JP2001297780A

JP2001297780A - 溶融炭酸塩型燃料電池とこれを用いた発電装置

Info

Publication number: JP2001297780A
Application number: JP2000147068A
Authority: JP
Inventors: Kokichi Uematsu; 宏吉上松
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2000-04-12
Filing date: 2000-04-12
Publication date: 2001-10-26

Abstract

(57)【要約】（修正有）［課題］コストの高いセパレータの構成要素をカソー
ド集電板のみとしてコストを大幅に低減した溶融炭酸塩
型燃料電池を提供する。［解決手段］平板状で適正な圧縮強度と通気性を有す
る発泡金属体１３の両面に接して、それぞれアノード電
極２を配置し、そのそれぞれの外面に接するように電解
質板１を配置し、更にそれぞれの外側に接するように電
解質板より面積の小さいカソード電極３を配置し、その
全体の外側を接するように金属板であるカソード集電板
４で覆い、それによって扁平な角型チューブを形成さ
せ、そのカソード集電板のカソード電極と接する部分に
は貫通する多数の小孔を設けると同時に、カソードを収
納するためのカソードとほぼ同じ形状の外側への凸部を
形成し、その内側に上記カソードが収納されるように配
置する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】［産業上の利用分野］本発明はエネルギー
変換装置の分野に属し、燃料の有する化学エネルギーを
直接電気に変換する燃料電池の中、溶融炭酸塩型燃料電
池とこれを用いた発電装置に関するものである。

【０００２】［従来の技術］図６（Ａ）は溶融炭酸塩型
燃料電池の構造として最も一般的に使用されている構造
である。１つの燃料電池は、セラミックの粉末を平板状
に成形し、その粒子間の空間に電解質である炭酸塩を保
持するようにした電解質板１の両側に、それぞれ金属粉
末の燒結体で作られるアノード電極２とカソード電極３
を密着させた簡単な構造で、どの方式も基本的には同じ
であるが、従来技術では、セパレーターと呼ばれる金属
構造物が大変複雑な構造で、コストも高かった。即ち、
アノードに水素等の燃料ガスを流す通路を形成するため
のアノードコルゲート板５、カソードに酸素、二酸化炭
素を含む酸化剤ガスを流す通路を形成するためのカソー
ドコルゲート板７、燃料ガスと酸化剤ガスが混合しない
ようにする仕切り板としてのセンタープレート６、アノ
ード電極を支持し、かつ、電極部の電気的接続を良好に
するためのアノード集電板８、カソード電極を支持し、
かつ、電極部の電気的接続を良好にするためのカソード
集電板４の５つの基本構成要素が必要で、その他、燃料
ガス、酸化剤ガスそれぞれが外部に漏出しないためのマ
スクプレート９が各コーナーに必要となり、部品点数が
非常に多く、複雑で、重量も重く、コストアップの原因
となっている。

【０００３】図６（Ｂ）は、上記の欠点を改良するため
の新しい発明で、特願平０８−６７６５６に示されるも
のである。この方式は、アノード集電板８を扁平な角型
チューブ状の構造とし、その両外面にそれぞれアノード
電極２を配置し、その両外面にそれぞれ電解質板１を配
置し、更に、その両外面にカソード電極３を配置し、そ
れら全体をカソード集電板４で覆い、１つのユニットで
並列状態にある２つの燃料電池を形成し、その中央の中
空部分に燃料ガスを流し、カソード集電板４の外側に酸
化剤ガスを流すことで、並列状態にある２つの燃料電池
を同時に発電できるようにしたものである。この構造
は、セパレータがアノード集電板８とカソード集電板４
の２つの構成要素のみとなり、センタープレート６、ア
ノードコルゲート板５、カソードコルゲート板７の３つ
の構成要素が不用となり、著しく構造を簡単にし、コス
トを低減する。本発明は、この図６（Ｂ）の更なる改良
に関するものであるので、以下、主として図６（Ｂ）と
の比較において記述する。

