(57)【要約】  燃料電池の初期加熱の間および稼働の間のうちの少なくとも１つの間に、炭酸リチウムを含む共晶炭酸塩混合物と、炭酸リチウム電解質を形成するために適合された追加のリチウム含有混合物とから形成された高リチウム炭酸塩電解質である。
2008541402.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
溶融炭酸塩燃料電池で使用するための高リチウム炭酸塩電解質であって、
炭酸リチウムを含む共晶炭酸塩混合物と、
前記燃料電池の初期加熱および稼働のいずれかの間に炭酸リチウムを形成するように適合された追加のリチウム含有成分と、
を含むことを特徴とする高リチウム炭酸塩電解質。
【請求項２】
前記共晶炭酸塩混合物は、炭酸カリウムおよび炭酸ナトリウムのうちの１つを更に含むことを特徴とする請求項１に記載の高リチウム炭酸塩電解質。
【請求項３】
前記追加のリチウム含有成分は、水酸化リチウム、硝酸リチウム、酢酸リチウム、およびシュウ酸リチウムのうちの少なくとも１つを含むことを特徴とする請求項２に記載の高リチウム炭酸塩電解質。
【請求項４】
前記高リチウム炭酸塩電解質は、前記溶融炭酸塩燃料電池のカソード側に貯蔵されるように適合されており、
前記追加のリチウム含有成分は、前記カソード側を流れる酸化剤ガスの少なくとも１つの成分と反応して炭酸リチウムを形成するように適合されていることを特徴とする請求項３に記載の高リチウム炭酸塩電解質。
【請求項５】
前記カソード側は少なくともカソード電極を有し、前記高リチウム炭酸塩電解質は前記カソード電極中に貯蔵されるように適合されていることを特徴とする請求項４に記載の高リチウム炭酸塩電解質。
【請求項６】
前記追加のリチウム含有成分は、炭酸リチウムを更に含むことを特徴とする請求項４に記載の高リチウム炭酸塩電解質。
【請求項７】
前記追加のリチウム含有成分は、２０〜３０モル％の炭酸リチウムと、７０〜８０モル％の水酸化リチウムとを含むことを特徴とする請求項６に記載の高リチウム炭酸塩電解質。
【請求項８】
燃料電池アセンブリであって、
アノード電極と、カソード電極と、前記アノード電極および前記カソード電極の間に配置された電解質マトリックスとを含む燃料電池と、
前記燃料電池アセンブリ中に貯蔵された炭酸塩電解質であって、前記燃料電池アセンブリの少なくとも予め選択された領域に貯蔵された高リチウム電解質を含む前記炭酸塩電解質と、を含み、
前記高リチウム電解質は、
炭酸リチウムを含む共晶炭酸塩混合物と、
前記燃料電池の初期加熱および稼働の間の少なくともいずれかの間に炭酸リチウムを形成するように適合された追加のリチウム含有成分と、を含むことを特徴とする燃料電池アセンブリ。
【請求項９】
前記共晶炭酸塩混合物は、更に、炭酸カリウムおよび炭酸ナトリウムのうちの１つを含むことを特徴とする請求項８に記載の燃料電池アセンブリ。
【請求項１０】
前記高リチウム電解質の前記追加のリチウム含有成分は、水酸化リチウム、硝酸リチウム、酢酸リチウム、およびシュウ酸リチウムのうちの少なくとも１つを含むことを特徴とする請求項９に記載の燃料電池アセンブリ。
【請求項１１】
前記高リチウム電解質は、前記燃料電池のカソード側に貯蔵されるように適合されており、
前記追加のリチウム含有成分は、前記カソード側を流れる酸化剤ガスの少なくとも１つの成分と反応して炭酸リチウムを形成するように適合されていることを特徴とする請求項１０に記載の燃料電池アセンブリ。
【請求項１２】
前記炭酸塩電解質は、更に、前記燃料電池アセンブリの他の予め選択された領域中に貯蔵された共晶電解質を含み、
前記共晶電解質は、６２モル％の炭酸リチウムおよび３８モル％の炭酸カリウムの第１の共晶混合物と、５２モル％の炭酸リチウムおよび４８モル％の炭酸ナトリウムの第２の共晶混合物と、のうちの１つを含むことを特徴とする請求項１１に記載の燃料電池アセンブリ。
【請求項１３】
前記燃料電池アセンブリは、更に、前記カソード電極に隣接して配置されたカソード電流コレクタを含み、
前記カソード電流コレクタは、前記高リチウム電解質と前記共晶電解質とのうちの１つを貯蔵するために適合されたものであることを特徴とする請求項１２に記載の燃料電池アセンブリ。
【請求項１４】
前記カソード電極は、前記共晶炭酸塩混合物の第１の量と前記追加のリチウム含有成分の第２の量とを含む、前記高リチウム電解質を、予め決められた量で貯蔵し、
前記カソード電流コレクタは、前記共晶電解質の第３の量を貯蔵し、
前記第１の量、前記第２の量および前記第３の量は、前記炭酸塩電解質の予め決められた組成物を得るために制御されていることを特徴とする請求項１３に記載の燃料電池アセンブリ。
【請求項１５】
前記炭酸塩電解質の前記予め決められた組成物は、７０〜７２モル％の範囲の炭酸リチウムおよび２８〜３０モル％の炭酸カリウムと、６１モル％の炭酸リチウムおよび３９モル％の炭酸カリウムと、のうちの１つを含むことを特徴とする請求項１４に記載の燃料電池アセンブリ。
【請求項１６】
前記カソード電極は、２５０ｃｍ2の表面積を有し、
前記カソード電極は、炭酸リチウムおよび炭酸カリウムを含む１７．８ｇの前記共晶炭酸塩混合物と、水酸化リチウムを含む３．７ｇの前記追加のリチウム含有成分と、を貯蔵し、
前記カソード電流コレクタは、前記第１の共晶混合物を含む１２ｇの前記共晶電解質を貯蔵し、
前記炭酸塩電解質の前記予め決められた組成物は、７０モル％の炭酸リチウムと３０モル％の炭酸カリウムであることを特徴とする請求項１５に記載の燃料電池アセンブリ。
【請求項１７】
前記カソード電極は、３ｃｍ2の表面積を有し、
前記カソード電極は、炭酸リチウムおよび炭酸カリウムを含む１９５ｍｇの前記共晶炭酸塩混合物と、水酸化リチウムを含む６８ｍｇの前記追加のリチウム含有成分と、を貯蔵し、
前記カソード電流コレクタは、前記第１の共晶混合物を含む２１９ｍｇの前記共晶電解質を貯蔵し、
前記炭酸塩電解質の前記予め決められた組成物は、７２モル％の炭酸リチウムと２８モル％の炭酸カリウムであることを特徴とする請求項１６に記載の燃料電池アセンブリ。
【請求項１８】
前記カソード電極は、３ｃｍ2の表面積を有し、
前記カソード電極は、炭酸リチウムおよび炭酸ナトリウムを含む２０７ｍｇの前記共晶炭酸塩混合物と、水酸化リチウムを含む４７ｍｇの前記追加のリチウム含有成分と、を貯蔵し、
