JP2011040362A - Fuel electrode for solid oxide fuel cell, solid oxide fuel cell, and operation method of solid oxide fuel cell - Google Patents
Fuel electrode for solid oxide fuel cell, solid oxide fuel cell, and operation method of solid oxide fuel cell Download PDFInfo
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Abstract
Description
本発明は、固体酸化物形燃料電池用燃料極、固体酸化物形燃料電池および固体酸化物形燃料電池の作動方法に関する。 The present invention relates to a fuel electrode for a solid oxide fuel cell, a solid oxide fuel cell, and a method for operating the solid oxide fuel cell.
近年、環境問題および資源問題などに起因して、クリーンなエネルギ源が求められている。そのようなエネルギ源としては、たとえば燃料電池が期待されている。燃料電池は、燃料を電気化学的に酸化することによって、燃焼によって生じるはずのエネルギを熱エネルギとしてではなく電気エネルギとして取り出すことに特徴がある。 In recent years, clean energy sources have been demanded due to environmental problems and resource problems. For example, a fuel cell is expected as such an energy source. A fuel cell is characterized in that energy that should be generated by combustion is extracted as electric energy instead of heat energy by electrochemically oxidizing fuel.
このような燃料電池の中でも固体酸化物形燃料電池は、約1000℃という極めて高温で作動させるものであるため、たとえば排熱を有効利用できるなどの利点を有している。 Among such fuel cells, the solid oxide fuel cell is operated at an extremely high temperature of about 1000 ° C., and thus has an advantage that, for example, exhaust heat can be effectively used.
図16に、たとえば特許文献1等に示される従来の固体酸化物形燃料電池の一例の模式的な構成図を示す。ここで、固体酸化物形燃料電池11は、酸化物イオン伝導体である電解質12の両側にそれぞれ酸素極13および燃料極14を配置してなる構造を有している。そして、酸素極13側に酸素または空気を導入し、燃料極14側に水素ガスを導入して、約1000℃の雰囲気中で固体酸化物形燃料電池11を作動させる。すると、酸素極13では(1/2)O2+2e-→O2-の反応によって酸化物イオン(O2-)が生じ、酸化物イオン(O2-)は電解質12を伝導して燃料極14に向かって移動する。そして、酸化物イオン(O2-)が燃料極14に到達すると、H2+O2-→H2O+2e-の反応によって電子(e-)が放出されて水(H2O)が生じ、電子(e-)は外部回路を通って酸素極13に流れる。
FIG. 16 shows a schematic configuration diagram of an example of a conventional solid oxide fuel cell disclosed in Patent Document 1, for example. Here, the solid
図17に、図16に示す固体酸化物形燃料電池の作動時における燃料極の挙動を図解する模式的な拡大概念図を示す。図17において、燃料極14はニッケル15とジルコニア16とのサーメットからなっており、電解質12はジルコニアにイットリウムを少量混合して得られるイットリア安定化ジルコニア(YSZ)からなっている。
FIG. 17 is a schematic enlarged conceptual diagram illustrating the behavior of the fuel electrode during operation of the solid oxide fuel cell shown in FIG. In FIG. 17, the
ここで、水素ガスとニッケル15と電解質12との三相界面17においては、燃料極14側に導入された水素(H2)と、電解質12を伝導してきた酸化物イオン(O2-)と、が反応して電子(e-)を放出して水(H2O)が生じる。
Here, at the three-
また、水素ガスとニッケル15とジルコニア16の三相界面18においては、燃料極14側に導入された水素(H2)、またはその水素(H2)がニッケル15の表面に接触することによって解離した原子状水素(Had)と、電解質12およびジルコニア16を伝導してきた酸化物イオン(O2-)と、が反応して電子(e-)を放出して水(H2O)が生じる。
Further, at the three-
このような固体酸化物形燃料電池は、インターコネクタを介して複数接続され、セルスタックが構成される。ここで、インターコネクタは、酸素極側に導入される酸素ガスまたは空気と、燃料極側に導入される水素ガスと、を分離するとともに、個々の固体酸化物形燃料電池を電気的に直列に電気的に接続する機能を有する(たとえば特許文献1等参照。)。 A plurality of such solid oxide fuel cells are connected via an interconnector to form a cell stack. Here, the interconnector separates oxygen gas or air introduced to the oxygen electrode side and hydrogen gas introduced to the fuel electrode side, and electrically connects the individual solid oxide fuel cells in series. It has a function of electrical connection (see, for example, Patent Document 1).
また、最近では、より低温で作動させる固体酸化物形燃料電池用の燃料極として、鉄を含有させた燃料極の研究が進められている(たとえば、非特許文献1〜非特許文献6等参照。)。 Recently, as a fuel electrode for a solid oxide fuel cell operated at a lower temperature, research on a fuel electrode containing iron has been advanced (for example, see Non-Patent Documents 1 to 6). .)
従来の固体酸化物形燃料電池は約1000℃という極めて高温で作動させるものであったため、インターコネクタを構成する材料としては、従来から、高温で高い電子伝導性を有するとともに、燃料極側の高温の還元雰囲気と酸素極側の高温の酸化雰囲気の双方に耐えることができるセラミックス材料が使用されてきた。 Since the conventional solid oxide fuel cell is operated at an extremely high temperature of about 1000 ° C., as a material constituting the interconnector, conventionally, it has high electron conductivity at a high temperature and a high temperature on the fuel electrode side. Ceramic materials that can withstand both the reducing atmosphere and the high-temperature oxidizing atmosphere on the oxygen electrode side have been used.
しかしながら、インターコネクタに使用されるセラミックス材料は非常に高価であるため、固体酸化物形燃料電池の製造コストが高くなるという問題があった。そこで、低温で高性能な固体酸化物形燃料電池の開発が望まれているが、固体酸化物形燃料電池は作動時の温度が低下すると大幅に性能が低下してしまう。 However, since the ceramic material used for the interconnector is very expensive, there is a problem that the manufacturing cost of the solid oxide fuel cell becomes high. Therefore, development of a solid oxide fuel cell having high performance at a low temperature is desired, but the performance of the solid oxide fuel cell is greatly reduced when the temperature during operation is lowered.
上述したように、低温雰囲気中で作動させたときに優れた性能を有する固体酸化物形燃料電池用の燃料極の研究も進められているが、さらなる改善が望まれている。 As described above, research has been made on a fuel electrode for a solid oxide fuel cell having excellent performance when operated in a low temperature atmosphere, but further improvement is desired.
上記の事情に鑑みて、本発明の目的は、低温雰囲気中で作動させた場合でも優れた性能を有する固体酸化物形燃料電池を実現することが可能な固体酸化物形燃料電池用燃料極、それを含む固体酸化物形燃料電池およびその固体酸化物形燃料電池の作動方法である。 In view of the above circumstances, an object of the present invention is to provide a solid oxide fuel cell fuel electrode capable of realizing a solid oxide fuel cell having excellent performance even when operated in a low temperature atmosphere. A solid oxide fuel cell including the same and a method of operating the solid oxide fuel cell.
本発明は、900℃以下の雰囲気中で固体酸化物形燃料電池を作動させるための固体酸化物形燃料電池用燃料極であって、鉄と、金属酸化物と、を含み、金属酸化物は、下記の組成式(I)で表わされる金属酸化物であって、
RExCe1-xO2-(x/2) …(I)
組成式(I)において、REは、Sm、Gd、Y、LaおよびNdからなる群から選択された少なくとも1種の金属であり、xは0≦x<0.5を満たす実数を示す、固体酸化物形燃料電池用燃料極である。
The present invention is a fuel electrode for a solid oxide fuel cell for operating a solid oxide fuel cell in an atmosphere of 900 ° C. or lower, comprising iron and a metal oxide, A metal oxide represented by the following composition formula (I):
RE x Ce 1-x O 2- (x / 2) (I)
In the composition formula (I), RE is at least one metal selected from the group consisting of Sm, Gd, Y, La, and Nd, and x is a solid showing a real number that satisfies 0 ≦ x <0.5 This is a fuel electrode for an oxide fuel cell.
ここで、本発明の固体酸化物形燃料電池用燃料極は、窒素と水素との化合物のガスを含む燃料を供給して固体酸化物形燃料電池を作動させるための固体酸化物形燃料電池用燃料極であることが好ましい。 Here, the anode for a solid oxide fuel cell of the present invention is for a solid oxide fuel cell for operating a solid oxide fuel cell by supplying a fuel containing a compound gas of nitrogen and hydrogen. A fuel electrode is preferred.
また、本発明は、窒素と水素との化合物のガスを含む燃料を供給して固体酸化物形燃料電池を作動させるための固体酸化物形燃料電池用燃料極であって、鉄と、金属酸化物と、を含む、固体酸化物形燃料電池用燃料極である。 The present invention also provides a fuel electrode for a solid oxide fuel cell for supplying a fuel containing a compound gas of nitrogen and hydrogen to operate the solid oxide fuel cell. A fuel electrode for a solid oxide fuel cell.
