JPH10241708A

JPH10241708A - 燃料電池セパレータ

Info

Publication number: JPH10241708A
Application number: JP9045131A
Authority: JP
Inventors: Atsushi Akimoto; 淳秋元; Tsutomu Takahashi; 務高橋; Hiroshi Takahashi; 高橋　　宏; Kiichi Okazaki; 喜一岡崎
Original assignee: YOYU TANSANENGATA NENRYO DENCHI HATSUDEN SYST GIJUTSU KENKYU KUMIAI
Current assignee: YOYU TANSANENGATA NENRYO DENCHI HATSUDEN SYST GIJUTSU KENKYU KUMIAI
Priority date: 1997-02-28
Filing date: 1997-02-28
Publication date: 1998-09-11
Anticipated expiration: 2017-02-28
Also published as: JP3066461B2

Abstract

(57)【要約】【課題】溶融炭酸塩型燃料電池の中空フレームを有す
る内部マニホールド型セパレータにおいて、反応ガスの
ウエットシール部への回り込みを防ぎ、連続運転時の各
セルへの電解質の自動補給を可能にする。【解決手段】中空フレーム9、仕切板4、波板5、カレ
ントコレクタ（集電板）6からなるセパレータにおい
て、ウエットシール内部に電解質11を充填したアルミナ
繊維のフェルトを詰め、セパレータのフレームに電解質
板8への電解質補給孔2を設けた。本発明により、燃料ガ
スのウエットシール部への回り込みを防止でき、又、電
池の連続運転時には各セルの電解質板中の電解質消費に
伴って、セパレータ中のガス流れ止めから自動的に電解
質が補給されるので、電池の性能低下を防止し長寿命化
に効果がある。更に、セパレータのウエットシール部の
剛性を下げることができるため、本シール部と電解質板
のなじみを向上させる効果がある。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は溶融炭酸塩型燃料電
池のセパレータに係り、特に、塑性加工などによる中空
フレームを有するセパレータ構造において、ウエットシ
ール部を回り込む反応ガスの流れを防止するとともに、
連続運転時における電池への電解質の自動補給を可能と
する燃料電池セパレータに関する。

【０００２】

【従来の技術】セパレータのウエットシール内部のガス
の流れ止めとしては、ウエットシール部を機械的にキャ
ップにて閉止した例として、特開平４−１０６８７６号
公報がある。また、セパレータのウエットシール部に開
口部を設け、この開口部より電解質を補給した例として
は、特開平５−３４３０８６号公報がある。なお、ウエ
ットシールとは電解質板中の電解質が溶融した状態で、
セパレータフレームと電解質板が接触する面であり、電
解質の表面張力により形成されるシール面で、セパレー
タ内部を流れる反応ガスが電池外部へ漏れだすことを防
ぐものである。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記の
例には、以下のような問題がある。特開平４−１０６８
７６号公報記載の例は、外部マニホールドを前提として
いる構造であり、内部マニホールドにも適用することを
考えた場合、スペーサ部材を貫通するマニホールドの処
理が困難であること、および、流れ止めの構成が複数部
材であることから、部材の加工および製作に精度が必要
であるなどの問題を有している。また、特開平５−３４
３０８６号公報は、セパレータおよび電解質板のウエッ
トシール部に設けられた貫通孔を通して各セルに電解質
を補給するものである。

【０００４】これは、貫通孔で連絡しているセル全てに
電解質の補給が行われるものであるが、補給される電解
質は、最上部のセルから最初になくなり、最下部のセル
では最後まで電解質が補給されることになる。また、電
池の高さが高くなった場合、貫通孔の上下で電解質の自
重により圧力差を生じ、電池の上下セル間で補給量にば
らつきを生じる恐れがあるといった問題がある。

