JP2829207B2 - 積層式燃料電池 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、単位電池とセパレータ
とを交互に積層した積層式燃料電池に係り、特に、マニ
ホールドを介して正極および負極へ酸化剤ガスおよび燃
料ガスを供給、排出する積層式燃料電池に関する。

【０００２】

【従来の技術】一般に燃料電池は、電解質板に電解質を
含浸させて、この電解質板の両面に正極板と負極板を当
てがい、正極板側に酸化剤ガスを負極板側に燃料ガスを
供給することによって単位電池を形成し、それぞれのガ
スと電解質との間の化学反応に基づいて、化学エネルギ
ーを直接電気エネルギーに変換するものである。ところ
が上記の単位電池は起電力が小さく電流密度も小さいの
で、薄く広い単位電池を複数枚積層して積層式燃料電池
を構成し、実用的な量の電力を得るようにしている。

【０００３】積層式燃料電池は、燃料ガスおよび酸化剤
ガスの供給方式によって、外部マニホールド方式と内部
マニホールド方式とに大きく分類される。

【０００４】外部マニホールド方式は、積層した燃料電
池の外側にガスを供給および排出のための流路を設けた
ものであり、燃料ガスと酸化剤ガスは単位電池の上下で
直交した流れとなる。

【０００５】一方、内部マニホールド方式は、積層式燃
料電池の内部にガスの流路を設けたものであり、燃料ガ
スと酸化剤ガスは並行あるいは対向流となる。

【０００６】図６は内部マニホールド方式の従来の積層
式燃料電池の外観を示す斜視図であある。図７は図６に
おける鎖線における断面図である。図中符号１は単位電
池であって、この単位電池１は、例えば炭酸リチウムと
炭酸カリウムの混合アルカリ炭酸塩の電解質を含浸させ
てシート状に形成したリチウムアルミネート製の電解質
板の両面に、ニッケル多孔質焼結体からなるガス拡散電
極を当てがわれて構成されている。単位電池１は、セン
タープレート２、センタープレート２の一面側にあり単
位電池１の負極に当てがわれるカソードエッジ板３、お
よびセンタープレート２の他面側にあり単位電池１の正
極に当てがわれるアノードエッジ板４からなるセパレー
タと交互に積層されており、これらの単位電池１とセパ
レータとは厚板やボルト等によって締め付けられて積層
式燃料電池を構成している。

【０００７】積層式燃料電池の一側縁部には燃料ガスを
供給する燃料入口マニホールド７および酸化ガスを排出
する酸化剤出口マニホールド１３が交互に設けられ、他
側縁部には、燃料ガスを排出する燃料出口マニホールド
１２および酸化ガスを供給する酸化剤入口マニホールド
９が交互に設けられている。

【０００８】燃料入口マニホールド７から供給された燃
料ガスは、センタープレート２とアノードエッジ板４と
で形成された燃料ガス層にある燃料ガス通路６を通過す
ることにより負極へ燃料が供給されるとともに、燃料出
口マニホールド１２から排出される。一方、酸化剤入口
マニホールド９から供給された酸化剤ガスは、センター
プレート２とカソードエッジ板３とで形成された酸化剤
ガス層にある酸化剤ガス通路５を通過することにより正
極へ供給されるとともに、酸化剤出口マニホールド１３
から排出される。

【０００９】このような積層式燃料電池にあっては、酸
化剤ガスと燃料ガスとが直接混合することがないように
するために、またこれらのガスが積層式燃料電池の側壁
１４から外部へ漏洩するのを防止するために、単位電池
１とカソードエッジ板３およびアノードエッジ板４との
間をシールする必要がある。このため、従来このような
シールとしては、単位電池を積層した後、燃料電池の動
作温度まで昇温させ、昇温によって炭酸塩等の電解質を
溶解させてシールするウエットシール方式が採用されて
いた。

