JPS61263066A

JPS61263066A - 内部リフオ−ミング式燃料電池のためのセパレ−タ

Info

Publication number: JPS61263066A
Application number: JP60104548A
Authority: JP
Inventors: Yuji Horii; 掘井　雄二; Ryuichi Fukusato; 福里　隆一; Mamoru Aoki; 守青木
Original assignee: Kobe Steel Ltd
Current assignee: Kobe Steel Ltd
Priority date: 1985-05-15
Filing date: 1985-05-15
Publication date: 1986-11-21

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】（産業上の利用分野）本発明は、内部リフォーミング式燃料電池のためのセパ
レータに関し、詳しくは、特に、溶融炭酸塩型燃料電池
のためのリフォーミング機能と燃料通路としての機能を
多元的に備えたセパレータに関する。

（従来の技術）近年、電解質として溶融炭酸塩を用いて、高温で作動さ
せる溶融炭酸塩型燃料電池が、高い発電効率を有するう
えに、利用可能な燃料の種類が多いこと、白金等のよう
な貴金属触媒を必要としないこと、高温作動させるため
に質の高い排熱が回収されること等のために、注目を集
めており、実用化が進められている。

このような溶融炭酸塩型燃料電池の従来の代表例を第２
図に示す。即ち、溶融炭酸塩を含む電解質板１１を挟ん
で正極１２と負極１３が積層されて単電池１４が構成さ
れ、この単電池が集電体１５と導電性のセパレータ１６
を介して多数積層されている。このようにして、各単電
池の正極が隣接する単電池の負極と電気的に接続されて
、すべての単電池が直列に接続されてなる溶融炭酸塩型
燃料電池が構成される。セパレータ１６には、通常、一
方の面には燃料ガスの通路としての：ａ１７が設けられ
ており、他方の面には酸化剤ガスの通路としての溝１８
が設けられており、燃料ガスとしては例えば水素及び／
又は−酸化炭素が、また、酸化剤としては、例えば空気
と炭酸ガスとが供給されて、所定の電気化学的反応が行
なわれる。

しかし、燃料として、水素及び／又は−酸化炭素以外の
もの、例えば、メタン等のＬＮＧやメタノール等を用い
る場合は、これらの燃料は予めリフォーミングによって
、水素及び／又は−酸化炭素に変換される。このような
リフォーミングには、外部リフォーミング方式と内部リ
フォーミング方式とが知られている。

外部リフォーミング方式は、リフォーミング装置を電池
外に配設し、燃料を予めリフォーミングした後に電池の
燃料ガス通路に供給する方式である。これに対して、内
部リフォーミング方式は、電池の高い作動温度を利用し
て、電池内で燃料をリフォーミングする方式であって、
従来は、例えば、負極に対面するセパレータ表面か、又
は第３図に示すように、セパレータ１６に対面する負極
１３の表面に溝１９を設け、この溝内に微粒子状のリフ
ォーミング触媒２０を充填することによって、燃料ガス
通路にリフオーマを兼ねさせ、この燃料ガス通路にＬＮ
Ｇ等の燃料を供給して、水素及び／又は−酸化炭素への
リフォーミングと本来の電池反応とを負極において同時
に行なわせるものである。

しかし、内部リフォーミング式溶融炭酸塩型燃料電池の
製造において、負極又はセパレータの溝内にリフォーミ
ング触媒を均一に充填することは容易ではなく、作業も
煩瑣であって、電池の生産性が著しく劣る。このように
、触媒が負極又はセパレータの溝内に均一に充填されて
いないときは、善導に沿づての燃料ガスの圧力損失が異
なることとなり、その結果、燃料ガスが各燃料通路に均
一に分配され難くなって、電極の面積全体にわたって一
様な反応が行なわれず、温度分布幅も太き（なる。即ち
、電極に熱応力が発生し、割れ等が生じやすくなる。ま
た、当初は負極又はセパレータの溝に触媒を均一に充填
し得ても、その後の各構成要素の積層や組立に際して、
粒子状触媒が溝内で移動して、充填状態が不均一な方向
に変化することもある。

（発明の目的）本発明は、内部リフォーミング式溶融炭酸塩型燃料電池
における上記した問題を解決するためになされたもので
あって、リフォーミング触媒が安定に固定されて担持さ
れてなるセパレータを提供することを目的とする。

（発明の構成）本発明による内部リフォーミング式燃料電池のためのセ
パレータは、負極に対面する表面に溝を有する導電性金
属からなるセパレータにおいて、上記溝の表面にリフォ
ーミング触媒が固定されて担持されていることを特徴と
する。

