JP2500880B2

JP2500880B2 - 燃料電池

Info

Publication number: JP2500880B2
Application number: JP3220750A
Authority: JP
Inventors: 正吉田; 馨象大塚; 俊樹加原; 正高島; 務高橋
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1991-08-30
Filing date: 1991-08-30
Publication date: 1996-05-29
Anticipated expiration: 2011-05-29
Also published as: JPH0562702A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、電池面圧を付加するた
めの機構を有する燃料電池に関する。

【０００２】

【従来の技術】電解質板、アノード、カソード、セパレ
ータ、ガスヘッダー等からなる燃料電池モジュールを製
造するに際して、工程の最終段階に焼成作業が行われ
る。これは、電池の温度を上げて例えは固体状の炭酸塩
を溶融させて電解質基板に含浸させる作業であり、この
とき、電池モジュールにはかなりの量の収縮が生じる。
そこで、この収縮に追従することができかつ所定の締付
け面圧でもって電池モジュールを締付けることができる
ように、電池モジュールはストロークの大きい焼成専用
のベローズを介して締付けスタンドに配置される。焼成
終了後、締付けスタンドから電池モジュールを取り外す
際に、電池締付け面圧が抜けないように電池モジュール
の上下のヘッダーに締付具が取り付けられる。この場合
に、電池モジュールに加える締付け力を一定に保持した
ままで締付けスタンドから取り外すには、焼成専用のベ
ローズの締付け力を抜く過程で締付具の締付け力を加え
ていく必要がある。焼成専用のベローズの締付け力はそ
の内部のＮ₂ ガス圧力によるものであり、これは通常電
子式制御手段によって調整され、比較的容易に行うこと
ができるが、締付具の締付け力を加えていく作業はボル
ト、ナットによる締め込み作業であり、大きな作業量と
なる。さらに、周囲を締付具で締付ける場合には、電池
モジュールの側端部の締付け面圧が大きく中央付近の面
圧が小さくなり、面圧分布に面内でのバラツキが生じ
る。これは構造上やむを得ない問題であるが、そのよう
な締付け状態は電池モジュールへ悪影響をもたらすもの
であり本来望ましいものではない。さらに、製造された
電池モジュールは複数個積層され、該積層された燃料電
池積層体は図９に示すように締付板12上に配置された
後、やはり該燃料電池積層体全体を積層方向に伸縮可能
な電池締付用ベローズ13を介して締付板12間で締付けら
れ、該電池締付用ベローズ13内にＮ₂ 等の不活性ガスを
圧入して電池締付用ベローズの内圧を電池面圧が所定の
面圧になるように調整し、しかる後、締付具を取り外し
て昇温、運転が行われる。

【０００３】他の方法として、圧力容器の中に設置した
燃料電池積層体を締付ける方法としては、特開平1-2005
68号公報に示すように圧力容器の外側から圧力ユニット
等で締付力を与えるという方法も知られている。上記に
示す方法で燃料電池を締付ける場合、運転中においては
電池面圧を付加することに関して問題はないが、メンテ
ナンス等のために電池そのものを分解するような場合に
問題を生起している。すなわち、電池に付加する面圧
は、運転中はガスシールや電池の各構成部材の接触圧を
確保するために電池面内において均一でなければならな
い。少なくとも一度運転を行なったことのある電池ある
いは焼成後の電池の面圧に何らかの理由により変化が生
じると、その後性能が劣化する、あるいは、性能劣化速
度が速くなるという傾向が見られる。

【０００４】上記のように電池締付用ベローズ等により
均一な面圧を付加した状態で締付け運転される燃料電池
積層体をメンテナンス等の必要から分解する場合、ある
いは、燃料電池積層体を構成する電池モジュールを一部
交換するために燃料電池積層体を分解する場合、図10に
示すように各電池モジュールごとにボルト14で締付けて
従前の面圧を確保するという方法がとられているが、こ
のような方法においては、電池の側方に取付けたボルト
によってのみ電池モジュールを締付けているだけなの
で、電池モジュールの全面に均一な面圧を付加すること
は困難である。特に、電池面積が大きくなればなる程、
面内での面圧分布のばらつきは大きくなる。また、この
方法で実際に分解を行なう際は、電池締付力を一定に保
つため、電池締付用ベローズ内圧を抜きながらその度合
に応じて電池モジュール締付ボルトの締付力を増加させ
ていかなければならないので、分解作業が非常に複雑な
ものとなる。組立時においても分解時と逆の手順を踏ま
ねばならず、同様に複雑である。

