JPH08148178A

JPH08148178A - 円筒形燃料電池

Info

Publication number: JPH08148178A
Application number: JP6290263A
Authority: JP
Inventors: Nobuyuki Arima; 信之在間; Atsushi Tsuru; 敦都留
Original assignee: IHI Corp
Current assignee: IHI Corp
Priority date: 1994-11-25
Filing date: 1994-11-25
Publication date: 1996-06-07
Anticipated expiration: 2019-07-28
Also published as: JP3546495B2

Abstract

(57)【要約】【目的】シール性能が優れており、セル間の短絡やマ
イグレーションが生じにくく、セパレータ面積に対する
反応面積の比率が高く、積層した各セルにほぼ均等にプ
ロセスガスを流すことができ、セルの積層許容範囲が広
く、極間差圧が小さい円筒形燃料電池を提供する。【構成】ドーナツ状セル１１と、各セルを間に挟持し
た複数の円形セパレータ１２とを備える。円形セパレー
タは、カソードガス用の中心マニホールド１５ａと、複
数のアノードガス用第１マニホールド１５ｂ及び第２マ
ニホールド１５ｃと、その間に両面に設けられアノード
ガスとカソードガスがそれぞれ片面を放射状に流れるよ
うになったドーナツ状の一対の反応部１６とを有する。
カソードガス６ａは円形セパレータの外側から円形セパ
レータ間の隙間をその表面に沿って各カソードまで供給
され、反応後のカソードガス６ｂは中心マニホールドか
ら外部に排出される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は燃料の有する化学エネル
ギーを電気エネルギーに直接変換する燃料電池に係わ
り、更に詳しくは、形状が円筒形の溶融炭酸塩型燃料電
池に関する。

【０００２】

【従来の技術】溶融炭酸塩型燃料電池（図７）は、薄い
平板状の電解質板ｔ（タイル）をアノードａ（燃料極）
とカソードｃ（空気極）の２枚の平板電極で挟んだセル
１で構成されている。しかし、単セルでは電圧が低い
（０．８Ｖ程度）ため、実用上は導電性のセパレータ２
（バイポーラプレート）を介し多数段に積層した燃料電
池３（スタック）として用いられる。

【０００３】電解質板ｔは、焼結したセラミック粉末か
らなり、その隙間に溶融炭酸塩を高温の溶融状態で保持
するようになっている。アノードａ及びカソードｃは、
それぞれ焼結した金属粉末であり、その間に電解質板ｔ
を挟持し、内部に溶融炭酸塩とガスとの界面を形成す
る。セパレータ２は、その上下面にガス流路を有し、そ
の間にセル１を挟持し、水素を含むアノードガスと酸素
を含むカソードガスをアノードａ及びカソードｃに沿っ
てそれぞれ流すようになっている。かかる燃料電池３を
例えば約６５０℃の高温に保持し、アノードａ及びカソ
ードｃに沿ってそれぞれアノードガスとカソードガスを
流すことにより、次の反応により電気が発電される。

【０００４】アノード反応Ｈ₂＋ＣＯ₃ ^2- →Ｈ₂Ｏ＋ＣＯ₂＋２ｅ．．．式カソード反応ＣＯ₂＋1/2 Ｏ₂＋２ｅ→ＣＯ₃ ^2-．．．式

【０００５】また、スタック内の各セルにプロセスガス
（アノードガス及びカソードガス）を供給する手段とし
て、図８に示すように、スタックの側面に外部マニホー
ルド４を押付けてこのマニホールドから各セル１にプロ
セスガスを供給する外部マニホールド方式（Ａ）と、セ
パレータ自体に垂直な内部マルホールド５を備え、この
マルホールドを介して各セル１にプロセスガスを供給す
る内部マルホールド方式（Ｂ）とが従来から提案され実
施されている。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】外部マニホールド方式
（Ａ）は、外部マニホールド４がスタックの側面に直接
接続されるため、スタック高さの変動（熱膨張や電解
質板の厚さ変化に起因する）やスタック側面の凹凸（多
数のセルの積層に起因する）により、シール性能が悪化
してガスが漏れやすく、かつ外部マニホールド４を介
してセル間の短絡やイオンが別のセルに移動するマイグ
レーションが生じやすい問題点があった。

