JP4351617B2 - Fuel cell - Google Patents
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Description
本発明は、電解質をアノード電極とカソード電極とで挟んで構成される複数の電解質・電極接合体が、それぞれ1枚のプレートで構成される一対のセパレータ間に配設される燃料電池に関する。 The present invention relates to a fuel cell in which a plurality of electrolyte / electrode assemblies configured by sandwiching an electrolyte between an anode electrode and a cathode electrode are disposed between a pair of separators each configured by a single plate.
通常、固体電解質型燃料電池(SOFC)は、電解質に酸化物イオン導電体、例えば、安定化ジルコニアを用いており、この電解質の両側にアノード電極及びカソード電極を配設した電解質・電極接合体(単セル)を、セパレータ(バイポーラ板)によって挟持している。この燃料電池は、通常、単セルとセパレータとが所定数だけ積層された燃料電池スタックとして使用されている。 In general, a solid oxide fuel cell (SOFC) uses an oxide ion conductor, for example, stabilized zirconia, as an electrolyte, and an electrolyte / electrode assembly in which an anode electrode and a cathode electrode are disposed on both sides of the electrolyte ( A single cell) is sandwiched between separators (bipolar plates). This fuel cell is normally used as a fuel cell stack in which a predetermined number of single cells and separators are stacked.
上記の燃料電池において、カソード電極に酸化剤ガス、例えば、主に酸素を含有するガスあるいは空気(以下、酸素含有ガスともいう)が供給されると、前記カソード電極と電解質との界面でこの酸化剤ガス中の酸素がイオン化され、酸化物イオン(O2-)が電解質を通ってアノード電極側に移動する。アノード電極には、燃料ガス、例えば、主に水素を含有するガス(以下、水素含有ガスともいう)やCOが供給されているために、このアノード電極において、酸化物イオン及び水素(又はCO)が反応して水(又はCO2)が生成される。その間に生じた電子は外部回路に取り出され、直流の電気エネルギとして利用される。 In the fuel cell, when an oxidant gas, for example, a gas containing mainly oxygen or air (hereinafter also referred to as an oxygen-containing gas) is supplied to the cathode electrode, this oxidation is performed at the interface between the cathode electrode and the electrolyte. Oxygen in the agent gas is ionized, and oxide ions (O 2− ) move to the anode electrode side through the electrolyte. Since the anode electrode is supplied with a fuel gas, for example, a gas mainly containing hydrogen (hereinafter also referred to as a hydrogen-containing gas) or CO, in this anode electrode, oxide ions and hydrogen (or CO) Reacts to produce water (or CO 2 ). Electrons generated during that time are taken out to an external circuit and used as direct current electric energy.
この種の燃料電池では、積層方向の寸法を減少させるために、セパレータの厚さを小さくするとともに、部品点数を削減すること等を目的として、種々の提案がなされている。例えば、図17に示すように、特許文献1に開示されている燃料電池用セパレータ1は、薄いシート状のセパレータ本体2と、前記セパレータ本体2の片面に一体成形された多数の第1の微細突起3と、前記セパレータ本体2の他面に一体成形された多数の第2の微細突起4とを有している。セパレータ1と燃料極5との間には、第1の微細突起3を介して燃料ガス通路6が形成される一方、前記セパレータ1と空気極7との間には、第2の微細突起4を介して酸化剤ガス通路8が形成されている。
In this type of fuel cell, various proposals have been made for the purpose of reducing the thickness of the separator and reducing the number of components in order to reduce the dimension in the stacking direction. For example, as shown in FIG. 17, a
また、特許文献2では、アノード電極、カソード電極、電解質板、アノードガス流路、カソードガス流路等より構成される燃料電池において、アノードガス流路とカソードガス流路が一枚の板によって仕切られている燃料電池が開示されている。
Further, in
さらにまた、例えば、特許文献3に開示されている固体酸化物型燃料電池が知られている。この特許文献3では、図18に示すように、セパレータ1aの両主面2a、2bに、複数のリブ状部材3a、3bが放射状に設けられている。セパレータ1aの両主面2a、2bには、外周端部から中心部に達する溝4a、4bが所定の深さに形成されるとともに、前記溝4a、4bには、燃料ガス供給管5a及び酸化剤ガス供給管6aが挿入されている。燃料ガス供給管5a及び酸化剤ガス供給管6aは、先端を潰して扁平状に構成されており、セパレータ1aに殆ど埋設した状態で配設されている。
Furthermore, for example, a solid oxide fuel cell disclosed in
しかしながら、上記の特許文献1では、1枚のセパレータ1の両面に燃料ガス通路6と酸化剤ガス通路8とが形成されているだけであり、燃料ガス及び酸化剤ガスの供給形態が制限されてしまう。すなわち、燃料ガス及び酸化剤ガスは、燃料極5及び空気極7の一端部から他端部に向かって供給されるだけである。このため、汎用性が低下するとともに、燃料極5や空気極7の形状等によっては、燃料ガスや酸化剤ガスをそれぞれの電極面全面に均一に供給することができないおそれがある。また、上記の特許文献2においても、特許文献1と同様の問題がある。
However, in the above-mentioned
このために、特許文献3では、偏平状に構成された燃料ガス供給管5a及び酸化剤ガス供給管6aをセパレータ1aに埋設しているが、前記燃料ガス供給管5a及び前記酸化剤ガス供給管6aによって積層方向の厚みが増えてしまう問題がある。
For this reason, in
本発明はこの種の問題を解決するものであり、簡単且つコンパクトな構成で、積層方向の厚みを減らしながら、電解質・電極接合体に所望の荷重を確実に付与することが可能な燃料電池を提供することを目的とする。 The present invention solves this type of problem, and provides a fuel cell capable of reliably applying a desired load to an electrolyte / electrode assembly while reducing the thickness in the stacking direction with a simple and compact configuration. The purpose is to provide.
