JPH04106876A - 燃料電池装置 - 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］ この発明はウェットシール部を有する燃料電池装置の改
良に関するものである。

［従来の技術］ 従来の溶融炭酸塩型燃料電池装置の外観を第６図に示す
。図において、（１）は燃料電池の積層体、（２＾）＜
２Ｂ）はそれぞれ燃料ガスおよび酸化剤ガス供給用のマ
ニホールドである。第７図は前記マニホールド（２＾）
（２Ｂ）を外した状態を示す斜視図である。

図において（３）はセパレータ板で、燃料ガス電極（６
）に対向して設ける燃料ガス流路（４〉　と、酸化剤ガ
ス電極（７）に対向して設ける酸化剤ガス流路（５）を
分離している。燃料ガス流路（４）と酸化剤ガス流路（
５）はそれぞれ波板状の流路板（４ａ）　、　（５ａ）
によって形成されている。燃料ガス電極（６）と酸化剤
ガス電極（７）は電解質マトリックス（８）を間に挟む
ようにして配設され、単電池（１ａ）を構成している。

燃料ガス電極（６）は、例えばニラゲルの多孔体で形成
され、酸化剤ガス電極（７）は、例えばＮｉＯ多孔体で
形成されている。（１４）は燃料ガス流路（４）に充填
された改質触媒、（９）は酸化剤ガス電極（７）を保持
し、発生した電流を通過せしめる集電板である。（１２
）及び（１３）はそれぞれセパレタ板（３）に設けられ
、電池の内外を分離シールする燃料側ウェットシール部
、及び酸化剤側ウェットシール部である。溶融炭酸塩型
燃料電池は、単電池（１ａ）とセパレータ板（３）を交
互に積層して形成される積層体で、上端部及び下端部に
は端板（１０）　、　＜１１）が設けられている。

次に、この種の溶融炭酸塩型燃料電池の動作について説
明する。燃料ガス流路〈４）に炭化水素などの燃料ガス
と水蒸気が供給されると、改質触媒（１４）上での改質
反応により、炭化水素は水蒸気と反応して水素、−酸化
炭素、および炭酸ガスに変換される。炭化水素がメタン
の場合には、この反応は以下の式で表される。

ＣＨ，＋Ｈ２０−−ＣＯ２＋Ｈ２（１）ＣＯ２Ｈ２０−
ＣＯ２＋Ｈ２（２） 生成された水素は、多孔性の燃料ガス電極（６）の細孔
を拡散し電解質マトリックス（８）を介して酸化剤ガス
電極（））から移動してきた炭酸イオンと次に示すアノ
ード反応に供する。

Ｈ２＋　ＣＯｓ−−→Ｈ２０＋ｃＯ２＋２ｅ−（３）他
方、酸化剤ガス流路（５）には空気と炭酸ガスとの混合
ガスが供給され、二酸化炭素と酸素は多孔性の酸化剤ガ
ス電極（７）の細孔を拡散し、次に示すカソード反応に
供する。

Ｃ○２＋　１　／２０２＋　２　ｅ　−→ＣＯｚ”−（
４）アノード反応とカソード反応を合わせて電池反応と
称する５電解質マトリツクス（８）に含浸され、動作温
度である６５０℃付近では溶融状態になっているアルカ
リ炭酸塩は、炭酸イオンを伝導させる役割を担う。

このように、燃料電池とは燃料ガス供給用マニホールド
（２＾）から供給される炭化水素などの燃料ガスと、酸
化剤ガス供給用マニホールド（２Ｂ）から供給される空
気などの酸化剤ガスの持つ化学エネルギーを、電気化学
的な反応によって直接電気エネルギーに変換し、電力を
得る装置である。

［発明が解決しようとする課Ｍ］ 上記のように構成された従来の溶融炭酸塩型燃料−電池
のウェットシール部（１２）　（１３）は金属の平板に
より形成されており、柔軟性がないため、電極（６）、
（７）の厚さの設計が不適当な場合や、電池の運転時間
の経過と共に電極（６）、（７）が縮んだ場合、ウェッ
トシール部（１２）　（１３）は変形せず、電解質マト
リックス（８）、電極（８）（７）などが接触不良を起
こし、電池の内部抵抗が増加するという問題点があった
。

