(57)【要約】【課題】  出力電圧の上昇に資することができるＭＣＦＣの電極及びこれを有するＭＣＦＣを提供する。【解決手段】  多孔質の導電体の板で形成したアノード６及びカソード４であって、アノード６びカソード４の体積に占める孔の割合である細孔率を、アノード６の細孔率よりもカソード４の細孔率が大きくなるように構成した。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
多孔質の導電体の板で形成したアノード及びカソードであって、前記アノード及び前記カソードの体積に占める孔の割合である細孔率を、前記アノードと前記カソードとで同じにするか、又は前記アノードの細孔率よりも前記カソードの細孔率が大きくなるよう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極。
【請求項２】
請求項１に記載する溶融炭酸塩形燃料電池の電極において、
酸化前の前記カソードの細孔率と前記アノードの細孔率との差が０乃至１３％であることを特徴とする溶融炭酸塩形燃料電池の電極。
【請求項３】
請求項１又は請求項２に記載する溶融炭酸塩形燃料電池の電極において、
酸化前の前記カソードの細孔率が８０％以下であることを特徴とする溶融炭酸塩形燃料電池の電極。
【請求項４】
請求項１乃至請求項３の何れか一つに記載する溶融炭酸塩形燃料電池の電極において、
前記アノード乃至カソードの細孔率は、前記カソードの細孔に含まれる炭酸塩の体積を前記細孔の体積で除した値である炭酸塩仕込み量と電極反応の際に生じる電圧降下分を表わす過電圧との関係を表わす過電圧特性において前記過電圧が極小値をとるような値としたことを特徴とする溶融炭酸塩形燃料電池の電極。
【請求項５】
請求項１乃至請求項４の何れか一つに記載する溶融炭酸塩形燃料電池の電極において、
前記アノード乃至カソードの細孔率は、前記過電圧特性において前記過電圧が極小値をとるような値よりも前記炭酸塩仕込み量が多くなるような値としたことを特徴とする溶融炭酸塩形燃料電池の電極。
【請求項６】
請求項１乃至請求項５に記載する何れか一つの電極を有することを特徴とする溶融炭酸塩形燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は溶融炭酸塩形燃料電池の電極及びこれを有する溶融炭酸塩形燃料電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
高温形燃料電池として、溶融炭酸塩形燃料電池（以下、ＭＣＦＣと称す。）が知られている。ＭＣＦＣは、例えば多孔質ニッケル板で形成した電極である燃料極（アノード）と、例えば多孔質酸化ニッケル板で形成した空気極（カソード）との間に、電解質（炭酸塩）を挟んで構成されている。そして、天然ガス等の燃料から得られた水素（Ｈ２）をアノードに供給すると共に、アノードで生成された二酸化炭素（ＣＯ２）及び空気（Ｏ２）をカソードに供給することで、Ｈ２とＯ２の電気化学反応により発電が行われる。ＭＣＦＣは高温で作動するため高効率で、同時にＣＯ２を回収分離できるため環境への影響が少ない等の特徴を有している。このため、近年は、水力、火力、原子力に続く発電システムとして注目されてきている。
【０００３】
なお、かかるＭＣＦＣを開示する公知技術として特許文献１が存在する。
【０００４】
【特許文献１】特開２００４−１７９１６６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上述の如きＭＣＦＣにおいても１セル当たり出力電圧の上昇を図り得る技術の出現が待望されている。
【０００６】
