JPH07230821A

JPH07230821A - 積層型燃料電池

Info

Publication number: JPH07230821A
Application number: JP6275054A
Authority: JP
Inventors: Yasushi Shimizu; 水康清; Kenji Isobe; 部賢司磯; Tooru Kaiji; 治徹海; Kenji Murata; 田謙二村
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1993-12-24
Filing date: 1994-11-09
Publication date: 1995-08-29

Abstract

(57)【要約】【目的】電池積層体の起電部分の密着性を向上させセ
ル間の電気伝導性を高くするとともに、ウェットシール
部分とマニホールド部分とのガスシール性を両立させる
締め付け機能を有する端部構造体を有する積層型燃料電
池を得ること。【構成】電解質マトリックスをアノードとカソードと
で挟んだ単電池と、そのアノードに燃料ガスを、カソー
ドに酸化剤ガスをそれぞれ隔てて導くセパレータとを交
互に積層し、両ガスを給排するマニホールドがその積層
体を貫通して各セパレータの周縁部に設けられた孔から
構成される内部マニホールドを有する積層型燃料電池に
おいて、マニホールドの部分２４と単電池１の位置する
起電部分２３とを一体で覆う板状構造体２１，２２で締
め付けた。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、電解質マトリックスを
アノード（燃料極）とカソード（空気極）とで挟んだ単
電池と、そのアノードに燃料ガスを、カソードに酸化剤
ガスをそれぞれ隔てて導くセパレータを交互に積層した
積層型燃料電池に関する。

【０００２】

【従来の技術】燃料電池は電極上で生じる電気化学的反
応を直接電気出力に変換する発電方式であり、この反応
を行わせるには燃料ガスと酸化剤ガスとを、電解質マト
リックスを挟んで向き合うアノードとカソードとにそれ
ぞれ分けて供給するようにしてある。そしてガスをアノ
ード、カソードに導くセパレータと電解質マトリック
ス、アノードおよびカソードからなる単電池とを交互に
積層し、上下端の電流取り出し・締め付け・ガス給排・
電気絶縁の機能を有する端部構造体で挟みつけることに
より、積層型燃料電池が構成されている。

【０００３】図１９は積層型燃料電池の繰り返し構造の
一例を示す図であり、単電池１は電解質マトリックス２
と、その両面に密着して配置されるアノード３およびカ
ソード４とから構成されている。また、セパレータ５は
インターコネクタ６、アノードエッジ板７、カソードエ
ッジ板８、アノード集電板９、カソード集電板１０、お
よびアノードエッジ板７、カソードエッジ板８とインタ
ーコネクタ６との間に介装されるエッジスプリング（図
示せず）からなり、上記単電池１に密着して配設され、
アノード３に燃料ガス１１をカソード４に酸化剤ガス１
２を導く。本図に示されるこれらの部品から単セルが構
成され、このセルを複数積層して燃料電池発電設備の基
本単位を成す電池積層体が構成される。積層に際して、
セパレータ５はインターコネクタ６を両側からアノード
エッジ板７とカソードエッジ板８とで挟み周縁を接合し
て一体化して取り扱う。インターコネクタ６とアノード
エッジ板７との間に形成される空間に燃料ガス、インタ
ーコネクタ６とカソードエッジ板８との間に形成される
空間に酸化剤ガスが流される。これらの空間を確保する
ために、アノード集電板９とカソード集電板１０がエッ
ジ板７，８の中に設けられている。

【０００４】セパレータはガスの流路を形成するととも
に、隣接する単電池同士を電気的に接続する役割を有
し、電気は主にアノード３、カソード４に密着するアノ
ード集電板９、カソード集電板１０を通って流れる。

【０００５】燃料ガスと酸化剤ガスはセパレータの周縁
部に位置してスタックを貫通した孔から供給、排出され
る。上下に積層されるセパレータの孔同士は電気絶縁性
のマニホールドリング１３で接続されている。このガス
給排用のガス流路を内部マニホールドと呼び、この内部
マニホールドを有する燃料電池は内部マニホールド型燃
料電池と呼ばれる。

【０００６】単電池１の周縁部はセパレータと密着し
て、セパレータ内のガス流路と電池雰囲気とをシールす
る。単電池１は電解質液を含んでいるため、密着面を濡
らしてシールすることができる。このシールをウェット
シールと呼ぶ。

