JP3974183B2 - 板形状の部材または部材の組み合わせを製造するための方法 - Google Patents

Description

本発明は、請求項１の前提部に従う方法に関する。
そのような方法は、ＰＣＴ出願ＷＯ ９６／０８０５０に開示されている。
先行技術には、例えば、燃料電池のマトリックス板を製造するための種々の提案が存在する。
最も古い提案は、いわゆるホットプレス技術を含む。比較的複雑な様態で、この技術は比較的厚い板を生産する。この結果は、一方では、生産コストの増加であり、他方では、電池の効率の減少である。
マトリックス板を製造するための代替は、製紙方法に類似する方法である。これは、バインダーを含むパルプ、水およびマトリックスの支持材料を混合することを含む。次いで、このマトリックス材料をパルプに付着させ、凝集物（floccule）を生成させる。濾過プロセスにより凝集物を水材料から分離し、バインダーを後のベーキングにより除去する。この方法は、使用する懸濁媒が安価で環境にやさしい水であるので、魅力的である。欠点は、その制御性であり、特に気孔サイズおよび気孔分布である。この方法は、このようにしてマトリックス板を商業的に受け入れられる規模で再現性を持って作製し得ることが立証されなかった。
第３の最も普通に使用される技術は、いわゆる「テープキャスティング（tapecasting）」である。
これは、バインダー、繊維およびマトリックス材料が存在する懸濁物を平坦なテーブル上にキャストし、その中に存在する懸濁媒を蒸発させることを含む。ついで、グリーンのマトリックス板を製造し、これを燃料電池に組み込む前に焼結し、その後電解質を導入するか、または燃料電池に直接組み込むことができる。後者の場合、電解質は他の方法により導入する。
懸濁物を調製しつつあるとき、当該流体の粘度を調節するために、真空条件を採用することは普通でないことではない。
このような方法は、例えば、ＭＣＦＣテクノロジーについての第２回シンポジウムの議事録第９０−１６巻、１２１〜１３６頁所載のＨ．Ｃ．マルらの論文「炭酸塩燃料電池マトリックスおよび電解質の概説（Review of Carbonate Fuel Cell Matrix and Electrolyte）に記載されている。そこに記載されているバインダーは、キシレン類とエタノールとの混合物に溶解された。この懸濁物をそこで加熱すると、特にキシレンを除去するという問題がある。キシレンのような溶媒を環境中に放出することはもはや許容されず、またリサイクルはコストのかなりの上昇に至る。
類似の考察が、アセトン、ジクロロメタンおよび石油ナフサの混合物に溶解されるバインダーとしてのアクリレートの使用に適用される。
上記ＰＣＴ出願９６／０８０５０に記載された方法の場合においては、当該懸濁物を生成する方法において、固体粒子が凝集し、テープの強度の低下をもたらすことが見いだされた。これは、添加物の不均一な分散とよく規定されていない気孔構造とにより引き起こされる。さらに、繊維強化材、溶解阻止剤および炭酸塩のような添加物の導入は、特に困難であることが立証された。そのような物質を導入すると、同様に凝集が観察され、これが、一方では強度を阻害し、他方ではこれら物質の分散性を阻害する。
さらに、この製造は、いかなるさらなる使用にも供され得ない不良品および廃棄物を生じさせる。
本発明の目的は、これら欠点を回避することである。
この目的は、請求項１の特徴的手段により達成される。
２つの補助懸濁物を調製し、これらを混合することにより、意外なことに、固形物の凝集が起こらないことがわかった。さらに、上記添加物をそれぞれに応じて凝集または不均質の危険なしに当該懸濁物に容易に添加することができる。
上記２つの懸濁物の一方が設定された要求を満たさない場合には、これを容易に再循環することができる。
