JP2011198704A - 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、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.
燃料電池スタックでは、例えば、各燃料ガス通路に燃料ガスを分配するために、積層方向に延在する燃料ガス供給連通孔が設けられた内部マニホールドを構成する場合がある。その際、複数の燃料電池が積層されるため、内部マニホールドのガスシール性を良好に確保する必要がある。一方、発電部分では、安定した発電性能を維持するために、前記発電部分とセパレータとの密着性を向上させる必要がある。 In the fuel cell stack, for example, in order to distribute the fuel gas to each fuel gas passage, an internal manifold provided with fuel gas supply communication holes extending in the stacking direction may be configured. At that time, since a plurality of fuel cells are stacked, it is necessary to ensure a good gas sealing property of the internal manifold. On the other hand, in the power generation part, in order to maintain stable power generation performance, it is necessary to improve the adhesion between the power generation part and the separator.
そこで、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では、図17に示すように、発電セル(図示せず)とセパレータ1aとが交互に積層されるとともに、この積層体の積層方向から加重することにより、各構成要素を圧接させている。
Therefore, for example, in the flat plate stacked fuel cell disclosed in
セパレータ1aは、マニホールド部分2aと発電セルが位置する部分3aとを繋ぐ連結部分4aに、荷重に対する可撓性を持たせている。マニホールド部分2aには、ガス孔5a、6aが設けられており、一方のガス孔5aは燃料ガス通路に、他方のガス孔6aは酸化剤ガス通路に、それぞれ連通している。
In the
また、特許文献2に開示されている燃料電池は、図18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2bを備えている。セパレータ2bは、発電セルが積層されるインターコネクト部3bと、このインターコネクト部3bから面方向に延設される一対のアーム部4bとを備えている。インターコネクト部3bから一対のアーム部4bには、燃料ガス通路5bと酸化剤ガス通路6bとが形成されている。
Further, the fuel cell disclosed in
アーム部4bの各マニホールド部分7bには、燃料ガス通路5bに連通する燃料ガス孔8bと、酸化剤ガス通路6bに連通する酸化剤ガス孔9bとが形成されている。アーム部4bには、積層方向に変位可能となる可撓性が付与されており、且つ前記アーム部4bの変形は、熱サイクル期間において、弾性範囲内に維持されている、としている。
Each
さらに、特許文献3に開示されている燃料電池は、図19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1cを備えている。セパレータ1cは、発電セルが配設されるインターコネクト部2cと、前記インターコネクト部2cから延設されて端部3cに燃料ガス孔4cが設けられるアーム部5cと、前記インターコネクト部2cから延設され端部3cに酸化剤ガス孔6cが形成されるアーム部5cとを備えている。各アーム部5cの延設部7cは、インターコネクト部2cの中心部に対して対称に配置されるとともに、端部3cは、前記延設部7cより周方向に90°ずれて位置し、インターコネクト部2cの中心部に対して対称に配置されている。
Furthermore, the fuel cell disclosed in
上記の特許文献1では、連結部分4bが、部分3aの周縁部に沿い且つこの周縁部に近接して延在している。このため、連結部分4bと発電部分の接続部には、応力が集中するとともに、前記発電部分に回転方向の応力が発生し易い。
In said
従って、この応力を緩和しようとすると、積層方向の荷重が減少し、集電性が低下するという問題がある。逆に、この応力を保持しようとすると、各マニホールドと発電部分が配置される部分3aとの間には、積層方向の荷重が互いに影響し合うおそれがある。しかも、発電性能及び耐久性が低下するという問題がある。
Therefore, if this stress is relieved, there is a problem that the load in the stacking direction is reduced and the current collecting property is lowered. Conversely, if this stress is to be maintained, loads in the stacking direction may influence each other between each manifold and the
また、上記の特許文献2では、アーム部4bがインターコネクト部3bの周縁部に沿って且つ前記周縁部に近接して設けられており、前記アーム部4bと発電部分の接続部に、応力が集中し易い。しかも、発電部分には、回転方向の応力が発生するという問題がある。
Further, in
これにより、応力を緩和しようとすると、集電性が低下する一方、この応力を保持しようとすると、マニホールド部8bとインターコネクト部3bとの積層方向の応力を遮断することができないという問題がある。その上、発電性能及び耐久性が低下するおそれがある。
As a result, when trying to relieve the stress, the current collecting performance is lowered. On the other hand, if this stress is maintained, there is a problem that the stress in the stacking direction of the
さらに、上記の特許文献3では、アーム部5cがインターコネクト部2cの周縁部に沿って且つ前記周縁部に近接して延在しており、前記アーム部5cと発電部分の接続部に、応力が集中するとともに、発電部分に回転方向の応力が発生するという問題がある。
Further, in
このため、能力を緩和しようとすると、集電性が低下する一方、この応力を保持しようとすると、マニホールド部である端部3cとインターコネクト部2cとの積層方向の荷重の遮断が遂行されないという問題がある。その上、発電性能及び耐久性が低下するという問題がある。
For this reason, when the ability is reduced, the current collecting performance is lowered. On the other hand, when this stress is maintained, the load in the stacking direction between the
本発明はこの種の問題を解決するものであり、簡単且つコンパクトな構成で、高温による熱応力及び変形を良好に緩和することができ、耐久性及び発電効率の向上を図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 has a simple and compact configuration, can satisfactorily relieve thermal stress and deformation due to high temperatures, and can improve durability and power generation efficiency. An object is to provide a battery.
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、アノード電極の電極面に沿って燃料ガスを供給する燃料ガス通路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酸化剤ガス通路が個別に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通路に又は前記酸化剤ガスを前記酸化剤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、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。 The separator sandwiches the electrolyte / electrode assembly, and includes a fuel gas passage for supplying fuel gas along the electrode surface of the anode electrode and an oxidant gas passage for supplying oxidant gas along the electrode surface of the cathode electrode. And a bridge portion connected to the sandwiching portion and formed with a reaction gas supply passage for supplying the fuel gas to the fuel gas passage or the oxidant gas to the oxidant gas passage. And a reaction gas supply unit that is connected to the bridge portion and that has a reaction gas supply communication hole formed in the stacking direction for supplying the fuel gas or the oxidant gas to the reaction gas supply passage.
そして、橋架部は、挟持部と反応ガス供給部との間で、セパレータの面方向に蛇行する蛇行形状に設定されている。蛇行形状とは、同一平面内で、仮想直線を跨いで一方側への往復と他方側への往復とを交互に行うもの、又は、一方側への往復のみを行うものを含むとともに、全体として波形状や鋸歯形状等の種々の形状を有するものをいう。 And the bridge part is set in the meandering shape which meanders in the surface direction of a separator between a clamping part and a reactive gas supply part. The meandering shape includes one that alternately performs reciprocation to one side and reciprocation to the other side across a virtual straight line in the same plane, or one that only reciprocates to one side, and as a whole What has various shapes, such as a wave shape and a sawtooth shape.
また、橋架部は、挟持部の中心と反応ガス供給部の中心とを結ぶ仮想直線に交差する方向に沿って往復する蛇行形状に設定されることが好ましい。このため、コンパクトな構成で、橋架部を長尺化させることができ、高温による熱変形及び変位を良好に緩和することが可能になる。 The bridge portion is preferably set in a meandering shape that reciprocates along a direction intersecting an imaginary straight line connecting the center of the sandwiching portion and the center of the reaction gas supply portion. For this reason, a bridge part can be lengthened with a compact structure, and it becomes possible to relieve | moderate the thermal deformation and displacement by high temperature favorably.
