(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
上下のホルダ間に中間ホルダを有し、中間ホルダと上下ホルダ間にそれぞれスタックを挟持し、プロセスガスを中間ホルダから流入／流出させるスタック構造を有する溶融炭酸塩型燃料電池において、
下ホルダと対向して上ホルダより上方に位置する締付け板と、中間ホルダを隙間をもって貫通し締付け板と下ホルダを連結する連結ロッドと、締付け板と上ホルダの間に位置しその間を広げてスタックに圧力を作用させる拡幅装置と、を備え、
前記中間ホルダの重量が、中間ホルダと上下ホルダ間に挟持されたスタックのいずれにも作用しないように、前記中間ホルダは、圧力容器内面、発電設備の架台、据付台のいずれかに固定されている、ことを特徴とするスタック構造を有する溶融炭酸塩型燃料電池。
【請求項２】
中間ホルダを正極（＋）又は負極（−）の一方とし、上下ホルダの両方を正極（＋）又は負極（−）の他方とする、ことを特徴とする請求項１に記載のスタック構造を有する溶融炭酸塩型燃料電池。
【請求項３】
前記中間ホルダは、その上下面に同一のガス流路を有する、ことを特徴とする請求項１又は２に記載のスタック構造を有する溶融炭酸塩型燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、溶融炭酸塩型燃料電池に係わり、更に詳しくは、スタック構造を有する溶融炭酸塩型燃料電池に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
溶融炭酸塩型燃料電池（図３Ａ）は、薄い平板状の電解質板（タイル）１を燃料極（アノード）２と空気極（カソード）３の平板状の電極で挟んだ単セル４と、導電性のバイポーラプレート（セパレータ）５とからなる。セパレータ５は、単セル１では電圧が低い（０．８Ｖ程度）ため、これを多段に積層した電池とするために用いられる。積層した電池をスタックと呼ぶ。
【０００３】
更に、スタック６内の各セルにプロセスガスを供給する手段として、図３Ｂに示すように、スタックの側面から直接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貫通マニホールド８を備え、このマニホールドを介して各セルにプロセスガスを供給する内部マニホールド方式（Ｂ）とがあるが、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ない点で、内部マニホールド方式が優れていると考えられている。本発明はかかる内部マニホールド型燃料電池に関するものである。
【０００４】
図４は、従来のスタック構造の模式図であり、（Ａ）は積層数の少ない場合、（Ｂ）は積層数の多い場合を示している。（Ａ）では、上部ホルダ７ａと下部ホルダ７ｂの間にスタック６が挟持され、上部ホルダ７ａにはガス流路はなく、下部ホルダ７ｂからプロセスガスが流入／流出する。この場合、上部ホルダ７ａと下部ホルダ７ｂの一方が正極（＋）他方が負極（−）となる。このスタック構造は、シンプルな構成であるため、積層数が少ない（例えば約１２５段以内）スタックに一般的に用いられる。しかし、積層数が更に多くなると、内部マニホールド８で供給できるガス流量が限界となり、セル間の流量配分にアンバランスが生じてくる。このため、積層数を更に増す場合には、（Ｂ）に示すように、上下ホルダ７ａ，７ｂの中間に中間ホルダ７ｃを設け、中間ホルダ７ｃと上下ホルダ７ａ，７ｂとの間にスタック６を挟持して、プロセスガスを中間ホルダ７ｃから流入／流出させるスタック構造が採用される。この場合、中間ホルダ７ｃを電気的に浮かし（絶縁し）、上下ホルダ７ａ，７ｂの一方を正極（＋）他方を負極（−）としている。
【０００５】
また、図４に示すように、スタック６を所定の圧力で挟持する締付け装置９が通常設けられる。この締付け装置９は、スタックを構成するセル間を所定の圧力で保持することにより、セル間の接触抵抗を低減し、かつウエットシールによるガスリークを防止する機能を有する。図５（Ａ）（Ｂ）に示すように、締付け装置９によるスタックの締付けは、従来、上下ホルダ７ａ，７ｂ間に位置するスタック全体を一体で締めつけている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
図４（Ｂ）に示した中間ホルダを有するスタック構造では、以下の２つの問題点があった。