【０００７】一方、内部マルホールド方式（Ｂ）は、ス
タックの高さ変化やスタック側面の凹凸の影響を受け
ず、シール性能が優れており、かつ各セルを直接連結す
る部材がないため、短絡やマイグレーションのおそれが
ないが、多数のセルを積層して高電圧の燃料電池（スタ
ック）を構成しようとすると、内部マニホールド５の
占める面積が増し、セパレータ面積に対する反応面積の
比率（面積効率）が低下し、かつ積層した各セルに流
れるプロセスガスの流量比率（縦流配）が悪化する問題
点があった。

【０００８】特に、アノードガスとカソードガスを平行
に流す平行流方式の燃料電池では、図９に模式的に示す
ように、反応部形状を長方形とし、相対する２辺の各々
にアノードマニホールド５ａとカソードマニホールド５
ｃを交互に配置する内部マニホールド構造が用いられる
ため、相対する２辺にマニホールド５ａ，５ｃが集中
し、マニホールド面積を十分確保できず、面積効率が悪
化し、所望の縦流配性能を確保できるセルの積層限界
が小さい（例えば約１００段程度）等の問題点があっ
た。更に、マニホールド面積を十分確保できないため
に、カソードガスの圧力損失がアノードガスに比較し
て大きくなり、アノード、カソード間の圧力差（極間差
圧）が大きくなってシール性能や電解質板の寿命を低下
させる問題点があった。

【０００９】本発明は上述した種々の問題点を解決する
ために創案されたものである。すなわち、本発明は、
シール性能が優れており、セル間の短絡やマイグレー
ションが生じにくく、かつ多数のセルを積層した場合で
も、セパレータ面積に対する反応面積の比率が高く、
積層した各セルにほぼ均等にプロセスガスを流すこと
ができ、縦流配性能を確保できるセルの積層許容範囲
が広く、極間差圧が小さい燃料電池を提供することに
ある。

【００１０】

【課題を解決するための手段】本発明によれば、電解質
板とこれを間に挟持したアノード及びカソードとからな
る複数のドーナツ状セルと、各セルを間に挟持した複数
の円形セパレータと、を備え、前記円形セパレータは、
中心に設けられたカソードガス用の中心マニホールド
と、該中心マニホールドのまわりに互いに間隔を隔てて
設けられた複数のアノードガス用第１マニホールドと、
セパレータの外周部に互いに間隔を隔てて設けられた複
数のアノードガス用第２マニホールドと、第１マニホー
ルドと第２マニホールドの間に両面に設けられアノード
ガスとカソードガスがそれぞれ片面を放射状に流れるよ
うになったドーナツ状の一対の反応部と、を有し、カソ
ードガスはセパレータの外側からセパレータ間の隙間を
その表面に沿って各カソードまで供給され、反応後のカ
ソードガスは中心マニホールドから外部に排出される、
ことを特徴とする円筒形燃料電池が提供される。

【００１１】本発明の好ましい実施例によれば、セル及
び円形セパレータを間隔を隔てて囲む容器を更に備え、
該容器を介して円形セパレータの外側からカソードガス
が供給される。

【００１２】前記円形セパレータは、アノードガスとカ
ソードガスを仕切るプレス成形した平板状の仕切板と、
該仕切板の両側に間隔を隔てて取り付けられた平板状の
マスクプレートと、からなり、前記マスクプレートはそ
れぞれ、前記中心マニホールド及び第１マニホールドを
有する中心マスク部と、第２マニホールドを有する外周
マスク部と、からなり、中心マスク部と外周マスク部と
の間に前記一対の反応部が構成され、該反応部にドーナ
ツ状のアノードとカソードが取り付けられる。

