JP2664799B2

JP2664799B2 - 燃料電池の端部構造

Info

Publication number: JP2664799B2
Application number: JP2239805A
Authority: JP
Inventors: ジェイ．ガスリーロビン; カッツマレー; アール．スクロールクレイグ
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1990-09-10
Filing date: 1990-09-10
Publication date: 1997-10-22
Anticipated expiration: 2012-10-22
Also published as: JPH04123767A

Description

【発明の詳細な説明】［産業上の利用分野］本発明は、燃料電池の圧縮装荷に関し、特に、一時的
な温度変化を受ける高温燃料電池の装荷に関する。

［従来の技術］従来用いられている燃料電池は、互いに離間して配置
され、電界質で充填された多孔質基盤を挟持したアノー
ド電極とカソード電極から構成されている。各電極の、
電界質と接する側には触媒層が積層されている。アノー
ド電極の電界質と接しない側には、燃料を供給する反応
ガス流路が設けられ、カソード電極の電界質と接しない
側には酸化剤を供給する反応ガス流路が設けられてい
る。電極は双方とも反応ガスが、電極を介して拡散し、
触媒層内で電界質と接触できるように構成されている。
こうして、電子が電極から電極へと外部回路を介して移
動することにより電気化学反応が生じる。

積層燃料電池においては、複数の燃料電池が、隣接す
る電池と隔離する導電性かつガス不透性のプレートを介
して直列に接続されている。この隔離プレートは近傍の
電極とともに反応ガス流路を画成している。

隣接する電池あるいは部材間に適度なシール性、良好
な電気及び熱伝導性を確立するために、電池平面に対し
て垂直な軸方向装荷系が用いられている。電池は、通常
端部プレートに挟持されており、端部プレートは締め付
けロッドによってお互いに押し締めされている。締め付
けロッドを適度な堅さに締めることによって、スタック
に加えられる圧縮力を調整できる。

動作中、燃料電池スタックの適切な圧縮装荷を維持す
るのは従来から困難であった。従来の電池は、スタック
の熱膨張特性及び電池部材の割れ特性により、装荷手段
が異なる大きさ、異なる速度で拡散するため、内部負荷
は複雑な分布をする。高温燃料電池に、適切な軸方向装
荷系を適用する色々な方法が模索されてきた。しかしな
がら、これらの方法は、スタックの各端部において硬質
プレートによって付与される力を用いて、動作サイクル
を通じ適切な力を適用しようとするものであった。

溶融炭酸塩燃料電池スタックは、高温燃料電池スタッ
クとして良く知られている。これらのスタックは、端部
電池の電気抵抗に問題がある。従前の溶融炭酸塩スタッ
クは、厚い固体からなる端末プレートと、加圧プレート
と、絶縁体内部に直接配置された加熱体で構成されてい
る。端部電池内では電気抵抗が非常に大きくなり、種々
の温度周期によって動作後、特に、始動時及び停止時
に、しばしば回復不能となる。温度が周期的に変化する
と、加圧プレートあるいは端部プレートの両対向面で温
度差が生じ、このため、加圧あるいは端部プレートが変
形する。この結果、燃料電池内部に、スタックの端部電
池の様々な場所で電気的接続の損失を招く、不均一な力
が装荷されることになる。これらの電気的接続が、たと
え１分間でも切断させると、界面の電気伝導性を適切に
回復することは、力をもとのように分布させ直したとし
ても、もはや不可能である。

従って、本発明の目的は、通常の動作中及び一時的な
温度変化時に、加圧プレートに様々な熱的歪みが生じて
も、これに関係なく燃料電池内部全体の負荷を十分に均
一に維持することにある。また、本発明の目的は、端部
プレートの熱歪みを防止することにある。

［課題を解決するための手段］上記目的を達成するために、本発明の燃料電池を以下
の構成とする。即ち、電極を有し、電気的に直列に積層
された多数の燃料電池から構成される燃料電池スタック
と、該スタックの両端部で電気的に接続され、各々が前
記スタックの平板面と全面にわたって平行に配置された
軟質膜と、前記燃料電池スタックの両端部に設置され、
前記各々の膜と接触する十分に平板な面を有する荷重に
対して或程度変形する半硬質断熱体と、その半硬質断熱
体に前記燃料電池スタックの方向の圧縮力をかける圧縮
手段から構成する。このとき、前記膜は、十分に薄く形
成し、前記圧縮力によって前記膜と前記電極との電気的
接続を多方向にわたって維持するように構成する。

