JPS63279575A - 電解電池積重体 - Google Patents

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】 〈発明の背景〉 この発明は、燃料電池（ｆｕｅｌ　ｃｅｌｌ）または電
解電池（ｅｌｅｃｔｒｏＩｙｓｉｓ　ｃｅｌｌ）の積重
体に関するものである。更に詳しくはこの発明は、溶融
炭酸塩燃料電池の積重体において電解質移動の影響を遅
らせかつ制御するための改良に関するものである。

溶融炭酸塩燃料電池およびかような電池の積重体は周知
であり、種々の従来文献や特許に記載されている。例え
ば、米国特許第４，４７８，７７６号や同第４，４１７
，９６８号には、代表的な燃料電池およびかような電池
の積重体が開示されている。

多孔質の焼結ニッケルークロム陽極および多孔質酸化ニ
ッケル陰極が、多孔質電解質マトリックスの対向する主
要面上に配置されている。アルミン酸リチウム（ＬｉＡ
１０２）、またはその他の不活性セラミックからなるマ
トリックスは、積重体の各燃料電池において、溶融アル
カリ金属炭酸塩電解質（例えばＬ　ｌ　２　ＣＯ３／に
２ＣＯ３〉で満たされる。典型的な電力供給に際しては
、数百の燃料電池を備える積重体が企図されているが、
作動しうる電力供給源として予想されるより実質的に少
ない数の燃料電池を備えた実験的積重体においてさえも
、電解質の厳しい再分配状態が観察される。

電解質が移動する正確な機構は明瞭には理解されていな
い。しかし、積重体の正極端に向かうにつれて電池は個
渇またはドライ状態になるのに対して、積重体の負極端
付近の電池は氾濫状態になることが知られている。マニ
ホルドガスケットを通る分岐電流が積重体の負極へ向か
う電解質の移動の原因であることが知られている。電解
質の個渇や氾濫により、影響を受けた電池の性能が著し
く損なわれるとともに、積重体の全体的抵抗が極めて増
大するようになる。

従来の燃料電池積重体においては、マニホルドガスケッ
トはガス漏洩に対して良好な封止体をもならすように選
択されていた。かような封止体は多孔質で、小さな気孔
寸法を有し、溶融電解質で十分に満たされるものであっ
た。電解質の高い含有はガス漏洩を最少にするけれども
、残念なことには、電解質の移動を促進させる。

電解質の再分配を解消しようとする努力は完全には成果
をもたらしていない。なぜならば、電解質で濡らされた
多くの多孔質ガスゲットは、積重体の負極端へ電解質を
導くであろう。燃料電池積重体の正極端を底部に、負極
端を頂部に配置すれば、電解質のより負極側電池への移
動が重力によって阻止される。しかしながら、これによ
って電解質が上方の電池の方向に再分配されることを防
止するのには十分でない。

従ってこの発明の目的は、改良された電解質移動の制御
ができる燃料電池積重体を提供することである９ この発明のもう１つの目的は、電解質移動の速度を制限
するために燃料電池積重体を改良することである。

この発明の更に別な目的は、電解質移動の影響を遅らせ
て、燃料電池積重体の通常の作動サイクルには影響を及
ぼさないように燃料電池積重体を改良することである。

〈発明の概要〉 この発明によれば、複数の燃料電池からなる改良された
燃料電池積重体が提供される。積み重ねられた燃料電池
は、積重体の正極端部から負極端部へと伸びている０個
々の電池は、多孔質陽極と、多孔質陰極と、この陽極お
よび陰極の組の間に電解質を含有するためのセラミック
材料からなる多孔質マトリックスとを有している。電池
積重体中の隣り合う電池は、不浸透性の導電性セパレー
タ・シートによって分離されている。積重体面の外側縁
には、ガス供給およびガス排出を封止するための多孔質
封止部材が配置されている。この燃料電池積重体は、溶
融電解質の移動を遅らせかつ制御するための手段を有し
ている。

