JPS60101876A - 溶融炭酸塩型燃料電池の製造方法 - 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】 〔発明の技術分野〕 本発明は、特性に優れた大型の燃料電池を高い生産性で
製造することができるようにした溶融炭酸塩型燃料電池
の製造方法に関する。

〔発明の技術的背景とその問題点〕

従来、高能率のエネルギー変換装置として燃料電池が広
く知られている。燃料電池は、使用する電解質によって
、リン酸塩型、溶融炭酸塩型、固体電解質型に分類され
る。なかでも、溶融炭酸塩型燃料電池は、動作温度が高
いため、電極反応が起り易く、高価な貴金属触媒を必要
としないこと、を電解質とする電解質層とからなる単位
電池を、１：、８ｉルカリ炭酸塩を５００〜７５０℃の
高温下で溶融−状態にし、この炭酸塩と、各電極板に拡
散された酸化剤ガスおよび燃料ガスとを反応させて、電
気化学的プロセスによって、直流出力を得るようにして
いる。

このような溶融炭酸塩型燃料電池の上記電解質層は、以
下の条件を満たしていることが必要である。すなわち、 ■溶融炭酸塩の保持能力が十分であることはもちろんの
こと、作動温度で十分な機械的強度、特に圧縮強度を有
し、燃料電池内で電解質層の割れによるガスの交差混合
が発生しないこと、■単位電池当りの内部抵抗を少なく
するため、可能な限り薄く、しかも各電極との接触が十
分に４− とれること、 ■単位電池当りの出力を大きくするために大型化でき、
かつ燃料電池発電所の大規模化に対応できるように高い
生産性を有すること、 Ｋｇ／　ｃｒＡの条件でホットプレスして得た、いわゆ
る−π 解質層は、溶融炭酸塩の保持機能は十分にあるものの、
機械的強度に劣り、電解質タイルの大きさを５０　ｃｍ
角以上にすると、通常の取扱いで容易に破損してしまい
、電池内への組込みに注意を要するうえ、組込み後にお
いても電池の熱サイクルに起因した電解質層の割れによ
るガスの交差混合が発生し易いという問題があった。こ
のため、電解質層の薄形化、大型化にも限界があり、そ
の厚み５− は１　ｍｍ程度が限度であった。また、この様にホット
プレスによって電解質層を成形する場合には、単位面積
当りの付与圧力を高くとる必要があるため、大型のプレ
ス装置を使用しなければならず、多大な設備費がかかる
という問題があった。しかも、この様な製造方法では、
骨材と炭酸塩との混合体を高温下で加圧する必要がある
ため、上記混合体の加熱に時間がかかり、しかも、プレ
ス加工造するには、多大なコストを要してしまうという
一問題があった。

：パハ の燃料電池を、簡単な工程で大量生産できる溶融炭酸塩
型燃料電池の製造方法を提供することにある。

６一 〔発明の概要〕 本発明は、混合炭酸塩電解質と、セラミック微粉末と、
セラミック繊維と、有機バインダとを非水溶媒を用いて
混練して得たスラリーを、常温においてローラーまたは
プレスによって柔軟性のあるシート状電解質層に形成し
、これによって得られた電解質層を乾燥して前記非水溶
媒を蒸発させた後、燃料電池に組込むようにしたことを
特徴としている。

〔発明の効果〕

本発明の方法を用いて燃料電池を製造すると、以下の如
く効果を秦することができる。

すなわち、本発明によれば、有機バインダと非一層を常
温下で形成することができるうえ、スラリー状のものを
プレスまたはローラによって形成する方式であるため、
１枚当りの加工速度を高めるノ″Ｆとができる。このた
め比較的簡単なプレス装置・′；゛またはローラ装置で
薄くてしがも大型の電解質層ｆ５声高い生産性で形成す
ることが可能となり、この結果として大型の燃料電池の
大量生産を可能化できる。また、前記工程によって形成
された電池に組込む前のシート状電解質層には、有機バ
インダとセラミック繊維とが含有されているため、上記
電解質層は柔軟性に冨み、しかも機械的強度に優れたも
のとなる。このため、極めて薄くかつ大型の電解質層を
形成しても、電池の組立て前に電解質層が容易に破壊す
ることがない。

