JPH01211861A - 燃料電池 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、溶融炭酸塩型燃料電池に係り、特にマトリッ
クス層に電解質を補給すると共に、マトリックス層端部
周囲からの電解質の漏出を防止しうる燃料電池の構造に
関する。

〔従来の技術〕

燃料電池の一般的な構造を第３図に示す。マトリックス
層１の上下にはマトリックス層を挟むように２種の電極
（アノード電極２及びカソード電極３）が設けられ、こ
れらがアノード電極２に燃料ガスを供給する燃料ガス通
路５及び、カソード電極３に酸化剤ガスを供給する酸化
剤ガス通路６を有するセパレータ４を介して積層されて
電池の基本単位となる。尚、第３図において、アノード
電極２とカンード電極３の上下が逆になる場合もある。

第４図に示す如く、電池スタック７は、この基本単位を
多層積層し、さらに、上下に押え板８．９を配した構造
であり、その４つの側面には。

マニホールド１０が取付けられている。

第４図にて、アノード側を例にとり、ガスの流れを説明
する。燃料ガスは、入口管１１ａから入口マニホールド
１０ａに入り、次に、燃料ガス通路５に入り、アノード
電極２に達する。燃料ガスの一部が反応した後、さらに
、図の右方に流れ、出口マニホールド１０ｂに出て、出
口管１１ｂから電池外にでる。カソード側は、アノード
系統に直交して、同様の流れをたどる。

上記の運用に於いて、マトリックス層に含浸されている
電解質がマトリックス層端部周囲から漏出したり、電解
質が電池内に通流される反応ガスによって電池外に持ち
出されて、電池内の電解質の量が僅かすってはあるが漸
次減少して行く傾向がある。このため、電解質を補給す
る工夫が必要である。

電解質の補給技術は従来から、特にリン酸型燃料電池を
対象として発明されている。

従来技術の電解質補給方法については、例えば、特開昭
６１−８８４５８号公報や特開昭６１−２４１５９号公
報に記載のように電解質を補給する為の電解質重めや、
補給孔をセパレーターに加工し、且つ、電解質を外部か
ら補給する為のチューブ等を取付ける等、電池の構造が
複雑となり、長時間運転時の信頼性に対し充分配慮がな
されていなかった。又、マトリックス層の端部周囲を包
囲し、電解質の漏出を防止するという考え方は、例えば
、特開昭５８−１６４１５３号、特開昭５８−４４６７
２号、特開昭５８−１３５５７７号公報等に示されてい
るが、いずれも、シール材として、高分子化学物質を用
いる為、溶融炭酸塩型燃料電池の如く、電池作動温度が
６５０〜７００℃と高温のものには適用できない。又、
前記公知例は単に電解質の漏出を防止する働きのみで、
予め、電解質をリザーブするという考え方は示されてい
なかった。

〔発明が解決しようとする課題〕

従来技術である前記特開昭６１−８８４５８号及び特開
昭６１−２４１５９号公報に示す構造では、電解質の補
給は電池外部に設けられた電解液溜めから、補給バイブ
等を通し、セパレーターに設けられた補給用電解液溜に
導かれ、注入孔を通じマトリックス層に補給される構造
である。しかし、溶融炭酸塩型燃料電池の電解質として
用いるアルカリ金属炭酸塩は、常温では固体であり、融
点も数百度（’Ｃ）と高い為、補給パイプ内等で凝固す
ることがあり、これを防止する為に、装置各部をヒータ
ー等で電解質の融点以上に加熱する必要があり、装置全
体が複雑なものとなる。従来技術では、これらの点につ
いて十分配慮されていなかった。

本発明の目的は従来技術の欠点を排除し、簡単な構造で
、電解質を補給しうる溶融炭酸塩型燃料電池を提供する
ことにある。

〔課題を解決するための手段〕

上記目的は、溶融炭酸塩型燃料電池において、電解質を
保持するマトリックス層の周辺端部を電解質を貯蔵しう
る構造としたフレームにて包囲し、かつ該フレームとし
て、マトリックス層より電気的抵抗の高い金属を用いる
ことにより達成される。

マトリックス層端部周囲を包囲するフレーム基材は、あ
る特定の処理を施すことにより、高抵抗を有する性質の
金属を使用する。前記性質の金属をフレーム材として成
形し、且つ、フレームはマトリックス層の厚み方向の２
面を挟持できる形状とし尚且つ、電解質を貯蔵しうる構
造とする。そのような構造としては例えば貯蔵袋を有す
る形状がある。

