JP2008071737A - Fuel cell - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、電解質をアノード電極とカソード電極とで挟んで構成される電解質・電極接合体が、セパレータ間に積層される燃料電池に関する。 The present invention relates to a fuel cell in which an electrolyte / electrode assembly configured by sandwiching an electrolyte between an anode electrode and a cathode electrode is laminated between separators.
通常、シールレス構造の固体電解質型燃料電池(SOFC)は、電解質に酸化物イオン導電体、例えば、安定化ジルコニアを用いており、この電解質の両側にアノード電極及びカソード電極を配設した電解質・電極接合体(MEA)を、セパレータ(バイポーラ板)によって挟持している。この燃料電池は、通常、MEAとセパレータとが所定数だけ積層された燃料電池スタックとして使用されている。 In general, a solid oxide fuel cell (SOFC) having a sealless structure uses an oxide ion conductor, for example, stabilized zirconia, as an electrolyte, and an electrolyte and anode / cathode electrode disposed on both sides of the electrolyte. The electrode assembly (MEA) is sandwiched between separators (bipolar plates). This fuel cell is normally used as a fuel cell stack in which a predetermined number of MEAs and separators are stacked.
上記の燃料電池では、電解質・電極接合体を構成するアノード電極及びカソード電極に、それぞれ燃料ガス(例えば、水素ガス)及び酸化剤ガス(例えば、空気)を供給するために、セパレータの面方向に沿って燃料ガス通路及び酸化剤ガス通路が形成されている。 In the above fuel cell, in order to supply fuel gas (for example, hydrogen gas) and oxidant gas (for example, air) to the anode electrode and the cathode electrode constituting the electrolyte-electrode assembly, respectively, A fuel gas passage and an oxidant gas passage are formed along the same.
例えば、特許文献1に開示されている平板積層型燃料電池は、図30に示すように、発電セルに積層されるセパレータ1を備えている。セパレータ1は、左右のマニホールド部分2a、2aと、中央の発電セルを配置する部分2bとが、連結部分2c、2cにより連結されており、この連結部分2cが可撓性を有している。
For example, a flat plate stacked fuel cell disclosed in Patent Document 1 includes a separator 1 stacked on a power generation cell as shown in FIG. In the separator 1, left and
マニホールド部分2a、2aには、ガス孔3、4が設けられており、一方のガス孔3は、燃料ガス通路3aに連通するとともに、他方のガス孔4は、酸化剤ガス通路4aに連通している。燃料ガス通路3a及び酸化剤ガス通路4aは、部分2b内にらせん状に延在しており、この部分2bの中央部近傍で、図示しない燃料極集電体及び空気極集電体に開放されている。
The
ところで、この特許文献1では、燃料ガス及び酸化剤ガスが、発電セルの中心部から供給されて前記発電セルの外周部に向かって排出されている。このため、発電セルの電極面内において、中央部と外周部とに反応ガスの濃度差が発生し、前記電極面内における電流密度分布に偏りが生じて発電効率の向上が図れないという問題がある。 By the way, in this patent document 1, fuel gas and oxidant gas are supplied from the center part of a power generation cell, and are discharged | emitted toward the outer peripheral part of the said power generation cell. For this reason, in the electrode surface of the power generation cell, there is a problem that a concentration difference of the reaction gas occurs between the central portion and the outer peripheral portion, and the current density distribution in the electrode surface is biased, so that the power generation efficiency cannot be improved. is there.
しかも、発電セルの電極面内には、発電反応の差が発生して前記電極面内に温度勾配が生じ易い。従って、発電セルには、熱応力により損傷や劣化等の発電不良が惹起するおそれがある。 Moreover, a difference in power generation reaction occurs in the electrode surface of the power generation cell, and a temperature gradient tends to occur in the electrode surface. Therefore, the power generation cell may cause power generation failure such as damage or deterioration due to thermal stress.
さらに、発電セルの中央部から外周部に向かって、燃料ガス及び酸化剤ガスが流れるため、特にこの発電セルの外周部に発電反応により発生した水蒸気が集中する。これにより、発電セルが劣化し易いという問題がある。 Further, since the fuel gas and the oxidant gas flow from the central portion of the power generation cell toward the outer peripheral portion, water vapor generated by the power generation reaction is concentrated particularly on the outer peripheral portion of the power generation cell. Thereby, there exists a problem that a power generation cell tends to deteriorate.
そこで、例えば、特許文献2に開示されている燃料電池用セパレータでは、図31に示すように、セパレータ内部に中空部5が設けられるとともに、この中空部5は、ガス導入口6に連通している。セパレータ積層面7には、ガス導入口6から中空部5内に導入された反応ガスを吐出するための複数のガス吐出口8が、前記積層面7の略全域にわたって設けられている。従って、セパレータ内部に導入された反応ガスは、複数のガス吐出口8から発電セルに向かってシャワー状に吐出されている。
Therefore, for example, in the fuel cell separator disclosed in Patent Document 2, as shown in FIG. 31, a hollow portion 5 is provided inside the separator, and the hollow portion 5 communicates with the
しかしながら、上記の特許文献2では、発電セルに向かってシャワー状に反応ガスを吐出する一方、反応後の排ガスを前記発電セルの外周部から排出しているため、前記外周部近傍で反応ガス濃度が低下し易い。これにより、発電セルの電極面内における反応ガス濃度に差が生じ、前記電極面内における電流密度分布に偏りが発生するという問題がある。 However, in Patent Document 2 described above, the reaction gas is discharged in a shower shape toward the power generation cell, while the exhaust gas after the reaction is discharged from the outer periphery of the power generation cell. Tends to decrease. As a result, a difference occurs in the concentration of the reaction gas in the electrode surface of the power generation cell, and there is a problem that the current density distribution in the electrode surface is biased.
しかも、発電セルの外周部では、ガス吐出口8近傍に比べて排ガス濃度が高くなり、電極面内における発電反応に差が生じてしまう。従って、発電セルに温度勾配が生じ、熱応力によって前記発電セルに損傷や劣化等の不良が生じるおそれがある。
In addition, the exhaust gas concentration is higher at the outer peripheral portion of the power generation cell than in the vicinity of the
さらにまた、発電セルの外周部から排ガスが排出されるため、この発電セルの外周部には、発電反応で発生した水蒸気が集中し易い。このため、発電セルが劣化するという問題がある。 Furthermore, since the exhaust gas is discharged from the outer periphery of the power generation cell, water vapor generated by the power generation reaction tends to concentrate on the outer periphery of the power generation cell. For this reason, there exists a problem that a power generation cell deteriorates.
本発明はこの種の問題を解決するものであり、電解質・電極接合体の発電面全体に反応ガスを均一且つ良好に供給するとともに、反応ガス濃度及び発電反応を均一化し、且つ水蒸気の集中を阻止することが可能な燃料電池を提供することを目的とする。 The present invention solves this type of problem, and uniformly and satisfactorily supplies the reaction gas over the entire power generation surface of the electrolyte / electrode assembly, and makes the reaction gas concentration and the power generation reaction uniform, and the concentration of water vapor. An object of the present invention is to provide a fuel cell that can be blocked.
本発明は、電解質をアノード電極とカソード電極とで挟んで構成される電解質・電極接合体が、セパレータ間に積層される燃料電池に関するものである。 The present invention relates to a fuel cell in which an electrolyte / electrode assembly configured by sandwiching an electrolyte between an anode electrode and a cathode electrode is laminated between separators.
セパレータは、電解質・電極接合体を挟持するとともに、少なくともアノード電極の電極面に沿って燃料ガスを供給する又はカソード電極の電極面に沿って酸化剤ガスを供給する反応ガス通路が設けられる挟持部を備える。 The separator sandwiches the electrolyte / electrode assembly, and is provided with a reaction gas passage for supplying fuel gas along at least the electrode surface of the anode electrode or supplying oxidant gas along the electrode surface of the cathode electrode Is provided.
