JP2002216820A - 超臨界水酸化反応による燃料電池 - Google Patents

超臨界水酸化反応による燃料電池

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正昭 長倉
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    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30Hydrogen technology
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Abstract

(57)【要約】 (修正有) 【課題】従来の燃料電池においては燃料として使用され
る気体は水素もしくはメタノ−ル等比較的分子量の小さ
な炭化水素に限定されている。本発明は石炭、石油、有
機廃棄物等広範囲の有機物を燃料として使用出来る燃料
電池を提供する。 【解決手段】本発明は上記の課題を解決するために燃料
電池に供給する燃料を水と混合した状態で供給し、その
温度と圧力を水の超臨界状態に保持した状態で酸化する
手段を採る。酸素を酸素極4にて酸素イオンとし、固体
電解質の層を透過させて前記燃料を超臨界水中で酸化さ
せることにより酸素極を正、燃料極を負とする起電力を
発生させる。特に前記二つの領域の圧力差を固体電解質
の層及び酸素極を含む構造物の耐圧の限度以下に保持す
る制御を行う事により、固体電解質の層の耐圧を確保す
る。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明が属する技術分野】本発明は、超臨界水酸化反応
により発生するエネルギーを直接電力に変換する燃料電
池にに関わる。
【0002】
【従来の技術】従来酸素イオンもしくは水素イオンを透
過する性質を持つ電解質の両側を白金燒結体等の多孔質
の電極を配置し、一方に水素、炭化水素等の燃料を他方
に酸素、空気等を流して電解質に水素イオンもしくは酸
素イオンを透過させて前記の電極の間に起電力を発生せ
しめる燃料電池が実用化されている。
【0003】燃料電池の電解質としてはKOH水、燐
酸、溶融炭酸塩、固体高分子膜、固体電解質等が用いら
れる。
【0004】特に固体電解質を用いる燃料電池は開発段
階であるが1000℃程度の高温で運転するために種々
の燃料が使用可能で石炭ガスを用いた高効率発電用とし
ても期待されている。
【0005】固体電解質としてはイットリア安定化ジル
コニア(以下YSZと略)等のイオン伝導性セラミック
が開発されている。
【0006】またCeO2,Bi2O3等の物質を使用し
て燃料電池の動作温度を約700〜800℃にしたもの
も研究されている。
【0007】図5に電解質として固体電解質を用い、燃
料として水素を用いた燃料電池の原理を示す。酸素イオ
ン透過性のある固体電解質層6の一面に酸素極4を他の
面に水素極14を被覆し、前者の側に酸素2を後者の側
に水素を通じる。
【0008】酸素は電子を酸素極から受け取り、酸素イ
オンとなって固体電解質6を透過し、水素極に到り、水
素と結合して水分子となりその際電子を水素極に酸素を
放出する、あるいは水素が水素電極で電子を放出して生
成した水素イオンと結合して水分子となる。
【0009】このようにして水素極と酸素極の間に起電
力が発生し、酸素極を正極、水素極を負極とする電池の
作用が発生する。
【0010】尚、酸素極としてはLa(Sr)MnO
3、水素極としてはNi− YSZサーメットが代表的
である。
【0011】それらの電極は酸素のイオン化及び酸素と
水素の結合を促進するために貴金属触媒等の触媒と組み
合わせて用いられる場合もある。
【0012】
【発明が解決しようとする課題】従来の燃料電池におい
ては燃料として使用される気体は水素もしくはメタノ−
ル等比較的分子量の小さな炭化水素に限定されている。
【0013】本発明はより広範囲の有機物を燃料として
使用出来る燃料電池を提供することを課題とする。
【0014】
【課題を解決するための手段】本発明は上記の課題を解
