JPH03190056A - 溶融炭酸塩燃料電池 - 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】 ［発明の目的］ （産業上の利用分野） 本発明は、溶融炭酸塩燃料電池に関する。

（従来の技術） 近年、高効率のエネルギー変換装置として、溶融炭酸塩
燃料電池の開発が進められている。溶融炭酸塩燃料電池
は、アルカリ金属炭酸塩からなる電解質を高温下で溶融
状態にし、電極反応を生起させるもので、他の燃料電池
たとえばリン酸型燃料電池に比べて高１な貴金属触媒を
必要とせずに発電効率が高いなどの大きな特徴を杓°し
ている。

このような溶融炭酸塩燃料電池においては、溶融炭酸塩
を保持した電解質層を一対の多孔質電極、すなわち燃料
極および酸化剤極で挟持したものにより単位電池が構成
され、この単位電池を両面にガス供給路を有する導電性
セパレータを介して複数積層することによって起電部構
成体が構成されている。

ところで、上述した溶融炭酸塩燃料電池においては、多
孔質電極の側端面から燃料ガスや酸化剤ガスが漏洩する
ことを防止するために、多孔質電極の端部にシールを形
成して用いている。

上記端部シールの形成方法としては、多孔質電極とセパ
レータとを同一形状とし、多孔質電極端部の気孔率を電
池反応部の気孔率より小さくしてガスリークしない気孔
率としたり、同様に多孔質電極とセパレータとを同一形
状とし、多孔質電極端部に予め溶融炭酸塩を含浸して高
温時に溶融した電解質でシールをすることが考えられて
いる。

（発明が解決しようとする課題） しかしながら、上述した端部シールの形成方法のうち、
気孔率の調整のみによる方法では、固体間の接触によっ
てシールを行っているため、充分なシール力が期待でき
ないという問題がある。

一方、電解質によって端部シールを形成する方法では、
ウェットシールとしていることから上記固体間の接触に
よる端部シールに比べてシール力の向上が期待できるも
のの、電解質の保持力が不十分であるために、充分にガ
スリークを防止するまでには至っていない。

また、上記ウェットシール法は、セパレータのエツジ部
がシール部に保持された溶融炭酸塩と直接接触する構造
であるためにセパレータの腐食が起こり、この腐食によ
って電解質が経時的に損失するという問題がある。さら
に、反応ガス特に酸化剤ガスの漏洩が生じると、電極端
部で酸化膨脹などの変形が生じ、経時的に酸化物が成長
することによって電極間での短絡が発生する危険性が高
いという問題もある。

本発明は、このような課題に対処するためになされたも
ので、ウェットシール法による多孔質電極端部のシール
性を向上させ、かつ電解質の損失を抑制して電池性能の
安定化を図った溶融炭酸塩燃料電池を提供することを目
的としており、さらには電極間の短絡をも防止した溶融
炭酸塩燃料電池を提供することをＩ＝１的としている。

［発明の構成］ （課題を解決するための手段） すなわち本発明は、溶融炭酸塩電解質層を一対の多孔質
電極で挟持し、かつ前記多孔質電極の少なくとも一方が
前記溶融炭酸塩電解質層と略同一平面形状とされた単位
電池が、ガス供給路を備えた導電性セパレータを介して
積層されて構成される起電部構造体をＨする溶融炭酸塩
燃料電池において、前記多孔質電極は、微粒子を充填し
て電池反応部よりも平均細孔径を小さくすることにより
溶融炭酸塩電解質を保持するシール部を有し、このシー
ル部は前記多孔質電極と導電性セパレータとの接触界面
から隔てられた位置に、前記多孔質電極の側端面を覆う
ように設けられていることを特徴とするものである。

また、上記溶融炭酸塩燃料電池において、前記シール部
は前記多孔質電極の前記導電性上ノずレータから突出し
た部位に設けられ、かつ少なくとも一方の前記多孔質電
極のシール部がテーパー形状を有していることを特徴と
するものである。

（作　用） 本発明の溶融炭酸塩燃料電池においては、多孔質電極の
端部に微粒子を充填してへ１７−均細孔径を小さくした
シール部を設けている。このように、平均細孔径を小さ
くすることによって、溶融炭酸塩電解質の保持力は極め
て向上し、上記微粒子を充填したシール部によって、多
孔質電極の側端面の安定したシール性が発揮される。ま
た、上記シール部は多孔質電極と導電性セパレータとの
接触界面から隔てられた位置に設けられているため、導
電性セパレータの腐食による電解質の損失も防ＩＦ、さ
れる。

