JPH07326379A

JPH07326379A - 積層型燃料電池

Info

Publication number: JPH07326379A
Application number: JP6142457A
Authority: JP
Inventors: Naoya Nakanishi; 直哉中西; Hiroyuki Kawamura; 博行河村; Koji Yasuo; 耕司安尾; Shiyouten Kadowaki; 正天門脇; Shunsuke Taniguchi; 俊輔谷口; Yukinori Akiyama; 幸徳秋山; Yasuo Miyake; 泰夫三宅; Toshihiko Saito; 俊彦齋藤
Original assignee: Sanyo Electric Co Ltd
Current assignee: Sanyo Electric Co Ltd
Priority date: 1994-05-31
Filing date: 1994-05-31
Publication date: 1995-12-12

Abstract

(57)【要約】【目的】セル間の温度分布の差の少ない積層型燃料電
池を提供することを目的とする。【構成】セル積層体６の上部に設けられたトッププレ
ート１９、下部に設けられたボトムプレート１０のう
ち、少なくともボトムプレートに断熱層１３を設けるこ
とにより、セル積層体６の下方より起こる熱損失が低減
される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、複数のセルが積層され
た積層型燃料電池に関し、詳しくは各セル同士の温度分
布均一化に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】燃料電池は、供給される化学エネルギー
を直接、電気エネルギーに変換するものであって、現在
では、リン酸型燃料電池、溶融炭酸塩型燃料電池、固体
電解質型燃料電池等の研究が盛んに行なわれており、高
い発電効率が期待されている。この燃料電池は、一般的
に、複数のセルがセパレータを介して交互に積層された
構造である。このような積層型の燃料電池では、電池の
高出力化を図るために、セルの大型化及び高積層化が行
なわれている。しかしながら、このようなセルの大面積
化や高積層化を行なうと、積層方向における各セル間の
温度分布の差が大きくなる。つまり、積層されているセ
ルのうちセル積層方向の中央部付近のものは、隣合った
セルによりお互い保温された状態にあり高温であるが、
積層方向上端または下端に行くほど外部に熱を奪われや
すくセル温度が低下してしまうのである。

【０００３】このようなセル間の温度分布の差が生じる
と、各セルでの電池反応に差が生じ放電特性が不均一に
なったり、各セルの劣化が不均一に起こるといった問題
を生じる。特に、電池スタックの下方は、燃料電池を支
持台座に設置した際にこの台座部から伝導熱を奪われ、
温度低下が著しい。

【０００４】このようなセル積層体の下方の温度低下を
防止する方法として、セル積層体と台座の間に数個のス
ペーサを点在させ、セル積層体が台座から浮いた状態に
し、熱伝導が起こりにくいようにする方法がある。とこ
ろで、このような積層型の燃料電池では電池内部の接触
抵抗を少なくするために、セル積層体のセルとセパレー
タとを密に接触させる必要がある。このためにセル積層
体を積層方向に強く締め付けなければならず、セル積層
体を台座に強く押しつける必要がある。しかしながら、
上記のようにセル積層体と台座の間にスペーサを設ける
と、強い荷重がスペーサを設けた数カ所の点に集中し、
台座が破損するという問題が生じる。また、このような
荷重に耐えられる台座の強度を確保するためには、高コ
スト化を招来するとともに、台座の材料の緻密化につな
がるため熱伝導率が高くなり温度低下にとって好ましく
ない状態になる。

【０００５】そこで、従来では通常図８に示すように、
セル積層体６の上下に設けた締め付け板２３により締め
付けを行い、この締め付け板２３と台座２７の間にスペ
ーサ２８を設ける構造をとっている。

【０００６】

【発明が解決しようとする問題点】しかしながら、上記
方法でも、締め付け板が放熱フィンの役目をし、やはり
下部よりの熱損失が問題となった。また、上部よりの熱
損失も解決されていない。本発明は上記現状に鑑み行な
われたものであり、セル間の温度分布の差の少ない積層
型燃料電池を提供することを目的とする。

