JPH0773059B2 - 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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JPH0773059B2
JPH0773059B2 JP63000393A JP39388A JPH0773059B2 JP H0773059 B2 JPH0773059 B2 JP H0773059B2 JP 63000393 A JP63000393 A JP 63000393A JP 39388 A JP39388 A JP 39388A JP H0773059 B2 JPH0773059 B2 JP H0773059B2
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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型燃料電池に係り、特にセパレータ
及び電解質板のガス供給路を溶融炭酸塩に腐食されにく
い絶縁耐食性材料で被覆する溶融炭酸塩型燃料電池に関
する。
〔従来の技術〕
天然ガス等のガスをエネルギー源とし、電気化学反応を
利用して所定の電力を発生する燃料電池において、電池
の内部損失を低減するため、特開昭58−216365号、特開
昭59−27467号及び、特開昭59−27468号で開示されてい
るように、電極の外周面と接触する金属集電枠(セパレ
ータ)を用いることは知られている。このような単位電
池構造では発電能力に限界がある。従って大容量の出力
が得られる電池にするためには、電極,電解質板及びセ
パレータをそれぞれ大型化し、さらに、これらを積層す
る必要がありその技術開発は重要である。
その大型化,積層を確実に行うためには、ガス送入口を
大きくし又、ガス送入口を多くして電極全面に均一にガ
スがゆきわたるようにしなければならない。
例えば電極面積100cm2程度の小型溶融炭酸塩型燃料電池
においては、アノード、およびカソードガス供給路は円
筒型のものが1つあれば充分であった。KW級,MW級の電
池を構成しようとする場合には、セパレータ,電極,電
解質板等を大型化し、更に、多数の単位セルを並列,直
列、あるいは直並列に積層しなければならない。その他
にガス供給路の拡大とその複数化、さらにはガス供給路
の構造が複雑化してくる。一般にはセパレータと電解質
板が接するウエットシール部は絶縁されているが、カソ
ードガス供給路と、アノードガス供給路は絶縁されてい
ない。
このような燃料電池を長時間運転した場合、電解質が電
池反応ガス供給路へ流出、移動して導電性材料であるガ
ス供給等で酸素と炭酸塩及び電子によりパレステックリ
アクション反応によりローカルセルの発生により電流の
損失という問題がある。〔文献:ジャーナル エレクト
ロケミカル ソサエティ エレクトロケミカル サイエ
ンス アンド テクノロジィ 2−1986 286頁(J.Ele
ctrochem.Soc.,Electro−Chemical Science and Techno
logy Feb.1986 pp286)〕 〔発明が解決しようとする課題〕 上記従来技術は、溶融炭酸塩燃料電池のセパレータは導
電性材料であり、カソードガス供給路内に、電解質板か
ら炭酸塩が流出,移動した際、供給路の壁に炭酸塩が付
着(ぬれ)することにより電池の発電状態、すなわちカ
ソードガスの酸素と炭酸塩、そして電子により(1),
(2)式のようにローカルセルを形成することによって
電流の損失が起きるなどの問題があった。
1/2O2+CO2+2e-→CO3 2-- …(1) 2Li++CO3 2-→LiCO3 …(2) 電池を積層するとトータル電圧が高くなるので一層電流
が流れやすく電流損失の影響も大きくなる。さらに溶融
炭酸塩燃料電池を長時間運転すると、炭酸塩が消失し電
池内部の抵抗が増大し電池性能が低下する。また炭酸塩
がセパレータのガス供給路に流出,移動することによ
り、セパレータの鉄と炭酸リチウムにより(3)式のよ
うに腐食がおこる。
本発明の目的はセパレータの電池反応ガス供給路を絶縁
被覆することにより炭酸塩流出によるローカルセルの発
生を防止しさらに他の鉄と炭酸リチウムとによる腐食を
防止して長期的に安定した燃料電池を提供することにあ
る。
〔課題を解決するための手段〕
本発明は、一対の陰陽電極が前記陰陽電極より大面積で
あり炭酸塩を電解質とする電解質板を挟んで対向されて
成る溶融炭酸塩型燃料電池本体と、前記溶融炭酸塩型燃
料電池本体は前記陰陽電極より大面積のセパレータを介
して、前記陰陽電極の極性をそろえて複数積層され、前
記セパレータに設けられた各々の前記陰陽電極面に各々
の反応ガスを供給する反応ガス供給路部、及び、前記セ
パレータの反応ガス供給路部に連結され、前記陰陽電極