【０００４】［発明が解決しようとする課題］（１）図６（Ａ）に較べれば、図６（Ｂ）は著しく部品
点数を下げ、コストを低減しているが、その中で最もコ
ストが高いものはアノード集電板８である。アノード集
電板８は、還元雰囲気の中で溶融状態にある炭酸塩（普
通はＬｉ_２ＣＯ_３−Ｋ_２ＣＯ_３かＬｉ_２ＣＯ_３−Ｎａ_２
ＣＯ_３のどちらかの混合塩が使用される）に接触するた
め、耐食性の観点からニッケルが使用されているため大
変高価で、これを省く方法があればコストダウンに大変
有効である。（２）もう１つは電気の流れるルートとその電気抵抗に
関するものである。溶融炭酸塩型燃料電池は、カソード
電極でＣＯ_２＋１／２Ｏ_２＋２ｅ＝ＣＯ_３ ^２−の反応に
よって電子を吸収して炭酸イオンが生成され、この炭酸
イオンが電解質板の中をアノードへ移動し、アノード電
極でＨ_２＋ＣＯ_３ ^２−＝Ｈ_２Ｏ＋ＣＯ_２＋２ｃの反応に
よって電子が放出される。従って、アノードとカソード
を外部回路で接続してやれば電子の流れが形成される。
しかし、１つの燃料電池の起電力は実用的には０．７〜
０．８Ｖ程度と低く、通常数１０から数１００の燃料電
池を直列に接続して利用する。この時、図６（Ａ）に示
す従来型の燃料電池では、アノードから次のカソードへ
の電子の移動は金属のセパレータを通じて燃料電池の全
面が通路となるため、この間の電気抵抗は殆ど無視して
良い程小さいものである。しかし、図６（Ｂ）の場合、
アノード集電板８に集められた電子は、次のカソード集
電板４に行くために薄いアノード集電板８を横に流れ、
インターコネクターを介してカソード集電板４に運ばれ
るためこの部分での電気抵抗が大きくなる傾向がある。
しかし、図６（Ｂ）の方式は図６（Ａ）の方式に較べ、
２つの並列状態にある一対の燃料電池ユニットを単独に
取り出すことが出来、電解質の補充やメンテナンスが可
能である上、コストが安いという特徴があり、これらは
上記の欠点以上の価値あるものである。従って、この特
徴を生かした上で、燃料電池間の電気抵抗を減らすこと
ができれば非常に価値のあることである。勿論、アノー
ド集電板８は金属で出来ており、電子導電性が極めて良
好なため、この電気抵抗は燃料電池を成立させるために
致命的な障害となるものではなく、電気抵抗が少ない方
が発電効率が高められるので望ましいということであ
る。

【０００５】（３）更に、図６（Ａ）に示す従来型の燃
料電池では、多数の燃料電池を直接積層してスタックと
して一体化して使うので、一度スタックとして組んだ後
は、各燃料電池間は強く密着した状態となり、例え、そ
の中の１つの燃料電池の性能が悪い場合でも、それを取
り出すことは不可能で、電解質を補充したり、燃料電池
の保守を行うことは出来なかった。しかし、図６（Ｂ）
は、１つ１つの燃料電池をばらばらにすることが出来る
ので、電解質の補充も燃料電池の保守も可能である。一
方、１つ１つの燃料電池をばらばらにすると、燃料電池
の部分に掛かっていた締付け力が開放され、燃料電池部
分の変形による損傷が心配されていた。図６（Ｂ）で
は、この対策として特願平０８−６７６５６に記載され
る通り、カソード集電板４の形状的なスプリング効果の
みを利用して、締付け力の開放を防ぐようにしたが、長
時間における圧縮クリープ変形を考える時、これだけで
は、必ずしも充分とは言えない心配がある。本発明は、
上記に示す問題点を解決することを目的としたものであ
る。即ち、本発明の目的は、高価なニッケル製のアノー
ド集電板を省くことでコストを大幅に低減し、各燃料電
池間の電気抵抗を低減することで発電効率を向上させ、
かつ、単独の燃料電池ユニットを取り出しても締付け力
が開放されないようにすることで電解質の補充や保守を
可能にし、これら全体を通じてのコスト低減、燃料電池
の寿命及び信頼性の向上により、コンパクトで汎用性の
ある発電装置を提供することにある。

