JP2003257450A - Fuel cell - Google Patents
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- Y02E60/50—Fuel cells
Abstract
Description
【０００１】[0001]
【発明の属する技術分野】本発明は、燃料電池、すなわ
ち活物質を外部から連続的に供給してやることで電力を
発生するよう構成された電気化学的発電装置に関するも
のである。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a fuel cell, that is, an electrochemical power generation device configured to generate electric power by continuously supplying an active material from the outside.
【０００２】[0002]
【発明が解決しようとする課題】燃料電池は、大別し
て、アルカリ型燃料電池（ＡＦＣ）、リン酸型燃料電池
（ＰＡＦＣ）、溶融炭酸塩型燃料電池（ＭＣＦＣ）、固
体高分子型燃料電池（ＰＥＦＣ）、および固体酸化物型
燃料電池（ＳＯＦＣ）の五つに分類される。このうち最
後のものは、特に発電効率に優れるなどの理由から大き
な注目を浴びており、本格的な実用化に向けての研究が
鋭意推し進められている。Fuel cells are roughly classified into alkaline fuel cells (AFC), phosphoric acid fuel cells (PAFC), molten carbonate fuel cells (MCFC), and polymer electrolyte fuel cells ( PEFC), and solid oxide fuel cell (SOFC). Of these, the last one has received a great deal of attention, especially because of its excellent power generation efficiency, and research is being earnestly pursued for its practical application.
【０００３】さて、この固体酸化物型燃料電池は、概し
て言うと、固体酸化物である安定化ジルコニアなどの特
殊なセラミックスからなる電解質層を、左右から二つの
電極で挟んだ構造となっている。この二つの電極の一
方、すなわち燃料極に燃料である水素を、また、他方の
電極すなわち酸素極に酸化剤である酸素を供給してやる
と、電極が有する触媒作用によって酸素がイオン化さ
れ、この酸素イオンは、電解質層を透過して燃料極に至
る。そして更に、酸素イオンはそこで水素イオンと出会
って反応し水が生じる。この際、電子が燃料極から酸素
極に移動するので電流が生じる。これが、固体酸化物型
燃料電池が電力を発生させる仕組みである。Generally speaking, this solid oxide fuel cell has a structure in which an electrolyte layer made of special ceramics such as stabilized zirconia, which is a solid oxide, is sandwiched between two electrodes from the left and right. . When hydrogen, which is the fuel, is supplied to one of the two electrodes, that is, the fuel electrode, and oxygen, which is the oxidant, is supplied to the other electrode, that is, the oxygen electrode, oxygen is ionized by the catalytic action of the electrodes, and this oxygen ion Permeate the electrolyte layer and reach the fuel electrode. And then, the oxygen ions meet there with the hydrogen ions and react to produce water. At this time, since electrons move from the fuel electrode to the oxygen electrode, a current is generated. This is the mechanism by which the solid oxide fuel cell generates electric power.
【０００４】しかしながら、こうした固体酸化物型燃料
電池（以下、単に燃料電池とも言う）には、次のような
問題点があった。すなわち従来型の燃料電池は、作動温
度が約９００〜１０００℃と非常に高く、したがって始
動可能となるまでには、つまり電解質層を所要の温度ま
で昇温させるのには、かなりの時間が必要となる。ゆえ
に、始動性が著しく悪い。また、当然のことながら発電
中も常に電解質層をこの温度に保たねばならないので、
膨大なエネルギーを浪費する。更に、高温に耐えられる
ような耐熱構造を採用しなければならないので、全体と
して非常に大掛かりなものとなる。However, such a solid oxide fuel cell (hereinafter, simply referred to as a fuel cell) has the following problems. That is, the conventional fuel cell has a very high operating temperature of about 900 to 1000 ° C. Therefore, it takes a considerable time before it can be started, that is, to raise the temperature of the electrolyte layer to a required temperature. Becomes Therefore, startability is extremely poor. Also, as a matter of course, since the electrolyte layer must be kept at this temperature during power generation,
Waste a huge amount of energy. Furthermore, since a heat-resistant structure that can withstand high temperatures must be adopted, the overall size is very large.
【０００５】したがって、本発明が解決しようとする課
題は、これまでのものよりも低温で作動可能な、固体酸
化物型の燃料電池を提供することである。Therefore, the problem to be solved by the present invention is to provide a solid oxide fuel cell which can be operated at a lower temperature than ever before.
【０００６】[0006]
【課題を解決するための手段】上記の課題を解決するた
めには、電解質層として、これまでとは異なる材料から
構成されたものが不可欠であると、本発明者は考えた。
そして更に本発明者は、酸素イオンではなく、水素イオ
ンが電解質層を透過するように構成することが必須であ
るとの結論に到達した。In order to solve the above-mentioned problems, the present inventor has considered that an electrolyte layer composed of a material different from the conventional one is indispensable.
Further, the present inventor has reached the conclusion that it is essential that hydrogen ions, rather than oxygen ions, permeate the electrolyte layer.
