JP2789678B2 - 溶融炭酸塩型燃料電池用電解質保持層 - Google Patents
溶融炭酸塩型燃料電池用電解質保持層Info
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- JP2789678B2 JP2789678B2 JP1146204A JP14620489A JP2789678B2 JP 2789678 B2 JP2789678 B2 JP 2789678B2 JP 1146204 A JP1146204 A JP 1146204A JP 14620489 A JP14620489 A JP 14620489A JP 2789678 B2 JP2789678 B2 JP 2789678B2
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- carbonate fuel
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- 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
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- Fuel Cell (AREA)
Description
【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ この発明は、溶融炭酸塩、特にアルカリ金属塩を電解
質とする溶融炭酸塩型燃料電池に関し、上記電解質を保
持する溶融炭酸塩型燃料電池用電解質保持層に関するも
のである。
質とする溶融炭酸塩型燃料電池に関し、上記電解質を保
持する溶融炭酸塩型燃料電池用電解質保持層に関するも
のである。
［従来の技術］ 第４図は一般的な溶融炭酸塩型燃料電池の構造を示す
断面構成図であり、図において、（１）はセルフレー
ム、（２）は集電とガス流路を兼ねるコルゲート板、
（３），（４）は対向する一対のガス拡散電極、（５）
は両電極（３），（４）間に配置される電解質保持層で
ある。この電解質保持層（５）は主に電解質である溶融
炭酸塩に安定なセラミック材料を主成分とするもので、
例えば炭酸リチウム、炭酸カリウム等の混合溶融物を保
持することにより機能を果たすものである。保持層はマ
トリックスタイプ（保持粉末が互いに密着しているも
の）とペーストタイプ（保持粉末同士が必ずしも接触し
ていないもの）の２つに分かれるが、現在ではマトリッ
クスタイプの方が大面積化が容易で製造能力が高いとい
う理由から主流となっている。マトリックスタイプはさ
らにその保持粉末同士を焼結したものと、単なる粉体の
集合体として未焼結のまま用いるものとに分けられる。
断面構成図であり、図において、（１）はセルフレー
ム、（２）は集電とガス流路を兼ねるコルゲート板、
（３），（４）は対向する一対のガス拡散電極、（５）
は両電極（３），（４）間に配置される電解質保持層で
ある。この電解質保持層（５）は主に電解質である溶融
炭酸塩に安定なセラミック材料を主成分とするもので、
例えば炭酸リチウム、炭酸カリウム等の混合溶融物を保
持することにより機能を果たすものである。保持層はマ
トリックスタイプ（保持粉末が互いに密着しているも
の）とペーストタイプ（保持粉末同士が必ずしも接触し
ていないもの）の２つに分かれるが、現在ではマトリッ
クスタイプの方が大面積化が容易で製造能力が高いとい
う理由から主流となっている。マトリックスタイプはさ
らにその保持粉末同士を焼結したものと、単なる粉体の
集合体として未焼結のまま用いるものとに分けられる。
次に動作について説明する。溶融炭酸塩型燃料電池は
燃料側、酸化剤側の両電極（３）（４）にそれぞれ水素
及び酸素と二酸化炭素を含むガスを供給し、炭酸塩が溶
融する高温下で運転される。ここで電解質保持層に要求
される機能としては、以下のような項目が上げられる。
電解質溶融時に電解質保持層は電解質保持能力が高く
両電極間のガスの隔壁を果たすこと、内部抵抗が小さ
く電池特性の向上に有利であること、電解質に対し安
定で長時間初期のボア構造を保つこと、ヒートサイク
ルによる熱応力によりクラックが発生もしくは成長しな
いこと、等が挙げられる。
燃料側、酸化剤側の両電極（３）（４）にそれぞれ水素
及び酸素と二酸化炭素を含むガスを供給し、炭酸塩が溶
融する高温下で運転される。ここで電解質保持層に要求