そして、挟持部は、少なくとも反応ガス通路に燃料ガス又は酸化剤ガスを雨浴状に供給する複数の反応ガス供給孔と、少なくとも前記反応ガス通路に供給されて反応に使用された前記燃料ガス又は前記酸化剤ガスを、排ガスとして前記反応ガス通路から雨浴状に排出する複数の排ガス排出孔とを設けるとともに、前記挟持部の前記反応ガス通路側の周縁部には、前記周縁部から前記排ガスが排出されることを抑制するための封止部が形成されている。 The sandwiching portion includes a plurality of reaction gas supply holes for supplying at least a reaction gas passage with a fuel gas or an oxidant gas in a rain bath shape, and at least the fuel gas supplied to the reaction gas passage and used for the reaction. A plurality of exhaust gas exhaust holes for exhausting the oxidant gas as exhaust gas from the reaction gas passage in the form of a rain bath are provided, and the exhaust gas from the peripheral portion to the peripheral portion on the reaction gas passage side of the sandwiching portion is provided. A sealing portion for suppressing the discharge of water is formed.
また、本発明では、セパレータは、電解質・電極接合体を挟持するとともに、少なくともアノード電極の電極面に沿って燃料ガスを供給する又はカソード電極の電極面に沿って酸化剤ガスを供給する反応ガス通路が設けられる挟持部と、前記挟持部に連結され、少なくとも前記燃料ガス又は前記酸化剤ガスを前記反応ガス通路に供給するための反応ガス供給通路が形成される橋架部と、前記橋架部に連結され、少なくとも前記燃料ガス又は前記酸化剤ガスを前記反応ガス供給通路に供給するための反応ガス供給連通孔が積層方向に形成される反応ガス供給部とを備えている。 In the present invention, the separator sandwiches the electrolyte / electrode assembly, and supplies the fuel gas along at least the electrode surface of the anode electrode or supplies the oxidant gas along the electrode surface of the cathode electrode. A sandwiching portion provided with a passage, a bridge portion connected to the sandwiching portion and forming a reaction gas supply passage for supplying at least the fuel gas or the oxidant gas to the reaction gas passage, and the bridge portion And a reaction gas supply section that is connected and has at least a reaction gas supply passage for supplying the fuel gas or the oxidant gas to the reaction gas supply passage.
さらに、挟持部は、反応ガス通路側に突出し、反応ガスが反応ガス供給孔から排ガス排出孔に向かって直線状に流れることを規制する突起部を設けることが好ましい。さらにまた、突起部は、反応ガス供給孔から最短距離に位置する排ガス排出孔を結ぶ仮想直線上に設定されることが好ましく、また、前記突起部及び前記反応ガス供給孔間の最短距離は、前記突起部及び前記排ガス排出孔間の最短距離と等しく設定されることが好ましい。 Furthermore, it is preferable that the clamping portion is provided with a protrusion that protrudes toward the reaction gas passage and restricts the reaction gas from flowing linearly from the reaction gas supply hole toward the exhaust gas discharge hole. Furthermore, the protrusion is preferably set on an imaginary straight line connecting the exhaust gas discharge hole located at the shortest distance from the reaction gas supply hole, and the shortest distance between the protrusion and the reaction gas supply hole is: It is preferable that the distance is set equal to the shortest distance between the protrusion and the exhaust gas discharge hole.
反応ガスが反応ガス供給孔から排ガス排出孔に吹き抜けることを抑制し、反応ガス利用率の向上を図ることができるからである。しかも、突起部は、電解質・電極接合体の電極面に接触するため、前記電解質・電極接合体への荷重の伝達及び前記電解質・電極接合体からの集電が可能になる。 This is because the reaction gas can be prevented from blowing from the reaction gas supply hole to the exhaust gas discharge hole, and the utilization rate of the reaction gas can be improved. In addition, since the projecting portion is in contact with the electrode surface of the electrolyte / electrode assembly, it is possible to transmit a load to the electrolyte / electrode assembly and collect current from the electrolyte / electrode assembly.
さらに、突起部は、長円形状又は楕円形状に形成されることが好ましく、前記突起部は、最短距離に配置される前記反応ガス供給孔及び前記排ガス排出孔を結ぶ仮想直線に対し、前記長円形状又は前記楕円形状の長軸が直交するように設定されることが好ましい。反応ガス通路内における反応ガス流路長が長尺化され、反応ガス利用率を一層向上させることができるからである。 Further, the protrusion is preferably formed in an oval shape or an ellipse, and the protrusion is long with respect to a virtual straight line connecting the reaction gas supply hole and the exhaust gas discharge hole arranged at the shortest distance. It is preferable to set the long axis of the circular shape or the elliptical shape to be orthogonal. This is because the reaction gas passage length in the reaction gas passage is lengthened, and the reaction gas utilization rate can be further improved.
さらにまた、挟持部は、反応ガス供給孔に連通して前記反応ガス供給孔に反応ガスを供給する反応ガス供給室と、排ガス排出孔に連通して前記排ガス排出孔から排ガスを排出する排ガス排出室とを設けることが好ましい。 Furthermore, the sandwiching portion communicates with the reaction gas supply hole to supply the reaction gas to the reaction gas supply hole, and the exhaust gas exhaust communicates with the exhaust gas discharge hole to discharge the exhaust gas from the exhaust gas discharge hole. It is preferable to provide a chamber.
反応ガス供給室は、反応前の反応ガスの圧力変動や圧力不均等を整える機能を有し、電解質・電極接合体の電極面内における反応ガス濃度を均等化することができる。一方、排ガス排出室は、排ガスの排出を促進させるとともに、反応ガスの供給も促進させる機能を有し、電極面内における排ガス濃度を均等化することが可能である。これにより、電極面内の電流密度分布を均一にして発電効率の向上が遂行されるとともに、電解質・電極接合体における温度勾配を抑制し、熱応力による前記電解質・電極接合体の損傷や劣化等を可及的に阻止することができる。 The reaction gas supply chamber has a function of adjusting the pressure fluctuation and non-uniformity of the reaction gas before the reaction, and can equalize the reaction gas concentration in the electrode surface of the electrolyte / electrode assembly. On the other hand, the exhaust gas discharge chamber has a function of accelerating the exhaust gas discharge and the supply of the reaction gas, and can equalize the exhaust gas concentration in the electrode surface. As a result, the current density distribution in the electrode surface is made uniform to improve the power generation efficiency, the temperature gradient in the electrolyte / electrode assembly is suppressed, and the electrolyte / electrode assembly is damaged or deteriorated due to thermal stress. Can be prevented as much as possible.
また、挟持部は、反応ガス供給孔及び排ガス排出孔が形成される第1プレート部と、反応ガス供給室及び排ガス排出室が形成される第2プレート部とを備え、前記第1プレート部と前記第2プレート部とが積層されることが好ましい。 The sandwiching portion includes a first plate portion in which the reaction gas supply hole and the exhaust gas discharge hole are formed, and a second plate portion in which the reaction gas supply chamber and the exhaust gas discharge chamber are formed, and the first plate portion It is preferable that the second plate portion is laminated.
すなわち、繊細な製造工程が必要な微細孔である反応ガス供給孔及び排ガス排出孔は、第1プレート部にのみ形成すればよく、第2プレート部には、微細な製造工程が不要になる。従って、微細な製造工程の有無により第1プレート部と第2プレート部とを別体に構成することができ、製造コストの削減及び歩留まりの向上が容易に図られる。 That is, the reaction gas supply hole and the exhaust gas discharge hole, which are fine holes that require a delicate manufacturing process, need only be formed in the first plate part, and the second plate part does not require a fine manufacturing process. Therefore, the first plate portion and the second plate portion can be configured separately depending on the presence or absence of a fine manufacturing process, and the manufacturing cost can be reduced and the yield can be easily improved.
