JP5825524B2

JP5825524B2 - 溶融炭酸塩形燃料電池

Info

Publication number: JP5825524B2
Application number: JP2012044790A
Authority: JP
Inventors: 河瀬　誠; 誠河瀬
Original assignee: Central Research Institute of Electric Power Industry
Current assignee: Central Research Institute of Electric Power Industry
Priority date: 2012-02-29
Filing date: 2012-02-29
Publication date: 2015-12-02
Anticipated expiration: 2032-02-29
Also published as: US20130224621A1; JP2013182738A; US9190690B2; KR20130099868A; KR101455345B1

Description

本発明は、大幅なコストの低減及び起動時間の短縮化を企図した溶融炭酸塩形燃料電池に関する。

溶融炭酸塩形燃料電池は、電解質板を挟んでアノード（燃料極）とカソード（酸化剤極）を有する平板型の電解質電極接合体を備え、セパレータを介在させて電解質電極接合体を複数層に積層して構成されている。セパレータには酸化剤ガス流路と燃料ガス流路が形成されている（例えば、特許文献１参照）。そして、セパレータを介してアノードに燃料ガスを供給すると共にカソードに酸化剤ガスを供給し、電解質を介して電気化学反応を生じさせて電力を得るようになっている。

従来から知られている溶融炭酸塩形燃料電池は、電解質板に液体状の溶融炭酸塩を保持しているため、ガス流路等の形状が高精度に管理されたセパレータが必要であり、また、アノード及びカソード等の形状も高精度に管理する必要がある。しかも、セパレータを介在させて平板型の電解質電極接合体を積層してスタックとするため、板部材を締め付ける装置が必要となっている。そして、起動時に電解質電極接合体に働く応力がセパレータを介して互いに影響するため、電池が作動温度に至るまでに時間を要しているのが現状であった。

従って、溶融炭酸塩形燃料電池は、構成部品に対して高い精度が求められると共に、燃料電池を構成するための部品点数が多くなり、製造コストが嵩んでいるのが現状である。また、所望の出力を得るまでにはある程度の起動時間が必要であった。

特開２００７−２６５８４５号公報

本発明は上記状況に鑑みてなされたもので、セパレータを不要にして部品点数を削減し、コストを大幅に低減することができると共に、起動時間を短縮することができる溶融炭酸塩形燃料電池を提供することを目的とする。

上記目的を達成するための請求項１に係る本発明の溶融炭酸塩形燃料電池は、筒面に多数の孔を有する筒本体と、前記筒本体の筒面の周囲に備えられる筒状の第１電極と、前記第１電極の周囲に備えられ、前記第１電極が接触し、電解質を保持する電極板を筒状に形成した筒状の電解質部材と、前記電解質部材の周囲に備えられ、前記電解質部材に接触することで前記電解質部材を保持する筒状の第２電極とを備え、前記筒本体の内側に酸化剤ガスもしくは燃料ガスが供給されると共に、前記第２電極に燃料ガスもしくは酸化剤ガスが供給されることで、電気化学反応により電力を得ることを特徴とする。

請求項１に係る本発明では、第１電極、電解質部材及び第２電極を筒本体に対し同心状に設け、筒状の第２電極により電解質部材を保持しているので、セパレータを用いることなく、電解質部材を挟んでアノードとカソードを備えた電池を構築することができる。また、電池を複数備えた場合であっても、起動時に電池に働く応力が複数の電池同士で互いに影響しないので、所望の作動温度に至る時間を短縮することができ、所望の出力を得るまでの起動時間を短縮することができる。

この結果、セパレータを不要にして部品点数を削減し、コストを大幅に低減することが可能になると共に、起動時間を短縮することが可能になる。

そして、筒本体は金属製であることが好ましく、第１電極及び第２電極は、主成分としてＮｉの粉末を含むスラリーが焼結されて構成され、電解質板は、ＬｉＡｌＯ_２に炭酸塩が保持される。

また、請求項２に係る本発明の溶融炭酸塩形燃料電池は、請求項１に記載の溶融炭酸塩形燃料電池において、前記第１電極はカソードであると共に、前記第２電極はアノードであり、前記アノードを構成する材料を焼結することにより前記アノードが径方向内側に締め付けられ、前記電解質部材が前記アノードと前記カソードに挟持されて保持され、前記筒本体の内側から前記多数の孔を通して前記カソードに前記酸化剤ガスが供給されると共に、前記アノードに前記燃料ガスが供給されることを特徴とする。

また、請求項３に係る本発明の溶融炭酸塩形燃料電池は、請求項２に記載の溶融炭酸塩形燃料電池において、前記アノードに応力抑制部材を設けたことを特徴とする。

請求項２、請求項３に係る本発明では、筒本体の内側から多数の孔を通して酸化剤ガスがカソードに供給され、外周部から燃料ガスがアノードに供給され、電解質を介して酸化剤ガスと燃料ガスにより電気化学反応を生じさせて電力を得ることができる。

