JPH01267963A - 固体電解質型燃料電池 - Google Patents
固体電解質型燃料電池Info
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- JPH01267963A JPH01267963A JP63097657A JP9765788A JPH01267963A JP H01267963 A JPH01267963 A JP H01267963A JP 63097657 A JP63097657 A JP 63097657A JP 9765788 A JP9765788 A JP 9765788A JP H01267963 A JPH01267963 A JP H01267963A
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Classifications
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- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
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- H01M8/1246—Fuel cells with solid electrolytes operating at high temperature, e.g. with stabilised ZrO2 electrolyte characterised by the process of manufacturing or by the material of the electrolyte the electrolyte consisting of oxides
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Abstract
(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。
め要約のデータは記録されません。
Description
【発明の詳細な説明】
〔産業上の利用分野〕
本発明は、固体電解質型燃料電池に係り、特に低温で作
動させることができる固体電解質型燃料電池に関するも
のである。
動させることができる固体電解質型燃料電池に関するも
のである。
最近、低公害のエネルギー源として注目を集めている燃
料電池は、起電反応の源となる、活物質としての燃料と
酸化剤とを外部から連続的に供給して電気エネルギーと
して取出すとともに、反応生成物を連続的に排出するこ
とができる電池である。このような燃料電池の中で、電
解質の漏洩の恐れがなく、反応速度が大きいとして注目
されているのが固体電解質型燃料電池であり、固体電解
質として、例えばＺｒ０２−Ｙ２Ｏ３ （ＹＳＺ）、
Ｃｅ０２−ＣａｂＳＣｅ０２−Ｙ２Ｏ３系のものが使用
されている。このような従来技術に関連するものとして
、例えば特開昭６１−１０１９７１号公報等があげられ
る。
料電池は、起電反応の源となる、活物質としての燃料と
酸化剤とを外部から連続的に供給して電気エネルギーと
して取出すとともに、反応生成物を連続的に排出するこ
とができる電池である。このような燃料電池の中で、電
解質の漏洩の恐れがなく、反応速度が大きいとして注目
されているのが固体電解質型燃料電池であり、固体電解
質として、例えばＺｒ０２−Ｙ２Ｏ３ （ＹＳＺ）、
Ｃｅ０２−ＣａｂＳＣｅ０２−Ｙ２Ｏ３系のものが使用
されている。このような従来技術に関連するものとして
、例えば特開昭６１−１０１９７１号公報等があげられ
る。
しかしながら上記従来技術は、動作温度が８００〜１０
００℃と非常に高温であるために、電池の周辺部材のほ
とんどすべてにセラミックス耐熱材料を使用しなければ
ならず、加工上の信頼性が得られないばかりでなく、コ
ストが高く商品化の°遅速にも大きな影響を与えていた
。
００℃と非常に高温であるために、電池の周辺部材のほ
とんどすべてにセラミックス耐熱材料を使用しなければ
ならず、加工上の信頼性が得られないばかりでなく、コ
ストが高く商品化の°遅速にも大きな影響を与えていた
。
本発明の目的は、上記従来技術の問題点を解決し、動作
