JPH08138701A

JPH08138701A - 溶融炭酸塩型燃料電池

Info

Publication number: JPH08138701A
Application number: JP6304245A
Authority: JP
Inventors: Yasushi Shimizu; 康清水
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1994-11-15
Filing date: 1994-11-15
Publication date: 1996-05-31

Abstract

(57)【要約】【目的】製造寸法公差内で厚さ寸法にばらつきを有す
る単電池およびセパレータの各要素の間において接触性
を向上させ、燃料電池内部での導電性を高くするであ
る。【構成】溶融炭酸塩型燃料電池のセパレータのアノー
ド集電板におけるアノード集電部の表面、又はカソード
集電板におけるカソード集電部の表面の少なくともいず
れか一方に凹凸を設けたものである。また、凹凸を設け
たアノード集電部又はカソード集電部としてエキスパン
ドメタルを用いる。一方、セパレータのインターコネク
タとアノード集電部サポートとの間、又はインターコネ
クタとカソード集電部サポートとの間の少なくともいず
れか一方に、表面に凹凸を有する薄板を介装する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、電解質として溶融炭酸
塩を用いた溶融炭酸塩型燃料電池に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】一般に、燃料電池はアノード電極及びカ
ソード電極上で生じる電気化学的反応を直接電気出力に
変換する装置であり、単電池とセパレータとを交互に積
層して構成される。電解質として溶融炭酸塩を用いた燃
料電池は溶融炭酸塩型燃料電池と呼ばれ、電解質マトリ
ックスには炭酸塩が含浸される。この溶融炭酸塩型燃料
電池の単電池は、電解質マトリックスをアノード電極と
カソード電極とで挟んで構成される。一方、セパレータ
は、アノード電極に燃料ガスを、カソード電極上に酸化
剤ガスをそれぞれ隔離して供給できるように構成され
る。

【０００３】通常、セパレータは燃料ガスと酸化剤ガス
とを隔てるインターコネクタを、両側からそれぞれのエ
ッジ板と集電板とで挟んで、それぞれのガス流路を形成
して構成される。

【０００４】また、電解質マトリックスは金属酸化物の
粒子からなる多孔質構造を有する。その多孔質構造の骨
格の隙間に炭酸塩が満たされる。炭酸塩は常温では固体
であるが、発電運転温度の６５０℃においては溶融状態
となる。一方、アノード電極およびカソード電極は、金
属あるいは金属酸化物の多孔質体であり、炭酸塩はアノ
ード電極とカソード電極との気孔の隙間の一部にも満た
される。そして、発電運転時には、アノード電極及びカ
ソード電極にそれぞれ供給された燃料ガス及び酸化剤ガ
スは、アノード電極及びカソード電極との界面で、溶融
した炭酸塩と電気化学反応を生じて発電される。

【０００５】図９に、溶融炭酸塩型燃料電池の単電池及
びセパレータを各１個分を重ねた単セルを示す。単電池
１は、電解質マトリックス２と、その両面に密着して配
置されるアノード電極３及びカソード電極４とから構成
されている。また、セパレータ５は、基本的に、インタ
ーコネクタ６、アノードエッジ板７、カソードエッジ板
８からなり、アノードエッジ板７にはアノード集電板９
が収納され、カソードエッジ板８にはカソード集電板１
０が収納される。したがって、アノード集電板９及びカ
ソード集電板１０もセパレータ５の構成要素である。な
お、インターコネクタ６は、アノードエッジ板７及びカ
ソードエッジ板８と周縁部を接合されて一体構成とな
る。

【０００６】アノード集電板９は、アノード電極３の電
極面を支持するアノード集電部と、燃料ガス１１の流路
を形成すると共にアノード集電部を支持するためのアノ
ード集電部サポートとからなる。同様に、カソード集電
板１０もカソード電極４の電極面を支持するカソード集
電部と、酸化剤ガス１２の流路を形成すると共にカソー
ド集電部を支持するためのカソード集電部サポートとか
らなる。したがって、燃料ガス１１と酸化剤ガス１２
は、セパレータ５の内部のアノード集電部サポート及び
カソード集電部サポートのそれぞれのガス流路を流れる
ことになる。