本発明に係る燃料電池は、電解質をアノード電極とカソード電極とで挟んで構成される電解質・電極接合体が複数個、それぞれ1枚のプレートで構成される一対のセパレータ間に配設されている。各セパレータは、別のセパレータとともに前記電解質・電極接合体の中の1個を挟む部位、すなわち、挟持部を複数個有する。各挟持部の一方の面と各アノード電極との間には、燃料ガスを流通させるための燃料ガス通路が複数の第1突起部によって形成されるとともに、他方の面と各カソード電極との間には、酸化剤ガスを流通させるための酸化剤ガス通路が複数の第2突起部によって形成されている。 In the fuel cell according to the present invention, a plurality of electrolyte / electrode assemblies constituted by sandwiching an electrolyte between an anode electrode and a cathode electrode are disposed between a pair of separators each constituted by one plate. . Each separator has a plurality of portions that sandwich one of the electrolyte / electrode assemblies together with another separator, that is, a plurality of sandwiching portions. Between the one side and the anode electrode of the sandwiching portions, together with the fuel gas passage for circulating fuel gas is formed by a plurality of first protrusions, and the other side surface and the cathode electrodes between the acid agent gas passage for circulating the oxidizing gas is formed by the second protrusion multiple.
そして、セパレータには、中央部の燃料ガス供給部から、前記挟持部の各々に形成された燃料ガス通路に連通する燃料ガス供給通路を形成する通路部材が設けられ、前記通路部材は、電解質・電極接合体と前記セパレータとの積層方向に荷重が付与された際に、積層方向に弾性変形可能に構成された橋架部を有する。 The separator is provided with a passage member that forms a fuel gas supply passage that communicates with the fuel gas passage formed in each of the sandwiching portions from the fuel gas supply portion in the center portion. when a load is applied in the stacking direction of the separator and the electrode assembly, that having a elastically deformable configured bridges in the stacking direction.
また、セパレータの一方の面には、アノード電極との間に燃料ガス通路を形成するための複数の第1突起部が設けられるとともに、前記セパレータの他方の面には、カソード電極との間に酸化剤ガス通路を形成するための複数の第2突起部が設けられることが好ましい。 In addition, a plurality of first protrusions for forming a fuel gas passage between the separator electrode and the anode electrode are provided on one surface of the separator, and the cathode electrode is provided on the other surface of the separator. It is preferable that a plurality of second protrusions for forming the oxidant gas passage is provided.
ここで、前記第1又は第2突起部の一方を環状に突出した環状突起部とし、残余の前記第2又は第1突起部を、前記第1又は前記第2突起部が突出することに伴って陥没した凹部内に配設することが好ましい。これにより、電解質・電極接合体に締め付け荷重を効率的に伝達することができる。また、ガス通路の容積が過度に小さくなることが回避されるので圧損が過度に上昇することが回避され、このために発電反応を促進させることができる。 Here, one of the first or second projecting portions is an annular projecting portion projecting in an annular shape, and the remaining second or first projecting portion is associated with the projecting of the first or second projecting portion. It is preferable to dispose in the recessed portion that is depressed. Thereby, the tightening load can be efficiently transmitted to the electrolyte / electrode assembly. Moreover, since it is avoided that the volume of the gas passage becomes too small, it is avoided that the pressure loss rises excessively, and for this reason, the power generation reaction can be promoted.
