JP2573721B2 - 内部において完全にマニホルドをなす燃料電池スタック - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は内部多岐集配とされた燃料電池スタック、と
りわけ長期間にわたって安定性となすために電解質と金
属の隔離板との間においてのみウエットシールを有する
完全に内部多岐集配とされた電池スタックを密封するた
めの方法と過程に関する。

一般的に、燃料電池電気出力単位は不活性なあるいは
双極性（bi−polar）の電子伝導性を持っている鉄金属
隔離板によって分離されている積み重ねられた多数の個
別電池から構成されている。個々の電池は一緒にサンド
イッチされ、単一の積み重ねられた単位に固定化され、
望みの燃料電池エネルギー出力を達成している。個々の
電池は一般的にアノード、カソードの電極と、共通の電
解質タイルと、燃料ガス源とオキシダントガス源とを含
む、燃料ガスとオキシダントガスの両者はともに、マニ
ホルドを通して隔離板と電解質タイルの間にある個々の
反応室に導き入れられる。燃料ガスとオキシダントガス
の分離を維持し、あるいはガス漏出を最小限にするため
の電解質とその他の電池部分との間にある接触領域は、
ウエットシールとして知られている。早発の燃料電池の
故障を引き起こす主要な要因は、ウエットシール領域に
おける腐食と疲労である。このような故障は、高温にお
ける腐食性電解質接触と、内部結晶体を通る構造の弱化
や結晶体を横断するひび割れを引き起こす電池の熱サイ
クルの間における大きな温度変化から生じる高熱応力に
よって早められる。このような故障は、望ましくない燃
料ガスと、あるいはオキシダントガスの交差や外部への
ガス漏出を許容し、外部へのガス漏出は、意図されてい
る酸化還元反応を中断し、それによって、故障と電流の
発生の最終的な停止とを生じている。摂氏約500度から7
00度の範囲で燃料電池が作動する状態において、溶融炭
酸塩電解質は鉄金属をよく腐食させ、鉄金属はその強度
のおかげで、燃料電池収納器や隔離板にとって必要にな
っている。溶融炭酸塩電解質のスタックの高温での操作
は、とりわけ隣接する材料の熱膨張係数が異なっている
時には、ウエットシール領域における腐食と熱によるひ
ずみの問題の両者を増大させる。

本発明は電解質と金属とのウエットシールを活用する
やり方で、集成されたスタックの個々の電池に対して燃
料ガスやオキシダントガスを完全に内部多岐集配される
もので、そのウエットシールは電池部分の設計のおかげ
で、燃料電池の作動の長期的な耐久性と安定性を備えて
いる。

〔従来技術〕

商業的に生き残ることができる溶融炭酸塩燃料電池ス
タックは、約600個の個別的な電池を包含し、その個々
の電池は約８平方フィートのオーダーの平らな領域を備
えている。そのような個々の電池を積み重ねる時には、
隔離板は燃料とオキシダントによって個々の電池を分離
し、燃料とオキシダントはそれぞれ隔離板組の間に導入
され、燃料は隔離板の一方の面と電解質マトリックスの
アノード側との間に導入され、オキシダントは隔離板の
他方の面と第２の電解質マトリックスのカソード側との
間に導入される。

燃料電池の開発において強調されている点は、燃料電
池スタックから物理的に分離することができるチャンネ
ルマニホルドを使用することによる燃料ガスやオキシダ
ントガスを外部的に多岐集配することであった。しかし
ながら、個々の電池の入口と出口とは、それぞれの入口
や出口のマニホルドに対して開かれなければならず、そ
の入口と出口のマニホルドは、燃料電池の外部に固定し
ておかなければならない。電気的な短絡を阻止するため
には、金属マニホルドと電池スタックとの間において、
絶縁体が使用されなければならない。外部多岐集配は、
電池スタックの潜在的な勾配に沿ったガスケットの内部
における炭酸塩のポンプ作用を阻止する一方において、
マニホルド／マニホルドガスケット／電池スタックの界
面において適切なガスシールを維持することにおいて、
深刻な問題を提起している。金属マニホルドを電池スタ
ックから絶縁するさまざまな組合せが使用されてきた
が、高温溶融炭酸塩燃料電池が作動する状態において、
炭酸塩を浸透させない一方において、ガスを密封し電気
的な絶縁性を持つ滑りシールを備えるという困難さがあ
って、満足できる解決は見つかっていない。より多数の
電池とより大きな領域が電池スタックの中において使用
されれば、多岐集配と密封の問題はより厳しくなる。よ
り多くの数の電池が使用されれば、スタックの高さに沿
ったシール領域において炭酸塩を駆動する電位は増加
し、電池の平面領域が増加すると、個々の部分の線公差
や個々の部分の側面配列は、マニホルド／マニホルドガ
スケット／電池スタックの間で密封されている合致する
面を維持するために保持することは困難である。

600個の電池を包含する電池スタックは約10フィート
の高さになることができ、外部マニホルドに必要とされ
ている堅さやマニホルドを電池スタックに固定するため
に必要とされている固定力の適用という深刻な問題を提
起している。電池の組立と電池の作動状態の間での熱勾
配曲線のために、差異のある熱膨張、マニホルドに使用
されている材料の必要な力、緊密な公差、非常に困難な
工学上の問題などが提起されている。