温度が低く、製品としての信頼性が高い固体電解質型燃
料電池を提供することにある。
温度が低く、製品としての信頼性が高い固体電解質型燃
料電池を提供することにある。
上記目的を達成するため本発明は、電子導電体または混
合導電体からなる酸素極と、酸素イオン導電性の固体電
解質と、電子導電体からなる燃料極とをガス透過性の基
体に積層した単セルを多数配列した固体電解質型燃料電
池において、前記酸素イオン導電性の固体電解質として
Ｂ ｊ２Ｏ３−Ｙ２Ｏ３系の固体電解質を用いたことを
特徴とするものである。
合導電体からなる酸素極と、酸素イオン導電性の固体電
解質と、電子導電体からなる燃料極とをガス透過性の基
体に積層した単セルを多数配列した固体電解質型燃料電
池において、前記酸素イオン導電性の固体電解質として
Ｂ ｊ２Ｏ３−Ｙ２Ｏ３系の固体電解質を用いたことを
特徴とするものである。
酸素イオン導電性の固体電解質としてＢｉ２Ｏ３−Ｙ２
Ｏ３系のものを用いたことにより、７゜０℃よりも低い
温度で固体電解質型燃料電池を作動させることができる
。
Ｏ３系のものを用いたことにより、７゜０℃よりも低い
温度で固体電解質型燃料電池を作動させることができる
。
Ｂｉ２Ｏ３−Ｙ２ Ｃ３系の固体電解質は、７００℃以
下であってもイオン導電性がよく、低温動作型燃料電池
の固体電解質として適している。
下であってもイオン導電性がよく、低温動作型燃料電池
の固体電解質として適している。
第４図は、固体電解質型燃料電池において、電解質とし
て使用し得る代表的な固体電解質材料のイオン導電性を
示した図である。横軸は温度で、右はど低温である。縦
軸は電気伝導度で、上はど良導体である。温度が低くて
も優れた電池性能を示すためには、電池を構成する電解
質の温度変化特性直線が、図の右上方にあるものほど好
都合である。図において、Ｂ ｉ２Ｏ３−Ｙ２Ｏ３系の
固体電解質は７００℃以下でも充分なイオン導電性を示
しており、低温動作型燃料電池の作製に最も通している
。
て使用し得る代表的な固体電解質材料のイオン導電性を
示した図である。横軸は温度で、右はど低温である。縦
軸は電気伝導度で、上はど良導体である。温度が低くて
も優れた電池性能を示すためには、電池を構成する電解
質の温度変化特性直線が、図の右上方にあるものほど好
都合である。図において、Ｂ ｉ２Ｏ３−Ｙ２Ｏ３系の
固体電解質は７００℃以下でも充分なイオン導電性を示
しており、低温動作型燃料電池の作製に最も通している
。
本発明における電極材としては、典型的には酸素側電極
材としてランタン系のＬａＣ００３、Ｌａｏ、ｑｓ ｒ
ｏ、３Ｍｎ０３ 、ＬａＯ，＋ＩＣａ□、３Ｍｎ０３、
ＬａＯ，６Ｂ ａ □、４Ｃｏ Ｑ、ｉｒｃ ｕ ｏ、
ｚｏ ３等が、また燃料側電極材としてニッケル系のＮ
１ｏ−Ｚ ｒｏ２−Ｙ２Ｏ３等があげられる。これら
の電極材の導電率は、温度変化に対して非常に安定して
おり、動作温度を７００℃以下にしても、電極としての
機能が損なわれることはない。
材としてランタン系のＬａＣ００３、Ｌａｏ、ｑｓ ｒ
ｏ、３Ｍｎ０３ 、ＬａＯ，＋ＩＣａ□、３Ｍｎ０３、
ＬａＯ，６Ｂ ａ □、４Ｃｏ Ｑ、ｉｒｃ ｕ ｏ、
ｚｏ ３等が、また燃料側電極材としてニッケル系のＮ
１ｏ−Ｚ ｒｏ２−Ｙ２Ｏ３等があげられる。これら
の電極材の導電率は、温度変化に対して非常に安定して
おり、動作温度を７００℃以下にしても、電極としての
機能が損なわれることはない。
第５図は、主な電極材と固体電解質の導電率を比較して
示した図である。５００〜１２Ｏ０℃におけるランタン
系およびニッケル系の電極材の導電率は、温度変化の影
響を受けることなくほぼ一定値を示しており、かつ固体
電解質であるＺｒＯ２−Ｙ２ Ｃ３およびＢｉ２Ｏ３Ｙ
２Ｏ３の導電率よりも格段に大きな値を示している。動
作温度が７００℃以下になっても、前記電極材の導電率
は安定しており、電池内における電極反応が阻害される
ことはない。
示した図である。５００〜１２Ｏ０℃におけるランタン
系およびニッケル系の電極材の導電率は、温度変化の影
響を受けることなくほぼ一定値を示しており、かつ固体
電解質であるＺｒＯ２−Ｙ２ Ｃ３およびＢｉ２Ｏ３Ｙ
２Ｏ３の導電率よりも格段に大きな値を示している。動
作温度が７００℃以下になっても、前記電極材の導電率
