(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
電解質板とこれを間に挟持したアノード及びカソードとからなる複数のドーナツ状セルと、各セルを間に挟持した複数の円形セパレータと、を備え、前記円形セパレータは、中心に設けられたカソードガス用の中心マニホールドと、該中心マニホールドのまわりに互いに間隔を隔てて設けられた複数のアノードガス用第１マニホールドと、円形セパレータの外周部に互いに間隔を隔てて設けられた複数のアノードガス用第２マニホールドと、第１マニホールドと第２マニホールドの間に両面に設けられアノードガスとカソードガスがそれぞれ片面を放射状に流れるようになったドーナツ状の一対の反応部と、を有し、
前記円形セパレータは、アノードガスとカソードガスを仕切るプレス成形した平板状の仕切板と、該仕切板の両側に間隔を隔てて取り付けられた平板状のマスクプレートと、からなり、前記マスクプレートはそれぞれ、前記中心マニホールド及び第１マニホールドを有する中心マスク部と、第２マニホールドを有する外周マスク部と、からなり、中心マスク部と外周マスク部との間に前記一対の反応部が構成され、該反応部にドーナツ状のアノードとカソードが取り付けられ、
カソードガスは円形セパレータの外側から円形セパレータ間の隙間をその表面に沿って各カソードまで供給され、反応後のカソードガスは中心マニホールドから外部に排出される、ことを特徴とする円筒形燃料電池。
【請求項２】
セル及び円形セパレータを間隔を隔てて囲む容器を更に備え、該容器を介して円形セパレータの外側からカソードガスが供給される、ことを特徴とする請求項１に記載の円筒形燃料電池。
【請求項３】
前記円形セパレータ間には第１マニホールド及び第２マニホールドを個別に囲む複数のドーナツ状シール板が挟持され、これにより円形セパレータの表面に沿って流れるカソードガスをアノードガスからシールする、ことを特徴とする請求項１に記載の円筒形燃料電池。
【請求項４】
前記セル及び円形セパレータを間に挟持するホルダーを更に備え、該ホルダーを介してアノードガス及びカソードガスの給気及び／又は排気が行われる、ことを特徴とする請求項１に記載の円筒形燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は燃料の有する化学エネルギーを電気エネルギーに直接変換する燃料電池に係わり、更に詳しくは、形状が円筒形の溶融炭酸塩型燃料電池に関する。
【０００２】
【従来の技術】
溶融炭酸塩型燃料電池（図７）は、薄い平板状の電解質板ｔ（タイル）をアノードａ（燃料極）とカソードｃ（空気極）の２枚の平板電極で挟んだセル１で構成されている。しかし、単セルでは電圧が低い（０．８Ｖ程度）ため、実用上は導電性のセパレータ２（バイポーラプレート）を介し多数段に積層した燃料電池３（スタック）として用いられる。
【０００３】
電解質板ｔは、焼結したセラミック粉末からなり、その隙間に溶融炭酸塩を高温の溶融状態で保持するようになっている。アノードａ及びカソードｃは、それぞれ焼結した金属粉末であり、その間に電解質板ｔを挟持し、内部に溶融炭酸塩とガスとの界面を形成する。セパレータ２は、その上下面にガス流路を有し、その間にセル１を挟持し、水素を含むアノードガスと酸素を含むカソードガスをアノードａ及びカソードｃに沿ってそれぞれ流すようになっている。かかる燃料電池３を例えば約６５０℃の高温に保持し、アノードａ及びカソードｃに沿ってそれぞれアノードガスとカソードガスを流すことにより、次の反応により電気が発電される。
【０００４】
アノード反応  Ｈ２  ＋ＣＯ３２−    →Ｈ２  Ｏ＋ＣＯ２  ＋２ｅ．．．式▲１▼
カソード反応  ＣＯ２  ＋１／２  Ｏ２  ＋２ｅ→ＣＯ３２−  ．．．式▲２▼
【０００５】
また、スタック内の各セルにプロセスガス（アノードガス及びカソードガス）を供給する手段として、図８に示すように、スタックの側面に外部マニホールド４を押付けてこのマニホールドから各セル１にプロセスガスを供給する外部マニホールド方式（Ａ）と、セパレータ自体に垂直な内部マルホールド５を備え、このマルホールドを介して各セル１にプロセスガスを供給する内部マルホールド方式（Ｂ）とが従来から提案され実施されている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
