JP4733656B2

JP4733656B2 - 溶融炭酸塩型燃料電池用分離板

Info

Publication number: JP4733656B2
Application number: JP2007032781A
Authority: JP
Inventors: ボヒョンリュ; ブーホユン; トンウーカン; キルホムン; インガブチョン; ギブンリ; ユンソンキム
Original assignee: 斗山重工業株式会社
Priority date: 2006-02-10
Filing date: 2007-02-13
Publication date: 2011-07-27
Anticipated expiration: 2027-02-13
Also published as: US20070190395A1; DE102007006578A1; DE102007006578B4; JP2007214134A; KR100731330B1; US7855028B2

Description

本発明は溶融炭酸塩型燃料電池用分離板及びその製造方法に関し、特に燃料ガスの出入りが円滑で、燃料ガスの改質を同時に行える溶融炭酸塩型燃料電池用分離板に関する。

燃料電池（Fuel Cell）は、アノードでの酸化反応(1) 及びカソードでの還元反応(2) により化学エネルギーを電気エネルギーに高効率に変換できる低公害の次世代発電装置として注目されている。
H₂＋CO₃ ^2-⇔H₂O＋CO₂＋２e^-・・・(1)
1/2 O₂＋CO₂＋２e^- ⇔ CO₃ ^2-・・・(2)

燃料電池は一般に、アノード及びカソードと、それらの間に位置する電解質マトリックスとを有しており、電解質マトリックスはイオンの流れを円滑にする。アノードに燃料ガス（通常は水素）が注入され、カソードに酸素又は空気が二酸化炭素とともに供給されると、カソードで生成したカーボネートイオン（CO₃ ^2-）は電解質マトリックスを経てアノードに移動し、そこで水素と反応して電子を発生させる。電子は外部回路を通ってアノードからカソードに移動する。燃料電池全体で見れば、酸素と水素の反応で生じた化学エネルギーを直接電気エネルギーに変換している。このため、(a) 通常の熱発電のように、水等の媒質を加熱し、蒸気圧等でタービンを回転させて機械的に発電させる熱発電における効率低下をもたらすカルノーサイクルの制限を受けないので、高効率であり、(b) 硝酸化物又は硫酸化物を排出しないので、無公害であり、(c) 稼働部がないので無騒音であり、(d) モジュール化が可能であるために、建設及び増設が容易で、種々の容量の構成が可能であり、(e) 水素、石炭ガス、天然ガス、メタノール、ガソリン等の種々の燃料が使用可能であり、(f) 高温燃料電池の場合、廃熱を利用して温水を得るコージェネレーションが可能であるという利点を有する。

第二世代燃料電池と呼ばれる溶融炭酸塩型燃料電池MCFC（Molten Carbonate Fuel Cell）は、電解質としてリチウムカーボネート又はポタシウムカーボネート等のアルカリ金属の溶融炭酸塩を使用し、アノードとしてニッケル焼結体を使用し、カソードとしてリチウムを含む酸化ニッケル焼結体を使用する。高温の電気化学反応のため電極材料として白金の代わりに安価なニッケルが使用できるので、経済的であるだけでなく、白金電極に悪影響を与える一酸化炭素も水性ガス転換反応により燃料として用いることができる。このため、石炭ガス、天然ガス、メタノール、バイオマス等の種々の燃料を使用できる。また熱回収蒸気発電機（HRSG；Heat Recovery Steam Generator）等を利用して良質の高温廃熱を回収すれば、全体発電システムの熱効率を約60％以上に向上させることができる。

溶融炭酸塩型燃料電池は高温で作動するため、燃料電池スタック内で電気化学反応と燃料改質反応が同時に進行する（内部改質型）という利点がある。内部改質型の溶融炭酸塩型燃料電池は、電気化学反応による熱を外部の熱交換機なしに直接吸熱反応の改質反応に利用するので、外部改質型の溶融炭酸塩型燃料電池よりシステム全体の熱効率が高いだけでなく、システム構成が簡単である。MCFCは主に、電気を生産する単位電池スタックと、燃料供給装置、電気変換装置等の周辺装置とからなる。特に単位電池スタックはMCFCの発電効率、寿命及び性能を左右するため、それを構成する分離板の形状及び分離板への燃料供給方法について、多くの研究がなされてきた。

