JPH0374057A - 内部において完全にマニホルドをなす燃料電池スタック - 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〕 本発明は内部多岐集配とされた燃料ｔｔｉスタック、と
りわけ長期間にわたって安定性となすために電解質と金
属の隔離板との間におい゛このみウェットシールを有す
る完全に内部多岐集配とされた電池スタックを密封する
ための方法と過程に関する。

一般的に、燃料電池電気出力単位は不活性なあるいは双
極性（ｂ！−ｐｏｌａｒ）の電子伝導性を持っ°ζいる
鉄金属隔ｊ！Ｉ板によっ°Ｃ分離されている積み重ねら
れた多数の個別電池から構成されている６個々上 の電池は一緒にサントイ７ｚされ、単一の積み重ねられ
た単位に固定化され、望みの燃料電池エネルギー出力を
達成している０個々の電池は一般的にアノード、カソー
ドの電極と、共通の電解質タイルと、燃料ガス源とオキ
シダントガス源とを含む、燃料ガスとオキシダントガス
の両者はともに、マニホルドを道し°ζ隔Ｈ板と電解質
タイルの間にある個々の反応室に導き入れられる。燃料
ガスとオキシダントガスの分離をＩ！持し、あるいはガ
ス漏出を最小限にするための電解質とその他の電池部分
との間にある接触領域は、ウェットシールとして知られ
ている。早発の燃料電他の故障を引き起こす主要な要因
は、ウェットシール領域における腐食と疲労である。こ
のような故障は、高温における腐食性電解質接触と、内
部結晶体を通る構造の弱化や゛結晶体を横断するひび割
れを引き起こす電他の熱サイクルの間における大きな温
度変化から生じる高熱応力によって早められる。このよ
うな故障は、望ましくない燃料ガスと、あるいはオキシ
ダントガスの交差や外部へのガス漏出を許容し、外部へ
のガス漏出は、意図されている酸化還元反応を中断し、
それによって、故障と電流の発生の最終的な停止とを生
じている。摂氏約５００度から７００度の範囲で燃料電
池が作動する状態におい°ζ、溶融炭酸塩電解質は鉄金
属をよく腐食させ、鉄金属はその強度のおかげで、燃料
電池収納器や隔離仮にとって必要になっている。溶融炭
酸塩電解質のスタックの高温での操作は、とりわけ隣接
する材料の熱膨張係数が異なっている特には、ウェット
シール領域における腐食と熱によるひずみの問題の両者
を増大させる。

本発明は電解質と金属とのウェットシールを活用するや
り方で、集成されたスタックの個々の電池に対して燃料
ガスやオキシダントガスを完全に内部多岐集配さセるも
ので、そのウェットシールは電池部分の設計のおかげで
、燃料電他の作動の長期的な耐久性と安定性を備えてい
る。

〔従来技術〕

商業的に生き残ることができる溶融炭酸塩燃料電池スタ
ックは、約６００個の個別的な電池を包含し、その個々
の電池は約８平方フイートのオーダーの平らな領域を備
えている。そのような個々の電池を積み重ねるＩＳには
、隔離板は燃料とオキシダントによって個々の電池を分
離し、燃料とオキシダントはそれぞれ隔ｊ！＠組の間に
導入され、燃料は隔１１ｍの一方の面と電解質マトリッ
クスのアノード側との間に導入され、オキシダントは隔
離板の他方の面と第２のｔ解質マトリックスのカソード
側との間に導入される。

燃料！他の開発において！ｌ調されている点は、燃料電
池スタックから物理的に分離することができるチャンネ
ルマニホルドを使用することによる燃料ガスやオキシダ
ントガスを外部的に多岐集配することであった。しかし
ながら、個々のＴ、ｔＩｋの入口と出口とは、それぞれ
の入口や出口のマニホルドに対して開かれなければなら
ず、その入口と出口のマニホルドは、燃料電他の外部に
固定しておかなければならない、電気的な短絡を阻止す
るためには、金属マニホルドと電池スタックとの間にお
いて、絶縁体が使用されなければならない。

外部多岐集配は、電池スタックの潜在的な勾配に沿った
ガスケットの内部における炭酸塩のポンプ作用を阻止す
る一方において、マニホルド／マニホルドガスケット／
電池スタックの界面において適切なガスシールを維持す
ることにおいて、深刻な問題を提起している。金属マニ
ホルドを電池スタックから絶縁するさまざまな組合せが
使用されてきたが、ｒ５温溶融炭酸塩燃料電池が作動す
る状態において、炭酸塩を？！透させない一方において
、ガスを密封し電気的な絶縁性を持つ滑りシールを備え
るという困難さがあって、満足できる解決は見つかって
いない、より多数の電池とより大きな領域が電池スタッ
クの中におい°ζ使用されれば、多岐集配と密封の問題
はより厳しくなる。より多（の敗の電池が使用されれば
、スタックの高さに沿ったシール領域において炭酸塩を
駆動する電位は増加し、電他の平Ｎｔｆｌ域が増加する
と、個々の部分の線公差や個々の部分の側面配列は、マ
ニホルド／マニホルドガスケット／を池スタンクの間で
密封されている合致する面を維持するために保持するこ
とは困鰭である。

６００偏の電池を包含する電池スタックは約１０フイー
トの高さになることができ、外部マニホルドに必要とさ
れている堅さやマニホルドを電池スタックに固定するた
めに必要とされている固定力の適用という深刻な問題を
提起している。電他の組立と電他の作動状態の間での熱
勾配ａｖａのために、差異のある熱膨張、マニホルドに
使用され°ζいる材料の必要な力、Ｗｉ密な交差、非常
に困難な工学上の問題などが提起されている。

通常、個々の溶融炭酸塩燃料電他のスタックは、隔離板
の周辺部の周囲に間隔保持小板を備えて構築され、ウェ
ットシールを形成し、入口や排気のマニホルドを形成し
ている。ｉｇ温燃料電他のウェットシール領域の環境の
中において密封するさまざまな手段が、米国特許第４，
５７９．７８８号、同第３．７２３．１８６号、同第４
．１６０．０６？９、同第３．８（ｉ７．２０６号、同
第４．７６１．３４８号、同第４．３２）、４０３号、
同第３．５１４．３３３号ＩＪ１１ｗＩＳＪニお＆％１
’開示され°ζいる。米国特許第４．５７９．７８８号
明１Ｉｇは、ウェットシールストリップが粉末冶金技術
を使用することによって！Ｉ透されることを教えている
。米国特許第３．７２３．１８（ｉ号明紺書は電解質そ
れ自体が、電解質の周囲の区域にある不活性な材料から
構成され、電解質とフレームあるいはハウジングとの間
に不活性な周辺シールを確立することを教えている。