【０００５】本発明の目的は、以下のようなセパレータ
構造を提供することである。中空フレームを有するセパレータにおいて、ウエッ
トシール部に回り込む燃料ガスを容易且つ効果的に閉止
し、燃料ガスを効率よく利用可能なセパレータ構造を提
供すること。燃料電池運転時の各セルへの電解質補給を、セル単
位で適切に行いうる構造を提供すること。以下、の目的について説明を補足する。電池を長時間
にわたり運転した場合、電解質板中の電解質は、セル部
材の腐食および反応ガス中への蒸散等により、徐々に減
少して行くが、このような電解質板中の電解質の減少
は、電解質板の抵抗を増大させ、セル性能を低下させ
る。さらに、この電解質減少が著しく進行した場合に
は、電解質板中の細孔を通してアノードガス、カソード
ガスが互いに透過可能となり、アノードガスとカソード
ガスとが直接燃焼して電池反応が進まなくなり、電池の
運転継続が不可能となる（この現象をガスクロスと呼
ぶ）。このため、電池の長期運転には電解質の補給が不
可欠となるが、このような電解質の減少は、電池内の温
度分布、各セルの性能、セル部材の腐食の進行程度など
の要因が、複雑に関係しあってくることから、全てのセ
ルで均等に進行するとは限らない。また、セル内におけ
る電解質板、アノード、カソードにおける電解質の分布
は、電解質板、電極の細孔分布の組み合わせのバランス
によるものであり、セル性能と密接に関連してくるもの
である。このため、特定のセルにあわせて電解質を補給
することは、他の健全なセルの性能に悪影響を与える恐
れがある。これらのことから電解質の補給法としては、
各セルごとに適切な量の電解質が自動的に補給されるこ
とが理想である。本発明はこのような電解質補給を可能
とするものである。

【０００６】

【課題を解決するための手段】上記課題は、中空フレー
ムセパレータの電池反応に関与しないウエットシール内
部に、ガス流れ止めとして弾性を有する多孔質体または
フェルト様の繊維を詰め込み、燃料ガスの回り込みを防
ぐとともに、詰め込んだ流れ止め中に電解質を充填し、
セパレータフレームのウエットシール部に開口部（電解
質補給孔）を設けて電解質板とガス流れ止めを接触させ
ることにより、該補給孔から接触している電解質板中へ
電解質を補給可能な構造とすることにより解決される。
すなわち、本発明の請求項１記載発明は、溶融炭酸塩型
燃料電池の中空フレームおよびウエットシール部を有す
るセパレータにおいて、前記ウエットシール内部にガス
流れ止めとして、弾性を有する多孔質体またはフェルト
様の材料が用いられていることを特徴とするものであ
る。また、本発明の請求項２記載発明は、前記ガスの流
れ止めとして用いた流れ止め材中に電解質を貯蔵し、前
記流れ止め材の多孔質体の穴径またはフェルト材の繊維
により構成される空隙の大きさを、電解質板の細孔径よ
り大として、流れ止め材に貯蔵された電解質が、前記ウ
エットシール部に設けられた補給孔より各セルの電解質
板中に自動補給される構造であることを特徴とするもの
である。このような構成によれば、セパレータのウエッ
トシール部フレーム中に充填された弾性を有する多孔質
体またはフェルト様の繊維は、セパレータの電極反応部
以外に反応ガスが回り込むのを防ぐ働きをする。このと
き、本ガス流れ止めのみではガスの流れを完全に遮断す
ることは不可能であるが、この流れ止め材中に電解質を
しみこませることにより完全なシールが可能となり、燃
料ガスを無駄なく電極面内のみに導くようにすることが
できる。また、このガス流れ止め材にしみこませた電解
質は、セパレータフレームのウエットシール部表面に設
けた電解質補給孔を通って容易に電解質板中へ移動する
ため、電池の長期運転時において電解質補給が可能であ
る。このときの電解質の移動は電解質板とガス流れ止め
材との電解質保持力の違いによるものであるため、各セ
ルの電解質消失状況に応じて自動的に補給を行うことが
できる。また、本発明の副次的な効果としては、セパレ
ータウエットシール部の剛性が全面で均一に低剛性とな
ることから、セパレータのウエットシール部と電解質板
とのなじみがよく、ウエットシールの気密性がより向上
するといった効果も有するものである。

【０００７】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を、図
面を参照して説明する。図１は本発明のセパレータの一
実施形態を示す平面図、図２は図１のＡ−Ａ断面図であ
る。（１）本実施形態のセパレータ構造本実施形態のセパレータは、仕切板４、フレーム９、波
板５、カレントコレクタ６により構成される。本実施形
態では、本発明のガス流れ止め構造の簡便性を示すため
に、内部マニホールド型セパレータを用いた。フレーム
９の４辺には内部マニホールドが設けられており、それ
ぞれアノードガス入口７ａ、カソードガス入口７ｃ、ア
ノードガス出口７ｂ、カソードガス出口７ｄが配置され
ている。また、アノード面のカソードガスマニホールド
側ウエットーシール内部には、図２に示すように、ガス
流れ止め１を、図１中の２点鎖線部に設置している。

