JP2002522882A - 溶融カーボネート燃料電池のための電極支持体及びガスディストリビュータ - Google Patents
溶融カーボネート燃料電池のための電極支持体及びガスディストリビュータInfo
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Abstract
(57)【要約】
陽極電極と、陰極電極と、前記陽極電極と前記陰極電極との間に配置された電解液マトリクスとを有する溶融カーボネート燃料電池。高い孔密度を有する網状フォーム材料からなる電極支持体は、電解液マトリクスから離れるように面し複数の孔を形成し、前記陽極電極及び前記陰極電極の少なくとも一方の電極面に配置されている。電解液が複数の孔の少なくとも一部に配置されており、最初に燃料電池を調整する間、少なくとも一部の電解液が電解液マトリクスに流れる。
Description
【0001】
本発明は、高価な従来の電極支持部品と置換され、現在、溶融カーボネート燃
料電池スタックに使用する際に廉価な平坦なプレートにリブを設けることで高価
になるセパレータプレートと置換することができるように設計された溶融したカ
ーボネート燃料電池に使用する電極支持体及びガスディストリビュータに関する
。複数の孔の少なくとも一部に電解液が配置され、その結果、電解液の少なくと
も一部は、最初の前記燃料電池の調整の間の前記電解液マトリクスに流れる。
料電池スタックに使用する際に廉価な平坦なプレートにリブを設けることで高価
になるセパレータプレートと置換することができるように設計された溶融したカ
ーボネート燃料電池に使用する電極支持体及びガスディストリビュータに関する
。複数の孔の少なくとも一部に電解液が配置され、その結果、電解液の少なくと
も一部は、最初の前記燃料電池の調整の間の前記電解液マトリクスに流れる。
【0002】
溶融カーボネート燃料電池は、電気を発生するコストを非常に減少する可能性
を有する。通常の用途において、バイーポーラ型誘電セパレータプレートによっ
て分離される複数の個々の燃料電池ユニットが積み重ねられ、所望の燃料電池エ
ネルギー出力を達成するために単一段ユニットに取り付けられる。各個々のセル
は、陽極電極と、陰極電極と、陽極と陰極との間に配置された電極と、燃料及び
オキシダントガス源とを含む。双方の燃料及びオキシダントガスは、燃料電池ス
タックに対して外側または内側のマニフォルドを通ってその各反応領域に導入さ
れる。
を有する。通常の用途において、バイーポーラ型誘電セパレータプレートによっ
て分離される複数の個々の燃料電池ユニットが積み重ねられ、所望の燃料電池エ
ネルギー出力を達成するために単一段ユニットに取り付けられる。各個々のセル
は、陽極電極と、陰極電極と、陽極と陰極との間に配置された電極と、燃料及び
オキシダントガス源とを含む。双方の燃料及びオキシダントガスは、燃料電池ス
タックに対して外側または内側のマニフォルドを通ってその各反応領域に導入さ
れる。
【0003】 しかしながら、溶融カーボネート燃料スタックは、種々の部品を含み、この種
々の部品は、材料及び製造コストの双方に関してそれぞれ高価であり、これによ
り、溶融カーボネート燃料電池発電所を製造する製造コスト全体、したがって、
電気コストを著しく増大する。溶融カーボネート燃料電池スタックの最も大きな
コスト部材の一つは、陽極支持体と電流コレクタとして使用される現在技術水準
の有孔ニッケルプレートによって表される。陽極支持体及び電流コレクタを省略
することによって、1キロワットについて336ドルの材料コストを低減するこ
とができる。陽極電流コレクタとして使用される現在の有孔ステンレススチール
プレートをなくすことは、さらに材料コストを低減する。
々の部品は、材料及び製造コストの双方に関してそれぞれ高価であり、これによ
り、溶融カーボネート燃料電池発電所を製造する製造コスト全体、したがって、
電気コストを著しく増大する。溶融カーボネート燃料電池スタックの最も大きな
コスト部材の一つは、陽極支持体と電流コレクタとして使用される現在技術水準
の有孔ニッケルプレートによって表される。陽極支持体及び電流コレクタを省略
することによって、1キロワットについて336ドルの材料コストを低減するこ
とができる。陽極電流コレクタとして使用される現在の有孔ステンレススチール
プレートをなくすことは、さらに材料コストを低減する。
【0004】 従来の溶融カーボネート燃料電池スタックにおいて、セパレータプレートは、
隣接した燃料電池ユニットを互いに分離することに加えて、各陽極及び陰極電極
に反応体ガスを分配するために使用される。この分配の課題を達成するために、
各電極に反応ガス流を分配する溝を形成するために分離プレートをリブ、または
波形にパターン化する。このようなセパレータプレートは、米国特許第4,963,44
2号及び米国特許第5,362,578号およびヨーロッパ公開特許第689258号に開示され
ている。しかしながら、現在のセパレートプレートも製造コストが高く、高価で
ある。
隣接した燃料電池ユニットを互いに分離することに加えて、各陽極及び陰極電極
に反応体ガスを分配するために使用される。この分配の課題を達成するために、
各電極に反応ガス流を分配する溝を形成するために分離プレートをリブ、または
波形にパターン化する。このようなセパレータプレートは、米国特許第4,963,44
2号及び米国特許第5,362,578号およびヨーロッパ公開特許第689258号に開示され
ている。しかしながら、現在のセパレートプレートも製造コストが高く、高価で
ある。
【0005】 これらの問題に対する解決は、高価で重い現在の有孔ニッケル及びステンレス
スチール支持プレート/電流コレクタの代わりになる電極支持体を使用すること
である。Kuanに付与された米国特許H16は、陽極、電極を含むガス透過可能なマ
トリクス及び陰極を有する燃料電池を開示する。これらの3つの基礎な部品は、
スタックに配置され、ガス透過可能な導電性セパレータプレートによって隣接す
る燃料電池から分離されている。この電極は、多孔性プラクを有し、各々が電極
マトリクスに隣接した内側の主な表面部分に配置された触媒材料の含浸層を有す
る。多孔性プラクの外側部分は、触媒がなく、それによって反応ガスが入ること