しかも、高温による橋架の熱変形及び変位を、挟持部の中心と反応ガス供給部の中心とを結ぶ仮想直線に交差する方向にも逃がすことができる。従って、電解質・電極接合体の割れ等を抑制して燃料電池の耐久性を向上させるとともに、前記電解質・電極接合体と挟持部との密着性を確保して発電効率の向上が容易に図られる。 In addition, the thermal deformation and displacement of the bridge due to the high temperature can be released in a direction intersecting with an imaginary straight line connecting the center of the sandwiching portion and the center of the reaction gas supply portion. Therefore, the crack of the electrolyte / electrode assembly is suppressed to improve the durability of the fuel cell, and the adhesion between the electrolyte / electrode assembly and the sandwiching portion is ensured to easily improve the power generation efficiency. .
さらに、橋架部は、挟持部の中心と反応ガス供給部の中心とを結ぶ仮想直線を跨いで、一方向への突出長さと他方向への突出長さとが異なる長さに設定されることが好ましい。これにより、コンパクトな構成で、橋架部を長尺化させることができ、高温による熱変形及び変位を良好に緩和することが可能になる。 Furthermore, the bridge portion may be set to have a length different from the protruding length in one direction and the protruding length in the other direction across a virtual straight line connecting the center of the sandwiching portion and the center of the reactive gas supply portion. preferable. Thereby, a bridge part can be lengthened by a compact structure, and it becomes possible to relieve | moderate the thermal deformation and displacement by high temperature favorably.
しかも、高温による橋架部の熱変形及び変位を、挟持部の中心と反応ガス供給部の中心とを結ぶ仮想直線に交差する方向にも逃がすことができる。このため、電解質・電極接合体の割れ等を抑制して燃料電池の耐久性を向上させるとともに、前記電解質・電極接合体と挟持部との密着性を確保して発電効率の向上が容易に図られる。 Moreover, thermal deformation and displacement of the bridge portion due to high temperature can be released in a direction intersecting with an imaginary straight line connecting the center of the sandwiching portion and the center of the reaction gas supply portion. For this reason, the crack of the electrolyte / electrode assembly is suppressed to improve the durability of the fuel cell, and the adhesion between the electrolyte / electrode assembly and the sandwiching portion is secured to easily improve the power generation efficiency. It is done.
その上、一方向への突出長さと他方向への突出長さとが異なる長さに設定されるため、突出長さの短い側には、他の構成要素を設定するためのスペースを確保することが可能になり、スペース効率の向上が図られる。 In addition, since the protruding length in one direction and the protruding length in the other direction are set to different lengths, a space for setting other components should be secured on the side where the protruding length is short. Thus, space efficiency can be improved.
さらにまた、橋架部は、挟持部に近づく程、蛇行形状の突出長さが小さく設定されることが好ましい。従って、コンパクトな構成で、橋架部を長尺化させることができ、高温による熱変形及び変位を良好に緩和することが可能になる。 Furthermore, it is preferable that the bridge portion is set to have a meander-shaped projecting length that is smaller as it approaches the clamping portion. Therefore, the bridge portion can be elongated with a compact configuration, and thermal deformation and displacement due to high temperatures can be favorably mitigated.
しかも、高温による橋架の熱変形及び変位を、挟持部の中心と反応ガス供給部の中心とを結ぶ仮想直線に交差する方向にも逃がすことができる。これにより、電解質・電極接合体の割れ等を抑制して燃料電池の耐久性を向上させるとともに、前記電解質・電極接合体と挟持部との密着性を確保して発電効率の向上が容易に図られる。 In addition, the thermal deformation and displacement of the bridge due to the high temperature can be released in a direction intersecting with an imaginary straight line connecting the center of the sandwiching portion and the center of the reaction gas supply portion. As a result, cracking of the electrolyte / electrode assembly is suppressed to improve the durability of the fuel cell, and adhesion between the electrolyte / electrode assembly and the sandwiching portion is secured to easily improve power generation efficiency. It is done.
その上、特に挟持部の近傍には、他の構成要素を設定するためのスペースを確保することが可能になり、スペース効率の向上が容易に図られる。 In addition, it is possible to secure a space for setting other components, particularly in the vicinity of the clamping portion, and space efficiency can be easily improved.
また、橋架部は、挟持部の中心と反応ガス供給部の中心とを結ぶ仮想直線を跨いで、一方向への突出長さと他方向への突出長さとが同一の長さに設定されることが好ましい。これにより、コンパクトな構成で、橋架部を長尺化させることができ、高温による熱変形及び変位を良好に緩和することが可能になる。 In addition, the bridge should span the imaginary straight line connecting the center of the clamping part and the center of the reactive gas supply part, and the protruding length in one direction and the protruding length in the other direction should be set to the same length. Is preferred. Thereby, a bridge part can be lengthened by a compact structure, and it becomes possible to relieve | moderate the thermal deformation and displacement by high temperature favorably.
しかも、高温による橋架の熱変形及び変位を、挟持部の中心と反応ガス供給部の中心とを結ぶ仮想直線に交差する方向にも逃がすことができる。このため、電解質・電極接合体の割れ等を抑制して燃料電池の耐久性を向上させるとともに、前記電解質・電極接合体と挟持部との密着性を確保して発電効率の向上が容易に図られる。 In addition, the thermal deformation and displacement of the bridge due to the high temperature can be released in a direction intersecting with an imaginary straight line connecting the center of the sandwiching portion and the center of the reaction gas supply portion. For this reason, the crack of the electrolyte / electrode assembly is suppressed to improve the durability of the fuel cell, and the adhesion between the electrolyte / electrode assembly and the sandwiching portion is secured to easily improve the power generation efficiency. It is done.
その上、一方向への突出長さと他方向への突出長さとが同一の長さに設定されるため、挟持部、橋架部及び反応ガス供給部間の熱応力及び変位が一層良好に緩和可能になる。 In addition, since the protruding length in one direction and the protruding length in the other direction are set to the same length, thermal stress and displacement between the clamping part, the bridge part, and the reactive gas supply part can be alleviated better. become.
さらに、この燃料電池は、橋架部と挟持部との間には、酸化剤ガス通路に供給される酸化剤ガスを、積層方向に流通させる酸化剤ガス供給連通孔が形成されることが好ましい。このため、コンパクトな構成で、酸化剤ガス供給連通孔としてのスペースを確保することが可能になり、スペース効率の向上が容易に図られる。 Further, in this fuel cell, it is preferable that an oxidant gas supply communication hole for allowing the oxidant gas supplied to the oxidant gas passage to flow in the stacking direction is formed between the bridge portion and the sandwiching portion. For this reason, it is possible to secure a space as the oxidant gas supply communication hole with a compact configuration, and the space efficiency can be easily improved.
さらにまた、この燃料電池は、橋架部と挟持部との間には、反応に使用された燃料ガス及び酸化剤ガスを、排ガスとして積層方向に排出する排ガス排出連通孔が形成されることが好ましい。従って、コンパクトな構成で、排ガス排出連通孔としてのスペースを確保することができ、スペース効率の向上が容易に図られる。 Furthermore, in this fuel cell, it is preferable that an exhaust gas discharge communication hole for discharging the fuel gas and the oxidant gas used in the reaction as exhaust gas in the stacking direction is formed between the bridge portion and the sandwiching portion. . Therefore, a space as an exhaust gas discharge communication hole can be secured with a compact configuration, and space efficiency can be easily improved.