【０００７】ところで、固体酸化物型の燃料電池におけ
る電解質層としては、ベータアルミナと呼ばれる特殊な
セラミック製のものが知られており、これを用いた場合
には、電解質層内を酸素イオンではなく、陽イオン、た
とえば水素イオンが透過するようになる。そのうえ、作
動温度は安定化ジルコニアを用いた場合よりも、かなり
低い値となる。このベータアルミナは、一般に、酸化ア
ルミニウムと酸化ナトリウムとが化学結合した物質であ
って、その具体的な化学式は、たとえば３Ｎａ ２Ｏ−１
６Ａｌ２Ｏ３やＮａ２Ｏ−１１Ａｌ２Ｏ３などである。
ゆえに、普通は、ナトリウム−ベータアルミナと呼ばれ
ている。In the solid oxide fuel cell,
As the electrolyte layer, a special type called beta-alumina is used.
Ceramics are known, and when using this
The inside of the electrolyte layer contains cations, not oxygen ions.
For example, hydrogen ions will permeate. Besides, the product
Kinetic temperature is much better than with stabilized zirconia
It will be a low value. This beta-alumina is generally
It is a substance that chemically combines luminium and sodium oxide.
The specific chemical formula is, for example, 3Na TwoO-1
6 AlTwoOThreeAnd NaTwoO-11AlTwoOThreeAnd so on.
Therefore, it is commonly called sodium-beta alumina.
ing.
【０００８】だが、このナトリウム−ベータアルミナか
らなる電解質層を用いて構成された燃料電池にも、やは
り不具合がある。すなわち、本構造が採用された燃料電
池は、応答性に乏しい。これは、水素イオンがベータア
ルミナ製の電解質層内を移動する速度が非常に遅いた
め、言い換えれば、水素イオンが電解質層を透過するの
に、かなりの時間を要するためである。それゆえ、出力
を急に増大させようとしても、酸素極への水素イオンの
供給が追いつかないことがあり、十分な応答性が発揮さ
れない。However, the fuel cell constructed by using the electrolyte layer of sodium-beta-alumina also has a problem. That is, the fuel cell employing this structure has poor responsiveness. This is because the hydrogen ions move very slowly in the electrolyte layer made of beta-alumina, in other words, it takes a considerable time for the hydrogen ions to permeate the electrolyte layer. Therefore, even if the output is suddenly increased, the supply of hydrogen ions to the oxygen electrode may not catch up, and sufficient responsiveness cannot be exhibited.
【０００９】本発明者は、こうした実情に鑑みて更に研
究を推し進め、その結果、電解質層として、パラジウム
−ベータアルミナから構成されたものを用い、更に水素
を水とともに燃料極に供給してやればよいことを突き止
めた。このように構成すれば、水素イオンは、高い水素
吸蔵能力を備えたパラジウムに一時的に蓄えられ、電解
質層内部は、燃料極に近い部分ほど、水素イオン濃度の
非常に高い状態が常に維持されることになる。しかしそ
の一方で、酸素極近傍は水素イオン濃度が極めて低い状
態となり、この結果、電解質層内部には非常に大きな水
素イオン濃度の高低差（濃淡差）が生じることになる。The present inventor further advances the research in view of such circumstances, and as a result, it suffices to use the one composed of palladium-beta alumina as the electrolyte layer and further supply hydrogen together with water to the fuel electrode. I found out. According to this structure, hydrogen ions are temporarily stored in palladium having a high hydrogen storage capacity, and the inside of the electrolyte layer is always maintained at a very high hydrogen ion concentration in the portion closer to the fuel electrode. Will be. On the other hand, however, the hydrogen ion concentration is extremely low in the vicinity of the oxygen electrode, and as a result, a very large difference in the hydrogen ion concentration (difference in density) occurs inside the electrolyte layer.
【００１０】本構造が採用された燃料電池では、この濃
淡差が原動力となり、水素イオンの急速な移動が可能と
なる。特に、出力を急に増大させようとした場合でも、
それに即応して、必要なだけの水素イオンを酸素極側に
急速供給できる。つまり、酸素極への水素イオンの供給
が追いつかないといった好ましくない状況が生じること
はなく、優れた応答性を発揮する。In the fuel cell adopting this structure, this difference in light and shade serves as a driving force, and hydrogen ions can move rapidly. Especially when you try to increase the output suddenly,
Immediately responding to this, required hydrogen ions can be rapidly supplied to the oxygen electrode side. In other words, excellent response is exhibited without causing an unfavorable situation in which the supply of hydrogen ions to the oxygen electrode cannot catch up.
