JP2500021B2 - 燃料電池 - Google Patents
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Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、燃料電池に係り、特に
積層セルへ反応ガスを供給するためのガスヘッダを有す
る構造の燃料電池に関する。
積層セルへ反応ガスを供給するためのガスヘッダを有す
る構造の燃料電池に関する。
【０００２】
【従来の技術】燃料電池は一般的に、アノード、カソー
ド、電解質板からなる単位セルとセパレータとを交互に
積層した積層セルと、その積層セルへ反応ガスを供給排
出するためのガスヘッダとを積層した構造になってい
る。このような構造体を燃料電池スタックと呼ぶ。
ド、電解質板からなる単位セルとセパレータとを交互に
積層した積層セルと、その積層セルへ反応ガスを供給排
出するためのガスヘッダとを積層した構造になってい
る。このような構造体を燃料電池スタックと呼ぶ。
【０００３】その１例を図５に示す。図５は、電解質板
４をアノード５、カソード６で挟み、セパレータ２を重
ねたものを何段にも積層した積層セル１４が２個あり、
その２個の積層セル１４へ反応ガスを供給排出するため
のガスヘッダ１が３個、それぞれ、上部、下部、およ
び、２個の積層セルの間に設置された構造の燃料電池ス
タックを示す。２個の積層セル１４、１４の間に設置し
たガスヘッダ１は特に中間ヘッダ１１と呼んでいる。図
６は、図５におけるガスヘッダ近辺の詳細構造を示すも
のである。ガスヘッダには端板３が溶接あるいはロウ付
け等によって接合されており、その端板３に電解質板４
が重なり、さらにセパレータ２、電解質板４……と順番
に重ね合わされている。
４をアノード５、カソード６で挟み、セパレータ２を重
ねたものを何段にも積層した積層セル１４が２個あり、
その２個の積層セル１４へ反応ガスを供給排出するため
のガスヘッダ１が３個、それぞれ、上部、下部、およ
び、２個の積層セルの間に設置された構造の燃料電池ス
タックを示す。２個の積層セル１４、１４の間に設置し
たガスヘッダ１は特に中間ヘッダ１１と呼んでいる。図
６は、図５におけるガスヘッダ近辺の詳細構造を示すも
のである。ガスヘッダには端板３が溶接あるいはロウ付
け等によって接合されており、その端板３に電解質板４
が重なり、さらにセパレータ２、電解質板４……と順番
に重ね合わされている。
【０００４】電解質板の両側にはアノード５およびカソ
ード６が貼り付いた状態になっているが、非常に薄いも
のなので図６では省略している。セパレータ２の両側お
よび端板３の電解質板４側には、アノードおよびカソー
ドへ反応ガスを供給排出するためのガス流路１２、１３
がある。電解質板４のアノード側にあるのがアノードガ
ス流路１２であり、電解質板４のカソード側にあるのが
カソードガス流路１３である。燃料電池スタックにおい
ては、各積層部品間に圧縮力を加えて、各積層部品が接
合された状態にしている。これは、発電反応の内部抵抗
を小さくしセル性能を良好に保つためと、セパレータ
２、端板３内のガス流路に流れる反応ガスが外部に漏れ
出さないようにするためである。
ード６が貼り付いた状態になっているが、非常に薄いも
のなので図６では省略している。セパレータ２の両側お
よび端板３の電解質板４側には、アノードおよびカソー
ドへ反応ガスを供給排出するためのガス流路１２、１３
がある。電解質板４のアノード側にあるのがアノードガ
ス流路１２であり、電解質板４のカソード側にあるのが
カソードガス流路１３である。燃料電池スタックにおい
ては、各積層部品間に圧縮力を加えて、各積層部品が接
合された状態にしている。これは、発電反応の内部抵抗
を小さくしセル性能を良好に保つためと、セパレータ
２、端板３内のガス流路に流れる反応ガスが外部に漏れ
出さないようにするためである。
【０００５】燃料電池のこれまでの運転データによる
と、ガスヘッダに隣接する単位セルの性能が他のセルの
性能に比較して低く、また、経時劣化も他のセルに比較
して大きい場合が多いということが言える。場合によっ
ては、そのセルの性能が低くなり過ぎて、燃料電池スタ
ック全体の運転に支障を来たす場合もある。この原因に
ついては次のように考えられる。
と、ガスヘッダに隣接する単位セルの性能が他のセルの
