JPS6093765A - 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】 し発明の技術分野］ 本発明は、セルスタックを構成づる単電池の締付構造に
改良を施した燃料電池に関するものである。

［発明の技術的背景］ 燃料電池は、燃料の持つ化学エネルギーを電気化学プロ
ヒスで酸化さけることにＪ、す、酸化反応に伴って放出
されるエネルギーを直接電気エネルギーに変ＩＡす′る
装置である。この燃料電池を用いた発電プラントは、仕
較的小さな規模でも発電の熱効率が４０〜５０％にも達
し、新鋭火力をはるかにしのぐと期待されている。さら
に、近汗大きな社会問題になっている公害要因ぐあるＳ
ＯＸ。

ＮＯＸの排出が極めて少ない１発電装置内に燃焼サイク
ルを含まないので大量の冷却水を必要としない、振動音
が小さいなど、原理的に高いエネルギー変換効率が期待
できると共に、騒音・排ガス等の環境問題が少なく、さ
らに、負荷変動に対して応答性が良い等の特長がことが
ら、その開発、実用化の研究にＩＩＩ］持ど関心が寄じ
られている。

この様な燃料電池発電プラン１−のうち小規模の−６の
は、りでに試作され、実験運転の段階に入っている。し
かし、大容吊の燃料電池発電プラン］への実用化への最
大の技術的問題点は、燃料電池の単器容量をなるべく大
きくしてコストを下げると共に、ヒルスタックを椙成り
る単電池の締（＝Ｊ構造をね度のＩＦＧいものと覆るこ
とにより、いかに長期に亙っ（高出力を軒［、Ｊ６させ
、燃ゎ１電池本体の長寿命化を図るかにかっている。

さＣ１この様イｊ燃利電池のＩＩＪｊ狸を承り断面模型
°図を第１図に示した３、即ら、−相の多孔質電極１の
間に、リン酸等の電解液を含浸さｌた電解質層２を介在
さ１．！ｃ１１１電ｉＩ！ｊ　４形成し、この単電池の
両端面に水素ガスト１と空気△を連続しく供給する。

この様にすると、反応生成物及び反応残余物りが外部に
連続して除去されるので発電が長期にわたり継続される
。

また、この様な燃料電池の基本的な構成１Ｊ、第２図に
示す通りである。即ち、電解質マ］−リツクス層３の両
側に正極４及び負極５が配設されＣ四角系の板状をなす
単電池が構成され、この単電池を発電装置として使用Ｊ
るために、多数の単電池が直列に結合されて積層されて
いるか、これら単電池の間には、ガスを供給りるための
！１′／＋を設置ノたインタコネクタ６が配設され、前
記単電池と交ｙｚに積重ねられている３、この満イー１
インターＪネクタ６には、対向する二側縁に開口づる複
数の溝が設置ノられてａ５す、−側面の溝を流路とりる
水素ガス流路７ど、他の側面の溝を流Ｖ８と・Ｊイ）空
気流路＋３　＋よ、互いに直行Ｊる方向に配列され（い
る１゜ところで、現在開光が進められ（いる燃わｌ電池
Ｎは、第３図＜Ａ）（Ｂ）に承り如く、上記の様な単電
池を四角柱状に複数個ｆＩ！１層しくセルスタック９が
構成され、その凹円の側面には反応ガス供給田のン二ホ
ールド１０が取付【プられている。このマニホールド１
０には、それぞれ水素ガス供給管１１、水素ガス排出管
１２、空気供給管１３及び空気１７１出管１４が接続さ
れており、水素ガス及び空気は、ヒルスタック９内を矢
印Ａ、Ｂの方向に流れる様に設８１されＣいる１、Ｊ：
た、セルスタック９の運転温度は高い方が反応論的には
好ましいが、構成Ｈ料の耐熱ｆ１や雷Ｍ質の蒸気圧等の
制約から２００’　Ｃ前後に紺持りることが望ましい。

従って、ヒルスタック９内に埋設された導管内に冷Ｎ１
水を循環させて、燃￥３１電池起動時の加熱と、運転中
に発生づる熱を冷ＭＩ　している。即ら、この型の燃わ
１電池では、第３図（Δ）に示した様に、冷１１１水供
給管１５及び冷却水排出管１６が配設され、冷７ＪＩ水
はしシスタック９内を破線Ｃの様に循環している。さら
に、燃料電池の出力は直流で、ヒルスタック９の上下端
に配設された電力端子（正極）１７、電力端子（０極）
１８から、接続導体１９及びブッシング２０を介してタ
ンク２１外に引出される。。

