JPH0973909A - 溶融炭酸塩型燃料電池 - Google Patents

溶融炭酸塩型燃料電池

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JPH0973909A
JPH0973909A JP7226513A JP22651395A JPH0973909A JP H0973909 A JPH0973909 A JP H0973909A JP 7226513 A JP7226513 A JP 7226513A JP 22651395 A JP22651395 A JP 22651395A JP H0973909 A JPH0973909 A JP H0973909A
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electrolyte
plate
fuel cell
carbonate
electrolyte plate
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JP7226513A
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Kazuaki Nakagawa
和明 中川
Hideyuki Ozu
秀行 大図
Yoshihiro Akasaka
芳浩 赤坂
Morohiro Tomimatsu
師浩 富松
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Original Assignee
Toshiba Corp
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    • H01M8/02Details
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    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
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    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
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    • H01M2300/0017Non-aqueous electrolytes
    • H01M2300/0048Molten electrolytes used at high temperature
    • H01M2300/0051Carbonates
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 経時的な電解液の組成変化を抑制して長期間
に亘って安定した電極反応を維持した溶融炭酸塩型燃料
電池を提供する。 【解決手段】 混合アルカリ炭酸塩からなる電解質を保
持材および補強材を含む多孔質体に含浸させた電解質板
を備えた溶融炭酸塩型燃料電池において、前記電解質板
は、Li4 ZrO4 もしくはLi6 ZrO5 からなる高
次リチウム化ジルコニアを含有することを特徴としてい
る。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明が属する技術分野】本発明は、溶融炭酸塩型燃料
電池に関し、特に導電性を有する一対の電極間に挟まれ
て配置される電解質板を改良した溶融炭酸塩型燃料電池
に係わる。
【0002】
【従来の技術】溶融炭酸塩型燃料電池の基本構造を図1
に示す。導電性を有する一対の電極であるアノード(燃
料極)1及びカソード(空気極)2間には、アルカリ炭
酸塩からなる電解質を保持した電解質板3が挟まれて配
置されている。前記電解質板3の両面周縁には、2つの
ハウジング4a、4bが当接され、これらハウジング4
a、4b内に前記アノード1及びカソード2をそれぞれ
収納している。前記一方のハウジング4a内面と前記ア
