JP2768698B2 - 内部マニホールド方式の溶融炭酸塩型燃料電池 - Google Patents
内部マニホールド方式の溶融炭酸塩型燃料電池Info
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Description
【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 この発明は、溶融炭酸塩型燃料電池、特にそのガス分
離板の流路周縁部のガスシール性の向上に関するもので
ある。
離板の流路周縁部のガスシール性の向上に関するもので
ある。
第９図は、例えば特開昭62−208559号公報に記載され
ている従来の内部マニホールド方式の積層型溶融炭酸塩
型燃料電池の断面を示す図である。図において、（10）
は電解質層、（11）及び（12）は電解質層（10）を介在
して対向する一対の電極反応部で、空気、二酸化炭素な
どを主成分とする酸化剤ガス（Ａ）が電気化学反応を起
こす酸化剤電極反応部（11）、及び水素、一酸化炭素、
炭化水素などを主成分とする燃料ガス（Ｂ）が電気化学
反応を起こす燃料電極反応部（12）より成つている。そ
れぞれの電極反応部（11），（12）では、通常凹凸状の
波形板でガス流路（11a），（12a）を形成している。
（13）はそれぞれのガス流体（Ａ），（Ｂ）を分離する
ガス分離板で、バイポーラ板あるいはセパレータ板とも
呼ばれている。これらが多段に積層されて溶融炭酸塩型
燃料電池を構成している。
ている従来の内部マニホールド方式の積層型溶融炭酸塩
型燃料電池の断面を示す図である。図において、（10）
は電解質層、（11）及び（12）は電解質層（10）を介在
して対向する一対の電極反応部で、空気、二酸化炭素な
どを主成分とする酸化剤ガス（Ａ）が電気化学反応を起
こす酸化剤電極反応部（11）、及び水素、一酸化炭素、
炭化水素などを主成分とする燃料ガス（Ｂ）が電気化学
反応を起こす燃料電極反応部（12）より成つている。そ
れぞれの電極反応部（11），（12）では、通常凹凸状の
波形板でガス流路（11a），（12a）を形成している。
（13）はそれぞれのガス流体（Ａ），（Ｂ）を分離する
ガス分離板で、バイポーラ板あるいはセパレータ板とも
呼ばれている。これらが多段に積層されて溶融炭酸塩型
燃料電池を構成している。
第10図は、第９図に示した積層型溶融炭酸塩型燃料電
池で、一層分のガス流路を形成するガス分離板を分解し
た図である。この例では、それぞれのガス流体を平行に
流す平行流方式であるので、ガス分離板の同一周辺部に
それぞれのガス流体の供給用マニホールド（16a），（1
7a）が、それと対向する周辺部に排出用マニホールド
（16b），（17b）が、デイスタンスピース（14），（1
5）で分離されて交互に並んでいる。（11a），（12a）
は、前述したようにそれぞれの電極面でガス流路を構成
する凹凸部である。
池で、一層分のガス流路を形成するガス分離板を分解し
た図である。この例では、それぞれのガス流体を平行に
流す平行流方式であるので、ガス分離板の同一周辺部に
それぞれのガス流体の供給用マニホールド（16a），（1
7a）が、それと対向する周辺部に排出用マニホールド
（16b），（17b）が、デイスタンスピース（14），（1
5）で分離されて交互に並んでいる。（11a），（12a）
は、前述したようにそれぞれの電極面でガス流路を構成
する凹凸部である。
積層型溶融炭酸塩型燃料電池は、上記のように積層さ
れ、この積層面に適度な面圧がかかるように積層方向に
加圧されて積層部材間の接触部分がシールされ、ガスリ
ークを防止する構造になつている。
れ、この積層面に適度な面圧がかかるように積層方向に
加圧されて積層部材間の接触部分がシールされ、ガスリ
ークを防止する構造になつている。
次に、動作について説明する。第９図及び第10図にお