は安定しており、電池内における電極反応が阻害される
ことはない。
次に、本発明を実施例によりさらに詳細に説明する。
第１図は、本発明の一実施例を示す固体電解質型燃料電
池の単セルの縦断面図である。この単セルは電気絶縁性
の多孔性セラミックスからなる基体管１と、該基体管１
の外側円筒面に積層されたランタン系の、例えばＬａＣ
ｏＯ３からなる酸素極（以下、酸素側電極という）３、
Ｂｉ２Ｏ３−Ｙ２Ｏ３系の、例えば（Ｙ２Ｏ３ ） ｏ
、Ｂ （Ｂ ｉ ２Ｏ３ ） ｏ、ｒｒｓからなる固体
電解質２およびニッケル系の、例えばＮ１Ｏ−ＹＳＺか
らなる燃料極（以下、燃料側電極という）４と、前記基
体管１の両端に配置された耐熱金属膜５とから主として
構成されている。酸素側電極３と燃料側電極４は、その
単セルが第２図の燃料電池スタックのどの位置に配置さ
れるかによって、前記固体電解質２の外側に積層される
か内側に積層されるかが決まる。
池の単セルの縦断面図である。この単セルは電気絶縁性
の多孔性セラミックスからなる基体管１と、該基体管１
の外側円筒面に積層されたランタン系の、例えばＬａＣ
ｏＯ３からなる酸素極（以下、酸素側電極という）３、
Ｂｉ２Ｏ３−Ｙ２Ｏ３系の、例えば（Ｙ２Ｏ３ ） ｏ
、Ｂ （Ｂ ｉ ２Ｏ３ ） ｏ、ｒｒｓからなる固体
電解質２およびニッケル系の、例えばＮ１Ｏ−ＹＳＺか
らなる燃料極（以下、燃料側電極という）４と、前記基
体管１の両端に配置された耐熱金属膜５とから主として
構成されている。酸素側電極３と燃料側電極４は、その
単セルが第２図の燃料電池スタックのどの位置に配置さ
れるかによって、前記固体電解質２の外側に積層される
か内側に積層されるかが決まる。
すなわち、単セルの外表面が空気と接する場合は外側を
酸素側電極３、内側を燃料側電極４とし、外表面が燃料
と接する場合は外側を燃料側電極４、内側を酸素側電極
３とする。基体管ｌの両端部の円筒面には、一部固体電
解質２が積層されていない部分があり、一方に酸素側電
極３だけが、他方に燃料側電極４だけがそれぞれ延長し
て単独に積層され、それぞれ基体管１の両端に配置され
た耐熱金属膜５に接合されている。このような単セルが
直径を段階的に変化させた円筒状の基体管を用いて多数
作成され、これを組合わせて燃料電池スタックが形成さ
れる。
酸素側電極３、内側を燃料側電極４とし、外表面が燃料
と接する場合は外側を燃料側電極４、内側を酸素側電極
３とする。基体管ｌの両端部の円筒面には、一部固体電
解質２が積層されていない部分があり、一方に酸素側電
極３だけが、他方に燃料側電極４だけがそれぞれ延長し
て単独に積層され、それぞれ基体管１の両端に配置され
た耐熱金属膜５に接合されている。このような単セルが
直径を段階的に変化させた円筒状の基体管を用いて多数
作成され、これを組合わせて燃料電池スタックが形成さ
れる。
第２図は、第１図の単セルを多数組合わせた燃料電池ス
タックの縦断面図である。この燃料電池スタックは、耐
熱金属からなる基板７と、該基板７上に同心円状に多数
積層された、それぞれ直径の異なる単セル６ａ、６ｂ、
６Ｃおよび６ｄと、該単セルの上部に配置されたフラン
ジ板８とから主として構成されている。前記単セル６ａ
〜６ｄは、それぞれ基板７およびフランジ板８に設けら
れた、ガスシール用の金属リング１４が配置された円形
の溝に嵌挿されて支持されている。基板７には酸化剤ガ
スの導入管１１、燃料ガスの供給管１２および燃料ガス
の排出管１３が設けられており、フランジ板８には空気
の連絡流路９および燃料の連絡流路１０が設けられてい
る。
タックの縦断面図である。この燃料電池スタックは、耐
熱金属からなる基板７と、該基板７上に同心円状に多数
積層された、それぞれ直径の異なる単セル６ａ、６ｂ、
６Ｃおよび６ｄと、該単セルの上部に配置されたフラン
ジ板８とから主として構成されている。前記単セル６ａ
〜６ｄは、それぞれ基板７およびフランジ板８に設けら
れた、ガスシール用の金属リング１４が配置された円形
の溝に嵌挿されて支持されている。基板７には酸化剤ガ
スの導入管１１、燃料ガスの供給管１２および燃料ガス
の排出管１３が設けられており、フランジ板８には空気
の連絡流路９および燃料の連絡流路１０が設けられてい
る。