外部マニホールド方式（Ａ）は、外部マニホールド４がスタックの側面に直接接続されるため、▲１▼スタック高さの変動（熱膨張や電解質板の厚さ変化に起因する）やスタック側面の凹凸（多数のセルの積層に起因する）により、シール性能が悪化してガスが漏れやすく、かつ▲２▼外部マニホールド４を介してセル間の短絡やイオンが別のセルに移動するマイグレーションが生じやすい問題点があった。
【０００７】
一方、内部マルホールド方式（Ｂ）は、スタックの高さ変化やスタック側面の凹凸の影響を受けず、シール性能が優れており、かつ各セルを直接連結する部材がないため、短絡やマイグレーションのおそれがないが、多数のセルを積層して高電圧の燃料電池（スタック）を構成しようとすると、▲３▼内部マニホールド５の占める面積が増し、セパレータ面積に対する反応面積の比率（面積効率）が低下し、かつ▲４▼積層した各セルに流れるプロセスガスの流量比率（縦流配）が悪化する問題点があった。
【０００８】
特に、アノードガスとカソードガスを平行に流す平行流方式の燃料電池では、図９に模式的に示すように、反応部形状を長方形とし、相対する２辺の各々にアノードマニホールド５ａとカソードマニホールド５ｃを交互に配置する内部マニホールド構造が用いられるため、相対する２辺にマニホールド５ａ，５ｃが集中し、マニホールド面積を十分確保できず、面積効率が悪化し、▲５▼所望の縦流配性能を確保できるセルの積層限界が小さい（例えば約１００段程度）等の問題点があった。更に、マニホールド面積を十分確保できないために、▲６▼カソードガスの圧力損失がアノードガスに比較して大きくなり、アノード、カソード間の圧力差（極間差圧）が大きくなってシール性能や電解質板の寿命を低下させる問題点があった。
【０００９】
本発明は上述した種々の問題点を解決するために創案されたものである。すなわち、本発明は、▲１▼シール性能が優れており、▲２▼セル間の短絡やマイグレーションが生じにくく、かつ多数のセルを積層した場合でも、▲３▼セパレータ面積に対する反応面積の比率が高く、▲４▼積層した各セルにほぼ均等にプロセスガスを流すことができ、▲５▼縦流配性能を確保できるセルの積層許容範囲が広く、▲６▼極間差圧が小さい燃料電池を提供することにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明によれば、電解質板とこれを間に挟持したアノード及びカソードとからなる複数のドーナツ状セルと、各セルを間に挟持した複数の円形セパレータと、を備え、前記円形セパレータは、中心に設けられたカソードガス用の中心マニホールドと、該中心マニホールドのまわりに互いに間隔を隔てて設けられた複数のアノードガス用第１マニホールドと、円形セパレータの外周部に互いに間隔を隔てて設けられた複数のアノードガス用第２マニホールドと、第１マニホールドと第２マニホールドの間に両面に設けられアノードガスとカソードガスがそれぞれ片面を放射状に流れるようになったドーナツ状の一対の反応部と、を有し、前記円形セパレータは、アノードガスとカソードガスを仕切るプレス成形した平板状の仕切板と、該仕切板の両側に間隔を隔てて取り付けられた平板状のマスクプレートと、からなり、前記マスクプレートはそれぞれ、前記中心マニホールド及び第１マニホールドを有する中心マスク部と、第２マニホールドを有する外周マスク部と、からなり、中心マスク部と外周マスク部との間に前記一対の反応部が構成され、該反応部にドーナツ状のアノードとカソードが取り付けられ、カソードガスは円形セパレータの外側から円形セパレータ間の隙間をその表面に沿って各カソードまで供給され、反応後のカソードガスは中心マニホールドから外部に排出される、ことを特徴とする円筒形燃料電池が提供される。
【００１１】
本発明の好ましい実施例によれば、セル及び円形セパレータを間隔を隔てて囲む容器を更に備え、該容器を介して円形セパレータの外側からカソードガスが供給される。
【００１３】
また、前記円形セパレータ間には第１マニホールド及び第２マニホールドを個別に囲む複数のドーナツ状シール板が挟持され、これにより円形セパレータの表面に沿って流れるカソードガスをアノードガスからシールすることが好ましい。更に、前記セル及び円形セパレータを間に挟持するホルダーを備え、該ホルダーを介してアノードガス及びカソードガスの給気及び／又は排気が行われることが好ましい。
