JP2003123795A - 溶融炭酸塩型燃料電池 - Google Patents

溶融炭酸塩型燃料電池

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JP2003123795A JP2002297829A JP2002297829A JP2003123795A JP 2003123795 A JP2003123795 A JP 2003123795A JP 2002297829 A JP2002297829 A JP 2002297829A JP 2002297829 A JP2002297829 A JP 2002297829A JP 2003123795 A JP2003123795 A JP 2003123795A
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忠 坤 李
Byoung Sam Kang
秉 杉 姜
Hai Kung Seo
惠 京 徐
Hee Chun Lim
希 天 林
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 本発明は溶融炭酸塩型燃料電池に関わり、発
電時に発生する熱により燃料ガス及び酸化剤ガス排出部
分に高温部が形成され、この高温部により多孔質電極の
構造変化、液相電解質の蒸発及び金属性分離板の腐食及
び変形によって燃料ガスの漏洩が発生して燃料電池の性
能及び寿命を縮める。 【解決手段】 分離板中央部に燃料ガス及び酸化剤ガス
導入マニホールドを設け、また分離板の両側面に反応
後、ガスの排出のためのマニホールドを設けて燃料ガス
及び酸化剤ガスの流路長さを短縮させてガス流れによっ
て発生する圧力を減少させて多量の酸化剤ガスの供給を
可能にし、高温部の発生を抑制することにより、燃料電
池の発電プラントとして信頼性を向上させるようになっ
ている。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は電解質として溶融炭
酸塩を用いた燃料電池に関わり、特に単位電池(Unit Ce
ll)内部の高温部から発生する高温を抑制し、材料の熱
化による燃料ガスの漏洩を防止することにより、高い信
頼性を有する溶融炭酸塩型燃料電池に関するものであ
る。
【０００２】
【従来の技術】既に知られているように、燃料電池は電
気化学反応により化学エネルギーを電気エネルギーに変
換させる発電装置として優れた環境親和性と高い発電効
率を有することにより、新たな電気エネルギー源で脚光
を浴びているところ、かかる燃料電池は燃料供給により
持続的に発展する特性を有しているものであって、主に
燃料としては水素を利用し、かつ空気中の酸素を利用し
て水素の酸化及び酸素の還元過程を通じて水を発生させ
ながら、電気を生産するシステムである。
【０００３】特に、燃料電池の中で溶融炭酸塩型燃料電
池は炭酸塩の溶融物を電解質として用いて作動温度が６
５０℃と高いので、電気化学反応速度が速くて低温型電
池とは異なり炭酸塩となった電解質が高温で溶融状態に
なって電極反応を起こすので、相対的に高温で発電する
ものとして、水素の酸化及び酸素の還元には高価な白金
のような貴金属触媒が不要なので一酸化炭素のような被
毒性ガスの利用が容易であり、石炭ガスを利用できると
いう特徴を有しており、かつ電気と高温の廃熱を用いて
約８０％以上の高い熱効率を期待できる特徴がある。
【０００４】このような溶融炭酸塩型燃料電池は水素の
酸化及び酸素の還元反応を円滑に進行するために広い表
面積の多孔性電極を用い、この二つの電極の間にセラミ
ック多孔体に含浸された溶融炭酸塩が、主に水素で構成
された燃料と酸素で構成された酸化剤の直接接触を防
ぎ、空気極から生成されたカーボネートイオン(Ｃ
Ｏ3 2-)が燃料極に移動する通路の役割を遂行することに
なる。
【０００５】 Ｈ2＋ＣＯ3 2- → Ｈ2＋ＣＯ2+２e- (燃料極) １／２Ｏ2＋ＣＯ2＋２e- → ＣＯ3 2- (空気極) しかしながら、一つの電池である単位電池(unit cell)
は理論的起電力が約１Ｖで低くて実際使用するには不適
切である。かかる単位電池は伝導体である分離板を通し
て積層されることにより、適切な容量の発電システムで
