JP3109239B2 - 燃料電池 - Google Patents

燃料電池

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JP3109239B2
JP3109239B2 JP04122931A JP12293192A JP3109239B2 JP 3109239 B2 JP3109239 B2 JP 3109239B2 JP 04122931 A JP04122931 A JP 04122931A JP 12293192 A JP12293192 A JP 12293192A JP 3109239 B2 JP3109239 B2 JP 3109239B2
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一 斉藤
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石川島播磨重工業株式会社
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    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30Hydrogen technology
    • Y02E60/50Fuel cells

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は燃料の有する化学エネル
ギーを直接電気エネルギーに変換させるエネルギー部門
で用いる燃料電池に関するものである。
【0002】
【従来の技術】燃料電池のうち、たとえば、溶融炭酸塩
型燃料電池は、電解質として溶融炭酸塩を多孔質物質に
しみ込ませてなるタイル(電解質板)をカソード(酸素
極)とアノード(燃料極)の両電極で両面から挟み、カ
ソード側に酸化ガスを供給すると共にアノード側に燃料
ガスを供給することによりカソード側とアノード側で各
々反応を行わせて発電を行わせるようにしたものを1セ
ルとし、各セルをセパレータを介し多層に積層してスタ
ックとするようにしてある。
【0003】上記スタックとした燃料電池は、各セルご
とに電池性能が良好に維持されることが必要であり、電
極反応部においてカソード及びアノードの各電極とタイ
ルとセパレータとが一様な圧力分布で接触しているこ
と、内部マニホールド型の燃料電池にあっては、周辺部
のウェットシール部のシール性が維持されていること、
運転中におけるスタックの高さ減少に対して追従性があ
ること、等が要求される。そのため、燃料電池全体を一
定の締付力で均一に締め付けることが必要である。
【0004】かかる必要性を満たすための従来の燃料電
池では、図3に一例を示す如く、セルをセパレータを介
して積層してなるスタックSを、上下のホルダー1と2
にて挾持させ、更に、上記上部のホルダー1の外側に、
空気等の流体を封入して膨らませてある金属製のベロー
ズ3を挟んで上下の押え板4と5を配置し、該上下の押
え板4,5同士を複数の締付ロッド6でつなぎ、該各締
付ロッド6の両端に螺合させた各ナット7を均等に締め
付けることによりベローズ3、ホルダー1,2を介して
スタックSに均一な締付力を付与させるようにしたもの
がある。
【0005】上記従来の燃料電池では、上下の押え板
4,5同士を互に接近する方向へ締め付けることにより
ベローズ3が受けた圧縮力の反力により上下のホルダー
1,2がスタックSの上下面に一様な圧力分布で押し付
けられてスタックSを均一に締め付けることができ、
又、運転中のスタックSの高さの減少はベローズ3で追
従させることができるようにしてある。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】ところが、上記従来の
燃料電池の場合は、燃料電池の運転開始前のコールド状
態では上下のホルダー1,2がスタックSに均一に押し
付けられているので、スタックS全体を均一に締め付け
ることができるが、燃料電池が運転されて高温状態にな
って来ると、上下のホルダー1,2が板厚方向の温度差
により図4に示す如く周辺部が外側へ反るような曲がり
が生じる。
【0007】図4の如く、上下のホルダー1,2に曲が
りが生じると、スタック全体を全面にわたり均一に締
め付けることができなくなり、各セルの電極の接触(当
り)が不均一となって、接触の悪い部分が生じて来るこ
とにより内部電気抵抗が上昇し、電池性能が低下するこ
と、内部マニホールド型の燃料電池にあっては、上下
ホルダー1,2の曲がりがあると、中央部に荷重が集中
して周辺部では締付力が弱くなるので、ウェットシール
部でのシール性が損われ、ガスリークが生じること、等
の問題が生じるため、上下のホルダー1,2の曲がりを
小さくすることが必要である。
【0008】上記上下のホルダー1,2の高温状態での
曲がりを小さくするためには、該上下のホルダー1,2
の板厚を厚くして剛性を大きくすることが考えられる
が、上下のホルダー1,2を厚板としても、過渡的な温
度差を考えると、曲がりを避けることができず、又、上
下のホルダー1,2が厚板になると、全体の高さが高く
なるばかりでなく、ホルダー1,2の製作、取扱いも大
変となる。
【0009】そこで、本発明は、上下のホルダーを厚板
にすることなく、高温状態時での曲がりによるスタック
