JPH06283181A - 溶融炭酸塩型燃料電池 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】スプリングの応力弛緩による面圧低下に起因し
て、燃料ガスまたは酸化剤ガスがリークするのを防止
し、発電効率を向上した溶融炭酸塩型燃料電池を提供す
る。 【構成】カソード側スプリング14は、セラミックスから
製作され、長手方向に沿った中間部に適宜ピッチで円弧
状の突出部14ａを形成する。このカソード側スプリング
14を、フランジ２に５枚挿入する。この挿入された５枚
のカソード側スプリング14は、上段のものの突出部14ａ
が下段のものの平坦部に接触するように配置し、相互間
に隙間15を形成する。アノード側スプリングも同様に形
成し、フランジに同様の配置で挿入する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【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、特にセパレータの改良に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】溶融炭酸塩型燃料電池の基本構造は、米
国特許 4514475号または米国特許 4609595号に示されて
いる。通常、溶融炭酸塩型燃料電池においては、基本単
位である１モジュールを複数積層して複数モジュールと
して用いている。

【０００３】次に、従来例として、１モジュールを示す
図６および図７を参照して説明する。ここで、図６は正
面図、図７は図６の側面図である。図６および図７にお
いて、１はセパレータで、このセパレータ１は、金属の
薄板で製作されたおり、水素ガスを含む燃料ガスと酸素
ガスを含む酸化剤ガスを分離する作用をする。

【０００４】このセパレータ１は、端部をそれぞれ反対
方向に円弧をもって曲げられてフランジ２を形成してい
る。また、このセパレータ１の上側には、カソード側サ
ポート３，カソード側集電板４，カソード５および電解
質板６が、この順で設置されている。カソード側サポー
ト３は、台形を連接した状態に形成され、セパレータ１
とカソード側集電板４との間にカソード側流路７を形成
するために設置され、カソード側流路７には酸化剤ガス
が図７に黒矢印で示すように流れる。

【０００５】一方、セパレータ１の下側には、同様にア
ノード側サポート８，アノード側集電板９およびアノー
ド10が、この順で設置されている。アノード10の下側に
は、図示しない電解質板６が設置され、この下側には以
上の順で繰返し設置されている。アノード側サポート８
は、台形を連接した状態に形成され、セパレータ１とア
ノード側集電板９との間にアノード側流路11を形成する
ために設置され、アノード側流路11には燃料ガスが図６
に白矢印で示すように流れる。

【０００６】セパレータ１の端部のフランジ２には、カ
ソード側スプリング12およびアノード側スプリング13が
挿入されている。

【０００７】上述のセパレータ１をはじめ、カソード側
サポート３およびアノード側サポート８，カソード側集
電板４およびアノード側集電板９，カソード側スプリン
グ12およびアノード側スプリング13は、金属材で製作さ
れている。また、カソード５およびアノード10は、ニッ
ケルの粉末等を焼結した材料から製作されている。一
方、電解質板６は、セラミックスに粉末等をシート状に
成形したもので、これに電解質が含浸されている。

【０００８】次に、上述したフランジ２およびカソード
側スプリング12、アノード側スプリングの機能を、図６
の“Ａ”を拡大した図８および図９を参照して説明す
る。ここで、図８は、単にセパレータ１，カソード側サ
ポート３，カソード側集電板４，カソード５，電解質板
６および図示しないアノード，アノード側サポート，ア
ノード側集電板を積層した状態であり、図９は、これら
をさらに上下より圧力を付加した状態を示している。

【０００９】図８において、フランジ２の上面とカソー
ド５の上面を比べると、フランジ２の上面の方が高くな
って段差を生じている。ところが、図９においては、加
圧によりフランジ２は下方に変形し、フランジ２の上面
とカソード５の上面が同一になっている。その際に電解
質板６のフランジ２に接触する箇所は、同図に矢印で示
すように面圧を受けることになる。したがって、燃料電
池の運転時には、この面圧および溶融した電解質により
酸化剤ガスをシールしている。アノード側、すなわち、
燃料ガスも同様なシール作用でシールされている。な
お、このようなシール方法は、ウエットシールと呼称さ
れている。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、金属材
で製作されたカソード側スプリング12およびアノード側
スプリング13を用いる場合、次に示すような問題点があ
った。この問題点を、運転状態を示す図10を参照して説
明する。すなわち、溶融炭酸塩型燃料電池の通常運転温
度 650℃程度では上下から圧力を受けている。これらの
温度は、金属材料のクリープ域であるため、金属材で製
作されたカソード５，カソード側集電板４，カソード側
サポート３および図示しないアノード，アノード側集電
板，アノード側サポートは、圧縮荷重を受け、時間の経
過と共に徐々にクリープ変形を起こす。

