JPH08269760A - 円筒型高温水蒸気電解セル - Google Patents
円筒型高温水蒸気電解セルInfo
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- JPH08269760A JPH08269760A JP7175495A JP7175495A JPH08269760A JP H08269760 A JPH08269760 A JP H08269760A JP 7175495 A JP7175495 A JP 7175495A JP 7175495 A JP7175495 A JP 7175495A JP H08269760 A JPH08269760 A JP H08269760A
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Abstract
(57)【要約】
【構成】絶縁基体管の外周に多孔質内側電極、緻密電解
質、多孔質外側電極を順次積層して構成される４層構造
の円筒型高温水蒸気電解セルにおいて、絶縁基体管をMg
O,MgAl2O4 混合物等で構成してその熱膨張率を電極材質
のそれと同程度にした円筒型高温水蒸気電解セル。 【効果】４層構造の円筒型高温水蒸気電解セルにおい
て、電極層に働く引っ張り残留応力を従来の1/10以下に
低減でき、したがって温度昇降過程で頻繁に発生する高
温水蒸気電解セルの劣化、破損を防止できる。
質、多孔質外側電極を順次積層して構成される４層構造
の円筒型高温水蒸気電解セルにおいて、絶縁基体管をMg
O,MgAl2O4 混合物等で構成してその熱膨張率を電極材質
のそれと同程度にした円筒型高温水蒸気電解セル。 【効果】４層構造の円筒型高温水蒸気電解セルにおい
て、電極層に働く引っ張り残留応力を従来の1/10以下に
低減でき、したがって温度昇降過程で頻繁に発生する高
温水蒸気電解セルの劣化、破損を防止できる。
Description
【０００１】
【産業上の利用分野】この発明は、絶縁基体管の外周に
多孔質内側電極、緻密電解質、多孔質外側電極を順次積
層して構成された４層構造の円筒型高温水蒸気電解セル
の改良に関する。
多孔質内側電極、緻密電解質、多孔質外側電極を順次積
層して構成された４層構造の円筒型高温水蒸気電解セル
の改良に関する。
【０００２】
【従来の技術】高温水蒸気電解セルは水蒸気を電解して
水素と酸素を製造する装置で、通常1000℃程度の高温で
運転されるが、このうち円筒型高温水蒸気電解セルには
従来円筒状の絶縁基体管の外周に多孔質内側電極、緻密
電解質、多孔質外側電極を順次積層して構成された４層
構造のものと、基体管を設けない３層構造のものがある
が、４層構造のものは３層構造のものと比べて電解質内
に内側電極と外側電極を接続するインターコネクタ部の
形成が容易であるという特徴がある。
水素と酸素を製造する装置で、通常1000℃程度の高温で
運転されるが、このうち円筒型高温水蒸気電解セルには
従来円筒状の絶縁基体管の外周に多孔質内側電極、緻密
電解質、多孔質外側電極を順次積層して構成された４層
構造のものと、基体管を設けない３層構造のものがある
が、４層構造のものは３層構造のものと比べて電解質内
に内側電極と外側電極を接続するインターコネクタ部の
形成が容易であるという特徴がある。
【０００３】４層構造の円筒型高温水蒸気電解セルは絶
縁基体管の外周上に内側電極、電解質、外側電極を燒
結、溶射、ＥＶＤ法などにより順次成膜して製造され
る。
縁基体管の外周上に内側電極、電解質、外側電極を燒
結、溶射、ＥＶＤ法などにより順次成膜して製造され
る。
【０００４】この場合、電極材料としては熱膨張率1.2
×10-5程度のNi-YSZ( イットリア安定化ジルコニア）、L
aSrMnO3 系の材料が使用され、電解質材料としては熱膨
張率1.03×10-5程度のYSZ が使用され、基体管材料とし
ては従来より電解質と同程度の熱膨張率を有するCSZ
（CaO 安定化ジルコニア：熱膨張率9.1 〜10×10-6）が
用いられている。
×10-5程度のNi-YSZ( イットリア安定化ジルコニア）、L
aSrMnO3 系の材料が使用され、電解質材料としては熱膨
張率1.03×10-5程度のYSZ が使用され、基体管材料とし
ては従来より電解質と同程度の熱膨張率を有するCSZ