【０００７】次に、単電池１の電気化学反応部分の周囲
には、ガス供給排出用のマニホールドが設けられる。図
９は、マニホールドがセパレータ５の内部に設けられた
内部マニホールド型のものを示しており、単電池１を挟
んで向き合うアノードエッジ板７及びカソードエッジ板
８が電気絶縁性のマニホールドリング１３により接続さ
れる。

【０００８】燃料電池積層体は、このような単セルを複
数個繰り返し積層して構成される。この場合、複数個の
単セルを積層して構成された燃料電池積層体は、それぞ
れ各構成要素間の接触を良好にするために上下から締付
けられる。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】ところが、このような
燃料電池積層体は、複数の要素を積層して構成されるた
め、各要素の厚さに製造上の寸法偏差を有している場合
には、局部的に要素間の接触性を損なう恐れがある。接
触不良は電解質マトリックス２とアノード電極やカソー
ド電極との間の炭酸塩の液絡を損なったりして、電気抵
抗の増大の原因となる。これらの電気抵抗は燃料電池の
内部抵抗となり、発電電力の幾らかを無駄に失わせるこ
とになる。

【００１０】そこで、本発明は、製造寸法公差内で厚さ
寸法にばらつきを有する単電池およびセパレータの各要
素の間において接触性を向上させ、燃料電池内部での導
電性を高くすることのできる溶融炭酸塩型燃料電池を提
供することを目的とする。

【００１１】

【課題を解決するための手段】本発明の溶融炭酸塩型燃
料電池は、そのセパレータのアノード集電板におけるア
ノード集電部の表面、又はカソード集電板におけるカソ
ード集電部の表面の少なくともいずれか一方に凹凸を設
けたものである。また、凹凸を設けたアノード集電部又
はカソード集電部としてエキスパンドメタルを用いる。

【００１２】一方、セパレータのインターコネクタとア
ノード集電部サポートとの間、又はインターコネクタと
カソード集電部サポートとの間の少なくともいずれか一
方に、表面に凹凸を有する薄板を介装する。

【００１３】

【作用】凹凸を設けたアノード集電部又はカソード集電
部は、燃料電池積層体として上下から締付けられると、
それに隣接するアノード集電部サポート又はカソード集
電部サポート、アノード電極又はカソード電極に食い込
む。これによって、積層厚さが局所的に大きい部分にお
いて、そのばらつきのある厚さを吸収し、接触性を向上
させる。エキスパンドメタルでアノード集電部又はカソ
ード集電部を構成した場合も同様である。

【００１４】一方、表面に凹凸を有する薄板を、インタ
ーコネクタとアノード集電部サポートとの間又はインタ
ーコネクタとカソード集電部サポートとの間に介装した
場合も同様に、その部分で隣接する要素に食い込み、そ
のばらつきのある厚さを吸収する。

【００１５】

【実施例】以下、本発明の実施例を説明する。図１は本
発明の第１の実施例を示す断面図であり、単電池１とカ
ソード集電板１０との断面を表している。カソード集電
板１０のカソード集電部サポート２１とインターコネク
タ６との間に酸化剤ガス流路が形成されている。この第
１の実施例は、カソード集電板１０のカソード集電部２
２とカソード集電部サポート２１とが独立した要素から
構成される場合であって、カソード集電部２２のカソー
ド集電部サポート２１側の表面に凹凸を設けたものを示
している。

【００１６】すなわち、カソード集電板サポート２１の
厚さにばらつきがある場合を示し、図１中の中央部分で
はカソード集電板サポート２１とカソード集電部２２と
は接触しているが、その左右では両者が接触していない
場合を示している。カソード集電部２２は、カソード集
電部サポート２１の厚さの偏差と同程度の高さｈの凹凸
を片面に有し、凹凸のある面が集電部サポート２１に面
している。

【００１７】各要素間の接触を保つために、燃料電池積
層体が上下から締付けられると、図１中の中央部分にお
いて、カソード集電部２２の凸部がカソード集電部サポ
ート２１をへこまし、両者の積層厚さが収縮し、左右の
部分においてカソード集電部サポート２１とカソード集
電部２２とが接触するようになる。つまり、カソード集
電部サポート２１は薄板で構成されているので、カソー
ド集電部２２の凸部と接触する部分は比較的容易にへこ
むことになる。