前記カソード電流コレクタは、前記第２の共晶混合物を含む２１６ｍｇの前記共晶電解質を貯蔵し、
前記炭酸塩電解質の前記予め決められた組成物は、６１モル％の炭酸リチウムと３９モル％の炭酸ナトリウムであることを特徴とする請求項１５に記載の燃料電池アセンブリ。
【請求項１９】
前記追加のリチウム含有成分は、更に、炭酸リチウムを含むことを特徴とする請求項１３に記載の燃料電池アセンブリ。
【請求項２０】
前記追加のリチウム含有成分は、２０〜３０モル％の範囲の炭酸リチウムと７０〜８０モル％の範囲の水酸化リチウムとを含むことを特徴とする請求項１９に記載の燃料電池アセンブリ。
【請求項２１】
前記カソード電極は、２５０ｃｍ2の表面積を有し、
前記カソード電極は、炭酸リチウムおよび炭酸カリウムを含む１７．６ｇの前記共晶炭酸塩混合物と、８０モル％の水酸化リチウムおよび２０モル％の炭酸リチウムを含む５．６ｇの前記追加のリチウム含有成分とを貯蔵し、
前記カソード電流コレクタは、前記第１の共晶混合物を含む１２ｇの前記共晶電解質を貯蔵することを特徴とする請求項２０に記載の燃料電池アセンブリ。
【請求項２２】
増加した炭酸リチウム濃度を有する炭酸塩電解質を備える燃料電池アセンブリの製造方法であって、
炭酸リチウムを含む共晶炭酸塩混合物と、前記燃料電池アセンブリの初期加熱および稼働の少なくともいずれかの間に炭酸リチウムを形成するように適合された追加のリチウム含有成分と、を含む高リチウム電解質を提供する工程と、
前記燃料電池アセンブリの予め選択された領域に前記高リチウム電解質を貯蔵する工程と、
を含むことを特徴とする燃料電池アセンブリの製造方法。
【請求項２３】
前記共晶炭酸塩混合物は、炭酸カリウムおよび炭酸ナトリウムのうちの１つを更に含み、
前記追加のリチウム含有成分は、水酸化リチウム、硝酸リチウム、酢酸リチウム、およびシュウ酸リチウムのうちの少なくとも１つを含むことを特徴とする請求項２２に記載の燃料電池アセンブリの製造方法。
【請求項２４】
前記高リチウム電解質を貯蔵する工程は、前記燃料電池アセンブリのカソード電極中に前記高リチウム電解質を貯蔵する工程を含むことを特徴とする請求項２３に記載の燃料電池アセンブリの製造方法。
【請求項２５】
６２モル％の炭酸リチウムおよび３８モル％の炭酸カリウムを含む第１共晶混合物と、５２モルの％炭酸リチウムおよび４８モル％の炭酸ナトリウムを含む第２共晶混合物と、のうちの１つを含む共晶電解質混合物を含む共晶電解質を提供する工程と、
前記燃料電池アセンブリの他の予め選択された領域に前記共晶電解質を貯蔵する工程と、を更に含むことを特徴とする請求項２４に記載の燃料電池アセンブリの製造方法。
【請求項２６】
前記燃料電池アセンブリは、前記カソード電極に隣接するカソード電流コレクタを含み、
前記共晶電解質を貯蔵する工程は、前記カソード電流コレクタ中に前記共晶電解質を貯蔵する工程を含むことを特徴とする請求項２５に記載の燃料電池アセンブリの製造方法。
【請求項２７】
前記カソード電極は、２５０ｃｍ2の表面積を有し、
前記高リチウム電解質を貯蔵する工程は、前記カソード電極中に、炭酸リチウムおよび炭酸カリウムを含む１７．８ｇの前記共晶炭酸塩混合物と、水酸化リチウムを含む３．７ｇの前記追加のリチウム含有成分と、を貯蔵する工程を含み、
前記共晶電解質を貯蔵する工程は、前記カソード電流コレクタ中に、前記第１の共晶混合物を含む１２ｇの前記共晶電解質を貯蔵する工程を含むことを特徴とする請求項２６に記載の燃料電池アセンブリの製造方法。
【請求項２８】
前記カソード電極は、３ｃｍ2の表面積を有し、
前記高リチウム電解質を貯蔵する工程は、前記カソード電極中に、炭酸リチウムおよび炭酸カリウムを含む１９５ｍｇの前記共晶炭酸塩混合物と、水酸化リチウムを含む６８ｍｇの前記追加のリチウム含有成分を貯蔵する工程を含み、
前記共晶電解質を貯蔵する工程は、
前記カソード電流コレクタ中に、前記第１の共晶混合物を含む２１９ｍｇの前記共晶電解質を貯蔵する工程を含むことを特徴とする請求項２６に記載の燃料電池アセンブリの製造方法。
【請求項２９】
前記カソード電極は、３ｃｍ2の表面積を有し、
前記高リチウム電解質を貯蔵する工程は、前記カソード電極中に、炭酸リチウムおよび炭酸ナトリウムを含む２０７ｍｇの前記共晶炭酸塩混合物と、水酸化リチウムを含む４７ｍｇの前記追加のリチウム含有成分と、を貯蔵する工程を含み、
前記共晶電解質を貯蔵する工程は、前記カソード電流コレクタ中に、前記第２の共晶混合物を含む２１６ｍｇの前記共晶電解質を貯蔵する工程を含むことを特徴とする請求項２６に記載の燃料電池アセンブリの製造方法。
【請求項３０】
前記高リチウム電解質を貯蔵する工程は、前記リチウム電解質を前記燃料電池のカソード電極とカソード電流コレクタのうちの少なくとも１つに貯蔵する工程を含むことを特徴とする請求項２３に記載の燃料電池アセンブリの製造方法。
【請求項３１】
前記高リチウム電解質の前記追加のリチウム含有成分は、炭酸リチウムを更に含むことを特徴とする請求項３０に記載の燃料電池アセンブリの製造方法。
【請求項３２】
前記高リチウム電解質の前記追加のリチウム含有成分は、２０〜３０モル％の範囲の炭酸リチウムと、７０〜８０モル％の範囲の水酸化リチウムとを含むことを特徴とする請求項３１に記載の燃料電池アセンブリの製造方法。
【請求項３３】
６２モル％の炭酸リチウムおよび３８モル％の炭酸カリウムを含む第１の共晶混合物と、５２モル％炭酸リチウムおよび４８モル％の炭酸ナトリウムを含む第２の共晶混合物と、のうちの１つを含む共晶電解質混合物を含む共晶電解質を提供する工程と、
前記燃料電池アセンブリの他の予め選択された領域に前記共晶電解質を貯蔵する工程と、を更に含むことを特徴とする請求項３２に記載の燃料電池アセンブリの製造方法。
【請求項３４】
前記カソード電極は、２５０ｃｍ2の表面積を有し、
前記高リチウム電解質を貯蔵する工程は、前記カソード電極中に、炭酸リチウムおよび炭酸カリウムを含む１７．６ｇの前記共晶炭酸塩混合物と、８０モル％の水酸化リチウムおよび２０モル％の炭酸リチウムを含む５．６ｇの前記追加のリチウム含有成分を貯蔵する工程を含み、
前記共晶電解質を貯蔵する工程は、前記カソード電流コレクタ中に、前記第１の共晶混合物を含む１２ｇの前記共晶電解質を貯蔵する工程を含むことを特徴とする請求項３３に記載の燃料電池アセンブリの製造方法。
【請求項３５】
共晶炭酸塩電解質を提供する工程と、
