JPH04123767A

JPH04123767A - 燃料電池の端部構造

Info

Publication number: JPH04123767A
Application number: JP2239805A
Authority: JP
Inventors: J Guthrie Robin; ロビン　ジェイ．ガスリー; Katz Murray; マレー　カッツ; R Scroll Craig; クレイグ　アール．スクロール
Original assignee: International Fuel Cells Corp
Current assignee: UTC Power Corp
Priority date: 1990-09-10
Filing date: 1990-09-10
Publication date: 1992-04-23
Anticipated expiration: 2012-10-22
Also published as: JP2664799B2

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、燃料電池の圧縮装荷に関し、特に、−時的な
温度変化を受ける高温燃料電池の装荷に関する。

［従来の技術：従来用いられている燃料電池は、互いに離間して配置さ
れ、電界質で充填された多孔質基盤を挟持したアノード
電極とカソード電極から構成されている。各電極の、電
界質と接する側には触媒層が積層されている。アノード
電極の電界質と接しない側には、燃料を供給する反応ガ
ス流路が設けられ、カソード電極の電界質と接しない側
には酸化剤を供給する反応ガス流路が設けられている。

電極は双方とも反応ガスが、電極を介して拡散し、触媒
層内で電界質と接触できるように構成されている。こう
して、電子が電極から電極へと外部回路を介して移動す
ることにより電気化学反応が生じる。

積層燃料電池においては、複数の燃料電池が、隣接する
電池と隔離する導電性かつガス不透性のプレートを介し
て直列に接続されている。この隔離プレートは近傍の電
極とともに反応ガス流路を画成している。

隣接する電池あるいは部材間に適度なシール性、良好な
電気及び熱伝導性を確立するために、電池平面に対して
垂直な軸方向装荷系が用いられている。電池は、通常端
部プレートに挟持されており、端部プレートは締め付は
ロッドによってお互いに押し締めされている。締め付は
ロッドを適度な堅さに締めることによって、スタックに
加えられる圧縮力を調整できる。

動作中、燃料電池スタックの適切な圧縮装荷を維持する
のは従来から困難であった。従来の電池は、スタックの
熱膨張特性及び電池部材の割れ特性により、装荷手段が
異なる大きさ、異なる速度で拡散するため、内部負荷は
複雑な分布をする。

高温燃料電池に、適切な軸方向装荷系を適用する色々な
方法が模索されてきた。しかしながら、これらの方法は
、スタックの各端部において硬質ブレートによって付与
される力を用いて、動作サイクルを通じ適切な力を適用
しようとするものであ−た。

溶融炭酸塩燃料電池スタックは、高温燃料電池スタック
として良く知られている。これらのスタークは、端部電
池の電気抵抗に問題がある。従前の溶融炭酸塩スタック
は、厚い固体からなる末端プレートと、加圧プレートと
、絶縁体内部に直接配置された加熱体で構成されている
。端部電池内では電気抵抗が非常に大きくなり、種々の
温度周期によって動作後、特に、始動時及び停止時に、
しばしば回復不能となる。温度が周期的に変化すると、
加圧プレートあるいは端部プレートの両対向面で温度差
が生じ、このため、加圧あるいは端部プレートが変形す
る。この結果、燃料電池内部に、スタックの端部電池の
様々な場所で電気的接続の損失を招く、不均一な力が装
荷されることになる。

これらの電気的接続が、たとえ１分間でも切断されると
、界面の電気伝導性を適切に回復することは、力をもと
のようＪ二分布させ直したとしても、もはや不可能であ
る。

従って、本発明の目的は、通常の動作中及び−時的な温
度変化時に、加圧プレートに様々な熱的歪みが生じても
、これに関係なく燃料電池内部全体の負荷を十分に均一
に維持することにある。また、本発明の目的は、端部プ
レートの熱歪みを防止することにある。

［課題を解決するための手段］上記目的を達成するために、本発明の燃料電池を以下の
構成とする。即ち、電極を有し、電気的に直列に積層さ
れた多数の燃料電池から構成される燃料電池スタックと
、該スタックの両端部で電気的に接続され、各々が前記
スタックの平板面と全面にわたって平行に配置された軟
質膜と、前記燃料電池スタックの両端部に設置され、前
記各々の膜と接触する十分に平板な面を有する加圧パッ
ドと、該加圧パッドに、前記燃料電池スタックの方向の
圧縮力をかける圧縮手段から構成する。