性能に比較して低く、また、経時劣化も他のセルに比較
して大きい場合が多いということが言える。場合によっ
ては、そのセルの性能が低くなり過ぎて、燃料電池スタ
ック全体の運転に支障を来たす場合もある。この原因に
ついては次のように考えられる。
【０００６】燃料電池の運転温度は、その型式によって
も様々であるが、数百度という高温で運転されるものが
多い。特に、大規模発電設備として適している高温型の
燃料電池、即ち、溶融炭酸塩型燃料電池や固体電解質型
燃料電池においては、その作動温度が溶融炭酸塩型燃料
電池では６５０℃、固体電解質型燃料電池では約１００
０℃と非常に高い。ガスヘッダ１、セパレータ２、端板
３、電解質板４はそれぞれ形状が異なり、また、材質が
異なる場合もあるので、上記のような高温になるとガス
ヘッダ近辺の上記の各部品間の熱変形状態に差が生じ圧
縮力による接合状態がセル面内の部分部分によって異な
ってくると考えられる。そうすると、セル面内で発電性
能の良好な部分とそうでない部分が生じ、また、経時劣
化に対して有利な接合状態の部分とそうでない部分が生
じて、セル性能が低下することになる。さらにまた、ガ
スヘッダ近辺の各部品間の接合状態が悪くなるために、
反応ガスが燃料電池スタックの外部へ漏れだす場合もあ
り、そうなると燃料電池の発電効率が大幅に低下するこ
とになる。
も様々であるが、数百度という高温で運転されるものが
多い。特に、大規模発電設備として適している高温型の
燃料電池、即ち、溶融炭酸塩型燃料電池や固体電解質型
燃料電池においては、その作動温度が溶融炭酸塩型燃料
電池では６５０℃、固体電解質型燃料電池では約１００
０℃と非常に高い。ガスヘッダ１、セパレータ２、端板
３、電解質板４はそれぞれ形状が異なり、また、材質が
異なる場合もあるので、上記のような高温になるとガス
ヘッダ近辺の上記の各部品間の熱変形状態に差が生じ圧
縮力による接合状態がセル面内の部分部分によって異な
ってくると考えられる。そうすると、セル面内で発電性
能の良好な部分とそうでない部分が生じ、また、経時劣
化に対して有利な接合状態の部分とそうでない部分が生
じて、セル性能が低下することになる。さらにまた、ガ
スヘッダ近辺の各部品間の接合状態が悪くなるために、
反応ガスが燃料電池スタックの外部へ漏れだす場合もあ
り、そうなると燃料電池の発電効率が大幅に低下するこ
とになる。
【０００７】図７は、上記で述べた状態を模式的に示す
ものである。本図は、ガスヘッダ１の中央部が膨らん
で、ガスヘッダ１に溶接あるいはロウ付け等で完全に接
合されている端板３がガスヘッダ１に添って変形し、端
板の上部の電解質板４の脇の部分が端板３およびセパレ
ータ２と剥離した状態を示している。このように剥離し
た状態にまで行かなくても端板３とセパレータ２および
その間の電解質板４との接合状態はかなり悪い状態にな
ると考えられる。
ものである。本図は、ガスヘッダ１の中央部が膨らん
で、ガスヘッダ１に溶接あるいはロウ付け等で完全に接
合されている端板３がガスヘッダ１に添って変形し、端
板の上部の電解質板４の脇の部分が端板３およびセパレ
ータ２と剥離した状態を示している。このように剥離し
た状態にまで行かなくても端板３とセパレータ２および
その間の電解質板４との接合状態はかなり悪い状態にな
ると考えられる。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】上述したように、ガス
ヘッダに隣接する単位セルは、ガスヘッダとその近辺の
部品との熱変形状態の違いにより、接合状態が悪くなっ
ている。そのため、係る単位セルのセル面内の部分部分
で発電反応の状態が異なり性能が低下する。その性能低
下量が大きい場合には、燃料電池スタック全体の運転に
も支障を来たす。また、経時劣化にとって悪い接合状態
になっている部分が生じるため、係る単位セルの経時劣
化も他のセルに比較して大きくなる。さらにまた、係る
熱変形状態の違いが大きい場合には、反応ガスが燃料電
池スタックの外部に漏れだし、発電効率を低下させる。
ヘッダに隣接する単位セルは、ガスヘッダとその近辺の
部品との熱変形状態の違いにより、接合状態が悪くなっ
ている。そのため、係る単位セルのセル面内の部分部分
で発電反応の状態が異なり性能が低下する。その性能低
下量が大きい場合には、燃料電池スタック全体の運転に
も支障を来たす。また、経時劣化にとって悪い接合状態