いて、酸化剤ガス（Ａ）は下方から上昇し、ガス分離板
（13）の下側のデイスタンスピース（15）に開けられた
酸化剤ガス供給マニホールド（16a）から酸化剤電極反
応部のガス流路（11a）を流通し、排出マニホールド（1
6b）を経て電池外部へ排出される。一方、燃料ガス
（Ｂ）は、ガス分離板（13）の下側ではデイスタンスピ
ース（15）に小孔（17a）が設けられているだけなので
ガス分離板（13）の上側まで通過し、上側のデイスタン
スピース（14）に開けられている燃料ガス供給マニホー
ルド（17a）を経て燃料電極反応部のガス流路（12a）へ
供給される。
いて、酸化剤ガス（Ａ）は下方から上昇し、ガス分離板
（13）の下側のデイスタンスピース（15）に開けられた
酸化剤ガス供給マニホールド（16a）から酸化剤電極反
応部のガス流路（11a）を流通し、排出マニホールド（1
6b）を経て電池外部へ排出される。一方、燃料ガス
（Ｂ）は、ガス分離板（13）の下側ではデイスタンスピ
ース（15）に小孔（17a）が設けられているだけなので
ガス分離板（13）の上側まで通過し、上側のデイスタン
スピース（14）に開けられている燃料ガス供給マニホー
ルド（17a）を経て燃料電極反応部のガス流路（12a）へ
供給される。
積層型溶融炭酸塩型燃料電池においては、ガスシール
の向上と面圧のバランスを保つことがガスリークや電池
性能の低下を防ぐために重要である。ところが、一般的
には電極反応部とガス供給マニホールド部やその周囲の
ガスシール部とでは、経時的なクリープ（塑性変形）特
性が異なつている。従つて、電極反応部などがクリープ
を起こし変形してくれば、面圧のバランスがくずれたり
ガスリークが起きたりする。これに関し、例えば、同一
出願人による特開昭62−188177号公報には、ガス流体を
電池側面の外部マニホールドから供給する方式の溶融炭
酸塩型燃料電池に対しては、ガス分離板を流路側面で折
り返して柔軟性を持たせることが示されている。
の向上と面圧のバランスを保つことがガスリークや電池
性能の低下を防ぐために重要である。ところが、一般的
には電極反応部とガス供給マニホールド部やその周囲の
ガスシール部とでは、経時的なクリープ（塑性変形）特
性が異なつている。従つて、電極反応部などがクリープ
を起こし変形してくれば、面圧のバランスがくずれたり
ガスリークが起きたりする。これに関し、例えば、同一
出願人による特開昭62−188177号公報には、ガス流体を
電池側面の外部マニホールドから供給する方式の溶融炭
酸塩型燃料電池に対しては、ガス分離板を流路側面で折
り返して柔軟性を持たせることが示されている。
積層型溶融炭酸塩型燃料電池のうち、特にガス流体を
電池内部のマニホールドを経て供給する方式のもので
は、その壁面が外部雰囲気と直接接していたり、マニホ
ールドのシール部で他のガス流路と接しているので、そ
のシールをより確実にする必要がある。ところが、上記
のような従来のものでは、電極反応部でのクリープによ
る変形に対し、シール部の変形具合を均一に追従させら
れなく、電池外部へガスリークしたり、電池内部で燃料
ガスと酸化剤ガスとが混合して反応したりする要因にな
るという課題があつた。
電池内部のマニホールドを経て供給する方式のもので
は、その壁面が外部雰囲気と直接接していたり、マニホ
ールドのシール部で他のガス流路と接しているので、そ
のシールをより確実にする必要がある。ところが、上記
のような従来のものでは、電極反応部でのクリープによ
る変形に対し、シール部の変形具合を均一に追従させら
れなく、電池外部へガスリークしたり、電池内部で燃料
ガスと酸化剤ガスとが混合して反応したりする要因にな
るという課題があつた。
この発明は、上記のような課題を解消するためになさ
れたもので、電極反応部のクリープによる変形に対し、
シール部の変形具合を均一に追従させ、ガスシール性を
向上できる内部マニホールド方式の溶融炭酸塩型燃料電
池を得ることを目的とする。
