JPS62217571A

JPS62217571A - 燃料電池

Info

Publication number: JPS62217571A
Application number: JP61059291A
Authority: JP
Inventors: Souji Michihashi; 道端　創治; Hideki Tanaka; 英樹田中
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1986-03-19
Filing date: 1986-03-19
Publication date: 1987-09-25

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】［発明の目的］（産業上の利用分野）本発明は、燃料電池に関するもので必り、待に素電池を
積層して成るセルスタックの締付は構造に改良を施した
燃料電池に係るものである。

（従来の技術）燃料電池は、燃料の持つ化学エネルギーを電気化学プロ
セスで酸化させることにより、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換する装置で
ある。この燃料電池を用いた発電プラントは、比較的小
さな規模でも、発電の熱効率が４０〜５０％にも達し、
新鋭火力を遥かにしのぐと期待されている。更に、近年
大ぎな社会問題になっている公害要因であるＳＯＸ、Ｎ
Ｏｘの排出が極めて少ない、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、（騒動が
小さい等、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・廃棄ガス等の環境問題が少なく、更に
、負荷変動に対して応答性が良い等の特徴があることか
ら、その開発・実用化の研究に期待と関心が寄せられて
いる。

この様な燃料電池発電プラントのうち小規模のものは、
すでに試作され実験運転の段階に入っている。しかし、
大容量の燃料電池発電プラントの実用化への最大の技術
的問題は、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、セルスタックを構成する素電池の
締付構造を程度の高いものとすることにより、以下に長
期に渡って高出力を維持させ燃料電池本体の長瀞命化を
図るかにかかっている。

第４図は、この様な燃料電池の原理を示す断面模型図で
ある。同図において、１組の多孔質電極１の間に、リン
酸等の電解液を含浸ざぜた電解質層２を介在させて素電
池３が形成され、この素電池の両端面に水素ガス１」と
空気Ａが連続して供給される様になっている。この様に
構成すると、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、長期に渡って発電を継続できる。

この様な燃料電池の基本構成を第５図に示す。

同図において、電解マトリックス層４の両側に正極５Ｐ
及び負極５Ｍが配設されて四角形の板状をなす素電池３
が形成されている。この素電池３を発電装置として使用
するために、多数の素電池３が直列に結合されて積層さ
れているが、これら素電池３の間には、ガスを供給する
ための溝を設けたインタコネクタ６が配設され、前記素
電池３と交互に積重ねられている。この溝付きインタコ
ネクタ６には、対向する２面に開口する複数の溝が設け
られており、片面の溝を流路とする水素ガス流路７と、
反対側の面の溝を流路とする９気流路８とが、互いに直
交する方向に配列されている。

ところで、現在開発が進められている燃料電池Ｎは、第
６図（Ａ＞（Ｂ）に示ずごとく、上記の様な素電池３を
四角柱状に複数個積層してセルスタック９が構成され、
その四周には、反応ガス供給用マニホールド１０が取付
けられている。このマニホールド１０には、それぞれ水
素ガス供給管１１、水素ガス排出管１２、突気供給管１
３、空気排出管１４が接続されており、水素ガス及び空
気は、セルスタック９内をそれぞれ矢印Ａ、Ｂの方向に
流れる様に設計されている。また、セルスタック９の運
転温度は、反応論的には高い方が好ましいが、構成材料
の耐熱性や電解質の蒸気圧等の制約から２００　’Ｃ前
後に維持することが望ましい。このため、セルスタック
９内に冷却用の導管を埋設し、この導管内に冷却水を循
環させて、燃料電池起動時の加熱と、運転中に発生する
熱との冷却を行っている。即ち、この型の燃料電池では
、第６図（Ａ＞に示す様に、冷却水供給管１５及び冷却
水排出管１６が配設され、冷却水は、セルスタック９内
を破線Ｃの様に循環する。ざらに、燃料電池Ｎの出力は
、直流でセルスタック９の上下端に配設された電力端子
（正極）１７、電力端子（負極）１８から、接続導体１
９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の上下端の各外面には、それぞれ
集極板２２及び絶縁板２３を介して締付板２４が配設さ
れ、締付板２４の外面には、複数組の朋ばね２５が並べ
て配置されている。これらの皿ばね２５の外面には、放
射状に四方向の腕を持つ星形の押え板２７が配設され、
その台腕の先端部に挿入された締付ロッド２６及びその
端部のナラ１〜２８から成る締付部材によって、セルス
タック９を構成するその端部のナツト２８から成る締付
部材によって、セルスタック９を構成する素電池３が上
下から締付けられている。