【００１１】そして、これとともに本構造の燃料電池で
は、パラジウム−ベータアルミナから構成された電解質
層が、これまでのものに比べて非常に低い温度、たとえ
ば３００〜４００℃程度で、水素イオン（実際にはＨ３
Ｏ＋）を透過させる。したがって、始動可能となるまで
に、つまり電解質層を所要の温度まで昇温させるのに要
する時間が著しく短縮され、始動性が大幅に向上する。
また、言うまでもなく、発電中も電解質層を高温に保つ
必要はないので、電解質層の保温に要するエネルギーは
僅かである。そして更に、高温に耐えるための耐熱機能
が不要なので、全体の構造を極めて簡素なものとするこ
とができる。このように本発明に係る固体酸化物型燃料
電池は、これまでのものよりも低温で作動可能であり、
さまざまな優れた効果を奏する。Along with this, in the fuel cell of this structure, the electrolyte layer composed of palladium-beta-alumina has a hydrogen ion (actually 300 to 400 ° C.) temperature much lower than the conventional ones. H 3
O + ) is transmitted. Therefore, the time required to start the fuel cell, that is, the time required to raise the temperature of the electrolyte layer to the required temperature is significantly shortened, and the startability is significantly improved.
Needless to say, since it is not necessary to keep the temperature of the electrolyte layer high during power generation, the energy required to keep the temperature of the electrolyte layer small. Furthermore, since the heat resistance function for withstanding high temperatures is not required, the entire structure can be made extremely simple. Thus, the solid oxide fuel cell according to the present invention can operate at a lower temperature than the conventional ones,
Has various excellent effects.
【００１２】なお、本構造を採用した場合、電解質層の
内部は常に水分子で飽和した状態となっており、言い換
えれば、電解質層は常時湿った状態となっている。この
ため水素イオンは、電解質層内を水分子と結合した形
で、すなわちＨ３Ｏ＋となって透過する。その後、この
Ｈ３Ｏ＋は、酸素極側で再び水素イオンと水分子とに分
離し、このうち前者が酸素と結合して水になる。そし
て、この過程で燃料極から酸素極に向かう電子の流れが
生じる。つまり、燃料電池が電力を創出する。When this structure is adopted, the inside of the electrolyte layer is always saturated with water molecules, in other words, the electrolyte layer is always wet. Therefore, hydrogen ions permeate in the electrolyte layer in the form of being bound with water molecules, that is, as H 3 O + . Thereafter, this H 3 O + is again separated into hydrogen ions and water molecules on the oxygen electrode side, and of these, the former combines with oxygen to become water. Then, in this process, a flow of electrons from the fuel electrode to the oxygen electrode occurs. That is, the fuel cell produces electric power.
【００１３】本発明は、こうした知見に基づいてなされ
たものであって、上記の課題は、電解質層と、この電解
質層の一面側に設けられた第１の電極と、この第１の電
極との間に、酸素を充填するための空隙が形成されるよ
う、前記第１の電極を挟んで、前記電解質層と対向する
よう設けられた第１の支持体と、前記電解質層の他面側
に設けられた、水素をイオン化する機能を備える第２の
電極と、この第２の電極との間に、水および水素を充填
するための空隙が形成されるよう、前記第２の電極を挟
んで、前記電解質層と対向するよう設けられた第２の支
持体とを具備し、更に前記電解質層は、パラジウム−ベ
ータアルミナから構成されたものであることを特徴とす
る燃料電池によって解決される。The present invention has been made on the basis of these findings, and the above-mentioned problems are solved by the following problems: an electrolyte layer, a first electrode provided on one side of the electrolyte layer, and a first electrode. A first support provided so as to face the electrolyte layer with the first electrode interposed therebetween so that a space for filling oxygen is formed between the first support and the other surface side of the electrolyte layer. The second electrode sandwiched between the second electrode having a function of ionizing hydrogen and the second electrode so as to form a space for filling water and hydrogen. And a second support provided so as to face the electrolyte layer, and the electrolyte layer is composed of palladium-beta-alumina. .
【００１４】なお、本発明に係る燃料電池を構成する電
解質層としては、特に、ナトリウム−ベータアルミナの
成分であるナトリウムを、電気分解法によってパラジウ
ムに強制置換することで得たものを用いることができ
る。また、作動効率、殊に応答性を更に向上させるた
め、本発明に係る燃料電池では、水素イオン濃度の高低
差すなわち濃淡差を増大させるよう機能する、パラジウ
ムからなる金属膜が、電解質層と第１の電極（酸素極）
との間に介在させられてなることが好ましい。水素イオ
ンは、このパラジウムからなる金属膜内を瞬時に透過す
るため、燃料電池の作動中、電解質層において同金属膜
に接した部分は、常時、水素イオン濃度が極度に低い状
態に保たれる。この結果、それを介在させていない場合
よりも更に大きな濃淡差が生じることになる。As the electrolyte layer constituting the fuel cell according to the present invention, it is particularly preferable to use one obtained by forcibly substituting palladium, which is a component of sodium-beta alumina, with palladium by an electrolysis method. it can. Further, in order to further improve the operation efficiency, particularly the responsiveness, in the fuel cell according to the present invention, the metal film made of palladium, which functions to increase the difference in the concentration of hydrogen ions, that is, the difference in density, is composed of the electrolyte layer and 1 electrode (oxygen electrode)
It is preferable to be interposed between and. Since hydrogen ions permeate the metal membrane made of palladium instantly, the portion of the electrolyte layer in contact with the metal membrane is always kept at an extremely low hydrogen ion concentration during operation of the fuel cell. . As a result, a larger difference in gray level will occur than in the case where it is not interposed.