本発明によれば、反応ガスは、複数の反応ガス供給孔から電解質・電極接合体の電極面全面に雨浴状に供給されるため、前記電極面内における反応ガス濃度を均等化することができる。一方、排ガスは、複数の排ガス排出孔から雨浴状に排出されるため、電解質・電極接合体の電極面内における排ガス濃度を均等化することが可能である。 According to the present invention, since the reaction gas is supplied in the form of a rain bath from the plurality of reaction gas supply holes to the entire electrode surface of the electrolyte / electrode assembly, the reaction gas concentration in the electrode surface can be equalized. it can. On the other hand, since the exhaust gas is discharged in the form of a rain bath from a plurality of exhaust gas discharge holes, it is possible to equalize the exhaust gas concentration in the electrode surface of the electrolyte / electrode assembly.
これにより、電極面内の電流密度分布を均一にすることができ、発電効率の向上が遂行される。さらに、電解質・電極接合体における発熱反応となる発電反応を均等化することが可能になる。このため、電解質・電極接合体の温度勾配を抑制し、熱応力による前記電解質・電極接合体の損傷や劣化等を可及的に阻止するとともに、発電反応により生じた水蒸気が集中することを良好に防止することができる。 Thereby, the current density distribution in the electrode surface can be made uniform, and the power generation efficiency is improved. Furthermore, it is possible to equalize the power generation reaction that is an exothermic reaction in the electrolyte / electrode assembly. For this reason, the temperature gradient of the electrolyte / electrode assembly is suppressed, damage or deterioration of the electrolyte / electrode assembly due to thermal stress is prevented as much as possible, and water vapor generated by the power generation reaction is concentrated. Can be prevented.
しかも、挟持部の反応ガス通路側の周縁部には、前記周縁部から排ガスが排出されることを抑制するための封止部が形成されている。従って、発電反応により発生した排ガスは、挟持部の周縁部に集中することを抑制することができ、電解質・電極接合体の電極面内における電流密度分布に偏りが生ずることを抑制することが可能になる。このため、発電効率の向上及び安定化を図るとともに、電解質・電極接合体の温度勾配を抑制して熱応力による前記電解質・電極接合体の損傷や劣化等を可及的に阻止することができる。 And the sealing part for suppressing that exhaust gas is discharged | emitted from the said peripheral part is formed in the peripheral part by the side of the reaction gas channel of a clamping part. Accordingly, the exhaust gas generated by the power generation reaction can be prevented from concentrating on the peripheral edge of the sandwiching portion, and the current density distribution in the electrode surface of the electrolyte / electrode assembly can be prevented from being biased. become. Therefore, power generation efficiency can be improved and stabilized, and the temperature gradient of the electrolyte / electrode assembly can be suppressed to prevent damage or deterioration of the electrolyte / electrode assembly due to thermal stress as much as possible. .
図1は、本発明の第1の実施形態に係る燃料電池10が矢印A方向に積層された燃料電池スタック12の概略斜視説明図である。
FIG. 1 is a schematic perspective explanatory view of a
燃料電池スタック12は、定置用の他、車載用等の種々の用途に用いられている。燃料電池10は、固体電解質型燃料電池であり、この燃料電池10は、図2及び図3に示すように、例えば、安定化ジルコニア等の酸化物イオン導電体で構成される電解質(電解質板)20の両面に、カソード電極22及びアノード電極24が設けられた電解質・電極接合体26を備える。電解質・電極接合体26は、円板状に形成されるとともに、少なくとも外周端面部には、酸化剤ガス及び燃料ガスの進入や排出を阻止するためにバリアー層(図示せず)が設けられている。
The
燃料電池10は、各セパレータ28間に複数、例えば、8個の電解質・電極接合体26が、このセパレータ28の中心部である燃料ガス供給連通孔30と同心円上に配列される。
In the
セパレータ28は、図2に示すように、例えば、ステンレス合金等の板金で構成される1枚の金属プレートやカーボンプレート等で構成される。セパレータ28は、中央部に燃料ガス供給連通孔(反応ガス供給連通孔)30を形成する燃料ガス供給部(反応ガス供給部)32を有する。この燃料ガス供給部32から外方に等角度間隔ずつ離間して放射状に延在する複数の第1橋架部34を介して比較的大径な第1挟持部(第1プレート部)36が一体的に設けられる。
As shown in FIG. 2, the
各第1挟持部36は、電解質・電極接合体26と略同一寸法に設定される。各第1挟持部36には、燃料ガスを電解質・電極接合体26を構成するアノード電極24に雨浴状(以下、シャワー状という)に供給するための複数の燃料ガス供給孔(反応ガス供給孔)38aと、前記アノード電極24で反応に使用された燃料ガスを、排ガスとしてシャワー状に排出するための複数の排ガス排出孔38bとが、交互に配列される(図2〜図4参照)。
Each first clamping
各第1挟持部36のアノード電極24に接触する面36aには、アノード電極24の電極面に沿って燃料ガスを供給するための燃料ガス通路(反応ガス通路)40が形成される。面36aには、燃料ガスが燃料ガス供給孔38aから排ガス排出孔38bに直線状に流れることを規制する複数の突起部42が形成される。第1挟持部36の面36a側の周縁部には、前記周縁部から燃料ガス及び排ガスが排出されることを抑制するためのリング状封止部(凸部)44が形成される。
A fuel gas passage (reaction gas passage) 40 for supplying fuel gas along the electrode surface of the
突起部42は、面36aに、例えば、エッチングにより形成される中実部、又はプレスにより形成される中空部で構成される。突起部42の断面形状は、矩形状、円形状、長円形状、楕円形状、三角形状又は長方形状等、種々の形状に設定可能であるとともに、位置や密度は、燃料ガスの流れ状態等によって任意に変更される。以下に説明する他の突起部は、上記の突起部42と同様に構成される。
The projecting
各第1挟持部36の反対側の面36bは、略平坦面に形成されるとともに、前記面36b側には、通路部材50が、例えば、ろう付け、拡散接合やレーザ溶接等により固着される。
The
通路部材50は、平板状に構成されるとともに、中央部に燃料ガス供給連通孔30を形成する燃料ガス供給部52を備える。燃料ガス供給部52から放射状に8本の第2橋架部54が延在するとともに、各第2橋架部54には、第2挟持部(第2プレート部)56が一体に(又は別体部品の接合体として)設けられる。
The
