JPS6020474A - 高温形燃料電池の締付構造 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の１・−４する技術分’４１ｆ　）この発明は、
触媒層に反応ガスを供給するガス通路を４ｉｆ＆えたセ
ル板と浴融塩を担持したマトリックスまたは固体からな
る板状の直ｒｌＪ７ｉ　Ｊｔｊｊ層とが交互に積層され
、締付手段により積層方向に締イづけられてなる積層体
としてなり、Ｎｅ、　ｘ’／？Ｊバ休のセル体周辺部に
て前記電解五層が挾持され、前記ガス通路がセル板と電
解質層との相互積層面の周辺部においてシールされるよ
うｌこした高温形態ネ１亀池の締付構造に関ｒる。

〔従来技術とその問題点〕

高温形燃料電池は、溶融塩を担持したマトリックスまた
は固体からなる板状の電解五層を挾んでガス拡散性を有
する要素体をアノードＪ６よびカソードとして配設し、
前記電極に反応ガスを供給する通路となる溝をもつセル
板をアノードおよびカソードにそれぞれ接触させて単位
電池とし、これらを積層して積層体とし、かつ前記電解
ノ岐層は積層体の各セル板の周辺部で挾持され、反応ガ
スの通路がセル板と電解質層との相互積層面の周辺部に
てシールされ、積層体内の反応ガスが外部に漏洩しない
ようにしている。燃料電池は反応ガスを積層体の１１１
面より供給し、単位電池を高温の状態において電気化学
反応を行なわせて電気を発生させるものであり、まず高
温形燃料電池について図面を用いて説明する。

第１図は上記高温形燃料′−池の単位電池のｋ（成の一
例を示す断面斜視図である。第１図において、符号１は
溶融炭酸塩電解質層であり、例んば溶融炭酸塩として炭
酸カリウムと炭酸リウムを混合した炭酸塩を使用し、前
記炭酸塩はリチウムアルミネートの微粉末に相持され固
められている。片部では固体であるため電解質タイルと
呼ばれるが、約５００υ以上では炭酸塩は液体きなる。

すなわち燃料電池の運転中は炭酸塩電解質は液状になっ
ている。

溶融炭酸塩電解質層１を挾んでアノード２およびカソー
ド３が配設されている。アノード２およびカソード３は
多孔質のニッケルまたはニッケル−合金で構成され、燃
料電池の運転温度が高いため、反応ガスとの電気化学反
応が起こりやすく、電極には貴金属のような触媒が不要
である。アノード２およびカソード３はセル板４の溝４
ａに嵌めこまれ、それぞれの面はセル板の周辺部と面一
となっている。セル板４は導電性をもつが、ガス不拡散
の材料１例えばステンレス等が使用され、セル板４のア
ノード２に接する面には矢印Ａ、Ｂ方向に複数列の溝４
ｂが設けられ、反応ガスとしての燃料ガスの通路を構成
している。なぢ、アノード２とセル板４は溝を構成する
凸部４Ｃと密着して保持されている。セル板４の上記の
反対側の面には、燃料ガスの通路の方向とは直角方向の
矢印Ｃ２Ｄ方向に複数列の溝４ｄが設けられ、反応ガス
としての酸化ガスの通路を構成している。なお、カソー
ド３もアノード２／！：同様に溝を構成する凸部４ｅｊ
こ密着している。

さて燃料ガスとして水素または一酸化炭素を入口管５よ
り送りこみ、溝４ｂを通過させて、アノード２に供給し
図示されてない出口管より排気する。−１醒化ガスとし
て酸素と炭酸ガスを入口管６より送りこみ、溝４ｄを通
過させて、カソード３１こ供給し、図示されていない出
口管」り排気させ、高温の雰囲気中にて電気化学反応を
起こして電気を発生させ、導電性のセル板４より外部に
電気をとりだす。

第２図は上記単位電池を積層した燃料電池の正面図であ
る。第２図において溶融炭酸塩電解質層ｌと、これを挾
持するアノードおよびカソードを有するセル板４をＨＡ
層して積層体８を構成するが、積層体の端面である最上
部、および最下部のセル板４１．４ｍのそれぞれの上面
および下面は反応中 ガスの通路のない平担な面４ｆなっている。また燃料ガ
スは図示されてないマニホールドより入口管５を通して
積層体内に供給され、入口側と対向する面より図示され
ていない出口Ｗおよびマニホールドを通して排気される
。一方醒化ガスは図示されてないマニホールドより入口
管６を通して積層体内に供給され、出口管６ａを通り、
図示されてないマニホールドにより集められて排気され
る。

