JP7342268B2 - 燃料電池 - Google Patents

Description

本発明の実施形態は、燃料電池に関する。

燃料電池は、単位電池を複数個積層して構成した燃料電池積層体に、水素等の燃料と空気等の酸化剤を供給して電気化学的に反応させることにより、燃料の持つ化学エネルギーを直接電気エネルギーに変換し外部へ取り出す発電装置である。燃料電池積層体の単位電池は、電解質の両側にそれぞれ配置されアノード電極及びカソード電極と、これら電極間のセパレータとを具備している。

セパレータには、アノード電極及びカソード電極に接する燃料ガス流通路及び酸化剤ガス流通路が形成されている。また、燃料電池積層体の両端には一対のエンドプレートが設置されており、エンドプレートによって燃料電池積層体が単位電池の積層方向から締め付けられることで燃料電池積層体が保持される。

さらに燃料電池には、セパレータの燃料ガス流通路及び酸化剤ガス流通路に対して燃料及び酸化剤を供給するためにガスマニホールドが設けられる。ガスマニホールドを燃料電池積層体の外部に取り付ける方式を、外部マニホールド方式と呼んでいる。外部マニホールド方式の燃料電池では、ガスマニホールドはエンドプレートに固定されている。

エンドプレートにガスマニホールドを固定する場合、燃料電池積層体とガスマニホールドの間及びエンドプレートとガスマニホールドの間には、弾性のあるシール材が挟み込まれている。燃料電池では、このようなシール材を設けることで、燃料電池積層体の内部及びガスマニホールドの内部におけるガスが、燃料電池積層体及びガスマニホールドの外部へと漏洩することを防止している。

特許第５０８６５８１号公報

燃料電池では、燃料電池の運転中に燃料電池内をガス又は冷却水が流れることで、ガスマニホールドの中央付近が膨らむなど、燃料電池積層体から遠ざかる方向にガスマニホールドが変形することがある。この場合、ガスマニホールドが変形したことで、シール材が燃料電池積層体、エンドプレート及びガスマニホールドのいずれかから剥がれてしまい、シール材のガスシール性が低下する懸念がある。

近年では、燃料電池の大容量化が進んでおり、それに伴って燃料電池が大型化する傾向にある。そのため、ガスマニホールドの変形量も大きくなり、シール材がガスマニホールドなどから剥がれ易くなる。その結果、シール材のガスシール性を確保することが困難となっている。

シール材のガスシール性低下を防止するためには、ガスマニホールドの変形を抑える必要があり、ガスマニホールドが十分な機械的強度を有することが重要となる。そこで、
（1）ガスマニホールドを弾性変形しにくい材質で構成する、
（2）ガスマニホールドを厚板の構造物とする、
（3）ガスマニホールドの背面にリブを設置した構造とする、などの対策が考えられる。

しかしながら、ガスマニホールドに十分な機械的強度を与えようとすると、上記の（1）、（2）ではガスマニホールド自体が高価となり、（3）では製造コストが増大するという問題点があり、コストの高騰を招いた。従って、従来の燃料電池では、シール材によるガスシール性の低下を防止すると同時に、コストを低減化することが望まれている。特に燃料電池が大容量化する近年では、コストも増大し易いため、低減化が急務となっている。

本発明は、ガスマニホールドの機械的強度に依存することなくシール材のガスシール性を確保することができ、ガスシール性の低下防止及びコストの低減化を図った燃料電池を提供することを目的とする。

実施形態の燃料電池は、電解質の両側に配されたアノード電極及びカソード電極と、前記アノード電極及びカソード電極にそれぞれ接して配置され、燃料ガス流通路及び酸化剤ガス流通路を有するセパレータとからなる単位電池を複数個積層して構成された燃料電池積層体と、前記燃料電池積層体を両端から締め付けて保持する一対のエンドプレートと、前記燃料電池積層体及び前記エンドプレートにシール材を介して固定され、前記燃料電池積層体のそれぞれの前記燃料ガス流通路及び酸化剤ガス流通路に燃料及び酸化剤を供給するための複数のガスマニホールドと、を備えた燃料電池であって、前記ガスマニホールドの背面に接触して設置された押え板と、隣接した前記ガスマニホールドの背面に設置された前記押え板同士を接続する押え板連結部と、一連の前記押え板と前記押え板連結部の両端を接続して締め付けるバンド締付部と、を具備したガスマニホールド固定バンドを有する。ガスマニホールド固定バンドを締め付けた際に、ガスマニホールドがシール材との接触面に対し水平方向に移動せずに、押え板がガスマニホールドに対して移動することで、ガスマニホールドを燃料電池積層体の方向に押し付ける力が発生する。

