JPH0812784B2 - 溶融炭酸塩型燃料電池の積層体 - Google Patents
溶融炭酸塩型燃料電池の積層体Info
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- JPH0812784B2 JPH0812784B2 JP1203221A JP20322189A JPH0812784B2 JP H0812784 B2 JPH0812784 B2 JP H0812784B2 JP 1203221 A JP1203221 A JP 1203221A JP 20322189 A JP20322189 A JP 20322189A JP H0812784 B2 JPH0812784 B2 JP H0812784B2
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Description
【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ この発明は、溶融炭酸塩型燃料電池の積層体に関し、
特にその電解質移動の影響を遅らせ、かつ制御するため
の改良に関するものである。
特にその電解質移動の影響を遅らせ、かつ制御するため
の改良に関するものである。
［従来の技術］ 溶融炭酸塩型燃料電池の積層体については周知であ
り、種々の従来文献や特許に記載されている。例えば特
開昭63−279575号公報には、代表的な溶融炭酸塩型燃料
電池の積層体について詳細に紹介されている。代表的な
単電池の構成において、多孔質の焼結ニッケル−クロム
から成るアノード電極、及び多孔質酸化ニッケルから成
るカソード電極が、多孔質電解質マトリックスの対向す
る主要面上に配置されており、アルミン酸リチウム（Li
AlO2）、又は、その他の不活性セラミックからなるマト
リックスには、溶融アルカリ金属炭酸塩電解質（例えば
Li2CO3/K2CO3）が満たされ、アノード電極の背面にはア
ノードの反応ガス流路、カソード電極の背面にはカソー
ドの反応ガス流路が設けられている。典型的な積層体で
は数百の単電池が積層される。第２図は特開昭63−2795
75号公報に記載されている従来の溶融炭酸塩燃料電池の
積層体の一部切欠斜視図である。図において、（１）は
単電池、（２）は燃料入口側の積層体面、（３）は酸化
剤ガス入口側の積層体面、（４）は集電板、（５）はマ
ニホールドを取り付けるための多孔質によるマニホール
ドガスケット（ガス封止部材）であり、電解質によるウ
エットシールによって積層体面とマニホールドとの間の
ガスシールが行なわれる。
り、種々の従来文献や特許に記載されている。例えば特
開昭63−279575号公報には、代表的な溶融炭酸塩型燃料
電池の積層体について詳細に紹介されている。代表的な
単電池の構成において、多孔質の焼結ニッケル−クロム
から成るアノード電極、及び多孔質酸化ニッケルから成
るカソード電極が、多孔質電解質マトリックスの対向す
る主要面上に配置されており、アルミン酸リチウム（Li
AlO2）、又は、その他の不活性セラミックからなるマト
リックスには、溶融アルカリ金属炭酸塩電解質（例えば
Li2CO3/K2CO3）が満たされ、アノード電極の背面にはア
ノードの反応ガス流路、カソード電極の背面にはカソー
ドの反応ガス流路が設けられている。典型的な積層体で
は数百の単電池が積層される。第２図は特開昭63−2795
75号公報に記載されている従来の溶融炭酸塩燃料電池の
積層体の一部切欠斜視図である。図において、（１）は
単電池、（２）は燃料入口側の積層体面、（３）は酸化
剤ガス入口側の積層体面、（４）は集電板、（５）はマ
ニホールドを取り付けるための多孔質によるマニホール
ドガスケット（ガス封止部材）であり、電解質によるウ
エットシールによって積層体面とマニホールドとの間の
ガスシールが行なわれる。
このように構成された積層体を運転すると、各単電池
に含まれている電解質がマニホールドガスケット（５）
を通って移動する。その際、電解質は単電池内にある組
成とは異なった組成で移動する。このため、各単電池に
おける電解質の組成が異なったものとなってしまうこと
が知られており、溶融炭酸塩型燃料電池の実用化のため
の大きな障害となっていた。電解質の移動現象について
は、例えば、H.R.クンツによって雑誌｛J.Electrochemi
cal Soc.,Vol.134,第105頁（1989年）｝に詳しく解説
されている。第３図はその解説の中で使われている積層
体の断面構成図である。図中、（６）はマニホールド、
（７）は電解質中のリチウムイオン（Li+）とカリウム
イオン（K+）の移動方向、（８）は炭酸イオン（C
O3 2-）の移動方向である。また、説明をわかりやすくす
るために、単電池（１）について下からアノード電極と
アノードの反応ガス流路で構成されるアノード（Ａ）と
カソード電極とカソードの反応ガス流路で構成されるカ
ソード（Ｃ）に区別して番号をつけ、積層順にA1,C1,A
2,C2‥‥‥A100,C100のように記載した。従って、第３
図は100個の単電池（１）を積層した積層体である。ま
た、（９）は単電池と単電池の間に積層されている不透
気性のセパレータ、（10）はマトリックスの位置、（2
1）は積層体の一端部に配設されたカソード端、（22）
は他端部に配設されたアノード端を示している。さて、
電解質の移動現象としては、積層体のカソード端（21）
に向かうにつれて単電池は電解質が涸渇した状態になる
のに対して、積層体のアノード端（22）に向かうにつれ
