JPH117967A - 燃料電池セパレータ - Google Patents

燃料電池セパレータ

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JPH117967A
JPH117967A JP9162437A JP16243797A JPH117967A JP H117967 A JPH117967 A JP H117967A JP 9162437 A JP9162437 A JP 9162437A JP 16243797 A JP16243797 A JP 16243797A JP H117967 A JPH117967 A JP H117967A
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JP
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fuel cell
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electrolyte plate
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cathode
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JP9162437A
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心 ▲高▼橋
Shin Takahashi
Hiroshi Takahashi
高橋  宏
Tadashi Takashima
正 高島
Masahito Takeuchi
将人 竹内
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YOYU TANSANENGATA NENRYO DENCH
YOYU TANSANENGATA NENRYO DENCHI HATSUDEN SYST GIJUTSU KENKYU KUMIAI
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YOYU TANSANENGATA NENRYO DENCH
YOYU TANSANENGATA NENRYO DENCHI HATSUDEN SYST GIJUTSU KENKYU KUMIAI
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    • H01M8/00Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/02Details
    • H01M8/0202Collectors; Separators, e.g. bipolar separators; Interconnectors
    • H01M8/0204Non-porous and characterised by the material
    • H01M8/0223Composites
    • H01M8/0228Composites in the form of layered or coated products
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Abstract

(57)【要約】 【課題】電解質板面内方向に発生する応力を緩和して電
解質板の割れを防止することが可能な溶融炭酸塩型燃料
電池セパレータの提供を目的とする。 【解決手段】燃料電池セパレータは電解質板両面の一部
に接触するアノード及びカソードと、電解質板の外側に
配置した仕切板と、アノード及びカソードと電解質板両
面の他部と仕切板との間に電解質板を押圧挟持する弾性
部材及びフレームとを備え、前記フレームに仕切板側に
突出した電解質板の伸縮に応じて伸縮する緩衝機構を設
けることにある。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、電解質板の割れを
防止し、反応ガスのリーク及びクロスリークを防止して
長寿命でかつ安定した性能を出力することを可能とした
溶融炭酸塩型の燃料電池セパレータに関する。
【0002】
【従来の技術】図9はセパレータの基本構成を示す。セ
パレータ30はアノード側フレーム1、カソード側フレ
ーム2、仕切板3、アノード側波板11、アノード側集
電板12、カソード側波板13、カソード側集電板14
から成り、マニホールド15により反応ガスの供給とガ