しかし高温で作動するMCFCは電解質として高腐食性の溶融炭酸塩を使用するので、腐食の問題がある。特に腐食しやすいのは、両側に電解質マトリックスを有するカソード部及びアノード部が設けられる分離板である。腐食した分離板から電解質が漏洩すると燃料電池の性能は著しく低下する。またMCFCの分離板は、連続供給される天然ガス，石炭ガス等の燃料ガスを水素に改質する機能を有する必要がある。

大韓民国特許公告第10-0259213号（特許文献１）は、改質機で燃料ガスを改質して生産された水素及び二酸化炭素を分離板に移動するためのアノード部マニホールドと、空気及び二酸化炭素が移動するためのカソード部マニホールドとを有し、両マニホールドが分離板の同一面に順次位置しているMCFCの分離板を開示している。このMCFCでは、気密性を維持するために、マニホールド両端間に電解質／マトリックスがウェットシール部を形成している。そのため、供給されたガスは混合せずにシールドスロット状の電流集電板を通ってアノード及びカソードに移動し、電気化学反応を起こす。アノード及びカソードで起こる酸化還元反応により発生した電流は分離板に流れる。このような気密性を要する分離板は形状が複雑であり、多くの溶接工程を経て形成されるので、製作コストが高い。さらに熱処理を行っても歪みを完全に除去できないので、スタックした後で均一な応力分布及び気密なウェットシール部が得られない。また外部の改質機で燃料ガスを改質して得られた水素を供給するため、スタック内部の温度分布を均一に調節するのが難しい。

アノード部及びカソード部のガスが混合しないように、上記分離板の縁部とマニホールド出入部とをレーザ溶接し、ウェットシール部に、アルミニウムを主成分とし、ニッケル、チタン、クロム、銅等を含有する合金、又は窒化チタン等のセラミックス等からなる耐食性コーティングを施し、還元雰囲気又は真空中で500〜600℃に所定時間保持した後、700〜850℃に昇温してアルミニウム拡散層を形成する熱処理を行っている。

分離板の耐食性コーティングは、従来溶融メッキ（Hot-dip）法、物理蒸着法、拡散浸透（Pack Cementation）法、溶射法、スラリーコーティング法等により形成されている。溶融メッキ法では、メッキしない部分のマスキングが困難であり、また高温のため溶融アルミニウムで母材が変形するのを防止するのが難しい。物理蒸着法では、高品質のコーティングが得られるが、厚くするのが難しく、かつコスト高である。拡散浸透（Pack Cementation）法では、1000℃以上の温度で行うので、分離板の変形や母材の相変化が起こる。溶射法では、前処理のためのブラスティングや溶射圧力により母材が変形したり気孔が残存したりし、また厚さも均一化しにくい。スラリーコーティング法は、低コストで種々の形状にコーティングできるという利点を有するが、スラリー粘度の維持が難しく、厚さの均一性が悪く、溶媒が揮発する際に残る気孔の除去が難しいという問題を有する。
大韓民国特許公告第10-0259213号明細書

したがって、本発明の目的は、内部改質型の溶融炭酸塩型燃料電池に用いる分離板であって、簡単に製造できて寿命が長く、燃料ガスの出入りが円滑な分離板を提供することである。

