JPH01204365A - 溶融炭酸塩型燃料電池のアノード電極 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

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型燃料電池のアノード電極に係り
特にクリープ特性の良好なアノード電極の合金組成に関
する。

〔従来の技術〕

溶融炭酸塩型燃料電池は、第４図に示すように炭酸リチ
ウムと炭酸カリウムの共晶塩を含浸させたリチウムアル
ミネート製の電解質板２．多孔質のニッケルあるいはニ
ッケル合金の焼結体で形成されたアノード電極３．酸化
ニッケルの多孔質焼結体で形成されるカソード電極４．
各電極に反応ガスを供給するアノード室とカソード室、
電池を組立てる端板ＩＡ、ＩＢおよびステンレス製の波
板である電極支持板７Ａ、７Ｂより構成されている。

アノード電極では（１）式の反応がおこる。

Ｈ２＋　ＣＯ−＋　Ｈ２Ｏ＋　Ｃｏ２＋２　ｅ　　−−
（１）即ちアノード電極では水素ガス（Ｈ２）が酸化さ
れる。一方力ソード電極では（２）式の反応がおこる。

ｙ２０２　＋ＣＯ２＋２　ｅ　→ＣＯ−−−−−−一一
一一−−−−−−−−（２）これは酸素ガス（０２）と
炭酸ガス（Ｃｏ２）とから炭酸イオンが生成する反応で
酸素の還元反応とみることができる。（１）式と（２）
式を総合すると、結局水素と酸素とから水が形成されそ
の際外部回路に電流がとり出される。溶融炭酸塩型燃料
電池は炭酸ガスを仲立らにする一種の発電装置と考えら
れる。

このような溶融炭酸塩型燃料電池においては、アノード
電極３やカソード電極４の内部では電極と電解質である
溶融塩と反応ガスとで三相界面が形成され、ここで前記
（１）および（２）の反応がおこる。

この三相界面は電極の空孔によって形成されるので溶融
炭酸塩型燃料電池の出力の安定性のためには、電極の空
孔率が一定に維持されることが必要である。

〔発明が解決しようとする課題〕

しかしながら溶融炭酸塩型燃料電池の電極は６００°Ｃ
程度の高い温度のもとてかつ燃料電池の締め付は圧力の
もとで使用されるため、電極の板厚が徐々に減少する。

ごれはクリープと呼ばれる。

このクリープ現象のため電極の空孔率が低下し、電極内
の反応ガス透過性がわるくなり、上述の三相界面が減少
して燃料電池の出力が経時的に低下する。このクリープ
現象はアノード電極において特に大きいものである。カ
ソード電極においては反応ガスに酸素ガスが含まれるた
め電極が酸化され、クリープ現象が少ない。従来は上述
の問題を解決するためアノード電極材料にニッケルーク
ロム合金やニッケルークロム合金を用いたり、セラミッ
ク粉体を混合するなどの対策が試みられた。

しかしながらいずれの方法においても敵方時間安定して
燃料電池を運転できる見通しは得られなかった。

この発明は上述の点に鑑みてなされその目的は燃料電池
の使用条件においてクリープの少ない新しい合金を用い
ることにより、長期信頼性に優れる溶融炭酸塩型燃料電
池用アノード電極を折供することにある。

〔課題を解決するだめの手段〕

上記の目的はこの発明によれば炭酸塩を保持した電解質
板をアノード電極とカソード電極で挟持しアノード電極
側に燃料ガスをカソード電極側に酸化剤カスを供給して
発電を行う溶融炭酸塩型燃料電池のアノード電極３にお
、いて、チタンとアルミニラムを含むニッケル基合金の
多孔質板であってチタンが０．５〜８．０重量％、ニッ
ケ・ルが０．５〜８．０重量％の範囲にあるようにする
ことにより達成される。

ニッケル基合金としてはニンケルーチタンーアルミニウ
ム合金のばかニッケルーチタン−アルミニウムークロム
合金やニッケルーチタン−アルミニウムーコバルト合金
等も用いられる。

（作用〕 アノード電極は一般に燃料ガス雰囲気で耐食性のあるニ
ッケルまたはニッケル合金が使われているが、それに少
量のチタンおよびアルミニウムを添加して合金としたの
ち、それを微細な粒子にしてシーＩ・状に成形し焼結し
て多孔質の電極にする。

それを７５０°Ｃ〜９００°Ｃ程度で熱処理を施しニン
ケルーチタンーアルミニウムの金属間化合物（Ｎｉ３（
ＡＩ、Ｔｉ）　）　（ｒ　／相という）を析出させる。

これによって、電極を構成する合金の高温強度が高めら
れる。　γ？相は高温における強度が強＜、９（１０°
Ｃまでは温度が制くなるにつれて強度が高くなる性質が
ある。電池の運転温度６００〜７００’Ｃでは安定に存
在できアノード電極の強度を高める。