上記方法は、より少ない後処理（例えば、ローリング（rolling））を要求し、生産不良品および廃棄物を出発物質として直接使用することを可能とする。本方法において、「テープキャスティング」後の生産廃棄物は、水／アルコール混合物の添加により再使用することができ、存在するゲル化したバインダーは水溶性である。アクリレートのような他のバインダー系では、これは不可能である。このコンテキストにおいて、得られた板形状の部材の性質は、簡単な方法で、気孔サイズおよび厚さのようなそれに課される要求の関数として、均一であり調節可能である。
この目的は、上記方法の場合には、分散剤としてのアルコールおよびベース材料を含む第１の懸濁物を調製し、バインダー、分散剤としてのアルコールおよびゲル化剤としての水を含む第２の懸濁物を調製し、これら２つの別々に調製した懸濁物をキャスティング前に互いに混合することによって達成される。
異なる分散剤ゲル化剤／バインダー系、バインダー懸濁物および作製しようとする部材の材料を含む懸濁物を用いることにより、アルコール以外の有機溶媒を用いないことが可能であることが立証された。
先行技術において持たれている見解（例えば、燃料電池セミナー１９９０、２８９〜２９３頁所載のパトリックＭ．ブラウンによる論文「溶融炭酸塩燃料電池マトリックスの作製のためのアルミン酸リチウムの物性の最適化（Physical Property Optimazation of Lithium Aluminates for Fabrication of Molten Carbonate Fuel Cell Matrices）」を参照のこと）とは対照的に、水の添加はこのようにして調製された懸濁物について得られる結果に対して負の効果を有する必要がない。
上記様態において水／アルコールに基づく懸濁物から「テープキャスティング」の助けにより作製された部材は、かなりの長期にわたって中間の貯蔵に保持し得、アクリレートバインダー系の助けにより作製された板よりも安価に製造でき、より少ない環境汚染の結果となる。
さらに、この分散剤／ゲル化剤／バインダーを使用した場合、生産不良品を直接出発物質として使用することができる。
水−アルコール混合物に基づく分散／ゲル化剤／バインダー系を採用することにより、５００〜３５００ｃＰ、好ましくは１０００〜２００００ｃＰという種々の懸濁物の広い粘度範囲内で懸濁物を使用することが可能となる。その結果、懸濁物の粘度の正確な調節のために真空を用いることはもはや必要でない。
ゲル化性バインダー懸濁物に添加される水の量は、好ましくは、バインダーの重量の少なくとも１０〜２５倍である。
凝集を防止するために界面活性剤を添加する場合、これは、好ましくは、上記第１の懸濁物中に導入される。
第１の懸濁物は、先行技術で知られている粒状物質のいずれかを含むことができる。その例を挙げると、粉末または繊維の形態にある、ニッケル、ニッケル酸化物、合金化されまたは金属間（intermetallic）の双方のニッケルアルミニウム、コバルト酸リチウム（lithium cobaltate）、アルミン酸リチウム、およびアルミニウム酸化物、並びに他の金属および金属酸化物である。該固体は、また、上記物質の混合物からもなり得る。
ＭＣＦＣ電池中での使用、より特にはマトリックス板としての使用は、先行技術で一般に知られているように、（γ−）アルミン酸リチウムを含む。「テープキャスティング」技術を採用することにより、乾燥後に電池中に直接使用し得る比較的薄い板形状の部材を安価に製造することができる。この薄い厚さは、例えば燃料電池の最適な性能（capacity）をもたらす。
板形状の部材を電気化学的電池における電極またはマトリックスとして使用する場合、「テープキャスティング」により作製された板形状の部材をその後焼成または焼結し、ついで当該部材に電解質を先行技術で知られている方法により添加することもできる。
