JP2007524188A - 固体酸化物燃料電池 - Google Patents
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Abstract
【選択図】図1
Description
本発明は、固体酸化物燃料電池、それによりエネルギーを生産するための方法、および前記固体酸化物燃料電池を調製するための方法に関する。
例えばS.Park et al.,Applied Catalysis A:General 200(2000年),55−61により報告されているように、燃料電池、例えば固体酸化物燃料電池(SOFC)は、固定的および可動的用途の両方について、エネルギー、例えば電力を生産するための環境に優しく効率的な手段として、多大な注目を集めている。しかしながら、燃料電池の採用は、ほとんどの従来の燃料電池設計が燃料として用いるためにH2を必要とするという事実を含むさまざまな技術的障害により、制限されてきた。この制限は、社会基盤および安全面での考慮対象が炭化水素燃料の使用に有利に働く輸送機関での用途において、とりわけ顕著である。
出願人は、そのような望ましい性能を提供するための要点の一つは、電池を動作させるための3つの機能性、すなわち触媒活性ならびにイオン的および電子的伝導性のアノードにおける均質分布(三相界面)であることを理解した。
−金属部分と電解質セラミック材料部分とを包含するサーメット、ここにおいて、前記部分は実質的に均一に相互分散しており、前記金属部分は、1200℃以下の融点を有し、炭化水素酸化用触媒として実質的に不活性であり;前記サーメットは、40%以上の多孔率を有し、20重量%以下の量の炭化水素酸化用触媒により活性化されている、
を含む。
−La1−xSrxMnO3−δ[式中、xおよびyは、独立して、0〜1で構成され極値を包含する値に等しく、δは化学量論に基づく];および
−La1−xSrxCo1−yFeyO3−δ[式中、xおよびyは、独立して、0〜1で構成され極値を包含する値に等しく、δは化学量論に基づく]
から選択されるセラミックを含む。
a)少なくとも1種の炭化水素燃料を、
−金属部分と電解質セラミック材料部分とを包含するサーメットを包含するアノード、ここにおいて、前記部分は実質的に均一に相互分散しており、前記金属部分は、1200℃以下の融点を有し、炭化水素酸化用触媒として実質的に不活性であり;前記サーメットは、40%以上の多孔率を有し、20重量%以下の量の炭化水素酸化用触媒により活性化されている;
−カソード、および
−前記アノードと前記カソードの間に配置されている少なくとも1つの電解質膜、
を含む固体酸化物燃料電池のアノード側に供給する段階;
b)酸化体を前記固体酸化物燃料電池のカソード側に供給する段階;ならびに
c)前記少なくとも1種の燃料を前記固体酸化物燃料電池内で酸化して、エネルギーの生産をもたらす段階、
を含む前記方法に関する。
すでに上記したように、乾燥炭化水素などの乾燥燃料の直接酸化は、アノードの触媒においてコーキング現象(黒鉛繊維の付着)を引き起こし、したがって、その触媒活性を枯渇させる。該現象は、ニッケルを触媒として用いるときにとりわけ報告されている。本発明のアノードの構造は、活性化する触媒が、そのような付着現象による影響を受けることなく効率的に動作するのを可能にする。したがって、本発明の固体酸化物燃料電池は、乾燥燃料の直接酸化により動作することができる。
前記アノードが、金属部分と電解質セラミック材料部分とを包含するサーメットを含む、前記固体酸化物燃料電池の調製方法に関し;ここにおいて、前記方法は、
−カソードを提供する段階;
−少なくとも1つの電解質膜を提供する段階;および
−アノードを提供する段階
を含み、ここにおいて、アノードを提供する段階は、
a)金属部分の前駆体を提供する段階、ここにおいて、前記前駆体は、0.2μm〜5μmの範囲の粒径を有する;
b)1μm〜10μmの範囲の粒径を有する電解質セラミック材料を提供する段階;
