JP3815518B2

JP3815518B2 - 溶融炭酸塩型燃料電池

Info

Publication number: JP3815518B2
Application number: JP02866997A
Authority: JP
Inventors: 一斉藤
Original assignee: 石川島播磨重工業株式会社
Priority date: 1997-02-13
Filing date: 1997-02-13
Publication date: 2006-08-30
Anticipated expiration: 2017-02-13
Also published as: JPH10228918A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料の有する化学エキルギーを電気エネルギーに直接変換する溶融炭酸塩型燃料電池に係わり、更に詳しくは、エンドセル構造に特徴を有する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は、図３に模式的に示すように、薄い平板状の電解質板（タイル）１を燃料極（アノード）２と空気極（カソード）３で挟んだセル４と、このセル４を間に挟持するセパレータ５とからなる。個々のセル４は電圧が低い（０．８Ｖ前後）ため、これをセパレータ５を介して積層することにより高い電圧を得るようになっている。なお、かかる積層した燃料電池を燃料電池スタック（又は単にスタック）と呼ぶ。
【０００３】
図４は、燃料電池スタックの模式図である。この図に示すように、各セパレータ５の上下面には、電極（アノード２とカソード３）がそれぞれ組み込まれ、その間にタイル１を挟持してスタックを構成する。そのため、各セパレータ５の上下面には、電極２，３を収容する凹部（反応部）と、この反応部にアノードガスとカソードガスをそれぞれ供給する内部マニホールド（図示せず）が設けられている。
【０００４】
更に、スタックの最上段及び最下段のセル（エンドセル）では、片面だけに電極収容部が設けられた２枚のホルダ６（上側の１枚のみを示す：エンドプレートとも呼ぶ）が用いられる。この２枚のホルダ６（又はエンドプレート）は、その間に多数のセルを挟持してスタックを構成すると共に、電流端子７を備え、燃料電池反応により発生した電流を外部へ取り出すようになっている。また、ホルダ６を含むスタック全体は、電池締付け装置８により所定の面圧で挟持され、スタックを構成する各セル間の接触抵抗を低減するようになっている。この電池締付け装置８は、通常、肉厚の平板とこれに均一な面圧を負荷するバネや空圧ベロー、空圧シリンダ等で構成される。なお、同様にセルの積層数が多く，中間ホルダを用いる場合には、肉厚の中間ホルダの上下面に上述したエンドセルが構成される。以下、中間ホルダをホルダに含めて説明する。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
上述した従来の溶融炭酸塩型燃料電池ではホルダ６（及び中間ホルダ）に接しているエンドセルのセル性能が他のセルより悪くなる傾向がある。これはホルダ６の剛性が高いのに対してセパレータは薄板構造のため熱的にフレキシブルであり、ホルダとセパレータ間の熱的な歪によりセル構成部材（電極２，３、電解質板１、セパレータ５）の密着性が低下することが原因の１つと考えられる。
【０００６】
すなわち、図４において、各セパレータ５の外周部はセンタープレート５ａと２枚のマスクプレート５ｂとを接合した溶接構造になっており、エンドセルは、セパレータのセンタープレート５ａをホルダ６に置き換えた構成であり、ホルダ６にマスクプレート５ｂを接合した溶接構造になっている。しかし、セパレータ５は全体が薄肉構造であるため、熱膨張やセルの厚さ変化に追従できるが、エンドセルは肉厚のホルダ６を構成要素とするので、剛性のあるホルダとフレキシブルなセパレータとの間に熱ひずみが生じやすく、そのため電極／セパレータ間，電極／電解質板間の密着性が悪化し、セル性能が他のセルより悪くなる傾向があった。
【０００７】
このため、特に発電出力が増大し、セル反応部の面積が大きくなるにつれ、エンドセルの電圧が他のセルと比較して低くなり、燃料電池全体の性能を悪化させる問題点があった。また、同様にセルの積層数が多く，中間ホルダを用いる場合にも、中間ホルダの片面又は両面に位置するエンドセルの性能が悪化する問題があった。
【０００８】