そのような添加は、例えば電解質物質による含浸を含み得る。また、固体炭酸塩の層を例えば２つの板の間で燃料電池中に設置し、その後その燃料電池を加熱し、その結果溶融した炭酸塩物質を、毛管作用により板中に吸収させることもできる。
しかしながら、比較的高い燃料電池スタック、すなわち多数の電池からなる電気化学的パイルを作製する場合には、後者の方法は困難に直面する。部材の数を増加することにより、炭酸塩を溶融させるときの傾斜およびおそらく不正確な組み立ての危険性が増大する。
部材の焼成または焼結後に電解質の懸濁物を添加する上記第１の方法は、新たな加熱がその後必要であるという欠点を有する。そのような方法は、比較的複雑であり、コストを上昇させる。
しかしながら、本発明による上記方法を用いることにより、電解質懸濁物をバインダー懸濁物に添加することができる。炭酸塩物質を用いた場合でも、アルコール類以外の有機溶媒の使用は要求されない。
後に電解質を提供する物質についてと同様、第２の懸濁物は、また、電解質の酸性度を変化または規制する物質と混合することができる。かくして、例えばＭＣＦＣの電解質中へのカソードの溶解率を制御することができる。そのような剤の例は、リチウムフェライトおよびアルカリ土類金属の塩である。
電解質の吸収を板形状の部材の製造に一体化することにより、種々の方法工程のかなりの簡素化を達成し得る一方、それに加えて、燃料電池の起動中にその場で溶融される炭酸塩物質の場合における多数の部材の使用に由来する欠点が回避される。
電解質懸濁物は、得ようとする電解質の関数として選択される。ＭＣＦＣ電池の場合におけるように電解質が炭酸塩物質を含む場合、いずれもの所望の比率のＬｉ_２ＣＯ_３、Ｎａ_２ＣＯ_３およびＫ_２ＣＯ_３の混合物が好ましい。
上記第１および第２の懸濁物は、先行技術で一般的に使用されている種々の助剤と混合することができる。すなわち、消泡剤および／または離型剤および／または可塑剤を添加することができる。
同様に、使用するアルコールは、先行技術で知られている全てのアルコールを包含するが、遂行性およびコスト価格の観点から、エタノールが好ましい。
使用する繊維は、上記アルミニウム酸化物以外に、先行技術で知られているいずれもの繊維を包含する。これらは使用前に粉砕してもしなくてもよい。
しかしながら、繊維とアルコールの分散物からなる別の第３の懸濁物を調製することもできる。上記の通り、使用する繊維は、例えば、アルミニウム酸化物物質またはアルミン酸リチウム繊維を包含し得、アルコールはエタノールを含み得る。
ＭＣＦＣ電池の部材、特にそのカソードを製造するために上記方法を用いる場合、カソード、特にその中のＮｉＯの溶解を阻止する剤を製造中に添加することが望ましい。記述に値するものは、例えば、アルカリ土類金属の炭酸塩である。１つの例は、少量のカルシウム、ストロンチウムおよび／またはバリウムの炭酸塩と混合された、おおよそ等しい割合のリチウムおよびナトリウムの炭酸塩を包含する混合物である。
以下、本発明を唯一の図による流れ線図および実施例を参照して詳しく説明する。
図において、上記方法が流れ線図で説明されている。
これは、例えばマトリックス板の製造を目的として第１の工程中にエタノール、ドラピックス（Dolapix）（凝集防止剤）およびアルミン酸リチウムを含む混合物が粉砕され、均質化されることを示している。エタノールは変性されていて、すなわち約４％のメタノールを含んでいてもよい。
粉砕は、バッチ式でまたは連続的に行うことができる。バッチ式粉砕の場合には、例えばボールミルが好ましく使用され、連続粉砕の場合は、例えばアトリッターが好ましく使用される。
アルミン酸リチウムの代わりに、先行技術で一般に知られている他の物質も使用できることが理解されるであろう。
第１の懸濁物の調製に加えて、第２および第３の懸濁物も調製される。