このような構成において、燃料供給管１２から燃料電池
スタック内へ供給された燃料、例えば水素Ｆは、単セル
６ａと６ｂの間の流路を流れ、燃料連絡流路１０を経て
単セル６Ｃと６ｄの間の流路を流れ、燃料排出管１３か
ら燃料電池スタック外へ排出される。一方、空気導入管
１１から燃料電池スタック内へ導入された空気Ａは、単
セル６ａ内を流れ、空気連絡流路９を経て単セル６ｂと
６０の間の流路を流れ、基板７の空気排出孔１５を経て
燃料電池スタック外へ排出される。排出された空気Ａは
、図示省略されている（第３図参照）基板７に設けられ
た空気通過孔１７を通って上昇し、単セル６ｄの外表面
の酸素側電極３と接触する。このようにして水素Ｆと空
気Ａとが供給された各単セルの電極間では電極反応が生
じる。例えば空気への流路となる単セル６ｂの外表面の
酸素側電極３では、空気Ａ中の酸素が外部回路からの電
子を受は取って酸素イオンとなって、固体電解質２に入
り荷電担体となる。一方、単セル６ｂの基体管１内は燃
料である水素Ｆの流路となり、水素Ｆは基体管ｌを介し
てその内表面に積層された燃料側電極４へ流入し、ここ
で前記固体電解質２中の酸素イオンと反応して水を生成
し、電子を外部へ放出する。他の単セルにおいても同様
の電極反応が起こり、電気エネルギーが発生する。なお
、このとき前記空気通過孔１７を経て上昇した空気Ａは
、燃料電池スタックの外表面の酸素側電極３に酸素を与
える。
スタック内へ供給された燃料、例えば水素Ｆは、単セル
６ａと６ｂの間の流路を流れ、燃料連絡流路１０を経て
単セル６Ｃと６ｄの間の流路を流れ、燃料排出管１３か
ら燃料電池スタック外へ排出される。一方、空気導入管
１１から燃料電池スタック内へ導入された空気Ａは、単
セル６ａ内を流れ、空気連絡流路９を経て単セル６ｂと
６０の間の流路を流れ、基板７の空気排出孔１５を経て
燃料電池スタック外へ排出される。排出された空気Ａは
、図示省略されている（第３図参照）基板７に設けられ
た空気通過孔１７を通って上昇し、単セル６ｄの外表面
の酸素側電極３と接触する。このようにして水素Ｆと空
気Ａとが供給された各単セルの電極間では電極反応が生
じる。例えば空気への流路となる単セル６ｂの外表面の
酸素側電極３では、空気Ａ中の酸素が外部回路からの電
子を受は取って酸素イオンとなって、固体電解質２に入
り荷電担体となる。一方、単セル６ｂの基体管１内は燃
料である水素Ｆの流路となり、水素Ｆは基体管ｌを介し
てその内表面に積層された燃料側電極４へ流入し、ここ
で前記固体電解質２中の酸素イオンと反応して水を生成
し、電子を外部へ放出する。他の単セルにおいても同様
の電極反応が起こり、電気エネルギーが発生する。なお
、このとき前記空気通過孔１７を経て上昇した空気Ａは
、燃料電池スタックの外表面の酸素側電極３に酸素を与
える。
電気的に並列に接続された単セルはそれぞれその両端が
正極および負極となり、電気エネルギーは、発生した電
気を取出すターミナルとしての機能を持つ基板７および
フランジ板８に集電された後、外部に取出される。
正極および負極となり、電気エネルギーは、発生した電
気を取出すターミナルとしての機能を持つ基板７および
フランジ板８に集電された後、外部に取出される。
第３図は、固体電解質型燃料電池における燃料電池スタ
ックの配置例を示す図である０図において、燃料電池ス
タック１６は、基板７上にほぼ等間隔に配置されており
、該基板７の下方には空気導入管１１、燃料供給管１２
および燃料排出管１３が配置されている。また前記基板
７の燃料電池スタック１６が配置されていない部分に複
数の空気通過孔１７が設けられている。各燃料電池スタ
ック１６で発生し、集電された電気エネルギーは、さら
に集電されより強力な電気エネルギーとして取出される
。
ックの配置例を示す図である０図において、燃料電池ス
タック１６は、基板７上にほぼ等間隔に配置されており
、該基板７の下方には空気導入管１１、燃料供給管１２
および燃料排出管１３が配置されている。また前記基板
７の燃料電池スタック１６が配置されていない部分に複
数の空気通過孔１７が設けられている。各燃料電池スタ
ック１６で発生し、集電された電気エネルギーは、さら
に集電されより強力な電気エネルギーとして取出される
。
本実施例によれば、酸素イオン導電性の固体電解質とし
