JP3339720B2 - 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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JP3339720B2 JP06958293A JP6958293A JP3339720B2 JP 3339720 B2 JP3339720 B2 JP 3339720B2 JP 06958293 A JP06958293 A JP 06958293A JP 6958293 A JP6958293 A JP 6958293A JP 3339720 B2 JP3339720 B2 JP 3339720B2
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    • Y02E60/50Fuel cells

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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】この発明は燃料電池に係り、特に
電解質として溶融炭酸塩を用いる溶融炭酸塩型燃料電池
に関する。
【0002】
【従来の技術】近年、燃料の有する化学的エネルギーを
直接電気エネルギーに変換する燃料電池が各方面で注目
され、開発が大きく進みつつある。この開発中のものに
電解質として溶融した炭酸リチウムおよび炭酸カリウム
混合塩を用いる溶融炭酸塩型燃料電池がある。これは動
作温度が約650℃とりん酸を電解質とするものと比較
して高く、良好な変換効率が維持できるものとして非常
に期待されている。この溶融炭酸塩型燃料電池の単電池
の起電力は約0.9Vと小さいため、大高出力の発電プ
ラントを構成するには単電池を直列に多数積層して燃料
電池積層体を形成する必要がある。
【0003】図4はこのような燃料電池積層体の一部を
示している。図4において、炭酸塩を電解質として多孔
質体にしみこませて構成される電解質板1をカソード2
およびアノード3で挟み込み、カソード2側には酸化剤
ガス流路9を形成するためのカソード集電板4が、アノ
ード3側には燃料ガス流路10を形成するためにアノー
ド集電板5がそれぞれ設けられて単電池が形成される。
隣接する単電池の酸化剤ガス流路9と燃料ガス流路10
との間にはセパレータ板6が設置され、これは酸化剤ガ
スと燃料ガスとを分離するとともに、単電池を直列に接
続する働きがある。セパレータ板6の両端と電解質板1
の両端との間には溶融した炭酸塩によるウェットシール
形成するためのアノードエッジ板7とアノードホルダ1
1とが、電解質板1の反対側にも同様にカソードエッジ
板8とカソードホルダ12とが設けられている。
【0004】そして、このような燃料電池積層体への酸
化剤ガスおよび燃料ガスの供給および排出は端部に形成
されるガス通路(図示せず)によって行われ、単電池の
酸化剤ガス流路9および燃料ガス流路10はそれぞれ連
通している。
【0005】燃料電池積層体は上記のように電解質板1
端部でウエットシール構造を形成して酸化剤ガスおよび
燃料ガスの漏洩を防止すると共に、単電池を構成する電
解質板1、カソード2、アノード3、カソード集電板
4、アノード集電板5、セパレータ板6の電気的な接触
を良好に保つことが重要である。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】ところで、上記した燃
料電池積層体においてはガスシール性を保ち、接触抵抗
を低減する必要から積層方向に所要の押しつけ圧力が常
に加えられている。また、約650℃の高温で長時間運
転されることから、単電池の構成部材には過大な収縮が
生じることになる。そして同様に、アノードホルダ1
1、カソードホルダ12も積層方向に収縮する傾向があ
る。一般に、これらの各部材はいずれも材質が異なって
おり、高温クリープ特性に大きな相違が見られる。この
ため、たとえば、長時間の連続運転によってアノードホ
ルダ11やカソードホルダ12の収縮率が小さく、カソ
ード2、アノード3、カソード集電板4、アノード集電
板5の収縮率が大きい場合には締め付け圧力が単電池に
伝達されなくなり、電解質板1とカソード2およびアノ
ード3との間に接触不良が生じ、電池性能が大きく低下
してしまう。
【0007】これと反対に、アノードホルダ11および
カソードホルダ12の収縮率の方が大きい場合にはウエ
ットシールに必要な面圧が小さくなり、ついにはカスリ
ークによる性能低下が起こり、場合により酸化剤と燃料
との混合による直接燃焼が起こる可能性がある。あるい
は、各部材同士の間で収縮率がまちまちであると、電解
質板1上でウエットシール部と発電部分との平衡が保て
なくなり、電解質板1に過大なせん断力が働く結果、そ
こに破損が生じ、燃料電池内部で直接燃焼が起こる危険
性がある。
【0008】燃料電池積層体の製作においても単電池の
構成部材と双方のホルダ11、12の製作公差から電解
質板1に大きなせん断力が発生することがあり、公差管
理を厳密に行う必要がある。
