JPH02160371A - 燃料電池のガスチャンネル - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［発明の目的］ （産業上の利用分野） 本発明は溶融炭酸塩型燃料電池等に用いられるガスチャ
ンネルに関する。

（従来の技術） 化学エネルギを直接電気エネルギに変換する燃料電池は
、電解質板の両面に正、負の電極板を各別に密接させ単
位電池を構成し、これら電極板の表面にそれぞれ酸化剤
ガスおよび燃料ガスを供給しながら電気化学反応を進行
させて起電力を得るようにしたものである。ところが単
位電池では得られる起電力が低いため、高出力の発電プ
ラントを構成するには多数の単位電池を直列に積層して
これらの加算出力を得る必要がある。

このような燃料電池の一構成例を第１４図および第１５
図を参照して説明する。前記単位％ｉ池１は、炭酸リチ
ウム、炭酸カリウムなどの炭酸塩の電解質をセラミック
系保持材に保持させてなる電解質板３と、この電解質板
の両側に重ね合わせたそれぞれ多孔質焼結金属からなる
正の電極板５および負の電極板７を有し、かかる複数の
単位電池１がステンレス鋼等で作られたセパレータ１５
を介して積層され、この積層体Ｘを締付はバー等で締付
けて一体化しである。

各セパレータ１５は、セパレータ板１７と、このセパレ
ータ板１７の一方側の面の両辺部、および他方側の面に
おける前記両辺部と直交する両辺部にそれぞれ溶着した
エツジ１９および２１とを備えている。そして前記電極
板５および７はそれぞれエツジ１９．１９および２１．
２１の間に配されたガスチャンネル２２により電解質板
３に押し付けられていると共に、これらにより一方側に
酸化剤ガス通路９が、また他方側に燃料ガスのガス通路
１１が形成されている。

ここで、燃料電池の発電反応効率を高めるためにはガス
チャンネル２２によってガス通路９．１１の流路空間を
確保するのみならず、電極板５゜７を電解質板３に均等
に密着させる必要がある。

したがってガスチャンネル２２にはセパレータ板１７を
介して作用する前記の締付は力や他の積層単位電池等か
ら受ける重力に対向しながらこれらの圧縮荷重を電極板
５，７へできるだけ均等に伝達するよう適正な剛性が要
求される。

このような要求に対するガスチャンネル２２として、従
来は例えば第１４図ないし第１６図に示したような波板
状のものが用いられている。これは、圧縮筒ＩＰを受け
ると並列に形成された多数の波状の突部２２ａが高さ方
向臼へ弾性的に変形して荷重Ｐに対向しつつ稜部２２ｂ
から電極板５゜７の全域へ前記荷重を分散して伝達しう
るようにしたものである。また第１７図に示した別の例
は上記波状の突部２２ａの側壁に通孔２２Ｃを並べて配
設したもので、これらの通孔２２Ｇによって突部２２ａ
の剛性を高さ方向（Ｈ）について調整している。更に前
記酸化剤ガスあるいは燃料ガスが通孔２２ｃを介してガ
スチャンネル２２の表裏へ流通できることで、これらの
反応ガスの有効利用が図られている。更に第１８図およ
び第１９図に示した別の例は、平板２２ｄから両側が切
離された台形状の突部２２ｅを多数打出し成形したもの
である。

このように、ガスチャンネル２２は多数の突部２２ａ、
２２ｅを介して電極板５，７を保持しながらその各部に
保持力をできるだけ均等に配分するという作用を課せら
れるものであるが、従来のガニ；チャンネル２２では実
用面においてこれらの作用を両立させ難いという欠点が
あった。

すなわち、ガスチャンネル２２は板金を成型したもので
あるから、どうしても全体的なゆがみや局部的な寸法差
などの成型誤差を伴い、また電極板にはクリープ現象な
どによって経時的な寸法変化がもたらされる。このよう
な事情のもとに、前記第１６図の波板状のガスチャンネ
ル２２では、高さ方向（Ｈ）のみならず長手方向（Ｌ）
についての曲げ剛性も高いためガスチャンネル２２前体
のゆがみや局部的な寸法差等があると突部２２ａがこれ
に順応して変形し得ないことで、電極板５゜７への作用
力が不均一となり、更には電極板５゜６との間に隙間が
生じて反応ガスの流れが乱されてしまう恐れがある。そ
してこれらの相乗作用から発電効率が落るばかりでなく
、積層体の一部にかかる局部的な大荷重にも耐えられる
よう機械的強度に大幅な余裕をみなければならなかった
。