本発明はかかる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、本発明の目的は、ホルダ又は中間ホルダとセパレータとの間の熱ひずみを低減し、電極／セパレータ間及び電極／電解質板間の密着性を向上させ、エンドセルの電池性能を高めることができるエンドセル構造を有する溶融炭酸塩型燃料電池を提供することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明によれば、燃料電池を構成する複数のセルの最上段，最下段又は中間段に用いられ片面にセルを保持するダミーセパレータと、該ダミーセパレータに接してその間にプロセスガスを流すエンドプレートと、を有し、ダミーセパレータは、両面にセルを保持するセパレータと形状および材質が同一であり、エンドプレートは、ホルダ又は中間ホルダである厚肉プレートにマスクプレートが取り付けられており、ダミーセパレータとエンドプレートの間には、電極部に電極と電解質板の厚さに相当する導電性の薄板が積層され、ウェットシール部にはシール部材が挟持され、該シール部材は、燃料電池の運転温度で溶融した溶融材を保持し、該溶融材の表面張力によりダミーセパレータとエンドプレート間を気密にシールし、ダミーセパレータは前記マスクプレートとセルとの間に設けられ、前記マスクプレートはダミーセパレータと厚肉プレートとの間に設けられている、ことを特徴とする構造を有する溶融炭酸塩型燃料電池が提供される。
【００１０】
上記本発明によれば、片面にセルを保持するダミーセパレータは、両面にセルを保持するセパレータと形状，材質が同一であるので、熱的に同一のフレキシビリティを有し、このセパレータ間の熱的な歪は他のセルと同等であり、セル構成部材（電極２，３、電解質板１、セパレータ５）の密着性の低下を防ぐことができる。
【００１１】
また、ダミーセパレータとエンドプレートの間は、電極部に積層された導電性の薄板により、スタックで発電した電流をエンドプレート（すなわちホルダ）に流すことができる。更に、ウェットシール部にはシール部材が挟持され、このシール部材に保持された溶融材の表面張力によりダミーセパレータとエンドプレート間を気密にシールするので、ダミーセパレータとエンドプレートの間からのガスリークを防ぎ、ダミーセパレータとエンドプレート内をプロセスガスを反応することなく流し、温度を他のスタック内と同等に保持することができる。
【００１２】
本発明の好ましい実施形態によれば、前記シール部材は電解質板であり、前記溶融材は炭酸塩である。この構成によれば、各セパレータ間に使用している電解質板をシール部材とするので、エンドセルの特性を他のセルの特性に合わせることができる。また、マスクプレートの外周部及びガスマニホールド部が厚肉プレートに溶接接合されている、ことが好ましい。この構成により、外周部とガスマニホールド部でマスクプレートと厚肉プレート（ホルダ又は中間ホルダ）を確実に接合することができる。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の好ましい実施形態を図面を参照して説明する。なお、各図において、共通する部分には同一の符号を付して使用する。図１は、本発明によるエンドセル構造を備えた溶融炭酸塩型燃料電池の構成図である。この図において、燃料電池（スタック）は、上下のホルダ１１、１２の間に中間ホルダ１３を有し、中間ホルダ１３と上下ホルダ１１、１２との間にそれぞれ上下のスタック１４を挟持し、プロセスガスを中間ネルダ１３から流入／流出させるようになっている。かかる構造は従来のものと同様である。
【００１４】
図１において、本発明によれば、本発明によるエンドセル１０は、燃料電池を構成する複数のセルの最上段，最下段又は中間段に用いられている。
【００１５】
図２は、本発明による溶融炭酸塩型燃料電池エンドセルの構造図である。この図に示すように、本発明によるエンドセル１０は、燃料電池を構成する複数のセルの最上段，最下段又は中間段に用いられ片面にセルを保持するダミーセパレータ１５と、ダミーセパレータ１５に接してその間にプロセスガスを流すエンドプレート１６と、を有する。
【００１６】
スタック１４を構成する通常のセパレータ５は、図４に示したように、セパレータ５の外周部がセンタープレート５ａと２枚のマスクプレート５ｂとを接合した溶接構造になっている。また、センタープレート５ａの両面には、薄板を折り曲げたコルゲート５ｃが張り付けられ、その上面に電極２、３を載せてプロセスガスの流路を形成するようになっている。なお、コルゲート５ｃを用いず、センタープレート５ａをプレス加工して流路を構成してもよい。また、電極２、３とコルゲート５ｃの間に図示しない開口板（コレクター）を挟持し、電極を支持するようにしてもよい。
【００１７】