前記燃料電池アセンブリの他の予め選択された領域に前記共晶電解質を貯蔵する工程と、
前記高リチウム電解質と前記共晶電解質とが所望の組成物を有する前記炭酸塩電解質を形成するために結合するように、前記燃料電池アセンブリを初期加熱する工程および稼働する工程のうちの少なくとも１つの工程と、を更に有することを特徴とする請求項２２に記載の燃料電池アセンブリの製造方法。
【請求項３６】
燃料電池コンポーネントと、
前記燃料電池コンポーネント中に貯蔵された高リチウム電解質と、
を含み、
前記高リチウム電解質は、
炭酸リチウムを含む共晶炭酸塩混合物と、
前記燃料電池コンポーネントを用いる燃料電池アセンブリの初期加熱および稼働のいずれかの間に炭酸リチウムを形成するように適合された追加のリチウム含有成分と、を含むことを特徴とする燃料電池アセンブリ。
【請求項３７】
前記燃料電池コンポーネントは、カソード電極、カソード電流コレクタ、アノード電極、およびアノード電流コレクタのうちの１つまたはそれ以上であることを特徴とする請求項３６に記載の燃料電池アセンブリ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は燃料電池に関し、特に、溶融炭酸塩燃料電池で使用するための電解質に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は、電気化学反応によって炭化水素燃料で貯蔵された化学エネルギーを電気エネルギーに直接変換するデバイスである。一般に、燃料電池は、電解質は電気的に帯電しているイオンを伝導する役目をする電解質によって分離されたアノードとカソードとを含む。多くの各燃料電池は、有用な電力レベルを生産するために、各燃料電池の間に電気伝導分離板を用いて連続的に積層されている。
【０００３】
溶融炭酸塩燃料電池（ＭＣＦＣ）は、反応物である燃料ガスをアノードに通し、酸化剤ガスをカソードに通過させることによって稼働する。アノードと溶融炭酸塩燃料電池のカソードは、炭酸塩電解質で飽和されている多孔性の電解質マトリクスによって互いに隔離される。通常の溶融炭酸塩燃料電池の設計は、アノードとカソードの細孔中およびアノードとカソード電流コレクタに形成されたガス流路中に貯蔵される炭酸塩電解質を含んでいる。電解質は、燃料電池の初期加熱の間に溶融し、細孔の毛細管力によってアノード、カソードおよび電解質マトリクスの細孔間で再分布する。従来の溶融炭酸塩燃料電池は、通常、炭酸塩電解質として６２モル％の炭酸リチウムと３８モル％の炭酸カリウムの共晶混合物または５２モル％の炭酸リチウムと４８モル％の炭酸ナトリウムの共晶混合物などの共晶炭酸塩混合物を使用している。
【０００４】
溶融炭酸塩燃料電池の間、燃料電池中の電解質は、燃料電池部品との腐食反応によっておよび蒸発と電解質の液相移動との結果として消費される。特に、電解質の液相移動は、燃料電池の積層体内の電圧勾配によって起こり、リチウムとカリウムイオンの積層体の長さに沿って積層体の負極端部に向かう移動と、炭酸イオンの積層体の正極端部に向かう移動とをもたらす。共晶炭酸塩電解質中のリチウムとカリウムイオンは、積層体の長さに沿って異なった速度で移動するので、リチウムのカリウムモル比に対するかなりの変動が積層体中で起こる。そのようなリチウム／カリウム比の変動は、燃料電池中の電解質の安定性、伝導率および融点に影響し、その結果、溶融炭酸塩燃料電池積層体の性能と寿命に影響を与える。
【０００５】
積層体中のリチウム／カリウムのモル比における大きい変動を避けるために、共晶から外れたリチウムリッチの電解質混合物が溶融炭酸塩燃料電池中で使用されてきた。米国特許第４，５９１，５３８号公報は、７０〜７３モル％の炭酸リチウムと２７〜３０モル％の炭酸カリウムとからなるリチウムリッチの電解質組成物を開示している。米国特許第４，５９１，５３８号公報で開示されたような大きなリチウム含有量を有する電解質の使用は、積層体中のリチウム／カリウム比の均質性を改良する。しかしながら、米国特許第４，５９１，５３８号公報の電解質は、共晶電解質（４８５〜４９０℃）の融点と比較するとかなり高融点（５７５℃）であり、複数の電極を電解質で満たすために電極製造プロセスの間、かなり高い温度にする必要がある。電極製造の間の高温度は、複数の電極の収縮とひび割れを増加し、その結果、電極製造の生産量が低減し製造コストをかなり上昇させる。
【特許文献１】米国特許第４，５９１，５３８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
したがって、本発明の目的は、製造プロセスの間に高温度にせずに、溶融炭酸塩燃料電池電極中に高濃度のリチウムを含む電解質を提供することである。
【０００７】
また、本発明の目的は、カソード構造に影響を与えずに電解質でカソード電極を満たす方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
発明の要約
本発明の原理によると、上記および他の目的は、溶融炭酸塩燃料電池での使用のための高リチウム炭酸塩電解質によって実現され、その中で、高リチウム電解質は、燃料電池の初期加熱の間と稼働の間の少なくとも１つの間に、炭酸リチウムを含む共晶炭酸塩混合物と、炭酸リチウムを形成するように適合された追加のリチウム含有成分とから形成される。また、高炭酸リチウムの共晶炭酸塩混合物は、炭酸カリウムまたは炭酸ナトリウムを含んでいる。追加の成分は、少なくとも水酸化リチウム、硝酸リチウム、酢酸リチウム、およびシュウ酸リチウムのうちの少なくとも１つを含み、また、これらの化合物の一個以上と炭酸リチウムとの混合物もまた含み得る。記載された例示の実施例において、高リチウム電解質は、燃料電池のカソード側に貯蔵され、追加の成分は、少なくとも炭酸リチウムを形成するようにカソード側を通って流れる酸化剤ガス中の少なくとも１つの成分と反応する。特に、高リチウム電解質は燃料電池のカソード電極中に貯蔵される。
【０００９】
