JP2009054378A

JP2009054378A - 燃料電池

Info

Publication number: JP2009054378A
Application number: JP2007218868A
Authority: JP
Inventors: Isamu Kikuchi; 勇菊池; Soichiro Shimotori; 宗一郎霜鳥
Original assignee: Toshiba Corp; Toshiba Fuel Cell Power Systems Corp
Current assignee: Toshiba Corp; Toshiba Energy Systems and Solutions Corp
Priority date: 2007-08-24
Filing date: 2007-08-24
Publication date: 2009-03-12

Abstract

【課題】ガスマニホールドと燃料電池積層体の間のシール性を確保しつつ、シール材の経年変化によるガスシール性の低下を防止できる燃料電池を提供する。
【解決手段】燃料電池積層体１の側面には、燃料電池積層体１に対向した面に開口部を有する箱型のガスマニホールド４を配設し、ガスマニホールド４と燃料電池積層体１、ガスマニホールド４とエンドプレート２との接合部には、シール材５を設置する。ガスマニホールド４は、皿ばね６を取付けた固定ボルト７を、ガスマニホールド４の上下端部４ａに設置された穴部を貫通させて、エンドプレート２に形成されたねじ穴に係合させることにより、エンドプレート２に固定される。この場合、皿ばね６は、シール材５が経年変化により寸法変化を生じた後であっても、シール材５に対して必要な面圧を保持できるように、予め所定の寸法まで圧縮された状態で固定する。
【選択図】図１

Description

本発明は、外部マニホールド方式の燃料電池に係り、特に、ガスマニホールドと燃料電池積層体の間に設置されるシール材の経年変化によるガスシール性の低下を防止すべく改良を施した燃料電池に関するものである。

燃料電池は、電解質の両側にそれぞれ配置されたアノード電極及びカソード電極と、これらアノード電極とカソード電極にそれぞれ接して配置された燃料ガス流通路及び酸化剤ガス流通路とからなる単位電池を複数個積層して構成された燃料電池積層体に、水素等の燃料と空気等の酸化剤を供給して、電気化学的に反応させることにより、燃料の持つ化学エネルギーを直接電気エネルギーに変換し外部へ取り出す発電装置である。

また、外部マニホールド方式の燃料電池は、燃料電池積層体と、この燃料電池積層体を上下両端から締め付けて保持する一対のエンドプレートと、燃料電池積層体のそれぞれの燃料ガス流通路及び酸化剤ガス流通路に燃料及び酸化剤を供給するための単数もしくは複数のガスマニホールドとから構成されている。

ここで、燃料電池積層体とエンドプレートに対してガスマニホールドを取り付ける方法としては、ガスマニホールド内のガスが外部へ漏洩するのを防止するために、燃料電池積層体とガスマニホールドの間に弾性のあるシール材を挟み込む方法が提案されている。（例えば、特許文献１参照。）

図９は、燃料電池積層体とガスマニホールドの間に弾性のあるシール材を挟み込む方法を適用した従来の燃料電池の断面図を示したものである。すなわち、燃料電池積層体１とガスマニホールド４の間に弾性のあるシール材５が設置され、ガスマニホールド４の端部４ａとエンドプレート２とが固定ボルト７で固定されている。

また、燃料電池の運転による熱変形及びシール材の経年変化によりガスシール性が低下するのを防止するために、ガスマニホールドの周辺に支持構造物を設置し、ガスマニホールドを燃料電池積層体に対して押し付ける力を保持する方法が提案されている。（例えば、特許文献２参照。）
特許第３４４４４８４号公報特開平７−２５４４２７号公報

しかしながら、特許文献１に示されたように、弾性のあるシール材を燃料電池積層体とガスマニホールドの間に挟み込む方法において、硬度の低いシール材を使用した場合には、一般に硬度の低いシール材は経年変化による塑性変形が大きくなる傾向があるため、ガスシール性の低下が発生し易くなってしまうという問題点があった。

このようなシール材の経年変化によるガスシール性の低下を防止するためには、比較的硬度の高いシール材を使用する必要があるが、硬度の高いシール材では、燃料電池積層体のそれぞれの単位電池の寸法誤差や積層の位置精度不足に起因する凹凸を吸収するのが難しく、シール性を確保するのが困難であるという問題点があった。