て単電池は電解質が氾濫（フラッディング）した状態に
なる。マニホールドガスケット（５）を通るリーク電流
が積層体のアノード側へ向かう電解質の移動の原因であ
ることが知られている。このような電解質の涸渇や氾濫
により電池の性能が著しく損なわれる。現在の技術で
は、マニホールドガスケット（５）を電解質によるウエ
ットシールで構成せざるを得ず、従ってマニホールドガ
スケット（５）は常に電解質によって濡らされていて各
単電池（１）に接している。また、マニホールドガスケ
ット（５）は例えばA1−C2間,A2−C3間‥‥‥,A99−C10
0間をそれぞれ短絡しており、微小ではあるがリーク電
流がこの間を流れる。このため必然的にリチウムイオン
（Li+）とカリウムイオン（K+）は矢印（７）に示すよ
うに上の単電池へ移動し、炭酸イオン（CO3 2-）は矢印
（８）に示すように下の単電池へ移動する。この時、リ
チウムイオン（Li+）とカリウムイオン（K+）は上の単
電池で二酸化炭素と反応して炭酸リチウムや炭酸カリウ
ムを生じるが、下の単電池では炭酸イオンは二酸化炭素
となって単電池外に放出される。このため、結局上の単
電池の電解質量が増大し、下の単電池の電解質量が減少
するというように電解質の移動を引き起こすことにな
る。またリチウムイオン（Li+）とカリウムイオン
（K+）の輸率に差があるので、電解質組成（リチウムと
カリウムの比）をも変化させてしまい、電解質の導電率
を下げ、電池の性能を下げることにもなる。
に含まれている電解質がマニホールドガスケット（５）
を通って移動する。その際、電解質は単電池内にある組
成とは異なった組成で移動する。このため、各単電池に
おける電解質の組成が異なったものとなってしまうこと
が知られており、溶融炭酸塩型燃料電池の実用化のため
の大きな障害となっていた。電解質の移動現象について
は、例えば、H.R.クンツによって雑誌｛J.Electrochemi
cal Soc.,Vol.134,第105頁（1989年）｝に詳しく解説
されている。第３図はその解説の中で使われている積層
体の断面構成図である。図中、（６）はマニホールド、
（７）は電解質中のリチウムイオン（Li+）とカリウム
イオン（K+）の移動方向、（８）は炭酸イオン（C
O3 2-）の移動方向である。また、説明をわかりやすくす
るために、単電池（１）について下からアノード電極と
アノードの反応ガス流路で構成されるアノード（Ａ）と
カソード電極とカソードの反応ガス流路で構成されるカ
ソード（Ｃ）に区別して番号をつけ、積層順にA1,C1,A
2,C2‥‥‥A100,C100のように記載した。従って、第３
図は100個の単電池（１）を積層した積層体である。ま
た、（９）は単電池と単電池の間に積層されている不透
気性のセパレータ、（10）はマトリックスの位置、（2
1）は積層体の一端部に配設されたカソード端、（22）
は他端部に配設されたアノード端を示している。さて、
電解質の移動現象としては、積層体のカソード端（21）
に向かうにつれて単電池は電解質が涸渇した状態になる
のに対して、積層体のアノード端（22）に向かうにつれ
て単電池は電解質が氾濫（フラッディング）した状態に
なる。マニホールドガスケット（５）を通るリーク電流
が積層体のアノード側へ向かう電解質の移動の原因であ
ることが知られている。このような電解質の涸渇や氾濫
により電池の性能が著しく損なわれる。現在の技術で
は、マニホールドガスケット（５）を電解質によるウエ
ットシールで構成せざるを得ず、従ってマニホールドガ
スケット（５）は常に電解質によって濡らされていて各
単電池（１）に接している。また、マニホールドガスケ
ット（５）は例えばA1−C2間,A2−C3間‥‥‥,A99−C10
0間をそれぞれ短絡しており、微小ではあるがリーク電
流がこの間を流れる。このため必然的にリチウムイオン
（Li+）とカリウムイオン（K+）は矢印（７）に示すよ
うに上の単電池へ移動し、炭酸イオン（CO3 2-）は矢印
（８）に示すように下の単電池へ移動する。この時、リ
チウムイオン（Li+）とカリウムイオン（K+）は上の単
電池で二酸化炭素と反応して炭酸リチウムや炭酸カリウ
ムを生じるが、下の単電池では炭酸イオンは二酸化炭素
となって単電池外に放出される。このため、結局上の単
電池の電解質量が増大し、下の単電池の電解質量が減少
するというように電解質の移動を引き起こすことにな
る。またリチウムイオン（Li+）とカリウムイオン
（K+）の輸率に差があるので、電解質組成（リチウムと
カリウムの比）をも変化させてしまい、電解質の導電率
を下げ、電池の性能を下げることにもなる。
このような電解質の再分配を解消しようとする努力は
なかなか効果をもたらしていないが、電解質移動の影響
を遅らせる方法としては、カソード端（21）とアノード
端（22）の電解質の貯蔵能力を他の単電池よりも多くし
て電解質の涸渇や氾濫の影響を小さくする方法が特開昭
63−279575号公報に開示されている。この構成を第４図
に示した。図において、（13）と（14）はそれぞれ電解
質の貯蔵能力を多くするために厚さを厚くしたカソード
端とアノード端である。この構成によれば、A1−C1の単
電池における電解質が涸渇し、A100−C100の単電池にお
ける電解質が氾濫して積層体が運転できなくなるまでの
時間を第３図の積層体に比べて遅らせることができる。
しかしカソード端（13）とアノード端（14）は他の単電
池と同様、電池の働きをしている。このように動作して
いる単電池に対する電解質の涸渇や氾濫の許容範囲は狭
く、従って大幅な改善は見込めない。また、通常の単電
