JP2009059509A - 燃料電池 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】本発明は、固体電解質型セル30を配設したセル板40とセパレータ50とにより区画形成される空隙kに流路形成体70を収容したセルユニット10内外に、二種類の反応用ガスを互いに分離して流通させることによる発電を行う燃料電池において、上記流路形成体70は、外部から圧送された一方の反応用ガスを空隙k内に流入するための流入経路aを配設した本体部75に、空隙k内に流入した一方の反応用ガスを、上記固体電解質型セル30に流接する流接面積が増加する流路となるように回流させるためのガス回流用部材76を一体的に突設したものである。
【選択図】図3
Description
その従来の燃料電池は、円形薄板状を成し且つ単セル取付部を有するセル取付用セパレータと、このセル取付用セパレータとほぼ同一の形状を成し且つその周縁部をセル取付用セパレータの周縁部に接合させたセパレータと、両セパレータ間に形成される空間内に対するガス供給及びガス排出を行う中央流路部品を備え、上記空間にリング板状セパレータを設置して、ガス流路の往路と復路とを上下(燃料電池積層方向)に分けて形成した構成のものであり、リング板状セパレータは、このセパレータ又はセル取付用セパレータに設けたディンプル状突起によって、ガス流路の往路及び復路の流路高さを保持するようにしたものである。
また、流路形成体とガス回流用部材の間に隙間が生じないので、その隙間を通じて反応用
ガスが短絡して流通することがなく、その反応用ガスを効率的にセルユニット内に流通させることができる。
さらに、ガス回流用部材が強度部材として機能し、セルユニットの機械的強度を向上させることができる。
「間隙s」は、隣接する他のセルユニット10との間に他方の反応用ガスを流通させるためのものである。
本実施形態においては、一方の反応用ガスが水素(燃料ガス)であり、他方の反応用ガスが空気であるが、一方の反応用ガスを空気、他方の反応ガスを水素としてもよいことは勿論である。
上記周壁23には、ケース20内に他方の反応用ガスを導入するためのガス導入口24と、当該ケース20内に導入された他方の反応用ガスを排出するためのガス排出口25が配設されている。
円形段差部41には、後述する流路形成体70に形成されているガス流入孔71とガス流出孔74…に対応する位置に、それらと同径の貫通孔44,45…が開口形成されている。
円形段差部51には、後述する流路形成体70に形成されているガス流入孔71とガス流出孔74…に対応する位置に、それらと同径の貫通孔54,55…が開口形成されている。
流路形成体70は、円柱形の本体部75に、8本のガス回流用部材76…を一体的に突設した構成のものである。
各ガス流出孔74は、ガス流入孔71よりも小さい内径にした断面円形に形成されており、それぞれ上下面75a,75b間に貫通形成されている。
ガス導出孔73は断面円形に形成されており、外側開口73bを本体部75の周面75cに、また、内側開口73aをガス流出孔74にそれぞれ臨ませている。
また、ガス導入孔72を臨ませたガス回流用部材76,76間で区画されるセル板40には、固体電解質型セル30が位置している。
また、各ガス回流用部材76の上面76cと、セパレータ50の内面(下面)とは、密着固定されており、その間から回流させようとしている一方の反応用ガスが漏出しないようになっている。
本体部75Aの下面には、断面半円形のガス導入孔半部72A、同じく断面半円形のガス導出孔半部73Aを形成しているとともに、本体部75A内にガス流入孔半部71A、及びガス流出孔半部74Aを穿設している。
ガス導入孔半部72A等は例えばハーフエッチングにより形成することができるが、その他の公知の方法で形成してもよい。
そして、上記上側形成部体70Aを下側形成部体70Bと接合することにより、上記したガス導入孔72、ガス導出孔76、ガス流入孔71及びガス流出孔74が形成される。
さらに、従来のようなガス回流用部材と流路形成体とを別体に形成した場合における、当該ガス回流用部材と流路形成体との接合部分からの一方の反応用ガスの漏出を防止することもできる。
すなわち、「ガス回流用部材を一体的に突設している」ことには、ガス回流用部材を本体部と一体に形成した構成の他、本体部にガス回流用部材を接合等により組み付けた構成を含んでいる。従って、上記した上下2分割構造に限るものではない。
ところで、本実施形態に示すユニット内集電体60は、導電性の発泡金属やフェルト等の多孔体を円環形に成形したものであり、中心に円形開口61を開口している。
このユニット内集電体60の下面には、上記したガス回流用部材76に対応する位置に、そのガス回流用部材76を嵌挿するための嵌挿溝62…が凹陥形成されている。
そこで、上記した上面部分(高密度部分)60aをプレス等で形成すると、その高密度部分60aにおいてガス回流用部材76との接合が行いやすくなるとともに、反応用ガスを仕切りやすい。