通常、個々の溶融炭酸塩燃料電池のスタックは、隔離
板の周辺部の周囲に間隔保持小板を備えて構築され、ウ
エットシールを形成し、入口の排気のマニホルドを形成
している。高温燃料電池のウエットシール領域の環境の
中において密封するさまざまな手段が、米国特許第4,57
9,788号、同第3,723,186号、同第4,160,067号、同第3,8
67,206号、同第4,761,348号、同第4,329,403号、同第3,
514,333号明細書において開示されている。米国特許第
4,579,788号明細書は、ウエットシールストリップが粉
末冶金技術を使用することによって製造されることを教
えている。米国特許第3,723,186号明細書は電解質それ
自体が、電解質の周囲の区域にある不活性な材料から構
成され、電解質とフレームあるいはハウジングとの間に
不活性な周辺シールを確立することを教えている。米国
特許第4,160,067号明細書は不活性な材料のウエットシ
ール領域における燃料電池ハウジングあるいは隔離板へ
の付着あるいは含浸を教えている。米国特許第3,867,20
6号明細書は、電解質の飽和されたマトリックスと電極
の電解質周辺先端の間におけるウエットシールを教えて
いる。米国特許第4,761,348号明細書は、アノードとカ
ソードとをそれぞれオキシダントガスと燃料ガスとから
隔てるためにガス密封機能を備えるためのガス不浸透性
の材料の周辺的なレールを教えている。米国特許第4,32
9,403号明細書は、電極から内部の電解質区域への移動
中における熱膨張係数における一層漸進的な移行のため
のグレードを付けた電解質組成物を教えている。米国特
許第3,514,333号明細書は、薄いアルミニウム製密閉用
ガスケットを使用することによる高温燃料電池における
アルカリ金属炭酸塩電解質のハウジングを教えている。
前述した特許には、燃料電池スタックにおける内部の燃
料とオキシダントの周囲を密封することを取り扱ってい
るものは１つもない。

炭化ケイ素および／あるいは窒化ケイ素を電池構成要
素の多孔性の材料の周辺部の気孔に充填することによっ
て、約150℃から220℃において作動するリン酸燃料電池
をガスシールすることは、米国特許第4,781,727号明細
書によって教えられている。さらに基板端縁における裂
目の空間に注入することによってそのリン酸電池をガス
シールすることは、米国特許第4,786,568号と同第4,82
4,739号明細書によって教えられている。米国特許内4,2
59,389号明細書によって教れられているポリテトラフル
オロエチレンによる粒状の不活性な材料の結合、米国特
許第3,012,086号明細書によって教えられているポリエ
チレンのガスケットや燃料の内部多岐集配に米国特許第
3,539,941号明細書によって教えられているＯリングの
シール等の低温電解標で出合う密封や腐食の問題の解決
法は、高温溶融炭酸塩燃料電池には適していない。

米国特許第4,510,213号明細書は、個々の電池のガス
室に燃料およびオキシダントのマニホルドを備えるため
に電池単位の活動部分を取り囲む移動枠を教えており、
マニホルドは隔離板も電池の電解質タイルも通過しな
い。移動枠は、隣接している電池の間に複雑な絶縁体を
必要としており、いくつかの別々の複雑な部分から構成
されている。米国特許第4,708,916号明細書は、溶融炭
酸塩燃料電池のための、燃料の内部多岐集配とオキシダ
ントの外部多岐集配を教えている。その燃料電池におい
て、いくつかの組のマニホルドは、燃料流路を短縮する
ために個々の電池の中央部や向かい合った先端にある電
解質や隔離板と同様に電極を通っている。中央の燃料マ
ニホルドは、厚くなっている中央部を通るが、先端の燃
料マニホルドは隔離板の厚くなっている先端壁領域にあ
り、炭酸塩が含浸されている密封用テープあるいは別々
の円筒状の導管の挿入部材はカソードを通して延延する
ようにされている。

電池の向かい合った先端に沿っている複数のマニホル
ドの穴を燃料ガス及びオキシダントガスの順流や向流の
流れを提供するために使用する、内部多岐集配が試みら
れてきた。燃料のためのこれらマニホルドの穴は向かい
合っている先端に沿っている幅が広くなっている周辺の
ウエットシール領域に配置されてきたが、そのマニホル
ドは、電解質の外部にある複雑な構造であるか、それと
も、少なくともひとつの電極を通過している。しかしな
がら、隣接するマニホルドの穴は、燃料やオキシダント
のために使用されており、オキシダントは短いウエット
シール領域を横断する短絡を備え、必要なだけ幅が広げ
られた周辺のシール領域と同じくガスの漏出は望ましく
ないほど電池の活動領域を減少させている。同じように
内部多岐集配させようとする従来の試みは、交差する流
れを与えるために電池の４個の端すべてにある幅の広く
なっているウエットシール領域に沿って複数のマニホル
ドの穴を使用してきたが、再び隣接する燃料とオキシダ
ントのマニホルドの類似した複雑な構造の間の短絡と穴
はガス漏出を引き起こし、さらに電池の活動領域をいっ
そう減少させた。

