JPS61133566A - 溶融炭酸塩燃料電池 - Google Patents

溶融炭酸塩燃料電池

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JPS61133566A
JPS61133566A JP59255444A JP25544484A JPS61133566A JP S61133566 A JPS61133566 A JP S61133566A JP 59255444 A JP59255444 A JP 59255444A JP 25544484 A JP25544484 A JP 25544484A JP S61133566 A JPS61133566 A JP S61133566A
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JP
Japan
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electrode plate
cathode
porosity
nickel
nickel electrode
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Hirozo Matsumoto
浩造 松本
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Fuji Electric Co Ltd
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Fuji Electric Co Ltd
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    • Y02P70/50Manufacturing or production processes characterised by the final manufactured product

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】 〔発明の属する技術分野〕 この発明は、アノードおよびカソードからなる一対のガ
ス拡散性電極と、これら電極に挾持された電解質タイル
を有する溶融炭酸塩燃料電池に関する。
〔従来技術とその問題点〕
溶融炭酸塩燃料電池(以下の本文ではMCFCと略記す
る)は動作温度が高く、腐食性の強い溶融炭酸塩を使用
していることによって、電極にも苛酷な責務が課せられ
ている。MCFC電極材料に対する一般的な要求特性を
まとめると以下のようになる。
まずアノード電極は、 (1)ガス雰囲気に対して化学的に安定であること。
(21耐熱性とくにクリープ強度が高いこと。
(3)運転時に耐焼結性があること(空孔率、空孔径の
経時費化がないこと)。
(41急激な電解質流人がなく、ガスと反応できること
15+電子伝導性が高いこと。
(6)安価であること。
次にカソード電極は、 (1)耐食性、耐酸化性があること。
(2)急激な電解質流人がなく、ガスと反応できること
(3)安価であること。
一般に、了ノード電極には多孔質のニッケル電極板が主
に用いられている。これはニッケルが耐食性と導電性を
バランスよく具備し、かつ安価なためである。
一方、カソード電極には多孔質の酸化ニッケルまたは、
ニッケル電極板が採用されている。、酸化ニッケル電極
板は耐食性に優れるという特長を有するが、電気抵抗が
大きいため電池の内部抵抗を病めて、電池の出力性能を
低下させる原因になりやすい。また、酸化ニッケル粉末
は高価でかつ難焼結性であるため、多孔質体の製造が難
しいという欠点をもっている。ニッケル電極板をカソー
ドに用いて電池を構成した場合は、電池の運転下で酸化
されて酸化ニッケルになるとともに電解質(Li2C0
3)との反応でリチウム化される。この過程でニッケル
電極板が粉化崩壊したり、電極板内部に電解質が流入し
すぎてガス拡散性が低下して電池性能を劣化するという
問題が発生する場合もある。
従来、カソード電極に用いるニッケル電極板においては
、その触媒活性を高める観点から原料粉末はできる限り
細かいことが望しいとされている。
また、ニッケル電極板の性状(空孔率、空孔径。
比表面積など)と電池性能の関係については経験的に次
のようなことが指摘されている。
(1)電極板の空孔径が小さいと電解質タイルからの電
解質の流入が多くなって、ガス拡散性を低下させやすい
(2)空孔率が小さい場合には、電解質との反応が阻害
されて電気抵抗が大きくなる。また反応面積を小さくす
るため、活性が低下しやずい。
+31を極板の空孔率および空孔径が大きくすぎると、
機械的強度が弱いため運転中に粉化崩壊の現象を生じや
すい。
以上の事項は定性的なものであり、MCFCの電池性能