になっている部分が生じるため、係る単位セルの経時劣
化も他のセルに比較して大きくなる。さらにまた、係る
熱変形状態の違いが大きい場合には、反応ガスが燃料電
池スタックの外部に漏れだし、発電効率を低下させる。
【０００９】本発明は、ガスヘッダに隣接する単位セル
の性能低下、経時劣化、および、その部分における反応
ガスの漏洩を防止し、燃料電池スタック全体の性能、発
電効率の向上、および、長期にわたる安定した運転を実
現させるためのものである。
の性能低下、経時劣化、および、その部分における反応
ガスの漏洩を防止し、燃料電池スタック全体の性能、発
電効率の向上、および、長期にわたる安定した運転を実
現させるためのものである。
【００１０】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
の本発明による燃料電池においては、電解質板、アノー
ド、カソード、から成る単位セルとセパレータとを交互
に複数個積層した積層セルに対して反応ガスを供給する
ためのガスヘッダを積層した燃料電池スタックにおい
て、該積層セルと該ガスヘッダとの間に、ガスシール機
能と熱変形状態の差を吸収する機能の双方を備えた、ウ
エットシール機能を持つ液体を含浸させた金属多孔質体
を設置したことを特徴とする。この金属多孔質体は、ガ
スヘッダと単位セル構成部品との熱変形状態の差を吸収
する機能を持ち、さらに、反応ガス、即ち、アノードガ
ス、カソードガスを燃料電池スタックの外部へ漏洩させ
ず、また、アノードガス、カソードガスを混合させない
機能、即ち、ガスシール機能を持つものである。係る液
体としては、電解質板へ含浸させる電解質液でもよい。
の本発明による燃料電池においては、電解質板、アノー
ド、カソード、から成る単位セルとセパレータとを交互
に複数個積層した積層セルに対して反応ガスを供給する
ためのガスヘッダを積層した燃料電池スタックにおい
て、該積層セルと該ガスヘッダとの間に、ガスシール機
能と熱変形状態の差を吸収する機能の双方を備えた、ウ
エットシール機能を持つ液体を含浸させた金属多孔質体
を設置したことを特徴とする。この金属多孔質体は、ガ
スヘッダと単位セル構成部品との熱変形状態の差を吸収
する機能を持ち、さらに、反応ガス、即ち、アノードガ
ス、カソードガスを燃料電池スタックの外部へ漏洩させ
ず、また、アノードガス、カソードガスを混合させない
機能、即ち、ガスシール機能を持つものである。係る液
体としては、電解質板へ含浸させる電解質液でもよい。
【００１１】
【作用】このように構成することにより、本発明によれ
ば次の作用により上記の目的が達成される。金属多孔質
体そのものは、それを挟む部品の熱変形の差異を吸収す
る機能を持つ。金属多孔質体の周囲の部材が多孔質体に
向かって凸になる熱変形を生じる部分では、金属多孔質
体の気孔が小さくなることにより熱変形を吸収する。ま
た、金属多孔質体の周囲の部材が金属多孔質体に向かっ
て凹になる部分ではその部分以外に必ず金属多孔質体に
向かって凸になる部分が生じる、即ち、相対的な変形状
態を見れば凹凸が必ず出来るので、その凸の部分が燃料
電池スタック全体に加えられた圧縮力により多孔質体の
気孔をある程度押し潰し凹の部分の隙間を埋める。
ば次の作用により上記の目的が達成される。金属多孔質
体そのものは、それを挟む部品の熱変形の差異を吸収す
る機能を持つ。金属多孔質体の周囲の部材が多孔質体に
向かって凸になる熱変形を生じる部分では、金属多孔質
体の気孔が小さくなることにより熱変形を吸収する。ま
た、金属多孔質体の周囲の部材が金属多孔質体に向かっ
て凹になる部分ではその部分以外に必ず金属多孔質体に
向かって凸になる部分が生じる、即ち、相対的な変形状
態を見れば凹凸が必ず出来るので、その凸の部分が燃料
電池スタック全体に加えられた圧縮力により多孔質体の
気孔をある程度押し潰し凹の部分の隙間を埋める。
【００１２】また、金属多孔質体へ含浸させる液体はガ
スシール機能を有する。即ち、係る液体は、電解質板に
おける電解質液と同じようにウエットシールとしての機
能を持ち、反応ガスが燃料電池スタックの外部へ漏洩す
るのを防止し、また、反応ガス同志、即ち、アノードガ
スとカソードガスが混合するガスクロスという現象を防
止する。
スシール機能を有する。即ち、係る液体は、電解質板に
おける電解質液と同じようにウエットシールとしての機
能を持ち、反応ガスが燃料電池スタックの外部へ漏洩す