スのシールを行う。ここで、セパレータ30の一部断面
は図9の下部のようになる。
【0003】図10にはセパレータの一部断面と電池の
構成を示す。ここで、単位電池20は電解質板9と、そ
の両面に対向配置されるアノード7とカソード8とから
構成されている。またセパレータ30は、アノード側フ
レーム1、カソード側フレーム2、仕切板3、アノード
側波板11、アノード側集電板12、カソード側波板1
3、カソード側集電板14から成る。この単位電池20
とセパレータ30が単位セル50を構成する。単位セル
50において、発電を行う部分はアノードおよびカソー
ドに挟まれた部分であり、これを反応部と呼ぶ。
【0004】また、アノード側フレーム1およびカソー
ド側フレーム2の部分には電解質板が外延されており、
燃料ガスおよび酸化剤ガス(これらを反応ガスとする)
のリーク(電池内の反応ガスと、燃料電池を覆う圧力容
器内の雰囲気ガスとの混合)を引き起こさないように、
電解質板に面圧を付与してウエットシール面を形成しな
ければならない。この機能を持った部分をシール部と呼
び、アノード側のウエットシール面を41、カソード側
のウエットシール面を42とする。
【0005】この時、電解質板がウエットシール面で電
解質板面内方向に拘束されているために、電解質板の面
内方向に発生する応力によって電解質板が割れる可能性
がある。反応部での割れは反応ガスのクロスリーク(燃
料ガス系と酸化剤ガス系との混合)を引き起こし、電池
性能が著しく低下することになる。またシール部での割
れは、反応ガスが圧力容器内に漏れ出して爆発の危険が
生じることや、セルへの反応ガスの供給が不十分となり
性能が低下することが考えられる。そこで、電解質板9
の割れを防止する方法として、例えば特開平7−153
473号公報のように、電池の昇温及び降温時にウエッ
トシール部の締め付けを緩めておくことなどがある。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記の
ような従来技術では、シール機能が悪くなるため電池か
ら圧力容器内の雰囲気中へのガスの漏れ出しや、逆に圧
力容器内の雰囲気ガスが電池へ漏れ込むことが防げな
い。従って、ガスシールを良好に保ちながら、電解質板
の割れを防止する手段がないという問題がある。
【0007】
【課題を解決するための手段】そこで、本発明は、シー
ル部に面圧が付与されている状態においても、単位電池
の電解質板面内方向に発生する応力を緩和する緩衝機構
をセパレータに備えることにある。
【0008】
【発明の実施の形態】
(実施例1)図1は本発明に係る燃料電池の主要部(シ
ール部−反応部境界部)構成例を断面図で示したもので
ある。すなわち電解質板9と、その両面に対向配置され
るアノード7とカソード8から構成される単位電池20
と、アノード側フレーム1、カソード側フレーム2、仕
切板3、アノード側波板11、アノード側集電板12、
カソード側波板13、カソード側集電板14から成るセ
パレータ30と、該単位電池20および該セパレータ3
0から成る単位セルを積層配置して構成される燃料電池
において、電解質板9の面内方向に発生する応力による
割れを防止するために、アノード側フレーム1およびカ
ソード側フレーム2に波板状の折り曲げ部を設けた緩衝
機構51および52を示す。
【0009】この構成において、アノード側フレーム1
およびカソード側フレーム2を折り曲げて電解質板面内
方向に緩衝機構51および52をつける。この緩衝機構
をつけることによって、アノード側ウエットシール面4
1およびカソード側ウエットシール面42がある面圧で
締め付けられている状態において、温度変化が生じた場
合を考える。
【0010】図2は、温度上昇時の緩衝機構51の作動
状況を示す。フレーム1と仕切板3とは、溶接あるいは
ロウ付けなどで接合されているため、温度上昇に伴い一
体となって膨張する。また、電解質板9も熱膨張する
が、一般的にその熱膨張率はフレームおよび仕切板のそ
れと比べて小さいため、膨張による差で電解質板9の面
内方向に熱のびl1が発生する。しかし、同時に緩衝機
構51も熱膨張により図3のように変化し、l1とは逆
向きの熱のびl2を発生させ、結果として電解質板9へ
の応力を緩和する。よって、従来技術に示す緩衝機構5
1がない場合と比べて電解質板面内方向に発生する応力
が低減できるため、電解質板9の割れを防止することが
できる。
【0011】図3は温度低下時の緩衝機構51の作動状
態を示す。図2の作動状態とは逆に、熱収縮差l3が電
解質板面内方向に発生するが、同時に緩衝機構51の熱
