とからなるシールリング５５としたものである。

このような構成としても、タイル３２とセンタープレート３６の燃料ガス給排用マニホールド４２，４３に連通させて、燃料ガスＦＧのみを流すことができ、前記シールリング３９と同様の効果を得ることができる。

なお、本発明は上記実施の形態のみに限定されるものではなく、たとえば、図１乃至図７の実施の形態では、セパレータ３５を構成するセンタープレート３６を周辺に燃料ガス給排用マニホールド４２，４３を有する平板状のものとし、アノード側流路形成板兼集電板４０とカソード側流路形成板兼集電板４１に突部４０ｂと４１ｂ及び切欠き孔４０ａと４１ａを設けてガス流路を形成させるようにした場合を示したが、センタープレート３６をプレス加工して上下両面に凹凸を形成してガス流路を形成させるようにして、上記アノード側とカソード側の各流路形成板兼集電板４０と４１を単なるパンチ板兼集電板とするようにしてもよい。

又、燃料電池スタックは、各セル及びセパレータ３５を水平にして上下に積層させるようにしたものを示したが、各セル及びセパレータを垂直方向に立てて水平方向に積層させて各セルのガスは下から上へ流れるようにしてもよく、この場合は、横置き容器に内蔵するときに積層段数を増やすことができると共に、陸上輸送の際の高さ方向の制約を受けるおそれがなく大型化しても可能である、等があって有利である。

その他本発明の要旨を逸脱しない範囲内で種々変更を加え得ることは勿論である。

本発明の燃料電池スタックの実施の一形態を模式的に示す切断正面図である。図１のII−II矢視図である。図１のIII−III矢視図である。図２のIV−IVから見た図１とは異なる部分の燃料電池スタックのみを模式的に示す切断正面図である。本発明の燃料電池スタックにおける燃料電池セルとセパレータを分解して示す斜視図である。本発明の燃料電池スタックにおけるセパレータに用いる流路形成板兼集電板の概要を示すもので、（イ）はアノード側の流路形成板兼集電板の一部を示す斜視図、（ロ）はカソード側の流路形成板兼集電板の一部を示す斜視図である。本発明の燃料電池スタックにおけるセパレータに用いるシールリングとセンタープレートの関係の一例を示す概略図である。本発明の燃料電池スタックの締付装置の一例を示すもので、（イ）は切断側面図、（ロ）は（イ）の一部切断平面図である。本発明の燃料電池スタックにおけるセパレータに用いるシールリングとセンタープレートの関係の他の例を示す概略図である。従来のカソード内部マニホールド方式とした場合のセパレータの断面図である。従来のアノード内部マニホールド方式とした場合のセパレータの断面図である。従来の燃料電池用セパレータの一例を示すもので、（イ）はセンタープレートの平面図、（ロ）は酸化ガス供給用マニホールド部の断面図、（ハ）は燃料ガス供給用マニホールド部の断面図である。従来の内部マニホールド方式の燃料電池スタックにおけるエンドホルダーの平面図である。従来の燃料電池スタックのカソード外部マニホールド方式、アノード内部マニホールド方式としたものの一例を示す断面図である。

符号の説明

３２タイル
３３アノード
３４カソード
３５セパレータ
３６センタープレート
３７アノード側四角枠レール
３８カソード側レール
３９シールリング
４０アノード側流路形成板兼集電板
４１カソード側流路形成板兼集電板
４２燃料ガス供給用マニホールド
４３燃料ガス排出用マニホールド
４４，４５，４６，４７切欠部
４８上部エンドホルダー
４９下部エンドホルダー
５０供給管
５１排出管
５４締付ロッド（締付装置）
５５シールリング

Claims

タイルの両面側をアノードとカソードの両電極で挟持させるようにしてあるセルをセパレータを介し積層させ、各セルのアノード側に燃料ガスを、又、カソード側に酸化ガスをそれぞれ流すようにしてある燃料電池スタックにおいて、上記タイルとセパレータの平面形状を同じ大きさとして、燃料ガスがセパレータに沿って流れる方向の一端側と他端側の辺縁部を積層方向に燃料ガスが導かれるようにし、且つ上記アノードを、上記積層方向に導かれる燃料ガスを上記一端側の辺縁部から他端側の辺縁部まで流せるようにし、更に、上記カソードの上記酸化ガスの流れ方向の長さを、上記タイルと同じ寸法として、カソード側を外部マニホールド方式、アノード側を内部マニホールド方式とした構成を有することを特徴とする燃料電池スタック。
セパレータは、一端側の辺縁部に燃料ガス供給用マニホールドを形成すると共に他端側の辺縁部に燃料ガス排出用マニホールドを形成したセンタープレートと、アノードを内側に配置するように四角枠としてあるレールと、カソードの酸化ガス流れ方向と直交する側を内側に配置するように２本としたカソード側レールと、センタープレートの各マニホールドに燃料ガスを導くようにするシールリングとを備えて、センタープレートの両面側にガス流路を形成するようにし、アノードの一端側と他端側の各辺縁部に切欠部を設けて、上記四角枠のレールとの間で燃料ガス用のマニホールドが形成されるようにした請求項１記載の燃料電池スタック。
上下のエンドホルダーを薄板構造とし、且つ上下又は一方のエンドホルダーに、燃料電池スタック内部の複数の燃料ガス供給用マニホールドと複数の燃料ガス排出用マニホールドに対応する複数の燃料ガスの供給管と複数の排出管を備えた請求項１又は２記載の燃料電池スタック。
酸化ガス供給用の外部マニホールドから排出用の外部マニホールドへ流れる酸化ガスと燃料ガス供給用マニホールドから排出用マニホールドへ流れる燃料ガスを平行流となるようにして、上記ガスの流れ方向と直交する両側に締付装置を設けた請求項１、２又は３記載の燃料電池スタック。