JPH0393167A - 横積層形燃料電池スタックとそのモジュール構造 - 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】 Ｃ産業上の利用分野〕 この発明は電解質を保持するマトリックスを有する燃料
電池、ことに大容量燃料電池の積層構造および据付構造
に関する． 〔従来の技術〕 アルカリ水溶液を電解液とする自由液面形のアルカリ形
燃料電池は、電解液室とこれを挟む一対の電極とからな
る単電池をその電極面が垂直面をなすよう横方向に積層
して燃料電池スタックを形戒するのが一般的である．一
方、りん酸を電解質とするりん酸形燃料電池ではりん酸
を含浸したマトリックス層を一対の水素電極および酸素
電極で挟んだ単電池を、その電極面が水平面をなすよう
縦方向に積層して燃料電池スタックを形威した縦積層燃
料電池が主流であり、横積層形のりん酸形燃料電池は知
られていない． 第８図は常圧形の従来の燃料電池スタックを示す展開し
た斜視図であり、りん酸を保持したマトリックスを一対
の電極で挟んだ単電池１と溝付きのセバレータ２とを交
互に積み重ねて燃料電池の積層体３とし、縦積みされた
積層体３の上下両側をそれぞれ一対の集電板５．絶縁端
板６および締付板７で挟み、締付スタンド８で一対の締
付板７を介して積層体３の積層面に所定の面圧を加えて
一体化する．また積層体３の４つの側壁面にはそれぞれ
反応ガス給排用のマニホールド９が気密に取り付けられ
、セバレータ２の両面に互いに直交する方向に形威され
た溝４の一方を燃料ガス通路，他方を酸化剤通路として
マニホールド９の反応ガス給排口９ａを介して大気圧よ
り幾分高い圧力の燃料ガスおよび酸化剤としての空気が
給排されることにより電気化学反応に基づく発電が行わ
れる。

なお、この種の常圧のりん酸形燃料電池スタックとして
出力５０ＫＷ程度のものが開発されており、また４台を
電気回路側で直並列接続した出力２００　ＫＨの発電プ
ラントが知られている。

第９図は従来の加圧形燃料電池を示す斜視断面図であり
、圧力容器１１に収納された燃料電池スタック１０はそ
の下部が浅い皿形の下部タンクに固定して支持され、上
方から吊鐘形の上部タンク１３をかぶせ、両者をフラン
ジ結合した後例えば４気圧程度の加圧窒素を圧力容器１
１内に封入して使用する．また燃料電池スタックｌＯに
は反応空気配管１５，燃料ガス配管１６，複数の単電池
ブロフクごとに積層された冷却板１４に冷却水を給排す
るための冷却水配管１７や、発電電力を取り出すための
引き出し導体１８等が連結されており、これらはすべて
スタック１０を支持する下部タンク１２側に集められ、
下部タンク１２を気密に貫通して外部に引き出される．
また、燃料ガス，反応空気等の反応ガスの圧力は踵 加圧窒素の圧力と平斤するよう例えば約４気圧に保持さ
れる．なお、このように構威された加圧形燃料電池スタ
ック単体で出力２６０［，　４台を外部の電気回路で直
並列接続して出力１０００ｍ［１１とした発電プラント
が知られている．また、出力容量を増大するために、縦
積層形の燃料電池スタック４台を一つの圧力容器内に水
平に並べて配置したものが知られている． 〔発明が解決しようとする課題〕 静止機器である燃料電池は燃料電池自身が振動を発生す
ることはないが、輸送時や地震発生時には外力により振
動する．一方、弾性係数が鋼板のそれの１０分の１以下
にすぎないカーボン材を主な構戒材料とし、かつ大容量
のスタックではその高さが４ｍ近くにもなる燃料電池ス
タックはその共振周波数が低く、振動すると大きな曲げ
応力と曲げ歪みが発生して単電池間にずれが発生したり
電池を破損する可能性がある．したがって、縦積層され
た燃料電池を輸送する場合、横倒しにして輸送すると車
両や船の上下動によって単電池の積層体に大きな曲げ応
力が加わるために損傷を受けやすくなるという問題があ