c)前記前駆体と前記セラミック材料を混合して、出発混合物を提供する段階;
d)前記出発混合物を少なくとも1種の第1分散剤の存在下で加熱および粉砕する段階;
e)少なくとも1種の結合剤と少なくとも1種の第2分散剤を段階d)からの出発混合物に加えて、スラリーを与える段階;
f)スラリーを熱処理してプレサーメットを提供する段階;
g)プレサーメットを還元してサーメットを提供する段階
h)少なくとも1種の炭化水素酸化用触媒をサーメット中に分散させる段階
を包含する。
本発明を、以下の実施例および図に関連してさらに以下で例示する。
出発材料としてCu 2 O+Ce 0.8 Sm 0.2 O 1.9 を用いたCu−SDC(54重量%−46重量%)サーメットの調製
A.出発混合物
Cu2O粉末(“分析的に純粋な”グレード、>99.5%)を、遊星型“サンド”ミルのドラム内で碧玉ボール(jasper ball)を使い、分散剤としてイソプロパノールを用いて粉砕した。ドラムには50gの粉末酸化物、150gのボール、および45mLのイソプロパノールを装入した。手順を、110rpmのドラム速度で30分間実施した。
A.の粉末混合物を、遊星型“サンド”ミルのドラム内で碧玉ボールを用いて粉砕した。ポリビニルブチラール(PVB)を結合剤として用い、エタノールを分散剤として用いた。装入材料は、20gの粉末混合物、エタノール中のPVBの5重量%溶液8mL、および15mLのエチルアルコールを包含していた。粉末20gにつき直径14mmの碧玉ボールを4個入れた。装入材料を80rpmの速度で30分間混合した。得られたスラリーを、分散剤の蒸発を防止するために密なカバーを取り付けてある容器に注入した。
a)サーメットの体積は還元工程により変化しない(Vpre−cermet(ox)=Vcermet(red))
b)SDC電解質相の体積は還元工程により変化しない(VSDC(ox)=VSDC(red))
c)サーメットの多孔率の還元による変動は、銅含有相の体積の変動に起因し、以下の関係(2)を適用することができる:
F.Cu−SDCサーメットの電気抵抗の測定。
CuOおよびSDC出発材料を用いたCu−SDC(70重量%−30重量%)サーメットの調製および特性決定
CuO(15g)およびSDC(6.37g)を出発材料として、実施例1に記載したものと同じ調製手順を用いた。粉砕したCuOは、0.9m2/gの全比表面積(S)と、標準粒径分布0〜20μmで3.4μmの平均粒径(d)を有していた。
SDCでのCu−SDCサーメットの活性化
実施例1に従って調製したCu−SDCサーメットを、SDC酸化物材料に含浸することにより活性化した。還元状態にあるCu−SDCサーメットを、ベンゼン中のCe(OCOC(CH3)2C4H9)3およびSm(OCOC(CH3)2C4H9)3(2,2−ジメチル−ヘキサン酸セリウムおよびサマリウム)の溶液(4g/100mL)に含浸した。濾紙を用いて、サーメット表面から余剰溶液を除去した。サーメットを、3回にわたり含浸し、乾燥し、熱処理(400℃)した。その後、活性化したサーメットを、H2(3体積%の水)中、200℃/hの速度で最高650℃に加熱すると、付着したSDCの全量は0.27mg(6重量%)であった。SDC相の比表面積は56.2m2/gであった。
CeO 2 でのCu−SDCサーメットの活性化
実施例2に従って調製したCu−SDCサーメットを、CeO2に含浸することにより活性化した。還元状態にあるCu−SDCサーメットを、水中のCe(NO3)2の溶液(140g/100mL)に含浸した。濾紙を用いて、サーメット表面から余剰溶液を除去した。サーメットを、2回にわたり含浸し、乾燥し、熱処理(400℃)した。その後、活性化したサーメットを、H2(3体積%の水)中、100℃/hの速度で最高650℃に加熱すると、付着したCeO2の全量は8.42mg(15.4重量%)であった。比表面積を窒素BET法(Sorpty 1750,Carlo Erba Strumentazione,イタリア)により決定すると、CeO2について39.4m2/gという結果であった。