この押え板２７は、第６図（Ａ）に示した様に、放射状
の腕部が、四角柱状セルスタック９の対角線方向に伸び
る様に配置され、各締付ロッド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。

また、押え板２７の中央部には、電力端子１７を引出す
ための孔２７ａが設けられている。

なあ、以上の様な燃料電池Ｎの中身を収納したタンク２
１内には、マニホールド１０ヤその他からの反応カスの
漏れを抑制するために窒素ガス等が封入されている。

この様な溝成を有する燃料電池では、出力を維持するた
めに適度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、インタコネクタ６を素電池３
とインタコネクタ６とを密接させて直父する反応ガスが
混合しない様にする必要がある一方、素電池３の強度を
考慮して所定の締付力が生じる様に溝成しなければなら
ない。

従って、セルスタック９の締付平面を均一に締付ける必
要から、締付板２４の厚さは、変形防止のために厚くさ
れている。また、電池の起動から運転にかけての熱変動
によるスタック膨脹差は、皿ばね２５によって吸収され
る様になっている。

なお、この種の燃料電池としては、例えば特開昭６０−
９３７６５号公報の発明が知られている。

ところで、第６図（Ａ＞（Ｂ）に示した様７：ｉ′燃料
電池において、その単器容量は、素電池３の面積とその
積層個数に比例する。従って、燃料電池の大容量を図る
ためには、素電池３の面積又は積層個数を増大させなけ
ればならない。この場合、まず、面積について考慮する
ならば、素電池３を構成する多孔質電極板は、全面均一
の厚さに成形する製作上の制約や、外力に対し脆い材質
であることからの積層作業の制約、ざらには、全面均一
な締付力を得る上での制約等により、その面積、従って
素電池３の面積を大幅に増大することは技１ボｉ上困難
である。また、素電池３の積層枚数についても、輸送上
の制約或いは積層作業の制約等のため、その増大には限
界がある。以上の理由により、セルスタック１個当たり
の各組は、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
十個或いは数百個の燃料電池を併設する必要がある。

ところが、燃料電池Ｎにおいて、セルスタック９と鉄１
８！製の締付ロッド２６とでは、熱膨張係数に大きな差
がおり、また温度上昇差も生ずることから、各組拡大の
ためにセルスタック９の高さを増大ざぜた場合、例えば
セルスタック高さ３ｍ、セルスタック温度２００℃とし
た場合、セルスタック９は、締付ロッド２６より十数ｍ
ｍ以上も大きく膨張してしまう。この膨脹差を吸収する
ためには、膨大な枚数の皿ばね２５を直列に重ね、全体
としてぞのばね定数を低減させる様対処しなければなら
ない。しかし、皿ばね２５の枚数を極端に多くすると、
タンク２１内に占める皿ばね２５の高さが大幅に増大し
、相対的にセルスタック９の高ざを低減ざぜなければな
らなくなる。その上、熱変動に伴うばね特性上ヒスプリ
シス現象が現れ、これによって所定のばね特性を得るこ
とが困難となり、セルスタック９の締付力は、熱変動に
伴って大ぎく変動する。その結果、素電池３を構成する
多孔質電極板を圧壊したり、或いは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、素電池３
抵抗値が増大し、電圧降下が大きくなり、発電効率が低
下するばかりでなく、素電池３間のシールが不完全とな
り、反応ガスが混合して直接燃焼現象を生じて運転野命
を低下させるという問題点があった。

（発明が解決しようとする問題点）上記の様に、従来の燃料電池では、単器谷口を大ぎくし
た場合、熱変動に伴うセルスタックの締付力の変動によ
り、電極板を圧壊したり、発電効率を低下させる等の問
題点を生じていた。

本発明は、以上の様な問題点を解消するために提案され
たものであり、その目的は、セルスタックの締付梠造を
改良し、よりコンパクトな構成で熱変動に対して一定の
締付力を保持可能とすることにより、単器容量を増大さ
せ、発電効率を向上し且つ運転庁命の長い燃料電池を提
供することでおる。

［発明の構成］（問題点を解決するための手段）本発明における第１の発明は、締付板と押え板との間に
皿ばねを配設する代りに、燃料電池の運転温度にて締ｆ
ｌロットとセルスタックとの膨脹差を吸収する寸法形状
に製作加工され且つ燃料電池の組立温度にて組立時の寸
法形状に整形された形状記憶合金を配設したことを特徴
とするものである。