また、本発明の固体酸化物形燃料電池用燃料極は、ニッケルをさらに含み、固体酸化物形燃料電池用燃料極中における鉄とニッケルの総原子数に対する鉄の原子数の割合が30%以上であることが好ましい。 The fuel electrode for a solid oxide fuel cell of the present invention further contains nickel, and the ratio of the number of iron atoms to the total number of atoms of iron and nickel in the fuel electrode for the solid oxide fuel cell is 30% or more. It is preferable that
また、本発明は、上記の固体酸化物形燃料電池用燃料極と、電解質と、を含む、固体酸化物形燃料電池である。 Moreover, this invention is a solid oxide fuel cell containing said fuel electrode for solid oxide fuel cells, and electrolyte.
ここで、本発明の固体酸化物形燃料電池においては、電解質としては、ジルコニア系酸化物、セリア系酸化物、ランタンガレート系酸化物、バリウムセレート系酸化物、バリウムジルコネート系酸化物、ストロンチウムセレート系酸化物、ストロンチウムジルコネート系酸化物、ランタンシリケート系酸化物などの電解質を特に限定なく用いることができるが、好ましくは下記の組成式(II)で表わされる電解質を用いることが好ましい。 Here, in the solid oxide fuel cell of the present invention, the electrolyte includes zirconia oxide, ceria oxide, lanthanum gallate oxide, barium serate oxide, barium zirconate oxide, strontium. Electrolytes such as serate-based oxides, strontium zirconate-based oxides, and lanthanum silicate-based oxides can be used without particular limitation, but it is preferable to use an electrolyte represented by the following composition formula (II).
La1-sSrsGa1-(u+v)CouMgvOw …(II)
組成式(II)において、sは0≦s≦0.25を満たす実数を示し、uは0≦u≦0.1を満たす実数を示し、vは0.05≦v≦0.25を満たす実数を示し、wは2.7≦w≦3.025を満たす実数を示すことが好ましい。
La 1-s Sr s Ga 1- (u + v) Co u Mg v O w ... (II)
In the composition formula (II), s represents a real number satisfying 0 ≦ s ≦ 0.25, u represents a real number satisfying 0 ≦ u ≦ 0.1, and v satisfies 0.05 ≦ v ≦ 0.25. It represents a real number, and w preferably represents a real number satisfying 2.7 ≦ w ≦ 3.025.
さらに、本発明は、上記の固体酸化物形燃料電池を作動させる方法であって、固体酸化物形燃料電池を900℃以下の雰囲気中に設置する工程と、固体酸化物形燃料電池の固体酸化物形燃料電池用燃料極に窒素と水素との化合物のガスを含む燃料を供給する工程と、を含む、固体酸化物形燃料電池の作動方法である。 Furthermore, the present invention is a method for operating the above solid oxide fuel cell, the step of installing the solid oxide fuel cell in an atmosphere of 900 ° C. or less, and the solid oxidation of the solid oxide fuel cell. Supplying a fuel containing a compound gas of nitrogen and hydrogen to a fuel electrode for a solid fuel cell, and a method for operating a solid oxide fuel cell.
本発明によれば、低温雰囲気中で作動させた場合でも優れた性能を有する固体酸化物形燃料電池を実現することが可能な固体酸化物形燃料電池用燃料極、それを含む固体酸化物形燃料電池およびその固体酸化物形燃料電池の作動方法を提供することができる。 According to the present invention, a fuel electrode for a solid oxide fuel cell capable of realizing a solid oxide fuel cell having excellent performance even when operated in a low temperature atmosphere, and a solid oxide type including the same A fuel cell and a method for operating the solid oxide fuel cell can be provided.
以下、本発明の実施の形態について説明する。なお、本発明の図面において、同一の参照符号は、同一部分または相当部分を表わすものとする。 Embodiments of the present invention will be described below. In the drawings of the present invention, the same reference numerals represent the same or corresponding parts.
図1に、本発明の固体酸化物形燃料電池の一例の模式的な断面図を示す。図1に示すように、固体酸化物形燃料電池1は、電解質2と、酸素極3と、燃料極4とを有しており、電解質2の一方の表面上には鉄と金属酸化物とを含む燃料極4が形成され、電解質2の他方の表面上には酸素極3が形成されている。
FIG. 1 shows a schematic cross-sectional view of an example of the solid oxide fuel cell of the present invention. As shown in FIG. 1, the solid oxide fuel cell 1 includes an
ここで、燃料極4中の金属酸化物の含有量は燃料極4全体の10質量%以上70質量%以下とされることが好ましく、10質量%以上50質量%以下とされることがより好ましい。燃料極4中の金属酸化物の含有量が燃料極4全体の10質量%以上70質量%以下である場合、特に10質量%以上50質量%以下である場合には、さらに優れた性能を有する固体酸化物形燃料電池1を得ることができる傾向にある。 Here, the content of the metal oxide in the fuel electrode 4 is preferably 10% by mass or more and 70% by mass or less, and more preferably 10% by mass or more and 50% by mass or less of the entire fuel electrode 4. . When the content of the metal oxide in the fuel electrode 4 is 10% by mass or more and 70% by mass or less of the entire fuel electrode 4, particularly when the content is 10% by mass or more and 50% by mass or less, the performance is further improved. There is a tendency that the solid oxide fuel cell 1 can be obtained.
すなわち、燃料極4の電子伝導性を高くすることによって固体酸化物形燃料電池1の性能を優れたものとするためには、燃料極4中の金属酸化物の含有量は70質量%以下、特に50質量%以下とすることが好ましい。一方、燃料極4中の金属酸化物の含有量が少なすぎると燃料極4において鉄の凝集が進行しすぎること、および鉄と金属酸化物との接点が燃料極4における電極反応に寄与するために金属酸化物の存在がある程度必要なことなどを考慮して、固体酸化物形燃料電池1の性能を優れたものとするためには、燃料極4中の金属酸化物の含有量は、燃料極4全体の10質量%以上であることが好ましい。 That is, in order to improve the performance of the solid oxide fuel cell 1 by increasing the electron conductivity of the fuel electrode 4, the content of the metal oxide in the fuel electrode 4 is 70% by mass or less. In particular, it is preferably 50% by mass or less. On the other hand, if the content of the metal oxide in the fuel electrode 4 is too small, the agglomeration of iron proceeds too much in the fuel electrode 4 and the contact between the iron and the metal oxide contributes to the electrode reaction in the fuel electrode 4. In order to improve the performance of the solid oxide fuel cell 1 in consideration of the necessity of the presence of a metal oxide to some extent, the content of the metal oxide in the fuel electrode 4 is It is preferably 10% by mass or more of the entire electrode 4.
なお、電子伝導を担う材料としては鉄だけである必要はなく、鉄に、ニッケル、コバルト、クロム、マンガン等の鉄と合金を形成する金属を添加してもよい。この場合においても、鉄、添加金属および金属酸化物の質量の合計を100質量%としたときの金属酸化物の含有量の好ましい範囲は上記と同様である。 In addition, it is not necessary to use only iron as a material responsible for electron conduction, and a metal that forms an alloy with iron, such as nickel, cobalt, chromium, and manganese, may be added to iron. Also in this case, the preferable range of the content of the metal oxide when the total mass of iron, added metal and metal oxide is 100% by mass is the same as described above.
特に、燃料極4は、鉄と、ニッケルとを含み、燃料極4中における鉄とニッケルの総原子数に対する鉄の原子数の割合(100×(鉄の原子数)/{(鉄の原子数)+(ニッケルの原子数)})(%)が30%以上であることが好ましい。この場合には、固体酸化物形燃料電池1の性能が向上する傾向にある。 In particular, the fuel electrode 4 contains iron and nickel, and the ratio of the number of iron atoms to the total number of iron and nickel atoms in the fuel electrode 4 (100 × (number of iron atoms) / {(number of iron atoms) ) + (Number of nickel atoms)}) (%) is preferably 30% or more. In this case, the performance of the solid oxide fuel cell 1 tends to be improved.
また、燃料極4に含有される金属酸化物としては、以下の組成式(I)で表される金属酸化物を用いることが好ましい。燃料極4に含有される金属酸化物として以下の組成式(I)で表される金属酸化物を用いた場合には、固体酸化物形燃料電池1の性能をさらに優れたものとすることができる傾向にある。 Moreover, as a metal oxide contained in the fuel electrode 4, it is preferable to use a metal oxide represented by the following composition formula (I). When the metal oxide represented by the following composition formula (I) is used as the metal oxide contained in the fuel electrode 4, the performance of the solid oxide fuel cell 1 may be further improved. It tends to be possible.
RExCe1-xO2-(x/2) …(I)
なお、組成式(I)において、REは、Sm(サマリウム)、Gd(ガドリニウム)、Y(イットリウム)、La(ランタン)およびNd(ネオジム)からなる群から選択された少なくとも1種の金属であり、xはREに相当する金属の原子比を示し、1−xはCe(セリウム)の原子比を示し、2−(x/2)はO(酸素)の原子比を示す。また、組成式(I)において、xは0≦x<0.5を満たす実数を示す。
RE x Ce 1-x O 2- (x / 2) (I)
In the composition formula (I), RE is at least one metal selected from the group consisting of Sm (samarium), Gd (gadolinium), Y (yttrium), La (lanthanum), and Nd (neodymium). , X represents an atomic ratio of a metal corresponding to RE, 1-x represents an atomic ratio of Ce (cerium), and 2- (x / 2) represents an atomic ratio of O (oxygen). In the composition formula (I), x represents a real number satisfying 0 ≦ x <0.5.