【００１８】図２は本発明の第２の実施例を示す断面図
である。第１の実施例と同様に、単電池１とカソード集
電板１０との断面を表しており、カソード集電板１０の
カソード集電部サポート２１とインターコネクタ６との
間に酸化剤ガス流路が形成されている。この第２の実施
例は、カソード集電板１０のカソード集電部２２とカソ
ード集電部サポート２１とが一体として構成される場合
であって、カソード集電部２２のカソード電極４側の表
面に凹凸を設けたものを示している。

【００１９】すなわち、単電池１の積層厚さ、特にカソ
ード電極４にばらつきがある場合を示し、図２中の中央
部分ではカソード電極４とカソード集電部２２とは接触
しているが、左右の部分では両者が接触していない場合
を示している。カソード集電部２２は、単電池１の厚さ
の偏差と同程度の高さｈの凹凸を片面に有し、凹凸のあ
る面がカソード電極４に面している。

【００２０】各要素間の接触を保つために、燃料電池積
層体が上下から締付けられると、図２中の中央部におい
て、カソード集電部２２の凸部がカソード電極４に食い
込み、単電池１とカソード集電部２２との積層厚さが収
縮し、左右の部分においてカソード電極４とカソード集
電部２２とが接触するようになる。つまり、カソード電
極は多孔質体で構成されているので、カソード集電部２
２の凸部と接触する部分が比較的容易にへこむことにな
る。

【００２１】図１に示した第１の実施例と図２に示した
第２の実施例とは、燃料電池積層体の各構成要素の厚さ
偏差を吸収するために、カソード集電板１０のカソード
集電部２２に凹凸を設けたものであり、カソード集電板
１０のカソード集電部２２とカソード集電部サポート２
１とが独立した要素で構成される場合と、一体として構
成される場合とを示している。独立した要素で構成され
る場合は、カソード集電部２２の上面及び下面のいずれ
の表面にも凹凸を設けることができるが、一体として構
成される場合は、カソード集電部２２の上面すなわち単
電池１側の表面に対してのみ凹凸を設けることができ
る。

【００２２】ここで、積層厚さのばらつきの吸収は、実
際には、燃料電池積層体の各構成要素に厚さの偏差をも
っているので、積層したもの全体の厚さの偏差を考慮す
る必要があるが、上述の第１の実施例及び第２の実施例
のように、積層厚さが大きい部分において、積層厚さの
ばらつきの吸収を行うので、燃料電池積層体全体の厚さ
の偏差もかなり吸収できる。

【００２３】すなわち、積層厚さが大きい部分であるカ
ソード集電板１０のカソード集電部２２がカソード集電
部サポート２１や単電池１のカソード電極４に食い込む
ことによって、かなりの積層厚さのばらつきの吸収でき
る。これら各構成要素は薄板構成であるので、比較的自
由に撓むことができ、積層したもの全体の厚さの偏差は
かなり吸収される。

【００２４】なお、カソード集電部２２の凹凸が図１及
び図２の紙面に垂直方向に連続である場合には接触部分
は線状に表れる。一方、凹凸が図１及び図２の紙面に垂
直方向に連続であり、かつ凹凸の波が図１及び図２の紙
面に垂直の方向にも同様に続いている場合には接触部分
は点状に現れ、接触する構成要素への食い込み易さの観
点からはその方が効果的である。

【００２５】以上のように、第１の実施例及び第２の実
施例によれば、積層厚さは全体にほぼ均一になり、積層
される各構成要素間の接触は良好に保たれるようにな
る。したがって、接触不良による電気抵抗が低減し、発
電電力の損失を小さくすることができ、溶融炭酸塩型燃
料電池の性能を向上させることができる。

【００２６】以上の第１の実施例及び第２の実施例で
は、カソード集電板１０のカソード集電部２２の表面に
凹凸を設けたものを示したが、アノード集電板９のアノ
ード集電部の表面に凹凸を設けたものであっても同様な
効果が得られることは、もちろんである。また、カソー
ド集電板のカソード集電部とアノード集電板のアノード
集電部の双方に凹凸を設けたものであってもよい。この
場合は、より積層厚さの偏差が吸収される。