ノード1の間及び前記他方のハウジング4b内面と前記
カソード2の間には、それぞれ波形の集電板5a、5b
が配置されている。前記アノード1が位置する一方の前
記ハウジング4aには、燃料ガス(H2 、CO2 )を前
記アノード1に供給するための供給口6及び排出ガス
(CO2 、H2 O)を排気するための排気口7がそれぞ
れ開口されている。前記カソード2が位置する他方の前
記ハウジング4bには、酸化剤ガス(空気、CO2 )を
前記カソード2に供給するための供給口8及び排出ガス
(N2 )を排気するための排気口9がそれぞれ開口され
ている。
【0003】上述した図1に示す溶融炭酸塩型料電池
は、高温下で電解質板3中の混合アルカリ炭酸塩を溶融
させ、アノード1にハウジング4aの供給口6を通して
燃料ガス(H2 、CO2 )を、カソード2にハウジング
4bの供給口8を通して酸化剤ガス(空気、CO2 )を
それぞれ供給し、アノード1で下記(1) 式の反応を、カ
ソード2で下記(2) 式の反応を起こさせて運転するもの
である。
【0004】 H2 +CO3 2-→H 2O+CO +2e- …(1) 1/2 O2 +CO2 +2e- →CO3 2- …(2) ところで、上記溶融炭酸塩型燃料電池に使用される電解
質板は基本的には混合アルカリ炭酸塩からなる電解質
と、高温運転時に液体となる前記電解質の流出を防止す
るための保持材と、昇温時の割れ発生を防止するための
補強材とから構成されている。混合アルカリ炭酸塩は、
Li2 CO3 、K2 CO3 及びNa2 CO3 の3種のう
ちの2種又は3種の混合塩の形で使用される。保持材と
しては、粒径が0.05〜0.5μmのγ−LiAlO
2 やβ−LiAlO2 からなる微粉末が、前記補強材と
しては粒径10〜100μmのLiAlO2 が、それぞ
れ使用される。
【0005】前記電解質板は、炭酸イオン(CO3 2-
の移動を媒介とするだけでなく、アノード及びカソード
間の反応ガスの直接混合(ガスクロスオーバ)を阻止す
るためのガス透過障壁層としても機能する。こうした機
能を果たすには、電解質板中に電解質が充分に保持され
ていることが必要である。
【0006】このようなことから、適切な微細構造を有
する電解質板を得る方法として、予めβ−LiAlO2
およびγ−LiAlO2 からなる微粒子を用いて多孔質
板を形成した後、前記多孔質板に混合アルカリ炭酸塩か
らなる電解質を含浸させるマトリックス法が広く採用さ
れている。さらに、電解質板の亀裂発生を防止するため
にアルミナ等の無機物繊維を予め前記多孔質体全体に分
散させて強度を向上させる方法も行われている。
【0007】しかしながら、長時間の燃料電池の運転に
おいては前記電解質板に保持されている電解液中からリ
チウムが減少して変化する。これは、前記電解質板自身
を構成する粒子や繊維がリチウムを優先的に取り込むこ
と、アノード、カソードを構成する電極材料が同様にリ
チウムを優先的に取り込むことに起因する。特に、補強
粒子、補強繊維としてアルミナを添加した場合には前記
リチウムの変化が顕著に現れる。その結果、前記電解質
板の電解液に起因する導電性やガスの溶解性が変化して
十分な電池性能を維持できないという問題があった。
【0008】
【発明が解決しようとする課題】本発明は、経時的な電
解液の組成変化を抑制して長期間に亘って安定した電極
反応を維持することによって実質的に長寿命化が図られ
た溶融炭酸塩型燃料電池を提供しようとするものであ
る。
【0009】
【課題を解決するための手段】本発明に係わる溶融炭酸
塩型燃料電池は、混合アルカリ炭酸塩からなる電解質を
保持材および補強材を含む多孔質体に含浸させた電解質
板を備えた溶融炭酸塩型燃料電池において、前記電解質
板は、Li4 ZrO4 もしくはLi6 ZrO5 からなる
高次リチウム化ジルコニアを含有することを特徴とする
ものである。
【0010】
【発明の実施の形態】以下、本発明に係わる溶融炭酸塩
型燃料電池を図2、図3を参照して詳細に説明する。本
発明の溶融炭酸塩型燃料電池は、アノード(燃料極)1
1、カソード(空気極)12及びこれら電極11、12
