JP4362615B2

JP4362615B2 - 酸素ガス貯蔵容器、その製造方法及びその容器を使用した燃料電池システム

Info

Publication number: JP4362615B2
Application number: JP2002317382A
Authority: JP
Inventors: 泰二星屋; 信一馬場; 敏明曽我部; 大受柴田
Original assignee: 独立行政法人日本原子力研究開発機構
Priority date: 2002-10-31
Filing date: 2002-10-31
Publication date: 2009-11-11
Anticipated expiration: 2022-10-31
Also published as: JP2004150559A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、宇宙空間又は深海圏など酸素の存在しない極限環境で使用する酸素源を供給する固体電解質酸素ガス貯蔵技術及び固体電解質酸素ガス貯蔵容器、また、燃料電池の酸素燃料として安全に携帯又は微小空間に設置可能な固体電解質酸素ガス貯蔵容器に関する。なお、微小空間とはマイクロマシーンが作動する領域などを言う。
【０００２】
【従来の技術】
従来、酸素ガスの貯蔵は、高圧酸素ガスボンベ若しくは液化酸素ボンベによってなされ酸素ガスが供給されている。一方、これらボンベ自体が重量物であることから可搬性が大きく不足している。さらに高圧酸素ガスボンベの場合には調圧器が必要であり、また液化酸素ボンベにおいては気化器も必要となるなど極限環境および携帯用途、若しくは微小空間での使用を想定すると至便性に大きく欠けることが最大の欠点である。
【０００３】
本発明のような固体物質に酸素を貯蔵して使用するなどの技術は、未だ公開されていない。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、極限環境又は携帯容器に簡便にかつ安全に使用可能な固体電解質酸素ガス貯蔵技術及び固体電解質酸素ガス貯蔵容器を提供することを目的とする。加えて燃料電池の酸素燃料源としての固体電解質酸素ガス貯蔵容器を提供する。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
前記課題は、固体電解質である酸化物セラミックス材料に電子線を照射することによって解決される。すなわち、酸化物セラミックスを真空下で試料に向けての垂線に対して比較的浅い角度６０°から８０°、好ましくは７０°近傍の角度で電子線を入射する。電子線の照射によって、酸化物セラミックスの表面層に影響を及ぼして表面を膨張させ、いわば風船化させる。その結果、その膨張部分に酸素ガスが貯蔵されることを見出し本発明に至った。
【０００６】
図１に、酸化ジルコニウムに電子線を照射して得られた酸素貯蔵容器の走査型電子顕微鏡写真を示す。楕円形に膨れた部分が酸素貯蔵部に当たる。楕円形状に見えるが斜めから観察した写真であり、実際は円形状である。
【０００７】
比較的浅い角度で照射するのは、電子励起を生成させるのに必要充分な最低限のエネルギーを材料に付与するためである。この時、角度が材料に対して垂直方向に近ければ、多大なエネルギーが材料に与えられ材料を微細に破壊するような損傷を与えることになり本目的を達成することは出来ない。
【０００８】
また、電子線の加速エネルギーは２５ｋｅＶ程度、電流は０．５ｎＡ以上であることが照射強度を維持するために適当である。それら材料への電子線照射は、電子線が安定に発生する減圧下すなわち、１０^-3Ｐａ程度の下に保持された空間内で行われる。
【０００９】
固体電解質としては、酸化ジルコニウム、酸化アルミニウム、酸化ケイ素等ほとんどの酸化物セラミックスが使用可能である。材料表面が膨張し風船化して貯蔵されるのであるから材料は実質的に開気孔が存在しないことが必要とされる。
【００１０】