燃料ガス供給部52から各第2橋架部54を周回して、凸部58が設けられる。この凸部58は、セパレータ28の燃料ガス供給部32及び各第1橋架部34に接合されることにより、燃料ガス供給連通孔30に連通してセパレータ面方向に延在する燃料ガス供給通路60が形成される。
A
第2挟持部56の面56aには、燃料ガス供給通路60と燃料ガス供給孔38aとに連通し、前記燃料ガス供給通路60を流れる燃料ガスを前記燃料ガス供給孔38aに供給する燃料ガス供給室(反応ガス供給室)62と、排ガス排出孔38bに連通し、前記排ガス排出孔38bから排ガスを排出する排ガス排出室64とが設けられる。
A fuel gas supply that communicates with the fuel
燃料ガス供給室62は、複数列、例えば、5列に配列される燃料ガス供給孔38aに対応して5本に分岐する一方、排ガス排出室64は、例えば、6列に配列される排ガス排出孔38bに対応して6本に分岐され、前記燃料ガス供給室62と前記排ガス排出室64とが交互に配置される。排ガス排出室64は、第2挟持部56の外周外方側端部に設けられた排ガス排出通路66を介して排ガス通路68に連通する。
The fuel
第2挟持部56の面56bには、カソード電極22の電極面に沿って酸化剤ガスを供給するための酸化剤ガス通路70を形成し且つ前記カソード電極22に密着する変形可能な弾性通路部、例えば、導電性メッシュ部材72が配設される。メッシュ部材72は、例えば、ステンレス鋼(SUS材)の線材で構成され、円板状を有する。このメッシュ部材72は、積層方向(矢印A方向)の荷重に対して所望の弾性変形が可能な厚さに設定される。
A deformable elastic passage portion that forms an
図5に示すように、メッシュ部材72に設けられる酸化剤ガス通路70は、電解質・電極接合体26の内側周端部と第1挟持部36の内側周端部との間から矢印B方向に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給連通孔74に連通する。この酸化剤ガス供給連通孔74は、各第1挟持部36及び第2挟持部56の内方と第1橋架部34間及び第2橋架部54間に位置して積層方向(矢印A方向)に延在している。
As shown in FIG. 5, the
各セパレータ28間には、燃料ガス供給連通孔30をシールするための絶縁シール76が配設される。絶縁シール76は、例えば、マイカ材、ガラス材やセラミック材で形成される。
An insulating
図1に示すように、燃料電池スタック12は、複数の燃料電池10の積層方向両端に略円板状のエンドプレート80a、80bを配置する。エンドプレート80aの中央部には、燃料ガス供給連通孔30に対応して孔部82が設けられるとともに、前記孔部82の周囲には、酸化剤ガス供給連通孔74に対応して複数の孔部84が設けられる。エンドプレート80a、80b間は、ねじ孔86に螺合する図示しないボルトにより矢印A方向に締め付けられている。
As shown in FIG. 1, the
このように構成される燃料電池スタック12の動作について、以下に説明する。
The operation of the
図1及び図2に示すように、エンドプレート80aの孔部82から燃料ガス供給連通孔30に燃料ガス(水素含有ガス)が供給されるとともに、孔部84から酸化剤ガス供給連通孔74に酸化剤ガスである酸素含有ガス(以下、空気ともいう)が供給される。
As shown in FIGS. 1 and 2, fuel gas (hydrogen-containing gas) is supplied from the
燃料ガスは、燃料電池スタック12の燃料ガス供給連通孔30に沿って積層方向(矢印A方向)に移動しながら、各燃料電池10に設けられる燃料ガス供給通路60に沿ってセパレータ面方向(矢印B方向)に移動する。
While the fuel gas moves in the stacking direction (arrow A direction) along the fuel gas
図3及び図5に示すように、燃料ガスは、燃料ガス供給通路60から燃料ガス供給室62に一旦導入される。この燃料ガス供給室62は、第1挟持部36に設けられている複数且つ5列に配列された燃料ガス供給孔38aに連通している。このため、燃料ガスは、燃料ガス供給室62から各燃料ガス供給孔38aを通って、電解質・電極接合体26を構成するアノード電極24の電極面全面にわたりシャワー状に供給される(図6参照)。
As shown in FIGS. 3 and 5, the fuel gas is once introduced into the fuel
燃料ガス供給孔38aを通ってアノード電極24に供給された燃料ガスは、燃料ガス通路40を通り、すなわち、複数の突起部42によって形成された流路を通り、発電反応に使用された後、複数の排ガス排出孔38bから排ガス排出室64にシャワー状に排出される(図6参照)。この排ガス排出室64は、図4に示すように、複数且つ6列に配列された排ガス排出孔38bに連通しており、前記排ガス排出孔38bから前記排ガス排出室64に排出された排ガスは、排ガス排出通路66に集められて排ガス通路68に排出される(図3参照)。
The fuel gas supplied to the
一方、酸化剤ガス供給連通孔74に供給された空気は、電解質・電極接合体26の内側周端部と第1挟持部36及び第2挟持部56の内側周端部との間から矢印B方向に流入し、メッシュ部材72に形成された酸化剤ガス通路70に送られる。酸化剤ガス通路70では、電解質・電極接合体26のカソード電極22の内側周端部(セパレータ28の中央部)側から外側周端部(セパレータ28の外側周端部側)に向かって空気が流動する。
On the other hand, the air supplied to the oxidant gas
従って、電解質・電極接合体26では、アノード電極24の電極面全面にわたってシャワー状に燃料ガスが供給されるとともに、カソード電極22の電極面の一方向(矢印B方向)に向かって空気が供給される。その際、酸化物イオンが電解質20を通ってアノード電極24に移動し、化学反応により発電が行われる。
Therefore, in the electrolyte /
なお、各電解質・電極接合体26の外周部に排出される発電反応後の空気及び発電反応後の燃料ガスは、オフガスとして排ガス通路68を介して燃料電池スタック12から排出される(図1参照)。
The air after the power generation reaction discharged to the outer peripheral portion of each electrolyte /
この場合、第1の実施形態では、第1挟持部36は、アノード電極24の電極面に向かって燃料ガスをシャワー状に導入する複数の燃料ガス供給孔38aと、燃料ガス通路40に供給されて反応に使用された燃料ガスを、排ガスとして前記燃料ガス通路40からシャワー状に排出する複数の排ガス排出孔38bとを設けている。
In this case, in the first embodiment, the
このように、燃料ガスは、複数の燃料ガス供給孔38aからアノード電極24の電極面全面にシャワー状に供給されるため、前記電極面内における燃料ガス濃度を均一化することができる。一方、排ガスは、複数の排ガス排出孔38bからシャワー状に排出されるため、電極面内における排ガス濃度を均等化することが可能になる。
Thus, the fuel gas is supplied in a shower form from the plurality of fuel
このため、電極面内の電流密度分布を均一にすることができ、発電効率の向上が容易に遂行される。さらに、電解質・電極接合体26における発熱反応となる発電反応を均等化することが可能になる。従って、電解質・電極接合体26の温度勾配を抑制し、熱応力による前記電解質・電極接合体26の損傷や劣化等を可及的に阻止するとともに、発電反応により生じた水蒸気が集中することを良好に防止することができるという効果が得られる。
For this reason, the current density distribution in the electrode surface can be made uniform, and the power generation efficiency can be easily improved. Furthermore, it is possible to equalize the power generation reaction that is an exothermic reaction in the electrolyte /
そこで、図7には、従来技術1(特許文献1)、従来技術2(特許文献2)及び本発明の第1の実施形態において、それぞれの水蒸気濃度と電流密度との発生状態が示されている。 Therefore, FIG. 7 shows the generation states of the water vapor concentration and the current density in the related art 1 (patent document 1), the prior art 2 (patent document 2), and the first embodiment of the present invention. Yes.
