JPH06290791A - 溶融塩型燃料電池の電極製造方法 - Google Patents

溶融塩型燃料電池の電極製造方法

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JPH06290791A
JPH06290791A JP4261079A JP26107992A JPH06290791A JP H06290791 A JPH06290791 A JP H06290791A JP 4261079 A JP4261079 A JP 4261079A JP 26107992 A JP26107992 A JP 26107992A JP H06290791 A JPH06290791 A JP H06290791A
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聡 黒江
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一男 岩本
Yoshio Iwase
嘉男 岩瀬
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Abstract

(57)【要約】 【目的】電極の経時的クリープ変形やシンタリングを抑
制し、長期にわたり安定した電池性能を得る。 【構成】Al粉末に疎水性有機材料よりなる表面安定化
層を形成してスラリーを調整し、シート状に成形した後
還元ガス雰囲気で焼結する。 【効果】高い電極表面積と好適な気孔率を有し、さら
に、Alと金属成分が合金または金属間化合物を形成し
て耐クリープ性並びに耐シンタリング性が向上する。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は溶融炭酸塩型燃料電池に
係り、特に電極の高温圧縮によるクリープ変形及びシン
タリングの抑制、並びに電極材料の溶出を防止して長期
的に安定した性能を発揮するための溶融塩型燃料用電極
を経済的に、かつ容易に製造する方法を提供することに
ある。
【0002】
【従来の技術】本発明は溶融塩型燃料電池用電極の製造
方法に係る。
【0003】前記燃料電池用電極は電池の運転中に経時
的クリープ変形やシンタリングが起こり、電極表面積が
低下したり、電極細孔容積が減少して燃料電池性能が低
下するという問題があった。また、電極材料が炭酸塩電
解質(例えば、K2CO3とLi2CO3の混合塩)の中に
溶出して電池性能が低下する問題があった。この様な問
題を解決するためにこれまでにも種々の方法が検討され
てきた。例えば、特開昭61−271749号並びに特開昭61−
267267号で開示されているごとく多孔質Ni電極にセラ
ミックス材料を添加する方法や特開昭63−668571号に開
示されている電極原料粉末をセラミックス材料でコーテ
ィングする方法等が提案されている。また特開昭62−28
7027号及び特開昭63−76833 号では、Al,Zr,Ti
及びCr等の酸化物がCu基材に分散された電極が提案
され、特開平3−56631号ではAl,Zr,Ti,Crと
Cuから成る合金粉末にLiAlO2 を添加する電極が
提案されている。
【0004】しかし、セラミックス材が添加された電極
は電極とカレントコレクターとの接触抵抗が増大する一
方、不活性物質の共存により電極活性の低下をまねく。
また、セラミックス材料は溶融炭酸塩電解質に濡れやす
いために電極細孔内が電解質で充たされて、細孔が閉塞
し反応ガスの電極細孔内拡散が阻害されて十分な電池性
能が発揮されなくなる。他の問題として熱サイクルによ
る電極の亀裂発生等もある。
【0005】一方、従来から知られている合金電極、例
えばNi−Al電極,Co−Al電極はアトマイズ法に
より合金粉末を作製したあと電極板に成形し、焼結して
多孔質電極を製造してきた(特開平1−204365 号)。ア
トマイズ法では粉末が球状となり電極として適した高い
比表面積の粉末が得られ難い。またガス拡散電極として