第１の実施形態の斜視図。 第１の実施形態の側面図。 第１の実施形態のＡ－Ａ断面図。 第１の実施形態の分解斜視図。 第１の実施形態の要部拡大分解斜視図。 第１の実施形態のガスマニホールド固定バンド締付前の状態の側面図。 第１の実施形態のガスマニホールド固定バンド締付前の状態のＢ－Ｂ断面図。 第２の実施形態の斜視図。 第２の実施形態の側面図 第２の実施形態のＣ－Ｃ断面図。 第３の実施形態の斜視図。 第３の実施形態の側面図。 第３の実施形態のＥ－Ｅ断面図。 第４の実施形態の斜視図。 スチールバンドを設置した燃料電池の斜視図。 スチールバンドを設置した燃料電池の側面図。 スチールバンドを設置した燃料電池のＦ－Ｆ断面図。 燃料電池積層体の一部断面図。

以下、実施形態の燃料電池について、図面を参照して説明する。

（第１の実施形態）
図１は、第１の実施形態に係る燃料電池の構成を示す斜視図であり、図２Ａは側面図、図２Ｂは図２ＡのＡ－Ａ断面図、図３は分解斜視図である。これらの図に示す通り、燃料電池積層体１は一対のエンドプレート２を複数のタイロッド３で締付けて積層状態で固定されている。図１３は、燃料電池積層体１の一部断面図である。図１３に示すように、燃料電池積層体１は、電解質１１０の両側に配されたアノード電極１１１及びカソード電極１１２と、アノード電極１１１及びカソード電極１１２にそれぞれ接して配置され、燃料ガス流通路Ｆ１２１及び酸化剤ガス流通路Ｆ１２２を有するセパレータ１２とからなる単位電池１１を複数個積層して構成されている。燃料ガス流通路Ｆ１２１および酸化剤ガス流通路Ｆ１２２は、たとえば、延在方向が互いに直交しており、燃料ガス流通路Ｆ１２１が図１３では紙面に直交する方向に延在し、酸化剤ガス流通路Ｆ１２２が図１３では紙面に沿った方向に延在するように形成されている。

燃料電池積層体１とエンドプレート２の各側面には、シール材４を介して樹脂製のガスマニホールド５が取付けられている。ガスマニホールド５は、ガスマニホールド５の両端の穴に通したガスマニホールド固定ボルト６を、エンドプレート２のネジ穴にねじ込むことでエンドプレート２および燃料電池積層体１に対して固定されている。ガスマニホールド５は、燃料電池積層１体のそれぞれの燃料ガス流通路及び酸化剤ガス流通路に燃料及び酸化剤を供給するためのものである。

ガスマニホールド５の中央付近には、４面のガスマニホールド５の外部に巻き付けるように、ガスマニホールド固定バンド７が設置されている。図４にも示すように、ガスマニホールド固定バンド７は、押え板７ａと、押え板連結部７ｂと、バンド締結部７ｃとを具備している。

押え板７ａは、鋼材の板状の部品であり、ガスマニホールド固定バンド７を締付けた状態でも大きくは変形しない程度の機械的強度（剛性）を有した部品であり、ガスマニホールド５との接触面は平滑に加工されており、ガスマニホールド５との間での摩擦抵抗が小さい。押え板７ａは、押え板連結部７ｂより厚く剛性の高い部材から構成されている。

押え板連結部７ｂは、予め曲げ加工を施した鋼材の薄板状の部品であり、押え板７ａに接して設置され、ガスマニホールド固定バンド７を締付けた時に押え板７ａをガスマニホールド５の方向に押し付ける状態で設置されている。押え板連結部７ｂは、バンド締結部７ｃにて締め付けた際に変形可能な程度の剛性を有し、押え板７ａより薄く剛性の低い部材から構成されている。なお図４には、押え板７ａと押え板連結部７ｂとを固定するための、押え板と連結部の固定ねじ７ｄが図示されている。

一連の押え板７ａと押え板連結部７ｂの両端には、バンド締結部７ｃが設置されている。バンド締結部７ｃは、押え板連結部７ｂの両端に接続された２つの部品であり、ボルト７ｅとナット７ｆを使用してお互いの距離が近くなる方向に締付けることでそれぞれの押え板７ａが、ガスマニホールド５に対して押さえつけられる構成としている。締結部のボルトとバンド締結部７ｃとの間には、皿ばねまたはコイルばねまたはゴム等の弾性体からなる締結部弾性体７ｇが挿入されている。

ガスマニホールド固定バンド７を締付けると、シール材４が圧縮されて変形しガスマニホールド５は燃料電池積層体１の方向に移動し、その移動量に応じて、押え板７ａは、ガスマニホール５に対して相対的に移動するが、押え板７ａが移動しても、押え板連結部７ｂがガスマニホールド５に接触しない形状になっている。本実施形態では、押え板７ａの長さをガスマニホールド５との接触面の長さよりも長くすることで、押え板７ａが移動しても押え板連結部７ｂがガスマニホールド５と接触しない形状としている。なお、図３に示すように、ガスマニホールド５には、ガスマニホールドの配管接続部８が設けられている。

