JP4090758B2 - 固体電解質型燃料電池用セパレータ - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えば平板型の固体電解質からなる固体電解質型燃料電池であって、特にセルとセパレータを交互に積層してなる固体電解質型燃料電池用セパレータに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、反応温度が６００℃〜８００℃程度の低温作動用の固体電解質型燃料電池（ＳＯＦＣ）の一例として、単セルとセパレータとを交互に積層したスタック（積層体）タイプがある。
この固体電解質型燃料電池１は、図８に示すように、セラミック等からなる固体電解質板２ａを両側から正極２ｂ及び負極２ｃで挟み込んでなる単セル２と、金属材料からなるセパレータ３とを交互に積層して構成されている。セパレータ３の負極側である表面３ａと正極側である裏面３ｂとにそれぞれ集電材として多孔質金属板４を嵌合する凹部５を形成する。各凹部５の表面に反応ガス流路としての凹溝６をそれぞれ螺旋状等に形成し、表面３ａの凹溝６には水素等の燃料ガスを供給し、裏面３ｂの凹溝６には酸素や空気等の酸化剤ガスを供給している。
或いは渦巻き状の凹溝６を形成するセパレータ３の両面に凹部５を形成していなくてもよい。この場合、セパレータ３の両表面を平面状に形成して凹溝６を設けると共に、凹溝６を形成した両表面上にそれぞれ多孔質金属板４を溶接等で固着するようにしてもよい。
そして単セル２とセパレータ３の積層体であるスタックの外側部等に燃料ガス供給マニホールドと酸化剤ガス供給マニホールドとを配設して、各セパレータ３両面の反応ガス流路である凹溝６、６に燃料ガスや酸化剤ガスを供給するようにしている。そのため、セパレータ３の内部に各凹溝６の内側（中央）端部に連通する燃料ガス供給管７と酸化剤ガス供給管８とを設けて、燃料ガス供給マニホールドと酸化剤ガス供給マニホールドに連結している。
【０００３】
そして燃料ガスが燃料ガス供給マニホールドから燃料ガス供給管７を介して積層方向に並ぶ各セパレータ３内の一方の凹溝６に導入される。凹溝６内で内側端部に流入した燃料ガスは凹溝６内を外周側に向かって渦巻き状に流動する。同様に酸化剤ガスも酸化剤ガス供給マニホールドから酸化剤ガス供給管８を介して各セパレータ３内の他方の凹溝６に導入される。凹溝６の内側端部に導入された酸化剤ガスは凹溝６内を外周側に向かって渦巻き状に流動する。
酸化剤ガスに含まれる酸素は、酸素イオンの形態で単セル２の固体電解質板２ａの内部を正極２ｂ側から負極２ｃ側へと移動して、負極２ｃ側においてセパレータ３の表面３ａ側で燃料ガスに含まれる水素ガスと化学反応する。この化学反応に伴う発熱により固体電解質型燃料電池１が内部から加温されると共に正極２ｂと負極２ｃ間に電位差が生じる。これにより固体電解質型燃料電池１から出力電力を取り出すことができる。
【０００４】
ところで、このような固体電解質型燃料電池１は反応温度が６００℃〜８００℃程度の低温作動型であるためにセパレータ３の材料としてセラミックに代えてステンレス鋼等の金属材料を使用できる。そのため、１枚の板状の金属ブロック材をくり抜いて加工することが行われている。
一方、単セル２はセラミック製であり、セルを製造するに際して、現状の技術では最大製作可能寸法は四角形板状タイプで１５０〜２００ｍｍ平方程度、円形板状タイプでφ１５０ｍｍ程度が限界であり、これより大きい寸法のものは板部分に波打ち等の不具合を生じやすく平らなセラミック板を製造できなかった。
そのため、金属材料からなるセパレータ３の寸法を単セル２に合わせてφ１５０ｍｍ×厚み５ｍｍ程度に設定すると、重量が約０．７５ｋｇになり重量が大きかった。