締付力の不均一をなくし、高温状態でもスタックを均一
に締め付けることができるようにした燃料電池を提供し
ようとするものである。
【0010】
【課題を解決するための手段】本発明は、上記課題を解
決するために、タイルをカソードとアノードの両電極で
両面から挟んでなるセルをセパレータを介し積層して構
成したスタックを、温度差によっても曲がり且つ締付力
でも変形できるようにしてある上下のホルダーで挾持さ
せ、該上下の各ホルダーとその外側に配置する上下の押
え板との間に、筒形のフレームと該フレーム内に嵌入で
きる大きさのプレートを配して、該プレートを上記上下
の押え板に固定し、上記上下のホルダーとフレームとプ
レートの間に、熱膨張の少ない多数の剛性球を密に詰め
込んで剛性球層を形成し、上記上下の押え板同士を締付
ロッドを介し締め付けるようにしてなる構成とする。
【0011】上記剛性球は、鋼製又はセラミックス製と
し、同一径のものを詰めるか、又は異径のものを混ぜ合
わせて詰めるようにする。
【0012】又、上下のホルダーとその外側の押え板と
の間に金属製ベローズを介在させた構成において、上下
のホルダーに、高温状態になる前に予め中央部が外側へ
突出するように曲げてあって高温状態で水平状態に曲が
るようにしてあるホルダーを用いた構成としてもよい。
【0013】
【作用】スタックの各セルごとにカソードには酸化ガス
が供給され、アノードには燃料ガスが供給されることに
よって運転が開始されて温度が上昇して行くと、スタッ
クと接している上下のホルダーは熱的変形を受けて周辺
部が外方へ反るように曲がって来るが、上下のホルダー
は締付力でも曲がり易いような薄板としてあるため、剛
性球層を介して上下のホルダーに付与される締付力によ
り変形でき、しかも各剛性球の移動による剛性球層の変
形によって上下のホルダーの曲がりが小さくなる。これ
によりスタックを全面にわたり均一に締め付けることが
可能となる。
【0014】上下のホルダーを予め反対方向に曲げてお
き、高温状態で水平状態になるようにしたものでは、高
温状態でもスタックの均一締付けが可能となる。
【0015】
【実施例】以下、本発明の実施例を図面を参照して説明
する。
【0016】図1は本発明の一実施例を示すもので、図
3に示す従来のスタックSと同様に、タイルをカソード
とアノードの両電極で両面から挟み、カソード側に酸化
ガスが、又、アノード側に燃料ガスがそれぞれ供給され
るようにしてあるセルをセパレータを介し積層した構成
のスタックSを、板厚方向の温度差によっても曲がるし
且つ締付力でも平らになるようなフレキシビリティが持
たせてある薄板の上下各ホルダー11と12で挾持さ
せ、該上下のホルダー11と12の各外側に、剛性球層
13,14を配置し、上下ホルダー11,12の変形を
剛性球層13,14で抑えるようにする。
【0017】すなわち、スタックSに締付力を付与させ
るために、剛性を有する上下の押え板4と5を複数本の
締付ロッド6でつないで、加圧ばね8を介し締付ナット
7により上下の押え板4,5を互に接近する方向に締め
付けるようにしたものを使用し、上記上下のホルダー1
1と12で挾持された状態のスタックSを、上記上下の
押え板4と5の間に位置させ、上記上部ホルダー11と
上部押え板4との間、及び下部ホルダー12と下部押え
板5との間に、ホルダー11,12の平面形状に合わせ
て筒形に形成したフレーム15と該フレーム15内に嵌
入できる大きさのプレート16と上記ホルダー11,1
2とで形成される定容積内に熱膨張の少ない鋼製又はセ
ラミックス製の多数の剛性球17を詰め込んでなる剛性
球層13,14を介在させ、剛性球層13のプレート1
6は上部押え板4に固定し、又、剛性球層14のプレー
ト16は下部押え板5に固定する。
【0018】上記剛性球層13,14は、押え板4,5
を締め付けることにより生じた締付力がホルダー11,
12に伝えられてスタックSを締め付けることができる
ように、球径の小さい多数の剛性球17がフレーム15
内に密に詰め込んであると共に、各剛性球17は任意の
方向へ移動できるようにしてある。
【0019】上記フレーム15内に詰め込む剛性球17
は、同一径のものを用いる場合と、異径のものを用いる
場合がある。異径の剛性球17を混ぜて詰め込む場合
は、たとえば、大、中、小の3種類程度の剛性球を用い
ることにより大きい剛性球間に小径の剛性球が入り込ん
で埋めることができるので、空孔部を小さくすることが
できてホルダー11,12に対して均一な面圧が得られ
る利点がある。
【0020】締付ロッド6に沿わせて上下の押え板4と
5を互に接近する方向へ締め付けると、該上下の押え板
4と5に固定されたプレート16と上下のホルダー1
1,12とフレーム15の間に多数の剛性球17が密に
詰め込まれて形成されている剛性球層13,14を介し
て締め付け力がホルダー11,12へ伝えられて、スタ
ックSを締め付けることができる。
【0021】燃料電池が運転されると、温度が上昇して
高温状態(約650℃)になるが、かかる高温状態にな
ると、スタックSと接している上下のホルダー11,1
2は板厚方向の温度差で周辺部が外方へ反るような曲が
りが生じることになる。
【0022】本発明では、上下のホルダー11,12が
薄板であり締付力で撓むことができるようにしてあるこ
と、該上下のホルダー11,12が剛性球層13,14
に接触して押圧されていることから、上記高温状態で上