第２の懸濁物は、エタノール、バインダー、および水を含む。このバインダーは、分散され、ゲル化される。第２の懸濁物は、破線で示すように、リチウム／カリウムまたはリチウム／ナトリウムの炭酸塩あるいは電解質を提供する他のいずれかの剤とさらに混合することができる。第３の懸濁物は、エタノールおよび繊維を含む。次いで、こうして得られた３つの懸濁物を、ＴＢＰ（リン酸トリブチル）もしくは他の消泡剤および離型剤およびＰＥＧ（ポリエチレングリコール）もしくは他の可塑剤の添加を伴って、混合する。
当該種々の粉砕および均質化工程またはゲル化工程は、それぞれ、必須のものであること、および塊もしくは凝集物の生成は、できる限り排除しなければならないことが理解されるであろう。
次いで、得られた混合物を再び混合し、均質化し、篩にかけ、空気を除いた後、「テープキャスティング」技術により適用し、ついで乾燥する。
上記種々の工程中に懸濁物中に気泡が入り込む可能性があるので、空気抜きは重要である。そのような工程を取らなければ、部材中にいわゆるピンホールが生成する危険がある。
実施例Ｉ：
「テープキャスティング」技術に使用すべきキャスト用懸濁物１２リットルを調製するために、３つの異なる懸濁物を調製した。
第１の懸濁物は、３，０００ｇのエタノール、７０ｇのドラピックス（登録商標）ＥＴ８５および２８００ｇのＬｉＡｌＯ_２粉末からなるものであった。ドラピックス（登録商標）は、ドイツ国ハイデルベルク所在のセルバ（SERVA）により製造されている。第１の懸濁物を調製するために、エタノールとドラピックスをストック容器に注いだ後、攪拌しながら、アルミン酸リチウム粉末を添加し、ついで得られた懸濁物を、ポンプ付き循環システムの助けにより、アトリッター中で粉砕した。粉砕時間は約４時間であり、その後、２μｍの所望の平均粒子サイズが得られた。
第２の懸濁物を調製するために、１５００ｇのエタノールを、１４０ｇのメチルセルロースと同様に秤量した。メチルセルロースを５〜１０分間かけてエタノール中に分散させ、その後１８２０ｇの脱ミネラル水を加え、少なくとも６０分間攪拌した。
第３の懸濁物は、３２５ｇのＡｌ_２Ｏ_３繊維および９００ｇのメチル化エタノール（methylated ethanol）を秤量することにより調製した。
アルミニウム酸化物繊維は、攪拌しながら、エタノールに添加した。攪拌時間は３０分間であった。
ついで、これら３つの懸濁物を、攪拌しながら、互いに混合した。攪拌時間は、１０分間であり、その後６０ｇのＴＢＰおよび８２０ｇのＰＥＧを添加した。ＴＢＰおよびＰＥＧは、それぞれオーダー番号８１８６０４および８１７００３−５０００３の下でメルクから入手し得る。最終的に得られた懸濁物を５００μｍスクリーンを通して篩がけし、ついで密閉容器中で懸濁物をローラーフレーム（roller frame）上で６０分間ゆっくりとローリングさせることによって空気抜きした。ついで、懸濁物を「テープキャスティング」技術の助けによりキャストした。これにより、電解質を備えていないマトリックス板が製造された。
実施例ＩＩ
アノードを作製するために、３２０ｒｐｍでの一定の撹拌をともなって、６．５リットルの容器中に以下の成分を連続的に添加した：２３４０ｇのエタノール（５％メタノール）および６５ｇのメチルセルロース。１時間の撹拌後、１２８７ｇの脱ミネラル水を添加し、１０分間の連続撹拌後、３９．０ｇのツウィーン（Tween）２０および３９．０ｇのＴＢＰを添加した。ＴＢＰは、上記セルバから得ることができる。使用したメチルセルロースは、ダウ・ケミカルから入手し得るグレード「ＭＣ−Ａ４Ｃ」であった。
上記混合物をよく混合した後、６．５Ｈｚの周波数で動く振動ホッパーを介して５２０ｇの微細Ｃｒと混合した。このＣｒ粉末は、ジョンソン・マセイ（Johnson Matthey）から入手し得る。添加中、３４０ｒｐｍで撹拌を行った。ついで、３６０ｒｐｍの回転速度で、ロンドンのインコ・ヨーロッパ社（Inco Europe Limited）からの４６８０ｇのＮｉ ２８７を添加した。