また、セパレータは、単一の反応ガス供給部に複数の橋架部が設けられるとともに、各橋架部には、それぞれ挟持部が設けられ、各挟持部は、各電解質・電極接合体に対応する形状に設定され、且つ、互いに分離して構成されることが好ましい。従って、挟持部は、電解質・電極接合体に対応する形状を有し、前記電解質・電極接合体で発電された電力を効率的に集電することができる。 In addition, the separator is provided with a plurality of bridge portions in a single reaction gas supply portion, and each bridge portion is provided with a sandwich portion, and each sandwich portion has a shape corresponding to each electrolyte / electrode assembly. It is preferable to be configured to be separated from each other. Therefore, the sandwiching portion has a shape corresponding to the electrolyte / electrode assembly, and can efficiently collect the electric power generated by the electrolyte / electrode assembly.
しかも、各挟持部は、互いに分離しており、電解質・電極接合体やセパレータの寸法誤差によって各電解質・電極接合体に発生する異なる荷重を吸収することが可能になる。これにより、セパレータ全体に歪みが惹起されることを阻止し、各電解質・電極接合体に対して均等な荷重を付与することができる。 In addition, the holding portions are separated from each other, and can absorb different loads generated in the electrolyte / electrode assemblies due to dimensional errors of the electrolyte / electrode assemblies and the separators. Thereby, it is possible to prevent the entire separator from being distorted and to apply an equal load to each electrolyte / electrode assembly.
その上、各電解質・電極接合体の熱歪み等が隣接する他の電解質・電極接合体に伝達されることがなく、前記電解質・電極接合体間には、個別の寸法吸収機構を設ける必要がない。このため、各電解質・電極接合体同士を近接して配置することが可能になり、燃料電池全体の小型化が容易に図られる。 In addition, the thermal strain of each electrolyte / electrode assembly is not transmitted to other adjacent electrolyte / electrode assemblies, and it is necessary to provide a separate dimension absorption mechanism between the electrolyte / electrode assemblies. Absent. For this reason, it becomes possible to arrange | position each electrolyte and electrode assembly closely, and size reduction of the whole fuel cell is achieved easily.
さらに、橋架部は、挟持部の中心と反応ガス供給部の中心とを結ぶ仮想直線に交差する前記挟持部の幅寸法内で蛇行することが好ましい。従って、コンパクトな構成で、橋架部を長尺化させることができ、高温による熱変形及び変位を良好に緩和することが可能になる。 Furthermore, it is preferable that the bridge portion meanders within the width dimension of the sandwiching portion that intersects an imaginary straight line connecting the center of the sandwiching portion and the center of the reaction gas supply portion. Therefore, the bridge portion can be elongated with a compact configuration, and thermal deformation and displacement due to high temperatures can be favorably mitigated.
しかも、高温による橋架の熱変形及び変位を、挟持部の中心と反応ガス供給部の中心とを結ぶ仮想直線に交差する方向にも逃がすことができる。これにより、電解質・電極接合体の割れ等を抑制して燃料電池の耐久性を向上させるとともに、前記電解質・電極接合体と挟持部との密着性を確保して発電効率の向上が容易に図られる。 In addition, the thermal deformation and displacement of the bridge due to the high temperature can be released in a direction intersecting with an imaginary straight line connecting the center of the sandwiching portion and the center of the reaction gas supply portion. As a result, cracking of the electrolyte / electrode assembly is suppressed to improve the durability of the fuel cell, and adhesion between the electrolyte / electrode assembly and the sandwiching portion is secured to easily improve power generation efficiency. It is done.
その上、橋架部は、挟持部の幅寸法内で蛇行するため、前記橋架部が前記挟持部の外方に突出することがない。このため、燃料電池全体の寸法は、挟持部の幅寸法と同一になり、前記燃料電池を一層コンパクト化することが可能になる。 In addition, since the bridge portion meanders within the width dimension of the sandwiching portion, the bridge portion does not protrude outward from the sandwiching portion. For this reason, the dimension of the whole fuel cell becomes the same as the width dimension of a clamping part, and it becomes possible to make the said fuel cell further compact.
さらにまた、燃料電池は、固体酸化物形燃料電池であることが好ましい。従って、固体酸化物形燃料電池のような高温型燃料電池に適用することにより、簡単な構成で、コンパクト性を維持するとともに、特に高温による熱変形及び変位を良好に緩和することができる。 Furthermore, the fuel cell is preferably a solid oxide fuel cell. Therefore, by applying it to a high temperature fuel cell such as a solid oxide fuel cell, it is possible to maintain compactness with a simple configuration and to particularly favorably reduce thermal deformation and displacement due to high temperatures.
本発明によれば、反応ガス供給部と電解質・電極接合体を挟持する挟持部とは、橋架部を介して積層方向の締め付け荷重を遮断することが可能になり、前記電解質・電極接合体に所望の荷重を付与することができる。従って、簡単且つコンパクトな構成で、シール性が要求される部位には、比較的大きな荷重を選択的に付与する一方、電解質・電極接合体には、挟持部との密着性を高める程度の比較的小さな荷重を付与することが可能になる。これにより、反応ガス供給部に所望のシール性を確保するとともに、電解質・電極接合体の損傷を可及的に阻止し、効率的な発電及び集電が遂行される。 According to the present invention, the reaction gas supply unit and the sandwiching unit that sandwiches the electrolyte / electrode assembly can block the tightening load in the stacking direction via the bridge portion. A desired load can be applied. Therefore, a comparatively high degree of adhesion is required for the electrolyte / electrode assembly while a relatively large load is selectively applied to a portion requiring a sealing property with a simple and compact structure. A small load can be applied. As a result, a desired sealing property is ensured in the reaction gas supply unit, and damage to the electrolyte / electrode assembly is prevented as much as possible, so that efficient power generation and current collection are performed.
さらに、橋架部は、挟持部と反応ガス供給部との間で、セパレータの面方向に蛇行する蛇行形状に設定されている。このため、コンパクトな構成で、橋架部を長尺化させることができ、高温による熱変形及び変位を良好に緩和することが可能になる。 Furthermore, the bridge portion is set in a meandering shape that meanders in the surface direction of the separator between the sandwiching portion and the reactive gas supply portion. For this reason, a bridge part can be lengthened with a compact structure, and it becomes possible to relieve | moderate the thermal deformation and displacement by high temperature favorably.
しかも、高温による橋架部の熱変形及び変位を、挟持部の中心と反応ガス供給部の中心とを結ぶ仮想直線に交差する方向にも逃がすことができる。従って、電解質・電極接合体の割れ等を抑制して燃料電池の耐久性を向上させるとともに、前記電解質・電極接合体と挟持部との密着性を確保して発電効率の向上が容易に図られる。 Moreover, thermal deformation and displacement of the bridge portion due to high temperature can be released in a direction intersecting with an imaginary straight line connecting the center of the sandwiching portion and the center of the reaction gas supply portion. Therefore, the crack of the electrolyte / electrode assembly is suppressed to improve the durability of the fuel cell, and the adhesion between the electrolyte / electrode assembly and the sandwiching portion is ensured to easily improve the power generation efficiency. .