池に用いたよりも厚いカソード端（13）とアノード端
（14）を特別に作成する必要があり、通常の単電池の量
産化ラインに組み込むことができないので、製造コスト
が大幅に上昇するという欠点があった。さらに、上記公
報には別の実施例として、第５図に示したように、アノ
ード端A100の外側にセパレータ（９）を介して第１貯蔵
層（R1（15））を設けると共に、カソード端（C1）の外
側にセパレータ（９）を介して第２貯蔵層（R2（16））
を設けたものが提案されている。これは、貯蔵層R1（1
5）,R2（16）を多孔質で構成し、これに電解質を貯蔵し
ておこうというものである。第１貯蔵層R1（15）の側面
は酸化剤ガス側の積層体面（３）側において縁面ガスシ
ールを行なわずに酸化剤ガス雰囲気下にさらされ、一
方、第２貯蔵層R2（16）の側面は燃料ガス側の積層体面
（２）側において縁面ガスシールを行わずに燃料ガス雰
囲気下にさらされるように構成している。貯蔵層R1（1
5）,R2（16）は電池としての機能を持たない電子導電性
の多孔質部材から成り、電解質が増減しても積層体に悪
影響を与えることがない。従って多孔質部材に電解質が
満ぱいまたは空になることが許容される分だけ第４図の
構成のものよりも優れており、積層体の寿命も長くなる
と予想される。ところが我々の実験結果では、第２貯蔵
層R2（16）からカソード端C1及びアノード端A100から第
１貯蔵層R1（15）への電解質の移動が不充分で第４図の
構成のものの方がむしろ良く機能することが明らかにな
った。この理由は以下のように考えられる。第５図の構
成のものでは貯蔵層R1（15）,R2（16）は反応ガス流路
を持たず側面のわずかな面積の部分でしか反応ガスと接
していない。このため、R2−C1間及びA100−R1間でマニ
ホールドガスケット（５）を介してわずかな電流が流れ
ただけで貯蔵層R1（15）,R2（16）で大きな濃度分極を
生じ、R2−C1間,A100−R1間の電気化学的電位差がなく
なってしまう。従って、第２貯蔵層R2（16）からカソー
ド端C1及びアノード端A100から第１貯蔵層R1（15）への
電解質の移動が起こらなくなる。なお、貯蔵層R1（1
5）,R2（16）の構成は、やはり通常の単電池とは全く異
なっており、製造コストが大幅に上昇するという問題点
もある。
なかなか効果をもたらしていないが、電解質移動の影響
を遅らせる方法としては、カソード端（21）とアノード
端（22）の電解質の貯蔵能力を他の単電池よりも多くし
て電解質の涸渇や氾濫の影響を小さくする方法が特開昭
63−279575号公報に開示されている。この構成を第４図
に示した。図において、（13）と（14）はそれぞれ電解
質の貯蔵能力を多くするために厚さを厚くしたカソード
端とアノード端である。この構成によれば、A1−C1の単
電池における電解質が涸渇し、A100−C100の単電池にお
ける電解質が氾濫して積層体が運転できなくなるまでの
時間を第３図の積層体に比べて遅らせることができる。
しかしカソード端（13）とアノード端（14）は他の単電
池と同様、電池の働きをしている。このように動作して
いる単電池に対する電解質の涸渇や氾濫の許容範囲は狭
く、従って大幅な改善は見込めない。また、通常の単電
池に用いたよりも厚いカソード端（13）とアノード端
（14）を特別に作成する必要があり、通常の単電池の量
産化ラインに組み込むことができないので、製造コスト
が大幅に上昇するという欠点があった。さらに、上記公
報には別の実施例として、第５図に示したように、アノ
ード端A100の外側にセパレータ（９）を介して第１貯蔵
層（R1（15））を設けると共に、カソード端（C1）の外
側にセパレータ（９）を介して第２貯蔵層（R2（16））
を設けたものが提案されている。これは、貯蔵層R1（1
5）,R2（16）を多孔質で構成し、これに電解質を貯蔵し
ておこうというものである。第１貯蔵層R1（15）の側面
は酸化剤ガス側の積層体面（３）側において縁面ガスシ
ールを行なわずに酸化剤ガス雰囲気下にさらされ、一
方、第２貯蔵層R2（16）の側面は燃料ガス側の積層体面
（２）側において縁面ガスシールを行わずに燃料ガス雰
囲気下にさらされるように構成している。貯蔵層R1（1
5）,R2（16）は電池としての機能を持たない電子導電性
の多孔質部材から成り、電解質が増減しても積層体に悪
影響を与えることがない。従って多孔質部材に電解質が
満ぱいまたは空になることが許容される分だけ第４図の
構成のものよりも優れており、積層体の寿命も長くなる
と予想される。ところが我々の実験結果では、第２貯蔵
層R2（16）からカソード端C1及びアノード端A100から第
１貯蔵層R1（15）への電解質の移動が不充分で第４図の
構成のものの方がむしろ良く機能することが明らかにな
った。この理由は以下のように考えられる。第５図の構
成のものでは貯蔵層R1（15）,R2（16）は反応ガス流路
を持たず側面のわずかな面積の部分でしか反応ガスと接
していない。このため、R2−C1間及びA100−R1間でマニ
ホールドガスケット（５）を介してわずかな電流が流れ
ただけで貯蔵層R1（15）,R2（16）で大きな濃度分極を
生じ、R2−C1間,A100−R1間の電気化学的電位差がなく
なってしまう。従って、第２貯蔵層R2（16）からカソー
ド端C1及びアノード端A100から第１貯蔵層R1（15）への
電解質の移動が起こらなくなる。なお、貯蔵層R1（1
5）,R2（16）の構成は、やはり通常の単電池とは全く異
なっており、製造コストが大幅に上昇するという問題点
