JPH0574472A - 溶融炭酸塩型燃料電池 - Google Patents
溶融炭酸塩型燃料電池Info
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- JPH0574472A JPH0574472A JP4002381A JP238192A JPH0574472A JP H0574472 A JPH0574472 A JP H0574472A JP 4002381 A JP4002381 A JP 4002381A JP 238192 A JP238192 A JP 238192A JP H0574472 A JPH0574472 A JP H0574472A
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Classifications
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
- Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
- Y02E60/30—Hydrogen technology
- Y02E60/50—Fuel cells
Landscapes
- Fuel Cell (AREA)
Abstract
(57)【要約】
【目的】電解質板中の電解質の流出を低減して、電解質
の流出に伴う内部抵抗の増大、ガスクロスオ―バの発生
を抑制し得る長寿命の溶融炭酸塩型燃料電池を提供する
ことを目的とする。 【構成】充填材を含む多孔質体に混合アルカリ炭酸塩か
らなる電解質を含浸させた電解質板13を備えた溶融炭
酸塩型燃料電池において、前記電解質板13は運転中、
前記電解質にアルミニウムがアルカリ元素の合計モル数
に対して0.07〜18.2%含有されていることを特
徴としている。
の流出に伴う内部抵抗の増大、ガスクロスオ―バの発生
を抑制し得る長寿命の溶融炭酸塩型燃料電池を提供する
ことを目的とする。 【構成】充填材を含む多孔質体に混合アルカリ炭酸塩か
らなる電解質を含浸させた電解質板13を備えた溶融炭
酸塩型燃料電池において、前記電解質板13は運転中、
前記電解質にアルミニウムがアルカリ元素の合計モル数
に対して0.07〜18.2%含有されていることを特
徴としている。
Description
[発明の目的]
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、溶融炭酸塩型燃料電池
に関し、特に導電性を有する一対の電極間に挟まれて配
置される電解質板を改良した溶融炭酸塩型燃料電池に係
わる。
に関し、特に導電性を有する一対の電極間に挟まれて配
置される電解質板を改良した溶融炭酸塩型燃料電池に係
わる。
【0002】
【従来の技術】溶融炭酸塩型燃料電池の基本構造を図1
に示す。導電性を有する一対の電極であるアノ―ド(燃
料極)1及びカソ―ド(空気極)2間には、アルカリ炭
酸塩からなる電解質を保持した電解質板3が挟まれて配
置されている。前記電解質板3の両面周縁には、2つの
ハウジング4a、4bが当接され、これらハウジング4
a、4b内に前記アノ―ド1及びカソ―ド2をそれぞれ
収納している。前記一方のハウジング4a内面と前記ア
ノ―ド1の間及び前記他方のハウジング4b内面と前記
カソ―ド2の間には、それぞれ波形の集電板5a、5b
が配置されている。前記アノ―ド1が位置する一方の前
記ハウジング4aには、燃料ガス(H2 、CO2 )を前
記アノ―ド1に供給するための供給口6及び排出ガス
(CO2 、H2 O)を排気するための排気口7がそれぞ
れ開口されている。前記カソ―ド2が位置する他方の前
記ハウジング4bには、酸化剤ガス(空気、CO2 )を
前記カソ―ド2に供給するための供給口8及び排出ガス
(N2 )を排気するための排気口9がそれぞれ開口され
ている。
に示す。導電性を有する一対の電極であるアノ―ド(燃
料極)1及びカソ―ド(空気極)2間には、アルカリ炭
酸塩からなる電解質を保持した電解質板3が挟まれて配
置されている。前記電解質板3の両面周縁には、2つの
ハウジング4a、4bが当接され、これらハウジング4
a、4b内に前記アノ―ド1及びカソ―ド2をそれぞれ
収納している。前記一方のハウジング4a内面と前記ア
ノ―ド1の間及び前記他方のハウジング4b内面と前記
カソ―ド2の間には、それぞれ波形の集電板5a、5b
が配置されている。前記アノ―ド1が位置する一方の前
記ハウジング4aには、燃料ガス(H2 、CO2 )を前
記アノ―ド1に供給するための供給口6及び排出ガス
(CO2 、H2 O)を排気するための排気口7がそれぞ
れ開口されている。前記カソ―ド2が位置する他方の前
記ハウジング4bには、酸化剤ガス(空気、CO2 )を
前記カソ―ド2に供給するための供給口8及び排出ガス
(N2 )を排気するための排気口9がそれぞれ開口され
ている。
【0003】上述した図1に示す溶融炭酸塩型料電池
は、高温下で電解質板3中の混合アルカリ炭酸塩を溶融
させ、アノ―ド1にハウジング4aの供給口6を通して
燃料ガス(H2 、CO2 )を、カソ―ド2にハウジング
4bの供給口8を通して酸化剤ガス(空気、CO2 )を
それぞれ供給し、アノ―ド1で下記(1) 式の反応を、カ
ソ―ド2で下記(2) 式の反応を起こさせて運転するもの