る．また、スタックを立てた状態で輸送した場合にはス
タックの高さが大きくなる程振動の影響が大きくなると
同時に、これを陸上輸送する場合には低床式のトレーラ
を用いてもその高さが３．４ｍ以下に制限されるので、
積層高さが４ｍにも達する燃料電池スタックは陸上輸送
できないという問題がある． 一方、りん酸形燃料電池の開発が進むにつれて、電力分
野に使用する燃料電池の一層の大容量化が求められてお
り、これを陸上輸送するとすれば高さ制限を受けるため
、燃料電池スタックの分割台数が多くなり、その製造コ
ストが増加するばかり４台の燃料電池スタックを並べて
モジュールを構戒すれば、圧力容器が一つで済む経済的
効果と省スペース化効果を期待できるが、高さ方向の寸
法制限を緩和できないために、大きな容量増大効果を期
待できないものと考えられる． この発明の目的は、燃料電池スタソクを横積層形とする
ことにより、スタックの積層高さに及ばす輸送寸法制限
の影響を排除し、陸上輪送可能な単器容量の増大を計る
ことにある． 〔課題を解決するための手段〕 上記ｔｌＨを解決するために、この発明によれば、電解
賞としてのりん酸を保持するマトリックス層と、このマ
トリックス層の両面に配された一対の１！極層とからな
る単電池を、この電極層それぞれに酸化剤および燃料ガ
スを互いに直交する方向に供給する反応ガス通路を有す
る溝付きセパレータを介して複数個積層した燃料電池積
層体と、前記反応ガス通路に連通ずる２対のマニホール
ドとからなる燃料電池スタックにおいて、前記各単電池
の積層面がほぼ垂直面をなすよう積層してなる燃料電池
積層体を備え、この燃料電池積層体の下面側に前記２対
のマニホールドの内の一つを配してなるもの、各単位電
池が上部に位置する反応ガス通路をほぼ水平方向に通る
電解賞の供給パイプと、前記反応ガス通路に連通ずるマ
ニホールドに設けられ前記供給パイプに電解液を注入す
る常時は閉じられた注入口とを含む電解質補給部を備え
たもの、および燃料電池積層体の下面側に位置するマニ
ホールドが燃料電池積層体の支持部材を兼ねてなるもの
とし、またその据付構造としては横積層形燃料電池複数
台を支持部材を兼ねたマニホールドに連結された台座を
介して横方向および縦方向に組み合わせて配置してなる
もの、または台座に固定された横積層形燃料電池１台以
上を横置き円筒形の圧力容器内に引き出し可能に収納し
てなるものとする． 〔作用〕 上記手段において、単電池の積層体を積層面が垂直面を
なすよう横方向に積層したことにより、積層高さに及ぼ
す輸送制限寸法の影響が大幅に緩和されるので、陸上輸
送できる燃料電池スタックの単器容量を大幅に増大でき
、したがって燃料電池の大容量化要求に有利に対応する
ことができる．また、従来水平に位置した単電池が垂直
に位置することにより、マトリックスに含浸された液状
のりん酸にはその面方向の高さに比例したヘッド差を生
じ、ヘッド差の大きいマトリックスの下側部分で液漏れ
や、撥水処理された電極基材層にりん酸が浸透して反応
ガスの供給障害を起こすことが考えられるが、マトリッ
クスの細孔が小さく、かつ液シール技術や損水処理技術
の進歩によって危惧にすぎないことが明らかになった．
ただし運転中のりん酸の飛散による目減りはマトリック
スの上部で起こるので、この上部を水平に通る反心ガス
通路を利用して供給パイプを設け、この供給パイプに外
部からりん酸を注入する電解質補給部を設けることによ
り、不足するりん酸を容易に補給できる機能が得られる
． さらに、単電池積層体の下面側に位置するマニホールド
にスタックの支持部材としての機能を兼ねさせたことに
より、各単電池等に作用する重力をマニホールドが均等
に分散支持して曲げ，歪みを抑制するとともに、燃料電
池スタフクの重心が単電池の積層数に関係なく低い一点
に固定されるので、耐震性および耐加速度性が著しく向
上し、輸送時や地震による燃料電池の損傷を回避するこ