本発明では、酸化物セラミックスを電子線照射することにより、電子励起により強力な酸化剤である活性酸素イオン（Ｏ^-）を生成させて、酸素原子の拡散、結合及び酸素分子（酸素ガス）の形成を促進させることが特徴である。このため、対象となる酸化物セラミックスには、固体内を酸素イオンが容易に移動できるようなイオン導電性を有すること、すなわち、固体電解質であることが要求される。本発明の酸化ジルコニウム、酸化アルミニウム、酸化ケイ素等の酸化物セラミックスは、イオン結合性を有しており、酸素欠損を介して酸素イオンが移動可能となる固体電解質である。
【００１１】
本発明の酸素ガス貯蔵容器は、固体電解質型燃料電池の酸素極に使用される。
（固体電解質型燃料電池システムの電池構造及び作動形態）
固体電解質型燃料電池では、図２に示されるように、電解質の片側に本発明の酸素ガス貯蔵容器からなる酸素極及び酸素室、反対側に燃料極と燃料室を設け、両極間を負荷を通して接続し、固体電解質を加熱すると、両極間の酸素濃度差を緩和すべく、電解質内を酸素イオンが移動し、燃料極側に到達した酸素イオンは、燃料である水素と結合して水蒸気となる。このとき、イオンの一部を構成する余分の電子は、負荷を経て酸素極に還流し、酸素原子と結合して酸素イオンとなり、酸素イオンの移動により生じた酸素イオンの欠損を埋める。このように酸素濃度差が保持されている限り、電池反応が継続する。なお、固体電解質の片側に酸素室を設置するためには、固体電解質の外側に酸素室を機械的に付設する他に、固体電解質を電子線照射することで行われる。
【００１２】
（本発明における固体電解質の作用）
本発明に示すように固体電解質の片側を電子線照射することにより、固体電解質の片側から酸素ガスを集積し、酸素極及び酸素室として、風船状に膨張させた酸素ガス貯蔵容器を迅速かつ簡便に設けることが可能になる。この場合、両極間のポテンシャル差は、電子線照射中に最大となることから、照射終了後に固体電解質をイオンの移動が可能となる温度まで、抵抗加熱又は粒子線照射等を用いて昇温することにより、酸素イオンの欠損を介した酸素イオンの移動が促進され、電池機能が発現する。
【００１３】
【発明の実施の形態】
本酸素貯蔵の機構は、次のように説明される。電子線照射によって酸化物セラミックスが励起され、Ｏ^-（活性酸素イオン）が形成される。この酸素イオンがかい離しながら他の酸素イオンＯ^2-等を酸化させるため、電子を放出して酸素原子となり、それらが結合して酸素分子すなわち酸素ガスとなる。電子線照射に伴い表面に電流が連続して発生するとともに、酸素ガスのガス圧が上昇し材料に内部応力が負荷され、超塑性変形して膨張する。なお、超塑性変形の要因としては内部応力超塑性、変態超塑性などが推測されるが、本発明においては現象として起こっている超塑性についてはその機構は明らかではない。
【００１４】
材料に浅い角度で電子線が照射される際、材料の極表面は付与されるエネルギーが非常に小さいので極表面では励起される度合いがかなり少なく、材料の極表面は変化を受けない。従って、表面を膨張させることが可能となる。
【００１５】
酸素の移動に関しては、次の二点が要因であろうと考えられる。
▲１▼ 酸素の存在が非常に希薄な真空中に材料が置かれており、試料内部と外部との酸素ポテンシャルの差が材料中の酸素の移動を促す。
【００１６】
▲２▼ 固体電解質酸化物セラミックスが電子線照射によって下記の電気二重層が形成されることによって起こると考えられる。
電気二重層は、組成の異なる二層の接触界面において、界面の一方の側には余分の正の電荷が、他の側には余分の負の電荷が連続的に分布するが、全体として電気的に中性の条件を満足するような境界面をいう（岩波理化学辞典第４版）。すなわち、電子線照射によって材料が励起され酸素原子が材料内の電子を受け取り固体中で酸素イオンとなる。従って、材料の表面近傍は酸素がイオン化して存在し負の電荷が分布（負極）し、内部では正孔が生じ正の電荷が分布（正極）して電気二重層を形成する。酸素イオンは正極に拡散移動をしながら電荷を失って酸素原子となり、酸素分子すなわち酸素ガスとなる。酸素ポテンシャルに差があるために、照射下では酸素原子や酸素イオンは材料表面に向って移動して、表面に酸素が補充される。その酸素が電子線との相互作用を起こすことができる。
【００１７】