図1及び図2に示すように、本発明の第1の実施形態に係る燃料電池10は、固体酸化物形燃料電池であり、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)12の両面に、カソード電極14及びアノード電極16が設けられた電解質・電極接合体(MEA)18を備える。
As shown in FIGS. 1 and 2, the
電解質・電極接合体18は、例えば、矩形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。電解質・電極接合体18は、正方形に設定してもよく、又は後述する橋架部の延長線と平行する周縁長が、前記延長線と直交する周縁長よりも大きく設定してもよい。
The electrolyte /
燃料電池10は、一組のセパレータ20間に2枚の電解質・電極接合体18を挟んで構成される。セパレータ20は、第1プレート22及び第2プレート24を備え、前記第1プレート22及び前記第2プレート24は、例えば、ステンレス合金等の板金で構成され、ろう付け、拡散接合やレーザ溶接等により互いに接合される。
The
セパレータ20は、図1〜図3に示すように、中央部に燃料ガス供給連通孔26が形成される燃料ガス供給部28を有する。この燃料ガス供給部28には、それぞれ互いに逆方向に延在して橋架部30A、30Bが一体に設けられるとともに、各橋架部30A、30Bには、矩形状を有する挟持部32A、32Bが一体に設けられる。挟持部32A、32Bは、電解質・電極接合体18と略同一寸法に設定される。
As shown in FIGS. 1 to 3, the
挟持部32A、32Bの各カソード電極14に接する面には、前記カソード電極14の電極面に沿って酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス通路34A、34Bが形成される。挟持部32A、32Bの各アノード電極16の接する面には、前記アノード電極16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36A、36Bが形成される(図4及び図5参照)。
橋架部30A、30Bは、図3に示すように、挟持部32A、32Bと燃料ガス供給部28との間でセパレータ20の面方向に蛇行する蛇行形状に設定される。具体的には、橋架部30A、30Bは、挟持部32A、32Bの中心と燃料ガス供給部28の中心とを結ぶ仮想直線Oに直交する方向(矢印C方向)に沿って往復する蛇行形状に設定される。
As shown in FIG. 3, the
第1の実施形態では、橋架部30A、30Bは、仮想直線Oを跨いで、一方向(矢印C1方向)への突出長さL1と他方向(矢印C2方向)への突出長さL2とが異なる長さに、すなわち、前記突出長さL1は、前記突出長さL2よりも小さく設定される。突出長さL1に設定される部分30aは、挟持部32A、32Bに近接する一方、突出長さL2を有する部分30bは、燃料ガス供給部28に近接する。
In 1st Embodiment, bridge | bridging
橋架部30A、30Bは、各部分30a及び30bが矢印C方向に対して挟持部32A、32Bの矢印C方向の幅寸法内に設定される。橋架部30A、30Bには、燃料ガス供給連通孔26から各燃料ガス通路36A、36Bに燃料ガスを供給するための燃料ガス供給通路38A、38Bが蛇行形状を有して形成される。
In the
図1に示すように、第1プレート22は、中央部に燃料ガス供給連通孔26が形成される第1円板部40と、前記第1円板部40に一体に設けられる一対の第1蛇行長板部42A、42Bと、各第1蛇行長板部42A、42Bに一体に設けられる第1矩形状部44A、44Bとを設ける。第1矩形状部44A、44Bには、第1プレート22のカソード電極14に向かう面側に、酸化剤ガス通路34A、34Bを形成するための複数の突起部46A、46Bが形成される。
As shown in FIG. 1, the
第2プレート24は、中央部に燃料ガス供給連通孔26が形成される第2円板部48と、前記第2円板部48に一体に設けられる一対の第2蛇行長板部50A、50Bと、各第2蛇行長板部50A、50Bに一体に設けられる第2矩形状部52A、52Bとを備える。
The
第2プレート24の第1プレート22に接合される面側において、第2円板部48に円環状に配列される複数の凸部54間にスリット56が形成され、このスリット56は周溝58を介して各燃料ガス供給通路38A、38Bの一端側に連通する。燃料ガス供給通路38A、38Bは、各第2蛇行長板部50A、50Bから各第2矩形状部52A、52Bの途上で延在して終端する。
On the surface side of the
第2矩形状部52A、52Bには、燃料ガス供給通路38A、38Bの周端部近傍に位置して燃料ガス供給孔60A、60Bが形成される。燃料ガス供給孔60A、60Bは、後述する酸化剤ガスの流れ方向(矢印B1方向及び矢印B2方向)上方側に近接し、すなわち、第2蛇行長板部50A、50B側に近接した位置に設定される。
Fuel
図4に示すように、第2プレート24のアノード電極16に接触する面には、燃料ガス通路36A、36Bを形成するための複数の突起部62A、62Bが形成される。第2矩形状部52A、52Bには、燃料ガス通路36A、36Bを周回し、アノード電極16の外周縁部に接触する外縁周回用凸部65A、65Bが形成される。
As shown in FIG. 4, a plurality of
第2矩形状部52A、52Bには、燃料ガス通路36A、36Bを通って使用された燃料ガスを排出する燃料ガス排出孔64A、64Bに連通する貫通孔66A、66Bが形成される。貫通孔66A、66Bは、第2蛇行長板部50A、50B(橋架部30A、30B)の延長線と交差する方向に複数配列される。各貫通孔66A、66Bに連通する各燃料ガス排出孔64A、64Bは、挟持部32A、32Bの一辺32aに橋架部30A、30Bの延長線と直交する方向(矢印C方向)に配列される(図1参照)。
Through
図4に示すように、第2矩形状部52A、52Bには、アノード電極16に接触するとともに、燃料ガス供給孔60A、60Bと貫通孔66A、66B(燃料ガス排出孔64A、64B)との間に且つ前記燃料ガス供給孔60A、60B側にV字状に折曲し、燃料ガスが前記燃料ガス供給孔60A、60Bから前記貫通孔66A、66Bに直線状に流れることを阻止するための迂回路形成用壁部68A、68Bが設けられる。
As shown in FIG. 4, the second
迂回路形成用壁部68A、68Bは、V字状の内部領域Sに燃料ガス供給孔60A、60Bが配設される。迂回路形成用壁部68A、68Bは、壁面68a、68bの延長線が挟持部32A、32Bの両頂部に向かうように設定される。
The
図1及び図2に示すように、橋架部30A、30Bの両側には、酸化剤ガスを矢印A方向に流通させるための酸化剤ガス供給連通孔70が設けられる。酸化剤ガス供給連通孔70は、鉛直方向に酸化剤ガスを流通させるとともに、各燃料電池10を構成する酸化剤ガス通路34A、34Bに沿って前記酸化剤ガスを矢印B1方向及び矢印B2方向に供給する。
As shown in FIGS. 1 and 2, an oxidant gas
電解質・電極接合体18を挟んで配設される一対のセパレータ20間には、各燃料ガス供給部28間に燃料ガス供給連通孔26をシールするための絶縁シール72が設けられる。絶縁シール72は、例えば、マイカ材やセラミック材等の地殻成分系素材、ガラス系素材、粘土とプラスチックの複合素材で形成される。
An insulating
燃料電池10は、挟持部32A、32Bの外方に位置して、排ガス排出連通孔74が形成される。この排ガス排出連通孔74は、電解質・電極接合体18に供給されて反応に使用された燃料ガス及び酸化剤ガスを、排ガスとして積層方向に排出する。
The
図6及び図7に示すように、燃料電池スタック80は、複数の燃料電池10が鉛直方向に積層された積層体82を備える。積層体82は、第1締め付け荷重付与機構84及び第2締め付け荷重付与機構86A、86Bを介して筺体88内に収容される。
As shown in FIGS. 6 and 7, the
筺体88は、平板状の基台90を備え、この基台90には、ケーシング部材92が配置される。ケーシング部材92のフランジ部94と基台90の外周縁部とには、複数のボルト96が締め付けられることにより、前記ケーシング部材92が前記基台90に固定される。基台90には、燃料電池10の燃料ガス供給連通孔26に連通する1つの燃料ガス用孔部97、酸化剤ガス供給連通孔70に連通する2つの空気用孔部98a、98bと、排ガス排出連通孔74に連通する1つの排ガス用孔部100とが形成される。
The
ケーシング部材92内には、積層体82(燃料電池10)の両方の外縁部に沿って且つ橋架部30A、30Bの延長線に平行に側部断熱部材102a、102bが配置されるとともに、前記燃料電池10の先端側には、先端部断熱部材104が配置される。側部断熱部材102a、102b及び先端部断熱部材104は、それぞれ矩形平板状を有する。
