JP6467681B2 - 固体酸化物型燃料電池 - Google Patents
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Description
以下に、図面を用いて本発明に係る固体酸化物型燃料電池1の実施形態につき、詳細に説明する。図1に固体酸化物型燃料電池1の一つの実施形態の概略構成を斜視図で示す。また、図2に、図1に示す固体酸化物型燃料電池1の平面図及び側面図を示す。本発明に係る固体酸化物型燃料電池1は、セルスタック10、蓋板2、底板3、一対のボルト4及びナット5、圧縮バネ捩れ防止部材7、圧縮バネ制御部材8、及び圧縮バネ9から構成される。
次に、図3を用いて固体酸化物型燃料電池1の一般的な単セルスタック20の構成について説明する。固体酸化物型燃料電池1の単セルスタック20は、電解質21、一対の電極である燃料極(アノード)22及び空気極(カソード)23、燃料極側セパレータ25、及び空気極側セパレータ26から構成される。そして、一組の電解質21、燃料極22、及び空気極23は、MEAセル24(Membrane and Electrode Assemly)と称される。一個の単セルスタック20自体の発電量は、0.3V〜1.0V程度なので、必要な電力とするために単セルスタック20が数十枚から数百枚積層されて図1に示すセルスタック10が形成される。そして、図3に示すように、燃料極側セパレータ25には燃料ガス供給路27が設けられ、空気極側セパレータ26には酸化ガス供給路28が設けられる。そして、これらのガス供給路27,28には、図3の矢印が示す方向に、燃料ガスである水素、及び酸化ガスである空気が供給されて発電が行われるる。
固体酸化物型燃料電池1の燃料極側セパレータ25及び燃料極側セパレータ26は、セルスタック10中の個々の単セルスタック20間を仕切っている。すなわち、固体酸化物型燃料電池1のセパレータ25,26は、その表面及び裏面の両面がそれぞれ燃料極22側に面した燃料極側セパレータ25、及び空気極23側に面した空気極側セパレータ26となる。これらのセパレータ25,26の役割は、燃料ガスと酸化ガスとを分離し、燃料ガス及び酸化ガスを燃料極22或いは空気極23にそれぞれ供給して収容することである。そのため、セパレータ25,26のそれぞれの表面には、溝加工により燃料ガス供給路27及び酸化ガス供給路28が設けられている。セルスタック10においては、燃料ガス供給路27により燃料極22へと供給される燃料ガス、及び酸化ガス供給路28により空気極23へと供給される酸化ガスについて十分なガスシール性を備え、ガス供給効率を向上させることが要求されている。
また、これらの燃料極側セパレータ25及び燃料極側セパレータ26は、MEAセル24において発電された電気を集電するという役割も担っている。このため、MEAセル24とセパレータ25,26との間には集電効率を上げるために集電材(図示せず)が設けられるのが一般的である。このように、セルスタック10においては、MEAセル24とセパレータ25,26との間に設けられた集電材による電気的接触性を高めて集電効率を向上させることが要求されている。
図1に示すように、平板型の固体酸化物型燃料電池1において、セルスタック10のガスシール性及び電気的接触性を向上させるために、ボルト4及びナット5によりセルスタック10の積層方向に圧縮力を導入する。セルスタック10の積層方向に精度良く圧縮力を導入することで、燃料ガス供給路27及び酸化ガス供給路28の密封性が向上し、燃料ガス供給路27から燃料極22へと供給される燃料ガス、及び酸化ガス供給路28から空気極23へと供給される酸化ガスの漏れが減少してガスシール性が向上する。また、セルスタック10の積層方向に精度良く圧縮力を導入することで、集電材がMEAセル24とセパレータ25,26との間により密着し、集電材により電気的接触性が高まる。
本実施形態では、セルスタック10の圧縮力導入機構として、ボルト4及びナット5に更に圧縮バネ9を組み合わせる機構を採用する。この圧縮力導入機構は、図2(a)に示すように、平板型のセルスタック10の四隅にそれぞれ一対のボルト4及びナット5が設けられるのが一般的であり、これらの複数のボルト4それぞれに均等に圧縮力が加えられ、セルスタック10全体が一様に圧縮される。
図2(b)に示すように、本発明では、ボルト4周りに螺旋状の圧縮バネ9が設けられる。すなわち、ボルト4及びナット5における断面の中心点と圧縮バネ9の断面の中心点との距離を最小限とする。これにより、荷重の偏芯が最小限に抑えられ、ボルト4及び圧縮バネに発生する傾きなどの変形を最小限に抑えることができる。そのため、圧縮力が圧縮バネ9に精度良く導入され、ボルト3及びナット5による締付けが十分に管理できる。