下のホルダー11,12が温度差で曲がろうとする場合
にも、締付力と剛性球層13,14で押されてホルダー
11,12が撓み得るので、ホルダー11,12を水平
状態にすることができ、スタックSを高温状態でも均一
に締め付けることが可能となる。
【0023】次に、図2は本発明の他の実施例を示すも
ので、図3に示す従来方式と同様に、上下のホルダー
1,2で挾持させたスタックSを、金属製のベローズ3
を挟んで上下の押え板4,5間に配置し、上下の押え板
4,5を締付ロッド6で所定の締付力で締め付けてスタ
ックSを均一に締め付けるようにした構成の燃料電池に
おいて、上記上下のホルダー1,2に代えて、高温状態
時に水平状態になるような変形を考慮して予め中央部分
が外側へ変形するような曲がりを与えておいたホルダー
18,19を用いるようにしたものである。図中、図3
と同一のものには同一符号が付してある。
【0024】この実施例では、高温状態のときに上下の
ホルダーが温度差で曲がることを考慮して、コールド状
態のときに予め図2(A)の如く高温状態での曲がりと
は反対方向に曲げられた上下ホルダー18,19を用い
ているので、燃料電池が運転されて高温状態で上下のホ
ルダー18,19が温度差で曲がると、図2(B)に示
す如く水平状態に変形することができる。これにより高
温状態で上下のホルダー18,19が一様な圧力分布で
スタックSを押し付けることができて、スタックSを均
一に締め付けることが可能となる。
【0025】
【発明の効果】以上述べた如く、本発明の燃料電池によ
れば、タイルをカソードとアノードの両電極で両面から
挟んでなるセルをセパレータを介し積層して構成したス
タックを、温度差によっても曲がり且つ締付力でも変形
できるようにしてある上下のホルダーで挾持させ、該上
下の各ホルダーとその外側に配置する上下の押え板との
間に、筒形のフレームと該フレーム内に嵌入できる大き
さのプレートを配して、該プレートを上記上下の押え板
に固定し、上記上下のホルダーとフレームとプレートの
間に、熱膨張の少ない多数の剛性球を密に詰め込んで剛
性球層を形成し、上記上下の押え板同士を締付ロッドを
介し締め付けるようにしてあるので、上下のホルダーが
高温状態で熱的な変形を生じるときでも剛性球層により
上下ホルダーの変形が抑えられ、高温状態でも上下ホル
ダーを水平状態に維持できてスタックを均一に締め付け
ることができ、これにより電池性能の低下を防止できる
と共に、内部マニホールド型燃料電池にあってはウェッ
トシール部のシール性の向上が図れる、という優れた効
果を奏し得られ、又、上下のホルダーを、高温状態で曲
がることを考慮して予め反対方向に曲げた構成としてお
くことにより、高温状態で上下のホルダーが曲がるとき
水平状態にすることができ、高温状態でもスタックの締
め付けを均一に行うことができて、上記電池性能の低下
防止、シール性の向上、等が図れる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の燃料電池の一実施例を示す概略断面図
である。
【図2】本発明の燃料電池の他の実施例を示すもので、
(A)はコールド時の状態を示す概略断面図、(B)は
高温状態で上下ホルダーが熱変形したときの状態を示す
概略図である。
【図3】従来の燃料電池の一例を示す概略側面図であ
る。
【図4】図3の状態から上下ホルダーが熱変形したとき
の状態を示す概略図である。
【符号の説明】
1 上部ホルダー 2 下部ホルダー 3 金属製ベローズ 4 上部押え板 5 下部押え板 6 締付ロッド 11 上部ホルダー 12 下部ホルダー 13,14 剛性球層 15 フレーム 16 プレート 17 剛性球 18 上部ホルダー 19 下部ホルダー

Claims (2)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】タイルをカソードとアノードの両電極で両
    面から挟んでなるセルをセパレータを介し積層して構成
    したスタックを、温度差によっても曲がり且つ締付力で
    も変形できるようにしてある上下のホルダーで挾持さ
    せ、該上下の各ホルダーとその外側に配置する上下の押
    え板との間に、筒形のフレームと該フレーム内に嵌入で
    きる大きさのプレートを配して、該プレートを上記上下
    の押え板に固定し、上記上下のホルダーとフレームとプ
    レートの間に、熱膨張の少ない多数の剛性球を密に詰め
    込んで剛性球層を形成し、上記上下の押え板同士を締付
    ロッドを介し締め付けるようにしてなることを特徴とす
    る燃料電池。
  2. 【請求項2】 タイルをカソードとアノードの両電極で
    両面から挟んでなるセルをセパレータを介し積層して構
    成したスタックを、上下のホルダーで挾持させ、更に、
    上記上下のホルダーとその外側に配置する上下の押え板
    との間に金属製のベローズを介在させ、上下の押え板同
    士を締付ロッドを介し締め付けるようにしてある燃料電
    池において、上記上下のホルダーに、高温状態で曲がる
    方向とは反対方向に予め曲げてある構成のホルダーを用
    いたことを特徴とする燃料電池。
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