JPS6124160A - 溶融炭酸塩形燃料電池の電解質タイル構造 - Google Patents

溶融炭酸塩形燃料電池の電解質タイル構造

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JPS6124160A
JPS6124160A JP59144975A JP14497584A JPS6124160A JP S6124160 A JPS6124160 A JP S6124160A JP 59144975 A JP59144975 A JP 59144975A JP 14497584 A JP14497584 A JP 14497584A JP S6124160 A JPS6124160 A JP S6124160A
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JP
Japan
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electrolyte
fuel cell
electrolyte tile
reinforcing member
carbonate
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JP59144975A
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English (en)
Inventor
Tsuneo Nakanishi
仲西 恒雄
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Fuji Electric Co Ltd
Original Assignee
Fuji Electric Co Ltd
Fuji Electric Corporate Research and Development Ltd
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Publication date
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    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/02Details
    • H01M8/0289Means for holding the electrolyte
    • H01M8/0295Matrices for immobilising electrolyte melts
    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30Hydrogen technology
    • Y02E60/50Fuel cells

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  • Electrochemistry (AREA)
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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】
本発明は炭酸塩を保持材により保持した溶融炭酸塩形燃
料電池の電解質タイル構造に関する。
【従来技術とその問題点】
溶融炭酸塩形燃料電池は、電解質として溶融炭酸を保持
した電解質タイルを挟持してアノード電極とカソード電
極を配して単位電池を構成し、その外側に反応ガスとし
ての燃料ガスをアノード電極に、酸化剤ガスをカソード
電極に供給するプレートをそれぞれ配設してなるものを
多数積層してセルスタックを形成し、反応ガスを配管を
通してセルスタック内の各電極に供給して電気化学反応
を起こして電気を発生する。以下図面に基づいて従来技
術について説明する。 第4図は溶融炭酸塩形燃料電池のセルスタックを構成す
る単位電池の断面説明図である。第4図において符号1
はアルカリ炭酸塩1例えば炭酸リチウム、炭酸ナトリウ
ム、炭酸カリウム、炭酸カルシウム等を含有した電解質
タイルであり、この電解質タイル1を挟持してアノード
電極2およびカソード電極3が配設され、これらは一般
に多孔質のニッケルまたはニッケル合金からなっている
。 さらに両電極の外側にはそれぞれ反応ガス通路を形成す
るガス室枠4.5が配設されている。ガス室枠4.5に
はそれぞれの電極に反応ガスを供給する室15.16が
形成され、発生する電気をガス室枠4,5に伝える波形
状のコレクタio、 itが設けられている。そしてガ
ス室15に燃料ガスを給排する燃料ガス供給管6および
排出管6aがガス室枠4の対向する側面に、またガス室
16には酸化剤ガスを給排する酸化剤ガス供給管7およ
び排出管7aがガス室枠5の対向する側面に設けられて
いる。そして電気絶縁板13をガス室枠4,5と上下の
押さえ板17との間にそれぞれ介装してスタンド12に
より電解質タイル1やガス室枠4.5等の電池構成部を
締め付けている。また単位電池に発生する電気を取り出
すためのリード線14がガス室枠に取り付けられている
。 この種の燃料電池の運転は運転温度を500℃以上とし
て行われ燃料ガスと酸化剤ガスとをそれぞれ供給管6.
7を介してガス室15.16に流し、アノード電極2お
よびカソード電極3に供給して、排出管6a、 7.4
よりそれぞれ排出させて電解質タイル1内の溶融炭酸塩
と電気化学反応を起こさせて電気を発生し、リードNa
14より電気を取り出す。 上記のようなアルカリ金属炭酸塩を電解質とする高温形
(500〜800℃)の溶融炭酸塩形燃料電池では電気
化学反応は下記の(11,+21式のように進行し、イ
オン伝導は炭酸イオン(cot”−)によりて行われる
。 アノード :  H1+COs”−−+HtO+cot
 +2e   (1)カソード :  1/20t +
CO意+2e−+COs”−(21この種の電池は作動
温度が500℃以上と高いため、反戦速度が大となり、
常温形燃料電池のように高価な白金属の触媒を必要とせ
ず、また常温で反応し蕪い安価な燃料でも高い電流密度
が得られる特長がある。 次に、電解質タイルの構造および製造法について説明す
る。電解質タイルは電解質であるアルカリ金属炭酸塩を
保持材により保持したものである。 保持材としては一般にリチウムアルミネートが最も使用
されており、電解質としては共晶組成を有する炭酸リチ
ウムと炭酸カルラムの混合物である炭酸塩が使用される
。そしてリチウムアルミネートの保持材と共晶組成電解
質である炭酸塩の混合割合は重量比で通常6対4から4
対6の範囲が一般的である。 上記のような保持材と電解質との混合物を電解質タイル
とする方法としてリチウムアルミネートと共晶組成電解
質の混合粉末を常温で加圧成形し、500℃前後で焼成
するいわゆるペースト法やりチウムアルミネートと共晶
組成電解質の混合粉末を400〜500℃の温度範囲で
0.6〜1. OLon /alの圧力で加圧し、この
加圧状態を15〜150分間保持するいわゆるホントプ