とができる． さらにまた、単電池の積層数を増して大容量化した燃料
電池スタック複数台を、台床または架台を用いて一体化
したモジュールとすることによってさらに大容量化した
燃料電池モジュールを構成できるが、その際個々の横積
層形のスタックの配管，配線作業を行った後架台に固定
することによりモジュールの組立てを行えるので、スタ
ック相互間に特別の作業スペースを必要とせずコンパク
トに複合化できるとともに、高所作業を必要としないの
で作業を効率化できる．また、燃料電池モジュールを一
つの圧力容器に収納して加圧形の燃料電池とする場合、
横置き円筒形の圧力容器を輸送制限寸法のゆるい軸方向
に延長することによって大容量化が可能になるとともに
、燃料電池の支持機能をタンク本体底部側に，配管や導
体の引き出し機構部を蓋体側に分離できるので、圧力容
器への組み込み作業を容易化でき、かつ引き出し形とす
ることにより、配管，配線作業を圧力容器の外部で常圧
形と同様に行うことができる．〔実施例〕 以下この発明を実施例に基づいて説明する．第１図はこ
の発明の実施例を示す横積層形燃料電池スタックの展開
した斜視図、第２図は実施例における電解賞補給部を示
す側断面図、第３図は第２図のＡ−Ａ位置の拡大断面図
であり、従来の電池と同じ機能部分には同一参照符号を
用いることにより詳細な説明を省略する．図において、
２３は単電池の横積層体であり、りん酸を含浸したマト
リソクスを一対の電極で挟んだ単電池１の積層面が垂直
面をなすよう例えば溝付きセパレータ２を介在させて横
方向に複数層積み重ね、両積Ｎ端面に集電板５、絶縁端
板６，締付板７を配し、締付スタンド８によって積層面
に所定の面圧を加えることにより一体化される．また、
２１は支持部材を兼ねたマニホールドであり、横積層体
２３の下面に気密に結合されて積層体２３を支持すると
ともに、その固定Ｊｌｌ２２が台床に固定される．積層
体２３の残る３方向の面にはマニホールド９が気密に取
り付けられ、例えばセパレータ２の垂直方向の溝を酸化
剤通路４Ａ，水平方向の溝を燃料ガス通路４Ｆとする横
積層形燃料電池スタック２０が構威される．また、２５
は電解質としてのりん酸の補給パイプであり、第２図に
水平方向の反応ガス通路に沿った断面図を示すように、
水平方向の反応ガス通路（この場合燃料ガス通路４Ｆ）
の例えば最も上方に位置する溝４Ｆ．内に収納され、溝
の隙き間をガスシールするとともに、一方端がマニホー
ルド９側に設けられた注入口２６に連結され、注入口２
６は密栓２７により常時は密閉される．また、補給パイ
プ２５の他方端は封止するか対向するマニホールド側の
注入口（この場合排出口）２６Ｂに連結される．なお、
補給パイプ２５内には液保持．性のよい繊維ひもを充填
してよく、またパイプの中間部には少なくとも一個所に
補給孔２５Ａが設けられる．さらに第３図に示すように
、補給パイブ２５の補給孔２５Ａに対向する単電池の電
極基材層ＩＣには撥水処理しない親水部２８が形威され
、かつ電極触媒層１Ｂには連通孔２４が形威される．注
入口２６から補給パイプ２５内に圧人されたりん酸２９
は、補給孔２５＾，Ｉ！水部２８．および連通孔２４を
介してマトリンクス層ＩＡ内に流入し、ヘンド差を利用
してマトリックス層内に浸透する． 上述の実施例において、燃料電池スタックを横積層形と
したことによって単電池の積層数に関わりなくその重心
を低くでき、かつ横積層体の下面を支持部材を兼ねたマ
ニホールドで積層方向の全長にわたって分布荷重として
支持したことによって従来の縦積層形で問題になった曲
げ応力および曲げ歪みをほぼ完全に回避できる．したが
って、耐振動性が著しく向上すると同時に、単電池の積
層方向と車両の長手方向が一致するよう車両に搭載して
輸送することにより、車両の長手方向に制約のゆるい輸
送制御を利用して単器容量の大きい燃料電池スタックを