れたもので、電極反応部のクリープによる変形に対し、
シール部の変形具合を均一に追従させ、ガスシール性を
向上できる内部マニホールド方式の溶融炭酸塩型燃料電
池を得ることを目的とする。
この発明に係る内部マニホールド方式の溶融炭酸塩型
燃料電池は、電解質層を介在して対向する一対の電極反
応部と、この両電極反応部の上記電解質層と反対の側に
設けられ、それぞれの電極反応部で電気化学反応を起こ
す異なるガス流体を分離してガス流路を形成するガス分
離板とが積層された溶融炭酸塩型燃料電池で、上記ガス
分離板のガス流路周縁のガスシール部を積層方向に断面
凹状にして弾力性を持たせ、かつ、この凹状内部に上記
電極反応部の部材と略同等の経時的塑性変形特性を有す
る部材を充填させたものである。
燃料電池は、電解質層を介在して対向する一対の電極反
応部と、この両電極反応部の上記電解質層と反対の側に
設けられ、それぞれの電極反応部で電気化学反応を起こ
す異なるガス流体を分離してガス流路を形成するガス分
離板とが積層された溶融炭酸塩型燃料電池で、上記ガス
分離板のガス流路周縁のガスシール部を積層方向に断面
凹状にして弾力性を持たせ、かつ、この凹状内部に上記
電極反応部の部材と略同等の経時的塑性変形特性を有す
る部材を充填させたものである。
この発明においては、ガス分離板のガス流路周縁シー
ルが電極反応部分の経時的なクリープに追従し、ガスシ
ール部の変形具合の偏りを緩和する。
ルが電極反応部分の経時的なクリープに追従し、ガスシ
ール部の変形具合の偏りを緩和する。
第１図は、この発明の一実施例の溶融炭酸塩型燃料電
池を構成するガス分離板（21）を示す斜視図である。図
において、（22）はガス分離板（21）の上面で、この面
に燃料ガスを流通させるガス流路が形成される。尚、こ
のガス分離板（21）の下面には、酸化剤ガスを流通させ
るガス流路が形成される。この実施例では、燃料ガスと
酸化剤ガスとを直交して流通させる場合を示しているの
で、ガス分離板（21）の四辺にそれぞれのガスを供給し
排出する二対のマニホールドを有している。例えば、
（23a），（23b）が燃料ガス用、（24a），（24b）が酸
化剤ガス用のマニホールドである。（25）及び（26）
は、ガス分離板（21）のガス分離基板の表裏両面にガス
流路の周縁、マニホールド（23a）（23b）（24a）（24
b）を取り囲むように、ガス分離基板から電極反応部の
高さ分積層方向に立ち上がり、さらにガス分離基板と平
行にガス分離基板の中央に向かって伸びるように折り返
されて形成されたシール部で、電池外部へのガスリーク
を防ぐ外側シール部（25）及び電池内部で両ガスが混合
するのを防ぐ内側シール部（26）より成つている。これ
らのシール部には、コの字形のソフトレールを溶接やろ
う付けにより固着するなどして、積層方向の断面を凹状
に形成し弾力性を持たせている。
池を構成するガス分離板（21）を示す斜視図である。図
において、（22）はガス分離板（21）の上面で、この面
に燃料ガスを流通させるガス流路が形成される。尚、こ
のガス分離板（21）の下面には、酸化剤ガスを流通させ
るガス流路が形成される。この実施例では、燃料ガスと
酸化剤ガスとを直交して流通させる場合を示しているの
で、ガス分離板（21）の四辺にそれぞれのガスを供給し
排出する二対のマニホールドを有している。例えば、
（23a），（23b）が燃料ガス用、（24a），（24b）が酸
化剤ガス用のマニホールドである。（25）及び（26）
は、ガス分離板（21）のガス分離基板の表裏両面にガス
流路の周縁、マニホールド（23a）（23b）（24a）（24
b）を取り囲むように、ガス分離基板から電極反応部の
高さ分積層方向に立ち上がり、さらにガス分離基板と平
行にガス分離基板の中央に向かって伸びるように折り返
されて形成されたシール部で、電池外部へのガスリーク
を防ぐ外側シール部（25）及び電池内部で両ガスが混合