〔発明の簡単な説明〕

本発明は完全に内部多岐集配となした（internally m
anifolded）燃料電池スタック、とりわけ高温溶融炭酸
塩燃料電池スタックにおける使用に適する燃料電池スタ
ックを提供する。本発明の完全に内部多岐集配となした
燃料電池は、平面の要素を持っているいずれの電池にも
適し、とりわけ固体酸化物燃料電池など高温燃料電池に
適している。ほぼ方形をなす燃料電池スタックにおい
て、複数の燃料電池単位は、その個々の燃料電池単位が
アノード及びカソードと、アノードのひとつの面に接触
し、かつカソードの反対側の面に接触する電解質と、ひ
とつの電池のアノードと隣接する電池のカソードの間に
おいて電池単位を分離する隔離板であって、そのひとつ
の面とアノードとの間にアノード室を、その隔離板の反
対側の面とカソードとの間にカゾード室を形成する隔離
板とを含んでいる。燃料電池単位は積み重ねられ、隔離
板と同じ形状を持っている端板を備え、個々の端におい
て電池の半分を形成し、そして燃料電池スタックに剛性
の構造を備えるようにクランプ止めされている。本発明
の燃料電池スタックにおいて、電極と電流コレクタは燃
料電池スタックの端縁まで延在していないが、電解質と
隔離板とは同じ形状を持ち、燃料電池スタックの端延ま
で延在している。隔離板は平らな周辺ウエットシール
（wet seal）構造を持ち、そのウエットシール構造は電
解質の周辺を完全に取り囲んでいる隔離板の各面上で電
解質に接触するように延在し、電池の作動条件下におい
て連続の周辺隔離板／電解質間に連続した周辺ウエット
シールを形成している。

電解質と隔離板とは、望みの位置に複数の配列された
孔を持ち、各隔離板の孔は隔離板の各面上で電解質に接
触するよう延在する平らになったマニホルドのウエット
シール構造で取り囲まれ、電池の作動条件下において隔
離板／電解質間にマニホルドのウエットシールを形成
し、そのウエットシールは各孔を取り囲んで各孔を通る
ガスマニホルドを形成し、そして電池スタックを通して
延在している。延在するマニホルドのウエットシール構
造を通る導管又は穴は、燃料マニホルドと隔離板の一方
の面の上にあるアノード室との間をガスに関して連通と
なし、また延在するマニホルドのウエットシール構造を
通る導管又は穴は、オキシダントのマニホルドと隔離板
の他方の面の上にあるカソード室の間に関して連通とな
している。この構造は、燃料電池スタックにおける単位
燃料電池の各々に及び各々から燃料ガス及びオキシダン
トガスを完全に内部多岐集配となす。

端板はその内側の側面にある隔離板と同様の形状とな
っており、そして燃料電池スタックのマニホルドの個々
の組からの供給と排気のための手段を備えている。燃料
ガスとオキシダントガスを適切なマニホルドの組に端板
連結部において供給したり排気したりする外部手段は、
この技術において公知の手段によってあたえることがで
きる。「多岐管の組」とは、第１の組が燃料の入口をな
し、第２の組が使用済み燃料の出口をなし、第３の組が
オキシダントの入口をなし、第４の組が使用済みオキシ
ダントの出口をなしていることを意味する。隔離板及び
電解質を通り、マニホルドを形成している孔は、円形、
正方形、長方形、三角形その他望みの形状や大きさをな
していることができる。個々のこのような孔は、単一の
孔として参照されるが望みのガス分布を与えるようバッ
フルすること（baffling）することから成ることができ
る。電池の活性領域を横断する望みのガス流量とパター
ンを与えるために必要とされるように、隔離板と電解質
を通して、いかなる数のマニホルドでも設けることがで
きる。本発明においては、各マニホルドの周囲の隔離板
と電解質との間に、隣接する多岐管の端縁を少なくとも
約0.25インチ（約6.35ミリ）ほど分離させて、直接完全
なウエットシールを与えることが重要である。本発明は
また、内部マニホルドの区域の外側にある隔離板と電解
質液との間に直接連続した周辺ウエットシールも与え
る。

１つの好ましい態様において、本発明による隔離板は
完全に活性な燃料電池領域において、波型をなしている
薄いプレス成型された金属板である。その金属板はひと
つの面に上で完全な周辺ウエットシール構造とマニホル
ドウエットシール構造を形成するようにプレス成型され
ており、ここで直立しているウエットシール構造は隔離
板の反対側の面に溶接されて隔離板とその対向面の上に
ある電解質との間を完全な周辺ウエットシール及びマニ
ホルドウエットシールとなしている。隔離板と電解質と
の間に直接ウエットシールを形成するために延在したウ
エットシール領域を与えるのにいかなる構造も使用する
ことができる。例えば、バー、粉末冶金技術により形成
されたストリップ等がある。

好ましい態様において、マニホルドとアノード室及び
カソード室との間をガスに関して連通となしている延在
するマニホルドウエットシール構造を通る導管又は穴は
適切な波型をしている金属によって与えられている開口
部であってもよいし、あるいは板状の金属又はバー構造
を通る穴であってもよい。

本発明は、平らな薄板状の金属構造体と電解質との間
に簡単なウエットシールを提供しており、それによっ
て、隣接するガス導管からひとつのガス導管を確実に密
封するようにしたものである。これは、完全に内部多岐
集配されたガス供給と、溶融炭酸塩燃料電池スタックな
どの高温の腐食性燃料電池からの除去のための効果的な
手段を提供する。本発明の構造体を使用すると、さら
に、多重電池スタックに炭酸塩を供給するための効果的
でさまざまな手段を提供する。

本発明は、燃料電池要素の大量生産可能な構造、とり
わけ隔離板を提供し、かつそれをコスト上効果的に製造
するものである。本発明の溶融炭酸塩燃料電池単位を使
用すれば、燃料電池スタックの組立が容易となり、かつ
さまざまなサイズの燃料電池スタックが標準化される。

