JPS63133457A - 溶融炭酸塩燃料電池 - 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】 ［発明の目的］ （産業上の利用分野） 本発明は、溶融炭酸塩燃料電池に係り、特に、複数の単
位電池を積層した積層体におけるガスシール構造を改良
した燃料電池に関する。

（従来の技術） 近年、高能率のエネルギー変換装置として溶融炭酸塩燃
料電池の開発が進められている。溶融炭酸塩燃料電池は
、アルカリ炭酸塩からなる電解質を高温下で溶融状態に
し、電極反応を起こさせるもので、他の燃料電池、たと
えばリン酸燃料電池に比べ、高価な貴金属触媒を必要と
せずに発電熱効率が高い等の大きな特徴を有している。

ところで、溶融炭酸塩燃料電池の単位電池の出力は微弱
である。したがって、高出力の発電プラントを構成する
には、複数の単位電池を直列に積層して積層体を構成し
、各単位電池の加算出力を得る必要がある。

第３図は従来より提案されている溶融炭酸塩燃料電池の
主要部を示すものである。すなわち、炭酸リチウム、炭
酸カリウム等の炭酸塩の電解質と、リチウムアルミネー
ト等のセラミック系保持材とを平板状に一体化してなる
電解質層１の両面に、上記電解質層１の縦横寸法に比較
して一方の寸法だけが狭く形成されたニッケル合金系の
ガス拡散電極２ａ、２ｂを互いに直交するように当てが
って単位電池３を構成し、この単位電池３を複数個、相
互間に導電性の双極性隔離板４を介在させて積層した積
層体Ｘに構成されている。

各双極性隔離板４は、電解質層１の縦横寸法と等しい縦
横寸法に形成されたステンレス鋼製の隔離板本体５と、
この隔離板本体５の一方の面の平行する両辺部にそれぞ
れ溶接またはろう付けされ、それぞれの間に上記一方の
面を底壁内面として図中太夫印Ｐで示すように燃料ガス
を通流させる溝状の通路Ａを構成するステンレス鋼製の
側壁部材６ａ、６ｂと、隔離板本体５の他方の面で、か
つ上記側壁部材６ａ、６ｂに対して直交する両辺部にそ
れぞれ溶接またはろう付けされ、それぞれの間に上記他
方の面を底壁内面として図中大矢印Ｑで示すように酸化
剤ガスを通流させる通路Ｂを構成するステンレス鋼製の
側壁部材７ａ、７ｂと、通路Ａ、Ｂ内に装着されガス流
を実質的に複数に分流させるステンレス鋼製、の波板８
とで構成されている。そして、側壁部材６ａ、６ｂ、７
ａ。

７ｂの内側縁部にはガス拡散電極２ａ、２ｂの両側部を
係止するための係止用段部９がそれぞれ形成されている
。すなわち、ガス拡散電極２ａ。

２ｂは、第４図に示すように、係止用段部９の、いわゆ
る深さとほぼ等しい厚みに形成され、またその両側部が
係止用段部９に係止されて通路Ａ。

Ｂの開口部を閉塞し得る幅に形成されている。なお、第
４図中１０は、側壁部材の電解質層１に接触する部分が
電解質によって腐蝕されるのを防止するために上記側壁
部材の表面に設けられたアルミナ、ジルコニア等のセラ
ミック防食層を示している。

主要部が上記のように構成される溶融炭酸塩燃料電池に
あって、通路Ａ、Ｂを通流するガスが外部へ漏れるのを
防止するために、側壁部材５ａ。

５ｂ、７ａ、７ｂとこれに接触する電解質層１の端部と
の間をガスシールする必要があるが、このシール手段と
しては、通常、積層体Ｘを構成した後、電池作動温度（
Ｌ１２　ＣＯ３／　Ｋ　２　ＣＯ３２元素電解質の場合
には一般に６５０℃）まで昇温させ、この昇温によって
溶融した電解質でシールする方式が採用されている。す
なわち、電解質は昇温途上の４８８℃の共融温度で溶融
し、この溶融物が電解質層１の端部と各側壁部材６ａ、
６ｂ、７ａ。