【００１４】
【作用】
上記構成の本発明の円筒形燃料電池には、アノードガス用の内部マニホールド（第１及び第２マニホールド）は設けられているが、カソードガス用の内部マニホールドは中心マニホールドが１つ設けられているだけであり、外周部にはカソードガス用の内部マニホールドはないので、ガス量の多いカソードガス用の内部マニホールドに要する面積を半減させることができ、セパレータ面積に対する反応面積の比率を高めることができる。
【００１５】
また、カソードガスは、セパレータの外側からセパレータ間の隙間をその表面に沿って各カソードまで供給され、反応後のカソードガスは中心マニホールドから外部に排出されるので、燃料電池の外側（例えばセル及びセパレータを囲む容器）をカソードガスの外部マニホールドとして利用することができ、この外部マニホールドを十分大きく設定することにより、多数のセルを積層した場合でも、積層した各セルにほぼ均等にプロセスガスを流すことができ、縦流配性能を確保できるセルの積層許容範囲を広くし、極間差圧を小さくすることができる。
【００１６】
更に、円形セパレータ間にはアノードガス用の第１マニホールド及び第２マニホールドを個別に囲む複数のドーナツ状シール板が挟持され、これにより円形セパレータの表面に沿って流れるカソードガスをアノードガスからシールするので、従来の内部マニホールドと同様にシール性能が優れており、かつセル側面に直接接する外部マニホールド等がないため、セル間の短絡やマイグレーションが生じるおそれがない。
【００１７】
【実施例】
以下に本発明の好ましい実施例を図面を参照して説明する。
図１は、本発明による円筒形燃料電池の全体斜視図であり、図２は図１の部分斜視図である。図１及び図２において、本発明の円筒形燃料電池１０は、電解質板ｔとこれを間に挟持したアノードａ及びカソードｃとからなる複数のドーナツ状のセル１１と、各セル１１を間に挟持した複数の円形セパレータ１２とを備えている。また、図に矢印で示すように、カソードガス６ａは円形セパレータ１２の外側から円形セパレータ間の隙間をその表面に沿って各カソードまで供給され、反応後のカソードガス６ｂは中心に設けられたマニホールド（後述する中心マニホールド）から燃料電池の外部に排出されるようになっている。
【００１８】
図１において、本発明の円筒形燃料電池１０は、更にセル１１及び円形セパレータ１２を間隔を隔てて囲む容器１３を備えている。この容器１３は、燃料電池を格納する格納容器自体であってもよく、或いは格納容器内に収納される別の容器であってもよい。この容器１３を介して円形セパレータ１２の外側からカソードガス６ａを供給することにより、燃料電池の外側（例えば容器１３）をカソードガス６ａの外部マニホールドとして利用することができ、この外部マニホールド６ａを十分大きく設定することにより、多数のセルを積層した場合でも、積層した各セルにほぼ均等にプロセスガスを流すことができ、縦流配性能を確保できるセルの積層許容範囲を広くし、極間差圧を小さくすることができる。
【００１９】
更に、図１に示すように、本発明の円形燃料電池１０は、セル１１及び円形セパレータ１２を間に挟持するホルダー１４を備え、このホルダー１４の少なくとも一方を介してアノードガス及びカソードガスの給気及び／又は排気が行われるようになっている。かかる構成により、容器１３をセル１１及び円形セパレータ１２の外周面から間隔を隔てて囲むことができ、これによりセル側面に直接接する外部マニホールド等がないため、セル間の短絡やマイグレーションを本質的に回避することができる。
【００２０】
図３は、円形セパレータ１２の平面図でありカソードガスの流れを示しており、図４は、円形セパレータ内部の平面図でありアノードガスの流れを示している。
図３及び図４に示すように、円形セパレータ１２は、中心に設けられたカソードガス用の中心マニホールド１５ａと、中心マニホールド１５ａのまわりに互いに間隔を隔てて設けられた複数のアノードガス用第１マニホールド１５ｂと、円形セパレータの外周部に互いに間隔を隔てて設けられた複数のアノードガス用第２マニホールド１５ｃと、第１マニホールド１５ｂと第２マニホールド１５ｃの間に両面に設けられアノードガスとカソードガスがそれぞれ片面を放射状に流れるようになったドーナツ状の一対の反応部１６とを有している。
