JP2656943B2 - 改善された固体電解質燃料電池および組立体 - Google Patents
改善された固体電解質燃料電池および組立体Info
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- JP2656943B2 JP2656943B2 JP63098044A JP9804488A JP2656943B2 JP 2656943 B2 JP2656943 B2 JP 2656943B2 JP 63098044 A JP63098044 A JP 63098044A JP 9804488 A JP9804488 A JP 9804488A JP 2656943 B2 JP2656943 B2 JP 2656943B2
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Description
【発明の詳細な説明】 本発明は、固体電解質燃料電池および化学エネルギー
を、直接電気に変換させる該電池の組立体に関するもの
である。
を、直接電気に変換させる該電池の組立体に関するもの
である。
固体電解質を用いガス状燃料を酸化する高温燃料電池
は、公知である。代表的には、この様な電池および組立
体は約700〜1100℃の範囲の温度において作動する。代
表的電池においては、空気からの酸素と、燃料とが反応
して電気エネルギー、熱、水蒸気および炭素の酸化物類
が生ずる。これらの比較的高温の燃料電池は、燃料を、
熱エンジンまたは低温燃料電池よりもより効果的に電気
に変換される。燃料電池組立体は、コンパクトで設計が
簡単で、音がせず、環境汚染がほとんどなく、可動部が
なく、潜在的に高い信頼性がある。
は、公知である。代表的には、この様な電池および組立
体は約700〜1100℃の範囲の温度において作動する。代
表的電池においては、空気からの酸素と、燃料とが反応
して電気エネルギー、熱、水蒸気および炭素の酸化物類
が生ずる。これらの比較的高温の燃料電池は、燃料を、
熱エンジンまたは低温燃料電池よりもより効果的に電気
に変換される。燃料電池組立体は、コンパクトで設計が
簡単で、音がせず、環境汚染がほとんどなく、可動部が
なく、潜在的に高い信頼性がある。
これらの利点があるにもかゝわらず、高温燃料電池組
立体は、まだ商業的に許容するに至っていない。公知の
燃料電池は、比較的高価であり、公知の設計に要求され
る複雑な形態に組立てることが非常に困難である材料を
用いている。従って、材料の価格およびそれら材料の組
立が、燃料電池の商業的許容をおくらせる重要な要因に
なっていた。加えて、知られている燃料電池組立体にお
いては、空気および燃料の望まれない混合を防止する密
閉を完全にすることが非常に困難である。
立体は、まだ商業的に許容するに至っていない。公知の
燃料電池は、比較的高価であり、公知の設計に要求され
る複雑な形態に組立てることが非常に困難である材料を
用いている。従って、材料の価格およびそれら材料の組
立が、燃料電池の商業的許容をおくらせる重要な要因に
なっていた。加えて、知られている燃料電池組立体にお
いては、空気および燃料の望まれない混合を防止する密
閉を完全にすることが非常に困難である。
従って、知られている電池および組立体の利点を組み
入れ、製造を安価にし、信頼性があって、しかも効果的
である改善された燃料電池および燃料電池組立体を提供
することが望まれる。
入れ、製造を安価にし、信頼性があって、しかも効果的
である改善された燃料電池および燃料電池組立体を提供
することが望まれる。
本発明による燃料電池および燃料電池組立体は、カソ
ード、固体電解質、アノードおよび隔離板からなる要素
の積重ねを包含する。燃料電池の積重ねは、許容的に高
電圧で所望の電力出力を達成する様に隔離板を介して電
気的に直列に接続されている。該電池の簡単な設計は、
密閉の封止面積を最少にし、比較的短かく、比較的低い
抵抗電流通路を提供して、長期間、高効率の電力生産を
可能にする。
ード、固体電解質、アノードおよび隔離板からなる要素
の積重ねを包含する。燃料電池の積重ねは、許容的に高
電圧で所望の電力出力を達成する様に隔離板を介して電
気的に直列に接続されている。該電池の簡単な設計は、
密閉の封止面積を最少にし、比較的短かく、比較的低い
抵抗電流通路を提供して、長期間、高効率の電力生産を
可能にする。
新規燃料電池の一つの実施態様としては、多くの要素
を包含し、各々は、燃料を通す第１の内部開口を含んで
いる。該電池要素は、電気的に導電性の隔離板、該隔離
板と接している圧縮または半融酸化物粉末カソード、該
カソードと接している酸化イットリウム−安定化ジルコ
ニアの様な固体電解質および該電解質と接している圧縮
または半融金属および酸化物粉末配合アノードを包含す
る。
を包含し、各々は、燃料を通す第１の内部開口を含んで
いる。該電池要素は、電気的に導電性の隔離板、該隔離
板と接している圧縮または半融酸化物粉末カソード、該
カソードと接している酸化イットリウム−安定化ジルコ
ニアの様な固体電解質および該電解質と接している圧縮
または半融金属および酸化物粉末配合アノードを包含す
る。
電池要素中は孔は、燃料が電池にそれを通じて通され
る第１管を形成して配列されている。カソードは、隔離
板および電解質により密閉を形成する管状ガスケットに
よって、第１の管において燃料との直接接触から保護さ
れる。また、各々の燃料電池要素は第２の内部開口を含
む。これらの第２の開口は、また酸素含有ガスが、それ
を通じて燃料電池に通される第２の管を形成して配列さ
れている。これら電池の各々のアノードは、電池の第２
の隔離板および電解質により密閉を形成する第２のガス
ケットによって第２の管において酸素との直接接触から
保護される。第２の管からの酸素は、ガス圧差に応答し
てカソード孔を通じて流れる。また、酸素は、電池の外
側から電池に供給されてもよい。電池の外側からの酸素
は、酸素濃度勾配に応答してカソード孔を通じて拡散し
てもよい。カソードでは、酸素はイオン化される。電解
質を通じて流れる酸素イオンは、アノードにおいて電気
的に無極化され、燃料と反応してそれを酸化する。アノ