【００１０】これに対して本出願人は、さらにガスのシ
ールを確実にするために、図８に示すように、センター
プレート２、カソードエッジ板３およびアノードエッジ
板４を有するセパレータ１５と、これと上下に隣接する
他のセパレータ１５との間に、リング状シール部材８を
設置して接合することにより、シールすることを提案し
た（特開平３−４９１６０号）。

【００１１】この方式におけるリング状シール部材８
は、図９に詳細に示すように、上部リング状金属部材１
６と下部リング状金属部材１７との間にリング状絶縁部
材１１を配置し、ろう付けあるいはセラミック結合して
構成したものである。このようなリング状シール部材８
は、セパレータ１５の上部リング状金属部材１６の内周
縁部１６ａでセンタプレート２に溶接され、下部リング
状金属部材１７の端部の外周端部１７ａで隣接するセパ
レータ１５のアノードエッジ板４に溶接されている。

【００１２】なお、図９においては、燃料入口マニホー
ルド７についてのみ図示されているが、酸化剤入口マニ
ホールド９等についてもリング状シール部材が設けられ
ている。このリング状シール部材は図８に示されている
ように、上方にあるセパレータ１５のカソードエッジ板
３とその下方にあるセパレータ１５のセンタープレート
２との間に設けられている。

【００１３】

【発明が解決しようとする課題】ところが、このような
燃料電池においては、図９に示すように、リング状シー
ル部材８がセパレータ１５に溶接される前記内周縁部１
６ａ、外周縁部１７ａの位置は、上部リング状金属部材
１６と下部リング状金属部材１７とで、燃料入口マニホ
ールド７の中心軸７ａから異なる距離にあるため、リン
グ状シール部材８の円周溶接を行う場合、１層の単位電
池１、セパレータ１５を積層する毎に円周溶接する際の
回転移動の半径を変え、異なる半径で円周溶接を行う必
要があり、溶接作業と積層作業とを交互に行う必要があ
る等の問題がある。すなわち、単位電池１とセパレータ
１５とを多数段積層した後に、溶接をまとめて行うこと
がでず、多数段の単位電池１とセパレータ１５とを積層
するためには多くの時間を要するという問題点があっ
た。

【００１４】また、上部及び下部の溶接部となる内周縁
部１６ａと外周縁部１７ａとはそれぞれ、リング状絶縁
部材１１に対して内周縁部１６ａが中心軸７ａ側にある
のに対し外周縁部１７ａはリング状絶縁部材１１に対し
て中心軸７ａとは反対側にある。このため、燃料入口マ
ニホールド７の半径の大きさは上部リング状金属部材１
６の内周縁部１６ａの位置で制限されて大きくとれず、
また下部リング状金属１７の外周縁部１７ａの位置がリ
ング状絶縁部材１１に対して中心軸７ａとは反対側へ張
り出しているために単位電池１の面積が制限される。こ
のため、燃料入口マニホールド７の径を大きくとれず、
またリング状シール部材８によって占有される面積の割
合が大きいため、ガスの流速が大きくなるか、または大
容量の積層式燃料電池を構成する場合には積層式燃料電
池が大型になるという問題点があった。

【００１５】そこで、本発明の目的は、上記従来技術の
有する問題を解消し、単位電池とセパレータとを多数段
積層した後に溶接をまとめて行うことができるととも
に、積層式燃料電池を大型にしなくともガス流路の径を
大きくできるようにした積層式燃料電池を提供すること
である。

【００１６】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明による積層式燃料電池は、電解質板の両面に
正極と負極を配設した単位電池と、センタープレートの
一面に燃料ガス層を形成し他面に酸化剤ガス層を形成す
るようにしたセパレータとを交互に複数積層した積層式
燃料電池において、酸化剤ガス或いは燃料ガスの供給ま
たは排出用の各マニホールドを形成するための孔部を上
記セパレータに形成するとともに、その孔部と同一形状
の開口部を有する２枚のリング状金属部材間にリング状
絶縁部材を同心状に介装したシール部材を、互いに隣接
するセパレータ間に、上記シール部材の開口部が上記セ
パレータの孔部の軸線と同一軸線上になるように配設
し、上記両リング状金属部材の前記開口部の最内周に位
置する開口内周縁部とそれぞれそのリング状金属部材が
接するセパレータの孔部の前記開口部の最内周に位置す
る内周縁部とを前記開口部の最内周に位置において溶着
したことを特徴とする。