他方、固体電解質型燃料電池１で高出力発電を達成するためには、セパレータ３及び単セル２各１枚当たりの発電面積を増やして取り出し電流値を上げる必要があるものの、上述したように単セル２の製造可能な直径寸法に限界があった。そのために高出力発電を得るためには単セル２とセパレータ３の積層数を増大させるしかなかった。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述したようにセパレータ３は１枚当たり約０．７５ｋｇの重量があるために単セル２と共に例えば２５段積層すると、それだけで最下段の単セル２に約１９ｋｇもの負荷がかかってしまう。そしてスタックを締結ボルトで保持すると締結ボルトの締め付けによる負荷が更に加重されることになり、最下段の単セル２を破損し易いという欠点があった。しかも凹部５を設けないセパレータ３では集電材（多孔質金属板４）を含まない厚み方向の幅が約５ｍｍであるために単セル２と共に２５段積層すると、集電材を含めて約２００ｍｍの高さになってしまい、装置の大型化を避けられなかった。
そのために現状の構造では単セル２とセパレータ３の積層数を増大して高出力の発電を行うことは困難であった。
本発明は、このような実情に鑑みて、セパレータを軽量化及び小型化してより多くの積層段数を得られて高い発電出力を得られるようにした固体電解質型燃料電池用セパレータを提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明による固体電解質型燃料電池用セパレータは、内部を酸化剤ガスが流れる酸化剤ガス供給管と内部を燃料ガスが流れる燃料ガス供給管とがそれぞれ渦巻き状に形成されていると共に、径方向に交互に配設されて互いに密接して同一平面状に嵌合させられてなることを特徴とする。
本発明によれば、集電材の厚みを含まない固体電界質型燃料電池用セパレータの厚みを渦巻き状をなす酸化剤ガス供給管及び燃料ガス供給管の外径寸法程度に設定できて厚みと重量を低減できるのでより多くのセパレータ及びセルを積層できることになり、重量と体積を増大させることなく高出力発電を達成できる。
【０００７】
固体電解質型燃料電池用セパレータの厚みは、径方向に互い違いに嵌合する前記渦巻き状の酸化剤ガス供給管または燃料ガス供給管の外径寸法即ち厚みであってよい。
集電材の厚みを含まない固体電界質型燃料電池用セパレータの厚みを酸化剤ガス供給管または燃料ガス供給管管の外径寸法程度に設定できてその分セパレータ及びセルの積層数を増大できることになり、発電出力を増大できる。
また、酸化剤ガス供給管と燃料ガス供給管の渦巻き方向における各内側端部の間には中心プラグが嵌合されていてもよい。
渦巻き状に嵌合された二本またはそれ以上の酸化剤ガス供給管と燃料ガス供給管の各内側端部間即ち中心側端部間に中心プラグを装着することで各管を位置決めすることができる。
また反応ガスの開口部を各管の内側端部近傍に設けるようにしてもよい。
【０００８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態による固体電解質型燃料電池用セパレータを図１乃至図７により説明するが、上述の従来技術と同一または同様な部分には同一の符号を用いて説明する。図１は実施の形態による固体電解質型燃料電池用セパレータ部の平面図、図２はセパレータ部のＡ−Ａ線中央縦断面図、図３は両面に多孔質金属板を配したセパレータの中央部分の中央縦断面図、図４は１本の管の平面図、図５は図４に示す管の側面図、図６は図４のＢ−Ｂ線中央縦断面図、図７は中心プラグを示すもので、（ａ）は平面図、（ｂ）は側面図である。
本発明の実施の形態による固体電解質型燃料電池用のセパレータ１０は、図１乃至図３に示すように一対の渦巻き状に湾曲形成された管１１、１２と中心プラグ１３とで構成され、管１１、１２の上下両面には集電材として一対の円板状の多孔質金属板１４、１５がろう付けまたは溶接等により固着されている。ここで一方の管１１は例えば空気供給管（酸化剤ガス供給管）、他方の管１２は例えば水素ガス等の燃料供給管（燃料ガス供給管）である。