である。 H2 +CO3 2-→H 2O+CO2+2e- …(1) 1/2 O2 +CO2 +2e- →CO3 2- …(2)
は、高温下で電解質板3中の混合アルカリ炭酸塩を溶融
させ、アノ―ド1にハウジング4aの供給口6を通して
燃料ガス(H2 、CO2 )を、カソ―ド2にハウジング
4bの供給口8を通して酸化剤ガス(空気、CO2 )を
それぞれ供給し、アノ―ド1で下記(1) 式の反応を、カ
ソ―ド2で下記(2) 式の反応を起こさせて運転するもの
である。 H2 +CO3 2-→H 2O+CO2+2e- …(1) 1/2 O2 +CO2 +2e- →CO3 2- …(2)
【0004】ところで、上記溶融炭酸塩型燃料電池に使
用される電解質板は基本的には混合アルカリ炭酸塩から
なる電解質と、充填材としての高温運転時に液体となる
前記電解質の流出を防止するための保持材および昇温時
の割れ発生を防止するための補強材とから構成されてい
る。前記混合アルカリ炭酸塩は、Li2 CO3 、K2C
O3 及びNa2 CO3 の3種のうちの2種又は3種の混
合塩の形で使用される。前記保持材としては、粒径が
0.05〜0.5μmのγ−LiAlO2 やβ−LiA
lO2 からなる微粉末が、前記補強材としては粒径20
〜60μmのLiAlO2 のファイバ等が、それぞれ使
用される。
用される電解質板は基本的には混合アルカリ炭酸塩から
なる電解質と、充填材としての高温運転時に液体となる
前記電解質の流出を防止するための保持材および昇温時
の割れ発生を防止するための補強材とから構成されてい
る。前記混合アルカリ炭酸塩は、Li2 CO3 、K2C
O3 及びNa2 CO3 の3種のうちの2種又は3種の混
合塩の形で使用される。前記保持材としては、粒径が
0.05〜0.5μmのγ−LiAlO2 やβ−LiA
lO2 からなる微粉末が、前記補強材としては粒径20
〜60μmのLiAlO2 のファイバ等が、それぞれ使
用される。
【0005】前記電解質板は、炭酸イオン(CO3 2-)
の移動を媒介とするだけでなく、アノ―ド及びカソ―ド
間の反応ガスの直接混合(ガスクロスオ―バ)を阻止す
るためのガス透過障壁層としても機能する。こうした機
能を果たすには、電解質板中に電解質が充分に保持され
ていることが必要である。電解質の流出(電解質ロス)
は、内部抵抗の増大を招くばかりか、ガスクロスオ―バ
の発生原因となる。
の移動を媒介とするだけでなく、アノ―ド及びカソ―ド
間の反応ガスの直接混合(ガスクロスオ―バ)を阻止す
るためのガス透過障壁層としても機能する。こうした機
能を果たすには、電解質板中に電解質が充分に保持され
ていることが必要である。電解質の流出(電解質ロス)
は、内部抵抗の増大を招くばかりか、ガスクロスオ―バ
の発生原因となる。
【0006】このようなことから、適切な微細構造を有
する電解質板を得る方法として、予め保持材および補強
材から多孔質板を形成し、前記多孔質板に混合アルカリ
炭酸塩からなる電解質を含浸させるマトリックス法が広
く採用されている。
する電解質板を得る方法として、予め保持材および補強
材から多孔質板を形成し、前記多孔質板に混合アルカリ
炭酸塩からなる電解質を含浸させるマトリックス法が広
く採用されている。
【0007】しかしながら、長時間の燃料電池の運転に
おいて微細構造の変化が生じる場合には前記マトリック
ス法によっても電解質ロスが発生し、十分な寿命特性が
得られない等の問題があった。
おいて微細構造の変化が生じる場合には前記マトリック
ス法によっても電解質ロスが発生し、十分な寿命特性が
得られない等の問題があった。
【0008】
【発明が解決しようとする課題】本発明は、上記従来の
問題点を解決するためになされたもので、電解質板中の
電解質の流出を低減して、電解質の流出に伴う内部抵抗
の増大、ガスクロスオ―バの発生を抑制し得る高寿命の
溶融炭酸塩型燃料電池を提供しようとするものである。 [発明の構成]
問題点を解決するためになされたもので、電解質板中の
電解質の流出を低減して、電解質の流出に伴う内部抵抗
の増大、ガスクロスオ―バの発生を抑制し得る高寿命の
溶融炭酸塩型燃料電池を提供しようとするものである。 [発明の構成]
【0009】
【課題を解決するための手段】本発明は、充填材を含む
多孔質体に混合アルカリ炭酸塩からなる電解質を含浸さ
せた電解質板を備えた溶融炭酸塩型燃料電池において、
前記電解質板は運転中、前記電解質にアルミニウムがア
ルカリ元素の合計モル数に対して0.07〜18.2%
含有されていることを特徴とする溶融炭酸塩型燃料電池
である。以下、本発明に係わる溶融炭酸塩型燃料電池を
図2、図3を参照して詳細に説明する。
多孔質体に混合アルカリ炭酸塩からなる電解質を含浸さ
せた電解質板を備えた溶融炭酸塩型燃料電池において、
前記電解質板は運転中、前記電解質にアルミニウムがア
ルカリ元素の合計モル数に対して0.07〜18.2%
含有されていることを特徴とする溶融炭酸塩型燃料電池
である。以下、本発明に係わる溶融炭酸塩型燃料電池を
図2、図3を参照して詳細に説明する。
【0010】本発明の溶融炭酸塩型燃料電池は、アノ―
ド(燃料極)11、カソ―ド(空気極)12及びこれら
電極11、12間に配置され、電解質を保持した電解質
板13を備えている。これらアノ―ド11、カソ―ド1
2及び電解質板13を単位セルとし、複数の単位セルが