従来技術1では、単一の燃料ガス供給孔を備えるだけであり、電解質・電極接合体26の中心における電流密度及び水蒸気密度と、周縁部における電流密度及び水蒸気濃度とに大きな差が生じた。また、複数の燃料ガス供給孔を備え、外方に排気ガスを排出する従来技術2では、電解質・電極接合体26の中央から外方にわたって水蒸気濃度及び電流密度の差が比較的小さいものの、前記電解質・電極接合体26の周縁部に行くに従って、前記水蒸気濃度及び前記電流密度に差が生じた。
In the prior art 1, only a single fuel gas supply hole is provided, and there is a large difference between the current density and water vapor density at the center of the electrolyte /
これにより、従来技術1及び従来技術2では、電極面内の電流密度分布が不均一になり、発電効率が低下するとともに、温度勾配によって前記電解質・電極接合体26の損傷や劣化等が発生し易い。
Thereby, in the prior art 1 and the prior art 2, the current density distribution in the electrode surface becomes non-uniform, the power generation efficiency is lowered, and the electrolyte /
これに対して、第1の実施形態では、電解質・電極接合体26の発電面内にわたって水蒸気濃度及び電流密度を略均一化することができ、上記の不具合が発生することを抑制することができるという効果が得られた。
On the other hand, in the first embodiment, the water vapor concentration and the current density can be substantially uniform over the power generation surface of the electrolyte /
さらにまた、第1の実施形態では、図2及び図4に示すように、第1挟持部36の面36a側の周縁部には、該周縁部から燃料ガス及び排ガスが排出されることを抑制するためのリング状封止部44が形成されている。従って、発電反応により発生した排ガスが第1挟持部36の周縁部に集中することを抑制することができ、電解質・電極接合体26の電極面内における電流密度分布に偏りが生ずることを抑制することが可能になる。このため、発電効率の向上及び安定化を図るとともに、電解質・電極接合体26の温度勾配を抑制し、熱応力による前記電解質・電極接合体26の損傷や劣化等を可及的に阻止することができる。
Furthermore, in the first embodiment, as shown in FIGS. 2 and 4, fuel gas and exhaust gas are prevented from being discharged from the peripheral portion to the peripheral portion on the
また、第1挟持部36の面36aには、燃料ガス供給孔38aと排ガス排出孔38bとの間に複数の突起部42が設けられている。これにより、燃料ガス供給孔38aから燃料ガス通路40に供給された燃料ガスは、排ガス排出孔38bに即座に通過することを抑制され、燃料ガス利用率の向上を図ることが可能になる。
A plurality of
しかも、突起部42は、電解質・電極接合体26の電極面に接触するため、前記電解質・電極接合体26の荷重の伝達及び前記電解質・電極接合体26からの集電が確実に遂行される。
In addition, since the
さらに、第2挟持部56には、燃料ガス供給孔38aに連通する燃料ガス供給室62と、排ガス排出孔38bに連通する排ガス排出室64とが設けられている。燃料ガス供給室62は、反応前の燃料ガスの圧力変動や圧力不均等を整える機能を有しており、燃料ガス供給孔38aから電解質・電極接合体26の電極面に供給される燃料ガスは、前記電極面内における燃料ガス濃度を均等化することができる。一方、排ガス排出室64は、排ガスの排出を促進させるとともに、燃料ガスの供給も促進させる機能を有しており、アノード電極24の電極面内における排ガス濃度を均等化することが可能である。
Further, the
これにより、アノード電極24の電極面内の電流密度分布を均一にして発電効率の向上が遂行されるとともに、電解質・電極接合体26における温度勾配を抑制し、熱応力による前記電解質・電極接合体26の損傷や劣化等を可及的に阻止することができる。
As a result, the current density distribution in the electrode surface of the
さらに、第1挟持部36にのみ、繊細な製造工程が必要である微細孔である燃料ガス供給孔38a及び排ガス排出孔38bが形成されており、第2挟持部56には、この種の微細な製造工程が不要になる。従って、微細な製造工程の有無により第1挟持部36と第2挟持部56とを別体に構成することができ、製造コストの削減及び歩留りの向上が容易に図られる。
Furthermore, fuel
図8は、本発明の第2の実施形態に係る燃料電池を構成するセパレータ90及び前記セパレータ90に接合される通路部材92の一部拡大分解斜視図であり、図9は、前記セパレータ90及び前記通路部材92の一部平面説明図である。なお、第1の実施形態に係る燃料電池10と同一の構成要素には同一の参照符号を付して、その詳細な説明は省略する。また、以下に説明する第3〜第8の実施形態においても同様に、その詳細な説明は省略する。
FIG. 8 is a partially enlarged exploded perspective view of a
セパレータ90を構成する第1挟持部94には、燃料ガス供給孔38aと排ガス排出孔38bとが、各々複数個ずつ交互に配列されるとともに、燃料ガスが前記燃料ガス供給孔38aから前記排ガス排出孔38bに向かって直線状に流れることを規制する複数の突起部96が設けられる。
A plurality of fuel
突起部96は、燃料ガス供給孔38aから最短距離に位置する排ガス排出孔38bを結ぶ仮想直線上に設定されるとともに、前記突起部96及び前記燃料ガス供給孔38a間の最短距離は、前記突起部96及び前記排ガス排出孔38b間の最短距離と等しく設定される。突起部96は、長円形状(又は楕円形状)に設定され、前記仮想直線に直交する方向に長尺となる位置に配置される。
The
通路部材50を構成する第2挟持部98には、燃料ガス供給孔38aに連通する燃料ガス供給室62と、排ガス排出孔38bに連通する排ガス排出室64とが形成される。
A fuel
このように構成される第2の実施形態では、燃料ガス供給孔38aから燃料ガス通路40に供給された燃料ガスが、即座に排ガス排出孔38bに排出されることを突起部96により抑制することができる。このため、燃料ガス利用率の向上を図るとともに、電解質・電極接合体26への荷重の伝達及び集電が可能になる等、上記の第1の実施形態と同様の効果が得られる。
In the second embodiment configured as described above, the
しかも、突起部96は、長円形状(又は楕円形状)に形成されている。従って、最短距離に配置されている燃料ガス供給孔38aから排ガス排出孔38bへの燃料ガスの流路長が有効に長尺化され、燃料ガス利用率を一層向上させることができるという利点がある。
Moreover, the
図10は、本発明の第3の実施形態に係る燃料電池を構成するセパレータ100及び通路部材92の一部拡大斜視説明図である。
FIG. 10 is a partially enlarged perspective explanatory view of the
セパレータ100を構成する第1挟持部102には、それぞれ複数の燃料ガス供給孔38aと排ガス排出孔38bとが交互に且つ千鳥状に配置されている。第1挟持部102には、燃料ガス供給孔38aから最短位置に位置する排ガス排出孔38bを結ぶ仮想直線状に長円状(又は楕円形状)の突起部104が設けられる。従って、第3の実施形態では、上記の第2の実施形態と同様の効果が得られる。
A plurality of fuel
図11は、本発明の第4の実施形態に係る燃料電池を構成するセパレータ110と通路部材112の一部拡大分解斜視図であり、図12は、前記セパレータ110及び前記通路部材112の一部平面説明図である。
FIG. 11 is a partially enlarged exploded perspective view of the
セパレータ110を構成する第1挟持部114には、中央部に燃料ガス供給孔38aが設けられるとともに、この中央部と同心円状に複数の燃料ガス供給孔38aが所定角度間隔ずつ離間して設けられる。中央の燃料ガス供給孔38aを中心に、同心円状に配置されている複数の燃料ガス供給孔38aの内方及び外方には、それぞれ同心円状に所定数の排ガス排出孔38bが所定角度間隔ずつ離間して設けられる。
The
第1挟持部114内では、燃料ガス供給孔38aと排ガス排出孔38bとが、直径方向に沿って交互に設けられるとともに、前記燃料ガス供給孔38aから最短距離に位置する排ガス排出孔38bを結ぶ仮想直線上に、突起部116が形成される。突起部116は、前記仮想直線上の略中央部に且つ該仮想直線に直交する方向に長尺な長円形状(又は楕円形状)に設定される。
In the
通路部材112を構成する第2挟持部118には、燃料ガス供給孔38aに連通する燃料ガス供給室120と、排ガス排出孔38bに連通する排ガス排出室122とが形成される。燃料ガス供給室120は、中央側に直線状部を有し、この直線状部の両側に円弧状部が一体に連通する形状に設定される。
A fuel
このように構成される第4の実施形態では、上記の第1〜第3の実施形態と同様の効果が得られる。なお、以下に説明する第5の実施形態以降では、第1〜第4の実施形態を適用することができるものであるが、説明の簡素化上、例えば、第2の実施形態の第1挟持部94及び第2挟持部98を用いている。