【００１７】

【作用】シール部材は、マニホールドを形成するために
セパレータに形成された孔部と同一形状の開口部を有す
る２枚のリング状金属部材間にリング状絶縁部材を同心
状に介装して形成される。このシール部材を互いに隣接
するセパレータの孔部の軸線と同一軸線上になるように
配設するので、両リング状金属部材の開口内周縁部とそ
れぞれそのリング状金属部材が接するセパレータの孔部
の内周縁部とを円周溶接で溶着する場合に、一度設定し
た円周溶接の半径を変える必要がない。したがって単位
電池、セパレータおよびシール部材とを多数段積層した
後に溶接をまとめて行うことができる。

【００１８】

【実施例】本発明による積層式燃料電池の実施例を図１
乃至図５を参照して説明する。図１乃至図５は、従来例
を示した図９と同様に、積層式燃料電池の燃料入口マニ
ホールド７の近傍を示す断面図である。同一の部材には
同一の符号を付して説明する。

【００１９】まず図１を参照して本発明の第１実施例を
説明する。複数の単位電池１の間にその単位電池１と交
互に配設されているセパレータ１５には、センタープレ
ート２とアノードエッジ板４の２枚からなる一端縁部に
燃料入口マニホールド７を形成するための円形の孔部１
０が形成されている。また、互いに隣接するセパレータ
１５間にはそのセパレータ１５の孔部１０の軸線と同一
軸線上になるようにそれぞれシ−ル部材２０配設されて
いる。上記シール部材２０は、上記センタープレート２
の孔部１０と同一形状の開口部１０ａが形成されている
上部リング状金属部材２１と下部リング状金属部材２２
との間にリング状絶縁部材１１を同心状に介装し、ろう
付けあるいはセラミック結合により結合あいたものであ
り、上部リング状金属部材２１の開口内周縁部２１ａ
と、下部リング状金属部材２２の開口内周縁部２２ａと
が、中心軸７ａから等しい距離に位置するようにしてあ
る。そして、シ−ル部材２０は、上部リング状金属部材
の開口内周縁部２１ａにおいてセンタープレート２の孔
部１０内周縁部２ａへ、また下部リング状金属部材の開
口内周縁部２２ａにおいてアノードエッジ板４の内周縁
部４ａへ各々円周溶接されている。なお、上部リング状
金属部材２１はその外周部材２１はその外周縁および内
周縁が上部に屈曲され、下部リング状部材はその外周縁
および内周縁が下方に屈曲され、積層時に弾性を有する
ようにしてある。

【００２０】また、図１に図示しないが、燃料入口マニ
ホールド７と反対側に設けられている燃料出口マニホー
ルド１２も同様に形成されており、また酸化剤入口マニ
ホールド９、燃料出口マニホールド１２および酸化剤出
口マニホールド１３については、上方にあるセパレータ
１５のカソードエッジ板３とこれと下方に隣接してある
セパレータ１５のセンタープレート２との間にシール部
材が設けられており、上部リング状金属部材２１の開口
内周縁部２１ａはカソードエッジ板３の内周縁部３ａ
へ、下部リング状金属部材２２の開口内周縁部の下側溶
接部２２ａはセンタープレート２の内周縁部２ａへ円周
溶接されている。

【００２１】このように構成されたシール部材２０を介
在させて積層式燃料電池を形成するためには、まず、単
位電池１とセパレータ１５とを交互にまず多数積層す
る。この後に、燃料入口マニホールド７内に溶接ロボッ
ト３０を挿入し、積層された上部リング状金属部材の開
口内周縁部２１ａ、下部リング状金属部材の開口内周縁
部２２ａを順次セパレータ１５の対応する孔部１０の内
周縁と円周溶接する。