【０００６】［課題を解決するための手段］（１）アノード集電板８に要求された特性は、アノード
電極２の総ての部分から電子を収集するので、電子伝導
性が良好なこと、また、アノード電極２はＮｉ粉末を燒
結したもので、それ自体の強度は余り高いものではない
ので、図６（Ａ）のような場合、コルゲート板の上に直
接置くと、外部から力が加わった場合、変形してしまう
ため、何等かの支持が必要となり、この役目を果たす機
能も要求される。本発明では、図６（Ｂ）のアノード集
電板８の代わりに平板状の発泡金属体を使うよう改良し
ている。例えば、空孔率９０％程度の発泡金属体は適度
な圧縮強度を有し、孔径が充分小さいため、アノード電
極の支持体として利用出来る。また、９０％は空間であ
るので、アノードガスの通路としても利用出来、その圧
力損失も充分小さい。勿論、それ自体が金属であるの
で、電子導電性は良好で、アノード電極からの電子の収
集にも問題はない。（２）一方、多数の燃料電池を直列に接続した時の電気
抵抗を考えてみると、例えば０．５ｍｍの従来型のアノ
ードカーレントコレクターと５ｍｍの厚さで空孔率が９
０％の発泡金属体とは実際に金属の占める厚さは同じに
なるので、電気が板の幅方向に流れる時の電気抵抗も同
じになり、これだけでは、電気抵抗を下げるために発泡
金属体の厚さを厚くする必要があるため、充分な改良が
施されたとは言えない。しかし、発泡金属自体が電子導
電性を持っていることを利用し、アノード電極から離れ
た発泡金属体の中央部に金属板を挿入することで、電気
は発泡金属体の中を流れると同時に、発泡金属体を介し
て挿入した金属板の中も流れるため、電気抵抗を著しく
低減させることが出来る。この場合、この金属板はアノ
ード電極から離れており、電解質に直接接していないの
で、耐食を目的とした高価なニッケルを使用する必要が
ないと同時に、簡単な加工で済むので、コストが安くて
済む。また、この挿入金属板の一端をカソード集電板と
絶縁を維持しながら、その外側まで延長することで、そ
れをインターコネクターとして利用することが出来る。

【０００７】（３）また、本発明では、一対の並列状態
にある燃料電池のユニットをばらばらにした時の燃料電
池部分に掛かる締め付け力の開放に対しては、以下のよ
うな改善策を取っている。即ち、電気抵抗を改良するた
めに発泡金属体の中央部に挿入した金属板の部分にスプ
リング効果を持たせることで、カソード集電板との間で
常に締付け力を維持するようにした。具体的には、種々
の方法が考えられるが、一実施例として、図１−１
（Ｃ）に示すように、電気抵抗改善のために挿入した金
属板を２枚にし、その間にスプリング効果のある波板等
を挿入し、カソード集電板で多少変形させた状態まで締
付けることで、金属板とカソードカーレントコレクター
との間で常に燃料電池に締付け力が働くようにしたもの
である。それによって、燃料電池を単独に切り離して
も、締付け力が開放されることなく、燃料電池への電解
質の補充やメンテナンスが可能となった。このスプリン
グ効果を持つ金属板の例として、図１−２（Ｅ）に示す
ような１枚の波板と１枚の平板でも良く、ピッチが細か
ければ１枚の波板だけでも良い。（４）上記の通り、部品点数を著しく少なくし、コスト
を下げることが出来た上、燃料電池への電解質の補充や
メンテナンスが可能となったことで、従来に較べ、電池
の寿命や信頼性が格段に向上し、従来は、その取り扱い
のために、高度な技術的知識を有する人が必要であった
ため、電力事業用等限られた用途にしか使用出来なかっ
たものを、本発明により、非常に簡易なものとしたの
で、家庭用等小型の汎用的な用途にまで適用が可能にな
った。従って、本発明の燃料電池を効果的に適用したシ
ンプルでコンパクトな低コスト型燃料電池発電装置につ
いても実施例を示した。

【０００８】［発明の実施の形態］以下、本発明の好ま
しい実施形態を図面を参照して説明する。なお、各図に
おいて共通する部分にはなるべく同一の符号を使用する
よう配慮した。図１−１は本発明に関わる溶融炭酸塩型
燃料電池の構造を示す概念図で、図１−１（Ａ）は本発
明の基本構造を示している。適正な圧縮強度とガスの通
気性を併せ持つ平板状の発泡金属体１３の両外面にアノ
ード電極２を配置し、そのそれぞれの外面に電解質板１
を配置し、それぞれの外面に電解質板より面積の小さい
カソード電極３を配置し、その全体の外面に接するよう
に、金属板で構成されるカソード集電板４で、全体を覆
うようにする。これによって、扁平な角型チューブを形
成させる。このカソード集電板４のカソード電極３と接
する部分には、カソードとほぼ同じ形状で、カソードを
収納する目的の外側への凸部を形成させ、その内側にカ
ソード電極３を収納するように配置する。カソード電極
周辺部のカソード集電板の内面は平面形状を有し、か
つ、カソード電極の内面とは基本的に同一平面上にな
り、その内側にある電解質板１は、カソード電極周辺部
のカソード集電板４の平面を形成している部分と直接接
触して、その部分でウエットシールを形成し、発泡金属
体１３の中を流れる燃料ガスはこのシールで外部に流出
しないようになっている。また、カソード集電板４のカ
ソード電極３と接する部分には、貫通する多数の小孔を
設け、これがカソード集電板４の外側を流れる酸化剤ガ
スのカソードへの通路となる。また、カソード集電板４
の片側の側面（図１−１（Ａ）では右側）に開口部を設
け、発泡金属体とは直接接触し、カソード集電板４とは
絶縁を維持した状態で、電子導電性を有するインターコ
ネクター１０ａを設け、その他端はカソード集電板４の
外側まで延長し、隣接する同型燃料電池のカソード集電
板４に接続させる。このことを繰り返し行うことで、複
数の同型燃料電池を直列に接続して使うことが出来る。

