JPH0520864B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

〔産業上の利用分野〕 本発明は溶融炭酸塩を電解質とする燃料電池に
関するものである。 〔従来の技術〕 溶融炭酸塩を電解質とする溶融炭酸塩型燃料電
池においては天然ガスなどの炭化水素系の燃料を
水蒸気と混合してこれを改良し、得られた水素を
多量に含むガスを負極に供給し、この水素が電解
質中の炭酸イオンと反応して炭酸ガスと水と電子
とになる。負極と正極を負荷回路で接続すれば負
極で作られた電子は負荷回路を経て正極に流れ、
正極においては空気中の酸素と炭酸ガスと正極内
の電子とが結合して炭酸イオンになり電解質であ
る溶融炭酸塩の中に入る。このようにして電子が
負極から正極に流れ、即ち、電流が正極から負荷
を経て負極へ流れる。 この場合、炭化水素系燃料を水素を多量に含む
ガスに改質する方法として、改質装置の電池の外
部に設ける外部改質方式と、電池内部で発生した
余剰の排熱やスチームを有効に利用して電池内部
で改質を行なう内部改質方式がある。 内部改質方式の燃料電池は、炭酸塩を保持する
電解質板の両側に、導電性の多孔質体の正極及び
負極を配備し、正極の表面には空気と炭酸ガスの
混合ガスを導く。負極の表面には炭化水素系燃料
ガスと水蒸気を導き、さらにこのガス及び水蒸気
の通路に改質用の改質触媒が配備されている。 〔発明が解決しようとする問題点〕 しかし、このように炭化水素系燃料を水蒸気改
質反応させて水素を作る改質方式の燃料電池にお
いては、負極変動に追従して所定の電力を得るこ
とが困難であつた。これは水蒸気改質反応の反応
速度、燃焼速度、熱伝導速度などが律速となり、
要求されるガス組成に達するまでに相当の時間を
要することによる。特に内部改質方式燃料電池
は、水蒸気改質反応と水素酸化の電極反応とが連
続して起こるが、改質反応速度が十分に達してい
ない場合には電極への水素の供給が不十分とな
り、その結果電池電圧が低下する。連続負荷の場
合でしかも燃料利用率が高いときの負荷変動であ
る程余剰の水素が不足するため、改質反応速度が
遅いことの影響が大きい。 また起動時にはやはり改質反応速度が遅いので
水素の供給が間に合わず、所定の電圧を得るまで
に、時間がかかる、という問題点があつた。 本発明は、起動時間が短かく、かつ運転中に負
荷変動が生じた場合でも、電圧の変化を見ること
なく、安定した電圧が得られる溶融炭酸塩型燃料
電池を提供することを目的とする。 〔問題点を解決するための手段〕 本発明は、上記の問題点を解決するための手段
として、溶融炭酸塩を電解質として含む電解質板
の両側に正極及び負極を配備した溶融炭酸塩型燃
料電池において、前記負極を水素吸蔵合金の多孔
質体により構成したことを特徴とする溶融炭酸塩
型燃料電池を提供せんとするものである。 〔作用〕 本発明は上記の如く構成したので、停止期間中
に燃料電池の負極に水素が吸蔵されて貯留されて
いるので、起動時に電池本体を600〜700℃に昇温
することで水素が放出され負極において水素酸化
の電極反応が直ちに起こり、所定の電圧を発生す
るので、改質反応速度が遅くともそれに影響され
ず起動時間を短かくすることができる。 また、運転中に負荷が急増した場合に、負極へ
の水素供給量を増加せしめる改質反応量の増加が
間に合わなくとも、吸蔵した水素の放出によりこ
れを補い、電圧の低下を見ることなく、電圧を安
定に保つことができる。 〔実施例〕 本発明を実施例につき図面を用いて説明する。 図面において、１及び５はリブを施したセパレ
ータ、２は導電性の材料、例えばNiOの多孔質体
により作られた正極、３は溶融炭酸塩の電解質と
して例えばLi₂CO₃−K₂CO₃系炭酸塩を保持した
電解質板、４は導電性の材料、例えばTi−Ni系、
Ti−Cu系などの多孔質体により作られた負極体、
６は空気と炭酸ガスの混合ガスの供給路、７は燃
料ガスである炭化水素系燃料と水蒸気の供給路、
８は供給路７内に配置された改質触媒である。 負極に用いる合金は電解質であるLi₂CO₃−
K₂CO₃系溶融炭酸塩に接触しても腐食されない
ように耐食性を有し、導電性があり、しかも、溶
融炭酸塩型燃料電池の作動温度が600〜700℃の範
囲内にあるので、400℃以上の高温で数気圧の水
素解離圧で、しかも吸収−解離の動作が可逆的で
ある合金が選ばれる。 負極の選択に関する実験例を記す。 実験例 １ 水素吸蔵合金として、Ti−Ni系、Ti−Cu系、
Zr−Ni系、Zr−Cu系、Ｖ−Ni系の２元系および
これらの３元系合金を選んだ。これらの合金の中
から、TiNi、Ti₂Ni、TiCu、Ti₂Cu、ZrNi、
ZrCu、Zr₂Cu、ZrFe₂、VNi₂を選び、これら各種
材料の62mol％Li₂CO₃−38mol％K₂CO₃溶融炭酸
塩に対する耐食試験を実施した。表−１は、前記
溶融炭酸塩に対する耐食試験の結果を示す。表中
の合金は、市販の純度99.5％以上のTi、Zr、Ｖ、
Ni、銅、鉄の中から所定の合金組成になる様に
秤量し、アーク溶融炉内で加熱溶解して調製し
た。こうして得た試験片15mm×５mm×５mmを前記
炭酸塩と共にアルミナ製ルツボに入れ、650℃の
CO₂雰囲気中で100時間加熱した。試験後に試験
片に附着した炭酸塩を除去し、試験前後の重量変
化からこれら合金の耐食性を評価した。表中の純
ニツケルは従来の材料で比較用として供試した。