【００２７】次に、本発明の第３の実施例を図３に示
す。カソード集電板１０のカソード集電部２２とカソー
ド集電部サポート２１とが独立して構成される場合であ
って、カソード集電部２２としてエキスパンドメタルを
用いたものである。

【００２８】このエキスパンドメタルを用いたカソード
集電部２２は、上面及び下面の両面に凹凸を有してお
り、燃料電池積層体の積層厚さのばらつきを吸収させる
のに効果的である。このカソード集電部２２の凹凸の高
さは材料の板厚、刻み幅、ピッチによって自由に選ぶこ
とができる。凹凸の高さを各構成要素の和から算出され
る積層厚さの偏差と同程度に設定して燃料電池に組み込
むと、カソード集電部２２の凸部がカソード電極４とカ
ソード集電部サポート２１との双方に食い込むことによ
り積層厚さのばらつきを吸収することができる。

【００２９】これにより、積層厚さは全体に均一になり
積層される各要素間の接触は良好に保たれる。したがっ
て、接触不良による電気抵抗が低減し、発電電力の損失
は小さくなり、溶融炭酸塩型燃料電池の性能を向上させ
ることができる。

【００３０】図４に、エキスパンドメタルを用いたカソ
ード集電部２２の斜視図を示す。この様な構成のエキス
パンドメタルは、ラス網とも呼ばれる。このカソード集
電部２２の厚さ方向のＡ部分での断面を図５に示す。図
４のそれぞれの部位ａ１〜ａ８は、図５のそれぞれの部
位ａ１〜ａ８に相当する。このカソード集電部２２の凹
凸の高さｈは、材料の板厚ｔ、刻み幅ｓ、ピッチｐによ
って決定される。したがって、これらを自由に選ぶこと
によって所望の凹凸の高さｈが得られる。

【００３１】図６は、エキスパンドメタルの成型の説明
図である。図６（ａ）は正面図、図６（ｂ）は図６
（ａ）のＢ−Ｂ線の断面図である。エキスパンドメタル
は薄板２５の切り曲げ加工によって成型される。下刃２
４を取付けたテーブルの上に薄板２５を搭載し、波形状
の上刃２６を下刃２４に沿って降ろす。そして、薄板２
５を剪断しながら波形状に曲げ延ばす。この場合、剪断
曲げ加工した部分全体が残りの材料から切り離されない
ように、一部つながりを残す。このように薄板２５の端
から一回剪断曲げした後、薄板２５を刻み幅ｓだけ前に
送り、上刃２６を波形の位相の半分だけ左右どちらかに
ずらして、再度剪断する。この操作を繰り返すことによ
りエキスパンドメタルは成型される。

【００３２】したがって、材料の送り幅を変えることに
より刻み幅ｓを変え、上刃２６の波形上を変えることに
よりピッチｐを変えることができる。つまり、これらを
自由に選ぶことによって、カソード集電部２２の凹凸高
さｈを自由に変えることが可能であり、積層電池の厚さ
のばらつきに合わせて適当な凹凸高さを設定することが
できる。

【００３３】また、このようにして成型したカソード集
電部２２の凹凸高さｈは、その成型製作後においてカソ
ード集電部２２を圧延することで調整することができ
る。図７は圧延を施したカソード集電部２２を示す断面
図である。このカソード集電部２２の凹凸高さｈ´は、
圧延を施す前の凹凸高さｈよりも小さくなる。このよう
に圧延により凹凸高さｈ´を調整して、各構成要素の和
から算出される積層高さの偏差と同程度に設定すると、
凸部の食い込みにより積層電池の厚さのばらつきを吸収
することができる。

【００３４】これにより、積層厚さは全体に均一になり
積層される各要素間の接触は良好に保たれる。つまり、
接触不良による電気抵抗が低減し、発電電力の損失を小
さなり、溶融炭酸塩形燃料電池の性能を向上させること
ができる。