本発明の溶融炭酸塩型燃料電池用分離板は、(a) 中心部の両面に案内突起及び案内溝を有するように波形に加工されたチャンネル部を有する耐食性金属板からなる中心板と、(b) 前記中心板の一方の対向縁部に一体的に設けられた第一周辺部及び第二周辺部を上方に折り曲げてから中心部側に折り曲げることにより形成され、前記中心板の中心部側に開放した断面コ字形を有する第一側壁部及び第二側壁部と、(c) 前記中心板の他方の対向縁部に一体的に設けられた第三周辺部及び第四周辺部を下方に折り曲げることにより形成された第三側壁部及び第四側壁部と、(d) 前記第四側壁部側の前記中心板の縁部に設けられ、前記第一側壁部及び前記第二側壁部の一方の端部を密封する第五側壁部と、(e) 前記第一側壁部及び前記第二側壁部の他端部が開放されているように、前記第三側壁部側の前記中心板の縁部で、前記第一側壁部及び前記第二側壁部の間に設けられた第六側壁部と、(f) 前記第三側壁部の両端部を密封する第二密封板及び第三密封板と、(g) 前記第四側壁部の両端部を密封する第四密封板及び第五密封板とを有することを特徴とする。

前記案内突起及び前記案内溝は連続する波形に加工されており、もって分離板の全面に流路が形成されているのが好ましい。

本発明の分離板は、一枚の金属板を裁断し、折り曲げることにより形成されるので、低コストで生産性が高い。また燃料ガスの出入りが円滑であり、燃料ガスを内部で直接改質するのに適する構造を有する。そのため、改質反応の吸熱により燃料電池内部の温度が均一化され、燃料電池は長寿化する。

本発明の実施例を添付図面を参照して以下詳細に説明する。図１に示すように、本発明の溶融炭酸塩型燃料電池用分離板は、(a) 中心部の両面に案内突起18及び案内溝19を有するように波形に加工されたチャンネル部を有する耐食性金属板からなる中心板11と、(b) 中心板11の一方の対向縁部に一体的に設けられた第一周辺部12A及び第二周辺部13Aを上方に折り曲げてから中心部側に折り曲げることにより形成され、中心板11の中心部側に開放した断面コ字形を有する第一側壁部12及び第二側壁部13と、(c) 中心板11の他方の対向縁部に一体的に設けられた第三周辺部15A及び第四周辺部16Aを下方に折り曲げることにより形成された第三側壁部15及び第四側壁部16と、(d) 第四側壁部16側の中心板11の縁部16Bに設けられ、第一側壁部12及び第二側壁部13の一方の端部を密封する第五側壁部14と、(e) 第一側壁部12及び第二側壁部13の他端部が開放されているように、第三側壁部15側の中心板11の縁部15Bで、第一側壁部12及び第二側壁部13の間に設けられた第六側壁部20と、(f) 第三側壁部15の両端部を密封する第二密封板151及び第三密封板152と、(g) 第四側壁部16の両端部を密封する第四密封板161及び第五密封板162とを有する。

すなわち、本発明の分離板は、一枚の金属板を裁断して中心部とその周辺部12A〜16Aとを有する中心板11を形成し、中心部にガスの流路となる案内突起18及び案内溝19を形成し、周辺部12A〜16Aを折り曲げで四つの側壁部を形成する。部品点数が少ないために低コストであり、溶接部が少ないために気密性及び耐食性が高い。

図２に示すように、ステンレススチール等の耐食性金属からなる板を裁断し、中心部の両面に案内突起18及び案内溝19を有するように連続する波形に加工して、チャンネル部を形成する。図１で表面（アノード部側）に見える案内突起18及び案内溝19は、裏面では逆に案内溝及び案内突起となる。このような形状は通常のプレス加工等により容易に成形できる。中心板11の中心部（チャンネル部が形成される部分）は、耐食性を向上させるためにニッケルコーティングを施こすのが望ましい。ニッケルコーティングは通常の電気メッキ法により形成することができる。