ここで、組成式(I)において、xが0≦x<0.5を満たす実数である場合には、燃料極4中の金属酸化物が蛍石型構造の結晶構造を保持しやすくなり、固体酸化物形燃料電池1の性能をさらに優れたものとすることができる傾向にある。 Here, in the composition formula (I), when x is a real number satisfying 0 ≦ x <0.5, the metal oxide in the fuel electrode 4 can easily maintain the crystal structure of the fluorite structure, There is a tendency that the performance of the solid oxide fuel cell 1 can be further improved.
また、電解質2としては、以下の組成式(II)で表される酸化物イオン伝導体を用いることが好ましい。電解質2として以下の組成式(II)で表される酸化物イオン伝導体を用いた場合には、固体酸化物形燃料電池1の性能をさらに優れたものとすることができる傾向にある。
Moreover, as the
La1-sSrsGa1-(u+v)CouMgvOw …(II)
なお、組成式(II)において、1−sはLa(ランタン)の原子比を示し、sはSr(ストロンチウム)の原子比を示し、1−(u+v)はGa(ガリウム)の原子比を示し、uはCo(コバルト)の原子比を示し、vはMg(マグネシウム)の原子比を示し、wはO(酸素)の原子比を示す。
La 1-s Sr s Ga 1- (u + v) Co u Mg v O w ... (II)
In the composition formula (II), 1-s indicates an atomic ratio of La (lanthanum), s indicates an atomic ratio of Sr (strontium), and 1- (u + v) indicates an atomic ratio of Ga (gallium). , U represents the atomic ratio of Co (cobalt), v represents the atomic ratio of Mg (magnesium), and w represents the atomic ratio of O (oxygen).
また、組成式(II)において、sは0≦s≦0.25を満たす実数を示し、uは0≦u≦0.1を満たす実数を示し、vは、0.05≦v≦0.25を満たす実数を示し、wは2.7≦w≦3.025を満たす実数を示す。 In the composition formula (II), s represents a real number satisfying 0 ≦ s ≦ 0.25, u represents a real number satisfying 0 ≦ u ≦ 0.1, and v represents 0.05 ≦ v ≦ 0. 25 represents a real number satisfying 25, and w represents a real number satisfying 2.7 ≦ w ≦ 3.025.
ここで、組成式(II)において、sが0≦s≦0.25の範囲内の実数を示す場合には、電解質2の酸化物イオン伝導性が優れる傾向にある。また、組成式(II)において、sが0.25を超える実数を示す場合には、電解質2中のSrの含有量が多くなりすぎて、他の相が発現して、電解質2の酸化物イオン伝導性が低下する傾向にある。
Here, in the composition formula (II), when s is a real number in the range of 0 ≦ s ≦ 0.25, the oxide ion conductivity of the
また、組成式(II)において、uが0≦u≦0.1の範囲内の実数を示す場合には、電解質2の酸化物イオン伝導性が優れる傾向にある。また、組成式(II)において、uが0.1を超える場合には、電解質2中のCoの含有量が多くなりすぎて、電子伝導により内部短絡を発現し、セル電圧が低下する傾向にある。
In the composition formula (II), when u is a real number in the range of 0 ≦ u ≦ 0.1, the oxide ion conductivity of the
また、組成式(II)において、vが0.05≦v≦0.25の範囲内の実数を示す場合には、電解質2の酸化物イオン伝導性が優れる傾向にある。また、組成式(II)において、vが0.25を超える実数を示す場合には、電解質2中のMgの含有量が多くなりすぎて、他の相が発現して、電解質2の酸化物イオン伝導性が低下する傾向にある。
In the composition formula (II), when v is a real number in the range of 0.05 ≦ v ≦ 0.25, the oxide ion conductivity of the
また、組成式(II)において、wの値は、上記のs、uおよびvの値から算出すると2.7≦w≦3.025の範囲内の値となる。 Further, in the composition formula (II), the value of w is a value within the range of 2.7 ≦ w ≦ 3.025 when calculated from the values of s, u, and v.
また、酸素極3としては、たとえば従来から公知のPt(白金)などを特に限定なく用いることができる。また、酸素極3は、上記の燃料極4に用いられる材料として説明した材料と同様の材料を用いて形成してもよい。
As the
上記で説明した図1に示す固体酸化物形燃料電池1は、たとえば以下のようにして作動させることができる。 The solid oxide fuel cell 1 shown in FIG. 1 described above can be operated as follows, for example.
まず、図1に示す固体酸化物形燃料電池1を900℃以下の雰囲気中に設置する。次に、固体酸化物形燃料電池1を900℃以下の雰囲気中に設置した状態で、固体酸化物形燃料電池1の燃料極4に水素と窒素との化合物のガスを含む燃料を供給し、酸素極3に酸素ガスを含む酸化剤を供給する。
First, the solid oxide fuel cell 1 shown in FIG. 1 is installed in an atmosphere of 900 ° C. or lower. Next, in a state where the solid oxide fuel cell 1 is installed in an atmosphere of 900 ° C. or lower, a fuel containing a gas of a compound of hydrogen and nitrogen is supplied to the fuel electrode 4 of the solid oxide fuel cell 1, An oxidant containing oxygen gas is supplied to the
これにより、酸素極3においては、酸化剤中に含まれる酸素ガスにより、(1/2)O2+2e-→O2-の反応から酸化物イオン(O2-)が生じる。そして、酸化物イオン(O2-)は電解質2を燃料極4に向かって伝導する。
As a result, in the
そして、燃料極4においては、電解質2を伝導してきた酸化物イオン(O2-)と、燃料に含まれる水素と窒素との化合物のガスとにより、H2+O2-→H2O+2e-の反応から水(H2O)と電子(e-)が生じる。そして、水(H2O)は外部に放出され、電子(e-)は外部回路を通って酸素極3に流れ込む。
In the fuel electrode 4, H 2 + O 2− → H 2 O + 2e − is generated by oxide ions (O 2− ) that have been conducted through the
以上のようにして固体酸化物形燃料電池1を作動させることによって、固体酸化物形燃料電池1による発電が可能となる。 By operating the solid oxide fuel cell 1 as described above, power generation by the solid oxide fuel cell 1 becomes possible.
ここで、燃料極4に供給される燃料に含まれる水素と窒素との化合物のガスとしては、たとえば、NH3(アンモニア)ガスおよび/またはN2H4(ヒドラジン)ガスなどの水素と窒素との化合物からなるガスの少なくとも1種を用いることができる。 Here, as a gas of a compound of hydrogen and nitrogen contained in the fuel supplied to the fuel electrode 4, for example, hydrogen such as NH 3 (ammonia) gas and / or N 2 H 4 (hydrazine) gas, nitrogen and At least one gas consisting of the above compounds can be used.
また、燃料極4に供給される燃料中の水素と窒素との化合物のガスは、水素と窒素との化合物の状態で燃料極4に供給されてもよく、水素(H2)ガスと窒素(N2)ガスとに分解された状態で燃料極4に供給されてもよい。 Further, the compound gas of hydrogen and nitrogen in the fuel supplied to the fuel electrode 4 may be supplied to the fuel electrode 4 in the state of a compound of hydrogen and nitrogen, and hydrogen (H 2 ) gas and nitrogen ( N 2 ) may be supplied to the fuel electrode 4 in a state of being decomposed into gas.
また、酸素極3に供給される酸化剤としては、たとえば、空気および/または酸素(O2)ガスなどの酸素を含むガスの少なくとも1種を含む酸化剤を用いることができる。
Moreover, as an oxidizing agent supplied to the
図1に示す構成の固体酸化物形燃料電池1は、水素と窒素との化合物のガスを含む燃料を燃料極4に供給して、900℃以下の低温雰囲気中において作動させる場合に、優れた性能を有する。 The solid oxide fuel cell 1 having the configuration shown in FIG. 1 is excellent when it is operated in a low temperature atmosphere of 900 ° C. or lower by supplying a fuel containing a gas of a compound of hydrogen and nitrogen to the fuel electrode 4. Has performance.
特に、900℃以下の低温雰囲気中において、アンモニアガスを含む燃料を燃料極4に供給したときには、さらに優れた性能を有する固体酸化物形燃料電池1とすることができる。これは、燃料極4中に含まれる鉄は、アンモニアガスを水素ガスと窒素ガスとに分解する活性が高いためと考えられる。 In particular, when a fuel containing ammonia gas is supplied to the fuel electrode 4 in a low temperature atmosphere of 900 ° C. or lower, the solid oxide fuel cell 1 having further excellent performance can be obtained. This is considered because iron contained in the fuel electrode 4 has high activity of decomposing ammonia gas into hydrogen gas and nitrogen gas.