【００３５】ここで、エキスパンドメタルからなるカソ
ード集電部２２は、次の条件が揃うとより効果的とな
る。すなわち、撓み易さ、かつ、炭酸塩に対する耐食性
から材料板厚は０．２ｍｍ乃至０．４ｍｍ、ガスの流通
から開口率４０％乃至６０％、吸収すべき積層高さの偏
差から刻み幅０．２ｍｍ乃至０．５ｍｍ、電極の支持強
度と集電部の食い込み易さとからピッチ１ｍｍ乃至３ｍ
ｍである。

【００３６】以上の第３の実施例では、カソード集電板
１０のカソード集電部２２として表面に凹凸を有したエ
キスパンドメタルを用いたものを示したが、アノード集
電板９のアノード集電部としてエキスパンドメタルを設
けたものであっても同様な効果が得られる。

【００３７】次に、図８に本発明の第４の実施例を示
す。この第４の実施例は、表面に凹凸を有する薄板２８
としてエキスパンドメタルをカソード集電部サポート２
１とインターコネクタ６との間に設けたものである。

【００３８】燃料電池積層体の各構成要素の厚さ偏差を
吸収するために設けられた表面に凹凸を有する薄板の設
置位置は、カソード電極４とカソード集電部サポート２
１又はアノード電極３とアノード集電部サポートとの間
に限られるものではない。すなわち、表面に凹凸を有す
る薄板２８がカソード集電部サポート２１とインターコ
ネクタ６との間にあっても同様な効果が得られる。

【００３９】第４の実施例では、凹凸を有する薄板２８
としてエキスパンドメタルをカソード集電部サポート２
１とインターコネクタ６の間に挟み、カソード集電部２
２は一様の厚さの多孔板を用いたものを示している。積
層厚さのばらつきの大きいところでは、エキスパンドメ
タルの凸部がインターコネクタ６あるいはカソード集電
部サポート２１を凹ませて高さが吸収され、全体に均一
な厚さになる。この場合、カソード集電部２２とカソー
ド集電部サポート２１は、カソード電極４を支持し、か
つ、ガス流路を確保できる一体型の集電板に換えても良
い。また、凹凸を有する薄板２８としてエキスパンドメ
タルを用いたものを示したが、図７に示すような圧延を
施したエキスパンドメタルを用いても良い。

【００４０】以上の第４の実施例では、カソード集電部
サポート２１とインターコネクタ６との間に、エキスパ
ンドメタルを設けたものを示したが、アノード集電部サ
ポート２１とインターコネクタ６との間に、エキスパン
ドメタルを設けたものであっても同様な効果が得られ
る。

【００４１】

【発明の効果】以上述べたように、本発明によれば、単
セルの積層厚さのばらつき程度の高さの凹凸を表面に有
する集電板を用い、凸部を電極、インターコネクタある
いは集電板サポートに食い込ませるようにしたので、積
層厚さのばらつきが局所的に大きい部分の厚さを吸収さ
せることができる。

【００４２】また、集電板あるいは集電板サポートとイ
ンターコネクタとの間に、凹凸を有する薄板を挟み、凸
部を集電板、集電板サポートあるいはインターコネクタ
に食い込ませることにより、積層厚さのばらつきが局所
的に大きい部分の厚さを吸収させることができる。

【００４３】したがって、燃料電池の積層厚さを全体に
均一にさせることができるので、電気接触抵抗を低減さ
せ、発電電力の損失を小さくすることができる。それに
より、溶融炭酸塩型燃料電池の性能を向上させることが
できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施例を示す断面図

【図２】本発明の第２の実施例を示す断面図

【図３】本発明の第３の実施例を示す断面図

【図４】本発明のエキスパンドメタルを用いたカソード
集電部の斜視図

【図５】図４のカソード集電部の厚さ方向のＡ部分での
断面図

【図６】本発明のエキスパンドメタルの成型の説明図

【図７】本発明のエキスパンドメタルを用いたカソード
集電部に圧延を施したカソード集電部を示す断面図

【図８】本発明の第４の実施例を示す断面図

【図９】溶融炭酸塩型燃料電池の構成を説明する分解斜
視図

【符号の説明】

１単電池２電解質マトリックス３アノード電極４カソード電極５セパレータ６インターコネクタ７アノードエッジ板８カソードエッジ板９アノード集電板１０カソード集電板１１燃料ガス１２酸化剤ガス１３マニホールドリング２１カソード集電部サポート２２カソード集電部２４下刃２５薄板２６上刃２８表面に凹凸を有する薄板