Ni+CGOでのCu−SDCサーメットの活性化
実施例2に従って調製したCu−SDCサーメットを、Ni(70重量%)とCGO(Ce0.8Gd0.2O1.9;30重量%)の混合物で活性化した。還元状態にあるCu−SDCサーメットを、C6H6中のM(OCOC(CH3)2C4H9)x[式中、M=Ce、GdおよびNi、xは化学量論に基づく]の4g/100mLの溶液(3.29gのNi前駆体、0.67gのCe前駆体および0.04gのGd前駆体)に含浸した。濾紙を用いて、サーメットの表面から余剰溶液を除去した。サーメットを、3回にわたり含浸し、乾燥し、熱処理(400℃)した。活性化したサーメットを、H2(3体積%の水)中、200℃/hの速度で最高650℃に加熱した。付着した活性剤の全量は0.1mg(2重量%)であった。活性剤の比表面積は135m2/gであった。
CeO 2 +NiでのCu−SDCサーメットの活性化
実施例2に従って調製したCu−SDCサーメットを、CeO2とNiで活性化した。最初に、還元状態にあるCu−SDCサーメットを、水中のCe(NO3)3の溶液(140g/100mL H2O)に含浸した。濾紙を用いて、サーメットの表面から余剰溶液を除去した。サーメットを、含浸し、乾燥し、熱処理(500℃)した。その後、活性化したサーメットを、水中のNi(NO3)2の溶液(167.5g/100mL H2O)に含浸した。濾紙を用いて、サーメットの表面から余剰溶液を除去した。サーメットを、含浸し、乾燥し、熱処理(500℃)した。得られた活性化サーメットを乾燥し、H2(3体積%の水)中、100℃/hの速度で最高500℃に加熱した。付着した活性剤の全量は、0.45mgのCeO2および0.1mgのNi(それぞれ9重量%および2重量%)であった。
Ni−CeO 2 で活性化したCu−SDCサーメットを含むアノードを伴う固体酸化物燃料電池の評価
CH4/空気の条件下での電気化学的測定を以下のように達成した。
−万能デジタル式電圧計 タイプB7−39(正確度0.02%クラス);
−万能デジタル式オシログラフ タイプC9−8(正確度1.5%クラス);
−dc電源 タイプVIP−009;
−リレースイッチユニット タイプRSD−725;
−プログラム式温度調節器 タイプTP−403;
−IBM PC286 AT パーソナルコンピューター;
−ガス流量調整器 タイプSRG−23。
[Ni+CeO 2 ]+MoO x で活性化したCu−SDCサーメットを伴う固体酸化物燃料電池
Ni−CeO2で活性化したCu−SDCサーメット(実施例6)を、実施例6の手順に続き、(NH4)6Mo7O24・4H2O水溶液に(4.14g/100mL、pH=7〜8)でさらに含浸した。MoOx(MoO2とMoO3の混合物)の量は0.07mgで、活性化材料の全質量の11重量%(全アノード質量の約1重量%)に相当していた。
Claims (51)
- カソード、アノード、および前記アノードと前記カソードの間に配置された少なくとも1つの電解質膜を包含する固体酸化物燃料電池であって、前記アノードが、
金属部分と電解質セラミック材料部分とを包含するサーメット、ここにおいて、前記部分は実質的に均一に相互分散しており、前記金属部分は、1200℃以下の融点を有し、炭化水素酸化用触媒として実質的に不活性であり;前記サーメットは、40%以上の多孔率を有し、20重量%以下の量の炭化水素酸化用触媒により活性化されている、
を含む、前記固体酸化物燃料電池。 - 金属部分が、銅、アルミニウム、金、プラセオジム、イッテルビウム、セリウム、およびそれらの合金などの金属から選択される、請求項1に記載の固体酸化物燃料電池。
- 金属部分が銅である、請求項2に記載の固体酸化物燃料電池。
- 金属部分が500℃を超える融点を有する、請求項1に記載の固体酸化物燃料電池。