【００１１】一方、金属部材であるカソード側スプリン
グ12および図示しないアノード側スプリングは、時間の
経過と共に応力弛緩が生じ応力が低下する現象を起こ
す。したがって、カソード側スプリング12からフランジ
２への押す力が低圧し、同様にフランジ２から作用する
電解質板６への面圧（同図に矢印で示す）は、図９に比
べて低下する。このため、電解質板６とフランジ２の接
触箇所では、酸化剤ガスのシール性が悪化し、酸化剤ガ
スのリークが発生する（同図に波線矢印で示す）。アノ
ード側についても同様の現象が生じ、シール性が悪化し
て燃料ガスのリークが発生する。すなわち、適性なウエ
ットシールが形成されず、発電に悪影響を及ぼし、発電
量が低下する等の問題を生じていた。

【００１２】そこで、本発明の目的は、上述したような
金属材で製作されたスプリングの応力弛緩による面圧低
下に起因して、燃料ガスまたは酸化剤ガスがリークする
のを防止し、発電効率を向上した溶融炭酸塩型燃料電池
を提供することにある。

【００１３】

【課題を解決するための手段】本発明は、上記目的を達
成するため、電解質層の各面にそれぞれ燃料極と空気極
を密着して配設し、この燃料極と空気極にそれぞれ供給
する燃料ガスと酸化剤ガスを仕切るセパレータの端部に
電解質層に接触する折曲部を形成し、この折曲部に板状
弾性体を介挿して成る溶融炭酸塩型燃料電池において、
板状弾性体をセラミックスで形成したことを特徴とする
ものである。

【００１４】

【作用】板状弾性体がセラミックスで形成されているの
で、通常運転時の 650℃程度の温度においても、応力弛
緩を発生することがなく、板状弾性体からの折曲部への
面圧が低下しないから、電解質層と折曲部のシール性が
低下しない。したがって、燃料ガスまたは酸化剤ガスが
リークするのを防止できる。

【００１５】

【実施例】以下、本発明の実施例を図面を参照して説明
する。図１は、本発明の一実施例の要部を示し、（ａ）
は正面図、（ｂ）は側面図である。ただし、図１
（ａ），（ｂ）は、特にセパレータのフランジとスプリ
ングの箇所を示したもので、本実施例の基本構成は、上
述した従来の図６および図７に示したのと同様である。

【００１６】図１（ａ），（ｂ）において、１はセパレ
ータで、このセパレータ１のフランジ２には、５枚のカ
ソード側スプリング14が挿入されている。カソード側ス
プリング14は、例えば高靭性を有するジルコニアのよう
なセラミックスから形成された板状のスプリングで、長
手方向に沿った中間部に適宜ピッチで円弧状の突出部14
ａを設けている。この突出部14ａは、幅方向に伸びる。

【００１７】フランジ２に挿入される５枚のカソード側
スプリング14の配置は、５枚共突出部14ａを下側に向
け、かつ上段のカソード側スプリング14の突出部14ａが
下段のカソード側スプリング14の平坦部と接触するよう
に突出部14ａの位置を相互にずらす。これにより、上下
のカソード側スプリング14，14間には、隙間15が形成さ
れる。

【００１８】なお、図示しないが、アノード側スプリン
グもカソード側スプリング14と同じ材料で同形状に形成
され、かつ同様な配置でフランジに挿入され、相互間に
同様の隙間を形成する。

【００１９】以上のようにセパレータ１のフランジ２に
セラミックスから形成されたカソード側スプリング14ま
たはアノード側スプリングを挿入することにより、フラ
ンジ２を押す機能は全く同じとなり、通常運転時の 650
℃程度の高温度でも応力弛緩を発生することがなく、所
定のシール性を保持することができる。

【００２０】したがって、以上のように構成された実施
例（以下、第１実施例という）は、上述したように従来
金属製スプリングで発生した応力弛緩によるフランジの
面圧低下を生じることがなく、セラミックス製スプリン
グによる面圧および溶融した電解質により、この箇所で
適正なウエットシールが形成され、酸化剤ガスまたは燃
料ガスのリークを生じることがないので、信頼性，発電
効率を向上した溶融炭酸塩型燃料電池を提供することが
できる。

【００２１】次に、本発明の他の実施例を順に説明す
る。図２は、本発明の第２実施例の要部を示し、（ａ）
は正面図、（ｂ）は側面図である。この第２実施例も基
本構成は、上述した従来の図６および図７に示したもの
と同様である。

【００２２】第２実施例は、第１実施例とはセパレータ
１のフランジ２に挿入するカソード側スプリングまたは
アノード側スプリングとその枚数が異なる点である。す
なわち、第２実施例では、フランジ２にカソード側スプ
リング16を３枚挿入する。