【0009】そこで、本発明の目的は燃料電池積層体の
構成部材に積層方向の収縮変形が生じても、常に良好な
ガスシール性を維持でき、電解質板とカソードおよびア
ノードとの望ましい接触状態を保てるようにした溶融炭
酸塩型燃料電池を提供することにある。
【0010】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に本発明は電解質板の一の面にカソード、他の面にアノ
ードを重ねて設け、酸化剤用ガス流路を備えたカソード
集電板および燃料用ガス流路を備えたアノード集電板を
該カソードおよびアノードにさらに重ねて合わせて単電
池を構成し、この単電池をセパレータ板を介して多数積
層して積層体に組み立ててなる溶融炭酸塩型燃料電池に
おいて、アノードを該アノード集電板の縁端からアノー
ドエッジ板にわたるように延ばして延長部を形成し、
ノード集電板と同等の高温クリープ特性を有する材料か
ら形成されたアノードホルダをこの延長部とセパレータ
板との間にアノードエッジ板を介して設けたことを特徴
とするものである。
【0011】さらに、良好なガスシール性を維持するた
めに本発明は、電解質板を挟みアノードホルダと対向し
てカソード側に負荷される締め付け圧力を受けるための
カソードスプリングを設ける。
【0012】また、別の発明はアノードホルダをアノー
ド集電板と同一の材料によって構成する。
【0013】さらに、別の発明はアノードの延長部とア
ノードエッジ板との接触部分の幅が5ないし60mmと
なるように構成する。
【0014】
【作用】燃料電池は単電池を積層して燃料電池積層体に
して運転に供される。このとき各構成部材が経時的に収
縮変形を起こすが、上記構成においてはアノード集電板
とアノードホルダとがほぼ一様に収縮するのに最適な配
置となっており、またアノード自身がカソードに比べて
柔軟かつ収縮しにくい特性を有するので、アノード全面
に密着している電解質板に過大なせん断力が生じにく
い。
【0015】カソードスプリングは積層されて締め付け
圧力がかかると、弾性変形して0.01kg/cm2 から5
kg/cm2 反力を生じて、カソードエッジ板、電解質板、
アノード、アノードエッジ板、アノードホルダを押すこ
とになる。また、アノードの延長部とアノードエッジ板
との接触部分は5ないし60mmの範囲であるので、燃料
ガスのシールを良好に維持することができる。また、電
解質板とカソードエッジ板との接触部分の範囲も5ない
し60mmの範囲であるので、酸化剤ガスのシールも良好
に維持することができる。
【0016】さらに、カソードおよびカソード集電板の
収縮に対してはカソードスプリングが収縮する方向にあ
るために必要なシール面圧を長時間にわたり電解質板に
作用させることができる。
【0017】
【実施例】以下、発明の一実施例を図1を参照して説明
する。図1において、電解質板1と接するアノード3は
アノード集電板5の縁端からアノードエッジ板7にわた
るように延ばし、延長部13を形成している。この延長
部13と接するアノードエッジ板7とセパレータ板6と
の間にアノードホルダ11を配置している。このアノー
ドホルダ11とアノードエッジ板7とを合わせた高さは
アノード集電板5の高さと等しく、両者の段差がほぼ零
になるように形成される。
【0018】平板状のセパレータ板6と接しているアノ
ードホルダ11は確実なウエットシール面を形成するた
めにアノード集電板5と同等の高温クリープ特性を有す
る材料、たとえばNi基耐熱合金で構成する。また、ア
ノード3の延長部13はアノード縁端から内側に5ない
し60mmの範囲に形成する。
【0019】一方、カソード2側で電解質板1と接する
カソードエッジ板8が設けられる。セパレータ6とこの
カソードエッジ板8との間にはカソードスプリング14
が配置される。このカソードスプリング14は、たとえ
ばFe−Cr−Ni合金で構成する。また、このカソー
ドスプリング14のカソードエッジ板8と接する範囲
は、電解質板1の縁端から5ないし60mmである。
【0020】カソード集電板4は従来技術と同様な配置
で、カソード2とセパレータ板6との間に設けられる。
【0021】ここで、アノードおよびカソード側のガス
シール面を5ないし60mmの範囲とするのは、次の理由
による。5mm以下の幅ではウエットシールが形成されて
も燃料電池積層体外部と内部の差圧が500mmAq以上に
なったときに十分なガスシールが行われないためであ
り、60mm以下とするのは、アノードホルダ11、カソ
ードスプリング14等の部材が大きくなり、発電に寄与
しない部分の面積が大きくなり好ましくないためであ
る。単電池を構成する前は、カソードスプリング14と
カソードエッジ板8とを合わせた高さはカソード2とカ
ソード集電板4とを合わせた高さよりも高くなってお
り、単電池を積層して必要な締め付け圧力をかけた状態
でカソードスプリング14が弾性変形を起こして反力を
生ずるように構成する。積層時にスプリングの反力は
0.01kg/cm2 から5kg/cm2 となるようにする。こ
れは、溶融炭酸塩型燃料電池における溶融炭酸塩による
ウエットシールは差圧が1000mmAq以下の場合、0.