Ｔ）相は合金全体の５０〜８０ｖｏｌ　％になるとクリ
ープ強度は著しく向上する。特にアノード電極はニッケ
ル基合金であるため　γノ相を作るのに適している。

〔実施例〕

次にこの発明の実施例を図面に基いて説明する。

ニッケルにチタンとアルミニウムを所定重量％混合した
合金の粉末を作る。粉末はアトマイズ法によって得る。

その平均粒径は６〜１２μｍである。

それを有機バインダーと混合してシート状に成形し、水
素中で９８０°Ｃ−１０５０°Ｃで２時間焼結した。

その後冷却途中８７０′Ｃにおいて２０時間保持し　γ
ノ相析出熱処理を施して、アノード電極を作成した。

このときの電極の空孔性状としては、空孔率７５％。

空孔平均径８〜９μｍ、比面積０．１５〜０．１１３ｒ
Ｔｆ　／　ｇ　。

板厚Ｑ　、　９　＋ｎｍであった。得られた電極の試料
ナンバを５〜１；３とする。従来のニッケルあるいはニ
ッケル合金のアノード電極を試料ナンバ１〜４とする。

ただしこの場合ば　Ｔ１相析出の熱処理は行わない。

得られた試料の組成を第１表にまとめて示した。

得られた試料につき圧縮クリープ試験機を用いて真空中
、温度７００°Ｃで１０００時間のクリープ試験を行っ
た結果を第２図に示す。第２図の（ａ）に於いて曲線１
〜４は従来の電極である。以下曲線ナンバと試料ナンバ
は一致する。曲線１はニッケルのアノード電極の１００
０時間までのクリープ曲線。

曲線２はニッケル−２重量％クロム合金のクリープ曲線
９曲線３はニッケルークロム１０重量％のクリープ曲線
２曲線４ばエンケル−コバルト８重量％のクリープ曲線
である。そして第２図の（ｂ）の曲線５．６が本発明に
係る電極のクリープ曲線である。クリープ速度が３００
時間付近以降著しく小さくなっている。このクリープ速
度から４万時間後のクリープ量を外挿すると１％以下（
５００時間までの遷移クリープ量を除く）になり、十分
実用に供し得ることがわかる。次に１０００時間後にお
けるクリープ量をまとめて第１図に示す。従来の電極（
試料ナンバ１〜４）が大きなりリープ量を示すのに対し
、この発明に係る電極（試料ナンバ５〜１３）のクリー
プ量は小さいことがわかる。

また、第３図は電極の電池試験結果である。有効電極面
積は２００ｃＪの単セル電池であり、電解質板およびカ
ソード電極やその他セル構造は従来技術と同じである。

試験温度は６５０°Ｃ９電流密度１５０ｍＡ　／　ｃ＋
ＩＩ　、　ガス利用率４０％で試験が行われた。

従来の電極にはニッケル−８重量％コバルト合金を使っ
ている。１０００時間までの試験結果であるが。

曲線４が従来の電極の特性である。曲線６，８は本発明
に係る電極（試料ナンバ６．８）の特性で、電池電圧低
下率の低減が認められる。本発明の効果が電池特性の上
で確認できた。また、電池の初期電圧は大差なく影響は
認められない。本発明に係る他の電極もほぼ似たような
特性を示す。

第１表に示したようにチタンとアルミニウムについては
それぞれ０，５〜８．０重量％の組成の電極が用いられ
ているがこれはチタン、アルミニウムの添加量がこれ以
上になると、焼結後のシートがもろくなるからであり、
添加量が少ないとチタン。

アルミニウムが燃料ガス中で酸化され、　γ１相析出の
ための元素量が不足するからである。

〔発明の効果〕

この発明によれば炭酸塩を保持した電解質板をアノード
電極とカソード電極で挟持しアノード電極側に燃料ガス
をカソード電極側に酸化剤ガスを供給して発電を行う溶
融炭酸塩型燃料電池のアノード電極において、チタンと
アルミニウムを含むニッケル茫合金の多孔質板であって
チタンが０．５〜８．０重量％、ニッケルが０．５〜８
．０重量％の範囲にあるアノード電極を使用するので　
ｒ／相の析出効果により溶融炭酸塩型燃料電池の使用条
件下においてアノード電極のクリープ量を減少させるこ
とができ、溶融炭酸塩型燃料電池の長期信頼性を向上さ
せることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明に係る電極と従来の電極のクリープ量
の比較図、第２図の（ａ）は従来の電極のクリープ曲線
、第２図の（ｂ）はこの発明の実施例に係る電極のクリ
ープ曲線、第３回は燃料電池のセル電圧の特性比較図、
第４図は溶融炭酸塩型燃料電池の構成図である。 ３・・・アノード電極。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １）炭酸塩を保持した電解質板をアノード電極とカソー
   ド電極で挟持しアノード電極側に燃料ガスをカソード電
   極側に酸化剤ガスを供給して発電を行う溶融炭酸塩型燃
   料電池のアノード電極において、チタンとアルミニウム
   を含むニッケル基合金の多孔質板であってチタンが０．
   ５〜８．０重量％、ニッケルが０．５〜８．０重量％の
   範囲にあることを特徴とする溶融炭酸塩型燃料電池のア
   ノード電極。