JP2010108933A - 高温用燃料電池分離板 - Google Patents

Abstract

【課題】 本発明は高温用燃料電池分離板に関する。
【解決手段】 本発明は、水素が含まれた燃料ガス流路と、システムの酸素／窒素分離器から供給されて電気化学反応に参加する酸素成分が主に含まれた酸化剤ガス流路と、燃料電池の発展時に発生する熱を除去するための窒素成分が含まれた冷却ガス流路を含んで構成することによって、酸素分圧の増加によって燃料電池スタックの性能向上を通じた全体的な燃料電池システム効率の向上を図り、窒素成分を含んだ冷却ガスの流れによって燃料電池発展時に発生する熱による高温部の発生を抑制して、燃料電池スタックの信頼性を向上することができる高温用燃料電池分離板を提供する。
【選択図】図１

Description

本発明は高温用燃料電池分離板に係り、さらに詳細には、燃料電池システムの酸素／窒素分離器から供給されるそれぞれの酸素成分及び窒素成分を効率的に活用して、スタックの性能を極大化し、且つ高温部の形成を抑制して、スタックの信頼性を向上することができる高温用燃料電池分離板に関する。

一般的に、燃料電池は燃料として水素を用い、酸化剤として空気中の酸素を用いて、これらの酸化及び還元反応によって水を発生させて発展する発展システムである。

これは既存の他の発展システムとは異なり、公害及びノイズがほとんどなく、発展効率が高くて、次世代代替エネルギーとして脚光を浴びている。

特に、高温型燃料電池である溶融炭酸塩燃料電池または固体酸化物燃料電池は５００℃以上の高温で発展するシステムとして、水素の酸化及び酸素の還元に白金などの貴金属触媒が必要ではなくて、一酸化炭素のような被毒性ガスの使用が容易であり、石炭ガスを燃料として用いることができるという特徴を有しており、且つ高温の廃熱を利用することができるので、効率が高いという特徴を有している。

燃料電池の単位電池は電気化学反応が起きる燃料極及び空気極と、燃料ガス及び酸化剤ガスの流路を形成する分離板と、電荷を捕集する集電板と、イオン伝導をする電解質／支持体で構成される。また、このような単位電池を多層として積層したことをスタックという。この時、前記分離板は、各単位電池間の電気的な接続を提供すると共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とを提供する役割を果たす。しかし、このように構成される燃料電池の場合、燃料が有するエネルギーの一部が電気エネルギーに変わり、残りは大部分熱に変わる。このような発熱量によってスタックの内部に高温部が発生する。

前記高温部は、燃料電池の各構成要素である電極、電解質及び分離板に悪影響を及ぼす。すなわち、多孔質電極において高温による多孔構造の変化、金属分離板の腐食増大及び変形、そしてこのような原因による燃料ガスの漏洩が発生して、燃料電池スタックの寿命を大きく短縮させることができる。

したがって、このような高温部の発生を抑制するための従来の技術として、空気が主成分である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る技術が特許文献１に記載されている。前記技術は多量の酸化剤ガスの供給ができるようにして高温部の発生を抑制する。特許文献２及び特許文献３は、改質反応に必要な熱がスタックの発熱量から供給されて高温部の発生を抑制する技術である。

一般的に、酸化剤ガスを過剰供給する方式の分離板は、燃料ガスである水素と、二酸化炭素が移動する燃料極流路と、空気と二酸化炭素が移動する空気極流路とを有し、それぞれの燃料極部と空気極部が順次に位置する特徴を有している。しかし、決められた流路で過量のガス移動に対する抵抗を提供し、圧力の上昇を誘発するので、高温型燃料電池のうち、溶融炭酸塩燃料電池は多孔性セラミックに含浸された電解質によってウェットシール（Ｗｅｔ Ｓｅａｌ）の形態として燃料及び酸化剤ガスが隔離されている。したがって、高温部抑制のために過量の酸化剤を供給すれば、流路で過多な圧力上昇が発生し、ウェットシールが破壊されることによって、燃料ガスの漏洩が起き、燃料電池スタックの寿命が大きく低下する。現在までこのような問題点は、加圧型システムを駆逐して解決したが、システムが非常に複雑であり、運転が難しいという制約条件が残っている。