米国特許第４．１６０．０６７号明細書は不活性な材料
のウェットシール領域における燃料を池ハウジングある
いは隔離板への付着あるいは含浸を教えている。　米ｔ
ｉｏｍ第３．８６７．２０６号明ａ＋ｇハ、Ｔ、Ｍ質の
飽和されたマトリックスと電極のｚｇ’ｍ同辺先端の間
におけるウェットシールを教えている。米国特許第４．
７６１．３４８号明細書は、アノードとカソードとをそ
れぞれオキシダントガスと１１１１１ガスとから隔てる
ためにガス密封ａｍを備えるためのガス不浸透性の材料
の、ｊ４辺的なレールを教えている。

米国特許第４．３２９．４０３号明ｍ書は、電極から内
部の電解質区域へのじ勤中における熱膨張係数における
一暦漸進的な移行のためのグレードを付番すた電解質組
成物を教えている。米国特許第３．５１４．３３３号明
細書は、薄いアルｑニウム製密封用ガスケフトを使用す
ることによる高温燃料電池におけるアルカリ金属炭酸塩
電解質のハウジングを教えている。前述した特許には、
燃料電池スタックにおける内部の燃料とオキシダントの
周囲を密封することを取り扱っているものは１つもない
。

炭化ケイ素および／あるいは窒化ケイ素を電池構成要素
の多孔性の材料の周辺部の気孔に充填することによって
、を勺１５０℃から２２０℃において作動するリン酸塩
Ｆｌ電池をガスシールすることは、米国特許第４．１８
１．７２７零明綱四によって教えられている。さらに基
板端縁における裂目の空間に注入することによってその
リン酸量ｆｔｈをガスシールすることは、米国特許第４
．７８Ｇ、５Ｇ８号と同第４．８２４，７３９１：′３
−明細書によって教えられている。米国特許第４．２５
９．３８９号明細書によって教えられているポリテトラ
フルオロエチレンによる粒状の不活性な材料の結合、米
国特許第３．０１２．０８Ｇ号明細書によって教えられ
ているポリエチレンのガスケットや燃料の内部多岐集配
に米国特許第３．５３９．９４１号明１ｌｓによって教
えられているＯリングのシール等の低温電解標で出合う
密封や腐食の問題の解決法は、高温溶融炭酸塩燃料Ｔｉ
池には適していない。

米国０許ｍ４，５１０．２１３９明１１１ｔ！！、ａｌ
ｈａ）電他のガス室に燃料およびオキシダントのマニホ
ルドを備えるために電池単位の活動部分を取り囲む移動
枠を教えており、マニホルドは１１ｍ１＠も′Ｃ他の電
解質タイルも通過しない、移動枠は、隣接している電他
の間に複雑な絶縁体を必要としており、い（つかの別々
の次雑な部分から構成されている。

米国特許第４．７０８．９１６ぢ明細書は、溶融炭酸塩
燃料ｔｍのための、ｔｓＦ４の内部多岐集配とオキシダ
ントの外部多岐集配を教えている。その燃料電池におい
て、いくつかの組のマニホルドは、ｍ’Ｒ流路を短縮す
るために個々のＴｉ他の中央部や向かい合った先端にあ
る電解質や隔離板とｒ：′４樺に電極を通っている。中
央の燃料マニホルドは、厚くなっている中央部を通るが
、先端の燃料マニホルドは隔１１１ｕＸの厚くなっ°ζ
いる先端壁領域にあり、炭酸塩が含浸されている密封用
テープあるいは別々の円筒状の導管の挿入部材はカソー
ドを通して延延するようにされている。

を他の向かい合った先端に沿っている複数のマニホルド
の穴を燃料ガス及びオキシダントガスの順流や向流の流
れ’ｉＬ１供するために使用する、内部多岐集配が試み
られてきた。燃料のためのこれらマニホルドの穴は向か
い合っている先端に沿っている輻が広くなっている周辺
のウェットシール領域に配置されてきたが、そのマニホ
ルドは、電解質の外部にある複雑な構造であるか、それ
とも、少なくともひとつの電極を通過している。しかし
ながら、隣接するマニホルドの穴は、燃料やオキシダン
トのために使用されており、オキシダントは短いウェッ
トシール領域を横断する短縮を備え、必要なだけ報が広
げられた周辺のシール領域と同じくガスの漏出は望まし
くないほど電他の活動領域を減少させている。同じよう
に内部多岐集配させようとする従来の試みは、交差する
流れを与えるために電他の４個の端すべてにある幅の広
くなっているウェットシール領域に沿って複数のマ二；
ｈルドの穴を使用してきたが、再びＩＪＩ！する燃料と
オキシダントのマニホルドの類似した複雑な構造の間の
短路と穴はガス漏出を引き起こし、さらに電他の活動領
Ｎｔをいっそう減少させた。

〔発明の詳細な説明〕

本発明は完全に内部多岐集配となした （ｌａｔａｒｎａｌｌｙ　ｍａｎｉｆｏｌｄｏｄ　）燃
料電池スタック、とりわけ高温溶ｍ炭酸塩ｊ２！料Ｉｃ
池スクンクにおける使用に適する燃料電池スタックを提
供する０本発明の完全に内部多岐集配となした燃料電池
は、平面の要素を持っているいずれの電池にも適し、と
りわけ固体酸化物燃料ＴＬ池など高温燃料電池に適して
いる。はぼ方形をなす燃料電池スタックにおいて、複数
の燃料電池単位は、その個々の燃料電池単位がアノード
及びカソードと、アノードのひとつの面に接触し、かつ
カソードの反対側の面に接触する電解質と、ひとつの電
他のアノードと隣接する電他のカソードの間において電
池単位を分離する隔離板であって、そのひとつの面とア
ノードとの間に７ノード室を、そのｍａ板の反対側の面
とカソードとの間にカゾード室を形成する隔層仮とを含
んでいる。燃ｔ１１＝池単位は積み重ねられ、隔ＮＦＬ
と同じ形状を持っている端板を備え、個々の端において
電他の半分を形成し、そして燃料電池スタックに剛性の
１ｎ造を備えるようにクランプ止めされ°ζいる６本発
明の燃料電池スタックにおいて、電極と電流コレクタは
燃料電池スタックの端Ｕまで延在し°ζいないが、電解
質と隔離板とは同じ形状を持ち、燃料電池スタックの端
縁まで延在し°ζいる。隔離板は平らな周辺ウェットシ
ール（ｗａＬ關ａｌ）構造を持ぢ、そのウェットシール
構造はＴ、ｗＩ賞の周辺を完全に取り囲んでいる隔離板
の各面上で電解質に接触するよ・）に延在し、電他の作
動条件下において連続の周辺隔厚板／電Ｍ質問に２！続
した周辺ウェットシールを形成している。