本発明において、セパレータは、前述したように、高い
導電性を有すると共に、気体不透過性及び耐食性にすぐ
れることが要求されるので、ステンレス鋼板、ニッケル
板又はニッケル被覆したステンレス鋼板が好ましく用い
られる。更に、本発明においては、かかるセパレータは
、溶融炭酸塩型燃料電池において負極に対面する表面に
、燃料ガス通路としての溝を有し、この溝の表面にリフ
ォーミング触媒が固定されて、担持されている。

本発明においては、上記リフォーミング触媒、即ち、活
性金属種としては、通常、ニッケル、鉄、ニッケル−鉄
合金の１種又は２種以上等、従来より溶融炭酸塩型燃料
電池のためのリフォーミング触媒として知られているも
のが任意に用いられるが、上記例示した触媒に限定され
るものではない。

これら活性金属種は、好ましくは、触媒の耐久性や耐イ
オウ性を向上させるために、コバルト、マンガン、タン
グステン、モリブデン、又はこれらの１種又は２種以上
が助触媒として併用される。

更に、かかる活性金属種からなる触媒は、適宜の担体に
担持されていることが好ましい。このような担体には、
例えば、アルミナ、チタニア、ジルコニア等が好ましく
用いられるが、これらに限定されるものではない。

セパレータの有する溝内に上記のようなリフォーミング
触媒を固定するためには、好ましくは、本発明に従って
、次のような方法によることができる。

先ず、溶融炭酸塩型燃料電池において負極に接触するセ
パレータの頂部は、セパレータと負極との間の接触抵抗
を小さく保持するために、金属表面として残す必要があ
る。従って、触媒をセパレータの溝に固定化する前に頂
部をマスキングし、触媒を固定化した後、このマスキン
グを除去するのが好ましい。

次に、触媒をセパレータの溝内に固定するには、例えば
、担体、活性金属種及び助触媒又はこれらの前駆体を含
むスラリーを溝内の表面に塗布し、乾燥させた後、焼成
して、担体、活性金属種及び助触媒をそれぞれ活性化す
る方法によることができる。また、最初に担体のみを上
記のようにして担持させた後、触媒及び助触媒又はこれ
らの前駆体を含む水溶液又はスラリーを溝表面に塗布し
、乾燥した後、焼成してもよい。例えば、活性金属種と
してニッケルを担持させるときは、硫酸ニッケルを前駆
体として用いることができる。

更に、別の方法として、担体をプラズマ溶射等の溶射に
よって溝表面に固定させた後、触媒及び助触媒又はこれ
らの前駆体を含む水溶液又はスラリーを溝表面に塗布し
、乾燥した後、焼成することによっても、本発明による
セパレータを得ることができる。

また、セパレータの溝にニッケル−アルミニウム合金を
溶射゛した後、水酸化ナトリウムの熱水溶液にてアルミ
ニウムを溶解させ、除去して、ニッケルを溝に分散固定
させることもできる。

担体、活性触媒種及び助触媒を活性化するための好適な
焼成温度は、通常、１０００℃以下であり、好適には、
溶融炭酸塩型燃料電池の作動温度、例えば、６５０℃程
度である。

第１図に以上のようにして得られる本発明によるセパレ
ータを含む溶融炭酸塩型燃料電池の要部を示す。セパレ
ータ２１は、負極板１３に対面する片面側（以下、負極
側という。）に燃料ガス通路としての溝１７を有し、こ
の溝１７にリフォーミング触媒が前述したようにして、
固定担持されており、正極板１２と対面する他面側（以
下、正極側という。）にも溝１８を有し、この溝１８は
酸化剤ガス通路として機能する。このようなセパレータ
２１の負極側に集電体２２を介して負極板１３が積層接
合され、正極側に集電体２３を介して正極板１２が積層
接合されて、溶融炭酸塩型燃料電池用の複合化構成要素
人が構成されている。

この複合化構成要素が電解質板３１を介して多数積層さ
れて、溶融炭酸塩型燃料電池が構成される。

（発明の効果）以上のように、本発明の燃料電池用セパレータには、リ
フォーミング触媒が固定担持されているので、かかるセ
パレータを構成要素として含む溶融炭酸塩型燃料電池は
、長時間にわたる運転によっても、触媒の充填状態やそ
の経時変化によって、不均一なリフォーミング反応が生
じない。従って、電池出力を安定に且つ高く保持するこ
とができ、また、熱応力による電極の割れも防止するこ
とができる。