【表】

【表】 実験例 ２ 表２は、水素吸蔵合金の水素解離圧と温度の依
存性をTG、DTA等により測定した結果を示す。
表中の金属間化合物の作成はアルガン雰囲気下の
アーク溶解によつた。もとになる金属Ti、Zr、
Cu、Niはすべて99.5％以上の純度のものを用い
た。作成した試料は、Ｘ線回折によつて所望の金
属間化合物以外の回折線がないことを確認した。
こうして得られた金属間化合物をアルゴン雰囲気
中で機械的に粉砕し、300℃〜400℃、20atmの条
件で水素化−脱ガスをくり返して活性化処理を施
した。得られた粉末をもつて供試料とし、吸収、
解離の測定はDAT、TGを用いて行なつた。

【表】 実験例 ３ (A) 市販のチタン（純度99.5％以上）と市販のニ
ツケル（純度99.5％以上）とを原子比が１：１
になるように秤量し、アーク溶解炉に入れ、炉
内をアルゴン雰囲気中にし、加熱溶解させた。
試料は数回反転させ、合金の均質化を行なつ
た。こうして得た合金をアルゴン雰囲気中で粉
砕し、粒径数μ〜数10μの粉末とした。この粉
末を0.5ton／cm²の成形圧力で大きさ30mmφ×厚
さ1.5mmの形状にプレス成形した。これを真空
中（10^-5〜10^-6torr）にて850℃、１時間保持
したのち徐冷して電極を得た。 (B) TiCuの合金粉末は、実験例３(A)と同様の方
法で作成した。粒径数μ〜数10μのTiCu粉末を
0.5ton／cm²の成形圧力で大きさ35mmφ×厚さ
1.5mmの形状にプレス成形した。これを真空中
（10^-5〜10^-6torr）にて800℃、１時間保持した
のち徐冷して電極を得た。 (A)(B)で得られた電極板の電池電圧評価を次のよ
うに実施した。 リチウムアルミネートを電解質保持材として
62mol％Li₂CO₃−38mol％K₂CO₃混合炭酸塩を
60wt％含有してなる大きさ50mm×50mm×厚さ２
mmの電解質板をNiOからなる正極と負極間に配設
し、燃料供給路及び酸化剤供給路をそれぞれ備え
る。集電端を兼ねたハウジングで、電極板および
電解質板からなる構成部を両側から押しつける構
造の単セルを構成し、燃料として水素80％、炭酸
ガス20％からなるガスを、酸化剤として、酸素ガ
ス33％、炭酸ガス67％からなるガスをそれぞれ
0.5／minの流量で供給し、650℃における電池
電圧を評価した。 上記実験例３(A)、３(B)で得られた電極板は表３
に開回路電圧を評価した。

〔発明の効果〕

本発明により、起動時間が短縮され、或いは負
荷変動時においても電圧の低下をみることのない
溶融炭酸塩型燃料電池を提供することができ、実
用上極めて大なる効果を奏する。

【図面の簡単な説明】

図面は本発明の実施例の断面図である。 １……セパレータ、２……正極、３……電解質
板、４……負極、５……セパレータ、６……供給
路、７……供給路、８……改質触媒。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 溶融炭酸塩を電解質として含む電解質板の両
   側に正極及び負極を配備した溶融炭酸塩型燃料電
   池において、前記負極を水素吸蔵合金の多孔質体
   により構成したことを特徴とする溶融炭酸塩型燃
   料電池。