JPH0654670B2 - 燃料電池セパレータ - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 この発明は燃料電池、特に溶融炭酸塩燃料電池に関す
る。特に、この発明は溶融炭酸塩燃料電池発電装置にお
いて、積重ねられた燃料電池における隣接電池を分離す
るセパレータに関する。

溶融炭酸塩燃料電池の一つの型式のものとしては、電解
質保持マトリックス（母体）によりカソードから隔置さ
れたアノードを備えている。各電極は、セパレータプレ
ートにより隣接電池から分離された電池の反応領域に配
置されている。波形支持体が、各電極と隣接するセパレ
ータプレートとの間を占めている。２つの支持体の波形
は相互に直交して配置されると共に、それぞれ、２つの
反応領域を通して２種の異なる反応体ガスを直交方向に
通過させることができる。一方の支持体の通路は、一方
の反応体ガスのために、電池積重ね体の両側に設けられ
たガスマニホルド間に延びており、また他方の支持体の
通路は、他方の反応体ガスのために積重ね体の他方の側
部に設けられたガスマニホルド間に延びている。

各セパレータプレートはその両側縁に沿って、２つの中
実金属からなるシールレールを保持しており、これらの
シールレールは支持体通路および関連反応領域に平行
に、そして電池積重ね体の一端に向けて延びており、ま
たこれらのレールは、電池の関連反応領域における電極
およびその支持体とほぼ同一の高さを有している。同様
のレールがセパレータプレートの他側縁に沿って形成さ
れていると共に、電池積重ね体の他端に向けて突出する
か、あるいは隣接電池の反応領域をシールしている。こ
うして、各電池は、２つのセパレータプレート、一方の
セパレータプレートに設けられて電池活性領域の一方を
シールするシールレール、および他方のセパレータプレ
ートに設けられて電池活性領域の他方をシールするシー
ルレールにより画定されている。

中実体からなるシールレールの欠点は、これが電極およ
び電極支持体の厚さの変化に対して調整できないことで
ある。この厚さ変化は、電池の数種の要素の製造上の公
差、あるいは電池の作動に応答する電池の各要素が示す
特性によるものである。したがってたとえば、電池積重
ね体が加熱されると、電極および支持体は熱膨張を受
け、これらに対して作用する圧縮力が増大する。時間と
共に、電池の要素はクリープを生じ、これが圧縮力を減
少させて、要素をシールレールから引離し、電池の活性
領域のシール状態を損うようになる。電池要素間および
隣接電池間の電気的および熱的伝導性も損われるように
なる。

この発明の一般的な目的は、従来のセパレータの欠点を
解消すると共に、付加的な構造的および作動的利点を有
する改良された燃料電池セパレータを提供することであ
る。

この発明の重要な目的は、使用時の電池要素の厚さ変動
を調整できる燃料電池セパレータを提供することであ
る。

前述の目的に関連して、この発明の別の目的は、弾性的
に圧縮され得る前述のタイプの改良された燃料電池セパ
レータを提供することである。

この発明のさらに別の目的は、簡単で経済的な構造を有
する前述のタイプの燃料電池セパレータを提供すること
である。

この発明の前述ならびに他の目的は、複数の燃料電池の
積重ね体において、隣接する２つの燃料電池を分離する
この発明による燃料電池セパレータによって達成され
る。すなわち、この発明によるセパレータは、実質的に
平坦で平面状のガス不浸透性プレートの対向する両縁に
沿ってシールレールを配設し、該シールレール間に電極
を配設し、該シールレールと該電極とに接して電解質マ
トリックスを配設してなる燃料電池のセパレータであっ
て、前記シールレールは前記プレートの周縁部に沿って
プレートの平面から突出して設けられたシールフランジ
を有している。前記シールフランジは、プレートと一体
構造とされプレート平面から伸設されたガス不透過性の
弧状端部と、この弧状端部と一体構造でかつプレートと
間隔を置いて重ねられている平坦部とを有し、これによ
って弧状端部と平坦部とプレートとで囲まれたポケット
が形成される。前記ポケット内には弾性圧縮可能なスプ
リングシート積重ね体が配設される。これによってプレ
ートに対する平坦部の動きに適応して両者の間の間隔が
変化できるようになっている。

この発明の付加的な目的、利点および新規な特徴は、一
部は以下の説明により、そして一部は以下の説明を考察
することにより明らかになるであろうし、あるいはこの
発明の実施により明らかになるであろう。この発明の目
的および利点は、特許請求の範囲に指摘された手段およ
びその組合わせにより、実現および達成できるであろ
う。

