JPS61101972A - 燃料電池 - Google Patents

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。

Description

【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野 本発明は、燃料電池、とくにガスおよび石油機器のよう
な燃焼機器に電力を供給する高温燃料電池に関する。

従来例の構成とその問題点 ストーブなどガスおよび石油機器の電源としては、従来
から交流電源および乾電池が多く使われている。交流電
源を用いる場合には勿論コードが必要であり、それが邪
魔になったシ、あるいは機器の設置がコードの及ぶ範囲
に限定される欠点がある。

また、乾電池を用いる場合には、持ち運びや設置距離の
制限は無くなるが、保有する電力に限界があシ、電池を
取換えねばならない不便さがある。

最近、これらの機器の安全のだめにセンサやアクチュエ
ータをつける事が多くなシ、そのだめに使用電力が多く
なって乾電池では保有電力が不足する傾向が見られる。

これに対して熱−電発電素子を使って永久電源化する試
みもあるが、ゼーベック効果を使うため、変換効率が低
く、大電力を賄なうには素子が大形化してしまう欠点が
ある。

また、燃料電池の試みは、エネルギーの変換効率がよい
ところから大規模の発電用°として研究されている。し
かし、大規模発電においては、供給燃料にしても発電に
都合のよいリホーマガスや水性ガスを用いることができ
るが、燃焼機器においてはそのような装置を設けること
は経済的および便利さの面から難しく、できればどんな
燃料でも使用できることが望まれる。また、電極触媒に
しても貴金属を用いることなく、安価、長寿命で性能の
よいものが望まれる。

発明の目的 本発明は、ガス・石油機器に用いる燃料を用いて動作で
きる長寿命で安価な小形電源を提供することを目的とす
る。

発明の構成 本発明の燃料電池は、燃焼中の燃料ガスを活物質とし、
ニッケルと安定化もしくは部分安定化ジルコニアとを触
媒とする負極と、空気中の酸素ガ（ただし、０（ｘ＜：
０．３）で表わされる化合物と式ＳｒＭｅＯ３（ただし
、ＭｅはＴｉ　、　ＺｒまたはＨｆ）テ表わされる化合
物とを触媒とする正極、および電解質の安定化もしくは
部分安定化ジルコニアよりなるものである。　” 実施例の説明 第１図は本発明の燃料電池の構成例を示す。

１は安定化ジルコニアあるいはアルミナからなる多孔質
管である。２はその外周に環状に設けた正極である。３
は正極２を部分的に覆うように形成した電解質層、４は
正極２の前記露出面を覆うように形成した接続子、５は
燃料極であり、この例では３個のセルが接続子４によっ
て直列に接続された構成となっている。６は正極端子、
７は負極端子、８は貴金属箔を用いたリードである。９
は電池保持のための絶縁セラごツク、１０はステンレス
鋼からなる電池固定板、１１は燃焼室壁である。

ここで、負極はＮｉＯとＺｒＯ□の混合物からつくるこ
とかできる。ＮｉＯは燃料と接してニッケルにとＳｒ　
Ｍｅ　Ｏ３の混合物からつくる。前者は電子伝導性、後
者はイオン伝導性にすぐれていて、両者の　　　　　　
１混合物とすることにより大電流放電が可能となる。

接続子４には、ＭｇＧｏ□０４．　ＭｇＦｅ２Ｏ３ノよ
うなスピネル系酸化物を用いるのがよい。

電池を燃焼炎の内炎または炎芯部に触れるように燃焼室
壁１１に固定しておくと、空気は多孔管１の内部を通っ
て燃焼室内に吸い込まれる。そのだめ電極２は絶えず新
鮮な空気に触れて酸素極として、働き、外部回路から電
子を受けとって酸素ガスをイオン化して電池内に取り込
む。その反応は次式のようになる。

一 １／２０□＋２ｅ→０（１） 取り込まれた酸素イオンは電解質層３内を拡散して燃料
極５に至り、そこで熱分解中の燃料と反応して、ＣＯ□
やＨ２Ｏを生成する。熱分解中の燃料中にはアルデヒド
、酸、ＧＯなど燃料の低級酸化物が多く含まれ、炭化水
素類が主体である灯油に較べて反応活性が高くなる。

次に具体的実施例を説明する。電池の構造は第１図のよ
うにした。

多孔質管１は、ＭｇＯで安定化したＺｒＯ□７０重量部
とカルボキシメチルセルロース粉末３０重量部の混合物
に水を加えて混練し、外径６．５ｍｍ、内径４．５ｍｍ
の円筒に押出し、乾燥後、１３５０℃で２時間焼成した
もので、１４Ｃｍの長さに切断したものを用いた。管の
多孔度は４５〜６０％、膨張係数は１０Ｘ１０　　Ｋ　
　であった。

