JPH02121265A - 溶融炭酸塩型燃料電池積層体 - 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】 ［発明の目的］ （産業上の利用分野） 本発明は、溶融炭酸塩型燃１／４電池に係わり、特に複
数の単位電池を積層した積層体におけるガスシール構造
いわゆるエツジ・シール構造を改良した燃料電池に関す
る。

（従来の技術） 近年、高能率のエネルギとして、溶融炭酸塩型燃料電池
の開発が進められている。溶融灰＃ｊ！！型燃料電池は
、アルカリＩｆＡＭ塩からなる電解質を高温下で溶融状
態にして電極反応を起こさせるもので、他の燃料電池、
例えばリン酸型燃料電池に比較して、発電効率が高く、
−酸化炭素も燃料とすることができ、また高価な貴金属
触媒を必要としない等の利点を有している。

ところで、溶融炭酸塩型態Ｆｌ電池の１１１位電池の出
力電圧は高々１ｖと低く、実用的ｔ１電圧を右する発電
プラントの構成単位とするには、複数の単位電池を直列
にｌａ層して積層体を構成することによって各単位電池
の加算出力を得る必要がある。

第４図は、従来より関東されている溶融炭酸塩型燃料電
池の主要部を示すものである。すなわち、炭酸リチウム
、炭酸カリウムなどの炭Ｍｌ！の電解質と、リチウムア
ルミネートなどのセラミック系保持材とを平板状に一体
化してなる電解質層１の両面に、上記電解質層１の縦横
１１寸法に比較して−ｈの１１」寸法だりが狭く形成さ
れたニッケル合金系のガス拡散型ｉ２ａ、２ｂを、上記
の狭巾方向が互いに直交するように当てがって単位電池
３を構成し、このような複数個の単位電池３を相７１間
に導電性のセパレータ４を介在させてＦ下にＦｆ４層し
、これを締（’Ｊ’　＋：Ｉて積層体Ｘを構成している
。

各セパレータ４は、電ｗｌ質層′１の縦横寸法と等しい
縦横寸法に形成されたステンレス鋼製の隔離板不休５と
、この隔離板本体５の一方の面の平１ｊする両辺部に各
々溶接またはろう付され、各々の間に上記一方の面を底
壁内面として図中太矢印Ｐで・示すように燃料ガスを通
流さＵる溝状の通路Ａを構成するステンレス鋼製の側壁
部材６ａ　、　６ａと、これらの側壁部材６ａに対して
直交する他方の面の両辺部に各々溶接またろうイ」され
、各々の間に４−記他方の而を底壁内面として図中太矢
印Ｑで承りように酸化剤ガスを通流させる通路Ｂを構成
するステンレス鋼製の側壁部材７ａ、７ａと、通路Ａ、
Ｂ内に装老されガス流を実質的に複数に分流さけ−るス
テンレス鋼製の波板等のガス・チャンネル８とて・構成
されている。また第５図に示したように、側壁部材６ａ
、６ａ、７ａ　　７ａにはセラミック防食層６ｂ、７ｂ
が被着され、これらの側壁部材と防食層とによって側壁
６．７を構成している。そして、側壁６，６，７，７．
の内側縁部にはガス拡散ｆＭｆｆｉ２ａ　、２ｂの両側
部を係１１するための係止用段部９がそれぞれ形成され
ている。即ち、ガス拡散電極２ａ、２ｂは、第５図に示
づように、係１Ｆ用段部９と、側ｖ６．７の平坦な当り
而′１１との段差１１とほぼ等しい）２みＬに形成され
、またその前記状巾側の両側部が係ｌ［−用段部９に係
１！されて通路Ａ、Ｂの解放８１１を閉塞しつる巾に形
成されている。そして、この閉塞された通路によって反
応ガスのガス供給路１２ａ、１２ｂを形成し、これらの
ガス通路１２ａ、１２ｂの両側にはマニホールド（図示
省略）が接合される。

