JP5500567B2 - Molten carbonate fuel cell electrode, method for producing the same, and molten carbonate fuel cell - Google Patents

Molten carbonate fuel cell electrode, method for producing the same, and molten carbonate fuel cell Download PDF

Info

Publication number
JP5500567B2
JP5500567B2 JP2008125262A JP2008125262A JP5500567B2 JP 5500567 B2 JP5500567 B2 JP 5500567B2 JP 2008125262 A JP2008125262 A JP 2008125262A JP 2008125262 A JP2008125262 A JP 2008125262A JP 5500567 B2 JP5500567 B2 JP 5500567B2
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
electrode
cathode
fuel cell
anode
carbonate fuel
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Expired - Fee Related
Application number
JP2008125262A
Other languages
Japanese (ja)
Other versions
JP2009277391A (en
Inventor
将洋 吉川
寛 森田
良啓 麦倉
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Central Research Institute of Electric Power Industry
Original Assignee
Central Research Institute of Electric Power Industry
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Central Research Institute of Electric Power Industry filed Critical Central Research Institute of Electric Power Industry
Priority to JP2008125262A priority Critical patent/JP5500567B2/en
Publication of JP2009277391A publication Critical patent/JP2009277391A/en
Application granted granted Critical
Publication of JP5500567B2 publication Critical patent/JP5500567B2/en
Expired - Fee Related legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Classifications

    • YGENERAL 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
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30Hydrogen technology
    • Y02E60/50Fuel cells

Description

本発明は溶融炭酸塩形燃料電池の電極及びその製造方法並びに溶融炭酸塩形燃料電池に関し、特に電極に対する炭酸塩のプレ含浸の際に適用して有用なものである。   The present invention relates to an electrode of a molten carbonate fuel cell, a method for producing the same, and a molten carbonate fuel cell, and is particularly useful when applied to preimpregnation of carbonate to an electrode.

溶融炭酸塩形燃料電池(以下,MCFCと略称する。)における炭酸塩の含浸方法として、予め炭酸塩シートを作製しておき、当該MCFCの立ち上げ時にin−situによる含浸を実施する方法がある(特許文献1参照)。   As a method for impregnating a carbonate in a molten carbonate fuel cell (hereinafter abbreviated as MCFC), there is a method in which a carbonate sheet is prepared in advance and impregnation is performed in-situ when the MCFC is started up. (See Patent Document 1).

この方法では昇温中に、炭酸塩シートの厚み分だけMCFCの高さ減少が生じるためスタック締め付け分布のばらつきが大きく、電解質板の破損の原因ともなっている。電解質板の破損はガスリークにつながるので可及的に回避しなければならない。   In this method, the MCFC height is reduced by the thickness of the carbonate sheet during the temperature rise, so that the variation in the stack tightening distribution is large, which causes damage to the electrolyte plate. Damage to the electrolyte plate leads to gas leakage and must be avoided as much as possible.

一方では炭酸塩を予め電極に仕込む方法(以下、プレ含浸方法と称する。)も提案されている(特許文献2参照)。かかる方法によれば、MCFCの立ち上げ時の高さ減少が生じないばかりでなく、炭酸塩シート作製の工程がないことから低コスト化を実現し得るという利点がある。   On the other hand, a method (hereinafter referred to as a pre-impregnation method) in which carbonate is previously charged in an electrode has also been proposed (see Patent Document 2). According to such a method, there is an advantage that not only the height reduction at the time of start-up of the MCFC does not occur, but also the cost can be reduced because there is no step of producing the carbonate sheet.

特開平06−267570号公報Japanese Patent Laid-Open No. 06-267570 特開平11−329453号公報JP 11-329453 A

上述の如きプレ含浸方法においては電極になるべく多くの炭酸塩を含浸させたいが、含浸量が多くなるとガスの透過性が問題となる。すなわち、多孔質板である電極の細孔のすべてに炭酸塩が充填されてしまうとガスの流通が阻害される結果、MCFCの立ち上げ時に必要な電解質板の脱脂ができなくなる。   In the pre-impregnation method as described above, it is desired to impregnate as much carbonate as possible in the electrode. However, as the amount of impregnation increases, gas permeability becomes a problem. That is, if all of the pores of the electrode, which is a porous plate, are filled with carbonate, the flow of gas is hindered. As a result, the electrolyte plate necessary for starting up the MCFC cannot be degreased.

しかしながら、従来技術に係るプレ含浸方法においては、具体的にどのような条件で炭酸塩の含浸を行わせれば最適であるかについては検討されていなかった。   However, in the pre-impregnation method according to the prior art, it has not been studied what conditions are optimal for impregnation with carbonate.

本発明は、上記従来技術に鑑み、最適な条件で炭酸塩をプレ含浸させたMCFCの電極を提供すること、及び最適な条件で炭酸塩をプレ含浸させることができるMCFCの電極の製造方法を提供すること、並びに前記電極を有するMCFCを提供することを目的とする。   The present invention provides an MCFC electrode pre-impregnated with carbonate under optimum conditions in view of the above prior art, and a method for manufacturing an MCFC electrode that can be pre-impregnated with carbonate under optimum conditions. An object is to provide, and to provide an MCFC having the electrode.

まず、電極への炭酸塩の仕込み方法について検討するに当たり、プレ含浸に使用する器具の材質について検討した。電極へ炭酸塩を仕込むこと自体は容易に可能であることは予備実験で明らかになっていたが、溶融した炭酸塩が固化した際に電極以外の部材と剥離が困難となることも明らかになったためである。炭酸塩との剥離性を考慮する場合には濡れ性が関係する。炭酸塩との濡れ角については主に電極のアクティブコンポーネント(アノード、カソード)に対するデータであるが、還元雰囲気における金属ニッケル(アノード)の濡れ性が最も小さいことが知られている。   First, in examining the method of charging carbonate into the electrode, the material of the instrument used for pre-impregnation was examined. Preliminary experiments have shown that it is easy to add carbonate to the electrode itself, but it has also become clear that when the molten carbonate solidifies, it is difficult to separate it from other members. This is because. In consideration of peelability from carbonate, wettability is relevant. The wetting angle with carbonate is mainly data for the active components (anode, cathode) of the electrode, but it is known that the wettability of metallic nickel (anode) in the reducing atmosphere is the smallest.

そこで、電極の下敷きとしては還元雰囲気中でニッケル板を使用すれば比較的剥離し易いことが予想される。しかしながら、炭酸塩を含浸する電極自体は多孔質のニッケル板であり、炭酸塩を含浸し難い傾向になる。したがって、多孔質のニッケル板中へは炭酸塩を吸い込み易い反面、ニッケル板には炭酸塩が付着し難い条件を割り出すことが肝要である。   Therefore, it is expected that the electrode underlay is relatively easily peeled off if a nickel plate is used in a reducing atmosphere. However, the electrode itself impregnated with carbonate is a porous nickel plate and tends to be difficult to impregnate with carbonate. Therefore, while it is easy to suck carbonate into the porous nickel plate, it is important to determine a condition that prevents the carbonate from adhering to the nickel plate.