（CaO 安定化ジルコニア：熱膨張率9.1 〜10×10-6）が
用いられている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】しかし、このセルの各
層の厚みは基本管が2mm 程度、電解質、電極が0.1mm 程
度であるが、一般に成膜温度が1000℃以上と高く、また
その運転も1000℃程度で行われるため、室温状態では電
解セルの各層の劣化、破損につながる応力が働く虞があ
る。
層の厚みは基本管が2mm 程度、電解質、電極が0.1mm 程
度であるが、一般に成膜温度が1000℃以上と高く、また
その運転も1000℃程度で行われるため、室温状態では電
解セルの各層の劣化、破損につながる応力が働く虞があ
る。
【０００６】そこで、本願発明者等は４層構造の円筒型
高温水蒸気電解セルについて円周方向の残留応力につい
て検討を行った結果、図２のような解析結果を得た。
高温水蒸気電解セルについて円周方向の残留応力につい
て検討を行った結果、図２のような解析結果を得た。
【０００７】これによれば、内側電極層と外側電極層に
200MPa以上の引っ張り応力が働き、電解質層には150MPa
程度の圧縮応力が働くことが明らかとなった。
200MPa以上の引っ張り応力が働き、電解質層には150MPa
程度の圧縮応力が働くことが明らかとなった。
【０００８】この場合、YSZ 等で構成される電解質層に
150MPa以上の圧縮応力が働いても、電解質層が劣化、破
損されることがないが、200MPa以上の引っ張り応力はNi
-YSZ、La1-xSrxMnO3 系の電極材料の引っ張り強度を大き
く越えており、この応力の低減が重大な課題である。
150MPa以上の圧縮応力が働いても、電解質層が劣化、破
損されることがないが、200MPa以上の引っ張り応力はNi
-YSZ、La1-xSrxMnO3 系の電極材料の引っ張り強度を大き
く越えており、この応力の低減が重大な課題である。
【０００９】
【課題を解決するための手段】この発明は、上記実情に
鑑み、絶縁基体管の外周に多孔質内側電極、緻密電解
質、多孔質外側電極を順次積層して構成される円筒型高
温水蒸気電解セルにおいて、絶縁基体管の熱膨張率を電
極材質の熱膨張率と同程度にした円筒型高温水蒸気電解
セルを提案するものである。
鑑み、絶縁基体管の外周に多孔質内側電極、緻密電解
質、多孔質外側電極を順次積層して構成される円筒型高
温水蒸気電解セルにおいて、絶縁基体管の熱膨張率を電
極材質の熱膨張率と同程度にした円筒型高温水蒸気電解
セルを提案するものである。
【００１０】
【作用】上記構成の電解セルにおいて基体管の熱膨張率
を電極材質の熱膨張率と同程度とすることにより、電極
に働く引っ張り残留応力を20MPa 以下に低減でき、この
結果引っ張り残留応力による電極の劣化、破損を免れる
ことができる。
を電極材質の熱膨張率と同程度とすることにより、電極
に働く引っ張り残留応力を20MPa 以下に低減でき、この
結果引っ張り残留応力による電極の劣化、破損を免れる
ことができる。
【００１１】一方、電解質には引っ張り残留応力は発生
せず、600MPa以上の圧縮残留応力が働くが、YSZ 等の電
解質材質ではこの圧縮残留応力により電解質が破損され
ることはない。
せず、600MPa以上の圧縮残留応力が働くが、YSZ 等の電
解質材質ではこの圧縮残留応力により電解質が破損され
ることはない。
【００１２】この発明においては電極材質としては混合
比Ni40〜50%,YSZ60 〜50% のNi-YSZ混合物、La1-xSrxMn
O3（x=0.1 〜0.3)系材質、電解質としてはYSZ 、インタ
ーコネクタ部にはLa1-xSrxCrO3(x=0.15 程度）が使用さ
れ、この中基体管の外周にはスラリーコート法、溶射法
等で内側電極が成膜され、その外側には電解質がＥＶＤ
法、溶射法で緻密に成膜され、インターコネクタ部には
ＰＶＤ法で成膜され、成膜され、その外側には外側電極
をスラリーコート、溶射法等で成膜する。
比Ni40〜50%,YSZ60 〜50% のNi-YSZ混合物、La1-xSrxMn
O3（x=0.1 〜0.3)系材質、電解質としてはYSZ 、インタ
ーコネクタ部にはLa1-xSrxCrO3(x=0.15 程度）が使用さ
れ、この中基体管の外周にはスラリーコート法、溶射法
等で内側電極が成膜され、その外側には電解質がＥＶＤ
