JPH04215257A - 溶融炭酸塩燃料電池 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【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燃料電池に関
し、特に直接内部改質型溶融炭酸塩燃料電池に関する。

【０００２】

【従来の技術】上記溶融炭酸塩燃料電池の電解質は、炭
酸リチウムと炭酸カリウムとの共晶塩等、炭酸塩の溶融
塩が用いられ、リチウムアルミネート等の多孔質セラミ
ック体から成る電解質板に保持される。この電解質板の
両面にそれぞれアノードとカソードとを接触させ、規定
の温度（例えば、６５０℃）で、アノード側に燃料ガス
を、カソード側に酸化剤ガスをそれぞれ供給することに
より発電を行う。上記燃料ガスとしては、例えば炭化水
素と水蒸気とから成り、主に水素及び一酸化炭素に改質
して電池反応に供せられる。

【０００３】ここで、上記溶融炭酸塩燃料電池は、改質
方式により、スタック外で改質する外部改質型と、スタ
ック内で改質する内部改質型とに区分される。後者は、
電池の反応熱を利用して、燃料ガスを改質してアノード
に供給する構造であるため、電池の冷却効果が良く、且
つ高いシステム効率が期待される。また、後者には、供
給される燃料ガスがアノードと触媒との両方に触れる直
接内部改質型と、供給される燃料ガスが先ず触媒のみに
触れその後アノードに供給される間接内部改質型とがあ
る。

【０００４】次に、上記溶融炭酸塩燃料電池の製造方法
について説明する。先ず、上記電池では、予め、炭酸塩
を電解質板に混合する。即ち、リチウムアルミネート等
のセラミック材料に、有機系可塑剤と結着剤とを混合し
たスラリーに炭酸塩を添加し、これを電解質板の大面積
化やシート化が容易なテープキャスティング法によりシ
ート状に形成する。このシートは、有機系可塑剤や結着
剤を含むので柔軟性を有するので、これと一対の電極と
で単位電池を構成する。このスタックの昇温過程で可塑
剤や結着剤を飛散させ、溶融炭酸塩を保持する多孔質セ
ラミック体から成る電解質板が作製される。ところが、
このような製造方法では、可塑剤や結着剤を飛散させた
後に、飛散部分が空孔となり、この結果ガスのクロスオ
ーバが生じるという課題を有していた。

【０００５】そこで、炭酸塩を含まない電解質板のシー
トと、予め所定量の炭酸塩を含浸したアノード及びカソ
ードとで単位電池を構成する。この電池の昇温過程では
上記と同様空孔が生じるが、アノードやカソードに含浸
された溶融炭酸塩がこれら空孔に浸透する。したがって
、ガスのクロスオーバが生じるのを抑制することができ
る。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】ところで、前記直接内
部改質型溶融炭酸塩燃料電池では、改質反応とアノード
極反応とが近接して起こるので、改質反応で生じた水素
は逐次消費され、改質反応が促進される。しかし、前記
の如く予めアノードに炭酸塩を含浸すると、アノードに
必要量以上の溶融炭酸塩が含浸されるため、アノードと
触媒とが近接して配置された直接内部改質型溶融炭酸塩
燃料電池では、昇温過程や運転初期に、触媒がアノード
の炭酸溶融塩によって被毒する。このため、電池寿命が
短くなるという課題を有していた。

【０００７】本発明はかかる現状に鑑みてなされたもの
であり、触媒が溶融炭酸塩によって被毒されるのを抑制
して、電池寿命を長くすることができる溶融炭酸塩燃料
電池を提供することを目的とする。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明は上記目的を達成
するために、単位電池に必要な全ての炭酸塩が含浸され
たカソードと、炭酸塩を含まないアノードとが、電解質
板を介して配置されていることを特徴とする。

