JPH09180742A - 燃料電池 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 燃料電池積層体の組立時に芯合せを必要とす
る接合個所を少なくして製作上の困難さを解消するこ
と。 【解決手段】 電解質マトリックス１をアノード２、カ
ソード３両電極を挟んで構成した板状の単電池４と、ガ
ス不透過性のインターコネクタ９の両面にそれぞれエッ
ジ板７，８を層着したセパレータ１０とを交互に積層す
るとともに、上記セパレータ１０の周縁部にセパレータ
を貫通する孔を設けて燃料ガスと酸化剤ガスをそれぞれ
独立に給排する内部マニホールドを設けた燃料電池にお
いて、単電池４を挟んで向き合う両エッジ板７，８を接
続するマニホールドリングをガラスと繊維との混合物か
らなるシール剤によって構成した。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、燃料電池に係り特
に溶融炭酸塩型燃料電池の内部マニホールド部の改良に
関する。

【０００２】

【従来の技術】燃料電池は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発電方式であり、この反応
を行わせるには、電解質マトリックスをアノード、カソ
ード両電極で挟んだ単電池の両電極上に、燃料ガスと酸
化剤ガスとをそれぞれ継続して供給しなければならな
い。その用途に用いられるのがセパレータであり、通
常、ガス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で挟んでそれぞれのガス流路を形成
している。そして、上記燃料電池は一般に上記セパレー
タと単電池とを交互に積層することにより構成されてい
る。

【０００３】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よばれ、電解質マトリックス
に炭酸塩が含浸されている。

【０００４】図３は、上記溶融炭酸塩型燃料電池の構造
の一例を示す図であり、板状の電解質マトリックス１と
その両面に密着して配置される板状のアノード２及びカ
ソード３とによって単電池４が構成されており、その単
電池４のアノード２の外面にはアノード集電板５が積層
され、カソード３の外面にはカソード集電板６が積層さ
れている。一方、上記カソード３の外周を取囲むように
したカソードエッジ板７、及びアノード２の外周を取囲
むようにしたアノードエッジ板８との間にインターコネ
クタ９を介在させることによってセパレータ１０が形成
されており、それぞれ集電板５，６を層着した単電池４
と上記セパレータ１０が順次交互に複数個積層されてい
る。

【０００５】上記アノード集電板５及びカソード集電板
６は、エッジ板に囲まれるように配設され、電極に密着
して電極面を面で支持し単電池上で生じた電気を面内均
一に集電する機能とともに、ガス流路を確保する機能を
有している。また、集電板が電極面を支持・集電する機
能とガス流路を確保する機能との２つの独立した要素か
らなる場合には、電極面を支持する要素を集電板と呼
び、ガス流路を確保する要素が集電板サポートと呼ばれ
る。そこで、本発明中集電板は集電板サポートを含むも
のとする。

【０００６】図３は、単電池およびセパレータ各１個分
を重ねた単セルを示すが、電池積層体はこの単電池を繰
り返し積層して構成され、インターコネクタ９は積層の
前に予め両エッジ板７，８と周縁部を接合することによ
り一体構成としてある。

【０００７】単電池２つを重ねた断面を図４に示す。と
ころで、前述のように一体に構成されたセパレータ１０
はその直上の単電池に供給される酸化剤ガスの流路とそ
のすぐ下の単電池に供給される燃料ガスの流路とを有し
ている。

【０００８】電池反応部分の周囲にはガス給排用のマニ
ホールドが設けられている。図３の例はマニホールドが
セパレータの内部に設けられた内部マニホールド型の溶
融炭酸塩型燃料電池であり、単電池４を挟んで向き合う
両エッジ板７，８が電気絶縁性のマニホールド絶縁リン
グ１１により接続される。

【０００９】溶融炭酸塩型燃料電池においては、電解質
マトリックス１は金属酸化物の粒子からなる多孔質構造
を有する骨格の隙間に炭酸塩が満たされたものである。
炭酸塩は常温では固体であるが、発電運転温度の６５０
℃の温度においては溶融状態となる。また、アノード２
及びカソード３は金属或は金属酸化物の多孔質体であ
り、炭酸塩はアノードとカソードとの気孔の隙間にも一
部満たされる。

【００１０】この燃料電池は６５０℃前後の温度で運転
され、運転時には、アノード及びカソードにそれぞれ供
給された燃料ガス及び酸化剤ガスが溶融した炭酸塩と両
電極との界面で電気化学反応を生じ、起電力を生じる。