てＢ ｉ２Ｏ３−Ｙ２Ｏ３系の固体電解質を用いたので
、動作温度を７００℃以下にすることができ、各電池部
材の熱による劣化を抑制できるとともに、電池部材とし
てセラミックスでなく加工性のよい金属を用いることが
可能となり、燃料電池全体としての信頼性および操作性
が向上する。また、燃料電池スタックを構成する単セル
を直径が異なる円筒型とし、これを同心円状に多数配置
したので発電出力密度が高くなる。
てＢ ｉ２Ｏ３−Ｙ２Ｏ３系の固体電解質を用いたので
、動作温度を７００℃以下にすることができ、各電池部
材の熱による劣化を抑制できるとともに、電池部材とし
てセラミックスでなく加工性のよい金属を用いることが
可能となり、燃料電池全体としての信頼性および操作性
が向上する。また、燃料電池スタックを構成する単セル
を直径が異なる円筒型とし、これを同心円状に多数配置
したので発電出力密度が高くなる。
本発明によれば、例えば動作温度を７００℃以下にする
ことができ、燃料電池全体としての信頼性および操作性
が向上する。
ことができ、燃料電池全体としての信頼性および操作性
が向上する。
第１図は、本発明の一実施例を示す固体電解質型燃料電
池の単セルの縦断面図、第２図は、単セルを組合わせた
燃料電池スタックの縦断面図、第３図は、本発明におけ
る固体電解質型燃料電池の燃料電池スタックの配置例を
示す図、第４図は、代表的な酸素イオン導電性固体電解
質の電気伝導度と温度との関係を示す図、第５図は、代
表的な電極材の電気伝導度と温度との関係を示す図であ
る。 １・・・基体管、２・・・固体電解質、３・・・酸素側
電極、４・・・燃料側電極、６ａ〜６ｄ・・・単セル、
７・・・基板、８・・・フランジ板、１６・・・燃料電
池スタック。 代理人 弁理士 川 北 武 長 １：基体管 ２：固体電解質 ３：酸素側ミオ互 １：燃料側電極 ６ａ〜６ｄ：単セル ７二基板 ８：フランジ板 ９：空気連絡流路 ｌＯ：燃料連絡流路 １１：空気導入管 １２：燃料供給管 １３：燃料排出管 １１：ガヌシール用金属リング １５：空気排出孔 Ａ：空気 Ｆ：水素 第２図 薮 第４図 温度（た）
池の単セルの縦断面図、第２図は、単セルを組合わせた
燃料電池スタックの縦断面図、第３図は、本発明におけ
る固体電解質型燃料電池の燃料電池スタックの配置例を
示す図、第４図は、代表的な酸素イオン導電性固体電解
質の電気伝導度と温度との関係を示す図、第５図は、代
表的な電極材の電気伝導度と温度との関係を示す図であ
る。 １・・・基体管、２・・・固体電解質、３・・・酸素側
電極、４・・・燃料側電極、６ａ〜６ｄ・・・単セル、
７・・・基板、８・・・フランジ板、１６・・・燃料電
池スタック。 代理人 弁理士 川 北 武 長 １：基体管 ２：固体電解質 ３：酸素側ミオ互 １：燃料側電極 ６ａ〜６ｄ：単セル ７二基板 ８：フランジ板 ９：空気連絡流路 ｌＯ：燃料連絡流路 １１：空気導入管 １２：燃料供給管 １３：燃料排出管 １１：ガヌシール用金属リング １５：空気排出孔 Ａ：空気 Ｆ：水素 第２図 薮 第４図 温度（た）
Claims (1)
- （１）電子導電体からなる酸素極と、酸素イオン導電性
の固体電解質と、電子導電体からなる燃料極とをガス透
過性の基体に積層した単セルを多数配列した固体電解質
型燃料電池において、前記酸素イオン導電性の固体電解
質としてＢｉ＿２Ｏ＿３−Ｙ＿２Ｏ＿３系の固体電解質
を用いたことを特徴とする固体電解質型燃料電池。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP63097657A JPH01267963A (ja) | 1988-04-20 | 1988-04-20 | 固体電解質型燃料電池 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP63097657A JPH01267963A (ja) | 1988-04-20 | 1988-04-20 | 固体電解質型燃料電池 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH01267963A true JPH01267963A (ja) | 1989-10-25 |
Family
ID=14198142
