JPS61133574A - セルスタック - 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】 〈発明の背景〉 この発明は、電解セルのスタック（積車ね休）の長期作
動期間にわたって電気的短絡を防止すめための装置に関
するものである。この装置は、低温あるいは高温の腐蝕
環境で作動する燃１９１セルやその他の電解セルに対し
て適用されるものであって、特に、電力発生のために溶
融金属炭酸塩電解質を用いる燃料セルのスタックに使用
するのに重要である。またこの装置は、化学的化合物を
分解する電気分解用電解セルのスタックに関する同様な
技術に適用することができる。

代表的な燃料セルスタックは米国特許第４．３４５，０
０９号に示されている。

セルの個々のスタックは、それらの作動のために反応体
ガスを有している。固体炭素質物質のガス化による生成
体ガスあるいは水素のごとき燃料ガスを、燃料セルスタ
ックにおける負電極で用いることができる。さらに、酸
素あるいは空気のごとき酸化体ガスを正電極に供給する
。

金属炭酸塩電解質を用いるセルにおいては、負電極で発
生する二酸化炭素を正電極へ供給して、電解質中に炭酸
塩を補給する。

これらの反応体ガスを運ぶマニホールドは、電気的に絶
縁されかつ漏洩しないようにしてセルスタックへ接続す
る必要がある。溶融炭酸塩やその他のタイプのセルスタ
ックにおける高温かつ腐蝕環境は、マニホールドをスタ
ックへ接続するためのいくつかの選ばれたタイプのシー
ル設計のみにおいてもたらされている。かような設計の
１つは米国特許第４，４１４，２９４号に記載されてい
る。この特許の開示は、ガス供給マニホールドと燃料セ
ルスタックとの間のシール構造の説明のために本明細書
中に引用される。

スタックに対するマニホールドのシールについての困難
な問題に加え、長期間にわたる作動の結果、直列に配列
されたスタック内のセル群の電気的短絡を生じる。これ
らの電極短絡は、燃料セルのスタック構造からの腐食生
成物の結果と考えられている。この問題を解消するため
の従来の試みとしては、高温かつ腐食性電解質に曝され
る材料にコーティングを施すか、あるいは腐食の少ない
構造月利を選択することがなされている。かような解決
策は総体的には有効でなく、セルスタック構造のコスト
を実質的に増加させると思われる。

〈発明の要旨〉 そこでこの発明の目的は、電解セルのスタックを短絡か
ら保護するための、構造簡単でかつ比較的安価な装置を
提供することである。

この発明の別な目的は、高価な耐食性月利を最少量しか
必要としない、短絡防止装置を提供することである。

この発明のさらに別な目的は、電解セルスタツクの開放
面とガス供給マニホールドとの間のガスシールと協働さ
せた短絡防止装置を提供することである。

この発明によれば、電解セルスタックの開放面に使用す
るために、ガスシールと組合された短絡防止装置が提供
される。この防止装置は、セルスタックの少なくとも２
個のセルのへり部分にガスシールの多孔性シール媒体と
接触させて設けた、一般に非多孔性の電気絶縁性シール
ドを有している。耐食性材料からなる導電性箔がこのセ
ルスタックの負電位に電気的に接続される。この酒は、
絶縁性シールドと対向させてかつそれと整列させて、多
孔性シール媒体に配設される。かくして、比較的正電位
の位置でセルスタック（１１１造から電解的に溶解され
た金属イオンは、スイツク面に移行せずに、負にバ、イ
アスされた箔へ優先的に移行し、これによってスタック
のセルを短絡させるかも知れない金属の沈着を最少にす
る。

この発明の特定の態様においては、絶縁性シールドを、
スタックのセル中に用いられる溶融炭酸塩電解質に対し
て実質的に不透過性、すなわち非多孔性のセラミック１
．ｆｌ利とし、好ましくは非多孔性アルミナの薄片とす
る。

この発明の別の態様においては、耐食性、導電性箔を、
例えば貴金属または金を含む貴金属合金とし、昇温下で
溶融金属炭酸塩電解質により実質的に腐食しないように
する。かような金含有箔は最少限の量だけ使用される。