そして、この場合、第1突起部と第2突起部とを同軸に配置することが好ましい。 In this case, it is preferable to arrange the first protrusion and the second protrusion coaxially.
さらに、通路部材は、断面湾曲形状を有するとともに、第1及び第2突起部よりも低い剛性に設定されることが好ましい。 Furthermore, it is preferable that the passage member has a curved cross-sectional shape and is set to be lower in rigidity than the first and second protrusions.
さらにまた、電解質・電極接合体で反応に使用された後の反応ガスを、排ガスとして前記電解質・電極接合体とセパレータとの積層方向に排出する排ガス通路を備え、燃料ガス供給部は、前記排ガス通路内に気密に設けられて前記積層方向に延在するとともに、通路部材は、前記排ガス通路を前記積層方向に交差するセパレータ面方向に横切って配置されることが好ましい。 Furthermore, the exhaust gas passage for discharging the reaction gas after being used for the reaction in the electrolyte / electrode assembly as exhaust gas in the stacking direction of the electrolyte / electrode assembly and the separator is provided, and the fuel gas supply unit includes the exhaust gas It is preferable that the air passage is provided in an airtight manner and extends in the stacking direction, and the passage member is disposed across the exhaust gas passage in a separator surface direction intersecting the stacking direction.
本発明では、一方の面に燃料ガス通路を形成し且つ他方の面に酸化剤ガス通路を形成する1枚のセパレータを備え、該セパレータには、燃料ガス供給通路を形成する通路部材が設けられるため、簡単な構造で、前記セパレータの積層方向の寸法(厚さ)が有効に短尺化される。 In the present invention, a separator is provided that forms a fuel gas passage on one surface and an oxidant gas passage on the other surface, and the separator is provided with a passage member that forms a fuel gas supply passage. Therefore, the dimension (thickness) in the stacking direction of the separator is effectively shortened with a simple structure.
しかも、通路部材は、電解質・電極接合体とセパレータとの積層方向に荷重が付与された際、該積層方向に弾性変形可能であるため、前記積層方向の荷重を電解質・電極接合体に確実に伝達することができる。これにより、電解質・電極接合体と集電部との密着性を高めることが可能になり、集電効率の向上が容易に図られる。 Moreover, since the passage member is elastically deformable in the stacking direction when a load is applied in the stacking direction of the electrolyte / electrode assembly and the separator, the load in the stacking direction is surely applied to the electrolyte / electrode assembly. Can communicate. As a result, the adhesion between the electrolyte / electrode assembly and the current collector can be improved, and the current collection efficiency can be easily improved.
図1は、本発明の第1の実施形態に係る燃料電池10が矢印A方向に複数積層された燃料電池スタック12の概略斜視説明図であり、図2は、前記燃料電池スタック12が筐体14内に収容された燃料電池システム16の一部断面説明図である。
FIG. 1 is a schematic perspective explanatory view of a
燃料電池10は、固体電解質型燃料電池であり、設置用の他、車載用等の種々の用途に用いられている。燃料電池10は、図3及び図4に示すように、例えば、安定化ジルコニア等の酸化物イオン導電体で構成される電解質(電解質板)20の両面に、カソード電極22及びアノード電極24が設けられた電解質・電極接合体26を備える。電解質・電極接合体26は、円板状に形成されるとともに、外周端部には、酸化剤ガスの進入を阻止するためにバリアー層が設けられている。
The
