JP2008103220A - Fuel cell stack - 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・電極接合体と、セパレータとが積層される燃料電池を備えるとともに、前記燃料電池が複数積層される燃料電池スタックに関する。 The present invention relates to a fuel cell stack including a fuel cell in which an electrolyte / electrode assembly configured by sandwiching an electrolyte between an anode electrode and a cathode electrode, and a separator, and a plurality of the fuel cells are stacked.
通常、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、電解質・電極接合体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) uses an oxide ion conductor, for example, stabilized zirconia, as an electrolyte, and an electrolyte / electrode assembly in which an anode electrode and a cathode electrode are disposed on both sides of the electrolyte. And sandwiched by separators (bipolar plates). This fuel cell is normally used as a fuel cell stack in which a predetermined number of electrolyte / electrode assemblies and separators are laminated.
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16に示すように、発電セル(図示せず)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により連結されている。この連結部分2c、2cは、肉薄且つ幅狭に形成されることにより可撓性を有している。
For example, as shown in FIG. 16, the flat plate stacked fuel cell disclosed in
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内に直線状に延在しており、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
上記の特許文献1では、連結部分2c、2cに可撓性を設けるために、前記連結部分2c、2cを肉薄且つ幅狭に形成している。このため、加工工数が増加してセパレータ1全体の製造コストが高騰するとともに、連結部分2c、2cの強度が低下し、応力によって前記連結部分2c、2cが破損し易くなるという問題がある。
In
本発明はこの種の問題を解決するものであり、強度低下を有効に阻止するとともに、各橋架部に付与される応力を均等化することができ、セパレータの変形及び損傷を確実に阻止することが可能な燃料電池スタックを提供することを目的とする。 The present invention solves this type of problem, effectively preventing a decrease in strength, equalizing the stress applied to each bridge, and reliably preventing the deformation and damage of the separator. An object of the present invention is to provide a fuel cell stack capable of satisfying the requirements.
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・電極接合体と、セパレータとが積層される燃料電池を備えるとともに、前記燃料電池が複数積層される燃料電池スタックに関するものである。 The present invention relates to a fuel cell stack including a fuel cell in which an electrolyte / electrode assembly configured by sandwiching an electrolyte between an anode electrode and a cathode electrode, and a separator, and a plurality of the fuel cells are stacked. It is.
セパレータは、電解質・電極接合体を挟持するとともに、アノード電極の電極面に沿って燃料ガスを供給するための燃料ガス供給孔及びカソード電極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供給孔が設けられる挟持部と、前記挟持部に連結され、前記燃料ガスを前記燃料ガス供給孔に又は前記酸化剤ガスを前記酸化剤ガス供給孔に供給するための第1反応ガス供給通路が形成される第1橋架部と、前記第1橋架部に連結され、前記燃料ガス又は前記酸化剤ガスを前記第1反応ガス供給通路に供給するための第1反応ガス供給連通孔が積層方向に形成される第1反応ガス供給部と、前記挟持部に連結され、前記酸化剤ガスを前記酸化剤ガス供給孔に又は前記燃料ガスを前記燃料ガス供給孔に供給するための第2反応ガス供給通路が形成される第2橋架部と、前記第2橋架部に連結され、前記電解質・電極接合体を収容する筐体部と、前記筐体部に設けられるとともに、前記酸化剤ガス又は前記燃料ガスを前記第2反応ガス供給通路に供給するための第2反応ガス供給連通孔が積層方向に形成される第2反応ガス供給部とを備えている。 The separator sandwiches the electrolyte / electrode assembly, and also supplies a fuel gas supply hole for supplying fuel gas along the electrode surface of the anode electrode and an oxidation gas for supplying oxidant gas along the electrode surface of the cathode electrode. A sandwiching portion provided with an agent gas supply hole, and a first reaction gas supply connected to the sandwiching portion for supplying the fuel gas to the fuel gas supply hole or the oxidant gas to the oxidant gas supply hole A first bridge portion in which a passage is formed, and a first reaction gas supply communication hole connected to the first bridge portion for supplying the fuel gas or the oxidant gas to the first reaction gas supply passage are stacked. A first reaction gas supply unit formed in a direction, and a second reaction connected to the clamping unit for supplying the oxidant gas to the oxidant gas supply hole or the fuel gas to the fuel gas supply hole Gas supply A second bridge portion that is formed, a housing portion that is connected to the second bridge portion and accommodates the electrolyte / electrode assembly, and is provided in the housing portion, and the oxidant gas or the fuel gas And a second reaction gas supply section in which a second reaction gas supply communication hole for supplying the reaction gas to the second reaction gas supply passage is formed in the stacking direction.
そして、第1橋架部と第2橋架部とは、非対称形状に設定されるとともに、前記第1橋架部及び前記第2橋架部のどちらか一方の断面の単位面積あたりの荷重が、他方の断面の単位面積あたりの荷重よりも小さくなるように設定した。 The first bridge portion and the second bridge portion are set in an asymmetric shape, and the load per unit area of one of the first bridge portion and the second bridge portion is the other cross section. It was set to be smaller than the load per unit area.
