JPS61138468A - 燃料電池 - 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】 （発明の属する技術分野） 本発明はマ）　ＩＪラックス形料電池、特に単電池を所
定の出力を得るに必要な数だけ直列に多数個柱状に積層
したセルスタックを両端面側から締付手段により締付け
てこれに反応ガスを供給するようにしたセルスタックの
構造に関する。

（従来技術とその問題点） 燃料電池は、電気化学的反応を利用して燃料のもつ化学
エネルギーを直接電気エネルギーに変換する高効率発電
を指向するエネルギー変換装・置としてよく知られてい
るところである。また頭記したマトリックス形燃料電池
の基本をなす単電池は、例えばりん酸を電解質とする電
解質を含浸させたマトリックスと、このマトリックスを
挾んでその両側に配した一対の多孔質電極とからなり、
これらの電極を通じて一方からは燃料ガス（一般には水
素ガスが使われる）を、他方からは酸化剤ガス（一般に
は空気が使われる）を供給し、両電極より直接電気エネ
ルギーを取出すように構成されている。この場合に上記
の単電池で得られる出力は１ｖ以下であり、実用電源と
して所要の出力を得るには、単電池を必要数だけ直、並
列に組合わせて燃料電池本体としてのセルスタックを構
成している。

一方、上記電池本体を正常に作動させるためには、各単
電池ごとに均一に反応ガスを供給する必要があり、この
ための具体的な構造としては、次記のようなリブ付電極
形と、リプ付セパレータ形が開発されている。第８図お
よび第９図はこれらの各タイプの１セル分の電池構造を
示したものであり、図中１が電解質を含浸させたマトリ
ックス、２が溶料電極の触媒層、３が空気電極の触媒層
である。第８図に示したリプ付電極形では、ガス透過性
のある多孔質のカーボン板で作られたリプ付電極基材４
，５の板面にそれぞれ前記の燃料電極触媒層２．空気電
極触媒層３を成層し、マ）　ＩＪラックスを挾んで電極
基材４，５を重ね合わせてなり、電極基材４，５のリプ
の間・＼矢印のように外部から燃料ガス、空気を流して
電極２．３へ反応ガスを供給する。またかかるリブ付電
極形では積層し合う電池の間で燃料ガスと空気との混合
を防ぎ、かつ単電池の相互を電気的に接続する役目をす
るために、ガス不透過性の導電材で作られたセパレート
板６が隣接し合う単電池の間に介挿されている。

一方、第９図に示すリブ付セパレータ形は１両面に互に
直交し合う反応ガス通路溝を有するガス不透過性のカー
ボン板で作られたリプ付セパレータ７．８を用い、マト
リックス１．燃料室％　Ｍ　２１空気電極層３からなる
単電池の組立体を両側からサンドイッチ状に挾んで１セ
ル分を構成している。

次に前記リブ付セパレータ形を例として構成されたセル
スタックへ反応ガス供給を行う従来構造を第１０図およ
び第１１図に示す。すなわち第９図で述べた単電池とリ
プ付セパレータとを交互に重ね合わせ、所定の出力を得
られる数だけ上下に積層してセルスタック９が構成され
ている。さらにこのセルスタック９に対してその前後、
左右の周側面には、リプ付セパレータ已に形成された燃
料および酸化剤の反応ガス通路と連通し合う各一対のマ
ニホールド１０．１１および１２．１３が密着して配備
されている。このうち１０．１１は燃料ガス供給用の入
口および出口側マニホールド、１２゜１３は空気供給用
の入口および出口側マニホールドであり、それぞれ図示
されてない空気、燃料ガス供給ラインに接続されている
。

ところで上記のようにセルスタック９を構成している全
単電池に対して共通のマニホールド１０〜１３を通じて
反応ガスを供給するように構成された従来構造では次記
のような難点がある。すなワチ、大形のマニホールドに
対してその中央に反応ガス供給導管が開口しているため
に、例えば第＜流し、逆にセルスタックの上下端部分に
ハ燃料ガス供給量が不足ぎみになる。この現象は酸化剤
ガスについても同じであり、反応ガスが均一にセルスタ
ックに供給されない。

