JP6711578B2 - 溶融炭酸塩形燃料電池 - Google Patents

Description

本発明は、低電流かつ高電圧の溶融炭酸塩形燃料電池に関する。

溶融炭酸塩形燃料電池は、電解質保持体を挟んでアノード（燃料極）とカソード（酸化剤極）を有する平板型の電解質電極接合体を備え、セパレータを介在させて電解質電極接合体を複数層に積層して構成されている。セパレータには酸化剤ガス流路と燃料ガス流路が形成されている（例えば、特許文献１参照）。そして、セパレータを介してアノードに燃料ガスを供給すると共にカソードに酸化剤ガスを供給し、電解質を介して電気化学反応を生じさせて電力を得るようになっている。

溶融炭酸塩形燃料電池の一つとして、第１電極、電解質保持体及び第２電極を筒本体に対し同心状に設けたものが提案されている（例えば、特許文献２参照）。このような溶融炭酸塩形燃料電池によれば、筒状の第２電極により電解質保持体が保持されるので、セパレータが不要となる。また、溶融炭酸塩形燃料電池を複数備えた場合であっても、起動時に溶融炭酸塩形燃料電池に働く応力が複数の溶融炭酸塩形燃料電池同士で互いに影響しないので、所望の作動温度に至る時間を短縮することができ、所望の出力を得るまでの起動時間を短縮することができる。

しかしながら、一対の溶融炭酸塩形燃料電池では、電圧が１．１Ｖから０．７Ｖ程度であり、電極面積が大きくなればなるほど電流は大きくなり、電流が高く、電圧が低いという特性を有する。この特性により、溶融炭酸塩形燃料電池を備えたシステムにおいて、低電圧であることから安定して電流を取り出す制御が難しくなるという問題がある。このため、平板型の溶融炭酸塩形燃料電池では複数層を積層して、電池を直列とし電圧を高めている。筒状の溶融炭酸塩形燃料電池においても同様の問題を有している。このため、上述した利点を有しながらも、低電流かつ高電圧の出力が可能となる筒状の溶融炭酸塩形燃料電池が望まれている。

特開２００７−２６５８４５号公報 特開２０１３−１８２７３８号公報

本発明は上記状況に鑑みてなされたもので、低電流かつ高電圧の溶融炭酸塩形燃料電池を提供することを目的とする。

上記目的を達成するための第１の態様は、複数の燃料電池ユニットを備えた溶融炭酸塩形燃料電池であって、前記燃料電池ユニットは、所定の外径を有する第１端部、及び前記第１端部の外径よりも大きな開口を有する第２端部を有する筒状のセパレータと、前記セパレータの外表面に形成された第１電極、電解質を保持する電解質保持体、及び第２電極とを備え、隣り合う２つの前記燃料電池ユニットの一方の前記第１端部が他方の前記第２端部の開口に嵌め込まれることで連結され、前記セパレータの内側に酸化剤ガス又は燃料ガスが供給され、前記燃料電池ユニットの外側に燃料ガス又は酸化剤ガスが供給され、一方の前記燃料電池ユニットの前記第２電極のうち、他方の前記燃料電池ユニットの前記第２端部に接触される部分は前記第２電極と同じ材料からなるシール部であり、一方の前記燃料電池ユニットの前記第１端部と、他の前記燃料電池ユニットの前記第２端部とは、一方の前記燃料電池ユニットの前記シール部を介して接触し、前記シール部は、一方の前記燃料電池ユニットの前記第２電極のうち前記シール部以外の部分よりも気孔率が低く、かつ、他方の前記燃料電池ユニットの前記第２端部から露出していることを特徴とする溶融炭酸塩形燃料電池にある。