陸上輸送することが可能になる． また、燃料電池の高さが低くなるので、反応ガス配管や
冷却水配管作業，あるいは引き出し導体の配線作業を高
所作業を伴うことなく容易に行えるとともに、これらを
積層方向に沿って配置することによって配管類の引き出
し方向と燃料電池の支持方向を互いに異なる面倒に分離
することができるので、配管作業を容易化できるととも
に、配管構造を簡素化かつコンパクト化することができ
る． さらに、横積層形とした場合、マトリックスの下方にり
ん酸の差圧が加わり、液シール部や電極基材側への液漏
れが懸念されたが、実験モデルによる検証によってこれ
らの懸念が危惧に過ぎないことが明らかになるとともに
、発電運転時に生戒水とともに主に反応空気側にりん酸
が飛散することによって生ずるりん酸の目減りはマトリ
ックスの上部に集中して現れるので、単電池の上部に設
けた電解賞の補給部によりヘッド差を利用して容易に補
給できる利点が得られる． 一方、燃料ガス通路への燃料ガスの均等配分については
、従来の縦積層形の燃料電池において積層高さが高くな
ると、水素が消費されることによて比重が高くなったオ
フガスが出口側マニホールドの下部に滞留し、積層体の
下部に位置する単電池への燃料ガスの供給が阻害される
という問題を生ずることが知られている．横積層体の燃
料電池１スタックでは、各単電池が水平方向に並列配列
されると同時に、単電池の積層数を増しても高さ方向の
寸法は変わらないので、上記問題点はほぼ完全に排除さ
れ、マニホールドへの燃料ガスの［Ｆ口を複数化するこ
とによって各単電池の電極面積を有効に利用した発電運
転を行うことができる．なお、加圧形の燃料電池の場合
、横置き円筒形の圧力容器の長さを増すことにより、輸
送！ｌｉｌＩＩＩ寸法内で単器容量の大きい燃料電池ス
タックを陸上輸送できる．また、スタックを圧力容器の
本体側に支持し、配管や導体の貫通部を圧力容器の蓋体
側に設ければ、蓋体の鏡板内部の広いスペースを利用し
て配管類の接続作業を燃料電池の支持部に邪魔されるこ
となく容易に行うことができる．さらに、燃料電池スタ
ックを引き出し可能に圧力タンクに収納すれば、配管や
導体の組立作業の大部分を圧力容器の外部で行えるので
、配管や導体の接続作業を省力化できるとともに、圧力
容器内に特別な作業スペースを必要としないので圧力容
器の径を必要最小限の寸法に小型化することができる． さらに、各単電池の垂直方向の反応ガス通路を酸化剤通
路４Ａとして反応空気を下向きに流すよう構成すれば、
反応生或水の蒸気とともに酸化剤通路４Ａ側に飛散する
りん酸竃ストを支持マニホールド２１の内壁面に付着．
させてトラップすることが可能であり、底面積の広い支
持マニホールド２１をりん酸箋ストのトラップに利用し
て単電池や配管系の汚損を防止できる利点が得られる． 第４図はこの発明の異なる実施例である横積層形燃料電
池の並列形モジェール構造を示す概略側面図、第５図は
段積み形モジェール構造を示す概略側面図であり、いず
れも常圧形燃料電池スタックのモジェール構造を示した
ものである．第４図において、２台の横積層形燃料電池
スタック２０Ａ，２０Ｂは共通の台床３２上に、その積
層方向が互いに平行になるよう固定脚２２によって固定
され、外部の電気回路において互いに並列接続される．
燃料電池スタック２０Ａ．２０Ｂは横積層形としたこと
によって単電池の積層数を従来の２倍程度に増すことが
容易にできるので、従来４台の燃料電池を直並列接続し
て１バンクを形威したものを２台を並列接続して従来と
同じ容量の並列形モジェール４０を形戒することが可能
となり、燃料電池スタックの台数および図示しない配管
系の数を低減できるとともに、別々に配管作業を終了し
たスタックを台床３２上に並べて配置することによって
スタック相互間に余分な作業スペースを設ける必要もな
くなるので、省スペース化できる利点が得られる．また