【００１１】図５は、内部マニホールド型の溶融炭酸塩
型燃料電池のマニホールドにおける燃料ガス入口部を示
す図であって、上記マニホールド１４部においては各セ
パレータ１０間すなわちアノードエッジ板８とそれに隣
接するカソードエッジ板７間にはマニホールド１４内と
外部とを遮断するマニホールドリング１５が介装されて
おり、各セパレータ１０におけるインターコネクタ９と
アノードエッジ板８間にはスペーサ１６が介装されてい
る。

【００１２】しかして、ベローズ１７により供給された
燃料ガスは、上記マニホールド１４に供給され、上記ス
ペーサ１６を介してインターコネクタ９とアノードエッ
ジ板８間に形成された各燃料ガス通路１７に供給され
る。

【００１３】

【発明が解決しようとする課題】ところで上記マニホー
ルドリング１５は、電気絶縁性のマニホールド絶縁リン
グ１８と金属製の内部リング１９と外部リング２０をロ
ウ付けによって一体に接合したものであり、２個所のマ
ニホールドロウ付け部ａが形成されている。一方、上記
マニホールドリング１５はその外部リング２０がアノー
ドエッジ板８に溶接によって接合され、内部リング１９
はカソードエッジ板７及びインターコネクタ９とともに
マニホールド用開口部の内周を揃えて溶接されており、
さらに、カソードエッジ板７、アノードエッジ板８及び
インターコネクタ９は各外周を揃えて溶接されている。

【００１４】しかして、このマニホールド部において
は、マニホールド絶縁リング１８に内部リング１９及び
外部リング２０を接合する１種類のロー付け接合部と、
マニホールドリング１５の外部リング２０をアノードエ
ッジ板８に溶接するマニホールド溶接部ｂ、セパレータ
外周溶接部ｃ及びセパレータ積層溶接部ｄの３種類の溶
接接合部がある。

【００１５】したがって、このようなものにおいては、
特にマニホールドリングの溶接部等の芯合せが大変であ
り、その調整が困難であり、しかも溶接個所が多く製作
上のネックになる等の問題があった。

【００１６】本発明はこのような点に鑑み、芯合わせを
必要とする接合個所を少なくして製作上の困難さを解消
し、かつ設計的に多少芯が合っていなくとも組立が出来
るようにした燃料電池を得ることを目的とする。

【００１７】

【課題を解決するための手段】本発明は、電解質マトリ
ックスをアノード、カソード両電極を挟んで構成した板
状の単電池と、ガス不透過性のインターコネクタの両面
にそれぞれエッジ板を装着したセパレータとを交互に積
層するとともに、上記セパレータの周縁部にセパレータ
を貫通する孔を設けて燃料ガスと酸化剤ガスをそれぞれ
独立に給排する内部マニホールドを設けた燃料電池にお
いて、単電池を挟んで向き合う両エッジ板を接続するマ
ニホールドリングをガラスと繊維との混合物からなるシ
ール材によって構成したことを特徴とする。

【００１８】

【発明の実施の形態】以下、図１及び図２を参照して本
発明の実施の形態について説明する。なお、図中図５と
同一部分には同一符号を付しその詳細な説明は省略す
る。

【００１９】図１は溶融炭酸塩型燃料電池のマニホール
ド部における燃料ガス入口部の断面図であって、マニホ
ールド１４の一端にはマニホールドリング１５を介して
燃料ガス供給用のベローズ１７が接続されており、各セ
パレータ１０におけるインターコネクタ９とアノードエ
ッジ板８間にはマニホールド１４用開口の外周に沿って
スペーサ１６が介装されており、上記インターコネクタ
９とアノードエッジ板８間に形成される燃料ガス通路１
７とマニホールド１４が連通されている。

【００２０】一方、各単電池を挟んで配設されているセ
パレータにおける互いに対向するエッジ板すなわち一つ
のセパレータのカソードエッジ板７及びこれに隣接する
セパレータのアノードエッジ板８間には、マニホールド
１４の外周部に、電気的絶縁性とガスシール性を兼備し
た機能を有するリング状のシール材２１が介装されてい
る。

【００２１】上記シール材２１としては以下の２機能を
有していなければならない。すなわち、電気的な絶縁性
能を有すること、及び燃料ガス或は酸化剤ガスと雰囲気
ガスをシールし得ることの２機能を有していることが必
要である。

【００２２】そこで、先ず高温で使用できるシール材と
して数種類選定し、溶融炭酸塩型燃料電池の単電池試験
を６８０℃で１０日間実施し、更に常温までの熱サイク
ルを４回かけ、その上でガスリーク試験を実施した。そ
の試験の結果、ガスシール性の観点からガラスを用いる
のが良いことが判った。しかし実際の使用温度では、ガ
ラス単独では流れ出すことが判明したため、ガラスの流
出を抑制するためその中に強化物質を添加することにし
た。その材質としては繊維が適することが判り、さらに
ガラス、繊維を組み合わせた状態で選定試験と同様に実
施した。その結果、ガラスとしては珪酸系ガラス或はホ
ウ酸系ガラスが良く、繊維としてはアルミナシリカ繊維
或はジルコニア繊維が良いことが判明した。