【００２１】
また、図３において、円形セパレータ１２間には第１マニホールド１５ｂ及び第２マニホールド１５ｃを個別に囲む複数のドーナツ状シール板１７が挟持されており、これにより、円形セパレータ１２の表面に沿って流れるカソードガス６ａ，６ｂを第１マニホールド１５ｂ及び第２マニホールド１５ｃを流れるアノードガス７ａ，７ｂ（図４）からシールし、アノードガス７ａ，７ｂが円形セパレータ１２の隙間に漏れ出すのを防止している。シール板１７には、高温においてシール性を有する材料、例えばセラミックシールや電解質板を用いることができる。かかる構成により、図３に示すように、カソードガス６ａを円形セパレータ１２の外側から円形セパレータ間の隙間をその表面に沿って各カソードまで供給し、反応後のカソードガス６ｂを中心マニホールド１５ａから外部に排出することができる。なお、上述したカソード側の反応式▲２▼から、カソード反応によりガス量は減少するため、図３に示すように、カソードガスを外周部から中心マニホールド１５ａに流すのが好ましいが、本発明はこれに限定されず、逆方向に流してもよい。
【００２２】
図３及び図４に示すように、円形セパレータ１２は、アノードガスとカソードガスを仕切るプレス成形した平板状の仕切板２１と、仕切板２１の両側に間隔を隔てて取り付けられた平板状のマスクプレート２２とからなる。また、マスクプレート２２はそれぞれ、中心マニホールド１５ａ及び第１マニホールド１５ｂを有する中心マスク部２２ａと、第２マニホールド１５ｃを有する外周マスク部２２ｂとからなる。かかる構成により、前記一対の反応部１６は中心マスク部２２ａと外周マスク部２２ｂとの間の凹んだ部分に構成され、この反応部１６にドーナツ状のアノードａとカソードｃがそれぞれ取り付けられる。
【００２３】
図４は、図３からセル１及びマスクプレート２２を除去した状態を示しており、アノードａに供給されるアノードガス７ａ，７ｂの流れを示している。この図に示すように、第１マニホールド１５ｂからセパレータのアノード側に流入したアノードガス７ａは、円形セパレータ内を放射状に流れ、第２マニホールド１５ｃから外部に排出される。なお、アノード側の反応式▲１▼から、アノード反応によりガス量は増加するため、図４に示すように、アノードガスを内側から外側に流すのが好ましいが、本発明はこれに限定されず、逆方向に流してもよい。
【００２４】
図５は、図３のＡ−Ａ断面図であり、円形セパレータ１２の反応部１６の構成を示している。この図に示すように、仕切板２１の反応部は、波形にプレス成形され、その上下面にアノードガス及びカソードガスが放射状に流れる流路が形成されている。電解質板ｔとこれを間に挟持したアノードａ及びカソードｃとからなる複数のドーナツ状セル１は、この仕切板２１の間に挟持され、仕切板２１の上面を流れるアノードガスがアノードａに供給され、下面を流れるカソードガスがカソードｃに供給されて、式▲１▼▲２▼に示す電池反応により電気を発電するようになっている。なお、この図で８は多孔板（カレントコレクタ）であり、カソードｃを支持しかつ発生した電気を図で上下方向に流す役割を果している。
【００２５】
図６は、図３のＢ−Ｂ断面図であり、第２マニホールド１５ｃまわりの構成を示している。図６で（Ａ）は複数のセルと円形セパレータの積層状態、（Ｂ）は単一のセルと円形セパレータであり、図中の矢印は、実線がアノードガス、破線がカソードガスの流れを示している。また、図の右端に示すセル１は、ドーナツ状セルの外縁部分である。
【００２６】
この図に示すように、仕切板２１にはプレス成形により多くの突起部２１ａ（エンボス）が成形され、この突起部２１ａにより仕切板２１の両側に流路が確保されている。また、仕切板２１の外周部は、外周マスク部２２ｂ，２２ｂ′と接するように成形され、適当な接合手段（例えば溶接）により気密に接合されている。更に仕切板２１の第２マニホールド１５ｃの内縁部分はカソード側の外周マスク部２２ｂ′と気密に接合されている。図示しない第１マニホールド１５ｂまわりの構成も同様である。かかる構成により、第１マニホールド１５ｂからセパレータのアノード側に流入し円形セパレータ内を放射状に流れたアノードガス７ｂを、第２マニホールド１５ｃからホルダー１４を介して燃料電池の外部に排出することができる。
【００２７】