本発明は、上記従来技術に鑑み、出力電圧の上昇に資することができるＭＣＦＣの電極及びこれを有するＭＣＦＣを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明者等は、多孔質ニッケル板で形成したアノード及び多孔質酸化ニッケル板で形成したカソードの体積に占めるそれぞれの孔の割合である細孔率が、ＭＣＦＣの出力電圧特性に大きく影響することをつきとめた。すなわち、アノードの細孔率よりもカソードの細孔率が大きくなるように構成した場合により高い出力電圧が得られることが分った。これは、次のように考えられる。アノード、カソード及び電解質板にそれぞれ分散して保持されている溶融炭酸塩は、電解質板に最も多く保持されており、次にカソード、アノードの順で保持される傾向にある。これは、各部材と炭酸塩との濡れ性に起因する毛細管現象に基づくものである。すなわち、アノードとカソードにおける溶融炭酸塩の引張り合いにより溶融炭酸塩の保持量が決定されているからであると考えられる。そこで、アノードとカソードの細孔率のバランスを最適化してやることによりＭＣＦＣの出力電圧の向上を図ることに思い至った。
【０００８】
図１はガス組成及びガス温度に基づきネルンスト式で決まる出力電圧の理論値（本例の場合、１０６０ｍＶ）と実際に外部に取出し得た出力電圧との差である電圧降下分の原因を分析評価したもので、図１（ａ）がアノードの細孔率が６２％で、且つアノードの細孔率＞カソードの細孔率（従来技術）の場合、図１（ｂ）が図１（ａ）の場合よりもアノードの細孔率を５５％迄緻密化し、この結果アノードの細孔率＝カソードの細孔率とした場合、図１（ｃ）が図１（ｂ）の場合よりもさらにカソードの細孔率を６１％迄粗孔化し、この結果アノードの細孔率＜カソードの細孔率とした場合である。なお、図１（ｂ）の場合のカソードの細孔率は図１（ａ）の場合と同じになるように形成した（ただし、若干のバラツキは発生する）。また、図１（ｃ）の場合のアノードの細孔率は図１（ｂ）の場合と同じになるように形成した（ただし、若干のバラツキは発生する）。
【０００９】
図１を参照すれば（ａ）から（ｃ）に向かってカソード０２反応ロス及び内抵抗が大きく改善され、従来技術を示す（ａ）で８１７ｍＶであった出力電圧が、（ｂ）で８４７ｍＶ迄上昇し、さらに（ｃ）では８６０ｍＶ迄上昇していることが分る。
【００１０】
さらに、アノード細孔率とカソード細孔率との組み合わせを種々変化させて、各試料の１セル当たりの出力電圧を測定したものが表１である。
【００１１】
【表１】
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【００１２】
表１中の試料１が図１（ａ）、試料５が図１（ｂ）、試料７が図１（ｃ）の特性を与えるアノード及びカソードの組み合わせである。ここで、表１中酸化時とは、カソードが酸化された後の細孔率を意味している。例えば多孔質ニッケル板を焼成して形成したカソードは、これを実際の電極に用いた場合には酸化されて例えば多孔質酸化ニッケル板となるが、焼成直後で電極として使用する前のカソードの細孔率は、その電極として使用した後のカソードの細孔率よりも大きい。これは、カソードがその酸化後には素材の膨張により孔が収縮するからである。したがって、ＭＣＦＣとしては酸化後のカソード細孔率を基準にその出力電圧との関連を評価している。
【００１３】
また、表１の結果に基づきアノード細孔率とカソード細孔率（酸化時）との差に対する出力電圧特性を図２に示す。同図を参照すれば、アノード細孔率とカソード細孔率（酸化時）との差に対する出力電圧特性は前記差がマイナスの値として大きくなればなるほど上昇する傾向にあることが分った。特に、アノード細孔率＜カソード細孔率の関係が成立し、両者の差の絶対値が大きい場合ほど高い出力電圧が得られている。
【００１４】
図１及び図２の実験結果は、アノード側に炭酸塩がより多くの残るような電極構成とすることによりＭＣＦＣの出力電圧を上昇させることができることを表わしている。
【００１５】
かかる知見に基づく本発明の第１の態様は、
多孔質の導電体の板で形成したアノード及びカソードであって、前記アノード及び前記カソードの体積に占める孔の割合である細孔率を、前記アノードと前記カソードとで同じにするか、又は前記アノードの細孔率よりも前記カソードの細孔率が大きくなるよう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極にある。
【００１６】
本発明の第２の態様は、
第１の態様に記載するＭＣＦＣの電極において、
酸化前の前記カソードの細孔率と前記アノードの細孔率との差が０乃至１３％であることを特徴とする溶融炭酸塩形燃料電池の電極にある。
【００１７】
本発明の第３の態様は、