ードの外側表面は、周辺障壁によって電池の外側から、
酸素侵潤から部分的に保護され得る。該障壁は、ガス流
に対して実質的抵抗を示し、従って酸素侵潤を制限す
る。
る第１管を形成して配列されている。カソードは、隔離
板および電解質により密閉を形成する管状ガスケットに
よって、第１の管において燃料との直接接触から保護さ
れる。また、各々の燃料電池要素は第２の内部開口を含
む。これらの第２の開口は、また酸素含有ガスが、それ
を通じて燃料電池に通される第２の管を形成して配列さ
れている。これら電池の各々のアノードは、電池の第２
の隔離板および電解質により密閉を形成する第２のガス
ケットによって第２の管において酸素との直接接触から
保護される。第２の管からの酸素は、ガス圧差に応答し
てカソード孔を通じて流れる。また、酸素は、電池の外
側から電池に供給されてもよい。電池の外側からの酸素
は、酸素濃度勾配に応答してカソード孔を通じて拡散し
てもよい。カソードでは、酸素はイオン化される。電解
質を通じて流れる酸素イオンは、アノードにおいて電気
的に無極化され、燃料と反応してそれを酸化する。アノ
ードの外側表面は、周辺障壁によって電池の外側から、
酸素侵潤から部分的に保護され得る。該障壁は、ガス流
に対して実質的抵抗を示し、従って酸素侵潤を制限す
る。
有用量の電力を生産するため、燃料電池は、それら
を、一つを他のものの上に積重ねることによって電気的
に直列に接続される。隔離板は、好ましくは全て同じ積
重ねを容易にする。積重ね末端における末端接続は、積
重ねの反対側のアノードおよびカソードに対する電気的
接続を提供する。末端接続は、燃料電池内での入口管と
の連絡を確立するための導管を含み、燃料および空気ま
たは他の酸素源を別の内部燃料電池管に供給する。ま
た、末端接続は、それらの管の末端を形成する。末端接
続からのびる導管は、燃料電池の積重ねをつくるために
使用され得る。好ましくは、燃料電池の積重ねは、絶縁
壁間の室において取付けられる。
を、一つを他のものの上に積重ねることによって電気的
に直列に接続される。隔離板は、好ましくは全て同じ積
重ねを容易にする。積重ね末端における末端接続は、積
重ねの反対側のアノードおよびカソードに対する電気的
接続を提供する。末端接続は、燃料電池内での入口管と
の連絡を確立するための導管を含み、燃料および空気ま
たは他の酸素源を別の内部燃料電池管に供給する。ま
た、末端接続は、それらの管の末端を形成する。末端接
続からのびる導管は、燃料電池の積重ねをつくるために
使用され得る。好ましくは、燃料電池の積重ねは、絶縁
壁間の室において取付けられる。
本発明の一つの一般的態様においては、燃料を酸化し
て電気エネルギーを発生させる燃料電池は、ガス状燃料
を受ける第１の板状不通気性隔離板を貫通する第１の内
部孔を含む該第１の隔離板；該第１の隔離板と接し、か
つガス状燃料を受けるカゾードを貫通する第２の内部孔
を含む板状酸化物粉末カソードであって、該第２の孔が
該第１の孔と少なくとも部分的に重ね合せになってお
り；該カソードと接し、かつ電解質を貫通する第３の内
部孔を含む板状不通気性固体電解質であって、該第３の
孔が第２の孔と少なくとも部分的に重ね合せになってお
り；該第２の孔内に配置され、かつカソードを該第１の
孔内の燃料から保護する該電解質と密閉的に接触してい
る実質的に不通気性の管状ガスケット；ならびに該固体
電解質と接し、かつアノードを貫通する第４の内部孔を
含んでいる板状粉末アノードであって、該第４の孔が該
第３の孔と少なくとも部分的に重ね合せになっているも
のからなる。
て電気エネルギーを発生させる燃料電池は、ガス状燃料
を受ける第１の板状不通気性隔離板を貫通する第１の内
部孔を含む該第１の隔離板；該第１の隔離板と接し、か
つガス状燃料を受けるカゾードを貫通する第２の内部孔
を含む板状酸化物粉末カソードであって、該第２の孔が
該第１の孔と少なくとも部分的に重ね合せになってお
り；該カソードと接し、かつ電解質を貫通する第３の内
部孔を含む板状不通気性固体電解質であって、該第３の
孔が第２の孔と少なくとも部分的に重ね合せになってお
り；該第２の孔内に配置され、かつカソードを該第１の
孔内の燃料から保護する該電解質と密閉的に接触してい
る実質的に不通気性の管状ガスケット；ならびに該固体
電解質と接し、かつアノードを貫通する第４の内部孔を
含んでいる板状粉末アノードであって、該第４の孔が該
第３の孔と少なくとも部分的に重ね合せになっているも
のからなる。
本発明の他のより特殊な実施態様においては、隔離
板、カソード、電解質およびアノードは、各々酸素ガス
を受ける第５、第６、第７および第８の孔を含み、該第
６の孔は該第５の孔と少なくとも部分的に重ね合せにな
っており、該第７の孔は該第６の孔と少なくとも部分的
に重ね合せになっており、該第８の孔は該第７の孔と少
なくとも部分的に重ね合せになっており、ならびに第８
の孔内に配置されかつアノードを第５の孔内の酸素から
保護する電解質と密閉的に接触している第２の実質的に
不通気性の管状ガスケットを含んでいる。
板、カソード、電解質およびアノードは、各々酸素ガス
を受ける第５、第６、第７および第８の孔を含み、該第
６の孔は該第５の孔と少なくとも部分的に重ね合せにな
っており、該第７の孔は該第６の孔と少なくとも部分的
に重ね合せになっており、該第８の孔は該第７の孔と少
なくとも部分的に重ね合せになっており、ならびに第８
の孔内に配置されかつアノードを第５の孔内の酸素から
保護する電解質と密閉的に接触している第２の実質的に
不通気性の管状ガスケットを含んでいる。
添付図面において、 第１図は、第２図の１−１線に沿って見た本発明によ
る燃料電池の一つの実施態様の断面側面図である； 第２図は、第１図の燃料電池実施態様の平面図であ
る； 第３図は、本発明による燃料電池組立体の一つの実施
態様の、部分的に離脱している側面図である； 第４図は、第５図の線４−４に沿って見た本発明によ
る燃料電池の一つの実施態様の断面側面図である； 第５図は、第４図の燃料電池実施態様の平面図であ
る；および 第６図は、本発明による燃料電池組立体の一つの実施
態様の、部分的に離脱している側面図である。