【０００７】このように、部品間の密着性が要求される
ために、スタックは上下の端部構造体を構成する締付板
によって締め付けられて、発電運転に供される。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】上記したように、単セ
ルは複数の構成要素を積層して構成され、さらに電池積
層体は複数の単セルを積層して構成されるため、構成要
素の高さがばらつくと密着性を損なうおそれがある。ウ
ェットシール部分で密着性が乏しいとガスが漏れて発電
性能および発電効率が損なわれるばかりでなく、燃料ガ
スと酸化剤ガスとが燃焼反応を起こす危険性がある。ま
た、起電部分での密着性の不良は電気抵抗の増大を招
き、発電電力の幾分かが失われることになる。

【０００９】特に、起電部分とマニホールド部分とでは
積層する構成要素が異なるため、両者の高さの違いが、
起電部分の密着性を損ない、上記した性能低下を引き起
こす原因になりかねない。

【００１０】一方、積層端部構造体には、起電部分の密
着性・電気伝導性とウェットシール部とマニホールド部
分のガスシール性を確保するための締め付け機能ととも
に、直流電流の取り出し、反応ガスの給排、電気絶縁、
望ましくは熱絶縁機能が要求される。

【００１１】そこで本発明は、製造寸法公差内で寸法の
ばらつきを有する各構成要素からなる電池積層体の起電
部分の密着性を向上させ、セル間の電気伝導性を高くす
ることと、各セルのウェットシール部分とマニホールド
部分とのガスシール性を両立させる締め付け機能を有す
るとともに、直流電流取り出し・電気絶縁・反応ガス給
排の機能を兼ねた端部構造体を有する積層型燃料電池を
提供することを目的とする。

【００１２】

【課題を解決するための手段】本発明は、電解質マトリ
ックスをアノードとカソードとで挟んだ単電池と、その
アノードに燃料ガスを、カソードに酸化剤ガスをそれぞ
れ隔てて導くセパレータとを交互に積層し、両ガスを給
排するマニホールドがその積層体を貫通して各セパレー
タの周縁部に設けられた孔から構成されるマニホールド
を有する積層型燃料電池において、マニホールドの部分
と単電池の位置する起電部分とを一体で覆う板状構造体
で締め付けたことを特徴とする。

【００１３】また、第２の発明は、締付板と電池積層体
との間に、あるいは電池ユニット同士間の間に弾性体を
設けて、高さのばらつきを解消したことを特徴とする。

【００１４】さらに第３の発明は、電池積層体を複数の
ユニットに分けて積層し、任意のユニットの燃料ガス或
は酸化剤ガスの下流側を、そのユニットの上に積層され
るユニットのガス上流側に位置させたことを特徴とす
る。

【００１５】第４の発明は、電池積層体を複数の電池ユ
ニットに分割して積層し、各電池ユニットのマニホール
ドにガスを給排する中間ヘッダーを設け、電池積層体の
密着性を保つために、中間ヘッダー同士を接続する配管
を伸縮継手を用いて構成した。

【００１６】第５の発明は、所定の締付圧で発電運転す
る前により高い締付圧で電池積層体をあらかじめ一旦締
め付けたことを特徴とする。

【００１７】第６の発明は電池積層体を上下より締め付
ける締付板を中央部を周縁部よりも厚くしたリブ構成と
したことを特徴とする。

【００１８】

【作用】内部マニホールド型の燃料電池においては、セ
パレータが集電機能を果たす中央部分とガス給排機能を
果たす外縁のマニホールド部分とから成り立っているた
め、両者が独立の変位をもって締め付けられるのはセパ
レータを変形させることになり、構成要素の密着性が損
なわれて好ましくない。そこで、上記両部分を一体の剛
性の高い締付板を用いて電池積層体を締め付けること
で、両部分の変位量を等しくできセパレータの変形を抑
え、両部分の密着性を向上させることができる。

【００１９】平板状の締付板によって電池積層体が上下
から押さえられた場合には、起電部分を構成する要素に
は、通常、特に、精密な厚さ精度が要求される。電池積
層体の積層方向に積算した各構成要素の高さの和がセパ
レータの面内で異なると局所的に締付圧力がかからない
ところが生じる。また構成要素が局所的に高温クリープ
によって収縮しても、その高さの和が経時的に異なって
くる。そこで、締付板と電池積層体との間に、あるいは
電池ユニット同士間の間に弾性体を設けることにより、
高さのばらつきを解消することができる。