もある。
［発明が解決しようとする課題］ 従来の溶融炭酸塩型燃料電池の積層体は以上のように
構成されているので、積層体のカソード端とアノード端
での電解質の涸渇と氾濫が起こりやすく、電池の経済寿
命よりも以前に積層体の運転を停止せざるを得なかっ
た。また、カソード端への電解質を補給する第１貯蔵層
R1（15）の構成や、アノード端からの電解質を貯蔵する
第２貯蔵層R2（16）の構成は、通常の単電池と異なる特
別仕様のものである。このため、通常の単電池の量産化
ラインに組み込むことができず、製造コストが大幅に上
昇するという問題点があった。
構成されているので、積層体のカソード端とアノード端
での電解質の涸渇と氾濫が起こりやすく、電池の経済寿
命よりも以前に積層体の運転を停止せざるを得なかっ
た。また、カソード端への電解質を補給する第１貯蔵層
R1（15）の構成や、アノード端からの電解質を貯蔵する
第２貯蔵層R2（16）の構成は、通常の単電池と異なる特
別仕様のものである。このため、通常の単電池の量産化
ラインに組み込むことができず、製造コストが大幅に上
昇するという問題点があった。
この発明は上記のような問題点を解消するためになさ
れたもので、通常の単電池と同様仕様の電極を用いて製
造コストの上昇を防止でき、かつカソード端へ電解質を
有効に補給でき、アノード端に集まってくる電解質を有
効に退避できる溶融炭酸塩型燃料電池の積層体を得るこ
とを目的とする。
れたもので、通常の単電池と同様仕様の電極を用いて製
造コストの上昇を防止でき、かつカソード端へ電解質を
有効に補給でき、アノード端に集まってくる電解質を有
効に退避できる溶融炭酸塩型燃料電池の積層体を得るこ
とを目的とする。
［課題を解決するための手段］ この発明に係る溶融炭酸塩型燃料電池の積層体は、カ
ソード端の外側にセパレータを介して配設され、アノー
ド電極とアノードの反応ガス流路を有すると共にマトリ
ックスを有しないハーフセルアノード、及びアノード端
の外側にセパレータを介して配設され、カソード電極と
カソードの反応ガス流路を有すると共にマトリックスを
有しないハーフセルカソードを備えたものである。
ソード端の外側にセパレータを介して配設され、アノー
ド電極とアノードの反応ガス流路を有すると共にマトリ
ックスを有しないハーフセルアノード、及びアノード端
の外側にセパレータを介して配設され、カソード電極と
カソードの反応ガス流路を有すると共にマトリックスを
有しないハーフセルカソードを備えたものである。
［作用］ この発明におけるハーフセルアノードは、隣接するカ
ソード端に電解質を供給する。また、アノード端へ集ま
ってきた電解質は、隣接するハーフセルカソードへ退避
する。従って、積層体のカソード端において電解質涸渇
に至る時間を大幅に遅らせることができると共に、アノ
ード端での電解質の氾濫に至る時間も大幅に遅らせるこ
とができる。特に、ハーフセルカソードに移動してきた
電解質である炭酸リチウムや炭酸カリウムは反応ガス流
路に流れる反応ガスの流速によって反応ガスマニホール
ド内にふき飛ばされるので、アノード端における電解質
の氾濫については全く起こる心配がない。また、ハーフ
セルアノードとハーフセルカソードは通常のアノード，
カソードと同様の構造であり、製造コストが上がるのを
防止できる。
ソード端に電解質を供給する。また、アノード端へ集ま
ってきた電解質は、隣接するハーフセルカソードへ退避
する。従って、積層体のカソード端において電解質涸渇
に至る時間を大幅に遅らせることができると共に、アノ
ード端での電解質の氾濫に至る時間も大幅に遅らせるこ
とができる。特に、ハーフセルカソードに移動してきた
電解質である炭酸リチウムや炭酸カリウムは反応ガス流
路に流れる反応ガスの流速によって反応ガスマニホール
ド内にふき飛ばされるので、アノード端における電解質
の氾濫については全く起こる心配がない。また、ハーフ
セルアノードとハーフセルカソードは通常のアノード，
カソードと同様の構造であり、製造コストが上がるのを
防止できる。
［実施例］ 以下、この発明の一実施例を図について説明する。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
の積層体を示す断面構成図である。図において、（11）
はカソード端C1の外側にセパレータ（９）を介して配設
されたハーフセルアノードで、通常の単電池のアノード
側の反応ガス流路とアノード電極、及びガスシール構造
を備えている。これはアノードA1,アノードA2などと同
様の構造とすることができる。ただしこのハーフセルア
ノードは単電池とは異なり、カソード電極，カソード側
の反応ガス流路及びマトリックスを含まないため、ハー
フセルアノードという名称を用い、A0と略記する。ま
た、（12）はアノード端A100の外側にセパレータ（９）
を介して配設されたハーフセルカソードで、通常の単電
池のカソード側の反応ガス流路とカソード電極、及びガ
スシール構造を備えている。これはカソードC1,カソー
ドC2などと同様の構造とすることができる。ただし、や
はりハーフセルカソードは単電池とは異なり、アノード
電極，アノード側の反応ガス流路及びマトリックスを含
まないため、ハーフセルカソードという名称を用い、C1
01と略記する。ハーフセルアノードA0とハーフセルカソ
ードC101はそれぞれマトリックスを含まないため、オー
ム損を生じることなく、電流はほとんど集電板（４）に
集電される。これは第５図に示した従来の貯蔵層R1（1
5）,R2（16）を備えた場合と同様である。従って、ハー