、段積みモジュール構造の場合第５図に示すように、台
床３２上に固定された燃料電池スタック２０Ａの上に、
架台４５上に固定された燃料電池スタック２０Ｂを配置
して段積み系モジュール５０とすれば、並列バンク４０
と同様な作用効果が得られるとともに、上段の燃料電池
スタック２０Ｂも地上で配管作業等を済ませたものを段
積みすればよいので、高所配管作業を必要とせず、した
がって組立作業を容易化できる利点が得られる． 第６図および第７図はこの発明の他の実施例である加圧
形燃料電池のモジュール構造を示す互いに直交する方向
の側断面図である．図において、圧力容器６１は横置き
形の円筒容器からなり、脚６３＾を有する本体容器６３
内には車輪およびレールからなる案内部６８により引き
出し可能な２段式の架台６５と、その下段に２台並べて
搭載された横積層形燃料電池スタック２０Ａ．２０Ｂと
、架台６５の上段に２台並べて搭載された横積層形燃料
電池スタック２００．２００が収納され、各燃料電池ス
タックの図示しない配管や導体は蓋体６２側に引き出さ
れ、本体容器６３の開口部近傍の側壁または蓋体６２を
貫通して外部に引き出される． 上述の実施例においては、横積層形燃料電池スタフクそ
れぞれの単電池の積層数を例えば従来の２倍に増す場合
、横置き円筒形の圧力容器６ｌの本体容器６３を軸方向
に延長することにより、従来の２倍の出力容量を有する
加圧形燃料電池モジュール６０を陸上輸送可能な形状寸
法の範囲内にまとめることができ、縦積層形の従来の加
圧形燃料電池で得られなかった大容量の加圧形燃料電池
モジュール６０を陸上輸送可能に形威することができる
．また，横積層形燃料電池スタックそれぞれの配管，配
線作業を圧力容器の外部の床上で行い、これを吊り上げ
て圧力容器の外部に引き出された架台６５に支持マニホ
ールドを固定すれば、本体容器６３内での配管，配線作
業をほとんど必要とせずに燃料電池モジュール６０の組
み立て作業を行うことができ、本体容器６３内に組立て
スペースを必要とせず、かつ例えば本体容器６３の開口
部近傍に設けられた図示しない配管，配線の引き出し部
への接続作業なども圧力容器の外部から行うことができ
るので、圧力容器の寸法を必要最小限に小型化できると
ともに、圧力容器への組み込み作業を容易化できる利点
が得られる． 〔発明の効果〕 この発明は前述のように、マトリックス形単電池の積層
体を横積層体とし、かつ支持部材を兼ねたマニホールド
で積層体を支持するよう構威した．その結果、横積層形
燃料電池スタックの高さおよび重心位直を低く抑えて単
電池の積層数，いいかえれば単器容量を増加でき、かつ
支持用マニホールドが単電池の積層体の自重および加速
度を分布荷重として強固に支持するので、縦積層形の従
来の燃料電池における陸上輸送の限界寸法の制約および
耐振強度上の問題点が排除され、単器容量の大きい燃料
電池スタックを高い耐振強度を保持して陸上輸送するこ
とが可能になり、したがってスタック数を増すことなく
単器容量増大要求に対応できる燃料電池を提供すること
ができる．また、垂直に積層された各単電池のマトリッ
クスが保持するりん酸等の電解賞の目減りの補給をヘッ
ド差を利用した電解賞補給部を単電池の上部に配するこ
とによって円滑に行うことができ、かつ反応ガス通路で
水素が消費されてオフガスの比重が増加することに起因
する各単電池への燃料ガス配分も横積層形とすることに
よって改善でき、さらに反応空気を下向きに反応ガス通
路に流すことにより、りん酸ミストを底面積の大きい支
持マニホールドにトラフブして無害化できるなどの利点
が得られる． 一方、複数台の横積層形燃料電池を組み合わせて大容量
の常圧形燃料電池モジュールまたは加圧形燃料電池モジ
ュールを構威する場合、配管の引き出し方向と支持方向
が異なるので、床上に横置きしたスタックの配管や導体