なおこれらのガス通路の高さは数ｔｍであるが、図面は
構造を明瞭にあられすためにこの高さを拡大して作用し
である。以下の各図も同様である。ｔ３お、上記防食層
６ｂ、７ｂは、側壁部材の電解質層゛１に接触する部分
及び側面が電解質によって腐食されるのを防止するため
の６ので、その材料として望ましくは電気絶縁性のアル
ミナ、ジルコニア等のセラミックを用いる。

主要部が上記のように構成される溶融炭酸塩燃料電池に
あって、ガス供給路１２ａ、１２ｂを通流する反応ガス
が上記両側部から外部へ漏れるのを防［にするために、
側壁６，６，７．７の当り而１１とこれに接触する電解
質層１の端部との間をガスシールする必要があるが、こ
のシール手段としては、通常、積層体Ｘを構成した後、
電池作動ｆｒＡ　Ｎ　（Ｌ−１２ＣＯ３／　Ｋ　２　Ｇ
　０３２元系電解質の場合には一般に６５０℃）まで昇
温さゼ、昇温によつ′Ｃ溶融した電解質でシール１６方
式（ウェットシール方式）が採用されている。即ら、前
述した電解質は彎４途、トの４８８℃の共融温度で溶融
し、この溶融物が電解質層１の端部と各側壁６゜６．７
．７の当り面１１との間に存在する隙間に浸入し、これ
によってガスシールが行われる。

しかしながら、上記のように構成され、上記のようなガ
スシール方式を採用した従来の溶融炭酸塩燃ｉ′３１電
池にあっては、電解質層１の端部の平１［１な面と、こ
れに接触する側壁６，６，７．７の平ｊ■な当り面１１
との間（丁ツジ・シール部）で溶融した電解質でガスシ
ールする（ウェットシール）ようにしているので、ガス
拡散電極２ａ、２ｂ面が側壁６，６，７．７の平ｇ’ｔ
な当り而１１より高い場合（ｔ＞１−１）は、２つの平
坦な面間に充分なωの電解質が浸入せず、この結果、シ
ールが不十分になりやすい問題があった。この様にシー
ルが不十分になると、８！ｉ層体側面部で水生成反応が
生じ供給ガスの有効利用が損なわれることになる。

逆に、ガス拡散型ｆｆ１２ａ　、２ｂ面が上記当り而１
１よりも低い場合（ｔ＜１−１＞には、起電部で電解質
層１とガス拡散電極２ａ、２ｂとの接触が悪く抵抗が高
くなってセル性能が低くなる。

また、ガス拡散＠極２ａ、２ｂの平均淳さが前記段差Ｉ
」に等しく前ｊホの問題を生じなかったとしでも、電極
各部での厚み精度のバラツキ、側壁部材の製作精度のバ
ラツキあるいは、電ｗＩ質層１がらの電解液の移動にと
もなう平面方向での厚さの分布や経時的な電極の厚みの
減少（クリープ変形等）から段差を生じることがある。

これらの結果、電解質１がガス拡１１（電極２ａ、、２
ｂと側壁６，６゜７．７との境界において、前記上下方
向の締め付は時に、あるいは使用中に応力の集中が起こ
り、もし電解質層１に割れが１しると燃料ガスと酸化剤
ガスの交差混合が起こり、それに伴う発熱により電極の
腐食が加速されて、電極の損傷や、両電極間の短絡を引
き起こりという問題があった。さらに、甚だしい割れの
場合には、反応ガスのｎ効酊が損なわれるという問題が
あった。

方、係止用段部９を廃止してガス拡散電極２ａ、２ｂを
電解質Ｒり１とガス・ヂュンネル８とで弾目的に挟持さ
せるという手段も考えられる。この場合はガス・チャン
ネル８の弾性率を小さくして容易に弾性変形ができるよ
うにし、更にはガス拡散用Ｊ４２ａ、２ｂと側壁６，６
，７．７の当り面との面積に応じてそれぞれの側におけ
るガス・ヂ１１ンネル８の弾性率を調節するようにすれ
ば、ガス拡散電極と側壁との境界において電解質層への
応ツノ集中を招くことなく、起電部での接触性とウェッ
トシール部でのガスシール性を両立させることができる
。