（実施例）以下に実施例を挙げて本発明を説明するが、本発明はこ
れら実施例によって何ら限定されるものではない。

実施例１厚み２．　Ｏｔｍ、溝幅２．０籠、頂部幅２．０　ｍ　
、溝深さ１．５　ｍｍのニッケル板をセパレータ材とし
て用い、。

頂部をテープマスキングした後、セパレータ表面に担体
としてのアルミナと活性金属種前駆体としての硫酸ニッ
ケルを含むスラリーを塗布し、乾燥させた後、６５０℃
の温度で焼成して、担体及び触媒を活性化した。

このようにして得られたセパレータにおいて、触媒層は
溝部容積の５２％を占め、また、担体におけるニッケル
担持量は２１重量％であった。

このセパレータのリフォーミング機能を評価するために
、セパレータ上記溝側にステンレス鋼板を重ね、溝に下
記の燃料ガスを供給して、反応後のガスの組成を分析し
た。

供給燃料ガスは、メタン４０％及び水蒸気６０％からな
り、反応条件は、空間速度１０００ｈｒ”、反応温度６
５０℃とした。反応後のガス組成は、メタン１５．９％
、炭酸ガス７．２％、水素４７．３％、水蒸気２３．４
％及び−酸化炭素６．２％であり、メタンの転化率は４
５．７％であった。従って、本発明によるセパレータは
、十分に実用的なリフォーミング機能を有することが理
解される。

実施例２実施例１において得たセパレータの一つには、その負極
側に多孔質ニッケル板（厚み０．７ｆｌ）からなる負極
板を、また、他のセパレータには、その正極側に多孔質
ニッケル板（厚み０．８ｍ）からなる正極板をそれぞれ
積層接合し、それぞれセパレータ付き負極板及び正極板
を製作した。次に、これらセパレータ付き負極板及び正
極板の間に電解質板を積層し、溶融炭酸塩型燃料電池の
単電池を構成し、これを以下に示す条件にて作動させた
。

温度　６５０℃ ガス組成燃料ガス　　メタン４０％水蒸気６０酸化剤ガス　空気７０％炭酸ガス３０％圧力　１気圧電流密度　０．１２　Ｗ／ｃａｌ電解質板　　　Ｌｉ八へ０□　４０重量％ＬｉｚＣＯ３
３２重量％に２Ｃ０３２８重量％の混合物をホットプレスした厚み１關の板この単電池は、１００〜１５０時間後に電池性能が安定
し、０．７６　Ｖの起電力を有した。

尚、触媒層をもたないほかは、正確に同じセパレータを
製作し、水素８０％と炭酸ガス２０％とからなる燃料ガ
スを用いて、上記と同じ条件にて電池を作動させた場合
は、起電力は０．７７〜０．７８■であった。従って、
本発明によるセパレータを用いる内部リフォーミング式
燃料電池によれば、外部リフォーミングとほぼ同じ電池
性能を得ることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明によるセパレータを組み込んでなる溶
融炭酸塩型燃料電池の要部を示す断面図、第２図は、従
来の溶融炭酸塩型燃料電池の代表例の要部構成を示す一
部分解斜視図、第３図は、従来の溶融炭酸塩型燃料電池
におけるセパレータと負極板とを示す要部断面図である
。１１・・・電解質板、１２・・・正極板、１３・・・負
極板、１４・・・単電池、１５・・・集電体、１６・・
・セパレータ、１７．１８及び１９・・・溝、２０・・
・リフォーミング触媒、２１・・・セパレータ、２２及
び２３・・・集電体、３１・・・電解質板、Ａ・・・複
合化構成要素。

Claims

【特許請求の範囲】

（１）負極に対面する表面に溝を有する導電性金属から
なるセパレータにおいて、上記溝の表面にリフォーミン
グ触媒が固定されて担持されていることを特徴とする内
部リフォーミング式燃料電池のためのセパレータ。
（２）導電性金属がステンレス鋼板、ニッケル板又はニ
ッケル被覆したステンレス鋼板であることを特徴とする
特許請求の範囲第１項記載の内部リフォーミング式燃料
電池のためのセパレータ。
（３）リフォーミング触媒がニッケル、鉄又はニッケル
−鉄合金であることを特徴とする特許請求の範囲第１項
記載の内部リフォーミング式燃料電池のためのセパレー
タ。
（４）リフォーミング触媒が担体に担持されていること
を特徴とする特許請求の範囲第３項記載の内部リフォー
ミング式燃料電池のためのセパレータ。
（５）担体がアルミナ、チタニア又はジルコニアである
ことを特徴とする特許請求の範囲第４項記載の内部リフ
ォーミング式燃料電池のためのセパレータ。
（６）リフォーミング触媒がコバルト、マンガン、タン
グステン又はモリブデンの１種又は２種以上からなる助
触媒を含むことを特徴とする特許請求の範囲第３項又は
第４項記載の内部リフォーミング式燃料電池のためのセ
パレータ。