このとき、前記膜は、十分に薄く形成し、前記圧縮力に
よって前記膜と前記電極との電気的接続を多方向にわた
って維持するように構成する。

また、前記圧縮手段に、前記加圧パッドと圧接し、半硬
質断熱体を包含する厚い加圧プレートを設置しても良く
、半硬質断熱体としては、ケイ酸カルシウムを含有する
ものが好適である。

さらに、前記膜と前記加圧プレート間に配置された前記
半硬質断熱体各々の内部に、二個の加熱体を挿入するこ
とも可能である。

また、前記膜は各々、該膜の外縁部の、前記燃料電池ス
タックの軸方向に延在する箱型壁の構造体と一体形成し
ても良く、燃料導管と、空気導管が前記箱型壁に密着さ
れるように構成しても良い。

前記各々の箱型壁には、該壁の外周に補強フランジを延
設すると好適である。

前記各々の膜の複数位置において、電力バスバーを接続
することも可能である。

さらに、複数のストラットで箱型壁構造体の対向する壁
を接続し、該ストラットを、前記膜から離間して配置し
、該ストラット間に、力伝達経路を形成するように分割
した力伝達手段を設置すると好適である。この時、各々
の箱型壁に電力バスバーを接続できる。

また、前記膜を０，０３乃至１．３ｃｍ厚とすると良く
、好適には０．２乃至１ｃｍ厚とするのが望ましい。

前記燃料電池としては、溶融炭酸塩燃料電池の使用が可
能である。

［作用」本発明の燃料電池スタックは、積層された電池の両端部
に配設した薄層の軟質膜が、圧縮力を電池スタックに十
分に均一に伝達し、電圧損失なしに電流を伝導し、かつ
、電池動作中に生じる一時的な温度差の下でも、柔軟性
を有するため加熱による歪曲を起こすことなく平板面を
維持する作用を有する。

［実施例〕本発明においては、多数の高温燃料電池を積層し、電池
平面に垂直な軸に沿って圧縮する。導電性の軟質の端部
プレートをスタックの各端部に配置する。各端部プレー
トは、燃料電池の平面に沿って全面に配置された対応す
る電極と、電気的に搾続している。硬質の加圧プレート
を、加圧プレートと端部プレートの間に配置された半硬
質断熱Ｑを形成する加圧パッドの表面から離隔して配置
する。燃料電池スタックの各端部において、加圧ｌ（ド
は十分に平らな面を形成し、端部プレートに接触してこ
れを圧縮する。

端部プレートは十分に薄く形成されているため圧縮力に
よって、プレートと電極との密接な電気的接続を維持で
きる。

半硬質断熱体は、例えば、電池の中央部の温度が外側の
端部よりも高くなってわずかに膨張するような場合に、
曲がることにより、燃料電池自体の膨張の差を吸収でき
るように、十分な弾力を有し、端部プレートを介して十
分に圧縮力を維持する。

加圧プレートは断熱され、燃料電池スタックよりも離隔
配置して、瞬間的な温度変化を受けた際に、従前の燃料
電池にみられる不均一な負荷を生じる歪曲の発生を防止
する。

加えて、電気加熱体は、所望の電池動作温度に端部電池
を維持する熱ガードを形成し、これを端部プレートと加
圧プレート間に配設された断熱体の内部に挿入しても良
い。加熱体と加圧プレート間の断熱体は、端部プレート
を加熱冷却サイクル中に過度に歪曲させる高熱の伝達を
防止する。

端部プレートは、発生する負荷に対する適切な強度を有
すると共に、燃料と空気導管からその表面をシールする
、一体構造の箱型に形成することも可能である。また、
箱型構造は、電力バス接続にも使用できる。

さて、第１図は、複数の燃料単電池１４で構成される燃
料電池スタック１２を含む燃料電池本体１０を示すもの
である。ｌＯフィート（３メートル）の高さの燃料電池
スタックを形成するのに、これらの単電池をｔｏｏａ以
上積層する。各燃料電池の四辺は、それぞれ３フイー）
（９０ｃｍ）長とする。