必要な高い気孔率が得られ難い外、焼結性が悪いため高
温焼成が必要となるなどの問題点がある。
【0006】しかしながら、例えば微細なNi粉末と微
細なAl粉末とを混合して水素雰囲気で焼成しても電極
に適したNi−Al合金またはNi−Al金属間化合物
は形成されない。この原因は、活性なAl粉末は電極製
造工程においてその表層がγ−Al23層によって覆わ
れているためである。また、水スラリー系では混練中に
水素ガスを発生してAlが変質する。変質したAlは還
元性ガス雰囲気で高温焼成しても金属成分との合金また
は金属間化合物の形成反応は進行しない。
【0007】一方、Al原料としてAl化合物、例えば
硝酸塩,硫酸塩,塩酸塩,酢酸塩,水酸化物等を適用し
ても焼成の過程でAl23となり、Ni−Al合金また
は金属間化合物は形成されず、燃料電池用電極として望
ましい物性が得られない。
【0008】
【発明が解決しようとする課題】溶融塩型燃料電池は運
転中に電極の経時的クリープ変形やシンタリングが起こ
り、電極表面積が低下したり、電極細孔容積が減少して
燃料電池性能が低下する問題、電極材料が炭酸塩電解質
の中に溶出して電池性能を低下する問題があり、それを
解決するための電極の製造方法に課題があった。
【0009】本発明の目的は、電池運転中における電極
の経時的クリープ変形やシンタリングを抑制すると共に
長期にわたり安定した電池性能を得るために改良された
溶融塩型燃料電池用の電極製造方法を提供することにあ
る。
【0010】
【課題を解決するための手段】上記目的は、Al粉末の
表面に室温以上で安定で、かつAlの融点以下で熱分解
する疎水性有機材料よりなる表面安定化層を形成し、N
i,Co,Cuから選ばれた金属粉末と混合したのち、
還元雰囲気でAlの融点以上、Ni,Co,Cuから選ば
れた金属粉末の融点以下の温度で加熱して焼結し、N
i,Co,Cuから選ばれた金属粉末の表面にAlの化
合物を形成することにより達成される。
【0011】表面安定化層は水との接触角が80度以上
の疎水性有機材料により形成されることが望ましい。こ
の結果、金属Al粉末の変質を防ぎ、スラリーの流動性
を改善し電極成形性を容易にする一方、焼結工程におい
てNi,Co,Cuから選ばれた金属粉末の表面にAl
の化合物を形成する。金属成分MとAlの反応を容易に
して合金および/または金属間化合物を形成し、電極の
耐クリープ性および耐シンタリング性が著しく向上す
る。
【0012】表面安定化層は疎水性に形成し、さらに界
面活性剤を添加して疎水性表面に親水基を付加して親水
性に形成されることによりスラリー中でのAl粉末の分
散性が改善される。特に溶媒として水溶液を用いた場合
においてその効果が顕著となる。
【0013】疎水性の表面安定化層は室温以上で安定で
かつ、Alの融点以下の温度で分解する有機材料により
形成されることが望ましい。例えば、Al粉末および/
またはNi,Co,Cu粉末がエポキシ樹脂,フェノー
ル樹脂,アクリル樹脂及びフッ素樹脂のいずれか及び/
混合体によって被覆されたもの、またはパラフィン系
油、ナフテン系油およびグリス状油等によって被覆され
表面層が疎水性に改質されたもの、メタクリル酸/アク
リル酸等の共重合体によって被覆されたものである。ま
た、各種カップリング剤によりAl粉末表面に保護膜を
形成するのも有効であり、保護膜を形成してさらに前述
の樹脂および/または各種油脂により被覆すればより強
固な表面安定化層が形成され好ましい。
【0014】しかしながらAl表面が疎水性に改質され
ると水溶液系においては分散性が低下することがある。
このような場合には疎水性層にさらに親水基を付加する
ことにより改善される。また、スラリー中に界面活性剤
を添加しても解決される。
【0015】金属粉末はNi,Co,Cuから選ばれた
一種または二種以上から成る粉末で粒子径が1〜10μ
mの物が良い。粉末粒子径が1μm以下では電極として
十分な気孔径が得られ難く、10μm以上では電極とし
て必要な比表面積が得られず電極性能が低下する。N
