JP2860278B2 - 燃料電池 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、化学エネルギーを
直接電気エネルギーに変換する燃料電池に係わり、特に
単位電池を複数積層した燃料電池に関する。

【０００２】

【従来の技術】化学エネルギーを直接電気エネルギーに
変換する燃料電池では、電解質板の両面に接するように
正・負の電極板を配設し、それぞれ酸化剤ガス、燃料ガ
スを反応させるようにすることによって単位電池が構成
されている。ところで、この単位電池で得られる起電力
は低いため高出力の発電プラントを構成するには、複数
の単位電池を直列に積層して燃料電池積層体を構成し、
各単位電池の加算出力を得るようにしてある。

【０００３】一般に、燃料電池積層体は、隣り合う単位
電池間にセパレータが設けられ、一方の単位電池の燃料
ガス流路と他方の単位電池の酸化剤ガス流路を区分する
構成がとられている。したがって、酸化剤ガス流路と燃
料ガス流路は交互に積層されることになり、各ガスを供
給するマニホールドでは、各ガスが外部に漏れることが
なく、また各ガスが混合することがないように給排路を
形成することが重要となる。

【０００４】図８は、従来の燃料電池積層体の概略構成
を示す斜視図であって、セパレータ１と電解質板２が交
互に積層されスタックが形成されており、上記電解質板
２を挟む上下のセパレータ１には、それぞれ電解質板２
の上面側及び下面側に接触するようにした負の電極板及
び正の電極板が配設され起電部３が形成されている。ま
た積層体の両端部には、酸化剤ガス路４、燃料ガス路５
などからなるマニホールドが形成され、起電部３へ各ガ
スを供給するようにしてある。

【０００５】図９は、図８のＸ−Ｘ線に沿った断面図で
あり、電解質板２と交互に積層されている各セパレータ
１の上面側に形成された凹部にはそれぞれ正の電極板６
及び多数の突起を有する酸化剤ガスチャンネル７が収容
され、下面側に形成された凹部には負の電極板８及び多
数の突起を有する燃料ガスチャンネル９が収容され、そ
の正の電極板６及び負の電極板８がそれぞれ電解質板２
の両面に接触されている。そして、上記各酸化剤ガスチ
ャンネル７が連絡通路１０を介して積層体の左右に設け
られた前記酸化剤ガス路４に連通してあり、燃料ガスチ
ャンネル９が図示しない連絡通路を介して燃料ガス路５
に連通されている。

【０００６】しかして、酸化剤ガス路４から連絡通路１
０を介して各酸化剤ガスチャンネル７に酸化剤ガスを供
給するとともに、燃料ガス路５から各燃料ガスチャンネ
ル９に燃料ガスを供給することによって各単位電池にお
いて酸化剤ガスと燃料ガスが反応し起電力が得られる。

【０００７】ところがこのようなものにおいては、電解
質板２の両面に積層された正・負の電極板６，８からな
る単位電池とセパレータ１の製作精度が高くないと、各
電極収容用の凹部の深さが対応する電極板及びガスチャ
ンネルの積層方向の寸法より小さすぎたり、或いは大き
すぎたりすることがある。したがって、上記凹部の深さ
が規定寸法より小さすぎる場合には、電解板６，８のみ
が電解質板２に接触し、周囲のセパレータと電解質板２
との接触面に十分な圧力が生じなく、十分なウエットシ
ール効果が得られない等の問題がある。

【０００８】そこで、セパレータ１を、セパレータ板の
上下両面にそれぞれ額縁状のエッジ板を配設し、そのセ
パレータとエッジ板間にスプリングを介装した構成とし
たものが提案されている。すなわち、図１０は上記セパ
レータ１をセパレータ板とエッジ板によって構成した燃
料電池積層体の断面図であって、単位電池を分離するセ
パレータ板１１の上面側と下面側にはそれぞれ所定間隔
をもって第１のエッジ板１２及び第２のエッジ板１３が
配設されており、セパレータ板１１及び第１，第２のエ
ッジ板１２，１３は周縁部を溶接することにより互いに
接合してある。