【００２０】また、電池積層体の内部の温度は、一般
に、燃料ガスおよび酸化剤ガスの下流側で高く、高温ク
リープの度合いはその温度分布によって影響を受ける。
構成要素がより高温にさらされてクリープ収縮し易いガ
スの下流側を電池積層体の異なる方向に振り分けること
で、電池積層体の高さの変化量を均一に保つことができ
る。

【００２１】ガスの流れ方向を振り分けるために、電池
積層体を複数の電池ユニットに分割して積層し、各電池
ユニットのマニホールドにガスを給排する中間ヘッダー
を設けた。さらに、電池ユニットのクリープ収縮や電池
ユニット同士の間に設けた弾性体の収縮により中間ヘッ
ダー同士の間隔は収縮する。その場合においても、中間
ヘッダー同士を接続する配管を伸縮継手を用いることに
より、電池積層体の密着性を保つことができる。

【００２２】上記したように積層型燃料電池はガスシー
ル性と電気接触性を良好に保つために所定の圧力をもっ
て締め付けられている。締付圧力を高くすれば密着性は
向上するが、高温クリープによる構成要素の収縮量が大
きくなるので、発電運転中はできるだけ低い締付圧で締
め付けるのが好ましい。締付圧低減のひとつの方法とし
て、所定の締付圧で発電運転する前により高い締付圧で
電池積層体をあらかじめ一旦締め付けることにより、電
池積層体の構成要素同士を馴染ませることができる。

【００２３】電池積層体を均等な面圧で締め付けるため
に、締付板は十分な剛性を必要とする。しかしながら、
電池発電運転立ち上げに関わる電池の昇温においては、
電池外部からのエネルギー供給量を最小限にするため
に、電池積層体の端部構造体の熱容量が小さいことが好
ましく、また、端部構造体から積層電池を収納する容器
への伝熱量が小さいことが好ましい。そこで、締付板は
中央部を周縁部よりも厚くしたリブ構成とすることによ
り、端部構造体の熱容量を小さくし、伝熱性を低くする
ことができる。

【００２４】

【実施例】本発明の実施例を図を用いて説明する。図１
は上下から締め付けた状態の電池積層体の概念図を示し
たものであり、積層の途中を破線で省略してある。本発
明では起電部分とマニホールド部分の変位量を等しくす
るために、上部締付板２１および下部締付板２２がマニ
ホールド部分まで展延してある。従来例では、性能のよ
い積層型燃料電池を得るのに必要な、すなわち、起電部
分を密着させるのに必要な締付板の大きさは、概ね電解
質マトリックス２の大きさに限られていた。この場合、
起電部分とマニホールド部分との構成要素が異なるこ
と、セパレータ５の曲げ剛性が小さいことなどから、各
構成要素の製造寸法のばらつきと発電運転中のクリープ
収縮とで、両部分の高さに違いが生じセパレータに曲げ
変形が生じる。この変形により起電部分の密着性が損な
われる。図１に示す本例ではセパレータの曲げ剛性に比
べ十分に大きい曲げ剛性を有する上部・下部締付板２
１，２２により、起電部分２３とマニホールド部分２４
の両方を押さえることで、セパレータの曲げ変形を抑制
することができる。したがって、起電部分の密着性が向
上し、曳いては、ガスシール性と電気接触性を向上させ
ることができる。

【００２５】なお、本例では積層体全体の高さの変化に
追従して所定の圧力でこれを締め付ける手段として、空
気圧で伸縮する締付ベローズ２５を用いたが、他の締め
付け方法を用いても同様の効果を得られる。また、締付
ベローズの大きさは空間効率とベローズ内のガス圧力と
を勘案し、締付板と同等な大きさまで大きくしてもかま
わない。上下の締付板と最上最下端の単セルとの間には
セルに接して電子伝導性の集電端板２６、次いで、締付
板を電気的に遮断する電気絶縁板２７が介装されてい
る。また、下部締付板には各セルへのガス給排を行うマ
ニホールドに連結した反応ガス給排管が接続され、上部
締付板２１と締付ベローズ２５との間には第２の電気絶
縁板２８が介装され、ベローズの電位を容器と同様大地
電位と同じとしてある。なお、締付圧力の制御はベロー
ズへの封入ガス圧により行う。

