JPS62139271A - 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】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、溶融塩を電解質とする燃料電池に係り、特に
単位電池が個々、独立に構成され、この単位電池が複数
個積層されて電池スタックが構成してなる燃料電池に関
する。

〔従来の技術〕

従来の溶融炭酸塩型燃料電池は、全体斜視図を示す第２
図、平面図を示す第３図、および断面図を示す第４図の
如くアノード電極６、カソード電極２、電解質板１、セ
パレータ３４の個々の電池要素から構成されている（例
えば日立評論第６６巻第２号第５９頁）。電解質板１に
は溶融炭酸塩が含浸されており、この電解質板１をアノ
ード電極６およびカソード電極２で挾持している。電解
質板１を挾持してなるアノード電極６およびカソード電
極２は、それぞれ集電板（図示せず）を介してセパレー
タ３４に密着されている。すなわち、セパレータ３４は
アノード電極６およびカソード電極２を挾持するように
なっている。セパレータと各電極との間には、反応ガス
（酸化剤ガス４またはアノードガス８）を流通させるた
めのガス流路溝３３が形成されている。このセパレータ
３４で挾持された電解質板１および各電極、さらには集
電板からなる単位電池が構成される。単位電池には、各
ガス流路溝に反応ガスを導くためのガス供給孔９が設け
られている。

電池スタック構成時には、各単位電池を複数個積層し、
上下から端板にて電池スタックを固定する。

上記電解質板とセパレータとの接触点には、ウェットシ
ールがなされている。そのために電解質板の必要面積は
、セパレータとほぼ同じ程度となっている。ウェットシ
ールは、マニホールド用の孔９の部分で行なわれる。

ウェットシールは、単位電池が全部積層された時点で電
池スタックを加熱し、溶融炭酸塩である電解質を溶融さ
せることにより行う。このウェットシールにより反応ガ
スのリークを防止できる。

ウェットシールの際の加熱時には、ウェットシール性能
を上げるため、電解質の漏れをなくすため。

その他に電極と集電板やセパレータ間の接触抵抗を良好
なものとするために、時間をかけて電池スタックに垂直
方向の荷重を加えている。この荷重は、一定の条件の下
に制御しながら行われる。例えば電極板や電解質板の割
れを防止するため等である。

〔発明が解決しようとする問題点〕

現在のウェットシール技術では、このウェットシール部
５０の面積を十分に確保しないと、シール性能が満足さ
れないことになる。したがって、内部マニホールド型燃
料電池では、電解質板面積が有効発電面積１０９の約１
．５倍にもなっている。したがって、燃料電池の大出力
化を図ろうとすると、勢い電解質板の面積を大きくしな
ければならない。このことは、電解質板製造時の乾燥焼
結時における大型電解質板に反りや割れが発生するおそ
れがある。

電解質板の割れが生じると、その電解質板を電池要素と
して使用することができない。一方、電解質板の反りは
、電池要素を積層した場合に大きな問題となる。第３図
のＡ−Ａ’断面を第５図に示し、その問題について詳説
する。電解質板］、の両側にアノード電極６、カソード
電極２が設置さく４） れ、それをセパレータ３４が両側から押え付けるように
なっている。この基本構造が順次繰り返され、積層電池
が構成される。ところが、この構造かられかるように、
電解質板１に反りが発生し、電極の厚さが均一でない場
合には、後述のような状態が電池構造に発生し、問題で
ある。

第５図（Ａ）は、電解質板１の反りと電極２゜６の厚さ
とから電解質板１と電極２，６との間にギヤツブへ菖が
発生した場合を示している。この状態では、セパレータ
端部のウェットシール部５０において、セパレータ３４
と電解質板１とが接触し、良好なシール性能が得られる
。しかし電極と電解質板との発電に有効な接触面積が減
少し、電解液の漏れ特性が低下することから、出力低下
をもたらす。一方、第４図（Ｂ）では、ウェットシール
部５０でセパレータ３４と電解質板１との間にギヤツブ
へ２が発生した場合を示す。この場合には、電極２，６
と電解質板１との接触は問題がなく、電池性能は良好と
なる。しかし、シール性能が低下し、燃料がシール部５
０から電池外へ漏れ、電池運転が継続不可能となる。