本発明は、完全に内部多岐集配とされた燃料電池スタ
ック、とりわけ溶融アルカリ金属炭酸塩燃料電池スタッ
クを使用して電気を発生させる方法も提供する。

〔好ましい態様の説明〕

本発明の異なる特徴は図面と共に読み取られる本発明
の次の詳細な説明から明らかになるだろう。

本発明は、完全に内部多岐集配とされた燃料電池スタ
ックに向けられている。好ましい態様において、電解質
タイルにはマニホルドの導管が貫通しており、そして特
定の領域において電解質が隔離板と接触して、燃料電池
スタック内に流体を封じ込めるための電解質／隔離板周
辺ウエットシールと、反応物質を隔て、かつ液体を個々
の溶融炭酸塩燃料電池内の反応物室の中に、あるいは外
に向けるための電解質／隔離板のマニホルドウエットシ
ールとを与える。本発明は、隔離板のひとつの面から延
在したプレス成型されたシール領域を有する薄板状のそ
のような隔離板と、隔離板の向かい側の面から延在して
シール領域を形成する薄板状の形態を利用するのが好ま
しい。薄板状のシール領域は、制限された柔軟性とレシ
リエンスをもたらして漏れのない密封を与える。

第１図を参照して説明すると、本発明による燃料電池
スタックの単一電池の角から角への対角線に沿う分解断
面模式図は、電池スタックに完全に内部の燃料ガスとオ
キシダントガスとの流れを示している。この態様による
と、マニホルドの穴は電池隔離板とともに、電池の端縁
に延びている電解質の角領域に設けられている。電解質
と、電解質の周辺部の周囲にある各面上に通常のウエッ
トシールを形成している各面の上にある隔離板との間の
接触によって、流体の封じ込めが維持される。マニホル
ドの穴とアノード室及びカソード室との間を流体に関し
て連通となす望みの開口部を通じて、目的のガス流を得
ることができ、同時に通常の電解質／隔離板のウエット
シールによってマニホルドの穴が密封される。

隔離板と電解質タイルにおける一致しているマニホル
ドの穴は、ガスの供給と排気のための燃料電池スタック
の高さ全体に渡って連続しているマニホルドの導管を形
成している。本発明では、燃料電池スタックにおけるす
べての電池に延びているマニホルドの導管は、単一の外
部開口から与えられているが、これに対して従来の外部
多岐集配燃料電池スタックは、個々の燃料電池のそれぞ
れへの外部開口、あるいは個々の燃料電池のそれぞれか
らの外部開口を必要としていた。ガスはひとつの半電池
として作用する端板を通して燃料電池スタックに供給さ
れ、別の半電池として作用する同様の端板を通して排気
される。

液体を燃料電池スタックに供給したり、その燃料電池
スタックから抜き出す方法としてさまざまな変形的なや
り方を取ることができが、本発明に関して重要な面は、
ガスの密封が、ガスを個々の電池のそれぞれの内部の望
みの位置に導くのに望まれる、隔離板の周辺部の周囲と
ガスマニホルド領域の中において通常のウエットシール
法で電解質タイルと隔離板との間を密封することによっ
て達成されることである。

第１図に示されるように、電解質20と隔離板40とは、
電池の外側端縁まで延びウエットシール領域23において
電解質20や隔離板40の周辺部の周囲で相互に密封されて
いる。第１図に個々の溶融炭酸塩燃料電池単位が示さ
れ、アノード26は隔離板40のひとつの面から間隔を置い
て配置され、矢印38によって示されているように、燃料
用マニホルドの穴24によって与えられるアノード室を与
えている。隔離板40の他方の面には、カソード27が隔離
板40から間隔を置いて配置され、矢印39によって示され
ているように、オキシダント用マニホルドの穴25と連通
するカソード室を形成している。電解質20と隔離板40と
は、電池の外側の端縁まで延びていて周辺ウエットシー
ル領域23を形成している。周辺ウエットシール領域23は
流体の封じ込めのために電解質流体と隔離板との間に周
辺ウエットシールを与える。燃料用マニホルドのウエッ
トシール領域45とオキシダントのウエットシール領域46
は電解質／隔離板間のウエットシールによってマニホル
ドを密封となし、隔離板40の向かい側の側面にあるアノ
ード室とカソード室に望むように流体を導くことができ
るようになっている。密封のための追加のガスケトは使
用されておらず、電池単位は、炭酸塩のテープの使用を
含めて、非常に多様な炭酸塩付加技術を使用することが
できる。炭酸塩テープを使用する場合、炭酸塩テープと
電解質マトリックスは電池の端縁まで延び、そして電池
間の間隔は炭酸塩テープが溶融する時そのテープの厚さ
に比例して減少するが、すべての電池要素の密封と一様
性は常時維持される。炭酸塩テープの溶融に先立って電
池が昇温する間、個々のマニホルドの穴24と25の周囲に
おいて密封印が維持されている。なぜなら炭酸塩テープ
やLiAIO₂などの電解質マトリックスはそれぞれの密封表
面に隣接するところまで延び、かつゴムのバインダーを
含んでいるからである。炭酸塩の溶融に先立ってバイン
ダーが焼け落ちる間、ガスの流れは維持され、密封が獲
得される。バインダーが焼け落ち、電池の温度が炭酸塩
の融点まで上昇する時、溶融している炭酸塩は、多孔質
のLiAIO₂Dテープと電極とによって吸収される。電池間
の間隔は、炭酸塩のテープが溶融するにつれて減少する
が、室温から摂氏約650度の操作温度までのすべての段
階において電池の密封は維持される。シール領域におけ
る薄板状の金属の制限された柔軟性とレジリエンシー
は、電池の密封の維持を確実にする助けになっている。