この燃料電池積重体は、積重体の最も正極の端部の複数
の電池および最も負極の端部の複数の電池と電解質が連
通ずるような多孔質貯蔵部を有している。この貯蔵部は
、最も負極の電池へ移動する電解質を受容しかつ含有し
、電解質がそこかち移動する最も正極の電池に電解質を
補給できるようになっている。

この発明の１つの実施態様においては、かような電解電
池積重体は、積重体の負極端部に増大された多孔質容積
の部分を備えかつ積重体の中間部に比較的小容積の長さ
方向の部分を備えた多孔質封止部材を有している。増大
された容積の部分は、積重体中の最も負極の電池の方へ
移動する電解質を受容し含有するための貯蔵部として働
く。

この発明の別な実施態様においては、積重体の中間部の
多孔質封止部材は、約４容量％より多い溶融電解質を含
有することができない繊維質セラミック・ストリップか
らなっている９このセラミック・ストリップは、直径約
５〜２０ミクロン、気孔度９０％以上、幅約１〜２■、
厚さ約０．１〜０．２ＱＩｌの平滑な繊維からなってい
る。このセラミック繊維は、アルミン酸リチウム、ジル
コン酸リチウム、アルミナ、セリア、およびカルシアま
たはイツトリアにより安定化されたジルコニアのごとき
セラミックから選択される。

この発明の別な実施態様においては、前記の貯蔵部は、
オキシダントガスの供給に曝された積重体の負極端部に
配置された電子伝導性材料からなる第１の多孔質層と、
燃料ガスの供給に曝された積重体の正極端部に配置され
た電子伝導性材料からなる第２の多孔質層とを有してい
る。この第１および第２の多孔質層の各々は、電解質不
浸透性で導電性の層によって、隣り合う電極および電解
質マトリックスから分離されている。

この発明の他の実施態様においては、導電性材料からな
る追加的な多孔質層が燃料ガスの供給に曝された積重体
の負極端部に配置され、電解質不浸透性で導電性の層に
よって、オキシダントガスの供給に曝された隣り合う多
孔質層から分離されている。

この発明の更に特定の実施態様においては、陽極ガスの
供給に曝された積重体の負極端部にて、電解質が陽極と
連通ずるようにして電解質貯蔵部が配置されている。

別な構成では、積重体の負極端部での電解質貯蔵部は、
積重体中間部における個々の陽極よりも厚い陽極からな
る。

この発明はまた、正極端部から負極端部へと積み重ねら
れた複数の電池を備えた電解電池の積重体を企図してい
る。これら複数の電池の縁部面は、オキシダントガスの
供給を封止する第１の垂直面と、燃料ガスの供給を封止
する第２の垂直面とを形成する。この燃料電池積重体は
、陰極端部での電解質貯蔵部と、陽極端部での電解質貯
蔵部と、その中間部での封止部材とを組み合わせて有し
ている。電解質貯蔵部は、溶融電解質により濡らすこと
ができ、かつ電解質不浸透性の導電性層により隣り合う
電極マトリックスから分離されている、導電性材料製の
多孔質層を有している。積重体の負極端部の貯蔵部と正
極端部の貯蔵部との間に伸びている封止部材は、正極端
部と負極端部との間の電解質の移動を妨害する。積重体
の負極端部における電解質貯蔵部は、積重体の正極端部
での電解質貯蔵部よりも実質的に少ない電解質を最初は
含有している。

この発明の別な実施態様においては、封止部材は、燃料
ガスとオキシダントガスの供給を封止するために、積重
体面の縁部に沿って配置した繊維状セラミ・ツクのスト
リップからなる。このストリップは、径約５〜２０ミク
ロン、多孔度９０％以上、幅約１〜２０ｍ、厚さ約０．
１〜０．２儂の平滑な繊維からなり、積重体の高さに沿
った電解質の移動を阻止する。