される機能としては、以下のような項目が上げられる。
電解質溶融時に電解質保持層は電解質保持能力が高く
両電極間のガスの隔壁を果たすこと、内部抵抗が小さ
く電池特性の向上に有利であること、電解質に対し安
定で長時間初期のボア構造を保つこと、ヒートサイク
ルによる熱応力によりクラックが発生もしくは成長しな
いこと、等が挙げられる。
［発明が解決しようとする課題］ しかるに従来の溶融炭酸塩型燃料電池の電解質保持層
は焼結型マトリックスタイプを用いた場合、機械的強度
は比較的高いものが得られるが、可撓性に乏しいため、
電池組みたて時にコンポーネントを積層した際にかえっ
てクラックが生じやすいという問題があった。またポロ
シティ（ポア体積比率）が高い程、内部抵抗低減には有
利であるが、この焼結型マトリックスタイプは未焼結タ
イプに比べ、高いポロシティを得るのが技術的に困難で
あり、さらに製造工程が複雑でコストが割高になるとい
う問題があった。
は焼結型マトリックスタイプを用いた場合、機械的強度
は比較的高いものが得られるが、可撓性に乏しいため、
電池組みたて時にコンポーネントを積層した際にかえっ
てクラックが生じやすいという問題があった。またポロ
シティ（ポア体積比率）が高い程、内部抵抗低減には有
利であるが、この焼結型マトリックスタイプは未焼結タ
イプに比べ、高いポロシティを得るのが技術的に困難で
あり、さらに製造工程が複雑でコストが割高になるとい
う問題があった。
一方、未焼結型マトリックスタイプは電池組みたて時
に可撓性を有するグリーンシートのまま積層されるため
（特開昭58−71564号公報）、この時点でクラックが生
じることはないが、有機バインダーが焼き飛ばされた後
の機械的強度は低いため、電池昇温時、或いはヒートサ
イクル時等の熱応力によりクラックが生じやすいことが
問題となっていた。第５図は従来の未焼結マトリックス
タイプの電解質層が熱応力を受けてクラックを生じた様
子を示した模式断面図である。貫通孔となっている部分
もあり、アノード、カソード間のガスの隔壁が保たれな
くなり、セル特性の低下を招くことになる。
に可撓性を有するグリーンシートのまま積層されるため
（特開昭58−71564号公報）、この時点でクラックが生
じることはないが、有機バインダーが焼き飛ばされた後
の機械的強度は低いため、電池昇温時、或いはヒートサ
イクル時等の熱応力によりクラックが生じやすいことが
問題となっていた。第５図は従来の未焼結マトリックス
タイプの電解質層が熱応力を受けてクラックを生じた様
子を示した模式断面図である。貫通孔となっている部分
もあり、アノード、カソード間のガスの隔壁が保たれな
くなり、セル特性の低下を招くことになる。
そこで機械的強度を上げるためセラミック繊維を添加
したり（特開昭56−82583号公報）、大粒径セラミック
スを添加してクラックが成長するのを抑制する方法が試
みられている（特開昭58−71564号公報）。しかし前者
は電解質に対して充分に安定な繊維材料が得られておら
ず、長時間電池運転後は効果が薄れること、また後者は
大粒径セラミックスがイオン移動の障害となって内部抵
抗の増大につながるという問題があった。
したり（特開昭56−82583号公報）、大粒径セラミック
スを添加してクラックが成長するのを抑制する方法が試
みられている（特開昭58−71564号公報）。しかし前者
は電解質に対して充分に安定な繊維材料が得られておら
ず、長時間電池運転後は効果が薄れること、また後者は
大粒径セラミックスがイオン移動の障害となって内部抵
抗の増大につながるという問題があった。
この発明は上記のような問題点を解決するためになさ
れたもので、手間のかかる大面積板の焼結工程を必要と
せず、電池組立時には可撓性を有するグリーンシートと
して扱え、電池昇温時或いはヒートサイクル時のクラッ
ク発生を抑制する効果を有し、内部抵抗の低い溶融炭酸
塩型燃料電池用電解質保持層を得ることを目的としたも
のである。
れたもので、手間のかかる大面積板の焼結工程を必要と
せず、電池組立時には可撓性を有するグリーンシートと
して扱え、電池昇温時或いはヒートサイクル時のクラッ
ク発生を抑制する効果を有し、内部抵抗の低い溶融炭酸
塩型燃料電池用電解質保持層を得ることを目的としたも
のである。
［課題を解決するための手段］ この発明の溶融炭酸塩型燃料電池用電解質保持層は、
溶融炭酸塩型燃料電池の電解質に対して安定な粒径が0.