【０００９】発泡金属体１３の両側面は、カソード集電
板４と直接接触しないように絶縁材１４ａ，１４ｂが設
置されている。また、カソード集電板４の開口部とイン
ターコネクター１０ａの間には絶縁兼シール材１５ｂが
配置され、カソード集電板４とインターコネクター１０
ａとの絶縁を維持し、かつ、発泡金属体１３の中を流れ
る燃料ガスが外部に漏れないようにシールしている。こ
のような構成によって、発泡金属体１３の両面に並列状
態に置かれた２つの燃料電池が一対として形成される。
図１−１（Ｂ）は、多数の燃料電池を直列に接続して使
用する場合の、各燃料電池間の電気抵抗を低減するため
の改良型燃料電池の構造を示す概念図である。図１−１
（Ａ）に示す燃料電池の発泡金属体の中央部で水平２分
割し、その間に金属板１０ｂを挿入した構造である。発
泡金属体１３で収集された電子は隣接する同型燃料電池
のカソード集電板４に移送されるが、そのルートは図１
−１（Ａ）では、アノード電極２および発泡金属体１３
の中を図で言えば左から右に流れ、インターコネクター
１０ａを通って、隣接する燃料電池のカソード集電板４
へと移動する。この時、電気抵抗が最も大きいのはアノ
ード電極２及び発泡金属体１３の部分である。これに対
し、図１−１（Ｂ）の場合は、挿入した金属板１０ｂの
中を流れるルートが追加されるので、その分電気抵抗は
大幅に低減される。この金属板１０ｂの発泡金属体１３
と接する部分には適宜貫通孔を設け、ガスの流入、流出
を可能にする。また、その一端のみを、カソード集電板
４とは絶縁状態を維持しながらカソード集電板４の外ま
で延長し、その部分をインターコネクターとして利用す
る。なお、図１−１（Ｂ）では、組み立てを容易にする
ために、一対の燃料電池をそれぞれ独立に製作し、後か
らそれらを合わせて一対の燃料電池を製造する方法を採
用している。そのため、２つの燃料電池の間にガスシー
ル材１５ａを追加した。図１−１（Ｃ）は図に示すよう
な状態で、一対の燃料電池を取り出した時に、燃料電池
に掛かる締付け力が開放され、変形によって燃料電池が
損傷しないように、燃料電池自体の中に、締付け機構を
設けるよう改良した構造を示す概念図である図１−１
（Ｂ）において、電気抵抗を低減するために挿入した金
属板１０ｂの部分を、２枚（図１−１（Ｃ）では１０ｃ
１として記載）にし、その間に金属の波板１０ｃ３を挿
入し、初期製作時に波板１０ｃ３が適度に変形するまで
カソード集電板４を締付け、その波板１０ｃ３の反力が
燃料電池の部分に常に締付け力として作用するようにし
たものである。なお、図１−２（Ｄ）は金属の波板１０
ｃ３のＡ−Ａ断面を示す概念図で、波は燃料ガスの流れ
に対し直交する向きに形成され、燃料ガスのバイパス通
路とならないように配置されている。また、２枚の金属
板１０ｃ１の右端部及び２枚のカソード集電板４の左端
部にそれぞれ近い所に、スプリング効果を持つシールリ
ング１０ｃ２を配置し、燃料ガスの外部へのリークを防
止している。また、図１−２（Ｅ）は図１−１（Ｃ）に
おける１０ｃ１及び１０ｃ３の部分の改良構造を示す概
念図で、電気抵抗低減のために挿入した２枚の金属板１
０ｃ１のうちの１枚を除き、波板１０ｃ３の形状を以下
の通り変更したものである。即ち、波板１０ｃ３の発泡
金属体１３との接触面積を充分大きくすることで、燃料
電池を締付けた時に発泡金属体の一部に過大な力が掛か
り、変形することのないようにし、且つスプリング効果
を維持するように改良したものである。