及び排出とが可能になる。
スチール支持プレート/電流コレクタの代わりになる電極支持体を使用すること
である。Kuanに付与された米国特許H16は、陽極、電極を含むガス透過可能なマ
トリクス及び陰極を有する燃料電池を開示する。これらの3つの基礎な部品は、
スタックに配置され、ガス透過可能な導電性セパレータプレートによって隣接す
る燃料電池から分離されている。この電極は、多孔性プラクを有し、各々が電極
マトリクスに隣接した内側の主な表面部分に配置された触媒材料の含浸層を有す
る。多孔性プラクの外側部分は、触媒がなく、それによって反応ガスが入ること
及び排出とが可能になる。
【0006】 電極の一方または双方で溶融したカーボネート燃料電池を作動するために必要
な電極の一部を収納することは知られており、燃料電池の最初のヒートアップ調
整の間、電極の電解液が溶け、電極間に配置された電解液マトリクスに流れる。
しかしながら、燃料電池の動作中、移動すべきカーボネートイオンに必要な距離
を最小限にするために燃料電池で可能な薄い電極として使用することが望ましい
。その結果、電極は、電極マトリクスを完全に充填するように十分な量の電極を
収納することができない。
な電極の一部を収納することは知られており、燃料電池の最初のヒートアップ調
整の間、電極の電解液が溶け、電極間に配置された電解液マトリクスに流れる。
しかしながら、燃料電池の動作中、移動すべきカーボネートイオンに必要な距離
を最小限にするために燃料電池で可能な薄い電極として使用することが望ましい
。その結果、電極は、電極マトリクスを完全に充填するように十分な量の電極を
収納することができない。
【0007】 燃料電池スタックに関する他の問題は、スタックの収縮であり、これは最初の
ヒートアアップの間に電極を電極マトリクスに提供するために使用されるカーボ
ネートテープが溶解することによって生じる。これは、大きな燃料電池スタック
に関して特に問題になる。したがって、最初のヒートアップ調整の間に燃料電池
スタックの収縮から生じる問題を克服する方法で電極マトリクスに電解液を供給
する手段を提供することが望ましい。
ヒートアアップの間に電極を電極マトリクスに提供するために使用されるカーボ
ネートテープが溶解することによって生じる。これは、大きな燃料電池スタック
に関して特に問題になる。したがって、最初のヒートアップ調整の間に燃料電池
スタックの収縮から生じる問題を克服する方法で電極マトリクスに電解液を供給
する手段を提供することが望ましい。
【0008】
したがって、本発明の1つの目的は、高価なリブまたは波形プレートを備えた
従来の燃料電池の要求をなくす溶融カーボネート燃料電池の電極支持体を提供す
ることである。
従来の燃料電池の要求をなくす溶融カーボネート燃料電池の電極支持体を提供す
ることである。
【0009】 本発明の他の目的は、各電極に対する反応ガス配分の機能を提供する溶融カー
ボネート燃料電池の電極支持体を提供することである。
ボネート燃料電池の電極支持体を提供することである。
【0010】 本発明の他の目的は、溶融カーボネート燃料電池スタックの最も大きなコスト
部材、主に、陽極支持体として使用される現在の技術水準の有孔ニッケルプレー
ト、及び電流コレクタ及び陰極電流コレクタとして使用される現在技術のステン
レススチールプレートをなくす溶融カーボネート燃料電池の電極支持体を提供す
ることである。
部材、主に、陽極支持体として使用される現在の技術水準の有孔ニッケルプレー
ト、及び電流コレクタ及び陰極電流コレクタとして使用される現在技術のステン
レススチールプレートをなくす溶融カーボネート燃料電池の電極支持体を提供す
ることである。
【0011】 本発明の他の目的は、最初のヒートアップ調整の間燃料電池の電極マトリクス
に電解液を供給することができる溶融したカーボネート燃料電池の電極支持体を
提供することである。
に電解液を供給することができる溶融したカーボネート燃料電池の電極支持体を
提供することである。
【0012】
本発明のこれら及び他の目的は、陽極電極と、陰極電極と、複数の孔を形成し
、前記陽極電極及び前記陰極電極の少なくとも一方の電極面(側)に配置された
高い孔密度を有する網状フォーム材料からなる、本発明の電極支持体によって、
前記陽極電極と前記陰極電極との間に配置された電解液マトリクスと、を有する
溶融カーボネート燃料電池によって達成される。
、前記陽極電極及び前記陰極電極の少なくとも一方の電極面(側)に配置された
高い孔密度を有する網状フォーム材料からなる、本発明の電極支持体によって、
前記陽極電極と前記陰極電極との間に配置された電解液マトリクスと、を有する
溶融カーボネート燃料電池によって達成される。
【0013】 本発明の電極支持体は、現在の技術において高価で重い有孔ニッケル及びステ
ンレススチール支持体プレート/電流コレクタに代わる高価で、軽量で、丈夫な
代替物である。本発明の電極支持体は、大きな多孔性、または非常に薄い材料か
ら製造されるので、現在の技術の陽極及び陰極電流コレクタの重量の約6%ない
し約25%である。本発明の電極支持体は、薄いプレートとしてまたは波形構造
のいずれかに形成される。使用される構造とは無関係に、本発明の電極支持体は
、通常の溶融カーボネート燃料電池に使用される圧縮力に耐えることができる。
さらに、電極支持体の各々は、非常に低圧のガスディストリビュータとして作用
するので、現在のリブが形成されたセパレータプレートを非常に薄い平坦なシー
ト金属プレートで置換し、それによって、大きく燃料電池製造コストを低減する
ことができる。本発明の電極支持体は、多孔性の網状フォーム材料で製造され、
また本発明の好ましい実施形態において、及び、有孔性または伸長した金属フォ
イル及びスロットが形成された金属からつくられた波形支持体からの他の実施形
態によって製造される。
ンレススチール支持体プレート/電流コレクタに代わる高価で、軽量で、丈夫な
代替物である。本発明の電極支持体は、大きな多孔性、または非常に薄い材料か
ら製造されるので、現在の技術の陽極及び陰極電流コレクタの重量の約6%ない
し約25%である。本発明の電極支持体は、薄いプレートとしてまたは波形構造