る燃料電池の一つの実施態様の断面側面図である； 第２図は、第１図の燃料電池実施態様の平面図であ
る； 第３図は、本発明による燃料電池組立体の一つの実施
態様の、部分的に離脱している側面図である； 第４図は、第５図の線４−４に沿って見た本発明によ
る燃料電池の一つの実施態様の断面側面図である； 第５図は、第４図の燃料電池実施態様の平面図であ
る；および 第６図は、本発明による燃料電池組立体の一つの実施
態様の、部分的に離脱している側面図である。
第１図においては、燃料電池１の一つの実施態様の断
面図が示されている。燃料電池１は、２つの対向する金
属性隔離板２および３を、アノード４、カソード５、間
に存在する電解質６ならびに管状ガスケット７および８
が配置されている間に含んでいる。隔離板２および３
は、両者共に、ガスに対し不通気性であり、良好な電気
導体である。これらの特性は、一つの表面で燃料電池に
また他の表面で酸素または空気に露出された場合、長時
間にわたって安定であるべきである。最も好ましくは、
これらの隔離板は、タイプ330のステンレス鋼のような
中程度の価格の高温金属合金から製造される。このステ
ンレス鋼合金は、高温で薄い不通気性の酸化物膜を形成
する。これらの膜は、約1000℃ですぐれた電気導電性を
有し、炭素含有燃料に露出された場合深部酸化および表
面硬化に対して金属を保護する。これらの隔離板は、ま
た添加されたクロム酸ランタンLaCrO3により製造でき
る。隔離板２および３は好ましくは多くの燃料電池１が
互に積み重ねられて、隣接する積重ねられた電池の間に
直列電気接続が確立出来る様な構造において同一であ
る。隔離板２および３は、第１の内部開口９および10を
各々含んでおり、それらは、好ましくは、それらが互に
重ね合せにおいて置かれてもよいように位置されてい
る。該燃料電池のカソード５、アノード４および電解質
６は、また、該燃料電池を通じて通過する第１の管11
が、ガス状燃料を受けるために形成され得る様に孔９お
よび10で重ね合せ可能な内部開口部を含んでいる。管11
はまた、第２図燃料電池１の平面図においてもみられ得
る。隔離板２および３は比較的薄く、たとえば約.2m
m（.008in）である。図面では分かり易くするためそう
でない様に示されているが、管11は、電池の中心または
その近くに位置されるべきである。
面図が示されている。燃料電池１は、２つの対向する金
属性隔離板２および３を、アノード４、カソード５、間
に存在する電解質６ならびに管状ガスケット７および８
が配置されている間に含んでいる。隔離板２および３
は、両者共に、ガスに対し不通気性であり、良好な電気
導体である。これらの特性は、一つの表面で燃料電池に
また他の表面で酸素または空気に露出された場合、長時
間にわたって安定であるべきである。最も好ましくは、
これらの隔離板は、タイプ330のステンレス鋼のような
中程度の価格の高温金属合金から製造される。このステ
ンレス鋼合金は、高温で薄い不通気性の酸化物膜を形成
する。これらの膜は、約1000℃ですぐれた電気導電性を
有し、炭素含有燃料に露出された場合深部酸化および表
面硬化に対して金属を保護する。これらの隔離板は、ま
た添加されたクロム酸ランタンLaCrO3により製造でき
る。隔離板２および３は好ましくは多くの燃料電池１が
互に積み重ねられて、隣接する積重ねられた電池の間に
直列電気接続が確立出来る様な構造において同一であ
る。隔離板２および３は、第１の内部開口９および10を
各々含んでおり、それらは、好ましくは、それらが互に
重ね合せにおいて置かれてもよいように位置されてい
る。該燃料電池のカソード５、アノード４および電解質
６は、また、該燃料電池を通じて通過する第１の管11
が、ガス状燃料を受けるために形成され得る様に孔９お
よび10で重ね合せ可能な内部開口部を含んでいる。管11
はまた、第２図燃料電池１の平面図においてもみられ得
る。隔離板２および３は比較的薄く、たとえば約.2m
m（.008in）である。図面では分かり易くするためそう
でない様に示されているが、管11は、電池の中心または
その近くに位置されるべきである。
管状ガスケット７は、隔離板２および電解質６の間に
密閉を形成する。またガスケット７は、管11の内部表面
の一部を形成する。ガスケット７は、管11中の燃料が直
接カソード５と接触できない様に隔離板２および電解質
６により実質的にガスがもれない密閉を形成する。ガス
ケット７は、電池１の比較的高い操作温度で燃料に対し
不通気性を維持しなくてはならず、電池操作条件下良好
な密閉を維持できなくてはならない。適当なガスケット
は、ニッケル基材合金の様な酸化耐性金属合金から、セ
ラミックからまたは適当な軟化温度を有するガラスから
製造することができる。
密閉を形成する。またガスケット７は、管11の内部表面
の一部を形成する。ガスケット７は、管11中の燃料が直
接カソード５と接触できない様に隔離板２および電解質
６により実質的にガスがもれない密閉を形成する。ガス
ケット７は、電池１の比較的高い操作温度で燃料に対し
不通気性を維持しなくてはならず、電池操作条件下良好
な密閉を維持できなくてはならない。適当なガスケット
は、ニッケル基材合金の様な酸化耐性金属合金から、セ
ラミックからまたは適当な軟化温度を有するガラスから
製造することができる。
また、隔離板２および３は、第２開口部12および13を
各々含み、それらは、それらが互に重ね合せに置かれる
様に配置されている。また、アノード４、カソード５お
よび間に存在する電解質６の各々も、孔12および13と重
ね合せ可能な第２の内部開口部を含み、酸素含有ガスを
受けるための燃料電池を通じて通過する第２の内部管14
を形成する。ガスケット８は、隔離板３と電解質６との
間に配置され、管14内で酸素からアノード４を保護する
実質的にガスもれのない密閉を形成する。ガスケット８
は、管14の内部表面の部分を形成する。ガスケット８
は、好ましくは、ガスケット７と同一の材料により製造
される。
各々含み、それらは、それらが互に重ね合せに置かれる
様に配置されている。また、アノード４、カソード５お
よび間に存在する電解質６の各々も、孔12および13と重
ね合せ可能な第２の内部開口部を含み、酸素含有ガスを