このように従来のウェットシール方式を有する燃料電池
では、電解質板の反りや電極の厚さ不均一等の寸法精度
の不良による電解質板と電極あるいは電解質板とシール
部材であるセパレータとのギャップが発生しやすく、か
つ発生した場合には有効な対策を講じることができずに
、非常に信頼性に欠けたものとなっていた。

その他にも次のような問題がある。すなわち、複数の単
位電池を積み重ねて電池スタックが構成された状態で、
ウェットシール部を形成するための加熱や加圧を行うこ
とは、技術的に相当困難である。これは、一度に多数の
単位電池のガスシール特性や濡れ特性、接触抵抗の改善
を高温下という厳しい条件の中で一度に達成しなければ
ならないことによるものである。したがって、電池スタ
ックの信頼性は十分なものとなっていない、しかも、電
池スタックの極く一部の単位セルに不良状態が発生した
場合には、積層電池全体の交換が必要となる。この結果
、大出力な産業用発電プラントに燃料電池を使用するこ
とを考えると、当然にメンテナンスの大幅な困難を生ず
ることに通じるものである。また、実用面からみても、
さらに発電コストの面からみても、メンテナンスのしや
すさは解決していかなければならない問題である。

上記問題点を解決するために、本発明は、電解液および
反応ガスの漏れを防止し、かつメンテナンスに優れ、高
積層化に際して信頼性の高い燃料電池を提供することを
目的とする。

〔問題点を解決するための実質的手段〕上記目的を達成
するために、本発明は、電解質板を挾持して相対向配置
された電解板と、当該電極板および電解質板を挾持して
相対向配置され、前記各電極板との間で反応ガス流路を
形成するセパレータとからなる単位電池の複数個を積層
してなる燃料電池において、前記単位電池を構成するセ
パレータの一方は、対向配置された他方のセパレータと
絶縁接合されることにより、前記単位電池が独立に構成
され、当該独立に構成された単位電池の複数個が積層さ
れてなることを特徴とする燃料電池である。

〔作用〕

上記本発明の構成において、電解質板の焼成時、電解質
板、電極板、セパレータを組み合わせて単位電池を個々
独立に構成でき、さらに従来の電解質板のウェットシー
ル部を絶縁接合、例えばセラミック接合で構成でき、セ
パレータとセパレータとがドライシールされる。したが
って、電極、電解質板の形状個体差をドライシール部で
吸収できるようになるため、反応ガスや電解質のシール
特性の良好な単位電池が一個一個独立に得られる。

このような単位電池を積層して燃料電池スタックが構成
されるので、その一部の単位電池に不良が発生した場合
には、この単位電池のみを取り換えることにより燃料電
池全体のメンテナンスを行うことが可能となる。

さらに、ウェットシールにより反応ガスのリーク等を防
止するのではなく、ドライシールを用いているために、
燃料電池のウェットシール時の加重負荷を避けることが
できる。したがって、電解響板や電極板の割れを防止す
ることができる。

〔実施例〕

次に、本発明に係る燃料電池の好ましい各種実施例を添
付図面に従って説明する。第１図にその断面構成図を示
す。

第１図において、電解質板１を挾んで酸化剤側のカソー
ド電極２および燃料側のアノード電極６が密着している
。さらに、それら電極の外側に、集電板３，７が電極に
密着している。この集電板３．７の外側には、酸化剤、
燃料ガスが流れる流路を形成するための矩形の薄板（短
形枠）５゜１５がそれぞれ直交して当該集電板３，７に
接している。その矩形枠５，１５はセパレータとしての
機能を有するものである。

酸化剤ガス、燃料ガスは、それぞれ集電板３゜７と上記
矩形枠５，１５で形成される空間４，８を、お互に直交
して流れるようになっている。電解質板１を中心として
図中上側の酸化剤側に着目すると、酸化剤ガスの流路を
形成する矩形枠５は、電池本体の外形を形成する外壁板
１３とこの矩形枠５とが接するところで密着する構造と
なっている。この外壁平板１３と接して当該外壁平板１
３の上に次の同様な単位電池が積み上げられ、燃料電池
スタックが構成される。