また、アノード電極と、カソード電極と、前記アノード電極と前記カソード電極の間に配置された電解質マトリックスと、燃料電池アセンブリの少なくとも予め選択された領域中に貯蔵された高リチウム電解質を含む炭酸塩電解質とを有する燃料電池を備える燃料電池アセンブリが開示されている。燃料電池アセンブリは、またカソード電流コレクタを含むことができ、前記高リチウム電解質は、カソード電極とカソード電流コレクタのうちの少なくとも１つに貯蔵されている。さらに、燃料電池アセンブリで使用される炭酸塩電解質は、炭酸リチウムと炭酸カリウムの第１共晶混合物、または炭酸リチウムと炭酸ナトリウムの第２の共晶混合物を含む共晶電解質を含むことができる。共晶電解質は燃料電池アセンブリの他の予め選択された領域で貯蔵される。開示された例示の実施例において、高リチウム電解質はカソード電極中に貯蔵されるが、共晶電解質はカソード電流コレクタ中に貯蔵され、高リチウム電解質と共晶電解質の量は、炭酸塩電解質の予め決められた組成物を得るように制御されている。特に、そのような量は、炭酸塩電解質組成物が７０〜７２モル％の炭酸リチウムと２８〜３０モル％の炭酸カリウムおよび６１モル％の炭酸リチウムと３９モル％の炭酸ナトリウムのうちの１つであるように制御されている。高リチウム電解質と共晶電解質とを貯蔵するための特定の実施例について説明する。
【００１０】
更に、高リチウム電解質を含む炭酸塩電解質を有する燃料電池アセンブリを製造する方法もまた開示される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
本発明の上述と他の特徴および態様は、添付図面を参照しながら以下の詳細な説明を読むことにより一層に明らかになるであろう。
詳細な説明
図１は本発明の原理に基づく高リチウム電解質を使用する燃料電池アセンブリ１の一部を示す断面図である。図示されているように、燃料電池アセンブリ１ａは、電解質マトリクス４によって分離されたアノード電極２とカソード電極３とを有する燃料電池を含んでいる。燃料電池１ａはまた、燃料ガスおよび酸化剤ガスのためのガス流路５ａ、６ａをそれぞれ形成するアノード電流コレクタ５とカソード電流コレクタ６とを含んでいる。図１に図示された例示の実施例では、アノード電流コレクタとカソード電流コレクタは波形形状の電流コレクタである。燃料電池アセンブリ１はまた、燃料電池アセンブリの隣接している燃料電池を互いに分離するための複数のバイポーラ型の分離板１０を含んでいる。図１において、バイポーラ型分離板１０ａは、燃料電池１ａのアノード側面に隣接する燃料電池から燃料電池１ａのアノード２とアノード電流コレクタ５とを分離し、バイポーラ型分離板１０ｂは、燃料電池１ａのカソード側に隣接する燃料電池から燃料電池１ａのカソード電極とカソード電流コレクタ６とを分離する。
【００１２】
電解質マトリクス４は、多孔性セラミック材料から形成され、炭酸塩電解質で飽和状態にされている。アノード電極２とカソード電極３とは有孔性材料で形成されている。特に、アノード電極２は、多孔性のニッケル・アルミニウムまたはニッケル・クロム・アルミニウム材料で形成され、カソード電極３は多孔性の焼結されたＮｉＯ材料で形成され得る。多孔性の電解質マトリクス４中に貯蔵されることに加えて、電解質は、カソード電極３、および／または、アノード電極２の細孔中に、およびアノード、および／または、カソード電流コレクタの予め選択された流路中にもまた貯蔵され得る。図１に図示された例示の場合では、炭酸塩電解質８は、カソード電極３の細孔と、カソード電流コレクタ６のあらかじめ選択された流路中に貯蔵される。
【００１３】
燃料電池アセンブリの部品中に貯蔵された炭酸塩電解質は、好ましくは、炭酸リチウム（Ｌｉ2ＣＯ3）と炭酸カリウム（Ｋ2ＣＯ3）または炭酸ナトリウム（Ｎａ2ＣＯ3）を含む。電解質は、高リチウム電解質を含み、共晶電解質を含むこともができる。本発明に基づく高リチウム電解質は、燃料電池の初期加熱と稼働の間に炭酸リチウムを形成するように適合させられた共晶炭酸塩混合物と追加のリチウム含有成分とを含む。６２モル％の炭酸リチウムと３８モル％の炭酸カリウムの混合物、または５２モル％の炭酸リチウムと４８モル％の炭酸カリウムの混合物は、共晶炭酸塩混合物としての使用に適したものである。追加のリチウム含有成分は、約５００℃以下の低融点を有するリチウム含有化合物または材料を含み、共晶炭酸塩混合物中で炭酸リチウムを持ち低融点を有する第２の共晶混合物を形成できる。共晶電解質は追加成分なしで共晶炭酸塩混合物だけを含む。
【００１４】
本発明に基づく高リチウム電解質は、燃料電池アセンブリの予め選択された領域で貯蔵され、燃料電池アセンブリの他の予め選択された領域は共晶電解質を貯蔵するために使用することができる。特に、高リチウム電解質と共晶電解質は燃料電池アセンブリの予め選択された部品中にそれぞれ貯蔵される。燃料電池アセンブリの初期加熱、スタートアップ、稼働時の間、高リチウム電解質中の追加成分は、炭酸リチウム、および高リチウム電解質と共晶電解質溶融物の両方を形成し、電解質マトリクスとカソード電極とアノード電極の細孔中で再配分する。これにより、燃料電池アセンブリ中で貯蔵された電解質の総合的な炭酸リチウム濃度の増加をもたらす。燃料電池アセンブリ中の電解質の最終の総合的な組成物は、高リチウム電解質と共晶電解質中の共晶炭酸塩混合物の総量に対して高リチウム電解質の追加成分の量を変えることによって制御することができる。
【００１５】
図１に図示された例示の配置構成において、高リチウム電解質はカソード電極３に貯蔵され、カソード電流コレクタ６の予め選択された流路中にもまた貯蔵されるが、一方、共晶電解質は、燃料電池の他の部品、例えば、燃料電池１ａの電解質マトリクス４やアノード電極２および／またはアノード電流コレクタ５などのアノード側などの燃料電池アセンブリ他の部品中に貯蔵される。本明細書の以下に記載された実施例において、高リチウム電解質中の追加のリチウム成分は、水酸化リチウム（ＬｉＯＨ）である。水酸化リチウムは、４７０℃の融点を有し、４４０〜４４５℃の融点を有する炭酸リチウムを有する第２の共晶混合物を形成できる。硝酸リチウム（ＬｉＮＯ3）や、酢酸リチウム（ＬｉＣ2Ｈ3Ｏ2）やシュウ酸リチウム（Ｌｉ２Ｃ2Ｏ4）などの他のリチウム含有化合物は、高リチウム電解質の追加のリチウム成分としての使用のために適している。さらに、追加の成分は、これらの化合物と炭酸リチウムとの混合物をも含むことができる。
【００１６】
燃料電池アセンブリの初期加熱および稼働の間、燃料ガスは燃料電池１ａのアノード側を通過するが、酸化剤ガスはカソード側を通過する。燃料電池のカソード側で貯蔵された高リチウム電解質中の追加成分は、酸化剤ガスの一つ以上の成分と反応して追加の炭酸リチウムを形成する。