【０００７】

【問題点を解決するための手段】上記目的を達成するた
めに、請求項１の発明では、複数のセルが積層されたセ
ル積層体と、セル積層方向の上端及び下端に設けられた
プレートを有する積層型燃料電池において、少なくとも
前記下端に設けられたプレートに、セル積層方向の伝熱
を分断する断熱層が設けられていることを特徴とする。

【０００８】請求項２の発明では、請求項２記載のプレ
ートは、セル積層体に供給される反応ガスまたはセル
積層体から排出される反応ガスが通過するガス通路を形
成することを特徴とする。請求項３の発明では、請求項
２の断熱層が、セル積層体からみて前記ガス通路よりも
外側の部分に設けられていることを特徴とする。

【０００９】請求項４の発明では、請求項１〜３の断熱
層が、空気層及び／又は真空層を有することを特徴とす
る。

【００１０】

【作用】上記のように構成することにより、以下のよう
に作用する。本発明では、セル積層体の上下端部に位置
するプレートのうち、少なくとも下部のプレートに断熱
層を設けことにより、セル積層体の端部よりセル積層下
方向への熱伝導が阻害され、セル積層体の下方の温度低
下が起こりにくくなる。

【００１１】上端のプレートにも同様の断熱層を設ける
ことにより、上方からの熱損失も低減される。また、端
部のプレートに断熱層として真空層を備えることによ
り、特に効果的な断熱層を形成する。

【００１２】

【実施例】本発明の一例に係る実施例について、図１〜
図６を参照しながら説明を行なう。（実施例）図１は本発明の一例にかかる実施例の固体電
解質燃料電池の一部断面側面図であり、図２は実施例の
要部分解斜視図であり、図３は上方からみたボトムプレ
ート及びガスコネクタプレートの分解斜視図であり、図
４は下方からみたボトムプレート及びガスコネクタプレ
ートの分解斜視図であり、図５は上方からみたトッププ
レート及びガスコネクタプレートの分解斜視図であり、
図６は下方からみたトッププレート及びガスコネクタプ
レートの分解斜視図である。

【００１３】尚、図１の中心線右側には、図２のI-I 概
略断面図が示されている。また矢印でカソードガス及び
アノードガスの流れをしめした。図１、２に示すよう
に、本実施例の固体電解質燃料電池は、電解質板１の一
方の主表面にカソード２、他方の主表面アノード３（不
図示）を配したセル４（大きさ１５ｃｍ×１５ｃｍ）
が、主表面に切削加工によりカソードガス通路、アノー
ドガス通路が形成されたバイポーラプレート５を介して
２０枚積層されたセル積層体６を有している。このセル
積層体６の積層方向下端側にはセル積層体６から排出し
たアノード排ガスが燃料電池外部に排出されるまえに一
旦蓄積されるアノード排ガスバッファ層７の一部を形成
するボトムプレート８が設けられ、さらに当該ボトムプ
レート８の下方には、ボトムプレート８とともに上記ア
ノード排ガスバッファ層７を形成すると同時にこのアノ
ード排ガスバッファ層７とからアノード排ガスを燃料電
池外部に放出するための排ガス排出用外部配管９が接続
されたガスコネクタプレート１０が設けられている。ま
たこのガスコネクタプレート１０には、セル積層体の下
方への放熱を防止するために、真空層１１及び空気層１
２からなる断熱層１３が形成されている。

【００１４】また、上記セル積層体６の上端側には、外
部から供給されたカソードガスがセル積層体に供給され
る前に一旦蓄積されるカソードガスバッファ層１４が内
部に設けられ、且つ、外部から供給されたアノードガス
がセル積層体に供給される前に一旦蓄積されるアノード
ガスバッファ層１５の一部も形成するトッププレート１
６が配されている。尚、トッププレート１６には、上記
カソードガスバッファ層１４にカソードガスを供給する
ための、カソードガス供給用外部配管１７が接続されて
いる。さらに当該トッププレート１６の上部にはトップ
プレート１６とともにアノードガスバッファ層１５を形
成し、このアノードガスバッファ層１５にアノードガス
を供給するためのアノードガス供給用外部配管１８が接
続されたガスコネクタ１９が設けられている。このガス
コネクタプレート１９にも、上記ガスコネクタプレート
１０と同様に、真空層２０及び空気層２１からなる断熱
層２２が形成されている。