例えば、幅約１〜２ｃｍ、厚さ５０〜１００ミクロン、
長さ２〜３ｃｍの箔で十分である。

この発明のざらに別の態様においては、ガスシールは多
孔性シール媒体からなる第１の層と多孔性シール媒体か
らなる第２の層とを有し、第１の層はガス供給マニホー
ルドの縁面とシール状態で係合しており、第２の層はセ
ルスタックのへり面部分とシール状態で係合している。

多孔性シール媒体のこれら２つの層は、非多孔性セラミ
ック月利からなる電気絶縁性枠部分によって分離されて
おり、この枠部分はシール媒体の２つの層間にシール状
態で係合されている。

この特定の構成においては、導電性の耐食性潤は、多孔
性シール媒体の第２層と絶縁性枠部分との間に配設され
ている。

この発明のさらに別の態様においては、多孔性シール媒
体はジルコニア、アルミナあるいはアルミン酸リチウム
からなる多孔性セラミックマットとし、絶縁性枠部分は
ジルコニア、アルミナあるいはアルミン酸リチウムを含
む一般に非多孔性のセラミックとする。

この発明のさらに他の態様においては、非多孔性シール
ドは、多孔性シール媒体とセルスタックのへり部分の間
に、負電位端板から負電位側の第２番目ないし第５番目
のセルまで、長手方向に延びる細長いストリップとする
。

〈実施例〉 第１図は、複数の燃料セル１１を備えた電解セルスタッ
ク１０を模式的に示しており、スタック支持用の負電位
端板１３と正電位端板１５を有している。ガス供給マニ
ホールドすなわちプレナム１７は縁面１９を有し、セル
スタックの面２１とシール状態で係合している。

ガスシール２３は、ガス供給マニホールドの縁面１９を
、スタック面２１のへり面へ密封的に結合させている。

ガスシール２３は囲まれた枠であり、ガスマニホールド
の周辺部を縁面１９にてシールするように設計されてい
る。図示をわかりやすくするために、このガスシール部
品はマニホールドおよびスタックに対して拡大して示さ
れている。代表的なシール枠は前記米国特許第４，４１
４，２９４　号に記載されている。

図示したようにガスシール２３は、第１のガスケットす
なわち多孔性シール媒体２５と、固体の非多孔性電気絶
縁性セラミック枠２７と、第２のガスケツ１〜すなわら
多孔性シール媒体２９とを有し、これらが層状に配列さ
れてスタック面２１のへり面とマニホールド１７の縁面
１９との間に圧縮されている。

代表的な電解セルスタックの作動においては、燃お１セ
ルまたはその他の電解セルからの電解質は、セルスタッ
ク而２１に対して配設された第２の多孔性シール媒体２
９に少なくとも吸収されることになる。正イオンは、こ
の多孔性シール媒体２９内の電解質を通って、スタック
の正電位端部から負電位端部へ移行する。このイオンの
流れは分路電流を引起し、これはスタックの効率の観点
から望ましくないだけでなく、腐食生成物の正イオンが
沈着してスタックの負電位端部のセルを電気的に短絡さ
せるという理由で望ましくない。

かにうなイオンの分路電流は、セルスタックの一番端に
あるいくつかのセル内においてのみ、イオン濃度に対し
ての正味効果を及ぼす。一般的には、わずかに１個ない
し２個のセルがこのような影響を受（プ、多くの場合、
５個以上のセルには影響することはない。従って、腐食
生成物の正イオンの沈着による電気的短絡の危険は、ス
タックの負電位に近いセルにおいてのみ坦われる。

この発明の短絡防止装置はスタックの負電位喘に設ける
ためのものである。この装置は、一般的には非多孔性の
電気絶縁性材料からなる薄片すなわち縁シールド３１か
らなり、このシールド３１はセルスタックのへりと多孔
性シール媒体すなわちガスケツ１〜２９との間に取付け
られている。この装置の第２の部材は、シールド３１か
らガスケツ１〜２９厚ざを隔てて配設された導電性箔３
３である。