決するために燃料電池に供給する燃料を水と混合した状
態で供給し、その温度と圧力を水の超臨界状態に保持し
た状態で酸化する手段を採る。
【0015】すなわち酸素イオン導電性の固体電解質の
層で隔離された二つの領域の一方に多孔質の導電性材料
で作られた酸素極を備え、他方に燃料極を備え、酸素極
のある領域に酸素含有気体を、燃料極のある領域に前記
燃料を導入し、前記酸素を酸素極にて酸素イオンとし、
前記固体電解質の層を透過させて前記燃料を超臨界水中
で酸化させることにより酸素極を正、燃料極を負とする
起電力を発生させる。
【0016】特に前記二つの領域の圧力差を固体電解質
の層及び酸素極を含む構造物の耐圧の限度以下に保持す
る制御を行う事により、固体電解質の層の耐圧を確保す
る。
【0017】また酸素極と固体電解質を組み合わせた構
造物の形状を一端の閉じた筒形として、その開放された
一端の近傍でシールし、閉じた端部を熱膨張に対してフ
リーの状態にすることにより燃料極側領域と酸素極側領
域の間のシール性を確保する。
【0018】
【発明の実施の形態】本発明の実施の形態1〜4を実施
例を示す図により説明する。
【0019】尚、実施の形態1〜4は請求項1〜4に対
応する。
【0020】実施の形態1.燃料を水と混合した状態で
供給し、その温度と圧力を水の超臨界状態に保持した状
態で酸化する燃料電池の形態である。
【0021】図1はその実施例を示す。酸素イオン導電
性の固体電解質の層6で隔離された二つの領域1、2の
一方に多孔質の導電性材料で作られた酸素極4を備え、
他方に燃料極3を備え、酸素極のある領域2に酸素含有
気体を、入口8より導入し、燃料極3のある領域1に燃
料を水と混合した状態で入口7より導入し、前記酸素含
有気体中の酸素を酸素極4の触媒層5にて酸素イオンと
し、固体電解質の層6を透過させて前記燃料を超臨界水
中で酸化させることにより酸素極を正、燃料極を負とす
る起電力を発生させる。
【0022】実施の形態2.本形態は実施形態1におい
て特に固体電解質の層で隔離された二つの領域の圧力差
が固体電解質の層及び酸素極を含む構造物の層の耐圧の
限度以下となるように保持する形態である。
【0023】図2はその実施例を示す。燃料電池の酸素
含有気体入口8の上流側に高圧タンク24及びコンプレ
ッサ25を設け、且つ固体電解質の層で隔離された領域
のうち燃料極3の接地された領域1と高圧タンク24内
の圧力差を差圧計27で検知し、その値が1気圧以下と
なるようにコンプレッサ25を作動もしくは停止させる
制御方法としている。尚、本図においては実際の系統構
成には必要な加熱器、冷却器等は省略している。
【0024】実施の形態3.本形態は実施形態1におい
て特に酸素極を一端の閉じた筒形とし、その筒の表面を
固体電解質で被覆すると共に、その筒内に挿入された管
よりその筒の内部に酸素含有気体を導入し、もしくは排
気をする形態である。
【0025】図3はその実施例を示す。一端の閉じた円
筒形の多孔質の酸素極4の表面に白金触媒5を担持さ
せ、更にその上部を固体電解質の層6で被覆している。
それらの形成する円筒の内部に酸素導入管20が配置さ
れ、酸素含有気体はその管を通じて入口8より導入す
る。
【0026】燃料は固体電解質の層6とそれを囲む円筒
型の耐圧容器17の間の燃料極側領域1に入口7より水
と混合し、超臨界水の圧力で導入し、内部で超臨界水の
温度に達する。
【0027】燃料極側領域1と酸素極側領域2の間は耐
圧容器17、耐圧容器蓋29の間のOリング19により
固体電解質の層の部分を締め付けることによりなされ
る。
【0028】実施の形態4.本形態は実施形態1におい
て特に固体電解質を一端の閉じた筒形とし、その筒の表
面を固体電解質で被覆すると共に、その筒内に挿入され
た管よりその筒の内部に燃料を導入し、もしくは排出す
るものであり、実施形態3と燃料極側領域1及び酸素極
側領域2の配置を逆にした形態である。
【0029】図4はその実施例を示す。一端の閉じた円
筒形の固体電解質層6の表面に白金触媒5を担持させ、
更にその上部を酸素極4で被覆している。それらの形成
する円筒の内部に燃料、水混合流体導入管が配置され、