In the
第1締め付け荷重付与機構84は、燃料ガス供給連通孔26における燃料ガスのシール性を確保するために、燃料ガス供給部28に配置される押圧部材106を備える。押圧部材106は、燃料ガス供給連通孔26を覆う円板部108の両側から板状部110が突出形成される。各板状部110には、それぞれボルト112が挿入され、前記ボルト112が基台90に形成されているねじ穴に螺合される。
The first tightening
第2締め付け荷重付与機構86A、86Bは、各挟持部32A、32Bに電解質・電極接合体18との積層位置に対応して配置される上端部断熱部材116を備える。上端部断熱部材116の四隅近傍には、段付孔部118が形成され、各段付孔部118に挿入されるボルト120は、基台90に形成されるねじ穴に螺合される。
The second tightening
上端部断熱部材116は、側部断熱部材102a、102b及び先端部断熱部材104により形成される空間内に、矢印A方向に移動自在に配置される。第1締め付け荷重付与機構84により付与される第1荷重は、第2締め付け荷重付与機構86A、86Bにより付与される第2荷重よりも大きい。
The upper end
側部断熱部材102a、102bの内面と、各燃料電池10の挟持部32A、32Bの両側面との間は、常温時には所定の隙間を形成し、且つ運転による高温時には、前記内面と前記両側面とが接触するように設定される。先端部断熱部材104と各燃料電池10の挟持部32A、32Bの先端部との間には、排ガス排出連通孔74を構成する空間部が形成され、この排ガス排出連通孔74が排ガス用孔部100に連通する。
A predetermined gap is formed at the normal temperature between the inner surfaces of the side
このように構成される燃料電池10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、燃料電池10の燃料ガス供給連通孔26には、例えば、都市ガス(CH4、C2H6、C3H8、C4H10を含む)等の原燃料が水蒸気改質された改質ガスが、燃料ガスとして供給される。一方、燃料電池10の酸化剤ガス供給連通孔70には、空気が酸化剤ガスとして供給される。
As shown in FIG. 1, raw fuel such as city gas (including CH 4 , C 2 H 6 , C 3 H 8 , and C 4 H 10 ) is supplied to the fuel gas
図1及び図2に示すように、燃料ガス供給連通孔26に供給された燃料ガスは、各燃料電池10を構成するセパレータ20において、スリット56から周溝58を通って、各橋架部30A、30Bに形成されている各燃料ガス供給通路38A、38Bに導入される。燃料ガスは、燃料ガス供給通路38A、38Bから燃料ガス供給孔60A、60Bを通って、燃料ガス通路36A、36Bに導入される。
As shown in FIG. 1 and FIG. 2, the fuel gas supplied to the fuel gas
図4に示すように、燃料ガス供給孔60A、60Bは、橋架部30A、30B側に近接して設けられるとともに、迂回路形成用壁部68A、68Bの内部領域Sに配置されている。このため、燃料ガス供給孔60A、60Bから燃料ガス通路36A、36Bに導入された燃料ガスは、迂回路形成用壁部68A、68Bの案内作用下に前記燃料ガス通路36A、36Bを通って、各電解質・電極接合体18のアノード電極16に供給される。使用済みの燃料ガスは、複数の貫通孔66A、66Bから各燃料ガス排出孔64A、64Bを通って排ガス排出連通孔74に排出される。
As shown in FIG. 4, the fuel
一方、酸化剤ガス供給連通孔70に供給された空気は、図2に示すように、各電解質・電極接合体18のカソード電極14とセパレータ20との間に形成されている酸化剤ガス通路34A、34Bに導入される。酸化剤ガス通路34A、34Bでは、酸化剤ガスは矢印B1、B2方向に移動しながら、電解質・電極接合体18のカソード電極14に供給された後、排ガス排出連通孔74に排出される。
On the other hand, as shown in FIG. 2, the air supplied to the oxidant gas
従って、各電解質・電極接合体18では、アノード電極16に燃料ガスが供給される一方、カソード電極14に空気が供給される。これにより、酸化物イオンは、電解質12を通ってアノード電極16に移動し、化学反応により発電が行われる。
Therefore, in each electrolyte /
この場合、第1の実施形態では、燃料ガス供給部28と、電解質・電極接合体18を挟持する挟持部32A、32Bとは、蛇行長板状の橋架部30A、30Bを介して積層方向の締め付け荷重が遮断されている。このため、電解質・電極接合体18に所望の荷重を付与することが可能になる。
In this case, in the first embodiment, the fuel
従って、簡単且つコンパクトな構成で、シール性が要求される燃料ガス供給部28には、比較的大きな荷重を付与する一方、電解質・電極接合体18には、挟持部32A、32Bとの密着性を高める程度の比較的小さな荷重を付与することができる。これにより、燃料ガス供給部28に所望のシール性を確保するとともに、電解質・電極接合体18の損傷を可及的に阻止し、効率的な発電及び集電が遂行される。
Accordingly, a relatively large load is applied to the fuel
さらに、橋架部30A、30Bは、挟持部32A、32Bと燃料ガス供給連通孔26との間で、セパレータ20の面方向に蛇行する蛇行形状に設定されている。このため、燃料電池10は、コンパクトな構成で、橋架部30A、30Bを長尺化させることができ、高温による熱変形や変位を良好に緩和することが可能になる。
Further, the
しかも、高温による橋架部30A、30Bの熱変形及び変位を挟持部32A、32Bの中心と燃料ガス供給部28の中心とを結ぶ仮想直線Oに交差する方向にも逃がすことができる。従って、電解質・電極接合体18の割れ等を抑制して、燃料電池10の耐久性を向上させるとともに、前記電解質・電極接合体18と挟持部32A、32Bとの密着性を確保して、発電効率の向上が容易に図られるという効果が得られる。
Moreover, thermal deformation and displacement of the
さらに、橋架部30A、30Bは、仮想直線Oに直交する方向に沿って往復する蛇行形状に設定されている。具体的には、橋架部30A、30Bは、仮想直線Oを跨いで一方向(矢印C1方向)の突出長さL1と、他方向(矢印C2方向)への突出長さL2とが異なり、前記突出長さL1は、前記突出長さL2よりも短く(小さく)設定されている。この短尺側の突出長さL1に設定される部分30aは、挟持部32A、32Bに近接する側に設けられている。
Furthermore, the
これにより、第1の実施形態では、酸化剤ガス供給連通孔70を構成するスペースを良好に確保することが可能になる。このため、酸化剤ガス通路34A、34Bに酸化剤ガス供給連通孔70から酸化剤ガスを円滑且つ確実に供給することができ、良好な発電効率を維持するとともに、スペース効率の向上が容易に図られる。
Thereby, in 1st Embodiment, it becomes possible to ensure the space which comprises the oxidizing agent gas
また、セパレータ20は、単一の燃料ガス供給部28に複数、例えば、2つの橋架部30A、30Bが設けられるとともに、各橋架部30A、30Bには、それぞれ挟持部32A、32Bが設けられている。そして、挟持部32A、32Bは、各電解質・電極接合体18に対応する形状に設定されるとともに、互いに分離して構成されている。
The
従って、挟持部32A、32Bは、電解質・電極接合体18で発生された電力を効率的に集電することができる。しかも、各挟持部32A、32Bは、電解質・電極接合体18や、セパレータ20の寸法誤差によって各電解質・電極接合体18に発生する異なる荷重を吸収することが可能になる。これにより、セパレータ20全体に歪みが惹起されることを阻止し、各電解質・電極接合体18に対して均等な荷重を付与することができる。
Accordingly, the sandwiching
その上、各電解質・電極接合体18の熱歪等は、隣接する他の電解質・電極接合体18に伝達されることがなく、前記電解質・電極接合体18間には、個別の寸法吸収機構を設ける必要がない。このため、各電解質・電極接合体18同士を近接して配置することが可能になり、燃料電池10全体の小型化が容易に図られる。
In addition, the thermal strain or the like of each electrolyte /