【００２３】カソード側スプリング16は、上述したカソ
ード側スプリング14と同様にセラミックスから形成され
た板状のスプリングで、長手方向に沿った中間部に適宜
ピッチで円弧状の突出部16ａを設ける。ここで、カソー
ド側スプリング16の板厚は、上述したカソード側スプリ
ング14の板厚より厚くし、突出部16ａの高さも突出部14
ａより高くする。

【００２４】フランジ２に挿入される３枚のカソード側
スプリング16の配置は、３枚共突出部16ａを下側に向
け、かつ上段のカソード側スプリング16の突出部16ａが
下段のカソード側スプリング16の平坦部と接触するよう
に突出部16ａの位置を相互にずらす。これにより、上下
のカソード側スプリング16，16間には、隙間17が形成さ
れる。この隙間17は、上述した第１実施例の隙間15より
大きいものとなる。

【００２５】なお、図示しないが、アノード側スプリン
グもカソード側スプリング16と同じ材料で同形状に形成
され、かつ同様な配置でフランジに挿入され、相互間に
同様の隙間を形成するようにする。以上のように構成さ
れた第２実施例も、上述した第１実施例と同様の作用に
より、同様の効果を得られる。

【００２６】図３は、本発明の第３実施例の要部を示
し、（ａ）は正面図、（ｂ）は側面図である。この第３
実施例も基本構成は、上述した従来の図６および図７に
示したものと同様である。

【００２７】第３実施例は、第１実施例とは上下のカソ
ード側スプリング相互またはアノード側スプリング相互
が形成する隙間の位置関係が異なる点である。すなわ
ち、第３実施例では、セパレータ１のフランジ２に挿入
するカソード側スプリング14は第１実施例と同様に５枚
であるが、上から４段目のカソード側スプリング14と５
段目のカソード側スプリング14を、相互の突出部14ａ，
14ａが接触するように配置する。

【００２８】なお、図示しないが、アノード側スプリン
グもカソード側スプリング14と同じ材料で同形状に形成
され、かつ同様な配置でフランジに挿入する。以上のよ
うに構成された第３実施例も、上述した第１実施例と同
様の作用により、同様の結果が得られる。

【００２９】図４は、本発明の第４実施例の要部を示
し、（ａ）は正面図、（ｂ）は側面図である。この第４
実施例も基本構成は、上述した従来の図６および図７に
示したものと同様である。

【００３０】第４実施例は、第１実施例とはカソード側
スプリングまたはアノード側スプリングの中に形状の異
なるものを含んでいる点である。すなわち、第４実施例
では、セパレータ１のフランジ２に、４枚のカソード側
スプリング14と１枚のカソード側スプリング18を挿入す
る。

【００３１】カソード側スプリング18は、カソード側ス
プリング14と同じ材料で形成される板状のスプリングで
あり、幅方向に沿った中間部に適宜間隔をもって円弧状
の突出部18ａを設けている。この突出部18ａは、長手方
向に沿って伸びる。ここで、突出部18ａの突出高さは、
カソード側スプリング14の突出部14ａと同じ高さにす
る。

【００３２】フランジ２に挿入する４枚のカソード側ス
プリング14と１枚のカソード側スプリング18の配置は、
上から３枚のカソード側スプリング14は突出部14ａを下
側に向け、かつ上段のカソード側スプリング14の突出部
14ａが下段のカソード側スプリング14の平坦部に接触す
るように突出部14ａの位置を相互にずらし、４段目に挿
入するカソード側スプリング18は突出部18ａを上側に向
け、３段目のカソード側スプリング14の突出部14ａと接
触するようにし、５段目のカソード側スプリング14は突
出部14ａを上側に向け、この突出部14ａを上段のカソー
ド側スプリング18の平坦部に接触させる。これにより、
カソード側スプリング14とカソード側スプリング18の相
互間には、隙間15が形成される。

【００３３】なお、図示しないが、アノード側スプリン
グもカソード側スプリング14，カソード側スプリング18
と同じ材料で同形状に形成され、かつ同様の配置でフラ
ンジに挿入され、相互間に同様の隙間を形成するように
する。以上のように構成された第４実施例も、上述した
第１実施例と同様の作用により、同様の効果が得られ
る。

【００３４】図５は、本発明の第５実施例の要部を示
し、（ａ）は正面図、（ｂ）は側面図である。なお、こ
の第５実施例も基本構成は、上述した従来の図６および
図７に示したものと同様である。