第２図は、隔離板40、カソード27、カソード電流コレ
クタ29、電解質20、アノード26及びアノード電流コレク
タ29を備えている本発明のひとつの態様による溶融炭酸
塩燃料電池スタックの燃料電池単位の分解斜視図であ
る。隔離板40と電解質20とはともに、電池の端まで延在
し、周辺ウエットシール領域43における周辺部全体の周
囲にある隔離板40の両面にウエットシールを形成してい
る。周辺ウエットシール領域43は、隔離板40の全体の平
面から、上向きにも下向きにも延びて隔離板40の両面上
の電解質20の周辺部と接触するようになっている。隔離
板40と電解質タイル20とにはともに対応する燃料用マニ
ホルドの穴24とオキシダント用マニホルドの穴25が貫通
している。第２図に示される態様において、隔離板40と
電解質タイル20には、マニホルドの穴が角の領域におい
てのみ貫通しており、マニホルドの穴の間の間隔ができ
るだけ広がるようにされている。第２図に示されるよう
に、マニホルドの穴は隔離板40と電解質タイル20とのそ
れぞれの角に設ける方が好ましい。第２図に示されるマ
ニホルドの穴は、簡単に形成される直線的な薄板状のマ
ニホルドウエットシール領域を与える好ましい三角形の
形状を備えているが、マニホルドの穴は円形でも方形で
もあるいはその他の好みのどのような形状でもよい。第
２図に示されるマニホルドの穴は、単一の開口である
が、ガスの流れを電池の反応物質を横断するように向け
るように、所望の通り仕切り板を単一の開口に使用する
ことができる。燃料用マニホルドのウエットシール領域
45とオキシダント用マニホルドのウエットシール領域46
は、隔離板の全体的な平面から上向きにも下向きにも延
ばされ、隔離板40の両面の上にある電解質20と接触して
ガス導管を画成している隣接の電解質20と共にウエット
シールを形成するようになっている。アノード26の表面
は、周辺ウエットシール43とオキシダント用マニホルド
のウエットシール46との水準とおよび同じ高さにあり、
それらの領域において隔離板40と電解質20との間におい
て接触してウエットシールを確立している。隔離板40の
反対側の面においては、カソード27の表面が周辺ウエッ
トシール43の水準とおよそ同じ高さにあり、それらの領
域において隔離板40と電解質20との間において接触して
燃料用マニホルドのウエットシール45を確立している。

第２図に最もよく示されているように、オキシダント
用マニホルドの穴25は、オキシダント用マニホルドのウ
エットシール46によって密封され、オキシダントをその
供給開口48で、（図示されるように隔離板の上表面に隣
接している）カソード室にのみ流し、アノード室への、
あるいはアノード室からのガスの流れを阻止し、同時に
燃料用マニホルドの穴24を燃料用マニホルドのウエット
シール45によって密封し、燃料の流れを燃料開口47によ
って、図示される隔離板の下面に隣接するアノード室に
供給し、そしてカソード室への、あるいはカソード室か
らのガスの流れを阻止する。マニホルドのウエットシー
ルは、真っすぐなプレス成型された薄板状の金属構造と
して示されているが、それらはガスの流れを妨げるいか
なる望みの形状又は構造を取ることもできる。マニホル
ドのウエットシールは、燃料用マニホルドの穴24とオキ
シダンド用マニホルドの穴25との間において、二重のウ
エットシールを形成している。

隔離板40は適切な材料から構成され、望みの物理的な
強さと気体分離とを与えている。多くの電池スタックに
おいて、バイメタルの隔離板を使用するのが好ましい。
そのようなバイメタル隔離板において、鉄金属の腐食を
回避するために、ステンレス・スチールをカソード面
に、ニッケルや銅をアノード面に使用することができ
る。隔離板はまたタイプ300シリーズのステンレス・ス
チール合金などの鉄合金から形成してもよい。隔離板
は、内部の荷重担持部材として燃料電池に対して構造強
度を与えると同時に、ガス室の非反応性隔離器を与える
という二重の機能を果たしている。強力を与え、かつ電
極の隣接するガスの循環をより良好にするために波型の
断面形状をもっている隔離板を使用するのが好ましい
が、本発明の原則は、燃料電池の作動に必要とされるよ
うに内部マニホルドにあるいは内部マニホルドからガス
を流しつつ、周辺ウエットシール領域を与え、かつ内部
マニホルドの穴の周囲にウエットシールを与える構造と
された平らな隔離板にもまた適用可能である。燃料電池
スタックの内部隔離板は、約0.010インチ（約0.254ミ
リ）という非常に薄い板であるのが望ましい。