1〜10μｍのセラミックス粒子を主成分とし、上記電解
質を保持する未焼結多孔質層中に、上記電解質に対して
安定で、貫通孔を有し、機械的強度の高い粒径が数十μ
ｍ以上の大粒径焼結多孔質体、ハニカム状構造体、また
は三次元網状構造体からなるクラック成長抑制材を分散
させたものである。
溶融炭酸塩型燃料電池の電解質に対して安定な粒径が0.
1〜10μｍのセラミックス粒子を主成分とし、上記電解
質を保持する未焼結多孔質層中に、上記電解質に対して
安定で、貫通孔を有し、機械的強度の高い粒径が数十μ
ｍ以上の大粒径焼結多孔質体、ハニカム状構造体、また
は三次元網状構造体からなるクラック成長抑制材を分散
させたものである。
［作用］ この発明における溶融炭酸塩型燃料電池電解質保持層
は、クラック成長抑制材、例えば機械的強度の高い大粒
径焼結多孔質体が内部に分散されているため、熱応力が
生じても両極間の貫通クラックが生じにくく、さらに大
粒径焼結多孔質体はイオン導電性を持つことから内部抵
抗も比較的低く保たれ、極めて良好な電池特性および寿
命が得られる。
は、クラック成長抑制材、例えば機械的強度の高い大粒
径焼結多孔質体が内部に分散されているため、熱応力が
生じても両極間の貫通クラックが生じにくく、さらに大
粒径焼結多孔質体はイオン導電性を持つことから内部抵
抗も比較的低く保たれ、極めて良好な電池特性および寿
命が得られる。
［実施例］ 以下この発明の一実施例について説明する。第１図は
この発明の一実施例の電解質保持層を示す模式断面図
で、図において（５）は電解質保持層で、電解質を保持
する電解質に対して安定な0.1〜10μｍのセラミックス
粒子を主成分とする未焼結多孔質層（5a）に、電解質に
対して安定で、貫通孔を有し、機械的強度の高い粒径が
数十μｍ以上のクラック成長抑制材、この場合は大粒径
焼結多孔質体（5b）を分散させたものである。
この発明の一実施例の電解質保持層を示す模式断面図
で、図において（５）は電解質保持層で、電解質を保持
する電解質に対して安定な0.1〜10μｍのセラミックス
粒子を主成分とする未焼結多孔質層（5a）に、電解質に
対して安定で、貫通孔を有し、機械的強度の高い粒径が
数十μｍ以上のクラック成長抑制材、この場合は大粒径
焼結多孔質体（5b）を分散させたものである。
次に作用について説明する。第２図はこの発明の唱え
る大粒径焼結多孔質体を含む未焼結マトリックスタイプ
の電解質保持層（５）が、熱応力を受けてクラックを生
じた様子を示した模式断面図である。第５図に示した従
来の未焼結マトリックスタイプの電解質保持層（５）で
は、熱応力を受けてクラックを生じ、貫通孔となってい
る部分もあり、アノード、カソード間のガスの隔壁が保
たれなくなり、セル特性の低下を招くことになる。とこ
ろが、この発明ではクラックの成長が機械的強度の高い
大粒径焼結多孔質体によって抑制されていることがわか
る。この効果により貫通するクラックの数は皆無あるい
はかなり少なくなり、ヒートサイクル等の熱応力が発生
してもセル特性は安定に保たれる。
る大粒径焼結多孔質体を含む未焼結マトリックスタイプ
の電解質保持層（５）が、熱応力を受けてクラックを生
じた様子を示した模式断面図である。第５図に示した従
来の未焼結マトリックスタイプの電解質保持層（５）で
は、熱応力を受けてクラックを生じ、貫通孔となってい
る部分もあり、アノード、カソード間のガスの隔壁が保
たれなくなり、セル特性の低下を招くことになる。とこ
ろが、この発明ではクラックの成長が機械的強度の高い
大粒径焼結多孔質体によって抑制されていることがわか
る。この効果により貫通するクラックの数は皆無あるい
はかなり少なくなり、ヒートサイクル等の熱応力が発生
してもセル特性は安定に保たれる。
また、第３図の説明図に示すように大粒径焼結多孔質
体はイオンを通すことから特開昭58−71564号公報が提
唱するような単なる大粒径粒子を用いたものより、イオ
ン導電性は良好となり、セル特性向上に有利となる。
体はイオンを通すことから特開昭58−71564号公報が提