燃料電池10は、一対のセパレータ28間に複数、例えば、8個の電解質・電極接合体26を挟んで構成される。セパレータ28間には、このセパレータ28の中心部である燃料ガス供給連通孔(燃料ガス供給部)30と同心円上に8個の電解質・電極接合体26が配列される。
The
セパレータ28は、図3に示すように、例えば、ステンレス合金等の板金で構成される1枚の金属プレートやカーボンプレート等で構成される。セパレータ28は、中央部に燃料ガス供給連通孔30を形成する第1小径端部32を有する。この第1小径端部32から外方に等角度間隔ずつ離間して放射状に延在する複数の第1橋架部34を介して比較的大径な円板部36が一体的に設けられる。円板部36は、電解質・電極接合体26と略同一寸法に設定されている。
As shown in FIG. 3, the
図3、図5及び図6に示すように、隣り合う円板部36は、スリット38を介して互いに分離されるとともに、それぞれ両側の円板部36に向かって突出する突片部40a、40bを有する。互いに隣り合う突片部40a、40b間には、空間部42が形成され、この空間部42には、後述する酸化剤ガス通路50に該酸化剤ガス通路50の流れ方向(矢印B方向)以外の異なる方向に向かって酸化剤ガスが進入することを阻止するための邪魔板部材44が配設される。各邪魔板部材44は、空間部42に沿って延在するように積層方向に設置している。図3、図5及び図6では、く字状に屈曲した邪魔板部材44を示したが、酸化剤ガスの進入を防止できればどのような形状であっても構わない。
As shown in FIGS. 3, 5, and 6,
各円板部36のアノード電極24に接触する面36aには、前記アノード電極24の電極面に沿って燃料ガスを供給するための燃料ガス通路46を形成する第1突起部48が設けられる(図5参照)。各円板部36のカソード電極22に接触する面36bには、前記カソード電極22の電極面に沿って酸化剤ガスを供給するための酸化剤ガス通路50を形成する第2突起部52が設けられる(図6参照)。図7に示すように、第1突起部48と第2突起部52は、互いに相反する方向に延在するように突出している。
A
本実施の形態では、第1突起部48はリング状突起を構成するとともに、第2突起部52は山状突起を構成する。山状突起である第2突起部52は、リング状突起である第1突起部48に囲繞されるように配置されている。
In the present embodiment, the
ここで、第2突起部52が突出した面には、第1突起部48が突出することに対応して陥没した凹部53が形成されている。従って、第2突起部52は、この凹部53内に配置された形態となっている。
Here, on the surface from which the
そして、本実施の形態においては、真円のリング状である第1突起部48の中心軸線L1と、第2突起部52の突出中心軸線L2とが合致するように、換言すれば、第1及び第2突起部48、52の中心同士が合致して互いに同軸となるように配置されている。
In the present embodiment, the center axis L1 of the first projecting
図8及び図9に示すように、第1及び第2突起部48、52は、複数形成されており、前記第1突起部48の高さH1と、前記第2突起部52の高さH2とは、H1<H2の関係に設定される。酸化剤ガス通路50の容積を燃料ガス通路46の容積よりも大きくするためである。このような形状の第1及び第2突起部48、52は、例えば、プレス成形、エッチング成形、切削加工による成形等によって設けることができる。
As shown in FIGS. 8 and 9, a plurality of first and
なお、第1突起部48を山状突起で構成する一方、第2突起部52をリング状突起で構成してもよい。その際、リング状突起の高さを山状突起の高さよりも大きく設定することが好ましい。
In addition, while the
図3〜図6に示すように、円板部36には、アノード電極24の中央側から燃料ガス通路46に燃料ガスを供給するための燃料ガス導入口54が形成される。燃料ガス導入口54の位置は、燃料ガス及び酸化剤ガスの圧力によって決められ、例えば、円板部36の中心位置、あるいは、前記円板部36の中心に対して酸化剤ガスの流れ方向(矢印B方向)上流側に偏心した位置に設定される。
As shown in FIGS. 3 to 6, the
セパレータ28のカソード電極22に対向する面には、通路部材56が、例えば、ろう付けやレーザ溶接等により固着される。通路部材56は、図3に示すように、中央部に燃料ガス供給連通孔30を形成する第2小径端部58を備える。この第2小径端部58から放射状に8本の第2橋架部60が延在するとともに、各第2橋架部60は、セパレータ28の第1橋架部34から円板部36の燃料ガス導入口54まで固着される。
A
通路部材56の接合面において、第2小径端部58には、燃料ガス供給連通孔30に連通して複数のスリット62が放射状に形成される。このスリット62には、第2小径端部58を周回してろう材の流れを防止し、且つ、燃料ガスの流れを均一にするための凹部64が連通する。第1及び第2橋架部34、60間には、燃料ガス供給連通孔30からスリット62及び凹部64を介して燃料ガス通路46に連通する燃料ガス供給通路66が形成される。
On the joint surface of the
図10及び図11に示すように、各通路部材56は、第2橋架部60が積層方向(矢印A方向)の荷重に対して該積層方向に弾性変形可能なように断面湾曲形状に構成される。好適には、第2橋架部60は、断面円弧状や断面スロープ状に構成されるとともに、前記第2橋架部60の剛性は、第1及び第2突起部48、52の剛性よりも低く設定されている。
As shown in FIGS. 10 and 11, each
図8及び図9に示すように、酸化剤ガス通路50は、電解質・電極接合体26の外周端部と円板部36の外周端部との間から矢印A方向に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給部68に連通する。この酸化剤ガス供給部68は、各円板部36の突片部40a、40b間に設けられている。突片部40a、40bにある空間部42に設置された邪魔板部材44によって酸化剤ガス供給部68以外から酸化剤ガスは進入できない。