構成して用いるようになる。
【０００６】即ち、単位電池は一対の多孔質電極板（燃
料極及び空気極）とこの二つの間に存在するアルカリ炭
酸塩からなった電解質板で構成され、これらの単位電池
は伝導性の分離板を媒介して積層され、分離板は各単位
電池間の電気的な接触を提供すると同時に燃料極に燃料
ガスの流路と空気極に酸化剤ガスの流路を提供する役割
をする。
【０００７】このような積層構造の燃料電池は反応ガス
の分配及び回収機能を有するマニホールドが必要となる
が、反応に必要なガスは入口マニホールドを通して供給
され、空気極及び燃料極反応を経た後に反対側マニホー
ルドを通して外部に排出することになる。そして、各単
位電池には電池内部に燃料及び酸化剤の混合を防止する
ため溶融炭酸塩によりウェットシール(wet seal)部が形
成されている。また、燃料電池本体とマニホールド間の
漏洩を防止するためのウェットシール(wet seal)部も形
成されている。
【０００８】しかし、燃料電池の場合、燃料が有してい
るエネルギーの一部が電気エネルギーに変わることにな
り、残りは主に熱に変わることになる。従って、積層燃
料電池の場合、積層の程度に従って発熱量が異なること
になるが、積層が多ければ多いほど発熱量が多くなって
ガスの出口部分で高温部が発生するようになる。
【０００９】斯かる高温は燃料電池構成要素である電
極、電解質及び分離板に影響を及ぼすところ、即ち、多
孔質電極において、高温による多孔構造の変化、液相電
解質の蒸発、金属分離板の腐食増大により電解質消耗及
び分離板の変形、さらに、斯かる原因による燃料ガスの
漏洩が発生して燃料電池本体の寿命を大きく短縮させる
ことになる。
【００１０】このような高温部の発生を抑制するために
流路が遥かに多く空気が主成分である酸化剤ガスを過剰
に供給して冷却させる方式を主に用いているが、しか
し、決められた流路で過剰の空気供給は流路でのガス移
動に抵抗を提供して圧力の上昇を誘発させるようにな
る。
【００１１】通常の溶融炭酸塩型燃料電池は多孔性セラ
ミックに含浸された電解質によりウェットシール(wet s
eal)の形態で燃料及び酸化剤ガスが隔離されている。し
かし、高温部の抑制のため過量の酸化剤の供給は流路で
の過多な圧力の上昇が発生してウェットシール(wet sea
l)の破壊による燃料ガスの漏洩が誘発されて燃料電池本
体の寿命を大きく制約することになる。
【００１２】もう一つの方法としては、電極反応の程度
を低くし、即ち、電流密度を低くして少ない発熱量で高
温部の発生を抑制する方法を使用することが出来る。し
かし、低い電流密度は高出力の発電プラントとして溶融
炭酸塩型燃料電池の用途を大きく制約することになる。
【００１３】一方、従来技術のうち、燃料電池本体に内
部及び外部マニホールドを使用し、燃料ガスの導入及び
排出は内部マニホールドを用いて中央で分配して両側面
の内部マニホールドを利用し排出する反面、ガス量が多
くて冷却に主に用いられる酸化剤ガスは外部マニホール
ドを用いて積層燃料電池の一側面から反対側面へ流れる
ようにする形態及び方式として、長い酸化剤ガス流路に
より多量の酸化剤ガス使用時、圧力発生によって燃料ガ
ス漏洩を避けられない短所を有している（特許文献１参
照）。
【００１４】また、前述の特許文献１と技術が類似して
おり、燃料ガスが分離板の両側面の内部マニホールドか
ら供給されて中央の内部マニホールドに集って排出され
る形態であって、燃料ガス及び酸化剤ガスが直交する特
徴を有しているが、主に燃料電池本体の冷却を担当する
酸化剤ガスは外部マニホールドを通して積層燃料電池の
一側面から反対側面へ流れるので、長いガス流路によっ
て発生する圧力により多量の酸化剤ガスの供給が難しい
という短所を有している（特許文献２参照）。
【００１５】
【特許文献１】特開昭６２−２０２４６５号公報
【００１６】
【特許文献２】特開昭６１−２４８３６４号公報
【００１７】
【発明が解決しようとする課題】そこで、本発明は前記
のような従来の問題点を解決するために発明したものと
して、即ち、従来の溶融炭酸塩型燃料電池は発電に従う
発熱によって出口部分で高温部が発生することになる
が、斯かる高温部は燃料ガスの漏洩を誘発して燃料電池
の寿命と用途に多大な悪影響を及ぼすので、単位電池内