これまでに取得したAir雰囲気中におけるニッケルの示差熱天秤の熱重量変化(TGデータ)によるとニッケルは約400℃から重量増加が始まる。これは酸化が開始される温度を意味する。そこで、比表面積が圧倒的に多い電極は400℃において表面がやや酸化され、炭酸塩を吸い込み易くなるが、ニッケル板はそれほどは酸化されないため、炭酸塩は付着し難い環境となっているはずである。つまり、400℃まで空気雰囲気で昇温し、400℃以上では還元雰囲気もしくは不活性雰囲気で炭酸塩の含浸工程を行えば良いと考えられる。また、400℃という温度を考えた場合、カーボン板もその候補となる。カーボン板は炭酸塩を比較的はじき易く、この温度までは熱分解しないためである。
さらに、本発明者等は、多孔質ニッケル板で形成したアノード及び多孔質酸化ニッケル板で形成したカソードの体積に占めるそれぞれの孔の割合である細孔率が、MCFCの出力電圧特性に大きく影響することをつきとめた。すなわち、アノードの細孔率よりもカソードの細孔率が大きくなるように構成した場合により高い出力電圧が得られることが分った。これは、次のように考えられる。アノード、カソード及び電解質板にそれぞれ分散して保持されている溶融炭酸塩は、電解質板に最も多く保持されており、次にカソード、アノードの順で保持される傾向にある。これは、各部材と炭酸塩との濡れ性に起因する毛細管現象に基づくものである。すなわち、アノードとカソードにおける溶融炭酸塩の引張り合いにより溶融炭酸塩の保持量が決定されているからであると考えられる。そこで、アノードとカソードの細孔率のバランスを最適化してやることによりMCFCの出力電圧の向上を図ることに思い至った。
According to the thermogravimetric change (TG data) of the differential thermal balance of nickel in the air atmosphere obtained so far, nickel begins to increase in weight from about 400 ° C. This means the temperature at which oxidation begins. Therefore, an electrode with an overwhelming specific surface area is slightly oxidized at 400 ° C., and it is easy to suck carbonate. However, since the nickel plate is not oxidized so much, carbonate should be difficult to adhere to. is there. That is, it is considered that the temperature is increased to 400 ° C. in an air atmosphere, and the carbonate impregnation step is performed in a reducing atmosphere or an inert atmosphere at 400 ° C. or higher. In addition, when considering a temperature of 400 ° C., a carbon plate is also a candidate. This is because the carbon plate is relatively easy to repel carbonate and does not thermally decompose up to this temperature.
Furthermore, the present inventors have found that the porosity, which is the ratio of the respective pores in the volume of the anode formed of the porous nickel plate and the cathode formed of the porous nickel oxide plate, greatly affects the output voltage characteristics of the MCFC. I figured out what to do. That is, it has been found that a higher output voltage can be obtained when the cathode has a larger porosity than the anode. This is considered as follows. The molten carbonate held dispersedly in the anode, cathode and electrolyte plate is most often held in the electrolyte plate, and then tends to be held in the order of cathode and anode. This is based on the capillary phenomenon resulting from the wettability between each member and carbonate. That is, it is considered that the retained amount of molten carbonate is determined by tension of molten carbonate at the anode and the cathode. Therefore, I came up with the idea of improving the output voltage of MCFC by optimizing the balance of the porosity of the anode and cathode.

かかる検討結果に基づき上記目的を達成する本発明の第1の態様は、電解質板を挟持し、多孔質の導電体の板で形成した溶融炭酸塩形燃料電池の電極であって、ニッケル板又はカーボン板を下敷きとして前記電極の表面に炭酸塩の粉末を散布し、400℃までは空気雰囲気で昇温する一方、400℃以上では窒素雰囲気で昇温するとともに、650℃で60分以上加熱することにより、前記電解質板に挟持される前の状態において、前記電極の細孔の全容積の80%を上限とする量の炭酸塩を前記電極の細孔に仕込んで構成し、前記電極はアノード及びカソードであり、前記アノード及び前記カソードの体積に占める前記細孔の割合である細孔率を、前記アノードと前記カソードとで同じにするか、又は前記アノードの細孔率よりも前記カソードの細孔率が大きくなるように構成し、前記アノード乃至カソードの細孔率は、前記カソードの細孔に含まれる炭酸塩の体積を前記細孔の体積で除した値である炭酸塩仕込み量と電極反応の際に生じる電圧降下分を表わす過電圧との関係を表わす過電圧特性において前記過電圧が極小値をとるような値としたことを特徴とする溶融炭酸塩形燃料電池の電極にある。 A first aspect of the present invention that achieves the above-described object based on the results of the examination is an electrode of a molten carbonate fuel cell that is formed of a porous conductor plate with an electrolyte plate interposed therebetween, and is a nickel plate or Carbon powder is spread on the surface of the electrode with a carbon plate as an underlay, and the temperature is raised in an air atmosphere up to 400 ° C., while the temperature is raised in a nitrogen atmosphere at 400 ° C. or higher and heated at 650 ° C. for 60 minutes or more. Thus, in a state before being sandwiched between the electrolyte plates, an amount of carbonate up to 80% of the total volume of the pores of the electrode is charged into the pores of the electrode. The anode, and the cathode, which is the ratio of the pores to the volume of the anode and the cathode, is the same between the anode and the cathode, or the cathode is more than the anode porosity. The porosity of the anode or cathode is a value obtained by dividing the volume of carbonate contained in the pores of the cathode by the volume of the pores. The electrode of the molten carbonate fuel cell is characterized in that the overvoltage has a minimum value in the overvoltage characteristic representing the relationship between the amount and the overvoltage representing the voltage drop generated during the electrode reaction .

本発明の第2の態様は、第1の態様に記載する溶融炭酸塩形燃料電池の電極において、前記電極に散布した前記炭酸塩の粉末の上に別のニッケル板又はカーボン板を載置するとともに上方から加圧して前記昇温及び加熱を行って構成したことを特徴とする溶融炭酸塩形燃料電池の電極にある。 According to a second aspect of the present invention, in the molten carbonate fuel cell electrode according to the first aspect, another nickel plate or carbon plate is placed on the carbonate powder dispersed on the electrode. In addition, the present invention provides an electrode for a molten carbonate fuel cell, characterized in that the temperature is raised and heated by applying pressure from above.

本発明の第3の態様は、第1又は第2の態様に記載する溶融炭酸塩形燃料電池の電極において、前記電極はニッケル板で形成したことを特徴とする溶融炭酸塩形燃料電池の電極にある。 According to a third aspect of the present invention, there is provided an electrode for a molten carbonate fuel cell according to the first or second aspect, wherein the electrode is formed of a nickel plate. It is in.

本発明の第の態様は、第1〜第3の何れか一つの態様に記載する溶融炭酸塩形燃料電池の電極において、酸化前の前記カソードの細孔率と前記アノードの細孔率との差が0乃至13%であることを特徴とする溶融炭酸塩形燃料電池の電極にある。 According to a fourth aspect of the present invention, in the electrode of the molten carbonate fuel cell according to any one of the first to third aspects, the cathode porosity and the anode porosity before oxidation are as follows: The difference is 0 to 13% in the electrode of the molten carbonate fuel cell .

本発明の第の態様は、第1〜第4の何れか一つの態様に記載する溶融炭酸塩形燃料電池の電極において、酸化前の前記カソードの細孔率が80%以下であることを特徴とする溶融炭酸塩形燃料電池の電極にある。 According to a fifth aspect of the present invention, in the electrode of the molten carbonate fuel cell according to any one of the first to fourth aspects, the porosity of the cathode before oxidation is 80% or less. It is in the electrode of the featured molten carbonate fuel cell .

本発明の第の態様は、第1〜第5の何れか一つの態様に記載する溶融炭酸塩形燃料電池の電極において、前記アノード乃至カソードの細孔率は、前記過電圧特性において前記過電圧が極小値をとるような値よりも前記炭酸塩仕込み量が多くなるような値としたことを特徴とする溶融炭酸塩形燃料電池の電極にある。 According to a sixth aspect of the present invention, in the electrode of the molten carbonate fuel cell according to any one of the first to fifth aspects , the porosity of the anode to the cathode is the overvoltage in the overvoltage characteristics. The electrode of the molten carbonate fuel cell is characterized in that the carbonate charging amount is larger than a minimum value.

本発明の第の態様は、第1〜第6の何れか一つの態様に記載する電極を有することを特徴とする溶融炭酸塩形燃料電池にある。 A seventh aspect of the present invention is the first to sixth molten carbonate fuel cell characterized by having that electrodes be according to any one of the aspects of the.

本発明の第の態様は、ニッケル板又はカーボン板を下敷きとして多孔質の導電体の板で形成した電極の表面に炭酸塩の粉末を散布し、400℃までは空気雰囲気で昇温する一方、400℃以上では窒素雰囲気で昇温するとともに、650℃で60分以上加熱することにより前記電極の細孔の全容積の80%を上限とする量の炭酸塩を前記電極の細孔に仕込むようにしたことを特徴とする溶融炭酸塩形燃料電池の電極の製造方法にある。 In an eighth aspect of the present invention, carbonate powder is dispersed on the surface of an electrode formed of a porous conductor plate with a nickel plate or carbon plate as an underlay, and the temperature is raised in an air atmosphere up to 400 ° C. At 400 ° C. or higher, the temperature is raised in a nitrogen atmosphere, and by heating at 650 ° C. for 60 minutes or longer, an amount of carbonate up to 80% of the total volume of the electrode pores is charged into the electrode pores. A method for producing an electrode of a molten carbonate fuel cell, characterized in that it is configured as described above.