さらに、シール部の形状をテーパー状とすることによっ
て、酸化膨脹などに対する膨脂空間を予め設定すること
が可能となるため、このような電極の変形による短絡が
防止される。

（実施例） 以下、本発明を実施例を図面を参照して説明する。

第１図は、本発明の一実施例の溶融炭酸塩燃料電池の要
部、すなわち起電部構造体の一部を示す図である。

同図において、１は溶融したアルカリ炭酸塩などの電解
質をＬＩＡＩ０２などのマトリックスで保持したγ電解
質層である。この電解質層１の自主面上には、電解質層
１と接合界面の形状が同一平面形状のニッケルの多孔質
焼結体などからなる多孔質電極、すなわち燃料極２およ
び酸化剤極３が配置されており、これらによって＋１１
位電池４が構成されている。

これら燃料極２および酸化剤極３それぞれの側端部には
、第２図に示すように、たとえばアルミニウム、亜鉛、
錫、チタンなどの酸化雰囲気中で容易に酸化され、耐熱
性および電解質にえＩして耐食性に優れた酸化物を形成
する金属の微粒子５、あるいはアルミナのような上記金
属の酸化物の微粒子５が充填されて、平均細孔径が電池
反応部２ａ、３ａとなる多孔質電極中央部の平均細孔径
より小さく設定されたシール部６が形成されている。

このシール部６は、多孔質電極２．３の電解質層１と反
する而６ａから電解質層１と接する而６ｂに向けて外側
斜め方向に切断されており、電解質層１と接する而６ｂ
と斜面６Ｃとの成す角θが９０度未満であるテーパ形状
を有している。

また、燃料極２および酸化剤極３の外側には、燃料ガス
および酸化剤ガスの供給路となるガス供給用チャンネル
７．８を介して、電池反応部２ａ。

′うａとなる多孔質電極中央部のみを覆うように、たと
えばステンレス製のセパレータ９．１０がそれぞれ配置
されている。すなわち、多孔質電極２．３の側端部に設
けられた各シール部６は、セパレータ９．１０から突出
した状態で配置されており、多孔買電ｔｆｔ２．３内に
おけるセパレータ９．１０の側端面との同一平面を覆う
ように設けられている。これによって、セパレータ９．
１０端部のエツジシール部９ａ、１０ａと多孔質電極２
．３のシール部６とが直接接触する面積を極力小さくし
ている。

そして、上記電解質層１、多孔質電極２．３、ガス供給
用チャンネル７．８、セパレータ９．１０によって構成
された単位セルを複数積層して起電部構造体が構成され
、さらに図示を省略したガス供給用マニホールドを起電
部構造体の側面に取付け、積層方向から所定圧力で締付
けることによって溶融炭酸塩燃料電池が構成される。

次に、上記構成の溶融炭酸塩燃料電池の製造例およびそ
れを用いた特性の計重結果について説明する。

まず、多孔質電極２．３の端部に充填する微粒子５とし
て、３００メツシユ以ドの粒度のアルミニウム微粒子を
用い、これをイソプロパツールなどの有機溶媒に懸濁さ
せてスラリーを作製した。

次に、このスラリーを吸引含浸により、燃料極２および
酸化剤極３となる筐体状の多孔質焼結体の端部に充填し
、引続き　１００℃でイソプロパツールを揮散乾燥させ
た。なお、微粒子５を充填しない電池反応部２ａ、３ａ
となる多孔質焼結体中央部には、予め粘着性テープによ
りマスキングを施した。

なお、多孔質焼結体端部への微粒子の含浸は、微粒子を
含むスラリーを塗布した後、外部から圧縮空気で圧入す
る方法、真空状態での含浸、あるいは単なる自然含浸な
ど、各種の方法を用いることが可能である。

次に、このようにして作製した筐体状の多孔質電極素材
を、一方の主面（６ａ）から他方の主面（６ｂ）に向け
て、斜面（６Ｃ）と他方の主面すなわち電解質層１と接
する而６ｂとの成す角θが４５度となるように、ダイヤ
モンドカッターによって切断し、両端部にテーパー形状
のシール部６を有する多孔質電極２．３をそれぞれ作製
した。

そして、このように両側端部にテーパー形状のシール部
６を形成した多孔質電極２．３を、斜面６Ｃが電解質層
１と反する方向を向くように、それぞれ電解質層１の両
側に配置して単位電池４を作製し、さらにこの単位電池
４の両側に発電特性評価のためのガス供給用チャンネル
７．８を配置し、単位セル用の溶融炭酸塩燃料電池を構
成して特性の評価に洪した。