受けるための燃料電池を通じて通過する第２の内部管14
を形成する。ガスケット８は、隔離板３と電解質６との
間に配置され、管14内で酸素からアノード４を保護する
実質的にガスもれのない密閉を形成する。ガスケット８
は、管14の内部表面の部分を形成する。ガスケット８
は、好ましくは、ガスケット７と同一の材料により製造
される。
図面においては、明確にするためその様に示されてい
ないが、管14は、管11の近くに位置されるべきである。
また、望むならば、各電池は、２つまたはそれ以上の管
14を含むことができ、それによって単独管11が電池中心
線に置かれ、対称的酸素入口が達成できる。また多重燃
料管11は、本発明の実施態様において使用され得る。
ないが、管14は、管11の近くに位置されるべきである。
また、望むならば、各電池は、２つまたはそれ以上の管
14を含むことができ、それによって単独管11が電池中心
線に置かれ、対称的酸素入口が達成できる。また多重燃
料管11は、本発明の実施態様において使用され得る。
カソード５は、好ましくは、環状様形態において形成
されかつ管14およびガスケット７用の内部開口部を含む
圧縮または半融酸化物粉末である。カソード５は、好ま
しくは灰チタン石結晶形態を有する酸化物である。好ま
しい酸化物は、あるランタンの代わりに約10モル％のス
トロンチウムが添加されている亜マンガン酸ランタン
（LaMnO3）である。他の候補の灰チタン石形態酸化物
は、微量添加物のある亜マンガン酸カルシウム（CaMn
O3）、クロム酸ランタン（LaCrO3）、LaCoO3およびLaNi
O3を包含する。好ましくは、該酸化物は、それに比較的
大きな表面積を与え、ガス流に対し良好な透過性を与え
るために圧縮された粉末形態にある。新規圧縮粉末カソ
ードの第１操作上の使用期間中において、ある種の半融
が生ずる様である。さらに、該電池の初期操作前に通常
の操作温度以上にカソードを加熱することによって粒子
を計画的に半融させることは助けとなる。カソード５
は、比較的薄く、たとえば約.6mm（.02in）の厚さであ
る。
されかつ管14およびガスケット７用の内部開口部を含む
圧縮または半融酸化物粉末である。カソード５は、好ま
しくは灰チタン石結晶形態を有する酸化物である。好ま
しい酸化物は、あるランタンの代わりに約10モル％のス
トロンチウムが添加されている亜マンガン酸ランタン
（LaMnO3）である。他の候補の灰チタン石形態酸化物
は、微量添加物のある亜マンガン酸カルシウム（CaMn
O3）、クロム酸ランタン（LaCrO3）、LaCoO3およびLaNi
O3を包含する。好ましくは、該酸化物は、それに比較的
大きな表面積を与え、ガス流に対し良好な透過性を与え
るために圧縮された粉末形態にある。新規圧縮粉末カソ
ードの第１操作上の使用期間中において、ある種の半融
が生ずる様である。さらに、該電池の初期操作前に通常
の操作温度以上にカソードを加熱することによって粒子
を計画的に半融させることは助けとなる。カソード５
は、比較的薄く、たとえば約.6mm（.02in）の厚さであ
る。
固体電解質６は、アノード４、カソード５ならびにガ
スケット７および８と接触して配置されている。電解質
６は、隔離板２および３において開口部と重ね合せにな
っている第１および第２の内部開口部を含み、管11およ
び14の内部表面の部分を形成する。好ましくは電解質６
は、ガスケット７および８に対して圧縮され、すでに述
べた様な密閉を形成する。ガスケット７は、管11におい
て燃料からカソード５を保護し；ガスケット８は、管14
において酸素からアノード４を保護する。電解質５は、
薄いウェーファーであることができ、好ましくは約.1mm
（.004in）の厚さである。好ましい電解質は、８〜10モ
ル％の酸化イットリウム（Y2O3）で安定化されたジルコ
ニア（ZrO2）である。酸化イットリウムで安定化された
ジルコニアは、固体電解質としてよく知られており、そ
れを通じてイオン化酸素が供給された酸素電位の影響下
移動することができ、電子流をそれ程支えない。電解質
６は、ガスに対し不通気性であるべきである。
スケット７および８と接触して配置されている。電解質
６は、隔離板２および３において開口部と重ね合せにな
っている第１および第２の内部開口部を含み、管11およ
び14の内部表面の部分を形成する。好ましくは電解質６
は、ガスケット７および８に対して圧縮され、すでに述
べた様な密閉を形成する。ガスケット７は、管11におい
て燃料からカソード５を保護し；ガスケット８は、管14
において酸素からアノード４を保護する。電解質５は、
薄いウェーファーであることができ、好ましくは約.1mm
（.004in）の厚さである。好ましい電解質は、８〜10モ
ル％の酸化イットリウム（Y2O3）で安定化されたジルコ
ニア（ZrO2）である。酸化イットリウムで安定化された
ジルコニアは、固体電解質としてよく知られており、そ
れを通じてイオン化酸素が供給された酸素電位の影響下
移動することができ、電子流をそれ程支えない。電解質
６は、ガスに対し不通気性であるべきである。
アノード４は、電解質６および隔離板３との間に、ま
たこれらと接して配置されている。アノード４は、また
ガスケット８に囲まれている。アノード４は、好ましく
は、燃料電池操作中、金属粉末の過剰の半融を防止する
ジルコニアの様な安定な酸化物粉末で配合された細く分
けられた、圧縮された金属粉末である。アノード４にお
いて使用する好ましい低価格の金属粉末は、元素ニッケ
ル粉末である。カソード５と同様、アノード４は、過加
熱半融工程において燃料電池初期操作前または操作中に
半融されてもよい。アノード４は、隔離板２および３に
おいて開口部と整列し得る内部開口部を包含し、管11お
よび管14の部分を形成する。アノード４は、電解質６と
ほぼ同様の厚さであってもよい。燃料電池の外側で酸素
からアノード４に対し部分的保護を抵抗することが望ま
しい。その目的に当って、周辺多孔性保護帯15は、燃料
電池１の外側で電解質６および隔離板３と接触し、アノ
ード４の囲わりに配置されている。帯15は、ジルコニア
粉末または細かく分けられたニッケル粉末であってもよ