また、セルスタック９の上下面には、それぞれ集電板２
２及び絶縁板２３を介して締４ｑ板２４が配設され、こ
の締イ」板２４の上下には十字形をした支え金具２５が
取イ」りられ、イの四つの腕の先ｊｉｉｉ部に挿通され
たロンド２６及びその端部のナツト２８からなる締イ］
部月によって、ヒルスタックを構成づる単電池が」ニ下
から締結されている。１イして、この「Ｊラド２６の」
二端部のＪ−ツ１−２８と支え金具２５との間には、そ
の紬イ１力が比較的大きいことから、小さなスペースで
大きな負伺荷千が１ｑられる冊ばね２７が装着されてい
る。

以上、説明した様な燃料電池の中身は、タンク２１内に
収納され、タンク２゛１内には、マニホールド１０やそ
の他からの反応カスの漏れを抑制Ｊるために窒素ガス等
が封入されている。

この様に構成された燃料電池は、出力をＩｆｌ　Ｌ’ｔ
　’）るため適麿の締付力を保持して、単電池間の電気
的接触抵抗値を低減させると共に、単電池とインタコネ
クタとが密接しＣ直交づる反応ガスが混合しない様に、
また単電池の強度を考慮して所定の締句力が生じるにう
に構成しなければならない。

につて締付板２４は、セルスタックの平面上均一に締ｆ
Ｊ　４ノる必要から、変形しないように厚さを厚くする
と」１、に支え金具２５を補強に兼用する構造などで対
処し、起動から運転にかけての熱変動によるスタック膨
張差に対しＣは皿ばね２７でその膨張を吸収する構成ど
している。

し背鞘技術の問題点１ ところで、第３図（Ａ＞（Ｂ）に示した様な燃料電池に
おいては、イのＬｌｉｌ容器は単電池面積とでの積層個
数に比例りる。しかし、単電池を構成づる多孔質Ｎ極板
は、全面均一な厚さに成形する製作上の制約ヤ）、脆い
材質であることからの積層作業の制約、きらには、全面
均一な締付ツノが得られにくい等の制約より、イの面積
を大幅に増大することは困ｆＩ！であり、また単電池の
積層個数も輸送上の制約或いは積層作業の制約等のため
限界があることＪ、す、セルスタン９１個当たりの容量
は２００〜５００ｋｗに抑制される。従って、大容量の
燃料電池発電プラントの実用化に際しては、数十個或い
は数百側の燃料電池を（７ｒ段りる必要がある。

ところが、従来の燃料電池は、しルスタックを構成づ゛
る単電池の面積を極力大きなものとし１．したぞの積層
枚数を増加す゛ることひ、イの容量の増大を８１つたち
のであるから、セルスタック９の高さが増大した場合、
セルスタックつと、鉄ｔＭＵて製造されている締ｆり部
材とでは、熱膨張係数が約２Ｘ１０−５以上あり、渇Ｉ
哀上が差ら牛り゛ることがら、例えばセルスタック３ｍ
、セルスタック温度２００℃とした場合十数ａｔ　ｍ　
Ｊン−１ｂレルスタツク９の方が犬き（膨張してしまう
１゜ ところが、従来の燃料電池゛Ｃは、変位を吸収りる曲ば
ね２７がロッド２Ｇの先端に設置Ｊられた外径の小さい
もので、個々ｔｙ５　ｍ口Ｊ’　４２どしＵ　ＩＪ、ぽ
ね定数が大きいことから、この膨用ん７を吸収づるため
には、膨大な枚数の１１１１１．、Ｊ：ねを８１１列に
１１）ね、全体どしてイのばね定数を（ｌ（減さＵるよ
うス・ｊ処しなければならない。しかし、聞ば４ａの枚
数を（１ｉ１に多くづると、タンク内に占めるａぽねの
高さが大幅に増大し、しルスタック９の高さを低減させ
なければならない。

イの上、熱変動に伴うばね特性上ヒステリシス現象が現
れ、これによって所定のばね特性を得ることが困’ＡＭ
となって、レルスタックの締付力が熱変動に伴って人さ
く変動する。その結果、単電池を（１ル成りる多孔７ｑ
電（４，４１段がしろい材質であるので、ごれを圧壊し
たり、或いＣユ縦方向に収縮して締付力の低下を引起こ
すこととなる。この締付力の低下によって、単電池間の
抵抗値が増大１ノ電圧降下が大きくなるので、出力され
る電気エネルギーの損失が大きくなるばかりでなく、単
電池間のシールが不完全どなり、反応ガスが混ざり合い
１接燃焼現象を起こしてしまうので、電気エネルギーの
出力が低下し、燃料電池の寿命も短くなるという欠点も
あった。