渦巻き状の空気供給管１１（燃料供給管１２）は、図４乃至図６に示すように、その外径φが例えば３ｍｍとされた中空の金属管、例えばステンレス鋼管で構成され、平面視で螺旋状に巻回された部分の最大外径が例えばφ１６４ｍｍに設定されている。しかもこの渦巻き状の空気供給管１１は全長に亘って径方向に管の外径φ３ｍｍと同一の間隙ｃ（３ｍｍ幅）を開けて螺旋状に巻回されており、空気供給管１１の全長は例えば３．７ｍに設定されている。空気供給管１１は渦巻き状に巻くことで従来技術に示すセパレータ表面の凹溝６と同等の機能を発揮することができ、内部を酸化剤ガス等の反応ガスが流れることになる。
尚、もう１つの渦巻き状の燃料供給管１２も空気供給管１１と同一の構造を有しており、内部を水素ガス等の反応ガスが流れることになる。
【０００９】
そして図１に示すように、一対の渦巻き状の管１１，１２はそれぞれの間隙ｃ、ｃに他方の管１２、１１が互いに位置するように（例えば渦巻き状の蚊取り線香状に）嵌合されて平面状をなしている。しかも各管１１，１２の中空部を封止した内端部（内側端部）１１ａ、１２ａが１８０度回転対称の位置に配設され、両内端部１１ａ、１２ａは図７に示す中心プラグ１３によって係止されている。渦巻き状に巻回された管１１、１２の内端部１１ａ、１２ａとは反対側の外端部１１ｂ、１２ｂは巻回部外周の接線方向に例えば直線状に延びて、図示しない酸化剤ガス供給マニホールドまたは燃料ガス供給マニホールドにそれぞれ接続されることになる。
一方の渦巻き状の空気供給管１１は内端部１１ａ近傍で一方の渦巻き状面側に開口する開口部１１ｃが形成され、他方の渦巻き状の燃料供給管１２は内端部１２ａ近傍で開口部１１ｃと対向する反対側の面側に開口する開口部１２ｃが形成されている。そのため、一方の空気供給管１１の開口部１１ｃからは反応ガスとして例えば空気が吐出され、他方の燃料供給管１２の開口部１２ｃからは反応ガスとして例えば燃料ガスが吐出されることになる。
ここで中心プラグ１３は図７に示すように一対の板状半円部分を径方向に互いに若干ずらせた形状を有しており、ずれた平面部１３ａ、１３ｂに各管１１，１２の内端部１１ａ、１２ａが当接することになる。
そして図３に示すように互いに同一平面状に嵌合されてなる一対の渦巻き状の管１１，１２の略円形の両面には集電材として多孔質金属板１４，１５が溶接またはろう付け等によって固着されてセパレータ１０を構成する。
【００１０】
本実施の形態による固体電解質型燃料電池用セパレータ１０は上述のように互いに嵌合された一対の渦巻き状の管１１、１２と各管１１，１２の内端部１１ａ、１２ａを位置決め固定する中心プラグ１３と各管１１，１２の両面に固着された多孔質金属板１４，１５とで構成されている。
その組立に際しては、各渦巻き状の管１１，１２の間隙ｃ、ｃに他方の管１２，１１を互いに嵌合させると共に、両内端部１１ａ、１２ａを１８０度回転対称に位置させて中央空間に中心プラグ１３を装着して平面部１３ａ、１３ｂにそれぞれの管１１，１２の内端部１１ａ、１２ａを当接させた状態で、管１１、１２、中心プラグ１３をそれぞれ溶接またはろう付けする。この状態で一対の管１１、１２の内端部１１ａ、１２ａ近傍に位置する開口部１１ｃ、１２ｃは互いに反対側の面に開口することになる。図１及び図２に示すこの構造をセパレータ部１０Ａという。
そしてこのセパレータ部１０Ａの両面にそれぞれ多孔質金属板１４，１５を当接させて溶接またはろう付けする。このようにして図３の要部縦断面図に示すような固体電解質型燃料電池用セパレータ１０が製造される。
【００１１】
この状態でセパレータ１０は多孔質金属板１４，１５の外側に各管１１、１２の外端部１１ｂ、１２ｂが略接線方向に突出する構成になる。これら渦巻き状の一対の管１１，１２の一方は空気供給管１１を構成し、他方は燃料供給管１２を構成する。