【０００９】上記第１のエッジ板１２にはその中央部に
正の電極板６を収容するための正電極収容開口部が形成
されており、同様に第２のエッジ板１３の中央部には負
の電極板８を収容するための負電極収容開口部が形成し
てある。しかして、第１のエッジ板１２の正電極収容開
口部に酸化剤ガスチャンネル７及び正の電極板６の積層
体を嵌合してセパレータ板１１上に載置するとともに、
その電極板６と第１のエッジ板１２上に電解質板２を載
置し、その電解質板２上に負の電極板８及び燃料ガスチ
ャンネル９を載置し、上記負の電極板８と燃料ガスチャ
ンネル９の積層体上に次のセパレータ１を積層してその
セパレータ１の第２のエッジ板１３の負電極収容開口部
が嵌合させてある。以後同様にして順次電極板及び電解
質板等が複数積層して燃料電池積層体が形成されてい
る。

【００１０】ところで、酸化剤ガス路４及び燃料ガス路
（図示せず）は前述のように燃料電池積層体の両端部に
おいて上下方向に貫通されており、酸化剤ガス路４が形
成されている部分においては、セパレータ板１１と第２
のエッジ板１３間に上記酸化剤ガス路４を取囲むように
環状の変形可能な酸化剤ガス用シール部材１４が設けら
れており、酸化剤ガス路４に供給された酸化剤ガスは、
各セパレータ１におけるセパレータ板１１と第１のエッ
ジ板１２間を通り酸化剤ガスチャンネル７を流れ、他方
の酸化剤ガス路４から流出するようにしてある。同様
に、燃料ガス路５が形成されている部分では、セパレー
タ板１１の第１のエッジ板１２間に環状の変形可能な燃
料ガス用シール部材（図示せず）が設けられており、上
記燃料ガス路５に供給された燃料ガスはセパレータ板１
１と第２のエッジ板１３間を通り燃料ガスチャンネル９
内を流通するようにしてある。

【００１１】一方、セパレータ板１１と第１のエッジ板
１２間及びセパレータ板１１と第２のエッジ板１３間に
は、正の電極板６と酸化剤ガスチャンネル７或いは負の
電極板８と燃料ガスチャンネル９からなる起電部の周辺
部にエッジスプリング１５が設けられ、酸化剤ガス路４
等のマニホールド部にはマニホールドスプリング１６が
設けられている。

【００１２】しかして、単位電池を積層した後において
は、各電解質板２によって各エッジ板１２，１３がエッ
ジスプリング１５及びマニホールドスプリング１６等に
抗して変形され、各エッジ板１２，１３の表面が電極板
６，８の表面にならった形状となり、上記エッジスプリ
ング１５及びマニホールドスプリング１６によって各エ
ッジ板１２，１３が電解質板２に圧接される。

【００１３】

【発明が解決しようとする課題】このように、電解質板
及び正・負の電極板等からなる複数の単位電池を積層し
た燃料電池では、上記正・負の電極板部に送給する酸化
剤ガス、燃料ガスが外部に漏れることなく、また両ガス
が混合することなく、供給・排出されることが必要であ
り、従来、反応部では電解質板とセパレータ板でそのシ
ールが行われ、起電部の周辺およびマニホールド部で
は、電解質板とセパレータの接触面に生じる例えば溶融
炭酸塩による作用すなわちウエットシールによるシール
が行われている。

【００１４】ところで、上述の如くきシール法を採用す
るものにおいては、反応部では電解質板に割れが発生し
ないことが必要であり、特に起電部とセパレータのエッ
ジ部間で寸法上のミスマッチを解消するために高い製作
精度が要求され、歩留まりの悪化、製作コストの増大な
どが懸念されている。同様にウエットシール部において
も、その性能が炭酸塩の濡れ性、加圧力などの影響を受
けることから、高い製作精度が要求されている。さらに
長時間の安定性では起電部品のクリープ特性とエッジ部
材のクリープ特性との相違から起電部分での接触不良が
生じ、よって内部抵抗が増大し出力が低下したりして、
マニホールド部での両ガスの混合も懸念される。

【００１５】図１０に示す装置では、上記懸念を解消す
るため、エッジ部、マニホールド部にエッジスプリング
並びにマニホールドスプリングが設けられていて、それ
ぞれ個別には改善されている。しかしながら、このもの
においてもエッジスプリングとマニホールドスプリング
とで形状の相違にもとずく収縮差が現われ、電解質板に
過大な曲げ応力或いはせん断応力が発生する恐れがあ
る。また、マニホールド周辺にスプリングを配設するこ
とから、起電部に要求される供給ガスの均一配流に対す
る図示しない配流素子の配設とあいまって、この部分の
平面方向の領域を広く必要とするとともに配設作業も繁
雑となり、ひいてはコスト高となる等の問題もある。

