JPH0782873B2

JPH0782873B2 - 溶融炭酸塩型燃料電池

Info

Publication number: JPH0782873B2
Application number: JP60250482A
Authority: JP
Inventors: 保城上
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1985-11-08
Filing date: 1985-11-08
Publication date: 1995-09-06
Anticipated expiration: 2010-09-06
Also published as: JPS62110267A

Description

【発明の詳細な説明】〔発明の技術分野〕この発明は、アルカリ金属炭酸塩やアルカリ土類炭酸塩
を電解質に用いた溶融炭酸塩型燃料電池に関する。

〔発明の技術的背景とその問題点〕近年、アルカリ炭酸塩を電解質として用いた溶融炭酸塩
型燃料電池の開発が進められている。溶融炭酸塩型燃料
電池は、H₂のみならずCOをも燃料として使用でき、しか
も高い排熱を利用できることから、高効率発電プラント
の発電ユニットとして早期開発が切望されている。

現在、開発が進められている溶融炭酸塩型燃料電池は、
一般に第５図に示すように、不活性の無機材料粒子およ
びアルカリ炭酸塩の混合体からなる電解質層１の両側に
耐食性金属からなる多孔質電極板、即ちアノード２およ
びカソード３を配して単位電池４を構成する。これら単
位電池４は各単位電池の間の電気的な接続機能と各電極
板への反応ガスの通路を形成する機能とを備えたセパレ
ータ５を介して積層される。そして、アノード２側に燃
料ガスＰを、またカソード３側に酸化剤ガスＱをそれぞ
れ通流させることによって、アノード側において、 H₂＋CO₃ ^2-→CO₂＋H₂O＋2e ……（１）（CO＋H₂O→CO₂＋H₂） ……（２）なる反応を、またカソード側において、 1/2O₂＋CO₂＋2e→CO₃ ^2- ……（３）なる反応を生起せしめ、反応が進行することによって発
電が継続される。なお、（２）式は、燃料として供給さ
れた一酸化炭素が直接電極反応に供されるのではなく、
転化反応を経てアノードの活物質であるH₂に転化した
後、電極反応に供されることを示したものである。

ところで、燃料電池の高い信頼性を維持し、長寿命化を
図るには、電極反応が電極全面に均一に進行することが
必須の条件となる。ところが、従来のこの種の燃料電池
では、起電反応に供する反応ガスの供給に際しては、第
５図に示す直交流方式や、両ガスを同一の向きに流す図
示しない平行流方式あるいは逆向きに流す対向流方式を
採用しており、反応速度の解析結果によると、これらは
いずれも燃料ガス入口付近の発電電流密度が同出口付近
のそれに比べて２倍あるいはそれ以上も大きくなってし
まうことが分った。例えば燃料の利用率80％にて0.15A/
cm²（平均値）の電流をとった場合、単位電池の内部で
の電流密度分布は第６図に示すようになり、燃料ガスＰ
の入口側に近い箇所に電力集中を生じ、反応に伴う炭酸
塩電解質の消耗等にも偏りを生じてしまう。また、オー
ム損で発生する熱分布も不均一になり、多数のセルを積
層化した場合、長期間安定した発電を続けることが困難
であるという問題もあった。

このような問題は、実用的な発電プラントを構成するう
えで必要な単位電池の大型化を進めるうえにおいて、一
層顕著な問題として現れ、単位電池の大型化を図るうえ
で解決すべき大きな課題の一つであった。

〔発明の目的〕

本発明は、このような問題に基づきなされたもので、単
位電池の大型化を図った場合でも、電極反応を電極面全
体で均一に進行させることができ、さらに電池内温度差
の発生を僅少に抑制することができ、長期に亘って安定
した発電を維持できる溶融炭酸塩型燃料電池を提供する
ことにある。

〔発明の概要〕

本発明は、内部マニホールドにより供給排出される燃料
ガスの流路と、外部マニホールドにより供給排出される
酸化剤ガスの流路とをそれぞれ二分することにより、単
位電池内の電流密度分布および温度分布の均一化を図
り、これによって大型の燃料電池を構成したものであ
る。