In the fourth embodiment configured as described above, the same effect as in the first to third embodiments can be obtained. In addition, in the fifth and subsequent embodiments described below, the first to fourth embodiments can be applied. However, for the sake of simplification of description, for example, the first clamping of the second embodiment. The
図13は、本発明の第5の実施形態に係る燃料電池140の分解斜視説明図である。
FIG. 13 is an exploded perspective view of a
燃料電池140を構成するセパレータ142には、通路部材144が接合されるとともに、前記通路部材144を構成する第2挟持部98の面98bには、酸化剤ガス通路146が設けられる。この酸化剤ガス通路146は、各第2挟持部98の面98bに、例えば、エッチングやプレス加工により形成される複数の突起部148により構成される(図14及び図15参照)。
A
このように構成される第5の実施形態では、第2挟持部98に設けられている複数の突起部148を介して、積層方向の荷重が効率的に伝達される。このため、少ない荷重で、燃料電池140を積層することができ、電解質・電極接合体26やセパレータ142の歪みを低減することが可能になる。
In the fifth embodiment configured as described above, the load in the stacking direction is efficiently transmitted through the plurality of
図16は、本発明の第6の実施形態に係る燃料電池150の分解斜視説明図である。
FIG. 16 is an exploded perspective view of a
燃料電池150は、セパレータ152を備える。このセパレータ152を構成する第1挟持部154には、複数の燃料ガス供給孔38aと複数の排ガス排出孔38bとが交互に形成される。
The
第1挟持部154には、アノード電極24の電極面に沿って燃料ガスを供給するための燃料ガス通路40を形成し且つ前記アノード電極24に密着する変形可能な弾性通路部、例えば、導電性メッシュ部材156が配設される(図16及び図17参照)。このメッシュ部材156を使用することにより、第1挟持部154は、突起部を不要にしてもよい。
The
なお、第1〜第6の実施形態では、酸化剤ガスである空気は、セパレータ28等の中央側から外方に向かって供給されているが、例えば、これとは逆に、外方側から内方に向かって空気を供給するように構成してもよい。
In the first to sixth embodiments, the air that is the oxidant gas is supplied outward from the central side of the
図18は、本発明の第7の実施形態に係る燃料電池200が矢印A方向に積層された燃料電池スタック202の概略斜視説明図である。
FIG. 18 is a schematic perspective explanatory view of a
図19に示すように、燃料電池200は、一組のセパレータ204間に電解質・電極接合体26を挟んで構成される。セパレータ204は、互いに積層される第1、第2及び第3プレート206、208及び210を備える。第1〜第3プレート206、208及び210は、例えば、ステンレス合金等の板金で構成され、前記第2プレート208の両面に、前記第1プレート206と前記第3プレート210とが、例えば、ろう付け、拡散接合又はレーザ溶接等により接合される。
As shown in FIG. 19, the
第1プレート206は、積層方向(矢印A方向)に沿って燃料ガスを供給するための燃料ガス供給連通孔30が形成される第1燃料ガス供給部212を備える。第1燃料ガス供給部212には、幅狭な橋架部214を介して比較的大径な第1挟持部216が一体的に設けられる。第1挟持部216は、電解質・電極接合体26のアノード電極24と略同一寸法に設定されている。
The
第3プレート210は、積層方向(矢印A方向)に沿って酸化剤ガスを供給するための酸化剤ガス供給連通孔74が形成される第1酸化剤ガス供給部228を備える。第1酸化剤ガス供給部228には、幅狭な橋架部230を介して比較的大径な第2挟持部232が一体的に設けられる。
The
第2挟持部232は、電解質・電極接合体26のカソード電極22に接する面に、前記カソード電極22の電極面全面に酸化剤ガスをシャワー状に供給する複数の酸化剤ガス供給孔38cと、前記カソード電極22で反応に使用された酸化剤ガスを、排ガスとしてシャワー状に排出するための複数の排ガス排出孔38dとが、交互に配設される。酸化剤ガス供給孔38cと排ガス排出孔38dとの間には、突起部96が設けられる(図19及び図20参照)。
The
図19に示すように、第2プレート208は、燃料ガス供給連通孔30が形成される第2燃料ガス供給部238と、酸化剤ガス供給連通孔74が形成される第2酸化剤ガス供給部240とを備える。第2燃料ガス供給部238及び第2酸化剤ガス供給部240は、幅狭な橋架部242、244を介して比較的大径な第3挟持部246と一体的に構成される。第3挟持部246は、第1及び第2挟持部216、232と同一直径に設定される。
As shown in FIG. 19, the
第3挟持部246は、第1挟持部216に向かう面に、燃料ガス供給室62と排ガス排出室64とを分離して形成する。この第3挟持部246は、第2挟持部232に向かう面に、図21に示すように、酸化剤ガス供給室62aと、排ガス排出室64aとを分離して形成する。酸化剤ガス供給室62aは、酸化剤ガス供給孔38cに連通するとともに、排ガス排出室64aは、排ガス排出孔38dに連通する。
The
橋架部214、242間には、燃料ガス供給連通孔30に連通する燃料ガス供給通路60が設けられる(図19及び図22参照)。橋架部230、244間には、酸化剤ガス供給連通孔74に連通する酸化剤ガス供給通路252が設けられる。
A fuel
第1プレート206が第2プレート208の一方の面にろう付け、拡散接合、レーザ溶接等で接合されることにより、第1及び第2プレート206、208間には、燃料ガス通路40に連通する燃料ガス供給通路60が設けられる。同様に、第2プレート208が第3プレート210にろう付け、拡散接合又はレーザ溶接により接合されることにより、第2及び第3プレート208、210間には、酸化剤ガス通路70に連通する酸化剤ガス供給通路252が形成される。
The
図18に示すように、燃料電池スタック202は、複数の燃料電池200の積層方向両端にエンドプレート270a、270bを配置する。エンドプレート270aもしくはエンドプレート270bは、締付ボルト272と電気的に絶縁される。エンドプレート270aには、燃料電池200の燃料ガス供給連通孔30に連通する第1配管274と、酸化剤ガス供給連通孔74に連通する第2配管276とが接続される。
As shown in FIG. 18, in the
このように構成される燃料電池スタック202では、エンドプレート270aに接続されている第1配管274から燃料ガス供給連通孔30には、燃料ガスが供給される。一方、エンドプレート270aに接続された第2配管276から酸化剤ガス供給連通孔74には、酸素含有ガスである空気が供給される。
In the
燃料ガス供給連通孔30に供給された燃料ガスは、図20に示すように、積層方向(矢印A方向)に移動しながら、各燃料電池200を構成するセパレータ204内の燃料ガス供給通路60に供給される。燃料ガスは、燃料ガス供給通路60に沿って燃料ガス供給室62に供給される。
As shown in FIG. 20, the fuel gas supplied to the fuel gas
燃料ガス供給室62には、複数の燃料ガス供給孔38aが連通しており、燃料ガスは、前記燃料ガス供給孔38aから燃料ガス通路40にシャワー状に供給される。発電反応に使用された燃料ガスは、複数の排ガス排出孔38bから排ガス排出室64にシャワー状に排出される(図22参照)。
A plurality of fuel gas supply holes 38 a communicate with the fuel
一方、酸化剤ガス供給連通孔74に供給される空気は、セパレータ204内の酸化剤ガス供給通路252を移動し、酸化剤ガス供給室62aに供給される。さらに、空気は、複数の酸化剤ガス供給孔38cから酸化剤ガス通路70にシャワー状に供給される。発電反応に使用された酸化剤ガスは、複数の排ガス排出孔38dから排ガス排出室64aにシャワー状に排出される。
On the other hand, the air supplied to the oxidant gas
この場合、第7の実施形態では、酸化剤ガスが複数の酸化剤ガス供給孔38cからカソード電極22の電極面全面にシャワー状に供給されるため、前記電極面内における酸化剤ガス濃度を均等化することができる。一方、排ガス(使用済みの酸化剤ガス)は、複数の排ガス排出孔38dからシャワー状に排出されるため、カソード電極22の電極面内における排ガス濃度を均等化することが可能になる。
In this case, in the seventh embodiment, the oxidant gas is supplied in a shower form from the plurality of oxidant
これにより、電極面内の電流密度分布を均一化するとともに、温度勾配を抑制することができる等、上記の第1〜第6の実施形態と同様の効果を得ることが可能になる。 This makes it possible to obtain the same effects as in the first to sixth embodiments, such as making the current density distribution in the electrode plane uniform and suppressing the temperature gradient.
