JPS6276262A - 溶融炭酸塩型燃料電池 - Google Patents

溶融炭酸塩型燃料電池

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JPS6276262A
JPS6276262A JP60216576A JP21657685A JPS6276262A JP S6276262 A JPS6276262 A JP S6276262A JP 60216576 A JP60216576 A JP 60216576A JP 21657685 A JP21657685 A JP 21657685A JP S6276262 A JPS6276262 A JP S6276262A
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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】 〔発明の技術分野〕 本発明は、単位電池を複数積層して構成される溶融炭酸
塩型燃料電池に関する。
〔発明の技術的背景とその問題点] 従来より、高効率のエネルギ変換装置として燃料電池が
広く知られている。燃料電池は、使用する電解NRによ
ってリン酸型、溶融炭酸塩型、固体電解質型に分類され
る。
このような燃料電池の中で、特に発電熱効率の高い溶融
炭酸塩型燃料電池は、通常、第4図に示すように、燃料
電池本体Xと、この燃料電池本体Xに燃料ガスおよび酸
化剤ガスを導く図示しない−?二ホールドとで構成され
ている。
燃料電池本体Xは、個々の単位電池1の出力が微弱なた
め、通常は単位電池1を導電性のセパレータ2を介して
複数積層することによって構成される。
そして各単位電池1は、一対の多孔質電極板、つまり燃
料極3aと、酸化剤電極3bとの間にアルカリ炭酸塩の
電解質およびこれを深持する保持材からなる電解質層4
を設けて構成される。各型(引板3a、3bは、長方形
の板状体からなり、長手方向が互いに直交するように配
置されている。
電解質層4は、これら各電極板の長手方向長さを縦横寸
法とする板状体からなるものである。
セパレータ2は、導電性の材料からなる板状体の両面に
、両端部に所定幅のフランジ面5a。
6bを残して互いに直交する方向に延びる大溝7a、7
bを形成するとともに、これら大溝7a。
7bの各底面部にそれぞれ大溝と同一方向に延びる複数
の溝8a、8bを設けたものとなっている。
大溝7.a、7bは、燃料極3a、Ill化補極bが、
それぞれ丁度嵌合するような深さおよび幅を有している
。したがって、燃料電池本体Xは、単位電池1とセパレ
ータ2とを交互に積層すると、電解質層4の一方の面と
この面に対向するフランジ面6a、6bとが重合し、電
解質層4の他方の面とこの面に対向するフランジ面6c
、 6dとが重合する。
このような燃料電池を500〜750℃に昇温すると、
電解質層4の炭酸塩が溶融状態になり、多孔質の燃料極
3aおよび酸化剤極3bに僅かしみ込む。この状態で溝
8bで構成されるガス流路に燃料ガスPを導入し、溝8
aで構成されるガス流路に酸化剤ガスQを導入すると、
各ガスは各電極板に拡散されて電極、ガス、および溶融
炭酸塩からなる三相界面での反応に供される。このとき
、燃料ガスPと酸化剤ガスQとは、前述した電解質@4
とフランジ面68〜6dとの重合部にしみ出た溶融炭酸
塩で形成されるウェットシール部によって分離される。
このような従来の溶融炭酸塩型燃料電池においては、電
解質層4に積層体の自重や締付は力が直接側わる構造と
なっていた。このため、電解質層4には、これら加重に
耐え得るような圧縮強さが必要であった。
電解質層4の圧縮強さを高めるための提案は、種々なさ
れているが、最も効果的であるのは、電解質@4中の保
持材含有量を増すことである。
しかしながら、電解質層の保持材含有量を増すと、電解
質層のイオン伝導度が低下し、電池性能を悪化させると
いう問題がある。また、このように保持材含有量を増加
させると、電池運転中での保持材の粒成長反応による比
表面積の低下が無視できなくなり、運転初期には十分な
圧縮強さでも、経時的な強度低下を招くという問題もあ
った。
そこで、たとえばU S P 3723186号で提案
されているように、ウェットシール部を形成する電解質
層の周縁部の保持材含有量を中心部のそれよりも増加さ
せ、電池性能を低下させることなく圧縮強さを高めるの
も一つの方策である。
しかしながら、このように電解質層の周縁部と中心部と
の保持材含有量を異ならせると、周縁部と中心部との熱
膨張の程度に差ができるため、温度サイクルに伴う熱応
力で電解質層に貫通割れが生じてしまい、反応ガスの交
差混合が生じてしまうという問題があった。
また、上述したいずれの燃料電池においても、ウェット
シールを電解質である溶融炭酸塩によって形成している
ため、ウェットシール部を介して電解質が移動逸散して
しまい、経時的にシール性能や電池性能が低下してしま
うという問題もあった。
〔発明の目的〕
本発明は、このような事情に基づきなされたもので、そ
の目的とするところは、電池性能をなんら低下させるこ
となく、積層体の十分な圧縮強さを確保することができ
、しかもシール部の経時的安定性に浸れた溶融炭酸塩型
燃料電池を提供することにある。
〔発明の概要〕
本発明は、中位電池とセパレータとを交互に積台して構
成される燃料電池本体を備えた溶融炭酸塩型燃料電池に
おいて、前記セパレータの周縁部分で前記各セパレータ
間に非電子伝導性のスペーサを介装するとともに、この
スペーサと前記セパレータとの間に炭酸塩とは異なる材
質のシール手段を設けて溶融炭酸塩の気密性を向上させ
たことを特徴としている。
〔発明の効果〕
本発明によれば、セパレータとセパレータとの間にスペ
ーサを設けているので、従来、電解質層に加わっていた
圧力をスペーサで受けることができる。したがって、電
解質層に従来のような高い圧縮強さを持たせる必要がな
くなるので、電解質層の保持材含有鎖は電解質を保持で
きる必要最小限度の半で済む。このため、イオン伝導度
の低下、温度サイクルによる1通割れの発生などの諸問
題を生じることなく、単位電池の大形化、積囮数の増加
による大出力化を図ることができる。
また、本発明では、セパレータとスペーサとの間のシー
ル手段を炭酸塩以外の材質のもので形成しているので、
電解質を完全にシールすることができ、電解質の蒸発損
失等による気密性の経時的な低下を生じることがない。
〔発明の実施例〕
以下、図面を参照しながら、本発明の一実施例について