薄い打抜きステンレス・スチール板が「効果的な熱伝
達のための新しいデザイン」（Modern Designs for Eff
ective Heat Transfer）、アメリカン・ヒート・リクレ
イミング社（住所;1270、アヴェニュー・オヴ・アメリ
カズ、ニューヨーク、ニューヨーク州10020）や「超交
換器板とフレーム熱交換器」（Superchanger plate and
Frame HeatExchanger）、トランスファー社（住所；ウ
ィチタ・フォールズ、テキサス州76307）などの出版物
に示されているような熱交換技術に使用されてきた。こ
れらの熱交換器は、端部フレームの間でボルト締め付け
られている、ガスケット加工され、エンボス加工され、
あるいはプレス加工された一連の金属板を使用してその
金属板の一方の側に熱媒体を通過させるためのチャンネ
ルを、その金属板の他方の側に冷媒体を通過させるため
のチャンネルを与えている。しかしながら、燃料電池ス
タックの隔離板は、溶融アルカリ金属炭酸塩燃料電池の
作動条件下における密封と腐食という非常に異なる問題
や、２つの流体が隣接する隔離板の間を分離関係で通過
しなければならないために、異なるマニホルド構造と密
封と流体連通手段などを提起している。熱交換において
は、ただひとつの流体が隣接している熱交換板を通過す
る。しかし、本発明の燃料電池スタックの電極を越えて
流体を流す技術は、有利なことに、矢筈の波型、洗濯
板、直線的な波型や混合波型など板熱交換器の設計技術
やパターンを活用することができる。

第３図は本発明のひとつの態様による周辺ウエットシ
ール領域を一層詳しく示すものである。この態様におい
て、薄板状の隔離板40は波型をなし、その波型のひとつ
の面における頂上が孔29を持つカソード27の支持板28に
隣接し、電池のカソード面上の隣接電解質20が横たわっ
ている平らな薄板状の隔離板のシール領域を持つように
形成されている。薄い金属薄板のストリップ材料から形
成されている隔離板のウエットシールストリップ41は溶
接42によって溶接されているか、さもなければ隔離板40
のアノード面に取り付けられて電池のアノード側におい
て隣接電解質20が横たわっている平らな隔離板のウエッ
トシールストリップのウエットシール領域43を与えてい
る。隔離板の位置とウエットシールストリップとの位置
とは逆転されていてもよいこと、及び隔離板のウエット
シールストリップのウエットシール領域43と隔離器のウ
エットシール領域44との間隔は個々の電池の間隔上の必
要条件を満たすように形成されていてもよいことはただ
ちに明らかである。

第４図は燃料用マニホルド24とアノード室との間にあ
る導管を通して見た断面図であって、隔離板40の低面と
電解質20との間の隔離板の燃料用マニホルドのウエット
シール領域45がカソード室への燃料の流れを阻止し、か
つ燃料をアノード26と隔離板40の上面との間にあるアノ
ード室に流す方法を示している。同様に、第５図はオキ
シダント用マニホルド25とカソード室との間にある導管
を通して見た断面図であって、隔離板40の上面と電解質
20との間の隔離板のオキシダント用マニホルドのウエッ
トシール領域44がカソード27と隔離板40の低面との間の
カソード室にオキシダントを流しつつ、アノード室への
オキシダントの流れを阻止する方法を示している。燃料
通路とオキシダント通路とは、隔離板40における波型、
隔離板40に固定されているストリップを通る穴、あるい
はガスを望みの通りに分布させるのに適している任意の
他の手段によって形成することができる。

本発明によるもうひとつの態様が第６図から第10図に
示されている。この態様において、燃料供給マニホルド
のオキシダント供給マニホルドとは、薄板状の隔離板の
反対側の端に沿って相互に配置されており、使用済み燃
料用マニホルドと使用済みオキシダント用マニホルドと
はこの薄板状の隔離板の中央区域を横断して交互に配置
されており、しかして分割されたガスの流れと、大きな
表面積の薄い隔離板のより大きな機械的安定性を与える
ようにしている。薄い金属隔離板は前述したと同じよう
にして構成されており、電極を支持し、かつ適切なアノ
ードガス室とカソードガス室の容積を与えるべく活性領
域にプレス加工された波型を有し、また隔離板の一方の
面に薄板のウエットシール領域を形成すべく薄い隔離板
の平面から外側に向かって延びるプレス加工された領域
と隔離板の他方の面にウエットシール領域を形成すべ
く、取り付けられた、外側に延びる薄く形成された板状
の金属ストリップとを有している。第６図は隔離板の上
面あるいは前面を示し、一方第７図は同じ隔離板の反対
側の面を示している。第９図にもっともよく示されてい
るように、隔離板140の電子化学的に活性な領域は波型
をなし、プレス加工された周辺ウエットシール領域123
がその領域123におけるひとつの電池の電極に接触する
ために、波型を越えて延在し、そしてプレス加工された
薄い金属のウエットシールストリップ141が隔離板140の
向かい側の面の周辺部に取り付けられ、かつ周辺ウエッ
トシール領域123における隣接している電池の電解質に
接触すべく波型を越えて延在している。オキシダント用
マニホルドの穴125は向かい側の端部区域を横断して燃
料用マニホルドの穴124に対して交互に配置され、また
オキシダント用マニホルドの穴125Aは、隔離板140の中
央区域において燃料用マニホルドの穴124Aに対して交互
に配置されている。これらの図に示されているように、
オキシダント用マニホルドの穴と燃料用マニホルドの穴
との系列は隔離板140の向かい側の端部において燃料と
オキシダントを供給し、隔離板140の中央部においてオ
キシダントを除去するようになす。第８図にもっともよ
く示されるように、そして第６図において矢印によって
示されるように、オキシダントはマニホルドの穴125を
通って供給され、オキシダント供給開口148を通って隔
離板140の活性表面に進む。オキシダントは、第６図に
おいて矢印で示されるように、カソードガス室を形成す
る波型の隔離板140のチャンネルを通過してオキシダン
ト用マニホルドの穴125Aを与えるオキシダントの出口開
口に進む。同じようにして、燃料は燃料用マニホルドの
穴を124を通って燃料供給開口147に供給され、アノード
ガス室を形成している波型隔離板140のチャンネルを通
過して、第７図において矢印で示されるように、燃料用
マニホルドの穴124Aを与えている燃料出口開口157に進
む。