のいずれかに形成される。使用される構造とは無関係に、本発明の電極支持体は
、通常の溶融カーボネート燃料電池に使用される圧縮力に耐えることができる。
さらに、電極支持体の各々は、非常に低圧のガスディストリビュータとして作用
するので、現在のリブが形成されたセパレータプレートを非常に薄い平坦なシー
ト金属プレートで置換し、それによって、大きく燃料電池製造コストを低減する
ことができる。本発明の電極支持体は、多孔性の網状フォーム材料で製造され、
また本発明の好ましい実施形態において、及び、有孔性または伸長した金属フォ
イル及びスロットが形成された金属からつくられた波形支持体からの他の実施形
態によって製造される。
【0014】
以下、本発明の実施の形態を図面を参照して説明する。 図1は、本発明の1つの実施の形態による溶融カーボネート燃料電池の多孔性
フォーム金属電極支持体/ガスディストリビュータを用いた燃料電池スタックの
一部を示す図である。これらの多孔性材料は、完全に焼結された開放セル網状フ
ォーム状構造である。これらの材料は、金属またはセラミックコーティングが塗
布される網状相互接続ウエブ先駆物質から製造される。熱処理の間、先駆物質は
除去され、焼結されたコーティングは剛性の構造に残る。金属またはセラミクフ
ォーム材料は、約3%ないし約8.5%(約9%ないし約15%の)孔密度が好
ましく、極端に軽い。それは、通常シート金属の重量の約1/10ないし約1/2
0であり、同じ寸法の無孔形状のものと比較するときその表面積の1500倍の
非常に大きい表面積を有する。
フォーム金属電極支持体/ガスディストリビュータを用いた燃料電池スタックの
一部を示す図である。これらの多孔性材料は、完全に焼結された開放セル網状フ
ォーム状構造である。これらの材料は、金属またはセラミックコーティングが塗
布される網状相互接続ウエブ先駆物質から製造される。熱処理の間、先駆物質は
除去され、焼結されたコーティングは剛性の構造に残る。金属またはセラミクフ
ォーム材料は、約3%ないし約8.5%(約9%ないし約15%の)孔密度が好
ましく、極端に軽い。それは、通常シート金属の重量の約1/10ないし約1/2
0であり、同じ寸法の無孔形状のものと比較するときその表面積の1500倍の
非常に大きい表面積を有する。
【0015】 本発明の電極支持体の高い孔密度の網状フォーム材料は、通常ニッケルまたは
316型のステンレススチールである。しかしながら、これらの金属構造をつく
るために他の金属または種々の比における金属に組み合わせも使用される。本発
明の1つの好ましい実施形態によれば、高い孔密度の網状フォーム材料は、金属
及び網状の相互に接続されたウエブ先駆物質を除去するために加熱されるセラミ
ック材料の一方でコートされた網状/相互接続ウエブ先駆物質からつくられる。
316型のステンレススチールである。しかしながら、これらの金属構造をつく
るために他の金属または種々の比における金属に組み合わせも使用される。本発
明の1つの好ましい実施形態によれば、高い孔密度の網状フォーム材料は、金属
及び網状の相互に接続されたウエブ先駆物質を除去するために加熱されるセラミ
ック材料の一方でコートされた網状/相互接続ウエブ先駆物質からつくられる。
【0016】 本発明の他の実施形態によれば、高密度網状フォーム材料は、ニッケル、31
6型ステンレススチール、304型ステンレススチール、316型Tiステンレ
ススチール、ニッケルクロミウム、ニッケルアルミニウム、銅、及びその混合物
からなるグループから選択された金属及び金属合金の一方からなる。本発明の 他の実施形態によれば、高い高密度の網状フォーム材料は、インディアナ州ココ
モのヘインズインタナショナル社から市販されているHASTELLOY-X及びHASTELLOY
C-22及びウエストバージニア州のハンチントンのINCO合金インターナショナル社
から市販されているINCOLLOY718及びINCCOLLY625のような少なくとも1つの超合
金から製造される。
6型ステンレススチール、304型ステンレススチール、316型Tiステンレ
ススチール、ニッケルクロミウム、ニッケルアルミニウム、銅、及びその混合物
からなるグループから選択された金属及び金属合金の一方からなる。本発明の 他の実施形態によれば、高い高密度の網状フォーム材料は、インディアナ州ココ
モのヘインズインタナショナル社から市販されているHASTELLOY-X及びHASTELLOY
C-22及びウエストバージニア州のハンチントンのINCO合金インターナショナル社
から市販されているINCOLLOY718及びINCCOLLY625のような少なくとも1つの超合
金から製造される。
【0017】 図1に示された多孔性フォーム金属電極支持体は、平坦なプレートまたはスラ
ブである。しかしながら、成形金属製造方法の制限内で所望の寸法または形状を
使用することは当業者にとって明らかである。本発明の電極支持体をつくるため
に使用されるフォーム金属材料は、内側のマニフォルド(組み合わされた流れ)
をつくるために、または燃料電池の隣接する電極上にガスの分配を促進するよう
に、また電池の外側にガスが流れないように多孔性本体内で高密度の勾配をつく
り、それによって、ガスバリヤとして作用することを含む構成とすることができ
る。多孔性本体の高密度の部分は、望ましくない成分を移動するか、または所望
の成分の移動を防止するために異なるバリヤとして作用することができる。また
、異なる構成は、互いにまたは他の構造に対して多孔性本体を拡散結合すること
によって得ることができる。これは、導電性を向上することができる。本発明の
1つの好ましい実施形態によれば、多孔性フォーム電極支持体は、高い高密度の
網状フォーム材料に配置された触媒材料を有する。この触媒材料は、燃料電池の
燃料の内部改良を促進する型式である。溶融したカーボネート燃料電池における
従来の直接的な内部改良は、リブが形成されたセパレータプレートのリブの間の
通路に改良触媒を広げることによって達成される。触媒及び/又は触媒基板とし
て本発明の多孔性フォーム電極支持体を使用することは、熱伝達を増大し、圧力
低下を低減し、メタンの変換を増大させ、装置の効率を改良する。触媒材料は、
Ni,Mg,Al,Ce,Li,Zr,Pt,Pd,Phのような成分または、直接及び間接の内部改良の