電解質と隔離板とは、望みの位置に複数の配列された孔
を持ち、各隅な仮の孔は隔離板の各面上で電ｇ質にｆ１
２触するよう延在するＴらになったマニホルドのウェフ
トシール構造で取り凹まれ、電他の作ａ条件下におい°
ζ）ＩＸＪ仮／電解質間に・７二ホルドのウェフトシー
ルを形成し、そのウェフトシールは基孔を取り囲んで基
孔を通るガスマニホルドを形成し、そして電池スタック
を通して延在している。延在するマニホルドのウェット
シール構造を通る導管又は穴は、燃料マニホルドと隔離
板の一方の面の上にあるアノード室との間をガスに関し
て連通となし、また延在するマニホルドのウェットシー
ル構造を通る導管又は穴は、オキシダントのマニホルド
と隔離板の他方の面の上にあるカソード室の間をガスに
関して連通となしている。この構造は、燃料電池スタッ
クにおける単位燃料電他の各々に及び各々から燃料ガス
及びオキシダントガスを完全に内部多岐集配と、なす。

ｍ板はその内側の側面にある隔離板と同様の形状となっ
ており、そして燃料電池スタックのマニホルドの個々の
姐からの供給と排気のための手段を備えている。燃料ガ
スとオキシダントガスを適切なマニホルドの姐に端板連
結部において供給したり排気したりする外部手段は、こ
の技術において公知の手段によってあたえることができ
る。

「多岐管の姐」とは、第１の姐が燃料の入口をなし、第
２の姐が使用済み燃料の出口をなし、第３の組がオキシ
ダントの入口をなし、第４の組が使用済みオキ・シグン
トの出口をなし°ζいることを意味する。隔ｊ１．板及
び電解質を通り、マニホルドを形成している孔は、円形
、正方形、長方形、三角形その他望みの形状、や大きさ
をなし°ζいることができる１個々のこのよう孔は、単
一の孔として参照されるが望みのガス分布を与えるよう
バッフルすること（ｂａｆｆｌｉｎｇ）することから成
ることができる。電他の活性？Ｊ［城を横断する望みの
ガス流量とパターンを与えるために必要とされるように
、隔離板と電解質を通して、いかなる敗のマニホルドで
も設けることができる１本発明においては、各マニホル
ドの！！！Ｊ囲の隔離板と電解質との間に、隣接する多
岐管のｇａ縁を少なくとも約０．２５インチ（約６．３
５２す）はど分層させて、直接完全なウェットシールを
与えることが重要である０本発明はまた、内部マニホル
ドの区域の外側にある隔離板と電解質液との間に直接連
続した周辺ウェットシールも与える。

１つの好ましいＢ様におい°ζ、本発明による隔離板は
完全に活性な燃ＦＩＴ＆池領域において、波型をなして
いる薄いプレス成型された金属板である。

その金ｉＦｉはひとつの面に上で完全な周辺ウェットシ
ール構造とマニホルドウエンｔ・シール構造を形成する
ようプレス成型されており、ここで直立し°ζいるウェ
ットシール構造は′ｆ８ｉ！！［Ｆｉの反対側の面に溶
接されて隔ｉ仮とその対向面の上にある電解質と６間を
完全な周辺ウェットシール及びマニホルドウェットシー
ルとなしている。隔離板と電解質、との間に直接ウェッ
トシールを形成するために延在したウェットシール領域
を与えるのにいかなる構造も使用することができる０例
えば、バー粉末冶金技術により形成されたストリップ等
がある。

好ましい１！様において、マニホルドとアノード室及び
カソード室との間をガスに関し゛ζ連通となしている延
在するマニホルドウェットシール構造を通る導管又は穴
は適切な波型をし°ζいる金属によって与えられている
開口部であってもよいし、あるいは板状の金属又はバー
構造を通る穴であってもよい。

本発明は、平らな薄板状の金ｉ構遺体と電解質との間に
筒車なウェットシールを提供し°ζおり、それによって
、ｖＪ接するガス導管からひとつのガス導管を確実に密
封するようにしたものである。

これは、完全に内部多岐集配されたガス供給と、ＰＪ融
炭酸塩燃料電池スタックなどの高温の腐食性燃料電池か
らの除去のための効果的な手段を提供する０本発明の構
造体を使用すると、さらに、多ｆｆｉ電池スタックに炭
酸塩を供給するための効果的でさまざまな手段を提供す
る。

本発明は、燃料Ｔ、池要素の大量生産可能な構造、とり
わけ＋！！ｉ仮をＬ？供し、かつそれをコスト上効果的
に製造するものである０本発明のｉ８融炭酸塩燃ｔ４電
池単位を使用すれば、燃料電池スタックの組立が容易と
なり、かつさまざまなサイズの燃料電池スタックが１ａ
準化される。

本発明は、完全に内部多岐集配とされた燃料電池スタッ
ク、とりわけ溶融アルカリｆＬ属炭酸塩燃ｆ４電池スタ
ックを使用して電気を発生させる方法も提供する。

（ｆましいｍ様の説明〕 本発明の更なる１）徴は図面と共に読み取られる本発明
の次の訂糊な説明から明らかになるだろう。

本発明は、完全に内部多岐集配とされた燃料電池スタッ
ク吋こ向けられている。好ましいｔｔｔａにおいて、電
解質タイルにはマニホルドの導管が貫通しており、そし
て特定の領域において電％ｆ’ｆｆが隔１１ｍとｔＢ触
して、燃料電池スタック内に流体を封じ込めるためのＴ
、解Ｍ／隔離板周辺ウェットシールと、反応物室を隔て
、かつ液体を個々のｔｅａ炭酸塩燃ｔ４電池内の反応物
室の中に、あるいは外に向けるための電解Ｍ／隔ｍｉの
マニホルドウェットシールとを与える０本発明は、［！
［ｔｌｊのひとつの面から延在したプレス成型されたシ
ール領域を有するｗＦｉ状のそのような隔離板と、隔離
板の向かい側の面から延在してシール領域を形成する薄
板状の形態を利用するのが好ましい、薄板状のシール領
域は、ＩｔｌＩＩＩＩｌされた柔軟性とレジリエンスを
もたらして漏れのない密封を与える。