図２に示すように、中心板11の二対の対向縁部に設けられた第一周辺部12A及び第二周辺部13A、及び第三周辺部15A及び第四の周辺部16Aをそれぞれ図５に示すように折り曲げ、それぞれ第一及び第二の側壁部12，13、及び第三及び第四の側壁部15，16を形成する。対向する第一及び第二の周辺部12A，13Aを２回折り曲げ、中心部側が開放した断面四角形の筒状のの外観を有する（断面コの字状の）第一及び第二の側壁部12，13を形成する。図５から明らかなように、第一側壁部12及び第二側壁部13は、第一周辺部12A及び第二周辺部13Aを上方に折り曲げることにより形成する。第二周辺部13Aを例にとって説明すると、第一面13-1を中心板11に対して90゜の角度に折り曲げ、第二面13-2を第一面13-1に対して90゜の角度に折り曲げることにより、中心板11の中心部側に開放した断面コ字形の第二側壁部13を形成することができる。第一周辺部12Aも同様な方法で折り曲げる。その結果、第一側壁部12の開放部と第二側壁部13の開放部とは対向する。

図５から明らかなように、第三側壁部15及び第四側壁部16は、第三周辺部15A及び第四周辺部16Aを下方に折り曲げることにより形成する。第三周辺部15Aを例にとって説明すると、第一面15-1を中心板11に対して90゜の角度に折り曲げ、第二面15-2を第一面15-1に対して90゜の角度に折り曲げ、さらに第三面15-3を第二面15-2に対して90゜の角度に折り曲げることにより、四面が全て閉塞したロの字状の第三側壁部15を形成することができる。第四周辺部16Aも同様な方法で折り曲げて、第四側壁部16を形成する。

全ての周辺部を折り曲げて側壁部を形成した後、図３に示すように、第一側壁部12及び第二側壁部13の一方の端部を密封するように、第四側壁部16側の中心板11の縁部16Bに第五側壁部14を溶接等により固定する。さらに第一側壁部12及び第二側壁部13の他端部が開放されているように、第三側壁部15側の中心板11の縁部15Bで、第一側壁部12及び第二側壁部13の間に第六側壁部20を溶接等により固定する。これにより、図１に示すように、第一側壁部12と第六側壁部20の端面により燃料ガス入口121が形成され、第二側壁部13と第六側壁部20の端面により燃料ガス出口131が形成される。

図１及び図４に示すように、第一側壁部12、第二側壁部13、第五側壁部14及び第六側壁部20に囲まれた中心板11のチャンネル部の上面（図５にUPで示す）に、アノード集電板30、アノード40及び第一電解質マトリックス50を積層し、アノード部を構成する。同様に、第三側壁部15及び第四側壁部16が形成された中心板11の下面（図５にDOWNで示す）に、カソード集電板31、カソード41及び第二電解質マトリックス51を積層し、カソード部を構成する。

これにより、図１から明らかなように、第一側壁部12の燃料ガス入口121から流入した燃料ガス（図１にINで示す）は案内突起18及び案内溝19を有するチャンネル部を経由して第二側壁部13の燃料ガス出口131から流出する（図１にOUTで示す）ので、燃料ガスの流れ方向は180°変化する。このようなガス流れにより、燃料電池の動作中に発生する熱により加熱される分離板の温度分布は均一化される。第六側壁部20は、第一側壁部12及び第二側壁部13とともにアノード部の集電板を支持するので、燃料ガス入口121に流入した燃料ガスは、案内突起18及び案内溝19を有する中心板11の表面と接触し、燃料電池の駆動中に発生した熱と中心板11の表面にコートされた触媒の作用により改質されて、水素及び二酸化炭素に転化され、水素はアノード40で酸化される。またカソード41に供給された酸素又は空気はカーボネートイオンを生成し、カーボネートイオンはアノード40とカソード41との間の電解質マトリックスを通って移動するので、外部回路に電子が流れる。燃料ガスはアノード40の入口に連結したマニホールド（図示せず）等の中で一次的に改質した後、アノード部で二次的に改質しても良い。

