JPS6122569A - 溶融塩燃料電池用電極 - 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】 産業上の利用分野 本発明は、６００〜７Ｃ）Ｏ’Ｃで作動する溶融塩燃料
電池、特に溶融炭酸塩燃料電池の電極に関するものであ
る。

従来例の構成とその問題点 石炭からのガス、天然ガスなど多くの燃料が利用できる
こと、廃熱が高温であるから良質であシ、これを利用す
ると総合効率が高いこと、電極に貴金属触媒が不要であ
ることなどから、６００〜７００°Ｃで作動する溶融塩
、とくに炭酸塩を用いる燃料電池が注目されている。

この場合の炭酸塩としては、炭酸リチウム、それに炭酸
カリ、炭酸ナトリウムなどが取り上げられ、これら混合
物がアルミン酸リチウム粉末とともに板状に加工されて
電解質とし、これを燃料極と酸化極の間に固定されて電
池が構成される。

燃料極としては、燃料が水素を主とする還元性の気体で
あるから、耐食性の点ではめぐまれでいる。しかし、電
極の一方の面は、高温の溶融炭酸塩に接触しているので
あるから、導電性材料であっても限定され、現在はニッ
ケルを主とする材料が最も一般的である。電極としては
、焼結法が製造法として考えられ、カーボニルニッケル
など公知の粉末を還元性雰囲気中で芯材とともに焼結し
て得られる。

一方の酸化極には、雰囲気が酸化性であるから耐食性に
ついての要望はさらに大きく、現状ではリチウムをドー
プした酸化ニッケルからなる多孔体が最も一般的であり
、あらかじめリチウム化酸化ニッケルを反応によシ生成
させてから電池に組み込む方式とニッケル多孔体を電池
に組み立ててからリチウム化酸化ニッケルに転化する方
式とが採用されている。

電池は、以上の電解質を中央にして、酸化極と燃料極と
で構成されているが、特性の向上、長寿命化、燃料利用
率の向上などにはなお多くの課題がある。

その１つが、ガス拡散電極である燃料極や酸化極と電解
質、それに気体とのいわゆる三相帯をいかに多く、しか
も長期に確保するかであり、その他に、気体の利用率を
向上させるために、とくに燃料極で放電により生成する
水と炭酸ガスとが、反応部分からただちに逸散して反応
を妨害しないことも重要である。

これらの問題が、電極や電槽の耐食性の向上、電極と電
解質との均一な接触の確保などの他に必要であり、ガス
拡散電極の多孔度、厚さの調整。

電極材料への添加剤の採用などが提案されていて、一応
の効果はあげているが、なお十分でない。

つまシ、燃料極としては、一般にニッケルの焼結体が検
討されているが、あまり高多孔度にすると強度が低下し
、また、作動中に焼結が進行することもあって、高多孔
度を長期に亘って保持することは困難であった。また、
この作動中での焼結を抑制するために、クロム、ジルコ
ニウム、アルミニウムあるいはこれらの酸化物の添加が
提案されているが、もともとの焼結体をそれほど高多孔
度にできないので、限界があった。

発明の目的 そこで本発明では、ガス拡散電極、とくに燃料極につい
て、高多孔度を維持することによって、ガス、電解質、
電極とで形成される三相帯を長期に亘って確保し、作動
中での過焼結を抑制し、また、電極反応で生成する水と
炭酸ガスが電極の反応近傍から直ちに逸散して電極反応
をスムーズに行わせることにより、すぐれた特性を長期
間発揮できる溶融塩燃料電池用電極を提供することを目
的とする。また、燃料や酸化剤の利用率の向上も可能に
することを目的とする。

発明の構成 本発明の溶融塩燃料電池用の電極は、発泡状の骨格を有
するいわゆる発泡状メタルの一方の面に電極構成材料の
粉末を充てんし、他の側は、実質的に発泡状メタルを構
成している骨格からのみなるようにしたことを特徴とす
る。したがって電極を単に薄くして高多孔度にするので
はないので、高多孔度でしかも強度も大きい電極が提供
できる。

また、反応ガスが電極の反応面に迅速に到達し、反応生
成物がその場から速やかに散逸することが電極反応のた
めの燃料や酸化ガスの利用率の向上や電極の性能の向上
に不可欠である。このような観点から言えば、本発明の
電極は、酸化極、燃料極ともに効果的であるが、電池で
は、反応生成物である水と炭酸ガスは燃料極で生成する
ので、燃料極に適用することは、よシ一層効果が大きい
。