第１図を参照して説明すると、本発明による燃料電池ス
タックの単一電他の角から角への対角線に沿う分解断＠
模式図は、電池スタックの完全に内部の燃料ガスとオキ
シダントガスとの流れを示している。このａｆｉによる
と、マニホルドの穴は電池隔日１仮とともに、電他の端
縁に延び°ζいる電ｍ質の角領域に設けられている。電
解質と、′Ｃ解質の周辺部の周囲にある各面上に通常の
ウェットシールを形成している各面の上にあるＩＮ板と
の間の接触によって、流体の封じ込めが維持される。

マニホルドの穴とアノード室及びカソード室との間を流
体に関して連通となす望み０開口部を通じて、目的のガ
ス流を得ることができ、同時に通常のＴＩ、ＷＩＭ／隔
離板のウェットシールによっ°ζマニホルドの穴が密封
される。

ｌｌ１ｉＩｌＩ板と電解質タイルにおける一致している
マニホルドの穴は、ガスの供給と排気のための燃料電池
スタックの高さ全体にＭ、て連続しているマニホルドの
導管を形成している０本発明では、燃料電池スタックに
おけるすべての電池に延びているマニホルドの導管番よ
、単一の外部開口から与えられているが、これに対して
従来の外部多岐集配燃料電池スタックは、個々の燃料電
他のそれぞれへの外部開口、あるいは個々の燃料Ｔ、ｆ
ｔｈのそれぞれからの外部開口を必賀としていた。ガス
はひとつの半電池として作用する端板を通して燃料電池
スタックに供給され、別の半電池として作用するｒ１様
の端板を通してＩＪ＃気される。

液体を燃料電池スタックに供給したり、その燃料電池ス
タックから抜き出す方法としてさまざまな変形的なやり
方を取ることができが、本発明に関して垂をな面は、ガ
スの惚１１が、ガスを個にの電他のそれぞれの内部の望
みの位置に導くのに望まれる、隔Ｍ板の周辺部の［ＩＪ
ＩＩとガスマニホルドＭ４！の中において通常のウェッ
トシール法で電解質タイルと隔ＭＦｉどの間を密封する
ことによっ°ζｉ！威されることである。

第１図に示されるように、電解質２０とＨＭＦｔ４０と
は、電他の外側端縁まで延び、ウエットシールｗＩ城２
３において電解質２０や隔離板４０の周辺部の周囲で相
互に密封されている。第１図に個々の溶融炭酸塩燃料電
池単位が示され、アノード２６は隔離４［４０のひとつ
の面から間隔を置いて配置され、矢印３８によって示さ
れているように、燃料用マニホルドの穴２４によって与
えられるアノード室を与えている。隔１１＠４０の他方
の面には、カソード２７が隔離Ｉｃ４０から間隔を置い
て配置され、矢−印３９によって示されているように、
オキシダント用マニホルドの穴２５と連通するカソード
室を形成している。電解質２０と隔離板４０とは、電他
の外側の端縁まで延びていて周辺ウェットシール領域２
３を形成している６周辺ウェットシール領域２３は流体
の封じ込めのために！解質流体と隔離板との間に周辺ウ
ェットシールを与える。燃料用マニホルドのウェットシ
ール領域４５とオキシダントのウェットシール領域４６
は電解質／隔離板間のウェットシールによってマニホル
ドを密封となし、隔離１ｊ４Ｇの向かい側の側面にある
アノード室とカソード室に望むように流体を導びくこと
ができるようになっている＊　ｖｆ！封のために追加の
ガスケントは使用されておらず、電池単位は、炭酸塩の
テープの使用を含めて、非常に多様な炭酸塩付加技術を
使用することができる。炭酸塩テープを使用する場合、
炭酸塩テープと電解質マトリックスは電他の端縁まで延
び、そして電池間の間隔は炭酸塩テープが溶融する時そ
のテープの厚さに比例して減少するが、すべての電池要
素の密封と一様性は常特維持される。炭酸塩テープの溶
融に先立って電池が昇温する間、個々のマニホルドの穴
２４と２５の周囲において密封中が維持されζいる。な
せなら炭酸塩テープやＬＩＡＩ（ｈなどの１５’）ｆｆ
　！マトリックスはそれぞれの密封表面に隣接するとこ
ろまで延び、かつゴムのバインダーを含んでいるからで
ある。炭酸塩の溶融に先立ってバインダーが焼は落ちる
間、ガスの流れは維持され、密封が獲得される。バイン
ダーが焼は落ち、電他の温度が炭酸塩の融点まで上昇す
る時、溶融している炭酸塩は、多孔質のＬｌ八へＯｍＤ
テープと電極、とによって吸収される。電池間の間隔は
、炭酸塩のテープが溶融するにつれ°ζ減少するが、室
温から摂氏約６５０度の操作温度までのすべての段階に
おいて電他の密封は維持される。シール領域における薄
板状の金属のＩｃ限された柔軟性とレジリエンシーは、
電他の密封の維持を確実にする助けになっている。

第２図は、隔離１［４０、カソード２７、カソード電流
コレクク２９、電解質２０、アノード２６及びアノーｊ
ＩＩＩｌによる溶融Ｒ１塩燃料電池スタックの燃料電池
単位の分解斜視図である。隔離板４０と電解質２０とは
ともに、電他の端まで延在し、周辺ウェットシール領域
４３における周辺部全体の周囲にある隔離板４００両面
にウェットシールを形成している。