【００１７】
特に、追加の成分は、酸化剤ガス中の二酸化炭素と反応し炭酸リチウムと水とを生成する。水酸化リチウムが高リチウム電解質の追加の成分として使用されるとき、水酸化リチウムは以下のように酸化剤ガス中の二酸化炭素と反応する。
２ＬｉＯＨ＋ＣＯ2  →  Ｌｉ2ＣＯ3＋Ｈ2Ｏ    （１）
この反応を通して、燃料電池中の炭酸リチウムの全体濃度とリチウムのカリウムに対する比率が増加する。
【００１８】
上記説明したように、燃料電池１ａのカソード電極３は、細孔中に高リチウム電解質を貯蔵するが、一方、カソード電流コレクタ６は電流コレクタによって形成される予め選択された流路中に高リチウム電解質を貯蔵する。カソード電極３は、例えば、乾式ドクターおよび焼結法などの適切な汎用技術によってニッケル粉末から形成され、次に、共晶炭酸塩混合物と追加のリチウム成分の予め決められた量で満たされる。カソード電流コレクタの予め選択された流路は共晶混合物と追加の成分の予め決められた量を貯蔵する。
【００１９】
代替として、カソード電極がすべての高リチウム電解質を貯蔵するようにしてもよい。そのような場合には、カソード電流コレクタは共晶電解質を貯蔵する。
【００２０】
カソードとカソード電流コレクタ中に貯蔵された高リチウム電解質と共晶電解質の量は、予め決められた組成物、特に、予め決められた炭酸リチウム濃度を有する電解質を形成するように予め決められている。以下に提供された例示の実施例において、燃料電池アセンブリのカソード電極３とカソード電流コレクタ６は、７０〜７２モル％の炭酸リチウムおよび２８〜３０モル％の炭酸カリウムの最終組成物、または、６１モル％の炭酸リチウムおよび３９モル％の炭酸ナトリウムの最終組成物で電解質を形成するように満たされる。
【００２１】
実施例１
この例示の実施例において、燃料電池アセンブリ１の燃料電池１ａは、ＬｉＡｌＯ2から形成された多孔質セラミック電解質マトリクスによって分離されている、多孔性のＮｉ−Ａｌアノード２と多孔性のＮｉＯカソード電極３とを含んでいる。カソード電極３は、多孔性でその場で酸化されかつリチウム化されたＮｉＯを含み、約２５０ｃｍ2の表面積を有する。カソード電極は、６２モル％の炭酸リチウムと３８モル％の炭酸カリウムの共晶炭酸塩混合物の１７．８グラムと、３．７グラムの水酸化リチウムとを含む高リチウム電解質で満たされる。
【００２２】
燃料電池１ａはアノード電極２に隣接するアノード電流コレクタ５とカソード電極３に隣接するカソード電流コレクタ６を含んでいる。上記説明したように、カソード電流コレクタはガス流路を形成し、予め選択された流路は共晶炭酸塩電解質で満たされている。この例示の実施例において、カソード電流コレクタ６の予め選択された流路は、１２ｇの共晶電解質で満たされており、共晶電解質は６２モル％の炭酸リチウムと３８モル％の炭酸カリウムの共晶混合物を含んでいる。
【００２３】
本実施例の燃料電池１ａが初期加熱されるかまたは稼働されている場合、酸化剤ガスはカソード電極３を通過する。カソード電極３中に貯蔵された高リチウム電解質中の水酸化リチウムは、炭酸リチウムを生成するために上記に示した反応（１）で示されるように、酸化剤ガス中の二酸化炭素と反応する。この方法で、カソード電極３中の高リチウム電解質組成物は、７３．４モル％の炭酸リチウムと２６．６モル％の炭酸カリウムとなる。カソード電流コレクタ６における共晶電解質が溶けて、カソード電極３のこの高いリチウム電解質に合成されるとき、燃料電池１ａの炭酸塩電解質の最終的な組成物は７０モル％の炭酸リチウムと３０モル％の炭酸カリウムになる。
【００２４】
上記の実施例１で記載されたように形成されて満たされた燃料電池のカソードとカソード電流コレクタは、単一燃料電池中でテストされた。これらのテストの間、７２．８％のＨ2、１８．２％のＣＯ2、９％のＨ2Ｏを含む燃料ガスが燃料電池のアノード側を通過し、１８．５％のＣＯ2、１２．１％のＯ2、６６．４％のＮ2、および３％のＨ2Ｏを含む酸化剤ガスが、燃料電池のカソード側を通過する。テストの間の電流密度は、約１６０ｍＡ／ｃｍ2であり、燃料利用は約７５％であった。
【００２５】
図２は、実施例１で記載されたような高リチウム電解質で満たされたカソード電極を有する燃料電池と、６２モル％の炭酸リチウムと３８モル％の炭酸カリウムの共晶混合物を含む従来の電解質で満たされた燃料電池との性能データを示す図である。図示されているように、高リチウム電解質を有する燃料電池によって生成される電圧は、共晶電解質で満たされた燃料電池によって生成された電圧より約１０〜１４ｍＶ高かった。図示された結果によると、従来の燃料電池によって生成された電圧は７５８〜７６８ｍＶであったが、一方、高リチウム電解質を有する燃料電池によって生成された電圧は７７７〜７９０ｍＶであった。この性能における改善は、高リチウム電解質の高いイオン導電性に帰属するものであり、それにより燃料電池の内部抵抗が１８％減少するという結果をもたらす。また、高リチウム電解質の使用は、カソードのより大きな表面積によるカソードの分極の低下と、溶融した電解質中の酸素の高い溶解牲とをもたらす。
【００２６】
実施例１で記載されているような高リチウム電解質で満たされた燃料電池カソードは、ボタン電池でもまたテストされた。これらのボタン電池試験でテストされたカソードは、３ｃｍ2の表面積を有し、２２７ｍｇの共晶炭酸塩、すなわち、６２モル％の炭酸リチウムおよび３８モル％の炭酸カリウムの混合物と、４７ｍｇの水酸化リチウムとで満たされた。試験は１６０のｍＡ／ｃｍ2電流密度と約５％の低い利用において行われた。テストされた燃料電池の性能データは、共晶電解質で満たされた従来のボタン電池の性能データと比較された。高リチウム電解質を有する燃料電池によって生成された電圧は、従来のボタン電池によって生成した電圧より約１４〜１８ｍＶ高かった。
【００２７】
さらに、カソード溶解が実施例１に基づいて調製された高リチウム電解質で満たされたカソード電極中で測定された。カソード電極の試験は、単一燃料電池中で１６０ｍＡ／ｃｍの2電流密度と７５％の利用で行われた。単一燃料電池の稼働の間の燃料電池の電解質マトリクス中に堆積したニッケル量は、稼働期間に渡って測定された。共晶電解質で満たされた従来のカソードは、類似の条件下でテストされた。
【００２８】