さて、前記積絹体８は従来技術ではセル板４１゜４１１
］の平担な而４ｆに電気絶縁板７を介して締付手段きし
ての上下の押え板１０　、　ＩＯａにより抑えられ、数
箇所でボルト９オ；よびナツト１１により締付けられて
電５蓚（！：電解質タイル、電解質タイルとセル板との
密着がはかられ、この状態で高温雰囲気の中で燃料電池
の運転が行なわれるのが通常である。しかし、この方法
では電池積層体８が小型の局舎にはそれほど問題はない
が、中型や大型になると、締付ボルト９によって積層体
８を均一な力で締付けても周辺部のみが締付けられ、中
央部には充分な締付力が伝わらない。このように締伺力
に偏りがある乏アノード２およびカソード３と電解質タ
イル１との密着性ｌこむらができ、電気化学反応が′ｍ
解質タイル１の全面で起こらずに局部的に起り、発電効
率が低下する。さらに、セル板４とアノード２およびカ
ソード３との接触抵抗が大きくなり、そのｌｐｊ果燃料
電池の内部抵抗が増大し、電池特性が低下する。

また電解質タイル１はセル板４の周辺部で挾持されてお
り、溶融炭酸塩を電解質とした本例では燃料電池の高温
の運転溝にて電解質タイルの電解質が溶融したときに、
上下のセル板とこれに挟持された電解質層は溶融した電
解ｎによりシール効果が得られ、気密を保ち、燃料電池
内の反応カスが外部に漏洩するのを防止するが、締付力
に偏りがあると、前記？Ｆ；　解”冴によるシール効果
が十分得られないところができ、反応ガスが外部にｒ斥
洩し。

発電効率の低下および燃料ガスが水素の場合は爆発等の
危険が生じる。

上述の問題を解決するためにＣ１なるべく強いノＪで締
伺けることも考えられるが、給付力が強ずぎる々電解質
タイルが割れたり、該燃料電池が高温で運転されるため
電池部相の変形が大きくなり、その機能を果さなくなる
。従って最適の力で、均一に締付ける心安がある。しか
し、従来技術の第２図に示される構造ζこおいて、ボル
ト９を締付ける場合、ナツト１１の締付トルクを測定し
ながら等分の力がかかるように配慮されるが、ボルトの
ねじ部のＭ擦抵抗がボルトによって必ずしも同じでない
ため、締付トルクが同じても均一な締付力が得られない
きいう欠点がある。

〔発明の目的〕

この発明は前述したような欠点に鑑み、高温形燃料電池
において単位電池を積層した積層体に６００〜７００℃
程度の高温の運転温度および長時間の運転期間において
、均一な締付力が与られる高温形燃料電池の締付構造を
提供することを目的とする。

〔発明の要旨〕

溶融塩を担持したマドｖツクス右よび固体を板状の電解
質層とし、これをアノードとカソードの間に介装し、反
応ガスの通路となるｍをもつセル板でアノードとカソー
ドおよび電解質層の周辺部を挾持して、これらが積層体
となっている高温形燃料電池において、積層体の端面で
あるセル板上面上締付手段としての押え板との相互接触
面が前記セル板上面の中心部の一箇所となるように、セ
ル板上面と押え板とのいづれか一方に凸面として曲面を
、他方に凹面として前記凸曲面Ｏ）半径より大きい曲面
座を設けて接触するようにし、かつこの接触面の少なく
さも一方の面はセラミックス材、例えばアルミナ等から
なるか、またはセラミックスで被覆し、押え板を締付手
段９例えばボルト等により前記接触面を介して締付け、
高温、長時間の高温形燃料電池の運転において、燃料電
池の積層体に均一な締付力を与えるようにしたものであ
る。

締付手段と押え板の中心を凸曲面と該凸曲面より径の大
きな凹曲面で対応させたことにより、例えば高温でタイ
ルの電解質が溶融しボルトによる締付は力にわずかな不
均一さが生じても、基本的には接触面は一点であるから
常Ｉこ均一な締付力を与えることができる。

〔発明の実施例〕

以下図面に基づいて詳細に説明する。第３図以降は本発
明の実施例を示した図であり、第１図。

第２図と同じ部分には同一符号が付けられる。第３図は
本発明による積層体の端面である最上部セル板と締付手
段としての押え板が凸曲面として球を介して接触するこ
とによる′Ｆ！　ｈｆｉｉ例であり、第４図Ｃ′ｉ第３
図？ζおけるＸ−Ｘ断面を示す図である。

第３図において符号８は高温形燃料電池の積層体であり
、９化ガスが入口１３ｂよりマニホールド１３に入り、
管路６を辿して積層体８の単位電池にｖＩ′給され、管
路６ａを通してマニホールド１３ａに集められ、出口管
１３Ｃより排気される。一方燃刺ガスは酸化ガスの流れ
とは直角の方向に流れ、入口管、１２ｂよりマニホール
ド１２に入り、第４図に示される管路５を通して積層体
８の単位電池に供給さＡ１、管路５ａを通してマニホー
ルド１２ａに集められ、出口管１２Ｃより排気され、燃
料電池は高温雰囲気中１例えば加熱炉中で運転される。