セパレ―タ4を挟んで積層されている。前記電解質板1
3上面に配置された前記アノ―ド11の対向する一対の
縁部は、前記電解質板13の縁部から所望距離へだてて
内側に位置し、かつ前記アノ―ド11が存在しない前記
電解質板13の両縁部と前記セパレ―タ14の間にはエ
ッジシ―ル板15aが配置されている。前記電解質板1
3下面に配置された前記カソ―ド12の前記エッジシ―
ル板15aと直交する一対の縁部は、前記電解質板13
の縁部から所望距離へだてて内側に位置し、かつ前記カ
ソ―ド12が存在しない前記電解質板13の両縁部と前
記セパレ―タ14の間には、エッジシ―ル板15bが配
置されている。前記アノ―ド11、セパレ―タ14及び
エッジシ―ル板15aで区画された空間(燃料ガス流通
空間)には、集電板としての導電性を有する孔開き板1
6a、波板17aが前記アノ―ド11側から順次積層さ
れている。前記カソ―ド12、セパレ―タ14及びエッ
ジシ―ル板15bで区画された空間(酸化剤ガス流通空
間)には、集電板としての導電性を有する孔開き板16
b、波板17bが前記カソ―ド12側から順次積層され
ている。このような複数の単位セルがセパレ―タ14を
挟んで積層されたスタック発電要素の4つの側面には、
枠状のフランジ18を有するマニホ―ルド19がそれぞ
れ配置されている。また、前記スタック発電要素の4つ
の側面と前記マニホ―ルド19のフランジ18との間に
はそれぞれ枠状のマニホ―ルドシ―ル板20が介在され
ている。前記燃料ガス流通空間が表出する前記発電要素
の側面に対応するのマニホ―ルド(図示せず)には、燃
料ガス21を供給するための供給管22が取り付けられ
ている。この供給管22と反対側のマニホ―ルド19に
は、ガス排出管23が取着されている。また、前記酸化
剤ガス流通空間が表出する前記発電要素の側面に対応す
るのマニホ―ルド(図示せず)には、酸化剤ガス24を
供給するための供給管25が取り付けられている。この
供給管25と反対側のマニホ―ルド19には、ガス排出
管26が取着されている。前記電極11、12は、例え
ばニッケルベ―スアロイ又は多孔質のニッケルベ―スア
ロイの焼結体から形成される。前記セパレ―タ14、エ
ッジシ―ル15a、15b、孔開き板16a、16b及
び波板17a、17bは、例えばステンレス鋼から形成
される。
ド(燃料極)11、カソ―ド(空気極)12及びこれら
電極11、12間に配置され、電解質を保持した電解質
板13を備えている。これらアノ―ド11、カソ―ド1
2及び電解質板13を単位セルとし、複数の単位セルが
セパレ―タ4を挟んで積層されている。前記電解質板1
3上面に配置された前記アノ―ド11の対向する一対の
縁部は、前記電解質板13の縁部から所望距離へだてて
内側に位置し、かつ前記アノ―ド11が存在しない前記
電解質板13の両縁部と前記セパレ―タ14の間にはエ
ッジシ―ル板15aが配置されている。前記電解質板1
3下面に配置された前記カソ―ド12の前記エッジシ―
ル板15aと直交する一対の縁部は、前記電解質板13
の縁部から所望距離へだてて内側に位置し、かつ前記カ
ソ―ド12が存在しない前記電解質板13の両縁部と前
記セパレ―タ14の間には、エッジシ―ル板15bが配
置されている。前記アノ―ド11、セパレ―タ14及び
エッジシ―ル板15aで区画された空間(燃料ガス流通
空間)には、集電板としての導電性を有する孔開き板1
6a、波板17aが前記アノ―ド11側から順次積層さ
れている。前記カソ―ド12、セパレ―タ14及びエッ
ジシ―ル板15bで区画された空間(酸化剤ガス流通空
間)には、集電板としての導電性を有する孔開き板16
b、波板17bが前記カソ―ド12側から順次積層され
ている。このような複数の単位セルがセパレ―タ14を
挟んで積層されたスタック発電要素の4つの側面には、
枠状のフランジ18を有するマニホ―ルド19がそれぞ
れ配置されている。また、前記スタック発電要素の4つ
の側面と前記マニホ―ルド19のフランジ18との間に
はそれぞれ枠状のマニホ―ルドシ―ル板20が介在され
ている。前記燃料ガス流通空間が表出する前記発電要素
の側面に対応するのマニホ―ルド(図示せず)には、燃
料ガス21を供給するための供給管22が取り付けられ
ている。この供給管22と反対側のマニホ―ルド19に
は、ガス排出管23が取着されている。また、前記酸化
剤ガス流通空間が表出する前記発電要素の側面に対応す
るのマニホ―ルド(図示せず)には、酸化剤ガス24を
供給するための供給管25が取り付けられている。この
供給管25と反対側のマニホ―ルド19には、ガス排出
管26が取着されている。前記電極11、12は、例え
ばニッケルベ―スアロイ又は多孔質のニッケルベ―スア
ロイの焼結体から形成される。前記セパレ―タ14、エ
ッジシ―ル15a、15b、孔開き板16a、16b及
び波板17a、17bは、例えばステンレス鋼から形成
される。
【0011】前記燃料ガス21としては、例えば水素
(H2 )と二酸化炭素(CO2 )との混合ガスなどを使
用できる。前記酸化剤ガス24としては、例えば空気又
は酸素(O2 )と二酸化炭素(CO2)との混合ガスな
どを使用できる。
(H2 )と二酸化炭素(CO2 )との混合ガスなどを使
用できる。前記酸化剤ガス24としては、例えば空気又
は酸素(O2 )と二酸化炭素(CO2)との混合ガスな