い。後者の場合、ニッケル粉末は、燃料電池の操作温度
で酸化され、酸素の侵潤を減ずる層を形成する。
たこれらと接して配置されている。アノード４は、また
ガスケット８に囲まれている。アノード４は、好ましく
は、燃料電池操作中、金属粉末の過剰の半融を防止する
ジルコニアの様な安定な酸化物粉末で配合された細く分
けられた、圧縮された金属粉末である。アノード４にお
いて使用する好ましい低価格の金属粉末は、元素ニッケ
ル粉末である。カソード５と同様、アノード４は、過加
熱半融工程において燃料電池初期操作前または操作中に
半融されてもよい。アノード４は、隔離板２および３に
おいて開口部と整列し得る内部開口部を包含し、管11お
よび管14の部分を形成する。アノード４は、電解質６と
ほぼ同様の厚さであってもよい。燃料電池の外側で酸素
からアノード４に対し部分的保護を抵抗することが望ま
しい。その目的に当って、周辺多孔性保護帯15は、燃料
電池１の外側で電解質６および隔離板３と接触し、アノ
ード４の囲わりに配置されている。帯15は、ジルコニア
粉末または細かく分けられたニッケル粉末であってもよ
い。後者の場合、ニッケル粉末は、燃料電池の操作温度
で酸化され、酸素の侵潤を減ずる層を形成する。
燃料電池は、通常の技術によって容易に組立てられ
る。カソード５と電解質６との間の電気的接触の質は、
揮発性展色剤を含む塗料の形態において電解質６の表面
に、カソードからなる薄膜粉末を初期に適用することに
よって改善される。同様に、ニッケルまたはニッケル酸
化物を含む塗料を、電解質のアノード側に適用すること
が出来る。燃料電池の他の要素は、一つを重ね他を上に
積重ねることができる。
る。カソード５と電解質６との間の電気的接触の質は、
揮発性展色剤を含む塗料の形態において電解質６の表面
に、カソードからなる薄膜粉末を初期に適用することに
よって改善される。同様に、ニッケルまたはニッケル酸
化物を含む塗料を、電解質のアノード側に適用すること
が出来る。燃料電池の他の要素は、一つを重ね他を上に
積重ねることができる。
ガス状燃料が管11に適用され、空気の様な酸素含有ガ
スが管14に適用される。これらの二つのガス状源は、互
に分離される。酸素含有ガスは、管14とカソード５の外
側におけるガス圧の差によって操作され、圧縮粉末カソ
ード５における孔を通じて流れる。酸素は、電解質６で
または近くでカソード５においてマイナスにイオン化さ
れる。電解質６は、酸素イオンの良好な導体であるとよ
く知られている。酸素イオンは、電解質６を通じて流
れ、アノード４に達し、そこでは、酸素イオンは、酸素
原子および分子となるそれらの過剰の電子を棄てる。燃
料は、多孔性アノード４を通じて流れ、酸素と結合し
て、水（および水素以外の燃料が用いられた場合には、
他の生成物）を形成し、熱エネルギーを放出する。
スが管14に適用される。これらの二つのガス状源は、互
に分離される。酸素含有ガスは、管14とカソード５の外
側におけるガス圧の差によって操作され、圧縮粉末カソ
ード５における孔を通じて流れる。酸素は、電解質６で
または近くでカソード５においてマイナスにイオン化さ
れる。電解質６は、酸素イオンの良好な導体であるとよ
く知られている。酸素イオンは、電解質６を通じて流
れ、アノード４に達し、そこでは、酸素イオンは、酸素
原子および分子となるそれらの過剰の電子を棄てる。燃
料は、多孔性アノード４を通じて流れ、酸素と結合し
て、水（および水素以外の燃料が用いられた場合には、
他の生成物）を形成し、熱エネルギーを放出する。
理論的には、各燃料電池における相当するカソードお
よびアノードの空気および燃料透過性は同一である。粉
末要素における粒子の大きさの適切な選択は、各電池に
おけるガス圧損失を減ずる。平方インチ当り約３ポンド
のガス圧損失（燃料および空気）は、5cm直径電池にお
いて達成される。
よびアノードの空気および燃料透過性は同一である。粉
末要素における粒子の大きさの適切な選択は、各電池に
おけるガス圧損失を減ずる。平方インチ当り約３ポンド
のガス圧損失（燃料および空気）は、5cm直径電池にお
いて達成される。
水素および一酸化炭素は有用な燃料である。メタンま
たは天然ガスの様な炭化水素燃料は、電池に入れられる
前に水蒸気で、湿潤されるのが好ましい。この湿潤され
た燃料が、燃料電池に注入されると、リフォーミング反
応がおこり、一酸化炭素と水素を発生する。このリフォ
ーミング反応は、燃料電池の約1000℃の操作温度におい
て自発的に起こる。約90％の燃料が、好ましくは、電気
化学燃料電池反応において消費され、電池効率を最大に
する。極めて大きな電気化学燃料消費においては、アノ
ード４が酸化によって損傷を受ける。酸素流量は、完全
燃料燃焼に要するよりも少なくとも40％多く、好ましく
は少なくとも100％多い。
たは天然ガスの様な炭化水素燃料は、電池に入れられる
前に水蒸気で、湿潤されるのが好ましい。この湿潤され
た燃料が、燃料電池に注入されると、リフォーミング反
応がおこり、一酸化炭素と水素を発生する。このリフォ
ーミング反応は、燃料電池の約1000℃の操作温度におい
て自発的に起こる。約90％の燃料が、好ましくは、電気
化学燃料電池反応において消費され、電池効率を最大に
する。極めて大きな電気化学燃料消費においては、アノ
ード４が酸化によって損傷を受ける。酸素流量は、完全
燃料燃焼に要するよりも少なくとも40％多く、好ましく
は少なくとも100％多い。
反応を開始するために、燃料電池は、それらの操作温
度近くまで外部熱源によって加熱される。一度反応が開
始すると、それ自体で十分な熱を発生して維持でき、以
降の電池操作を支える。同時に各電池内での酸素のイオ
ン化および中和によって隔離板２および３の間に電流が
流れる。酸素電位差により操作されるこの電流は、電気
出力エネルギーである。電流は、一般に燃料電池電極お
よび電解質の厚に対して正常に流れるので、比較的低抵
抗電流路が抵抗される。低抵抗とは、電池内の電力損失
が比較的低く保たれるといった改善された効力を意味す
る好ましい操作温度は1000℃付近である。低温は、電力
出力を減ずる。より高い温度は、電池の寿命を短かくす
る。一定および変動温度操作の両者が可能である。電池