また別な問題として単電池を多数、例えば数百〜数千セ
ルを柱状に積層して構成されるセルスタックにおいて一
個の単電池（１セル）でも不良のものが発生した場合燃
料電池の運転を継続することはできない。このため不良
の単電池を交換するためにマニホールドを含めて燃料電
池全体を分解する必要があり、非常に手間がかかるとと
もに単電池の締付力の解放により、健全な単電池のマト
リックスやシール材等に破損が生じたり、電気抵抗や熱
抵抗が大きくなって電池特性が低下するなどセルスタッ
クの信頼性が低くなる。

（発明の目的） 本発明は、前述のような点に鐙み燃料電池の電池特性を
良好に保ち、保守、補修等の取扱いが容易であり、かつ
信頼性の高い燃料電池を提供することを目的とする。

（発明の要旨） 上記の目的は、本発明によれば単電池を積層してなるセ
ルスタックの周側面にセル内部の反応カス通路に連通ず
る反応ガス供給用のマニホールドを配備し、このマニホ
ールドを通じてセルスタックへ反応ガスの供給を行なう
燃料電池において、セルスタックを所定数の単電池積層
体を単位として各独立構成されたセルブロックの積層組
立体で構成するとともに、各セルブロックごとにそれぞ
れマニホールドを配備することにより達成される。

（発明の実施例） 第１図は本発明の一実施例による独立構成されたセルブ
ロックの積層組立体であるユニットを示す斜視図、第２
図はユニットを積層したセルスタックの構成を示す斜視
図、第３図は第２図におけるセルスタックへの反応ガス
供給系を示す系統図である。第１図ないし第３図と後述
する第４図ないし第７図において、第８図ないし第１１
図の従来例と同一部分には同じ符号を付している。

まず第１図において、ユニット１４は、あらがじめその
数が設定された数十セル分の単電池の積層体１５の上下
両端に上部、下部端板２２，２３および集電板１７を配
し、この積層体に所定の締付圧力を加えて一体的に組立
てた独立構造体としてなる。なお集電板１７にはセルス
タックの側方に突き出る端子部１８が形成されている。

そして上記ユニット１４の複数個を所望の出力に合わせ
て上下に積み重ねてセルスタックが構成される。ところ
でこの発明により、上記したユニット１４を単位として
、各ユニット１４ごとにその周側面にはユニット専用の
マニホールド１０．１１．１２．１３が配備されている
。なお、各マニホールドはユニッ）　１４の寸法に合わ
せてそのサイズを定めた標準規格品として作られたもの
である。第２図は第１図に示したユニット１４の複数個
を積層し、これに各ユニット専用のマニホールド１０〜
１３を組合わせたセルスタック構造を示したものであり
、各ユニット１４へのり応ガス供給は第３図に示すよう
に、各ユニットに対応するマニホールドが反応ガス供給
ライン１９へそれぞれ分岐ライン２゜を介して並列に配
管接続されている。なお第３図は燃料ガス供給系につい
て示したが、空気供給系についても同様に配管接続され
ている。また各分岐ライン２０、特にマニホールドへの
入口側には、それぞれガス流量調整弁２１が介挿されて
おり、こ（７）　調整弁２１を通じて各ユニット専用の
マニホールドへの反応ガス供給流量が均一になるように
調整制御される。

上記の構成により、燃料電池の運転時には燃料および酸
化剤の反応ガスがそれぞれの供給ラインより分岐ライン
に分流し、弁２１．入ロ側のマニホールド１０．１２を
通じて各ユニット１４へ均一に供給されることになる。

また運転の途中で不良単電池が生じた場合には、この不
良単電池を含むユニットの集電板端子間を短絡し、併せ
てこのユニットに対応する弁２１を閉めて反応ガスの供
給を停止することにより、簡単に当座の応急処置を施す
ことができ、僅かな出力低下のみで実用上支障なく運転
がＴＩＡ続される。

つぎに本発明の他の実施例について説明する。

第４図はユニットの分解斜視図であり、図において数個
の単電池の集合体１５ごとに冷却管３０αを設けた冷却
板３０が介装されており、この単電池の集合体１５と冷
却板３０からなる積層単位体の数十個を積重ねて、その
上面にカーボンからなる上部端板２２を、下面にカーボ
ンからなる下部端板２３を設けて１ユニツトを構成して
いる。上部端板２２の端面には二本の溝２２α、２２ｂ
が周縁に平行して複数個設けられ、下部端板２３の端面
には、上部端板の溝と対向する位置に二本の溝２３α、
２３ｂが設けられている。なお、この実施例では、各ユ
ニットセル間に介装される集電板１８は設けていない。