その後、撹拌を３８０ｒｐｍで５５分間続行し、その後、２６０ｇのエタノール（５％メタノール）および１４３ｇの脱ミネラル水を添加した。しかる後、撹拌を５分間続行した後、懸濁物を密閉容器中６０ｒｐｍで６０分間ローリングした。こうして得られた混合物を、いうまでもなく粘度および温度を測定した後、「テープキャスティング」技術に使用した。しかる後、乾燥し、乾燥したテープを切断した。
実施例ＩＩＩ：
カソードを作製するために、７１ｇのメチルセルロースにつき２８００ｇのエタノールを添加した以外は実施例ＩＩと同様の方法を行った。１分間の該撹拌後、１６３３ｇの脱ミネラル水を添加し、かくして得られた混合物を撹拌した後、４７．０ｇのツウィーン２０および４７．０ｇのＴＢＰを添加した。
撹拌を増加する速度をもって行いながら、３５００ｇのＮｉ ２５５（インコ・ヨーロッパ社から入手）を添加するために上記振動ホッパーを使用した。３８０ｒｐｍで３０分間の該撹拌後、懸濁物を６．５ｌの容器に注ぎ、６０ｒｐｍで６０分間ローリングさせた。ついで、「テープキャスティング」技術の助けにより、グリーンのカソードを調製した。
本発明を好ましい態様を参照して記述したが、これを、添付請求の範囲に記述した本発明の範囲を逸脱することなく多くの様態で修飾し得るものと理解されるであろう。

Claims (14)

1. 高温で使用される燃料電池の電極もしくはマトリックス板等の板形状の部材を製造するための方法であって、該板のためのベース材料、繊維、バインダー／ゲル化剤および分散媒としてのアルコールを含む懸濁物を調製し、該懸濁物を「テープキャスティング」技術によりキャストし、しかる後該アルコールを該懸濁物から除去することを包含し、該懸濁物の調製が、
   アルコールすなわち分散媒および該ベース材料を含む第１の懸濁物を調製すること、
   バインダー、および水／該分散剤としてのアルコール／ゲル化剤を含む第２の懸濁物を調製すること、および
   該第１および第２の懸濁物を該繊維とともに混合すること
   を包含することを特徴とする板形状の部材を製造するための方法。
2. 第２の懸濁物が、バインダーの重量に基づいて、少なくとも１０倍の重量の水を含有することを特徴とする請求項１に記載の方法。
3. 第１の懸濁物を凝集防止剤と混合する請求項１または２に記載の方法。
4. 第１の懸濁物と第２の懸濁物の混合物を離型剤および／または消泡剤と混合する請求項１ないし３のいずれか１項に記載の方法。
5. 板形状の部材が、ＭＣＦＣ電池における電極を含む請求項１ないし４のいずれか１項に記載の方法。
6. カソード材料の溶解を阻止する剤を添加するＭＣＦＣ電池におけるカソードを含む請求項５に記載の方法。
7. 部材がＭＣＦＣ電池において使用され、第２の懸濁物を溶液状態の炭酸塩物質と混合する請求項１ないし６のいずれか１項に記載の方法。
8. 炭酸塩物質がアルカリ金属の炭素塩を包含しえる請求項７に記載の方法。
9. 第２の懸濁物が、バインダーの重量を基準として、少なくとも１０倍重量の水を含有する請求項７に記載の方法。
10. 第１の懸濁物および第２の懸濁物の混合物を可塑剤と混合する請求項１ないし９のいずれか１項に記載の方法。
11. アルコールがエタノールを含む請求項１ないし１０のいずれか１項に記載の方法。
12. アルコールに分散された第３の懸濁物として繊維を添加し、該第３の懸濁物を第１および第２の懸濁物に添加する請求項１ないし１１のいずれか１項に記載の方法。
13. 使用する繊維材料が、ＡｌＯ_２またはＬｉＡｌＯ_２繊維を包含する請求項１ないし１２のいずれか１項記載の方法。
14. 懸濁物の混合後、「テープキャスティング」前に、得られた混合物を篩にかけ、空気抜きする請求項１ないし１３のいずれか１項に記載の方法。

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