各外側燃料電池の端部プレートは、０．１２５インチ（
０，３７５ｃｍ）厚の薄膜１６で形成する。圧縮負荷１
８を従来の方法にて燃料電池本体の両端部からかける。

各燃料電池は溶融炭酸塩で構威し、１１００Ｆ乃至１３
００Ｆ（５９０’Ｃ乃至７００℃）で動作させる。

両端部の硬質加圧プレート２ｏにより、第１の半硬質断
熱層２２に十分に均一な負荷をかける。

この断熱体には、ケイ酸カルシウムに不活性充填剤、強
化剤を混入したものを用いるとよい。本タイプの断熱体
は一般的に硬質断熱体として知られているが、ここでは
、使用時の特徴をより表現していることから、半硬質断
熱体という用語を用いている。本断熱体の目的は、断熱
のみにあらず、圧縮負荷を伝達し、端部プレート膜に負
荷を弾性的にかけることにある。

電気加熱体２４は、第１の断熱体２２と第２の断熱体２
６の間に挿入する。燃料電池スタックの両端部において
、圧縮負荷は、半硬質断熱体の形をとる断熱及び圧縮力
伝達手段を通過し、薄膜１６に達する。

各端部プレート膜は、四枚の壁３０から成る箱型構造体
２８に一体形成する。これらの壁に、ガス導管３２を、
シール３４を用いて、負荷構造（図示せず）から付与さ
れる負荷力３６で押し付けることにより、密着する。

６壁には外延フランジ４０を一体形成して、壁を補強し
、導管との適当なシール接合を十分に維持する。また、
この補強部材は、電力バス４２及び４４の接続部位にも
なる。

第２図は、燃料導管３２、空気導管３５と、第１図に示
す圧縮負荷１８をかける方法とを示したものである。締
め付はロッド４６を板バネ４８に接続して圧縮負荷を連
続的にかけられるようにする。ここで、締め付はロッド
４６は、燃料電池スタックあるいは締め付はロッドが膨
張しても負荷の変化が許容範囲に収まるような構造にす
る。従来用いられている装荷方法は、いずれも使用可能
であるが、本発明の装荷方法は、全負荷を装荷するより
は、各電池に負荷を分布させるものである。

第３図は、最上部及び最下部燃料電池の詳細を示すもの
である。燃料ｉ！池ススタック両端部で、半硬質断熱体
２６が膜Ｉ６と隣接している。アノード５０には、貫通
する流路５２が設けられ、多位置５４で膜＋６と電気的
に接続している。

電解質マトリクス５６を、アノード５０とカソード５８
の間に挿入する。穿孔した、導電性プレート６０を、カ
ソードに隣接して配する。カソードには、電流を分離プ
レート６４に伝達する集電体６２を離隔配置して、ガス
流路を集電プレートとカソードの間に形成する。また、
スタックの底端部にも分離プレート６４やアノード５０
、マトリクス５６を配する。カソード５８は、穿孔プレ
ート６０及び集電体６２を介して底部膜Ｉ６と電気的に
接続している。

電流は、カソード及び穿孔プレート、集電体、分離プレ
ート、並びにアノード間の多数の機能的結合を経て流れ
る。これらの機能的結合は、電池の動作中に切断された
り、再結合されたりすると、電気抵抗を増大させる。従
って、本発明では、圧縮負荷により均一な圧力をかけて
、これらの結合を維持し、常に電気的接触を密接にする
。

燃料電池の動作中に、例えば１３００Ｆ（７００℃）か
らＩ　１００Ｆ　（５９０℃）等の、急速な温度変化は
、瞬時に生じうる。高温でのこの一時的な温度変化は、
電力負荷に依存して生じるため、適度に遅延させること
かできない。電池の始動時には、−時的な温度変化は室
温で生じる。これを防止するために始動期間を長くする
ことも可能であるが、始動を遅延させるのは好ましくな
い。また、低温では電解質も融解しない。従って、電気
接続の形成、切断は、電池の動作にかなりダメージを与
えることになる。

従来の燃料電池においては、この−時的な温度変化は端
部プレートに生じるとともに、加圧プレートにも生じ、
端部プレートを歪曲させ、不均一な圧縮負荷を燃料電池
スタック上にかける。ここでは、−時的な温度変化は膜
１６上にのみ生じている。膜厚内にも温度差が見られる
。しかしながら、この温度差は、膜厚によるよりは、膜
の曲げ堅さの強度が低いことによるプレートの歪曲によ
るところが大きい。従って、−時的な温度変化の発生に
もかかられず、力は半硬質断熱体を介して連続的に均一
に燃料電池内を伝播する。