【００１０】以下、上記を構成している各部材について
簡単に説明し、要求される構造、機能がどのようなもの
であるかの説明の補足としたい。電解質板１はリチュー
ムアルミネートの微細な粒子を薄板、平板状に成形し、
その粒子の空間に電解質である炭酸塩を保持させたもの
である。炭酸塩としては、Ｌｉ_２ＣＯ_３−Ｋ_２ＣＯ_３か
Ｌｉ_２ＣＯ_３−Ｎａ_２ＣＯ_３のどちらかの混合塩を使用
している。又、電極はアノード電極２もカソード電極３
もニッケルの粉末に多少の添加物を加え、それを燒結し
たものである。これらの部材は、長年の研究によって、
長時間使用しても圧縮クリープによる大きな変形はな
い。また、発泡金属体１３は材料の適切な選定と適切な
設計仕様で、充分高い圧縮強度、ガスの通気性、電子導
電性を有するものが得られる。一例として、ハステロイ
Ｘの９０％空効率のものは上記要求を満足し、長時間使
用しても変形も小さい。従って、締付けに対する追従能
力はそれ程大きなものが要求される訳ではない。図１−
１（Ｃ）では、燃料電池への締付け力を発生させる機構
として、２枚の平板で挟んだ金属の波板を使ったが、上
記の背景から、本発明の趣旨を変えない範囲において、
このスプリング機構を変えても、それは発明としては微
小な変更であり、それらも本発明の範囲に含まれるもの
と考える。図２は、本発明の燃料電池の中、図１−１
（Ｃ）の外形構造を示す概念図で、燃料電池は金属製の
カソード集電板４で形成された容器の中に収納された形
になる。カソード集電板４の上部フランジ４ａに合フラ
ンジによって取りつけられた蓋１６がついており、蓋１
６には燃料ガス供給管１７と燃料ガス供給ヘッダへの接
続用フランジ１８がついている。また、２枚のカソード
集電板４はシール材１０ｃ２を挟んでボルト穴４ｂ１，
４ｂ２の部分でボルト２０で締付けられて１つ容器を形
成している。容器内の底部には、多孔板１９があり、そ
の上に多孔の絶縁材１４ｃがあり、そこで、電解質板
１、アノード電極２、カソード電極３、発泡金属体１
３、挿入された金属板１０ｃ１及び１０ｃ３等の荷重を
受けている。燃料ガスの排気側は、燃料ガス供給側と基
本的に同じ構造で、排気がわの蓋１６ａ，排気管１７
ａ，排気ヘッダとの接続フランジ１８ａ等で構成されて
いる。図３は、図１−１，図１−２及び図２に示す本発
明の燃料電池を効果的に適用するコンパクトな燃料電池
発電装置の組み立て構造を示す概念図である。また、図
４は、図３の一部の水平断面を示す概念図で、（Ａ）は
２重壁で構成されるハウジングを、（Ｂ）は改質器及び
関連機器を、（Ｃ）は燃料電池の断面を示している。