「発明の１」的〕 本発明は、上述の如さ欠Ｊ１°、（を解消ぜ）υとして
提案されＩこもので、そのｌｌＪ的ｔよ、＋１１１ばね
数を増大させることイＴくばね定釣の（バ減を１「１を
旧誹−１．ｌ−縞ｌＪ璋造を有し、単器容量の人さく、
高出力でスｊ命が長い高品質の燃料電池を提供すること
にある。

［発明の概要］ 本発明の燃料電池は、セルスタックの土面に締付板を股
り、その締付板の上に冊ばねを配置し、ざらに朋ばねの
」ニ側に押え板を配設し、これをボルト・ナツト等の締
付部材によって締（ｑ固定づることにＪ：す、大径の冊
ばねの使用を可能どじ、曲ばねの積層数を増大させるこ
となくばね定数の減少を図り、タンク内に６けるけルス
タック高さを増加して単器容量を増大さＵたちのである
。

［発明の実施例］ 進んで、本弁明の一実施例を第４図乃ヱ第７１ｚ１に基
づいて具体的に説明づる。なＪ３、第１図乃至第３図の
従来型と同一の部材に′つぃ（は、同−ｒＪ号を付し説
明は省略づる。

第４図（Ｂ）におい−（，１１１電池を四角（９１状に
積層して成るセルスタック９の１．下面には、それぞれ
染電板２２及び絶ａ４／Ｘ２３を介しく締付板２イが配
設され、この締付板２４の１−に袴ｖＪ釦の１１１１　
Ｋね３０　／ｆｉ　ｊｌＱべて配置されている。これら
の佃ばね３０は、第５図に示した様に、複数枚の冊ばね
３０ａを直列に重ね、各々の皿ばね３０ａの間には、密
１３を防Ｊ１シて全たわみ量範囲をより多くどるためス
ペーク−３０１つを配設し、また、皿ばね３０ａの中央
間口部には位１４す′れを防止するためにガイド３０ｃ
を装着したものである。

これら朋ばね３０の上側には、／＋ＲＱ’Ｊ状に四方向
に突出した腕を持つ星形の押え板３１が配設され、ぞの
６腕の先端部には１」ラド２６が挿通されナラ１−２８
で締付固定されている。なＪ３、この押え板３１は、第
４図（Ａ）に示した様に、放射状に突出した先端部が、
四角柱状のけルスタック９の対角線方向に伸びる様に配
置され、各ロッド２６がマニホールド１０の取付は作業
に支障を及ぼさない様に構成されている。ま／＝　、押
え板３１の中央部に（，１穴３２が設けられ、その穴３
２から電力端子１７が外部に引出されている。

この様に構成された木実加剰の燃料電池においては、従
来、取付け位閥を締イ」ロッド２６の上部としていた皿
ばねを、締付板２４の土部に配ＩＮすることにより、皿
ばね３０の外径りを大きくづることができる。そして、
■１ばねの特性は、夕ｈ　＜ｓｌＤを大きくづれば同じ
荷重値に対して多くのたわみ量が得られ、ばね定数を低
減させることがでさ′る。

特に、第６図に示した様に１１１１ばねの高さくｈ）と
厚さく１）の比を１．２−１．４の値どづると共に、皿
ばね個々のたわみ量（δ）と厚さく１）との比を１．２
〜１．５に設定した場合、第７図のグラフの通り、この
たりみ串（δ）の範囲ではたわみ変化に対して荷重変化
が棒端に少なくなる。。

従って、例えば皿ばねの外径を２５０ｍｍｆｉｊ度まで
大きくづるとづれば、従来の聞ばね（Ｙを１００ｍ　ｒ
Ｔｌ、組合せ高さを８Ｑｍｍとしていた場合に比べ−（
、同じ組合Ｕ高さに対して実質ば４一定数は１／１５以
下とづることが′Ｃ−さる。

また、締イ」板２４は曲ばやが直接配設されているので
大きな調性は必要とぜり“、ぞの厚さを薄くすることが
でき、しか−し、押え板３１は例えば高張力鋼を使用し
て板厚を１ｌｔ９　＜　Ｌ　／、−わみ吊を多く取れる
構造とｊることができるので、皿ばね３０の作用に増し
−（全イホばね定数を低減り゛ることができる。更に、
これら締付構造はたわみ量を多くとるため、ＩＣ４′）
み爪で締イζ１力管理ができて組立時の締伺力調整が容
易となる。また、十分に小さいばね定数をＭ　”ｌる締
イ」構造であるため、輸送時の衝撃などによるスタック
変位などにも対応して締付力が変動りることかなく、高
品質を維持できるなど多大の効果を有づる。

更に、本実施例では、タンク２１がドーム型をしてＪ３
す、中央部が高くなっているので、皿ばね３０をでざる
だ【プ中央寄りに配回ツることで、タンク２１内のスペ
ースを有効に活用でき、それだ【ルルスタック９を高く
して単器容量を増大させることが可能となる。