間に配置され、電解質を保持した電解質板13を備えて
いる。これらアノード11、カソート12及び電解質板
13を単位セルとし、複数の単位セルがセパレータ4を
挟んで積層されている。前記電解質板13上面に配置さ
れた前記アノード11の対向する一対の縁部は、前記電
解質板13の縁部から所望距離へだてて内側に位置し、
かつ前記アノード11が存在しない前記電解質板13の
両縁部と前記セパレータ14の間にはエッジシール板1
5aが配置されている。前記電解質板13下面に配置さ
れた前記カソード12の前記エッジシール板15aと直
交する一対の縁部は、前記電解質板13の縁部から所望
距離へだてて内側に位置し、かつ前記カソード12が存
在しない前記電解質板13の両縁部と前記セパレータ1
4の間には、エッジシール板15bが配置されている。
前記アノード11、セパレータ14及びエッジシール板
15aで区画された空間(燃料ガス流通空間)には、集
電板としての導電性を有する孔開き板16a、波板17
aが前記アノード11側から順次積層されている。前記
カソード12、セパレータ14及びエッジシール板15
bで区画された空間(酸化剤ガス流通空間)には、集電
板としての導電性を有する孔開き板16b、波板17b
が前記カソード12側から順次積層されている。このよ
うな複数の単位セルがセパレータ14を挟んで積層され
たスタック発電要素の4つの側面には、枠状のフランジ
18を有するマニホールド19がそれぞれ配置されてい
る。また、前記スタック発電要素の4つの側面と前記マ
ニホールド19のフランジ18との間にはそれぞれ枠状
のマニホールドシール板20が介在されている。前記燃
料ガス流通空間が表出する前記発電要素の側面に対応す
るのマニホールド(図示せず)には、燃料ガス21を供
給するための供給管22が取り付けられている。この供
給管22と反対側のマニホールド19には、ガス排出管
23が取着されている。また、前記酸化剤ガス流通空間
が表出する前記発電要素の側面に対応するのマニホール
ド(図示せず)には、酸化剤ガス24を供給するための
供給管25が取り付けられている。この供給管25と反
対側のマニホールド19には、ガス排出管26が取着さ
れている。
【0011】前記電極11、12は、例えばニッケルベ
ースアロイの焼結体のような多孔質体から形成される。
前記セパレータ14、エッジシール15a、15b、孔
開き板16a、16b及び波板17a、17bは、例え
ばステンレス鋼から形成される。
【0012】前記燃料ガス21としては、例えば水素
(H2 )と二酸化炭素(CO2 )との混合ガスなどを使
用できる。前記酸化剤ガス24としては、例えば空気又
は酸素(O2 )と二酸化炭素(CO2 )との混合ガスな
どを使用できる。
【0013】次に、前記電解質板13を詳述する。前記
電解質板は、Li4 ZrO4 もしくはLi6 ZrO5
らなる高次リチウム化ジルコニアを含有する多孔質体
(例えば気孔率40〜65%)に電解質を溶融状態で含
浸した構成を有する。
【0014】前記電解液としては、例えば炭酸リチウム
(Li2 CO3 )と炭酸カリウム(K2 CO3 )の混合
物、Li2 CO3 と炭酸ナトリウム(Na2 CO3 の混
合物、Li2 CO3 とK2 CO3 とNa2 CO3 の混合
物等の混合アルカリ炭酸塩を挙げることができる。前記
電解液は、前記混合アルカリ炭酸塩にさらにアルカリ土
類炭酸塩を添加した組成を有することを許容する。
【0015】前記多孔質体は、次のような形態を有す
る。 (a)粒径が0.05〜0.5μmの微粒子(保持材)
と、粒径が10〜100μmの粒子(補強材)と、前記
無機物繊維とから構成される多孔質体。すなわち、この
多孔質体は2種類の粒子と例えば50〜3000μmの
無機物繊維から構成される。
【0016】(b)粒径が0.05〜0.5μmの微粒
子(保持材)と、粒径が10〜100μmの粒子(補強
材)とから構成される多孔質体。 前記多孔質体(a)、(b)において、前記高次リチウ
ム化ジルコニアは粒径が0.05〜0.5μmの粒子
(保持材)として添加されか、もしくは粒径が10〜1