するのを防ぐ内側シール部（26）より成つている。これ
らのシール部には、コの字形のソフトレールを溶接やろ
う付けにより固着するなどして、積層方向の断面を凹状
に形成し弾力性を持たせている。
第２図及び第３図は、第１図に示したガス分離板（2
1）を展開した平面図及び底面図であり、第４図乃至第
７図は、その各部の断面を示す図である。
1）を展開した平面図及び底面図であり、第４図乃至第
７図は、その各部の断面を示す図である。
第８図は、このガス分離板（21）に波型板で形成した
ガス流路（11b），（12b）や電池（11），（12）を組み
込み電解質層（10）と交互に積層した溶融炭酸塩型燃料
電池の縦断面を示す図である。図において、（27）はガ
ス流路周縁部に形成された凹状部内部に充填された充填
部材で、電極反応部分に用いられている部材と略同等の
積層方向の経時的なクリープ（塑性変形）特性を持つも
のである。例えば、電極反応部の積層部に用いられてい
て、クリープを大きく支配する部材である電極と波型板
とを積層したものなどが適している。
ガス流路（11b），（12b）や電池（11），（12）を組み
込み電解質層（10）と交互に積層した溶融炭酸塩型燃料
電池の縦断面を示す図である。図において、（27）はガ
ス流路周縁部に形成された凹状部内部に充填された充填
部材で、電極反応部分に用いられている部材と略同等の
積層方向の経時的なクリープ（塑性変形）特性を持つも
のである。例えば、電極反応部の積層部に用いられてい
て、クリープを大きく支配する部材である電極と波型板
とを積層したものなどが適している。
このように構成された内部マニホールド方式の溶融炭
酸塩型燃料電池において、燃料ガス（Ｂ）は、第８図に
示すように、燃料ガス供給マニホールドからそれぞれの
層の燃料電極反応部のガス流路（12b）に導かれる。こ
のとき、燃料ガス供給マニホールドの外側シール部（2
5）により、電池外部へのガスリークが防止され、一
方、内側シール部（26）により、酸化剤ガス流路（11
b）には供給されないようにシールされる。尚、酸化剤
ガスのガスシールについても同様である。
酸塩型燃料電池において、燃料ガス（Ｂ）は、第８図に
示すように、燃料ガス供給マニホールドからそれぞれの
層の燃料電極反応部のガス流路（12b）に導かれる。こ
のとき、燃料ガス供給マニホールドの外側シール部（2
5）により、電池外部へのガスリークが防止され、一
方、内側シール部（26）により、酸化剤ガス流路（11
b）には供給されないようにシールされる。尚、酸化剤
ガスのガスシールについても同様である。
次に、経時的なクリープについて説明する。まず、運
転開始時には、積層方向に例えば締め付け圧で約3Kg/cm
2の面圧がかけられているが、長時間運転していると電
極などがクリープを起こし変形してくる。このような場
合においても、シール部を凹状にして弾性を持たせ、そ
の凹状内に電極反応部分と略同等のクリープ特性を有す
る部材を充填させているので、ガス流路周縁のシール部
は電極反応部のクリープに対し追従して変形する。しか
も、適度な弾性があるため、その変形具合が同程度にな
り、常にバランスを保つて適度な面圧を電極反応部及び
シール部に印加し続けるので長期間良好なガスシール性
を維持して運転することができる。
転開始時には、積層方向に例えば締め付け圧で約3Kg/cm
2の面圧がかけられているが、長時間運転していると電
極などがクリープを起こし変形してくる。このような場
合においても、シール部を凹状にして弾性を持たせ、そ
の凹状内に電極反応部分と略同等のクリープ特性を有す
る部材を充填させているので、ガス流路周縁のシール部
は電極反応部のクリープに対し追従して変形する。しか
も、適度な弾性があるため、その変形具合が同程度にな
り、常にバランスを保つて適度な面圧を電極反応部及び
シール部に印加し続けるので長期間良好なガスシール性
を維持して運転することができる。