図３に示すように、対向する第三周辺部15A及び第四周辺部16Aを3回折り曲げることにより、４面が閉塞した断面四角形の筒状で長手方向に伸びる第三側壁部15及び第四側壁部16が形成される。対向する第三側壁部15と第四側壁部16との間を酸化ガスが流れる。第三側壁部15及び第四側壁部16は、中心板11の裏面（第一側壁部12及び第二側壁部13が形成される表面と反対側の面）に形成される。酸化ガスは、図１にin及びoutで示すように、案内突起18及び案内溝19を有するチャンネル部を第一側壁部12側から第二側壁部13側に流れる。その過程で、カソード41からアノード40に移動してきた水素イオン（H^＋）を還元する。

第三側壁部15の両開放端はそれぞれ第二密封板151及び第三密封板152を溶接等で固定することにより密閉し、第四側壁部16の両開放端はそれぞれ第四密封板161及び第五密封板162を溶接等で固定することにより密閉する。これにより、酸化ガスは一方向に一定に流れる。第三側壁部15及び第四側壁部16は、カソード部の集電板31を支持する。

第一側壁部12、第二側壁部13、第三側壁部15及び第四側壁部16を形成する各周辺部12A、13A、15A、16Aに、アルミニウム、ニッケル−アルミニウム、アルミニウム−チタン等の耐食性コーティングを施すのが好ましい。このような耐食性コーティングは、スクリーン印刷法等により10〜100μｍの厚さに形成することができる。

第一側壁部12と第二側壁部13の間を流れる燃料ガスと、第三側壁部15と第四側壁部16の間を流れる酸化ガスとは同一方向の流れ（Co-Flow）を形成するので、スタックの性能が向上し、分離板の耐久性及び寿命も向上する。

図１及び図４に示すように、分離板のアノード部側では、第一側壁部12、第二側壁部13及び第六側壁部20の上にアノード集電板30を載置し、アノード集電板30の上にアノード40を載置し、アノード40の上に第一電解質マトリックス50を載置する。アノード集電板30は複数の通孔32を有し、通孔32を通じて燃料ガスはアノードと接触する。また分離板のカソード部側では、第三側壁部15及び第四側壁部16の上にカソード集電板31を載置し、カソード集電板31の上にカソード41を載置し、カソード41の上に第二電解質マトリックス51を載置する。このような積層により一つの単位電池板10が得られ、要求出力に応じて単位電池板10を複数積層することにより燃料電池モジュールを形成する。燃料電池モジュールにおいては、一つの分離板と隣接する別の分離板との間に一つの単位電池が形成され、一つの電解質マトリックスの両側に位置するアノード部及びカソード部とそれぞれ陰極及び陽極として機能する。燃料ガスをアノード部に供給し、酸化ガスをカソード部に供給すると、電気化学反応により化学エネルギーは電気エネルギーに変換される。

アノード部に燃料ガスを分配する部位として機能する第一側壁部12にガイドベーン（図示せず）を設けると、分離板の中心部に均一な流速の燃料ガスを供給することができる。また燃料ガスの入口121及び出口131に、燃料ガスの供給管（例えばマニホールドの一部を構成する供給管）を溶接等により連結し、カソード部に酸化ガスを供給するマニホールド等を溶接等により連結することができる。ガス供給管はフランジを介して外部の一次改質装置と連結することができる。電気的絶縁のため、フランジをアルミナ等の絶縁性セラミックスで形成する。

天然ガス，石炭ガス等の水素ガス以外の燃料ガスを使用する場合、燃料ガスを水素及び二酸化炭素に分解するために、分離板のアノード部の中心部に耐食性ニッケルコーティングを施し、その上に粒状触媒を載置又はコートするのが好ましい。

図６に示すように、本発明の溶融炭酸塩型燃料電池用分離板は、(1) 金属板を裁断して、一つの中心部とその周辺に位置する四つの周辺部12A，13A，15A，16Aとを有する中心板11を形成し、(2) 中心板11の中心部に案内突起18及び案内溝19を形成して、チャンネル部を形成し、(3) 前記チャンネル部が形成された中心部にニッケルコーティングを設けるとともに、前記周辺部に耐食性コーティングを設け、(4) 前記周辺部の各々を折り曲げて四つの側壁部を形成し、(5) 前記側壁部により形成されるアノード部及びカソード部用の空間にガスを供給する供給管を溶接することにより製造する。