正極２は、５ｒＯＪ１５　Ｌ’０．３５　”０，７　Ｆ
ｅＯ，３０３とＳｒ　Ｔｉ　Ｏ５とをモル比で３６対６
５の割り合いで混合し、これを多孔質管１上に水素炎溶
射で付着させて設けた。その厚さは約３μ、長さはｓｃ
ｍとした。付着物の膨張係数は１３，０Ｘ１０　Ｋ　で
あった。Ｓｒ　Ｔｉ　Ｏ３の混合によって膨張係数を多
孔質管１にほぼ近いところまで下げることができ、しか
も従来のＩＴＯまたはＴＩＯ電極より、電子および酸素
イオン伝導率が高く、後述するように大電流放電が可能
となる。

電解質３は市販のＭｇＯで安定化したジルコニアをプラ
ズマ溶射て約３μの厚さに付着させた。膨張係数は多孔
質管１とほぼ同じであった。

接続子４はＭｇＣｏ、、０４を水素炎溶射で付着させた
。

この物質の膨張係数は１３Ｘ１０　　Ｋ　　　で前記の
材料に近く、電子伝導率か１０Ｓ／ｃｍと金属に近いと
ころから採用した。

燃料極５は、ＮｉＯとＭｇＯで安定化したＺｒ　Ｏ２と
のモル比１対１の混合物をプラズマ溶射て厚さ約３μ、
長さを３．５ｃｍになるよう付着させた。この電極触媒
材料は、燃焼中の燃料ガスを活物質として用いる場合、
後述のように従来の白金系触媒と同程度の性能が得られ
、しかもコスト的に安価である。

本発明は、従来の大規模発電用に研究されていたジルコ
ニア固体電解質を用いる燃料電池の燃料極（負極）に白
金の代りにＮ１触媒を用いても、燃焼中の燃料ガスを活
物質とする場合には遜色なく働くという発見に基づき、
触媒材料の低廉化を図り、さらに酸素極（正極）に従来
のＩＴＯより電子および酸素イオン伝導率が高いために
大電流放電が可能になる効果を有する。

この効果を見るため、上記実施例のものに代えて燃料極
のみを従来のようにＺｒＯ２に白金黒を１チの割り合い
で加えてプラズマ溶射したものと酸素極のみを従来のよ
うにＩＴＯを水素炎溶射したものを作シ、電池特性を比
較した。電池は第１図のように３セル接続したものを用
い、これをポータプル石油ストーブのチムニ−に底部か
ら挿入する形で設置した。第２図は負荷電流と放電電圧
との関係を示し、第３図は１００Ω負荷で連続運転した
場合の経過時間と電池電圧の関係を示したものである。

それぞれの図において、ａは本発明の電池、ｂは燃料極
のみをｐｔに代えたもの、Ｃは酸素極のみをＩＴＯに代
えたものである。

なお、電池を外炎よシ外側の排ガスに触れさせると、一
般の燃焼器は当量組成より酸素過剰の状態で燃焼してお
り、電池の起電力は碍られない。

しかし、酸欠などで不完全燃焼が起こるとその部分が酸
素不足となシ、起電力が増大する。この電池はこのよう
に不完全燃焼の検知もできる効果も使用法によ−て得ら
れる□。

発明の効果 以上のように本発明によれば、安価で性能がすぐれ、特
に燃焼機器の電源に適した燃料電池が得られる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の電池の構成例を示す縦断面図、第２図
は電池の初期特性を比較して示した図、第３図は電池の
寿命特性を比較して示した図である。 １・・・・・・多孔質管、２・・・・・・正極、３・・
・・・・電解質、４・・・・・・接続子、５・・・・・
・負極。 代理人の氏名　弁理士　中　尾　敏　男　ほか１名第１
図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 燃焼中の燃料ガスを活物質とし、ニッケルと安定化もし
   くは部分安定化ジルコニアを触媒とする負極と、酸素ガ
   スを活物質とし、式Ｓｒ＿（＿１＿＋＿ｘ＿）＿／＿２
   Ｌａ＿（＿１＿−＿ｘ＿）＿／＿２Ｃｏ＿１＿−＿ｘＦ
   ｅ＿ｘＯ＿３（ただし０＜ｘ≦０．３）で表わされる化
   合物と式ＳｒＭｅＯ＿３（ただしＭｅはＴｉ、Ｚｒまた
   はＨｆ）で表わされる化合物とを触媒とする正極、およ
   び安定化もしくは部分安定化ジルコニアからなる電解質
   よりなる燃料電池。