この発明の理解を容易にするために、以下に図面を参照
してこの発明の好ましい実施例を説明する。

第１図には燃料電池モジュール（単位体）が示されてお
り、このモジュール１０は燃料電池の積重ね体１１を包
含している。さらに第２，３および４図も参照すると、
積重ね体１１は、それぞれ総体的に２０で示されると共
に溶融炭酸塩タイプである、複数の同一の反復燃料電池
ユニットから構成されている。積重ね体１１はその頂部
をアノード端部プレート１２により画定されており、こ
のプレート１２にはその底面に横断して延びる長方形チ
ャンネル１３が形成されている。また前記積重ね体１１
はその底部をカソード端部プレート１４により画定され
ており、このプレート１４にはその上面に、チャンネル
１３の方向と直交する方向に横断して延びる長方形チャ
ンネル１５が設けられている。端部プレート１２と１
４、および燃料電池ユニット２０は長方形状を有してい
るが、画面には実質的に正方形として示されている。し
たがって、積重ね体１１は正方形の横断面形状を有する
柱体から構成されており、この柱体は、４つの反応体ガ
スマニホルドにより実質的に完全にそれぞれ覆われた、
４つの長方形の垂直側面を有している。これらのマニホ
ルドは、燃料流入マニホルド１６、酸化体流入マニホル
ド１７、燃料流出マニホルド１８および酸化体流出マニ
ホルド１９である。

各燃料電池ユニット２０は、平坦で長方形の電解質マト
リックス２１を包含しており、このマトリックス２１は
その上面がアノード２２に接触して配置されている。ア
ノード２２は、好ましくはマトリックス２１より実質的
に大きい厚さを有する平坦プレートまたはブロックの形
状を有すると共に、その上面に複数の実質的に等間隔に
隔置された平行チャンネル２４が設けられる。各チャン
ネル２４は横断面が円筒形の一部からなると共に、燃料
流入マニホルド１６から燃料流出マニホルド１８まで積
重ね体１１を横切って延びている。積重ね体１１の頂部
には電解質マトリックス２１が、アノード端部プレート
１２の底面に接触して配置されており、この頂部電解質
マトリックス２１のための関連アノード２２は、アノー
ド端部プレート１２のチャンネル１３内に実質的に境界
を接して配置されており（第３図参照）、またチャンネ
ル２４はチャンネル１３の長寸法に平行に延びている。
各電解質マトリックス２１の底面に接触して、平坦で長
方形のカソード２５が配置されており、カソード２５の
底面は薄い長方形の支持プレート２６に接触して配置さ
れている。カソード支持プレート２６は波形電流コレク
タ２７に載置されており、その波形はそこを横方向に延
びて複数のチャンネル２８を画定しており、このチャン
ネル２８は使用に際して酸化体流入マニホルド１７から
酸化体流出マニホルド１９へ延びる（第１図参照）。積
重ね体１１の底部には、電解質マトリックス２１がカソ
ード端部プレート１４の上面と接触して配置されてお
り、カソード２５、カソード支持体２６、および電流コ
レクタ２７といった関連するカソードアセンブリは、カ
ソード端部のプレート１４の上面のチャンネル１５内に
境界を接して配置されており、またチャンネル２８がチ
ャンネル１５の長寸法に平行に延びている。

チャンネル２４を横断する方向の各アノード２２の寸法
は、関連マトリックス２１の対応寸法より実質的に小さ
いという点に留意すべきである。この方向における各マ
トリックス２１の突出縁部は、アノード２２の閉両側部
に沿ってシール領域を画定している。同様に、カソード
支持プレート２６内の波形チャンネル２８を横断する方
向のカソード２５、カソード支持プレート２６、および
電流コレクタ２７の寸法は、関連する電解質マトリック
ス２１の対応寸法より実質的に小さい。この方向におけ
る各マトリックス２１の突出縁部は、関連カソード２５
の閉両側部に沿ってシール領域を画定している。

さて第４および５図も参照すると、反復する燃料電池ユ
ニット２０の隣接するものは、この発明によるセパレー
タ３０により分離されている。このセパレータ３０は、
燃料電池ユニット２０のそれぞれの平面寸法と実質的に
同寸法の平坦で平面状の長方形のガス不透過性金属プレ
ート３１を包含している。プレート３１にはそれぞれ両
側縁に沿って、実質的に同一のガス不透過性シール手段
すなわちカソードシールフランジ３２が設けられてお
り、その各々は、プレート３１それ自体を上方に折り返
してなる一体構造の縁部から構成されている。各カソー
ドシールフランジ３２は弧状端部３３と平坦部３４とを
備え、その平坦部３４はプレート３１に重なると共にそ
の上方に所定距離隔置される。同様、プレート３１の他
方の２つの側縁部にはそれぞれ、実質的に同一のガス不
透過性シール手段すなわちアノードシールフランジ３５
が設けられており、その各々は、プレート３１それ自体
を下側に折り返してなる一体構造の縁部から構成されて
いる。各アノードシールフランジ３５は弧状端部３６と
平坦部３７とを備え、この平坦部３７はプレート３１に
重なると共にその下方に所定距離隔置される。セパレー
タ３０には、各フランジ３２および３５とプレート３１
との接合個所に隅部切除部３８が設けられて、セパレー
タ３０の製造時にその折り畳みを容易にするようになっ
ている。各シールフランジ３２および３５の幅は、各電
解質マトリックス２１の縁部におけるシール領域の幅と
実質的に同一である。