双方において炭化水素リフォーミング反応のような溶融カーボネート燃料電池で
有効な触媒作用を及ぼすのに適した他の金属及び金属成分を含む。この発明の1
つの実施の形態によれば、触媒は、使用される触媒の量及び所望の反応性に依存
して触媒作用が得られるように多孔性金属に非均一に適用される。
ブである。しかしながら、成形金属製造方法の制限内で所望の寸法または形状を
使用することは当業者にとって明らかである。本発明の電極支持体をつくるため
に使用されるフォーム金属材料は、内側のマニフォルド(組み合わされた流れ)
をつくるために、または燃料電池の隣接する電極上にガスの分配を促進するよう
に、また電池の外側にガスが流れないように多孔性本体内で高密度の勾配をつく
り、それによって、ガスバリヤとして作用することを含む構成とすることができ
る。多孔性本体の高密度の部分は、望ましくない成分を移動するか、または所望
の成分の移動を防止するために異なるバリヤとして作用することができる。また
、異なる構成は、互いにまたは他の構造に対して多孔性本体を拡散結合すること
によって得ることができる。これは、導電性を向上することができる。本発明の
1つの好ましい実施形態によれば、多孔性フォーム電極支持体は、高い高密度の
網状フォーム材料に配置された触媒材料を有する。この触媒材料は、燃料電池の
燃料の内部改良を促進する型式である。溶融したカーボネート燃料電池における
従来の直接的な内部改良は、リブが形成されたセパレータプレートのリブの間の
通路に改良触媒を広げることによって達成される。触媒及び/又は触媒基板とし
て本発明の多孔性フォーム電極支持体を使用することは、熱伝達を増大し、圧力
低下を低減し、メタンの変換を増大させ、装置の効率を改良する。触媒材料は、
Ni,Mg,Al,Ce,Li,Zr,Pt,Pd,Phのような成分または、直接及び間接の内部改良の
双方において炭化水素リフォーミング反応のような溶融カーボネート燃料電池で
有効な触媒作用を及ぼすのに適した他の金属及び金属成分を含む。この発明の1
つの実施の形態によれば、触媒は、使用される触媒の量及び所望の反応性に依存
して触媒作用が得られるように多孔性金属に非均一に適用される。
【0018】 この場合において、多孔性フォーム電極支持体の圧縮、剪断、引っ張り強度を
増大するために、多孔性金属フォームを強化することが望ましい。本発明の1つ
の実施の形態によれば、多孔性金属フォームは、酸素分散強化合金からつくられ
る。特に好ましいのは、Ni,Al,Cr,Ti及びWである。
増大するために、多孔性金属フォームを強化することが望ましい。本発明の1つ
の実施の形態によれば、多孔性金属フォームは、酸素分散強化合金からつくられ
る。特に好ましいのは、Ni,Al,Cr,Ti及びWである。
【0019】 本発明の他の実施形態によれば、中実の金属ワイヤまたはストリップまたはセ
ラミックファイバは、製造中に多孔性金属フォームに移植される、この型式の構
造は、多孔性金属フォーム構造を形成している電池がつぶれることを防止する。
ワイヤの厚さは、個々の電池の寸法を保持するためにスペーサとして作用するよ
うに選択することができる。
ラミックファイバは、製造中に多孔性金属フォームに移植される、この型式の構
造は、多孔性金属フォーム構造を形成している電池がつぶれることを防止する。
ワイヤの厚さは、個々の電池の寸法を保持するためにスペーサとして作用するよ
うに選択することができる。
【0020】 本発明の他の実施形態によれば、高温にさらされる前に、ニッケルまたは他の
金属粉末を含むスラリが狭いリブ、バンドまたは小さい丸い領域として多孔性金
属フォームに適用され、それによって構造的な圧縮強度及び上述したような中実
ワイヤまたは金属ストリップから得られるものと同様の効果を提供する高密度の
金属の選択された領域(柱状またはリブ状構造)をつくる。
金属粉末を含むスラリが狭いリブ、バンドまたは小さい丸い領域として多孔性金
属フォームに適用され、それによって構造的な圧縮強度及び上述したような中実
ワイヤまたは金属ストリップから得られるものと同様の効果を提供する高密度の
金属の選択された領域(柱状またはリブ状構造)をつくる。
【0021】 本発明の特に好ましい実施形態によれば、本発明の電極支持/ガスディストリ
ビュータを有する多孔性金属フォーム内には、溶融カーボネート燃料電池の動作
に必要なカーボネート電解液の少なくとも一部が収納されている。電極テーパは
現在、陽極及び陰極電極及び燃料電池のマトリクスを含浸するために必要なカー
ボネート電解液を収納する溶融カーボネート燃料電池スタック技術に使用されて
いる。しかしながら、溶融カーボネート燃料電池において、スタックが調整され
、カーボネートテープが溶融するとき、非常に望ましくない制御不可能なスタッ
クの移動とともに非均一なスタック収縮が生じる。多孔性金属フォームに必要と
されるカーボネート電解液を収納することによって、溶融燃料電池スタックのカ
ーボネートテープが省略される。さらに追加の利点は、適当なカーボネートが金
属フォームに収容され、それによって、電池/スタック動作中にカーボネートを
外部から追加する必要なくスタックの長期間の動作を保証する。溶融カーボネー
ト燃料電池の電極に電解液を収納することは知られているが、この電解液は、燃
料電池のヒートアップの間、電界マトリクスに吸収され、電極は、それらの厚さ
によって電極は電解液マトリクスを完全に充填するために十分な量の電解液を収
容することができない。この目的のために厚い電極は望ましくない。なぜならば
、それらは、燃料電池の動作中にカーボネートイオンのために大きな距離を必要
とするからである。
ビュータを有する多孔性金属フォーム内には、溶融カーボネート燃料電池の動作
に必要なカーボネート電解液の少なくとも一部が収納されている。電極テーパは
現在、陽極及び陰極電極及び燃料電池のマトリクスを含浸するために必要なカー
ボネート電解液を収納する溶融カーボネート燃料電池スタック技術に使用されて
いる。しかしながら、溶融カーボネート燃料電池において、スタックが調整され
、カーボネートテープが溶融するとき、非常に望ましくない制御不可能なスタッ
クの移動とともに非均一なスタック収縮が生じる。多孔性金属フォームに必要と