一方、特許文献２に示されたように、ガスマニホールドの周辺に支持構造物を設置し、ガスマニホールドを燃料電池積層体に対して押し付ける力を保持する方法においては、シール材の経年変化等によるガスシール性の低下を防止することは可能であるものの、支持構造物の取付け作業が煩雑となる上に、燃料電池を構成する部品点数が増大してしまうため、燃料電池の製造コストが増大してしまうという問題点があった。

本発明は、上述したような従来技術の問題点を解決するために提案されたものであり、その目的は、ガスマニホールドと燃料電池積層体の間のシール性を確保しつつ、シール材の経年変化によるガスシール性の低下を防止でき、且つ部品点数が少なく、組立てが容易な外部マニホールド方式の燃料電池を提供することにある。

上記の目的を達成するため、本発明の燃料電池は、燃料電池積層体との間にシール材を挟み込んだガスマニホールドをエンドプレートの方向に押し付ける作用を有するばね機構により、それぞれのガスマニホールドをエンドプレートに個別に固定させたことを特徴とする。

すなわち、請求項１に記載の発明は、電解質の両側に配されたアノード電極及びカソード電極と、前記アノード電極及びカソード電極にそれぞれ接して配置され、燃料ガス流通路及び酸化剤ガス流通路を有するセパレータとからなる単位電池を複数個積層して構成された燃料電池積層体と、前記燃料電池積層体を両端から締め付けて保持する一対のエンドプレートと、前記燃料電池積層体及び前記エンドプレートにシール材を介して固定され、前記燃料電池積層体のそれぞれの前記燃料ガス流通路及び酸化剤ガス流通路に燃料及び酸化剤を供給するための単数もしくは複数のガスマニホールドと、から構成される燃料電池において、前記ガスマニホールドは、前記ガスマニホールドを前記エンドプレート及び燃料電池積層体の方向に押し付ける作用を有するばね機構によって、前記エンドプレートに固定されていることを特徴とするものである。

上記のような構成を有する請求項１の発明によれば、シール材の経年変化による寸法変化が生じても、ガスマニホールドが適切な面圧で燃料電池積層体及びエンドプレートに押し付けられるため、ガスマニホールドと燃料電池積層体の間のガスシール性の低下を防止できる。

また、上記のような構成とすることにより、比較的硬度の低いシール材を使用することができるので、燃料電池積層体のそれぞれの単位電池の寸法誤差や積層の位置精度不足に起因する凹凸を吸収することができ、シール性を確保しつつ長期運転によるガスシール性の低下を防止することも可能となる。

前記ばね機構としては、エンドプレートに固定されるボルトとこのボルトとガスマニホールドによって挟持される皿ばね、あるいは、エンドプレートに固定されるボルトとこのボルトとガスマニホールドによって挟持される圧縮コイルばね等を用いることができる。

本発明によれば、ガスマニホールドと燃料電池積層体の間のシール性を確保しつつ、シール材の経年変化によるガスシール性の低下を防止でき、且つ部品点数が少なく、組立てが容易な外部マニホールド方式の燃料電池を提供することができる。

以下、本発明に係る燃料電池の実施の形態について、図面を参照して説明する。

（１）第１実施形態
（１−１）構成
本実施形態の燃料電池においては、図１に示したように、電解質の両側にそれぞれ配置されたアノード電極及びカソード電極と、これらアノード電極とカソード電極とにそれぞれ接して配置された燃料ガス流通路、酸化剤ガス流通路及び冷却水流通路とを有するセパレータとからなる単位電池を複数枚積層した燃料電池積層体１と、この燃料電池積層体１の上下両端に設置された一対のエンドプレート２と、これら２枚のエンドプレート２を互いに近接する方向に締め付けるタイロッド３とが配設されている。

また、前記燃料電池積層体１の側面には、燃料電池積層体１に対向した面に開口部を有する箱型のガスマニホールド４が配設されている。そして、このガスマニホールド４を燃料電池積層体１の側面に位置するように固定することにより、燃料ガス流通路、酸化剤ガス流通路及び冷却水流通路に、それぞれ燃料、酸化剤及び冷却水を供給するためのガス室及び冷却水室が形成されるように構成されている。

また、前記ガスマニホールド４と燃料電池積層体１、あるいはガスマニホールド４とエンドプレート２との接合部には、ガスマニホールド４のガス室及び冷却水室からのガスリーク及び水リークを防止するためのシール材５が設置されている。