【００１５】上記、セル積層体６、トッププレート１
６、ボトムプレート８、ガスコネクタプレート１０、１
９とを有する電池スタックは、ガスコネクタプレート１
０、１９の上または下に設けられた締め付け板２３と、
締め付けロッド２４と、締め付けパイプ２５とを介し
て、バネ２６により、積層方向に０．５〜４ｋｇｆ／ｃ
ｍ²程度で締めつけられている。このように締め付けら
れた電池スタックは、多孔性の断熱材からなる台座２７
上に、数個のスペーサ２８で浮かせた状態で設置されて
いる。

【００１６】上記した燃料電池の各構成について以下に
さらに詳しく説明を行なう。上記電解質板１は、３％イ
ットリア部分安定化ジルコニア（３ＹＳＺ）からなり、
カソード２はランタンマンガネート等のペロブスカイト
型酸化物からなり、アノード３はニッケルジルコニアサ
ーメットからなる。さらに、電解質板１は図２に示すよ
うに、カソード２、アノード３（不図示）より大面積で
あり、外周がカソード２及びアノード３より外方に延在
している。この両電極よりも外方の電解質板１上には、
積層方向に貫通する内部マニホールド孔１Ａ、１Ｂ、１
Ｃが設けられている。

【００１７】また、上記バイポーラプレート５は、ニッ
ケルクロム合金（例えばインコネル６００、６０１）等
の耐熱合金からなり、上記電解質板１より若干大きい外
径寸法を持っている。図２に示すようにこのバイポーラ
プレート５のアノード３と対面する表面には、ガス通路
を形成する複数のリブ５１が並設されており、各リブ５
１の間の主に凹部にアノードガスが流通しカソード２に
供給されるようになっている。また、リブ５１の形成部
位より外方のバイポーラプレート５上にあって前記電解
質板１のマニホールド孔１Ａ〜１Ｃに相当する部位に
は、内部マニホールド孔５Ａ、５Ｂ、５Ｃが設けられて
いる。さらにバイポーラプレート５のアノード３との対
向面には、バイポーラプレート３の周囲及びカードガス
の通過するマニホールド孔５Ａの周囲にシール部５２が
形成されている。

【００１８】一方、図示されていないバイポーラプレー
ト５のカソード２との対向面には、アノード側対向面と
同様にアノードガス通路となるリブが設けられており、
バイポーラプレート３の外周及びマニホールド孔５Ｂ、
５Ｃの周囲にシール部が形成されている。尚、カソード
ガス排出方向のシール部の内部にはカソード排ガスを電
池側方に排出するための穴、即ち側面排出口５３が設け
られている。

【００１９】また、上記ボトムプレート８はインコネル
６００から形成されている。このボトムプレート８のセ
ル積層体６との対向面（図３参照）は、セルのアノード
側と隣合っており、バイポーラプレート５のアノード３
の対向面と同様にガス通路を形成するリブ８１が形成さ
れている。さらにバイポーラプレート５に設けられたマ
ニホールド孔５Ｃに相当する位置にはマニホールド孔８
Ｃが設けられている。但し、電解質板１のマニホールド
孔１Ｂに相当する位置には、上方から供給されるアノー
ドスがガス通路に流れこむことができるように凹部８２
が形成されている。また、この面の周囲にはシール部８
３が形成されている。

【００２０】ボトムプレート８のガスコネクタプレート
１０との対向面には（図４参照）、マニホールド孔８Ｃ
を通過したカソード排ガスのアノード排ガスバッファ層
７の一部になる凹部８４が形成され、マニホールド孔８
Ｃはこの凹部８４の領域内に位置しており、この凹部の
周囲はシール部８５が形成されている。また、上記ガス
コネクタプレート１０はインコネル６００からなり、２
枚のプレート１０ａ、１０ｂからなっている。ボトムプ
レート８側に配されたプレート１０ａのボトムプレート
８との対向面には（図３参照）、ボトムプレート８に設
けられた凹部８４と同様の形状の凹部１０１ａが設けら
れ、当該凹部１０１ａと、ボトムプレート８の凹部８１
とによりアノード排ガスバッファ層７が形成される。こ
のアノード排ガスバッファ層７と、燃料ガス排出用外部
配管９とを接続するために、プレート１０ａには燃料ガ
ス排出用外部配管９が溶接されており、セル積層体６か
ら排出されマニホールド８Ｃを通過してこのアノード排
ガスバッファ層７に流れ込んだアノード排ガスは、上記
燃料ガス排出用外部配管９によって外部に排出される。