るのを防止し、また、反応ガス同志、即ち、アノードガ
スとカソードガスが混合するガスクロスという現象を防
止する。
【００１３】
【実施例】以下、本発明の実施例を図により説明する。
図１は、本発明の１実施例を説明するものであり、図７
と同様に、ガスヘッダ１の中央部が膨らむという熱変形
状態を示している。従来技術では、図７に示したように
ガスヘッダ１と端板３とは溶接あるいはロウ付け等で完
全に接合された状態であるが、本発明では、図１に示す
ようにガスヘッダ１と端板３との間にガスシール機能と
熱変形状態の差を吸収する機能の双方を備えた金属多孔
質体９を設置している。この金属多孔質体９は、燃料電
池スタックの運転に支障を来たさない種類の液体を含浸
させた金属多孔質体である。係る液体としては、燃料電
池スタックの構成部品である電解質板４に含浸させる電
解質液そのものを用いてもよい。また、係る金属多孔質
体の母材としては、Ａｇ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｐｂ、Ａｌ、Ｔ
ｉ、等が上げられる。
図１は、本発明の１実施例を説明するものであり、図７
と同様に、ガスヘッダ１の中央部が膨らむという熱変形
状態を示している。従来技術では、図７に示したように
ガスヘッダ１と端板３とは溶接あるいはロウ付け等で完
全に接合された状態であるが、本発明では、図１に示す
ようにガスヘッダ１と端板３との間にガスシール機能と
熱変形状態の差を吸収する機能の双方を備えた金属多孔
質体９を設置している。この金属多孔質体９は、燃料電
池スタックの運転に支障を来たさない種類の液体を含浸
させた金属多孔質体である。係る液体としては、燃料電
池スタックの構成部品である電解質板４に含浸させる電
解質液そのものを用いてもよい。また、係る金属多孔質
体の母材としては、Ａｇ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｐｂ、Ａｌ、Ｔ
ｉ、等が上げられる。
【００１４】燃料電池スタックから電流を取り出すため
の電流端子は、構造上の理由から、ガスヘッダ１に取付
けねばならない場合がある。そのような場合に、金属多
孔質体９に含浸させる液体として電解質液のような電流
を流すと電気分解してしまうような物質を用いるとする
と、ガスヘッダ１と端板３とを電気的に接続しなければ
ならない。図２は、ガスヘッダ１と端板３とを電流ケー
ブル１０で電気的に接続した状態を示すものであり、上
記のような場合に対応するためのものである。
の電流端子は、構造上の理由から、ガスヘッダ１に取付
けねばならない場合がある。そのような場合に、金属多
孔質体９に含浸させる液体として電解質液のような電流
を流すと電気分解してしまうような物質を用いるとする
と、ガスヘッダ１と端板３とを電気的に接続しなければ
ならない。図２は、ガスヘッダ１と端板３とを電流ケー
ブル１０で電気的に接続した状態を示すものであり、上
記のような場合に対応するためのものである。
【００１５】図３は、燃料電池スタックのガスヘッダ１
としてその１部に中間ヘッダ１（１１）を持つ場合につ
いて本発明を適用する場合の実施例を示す。通常中間ヘ
ッダ１（１１）は積層セル１４（図５に示す）を電気的
に接続する役割も持っているが、金属多孔質体９に電流
を通せない場合、即ち、図２に示すような場合には、図
３に示すように中間ヘッダ１（１１）の上下の端板３同
志を電流ケーブル１０で接続し電流をバイパスする必要
がある。また、金属多孔質体９にわずかの電位差が加わ
ってもいけないような場合には、図４に示すように、中
間ヘッダ１（１１）の上下の端板３のどちらかと中間ヘ
ッダ１（１１）とを電流ケーブル２０でつなぐことが推
奨される。
としてその１部に中間ヘッダ１（１１）を持つ場合につ
いて本発明を適用する場合の実施例を示す。通常中間ヘ
ッダ１（１１）は積層セル１４（図５に示す）を電気的
に接続する役割も持っているが、金属多孔質体９に電流
を通せない場合、即ち、図２に示すような場合には、図
３に示すように中間ヘッダ１（１１）の上下の端板３同
志を電流ケーブル１０で接続し電流をバイパスする必要
がある。また、金属多孔質体９にわずかの電位差が加わ
ってもいけないような場合には、図４に示すように、中
間ヘッダ１（１１）の上下の端板３のどちらかと中間ヘ
ッダ１（１１）とを電流ケーブル２０でつなぐことが推
奨される。