唱するような単なる大粒径粒子を用いたものより、イオ
ン導電性は良好となり、セル特性向上に有利となる。
次に種々の電解質保持層の機能を検討した要素評価試
験結果を表に示す。試料として、比較例1:従来の未焼結
型マトリックスタイプの電解質保持層、比較例2:従来の
未焼結型マトリックスタイプに大粒型粒子を添加した電
解質保持層、実施例：従来の未焼結型マトリックスタイ
プに大粒型焼結多孔質体を添加した上記実施例の電解質
保持層を用いた。
験結果を表に示す。試料として、比較例1:従来の未焼結
型マトリックスタイプの電解質保持層、比較例2:従来の
未焼結型マトリックスタイプに大粒型粒子を添加した電
解質保持層、実施例：従来の未焼結型マトリックスタイ
プに大粒型焼結多孔質体を添加した上記実施例の電解質
保持層を用いた。
表から、機械的強度の高い大粒径粒子を添加すること
により、ヒートサイクル時の耐クラック性は向上するこ
とがわかる。また、大粒径粒子を添加した場合より、大
粒径多孔質体を添加した方が内部抵抗が低くセル特性も
高いものとなる。よってより高いセル特性をより長く安
定なものにするには、この発明が提唱する大粒径焼結多
孔質体入りマトリックスを電解質保持層として使用する
ことが効果的なことは明らかである。
により、ヒートサイクル時の耐クラック性は向上するこ
とがわかる。また、大粒径粒子を添加した場合より、大
粒径多孔質体を添加した方が内部抵抗が低くセル特性も
高いものとなる。よってより高いセル特性をより長く安
定なものにするには、この発明が提唱する大粒径焼結多
孔質体入りマトリックスを電解質保持層として使用する
ことが効果的なことは明らかである。
また実施例には未焼結部電解質保持粉末及び焼結多孔
質体材料は共にγ型アルミン酸リチウムを用いたが、セ
リア、チタン酸ストロンチウム、ジルコン酸ストロンチ
ウム等のごとく溶融電解質に対して安定な材料はすべて
使用可能となる。
質体材料は共にγ型アルミン酸リチウムを用いたが、セ
リア、チタン酸ストロンチウム、ジルコン酸ストロンチ
ウム等のごとく溶融電解質に対して安定な材料はすべて
使用可能となる。
なお、上記実施例ではマトリックスタイプについての
み比較し効果を述べたが、大粒径焼結多孔質体添加の効
果はペーストタイプ、あるいはホットプレスタイプ等に
添加しても、同様の効果が期待できる。
み比較し効果を述べたが、大粒径焼結多孔質体添加の効
果はペーストタイプ、あるいはホットプレスタイプ等に
添加しても、同様の効果が期待できる。
さらに、添加粒子を焼結多孔質体と述べたが貫通孔を
有し、機械的強度が高く、電解質に安定なものであれば
よく、ハニカム状構造体、三次元網状構造体等も上記の
機能を有すれば同様な効果が期待できることは言うまで
もない。
有し、機械的強度が高く、電解質に安定なものであれば
よく、ハニカム状構造体、三次元網状構造体等も上記の
機能を有すれば同様な効果が期待できることは言うまで
もない。
［発明の効果］ 以上のように、この発明によれば、溶融炭酸塩型燃料
電池の電解質に対して安定な粒径が0.1〜10μｍのセラ
ミックス粒子を主成分とし、上記電解質を保持する未焼
結多孔質層中に、上記電解質に対して安定で、貫通孔を
有し、機械的強度の高い粒径が数十μｍ以上のクラック
成長抑制材を分散させることにより、内部抵抗を低く保
ったまま、熱応力に対して安定な溶融炭酸塩型燃料電池
用電解質保持層が得られる効果がある。その結果、電池
特性を下げることなく、熱応力に強い溶融炭酸塩型燃料
電池が実現できる。
電池の電解質に対して安定な粒径が0.1〜10μｍのセラ
ミックス粒子を主成分とし、上記電解質を保持する未焼
結多孔質層中に、上記電解質に対して安定で、貫通孔を
有し、機械的強度の高い粒径が数十μｍ以上のクラック
成長抑制材を分散させることにより、内部抵抗を低く保
ったまま、熱応力に対して安定な溶融炭酸塩型燃料電池
用電解質保持層が得られる効果がある。その結果、電池
特性を下げることなく、熱応力に強い溶融炭酸塩型燃料
電池が実現できる。
第１図はこの発明の一実施例の溶融炭酸塩型燃料電池用