一方ガスチャンネル２２の曲げ剛性を低下させるために
板厚を減少すると高さ方向（Ｈ）の剛性も低下して電極
板５，７の保持力が確保できるばかりか、座屈をおこす
可能性が生じまた永久変形を起し易く、これにはおのづ
と支持能力に限界が生じる。また第１７図に示したもの
では高さ方向（ト１）の剛性と変形復元性とを確保する
ため通孔２２ｃの大きさと数が制約されるので長さ方向
（し）についての曲げ剛性を十分には低下させることが
できない。さらにまた第１．８図、第１９図に示したも
のはガスチャンネル２２のゆがみ等には比較的よく順応
させうるけれども、突部２２ｅ自体の剛性が高い故にこ
れら突部２２ｅの成形誤差や電極板５．７等の寸法変化
への順応性に劣る。

（発明が解決しようとする課題） このように従来のガスチャンネルでは、保持力を確保し
ようとすると電極板と電解質板との均等な密着性が損わ
れたりガス流が乱されたりづる結果発電効率の低下を招
き、あるいは８１層体内の応力分布が不均等になる結果
局部的に疲労及び破損が促進される等の恐れがあった。

。 そこで本発明は電極板の保持力とその均等な配分とを両
立させ得る燃料電池のガスチャンネルを提供する。

［発明の構成］ （課題を解決するための手段） 前記課題を解決するための本発明の手段は、電解質板に
重ね合わされた電極板の表面に反応ガスのガス通路を形
成するとともに、前記電極板を電解質板に押し付けるた
めの突部をそなえたセガスチャンネルにおいて、前記突
部を片持ちに支持された複数の突片によって形成したも
のである。

（作用） この手段によれば、片持ちに支持された突片は基本的に
力学上の一端固定梁を形成するので所定の荷重に対して
の撓みｍを大きく設定することができ、かつ複数の突片
は互いに関係なく撓みうる。よってこれらの突片自体や
電極板等に精度上のばらつきなどがあっても、突片の各
々がこれに順応して撓みながら電極板へ所定の保持力を
ほぼ均等に伝達する。

（実施例） 第１図および第２図を参照して本発明の第１の実施例を
説明する。

燃料電池を構成する単位電池１は、電解質板３の両側に
それぞれ車ね合わせた正の電極板５および負の電極板７
と、電極板５および７の表面にそれぞれ形成したガス通
路９および１１からなり、ガス通路９および１１にはそ
れぞれ反応ガスとしての酸化剤ガスおよび燃料ガスが送
給される。そしτガス通路９，１１はこの実施例に係る
ガスチャンネル３１で構成されている。

ガスチャンネル３１は、ステンレス鋼板などの基板３３
と、この基板３３の一面側に配列した複数の突片３５と
を有している。これらの突片３５は、第２図に示したよ
うに、基板３３から三方を切離して斜めに引き起すとと
もにその先端部を基板３３の方向へわん曲成形したもの
である。よって各突片３５はそれらの基端部３５ａにＪ
５いて基板３３に片持ちに支持され、また上記の引き起
し模には透窓３７が形成される。そしてかかるガスチャ
ンネル３１の基板３３を電極板５．７側に接合させてセ
パレータ１５の前記セパレータ板１７との間に配し、こ
れに前記圧縮荷重Ｐを印加して各突片３５を適量づつ撓
ませることにより、電極板５，７を電解質板３に押接し
て保持させる。

ここで第３図を用い、いま突片３５を近似的に前記一端
固定の単純梁と考え、その腕の長さを愛。

幅をｂ゛、厚さをし、剛性をＫとすると、突片３５の先
端に荷重ｐが加わったときの前記撓みδは、δ−ｐ／Ｋ
　　　　　　　　　　　　　・・・（１）腕の長さ愛は
厚さ［に対して十分に大きいとすると、 Ｋ＝３Ｅ　Ｉ／愛３　　　　　　　　　・・・（２）た
だし、Ｅはガスチャンネル３１部材の縦弾性係数、■は
断面２次モーメントで １＝ｂｔ３／１２　　　　　　　　　　　・・・（３）
また突片３５の全数をＮとすればガスチャンネル３５全
体での剛性は、ＮＫとなる。

方基板３３には突片３５から三方が切離された透窓３７
が縦、横方向に配列されることによってこの基板３３自
体の剛性が二次元的に低下して柔軟なものとなる。そし
てこの剛性は基板の厚さｔを設定のものとすれば透窓の
長さく井愛）、幅（＝ｂ）および縦、横の配列数によっ
て定まる。

以上のことから、ガスチャンネル３１自体や電極板５，
７について予想されるゆがみや経時変化に順応して変形
しうるように突片３５及び基板３３の剛性を設定して上
記（１）ないしく３）式中の諸元を適宜関連的に決定す
れば、基板３３を電極板５゜７に密接させつつ荷重Ｐを
ほぼ均一に分布させることができる。この場合、片持ち
に支持された突片３５の剛性には、上記（＋）、（２）
式から、主に腕の長さ斐によって容易に適切な値とする
ことができる。このようにこの実施例のガスチャンネル
３１によれば、電極板５，７に均一荷重分布が与えられ
るようになるので、各電極板５，７を電解質板３に対し
均一に密着させることができる。また、均一荷重分布が
１ｆ７られればセパレータ板１７とガスチャンネル３１
の基板３３との間の隙間も均一になり、ガスも均一な流
れとなる。このような相乗作用により、発電効果が著し
く高められる。さらに突片３５に作用する荷重について
も均一状態に近いため、局部的な荷重集中による変形が
なく、全体の寿命増となる。