01kg/cm2 以上の面圧がかかった状態で良好なガスシ
ールを行えることが実験によって確認されたことによ
る。また、電解質板1は運転中はほとんどせん断力に対
して抗力を持たないので、シール圧力が5kg/cm2 以上
となると電解質板1が破壊されてしまうことがあるため
である。
【0022】また、本実施例のアノード3の端面は熱処
理により溶解して気孔率を0%程度まで低下させた熱処
理面15を形成している。
【0023】そして、アノードエッジ板7およびカソー
ドエッジ板8は共にセパレータ板6に気密を保って接合
されている。
【0024】上記の構成からなる燃料電池積層体におい
ては電解質板1はアノード3の延長部11により全面で
保持されているので、アノードホルダ11とカソード集
電板3に製作誤差が生じても比較的柔軟なアノードエッ
ジ板7とアノード3とを介することから、燃料電池積層
時に電解質板1に過大なせん断力が生じない。したがっ
て、電解質板1に亀裂を発生させずに積層することがで
きる。また、アノードホルダ11とアノード集電板5と
は同一の材料で構成し、高温クリープ特性をほぼ同等に
しているので、カソード2に比べて収縮の割合を小さく
することができ、運転が長時間にわたってもアノード3
に断差が生じにくく、電解質板1に過大なせん断力が生
じるのを防止することが可能になる。
【0025】さらに、長時間の運転に供したカソード2
は20ないし30%の収縮を生じるが、カソードスプリ
ング14がそれに従って収縮するので、シール面圧は安
定に保持される。また、アノード3の側面には熱処理面
15が形成されているので、燃料電池周囲のガスが燃料
ガス流路10に入り込み、あるいは燃料ガスが燃料電池
外部に流出するのを防止することができる。
【0026】次に、本発明の他の実施例を図2を参照し
て説明する。
【0027】上記実施例ではアノード3の端部に気孔率
を低下させた熱処理面15を形成しているが、図2に示
すように、プレス等によって機械的な加圧を施し、シー
ル面近傍の気孔率を低下させることも可能である。この
理由は、一般に、アノード3の気孔のうち、20ないし
40%は電解質で占められているが、気孔率が低い部分
では表面張力が大きく働くため、気孔の100%近くが
電解質で占られることになるからである。
【0028】また、熱処理と機械的な加圧による方法と
を両方実施するならば、一段と良好な効果が得られるこ
とは明らかである。
【0029】また、図3はさらに異なる実施例を示して
いる。
【0030】本実施例は図2の実施例と同様なプレス等
の機械的な加圧加工によって作られる。アノード集電板
5はアノード3の延長部13に合わせて延長される。こ
の延長部がアノードホルダ11として機能する。このよ
うな構成においても上記実施例のものと同様な結果を得
ることができる。
【0031】
【発明の効果】以上の説明から明らかなように本発明は
アノードをアノード集電板の縁端からアノードエッジ板
にわたるように延ばして延長部を形成し、アノードホル
ダをこの延長部とセパレータ板との間にアノード板を介
して設けているので、燃料積層体を運転に供して各構成
部材に収縮変形が生じても、常に良好なシール性を維持
でき、また電解質板とカソードおよびアノードとの接触
も望ましい状態に保つことができる。
【0032】したがって、本発明によれば、長時間にわ
たりガスリーグが少なく、電池性能が高く保持されると
いう優れた効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明による溶融炭酸塩型燃料電池の一実施例
を示す断面図。
【図2】本発明の他の実施例を示す断面図。
【図3】本発明の他の実施例を示す断面図。
【図4】従来の溶融炭酸塩型燃料電池を示す断面図。
【符号の説明】
1…電解質板 2…カソード 3…アノード 4…カソード集電板 5…アノード集電板 6…セパレータ板 11…アノードホルダ 13…延長部 14…カソードスプリング

Claims (4)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 電解質板の一の面にカソード、他の面に
    アノードを重ねて設け、酸化剤用ガス流路を備えたカソ
    ード集電板および燃料用ガス流路を備えたアノード集電
    板を該カソードおよびアノードにさらに重ねて合わせて
    単電池を構成し、この単電池をセパレータ板を介して多
    数積層して積層体に組み立ててなる溶融炭酸塩型燃料電
    池において、前記アノードを該アノード集電板の縁端か
    らアノードエッジ板にわたるように延ばして延長部を形
    成し、前記アノード集電板と同等の高温クリープ特性を
    有する材料から形成されたアノードホルダをこの延長部
    と前記セパレータ板との間に該アノードエッジ板を介し
    て設けたことを特徴とする溶融炭酸塩型燃料電池。
  2. 【請求項2】 前記電解質板を挟み、前記アノードホル
    ダと対向して該カソード側に負荷される締め付け圧力を
    受けるカソードスプリングを設けたことを特徴とする請
    求項1記載の溶融炭酸塩型燃料電池。
  3. 【請求項3】 前記アノードホルダを前記アノード集電
    板と同一の材料で構成したことを特徴とする請求項1お
    よび2記載の溶融炭酸塩型燃料電池。
  4. 【請求項4】 前記アノードの延長部と前記アノードエ
    ッジ板との接触部分の幅が5ないし60mmであること
    を特徴とする請求項1ないし3のいずれか1項に記載の
    溶融炭酸塩型燃料電池。
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