の周囲に位置し、積層された前記セパレータ及び前記電
解質板を貫通する反応ガス供給路部、とからなる反応ガ
ス供給路を備えた溶融炭酸塩型燃料電池において、前記
反応ガス供給路の内面が絶縁耐食被覆されたことを特徴
とする。
また、前記絶縁耐食被覆をアルミナ、ジルコニア、チタ
ニア、炭化ケイ素、リチウムアルミネート、窒化ケイ素
のいずれか1つ以上の粉末の塗布焼結処理で行うことを
特徴とする。
〔作用〕
溶融炭酸塩燃料電池の一対の陰陽電極にそれぞれ対応し
たそれぞれ電池反応ガスを送給するセパレータのガス供
給路の内面を絶縁耐食性材料で被覆して該ガス供給路に
炭酸塩流出時のローカルセル発生防止を行う。
〔実施例〕
以下本発明の一実施例を第1図〜第8図を用いて説明す
る。溶融炭酸塩燃料電池は第3図に示すように電解質板
3と、その電解質板を挟んで対向する一対の電極、すな
わちカソード4,アノード5及び一対の電極の外側に設け
られたセパレータ1(金属製)を有していてセパレータ
1,及び電解質板3を貫通したカソードガス供給路2から
空気とCO2が、アノードガス供給11からH2と、CO2の反応
ガスが流通しカソード室6、アノード室7のそれぞれの
部屋に供給される。カソード4に供給された二酸化炭素
が酸素と電子に反応し炭酸イオンとなりアノードへ移動
する。
アノード5では燃料の水素と炭酸イオンが反応して二酸
化炭素や水を生成するとともに電子を外部回路セパレー
タを通して放出する。すなわち、次式の反応がすすむ。
全体として さらに炭酸イオンを媒体として炭酸塩を溶融状態で使用
するため、電池の作動温度は炭酸塩溶融温度より高い約
650℃である。
そのため炭酸塩がカソードガス供給路11内、およびセパ
レータ1の外部に流出し、アノード側のセパレータ1と
カソード側のセパレータ1をつなぐ炭酸塩の膜が形成さ
れる。そうすると上述したようにその部分で酸素が二酸
化炭素と電子に反応し炭酸イオンとなり、アノード5へ
移動するという現像すなわちパレステイックリアクショ
ンの反応が起きローカルセルを形成し電流損失が生じ
る。そのため電池本来の反応によって生じた電子を100
%外部へ電流として取り出せないことになる。
第4図は従来の溶融炭酸塩燃料電池の単体セルの横断面
図、第5図は第4図のカソード4の位置における上部の
断面図である。
セパレータ1のアノードガス供給路11から供給されたH2
とCO2の燃料ガスはアノード室7に入りアノード5の全
面に一様に接触し、カソードガス供給路2から供給され
るO2及びCO2によってカソード4で生成される炭酸塩(C
O3 2-)を電解質3を通して反応させカソード4とアノー
ド5から電気エネルギーを取出すものである。
第6図は電池全体の寸法を大きくし大きな出力を得るた
めのカソードガス供給路2、アノードガス供給路11、カ
ソードガス出口部8、アノードガス出口部12を大きくし
両反応ガスが電極表面に均一に拡散するようにしたもの
である。
また、各供給路と出口部を大きくし、表面積を大きくし
たことにより電解質流出時のローカルセルの影響が少な
くなる。
第1図はローカルセル発生を防止するための本発明の第
1の実施例でセパレータ1の電池反応ガス供給路を絶縁
被覆ガス供給路13としたものである。
第2図は本発明の第2実施例でセパレータ1のガス供給
路に絶縁管ガス供給路14を挿入し、前述のローカルセル
の発生防止を行ったものである。このようにセパレータ
1及び電解質板3の貫通するガス供給路を耐食性絶縁材
料で被覆することにより炭酸塩流出、移動によるローカ
ルセルの発生は起らない。従って電子の授受はなく電流
損失もなくなり電池の発電によって得られた電流は100
%外部に回収することができる。
さらに、流出した炭酸塩とセパレータ1の鉄の反応によ
って起こる腐食もなくなるので炭酸塩の消耗もなく常に
安定状態を保つことができることになる。次に第1図の
セパレータ1の絶縁被覆ガス供給路13をアルミナで絶縁
処理した実験結果について記述する。
電解質板3はリチウムアルミネートを基板とする400×4
00mm,厚さ2mmの基板に炭酸塩電解質(炭酸リチウム:炭
酸カリウム=62:38モル比)を含浸して用いた。セパレ
ータ1には、SUS310を用い、電解質板と同寸法のもの
で、カソードガス供給路2、アノードガス供給路11、と
それぞれ2ケ所もうけた。
このアノード5としてニッケル電極板300×300mmを用
い、カソード4には酸化ニッケル電極板300×300mmを用
いた。アノードガスとして15%O2−30%CO2−55%N2
合ガスを供給し発電試験を実施した。650℃の温度にお
ける電池性能を調べた結果、初期特性として電流密度15
0mA/cm2に於いて単体セル電池電圧は、第7図に示すよ
うに、0.90Vを得ることができた。さらに150mA/cm2での
連続発電試験においても第8図に示すようにほとんど低
下はみられず、2500時間経過後で0.87V,5000時間後で0.