酸化剤ガス流路４を外部と遮断するために、シール部材
１２が単位電池全周を覆うように設けられている。この
シール部材１２には、反応ガスの入口、出口部に連設す
る内部マニホールドのための流路９Ａが設けられている
。燃料ガスがこの流路９Ａを流通して、燃料ガス流路８
を通り電極６内で電気化学反応を惹起し、生成ガスが流
路１１を通って入口と反対側に設けられた出口マニホー
ルド９Ｂを流通し、外部へ排出される。酸化剤ガス側の
マニホールドは図示されていないが、燃料ガスと直交す
る方向に当該マニホールドが設けられている。この内部
マニホールドを有するシール部材１２は、先に示した矩
形枠５と、酸化剤側外壁平板１３と接しており、これら
のシール部材１２と矩形枠５と外壁平板３とが一体化し
た単位電池が形成される。同様に、燃料ガス側について
も矩形枠１５、外壁平板１４と燃料ガス側のシール部材
１２とが一体化した構造となっている。

電解質板焼成時には、酸化剤側シール部材１２Ａと、燃
料ガス側シール部材１２Ｂとの間にはギャップが生じて
おり、この両者の向かい合っている領域１０を除いては
堅固に密着していることになる。燃料電池では、シール
部材が向かい合っている領域でのガスシール電気絶縁性
が要求される。

この領域１０は、従来の燃料電池でいうウェットシール
面に相当し、ウェットシールと同様な機能をもつところ
である。本実施例においては、予めシール部材１２のシ
ール面である領域１０にプラズマ溶接によってセラミッ
クのコーティングを施しておく、このシール部材間のギ
ャップに対して、先に施しておいたセラミックコーティ
ング面を新たにメタライジングして、金属面同志を７５
０〜８５０℃の温度でロー付けあるいは拡散などにより
接合し、電解質板焼成時にガスシールを行う。

カソード２およびアノード６の間の電圧絶縁性に関して
は、前記したセラミックコーティングによす十分絶縁性
が得られている。このように、セラミック面にメタライ
ジングを施こし、接着面を固定したのは、シール部材間
の接着面での接触抵抗をなくすためである。なお、中央
部をメタライジングし、その周囲をセラミックコーティ
ングをしてシール部材を密着させることも可能である。

本実施例に示す独立の単位電池（以下「パッケージ型電
池」ということがある）を積層し、積層方向に荷重をか
け、各単位電池間の接触抵抗の低減あるいはガスのシー
ル性能を向上させる。その結果、従来のウェットシール
を施こした燃料電池と比較し、高積層電池の組み立てが
容易で、しかも不良電池が発生した場合にも、単位電池
ごとに交換可能な燃料電池を提供できる。また、積層電
池の電気的抵抗を非常に小さくし、かつ積層電池間のガ
スシールを完全なものとするために、積層電池面１３．
１４を所定の温度で、例えば前記接合温度よりも少し低
い温度で接合し、接触抵抗をなくすことも可能である。

次に、本発明に係る他の実施例について説明する、第６
図および第７図に、内部マニホールド型構造のパッケー
ジ型単位電池の積層面からのガスシール性能を向上させ
た実施例の一部断面構成図を示す。

第６図において、電解質板１の両側に酸化剤ガス、燃料
ガス側電極２，６が密着し、その外側に集電板３，７が
密着されている。この集電板３゜７の両側にガス流路４
，８が形成されている。これらの点は第１図に示した実
施例と同様である。

一方、内部マニホールド９の単位電池両端部には、凸部
２２と凹部２１が設けられている。一つの電池の凸部２
２が他方の単位電池の凹部２１に嵌挿され、単位電池を
積層した積層電池が構成される。

このように凹部凸部を設け、単位電池が相互に嵌挿され
ていることにより、積層時の位置決めが容易になり、か
つ積層後の横ずれを防止することができる。横ずれが防
止できる結果、燃料電池スタックとしては、耐震性が向
上することになる。なお、第１図の実施例と同様の方法
により、接合面１０で両シール部材が接合され、パッケ
ージ型車位電池が形成されていることは同様である。