されるカーボネート電解液を収納することによって、溶融燃料電池スタックのカ
ーボネートテープが省略される。さらに追加の利点は、適当なカーボネートが金
属フォームに収容され、それによって、電池/スタック動作中にカーボネートを
外部から追加する必要なくスタックの長期間の動作を保証する。溶融カーボネー
ト燃料電池の電極に電解液を収納することは知られているが、この電解液は、燃
料電池のヒートアップの間、電界マトリクスに吸収され、電極は、それらの厚さ
によって電極は電解液マトリクスを完全に充填するために十分な量の電解液を収
容することができない。この目的のために厚い電極は望ましくない。なぜならば
、それらは、燃料電池の動作中にカーボネートイオンのために大きな距離を必要
とするからである。
【0022】 本発明による多孔性フォーム金属電極支持体の適用は、2つのベンチ寸法の溶
融カーボネート燃料電池において実行された。双方の電池はリチウム/カリウム
カーボネート電極、及び現在の技術水準のマトリクスを使用して組み立てられた
。それらは、容積で60%の水素、20%の二酸化炭素、20%の蒸気及び29
%の二酸化炭素を含むオキシダントガス、68%の空気、2%の蒸気を含む燃料
ガスで650℃及び大気圧で作動された。第1の電池において、厚さが0.34
cm(0.133インチ)の10.16cm(4インチ)平方の93%の多孔性
ニッケルフォーム金属が、陽極電流コレクタのような平坦な有孔ニッケルシート
と、ガスディストリビュータとして陽極フランジのリブと置換された。現在の技
術水準のステンレススチール電流コレクタ及びリブが形成されたフランジは、陰
極側で使用された。図4に示されるように、燃料電池は、全体で2037時間にわた
って現在の技術水準を示した。
融カーボネート燃料電池において実行された。双方の電池はリチウム/カリウム
カーボネート電極、及び現在の技術水準のマトリクスを使用して組み立てられた
。それらは、容積で60%の水素、20%の二酸化炭素、20%の蒸気及び29
%の二酸化炭素を含むオキシダントガス、68%の空気、2%の蒸気を含む燃料
ガスで650℃及び大気圧で作動された。第1の電池において、厚さが0.34
cm(0.133インチ)の10.16cm(4インチ)平方の93%の多孔性
ニッケルフォーム金属が、陽極電流コレクタのような平坦な有孔ニッケルシート
と、ガスディストリビュータとして陽極フランジのリブと置換された。現在の技
術水準のステンレススチール電流コレクタ及びリブが形成されたフランジは、陰
極側で使用された。図4に示されるように、燃料電池は、全体で2037時間にわた
って現在の技術水準を示した。
【0023】 第2の電池において、厚さが0.34cm(0.132)インチの2つの10
.16cm(4インチ)平方の多孔性ニッケル及び93%の多孔性タイプ316
のステンレススチール金属シートが平坦な有効性シートニッケル陽極電流コレク
タ及びタイプ316ステンレススチール陰極電流コレクタと交換できる。この多
孔性金属支持部材は、陽極及び陰極フランジの双方においてガスディストリビュ
ータとしてリブと置換される。図5に示すように、この電池は、第1の電池に使
用された同一の利用で全部で1320時間にわたって作動した。この電池の大き
な電池性能崩壊率は、多孔性金属陽極電極支持体の導電性の損失によって推量さ
れる。タイプ316のステンレススチール多孔性金属陰極支持体をめっきするか
、異なる、さらに大きな耐食性を有るか、低い多孔性金属を使用することによっ
てこの導電性損失を緩和することができる。それにもかかわらず、データは、双
方の電流コレクタをなくすか、本発明による多孔性金属電極支持体に置換するこ
とによって燃料電池のパッケージのコストを低下させる可能性をはっきりと示し
ている。
.16cm(4インチ)平方の多孔性ニッケル及び93%の多孔性タイプ316
のステンレススチール金属シートが平坦な有効性シートニッケル陽極電流コレク
タ及びタイプ316ステンレススチール陰極電流コレクタと交換できる。この多
孔性金属支持部材は、陽極及び陰極フランジの双方においてガスディストリビュ
ータとしてリブと置換される。図5に示すように、この電池は、第1の電池に使
用された同一の利用で全部で1320時間にわたって作動した。この電池の大き
な電池性能崩壊率は、多孔性金属陽極電極支持体の導電性の損失によって推量さ
れる。タイプ316のステンレススチール多孔性金属陰極支持体をめっきするか
、異なる、さらに大きな耐食性を有るか、低い多孔性金属を使用することによっ
てこの導電性損失を緩和することができる。それにもかかわらず、データは、双
方の電流コレクタをなくすか、本発明による多孔性金属電極支持体に置換するこ
とによって燃料電池のパッケージのコストを低下させる可能性をはっきりと示し
ている。
【0024】 図2は、本発明の1つの 実施形態による溶融カーボネート燃料電池に使用す
るために適当な波形多孔性金属電極支持体/ガスディストリビュータを表してい
る。溶融カーボネート燃料電池のこの技術分野の陽極及び陰極電流コレクタと置
換されるこれらの支持体は、厚さが約0.13cm(0.005インチ)から約
0.025cm(0.010インチ)、0.33cm(約0.013インチ)の
寸法の穴を有する有孔または拡張金属フォイルから製造され、少なくとも30%
、好ましくは約30−60%の開放面積を提供する。有孔または拡張金属フォイ
ルは、従来の溶融カーボネート燃料電池に使用されるセパレータプレートと同様
のピッチ及び深さをリブが形成された形状を与えるように波形に形成されている
。これらの支持体を製造するために使用されるフォイルの厚さによって、それら
の重量は、溶融カービネート燃料電池に使用されるこの現在の技術水準のニッケ
ル及び燃料支持体プレート/電流コレクタの重量より小さくなる。
るために適当な波形多孔性金属電極支持体/ガスディストリビュータを表してい
る。溶融カーボネート燃料電池のこの技術分野の陽極及び陰極電流コレクタと置
換されるこれらの支持体は、厚さが約0.13cm(0.005インチ)から約
0.025cm(0.010インチ)、0.33cm(約0.013インチ)の
寸法の穴を有する有孔または拡張金属フォイルから製造され、少なくとも30%