しかし、ガス拡散用［２ａ、２ｂには厚みのバラツキが
あるために多数の電極について上記弾性率の調整をする
ことは兄だ面倒であり、また電解質層１の両側における
使用雰囲気渇痕の相違（アノード側では還元雰囲気、カ
ソード側では酸化雰囲気）によって、経時的に電解質層
をはさむガス・チ１ｊンネル８の弾性率に差が生じ、あ
るいは不均等な雰囲気温度分布に起因してガス拡散電極
に反りが／Ｖしるなどの原因によって、上記の接触性と
シール性とをいつ；１て゛も両立ざぜることは困ガであ
る。そのため前記境界での応力集中がかえって大きくな
る場合がある。

（発明が解決しようとする課題） 上述のごとく、従来の溶融炭酸塩燃料電池の構造では、
エツジ・シール部で木質的に良好なガスシール性、およ
び起電部での電解質層とガス拡散電極との良好な接触を
同時に期待できず、この結果反応ガスの交差混合を生じ
るという問題があった。

そこで本発明は、ガス拡散電極とセパレータ端部側壁間
に、段差があっても確実なガスシールが行えると共に、
段差により電解質層に割れが生じることを防止できる溶
融炭Ｒ塩燃利を堤供することを課題としている。

［発明の構成１ （課題を解決するための手段） 本発明に係る溶融炭酸塩型燃料電池では、ヒバレータ平
面上の対向する側壁を柔軟な構造とするとともに、その
内部を形成し、この側壁中空部に加熱された峙軟化して
、側壁中空部を充填するシール材を装填している。

（作用） 上記のように中空部を形成した柔軟な側壁は、］−下方
向の締め付は圧に対して、容易にその弾性により変形す
るため、予めガス拡散電極面よりも側壁の当り面を若干
高くしておくことにより、締め付は時にこの当り面が電
極面と同一平面になる。

更に、側壁中空部に充填したシール材が、電池運転温度
で１？？融することにより、変形した側壁中空部を満た
し、積層イホ側面に取り何けた反応ガス供給用の前記マ
二ボールドのシール面と密接することにより、側壁中空
部長手方向の反応ガスの漏洩も無くなる。このようにし
て、側壁の当り而と電極面とが同−平面を形成すること
により、ヒバレータ端部でガスシール性能が向上し、合
せて電池起電部での接触抵抗が低減化し性能向上が実現
できる。また、電解質層の割れを抑制し、その結果とし
て性能の向上が実現できる。更に、柔軟側壁を隔離板本
体と溶融ないしはろう付を行なわなくても、中空部に充
填したシール材が軟化し、これがしみだして中空側壁と
隔離板本体との間のシール機能を右するので、隔離板本
体材と側壁材を異なった材質としても、熱膨張差にとも
なうそり、変形を引き起こすことがない。そこで、絶縁
性で耐蝕性の皮膜を表面に形成する方が望ましい側壁部
月には、高アルミ含有の合金を用い、導電性が要求され
る隔離板本体には、高ニック°ルのインコネル材を用い
ること等が可能となる。

（実施例） 以下、本発明の一実施例を説明する。

第１図は、本発明に係る溶融炭酸塩型燃料電池の主要部
に組み込まれるセパレータ１４を示すので、第４図と同
一部分は、同一符号で示しである。

従って、重複する部分の説明は、省略づる。

本実施例におけるセパレータ１４（よ、溝状のガス通路
Ａ、Ｂを形成するために隔離板本体５に、厚さ０．１５
１１１１のインコネル６００Ｍ１板金烏でコの字状に折
曲げ加工された巾２０１＋１１１．高さ３ｍｍの側壁部
材１６ａ　、　１６ａ　、　１７ａ　、　１７ａをろう
付Ｉ）すると共に、隔離板本体５とは反対側に防食層１
６ｂ、１７ｂを形成して側壁１６．１７を構成している
。そして、第２図に示すように、側壁部ｔＪ１６ａと隔
離板本体５とで形成される中空部には、ホウ酸系ガラス
を主成分としたシール材２０を充填している。