本発明の第の態様は、第の態様に記載する溶融炭酸塩形燃料電池の電極の製造方法において、前記電極に散布した前記炭酸塩の粉末の上に別のニッケル板又はカーボン板を載置するとともに上方から加圧して前記昇温及び加熱を行うことを特徴とする溶融炭酸塩形燃料電池の電極の製造方法にある。 According to a ninth aspect of the present invention, in the method for manufacturing an electrode for a molten carbonate fuel cell according to the eighth aspect, another nickel plate or carbon plate is placed on the carbonate powder dispersed on the electrode. In the method for producing an electrode of a molten carbonate fuel cell , the electrode is placed and pressurized from above to perform the temperature raising and heating.

本発明の第10の態様は、第8又は第9の態様に記載する溶融炭酸塩形燃料電池の電極の製造方法において、前記電極はニッケル板で形成したものであることを特徴とする溶融炭酸塩形燃料電池の電極の製造方法にある。
A tenth aspect of the present invention is the manufacturing method of the eighth or ninth molten carbonate fuel cell according to aspects of the electrode, the molten carbonate, wherein the electrode is obtained by forming a nickel plate It is in the manufacturing method of the electrode of a salt type fuel cell .

本発明によれば、セルの立ち上げ時の脱脂工程を良好に行いうる範囲で可及的に多くの炭酸塩を電極に含浸させることができる。   According to the present invention, the electrode can be impregnated with as much carbonate as possible within a range in which the degreasing process at the time of starting the cell can be satisfactorily performed.

さらに、アノード及びカソードの細孔率を調整することによりアノード側により多くの炭酸塩が残るような構成としてMCFCとしての出力電圧を上昇させることができる。   Further, by adjusting the porosity of the anode and the cathode, the output voltage of the MCFC can be increased so that more carbonate remains on the anode side.

以下本発明の実施の形態を図面に基づき詳細に説明する。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.

図1は本発明の実施の形態に係るMCFCを示す分解斜視図である。同図に示すように、本形態に係るMCFCは、カソードガスホルダ1、流路板2、SUSメッシュ板3、カソード4、電解質板5、アノード6、流路板7及びアノードガスホルダ8を有している。ここで、カソードガスホールダ1には空気(O)と二酸化炭素(CO)が供給される。また、アノードガスホルダ8には燃料としての水素(H)と一酸化炭素(CO)とが供給される。カソード4は多孔質の導電体の板である酸化ニッケル板で形成されており、SUSメッシュ板3及び流路板2を介してカソードガスホルダ1内に収納してある。ここで、SUSメッシュ板3は脆い酸化ニッケル板であるカソード4の機械的な補強を行うとともに、カソード4に作用する面圧分布を均一化するためのものである。また、アノード6は多孔質の導電体の板であるニッケル板で形成されており、流路板7を介してアノードガスホルダ8内に収納してある。電解質板5は炭酸塩を浸漬させたセラミック多孔質板で形成してあり、アノード6とカソード4との間に挟持してある。 FIG. 1 is an exploded perspective view showing an MCFC according to an embodiment of the present invention. As shown in the figure, the MCFC according to this embodiment includes a cathode gas holder 1, a flow path plate 2, a SUS mesh plate 3, a cathode 4, an electrolyte plate 5, an anode 6, a flow path plate 7, and an anode gas holder 8. Yes. Here, air (O 2 ) and carbon dioxide (CO 2 ) are supplied to the cathode gas holder 1. The anode gas holder 8 is supplied with hydrogen (H 2 ) and carbon monoxide (CO) as fuel. The cathode 4 is formed of a nickel oxide plate, which is a porous conductive plate, and is housed in the cathode gas holder 1 via the SUS mesh plate 3 and the flow path plate 2. Here, the SUS mesh plate 3 serves to mechanically reinforce the cathode 4, which is a brittle nickel oxide plate, and to make the surface pressure distribution acting on the cathode 4 uniform. The anode 6 is formed of a nickel plate, which is a porous conductive plate, and is housed in an anode gas holder 8 via a flow path plate 7. The electrolyte plate 5 is formed of a ceramic porous plate in which carbonate is immersed, and is sandwiched between the anode 6 and the cathode 4.

かかるMCFCにおけるカソード側では、カソードガスホルダ1を介して供給された空気(O)と二酸化炭素(CO)が流路板2及びSUSメッシュ板3を介してカソード4に接触する。この結果、カソード4では外部回路から供給された電子と反応して炭酸イオンが生成され、この炭酸イオンが電解質板5を移動してアノード側に至る。 On the cathode side in the MCFC, air (O 2 ) and carbon dioxide (CO 2 ) supplied via the cathode gas holder 1 come into contact with the cathode 4 via the flow path plate 2 and the SUS mesh plate 3. As a result, the cathode 4 reacts with electrons supplied from the external circuit to generate carbonate ions, and the carbonate ions move through the electrolyte plate 5 and reach the anode side.

一方、アノード側では、アノードガスホルダ1を介して供給された燃料としての水素(H)と一酸化炭素(CO)とが流路板7を介してアノード6に接触する。この結果、アノード6では電解質板5を移動してきた電子と水素が反応して二酸化炭素、水及び電子を生成する。かくして生成された電子が外部回路を介してカソード側へ移動して同様の反応が繰り返されることにより外部回路には連続的に電流を流すことができる。 On the other hand, on the anode side, hydrogen (H 2 ) and carbon monoxide (CO) as fuel supplied via the anode gas holder 1 come into contact with the anode 6 via the flow path plate 7. As a result, the anode 6 reacts with the electrons moving through the electrolyte plate 5 and hydrogen to generate carbon dioxide, water, and electrons. The electrons thus generated move to the cathode side via the external circuit and the same reaction is repeated, whereby a current can be continuously passed through the external circuit.

本形態におけるアノード6及びカソード4にはプレ含浸法により予め炭酸塩を仕込んである。ここで、アノード6及びカソード4に含浸させる炭酸塩は、ガスの透過性を考慮してアノード6及びカソード4の各細孔体積の75%に含浸し、残りの必要な炭酸塩はカソード側の流路に仕込んである。具体的には、溶剤(例えば、エタノール乃至水)に溶かし込んだ炭酸塩をカソード側の流路板2に塗布している。   The anode 6 and the cathode 4 in this embodiment are charged with carbonate in advance by a pre-impregnation method. Here, the carbonate impregnated in the anode 6 and the cathode 4 is impregnated in 75% of each pore volume of the anode 6 and the cathode 4 in consideration of gas permeability, and the remaining necessary carbonate is on the cathode side. The flow path is charged. Specifically, a carbonate dissolved in a solvent (for example, ethanol or water) is applied to the channel plate 2 on the cathode side.

ここで、アノード6及びカソード4に対するプレ含浸の具体的な方法を説明する。図2に示すように、ニッケル板11を下敷きとして使用し、多孔質のニッケル板であるアノード6又はカソード4の表面に炭酸塩10の粉末を散布するとともに、炭酸塩10の粉末の上に別のニッケル板12を載置して所定の荷重を付与する。このように荷重を付与することにより降温時のアノード6及びカソード4の反りを防止した。   Here, a specific method of pre-impregnation for the anode 6 and the cathode 4 will be described. As shown in FIG. 2, a nickel plate 11 is used as an underlay, and a carbonate 10 powder is dispersed on the surface of the anode 6 or the cathode 4 which is a porous nickel plate, and is separately provided on the carbonate 10 powder. The nickel plate 12 is placed and a predetermined load is applied. By applying a load in this way, warping of the anode 6 and the cathode 4 during temperature drop was prevented.

かかる状態で、400℃までは空気雰囲気で昇温する一方、400℃以上では窒素雰囲気で昇温するとともに、650℃で60分維持した。   In this state, the temperature was raised in an air atmosphere up to 400 ° C., while the temperature was raised in a nitrogen atmosphere above 400 ° C. and maintained at 650 ° C. for 60 minutes.