、好ましくは約30−60%の開放面積を提供する。有孔または拡張金属フォイ
ルは、従来の溶融カーボネート燃料電池に使用されるセパレータプレートと同様
のピッチ及び深さをリブが形成された形状を与えるように波形に形成されている
。これらの支持体を製造するために使用されるフォイルの厚さによって、それら
の重量は、溶融カービネート燃料電池に使用されるこの現在の技術水準のニッケ
ル及び燃料支持体プレート/電流コレクタの重量より小さくなる。
【0025】 波形/有孔金属陽極電極支持体の用途は、2つのベンチスケールの寸法の溶融
カーボネート燃料電池において示されている。双方の電池は、リチウム/カリウ
ムカーボネート電解液及び現在の技術の電解液マトリックスを使用して組み立て
られた。現在の技術の水準のステンレススチールの電流コレクタは、各試験にお
いて陰極を支持するために使用された。この電池は、容積で60%の水素、20
%の二酸化炭素、20%の蒸気を含む燃料ガス及び29%の二酸化炭素、68%
の空気、2%の蒸気を含むオキシダントガスで650℃及び大気圧で作動された
。
カーボネート燃料電池において示されている。双方の電池は、リチウム/カリウ
ムカーボネート電解液及び現在の技術の電解液マトリックスを使用して組み立て
られた。現在の技術の水準のステンレススチールの電流コレクタは、各試験にお
いて陰極を支持するために使用された。この電池は、容積で60%の水素、20
%の二酸化炭素、20%の蒸気を含む燃料ガス及び29%の二酸化炭素、68%
の空気、2%の蒸気を含むオキシダントガスで650℃及び大気圧で作動された
。
【0026】 第1の電池の試験において、リブからリブへの距離が0.28cm(0.11
3インチ)、深さが0.14cm(0.055インチ)、厚さが0.025cm
(0.010インチ)の10.16cm(4インチ)平方の波形有孔304ステ
ンレススチールフォイルが、陰極の電流コレクタとして従来の平坦な有孔ニッケ
ルシートと置換された。図6に示すようにこの電池は、全体で600時間にわた
ってこの技術性能を示した。
3インチ)、深さが0.14cm(0.055インチ)、厚さが0.025cm
(0.010インチ)の10.16cm(4インチ)平方の波形有孔304ステ
ンレススチールフォイルが、陰極の電流コレクタとして従来の平坦な有孔ニッケ
ルシートと置換された。図6に示すようにこの電池は、全体で600時間にわた
ってこの技術性能を示した。
【0027】 第2の電池テストにおいて、リブからリブへの距離が 0.46cm(0.1
180インチ)と0.007cm(0.050インチ)の深さの10.16cm
(4インチ)平方の0.025cm(0.010インチ)の厚さの波形有孔30
4ステンレススチールフォイルは、陰極の電流コレクタとして従来の平坦な有孔
ニッケルシートと置換された。図6に示すようにこの電池は、全体で1008時
間にわたってこの技術性能を示した。
180インチ)と0.007cm(0.050インチ)の深さの10.16cm
(4インチ)平方の0.025cm(0.010インチ)の厚さの波形有孔30
4ステンレススチールフォイルは、陰極の電流コレクタとして従来の平坦な有孔
ニッケルシートと置換された。図6に示すようにこの電池は、全体で1008時
間にわたってこの技術性能を示した。
【0028】 図3は、本発明の1つの実施形態による溶融カーボネート燃料電池のスロット
が形成された陽極電極支持体/ガスデストリビュータを表す図である。スロット
が形成された図3に示す金属陽極電極支持体/ガスディストリビュータの適用は
、2つのベンチスケールの寸法の溶融カーボネート燃料電池に示されている。第
1の電池は、リチウム/ナトリウムカーボネート電解液を用いて組立られ、第2
の電池は、リチウムカリウム電解液を用いて組み立てられ、その双方の電池は、
陰極と現在の技術の電解液のマトリクスを支持するために現在の技術水準のステ
ンレススチール陰極電流コレクタを使用した。双方の電池は、最初650℃の大
気圧で作動し、その後圧力が3気圧に増大した。双方の電池は、試験時間を通し
て容量で60%の水素、15%の二酸化炭素、25%の蒸気を含む燃料ガスで作
動した。1気圧の作動圧でのオキシダントガスは、29.4%の二酸化炭素、5
4%の窒素、14.3%の酸素、及び2.3%の蒸気及び3気圧の作動圧で8%
の二酸化炭素、59%の窒素、8%の酸素及び25%の蒸気を含む。図8及び図
9に示すように、燃料及びオキシダントの利用は、2つの電池で異なる。第1の
電池試験においては、リブからリブへの距離が0.38cm(0.150インチ
)、リブの幅が0.09cm(0.036インチ)、厚さが0.13cm(0.
050インチ)の10.16cm(4インチ)平方の310ステンレススチール
性のスロットが形成された金属支持ガスディストリビュータは、陽極電流コレク
タとしての従来の平坦な有孔ニッケルシートと置換された。図8に示すようにこ
の電池は、全体で3432時間にわたってこの技術性能を示した。
が形成された陽極電極支持体/ガスデストリビュータを表す図である。スロット
が形成された図3に示す金属陽極電極支持体/ガスディストリビュータの適用は
、2つのベンチスケールの寸法の溶融カーボネート燃料電池に示されている。第
1の電池は、リチウム/ナトリウムカーボネート電解液を用いて組立られ、第2
の電池は、リチウムカリウム電解液を用いて組み立てられ、その双方の電池は、
陰極と現在の技術の電解液のマトリクスを支持するために現在の技術水準のステ
ンレススチール陰極電流コレクタを使用した。双方の電池は、最初650℃の大
気圧で作動し、その後圧力が3気圧に増大した。双方の電池は、試験時間を通し
て容量で60%の水素、15%の二酸化炭素、25%の蒸気を含む燃料ガスで作
動した。1気圧の作動圧でのオキシダントガスは、29.4%の二酸化炭素、5
4%の窒素、14.3%の酸素、及び2.3%の蒸気及び3気圧の作動圧で8%
の二酸化炭素、59%の窒素、8%の酸素及び25%の蒸気を含む。図8及び図
9に示すように、燃料及びオキシダントの利用は、2つの電池で異なる。第1の
電池試験においては、リブからリブへの距離が0.38cm(0.150インチ
)、リブの幅が0.09cm(0.036インチ)、厚さが0.13cm(0.