さらに、橋架部30A、30Bは、挟持部32A、32Bの幅寸法(矢印C方向の寸法)内で蛇行している。従って、コンパクトな構成で、橋架部30A、30Bを長尺化させることができ、高温による熱変形及び変位を良好に緩和することが可能になる。しかも、橋架部30A、30Bは、挟持部32A、32Bの幅方向外方に突出することがない。このため、燃料電池10全体の寸法は、挟持部32A、32Bの幅寸法と略同一になり、前記燃料電池10を一層コンパクト化することが可能になる。
Furthermore, the
さらにまた、燃料電池10は、固体酸化物型燃料電池である。従って、特に高温型燃料電池に適用することにより、簡単な構成で、コンパクト性を維持するとともに、特に高温による熱変形及び変位を良好に緩和することができる。
Furthermore, the
図8は、本発明の第2の実施形態に係る燃料電池130の分解斜視説明図である。
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の実施形態以降においても同様に、その詳細な説明は省略する。
The same components as those of the
燃料電池130は、2枚の電解質・電極接合体18を挟持する一組のセパレータ132を備える。セパレータ132は、燃料ガス供給部28に、それぞれ逆方向に延在して橋架部134A、134Bが一体に設けられるとともに、各橋架部134A、134Bには、矩形状の挟持部136A、136Bが一体に設けられる。
The
橋架部134Aは、挟持部136Aと燃料ガス供給部28との間で、セパレータ132の面方向に対して仮想直線Oから矢印C2方向にのみ往復する蛇行形状に設定される。橋架部134Bは、同様に、挟持部136Bと燃料ガス供給部28との間で、セパレータ132の面方向に対して仮想直線Oから矢印C1方向にのみ往復する蛇行形状に設定される。なお、橋架部134A、134Bに代えて、橋架部30A、30Bを用いてもよい。
The
セパレータ132は、第1プレート138及び第2プレート140を備える。第2プレート140では、燃料ガス供給孔60A、60Bが第2矩形状部52A、52Bの先端側に形成されるとともに、燃料ガス排出孔64が前記第2矩形状部52A、52Bの内側端部、すなわち、第2蛇行長板部50A、50B側の辺に複数設けられる。図9に示すように、迂回路形成用壁部68A、68Bは、燃料ガス供給孔60A、60B側にV字状に折曲して設けられる。
The
図8に示すように、挟持部136A、136Bの先端側には、酸化剤ガス供給連通孔70が設けられ、酸化剤ガスは、前記酸化剤ガス供給連通孔70から酸化剤ガス通路34A、34Bに沿って、それぞれ矢印D1方向及び矢印D2方向に供給される。橋架部134A、134Bの近傍には、排ガス排出連通孔74が形成される。
As shown in FIG. 8, an oxidant gas
このように構成される第2の実施形態では、酸化剤ガスの流れ方向が、挟持部136A、136Bの外方から燃料ガス供給部28側に向う方向に設定されており、第1の実施形態とは、逆方向に設定されている。従って、第2の実施形態では、上記の第1の実施形態と同様の効果が得られる他、橋架部134A、134Bが、それぞれ一方向にのみ往復する蛇行形状を有するため、排ガス排出連通孔74として十分なスペースを確保することができ、スペース効率の向上が容易に図られる。
In the second embodiment configured as described above, the flow direction of the oxidant gas is set to the direction from the outside of the sandwiching
なお、第2の実施形態に用いられた橋架部134A、134Bは、第1の実施形態にも橋架部30A、30Bに代えて使用することができる。
The
図10は、本発明の第3の実施形態に係る燃料電池150の概略分解斜視説明図である。
FIG. 10 is a schematic exploded perspective view of a
燃料電池150は、図10及び図11に示すように、同一平面上に2枚の電解質・電極接合体18を挟持する一対のセパレータ152を備える。セパレータ152は、燃料ガス供給連通孔26及び酸化剤ガス供給連通孔70が形成される反応ガス供給部154を設ける。反応ガス供給部154には、それぞれ互いに逆方向に延在して橋架部156A、156Bが一体に設けられるとともに、各橋架部156A、156Bには、矩形状を有する挟持部158A、158Bが一体に設けられる。
As shown in FIGS. 10 and 11, the
橋架部156A、156Bは、仮想直線Oに交差する方向に沿って往復する蛇行形状に設定されるとともに、この仮想直線Oを跨いで、それぞれ矢印C1方向への突出長さと矢印C2方向への突出長さとが、同一の長さに設定される。橋架部156A、156Bは、挟持部158A、158Bの幅寸法(矢印C方向の寸法)内で蛇行する。
The
セパレータ152は、第1プレート160と第2プレート162とを備える。第1プレート160は、それぞれ半円形状の開口形状を有する燃料ガス供給連通孔26及び酸化剤ガス供給連通孔70が形成される第1円板部164を備える。第1円板部164から互いに逆方向に第1蛇行長板部166A、166Bが一体に延在するとともに、前記第1蛇行長板部166A、166Bには、第1矩形状部168A、168Bが一体に設けられる。
The
第1矩形状部168A、168Bには、複数の突起部46A、46Bを介して酸化剤ガス通路34A、34Bが形成されるとともに、酸化剤ガス供給孔170A、170Bが第1円板部164側に近接して形成される。第1矩形状部168A、168Bの先端側には、それぞれ複数の酸化剤ガス排出孔172A、172Bが排ガス排出連通孔74に連通して形成される。
In the first
第1矩形状部168A、168Bには、酸化剤ガス供給孔170A、170Bに近接して前記酸化剤ガス供給孔170A、170B側にV字状に折曲する迂回路形成用壁部174A、174Bが設けられる。第1矩形状部168A、168Bには、酸化剤ガス通路34A、34Bを周回し、カソード電極14の外周縁部に接触する外縁周回用凸部176A、176Bが形成される。
The first
第2プレート162は、第2円板部178を有し、この第2円板部178には、燃料ガス供給連通孔26に連通する周溝180と、酸化剤ガス供給連通孔70に連通する周溝181とが形成される。第2円板部178から互いに逆方向に延在して第2蛇行長板部182A、182Bが一体に設けられる。
The
第2蛇行長板部182A、182Bには、第2矩形状部184A、184Bが一体に設けられる。第2蛇行長板部182A、182Bには、燃料ガス供給通路38A、38Bと、酸化剤ガス供給通路186A、186Bとが、互いに平行に設けられる。燃料ガス供給通路38A、38Bの先端縁部には、燃料ガス供給孔60A、60Bが連通する。
Second
図12に示すように、第2矩形状部184A、184Bには、複数の突起部62A、62Bを介して燃料ガス通路36A、36Bが形成される。外縁周回用凸部65A、65Bには、それぞれ複数の燃料ガス排出孔64A、64Bが形成される。燃料ガス排出孔64A、64Bと燃料ガス供給孔60A、60Bとの間には、迂回路形成用壁部68A、68Bが設けられる。
As shown in FIG. 12,
図10に示すように、各セパレータ152間には、反応ガス供給部154に挟持されて絶縁リング72aが介装される。この絶縁リング72aは、燃料ガス供給連通孔26及び酸化剤ガス供給連通孔70をそれぞれ々シールする機能を有する。
As illustrated in FIG. 10, an insulating
このように構成される燃料電池150の動作について説明すると、各セパレータ152を構成する反応ガス供給部154には、燃料ガス供給連通孔26及び酸化剤ガス供給連通孔70に沿って燃料ガス及び酸化剤ガスが積層方向に流通する。
The operation of the
燃料ガスは、各橋架部156A、156B内に形成されている燃料ガス供給通路38A、38Bを通って、燃料ガス供給孔60A、60Bから燃料ガス通路36A、36Bに導入される。燃料ガスは、図12に示すように、各迂回路形成用壁部68A、68Bの案内作用下に、燃料ガス通路36A、36Bに沿って均一に流通し、各アノード電極16に供給される。使用済みの燃料ガスは、燃料ガス排出孔64A、64Bから排ガス排出連通孔74に排出される。
The fuel gas is introduced into the
一方、酸化剤ガスは、橋架部156A、156B内に形成されている酸化剤ガス供給通路186A、186Bを通って、酸化剤ガス供給孔170A、170Bから酸化剤ガス通路34A、34Bに導入される。
On the other hand, the oxidant gas is introduced into the