第４図および第５図に示した本発明の第２の実施例は突
片３５を基板３３の上下へ交互にひき起したものである
。これにより突片３５の数を第１の実施例のものと同じ
とすれば剛性を１／４に低下させることができ、また上
、下の突片の数を相異させれば更に剛性を低下さぜうる
ので、これらにより一層柔軟なガスチャンネルが得られ
る。この実施例のものは基板３３が電極板５．７に密着
しないのでさらにガスの有効利用が図られる。

第６図および第７図に示した第３の実施例は、基板３３
をＨ字形に切開してひき起すことにより複数対の突片３
５．３５を基板の片側に配列したものである。このもの
は透窓３７の長さが長くなるので基板３３自体の平板と
しての剛性を一層低下させることができる。そして第８
図に示した第４の実施例では前記１対の突片３５，３５
のうち一方を基板３３の上側に、他方を下側に配置して
あり、また第９図に示した第５の実施例では８対の突片
を交互に上側と下側とに配置してあって、これら第４お
よび第５の実施のものは前記第２および第３の実施例で
述べた利点を兼備する。

また第１０図および第１１図に示した第６の実施例はほ
ぼ三角形をなす対の突片３５，３５を向い合せにして形
成したもので、このものは基板３３に正方形等の方形透
窓３７が配列されるので、この基板３３自体の剛性を二
次元的に均等に低下させうる。更に第１２図および第１
３図に示した第７の実施例は基板３３に局線状の切り目
をつけてここをひき起すことにより基端部が片持ちに支
持されたコイルばね形の突片３５を形成したものである
。このものはほぼ円形の透窓３７が配列されるので、上
記第５の実施例と同様に基板３３の剛性を設定するのに
有利なほか、突片３５の剛性設定の自由度が極めて大き
くなる。

尚、この実施例および上記第６の実施例においても、基
板の両側に突片を形成しうろことは勿論である。また、
以上の各実施例では同じ形状１寸法の突片を一様に配列
しであるが、対象のゆがみ等の態様に応じて突片の配設
密度を変化させ、あるいは形状寸法を部分的に変えるこ
とにより、剛性分布を調整するようにしてもよい。更に
各突片３５を各々単独とし、基端部をセパレータ板１７
や、電極板５．７にビーム溶接等により固着してこれに
直接支持させるようにしてもよい。

［発明の効果］ 以上説明したように本発明の構成によれば、片持ちに支
持された複数の突片が各々に撓みながら電極板へ所定の
保持力をほぼ均等に分散して伝えるので、セパレータ側
や単位電池側に精度的誤差や経時的寸法変化が生じても
電極板と電解質板とを良好な条件下で密着させることが
でき、これによって発電効率を常に高位に保持しうると
ともに、電池積層体の内部応力が均等化することで局部
的な疲労及び破損が防止される。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の第１実施例に係るセパレータをそなえ
た燃料電池の要部断面図、第２図は第１図の■−■矢視
拡大平面図、第３図は第１実施例の作用を説明するため
の要部斜視図、第４図ないし第１３図は本発明の他の実
施例を示す図であって、第４図は第２実施例の要部断面
図、第５図は第４図のｖ−■矢視断面図、第６図は第３
実施例の要部平面図、第７図は第６図の■−■矢視断面
図、第８図および第９図はそれぞれ第４および第五実施
例の要部断面図、第１０図は第６実施例の要部平面図、
第１１図は第１０図のＸＩ−ＸＩ矢視断面図、第１２図
は第７実施例の要部平面図、第１３図は第１２図のｘｍ
−ｘｍ矢視断面図、第１４図は従来例に係るセパレータ
をそなえたＭＰ燃料電池の分解斜視図、第１５図は第１
４図の組立て状態を示す要部斜視図、第１６図および第
１７図は第１５図の要部拡大斜視図であって各々に別の
態様を示した図、第１８図は別の従来例に係るセパレー
タの要部平面図、第１９図は第１８図のＩＸＸ−ＩＸＸ
矢視断面図である。 １・・・単位電池 ３・・・電解質板 二、７・・・電極板 ９．１１・・・ガス通路 １５・・・セパレータ ・・・ガスチ１１ンネル ３５・・・突片

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 電解質板に重ね合わされた電極板の表面に反応ガスのガ
   ス通路を形成するとともに、前記電極板を電解質板に押
   し付けるための突部をそなえたセガスチャンネルにおい
   て、前記突部を片持ちに支持された複数の突片によって
   形成した燃料電池のガスチャンネル。