部で発生する高温を抑制して燃料ガスの漏洩を防止した
改善された溶融炭酸塩型燃料電池を提供することにその
目的がある。
【００１８】
【課題を解決するための手段】前記のような目的を達成
するための本発明は、電解質板を挟んで多孔質の燃料極
と空気極である電極板が配置され、それぞれの電極板に
分離板が配置されて単一単位電池を構成し、この単位電
池が複数個積層されてなる燃料電池において、前記単位
電池の本体を構成する分離板には、この中央部分に燃料
ガスの導入と酸化剤ガスの導入のために等間隔に中央導
入内部マニホールドを備えており、この中央導入内部マ
ニホールドから両側面へ燃料ガスと酸化剤ガスの流路を
形成するだけでなく、反応された燃料ガスと酸化剤ガス
とが排出できるように両側面に排出内部マニホールドを
備えてなることを特徴としている。
【００１９】
【発明の実施の形態】以下、本発明を、添付された例示
図面に基づいて詳細に説明する。
【００２０】図１は、本発明による燃料電池の部分切開
分離斜視図であり、図２は、本発明の要部である分離板
の部分切開拡大斜視図であり、図３は、図２の平面図、
図４は、図１でエンドプレートを除去した状態で見た結
合部分平面図及び、図５は、図４のＩ−Ｉ線断面図であ
る。
【００２１】本発明は、電解質板１０を挟んで多孔質の
燃料極と空気極である電極板９a，９b，１１a，１１bが
配置され、それぞれの電極板９a，９b，１１a，１１bに
分離板３が配置されて単一単位電池８を構成し、この単
位電池８が複数個積層されてなる燃料電池において、前
記単位電池８の本体１を構成する分離板３にはこの中央
部分に燃料ガスＲの導入と酸化剤ガスＯの導入のために
等間隔に中央導入内部マニホールド１２a，１３aを備え
ており、この中央導入内部マニホールド１２a，１３aか
ら両側面へ燃料ガスＲと酸化剤ガスＯの流路を形成する
だけでなく、反応された燃料ガスＲと酸化剤ガスＯが排
出できるように両側面に排出内部マニホールド１２b，
１２c，１３b，１３cを備えてなる構造から成ってい
る。
【００２２】一方、図１のうちの参照符号１は全体が長
方形である単位電池８が複数個積層されて設置された状
態を示した燃料電池本体であり、この燃料電池の本体１
は上部のエンドプレート２aと下部のエンドプレート２b
の間に複数の単位電池８が分離板３を媒介して積層構造
からなっており、前記単位電池８はニッケル系合金から
なる一対の多孔質の燃料極電極板９a，９b、かつ、ニッ
ケル系合金からなる一対の多孔質の空気極電極板１１
a，１１bの間に電解質板１０が位置して構成されている
が、ここで、前記多孔質の燃料極電極板９a，９b及び多
孔質の空気極電極板１１a，１１bは、所定の間隔Ｄを置
いて分割されている。そして、前記電解質板１０は、例
えば、炭酸リチウムか、あるいは炭酸カリウム等を混合
して作った溶融炭酸塩電解質をリチウムアルミネート等
のセラミック系担持体に含浸させたものである。
【００２３】図２に示されたように、分離板３は空気極
側のマスクプレート４aと燃料極側のマスクプレート４b
の間にガスが通過できるよう作った空気極波板５a，５
b、かつ燃料極波板７a，７b（裏面にあるため図示せ
ず）がセンタープレート６を挟んで位置している。空気
極及び燃料極マスクプレート４a，４bは電解質板１０と
直接接触する部分として燃料電池が正常作動時には腐食
性の溶融炭酸塩電解質に露出される部分である。この部
分の腐食を防止しようと空気極及び燃料極マスクプレー
ト４a，４bは例えば、ステンレス鋼(ＳＴＳ ３１６等)
の表面に電解質板１０と直接接触される部分に対して耐
蝕性表面処理、例えば、アルミニウム表面処理等を実施
する。かつ、空気極波板５a，５bは、例えば、ステンレ
ス鋼(ＳＴＳ ３１６等)を使用し、燃料極波板７a，７b
は例えば、ステンレス波板(ＳＴＳ３１６等)にニッケル
を掛けたものを使用する。
【００２４】また、前記分離板３には酸化剤ガス及び燃
料ガスの導入と排出のため内部マニホールドが位置して
いる。ここで、前記酸化剤ガス用内部マニホールド１２
a，１２b，１２cにはセンタープレート６と燃料極側マ
スクプレート４bが接合されているので、この酸化剤ガ
ス用内部マニホールド１２a，１２b，１２cは空気極ガ
スである酸化剤ガスだけが通過するようになる。