この酸化剤ガスは、図10に示すように、迂回路形成用壁部174A、174Bの案内作用下に、酸化剤ガス通路34A、34Bに沿って均一に流通し、カソード電極14に供給される。使用済みの酸化剤ガスは、酸化剤ガス排出孔172A、172Bから排ガス排出連通孔74に排出される。
As shown in FIG. 10, the oxidant gas uniformly flows along the
この第3の実施形態では、橋架部156A、156Bが、仮想直線Oに交差する方向に沿って往復する蛇行形状に設定されるとともに、この仮想直線Oを跨いで、それぞれ矢印C1方向への突出長さと矢印C2方向への突出長さとが、同一の長さに設定されている。
In the third embodiment, the
このため、橋架部156A、156Bは、コンパクト化を図りながら、一層の長尺化が図られる。しかも、挟持部158A、158B、橋架部156A、156B及び反応ガス供給部154間の熱応力及び変位は、一層良好に緩和可能になるという効果が得られる。
For this reason, the
図13は、本発明の第4の実施形態に係る燃料電池190の斜視説明図である。
FIG. 13 is a perspective explanatory view of a
燃料電池190は、セパレータ192を備え、このセパレータ192は、燃料ガス供給連通孔26及び酸化剤ガス供給連通孔70が形成される反応ガス供給部194を設ける。反応ガス供給部194には、橋架部196A、196Bが一体に設けられるとともに、各橋架部196A、196Bには、矩形状を有する挟持部198A、198Bが一体に設けられる。
The
反応ガス供給部194は、挟持部198A、198Bの幅寸法内で、矢印C2方向に偏心している。反応ガス供給部194に一端が接続される橋架部196A、196Bは、矢印C1方向に大きく蛇行して挟持部198A、198Bにそれぞれの他端部が接続される。反応ガス供給部194及び橋架部196A、196Bは、挟持部198A、198Bの幅寸法内に収容されている。
The reactive
このように構成される第4の実施形態では、橋架部196A、196Bの長尺化を図るとともに、燃料電池190全体のコンパクト化が容易に可能になり、上記の第1〜第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
図14は、本発明の第5の実施形態に係る燃料電池200の平面説明図である。
FIG. 14 is an explanatory plan view of a
燃料電池200は、実質的には、第3の実施形態に係る燃料電池150と同様に構成されており、反応ガス供給部154からそれぞれ蛇行形状を有する橋架部156A、156Bが一体に設けられるとともに、前記橋架部156A、156Bには、円板状の挟持部204A、204Bが一体に設けられる。
The
挟持部204A、204Bには、酸化剤ガス供給孔170A、170Bを周回する円弧状の迂回路形成用壁部206A、206Bが形成される。橋架部156A、156Bは、挟持部204A、204Bの矢印C方向の直径寸法内に収容されている。
Arc-like
このように構成される第5の実施形態では、上記の第1〜第4の実施形態、特に、上記の第3の実施形態と同様の効果が得られる。なお、円板状の挟持部204A、204Bは、上記の第1、第2及び第4の実施形態にも採用することができる。
In the fifth embodiment configured as described above, the same effects as those of the first to fourth embodiments, particularly the third embodiment described above, can be obtained. Note that the disc-shaped
図15は、本発明の第6の実施形態に係る燃料電池220の概略分解斜視説明図である。
FIG. 15 is a schematic exploded perspective view of a
燃料電池220は、図15及び図16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)12aの両面に、カソード電極14a及びアノード電極16aが設けられた電解質・電極接合体(MEA)18aを備える。電解質・電極接合体18a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。
As shown in FIGS. 15 and 16, the
燃料電池220は、各セパレータ222間に複数、例えば、4個の電解質・電極接合体18aが、このセパレータ222の中心部である燃料ガス供給連通孔26を中心に同心円上に配列される。セパレータ222は、第1プレート224及び第2プレート226が接合されて構成される。
In the
セパレータ222は、中央部に燃料ガス供給連通孔26を形成する燃料ガス供給部228を有する。燃料ガス供給部228から外方に等角度間隔(90゜間隔)ずつ離間して放射状に且つ蛇行して延在する4本の橋架部230を介し、比較的大径な挟持部232が一体的に設けられる。燃料ガス供給部228と各挟持部232との中心間距離は、同一距離に設定される。橋架部230は、上述した橋架部30A(30B)、134A(134B)又は156A(156B)と同様に構成することができる。
The
各挟持部232は、電解質・電極接合体18aと略同一寸法の円板形状に設定されており、互いに分離して構成される。挟持部232のカソード電極14aに接する面には、前記カソード電極14aの電極面に沿って酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス通路34が形成される。
Each clamping
挟持部232のアノード電極16aの接する面には、前記アノード電極16a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36が形成される。各橋架部230には、燃料ガスを燃料ガス供給連通孔26から各燃料ガス通路36に供給するための燃料ガス供給通路38が形成される。
A
第1プレート224は、中央部に燃料ガス供給連通孔26が形成される第1円板部234と、前記第1円板部234に一体に設けられ、外方に放射状に且つ蛇行して延在する第1蛇行長板部236と、前記第1蛇行長板部236に一体に設けられる第1円板形状部238とを設ける。
The
第1円板形状部238には、燃料ガスを供給するための燃料ガス供給孔60が、例えば、前記第1円板形状部238の中心又は中心に対して酸化剤ガスの流れ方向上流側に偏心した位置に設定される。
The first disc-shaped
第1円板形状部238のアノード電極16aに接触する面には、燃料ガス通路36を形成するための複数の突起部62と、前記燃料ガス通路36側に突出してアノード電極16aの外周縁部に接触する外縁周回用凸部65とが設けられる。第1円板形状部238には、燃料ガス通路36を通って使用された燃料ガスを排出するそれぞれ一対の燃料ガス排出孔64a、64b及び64cと、アノード電極16aに接触するとともに、前記燃料ガスが燃料ガス供給孔60から前記燃料ガス排出孔64a、64b及び64cに直線状に流れることを阻止する迂回路形成用の円弧状壁部240とが設けられる。
The surface of the first disc-shaped
第1円板形状部238には、電解質・電極接合体18aの発電による電力を取り出すため又は前記電解質・電極接合体18aの状態を計測するための一対の突出部242が設けられる。突出部242は、第1円板形状部238の外周縁部に且つ燃料ガス排出孔64a、64b間に設けられる。
The first disc-shaped
第2プレート226は、中央部に燃料ガス供給連通孔30を形成する第2円板部244を備える。第2円板部244には、補強用のボス部246が所定数だけ設けられる。第2円板部244から放射状に且つ蛇行して4本の第2蛇行長板部248が延在するとともに、前記第2蛇行長板部248には、燃料ガス供給連通孔30から燃料ガス供給孔60に連通する燃料ガス供給通路38が形成される。
The
各第2蛇行長板部248には、比較的大径な第2円板形状部250が一体的に設けられ、前記第2円板形状部250には、プレス等により複数の突起部46が設けられる。第2円板形状部250には、突起部46によりカソード電極14a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34が形成される。各第1及び第2円板形状部238、250間には、必要に応じて、空気制御板252が配設される。
Each second meandering
このように構成される燃料電池220の動作について説明すると、燃料ガスは、各セパレータ222を構成する燃料ガス供給部228に形成された燃料ガス供給連通孔26から4本の橋架部230に形成された各燃料ガス供給通路38に導入される。燃料ガスは、さらに各燃料ガス供給通路38を通って各挟持部232の燃料ガス供給孔60に供給される。
The operation of the