なお、固体酸化物形燃料電池1の燃料極4に供給される燃料としては、水素と窒素との化合物のガスを含む燃料には限定されず、たとえば水素(H2)ガスを含む燃料などの従来から公知の燃料を供給して固体酸化物形燃料電池1を作動させることも可能である。また、固体酸化物形燃料電池1は、900℃よりも高い温度の高温雰囲気中において作動させることも可能である。 The fuel supplied to the fuel electrode 4 of the solid oxide fuel cell 1 is not limited to a fuel containing a gas of a compound of hydrogen and nitrogen, and for example, a fuel containing hydrogen (H 2 ) gas, etc. It is also possible to operate the solid oxide fuel cell 1 by supplying a conventionally known fuel. The solid oxide fuel cell 1 can also be operated in a high-temperature atmosphere at a temperature higher than 900 ° C.
しかしながら、上述したように、図1に示す構成の固体酸化物形燃料電池1は、たとえば900℃以下といった低温雰囲気中で、水素と窒素との化合物のガスを含む燃料を燃料極4に供給して固体酸化物形燃料電池1を作動させた場合に優れた性能を有する点で特に有用である。 However, as described above, the solid oxide fuel cell 1 having the configuration shown in FIG. 1 supplies a fuel containing a compound gas of hydrogen and nitrogen to the fuel electrode 4 in a low temperature atmosphere such as 900 ° C. or less. The solid oxide fuel cell 1 is particularly useful in that it has excellent performance when operated.
また、水素を液化するには極低温に冷却する必要がある。また、液体と同量程度の水素を常温で運搬するには超高圧の容器に充填する必要がある。そのため、水素を輸送するのは大変手間とコストがかかる。一方、たとえばアンモニアは液化しやすく、20℃では0.857MPa(8.46気圧)程度の圧力で液化する。また、たとえばヒドラジンは常温では液体である。そのため、アンモニアやヒドラジンなどの水素と窒素との化合物は、水素と比較して、燃料の運搬に優れている。また、水素と窒素との化合物を水素エネルギ源として使用する場合には、通常水素に変換してから装置に導入する必要があるためエネルギ変換効率が低下してしまうが、固体酸化物形燃料電池の場合、装置内部で水素と窒素との化合物を水素分子と窒素分子に改質することができる、あるいは直接反応させることができるため、水素と窒素との化合物は固体酸化物形燃料電池の燃料として適している。 Moreover, in order to liquefy hydrogen, it is necessary to cool to extremely low temperature. Moreover, it is necessary to fill an ultra-high pressure container in order to transport the same amount of hydrogen as the liquid at room temperature. Therefore, transporting hydrogen is very laborious and expensive. On the other hand, for example, ammonia is easily liquefied and is liquefied at 20 ° C. at a pressure of about 0.857 MPa (8.46 atm). For example, hydrazine is a liquid at room temperature. Therefore, a compound of hydrogen and nitrogen such as ammonia and hydrazine is superior in transporting fuel as compared with hydrogen. In addition, when a compound of hydrogen and nitrogen is used as a hydrogen energy source, it is usually necessary to convert it into hydrogen and then introduce it into the apparatus. In this case, the compound of hydrogen and nitrogen can be reformed into a hydrogen molecule and a nitrogen molecule inside the apparatus, or can be directly reacted. Therefore, the compound of hydrogen and nitrogen is a fuel for a solid oxide fuel cell. Suitable as
<実施例1>
図2の模式的斜視図に示す構成の実施例1の固体酸化物形燃料電池1を作製して、様々な実験を行なった。固体酸化物形燃料電池1の緻密な円盤状の電解質2の一方の表面には多孔質な円形の酸素極3と円柱状の参照電極5とをそれぞれ形成し、電解質2の他方の表面には多孔質な円形の燃料極4を形成した。
<Example 1>
A solid oxide fuel cell 1 of Example 1 having the configuration shown in the schematic perspective view of FIG. 2 was produced and various experiments were performed. A porous
ここで、酸素極3の円形表面の直径D1および燃料極4の円形表面の直径D2をそれぞれ6mmとした。また、電解質2の円形表面D3を15mmとし、電解質2の厚さHを0.5mmとした。
Here, the diameter D1 of the circular surface of the
図2に示す固体酸化物形燃料電池1は、以下のようにして作製した。まず、酸化ランタン、炭酸ストロンチウム、酸化ガリウムおよび酸化マグネシウムを所定の比率でエタノール中において湿式混合した後、1150℃で18時間の仮焼と上記の湿式混合とを交互に2回繰り返して作製したLSGM粉末を294MPaの圧力でCIP成形し、その後1500℃で10時間焼成することによって、La0.9Sr0.1Ga0.8Mg0.2O3-δ(LSGM)からなる円柱状の電解質2を作製した。
The solid oxide fuel cell 1 shown in FIG. 2 was produced as follows. First, LSGM prepared by wet-mixing lanthanum oxide, strontium carbonate, gallium oxide and magnesium oxide in ethanol at a predetermined ratio in ethanol, and then repeating calcination at 1150 ° C. for 18 hours and the above wet mixing twice alternately. The powder was CIP-molded at a pressure of 294 MPa, and then fired at 1500 ° C. for 10 hours to prepare a
次に、電解質2の一方の円形表面の中心にPtを含むペーストを円柱状に塗布した後にその近傍にそれよりも小さい円柱状にPtを含むペーストを塗布し、その後、これらのPtを含むペーストを1000℃で3時間焼成することによって、酸素極3および参照電極5をそれぞれ形成した。
Next, a paste containing Pt is applied to the center of one circular surface of the
次に、図3に示すように、Sm(NO3)3・6H2O(硝酸サマリウム六水和物)粉末とCe(NO3)3・6H2O(硝酸セリウム六水和物)粉末とをそれぞれSmとCeとのモル比がSm:Ce=2:8となるように、これらの粉末を硝酸濃度が0.2(mol/dm3)であるHNO3(硝酸)水溶液中で混合した。 Next, as shown in FIG. 3, Sm (NO 3 ) 3 .6H 2 O (samarium nitrate hexahydrate) powder and Ce (NO 3 ) 3 · 6H 2 O (cerium nitrate hexahydrate) powder These powders were mixed in an aqueous HNO 3 (nitric acid) solution having a nitric acid concentration of 0.2 (mol / dm 3 ) so that the molar ratio of Sm to Ce was Sm: Ce = 2: 8. .
次に、(COOH)2・2H2O(シュウ酸二水和物)の水溶液とアンモニア水溶液とを混合した混合液(シュウ酸濃度:0.2(mol/dm3)、pH:6.7)を調製して、その混合液を上記の粉末が混合されたHNO3水溶液中に加えて12時間撹拌した。 Next, a mixed solution in which an aqueous solution of (COOH) 2 .2H 2 O (oxalic acid dihydrate) and an aqueous ammonia solution were mixed (oxalic acid concentration: 0.2 (mol / dm 3 ), pH: 6.7. The mixture was added to the HNO 3 aqueous solution mixed with the above powder and stirred for 12 hours.
その後、上記の撹拌後の液を吸着ろ過した後に、その吸着ろ過により得られた粉末を空気中で700℃の温度でか焼することによって、SDC20(Sm0.2Ce0.8O1.9)粉末を得た。 Then, after the above-mentioned liquid after stirring was subjected to adsorption filtration, the powder obtained by the adsorption filtration was calcined in air at a temperature of 700 ° C. to obtain SDC20 (Sm 0.2 Ce 0.8 O 1.9 ) powder. .
そして、上記のようにして作製したSDC20と、Fe2O3(酸化鉄)粉末とを、Feの含有量が全体の70質量%となる割合で混合して混合粉末を得た。その混合粉末を電解質2の酸素極3および参照電極5の形成側とは反対側の円形表面上に円柱状に設置した後に1250℃で3時間焼成することによって燃料極4を形成した。以上により、図2に示す構成の実施例1の固体酸化物形燃料電池1を作製した。
Then, a SDC20 prepared as described above, and Fe 2 O 3 (iron oxide) powder to obtain a mixed powder were mixed at a ratio in which the content is 70 mass% of the total Fe. The mixed powder was placed in a cylindrical shape on a circular surface opposite to the side where the
図4(a)および図4(b)にそれぞれ、上記のように作製した実施例1の固体酸化物形燃料電池1の酸素極3と燃料極4との間の電圧(V)と、実施例1の固体酸化物形燃料電池1に流れる電流の電流密度(mA/cm2)との関係(電圧−電流特性)を示す。図4(a)および図4(b)においては、横軸が電流密度(mA/cm2)を示しており、縦軸が電圧(V)を示している。
4 (a) and 4 (b) respectively show the voltage (V) between the
また、図4(a)は、実施例1の固体酸化物形燃料電池1を700℃、800℃および900℃のそれぞれの雰囲気中に設置し、酸素極3に空気を供給し、燃料極4に水素ガスを供給したときの電圧−電流特性である。また、図4(b)は、実施例1の固体酸化物形燃料電池1を700℃、800℃および900℃のそれぞれの雰囲気中に設置し、酸素極3に空気を供給し、燃料極4にアンモニアガスを供給したときの電流−電圧特性である。
4A shows that the solid oxide fuel cell 1 of Example 1 is installed in each atmosphere of 700 ° C., 800 ° C., and 900 ° C., air is supplied to the
図4(a)および図4(b)に示すように、実施例1の固体酸化物形燃料電池1の電圧−電流特性は、700℃、800℃および900℃のいずれの雰囲気においても、燃料極4に水素ガスを供給したときと、アンモニアガスを供給したときとで、電流密度方向への曲線の広がりが同等程度であることを示している。したがって、実施例1の固体酸化物形燃料電池1は、燃料極4にアンモニアガスを供給したときでも、水素ガスを供給したときと同等程度の優れた電圧−電流特性を有することが確認された。 As shown in FIGS. 4 (a) and 4 (b), the voltage-current characteristics of the solid oxide fuel cell 1 of Example 1 are shown in the fuel at any temperature of 700 ° C., 800 ° C., and 900 ° C. It is shown that the curve spread in the current density direction is about the same when the hydrogen gas is supplied to the electrode 4 and when the ammonia gas is supplied. Therefore, it was confirmed that the solid oxide fuel cell 1 of Example 1 has excellent voltage-current characteristics equivalent to those when hydrogen gas is supplied even when ammonia gas is supplied to the fuel electrode 4. .