電解質保持層の模式断面図、第２図はこの一実施例の電
解質保持層中の大粒径焼結多孔質体の熱応力によるクラ
ック成長抑制効果を示す模式断面図、第３図はこの一実
施例に係わる大粒径焼結多孔質体中にイオンが通ること
を示した説明図、第４図は一般的な溶融炭酸塩型燃料電
池を示す断面構成図、第５図は従来例の電解質保持層が
熱応力によりクラックを生じた場合を示す模式断面図で
ある。 図において、（５）は電解質保持層、（5a）は未焼結多
孔質層、（5b）はクラック成長抑制材、この場合は大粒
径焼結多孔質体である。 なお、図中、同一符号は同一または相当部分を示す。
電解質保持層の模式断面図、第２図はこの一実施例の電
解質保持層中の大粒径焼結多孔質体の熱応力によるクラ
ック成長抑制効果を示す模式断面図、第３図はこの一実
施例に係わる大粒径焼結多孔質体中にイオンが通ること
を示した説明図、第４図は一般的な溶融炭酸塩型燃料電
池を示す断面構成図、第５図は従来例の電解質保持層が
熱応力によりクラックを生じた場合を示す模式断面図で
ある。 図において、（５）は電解質保持層、（5a）は未焼結多
孔質層、（5b）はクラック成長抑制材、この場合は大粒
径焼結多孔質体である。 なお、図中、同一符号は同一または相当部分を示す。
Claims (1)
- 【請求項１】溶融炭酸塩型燃料電池の電解質に対して安
定な粒径が0.1〜10μｍのセラミック粒子を主成分と
し、上記電解質を保持する未焼結多孔質層中に、上記電
解質に対して安定で、貫通孔を有し、機械的強度の高い
粒径が数十μｍ以上の、大粒径焼結多孔質体、ハニカム
状構造体、または三次元網状構造体からなるクラック成
長抑制材を分散させた溶融炭酸塩型燃料電池用電解質保
持層。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP1146204A JP2789678B2 (ja) | 1989-06-08 | 1989-06-08 | 溶融炭酸塩型燃料電池用電解質保持層 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP1146204A JP2789678B2 (ja) | 1989-06-08 | 1989-06-08 | 溶融炭酸塩型燃料電池用電解質保持層 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH0311558A JPH0311558A (ja) | 1991-01-18 |
| JP2789678B2 true JP2789678B2 (ja) | 1998-08-20 |
Family
ID=15402478
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP1146204A Expired - Lifetime JP2789678B2 (ja) | 1989-06-08 | 1989-06-08 | 溶融炭酸塩型燃料電池用電解質保持層 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2789678B2 (ja) |
Family Cites Families (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH0637292B2 (ja) * | 1989-03-06 | 1994-05-18 | 石川島播磨重工業株式会社 | 多孔質リチウムアルミネート粗粒子の製造方法 |
-
1989
- 1989-06-08 JP JP1146204A patent/JP2789678B2/ja not_active Expired - Lifetime
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH0311558A (ja) | 1991-01-18 |
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