さらに、フレームに貯蔵された電解質がマトリックス層
へ吸引されやすいように、フレーム周囲に圧力調整用の
穴を設けることが望ましい。

〔作用〕

燃料電池においては、前述のように電池内より電解質の
量が漸次減少していく傾向がある。また、運転中のマト
リックス層の面内は、電池反応により温度分布があり、
高温部分は、電解質の蒸発が促進され、局部的な電解質
不足を起こす。電解質不足により、ガスクロスが発生し
、燃料ガス中の水素と酸化剤ガス側の酸素が反応、燃焼
し、異常高温となり、電解質の蒸発を急激に促進し、こ
のことによりガスクロスが急激に進むという悪循環が起
こる。

本発明によれば電解質を貯蔵したフレームをマトリック
ス層端部周辺に着装し、前記フレームを着装したマトリ
ックス層を電池に組立て、電池作動温度まで昇温するこ
とにより、電解質は液状となり、マトリックス層に電解
質が不足した場合、マトリックス層の毛細管現象により
、フレームに貯蔵された電解質が補給される。又、フレ
ームはマトリックス層の端部周囲を密封する構造とする
為、前記端部からの電解質の漏出防止も出来る。

またフレームは、電池外部に露出して設置する為、フレ
ーム周囲に圧力調整用の穴を設ければ、電池外部の雰囲
気の圧力をＰｌとし、電池内部圧力をＰｚとしたとき、
Ｐｌ＞Ｐｚとすることができ、圧力差を利用し、電解質
の供給を効果的に行うことができる。

〔実施例〕

以下、本発明の実施例を第１図〜第２図を用いて説明す
る。第１図は本発明によって、マトリックス層端部周囲
にフレームを装置した状態を表わしたものである。１が
マトリックス層、１２がフレーム、１２ｃは圧力調整穴
を示す。一般に溶融炭酸塩型燃料電池では、マトリック
ス層１勤基材として、リチウムアルミネート粉末とアル
ミナ繊維等とを混合したものが用いられる。又、マトリ
ックス層には予め、電解質が、特殊な方法で含浸されて
いる。フレーム１２はマトリックス層１の端部周囲をマ
トリックス層１の上、下面を挟持する状態で包囲する。

マトリックス層１は電気絶縁性を必要とし、従って、フ
レームも必然的に電気絶縁性を有するものが要求される
。リン酸型燃料電池等、比較的低温で作動するものにつ
いては、高分子材料等比較的容易に適用材料が探査可能
であるが、溶融炭酸塩型燃料電池の如く、作動温度が約
６５０℃にもなるものに於いて、フレームに適する材料
はきわめて限定される７フレームの材料として要求され
る性質としては、電気絶縁性はもちろんのこと、構造物
を形づくる上での、成形性２強度等が要求される。フレ
ーム材としてセラミックス等が考えられるが、電気絶縁
性は問題無いとしても、成形性９強度等で問題があり、
現技術としては実際的でない。この為、発明者らは、金
属としての性質を有し、且つ、特殊な処理を施すことに
より、電気抵抗を増す金属をフレームの材料に用いた。

そのような金属としては、例えば約２０％Ｃｒと、約５
％Ａｌを含有する合金鋼があげられ、本合金鋼は９００
℃Ｘ２ＨＲの酸化処理を行うことにより、高抵抗を持た
せることができる。実験結果では、処理前が約１．２Ω
であったものが処理後、７５にΩと実に約６万倍もの抵
抗増加が得られた。前記合金鋼は酸化処理をすることに
より、含有されるＡｌがＡｌＺＯＢ等に変化して抵抗が
増大することが実験結果から判明した。

前記合金鋼を、マトリックス層１の端部周囲を包囲する
形に成形後、酸化処理を行うことにより、高抵抗のフレ
ームを製作することができる。酸化処理はフレーム成形
前に実施してもよい。燃料電池の１セル当りの電位差は
、最大でも１．１ｖ程度であり、実験結果得られた高抵
抗金属の抵抗値７５にΩは、実用上、全く問題ない値で
ある。第２図は、本発明におけるフレーム１２の断面を
表わした図である。フレーム１２は、マトリックス層１
を挟持するフレーム辺１２ａと電解質１３を予めリザー
ブしておく為の貯蔵袋１２ｂとからなる構造とする。フ
レーム１２の貯蔵袋１２ｂ中に予め電解質１３を充填し
ておき、フレーム１２をマトリックス層１端部周囲を包
囲するように着装する。又、圧力調整穴１２ｃは、電解
質１３が電池作動温度で溶融状態となり、マトリックス
層１内の電解質不足に応じ、貯蔵袋１２ｂ内の電解質１
３が、マトリックス層１の毛細管現象により吸引されよ
うとする・時、貯蔵袋内の圧力が、負圧となり電解質の
吸引を阻害することを防止するために設けたものである
。本圧力調整穴１２ｃは、フレーム１２の周囲に少なく
共、１つ設けることにより充分機能する。又、圧力調整
穴１２ｃは電解質１３の表面張力の働きによりフレーム
１２外に漏出しない大きさに設計する。前記の如く、本
発明によるフレーム１２をマトリックス層１に着装した
ものを用いることにより、電解質のりザーバーとしての
働きとマトリックス層端部周辺からの電解質の漏出防止
とを同時に解決できる効果がある。さらに、フレーム１
２でマトリックス層１の端部周囲を包囲するように着装
したことにより、マトリックス層１の強度を高め、電池
組立作業時のハンドリンクを容易にするという、二次的
効果も期待出来る。