フセルアノードA0とハーフセルカソードC101が電解質の
涸渇や氾濫に至っても積層体の機能には全く支障をきた
す心配がない。それに加えて極端に電解質が全くない状
態や反応ガス流路にまであふれるような状況は単電池で
は許容されないが、ハーフセルアノードA0とハーフセル
カソードC101は電池の働きをしないので、上記のような
状況でも許容される。この点第４図の従来の構成のもの
において、A1とC100の電解質量の許容範囲が狭いのと比
べて、大幅な改善がある。また、ハーフセルアノードA0
とハーフセルカソードC101が燃料電池反応を行なわない
ことと、マニホールドガスケット（５）や壁面を通って
A0−C1間及びA100−C101間に流れるリーク電流は極めて
小さいことから、ハーフセルアノードA0とハーフセルカ
ソードC101が電解質であふれている状況であっても、電
極表面を一定のガス濃度の雰囲気下にできる。このた
め、A0−C1間及びA100−C101間の電気化学的電位差を一
定に保つことができる。即ち、ハーフセルアノードA0と
ハーフセルカソードC101はマニホールドガスケット
（５）を介してのリーク電流に対して電極の多くの面積
が反応ガスに接しているために濃度分極はほとんど生じ
ず、A0−C1間及びA100−C101間に有効な電気化学的電位
差を保つことができる。従って他のA1−C2間,A2−C3間
‥‥‥A99−C100間のリーク電流とほぼ同じリーク電流
が流れるので、A0−C1間及びA100−C101間では他のA1−
C2間、A2−C3間‥‥‥A99−C100間とほぼ同じスピード
で電解質が移動する。また、第５図の構成の従来例の場
合、第１貯蔵層R1（15）に移動してきた電解質で満ぱい
になると、他に退避するものがなく、また第１貯蔵層R1
（15）はガス流路がなく酸化剤ガス雰囲気下の電気化学
的電位に保つことができないので、それ以上に電解質を
受け取ることができなかった。このためこの従来例では
A100,C100への電解質の氾濫が起こり始めていた。これ
に対し、この実施例におけるハーフセルカソードC101は
反応ガス流路を有しており、ここに反応ガスが流れてい
る。電解質は反応ガス流路にあふれた後、反応ガスの流
れに沿って酸化剤出口側のマニホールドへ排出される。
従ってハーフセルカソードC101が電解質で満ぱいになっ
ても、さらに電解質を受け入れることができる。しかも
酸化剤ガスに接している電極面積がリーク電流に比較し
て大きいために濃度分極を起こすことなく引き続き酸化
剤ガス雰囲気下の電気化学的電位に保つことができるの
で、A100−C101間の電解質の移動は絶えることがない。
つまりA100,C100への電解質の氾濫は起こらないと考え
られる。一方、ハーフセルアノードA0での電解質涸渇に
対しては、電池の経済寿命の途中で定期点検などの折り
にハーフセルアノードA0に電解質を補給しておくことで
解決することができ、ハーフセルカソードC101に電解質
が満たんになっていても特にこれを除去するなどのメイ
ンテナンスをする必要はなく、引き続いて運転を継続す
ることができる。なお、初期にはハーフセルアノードA0
に電解質を満たんに入れ、ハーフセルカソードC101は空
にして運転することができるが、これも反応ガス流路が
あって反応ガスと電極との接触が充分あるために可能に
なる。これはこの発明の特徴であり、これに対して従来
例（第５図）の第２貯蔵層R2（16）では積層体面の側面
にしか反応ガスとの接触を持たないので、第２貯蔵層R2
（16）をあらかじめ電解質で満たんにすることはできな
かった。即ち、第２貯蔵層R2（16）が満たんになると電
解質による液膜によって第２貯蔵層R2（16）の金属部分
が覆われてしまう。そうすると、第２貯蔵層R2（16）へ
のガスの供給が不充分になり、わずかなリーク電流でも
すぐに濃度分極を起こす。このためR2−C1間に電気化学
的電位差が生じえないので、第２貯蔵層R2（16）からC1
への電解質の移動は起こらない。このため、従来のもの
では第２貯蔵層R2（16）を電解質で満たんにすることは
できなかった。
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
の積層体を示す断面構成図である。図において、（11）
はカソード端C1の外側にセパレータ（９）を介して配設
されたハーフセルアノードで、通常の単電池のアノード
側の反応ガス流路とアノード電極、及びガスシール構造
を備えている。これはアノードA1,アノードA2などと同
様の構造とすることができる。ただしこのハーフセルア
ノードは単電池とは異なり、カソード電極，カソード側
の反応ガス流路及びマトリックスを含まないため、ハー
フセルアノードという名称を用い、A0と略記する。ま
た、（12）はアノード端A100の外側にセパレータ（９）
を介して配設されたハーフセルカソードで、通常の単電
池のカソード側の反応ガス流路とカソード電極、及びガ
スシール構造を備えている。これはカソードC1,カソー
ドC2などと同様の構造とすることができる。ただし、や
はりハーフセルカソードは単電池とは異なり、アノード
電極，アノード側の反応ガス流路及びマトリックスを含
まないため、ハーフセルカソードという名称を用い、C1
01と略記する。ハーフセルアノードA0とハーフセルカソ
ードC101はそれぞれマトリックスを含まないため、オー
ム損を生じることなく、電流はほとんど集電板（４）に
集電される。これは第５図に示した従来の貯蔵層R1（1
5）,R2（16）を備えた場合と同様である。従って、ハー