また、前記圧縮手段に、半硬質断熱体を介して前記軟
質膜に圧力を加える加圧プレートが設けられており、半
硬質断熱体としては、ケイ酸カルシウムを含有するもの
が好適である。

さらに、前記膜と前記加圧プレート間に配置された前
記半硬質断熱体各々の内部に、二個の加熱体を挿入する
ことも可能である。

また、前記膜は各々、該膜の外縁部の、前記燃料電池
スタックの軸方向に延在する箱型壁の構造体と一体形成
しても良く、燃料導管と、空気導管が前記箱型壁に密着
されるように構成しても良い。前記各々の箱型壁には、
該壁の外周に補強フランジを延設すると好適である。

前記各々の膜の複数位置において、電力バスバーを接
続することも可能である。

さらに、複数のストラットで箱型壁構造体の対向する
壁を接続し、該ストラットを、前記膜から離間して配置
し、該ストラット間に配置された各断熱体にかかる荷重
が阻害されることなく膜に伝達されるようにすると好適
である。この時、各々の箱型壁に電力バスバーを接続で
きる。

また、前記膜を0.03乃至1.3cm厚とすると良く、好適
には0.2乃至1cm厚とするのが望ましい。

前記燃料電池としては、溶融炭酸塩燃料電池の使用が
可能である。

［作用］本発明の燃料電池スタッツは、積層された電池の両端
部に配設した薄層の軟質膜が、圧縮力を電池スタックに
十分に均一に伝達し、電圧損失なしに電流を伝導し、か
つ、電池動作中に生じる一時的な温度差の下でも、柔軟
性を有するため加熱による歪曲を起こすことなく平板面
を維持する作用を有する。

［実施例］本発明においては、多数の高温燃料電池を積層し、電
池平面に垂直な軸に沿って圧縮する。導電性の軟質の端
部プレートをスタックの各端部に配置する。各端部プレ
ートは、燃料電池の平面に沿って全面に配置された対応
する電極と、電気的に接続している。硬質の加圧プレー
トを、加圧プレートと端部プレートの間に配置された半
硬質断熱体を形成する加圧パッドの表面から離隔して配
置する。燃料電池スタックの各端部において、加圧パッ
ドは十分に平らな面を形成し、端部プレートに接続して
これを圧縮する。

端部プレートは十分に薄く形成されているため、圧縮
力によって、プレートと電極との密接な電気的接続を維
持できる。

半硬質断熱体は、例えば、電池の中央部の温度が外側
の端部よりも高くなってわずかに膨張するような場合
に、曲がることにより、燃料電池自体の膨張の差を吸収
できるように、十分な弾力を有し、端部プレートを介し
て十分に圧縮力を維持する。

加圧プレートは断熱され、燃料電池スタックよりも離
隔配置して、瞬間的な温度変化を受けた際に、従前の燃
料電池にみられる不均一な負荷を生じる歪曲の発生を防
止する。

加えて、電気加熱体は、所望の電池動作温度に端部電
池を維持する熱ガードを形成し、これを端部プレートと
加圧プレート間に配設された断熱体の内部に挿入しても
良い。加熱体と加圧レート間の断熱体は、端部プレート
を加熱冷却サイクル中に過度に歪曲させる高熱の伝達を
防止する。

端部プレートは、発生する負荷に対する適切な強度を
有すると共に、燃料と空気導管からその表面をシールす
る、一体構造の箱型に形成することも可能である。ま
た、箱型構造は、電力バス接続にも使用できる。

さて、第１図は、複数の燃料単電池14で構成される燃
料電池スタック12を含む燃料電池本体10を示すものであ
る。10フィート（３メートル）の高さの燃料電池スタッ
クを形成するのに、これらの単電池を100個以上積層す
る。各燃料電池の四辺は、それぞれ３フィート（90cm）
長とする。

各外側燃料電池の端部プレートは、0.125インチ（0.3
75cm）厚の薄膜16で形成する。圧縮負荷18を従来の方法
にて燃料電池本体の両端部からかける。各燃料電池は溶
融炭酸塩で構成し、1100F乃至1300F（590℃乃至700℃）
で動作させる。