燃料電池は、通常数百枚を積層して使用する為、その内
の数枚が何らかの原因により、電解質の異常消費により
、リザーバー中の電解質を全て消費したとしても、フレ
ームを交換することにより、新たに電解質を補うことが
可能である。

前述の如く、数百セルものマトリックス層を積層した場
合、外部よりパイプ等を用い電解質を補給する方法は、
各マトリックス層１枚毎に電解質供給用パイプを数本膜
けなければならず、従って１つの燃料電池で数千水の電
解質供給パイプが必要となり、構造上複雑化し、信頼性
が大幅にうしなわれる。本発明によりリザーバーは、前
述のフレーム交換の方法をとることができ、また、フレ
ームがマトリックス層周囲に設けられていることから、
必要に応じ電解質供給用パイプを設けることができる。

なお、フレーム材料はＡＭｚＯａ粉体による溶射、パッ
ク処理などの耐溶融塩性処理をあらかじめ行っておくこ
ともできる。

以上の構成によれば、マトリックス層の端部周辺を電解
質を貯蔵しつる構造としたフレームで包囲するので、単
純化された構造で、マトリックス層端部からの電解質の
漏出を防止しうるとともに、１）貯蔵された電解質がマ
トリックス層の端部に接しているため、マトリックス層
へバランス良く効果的な電解質の供給ができる。

２）電解質貯蔵部分が、マトリックス端部全周にわたっ
ているため、１）の効果と相まって、短時間で電解質不
足個所に供給が可能である。

３）フレーム交換により新たに電解質を補うことが可能
である。

又、フレーム材に高抵抗金属を用いたことにより、 １）フレームの成形が容易にできる。

２）フレームの絶縁性が確保できる。

３）フレーム材が金属製である為、高温（６５０℃以上
）でも使用できる。

４）フレームがマトリックスの補強材となる為、取扱が
容易となった。

〔発明の効果〕

以上のように本発明によれば、簡単な構造で電解質を補
給することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明の一実施例におけるマトリックス層の
鳥徹図、第２図は、第１図のＡ−Ａ線断面図、第３図は
、溶融炭酸塩型燃料電池構成を示す鳥緻図、第４図は、
従来技術の燃料電池縦断面図である。 １・・・マトリックス層、２・・・アノード電極、３・
・・カソード電極、４・・・セパレーター、５・・・燃
料ガス通路、５ａ・・・燃料ガス、６・・・酸化剤ガス
通路、６ａ・・・酸化剤ガス、７・・・電池スタック、
８・・・押え板、９・・・押え板、１０・・・マニホー
ルド、１０ａ・・・入口マニホールド、１０ｂ・・・出
口マニホールド、ｌｌａ・・・入口管、ｌｌｂ・・・出
口管１．１２・・・フレーム、１２ａ・・・フレーム辺
、１２ｂ・・・貯蔵袋、１２ｃ・・・圧力調整穴、１３
・・・電解質。 塔１図 寓２図 嘉３図 第４−図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、アルカリ金属炭酸塩電解質を保持するマトリックス
   層と、該マトリックス層を挟持するアノード電極及びカ
   ソード電極と、該各電極の反マトリックス層側の面に開
   かれた反応ガス通路を有するセパレーターからなる溶融
   炭酸塩型燃料電池に於いて、マトリックス層の端部周囲
   を、電解質を貯蔵しうる構造としたフレームにて包囲し
   、且つ、該フレームとして、前記マトリックス層より電
   気的抵抗の高い金属を用いることを特徴とする燃料電池
   。 ２、前記フレームの周囲に少なくとも１つの圧力調整用
   の穴を設けたことを特徴とする特許請求の範囲第１項記
   載の燃料電池。 ３、前記フレームが少なくとも１９〜２１重量％のＣｒ
   及び４〜６重量％のＡｌ元素を含有する鉄金属を高温で
   酸化処理した材料で形成されたことを特徴とする特許請
   求の範囲第１項記載の燃料電池。 ４、前記フレームはあらかじめ耐溶融塩処理を行なった
   ものであることを特徴とする特許請求の範囲第１項記載
   の燃料電池。