85Vであった。
絶縁被覆なしの場合は2500時間経過後で約0.85V,5000時
間後で約0.80Vであった。これにより絶縁の効果は長時
間側で安定した出力が得られるということが分る。
この時の積層セルの出力は初期において486W,2500時間
経過後470Wであつた。
さらに第2図で示すように絶縁管ガス供給路14を用いた
結果においても上記と同様の特性を得ることができた。
このように、溶融炭酸塩燃料電池を構成する金属製セパ
レータ、および電解質板3を貫通するカソードガス供給
路2およびアノードガス供給路11内の壁を耐食性絶縁材
料で被覆することにより電解質板3からカソードガス供
給路2内への炭酸塩の流出,移動を防止することができ
る。別通路を通して炭酸塩がカソードガス供給路2内に
流出してきても、金属製セパレータのカソードガス供給
路2内も絶縁しておくことによりローカルセルによる電
子の授受の場がないため電流が流れず電流の損失はな
い。さらに腐食を防ぐことにより電池性能の安定化がは
かれることが実験によって明らかになった。
なお、耐食性電気絶縁材料として用いることができるも
のはアルミナ,ジルコニア,チタニア,炭化ケイ素,リ
チウムアルミネート,窒化ケイ素,などの酸化物,チッ
化物などでありこれらの粉末をカソードガス供給路2お
よびアノードガス供給路11の表面に塗布あるいは吹付て
焼結処理する方法、およびアルミナ等のパイプをガス供
給路に埋設するなどの方法が有効である。
本実施例ではガス供給路を絶縁耐食被覆することを記述
したが、セパレータ1の他の部分でも前述のローカルセ
ルの発生や腐食が起る個所があれば、その部分を部分的
に絶縁耐食被覆できることは当然である。
〔発明の効果〕
本発明によれば、溶融炭酸塩燃料電池のガス供給路の内
面を絶縁耐食材料で被覆することにより、炭酸塩流出に
よって起きるガス供給路でのローカルセルの発生と腐食
を防止することができるので、長期的に安定した性能の
良い電池を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
第1図は本発明の実施例を示すセパレータのガス供給路
の絶縁被覆を示す断面斜視図、第2図は絶縁被覆に絶縁
管を用いた場合のセパレータの断面斜視図、第3図は単
体セルを積層した溶融炭酸塩燃料電池の全体構成を示す
断面斜視図、第4図は単体セルの断面図、第5図,第6
図はカソード部の上部断面図、第7図,及び第8図はガ
ス供給路をアルミナで絶縁処理した単体セル実験時の電
流密度と電圧との関係図と時間に対する電圧の低下の程
度を示す図である。 1……セパレータ、2……カソードガス供給路、3……
電解質板、4……カソード、5……アノード、11……ア
ノードガス供給路、13……絶縁被覆ガス供給路、14……
絶縁管ガス供給路。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 岡田 秀夫 茨城県日立市久慈町4026番地 株式会社日 立製作所日立研究所内 (72)発明者 岩瀬 嘉男 茨城県日立市久慈町4026番地 株式会社日 立製作所日立研究所内 (72)発明者 黒江 聡 茨城県日立市久慈町4026番地 株式会社日 立製作所日立研究所内 (72)発明者 加茂 友一 茨城県日立市久慈町4026番地 株式会社日 立製作所日立研究所内 (56)参考文献 特開 昭61−267268(JP,A)

Claims (2)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】一対の陰陽電極が前記陰陽電極より大面積
    であり炭酸塩を電解質とする電解質板を挟んで対向され
    て成る溶融炭酸塩型燃料電池本体と、前記溶融炭酸塩型
    燃料電池本体は前記陰陽電極より大面積のセパレータを
    介して、前記陰陽電極の極性をそろえて複数積層され、
    前記セパレータに設けられた各々の前記陰陽電極面に各
    々の反応ガスを供給する反応ガス供給路部、及び、前記
    セパレータの反応ガス供給路部に連絡され、前記陰陽電
    極の周囲に位置し、積層された前記セパレータ及び前記
    電解質板を貫通する反応ガス供給路部、とからなる反応
    ガス供給路を備えた溶融炭酸塩型燃料電池において、前
    記反応ガス供給路の内面が絶縁耐食被覆されたことを特
    徴とする溶融炭酸塩型燃料電池。
  2. 【請求項2】前記絶縁耐食被覆をアルミナ,ジルコニ
    ア,チタニア,炭化ケイ素,リチウムアルミネート,窒
    化ケイ素のいずれか1つ以上の粉末の塗布焼結処理で行
    う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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