【００２２】本実施例の構成によれば、セパレータ１５
の孔部１０と同一形状の開口部１０ａを有する２枚のリ
ング状金属部材２１、２２間にリング状絶縁部材１１を
同心状に介装してシール部材２０を形成し、このシール
部材２０を互いに隣接するセパレータ１５の孔部１０の
軸線と同一軸線上になるように配設したので、各溶接部
との間で、円周溶接の際に一度設定した溶接ロボット３
０の先端部の回転移動の半径を変える必要がない。した
がって単位電池１とセパレータ１５とを多数段積層した
後に溶接をまとめて行うことができる。この結果、多数
段の単位電池１とセパレータ１５とを積層して、効率的
に積層式燃料電池を形成することができる。

【００２３】また、シール部材２０は、上部リング状金
属部材２１と下部リング状金属部材２２との間にリング
状絶縁部材１１を同軸状に配置されて構成されているの
で、シール部材２０の面積を小さくすることができる。
この結果、積層式燃料電池を大型にしなくとも燃料入口
マニホールド７等のガス流路の径を大きくとることがで
きる。

【００２４】次に図２を参照して本発明の第２実施例を
説明する。図２に示すように、アノードエッジ板４の内
周縁部４ａと下部リング状金属部材の開口内周縁部２２
ａは重なるようにして上方に曲げられ、またセンタープ
レート２の内周縁部２ａと上部リング状金属部材の開口
内周縁部２１ａは重なるようにして下方へ曲げられてい
る。そして、アノードエッジ板４とセンタープレート２
とで挟まれて形成される燃料ガス通路６の内周縁部６ａ
には、広がった開口を有するベルマウスが形成されてい
る。

【００２５】本実施例の構成によれば、アノードエッジ
板４の内周縁部４ａと下部リング状金属部材の開口内周
縁部２２ａおよびセンタープレート２の内周縁部２ａと
上部リング状金属部材の開口内周縁部２１ａは各々重な
るように曲げられているので、シール部材２０を積層す
るときに、位置決めを容易にすることができる。また、
燃料ガス通路６の内周縁部６ａにはベルマウスが形成さ
れているので、ガスの供給、排出における圧力損失を小
さくすることができる。

【００２６】次に図３乃至図５を参照して本発明の第３
実施例を説明する。図３乃至図５に示すシール部材２０
はいずれも、単位電池１等の積層方向に対して一層柔軟
な構造になるように構成されたものである。

【００２７】図３に示すシール部材２０においては、セ
ンタープレート２の内周縁部２ａは下方へ曲げられ、ま
た上部リング状金属部材の開口内周縁部２１ａは上方へ
曲げられている。内周縁部２ａと開口内周縁部２１ａと
は、丸い開口２３を形成するように溶接して接続されて
いる。また、下部リング状金属部材２２は、図２におけ
る場合に比べて広い面積に渡ってアノードエッジ板４に
接するように配置されている。

【００２８】また、図４に示すシール部材２０において
は、上部リング状金属部材２１の開口内周縁部２１ａの
近傍にはＳ字状部２１ｂが形成されている。

【００２９】また、図５に示すシール部材２０において
は、上部リング状金属部材２１は、開口２４、２５を形
成するように折り重なれた形状を有する。

【００３０】本実施例の構成によれば、開口２３、Ｓ字
状部２１ｂ、または開口２４、２５を形成するようにし
たので、単位電池１等の積層方向に対して積層式燃料電
池を柔軟な構造になるように構成することができる。こ
の結果、積層式燃料電池において単位電池１等の積層方
向に対して生じる歪み等を効率的に吸収することができ
る。