両端部の硬質加圧プレート20により、第１の半硬質断
熱層22に十分に均一な負荷をかける。この断熱体には、
ケイ酸カルシウムに不活性充填剤、強化剤を混入したも
のを用いるとよい。本タイプの断熱体は一般的に硬質断
熱体として知られているが、ここでは、使用時の機能を
わかりやすくするために、半硬質断熱体という用語を用
いている。すなわち、この断熱体は荷重に対して或程度
変形する弾性を有するものであり、本発明はこの特性を
利用したものである。したがって、本断熱体の目的は、
断熱のみにあらず、圧縮負荷を伝達し、端部プレート膜
に負荷を弾性的にかけることにある。

特に、溶融炭酸塩型燃料電池のような高温型燃料電池
では、燃料電池の運転により金属部材や電極が経時的に
クリープして全体の厚さが変化するのが一般的で、ま
た、電池の面内の温度分布により厚さが不均一に変化し
てゆく。通常、電池中央部分が温度が高く周辺で低くな
っているために、中央付近の厚さが減少しやすい傾向に
ある。常に荷重をかけて、電気的接触を維持しなければ
性能の低下を起こすが、剛体での締め付けでは、上記の
不均一な収縮に対しては、すぐに圧力が伝わらない部位
が出てくる。これを適度な弾性係数をもつ断熱体とする
と、数千時間単位で変化する燃料電池の厚さ変化に対し
て厚みが減少した部分の断熱体は、弾性により膨らみつ
ねに金属製薄板と電池との電気的接触を維持することが
できる。

電気加熱体24は、第１の断熱体22と第２の断熱体26の
間に挿入する。燃料電池スタックの両端部において、圧
縮負荷は、半硬質断熱体の形をとる断熱及び圧縮力伝達
手段を通過し、薄膜16に達する。

各端部プレート膜は、四枚の壁30から成る箱型構造体
28に一体形成する。これらの壁に、ガス導管32を、シー
ル34を用いて、負荷構造（図示せず）から付与される負
荷力36で押し付けることにより、密着する。

各壁には外延フランジ40を一体形成して、壁を補強
し、導管との適当なシール接合を十分に維持する。ま
た、この補強部材は、電力バス42及び44の接続部位にも
なる。

第２図は、燃料導管32、空気導管35と、第１図に示す
圧縮負荷18をかける方法とを示したものである。締め付
けロッド46を板バネ48に接続して圧縮負荷を連続的にか
けられるようにする。ここで、締め付けロッド46は、燃
料電池スタックあるいは締め付けロッドが膨張しても負
荷の変化が許容範囲に収まるような構造にする。従来用
いられている装荷方法は、いずれも使用可能であるが、
本発明の装荷方法は、全負荷を装荷するよりは、各電池
に負荷を分布させるものである。

第３図は、最上部及び最下部燃料電池の詳細を示すも
のである。燃料電池スタックの両端部で、半硬質断熱体
26が膜16と隣接している。アノード50には、貫通する流
路52が設けられ、多位置54で膜16と電気的に接続してい
る。

電解質マトリクス56を、アノード50とカソード58の間
に挿入する。穿孔した、導電性プレート60を、カソード
に隣接して配する。カソードには、電流を分離プレート
64に伝達する集電体62を離隔配置して、ガス流路を集電
プレートとカソードの間に形成する。また、スタックの
底端部にも分離プレート64やアノード50、マトリクス56
を配する。カソード58は、穿孔プレート60及び集電体62
を介して底部膜16と電気的に接続している。

電流は、カソード及び穿孔プレート、集電体、分離プ
レート、並びにアノード間の多数の機能的結合を経て流
れる。これらの機能的結合は、電池の動作中に切断され
たり、再結合されたりすると、電気抵抗を増大させる。
従って、本発明では、圧縮負荷により均一な圧力をかけ
て、これらの結合を維持し、常に電気的接触を密接にす
る。

燃料電池の動作中に、例えば1300F（700℃）から1100
F（590℃）等の、急速な温度変化は、瞬時に生じうる。
高温でのこの一時的な温度変化は、電力負荷に依存して
生じるため、適度に遅延させることができない。電池の
始動時には、一時的な温度変化は室温で生じる。これを
防止するために始動期間を長くすることも可能である
が、始動を遅延させるのは好ましくない。また、低温で
は電解質も融解しない。従って、電気接続の形成、切断
は、電池の動作にかなりダメージを与えることになる。