また、請求項４に係る本発明の溶融炭酸塩形燃料電池は、請求項１に記載の溶融炭酸塩形燃料電池において、前記第１電極はアノードであると共に、前記第２電極はカソードであり、前記カソードの周囲には金属製の多孔筒が配され、前記カソードを構成する材料が焼結されることにより前記カソードが径方向内側に締め付けられると共に、前記カソードが酸化された際に前記多孔筒により前記カソードが径方向内側に締め付けられた状態が維持されて前記電解質部材が前記カソードと前記アノードに挟持されて保持され、前記筒本体の内側から前記多数の孔を通して前記アノードに前記燃料ガスが供給されると共に、前記カソードに前記酸化剤ガスが供給されることを特徴とする。

請求項４に係る本発明では、カソードを構成する材料が焼結された後にカソードの周囲に金属製の多孔筒が配され、カソードを構成する材料が焼結されることによりカソードが径方向内側に締め付けられると共に、カソードが酸化された際に多孔筒によりカソードが径方向内側に締め付けられた状態が維持される。そして、筒本体の内側から多数の孔を通して燃料ガスがアノードに供給され、外周部から酸化剤ガスがカソードに供給され、電解質を介して酸化剤ガスと燃料ガスにより電気化学反応を生じさせて電力を得ることができる。

また、請求項５に係る本発明の溶融炭酸塩形燃料電池は、請求項１から請求項４のいずれか一項に記載の溶融炭酸塩形燃料電池において、前記筒本体の内周に、流通するガスを拡散させる拡散部材を設けたことを特徴とする。

請求項５に係る本発明では、筒本体の内周に供給したガスを拡散部材により拡散することができる。

また、請求項６に係る本発明の溶融炭酸塩形燃料電池は、請求項１から請求項５のいずれか一項に記載の溶融炭酸塩形燃料電池において、前記筒本体はケーシングに装着されていることを特徴とする。

請求項６に係る本発明では、所望の数の筒本体を個別にケーシングに装着することで、互いを密着して積層することなく、所望の出力の溶融炭酸塩形燃料電池とすることができる。

本発明の溶融炭酸塩形燃料電池は、セパレータを不要にして部品点数を削減し、コストを大幅に低減することが可能になる。

本発明の第１実施例に係る溶融炭酸塩形燃料電池を備えた電池設備の外観断面図である。本発明の第１実施例に係る溶融炭酸塩形燃料電池の概略構成を表す断面図である。筒本体の外観図である。溶融炭酸塩形燃料電池の外観図である。作製の工程図である。他の実施例に係る溶融炭酸塩形燃料電池の断面図である。本発明の第２実施例に係る溶融炭酸塩形燃料電池の概略構成を表す断面図である。本発明の第２実施例に係る溶融炭酸塩形燃料電池を備えた電池設備の外観断面図である。

図１には本発明の第１実施例に係る溶融炭酸塩形燃料電池を備えた電池設備の外観断面、図２には本発明の第１実施例に係る溶融炭酸塩形燃料電池の概略構成を表す断面を示してある。また、図３には筒本体の外観、図４には溶融炭酸塩形燃料電池の外観を示してある。更に、図５には本発明の第１実施例に係る溶融炭酸塩形燃料電池の作製の手順を示してある。

図１に示すように、中空のケーシング１には複数（図示例では３個）の溶融炭酸塩形燃料電池（ＭＣＦＣ）２が個別に取り付けられ、電池設備３が構築されている。即ち、ケーシング１の壁部にＭＣＦＣ２の筒本体１１の端部が固定され、筒本体１１の両端が外部に臨んでいる。筒本体１１の内周には酸化剤ガスが供給され、ケーシング１の内部（ＭＣＦＣ２の外側部）には燃料ガスが供給される。

ケーシング１に所望の数の筒本体１１を個別に装着することで、複数のＭＣＦＣ２をセルとして互いに密着して積層することなく、所望の出力の溶融炭酸塩形燃料電池とすることができる。このため、簡単な構造で所望の出力を得るための溶融炭酸塩形燃料電池を構築することが可能になる。また、起電時にＭＣＦＣ２に働く応力が複数のＭＣＦＣ２同士で互いに影響しないので、所望の作動温度に至る時間を短くすることができ、所望の出力を得るまでの起動時間を短縮することができる。

図１、図２及び図３に示すように、例えば、ステンレス製の筒本体１１の中央部１２の筒面には、多数の孔１３が形成されている。尚、筒本体１１の内周に、内周に流通するガス（後述する酸化剤ガス）を拡散させるための拡散部材（フィン）を設けることが可能である。