法、溶射法で緻密に成膜され、インターコネクタ部には
ＰＶＤ法で成膜され、成膜され、その外側には外側電極
をスラリーコート、溶射法等で成膜する。
【００１３】なお、熱膨張率において内側電極と外側電
極と違いがある場合には、基体管の熱膨張率をこのうち
大きな熱膨張率の方に合わせるようにする。
極と違いがある場合には、基体管の熱膨張率をこのうち
大きな熱膨張率の方に合わせるようにする。
【００１４】また、電極の熱膨張率と基体管の熱膨張率
とを一致させるのが難しい場合には、基体管の熱膨張率
の方が電極のそれよりも多少大きくなるように調整す
る。
とを一致させるのが難しい場合には、基体管の熱膨張率
の方が電極のそれよりも多少大きくなるように調整す
る。
【００１５】なお、この発明において基体管の熱膨張率
を電極材質の熱膨張率と同程度とする手段として、基体
管をMgO,MgAl2O4 混合物を用いて構成し、MgO とMgAl2O
4 の混合比を調節することにより基体管の熱膨張率を電
極材質の熱膨張率と同程度にすることができる。
を電極材質の熱膨張率と同程度とする手段として、基体
管をMgO,MgAl2O4 混合物を用いて構成し、MgO とMgAl2O
4 の混合比を調節することにより基体管の熱膨張率を電
極材質の熱膨張率と同程度にすることができる。
【００１６】MgO,MgAl2O4 混合物の混合比を重量比MgO:
Al2O3=100:0 〜0:100 の範囲内では基体管の熱膨張率を
1.3 ×10-5〜0.8 ×10-5の範囲に調整でき、好ましくは
重量比MgO:Al2O3 ＝65:35 〜83:17 の範囲内で調整する
ことによって、基体管の熱膨張率を1.1 ×10-5〜1.2 ×
10-5の範囲内で調整できる。
Al2O3=100:0 〜0:100 の範囲内では基体管の熱膨張率を
1.3 ×10-5〜0.8 ×10-5の範囲に調整でき、好ましくは
重量比MgO:Al2O3 ＝65:35 〜83:17 の範囲内で調整する
ことによって、基体管の熱膨張率を1.1 ×10-5〜1.2 ×
10-5の範囲内で調整できる。
【００１７】なお、下地の保護の観点から外側に行くほ
ど成膜温度を低くすることが望ましいが、この場合でも
この発明では成膜温度をセルの運転温度より高くするこ
とで、運転時も室温時も電極、基体管に働く引っ張り残
留応力を10MPa 以下にすることができ、一方電解質、イ
ンターコネクタ部に圧縮残留応力しか発生させないよう
にすることができる。
ど成膜温度を低くすることが望ましいが、この場合でも
この発明では成膜温度をセルの運転温度より高くするこ
とで、運転時も室温時も電極、基体管に働く引っ張り残
留応力を10MPa 以下にすることができ、一方電解質、イ
ンターコネクタ部に圧縮残留応力しか発生させないよう
にすることができる。
【００１８】また、このような成膜温度を採ることによ
り運転時の応力の大きさは何れも室温時より大幅に小さ
くなり、電池の劣化、破損を防止することができる。
り運転時の応力の大きさは何れも室温時より大幅に小さ
くなり、電池の劣化、破損を防止することができる。
【００１９】
実施例 以下、電極としてNi-YSZ,La1-xSrxMnO3(x=0.1 程度）、
電解質としてYSZ 、基体管としてMgO,MgAl2O4 スピネル
混合物を用いて円筒型高温水蒸気電解セルを製造した実
施例について以下に述べる。
電解質としてYSZ 、基体管としてMgO,MgAl2O4 スピネル
混合物を用いて円筒型高温水蒸気電解セルを製造した実
施例について以下に述べる。
【００２０】MgO,MgAl2O4 スピネルの混合物を気孔率30
mm, 厚み2mm,内径10〜20mm程度の円筒に燒結させて基体
管を製作する。
mm, 厚み2mm,内径10〜20mm程度の円筒に燒結させて基体
管を製作する。
【００２１】この場合、セル製作時の温度又は運転時の
温度のうち高い方の温度と室温との間の電極材の熱膨張
率を測定し、MgO,MgAl2O4 の混合物燒結体の熱膨張率が
測定した電極材の熱膨張率のうち熱膨張率の大きい方と
一致若しくはこれより少し大きめになるように、MgO と
MgAl2O4 スピネルとの混合比を調節する。
温度のうち高い方の温度と室温との間の電極材の熱膨張
率を測定し、MgO,MgAl2O4 の混合物燒結体の熱膨張率が
測定した電極材の熱膨張率のうち熱膨張率の大きい方と