また、第1橋架部は、第1反応ガス供給部及び挟持部により拘束される一方、第2橋架部は、第2反応ガス供給部及び前記挟持部により拘束されることが好ましい。 In addition, it is preferable that the first bridge portion is restrained by the first reaction gas supply unit and the sandwiching portion, while the second bridge portion is restrained by the second reaction gas supply portion and the sandwiching portion.
さらに、第2橋架部は、第1橋架部よりも短尺且つ幅広に構成されることが好ましい。第2橋架部の断面には、第1橋架部の断面より小さい応力が作用するため、セパレータの変形を阻止するとともに、前記第2橋架部が短尺化して前記セパレータ全体のコンパクト化が容易に図られるからである。 Furthermore, the second bridge part is preferably configured to be shorter and wider than the first bridge part. Since a stress smaller than the cross section of the first bridge portion acts on the cross section of the second bridge portion, the deformation of the separator is prevented, and the second bridge portion is shortened so that the entire separator can be easily made compact. Because it is.
さらにまた、第2橋架部は、第1橋架部よりも短尺且つ多数に構成されることが好ましい。第2橋架部の断面積が第1橋架部の断面積に対して大きく設定することができるとともに、セパレータ全体のコンパクト化が容易に図られるからである。 Furthermore, it is preferable that the second bridge portion is configured to be shorter and more numerous than the first bridge portion. This is because the cross-sectional area of the second bridge portion can be set larger than the cross-sectional area of the first bridge portion, and the entire separator can be easily made compact.
また、本発明では、第2橋架部は、第1橋架部と同等の幅を有し且つ前記第1橋架部の延在方向に交差する方向に延在して設けられている。 In the present invention, the second bridge portion has a width equivalent to that of the first bridge portion and is provided so as to extend in a direction intersecting with the extending direction of the first bridge portion.
さらに、本発明では、少なくとも第1橋架部又は第2橋架部は、弾性変形可能な波形状に設定されている。 Furthermore, in the present invention, at least the first bridge part or the second bridge part is set to a wave shape that can be elastically deformed.
さらにまた、単一の第1反応ガス供給部には、複数の第1橋架部を介して複数の挟持部が連結されるとともに、各挟持部には、各第2橋架部を介して単一の筐体部が一体に設けられ、且つ、前記筐体部には、複数の第2反応ガス供給部が形成されることが好ましい。 Furthermore, a plurality of clamping parts are connected to the single first reactive gas supply part via a plurality of first bridge parts, and each clamping part is connected to a single via the second bridge part. It is preferable that a plurality of second reaction gas supply sections are formed in the casing section.
また、筐体部は、環状に構成されることが好ましい。排ガスからの排熱を筐体部全体に均等に伝熱することができ、電解質・電極接合体に供給される前の反応ガスを、均等に加温することが可能になるからである。また、スタックの温度分布が均一になり、発電性能の向上と安定化が図られる。 Moreover, it is preferable that a housing | casing part is comprised cyclically | annularly. This is because the exhaust heat from the exhaust gas can be uniformly transferred to the entire casing, and the reaction gas before being supplied to the electrolyte / electrode assembly can be evenly heated. In addition, the temperature distribution of the stack becomes uniform, and the power generation performance is improved and stabilized.
本発明では、第1橋架部及び第2橋架部のどちらか一方の断面の単位面積あたりの荷重が、他方の断面の単位面積あたりの荷重よりも小さくなるように設定されるため、作用する応力をどちらか一方の橋架部で緩和することができる。従って、簡単な構成で、セパレータの変形を良好に阻止することができる。しかも、第1橋架部と第2橋架部とは、非対称形状に設定されるため、例えば、前記第2橋架部を短尺化することが可能になり、セパレータ全体のコンパクト化が容易に遂行される。 In the present invention, since the load per unit area of the cross section of one of the first bridge part and the second bridge part is set to be smaller than the load per unit area of the other cross section, the acting stress Can be relaxed at either bridge. Therefore, the deformation of the separator can be satisfactorily prevented with a simple configuration. Moreover, since the first bridge portion and the second bridge portion are set in an asymmetric shape, for example, the second bridge portion can be shortened, and the entire separator can be easily made compact. .
さらに、本発明では、第2橋架部が第1橋架部と同等の幅を有し、且つ前記第1橋架部の延在方向に交差する方向に延在して設けられるため、前記第1及び第2橋架部は、互いに対向しておらず、反力が発生しない方向に伸張して変形可能となる。このため、挟持部は、第1及び第2橋架部が形成されていない方向に可動することができ、前記第1及び第2橋架部に作用する応力を緩和することが可能になる。 Furthermore, in the present invention, the second bridge portion has the same width as the first bridge portion and extends in a direction intersecting with the extending direction of the first bridge portion. The second bridge portions are not opposed to each other, and can be deformed by extending in a direction in which no reaction force is generated. For this reason, the clamping part can be moved in the direction in which the first and second bridge parts are not formed, and the stress acting on the first and second bridge parts can be relieved.