【０００５】上記のような不都合を解決する一つの手段
として、積層体を積層方向に複数のブロックに分割する
と共に、各積層体ブロック毎に積層方向の圧力を加える
圧力付与手段を設けることにより、多数のセルを垂直方
向に積層した場合でも各セルに一様な面圧を与えるよう
にしたものも知られている（特開昭61-148770 号公報参
照) 。しかしながらこのものにあっても、その圧力付与
手段は積層体ブロックのコーナー部側方に取付けられて
いるものであることから、電池モジュールの全面に均一
な面圧を付加することは困難である。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、従来の燃料
電池積層体の締付構造がもつ上記のような不都合、即
ち、燃料電池のメンテナンス時あるいは電池モジュール
を一部交換する時等の場合に生じる、電池面圧が変化す
る、面圧分布のばらつきが大きくなる、分解組立時の作
業が複雑である、などの問題点を解決しようとするもの
である。

【０００７】即ち、本発明の目的は、運転中またはその
他のいかなる場合においても電池面圧が変化することが
なく、面圧分布がばらつくことがなく、また、分解組立
時の作業性が良好な燃料電池締付構造を得ることであ
る。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明は、上記目的を達
成するために、燃料電池モジュールを複数個積層した燃
料電池積層体において、各燃料電池モジュールのガスヘ
ッダーとセル積層部との間に積層方向に伸縮可能な電池
締付用ベローズを介在させると共に、該電池締付用ベロ
ーズの内部へ電池面圧を付加するための不活性ガスを供
給排出するガス導入口を設けたことを特徴とする燃料電
池を開示する。

【０００９】燃料電池モジュールがガスヘッダーとして
中間ヘッダーを有しており、該電池締付用ベローズが中
間ヘッダーの上側及び下側と各セル積層部との間に介在
させることは特に好ましい態様である。電池モジュール
を構成するガスヘッダーに電池締付用ベローズを取付け
る位置を、ガスヘッダーとセル積層部との間にすること
は、電池面圧を均一にかけるという点で従来構造による
電池締付方法よりもはるかに有利である。

【００１０】ガスヘッダーとセル積層部との間には、セ
ル積層部へ供給排出される反応ガスを通過させるための
ガス配管が設置されるが、その間に電池締付用ベローズ
を取付ける場合にこのガス管は電池締付用ベローズの伸
縮に対応することは好ましい態様であり、このガス管も
ベローズ等の伸縮管とすることが好ましい。この伸縮管
は、電池締付用ベローズの内部に設置してもよく、ある
いは、電池締付用ベローズをセル積層部の面内で複数個
に分割して、電池締付用ベローズ部と前記伸縮管を面内
の別々の場所に分離した形で設置してもよい。

【００１１】溶融炭酸塩型燃料電池のように高温で運転
する燃料電池の場合、電池締付用ベローズの材質が高温
でもたない、即ち、高温での許容応力が小さくて所定の
電池面圧をかけるための内圧を電池締付用ベローズの内
部にかけることができないということがあり得る。その
場合には、電池締付用ベローズ内部にリブを入れてお
き、電池締付用ベローズが縮みきった状態で電池締付用
ベローズ内部のガスヘッダーの面とセル積層体の面とが
リブを介してつながるようにしておく。運転中はこの状
態の電池モジュールを積層して全体を締付けるという従
来構造の方法で締付け、それ以外には電池モジュールに
取付けた電池締付用ベローズを作動させて締付けるとい
う方法をとる。

【００１２】また、この電池締付用ベローズの材質が電
池運転温度においても十分に許容応力の大きいものであ
り、所定の電池面圧をかけるとこができる場合において
も、電池締付用ベローズの内部にリブを入れることは有
効である。もし、通常運転時に何らかの理由で電池締付
用ベローズの内圧をかけることができなくなった場合
に、電池の自重によりベローズは収縮し、セルの周辺部
に自重による荷重が集中してかかることになり、セルの
中央部がたわんでセルを破壊してしまう恐れがあるが、
リブを上記のように介在させておくことによりセル面内
へ自重による荷重を均一にかけることが可能となり、セ
ルの破壊を防ぐことができる。