050インチ)の10.16cm(4インチ)平方の310ステンレススチール
性のスロットが形成された金属支持ガスディストリビュータは、陽極電流コレク
タとしての従来の平坦な有孔ニッケルシートと置換された。図8に示すようにこ
の電池は、全体で3432時間にわたってこの技術性能を示した。
【0029】 第2の電池のテストにおいて、耐食のためにNi、Ni−Pd及びAu(フラ
ッシュコート)の3層のコートでめっきされた310ステンレススチール製のス
ロットが形成された金属支持/ガスディストリビュータは、陽極電流コレクタと
して従来の平坦な有孔ニッケルシートと交換された。スロットが形成された金属
支持体の寸法は、第1の試験とものと同様である。図9に示すようにこの電池は
現在の性能において2712時間にわたって作動した。
ッシュコート)の3層のコートでめっきされた310ステンレススチール製のス
ロットが形成された金属支持/ガスディストリビュータは、陽極電流コレクタと
して従来の平坦な有孔ニッケルシートと交換された。スロットが形成された金属
支持体の寸法は、第1の試験とものと同様である。図9に示すようにこの電池は
現在の性能において2712時間にわたって作動した。
【0030】 図10は、本発明の1つの実施の形態による平坦な多孔性金属電極支持体を使
用する溶融カーボネート年燃料電池スタックの一部の分解図である。燃料電池ス
タックは、陽極電極12と陰極電極14との間に挟まれた電解液マトリクス13
を有する。電解液マトリクス13から離れた陽極電極12の側に陽極電極支持体
11が配置されている。電解液マトリクス13から離れた陰極電極14の側には
陰極電極支持/ガスディストリビュータ15が配置されている。平坦なセパレー
タプレート10は、隣接する燃料電池ユニットから電解液マトリクス13の燃料
電池ユニット、電極12,14及び電極支持/ガスディストリビュータ11,1
5の燃料ユニットを分離する。本発明の1つの実施形態によれば、電極支持部の
存在によって、セパレートプレート10は、平坦なプレートとして示され、燃料
電池スタックへのガスディストリビューションが電極支持体/ガスディストリビ
ュータ11及び15を通して設けられている。
用する溶融カーボネート年燃料電池スタックの一部の分解図である。燃料電池ス
タックは、陽極電極12と陰極電極14との間に挟まれた電解液マトリクス13
を有する。電解液マトリクス13から離れた陽極電極12の側に陽極電極支持体
11が配置されている。電解液マトリクス13から離れた陰極電極14の側には
陰極電極支持/ガスディストリビュータ15が配置されている。平坦なセパレー
タプレート10は、隣接する燃料電池ユニットから電解液マトリクス13の燃料
電池ユニット、電極12,14及び電極支持/ガスディストリビュータ11,1
5の燃料ユニットを分離する。本発明の1つの実施形態によれば、電極支持部の
存在によって、セパレートプレート10は、平坦なプレートとして示され、燃料
電池スタックへのガスディストリビューションが電極支持体/ガスディストリビ
ュータ11及び15を通して設けられている。
【0031】 本発明をその好ましい実施形態に関して説明したが、これらの詳細は、説明を
目的とするものであり、当業者は他の実施形態が可能であり、詳細は本発明の基
礎的な原理から逸脱せずに変化することは理解できよう。
目的とするものであり、当業者は他の実施形態が可能であり、詳細は本発明の基
礎的な原理から逸脱せずに変化することは理解できよう。
【図1】 本発明の1つの実施形態による多孔性フォーム金属電極支持体及びガスディス
トリビュータの斜視図である。
トリビュータの斜視図である。
【図2】 本発明の1つの実施形態による多孔性、拡張金属波形電極支持体及びガスディ
ストリビュータの斜視図である。
ストリビュータの斜視図である。
【図3】 本発明の1つの実施形態によるスロットが形成された電極支持体及びガスディ
ストリビュータの斜視図である。
ストリビュータの斜視図である。
【図4】 多孔性フォーム金属陽極電極支持体及びガスディストリビュータを使用した溶
融カーボネート燃料電池試験のライフプロットのグラフである。
融カーボネート燃料電池試験のライフプロットのグラフである。
【図5】 多孔性フォーム金属陽極及び陰極電極支持体及びガスディストリビュータを使
用した溶融カーボネート燃料電池試験のライフプロットを示す図である。
用した溶融カーボネート燃料電池試験のライフプロットを示す図である。
【図6】 波形/有孔金属フォイル陽極電極支持体及びガスディストリビュータを使用し
た溶融カーボネート燃料電池試験のライププロットを示す図である。
た溶融カーボネート燃料電池試験のライププロットを示す図である。
【図7】 波形拡張ニッケル金属フォイル陽極電極支持体及びガスディストリビュータを
用いた溶融カーボネイト燃料電池試験のライフプロットを示す図である。
用いた溶融カーボネイト燃料電池試験のライフプロットを示す図である。
【図8】 スロットが形成された金属シート陽極電極支持体及びガスディストリビュータ
を用いた溶融カーボネイト燃料電池試験のライフプロットを示す図である。
を用いた溶融カーボネイト燃料電池試験のライフプロットを示す図である。
【図9】 スロットが形成された金属シート陽極電極支持体及びガスディストリビュータ
を用いた溶融カーボネイト燃料電池試験のライフプロットを示す図である。
を用いた溶融カーボネイト燃料電池試験のライフプロットを示す図である。
【図10】 スロットが形成された金属シート陽極電極支持体及びガスディストリビュータ
を用いた溶融カーボネイト燃料電池試験のライフプロットを示す図である。
を用いた溶融カーボネイト燃料電池試験のライフプロットを示す図である。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (81)指定国 EP(AT,BE,CH,CY, DE,DK,ES,FI,FR,GB,GR,IE,I T,LU,MC,NL,PT,SE),OA(BF,BJ ,CF,CG,CI,CM,GA,GN,GW,ML, MR,NE,SN,TD,TG),AP(GH,GM,K E,LS,MW,SD,SL,SZ,UG,ZW),E A(AM,AZ,BY,KG,KZ,MD,RU,TJ ,TM),AE,AL,AM,AT,AU,AZ,BA ,BB,BG,BR,BY,CA,CH,CN,CU, CZ,DE,DK,EE,ES,FI,GB,GD,G E,GH,GM,HR,HU,ID,IL,IN,IS ,JP,KE,KG,KP,KR,KZ,LC,LK, LR,LS,LT,LU,LV,MD,MG,MK,M N,MW,MX,NO,NZ,PL,PT,RO,RU ,SD,SE,SG,SI,SK,SL,TJ,TM, TR,TT,UA,UG,UZ,VN,YU,ZA,Z W (72)発明者 レオナルド、ジー.マリアノフスキー アメリカ合衆国イリノイ州、マウント、プ ロスペクト、サウス、エルムハースト、ロ ード、507 Fターム(参考) 5H026 AA05 BB00 BB01 BB04 BB08 CV10 EE02 EE08 HH04
