JPS58131667A - 燃料電池 - 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】 本発明は燃料電池に係り、特に溶融炭酸塩を電解質とし
て有する電池に適用するのに好適な燃料電池に関する。

燃料電池は、アノード及びカソードからなる一対の電極
間に電解質体を有する。電解質体は多孔性の電解質保持
材とその孔の中に保持された電解質とから構成される。

燃料電池は、単電池を複数１ｖＡ積層することによって
実用に供されることになるが、この場合電池構成部材で
あるアノード、電解質体、カソード及び電池枠を順次積
み重ねていくというこれまでの手段では下記のごとき問
題がある。

１）面精度のよい電解質体を製作するのが難しく、そり
、うねりなどが生じやすいため、積層化が困難である。

たとえば電池構成部材を積層しボルト等によって締付け
て固定した場合、電解質体に亀裂を生じたり、破損を生
じたりしてしまう。電極と電解質体、或−は電池枠と電
解質体との密層性が不十分となり、前者では良好な三相
界面（電極触媒−電解質液一燃料若しくは酸化剤の存在
下に形成される電極反応の場）の維持が難しく、電池性
能低下の原因となる。後者では電解質液による電解質体
と電池枠部のウェットシール（ガス洩れ防止）が不十分
となりかつその部分からのガス洩れを防止するのに困難
さを伴う。

２）　各電池構成部材を一品一品積層化するため、作業
が繁雑となる。組立精度の点でも必ずしも満足すべきも
のＫはならない、各部材の位置ずれに伴つマエホールド
部のシール性或いはガス流路の確保などに細心の注意を
払う必要があるほか、各構成部材単品の龜扱−１籍に電
解質体の取扱いにも注意を要する。

本発明の目的は、前述の問題点を解消することにあり、
具体的には電極と電解質体との間の密着性を改善した燃
料電池を提供するにある。

本発明は、電極の少なくとも一方と電解質体とを一体的
に構成するものである。

ｔ４と電解質体とを一体的に構成する手段としては、た
とえば電解質体表面に電極構成材料を溶射或いは塗布な
どによって禎覆する方法が適用できる。電解質体と電極
とを重ね合せて加熱し、電Ｐｓ質体が割れたりしない程
度の圧力を加えて圧着する方法も通用できる。

電解質体と電極との間に介在物を設け、その介在物を介
して一体的に構成することもできる。

溶融炭酸塩型燃料電池の運転温度は６００〜７００Ｃの
高温下であり、発電は燃料に水素、酸化剤に空気を用い
た電気化学反応によるものである。

燃料の水素が燃料電池本体から絶対に漏洩してはならな
いし、酸化剤といえども漏洩すれば系内に圧力をかけら
れなくなり、電気化学反応に要する供給量が不足するこ
とにもなる。安全性の面からも問題である。

また、電解質体に亀裂が発生すれば、酸化剤若しくは燃
料の電解質体を通しての移動による接触を招くことにな
り、電気化学反応以外に単なる燃焼反応が起こり、発熱
を伴い、安全性の面でも問題となる。

以上の点から、電池の積層は慎重を期して行なわなくて
はならず、そのためには各電池構成部材の機械的強度の
向上と組立作業の簡略化を図る必要がある。本発明によ
れば、かかる問題点を解決することができる。

本発明にお−て、電解質体に電極構成材料を溶射して一
体的に構成した場合には、次の効果が得られる。

電解質保持材は一般にセラミックス質でできており破損
し易く、組立時に部材の自重や締付荷重の影響を受は易
い。電解質体の表面に電極を溶射によって形成したもの
は、電解質体と電極とが密着した状態で一体化される丸
め、電解質体の強度が増大されるととＫｌｋす、破損し
にくくなる。

電解質体と電極の少なくとも一方が一体化したことによ
り組立て作業工数も減り、員数管理及び位置ずれの点検
等、′作業性並びに信頼性が大幅に改良される。

電極と電解質体とを加熱圧着により一体化するみ出し、
別途電解質液を補充する必要が生じたりする。圧着手段
としては、種々のプレス法たとえば平板プレス、ロール
プレス、金型プレスなどが適用できる。ロールプレスは
望ましい圧着法の１つである。プレス法以外にも適当な
方法があれば通用してよい。