すなわち、本発明に係る溶融炭酸塩型燃料電池では、１
つの燃料電池スタックが、単位電池をセパレータを介し
て複数積層してなる燃料電池本体と、前記各単位電池に
燃料ガスを供給するために前記各セパレータの一方の面
にそれぞれ形成された燃料ガス通路と、前記各単位電池
に酸化剤ガスを供給するために前記各セパレータの他方
の面にそれぞれ形成された酸化剤ガス通路と、前記燃料
電池本体を構成する各積層部材の中央部に設けられた孔
によって積層方向に形成されて前記各燃料ガス通路にそ
れぞれ通じた１系統の第１の燃料ガス案内用内部マニホ
ールドと、前記各積層部材における前記第１の燃料ガス
案内用内部マニホールドの位置を境にした両側の端部位
置にそれぞれ設けられた孔によって積層方向に形成され
て前記各燃料ガス通路の上記位置を境にした両側の端部
にそれぞれ通じた２系統の第２の燃料ガス案内用内部マ
ニホールドとで構成されており、上記構成の燃料電池ス
タックを前記酸化剤ガス通路の開口側面を対向させて２
個配置するとともに上記２個の燃料電池スタック間に酸
化剤ガス供給用外部マニホールドを配置して各燃料電池
スタックに酸化剤ガスを分配供給し、前記各燃料電池ス
タックの前記第１の燃料ガス案内用内部マニホールドお
よび前記第２の燃料ガス案内用内部マニホールドを介し
て各燃料電池スタックに燃料ガスをそれぞれ供給してな
ることを特徴としている。

〔発明の効果〕

燃料ガス通路の入口〜出口間距離が長くなると、出口付
近の発電電流密度が減少するが、本発明によれば、大型
の燃料電池を構成した場合でも、１つの燃料電池スタッ
ク内において燃料ガスを２つの異なる流路に分割して流
すようにしているので、燃料ガスの流路を短くすること
ができ、結局、電極面全体に亘って均一に電極反応を生
起させることができる。

また、本発明によれば、２つの燃料電池スタックを１つ
の燃料電池としてとらえた場合に、酸化剤ガスについて
も２つの異なる流路に分割して流していることになるの
で、酸化剤の流路を短くでき、電池の温度差を低減でき
る。したがって、多数の単位電池を積層した場合でも、
長期に亘って安定した発電を維持させることができる。

〔発明の実施例〕

以下、図面を参照しながら本発明の一実施例について説
明する。

本実施例に係る溶融炭酸塩型燃料電池は、第１図および
第２図に示すように、酸化剤ガスＱの通流方向に近接配
置された２つの燃料電池スタック10a,10bを、酸化剤ガ
スの供給用外部マニホールド11を介して接続し、さらに
各スタック10a,10bの反対方向の側面に酸化剤ガスＱの
排出用外部マニホールド12a,12bを装着して構成されて
いる。

燃料電池スタック10a,10bは、第３図に示すように、全
体が長方形を呈するように複数の単位電池32をセパレー
タ素子33を介して複数積層して構成される。なお、以
後、簡単のため、燃料電池本体31の側面で後述する外部
マニホールドが取付けられる一対の対向側面をA,A′面
と定義し、その他の側面をB,B′面と定義する。

単位電池32は、電解質板41と、この電解質板41の下面に
配置されたアノード42と、同上面に配置されたカソード
43とで構成される。

電解質板41は、例えばLiAlO₂微粉末と、K₂CO₃−Li₂O₃微
粉末とを混合してホットプレスによって長方形に形成し
てなるものであり、長手方向の両端近傍位置に短辺方向
に並ぶ燃料ガス導入用の複数の孔41a,41bを形成すると
ともに、同中央部に短辺方向に並ぶ燃料ガス排出用の複
数の孔41cを形成したものとなっている。

アノード42は、例えば孔径３〜６μｍ、多孔度60〜80％
のニッケル合金多孔質体で形成されている。また、カソ
ード43は、例えば孔径６〜15μｍ、多孔度70〜80％のニ
ッケル多孔質体で形成されている。これら、アノード42
およびカソード43は、それぞれ長方形に形成され、その
中央部に前記電解質板41の中央の孔41cに対向し短辺方
向に並ぶ複数の孔42c,43cを形成したものとなってる。
また、アノード42の長手方向の両端には、電解質板41の
両端の孔41a,41bに対応する位置に短辺方向に並ぶ複数
の孔42a,42bが形成されている。一方、カソード43は、
前記電解質板41の長手方向両端の孔41a,41bに達しない
長さに形成されている。