また、本発明では、少なくとも第1橋架部又は第2橋架部は、弾性変形可能な波形状に設定されている。このため、波形状部分がばね弾性(応力緩和機能)を有することができ、第1橋架部又は第2橋架部に作用する応力を良好に緩和することが可能になる。これにより、セパレータ全体のコンパクト化を図るとともに、前記セパレータの変形を良好に阻止することができる。 Moreover, in this invention, the 1st bridge part or the 2nd bridge part is set to the wave shape which can be elastically deformed at least. For this reason, a wave-shaped part can have spring elasticity (stress relaxation function), and it becomes possible to relieve | moderate the stress which acts on a 1st bridge part or a 2nd bridge part favorably. Thereby, while making the whole separator compact, deformation | transformation of the said separator can be prevented favorably.
図1は、燃料電池10が矢印A方向に複数積層された本発明の第1の実施形態に係る燃料電池スタック12の概略斜視説明図であり、図2は、前記燃料電池スタック12の、図1中、II−II線断面図である。
FIG. 1 is a schematic perspective view of a
燃料電池10は、固体電解質型燃料電池であり、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、図3及び図4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。
The
燃料電池10は、図3に示すように、一対のセパレータ28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28間には、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. 3, the
セパレータ28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32及び第2プレート34を有する。第1プレート32及び第2プレート34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。
Separator 28 has the
図3及び図5に示すように、第1プレート32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(第1反応ガス供給連通孔)30が形成される第1燃料ガス供給部(第1反応ガス供給部)36を有する。この第1燃料ガス供給部36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38を介し、比較的大径な第1挟持部40が一体に設けられる。第1挟持部40は、電解質・電極接合体26と略同一寸法に設定されるとともに、各第1挟持部40には、短尺な第2橋架部42を介して環状の第1筐体部44が一体に設けられる。
As shown in FIGS. 3 and 5, the
図5に示すように、第1橋架部38と第2橋架部42とは、非対称形状に設定されるとともに、前記第1橋架部38の断面積に対して前記第2橋架部42の断面積が大きくなる。具体的には、図4に示すように、第1橋架部38、第2橋架部42の厚さをそれぞれT1、T2としたとき、第1橋架部38の厚さT1及び幅H1と、第2橋架部42の厚さT2及び幅H2とは、幅H2>幅H1の関係に設定されるとともに、厚さT1×幅H1<厚さT2×幅H2の関係を有する。
As shown in FIG. 5, the
第1挟持部40のアノード電極24に接触する面には、前記アノード電極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46を形成する複数の突起部48が設けられる。突起部48は、集電部を構成する。第1挟持部40の略中央には、燃料ガス供給連通孔30側に偏心し、アノード電極24の略中央部に向かって燃料ガスを供給するための燃料ガス供給孔52が形成される。
A plurality of
第1筐体部44は、酸化剤ガスを後述する酸化剤ガス供給通路78に供給するための酸化剤ガス供給連通孔(第2反応ガス供給連通孔)54が積層方向に形成される酸化剤ガス供給部(第2反応ガス供給部)56を有する。第1筐体部44には、複数のボルト挿入用孔部58が所定角度間隔ずつ離間して設けられる。燃料ガス供給連通孔30、第1橋架部38、第1挟持部40、第2橋架部42及び酸化剤ガス供給連通孔54は、セパレータ面方向に沿って直線上に配置される。
The
図3及び図6に示すように、第2プレート34は、中央部に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(第1反応ガス供給部)60を有する。この第2燃料ガス供給部60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62を介して比較的大径な第2挟持部64が一体に設けられる。第2挟持部64は、第1挟持部40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とともに、各第2挟持部64には、短尺な第2橋架部66を介して環状の第2筐体部68が一体に設けられる。
As shown in FIGS. 3 and 6, the
図6に示すように、第1橋架部62及び第2橋架部66は、第1橋架部38及び第2橋架部42と同一の関係を有する。具体的には、図4に示すように、第1橋架部62、第2橋架部66の厚さをそれぞれT1、T2としたとき、第1橋架部62の厚さT1及び幅H1と、第2橋架部66の厚さT2及び幅H2とは、幅H2>幅H1の関係に設定されるとともに、厚さT1×幅H1<厚さT2×幅H2の関係を有する。
As shown in FIG. 6, the
第2燃料ガス供給部60の第1燃料ガス供給部36と接合される面には、燃料ガス供給連通孔30に連通する複数の溝部70が、前記燃料ガス供給連通孔30を中心にして放射状に形成される。各溝部70は、周溝72に一体に連通するとともに、前記周溝72には、4本の燃料ガス供給通路(第1反応ガス供給通路)74が連通する。各燃料ガス供給通路74は、各第1橋架部62から各第2挟持部64の中央部近傍に延在し、第1プレート32の燃料ガス供給孔52に対応して終端する。
A plurality of
第2筐体部68には、酸化剤ガス供給連通孔54が積層方向に形成される酸化剤ガス供給部56と、ボルト挿入用孔部58とが設けられる。この第2筐体部68の第1筐体部44に接合される面には、酸化剤ガス供給連通孔54から供給される酸化剤ガスを充填するための充填室76が形成される。
