JP3546495B2 - 円筒形燃料電池 - Google Patents
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Description
【産業上の利用分野】
本発明は燃料の有する化学エネルギーを電気エネルギーに直接変換する燃料電池に係わり、更に詳しくは、形状が円筒形の溶融炭酸塩型燃料電池に関する。
【0002】
【従来の技術】
溶融炭酸塩型燃料電池(図7)は、薄い平板状の電解質板t(タイル)をアノードa(燃料極)とカソードc(空気極)の2枚の平板電極で挟んだセル1で構成されている。しかし、単セルでは電圧が低い(0.8V程度)ため、実用上は導電性のセパレータ2(バイポーラプレート)を介し多数段に積層した燃料電池3(スタック)として用いられる。
【0003】
電解質板tは、焼結したセラミック粉末からなり、その隙間に溶融炭酸塩を高温の溶融状態で保持するようになっている。アノードa及びカソードcは、それぞれ焼結した金属粉末であり、その間に電解質板tを挟持し、内部に溶融炭酸塩とガスとの界面を形成する。セパレータ2は、その上下面にガス流路を有し、その間にセル1を挟持し、水素を含むアノードガスと酸素を含むカソードガスをアノードa及びカソードcに沿ってそれぞれ流すようになっている。かかる燃料電池3を例えば約650℃の高温に保持し、アノードa及びカソードcに沿ってそれぞれアノードガスとカソードガスを流すことにより、次の反応により電気が発電される。
【0004】
アノード反応 H2 +CO3 2− →H2 O+CO2 +2e...式▲1▼
カソード反応 CO2 +1/2 O2 +2e→CO3 2− ...式▲2▼
【0005】
また、スタック内の各セルにプロセスガス(アノードガス及びカソードガス)を供給する手段として、図8に示すように、スタックの側面に外部マニホールド4を押付けてこのマニホールドから各セル1にプロセスガスを供給する外部マニホールド方式(A)と、セパレータ自体に垂直な内部マルホールド5を備え、このマルホールドを介して各セル1にプロセスガスを供給する内部マルホールド方式(B)とが従来から提案され実施されている。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】
外部マニホールド方式(A)は、外部マニホールド4がスタックの側面に直接接続されるため、▲1▼スタック高さの変動(熱膨張や電解質板の厚さ変化に起因する)やスタック側面の凹凸(多数のセルの積層に起因する)により、シール性能が悪化してガスが漏れやすく、かつ▲2▼外部マニホールド4を介してセル間の短絡やイオンが別のセルに移動するマイグレーションが生じやすい問題点があった。
【0007】
一方、内部マルホールド方式(B)は、スタックの高さ変化やスタック側面の凹凸の影響を受けず、シール性能が優れており、かつ各セルを直接連結する部材がないため、短絡やマイグレーションのおそれがないが、多数のセルを積層して高電圧の燃料電池(スタック)を構成しようとすると、▲3▼内部マニホールド5の占める面積が増し、セパレータ面積に対する反応面積の比率(面積効率)が低下し、かつ▲4▼積層した各セルに流れるプロセスガスの流量比率(縦流配)が悪化する問題点があった。
【0008】
特に、アノードガスとカソードガスを平行に流す平行流方式の燃料電池では、図9に模式的に示すように、反応部形状を長方形とし、相対する2辺の各々にアノードマニホールド5aとカソードマニホールド5cを交互に配置する内部マニホールド構造が用いられるため、相対する2辺にマニホールド5a,5cが集中し、マニホールド面積を十分確保できず、面積効率が悪化し、▲5▼所望の縦流配性能を確保できるセルの積層限界が小さい(例えば約100段程度)等の問題点があった。更に、マニホールド面積を十分確保できないために、▲6▼カソードガスの圧力損失がアノードガスに比較して大きくなり、アノード、カソード間の圧力差(極間差圧)が大きくなってシール性能や電解質板の寿命を低下させる問題点があった。
【0009】