00μmの粒子(補強材)として添加される。添加され
る高次リチウム化ジルコニア(例えばLi4 ZrO4
は、時間の経過とともに次の(3)式に従って分解し、
炭酸リチウム(Li2 CO3 )を徐々に生成する。
【0017】 Li4 ZrO4 +CO2 →Li2 ZrO3 +Li2 CO3 …(3) また、Li6 ZrO5 の高次リチウム化ジルコニアは、
時間の経過とともに次の(4)、(5)式に従って2段
階の分解が生じ、それぞれの分解時に炭酸リチウム(L
2 CO3 )を生成する。
【0018】 Li6 ZrO5 +CO2 →Li4 ZrO4 +Li2 CO3 …(4) Li4 ZrO4 +CO2 →Li2 ZrO3 +Li2 CO3 …(5) 前記高次リチウム化ジルコニアを前述したように保持材
として多孔質体に添加した場合にはそれを補強材として
添加した場合に比べて比表面積が大きいために分解完了
時間が短くなる。例えば、Li4 ZrO4 からなる高次
リチウム化ジルコニアを保持材として用いた場合には前
記(3)式の反応が200時間程度で完了し、補強材と
して用いた場合には前記(3)式の反応が1000時間
程度で完了する。したがって、前記電解質板中のリチウ
ムの経時的減少速度に合わせて前記高次リチウム化ジル
コニアを保持材として添加するか補強材として添加する
選択することが好ましい。
【0019】前記高次リチウム化ジルコニアは、前記多
孔質体(保持材および補強材の総量)に対して5〜30
重量%、より好ましくは15〜20重量%含有されるこ
とが望ましい。これは、次のような理由によるものであ
る。前記高次リチウム化ジルコニアの含有量を5重量%
未満にする、電解質板への炭酸リチウムの補給が十分に
なされなくなる恐れがある。一方、前記高次リチウム化
ジルコニの含有量が30重量%を越えると前記(3)式
または(5)式で生成したLi2 ZrO3 が多くなり過
ぎ、それ自身で粒子の凝集・成長を起こす恐れがある。
【0020】前記多孔質体(a)、(b)に含有される
他の粒子としては、例えばリチウムアルミネート(α、
β、γ−LiAlO2 )、リチウムジルコネート(Li
2 ZrO3 )、リチウムタンタレート(LiTaO
3 )、カリウムタンタレート(KTaO3 )等を挙げる
ことができる。また、前記無機物繊維としては例えばア
ルミナ(Al23 )、リチウムアルミネート(α、
β、γ−LiAlO2 )、ジルコニア(ZrO2 )リチ
ウムジルコネート(Li2 ZrO3 )等を挙げることが
できる。
【0021】上述した電解質板は、例えば次のような方
法に製造される。まず、保持材、無機物繊維および必要
に応じて配合される補強材を有機バインダを有機溶媒の
存在下で混合する。ここに用いる有機バインダとして
は、例えばポリビニルブチラール、フタル酸ジブチル
ル、アクリル樹脂等を挙げることができる。前記有機溶
媒としては、例えばトルエン、キシレン、メチルエチル
ケトン等を挙げることができる。つづいて、前記混合物
を通常のシート成形法(例えばドクターブレード法、カ
レンダロール法、スリップキャスト法、冷間押出し法
等)によりグリーンシートを成形した後、脱脂すること
により所定の気孔率を有する多孔質体を作製する。一
方、混合アルカリ炭酸塩からなる電解質を前記多孔質体
と同様な方法によりシート成形してシート状物を作製す
る。ひきつづき、前記多孔質体上に前記シート状物を重
ね、そのシート状物を溶融して前記多孔質体に電解質を
含浸させる。
【0022】次いで、電解質が含浸された前記多孔質体
を電解質である混合アルカリ炭酸塩を含浸したアノード
と無含浸のカソードの間に配置し、前述した図2に示す
単位セルとし、複数の単位セルをセパレータを挟んで積
層してスタック発電要素とした後、この発電要素の4つ
の側面にマニホールドを取付けて燃料電池を組立てる。
この後、作動温度まで昇温させ、前記多孔質体の気孔部
分に前記アノード中に溶融した混合アルカリ炭酸塩を拡
散、充填して電解質板を製造する。
【0023】以上説明した本発明によれば、混合アルカ
リ炭酸塩からなる電解質を保持材および補強材を含む多
孔質体に含浸させた電解質板を備えた溶融炭酸塩型燃料