電池の動作中に、燃料電池の中央部が外端部よりも高い
温度で動作される際等に、燃料電池のスタックが異なっ
た幅に膨張することも起こりうる。

硬質プレートは、これを受け、一方向に過剰な力がかか
り、他方向に不十分な力がかかる。これは一部位での接
続の急激な切断、あるいは、その部位の接続を切断させ
る圧縮部位全体の永久的な歪曲を可能にする。膜を弾性
半硬質断熱体で支持することにより、膜は燃料電池の歪
曲とともに変形するため、燃料電池に十分均一な力が残
存することになる。

電気加熱体２４は、通常はその温度を、加熱体の場所で
約１２００Ｆ　（６５０℃）に維持している。この温度
をスタック動作の平均温度として維持すると、端部電池
を所望の電池動作温度に維持する熱ガードを形成できる
。熱せられたガスが内部を通過するようなプレートフィ
ン熱交換器等の他の型の加熱体を用いることも可能であ
る。これらの加熱体は、熱が端部プレートに大量に流れ
込んで端部プレートを昇温冷却サイクル中に過度に歪曲
させるのを防止するために、より断熱性の高いものとす
る。加圧プレートの歪曲は、この遠隔部位においても望
ましいものではないが、膜上に力がかけられる前の半硬
質断熱体層の力減衰効果によって認容できる。

３フイート（９０ｃｍ）四方の燃料電池スタックにおい
ては、膜の便宜的な厚さは１７８インチ（０，３１７５
ｃｍ）である。この膜は圧力が十分均一に伝達されるよ
うに薄く、しかも、過度な電圧損失を招くことなく十分
電流を伝導できるように厚く形成しなければならない。

各端部の一辺が３６インチ（９０ｃｍ）以外の燃料電池
の場合は、膜厚を適当に変化させることが望ましい。

本発明によれば、機能的な意味では、端部プレートは薄
ければ薄い程良い。端部プレートに耐腐食性を付すため
には、一般にＩＯミル（０，２５ｍ　ｍ　）以上の膜厚
が必要である。膜厚は電池の製造中に増大することもで
きる。しかしながら、端部プレートを十分な厚さに形成
すると、問題が生じる。膜は、膜厚内に温度差が生じて
いる間、圧縮負荷の下で平板面を維持するのに十分な薄
さでなければならない。従って、端部プレートの膜厚は
、０．０３乃至１．３ｃｍとするのが望ましく、さらに
０．２乃至１ｃｍの範囲が最適である。

第４図は、箱型構造体２８に一体形成した端部プレート
１６の等角図である。燃料電池の軸方向に延びる四枚の
側壁３０が、ガス導管取付けのための平板な面を形成す
る。膜１６を１／８インチ（０，３１７５ｃｍ）厚とす
れば、これに対し、側壁３０は１／４インチ（０，６４
ｃｍ）厚、補強フランジ４０は３７８インチ（０，９５
ｃｍ）厚となる。側壁３０は、ガス導管取付けのための
比較的堅固な面を形成するだけでなく、電力バス４２へ
電流を伝導するための与厚材料の役割をも果たす。ここ
に図示されているように、複数の電力バスが使用可能で
ある。

面３０をより平板に固定するために、複数のストラット
７０を垂直な側壁に溶着する。これらのストラットは、
膜１６の所望の柔軟性を損なわないように、膜１６との
接触を避けて設置する。断熱及び圧縮力伝達半硬質断熱
体は、ストラットの上部で分割して均一な力がストラッ
ト間と膜に伝達されるように構成する。

尚、上記した本発明の実施例は、本発明の理解の一助と
するために記載したものであり、本発明は、上記実施例
に限定されるものでなく、特許請求の範囲に記載する本
発明の主旨を逸脱しない範囲における、あらゆる変形、
変更が可能である。

「効果コ本発明の燃料電池スタックは、積層された電池の両端部
に配設した薄層の軟質膜によって、圧縮力を電池スタッ
クに十分に均一に伝達し、電圧損失なしに電流を伝導し
、かつ、電池動作中に生じる一時的な温度差の下でも、
膜が柔軟性を有するため加熱による歪曲を起こすことな
く平板面を維持することができる。