【００１３】なお、溶融炭酸塩型燃料電池のような高温
型燃料電池に組み込んで電池運転温度で所定の面圧をか
けることのできるベローズの材質としては、インコネル
718のようなものが存在する。

【００１４】

【作用】電池締付用ベローズを電池モジュール構成部品
のガスヘッダーとセル積層体との間に取付けることによ
り、運転中のみならず燃料電池積層体の分解、組立、移
設、保管などの各場合においても均一な電池面圧を保持
することができる。また高温型燃料電池で、電池締付用
ベローズの材料として運転温度において許容応力が小さ
く、所定の電池面圧をかけるのに必要なベローズ内圧を
かけることができない場合には電池締付用ベローズ内部
にリブを入れておき、運転中は従来のように燃料電池積
層体の外部から締付けて電池締付用ベローズ内のリブに
より面圧を伝えることを可能とすることもできる。

【００１５】

【実施例】以下、実施例に基づき本発明をより詳細に説
明する。図１は、本発明による燃料電池を構成する電池
モジュールの第１の実施例を示している。電池モジュー
ル１は、セル積層部２、２、アノードガスヘッダー３、
３、及び中間ヘッダーであるカソードガスヘッダー４を
有している。アノードガスヘッダー３には燃料ガスを供
給、排出するためのアノード配管５を設けており、カソ
ードガスヘッダー４にも同じく酸化剤ガスを供給、排出
するためのカソード配管６を設けている。

【００１６】本実施例においては、カソードガスヘッダ
ー４の上側および下側に電池締付用ベローズ７、７を取
付けている。これは、ガスヘッダーと電池発電部である
セル積層部との間の位置に電池締付用ベローズを取付け
るということになり、ガスヘッダーのセル積層部とは反
対側の位置、即ち、本実施例においてはアノードガスヘ
ッダーのセル積層部と反対側の位置に電池締付用ベロー
ズを取付ける場合に比べて、ガスヘッダー自体の多少の
加工寸法の誤差の影響を受けずに積層セルへ均一な面圧
を付加することができるという点で有利である。

【００１７】また、図１に示す実施例においては、電池
締付用ベローズ内圧を調整するためのＮ₂ガス等のガス
を電池締付用ベローズ内へ供給排出するためのガス導入
口８をカソードガスヘッダー４の側面に取付けている。
その内部構造を図２に示す。内圧付加用のガスは、カソ
ードガスヘッダー４の内部を通過して、上下の電池締付
用ベローズ７へ供給排出される。従来は、電池締付用ベ
ローズへ内圧付加用のガスを供給するガス導入口を設け
るために電池締付用ベローズの上側かあるいは下側にあ
る程度寸法的な余裕が必要であった。しかし、カソード
ガスヘッダー４を上記に示す構造にすることにより、そ
の寸法的な余裕が不要となり積層方向の寸法を大きくし
ないですむという長所がある。

【００１８】この実施例においては、ガスヘッダーから
セル積層部へ電池反応ガスを供給排出するためのガス配
管をガスヘッダーとセル積層部との間の位置に配置する
形式の燃料電池であり、さらに、本発明においては、ガ
スヘッダーとセル積層部との間に電池締付用ベローズを
取付けていることから、ベローズのような伸縮管製の電
池反応ガス配管10を電池締付用ベローズ７内部に設け、
電池締付用ベローズ７の伸縮に対応するようしている。
図３は図１のＡ−Ａ断面であり、上記電池締付用ベロー
ズ７の内部構造を示している。セル積層部には各セルへ
電池反応ガスを流すためのマニホールド穴９が開いてお
り、ガスヘッダー側の対応する位置にも同様にマニホー
ルド穴が開いている。積層セル側のマニホールド穴９と
ガスヘッダー側のマニホールド穴をつなぐように電池反
応ガス配管である伸縮管10を設置する。従って、伸縮管
10は、電池締付用ベローズ７の内部空間に設置されるこ
とになる。また、電池締付用ベローズ７の伸縮によるガ
スヘッダーの上下動に追従しうるように、ガスヘッダー
にガスを供給するアノード配管５、カソード配管６等の
ガス供給ラインのガスヘッダー近辺は、従来知られた可
動部分への配管接合手段である、フレキシブルチューブ
あるいは配管ベロース等の構造とされる。