また、上記シート状電解質層を電池内に組込み所定の圧
力を加えると、上記電解質層は柔軟性があるが故に多孔
質の電極板表面との密着性は極めて高いものとなる。こ
のため、前述の如く電解質層を薄くできることと相まっ
て電池の内部抵抗を低減でき、エネルギー効率を高める
ことができるさらに上記電解質層の組込み後、燃料電池
を作動温度まで昇温させると電解質層に含有する有機バ
インダが揮散するが、電解質層には、セラミック繊維が
含有されているので、その機械的強度、特８− 緩和されるので、電池の組立て工程の容易化を図７春こ
とができるうえ、熱サイクルによる電解質層１の１割れ
を防止でき、これによる反応ガスの交差温まって、燃料
電池の高出力化および大規模化に大きく寄与することが
できる。

（発明の実施例〕 以下、本発明の実施例につき説明する。

実施例１ 比表面積１８７１１／ｇのγ−リチウムアルミネート粉
末３６ｇと、アスペクト比（粒子の長さ対直径の比）が
８．５の繊維状リチウムアルミネート４ｇと、混合炭酸
塩６０ｇとを溶媒であるイソブチルアルコール中で混練
した。この混合体に有機バインダであるポリテトラフル
オロエチレン粉末２ｇを加え、充分に混合した後、この
混合体が所望の粘度になるまで上記溶媒を蒸発させ、し
かる−〇− 後、ニーダ−混線機にて１時間混練した。これにより得
られたスラリーを常温でローラにかけ、厚さ０．４＃の
シート状に成形し、減圧下、１００、ら、なるアノード
と、Ｎｉ焼結体からなるカソード１“（”で挟持して単
位電池を構成した。しかる後、３させて起電反応を行な
わせた。

この単位電池の電流−電圧特性を測定したところ第１図
Ａに示す結果を得た。なお、比較のために従来のホット
プレス法により得られた厚さ２＃の電解質層を用いた単
位電池の電流−電圧特性を同図Ｂに示す。この図から明
らかな如く本実施例の方法により製造された単位電池は
、従来方法により製造された単位電池よりも高い出力電
圧を得ることができた。これは、電解質の厚みを薄くて
１０− きたことと、電解質層と各電極との間の接触抵抗を低減
できたこととによる。すなわち、本実施例では前記シー
ト状電解質層の厚みを０．４ｍと薄形にし、大きさを１
ｍ角と大型にしても、柔軟性および強度が高いため、端
部を保持した場合でも自重で破壊することがなく、電解
質層の薄形化が可能であることが確認された。また、こ
のように抗の減少が図れることが確認できた。

実施例２ 上記実施例１におけるγ−リチウムアルミネートと、繊
維状リチウムアルミネートとの混合重量比をｏ：４０〜
１０：３０の範囲で種々変更し、得られた混合体をニー
ダ−混線機により混練した後、常温でのプレスによって
１．０潤の厚さのシート状電解質層を得た。

しかして、この得られた電解質層の６５０℃における圧
縮強度を測定したところ第２図に示すような結果を得た
。この図から明らかな如く、γ−リチウムアルミネート
と、繊維状リチウムアルミネートと、混合炭酸塩との混
合重量に対して、上記！ｌＮ状リチウムアルミネートを
２重量％以上加えることによって、従来方法により製造
された電解質層の圧縮強度Ｃに比べ、高い圧縮強度を得
ることができた。なお、！ｌｌ状状ものを１４重量％−
°重量に対する４１Ｉｆｆ上りチウムアルミネートの添
加＋＋場、 ［量は、２〜３０重量％が望ましいことが確認され上記
実施例２におけるγ−リチウムアルミネート′と、ｌＩ
ｉ帷状帷子リチウムアルミネート混合重量′　ｆ・ 、、十’：、＋　３６　：　４　ｃ　［＠れ１・１Ｉｉ
ｌｉｆ＃叶輻７′−ルミネートのアスペクト比を２．２
５．５０，１００と順に変えて、以下前記実施例２と同
様の方法により１．０ｍｍの厚さのシート状電解質層を
得た。

しかして、この電解質層の６５０℃における圧縮強度を
測定したところ、第３図に示す結果を得た。この結果か
ら明らかな如（、繊維状リチウムアルミネートのアスペ
クト比が８を超えると、電解質層の圧縮強度が従来方法
による電解質層の圧縮強度りよりも大きくなり、この圧
縮強度はアスペクト比が５０まで徐々に増加するが、５
０を過ぎるとやや減少した。この減少の理由は、定かで
はないが、アスペクト比が５０を超えると、ｆｌＡＨ以
上実施例２および３から明らかな如く、これ１３− 一きる。