【００１６】本発明はこのような点に鑑み、電解質板に
加わる不要の曲げ変形を低減させ、複雑な設計ならびに
製造性から解放するとともに長時間にわたって電池特性
を安定させ、場合によっては簡便かつ適切なスプリング
構成とすることによって配流素子をも兼ね得るように
し、総コストを低減し得る燃料電池を得ることを目的と
する。

【００１７】

【課題を解決するための手段】第１の発明は、電解質板
の一面に正の電極板を積層するとともに他の面に負の電
極板を積層し、各電極板にそれぞれ接してガス路を形成
するガスチャンネルを配設した単位電池を、セパレータ
板を介して複数積層した燃料電池において、上記セパレ
ータ板と、燃料側或るいは酸化剤側の起電部の外周に配
設され、上記電解質板と面接触するエッジ板との間であ
って、上記起電部まわりのエッジ部及びマニホールドス
プリングを、起電部にガスを導くために最も好ましい角
度だけスプリングの長さ方向に対して傾斜された線状突
起が互いに等間隔に形成された、互いにバネ特性が実質
的に同一の板状スプリングによって構成したことを特徴
とする。第２の発明は電解質板の一面に正の電極板を積
層するとともに他の面に負の電極板を積層し、各電極板
にそれぞれ接してガス路を形成するガスチャンネルを配
設した単位電池を、セパレータ板を介して複数積層した
燃料電池において、上記セパレータ板と、燃料側或いは
酸化剤側の起電部の外周に配設され上記電解質板と面接
触するエッジ板との間であって、上記起電部まわりのエ
ッジ部及びマニホールドまわりにそれぞれ介装するエッ
ジスプリング及びマニホールドスプリングを、板材に規
則性をもって配列された多数の穴を穿設し、各穴内に球
状部材を板材の両面から突出するように装着した、互い
にバネ特性が実質的に同一の板状スプリングによって構
成したことを特徴とする。

【００１８】

【発明の実施の形態】図１は、本発明における燃料電池
積層体の縦断面図、図２はそのエッジ板１２を除去した
状態を示す平断面を示す図であり、酸化剤ガス路４の形
状は長円形の例を示している。

【００１９】図１，図２において、セパレータ板１１の
中央部には従来例と同様に発電をつかさどる起電部３が
設けられ、両端部には酸化剤ガス路４及び燃料ガス路５
がそれぞれガスの入口側、出口側として設けられてい
る。燃料側と酸化剤側とはセパレータ板１１を介して分
離されている。起電部３の周辺には、従来とほぼ同様に
エッジスプリング２０ａ，２０ｂが、また各ガス路４，
５の周辺すなわちマニホールド部にはマニホールドスプ
リング２１ａ，２１ｂが配設されている。なお、この場
合ガス路側に配設しているエッジスプリング２０ｂはマ
ニホールドスプリングを兼ねた構成としてある。

【００２０】ところで、本発明においては、少なくとも
燃料側或いは酸化剤側の同一平面内に配設されているエ
ッジスプリング２０ａ，２０ｂ並びにマニホールドスプ
リング２１ａ，２１ｂの積層方向のバネ形状に基づくバ
ネ特性が実質的に同一な板状スプリングとしてある。こ
こに実質的なバネ特性とは単位面圧当りの変形量、クリ
ープ特性などが相当する。

【００２１】このように、同一平面内において電解質板
２とエッジ板１２，１３とが接触してウエットシールを
形成する部分のバネ特性が同一としてあることにより、
すなわち燃料側或るいは酸化剤側の同一平面内では同一
のバネ特性を有する板状のスプリング群によって構成さ
れていることにより、電解質板２とエッジ板１２，１３
とが接触してウエットシールを形成する部分に加わる面
圧がどの部分をとってみてもほぼ同一となり、特にエッ
ジ部分とマニホールド部分に加わる面圧の差は激減する
ことになる。したがって、エッジ部分（起電部を含む）
とマニホールド部分とでエッジ板の変形量の差を低減す
ることになり、エッジ板は平面を保ったまま変形するこ
とが可能となる。すなわち、電解質板に加わる不必要な
曲げ変形は低減され、安定した燃料電池が達成される。