【００１９】また、本発明の他の実施例としては、図４
に示すように電池反応ガス配管である伸縮管10を電池締
付用ベローズ７と分離するという方法がある。本例にお
いては、電池締付用ベローズ７自体もセル積層部の面内
で分割される構造となっている。第１の実施例のよう
に、伸縮管10が電池締付用ベローズ７の内部にある場
合、電池締付用ベローズ７の内圧の方が電池反応ガスの
圧力、即ち、電池反応ガス用伸縮管10の内圧よりかなり
大きいので、もし伸縮管10が破れた場合、セル積層部内
部に過大な圧力がかかり、セル積層部そのものを破壊す
る可能性がある。本実施例においては、仮に電池反応ガ
ス用伸縮管10が破れたとしてもセル積層部を破壊する心
配はない。

【００２０】図５は上記の実施例による電池モジュール
１を複数個積層して圧力容器内部に設置する例を示して
いる。この図のものは電池モジュール１を複数個積層し
た燃料電池積層体を締付板12ではさむ構造としている
が、燃料電池積層体の温度変化等による伸縮量は従来構
造の場合と変わらないので、各電池モジュールの電池締
付用ベローズの高さの合計は、図９に示す従来技術にお
ける電池締付用ベローズの高さと大きく変わるものでは
なく、締付板12を含めた積層の高さは、本発明と従来技
術においてあまり変わるものではない。

【００２１】また、燃料電池積層体を固定するのに締付
板12を用いず、下位にある電池モジュールの上側のアノ
ードガスヘッダー３と上位にある電池モジュールの下側
のアノードガスヘッダー３を結合する、などの方法によ
り各電池モジュールを結合することにすれば、積層方向
の高さは上記の例より小さくなり、従来技術よりも有利
だといえる。

【００２２】また、高温型燃料電池において、電池締付
用ベローズ７の運転温度における許容応力が小さく、所
定の電池面圧をかけるのに必要な電池締付用ベローズ内
圧を加えることができない場合には、図６に示すように
電池締付用ベローズの内部にリブ11を入れる方法があ
る。図１１及び図１２はその一例を説明するものであ
り、先に図３及び図４に示した電池モジュールの断面図
において電池締付用ベローズ７の内部にリブ11を入れた
状態を示している。図６に示すように所定の高さを持つ
格子状に組み込まれたリブ11が、電池締付用ベローズ７
の内部において、積層セルとガスヘッダーとの間に配置
される。このリブ11は、電池締付用ベローズが収縮して
同電池締付用ベローズ内の上端面と下端面がリブ11に接
した時に電池モジュールに外部から加えた電池締付面圧
をそのまま伝える機能を有する。従って、本実施例の電
池モジュールを図９に示す従来技術による方法で運転中
は締付けておき、運転中以外の分解、組立、移設、保管
などの温度の低い状態においては、各電池モジュールの
電池締付用ベローズ７に内圧を加えて所定の面圧を確保
することが可能となる。

【００２３】図７は、本発明による燃料電池を構成する
電池モジュールの第２の実施例を示している。電池モジ
ュール１は、セル積層部２、２、アノードガスヘッダー
３、３、及び中間ヘッダーであるカソードガスヘッダー
４を有している。アノードガスヘッダー３には燃料ガス
を供給、排出するためのアノード配管５を設けており、
カソードガスヘッダー４にも同じく酸化剤ガスを供給、
排出するためのカソード配管６を設けている。この構成
は第１の実施例のものと同様である。

【００２４】この実施例においては、上側および下側の
アノードガスヘッダー３、３とセル積層部２、２との間
に電池締付用ベローズ7'、7'を取付けている。また、電
池締付用ベローズ内圧を調整するためのＮ₂ガス等のガ
スを電池締付用ベローズ7'内へ供給排出するためのガス
導入口8'、8'をアノードガスヘッダー３、３の側面に取
付けている。その内部構造を図８に示す。内圧付加用の
ガスは、アノードガスヘッダー３の内部を通過して、電
池締付用ベローズ7'へ供給排出される。

【００２５】この形式のものであっても、第１の実施例
のものと同様にセル積層部の面内を均一に加圧すること
ができかつガスヘッダー自体の多少の加工寸法の誤差の
影響を受けずに積層セルへ均一な面圧を付加することが
できる点で有利であることは容易に理解されよう。さら
に、この実施例のものにあっても、電池締付用ベローズ
7'とガスヘッダーからセル積層部へ電池反応ガスを供給
排出するためのガス配管との配置関係、リブの介在等、
第１の実施例に用いられる技術手段はすべて適用可能で
あることも同様である。