電池において、前記電解質板がLi4 ZrO4 もしくは
Li6 ZrO5 からなる高次リチウム化ジルコニアを含
有する。このような高次リチウム化ジルコニアを含む電
解質板は、運転時の作動温度(650℃前後)で前述し
た(3)式または(4)、(5)式に従って炭酸リチウ
ムを徐々に生成するため、電極材料等により消費される
前記電解質板中の炭酸リチウムを補給することができ
る。つまり、電解質板中の炭酸リチウムの消費速度に近
似した速度で前記高次リチウム化ジルコニアから炭酸リ
チウムを補給できる。その結果、電解質板中の電解液組
成を安定的に保持することができる。特に、Li6 Zr
5 からなる高次リチウム化ジルコニアを含有すること
によって、前述した(4)、(5)式に示す2段階の分
解反応と記にそれぞれ炭酸リチウムを生成するため、L
4 ZrO4 からなる高次リチウム化ジルコニアを用い
る場合に比べて炭酸リチウムの補給量を増大することが
可能になる。したがって、長時間の高出力密度で運転す
ることが可能な溶融炭酸塩型燃料電池を提供できる。
【0024】また、前記高次リチウム化ジルコニアが前
述した(3)式または(4)、(5)式に従って分解し
た後は、保持材もしくは補強材として作用するLi2
rO3 を生成するため、電解質板は保持材もしくは補強
材を配合したのと同様な性能が維持される。
【0025】
【実施例】以下、本発明の実施例を詳細に説明する。 (実施例1〜6および比較例1〜4)まず、比表面積が
5〜15m2 /gのα−リチウムアルミネート(LiA
lO2 )微粉末(保持材)に粒径20〜60μmのアル
ミナ(Al23 )粉末(粒子補強材)および粒径0.
2〜0.4μmのLi4 ZrO4 粉末を下記表1に示す
重量比でアルミナポットに入れてトルエン、ポリビニル
ブチラール、フタル酸ジブチルと共に72時間湿式混合
してスラリーを調製した。つづいて、これに篩によって
分散した平均繊維径10μm、長さ3mmのアルミナ繊
維を下記表1に示す重量比で添加した後、キャリアシー
ト上に展開し、厚さ0.5mm程度の10種のマトリッ
クスグリーンシートを作製した。各シートをそれぞれ3
枚重ねて10種の多孔質体とした。
【0026】次いで、電解質としての混合アルカリ炭酸
塩(Li2 CO3 ;62モル%、K2 CO3 ;38モル
%)を用いて前記マトリックスグリーンシートと同様な
方法によりシート状物とした後、このシート状物を前記
多孔質体にそれぞれ重ね、550℃まで昇温して前記シ
ート状物を溶融状態とすることにより前記混合アルカリ
炭酸塩を各多孔質体にそれぞれ含浸して10種の電解質
板を製造した。
【0027】得られた各電解質板をアノード、カソー
ド、ステンレス鋼からなるセパレータ、エッジシール
板、孔開き板および波板とともに前述した図2及び図3
に示す溶融炭酸塩型燃料電池を組立てた。これら燃料電
池を650℃、200時間、1000時間の連続運転後
に電解質板を取り出し、酢酸によって炭酸塩部分を溶か
し出した。これらの溶液を原子吸光法で分析してLiと
Kの濃度を求め、Li比として下記表1に併記した。ま
た、実施例2および比較例1、3の燃料電池について同
様な条件で8000時間まで運転し、その性能低下を調
べた。その結果を下記表2に示す。
【0028】
【表1】
【0029】
【表2】
【0030】前記表1、表2から明らかなように実施例
1〜6のLi4 ZrO4 からなる高次リチウム化ジルコ
ニアが添加された電解質板を備えた溶融炭酸塩燃料電池
は、比較例1〜4の燃料電池に比べて電解質の組成が変
化せず、長期間に亘って安定であることがわかる。
【0031】(実施例7〜10)まず、比表面積が5〜
15m2 /gのα−リチウムアルミネート(LiAlO
2 )微粉末(保持材)に粒径20〜60μmのアルミナ
(Al23 )粉末(粒子補強材)および粒径0.2〜
0.4μmのLi6 ZrO5 粉末を下記表3に示す重量
比でアルミナポットに入れてトルエン、ポリビニルブチ
ラール、フタル酸ジブチルと共に72時間湿式混合して
スラリーを調製した。つづいて、これに篩によって分散