【００１５】更に本発明の燃料電池においては、第１の
支持体および／または第２の支持体は、電圧が印加され
ることによって発熱し、かつ、温度の上昇に伴って電気
抵抗が増大する特性（正特性）を備えたセラミックス、
たとえばＢａＴｉＯ３、ＺｒＯ２、ＳｉＣ、ＭｏＳ
ｉ２、ＬａＣｒＯ３などから構成されたものであること
が好ましい。こうした材料を用いることで、第１の支持
体および／または第２の支持体に、ヒーターとしての役
割を負わせることができ、これによって急速昇温システ
ムができ上がる。すなわち燃料電池は、それ自身の内部
に急速昇温システムを具備したものとなる。この結果、
装置構造の更なる簡素化やコンパクト化が実現するだけ
でなく、装置が作動可能となる温度に達するまでの時間
を短縮できる。加えて、本発明に係る燃料電池は、水
が、水蒸気の状態で、第２の支持体と第２の電極との間
の空隙に充填されるよう構成されてなることが好まし
い。Further, in the fuel cell of the present invention, the first support and / or the second support generate heat when a voltage is applied, and the electrical resistance increases with an increase in temperature. Ceramics with characteristics (positive characteristics),
For example, BaTiO 3 , ZrO 2 , SiC, MoS
It is preferably composed of i 2 , LaCrO 3, and the like. By using such a material, the first support body and / or the second support body can be made to play a role of a heater, and thereby a rapid heating system is completed. That is, the fuel cell is equipped with a rapid temperature raising system inside itself. As a result,
Not only can the structure of the device be further simplified and downsized, but the time required to reach the temperature at which the device can be operated can be shortened. In addition, it is preferable that the fuel cell according to the present invention is configured such that water, in the state of water vapor, is filled in the space between the second support and the second electrode.
【００１６】[0016]
【発明の実施の形態】以下、図１を用いて、本発明の一
実施形態を具体的に説明する。なお、同図は本実施形態
に係る燃料電池の構造を示す概略断面図である。BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION An embodiment of the present invention will be specifically described below with reference to FIG. The figure is a schematic sectional view showing the structure of the fuel cell according to the present embodiment.
【００１７】本実施形態に係る燃料電池（以下、本燃料
電池と言う）は、たとえば、化石燃料を燃焼させて動力
を得る旧来の内燃機関に替わって、車両の動力源として
用いられるものである。すなわち、本燃料電池（正確に
はその集合体である燃料電池スタック）によって得られ
た電気エネルギーは、コントローラーなどを経由して、
車輪駆動用のモーターに供給されることになる。なお、
当然のことながら、本燃料電池の使途は、こうした用例
に限定されるものではない。The fuel cell according to the present embodiment (hereinafter referred to as the present fuel cell) is used as a power source for a vehicle in place of, for example, a conventional internal combustion engine that burns fossil fuel to obtain power. . That is, the electric energy obtained by the present fuel cell (more precisely, the fuel cell stack which is an assembly thereof) is passed through a controller or the like,
It will be supplied to the motor for driving the wheels. In addition,
Naturally, the use of the fuel cell is not limited to such an application.
【００１８】本燃料電池は、活物質である水素および酸
素を、外部から連続的に供給することで電力を発生させ
るよう組み立てられた電気化学的発電装置である。本燃
料電池に供給される水素としては、メタノールやガソリ
ン、ＬＮＧ（液化天然ガス）、ＬＰＧ（液化石油ガス）
などの炭化水素系燃料を改質して得たものが挙げられ
る。但し、コストや扱いやすさ、安全性などの点を特に
問わない場合には、液化状態あるいは圧搾状態で容器に
充填された純粋な水素を使用してもよい。また、もう一
方の活物質である酸素は、空気中のものを利用する。し
たがって正確に言うと、本燃料電池には、燃料である水
素とともに空気が供給され、空気の成分である酸素が水
素と化学反応することになる。但し、酸素についても、
必要とあれば容器に充填された純粋なものを使用しても
よい。The present fuel cell is an electrochemical power generation device that is assembled so as to generate electric power by continuously supplying hydrogen and oxygen, which are active materials, from the outside. Hydrogen supplied to the fuel cell includes methanol, gasoline, LNG (liquefied natural gas), LPG (liquefied petroleum gas).
Those obtained by reforming hydrocarbon fuels such as However, pure hydrogen charged in a container in a liquefied state or a squeezed state may be used if cost, easiness of handling, safety, etc. are not particularly required. Also, as the other active material, oxygen in air is used. Therefore, to be precise, air is supplied to the fuel cell together with hydrogen as a fuel, and oxygen as a component of air chemically reacts with hydrogen. However, for oxygen,
If necessary, a pure product filled in a container may be used.