図３は実施例１で記載されたような高リチウム電解質で満たされたカソードと、共晶電解質で満たされた従来のカソードとのカソード溶解データを示す図である。図３において、横軸は時間単位で燃料電池稼働時間を示し、Ｙ軸は電解質マトリクス中の相対的なニッケル堆積を示し、相対単位の１は、マトリックス中に堆積した約２４ｍｇ／ｃｍ2のＮｉに対応する。理解されるように、電解質マトリクス中に堆積するＮｉ量は、カソード電極の溶解に直接的に関連している。
【００２９】
図３に示されているように、従来の燃料電池のマトリクス中のニッケル堆積速度は高リチウム電解質を有する燃料電池のマトリクス中の速度よりかなり高かった。例えば、約４０，０００時間の稼働後に、高リチウム電解質を有する燃料電池中でマトリクス中に堆積した相対的なニッケル量は、約０．４５であったが、従来の燃料電池中のマトリクス中に堆積した相対的なニッケル量は、約０．７５であった。約５２，０００時間の稼働の後に、従来の燃料電池の電解質マトリクスに堆積したニッケルの量は約１すなわち２４ｍｇ／ｃｍ2であったが、高リチウム電解質を有する燃料電池のマトリクス中で堆積したニッケル量は、約０．６すなわち１４．４ｍｇ／ｃｍ2であった。高リチウム電解質で満たされたカソード電極を使用する燃料電池でのニッケル溶解率が低いのは、共晶電解質のｐＨと比べて高リチウム電解質のｐＨが高くなるためである。そのようなニッケル溶解減少は、高リチウム電解質を有する燃料電池および燃料電池積層体の寿命をかなり増加する原因となる。
【００３０】
実施例２
この例示の実施例において、燃料電池１ａの最終電解質組成物が７２モル％の炭酸リチウムと２８モル％の炭酸カリウムとなるように、カソード電極３は高リチウム電解質で満たされ、カソード電流コレクタ６は共晶電解質で満たされる。この実施例で使用される燃料電池は、実施例１で記載された燃料電池に類似の配置と成分とを有するボタン電池である。カソード電極は、３ｃｍ2の表面積を有し、６２モル％の炭酸リチウムと３８モル％の炭酸カリウムの共晶炭酸塩混合物の１９５ｍｇと、６８ｍｇの水酸化リチウムとを含む高リチウム電解質で満たされる。カソード電流コレクタの予め選択された流路は、共晶Ｌｉ／Ｋ電解質の適切な量で満たされる。この実施例では、カソード電流コレクタの予め選択された流路は、共晶電解質の約２１９ｍｇで満たされる。燃料電池の初期加熱時および稼働時の間、二酸化炭素を含む酸化剤ガスはカソード電極を通過し、高リチウム電解質中の水酸化リチウムは、上に示さた反応（１）で炭酸リチウム電解質を生成するために二酸化炭素と反応する。この反応を使って、電解質中の炭酸リチウムの総合的な濃度は７２モル％の炭酸リチウムまで増加する。
【００３１】
実施例２で記載されているような高リチウム電解質で満たされたカソードを使用する燃料電池の性能は、ボタン料電池でテストされ、従来の燃料電池の性能と比較された。特に、燃料電池の燃料電池抵抗は、７２モル％の炭酸リチウムと２８モル％の炭酸カリウムとの最終濃度を有する電解質を有する燃料電池と、従来の共晶電解質、すなわち、６２モル％の炭酸リチウムと３８モル％の炭酸カリウムを使用する燃料電池中でテストされた。
【００３２】
図４は、テストされたボタン燃料電池の燃料電池の抵抗データを示す図である。図４において、Ｘ軸はこれらのテストの間のテストされた燃料電池中の温度を示し、Ｙ軸はｍΩ-ｃｍ2で燃料電池の測定された燃料電池抵抗を示す。図示されたように、高リチウム電解質を有する燃料電池における燃料電池抵抗は、５７５〜７００℃範囲の燃料電池稼働温度において、共晶電解質を有する燃料電池中の燃料電池抵抗よりかなり低かった。特に、高リチウム電解質を有する燃料電池における燃料電池抵抗は、５７５℃で約３００ｍΩ-ｃｍ2〜７００℃で２３０ｍΩ-ｃｍ2の範囲であった。共晶電解質を使用する従来の燃料電池では、燃料電池抵抗は、５７５℃で約４８０〜６３０ｍΩ-ｃｍ2と７００℃で３００〜３５０ｍΩ-ｃｍ2の範囲であった。高率リチウム電解質を使用するときの低い抵抗は、結果として高いイオン導電性と燃料電池によって生成される高い電圧を生む。そのうえ、これらの燃料電池における高い伝導率は、燃料電池中の電流の均質性と熱分布を改善し、燃料電池積層体温度を下げる。
【００３３】
実施例３
この例示の実施例において、炭酸リチウムと炭酸ナトリウムとを含む高リチウム電解質で満たされたカソード電極を使用する燃料電池が記載される。この実施例における燃料電池１ａは、実施例２で上記記載されてたボタン電池と同じ寸法を有する。カソード電極は、５２モル％の炭酸リチウムおよび４８％の炭酸ナトリウムの共晶Ｌｉ／Ｎａ炭酸塩混合物と水酸化リチウムを含む追加の成分とを含む高リチウム電解質で満たされている。特に、カソード電極は２０７ｍｇの共晶Ｌｉ／Ｎａ炭酸塩混合物と４７ｍｇの水酸化リチウムとで満たされる。燃料電池１ａのカソード電流コレクタ６の予め選択された流路は、２１６ｍｇの共晶リチウム／Ｎａ電解質、すなわち、５２モル％炭酸リチウムと４８モル％炭酸ナトリウムとの混合物で満たされる。カソード電極中に貯蔵された高リチウム電解質中の水酸化リチウムが、燃料電池の初期加熱時および稼働時の間、酸化剤ガス中の二酸化炭素と反応すると、追加の炭酸リチウムが生成する。カソード電極中の高リチウム電解質の組成物は、６６モル％の炭酸リチウムと３４モル％の炭酸ナトリウムである。この高リチウム電解質組成物が、カソード電流コレクタ中に貯蔵された共晶電解質と結合すると、燃料電池中の電解質の最終組成物は６１モル％の炭酸リチウムと３９モル％の炭酸ナトリウムになる。この実施例の高リチウム電解質を有する燃料電池によって生成した電圧は、５２モル％の炭酸リチウムと４８モル％の炭酸ナトリウムの共晶混合物を使用する従来のボタンの燃料電池によって生成された電圧より約３０ｍＶ高い。
【００３４】
実施例４
この実施例は、高い炭酸リチウム濃度を有する電解質を達成するように、燃料電池１ａのカソード電極、および／または、電流コレクタ６を満たすために使用することができる別の高リチウム電解質組成物を開示する。この実施例において、高リチウム電解質の追加成分は、炭酸リチウムと水酸化リチウムの混合物を含む。この例示された実施例において、追加成分は２０〜３０モル％の炭酸リチウムと７０〜８０モル％の水酸化リチウムの混合物を含む。カソード電極および／またはカソード電流コレクタの予め選択された流路は、燃料電池における総電解質が予め決められた炭酸リチウム濃度とリチウム対カリウムの予め決められたモル比を有するように、共晶電解質混合物と追加成分の適切な量で満たされる。