また、本発明の第２の発明は、締付板と押え板との間の
皿ばねを省略し、締付ロッドの一部に、燃ｆｉｌ電池の
運転温度にて締付ロッドとセルスタックとの膨脹差を吸
収する寸法形状に製作加工され且つ燃料電池の組立温度
にて組立時の寸法形状に整形された形状記憶合金を取付
けたことを特徴とするもので必る。

（作用）以上の様な構成を有することにより、第１、第２の発明
においては、共に、熱変動を形状記憶合金で吸収できる
ため、常に一定の締付力を維持できる。特に、単器容量
の大容量化を図る際には、朋ばねを多数枚重ねる代わり
に小型の形状記憶合金を配設するだけの構成でおるため
、セルスタックの積層寸法を相対的に拡大でき、弔位容
積当たりの容量が増大する。

（実施例）進んで、第１、第２の発明の実施例を図面に基づいて具
体的に説明する。なお、第４図乃至第６図（Ａ＞（Ｂ）
にて説明した従来技術と同一の部材については、同一符
号を付し説明を省略する。

■第１の発明まず、本発明における第１の発明の詳細な説明する。

第１図（Ａ）〜（Ｃ）は、第１の発明の一実施例を示す
ものであり、＠６図（Ａ＞（Ｂ）に示した皿ばね２５を
形状記・１合金２９に置換えた構成となっている。第１
図（Ｂ）に示す様に、電池３を四角柱状に積層して成る
セルスタック９の上下方向外面には、従来と同様、集電
板２２、絶縁板２３、締付板２４が順に配設されており
、この締付板２４の外面に円柱状をした複数の形状記憶
合金２９が並べて配置されている。これらの形状記憶合
金２９は、第１図（Ｃ）で示す様に、燃料電池運転温度
にて、燃料電池組立時の高ざＨに締付ロッド２６の伸び
Ｘとセルスタック９の伸びＹとの差を配慮した寸法りに
製作加工して記憶させられており、燃料電池組立温度に
て組立時の高さＨに整形されている。なお、図中実線Ｐ
は燃料電池組立時の状態、２点鎖線Ｑは燃料電池運転時
の状態をそれぞれ示している。

また、これらの形状記憶合金２９の外側には、放射状に
四方向の腕を有する押え板２７が配設され、その台腕の
先端部には、締付ロッド２６が挿入され、ナツト２８で
締付固定されている。なお、この押え仮２７は、第１図
（Ａ＞に示す様に、従来と同様、その腕が、セルスタッ
ク９の対角線方向に伸びるように配置され、各締付ロッ
ド２６がマニホールド１０取付は作業に支障を及ぼさな
い様に構成されている。

以上の様な構成を有する本実施例の燃料電池においては
、形状記憶合金の持つ特性により、いがなる熱変動にお
いても、常に一定の締付力を維持でき、単器容量の増大
が可能となる。また、不実施例では従来の様に締付板２
４と押え板２７との間に皿ばね２５を挿入していないた
め、タンク高さをこの分だけ縮小すれば燃料電池のコン
バク１へ化を実現でき、逆に同寸法のタンクを使用する
場合には、セルスタック９の高さを高くすることで電池
の単器容量を増大できる。さらに、本実施例ではタンク
２１がドーム型をしており、中央部が高くなっているの
で、形状記憶合金２９をできるだけ中央よりに配置する
ことで、タンク２１内のスペースを有効利用でき、この
点でも燃料電池のコンパクト化及び単器容量の増大に貢
献できる。

加えて、一定の締付力を維持できることにより１、素電
池３の抵抗値が増大することはなく、従って、発電効率
が向上している。また、素電池３間のシールも確実に保
持されるため、反応ガスが混合して直接燃焼現象を生ず
る恐れもなく、運転庁命の長期化が可能となる。

なお、第１の発明は、前記実施例に限定されるものでは
なく、第２図に示す様に、締付板２４の外面に、締付板
２４と同寸法の形状記憶合金３０を一部材のみ配設する
構成も可能であり、この場合には、形状記憶合金を複数
とした場合に生ずる加工誤差による特性の近いがなくな
るため、より均一な締付力を得られる。。

■第２の発明次に、本発明の第２発明における実施例を第３図（Ａ）
（Ｂ）に壜づいて説明する。

第３図（Ｂ）に示すごとく、本実施例では、セルスタッ
ク９の外面に、集電板２２、絶縁板２３、締付板２４が
順に配設され、この締付板２４の外面に直接押え板２７
か配設されている。そして、この押え板２７の腕の先端
に挿入されて両側の押え板２７間の締付ロッド２６の中
央の一部には、形状記憶合金３１が取付けられている。