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】電解質マトリックスをアノード電極及び
カソード電極で挟んで形成された平板状の単電池と、こ
の単電池の前記アノード電極には燃料ガスを前記カソー
ド電極には酸化剤ガスを導く流路を形成すると共に隣り
合う前記単電池同士を電気的に接続するセパレータとを
交互に積層してなる溶融炭酸塩型燃料電池において、前
記セパレータは、前記アノード電極の電極面を支持する
アノード集電部と前記燃料ガスの流路を形成するアノー
ド集電部サポートとを有したアノード集電板と、前記カ
ソード電極の電極面を支持するカソード集電部と前記酸
化剤ガスの流路を形成するカソード集電部サポートとを
有したカソード集電板と、前記アノード集電板を収納し
周縁に前記燃料ガスを供給するためのマニホールドリン
グを有したアノードエッジ板と、前記カソード集電板を
収納し周縁に前記酸化剤ガスを供給するためのマニホー
ルドリングを有したカソードエッジ板と、前記アノード
エッジ板と前記カソードエッジ板との間に設けられ前記
燃料ガスと前記酸化剤ガスとを隔離するためのインター
コネクタとからなり、前記アノード集電部の表面又は前
記カソード集電部の表面の少なくともいずれか一方に凹
凸を設けたことを特徴とする溶融炭酸塩型燃料電池。
【請求項２】電解質マトリックスをアノード電極及び
カソード電極で挟んで形成された平板状の単電池と、こ
の単電池の前記アノード電極には燃料ガスを前記カソー
ド電極には酸化剤ガスを導く流路を形成すると共に隣り
合う前記単電池同士を電気的に接続するセパレータとを
交互に積層してなる溶融炭酸塩型燃料電池において、前
記セパレータは、前記アノード電極の電極面を支持する
アノード集電部と前記燃料ガスの流路を形成するアノー
ド集電部サポートとを有したアノード集電板と、前記カ
ソード電極の電極面を支持するカソード集電部と前記酸
化剤ガスの流路を形成するカソード集電部サポートとを
有したカソード集電板と、前記アノード集電板を収納し
周縁に前記燃料ガスを供給するためのマニホールドリン
グを有したアノードエッジ板と、前記カソード集電板を
収納し周縁に前記酸化剤ガスを供給するためのマニホー
ルドリングを有したカソードエッジ板と、前記アノード
エッジ板と前記カソードエッジ板との間に設けられ前記
燃料ガスと前記酸化剤ガスとを隔離するためのインター
コネクタとからなり、前記インターコネクタと前記アノ
ード集電部サポートとの間、又は前記インターコネクタ
と前記カソード集電部サポートとの間の少なくともいず
れか一方に、表面に凹凸を有する薄板を介装したことを
特徴とする溶融炭酸塩型燃料電池。
【請求項３】前記表面に凹凸を有する薄板はエキスパ
ンドメタルとしたことを特徴とする請求項２に記載の溶
融炭酸塩型燃料電池。
【請求項４】前記アノード集電板の前記アノード集電
部と前記アノード集電部サポートとを独立した要素と
し、また、前記カソード集電板の前記カソード集電部と
前記カソード集電部サポートとを独立した要素としたこ
とを特徴とする請求項１又乃至請求項３に記載の溶融炭
酸塩型燃料電池。
【請求項５】前記独立した要素である前記アノード集
電部の前記アノード集電部サポート側の表面、又は前記
独立した要素である前記カソード集電部の前記カソード
集電部サポート側の表面の少なくともいずれか一方に凹
凸を設けたことを特徴とする請求項４に記載の溶融炭酸
塩型燃料電池。
【請求項６】前記アノード集電部又は前記カソード集
電部はエキスパンドメタルで構成されたことを特徴とす
る請求項４に記載の溶融炭酸塩型燃料電池。
【請求項７】前記エキスパンドメタルは、金属板を剪
断曲げ加工した後に、圧延したものであることを特徴と
する請求項３又は請求項６に記載の溶融炭酸塩型燃料電
池。