電極と電解質体とを介在物を介して一体化することは極
めて望ましい。この場合、介在物には電解質体の補強の
役目をする材料を用いるとよい。

ｗ肩質体にはアノードとカソードの両方の電極が一体的
に接合されることが望ましく、従って、介在物は電解質
体の両面に設けることが望ましい。

介在物には、金網、エキスバンプイツトメタル。

セラミック開成いは金属製のハニカム構造体或いは特公
昭５６−８６９８号公報に記載されているような多孔質
金属などを用−ることができる。

ハニカム構造体或いは特公昭５６−８６９８号公報に記
載の多孔質金属を用−る場合、電極の少なくとも一部及
び電解質体の少なくとも一部を孔の中に充填させて一体
化するとよめ、このようにすると、電解質体の機械的強
度が改讐されるとともに、電池構成部材が上記電極と電
解質体の一体化構造物と電池枠の基本的に２つの部材の
みになり、組み立て時の作業性が大巾に改善される。す
なわち、構成部材の堰板−は機械的強度の向上に伴って
容易となり、かつ作業も単純化され、組立精度−向上す
る。

介在物は、電解質体及び電極の一部分、すなわち表面層
部分にまたがって存在し、両者を補強する形をとっても
よ−し、電解質体めるいは電極の全域にわたって存在し
、両者を補強する形をとって本よめ。

介在物としてはセラミックス製着しくは金属製のハニカ
ム構造体若しくは特公昭５６−８６９８号公報に記載さ
れた三次元網状構造体が好ましい。

なお、介在物が電解質体及び電極の全域にわたって存在
する場合で金属製の介在物を用−る場合にはその少なく
とも表層Ｓｔ−非導電性化しておく必要がある。

電解質体と電極とを介在物の存在下においてよく密接さ
せるには種々の方法をとりうる。その一つの方法は電極
であるアノード及び／又はカソードと電解質体との間に
介在物が配設された状態で、金型あるいはロールなどで
圧着する方法であり、好ましくは加熱下で実施されるの
が好ましい。

この際介在物が電極側若しくは電解質体側にあらかじめ
配役、保持されていてもよい。

他の方法として、電解質体側にあらかじめ、配役、保持
される介在物の露出面に電極触媒を溶射あるいは塗布な
どの方法で担持することもできる。

また、他の方法としてハニカム構造体若しくは三次元網
状構造体の内部に電極触媒及び電解質体材料を層状にな
るように圧入する方法も考えられる。

電解質体の少なくとも片面、好ましくは両面に０．３〜
１■福度のへこんだ凹部を形成し、この部分に電極触媒
を担持して電極と電解質体の一体化構造体を得る仁と４
できる。もちろん、この構造体におｉても電解質体と電
極の間に介在物を配設する構造をとることは可能である
。

電極触媒は上記のごとき、溶射、塗布や鋳込の方法など
で担持されうる。

第１図は、溶融炭酸基盤燃料電池の概略構成を示す斜？
Ｊ！図である。符号１は電解質体であり、多孔性の電解
質保持材の孔内に電解質液を保持したものからなる。電
解質体の一方の表面にはカソード２を有し、他方の表面
にはアノード３を有する。

４と５は電池枠であり、電池枠４とアノード３との間に
紘燃料室６が形成され、電池枠５とカソード２との間に
は酸化剤室が形成される。

本発明は、電解質体ｌとカソード２及び／又はアノード
３とを一体化したものである。

以下、本発明を実施例によ灯さらに詳細に説明する。

実施例１ 多孔質ニッケル焼結板（９０Ｘ９０■、厚さ０、９　ｍ
　）から成るアノード及びカソードの両極の間に電解質
体（１００Ｘ１００■、厚さ１．５　ｗｍ　）を配置し
平板プレスを用いて５２０Ｃ，１０ｍ５／備１の圧力で
プレスし電解質体と電極を一体化した。１［解質体はり
チウムアルミネート繊維をからませて作った多孔性の電
解質保持材の中にアルカリ炭酸塩を保持させた構造を有
する。得られた一体化構造の電極、電解質体を用いて単
セルを組立て、アノードに５０％Ｈ！　　Ｎｔペース、
カソードに２５％Ｏ，−２５％ＣＯ，−Ｎ、ベースの混
合ガスを通気し、６５０１：’で電池性能を−べた。電
流密度５０　ｍ　Ａ／ｍ”で０．９１Ｖ、　１００ｍＡ
／ｚ”ＴＯ，７９Ｖ、　１５０ｍＡ／ｃｔＲ”で０．６
８Ｖであった。