【００１３】また、前記円形セパレータ間には第１マニ
ホールド及び第２マニホールドを個別に囲む複数のドー
ナツ状シール板が挟持され、これにより円形セパレータ
の表面に沿って流れるカソードガスをアノードガスから
シールすることが好ましい。更に、前記セル及び円形セ
パレータを間に挟持するホルダーを備え、該ホルダーを
介してアノードガス及びカソードガスの給気及び／又は
排気が行われることが好ましい。

【００１４】

【作用】上記構成の本発明の円筒形燃料電池には、アノ
ードガス用の内部マニホールド（第１及び第２マニホー
ルド）は設けられているが、カソードガス用の内部マニ
ホールドは中心マニホールドが１つ設けられているだけ
であり、外周部にはカソードガス用の内部マニホールド
はないので、ガス量の多いカソードガス用の内部マニホ
ールドに要する面積を半減させることができ、セパレー
タ面積に対する反応面積の比率を高めることができる。

【００１５】また、カソードガスは、セパレータの外側
からセパレータ間の隙間をその表面に沿って各カソード
まで供給され、反応後のカソードガスは中心マニホール
ドから外部に排出されるので、燃料電池の外側（例えば
セル及びセパレータを囲む容器）をカソードガスの外部
マニホールドとして利用することができ、この外部マニ
ホールドを十分大きく設定することにより、多数のセル
を積層した場合でも、積層した各セルにほぼ均等にプロ
セスガスを流すことができ、縦流配性能を確保できるセ
ルの積層許容範囲を広くし、極間差圧を小さくすること
ができる。

【００１６】更に、円形セパレータ間にはアノードガス
用の第１マニホールド及び第２マニホールドを個別に囲
む複数のドーナツ状シール板が挟持され、これにより円
形セパレータの表面に沿って流れるカソードガスをアノ
ードガスからシールするので、従来の内部マニホールド
と同様にシール性能が優れており、かつセル側面に直接
接する外部マニホールド等がないため、セル間の短絡や
マイグレーションが生じるおそれがない。

【００１７】

【実施例】以下に本発明の好ましい実施例を図面を参照
して説明する。図１は、本発明による円筒形燃料電池の
全体斜視図であり、図２は図１の部分斜視図である。図
１及び図２において、本発明の円筒形燃料電池１０は、
電解質板ｔとこれを間に挟持したアノードａ及びカソー
ドｃとからなる複数のドーナツ状のセル１１と、各セル
１１を間に挟持した複数の円形セパレータ１２とを備え
ている。また、図に矢印で示すように、カソードガス６
ａは円形セパレータ１２の外側から円形セパレータ間の
隙間をその表面に沿って各カソードまで供給され、反応
後のカソードガス６ｂは中心に設けられたマニホールド
（後述する中心マニホールド）から燃料電池の外部に排
出されるようになっている。

【００１８】図１において、本発明の円筒形燃料電池１
０は、更にセル１１及び円形セパレータ１２を間隔を隔
てて囲む容器１３を備えている。この容器１３は、燃料
電池を格納する格納容器自体であってもよく、或いは格
納容器内に収納される別の容器であってもよい。この容
器１３を介して円形セパレータ１２の外側からカソード
ガス６ａを供給することにより、燃料電池の外側（例え
ば容器１３）をカソードガス６ａの外部マニホールドと
して利用することができ、この外部マニホールド６ａを
十分大きく設定することにより、多数のセルを積層した
場合でも、積層した各セルにほぼ均等にプロセスガスを
流すことができ、縦流配性能を確保できるセルの積層許
容範囲を広くし、極間差圧を小さくすることができる。

【００１９】更に、図１に示すように、本発明の円形燃
料電池１０は、セル１１及び円形セパレータ１２を間に
挟持するホルダー１４を備え、このホルダー１４の少な
くとも一方を介してアノードガス及びカソードガスの給
気及び／又は排気が行われるようになっている。かかる
構成により、容器１３をセル１１及び円形セパレータ１
２の外周面から間隔を隔てて囲むことができ、これによ
りセル側面に直接接する外部マニホールド等がないた
め、セル間の短絡やマイグレーションを本質的に回避す
ることができる。