の接続作業を行った後スタックの据付作業を高所作業を
伴うことなく容易に行うことができ、組立作業を省力化
できるとともに、スタック相互間に作業スペースを必要
としないので大容量のモジェールをコンパクトに形或す
ることができる．また、加圧形燃料電池の場合には輸送
制限のゆるい長手力向に圧力容器を延ばすことによって
縦積層形の従来の燃料電池では得られない大容量の燃料
電池またはモジュールを陸上輸送可能な大きさにコンパ
クトにまとめて提供できるとともに、引き出し形とする
ことにより圧力容器内に作業スペースをほとんど必要と
しないので、圧力容器を小型化できる利点が得られる．

【図面の簡単な説明】

第ｌ図はこの発明の実施例を示す横積層形燃料電池スタ
ックを示す展開した斜視図、第２図は実施例における電
解賞補給部を示す概略断面図、第３図は第２図における
Ａ−Ａ位置の拡大断面図、第４図および第５図はこの発
明の異なる実施例を示す常圧形燃料電池の並列モジュー
ルおよび段積みモジュールそれぞれの概略側面図、第６
図および第７図はこの発明の他の実施例を示す加圧形燃
料電池モジュールを示す互いに直交する方向の概略断面
図、第８図および第９図は従来の縦積層形燃料電池にお
ける常圧形および加圧形燃料電池スタックをそれぞれを
一部破砕して示す斜視図である． １：単電池、２：セパレー夕、３．２３：積層体、４：
反応ガス通路、４Ａ：反応空気通路、４Ｆ：燃料ガス通
路、７：締付板、８：締付スタンド、９：マニホールド
、ｌＯ：燃料電池スタック　（縦積層形）、１１．６１
？圧力容器、２０：燃料電池スタック　（横積層形）、
２１：支持マニホールド、２２：固定脚、２４：連通孔
、２５：補給パイプ、２６：注入口、２７：密栓、２８
：ｔｊＪ．水部、２９：りん酸、３０：電解質補給部、
３２：台床、４０：並列モジュール、４５．６５？架台
、５０：段積みモジュール、６０：加圧形燃料電池第１
図 第３図 第５図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １）電解質としてのりん酸を保持するマトリックス層と
   、このマトリックス層の両面に配された一対の電極層と
   からなる単電池を、この電極層それぞれに酸化剤および
   燃料ガスを互いに直交する方向に供給する反応ガス通路
   を有する溝付きセパレータを介して複数個積層した燃料
   電池積層体と、前記反応ガス通路に連通する２対のマニ
   ホールドとからなる燃料電池スタックにおいて、前記各
   単電池の積層面がほぼ垂直面をなすよう積層してなる燃
   料電池積層体を備え、この燃料電池積層体の下面側に前
   記２対のマニホールドの内の一つを配してなることを特
   徴とする横積層形燃料電池スタック。 ２）各単位電池が上部に位置する反応ガス通路をほぼ水
   平方向に通る電解質の供給パイプと、前記反応ガス通路
   に連通するマニホールドに設けられ前記供給パイプに電
   解液を注入する常時は閉じられた注入口とを含む電解質
   補給部を備えたことを特徴とする請求項１記載の横積層
   形燃料電池スタック。 ３）燃料電池積層体の下面側に位置するマニホールドが
   燃料電池積層体の支持部材を兼ねてなることを特徴とす
   る請求項１記載の横積層形燃料電池スタック。 ４）横積層形燃料電池複数台を支持部材を兼ねたマニホ
   ールドに連結された台座を介して横方向および縦方向に
   組み合わせて配置したことを特徴とする請求項１から３
   のいずれかに記載の横積層形燃料電池スタックのモジュ
   ール構造。 ５）台座に固定された横積層形燃料電池１台以上を横置
   き円筒形の圧力容器内に引き出し可能に収納してなるこ
   とを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載の横積
   層形燃料電池スタックのモジュール構造。