図3は炭酸塩のプレ含浸後のアノード6及びカソード4を9分割して各分割エリア毎の重量増加量から炭酸塩含浸量の分布を計測した結果を示す説明図である。ちなみに、初期重量はアノード6及びカソード4の重量が42.5g、炭酸塩の重量が9.88gで、含浸後は全体で34.42g(2%程度の酸化を含む)であった。なお、図中の各分割エリアの数字は当該エリアに含浸されている炭酸塩の重量(g)である。   FIG. 3 is an explanatory diagram showing the result of measuring the distribution of the carbonate impregnation amount from the weight increase amount for each divided area by dividing the anode 6 and the cathode 4 after the carbonate pre-impregnation into nine. Incidentally, the initial weight was 42.5 g of the anode 6 and the cathode 4 and the weight of carbonate was 9.88 g. After impregnation, the total weight was 34.42 g (including about 2% oxidation). In addition, the number of each division area in a figure is the weight (g) of the carbonate impregnated in the said area.

上述の如きプレ含浸によれば、アノード6及びカソード4には炭酸塩10量のほぼ100%が含浸されており、図3に示すように、極端な分布もないことが分かった。また、重量増加は102%となっており、アノード6及びカソード4の酸化も2%程度発生していることが明らかになった。   According to the pre-impregnation as described above, it was found that the anode 6 and the cathode 4 were impregnated with almost 100% of the carbonate 10 amount, and there was no extreme distribution as shown in FIG. Further, the increase in weight was 102%, and it became clear that the oxidation of the anode 6 and the cathode 4 was also generated by about 2%.

そこで、炭酸塩10の含浸方法として炭酸塩仕込み量(炭酸塩体積/電極中の細孔体積)と設定温度および保持時間をパラメータとして、含浸試験を実施した。試験結果は表1に示す通りである。   Therefore, as a method for impregnating the carbonate 10, an impregnation test was conducted using the carbonate preparation amount (carbonate volume / pore volume in the electrode), the set temperature and the holding time as parameters. The test results are as shown in Table 1.

表1に示すように、550℃ 、30分保持の条件ではいずれの炭酸塩仕込み量においても炭酸塩10のすべてをアノード6及びカソード4に含浸させることはできず、下敷きのニッケル板11などに炭酸塩10が粉末状で付着する結果となった。これは炭酸塩組成としてLiCO/NaCO=60/40%の非共晶塩であるため、炭酸塩10の融点には至らなかったためと考えられる。そこで、温度を650℃ まで上げたところ、炭酸塩仕込み率75%ではすべ含浸された。ところが、仕込率100%ではすべては含浸されず、溶融した炭酸塩10が下敷きのニッケル板11に付着する結果となった。さらに、650℃で1時間保持したところ、仕込率85%まで含浸できることが明らかになった。ただし、炭酸塩含浸率を85%に設定すると、プレ含浸されたアノード6及びカソード4の細孔率は理屈上15%となり、ガス透過性がない状態となることも明らかになった。セルの立ち上げ時、電解質板5の脱脂工程があるため、アノード6及びカソード4にはガスの透過性が要求される。このため、アノード6及びカソード4のいずれかは80以下の炭酸塩仕込み率に設定しなければならない。したがって、最短のアノード6及びカソード4へのプレ含浸条件としては650℃ 、60分を必要とし、仕込量は80パーセントを上限とすることが必要である。 As shown in Table 1, all of the carbonate 10 cannot be impregnated in the anode 6 and the cathode 4 at any amount of carbonate charged at 550 ° C. for 30 minutes. The result was that carbonate 10 adhered in powder form. This is presumably because the carbonate composition was Li 2 CO 3 / Na 2 CO 3 = 60/40% non-eutectic salt, so that the melting point of the carbonate 10 was not reached. Therefore, when the temperature was raised to 650 ° C., all the impregnation was performed at a carbonate charge rate of 75%. However, when the charging rate was 100%, all was not impregnated, and the molten carbonate 10 adhered to the underlying nickel plate 11. Furthermore, when it was kept at 650 ° C. for 1 hour, it was revealed that it could be impregnated to a charging rate of 85%. However, when the carbonate impregnation rate was set to 85%, the porosity of the pre-impregnated anode 6 and cathode 4 was theoretically 15%, and it became clear that there was no gas permeability. Since the electrolyte plate 5 is degreased at the time of starting the cell, the anode 6 and the cathode 4 are required to have gas permeability. For this reason, either the anode 6 or the cathode 4 must be set to a carbonate charging rate of 80 or less. Accordingly, the shortest pre-impregnation conditions for the anode 6 and the cathode 4 require 650 ° C. for 60 minutes, and the charging amount must be 80% as the upper limit.

上述したアノード6及びカソード4への炭酸塩プレ含浸方法からアノード6及びカソード4に仕込むことが可能な炭酸塩量の上限は決定される。一方、アノード6及びカソード4の細孔率は電池性能の観点から、また厚みについては集電板の厚みとの兼ね合いにより決定される。そこで、アノード6及びカソード4へのプレ含浸のみでセルに必要な炭酸塩量を賄うためには、電解質板5の厚みをある値以下にする必要がある。表2に示した実際の部材の仕様を基に電解質板5の厚み上限を計算すると、0.04cmとなり、アノード6及びカソード4へのプレ含浸だけではかなり薄い電解質板5しか使用できない結果となる。   The upper limit of the amount of carbonate that can be charged into the anode 6 and the cathode 4 is determined from the above-described method of pre-impregnating the anode 6 and the cathode 4 with the carbonate. On the other hand, the porosity of the anode 6 and the cathode 4 is determined from the viewpoint of battery performance, and the thickness is determined in consideration of the thickness of the current collector plate. Therefore, in order to cover the amount of carbonate necessary for the cell only by pre-impregnation of the anode 6 and the cathode 4, it is necessary to make the thickness of the electrolyte plate 5 below a certain value. When the upper limit of the thickness of the electrolyte plate 5 is calculated based on the specifications of the actual members shown in Table 2, it becomes 0.04 cm, and only the considerably thin electrolyte plate 5 can be used only by pre-impregnation of the anode 6 and the cathode 4. .

電解質板5の割れに対する耐久性や、ニッケル短絡抑制といった観点からみると、現状では0.037cmの電解質板5の2枚構成による0.075cmが妥当な厚みと考えられる。0.075cmの厚みの電解質板5を使用する場合、アノード6、カソード4及び電解質板5に必要なセル全体の炭酸塩量の約10%は別の場所に仕込まなくてはならない。そこで、残りの必要炭酸塩は、前述の如くカソード側の流路に仕込んでいる。カソード側に仕込む理由は内部改質型のMCFCの場合にはアノード流路板に内部改質触媒を充填するためである。   From the viewpoint of durability against cracking of the electrolyte plate 5 and suppression of nickel short-circuiting, 0.075 cm based on the configuration of two electrolyte plates 5 of 0.037 cm is considered to be a reasonable thickness at present. When the electrolyte plate 5 having a thickness of 0.075 cm is used, about 10% of the total amount of carbonate required for the anode 6, the cathode 4, and the electrolyte plate 5 must be charged elsewhere. Therefore, the remaining necessary carbonate is charged in the flow path on the cathode side as described above. The reason for charging to the cathode side is to fill the anode flow path plate with the internal reforming catalyst in the case of the internal reforming type MCFC.

炭酸塩10を流路に仕込む方法としては溶媒としてエタノールまたは純水が考えられるが、本形態ではエタノールを選定した。これは、流路に刷毛塗りした後の乾燥時間を短縮するためであること、また単セルの解体分析結果から純水よりもエタノールで溶いた炭酸塩の場合の方が、カソード流路に炭酸塩が残存せず、きれいにカソードに含浸されている傾向が認められたためである。一方、純水を溶媒とした場合には乾燥に時間を要する点を除いては、接着力が良く、ハンドリング性が良いため、低コスト化を考える場合には、純水による炭酸塩塗布に置き換える方法も検討に値する。   As a method of charging the carbonate 10 into the flow path, ethanol or pure water can be considered as a solvent. In this embodiment, ethanol is selected. This is to shorten the drying time after brushing the channel, and from the results of single-cell disassembly analysis, carbonate in the cathode channel is more carbonated in the case of carbonate dissolved in pure water. This is because no salt remained and a tendency of the impregnation into the cathode was recognized. On the other hand, when pure water is used as a solvent, except for the point that it takes time to dry, the adhesive strength is good and the handling property is good. The method is also worth considering.