温度は、管14に導入されたガスを制御的に予備加熱する
ことによって所望の値に維持される。
度近くまで外部熱源によって加熱される。一度反応が開
始すると、それ自体で十分な熱を発生して維持でき、以
降の電池操作を支える。同時に各電池内での酸素のイオ
ン化および中和によって隔離板２および３の間に電流が
流れる。酸素電位差により操作されるこの電流は、電気
出力エネルギーである。電流は、一般に燃料電池電極お
よび電解質の厚に対して正常に流れるので、比較的低抵
抗電流路が抵抗される。低抵抗とは、電池内の電力損失
が比較的低く保たれるといった改善された効力を意味す
る好ましい操作温度は1000℃付近である。低温は、電力
出力を減ずる。より高い温度は、電池の寿命を短かくす
る。一定および変動温度操作の両者が可能である。電池
温度は、管14に導入されたガスを制御的に予備加熱する
ことによって所望の値に維持される。
単独燃料電池によって生ずる電気エネルギーの量は、
比較的小さい。電気的に有用な電力を有する有用な量を
生じさせるためには、第１図に示されるタイプの燃料電
池群が、第３図に図示されているタイプの直列接続の積
重ねにおいて、代表的には調整される。
比較的小さい。電気的に有用な電力を有する有用な量を
生じさせるためには、第１図に示されるタイプの燃料電
池群が、第３図に図示されているタイプの直列接続の積
重ねにおいて、代表的には調整される。
第１図および第２付に関連して記載されている各々の
燃料電池は、非常に薄いので、多くの電池が、合理的な
物理的大きさに一つの積重ねとして組立てることができ
る。第１図に示されているタイプの積重ね電池群におい
ては、一つの電池の底部接触を形成する隔離板３は、ま
た次に続く電池の上部接触となることは明らかである。
すなわち、一つの隔離板のみが、積重ね電池群における
各電池と連結されている。第１図の構造を用いると、各
電池は約.1mm（.04in）の厚さになるであろう。これら
の積重ねは、最大電力出力で操作して、電池当り約0.5
ボルトの通常の電圧および約90％の電気化学的燃料利用
で100mA/cm2過剰における電流密度を生ずることができ
る。電池電圧は、電流密度と反比例して変化する。
燃料電池は、非常に薄いので、多くの電池が、合理的な
物理的大きさに一つの積重ねとして組立てることができ
る。第１図に示されているタイプの積重ね電池群におい
ては、一つの電池の底部接触を形成する隔離板３は、ま
た次に続く電池の上部接触となることは明らかである。
すなわち、一つの隔離板のみが、積重ね電池群における
各電池と連結されている。第１図の構造を用いると、各
電池は約.1mm（.04in）の厚さになるであろう。これら
の積重ねは、最大電力出力で操作して、電池当り約0.5
ボルトの通常の電圧および約90％の電気化学的燃料利用
で100mA/cm2過剰における電流密度を生ずることができ
る。電池電圧は、電流密度と反比例して変化する。
第３図において、積重ね20は第１図に関連して述べら
れるタイプの数百の電池を含む。管11は、末端接続21を
通じてガス状燃料を受ける様に意図されている。末端接
続21は、積重ね20の一つの末端の燃料電池に機械的およ
び電気的接続を作る末端板22を含む、好ましくは金属製
の、電気的に導電性の取付部品である。末端導体21は、
板22を通じて通過する開口部を有する中央管23を含み、
積重ね20の管11との連絡を確立する。管23は、高温、熱
および電気的絶縁体の層24を貫通する。また、管23は、
燃料電池積重ねのカソード末端に対し電気的接続として
役立つ。
れるタイプの数百の電池を含む。管11は、末端接続21を
通じてガス状燃料を受ける様に意図されている。末端接
続21は、積重ね20の一つの末端の燃料電池に機械的およ
び電気的接続を作る末端板22を含む、好ましくは金属製
の、電気的に導電性の取付部品である。末端導体21は、
板22を通じて通過する開口部を有する中央管23を含み、
積重ね20の管11との連絡を確立する。管23は、高温、熱
および電気的絶縁体の層24を貫通する。また、管23は、
燃料電池積重ねのカソード末端に対し電気的接続として
役立つ。
積重ねの反対側末端では、第２の末端接続端子25は、
積重ね20における最底部電池と電気的および機械的に接
触させるための板26を含む。板26は、管14を閉じおよび
形成する。管51は、板26から突出し、、酸素含有ガスが
管14中に導入され得る様に管14と連絡している。管51
は、高温、熱的および電気的絶縁体28における孔の中に
受けられている。また、管51は、積重ね20用のアノード
電気的接続である。管23および51は、示されていない機
構によって、燃料積重ね20に、それを互に維持するため
に圧縮力をかけて、締めつけられている。好ましくは、
この締めつけ手段は、積重ねを、燃料燃焼反応が開始
し、次いで維持できる高温まで加熱することによって得
られた熱膨張圧力が、積重ねにおける電池が分離しない
様に和らげられる。第３図に示されている様に、酸素源
および燃料源の分離は、好ましい取付方法において容易
に達成される。燃料酸化生成物は、絶縁体24および28の
間に容量的に集まる。また、電池からの酸化ガスもその
容量に入り、残留燃料は、そこで燃焼する。燃料は、適
当な導管によって、管23に、そこから管11に供給され
る。
積重ね20における最底部電池と電気的および機械的に接
触させるための板26を含む。板26は、管14を閉じおよび
形成する。管51は、板26から突出し、、酸素含有ガスが
管14中に導入され得る様に管14と連絡している。管51
は、高温、熱的および電気的絶縁体28における孔の中に
受けられている。また、管51は、積重ね20用のアノード
電気的接続である。管23および51は、示されていない機
構によって、燃料積重ね20に、それを互に維持するため
に圧縮力をかけて、締めつけられている。好ましくは、
この締めつけ手段は、積重ねを、燃料燃焼反応が開始
し、次いで維持できる高温まで加熱することによって得
られた熱膨張圧力が、積重ねにおける電池が分離しない
様に和らげられる。第３図に示されている様に、酸素源
および燃料源の分離は、好ましい取付方法において容易