【００２６】さらに、本発明の改良例を説明する。セパ
レータ同士を機械的に接合するマニホールド部分に対し
て、起電部分の接合は各構成要素の接触のみであるた
め、その密着性が直接発電性能に関わる。上記したよう
にマニホールド部分と起電部分を上下の締付板２１，２
２で押さえた場合には、両部分が同じ変位量で締め付け
られるので、締付に対する両部分の弾性が起電部分にか
かる締付圧の制御性に影響する。その制御性を良好にす
るため、その圧縮に対するマニホールド部分の弾性係数
を起電部分の弾性係数より小さくしてある。すなわち、
締め付けに対するマニホールド部分の反力を起電部分の
反力よりも十分に小さくすることにより、起電部分にか
かる締付圧の制御を良好にして、起電部の密着性をより
確実にしてある。これにより、起電部分の電気的接触性
とウェットシール性を向上させることができる。

【００２７】次に、起電部分面内の高さのばらつきを解
消する第２の実施例について説明する。上述のようにマ
ニホールド部分の反力を十分に小さくすることでマニホ
ールド部分と起電部分の高さの差を吸収することができ
るが、起電部分の中での高さのばらつきは解消されな
い。局所的に起電部分に高さの大きいところがあると、
その周辺部に締付圧のかからないところが生じる。そこ
で、集電端板２６と電気絶縁板２７の間に弾性体２９が
介装されている。その概念図を図２に示す。図１と異な
るのは介装した弾性体２９の存在である。この弾性体は
接触するセパレータの凹凸に倣って自由に変形可能なも
のである。このような弾性体を介装することにより、起
電部分において局所的に高さの大きいところでは弾性体
がより収縮変形して、起電部分全体により均等な締付圧
を作用させることができる。これにより、起電部分の密
着性を向上することができる。

【００２８】本例では、弾性体２９と電池積層体の間に
集電端板２６を挟んでいるが、この集電端板２６はセパ
レータの凹凸に倣って変形できるように十分に柔軟性に
富むものでなければならない。弾性体が電気伝導性に富
むものであれば、集電端板２６を弾性体２９と電気絶縁
板２７との間に挟んでもよい。

【００２９】また、本例では、弾性体２９を電池積層体
と上部締付板２１の間に介装したが、弾性体の位置はこ
こに限定されるものではなく、セパレータ同士の間、中
間ヘッダーと電池ユニットの間、あるいは下部締付板２
２と電池積層体の間などどこに介装しても同様な効果が
得られる。また、複数の弾性体を同時に介装してもよ
い。

【００３０】次に、電池積層体と締付板の間に介装した
弾性体の構造例について説明する。図３は電池積層体の
締付に用いた弾性体の一実施例である。金属製の薄板を
プレス加工して等間隔で突起３１を設けたスプリング３
２を、突起の位相をずらして２枚積層したものを図に示
す。スプリング３２の平坦部分がすぐ下のスプリングの
突起により撓むことで、全体が弾性的な特性を示す。実
際は、図５中に示されるように、このスプリング３２を
１０枚重ねて用いられている。セパレータ全面のばらつ
きを解消するには、セパレータの幅よりも十分に幅の狭
いスプリング３２を積層して並列に配して構成するのが
効果的である。

【００３１】また、幅の狭いスプリング同士の間にスペ
ーサを配して、スプリングの最大収縮量を限定すること
ができる。その実施例を図４に示す。このスプリング３
３は図３のスプリング３２同士の間に厚さの変化しない
スペーサ３４が配してある。さらに、このような組み合
わせのスプリングを薄板を介して積み重ねて用いてもよ
い。この場合、個々のスプリングの収縮量を抑えてスプ
リングにかかる応力を小さく保ちながら、全体の収縮量
を大きくとることができる。

【００３２】このような弾性体は積層方向の伝熱面積が
小さいので、電池積層体から締付構造体を伝わって外部
へ流出する熱損失が抑えられ、燃料電池のシステム効率
を向上させることができる。さらに、電池積層体の昇降
温時には、電池積層体と締付構造体との間の熱膨張差に
よって熱応力が生じるが、この弾性体が平面方向に伸縮
してその熱応力を緩和するという効果もある。