しかし、上記従来のものでは、金属表面の酸化やセパレータの変形による接触不良が発生すると接触抵抗が増加し、出力低下につながる。そこで、セパレータ,ユニット内集電体及びガス回流用部材が接合されていると、それらの接合部分が電流パスとなり、良好な導通が得られる。
一方、ユニット内集電体とガス回流用部材のみが接合されている場合でも、ガス回流用部材と流路形成体が一体的に形成され、かつ、その流路形成体がセパレータに接合されていることから、ガス回流用部材を電流経路として利用することができる。
また、ガス回流用部材とユニット内集電体が当接されることにより、振動等によるユニット内集電体の移動や電極との擦れを抑制し、耐久性を向上させることができる。
また、当接した周壁43,53どうしは、全周にわたり気密的(ガス密的)にレーザ溶接等により接合されている。
上側フランジ90は、上記した円形段差部41,51と同径にした円柱形の押さえ部91の周壁91aに、セルユニット10と同径にしたフランジ部92を延出形成した平面視円形板形のものである。
押さえ部101の中心には、上記ガス流入孔71と同径の貫通孔103が穿設されているとともに、上記ガス流出孔74に対向する位置には、そのガス流出孔74と同径の貫通孔104が形成されている。
その流接通過後、周壁43,53とガス回流用部材76との間の間隙βを通じて、隣り合う2本のガス回流用部材76,76で区画されている空処uに向かうように回流する。
一方、他方の反応用ガスは、ケース20のガス導入口24から、そのケース20内に流入し、セルスタックBの各間隙cを通過した後、ガス排出口25から外部に排出される。これにより、効率のよい発電を行うことができる。
固体電解質型セル120は、円形開口120aを軸線Oに一致して形成した円板形に形成されているものである。
ガス回流用部材131は、図9に示すように、上側半部131Aと下側半部131Bとが、これらを当接したときに三角形となる断面形状に形成されている。すなわち、下側半部131Bと固体電解質型セル120とが小さい面積で線接触するようにしている。これにより、ガス回流用部材131を補強材として機能させつつ、固体電解質型セル120の電極面積の損失を最小限に抑えることができる。
なお、上記ガス回流用部材は、上記三角形の断面形状に限るものではなく、固体電解質型セル120との接触面積が小さくなる公知の断面形状にすることができる。
本体側孔部147は、内端開口147aをガス流入孔半部144Aに臨ませ、かつ、外端を部材側孔部148の内端に連通されているとともに、部材側孔部148の外端開口148aをガス回流用部材146の外端面に開口している。
このように、各ガス回流用部材146内にガス導入孔142を形成することにより、一方の反応用ガスを、各ガス回流用部材146の外端面から空処uに向けて分配させられ、反応用ガスの分散性を向上させることができる。
なお、第三の変形例に係る流路形成体140は、後述する多孔質体を設けた点を除き、上記図10において説明した流路形成体と同等のものであるので、それらと同等のものに同一の符号を付して説明を省略する。
このような多孔質体149は、ガス回流用部材146内の部材側孔部148の形状に合わせて成型し、上側形成部体140Aを下側形成部体140Bと接合する際に挟み込むようにして接合している。
また、ガス回流用部材に導入孔を形成することにより、そのガス回流用部材の強度を低下させる虞もあるが、上記した多孔質体を充填することにより重量の増加を最小限にしながら、機械的強度の向上を図ることができる。
さらに、セルスタックが異常発熱した場合等には、低い温度の反応用ガスを流通させることにより熱交換を行い、固体電解質型セルを冷却することができる。
さらに、部分酸化改質による発熱により、固体電解質型セルを加熱することができるとともに、水蒸気改質による吸熱で冷却をも行うことができる。
なお、担持させる材料としては触媒機能を有する金属、Co、Ni、Ru、Rh、Pd、Ir、Pt又はこれらを含む合金を適用できる。
本体側孔部157は、内端開口157aをガス流入孔半部144Aに臨ませ、かつ、外端を部材側孔部158の内端に連通されているとともに、部材側孔部158の外端開口158aをガス回流用部材156の外端面に開口している。
上記した上側形成部体150Aを下側形成部体150Bと接合することにより、上記したガス導出孔152、ガス流入孔154及びガス流出孔155が形成されるとともに、各ガス回流用部材156内に断面円形のガス導入孔152が形成される。
このように、各ガス回流用部材156内にガス導入孔142を形成することにより、一方の反応用ガスを、各ガス回流用部材156の外端面から空処uに向けて分配させられ、一方の反応用ガスの分散性を向上させることができる。
副孔170…は、主孔169の両側に形成されることにより、セル板に配設された固体電解質型セル(図示しない)に向けて一方の反応用ガスを導出(吐出)するようになっている。
上記した上側形成部体160Aを下側形成部体160Bと接合することにより、上記したガス導出孔162、ガス流入孔164及びガス流出孔165が形成されるとともに、各ガス回流用部材146内に、(C)に示すような断面円形のガス導入孔142が形成される。