レス法やりチウムアルミネートにバインダ添加して1〜
3.5ton/+aJの圧力で成形して保持材のみでマ
トリックスを作成した後に、電解質融体を含浸させるい
わゆるマトリックス法が知られている。 しかしながら、ペースト法やホットプレス法ではいづれ
の場合もリチウムアルミネート粒同志が焼結によって結
合していないので、炭酸塩が溶融したり、凝固したりす
る際の体積変化や熱応力にたえる強度を有していない、
このためこの種の電解質タイルは実験室的には炭酸塩の
熱膨張に自由に対応させることによって使用されている
。しかし電解質タイルが濁れる確率が非常に高いため、
大型プラントには問題がある。電解質タイルが運転中に
穴やクラフタなどの欠陥が発生すると燃料と空気の混合
、すなわちクロスオーバが起こり、電池出力性能を喪失
させることになる。 またマトリックス法ではドクターブレード法。 カレンダ法および電気泳動法などによって生シートを作
り、それらをあらかじめ焼結によってリチウムアルミネ
ート粉同志を結合させた多孔質板を作って、それに炭酸
塩を含浸させている。このため電解質タイルは強度が高
くなることが期待されるが実際には多孔質板の強度は空
孔率が大きいため十分でない。したがって炭酸塩の熱膨
張や凝固時の体積変化に抗しきれず割れることが多い、
したがって前述のように反応ガスのクロスオーバを起こ
す原因となる。このため大面積でかつ多数の電解質タイ
ルを使用する場合、電解質タイルの信頬性は十分である
といえない問題がある。
【発明の目的】
本発明は、上述のような点に鑑み反応ガスのクロスオー
バを防止し、信顧性の高い電解質タイル構造を提供する
ことを目的とする。
【発明の要点】
上記の目的は、本発明によれば炭酸塩を保持材により保
持した溶融炭酸塩形燃料電池の電解質タイル構造におい
て、筒状体をなす多数の区画を、この区画の軸線に直角
な平面に密接して配列し、かつこの区画の境界はセラミ
ック皮膜を形成した金属からなる多筒構造体を、前記電
解質タイル内部に配設することによって達成される。
【発明の実施例】
以下図面に基づいて本発明の詳細な説明する。 第1図は本発明の実施例による電解質タイル構造の断面
図であり、第2図は第1図におけるA−A断面図であり
、第3図は第2図における円P部の拡大図である。第1
図、第2図、第3図において第4図と同一部分には同じ
符号を付している。第1図、第2図において符号lは電
解質タイルであり、多筒構造体である補強部材22がリ
チウムアルミネートに炭酸塩を保持してなる電解質部2
1の内部に配設されている。補強部材22は第2図に示
すように六角形の筒状体をハニカム状に配列したもので
あり、補強部材22の材料は金属からなっている。そし
てこの六角形の面間距離を5〜20m5+程度とし、補
強部材の厚さを0.05〜0.5m−としている。 また補強部材22の高さを電解質タイルの厚さより小さ
くして、補強部材22は電解質タイルの表面に露出しな
いようにして補強部材と電極とが短絡することを防止し
ている。 補強部材22の金属は溶融炭酸塩に対し耐食性のあるカ
ンタルまたは金を使用している。そして第3図に示すよ
うに補強部材22の表面に耐食性のあるセラミック、例
えばアルミナの保護皮膜23を施している。なおこの保
護皮膜は電気絶縁性も有し、電極との短絡を防止してい
る。アルミナ皮膜は化学蒸着法(CVD)で1〜10μ
mの厚さにして、熱サイクルに対して剥離しないように
している。 なおアルミナは電池の運転中炭酸塩中の炭酸リチウムと
反応してリチウムアルミネートとなり、炭酸塩に対して
安定な膜となる。 電解質タイル1は上述のような補強部材22を、あらか
じめ炭酸塩粉末とりチウムアルミネート粉末とを4対6
〜6対40割合で混合したものと一緒に固め、常温プレ
ス、いわゆるペースト法、まため400〜500℃での
高温プレス、いわゆるホットプレス法で成形することに
より得られる。 上記構造の電解質タイル1を溶融炭酸塩形燃料電池のア
ノード電極とカソード電極との間に介装して電池を組立
てて運転を行う際、組立時、または運転、停止等の熱サ
イクルにより電解質タイルに割れが発生しても、この割
れはハニカムの−っの筒状体の区画内にとどまり、補強
部材が金属であるためこの割れは他の区画に伝播しない
。そして電池の運転中では炭酸塩が溶けているので、区
画内の小さな割れはこの炭酸塩液により埋められ、反応
ガスがクロスオーバすることが非常に少なくなる。また
金属製の補強部材を電解質タイル内に配設することによ
り可撓性を持たすことができ、電池の製造や組立時の取
り扱いが容易になる。 なお補強部材22のハニカムの六角形の面間距離は前述
のように5〜10m+w程度としているが、面間距離が
51以下では発生する区画内の割れが小さくなる利点は
あるが電解質の有効面積を低下させるので好ましくない
、また20+u+を超えると割れの長さが長くなり、運
転時の溶融炭酸塩がこの長い割れを埋め合わせることが
できなくなり反応ガスのクロスオーバが生じる。 また補強部材の厚さは前述のように0.05〜0.51
程度としているが、この厚さが0.05m5+以下の薄
い厚さとなると電解質タイル全体の剛性が低くなり、大
型電池の電解質タイルの場合、適正な形状を保つことが
できない、また厚さが0゜5−以上の厚さとなり、厚す
ぎると電池有効面積が減少するとともに炭酸塩やりチウ
ムアルミネートの電池運転時の熱膨張に補強部材の金属
が追従しなくなり、補強部材22と電解質21との界面
で剥離し、反応ガスのクロスオーバの原因となる。 補強部材22の形状は六角形の筒状体の区画をハニカム
状にするのが、曲げ力に対し大きな抵抗を持ち、特に大
型の電解質タイルを製作する場合有利である。しかし筒
状体の区画を六角形の代わりに正方形を組合わせたもの
、また円形を互いの外径で接触させたものでも前述と同
じ作用が得られる。なお、この場合補強部材の寸法、厚
さ等は六角形のものと同程度とすればよい。
【発明の効果】
以上の説明から明らかなように、本発明によれば電解質
タイル内に筒状体の区画を有する多筒構造体である金属
製の補強部材を電解質タイル内に配設することにより、
電解質タイルが大型になっても可撓性を有して取り扱い
や作業性が容易となり、また運転中および組立中割れが
発生しても割れは区画内の小さな割れにとどまり、運転
による溶融炭酸塩によりこの割れは埋められるので反応
ガスのクロスオーバを防止でき、電池の出力性能を良好
に保持できるという効果がある。また補強部材の表面に
セラミック皮膜を形成しているので溶融炭酸塩による補
強部材の腐食を防止するとともに補強部材と電極とが接
触してもセラミック皮膜の電気絶縁性のため短絡が生じ
ないという効果もあり、これらの事より燃料電池の大面
積化および多積層化が実現できるという効果がある。
【図面の簡単な説明】
第1図は本発明の実施例による電解質タイル構造の断面
図、第2図は第1図におけるA−A断面図、第3図は第
2図における円P部の拡大図、第4図は溶融炭酸塩形燃
料電池の断面図である。 1、:電解質タイル、22:多筒構造体。 才2図 ″2−3図