７ｂとの間に存在する隙間に侵入し、これによってガス
シールが行われる。

しかしながら、上記のように構成され、上記のようなガ
スシール方式を採用した従来の溶融炭酸塩燃料電池にあ
っては、電解質層１の端部の平坦な面と、これに接触す
る側壁部材５ａ、６ｂ。

７ａ、７ｂの平坦な面との間で溶融した電解質でガスシ
ールする（ウェットシール）ようにしているので、２つ
の平坦な面間に存在する隙間に電解質が侵入し難く、こ
の結果、シールが不十分になり易い問題があった。この
ようにシールが不十分になると、積層体側面部で水生成
反応が生じ供給ガスの有効利用が損われることになる。

また、上述したシール構造であると、運転時間の長期化
に伴う電解質の逸散等によってシール性能が時間ととも
に低下する問題もあった。さらに、上述したウェットシ
ール方式であると、電解質が側壁部材のアノード側また
はカソード側の何れかを濡らしているので、降温時に側
壁部材と電解質との間の熱膨張率差によって電解質層１
にひび割れが生じ易すく、このため耐熱サイクルが不十
分であった。

また、上述したシール構造であると、不具合のセルだけ
を交換することができない問題もあった。

そこで、このような不具合を解消するために、側壁部材
５ａ、６ｂ、７ａ、７ｂの幅を広くし、電解質層１との
接触面積を広くすることが考えられる。しかし、このよ
うにすると、電解質層１の有効反応面積が減少し、空間
利用率が低下することになる。

（発明が解決しようとする問題点） 上述の如く、従来の溶融炭酸塩燃料電池の構造では、本
質的に良好なガスシール性能を期待することができない
問題があった。

そこで本発明は、電解質層の有効反応面積の拡大化を図
った状態で、なおかつ確実で安定なガスシールを行なえ
るとともに熱サイクル時にシール部に位置する電解質層
に割れが生じるのを防止でき、しかもシール部での電解
質層と双極性隔離板との融着を防止して不具合のセルの
みを抜き取り交換可能な融炭酸塩燃料電池を提供するこ
とを目的としている。

［発明の構成コ （問題点を解決するための手段） 本発明に係る溶融炭酸塩燃料電池では、双極性隔離板に
設けられた溝状のガス通路の側壁で電解質層の端部に直
接接触する面に一条以上の溝を設けるとともに上記溝内
にホウ酸系ガラスを主成分とし、リチウム含有酸化物を
副成分とし、かつ加熱されたとき電解質層に密着するシ
ール材を装着している。

（作用） 上記のように装着されたシール材は、加熱されると溶融
して電解質層に密着するばかりか圧力の加わっていない
溝内を溝の内面に充分なじみながら溝の幅方向へ広がり
、結局、良好なシール機能を発揮する。したがって、側
壁部材の幅を広げることなく良好なシール性能を発揮さ
せることが可能となる。また、ホウ酸系ガラスを主成分
とするシール材は、電解質との相溶性が低いため、長期
間使用しても相互での溶解による移動がなく、シール性
能を安定に維持できる。したがって、電解質層の有効反
応面積を充分大きくした状態で、なおかつ良好で、安定
性の高いシール性能を発揮する。さらに、ホウ酸系ガラ
スと電解質とは、相互溶解性が低いため、電池降温時に
電解質とシール材との間で融着が生じない。したがって
、不具合の生じたセルを他の部材に変形や亀裂を起こさ
せることなく容易に抜き出すことが可能となる。