ユニットの組立は係合部材としての複数個の締付バー３
１を上部端板の溝２２αにそれぞれ嵌めこみ、他方の複
数個の締付バー３２は下部端板の溝２３αにそれぞれ嵌
めこみ、締付バー３１．３２を締付手段としてのターン
バックル３３ｆを有する締付ねじ３３の上端、下端部に
設けられた割り溝を有する連結部３３１を締付バー３１
．３２に嵌めこみピン３３ｐを連結部の孔３３にと締付
バー３ｉ、、３ｇのピン孔３１Ａ、３２Ａとにそれぞれ
挿入して締付ねじと締付バーを連結し、ターンバックル
３３ｔを用いて締付バー３１．３２を介して締付ねじ３
３によりユニットを締付けることにより行なわれる。

第５図は第４図に示すユニットを積層したセルスタック
の部分正面図であり、第６図は第５図の部分断面側面図
である。第５図において、上位にあるユニットの下部端
板２３の溝２３αに挿入された締付バー３２は下位に隣
接するユニットの上部端板の溝２２αにまたがって挿入
されている。

下位にあるユニットも上部端板２２の溝２２ｂと下部端
板２３の溝２３Ａに締付バー３１αと３２ｅＬとをそれ
ぞれ挿入して締付ねじ３３ｔｚにより締付られて組立て
られているが、この場合も締付／＜−３１αは上位にあ
るユニットの下部端板２３の溝２３Ａにまたがって挿入
されている。したがって上、下に接続するユニットは締
付バー、締付ねじが交互に配列されるので、互に干渉す
ることなく複数のユニットを積層することができるので
所要ユニット数を積層するセルスタックが得られる。

なお反応ガスを給排するマニホールド１０〜１３は各ユ
ニットの一対の対向する側面にそれぞれ燃料ガス用と重
化剤ガス用として取付けられている。

また、締付ねじ３３，３３αは第９図の部分側面図に示
スようにマニホールド１０〜１３の外側に配設している
。

つぎにマニホールドの取付構造について説明する。第７
図はマニホールドが取付けられたユニットの斜視図であ
り、図においてマニホールド１０〜１３はユニツＦのス
タックの側面とマニホールドの７ランジ１０α、１３α
および他のマニホールド１１．１２の図示しない７ラン
ジのそれぞれとユニットの側面との間に弾性を備えたシ
ール材、例えばふっ素樹脂系のシール材を介装してシー
ルを行なっている。

マニホールドの締付けは第７図に示すように隣接するマ
ニホールドに締付部材をわたして締付けている。例えば
マニホールド１０には締付台１０Ａを、マニホールド１
３には締付台１３ｈを取付け、締付ねじ２４を締付台１
０ｂと１３Ａとの間にわたし、皿ばね２４ｅＬを介して
ナツトにより締付けている。なお、上記と同じ締付手段
を図示しないがマニホールド１０と１２．１１と１２．
１１と１３との間にも施している。したがって四個所の
締付部材を締付けることにより各マニホールドはユニッ
トの側面に締付けられてシール材により反応ガスの漏洩
を防止するシールを確保することができる。

つぎに上記の構造によるユニットの試験について説明す
る。第５図に示す上部、下部端板の溝２２ａ、２２Ａお
よび２３ａ、２３Ａ　に対応する溝を備えた上部、下部
板端板をそれぞれ用意する。そして例えば上位のユニッ
トの試験は前記上部、下部板端板の溝を上部、下部端板
の溝に合せて載せ、この上部、下部板端板の平坦な端面
に剛性ある締付板を当接させ、締付ボルトによりユニッ
トに所定の面圧がかかるように締付けて行われる０試験
終了後は締付バー３１．３２を前記端板と板端板とにま
たがる溝２２ｔＬ、２３ａに挿入し、締付ねじ３３によ
り所定の面圧が得られるように締付ける。この後締付板
および板端板を取除けば、ユニットは締付バーを介して
締付ねじにより所定の面圧がかった状態を保持している
。

上記のようにユニットでの試験が終了し、良品となった
ユニットは、ユニット単体で締付けられた状態で積層し
、セルスタックを構成する。この場合隣接するユニット
の締付バーである係合部材は溝２２ｂ、２３Ａに挿入さ
れるので、係合部材および締付ねじは互いに干渉するこ
となくユニットを積層することができる。そしてセルス
タックとしての締付板により締付けてセルに所定の面圧
をかけた状態にて前記係合部材および締付ねじを取除く
ことにより燃料電池としてのセルスタックを構成する。