従来の燃料電池においては、この一時的な温度変化は
端部プレートに生じるとともに、加圧プレートにも生
じ、端部プレートを歪曲させ、不均一な圧縮負荷を燃料
電池スタック上にかける。高温型燃料電池（MCFCでは65
0℃）の起動時の昇温や負荷変化時の温度変化がおきた
場合に、燃料電池スタック上下に取付けられる電流取り
出しのための板体が厚い場合には、上下方向に温度差が
生じる場合大きな変形を起こす。温度が高い方の面が凸
になるような変形モードとなる。ここで薄板であれば温
度差による変形は荷重により矯正される。また、半硬質
断熱体は熱膨張が小さく、熱伝導性も小さいため、この
ような一時的温度差に対しても加圧プレートに熱をつた
えにくく熱変形量も小さく連続的に均一に燃料電池に圧
力を伝達することが可能となる。

電池の動作中に、燃料電池の中央部が外端部よりも高
い温度で動作される際等に、燃料電池のスタックが異な
った幅に膨張することも起こりうる。硬質プレートは、
これを受け、一方向に過剰な力がかかり、他方向に不十
分な力がかかる。これは一部位での接続の急激な切断、
あるいは、その部位の接続を切断させる圧縮部位全体の
永久的な歪曲を可能にする。膜を弾性半硬質断熱体で支
持することにより、膜は燃料電池の歪曲とともに変形す
るため、燃料電池に十分均一な力が残存することにな
る。

電気加熱体24は、通常はその温度を、加熱体の場所で
約1200F（650℃）に維持している。この温度をスタック
動作の平均温度として維持すると、端部電池を所望の電
池動作温度に維持する熱ガードを形成できる。熱せられ
たガスが内部を通過するようなプレートフィン熱交換器
等の他の型の加熱体を用いることも可能である。これら
の加熱体は、熱が端部プレートに大量に流れ込んで端部
プレートを昇温冷却サイクル中に過度に歪曲させるのを
防止するために、より断熱性の高いものとする。加圧プ
レートの歪曲は、この遠隔部位においても望ましいもの
ではないが、膜上に力がかけられる前の半硬質断熱体層
の力減衰効果によって認容できる。

３フィート（90cm）四方の燃料電池スタックにおいて
は、膜の便宜的な厚さは1/8インチ（0.3175cm）であ
る。この膜は圧力が十分均一に伝達されるように薄く、
しかも、過度な電圧損失を招くことなく十分電流を伝導
できるように厚く形成しなければならない。各端部の一
辺が36インチ（90cm）以外の燃料電池の場合は、膜厚を
適当に変化させることが望ましい。

本発明によれば、機能的な意味では、端部プレートは
薄ければ薄い程良い。端部プレートに耐腐食性を付すた
めには、一般に10ミル（0.25mm）以上の膜厚が必要であ
る。膜厚は電池の製造中に増大することもできる。しか
しながら、端部プレートを十分な厚さに形成すると、問
題が生じる。膜は、膜厚内に温度差が生じている間、圧
縮負荷の下で平板面を維持するのに十分な薄さでなけれ
ばならない。従って、端部プレートの膜厚は、0.03乃至
1.3cmとするのが望ましく、さらに0.2乃至1cmの範囲が
最適である。

第４図は、箱型構造体28に一体形成した端部プレート
16の等角図である。燃料電池の軸方向に延びる四枚の側
壁30が、ガス導管取付けのための平板な面を形成する。
膜16を1/8インチ（0.3175cm）厚とすれば、これに対
し、側壁30は1/4インチ（0.64cm）厚、補強フランジ40
は3/8インチ（0.95cm）厚となる。側壁30は、ガス導管
取付けのための比較的堅固な面を形成するだけでなく、
電力バス42へ電流を伝導するための与厚材料の役割をも
果たす。ここに図示されているように、複数の電力バス
が使用可能である。

面30をより平板に固定するために、複数のストラット
70を垂直な側壁に溶着する。これらのストラットは、膜
16の所望の柔軟性を損なわないように、膜16との接触を
避けて設置する。断熱及び圧縮力伝達半硬質断熱体は、
ストラットの上部で分割して均一な力がストラット間と
膜に伝達されるように構成する。