また、ホウ酸系ガラスを主成分としたシール材は、軟化
点が電解質より低いため、降温時に電解質層と側壁部材
との熱膨張率差によって発生し易い電解質層端部へのク
ラック発生を抑制でき、これによって耐熱サイクルの向
上化も実現できる。

（実施例） 以下、本発明の一実施例を説明する。

第１図は本発明に係る溶融炭酸塩燃料電池の主要部に組
み込まれる双極性隔離板１４を示すもので、第３図と同
一部分は同一符号で示しである。

したがって、重複する部分の説明は省略する。

この実施例における双極性隔離板１４は、溝状のガス通
路Ａ、Ｂを形成するために隔離板本体５にろう付けされ
た側壁部材６ａ、６ｂ、７ａ。

７ｂの電解質層１の端部に直接接触する面に、たとえば
幅５ｍｍ、深さ１．５Ｍの溝１５をそれぞれ形成したも
のとなっている。そして、第２図に示すように、各電解
質層１間に上記双極性隔離板１４を介在させて積層する
に際し、各溝１５内にホウ酸系ガラスを主成分としたシ
ール材１６を介在させている。

シール材１６としては、たとえばＢ２０３−Ｐ２０５ガ
ラス（軟化点４２０℃）粉末に保持材としてのアルミン
酸リチウム粉末（ガラス９部に対して１部）および粘度
調整用溶媒としてのシリコーンオイル（ガラス、アルミ
ナ混合粉１０部に対して４部）を添加してなる混合物を
混練し、引き続いてロール成形してひも状に切断加工し
てなるものが用いられている。そして、第２図に示すよ
うにシール材１６を装着した状態で積層体を形成し、こ
の積層体を締付はバー等で締付けた後、外部加熱によっ
て電池運転温度（６５０℃）まで加熱し、この加熱によ
りシール材１６を軟化点近傍（４２０℃）で溶融させて
いる。この結果、シール材１６は最終的には電解質層１
に密着し、かつ溝１５の内面に充分になじんだものとな
っている。

そして、この積層体の４つの側面に通常の方法で反応ガ
ス供給用マニホールドを取付け、最終的に燃料電池が構
成されている。

上記のように構成された燃料電池について、シール部の
シール性をみるために、マニホールドを介して各通路Ａ
に水素ガスを、各通路Ｂに窒素ガスをそれぞれ流すとと
もに各通路Ｂを通った窒素ガス中の水素ガス含有量を触
媒燃焼式水素計で測定することによって通路Ａのシール
性を確認した。

また、逆に通路Ｂに水素ガスを、各通路Ａに窒素ガスを
それぞれ流し、各通路Ａを通った窒素ガス中の水素ガス
含有量を同様に測定して通路Ｂのシール性を確認した。

また、参考例として各部寸法および段数が等しく設定さ
れ、溝１５およびシール材１６を使わずにシールしたも
のについても同様に測定を行なってみた。その結果、電
池発電初期において表１に示すデータが得られた。

表１ この表１から判かるように、本発明の構造を採用すれば
、ガスシール性能を大幅に向上させることができる。

また実施例の電池では、発電開始後（８５０’Ｃに到達
後）、約１０００時間を経てもシール性能の低下はみら
れなかったが、参考例では通路ＡおよびＢのいずれも水
素含有量が３〜５倍に増加し、シール性能の低下がみら
れた。また、本実施例の積層電池を１時間当り５０℃の
速度で室温まで降温させた。このとき、マニホールド側
面から見える部分の電解質層に形成されたクラック数を
確認したところ、上述したシール材を使用しない場合に
比べて１／４に減少していた。また、上部エンドプレー
トから第３セルまでを抜取り、第３セルの電極、電解質
層を新規なものとし、また第１、第２セルをシールを除
いてそのまま使用して再度昇温しで発電試験を行なった
ところ第１．第２セルのＶ−１特性の低下は第４セルよ
り下部のセルのＶ−を特性の低下の１．０５倍に止まっ
た。