i,Co,Cu金属粉末をAl粉末と同様に表面安定化
層を形成しておくことによりスラリーの流動性、焼結時
の反応促進性を図るうえで有効である。
【0016】Al粉末の粒子径は1〜20μmが良い。
1μm以下の粉末では表面安定化層の形成が不確実にな
る。また20μm以上では焼結工程で形成される電極細
孔径が大きくなり好ましくない。AlとNi,Co,C
uから選ばれた一種または二種以上から成る電極におい
て、Alの含有量は2〜15wt%(重量)が良い。A
l含有量が2wt%以下では電池運転中における耐クリ
ープ性および耐シンタリング性が十分ではなく電池性能
の経時的低下が改善されない。また、15wt%以上に
なると電極活性が低くなる。
【0017】表面安定化層を形成したAl粉末とNi,
Co,Cuから選ばれた一種または二種以上から成る粉
末とに溶媒及び結合剤を添加して均質混合スラリーを調
製しシート状に成形したあと焼結する工程において、溶
媒は水または有機溶媒例えば、イソブチルアルコール,
イソプロピルアルコール,シクロヘキサノール,1−ブ
タノール,2−ブタノール,メタノール,トリクロロエ
チレン,トリクロロエタン等から選ばれた一種又は二種
以上の混合溶媒が適用できる。結合剤としてはカルボキ
シメチルセルロース,ヒドロキシエチルセルロース,ポ
リビニールアルコール,ポリエチレンオキサイド、ポリ
ビニールブチラール,ポリビニールアセタール等の一種
又は二種以上の混合結合剤が適用できる。また可塑剤と
してグリセリン,フタール酸エステル,ジプロピルグリ
コール等を少量添加すると成形性が良くなる。表面安定
化層を形成したAl粉末と金属粉末とに溶媒及び結合剤
を添加して50℃以下、好ましくは30℃以下の温度領
域で均質に混合しスラリーを調製すると良い。50℃以
上の温度領域では表面安定化層が破壊されAlが変質す
ることがある。
【0018】また、混練によりスラリーを調製する際、
外気を巻き込むため不活性ガス雰囲気にすることが好ま
しい。スラリー中の気泡は真空ポンプ等で減圧して脱気
する必要がある。減圧脱気した原料スラリーをテープキ
ャステング法またはスリット成形法等により厚さ0.3
〜1mm程度のシート状に成形して乾燥し、次に水素ガス
等の還元性雰囲気でAlの融点以上で、かつNi,C
o,Cu等の融点以下の温度で焼成し、Ni,Co,C
u等の金属成分とAlとを反応させて合金化または、金
属間化合物を形成させると同時に電極を焼結して電極強
度を向上させる。焼成温度がAlの融点以下ではAlと
金属成分との反応が不十分であり、電極としての強度が
不完全となる。またNi,Co,Cu等の融点以上にお
いては焼結が進み過ぎて電極の気孔率が減少すると共に
比表面積が低下して好ましくない。
【0019】
【作用】表面安定化層を形成したAl粉末とNi,C
o,Cuから選ばれた一種または二種以上から成る粉末
とに溶媒及び結合剤を添加して均質混合スラリーを調製
しシート状に成形したあと焼結する方法により、高い電
極表面積と好適な気孔率を形成して優れた電池性能を発
揮するとともに、Alと金属成分が合金化または金属間
化合物を形成し耐クリープ性並びに耐シンタリング性が
向上して長期にわたり安定した電池性能が得られる。
【0020】
【実施例】本発明を実施例によりさらに詳細に説明す
る。
【0021】実施例1.真空に密閉された高純度Al粉
末(平均粒径8μm)100gにエポキシ樹脂30gと
アセトン200mlを加えてアルゴンガス雰囲気中で5
時間混練した後、真空乾燥した。次に、流動パラフィン
80mlを加えて2時間混練しペースト状にしてさら
に、ポリエチレングリコール(平均分子量400)40m
lを加えて表面を親水性にした。この表面安定化層を形
成したAlにNi粉末(平均粒径5μm)900gと
2.5wt% カルボキシメチルセルロース(CMC)85
0mlを加えてArガスを通気しながら50℃以下に冷
却して3時間混練し、スラリー状にしたあと真空ポンプ
で減圧して脱気した。この原料スラリーをスリット成形