The
充填室76は、各第2橋架部66から各第2挟持部64の中央部近傍まで延在する酸化剤ガス供給通路(第2反応ガス供給通路)78に連通する。酸化剤ガス供給通路78の先端には、第2挟持部64を貫通する酸化剤ガス供給孔80が連通する。
The filling
第1プレート32には、複数の突起部48が、例えば、エッチングにより形成されるとともに、第2プレート34には、溝部70、周溝72、燃料ガス供給通路74、充填室76及び酸化剤ガス供給通路78が、例えば、エッチングにより形成される。
The
図3に示すように、第2プレート34のカソード電極22に向かう面には、変形可能な弾性通路部、例えば、導電性フェルト部材(金属フェルト等の導電性不織布)84が配設される。このフェルト部材84により、第2挟持部64とカソード電極22との間には、酸化剤ガス通路86が形成される。なお、フェルト部材84に代えて、メッシュ部材(金属メッシュ等の導電性織布)、発泡金属、エキスパンドメタル、パンチングメタル又はプレスエンボスメタル等を採用してもよい。電解質・電極接合体26の外周部には、反応後の燃料ガス及び酸化剤ガスを排ガスとして排出するための排ガス通路88が設けられる。
As shown in FIG. 3, a deformable elastic passage portion, for example, a conductive felt member (conductive nonwoven fabric such as metal felt) 84 is disposed on the surface of the
図7に示すように、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第1絶縁シール90と、酸化剤ガス供給連通孔54をシールするための第2絶縁シール92とが設けられる。第1絶縁シール90及び第2絶縁シール92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92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. 7, a first insulating
図1及び図2に示すように、燃料電池スタック12は、複数の燃料電池10の積層方向一端に、略円板状の第1エンドプレート94aが配置されるとともに、積層方向他端に、隔壁95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94bと、大径且つ略リング状の固定リング94cとが配置される。隔壁95は、排ガスが燃料電池10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94b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 FIGS. 1 and 2, the
第1エンドプレート94a及び固定リング94cは、セパレータ28のボルト挿入用孔部58に連通する複数の孔部96を有する。孔部96からボルト挿入用孔部58に挿入されるボルト98及び前記ボルト98に螺合するナット100を介し、セパレータ28の第1筐体部44及び第2筐体部68が第1エンドプレート94aに締め付け固定される。
The
第1エンドプレート94a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102と、各酸化剤ガス供給連通孔54に連通する4本の酸化剤ガス供給パイプ104と、排ガス通路88に連通する4本の排ガス排出パイプ105とが設けられる。
The
第1エンドプレート94aは、複数のボルト98、ナット108a、108b及び板状カラー部材110を介して支持プレート112が固定される。支持プレート112と第1エンドプレート94aとの間には、第1燃料ガス供給部36及び第2燃料ガス供給部60に締め付け荷重を付与する第1荷重付与部114と、酸化剤ガス供給部56に締め付け荷重を付与する第2荷重付与部116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118とが設けられる。
The
第1荷重付与部114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10の中央部(第1燃料ガス供給部36及び第2燃料ガス供給部60の中央部)に配置される押圧部材120を備え、この押圧部材120は、4つの第2エンドプレート94bの配列中心近傍に位置して前記燃料電池10に隔壁95を介して押圧する。押圧部材120には、第1受け部材122a及び第2受け部材122bを介して第1スプリング124が配置される。第2受け部材122bには、第1押圧ボルト126の先端が当接する。第1押圧ボルト126は、支持プレート112に形成された第1ねじ孔128に螺合するとともに、第1ナット130を介して位置調整可能に固定される。
The first
第2荷重付与部116は、孔部96からボルト挿入用孔部58に挿入されるボルト98と、前記ボルト98に螺合するナット100とを備え、酸化剤ガス供給部56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118は、第2エンドプレート94b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132aを備える。第3受け部材132aは、ピン134を介して第2エンドプレート94bに位置決め支持される。第3受け部材132aに第2スプリング136の一端が当接する一方、前記第2スプリング136の他端が第4受け部材132bに当接する。第4受け部材132bには、第2押圧ボルト138の先端が当接する。第2押圧ボルト138は、支持プレート112に形成された第2ねじ孔140に螺合するとともに、第2ナット142を介して位置調整可能に固定される。
The third
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に示すように、第1エンドプレート94aに接続されている燃料ガス供給パイプ102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104から酸化剤ガス供給部56には、酸素含有ガスである空気が供給される。
As shown in FIG. 1, 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4及び図7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10を構成するセパレータ28の第2プレート34に形成された溝部70から周溝72を介して各燃料ガス供給通路74に供給される。燃料ガスは、燃料ガス供給通路74に沿って移動した後、第1プレート32に形成された燃料ガス供給孔52から燃料ガス通路46に導入される。