【００２１】プレート１０ａのプレート１０ｂとの対向
面には（図４参照）、真空層１１の一部を形成する、複
数個の凹部１０２ａが独立したかたちで設けられてい
る。プレート１０ｂのプレート１０ａとの対向面には
（図３参照）、対向するプレート１０ａに設けられた凹
部１０２ａと同じ形状の凹部１０１ｂが設けられてお
り、各凹部１０２ａ、１０１ｂの周囲に設けられた凸１
０３ａ、１０２ｂ部同士をニッケルろうをろう材として
真空ろう付けを行なうことにより、凹部１０２ａ、１０
１ｂにより空間が形成される。この空間が上記断熱層１
３の真空層１１となる。

【００２２】さらに、１０ｂの締め付け板プレート２３
との対向面には、幾つかに独立した凹部１０２ｂが設け
られている。電池を組み立てた際に当該凹部１０２ａと
締め付け板２３とによって形成される空間が断熱層１３
の空気層１２となる。尚、１０ｂの中央部には、アノー
ド排ガス外部排出用外部配管９が通過可能なように当該
外部配管の径より大きい系を持つ穴１０３ｂが設けられ
ている。

【００２３】一方、セル積層体６上部側のガスコネクタ
プレート１９もインコネル６００からなり、２枚のプレ
ート１９ａ、１９ｂからなっている。締め付け板２３側
に設けられたプレート１９ａの締め付け板２３との対向
面には（図５参照）、四角い凹部１９１ａが形成されて
おり、締め付け板２３とこの凹部１９１ａにより形成さ
れる空間が、上記した断熱層２２の空気層２１となる。

【００２４】プレート１９ａのプレート１９ｂとの対向
面には（図６参照）、真空層２０の一部を形成する四角
い凹部１９２ａが設けられている。プレート１９ｂのプ
レート１９ａとの対向面には（図５参照）、対向するプ
レート１９ａの凹部１９２ａと同じ形状の凹部１９１ｂ
が設けられており、各凹部１９２ａ、１９１ｂの周囲に
設けられた凸部１９３ａ、１９２ｂ同士をニッケルろう
をろう材として真空ろう付けを行なうことにより、凹部
１９２ａと凹部１９１ｂとによって空間が形成されこれ
が真空層２０となる。

【００２５】また、プレート１９ｂのトッププレート１
６との対向面には（図６参照）、アノードガスバッファ
層１５の一部を形成する凹部１９２ｂが設けられてい
る。この凹部１９２ｂは電池を組み立てた際に、燃料ガ
スが通過するマニホールド孔１Ｂが設けられている位置
に相当する領域まで設けられている。さらにプレート１
９ｂには上記凹部１９２ｂにより形成されるアノードガ
スのバッファ層にアノードガスが供給されるようにアノ
ードガス供給用外部配管１８が溶接されている。尚、凹
部１９２ｂの周囲にはシール部１９３ｂが形成されてい
る。

【００２６】また、上記トッププレート１６はインコネ
ル６００からなり、２枚のプレート１６ａ、１６ｂから
形成されている。ガスコネクタプレート１９側に配され
たプレート１６ａのプレート１９ｂとの対向面には（図
５参照）、対向する１９ｂの凹部１９２ｂと同様の形状
の凹部１６１ａが設けられており、さらにこの凹部１６
１ａの電解質板１のマニホールド１Ｂに相当する位置に
はスタック積層方向に貫通したマニホールド孔１６ａＢ
が設けられている。また、凹部１６１ａの周囲にはシー
ル部１６２ａが形成されている。

【００２７】燃料電池が組み立てられた状態では、プレ
ート１９ｂの凹部１９２ｂとプレート１６ａの凹部１６
１ａとによって空間が形成される。この空間がアノード
ガスバッファ層１５となり、燃料ガス供給用外部配管１
８により供給されたアノードガスがこのアノードガスバ
ッファ層１５、マニホールド孔１６ａＢを通過してセル
積層体６方向に供給される。