【００３１】なお、本発明の実施例の説明において、シ
ール部材２０を燃料入口マニホールド７がリング状の場
合について説明したが、ここでリング状とは円形状に限
らず、例えば正方形の形状であってもよい。また、シー
ル部材２０が燃料入口マニホールド７を形成する場合に
ついて詳細に示したが、燃料入口マニホールド７の場合
に限らず、燃料出口マニホールド１２、酸化剤入口マニ
ホールド９、または酸化剤出口マニホールド１３につい
ても、燃料入口マニホールド７の場合と実質的に同様に
適用することができる。

【００３２】次に、上述した種々の実施例で説明したシ
ール部材２０を用いて、積層式燃料電池を形成する方法
を詳細に説明する。

【００３３】まず、燃料入口マニホールド７、酸化剤入
口マニホールド９、燃料出口マニホールド１２および酸
化剤出口マニホールド１３を形成するために設けた孔部
１０の径よりわずかに小さい径を有する丸棒または管か
らなる複数の位置合わせ棒を燃料入口マニホールド７等
が占める所定位置に垂直に保持する。次に、セパレータ
１５の孔部１０等を位置合わせ棒へ挿し入れる。次に、
位置合わせ棒へ挿し入れられたセパレータ１５の上に単
位電池１を位置合わせして配設するとともに、シール部
材２０の開口部１０ａを位置合わせ棒へ挿し入れて、前
に挿し入れされたセパレータ１５に位置合わせして積層
する。同様にして、単位電池１を順次介装しながら複数
のセパレータ１５、およびシール部材２０を位置合わせ
棒に挿し入れて位置合わせして積層し、適宜締付け部材
によって上下方向の締付けを行う。この締付け部材とし
ては孔部１０の径より大きい径を有する位置合わせ棒に
捩合されるナット等を用いることができる。

【００３４】このようにして複数のセパレータ１５、燃
料電池１およびシール部材２０を位置合わせして積層し
た後、位置合わせ棒を上方または下方へ一部引き抜く。

【００３５】次に、燃料入口マニホールド７等の内部へ
下方または上方より、溶接ロボット３０を挿入する。そ
して、溶接ロボット３０の先端部を下部リング状金属部
材２２の開口内周縁部２２ａの近傍に位置合わせし、溶
接ロボット３０の先端部を燃料入口マニホールド７の内
径よりわずかに小さい所定半径で同一平面内を回転移動
させて開口内周縁部２２ａと内周縁部４ａとを円周溶接
する。次に、溶接ロボット３０の先端部を上方へ垂直へ
並進移動させ、上部リング状金属部材２１の上側溶接部
２１ａの近傍に位置合わせし、溶接ロボット３０の先端
部の回転移動の半径を変化させずに所定半径で同一平面
内を回転移動させ、上側溶接部２１ａと内周縁部２ａと
を円周溶接する。同様にして、適当に位置合わせ棒を引
き抜き、位置合わせ棒の入っていない燃料入口マニホー
ルド７内を溶接ロボット３０の先端部を上方へ垂直に並
進移動させ、シール部材２０とセパレータ１５との円周
溶接を行う。なお、酸化剤入口マニホールド９、燃料出
口マニホールド１２および酸化剤出口マニホールド１３
にたいしても、燃料入口マニホールド７の場合と同様に
円周溶接を行うことができる。

【００３６】上述した積層式燃料電池の形成方法によれ
ば、セパレータ１５の孔部１０と同一形状の開口部１０
ａを有するシール部材２０を互いに隣接するセパレータ
１５の孔部１０の軸線と同一軸線上になるようにし、複
数の単位電池１、セパレータ１５およびシール部材２０
とをまず多数段積層して締付け、この後に、一度設定し
た溶接ロボット３０の先端部の回転移動の半径を変化さ
せることなく順次複数のセパレータ１５とシール部材２
０とをまとめて円周溶接することができる。この結果、
効率的に積層式燃料電池を形成することができる。