図23は、本発明の第8の実施形態に係る燃料電池300が矢印A方向に積層された燃料電池スタック302の概略斜視説明図である。
FIG. 23 is a schematic perspective explanatory view of a
燃料電池300は、図24に示すように、一対のセパレータ306間に複数、例えば、4個の電解質・電極接合体26を挟んで構成される。セパレータ306間には、このセパレータ306の中心部である燃料ガス供給連通孔30を中心にして等角度間隔ずつ離間し且つ前記燃料ガス供給連通孔30と同心円上に4個の電解質・電極接合体26が配置される。
As shown in FIG. 24, the
セパレータ306は、例えば、ステンレス合金等の板金で構成される第1プレート308及び第2プレート310を有する。第1プレート308及び第2プレート310は、互いに拡散接合、レーザ溶接又はろう付け等により接合される。第1プレート308及び第2プレート310は、金属プレートに代えて、例えば、カーボンプレート等(接合方法は省略する)で構成してもよい。
The
第1プレート308は、中央部に積層方向(矢印A方向)に沿って燃料ガスを供給するための燃料ガス供給連通孔30が形成される燃料ガス供給部(反応ガス供給部)312を有する。この燃料ガス供給部312から外方に等角度間隔ずつ離間して放射状に延在する4つの第1橋架部314を介し、第1挟持部(第1プレート部)316が一体に設けられる。第1挟持部316は、電解質・電極接合体26と略同一寸法に設定される。
The
各第1挟持部316には、短尺な第2橋架部322を介して環状の第1筐体部324が一体に設けられる。第1筐体部324は、酸化剤ガスを後述する酸化剤ガス供給通路348に供給するための酸化剤ガス供給連通孔74が積層方向に形成される酸化剤ガス供給部326を有する。第1筐体部324には、複数のボルト挿入用孔部328が所定角度間隔ずつ離間して設けられる。
Each
燃料ガス供給連通孔30、第1橋架部314、第1挟持部316、第2橋架部322及び酸化剤ガス供給連通孔74は、セパレータ面方向に沿って直線上に配置される(図24〜図26参照)。
The fuel gas
図24及び図27に示すように、第2プレート310は、中央部に燃料ガス供給連通孔30が形成される燃料ガス供給部(反応ガス供給部)330を有する。この燃料ガス供給部330から外方に等角度間隔ずつ離間して放射状に延在する4つの第1橋架部332を介して第2挟持部(第2プレート部)334が一体に設けられる。第2挟持部334は、第1挟持部316と同様に、電解質・電極接合体26と略同一寸法に設定される。
As shown in FIGS. 24 and 27, the
各第2挟持部334には、短尺な第2橋架部340を介して環状の第2筐体部342が一体に設けられる。第2筐体部342には、酸化剤ガス供給連通孔74が積層方向に形成される酸化剤ガス供給部326と、ボルト挿入用孔部328とが設けられる。この第2筐体部342の第1筐体部324に接合される面には、酸化剤ガス供給連通孔74から供給される酸化剤ガスを充填するための充填室346が形成される。
Each of the
充填室346は、各第2橋架部340から各第2挟持部334の中央部近傍まで延在する酸化剤ガス供給通路(反応ガス供給通路)348に連通する。酸化剤ガス供給通路348の先端には、第2挟持部334を貫通する酸化剤ガス供給孔350が連通する。
The filling
図28に示すように、各セパレータ306間には、燃料ガス供給連通孔30をシールするための第1絶縁シール76aと、酸化剤ガス供給連通孔74をシールするための第2絶縁シール76bとが設けられる。第1絶縁シール76a及び第2絶縁シール76bは、シール性が高く、硬質で潰れ難い、例えば、地殻成分系素材、硝子系素材、粘土とプラスチックの複合素材等が使用される。また、第2絶縁シール76bは、熱エネルギの拡散を阻止する断熱部材であることが好ましい。
As shown in FIG. 28, between each
図23に示すように、燃料電池スタック302は、複数の燃料電池300の積層方向一端に、略円板状の第1エンドプレート352aが配置されるとともに、積層方向他端に、図示しない隔壁を介装して小径且つ略円板状の複数の第2エンドプレート352bと、大径且つ略リング状の固定リング352cとが配置される。隔壁は、排ガスが燃料電池300の外部に拡散することを阻止する機能を有する一方、第2エンドプレート352bは、各電解質・電極接合体26の積層位置に対応して4つ配設される。
As shown in FIG. 23, the
セパレータ306のボルト挿入用孔部328に挿入されるボルト358及び前記ボルト358に螺合するナット360を介し、セパレータ306の第1筐体部324及び第2筐体部342が第1エンドプレート352aに締め付け固定される。
The
第1エンドプレート352aには、燃料ガス供給連通孔30に連通する単一の燃料ガス供給パイプ362と、各酸化剤ガス供給連通孔74に連通する4本の酸化剤ガス供給パイプ364と、排ガス通路68に連通する4本の酸化剤ガス排出パイプ368とが設けられる。
The
第1エンドプレート352aは、支持プレート372が固定される。支持プレート372と第1エンドプレート352aとの間には、燃料ガス供給部312、330に締め付け荷重を付与する第1荷重付与部374と、酸化剤ガス供給部326に締め付け荷重を付与する第2荷重付与部376と、各電解質・電極接合体26に締め付け荷重を付与する第3荷重付与部378とが設けられる。
A
第1荷重付与部374は、燃料ガス供給連通孔30から燃料ガスが漏れることを阻止するために燃料電池300の中央部(燃料ガス供給部312、330の中央部)に配置される押圧部材380を備え、この押圧部材380は、4つの第2エンドプレート352bの配列中心近傍に位置して前記燃料電池300に隔壁(図示せず)を介して押圧する。押圧部材380には、第1受け部材382a及び第2受け部材382bを介して第1スプリング384が配置される。
The first
第2荷重付与部376は、ボルト挿入用孔部328に挿入されるボルト358と、前記ボルト358に螺合するナット360とを備え、酸化剤ガス供給連通孔74から酸化剤ガスが漏れることを阻止する機能を有する。
The second
第3荷重付与部378は、第2エンドプレート352bに各電解質・電極接合体26に対応して配置される第3受け部材392aを備える。第3受け部材392aは、ピン(図示せず)を介して第2エンドプレート352bに位置決め支持される。第3受け部材392aに第2スプリング396の一端が当接する一方、前記第2スプリング396の他端が第4受け部材392bに当接する。
The third
このように構成される燃料電池スタック302の動作について、以下に説明する。
The operation of the
図23に示すように、第1エンドプレート352aに接続されている燃料ガス供給パイプ362から燃料ガス供給連通孔30には、燃料ガスが供給されるとともに、酸化剤ガス供給パイプ364から酸化剤ガス供給連通孔74には、酸素含有ガスである空気が供給される。
As shown in FIG. 23, the fuel gas is supplied from the fuel
燃料ガス供給連通孔30に供給された燃料ガスは、図25に示すように、積層方向(矢印A方向)に移動しながら、各燃料電池300を構成するセパレータ306の燃料ガス供給通路60から燃料ガス供給室62に一旦供給される。燃料ガスは、燃料ガス供給室62から各燃料ガス供給孔38aを通って、電解質・電極接合体26を構成するアノード電極24の電極面全面にわたりシャワー状に供給される。
As shown in FIG. 25, the fuel gas supplied to the fuel gas
アノード電極24で発電反応に使用された燃料ガスは、排ガスとして複数の排ガス排出孔38bから排ガス排出室64にシャワー状に排出された後、排ガス排出通路66から排ガス通路68に排出される(図29参照)。
The fuel gas used for the power generation reaction at the
一方、酸化剤ガス供給連通孔74に供給される空気は、第1プレート308の第1筐体部324と第2プレート310の第2筐体部342との間に設けられる充填室346に一旦充填される。この充填室346には、酸化剤ガス供給通路348が連通しており、酸化剤ガスは、各酸化剤ガス供給通路348に沿って第1挟持部316及び第2挟持部334の中心側に移動する。
On the other hand, the air supplied to the oxidant gas
第2挟持部334の中心近傍には、酸化剤ガス供給孔350が連通するとともに、前記酸化剤ガス供給孔350は、電解質・電極接合体26のカソード電極22の略中心位置に対応して設けられている。これにより、空気は、酸化剤ガス供給孔350からカソード電極22に供給され、このカソード電極22の略中心部から外周部に向かってメッシュ部材(金属メッシュ等の導電性織布)72に形成された酸化剤ガス通路70を流動する(図28参照)。
An oxidant
なお、メッシュ部材72に代えて、導電性フェルト部材(金属フェルト等の導電性不織布)、発泡金属、エキスパンドメタル、パンチングメタル等を採用してもよい。また、第2挟持部334のカソード電極22側の面には、カソード電極22の電極面に沿って酸化剤ガスを供給するための酸化剤ガス通路70を形成する複数の突起部(ボス)を設けてもよく、突起部は、エッチングやプレス等により形成される。
Instead of the
これにより、第8の実施形態では、上記の第1〜第7の実施形態と同様の効果を得ることができる。 Thereby, in 8th Embodiment, the effect similar to said 1st-7th embodiment can be acquired.