【００２３】そこで、本発明におけるシール材２１とし
ては、珪酸系ガラスとアルミナシリカ繊維よりなる混合
物が使用されている。

【００２４】そして、前述の単電池試験（６８０℃で１
０日間、常温までの熱サイクル４回）後にガスリーク試
験を実施したところ、燃料ガス側のリーク量は、燃料ガ
ス流量の０．１％以下で全然問題がなかった。同様に酸
化剤ガスのリーク量も全然問題なかった。

【００２５】したがって、珪酸系ガラスとアルミナシリ
カ繊維よりなるシール材は溶融炭酸塩型燃料電池の運転
雰囲気で問題はない。

【００２６】しかも、従来のマニホールドリングの代り
に上記シール材２１を使用するので、マニホールドリン
グとエッジ板との溶接或はマニホールド絶縁リングと内
外部リングとの接合等が不要となり、従来より接合部を
減らすことができ、従来生じていた積層時の芯合わせの
問題が減少し、組立が簡単かつ短時間で済ますことがで
きる。

【００２７】燃料電池の端部とベローズ１７との間には
相変らずマニホールドリング１５があるが、この個所で
は芯合せの問題はなく、また、セパレータ内周溶接はセ
パレータ外周溶接と同じタイミングででき、かつ２層溶
接となるので芯合わせも比較的簡単となる。

【００２８】図２は本発明の他の実施の形態を示す図で
あり、カソードエッジ板７及びアノードエッジ板８に
は、それぞれ隣接するセパレータ５におけるアノードエ
ッジ板及びカソードエッジ板との対向面に、上記シール
材２１が係合するシール材用環状溝２２が設けられてお
り、その環状溝２２にシール材２１の端部が係合されて
いる。

【００２９】したがって、この場合にはシール材２１の
位置合わせを容易に行うことができ、組立を簡単化する
ことができる。

【００３０】また、上記実施の形態においては、珪酸系
ガラス及びアルミナシリカ繊維を使用したものを示した
が、それらの代りにホウ酸系ガラス及びジルコニア繊維
を使用しても同様な効果を期待することができる。さら
に燃料ガス入口部について説明したが、酸化剤ガス入口
部についても同様に構成されていることは勿論である。

【００３１】

【発明の効果】以上説明したように、本発明においては
従来のマニホールドリングの代りにガラスと繊維との混
合体からなるシール材を使用するようにしたので、従来
の溶接等を必要とする接合部を減少させることができ、
積層時における芯合わせの問題が減少し、組立を簡単か
つ短時間で行うことができる等の効果を奏する。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明における燃料電池のマニホールド部の燃
料ガス入口部の断面図。

【図２】本発明の他の実施の形態を示す図。

【図３】従来の溶融炭酸塩型燃料電池の分解斜視図。

【図４】従来の溶融炭酸塩型燃料電池の断面部分図。

【図５】従来の溶融炭酸塩型燃料電池の内部マニホール
ドの説明図。

【符号の説明】

１ 電解質マトリックス ２ アノード ３ カソード ４ 単電池 ５ アノード集電板 ６ カソード集電板 ７ カソードエッジ板 ８ アノードエッジ板 ９ インターコネクター １０ セパレータ １４ マニホールド １５ マニホールドリング １６ スペーサ ２１ シール材 ２２ 環状溝

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】電解質マトリックスをアノード、カソード
   両電極を挟んで構成した板状の単電池と、ガス不透過性
   のインターコネクタの両面にそれぞれエッジ板を装着し
   たセパレータとを交互に積層するとともに、上記セパレ
   ータの周縁部にセパレータを貫通する孔を設けて燃料ガ
   スと酸化剤ガスをそれぞれ独立に給排する内部マニホー
   ルドを設けた燃料電池において、単電池を挟んで向き合
   う両エッジ板を接続するマニホールドリングをガラスと
   繊維との混合物からなるシール材によって構成したこと
   を特徴とする燃料電池。
2. 【請求項２】両エッジ板の少なくとも一方には環状の溝
   が形成され、その溝にシール材の一端が係合されている
   ことを特徴とする、請求項１記載の燃料電池。
3. 【請求項３】シール材のガラスは珪酸ガラス或はホウ酸
   系ガラスのいずれか一方、或はその混合物であることを
   特徴とする請求項１また２記載の燃料電池。
4. 【請求項４】シール材の繊維は、アルミナシリカ繊維或
   はジルコニア繊維のいずれか一方、或はその混合物であ
   ることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の
   燃料電池。