金属板を、一つの中心部とその周辺に位置する四つの周辺部を有するように裁断して中心板11を形成し、中心部に案内突起18及び案内溝19を形成した後周辺部を折り曲げて側壁部を形成するので、燃料ガスの出入りが円滑で、燃料ガスの改質を同時に行い、アノード40及びカソード41で発生した電気を集める分離板を簡単に製造することができる。その結果、分離板の部品点数が低減し、溶接等の加工工程数も低減するので、分離板の生産性及び耐食性等の信頼性が向上する。

以上本発明を添付図面を参照して具体的に説明したが、本発明の技術的思想の範囲内で種々の変更が可能である。例えば、コーティング層を安定化させるために、熱処理しても良い。また図７に示すように、製造工程を多少変えても、本発明の分離板の性能及び生産性は変わらない。

本発明の一実施例による分離板を有する単位電池板を概略的に示す斜視図である。図１の分離板を構成する中心板を示す展開図である。図１の分離板を示す分解斜視図である。図１のA−A断面図である。図２の中心板の折り曲げ過程を示す斜視図である。本発明の一実施例による溶融炭酸塩型燃料電池用分離板の製造方法を示すフローチャートである。本発明の別の実施例による溶融炭酸塩型燃料電池用分離板の製造方法を示すフローチャートである。

符号の説明

10・・・単位電池板
11・・・中心板
12・・・第一側壁
13・・・第二側壁
14・・・第五側壁部
15・・・第三側壁
16・・・第四側壁
17・・・酸化ガス入口
18・・・案内突起
19・・・案内溝
20・・・第六側壁部
30・・・アノード集電板
31・・・カソード集電板
32・・・通孔
40・・・アノード
41・・・カソード
50・・・第一電解質マトリックス
51・・・第二電解質マトリックス
121・・・燃料ガス入口
131・・・燃料ガス出口
151・・・第二密封板
152・・・第三密封板
161・・・第四密封板
162・・・第五密封板
12A・・・第一周辺部
13A・・・第二周辺部
15A・・・第三周辺部
16A・・・第四周辺部
12-1、13-1、15-1、16-1・・・第一面
12-2、13-2、15-2、16-2・・・第二面
15-3、16-3・・・第三面

Claims

溶融炭酸塩型燃料電池用分離板であって、(a) 中心部の両面に案内突起及び案内溝を有するように波形に加工されたチャンネル部を有する耐食性金属板からなる中心板と、(b) 前記中心板の一方の対向縁部に一体的に設けられた第一周辺部及び第二周辺部を上方に折り曲げてから中心部側に折り曲げることにより形成され、前記中心板の中心部側に開放した断面コ字形を有する第一側壁部及び第二側壁部と、(c) 前記中心板の他方の対向縁部に一体的に設けられた第三周辺部及び第四周辺部を下方に折り曲げることにより形成された第三側壁部及び第四側壁部と、(d) 前記第四側壁部側の前記中心板の縁部に設けられ、前記第一側壁部及び前記第二側壁部の一方の端部を密封する第五側壁部と、(e) 前記第一側壁部及び前記第二側壁部の他端部が開放されているように、前記第三側壁部側の前記中心板の縁部で、前記第一側壁部及び前記第二側壁部の間に設けられた第六側壁部と、(f) 前記第三側壁部の両端部を密封する第二密封板及び第三密封板と、(g) 前記第四側壁部の両端部を密封する第四密封板及び第五密封板とを有することを特徴とする溶融炭酸塩型燃料電池用分離板。
請求項１に記載の溶融炭酸塩型燃料電池用分離板において、前記案内突起及び前記案内溝は連続する波形に加工されており、もって分離板の全面に流路が形成されていることを特徴とする分離板。