次に、MCFCの昇温方法について説明する。セルの昇温に対する基本的な工程は以下の通りである。まず、はじめに1)電解質板5とアノード6及びカソード4とのホットプレス(高温状態での一軸型の加圧プレス)による密着性の向上、2)電解質板5中の脱脂工程、3)炭酸塩10の電解質板5への含浸工程、4)カソード集電板の酸化被膜の形成、5)カソード4の酸化および酸化カソード(酸化ニッケル)に導電性を付与するために微量のリチウムをドープさせる(リチエーション)、6)発電の工程となる。   Next, a method for raising the temperature of MCFC will be described. The basic process for raising the temperature of the cell is as follows. First, 1) improvement of adhesion by hot pressing (uniaxial pressure pressing in a high temperature state) between the electrolyte plate 5, the anode 6 and the cathode 4, 2) a degreasing step in the electrolyte plate 5, and 3) carbonate 10) impregnation step into the electrolyte plate 5 4) formation of an oxide film on the cathode current collector plate 5) oxidation of the cathode 4 and doping of the oxidized cathode (nickel oxide) with a small amount of lithium ( 6) Power generation process.

さらに詳言すると、
1) 電解質板5とアノード6及びカソード4とのホットプレス温度については電解質板5に使用しているバインダー(結合剤)に依存する。本形態で使用している電解質板用バインダー(SM15メチルセルロース)は100℃前後で十分柔らかくなり、固いアノード6及びカソード4が柔らかくなった電解質板5に食い込む形で密着性が向上する。このため、常温時にセルに十分な荷重(2.0〜2.8kg/cm)を加えておくことが必要である。
To elaborate further,
1) The hot press temperature between the electrolyte plate 5 and the anode 6 and the cathode 4 depends on the binder (binder) used in the electrolyte plate 5. The electrolyte plate binder (SM15 methylcellulose) used in this embodiment is sufficiently soft at around 100 ° C., and the adhesion is improved by biting into the electrolyte plate 5 in which the hard anode 6 and the cathode 4 are softened. For this reason, it is necessary to apply a sufficient load (2.0 to 2.8 kg / cm 2 ) to the cell at room temperature.

2) 電解質板5中の脱脂工程についても使用しているバインダーにより保持すべき温度域を考慮しなければならない。バインダーであるSM15メトローズの熱分解挙動はまず200℃から重量損失が起こりはじめ、280℃〜300℃で炭化が始まり空気中では350℃、窒素雰囲気中では380℃までに急激な重量損失(80%)が起こる。その後、空気中では480℃までに100%の重量損失が起こるが、窒素雰囲気では90%の重量損失にとどまり、1000℃においても10%のバインダーは残存する。以上の特性をもっていることから、まず空気雰囲下において重量損失の始まる210℃(セルの上下にあるヒータ温度でセル温度は200℃を想定)で保持し、急激な重量減少の始まる少し手前の255℃(セル温度245℃)で保持し、バインダーのほぼ80%が損失する410℃(セル温度は400℃ )で保持する脱脂工程とした。400℃以上の温度域ではアノード6の酸化が発生するため、ここで窒素雰囲気に変更する。   2) For the degreasing step in the electrolyte plate 5, the temperature range to be held by the binder used must be taken into account. The thermal decomposition behavior of SM15 Metroze, which is a binder, begins with a weight loss starting from 200 ° C, carbonization begins at 280 ° C to 300 ° C, and sudden weight loss (80% to 350 ° C in air and 380 ° C in a nitrogen atmosphere). ) Occurs. Thereafter, 100% weight loss occurs by 480 ° C. in air, but only 90% weight loss occurs in a nitrogen atmosphere, and 10% binder remains at 1000 ° C. Since it has the above characteristics, it is first held at 210 ° C. where the weight loss starts in the air atmosphere (the heater temperature above and below the cell is assumed to be 200 ° C.). The degreasing step was performed at a temperature of 255 ° C. (cell temperature of 245 ° C.) and a temperature of 410 ° C. (cell temperature of 400 ° C.) at which almost 80% of the binder was lost. Since oxidation of the anode 6 occurs in the temperature range of 400 ° C. or higher, the atmosphere is changed to a nitrogen atmosphere here.

3) 炭酸塩10の含浸は炭酸塩10の融点である500℃前後から開始するためセル温度で520℃以上になるところで一度温度を保持し十分電解質板5に炭酸塩10が含浸されるのを待つ。この時点で、アノード6及びカソード4間のガスシールが確保されるようになる。   3) Since the impregnation of the carbonate 10 starts from around 500 ° C., which is the melting point of the carbonate 10, the temperature is once maintained at a cell temperature of 520 ° C. or more, and the electrolyte plate 5 is sufficiently impregnated with the carbonate 10 wait. At this point, a gas seal between the anode 6 and the cathode 4 is secured.

4) カソード集電板であるステンレス材はLi/Na系炭酸塩と激しく反応する温度域があるため、その温度域に到達する前に、金属表面に不動態膜をしっかり形成させておく必要がある。このため、セル温度で520℃〜550℃の間にカソード4に水蒸気を供給し、水蒸気によるステンレス表面の酸化被膜を形成させる。   4) Since the stainless steel material that is the cathode current collector has a temperature range that reacts violently with Li / Na carbonate, it is necessary to form a passive film on the metal surface before reaching that temperature range. is there. For this reason, water vapor is supplied to the cathode 4 at a cell temperature between 520 ° C. and 550 ° C. to form an oxide film on the stainless steel surface by the water vapor.

5) カソード4に空気/炭酸ガス/窒素の混合ガスを供給し、金属ニッケルから酸化ニッケルへのカソード酸化工程ならびに酸化ニッケルからリチウムのドープされた酸化ニッケルへと変化させる。ここで、いきなり酸素濃度が高いガスを供給すると、急激な酸化反応を生じ、特にスタックや大面積セルの場合にはセル温度の急上昇をもたらす危険があるため、酸素濃度を調整する必要がある。このカソード4でのニッケル酸化反応は550℃〜600℃の温度域で行う。この間、アノード6は金属ニッケルを保つため還元雰囲気ガスを供給する。   5) Supply air / carbon dioxide / nitrogen mixed gas to the cathode 4 and change the cathode oxidation process from metallic nickel to nickel oxide and from nickel oxide to lithium-doped nickel oxide. Here, when a gas having a high oxygen concentration is supplied suddenly, a rapid oxidation reaction occurs, and particularly in the case of a stack or a large-area cell, there is a danger of causing a rapid rise in cell temperature. Therefore, it is necessary to adjust the oxygen concentration. The nickel oxidation reaction at the cathode 4 is performed in a temperature range of 550 ° C to 600 ° C. During this time, the anode 6 supplies a reducing atmosphere gas to keep the metallic nickel.

6) セル温度が600℃以上となれば発電は開始可能となり、初期は馴らし運転の意味合いを込めて、低負荷(50〜100mA/cm)かつセル電圧750mV以上の条件で所定時間運転する。 6) When the cell temperature reaches 600 ° C. or higher, power generation can be started. In the initial stage, the operation is performed for a predetermined time under conditions of low load (50 to 100 mA / cm 2 ) and cell voltage of 750 mV or more with the meaning of habituation operation.

さらに、本形態に係るカソード4とアノード6との細孔率の関係は次の様に調整してある。なお、細孔率とはカソード4及びアノード6の体積に占める孔の割合(%)である。   Furthermore, the relationship between the porosity of the cathode 4 and the anode 6 according to this embodiment is adjusted as follows. The porosity is the ratio (%) of pores to the volume of the cathode 4 and the anode 6.