どを使用できる。
【0012】前記電解質板13は、充填材である保持材
および補強材を含む多孔質体(例えば気孔率40〜65
%)に電解質である混合アルカリ炭酸塩を溶融状態で含
浸した構成になっている。
および補強材を含む多孔質体(例えば気孔率40〜65
%)に電解質である混合アルカリ炭酸塩を溶融状態で含
浸した構成になっている。
【0013】前記多孔質体の一方の構成成分である保持
材としては、例えば粒径が0.05〜0.5μmのγ−
LiAlO2 やβ−LiAlO2からなる微粉末を挙げ
ることができる。この保持材としては、1g当りの初期
比表面積が7〜40m2 のものを用いることが望まし
い。前記多孔質体の他方の構成成分である補強材として
は、例えば粒径が20〜60μmのLiAlO2 からな
る粒子等を挙げることができる。
材としては、例えば粒径が0.05〜0.5μmのγ−
LiAlO2 やβ−LiAlO2からなる微粉末を挙げ
ることができる。この保持材としては、1g当りの初期
比表面積が7〜40m2 のものを用いることが望まし
い。前記多孔質体の他方の構成成分である補強材として
は、例えば粒径が20〜60μmのLiAlO2 からな
る粒子等を挙げることができる。
【0014】前記混合アルカリ炭酸塩としては、例えば
炭酸リチウム(Li2 CO3 )と炭酸カリウム(K2 C
O3 )の混合物、Li2 CO3 と炭酸ナトリウム(Na
2CO3 の混合物、Li2 CO3 とK2 CO3 とNa2
CO3 の混合物等を挙げることができる。
炭酸リチウム(Li2 CO3 )と炭酸カリウム(K2 C
O3 )の混合物、Li2 CO3 と炭酸ナトリウム(Na
2CO3 の混合物、Li2 CO3 とK2 CO3 とNa2
CO3 の混合物等を挙げることができる。
【0015】前記電解質は、運転中、前記混合アルカリ
炭酸塩中にアルミニウム(Al)がアルカリ元素の合計
モル数に対して0.07〜18.2%含有されている。
かかる電解質中のAlを限定したのは、次のような理由
によるものである。前記Al含有量を0.07%未満に
すると、保持材であるLiAlO2 の1次粒子の溶解に
よる再配列が促進され、多孔質体の細孔径の増大を引き
起こし、ひいては電解質の流出に伴う内部抵抗の増大、
ガスクロスオーバの発生を招く。一方、前記Al含有量
が18.2%を越えると保持材の混合アルカリ炭酸塩中
への再析出による保持材の粒成長を促進し、結果的に多
孔質体の細孔径の増大を引き起こす。
炭酸塩中にアルミニウム(Al)がアルカリ元素の合計
モル数に対して0.07〜18.2%含有されている。
かかる電解質中のAlを限定したのは、次のような理由
によるものである。前記Al含有量を0.07%未満に
すると、保持材であるLiAlO2 の1次粒子の溶解に
よる再配列が促進され、多孔質体の細孔径の増大を引き
起こし、ひいては電解質の流出に伴う内部抵抗の増大、
ガスクロスオーバの発生を招く。一方、前記Al含有量
が18.2%を越えると保持材の混合アルカリ炭酸塩中
への再析出による保持材の粒成長を促進し、結果的に多
孔質体の細孔径の増大を引き起こす。
【0016】前記混合アルカリ炭酸塩中に前記範囲のA
lを含有量させるには、例えば前記保持材と補強材の配
合割合の調節、前記多孔質体中へのジルコニアなどの第
3成分の適切な添加、または酸化アルミニウム等の添加
により行うことが可能である。特に、運転の初期段階で
予め前記Al含有量の範囲になるように前記酸化アルミ
ニウム等を添加することは、保持材の混合アルカリ炭酸
塩中に対する溶解速度と再析出速度とが平衡状態に達す
るまでの溶解・再析出が激しく起こる時間を短縮する上
で有効である。上述した電解質板は、例えば次のような
方法に製造される。
lを含有量させるには、例えば前記保持材と補強材の配
合割合の調節、前記多孔質体中へのジルコニアなどの第
3成分の適切な添加、または酸化アルミニウム等の添加
により行うことが可能である。特に、運転の初期段階で
予め前記Al含有量の範囲になるように前記酸化アルミ
ニウム等を添加することは、保持材の混合アルカリ炭酸
塩中に対する溶解速度と再析出速度とが平衡状態に達す
るまでの溶解・再析出が激しく起こる時間を短縮する上
で有効である。上述した電解質板は、例えば次のような
方法に製造される。
【0017】(1)まず、保持材、補強材および有機バ
インダを有機溶媒の存在下で混合する。ここに用いる有
機バインダとしては、例えばポリビニルブチラール、フ
タル酸ブチル、アクリル樹脂等を挙げることができる。
前記有機溶媒としては、例えばトルエン、キシレン、メ
チルエチルケトン等を挙げることができる。つづいて、
前記混合物を通常のシート成形法(例えばドクタ―ブレ
―ド法、カレンダロール法、ストリップキャスト法、冷
間押出し法等)によりグリーンシートを成形した後、脱
脂することにより所定の気孔率を有する多孔質体を作製
する。一方、混合アルカリ炭酸塩からなる電解質を前記
多孔質体と同様な方法によりシート成形してシート状物
を作製する。
インダを有機溶媒の存在下で混合する。ここに用いる有
機バインダとしては、例えばポリビニルブチラール、フ
タル酸ブチル、アクリル樹脂等を挙げることができる。
前記有機溶媒としては、例えばトルエン、キシレン、メ
チルエチルケトン等を挙げることができる。つづいて、
前記混合物を通常のシート成形法(例えばドクタ―ブレ