収縮l4も起きるため、電解質板面内方向の応力が緩和
できる。
【0012】以上により緩衝機構51を備えることによ
って、温度上昇、低下時いずれも電解質板面内方向に発
生する応力が緩和でき、電解質板9の割れを防ぐことが
できる。また緩衝機構52の作動についても51と同様
である。さらに緩衝機構51、52はフレームの少なく
ともいずれか一方に設けておけば、同様の効果を得る。
【0013】(実施例2)緩衝機構51及び52の形状
に関しては、前記実施例1に示す形状のみならず、電解
質板面内方向に変位可能な形状であればよく、応力の緩
和機能も形状によって変化させることができる。図4の
ような三角形の形状や、図5のような矩形状の緩衝機構
はその例である。
【0014】(実施例3)図6は実施例1に述べた緩衝
機構51及び52の一実施例であり、アノード側フレー
ム1及びカソード側フレーム2を2回曲げることで電解
質板面内方向の変位量を大きくし、応力の緩和機能を高
めた例である。なお、ここではフレームを2回曲げる例
を示したが、3回以上の複数回曲げることで緩和機能を
さらに調整することも可能である。
【0015】(実施例4)図7は実施例1に述べた緩衝
機構に、さらに仕切板3に接するように矩形状のアノー
ド側ガスシール部54およびカソード側ガスシール部5
5を設けたものである。この構成を採ることにより、単
位電池20内で消費されずにアノード側フレーム1およ
びカソード側フレーム2の下面を通って流れるガスをシ
ールし、効果的に発電を行うことが可能となる。ここで
ガスシール部54、55は矩形状に限らず、仕切板3に
接していればよく、波板状、矩形状、三角形状、その他
の形状でも同じ効果を得る。
【0016】また仕切板とガスシール部はロー付けなど
の接合を行ってもよいし、接触性がよければ接合しなく
とも同じ効果を得る。さらに、図3では矩形状のガスシ
ール部54、55をセパレータの端部側に位置するよう
に設けたが、セパレータの反応部側に設けてもよく、ア
ノード側あるいはカソード側のどちらか一方にのみ設け
てもよい。
【0017】(実施例5)図8は図1に示した単位セル
50を積層した断面図を示し、積層体70は積層方向か
ら締圧をかけて発電する。ここで、燃料電池を覆う圧力
容器内の保温環境や、燃料ガスおよび酸化剤ガスの反応
状態とそれに伴う発電状態によって、積層体70の積層
方向に温度分布が生じる。この温度分布は、特に単位セ
ル50を多数積層して高積層化するに従って大きくな
る。
【0018】このような温度分布に起因して、積層方向
と電解質板面内方向に積層セルごとの温度差による熱の
び差が発生する。このうち、積層方向の熱のび差は締圧
により平坦化される。しかし、電解質板面内方向につい
ては積層セルごと熱のび差が存在するため、それにより
電解質板面内方向に応力が発生する。この応力は、積層
体の上下端部と中央部で異なることも予想されるが、実
施例3で述べたように積層位置によって緩衝機構を変え
ることで調整することが可能である。
【0019】以上の実施例から、発電中あるいは運転停
止および起動時の急激な温度変化、また積層方向の温度
差を許容し得る燃料電池セパレータが提供できることに
なる。
【0020】
【発明の効果】本発明に係る燃料電池セパレータにおい
ては、上述したような構成をとることにより、発電中あ
るいは運転停止および起動による昇降温時の温度変化、
また積層セルごとの温度差に関わらずガスシールを良好
に保ったまま、電解質板の面内方向に発生する応力によ
る電解質板の割れを防止することが可能となる。そし
て、反応ガスのリーク及びクロスリークを防止し、長寿
命でかつ安定した性能を出力することが可能な燃料電池
セパレータが提供される。またフレームに仕切板側に突
出した電解質板の伸縮に応じて伸縮する緩衝機構(バネ
機構)を設けるたので、緩衝機構51,52が互いに接
触することがなく、バネ機構が充分に機能し、弾性性能
が長くなる(緩衝機構を電解質板に突出した場合に比べ
て)。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の実施例である燃料電池セパレータの主
要部側断面図。
【図2】図1の温度上昇時の緩衝機構51の作動状況を
示す側断面図。
【図3】温度下降時の緩衝機構51の作動状況を示す側
断面図。
【図4】本発明の実施例2である燃料電池セパレータの
主要部側断面図。
【図5】本発明の実施例2の別の構成を示す燃料電池セ
パレータの主要部側断面図。
【図6】本発明の実施例3の燃料電池セパレータの主要
部側断面図。
【図7】実施例1に矩形状のガスシール機構を追加した