As shown in FIGS. 4 and 7, the fuel gas supplied to the fuel gas
燃料ガス供給孔52は、各電解質・電極接合体26のアノード電極24の略中心位置に対応して設けられている。従って、燃料ガスは、燃料ガス供給孔52からアノード電極24に供給され、このアノード電極24の略中心部から外周部に向かって燃料ガス通路46を流動する。
The fuel
一方、酸化剤ガス供給部56に供給される空気は、第1プレート32の第1筐体部44と第2プレート34の第2筐体部68との間に設けられる充填室76に一旦充填される。この充填室76には、酸化剤ガス供給通路78が連通しており、酸化剤ガスは、各酸化剤ガス供給通路78に沿って第1挟持部40及び第2挟持部64の中心側に移動する。
On the other hand, the air supplied to the oxidant
第2挟持部64の中心近傍には、酸化剤ガス供給孔80が連通するとともに、前記酸化剤ガス供給孔80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、図7に示すように、酸化剤ガス供給孔80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フェルト部材84に形成された酸化剤ガス通路86を流動する。
An oxidant
従って、各電解質・電極接合体26では、アノード電極24の略中心部から外周部に向かって燃料ガスが供給されるとともに、カソード電極22の略中心部から外周部に向かって空気が供給され、発電が行われる。そして、発電に使用された燃料ガス及び空気は、排ガスとして各電解質・電極接合体26の外周部から排ガス通路88に排気される。
Accordingly, in each electrolyte /
この場合、第1の実施形態では、図5に示すように、第2橋架部42の幅H2を第1橋架部38の幅H1よりも大きく設定することによって、前記第2橋架部42の断面積を前記第1橋架部38の断面積に対して大きく設定している。
In this case, in the first embodiment, as shown in FIG. 5, the width H2 of the
このため、燃料電池スタック12に第1荷重付与部114、第2荷重付与部116及び第3荷重付与部118を介して締め付け荷重が付与された状態で、第1橋架部38によって応力を緩和することができる。
For this reason, the stress is relieved by the
すなわち、第1橋架部38は、第1荷重付与部114及び第3荷重付与部118により拘束されるとともに、第2橋架部42は、第2荷重付与部116及び前記第3荷重付与部118により拘束されている。従って、第1橋架部38及び第2橋架部42には、燃料電池スタック12の運転による熱膨張や運転停止による熱収縮を介して応力が発生する。その際、第1橋架部38の断面の単位面積あたりの荷重が第2橋架部42の断面の単位面積あたりの荷重に対して大きくなるように設定されるため、前記第2橋架部42より断面積の小さい前記第1橋架部38によって応力が緩和される。
That is, the
同様に、図6に示すように、短尺な第2橋架部66の断面の単位面積あたりの荷重が長尺な第1橋架部62の断面の単位面積あたりの荷重に対して大きくなるように設定することで、前記第2橋架部66より断面積の小さい前記第1橋架部62によって応力が緩和される。このため、簡単な構成で、セパレータ28の変形や損傷を良好に阻止することができる。
Similarly, as shown in FIG. 6, the load per unit area of the cross section of the short
しかも、第2橋架部42、66は、可及的に短尺に構成することができ、セパレータ28全体のコンパクト化が容易に遂行される。これにより、燃料電池スタック12全体は、セパレータ28の面方向に沿う寸法(直径)が可及的に短尺化され、前記燃料電池スタック12全体の小型化が容易に図られるという効果が得られる。
Moreover, the
さらに、第1筐体部44及び第2筐体部68は、環状に構成されている。このため、排ガスからの排熱を第1筐体部44及び第2筐体部68全体に均等に伝熱することができる。このため、電解質・電極接合体26に供給される前の酸化剤ガスを、均等に加温することが可能になる。しかも、第1筐体部44及び第2筐体部68は、セパレータ28の外形形状を構成し、且つ環状を有するため、燃料電池スタック12全体の外形寸法が良好に狭小化され、前記燃料電池スタックのコンパクト化が可能になる。
Furthermore, the
図8は、本発明の第2の実施形態に係る燃料電池160の分解斜視図であり、図9は、前記燃料電池160の動作を説明する概略断面説明図である。
FIG. 8 is an exploded perspective view of the
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6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。
The same components as those of the
燃料電池160を構成するセパレータ162は、第1プレート164と第2プレート166とを備える。第1プレート164を構成する第1挟持部40は、電解質・電極接合体26に接触する面を平坦面に構成するとともに、この面には、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46を形成し且つ前記アノード電極24に密着する導電性フェルト部材(金属フェルト等の導電性不織布)167が配設される(図8及び図9参照)。なお、導電性フェルト部材に代えて、メッシュ部材(金属メッシュ等の導電性織布)、発泡金属、エキスパンドメタル、パンチングメタル又はプレスエンボスメタル等を採用してもよい。
The
第2プレート166を構成する第2挟持部64は、カソード電極22に接触する面に、酸化剤ガス通路86を形成する複数の突起部168が設けられる。突起部168は、例えば、エッチングにより形成される。
The
図10は、本発明の第3の実施形態に係る燃料電池170の分解斜視図であり、図11は、前記燃料電池170の動作を説明する概略断面説明図である。
FIG. 10 is an exploded perspective view of a
燃料電池170を構成するセパレータ172は、第1プレート174と第2プレート176とを備える。第1プレート174を構成する第1挟持部40のアノード電極24に接触する面には、燃料ガス通路46を形成する複数の突起部48が設けられる。第2プレート176を構成する第2挟持部64のカソード電極22に接触する面に、酸化剤ガス通路86を形成する複数の突起部168が設けられる。
The
このように、第2の実施形態及び第3の実施形態では、セパレータ162、172に熱膨張や熱収縮による応力が発生しても、前記セパレータ162、172に変形や損傷が発生することを有効に阻止することができる等、上述した第1の実施形態と同様の効果が得られる。