一致若しくはこれより少し大きめになるように、MgO と
MgAl2O4 スピネルとの混合比を調節する。
【００２２】この実施例ではセル運転時の温度が約1000
℃であるのに対してセル製作時の最高温度が1300〜1400
℃であるので、1400℃と室温との間の電極材の熱膨張率
を測定した結果、Ni-YSZ燃料極、La1-xSrxMnO3空気極の
熱膨張率は何れも1.2 ×10-5であった。そこで、基体管
はMgO とMgAl2O4 スピネルの混合比が重量比でMgO:Al2O
3 =83:17となるように調節した後、内径12mm、厚み2mm
程度で熱膨張率１．２×１０−５のパイプ形状のものを
製作した。
℃であるのに対してセル製作時の最高温度が1300〜1400
℃であるので、1400℃と室温との間の電極材の熱膨張率
を測定した結果、Ni-YSZ燃料極、La1-xSrxMnO3空気極の
熱膨張率は何れも1.2 ×10-5であった。そこで、基体管
はMgO とMgAl2O4 スピネルの混合比が重量比でMgO:Al2O
3 =83:17となるように調節した後、内径12mm、厚み2mm
程度で熱膨張率１．２×１０−５のパイプ形状のものを
製作した。
【００２３】この基体管外側にNi-YSZ燃料極或はLa1-xS
rxMnO3(x=0.1程度）空気極を100 μm 〜500 μm 程度ス
ラリーコートにより作成し、その後ＥＶＤ法によりYSZ
緻密電解質膜を形成し、最後に残りの電極を作成して単
電池セルとした。各層の作成条件、作成した厚みを下記
表１に示す。
rxMnO3(x=0.1程度）空気極を100 μm 〜500 μm 程度ス
ラリーコートにより作成し、その後ＥＶＤ法によりYSZ
緻密電解質膜を形成し、最後に残りの電極を作成して単
電池セルとした。各層の作成条件、作成した厚みを下記
表１に示す。
【００２４】
【表１】
【００２５】次に作成した単セルについて円周方向の残
留応力を測定した結果を図１に示す。
留応力を測定した結果を図１に示す。
【００２６】これによれば、Ni-YSZ燃料極或はLa1-xSrx
MnO3(x=0.1程度）空気極及び外側電極に働く引っ張り残
留応力は20MPa 以下となり、これによって電極が劣化、
破損されることはない。
MnO3(x=0.1程度）空気極及び外側電極に働く引っ張り残
留応力は20MPa 以下となり、これによって電極が劣化、
破損されることはない。
【００２７】また、電解質層には引っ張り残留応力は発
生せず、600MPa以上の圧縮残留応力が働くが、この圧縮
残留応力よって電解質層が破損されることはない。
生せず、600MPa以上の圧縮残留応力が働くが、この圧縮
残留応力よって電解質層が破損されることはない。
【００２８】
【発明の効果】以上要するに、この発明によれば４層構
造の円筒型高温水蒸気電解セルにおいて電極層に働く引
っ張り残留応力を従来の1/10以下に低減でき、したがっ
て温度昇降過程で頻繁に発生する固体電解質燃料電池の
劣化、破損を防止できる。
造の円筒型高温水蒸気電解セルにおいて電極層に働く引
っ張り残留応力を従来の1/10以下に低減でき、したがっ
て温度昇降過程で頻繁に発生する固体電解質燃料電池の
劣化、破損を防止できる。
【図１】 この発明に係る円筒型高温水蒸気電解セルに
おける円周方向の残留応力を示す図である。
おける円周方向の残留応力を示す図である。
【図２】 従来の４層構造の円筒型高温水蒸気電解セル
における円周方向の残留応力を示す図である。
における円周方向の残留応力を示す図である。
Claims (2)
- 【請求項１】 絶縁基体管の外周に多孔質内側電極、緻
密電解質、多孔質外側電極を順次積層して構成される円
筒型高温水蒸気電解セルにおいて、絶縁基体管の熱膨張
率を電極材質の熱膨張率と同程度にしたことを特徴とす
る円筒型高温水蒸気電解セル。 - 【請求項２】 絶縁基体管をMgO,MgAl2O4 混合物を用い
て構成した特許請求の範囲第１項記載の円筒型高温水蒸
気電解セル。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP7071754A JP2913009B2 (ja) | 1995-03-29 | 1995-03-29 | 円筒型高温水蒸気電解セル |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP7071754A JP2913009B2 (ja) | 1995-03-29 | 1995-03-29 | 円筒型高温水蒸気電解セル |