【００２０】図３は、円形セパレータ１２の平面図であ
りカソードガスの流れを示しており、図４は、円形セパ
レータ内部の平面図でありアノードガスの流れを示して
いる。図３及び図４に示すように、円形セパレータ１２
は、中心に設けられたカソードガス用の中心マニホール
ド１５ａと、中心マニホールド１５ａのまわりに互いに
間隔を隔てて設けられた複数のアノードガス用第１マニ
ホールド１５ｂと、円形セパレータの外周部に互いに間
隔を隔てて設けられた複数のアノードガス用第２マニホ
ールド１５ｃと、第１マニホールド１５ｂと第２マニホ
ールド１５ｃの間に両面に設けられアノードガスとカソ
ードガスがそれぞれ片面を放射状に流れるようになった
ドーナツ状の一対の反応部１６とを有している。

【００２１】また、図３において、円形セパレータ１２
間には第１マニホールド１５ｂ及び第２マニホールド１
５ｃを個別に囲む複数のドーナツ状シール板１７が挟持
されており、これにより、円形セパレータ１２の表面に
沿って流れるカソードガス６ａ，６ｂを第１マニホール
ド１５ｂ及び第２マニホールド１５ｃを流れるアノード
ガス７ａ，７ｂ（図４）からシールし、アノードガス７
ａ，７ｂが円形セパレータ１２の隙間に漏れ出すのを防
止している。シール板１７には、高温においてシール性
を有する材料、例えばセラミックシールや電解質板を用
いることができる。かかる構成により、図３に示すよう
に、カソードガス６ａを円形セパレータ１２の外側から
円形セパレータ間の隙間をその表面に沿って各カソード
まで供給し、反応後のカソードガス６ｂを中心マニホー
ルド１５ａから外部に排出することができる。なお、上
述したカソード側の反応式から、カソード反応により
ガス量は減少するため、図３に示すように、カソードガ
スを外周部から中心マニホールド１５ａに流すのが好ま
しいが、本発明はこれに限定されず、逆方向に流しても
よい。

【００２２】図３及び図４に示すように、円形セパレー
タ１２は、アノードガスとカソードガスを仕切るプレス
成形した平板状の仕切板２１と、仕切板２１の両側に間
隔を隔てて取り付けられた平板状のマスクプレート２２
とからなる。また、マスクプレート２２はそれぞれ、中
心マニホールド１５ａ及び第１マニホールド１５ｂを有
する中心マスク部２２ａと、第２マニホールド１５ｃを
有する外周マスク部２２ｂとからなる。かかる構成によ
り、前記一対の反応部１６は中心マスク部２２ａと外周
マスク部２２ｂとの間の凹んだ部分に構成され、この反
応部１６にドーナツ状のアノードａとカソードｃがそれ
ぞれ取り付けられる。

【００２３】図４は、図３からセル１及びマスクプレー
ト２２を除去した状態を示しており、アノードａに供給
されるアノードガス７ａ，７ｂの流れを示している。こ
の図に示すように、第１マニホールド１５ｂからセパレ
ータのアノード側に流入したアノードガス７ａは、円形
セパレータ内を放射状に流れ、第２マニホールド１５ｃ
から外部に排出される。なお、アノード側の反応式か
ら、アノード反応によりガス量は増加するため、図４に
示すように、アノードガスを内側から外側に流すのが好
ましいが、本発明はこれに限定されず、逆方向に流して
もよい。

【００２４】図５は、図３のＡ−Ａ断面図であり、円形
セパレータ１２の反応部１６の構成を示している。この
図に示すように、仕切板２１の反応部は、波形にプレス
成形され、その上下面にアノードガス及びカソードガス
が放射状に流れる流路が形成されている。電解質板ｔと
これを間に挟持したアノードａ及びカソードｃとからな
る複数のドーナツ状セル１は、この仕切板２１の間に挟
持され、仕切板２１の上面を流れるアノードガスがアノ
ードａに供給され、下面を流れるカソードガスがカソー
ドｃに供給されて、式に示す電池反応により電気を
発電するようになっている。なお、この図で８は多孔板
（カレントコレクタ）であり、カソードｃを支持しかつ
発生した電気を図で上下方向に流す役割を果している。