なお、本発明は、上述した実施例に限定されるものでは
ない。すなわち、溝１５内に装着するシール材１６とし
ては、運転温度以下で軟化するようなシール材組成を有
するもの（たとえばＢ２０３−ＺｎＯ系ガラス）であれ
ば良好なシール性能を発揮させることができる。また、
上述した実施例では溝１５を一条設けているが、側壁部
材の幅に応じて複数条形成してシール性能を一段と向上
させてもよい。また、シール材の副成分としては、Ｌｉ
ＡｌＯ２に限らず、ジルコン酸リチウム、チタン酸リチ
ウムでもよい。また、降温後、積層電池を分解し、一部
のセルを抜き出して交換する際、少なくともアノード、
カソードの何れかの電極と集電兼ガス供給チャンネル形
成用の波板との固着によって、抜き出しセル以外のセル
の破損を防止するために、波板の表面に少量のＢＮ粉末
を塗布してもよい。さらに、波板にスリット状の孔を多
数設けるようにしてもよい。また、波板および側壁部材
の耐蝕性を向上させるために、これらのカソード側に位
置する表面にＮｉＦｅ２Ｏ４を形成するようにしてもよ
い。

［発明の効果］ 以上述べたように、本発明によれば、双極性隔離板の側
壁部で電解質層の端部に直接接触する部分に一条以上の
溝を設け、この溝に前記組成からなるシール材を装着す
るようにしているので、熱サイクルに対して強い確実な
シールを実現できるばかりか、不具合なセルの交換の容
易化にも寄与できる溶融炭酸塩燃料電池を提供できる。

【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燃料電池の
主要部に組み込まれる双極性隔離板の斜視図、第２図は
同隔離板の組み込まれた主要部の局部的側面図、第３図
は従来の溶融炭酸塩燃料電池における主要部の分解斜視
図、第４図は同主要部の局部的側面図である。 １・・・電解質層、２ａ、２ｂ・・・ガス拡散極、３・
・・単位電池、５・・・隔離板本体、６　ａｓ　６　ｂ
ｓ　７　ａ。 ７ｂ・・・側壁部材、１４・・・双極性隔離板、１５・
・・溝、１６・・・シール材、Ａ、Ｂ・・・溝状に形成
されたガス通路。 出願人代理人　弁理士　鈴江武彦 第１図 第２図 第Ｓ図 第４図

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. （１）平板状に形成された溶融炭酸塩電解質層の両面に
   上記電解質層の縦横寸法に比較して何れか一方の寸法だ
   けが狭く形成された一対のガス拡散電極を当てがってな
   る複数の単位電池を、各単位電池相互間に、縦横寸法が
   上記電解質層の縦横寸法と等しく形成され、かつ両面に
   それぞれ、その開口部が上記ガス拡散電極の嵌入によっ
   て閉塞される溝状に形成された燃料ガス通路および酸化
   剤ガス通路を有する双極性隔離板を介在させて積層し、
   上記双極性隔離板の上記溝状のガス通路を形成する側壁
   と、これに直接接触する上記電解質層の端部との間で溶
   融した電解質を使ってガスシールするようにした溶融炭
   酸塩燃料電池において、前記双極性隔離板の前記溝状の
   ガス通路を形成する側壁で前記電解質層の端部に直接接
   触する部分に一条以上の溝を設けるとともに上記溝内に
   ホウ酸系ガラスを主成分とし、リチウム含有酸化物を副
   成分とし、かつ加熱されたとき溶融して上記電解質層に
   密着するシール材を装着してなることを特徴とする溶融
   炭酸塩燃料電池。
2. （２）前記シール材は、前記電解質層を構成する電解質
   の共融温度より低い軟化温度の組成に設定されてなるこ
   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
   燃料電池。
3. （３）前記シール材の副成分を構成するリチウム含有酸
   化物は、ＬｉＡｌＯ＿２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燃料電池。