第１の態様では、複数の燃料電池ユニットは、第１端部が第２端部の第２開口に嵌め込まれて連結される。これにより、電気的に直列接続された、低電流かつ高電圧の溶融炭酸塩形燃料電池が提供される。
また、第２電極のうち第１端部側の一部は、燃料電池ユニット同士が接触する部分となり、当該部分は気孔率が低い。このため、燃料電池ユニット同士の間から燃料ガス及び酸化剤ガスが漏れ出して混合してしまうことをより確実に防止できる。

第２の態様は、第１の態様に記載する溶融炭酸塩形燃料電池において、前記セパレータは、前記第１端部から前記第２端部に向けて径が拡大したテーパー状に形成されていることを特徴とする溶融炭酸塩形燃料電池にある。

第２の態様では、各燃料電池ユニットを鉛直方向に積層することが容易であり、また、各燃料電池ユニットがずれたり、脱落しにくい。

第３の態様は、第１又は第２の態様に記載する溶融炭酸塩形燃料電池において、前記第２電極のうち前記第１端部側の表面、及び前記第２端部の開口の内面にはねじ溝が設けられ、複数の前記燃料電池ユニットは、前記第１端部側が前記第２端部の開口に螺合して連結されていることを特徴とする溶融炭酸塩形燃料電池にある。

第３の態様では、各燃料電池ユニット同士をねじ溝で螺合して、より確実に固定し、燃料ガス及び酸化剤ガスの漏洩もより確実に防止することができる。

本発明によれば、低電流かつ高電圧の溶融炭酸塩形燃料電池が提供される。

実施形態１に係る溶融炭酸塩形燃料電池の外観を示す側面図である。 実施形態１に係る燃料電池ユニットの斜視図である。 実施形態１に係る燃料電池ユニットの断面図である。 実施形態１に係る溶融炭酸塩形燃料電池の一部を示す断面図である。 実施形態２に係る燃料電池ユニットの斜視図である。 実施形態２に係る溶融炭酸塩形燃料電池の一部を示す断面図である。 実施形態３に係る燃料電池ユニットの断面図である。

〈実施形態１〉
図１は溶融炭酸塩形燃料電池の外観を示す側面図である。中空のケース１内に、３つの溶融炭酸塩形燃料電池１０（以下、ＭＣＦＣ１０）が収容されている。各ＭＣＦＣ１０は、複数の燃料電池ユニット２０を備えている。

複数の燃料電池ユニット２０のうち、両端の燃料電池ユニット２０をそれぞれ燃料電池ユニット２０ａ、燃料電池ユニット２０ｂとも称する。燃料電池ユニット２０ａ及び燃料電池ユニット２０ｂのそれぞれは、取付部１１Ａ及び取付部１１Ｂを有している。これらの取付部１１Ａ及び取付部１１Ｂがケース１の壁部に固定されている。取付部１１Ａ及び取付部１１Ｂはケース１の外部に露出している。また、取付部１１Ａ及び取付部１１Ｂは、ケース１に対して絶縁されている。

この取付部１１Ａ及び取付部１１Ｂは筒状であり、後述する燃料電池ユニット２０に酸化剤ガスを供給する流路となっている。また、ケース１の内部、すなわちＭＣＦＣ１０の外側には燃料ガスが供給される。

図２は燃料電池ユニットの斜視図であり、図３は燃料電池ユニットの断面図であり、図４は溶融炭酸塩形燃料電池の一部を示す断面図である。図３（ｂ）及び図３（ｃ）については、それぞれ取付部１１Ａ及び取付部１１Ｂが接続された燃料電池ユニットを示している。

図２及び図３（ａ）に示すように、燃料電池ユニット２０は、中空の円錐体の先端部を水平面で除去した形状を有しており、セパレータ３０、カソード４０、電解質保持体５０、及びアノード６０を備えている。

セパレータ３０は、第１端部３１から第２端部３２に向けて径が拡大するようにテーパー状に形成された筒状の部材である。第１端部３１側の開口を第１開口３３、第２端部３２側の開口を第２開口３４と称する。セパレータ３０は、導電性があり燃料電池の作動温度で耐久性のある材料であれば特に限定されないが、特にステンレス鋼を用いることが好ましい。

