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JPH0782866B2 - 溶融炭酸塩型燃料電池 - Google Patents
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JPH0782866B2 - 溶融炭酸塩型燃料電池 - Google Patents

溶融炭酸塩型燃料電池

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JPH0782866B2
JPH0782866B2 JP60216576A JP21657685A JPH0782866B2 JP H0782866 B2 JPH0782866 B2 JP H0782866B2 JP 60216576 A JP60216576 A JP 60216576A JP 21657685 A JP21657685 A JP 21657685A JP H0782866 B2 JPH0782866 B2 JP H0782866B2
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Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の技術分野〕 本発明は、単位電池を複数積層して構成される溶融炭酸
塩型燃料電池に関する。
〔発明の技術的背景とその問題点〕
従来より、高効率のエネルギ変換装置として燃料電池が
広く知られている。燃料電池は、使用する電解質層によ
ってリン酸型、溶融炭酸塩型、固体電解質型に分類され
る。
このような燃料電池の中で、特に発電熱効率の高い溶融
炭酸塩型燃料電池は、通常、第4図に示すように、燃料
電池本体Xと、この燃料電池本体Xに燃料ガスおよび酸
化剤ガスを導く図示しないマニホールドとで構成されて
いる。
燃料電池本体Xは、個々の単位電池1の出力が微弱なた
め、通常は単位電池1を導電性のセパレータ2を介して
複数積層することによって構成される。
そして各単位電池1は、一対の多孔質電極板、つまり燃
料極3aと、酸化剤電極3bとの間にアルカリ炭酸塩の電解
質およびこれを保持する保持材からなる電解質層4を設
けて構成される。各電極板3a,3bは、長方形の板状体か
らなり、長手方向が互いに直交するように配置されてい
る。電解質層4は、これら各電極板の長手方向長さを縦
横寸法とする板状体からなるものである。
セパレータ2は、導電性の材料からなる板状体の両面
に、両端部に所定幅のフランジ面6a,6bを残して互いに
直交する方向に延びる大溝7a,7bを形成するとともに、
これら大溝7a,7bの各底面部にそれぞれ大溝と同一方向
に延びる複数の溝8a,8bを設けたものとなっている。大
溝7a,7bは、燃料極3a、酸化剤極3bが、それぞれ丁度嵌
合するような深さおよび幅を有している。したがって、
燃料電池本体Xは、単位電池1とセパレータ2とを交互
に積層すると、電解質層4の一方の面とこの面に対向す
るフランジ面6a,6bとが重合し、電解質層4の他方の面
とこの面に対向するフランジ面6c,6dとが重合する。
このような燃料電池を500〜750℃に昇温すると、電解質
層4の炭酸塩が溶融状態になり、多孔質の燃料極3aおよ
び酸化剤極3bに僅かにしみ込み。この状態で溝8bで構成
されるガス流路に燃料ガスPを導入し、溝8aで構成され
るガス流路に酸化剤ガスQを導入すると、各ガスは各電
極板に拡散されて電極、ガス、および溶融炭酸塩からな
る三相界面での反応に供される。このとき、燃料ガスP
と酸化剤ガスQとは、前述した電解質層4とフランジ面
6a〜6dとの重合部にしみ出た溶融炭酸塩で形成されるウ
ェットシール部によって分離される。
このような従来の溶融炭酸塩型燃料電池においては、電
解質層4に積層体の自重や締付け力が直接加わる構造と
なっていた。このため、電解質層4には、これら加重に
耐え得るような圧縮強さが必要であった。
電解質層4の圧縮強さを高めるための提案は、種々なさ
れているが、最も効果的であるのは、電解質層4中の保
持材含有量を増すことである。
しかしながら、電解質層の保持材含有量を増すと、電解
質層のイオン伝導度が低下し、電池性能を悪化させると
いう問題がある。また、このように保持材含有量を増加
させると、電池運転中での保持材の粒成長反応による比
表面積の低下が無視できなくなり、運転初期には十分な
圧縮強さでも、経時的な強度低下を招くという問題もあ
った。
そこで、たとえばUSP3723186号で提案されているよう
に、ウェットシール部を形成する電解質層の周縁部の保
持材含有量を中心部のそれよりも増加させ、電池性能を
低下させることなく圧縮強さを高めるのも一つの方策で
ある。
しかしながら、このように電解質層の周縁部と中心部と
の保持材含有量を異ならせると、周縁部と中心部との熱
膨張の程度に差ができるため、温度サイクルに伴う熱応
力で電解質層に貫通割れが生じてしまい、反応ガスの交