この発明の更に別な実施態様においては、多孔質封止部
材は、僅かに約４容量％の溶融電解質しか含有しない繊
維状の多孔質セラミック・ストリップからなる。

この発明の他の実施態様では、多孔質セラミック・スト
リップの幅と断面は、燃料電池積重体の負極端部で増大
せしめて、電解質の追加的容量を貯蔵できるようになっ
ている。

く好ましい実施例の説明〉 第１図および第２図は、この発明による改良を適用でき
る燃料電池積重体１０を末している。

この積重体は複数の個々の燃料電池１２からなっており
、これらの電池が、積重体の負極端と正極端で端プレー
ト１４と１５との間に積み重ねられている。積重体１０
においては通常、個々の電池１２が導電性で不浸透性の
層２１により分離されて配置されていると共に、各電池
においては陽極が陰極の上方におかれている。こうして
、積重体の上部にに負極が、ぞして積重体の底部に正極
が形成される。

燃料電池積重体は、マニホルド（図示せず）と連接する
ための４つの垂直な面２０を有している。マニホルドは
、オキシダントガスと燃料ガスを供給しかつ反応生成物
ガスと未使用反応体ガスを排気するためのものである。

封止部材１８は、ガスの供給を封止するために、積重体
面に設けられている。

高温溶融電解質電池においては、封止部材１８は多孔質
セラミック材料、例えばアルミン酸リチウム、ジルコン
酸リチウム、アルミナ、セリア、またはカルシアやイツ
トリアで安定化されたジルコニアから選択される。更に
、米国特許第４，４１４，２９４号に記載されているよ
うな支持フレーム（図示せず）を、封止部材１８と組み
合わせて設けてもよい。

溶融電解質、代表的には約１，６〜１０の比率のＬ　ｉ
　２　Ｃ０３／　Ｋ２　Ｃ０３からなる溶融炭酸塩が、
第２図と第３図に示したように各電池の陽極１７と陰極
１３との間に配置された多孔質マトリックス１９中に保
持される。マトリ・ソクス１９は電池積重体面２０まで
横方向に伸び、陽極と陰極の各村の間で溶融炭酸塩電解
質で濡れたシールとして働く、その結果、溶融電解質は
マニホルドガスケット１８に接触して積重体面２０に存
在している。電解質不浸透性で耐蝕性の金属、例えばニ
ッケルまたはステンレス鋼からなるセパレータ・シート
２１が、積重体内の個々の電池の間に設けられている。

耐蝕性でガス不浸透性の材料からなるレール（横棒）２
３はガス封止作用をもたらし、陽極と陰極をオキシダン
トガスと燃料ガスから各々隔離する。

多孔質マトリックスは、溶融炭酸塩環境に対して不活性
な粒状材料の圧縮体あるいはテープとすることができる
。アルミン酸リチウムが好適なマトリックス物質である
が、セリア、安定化したジルコニア、ジルコン酸リチウ
ム等も使用できる。

陽極と陰極は多孔質ニッケルとすることができる。米°
国特許出願第８２３．７１８号（１９８６年１月２９日
出願）に記載゛されているように、少量のクロムの添加
により陽極構造の安定性を向上させることができる。ニ
ッケル陰極は、溶融炭酸塩燃料電池の条件でオキシダン
トガスに曝されると酸化ニッケルに変わる。

第１図において、多孔質封止部材１８の上方部分１６は
断面積および容積が増大されていて、電池積重体の負極
端部方向へ移動する溶融電解質の貯蔵部として働く０図
示していないが、同様に多孔質容積を増大させた封止部
材の部分を積重体の正極端部に設けて、作動中に通常は
最初に涸渇する最も正極側にある電池のために余分の電
解質を供給できるようにしてもよい、かような構成の電
解電池積重体の動作に際しては、積重体下方の正極側部
分にある電池が最初に高レベルまで電解質で満たされる
が、積重体上方の負極側部分にある電池は最初は電解質
が少ない、後述するように、積重体の中間部にある封止
部材１８は好ましくは断面を小さくして、電解質の移動
速度を制限させる。