As shown in FIGS. 8 and 9, the
各セパレータ28間には、図8に示すように、燃料ガス供給連通孔30をシールするための絶縁シール69が設けられる。絶縁シール69は、例えば、マイカ材やセラミック材で形成されている。燃料電池10には、円板部36の内方に位置して積層方向に延在する排ガス通路67が形成される。
As shown in FIG. 8, an insulating
図1及び図2に示すように、燃料電池スタック12は、複数の燃料電池10の積層方向両端に円板状のエンドプレート70a、70bを配置するとともに、締め付け荷重付与機構72を介して積層方向に締め付け保持される。
As shown in FIGS. 1 and 2, the
締め付け荷重付与機構72は、燃料ガス供給連通孔30の近傍に対して第1締め付け荷重T1を付与する第1締め付け部74aと、電解質・電極接合体26に対して前記第1締め付け荷重T1よりも小さな第2締め付け荷重T2を付与する第2締め付け部74bとを備える(T1>T2)。
The tightening
エンドプレート70aは、筐体14に対して絶縁されており、中心部に燃料ガス供給口76が形成され、この燃料ガス供給口76が各燃料電池10の燃料ガス供給連通孔30に連通する。エンドプレート70aには、燃料ガス供給口76を挟んで2個のボルト挿入口78aが形成される。ボルト挿入口78aは、燃料電池スタック12の排ガス通路67に対応している。
The
エンドプレート70aには、燃料ガス供給口76を中心とする仮想円に沿って、すなわち、各電解質・電極接合体26に対応して、8個の円形開口部80が形成される。各円形開口部80には、燃料ガス供給口76に向かって突出する矩形開口部82が連通するとともに、前記矩形開口部82の一部が排ガス通路67に重なっているため、矩形開口部82から排ガスが排出される。
Eight
エンドプレート70bは、導電部材で構成されている。図2に示すように、このエンドプレート70bの中央部に接続端子部84が軸方向に膨出形成されるとともに、前記接続端子部84を挟んで2個のボルト挿入口78bが形成される。各ボルト挿入口78a、78bは、同軸上に設けられており、2本の締付ボルト(締め付け具)86が挿入され、該締付ボルト86は、エンドプレート70bと電気的に絶縁される。締付ボルト86の先端にナット88が螺合して第1締め付け部74aが構成され、エンドプレート70a、70b間に所望の締め付け荷重が付与される。
The
接続端子部84は、導線90を介して出力端子92aに電気的に接続され、この出力端子92aは、筐体14に固定される。
The
エンドプレート70aの各円形開口部80には、第2締め付け部74bが配設される。この第2締め付け部74bには、燃料電池スタック12の積層方向端部に電気的に接触する集電板としての押し付け部材94が配置される。押し付け部材94にスプリング96の一端が当接するとともに、前記スプリング96の他端が筐体14の内壁部に支持される。スプリング96は、第1締め付け荷重T1よりも低いバネ荷重に設定されるとともに、発電時の熱による影響を回避し、さらに絶縁性を持たせるために、例えば、セラミックスで構成される。
A
各押し付け部材94の端部には、接続導体部98が接続されており、この接続導体部98と1本の締付ボルト86の一端とは、導線100を介して電気的に接続される。この締付ボルト86の他端(頭部)は、接続端子部84に近接しており、この他端は、導線102を介して出力端子92bに電気的に接続される。出力端子92bは、出力端子92aと近接且つ平行して電気的に絶縁されて筐体14に固定される。
A connecting
筐体14内には、出力端子92a、92bに隣接して空気供給口104が形成されるとともに、他方のエンドプレート70a側には、排気口106が設けられる。排気口106に近接して燃料ガス供給口108が形成され、排ガスと燃料ガスとが互いに熱交換することができる。この燃料ガス供給口108は、必要に応じて改質器110を介して燃料ガス供給連通孔30に連通する。改質器110の外方には、熱交換器111が配置される。
In the
このように構成される燃料電池スタック12の動作について、以下に説明する。
The operation of the
燃料電池10を組み付ける際には、先ず、図3に示すように、セパレータ28のカソード電極22に向かう面に通路部材56が接合される。このため、セパレータ28と通路部材56との間には、燃料ガス供給連通孔30に連通する燃料ガス供給通路66が形成されるとともに、前記燃料ガス供給通路66が燃料ガス導入口54から燃料ガス通路46に連通する(図8参照)。セパレータ28には、燃料ガス供給連通孔30を周回してリング状の絶縁シール69が設けられる。
When assembling the
これにより、セパレータ28が構成され、前記セパレータ28間には、8個の電解質・電極接合体26が挟持されて燃料電池10が得られる。図3及び図4に示すように、各セパレータ28には、互いに対向する面36a、36b間に電解質・電極接合体26が配置され、各アノード電極24の中央部に燃料ガス導入口54が配置される。
Thus, a
上記の燃料電池10が矢印A方向に複数積層され、積層方向両端にエンドプレート70a、70bが配置される。図1及び図2に示すように、エンドプレート70a、70bの各ボルト挿入口78a、78bには、締付ボルト86が挿入され、前記締付ボルト86の先端にナット88が螺合する。これによって、燃料電池スタック12が構成され、この燃料電池スタック12は、締め付け荷重付与機構72を介して積層方向に締め付け保持された状態で、筐体14内に装着される(図2参照)。
A plurality of the