差混合が生じてしまうという問題があった。
また、上述したいずれの燃料電池においても、ウェット
シールを電解質である溶融炭酸塩によって形成している
ため、ウェットシール部を介して電解質が移動逸散して
しまい、経時的にシール性能や電池性能が低下してしま
うという問題もあった。
〔発明の目的〕
本発明は、このような事情に基づきなされたもので、そ
の目的とするところは、電池性能をなんら低下させるこ
となく、積層体の十分な圧縮強さを確保することがで
き、しかもシール部の経時的安定性に優れた溶融炭酸塩
型燃料電池を提供することにある。
〔発明の概要〕
本発明は、溶融炭酸塩電解質層の両面に一対の多孔質電
極を配してなる単位電池と導電性のセパレータとを交互
に積層してなる燃料電池本体を備えた溶融炭酸塩型燃料
電池において、炭酸塩に対して化学的に安定で、かつ非
電子伝導性の酸化物セラミックで環状に形成され、積層
方向に隣接する前記セパレータの周縁部間に前記単位電
池を囲繞する如く挿設されて前記溶融炭酸塩電解質層に
加わる荷重を抑制するスペーサと、このスペーサと前記
セパレータとの間に介挿されて両者間をシールする炭酸
塩とは異なる材質のシール材とを具備してなることを特
徴としている。
〔発明の効果〕
本発明によれば、セパレータとセパレータとの間に炭酸
塩に対して化学的に安定で、かつ非電子伝導性の酸化物
セラミックで形成されたスペーサを設けているので、従
来、電解質層に加わっていた圧力をスペーサで受けるこ
とができる。したがって、電解質層に従来のような高い
圧縮強さを持たせる必要がなくなるので、電解質層の保
持材含有量は電解質を保持できる必要最小限度の量で済
む。このため、イオン伝導度の低下、温度サイクルによ
る貫通割れの発生などの諸問題を生じることなく、単位
電池の大形化、積層数の増加による大出力化を図ること
ができる。
また、本発明では、セパレータとスペーサとの間に介挿
されるシール材を炭酸塩以外の材質のもので形成してい
るので、電解質を完全にシールすることができ、電解質
の蒸発損失等による気密性の経時的な低下を生じること
がない。
〔発明の実施例〕
以下、図面を参照しながら、本発明の一実施例について
説明する。
第1図は一実施例を示す図であり、従来と特に異なる点
は、単位電池11の周囲を環状のスペーサ12で囲繞した点
と、このスペーサとセパレータ13との接触部分にシール
手段であるガラスを介在させて、セパレータ13の周縁部
とスペーサとの間のウェットシール部を形成したことで
ある。
すなわち、単位電池11を構成する燃料極14aと酸化剤極1
4bとは、それぞれの長辺が電解質層16の縦横寸法と略一
致しており、かつ長手方向が互いに直交するように配置
されている。
セパレータ13は、反応ガスの流路を形成する機能と単位
電池11間の電気的な接続機能とを備えたもので、導電性
材料からなる板状体の両面に、両端部に所定幅のフラン
ジ面17a,17bおよび17c,17dを残して互いに直交する方向
に延びる複数の溝18a,18bを設けるとともに、上記フラ
ンジ面17a〜17dに、フランジ面17a〜17dの周縁部を残し
てそれぞれ突条19a,19b,19c,19dを設けたものとなって
いる。
スペーサ12は、炭酸塩に対して化学的に安定で、かつ非
電子伝導性であるち密質のアルミナを角形環状に形成し
たものである。スペーサ12は、その外形の縦横寸法が、
セパレータ13の寸法と略等しく、また、その内形の縦横
寸法が、電解質層16の寸法より僅か大きくなるように形
成され、さらにその厚みが後述するように組立て直後の
単位電池11の厚みよりも僅か薄くなるように形成されて
いる。
これら単位電池11、スペーサ12およびセパレータ13を積
層組立すると、セパレータ13の突条19c,19d間に燃料極1
4aが、また突条19a,19b間に酸化剤極14bがそれぞれ嵌合
され、電解質層16が突条19a,19c間および突条19b,19d間
に配置され、さらにセパレータ13のフランジ面17a,17b
と17c,17dとの間にスペーサ12が配置されて燃料電池本
体Yが形成される。この状態ではスペーサ12の厚みが単
位電池11の厚みよりも僅か薄いので、スペーサ12とセパ
レータ13との間には0.1〜0.15mmの僅かな隙間ができ
る。この隙間にシール体である粉末状のガラスを充填す
る。この状態で燃料電池本体Yを昇温し、溶融した電解
質層の一部が電極側に移動することによって電解質層16
と各電極板とのなじみが良好になると、上記の隙間が減
少し、第2図に示すようにスペーサ12とセパレータ13と
は殆ど密着することになる。一方、スペーサ12とセパレ
ータ13との間に充填された粉末状のガラスは、燃料電池
本体Yの温度上昇とともに、溶融状態となり、第2図に
示す如く、スペーサ12とセパレータ13との間でウェット
シール部Wを形成する。したがって、溶融炭酸塩はこの
ウェットシール部Wを介して完全に密閉され、炭酸塩の
移動逸散を抑えることができる。また、積層方向の荷重