を保証できるニッケル電極板の性状とくに空孔率、空孔
径などについて特定された数値は明らかにされていない
のが現状である。
〔発明の目的〕
本発明の目的は、前述した従来技術ではまだ不明である
ニッケル電極板の好ましい性状値を明らかにし、高活性
で安定な電池性能を発揮できるカソード電極で構成した
MCFCを提供することにあるO 〔発明の要点〕 この目的を達成するため本発明は、アノード電極および
カソード電極とこれら電極で挾持された′Ilt解質タ
イルとを有する燃料電池において、空孔率が57.5〜
80%および平均空孔亭径が25〜7.0μ常の範囲で
あるニッケル電極板をカソード電極として用いることを
特徴とする。
〔発明の実施例〕
本発明者は、カソード電極の性状と電池特性の定量的な
関係を明らかにする目的で、ニッケル電極板の空孔構造
に着目し、それとカソード単極特性の関係について研究
を行ない、本発明の目的を完結するに至った。その経過
と結果を以下に述べる。
本発明では、電極板の空孔率と空孔径を制御するには、
ニッケル粉末の形状ができる限り球状で、その粒径範囲
は1〜10μmのものが好ましいと考えられたので、そ
の原料粉末としては前記条件をほぼ満足できる市販のカ
ーボニシニッケル粉末を採用することにした。
ニッケル電極板の空孔率、空孔径は、造孔剤の添加、焼
結条件および焼結後の後加工などの方法を組み合せるこ
とで任意の値を選定した。また、ニッケル電極板の厚さ
は0.3〜0.45mmの範囲のものを使用した。そし
て、ニッケル電極板のカソード単極特性すなわち分極値
の測定を第1図に示す方法で行なった。
す゛なわち第1図において、試料極(ニッケル電極板)
l、itM質タイタイル2極(Au ) 3と参照極(
Air/C02/Au ) 4および集電子としてのス
テンレス金網5を順次積層し、この上に押えとガス供給
のためのステンレスバイブロを置き□、これらを絶縁を
兼ねたアルミナ板7.8の間に配置して、ボルト、す、
トで締付けたのち、所定の温度に保持した!、気炉に挿
入する。その後、ステンレスパイプ7を通して反応ガス
を供給した状態でボテンシ口ガルバノスタ、ド9よりパ
ルス電流を付加し、電流付加時の電流−m、圧関係を電
流計10と電圧計11で読みとり、それより分極値を算
出する。また、□ 分極値の測定は次の条件とした。■
温度=650℃■ガス組成:Air+30%CO2■電
極板とタイルの大きさ:直径25 mmの円板 ■電解
質タイルの性状:ホウドブレス法で↓造したγ−リチウ
ムアルミネートと共晶組成電解質(47,5W+%L1
2CO3−52,5w十%に2C03)の割合が閉封5
0(重量比)のもので厚さが2.0 ?l111 、か
さ密度が2.33f1M。
以上の方法で得た電流密度が200mA/(Ml  の
ときの分極値(If(フリー)を、ニッケル電極板の空
孔率で整理したのが第2図である。空孔率の増加にとも
なって分極値は低下し、70〜80%の空孔率で分極値
は最小値を示す。これは、空孔率の増加は触媒活性とガ
ス拡散性の向上に寄与するため良好な分極値を与えるも
のと考える。一方、空孔率が&)9以上になると、分極
値は逆に増加傾向となるが、空孔率が85 、87%の
分極値は65および759nVで、空孔率が63〜65
%のそれと同等の値であった。
しかし、カソード単極試験後にこれらの電極板を観桜す
ると、電極机の一部で粉化崩壊の現象を認め、カソード
用ニッケル電極板の空孔惠の限度は閏%以下と判断され
た。
ところで、MCFCの電池性能を低下させる要因としで
は、ガス組成、温度および電池構造などが同一条件であ
るならばアノードおよびカソード電極の分極、電解質タ
イルの内部抵抗および各部材間の接触抵抗などがあげら
れる。したがって、カソード用電極の分極値はできる限
り小さい方が望しいものであるが、本発明者は本発明を
なすにあたってカソード用ニッケル′!!極値の分極値
(電流密度が200mA10nl!の場合)は100m
V以下でなければならないとした。これは、MCFCが
他の燃料電池1例えばリン酸型燃料電池などより優位性
を発揮し、新規の発電システムとして実用化を期すため
には、電流密度が150 mA/(mにおいて750n
V以上の電池電圧を得る必要があるとされているからで
ある。この目標値はカソード電極の分極値が200 m
A10IIfの電流密度で100mV以下であるならば
現在の技術水準で得ている他の電圧低下要因を考慮して
もほぼ達成できるとされているためである。
以上の設定条件にしたがえば、ニッケル電極板の空孔率
が57.5%以下では100frLV以下の分極値は得
られないので、ニッケル電極板はこれ以上の空孔率を有
するものでなければならない。また、空孔率が閉%以上
でも100mV以下の分極値を示すものもあるが、80
%以上の空孔率のニッケル電極板は機械的強度も弱く、