この形状記憶合金３１は、燃料電池運転温度にて、セル
スタック９と締付ロッド２６の伸び寸法の差だけ膨張す
る様に製作加工してぞの形状を記憶され、燃料電池組立
温度にて組立て時の寸法に整形されたものでおる。

以上の様に構成された本実施例によれば、燃４′３［電
池の運転時に温度が上昇した際には、形状記憶合金３１
がセルスタック９と締付ロット２６との伸び寸法の差だ
（プ膨張するため、これによってセルスタック９と締（
１０ツト２６との相対変位が吸収され、セルスタック９
の締付力は一定に保持される。また、運転停止時に温度
が加工した際には、形状記憶合金３１が組立て時の状態
に収縮するため、この場合にもセルスタックつと締付ロ
ッド２６との相対変異が吸収され、セルスタック９の締
付力は一定に保持される。

従って、本実施例においても、前記第１の発明の各実施
例と同様に、熱変動に対して安定した締付力を維持でき
るため、燃料電池のコンパクト化や単器容量の増大に貢
献できる。

なお、第２の発明は、前記実施例に限定されるものでは
なく、締付ロッド２６の中央部に配設される形状記憶合
金の数を複数とすることも可能でおる。

［発明の効果］以上説明した様に、本発明では、セルスタックの締付手
段中に、燃料電池の運転時と組立て時とで異なる形状寸
法を記憶された形状記憶合金を使用するという構成によ
り、熱変動に対して一定の締付力を維持できるため、単
器容量の増大、発電効率の向上、及び運転寿命の長期化
を実現した燃料電池を提供できる。

【図面の簡単な説明】

第１図（Ａ）〜（Ｃ）はそれぞれ第１の発明における一
実施例を示す平面図、縦断面図、及び要部拡大図、第２
図は第１の発明の他の実施例を示す要部拡大図、第３図
（Ａ＞（Ｂ）は第２の発明における一実施例を示す平面
図と縦断面図、第４図は燃料電池の原理を示す断面模型
図、第５図は燃料電池の基本構成を示す斜視図、第６図
（Ａ＞（８）は従来の燃料電池を示す平面図と縦断面図
である。１・・・多孔質電極、２・・・電解質層、３・・・素電
池、４・・・電解質７１ヘリックス層、５Ｐ・・・正極
、５Ｍ・・・負極、６・・・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、１０・・・マニホールド、１１・・・水素ガス供給
管、１２・・・水素ガス排出管、１３・・・空気供給管
、１４・・・空気排出管、１５・・・冷却水供給管、１
６・・・冷却水排出管、１７゜１８・・・電力端子、１
９・・・接続導体、２０・・・ブッシング、２１・・・
タンク、２２・・・集電板、２３・・・絶縁板、２４・
・・締付板、２５・・・皿ばね、２６・・・締付ａラド
、２７・・・押え板、２８・・・ナツト、２９〜３１・
・・形状記憶合金。ｆｊｓｒ　　図　　（Ａ）第１図（Ｂ）第　１　図　（Ｃ）ｆｉ　２　図第　３？７（Ａ）第　３　図　　（８）゛−−−〜−−−−−′ 第　４　図第　５ｒ！ｌ

Claims

【特許請求の範囲】

（１）矩形平板状の素電池を複数個積層して四角柱状に
形成したセルスタックの上下面に締付板を配設し、この
締付板を、両締付板の外面に配設された押え板とこの押
え板に挿入された締付ロッドとにより締付け固定した中
身をタンク内に収納して成る燃料電池において、前記締付板と押え板との間に、形状記憶合金が配置され
、この形状記憶合金は、燃料電池の運転温度にて締付ロ
ッドとセルスタックとの膨脹差を吸収する寸法形状に製
作加工され且つ燃料電池の組立温度にて組立時の寸法形
状に整形されたことを特徴とするものである燃料電池。
（２）形状記憶合金が、その平面寸法を締付板と同寸法
の一部材とされたものである特許請求の範囲第１項記載
の燃料電池。
（３）矩形平板状の素電池を複数個積層して四角柱状に
形成したセルスタックの上下面に締付板を配設し、この
締付板を、両締付板の外面に配設された押え板とこの押
え板に挿入された締付ロッドとにより締付け固定した中
身をタンク内に収納して成る燃料電池において、前記締付ロッドの中央部に、形状記憶合金が配置され、
この形状記憶合金は、燃料電池の運転温度にて締付ロッ
ドとセルスタックとの膨脹差を吸収する寸法形状に製作
加工され且つ燃料電池の組立温度にて組立時の寸法形状
に整形されたことを特徴とするものである燃料電池。