は、機械的強度の高いセパレータ13とスペーサ12とで受
けるため、電解質層16に圧力が加わることはない。
なお、この実施例は燃料電池本体Yの側面に外部マニホ
ールドを添設するタイプのものであるが、このタイプの
ものは、積層体の周面とマニホールドとの気密部を、電
池運転温度で塑性変形する塑性変形材料と、この材料の
保持層と、電気絶縁層とで構成している。ところが、従
来は塑性変形材料が積層体の周面に沿って露呈した電解
質層と直接接触するため、塑性変形材料として電解質と
同組成のものしか使用できなかった。このため、ジルコ
ニアやアルミナ等で形成された電気絶縁層が溶融炭酸塩
の強力な腐蝕力によって徐々に冒され、隣接する単位電
池間に漏洩電流が流れたり、電解質をこの腐蝕部に引張
り込んで電解質層の抵抗値を高めたりすることがあっ
た。
しかしながら、本実施例では、単位電池11の周囲をスペ
ーサ12で取囲み、さらに、スペーサ12とセパレータ13と
のウェットシールがガラスであるため、積層端面に炭酸
塩が直接露呈することがない。つまり、気密部の塑性変
形材料と電解質層とが直接接触することがないので、塑
性変形材料に電解質とは異なる材料、たとえばガラスな
どを用いることができる。したがって、前述した漏洩電
流や電解質の腐蝕部への引張り込みなどの問題も解決す
ることができる。
なお、本発明は上記実施例に限定されるものではない。
例えば、上記実施例ではスペーサとしてち密質のものを
用いたが、アルミナ多孔質体(例えば平均孔径1μm、
空孔率50%)を溶融炭酸リチウム中で処理して表面をリ
チウムアルミネート化し、これにホウ酸ガラスを溶融含
浸してシール手段を備えたスペーサを形成し用いるよう
にしても良い。この他、スペーサとしては、Al2O3の代
わりにZrO2用いることもできる。
また、シール材として上記実施例では粉末状のガラスを
用いたが、ZrO2,Al2O3粉末やAl2O3繊維と混合した板状
体を用いるようにしても良い。
また、シール手段は、ガラスなどによるウェットシール
に限られず、例えば第3図に示すように、可撓性の金属
パイプ20を、スペーサ21の溝22に装着してシール機能を
持たせるようにすることも考えられる。金属パイプ20
は、高温クリープ強度があり、しかも可撓性を有してい
れば、特に中空パイプを用いる必要はない。また、シー
ル材との濡れ性向上のため、金属パイプにアルミナ層形
成等の表面処理を施しても良い。
この他、セパレータやシール手段の形状、形式も特に例
示したものに限定されるものではなく、例えば、シール
材としてセパレータ端部に辺に平行に溝を切っても良
く、また、インターナルマニホールドタイプの燃料電池
にも本発明の適用は可能である。更に、上記実施例で
は、セパレータとして、表裏両面に互いに直交するよう
機械加工でガス流通路を形成したものを用いたが、波状
加工した薄板と平薄板との組合わせであっても良い。
要するに本発明は、その要旨を逸脱しない範囲で種々変
更して実施することができる。
【図面の簡単な説明】
第1図は本発明の一実施例に係る溶融炭酸塩型燃料電池
の要部構成を示す分解斜視図、第2図は同燃料電池を第
1図におけるA−A線に沿って切断し矢印方向に見た断
面図、第3図は本発明の他の実施例を示す部分断面図、
第4図は従来の溶融炭酸塩型燃料電池の要部を示す分解
斜視図である。 1,11……単位電池、2,13,21……セパレータ、3a,14a…
…燃料極、3b,14b……酸化剤極、4,16……電解質層、12
……スペーサ、20……金属パイプ、P……燃料ガス、Q
……酸化剤ガス、W……ガラスのウェットシール部。

Claims (3)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】溶融炭酸塩電解質層の両面に一対の多孔質
    電極を配してなる単位電池と導電性のセパレータとを交
    互に積層してなる燃料電池本体を備えた溶融炭酸塩型燃
    料電池において、炭酸塩に対して化学的安定で、かつ非
    電子伝導性の酸化物セラミックで環状に形成され、積層
    方向に隣接する前記セパレータの周縁部間に前記単位電
    池を囲繞する如く挿設されて前記溶融炭酸塩電解質層に
    加わる荷重を抑制するスペーサと、このスペーサと前記
    セパレータとの間に介挿されて両者間をシールする炭酸
    塩とは異なる材質のシール材とを具備してなることを特
    徴とする溶融炭酸塩型燃料電池。
  2. 【請求項2】前記シール材は、電池の運転温度下におい
    て溶融するガラスで構成されていることを特徴とする特
    許請求の範囲第1項記載の溶融炭酸塩型燃料電池。
  3. 【請求項3】前記シール材は、可撓性を有する耐熱性金
    属材で構成されていることを特徴とする特許請求の範囲
    第1項記載の溶融炭酸塩型燃料電池。
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