シールド３１は多孔性シール媒体２９と少なくとも同じ
幅をもち、かつ負電位端板１３から第２番目のセルある
いは多くても５個の電解セルに至るまでスタックのへり
に沿って延びるのに十分な長さをもつ。シールドは例え
ば１〜２ｃｍの幅とし、かつ多孔性シール媒体２９のシ
ール効果を妨げないようにするために最小厚さを５００
ミクロン以下とする。電解質として溶融金属炭酸塩を用
い、６００〜７００°Ｃの温度で作動するスタックにお
いては、シールド３１をアルミナ、ジルコニア、アルミ
ン酸リチウムといったセラミック材料から作る。強度と
実用性の観点から、アルミナ製のシールド３１が好まし
く選択できることが判明している。シールド３１は一般
に非多孔性とし、電解セルの液体あるいは溶融電解質に
対して効果的に不透過性をもつ。

そのため、スタックの負電位端で燃お１セル方向へバイ
アスされた分路電流に対する増大された流路と抵抗とを
このシールドは与える。この増大された流路と抵抗は、
この発明の短絡防止装置組合せの第２の重要な部材と共
に考慮した場合に特に重要となる。

この発明の短絡防止装置はまた、電解セルスタック環境
に対して極めて非腐食性あるいは不活性な物質からなる
導電性箔３３を有している。

高温の溶融金属炭酸塩を電解質として用いる必要のある
スタックにおいては、貴金属類あるいはそれらの合金類
のみが箔３３として好適であることが判明している。金
あるいは金をその主要重量部として含有する合金類を、
箔３３の構成に使用することが考えられる。例えば、金
、あるいは金に白金、ロジウムまたはイリジウムを添加
したものが使用できる。

導電性箔３３は３５の位置でセルスタックの負電位に電
気的に結合されている。この箔は、縁シールド３１と同
様な形状と長さを有し、図示したように、第２多孔性シ
ール媒体２９の外面とガスシール２３のセラミック枠体
２７との間に位置せしめる。縁シールド３１の場合にお
けるように、箔３３の最小厚さは、シール構造に対する
その影響を最小にしかつコストを最小とするために、例
えば５０〜１００ミクロンとする。箔は代表的には１〜
２ｃｍ幅で約２〜３ｃｍの長さとすることができ、この
幅は縁シールド３１の幅に相当するが、縁シールドの長
さＪ：りも短い。

＠３３の負電位の結果、セルスタックの負電位端方向へ
移行する腐食生成物イオンは、縁シールド３１により塞
がれた燃料セルスタック中の負電位セルのへりとは反対
に、箔３３上に沈着することになる。

本発明者等は、縁シールドと導電性箔の両方を有する短
絡防止装置を、燃Ｊ’ｉｌセルスタック面の負電位端の
側縁へりに置くだ（プでよいことを見出した。従って、
マニホールドをセルスタック面との間のシール構造の各
々に対して、負電位スタック端の両側に１個宛すなわち
２個の短絡防止装置が必要となる。代表的な燃料セルス
タックにおいては、４個のマニホールドすなわちプレナ
ムが必要となり、２個はガス流の流入用、あとの２個は
ガス流の流出口である。かような構成の場合には、８個
の短絡防止装置が必要となる。

溶融炭酸塩燃料セルの２０個のセルからなるスタックに
この発明の短絡防止装置を取付けた場合の作動において
は、２０００時間作動後も上方燃１′３１セルの短絡は
起らなかった。この発明の短絡防止装置を取付りる前の
作動においては、わずかに２００〜３００時間後にセル
間の短絡が生じた。このプロトタイプの燃わ１セルスタ
ツクは、ステンレス鋼の器材と、酸化ニッケルの陰極と
、ニッケルの陽極と、リチウムおよびカリウムの炭酸塩
の電解質とを有するものであった。このセルを調べた結
果、スタックの正電位端でステンレス鋼の腐食を見出し
、主要重量部分が金である導電性箔上に鉄が沈着してい
た。

従って、この発明は、電解セルのスタックに用いる改良
された安価な短絡防止装置を提供することができる。燃
わ１セルおにびその他の電解セルの据付けに際してこの
発明の′ｆｒｉ絡防止装置を使用することにより、かな
りの利点が期待できる。すなわち、セルスタックの負電
位端において、代表的には第１番目から第５番目のセル
の間で生じる短絡を防止することができる。また、貴金
属のごとき不活性の耐食材料を比較的少量で小さい寸法
で使用すればよいから、全体のコストがそれ程高くなら
ない。