そして、前記ガスマニホールド４は、図２に示したように、皿ばね６を取付けた固定ボルト７を、ガスマニホールド４の上下端部４ａに設置された穴部４ｂを貫通させて、エンドプレート２に形成されたねじ穴２ａに係合させることにより、エンドプレート２に固定されるように構成されている。この場合、皿ばね６は、シール材５が経年変化により寸法変化を生じた後であっても、シール材５に対して必要な面圧を保持できるように、予め所定の寸法まで圧縮された状態で固定されている。

なお、前記シール材５は、燃料電池積層体１の側面の微細な凹凸を吸収するために、燃料電池積層体１の側面に塗布されたコーキング材と、比較的硬度の低い発泡ゴムスポンジとから構成されている。

また、ガスマニホールド４の箱型の筐体内部に仕切り板を設置することにより、燃料電池積層体に面した内部空間を複数に分割して複数のガス室を形成することも可能であり、ガスマニホールド４の背面または側面には、所定のガス室に連通し燃料と酸化剤を供給または排出するための図示されないガス配管と、所定の冷却水室に冷却水を供給または排出するための図示されない冷却水配管とがそれぞれ設置されている。

（１−２）作用
上記のような構成を有する本実施形態の燃料電池は、以下のように作用する。すなわち、図２に示したように、シール材５は燃料電池積層体１とエンドプレート２の側面に設置されており、ガスマニホールド４を皿ばね６と固定ボルト７とにより燃料電池積層体１の方向に押し付けることにより、シール材５には所定の面圧が付加されガスシール性を保持している。

ここで、シール材５の構成材料として比較的硬度の低い発泡ゴムスポンジが採用されているため、燃料電池積層体１の側面に凹凸がある場合でも、シール材５に付加される面圧は全面で比較的均一となり、燃料電池積層体１の側面の凹部からのガスリークが防止される。

また、シール材５が経年変化により寸法変化を生じた後は、圧縮されていた皿ばね６の応力が解放され、ガスマニホールド４を燃料電池積層体１及びエンドプレート２の方向に移動させるため、シール材５に付加される面圧は一定の値以上に保持され、シール材５の経年変化によるガスシール性の低下を防止することが可能となる。

（１−３）効果
以上の通り、本実施形態によれば、ガスマニホールド４をエンドプレート２の方向に押し付ける作用を有する皿ばね６の作用により、シール材５の経年変化による寸法変化が生じても、ガスマニホールド４が適切な面圧で燃料電池積層体１及びエンドプレート２に押し付けられるため、ガスマニホールド４と燃料電池積層体１の間のガスシール性の低下を防止できる。

また、比較的硬度の低いシール材を使用することにより、燃料電池積層体のそれぞれの単位電池の寸法誤差や積層の位置精度不足に起因する凹凸を吸収することができるので、シール性を確保しつつ長期運転によるガスシール性の低下を防止することも可能となる。

また、上述したような簡易な方法でガスマニホールド４を個別にエンドプレート２に取り付けることができるため、燃料電池を構成する部品点数を増大させることがなく、組立てが容易で安価な燃料電池を提供することができる。

（２）第２実施形態
本実施形態の燃料電池においては、図３に示したように、上記第１実施形態の燃料電池において用いた皿ばねの代わりに、ガスマニホールド４を圧縮コイルばね８と固定ボルト７とにより燃料電池積層体１の方向に押し付ける構成とされている。なお、上記第１実施形態と同一の部材には同一の符号を付して、説明は省略する。

上記のような構成を有する本実施形態によれば、上記第１実施形態と同等の効果が得られると共に、複数の皿ばねを組み合わせて使用する必要がなくなるため、燃料電池を構成する部品点数を更に減少させることができ、組立てが容易で安価な燃料電池を提供することができる。

（３）第３実施形態
本実施形態の燃料電池においては、図４及び図５に示したように、上記第１実施形態の燃料電池において用いた皿ばねの代わりに、ガスマニホールド４を板ばね９と押さえ板１０と固定ボルト７とにより燃料電池積層体１の方向に押し付ける構成とされている。なお、上記第１実施形態と同一の部材には同一の符号を付して、説明は省略する。

（４）第４実施形態
本実施形態の燃料電池においては、図６及び図７に示したように、上記第１実施形態の燃料電池において用いた皿ばねの代わりに、ガスマニホールド４を弾性材料１１と押さえ板１０と固定ボルト７とにより燃料電池積層体１の方向に押し付ける構成とされている。この弾性材料１１としては、圧縮永久ひずみが小さく、弾力性の大きいＥＰＤＭゴムが好ましいが、その他の弾性材料であっても良い。なお、上記第１実施形態と同一の部材には同一の符号を付して、説明は省略する。