また、図６において、円形セパレータ１２間には第２マニホールド１５ｃを個別に囲む複数のドーナツ状シール板１７が挟持されているため、円形セパレータ１２の表面に沿って流れるカソードガス６ａ，６ｂを第１マニホールド１５ｂ及び第２マニホールド１５ｃを流れるアノードガス７ａ，７ｂからシールし、アノードガス７ａ，７ｂが円形セパレータ１２の隙間に漏れ出すのを防止することができる。更に、図に示すように外周マスク部２２ｂ′の内端とセル１の外端との間にはカソードガスが流入するための隙間が設けられており、この隙間からセパレータ間に流入したカソードガス６ａをカソードｃの図で上面側に供給することができる。
【００２８】
上述したように、本発明の円筒形燃料電池には、カソードガス用の内部マニホールドは中心マニホールド１５ａが１つ設けられているだけであり、外周部にはカソードガス用の内部マニホールドはないので、ガス量の多いカソードガス用の内部マニホールドに要する面積を半減させることができ、セパレータ面積に対する反応面積の比率を高めることができる。
【００２９】
また、カソードガス６ａは、円形セパレータ１２の外側からセパレータ間の隙間をその表面に沿って各カソードｃまで供給され、反応後のカソードガス６ｂは中心マニホールド１５ａから外部に排出されるので、燃料電池の外側をカソードガスの外部マニホールドとして利用することができ、この外部マニホールドを十分大きく設定することにより、多数のセルを積層した場合でも、積層した各セルにほぼ均等にプロセスガスを流すことができ、縦流配性能を確保できるセルの積層許容範囲を広くし、極間差圧を小さくすることができる。
【００３０】
更に、円形セパレータ１２間には第１マニホールド１５ｂ及び第２マニホールド１５ｃを個別に囲む複数のドーナツ状シール板１７が挟持され、これにより円形セパレータ１２の表面に沿って流れるカソードガスをアノードガスからシールするので、従来の内部マニホールドと同様にシール性能が優れており、かつセル側面に直接接する外部マニホールド等がないため、セル間の短絡やマイグレーションが生じるおそれがない。
【００３１】
なお、本発明は上述した実施例に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々に変更できることは勿論である。
【００３２】
【発明の効果】
上述したように、本発明の円筒形燃料電池は、▲１▼シール性能が優れており、▲２▼セル間の短絡やマイグレーションが生じにくく、かつ多数のセルを積層した場合でも、▲３▼セパレータ面積に対する反応面積の比率が高く、▲４▼積層した各セルにほぼ均等にプロセスガスを流すことができ、▲５▼縦流配性能を確保できるセルの積層許容範囲が広く、▲６▼極間差圧が小さい、等の優れた効果を有する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による円筒形燃料電池の全体斜視図である。
【図２】図１の部分斜視図である。
【図３】カソードガスの流れを示す円形セパレータの平面図である。
【図４】アノードガスの流れを示す円形セパレータ内部の平面図である。
【図５】図３のＡ−Ａ断面図である。
【図６】図３のＢ−Ｂ断面図である。
【図７】溶融炭酸塩型燃料電池の構成図である。
【図８】外部マニホールドと内部マニホールドの構成図である。
【図９】平行流方式の燃料電池の平面図である。
【符号の説明】
ｔ  電解質板（タイル）
ａ  アノード（燃料極）
ｃ  カソード（空気極）
１  単セル
２  セパレータ（バイポーラプレート）
３  燃料電池（スタック）
４  外部マニホールド
５  内部マニホールド
５ａ  アノードマニホールド
５ｃ  カソードマニホールド
６ａ，６ｂ  カソードガス
７ａ，７ｂ  アノードガス
８  多孔板（カレントコレクタ）
１０  円筒形燃料電池
１１  セル
１２  円形セパレータ
１３  容器
１４  ホルダー
１５ａ  中心マニホールド
１５ｂ  第１マニホールド
１５ｃ  第２マニホールド
１６  反応部
１７  シール板
２１  仕切板
２２  マスクプレート
２２ａ  中心マスク部
２２ｂ  外周マスク部
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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