【００３３】さらに、他の弾性体を図５に示す。この弾
性体は図３に示されるスプリング３２の積層体をガス圧
で収縮するベローズ３５の内部に収めたものである。図
３の弾性体ではセパレータの全面を均等な圧力で締め付
けることができない。なぜなら、局所的に電池積層体の
高さが大きい箇所に接触するスプリングは大きく撓み、
その箇所の反力は大きいからである。そこで、本例の改
良点はセパレータの全面でより均等な締付圧が得られる
ようにしたことである。スプリングのみではその撓み量
が小さく締付圧の小さくなる箇所を、このベローズで補
うことでより均等な締付圧が得られる。セパレータに接
触するベローズ表面には薄板を用いて、セパレータの凹
凸に十分に倣うようにしてある。これにより、起電部分
の密着性を向上させることができる。このベローズ内の
ガス圧制御のためのガス配管は電気絶縁のため、後に図
１５に示す下部締付板を介して行う。また、ベローズ内
部のガス圧を真空に近づけることで、この弾性体の積層
方向への伝熱量を小さくすることができる。

【００３４】以上述べた発明は構成要素が高温クリープ
によって収縮する場合にも効果的に作用するが、高温ク
リープによる収縮量が大きい場合には、次に述べる構成
が効果的である。溶融炭酸塩型燃料電池のように高温の
もとで運転する電池では、セパレータおよび単電池の各
構成要素は高温にさらされてクリープし、厚さおよび高
さが収縮する。一般に燃料電池は燃料ガスおよび酸化剤
ガスの下流側ほど温度が高く、下流側に位置する構成要
素が高温クリープし易い。したがって、電池積層体の中
をガスが一方向に流れる場合には、下流側でより収縮し
起電部分の密着性が損なわれるおそれがある。

【００３５】そこで、本発明ではガスの流れ方向を振り
分けた電池ユニット同士を積層して電池積層体全体の収
縮量を均等に保った。図６にその積層型燃料電池の概念
図を示す。電池積層体を２つの電池ユニット４１に分割
して、中間ヘッダー４２を介して積層した。図中に電池
積層体内部を流れる燃料ガス４３の方向を矢印で示す。
中間ヘッダー４２より供給された燃料ガス４３はマニホ
ールドで各セパレータに分配され、起電部分で電池反応
した後、中間ヘッダーを通って排出される。そして上下
に積層された電池ユニットは燃料ガス４３の流れ方向が
逆向きになるようにしてある。燃料ガスの下流側、すな
わち、上部の電池ユニットは図中右側が、下部の電池ユ
ニットは図中左側が、発電運転中に収縮量がより大きく
なるが、全体の収縮量は均等に保つことができる。これ
により、上述した締付板や弾性体が機能し易く起電部分
の密着性が向上した。なお、図には燃料ガスの方向のみ
示したが、酸化剤ガスについても同様に逆方向に流す。

【００３６】中間ヘッダーでガスを電池ユニットに分配
するには、密着性を阻害する要因が別に生じる。すなわ
ち、積層した中間ヘッダーを配管で接続するときに、配
管の長さがヘッダー同士の間隔を制約してしまう。この
間隔が収縮しないと、起電部分の密着性が損なわれる。
そこで、中間ヘッダー同士が伸縮配管で接続されてい
る。その実施例を図７に示す。図６と同様に積層した電
池ユニット４１同士が中間ヘッダー４２を介して積層さ
れ、中間ヘッダー同士を接続する燃料ガス４３の配管４
４が伸縮配管４５を介して接続されている。したがっ
て、電池ユニット３１の収縮にともなって、伸縮配管４
５も収縮する。本図は上下の電池ユニットに燃料ガスを
同方向で流した例であるが、もちろん、逆方向に流して
も同様な効果が得られる。また、酸化剤ガスの配管につ
いても同様である。

【００３７】中間ヘッダーと電池ユニットとの間に弾性
体を介装する場合には中間ヘッダーと電池ユニットとの
間を繋ぐ反応ガスの配管が弾性体の伸縮に伴って伸縮し
なければならない。したがって、図８に示すように中間
ヘッダー４２から電池ユニット４１のマニホールドに接
続する燃料ガス４３の配管に伸縮管４６が使用されてい
る。