本発明は上述した種々の問題点を解決するために創案されたものである。すなわち、本発明は、▲1▼シール性能が優れており、▲2▼セル間の短絡やマイグレーションが生じにくく、かつ多数のセルを積層した場合でも、▲3▼セパレータ面積に対する反応面積の比率が高く、▲4▼積層した各セルにほぼ均等にプロセスガスを流すことができ、▲5▼縦流配性能を確保できるセルの積層許容範囲が広く、▲6▼極間差圧が小さい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】
本発明によれば、電解質板とこれを間に挟持したアノード及びカソードとからなる複数のドーナツ状セルと、各セルを間に挟持した複数の円形セパレータと、を備え、前記円形セパレータは、中心に設けられたカソードガス用の中心マニホールドと、該中心マニホールドのまわりに互いに間隔を隔てて設けられた複数のアノードガス用第1マニホールドと、円形セパレータの外周部に互いに間隔を隔てて設けられた複数のアノードガス用第2マニホールドと、第1マニホールドと第2マニホールドの間に両面に設けられアノードガスとカソードガスがそれぞれ片面を放射状に流れるようになったドーナツ状の一対の反応部と、を有し、前記円形セパレータは、アノードガスとカソードガスを仕切るプレス成形した平板状の仕切板と、該仕切板の両側に間隔を隔てて取り付けられた平板状のマスクプレートと、からなり、前記マスクプレートはそれぞれ、前記中心マニホールド及び第1マニホールドを有する中心マスク部と、第2マニホールドを有する外周マスク部と、からなり、中心マスク部と外周マスク部との間に前記一対の反応部が構成され、該反応部にドーナツ状のアノードとカソードが取り付けられ、カソードガスは円形セパレータの外側から円形セパレータ間の隙間をその表面に沿って各カソードまで供給され、反応後のカソードガスは中心マニホールドから外部に排出される、ことを特徴とする円筒形燃料電池が提供される。
【0011】
本発明の好ましい実施例によれば、セル及び円形セパレータを間隔を隔てて囲む容器を更に備え、該容器を介して円形セパレータの外側からカソードガスが供給される。
【0013】
また、前記円形セパレータ間には第1マニホールド及び第2マニホールドを個別に囲む複数のドーナツ状シール板が挟持され、これにより円形セパレータの表面に沿って流れるカソードガスをアノードガスからシールすることが好ましい。更に、前記セル及び円形セパレータを間に挟持するホルダーを備え、該ホルダーを介してアノードガス及びカソードガスの給気及び/又は排気が行われることが好ましい。
【0014】
【作用】
上記構成の本発明の円筒形燃料電池には、アノードガス用の内部マニホールド(第1及び第2マニホールド)は設けられているが、カソードガス用の内部マニホールドは中心マニホールドが1つ設けられているだけであり、外周部にはカソードガス用の内部マニホールドはないので、ガス量の多いカソードガス用の内部マニホールドに要する面積を半減させることができ、セパレータ面積に対する反応面積の比率を高めることができる。
【0015】
また、カソードガスは、セパレータの外側からセパレータ間の隙間をその表面に沿って各カソードまで供給され、反応後のカソードガスは中心マニホールドから外部に排出されるので、燃料電池の外側(例えばセル及びセパレータを囲む容器)をカソードガスの外部マニホールドとして利用することができ、この外部マニホールドを十分大きく設定することにより、多数のセルを積層した場合でも、積層した各セルにほぼ均等にプロセスガスを流すことができ、縦流配性能を確保できるセルの積層許容範囲を広くし、極間差圧を小さくすることができる。
【0016】
更に、円形セパレータ間にはアノードガス用の第1マニホールド及び第2マニホールドを個別に囲む複数のドーナツ状シール板が挟持され、これにより円形セパレータの表面に沿って流れるカソードガスをアノードガスからシールするので、従来の内部マニホールドと同様にシール性能が優れており、かつセル側面に直接接する外部マニホールド等がないため、セル間の短絡やマイグレーションが生じるおそれがない。
【0017】
【実施例】
以下に本発明の好ましい実施例を図面を参照して説明する。
図1は、本発明による円筒形燃料電池の全体斜視図であり、図2は図1の部分斜視図である。図1及び図2において、本発明の円筒形燃料電池10は、電解質板tとこれを間に挟持したアノードa及びカソードcとからなる複数のドーナツ状のセル11と、各セル11を間に挟持した複数の円形セパレータ12とを備えている。また、図に矢印で示すように、カソードガス6aは円形セパレータ12の外側から円形セパレータ間の隙間をその表面に沿って各カソードまで供給され、反応後のカソードガス6bは中心に設けられたマニホールド(後述する中心マニホールド)から燃料電池の外部に排出されるようになっている。