第１電極であるカソード４０は、セパレータ３０の外周面のうち中央部を囲うように設けられている。

電解質保持体５０は、カソード４０を覆うとともに、セパレータ３０の外周面を囲うように設けられている。電解質保持体５０は、電解質を保持可能な部材であれば特に限定はないが、本実施形態では、セラミックの多孔質体である。電解質としては溶融した炭酸塩等を用いることができる。

第２電極であるアノード６０は、電解質保持体５０を覆うように設けられている。上述したカソード４０及びアノード６０は、溶融炭酸塩形の燃料電池において電極に用いられる材料であれば、特に限定はされない。本実施形態では、カソード４０及びアノード６０は、ニッケルから構成されており、多孔質となっている。なお、カソード４０は酸化剤ガスにより酸化され、次第に酸化ニッケルからなるカソード４０となる。

図３（ｂ）には、燃料電池ユニット２０ａが示されている。燃料電池ユニット２０ａは、ＭＣＦＣ１０を構成する複数の燃料電池ユニット２０のうち、第１端部３１側に燃料電池ユニット２０が嵌合されていないものである（図１参照）。

図３（ｃ）には、燃料電池ユニット２０ｂが示されている。燃料電池ユニット２０ｂは、ＭＣＦＣ１０を構成する複数の燃料電池ユニット２０のうち、第２端部３２側に燃料電池ユニット２０が嵌合されていないものである（図１参照）。

燃料電池ユニット２０ａ及び燃料電池ユニット２０ｂのセパレータ３０には、それぞれ取付部１１Ａ及び取付部１１Ｂが接続されている。取付部１１Ａ及び取付部１１Ｂは筒状の部材であり、セパレータ３０の第１開口３３及び第２開口３４にそれぞれ連通している。これらの取付部１１Ａ及び取付部１１Ｂは、セパレータ３０と一体的に形成されていてもよい。

図４を用いて、複数の燃料電池ユニット２０の連結について説明する。上述したように、燃料電池ユニット２０は、第１端部３１及び第２端部３２を有している。

第１端部３１は、セパレータ３０の一端側の一部であって、他の燃料電池ユニット２０の第２開口３４に嵌合される部分である。第１端部３１は所定の外径を有している。ここでいう第１端部３１の外径とは、燃料電池ユニット２０の第１端部３１側の外径をいう。つまり、セパレータ３０、カソード４０、電解質保持体５０及びアノード６０を含んだ第１端部３１側の外径をいう。

第２端部３２は、セパレータ３０の一端側の一部であって、他の燃料電池ユニット２０の第１端部３１が嵌合される部分である。第２端部３２の第２開口３４は、第１端部３１の外径よりも大きく形成されている。

第１端部３１及び第２端部３２により、或る一つの燃料電池ユニット２０の第１端部３１は、他の燃料電池ユニット２０の第２開口３４に挿通可能となっている。そして、セパレータ３０はテーパー状に形成されているので、第１端部３１は、第２開口３４に嵌め込まれた状態で固定される。

このように、隣り合う燃料電池ユニット２０同士が第１端部３１と第２端部３２で嵌合されることで、一体的に連結された複数の燃料電池ユニット２０からなるＭＣＦＣ１０が構成されている。

複数の燃料電池ユニット２０が連結されることで、セパレータ３０の内部空間３５からなる流路３６が形成されている。この流路３６は、酸化剤ガスの流路となっている。すなわち、取付部１１Ａ（図３（ｂ）参照）の内部空間１２Ａから流路３６に酸化剤ガスが導入され、流路３６から取付部１１Ｂ（図３（ｃ）参照）の内部空間１２Ｂから酸化剤ガスが排出される。