【００３７】また、位置合わせ棒を用いることにより、
複数のセパレータ１５およびシール部材２０とを容易に
位置合わせすることができる。また、この位置合わせ棒
を燃料入口マニホールド７等から一部ずつ引き抜きなが
ら円周溶接を行うことができるので、複数のセパレータ
１５およびシール部材２０の位置合わせをくずすことな
く円周溶接の作業を行うことができる。

【００３８】なお、上述の積層式燃料電池の形成方法に
おいて、位置合わせ棒による複数のセパレータ１５等の
位置合わせは必ずしも必須ではなく、他の方法による位
置合わせも可能である。例えば図３に示したように燃料
ガス通路６の内周縁部６ａにベルマウスを形成したりす
ることによって複数のセパレータ１５等を位置合わせす
ることも可能である。また、互いに位置合わせをするた
めの凹凸をセパレータ１５等に設けることによっても可
能である。

【００３９】

【発明の効果】以上説明したように、本発明の構成によ
れば、各マニホールドを形成するための孔部をセパレー
タに形成するとともに、その孔部と同一形状の開口部を
有する２枚のリング状金属部材間にリング状絶縁部材を
同心状に介装したシール部材を、互いに隣接するセパレ
ータの孔部の軸線と同一軸線上になるように配設したの
で、上記両リング状金属部材の開口内周縁部とそれぞれ
そのリング状金属部材が接するセパレータの孔部の内周
縁部とを円周溶接で溶着する場合に、一度設定した円周
溶接の半径を変える必要がなく、したがって単位電池、
セパレータおよびシール部材とを多数段積層した後に溶
接をまとめて行うことができる。この結果、効率的に積
層式燃料電池を形成することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による積層式燃料電池の第１実施例の燃
料入口マニホールドの近傍を示す断面図。

【図２】同第２実施例を示す断面図。

【図３】同第３実施例を示す断面図。

【図４】第３実施例の変形例を示す断面図。

【図５】第３実施例の他の変形例を示す断面図。

【図６】従来の積層式燃料電池の外観を示す斜視図。

【図７】従来の積層式燃料電池の燃料入口マニホールド
の近傍を示す断面図。

【図８】従来の他の積層式燃料電池の燃料入口マニホー
ルドの近傍を示す断面図。

【図９】図８に示すリング状シール部材８を詳細に示す
断面図。

【符号の説明】

１ 単位電池 ２ センタープレート ３ カソードエッジ板 ４ アノードエッジ板 ５ 酸化剤ガス通路 ６ 燃料ガス通路 ７ 燃料入口マニホールド ７ａ 中心軸 ８ 従来のリング状シール部材 ９ 酸化剤入口マニホールド １１ 絶縁部材７ １２ 燃料出口マニホールド １３ 酸化剤出口マニホールド １４ 側壁 １５ セパレータ １６ 上部リング状金属部材 １７ 下部リング状金属部材 ２０ シール部材 ２１ 上部リング状金属部材 ２１ａ 開口内周縁部 ２２ 下部リング状金属部材 ２２ａ 開口内周縁部 ２３ 開口 ２４ 開口 ２５ 開口 ３０ 溶接ロボット

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】電解質板の両面に正極と負極を配設した単
   位電池と、センタープレートの一面に燃料ガス層を形成
   し他面に酸化剤ガス層を形成するようにしたセパレータ
   とを交互に複数積層した積層式燃料電池において、 酸化剤ガス或いは燃料ガスの供給または排出用の各マニ
   ホールドを形成するための孔部を上記セパレータに形成
   するとともに、その孔部と同一形状の開口部を有する２
   枚のリング状金属部材間にリング状絶縁部材を同心状に
   介装したシール部材を、互いに隣接するセパレータ間
   に、上記シール部材の開口部が上記セパレータの孔部の
   軸線と同一軸線上になるように配設し、上記両リング状
   金属部材の前記開口部の最内周に位置する開口内周縁部
   とそれぞれそのリング状金属部材が接するセパレータの
   孔部の前記開口部の最内周に位置する内周縁部とを前記
   開口部の最内周に位置において溶着したことを特徴とす
   る積層式燃料電池。