なお、シール部６の）均細孔径を水銀圧入法により一か
１定した結果、燃料極２側では１．５μ−（電池反応部
２ａでは２μｍ）％酸化剤極′３側では５．５μｌＩ（
電池反応部３ａでは１０μＩ）であった。

特性の評価は以下の手順にしたがって行った。

まず、電池周囲をさらに雰囲気調整用容器で覆い、容器
内は窒素ガスで置換した。４００℃までは燃料ガス側お
よび酸化剤ガス側共に空気を１３（給しながら昇温し、
次いで６５０℃までは燃料ガス側には炭酸ガスを、酸化
剤ガス側には空気／炭酸ガスの混合ガスを供給しながら
昇温した。６５０℃に到達した後、燃料ガス側には水素
／炭酸ガスの混合ガスを供給し、酸化剤ガス側には空気
／炭酸ガスの混合ガスを供給して発電を行い、経過時間
と電池電圧との関係を調べた。

また、本発明との比較のために、多孔質電極端部をテー
パー形状に切断することなくシール部を形成し、また多
孔質電極とセパレータの形状を同一とした１１１位セル
用の溶融炭酸塩燃料電池を作製し、同一条件で発電試験
を行った。

第３図は、実施例および比較例の発電経時特性を各２セ
ツト測定した結果を示すものである。

第３図の結果からも明らかなように、昇温後約４３０時
間までは実施例および比較例ともに負荷時（０，＋５＾
／ｃｊ）の電池電圧に大差はないが、それ以後、比較例
の溶融炭酸塩燃料電池では、徐々に電圧の低下が見られ
た。そして、昇温倹約１８５０時間および２０３０時間
で短絡のためと思われる急激な電圧の低下が見られた。

これに対して、実施例の溶融炭酸塩燃料電池は、電圧の
低下は極めて少なく、４０００時間の発電試験中では短
絡は生じなかった。

また、比較例の溶融炭酸塩燃料電池では、発電試験後の
分解調査により電解質の漏洩が認められたのに対し、実
施例の溶融炭酸塩燃料電池では、４０００時間の発電試
験中ではほとんど電解質の漏洩は認められなかった。

このように、上記構成の溶融炭酸塩燃料電池においては
、多孔質電極２．３の側端部に設けられた各シール部６
をセパレータ９．１０から突出させることによって、セ
パレータ９．１０の端部のエツジシール部９ａ、１０ａ
とシール部６とが直接接触する面積を極力減少させた上
で、多孔質電極２．３の側端面を）１′均細孔径が小さ
く電解質の保持力が高いシール部６により覆い、気密シ
ールを形成しているため、反応ガスのシール性に優れる
ともに、電池運転時におけるセパレータ９．１０のエツ
ジシール部Ｑａ、１０ａの腐食が抑制されている。した
がって、エツジシール部９ａ１１０　ａの１ａ食により
生じる電解質の漏洩が防ＩＬされるため、溶融炭酸塩燃
料電池を長期間安定して運転することが可能となる。

また、上記実施例の溶融炭酸塩燃料電池においては、各
シール部６をテーパー形状としていることから、多孔質
電極２．３の酸化膨張などによる変形が生じても、切断
された部分が膨張空間となるために、多孔質電極２．３
端部での短絡を防止すること力＜＋’＋Ｊ能となる。こ
のことも、溶融炭酸塩燃料電池の安定運転に多く寄与す
る。

次に、本発明の他の実施例について説明する。

第４図ないし第６図は、多孔質電極２．３の側端部に設
けたシール部の形状を変更する以外は、上記実施例と同
様に構成した溶融炭酸塩燃料電池の起電部構造体を示す
図である。

第４図に示す起電部構造体は、酸化剤極３側のシール部
１１のみを前述の実施例と同様にテーパー形状とｌ、た
ものであり、燃料極２側のシール部１２は筐体形状のま
まで形成している。このようにすることによっても、エ
ツジシール部９ａ１１０ａとシール部６とが直接接触す
る面積は極力減少されて腐食が防止され、また短絡は特
に酸化剤極３側の膨張などによって発生しやすいために
、短絡を防止することが可能とある。

第５図に示す起電部構造体は、燃料極２のみを電解質層
１と同一平面形状とし、酸化剤極３は電解質層１より小
面積としている。なお、シール部１３．１４は多孔質電
極の大きさに応じて前述の実施例と同様にテーパー形状
としている。これにより、多孔質電極２．３間の距離を
十分に確保することが可能となり、さらに短絡の危険性
が減少する。