（作用及び効果）
図２Ｂは、第１の実施形態で、ガスマニホールド固定バンド７を締付けた後の状態を表した断面図である。図２Ｂに示すように、ガスマニホールド５と燃料電池積層体１との間のシール材４が、図５Ｂに示すガスマニホールド固定バンド７を締付ける前の状態よりも薄く潰されており、ガスマニホールド５も図２Ｂの状態の方が、燃料電池積層体１に対して近付いている。

このとき、押え板連結部７ｂは、薄板状の部材であるため、押え板７ａの角部との接触位置にある押え板連結部７ｂの曲げ部の曲げ角度が変化することで、それぞれの押え板７ａは、ガスマニホールド５の背面に接触した状態を保っている。しかし、押え板連結部７ｂの長さは殆ど変化しないため、押え板７ａがガスマニホールド５に対して移動する。

図２Ｂでは、断面図の左右の押え板７ａは、図５Ｂから図２Ｂの状態に変化すると同時に上方向にスライドしている。バンド締結部７ｃも中央寄りにスライドしている。しかし、押え板７ａがスライドしても、ガスマニホールド固定バンド７を締付ける締付力により、押え板連結部７ｂと押え板７ａを介してガスマニホールド５を燃料電池積層体１の方向に押し付ける力が発生する。さらに、押え板７ａとガスマニホールド５の接触面での摩擦抵抗が少ないので、ガスマニホールド５はシール材４との接触面に対し水平方向に移動したりせずに、シール面には一様な圧縮荷重が加わりシール性が確保される。

比較のために、図１１、図１２Ａ、図１２Ｂに従来の燃料電池にスチールバンド１１を設置した燃料電池を示す。このようにガスマニホールドの外周に薄板のスチールバンド１１を直接設置してスチールバンド締結部１１ａにて締め付けた場合、締付けによりシール材が潰れると、スチールバンド１１はガスマニホールドの上を滑って移動し、ガスマニホールドの角部に接触していたスチールバンドの曲がり部も移動して引き伸ばされ、新たにガスマニホールドの角部に接触する部分に新しい曲がり部が形成される。

しかし、スチールバンド１１の厚さが十分に薄くないと、スチールバンド１１の移動に伴い、ガスマニホールドはスチールバンド１１の曲がり部に引っ張られてシール材との接触面に対し水平方向に移動したり、シール面に一様な圧縮荷重が加わらなくなったりしてしまう。また、スチールバンド１１の厚さが薄い場合には、引張り強度が低いために十分な締付力を付加できなかったり、引張応力が大きい状態で使用されるためスリープ変形が大きくなり、経時的に締付力が低下し易い。
これに対し、第１の実施形態では、上述の通りの作用および効果が得られる。

（第２の実施形態）
図６、図７Ａ、図７Ｂに第２の実施形態の燃料電池の構成を示す。前述した第１の実施形態では、図４の要部拡大分解斜視図に示した通り、ガスマニホールド固定バンド７の押え板連結部７ｂは、全体が繋がった１枚の鋼材の薄板状の部品から構成されていた。これに対して第２の実施形態では、図６、図７Ａ、図７Ｂに示す通り、ガスマニホールド固定バンド７の押え板連結部７ｂは、２個の隣接する押え板７ａを連結する部品であり、合計４枚の鋼材の薄板状の部品から構成されている。その他の構成は、第１の実施形態と同じである。作用及び効果についても第１の実施形態と同様である。

（第３の実施形態）
図８、図９Ａ、図９Ｂに第３の実施形態の燃料電池の構成を示す。図８、図９Ａ、図９Ｂに示す通り、第３の実施形態の各ガスマニホールド５には、ガスマニホールド固定バンド７の押え板７ａと接触する部分に凸部５ａが設けられている。凸部５ａは複数設けられており、図８、図９Ａ、図９Ｂに示す例では、各ガスマニホールド５に間隔を空けて夫々３つ設けられている。これらの凸部５ａは、シール部近傍（図３に示したシール材４のある部分）を押え板７ａ側に凸にし、押え板７ａとの接触抵抗を低減させている。その他の構成は、第１の実施形態と同じである。

作用及び効果も第１の実施形態と同様であるが、ガスマニホールド５と押え板７ａとの接触抵抗が低減されているので、ガスマニホールド５がシール材４との接触面に対し水平方向に移動したり、シール面の面圧が不均一になったりし難く、よりシール性が確保され易くなっている。