セパレータ素子33は、セパレータ板44の上面に燃料ガス
通路形成板45とパンチメタル46とを配し、同下面両側に
２枚の酸化剤ガス通路形成板47およびパンチメタル48を
配して構成される。

セパレータ板44は、その上面周縁部に段部50を有する突
周壁51を形成し、その下面の長手方向両端部に段部52を
有する突条53,54を形成し、さらに同下面中央位置に短
辺方向に延びる突条55を形成したものとなっている。上
記突周壁51は、内部に形成される燃料ガス導入空間Ｒを
外部から密封する機能を有し、３つの突条53〜55は、酸
化剤ガス流路となる短辺方向に延びる２つの溝Ｕを形成
する。そして、上記３つの突条53〜55には、それぞれ前
記電解質板41の各孔41a〜41cに対応する位置に複数の孔
44a,44b,44cを形成したものとなっている。

燃料ガス通路形成板45は、その上面側に燃料ガスを導く
長手方向に延びる複数の溝を有するものであり、電解質
板41の各孔41a〜41cに対応した位置にそれぞれ孔45a,45
b,45cを形成し、さらにこれら孔45a〜45cの位置した部
分の溝56を短辺方向に連通して各溝に均一に燃料ガスＰ
を導くものとなっている。

パンチメタル46は、燃料ガス通路形成板45からアノード
42へ燃料ガスＰを供給するための複数の細孔を有し、ア
ノード42の集電機能をも有する。このパンチメタル46
は、アノード42と略同形状で、やはりその長手方向両端
部と中央部とに複数の孔46a,46b,46cを設けたけものと
なっている。

酸化剤ガス通路形成板47は、前記セパレータ板44の下面
に形成された２つの溝Ｕに嵌合する形状に形成され、そ
の下面側に燃料ガス通路形成板45の溝56と直交する方向
に延びる複数の溝58を形成したものである。

また、パンチメタル48は、酸化剤ガス通路形成板47bか
らカソード板43へ酸化剤ガスＱを供給するための複数に
細孔を有し、カソード43の集電機能をも有する。

なお、セパレータ板44の下面中央部に位置する突条55と
カソード43との間には、導入ガスのシール用の無機テー
プ60が介装されている。この無機テープ60にも電解質板
41cに対応して複数の孔60cが形成されている。この無機
テープ60は、例えば不織布に炭酸塩を含浸して形成した
ものである。

このような燃料電池スタック10a,10bは、次のようにし
て形成される。即ち、まずセパレータ板44の上面の燃料
ガス導入空間Ｒに燃料ガス通路形成板45を嵌合させ、そ
の上面に突周壁51の段部50に嵌合するようにパンチメタ
ル46とアノード42とを装着する。さらにセパレータ板44
の下面に溝Ｕに酸化剤ガス通路形成板47を嵌合させ、そ
の下面に突条53,54の段部52に嵌合するようにパンチメ
タル48を配し、突条55の先端面に無機テープ60を配し、
さらにこれらの下面にカソード43を配置する。そして、
この組立て体と電解質板41とを交互に積層する。これに
よって、各部材に設けた孔は、第４図に示すように積層
方向に連通する。そして、各部材の中央部に設けた孔に
よって形成される円筒状空間が燃料ガスＰの導入用流路
Ｓとなり、各部材の長手方向両端に設けた孔によって積
層方向に形成される円筒状空間が燃料ガスＰの排出用流
路Ｔとなる。つまり、これら各円筒状空間でインターナ
ルマニホールドを形成する。

このように構成されたスタック10a,10bを、第１図に示
すように、積層方向両端に配置された梯子状の締付け部
材70a,70bと、これを上下に締めつけるボルト71とで積
層方向に締付ける。このとき締付け部材70a,70bとスタ
ック10a,10bとの間には、正極リード72aおよび負極リー
ド72bが取付けられる。そして、各スタック10a,10bの燃
料ガス導入用流路Ｓの上端部に燃料ガス供給用の小形マ
ニホールド73a,73bを配し、同燃料ガス排出用流路Ｔの
下端部に燃料ガス排出用の小形マニホールド74a,74bを
配し、各流路S,Tの他の端部を僅かのバッファ空間を形
成する蓋75a,75bで閉塞する。