第１又は第２の態様に記載するＭＣＦＣの電極において、
酸化前の前記カソードの細孔率が８０％以下であることを特徴とする溶融炭酸塩形燃料電池の電極にある。
【００１８】
本発明の第４の態様は、
第１乃至第３の態様の何れか一つに記載するＭＣＦＣの電極において、
前記アノード乃至カソードの細孔率は、前記カソードの細孔に含まれる炭酸塩の体積を前記細孔の体積で除した値である炭酸塩仕込み量と電極反応の際に生じる電圧降下分を表わす過電圧との関係を表わす過電圧特性において前記過電圧が極小値をとるような値としたことを特徴とする溶融炭酸塩形燃料電池の電極にある。
【００１９】
本発明の第５の態様は、
第１乃至第４の態様の何れか一つに記載するＭＣＦＣの電極において、
前記アノード乃至カソードの細孔率は、前記過電圧特性において前記過電圧が極小値をとるような値よりも前記炭酸塩仕込み量が多くなるような値としたことを特徴とする溶融炭酸塩形燃料電池の電極にある。
【００２０】
本発明の第６の態様は、
第１乃至第５の態様に記載する何れか一つの電極を有することを特徴とするＭＣＦＣにある。
【発明の効果】
【００２１】
本発明によれば、アノード側により多くの炭酸塩が残るような構成としてＭＣＦＣとしての出力電圧を上昇させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２２】
以下本発明の実施の形態を図面に基づき詳細に説明する。
【００２３】
図３は本発明の実施の形態に係るＭＣＦＣを示す分解斜視図である。同図に示すように、本形態に係るＭＣＦＣは、カソードガスホルダ１、流路板２、ＳＵＳメッシュ板３、カソード４、電解質板５、アノード６、流路板７及びアノードガスホルダ８を有している。ここで、カソードガスホルダ１には空気（Ｏ２）と二酸化炭素（ＣＯ２）が供給される。また、アノードガスホルダ８には燃料としての水素（Ｈ２）と一酸化炭素（ＣＯ）とが供給される。カソード４は多孔質の導電体の板である酸化ニッケル板で形成されており、ＳＵＳメッシュ３板及び流路板２を介してカソードガスホルダ１内に収納してある。ここで、ＳＵＳメッシュ３は脆い酸化ニッケル板であるカソード４の機械的な補強を行うとともに、カソード４に作用する面圧分布を均一化するためのものである。また、アノード６は多孔質の導電体の板であるニッケル板で形成されており、流路板７を介してアノードガスホルダ８内に収納してある。電解質板５は炭酸塩を浸漬させたセラミック多孔質板で形成してあり、アノード６とカソード４との間に挟持してある。
【００２４】
かかるＭＣＦＣにおけるカソード側では、カソードガスホルダ１を介して供給された空気（Ｏ２）と二酸化炭素（ＣＯ２）が流路板２及びＳＵＳメッシュ板３を介してカソード４に接触する。この結果、カソード４では外部回路から供給された電子と反応して炭酸イオンが生成され、この炭酸イオンが電解質板５を移動してアノード側に至る。
【００２５】
一方、アノード側では、アノードガスホルダ８を介して供給された燃料としての水素（Ｈ２）と一酸化炭素（ＣＯ）とが流路板７を介してアノード６に接触する。この結果、アノード６では電解質板５を移動してきた電子と水素が反応して二酸化炭素、水及び電子を生成する。かくして生成された電子が外部回路を介してカソード側へ移動して同様の反応が繰り返されることにより外部回路には連続的に電流を流すことができる。
【００２６】
ここで、本形態に係るカソード４とアノード６との細孔率の関係は次の様に調整してある。なお、細孔率とはカソード４及びアノード６の体積に占める孔の割合（％）である。本形態では、前記細孔率を、アノード６とカソード４とで同じにするか、又はアノード６の細孔率よりもカソード４の細孔率が大きくなるように構成してある。
【００２７】
また、本形態に係るアノード６及びカソード４にはプレ含浸法により予め炭酸塩を仕込んである。ここで、アノード６及びカソード４に含浸させる炭酸塩は、ガスの透過性を考慮してアノード６及びカソード４の各細孔体積の７５％に含浸し、残りの必要な炭酸塩はカソード側の流路に仕込んである。具体的には、溶剤（例えば、エタノール乃至水）に溶かし込んだ炭酸塩をカソード側の流路板２に塗布することにより構成している。
【００２８】