Related Child Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP1313399A Division JP3598362B2 (ja) | 1999-01-21 | 1999-01-21 | 円筒型高温水蒸気電解セル |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH08269760A true JPH08269760A (ja) | 1996-10-15 |
| JP2913009B2 JP2913009B2 (ja) | 1999-06-28 |
Family
ID=13469647
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP7071754A Expired - Lifetime JP2913009B2 (ja) | 1995-03-29 | 1995-03-29 | 円筒型高温水蒸気電解セル |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2913009B2 (ja) |
Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPS62126366U (ja) * | 1986-02-03 | 1987-08-11 | ||
| JPH0582146A (ja) * | 1991-02-07 | 1993-04-02 | Yoshida Kogyo Kk <Ykk> | 固体電解質燃料電池用支持部材 |
| JPH05275106A (ja) * | 1992-03-27 | 1993-10-22 | Mitsui Eng & Shipbuild Co Ltd | 固体電解質型燃料電池 |
| JPH0676836A (ja) * | 1992-08-25 | 1994-03-18 | Mitsubishi Heavy Ind Ltd | 円筒状固体電解質型電解セルの製造方法 |
-
1995
- 1995-03-29 JP JP7071754A patent/JP2913009B2/ja not_active Expired - Lifetime
Patent Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPS62126366U (ja) * | 1986-02-03 | 1987-08-11 | ||
| JPH0582146A (ja) * | 1991-02-07 | 1993-04-02 | Yoshida Kogyo Kk <Ykk> | 固体電解質燃料電池用支持部材 |
| JPH05275106A (ja) * | 1992-03-27 | 1993-10-22 | Mitsui Eng & Shipbuild Co Ltd | 固体電解質型燃料電池 |
| JPH0676836A (ja) * | 1992-08-25 | 1994-03-18 | Mitsubishi Heavy Ind Ltd | 円筒状固体電解質型電解セルの製造方法 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JP2913009B2 (ja) | 1999-06-28 |
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| EXPY | Cancellation because of completion of term | ||
| S533 | Written request for registration of change of name |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R313533 |
|
| R370 | Written measure of declining of transfer procedure |
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