【００２８】プレート１６ａのプレート１６ｂとの対向
面には（図６参照）、カソードガスバッファ層１４を一
部を形成する凹部１６３ａが設けられている。但しこの
凹部１６３ａは、上記マニホールド孔１６ａＢが凹部１
６３ａの外方に位置するように設けられ、且つ、カソー
ドガスが通過する電解質板１のマニホールド孔１Ａの位
置に相当する領域まで達するように設けられている。ま
たマニホールド孔１６ａＢの周囲及び凹部１６３ａの周
囲はシール部１６４ａが形成されている。

【００２９】さらにこの凹部１６２ａにより形成される
カソードガスバッファ層１４にカソードガスが供給され
るようにプレート１６ａには酸化剤ガス供給用外部配管
１７が溶接されている。プレート１６ｂのプレート１６
ａとの対向面には（図５参照）、対向するプレート１６
ａに設けられた凹部１６３ａと同様の形状の凹部１６１
ｂが設けられている。この凹部１６１ｂで電解質板１の
マニホールド孔１Ａに相当する位置には、電池積層方向
に貫通したマニホールド孔１６ｂＡが設けられている。
また、プレート１６ａのマニホールド孔１６ａＢに相当
する位置にはマニホールド孔１６ｂＢが設けられてい
る。このマニホールド孔１６ｂＢと凹部１６１ｂの周囲
にはシール部１６２ｂが形成されている。

【００３０】プレート１６ｂのセル積層体６との対向面
には（図６参照）、セルのカソード側と対向しており、
バイポーラプレート５のカソード側対向面と同様にカソ
ードガス通路が形成されており、この面の周囲及びアノ
ードガスが通過するマニホールド孔１６ｂＢの周囲には
シール部１６１ｂが形成されている。また、カソードガ
ス排出方向のシール部の内部にはセル積層体内部側と外
部に貫通したカソードガス排出用穴１６２ｂが設けられ
ている。

【００３１】尚、電池スタックの締め付けに用いた部材
の材料は、締め付け板２３及び締め付けパイプ２５には
アルミナ、締め付けロッド２４にはニッケルクロム合金
（インコネル６００、６０１）などの耐熱性金属を用い
た。さらにスペーサにはアルミナを用いた。また、外部
配管９、１７、１８にはニッケルクロム合金（インコネ
ル６００、６０１）などの耐熱性金属が用いられる。

【００３２】コネクタープレートに溶接されている。さ
らに、各シール部分のガスシールには、例えばパイレッ
クスガラスのような非導電性高粘度融体を用いた。上記
したような締め付け板２３と隣合うガスコネクタプレー
ト１０、１９に空気層と真空層とからなる断熱層を設け
ることで、締め付け板９への熱伝導は制限され、端部か
らの熱損失は低減され、スタック側面とほぼ同等の熱損
失となる。したがって、スタック上下端部の温度が低く
なることが緩和される。

【００３３】また、上記したような空気層、真空層から
なる断熱層をガスコネクタプレートにもうけることによ
り、ガスコネクタプレートが軽くなり、燃料電池の軽量
化を図ることもできた。上記のような構成の固体電解質
燃料電池を以下Ａ電池と称する。（比較例）図８に示すように実施例のガスコネクタプレ
ート１０、１９かわりに、断熱層が形成されていないガ
スコネクタプレート９１、９２を設ける以外は、上記実
施例と同様に積層型固体高分子燃料電池を作製した。
尚、図８において、Ａ電池と同じ部材には同番号を付し
ている上記のような燃料電池を以下Ｘ電池と称する。（実験）実施例のＡ電池、比較例のＸ電池を用いて、定
常運転時のスタック内の温度分布を調べるため、各バイ
ポーラプレート、ボトムプレート及びトッププレートの
温度を測定したので、その結果を図７に示す。尚、図７
中のプレート番号としては、ボトムプレートが０、バイ
ポーラプレートは下方のセルから上方に１〜１９、トッ
ププレートが２０とした。