Claims (17)
- 【請求項1】 陽極電極12と、陰極電極14と、前記陽極電極と前記陰極電極との間に配置
された電解液マトリクス13とを有する溶融カーボネート燃料電池において、 前記電解液マトリクスから離れるように面し複数の孔を形成し、前記陽極電極
及び前記陰極電極14の少なくとも一方の電極面に配置され、高い孔密度を有す
る網状フォーム材料からなる電極支持体11、15と、 前記複数の孔の少なくとも一部に配置された電解液とを有し、前記電解液の少
なくとも一部は、最初の前記燃料電池の調整の間の前記電解液マトリクスに流れ
ることを特徴とする溶融カーボネート燃料電池。 - 【請求項2】 前記高い孔密度を有する網状フォーム材料は、金属と前記網状相互接続ウエブ
先駆物質を除去するために加熱されるセラミック材料との一方でコートされる網
状/相互接続ウエブ先駆物質から製造される請求項1に記載の 溶融カーボネート燃料電池。 - 【請求項3】 高い孔密度を有する網状フォーム材料は、ニッケル、タイプ316ステンレス
スチール、タイプ304のステンレススチール、タイプ316のTiステンレス
スチール、ニッケルクロム、ニッケルアルミニウム、銅、超合金、酸素分散強化
合金及びその混合物からなるグループから選択される金属及び金属合金の1つか
ら成る請求項1に記載の溶融カーボネート燃料電池。 - 【請求項4】 前記電極支持体は、約15%ないし約97%の範囲の孔密度を有する請求項1
に記載の溶融カーボネート燃料電池。 - 【請求項5】 前記電極は、約15%ないし約97%の範囲の孔密度を有する請求項4に記載
の溶融カーボネート燃料電池。 - 【請求項6】 前記電極は支持体は、少なくとも1つの密度勾配を有する請求項1に記載の溶
融カーボネート燃料電池。 - 【請求項7】 前記電極支持体は、前記大きな密度網状フォーム材料に配置された触媒材料を
有する請求項1に記載の溶融カーボネート燃料電池。 - 【請求項8】 前記電極支持体は、前記大きな孔密度を有する網状フォーム材料で埋められた
中実のワイヤ、中実の金属ストリップ、及びセラミックファイバのうち少なくと
も1つによって強化される請求項1に記載の溶融カーボネート燃料電池。 - 【請求項9】 各々が陽極電極12と、陰極電極14と、前記陽極電極と前記陰極電極との間
に配置された電解液マトリクス13と、燃料電池ユニットの前記陽極電極と隣接
した前記燃料電池ユニットの前記陰極電極との間の各燃料電池ユニットを分離す
る陽極電極に面する面及び陰極電極に面する面を有するセパレータプレート10
とを有する複数の燃料電池ユニットを有する溶融カーボネート燃料電池スタック
において、 前記セパレータプレート10と前記陽極電極12及び前記陰極電極14の少な
くとも1つとの間に配置され、前記陽極電極と前記陽極電極と少なくとも一方に
ガス配分を行う多孔性電極支持体11、15と、 前記複数の孔の少なくとも一部に配置された電解液とを有し、前記電解液の少
なくとも一部は、最初の前記燃料電池の調整の間に前記電解液マトリクス13に
流れることを特徴とする溶融カーボネート燃料電池スタック。 - 【請求項10】 前記電極支持体は、高い孔密度を有する網状フォーム材料から形成される請求
項9に記載の溶融カーボネート燃料電池スタック。 - 【請求項11】 前記セパレータプレートは、平坦なシート金属プレートである請求項9に記載
の溶融カーボネート燃料電池スタック。 - 【請求項12】 前記電極支持体は、波形/有効性金属フォイルから形成される請求項9に記載
の溶融カーボネート燃料電池スタック。 - 【請求項13】 高い孔密度を有する網状フォーム材料は、金属と前記網状相互接続ウエブ先駆
物質を除去するために加熱されるセラミック材料との一方でコートされる網状/
相互接続ウエブ先駆物質から製造される請求項1に記載の 溶融カーボネート燃料電池スタック。 - 【請求項14】 高い孔密度を有する網状フォーム材料は、ニッケル、タイプ316ステンレス
スチール、タイプ304のステンレススチール、タイプ316のTiステンレス
スチール、ニッケルクロム、ニッケルアルミニウム、銅、超合金、酸素分散強化
合金及びその混合物からなるグループから選択される金属及び金属合金の1つか
ら成る請求項10に記載の溶融カーボネート燃料電池スタック。 - 【請求項15】 前記電極支持体は、約15%ないし約97%の範囲である孔密度を有する請求
項10に記載の溶融カーボネート燃料電池スタック。 - 【請求項16】 前記電極支持体は、少なくとも1つの密度勾配を有する請求項10に記載の溶
融カーボネート燃料電池スタック。 - 【請求項17】 前記電極支持体は、前記大きな多孔性網状フォーム材料に配置された触媒材料
を有する請求項10に記載の溶融カーボネート燃料電池スタック。
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Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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US09/130,763 | 1998-08-07 | ||
US09/130,763 US6379833B1 (en) | 1998-08-07 | 1998-08-07 | Alternative electrode supports and gas distributors for molten carbonate fuel cell applications |
PCT/US1999/017076 WO2000008703A1 (en) | 1998-08-07 | 1999-07-28 | Alternative electrode supports and gas distributors for molten carbonate fuel cell applications |
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---|---|
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