また、内部改質反応を利用してスタックの高温部を抑制する方式の分離板は、電極反応で生成された発熱量を改質反応の吸熱に利用するように分離板の内部に
改質室が含まれている構造を有している。しかし、改質触媒が含まれている構造を有しているので、改質触媒の被毒によってスタックの寿命を制約することができ、また、石炭ガスを利用する場合、生産された水素を再びメタンとして切り替えて使わなければならないという短所がある。

また、従来技術の中には酸素／窒素分離器を利用して酸化剤ガスとして酸素を用いる方式がある。これは空気極に酸素分圧を高めてスタックの性能を向上するためのこととして、前記スタックの性能向上を通じて内部発熱量を減らす効果を有することができるが、窮極的に、スタックの高温部を抑制する効果は制限的である。

米国特許第７０９７９２９Ｂ２号 米国特許第００５１７５０６２Ａ号 米国特許第００５６６０９４１Ａ号

本発明の目的は、燃料電池の分離板の内部に酸素と窒素の流路を分離して、電気化学反応が起きる空気極の流路に酸素の分圧を高めることによって、従来の燃料電池より、性能の向上だけでなく、その他窒素ガスの流路を通じて発展時に発生する熱を効率的に除去することができる高温用燃料電池分離板を提供することにある。

前記目的を解決するために、本発明は、高温用燃料電池分離板において、電極板である燃料極及び空気極と、前記一対の電極の間で密封を形成する一対のマスク板と、前記一対の電極と電気的な連結を形成する集電体と、燃料気体及び空気が混合することを抑制するひだ板を含んで構成されることを特徴とする。

望ましい実施形態として、前記マスク板、集電体、ひだ板の両側面に形成された内部マニホールドの密封役割と窒素ガス流路の高さを担当する支持台が燃料極ひだ板及び空気極ひだ板の間にさらに含まれることを特徴とする。

また、前記分離板の間を流れる燃料気体中、燃料ガスは分離板の内部マニホールドを通じて燃料極集電体と燃料極ひだ板との間に流れ、酸化剤ガスは分離板の内部マニホールドを通じて空気極ひだ板と空気極集電体との間に流れ、スタック冷却のための窒素ガスは外部マニホールドを通じて燃料極ひだ板と空気極ひだ板との間に流れることを特徴とする。

本発明に係る高温用燃料電池分離板によると、従来の燃料電池分離板の空気極流路を、それぞれの酸素流路と窒素流路として分離し、酸素流路を通じて空気極の酸素分圧を高めて燃料電池性能を極大化させ、窒素流路を通じてスタック内の高温部の発生を抑制し、温度分布を均一に調節して、スタックの信頼性を向上させる一方、過剰酸化剤ガスの供給または内部改質触媒の使用を通じて費用を節減することができる。

本発明に係る高温用燃料電池分離板を示す分解斜視図である。 本発明のまた他の実施形態に係る高温用燃料電池分離板の分解斜視図である。 図２の高温用燃料電池分離板の一部切開斜視図である。

以下、添付図面を参照して本発明の構成に対して詳細に説明する。

図１は、本発明に係る高温用燃料電池分離板を示す分解斜視図であり、図２は、本発明のまた他の実施形態に係る高温用燃料電池分離板の分解斜視図であり、図３は、図２の高温用燃料電池分離板の一部切開斜視図である。

本発明は、緻密な電解質層の両側に燃料極１０と空気極８０からなる２つの電極板を設け、ここにそれぞれ水素を含んだ燃料気体と酸素を含んだ空気とを供給して、電解質層にイオン伝導現像を誘導させた後、これを利用して電気化学的に燃料に含まれた水素と空気に含まれた酸素とを反応させて、燃料の化学エネルギーから電気を生産する燃料電池において、図１に示すように、燃料電池分離板の構成は、電極板である燃料極１０及び空気極８０と、前記一対の電極の間で密封を形成する一対のマスク板２０、７０と、前記一対の電極と電気的な連結を形成する集電体３０、６０と、燃料気体及び空気が混合することを抑制するひだ板４０、５０とを含んで構成される。

この時、前記マスク板２０、７０は燃料極１０と燃料極集電体３０との間で密封を形成する燃料極マスク板２０及び空気極集電体６０と空気極８０との間で密封を形成する空気極マスク板７０からなる。