セパレータ３０には、カソード４０が重なる部分に複数の貫通孔３７が形成されている。したがって、流路３６に酸化剤ガスが流通すると、その貫通孔３７から酸化剤ガスがカソード４０に供給されるようになっている。一方、ＭＣＦＣ１０の外側（ケース１の内側。図１参照）に燃料ガスが供給されることで、アノード６０に燃料ガスが供給される。

アノード６０のうち、第１端部３１側の一部は、気孔率が低いシール部６１となっている。すなわち、アノード６０のうちシール部６１は、アノード６０のシール部６１以外の部分よりも気孔率が低くなっている。本実施形態のシール部６１は気孔率をほぼゼロとし、気体が流通しない部分となっている。なお、気孔率とは、開気孔容積の外形容積に対する百分率である。

燃料電池ユニット２０同士の接触部となるシール部６１は、気体を流通させないので、燃料電池ユニット２０同士の間から、燃料ガス及び酸化剤ガスが漏れ出して混合してしまうことをより確実に防止できる。

このようにカソード４０に酸化剤ガス、アノード６０に燃料ガスが供給されることで、各燃料電池ユニット２０において、電解質保持体５０に保持された（含浸された）電解質を介して電気化学反応を生じさせて電力が得られる。

複数の燃料電池ユニット２０は、第１端部３１が第２端部３２の第２開口３４に嵌め込まれて連結されている。このような構成とすることで、ある一つの燃料電池ユニット２０のアノード６０が、連結する他の燃料電池ユニット２０のセパレータ３０に接触する。

電気的には、導電性のセパレータ３０を介して、ある一つの燃料電池ユニット２０のカソード４０が他の燃料電池ユニット２０のアノード６０に接続されている。したがって、ＭＣＦＣ１０としては、電気的に直列接続された複数の燃料電池ユニット２０を備えることになる。

個々の燃料電池ユニット２０は、溶融炭酸塩形燃料電池の特性上、電圧が１．１Ｖから０．７Ｖ程度と低い。しかし、燃料電池ユニット２０を直列接続することにより、ＭＣＦＣ１０全体の電圧を、個別の燃料電池ユニット２０の電圧よりも高くすることができる。これにより、電流は個々の燃料電池ユニット２０に流れる電流のままで、電圧を相対的に高くできるので、低電流かつ高電圧のＭＣＦＣ１０が提供される。

以上に説明した本発明によれば、燃料電池ユニット２０を直列接続して積層することで、低電流かつ高電圧のＭＣＦＣ１０を実現することができる。このようなＭＣＦＣ１０を用いたシステムは、制御を行い易いものとなる。

また、燃料電池ユニット２０は、先端部を除去した円錐状であり、側面がテーパー状に形成されているので、鉛直方向に積層することが容易である。また、第１端部３１が第２端部３２の第２開口３４に嵌合されているので、燃料電池ユニット２０がずれたり、脱落しにくい。

また、特に図示しないが、各燃料電池ユニット２０は、アノード６０のうち第１端部３１側の表面にねじ溝を設け、第２端部３２の第２開口３４の内面にねじ溝を設けてもよい。すなわち、上述したシール部６１の表面と、そのシール部６１に対向する第２開口３４の内面にねじ溝を設ける。

このようなねじ溝を設けることで、各燃料電池ユニット２０同士をねじ溝で螺合して、より確実に固定し、燃料ガス及び酸化剤ガスの漏洩もより確実に防止することができる。

さらに、適切な数の燃料電池ユニット２０を積層することで、目的とする出力に合わせて、柔軟にＭＣＦＣ１０を構成することができる。または、適切な数の燃料電池ユニット２０を積層することで、目的とする大きさに合わせてＭＣＦＣ１０を構成することができ、小型化を図ることができる。