【0018】
図1において、本発明の円筒形燃料電池10は、更にセル11及び円形セパレータ12を間隔を隔てて囲む容器13を備えている。この容器13は、燃料電池を格納する格納容器自体であってもよく、或いは格納容器内に収納される別の容器であってもよい。この容器13を介して円形セパレータ12の外側からカソードガス6aを供給することにより、燃料電池の外側(例えば容器13)をカソードガス6aの外部マニホールドとして利用することができ、この外部マニホールド6aを十分大きく設定することにより、多数のセルを積層した場合でも、積層した各セルにほぼ均等にプロセスガスを流すことができ、縦流配性能を確保できるセルの積層許容範囲を広くし、極間差圧を小さくすることができる。
【0019】
更に、図1に示すように、本発明の円形燃料電池10は、セル11及び円形セパレータ12を間に挟持するホルダー14を備え、このホルダー14の少なくとも一方を介してアノードガス及びカソードガスの給気及び/又は排気が行われるようになっている。かかる構成により、容器13をセル11及び円形セパレータ12の外周面から間隔を隔てて囲むことができ、これによりセル側面に直接接する外部マニホールド等がないため、セル間の短絡やマイグレーションを本質的に回避することができる。
【0020】
図3は、円形セパレータ12の平面図でありカソードガスの流れを示しており、図4は、円形セパレータ内部の平面図でありアノードガスの流れを示している。
図3及び図4に示すように、円形セパレータ12は、中心に設けられたカソードガス用の中心マニホールド15aと、中心マニホールド15aのまわりに互いに間隔を隔てて設けられた複数のアノードガス用第1マニホールド15bと、円形セパレータの外周部に互いに間隔を隔てて設けられた複数のアノードガス用第2マニホールド15cと、第1マニホールド15bと第2マニホールド15cの間に両面に設けられアノードガスとカソードガスがそれぞれ片面を放射状に流れるようになったドーナツ状の一対の反応部16とを有している。
【0021】
また、図3において、円形セパレータ12間には第1マニホールド15b及び第2マニホールド15cを個別に囲む複数のドーナツ状シール板17が挟持されており、これにより、円形セパレータ12の表面に沿って流れるカソードガス6a,6bを第1マニホールド15b及び第2マニホールド15cを流れるアノードガス7a,7b(図4)からシールし、アノードガス7a,7bが円形セパレータ12の隙間に漏れ出すのを防止している。シール板17には、高温においてシール性を有する材料、例えばセラミックシールや電解質板を用いることができる。かかる構成により、図3に示すように、カソードガス6aを円形セパレータ12の外側から円形セパレータ間の隙間をその表面に沿って各カソードまで供給し、反応後のカソードガス6bを中心マニホールド15aから外部に排出することができる。なお、上述したカソード側の反応式▲2▼から、カソード反応によりガス量は減少するため、図3に示すように、カソードガスを外周部から中心マニホールド15aに流すのが好ましいが、本発明はこれに限定されず、逆方向に流してもよい。
【0022】
図3及び図4に示すように、円形セパレータ12は、アノードガスとカソードガスを仕切るプレス成形した平板状の仕切板21と、仕切板21の両側に間隔を隔てて取り付けられた平板状のマスクプレート22とからなる。また、マスクプレート22はそれぞれ、中心マニホールド15a及び第1マニホールド15bを有する中心マスク部22aと、第2マニホールド15cを有する外周マスク部22bとからなる。かかる構成により、前記一対の反応部16は中心マスク部22aと外周マスク部22bとの間の凹んだ部分に構成され、この反応部16にドーナツ状のアノードaとカソードcがそれぞれ取り付けられる。
【0023】