周辺ウェットシール領域４３は、隔ｌ１ｌＩ板４０の全
体の平面から、上向きにも下向きにも延びて隔離板４０
０両面上の電解質２００周辺部と接触するようになって
いる。隔離Ｆ１４０と電解質タイル２０とにはともに対
応する燃料用マニホルドの穴２４とオキシダント用マニ
ホルドの穴２５が貫通している。第２図に示される一様
において、隔離板４０と電解質タイル２０には、マニホ
ルドの穴が角のｗｉ域においてのみ貫通しており、マニ
ホルドの穴の間の間隔ができるだけ広がるようにされて
いる。第２図に示されるように、マニホルドの穴は隔離
１ｊ４０と電解質タイル２０とのそれぞれの角に設ける
方が好ましい。

第２図に示されるマニホルドの穴は、簡単に形成される
直線的な薄板状のマニホルドウェットシール領域を与え
る好ましい三角形の形状を備えているが、マニホルドの
穴は円形でも方形でもあるいはその他の好みのどのよう
な形状でもよい、第２図に示されるマニホルドの穴は、
単一の開口であるが、ガスの流れを電他の反応物室を横
断するように向けるように、所望の通り仕切り板を単一
の開口に使用することができる。燃料用マニホルドのウ
ェットシール領域４５とオキシダント用マニホルドのウ
ェットシール領域４６は、隔離板の全体的な平面から上
向きにも下向きにも延ばされ、隔離Ｉｃ４０の両面の上
にある電解′Ｒ２０と接触してガス導管を画成している
隣接の電解１ｒ２０と共にウェットシールを形成するよ
うになっている。アノード２６の表面は、周辺ウェット
シール４３とオキシダント用マニホルドのウニ７°トシ
ール４Ｇとの水準とおよそ同じ高さにあり、それらの領
域において隔Ｍ仮４０と電％１貿２０との間において接
触してウェットシールをｆｌ！ｆｉシている。隔ｊＩ仮
４０の反対側の口においては、カソード２７のｊ！面が
周辺ウェットシール４３の水準とおよそ同じ高さにあり
、それらの領域において隔離板４０と電解質２０との間
において接触して燃料用マニホルドのウェットシール４
５を確立している。

第２図に忌もよく示され°ζいるように、オキシダント
用マニホルドの穴２５は、オキシダント用マニホルドの
ウェットシール４ＧによってＩ！Ｊされ、オキシダント
をその供給開口４８で、（図示されるように隔離板の上
′Ｊｊ、面に隣接している）カソード室にのみ流し、ア
ノード室への、あるいはアノード室からのガスの流れを
ｍｔｔ、、同時に燃料用マニホルドの穴２４を燃料用マ
ニホルドのウェットシール４５によっ°ζ密封し、燃料
の汰れをａｎｍｎ種口によ、°ζ、図示される隔離板の
下面に隣接１゛るアノード室に供給し、そしてカソード
室への、あるいはカソード室からのガスの流れを阻止す
る。マニホルドのウニ７１・シールは、真っすぐなプレ
ス成型された！ｉＩ板状の金属構造として示されている
が、それらはガスの流れを妨げるいかなる望みの形状又
は構造を取ることもできる。マニホルドのウェットシー
ルは、Ｍｌ料用マニホルドの穴２４とオキシダント用マ
ニホルドの穴２５との間において、二重のウェットシー
ルを形成している。

隔１ｌｌＩ仮４０は適切な材料から構成され、望みの物
理的な強さと気体分離とを与えている。多（の電池スタ
ックにおいて、バイメタルの隔離板を使用するのが好ま
しい、そのようなバイメタル隔離板において、鉄金属の
腐食を回避するために、ステンレス・スチールをカソー
ド面に、ニッケルや銅をアノード面に使用することがで
きる。隔離板はまたタイプ３００−シリーズのステンレ
ス・スチール合金などの鉄合金から形成してもよい、隔
離板は、内部の荷重担持部材として燃料電池に対して構
造強度を与えると同時に、ガス室の非反応性隔離器を与
えるという二重の機能を果たしている０強力を与え、か
つ電極のｖ４接するガスのｆ！ｉ環をより良好にするた
めに波型の断面形状をもっている隔離板を使用するのが
好ましいが、本発明の原則は、燃料電他の作動に必要と
されるように内部°７ニホルドにあるいは内部マニホル
ドからガスを流しつつ、周辺ウニノドシール１１Ｊ！ｌ
を与え、かつ内部・７ニホルドの穴の周囲にウェットシ
ールを与える構造とされた平らなＷＩＭ仮にもまた適用
可能である。

燃料電池スタックの内部隔離板は、約０．０１０インチ
（ｌｅＪｏ、２５４　’ｉす）という非常に薄い板であ
るのが望ましい。

薄い打抜きステンレス・スチール板が「効果的な熱伝達
のための新しいデザインＪ　　（１’ｌｏｄｏｒｎＤｏ
ａＬｇａｓ　ｆｏｒ　ｆ！ｆｆｏｃＬｉｖｅ　１Ｉｅａ
Ｌ　Ｔｒａａｄｅｒ）、アメリカン・ヒート・リクレイ
ミング社（住所：　１２７Ｇ。

アヴ美二ニー・オヴ・アメリカズ、ニエーヨーク、ニエ
ーローク州１００２Ｇ）や「超交換器仮とフレーム熱交
換ｎ」（ＳｕｐｅｒｃｂａＢｅｒ　ｐｌａｔｅ　ａａｄ
　Ｆｒａｍｅｌｅａ　ｔｌ！ｘｃｈａａｇｅｒ）、トラ
ンスファー社（住所；ウィチタ・フォールズ、テキサス
州７Ｇ３０７）などの出版物に示され°ζいるような熱
交換技術に使用されてきた。これらの熱交１９３は、端
部フレームの間でボルトで締め付けられている、ガスケ
７Ｉ・加工され、エンボス加工され、あるいはプレス加
工された一連の金ＴＡＦＬを使用してその金属板の一方
の側に熱媒体をＩＪＩＡさせるためのチャンネルを、そ
の金風仮の他方の側に冷媒体を通過させるためのチャン
ネルを与えている。しかしながら、燃料電池スタックの
隔離板は、溶融アルカリ金属炭酸塩燃料電他の作動条件
下における密封と腐食という非常に異なる問題や、２つ
の流体が隣接する隔離板の間を分離関係で道遇しなけれ
ばならないために、異なるマニホルド構造と密封と流体
連通手段などを提起し”ζいる。熱交換におい°ζは、
ただひとつの流体が隣接している熱交換板を通過する。