第２図および第３図は、この発明の種々の実施例を説明
している。貯蔵部２５と２７が、燃料電池積重体の上方
負極端部と下方正極端部に各々配置されている。更に、
もう１つの貯蔵部２６が貯蔵部２５の下方に設けられて
おり、電子伝導性で電解質不浸透性のセパレータ・プレ
ート２１Ａにより貯蔵部２５から分離されてぃる。貯蔵
部２６はオキシダントガスの供給に曝されており、これ
によって積重体のオキシダントガス面での電解質移動を
収集する。

貯蔵部２５．２６および２７は、陽極で用いるために選
定したのと同様な構造とすることができる。好ましくは
、貯蔵部の厚さは、積重体の中間部にある陽極の厚さよ
りも大とする。例えばニッケルまたはニッケルークロム
合金で、多孔度５０％以上例えば５０〜６０％の多孔質
導電性横道が、貯蔵部で用いるものとして選定できる。

有利なことには、積重体の負極端にある貯蔵部２６はオ
キシダントガスに曝されており、この貯蔵部内への電解
質の移動を電解的に促進する。しかし、負極端部におけ
る各積重体面での移動電解質に対して、少なくとも１つ
の貯蔵部を開状態とすることも有利である。ニッケル構
造が用いられる場合は、燃料ガスに曝されるものは、オ
キシダントガスに曝されるものよりも構造的一体性をよ
り良好に保つべきである。燃料電池積重体の頂部と底部
の両方に、複数の貯蔵部層を設けてもよい。

従って、貯蔵部２７内に含有された溶融炭酸塩は、電池
積重体の下方部から電解質が移動するにつれて、電解質
の補給を行う。それに対応して、上方端部にある貯蔵部
２５と２６は最初は電解質で満たされておらず、積み重
ね操作中の電解質移動を受は入れる働きをすることにな
る。従って、これら貯蔵部の採用は、電解質の再分配の
ための作動停止から次の作動停止までの燃料電池積重体
の作動時間を実質的に延長させることになる。

第４図は貯蔵部の変形配置を示しており、積重体の頂部
近くの燃料電池３１が電解質不浸透性セパレータ３３の
間に画定されている。陽極３５は電解質マトリックス３
７と接触しており、保護レール３９が陽極および陰極（
図示せず）を各々オキシダントガスおよび燃料ガスがら
保護する。追加的な多孔質ブラック４１が陽極３５上方
の陽極性に設けられており、移動する電解質のための貯
蔵部として働く、貯蔵部４１はその縁面で、燃料ガスが
陽極に入ってくる積重体面に対して開状態となっている
。この構成は、追加的セパレータ・プレートの必要なし
に、陽極構造の部分として電解質貯蔵部を提供する。

第５図は、チャンネル４７を有する電解質貯蔵部４５を
示す。電極４９の上にこの貯蔵部４５を積み重ねると、
チャンネル４７は反応体ガス通路を形成する。この構成
は、第４図の陽極−貯蔵部の組み合わせに代えて使用す
ることができる。

本発明者等は、変形させた封止部材を使用することによ
って、電解質の移動を実質的に制限できることを見出だ
しな。積重体の中間部においては、封止部材１８は実質
的に小さい断面を有し、溶融電解質用の容量を低減させ
るような特別な構成としてあり、これによって電解質の
移動を制限する。代表的には、積重体中間部の封止部材
１８は、厚さ約０．１〜Ｏ，，２ｃｍ、幅約１〜２儂、
多孔度９０％以上のストリップとする。

これらの封止部材は、直径約５〜２０ミクロンの大径で
平滑な繊維からなっていて、それらの電解質容量を効果
的に制限する。燃料電池積重体中の作動の間、かような
封止部材は約４容量％以上の溶融電解質を含有すること
はない、これは、低い多孔度と小さい気孔サイズを持つ
従来の封止部材とは著しく異なっている。そのような従
来の封止部材は電解質で満たされ、そのため電解質の移
動を促進することになる。