【００２５】これに比べて燃料ガス用内部マニホールド
１３a，１３b，１３cは反対にセンタープレート６と空
気極側マスクプレート４aが接するようになっているの
で、燃料ガスだけがこの燃料ガス用内部マニホールド１
３a，１３b，１３cを通過できるようになっている。そ
して、センタープレート６と両極のマスクプレート４
a，４bは分離板３周辺部で接合されているので、ガスの
漏洩が発生しないようになっている。
【００２６】一方、図３で分かるように、中央の燃料ガ
ス用の中央導入内部マニホールド１３a及び酸化剤ガス
用の中央導入内部マニホールド１２aを通して単位電池
８に導入された燃料ガス及び酸化剤ガスは電極部分にお
いて、発電に必要な電気化学反応に参与した後、それぞ
れの排出内部マニホールド１３b，１３cと１２b，１２c
とを通して排出するようになる。
【００２７】この場合、導入された燃料ガス及び酸化剤
ガスは両側に分散され排出されるので、それぞれの排出
内部マニホールド１３b，１３cと１２b，１２cは燃料ガ
ス用の中央導入内部マニホールド１３aと酸化剤ガス用
の中央導入内部マニホールド１２aに比べて小さく設け
ることが出来る。
【００２８】また、燃料電池本体１の上部に位置するエ
ンドプレート２aは下端面に燃料極マスクプレート４b及
び燃料極波板７a，７bが設けられている反面、下部に位
置したエンドプレート２bには上端面に空気極マスクプ
レート４a及び波板５a，５bが設けられている。そし
て、下部エンドプレート２bの中央部には中央導入内部
マニホールド１２a，１３aに燃料ガスＲ及び酸化剤ガス
Ｏを導入するマニホールド連結管１４a，１５aがそれぞ
れ設置されており、これらは燃料ガス導入用のマニホー
ルド１６a，酸化剤ガス導入用のマニホールド１７aにそ
れぞれ連結されており、最終的には燃料ガス用の導入口
１８a及び酸化剤ガス用の導入口１９aと連結されてい
る。
【００２９】次に、本発明の作動を説明すると、燃料電
池が所定の作動温度まで上昇することになると電解質が
溶融して空気極マスクプレート４a及び燃料極マスクプ
レート４bと電解質板１０の間にウェットシールが形成
されて燃料ガスＲと酸化剤ガスＯとが接触されないよう
になる。この状態では多孔質の燃料極電極板９a，９bと
多孔質の空気極電極板１１a，１１bで電気化学反応が発
生することになり、燃料電池は電気エネルギーを発生す
ることになる。
【００３０】即ち、 燃料極及び空気極導入用のマニホ
ールド連結管１５a，１４aを通して供給された燃料ガス
Ｒ及び酸化剤ガスＯは図４の燃料電池本体の断面図（図
５）に示されたように、燃料ガス用の中央導入内部マニ
ホールド１３aと酸化剤ガス用の中央導入内部マニホー
ルド１２aで各単位電池で垂直方向に分配されるように
なり、分配された各ガスは水平方向に移動して発電に必
要な反応を遂行した後、両端の燃料ガス用の排出内部マ
ニホールド１３b，１３c、かつ酸化剤ガス用の排出内部
マニホールド１２b，１２cを通して下部に移動した後、
燃料ガス用のマニホールド連結管１５b，１５cと酸化剤
ガス用のマニホールド連結管１４b，１４cを通してそれ
ぞれ燃料ガス排出用のマニホールド１６b，１６c、かつ
酸化剤ガス排出用のマニホールド１７b，１７cを通して
燃料ガス用の排出口１８b，１８cに次ぎ、酸化剤ガス用
の排出口１９b，１９cを通して排出することになる。
【００３１】一方、図６は積層燃料電池が一定条件で電
極幅(流路長さ)による空気極(cathode)に発生する圧力
と、この際の最高温度を計算で推定した結果を示したグ
ラフである。このグラフで分かるように電極幅（流路長
さ）の増加により空気極で発生する圧力が増加すること
が分かるし、また、電池本体の最大温度が上昇すること
が分かる。即ち、電極幅が大きくなることにより発熱量
が多くなり、冷却がさらに必要であることが分かる。
【００３２】そして、電極幅が小さくなることにより空
気極に発生する圧力が小さいことが分かる。従って、本
発明のように電極幅(流路長さ)を折半に減らすことによ
り空気極に発生する圧力が減ることになり、より多量の
酸化剤ガスを供給することが可能になり、燃料電池本体
での高温部の高温発生を抑制出来る機能を持つようにな
る。
【００３３】
【発明の効果】以上で詳述したように、本発明によると