【００３８】次に、電池積層体の締付方法について説明
する。過大な締付圧はセパレータと単電池との構成要素
の高温クリープを促進するので、スタックの締付圧は電
気的接触とウェットシールを機能させるに十分かつ最少
であることが好ましい。そこで、発電運転中の締付圧を
低減させる方法を試みた。電池積層体に一時的に高い締
付圧をかけるとセパレータおよび単電池の反り等が解消
され、比較的低い締付圧で起電部分の密着性を向上する
ことができる。図９はウェットシール内外にかかるガス
の圧力差に対するウェットシール部を漏れるガスの流量
の関係を示したグラフである。発電運転中の締付圧を１
ｋｇｆ／ｃｍ²としたが、運転前に一旦３ｋｇｆ／ｃｍ
²で積層体を締め付けると、その後１ｋｇｆ／ｃｍ²の
締付圧に戻してもガスの漏れ量は大幅に減少した。３ｋ
ｇｆ／ｃｍ²締付時間は１０時間以内であったが、その
効果はスタックを構成する各要素がその締付で馴染んだ
ことによる。これにより、起電部の密着性は向上した。
ここで、運転前とはカソードセパレータ材料の酸化反応
がそれほど大きくない、また、単セル材料の高温クリー
プが大きくない温度に積層型電池が保たれている状態を
いう。この温度はおよそ４５０℃程度以下である。この
仮の締付は発電前に制限されるものではなく、発電運転
を開始した後においても同様の効果が得られるのはもち
ろんであるが、材料を高温クリープで収縮させないため
に締付時間をより短くするのが望ましい。

【００３９】次に、熱容量の小さい締付板について説明
する。図１０はリブで構成した締付板５１を用いて上下
から締め付けた電池積層体５２である。電池積層体の四
隅において、上下の締付構造体同士を通しの棒（図示せ
ず）で固定してある。この締付構造体はリブの間に空間
があるので、熱容量が十分に小さい。さらに、リブにか
かる曲げ応力が大きい中央部分でリブを高くし、周縁部
分では低くしてあるので締付構造体の強度を満たすのに
必要最小限の部材を用いて、熱容量を抑えることができ
る。リブ間の空間には熱輻射能が低く断熱性の材料を充
填するのがよい。

【００４０】図１１は締付板の他の実施例である。この
締付板５３は薄板にリブを接合して、熱容量を抑えなが
ら強度を確保している。この締付板５３を用いて電池積
層体を横置きの円筒容器５４に組み込んだ実施例を図１
２に示す。締付板の中央部の円筒状リブが伸縮可能な締
付ベローズ２５で抑えられるようにしてある。この円筒
状リブと締付ベローズが接触する面にはそれぞれアルミ
ナのプラズマスプレーで電気絶縁層を形成してある。な
お、図中符号５７は電流取出部材である。締付板の中央
部を厚くしたことにより、電池積層体断面に比べて小さ
い断面を有する締付ベローズで、均等な締付が可能であ
る。さらに、横置きの円筒容器に収めるときの容積効率
を大きくすることができる。また、締付板がリブ構造で
あるので、電池積層体から容器に伝わる伝熱流路を小さ
くでき、熱損失を抑えることができる。本図中では、図
１０において積層電池を締め付けている仮締めの棒は除
かれており、電池積層体は容器に取り付けられた締付ベ
ローズで締め付けられている。また、容器内の断熱材
（保温材）は図示されていない。

【００４１】図１３には、同様に電池積層体を縦置きの
円筒容器５６に収納した実施例を示す。この図は四辺形
の電池積層体の対角線上の位置から見たものである。

【００４２】図１２、図１３に示される集電端板２６は
電流取出部材５７に接続され、積層電池の電気出力を容
器外へ取り出すようになっているが、電池積層体を容器
内に組み込むときにその接続が容易になるように、図１
４に示すように、容器壁５８に電流取出部材５７が硝子
５９と伸縮ベローズ６０を介して配設されており、その
電流取出部材５７と集電端板２６とが上記伸縮ベローズ
６０により接触するように構成されている。しかして、
電池積層体を容器内に組み込むとその自重で集電端板２
６が電流取出部材５７を挟んで伸縮ベローズ６０を押し
つけ、ガス供給管６１より供給されるガスの圧力で伸縮
ベローズ６０により電流取出部材５７が集電端板２６に
押しつけられる。