そして本実施の形態によるセパレータ１０は例えばセラミック製の単セル２（セル）と交互に積層された状態でスタックを構成し、各セパレータ１０の酸化剤ガス供給管を構成する空気供給管１１の外端部１１ｂと燃料ガス供給管を構成する燃料供給管１２の外端部１２ｂとは、酸化剤ガス供給マニホールドと燃料ガス供給マニホールドとにそれぞれ接続されて酸化剤ガスと燃料ガスの供給を受けることになる。
【００１２】
このようにして得られた固体電解質型燃料電池は、燃料ガスが燃料ガス供給マニホールドから各セパレータ１０内の渦巻き状の燃料供給管１２に導入される。燃料供給管１２内で外端部１２ｂに流入した水素ガス等の燃料ガスは燃料供給管１２内を内端部１２ａに向かって渦巻き状に流動する。同様に空気等の酸化剤ガスも酸化剤ガス供給マニホールドから渦巻き状の空気供給管１１に導入される。空気供給管１１内で外端部１１ｂに流入した酸化剤ガスは空気供給管１１内を内端部１１ａに向かって渦巻き状に流動する。
渦巻き状の燃料供給管１２と空気供給管１１は３．７ｍに及ぶ長尺であるために、燃料と空気は固体電解質型燃料電池内で燃料供給管１２と空気供給管１１内を流動する過程で反応ガスの反応熱または図示しない加熱手段で漸次加熱されて反応温度にまで温められる。そして空気は、空気供給管１１内端部１１ａ近傍に設けた開口部１１ｃから吐出されて多孔質金属板１４内を通って径方向外側に流れる。同様に燃料ガスも燃料供給管１２内端部１２ａ近傍に設けた開口部１２ｃから吐出されて多孔質金属板１５内を通って径方向外側に流れる。
そして空気は多孔質金属板１４から酸素イオンの形態で単セル２の固体電解質板２ａの内部を正極２ｂ側から負極２ｃ側へと移動して、負極２ｃ側においてセパレータ１０の表面側で燃料ガスに含まれる水素ガスと化学反応する。この化学反応に伴う発熱により固体電解質型燃料電池が内部から加温されると共に正極２ｂと負極２ｃ間に電位差が生じる。これにより固体電解質型燃料電池から出力電力を取り出すことができる。
【００１３】
上述のように本実施の形態によるセパレータ１０は、一対の渦巻き状の空気供給管１１，燃料供給管１２で反応ガス流路を構成したから、セパレータ１０全体の重量が約０．２４ｋｇとなり従来のセパレータ３の重量０．７５ｋｇと比較して約６８％重量を軽減でき、非常に軽量化できる。そのため本実施の形態によるセパレータ１０を用いて単セル２と共に、従来の２５段積層する固体電解質型燃料電池１と同重量になるまで積層すると７８段積層できるようになる。
また、従来の凹部５を設けないセパレータ３表面に集電材を貼る構造の固体電解質型燃料電池１では集電材を含めないセパレータ３の厚みが約５ｍｍであり単セル２とセパレータ３を交互に２５段積層して２００ｍｍの高さになるが、本実施の形態によればセパレータ１０の厚みが約３ｍｍであるために同一の高さに設定するのに単セル２と集電材を含むセパレータ１０とを１．７倍の４２段積層できる。
しかも反応ガス流路として管１１、１２を渦巻き状に巻回することで、従来用いていた渦巻き状の凹溝と同等の機能を発揮することが可能であり、反応ガスの流れと両ガスの反応を従来例と同様に行うことができる。
また２本の管１１，１２でセパレータ１０を構成することで、管１１，１２の反応ガスを吐出させる開口部１１ｃ、１２ｃまでの長さが１本当たり３．７ｍに達するため、セパレータ１０の管１１，１２内を酸化剤ガスや燃料ガス等の反応ガスが流れる間に予熱されることになり、反応ガスの予熱構造を不要にでき、或いは短いものに設定でき、燃料電池全体のコンパクト化を進めることができる。
その点、従来技術ではセパレータ３に形成する燃料ガス供給管７，酸化剤ガス供給管８は多孔質金属板４に反応ガスが触れる凹溝６までの全長が約８０ｍｍ程度であるためにセパレータ３内部の加熱とは別個に反応ガス予熱管等の予熱構造を配設する必要があった。
【００１４】
尚、本実施の形態では中心プラグ１３をセパレータ１０の渦巻き状の管１１、１２の内端部１１ａ、１２ａ間に配設したが、必ずしも中心プラグ１３はなくてもよい。