【００２６】また、特に図示しないが、中間ヘッダーを
有しない形式の燃料電池においても本発明は実施され得
るものであり、その場合に、電池締付用ベローズはアノ
ードあるいはカソードヘッダーとセル積層体との間に装
着される。図１３ａ、ｂはその一例を示すものであり、
図１３ａではカソードガスヘッダー４とセル積層部２と
の間に締付用ベロース７を配置しており、図１３ｂでは
アノードガスヘッダー３とセル積層部２との間に締付用
ベロース７’を配置している。この形式による場合であ
っても、それにより奏される作用、効果は上記の２つの
実施例のものと同様であることも容易に理解されよう。

【００２７】

【発明の効果】本発明によれば、電池運転中の面圧およ
び面圧分布を運転時以外の分解、組立、移設および保管
などの場合においても、まるで変化させることなく維持
する効果がある。また、ガスヘッダーに多少の寸法誤差
があっても、それに影響されることなく均一な電池面圧
を付加する効果がある。

【００２８】さらに、また、電池モジュールごとに結合
することにより燃料電池積層体全体を締付けるための部
品を不要とすることができるので、全体の高さを小さく
することができ、圧力容器等の収納容器を小さくする効
果がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による電池モジュールの構造図。

【図２】図１の縦断面部分拡大図。

【図３】図１のＡ−Ａ断面図。

【図４】本発明の他の実施例を示す図３に相当する断面
図。

【図５】本発明による電池モジュールを積層した燃料電
池積層体構造図。

【図６】電池締付用ベローズ内にリブ等の支持構造物を
設けた場合の電池モジュール構造図。

【図７】本発明による電池モジュールの他の実施例の構
造図。

【図８】図７の縦断面部分拡大図。

【図９】従来技術による燃料電池積層体構造図。

【図１０】従来技術による電池モジュール構造図。

【図１１】電池締付用ベローズ内にリブを設けた場合に
おける図１のＡ−Ａ断面図。

【図１２】本発明の他の実施例における図１１に相当す
る図。

【図１３】中間ヘッダーを有しない上下ヘッダー方式電
池モジュールにおいて本発明を用いた実施例を示す図。

【符号の説明】

１電池モジュール２セル積層部３アノードガスヘッダー４カソードガス
ヘッダー５アノードガス配管６カソードガス
配管７電池締付用ベローズ８電池締付用ベ
ローズ内へのガス導入口９マニホールド穴 10 電池反応ガス
用伸縮管 11 リブ等の支持構造物 12 燃料用電池積
層体締付板 13 燃料電池積層体締付用電池締付用ベローズ 14 電
池モジュール締付ボルト

───────────────────────────────────────────────────── 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 (72)発明者高橋務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)参考文献実開平２−146754（ＪＰ，Ｕ)

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】燃料電池モジュールを複数個積層した燃
料電池積層体において、各燃料電池モジュールのガスヘ
ッダーとセル積層部との間に積層方向に伸縮可能な電池
締付用ベローズを介在させるとともに、該電池締付用ベ
ローズの内部へ電池面圧を付加するための不活性ガスを
供給排出するガス導入口を設けたことを特徴とする燃料
電池。
【請求項２】燃料電池モジュールがガスヘッダーとし
て中間ヘッダーを持つ燃料電池モジュールであり、該電
池締付用ベローズが前記中間ヘッダーの上側及び下側と
各セル積層部との間に介在していることを特徴とする、
請求項１記載の燃料電池。
【請求項３】該電池締付用ベローズの内部空間に、セ
ル積層部にアノードガスあるいはカソードガスを供給排
出するための伸縮自在な管部材が配置していることを特
徴とする、請求項１又は２記載の燃料電池。
【請求項４】該電池締付用ベローズと、セル積層部に
アノードガスあるいはカソードガスを供給排出するため
の伸縮自在な管部材とが、各燃料電池モジュールのガス
ヘッダーとセル積層部との間に、それぞれ分離した形で
設けてあることを特徴とする、請求項１又は２記載の燃
料電池。
【請求項５】該電池締付用ベローズの内部空間に、燃
料電池モジュールのガスヘッダーとセル積層部との間の
支えとなるリブ等の支持構造物が介在していることを特
徴とする、請求項１ないし４いずれかに記載の燃料電
池。