【００２５】図６は、図３のＢ−Ｂ断面図であり、第２
マニホールド１５ｃまわりの構成を示している。図６で
（Ａ）は複数のセルと円形セパレータの積層状態、
（Ｂ）は単一のセルと円形セパレータであり、図中の矢
印は、実線がアノードガス、破線がカソードガスの流れ
を示している。また、図の右端に示すセル１は、ドーナ
ツ状セルの外縁部分である。

【００２６】この図に示すように、仕切板２１にはプレ
ス成形により多くの突起部２１ａ（エンボス）が成形さ
れ、この突起部２１ａにより仕切板２１の両側に流路が
確保されている。また、仕切板２１の外周部は、外周マ
スク部２２ｂ，２２ｂ′と接するように成形され、適当
な接合手段（例えば溶接）により気密に接合されてい
る。更に仕切板２１の第２マニホールド１５ｃの内縁部
分はカソード側の外周マスク部２２ｂ′と気密に接合さ
れている。図示しない第１マニホールド１５ｂまわりの
構成も同様である。かかる構成により、第１マニホール
ド１５ｂからセパレータのアノード側に流入し円形セパ
レータ内を放射状に流れたアノードガス７ｂを、第２マ
ニホールド１５ｃからホルダー１４を介して燃料電池の
外部に排出することができる。

【００２７】また、図６において、円形セパレータ１２
間には第２マニホールド１５ｃを個別に囲む複数のドー
ナツ状シール板１７が挟持されているため、円形セパレ
ータ１２の表面に沿って流れるカソードガス６ａ，６ｂ
を第１マニホールド１５ｂ及び第２マニホールド１５ｃ
を流れるアノードガス７ａ，７ｂからシールし、アノー
ドガス７ａ，７ｂが円形セパレータ１２の隙間に漏れ出
すのを防止することができる。更に、図に示すように外
周マスク部２２ｂ′の内端とセル１の外端との間にはカ
ソードガスが流入するための隙間が設けられており、こ
の隙間からセパレータ間に流入したカソードガス６ａを
カソードｃの図で上面側に供給することができる。

【００２８】上述したように、本発明の円筒形燃料電池
には、カソードガス用の内部マニホールドは中心マニホ
ールド１５ａが１つ設けられているだけであり、外周部
にはカソードガス用の内部マニホールドはないので、ガ
ス量の多いカソードガス用の内部マニホールドに要する
面積を半減させることができ、セパレータ面積に対する
反応面積の比率を高めることができる。

【００２９】また、カソードガス６ａは、円形セパレー
タ１２の外側からセパレータ間の隙間をその表面に沿っ
て各カソードｃまで供給され、反応後のカソードガス６
ｂは中心マニホールド１５ａから外部に排出されるの
で、燃料電池の外側をカソードガスの外部マニホールド
として利用することができ、この外部マニホールドを十
分大きく設定することにより、多数のセルを積層した場
合でも、積層した各セルにほぼ均等にプロセスガスを流
すことができ、縦流配性能を確保できるセルの積層許容
範囲を広くし、極間差圧を小さくすることができる。

【００３０】更に、円形セパレータ１２間には第１マニ
ホールド１５ｂ及び第２マニホールド１５ｃを個別に囲
む複数のドーナツ状シール板１７が挟持され、これによ
り円形セパレータ１２の表面に沿って流れるカソードガ
スをアノードガスからシールするので、従来の内部マニ
ホールドと同様にシール性能が優れており、かつセル側
面に直接接する外部マニホールド等がないため、セル間
の短絡やマイグレーションが生じるおそれがない。

【００３１】なお、本発明は上述した実施例に限定され
るものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々
に変更できることは勿論である。