10、140、150、200、300…燃料電池
12、202、302…燃料電池スタック 20…電解質
22…カソード電極 24…アノード電極
26…電解質・電極接合体
28、90、100、110、142、152、204、306…セパレータ
30…燃料ガス供給連通孔
32、52、212、238、312、330…燃料ガス供給部
34、54、214、230、242、244、314、322、332、340…橋架部
36、56、94、98、102、114、118、154、216、232、246、316、334…挟持部
38a…燃料ガス供給孔 38b、38d…排ガス排出孔
38c、350…酸化剤ガス供給孔 40…燃料ガス通路
42、96、104、116、148…突起部
44…リング状封止部 50、92、112、144…通路部材
58…凸部 60…燃料ガス供給通路
62、120…燃料ガス供給室 64、64a、122…排ガス排出室
66…排ガス排出通路 68…排ガス通路
70、146…酸化剤ガス通路 72、156…メッシュ部材
74…酸化剤ガス供給連通孔
206、208、210、308、310…プレート
228、240、326…酸化剤ガス供給部
252、348…酸化剤ガス供給通路 324、342…筐体部
10, 140, 150, 200, 300 ...
Claims (9)
前記セパレータは、前記電解質・電極接合体を挟持するとともに、少なくとも前記アノード電極の電極面に沿って燃料ガスを供給する又は前記カソード電極の電極面に沿って酸化剤ガスを供給する反応ガス通路が設けられる挟持部を備え、
前記挟持部は、少なくとも前記反応ガス通路に前記燃料ガス又は前記酸化剤ガスを雨浴状に供給する複数の反応ガス供給孔と、
少なくとも前記反応ガス通路に供給されて反応に使用された前記燃料ガス又は前記酸化剤ガスを、排ガスとして前記反応ガス通路から雨浴状に排出する複数の排ガス排出孔と、
を設けるとともに、
前記挟持部の前記反応ガス通路側の周縁部には、前記周縁部から前記排ガスが排出されることを抑制するための封止部が形成されることを特徴とする燃料電池。 An electrolyte / electrode assembly constituted by sandwiching an electrolyte between an anode electrode and a cathode electrode is a fuel cell in which separators are stacked,
The separator sandwiches the electrolyte-electrode assembly, and has a reaction gas passage for supplying fuel gas along at least the electrode surface of the anode electrode or supplying oxidant gas along the electrode surface of the cathode electrode. Provided with a clamping part provided,
The sandwiching portion includes a plurality of reaction gas supply holes for supplying at least the fuel gas or the oxidant gas to the reaction gas passage in a rain bath shape,
A plurality of exhaust gas exhaust holes for discharging at least the fuel gas or the oxidant gas supplied to the reaction gas passage and used for the reaction as exhaust gas from the reaction gas passage in a rain bath shape;
And providing
The fuel cell according to claim 1, wherein a sealing portion for suppressing discharge of the exhaust gas from the peripheral portion is formed at a peripheral portion of the sandwiching portion on the reaction gas passage side.
前記セパレータは、前記電解質・電極接合体を挟持するとともに、少なくとも前記アノード電極の電極面に沿って燃料ガスを供給する又は前記カソード電極の電極面に沿って酸化剤ガスを供給する反応ガス通路が設けられる挟持部と、
前記挟持部に連結され、少なくとも前記燃料ガス又は前記酸化剤ガスを前記反応ガス通路に供給するための反応ガス供給通路が形成される橋架部と、
前記橋架部に連結され、少なくとも前記燃料ガス又は前記酸化剤ガスを前記反応ガス供給通路に供給するための反応ガス供給連通孔が積層方向に形成される反応ガス供給部と、
を備え、
前記挟持部は、少なくとも前記反応ガス通路に前記燃料ガス又は前記酸化剤ガスを雨浴状に供給する複数の反応ガス供給孔と、
少なくとも前記反応ガス通路に供給されて反応に使用された前記燃料ガス又は前記酸化剤ガスを、排ガスとして前記反応ガス通路から雨浴状に排出する複数の排ガス排出孔と、
を設けるとともに、
前記挟持部の前記反応ガス通路側の周縁部には、前記周縁部から前記排ガスが排出されることを抑制するための封止部が形成されることを特徴とする燃料電池。 An electrolyte / electrode assembly constituted by sandwiching an electrolyte between an anode electrode and a cathode electrode is a fuel cell in which separators are stacked,
The separator sandwiches the electrolyte-electrode assembly, and has a reaction gas passage for supplying fuel gas along at least the electrode surface of the anode electrode or supplying oxidant gas along the electrode surface of the cathode electrode. A clamping part to be provided;
A bridge portion connected to the sandwiching portion and formed with a reaction gas supply passage for supplying at least the fuel gas or the oxidant gas to the reaction gas passage;
A reaction gas supply part connected to the bridge part and having a reaction gas supply communication hole for supplying at least the fuel gas or the oxidant gas to the reaction gas supply passage in the stacking direction;
With
The sandwiching portion includes a plurality of reaction gas supply holes for supplying at least the fuel gas or the oxidant gas to the reaction gas passage in a rain bath shape,
A plurality of exhaust gas exhaust holes for discharging at least the fuel gas or the oxidant gas supplied to the reaction gas passage and used for the reaction as exhaust gas from the reaction gas passage in a rain bath shape;
And providing
The fuel cell according to claim 1, wherein a sealing portion for suppressing discharge of the exhaust gas from the peripheral portion is formed at a peripheral portion of the sandwiching portion on the reaction gas passage side.
前記排ガス排出孔に連通して前記排ガス排出孔から前記排ガスを排出する排ガス排出室と、
を設けることを特徴とする燃料電池。 8. The fuel cell according to claim 1, wherein the sandwiching portion communicates with the reaction gas supply hole and supplies the reaction gas to the reaction gas supply hole.
An exhaust gas discharge chamber communicating with the exhaust gas discharge hole and discharging the exhaust gas from the exhaust gas discharge hole;
A fuel cell comprising:
前記反応ガス供給室及び前記排ガス排出室が形成される第2プレート部と、
を備え、
前記第1プレート部と前記第2プレート部とが積層されることを特徴とする燃料電池。 9. The fuel cell according to claim 8, wherein the sandwiching portion includes a first plate portion in which the reaction gas supply hole and the exhaust gas discharge hole are formed,
A second plate part in which the reaction gas supply chamber and the exhaust gas discharge chamber are formed;
With
The fuel cell, wherein the first plate portion and the second plate portion are stacked.
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