そこで、筐体14に設けられている燃料ガス供給口108から燃料ガス(例えば、水素含有ガス)が供給されるとともに、前記筐体14の空気供給口104から酸化剤ガスである酸素含有ガス(以下、空気ともいう)が供給される。燃料ガスは、改質器110を通って燃料電池スタック12の燃料ガス供給連通孔30に供給され、積層方向(矢印A方向)に移動しながら各燃料電池10を構成するセパレータ28内のスリット62を介して燃料ガス供給通路66に導入される(図8参照)。
Therefore, a fuel gas (for example, hydrogen-containing gas) is supplied from a fuel
燃料ガスは、第1及び第2橋架部34、60間を燃料ガス供給通路66に沿って移動し、円板部36に形成された燃料ガス導入口54から燃料ガス通路46に導入される。燃料ガス導入口54は、各電解質・電極接合体26のアノード電極24の略中心位置、あるいは該中心位置から酸化剤ガスの流れ方向(矢印B方向)上流側に偏心した位置に設定されている。このため、燃料ガスは、燃料ガス導入口54からアノード電極24の中央側に供給され、燃料ガス通路46に沿って該アノード電極24の外周部に向かって移動する(図9参照)。
The fuel gas moves between the first and
一方、各燃料電池10の外周側に設けられている酸化剤ガス供給部68に供給される酸化剤ガスは、電解質・電極接合体26の外周端部と円板部36の外周端部との間から矢印B方向に流入し、酸化剤ガス通路50に送られる。図8及び図9に示すように、酸化剤ガス通路50では、電解質・電極接合体26のカソード電極22の一方の外周端部(セパレータ28の外周端部)側から他方の外周端部(セパレータ28の中央部側)に向かって酸化剤ガスが流入する。
On the other hand, the oxidant gas supplied to the oxidant
従って、電解質・電極接合体26では、アノード電極24の電極面の中心側から外周側に向かって燃料ガスが供給されるとともに、カソード電極22の電極面の一方向(矢印B方向)に向かって酸化剤ガスが供給される(図9及び図11参照)。その際、酸化物イオンが電解質20を通ってアノード電極24に移動し、化学反応により発電が行われる。
Therefore, in the electrolyte /
ここで、各燃料電池10は、矢印A方向(積層方向)に電気的に直列に接続されており、図2に示すように、一方の極は、導電性のエンドプレート70bに設けられた接続端子部84から導線90を介して出力端子92aに接続される。他方の極は、締付ボルト86から導線102を介して出力端子92bに接続される。このため、出力端子92a、92b間には、電気エネルギを取り出すことができる。
Here, each
一方、各電解質・電極接合体26の外周に移動した反応後の燃料ガス及び酸化剤ガスが混在する排ガスは、セパレータ28内に形成される排ガス通路67を介して積層方向に移動し、筐体14の排気口106から外部に排出される。
On the other hand, the exhaust gas mixed with the reacted fuel gas and oxidant gas moved to the outer periphery of each electrolyte /
この場合、第1の実施形態では、セパレータ28が1枚のプレートで構成され、このセパレータ28の各円板部36の両面36a、36bには、それぞれアノード電極24及びカソード電極22に接触する第1及び第2突起部48、52が設けられている。そして、セパレータ28に通路部材56が固着され、この通路部材56によって、燃料ガス供給連通孔30から燃料ガス導入口54を介して燃料ガス通路46に連通する燃料ガス供給通路66が形成されている。
In this case, in the first embodiment, the
このため、酸化剤ガスを燃料電池10の外周部から内部に向かって一方向(矢印B方向)に供給する一方、燃料ガスをアノード電極24の中央側から外周側に向かって流すことができる。従って、アノード電極24の電極面全面に対して燃料ガスを均等に分配しながら供給することが可能になる。これにより、電解質・電極接合体26の発電反応は、発電面全面で均等に行われ、安定した発電が行われるという効果が得られる。
Therefore, the oxidant gas can be supplied in one direction (in the direction of arrow B) from the outer peripheral portion of the
さらに、第1の実施形態では、図10及び図11に示すように、各通路部材56に設けられている各第2橋架部60は、積層方向(矢印A方向)の荷重に対して該積層方向に弾性変形可能なように断面湾曲形状に構成されている。すなわち、第2橋架部60の剛性は、第1及び第2突起部48、52の剛性よりも低く設定されている。
Furthermore, in the first embodiment, as shown in FIGS. 10 and 11, each
従って、燃料電池10に積層方向に締め付け荷重が付与された際、第2橋架部60が第1及び第2突起部48、52により容易に弾性変形するため、該積層方向の荷重は電解質・電極接合体26に確実に伝達することができる。このため、第1及び第2突起部48、52に均等に荷重が分配され、電解質・電極接合体26と集電部である前記第1及び第2突起部48、52との密着性を高めることができ、集電効率の向上が容易に図られるという効果が得られる。
Accordingly, when a tightening load is applied to the
しかも、第2橋架部60が断面湾曲形状に成形されるため、この第2橋架部60とカソード電極22との接触面積が減少する。これにより、カソード電極22と酸化剤ガスとの接触面積が増大し、反応効率が有効に向上する。
And since the