次に、これらのスタック10a,10bを酸化剤ガスＱの供給
用外部マニホールド11を介して接続し、このマニホール
ド11とは反対側の端面に同ガス排出用の外部マニホール
ド12a,12bを配置する。このときマニホールド11,12a,12
bと各スタック10a,10bとの間には密閉用スペーサ76を介
装する。これによってシール性と電気絶縁性とが確保さ
れる。外部マニホールド12a,12bの周縁部にはフィン77
が形成されており、これら両フィン77をボルト78で締め
付けて両スタック10a,10bが締結される。なお、供給用
外部マニホールド11にもフィン79が形成されており、上
記ボルト78をこのフィン79に貫通させることにより、供
給用外部マニホールド11の脱落を防止できる。

このように構成された燃料電池において、小形マニホー
ルド73a,73bの導入口81a,81bから各スタック10a,10b内
に導入された燃料ガスＰは、第４図に示すように中央の
ガス導入用流路Ｓを積層方向下方に向けて進行し、この
進行の途中で各燃料ガス通路形成板45の溝56に分配され
る。これら溝56に導入された燃料ガスＰは、燃料電池の
中央部からＢ面に向かう第１の通路と、同中央部Ｂ′面
に向かう第２の通路とをそれぞれ逆向きに進行し、その
進行の途中で、パンチメタル46の細孔を介してアノード
42に供給される。起電反応に供せられた燃料ガスＰは、
両端部の排出流路Ｔを積層方向下向きにそれぞれ進行し
小形マニホールド74a,74bの排出口82a,82bを介して排出
される。

一方、酸化剤ガスの供給用外部マニホールド11の導入口
83から各スタック10a,10b内に導入された酸化剤ガスＱ
は、各酸化剤ガス通路形成板48の溝58を上記燃料ガスＰ
の進行方向とは直交する方向に各々通流し、この通流の
途中で、パンチメタル48の細孔を介してカソード43に供
給される。起電反応に供せられた酸化剤ガスＱは、各排
出用外部マニホールド12a,12bの排出口84a,84bを介して
外部に排出される。

なお、燃料ガスＰは、セパレータ板４の突周壁51および
突条53,54bと電解質板41との間のウェットシールにによ
って外部への漏洩が防止される。また、酸化剤ガスＱの
流路は、セパレータ板44の突周壁53,54と電解質板41と
の間のウエットシールで、また無機テープ60および電解
質板41からカソード43に浸み出した溶融炭酸塩によるウ
ェットシールでそれぞれシールされる。この結果、酸化
剤ガスＱと燃料ガスＰとのクロスオーバーが防止され
る。この構成によると、燃料ガスが内部マニホールドか
ら供給されているので、酸化剤ガスとのクロスオーバー
を生じ難い。また、酸化剤ガスを外部マニホールドにて
供給するようにしているので、構造の簡単化、組立て性
の向上化が図れる。

次に、本発明者が実際に行なった実験例について述べ
る。

電解質板41は、幅50cm、長さ100cm、厚み0.15cmの板状
体で、LiAlO₂、K₂CO₃およびLi₂O₃を重量比で40:37:23の
割合で混合してなる混合体に、重量比およそ５％のポリ
エチレンを添加して、温度250℃、圧力約500tでホット
プレスして得た。この電解質板41には、長手方向の両端
から4.5cmの位置に、短辺方向に11cm間隔にて孔径2.5cm
の４つの孔41a,41bをそれぞれ形成した。また、この電
解質板41の中央部には前記４つの孔41a,41bの並び方向
と平行に孔径3cmの４つの孔41cをそれぞれ形成した。

アノード42には、孔径４〜６μｍ、多孔度75％のNi−Cr
（10％）合金の焼結多孔質体を厚さ0.4mm、幅46cm、長
さ96cmの大きさに形成したものを用いた。