【００１１】ハウジングは内壁５４ａと外壁５４ｂとで
構成され、その２重壁の間は空気の通路となっている。
この空気供給通路の頂部には開閉及び開度調整が可能な
蓋５７を装着している。また、外壁５４ｂの外側は断熱
材５６で覆われている。起動時は、加圧下で炭化水素系
燃料ガスが充填されている燃料ガス貯蔵容器３７から燃
料流量調節弁３８を介して、起動用バーナー４０に燃料
が供給される。起動用バーナーは、圧電素子による着火
装置を装着しており、これによって着火する。この時、
当然ハウジング内は空気で満たされており、また、空気
供給通路の頂部にある蓋５７は開状態にしてあるので、
自然対流により、新しい空気はハウジング内に供給さ
れ、燃焼ガスはハウジング頂部から排出される。ハウジ
ングに供給される空気は内壁５４ａで予熱され、内壁の
下部に設けられた開口部５４ｃを通してハウジング内に
導入される。この過程で、起動用バーナー４０より上部
にある装置、改質器３１、蒸気過熱器３０、蒸気発生器
２１等は起動用バーナー４０による燃焼ガスで直接加熱
され、改質器３１は改質可能な温度まで予熱され、ま
た、蒸気発生器３０は蒸気供給が可能な状態となる。一
方、起動用バーナーより下部にある装置、触媒燃焼器５
３、燃料電池４２等は、ハウジングの下部より導入され
る加熱された空気によって予熱される。この時の予熱温
度は、主として、改質ガスが燃料電池に導入された時に
ドレンが発生しない程度にまで予熱されていれば良い。
この状態になった時に改質器を起動する。即ち、先ず過
熱蒸気を過熱蒸気供給管３２を介してミキサー３４に供
給する。次いで、燃料ガス貯蔵容器３７から燃料ガス流
量調節弁３９を介してミキサー３４に供給する。過熱蒸
気と燃料ガスの混合ガスである改質用原料ガスはライン
ミキサー３５、原料ガス供給ヘッダー３１ａを介して改
質器３１に供給される。改質器３１には改質触媒が充填
されており、そこを改質用原料ガスが通過し、外部から
加熱されると、原料ガスは水素、一酸化炭素等を含むガ
スに改質される。この改質ガスは、改質ガスヘッダー３
１ｂ、改質ガス取りだし３６、燃料電池用燃料ガス供給
ヘッダー４１を介して燃料電池４２に供給される。しか
し、この時は、燃料電池はまだ発電可能な温度にまで至
っていないので、改質ガスは燃料電池４２のアノード側
を通過し、アノードガス排出管４９、触媒燃焼器用燃料
ガスヘッダー５０を介して、燃焼触媒５３を内臓する触
媒燃焼器５２で燃焼される。この燃焼ガスによって、燃
料電池４２は発電可能な状態まで予熱される。燃料電池
４２が発電可能な温度に達したら発電を開始する。燃料
電池４２は、電気的には多数が直列に接続されており、
電流取り出し用ケーブル４７ａ、４７ｂ及びインバータ
ー４８を介して交流の電気が取り出される。電源が準備
できたら、制御装置、モーター等に電気を送ることが可
能となり、カソードブロワー６１及び必要に応じ自動制
御装置を起動する。これによって、容器頂部より燃焼ガ
スのリサイクルが可能となり、燃料電池４２のカソード
側のＣＯ２利用率を低減することが可能となる。この時
の燃焼ガスと新しい空気との混合比率は、それぞれのラ
インにあるダンパー５９及び６０により調節する。な
お、図４（Ｃ）においては、燃料電池を外部から締付け
る機構として、締め付け用の板４４ａ及び４４ｂ、スプ
リング４５、締付け用ボルト４６を記載しているが、必
要に応じ外部からの締め付け装置を付加することの概念
を記載したもので、構造的にはテンションロッドを使う
等別の方法であっても良い。

【００１２】図５は、図３に示す燃料電池小型発電装置
のプロセスフローを示すもので、図３、図４を使って上
述した説明と重複する所はなるべく省くようにする。蒸
気発生器２１への給水は、先ず原水タンク６３に水道水
や河川水等を充填し、バルブ６４を介して、イオン交換
樹脂６６を内臓する純水装置６５に原水を供給し、純水
容器６７に純水を貯める。次いで純水容器６７を純水タ
ンク２７より高い位置に上げ、バルブ６８を開けて、頂
部より純水タンクへ純水を供給する。この時、純水供給
用バルブ６９及び均圧弁６９ａは閉としておくが、純水
タンク２７が純水で満たされたら、蓋を閉め、均圧弁６
９ａを開とする。次いで、純水供給用バルブ６９を開と
し、汽水分離ドラム内に設置される浮き子式水位調節弁
７０を介して、汽水分離ドラム２２に純水を洪給する。
蒸気発生器２１は、初期は起動用バーナー４０の燃焼ガ
スで、又、その後は燃料電池４２の排ガスで加熱され、
汽水分離ドラム２２からダウンカマー２３、蒸発管２４
を循環しながら飽和蒸気を発生する。飽和蒸気ライン２
５には、純水タンク２７の均圧ライン、圧力計７１、自
力式圧力調節弁７２、ラプチャーデイスク７３が装備さ
れている。一方、燃料ガス貯蔵容器３７は着脱可能なフ
ランジまたはカップリング７６を有し、交換が可能にな
っており、使用時はバルブ７７を開くと自力式圧力調節
弁７８により、一定圧力で燃料ガスが供給される。改質
器３１及び起動用バーナー４０への燃料ガス供給ライン
にはそれぞれ燃料ガス流量調節弁７９、８５と流量計８
０ａ、８６が装着されている。発電開始以前は、この流
量調節弁の開度を手動調節して、燃料ガス流量及び蒸気
流量を設定し、発電開始後は蒸気／燃料ガスの比例制御
等必要に応じ自動制御に切り換える。また、起動用バー
ナーの燃焼温度、改質温度、触媒燃焼器燃焼温度を監視
するためそれぞれ温度計８１、８２、８３を装着してい
る。このような装置および起動方法とすることで、起動
時にドレンによる燃料電池の損傷を心配することなく、
また、外部から何等ユーテイリテイーの供給を受けるこ
となく、発電が開始できる。