図6を用いて、一組のボルト4、ナット5、及びワッシャ14に、更に圧縮バネ9を組み合わせた一般的な圧縮力導入機構を説明する。このボルト4に張力を導入する際に、ナット5の回転に伴ってナット5と圧縮バネ9との間のワッシャ14が共回りをしてしまう場合がある。これは、ワッシャ14と圧縮バネ9との間で滑りが生じるためである。この共回りにより圧縮バネ9自体に直接「捩れ」が導入され、捩れ応力が過大になると圧縮バネ9自体の破損の原因になる。
図6に、圧縮バネ捩れ防止部材7と同様な機能を有するワッシャ回転防止治具16を側面図及び断面図で示す。図6(a)は、ワッシャ回転防止治具16の側面図であり、図6(b)は、図6(a)のA−A断面図である。上述したように、ナット5の回転により圧縮力が導入される際に圧縮ばね9が捩れるのを防止するために圧縮バネ捩れ防止部材7が取付けられる。しかし、図6に示すように、ワッシャ14に対して施工治具としてワッシャ回転防止治具16を圧縮力導入の際にだけ取り付けても良い。ワッシャ回転防止治具16は、例えば、図6(b)に示すようにワッシャ14自体をペンチのように丸く囲んで挟み込み、ワッシャ14を抑え込む取手17が付いたプレート16であっても良い。或いは、円形のワッシャ14を図6(b)に破線で示すように切り取り、ペンチなどの工具でワッシャ14の回転を防止しても良い。
図7に、圧縮バネ制御部材8の一つの実施例を断面図で示す。また、図8に、圧縮バネ制御部材8の他の実施例を断面図で示す。本実施例では、圧縮バネ制御部材8は、筒状の部材であって圧縮バネ9の内側又は外側に設けられる。そして、この筒状の圧縮バネ制御部材8が、圧縮力が導入される際に圧縮バネ9の高さ方向の可動範囲を規定する圧縮バネ高さ規定部材8aともなり、圧縮バネ9の半径方向の所謂「孕み出し」や「暴れ」を規制する圧縮バネ形状規制部材8bともなるが、勿論、それらの機能を同時に有しても良い。
図8(b)に示すように、圧縮バネ捩れ防止部材7の圧縮バネ9側の面には、圧縮バネ9の端部の螺旋形状を保持する圧縮バネ形状保持溝部15が設けられても良い。すなわち、この溝部15に圧縮バネ9の端部が嵌め込まれ、この溝部15により、圧縮バネ9の端部の断面形状が保持される。そして、この圧縮バネ形状保持溝部15は蓋板2の表側にも設けられ、圧縮バネ9の端部の螺旋形状が保持されても良い。また、この圧縮バネ形状保持溝部15は、図8の蓋板2だけではなく、図8の底板3に設けられても良い。また、この圧縮バネ形状保持溝部15は、図7の蓋板2又は底板3にも設けられても良い。また、
Claims (7)
- MEAセルを積層してセルスタックを形成し、一対のボルト及びナットにより積層方向に圧縮力を導入する平板型の固体酸化物型燃料電池において、
圧縮バネは、セラミック製であり、ボルトにより導入される圧縮力の加力点と、発生する反力点との偏芯を最小限とするボルト周りの位置に設けられ、
前記圧縮バネは、前記ナットとの間に圧縮バネ捩れ防止部材が設けられることを特徴とする固体酸化物型燃料電池。 - 請求項1に記載の固体酸化物型燃料電池であって、前記一対のボルト及びナットにより前記圧縮力が導入される際に、前記圧縮バネの高さ方向の可動範囲を規定する圧縮バネ高さ規定部材を備えることを特徴とする固体酸化物型燃料電池。
- 請求項1に記載の固体酸化物型燃料電池であって、前記圧縮バネの内側又は外側に設けられ、前記圧縮バネの半径方向の形状の乱れを規制する圧縮バネ形状規制部材を備えることを特徴とする固体酸化物型燃料電池。
- 請求項1乃至3のいずれか1項に記載の固体酸化物型燃料電池であって、圧縮バネ捩れ防止部材は、一対のボルト及びナットのうち少なくとも2箇所を連結することを特徴とする固体酸化物型燃料電池
- 請求項1乃至4のいずれか1項に記載の固体酸化物型燃料電池であって、圧縮バネ捩れ防止部材には、ナットの回転により圧縮力が導入される際に、前記圧縮バネ捩れ防止部材の共回りを防ぐための圧縮バネ捩れ防止治具が取付けられることを特徴とする固体酸化物型燃料電池。
- 請求項5に記載の固体酸化物型燃料電池であって、前記圧縮バネ捩れ防止部材は、一対のボルト及びナットに対して取り付けられるワッシャであり、前記ワッシャには、前記ナットの回転により圧縮力が導入される際に、共回りを防ぐためのワッシャ回転防止治具が設けられることを特徴とする固体酸化物型燃料電池。
- 請求項1乃至6のいずれか1項に記載の固体酸化物型燃料電池であって、圧縮バネ捩れ防止部材の圧縮バネ側の面には、前記圧縮バネの端部の形状を保持する圧縮バネ形状保持溝部が設けられることを特徴とする固体酸化物型燃料電池。
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