（５）第５実施形態
本実施形態の燃料電池においては、図８に示したように、上記第１実施形態の燃料電池において用いた皿ばねと固定ボルトを使用する代わりに、エンドプレート２の外表面に予め凹部１２を形成し、この凹部１２とガスマニホールド４の端部４ａの間にクリップ状の板ばね１３を取り付けることにより、ガスマニホールド４を燃料電池積層体１の方向に押し付ける構成とされている。なお、上記第１実施形態と同一の部材には同一の符号を付して、説明は省略する。

上記のような構成を有する本実施形態によれば、上記第１実施形態と同等の効果が得られると共に、複数の皿ばねを組み合わせて使用する必要がなくなるため、燃料電池を構成する部品点数を更に減少させることができる。さらに、固定ボルト７をエンドプレート２にねじ込む代わりに、クリップ状の板ばね１３を取付けることでガスマニホールド４の固定が完了するため、さらに組立てが容易で安価な燃料電池を提供することができる。

（６）他の実施形態
本発明は、上述したような実施形態に限定されるものではなく、例えば、各構成部品の形状及び個数が異なっていても、エンドプレートを支点として、弾性を有する部品を介してガスマニホールドを燃料電池積層体の方向に押し付け、シール材が経年変化により寸法変化を生じた後であっても、ガスマニホールドを燃料電池積層体及びエンドプレートの方向に移動させ得る構造であれば、上述の形状及び部品構成に限定されるものではない。

本発明に係る燃料電池の第１実施形態の構成を示す斜視図第１実施形態におけるガスマニホールド固定部周辺の構成を示す縦断面図第２実施形態におけるガスマニホールド固定部周辺の構成を示す縦断面図第３実施形態におけるガスマニホールド固定部周辺の構成を示す縦断面図第３実施形態におけるガスマニホールド固定部周辺の構成を示す横断面図第４実施形態におけるガスマニホールド固定部周辺の構成を示す縦断面図第４実施形態におけるガスマニホールド固定部周辺の構成を示す横断面図第５実施形態におけるガスマニホールド固定部周辺の構成を示す縦断面図従来のガスマニホールド固定方法を示す縦断面図

符号の説明

１…燃料電池積層体
２…エンドプレート
３…タイロッド
４…ガスマニホールド
５…シール材
６…皿ばね
７…固定ボルト
８…圧縮コイルばね
９…板ばね
１０…押さえ板
１１…弾性体
１２…エンドプレートに形成された凹部
１３…クリップ状の板ばね

Claims

電解質の両側に配されたアノード電極及びカソード電極と、前記アノード電極及びカソード電極にそれぞれ接して配置され、燃料ガス流通路及び酸化剤ガス流通路を有するセパレータとからなる単位電池を複数個積層して構成された燃料電池積層体と、前記燃料電池積層体を両端から締め付けて保持する一対のエンドプレートと、前記燃料電池積層体及び前記エンドプレートにシール材を介して固定され、前記燃料電池積層体のそれぞれの前記燃料ガス流通路及び酸化剤ガス流通路に燃料及び酸化剤を供給するための単数もしくは複数のガスマニホールドと、から構成される燃料電池において、
前記ガスマニホールドは、前記ガスマニホールドを前記エンドプレート及び前記燃料電池積層体の方向に押し付ける作用を有するばね機構によって、前記エンドプレートに固定されていることを特徴とする燃料電池。
前記ばね機構は、前記エンドプレートに固定されるボルトと、前記ボルトと前記ガスマニホールドによって挟持される皿ばねとから構成されていることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池。
前記ばね機構は、前記エンドプレートに固定されるボルトと、前記ボルトと前記ガスマニホールドによって挟持される圧縮コイルばねとから構成されていることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池。
前記ばね機構は、前記エンドプレートに固定される固定部材と、前記固定部材と前記ガスマニホールドによって挟持される板ばねとから構成されていることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池。
前記ばね機構は、前記エンドプレートに固定される固定部材と、前記固定部材と前記ガスマニホールドによって挟持される弾性体とで構成されていることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池。
前記固定部材が、前記エンドプレートに固定されるボルトと、このボルトが貫通された押さえ板であることを特徴とする請求項４又は請求項５に記載の燃料電池。
前記ばね機構は、前記エンドプレートに形成された係合部と前記ガスマニホールドを挟み込む機能を有する板ばねであることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池。