【図面の簡単な説明】

添付する図面において、第１図は、本発明の燃料電池ス
タックの断面図、第２図は、本発明の燃料電池スタックに軸方向の負荷を
かける方法を示す図、第３図は、本発明の燃料電池スタックの両端部における
部分断面図、第４図は、本発明の燃料電池スタックに用いる、箱型構
造体と一体形成した膜の等角図である。ｌＯ・・・燃料電池本体１２・・・燃料電池スタック１４・・・燃料単電池１６・・・薄膜１８・・・圧縮負荷２０・・・加圧プレート２２．２６・−半硬質断熱体２４・・・加熱体３２・・・燃料導管３５・−・空気導管４２．４４・・・電力バス５０・・・アノード５６・・・電解質マトリクス５８・・・カソード６０・・・導電性プレー６２・・・集電体６４・・・分離プレートトＦ／　Ｇ。ｌＩＧ

Claims

【特許請求の範囲】

（１）電極を有し、電気的に直列に積層された多数の燃
料電池から構成される燃料電池スタックと、該スタック
の両端部で電気的に接続され、各々が前記スタックの平
板面と全面にわたって平行に配置された軟質膜と、前記燃料電池スタックの両端部に設置され、前記各々の
膜と接触する十分に平板な面を有する加圧パッドと、該加圧パッドに、前記燃料電池スタックの方向の圧縮力
をかける圧縮手段から構成され、前記膜が、十分に薄く形成され、前記圧縮力によって前
記膜と前記電極との電気的接続が多方向にわたって維持
されることを特徴とする燃料電池。
（２）前記圧縮手段が、前記加圧パッドと圧接する厚い
加圧プレートを有することを特徴とする請求項第１項に
記載の燃料電池。
（３）前記加圧パッドが、半硬質断熱体を包含すること
を特徴とする請求項第２項に記載の燃料電池。
（４）前記半硬質断熱体が、ケイ酸カルシウムを含有す
ることを特徴とする請求項第３項に記載の燃料電池。
（５）前記膜が０．２乃至１ｃｍ厚であることを特徴と
する請求項第２項に記載の燃料電池。
（６）二個の加熱体を包含し、前記膜と前記加圧プレー
ト間に配置された前記半硬質断熱体の内部に、前記各々
の加熱体が挿入されることを特徴とする請求項第３項に
記載の燃料電池。
（７）前記膜が０．２乃至１ｃｍ厚であることを特徴と
する請求項第６項に記載の燃料電池装置。
（８）前記膜が各々、該膜の外縁部の、前記燃料電池ス
タックの軸方向に延在する箱型壁の構造体と一体形成さ
れ、燃料導管と、空気導管が前記箱型壁に密着されるこ
とを特徴とする請求項第６項に記載の燃料電池。
（９）前記各々の箱型壁が、該壁の外周に補強フランジ
を有することを特徴とする請求項第８項に記載の燃料電
池。
（１０）前記膜が、０．２乃至１ｃｍ厚であることを特
徴とする請求項第９項に記載の燃料電池装置。
（１１）前記各々の膜に電力バスバーが接続されること
を特徴とする請求項第１項に記載の燃料電池。
（１２）前記電力バスバーが、前記各々の膜と複数位置
において接続されることを特徴とする請求項第１１項に
記載の燃料電池。
（１３）前記膜が各々、該膜の外縁部の、前記燃料電池
スタックの軸方向に延在する箱型壁の構造体と一体形成
され、燃料導管と、空気導管とが前記箱型壁に密着され
ることを特徴とする請求項第１項に記載の燃料電池。
（１４）前記各々の箱型壁が、該壁の外周に補強フラン
ジを有することを特徴とする請求項第１３項に記載の燃
料電池。
（１５）前記箱型壁構造体の対向する壁を接続する複数
のストラットを有し、該ストラットが前記膜から離間し
て配置され、該ストラット間に、力伝達経路を形成する
ように分割された力伝達手段を有することを特徴とする
請求項第１４項に記載の燃料電池。
（１６）前記各々の箱型壁に電力バスバーが接続される
ことを特徴とする請求項第１４項に記載の燃料電池装置
。
（１７）前記膜が０．０３乃至１．３ｃｍ厚であること
を特徴とする請求項第１項に記載の燃料電池装置。
（１８）前記膜が０．２乃至１ｃｍ厚であることを特徴
とする請求項第１７項に記載の燃料電池装置。
（１９）前記燃料電池が溶融炭酸塩燃料電池であること
を特徴とする請求項第２項に記載の燃料電池装置。
（２０）前記燃料電池が溶融炭酸塩燃料電池であること
を特徴とする請求項第１８項に記載の燃料電池装置。