- サーメット中の金属部分/セラミック部分の重量比が9:1〜3:7の範囲である、請求項1に記載の固体酸化物燃料電池。
- サーメット中の金属部分/セラミック部分の重量比が8:2〜5:5の範囲である、請求項1に記載の固体酸化物燃料電池。
- セラミック材料が、650℃において0.01S/cm以上の比導電率を有する、請求項1に記載の固体酸化物燃料電池。
- セラミック材料が、ドープされたセリアおよびLa1−xSrxGa1−yMgyO3−δ[式中、xおよびyは0〜0.7で構成され、δは化学量論に基づく]から選択される、請求項8に記載の固体酸化物燃料電池。
- セリアがガドリニアまたはサマリアでドープされている、請求項7に記載の固体酸化物燃料電池。
- セラミック材料がイットリア安定化ジルコニアである、請求項1に記載の固体酸化物燃料電池。
- サーメットが5m2/g以下の比表面積を有する、請求項1に記載の固体酸化物燃料電池。
- サーメットが2m2/g以下の比表面積を有する、請求項11に記載の固体酸化物燃料電池。
- 前記触媒が、ニッケル、鉄、コバルト、モリブデン、白金、イリジウム、ルテニウム、ロジウム、銀、パラジウム、酸化セリウム、酸化マンガン、酸化モリブデン、チタニア、サマリアをドープしたセリア、ガドリニアをドープしたセリア、ニオビアをドープしたセリア、およびそれらを含む混合物から選択される、請求項1に記載の固体酸化物燃料電池。
- 前記触媒が、ニッケル、酸化セリウム、およびそれらを含む混合物から選択される、請求項13に記載の固体酸化物燃料電池。
- 前記触媒が0.5重量%〜15重量%の範囲の量で存在する、請求項1に記載の固体酸化物燃料電池。
- 前記触媒が20m2/gを超える比表面積を有する、請求項1に記載の固体酸化物燃料電池。
- 前記触媒が30m2/gを超える比表面積を有する、請求項16に記載の固体酸化物燃料電池。
- カソードが、白金、銀、金およびそれらの混合物から選択される金属、ならびに希土類元素の酸化物を含む、請求項1に記載の固体酸化物燃料電池。
- カソードが、
La1−xSrxMnO3−δ[式中、xおよびyは、独立して、0〜1の値に等しく、δは化学量論に基づく];および
La1−xSrxCo1−yFeyO3−δ[式中、xおよびyは、独立して、0〜1の値に等しく、δは化学量論に基づく]
から選択されるセラミックを含む、請求項1に記載の固体酸化物燃料電池。 - カソードが、ドープされたセリアを含む、請求項18に記載の固体酸化物燃料電池。
- カソードが、請求項18および19に基づくもののような材料の組合わせを含む、請求項1に記載の固体酸化物燃料電池。
- 電解質膜が、イットリア安定化ジルコニア、La1−xSrxGa1−yMgyO3−δ[式中、xおよびyは0〜0.7で構成され、δは化学量論に基づく]、およびドープされたセリアから選択される、請求項1に記載の固体酸化物燃料電池。
- 電解質膜がサーメットの電解質セラミック部分と同じ材料を含む、請求項1に記載の固体酸化物燃料電池。
- a)少なくとも1種の炭化水素燃料を、
金属部分と電解質セラミック材料部分とを包含するサーメットを含むアノード、ここにおいて、前記部分は実質的に均一に相互分散しており、前記金属部分は、1200℃以下の融点を有し、炭化水素酸化用触媒として実質的に不活性であり;前記サーメットは、40%以上の多孔率を有し、20重量%以下の量の炭化水素酸化用触媒により活性化されている;
カソード、および
前記アノードと前記カソードの間に配置されている少なくとも1つの電解質膜、
を包含する固体酸化物燃料電池のアノード側に供給する段階;
b)酸化体を前記固体酸化物燃料電池のカソード側に供給する段階;ならびに
c)前記少なくとも1種の燃料を前記固体酸化物燃料電池内で酸化して、エネルギーの生産をもたらす段階、
を含む、エネルギーの生産方法。 - 炭化水素燃料が実質的に乾燥している、請求項24に記載の方法。