【００３５】
この例示された実施例において、２５０ｃｍ2の表面積を有するカソード電極は、低温、すなわち、５３０℃未満で、１７．６ｇの予め溶融した共晶Ｌｉ／Ｋ炭酸塩混合物と、２０モル％の炭酸リチウムおよび８０モル％の水酸化リチウムを含む５．６ｇの予め溶融した追加成分とで満たされる。カソード電流コレクタの予め選択された流路は１２ｇの共晶Ｌｉ／Ｋ電解質で満たされる。この配置で、燃料電池中の総電解質の得られる組成物は、７２モル％の炭酸リチウムと２８モル％の炭酸カリウムである。
【００３６】
実施例４に基づく高リチウム電解質で満たされたカソード電極の性能は、単一燃料電池で１６０ｍＡ／ｃｍ2の電流密度、６５Ｏ℃、および７５％の利用でテストされた。これらの単一燃料電池で生成した電圧は、従来の燃料電池で共晶電解質を使用して生成した電圧より１０〜１４ｍＶ高かった。
【００３７】
また、上記の実施例で記載されたような高リチウム電解質で満たされたカソード電極を使用する燃料電池は、安定性が改良されたこともまた示された。そのような改良は、Ｌｉ／Ｋ炭酸塩電解質中のカリウムイオンに対するリチウムイオンおよびＬｉ／Ｎａ炭酸塩電解質中のナトリウムイオンに対するリチウムイオのより均質なモル比に部分的に帰属し、それは、移動による電解質ロスを低減する。また、上記で議論したように、高リチウム電解質を有する燃料電池中での還元されたＮｉの溶解と同様に安定性における改良は、燃料電池の稼働寿命がかなり延長されるという結果となる。例えば、高リチウム電解質を使用し、総合的な電解質組成物が７２モル％が炭酸リチウムと２８モル％の炭酸カリウムを有する燃料電池の稼働寿命は、共晶電解質だけを使用する従来の燃料電池の稼働寿命より約４５％長い。また、６１モル％の炭酸リチウムと３９モル％の炭酸ナトリウムの総合的な電解質組成物を有する燃料電池の稼働寿命は、共晶電解質組成物、すなわち、５２モル％の炭酸リチウムと４８モル％の炭酸ナトリウムを使用する従来の燃料電池の稼働寿命と比べて２倍である。
【００３８】
全ての場合において、上述した配置は単に本発明の適用を示す多くの可能な特別な実施例を例示するものであることが理解される。異なる材料の使用やマニホールド・アセンブリ部品の種々の配置を含む多くのおよび変形された配置は、本発明の精神と範囲から逸脱せずに、本発明の原理に基づいて容易に工夫することができる。例えば、上記に提供された特別の実施例において記載されていないが、高率リチウム電解質はカソード電極に加えてカソード電流コレクタの流路中に貯蔵することができる、あるいは、カソード電流コレクタ中のみでカソード電極中に貯蔵しないことができる。そのうえ、アノード電極またはアノード電流コレクタの予め選択された流路あるいは両方は、炭酸塩電解質中の炭酸リチウム濃度を高めるために、適切な追加のリチウム含有成分を含む高リチウム電解質で満たすことができる。
【図面の簡単な説明】
【００３９】
【図１】本発明の原理に従う高リチウム炭酸塩電解質を使用する燃料電池を有する燃料電池アセンブリの一部を示す断面図である。
【図２】共晶電解質を使用する図１の燃料電池および慣用の燃料電池の性能データを示す図である。
【図３】図１の燃料電池および慣用の燃料電池のカソード溶解データを示す図である。
【図４】図１の燃料電池および慣用の燃料電池の燃料電池の抵抗データを示す図である。
【図１】
2008541402.tif 000003
【図２】
2008541402.tif 000004
【図３】
2008541402.tif 000005
【図４】
2008541402.tif 000006
【手続補正書】
【提出日】平成20年3月7日(2008.3.7)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
溶融炭酸塩燃料電池で使用するための高リチウム炭酸塩電解質であって、
炭酸リチウムを含む共晶炭酸塩混合物と、
前記溶融炭酸塩燃料電池の初期加熱中および稼働中のいずれかの間に炭酸リチウムを形成するように適合された追加のリチウム含有成分とを有し、
前記共晶炭酸塩混合物は、炭酸カリウムおよび炭酸ナトリウムのうちの１つを含み、
前記追加のリチウム含有成分は、水酸化リチウム、硝酸リチウム、酢酸リチウム、およびシュウ酸リチウムのうちの少なくとも１つを含み、
前記高リチウム炭酸塩電解質は、前記溶融炭酸塩燃料電池のカソード側に貯蔵されるように適合されており、
前記追加のリチウム含有成分は、前記カソード側を流れる酸化剤ガスの少なくとも１つの成分と反応して炭酸リチウムを形成するように適合されており、
前記追加のリチウム含有成分は、２０〜３０モル％の炭酸リチウムと、７０〜８０モル％の水酸化リチウムとを含むことを特徴とする高リチウム炭酸塩電解質。
【請求項２】
前記カソード側は少なくともカソード電極を有し、前記高リチウム炭酸塩電解質は前記カソード電極中に貯蔵されるように適合されていることを特徴とする請求項１に記載の高リチウム炭酸塩電解質。
【請求項３】
アノード電極と、カソード電極と、前記アノード電極および前記カソード電極の間に配置された電解質マトリックスとを含む燃料電池と、
前記燃料電池アセンブリ中に貯蔵された炭酸塩電解質であって、前記燃料電池アセンブリの予め選択された領域の少なくとも１つに貯蔵された高リチウム電解質を含む前記炭酸塩電解質と、を含み、
前記高リチウム電解質は、
炭酸リチウムを含む共晶炭酸塩混合物と、
前記燃料電池の初期加熱中および稼働中の間の少なくともいずれか１つの間に炭酸リチウムを形成するように適合された追加のリチウム含有成分とを含み、
前記共晶炭酸塩混合物は、更に、炭酸カリウムおよび炭酸ナトリウムのうちの１つを含み、
前記高リチウム電解質の前記追加のリチウム含有成分は、水酸化リチウム、硝酸リチウム、酢酸リチウム、およびシュウ酸リチウムのうちの少なくとも１つを含み、
前記高リチウム電解質は、前記燃料電池のカソード側に貯蔵されるように適合されており、
前記高リチウム電解質の前記追加のリチウム含有成分は、前記カソード側を流れる酸化剤ガスの少なくとも１つの成分と反応して炭酸リチウムを形成するように適合されているおり、
前記炭酸塩電解質は、更に、前記燃料電池アセンブリの他の予め選択された領域中に貯蔵された共晶電解質を含み、