【００１９】さて本燃料電池は、主要構成要素として電
解質層１、この電解質層１の一面側に設けられた第１の
電極２、同じくこの電解質層１の他面側に設けられた第
２の電極３を有する。特に、電解質層１と第１の電極２
との間には、パラジウムからなる金属膜４が介在させら
れている。In the present fuel cell, an electrolyte layer 1, a first electrode 2 provided on one surface side of the electrolyte layer 1, and a second electrode provided on the other surface side of the electrolyte layer 1 are the main components. It has an electrode 3. In particular, the electrolyte layer 1 and the first electrode 2
A metal film 4 made of palladium is interposed between and.
【００２０】更に本燃料電池は、第１の支持体５および
第２の支持体６を具備する。このうち第１の支持体５に
ついては、上記第１の電極２との間に、酸素を充填する
ための空隙５ａが形成されるよう、第１の電極２を挟ん
で、電解質層１と対向するよう設けられている。一方、
第２の支持体６については、上記第２の電極３との間
に、水および水素を充填するための空隙６ａが形成され
るよう、第２の電極３を挟んで、電解質層１と対向する
よう設けられている。The fuel cell further comprises a first support 5 and a second support 6. Of these, the first support 5 is opposed to the electrolyte layer 1 with the first electrode 2 interposed therebetween so that a void 5a for filling oxygen is formed between the first support 5 and the first support 2. It is provided to do. on the other hand,
The second support 6 faces the electrolyte layer 1 with the second electrode 3 interposed therebetween so that a space 6a for filling water and hydrogen is formed between the second support 6 and the second electrode 3. It is provided to do.
【００２１】これら第１の支持体５および第２の支持体
６は、ともに正特性セラミックス、具体的にはチタン酸
バリウムなどから構成されたものである（むろん、いず
れか一方のみを正特性セラミックスから構成してもよ
い）。こうした材料からでき上がっている第１の支持体
５および第２の支持体６は、それぞれ給電回路Ｃ１およ
び給電回路Ｃ２によって電圧が印加されることで発熱
し、かつ、温度の上昇に伴って電気抵抗が増大する。ゆ
えに、第１の支持体５および第２の支持体６の温度、し
たがって本燃料電池全体の温度は、ある範囲内でほぼ一
定に保たれる。本実施形態では、第１の支持体５および
第２の支持体６にヒーターとしての役割をも負わせてい
るので、それらを正特性セラミックスから構成した。し
かしながら、言うまでもなく第１の支持体５および第２
の支持体６は、いかなる材料（絶縁材料）から構成され
ていてもよい。Both the first support 5 and the second support 6 are made of positive-characteristic ceramics, specifically barium titanate or the like (of course, only one of them is positive-characteristic ceramics). May consist of). The first support body 5 and the second support body 6 made of such a material generate heat when voltage is applied by the power supply circuit C 1 and the power supply circuit C 2 , respectively, and as the temperature rises. Electric resistance increases. Therefore, the temperatures of the first support 5 and the second support 6, and thus the temperature of the entire fuel cell, are kept substantially constant within a certain range. In the present embodiment, since the first support 5 and the second support 6 also play a role as heaters, they are made of positive characteristic ceramics. However, it goes without saying that the first support 5 and the second support 5
The support 6 may be made of any material (insulating material).
【００２２】さて、電解質層１は、水素イオンを図中、
左から右へと透過させる役割を果たすが、ここではこの
電解質層１として、パラジウム−ベータアルミナから構
成されたものを用いている。更に詳しく言うと、本実施
形態では、この電解質層１として、ごく一般的なナトリ
ウム−ベータアルミナの成分であるナトリウムを、電気
分解法によってパラジウムに強制置換することで得たも
のを用いている。In the electrolyte layer 1, hydrogen ions are shown in the figure.
Although it plays a role of permeating from the left to the right, here, the electrolyte layer 1 is made of palladium-beta alumina. More specifically, in this embodiment, the electrolyte layer 1 is obtained by forcibly substituting palladium, which is a common component of sodium-beta alumina, with palladium by an electrolysis method.