【００４３】次に、横置きの円筒容器に複数の積層体を
組み込んだ例を図１５に示す。下部締付板６２は全ての
積層体に共通で、各積層体に反応ガスを供給するガスヘ
ッダーを兼ねている。積層体と下部締付板６２との接続
の様子を図１６に、そのＡ−Ａ断面詳細を図１７に示
す。積層体を下部締付板上に置くだけで反応ガスのヘッ
ダーとマニホールドとが接続される構造になっている。
図中矢印で接続部分を流れる反応ガス７２を示す。すな
わち、下部締付板６２には各積層体のマニホールドと対
応する位置にガス供給口６３が穿設されており、各ガス
供給口６３には第１のコネクタ６４がベローズ６５を介
して装着してある。一方積層体の各マニホールドには第
２のコネクタ６６が設けられている。したがって積層体
を下部締付板の上に置くと積層体のマニホールドに装着
されている第２のコネクタ６６が下部締付板７１のベロ
ーズ７３に装着された第１のコネクタ６４とはめ合いに
よって係合する。このとき、ベローズ６５が収縮しその
反力で接続部分の配管が気密に接続される。すなわち、
両者の熱膨張係数を違えておけば、発電運転前の昇温時
に両者が噛み合って気密が保たれる。このように積層体
を据えるだけで、自動的に気密がとれ、配管接続作業が
不要になる。また、積層体と容器との電気絶縁性を高め
るために下部締付板はセラミックスなどの電気絶縁性材
料で構成されるのが好ましい。

【００４４】次に、積層体高電圧部の電気絶縁について
説明する。図１８に複数の積層体を直列に接続した例を
示す。送電の電力ロスを少なくするために、積層体同士
は直列に接続して、電流値を増やさずに電圧値を増やす
のが好ましいが、このとき、電気接続の方法によっては
高電圧差の電気絶縁が必要になる。図の接続方法は電気
絶縁の電圧差を小さく抑えた積層体の接続方法である。
積層体は各々容器に収納されており、容器は大地と同電
位に保たれている。積層体の電位は直列接続された中央
の電気リード７１を大地電位とした。したがって、接続
された電池の最高電位は大地電位に対して、左端の積層
体Ｌが負、右端の積層体Ｒが正の電位になるように振り
分けて、積層体と容器との間の最大電位差を最小にし
た。積層体と容器との電気絶縁は前述のように、締付板
と集電端板との間に介装された電気絶縁板によって行わ
れているが、さらに電気絶縁性を高めるために絶縁材は
温度が低く電気絶縁性の高くなる位置に重ねて設けられ
ている。積層体の上部においては図１、図２に示される
電気絶縁板２８を、積層体の下部においては図１５、図
１６に示される電気絶縁性の下部締付板６２が用いられ
る。

【００４５】その他本発明の要旨を逸脱しない範囲内で
種々変更を加え得ることはいうまでもない。

【００４６】

【発明の効果】本発明は上述のように構成したので、起
電部分の密着性を向上させることにより、電気接触抵抗
を低減させ、あわせてウェットシールのシール性を向上
させることができ、それにより、積層型燃料電池の性能
を向上させることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明における起電部分まで締付板を展延した
積層型燃料電池の概念図。