―ド法、カレンダロール法、ストリップキャスト法、冷
間押出し法等)によりグリーンシートを成形した後、脱
脂することにより所定の気孔率を有する多孔質体を作製
する。一方、混合アルカリ炭酸塩からなる電解質を前記
多孔質体と同様な方法によりシート成形してシート状物
を作製する。
【0018】次いで、前記多孔質体上に前記シート状物
を重ね、前記シート状物の有機バインダを除去した後、
電解質を溶融して前記多孔質体に含浸させることにより
電解質板を製造する。
を重ね、前記シート状物の有機バインダを除去した後、
電解質を溶融して前記多孔質体に含浸させることにより
電解質板を製造する。
【0019】(2)前記(1)の方法により作製した電
解質板を予め混合アルカリ炭酸塩からなる電解質を含浸
させたアノードと無含浸のカソードの間に配置し、前述
した図2に示す単位セルとし、複数の単位セルをセパレ
ータを挟んで積層してスタック発電要素とした後、この
発電要素の4つの側面にマニホ―ルドを取付けて燃料電
池を組立てる。この後、作動温度まで昇温させ、前記電
解質板の気孔部分に前記アノード中の溶解した混合アル
カリ塩を拡散、充填して電解質板を製造する。
解質板を予め混合アルカリ炭酸塩からなる電解質を含浸
させたアノードと無含浸のカソードの間に配置し、前述
した図2に示す単位セルとし、複数の単位セルをセパレ
ータを挟んで積層してスタック発電要素とした後、この
発電要素の4つの側面にマニホ―ルドを取付けて燃料電
池を組立てる。この後、作動温度まで昇温させ、前記電
解質板の気孔部分に前記アノード中の溶解した混合アル
カリ塩を拡散、充填して電解質板を製造する。
【0020】
【作用】電解質板に含まれる混合アルカリ炭酸塩からな
る電解質中のAl量は、燃料電池の長時間の運転後では
前記電解質板の多孔質体を構成する種々の要因(例えば
保持材、補強材の種類、添加剤、それらの配合割合等)
により依存される。つまり、前記多孔質体の保持材の前
記混合アルカリ炭酸塩に対する溶解速度とその析出速度
は、各時間における前記Al量に依存しているため、あ
るAl量において前記各速度が等しくなる。前記平衡と
なるAl量は、前記溶解速度と前記再析出速度のAl量
に対する傾きによって決まるため、前記多孔質体中にお
ける溶解に係わる物質移動、析出に関与する物質移動の
容易さに影響される。
る電解質中のAl量は、燃料電池の長時間の運転後では
前記電解質板の多孔質体を構成する種々の要因(例えば
保持材、補強材の種類、添加剤、それらの配合割合等)
により依存される。つまり、前記多孔質体の保持材の前
記混合アルカリ炭酸塩に対する溶解速度とその析出速度
は、各時間における前記Al量に依存しているため、あ
るAl量において前記各速度が等しくなる。前記平衡と
なるAl量は、前記溶解速度と前記再析出速度のAl量
に対する傾きによって決まるため、前記多孔質体中にお
ける溶解に係わる物質移動、析出に関与する物質移動の
容易さに影響される。
【0021】本発明は、運転中、電解質にAlがアルカ
リ元素の合計モル数に対して0.07〜18.2%含有
されている電解質板を用いることによって、前記平衡時
の溶解・再析出の速度が最小にすることができる。その
結果、前記電解質板は例えば前記電解質を700℃以下
の溶融状態で前記多孔質体に10000時間含浸させた
時、前記多孔質体は直径2.0μm以上の細孔が容量比
率で20%以下に保持される。従って、発電特性を損う
ことなく、運転時での電解質板中の電解質の溶融、液体
状態における移動抵抗を増大できるため、電解質の流出
(電解質ロス)を低減でき、電解質ロスに伴う電解質板
の抵抗増大、クロスオ―バの発生を抑制でき、ひいては
長時間の運転が可能な長寿命の溶融炭酸塩型燃料電池を
得ることができる。
リ元素の合計モル数に対して0.07〜18.2%含有
されている電解質板を用いることによって、前記平衡時
の溶解・再析出の速度が最小にすることができる。その
結果、前記電解質板は例えば前記電解質を700℃以下
の溶融状態で前記多孔質体に10000時間含浸させた
時、前記多孔質体は直径2.0μm以上の細孔が容量比
率で20%以下に保持される。従って、発電特性を損う
ことなく、運転時での電解質板中の電解質の溶融、液体
状態における移動抵抗を増大できるため、電解質の流出
(電解質ロス)を低減でき、電解質ロスに伴う電解質板
の抵抗増大、クロスオ―バの発生を抑制でき、ひいては
長時間の運転が可能な長寿命の溶融炭酸塩型燃料電池を
得ることができる。
【0022】
【実施例】以下、本発明の実施例を詳細に説明する。 実施例1
【0023】まず、比表面積が10〜20m2 /gのγ
−LiAlO2 粉末(保持材)および粒径20〜60μ
mのLiAlO2 粉末(補強材)を50:50の重量比
でアルミナポットに入れ、トルエン、ポリビニルブチラ
ール、フタル酸ジブチルと共に20時間湿式混合し、ス
ラリーを調製した。つづいて、前記スラリーをキャリア
シートに展開し、厚さ0.5mmのマトリックスグリー
ンシートとした。この後、前記グリーンシートを大気中
で脱脂して多孔質体を作製した。
−LiAlO2 粉末(保持材)および粒径20〜60μ
mのLiAlO2 粉末(補強材)を50:50の重量比
でアルミナポットに入れ、トルエン、ポリビニルブチラ
ール、フタル酸ジブチルと共に20時間湿式混合し、ス