【００２３】次に、第１の電極２は、上述したように電
解質層１と第１の支持体５との間に介在させられている
が、更にそれには、化学反応により生じた電気エネルギ
ーを取り出すためのリード線Ｌ１が接続されている。つ
まり、第１の電極２は負極として機能する。なお、本実
施形態では、この第１の電極２を、白金を主要な成分と
する多孔質材料から構成している。また、第２の電極３
についても、白金を主要な成分とする多孔質材料から構
成し、その内部を水素および水が自由に透過できるよう
にしている。そして、白金を主成分とすることからもわ
かるように、第２の電極３は水素をイオン化する触媒機
能を備える。更に第２の電極３には、化学反応により生
じた電気エネルギーを取り出すためのリード線Ｌ２が接
続される。つまり、第２の電極３は正極として機能す
る。Next, the first electrode 2 is interposed between the electrolyte layer 1 and the first support 5 as described above, and further, it is provided with electric energy generated by a chemical reaction. The lead wire L 1 for taking out is connected. That is, the first electrode 2 functions as a negative electrode. In the present embodiment, the first electrode 2 is made of a porous material containing platinum as a main component. Also, the second electrode 3
As for the above, a porous material containing platinum as a main component is used so that hydrogen and water can freely permeate the inside thereof. Then, as can be seen from the fact that platinum is the main component, the second electrode 3 has a catalytic function for ionizing hydrogen. Further, the second electrode 3 is connected with a lead wire L 2 for taking out electric energy generated by a chemical reaction. That is, the second electrode 3 functions as a positive electrode.
【００２４】加えて、本実施形態では、水が、水蒸気の
状態で、第２の支持体６と第２の電極３との間の空隙６
ａに充填されるよう構成している。すなわち、本燃料電
池には、図示していない加熱蒸散装置が接続されてお
り、それを経由させることで、水を予め気化させて、す
なわち水蒸気の状態として供給できるようにしている。In addition, in the present embodiment, the water is in the state of water vapor, and the space 6 between the second support 6 and the second electrode 3 is formed.
It is configured to be filled in a. That is, a heating evaporation device (not shown) is connected to the present fuel cell, and water is vaporized in advance, that is, can be supplied in the state of water vapor by passing through the device.
【００２５】なお、実際には、多数の燃料電池（セル）
が積重されるので、第１の支持体５は、図中、一点鎖線
にて示す他の燃料電池が備える支持体（第２の支持体）
６’と接した状態となる。一方、第２の支持体６も、図
中、一点鎖線にて示す他の燃料電池が備える支持体（第
１の支持体）５’に接した状態となる。In fact, many fuel cells (cells) are used.
Are stacked, the first support body 5 is a support body (second support body) included in another fuel cell indicated by a chain line in the drawing.
It will be in contact with 6 '. On the other hand, the second support 6 is also in contact with the support (first support) 5'provided in another fuel cell shown by the alternate long and short dash line in the figure.
【００２６】上記のごとく構成された本燃料電池は、次
のように機能する。なお、活物質や水の供給に先立っ
て、燃料電池全体を、殊に電解質層１を所定の温度、た
とえば３００〜４００℃まで昇温させる必要があるが、
これには、上述した第１の支持体５および第２の支持体
６のヒーター機能（急速昇温システム）が利用される。
すなわち第１の支持体５および第２の支持体６に電圧を
印加することで、それ自身を発熱させ、これによって、
第１の支持体５および第２の支持体６に挟まれた電解質
層１を所定温度まで加熱する。ただし、発電中もこの状
態が常に維持される。The present fuel cell constructed as described above functions as follows. It is necessary to raise the temperature of the entire fuel cell, in particular, the electrolyte layer 1 to a predetermined temperature, for example, 300 to 400 ° C., before supplying the active material and water.
For this, the heater function (rapid temperature raising system) of the first support 5 and the second support 6 described above is used.
That is, by applying a voltage to the first support body 5 and the second support body 6, the device itself generates heat, whereby
The electrolyte layer 1 sandwiched between the first support 5 and the second support 6 is heated to a predetermined temperature. However, this state is always maintained during power generation.
【００２７】こうして準備作業が完了したならば、続い
ては、活物質である水素および酸素（実際には空気）
と、水（水蒸気）を本燃料電池に供給する。このうち水
素は、第２の電極３の有する触媒作用によってイオン化
され、電解質層１に至るが、この電解質層１を構成する
パラジウムによって、一時的にかなりの量が蓄えられ
る。また、同時に供給される水も、第２の電極３を透過
して電解質層１に至り、そこに所定の量が保持される。
つまり水は、電解質層１を適度に湿らせる役割を果た
す。ひるがえって、水素は上述したように、第２の電極
３が有する触媒作用によってイオン化されるが、その
際、水素は電子を放出する。そしてこれが、第２の電極
３に接続されたリード線Ｌ２を用いて構成される外部導
通路（外部回路）に流れ込む。When the preparatory work is completed in this way, the active materials, hydrogen and oxygen (actually air), are subsequently supplied.
And water (water vapor) is supplied to the fuel cell. Of these, hydrogen is ionized by the catalytic action of the second electrode 3 and reaches the electrolyte layer 1, but the palladium forming the electrolyte layer 1 temporarily stores a considerable amount. Further, the water supplied at the same time passes through the second electrode 3 and reaches the electrolyte layer 1, where a predetermined amount of water is retained.
That is, water plays a role of appropriately moistening the electrolyte layer 1. As a result, hydrogen is ionized by the catalytic action of the second electrode 3 as described above, but at that time, hydrogen releases electrons. Then, this flows into an external conduction path (external circuit) configured by using the lead wire L 2 connected to the second electrode 3.