- 炭化水素燃料がメタンである、請求項24に記載の方法。
- 炭化水素燃料をアノード側で直接酸化する、請求項24に記載の方法。
- 炭化水素燃料をアノード側で内部的に改質する、請求項24に記載の方法。
- 固体酸化物燃料電池が400℃〜800℃の範囲の温度で作動する、請求項24に記載の方法。
- 固体酸化物燃料電池が500℃〜700℃の範囲の温度で作動する、請求項29に記載の方法。
- カソード、アノード、および前記アノードと前記カソードの間に配置された少なくとも1つの電解質膜を包含する固体酸化物燃料電池であって、前記アノードが、金属部分と電解質セラミック材料部分とを包含するサーメットを含む、前記固体酸化物燃料電池の調製方法;ここにおいて、前記方法は、
カソードを提供する段階;
少なくとも1つの電解質膜を提供する段階;および
アノードを提供する段階
を含み、ここにおいて、アノードを提供する段階は、
a)金属部分の前駆体を提供する段階、ここにおいて、前記前駆体は、0.2μm〜5μmの範囲の粒径を有する;
b)1μm〜10μmの範囲の粒径を有する電解質セラミック材料を提供する段階;
c)前記前駆体と前記セラミック材料を混合して、出発混合物を提供する段階;
d)前記出発混合物を少なくとも1種の第1分散剤の存在下で加熱および粉砕する段階;
e)少なくとも1種の結合剤と少なくとも1種の第2分散剤を段階d)からの出発混合物に加えて、スラリーを与える段階;
f)スラリーを熱処理してプレサーメットを提供する段階;
g)プレサーメットを還元してサーメットを提供する段階
h)少なくとも1種の炭化水素酸化用触媒をサーメット中に分散させる段階
を包含する。 - 段階e)から得られるスラリーを電解質膜上に施用する、請求項31に記載の方法。
- 段階h)が、プレサーメットを触媒の前駆体に含浸することを含み、該前駆体が、続いて還元段階g)の間に還元される、請求項31に記載の方法。
- 段階h)が、サーメットを触媒の前駆体に含浸することを含み、該前駆体が、続いて追加的還元段階i)の間に還元される、請求項31に記載の方法。
- 金属部分の前駆体が酸化物である、請求項31に記載の方法。
- 酸化物が酸化銅である、請求項35に記載の方法。
- 酸化物がCuOである、請求項35に記載の方法。
- 前駆体が1〜3μmの範囲の粒径を有する、請求項31に記載の方法。
- セラミック材料が2〜5μmの範囲の粒径を有する、請求項31に記載の方法。
- 段階d)を1回より多く実施する、請求項31に記載の方法。
- 少なくとも1種の第1および第2分散剤がエタノールおよびイソプロパノールから選択される、請求項31に記載の方法。
- 少なくとも1種の第1分散剤が少なくとも1種の第2分散剤と同一である、請求項31に記載の方法。
- 結合剤が少なくとも1種の第2分散剤に溶解する、請求項31に記載の方法。
- 結合剤がポリビニルブチラールである、請求項31に記載の方法。
- 段階f)を700℃〜1100℃の範囲の温度で実施する、請求項31に記載の方法。
- 段階f)を900℃〜1000℃の範囲の温度で実施する、請求項45に記載の方法。
- 段階g)を300℃〜800℃の範囲の温度で実施する、請求項31に記載の方法。
- 段階g)を400℃〜600℃の範囲の温度で実施する、請求項47に記載の方法。
- 段階g)を、1体積%〜10体積%の水を含有する水素で実施する、請求項31に記載の方法。
- 水素が2体積%〜5体積%の水を含有する、請求項49に記載の方法。
- 金属部分と電解質セラミック材料部分とを包含するサーメットであって、前記部分が実質的に均一に相互分散しており、前記金属部分が、1200℃以下の融点を有し、炭化水素酸化用触媒として実質的に不活性であり;前記サーメットが、40%以上の多孔率を有し、20重量%以下の量の炭化水素酸化用触媒により活性化されている、前記サーメット。
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