【００１３】［発明の効果］上述した本発明の溶融炭酸
塩型燃料電池とこれを用いた発電装置は以下の特徴を有
している。（１）従来一般の溶融炭酸塩型燃料電池に較べてセパレ
ータの部品点数を大幅に削減した特願平０８−６７６５
の発明と比較しても、高価な材料を使ったアノード集電
板を削減し、セパレータをカソード集電板のみで構成す
る究極の構造とすることができたので、大幅なコストダ
ウンが可能となる。（２）多数の燃料電池を直列に接続して使用する時の各
燃料電池間の電気抵抗を削減することができたので、発
電効率の向上が可能となる。（３）並列に接続された一対の燃料電池を発電装置から
単独で取り出した時においても燃料電池に掛かる締付け
力を維持できる構造とすることができたので、それぞれ
の燃料電池に対する電解質の補充や保守が容易となり、
信頼性の向上、長寿命化、コストダウンが可能となる。（４）上記の特徴を有する燃料電池を組み込み、発電装
置全体をコンパクトに一体化した燃料電池発電装置は、
起動時のドレンによる燃料電池の損傷の心配もなく、ま
た、外部からのユーテイリテイーの支援も必要なく、容
易に発電できることから、一般家庭用等汎用性の高い、
低コストの発電装置を実現することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１−１】本発明による溶融炭酸塩型燃料電池の切
断面を示す概念図

【図１−２】図１−１の補足説明図

【図２】本発明による溶融炭酸塩型燃料電池の外
形構造を示す概念図

【図３】本発明の溶融炭酸塩型燃料電池を組み込
んだ発電装置の組み立て断面を示す概念図

【図４】図３の一部の水平断面を示す概念図

【図５】本発明の溶融炭酸塩型燃料電池を組み込
んだ発電装置のプロセスフローシート

【図６】従来型燃料でんちの切断面を示す概念図

【符号の説明】

１電解質板２アノード電極３カソード電極４カソード集電板４ａカソード集電板上部フランジ４ｂ１ボルト穴４ｂ２ボルト穴４ｃ小孔５アノードコルゲート板６センタープレート７カソードコルゲート板８アノード集電板９マスクプレート１０インターコネクター１０ａインターコネクター１０ｂインターコネクター（電気抵抗改良型）１０ｃ１インターコネクター（電気抵抗及び締付け力
改良型）１０ｃ２同上用シールリング１０ｃ３同上用スプリング（金属製波板等）１１絶縁スペーサー１２外部回路１３発泡金属体１４ａ絶縁材１４ｂ絶縁材１４ｃ多孔性絶縁材１５ａ絶縁兼シール材１５ｂ絶縁兼シール材１６（カソード集電板上部）蓋１６ａ（カソード集電板下部）蓋１７燃料ガス供給管１７ａアノードガス排出管１８（燃料ガス供給ヘッダーへの）接続フランジ１８ａ（アノードガス排出ヘッダー）接続フランジ１９多孔板２０ボルト２１蒸発器２２汽水分離ドラム２３ダウンカマー２４蒸発管２５飽和蒸気取り出し管２６蒸発器支持構造２７純水供給タンク２８純水供給用バルブ２９純水供給管３０蒸気過熱器３１改質器３１ａ原料ガス供給ヘッダー３１ｂ改質ガス取りだしヘッダー３２（ミキサーへの）過熱蒸気供給管３３（ミキサーへの）燃料ガス供給管３４ミキサー３５ラインミキサー３６改質ガス取りだし管３７燃料ガス貯蔵容器３８（起動用バーナーへの）燃料流量調節弁３９（改質器への）燃料ガス流量調節弁４０起動用バーナー４１（燃料電池への）燃料ガス供給ヘッダー４２燃料電池４３インターコネクター４４ａ（燃料電池締付け用）板４４ｂ（燃料電池締付け用）板４５スプリング４６（燃料電池締付け用）ボルト４７ａ電流取り出しケーブル４７ｂ電流取り出しケーブル４８インバーター４９アノードガス排出管５０（触媒燃焼器用）アノード排ガス供給ヘッダー５１（触媒燃焼器用）アノード排ガス供給管５２触媒燃焼器５３燃焼触媒５４ａハウジング内壁５４ｂハウジング外壁５４ｃハウジング内壁開口部５５ハウジング固定部５６断熱材５７（空気通路の）開閉及び開度調整可能な蓋５８燃焼ガスリサイクル管５９同上用ダンパー６０空気流量調整用ダンパー６１ブロワー６２カソードガス供給管６３原水タンク６４バルブ６５純水装置６６イオン交換樹脂６７純水容器６８バルブ（純水充填用）６９バルブ（純水供給用）６９ａ均圧弁７０浮き子式給水弁７１圧力計７２自力式圧力調節弁７３ラプチャーデイスク７４蒸気流量調節弁（自動）７４ａ蒸気流量調節弁（手動）７５蒸気流量コントローラー７５ａ蒸気流量計７６フランジまたはカップリング７７バルブ７８燃料ガス自力式圧力調節弁７９燃料ガス流量調節弁８０蒸気／燃料比例制御用コントローラー８０ａ燃料ガス流量計８１温度計８２温度計８３温度計８４モーター８５（起動用バーナー用）燃料ガス流量調節弁８６流量計