実施例２ 第２図に示す電極と電解質体の一体化構造物を作った。

この構造物は電極（アノード及びカソード）２．３間に
電解質体１を配し、介在物７が電極と電解質体の間にあ
り、その内域に交錯してなるものである。

平均粒径１μｍのりチウムアルミネート（電解質保持材
）が５０重量％、炭酸リチウムと炭酸カリウムの混合電
解質（６２：　３８．モル比）が５０重量％からなる電
解質体原料７０ｇを採取し、これを厚さ３■、１００■
角の形状にプレス成形し友。この成形体を６０Ｃで約５
時間乾燥したのち、介在物７として厚さ１■、８０■角
のリチウム化し７’ｔニッケル製三次元網状構造体（商
品名。

セルメット、セル数１７〜３６ケ／インチ、住良電工製
）をその成形体の両面に配設し、軽く両面からプレスし
ながら４９０Ｃで１時間焼成した。

上記三次元網状構造体が電解質体１の表層に約０．４■
の深さまで浸入し良状態になった。これを冷却したのち
、電解質体１から露出している介在物７の部分に平均粒
径３μｍのニッケル粉末（リチウム化し九もの）のペー
ストを塗布して埋込んだのち、乾燥し、約４５０Ｃで焼
成して電極２゜３と電解質体１及び介在物７からなる一
体化構造体を得た。

実施例３ 第３図に示す電極と電解質体の一体化構造体を作った。

この構造体は介在物７の内部に電解質体１の層を有し、
その両面に電極２，３を有してなるものである。

厚さ２■、１００■角の形状のりチウムアルミネート製
ハニカム構造体（セル数３６ケ／平方インチ、目開き３
．８　ｗｍ　）を介在物７とし、この開孔部に実施例２
と同様の電解質体原料的２５ｇをペースト状で充填し、
これを乾燥した。続いて、その両面に実施例２と同じ電
極材料であるニッケル粉末の％７．５　ｇ　’ｉ両面に
配して４９０Ｃで１時間、全圧５００Ｋｆでプレスして
電極と電解質体の一体化構造体を得た。

実施例４ 第４図に示す一体化構造体を作った。電解質体１に凹み
をつけ、電極２．３の構成材料を塗布して成る一体化構
造体である。

実施例２で得られた電解質体原料４０ｇを、あらかじめ
プレス金型の押し雛に８０■角Ｘ　Ｏ，５ｍｓの凸部を
つけて電極面積分に凹みがつくようにしたプレス金ｍＫ
入れ、全圧１００トンにてプレスをし、凹み部の厚さ２
０■、周辺部の厚さ３．０■。

１００■角の電解質体を得た。電解質体１を乾燥器にて
温度６０Ｃにて５時間乾燥した後、４７５Ｃにて１時間
脱気焼成しペーストタイプの電解質体を得た。

実施例２と同様のニッケル粉末ペーストを上記で得九ペ
ーストタイプの電解質体１の凹みの部分に塗布し、７０
０Ｃの還元雰−気中にて３０分煉成して電極と電解質体
の一体化構造体を得た。

実施例５ 第５図に示すように電解質体１に電極材料全溶射した。

点線８の内側は電極剤溶射面９、外側は溶射されない外
周面１０である。溶射は次のようにして行つ九。まず電
解質体１に第６図に示した溶射マスク１１を覆うように
かぶせる。溶射マスク１１は形成する電極の有効面積の
スペースだけ切り抜きの窓１２になってい為。第７図に
電解質体ｌと溶射マスク１１の状態を＃面で示す。この
状態で、１１ＩＩｓ質体ｌの両面に電極材を溶射する。