（１）上下ホルダから高電圧を取り出すために、中間ホルダを絶縁して電気的に浮かす必要がある。このため、中間ホルダと連結するプロセスガスの流入／流出用の配管（４本）のすべてを、電気的に絶縁する必要が生じる。
（２）熱膨張等により中間ホルダの位置が上下するため、中間ホルダと連結する配管を上下動可能に保持する必要があり、ベローズ配管等が必要となる。
（３）中間ホルダと上部スタックの重量が下部スタックに作用するため、上部スタックと下部スタックの面圧が不均一になる。このため、面圧が大きいセルではアノード電極のクリープによる性能低下が大きく、面圧が小さいセルではガスリークが生じやすい。
【０００７】
本発明は、かかる問題を解決するために創案されたものである。すなわち本発明の目的は、中間ホルダと連結する配管を、電気的に絶縁する必要がなく、かつベローズ等で上下動可能に保持する必要がなく、更に上下のスタックの面圧を均等化できる、スタック構造を有する溶融炭酸塩型燃料電池を提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
参考例によれば、上下のホルダ間に中間ホルダを有し、中間ホルダと上下ホルダ間にそれぞれスタックを挟持し、プロセスガスを中間ホルダから流入／流出させるスタック構造において、中間ホルダを正極（＋）又は負極（−）の一方とし、上下ホルダの両方を正極（＋）又は負極（−）の他方とする、ことを特徴とするスタック構造を有する溶融炭酸塩型燃料電池が提供される。
【０００９】
この構成によれば、中間ホルダを例えば負極（−）、上下ホルダの両方を正極（＋）とすることにより、中間ホルダと連結する配管を電気的に絶縁する必要を本質的になくすことができ、絶縁不良に起因するトラブルをなくすことができる。
【００１０】
また、本発明によれば、上下のホルダ間に中間ホルダを有し、中間ホルダと上下ホルダ間にそれぞれスタックを挟持し、プロセスガスを中間ホルダから流入／流出させるスタック構造を有する溶融炭酸塩型燃料電池において、下ホルダと対向して上ホルダより上方に位置する締付け板と、中間ホルダを隙間をもって貫通し締付け板と下ホルダを連結する連結ロッドと、締付け板と上ホルダの間に位置しその間を広げてスタックに圧力を作用させる拡幅装置と、を備え、前記中間ホルダの重量が、中間ホルダと上下ホルダ間に挟持されたスタックのいずれにも作用しないように、前記中間ホルダは、圧力容器内面、発電設備の架台、据付台のいずれかに固定されている、ことを特徴とするスタック構造を有する溶融炭酸塩型燃料電池が提供される。
【００１１】
この構成によれば、中間ホルダが固定されているので，この中間ホルダと連結する配管をベローズ等で上下動可能に保持する必要がない。また、上下のスタックは、締付け板、連結ロッド及び拡幅装置（例えばバネ、空気圧ベロー）からなる同一の締付装置で締め付けられ、連結ロッドが中間ホルダを隙間をもって貫通していることから上下のスタックへの締付け力は実質的に同一であり、更に、固定された中間ホルダの重量は上下のスタックのいずれにも作用しないことから、上下のスタックの面圧を均等化することができる。
【００１２】
本発明の好ましい実施形態によれば、前記中間ホルダは、その上下面に同一のガス流路を有する。すなわち、上下面に形成されるマニホールド等の流路は、勝手反対ではなく、それぞれ上方又は下方から見て同一に設けられている。この構成により、上下のスタックに用いるセパレータ等を共通にすることができる。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下に本発明の好ましい実施形態を図面を参照して説明する。なお、各図において、共通する部分には同一の符号を付し重複した説明を省略する。図１は、本発明によるスタック構造を有する溶融炭酸塩型燃料電池の図である。この図において、本発明のスタック構造は、上下のホルダ１１、１２の間に中間ホルダ１３を有し、中間ホルダ１３と上下ホルダ１１、１２との間にそれぞれ上下のスタック６を挟持し、プロセスガスを中間ホルダ１３から流入／流出させるようになっている。この構造は、図４（Ｂ）に示した従来のものと同様である。
【００１４】