このように、各ガス回流用部材166内にガス導入孔162を形成することにより、一方の反応用ガスを、いわばシャワー状にして導入することができる。
すなわち、各ガス回流用部材166の側部から空処uに向けて一方の反応用ガスを分配導入することができ、当該反応用ガスの分散性を向上させて、固体電解質型セルとの流接面積を増加させられる。
同図(A)に示す第6の変形例に係る流路形成体200は、ガス回流用部材210が、これの基端部210aから先端部210bに向けて幅広になる形状に形成したものであり、軸線Oを中心とした等角度間隔で配設している。
同図(C)に示す第8の変形例に係る流路形成体240は、各ガス回流用部材250を互いに一定の曲率で曲成しているとともに、軸線Oを中心とした等角度間隔で配設している。
この構成によれば、例えばセパレータとガス回流用部材との当接面積が増大して、機械的強度を向上させられる。
このような流路区画部材280a〜280dを設けることにより、一方の反応用ガスを所定のガス流路に沿って確実に流通させることができる。
このようなユニット内集電体300によれば、集電体ブロック301を形成していない金属基板302部分でガス回流用部材と当接させることにより密着性を向上させられるとともに、ガスのショートカットを低減し整流効果を向上させることができる。
ガス回流用部材と金属基板302とは、溶接,拡散接合,ロウ付け,接着等による接合を行うことができる。
また、金属基板302とセパレータと接合することにより、そのセパレータとの導通パスを確保できる。
なお、集電突起は、上記した円弧形の板ばねに限るものではなく、同図(C)に示すような略円弧形の板ばね301bの両端部のうちの一方を連結している構造、(D)に示すようにディンプル加工した突起301cを突設した構造にすることができる。
40 セル板
50 セパレータ
51 円形段差部
60 ユニット内集電体
70 流路形成体
71 ガス流入孔
72 ガス導入孔
73 ガス導出孔
75 本体部
75A 本体部
76 ガス回流用部材
130 流路形成体
131 ガス回流用部材
146 ガス回流用部材
148 ガス回流用部材
149 多孔質体
150 流路形成体
151A 本体部
152 ガス導入孔
156 ガス回流用部材
160 流路形成体
162 ガス導入孔
210 ガス回流用部材
220 流路形成体
250 ガス回流用部材
260 流路形成体
270 ガス回流用部材
300 ユニット内集電体
301a 集電突起
a 流入経路
b 流出経路
k 空隙
s 間隙
u 空処
Claims (11)
- 固体電解質型セルを配設したセル板とセパレータとにより区画形成される空隙に流路形成体を収容したセルユニット内外に、二種類の反応用ガスを互いに分離して流通させることによる発電を行う燃料電池において、
上記流路形成体は、外部から圧送された一方の反応用ガスを空隙内に流入するための流入経路を配設した本体部に、
空隙内に流入した一方の反応用ガスを、上記固体電解質型セルに流接する流接面積が増加する流路となるように回流させるためのガス回流用部材を一体的に突設していることを特徴とする燃料電池。 - ガス回流用部材とセパレータとを密着させていることを特徴とする請求項1に記載の燃料電池。
- セル板とセパレータとにより区画形成される空隙にユニット内集電体が配設されており、そのユニット内集電体とガス回流用部材とを固着していることを特徴とする請求項1又は2に記載の燃料電池。
- ユニット内集電体は、通気性を有する複数の集電突起を金属基板に突出形成した集電ブロックを並設してなることを特徴とする請求項1〜3のいずれか1項に記載の燃料電池。
- ユニット内集電体が多孔質体で形成されており、そのユニット内集電体とガス回流用部材との当接部分を高密度に形成していることを特徴とする請求項1〜3のいずれか1項に記載の燃料電池。
- 流路形成体の本体部には、上記した流入経路とともに、空隙内を流通した一方の反応用ガスを外部に流出するための流出経路が配設されており、
複数のガス回流用部材は、本体部を中心として互いに所定の角度間隔で突設されており、それら各ガス回流用部材を挟む両側位置に、流入経路の終端部と流出経路の始端部とが交互に配設されていることを特徴とする請求項1〜5のいずれか1項に記載の燃料電池。 - ガス回流用部材を、固体電解質型セルとの接触面積が小さくなる断面形状にしていることを特徴とする請求項1〜6のいずれか1項に記載の燃料電池。
- ガス回流用部材内に流入経路の一部を形成していることを特徴とする請求項1〜7のいずれか1項に記載の燃料電池。
- 流入経路は、ガス回流用部材に沿う長さにした主孔と、この主孔の両側に一定間隔で形成された副孔とをガス回流用部材内に形成していることを特徴とする請求項8に記載の燃料電池。
- 流入経路内に多孔質体を配設していることを特徴とする請求項8又は9に記載の燃料電池。
- 多孔質体に触媒機能を有する材料を担持させていることを特徴とする請求項10に記載の燃料電池。
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