また、前記集電体３０、６０は、燃料極１０と電気的な連結を実行する燃料極集電体３０及び空気極８０と電気的な連結を実行する空気極集電体６０として区分される。

前記ひだ板４０、５０は、水素成分を含む燃料ガス、窒素ガスが混合することを防止する燃料極ひだ板４０、及び窒素ガスと酸素ガス成分の酸化剤ガスが混合することを防止する空気極ひだ板５０からなる。

そして、前記マスク板２０、７０、集電体３０、６０、及びひだ板４０、５０の両側面に形成された内部マニホールド２１ａ、２１ｂ、７１ａ、７１ｂの密封役割と窒素ガス流路の高さを担当する支持台９０がさらに含まれる。

一方、図２に示した他の実施形態は、図１において、分離板の内部マニホールド２１ａ、２１ｂ、７１ａ、７１ｂの密封役割と、窒素ガス流路の高さを担当する支持台９０の部分を除去し、各燃料極ひだ板４０と空気極ひだ板５０とを利用して支持台役割を担当する。

以下、本発明に係る高温用燃料電池分離板において、燃料気体と空気の流れを図３に示した添付図面を参照して説明する。

まず、燃料ガス１１は分離板の両側に形成された内部マニホールド２１ａ、２１ｂを通じて燃料極集電体３０と燃料極ひだ板４０との間に流れ、酸化剤ガス８１は分離板の両側に形成された内部マニホールド７１ａ、７１ｂを通じて空気極ひだ板５０と空気極集電体６０との間に流れる。

一方、スタック冷却のための窒素ガス５１は、外部マニホールド（図示せず）を通じて燃料極ひだ板４０と空気極ひだ板５０との間に流れる。

このような分離板の構成を通じて空気極８０に流れるガス成分のうち、酸化剤ガス８１は酸素分圧を極大化させて、スタックの性能を向上させ、窒素ガス５１はスタック内の高温部の発生を抑制させて、温度分布を均一に調節することによって、スタックの耐久性を向上させる。

以上では、本発明の望ましい実施形態を参照して説明したが、本発明はここで説明される実施形態に限定されず、該当の技術分野の熟練された当業者であれば、特許請求の範囲に記載した本発明の思想及び領域から逸脱しない範囲内で、本発明を多様に修正及び変更することができる。

１０ 燃料極
２０ 燃料極マスク板
３０ 燃料極集電体
４０ 燃料極ひだ板
５０ 空気極ひだ板
６０ 空気極集電体
７０ 空気極マスク板
８０ 空気極
９０ 支持台

Claims (6)

1. 高温用原料電池分離板において、
   電極板である燃料極及び空気極と、
   前記一対の電極の間で密封を形成する一対のマスク板と、
   前記一対の電極と電気的な連結を形成する集電体と、
   燃料気体及び空気が混合することを抑制するひだ板とを含んで構成されることを特徴とする高温用燃料電池分離板。
2. 前記マスク板、集電体、及びひだ板の両側面に形成された内部マニホールドの密封役割と窒素ガス流路の高さを担当する支持台が燃料極ひだ板及び空気極ひだ板の間にさらに含まれることを特徴とする請求項１に記載の高温用燃料電池分離板。
3. 前記マスク板は、燃料極と燃料極集電体との間で密封を形成する燃料極マスク板及び空気極集電体と空気極との間で密封を形成する空気極マスク板からなることを特徴とする請求項１に記載の高温用燃料電池分離板。
4. 前記集電体は、燃料極と電気的な連結を実行する燃料極集電体及び空気極と電気的な連結を実行する空気極集電体からなることを特徴とする請求項１に記載の高温用燃料電池分離板。
5. 前記ひだ板は、水素成分を含む燃料ガス、窒素ガスが混合することを防止する燃料極ひだ板、及び窒素ガスと酸素ガス成分の酸化剤ガスが混合することを防止する空気極ひだ板からなることを特徴とする請求項１に記載の高温用燃料電池分離板。
6. 前記分離板の間を流れる燃料気体のうち、燃料ガスは分離板の内部マニホールドを通じて燃料極集電体と燃料極ひだ板との間に流れ、酸化剤ガスは分離板の内部マニホールドを通じて空気極ひだ板と空気極集電体との間に流れ、スタック冷却のための窒素ガスは外部マニホールドを通じて燃料極ひだ板と空気極ひだ板との間に流れることを特徴とする請求項１に記載の高温用燃料電池分離板。

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