説明する。
第1図は一実施例を示す図であり、従来と特に異なる点
は、単位電池11の周囲を環状のスペーサ12で囲繞し
た点と、このスペーサとセパレータ13との接触部分に
シール手段であるガラスを介在させて、セパレータ13
の周縁部とスペーサとの間のウェットシール部を形成し
たことである。
すなわち、単位電池11を構成する燃料極14aと酸化
剤極14bとは、それぞれの長辺が電解質層16の縦横
寸法と略一致しており、かつ長手方向が互いに直交する
ように配置されている。
セパレータ13は、反応ガスの流路を形成する機能と単
位電池11間の電気的な接続機能とを備えたもので、導
電性材料からなる板状体の両面に、両端部に所定幅のフ
ランジ面17a、17bおよび17c、17dを残して
互いに直交する方向に延びる複数の溝18a、18bを
設けるとともに、上記7ランジ面17a〜17dに、7
ランジ面178〜17dの周縁部を残してそれぞれ突条
19a、19b、19c、19dを設けたものとなって
いる。
スペーサ12は、炭1mに対して化学的に安定で、かつ
非電子伝導性であるち密質のアルミナを角形環状に形成
したものである。スペーサ12は、その外形の縦横寸法
が、セパレータ13の寸法と略等しく、また、その内形
の縦横寸法が、電解質M16の寸法より僅か大きくなる
ように形成され、さらにその厚みが後述するように組立
て直後の単位電池11の厚みよりも僅か薄くなるように
形成されている。
これら単位電池11、スペーサ12およびセパレータ1
3を積層組立すると、セパレータ13の突条19c、1
9d間に燃料極14aが、また突条19a、19k)間
に酸化剤極14bがそれぞれ嵌合され、電解質層16が
突条19a、 19c問および突条19b、19d間に
配置され、さらにセパレータ13のフランジ面17a、
17bと17c、17dとの間にスペーサ12が配置さ
れて燃料電池本体Yが形成される。この状態ではスペー
サ12の厚みが単位電池11の厚みよりも僅か薄いので
、スペーサ12とセパレータ13との間には0.1〜0
.15htmの僅かな隙間ができる。
この隙間にシール体である粉末状のガラスを充填する。
この状態で燃料電池本体Yを昇温し、溶融した電解質層
の一部が電極側に移動することによって電解質層16と
各電極板とのなじみが良好になると、上記の隙間が減少
し、第2図に示すようにスペーサ12とスペーサ13と
は殆ど密着することになる。一方、スペーサ12とセパ
レータ14との間に充填された粉末状のガラスは、燃料
電池本体Yの温度上昇とともに、溶融状態となり、第2
図に示す如く、スペーサ12とセパレータ13との間で
ウェットシール部Wを形成する。したがって、溶融炭酸
塩はこのウェットシール部Wを介して完全に密閉され、
炭酸塩の移動逸散を抑えることができる。また、積響方
向の加重は、機械的強度の高いセパレータ13とスペー
サ12とで受けるため、電解質層16に圧力が加わるこ
とはない。
なお、この実施例は燃料電池本体Yの側面に外部マニホ
ールドを添設するタイプのものであるが、このタイプの
ものは、V1層体の周面とマニホールドとの気密部を、
電池運転温度で塑性変形する塑性、変形材料と、この材
料の保持層と、電気絶縁層とで構成している。ところが
、従来は塑性変形材料が積層体の周囲に沿って露呈した
電解質層と直接1a触するため、塑性変形材料として電
解質と同組成のものしか使用できなかった。このため、
ジルコニアやアルミナ等で形成された電気絶縁層が溶融
炭酸塩の強力な腐蝕力によって徐々に冒され、隣接する
単位電池間に漏洩電流が流れたり、電解質をこの腐蝕部
に引張り込んで電解質層の抵抗値を高めたりすることが
あった。
しかしながら、本実施例では、単位電池11の周囲をス
ペーサ1で取囲み、さらに、スペーサ1とセパレータ1
3とのウェットシールがガラスであるため、積層端面に
炭酸塩が直接露呈することがない。つまり、気密部の塑
性変形材料と電解質層とが直接接触することがないので
、塑性変形材料に電解質とは異なる材料、たとえばガラ
スなどを用いることができる。したがって、前述した漏
洩電流や電解質の腐蝕部への引張り込みなどの問題も解
決することができる。
なお、本発明は上記実施例に限定されるものではない。
例えば、上記実施例ではスペーサとしてち密質のものを
用いたが、アルミナ多孔質体(例えば平均孔(¥1−1
空孔$50%)を溶融炭酸リチウム中で処理して表面を
リチウムアルミネート化し、これにホウ酸ガラスを溶融
含浸してシール手段を備えたスペーサを形成し用いるよ
うにしても良い。
この他、スペーサとしては、Al2203の代わりにZ
rO2やFe −Or −A2合金を用いることもでき
る。
また、シール手段として上記実施例では粉末状のガラス
を用いたが、Zr 02 、A(1203粉末やA#1
203m帷と混合した板状体を用いるようにしても良い
また、シール手段は、ガラスなどによるウェットシール
に限られず、例えば第3図に示すように、可撓性の金属
パイプ20を、スペーサ21の溝22に装着してシール
機能を持たせるようにすることも考えられる。金属パイ
プ20は、高温クリープ強度があり、しかも可撓性を有
していれば、特に中空パイプを用いる必要はない。また
、シール材との濡れ性向上のため、金属パイプにアルミ
ナ層形成等の表面処理を施しても良い。
この仙、セパレータやシール手段の形状、形式も特に例
示したものに限定されるものではなく、例えば、シール
材としてセパレータ端部に辺に平行に溝を切っても良く
、また、インターナルマニホールドタイプの燃料電池に
も本発明の適用は可能である。更に、上記実施例では、
セパレータとして、表裏両面に互いに直交するよう機械
加工でガス流通路を形成したものを用いたが、波状加工
した薄板と平薄板との組合わせであっても良い。
要するに本発明は、その要旨を逸脱しない範囲で種々変
更して実施することができる。
【図面の簡単な説明】
第1図は本発明の一実施例に係る溶融炭酸塩型燃料電池
の要部構成を示す分解斜視図、第2図は同燃料電池を第
1図におけるA−A線に沿って切断し矢印方向に見た断
面図、第3図は本発明の他の実施例を示す部分断面図、
第4図は従来の溶融炭酸塩型燃料電池の要部を示す分解
斜視図である。 1.11・・・単位電池、2,13.21・・−セパレ
ータ、3a、14a−・・燃料極、3b、14b−・・
酸化剤極、4,16・・・電解買苦、12・・・スペー
サ、20・・・金属パイプ、P・・・燃料ガス、Q・・
・酸化剤ガス、W・・・ガラスのウェットシール部。 出願人代理人 弁理士 鈴江武彦 第2図 第3図 第4図