さらにまた、第1の実施形態では、第1及び第2橋架部34、60が排ガス通路67に設けられており、この第1及び第2橋架部34、60間に形成される燃料ガス供給通路66は、前記排ガス通路67を積層方向に交差するセパレータ面方向に横切って配置されている。従って、燃料ガス供給通路66を移動する燃料ガスは、排ガス通路67からの排熱によって有効に温められ、熱効率が向上するという効果がある。
Furthermore, in the first embodiment, the first and
図12は、本発明の第2の実施形態に係る燃料電池120の分解斜視図であり、図13は、前記燃料電池120が複数積層された燃料電池スタック122の断面図であり、図14は、前記燃料電池120の動作を説明する概略断面説明図である。なお、第1の実施形態に係る燃料電池10と同一の構成要素には同一の参照符号を付して、その詳細の説明は省略する。
12 is an exploded perspective view of a
燃料電池120を構成する各セパレータ28には、アノード電極24に対向する面に通路部材124が固着される。通路部材124は、セパレータ28の第1橋架部34に固着される第2橋架部126を備え、この第1及び第2橋架部34、126間に燃料ガス供給通路66が形成される。各第2橋架部126の先端は、電解質・電極接合体26のアノード電極24の中心位置近傍で終端しており、この先端部には、前記アノード電極24に向かって開口する複数の燃料ガス導入口128が形成されている。
In each
各通路部材124は、第2橋架部126が積層方向(矢印A方向)の荷重に対して該積層方向に弾性変形可能なように断面湾曲形状に構成されている。すなわち、第2橋架部126の剛性は、第1及び第2突起部48、52の剛性よりも低く設定されている。なお、各セパレータ28の円板部36には、第1の実施形態の燃料ガス導入口54が設けられていない。
Each
このように構成される第2の実施形態では、燃料ガス供給連通孔30に供給された燃料ガスは、各セパレータ28と通路部材124との間に形成される燃料ガス供給通路66に沿って移動した後、通路部材124の先端に形成される複数の燃料ガス導入口128からアノード電極24に向かって供給される。
In the second embodiment configured as described above, the fuel gas supplied to the fuel gas
この場合、燃料電池120に積層方向に締め付け荷重が付与された際、第2橋架部126が第1及び第2突起部48、52により容易に弾性変形するため、積層方向の荷重を電解質・電極接合体26に確実に伝達することができる。このため、第1及び第2突起部48、52に均等に荷重が分配され、電解質・電極接合体26と集電部である前記第1及び第2突起部48、52との密着性を高めて集電効率の向上が容易に図られる等、第1の実施形態と同様の効果が得られる。
In this case, when a tightening load is applied to the
なお、上記した実施の形態では、図7に示すように、第1突起部48をリング形状(真円環形状)としているが、例えば、図15に示すように、楕円環形状となるようにしてもよい。この場合、楕円の長径aと短径bとの交点を第1突起部48の中心とし、この中心を通る軸線と第2突起部52の突出中心軸線とが合致している状態を「第1及び第2突起部48、52が同軸である」とする。
In the above-described embodiment, as shown in FIG. 7, the first projecting
また、第2突起部52として、水平方向の断面(頂面等)が真円形状である円錐台形状のものを図7に例示したが、本発明における「山状突起」は特にこれに限定されるものではなく、高さ方向の断面が台形形状となるものが含まれる。すなわち、例えば、水平方向の断面(頂面等)が楕円形状であるものであってもよい。
Moreover, as the
さらにまた、図7では、第1及び第2突起部48、52が同軸である状態、すなわち、リング形状である第1突起部48の中心軸線L1と第2突起部52の突出中心軸線L2とが合致した状態を示しているが、中心軸線L1、L2同士を合致させる必要、換言すれば、第1及び第2突起部48、52が互いに同軸である必要は特にない。例えば、図16に示すように、第2突起部52の突出中心軸線L2が第1突起部48の中心軸線L1から偏在していてもよい。勿論、この場合においても、第1突起部48が楕円環形状であってもよいし、第2突起部52が、水平方向の断面が楕円形状である山状突起であってもよい。
Furthermore, in FIG. 7, the first and
10、120…燃料電池 12、122…燃料電池スタック
20…電解質 22…カソード電極
24…アノード電極 26…電解質・電極接合体
28…セパレータ 30…燃料ガス供給連通孔
34、60、126…橋架部 36…円板部
36a、36b…面 42…空間部
44…邪魔板部材 46…燃料ガス通路
48、52…突起部 50…酸化剤ガス通路
53…凹部 54、128…燃料ガス導入口
56、124…通路部材 66…燃料ガス供給通路
67…排ガス通路 68…酸化剤ガス供給部
69…絶縁シール 70a、70b…エンドプレート
72…締め付け荷重付与機構 74a、74b…締め付け部
DESCRIPTION OF
Claims (5)
前記セパレータは、別のセパレータとともに1個の前記電解質・電極接合体を挟む挟持部を複数個有し、
前記挟持部の各々は、前記アノード電極に臨む側の面に形成されて前記アノード電極に燃料ガスを流通させる燃料ガス通路を構成するための複数個の第1突起部と、前記カソード電極に臨む側の面に形成されて前記カソード電極に酸化剤ガスを流通させる酸化剤ガス通路を構成するための複数個の第2突起部とを有し、
前記セパレータの中央部に、前記電解質・電極接合体と前記セパレータとの積層方向に沿って燃料ガスを供給する燃料ガス供給部が設けられ、