尚、上記した本発明の実施例は、本発明の理解の一助
とするために記載したものであり、本発明は、上記実施
例に限定されるものでなく、特許請求の範囲に記載する
本発明の主旨を逸脱しない範囲における、あらゆる変
形、変更が可能である。

［効果］本発明の燃料電池スタックは、積層された電池の両端
部に配設した薄層の軟質膜によって、圧縮力を電池スタ
ックに十分に均一に伝達し、電圧損失なしに電流を伝導
し、かつ、電池動作中に生じる一時的な温度差の下で
も、膜が柔軟性を有するため加熱による歪曲を起こすこ
となく平板面を維持することができる。

【図面の簡単な説明】

添付する図面において、第１図は、本発明の燃料電池ス
タックの断面図、第２図は、本発明の燃料電池スタックに軸方向の負荷を
かける方法を示す図、第３図は、本発明の燃料電池スタックの両端部における
部分断面図、第４図は、本発明の燃料電池スタックに用いる、箱型構
造体と一体形成した膜の等角図である。 10……燃料電池本体 12……燃料電池スタック 14……燃料単電池 16……薄膜 18……圧縮負荷 20……加圧プレート 22,26……半硬質断熱体 24……加熱体 32……燃料導管 35……空気導管 42,44……電力バス 50……アノード 56……電解質マトリクス 58……カソード 60……導電性プレート 62……集電体 64……分離プレート

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献特開昭58−164170（ＪＰ，Ａ) 実開昭63−12160（ＪＰ，Ｕ)

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】電極を有し、電気的に直列に積層された多
数の燃料電池から構成される燃料電池スタックと、該スタックの両端部で電気的に接続され、各々が前記ス
タックの平板面と全面にわたって平行に配置された軟質
膜と、前記燃料電池スタックの両端部に設置され、前記各々の
膜と接触する十分に平板な面を有し、荷重に対して或程
度変形する半硬質断熱体と、該半硬質断熱体に、前記燃料電池スタックの方向の圧縮
力をかける圧縮手段から構成され、前記膜が、十分に薄く形成され、前記圧縮力によって前
記膜と前記電極との電気的接続が多方向にわたって維持
されることを特徴とする燃料電池。
【請求項２】前記圧縮手段が、前記半硬質断熱体と圧接
する厚い加圧プレートを有することを特徴とする請求項
第１項に記載の燃料電池。
【請求項３】前記半硬質断熱体が、ケイ酸カルシウムを
含有することを特徴とする請求項第１項に記載の燃料電
池。
【請求項４】前記膜が0.2乃至1cm厚であることを特徴と
する請求項第１項に記載の燃料電池。
【請求項５】燃料電池スタックの上下両端に配置された
前記薄膜と加圧プレート間に配置された前記半硬質断熱
体の内部にそれぞれ加熱体が挿入されていることを特徴
とする請求項第１項に記載の燃料電池。
【請求項６】前記膜が各々、該膜の外縁部の、前記燃料
電池スタックの軸方向に延在する箱型壁の構造体と一体
形成され、燃料導管と、空気導管が前記箱型壁に密着さ
れることを特徴とする請求項第５項に記載の燃料電池。
【請求項７】前記各々の箱型壁が、該壁の外周に補強フ
ランジを有することを特徴とする請求項第６項に記載の
燃料電池。
【請求項８】前記膜が各々、該膜の外縁部の、前記燃料
電池スタックの軸方向に延在する箱型壁の構造体と一体
形成され、燃料導管と、空気導管とが前記箱型壁に密着
されることを特徴とする請求項第１項に記載の燃料電
池。
【請求項９】前記各々の箱型壁が、該壁の外周に補強フ
ランジを有することを特徴とする請求項第８項に記載の
燃料電池。
【請求項１０】前記箱型壁構造体の対向する壁を接続す
る複数のストラットを有し、該ストラットが前記膜に接
合しないように配置され、該ストラット間に配設された
断熱体にかかる荷重が阻害されることなく膜に伝達され
ることを特徴とする請求項第８項に記載の燃料電池。
【請求項１１】前記膜が0.03乃至1.3cm厚であることを
特徴とする請求項第１項に記載の燃料電池装置。
【請求項１２】前記燃料電池が溶融炭酸塩燃料電池であ
ることを特徴とする請求項第１項に記載の燃料電池装
置。