（第４の実施形態）
図１０に第４の実施形態の燃料電池の構成を示す。第１の実施形態においては、ガスマニホールド５の両端部を、ガスマニホールド固定ボルト６にてエンドプレート２に固定しているが、図１０に示す通り、第４の実施形態では、ガスマニホールド５の両端の部分も、ガスマニホールド固定バンド７で固定とした構成となっている。したがって、合計３本のガスマニホールド固定バンド７を用いた構成となっている。その他の構成は、第１の実施形態と同じである。作用及び効果も第１の実施形態と同様である。

（他の実施形態）
以上説明した実施形態は、本発明の実施形態の一例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。本発明の実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形例は、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等な範囲に含まれる。

例えば、押え板７ａのガスマニホールド５の接触面の片側または両側に潤滑材を塗布したり、摩擦抵抗の低い部材を貼り付けたりすることで摩擦係数を低減しても良い。

また、例えば、押え板連結部７ｂは薄板の鋼材でなくても、隣接する押え板７ａをその相対角度が変化することで、それぞれの押え板７ａがガスマニホールド５の背面に接触した状態を保っていられる構成であれば良く、両端にフック部を持つ部材で、フック部を押え板７ａの両端部に引っ掛けて使用することで、押え板連結部７ｂと押え板７ａとの接続角度が可変となるものであってもよい。

さらに、ガスマニホールド固定バンド７は、他の固定方法と組み合わせても良いし、１箇所以上であれば、何箇所に使用しても良い。

１……燃料電池積層体、２……エンドプレート、３……タイロッド、４……シール材、５……ガスマニホールド、５ａ……凸部、６……ガスマニホールド固定ボルト、７……ガスマニホールド固定バンド、７ａ……押え板、７ｂ……押え板連結部、７ｃ……バンド締結部、７ｄ……押え板連結部の固定ねじ、７ｅ……連結部ボルト、７ｆ……連結部ナット、７ｇ……連結部弾性体、８……ガスマニホールドの配管接続部、１１……単位電池、１２……セパレータ、１１０……電解質、１１１……アノード電極、１１２……カソード電極、Ｆ１２１……燃料ガス流通路、Ｆ１２２……酸化剤ガス流通路

Claims (5)

1. 電解質の両側に配されたアノード電極及びカソード電極と、前記アノード電極及びカソード電極にそれぞれ接して配置され、燃料ガス流通路及び酸化剤ガス流通路を有するセパレータとからなる単位電池を複数個積層して構成された燃料電池積層体と、
   前記燃料電池積層体を両端から締め付けて保持する一対のエンドプレートと、
   前記燃料電池積層体及び前記エンドプレートにシール材を介して固定され、前記燃料電池積層体のそれぞれの前記燃料ガス流通路及び酸化剤ガス流通路に燃料及び酸化剤を供給するための複数のガスマニホールドと、
   を備えた燃料電池であって、
   前記ガスマニホールドの背面に接触して設置された押え板と、
   隣接した前記ガスマニホールドの背面に設置された前記押え板同士を接続する押え板連結部と、
   一連の前記押え板と前記押え板連結部の両端を接続して締め付けるバンド締付部と、
   を具備したガスマニホールド固定バンドを有し、
   前記ガスマニホールド固定バンドを締め付けた際に、前記ガスマニホールドが前記シール材との接触面に対し水平方向に移動せずに、前記押え板が前記ガスマニホールドに対して移動することで、前記ガスマニホールドを前記燃料電池積層体の方向に押し付ける力が発生することを特徴とする燃料電池。
2. 請求項１に記載の燃料電池であって、
   前記押え板連結部は、前記バンド締付部において締め付けた際に変形可能な薄板状の部材から構成され、
   前記押え板は、前記押え板連結部より厚く剛性の高い板状の部材から構成されている
   ことを特徴とする燃料電池。
3. 請求項２に記載の燃料電池であって、
   前記押え板は、当該押え板が接触する前記ガスマニホールドの背面より長く、前記ガスマニホールド固定バンドを設置して前記シール材が圧縮されて変形する前と、前記ガスマニホールド固定バンドを締め付けて前記シール材が圧縮されて変形し、前記押え板が前記ガスマニホールドに対して移動した後とのどちらの状態においても、前記押え板連結部が前記ガスマニホールドと接触しない構成である
   ことを特徴とする燃料電池。
4. 請求項１乃至３の何れか１項に記載の燃料電池であって、
   前記ガスマニホールドの背面と前記押え板との間の摩擦抵抗を低減するための摩擦抵抗低減手段を具備した
   ことを特徴とする燃料電池。
5. 請求項４に記載の燃料電池であって、
   前記摩擦抵抗低減手段は、前記ガスマニホールドの背面と前記押え板との間の接触面積を低減するように、前記ガスマニホールドの背面に設けた凸部である
   ことを特徴とする燃料電池。

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