つまり、ガスの拡散が反応用ガスの利用率や電位の向上
により重要な因子であるからである。

そこで燃料極の例を示すと、燃料極の主材料としての一
例にニッケルがある。したがってニッケルを材料とする
発泡状メタルをえらび、この発泡状メタルの電解質と接
する側にニッケル粉末あるいはこれに過焼結を抑制する
だめのクロム、ジルコニウム、アルミニウムあるいはこ
れらの酸化物などを添加剤として用いて充てんする。し
たがって他の面は、実質的には何も充てんせずに発泡状
ニッケルの骨格のみにする。このようにして得られた電
極を必要に応じて厚さを調整し、強度をあげるために加
圧してもよい。ただし、加圧により骨格が押しつぶされ
る状態にすることはさけなければならない。一つの目安
として、少なくともガス側面になる発泡状メタルの多孔
度は７０％以上好ましくは７６％〜９０％程度の高多孔
度を保っておくことが好ましい。

なお、酸化極に、ついては、以上の燃料極とまったく同
じものを用いて、電池内で電解質中の炭酸リチウムと空
気中の酸素とによジリチウム化したニッケル酸化物多孔
体に変える。また、あらがじめリチウム化したニッケル
酸化物を別に製造し、これを充てんしてもよい。

実施例の説明 まず燃料極としては、公知の多孔度平均９６％、厚さ１
．８＋＋＋ｉ、平均孔径２００ｍμの発泡状ニッケルを
えらぶ。この多孔体の一方の面に、カーボニルニッケル
９０重量部、クロム１ｏ重量部の混合物をポリビニルブ
チラールの６％エタノール溶液を加えてペースト状にし
たものを充てんする。充てん量としては、乾燥後に約９
０■／　ｃｌｔの重量になるようにした。定性的には、
厚さ方向には約４０％が充てんされ、残りの約６０％は
発泡状ニッケルの骨格がそのまま観察された。乾燥した
後に、これに厚さ０．９８のスペーサを用いて２００Ｋ
ｙ　／　ｃａの圧力で加圧したところ、この電極の厚さ
は平均１．１闘となシ、やはシ約４０％は、骨格のみの
多孔体で存在していることがわかった。この部分の多孔
体の多孔度は約９０％であった。

一方の酸化極については、公知の焼結式のリチウムをド
ープしたニッケル酸化物電極を用いた。

また、電解質およびその保持体としては、炭酸リチウム
と炭酸カリウムの混合塩６０重量％、アルミン酸リチウ
ム粉末６０重量％のペーストタイプでホットプレス法に
より得られたものを用いた。

燃料ガスとしては、水素８０％、二酸化炭素２０％、酸
化剤としては、空気６５％、二酸化炭素３６％の混合気
体をそれぞれの電極に供給した。

作動温度は６６０°Ｃとした。

上記の燃料極を用いた電池を人とする。比較のためにム
と同じ厚さの発泡状ニッケルに、全体にニッケルとクロ
ムの混合粉末を充てん後、以下人と同じ工程で得られた
電極を用いた電池をＢ、厚さ０．７２朋の発泡状ニッケ
ルにＢと同じように全体に充てんした電極を用いたもの
をＣとする。

第１図は、これら各電池の１ｏｏｍＡ／ＣＪでの放電を
２００時間継続して行なった後に調べた電流−電圧特性
である。図よシ明らかなように、電池人の場合は、ガス
拡散にすぐれた反応層と同じこれに対して、Ｂでは、導
電性の点ではすぐれているが、反応層の厚さが厚いため
にガスの拡散の点で劣シ、またＣでは、逆に反応層が薄
いのでガスの拡散はすぐれているが、導電性の点で劣る
のでＢ、ＣともＡよシも劣った特性を示している。

つぎに、第２図は、各電池を１００ｍム／ｃＩｊで連続
放電した際の時間と電圧の関係、っまシ寿命特性である
。作動累計時間３０００時間で、人では電圧の低下が少
ないが、Ｂでは反応層の過焼結がＡやＯＫ比べてガスの
拡散の阻害に大きな影響を与えるので、時間の経過とと
もに劣化がやや大きい。また、Ｃでは、電極の強度が小
さいので、電解質による腐食の影響による導電性の低下
の度合が大きく、これもやや低下の割合がムよシも太き
い。すなわち、人では１発泡状メタルの一方の面にのみ
作動に必要な物質を充てんするといった極めて簡単な操
作で二層電極をつくり、これが、溶融塩燃料電池用の電
極、とくに燃料極に極めて有効なのである。

発明の効果 以上のように、本発明によれば、電極とくに燃料極の改
良によシ、導電性の低下がなく、ガスの拡散を良好に保
つことが可能となシ、溶融塩燃料−電池の性能の向上と
長寿命化を図ることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は各種燃料極を用いた電池の電流−電圧特性を示
す図、第２図は寿命特性を示す図である。 代理人の氏名　弁理士　中　尾　敏　男　ほか１名（△
）ヨ阜１番

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）発泡状メタルの一方の面に電極構成材料の粉末を
   充てんし、他方の面は実質的に発泡状メタルを構成して
   いる骨格のみからなる溶融塩燃料電池用電極。
2. （２）前記発泡状メタルがニッケルを主材料とし、前記
   電極構成材料の粉末がニッケルを主とする粉末である特
   許請求の範囲第１項記載の溶融塩燃料電池用電極。