上記実施例では、燃料ガス、酸化剤ガスの双方とも内
部マニホールドの場合であつたが、どちらか一方のみを
内部マニホールドとするハイブリツド形の場合でも同様
の効果を奏する。
部マニホールドの場合であつたが、どちらか一方のみを
内部マニホールドとするハイブリツド形の場合でも同様
の効果を奏する。
また、燃料ガスと酸化剤ガスとが直交流となる場合を
示したが、平行流の場合などでもガス流路の周縁を上記
と同様のシール部にすればよく、特にガス流の方向を限
定するものではない。
示したが、平行流の場合などでもガス流路の周縁を上記
と同様のシール部にすればよく、特にガス流の方向を限
定するものではない。
この発明は以上説明したとおり、電解質層を介在して
対向する一対の電極反応部と、この両電極反応部の前記
電解質層と反対の側に設けられ、それぞれの電極反応部
で電気化学反応を起こす異なるガス流体を分離してガス
流路を形成するガス分離板とが積層され、積層されたそ
れぞれの前記ガス流路に前記ガス流体を供給するための
２対のガス供給および排出マニホールドが前記ガス分離
板および前記電解質層等からなる積層体の中に構成され
た内部マニホールド方式の溶融炭酸塩型燃料電池におい
て、前記ガス分離板が、ガス分離基板と、該ガス分離基
板の表裏両面に形成された各ガス流路の供給側および排
出側にそれぞれ穿設された開口と、該ガス分離基板の表
裏両面にそれぞれガス流路の周縁、該ガス流路の供給側
および排出側に穿設された開口を取り囲むようにガス分
離基板から電極反応部の電極の高さ分だけ積層方向に立
ち上がる立ち上がり部分と、該立ち上がり部分からガス
分離基板と平行にガス分離基板の中央に向かって伸びる
折り返し部分とを有し、前記ガス分離基板、前記立ち上
がり部分および前記折り返し部分で構成される前記ガス
分離板の積層方向に弾力性を有する断面形状凹状の内部
に前記電極反応部の部材と略同等の経時的塑性変形を有
する部材が充填され、さらに積層された前記ガス分離板
にそれぞれ穿設された各開口をガス分離板間に介装され
た前記電解質層に貫通孔を設けて積層方向に連通させて
前記２対のガス供給および排出マニホールドが構成され
たので、電極反応部のクリープによる変形に対し、シー
ル部の変形具合を均一に追従させてガスシール性を向上
できる効果がある。
対向する一対の電極反応部と、この両電極反応部の前記
電解質層と反対の側に設けられ、それぞれの電極反応部
で電気化学反応を起こす異なるガス流体を分離してガス
流路を形成するガス分離板とが積層され、積層されたそ
れぞれの前記ガス流路に前記ガス流体を供給するための
２対のガス供給および排出マニホールドが前記ガス分離
板および前記電解質層等からなる積層体の中に構成され
た内部マニホールド方式の溶融炭酸塩型燃料電池におい
て、前記ガス分離板が、ガス分離基板と、該ガス分離基
板の表裏両面に形成された各ガス流路の供給側および排
出側にそれぞれ穿設された開口と、該ガス分離基板の表
裏両面にそれぞれガス流路の周縁、該ガス流路の供給側
および排出側に穿設された開口を取り囲むようにガス分
離基板から電極反応部の電極の高さ分だけ積層方向に立
ち上がる立ち上がり部分と、該立ち上がり部分からガス
分離基板と平行にガス分離基板の中央に向かって伸びる
折り返し部分とを有し、前記ガス分離基板、前記立ち上
がり部分および前記折り返し部分で構成される前記ガス
分離板の積層方向に弾力性を有する断面形状凹状の内部
に前記電極反応部の部材と略同等の経時的塑性変形を有
する部材が充填され、さらに積層された前記ガス分離板
にそれぞれ穿設された各開口をガス分離板間に介装され
た前記電解質層に貫通孔を設けて積層方向に連通させて
前記２対のガス供給および排出マニホールドが構成され
たので、電極反応部のクリープによる変形に対し、シー
ル部の変形具合を均一に追従させてガスシール性を向上
できる効果がある。
第１図はこの発明の一実施例の溶融炭酸塩型燃料電池を