【０００９】

【作用】上記スタックの昇温過程において、可塑剤と結
着剤とが飛散することにより生じた電解質板の空孔やア
ノードの空孔には、カソードに含浸された溶融炭酸塩が
浸透するが、このような方法でアノードに溶融炭酸塩を
含浸させると、アノードに必要量以上の溶融炭酸塩が含
浸されるのを防止することができる。したがって、電池
の昇温過程や運転初期に触媒が被毒されるのを抑制する
ことが可能となる。

【００１０】

【実施例】〔実施例１〕 本発明の一実施例を、図１及び図２に基づいて、以下に
説明する。図１は本発明の燃料電池の要部概略斜視図で
あって、γ−リチウムアルミネートを主体とする電解質
板１（空孔率：６０％，厚み：０．６ｍｍ）の一方の面
には、クロム含有ニッケル粉末の多孔質体から成るアノ
ード２（空孔率：６０％，厚み：１ｍｍ）と、インコネ
ルから成り燃料ガス通路を構成するセレート型コルゲー
ト３とが順に設けられている。上記コルゲート３の凹部
には、アルミナにニッケルを担持させた円柱状の触媒４
が充填されている。

【００１１】一方、上記電解質板１の他方の面には、ニ
ッケル粉末の多孔質体から成り炭酸塩を含むカソード５
（空孔率：６５％）と、インコネルから成り空気通路を
構成するセレート型コルゲート６が順に設けられている
。尚、両コルゲート３・６の背面には、ＳＵＳ３１６Ｌ
から成るバイポーラプレート７・７がそれぞれ配置され
ている。

【００１２】ここで、上記電解質板１とカソード５とを
以下のようにして作製した。電解質板１は、先ず、下記
に示す電解質板用材料をボールミルにて十分混合して、
スラリーを作製する。 　　γ−リチウムアルミネート　　　　　　　　　　　
　　　　　１００重量部　　結着剤（ポリビニルブチラ
ール樹脂）　　　　　　　　３０重量部　　可塑剤（フ
タル酸ジオクチル）　　　　　　　　　　　　　　２０
重量部　　溶媒（エタノール）　　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　３００重量部次に、このように
して得られたスラリーをテープキャスティング法により
シート状とした後、有機物を飛散させることにより、空
孔率５０％，厚み０．６ｍｍの電解質板１を作製した。

【００１３】一方、カソード５は、先ず、ドクターブレ
ード法により平均粒径５μｍのニッケル粉末を作成した
後、これを焼結し、更にこの焼結したニッケル粉末によ
り多孔質体（空孔率６５％）を作製する。次に、単位電
池に必要な量の炭酸リチウムと炭酸カリウムとの共晶塩
（Ｌｉ：Ｋ＝６２：３８ｍｏｌ％）を上記多孔質体に含
浸させることにより、含浸率が８５％となる厚みのカソ
ード５を作製した。

【００１４】このようにして作製した電池を、以下（Ａ
１　）電池と称する。 〔実施例２〕 共晶塩の含浸率が６２％となる厚みのカソード５を用い
る他は、上記実施例１と同様にして電池を作製した。こ
のようにして作製した電池を、以下（Ａ２　）電池と称
する。

【００１５】〔比較例〕 カソード５のみならずアノード２にも共晶塩を含浸させ
る他は、上記実施例１と同様にして電池を作製した。こ
のようにして作製した電池を、以下（Ｘ）電池と称する
。 〔実験〕 上記本発明の（Ａ１　）電池，（Ａ２　）電池及び比較
例の（Ｘ）電池を発電させ、このときの電池電圧の経時
変化を調べたので、その結果を図２に示す。尚、実験条
件は、電流密度１５０ｍＡ／ｃｍ２　、電池の運転温度
６５０℃、燃料ガス内の水蒸気とメタンとの比を３：１
で行った。