このような問題点を解決する溶融炭酸塩型燃料電池とし
て、例えば特開昭６０−２２０５７１号公報に提案され
たものの部分斜視図を第８図に示す。ウェットシール部
（１２）の内側には、図に示すように電極部と同等の強
度と柔軟性を有するスペーサ（１５）が配置され、ウェ
ットシール部（１２）の厚みが電極（６）流路板（４ａ
）などからなる電極部の変形、縮みに対して追随し、電
極（６）と電解質マトリックス（８）の接触を良好に保
って、内部抵抗の増加を抑えている。

また、特開昭６２−１８８１７７号公報には、第９図に
示すようにマニホールド対向部（１２ａ）に先端部を密
閉すると共に平坦にするためのキャップ（１６）を接合
して、マニホールドに対するガスシール性を改善してい
る。

ところが、このようなウェットシール部（１２）の構造
では、特に負荷を取った場合、アノード反応により電極
部ではガスの体積が膨張し、流れの抵抗が増加するため
、マニホールド（２）から供給されたガスの一部がウェ
ットシール部の内側（１２ｉ）に回り込む、そして、そ
の分だけ電極部に供給されるガス量が減少し、正味の燃
料ガス利用率が増加して、電池特性が低下するという新
たな問題点が発生する。

さらに、第１０図に示す内部改質型燃料電池においては
、電極部の燃料ガス流路（４）ニ改質触媒（１４）を充
填するため、触媒充填による流路抵抗の増加と改質反応
によるガス流量の増加とにより、この問題が最も顕著に
現れる。

本発明は上記のような従来装置の問題点を解消するため
になされたもので、電極や電解質マトリクスの接触を保
ち、電極が縮んでも内部抵抗が増加せず、かつウェット
シール部の内側に燃料ガスが回り込むのを防いだ電池特
性の高い燃料電池装置を得ることを目的とする。

［課題を解決するための手段］ 本発明に係る燃料電池装置は、電解質マトリックスの一
側及び他側にそれぞれ配設された燃料ガス電極、及び酸
化剤ガス電極と、これら電極の外側にそれぞれ配設され
た燃料ガス流路、及び酸化剤ガス流路とを有し、セパレ
ータを介して積層された複数の単電池、前記セパレータ
におけるガスの通流方向両側部に設けられたウェットシ
ール部、並びにこのウェットシール部の内側にガスが通
流するのを防ぐガス遮蔽手段を備えるように構成したも
のである。

［作　用］ 本発明におけるガス遮蔽手段は、ウェットシル部の内側
空間を塞ぎ、ガスがウェットシール部に侵入するのを抑
制する。

［実施例］ 以下、本発明の一実施例を図について説明する。

第１図において、（１２）はセパレータ（３）と一体的
に形成されたウェットシール部、（１７〉は燃料ガスが
ウェットシール部（１２）の内側に回り込むのを防ぐガ
ス遮蔽手段である。この実施例では、ガス遮蔽手段（１
７）は、ウェットシール部（１２）の内側に設けられた
断面口字状の遮蔽板（１８）と、この遮蔽板（１８）の
内側に設けられたスペーサ部材（１９）　（２０）と、
マニホールド対向部（１２ａ）側、即ち第１図の紙面の
手前側端部を塞ぐキャップ（１６）とから構成されてい
る。なお、ウェットシール部（１２）及びガス遮蔽手段
（１７）は、セパレータ板（３）の図の右方向端部にも
同様にガス流路（４）の方向に沿って設けられているが
、図示を省略している。