構成するガス分離板を示す斜視図、第２図及び第３図は
第１図に示したガス分離板を展開した平面及び底面をそ
れぞれ示す図、第４図乃至第７図は第２図及び第３図に
示したガス分離板の各部の断面をそれぞれ示す図、第８
図は第１図のガス分離板を使用した積層型溶融炭酸塩型
燃料電池の縦断面を示す図、第９図は従来の内部マニホ
ールド方式の積層型溶融炭酸塩型燃料電池の断面を示す
図、第10図は第９図に示した積層型溶融炭酸塩型燃料電
池で、一層分のガス流路を形成するガス分離板を分解し
た図である。 図において、（10）は電解質層、（11）及び（12）は電
解反応部、（21）はガス分離板、（25）及び（26）はガ
ス流路周縁のシール部、（27）は充填部材である。 なお、各図中同一符号は同一または相当部分を示す。
構成するガス分離板を示す斜視図、第２図及び第３図は
第１図に示したガス分離板を展開した平面及び底面をそ
れぞれ示す図、第４図乃至第７図は第２図及び第３図に
示したガス分離板の各部の断面をそれぞれ示す図、第８
図は第１図のガス分離板を使用した積層型溶融炭酸塩型
燃料電池の縦断面を示す図、第９図は従来の内部マニホ
ールド方式の積層型溶融炭酸塩型燃料電池の断面を示す
図、第10図は第９図に示した積層型溶融炭酸塩型燃料電
池で、一層分のガス流路を形成するガス分離板を分解し
た図である。 図において、（10）は電解質層、（11）及び（12）は電
解反応部、（21）はガス分離板、（25）及び（26）はガ
ス流路周縁のシール部、（27）は充填部材である。 なお、各図中同一符号は同一または相当部分を示す。
フロントページの続き (72)発明者 波東 千秋 兵庫県尼崎市塚口本町８丁目１番１号 三菱電機株式会社生産技術研究所内 (72)発明者 向井 正啓 兵庫県尼崎市塚口本町８丁目１番１号 三菱電機株式会社生産技術研究所内 (56)参考文献 特開 昭60−220571（ＪＰ，Ａ) 特開 昭62−184772（ＪＰ，Ａ) 特開 昭62−188177（ＪＰ，Ａ) 特開 昭63−53858（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.6，ＤＢ名) H01M 8/00 - 8/24
Claims (1)
- 【請求項１】電解質層を介在して対向する一対の電極反
応部と、この両電極反応部の前記電解質層と反対の側に
設けられ、それぞれの電極反応部で電気化学反応を起こ
す異なるガス流体を分離してガス流路を形成するガス分
離板とが積層され、積層されたそれぞれの前記ガス流路
に前記ガス流体を供給するための２対のガス供給および
排出マニホールドが前記ガス分離板および前記電解質層
等からなる積層体の中に構成された内部マニホールド方
式の溶融炭酸塩型燃料電池において、 前記ガス分離板が、ガス分離基板と、該ガス分離基板の
表裏両面に形成された各ガス流路の供給側および排出側
にそれぞれ穿設された開口と、該ガス分離基板の表裏両
面にそれぞれガス流路の周縁、該ガス流路の供給側およ
び排出側に穿設された開口を取り囲むようにガス分離基
板から電極反応部の電極の高さ分だけ積層方向に立ち上
がる立ち上がり部分と、該立ち上がり部分からガス分離
基板と平行にガス分離基板の中央に向かって伸びる折り
返し部分とを有し、 前記ガス分離基板、前記立ち上がり部分および前記折り
返し部分で構成される前記ガス分離板の積層方向に弾力
性を有する断面形状凹状の内部に前記電極反応部の部材
と略同等の経時的塑性変形を有する部材が充填され、 さらに積層された前記ガス分離板にそれぞれ穿設された
各開口をガス分離板間に介装された前記電解質層に貫通
孔を設けて積層方向に連通させて前記２対のガス供給お
よび排出マニホールドが構成されたことを特徴とする内
部マニホールド方式の溶融炭酸塩型燃料電池。
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