フセルアノードA0とハーフセルカソードC101が電解質の
涸渇や氾濫に至っても積層体の機能には全く支障をきた
す心配がない。それに加えて極端に電解質が全くない状
態や反応ガス流路にまであふれるような状況は単電池で
は許容されないが、ハーフセルアノードA0とハーフセル
カソードC101は電池の働きをしないので、上記のような
状況でも許容される。この点第４図の従来の構成のもの
において、A1とC100の電解質量の許容範囲が狭いのと比
べて、大幅な改善がある。また、ハーフセルアノードA0
とハーフセルカソードC101が燃料電池反応を行なわない
ことと、マニホールドガスケット（５）や壁面を通って
A0−C1間及びA100−C101間に流れるリーク電流は極めて
小さいことから、ハーフセルアノードA0とハーフセルカ
ソードC101が電解質であふれている状況であっても、電
極表面を一定のガス濃度の雰囲気下にできる。このた
め、A0−C1間及びA100−C101間の電気化学的電位差を一
定に保つことができる。即ち、ハーフセルアノードA0と
ハーフセルカソードC101はマニホールドガスケット
（５）を介してのリーク電流に対して電極の多くの面積
が反応ガスに接しているために濃度分極はほとんど生じ
ず、A0−C1間及びA100−C101間に有効な電気化学的電位
差を保つことができる。従って他のA1−C2間,A2−C3間
‥‥‥A99−C100間のリーク電流とほぼ同じリーク電流
が流れるので、A0−C1間及びA100−C101間では他のA1−
C2間、A2−C3間‥‥‥A99−C100間とほぼ同じスピード
で電解質が移動する。また、第５図の構成の従来例の場
合、第１貯蔵層R1（15）に移動してきた電解質で満ぱい
になると、他に退避するものがなく、また第１貯蔵層R1
（15）はガス流路がなく酸化剤ガス雰囲気下の電気化学
的電位に保つことができないので、それ以上に電解質を
受け取ることができなかった。このためこの従来例では
A100,C100への電解質の氾濫が起こり始めていた。これ
に対し、この実施例におけるハーフセルカソードC101は
反応ガス流路を有しており、ここに反応ガスが流れてい
る。電解質は反応ガス流路にあふれた後、反応ガスの流
れに沿って酸化剤出口側のマニホールドへ排出される。
従ってハーフセルカソードC101が電解質で満ぱいになっ
ても、さらに電解質を受け入れることができる。しかも
酸化剤ガスに接している電極面積がリーク電流に比較し
て大きいために濃度分極を起こすことなく引き続き酸化
剤ガス雰囲気下の電気化学的電位に保つことができるの
で、A100−C101間の電解質の移動は絶えることがない。
つまりA100,C100への電解質の氾濫は起こらないと考え
られる。一方、ハーフセルアノードA0での電解質涸渇に
対しては、電池の経済寿命の途中で定期点検などの折り
にハーフセルアノードA0に電解質を補給しておくことで
解決することができ、ハーフセルカソードC101に電解質
が満たんになっていても特にこれを除去するなどのメイ
ンテナンスをする必要はなく、引き続いて運転を継続す
ることができる。なお、初期にはハーフセルアノードA0
に電解質を満たんに入れ、ハーフセルカソードC101は空
にして運転することができるが、これも反応ガス流路が
あって反応ガスと電極との接触が充分あるために可能に
なる。これはこの発明の特徴であり、これに対して従来
例（第５図）の第２貯蔵層R2（16）では積層体面の側面
にしか反応ガスとの接触を持たないので、第２貯蔵層R2
（16）をあらかじめ電解質で満たんにすることはできな
かった。即ち、第２貯蔵層R2（16）が満たんになると電
解質による液膜によって第２貯蔵層R2（16）の金属部分
が覆われてしまう。そうすると、第２貯蔵層R2（16）へ
のガスの供給が不充分になり、わずかなリーク電流でも
すぐに濃度分極を起こす。このためR2−C1間に電気化学
的電位差が生じえないので、第２貯蔵層R2（16）からC1
への電解質の移動は起こらない。このため、従来のもの
では第２貯蔵層R2（16）を電解質で満たんにすることは
できなかった。
なお、ハーフセルアノードA0とハーフセルカソードC1
01は他のアノード，カソードと同様の構成であるから積
層する部材と手間がマトリックスを除いて１単電池分ふ
えるだけで、特別の仕様の部材を必要としない。数百
（実施例では簡単のため100としたが）の積層体のうち
１単電池分増加させるだけで積層体の寿命を大幅に延ば
すことができ、その経済性への効果は大である。
01は他のアノード，カソードと同様の構成であるから積
層する部材と手間がマトリックスを除いて１単電池分ふ
えるだけで、特別の仕様の部材を必要としない。数百
（実施例では簡単のため100としたが）の積層体のうち
１単電池分増加させるだけで積層体の寿命を大幅に延ば
すことができ、その経済性への効果は大である。
なお、この発明による電池の構成の唯一ともいうべき
欠点はハーフセルアノードA0,ハーフセルカソードC101
に流れる反応ガスの分が発電に用いることができないこ
とであるが、もともと端部の単電池は温度が低いために
発電効率が悪いこと、数百分の１のロスであることなど
を考えると、あまり気にしなくてもよい欠点と考えられ
る。しかし、ハーフセルアノードA0とハーフセルカソー
ドC101に必要なガスはリーク電流分だけであり、燃料電
池反応に必要なガスと比較するとわずかである。従っ
て、ハーフセルアノードA0とハーフセルカソードC101に
おける反応ガス流路の断面積を他の単電池のガス流路の
断面積より適当に小さくして反応ガスの流量を抑えるよ