上記セパレータ板（３）は、例えば厚さ０．１〜１．Ｏ
ｌのニッケルとステンレス（例えば５ｔｌＳ３１６Ｌ、
または５ｔｌＳ３１ＯＳ＞のクラツド板で、ニッケルの
厚さの比は耐腐食性などを考慮して、１７９〜１７６程
度のもので形成される。クラツド板を第９図に示す従来
技術のように燃料ガス流路に平行な対向する二辺（１２
ｂ）　（１２ｂ）をそれぞれ燃料ガス電極側に折り返し
、酸化剤ガス流路に平行に二辺＜１３ｂ）　（１３ｂ）
をそれぞれ酸化剤ガス電極側に折り返し、この折り返し
片が燃料ガス側及び酸化剤ガス側のウェットシール部（
１２）及び（１３）を形成する。耐腐食性からニッケル
面側が燃料ガス流路（４）に対向するように構成してい
る。さらに、折り返しで構成されたコーナ一部のマニホ
ールド対向部（１２ａ）には、プラズマアーク溶接部な
どにより、キャップ（１６）を接合し、先端部を密閉す
ると共にマニホールド対向部（１２ａ）を平坦にして、
ガスシール性を保っている。、上記遮蔽板（１８）は例
えば厚さ０．１〜０．５ｍｍのニッケル板を第１図に示
すようにコの字形に折り曲げ、コの字形の側面にてガス
の流れを遮断するようにウェットシール部（１２）の内
側に挿入する。コの字形の内側部にはウェットシール部
（１２）を保持するため、電極部と同等の強度と柔軟性
を有したスベサ部材（１９）　（２０）が内蔵されてい
る。

上記のように構成された溶融炭酸塩型燃料電池において
は、電極部においてガスの体積が膨張し流れの抵抗が増
加しても、あるいは改質触媒による流路抵抗の増加と改
質反応によるガス流量の増加があっても、ウェットシー
ル部（１２）にガス遮蔽手段を設けたことにより、燃料
ガスのウェットシール部への回り込みを防ぎ、電極＜６
）　、　（７）や電解質マトリクス（８）などの接触を
良好に保ち、電池特性の低下を防ぐことができる。特に
燃料ガス流路に改質触媒を充填した内部改質型燃料電池
において、その効果を最も顕著に発揮する。

なお、上記スペーサ部材（１９）は、コルゲート状また
はバネ状のものに限定されるものではない。

第２図はこの発明の他の実施例を示す斜視図である６図
において（２１ｍ）　（２１ｂ）　（２１ｅ）はポロシ
ティの異なる多孔体からなるガス遮蔽材である。ポロシ
ティ−の小さい多孔体がガスのシール性が要求される電
極に近い側に配置されている。

上記多体孔からなる遮蔽材（２１）には柔軟性を保ちつ
つ、ガスを遮蔽する適度なポロシティ−、ボア直径が要
求される。好ましく用いることのできるものとして、例
えば発泡金属シート（例えば住友金属工業製、商品名セ
ルメット）のようなＮｉやＣ「を成分に含む多孔質な金
属、及びＮｉ　　Ｃｒ、Ｎｉ、ステンレスなどの金属繊
維を成形して得られるファイバーマット（例えば日本精
線株式会社製、商品名ナスロン）などを上げることがで
きる。多孔体のポロシティ−は所定の圧力にて加圧にて
加圧成形することにより容易に調整できる。また、ポロ
シティ−を大きくすることにより柔軟性を増すことがで
きる。

上記のように構成された他の実施例においても、第１図
のものと同様の効果を期待することができる。

なお、第３図に示すように多孔体（２１）の空孔部に、
動作温度にて溶融あるいは凝固し、ガスの流れを遮蔽す
るシール材（２２）をしみ込ませてもよい。

この場合においても、シール材（２２）を多孔体のシー
ルしたい側に多くしみ込ませれば、シール効果が大きい
。好ましく用いられるシール材（２２）としては、例え
ば電解質成分と同じ炭酸リチウム、炭酸カリウムの共晶
塩を上げることができる。また、凝固性のシール材（２
２）としてマニホールドのシル材として使用されている
ジルコニアなどのベーストを多孔体にしみ込ませて充填
してもよい。

なお、上記実施例ではポロシティ−の異なる複数の多孔
体を用いたが、多孔体は１つでも良い。

また１つの多孔体のポロシティ−を部分的に変えたもの
を用いても差し支えない。

第４図はさらに他の実施例の要部を示す斜視図である。

セパレータ板（３）の両端部（図は一端部を示している
。）を杭状に密閉し、杭状部（２３）の上面部にてウェ
ットシール部（１２）を形成し、杭状部（２３）の側面
部によりガス遮蔽手段を構成しても同様の効果を奏する
。以下、この実施例の詳細について説明する。