Claims (8)

    【特許請求の範囲】
  1. (1)単位電池と、導電性のセパレータとを交互に積層
    してなる燃料電池本体を備えた溶融炭酸塩型燃料電池に
    おいて、前記各セパレータの周縁部分で前記各セパレー
    タ間に介装され前記各セパレータ相互間を機械的に支持
    する非電子伝導性のスペーサと、このスペーサと前記セ
    パレータとの間に介在し炭酸塩とは異なる材質からなる
    シール手段とを具備してなることを特徴とする溶融炭酸
    塩型燃料電池。
  2. (2)前記シール手段は、ガラスのウェットシールであ
    ることを特徴とする特許請求の範囲第1項記載の溶融炭
    酸塩型燃料電池。
  3. (3)前記スペーサは、酸化物セラミックであることを
    特徴とする特許請求の範囲第1項記載の溶融炭酸塩型燃
    料電池。
  4. (4)前記酸化部セラミックは、多孔質体であることを
    特徴とする特許請求の範囲第3項記載の溶融炭酸塩型燃
    料電池。
  5. (5)前記スペーサは、絶縁性のFe−Cr−Al合金
    であることを特徴とする特許請求の範囲第1項記載の溶
    融炭酸塩型燃料電池。
  6. (6)前記Fe−Cr−Al合金は、多孔質体であるこ
    とを特徴とする特許請求の範囲第5項記載の溶融炭酸塩
    型燃料電池。
  7. (7)前記シール手段は、可撓性を有する耐熱性金属シ
    ールであることを特徴とする特許請求の範囲第1項記載
    の溶融炭酸塩型燃料電池。
  8. (8)前記シール手段は、可撓性を有する耐熱性金属シ
    ールとガラスとで構成されていることを特徴とする特許
    請求の範囲第1項記載の溶融炭酸塩型燃料電池。
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Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS643966A (en) * 1987-06-26 1989-01-09 Hitachi Ltd Fuel cell with dry seal structure
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JP2010512626A (ja) * 2006-12-11 2010-04-22 スタクセラ・ゲーエムベーハー 燃料電池スタックおよび燃料電池スタック用シール、ならびにその製造方法

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