図5(a)および図5(b)にそれぞれ、上記のように作製した実施例1の固体酸化物形燃料電池1の燃料極4における過電圧(V)と、実施例1の固体酸化物形燃料電池1に流れる電流の電流密度(mA/cm2)との関係(過電圧−電流特性)を示す。図5(a)および図5(b)においては、横軸が電流密度(mA/cm2)を示しており、縦軸が燃料極4における過電圧(V)を示している。 5 (a) and 5 (b), respectively, the overvoltage (V) at the anode 4 of the solid oxide fuel cell 1 of Example 1 produced as described above, and the solid oxide form of Example 1 are shown. The relationship (overvoltage-current characteristic) with the current density (mA / cm < 2 >) of the electric current which flows into the fuel cell 1 is shown. 5A and 5B, the horizontal axis indicates the current density (mA / cm 2 ), and the vertical axis indicates the overvoltage (V) at the fuel electrode 4.
図5(a)および図5(b)に示すように、実施例1の固体酸化物形燃料電池1の過電圧−電流特性は、700℃、800℃および900℃のいずれの雰囲気においても、燃料極4に水素ガスを供給したときと、アンモニアガスを供給したときとで、ほとんど変わらずに過電圧の上昇が抑えられており優れていた。したがって、実施例1の固体酸化物形燃料電池1は、燃料極4にアンモニアガスを供給したときでも、水素ガスを供給したときと同等程度の優れた過電圧−電流特性を有することが確認された。 As shown in FIGS. 5 (a) and 5 (b), the overvoltage-current characteristic of the solid oxide fuel cell 1 of Example 1 is the fuel in any atmosphere of 700 ° C., 800 ° C., and 900 ° C. When the hydrogen gas was supplied to the electrode 4 and when the ammonia gas was supplied, the increase in overvoltage was suppressed almost unchanged, which was excellent. Therefore, it was confirmed that the solid oxide fuel cell 1 of Example 1 has excellent overvoltage-current characteristics equivalent to those when hydrogen gas is supplied even when ammonia gas is supplied to the fuel electrode 4. .
図6に、実施例1の固体酸化物形燃料電池1の燃料極4の過電圧が0.1Vであるときの固体酸化物形燃料電池1に流れる電流の電流密度(mA/cm2)と、実施例1の固体酸化物形燃料電池1が設置された雰囲気の温度(℃)との関係を示す。図6は、図5(a)および図5(b)に示す実験結果から作成されたものである。図6においては、横軸が雰囲気の温度(℃)を示しており、縦軸が電流密度(mA/cm2)を示している。 FIG. 6 shows the current density (mA / cm 2 ) of the current flowing through the solid oxide fuel cell 1 when the overvoltage of the fuel electrode 4 of the solid oxide fuel cell 1 of Example 1 is 0.1V. The relationship with the temperature (degreeC) of the atmosphere in which the solid oxide fuel cell 1 of Example 1 was installed is shown. FIG. 6 is created from the experimental results shown in FIGS. 5 (a) and 5 (b). In FIG. 6, the horizontal axis indicates the ambient temperature (° C.), and the vertical axis indicates the current density (mA / cm 2 ).
図6に示すように、雰囲気の温度の低下とともに、固体酸化物形燃料電池1に流れる電流の電流密度も低下する傾向が見られたが、700℃、800℃および900℃のいずれの雰囲気の温度においても、固体酸化物形燃料電池1の燃料極4にアンモニアガスを供給したときの電流密度は、水素ガスを供給したときと同等程度の大きな値を示している。 As shown in FIG. 6, as the temperature of the atmosphere decreased, the current density of the current flowing through the solid oxide fuel cell 1 tended to decrease, but in any atmosphere of 700 ° C., 800 ° C., and 900 ° C. Also in temperature, the current density when ammonia gas is supplied to the fuel electrode 4 of the solid oxide fuel cell 1 shows a large value equivalent to that when hydrogen gas is supplied.
図7に、実施例1の固体酸化物形燃料電池1の作動時の雰囲気の温度が700℃、800℃および900℃のそれぞれの場合における、燃料極4における過電圧(V)と、燃料極4に水素ガスを供給したときの電流密度とアンモニアガスを供給したときの電流密度との電流密度の比率((アンモニアガスを供給したときの電流密度)/(水素ガスを供給したときの電流密度))との関係を示す。図7は、図5(a)および図5(b)に示す実験結果から作成されたものである。図7においては、横軸が過電圧(V)を示しており、縦軸が上記の比率を示している。 FIG. 7 shows the overvoltage (V) at the fuel electrode 4 and the fuel electrode 4 when the temperature of the atmosphere during operation of the solid oxide fuel cell 1 of Example 1 is 700 ° C., 800 ° C., and 900 ° C., respectively. Ratio of current density when hydrogen gas is supplied to the current density when ammonia gas is supplied ((current density when ammonia gas is supplied) / (current density when hydrogen gas is supplied)) ). FIG. 7 is created from the experimental results shown in FIGS. 5 (a) and 5 (b). In FIG. 7, the horizontal axis indicates the overvoltage (V), and the vertical axis indicates the ratio.
図7に示すように、雰囲気の温度の低下とともに、上記の比率も低下する傾向が見られたが、700℃、800℃および900℃のいずれの雰囲気の温度においても、上記の比率は相対的に大きな値を示している。 As shown in FIG. 7, the above ratio tended to decrease with a decrease in the temperature of the atmosphere, but the above ratio was relative at any temperature of 700 ° C., 800 ° C., and 900 ° C. Shows a large value.
<比較例1>
Fe2O3粉末の代わりに、NiO粉末を用いたこと以外は実施例1と同様にして、図2に示す構成の比較例1の固体酸化物形燃料電池1を作製した。
<Comparative Example 1>
A solid oxide fuel cell 1 of Comparative Example 1 having the configuration shown in FIG. 2 was produced in the same manner as in Example 1 except that NiO powder was used instead of Fe 2 O 3 powder.
図8(a)および図8(b)にそれぞれ、上記のように作製した比較例1の固体酸化物形燃料電池1の酸素極3と燃料極4との間の電圧(V)と、比較例1の固体酸化物形燃料電池1に流れる電流の電流密度(mA/cm2)との関係(電圧−電流特性)を示す。図8(a)および図8(b)においては、横軸が電流密度(mA/cm2)を示しており、縦軸が電圧(V)を示している。
FIG. 8A and FIG. 8B respectively compare the voltage (V) between the
また、図8(a)は、比較例1の固体酸化物形燃料電池1を700℃、800℃および900℃のそれぞれの雰囲気中に設置し、酸素極3に空気を供給し、燃料極4に水素ガスを供給したときの電圧−電流特性である。また、図8(b)は、比較例1の固体酸化物形燃料電池1を700℃、800℃および900℃のそれぞれの雰囲気中に設置し、酸素極3に空気を供給し、燃料極4にアンモニアガスを供給したときの電圧−電流特性である。
8A shows that the solid oxide fuel cell 1 of Comparative Example 1 is installed in each atmosphere at 700 ° C., 800 ° C., and 900 ° C., air is supplied to the
図8(a)および図8(b)に示すように、比較例1の固体酸化物形燃料電池1の電圧−電流特性は、700℃、800℃および900℃のいずれの雰囲気においても、燃料極4に水素ガスを供給したときと比較して、アンモニアガスを供給したときの電流密度方向への曲線の広がりが大きく狭まっていた。したがって、比較例1の固体酸化物形燃料電池1の燃料極4にアンモニアガスを供給したときの電圧−電流特性は、実施例1の固体酸化物形燃料電池と比べて、大きく悪化することが確認された。このことは、図4(a)〜(b)と、図8(a)〜(b)とを対比すれば明らかである。 As shown in FIGS. 8 (a) and 8 (b), the voltage-current characteristics of the solid oxide fuel cell 1 of Comparative Example 1 are the same in any atmosphere at 700 ° C., 800 ° C., and 900 ° C. Compared to when hydrogen gas was supplied to the pole 4, the spread of the curve in the direction of current density when ammonia gas was supplied was greatly narrowed. Therefore, the voltage-current characteristics when ammonia gas is supplied to the fuel electrode 4 of the solid oxide fuel cell 1 of Comparative Example 1 can be greatly deteriorated as compared with the solid oxide fuel cell of Example 1. confirmed. This is clear when FIGS. 4A to 4B are compared with FIGS. 8A to 8B.