した平均繊維径10μm、長さ3mmのアルミナ繊維を
下記表1に示す重量比で添加した後、キャリアシート上
に展開し、厚さ0.5mm程度の4種のマトリックスグ
リーンシートを作製した。各シートをそれぞれ3枚重ね
て4種の多孔質体とした。
【0032】次いで、電解質としての混合アルカリ炭酸
塩(Li2 CO3 ;62モル%、K2 CO3 ;38モル
%)を用いて前記マトリックスグリーンシートと同様な
方法によりシート状物とした後、このシート状物を前記
多孔質体にそれぞれ重ね、550℃まで昇温して前記シ
ート状物を溶融状態とすることにより前記混合アルカリ
炭酸塩を各多孔質体にそれぞれ含浸して4種の電解質板
を製造した。
【0033】得られた各電解質板をアノード、カソー
ド、ステンレス鋼からなるセパレータ、エッジシール
板、孔開き板および波板とともに前述した図2及び図3
に示す溶融炭酸塩型燃料電池を組立てた。これら燃料電
池を650℃、200時間、1000時間の連続運転後
に電解質板を取り出し、酢酸によって炭酸塩部分を溶か
し出した。これらの溶液を原子吸光法で分析してLiと
Kの濃度を求め、Li比として下記表3に併記した。
【0034】また、実施例7、8の燃料電池について同
様な条件で8000時間まで運転し、その性能低下を調
べた。その結果を下記表4に示す。なお、表4中には前
述した比較例1、3の燃料電池の性能評価も併記した。
【0035】
【表3】
【0036】
【表4】
【0037】前記表3、表4から明らかなように実施例
7〜10のLi6 ZrO5 からなる高次リチウム化ジル
コニアが添加された電解質板を備えた溶融炭酸塩燃料電
池は、電解質の組成が変化せず、長期間に亘って安定で
あることがわかる。
【0038】
【発明の効果】以上詳述したように、本発明によれば経
時的な電解液の組成変化を抑制して長期間に亘って安定
した電極反応を維持することによって実質的に長寿命化
が図られた溶融炭酸塩型燃料電池を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図1】溶融炭酸塩型燃料電池の基本構造を示す概略
図。
【図2】本発明に係わる溶融炭酸塩型燃料電池の一般的
に構成を示す斜視図。
【図3】図2の燃料電池の要部拡大斜視図。
【符号の説明】
11…アノード、12…カソード、13…電解質板、1
4…セパレータ、19…マニホールド、21…燃料ガ
ス、24…酸化剤ガス。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 富松 師浩 神奈川県川崎市幸区小向東芝町1番地 株 式会社東芝研究開発センター内

Claims (1)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 混合アルカリ炭酸塩からなる電解質を保
    持材および補強材を含む多孔質体に含浸させた電解質板
    を備えた溶融炭酸塩型燃料電池において、 前記電解質板は、Li4 ZrO4 もしくはLi6 ZrO
    5 からなる高次リチウム化ジルコニアを含有することを
    特徴とする溶融炭酸塩型燃料電池。
JP7226513A 1995-09-04 1995-09-04 溶融炭酸塩型燃料電池 Pending JPH0973909A (ja)

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* Cited by examiner, † Cited by third party
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US7939219B2 (en) 2005-05-27 2011-05-10 Fuelcell Energy, Inc. Carbonate fuel cell and components thereof for in-situ delayed addition of carbonate electrolyte

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