図4は、図3からセル1及びマスクプレート22を除去した状態を示しており、アノードaに供給されるアノードガス7a,7bの流れを示している。この図に示すように、第1マニホールド15bからセパレータのアノード側に流入したアノードガス7aは、円形セパレータ内を放射状に流れ、第2マニホールド15cから外部に排出される。なお、アノード側の反応式▲1▼から、アノード反応によりガス量は増加するため、図4に示すように、アノードガスを内側から外側に流すのが好ましいが、本発明はこれに限定されず、逆方向に流してもよい。
【0024】
図5は、図3のA−A断面図であり、円形セパレータ12の反応部16の構成を示している。この図に示すように、仕切板21の反応部は、波形にプレス成形され、その上下面にアノードガス及びカソードガスが放射状に流れる流路が形成されている。電解質板tとこれを間に挟持したアノードa及びカソードcとからなる複数のドーナツ状セル1は、この仕切板21の間に挟持され、仕切板21の上面を流れるアノードガスがアノードaに供給され、下面を流れるカソードガスがカソードcに供給されて、式▲1▼▲2▼に示す電池反応により電気を発電するようになっている。なお、この図で8は多孔板(カレントコレクタ)であり、カソードcを支持しかつ発生した電気を図で上下方向に流す役割を果している。
【0025】
図6は、図3のB−B断面図であり、第2マニホールド15cまわりの構成を示している。図6で(A)は複数のセルと円形セパレータの積層状態、(B)は単一のセルと円形セパレータであり、図中の矢印は、実線がアノードガス、破線がカソードガスの流れを示している。また、図の右端に示すセル1は、ドーナツ状セルの外縁部分である。
【0026】
この図に示すように、仕切板21にはプレス成形により多くの突起部21a(エンボス)が成形され、この突起部21aにより仕切板21の両側に流路が確保されている。また、仕切板21の外周部は、外周マスク部22b,22b′と接するように成形され、適当な接合手段(例えば溶接)により気密に接合されている。更に仕切板21の第2マニホールド15cの内縁部分はカソード側の外周マスク部22b′と気密に接合されている。図示しない第1マニホールド15bまわりの構成も同様である。かかる構成により、第1マニホールド15bからセパレータのアノード側に流入し円形セパレータ内を放射状に流れたアノードガス7bを、第2マニホールド15cからホルダー14を介して燃料電池の外部に排出することができる。
【0027】
また、図6において、円形セパレータ12間には第2マニホールド15cを個別に囲む複数のドーナツ状シール板17が挟持されているため、円形セパレータ12の表面に沿って流れるカソードガス6a,6bを第1マニホールド15b及び第2マニホールド15cを流れるアノードガス7a,7bからシールし、アノードガス7a,7bが円形セパレータ12の隙間に漏れ出すのを防止することができる。更に、図に示すように外周マスク部22b′の内端とセル1の外端との間にはカソードガスが流入するための隙間が設けられており、この隙間からセパレータ間に流入したカソードガス6aをカソードcの図で上面側に供給することができる。
【0028】
上述したように、本発明の円筒形燃料電池には、カソードガス用の内部マニホールドは中心マニホールド15aが1つ設けられているだけであり、外周部にはカソードガス用の内部マニホールドはないので、ガス量の多いカソードガス用の内部マニホールドに要する面積を半減させることができ、セパレータ面積に対する反応面積の比率を高めることができる。
【0029】
また、カソードガス6aは、円形セパレータ12の外側からセパレータ間の隙間をその表面に沿って各カソードcまで供給され、反応後のカソードガス6bは中心マニホールド15aから外部に排出されるので、燃料電池の外側をカソードガスの外部マニホールドとして利用することができ、この外部マニホールドを十分大きく設定することにより、多数のセルを積層した場合でも、積層した各セルにほぼ均等にプロセスガスを流すことができ、縦流配性能を確保できるセルの積層許容範囲を広くし、極間差圧を小さくすることができる。
【0030】
更に、円形セパレータ12間には第1マニホールド15b及び第2マニホールド15cを個別に囲む複数のドーナツ状シール板17が挟持され、これにより円形セパレータ12の表面に沿って流れるカソードガスをアノードガスからシールするので、従来の内部マニホールドと同様にシール性能が優れており、かつセル側面に直接接する外部マニホールド等がないため、セル間の短絡やマイグレーションが生じるおそれがない。