図9(a)および図9(b)にそれぞれ、上記のように作製した比較例1の固体酸化物形燃料電池1の燃料極4における過電圧(V)と、比較例1の固体酸化物形燃料電池1に流れる電流の電流密度(mA/cm2)との関係(過電圧−電流特性)を示す。図9(a)および図9(b)においては、横軸が電流密度(mA/cm2)を示しており、縦軸が燃料極4における過電圧(V)を示している。 9 (a) and 9 (b), the overvoltage (V) at the anode 4 of the solid oxide fuel cell 1 of Comparative Example 1 manufactured as described above, and the solid oxide form of Comparative Example 1, respectively. The relationship (overvoltage-current characteristic) with the current density (mA / cm < 2 >) of the electric current which flows into the fuel cell 1 is shown. 9A and 9B, the horizontal axis indicates the current density (mA / cm 2 ), and the vertical axis indicates the overvoltage (V) at the fuel electrode 4.
図9(a)および図9(b)に示すように、比較例1の固体酸化物形燃料電池1の過電圧−電流特性は、700℃、800℃および900℃のそれぞれの雰囲気において、燃料極4に水素ガスを供給したとき、アンモニアガスを供給したときのいずれのときにも過電圧が大きく上昇していた。したがって、比較例1の固体酸化物形燃料電池1は、燃料極4に水素ガスを供給した場合およびアンモニアガスを供給した場合のいずれの場合においても、実施例1の固体酸化物形燃料電池と比べて、過電圧−電流特性が良好ではなかった。このことは、図5(a)〜(b)と、図9(a)〜(b)とを対比すれば明らかである。 As shown in FIGS. 9 (a) and 9 (b), the overvoltage-current characteristics of the solid oxide fuel cell 1 of Comparative Example 1 are the fuel electrode in each atmosphere at 700 ° C., 800 ° C., and 900 ° C. When hydrogen gas was supplied to No. 4, the overvoltage was greatly increased at any time when ammonia gas was supplied. Therefore, the solid oxide fuel cell 1 of Comparative Example 1 is the same as the solid oxide fuel cell of Example 1 in both cases of supplying hydrogen gas to the fuel electrode 4 and supplying ammonia gas. In comparison, the overvoltage-current characteristics were not good. This is clear when FIGS. 5 (a) to 5 (b) are compared with FIGS. 9 (a) to 9 (b).
図10に、比較例1の固体酸化物形燃料電池1の燃料極4の過電圧が0.1Vであるときの固体酸化物形燃料電池1に流れる電流の電流密度(mA/cm2)と、比較例1の固体酸化物形燃料電池1が設置された雰囲気の温度(℃)との関係を示す。図10は、図9(a)および図9(b)に示す実験結果から作成されたものである。図10においては、横軸が雰囲気の温度(℃)を示しており、縦軸が電流密度(mA/cm2)を示している。 FIG. 10 shows the current density (mA / cm 2 ) of the current flowing through the solid oxide fuel cell 1 when the overvoltage of the fuel electrode 4 of the solid oxide fuel cell 1 of Comparative Example 1 is 0.1V. The relationship with the temperature (degreeC) of the atmosphere in which the solid oxide fuel cell 1 of the comparative example 1 was installed is shown. FIG. 10 is created from the experimental results shown in FIGS. 9 (a) and 9 (b). In FIG. 10, the horizontal axis indicates the ambient temperature (° C.), and the vertical axis indicates the current density (mA / cm 2 ).
図10に示すように、比較例1の固体酸化物形燃料電池1は、雰囲気の温度の低下とともに、固体酸化物形燃料電池1に流れる電流の電流密度も低下する傾向が見られ、700℃、800℃および900℃のそれぞれの雰囲気において、燃料極4に水素ガスを供給したとき、アンモニアガスを供給したときのいずれときにも実施例1の固体酸化物形燃料電池と比べて、電流密度が大きくなかった。このことは、図6と図10とを対比すれば明らかである。 As shown in FIG. 10, the solid oxide fuel cell 1 of Comparative Example 1 has a tendency that the current density of the current flowing through the solid oxide fuel cell 1 decreases as the temperature of the atmosphere decreases, and is 700 ° C. In each atmosphere of 800 ° C. and 900 ° C., when hydrogen gas is supplied to the fuel electrode 4 and when ammonia gas is supplied, the current density is higher than that of the solid oxide fuel cell of Example 1. Was not big. This is clear when FIG. 6 and FIG. 10 are compared.
図11に、比較例1の固体酸化物形燃料電池1の作動時の雰囲気の温度が700℃、800℃および900℃のそれぞれの場合における、燃料極4における過電圧(V)と、燃料極4に水素ガスを供給したときの電流密度とアンモニアガスを供給したときの電流密度との電流密度の比率((アンモニアガスを供給したときの電流密度)/(水素ガスを供給したときの電流密度))との関係を示す。図11は、図9(a)および図9(b)に示す実験結果から作成されたものである。図11においては、横軸が過電圧(V)を示しており、縦軸が上記の比率を示している。 FIG. 11 shows the overvoltage (V) at the fuel electrode 4 and the fuel electrode 4 when the ambient temperature during operation of the solid oxide fuel cell 1 of Comparative Example 1 is 700 ° C., 800 ° C., and 900 ° C. Ratio of current density when hydrogen gas is supplied to the current density when ammonia gas is supplied ((current density when ammonia gas is supplied) / (current density when hydrogen gas is supplied)) ). FIG. 11 is created from the experimental results shown in FIGS. 9 (a) and 9 (b). In FIG. 11, the horizontal axis represents the overvoltage (V), and the vertical axis represents the above ratio.
図11に示すように、雰囲気の温度の低下とともに、上記の比率が増加する傾向が見られ、700℃、800℃および900℃のいずれの雰囲気の温度においても、上記の比率は、実施例1の固体酸化物形燃料電池と比べて、小さい値を示していた。このことは、図7と図11とを対比すれば明らかである。 As shown in FIG. 11, as the temperature of the atmosphere decreases, the above ratio tends to increase. At any temperature of 700 ° C., 800 ° C., and 900 ° C., the above ratio is the same as in Example 1. Compared to the solid oxide fuel cell, the value was small. This is clear when FIG. 7 and FIG. 11 are compared.
<比較例2>
Fe2O3粉末の代わりに、Co2O3粉末を用いたこと以外は実施例1と同様にして、図2に示す構成の比較例2の固体酸化物形燃料電池1を作製した。
<Comparative Example 2>
A solid oxide fuel cell 1 of Comparative Example 2 having the configuration shown in FIG. 2 was produced in the same manner as in Example 1 except that Co 2 O 3 powder was used instead of Fe 2 O 3 powder.
図12(a)および図12(b)にそれぞれ、上記のように作製した比較例2の固体酸化物形燃料電池1の酸素極3と燃料極4との間の電圧(V)と、比較例2の固体酸化物形燃料電池1に流れる電流の電流密度(mA/cm2)との関係(電圧−電流特性)を示す。図12(a)および図12(b)においては、横軸が電流密度(mA/cm2)を示しており、縦軸が電圧(V)を示している。
FIGS. 12 (a) and 12 (b) respectively compare the voltage (V) between the
また、図12(a)は、比較例2の固体酸化物形燃料電池1を700℃、800℃および900℃のそれぞれの雰囲気中に設置し、酸素極3に空気を供給し、燃料極4に水素ガスを供給したときの電圧−電流特性である。また、図12(b)は、比較例2の固体酸化物形燃料電池1を700℃、800℃および900℃のそれぞれの雰囲気中に設置し、酸素極3に空気を供給し、燃料極4にアンモニアガスを供給したときの電圧−電流特性である。
12A shows that the solid oxide fuel cell 1 of Comparative Example 2 is installed in each atmosphere at 700 ° C., 800 ° C., and 900 ° C., air is supplied to the
図12(a)および図12(b)に示すように、比較例2の固体酸化物形燃料電池1の電圧−電流特性は、700℃、800℃および900℃のそれぞれの雰囲気において、燃料極4に水素ガスを供給したときと比較して、アンモニアガスを供給したときの電流密度方向への曲線の広がりが大きく狭まっている。したがって、比較例2の固体酸化物形燃料電池1においては、燃料極4にアンモニアガスを供給したときの電圧−電流特性は、実施例1の固体酸化物形燃料電池と比べて、大きく悪化することが確認された。このことは、図4(a)〜(b)と、図12(a)〜(b)とを対比すれば明らかである。 As shown in FIGS. 12 (a) and 12 (b), the voltage-current characteristics of the solid oxide fuel cell 1 of Comparative Example 2 are as follows: the fuel electrode in each atmosphere at 700 ° C., 800 ° C., and 900 ° C. Compared to when hydrogen gas is supplied to 4, the spread of the curve in the current density direction when ammonia gas is supplied is greatly narrowed. Therefore, in the solid oxide fuel cell 1 of Comparative Example 2, the voltage-current characteristics when ammonia gas is supplied to the fuel electrode 4 are greatly deteriorated as compared with the solid oxide fuel cell of Example 1. It was confirmed. This is clear when FIGS. 4A to 4B are compared with FIGS. 12A to 12B.