また本実施の形態では、反応ガス供給用の渦巻き状の空気供給管１１及び燃料供給管１２と中心プラグ１３とでセパレータ１０を構成しているが、管１１、１２の取付間隔を広げてその間に、或いは管１１または管１２を挟んで交互に反応ガスを供給しないダミー管を１〜数本配設して一緒に渦巻き状に構成してもよく、管１１，１２及びダミー管によって形成する渦巻き形状を調整したり、管１１，１２の全長を調整することが可能である。このような構成を採用することで、反応ガスの予熱機能部分の長さを調整できる。或いはダミー管に代えて管１１，１２を径方向に延びる保持部材等で連結することで、管１１，１２を所望の間隔及び全長に調整することができる。
また上述の実施の形態では空気供給管１１と燃料供給管１２とを各１本で構成することとしたが、上述のダミー管のように空気供給管１１や燃料供給管１２のいずれか一方または両方を複数本配設してそれぞれに反応ガスを供給するようにしてもよい。
また燃料ガスと酸化剤ガスは実施の形態のものに限定されことなく各種のものを採用できる。
【００１５】
【発明の効果】
上述のように本発明に係る固体電解質型燃料電池用セパレータは、内部を酸化剤ガスが流れる酸化剤ガス供給管と内部を燃料ガスが流れるとがそれぞれ渦巻き状に形成されていると共に、径方向に交互に配設されて互いに密接して同一平面状に嵌合させられてなるため、セパレータの厚みを１本の管の外径寸法程度に設定できて厚みと重量を低減できるのでより多くのセパレータ及びセルを積層できることになり、重量と体積を増大させることなく高出力発電を達成できる。
【００１６】
固体電解質型燃料電池用セパレータの厚みは径方向に互い違いに嵌合する渦巻き状の酸化剤ガス供給管または燃料ガス供給管の外径寸法即ち厚みであるため、セパレータの厚みを１本の管の外径寸法程度に設定できてその分セパレータ及びセルの積層数を増大できることになり、発電出力を増大できる。
また、酸化剤ガス供給管と燃料ガス供給管の渦巻き状における各内側端部の間には中心プラグが嵌合されているため、渦巻き状に嵌合された各管の中心側端部間に中心プラグを装着することで複数本の管を所定位置に位置決めすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の実施の形態によるセパレータ部を示す平面図である。
【図２】 図１に示すセパレータ部のＡ−Ａ線中央縦断面図である。
【図３】 図２に示すセパレータ部の両面に多孔質金属板を取り付けてなるセパレータの中心部分の部分拡大図である。
【図４】 反応ガス流路を構成する１本の管を渦巻き状に形成してなる管の平面図である。
【図５】 図４に示す渦巻き状の管の平面図である。
【図６】 図４の渦巻き状の管についてＢ−Ｂ線中央縦断面図である。
【図７】 中心プラグの（ａ）は平面図、（ｂ）は側面図である。
【図８】 従来のセパレータ構造を示す固体電解質型燃料電池の部分断面図である。
【符号の説明】
１０ セパレータ
１１ 空気供給管
１２ 燃料供給管
１３ 中心プラグ
１４、１５ 多孔質金属板（集電材）

Claims (3)

1. 内部を酸化剤ガスが流れる酸化剤ガス供給管と内部を燃料ガスが流れる燃料ガス供給管とがそれぞれ渦巻き状に形成されていると共に、径方向に交互に配設されて互いに密接して同一平面状に嵌合させられてなる固体電解質型燃料電池用セパレータ。
2. 前記固体電解質型燃料電池用セパレータの厚みは、径方向に互い違いに嵌合する前記渦巻き状の酸化剤ガス供給管または燃料ガス供給管の外径寸法であることを特徴とする請求項１記載の固体電解質型燃料電池用セパレータ。
3. 前記酸化剤ガス供給管と前記燃料ガス供給管の渦巻き方向における各内側端部の間には中心プラグが嵌合されてなる請求項１または２記載の固体電解質型燃料電池用セパレータ。

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