【００２８】ところで、第２の電極３から次々に水素イ
オンが供給されると、それは電解質層１内に予め蓄えら
れている水素イオンと置き換わっていく。言い換えれ
ば、電解質層１は常時湿った状態となっているので、水
素イオンは水分子と結合した形で、すなわちＨ３Ｏ＋と
なって電解質層１内を、更に続いて金属膜４を透過す
る。その後、このＨ３Ｏ＋は、第１の電極（酸素極）２
側で、再び水素イオンと水分子とに分離する。そして、
この水素イオンは酸素と出会い、更に、第１の電極２に
接続されたリード線Ｌ１を、すなわち上記外部導通路
（外部回路）を経由して供給される電子が、これと結び
付き、この結果、かなりの発熱を伴って水（水蒸気）が
生じる。By the way, when hydrogen ions are successively supplied from the second electrode 3, they are replaced by the hydrogen ions previously stored in the electrolyte layer 1. In other words, since the electrolyte layer 1 is always in a wet state, hydrogen ions permeate through the electrolyte layer 1 in the form of being bound to water molecules, that is, H 3 O +, and further through the metal film 4. To do. After that, this H 3 O + is applied to the first electrode (oxygen electrode) 2
At the side, hydrogen ions and water molecules are separated again. And
This hydrogen ion meets oxygen, and further, the electron supplied via the lead wire L 1 connected to the first electrode 2, that is, the external conducting path (external circuit) is connected to this, and as a result, , Water (steam) is generated with considerable heat generation.
【００２９】こうした一連の化学反応して付随して、第
２の電極３から第１の電極２に向かって、外部導通路を
電子が移動するが、これは言うまでもなく外部導通路に
電流が流れることを意味する。したがって本燃料電池
（正確にはその集合体である燃料電池スタック）は、そ
れに接続された電気機器（本実施形態ではモーター）Ｍ
を高いエネルギー効率で作動させる。Electrons move in the external conduction path from the second electrode 3 toward the first electrode 2 in association with such a series of chemical reactions. Needless to say, a current flows in the external conduction path. Means that. Therefore, the present fuel cell (more precisely, the fuel cell stack which is an assembly thereof) has an electric device (motor in this embodiment) M connected thereto.
Operate with high energy efficiency.
【００３０】このように本実施形態では、電解質層１と
して、パラジウム−ベータアルミナから構成されたもの
を用い、更に水素を水とともに第２の電極３に供給する
ようにした。したがって水素イオンは、高い水素吸蔵能
力を備えたパラジウムに一時的に蓄えられ、電解質層１
の内部は、第２の電極（燃料極）３に近い部分ほど、水
素イオン濃度が非常に高い状態が常に維持されることに
なる。だが、その一方で第１の電極（酸素極）２の近傍
は、特に金属膜４に接した部分は、水素イオン濃度が極
めて低い状態となり、この結果、電解質層１の内部に
は、非常に大きな水素イオン濃度の高低差つまり濃淡差
が生じることになる。As described above, in the present embodiment, the electrolyte layer 1 is made of palladium-beta-alumina, and hydrogen is supplied to the second electrode 3 together with water. Therefore, hydrogen ions are temporarily stored in palladium having a high hydrogen storage capacity, and the electrolyte layer 1
In the inside of, the closer to the second electrode (fuel electrode) 3, the higher the hydrogen ion concentration is always maintained. However, on the other hand, in the vicinity of the first electrode (oxygen electrode) 2, the hydrogen ion concentration is extremely low particularly in the portion in contact with the metal film 4, and as a result, the inside of the electrolyte layer 1 is extremely low. This causes a large difference in the concentration of hydrogen ions, that is, a difference in shade.
【００３１】本燃料電池では、この濃淡差が原動力とな
り、水素イオンの急速な移動が可能となる。特に、出力
を急に増大させようとした場合でも、それに即応して、
必要なだけの水素イオンを第１の電極２側に急速に供給
できる。言い換えれば、酸素極への水素イオンの供給が
追いつかないといった好ましくない状況が生じることは
なく、本燃料電池はいかなる条件でも優れた応答性を発
揮する。In the present fuel cell, this difference in lightness and darkness serves as a driving force to enable rapid movement of hydrogen ions. Especially when you try to increase the output suddenly,
As much hydrogen ions as necessary can be rapidly supplied to the first electrode 2 side. In other words, there is no unfavorable situation in which the supply of hydrogen ions to the oxygen electrode cannot catch up, and the fuel cell of the present invention exhibits excellent responsiveness under any conditions.