【0031】
なお、本発明は上述した実施例に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々に変更できることは勿論である。
【0032】
【発明の効果】
上述したように、本発明の円筒形燃料電池は、▲1▼シール性能が優れており、▲2▼セル間の短絡やマイグレーションが生じにくく、かつ多数のセルを積層した場合でも、▲3▼セパレータ面積に対する反応面積の比率が高く、▲4▼積層した各セルにほぼ均等にプロセスガスを流すことができ、▲5▼縦流配性能を確保できるセルの積層許容範囲が広く、▲6▼極間差圧が小さい、等の優れた効果を有する。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明による円筒形燃料電池の全体斜視図である。
【図2】図1の部分斜視図である。
【図3】カソードガスの流れを示す円形セパレータの平面図である。
【図4】アノードガスの流れを示す円形セパレータ内部の平面図である。
【図5】図3のA−A断面図である。
【図6】図3のB−B断面図である。
【図7】溶融炭酸塩型燃料電池の構成図である。
【図8】外部マニホールドと内部マニホールドの構成図である。
【図9】平行流方式の燃料電池の平面図である。
【符号の説明】
t 電解質板(タイル)
a アノード(燃料極)
c カソード(空気極)
1 単セル
2 セパレータ(バイポーラプレート)
3 燃料電池(スタック)
4 外部マニホールド
5 内部マニホールド
5a アノードマニホールド
5c カソードマニホールド
6a,6b カソードガス
7a,7b アノードガス
8 多孔板(カレントコレクタ)
10 円筒形燃料電池
11 セル
12 円形セパレータ
13 容器
14 ホルダー
15a 中心マニホールド
15b 第1マニホールド
15c 第2マニホールド
16 反応部
17 シール板
21 仕切板
22 マスクプレート
22a 中心マスク部
22b 外周マスク部
Claims (4)
- 電解質板とこれを間に挟持したアノード及びカソードとからなる複数のドーナツ状セルと、各セルを間に挟持した複数の円形セパレータと、を備え、前記円形セパレータは、中心に設けられたカソードガス用の中心マニホールドと、該中心マニホールドのまわりに互いに間隔を隔てて設けられた複数のアノードガス用第1マニホールドと、円形セパレータの外周部に互いに間隔を隔てて設けられた複数のアノードガス用第2マニホールドと、第1マニホールドと第2マニホールドの間に両面に設けられアノードガスとカソードガスがそれぞれ片面を放射状に流れるようになったドーナツ状の一対の反応部と、を有し、
前記円形セパレータは、アノードガスとカソードガスを仕切るプレス成形した平板状の仕切板と、該仕切板の両側に間隔を隔てて取り付けられた平板状のマスクプレートと、からなり、前記マスクプレートはそれぞれ、前記中心マニホールド及び第1マニホールドを有する中心マスク部と、第2マニホールドを有する外周マスク部と、からなり、中心マスク部と外周マスク部との間に前記一対の反応部が構成され、該反応部にドーナツ状のアノードとカソードが取り付けられ、
カソードガスは円形セパレータの外側から円形セパレータ間の隙間をその表面に沿って各カソードまで供給され、反応後のカソードガスは中心マニホールドから外部に排出される、ことを特徴とする円筒形燃料電池。 - セル及び円形セパレータを間隔を隔てて囲む容器を更に備え、該容器を介して円形セパレータの外側からカソードガスが供給される、ことを特徴とする請求項1に記載の円筒形燃料電池。
- 前記円形セパレータ間には第1マニホールド及び第2マニホールドを個別に囲む複数のドーナツ状シール板が挟持され、これにより円形セパレータの表面に沿って流れるカソードガスをアノードガスからシールする、ことを特徴とする請求項1に記載の円筒形燃料電池。
- 前記セル及び円形セパレータを間に挟持するホルダーを更に備え、該ホルダーを介してアノードガス及びカソードガスの給気及び/又は排気が行われる、ことを特徴とする請求項1に記載の円筒形燃料電池。
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