法により40メッシュNi金網に添着して厚さ0.65m
m のシート状に成形した。約100℃で乾燥したあと水
素雰囲気中で850℃,1時間焼成して多孔質Ni−A
l電極を作製した。
【0022】実施例2.アクリル酸共重合体によって被
覆したAl粉末(平均粒径12μm)100gにエポキ
シ樹脂により表面を被覆したNi粉末(平均粒径5μ
m)900gと5wt%ポリビニールアルコール水溶液
850ml、ポリエチレングリコール50ml並びにグ
リセリン50mlを添加して約20℃に冷却しながら3
時間混練してスラリー状にした。このスラリーを真空ポ
ンプで減圧して脱気したあとテープキャステング法によ
り厚さ0.6mm のシート状に成形した。約50℃で乾燥
したあと水素雰囲気中で850℃,1時間焼成して多孔
質Ni−Al電極を作製した。
【0023】実施例3.真空に密閉された高純度Al粉
末(平均粒径8μm)100gにエポキシ樹脂30gと
アセトン200mlを加えてアルゴンガス雰囲気中で5
時間混練した後、真空乾燥して表面安定化層を形成し
た。このAl粉末50gに50wt%Ni−30wt%
Co−20wt%Cu粉末(粒径5〜9μm)950g
と0.5wt%ポリエチレンオキサイド(PEO−8)
/1−ブタノール溶液900mlを加えて50℃以下に
冷却して3時間混練し、スラリー状にしたあと真空ポン
プで減圧して脱気した。
【0024】このスラリーをテープキャステング法によ
り厚さ0.6mm のシート状に成形した。約50℃で乾燥
したあと水素ガス雰囲気中で950℃,1時間焼成して
多孔質Ni−Al電極を作製した。
【0025】比較例1.真空に密閉された高純度Al粉
末(平均粒径8μm)100gにNi粉末(平均粒径5
μm)900gと2.5wt% カルボキシメチルセルロ
ース(CMC)950mlを加えてArガスを通気しな
がら50℃以下に冷却して3時間混練し、スラリー状に
したあと真空ポンプで減圧して脱気した。この原料スラ
リーをスリット成形法により40メッシュNi金網に添
着して厚さ0.65mm のシート状に成形した。約100
℃で乾燥したあと水素雰囲気中で850℃,1時間焼成
して多孔質Ni−Al電極を作製した。
【0026】比較例2.アトマイズ法により作製したA
l−Ni合金粉末(10wt%Al−残Ni、平均粒径
9μm)1000gと2.5wt% カルボキシメチルセ
ルロース(CMC)/水溶液850mlを加えてArガスを
通気しながら50℃以下に冷却して3時間混練し、スラ
リー状にしたあと真空ポンプで減圧して脱気した。この
原料スラリーをスリット成形法により40メッシュNi
金網に添着して厚さ0.65mm のシート状に成形した。
約100℃で乾燥したあと水素雰囲気中で850℃、お
よび1000℃で1時間焼成して多孔質Ni−Al電極
を作製した。
【0027】試験例1.実施例1、および比較例1、に
おいて作製した電極について焼成前および焼成後のX線
回折を行った。実施例1の電極の焼成前のX線回折を図
1に示し、焼成後のX線回折を図2に示す。比較例1の
電極の焼成前のX線回折を図3に示し、焼成後のX線回
折を図4に示す。実施例1は焼成前においてAlとNi
に帰属するピークであり、焼成後においてはNiのほか
にAlNi3 とAlNiに帰属する金属間化合物が形成
される。
【0028】比較例1は焼成前においてAl(OH)3
成されており、製造工程においてAlが変質した。焼成
後ではNiのピークの外にはχ−Al23と推定される
僅かのピークであり、金属間化合物等に帰属するピーク
は全く認められない。
【0029】試験例2.実施例1〜3および比較例1〜
2で作製した電極について比表面積の測定結果を表1に
示す。実施例で作製した電極はいずれも高い比表面積を
有するのに比べ比較例電極の比表面積はいずれも低い。
【0030】
【表1】
【0031】試験例3.実施例1〜3および比較例1〜
2で作製した電極について気孔率の測定結果を表2に示
す。実施例で作製した電極はいずれも高い気孔率を有す