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 1)炭酸塩を保持材により保持した溶融炭酸塩形燃料電
    池の電解質タイル構造において、筒状体をなす区画の多
    数を、該区画の軸線に直角方向の平面に密接して配列し
    、該区画の境界はセラミック皮膜を形成した金属として
    なる多筒構造体を前記電解質タイル内部に配設したこと
    を特徴とする溶融炭酸塩形燃料電池の電解質タイル構造
    。 2)特許請求の範囲第1項記載の電解質タイル構造にお
    いて、多筒構造体は六角形の筒状体の区画をハニカム状
    に構成したことを特徴とする溶融炭酸塩形燃料電池の電
    解質タイル構造。 3)特許請求の範囲第1項記載の電解質タイル構造にお
    いて、区画の境界を形成する金属はカンタルであること
    を特徴とする溶融炭酸塩形燃料電池の電解質タイル構造
    。 4)特許請求の範囲第1項記載の電解質タイル構造にお
    いて、区画の境界を形成する金属は金とすることを特徴
    とする溶融炭酸塩形燃料電池の電解質タイル構造。 5)特許請求の範囲第1項記載の電解質タイル構造にお
    いて、セラミック皮膜は1〜10μmの厚さのアルミナ
    とすることを特徴とする溶融炭酸塩形燃料電池の電解質
    タイル構造。 6)特許請求の範囲第2項記載の電解質タイル構造にお
    いて、多筒構造体の高さは電解質タイルの厚さより小さ
    くし、ハニカム状の六角形の面間距離は5〜20mmと
    し、区画の境界を形成する金属の厚さは0.05〜0.
    5mmとすることを特徴とする溶融炭酸塩形燃料電池の
    電解質タイル構造。
JP59144975A 1984-07-12 1984-07-12 溶融炭酸塩形燃料電池の電解質タイル構造 Pending JPS6124160A (ja)

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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2011104542A1 (en) * 2010-02-26 2011-09-01 Johnson Matthey Plc Membrane

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2011104542A1 (en) * 2010-02-26 2011-09-01 Johnson Matthey Plc Membrane
CN102934273A (zh) * 2010-02-26 2013-02-13 约翰逊马西燃料电池有限公司

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