【００３２】そしてこれとともに、本燃料電池では、パ
ラジウム−ベータアルミナから構成され、常時湿った状
態となっている電解質層１が、これまでのものに比べて
非常に低い温度、たとえば３００〜４００℃程度で、水
素イオン（実際にはＨ３Ｏ＋）を透過させる。したがっ
て始動可能となるまでに、つまり電解質層１を所要の温
度まで昇温させるのに要する時間が著しく短縮され、始
動性が大幅に向上する。また、当然のことながら、発電
中も電解質層１を高温に保つ必要はないので、その保温
に要するエネルギーは僅かである。そして更に、高温に
耐えるための耐熱機能が不要なので、全体構造を極めて
簡素なものとすることができる。総じて、本実施形態に
係る固体酸化物型燃料電池は、これまでのものよりも低
温で作動可能であり、さまざまな優れた効果を奏する。At the same time, in the present fuel cell, the electrolyte layer 1 made of palladium-beta alumina, which is always in a wet state, has a much lower temperature than the conventional one, for example, 300 to 400 ° C. To a degree, hydrogen ions (actually H 3 O + ) are permeated. Therefore, the time required to start the fuel cell, that is, the time required to raise the temperature of the electrolyte layer 1 to a required temperature is significantly shortened, and the startability is significantly improved. Further, as a matter of course, since it is not necessary to keep the electrolyte layer 1 at a high temperature during power generation, the energy required for keeping the temperature is small. Further, since the heat resistance function for withstanding high temperature is unnecessary, the entire structure can be made extremely simple. In general, the solid oxide fuel cell according to the present embodiment can operate at a lower temperature than the conventional ones, and exhibits various excellent effects.
【００３３】[0033]
【発明の効果】本発明に係る固体酸化物型の燃料電池
は、これまでのものよりも低温で作動可能であり、応答
性や始動性の向上、省エネルギー、そして構造の簡素化
が実現する。The solid oxide fuel cell according to the present invention can be operated at a lower temperature than the conventional ones, and can improve responsiveness and startability, save energy, and simplify the structure.
【図１】本発明の実施形態に係る燃料電池の構造を示す
概略断面図FIG. 1 is a schematic sectional view showing a structure of a fuel cell according to an embodiment of the present invention.
１ 電解質層 ２ 第１の電極（酸素極） ３ 第２の電極（燃料極） ４ 金属膜 ５ 第１の支持体 ６ 第２の支持体 ５ａ，６ａ 空隙 Ｃ１，Ｃ２ 給電回路 Ｌ１，Ｌ２ リード線 Ｍ 電気機器（モーター）First electrolyte layer 2 a first electrode (oxygen electrode) 3 and the second electrode (fuel electrode) 4 metal film 5 first support 6 the second support 5a, 6a gap C 1, C 2 feed circuit L 1, L 2 Lead wire M Electric device (motor)
Claims (5)
形成されるよう、前記第１の電極を挟んで、前記電解質
層と対向するよう設けられた第１の支持体と、 前記電解質層の他面側に設けられた、水素をイオン化す
る機能を備える第２の電極と、 この第２の電極との間に、水および水素を充填するため
の空隙が形成されるよう、前記第２の電極を挟んで、前
記電解質層と対向するよう設けられた第２の支持体とを
具備し、 更に前記電解質層は、パラジウム−ベータアルミナから
構成されたものであることを特徴とする燃料電池。1. An electrolyte layer, a first electrode provided on one surface side of the electrolyte layer, and a gap for filling oxygen between the first electrode and the first electrode. A first support provided so as to face the electrolyte layer with one electrode sandwiched therebetween; and a second electrode provided on the other surface side of the electrolyte layer and having a function of ionizing hydrogen, A second support provided so as to face the electrolyte layer with the second electrode interposed therebetween so that a gap for filling water and hydrogen is formed between the second support and the second electrode. The fuel cell is characterized in that the electrolyte layer is made of palladium-beta-alumina.
ナの成分であるナトリウムを、電気分解法によってパラ
ジウムに強制置換することで得たものであることを特徴
とする請求項１に記載の燃料電池。2. The fuel cell according to claim 1, wherein the electrolyte layer is obtained by forcibly replacing palladium, which is a component of sodium-beta alumina, with palladium by an electrolysis method.
と第１の電極との間に介在させられてなることを特徴と
する請求項１または請求項２に記載の燃料電池。3. The fuel cell according to claim 1 or 2, wherein a metal film made of palladium is interposed between the electrolyte layer and the first electrode.
体は、電圧が印加されることによって発熱し、かつ、温
度の上昇に伴って電気抵抗が増大する特性を備えたセラ
ミックスから構成されたものであることを特徴とする請
求項１〜請求項３のいずれかに記載の燃料電池。4. The first support and / or the second support are made of ceramics which have a characteristic that they generate heat when a voltage is applied and their electric resistance increases as the temperature rises. The fuel cell according to any one of claims 1 to 3, wherein the fuel cell is a fuel cell.
第２の電極との間の空隙に充填されるよう構成されてな
ることを特徴とする請求項１〜請求項４のいずれかに記
載の燃料電池。5. The water according to claim 1, wherein the water is in the form of water vapor and is filled in a space between the second support and the second electrode. The fuel cell according to any one of the above.
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|---|---|---|---|
| JP2002056774A JP2003257450A (en) | 2002-03-04 | 2002-03-04 | Fuel cell |
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