カソード43には、孔径８〜12μｍ、多孔度70〜80％のNi
多孔質板を幅50cm、長さ86cm、厚さ0.86mmの大きさに形
成したものを用いた。

そして、これらアノード42およびカソード43にも短辺方
向に並ぶ各４つの孔42a,42b,42c,43cを形成した。

セパレータ板45には、厚さ0.4mm、幅50cm、長さ100cmの
SUS316/Niのクラッド板を用い、Ni側の面の周縁部に厚
さ2mmで幅3cmのNiの突周壁51を溶接加工にて密着させ、
また、その突周壁51の内側に幅5mm、深さ0.5mmの段差を
形成した。一方、SUS316製の突条53,54を、また、長手
方向中央部に厚さ1.5mm、幅80mmのSUS316製の突条55を
それぞれ溶接固定した。突条53,54は、外側の辺から4.5
cmの線に沿って中央から11cmの間隔で孔径2.5mmの孔44
a,44bをそれぞれ形成するとともに、内側から5mmの幅
で、1cmの段差を形成した。また、突条55には、中央部
から11cm間隔で孔径3cmの孔44cを形成した。

燃料ガス通路形成位置45には、厚みが1.5mmで、幅44c
m、長さ94cmのNi板を用い、溝ピッチを5mm、溝56の深さ
を1mm、同幅を3mmに形成した。

パンチメタル46には、孔径1mmの細孔が全面積の33％に
達するように穿設された厚さ0.2mm、幅46cm、長さ96cm
のNi板を用いた。

また、パンチメタル48には、上記パンチメタル46と同様
に穿設された厚さ0.2mm、幅50cm、長さ39cmの２枚のSUS
316板を用いた。

無機テープには、ジルコニア不織布にLiKCO₃塩を含浸し
たものを、シール剤として用いた。

このような部材で10組積層のスタック10a,10bを構成
し、これを第１図に示すように並列に配置した。そし
て、各スタック10a,10bに、小形マニホールド、外部マ
ニホールド、蓋体および正負極リード端子を付設したの
ち、締付け部材で締付けた。この締付け部材には、例え
ば肉厚15mm、幅6cm、長さ125cmのSUS316の板体２枚を平
行配置して、適当な間隔で10cm幅の渡しを設けたパネル
板を使用した。このパネル板を上下に２枚用い、径1cm
のボルト71にて、スタック10a,10bを各々締め付けた。
このようにして組立てたスタック10aと10bとを酸化剤の
供給用外部マニホールド11を介してボルト78にて締付け
一体化することによって全体で8.2kw出力の大型の燃料
電池本体を構成した。

なお、外部マニホールドは、厚さ2cmの鉄・ニッケル・
アルミを主成分とする合金板を酸化剤雰囲気、800〜100
0℃で熱処理し、表面にアルミニウム酸化物を形成した
固定フィンに、これと同一の材料で形成されたマニホー
ルド室を付加して構成した。マニホールド室の形状は、
高さ55mm、長さ900mm、幅100mmのものを用いた。また、
マニホールドの肉厚は、10mmとした。外部マニホールド
11,12a,12bとスタック10a,10bとの間には、ジルコニア
不織布にLiKCO₃塩を含浸したシール材を嵌合させた。ま
た、締付けバーは、15mmφのボルトを用いた。

このように２組のスタックを組合わせて大型の燃料電池
を構成し、前述したように燃料ガスＰと酸化剤ガスＱと
を供給し、燃料利用率70％、酸化剤ガス利用率50％、温
度650℃、常圧、電流密度0.16A/cm²の条件で発電させ
た。なお、比較例１として同一反応面積の単一のスタッ
クを用いた場合、比較例２として同一反応面積で従来の
平行流方式を用いた場合、また比較例３として同一反応
面積で従来の直交流方式を用いた場合につき、それぞれ
同一の条件のもとで発電実験を行なったところ、次表に
示すような結果を得た。

この結果から明らかな如く、本実験例では、各セル間の
温度差が低減し、各セル（単位電池）の平均電圧が従来
のものよりも高い上、セル間の電圧のばらつきも改善さ
れた。

このように、本実施例によれば、燃料ガスＰを２系統に
流すことによって起電反応を電極全体に均一に進行させ
ることができ、また酸化剤ガスも２系統に流すことによ
って特定の部分に電力集中が生じるのを防止できる。こ
のため、前述した効果を奏することができる。