このため、燃料ガスは、各燃料ガス供給孔60から各アノード電極16aの略中心に供給された後、燃料ガス通路36に沿って前記アノード電極16aの外周部に向かって移動する。
Therefore, the fuel gas is supplied from the fuel gas supply holes 60 to the approximate center of each
一方、酸化剤ガス供給連通孔50に供給された空気は、各電解質・電極接合体18aの内側周端部と各挟持部232の内側周端部との間から矢印B方向に流入し、酸化剤ガス通路34に送られる。酸化剤ガス通路34では、電解質・電極接合体18aのカソード電極14aの内側周端部(セパレータ232の中央部)側から外側周端部(セパレータ232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 supply communication hole 50 flows in the direction of arrow B from between the inner peripheral edge of each electrolyte /
従って、電解質・電極接合体18aでは、アノード電極16aの電極面の中心側から周端部側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14a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12aを通ってアノード電極16aに移動し、化学反応により発電が行われる。
Therefore, in the electrolyte /
この第6の実施形態では、セパレータ222は、単一の燃料ガス供給部228に4本の橋架部230が設けられるとともに、各橋架部230には、それぞれ挟持部232が設けられている。そして、各挟持部232は、各電解質・電極接合体18aに対応する形状に設定され、且つ、互いに分離して構成されている。
In the sixth embodiment, in the
従って、挟持部232は、電解質・電極接合体18aに対応する形状を有し、前記電解質・電極接合体18aで発電された電力を効率的に集電することができる。
Therefore, the clamping
しかも、各挟持部232は、互いに分離しており、電解質・電極接合体18aやセパレータ222の寸法誤差によって各電解質・電極接合体18aに発生する異なる荷重を吸収することが可能になる。これにより、セパレータ222全体に歪みが惹起されることを阻止し、各電解質・電極接合体18aに対して均等な荷重を付与することができる。
In addition, the holding
その上、各電解質・電極接合体18aの熱歪み等は、隣接する他の電解質・電極接合体18aに伝達されることがなく、前記電解質・電極接合体18a間には、個別の寸法吸収機構を設ける必要がない。このため、各電解質・電極接合体18a同士を近接して配置することが可能になり、燃料電池220全体の小型化が容易に図られる。
In addition, the thermal strain or the like of each electrolyte /
10、130、150、190、200、220…燃料電池
12、12a…電解質 14、14a…カソード電極
16、16a…アノード電極 18、18a…電解質・電極接合体
20、132、152、192、222…セパレータ
22、24、138、140、160、162、224、226…プレート
28、228…燃料ガス供給部
30A、30B、134A、134B、156A、156B、196A、196B、230…橋架部
32A、32B、136A、136B、158A、158B、198A、198B、
204A、204B、232…挟持部 34A、34B…酸化剤ガス通路
36A、36B…燃料ガス通路 38A、38B…燃料ガス供給通路
40、48、164、178、234、244…円板部
42A、42B、50A、50B、166A、166B、182A、182B、236、248…蛇行長板部
44A、44B、52A、52B、168A、168B、184A、184B…矩形状部
60A、60B…燃料ガス供給孔 64A、64B…燃料ガス排出孔
68A、68B、174A、174B、206A、206B…迂回路形成用壁部
70…酸化剤ガス供給連通孔 74…排ガス排出連通孔
82…積層体 84、86A、86B…締め付け荷重付与機構
88…筐体 154、194…反応ガス供給部
170A、170B…酸化剤ガス供給孔
172A、172B…酸化剤ガス排出孔
186A、186B…酸化剤ガス供給通路
238、250…円板形状部
10, 130, 150, 190, 200, 220 ...
204A, 204B, 232 ... clamping
Claims (10)
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燃料ガス通路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酸化剤ガス通路が個別に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通路に又は前記酸化剤ガスを前記酸化剤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、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、
前記橋架部は、前記挟持部と前記反応ガス供給部との間で、前記セパレータの面方向に蛇行する蛇行形状に設定されることを特徴とする燃料電池。 An electrolyte / electrode assembly configured 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 supplies a fuel gas along the electrode surface of the anode electrode and an oxidant that supplies an oxidant gas along the electrode surface of the cathode electrode. A clamping part in which gas passages are individually provided;
A bridge portion connected to the sandwiching portion and formed with a reaction gas supply passage for supplying the fuel gas to the fuel gas passage or the oxidant gas to the oxidant gas passage;
A reaction gas supply unit that is connected to the bridge part and has a reaction gas supply communication hole formed in the stacking direction for supplying the fuel gas or the oxidant gas to the reaction gas supply passage;
With
The fuel cell according to claim 1, wherein the bridge portion is set in a meandering shape that meanders in the surface direction of the separator between the sandwiching portion and the reaction gas supply portion.
各橋架部には、それぞれ前記挟持部が設けられ、
各挟持部は、各電解質・電極接合体に対応する形状に設定され、且つ、互いに分離して構成されることを特徴とする燃料電池。 The fuel cell according to any one of claims 1 to 7, wherein the separator is provided with a plurality of the bridge portions in a single reactive gas supply portion,
Each bridge part is provided with the clamping part,
Each of the sandwiching portions is configured to have a shape corresponding to each electrolyte / electrode assembly, and is configured to be separated from each other.
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