【００３４】尚、温度測定は各プレートの側面に設けた
測定孔よりプレート内部に挿入した熱電対により行っ
た。また、定常運転時の条件は、電池スタック近傍温度
１０００℃、電流密度０．３Ａ／ｃｍ²、アノードガス
利用率３０％、カソードガス利用率１５％である。図７
から明らかなように、セル積層方向の上方向及び下方の
セル温度を比較してみると、破線で示すＸ電池の場合に
比べ、実線で示すＡ電池の方が温度が高くなっている。
これは、本発明のガスコネクタープレートには、空気層
及び真空層を有する断熱層が設けられており、締め付け
板側への熱伝導がこの断熱層により阻害され、温度の低
下が防止されたものと思われる。

【００３５】また、中央部のセル温度は低下した。これ
によりスタック内部の測定点の温度差は、従来のＸ電池
が５８℃であったのに対し、本発明の実施例のＡ電池は
３８℃であり電池間の温度も均一化していることがわか
る。（その他の事項）上記実施例では、電池スタックの上下何れにも断熱
層を設けたが、特に温度低下の激しい、下方のみに設け
た構成にしてもよい。上記実施例では燃料電池が内部マニホールド型の場
合を示したが、外部マニホールド方式の燃料電池におい
ても、断熱層を設けることにより同様の効果が得られ
る。この場合、積層された電池スタックの最端部に設け
られたガス分離板に断熱層を設けた構成にしてもよい
し、断熱層を設けた別体のプレートをガス分離板と隣合
わせて設けてもよい。セルの構成も上記したものに限ることはなく、すべ
ての積層型燃料電池に適応可能である。上記実施例では、断熱層として、真空層と空気層を
組み合わせて形成したが、空気層のみ真空層のみを設け
る構造にしてもよい。

【００３６】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
セル積層体の上端、下端に設けられたプレートのうち、
少なくとも下端のプレートに断熱層を設けることによ
り、セル積層体の下方より起こる熱損失が低減される。
この結果セル積層体のセル間の温度分布の差は軽減さ
れ、セルの特性の均一化を図ることができ、ひいてはセ
ルの長寿命化につながる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一例にかかる実施例の燃料電池の一部
断面図である。

【図２】実施例の燃料電池の要部分解斜視図である。

【図３】ボトムプレート及びガスコネクタプレートの分
解斜視図である。

【図４】ボトムプレート及びガスコネクタプレートの分
解斜視図である。

【図５】トッププレート及びガスコネクタプレートの分
解斜視図である。

【図６】トッププレート及びガスコネクタプレートの分
解斜視図である。

【図７】定常運転時のスタック内の温度分布を示す図で
ある。

【図８】従来の燃料電池の模式図である。

【符号の説明】４セル５バイポーラプレート６セル積層体８ボトムプレート１０ガスコネクタプレート１６トッププレート１０、１９ガスコネクタプレート１１、２０真空層１２、２１空気層１３、２２断熱層

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者門脇正天守口市京阪本通２丁目５番５号三洋電機株式会社内 (72)発明者谷口俊輔守口市京阪本通２丁目５番５号三洋電機株式会社内 (72)発明者秋山幸徳守口市京阪本通２丁目５番５号三洋電機株式会社内 (72)発明者三宅泰夫守口市京阪本通２丁目５番５号三洋電機株式会社内 (72)発明者齋藤俊彦守口市京阪本通２丁目５番５号三洋電機株式会社内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】複数のセルが積層されたセル積層体と、
セル積層方向の上端及び下端に設けられたプレートを有
する積層型燃料電池において、少なくとも前記下端に設けられたプレートに、セル積層
方向の伝熱を分断する断熱層が設けられていることを特
徴とする積層型燃料電池。
【請求項２】前記プレートは、セル積層体に供給され
る反応ガスまたはセル積層体から排出される反応ガスが
通過するガス通路を形成することを特徴とする請求項１
記載の燃料電池。
【請求項３】前記断熱層は、セル積層体からみて前記
ガス通路よりも外側の部分に設けられていることを特徴
とする請求項１記載の積層型燃料電池。
【請求項４】前記断熱層が、空気層及び／又は真空層
を有することを特徴とする請求項１〜３記載の積層型燃
料電池。