この発明における小径の繊維は、熱処理あるいは焼結せ
しめてマット状又はフェルト状とし、電解質で満たされ
ることなく電解質を吸収しない平滑で大径の繊維とする
。

この発明の新規な封止部材の乍動例を以下に説明する。

２０個の燃料電池からなる燃料電池積重体を、厚さ約０
２１７幅約１　ｃｎ　、繊維径約２０ミクロンのガスゲ
ットすなわち封止部材で封止した。積重体の負極端部を
横切るガスケットの頂部は、幅約４＞とじて、移動する
電解質のための貯蔵部とした。最初に、下方の複数の電
池が溶融電解質で高度に満たされており、−方、上方の
貴所側の複数の電池は、電解反応ができるに足るだけの
少量の電解質を含んでいた。

この積重体は、上方燃料電池における電解質の氾濫およ
び下方燃料電池における涸渇を起こす実質的な電解質の
移動が生ずるまでに、ｓ　、　ｏｏ。

時間以上作動しな。

上述した改良は、種々のタイプの電解電池積重体に対し
て適用できることは明へかであろう。

広範囲な溶融電解質あるいは液体電解質を用いる燃料電
池や電解電池にこの発明を有効に組み込むことができる
。

以上、この発明を特定の材料や特定の条件の実施例によ
り説明したが、特許請求の範囲内で種々の変更が可能で
あることは当業者にとって明らかであろう。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の燃料電池積重体の実施例を示す一部
切欠斜視図、第２図はこの発明の燃料電池積重体の負極
端部および正極端部の部分拡大断面図、第３図は第２図
の３−３線に沿う断面図、第４図はこの発明の燃料電池
積重体の別な実施例の上方部分の部分拡大断面図、第５
図はこの発明の燃料電池積重体のための電極−貯蔵部構
成の変形例を示す断面図である９１０・・・燃料電池積
重体、　１２．３１−・・燃料電池、　１３・・・陰極
、　１７．３５・・・陽極、１８・・・封止部材、　　
１９．３７・・・多孔質マトリックス、　２０・・・積
重体面、　２１．３３・・・セパレータ・シート、　　
２５，２６，２７，４１゜４５・・・貯蔵部。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、隣り合う電池間に配設された導電性で電解質不浸透
   性のセパレータ・シート（２１）により分離された複数
   の電解電池（１２）を積み重ねてなる電解電池積重体（
   １０）であって、各電解電池は多孔質陽極（１７）と多
   孔質陰極（１３）と該陽極および該陰極の主要面間に配
   設された溶融電解質用の多孔質マトリックス（１９）と
   を有し、該積重体（１０）はその両端に負極端部と正極
   端部とを有し、これらの積み重ねられた電池の端縁面は
   オキシダントガスの供給を許す第１の積重体面（２０）
   と燃料ガスの供給を許す第２の積重体面（２０）とを形
   成し、該第１積重体面の外側縁と該第２積重体面の外側
   縁とにはオキシダントガスの供給および燃料ガスの供給
   を封止する多孔質封止部材（１８）が配設されている電
   解電池積重体において、該第１積重体面でオキシダント
   ガスの供給に曝されている端縁面を有している第１の多
   孔質貯蔵層（２５）を該積重体の負極端部に配設し、該
   第２積重体面で燃料ガスの供給に曝されている端縁面を
   有している第２の多孔質貯蔵層（２７）を該積重体の正
   極端部に配設し、該第１多孔質貯蔵層（２５）は該封止
   部材（１８）と電解質が連通していて該積重体の負極端
   部方向へ移動する電解質を受容しかつ含有するようにな
   っているとともに電解質不浸透性の導電性層（２１Ａ）
   によって全ての隣り合う電極およびマトリックスから分
   離されており、該第２多孔質貯蔵層 （２７）は該封止部材（１８）と電解質が連通していて
   貯蔵している電解質を該積重体の正極端部における電池
   へ供給するようになっているとともに電解質不浸透性の
   導電性層（２１）によって全ての隣り合う電極およびマ
   トリックスから分離されていることを特徴とする電解電
   池積重体。