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP63097657A Pending JPH01267963A (ja) | 1988-04-20 | 1988-04-20 | 固体電解質型燃料電池 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH01267963A (ja) |
Cited By (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH04108A (ja) * | 1990-03-14 | 1992-01-06 | Mitsubishi Heavy Ind Ltd | 燃焼装置 |
| CH682270A5 (ja) * | 1991-03-05 | 1993-08-13 | Ulf Dr Bossel | |
| JP2002289249A (ja) * | 2001-03-22 | 2002-10-04 | National Institute Of Advanced Industrial & Technology | 固体電解質型燃料電池スタック構造体 |
| WO2002099917A2 (en) * | 2001-06-04 | 2002-12-12 | Acumentrics Corporation | Horizontal solid oxide fuel cell tube systems and methods |
| JP2007335226A (ja) * | 2006-06-15 | 2007-12-27 | Toto Ltd | 燃料電池 |
| US8658327B2 (en) | 2002-02-20 | 2014-02-25 | Acumentrics Corporation | Fuel cell stacking and sealing |
-
1988
- 1988-04-20 JP JP63097657A patent/JPH01267963A/ja active Pending
Cited By (8)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH04108A (ja) * | 1990-03-14 | 1992-01-06 | Mitsubishi Heavy Ind Ltd | 燃焼装置 |
| CH682270A5 (ja) * | 1991-03-05 | 1993-08-13 | Ulf Dr Bossel | |
| JP2002289249A (ja) * | 2001-03-22 | 2002-10-04 | National Institute Of Advanced Industrial & Technology | 固体電解質型燃料電池スタック構造体 |
| WO2002099917A2 (en) * | 2001-06-04 | 2002-12-12 | Acumentrics Corporation | Horizontal solid oxide fuel cell tube systems and methods |
| WO2002099917A3 (en) * | 2001-06-04 | 2004-04-08 | Acumentrics Corp | Horizontal solid oxide fuel cell tube systems and methods |
| US6841284B2 (en) | 2001-06-04 | 2005-01-11 | Acumentrics Corporation | Horizontal fuel cell tube system and methods |
| US8658327B2 (en) | 2002-02-20 | 2014-02-25 | Acumentrics Corporation | Fuel cell stacking and sealing |
| JP2007335226A (ja) * | 2006-06-15 | 2007-12-27 | Toto Ltd | 燃料電池 |
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