ラリーを調製した。つづいて、前記スラリーをキャリア
シートに展開し、厚さ0.5mmのマトリックスグリー
ンシートとした。この後、前記グリーンシートを大気中
で脱脂して多孔質体を作製した。
【0024】また、電解質としての混合アルカリ炭酸塩
(Li2 CO3 ;62モル%、K2CO3 ;38モル
%)を用いて前記多孔質体と同様な方法によりシート状
物とした後、前記多孔質体に前記シート状物をそれぞれ
重ね、550℃まで昇温して前記シート状物を溶融状態
とすることにより前記混合アルカリ炭酸塩を多孔質体に
含浸して厚さ0.5mmの電解質板を製造した。 実施例2
(Li2 CO3 ;62モル%、K2CO3 ;38モル
%)を用いて前記多孔質体と同様な方法によりシート状
物とした後、前記多孔質体に前記シート状物をそれぞれ
重ね、550℃まで昇温して前記シート状物を溶融状態
とすることにより前記混合アルカリ炭酸塩を多孔質体に
含浸して厚さ0.5mmの電解質板を製造した。 実施例2
【0025】まず、比表面積が10〜20m2 /gで、
かつ高温相Li5 AlO8 を3重量%含有するのγ−L
iAlO2 粉末(保持材)および粒径20〜60μmの
LiAlO2 粉末(補強材)を50:50の重量比でア
ルミナポットに入れ、トルエン、ポリビニルブチラー
ル、フタル酸ジブチルと共に20時間湿式混合し、スラ
リーを調製した。つづいて、前記スラリーをキャリアシ
ートに展開し、厚さ0.5mmのマトリックスグリーン
シートとした。この後、前記グリーンシートを大気中で
脱脂して多孔質体を作製した。
かつ高温相Li5 AlO8 を3重量%含有するのγ−L
iAlO2 粉末(保持材)および粒径20〜60μmの
LiAlO2 粉末(補強材)を50:50の重量比でア
ルミナポットに入れ、トルエン、ポリビニルブチラー
ル、フタル酸ジブチルと共に20時間湿式混合し、スラ
リーを調製した。つづいて、前記スラリーをキャリアシ
ートに展開し、厚さ0.5mmのマトリックスグリーン
シートとした。この後、前記グリーンシートを大気中で
脱脂して多孔質体を作製した。
【0026】また、電解質としての混合アルカリ炭酸塩
(Li2 CO3 ;62モル%、K2CO3 ;38モル
%)にアルミナを合計アルカリ元素に対して0.08モ
ル%添加したものを用いて前記多孔質体と同様な方法に
よりシート状物とした後、前記多孔質体に前記シート状
物をそれぞれ重ね、550℃まで昇温して前記シート状
物を溶融状態とすることにより前記混合アルカリ炭酸塩
を多孔質体に含浸して厚さ0.5mmの電解質板を製造
した。 実施例3、4
(Li2 CO3 ;62モル%、K2CO3 ;38モル
%)にアルミナを合計アルカリ元素に対して0.08モ
ル%添加したものを用いて前記多孔質体と同様な方法に
よりシート状物とした後、前記多孔質体に前記シート状
物をそれぞれ重ね、550℃まで昇温して前記シート状
物を溶融状態とすることにより前記混合アルカリ炭酸塩
を多孔質体に含浸して厚さ0.5mmの電解質板を製造
した。 実施例3、4
【0027】まず、比表面積が10〜20m2 /gで、
かつ高温相Li5 AlO8 を3重量%含有するのγ−L
iAlO2 粉末(保持材)および粒径20〜60μmの
LiAlO2 粉末(補強材)を60:40、70:30
の重量比でアルミナポットに入れ、トルエン、ポリビニ
ルブチラール、フタル酸ジブチルと共に20時間湿式混
合し、2種のスラリーを調製した。つづいて、前記スラ
リーをキャリアシートに展開し、厚さ0.5mmのマト
リックスグリーンシートとした。この後、前記各グリー
ンシートを大気中で脱脂して2種の多孔質体を作製し
た。
かつ高温相Li5 AlO8 を3重量%含有するのγ−L
iAlO2 粉末(保持材)および粒径20〜60μmの
LiAlO2 粉末(補強材)を60:40、70:30
の重量比でアルミナポットに入れ、トルエン、ポリビニ
ルブチラール、フタル酸ジブチルと共に20時間湿式混
合し、2種のスラリーを調製した。つづいて、前記スラ
リーをキャリアシートに展開し、厚さ0.5mmのマト
リックスグリーンシートとした。この後、前記各グリー
ンシートを大気中で脱脂して2種の多孔質体を作製し
た。
【0028】また、電解質としての混合アルカリ炭酸塩
(Li2 CO3 ;62モル%、K2CO3 ;38モル
%)を用いて前記多孔質体と同様な方法によりシート状
物とした後、前記多孔質体に前記シート状物を重ね、5
50℃まで昇温して前記シート状物を溶融状態とするこ
とにより前記混合アルカリ炭酸塩を多孔質体に含浸して
厚さ0.5mmの2種の電解質板を製造した。実施例5
(Li2 CO3 ;62モル%、K2CO3 ;38モル
%)を用いて前記多孔質体と同様な方法によりシート状
物とした後、前記多孔質体に前記シート状物を重ね、5
50℃まで昇温して前記シート状物を溶融状態とするこ
とにより前記混合アルカリ炭酸塩を多孔質体に含浸して
厚さ0.5mmの2種の電解質板を製造した。実施例5
【0029】まず、比表面積が10〜20m2 /gのγ
−LiAlO2 粉末(保持材)および粒径20〜60μ
mのLiAlO2 粒子(補強材)を70:30の重量比
でアルミナポットに入れ、さらにジルコニア粉末を前記
保持材および補強材に対して10重量%加えた後、トル
エン、ポリビニルブチラール、フタル酸ジブチルと共に