このような燃料電池ユニット２０の製造方法は、セパレータ３０上に、主成分としてＮｉの粉末を含むスラリーを焼結してカソード４０を形成する。次に、主成分として例えば、ＬｉＡｌＯ_２の粉末を含むスラリーを塗布し、電解質保持体５０を形成する。次に、主成分としてＮｉの粉末を含むスラリーを焼結してアノード６０を形成する。

スラリーを焼結すると収縮し、アノード６０に締め付け力が生じる。このアノード６０の締め付ける力により電解質保持体５０がセパレータ３０側に確実に保持され、アノード６０と電解質保持体５０の間、及び、電解質保持体５０とカソード４０の間の接触抵抗が低減される。

〈実施形態２〉
実施形態１の燃料電池ユニット２０は、先端部を除去した中空の円錐状を有していたが、このような態様に限定されない。図５は燃料電池ユニットの斜視図であり、図６は溶融炭酸塩形燃料電池の一部を示す断面図である。なお、実施形態１と同一のものには同一の符号を付し、重複する説明は省略する。

図５及び図６に示すように、燃料電池ユニット２０Ａは、円筒状の第１円筒部２１及び第２円筒部２２、並びにテーパー部２３を有するセパレータ３０Ａを備える。第１円筒部２１は、第２円筒部２２よりも径が小さく形成されている。また、テーパー部２３は、第１円筒部２１と第２円筒部２２とを連結し、第１円筒部２１から第２円筒部２２に向けて径が徐々に拡大した形状を有する。

カソード４０は、第２円筒部２２の外表面の一部を囲うように設けられている。電解質保持体５０は、カソード４０、第１円筒部２１、テーパー部２３及び第２円筒部２２の外表面全体を覆っている。アノード６０は、電解質保持体５０の外表面全体を覆っている。

このような構成の燃料電池ユニット２０Ａは、実施形態１の燃料電池ユニット２０と同様に、内側の流路３６に酸化剤ガスが供給され、外側（ケース１の内側）に燃料ガスが供給されることで、電力を発生する。

第１円筒部２１は第１端部３１に相当する。第２円筒部の下端側は第２端部３２に相当する。この第１端部３１が第２端部３２の第２開口３４に嵌合することで、各燃料電池ユニット２０Ａ同士が連結する。

そして、各燃料電池ユニット２０Ａは、実施形態１と同様に電気的に直列に接続されてＭＣＦＣ１０Ａを構成する。このようなＭＣＦＣ１０Ａは、低電流かつ高電圧となり、実施形態１のＭＣＦＣ１０と同様の作用効果を奏する。

〈実施形態３〉
燃料電池ユニット２０の内部の流路３６に酸化剤ガスを供給し、外側に燃料ガスを供給したが、逆でもよい。また、第１電極としてカソード４０をセパレータ３０上に設け、第２電極としてアノード６０を最表面に現れるように設けたが、逆でもよい。図７は、本実施形態に係る燃料電池ユニットの断面図である。実施形態１と同一のものには同一の符号を付し、重複する説明は省略する。

燃料電池ユニット２０Ｂは、セパレータ３０の中央部上に、第１電極としてアノード１４０が設けられている。このアノード１４０及びセパレータ３０を覆うように電解質保持体５０が設けられている。電解質保持体５０を覆うように、第２電極としてカソード１６０が設けられている。カソード１６０の上端部側には、気孔率が実質ゼロのシール部１６１が形成されている。

このようにカソード１６０を最表面側に形成する場合は、カソード１６０を覆う多孔筒７０を設ける。多孔筒７０は、セパレータ３０と同心に形成され、上端側から下端側に向けて径が拡大するようにテーパー状に形成された筒状の部材である。多孔筒７０は、複数の貫通孔７１が設けられ、貫通孔７１を通じて酸化剤ガスがカソード１６０に供給されるようになっている。