さて、積層体８の本発明の実施例による締付４１１造を
説明する。積層体８の端面である最上部のセル板４１の
上面に接触面として凹面の球面Ｐｈ４ｈがセル板４１の
上面中心部に設けられ、球面座４ｈの半径より小さい球
１４は締付手段としての押え板１０に嵌めこまれて、前
記球面座４ｈに接触し、押え板１０にボルト９を通し、
ナツト１１により適切な給付トルクで続（”Ｊりること
により、各ボルトの締４＝Ｊ力はセル板４ｔ０）中心部
ｌこある球１４を介することにより集中力となり積層体
端面の中心部におりる点荷重となって積層体８を締付け
る。

また名ボルトの若干の不均一な締付力は前記点荷重が接
触面上の点で荷重されているため、球が４つずかｌ（１
回転して、ねぢり２曲げ等の力か解消され、垂直力とわ
ずかな水平力だ幻になる。垂簡力は均一な給料力を積層
体８の栄位電池、に伝え、電解質層と歩極さの密着およ
びセル板周辺部と電解質層との密着を均一に保つ。なお
、イ）ずかな水平力は各ＩＦｊ、　（ｉｋ　ｉ　ｌ’Ｌ
’２部材の摩擦力ｌこよって支えられるが、電池部相の
密着性や燃料電池の接触抵抗の増大には悪影響を力えな
い。また、ｋｌｒ　（１力を伝達する接触面の少なくさ
も一方はアルミナ、窒化珪素、ジルコニア、コージライ
トのようなセラミックス材からなっており、例え１才球
１４はセラミックス利からなるか、または球面座４ｈは
セラミックスで被覆される。

さて、高温形燃料電池１例えば溶融炭酸塩形燃料電池は
６００〜７００℃程度の高温度、　１０，０００時間程
度以上の運転時間の運転が行なわれるが、給付力を伝達
する球１４と球面座４ｈとの接触部は極く微小な面積で
あるため、高いヘルツ応力が発生す−るが、本発明によ
れば、この接触面の少なくとも一方ζζ、前述のような
セラミックス材を使用することｌこより、高温および長
時間ｔこ対する高温強度が良好となり、塑性変形が少な
くなり、才た焼付を生ぜず、不均一な力による球のわず
かな回転が可能となり、ねじりや曲りは解放され、電池
積層体８に均一な給料力を与えることができる。発明者
の経験ｌこよれば電池の有効面積１００ｔ−のものに、
セラミックス利としてアルミナ製の直径２０調の球を使
用して締付け、良好な結果を得ている。

なお、上述では球および球面座のいづれか一方にセラミ
ックス相ヲ使用しているが、その両方にセラミックス材
を使用すればさらＩこ効果があがる。

またセラミックス材は電気絶縁性があるので導電性のセ
ル板との間に電気絶縁板を挿入する必要はない。但し、
債１俗体端面の最下部の押え板１０ａ、：セル板４との
間には電気絶縁板７が介装される。

なお、上述では最上部のセル板の上面に凹面々し凸 ての球面座を設け、押え板に７面々しての球を嵌めこん
であるが、特に押え板で球を嵌めこむ必要はなく、押え
′＆１こセル板同様凹面々しての球面座を設け、押え板
とセル板々の間Ｉこ球を回転自在に介在させてもよい。

第５図（才本発明１こよる異なる実施例を示したもので
ある、第５図において、高温形燃料電池は加熱炉１６の
中ｌこ収納され、ｒ＋Ｔ層体８の締付は炉外で行なわれ
る。締付力の伝達部の球面座４ｈおよび球１４の構成は
前述とＩＭＪじである。球１４は締付手段古しての押え
棒１５の先端にＩＯＪめ込まれ、押え搾１５には加圧装
置１６２例えばコイル式スプリング、空気圧シリンダ、
油圧シリンダ等（ζ接続され、加熱炉１６を貫通して炉
外に出され、支持板２０／ことりつけられている。支持
板２０は加熱炉１６を貫通して炉外に出ているボルト９
により保持される。本実施例では締付力は炉外の加圧装
置］６により行なわれるため、加工力は自由に調整でき
る利点があり、高温廁燃料電池が炉内で高温ｌこ運転さ
れ、熱膨張等Ｉこより加圧力が変化した場合でも、適切
な加圧力を外部から加えるこ々ができる。また加圧装置
１６　ｃ！：球１４との距離が溝造上長くなるが、加圧
力の伝達部が球面座と球出からなっているため前；アａ
　（！：同じ理由により均−Ｉこ締付１ｊることかでき
る。