るのに比べ比較例電極の気孔率はいずれも低い。
【0032】
【表2】
【0033】試験例4.実施例1〜3および比較例1〜
2で作製した電極をアノ−ドに適用して、カソ−ドには
NiO−Ag電極を用い、電解質板にはLiAlO2
板にLi2CO3とK2CO3(62:38mol比)混合
炭酸塩を含浸し、電極有効面積100cm2の単セルを構
成した。アノ−ドには18%CO2−16%H2O−残部
2 混合ガスを供給し、カソ−ドには70%空気−30
%CO2 混合ガスを供給しながら電池を昇温して650
℃で約1000時間の連続発電試験をした。負荷電流密
度150mA/cm2 における電池電圧の経時変化と発電
試験終了後のアノ−ドのクリープ変形率を表3に示す。
【0034】
【表3】
【0035】実施例4.真空に密閉された高純度Al粉
末(平均粒径8μm)100gにエポキシ樹脂30gと
アセトン200mlを加えてアルゴンガス雰囲気中で5
時間混練した後、真空乾燥した。次に、流動パラフィン
80mlを加えて2時間混練しペースト状にしてさら
に、ポリエチレングリコール(平均分子量400)40
mlを加えて表面を親水性にした。
【0036】この表面安定化層を形成したAlと60w
t%Ni−40wt%Co粉末(平均粒径6.5μm)
900gと2.5wt%カルボキシメチルセルロース(C
MC)850mlを加えてArガスを通気しながら50
℃以下に冷却して3時間混練し、スラリー状にしたあと
真空ポンプで減圧して脱気した。この原料スラリーをス
リット成形法により40メッシュNi金網に添着して厚
さ0.65mm のシート状に成形した。約100℃で乾燥
したあと水素雰囲気中で950℃,1時間焼成して多孔
質Ni−Al電極を作製した。
【0037】実施例5.真空に密閉された高純度Al粉
末(平均粒径8μm)100gにエポキシ樹脂30gと
アセトン200mlを加えてアルゴンガス雰囲気中で5
時間混練した後、真空乾燥した。次に、流動パラフィン
80mlを加えて2時間混練しペースト状にしてさら
に、ポリエチレングリコール(平均分子量400)40
mlを加えて表面を親水性にした。
【0038】この表面安定化層を形成したAlと70w
t%Ni−30wt%Cu粉末(平均粒径7.1μm)
900gと2.5wt%カルボキシメチルセルロース(C
MC)850mlを加えてArガスを通気しながら50
℃以下に冷却して3時間混練し、スラリー状にしたあと
真空ポンプで減圧して脱気した。この原料スラリーをス
リット成形法により40メッシュNi金網に添着して厚
さ0.65mm のシート状に成形した。約100℃で乾燥
したあと水素雰囲気中で950℃,1時間焼成して多孔
質Ni−Al電極を作製した。
【0039】試験例5.実施例4および実施例5で作製
した電極をアノ−ドに適用して、カソ−ドにはNiO−
Ag電極を用い、電解質板にはLiAlO2基板にLi2
CO3とK2CO3(62:38mol比)混合炭酸塩を含浸
し、電極有効面積100cm2 の単セルを構成した。アノ
−ドには18%CO2−16%H2O−残部H2 混合ガス
を供給し、カソ−ドには70%空気−30%CO2 混合
ガスを供給しながら電池を昇温して650℃で約100
0時間の連続発電試験をした。負荷電流密度150mA
/cm2 における電池電圧の経時変化と発電試験終了後の
アノ−ドのクリープ変形率を表3に示す。
【0040】
【表4】
【0041】
【発明の効果】本発明によれば、表面安定化層を形成し
たAl粉末とNi,Co,Cu等の金属粉末とに溶媒及
び結合剤を添加して均質混合スラリーを調製しシート状
に成形したあと焼結することにより、高い電極表面積と
好適な気孔率を形成して優れた電池性能を発揮し、さら
に、Alと金属成分が合金または金属間化合物を形成し
て耐クリープ性並びに耐シンタリング性が向上して長期
にわたり安定した電池性能が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図1】実施例1により作製した電極の焼成前のX線回