ダミーセパレータ１５は、両面にセルを保持するセパレータ５と形状，材質が全く同一のものを使用する。また、エンドプレート１６は、厚肉プレート１６ａにセパレータ５と同様なマスクプレート１６ｂが取り付けられている。更に図２に示すように、ダミーセパレータ１５とエンドプレート１６の間には、電極部に電極と電解質板の厚さに相当する導電性の薄板１７が積層され、ウェットシール部にはシール部材１８が挟持される。このシール部材１８は、燃料電池の運転温度で溶融した溶融材を保持し、この溶融材の表面張力によりダミーセパレータ１５とエンドプレート１６間を気密にシールするようになっている。
【００１８】
このシール部材１８は、好ましくは電解質板であり、溶融材は炭酸塩である。すなわち溶融材として炭酸塩を用い、各セパレータ間に使用している電解質板をシール部材とすることにより、エンドセルの特性を他のセルの特性に合わせることができる。なお、他の溶融材，例えばガラスをシール材として用いてもよい。
【００１９】
また、マスクプレート１６ａの外周部とガスマニホールド部（この場合，内部マニホールド，図示せず）を厚肉プレート１６ａに溶接接合するのがよい。この構成により、外周部とガスマニホールド部でマスクプレート１６ａと厚肉プレート１６ｂ（ホルダ又は中間ホルダ）を確実に接合することができる。
【００２０】
上述した本発明の構成によれば、片面にセルを保持するダミーセパレータ１５は、両面にセルを保持するセパレータ５と形状，材質が同一であるので、熱的に同一のフレキシビリティを有し、このセパレータ１５、５間の熱的な歪は他のセルと同等であり、セル構成部材（電極２，３、電解質板１、セパレータ５）の密着性の低下を防ぐことができる。
【００２１】
また、ダミーセパレータ１５とエンドプレート１６の間は、電極部に積層された導電性の薄板１７により、スタックで発電した電流をエンドプレート１６（すなわちホルダ）に流すことができる。更に、ウェットシール部にはシール部材１８が挟持され、このシール部材１８に保持された溶融材の表面張力によりダミーセパレータ１５とエンドプレート１６間を気密にシールするので、ダミーセパレータ１５とエンドプレート１６の間からのガスリークを防ぎ、ダミーセパレータ１５とエンドプレート１６内をプロセスガスを反応することなく流し、温度を他のスタック内と同等に保持することができる。
【００２２】
なお、本発明は上述した実施形態に限定されず、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々変更できることは勿論である。
【００２３】
【発明の効果】
上述したように、本発明の溶融炭酸塩型燃料電池は、ホルダ又は中間ホルダとセパレータとの間の熱ひずみを低減し、電極／セパレータ間及び電極／電解質板間の密着性を向上させ、エンドセルの電池性能を高めることができる，等の優れた効果を有する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による溶融炭酸塩型燃料電池の構成図である。
【図２】本発明による溶融炭酸塩型燃料電池エンドセルの構造図である。
【図３】溶融炭酸塩型燃料電池の模式図である。
【図４】燃料電池スタックの模式図である。
【符号の説明】
１電解質板（タイル）
２燃料極（アノード）
３空気極（カソード）
４単電池（セル）
５セパレータ
５ａセンタープレート
５ｂマスクプレート
６ホルダ
７電流端子
８電池締付け装置
１０エンドセル
１１上ホルダ
１２下ホルダ
１３中間ホルダ
１４スタック
１５ダミーセパレータ
１６エンドプレート
１６ａ厚肉プレート
１６ｂマスクプレート
１７薄板
１８シール部材

Claims

燃料電池を構成する複数のセルの最上段，最下段又は中間段に用いられ片面にセルを保持するダミーセパレータと、該ダミーセパレータに接してその間にプロセスガスを流すエンドプレートと、を有し、
ダミーセパレータは、両面にセルを保持するセパレータと形状および材質が同一であり、エンドプレートは、ホルダ又は中間ホルダである厚肉プレートにマスクプレートが取り付けられており、
ダミーセパレータとエンドプレートの間には、電極部に電極と電解質板の厚さに相当する導電性の薄板が積層され、ウェットシール部にはシール部材が挟持され、該シール部材は、燃料電池の運転温度で溶融した溶融材を保持し、該溶融材の表面張力によりダミーセパレータとエンドプレート間を気密にシールし、
ダミーセパレータは前記マスクプレートとセルとの間に設けられ、前記マスクプレートはダミーセパレータと厚肉プレートとの間に設けられている、ことを特徴とするエンドセル構造を有する溶融炭酸塩型燃料電池。
前記シール部材は電解質板であり、前記溶融材は炭酸塩である、ことを特徴とするエンドセル構造を有する、請求項１に記載の溶融炭酸塩型燃料電池。