うに構成すれば、反応ガスの無駄を抑制することができ
る。
欠点はハーフセルアノードA0,ハーフセルカソードC101
に流れる反応ガスの分が発電に用いることができないこ
とであるが、もともと端部の単電池は温度が低いために
発電効率が悪いこと、数百分の１のロスであることなど
を考えると、あまり気にしなくてもよい欠点と考えられ
る。しかし、ハーフセルアノードA0とハーフセルカソー
ドC101に必要なガスはリーク電流分だけであり、燃料電
池反応に必要なガスと比較するとわずかである。従っ
て、ハーフセルアノードA0とハーフセルカソードC101に
おける反応ガス流路の断面積を他の単電池のガス流路の
断面積より適当に小さくして反応ガスの流量を抑えるよ
うに構成すれば、反応ガスの無駄を抑制することができ
る。
［発明の効果］ 以上のように、この発明によれば、アノード電極、ア
ノードの反応ガス流路、カソード電極、カソードの反応
ガス流路、及びマトリックスから成る単電池、並びにセ
パレータを順次積層し、その積層方向の一端部にカソー
ド端、他端部にアノード端を有するものにおいて、カソ
ード端の外側にセパレータを介して配設され、アノード
電極とアノードの反応ガス流路を有すると共にマトリッ
クスを有しないハーフセルアノード、及びアノード端の
外側にセパレータを介して配設され、カソード電極とカ
ソードの反応ガス流路を有すると共にマトリックスを有
しないハーフセルカソードを備えたことにより、製造コ
ストの上昇を防止でき、かつカソード端へ電解質を有効
に補給でき、アノード端に集まってくる電解質を有効に
退避でき、従来よりも電解質移動の影響を小さくできる
溶融炭酸塩型燃料電池の積層体を得ることができる効果
がある。
ノードの反応ガス流路、カソード電極、カソードの反応
ガス流路、及びマトリックスから成る単電池、並びにセ
パレータを順次積層し、その積層方向の一端部にカソー
ド端、他端部にアノード端を有するものにおいて、カソ
ード端の外側にセパレータを介して配設され、アノード
電極とアノードの反応ガス流路を有すると共にマトリッ
クスを有しないハーフセルアノード、及びアノード端の
外側にセパレータを介して配設され、カソード電極とカ
ソードの反応ガス流路を有すると共にマトリックスを有
しないハーフセルカソードを備えたことにより、製造コ
ストの上昇を防止でき、かつカソード端へ電解質を有効
に補給でき、アノード端に集まってくる電解質を有効に
退避でき、従来よりも電解質移動の影響を小さくできる
溶融炭酸塩型燃料電池の積層体を得ることができる効果
がある。
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
池の積層体を示す断面構成図、第２図は従来の積層体を
一部切欠いて示す斜視図、第３図〜第５図はそれぞれ従
来の積層体を示す断面構成図である。 図において、（１）は単電池、（５）はマニホールドガ
スケット、（９）はセパレータ、（10）はマトリック
ス、（11）はハーフセルアノード、（12）はハーフセル
カソードである。 なお、図中、同一符号は同一、又は相当部分を示す。
池の積層体を示す断面構成図、第２図は従来の積層体を
一部切欠いて示す斜視図、第３図〜第５図はそれぞれ従
来の積層体を示す断面構成図である。 図において、（１）は単電池、（５）はマニホールドガ
スケット、（９）はセパレータ、（10）はマトリック
ス、（11）はハーフセルアノード、（12）はハーフセル
カソードである。 なお、図中、同一符号は同一、又は相当部分を示す。
Claims (1)
- 【請求項１】アノード電極、アノードの反応ガス流路、
カソード電極、カソードの反応ガス流路、及びマトリッ
クスから成る単電池、並びにセパレータを順次積層し、
その積層方向の一端部にカソード端、他端部にアノード
端を有するものにおいて、上記カソード端の外側にセパ
レータを介して配設され、アノード電極とアノードの反
応ガス流路を有すると共にマトリックスを有しないハー
フセルアノード、及び上記アノード端の外側にセパレー
タを介して配設され、カソード電極とカソードの反応ガ
ス流路を有すると共にマトリックスを有しないハーフセ
ルカソードを備えたことを特徴とする溶融炭酸塩型燃料
電池の積層体。
Priority Applications (4)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP1203221A JPH0812784B2 (ja) | 1989-08-03 | 1989-08-03 | 溶融炭酸塩型燃料電池の積層体 |
| US07/499,656 US5019464A (en) | 1989-08-03 | 1990-03-27 | Molten carbonate fuel battery with electrolyte migration control |
| NL9000977A NL9000977A (nl) | 1989-08-03 | 1990-04-24 | Gesmolten carbonaatbrandstofbatterij. |
| IT67582A IT1240500B (it) | 1989-08-03 | 1990-07-24 | Batteria a combustibile in carbonato fuso |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP1203221A JPH0812784B2 (ja) | 1989-08-03 | 1989-08-03 | 溶融炭酸塩型燃料電池の積層体 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH0367469A JPH0367469A (ja) | 1991-03-22 |