【図２】本発明における電池積層体と締付板の間に弾性
体を介装した積層型燃料電池の概念図。

【図３】本発明における電池積層体と締付板の間に介装
したスプリングの斜視図。

【図４】本発明における電池積層体と締付板の間に介装
したスプリングの他の実施例の斜視図。

【図５】本発明における積層体と締付板の間に介装した
ベローズの断面図。

【図６】本発明におけるガスの流れ方向の逆の電池ユニ
ット同士を積層した積層型燃料電池の概念図。

【図７】本発明における中間ヘッダーを伸縮配管で接続
した積層型燃料電池の概念図。

【図８】本発明における中間ヘッダーと電池ユニットと
の間に弾性体を介装した積層型燃料電池の部分図。

【図９】ガスの差圧に対してのリーク量の変化を示す説
明図。

【図１０】リブ構成の締付板を用いて締め付けた電池積
層体の斜視図。

【図１１】リブ構成の締付板の他の実施例の斜視図。

【図１２】横置き円筒容器に組み込んだ電池積層体の断
面図。

【図１３】縦置き円筒容器に組み込んだ電池積層体の断
面図。

【図１４】集電端板と電流取出部材の接続部分図。

【図１５】横置き円筒容器に複数のスタックを組み込ん
だ燃料電池の斜視図。

【図１６】積層体と下部締付板の接続部詳細図。

【図１７】積層体と下部締付板の接続部断面図。

【図１８】複数の積層体を直列に接続した燃料電池の接
続概念図。

【図１９】一般的な溶融炭酸塩型燃料電池の構成を説明
する分解斜視図。

【符号の説明】

１単電池３アノード４カソード５セパレータ９アノード集電板１０カソード集電板１３マニホールドリング２１上部締付板２２，６２下部締付板２３起電部分２４マニホールド部分２６集電端板２７，２８電気絶縁板２９弾性体３２スプリング３５ベローズ４２中間ヘッダー４５伸縮配管４６伸縮管５１，５３締付板５７電流取出部材６４，６６コネクタ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者村田謙二神奈川県川崎市幸区小向東芝町１株式会社東芝研究開発センター内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】電解質マトリックスをアノードとカソード
とで挟んだ単電池と、そのアノードに燃料ガスを、カソ
ードに酸化剤ガスをそれぞれ隔てて導くセパレータとを
交互に積層し、両ガスを給排するマニホールドがその積
層体を貫通して各セパレータの周縁部に設けられた孔か
ら構成される内部マニホールドを有する積層型燃料電池
において、マニホールドの部分と単電池の位置する起電部分とを一
体で覆う板状構造体にて締め付けたことを特徴とする積
層型燃料電池。
【請求項２】電池積層体の圧縮に対する弾性係数につい
て、マニホールド部分の弾性係数を起電部分の弾性係数
よりも小さくした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３】電解質マトリックスをアノードとカソード
とで挟んだ単電池と、そのアノードに燃料ガスを、カソ
ードに酸化剤ガスをそれぞれ隔てて導くセパレータとを
交互に積層した積層型燃料電池において、電池積層体を弾性体を介して締め付けたことを特徴とす
る積層型燃料電池。
【請求項４】弾性体が、板の弾性を利用して伸縮する板
状のバネで構成されていることを特徴とする請求項３記
載の積層型燃料電池。
【請求項５】電池積層体を締め付ける弾性体が、内部に
ガスを気密に保ちガスの圧力によって伸縮するガスベロ
ーズの中に、板の弾性を利用して伸縮する板状のバネか
らなる弾性体を内蔵したものにより構成されていること
を特徴とする請求項３記載の積層型燃料電池。
【請求項６】電解質マトリックスをアノードとカソード
とで挟んだ単電池と、そのアノードに燃料ガスを、カソ
ードに酸化剤ガスをそれぞれ隔てて導くセパレータとを
交互に積層した積層型燃料電池において、電池積層体を複数のユニットに分けて積層し、任意のユ
ニットの燃料ガスあるいは酸化剤ガスの下流側を、その
ユニットの上に積層されるユニットのガス上流側に位置
させたことを特徴とする積層型燃料電池。
【請求項７】電解質マトリックスをアノードとカソード
とで挟んだ単電池と、そのアノードに燃料ガスを、カソ
ードに酸化剤ガスをそれぞれ隔てて導くセパレータとを
交互に積層した積層型燃料電池において、電池積層体を複数のユニットに分けて積層し、各ユニッ
トにガスを給排する中間ヘッダー同士を繋ぐガス配管を
伸縮継手配管を介して接続したことを特徴とする積層型
燃料電池。
【請求項８】電解質マトリックスをアノードとカソード
とで挟んだ単電池と、そのアノードに燃料ガスを、カソ
ードに酸化剤ガスをそれぞれ隔てて導くセパレータとを
交互に積層した積層型燃料電池において、電池積層体を複数のユニットに分けて積層し、各ユニッ
トにガスを給排する中間ヘッダーと電池積層体ユニット
との間に弾性体を介装したことを特徴とする積層型燃料
電池。
【請求項９】電解質マトリックスをアノードとカソード
とで挟んだ単電池と、そのアノードに燃料ガスを、カソ
ードに酸化剤ガスをそれぞれ隔てて導くセパレータとを
交互に積層した積層型燃料電池において、発電運転中の所定締め付け圧よりも高い圧力をもって、
電池積層体を一時的に締め付けたことを特徴とする積層
型燃料電池。
【請求項１０】電解質マトリックスをアノードとカソー
ドとで挟んだ単電池と、そのアノードに燃料ガスを、カ
ソードに酸化剤ガスをそれぞれ隔てて導くセパレータと
を交互に積層した積層型燃料電池において、電池積層体を上下より締め付ける締付板を、リブ構成と
し、中央部を周縁部よりも厚くしたことを特徴とする積
層型燃料電池。