図１、図２に示すように、中央部１２の筒面の周囲には第１電極として筒状のカソード１４が備えられ、カソード１４の周囲には、カソード１４が接触し、電解質を保持（含浸）する電極板が筒状に形成された筒状の電解質部材としての筒状の電解質板１５が備えられている。そして、電解質板１５の周囲には電解質板１５に接触することで電解質板１５を保持する第２電極としての筒状のアノード１６が備えられている。

更に、図１、図２及び図４に示すように、アノード１６の周囲には多数の孔が形成されたパンチ板１７が巻き付けられている。パンチ板１７がアノード１６の周囲に巻き付けられることにより、アノード１６による電解質板１５の保持を確実にしている。尚、パンチ板１７は省略することも可能である。

上述したＭＣＦＣ２では、筒本体１１の内側に酸化剤ガスが供給され、ケーシング１の内部（ＭＣＦＣ２の外側部）に燃料ガスが供給されることで、電解質板１５に保持された（含浸された）電解質を介して電気化学反応を生じさせて電力が得られる。

上述したＭＣＦＣ２は、カソード１４、電解質板１５及びアノード１６を筒本体１１に対し同心状に設け、アノード１６により電解質板１５を保持しているので、セパレータを用いることなく、電解質板１５を挟んでアノード１６とカソード１４を備えた電池を構築することができる。この結果、セパレータを不要にして部品点数を削減し、コストを大幅に低減することが可能になる。

図５に基づいてＭＣＦＣ２の作製の手順を説明する。

図５（ａ）に示すように、中央部１２の筒面に多数の孔１３が形成されたステンレス製の筒本体１１を準備する。図５（ｂ）に示すように、中央部１２にカソード１４を構成するための材料を塗布し、乾燥させて焼結し、カソード１４とする。カソード１４を構成するための材料は主成分としてＮｉの粉末を含むスラリーが用いられる。

図５（ｃ）に示すように、カソード１４の外周面に電解質板１５を構成するための材料を塗布して乾燥させ、更に、アノード１６を構成するための材料を塗布し乾燥させる。電解質板１５を構成するための材料及びアノード１６を構成するための材料を焼結することで、電解質板１５及びアノード１６とする。アノード１６を構成するための材料は主成分としてＮｉの粉末を含むスラリーが用いられ、電解質板１５を構成するための材料は、炭酸塩を保持するＬｉＡｌＯ_２の粉末を含むスラリーで構成されている。

アノード１６を構成するための材料を焼結することにより材料が収縮し、アノード１６に締め付け力が生じて電解質板１５が筒本体１１側に確実に保持され、アノード１６と電解質板１５の間、及び、電解質板１５とカソード１４の間の接触抵抗が低減され、ガスリークが抑制される。

図５（ｄ）に示すように、アノード１６の外周にパンチ板１７を装着し、締め付け効果（接触抵抗の低減、ガスリーク抑制）を補助する。パンチ板１７は金属製であり、例えば、Ｎｉで構成されている。

図５（ｅ）に示すように、筒本体１１の内周に固形の溶融炭酸塩１８を置き、還元雰囲気で炭酸塩を溶融する。炭酸塩を溶融させることで、カソード１４、電解質板１５及びアノード１６に炭酸塩を含浸させる。図５（ｆ）に示すように、筒本体１１の内周に酸化剤ガスを流し、カソード１４の酸化・リチウム化を施し、カソード１４をＬｉ化ＮｉＯの状態にする。

図５（ａ）から図５（ｅ）の工程により、筒本体１１に第１電極としてカソード１４が備えられると共に、溶融炭酸塩が含浸された電解質板１５が備えられ、更に、電解質板１５の外周に第２電極としてアノード１６が備えられ、アノード１６が径方向内側に締め付けられて電解質板１５がアノード１６とカソード１４に挟持されて保持されたＭＣＦＣ２とすることができる。

尚、図６に示すように、アノード１６に割れ防止のための応力抑制部材としてメッシュ１９を巻き付けることも可能である。応力抑制部材としては、メッシュ１９に限らず、線材や繊維材料を介在させる等、他の部材を用いることも可能である。

図７、図８に基づいて本発明の第２実施例を説明する。

図７には本発明の第２実施例に係る溶融炭酸塩形燃料電池の概略構成を表す断面、図８には本発明の第２実施例に係る溶融炭酸塩形燃料電池を備えた電池設備の外観断面を示してある。図７、図８は第１実施例における図２、図１に該当する。第１実施例と同一部材には同一符号を付してある。

図７に示すように、筒本体１１の中央部１２の筒面の周囲には第１電極として筒状のアノード２１（アノード材）が備えられ、アノード２１の周囲には筒状の電解質板１５が備えられている。電解質板１５の周囲には電解質板１５に接触する第２電極としての筒状のカソード２２が備えられている。カソード２２カソード２２の周囲には金属製の多孔筒２３が配され、多孔筒２３によりカソード２２が保持されている。