燃料、水混合流体はその管を通じて入口7より導入す
る。
【0030】酸素含有気体は酸素極4とそれを囲む円筒
型の耐圧容器17の間の酸素極側領域2に入口8より導
入される。
【0031】燃料極側領域1と酸素極側領域2の間は耐
圧容器17、耐圧容器蓋29の間のOリング19により
固体電解質の層の部分を締め付けることによりなされ
る。
【0032】
【発明の効果】本発明は何れの実施形態においても次の
(1)の効果をもたらす。
【0033】(1)広範な種類の有機物を燃料とする燃
料電池の提供:本発明による燃料電池で使用可能な燃料
としては原理的には超臨界水での酸化が可能な全てのも
のを含む。
【0034】但し、周知の如く特に塩素等を含有する超
臨界水は強力な腐食作用を持つために構造材に関する考
慮は必要である。
【0035】幸い固体電解質であるジルコニアは塩素を
含む超臨界水に対しても耐蝕性が強いことが確認されて
いる。(日本金属学会シンポジウム予稿「環境有害物質
処理プロセスと装置材料」1997年7月26日の4項
「超臨界水環境におけるセラミックスの腐食」参照)
【0036】また燃料極としてはこれも超臨界水での耐
蝕性に優れた貴金属やチタンを用いる事により、例えば
塩化ビニール等の廃棄物を燃料として発電することもに
も道が開ける。
【0037】実施形態2によれば、次の(2)の効果が
得られる。
【0038】(2)超臨界水の圧力下でも比較的薄い固
体電解質及び酸素極の層を用いて効率の高い燃料電池を
提供可能である。:超臨水は30MPa程度の高圧であ
り、そのような圧力に耐える固体電解質及び酸素極を含
む構造物は厚くならざるを得ないが、その構造物で隔離
される燃料極側領域と酸素極側領域の間の差圧を制御す
ることにより比較的耐圧の小さな薄い構造物の採用が可
能になる。
【0039】実施形態3及び4によれば次の(3)の効
果が得られる。
【0040】(3)高温でのシール性の確保:超臨界水
は数100℃の高温になるが、その温度では固体電解質
及び酸素極を形成するセラミック構造材と耐圧容器の金
属(通常ステンレス)との熱膨張率の差違による、それ
ら材料の境界部でのリークの可能性が増大する。
【0041】しかし、前記セラミック構造材を一端の閉
じた筒型とすることによりそのリークの可能性を大幅に
低減可能である。
【0042】すなわち材料の境界部でのシールを前記筒
の一端でOリング等を用いあるいはコバール等を介した
セラミックと金属の接合を用いて行えば、前記筒の他端
は熱膨張に関してフリーの状態になるためにシール性の
確保が容易になる。
【0043】
【図面の簡単な説明】
【図1】実施の形態1の実施例を示す図である。
【図2】実施の形態2の実施例を示す図である。
【図3】実施の形態3の実施例を示す図である。
【図4】実施の形態4の実施例を示す図である。
【図5】従来の燃料電池の例を示す図である。
【符号の説明】
1 燃料極側領域 2 酸素極側領域 3 燃料極 4 酸素極 5 触媒層 6 固体電解質層 7 燃料(炭素含有物質と水の混合流体)入口 8 酸素含有気体入口 9 酸化済み流体出口 10 排気口 11 水素及び水蒸気 12 水素入口 13 水蒸気出口 14 水素極 15 流量調節弁 16 圧力調節弁 17 耐圧容器 18 断熱材 19 Oリング 20 酸素導入管 21 燃料、水混合流体導入管 22 酸素極(正極)端子 23 電気絶縁部 24 高圧タンク 25 コンプレッサ 26 高圧ポンプ 27 差圧計 28 作動、停止信号 29 耐圧容器蓋

Claims (4)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】酸素イオン導電性の固体電解質の層で隔離
    された二つの領域の一方に多孔質導電性材料で作られた
    酸素極を備え、他方に導電性材料で作られた燃料極を備
    え、酸素極側領域に酸素含有気体を、燃料極側領域に燃
    料を導入し、前記酸素を酸素極にて酸素イオンとし、前
    記固体電解質の層を透過させて燃料を酸化させ、酸素極
    を正、燃料極を負とする起電力を発生させるものであっ
    て次の(a)の条件を備えることを特徴とする燃料電