クラツド板の両端を図のように四回折り返し、折り返し
部（＾）とクラツド板（３）が接した面（Ｂ部）を溶接
により接合し、マニホールド対向部（１２ａ）にも第１
図に示すキャップ（１６）と同様のキヤ・ツブを接合す
る（図示省略）。なお、接合する前に、内側にウェット
シール部（１２）を保持するスペーサ（図示省略）を挿
入しておく、このスペーサは電極部と同等の強度と柔軟
性を有することが望ましく、例えば流路板（４ａ）とし
て使用されるコルゲト板、第２図に示す多孔体（２１）
などを使用することができる。また、適度な強度と柔軟
性を持つようにセパレータ板（３）の厚さを選択してや
れば、スペーサを省略することもできる。このようにす
れば、ウェットシール（１２）の内側は完全に密閉され
、燃料ガスの回り込みを防ぐことができる。

第５図は第４図の実施例をさらに改善した実施例を示す
、この場合、ウェットシール部（１２）を形成した杭状
部材（２３）を製作し、後にクラツド板からなるセパレ
ータ（３）とこの部材（２３）を例えば二・ンケルのロ
ウ（２４）により接合する。ロウ付けは、セパレータ板
（３）全体をロウ材（２４）の融点以上の温度に加熱し
、接合部材（２３）をロウ材（２４）を介して加圧する
ため、溶接のように局部的な温度差や残留応力が発生し
に＜＜、部材の変形も少ないなどの利点がある。さらに
、ウェットシール部（１２）を有する杭状部材（２３）
を別個に製作するため、部材の折り遅しが容易となる利
点もあり、製造工程を短縮することができる。

ところで上記実施例ではいずれもこの発明を溶融炭酸塩
型燃料電池に用いる場合について説明したがこれに限定
されるものではない。

［発明の効果］ 以上のように、この発明によれば、ウェットシル部の内
部にガスが通流するのを防ぐガス遮蔽手段を備えるよう
に構成したので、ウェットシル部の内側に燃料ガスが回
り込むのを防ぎ電池特性の優れた燃料電池装置を得るこ
とができる効果がある。

【図面の簡単な説明】 第１図はこの発明の一実施例による溶融炭酸塩型燃料電
池の要部であるウェットシール部の燃料ガス流入側を示
す一部破断斜視図、第２図はこの発明の他の実施例の要
部を示す斜視図、第３図は第２図に示す実施例における
多孔体に、シール材をしみ込ませた実施例を示す斜視図
である。第４図はこの発明のさらに他の実施例の要部を
示す斜視図、第５図は第４図に示す実施例をさらに改良
した実施例を示す斜視図である。第６図は一般的な溶融
炭酸塩型燃料電池にマニホールドを取り付けた状態を示
す斜視図、第７図は一般的な内部改質型燃料電池を示す
斜視図、第８図は従来の溶融炭酸塩型燃料電池の要部を
示す部分斜視図、第９図は従来の他の溶融炭酸塩型燃料
電池のセパレタ板を示す斜視図、第１０図は従来の内部
改質型燃料電池の燃料ガスの流れを示す断面図である。 図において、（３）はセパレータ板、（４）は燃料ガス
流路、（６）は燃料ガス電極、（８）は電解質マトリク
ス、（１２）はウェットシール部、（１７）はガス遮蔽
手段である。 なお、図中、同一符号は同一、または相当部分を示す。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 電解質マトリックスと、この電解質マトリックスの一側
   及び他側にそれぞれ配設された燃料ガス電極、及び酸化
   剤ガス電極と、これら電極の外側にそれぞれ配設された
   燃料ガス流路、及び酸化剤ガス流路とを有し、セパレー
   タ板を介して積層された複数の単電池、前記セパレータ
   板におけるガスの通流方向両側部に設けられたウェット
   シール部、並びにこのウェットシール部の内側にガスが
   通流するのを防ぐガス遮蔽手段を備えたことを特徴とす
   る燃料電池装置。