尚、多孔筒２３は、後述するように、カソード２２を構成するための材料が焼結された後にカソード２２の周囲に配される。

アノード２１及びカソード２２を構成するための材料は、主成分としてＮｉの粉末を含むスラリーが焼結されて構成されている。カソード２２を構成するための材料が焼結されることで、材料が収縮してカソード２２が収縮し、カソード２２が酸化された際にカソード２２の収縮状態が変化しても多孔筒２３によりカソード２２が径方向内側に締め付けられた状態が維持され、電解質板１５がカソード２２とアノード２１に挟持されて保持される。

図８に示すように、上述したＭＣＦＣ２５は、中空のケーシング２７に個別に取り付けられ、電池設備２６が構築されている。即ち、ケーシング２７の壁部にＭＣＦＣ２５の筒本体１１の端部が固定され、筒本体１１の両端が外部に臨んでいる。

筒本体１１の内周には燃料ガスが供給され、ケーシング２７の内部（ＭＣＦＣ２５の外側部）には酸化剤ガスが供給される。

ケーシング２７に所望の数の筒本体１１を個別に装着することで、複数のＭＣＦＣ２５をセルとして互いに密着して積層することなく、所望の出力の溶融炭酸塩形燃料電池とすることができる。このため、簡単な構造で所望の出力を得るための溶融炭酸塩形燃料電池を構築することが可能になる。

上述した溶融炭酸塩形燃料電池は、セパレータが不要で部品点数を削減することができ、コストを大幅に低減して起動時間の短縮を可能にした溶融炭酸塩形燃料電池を構築することができる。このため、ＭＣＦＣ２、２５の数を適宜設定することで、小さい電池設備から大きい電池設備まで、コストを大幅に抑えて作製することができる。

本発明は、溶融炭酸塩形燃料電池の産業分野で利用することができる。

１、２７ケーシング
２、２５溶融炭酸塩形燃料電池（ＭＣＦＣ）
３、２６電池設備
１１筒本体
１２中央部
１３孔
１４、２２カソード
１５電解質板
１６、２１アノード
１７パンチ板
１８溶融炭酸塩
１９メッシュ
２３多孔筒

Claims

筒面に多数の孔を有する筒本体と、
前記筒本体の筒面の周囲に備えられる筒状の第１電極と、
前記第１電極の周囲に備えられ、前記第１電極が接触し、電解質を保持する電極板を筒状に形成した筒状の電解質部材と、
前記電解質部材の周囲に備えられ、前記電解質部材に接触することで前記電解質部材を保持する筒状の第２電極とを備え、
前記筒本体の内側に酸化剤ガスもしくは燃料ガスが供給されると共に、前記第２電極に燃料ガスもしくは酸化剤ガスが供給されることで、電気化学反応により電力を得る
ことを特徴とする溶融炭酸塩形燃料電池。
請求項１に記載の溶融炭酸塩形燃料電池において、
前記第１電極はカソードであると共に、前記第２電極はアノードであり、
前記アノードを構成する材料を焼結することにより前記アノードが径方向内側に締め付けられ、前記電解質部材が前記アノードと前記カソードに挟持されて保持され、
前記筒本体の内側から前記多数の孔を通して前記カソードに前記酸化剤ガスが供給されると共に、前記アノードに前記燃料ガスが供給される
ことを特徴とする溶融炭酸塩形燃料電池。
請求項２に記載の溶融炭酸塩形燃料電池において、
前記アノードに応力抑制部材を設けた
ことを特徴とする溶融炭酸塩形燃料電池。
請求項１に記載の溶融炭酸塩形燃料電池において、
前記第１電極はアノードであると共に、前記第２電極はカソードであり、
前記カソードの周囲には金属製の多孔筒が配され、
前記カソードを構成する材料が焼結されることにより前記カソードが径方向内側に締め付けられると共に、前記カソードが酸化された際に前記多孔筒により前記カソードが径方向内側に締め付けられた状態が維持されて前記電解質部材が前記カソードと前記アノードに挟持されて保持され、
前記筒本体の内側から前記多数の孔を通して前記アノードに前記燃料ガスが供給されると共に、前記カソードに前記酸化剤ガスが供給される
ことを特徴とする溶融炭酸塩形燃料電池。
請求項１から請求項４のいずれか一項に記載の溶融炭酸塩形燃料電池において、
前記筒本体の内周に、流通するガスを拡散させる拡散部材を設けた
ことを特徴とする溶融炭酸塩形燃料電池。
請求項１から請求項５のいずれか一項に記載の溶融炭酸塩形燃料電池において、
前記筒本体はケーシングに装着されている
ことを特徴とする溶融炭酸塩形燃料電池。