また、上記実施例では酸化剤ガスを外部マニホールドに
よって供給するようにしているので、ガス流路を大きく
取ることができ、酸化剤ガスを燃料電池の冷却のため多
量に流した場合でも、燃料電池内部で圧損によるクロス
オーバーが生じることがなく、運転性を大幅に向上させ
ることができる。

なお、本発明は、上記実施例に限定されるものでない。
たとえば上記実施例では燃料ガスを燃料電池の中央部か
ら外側に向けて流すようにしたが、外側から内側に向け
て流すようにしても良い。

また、アノード、カソードの配置は、上下逆であっても
何等本発明を損うものではない。

また、燃料ガス通路形成板45として、酸化剤ガス通路形
成板47の代わりに、例えばセルメット（商標名；住友金
属製）を用いても良好な特性を得ることができる。

さらには、アノード42も、Ni−Cr合金に限定されず、例
えばNi多孔質板にCr処理を施したものでも良い。カソー
ド43として、NiOの多孔質板を用いるようにしても良
い。さらに電解質板41としては、460℃、300Kg/cm²圧で
ホットプレスして得たものでも良い。

この他、燃料電池本体もその横断面が長方形ではなく正
方形であってまた酸化剤ガスの通路方向を長手方向とす
る長方形であっても良い。また、燃料電地本体を積層方
向に貫通する孔の数も任意に設定できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例に係る溶融炭酸塩型燃料電池
の外観を示す斜視図、第２図は同燃料電池の横断面図、
第３図は同燃料電池における燃料電池スタックの一部切
欠した分解斜視図、第４図は同燃料電池スタックの縦断
面図、第５図は従来の直交フロー型燃料電池スタックの
分解斜視図、第６図は同燃料電池における電流密度分布
を示す等高線図である。 1,41……電解質板、2,42……アノード、3,43……カソー
ド、4,32……単位電池、５……セパレータ、10a,10b…
…燃料電池スタック、11……供給用外部マニホールド、
12a,12b……排出用外部マニホールド、33……セパレー
タ素子、44……セパレータ板、45……燃料ガス通路形成
板、46,48……パンタメタル、47……酸化剤ガス通路形
成板、60……無機テープ、70a,70b……締付け部材、72a
……正極リード、72b……負極リード、73a,73b,74a,74b
……小形マニホールド、75a,75b……蓋体、Ｐ……燃料
ガス、Ｑ……酸化剤ガス、Ｒ……燃料ガス導入空間、Ｓ
……導入側流路、Ｔ……排出側流路。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】１つの燃料電池スタックが、単位電池をセ
パレータを介して複数積層してなる燃料電池本体と、前
記各単位電池に燃料ガスを供給するために前記各セパレ
ータの一方の面にそれぞれ形成された燃料ガス通路と、
前記各単位電池に酸化剤ガスを供給するために前記各セ
パレータの他方の面にそれぞれ形成された酸化剤ガス通
路と、前記燃料電池本体を構成する各積層部材の中央部
に設けられた孔によって積層方向に形成されて前記各燃
料ガス通路にそれぞれ通じた１系統の第１の燃料ガス案
内用内部マニホールドと、前記各積層部材における前記
第１の燃料ガス案内用内部マニホールドの位置を境にし
た両側の端部位置にそれぞれ設けられた孔によって積層
方向に形成されて前記各燃料ガス通路の上記位置を境に
した両側の端部にそれぞれ通じた２系統の第２の燃料ガ
ス案内用内部マニホールドとで構成されており、上記構
成の燃料電池スタックを前記酸化剤ガス通路の開口側面
を対向させて２個配置するとともに上記２個の燃料電池
スタック間に酸化剤ガス供給用外部マニホールドを配置
して各燃料電池スタックに酸化剤ガスを分配供給し、前
記各燃料電池スタックの前記第１の燃料ガス案内用内部
マニホールドおよび前記第２の燃料ガス案内用内部マニ
ホールドを介して各燃料電池スタックに燃料ガスをそれ
ぞれ供給してなることを特徴とする溶融炭酸塩型燃料電
池。