しかし、本発明の燃料電池スタックの電極を越え°ζ流
体を流す技術は、有利なことに、矢筈の波型、洗濯板、
直線的な波型や混合波型など板熱交換器の設計技術やパ
ターンを活用することができる。

第３図は本発明のひとつのａＳＳによる周辺ウェットシ
ール領域を一層詳しく示すものである。このＷＡ様にお
いて、薄板状の隔ｍ仮４０は波型をなし、その波型のひ
とつの面における頂上が孔２９を持つカソード２７の支
持Ｆｉ２８にＶ！接し、電他のカン−１′面上の！ＩＩ
！！接電解質２０が横たわっている平らな薄板状の隔離
板のシールｗｉ域を持つように形成されている。ｉい金
１ｔｉｆｉｌｌ仮のストリップ材料から形成されζいる
隔！ｌ！！仮のウニ７トシールストリツプ４１は溶接４
２によって溶接されているか、さもなければ隔離板４０
のアノード面に取り付ひられ°ζ電他の７ノード側にお
いて隣接電力？Ｍ２Ｏ１Ｊ＜横たわ−２ている平らな隔
離板のクエン１シールス１リンブＯ」ウェットシール領
域４３を与えＣいる。隔！！！！ｗ、の位置とウエント
シールストリップとの位置とは逆転されていてもよいこ
と、及び隔離板のウエシトジールストリンプのウェット
シール領域４３と隔Ｉ！１Ｈのウェットシール領域４４
との間隔は個々の電他の間隔上の必要条件を満たすよう
に形成され°ζい°ζもよいことはただちに明らかであ
る。

第４図は燃料用°７ニホルド２４とアノード室との間に
ある導管を通して見た断面図であって、隔離ｔｌＥ４０
の低面と電Ｒ’：Ｔ１２ｏとの間の隔離板の燃料用−７
ニホルドのウェットシール領域　Ｎｔ　４５がカンード
室−１の燃料の流れを阻止し、かつ燃＄４をアノード２
６と隔ｊｌ［４０の上面との間にあるアノード室に流す
方法を示し”ζいる。同様に、第５図はオキシダント用
マニホルド２５とカソード室との間にある導管を通して
見た断面図であって、隔＠ｕｉ４０の上面と電解Ｍ２Ｏ
との間の隔離板のオキシダント用マニホルドのウェット
シール領域４４がカソード２７と隔離板４０の低面との
間のカソード室にオキシグントを塊しつつ、アノード室
へのオキシグントの流れを阻止する方法を示している。

燃料通路とオキシダント２！ｌ路とは、隔離板１４０に
おける波型、隔は板４０に固定されているストリップを
通る穴、あるいはガスを望みの通りに分布させるのに通
している（１意の他の手段によって形成することができ
る。

本発明によるもうひとつの通線が第６図から第１０図に
示されている。この１ｍ１１において、燃料供給マニホ
ルドとオキシダント供給マニホルドとは、導管抜板状隔
離板の反対側の端に沿って交互に配置さ杭ており、使用
済み燃料用マニホルドと使用済みオキシダント用マニホ
ルドとはこの薄板状の隔離板の中央区域を横断して交互
に配置されており、しかして分割されたガスの凍れと、
大きな表面積の薄い隔ｊＩ！Ｉｌｌのより大きなａ械的
安定性を与えるようにしている。ｌい金属扉ＮＦＬは前
述したと同じようにして構成されており、電椙を支持し
、かつ適切なアノードガス室とカソードガス宣の容積を
与えるべく活性領域にプレス加工された波型を有し、ま
た隔ｍｓの一方の面に薄板のウェットシール領域を形成
すぺ（薄い隔１１＠の平面から外側に向かって延びるプ
レス加工された領域と隔離板の他方の面にウェットシー
ル領域を形成すぺ（、取り付けられた、外側に延びる薄
く形成された板状の金属ストリップとを有している。第
６図は隔離板の上面あるいは前面を示し、一方策７図は
同じ隔離板の反対側の面を示している。第９図にもっと
もよ（示されているように、隔離板１４０の電子化学的
に活性な領域は波型をなし、プレス加工された周辺ウェ
ットシール領域１２３がそのｌｌ１１２３におけるひと
つの電他の電極にｔｉ触するために、波型を越えて延在
し、そしてプレス加工された薄い金属のウェットシール
ストリップ１４１が隔ｊｌ［１４０の向かい側の面の周
辺部に取り付けられ、かつ周辺ウェットシール領域１２
３における隣接している電他の電解質に接触すべ（波型
を越えて延在している。オキシダント用マニホルドΦ穴
１２５は向かい側の端部区域を横断して燃料用マニホル
ドの穴１２４に対して交互に配置され、またオキシダン
ト用マニホルドの穴１２５Ａは、隔離板１４０の中央区
域において！！ｌ料用マニホルドの穴１２４Ａに対して
交互に配置されている。これらの図に示されているよう
に、オキシダント用マニホルドの穴と燃料用マニホルド
の穴との系列は隔離板１４０の向かい倒の端部において
燃料とオキシダントを供給し、隔離板１４０の中央部に
おいてオキシダントを除去するようになす６ｍ８図にも
っともよく示されるように、そして第６図において矢印
によって示されるように、オキシダン！・はマニホルド
の穴１２５を通って供給され、オキシダント供給開口１
４Ｂを通って隔離板１４Ｇの活性表面に批む、オキシダ
ントは、第６図において矢印で示されるように、カソー
ドガス室を形成する波型の隔＠＠１４０のチャンネルを
！１遇してオキシダント用マニホルドの穴１２５Ａを与
えるオキシダントの出口開口に進む、同じようにして、
燃料は燃料用マニホルドの穴を１２４を通って燃料供給
開口１４７に供給され、アノードガス室を形成している
波型隔離板１４Ｇのチャンネルを通過して、第７図にお
いて矢印で示されるように、燃料用マニホルドの穴１２
４Ａを与えている燃料出口開口１５７に進む。

隔ａＦｉの向かい側の面における燃料ガスとオキシダン
トガスの共線的流れは第６図と第７図に示される。ここ
で、隔離板の向かい側の端部には供給用マニホルドが、
また隔ＭＦ１．の中央区域には出口用マニホルドが設け
られている。同じ隔離板を使用して、隔離板の向かい側
の面における燃料ガスとオキシダントガスとの逆の共線
的流れは、供給用の中央の燃料用マニホルドとオキシダ
ント用マニホルド及び出口用の端部燃料用マニホルドと
オキシダン！・用マニホルドを使用することによ。