に達成される。燃料酸化生成物は、絶縁体24および28の
間に容量的に集まる。また、電池からの酸化ガスもその
容量に入り、残留燃料は、そこで燃焼する。燃料は、適
当な導管によって、管23に、そこから管11に供給され
る。
生ずる電力の量を増大するために、多くの積重ね20が
同一の絶縁体24および28の間に取り付けられる。好まし
くは、その取付けを行なうに当っては、少なくとも数種
の積重ねが並列的に電気的に接触される。
同一の絶縁体24および28の間に取り付けられる。好まし
くは、その取付けを行なうに当っては、少なくとも数種
の積重ねが並列的に電気的に接触される。
新規燃料電池は、燃料および酸化剤の管の内部配置
が、電池操作中密閉を維持しなければならない面積を減
少させるので特に有利である。電池の周辺に配置されて
いるこれらの管を有する知られている電池においては、
要求される密閉に比較的大きな周辺があるためより長い
またはより大きな面積において密閉されなければならな
い。さらに、新規電池においては、半融によりある程度
制御され得る比較的高い電極透過性が、燃料および酸素
を電池に入れるために必要なエネルギーを減少させる。
が、電池操作中密閉を維持しなければならない面積を減
少させるので特に有利である。電池の周辺に配置されて
いるこれらの管を有する知られている電池においては、
要求される密閉に比較的大きな周辺があるためより長い
またはより大きな面積において密閉されなければならな
い。さらに、新規電池においては、半融によりある程度
制御され得る比較的高い電極透過性が、燃料および酸素
を電池に入れるために必要なエネルギーを減少させる。
効果は薄いが、単一の別の燃料電池実施態様40が第４
図の断面図に、および第５図の平面図に示されている。
第２図および第４図における要素と同様に、同一の参照
番号が付されている。電池40は、管14が省略されている
ほかは、電池１と本質的に同一である。すなわち、電池
要素、カソード５、アノード４、および電解質６は全
て、たゞ一つの内部孔を含んでいるにすぎない。
図の断面図に、および第５図の平面図に示されている。
第２図および第４図における要素と同様に、同一の参照
番号が付されている。電池40は、管14が省略されている
ほかは、電池１と本質的に同一である。すなわち、電池
要素、カソード５、アノード４、および電解質６は全
て、たゞ一つの内部孔を含んでいるにすぎない。
第６図においては、燃料電池40の積重ね50が図式的に
示されている。再び第３図の要素群と同様、同一の参照
番号が付されており、類似する要素群には、同一の参照
番号がダッシュを付して与えられている。末端接続21′
は、それを通じて燃料が燃料電池積重ねに導入される管
11との連絡を確立させるための突出管23を有する板22′
を含む。管23は、再び、絶縁物質24を介して積重ねの一
つの末端を取付け、積重ねのカソード接続を形成するた
めに使用される。積重ねの反対側の末端においては、末
端接続25′は、管６の一つの末端を閉じそれを形成する
板26′を含む。ロッド27は、25′から突出して、絶縁板
28の孔を貫通し、機械的支持ならびに積重ね50のアノー
ド接続を供給する。第３図における様に、管23およびロ
ッド27は、積重ね50に圧縮力をかけて互にそれらの要素
群を締めつけるための取付手段を含んでいる。燃料電池
50は、燃料電池積重ね20の操作と同様な方法において操
作される。しかしながら、電池の囲りの空間における酸
素含量は、望ましくは該空間に新鮮な空気を連続的に加
えることによって約10％に維持される。また、電池は、
好ましくは、室ガスの温度および循環を制御することに
よって冷却される。この実施態様においては、酸素は、
酸素濃度勾配の影響下、カソードの周辺から内部へ拡散
する。
示されている。再び第３図の要素群と同様、同一の参照
番号が付されており、類似する要素群には、同一の参照
番号がダッシュを付して与えられている。末端接続21′
は、それを通じて燃料が燃料電池積重ねに導入される管
11との連絡を確立させるための突出管23を有する板22′
を含む。管23は、再び、絶縁物質24を介して積重ねの一
つの末端を取付け、積重ねのカソード接続を形成するた
めに使用される。積重ねの反対側の末端においては、末
端接続25′は、管６の一つの末端を閉じそれを形成する
板26′を含む。ロッド27は、25′から突出して、絶縁板
28の孔を貫通し、機械的支持ならびに積重ね50のアノー
ド接続を供給する。第３図における様に、管23およびロ
ッド27は、積重ね50に圧縮力をかけて互にそれらの要素
群を締めつけるための取付手段を含んでいる。燃料電池
50は、燃料電池積重ね20の操作と同様な方法において操
作される。しかしながら、電池の囲りの空間における酸
素含量は、望ましくは該空間に新鮮な空気を連続的に加
えることによって約10％に維持される。また、電池は、
好ましくは、室ガスの温度および循環を制御することに
よって冷却される。この実施態様においては、酸素は、
酸素濃度勾配の影響下、カソードの周辺から内部へ拡散
する。
前記の様に設計された燃料電池は、非常に簡単であ
り、それ故従来より使用されていた電池設計よりもその
組立において費用が極めて低い。ジルコニア電解質の複
雑な形状は要求されない。隔離板は、簡単な形である。
カソードおよびアノードは、簡単な圧縮された結合の弱
い粉末である。これらの電池は、効率がよく容量当り比
較的高い電力出力を生ずる。電池の独立構造のため、一
つの電池におけるセラミック欠如、たとえばエレメント
群の一つのきずは、他の電池に伝わらない。消費燃料の
加熱度によって分けられる直流電力出力に基く40％また
はそれ以上の電気エネルギーを発生するに当っての効率
は、本発明による燃料電池積重ねを用いると達成でき、
一方同時に、電池当り、平方センチ当り、50ミリワット
以上の正味有用な電力密度を得る。正味有用な電力の容
量電力密度は、40％効率で、500ミリワット/cm3を超え
ることができる。
り、それ故従来より使用されていた電池設計よりもその
組立において費用が極めて低い。ジルコニア電解質の複
雑な形状は要求されない。隔離板は、簡単な形である。
カソードおよびアノードは、簡単な圧縮された結合の弱