８害施例４ −１　・ （’、、ｊ前記実施例１におけるｌ！維状リすウムアル
ミネー：トのアスペクト比を１０とし、混合炭酸塩と、
・′雇、、（イ、ヶ、。０□６０ｆｔ、ＪＩＬ、、工、
□の混合重量比をそれぞれ５９：１〜５０：１０と変え
て単位電池を組立てたときの反応ガスの交差混合の程度
を測定した。この結果、有機バインダが５ｇ以上になる
と、反応ガスの交差混合の程度が徐々に増加し、１０ｇ
になると従来方法による電解質層と略同程度になった。

なお、有機バインダの量が１ｇ以下では、電解質の柔軟
性が極端に低下し、１ｍ角、０．４ｍの厚さの電解質層
は、両端部を保持した際に自重で割れた。以上の結果か
ら明らかな如く、有機バインダの混合量は１〜１０９が
望ましい。

なお、参考例として、溶媒に非水溶媒を用いず、水溶媒
を用いて混合炭酸塩、セラミック微粉末、１４− セラミック繊維および有機バインダを混練し、シート状
に形成したところ、乾燥途上においてシートの柔軟性は
失われた。この結果から明らかなよ末および繊維として
リチウムアルミネートを用い７免が、これに限定される
ものではなく、たとえば素等、また、セラミック微粉末
としてストロンチウムチタネート、酸化セリウム等でも
良い。また、有機バインダとしては、ポリビニルブラチ
ール、ポリエチレングリコール、ポリメタクリル酸メチ
ル等でも良く、非水溶媒としては、Ｃ２〜Ｃ６までのア
ルコール、トルエン、アセトンなどであっても良い。

また、前記実施例では、混合炭酸塩について特に詳述し
なかったが、以下の組合わせを採用することができる。

Ｌ　ｉ　２　ＣＯ３／に２　ＣＯ３、 Ｌ　１２ＣＯ３／に２　ＣＯ３／Ｎａ２ＣＯ３、Ｎａ２
Ｃ○３　／に２　ＣＯ３、 Ｌ　！　２　ＣＯ３／に２　Ｃ○３／５ｒＣＯａ、Ｌ　
ｉ　２　ＣＯ３／に２　ＣＯ３／ＣａＣ０ａ　。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の実施例１に係る溶融炭酸塩型特性図、
第３図は同実施例３に係る電解質層のセ′４′−７．ミ
ック繊維のアスペクト比に対する圧縮強度を１吐１ 平す特性図である。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 （１）混合炭酸塩電解質と、セラミック微粉末と、セラ
   ミックｌ１ｌｌｔと、有機バインダとを非水溶媒を用い
   て混練する工程と、この工程より得られたスラリーを常
   温においてローラーまたはプレスによの製造方法。 （２）前記有機バインダは、前記非水溶媒に溶解するも
   の、または前記非水溶媒との親和性が高いものであるこ
   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
   型燃料電池の製造方法。 （３）前記セラミック繊維は、リチウムアルミネート、
   ジルコニア、アルミナ、ジルコン酸リチウム、チタン酸
   リチウムまたは窒化ホウ素であるこ１− 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
   型燃料電池の製造方法。 （４）前記セラミック微粉末は、リチウムアルミネート
   、ス１ヘロンヂウムチタネートまたは酸化セリウムであ
   ることを特徴とする特許請求の範囲第１項記載の溶融炭
   酸塩型燃料電池の製造方法。 （５）前記有機バインダは、ポリテトラフルオロエチレ
   ン、ポリビニルブラチール、ポリエチレングリコールま
   たはポリメタクリル酸メチルである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の製造
   方法。 （６）前記非水溶媒は、Ｃ２〜Ｃ６までのアルコール、
   トルエンまたはアセトンであることを特徴水の範囲第１
   項記載の溶融炭酸塩型燃料電池の製）１造方法。 ８（８）前記スラリーにおける有機バインダの含有Ｉ。 ｉｉ　 請求の範囲第１項記載の溶融炭酸塩型燃料電池の； 製造方法。 （９）前記セラミックｔＨＨのアスペクト比が８以上で
   あることを特徴とする特許請求の範囲第１項記載の溶融
   炭酸塩型燃料電池の製造方法。