加えＣ１朋ばね３０は四相に分割され、外径も２５０ｍ
ｍＰｉ！度となるので、その使用材料であるばね鋼Ｉ利
す入手しやりく生産性し高くなりコスト　し安いものと
なる。

なお、本発明は、上述の実施例に限定されるものではな
く、第８図に示した様に、押え板の形状を変えても良い
。即ち、帯状の押え板４１を、聞ばね３０の上側に平行
に２個配冒し、その先端部に挿通ずるロッド２６を互い
に対向りるマニホールドの背面に配設ずれば、皿ばね圧
縮部分から締イＮＪロンドまでの寸法を多くとれ、しか
も押え板４１が帯状のためたわみ用が増加し、仝休ばね
定数をより小さくすることができる。この場合、マニホ
ールド１０のを面にロッド２６が配置されるが、仮締め
の治具等を用いればマニホールドの取付りに支障となら
ない。このとき仮締めＪ：り正式の締付ロッドに置換す
る際の荷重変動は、大きなたわみ珀と前述のばね荷重が
変化の少ないばね特性をイｊＪる皿ばねを用いているこ
とで、最小に押えることができる。

［発明の効果］ 以上の通り、本発明によれｔｉｔ、甲器容ｎ１の人さい
、高出力で長期に亙り適切な締付力が保持さｆした高品
質の燃料電池を提供でさる効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は燃料電池の原理を示す断面模型図、第２図は燃
料電池の基本構成を示す斜視図、第３図（Ａ）は現在開
発が進められている燃料電池の概略Ｉ１４成を示Ｊ平面
図、第３図（Ｂ）はイの縦断面図、第４図（△）は本発
明の燃料電池の一実施例を承り平面図、第４図（Ｂ）は
その縦断面図、第５図は本発明による締付構成を示す要
部拡大図、第６図は朋ばねの断面図、第７図は本発明に
よる締伺ばねの特性曲線を示づグラフ、第８図は本発明
の他の実施例を示１平面図である。 Ｎ・・・燃料電池、１・・・多孔質電極、２・・・電解
質層、３・・・電解質７１−リツクス層、４・・・正極
、５・・・負極、６・・・溝付インクコネクタ、７・・
・水素ガス流路、８・・・空気流路、９・・・セルスタ
ック、１９・・・マニホールド、１１・・・水素ガス供
給管、１２・・・水素ガス１ノ１出管、１３・・・空気
供給管、１４・・・空気排出管、１５・・・冷１４１水
供給管、１６・・・冷却水排出管、１７・・・電力端子
（正極）、１８・・・電力端子（負極）、１９・・・接
続導体、２０・・・ブッシング、２１・・・タンク、２
２・・・集電板、２３・・・絶縁板、２／ｌ・・・支え
金具、２６・・・ロッド、２７・・・皿ばね、２８・・
・プーット、３Ｑ、３Ｑａ・＝皿ばね、３Ｑｂ−７，ペ
ーサ゛、３０Ｃ・・・ガイド、３１・・・押え板、３２
・・・穴、４１・・・１１１１え板。 第１図 第２図 第　３　図（Ａ）１ 第　３　図（Ｂ） 第　４　図（Ａ） 第　４　図（Ｂ） 第５図 第６図 第７図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 （１）　一対の電極間に電解ｆＪ層を介在させて複数個
   の矩形平板状の単電池を四角柱状のＩｆ４層し、これを
   上下の締イ］板間に締結してセルスタックを形成し、こ
   のセルスタックをタンク内に収納してなる燃料電池にお
   いて、セルスタックの上面に締付板が配設され、前記締
   付板の上方に単数又は複数の重ね合わされたｍｌばねが
   配δされ、この期ばねの上方に押え板が配設され、この
   押え板とセルスタック下方の締付板とが締イ」部材によ
   って締結されていることを特徴とする燃料電池。 ＜　２　＞　ｑｉ数又は複数の重ね合わされた皿ばねが
   、締付板の上方に複数組配置されている特許請求のＷｊ
   　［１７１ｍ　ｌ　’ｎ　記載の燃料電池。 （３）複数の組合わされた冊ばねの間にスペーサが挿入
   され、まｌｃ、複数の用ねられる皿ばねの中央間１］部
   分にガイドが配設されている特許請求の範囲第１項記載
   の燃料電池。 （４）［ｌＩＩばねが、その高さと厚さの比を１．２・
   〜１．４の値とし、たわみ吊と高さの比を１．２〜１．
   ５に設定したものである特π’Ｆ　請求の範囲第１項記
   載の燃料電池。