【００３５】第５実施例は、第１実施例とはセパレータ
のフランジの形状とカソード側スプリングまたはアノー
ド側スプリングの中に形状の異なるものを含んでいる点
である。すなわち、第５実施例では、フランジの形状が
上述した各実施例と異なるセパレータ19と、このセパレ
ータ19のフランジ20に、３枚のカソード側スプリング14
と２枚のカソード側スプリング18を挿入する。

【００３６】セパレータ19は、端部をそれぞれ反対方向
に直線状（ただし、角部のみは小さい円弧）に曲げられ
てフランジ20を形成する。このフランジ20の高さは、上
述したセパレータ１のフランジ２の高さと同じである。

【００３７】フランジ20に挿入する３枚のカソード側ス
プリング14と２枚のカソード側スプリング18の配置は、
上から２枚のカソード側スプリング14は突出部14ａを下
に向け、かつ上段のカソード側スプリング14の突出部14
ａが下段のカソード側スプリング14の平坦部に接触する
ように突出部14ａの相互の位置をずらし、３段目に挿入
するカソード側スプリング18は突出部18ａを下側に向
け、４段目に挿入するカソード側スプリング18ａは突出
部18ａを上側に向け、この突出部18ａが上段のカソード
側スプリング18の突出部18ａに接触するようにし、５段
目に挿入するカソード側スプリング14は突出部14ａを上
側に向け、この突出部14ａを上段のカソード側スプリン
グ18の平坦部に接触するようにする。これにより、カソ
ード側スプリング14とカソード側スプリング18の相互間
には、隙間15が形成される。

【００３８】なお、図示しないが、アノード側スプリン
グもカソード側スプリング14とカソード側スプリング18
と同じ材料で同形状に形成され、かつ同様の配置でフラ
ンジに挿入され、相互間に同様の隙間を形成するように
する。

【００３９】以上のように構成された第５実施例も、上
述した第１実施例と同様の作用により、同様の効果が得
られる。

【００４０】

【発明の効果】以上説明したように本発明によれば、電
解質層の各面にそれぞれ燃料極と空気極を密着して配設
し、この燃料極と空気極にそれぞれ供給する燃料ガスと
酸化剤ガスを仕切るセパレータの端部に電解質層に接触
する折曲部を形成し、この折曲部に板状弾性体を介挿し
て成る溶融炭酸塩型燃料電池において、板状弾性体をセ
ラミックスで形成するようにしているので、従来の溶融
炭酸塩型燃料電池で発生していた金属性板状弾性体の応
力弛緩による折曲部の面圧が低下は発生しない。すなわ
ち、セラミックス製板状弾性体の面圧および溶融した電
解質により適正なウエットシールが形成され、燃料ガス
または酸化剤ガスのリークを防止でき、信頼性，発電効
率を向上した溶融炭酸塩型燃料電池を提供できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例の要部を示し、（ａ）は正面
図、（ｂ）は側面図。

【図２】本発明の他の実施例（第２実施例）の要部を示
し、（ａ）は正面図、（ｂ）は側面図。

【図３】本発明のさらに異なる他の実施例（第３実施
例）の要部を示し、（ａ）は正面図、（ｂ）は側面図。

【図４】本発明のさらに異なる他の実施例（第４実施
例）の要部を示し、（ａ）は正面図、（ｂ）は側面図。

【図５】本発明のさらに異なる他の実施例（第５実施
例）の要部を示し、（ａ）は正面図、（ｂ）は側面図。

【図６】従来の溶融炭酸塩型燃料電池の１モジュールを
示す正面図。

【図７】図６の側面図。

【図８】図６の“Ａ”部拡大図。

【図９】図８に示す部分で上下から加工されている状態
を示す説明図。

【図１０】図８に示す部分で運転時における状態を示す
説明図。

【符号の説明】

１，19…セパレータ、２，20…フランジ、５…カソー
ド、６…電解質板、７…カソード側流路、８…アノード
側サポート、10…アノード、11…アノード側流路、12，
14，16，18…カソード側スプリング、13…アノード側ス
プリング、14ａ，16ａ，18ａ…突出部、15，17…隙間。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 電解質層の各面にそれぞれ燃料極と空気
   極を密着して配設し、この燃料極と空気極にそれぞれ供
   給する燃料ガスと酸化剤ガスを仕切るセパレータの端部
   に前記電解質層に接触する折曲部を形成し、この折曲部
   に板状弾性体を介挿して成る溶融炭酸塩型燃料電池にお
   いて、前記板状弾性体をセラミックスで形成したことを
   特徴とする溶融炭酸塩型燃料電池。
2. 【請求項２】 板状弾性体に幅方向または長手方向に沿
   った突出部を形成し、この突出部を介して折曲部に介挿
   する複数の前記板状弾性体の相互間に隙間を形成するよ
   うにしたことを特徴とする請求項１記載の溶融炭酸塩型
   燃料電池。