【００２２】さらに、図１に示したように全ての板状ス
プリングを直線状のものを使用することによってバネ特
性を同一とすることが容易で、設計上の問題が低減し、
また製作コスト的にも低価なものとすることができる。

【００２３】図３の（ａ），（ｂ）は上記エッジスプリ
ング２０ａ，２０ｂ及びマニホールドスプリング２１
ａ，２１ｂを構成する板状スプリング２２の平面図及び
断面図であって、その板状スプリング２２にはその平面
に対して直角方向に突出する複数の線状突起２３が互い
に平行に設けられている。そして、上記線状突起２３は
その隣り合う突起間の距離が等しくなるように且つ板状
スプリングの長さ方向に対して所定の傾きθを有してい
るように形成されている。上記傾きθは各ガス路４，５
から起電部へガスを導く際に配流面で最も好ましい角度
としてあり、本例では２枚のスプリングを積層した例を
示している。

【００２４】しかして、この例においては隣り合う線状
突起間の距離を等しくすることによって、大部分の面す
なわち傾きθで定義される面において積層方向のバネ特
性を同一とすることが可能である。しかも、上記傾きθ
がガス配流で最も好ましい傾きとしてあるため、ガス路
側のエッジスプリング２０ｂを図４に示すように配設す
ることによって、酸化剤ガス路４及び燃料ガス路５から
起電部へガスを導く際の配流素子を兼ねることができ、
従来の配流素子が不要となり、その設置されていたスペ
ースを省略でき、セパレータのコンパクト化を図ること
ができる。

【００２５】図５は、マニホールド域での電解質板の変
形をさらに均一にするための実施例を示す図であり、酸
化剤ガス路４或いは燃料ガス路５と対応する部分にエッ
ジ板１２，１３に穿設された開口部では、その開口部の
内縁がセパレータ板１１側に屈曲されその屈曲片部でそ
のエッジ板１２或いは１３とセパレータ板１１間の間隙
が密封されている。

【００２６】すなわち、酸化剤ガス路４においては、第
２のエッジ板１３の開口端縁部にセパレータ板１１側に
屈曲された屈曲片１３ａが形成され、その先端部がセパ
レータ板１１に溶着されている。しかして、その屈曲片
１３ａによって酸化剤ガス路４と燃料ガスチャンネル９
間の連通がしゃ断されている。同様に、燃料ガス路５部
においては第１のエッジ板１２に形成された屈曲片によ
って、燃料ガス路５と酸化剤ガスチャンネル７との連通
がしゃ断されるようにしてある。

【００２７】ところが、このようなものにおいては、エ
ッジ板が成形加工してあるため、成形肩部Ａの剛性が平
面部に比べ大きくなり、その収縮は肩部近傍以外の平面
部に比べ小さくならざるを得なくなり、エッジ板と接し
ている電解質板にはその収縮差によって曲がりが生じて
しまう。

【００２８】そこで、本発明においては酸化剤ガス側、
燃料ガス側ともに前記屈曲片部より所定距離Ｘだけ間隔
をもってエッジスプリング２０ｂ、マニホールドスプリ
ング２１ａを配設するとともに、電解質板の開口端縁も
上記エッジスプリング２０ｂ、マニホールドスプリング
２１ａとほぼ対応する位置に配設してある。ここで、正
極側と負極側とでは電極の大きさを違えるために、それ
ぞれの側でスプリングの幅寸法は異ならしめてある。

【００２９】しかして、剛性の高い成型肩部近傍での電
解質板との接触はなくなり電解質板の曲げ変形は軽減さ
れる。さらに酸化剤ガス側、燃料ガス側ともにガス路端
部よりＸの間隔をもってスプリング並びに電解質板が設
置されているため、エッジ板１２或いは１３とセパレー
タ板１１の２枚の板が図６に示すように収縮を負担する
ことになり、材料力学から明らかなように間隔は比較的
短い長さとすることができる。

【００３０】また、図７（ａ），（ｂ）は板状スプリン
グの他の変形例を示す図であり、上記点状突起の代り
に、板材２５に多数の穴を加工し、その穴内に球状部材
２６を上記板材２５の両面に突出するように装着し、こ
れが複数板積層してある。しかして、この例においては
特別の成形が不要であり、簡便にしかも安価に種々のバ
ネ特性を有する板状スプリングを形成することができ
る。