かかる本形態によればアノード側により多くの炭酸塩が残るような構造となって、大きな出力電圧を得ることができる。
【００２９】
さらに、具体的には、表１に試料５，６，７として示すアノード６及びカソード４を有するＭＣＦＣは、すべて上記実施の形態の条件を満たしており、従来技術である試料１に比べ何れも高い出力電圧を得ている。したがって、次の３つを本発明の実施例として挙げることができる。
【００３０】
＜実施例１＞
アノード６の細孔率が５５％で、且つカソード４の細孔率が５５％の場合である。本実施例によれば８４７ｍＶの出力電圧が得られる。
【００３１】
＜実施例２＞
アノード６の細孔率が５７％で、且つカソード４の細孔率が５９％の場合である。本実施例によれば８４２ｍＶの出力電圧が得られる。
【００３２】
＜実施例３＞
アノード６の細孔率が５８％で、且つカソード４の細孔率が６１％の場合である。本実施例によれば８６０ｍＶの出力電圧が得られる。
【００３３】
なお、本発明においては、基本的にはアノード６の細孔率とカソード４の細孔率とが同じか、又はアノード６の細孔率よりもカソード４の細孔率が大きくなっていれば良いが、カソード４の細孔率はその機械的強度により制限される。カソード４の形成部材である酸化ニッケルが酸化により脆くなることとも相俟って細孔率があまりに大きくなると電極として必要な機械的強度を維持し得ないからである。したがって、カソード４の細孔率は酸化前のニッケル板の状態で８０％（酸化後では６８％）程度が上限であると考えられる。そこで、表１及び図２の結果に基づけばカソード４の細孔率とアノード６の細孔率との差が０乃至１３％であることが好ましい。
【００３４】
図４はアノード乃至カソードの細孔に含まれる炭酸塩仕込み量と電極反応の際に生じる電圧降下分を表わす過電圧との関係を表わす過電圧特性を示す特性図である。同図に示すように、過電圧特性は、アノード６乃至カソード４における炭酸塩の仕込み量に対し極小値Ａを持つことが知られている。そして、過電圧が極小の場合がＭＣＦＣの出力電圧も最大になると考えられる。そこで、アノード６及びカソード４の細孔率との関係とともに過電圧が極小値Ａを持つように炭酸塩の仕込み量を調整することで、さらに容易に高出力電圧を得ることができる。ここで、アノード６及びカソード４に仕込んだ炭酸塩は、ＭＣＦＣとして発電を継続すると蒸発等によりその量が減少する。したがって、最初は極小値Ａを与える仕込み量よりも若干多い仕込み量としておくのが最適である。このように最適値ＢとすることによりＭＣＦＣの使用とともに炭酸塩の量が減少して極小値Ａに向かう特性とすることにより使用により過電圧を低減することができるという効果を得る。
【産業上の利用可能性】
【００３５】
本発明は電力設備の製造、販売、運用を行う産業界において有効に利用し得る。
【図面の簡単な説明】
【００３６】
【図１】ネルンスト式で決まる出力電圧の理論値と実際に外部に取出し得た出力電圧との差である電圧降下分の原因を分析評価した結果を示すグラフである。
【図２】アノード細孔率とカソード細孔率との差に対する出力電圧特性を示す特性図である。
【図３】本発明の実施の形態に係るＭＣＦＣを示す分解斜視図である。
【図４】アノード乃至カソードの細孔に含まれる炭酸塩仕込み量と電極反応の際に生じる電圧降下分を表わす過電圧との関係を表わす過電圧特性を示す特性図である。
【符号の説明】
【００３７】
１        カソードガスホルダ
２        流路板
３        ＳＵＳメッシュ板
４        カソード
５        電解質板
６        アノード  
７        流路板
８        アノードガスホルダ
【図２】
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【図４】
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【図１】
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【図３】
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