As described above, in the second and third embodiments, it is effective that the
なお、上記の第1及び第2の実施形態を併合し、酸化剤ガス通路86を形成するフェルト部材(金属フェルト等の導電性不織布)84と、燃料ガス通路46を形成するフェルト部材(金属フェルト等の導電性不織布)167とを用いてもよい。なお、フェルト部材84、167に代えて、メッシュ部材(金属メッシュ等の導電性織布)、発泡金属、エキスパンドメタル、パンチングメタル又はプレスエンボスメタル等を採用してもよい。
The above-described first and second embodiments are combined, and a felt member (conductive non-woven fabric such as metal felt) 84 forming the
図12は、本発明の第4の実施形態に係る燃料電池180の分解斜視図である。
FIG. 12 is an exploded perspective view of a
燃料電池180を構成するセパレータ182は、第1プレート184と第2プレート186とを備える。第1プレート184を構成する第1挟持部40と第1筐体部44とには、複数、例えば、3つの第2橋架部188a、188b及び188cが一体に設けられる。第2橋架部188a、188b及び188cは、第1橋架部38よりも短尺に構成されるとともに、前記第2橋架部188a、188b及び188c全体の断面積は、前記第1橋架部38の断面積よりも大きく設定される。
The
第2プレート186を構成する第2挟持部64と第2筐体部68とには、第2橋架部190a、190b及び190cが一体に設けられる。この第2橋架部190a、190b及び190cは、上記の第2橋架部188a、188b及び188cと同様に、第1橋架部62よりも短尺に構成されるとともに、前記第2橋架部190a、190b及び190c全体の断面積は、前記第1橋架部62の断面積よりも大きく設定される。
このように構成される第4の実施形態では、上記の第1〜3の実施形態と同様の効果が得られる。 In the fourth embodiment configured as described above, the same effects as those of the first to third embodiments can be obtained.
図13は、本発明の第5の実施形態に係る燃料電池200の分解斜視図である。
FIG. 13 is an exploded perspective view of a
燃料電池200を構成するセパレータ202は、第1プレート204と第2プレート206とを備える。第1プレート204を構成する第1挟持部40と第1筐体部44とには、第2橋架部208が一体に設けられる。第2橋架部208は、燃料ガス供給連通孔30から第1橋架部38を結ぶ直線に交差する方向に延在する。すなわち、第2橋架部208は、第1橋架部38と同等の幅を有し且つ前記第1橋架部38の延在方向に交差する方向に延在して設けられる。
The
第2プレート206を構成する第2挟持部64と第2筐体部68とには、第2橋架部210が一体に設けられる。この第2橋架部210は、上記の第2橋架部208と同様に、第1橋架部62と同等の幅を有し且つ前記第1橋架部62の延在方向に交差する方向に延在して設けられる。
A
このように構成される第5の実施形態では、第1挟持部40及び第2挟持部64は、第1橋架部38、62及び第2橋架部208、210に拘束されていない矢印E方向に可動可能である。このため、上記の第1〜第4の実施形態と同様の効果が得られる他、第1橋架部38、62及び第2橋架部208、210に発生した応力を良好に逃がすことが可能になるという利点がある。第1橋架部38、62の延在方向と、第2橋架部208、210の延在方向とが、互いに直線状に配置されていないからである。
In the fifth embodiment configured as described above, the
図14は、本発明の第6の実施形態に係る燃料電池220の分解斜視図である。
FIG. 14 is an exploded perspective view of a
燃料電池220を構成するセパレータ222は、第1プレート224と第2プレート226とを備える。第1プレート224を構成する第1挟持部40と第1筐体部44とには、第2橋架部228が一体に設けられる。第2橋架部228は、第1橋架部38と同等の幅を有するとともに、弾性変形可能な波形状に設定される(図15参照)。
The
第2プレート226を構成する第2挟持部64と第2筐体部68とには、第2橋架部230が一体に設けられる。この第2橋架部230は、上記の第2橋架部228と同様に、第1橋架部62と同等の幅を有するとともに、弾性変形可能な波形状に設定される。
A
このように構成される第6の実施形態では、第2橋架部228、230が弾性変形可能な波形状に設定されている。このため、第2橋架部228、230自体がばね弾性(応力緩和機能)を有しており、前記第2橋架部228、230に作用する応力が良好に緩和される。これにより、セパレータ222全体のコンパクト化を図るとともに、前記セパレータ222の変形を有効に阻止することができる等、上記の第1〜第5の実施形態と同様の効果が得られる。
In 6th Embodiment comprised in this way, the
また、第6の実施形態では、第2橋架部228、230のみを波形状に設定しているが、これに限定されるものではなく、この第2橋架部228、230に代えて、第1橋架部38、62のみを波形状に設定してもよく、あるいは、前記第2橋架部228、230とともに第1橋架部38、62を波形状に設定してもよい。
In the sixth embodiment, only the
10、160、170、180、200、220…燃料電池
12…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、162、172、182、202、222…セパレータ
30…燃料ガス供給連通孔
32、34、164、166、174、176、184、186、204、206、224、226…プレート
36、60…燃料ガス供給部
38、42、62、66、188a〜188c、190a〜190c、208、210、228、230…橋架部
40、64…挟持部 44、68…筐体部
46…燃料ガス通路 48、168…突起部
52…燃料ガス供給孔 54…酸化剤ガス供給連通孔
56…酸化剤ガス供給部 74…燃料ガス供給通路
76…充填室 78…酸化剤ガス供給通路
80…酸化剤ガス供給孔 84、167…フェルト部材
86…酸化剤ガス通路 88…排ガス通路
90、92…絶縁シール 94a、94b…エンドプレート
112…支持プレート 114、116、118…荷重付与部
10, 160, 170, 180, 200, 220 ...