い粉末である。これらの電池は、効率がよく容量当り比
較的高い電力出力を生ずる。電池の独立構造のため、一
つの電池におけるセラミック欠如、たとえばエレメント
群の一つのきずは、他の電池に伝わらない。消費燃料の
加熱度によって分けられる直流電力出力に基く40％また
はそれ以上の電気エネルギーを発生するに当っての効率
は、本発明による燃料電池積重ねを用いると達成でき、
一方同時に、電池当り、平方センチ当り、50ミリワット
以上の正味有用な電力密度を得る。正味有用な電力の容
量電力密度は、40％効率で、500ミリワット/cm3を超え
ることができる。
本発明は、ある好ましい実施態様について述べられて
いる。本発明の精神の範囲における種々の変更および追
加は、本技術における当業者にとって容易にできる。従
って、本発明の範囲は、前記の特許請求の範囲によって
のみ制限されるものである。
いる。本発明の精神の範囲における種々の変更および追
加は、本技術における当業者にとって容易にできる。従
って、本発明の範囲は、前記の特許請求の範囲によって
のみ制限されるものである。
第１図は、第２図の１−１線に沿って見た本発明による
燃料電池の一つの実施態様の断面側面図である； 第２図は、第１図の燃料電池実施態様の平面図である； 第３図は、本発明による燃料電池組立体の一つの実施態
様の、部分的に離脱している側面図である。 第４図は、第５図の線４−４に沿って見た本発明による
燃料電池の一つの実施態様の断面側面図である； 第５図は、第４図の燃料電池実施態様の平面図である；
および 第６図は、本発明による燃料電池組立体の一つの実施態
様の、部分的に離脱している側面図である。
燃料電池の一つの実施態様の断面側面図である； 第２図は、第１図の燃料電池実施態様の平面図である； 第３図は、本発明による燃料電池組立体の一つの実施態
様の、部分的に離脱している側面図である。 第４図は、第５図の線４−４に沿って見た本発明による
燃料電池の一つの実施態様の断面側面図である； 第５図は、第４図の燃料電池実施態様の平面図である；
および 第６図は、本発明による燃料電池組立体の一つの実施態
様の、部分的に離脱している側面図である。
Claims (10)
- 【請求項１】ガス状燃料を受ける第１の板状不通気性隔
離板を貫通する第１の内部孔を含む該第１の隔離板； 該第１の隔離板と接し、かつガス状燃料を受ける板状酸
化物粉末カソードを貫通する第２の内部孔を含む該カソ
ード、該第２の孔は、該第１の孔と少なくとも部分的に
重ね合せになっており； 該カソードと接し、かつ板状不通気性固体電解質を貫通
する第３の内部孔を含む、該電解質、該第３の孔は、該
第２の孔と少なくとも部分的に重ね合せになっており； 該第２の孔内に配置され、かつ該カソードを該第１の孔
内の燃料から保護する該電解質と密閉的に接触している
実質的に不通気性の管状ガスケット；および 該固体電解質と接し、かつ板状粉末アノードを貫通する
第４の内部孔を含む該アノード、該第４の孔は、該第３
の孔と少なくとも部分的に重ね合せになっている；こと
からなることを特徴とする燃料を酸化して電気エネルギ
ーを発生させる燃料電池。 - 【請求項２】該隔離板、該カソード、該電解質、該アノ
ードが各々、第５の孔、該第５の孔と少なくとも部分的
に重ね合せになっている第６の孔、該第６の孔と少なく
とも部分的に重ね合せになっている第７の孔、および該
第７の孔と少なくとも部分的に重ね合せになっている第
８の孔、ならびに該第８の孔内に配置されかつ該アノー
ドを該第５の孔内の酸素から保護する該電解質と密閉的
に接触している第２の実質的に不通気性の管状ガスケッ
トを含んでいることを特徴とする請求項１に記載の燃料
電池。 - 【請求項３】該カソードが灰チタン石結晶形を有する酸
化物粉体からなることを特徴とする請求項１に記載の燃
料電池。 - 【請求項４】該カソードが、亜マンガン酸ランタンであ
ることを特徴とする請求項３に記載の燃料電池。 - 【請求項５】該カソードが、ある種のランタンの代わり
に微量添加物としてストロンチウムを含んでいることを
特徴とする請求項４に記載の燃料電池。 - 【請求項６】該アノードがニッケル粉末からなることを
特徴とする請求項１に記載の燃料電池。 - 【請求項７】該アノードが、ニッケル粉末およびジルコ
ニア粉末の配合物からなることを特徴とする請求項６に
記載の燃料電池。 - 【請求項８】該燃料電池の周辺で、該アノードを酸素か
ら部分的に保護する周辺障壁を含んでいることを特徴と
する請求項１に記載の燃料電池。 - 【請求項９】該障壁が、ジルコニアおよび粉末ニッケル
の一つからなることを特徴とする請求項８に記載の燃料
電池。 - 【請求項１０】該隔離板が金属合金であることを特徴と
する請求項１に記載の燃料電池。
Applications Claiming Priority (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| US043615 | 1987-04-28 | ||
| US07/043,615 US4770955A (en) | 1987-04-28 | 1987-04-28 | Solid electrolyte fuel cell and assembly |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPS6427165A JPS6427165A (en) | 1989-01-30 |
| JP2656943B2 true JP2656943B2 (ja) | 1997-09-24 |
Family
ID=21928046
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP63098044A Expired - Lifetime JP2656943B2 (ja) | 1987-04-28 | 1988-04-20 | 改善された固体電解質燃料電池および組立体 |
Country Status (7)
| Country | Link |
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