また、このような多孔筒７０は導電性のある金属で形成されている。燃料電池ユニット２０Ｂが複数個連結される際には、カソード１６０が多孔筒７０を介して、他の燃料電池ユニット２０Ｂのセパレータ３０の第２開口３４に電気的に接続される。なお、多孔筒７０の上端側の一部を除去してカソード１６０が露出するようにし、その露出したカソード１６０（シール部１６１）の一部がセパレータ３０の第２開口３４に電気的に接続されるようにしてもよい。

多孔筒７０を設けることで、カソード１６０が径方向内側（セパレータ３０側）に締め付けられた状態を維持することができる。これにより、カソード１６０と電解質保持体５０の間、及び、電解質保持体５０とアノード１４０の間の接触抵抗が低減される。

〈他の実施形態〉
以上、本発明の一実施形態について説明したが、勿論、本発明は、上述の実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨から逸脱しない範囲内で、構成の付加、省略、置換、およびその他の変更が可能である。

例えば、ＭＣＦＣ１０を構成する燃料電池ユニット２０の個数に特に限定はない。また、燃料電池ユニット２０は、第１端部３１が第２端部３２の第２開口３４に嵌合される構成であれば、実施形態１及び実施形態２に示した形状に限定されない。

本発明は、溶融炭酸塩形燃料電池の産業分野で利用することができる。

１ ケース
１０ ＭＣＦＣ（溶融炭酸塩形燃料電池）
１１Ａ、１１Ｂ 取付部
１２Ａ、１２Ｂ 内部空間
２０、２０Ａ、２０Ｂ、２０ａ、２０ｂ 燃料電池ユニット
２１ 第１円筒部
２２ 第２円筒部
２３ テーパー部
３０、３０Ａ セパレータ
３１ 第１端部
３２ 第２端部
３３ 第１開口
３４ 第２開口
３５ 内部空間
３６ 流路
３７ 貫通孔
４０ カソード
５０ 電解質保持体
６０ アノード
６１ シール部
７０ 多孔筒
７１ 貫通孔
１４０ アノード
１６０ カソード
１６１ シール部

Claims (3)

1. 複数の燃料電池ユニットを備えた溶融炭酸塩形燃料電池であって、
   前記燃料電池ユニットは、
   所定の外径を有する第１端部、及び前記第１端部の外径よりも大きな開口を有する第２端部を有する筒状のセパレータと、
   前記セパレータの外表面に形成された第１電極、電解質を保持する電解質保持体、及び第２電極とを備え、
   隣り合う２つの前記燃料電池ユニットの一方の前記第１端部が他方の前記第２端部の開口に嵌め込まれることで連結され、
   前記セパレータの内側に酸化剤ガス又は燃料ガスが供給され、前記燃料電池ユニットの外側に燃料ガス又は酸化剤ガスが供給され、
   一方の前記燃料電池ユニットの前記第２電極のうち、他方の前記燃料電池ユニットの前記第２端部に接触される部分は前記第２電極と同じ材料からなるシール部であり、
   一方の前記燃料電池ユニットの前記第１端部と、他の前記燃料電池ユニットの前記第２端部とは、一方の前記燃料電池ユニットの前記シール部を介して接触し、
   前記シール部は、一方の前記燃料電池ユニットの前記第２電極のうち前記シール部以外の部分よりも気孔率が低く、かつ、他方の前記燃料電池ユニットの前記第２端部から露出している
   ことを特徴とする溶融炭酸塩形燃料電池。
2. 請求項１に記載する溶融炭酸塩形燃料電池において、
   前記セパレータは、前記第１端部から前記第２端部に向けて径が拡大したテーパー状に形成されている
   ことを特徴とする溶融炭酸塩形燃料電池。
3. 請求項１又は請求項２に記載する溶融炭酸塩形燃料電池において、
   前記第２電極のうち前記第１端部側の表面、及び前記第２端部の開口の内面にはねじ溝が設けられ、
   複数の前記燃料電池ユニットは、前記第１端部側が前記第２端部の開口に螺合して連結されている
   ことを特徴とする溶融炭酸塩形燃料電池。

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