【００１６】
【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
ガスヘッダに隣接する単位セルの性能を他のセル性能と
同レベルまで持ち上げることができ、各セル性能を均一
化することができる。また、係るセルの経時劣化を防ぎ
長期間にわたり安定した性能を維持することが出来る。
さらに、ガスヘッダ近辺でのガスシール性能を向上させ
ることができる。
ガスヘッダに隣接する単位セルの性能を他のセル性能と
同レベルまで持ち上げることができ、各セル性能を均一
化することができる。また、係るセルの経時劣化を防ぎ
長期間にわたり安定した性能を維持することが出来る。
さらに、ガスヘッダ近辺でのガスシール性能を向上させ
ることができる。
【図１】 ガスヘッダ１と端板３との間にガスシール機
能と熱変形状態の差を吸収する機能の双方を備えた金属
多孔質体を設置した構造図。
能と熱変形状態の差を吸収する機能の双方を備えた金属
多孔質体を設置した構造図。
【図２】 図１において、ガスヘッダ１と端板３とを電
流ケーブル１０で接続した場合の構造図。
流ケーブル１０で接続した場合の構造図。
【図３】 ガスヘッダ１として中間ヘッダ１１を用いる
燃料電池スタックに対して本発明を適用した場合の構造
図。
燃料電池スタックに対して本発明を適用した場合の構造
図。
【図４】 図３の実施例において、変形吸収材として電
流を流してはならないものを用いた場合の構造図。
流を流してはならないものを用いた場合の構造図。
【図５】 燃料電池スタックの一般的な構造図。
【図６】 図５におけるガスヘッダ近辺の構造図。
【図７】 図６における不具合点を示す図。
１…ガスヘッダ、２…セパレータ、３…端板、４…電解
質板、５…アノード、７…アノードガス、８…カソード
ガス、９…金属多孔質体、１０…電流ケーブル、１１…
中間ヘッダ、１２…アノードガス流路、１３…カソード
ガス流路、１４…積層セル
質板、５…アノード、７…アノードガス、８…カソード
ガス、９…金属多孔質体、１０…電流ケーブル、１１…
中間ヘッダ、１２…アノードガス流路、１３…カソード
ガス流路、１４…積層セル
フロントページの続き (72)発明者 高島 正 茨城県日立市幸町三丁目１番１号 株式 会社 日立製作所 日立工場内 (56)参考文献 特開 平１−232669（ＪＰ，Ａ) 特開 平１−89154（ＪＰ，Ａ)
Claims (2)
- 【請求項１】 電解質板、アノード、カソード、から成
る単位セルとセパレータとを交互に複数個積層した積層
セルに対して反応ガスを供給するためのガスヘッダを積
層した燃料電池スタックにおいて、該積層セルと該ガス
ヘッダとの間に、ガスシール機能と熱変形状態の差を吸
収する機能の双方を備えた、ウエットシール機能を持つ
液体を含浸させた金属多孔質体を設置したことを特徴と
する燃料電池。 - 【請求項２】 該金属多孔質体の材料として、Ａｇ、Ｎ
ｉ、Ｃｕ、Ｐｂ、Ａｌ、Ｔｉのいずれかを用いることを
特徴とする請求項１記載の燃料電池。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP4298763A JP2500021B2 (ja) | 1992-11-09 | 1992-11-09 | 燃料電池 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP4298763A JP2500021B2 (ja) | 1992-11-09 | 1992-11-09 | 燃料電池 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH06150946A JPH06150946A (ja) | 1994-05-31 |
| JP2500021B2 true JP2500021B2 (ja) | 1996-05-29 |
Family
ID=17863911
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP4298763A Expired - Fee Related JP2500021B2 (ja) | 1992-11-09 | 1992-11-09 | 燃料電池 |
Country Status (1)
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