折結果。
【図2】実施例1により作製した電極の焼成後のX線回
折結果。
【図3】比較例1により作製した電極の焼成前のX線回
折結果。
【図4】比較例1により作製した電極の焼成後のX線回
折結果。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 岩本 一男 茨城県日立市久慈町4026番地 株式会社日 立製作所日立研究所内 (72)発明者 岩瀬 嘉男 茨城県日立市久慈町4026番地 株式会社日 立製作所日立研究所内 (72)発明者 竹内 将人 茨城県日立市久慈町4026番地 株式会社日 立製作所日立研究所内 (72)発明者 西村 成興 茨城県日立市久慈町4026番地 株式会社日 立製作所日立研究所内

Claims (4)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】AlとNi,Co,Cuから選ばれた一種
    以上の金属とから成る溶融塩型燃料電池用多孔質電極の
    製造方法において,前記Al粉末の表面に室温以上で安
    定で、かつAlの融点以下で熱分解する疎水性有機材料
    よりなる表面安定化層を形成し、前記Ni,Co,Cu
    から選ばれた金属粉末と混合したのち、還元雰囲気でA
    lの融点以上、Ni,Co,Cuから選ばれた金属粉末
    の融点以下の温度で加熱して焼結し、Ni,Co,Cu
    から選ばれた金属粉末の表面にAlの化合物を形成する
    ことを特徴とする溶融塩型燃料電池の電極製造方法。
  2. 【請求項2】請求項1において、前記Ni,Co,Cu
    から選ばれた金属粉末の表面に室温以上で安定で、かつ
    Alの融点以下で熱分解する疎水性有機材料よりなる表
    面安定化層を形成することを特徴とする溶融塩型燃料電
    池の電極製造方法。
  3. 【請求項3】AlとNi,Co,Cuから選ばれた一種
    以上の金属とから成る溶融塩型燃料電池用多孔質電極の
    製造方法において、前記Al粉末の表面に室温以上で安
    定で、かつAlの融点以下で熱分解する疎水性有機材料
    よりなる表面安定化層を形成したのち、界面活性剤を添
    加して親水基を付加し、前記Ni,Co,Cuから選ば
    れた金属粉末と混合したのち、溶媒および結合剤を添加
    してスラリーとなし、成形したのち還元雰囲気でAlの
    融点以上、Ni,Co,Cuから選ばれた金属粉末の融
    点以下の温度で加熱して焼結し、Ni,Co,Cuから
    選ばれた金属粉末の表面にAlの化合物を形成すること
    を特徴とする溶融塩型燃料電池の電極製造方法。
  4. 【請求項4】AlとNi,Co,Cuから選ばれた一種
    以上の金属とから成る溶融塩型燃料電池用多孔質電極の
    製造方法において、前記Al粉末の表面に室温以上で安
    定で、かつAlの融点以下で熱分解する疎水性有機材料
    よりなる表面安定化層を形成したのち、前記Ni,C
    o,Cuから選ばれた金属粉末と混合し、溶媒,結合剤
    および界面活性剤を添加してスラリーとなし、成形した
    のち還元雰囲気でAlの融点以上、Ni,Co,Cuか
    ら選ばれた金属粉末の融点以下の温度で加熱して焼結
    し、Ni,Co,Cuから選ばれた金属粉末の表面にA
    lの化合物を形成することを特徴とする溶融塩型燃料電
    池の電極製造方法。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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KR100403133B1 (ko) * 1996-06-19 2004-02-25 한국전력공사 금속염첨가에의한산화물분산강화애노드전극의제조방법

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