20時間湿式混合し、スラリーを調製した。つづいて、
前記スラリーをキャリアシートに展開し、厚さ0.5m
mのマトリックスグリーンシートとした。この後、前記
グリーンシートを大気中で脱脂して多孔質体を作製し
た。
−LiAlO2 粉末(保持材)および粒径20〜60μ
mのLiAlO2 粒子(補強材)を70:30の重量比
でアルミナポットに入れ、さらにジルコニア粉末を前記
保持材および補強材に対して10重量%加えた後、トル
エン、ポリビニルブチラール、フタル酸ジブチルと共に
20時間湿式混合し、スラリーを調製した。つづいて、
前記スラリーをキャリアシートに展開し、厚さ0.5m
mのマトリックスグリーンシートとした。この後、前記
グリーンシートを大気中で脱脂して多孔質体を作製し
た。
【0030】また、電解質としての混合アルカリ炭酸塩
(Li2 CO3 ;62モル%、K2CO3 ;38モル
%)を用いて前記多孔質体と同様な方法によりシート状
物とした後、前記多孔質体に前記シート状物を重ね、5
50℃まで昇温して前記シート状物を溶融状態とするこ
とにより前記混合アルカリ炭酸塩を多孔質体に含浸して
厚さ0.5mmの電解質板を製造した。 比較例1
(Li2 CO3 ;62モル%、K2CO3 ;38モル
%)を用いて前記多孔質体と同様な方法によりシート状
物とした後、前記多孔質体に前記シート状物を重ね、5
50℃まで昇温して前記シート状物を溶融状態とするこ
とにより前記混合アルカリ炭酸塩を多孔質体に含浸して
厚さ0.5mmの電解質板を製造した。 比較例1
【0031】比表面積が10〜20m2 /gのγ−Li
AlO2 粉末(保持材)および粒径20〜60μmのL
iAlO2 粉末(補強材)を30:70の重量比でアル
ミナポットに入れ、トルエン、ポリビニルブチラール、
フタル酸ジブチルと共に20時間湿式混合し、スラリー
を調製し、前記スラリーをキャリアシートに展開し、厚
さ0.5mmのマトリックスグリーンシートとした後、
前記グリーンシートを大気中で脱脂して作製した多孔質
体を用いた以外、実施例1と同様な方法により電解質板
を製造した。 比較例2
AlO2 粉末(保持材)および粒径20〜60μmのL
iAlO2 粉末(補強材)を30:70の重量比でアル
ミナポットに入れ、トルエン、ポリビニルブチラール、
フタル酸ジブチルと共に20時間湿式混合し、スラリー
を調製し、前記スラリーをキャリアシートに展開し、厚
さ0.5mmのマトリックスグリーンシートとした後、
前記グリーンシートを大気中で脱脂して作製した多孔質
体を用いた以外、実施例1と同様な方法により電解質板
を製造した。 比較例2
【0032】比表面積が10〜20m2 /gのγ−Li
AlO2 粉末(保持材)単独をアルミナポットに入れ、
トルエン、ポリビニルブチラール、フタル酸ジブチルと
共に20時間湿式混合し、スラリーを調製し、前記スラ
リーをキャリアシートに展開し、厚さ0.5mmのマト
リックスグリーンシートとした後、前記グリーンシート
を大気中で脱脂して作製した多孔質体を用いた以外、実
施例1と同様な方法により電解質板を製造した。
AlO2 粉末(保持材)単独をアルミナポットに入れ、
トルエン、ポリビニルブチラール、フタル酸ジブチルと
共に20時間湿式混合し、スラリーを調製し、前記スラ
リーをキャリアシートに展開し、厚さ0.5mmのマト
リックスグリーンシートとした後、前記グリーンシート
を大気中で脱脂して作製した多孔質体を用いた以外、実
施例1と同様な方法により電解質板を製造した。
【0033】実施例1〜5および比較例1、2の各電解
質板を用いて燃料電池を組み立て、電解質版中の保持材
が混合アルカリ炭酸塩に溶解・再析出する速度が平衡と
なる8000時間運転後に冷却し、取り出した電解質板
を、酢酸溶液(氷酢酸10vol%、無水酢酸10vo
l%、エタノール80vol%)に浸漬して、混合アル
カリ塩を溶し出し、その溶液についてICP発光分析法
でAlの定量を行った。また、同溶液について原子吸光
法でLi、Kの定量を行った。これらの結果から算出し
た電解液中のAl量{Al/(Li+K)}(モル%)
を下記表1に示した。
質板を用いて燃料電池を組み立て、電解質版中の保持材
が混合アルカリ炭酸塩に溶解・再析出する速度が平衡と
なる8000時間運転後に冷却し、取り出した電解質板
を、酢酸溶液(氷酢酸10vol%、無水酢酸10vo
l%、エタノール80vol%)に浸漬して、混合アル
カリ塩を溶し出し、その溶液についてICP発光分析法
でAlの定量を行った。また、同溶液について原子吸光
法でLi、Kの定量を行った。これらの結果から算出し
た電解液中のAl量{Al/(Li+K)}(モル%)
を下記表1に示した。
【0034】また、実施例1〜5および比較例1、2の
各電解質板をCO2雰囲気中、650℃で10000時
間保持し、冷却した後、酢酸溶液(氷酢酸80vol
%、無水酢酸20vol%)に浸漬して、混合アルカリ
塩を除去し、水銀圧入法により孔径が2.0μm以上の
細孔(粗孔)の割合、つまり粗孔率を測定した。その結
果を下記表1に示した。
各電解質板をCO2雰囲気中、650℃で10000時
間保持し、冷却した後、酢酸溶液(氷酢酸80vol
%、無水酢酸20vol%)に浸漬して、混合アルカリ
塩を除去し、水銀圧入法により孔径が2.0μm以上の
細孔(粗孔)の割合、つまり粗孔率を測定した。その結