粉化崩壊しやすいので、ガス配管のつまりなどのトラブ
ル要因となりやすいため不可である。
本発明では、更にニッケル電極板の平均空孔半径を水銀
圧入法で調べた。そして、空孔率と平均・空孔半径の関
係は第3図のようになり、両者はほぼ線形関係にあるこ
とを究明した。第3図において空孔率が57.5%の平
均空孔半径は26μ情、同じり&)%では6.85μm
となっている。これらの結果は、空孔率が57.5〜8
0%でかつ平均空孔半径が2.5〜7,04mの範囲の
ニッケル電極板であれば、タイルからの電解質の急激な
流入もなく触媒活性。
ガス拡散性も向上して100mV以下の分極値を保証で
きること示していると判断される。
次に、以上の本発明に関するニッケル電極板をカソード
に用いてMCFCを構成し、その電池性能を評価した。
MCFCは、直径50?lI、厚さ2.01の前記の性
状をもつ電解質タイルを直径が35tn鳳であるカソー
ドとアノード間に配置し、燃料量および酸化剤室を備え
、かつ集電子る−兼ねたノ・ウジングで電極板と′1解
質タイルを両面から押しつけた構造の単電池を構成した
。このような単電池に、燃料ガス組成は)(2+20%
C02,酸化剤ガス組成はAir+30%CO2からな
るガスを0.5 tym=の流社で供給し、650Cで
電流−電圧関係を測定した。
第4図に試験結果を示す。第4回の曲線41は空孔率が
57.5%〜80%、平均空孔半径が26〜6.85μ
洛の範囲のニッケルを極根の測定結果であり、電流密度
が150 mA/1ytrlのとき、750 mV以上
の電池電圧を得ている。曲線42は空孔率92.5%お
よび平均空孔半径8.55μm9曲線43は空孔率52
.5%および平均空孔半径2.0μmの性状をもつニッ
ケル電極板についての結果である。両者の電池性能は曲
線41で示したニッケル電極板のそれより劣り、第2図
の結果と一致している。第4図より、単電池においてす
ぐれた電池性能を得るには、カソード電極の空孔率およ
び平均空孔半径を適正な範囲にする(lO) 必要があり、本発明で限定した性状値はその範囲を満た
しているものと考える。
〔発明の効果〕
以上の説明から明らかなように本発明によれば、空孔率
および平均空孔半径を規定したニッケル電極板をカソー
ドに用いることで、電池性能にすぐれたMCFCを構成
することができる。また、二。
ケル電極板の性状を定量的に明らかにしたので、電極板
の検査1品質管理水準の向上にも効果を発揮することが
できる。
【図面の簡単な説明】
第1図はニッケル電極板のカソード単極特性の測定方法
を示す斜視図、第2図は本発明に関するニッケル電極板
の分極値と空孔率の関係を示す線図、第3図はニッケル
電極板の空孔率と平均空孔半径の関係を示す線図、第4
図は本発明のニッケルを極板をカソードに用いて構成し
た単it池での電流−電圧関係を示す線図である。 1:試料極、2:電解質タイル、3:対極(Au)、4
:参照極(Air/CO2/Au )、5ニステンレス
金fi、6:ステンレスパイプ、7,8:アルミナ板、
9:ボテンシ璽ガルパノスク、ド、10:電流計、11
;電圧計、41:空孔率が57.5〜80%の範囲にお
けるニッケル電極板の電流−電圧曲線、42:空孔率9
2.5%のニッケル電極板の電流−電圧曲線、43:空
孔率52.5%のニッケル電極板の電流−電圧曲線。

Claims (1)

    【特許請求の範囲】
  1. アノード電極およびカソード電極とこれら電極に挾持さ
    れた電解質タイルとを有する燃料電池において、空孔率
    が57.5〜80%および平均空孔半径が2.5〜7.
    0μmの範囲であるニッケル電極板をカソード電極とし
    て用いることを特徴とする溶融炭酸塩燃料電池。
JP59255444A 1984-12-03 1984-12-03 溶融炭酸塩燃料電池 Pending JPS61133566A (ja)

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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
NL1003862C2 (nl) * 1996-08-23 1998-02-26 Univ Delft Tech Werkwijze voor het bedrijven van een gesmolten-carbonaat-brandstofcel, een brandstofcel en een brandstofcelstapel.
JP2008095160A (ja) * 2006-10-13 2008-04-24 Japan Envirotic Industry Co Ltd 処理槽

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