前記共晶電解質は、６２モル％の炭酸リチウムおよび３８モル％の炭酸カリウムの第１の共晶混合物と、５２モル％の炭酸リチウムおよび４８モル％の炭酸ナトリウムの第２の共晶混合物と、のうちの１つを含むことを特徴とする燃料電池アセンブリ。
【請求項４】
前記燃料電池アセンブリは、更に、前記カソード電極に隣接して配置されたカソード電流コレクタを含み、
前記カソード電流コレクタは、前記高リチウム電解質と前記共晶電解質とのうちの１つを貯蔵するために適合されたものであることを特徴とする請求項３に記載の燃料電池アセンブリ。
【請求項５】
前記カソード電極は、前記共晶炭酸塩混合物の第１の量と前記追加のリチウム含有成分の第２の量とを含む、前記高リチウム電解質を、予め決められた量で貯蔵し、
前記カソード電流コレクタは、前記共晶電解質の第３の量を貯蔵し、
前記第１の量、前記第２の量および前記第３の量は、前記炭酸塩電解質の予め決められた組成物を得るために制御されていることを特徴とする請求項４に記載の燃料電池アセンブリ。
【請求項６】
前記炭酸塩電解質の前記予め決められた組成物は、７０〜７２モル％の範囲の炭酸リチウムおよび２８〜３０モル％の炭酸カリウムと、６１モル％の炭酸リチウムおよび３９モル％の炭酸カリウムと、のうちの１つを含むことを特徴とする請求項５に記載の燃料電池アセンブリ。
【請求項７】
下記（１）〜（３）
（１）前記カソード電極は、２５０ｃｍ2の表面積を有し、前記カソード電極は、炭酸リチウムおよび炭酸カリウムを含む１７．８ｇの前記共晶炭酸塩混合物と、水酸化リチウムを含む３．７ｇの前記追加のリチウム含有成分と、を貯蔵し、前記カソード電流コレクタは、前記第１の共晶混合物を含む１２ｇの前記共晶電解質を貯蔵し、前記炭酸塩電解質の前記予め決められた組成物は、７０モル％の炭酸リチウムと３０モル％の炭酸カリウムである、
（２）前記カソード電極は、３ｃｍ2の表面積を有し、前記カソード電極は、炭酸リチウムおよび炭酸カリウムを含む１９５ｍｇの前記共晶炭酸塩混合物と、水酸化リチウムを含む６８ｍｇの前記追加のリチウム含有成分と、を貯蔵し、前記カソード電流コレクタは、前記第１の共晶混合物を含む２１９ｍｇの前記共晶電解質を貯蔵し、前記炭酸塩電解質の前記予め決められた組成物は、７２モル％の炭酸リチウムと２８モル％の炭酸カリウムである、
（３）前記カソード電極は、３ｃｍ2の表面積を有し、前記カソード電極は、炭酸リチウムおよび炭酸ナトリウムを含む２０７ｍｇの前記共晶炭酸塩混合物と、水酸化リチウムを含む４７ｍｇの前記追加のリチウム含有成分と、を貯蔵し、前記カソード電流コレクタは、前記第２の共晶混合物を含む２１６ｍｇの前記共晶電解質を貯蔵し、前記炭酸塩電解質の前記予め決められた組成物は、６１モル％の炭酸リチウムと３９モル％の炭酸ナトリウムである、
のうちの１つであることを特徴とする請求項６に記載の燃料電池アセンブリ。
【請求項８】
前記追加のリチウム含有成分は、更に、炭酸リチウムを含むことを特徴とする請求項４に記載の燃料電池アセンブリ。
【請求項９】
前記追加のリチウム含有成分は、２０〜３０モル％の範囲の炭酸リチウムと７０〜８０モル％の範囲の水酸化リチウムとを含むことを特徴とする請求項８に記載の燃料電池アセンブリ。
【請求項１０】
前記カソード電極は、２５０ｃｍ2の表面積を有し、前記カソード電極は、炭酸リチウムおよび炭酸カリウムを含む１７．６ｇの前記共晶炭酸塩混合物と、８０モル％の水酸化リチウムおよび２０モル％の炭酸リチウムを含む５．６ｇの前記追加のリチウム含有成分とを貯蔵し、前記カソード電流コレクタは、前記第１の共晶混合物を含む１２ｇの前記共晶電解質を貯蔵することを特徴とする請求項９に記載の燃料電池アセンブリ。
【請求項１１】
増加した炭酸リチウム濃度を有する炭酸塩電解質を備える燃料電池アセンブリの製造方法であって、
アノード電極と、カソード電極と、前記アノード電極および前記カソード電極の間に配置された電解質マトリックスとを含む燃料電池を提供する工程と、
炭酸塩電解質を提供し、前記炭酸塩電解質を前記燃料電池アセンブリ中に貯蔵する工程と、を有し、
前記炭酸塩電解質は、前記燃料電池アセンブリの予め選択された領域の少なくとも１つの中に貯蔵された請求項１，３乃至７、９および１０のいずれか１項に記載の高リチウム炭酸塩電解質を含むことを特徴とする燃料電池アセンブリの製造方法。
【請求項１２】
前記高リチウム電解質と前記共晶電解質とが所望の組成物を有する前記炭酸塩電解質を形成するために結合するように、前記燃料電池アセンブリを初期加熱する工程および稼働する工程のうちの少なくとも１つの工程を更に有することを特徴とする請求項１１に記載の燃料電池アセンブリの製造方法。
【請求項１３】
カソード側の溶融炭酸塩燃料電池コンポーネントと、
前記カソード側の溶融炭酸塩燃料電池コンポーネント中に貯蔵された請求項１に記載の高リチウム炭酸塩電解質と、
を含むことを特徴とするアセンブリ。
【請求項１４】
前記カソード側の溶融炭酸塩燃料電池コンポーネントは、カソード電極およびカソード電流コレクタのうちの１つまたはそれ以上であることを特徴とする請求項１３に記載の燃料電池アセンブリ。
【請求項１５】
溶融炭酸塩燃料電池で使用するための高リチウム炭酸塩電解質であって、
炭酸リチウムを含む共晶炭酸塩混合物と、
前記溶融炭酸塩燃料電池の初期加熱中および稼働中のいずれかの間に炭酸リチウムを形成するように適合された追加のリチウム含有成分とを有し、
前記共晶炭酸塩混合物は、炭酸カリウムおよび炭酸ナトリウムのうちの１つを含み、
前記追加のリチウム含有成分は、水酸化リチウム、硝酸リチウム、酢酸リチウム、およびシュウ酸リチウムのうちの少なくとも１つを含み、
前記高リチウム炭酸塩電解質は、前記溶融炭酸塩燃料電池のカソード側に貯蔵されるように適合されており、
前記追加のリチウム含有成分は、前記カソード側を流れる酸化剤ガスの少なくとも１つの成分と反応して炭酸リチウムを形成するように適合されており、
前記追加のリチウム含有成分は、全て水酸化リチウムを含むことを特徴とする高リチウム炭酸塩電解質。
【請求項１６】
アノード電極と、カソード電極と、前記アノード電極および前記カソード電極の間に配置された電解質マトリックスとを含む溶融炭酸塩燃料電池と、
前記溶融炭酸塩燃料電池アセンブリのカソード側に貯蔵された請求項１乃至１５のいずれか１項に記載の高リチウム炭酸塩電解質とを含むことを特徴とする燃料電池アセンブリ。