て達成される。同じ隔離板を使用して、隔離板の向かい
側の面における燃料ガスとオキシダントガスとの向流は
、中央の燃料あるいはオキシダント用のマニホルドを道
して燃料あるいはオキシダントの一方を供給し、同時に
両端における対応する出口マニホルドを通してそのガス
を抜き出し、そして端部多岐管を通して他方のガスを導
入し、中央マニホルドを道し°ζ抜き出すことによって
達成することができる。このようにして、さまざまな望
みのガス流パターンが同じ隔Ｒ仮を使用し、そしてその
供給を電他の外部にある単一あるいは複数のマニホルド
に変更することだけによって隔離板の反対側の面におい
て達成することができる。

ｍａｔのすべてのウェットシール領域に薄い金属板材料
を使用することによって、燃料電池スタックをａ威した
ときにウェットシール領域における限られた柔軟性とレ
ジリエンシーのために、ガス漏出の最小化あるいは阻止
が、隣接する燃料用マニホルドとオキシダント用マニホ
ルドを分層している少なくとも１７４インチ（約６．３
ＳミｔＪ　）の幅を持っているウェットシールを横断し
て達成されることが見い出された０本発明による薄板状
の金属隔離板はすぐれた機械的強力を示し、ＩＩ造が容
易である。第６図から第１０図に示されている隔離板の
分岐流れの設計は、隔ＩＩＩの中央部にあるマニホルド
の穴を取り囲むウェットシール領域の支えによって、全
体的なｍｏｗ、の堅さを増している。

この設計はまた、部分だけであるーこの場合にはｊｉ！
料電他の活性な電流発生領域の半分である一電極のｍ造
を可能にし、電極の取り扱いを便利にし、テープ涛造や
焼結などの連続的な加工をより小型の３Ｒで行なうこと
を可能にする０本発明の１１要な特徴は、隔離板の平ら
な薄い金属の上向きのウェットシールｗ４城がひとつの
面においζはひとつの電他の電解質に、また向き合った
面においては１１１！シている電他の電解質に直接接触
し、燃料用導管とオキシダント用導管が、燃料電他の隔
ＭＦＬと電解質のみを通、ていることである。

隔ｍ板および電解質のウェットシールを使用するごとに
よって、燃料用マニホルドと隔Ｎ＠のアノード面のみと
の間の連通やオキシダント用マニホルドと隔離板の向か
い側のカソード面のみとの間の連通は外部マニホルドが
使用されている時には重要であるような多孔性のガスケ
ントを用いることな←連成することができる。さらには
、個々のガスマニホルドのシールｆｉｌｌｊｌは、アル
亀めっきが施され、腐食やその他のウィッキングの過程
を減少させる。

本発明の完全内部多岐集配を使用して、炭酸塩のテープ
の溶融から生じている電他の間の距離の変化が工場の組
み立ての現場において発生し、−度そのような溶融が発
生すると、電他の間の距離にさらなる変化は発生するこ
とがない、工場から出荷される電池スタックの高さは、
使用現場における圧力容器における作動中の電池スタッ
クの高さと同じである。このようにして、燃料電池スタ
ックの作動の間において必要とされている唯一の続行処
理は、活性領域とシール領域において電池保持力を維持
するた・めに必要とされている続行処理である。前述し
た明Ｉｍ書において本発明は、本発明のある好ましいｍ
＋樟に関して記述されており、ｌ！明するために多くの
詳細な点が示されているが、技術に１＃通している人々
にとっては、本発明が付加的なｍ樟を許容することは明
らかだろう。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の詳細な説明する対角線に沿った燃料電
池スタックの単一の電池単位の分解側断面模式図である
。 第２図は本発明のひとつの態様による燃料電池スタック
の単一の電池単位の分解斜視図である。 第３図は未発明のひとつのｍ様による燃料電他の周辺ウ
ェットシール領域のＩＩ面図である。 第４図は単一の電池単位の側断面図であって燃料用マニ
ホルドの導管からアノード室まで開口していることを示
す。 第５図は第４図に示される単一の電池単位の倒断Ｗｉ図
であって、オキシダント用マニホルドの導管からカソー
ド室まで開口しζいることを示す。 第６図は本発明による完全に多岐集配とされた燃料電池
スタックのためのマニホルド板のもう１つのｍ様の前面
図である。 第７図は第６図に示されるマニホルド板の向かい側の面
の図面である。 第８図は第６図に示される８−８線に沿っての拡大断面
図である。 第９図は第６図に示される９−９線に沿っての拡大類ｍ
図である。 第１０図は第６図に示されるｔｏ−ｔｏｙｌに沿っ°こ
の拡大断面図である。 ２０・・・電解質 ２３、４３．１２３・・・周辺ウェットシール領域２４
、１２４．１２４Ａ・・・燃料用マニホルド板の穴２５
、１２５．１２５＾・・・°オキシダント用マニホルド
の穴 ２６・・・アノード　　　　２丁・・・カソード２ｇ・
・・電流コレクタ　　４０．１４０・・・隔ｊ！！仮４
１、１４１・−・ウェットシールストリップで４５・・
°燃料用マニホルドのウェットシール領域４Ｇ・・・オ
キシダント用つェットシールＩ域（外３名）