【００３１】

【発明の効果】以上説明したように、第１の発明はエッ
ジスプリング及びマニホールドスプリングを互いにバネ
特性が実質的に同一の板状スプリングによって構成した
ので、電解質板とエッジ板と接触してウエットシールを
形成する部分に加わる面圧はどの部分をとってみてもほ
ぼ同一となり、特にエッジ部分とマニホールド部分に加
わる面圧の差は激減することになる。したがって、エッ
ジ部分とマニホールド部分とでエッジ板の変形量の差が
低減され、エッジ板は平面を保ったまま変形することが
可能となり、電解質板に加わる不必要な曲げ変形が低減
される。また、板状スプリングの線状突起の隣り合う突
起の距離を互いに等しくすることによって積層方向のバ
ネ特性を容易に同一とすることができる。しかも、線状
突起の傾きを所定の角度とすることによってガス路から
起電部へガスを導く際の配流素子をも兼ねることができ
る。したがって従来の配流素子は不要となり、その設置
スペースを省くことができ、セパレータのコンパクト化
を図ることができる等の効果を奏する。また第２の発明
においては、特別の成形が不要であり、簡便にしかも安
価に種々のバネ特性を有する板状スプリングを形成する
ことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の燃料電池の縦断面図。

【図２】本発明の燃料電池のエッジ板を除去した状態を
示す平面図。

【図３】（ａ），（ｂ）は本発明にかかる板状スプリン
グの平面図及び断面図。

【図４】本発明の板状スプリングの配設例を示す図。

【図５】マニホールド域での電解質板の変形を均一化す
るための一例を示す図。

【図６】セパレータ板、エッジ板の変形の様子を示す概
念図。

【図７】板状スプリングのさらに他の例を示す図。

【図８】従来の燃料電池積層体にかかわる横断面図。

【図９】従来の燃料電池積層体の縦断面図。

【図１０】従来の他の燃料電池積層体の縦断面図。

【符号の説明】

１ セパレータ ２ 電解質板 ３ 起電部 ４ 酸化剤ガス路 ５ 燃料ガス路 ６ 正の電極板 ７ 酸化剤ガスチャンネル ８ 負の電極板 ９ 燃料ガスチャンネル １１ セパレータ板 １２ 第１のエッジ板 １３ 第２のエッジ板 ２０ａ，２０ｂ エッジスプリング ２１ａ，２１ｂ マニホールドスプリング ２２ 板状スプリング ２３ 線状突起

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】電解質板の一面に正の電極板を積層すると
   ともに他の面に負の電極板を積層し、各電極板にそれぞ
   れ接してガス路を形成するガスチャンネルを配設した単
   位電池を、セパレータ板を介して複数積層した燃料電池
   において、上記セパレータ板と、燃料側或るいは酸化剤
   側の起電部の外周に配設され上記電解質板と面接触する
   エッジ板との間であって、上記起電部まわりのエッジ部
   及びマニホールドまわりにそれぞれ介装するエッジスプ
   リング及びマニホールドスプリングを、起電部にガスを
   導くために最も好ましい角度だけスプリングの長さ方向
   に対して傾斜された線状突起が互いに等間隔に形成され
   た、互いにバネ特性が実質的に同一の板状スプリングに
   よって構成したことを特徴とする燃料電池。
2. 【請求項２】電解質板の一面に正の電極板を積層すると
   ともに他の面に負の電極板を積層し、各電極板にそれぞ
   れ接してガス路を形成するガスチャンネルを配設した単
   位電池を、セパレータ板を介して複数積層した燃料電池
   において、上記セパレータ板と、燃料側或いは酸化剤側
   の起電部の外周に配設され上記電解質板と面接触するエ
   ッジ板との間であって、上記起電部まわりのエッジ部及
   びマニホールドまわりにそれぞれ介装するエッジスプリ
   ング及びマニホールドスプリングを、板材に規則性をも
   って配列された多数の穴を穿設し、各穴内に球状部材を
   板材の両面から突出するように装着した、互いにバネ特
   性が実質的に同一の板状スプリングによって構成したこ
   とを特徴とする、燃料電池。