    池。 (a)前記燃料は石炭、石油もしくはその他の有機物で
    あって、水と混合した状態で供給され、その温度と圧力
    を水の超臨界状態に保持した部分で酸化される。
  2. 【請求項2】酸素イオン導電性の固体電解質の層で隔離
    された二つの領域の一方に多孔質導電性材料で作られた
    酸素極を備え、他方に導電性材料で作られた燃料極を備
    え、酸素極側領域に酸素含有気体を、燃料極側領域に燃
    料を導入し、前記酸素を酸素極にて酸素イオンとし、前
    記固体電解質の層を透過させて燃料を酸化させ、酸素極
    を正、燃料極を負とする起電力を発生させるものであっ
    て次の(a)、(b)の条件を兼ね備えることを特徴と
    する燃料電池。 (a)前記燃料は石炭、石油もしくはその他の有機物で
    あって、水と混合した状態で供給され、その温度と圧力
    を水の超臨界状態に保持した部分で酸化される。 (b)前記燃料極側領域と酸素極側領域の圧力差により
    固体電解質の層が破壊されることのないように前記圧力
    差を制御する機構を備える。
  3. 【請求項3】酸素イオン導電性の固体電解質の層で隔離
    された二つの領域の一方に多孔質導電性材料で作られた
    酸素極を備え、他方に導電性材料で作られた燃料極を備
    え、酸素極側領域に酸素含有気体を、燃料極側領域に燃
    料を導入し、前記酸素を酸素極にて酸素イオンとし、前
    記固体電解質の層を透過させて燃料を酸化させ、酸素極
    を正、燃料極を負とする起電力を発生させるものであっ
    て次の(a)、(b)、(c)の条件を兼ね備えること
    を特徴とする燃料電池。 (a)前記燃料は石炭、石油もしくはその他の有機物で
    あって、水と混合した状態で供給され、その温度と圧力
    を水の超臨界状態に保持した部分で酸化される。 (b)前記固体電解質の層と酸素極を含む部分は一端が
    開き、一端の閉じた筒形の構造物で、金属製耐圧容器内
    に収納され、その筒型の構造物の内部が酸素極側領域
    で、外部が燃料極側領域である。 (c)前記酸素極側領域と燃料極側領域の間は前記
    (b)の筒型の構造物の開いた端部の近傍でOリング等
    により隔離され、また筒型の構造物の閉じた端部は支持
    されない、もしくは熱膨張に対して自由な状態で支持さ
    れる。
  4. 【請求項4】酸素イオン導電性の固体電解質の層で隔離
    された二つの領域の一方に多孔質導電性材料で作られた
    酸素極を備え、他方に導電性材料で作られた燃料極を備
    え、酸素極側領域に酸素含有気体を、燃料極側領域に燃
    料を導入し、前記酸素を酸素極にて酸素イオンとし、前
    記固体電解質の層を透過させて燃料を酸化させ、酸素極
    を正、燃料極を負とする起電力を発生させるものであっ
    て次の(a)、(b)、(c)の条件を兼ね備えること
    を特徴とする燃料電池。 (a)前記燃料は石炭、石油もしくはその他の有機物で
    あって、水と混合した状態で供給され、その温度と圧力
    を水の超臨界状態に保持した部分で酸化される。 (b)前記固体電解質の層と酸素極を含む部分は一端が
    開き、一端の閉じた筒形の構造物で、金属製耐圧容器内
    に収納され、その筒型の構造物の内部が燃料極側領域
    で、外部が酸素極側領域である。 (c)前記酸素極側領域と燃料極側領域の間は前記
    (b)の筒型の構造物の開いた端部の近傍でOリング等
    により隔離され、また筒型の構造物の閉じた端部は支持
    されない、もしくは熱膨張に対して自由な状態で支持さ
    れる。
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Cited By (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
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