上記のような構造によりセルスタックは構成されている
ので、燃料電池の運転により不良単電池が発生した゛場
合、運転を停止し、不良単電池を有するユニットだけを
マニホールドを付けたまま取り外し試験を行ない、良品
のユニットと交換することができる。したがって補修に
要する分解２組立作業は簡単かつ短時間で行なうことが
できる。

なお上記の実施例は、リプ付セパレータ形の電池につい
ての例を示したが、リプ付電極形電池でセルスタックを
構成した場合にも同様に実施できることはもちろんであ
る。さらに燃料ガスと空気のうち、空気についてはマニ
ホールドを採用せずに、セルスタックを収容した容器自
身を風胴として空気の供給を行うようにして実施するこ
ともできる。

（発明の効果） 上述のようにこの発明によれば、セルスタックを所定数
の単電池積層体で構成されたユニットのブロック群で構
成し、かつ各ユニットごとに専用のマニホールドを配備
して反応ガス供給を行うように構成したことにより、従
来の一体型と較べて個々の単電池への反応ガス供給量が
均等化されることになる。またユニットの端板に着脱自
在の加圧手段を設け、ユニットを単独で締付けることが
できるようにしたため、試験完了後は締付けたままで複
数個のユニットを積重ねてセルスタックを構成すること
ができ、セルスタックの締付完了後者ユニットの加圧手
段を取外すことができるので、燃料電池の据付完了まで
セルスタックに面圧をかけておくことができ、面圧除去
に伴う単電池間等のシール材のはがれによるガス洩れや
、マトリックスの分離破損がなくなり、また電気および
熱抵抗の増加を防ぎ電池特性を良好に保持できる効果が
ある。また万一、セルスタックに種層後、単電池の１つ
に不良品が生じた場合でも、ユニット単独で所定の締付
は圧を加えることができるため、不良の単電池を有する
ユニットだけをマニホールドを取り付けたまま交換する
ことができ、電池の保守−管理が容易となる利点がある
。さらに別な効果としてマニホールドをあらかじめユニ
ットのサイズに合わせた寸法のものを標準規格品として
１種類用意しておけば出力の異なる燃料電池への対応が
可能となり、これによってマニホールドを標準化するこ
とができ、従来のものと較べて部品管理の大幅な合理化
が図れる。また個々のマニホールドは従来の一体型構造
と較べて小形であり、その分だけセルスタックとマニホ
ールドとの熱膨張、収縮差は小となってシール部および
構成材料に与える熱歪の影響も軽減される等の付随効果
も有する。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例によるユニットの斜視図、第
２図は第１図のユニツｔを積層したセル。 スタックの組立斜視図、第３図は第２図におけるセルス
タックの反応ガス供給系統図、第４図は本発明の他の実
施例によるユニットの分解斜視図、第５図は第４図のユ
ニットを積層したセルスタックの部分正面図、第６図は
第４図の部分断面側面図、第７図は第４図におけるユニ
ットのマニホールド取付構造を示す斜視図、第８図はリ
プ付電極形の単電池の分解斜視図、第９図はリプ付セパ
レータ形の単電池の分解斜視図、第１０図は従来のセル
スタック構造の分解斜視図、第１１図は従来のマニホー
ルド取り付は状態を示す概略図である。 １０、１１．１２．１３　　：マニホールド、１４；ユ
ニッ）、１５：単電池の積層体、２２：上部端板、２３
：下部端板、３１．３２　：締付□バー、３３：締第１
図 第３図 館４図 第６図 第７図 第８図 第９図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １）単電池を積層してなるセルスタックの周側面にセル
   内部の反応ガス通路に連通する反応ガス供給用のマニホ
   ールドを配備し、このマニホールドを通じてセルスタッ
   クへ反応ガスの供給を行う燃料電池において、セルスタ
   ックを所定数の単電池積層体を単位として各独立構成さ
   れたセルブロックの積層組立体で構成するとともに、各
   セルブロックごとにそれぞれマニホールドを配備したこ
   とを特徴とする燃料電池。 ２）特許請求の範囲第１項記載のものにおいて、単電池
   積層体の両端に端板を配し、この両端板を連結して単電
   池を積層体ごとに締め付ける着脱自在の締付手段を設け
   たことを特徴とする燃料電池。