隔離板の向かい側の面における燃料ガスとオキシダン
トガスの共線的流れは第６図と第７図に示される。ここ
で、隔離板の向かい側の端部には供給用マニホルドが、
また隔離板の中央区域には出口用マニホルドが設けられ
ている。同じ隔離板を使用して、隔離板の向かい側の面
における燃料ガスとオキシダントガスとの逆の共線的流
れは、供給用の中央の燃料用マニホルドとオキシダント
用マニホルド及び出口用の端部燃料用マニホルドとオキ
シダント用マニホルドを使用することによって達成され
る。同じ隔離板を使用して、隔離板の向かい側の面にお
ける燃料ガスとオキシダントガスとの向流は、中央の燃
料あるいはオキシダント用のマニホルドを通して燃料あ
るいはオキシダントの一方を供給し、同時に両端におけ
る対応する出口マニホルドを通してそのガスを抜き出
し、そして端部多岐管を通して他方のガスを導入し、中
央マニホルドを通して抜き出すことによって達成するこ
とができる。このようにして、さまざまな望みのガス流
パターンが同じ隔離板を使用し、そしてその供給を電池
の外部にある単一または複数のマニホルドに変更するこ
とだけによって隔離板の反対側の面において達成するこ
とができる。

隔離板のすべてのウエットシール領域に薄い金属板材
料を使用することによって、燃料電池スタックを集成し
たときにウエットシール領域における限られた柔軟性と
レジリエンシーのために、ガス漏出の最小化あるいは因
止が、隣接する燃料用マニホルドとオキシダント用マニ
ホルドを分離している少なくとも1/4インチ（約6.35ミ
リ）の幅を持っているウエットシールを横断して達成さ
れることが見い出された。本発明による薄板状の金属隔
離板はすぐれた機械的強力を示し、製造が容易である。
第６図から第10図に示されている隔離板の分岐流れの設
計は、隔離板の中央部にあるマニホルドの穴を取り囲む
ウエットシール領域の支えによって、全体的な隔離板の
堅さを増している。この設計はまた、部分だけである−
この場合には燃料電池の活性な電流発生領域の半分であ
る−電極の製造を可能にし、電極の取り扱いを便利に
し、テープ鋳造や焼結などの連続的な加工をより小型の
器具で行なうことを可能にする。本発明の重要な特徴
は、隔離板の平らな薄い金属の上向きのウエットシール
領域がひとつの面においてはひとつの電池の電解質に、
また向き合った面においては隣接している電池の電解質
に直接接触し、燃料用導管とオキシダント用導管が、燃
料電池の隔離板と電解質のみを通っていることである。

隔離板および電解質のウエットシールを使用すること
によって、燃料用マニホルドと隔離板のアノード面のみ
との間の連通やオキシダント用マニホルドと隔離板の向
かい側のカソード面のみとの間の連通は外部マニホルド
が使用されている時には重要であるような多孔性のガス
ケットを用いることなく達成することができる。さらに
は、個々のガスマニホルドのシール領域は、アルミめっ
きが施され、腐食やその他のウィッキングの過程を減少
させる。

本発明の完全内部多岐集配を使用して、炭酸塩のテー
プの溶融から生じている電池の間の距離の変化が工場の
組み立ての現場において発生し、一度そのような溶融が
発生すると、電池の間の距離にさらなる変化は発生する
ことがない。工場から出荷される電池スタックの高さ
は、使用現場における圧力容器における作動中の電池ス
タックの高さと同じである。このようにして、燃料電池
スタックの作動の間において必要とされている唯一の続
行処理は、活性領域とシール領域において電池保持力を
維持するために必要とされている続行処理である。前述
した明細書において本発明は、本発明のある好ましい態
様に関して記述されており、説明するために多くの詳細
な点が示されているが、技術に精通している人々にとっ
ては、本発明が付加的な態様を許容することは明らかだ
ろう。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の原理を説明する対角線に沿った燃料電
池スタックの単一の電池単位の分解側断面模式図であ
る。 第２図は本発明のひとつの態様による燃料電池スタック
の単一の電池単位の分解斜視図である。 第３図は本発明のひとつの態様による燃料電池の周辺ウ
エットシール領域の側面図である。 第４図は単一の電池単位の側断面図であって燃料用マニ
ホルドの導管からアノード室まで開口していることを示
す。 第５図は第４図に示される単一の電池単位の側断面図で
あって、オキシダント用マニホルドの導管からカソード
室まで開口していることを示す。 第６図は本発明による完全に多岐集配とされた燃料電池
スタックのためのマニホルド板のもう１つの態様の前面
図である。 第７図は第６図に示されるマニホルド板の向かいが側の
面の図面である。 第８図は第６図に示される８−８線に沿っての拡大断面
図である。 第９図は第６図に示される９−９線に沿っての拡大断面
図である。 第10図は第６図に示される10−10線に沿っての拡大断面
図である。 第11図は、本発明による燃料電池スタックのマニホルド
24または25付近における部分拡大断面模式図である。 20……電解質 23,43,123……周辺ウエットシール領域 24,124,124A……燃料用マニホルドの穴 25,125,125A……オキシダント用マニホルドの穴 26……アノード、27……カソード 29……電流コレクタ、40,140……隔離板 41,141……ウエットシールストリップ 45……燃料用マニホルドのウエットシール領域 46……オキシダント用ウエットシール領域