さらに、前記セパレータに設けられて前記燃料ガス供給部から前記挟持部の各々の中央部にわたって橋架された橋架部を有するとともに、該橋架部が前記燃料ガス供給部から前記燃料ガス通路の各々に連通する燃料ガス供給通路を形成する通路部材を備え、
前記通路部材は、前記橋架部が前記第1及び第2突起部よりも低い剛性に設定されることにより、前記電解質・電極接合体と前記セパレータとの積層方向に荷重が付与された際に、前記積層方向に弾性変形可能に構成されることを特徴とする燃料電池。 A fuel cell configured by alternately laminating a plurality of electrolyte / electrode assemblies formed by sandwiching an electrolyte between an anode electrode and a cathode electrode and a separator formed by a single plate. ,
The separator has a plurality of sandwiching portions that sandwich one electrolyte / electrode assembly together with another separator,
Each of the sandwiching portions is formed on a surface facing the anode electrode, and faces the cathode electrode, and a plurality of first protrusions for constituting a fuel gas passage through which fuel gas flows through the anode electrode. A plurality of second protrusions for forming an oxidant gas passage formed on the side surface and allowing an oxidant gas to flow through the cathode electrode;
A fuel gas supply unit that supplies fuel gas along the stacking direction of the electrolyte / electrode assembly and the separator is provided at the center of the separator,
And a bridge portion provided on the separator and bridged from the fuel gas supply portion to a central portion of each of the clamping portions, and the bridge portion communicates from the fuel gas supply portion to each of the fuel gas passages. A passage member forming a fuel gas supply passage,
When the bridge member is set to be lower in rigidity than the first and second protrusions, the bridge member has a load applied in the stacking direction of the electrolyte / electrode assembly and the separator. A fuel cell configured to be elastically deformable in the stacking direction.
前記排ガス通路は、前記燃料ガス供給部と前記挟持部との間に気密に設けられて前記積層方向に延在するとともに、
前記通路部材の前記橋架部は、前記排ガス通路を前記積層方向に交差するセパレータ面方向に沿って配置されることを特徴とする燃料電池。 5. The fuel cell according to claim 1, wherein a reaction gas mixed with a fuel gas and an oxidant gas after being used for a reaction in the electrolyte / electrode assembly is used as an exhaust gas, to the electrolyte / electrode. An exhaust gas passage for discharging along the stacking direction of the joined body and the separator,
The exhaust gas passage is airtightly provided between the fuel gas supply unit and the clamping unit and extends in the stacking direction.
The fuel cell according to claim 1, wherein the bridge portion of the passage member is disposed along a separator surface direction that intersects the stacking direction in the exhaust gas passage.
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