側壁部材１６ａの高さは、上下方向の締め付は圧力に対
する弾性を＃慮して、締め付け１１５にガス拡散電極２
ｂの電解質層１と接する面と側壁１６の当り而１９とが
同一平面となるように、ガス拡Ｉ″ｌｌｆｆ１極の面よ
りも０．０５ｔＢ５＜Ｌ、た。

同様にして側壁部材１７ａを用いて防ｔｉ層１７ｂをそ
なえる側壁１７を構成し、その中空部にシール材２０を
充填しである。上記の寸法関係は側壁１６の場合と同じ
である。

シール材２０としては、例えば、８２０３−Ｐ２０５ガ
ラス（軟化点４２０℃）粉末に保持材としてのアルミン
酸リチウム粉末（ガラス９部に対して１部）とからなる
混合物を混練し、溶融し、ＢＮの型で固化さゼて中空側
壁部材に挿入できる形状としたものである。そして、第
２図に示すようにシール材２０を充填した状態でｆｆｉ
層体を形成し、この積層体を締め付はバー等で締め付け
た後、外部加熱によって電池運転温爪（６５０℃）まで
加熱し、この加熱によりシール材２０を軟化点近傍（４
２０℃）で溶融させている。この結果、シール材２０は
、最終的には、変形した側壁部４４１６ａ、１７ａに密
着し、十分に馴染んだものとなっＣいる。そして、この
積層体の４つの側面に通常の方法で反応ガス供給用のマ
ニホールドを取り付け、最終的に燃料電池が構成されて
いる。

上記のように構成された燃料電池について、シール部の
ガスシール性、反応部の接触抵抗及び電解質層の割れに
及ばず影響をみるために、燃料電池本体を６５０℃まで
昇温した。

ガスシール性については、マニホールドを介して、ガス
供給路１２ａに、水素ガスを、各ガス供給路１２ｂに窒
素ガスをそれぞれ流し、各供給路１２ｔｌを通った後の
窒素ガス中の水素ガス含右聞がガスクロマトグラフによ
り測定して供給路１２ａのシール性を確認した。逆に、
供給路１２ｂに水素ガスを、各供給路１２ａに窒素ガス
を流し、各供給路１２ａを通った窒素ガス中の水素ガス
含有ωを同様に測定して、供給路１２ｂのシール性をＴ
１１認した。

反応部の接触抵抗については、燃料電池に６５０℃で、
マニホールドを介して、各供給路１２ａに水素ガス／炭
酸ガスの混合ガス（燃料ガス）を、各供給路１２ｂに、
空気／炭酸ガスの混合ガス（酸化剤ガス）を流しながら
、通常の方法で発電して負荷電流を取り、電流−電圧特
性と、交流抵抗（ｌｋ　Ｈｚ　）・を測定した。また、
発電時間１０００時間で燃料電池を分解し、セパレータ
端部での電解質層の損傷をｖＡＣｔ、、た。また、参考
例としてセパレータ側壁部材を従来のステンレス平根の
みで構成したちについても、同様な測定を行った。

その結果、電池発電中に表１に承すデータが得られた。

（以下余白） （表−１） この表１から分るように、本発明の構造を用いれば、ガ
スシール性能を大幅に向上させることが出来、このため
良好な電池性１’ｌを得ることが出来る。