図13(a)および図13(b)にそれぞれ、上記のように作製した比較例2の固体酸化物形燃料電池1の燃料極4における過電圧(V)と、比較例2の固体酸化物形燃料電池1に流れる電流の電流密度(mA/cm2)との関係(過電圧−電流特性)を示す。図13(a)および図13(b)においては、横軸が電流密度(mA/cm2)を示しており、縦軸が燃料極4における過電圧(V)を示している。 13 (a) and 13 (b), the overvoltage (V) at the anode 4 of the solid oxide fuel cell 1 of Comparative Example 2 produced as described above and the solid oxide form of Comparative Example 2, respectively. The relationship (overvoltage-current characteristic) with the current density (mA / cm < 2 >) of the electric current which flows into the fuel cell 1 is shown. 13A and 13B, the horizontal axis indicates the current density (mA / cm 2 ), and the vertical axis indicates the overvoltage (V) at the fuel electrode 4.
図13(a)および図13(b)に示すように、比較例2の固体酸化物形燃料電池1の過電圧−電流特性は、700℃、800℃および900℃のそれぞれの雰囲気において、燃料極4に水素ガスを供給したとき、アンモニアガスを供給したときのいずれのときにも過電圧が大きく上昇していた。したがって、比較例2の固体酸化物形燃料電池1は、燃料極4に水素ガスを供給した場合およびアンモニアガスを供給した場合のいずれの場合においても、実施例1の固体酸化物形燃料電池と比べて、過電圧−電流特性が良好ではなかった。このことは、図5(a)〜(b)と、図13(a)〜(b)とを対比すれば明らかである。 As shown in FIGS. 13 (a) and 13 (b), the overvoltage-current characteristics of the solid oxide fuel cell 1 of Comparative Example 2 are the fuel electrode in the respective atmospheres of 700 ° C., 800 ° C., and 900 ° C. When hydrogen gas was supplied to No. 4 and when ammonia gas was supplied, the overvoltage was greatly increased. Therefore, the solid oxide fuel cell 1 of Comparative Example 2 is the same as the solid oxide fuel cell of Example 1 in both cases where hydrogen gas is supplied to the fuel electrode 4 and when ammonia gas is supplied. In comparison, the overvoltage-current characteristics were not good. This is clear when FIGS. 5 (a) to 5 (b) are compared with FIGS. 13 (a) to 13 (b).
図14に、比較例2の固体酸化物形燃料電池1の燃料極4の過電圧が0.1Vであるときの固体酸化物形燃料電池1に流れる電流の電流密度(mA/cm2)と、比較例2の固体酸化物形燃料電池1が設置された雰囲気の温度(℃)との関係を示す。図14は、図13(a)および図13(b)に示す実験結果から作成されたものである。図14においては、横軸が雰囲気の温度(℃)を示しており、縦軸が電流密度(mA/cm2)を示している。 FIG. 14 shows the current density (mA / cm 2 ) of the current flowing through the solid oxide fuel cell 1 when the overvoltage of the fuel electrode 4 of the solid oxide fuel cell 1 of Comparative Example 2 is 0.1V. The relationship with the temperature (degreeC) of the atmosphere in which the solid oxide fuel cell 1 of the comparative example 2 was installed is shown. FIG. 14 is created from the experimental results shown in FIGS. 13 (a) and 13 (b). In FIG. 14, the horizontal axis indicates the ambient temperature (° C.), and the vertical axis indicates the current density (mA / cm 2 ).
図14に示すように、雰囲気の温度の低下とともに、固体酸化物形燃料電池1に流れる電流の電流密度も低下する傾向が見られ、700℃、800℃および900℃のそれぞれの雰囲気の温度において、比較例2の固体酸化物形燃料電池1は、燃料極4に水素ガスを供給した場合およびアンモニアガスを供給した場合のいずれの場合においても、実施例1の固体酸化物形燃料電池と比べて、電流密度が大きくなかった。このことは、図6と図14とを対比すれば明らかである。 As shown in FIG. 14, as the temperature of the atmosphere decreases, the current density of the current flowing through the solid oxide fuel cell 1 also tends to decrease. At each ambient temperature of 700 ° C., 800 ° C., and 900 ° C. The solid oxide fuel cell 1 of Comparative Example 2 is compared with the solid oxide fuel cell of Example 1 in both cases of supplying hydrogen gas to the fuel electrode 4 and supplying ammonia gas. The current density was not large. This is clear when FIG. 6 and FIG. 14 are compared.
図15に、比較例2の固体酸化物形燃料電池1の作動時の雰囲気の温度が700℃、800℃および900℃のそれぞれの場合における、燃料極4における過電圧(V)と、燃料極4に水素ガスを供給したときの電流密度とアンモニアガスを供給したときの電流密度との電流密度の比率((アンモニアガスを供給したときの電流密度)/(水素ガスを供給したときの電流密度))との関係を示す。図15は、図13(a)および図13(b)に示す実験結果から作成されたものである。図15においては、横軸が過電圧(V)を示しており、縦軸が上記の比率を示している。 FIG. 15 shows the overvoltage (V) at the fuel electrode 4 and the fuel electrode 4 when the temperature of the atmosphere during operation of the solid oxide fuel cell 1 of Comparative Example 2 is 700 ° C., 800 ° C., and 900 ° C. Ratio of current density when hydrogen gas is supplied to the current density when ammonia gas is supplied ((current density when ammonia gas is supplied) / (current density when hydrogen gas is supplied)) ). FIG. 15 is created from the experimental results shown in FIGS. 13 (a) and 13 (b). In FIG. 15, the horizontal axis indicates the overvoltage (V), and the vertical axis indicates the ratio.
図15に示すように、雰囲気の温度の低下とともに、上記の比率が増加する傾向が見られ、700℃、800℃および900℃のそれぞれの雰囲気の温度においても、上記の比率は、実施例1の固体酸化物形燃料電池と比べて、小さい値を示していた。このことは、図7と図15とを対比すれば明らかである。 As shown in FIG. 15, the above ratio tends to increase as the temperature of the atmosphere decreases, and the above ratio is the same as that of Example 1 even at temperatures of 700 ° C., 800 ° C., and 900 ° C. Compared to the solid oxide fuel cell, the value was small. This is clear when FIG. 7 and FIG. 15 are compared.
<評価>
以上の実験結果から、FeとSDC20との混合物からなる燃料極4を備えた実施例1の固体酸化物形燃料電池1は、燃料極4に水素ガスおよびアンモニアガスのいずれを供給した場合でも、700℃〜900℃の温度の雰囲気で作動させたときに、比較例1〜2の固体酸化物形燃料電池1と比較して優れた性能を有することが確認された。
<Evaluation>
From the above experimental results, the solid oxide fuel cell 1 of Example 1 provided with the fuel electrode 4 made of a mixture of Fe and
特に、実施例1の固体酸化物形燃料電池1は、燃料極4にアンモニアガスを供給して、700℃〜900℃の温度の雰囲気で作動させたときの性能が、比較例1〜2の固体酸化物形燃料電池1と比較して優れていた。 In particular, the solid oxide fuel cell 1 of Example 1 supplied ammonia gas to the fuel electrode 4, and the performance when operated in an atmosphere at a temperature of 700 ° C. to 900 ° C. was that of Comparative Examples 1-2. It was superior to the solid oxide fuel cell 1.
<実施例2>
Fe2O3粉末の代わりに、Fe2O3粉末とNiO粉末との配合比率をそれぞれ変更して作製した混合粉末を用いたこと以外は実施例1と同様にして、図2に示す構成の実施例2の固体酸化物形燃料電池1を作製した。
<Example 2>
Instead of Fe 2 O 3 powder, except for using a mixed powder prepared by changing the mixing ratio of the Fe 2 O 3 powder, NiO powder, respectively in the same manner as in Example 1, the configuration shown in FIG. 2 A solid oxide fuel cell 1 of Example 2 was produced.