| JPH0812784B2 true JPH0812784B2 (ja) | 1996-02-07 |
Family
ID=16470465
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP1203221A Expired - Lifetime JPH0812784B2 (ja) | 1989-08-03 | 1989-08-03 | 溶融炭酸塩型燃料電池の積層体 |
Country Status (4)
| Country | Link |
|---|---|
| US (1) | US5019464A (ja) |
| JP (1) | JPH0812784B2 (ja) |
| IT (1) | IT1240500B (ja) |
| NL (1) | NL9000977A (ja) |
Families Citing this family (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US5413878A (en) * | 1993-10-28 | 1995-05-09 | The United States Of America As Represented By The Department Of Energy | System and method for networking electrochemical devices |
| WO2004062021A1 (en) * | 2002-12-24 | 2004-07-22 | Fuelcell Energy, Inc. | Inactive end cell assembly for fuel cells for improved electrolyte management and electrical contact |
| US20040121200A1 (en) * | 2002-12-24 | 2004-06-24 | Richard Johnsen | Inactive end cell assembly for fuel cells for improved electrolyte management and electrical contact |
| CA2539393A1 (en) * | 2003-09-23 | 2005-03-31 | Ansaldo Fuel Cells S.P.A. | Electrolyte migration control for large area mcfc stacks |
Family Cites Families (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US4579788A (en) * | 1983-10-18 | 1986-04-01 | Institute Of Gas Technology | High temperature fuel cell wet seal |
| US4643954A (en) * | 1985-12-23 | 1987-02-17 | The United States Of America As Represented By The Department Of Energy | Device for equalizing molten electrolyte content in a fuel cell stack |
| US4761348A (en) * | 1987-03-17 | 1988-08-02 | The United States Of America As Represented By The United States Department Of Energy | Electrolytic cell stack with molten electrolyte migration control |
-
1989
- 1989-08-03 JP JP1203221A patent/JPH0812784B2/ja not_active Expired - Lifetime
-
1990
- 1990-03-27 US US07/499,656 patent/US5019464A/en not_active Expired - Fee Related
- 1990-04-24 NL NL9000977A patent/NL9000977A/nl active Search and Examination
- 1990-07-24 IT IT67582A patent/IT1240500B/it active IP Right Grant
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH0367469A (ja) | 1991-03-22 |
| IT9067582A1 (it) | 1992-01-24 |
| NL9000977A (nl) | 1991-03-01 |
| IT1240500B (it) | 1993-12-17 |
| IT9067582A0 (it) | 1990-07-24 |
| US5019464A (en) | 1991-05-28 |
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