燃料電池内の高温部で高温の発生が抑制されて燃料ガス
漏洩が防止されるので、より発電プラントに適合した高
信頼性の燃料電池を提供することが出来る。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明による燃料電池の部分切開分離斜視図
である。
【図２】 本発明の要部である分離板の部分切開拡大斜
視図である。
【図３】 図２の平面図である。
【図４】 図１でエンドプレートを除去した状態で見た
結合部分平面図である。
【図５】 図４のΙ―Ι線断面図である。
【図６】 本発明の燃料電池における電極幅(流路長さ)
による排出温度と圧力の相関関係を示したグラフであ
る。
【符号の説明】
１ 本体、２a，２b エンドプレート、３ 分離板、４
a，４b マスクプレート、５a，５b 空気極波板、６
センタープレート、７a，７b 燃料極波板、８単位電
池、９a，９b 燃料極電極板、１０ 電解質板、１１
a，１１b 空気極電極板、１２a，１３a 中央導入内部
マニホールド、１２b，１２c，１３b，１３c排出内部マ
ニホールド、１４a，１４b，１４c，１５a，１５b，１
５c マニホールド連結管、１６a，１６b，１６c，１７
a，１７b，１７c マニホールド、１８a，１９a 導入
口、１８b，１８c，１９b，１９c 排出口、Ｒ 燃料ガ
ス、Ｏ酸化剤ガス、Ｄ 間隔。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 姜 秉 杉 大韓民国、テジョン、ユソン−グ、ジェオ ンミン−ドン、460−１、サムスンプレウ ン・アパートメント、108−203 (72)発明者 徐 惠 京 大韓民国、テジョン、テドゥク−ク、ベオ プ−１・ドン、ズーゴン・アパートメン ト、210−911 (72)発明者 林 希 天 大韓民国、テジョン、セオ−グ、サムチュ ン−ドン、グクワドンスン・アパートメン ト、104−1211 Ｆターム(参考） 5H026 AA05 CC08

Claims (5)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 電解質板を挟んで多孔質の燃料極と空気
    極である電極板が配置され、それぞれの電極板に分離板
    が配置されて単一単位電池を構成し、この単位電池が複
    数個積層されてなる燃料電池において、前記単位電池の
    本体を構成する分離板にはこの中央部分に燃料ガスの導
    入と酸化剤ガスの導入のために等間隔に中央導入内部マ
    ニホールドを備えており、この中央導入内部マニホール
    ドから両側面へ燃料ガスと酸化剤ガスの流路を形成する
    だけでなく、反応された燃料ガスと酸化剤ガスとが排出
    できるように両側面に排出内部マニホールドを備えてな
    ることを特徴とする溶融炭酸塩型燃料電池。
  2. 【請求項２】 前記分離板の中央に位置してそれぞれの
    燃料ガス及び酸化剤ガスを導入する中央導入内部マニホ
    ールドは、これらにそれぞれ連通されて両側面に位置し
    たそれぞれの燃料ガス及び酸化剤ガス用の排出内部マニ
    ホールドの断面積より大きく形成されてなることを特徴
    とする請求項１に記載の溶融炭酸塩型燃料電池。
  3. 【請求項３】 前記酸化剤ガス用の中央導入内部マニホ
    ールド及び排出内部マニホールドにはセンタープレート
    と燃料極マスクプレートが接合されることにより、酸化
    剤ガスのみ通過するようにしたことを特徴とする請求項
    １に記載の溶融炭酸塩型燃料電池。
  4. 【請求項４】 前記燃料ガス用の中央導入内部マニホー
    ルド及び排出内部マニホールドにはセンタープレートと
    空気極マスクプレートが接合されることにより、燃料ガ
    スのみ通過するようにしたことを特徴とする請求項１に
    記載の溶融炭酸塩型燃料電池。
  5. 【請求項５】 前記センタープレートと燃料極と空気極
    の両極のマスクプレートは分離板周辺で密封接合されて
    いることを特徴とする請求項３または請求項４に記載の
    溶融炭酸塩型燃料電池。
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