図4はガス組成及びガス温度に基づきネルンスト式で決まる出力電圧の理論値(本例の場合、1060mV)と実際に外部に取出し得た出力電圧との差である電圧降下分の原因を分析評価したもので、図4(a)がアノードの細孔率が62%で、且つアノードの細孔率>カソードの細孔率(従来技術)の場合、図4(b)が図4(a)の場合よりもアノードの細孔率を55%迄緻密化し、この結果アノードの細孔率=カソードの細孔率とした場合、図4(c)が図4(b)の場合よりもさらにカソードの細孔率を61%迄粗孔化し、この結果アノードの細孔率<カソードの細孔率とした場合である。なお、図4(b)の場合のカソードの細孔率は図4(a)の場合と同じになるように形成した(ただし、若干のバラツキは発生する)。また、図4(c)の場合のアノードの細孔率は図4(b)の場合と同じになるように形成した(ただし、若干のバラツキは発生する)。   FIG. 4 is an analysis and evaluation of the cause of the voltage drop, which is the difference between the theoretical value of the output voltage determined by the Nernst equation based on the gas composition and gas temperature (1060 mV in this example) and the output voltage that can actually be taken out to the outside. FIG. 4A shows the case where the porosity of the anode is 62%, and the porosity of the anode> the porosity of the cathode (conventional technology), FIG. In the case where the anode porosity is increased to 55%, and as a result, the anode porosity = the cathode porosity, FIG. 4 (c) is more cathode than in FIG. 4 (b). This is a case where the porosity of the material is coarsened to 61%, and as a result, the porosity of the anode <the porosity of the cathode. In addition, the porosity of the cathode in the case of FIG. 4B was formed to be the same as in the case of FIG. 4A (however, a slight variation occurs). Further, the porosity of the anode in the case of FIG. 4C was formed to be the same as in the case of FIG. 4B (however, a slight variation occurs).

図4を参照すれば(a)から(c)に向かってカソードO反応ロス及び内抵抗が大きく改善され、従来技術を示す(a)で817mVであった出力電圧が、(b)で847mV迄上昇し、さらに(c)では860mV迄上昇していることが分る。 Referring to FIG. 4, the cathode O 2 reaction loss and internal resistance are greatly improved from (a) to (c), and the output voltage that was 817 mV in (a) showing the prior art is 847 mV in (b). It can be seen that in (c), it has increased to 860 mV.

さらに、アノード細孔率とカソード細孔率との組み合わせを種々変化させて、各試料の1セル当たりの出力電圧を測定したものが表3である。   Further, Table 3 shows the output voltage per cell of each sample measured by changing various combinations of the anode porosity and the cathode porosity.

表3中の試料1が図4(a)、試料5が図4(b)、試料7が図4(c)の特性を与えるアノード6及びカソード4の組み合わせである。ここで、表3中の酸化時とは、カソード4が酸化された後の細孔率を意味している。例えば多孔質ニッケル板を焼成して形成したカソード4は、これを実際にMCFCに用いた場合には酸化されて、例えば多孔質酸化ニッケル板となるが、焼成直後でカソード4として使用する前のカソードの細孔率は、その使用後のカソード4の細孔率よりも大きい。これは、カソード4がその酸化後には素材の膨張により孔が収縮するからである。したがって、MCFCとしては酸化後のカソード細孔率を基準にその出力電圧との関連を評価している。   Sample 1 in Table 3 is a combination of the anode 6 and the cathode 4 that give the characteristics shown in FIG. 4A, the sample 5 shown in FIG. 4B, and the sample 7 shown in FIG. 4C. Here, the time of oxidation in Table 3 means the porosity after the cathode 4 is oxidized. For example, a cathode 4 formed by firing a porous nickel plate is oxidized when it is actually used for MCFC, for example, becomes a porous nickel oxide plate, but immediately before firing and before being used as the cathode 4. The porosity of the cathode is larger than the porosity of the cathode 4 after use. This is because the pores shrink due to the expansion of the material after the cathode 4 is oxidized. Therefore, MCFC evaluates the relationship with the output voltage based on the cathode porosity after oxidation.

また、表3の結果に基づきアノード細孔率とカソード細孔率(酸化時)との差に対する出力電圧特性を図5に示す。同図を参照すれば、アノード細孔率とカソード細孔率(酸化時)との差に対する出力電圧特性は前記差がマイナスの値として大きくなればなるほど上昇する傾向にあることが分った。特に、アノード細孔率<カソード細孔率の関係が成立し、両者の差の絶対値が大きい場合ほど高い出力電圧が得られている。   FIG. 5 shows the output voltage characteristics with respect to the difference between the anode porosity and the cathode porosity (during oxidation) based on the results in Table 3. Referring to the figure, it has been found that the output voltage characteristics with respect to the difference between the anode porosity and the cathode porosity (during oxidation) tend to increase as the difference increases as a negative value. In particular, the relationship of anode porosity <cathode porosity is established, and the higher the absolute value of the difference between the two, the higher the output voltage is obtained.

図4及び図5の実験結果は、アノード側に炭酸塩がより多くの残るようなアノード6及びカソード4の構成とすることによりMCFCの出力電圧を上昇させることができることを表わしている。   The experimental results of FIGS. 4 and 5 show that the output voltage of the MCFC can be increased by adopting the configuration of the anode 6 and the cathode 4 so that more carbonate remains on the anode side.

そこで、本形態では、前記細孔率を、アノード6とカソード4とで同じにするか、又はアノード6の細孔率よりもカソード4の細孔率が大きくなるように構成した。   Therefore, in this embodiment, the porosity is the same for the anode 6 and the cathode 4, or the cathode 4 is configured to have a larger porosity than the anode 6.

かかる本形態によればアノード側により多くの炭酸塩が残るような構造となって、大きな出力電圧を得ることができる。   According to the present embodiment, the structure is such that more carbonate remains on the anode side, and a large output voltage can be obtained.

さらに、具体的には、表3に試料5,6,7として示すアノード6及びカソード4を有するMCFCは、すべて上記実施の形態の条件を満たしており、従来技術である試料1に比べ何れも高い出力電圧を得ている。したがって、次の3つを本発明の実施例として挙げることができる。なお、次に記載するアノード6及びカソード4は全て上述のプレ含浸法により所定量の炭酸塩10を仕込んである。   Furthermore, specifically, the MCFCs having the anode 6 and the cathode 4 shown as samples 5, 6, and 7 in Table 3 all satisfy the conditions of the above-described embodiment, and are all compared with the sample 1 that is the prior art. High output voltage is obtained. Therefore, the following three can be cited as examples of the present invention. Note that the anode 6 and the cathode 4 described below are charged with a predetermined amount of carbonate 10 by the above-described pre-impregnation method.

<実施例1>
アノード6の細孔率が55%で、且つカソード4の細孔率が55%の場合である。本実施例によれば847mVの出力電圧が得られる。
<Example 1>
This is the case where the porosity of the anode 6 is 55% and the porosity of the cathode 4 is 55%. According to this embodiment, an output voltage of 847 mV can be obtained.

<実施例2>
アノード6の細孔率が57%で、且つカソード4の細孔率が59%の場合である。本実施例によれば842mVの出力電圧が得られる。
<Example 2>
This is the case where the porosity of the anode 6 is 57% and the porosity of the cathode 4 is 59%. According to this embodiment, an output voltage of 842 mV can be obtained.

<実施例3>
アノード6の細孔率が58%で、且つカソード4の細孔率が61%の場合である。本実施例によれば860mVの出力電圧が得られる。
<Example 3>
This is the case where the porosity of the anode 6 is 58% and the porosity of the cathode 4 is 61%. According to this embodiment, an output voltage of 860 mV can be obtained.

なお、本形態においては、基本的にはアノード6の細孔率とカソード4の細孔率とが同じか、又はアノード6の細孔率よりもカソード4の細孔率が大きくなっていれば良いが、カソード4の細孔率はその機械的強度により制限される。カソード4の形成部材である酸化ニッケルが酸化により脆くなることとも相俟って細孔率があまりに大きくなると電極として必要な機械的強度を維持し得ないからである。したがって、カソード4の細孔率は酸化前のニッケル板の状態で80%(酸化後では68%)程度が上限であると考えられる。そこで、表3及び図5の結果に基づけばカソード4の細孔率とアノード6の細孔率との差が0乃至13%であることが好ましい。   In this embodiment, basically, the porosity of the anode 6 and the porosity of the cathode 4 are the same, or the porosity of the cathode 4 is larger than the porosity of the anode 6. Although good, the porosity of the cathode 4 is limited by its mechanical strength. This is because the mechanical strength required for the electrode cannot be maintained if the porosity is too high, in combination with the fact that nickel oxide, which is a member for forming the cathode 4, becomes brittle due to oxidation. Therefore, it is considered that the upper limit of the porosity of the cathode 4 is about 80% (68% after oxidation) in the state of the nickel plate before oxidation. Therefore, based on the results of Table 3 and FIG. 5, the difference between the porosity of the cathode 4 and the porosity of the anode 6 is preferably 0 to 13%.