Claims (8)
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、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ための燃料ガス供給孔及び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ための酸化剤ガス供給孔が設けられる挟持部と、
前記挟持部に連結され、前記燃料ガスを前記燃料ガス供給孔に又は前記酸化剤ガスを前記酸化剤ガス供給孔に供給するための第1反応ガス供給通路が形成される第1橋架部と、
前記第1橋架部に連結され、前記燃料ガス又は前記酸化剤ガスを前記第1反応ガス供給通路に供給するための第1反応ガス供給連通孔が積層方向に形成される第1反応ガス供給部と、
前記挟持部に連結され、前記酸化剤ガスを前記酸化剤ガス供給孔に又は前記燃料ガスを前記燃料ガス供給孔に供給するための第2反応ガス供給通路が形成される第2橋架部と、
前記第2橋架部に連結され、前記電解質・電極接合体を収容する筐体部と、
前記筐体部に設けられるとともに、前記酸化剤ガス又は前記燃料ガスを前記第2反応ガス供給通路に供給するための第2反応ガス供給連通孔が積層方向に形成される第2反応ガス供給部と、
を備え、
前記第1橋架部と前記第2橋架部とは、非対称形状に設定されるとともに、前記第1橋架部及び前記第2橋架部のどちらか一方の断面の単位面積あたりの荷重が、他方の断面の単位面積あたりの荷重よりも小さくなるように設定したことを特徴とする燃料電池スタック。 A fuel cell stack comprising a fuel cell in which an electrolyte / electrode assembly configured by sandwiching an electrolyte between an anode electrode and a cathode electrode, and a separator, and a plurality of the fuel cells are stacked,
The separator sandwiches the electrolyte / electrode assembly and supplies an oxidant gas along the electrode surface of the cathode electrode and a fuel gas supply hole for supplying fuel gas along the electrode surface of the anode electrode A sandwiching portion provided with an oxidant gas supply hole for
A first bridge portion connected to the sandwiching portion and forming a first reaction gas supply passage for supplying the fuel gas to the fuel gas supply hole or supplying the oxidant gas to the oxidant gas supply hole;
A first reaction gas supply unit that is connected to the first bridge portion and has a first reaction gas supply communication hole formed in the stacking direction for supplying the fuel gas or the oxidant gas to the first reaction gas supply passage. When,
A second bridge portion connected to the sandwiching portion and forming a second reaction gas supply passage for supplying the oxidant gas to the oxidant gas supply hole or the fuel gas to the fuel gas supply hole;
A housing connected to the second bridge and containing the electrolyte / electrode assembly;
A second reactive gas supply unit that is provided in the casing and has a second reactive gas supply communication hole formed in the stacking direction for supplying the oxidant gas or the fuel gas to the second reactive gas supply passage. When,
With
The first bridge part and the second bridge part are set in an asymmetric shape, and the load per unit area of one of the first bridge part and the second bridge part is the other cross section. A fuel cell stack, wherein the fuel cell stack is set to be smaller than the load per unit area.
前記第2橋架部は、前記第2反応ガス供給部及び前記挟持部により拘束されることを特徴とする燃料電池スタック。 2. The fuel cell stack according to claim 1, wherein the first bridge portion is restrained by the first reactive gas supply portion and the clamping portion,
The fuel cell stack, wherein the second bridge portion is restrained by the second reactive gas supply unit and the clamping unit.