また、第６図に示す起電部構造体は、燃料極２および酸
化剤極３ともに、側端部のシール部１５．１６を筐体形
状のままで形成している。このような形状であっても、
エツジシール部９ａｓｌＯａとシール部６とが直接接触
する面積は極力減少されて腐食が防１１−され、溶融炭
酸塩燃料電池の安定性が向上する。

第７図および第８図は、本発明のさらに他の実施例の溶
融炭酸塩燃料電池の起電部構造体を示す図である。これ
らの図に示す起電部構造体では、電解質層１と多孔質電
極２．３とを同一形状としている。

そして、第７図に示す起電部構造体では、多孔質電極２
．３の電解質層１と反する面から電解質層１と接する面
に向けて内側方向に傾斜されたシール部１７．１８を設
け、エツジシール部９ａ。

１０ａとシール部１７．１８とが直接接触する面積を極
力小さくした上で、多孔質電極２．３の側端面をシール
部１７．１８により覆っている。

また、第８図に示す起電部構造体では、多孔質電極２．
３内に断面略半円状のシール部１９．２０を設け、エツ
ジシール部９ａ、１０ａとシール部１９．２０とが直接
接触する面積を極力小さくした上で、多孔質電極２．３
の側端面をシール部１９．２０により覆っている。

このようなシール部形状によっても、エツジシール部９
ａ、１０ａの腐食を防止した上で、気密シール性を向上
させることができる。

また、上記各実施例においては、多孔質電極を切断する
ことによってシール部をテーパー状とする例について説
明したが、テーパ一部の形成はプレスなどによって機械
的に押しつぶすことにより形成するなどの各種方法を採
用することが可能である。

なお、本発明は上記各実施例に限定されるものではなく
、さらに各種の応用が可能であり、たとえば電解質層と
接続する側の反対側にガス供給用の流路を形成した、い
わゆるリブ付き電極についても、同様なシール部を形成
することによって同様の効果を発揮する。

［発明の効果］ 以上説明したように本発明によれば、多孔質電極の端部
に１′、均細孔径を小さくしたシール部を多孔質電極と
導電性セパレータとの接触界面から隔てた位置に設けて
いるため、多孔質電極の側端面の安定したシール性を確
保した上で、導電性セパレータの腐食による電解質の損
失を防１１．することがａＪ能となる。さらに、シール
部の形状をテーパー状とすることによって、電極の変形
による短絡を防止することが可能となる。これらによっ
て、長期間安定に運転することが可能な溶融炭酸塩燃料
電池を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例に係る溶融炭酸塩燃料電池の
起電部構造体を示す側面図、第２図は第１図の起電部構
造体における多孔質電極を示す断面図、第３図は実施例
および比較例の溶融炭酸塩燃料電池の運転時間と電池電
圧との関係を示す特性図、第４図ないし第８図はそれぞ
れ本発明の他の実施例に係る溶融炭酸塩燃料電池の起電
部構造体を示す側面図である。 １・・・・・・電解質層、２．３・・・・・・多孔質電
極、４・・・・・・単位電池、５・・・・・・微粒子、
６・・・・・・シール部、７．８・・・・・・ガス供給
用チャンネル、９．１０・・・・・・セパレータ。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）溶融炭酸塩電解質層を一対の多孔質電極で挟持し
   、かつ前記多孔質電極の少なくとも一方が前記溶融炭酸
   塩電解質層と略同一平面形状とされた単位電池が、ガス
   供給路を備えた導電性セパレータを介して積層されて構
   成される起電部構造体を有する溶融炭酸塩燃料電池にお
   いて、 前記多孔質電極は、微粒子を充填して電池反応部よりも
   平均細孔径を小さくすることにより溶融炭酸塩電解質を
   保持するシール部を有し、このシール部は前記多孔質電
   極と導電性セパレータとの接触界面から隔てられた位置
   に、前記多孔質電極の側端面を覆うように設けられてい
   ることを特徴とする溶融炭酸塩燃料電池。
2. （２）請求項１記載の溶融炭酸塩燃料電池において、 前記シール部は前記多孔質電極の前記導電性セパレータ
   から突出した部位に設けられ、かつ少なくとも一方の前
   記多孔質電極のシール部がテーパー形状を有しているこ
   とを特徴とする溶融炭酸塩燃料電池。