この発明の特許請求の範囲ににれば種々の変更ができる
ことは明らかであろう。例えば図面や記）ホにおいては
、負電位端を上方に、正電位端を下方にした電解セルス
タックを示している。

この構成は、スタックの負電位端の方へ正イオンが移行
しないようにするために好ましいものであるが、負電位
端が下方になったり側方になったりする構成としてもよ
い。

以上、この発明を特定の実施例について説明したが、特
許請求の範囲内で材料や形状等を種々に変化させること
ができることは当業者であれば理解できよう。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の短絡防止装置を備えた電解セルスタ
ックの実施例を示す一部省略断面図である。 １０・・・セルスタック、１１−燃料セル、１３・・・
負電位端板、１５・・・正電位端板、１７・・・ガス供
給マニホールド、１９・・・マニホールドの縁面、２１
・・・セルスタックの面、２３・・・ガスシール、２５
・・・多孔性シール媒体の第１の層、２９・・・多孔性
シール媒体の第２の層、２７・・・非多孔性電気絶縁性
枠、３１・・・縁シールド、゛　　　３３・・・箔。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、負電位および正電位の対向端をもつ電解セルスタッ
   クの面のへり部分とガス供給マニホールドとの間に多孔
   性シール媒体からなるガスシールを配設した電解セルス
   タックにおける前記ガスシールと組合せて構成された電
   気的短絡防止装置であって、一般に非多孔性の電気絶縁
   性シールドを前記セルスタックの負電位端にする少なく
   とも２つのセルのへり部分と前記多孔性シール媒体との
   間に配設し、耐食性材料からなる導電性箔を前記セルス
   タックの負電位に電気的に接続するとともに、この箔を
   前記電気絶縁性シールドから前記多孔性シール媒体の厚
   さを隔ててこのシールドに整列させて配設してなり、こ
   れによって電気分解的に溶解された金属イオンを前記セ
   ルスタックの面へ移行させずに、優先的に前記箔へ移行
   させるようにしたことを特徴とする電解セルスタックの
   電気的短絡防止装置。 ２、前記セルスタック中の電解セルは、金属炭酸塩の溶
   融電解質を含む燃料セルであり、この溶融炭酸塩は前記
   シールドと前記箔との間の多孔性シール媒体を透過する
   ものである特許請求の範囲第１項記載の装置。 ３、前記電気絶縁性シールドは、前記セルスタック中の
   溶融電解質を実質的に透過させないセラミック材料から
   なる特許請求の範囲第２項記載の装置。 ４、前記セラミック材料は薄片状の非多孔性アルミナか
   らなる特許請求の範囲第３項記載の装置。 ５、前記箔は、貴金属または貴金属を含む合金からなり
   、溶融金属炭酸塩電解質に対して実質的な耐食性を有し
   ている特許請求の範囲第１項記載の装置。 ６、前記箔は幅１〜２ｃｍ、長さ２〜３ｃｍ、厚さ５０
   〜１００ミクロンの寸法である特許請求の範囲第４項記
   載の装置。 ７、前記箔はその主要重量部分が金である特許請求の範
   囲第１項記載の装置。 ８、前記ガスシールは、前記ガス供給マニホールドの縁
   面とシール状態で係合する多孔性シール媒体の第１の層
   と、前記セルスタックのヘリ部分とシール状態で係合す
   る多孔性シール媒体の第２の層と、前記第１の層と第２
   の層との間にありかつこれらのシール状態で係合する非
   多孔性の電気絶縁性枠部分とからなり、前記箔は多孔性
   シール媒体の前記第２の層と電気絶縁性枠部分との間に
   配設されている特許請求の範囲第１項記載の装置。 ９、前記多孔性シール媒体はジルコニア、アルミナまた
   はアルミン酸リチウムのセラミックからなる多孔性マッ
   トであり、前記電気絶縁性枠部分はジルコニア、アルミ
   ナまたはアルミン酸リチウムの一般に非多孔性セラミッ
   クである特許請求の範囲第８項記載の装置。 １０、前記シールドと箔は前記多孔性シール媒体の両面
   に沿って長手方向に延びる細長いストリップであり、前
   記シールドは、前記負電位端からスタックの負電位側の
   第２番目ないし第５番目のセルまで前記セルスタックの
   面のヘリ部分に伸びている特許請求の範囲第１項記載の
   装置。