【０００８】本ガス流れ止めは、セパレータのウエット
シール内部に設置されるが、本部分には電解質板中の電
解質がクリープにより到達する恐れがある。このため、
その材質としては電解質に対する耐食性を考慮して、弾
性を有する多孔質体としては、電池の電極に用いられる
Ｎｉ多孔質焼結体が、フェルト材としては、同じく電池
の電解質板に用いられるＬｉＡｌＯ₂ などのアルミナ繊
維などが有効である。このときの多孔質体の細孔径、ま
たはフェルト材の繊維により構成される空隙の大きさ
は、電解質板の細孔径より大となるよう設定するが、通
常電解質板の細孔径は、０.１μｍ程度であることか
ら、本ガス流れ止めの細孔径または空隙の大きさは、１
０〜１００μｍ近傍であることが望ましい。

【０００９】ガス流れ止め２にアルミナフェルトを使用
する場合、電池の運転面圧が２〜４ｋｇ／ｃｍ² 程度で
あることから、４ｋｇ／ｃｍ² 以上の面圧にて成形され
ていることが望ましい。このとき、フェルトの厚さは電
池の設計面圧（２〜４ｋｇ／ｃｍ² ）がかかった場合
に、フレーム高さの設計値と一致するよう、やや厚めの
ものを用いることにより、フレーム内部のガスの流れを
効果的に閉止し、且つウエットシール部にクッション性
を持たせることができる。以上、ガス流れ止めとして、
Ｎｉ多孔質体、アルミナフェルトなどの例を示したが、
これらの材料は切断が容易であり、本例のような複雑な
形状の加工が容易であるといった利点がある。

【００１０】また、このセパレータのフレームには、直
径約６ｍｍ程度の電解質補給孔２を設け、この補給孔の
フレーム板厚相当部分には、アルミナ繊維またはＮｉ多
孔質体等を充填して、セパレータ内のガス流れ止めと電
解質板８とが、直接接触するようにしておく。また、本
例では、カソードガスマニホールドの周囲のみに流れ止
めを設けているが、アノードガスマニホールドの周囲で
あっても、ガスの流れに影響を与えない部分に設置する
ことは可能である。

【００１１】（２）本実施形態のセパレータの製法本実施形態のセパレータは、まず仕切板４の上に波板５
を仮止めし、周囲にガス流れ止め１を配置した後、フレ
ーム９、カレントコレクタ６などを設置して組み立て
る。これら部材の接合は真空ろう付けまたはビーム溶接
等による。次に、図４に、ガス流れ止め１への電解質の
充填法を示す。セパレータ組立後、ウエットシール部の
電解質補給孔２に、漏斗様の電解質充填治具１０を取付
け、その中に電解質１１（固体）を充填した後、加熱炉
内で加熱して電解質を溶融し、ガス流れ止め１内に電解
質を充填する。このときの電解質充填量は以下のように
して、あらかじめ定量しておくことにより、本作業時に
おいて、セパレータの内部へ余剰の電解質があふれ出す
ことを防止できる。まず最初に、同一形状のガス流れ止
めの乾燥状態での重量を計る。次に、このガス流れ止め
に水分をよく含ませ、もう一度重量を測定する。水分含
浸前後の重量から、フェルトに吸い込まれた水の体積を
算出する。この水の体積に電解質の比重を乗じて、本フ
ェルトの含浸に必要な電解質量を算出することができ
る。

【００１２】（３）本実施形態のセパレータの動作本実施形態のセパレータを用いて電池を運転する場合、
アノードガスはアノードガス入口マニホールド７ａより
各セパレータのアノード側波板５へ流れ込む。このとき
燃料ガスは、セパレータのカソード側マニホールドのウ
エットシール部が、電解質を満たしたガス流れ止め１に
より閉塞されているため、本部分を流れることができな
い。このときの燃料ガスの流れを、図１に、ガス流れと
して矢印にてしめす。このように本セパレータでは、燃
料ガスが、電池反応が進行しないウエットシール部に回
り込んで、そのまま電池反応に使用されずにアノード出
口側マニホールド７ｂに抜ける恐れがなく、効率的に燃
料ガスを使用することができる。

【００１３】また、本例では、通常、電池運転時には、
カソード側では冷却のためガスの利用率が低く設定され
ることから、燃料ガスの利用率向上を目的として、セパ
レータの燃料ガス側のみに流れ止めを設けているが、酸
化剤ガス側にも本構造の適用は可能である。本構造をカ
ソード側にも採用した場合は、電解質板のカソード側か
らも電解質の補給が可能となることから、トータルとし
て電解質の供給量が約２倍となり、より長期期間での電
池運転が可能となる。