図6はアノード乃至カソードの細孔に含まれる炭酸塩仕込み量と電極反応の際に生じる電圧降下分を表わす過電圧との関係を表わす過電圧特性を示す特性図である。同図に示すように、過電圧特性は、アノード6乃至カソード4における炭酸塩の仕込み量に対し極小値Aを持つことが知られている。そして、過電圧が極小の場合がMCFCの出力電圧も最大になると考えられる。そこで、アノード6及びカソード4の細孔率との関係とともに過電圧が極小値Aを持つように炭酸塩の仕込み量を調整することで、さらに容易に高出力電圧を得ることができる。ここで、アノード6及びカソード4に仕込んだ炭酸塩は、MCFCとして発電を継続すると蒸発等によりその量が減少する。したがって、最初は極小値Aを与える仕込み量よりも若干多い仕込み量としておくのが最適である。このように最適値BとすることによりMCFCの使用とともに炭酸塩の量が減少して極小値Aに向かう特性とすることにより使用により過電圧を低減することができるという効果を得る。   FIG. 6 is a characteristic diagram showing an overvoltage characteristic representing the relationship between the carbonate charge amount contained in the anode or cathode pores and the overvoltage representing the voltage drop generated during the electrode reaction. As shown in the figure, it is known that the overvoltage characteristic has a minimum value A with respect to the amount of carbonate charged in the anode 6 to the cathode 4. And when the overvoltage is extremely small, the output voltage of the MCFC is considered to be maximum. Therefore, by adjusting the amount of carbonate charged so that the overvoltage has a minimum value A as well as the relationship with the porosity of the anode 6 and the cathode 4, a high output voltage can be obtained more easily. Here, the amount of carbonate charged in the anode 6 and the cathode 4 decreases due to evaporation or the like when power generation is continued as MCFC. Therefore, it is optimal to initially set the amount slightly larger than the amount that provides the minimum value A. By setting the optimum value B in this way, the amount of carbonate decreases with the use of MCFC, and the characteristic toward the minimum value A is obtained, so that the overvoltage can be reduced by use.

なお、上述のプレ含浸においては、炭酸塩との濡れ性等を考慮して下敷き及び加圧用の板としてニッケル板11,12を使用したが、これはカーボン板で代替しても同様の効果が得られる。したがって、プレ含浸の下敷き乃至加圧板としてはニッケル板乃至カーボン板が好適である。   In the pre-impregnation described above, the nickel plates 11 and 12 are used as the underlay and pressurizing plates in consideration of the wettability with the carbonate and the like. can get. Therefore, a nickel plate or a carbon plate is suitable as the pre-impregnated underlay or pressure plate.

本発明は電力設備の製造、販売、運用を行う産業界において有効に利用し得る。   The present invention can be effectively used in the industry that manufactures, sells, and operates electric power equipment.

本発明の実施の形態に係るMCFCを示す分解斜視図である。It is a disassembled perspective view which shows MCFC which concerns on embodiment of this invention. 本発明の実施の形態に係るプレ含浸の態様を概念的に示す説明図である。It is explanatory drawing which shows notionally the aspect of the pre-impregnation based on embodiment of this invention. 炭酸塩のプレ含浸後のアノード及びカソードを9分割して各分割エリア毎のの重量増加量から炭酸塩含浸量の分布を計測した結果を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the result of having measured the distribution of carbonate impregnation amount from the weight increase amount for every division | segmentation area | region, dividing the anode and cathode after carbonate pre-impregnation into 9 parts. ネルンスト式で決まる出力電圧の理論値と実際に外部に取出し得た出力電圧との差である電圧降下分の原因を分析評価した結果を示すグラフである。It is a graph which shows the result of having analyzed and evaluated the cause of the voltage drop which is the difference between the theoretical value of the output voltage determined by the Nernst equation and the output voltage actually taken out to the outside. アノード細孔率とカソード細孔率との差に対する出力電圧特性を示す特性図である。It is a characteristic view which shows the output voltage characteristic with respect to the difference of an anode porosity and a cathode porosity. アノード乃至カソードの細孔に含まれる炭酸塩仕込み量と電極反応の際に生じる電圧降下分を表わす過電圧との関係を表わす過電圧特性を示す特性図である。FIG. 5 is a characteristic diagram showing an overvoltage characteristic representing a relationship between an amount of carbonate charged contained in pores of an anode or a cathode and an overvoltage representing a voltage drop generated during an electrode reaction.

符号の説明Explanation of symbols

4 カソード
5 電解質板
6 アノード
10 炭酸塩
11、12 ニッケル板
4 Cathode 5 Electrolyte plate 6 Anode
10 Carbonate 11, 12 Nickel plate

Claims (10)

電解質板を挟持し、多孔質の導電体の板で形成した溶融炭酸塩形燃料電池の電極であって、
ニッケル板又はカーボン板を下敷きとして前記電極の表面に炭酸塩の粉末を散布し、400℃までは空気雰囲気で昇温する一方、400℃以上では窒素雰囲気で昇温するとともに、650℃で60分以上加熱することにより、前記電解質板に挟持される前の状態において、前記電極の細孔の全容積の80%を上限とする量の炭酸塩を前記電極の細孔に仕込んで構成し
前記電極はアノード及びカソードであり、前記アノード及び前記カソードの体積に占める前記細孔の割合である細孔率を、前記アノードと前記カソードとで同じにするか、又は前記アノードの細孔率よりも前記カソードの細孔率が大きくなるように構成し、
前記アノード乃至カソードの細孔率は、前記カソードの細孔に含まれる炭酸塩の体積を前記細孔の体積で除した値である炭酸塩仕込み量と電極反応の際に生じる電圧降下分を表わす過電圧との関係を表わす過電圧特性において前記過電圧が極小値をとるような値としたことを特徴とする溶融炭酸塩形燃料電池の電極。
An electrode of a molten carbonate fuel cell sandwiched between electrolyte plates and formed of a porous conductor plate,
While a nickel plate or a carbon plate is used as an underlay and carbonate powder is sprayed on the surface of the electrode, the temperature is raised in an air atmosphere up to 400 ° C., while the temperature is raised in a nitrogen atmosphere at 400 ° C. or higher and 60 minutes at 650 ° C. By heating above, in a state before being sandwiched between the electrolyte plates, the amount of carbonate up to 80% of the total volume of the pores of the electrode is charged in the pores of the electrode ,
The electrodes are an anode and a cathode, and the porosity, which is the proportion of the pores in the volume of the anode and the cathode, is the same between the anode and the cathode, or from the porosity of the anode Is configured to increase the porosity of the cathode,
The porosity of the anode to the cathode represents the amount of carbonate charged and the voltage drop generated during the electrode reaction, which is a value obtained by dividing the volume of carbonate contained in the cathode pore by the volume of the pore. An electrode of a molten carbonate fuel cell, characterized in that the overvoltage has a minimum value in an overvoltage characteristic representing a relationship with the overvoltage .
請求項1に記載する溶融炭酸塩形燃料電池の電極において、
前記電極に散布した前記炭酸塩の粉末の上に別のニッケル板又はカーボン板を載置するとともに上方から加圧して前記昇温及び加熱を行って構成したことを特徴とする溶融炭酸塩形燃料電池の電極。
The electrode of the molten carbonate fuel cell according to claim 1,
A molten carbonate fuel characterized in that another nickel plate or carbon plate is placed on the carbonate powder sprayed on the electrode and the temperature is raised and heated by pressing from above. Battery electrode.
請求項1又は請求項2に記載する溶融炭酸塩形燃料電池の電極において、
前記電極はニッケル板で形成したことを特徴とする溶融炭酸塩形燃料電池の電極。
In the molten carbonate fuel cell electrode according to claim 1 or 2,
An electrode of a molten carbonate fuel cell, wherein the electrode is formed of a nickel plate.
請求項1〜請求項3の何れか一項に記載する溶融炭酸塩形燃料電池の電極において、
酸化前の前記カソードの細孔率と前記アノードの細孔率との差が0乃至13%であることを特徴とする溶融炭酸塩形燃料電池の電極。
In the electrode of the molten carbonate fuel cell according to any one of claims 1 to 3 ,
The electrode of a molten carbonate fuel cell, wherein the difference between the porosity of the cathode before oxidation and the porosity of the anode is 0 to 13%.
請求項1〜請求項4の何れか一項に記載する溶融炭酸塩形燃料電池の電極において、
酸化前の前記カソードの細孔率が80%以下であることを特徴とする溶融炭酸塩形燃料電池の電極。
In the electrode of the molten carbonate fuel cell according to any one of claims 1 to 4 ,
An electrode for a molten carbonate fuel cell, wherein the porosity of the cathode before oxidation is 80% or less.
請求項1〜請求項5の何れか一項に記載する溶融炭酸塩形燃料電池の電極において、
前記アノード乃至カソードの細孔率は、前記過電圧特性において前記過電圧が極小値をとるような値よりも前記炭酸塩仕込み量が多くなるような値としたことを特徴とする溶融炭酸塩形燃料電池の電極。
In the electrode of the molten carbonate fuel cell according to any one of claims 1 to 5 ,
The porosity of the anode to the cathode is set to a value such that the carbonate charging amount is larger than a value at which the overvoltage takes a minimum value in the overvoltage characteristics. Electrodes.
請求項1〜請求項6の何れか一項に記載する電極を有することを特徴とする溶融炭酸塩形燃料電池。 A molten carbonate fuel cell comprising the electrode according to any one of claims 1 to 6 . ニッケル板又はカーボン板を下敷きとして多孔質の導電体の板で形成した電極の表面に炭酸塩の粉末を散布し、400℃までは空気雰囲気で昇温する一方、400℃以上では窒素雰囲気で昇温するとともに、650℃で60分以上加熱することにより前記電極の細孔の全容積の80%を上限とする量の炭酸塩を前記電極の細孔に仕込むようにしたことを特徴とする溶融炭酸塩形燃料電池の電極の製造方法。   Carbonate powder is sprayed on the surface of an electrode formed of a porous conductive plate with a nickel plate or carbon plate as an underlay, and the temperature is raised in an air atmosphere up to 400 ° C, while in a nitrogen atmosphere above 400 ° C. The melting is characterized by charging the pores of the electrode with an amount of carbonate up to 80% of the total volume of the pores of the electrode by heating at 650 ° C. for 60 minutes or more. A method for producing an electrode of a carbonate fuel cell. 請求項に記載する溶融炭酸塩形燃料電池の電極の製造方法において、
前記電極に散布した前記炭酸塩の粉末の上に別のニッケル板又はカーボン板を載置するとともに上方から加圧して前記昇温及び加熱を行うことを特徴とする溶融炭酸塩形燃料電池の電極の製造方法。
In the manufacturing method of the electrode of the molten carbonate fuel cell according to claim 8 ,
An electrode of a molten carbonate fuel cell, wherein another nickel plate or carbon plate is placed on the carbonate powder dispersed on the electrode, and the temperature is raised and heated by pressing from above. Manufacturing method.
請求項又は請求項に記載する溶融炭酸塩形燃料電池の電極の製造方法において、
前記電極はニッケル板で形成したものであることを特徴とする溶融炭酸塩形燃料電池の電極の製造方法。
In the manufacturing method of the electrode of the molten carbonate fuel cell of Claim 8 or Claim 9 ,
The method for producing an electrode for a molten carbonate fuel cell, wherein the electrode is formed of a nickel plate.
JP2008125262A 2008-05-12 2008-05-12 Molten carbonate fuel cell electrode, method for producing the same, and molten carbonate fuel cell Expired - Fee Related JP5500567B2 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2008125262A JP5500567B2 (en) 2008-05-12 2008-05-12 Molten carbonate fuel cell electrode, method for producing the same, and molten carbonate fuel cell