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】平板状で適正な圧縮強度と通気性を有す
る発泡金属体の両面に接してそれぞれアノード電極を配
置し、そのそれぞれの外面に接するように電解質板を配
置し、更にそのそれぞれの外側に接するように電解質板
より面積の小さいカソード電極を配置し、その全体の外
側を接するように金属板であるカソード集電板で覆い、
それによって扁平な角型チューブを形成させ、そのカソ
ード集電板のカソード電極と接する部分には貫通する多
数の小孔を設けると同時に、カソードを収納するための
カソードとほぼ同じ形状の外側への凸部を形成し、その
内側に上記カソード電極が収納されるように配置し、カ
ソード集電板の周辺部に設けた平面部は電解質板の外面
と直接接触してウエットシールを形成し、発泡金属体の
部分に水素等の燃料ガスの流し、カソード集電板の外側
には酸素と二酸化炭素を含む酸化剤ガスを流すことで、
並列状態にある一対の燃料電池を形成させることを特徴
とする溶融炭酸塩型燃料電池。
【請求項２】請求項１に示す燃料電池のカソード集電
板の片側の側面を開口し、発泡金属体とは接するが、カ
ソード集電板とは絶縁を維持するように電子導電性を有
するインターコネクターを配置し、そのインターコネク
ターの発泡金属体とは反対側の端を隣接する同型燃料電
池のカソード集電板と接続することで、複数の同型燃料
電池を直列に接続して使用することを特徴とする請求項
１に示す燃料電池。
【請求項３】請求項１に示す燃料電池の発泡金属体の
中央部で水平２分割し、その間に薄板状で導電性を有す
るインターコネクターを配置し、それをカソード集電板
とは絶縁を維持した状態で、その一端をカソード集電板
の外側まで延長させ、その部分を隣接する同型燃料電池
のカソード集電板と接続することで、複数の同型燃料電
池を直列に接続して使用することを特徴とする請求項１
に示す燃料電池。
【請求項４】請求項３に示す薄板状インターコネクタ
ーの部分を導電性を有する物質により、スプリング機能
を有するように構成し、カソード集電板とインターコネ
クターの間で、常に燃料電池の部分に締付け力が働くよ
うにしたことを特徴とする請求項１に示す燃料電池。
【請求項５】１つのハウジング内に、上から順に、蒸
気発生器、蒸気過熱器、改質器、起動用バーナー、燃料
電池、触媒燃焼器を垂直に配置し、一方、ハウジングは
二重壁構造とし、その間を空気が通る時、二重壁の内壁
面が空気予熱器としての伝熱面となるようにし、外部か
ら起動用バーナーに燃料ガスを供給、着火し、起動用バ
ーナーから上に位置する装置は起動用バーナーの燃焼ガ
スで予熱し、起動用バーナーより下に位置する装置は、
自然対流に基きハウジングの下部より導入された予熱さ
れた空気で予熱することで、起動時にドレンの発生によ
る燃料電池の損傷を心配せずに装置全体を予熱出来るよ
うにし、次いで、改質器に過熱水蒸気と炭化水素ガスを
供給し、改質されたガスは燃料電池をそのまま通過して
触媒燃焼器で燃焼され、それによって、触媒燃焼器及び
燃料電池を運転温度まで昇温し、次いで燃料電池を発電
に入れることで、外部からのユーテイリテイを使用する
ことなく、また、起動時にドレントラブルを心配するこ
となく起動出来るようにしたことを特徴とする請求項１
に示す燃料電池を使用した発電装置。