各カソードシールフランジ３２は、プレート３１の関連
する重なり部分と共働して、チャンネルまたはポケット
を画定しており、そこに薄肉の長方形スプリングシート
４１の積重ね体４０が受容されるようになっている。前
記各シート４１は、関連するカソードシールフランジ３
２の対応平坦部３４と実質的に同一の寸法を有してい
る。これらのシート４１は相互に、そして関連フランジ
３４に対して、任意の適当な固定手段、たとえば接着剤
またはスポット溶接により、積層構造体として固定され
ており、この積層構造体は総体的に４５で示されるシー
ル調整装置すなわちカソードシールレールを形成してい
る。カソードシールレール４５はそれらの間に、隣接し
て重なる燃料電池ユニット２０の活性領域を画定してお
り、その領域に燃料電池ユニット２０のカソード２５、
カソード支持プレート２６、および電流コレクタ２７が
配置されている。

同様に、各アノードシールフランジ３５はプレート３１
の関連する重なり部分と共働して、チャンネルまたはポ
ケットを画定しており、そこに薄い長方形のスプリング
シート４１の積重ね体の一つが受容されるようになって
いる。前記シート４１は積層構造体として一緒に固定さ
れて、総体的に５０で示されるシール調整装置すなわち
アノードシールレールを形成する。２つのアノードシー
ルレール５０は共働して、それらの間に重なり隣接する
燃料電池ユニット２０の活性領域を画定しており、この
領域に燃料電池ユニット２０のアノードが配置される。

各積重ね体４０のスプリングシート４１の厚さに、関連
シールフランジ平坦部３４または３７の厚さを加えた組
合せ公称厚さは、最少の所望シールレール厚さに実質的
に等しい。しかし、薄肉金属シートの製造にあたり通常
生じる不完全な平坦性により、積重ね体中に置かれた
時、個々の層の厚さの和になるように平坦にするために
ある程度の力を必要とする積層体が提供される。この挙
動により、弾性圧縮可能なシールレールが提供される。
各シールレール４５および５０は、静止状態および包囲
温度において、隣接する燃料電池ユニット２０の関連活
性領域の要素の厚さに実質的に等しい総体厚さを有する
ように設計されている。したがって、カソードシールレ
ール４５の厚さは、関連するカソード２５と、カソード
支持プレート２６と、電流コレクタ２７との組合せ厚さ
と実質的に同一であり、一方、アノードシールレール５
０の厚さは関連するアノード２２の厚さに実質的に等し
い。好ましい実施例においては、カソードシールレール
４５の厚さはアノードシールレール５０の厚さより少し
大きいが、シールレール４５および５０の厚さは、使用
される特定の燃料電池電極アセンブリに依り、任意の所
望レベルに調整することができる。

第２および３図から明らかなように、各セパレータ３０
は、一つの燃料電池ユニット２０のカソードアセンブリ
を、その下に隣接する燃料電池２０のアノードから分離
している。さらに、カソードシールレール４５は、電流
コレクタチャンネル２８を通る酸化体ガス流の方向に平
行に延びるカソード２５の閉側縁をシールするように配
置されており、一方、アノードシールレール５０はそれ
ぞれ、チャンネル２４を通る燃料ガス流の方向に平行に
延びるアノード２２の閉側縁をシールするように配置さ
れている。特に、カソードシールフランジ３２の平坦部
３４はそれぞれ、上に重ねられた燃料電池ユニット２０
の電解質マトリックス２１のシール領域に対してシール
係合状態で配置されており、一方、アノードシールフラ
ンジ３５の平坦部３７はそれぞれ、下に重ねられた燃料
電池ユニット２０の電解質マトリックス２１のシール領
域に対してシール係合状態で配置されている。

この発明の基本的な概念は、シールレール４５および５
０の圧縮性が、関連する電極アセンブリおよび他の燃料
電池要素の厚さの許容公差に順応する機能を有している
ことである。したがって、シールレール４５および５０
の厚さは、電極の収縮またはクリープにしたがって調整
されると共に、温度が変化している間は必要に応じて弾
性的にその寸法が変化し、燃料電池要素の熱膨張に順応
できるようになっている。もし、積層スプリングシート
４１の圧縮性の程度が所望の用途には不十分である場合
は、複数のスプリングシート４１のうちの一つまたはそ
れ以上が、その平坦性からの逸脱量を増大するように４
２で示されるように（第５図）機械的に加工することが
できる。好ましい実施例においては、この逸脱量は、ス
プリングシート４１の波形により達成されるように示さ
れているが、他の方法たとえばショットピーニング、蒸
気ブラストまたはグリットブラストにより達成すること
もできる。