上記凹部および凸部を有するパッケージ型単位電池を複
数個積層する際、第７図に示すように、前記内部マニホ
ールドの凸部２２を凹部２０に嵌装する際、両者間にア
スベストあるいは銅チューブなどのシール材２２を介し
て単位電池を積層することができる。この結果、積層面
１３．１４の電気伝導性が良好になり、ガスシールをさ
らに向上させることが可能となる。

第８図に本発明に係る燃料電池の他の実施例の一つとし
て、冷却セル３０とパッケージ型単位電池が組み合わさ
れた燃料電池の断面構成図を示す。

電池の構成は第１図の実施例と同様であり、冷却セル３
０が単位電池の外側平板１３．１４の間に組み込まれて
いる点が異なる。この場合には、酸化剤ガス側のセパレ
ータ外側平板１３に設けられた冷却孔３１から矩形セパ
レータ５の溝部３３へ冷媒３２が噴出され、電解質板１
を冷却している。

噴出された冷媒３２は、溝部３３の一端から排気ライン
（図示せず）へ戻される。また、冷却セル３０と電池と
の接触面については、第６図、第７図のように凹凸およ
びパツキンを介する構造にし、シール性能の向上、電気
抵抗の低減を図ることもできる。

本実施例によれば、冷却性能の良好でかつガスシール性
能が良く、さらには不良電池の交換が容易な積層電池が
構成できる。また、電池の温度分布に合わせて、冷却孔
３１の数を変更することにより、温度分布の均一な電池
が得られ、信頼性。

電池寿命の優れた積層電池が得られる。

第９図に外部マニホールド型の溶融塩燃料電池の一実施
例断面構成図を示す。電池の構成は第５図に示した内部
マニホールド型の実施例と基本的には同じである１本実
施例では、燃料ガス２３が外部マニホールドから流路８
に供給され、面３４が外部マニホールドと積層電池との
シール面になる。

〔効果〕

以上説明したように本発明の係る燃料電池によれば、単
位電池の対向するセパレータが互いに絶縁接合されてい
るために、電解液および反応ガスのリークを確実に防止
することができ、また発電に必要な電極の有効面積が大
きなものとなる。その結果、電池の発電効率が向上し、
さらには電池の信頼性も向上する。

また、単位電池ごとにシールがされており、これらが積
層されて電池スタックが構成されているために、不良単
位電池のみを交換することができる。したがって、メン
テナンス性に優れたものとなる。

さらに、ウェットシールにより反応ガスのリークを防止
するのではなく、ドライシールを用いているために、ウ
ェットシール時の負荷を避けることができる。したがっ
て、電解質板や電極板の割れを防ぐことができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に係る燃料電池の一実施例の単位電池断
面構成図、第２図は従来の燃料電池構成を示す全体斜視
図、第３図は第２図の平面図、第４図は第２図の断面図
、第５図は第３図のＡ−Ａ′断面図、第６図および第７
図は本発明の他の実施例の内部マニホールド部の積層状
態を示す断面構成図、第８図は本発明の他の実施例であ
って、冷却セルが組み込まれた構造を示す断面構成図、
第９図は本発明の他の実施例であって、外部マニホール
ド型燃料電池の断面構成図である。 １・・・電解質板、３，７・・・集電板、２・・・カソ
ード電極、４，８・・・反応ガス流路、６・・・アノー
ド電極、１０・・・接合面、２０・・・凹部、２２・・
・凸部。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、電解質板を挾持して相対向配置された電極板と、当
   該電極板および電解質板を挾持して相対向配置され、前
   記各電極との間で反応ガス流路を形成するセパレータと
   からなる単位電池の複数個を積層してなる燃料電池にお
   いて、前記単位電池を構成するセパレータは対向配置さ
   れた一方のセパレータと絶縁接合させることにより前記
   単位電池が独立に構成され、当該独立に構成された単位
   電池の複数個が積層されてなることを特徴とする燃料電
   池。 ２、特許請求の範囲第１項記載の燃料電池において、上
   記絶縁接合部は凹部に凸部が嵌装するようになつている
   ことを特徴とする燃料電池。