【００３２】

【発明の効果】上述したように、本発明の円筒形燃料電
池は、シール性能が優れており、セル間の短絡やマ
イグレーションが生じにくく、かつ多数のセルを積層し
た場合でも、セパレータ面積に対する反応面積の比率
が高く、積層した各セルにほぼ均等にプロセスガスを
流すことができ、縦流配性能を確保できるセルの積層
許容範囲が広く、極間差圧が小さい、等の優れた効果
を有する。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による円筒形燃料電池の全体斜視図であ
る。

【図２】図１の部分斜視図である。

【図３】カソードガスの流れを示す円形セパレータの平
面図である。

【図４】アノードガスの流れを示す円形セパレータ内部
の平面図である。

【図５】図３のＡ−Ａ断面図である。

【図６】図３のＢ−Ｂ断面図である。

【図７】溶融炭酸塩型燃料電池の構成図である。

【図８】外部マニホールドと内部マニホールドの構成図
である。

【図９】平行流方式の燃料電池の平面図である。

【符号の説明】

ｔ電解質板（タイル）ａアノード（燃料極）ｃカソード（空気極）１単セル２セパレータ（バイポーラプレート）３燃料電池（スタック）４外部マニホールド５内部マニホールド５ａアノードマニホールド５ｃカソードマニホールド６ａ，６ｂカソードガス７ａ，７ｂアノードガス８多孔板（カレントコレクタ）１０円筒形燃料電池１１セル１２円形セパレータ１３容器１４ホルダー１５ａ中心マニホールド１５ｂ第１マニホールド１５ｃ第２マニホールド１６反応部１７シール板２１仕切板２２マスクプレート２２ａ中心マスク部２２ｂ外周マスク部

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】電解質板とこれを間に挟持したアノード
及びカソードとからなる複数のドーナツ状セルと、各セ
ルを間に挟持した複数の円形セパレータと、を備え、前記円形セパレータは、中心に設けられたカソードガス
用の中心マニホールドと、該中心マニホールドのまわり
に互いに間隔を隔てて設けられた複数のアノードガス用
第１マニホールドと、円形セパレータの外周部に互いに
間隔を隔てて設けられた複数のアノードガス用第２マニ
ホールドと、第１マニホールドと第２マニホールドの間
に両面に設けられアノードガスとカソードガスがそれぞ
れ片面を放射状に流れるようになったドーナツ状の一対
の反応部と、を有し、カソードガスは円形セパレータの外側から円形セパレー
タ間の隙間をその表面に沿って各カソードまで供給さ
れ、反応後のカソードガスは中心マニホールドから外部
に排出される、ことを特徴とする円筒形燃料電池。
【請求項２】セル及び円形セパレータを間隔を隔てて
囲む容器を更に備え、該容器を介して円形セパレータの
外側からカソードガスが供給される、ことを特徴とする
請求項１に記載の円筒形燃料電池。
【請求項３】前記円形セパレータは、アノードガスと
カソードガスを仕切るプレス成形した平板状の仕切板
と、該仕切板の両側に間隔を隔てて取り付けられた平板
状のマスクプレートと、からなり、前記マスクプレートはそれぞれ、前記中心マニホールド
及び第１マニホールドを有する中心マスク部と、第２マ
ニホールドを有する外周マスク部と、からなり、中心マスク部と外周マスク部との間に前記一対の反応部
が構成され、該反応部にドーナツ状のアノードとカソー
ドが取り付けられる、ことを特徴とする請求項１に記載
の円筒形燃料電池。
【請求項４】前記円形セパレータ間には第１マニホー
ルド及び第２マニホールドを個別に囲む複数のドーナツ
状シール板が挟持され、これにより円形セパレータの表
面に沿って流れるカソードガスをアノードガスからシー
ルする、ことを特徴とする請求項１に記載の円筒形燃料
電池。
【請求項５】前記セル及び円形セパレータを間に挟持
するホルダーを更に備え、該ホルダーを介してアノード
ガス及びカソードガスの給気及び／又は排気が行われ
る、ことを特徴とする請求項１に記載の円筒形燃料電
池。