この発明の好ましい形態においては、各燃料電池２０は
溶融炭酸塩燃料電池である。このタイプの燃料電池にお
いては、電解質マトリックス２１は、溶融炭酸塩電解質
を含浸された不活性フィラーで構成される。アノード２
２およびカソード２５は多孔性ニッケルから形成され
る。燃料ガスは、石油をベースにしたガスまたは石炭か
ら誘導されたガスとされ、また酸化体は空気とされる。
セパレータ３０はバイメタル構成を有し、そのカソード
側はステンレス鋼から形成され、そのアノード側はニッ
ケルから形成される。適切な構成としては、 0.2mmのス
テンレス鋼に対して 0.1mmのニッケルクラッドを有する
ＮＩ 201／316 ＳＳＴとされる。また、シールフランジ
３２および３５の外面と、上に重ねられたプレート３１
部分の外面とから構成されるセパレータ３０のウエット
シール領域は、溶融炭酸塩燃料電池における耐食性を増
大するためにアルミナ化されなければならない。このア
ルミナ化は高温（ 870℃より高温）拡散熱処理により達
成できる。しかし、このような高温熱処理はセパレータ
３０を厳しく変形させて、積重ねに問題を生じさせる可
能性を有している。

したがって、この発明の好ましい形態においては、セパ
レータ３０のウエットシール領域はアルミニウム被覆を
有している。これは、商業的に入手できるアルミニウム
クラッドステンレス鋼シートを得ることにより構成され
る。かくして、第６図に示したようにアルミニウムクラ
ッド６０は図示される領域に設けられる。このシートは
次いで屈曲されて、シールフランジ３２および３５が形
成される。それからアルミニウムクラッドの最外層がア
ノード処理されて、そのアルミニウムがアルミニウム酸
化物に転換される。これは、セパレータ３０が燃料電池
発電装置に装着された時、使用時に加熱される間に、ア
ルミニウムが溶融しないようにするためである。ステン
レス鋼接触面付近のアノード処理されないアルミニウム
層は、発電作動中にステンレス鋼中へ拡散して、拡散接
合が形成される。この方法はセパレータ３０の変形を最
少にすると同時に、アルミニウム酸化物を被覆したウエ
ットシールを提供する。この処理は、ほぼ５０〜130 μ
ｍの最少のアルミニウムクラッディングで十分であろ
う。

以上の説明から明らかなように、この発明によれば、使
用中の他の燃料電池の要素の厚さ変動を吸収することが
でき、これによって必要なシール状態および電気的およ
び熱的伝導性を維持できる圧縮可能なシールレールを備
えた改良された燃料電池セパレータを提供することがで
きる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、この発明のセパレータにより分離された複数
の燃料電池の積重ね体からなる燃料電池モジュールの平
面図；第２図は積重ね体の一部を除去した第１図の燃料
電池積重ね体の正面図；第３図は第２図の燃料電池積重
ね体の右側から見た側面図；第４図は、この発明による
セパレータの平面図；第５図は第４図の５−５線に沿う
拡大垂直断面図；および第６図はこの発明のセパレータ
の好ましい形態を示す第５図と同様の拡大垂直断面図で
ある。 １０……電池モジュール、１１……電池積重ね体、２０
……燃料電池ユニット、２１……電解質マトリックス、
２２……アノード、２５……カソード、３０……セパレ
ータ、３１……ガス不透過性プレート、３２……カソー
ドシールフランジ、３５……アノードシールフランジ、
４５……カソードシールレール、５０……アノードシー
ルレール。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】実質的に平坦で平面状のガス不浸透性プレ
   ートの対向する両縁に沿ってシールレールを配設し、該
   シールレール間に電極を配設し、該シールレールと該電
   極とに接して電解質マトリックスを配設してなる燃料電
   池のセパレータであって、 前記シールレール(45)は前記プレート(31)の周縁部に沿
   ってプレートの平面から突出して設けられたシールフラ
   ンジ(32)を有し、 前記シールフランジ(32)は、プレート(31)と一体構造と
   されプレート平面から伸設されたガス不透過性の弧状端
   部(33)と、この弧状端部と一体構造でかつプレート(31)
   と間隔を置いて重ねられている平坦部(34)とを有し、こ
   れによって弧状端部(33)と平坦部(34)とプレート(31)と
   で囲まれたポケットが形成され、 前記ポケット内には弾性圧縮可能なスプリングシート積
   重ね体(40)が配設され、 これによってプレート(31)に対する平坦部(34)の動きに
   適応して両者の間の間隔が変化できるようにしたことを
   特徴とする燃料電池セパレータ。