【００１４】次に、図３に、電解質の補給の様子を示
す。電解質板細孔中の電解質の保持は毛細管現象による
ものであることから、電解質を保持する細孔径が小さい
ほど電解質の保持力は大きくなる。細孔径を電解質板８
と、ガス流れ止め１とで比較してみると、電解質板の電
解質を保持している細孔径が、約０．１μｍ程度である
のに対して、ガス流れ止めの細孔径または空隙の大きさ
は、約１０〜１００μｍであり、およそ１００〜１００
０倍である。このため、電解質の保持力は電解質板のほ
うが大きく、電池の運転に伴って電解質板８中の電解質
が不足すると、ガス流れ止め中の電解質は、電解質補給
孔２を通って電解質板８中へ移動する。このように、電
解質の保持力の違いにより、セパレータ内ガス流れ止め
１から電解質板８中に、電解質が自動的に吸い上げられ
て補給されるため、この補給は各セルでの電解質不足状
況に応じてセル個別に進行し、常に最適な電解質量が各
セルに供給される。また、このとき、補給孔２はセパレ
ータのウエットシール部に設けられており、アノード３
ａ、カソード３ｂとは接していない。このため、電解質
の移動は電解質板８に対してのみ自動的に行われ、電極
の電解質分布には影響を与えない。

【００１５】ガス流れ止め中の電解質は、このように徐
々に電解質板中に移動して減少するが、ガス流れ止めと
しては、最充填時の約３割程度の電解質残量でも十分で
あり、ガス流れ止め１に貯蔵された約７割の電解質は、
補給用として使用可能である。

【００１６】セパレータのウエットシール部と電解質板
の密着性という面から見ると、本発明ではガスの流れ止
め１に多孔質体、またはフェルト材などの弾性体を使用
していることから、ウエットシール部の剛性が従来のセ
パレータと比較して低くなり、且つウエットシール部全
面の剛性を均一にすることができる。このため、セパレ
ータのウエットシール部と電解質板とのなじみがよく、
良好なシール性を保つことができる。

【００１７】

【発明の効果】本発明によれば、中空フレームを有する
セパレータにおいて、燃料ガスのウエットシール部への
回り込みを防止し、燃料ガスを効率よく利用することが
できる効果がある。また、燃料電池連続運転時の各セル
の電解質板中の電解質消費に伴い、セパレータ中のガス
流れ止めから自動的に電解質が補給されることにより、
電池性能低下を防止し電池の長寿命化を可能にすること
ができる。さらに、セパレータのウエットシール部の剛
性を下げることができるため、本シール部と電解質板の
なじみを向上させる効果がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の燃料電池セパレータの一実施形態を示
す平面図。

【図２】図１のＡ−Ａ断面図。

【図３】本発明における電解質移動を示す説明図。

【図４】本発明における電解質充填を示す説明図。

【符号の説明】

１ガス流れ止め２電解質補給孔３ａアノード（電極）３ｂカソード（電極）４仕切板５波板６カレントコレクタ７ａアノードガス入口マニホールド７ｂアノードガス出口マニホールド７ｃカソードガス入口マニホールド７ｄカソードガス出口マニホールド８電解質板９フレーム１０電解質充填治具１１電解質

フロントページの続き (72)発明者高橋宏茨城県日立市幸町三丁目１番１号株式会社日立製作所日立工場内 (72)発明者岡崎喜一茨城県日立市幸町三丁目２番２号日立ニュークリアエンジニアリング株式会社内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】溶融炭酸塩型燃料電池の中空フレームお
よびウエットシール部を有するセパレータにおいて、前
記ウエットシール内部にガス流れ止めとして、弾性を有
する多孔質体またはフェルト様の材料が用いられている
ことを特徴とする燃料電池セパレータ。
【請求項２】請求項１に記載のセパレータにおいて、
前記ガスの流れ止めとして用いた流れ止め材中に電解質
を貯蔵し、前記流れ止め材の多孔質体の穴径またはフェ
ルト材の繊維により構成される空隙の大きさを、電解質
板の細孔径より大として、流れ止め材に貯蔵された電解
質が、前記ウエットシール部に設けられた補給孔より各
セルの電解質板中に自動補給される構造であることを特
徴とする燃料電池セパレータ。