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 マーク・ジー・ローソン アメリカ合衆国イリノイ州60402，バー ウィン，ケニルワース・アベニュー 3644 (56)参考文献 特開 昭63−53858（ＪＰ，Ａ) 特開 平１−93062（ＪＰ，Ａ) 特開 昭63−266776（ＪＰ，Ａ) 特開 昭62−256381（ＪＰ，Ａ)

Claims (7)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】個々の燃料電池単位がアノード（26）及び
   カソード（27）と；前記アノード（26）のひとつの面に
   接触し、そして前記カソード（27）の反対側を向いてい
   る面に接触する電解質（20）と；前記アノード（26）と
   カソード（27）との間において前記電池単位を隔離して
   いる隔離板（40）であって、そのひとつの面と前記アノ
   ード（26）との間にアノード室を形成し、前記隔離板の
   反対側の面と前記カソード（27）との間にカソード室を
   形成する該隔離板（40）とを含み；前記アノード室が燃
   料供給口及び出口と気体連通し；前記カソード室がオキ
   シダントガス供給口及び出口と気体連通している；複数
   の燃料電池単位から成るほぼ方形の燃料電池スタックに
   おいて； 前記電解質（20）および前記隔離板（40）は前記燃料電
   池スタックの辺端まで延在し； 前記隔離板（40）は、それらの全周辺にわたってそれら
   の各面上において前記電解質（40）に接触するように延
   在している平らな周辺ウエットシール構造（43）をも
   ち、電池の作動条件下では隔離板／電解質間にウエット
   シールを形成し； 前記隔離板（40）のひとつの面の上にある前記の平らな
   周辺ウエットシール構造（43）が前記隔離板の該ひとつ
   の面の上において前記の延在する周辺隔離板／電解質ウ
   エットシールを形成する前記隔離板（40）のプレス成型
   された形状のものから成り、前記隔離板（40）の他方の
   面の上においては、前記隔離板（40）の該他方の面に固
   定された前記の延在する周辺隔離板／電解質ウエットシ
   ールを形成するプレス成型された薄板状の金属（41）か
   ら成り； 前記電解質（20）と前記隔離板（40）はそれぞれ複数の
   整列した孔（24,25）をもち、前記隔離板（40）にある
   孔（24,25）は、前記隔離板の個々の面において前記電
   解質（20）に接触するように延在している平らなマニホ
   ルドウエットシール構造（45,46）で取り囲まれ、電池
   の作動条件下では隔離板／電解質問にウエットシールを
   形成して前記電池スタックを貫通して延在する複数のガ
   スマニホルドを形成し； 前記隔離板（40）のひとつの面における前記の延在する
   マニホルドの隔離板／電解質ウエットシール構造が、前
   記隔離板（40）の該ひとつの面の上において前記の平ら
   なマニホルドウエットシール構造（45,46）を形成する
   前記隔離板（40）のプレス成型された形状のものから成
   り、前記隔離板（40）の他方の面においては前記隔離板
   （40）の該他方の面に固定された前記の平らなマニホル
   ドウエットシール構造（45,46）を形成しているプレス
   成型された薄板状の金属（41）から成り； 前記の平らなマニホルドウエットシール構造（45,46）
   を貫通する道管（47,47′,48,48′）が前記マニホルド
   の一組と前記隔離板（40）の一方の面上にある前記アノ
   ード室との間に燃料ガス連通を与え、前記の平らなマニ
   ホルドウエットシール構造（45,46）を貫通する道管が
   前記マニホルドの他の一組と前記隔離板（40）の他方の
   面上にある前記カソード室との間にオキシダントガス連
   通を与え、それにより前記燃料電池スタックにおける個
   々の単位燃料電池に対しての燃料ガスとオキシダントガ
   スの供給及び個々の単位燃料電池からのガスの排出とを
   完全な内部多岐集配となす； ことを；特徴とする燃料電池スタック。
2. 【請求項２】端板がそれらの内面上で前記隔離板（40）
   と同じ形をなし、前記燃料電池スタックの個々の端の上
   において電池の半分を形成する請求項１記載の燃料電池
   スタック。
3. 【請求項３】前記の平らなマニホルドのウエットシール
   構造（45,46）を通る前記道管（47,47′,48,48′）が、
   波型のついた金属によって形成されている請求項１記載
   の燃料電池スタック。
4. 【請求項４】前記と平らなマニホルドのウエットシール
   構造（45,46）を通る前記道管（47,47′,48,48′）が、
   薄板状の金属構造を通る穴である請求項１記載の燃料電
   池スタック。
5. 【請求項５】前記孔（24,25）が前記電解質（20）と前
   記隔離板（40）の各々の角領域にある請求項１記載の燃
   料電池スタック。
6. 【請求項６】前記孔（24,25）の各形状が、電池のスタ
   ックの外縁に平行な２つの辺を持つ三角形である請求項
   ５記載の燃料電池スタック。
7. 【請求項７】前記電解質（20）がアルカリ金属炭酸塩か
   ら成る請求項１記載の燃料電池スタック。