第６図は締（−１カの伝達を球の代りに部分球体とした
実施例を示したものである。第６図において押え板１０
に増伺けた台１９に部分球体１７を取（＝ｊけ、積層体
８の最上部セル板４１に取付けた台１８１こ前記部分球
体１７の半径より大きい球面座１８ａを設けて締付ける
ものであり、ボルト９のナツト１１を給料けることによ
り前述と同じ理由により積層体８に均一な締付力が得ら
れる。

第７図は前述と逆に積層体の最」二部セル板側に部分球
体を設り、押え板側の球面座が、前記部分球体に接触し
て締付けを行なう異なる実施例であるが、前述と同じ効
果が得られる。すなわち第７・図において最上部セル板
４Ａｉこ取付けた台１８に部分球体１７を設け、押え板
１０に取伺けた台１９１こ前記部分球体１７の牛径より
大きい球面座１９ａを接触させ、ボルト９をナツト１１
により締付けることにより、前述と同じ理由により、均
一な締付力が積層体８に与えられる。

〔発明の効・果〕

この発明によれば、＠排塩を担持したマ）　ＩＪソック
スたは固体を電解質層とした高温形燃料電池にぷいて、
単位電池の積層からなる積層体を締付けるに際し、前記
積層体端面である最上部のセル板面々締付手段としての
押え板とのいづれか一方を凸面としての球面とし、他方
を凹面として前記球面の竿径より大きい球面座として接
触さ駄、その接触部は前記セル板面の「（コ心部の一箇
７ツ１として、締付手段により・（λ層体を締付けでい
るので、締付力は点接触により集中されて積層体端面の
中心部にたりる点荷重となる。従って周辺から締付ける
締付手段９例えば１Ｍ数のボルトによる不均一な締付力
でも点荷重として積層体端面の中心部に加わるため、そ
の構成部拐に均一な締付力が加わり、電解質層と箱、極
、電極とセル板との密着にむらが生じないため、電池の
１１′￥性が上り、また重、気の接触抵抗が小さくなり
、燃料電池の内部抵抗が低下する。

また締付力を伝達する接触面は少くとも一方はセラミッ
クス材を使用しているので、高温形燃料電池１例えば溶
融炭酸塩形燃料電池においては、６００〜７００℃程度
の高い運転温ＩＷおよび１０，０００時間程肝の長い運
転時間でも、セラミックス月の塑性変形は少なく、また
長時間の押伺けによる接触部の焼付きも生ぜず、燃料電
池の高温、長時間の運転において、電池積層体の構成部
月に均一な締付力が得られる。なお、廖融塩を電解質と
した高温形燃料電池ｌこおいては、上述のような均一な
締付力により、電解質層とセル板周辺部との密着もむら
がなくなり、セル板周辺部に挾持された電解質層は高温
運転時に溶融した電解質が均−ｌこ拡がり、良好なシー
ル効果が得られ、４１層体内部からの反応ガスの帰洩を
防止できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は溶融炭酸塩形燃料電池の単位電池の構成を示す
断面斜視図、第２図は従来技術の締付方法による前記燃
料電池の正面図、第３図は本発明の締付構造による高温
形燃料電池の正面図、第４図は第３図ＩこおけるＸ−Ｘ
断面を示す平面図、第５図は加熱炉外より加圧して締付
ける本発明の異なる実施例の正面図、第６図は球面に部
分球体を使用した本発明の異なる実施例を示す正面図、
第７図は締付部相１１１［に球面座をもつ本発明の異な
る実施例を示す正面図である。 １：電解質層、２ニアノード、３：カソード、４：セル
板、４ｈ：球面座、４１：上部セル板、８：積層体、９
：ボルト、１０：押え板、１４：球、１７二ｓ分球体、
１８ａ　、　１９ａ　：球面座。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １）触媒層に反応ガスを供給するガス通路をＩｆえたセ
   ル板と板状の電解・質層とが交互に積層され、締付手段
   により積層方向に締伺けられてなる積層体としてなり、
   該積層体のセル板周辺部にて前記電解質層が挾持され、
   前記ガス通路がセル板と電解質層との相互積層面の周辺
   部においてシールされるようにした高温形燃料電池にお
   いて、＃１’ｉＴ付手段と積層体の端面との相互接触面
   が該端面の中心部の一個所のみに設けられ、該接触面の
   内の一方が凸曲面に他方が該凸曲面より径の大きな凹曲
   面に形成され、かつ両接触面の内の少なくとも一方がセ
   ラミックス材で構成されることを特徴とする高温形燃料
   電池の給付構造。 ２、特許請求の範囲第１項記載の給付構造において、電
   解質層は溶融塩を担持したマトリックスオたは固体から
   なることを特徴とする高温形燃料電池の締付構造。