この様にして得られた固体電解質酸素ガス貯蔵容器は、軽量であり微小領域に酸素を蓄えることが出来るという特長を有する酸素源として使用することができる。なお、宇宙空間においては、宇宙空間は真空状態にあるので、酸化物セラミックスにその場で電子線を当て酸素を作り出すことが可能である。
【００１８】
酸素ガス貯蔵容器は、燃料電池システムに組み込むことは非常に有用であると想定される。具体的な使用の形態を、本用途を想定して例示する。
本酸素ガス貯蔵容器は軽量で可搬性を有し、微小な酸素貯蔵容器を与えるので微小空間での利用や携帯用の利用に最適である。本酸素ガス貯蔵容器は燃料電池アッセンブリーの一部として組み込まれる。酸素の取り出し方の例としては、高分子またはその炭素化物でできた酸素分子篩を本酸素ガス貯蔵容器表面に接着させて、燃料電池アッセンブリーに組み込んだ後に容器の風船部の殻を破って必要量の酸素を取り出すことが出来る。風船部の殻を破壊する方法としては、まず圧力を掛けることが想定されるがこのとき圧電素子を用いて圧力を微小制御することによって取り出す酸素ガスの量を調整することが可能である。
【００１９】
【実施例】
縦幅１０ｍｍ、横幅１０ｍｍ、厚さ２ｍｍの酸化ジルコニウム板（東ソー（株）製、グレードＴＺ−３ＹＳＢ−Ｅ（製品名））を機械研磨した後にイオンビームエッチングを行い、表面を平滑にして、電子線照射装置の真空チャンバーに設置した。この時の真空度は１０^-3Ｐａであった。
【００２０】
次に、その酸化ジルコニウム板に以下の条件で電子線を照射した。空間分解能：約０．１マイクロメーター程度、エネルギー：２５ｋｅＶ、電流：０−５ｎＡ、入射角度：７０．６度、推定侵入深さ：２０から５０ｎｍ、照射時間：３０ｍｉｎ．。
【００２１】
照射後の酸化ジルコニウム板の、材料表面を走査型電子顕微鏡で観察した。表面が膨張し、いわば風船化した楕円形状が幾つか観察された。その代表的なもので、直径１８０μｍの円形状に膨張したものが観察された。
【００２２】
その膨張した部分に一気圧で酸素ガスが貯蔵されていると仮定すると、標準状態（一気圧、０℃）で、約１マイクロリットルの酸素ガスが貯蔵されている。
【００２３】
【発明の効果】
本発明に係る酸化物セラミックス固体電解質からなる酸素ガス貯蔵容器は、以上のように製作でき、軽量で可搬性を有し極限環境下での酸素を供給することが出来る。また、本酸素ガス貯蔵容器は、燃料電池の酸素燃料として安全に携帯又は微小空間に設置可能な酸素供給源としての機能を有する。
【００２４】
又、本発明を燃料電池に適用する場合、固体電解質の効果は、固体電解質を構成する酸化物セラミックスが担う酸素ポテンシャルについて電子線照射を用いて抽出可能とするとともに、空気極環境や酸素極環境を特別に設けることなく、固体電解質の導電機能を利用した電池機能を発現させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】酸化ジルコニウムに電子線を照射して得られた酸素貯蔵容器の走査型電子顕微鏡写真を示す図である。
【図２】固体電解質型燃料電池システムの電池構造及び作動形態を示す図である。

Claims

電解質の片側に、酸化物セラミックス固体電解質を電子線照射することによって得られた酸素ガス貯蔵容器からなる酸素室及び酸素極を設け、前記電解質の反対側に燃料室及び燃料極を設け、前記酸素極と前記燃料極を負荷を通して接続することにより、両極間の酸素濃度差を緩和するために電解質内を酸素イオンが移動し、燃料極側に到達した酸素イオンは燃料である水素と結合して水蒸気となり、その際イオンの一部を構成する余分の電子が負荷を経て酸素極に還流し、酸素原子と結合して酸素イオンとなって酸素イオンの移動により生じた酸素イオンの欠損を埋め、酸素濃度差が保持されている限り電池反応が継続することを特徴とする燃料電池システム。
前記酸化物セラミックス固体電解質が、酸化ジルコニウム、酸化アルミニウム又は酸化ケイ素である請求項１に記載の燃料電池システム。
酸化物セラミックス固体電解質に試料表面の垂線に対して６０度から８０度の角度で電子線照射を行うことを特徴とする酸素ガス貯蔵容器の製造方法。