燃料電池セパレータの主要部側断面図。
【図8】本発明に係る燃料電池を積層した断面図。
【図9】従来の燃料電池セパレータ構成図と一部断面
図。
【図10】従来の燃料電池セパレータの主要部側断面
図。
【符号の説明】
1…アノード側フレーム、2…カソード側フレーム、3
…仕切板、7…アノード(電極)、8…カソード(電
極)、9…電解質板、11…アノード側波板、12…ア
ノード側集電板、13…カソード側波板、14…カソー
ド側集電板、15…マニホールド、20…単位電池、3
0…セパレータ、41…アノード側ウエットシール面、
42…カソード側ウエットシール面、50…単位セル
(単位電池+セパレータ)、51…アノード側緩衝機
構、52…カソード側緩衝機構、54…アノード側ガス
シール部、55…カソード側ガスシール部、70…積層
体。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 高島 正 茨城県日立市幸町三丁目1番1号 株式会 社日立製作所日立工場内 (72)発明者 竹内 将人 茨城県日立市幸町三丁目1番1号 株式会 社日立製作所日立工場内

Claims (5)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 電解質板をアノード(電極)及びカソー
    ド(電極)で挟んだ構成を持つ単位電池と、該単位電池
    の該アノードに燃料ガスを、該カソードに酸化剤ガスを
    それぞれ隔てて導くためのセパレータを配置して成る単
    位セルを積層して、発電機構を具備した燃料電池セパレ
    ータにおいて、該単位電池の電解質板面内方向に発生す
    る応力を緩和する緩衝機構を備えたことを特徴とする燃
    料電池セパレータ。
  2. 【請求項2】 前記請求項1に記載の燃料電池セパレー
    タにおいて、発電中の温度変化や運転停止および起動に
    よる昇降温時の温度変化によって発生する電解質板面内
    方向の応力を緩和して、電解質板の割れを防止するため
    の緩衝機構を備えたことを特徴とする燃料電池セパレー
    タ。
  3. 【請求項3】 前記請求項1に記載の燃料電池セパレー
    タにおいて、積層方向の温度差による電解質板面内方向
    の応力を緩和して、電解質板の割れを防止するための緩
    衝機構を備えたことを特徴とする燃料電池セパレータ。
  4. 【請求項4】 前記請求項1に記載の該緩衝機構とし
    て、該セパレータを構成するアノード側フレームあるい
    はカソード側フレームの少なくともいずれか一方に折り
    曲げ部を設けることにより電解質板面内方向に変位可能
    な機能を持たせたことを特徴とする燃料電池セパレー
    タ。
  5. 【請求項5】 電解質板両面の一部に接触するアノード
    及びカソードと、電解質板の外側に配置した仕切板と、
    アノード及びカソードと電解質板両面の他部と仕切板と
    の間に電解質板を押圧挟持する弾性部材及びフレームと
    を備え、前記フレームに仕切板側に突出した電解質板の
    伸縮に応じて伸縮する緩衝機構を設けることを特徴とす
    る燃料電池セパレータ。
JP9162437A 1997-06-19 1997-06-19 燃料電池セパレータ Pending JPH117967A (ja)

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Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2008078148A (ja) * 2007-10-24 2008-04-03 Toyota Motor Corp 燃料電池
US7923169B2 (en) 2003-05-16 2011-04-12 Toyota Jidosha Kabushiki Kaisha Self-sealing fuel cell separator
JP2013508635A (ja) * 2009-10-20 2013-03-07 コミッサリア ア レネルジー アトミーク エ オ ゼネルジ ザルタナテイヴ 異なる熱膨張係数を有する二つのエレメント間のシール
EP3309884A4 (en) * 2015-06-10 2018-11-14 NGK Spark Plug Co., Ltd. Electro-chemical reaction unit and fuel cell stack

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