果を下記表1に示した。
【0035】さらに、実施例1〜5および比較例1、2
の各電解質板と、ニッケルベ―スアロイからなるアノ―
ド、カソ―ドと、ステンレス鋼からなるセパレ―タ、エ
ッジシ―ル板、孔開き板、波板を用いて前述した図2及
び図3に示す溶融炭酸塩型燃料電池を組立てた。各燃料
電池のアノ―ドに燃料ガスとしてのH2 80vol%と
CO2 20vol%の混合ガスを供給し、カソ―ドに酸
化剤ガスとしての空気70vol%とCO2 30vol
%の混合ガスをそれぞれ供給し、650℃で150mA
/cm2 の負荷条件で発電試験を行なった。発電試験
は、8000時間の連続運転を行ない、8000時間経
過後の電池性能および電解質ロス量を調べた。その結果
を下記表1に併記した。
の各電解質板と、ニッケルベ―スアロイからなるアノ―
ド、カソ―ドと、ステンレス鋼からなるセパレ―タ、エ
ッジシ―ル板、孔開き板、波板を用いて前述した図2及
び図3に示す溶融炭酸塩型燃料電池を組立てた。各燃料
電池のアノ―ドに燃料ガスとしてのH2 80vol%と
CO2 20vol%の混合ガスを供給し、カソ―ドに酸
化剤ガスとしての空気70vol%とCO2 30vol
%の混合ガスをそれぞれ供給し、650℃で150mA
/cm2 の負荷条件で発電試験を行なった。発電試験
は、8000時間の連続運転を行ない、8000時間経
過後の電池性能および電解質ロス量を調べた。その結果
を下記表1に併記した。
【0036】
【表1】
【0037】前記表1から明らかなように、Alがアル
カリ元素の合計モル数に対して0.07〜18.2%の
割合で含有する混合アルカリ炭酸塩を電解質として含む
電解質板を組み込んだ実施例1〜5の溶融炭酸塩型燃料
電池では、比較例1、2の燃料電池に比べて作動電位降
下が小さく、また電解質ロスも小さくなることがわか
る。
カリ元素の合計モル数に対して0.07〜18.2%の
割合で含有する混合アルカリ炭酸塩を電解質として含む
電解質板を組み込んだ実施例1〜5の溶融炭酸塩型燃料
電池では、比較例1、2の燃料電池に比べて作動電位降
下が小さく、また電解質ロスも小さくなることがわか
る。
【0038】
【発明の効果】以上詳述した如く、本発明によれば発電
特性を損なうこと無く、電解質板中の電解質の流出を抑
制し、電解質ロスに伴う内部抵抗の増大、ガスクロスオ
―バの発生を抑制でき、長時間運転が可能な溶融炭酸塩
型燃料電池を提供できる。
特性を損なうこと無く、電解質板中の電解質の流出を抑
制し、電解質ロスに伴う内部抵抗の増大、ガスクロスオ
―バの発生を抑制でき、長時間運転が可能な溶融炭酸塩
型燃料電池を提供できる。
【図1】溶融炭酸塩型燃料電池の基本構造を示す概略
図。
図。
【図2】本発明に係わる溶融炭酸塩型燃料電池の一般的
に構成を示す斜視図。
に構成を示す斜視図。
【図3】図2の燃料電池の要部拡大斜視図。
11…アノード、12…カソード、13…電解質板、1
4…セパレータ、19…マニホ―ルド、21…燃料ガ
ス、24…酸化剤ガス。
4…セパレータ、19…マニホ―ルド、21…燃料ガ
ス、24…酸化剤ガス。
フロントページの続き (72)発明者 赤坂 芳浩 神奈川県川崎市幸区小向東芝町1番地 株 式会社東芝総合研究所内
Claims (1)
- 【請求項1】 充填材を含む多孔質体に混合アルカリ炭
酸塩からなる電解質を含浸させた電解質板を備えた溶融
炭酸塩型燃料電池において、前記電解質板は運転中、前
記電解質にアルミニウムがアルカリ元素の合計モル数に
対して0.07〜18.2%含有されていることを特徴
とする溶融炭酸塩型燃料電池。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP4002381A JPH0574472A (ja) | 1991-06-10 | 1992-01-09 | 溶融炭酸塩型燃料電池 |
Applications Claiming Priority (3)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP13776891 | 1991-06-10 | ||
JP3-137768 | 1991-06-10 | ||
JP4002381A JPH0574472A (ja) | 1991-06-10 | 1992-01-09 | 溶融炭酸塩型燃料電池 |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JPH0574472A true JPH0574472A (ja) | 1993-03-26 |
Family
ID=26335743
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP4002381A Pending JPH0574472A (ja) | 1991-06-10 | 1992-01-09 | 溶融炭酸塩型燃料電池 |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JPH0574472A (ja) |
-
1992
- 1992-01-09 JP JP4002381A patent/JPH0574472A/ja active Pending
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