また実茄例では、発電開始（６５０℃到達後）後、ｉ　
ｏｏｏ時間にでるまで、ガス供給路１２ａから１３Ｆ出
される反応ガス中の窒素ガス（ガスシールを経て、ガス
供給路１２ｂより浸入または、電解質層の割れにより供
給路１２ｂより浸入）は、殆ど測定されなかったのに対
して、参考例Ｃは、ガス供給路１２ａから排出される反
応ガス中の窒素ガス［ｉは、徐々に増加し、１０００時
間では、１３Ｖｏ１％の窒素量が測定された。

なお、この実施例は前記係ロー用段部９（第５図）を前
述したように排除した場合のものであるが、必要によっ
ては側壁’＋６．１７の内側にデイスタンスピースなど
を配設してこれにより係止用段部を別途形成することが
できる。

第３図は側壁についての別の実施例を示したものである
。

この側壁２１は、ステンレス鋼（例えば５ｖＳ３１０）
の薄くパイプを用いて形成した側壁部材２１ａの外周面
にセラミック防α溜２３を被着して構成してあり、パイ
プ状側壁部Ｕ２１ａの内部（中空部〉には前記シール４
１２０を充填しである。

作用は前記実施例のものと同様である。この実ｆｋ例は
構造が簡易である。

なお、本発明は、上述した実施例に限定されるものでは
ない。即ら、側壁部材１６ａ、１７ａ。

２１ａの材質は、加工が可能で、電解質に灼して耐蝕性
を有する薄板であれば同様な効果を発揮できる。また、
薄板表面にアルミナ、ジルコニア等の耐蝕層を設けでも
よい。又、予め整形したガラスシール材に、表面を活性
化処理し無電解鍍金により金属を析出したものを、一体
形成したものでもよい。また側壁中空部に充填するガラ
ス系シール材としては、運転温度以下で軟化する組成を
有するもの（例えばＢ２０３−７ｎ　Ｏ系ガラス）であ
れば本発明のガスシール効果を発揮させることが出来る
。

［発明の効果ｊ 以１−述べたように、本発明によれば、反応ガスのガス
供給路を形成するためにセパレータの両面に対向して設
けられる側壁を、中空部をそなえる柔軟ｌｌｌ５造とし
、その中空部に、シール材を充填しているので、側壁に
おける電解質層との当り面とガス拡ｒＩｉ電極との間に
段差が生じていても、上下方向の締め付けにより容易に
接触し、ガスシール性能が向上するばかりか、反応部の
接触も確保でき、また電ｒＮ質層の損傷を抑制すること
の出来る溶融炭酸塩型燃料電池を提供できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例に係る７８ｍ炭酸塩型燃料電
池の主要部に組み込まれるセパレータの斜視図、第２図
は同セパレータの組み込まれた主要部の局部的側面図、
第３図は本発明の他の実施例に係るセパレータが組み込
まれた主要部の局部的側面図、第４図は従来の溶融ＦＡ
Ｍ塩型燃Ｉ！ｌ電池における主要部の分解斜視図、第５
図をよ同主要部の局部的側面図である。 １・・・電解ｔｊｔ、’ｌＪ　　２ａ　、　２ｂ・・・
ガス拡散電極３・・・単位電池　４・・・セパレータ５
・・・隔離板不休　６．７・・・側イ８・・・ガス・チ
１シンネル　９・・・係ｌ−用段部１２ａ、１２ｂ・・
・ガス供給路 １４・・・ピパレータ ２０・・・シール材 △、ｌ−３・・・溝状に形成されたｊｆス通路代理人ブ
１．理上三　好　保　男 第２

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. （１）複数個の単位電池が、両面にそれぞれ対向する側
   壁を有して互いに直交するガス供給路を備えた導電性の
   セパレータを介して積層された溶融炭酸塩型燃料電池積
   層体に於て、前記側壁を、金属製薄板で形成した柔軟な
   構造とするとともに内部に中空部を形成し、この中空部
   に積層体の運転温度よりも低い温度で軟化する組成のシ
   ール材を充填したことを特徴とする溶融炭酸塩型燃料電
   池積層体。