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、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ための燃料ガス供給孔及び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ための酸化剤ガス供給孔が設けられる挟持部と、
前記挟持部に連結され、前記燃料ガスを前記燃料ガス供給孔に又は前記酸化剤ガスを前記酸化剤ガス供給孔に供給するための第1反応ガス供給通路が形成される第1橋架部と、
前記第1橋架部に連結され、前記燃料ガス又は前記酸化剤ガスを前記第1反応ガス供給通路に供給するための第1反応ガス供給連通孔が積層方向に形成される第1反応ガス供給部と、
前記挟持部に連結され、前記酸化剤ガスを前記酸化剤ガス供給孔に又は前記燃料ガスを前記燃料ガス供給孔に供給するための第2反応ガス供給通路が形成される第2橋架部と、
前記第2橋架部に連結され、前記電解質・電極接合体を収容する筐体部と、
前記筐体部に設けられるとともに、前記酸化剤ガス又は前記燃料ガスを前記第2反応ガス供給通路に供給するための第2反応ガス供給連通孔が積層方向に形成される第2反応ガス供給部と、
を備え、
前記第2橋架部は、前記第1橋架部と同等の幅を有し且つ前記第1橋架部の延在方向に交差する方向に延在して設けられることを特徴とする燃料電池スタック。 A fuel cell stack comprising a fuel cell in which an electrolyte / electrode assembly configured by sandwiching an electrolyte between an anode electrode and a cathode electrode, and a separator, and a plurality of the fuel cells are stacked,
The separator sandwiches the electrolyte / electrode assembly and supplies an oxidant gas along the electrode surface of the cathode electrode and a fuel gas supply hole for supplying fuel gas along the electrode surface of the anode electrode A sandwiching portion provided with an oxidant gas supply hole for
A first bridge portion connected to the sandwiching portion and forming a first reaction gas supply passage for supplying the fuel gas to the fuel gas supply hole or supplying the oxidant gas to the oxidant gas supply hole;
A first reaction gas supply unit that is connected to the first bridge portion and has a first reaction gas supply communication hole formed in the stacking direction for supplying the fuel gas or the oxidant gas to the first reaction gas supply passage. When,
A second bridge portion connected to the sandwiching portion and forming a second reaction gas supply passage for supplying the oxidant gas to the oxidant gas supply hole or the fuel gas to the fuel gas supply hole;
A housing connected to the second bridge and containing the electrolyte / electrode assembly;
A second reactive gas supply unit that is provided in the casing and has a second reactive gas supply communication hole formed in the stacking direction for supplying the oxidant gas or the fuel gas to the second reactive gas supply passage. When,
With
The fuel cell stack, wherein the second bridge portion has a width equivalent to that of the first bridge portion and extends in a direction intersecting with an extending direction of the first bridge portion.
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、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ための燃料ガス供給孔及び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ための酸化剤ガス供給孔が設けられる挟持部と、
前記挟持部に連結され、前記燃料ガスを前記燃料ガス供給孔に又は前記酸化剤ガスを前記酸化剤ガス供給孔に供給するための第1反応ガス供給通路が形成される第1橋架部と、
前記第1橋架部に連結され、前記燃料ガス又は前記酸化剤ガスを前記第1反応ガス供給通路に供給するための第1反応ガス供給連通孔が積層方向に形成される第1反応ガス供給部と、
前記挟持部に連結され、前記酸化剤ガスを前記酸化剤ガス供給孔に又は前記燃料ガスを前記燃料ガス供給孔に供給するための第2反応ガス供給通路が形成される第2橋架部と、
前記第2橋架部に連結され、前記電解質・電極接合体を収容する筐体部と、
前記筐体部に設けられるとともに、前記酸化剤ガス又は前記燃料ガスを前記第2反応ガス供給通路に供給するための第2反応ガス供給連通孔が積層方向に形成される第2反応ガス供給部と、
を備え、
少なくとも前記第1橋架部又は前記第2橋架部は、弾性変形可能な波形状に設定されることを特徴とする燃料電池スタック。 A fuel cell stack comprising a fuel cell in which an electrolyte / electrode assembly configured by sandwiching an electrolyte between an anode electrode and a cathode electrode, and a separator, and a plurality of the fuel cells are stacked,
The separator sandwiches the electrolyte / electrode assembly and supplies an oxidant gas along the electrode surface of the cathode electrode and a fuel gas supply hole for supplying fuel gas along the electrode surface of the anode electrode A sandwiching portion provided with an oxidant gas supply hole for
A first bridge portion connected to the sandwiching portion and forming a first reaction gas supply passage for supplying the fuel gas to the fuel gas supply hole or supplying the oxidant gas to the oxidant gas supply hole;
A first reaction gas supply unit that is connected to the first bridge portion and has a first reaction gas supply communication hole formed in the stacking direction for supplying the fuel gas or the oxidant gas to the first reaction gas supply passage. When,
A second bridge portion connected to the sandwiching portion and forming a second reaction gas supply passage for supplying the oxidant gas to the oxidant gas supply hole or the fuel gas to the fuel gas supply hole;
A housing connected to the second bridge and containing the electrolyte / electrode assembly;
A second reactive gas supply unit that is provided in the casing and has a second reactive gas supply communication hole formed in the stacking direction for supplying the oxidant gas or the fuel gas to the second reactive gas supply passage. When,
With
At least the first bridge part or the second bridge part is set in a wave shape that can be elastically deformed.
各挟持部には、各第2橋架部を介して単一の筐体部が一体に設けられ、且つ、前記筐体部には、複数の前記第2反応ガス供給部が形成されることを特徴とする燃料電池スタック。 7. The fuel cell stack according to claim 1, wherein a plurality of the sandwiching portions are connected to a single first reaction gas supply portion via a plurality of the first bridge portions. 8. With
Each sandwiching portion is integrally provided with a single casing portion via each second bridge portion, and a plurality of the second reactive gas supply portions are formed in the casing portion. A fuel cell stack.
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