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、個々の燃料電池単位がアノード及びカソードと；前
   記アノードのひとつの面に接触する電解質と；前記カソ
   ードの反対側を向いている面に接触する電解質と；前記
   アノードとカソードとの間において前記電池単位を隔離
   している隔離板であって、そのひとつの面と前記アノー
   ドとの間にアノード室を形成し、前記隔離板の反対側の
   面と前記カソードとの間にカソード室を形成する該隔離
   板とを含み；前記アノード室が燃料供給及び出口と気体
   連通し；前記カソード室がオキシダントガス供給及び出
   口と気体連通している；複数の燃料電池単位から成るほ
   ぼ方形の燃料電池スタックにおいて： 前記電解質および前記隔離板は前記燃料電池スタックの
   端まで延在し； 前記隔離板は、それらの各面上において前記電解質に接
   触するようにそれらの周辺を完全に取り囲んで延在して
   いる、電池の作動条件下で隔離板／電解質間にウエット
   シールを形成する、平らになった周辺ウェットシール構
   造を持ち； 前記電解質と前記隔離板はそれぞれ複数の整列した孔を
   持ち、前記隔離板にある孔は、前記隔離板の個々の面の
   上において前記電解質に接触するように延在している、
   電池の作動条件下で隔離板／電解質間にウェットシール
   を形成して前記電池スタックを通して延在する複数のガ
   スマニホルドを形成する、平らになったマニホルドのウ
   ェットシール構造で取り囲まれており；そして 前記マニホルドの一方の組と前記隔離板のひとつの面の
   上にある前記アノード室との間を燃料ガスに関して連通
   となす、前記の延在したマニホルドウエットシール構造
   を通る導管と；前記マニホルドの他方の組と前記隔離板
   の他の面の上にある前記カソード室との間をオキシダン
   トガスに関して連通となす、前記の延在したマニホルド
   ウエットシール構造を通る導管を含み； かくして前記燃料電池スタックにおける個々の単位燃料
   電池に対して、及び単位燃料電池から燃料ガスとオキシ
   ダントガスとを完全に内部多岐集配となす； ことを特徴とする燃料電池スタック。 ２、端板がそれらの内面上で前記隔離板と同じ形をなし
   、前記燃料電池スタックの個々の端の上において電池の
   半分を形成する請求項１記載の燃料電池スタック。 ３、前記隔離板がプレス成型金属板である請求項２記載
   の燃料電池スタック。 ４、前記隔離板のひとつの面における前記の平らな周辺
   ウエットシール構造が、前記隔離板の該ひとつの面の上
   において延在する周辺ウェットシールを形成する前記隔
   離板のプレス成型された形状のものから成り、前記隔離
   板の他方の面においては、前記隔離板の該他方の面に固
   定された延在する周辺ウェットシールを形成するプレス
   成型された薄板状の金属型から成る請求項３記載の燃料
   電池スタック。 ５、前記隔離板のひとつの面における前記の延在するマ
   ニホルドのウェットシール構造が、前記隔離板の該ひと
   つの面の上において前記の延在するマニホルドのウエッ
   トシールを形成する前記隔離板のプレス成型された形状
   のものから成り、前記隔離板の他方の面の上においては
   、前記隔離板の該他方の面に固定された前記の延在する
   マニホルドのウェットシールを形成するプレス成型され
   た薄板状の金属型から成る請求項４記載の燃料電池スタ
   ック。 ６、前記の延在するマニホルドのウェットシール構造を
   通る前記導管が、波型のついた金属によって形成されて
   いる請求項５記載の燃料電池スタック。 ７、前記の延在するマニホルドのウェットシール構造を
   通る前記導管が、薄板状の金属構造を通る穴である請求
   項３記載の燃料電池スタック。 ８、前記隔離板のひとつの面の上にある前記の平らな周
   辺ウェットシール構造が、前記隔離板の該ひとつの面の
   上において前記の延在する周辺ウェットシールを形成す
   る前記隔離板のプレス成型された形状のものから成り、
   前記隔離板の他方の面の上においては、前記隔離板の該
   他方の面に固定された前記の延在する周辺ウェットシー
   ルを形成するプレス成型された薄板状の金属型から成る
   請求項１記載の燃料電池スタック。 ９、前記隔離板のひとつの面における前記の延在するマ
   ニホルドのウェットシール構造が、前記隔離板の該ひと
   つの面の上において前記の延在するマニホルドのウェッ
   トシールを形成する前記隔離板のプレス成型された形状
   のものから成り、前記隔離板の他方の面においては前記
   隔離板の該他方の面に固定された前記の延在するマニホ
   ルドのウェットシールを形成しているプレス成型された
   薄板状の金属型から成る請求項１記載の燃料電池スタッ
   ク。 １０、前記孔が前記電解質と前記隔離板の各々の角領域
   にある請求項１記載の燃料電池スタック。 １１、前記孔の各形状が、電池スタックの外縁に対して
   平行な２つの辺を持つ三角形である請求項１０記載の燃
   料電池スタック。 １２、前記電解質がアルカリ金属炭酸塩から成る請求項
   １記載の燃料電池スタック。 １３、個々の燃料電池単位がアノード及びカソードと；
   前記アノードのひとつの面に接触する電解質と；前記カ
   ソードの反対側を向いている面に接触する電解質と；前
   記アノードとカソードとの間において前記電池単位を隔
   離している隔離板であって、そのひとつの面と前記アノ
   ードとの間にアノード室を形成し、前記隔離板の反対側
   の面と前記カソードとの間にカソード室を形成する該隔
   離板とを含む；複数の燃料電池単位から成るほぼ方形の
   燃料電池スタックで電気をつくり出す方法において： 前記燃料電池スタックの個々の燃料電池単位に、及び個
   々の燃料電池単位から内部において完全にマニホルドを
   なす導管を通して燃料ガス及びオキシダントガスを通過
   させることから成り；ここで前記内部マニホルド導管は
   前記電解質と前記隔離板とによって形成されており； 前記電解質と前記隔離板はそれぞれ複数の整列した孔を
   持ち、前記各孔は、前記隔離板の個々の面の上において
   前記電解質に接触するように延在している、電池の作動
   条件下で隔離板／電解質間にウェットシールを形成して
   前記電池スタックを通して延在する複数のガスマニホル
   ドを形成する、平らになったマニホルドのウェットシー
   ル構造で取り囲まれており；そして 前記マニホルドの一方の組と前記隔離板のひとつの面の
   上にある前記アノード室との間を燃料ガスに関して連通
   となす、前記の延在したマニホルドウエットシール構造
   を通る導管と；前記マニホルドの他方の組と前記隔離板
   の他の面の上にある前記カソード室との間をオキシダン
   トガスに関して連通となす、前記の延在したマニホルド
   ウエットシール構造を通る導管を含み； かくして前記燃料電池スタックにおける個々の単位燃料
   電池に対して、及び単位燃料電池から燃料ガスとオキシ
   ダントガスとを完全に内部多岐集配となす； ことを特徴とする前記方法。 １４、前記電解質がアルカリ金属炭酸塩である請求項１
   ３記載の方法。 １５、前記孔が前記電解質及び前記隔離板の各角領域に
   ある請求項１３記載の方法。