両面に溶射して電解質板と電極が一体化した構造体を第
８図に示した。電解質体１を中心に１カンード２とアノ
ード３が形成された。

第９図に電池枠４，５の一例を示す。１３が電池枠シー
ル部、１４が電極からの集電突起部である。

第１θ図は第９図のＸ−Ｘ断面図である。１５はカソー
ドと接する酸化剤室、１６は酸化剤入口側通路、１７は
酸化剤出口側通路である。

第９図、第１０図に示し九電池粋に先に得た電解質体と
１極の一体化構造体を交互に積み重ねる。

第１１図は積層構造を示している。このようにして積ノ
ー電池が組立てられる。電解質体に形成された＃Ｌ他が
、酸化剤室１５．燃料室６に四辺がきちんと入っていれ
ば位置ずれをおこすことがないし、１池枠シールｓ１３
と、電解質体シール部１８との接合状態で積層具合を十
分に見極めることが可能である。

【図面の簡単な説明】

８１図位溶融塩型燃料電池の概略構造を示す斜視図、第
２図〜第４図は本発明における電極と電解質体との一体
化構造を示す断面図である。第５図〜第１０図は電解質
体表面に電極を溶射によって形成する過程を示すもので
、第５図は電解質体と電極との一体化構造体を示す斜視
図、第６図は溶射マスクの斜視図、第７図は電解質体に
溶射マスクをかぶせ良状態を示す断面図、第８図は得ら
れ九一体化構造体の断面図、第９図は電池枠の平面図、
第１０図は第９図のＸ−Ｘｍ面図である。 第１１図は第５図〜第１０図　；０図に示す方法によっ
て得た単電池を複数個積層した状態を示すｆｆｒ面図で
ある。 １・・・電解質体、２・・・カソード、３・・・アノー
ド、４゜５・・・電池枠、７・・・介在物。 代理人　弁理士　高橋明夫ｔ・ ″← 第６図 ？ｉ７図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、　電解質保持材と前記保持材に保持された電解質と
   からなる電解質体を有し、前記電解質体を間に挾んで一
   対の電極を有する電池において、前記一対の電極の少な
   くとも一方と前記電解質体とが一体的に構成されている
   ことを特徴とする燃料電池。 ２、特許請求の範囲第１項において、前記電解質体の少
   なくとも一方の表面に前記電極の構成材料からなる被覆
   層を有することを特徴とする燃料電池。 ３、％許請求の範囲第２項において、前記被覆層が溶射
   層からなることを％黴とする燃料電池。 ４、特許請求の範囲第１項において、前記一対の電極の
   少なくとも一方と前記電解質体とが加熱圧着により一体
   的に構成されていることを特徴とする燃料電池。 ５、電解質保持材と前記保持材に保持され九電解質とか
   らなる電解質体を有し、前記電ｍ簀体を間に挾んで一対
   の電極を有する電池において、前記一対の電極の少なく
   とも一方と前配電）９１質体との間に介在物を有し、前
   記介在物を介して前記’Ｌｘと前記電解質体とが一体的
   に構成されていることを特徴とする燃料電池。 ６、特許請求の範囲第５項において、前記電極及び前記
   電解質保持材の構成材料の少なくとも１つと前記電解質
   材料との混合物を前記電解質体表面に被覆することによ
   って前記介在物が形成されて−ることを特徴とする燃料
   電池。 ７．４！許情求のＩ！！！Ｉ第５項又は１Ｉｉ６項にお
   いて、前記介在物の上に前記電極の構成材料からなる被
   覆層を有することを特徴とする燃料電池。 ＆　特許請求の範囲第７項において、前記被覆層が溶射
   層からなることを峙黴とする燃料電池。 ９、特許請求の範囲第５項において、前記介在物が多孔
   性物質からなることを特徴とする燃料電池。 １０、％許請求の範囲ｊ１１９項において、前記多孔性
   物質の孔の中に前記電極及び前配電解質体の構成材料の
   少なくとも一部が充填されていることを特徴とする燃料
   電池。 １１、特許請求の範囲第５項において、前記介在物と前
   記電極及び前記電解質体とが加熱圧着されて一体的に構
   成されていることを特徴とする燃料電池。