【００１６】図２から明らかなように、本発明の（Ａ１
　）電池，（Ａ２　）電池では初期の電圧が約１３００
時間まで維持されるのに対して、比較例の（Ｘ）電池で
は約７００時間しか維持されないことが認められた。 これは、本発明の（Ａ１　）電池，（Ａ２　）電池では
運転初期に被毒する触媒の割合が少ないので、その後の
運転において活性な触媒の割合が増加する。これに対し
て、比較例の（Ｘ）電池では運転初期に被毒する触媒の
割合が多いので、その後の運転において活性な触媒の割
合が減少するという理由によるものと考えられる。

【００１７】〔その他の事項〕 ■上記図２には示さないが、共晶塩の含浸率が５４％と
なる厚みのカソードと、９４％となる厚みのカソードと
を用いて、上記と同様の実験を行った。その結果、含浸
率が５４％の場合には、上記（Ａ１　）電池，（Ａ２　
）電池よりも電圧が０．１Ｖ低くなっていることが認め
られた。これは、カソードの厚みが大きくなって、ガス
の拡散が悪くなったことによるものと考えられる。

【００１８】一方、共晶塩の含浸率が９４％の場合には
、電圧が更に低下していた。これは、以下に示す何れか
の理由によるものと考えられる。 （１）この電池は共晶塩の含浸率が高いため、カソード
のニッケルの酸化時にガスが十分に拡散せず、ニッケル
のまま焼結した後酸化することになる。このため、空孔
径や空孔率が減少するという理由。

【００１９】（２）カソード側のガス拡散が十分でない
ため、電解質板中の有機物の飛散が円滑に行われず、炭
化して残留するという理由。但し、この電池及び上記（
Ｘ）電池の発電を３００時間で終了させて触媒の被毒量
を調べたところ、本電池は（Ｘ）電池に比べ被毒量が１
／２に低下していることが認められた。したがって、本
発明の効果である被毒量の低減という効果は達成されて
いることが窺える。

【００２０】上記結果より、カソードへの共晶塩の含浸
率は、６０％以上９０％以下であることが好ましい。即
ち、カソードへの共晶塩の含浸率を６０％以上に設定す
ればカソードの厚みが増加するのを抑制でき、運転時の
ガス拡散抵抗の増加を最小限にできる一方、９０％以下
とすることで、運転温度まで昇温する間に行うカソード
のニッケルの酸化工程と電解質板内の有機物の飛散させ
る工程とに必要なガスのカソード内への透過性を損なう
ことなく、電池の昇温過程及び運転初期の触媒の被毒を
防止できる。

【００２１】■可塑剤としては上記フタル酸ジオクチル
に限定するものではなく、例えばポリエチレングリコー
ルであってもよく、また、溶媒としてはエタノールに限
定するものではなく、例えばＰ−キシレンであってもよ
い。■カソード材料としては上記ニッケルに限定するも
のではなく、例えばニッケル酸化物であってもよく、ま
た、アノード材料としては上記クロム含有ニッケルに限
定するものではなく、例えばアルミニウム，コバルト含
有ニッケルであってもよい。

【００２２】

【発明の効果】以上説明したように本発明によれば、カ
ソード内へのガス浸透性を維持しつつ、アノードに必要
量以上の溶融炭酸塩が含浸されるのを防止することがで
きる。この結果、電池の昇温過程や運転初期に触媒が被
毒されるのを防止することができるので、溶融炭酸塩燃
料電池の電池寿命が飛躍的に長くなるというた効果を奏
する。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の溶融炭酸塩燃料電池の要部概略斜視図
である。

【図２】本発明の（Ａ１　）電池，（Ａ２　）電池及び
比較例の（Ｘ）電池における電池電圧の経時変化を示す
グラフである。

【符号の説明】

１　　　　　　電解質板 ２　　　　　　アノード ４　　　　　　触媒 ５　　　　　　カソード

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】　　単位電池に必要な全ての炭酸塩が含浸
   されたカソードと、炭酸塩を含まないアノードとが、電
   解質板を介して配置されていることを特徴とする溶融炭
   酸塩燃料電池。