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2008125262A JP5500567B2 (en) 2008-05-12 2008-05-12 Molten carbonate fuel cell electrode, method for producing the same, and molten carbonate fuel cell

Publications (2)

Publication Number Publication Date
JP2009277391A JP2009277391A (en) 2009-11-26
JP5500567B2 true JP5500567B2 (en) 2014-05-21

Family

ID=41442650

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2008125262A Expired - Fee Related JP5500567B2 (en) 2008-05-12 2008-05-12 Molten carbonate fuel cell electrode, method for producing the same, and molten carbonate fuel cell

Country Status (1)

Country Link
JP (1) JP5500567B2 (en)

Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101146944B1 (en) * 2010-04-14 2012-05-22 두산중공업 주식회사 Fabrication Method of Electrolyte impregnanted Cathodes

Family Cites Families (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH1074529A (en) * 1996-08-30 1998-03-17 Toshiba Corp Fused carbonate type fuel cell and its manufacture
JPH11135134A (en) * 1997-10-30 1999-05-21 Ishikawajima Harima Heavy Ind Co Ltd Electrode for molten carbonate fuel cell and its manufacture
JP2000260444A (en) * 1999-03-09 2000-09-22 Toshiba Corp Fused carbonate fuel cell
JP4666975B2 (en) * 2004-08-11 2011-04-06 財団法人電力中央研究所 Molten carbonate fuel cell electrode
JP2009272185A (en) * 2008-05-08 2009-11-19 Central Res Inst Of Electric Power Ind Electrode of molten carbonate fuel cell, and molten carbonate fuel cell having the same

Also Published As

Publication number Publication date
JP2009277391A (en) 2009-11-26

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP5069927B2 (en) Membrane electrode assembly for fuel cell and method for producing the same
KR101453441B1 (en) Cathod for molten carbonate fuel cell and method for manufacturing the same
JP6916034B2 (en) Method for manufacturing membrane electrode gas diffusion layer joint body and membrane electrode gas diffusion layer joint body
JP5064023B2 (en) Method for producing electrolyte-impregnated air electrode of molten carbonate fuel cell
Choi et al. Fabrication and performance evaluation of electrolyte-combined α-LiAlO2 matrices for molten carbonate fuel cells
US20110123906A1 (en) Method for fabricating bi-polar plate of fuel cell and bi-polar plate of fuel cell
US20150325863A1 (en) Material for fuel cell separators and method for producing same
CA2571131C (en) Gas diffusion electrodes, membrane-electrode assemblies and method for the production thereof
JP6571961B2 (en) ELECTRODE FOR FUEL CELL, MEMBRANE ELECTRODE COMPLEX FOR FUEL CELL, AND FUEL CELL
JP2015138696A (en) Titanium material for separator of solid polymer fuel cell
JP5500567B2 (en) Molten carbonate fuel cell electrode, method for producing the same, and molten carbonate fuel cell
US20030008195A1 (en) Fluid diffusion layers for fuel cells
KR102082691B1 (en) Molten carbonate fuel cells including electrolyte impregnated matrix and methods of manufacturing the same
JP5109502B2 (en) Electrolyte membrane with catalyst layer
JP2008153052A (en) Membrane electrode assembly for fuel cell and fuel cell using it
JP5843682B2 (en) Diffusion layer structure of fuel cell
KR101165149B1 (en) Electrode for a molten carbonate cell with dual pore structure
KR102423409B1 (en) A carbon paper used in gas diffusion layer of fuel cell and a method of manufacturing thereof
JP2019149289A (en) Manufacturing method of gas diffusion layer for fuel cell
KR102037938B1 (en) Cathode current collector for solid oxide fuel cells and current collector method using the same
JP5322212B2 (en) Porous electrode substrate, method for producing the same, membrane-electrode assembly, and polymer electrolyte fuel cell
JP5423143B2 (en) Membrane-electrode assembly for fuel cell, method for producing the same, and fuel cell
Villacorta et al. Development and characterization of gas diffusion layer fabricated using carbon slurry with ammonium lauryl sulfate for proton exchange member fuel cells
JP2011023170A (en) Method for manufacturing electrode of fuel cell
JP2021176125A (en) Laminate for fuel battery

Legal Events

Date Code Title Description
A621 Written request for application examination

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621

Effective date: 20110318

A131 Notification of reasons for refusal

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131

Effective date: 20130319

A521 Written amendment

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523

Effective date: 20130520

A131 Notification of reasons for refusal

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131

Effective date: 20130904

A521 Written amendment

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523

Effective date: 20131008

TRDD Decision of grant or rejection written
A01 Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01

Effective date: 20140305

A61 First payment of annual fees (during grant procedure)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61

Effective date: 20140305

R150 Certificate of patent or registration of utility model

Ref document number: 5500567

Country of ref document: JP

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150

R250 Receipt of annual fees

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250

R250 Receipt of annual fees

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250

LAPS Cancellation because of no payment of annual fees