ここで、Fe2O3粉末とNiO粉末との混合粉末としては、実施例2の固体酸化物形燃料電池1の燃料極4におけるFe(鉄)とNi(ニッケル)の総原子数に対するFe(鉄)の原子数の比(%)がそれぞれ、0、10、20、30、40、50、60、70、80、90および100(%)となるようにFe2O3粉末とNiO粉末とを配合した混合粉末を用いた。 Here, as the mixed powder of Fe 2 O 3 powder and NiO powder, Fe (iron) with respect to the total number of atoms of Fe (iron) and Ni (nickel) in the fuel electrode 4 of the solid oxide fuel cell 1 of Example 2 is used. Fe 2 O 3 powder and NiO powder so that the ratio (%) of the number of atoms of iron is 0, 10, 20, 30, 40, 50, 60, 70, 80, 90 and 100 (%), respectively. Was used.
図18(a)および図18(b)にそれぞれ、上記のように作製した実施例2の固体酸化物形燃料電池1の燃料極4における過電圧(V)が0.15Vのときに実施例2の固体酸化物形燃料電池1に流れる電流の電流密度(mA/cm2)と、実施例2の固体酸化物形燃料電池1の燃料極4における鉄およびニッケルのそれぞれの含有量(原子%)との関係を示す。 FIG. 18A and FIG. 18B show Example 2 when the overvoltage (V) at the fuel electrode 4 of the solid oxide fuel cell 1 of Example 2 manufactured as described above is 0.15 V, respectively. Current density (mA / cm 2 ) of the current flowing through the solid oxide fuel cell 1 and the contents (atomic%) of iron and nickel in the fuel electrode 4 of the solid oxide fuel cell 1 of Example 2. Shows the relationship.
なお、図18(a)の電流密度(mA/cm2)は、実施例2の固体酸化物形燃料電池1を700℃、800℃および900℃のそれぞれの雰囲気中に設置し、酸素極3に空気を供給し、燃料極4に水素ガスを供給したときの電流密度(mA/cm2)である。また、図18(b)の電流密度(mA/cm2)は、実施例2の固体酸化物形燃料電池1を700℃、800℃および900℃のそれぞれの雰囲気中に設置し、酸素極3に空気を供給し、燃料極4にアンモニアガスを供給したときの電流密度(mA/cm2)である。 The current density (mA / cm 2 ) in FIG. 18 (a) is obtained by installing the solid oxide fuel cell 1 of Example 2 in each atmosphere at 700 ° C., 800 ° C., and 900 ° C. Current density (mA / cm 2 ) when air is supplied to the fuel electrode 4 and hydrogen gas is supplied to the fuel electrode 4. Further, the current density (mA / cm 2 ) in FIG. 18B is obtained by installing the solid oxide fuel cell 1 of Example 2 in each atmosphere at 700 ° C., 800 ° C., and 900 ° C. Is the current density (mA / cm 2 ) when air is supplied to the fuel electrode 4 and ammonia gas is supplied to the fuel electrode 4.
図18(a)および図18(b)に示すように、700℃、800℃および900℃のいずれの雰囲気中においても、鉄の含有量が30(原子%)以上のとき(すなわち、鉄とニッケルの総原子数に対する鉄の原子数の割合(100×(鉄の原子数)/{(鉄の原子数)+(ニッケルの原子数)})(%)が30%以上のとき)に、実施例2の固体酸化物形燃料電池1の電流密度(mA/cm2)が高くなって性能が優れる傾向にあることが確認された。 As shown in FIG. 18 (a) and FIG. 18 (b), in any atmosphere of 700 ° C., 800 ° C., and 900 ° C., when the iron content is 30 (atomic%) or more (that is, with iron The ratio of the number of iron atoms to the total number of nickel atoms (100 × (number of iron atoms) / {(number of iron atoms) + (number of nickel atoms)}) (%) is 30% or more) It was confirmed that the current density (mA / cm 2 ) of the solid oxide fuel cell 1 of Example 2 increased and the performance tends to be excellent.
なかでも、図18(a)および図18(b)に示すように、700℃および800℃の低温の雰囲気中において鉄の含有量が30(原子%)以上のときに実施例2の固体酸化物形燃料電池1の電流密度(mA/cm2)が特に高くなり、特に性能が優れる傾向にあることが確認された。 In particular, as shown in FIGS. 18 (a) and 18 (b), the solid oxidation of Example 2 was performed when the iron content was 30 (atomic%) or more in a low-temperature atmosphere at 700 ° C. and 800 ° C. It has been confirmed that the current density (mA / cm 2 ) of the physical fuel cell 1 is particularly high and the performance tends to be particularly excellent.
なお、実施例2の固体酸化物形燃料電池1の酸素極3に空気を供給し、燃料極4にアンモニアガスを供給したときに実施例2の固体酸化物形燃料電池1が優れた性能を有する理由としては、アンモニアガスの合成触媒としては一般に鉄を含む合金が用いられており、このような鉄を含む合金はアンモニアガスの解離触媒としても優れていることから、実施例2の固体酸化物形燃料電池1の燃料極4に鉄を含む合金(鉄−ニッケル合金)を用いた場合に優れた性能を有するものと考えられる。
The solid oxide fuel cell 1 of Example 2 has excellent performance when air is supplied to the
今回開示された実施の形態および実施例はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。 It should be understood that the embodiments and examples disclosed herein are illustrative and non-restrictive in every respect. The scope of the present invention is defined by the terms of the claims, rather than the description above, and is intended to include any modifications within the scope and meaning equivalent to the terms of the claims.
本発明は、固体酸化物形燃料電池用燃料極、固体酸化物形燃料電池および固体酸化物形燃料電池の作動方法に好適に利用することができる。 The present invention can be suitably used in a fuel electrode for a solid oxide fuel cell, a solid oxide fuel cell, and a method for operating a solid oxide fuel cell.
1 固体酸化物形燃料電池、2 電解質、3 酸素極、4 燃料極、5 参照電極。 1 Solid oxide fuel cell, 2 electrolyte, 3 oxygen electrode, 4 fuel electrode, 5 reference electrode.
Claims (7)
鉄と、金属酸化物と、を含み、
前記金属酸化物は、下記の組成式(I)で表わされる金属酸化物であって、
RExCe1-xO2-(x/2) …(I)
前記組成式(I)において、REは、Sm、Gd、Y、LaおよびNdからなる群から選択された少なくとも1種の金属であり、xは0≦x<0.5を満たす実数を示す、固体酸化物形燃料電池用燃料極。 A solid oxide fuel cell fuel electrode for operating a solid oxide fuel cell in an atmosphere of 900 ° C or lower,
Including iron and metal oxides,
The metal oxide is a metal oxide represented by the following composition formula (I):
RE x Ce 1-x O 2- (x / 2) (I)
In the composition formula (I), RE is at least one metal selected from the group consisting of Sm, Gd, Y, La and Nd, and x represents a real number satisfying 0 ≦ x <0.5. Fuel electrode for solid oxide fuel cells.
鉄と、金属酸化物と、を含む、固体酸化物形燃料電池用燃料極。 A fuel electrode for a solid oxide fuel cell for supplying a fuel containing a compound gas of nitrogen and hydrogen to operate the solid oxide fuel cell,
A fuel electrode for a solid oxide fuel cell, comprising iron and a metal oxide.
前記固体酸化物形燃料電池用燃料極中における前記鉄と前記ニッケルの総原子数に対する前記鉄の原子数の割合が30%以上であることを特徴とする、請求項1から3のいずれかに記載の固体酸化物形燃料電池用燃料極。 Further comprising nickel,
The ratio of the number of atoms of the iron to the total number of atoms of the iron and the nickel in the solid oxide fuel cell anode is 30% or more. A fuel electrode for a solid oxide fuel cell as described.
La1-sSrsGa1-(u+v)CouMgvOw …(II)
前記組成式(II)において、sは0≦s≦0.25を満たす実数を示し、uは0≦u≦0.1を満たす実数を示し、vは0.05≦v≦0.25を満たす実数を示し、wは2.7≦w≦3.025を満たす実数を示すことを特徴とする、請求項5に記載の固体酸化物形燃料電池。 The electrolyte is represented by the following composition formula (II):
La 1-s Sr s Ga 1- (u + v) Co u Mg v O w ... (II)
In the composition formula (II), s represents a real number satisfying 0 ≦ s ≦ 0.25, u represents a real number satisfying 0 ≦ u ≦ 0.1, and v represents 0.05 ≦ v ≦ 0.25. 6. The solid oxide fuel cell according to claim 5, wherein a real number satisfying the condition is shown, and w is a real number satisfying 2.7 ≦ w ≦ 3.025.
前記固体酸化物形燃料電池を900℃以下の雰囲気中に設置する工程と、
前記固体酸化物形燃料電池の前記固体酸化物形燃料電池用燃料極に窒素と水素との化合物のガスを含む燃料を供給する工程と、を含む、固体酸化物形燃料電池の作動方法。 A method of operating a solid oxide fuel cell according to claim 5, comprising:
Installing the solid oxide fuel cell in an atmosphere of 900 ° C. or lower;
Supplying a fuel containing a compound gas of nitrogen and hydrogen to the fuel electrode for the solid oxide fuel cell of the solid oxide fuel cell, and a method for operating the solid oxide fuel cell.
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