図１において、本発明のスタック構造では、更に、締付け板１４、連結ロッド１５及び拡幅装置１６を備えている。締付け板１４は、下ホルダ１２とほぼ同一の大きさの剛性の高い板であり、下ホルダ１２と対向して上ホルダ１１より上方に位置する。連結ロッド１５は、中間ホルダ１３を隙間をもって貫通し、締付け板１４と下ホルダ１２を連結する。この連結ロッド１５は、締付け板１４と下ホルダ１２の４隅を連結するように、４本であるのがよい。拡幅装置１６は、バネ、空気ベローズ、空圧シリンダ等であり、締付け板１４と上ホルダ１１の間に位置し、その間を広げてスタック６に所定の圧力を作用させ、セル間の接触抵抗を低減し、かつウエットシールによるガスリークを防止するようになっている。
【００１５】
更に、図１に示すように、本発明の構造では、中間ホルダ１３は、架台１３ａを介して固定部分１７（例えば、圧力容器内面、発電設備の架台、据付台等）に固定されている。上述した構成により、中間ホルダ１３が固定されているので，この中間ホルダ１３と連結する配管をベローズ等で上下動可能に保持する必要がなくなる。また、上下のスタック６は、締付け板１４、連結ロッド１５及び拡幅装置１６（例えばバネ、空気圧ベロー）からなる同一の締付装置で締め付けられ、連結ロッド１５が中間ホルダ１３を隙間をもって貫通していることから上下のスタック６への締付け力は実質的に同一であり、更に、固定された中間ホルダ１３の重量は上下のスタックのいずれにも作用しないことから、上下のスタック６の面圧を均等化することができる。
【００１６】
また、中間ホルダ１３は、その上下面に同一のガス流路を有している。すなわち、中間ホルダ１３の上下面に形成されるマニホールド等の流路は、勝手反対ではなく、それぞれ上方又は下方から見て同一に設けられている。この構成により、上下のスタックに用いるセパレータ等を共通にすることができる。
【００１７】
図２は、図１の電気的結線構造を示す図である。この図に示すように、本発明の構成では、中間ホルダ１３を正極（＋）又は負極（−）の一方（この図では負極（−））とし、上下ホルダ１１、１２の両方を正極（＋）又は負極（−）の他方（この図では正極（＋））とする。この構成により、中間ホルダ１３と連結する配管を電気的に絶縁する必要を本質的になくすことができ、絶縁不良に起因するトラブルをなくすことができる。
【００１８】
なお、この場合に、中間ホルダ１３をアノードＡ側とすると、上下ホルダ１１、１２は両方ともカソードＣ側となり、上下のスタック６を構成するセパレータ等は、上下が逆になるが、上述のように、中間ホルダ１３の上下面に形成されるマニホールド等の流路を、それぞれ上方又は下方から見て同一に設けることにより、上下のスタック６に用いるセパレータ等を共通にすることができる。
【００１９】
また、上下のスタック６で発生する電圧Ｖ1,Ｖ2 はスタックの特性の相違により相違する場合があるが、上下ホルダ１１、１２を電気的に並列に接続することにより、上下のスタック６の電圧を一致させて、平均化することができる。
【００２０】
なお、本発明は上述した実施形態に限定されず、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々変更できることは勿論である。
【００２１】
【発明の効果】
上述したように、本発明のスタック構造を有する溶融炭酸塩型燃料電池は、中間ホルダと連結する配管を、電気的に絶縁する必要がなく、かつベローズ等で上下動可能に保持する必要がなく、更に上下のスタックの面圧を均等化できる、等の優れた効果を有する。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明によるスタック構造を有する溶融炭酸塩型燃料電池の図である。
【図２】  図１の電気的結線構造を示す図である。
【図３】  従来の溶融炭酸塩型燃料電池の説明図である。
【図４】  従来のスタック構造の模式図である。
【符号の説明】
１ 電解質板（タイル）
２ 燃料極（アノード）
３ 空気極（カソード）
４ 単セル
５ バイポーラプレート（セパレータ）
６ スタック
７ａ 上部ホルダ
７ｂ 下部ホルダ
７ｃ 中間ホルダ
８ 内部マニホールド
９ 締付け装置
１１ 上ホルダ
１２ 下ホルダ
１３ 中間ホルダ
１３ａ 架台
１４ 締付け板
１５ 連結ロッド
１６ 拡幅装置
１７ 固定部分
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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