JP2019021578A - Fuel cell system - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、プロトン伝導型の固体酸化物を用いた燃料電池システムに関する。 The present invention relates to a fuel cell system using a proton conductive solid oxide.
従来、酸素イオン(O2−)を伝導イオンとした固体酸化物形燃料電池(SOFC:Solid Oxide Fuel Cell)が広く利用されている。しかし、従来のSOFCは、燃料極(アノード)側で水が生成されるため、燃料の濃度が低下してしまうという問題がある。 Conventionally, a solid oxide fuel cell (SOFC) using oxygen ions (O 2− ) as conductive ions has been widely used. However, the conventional SOFC has a problem that the concentration of fuel decreases because water is generated on the fuel electrode (anode) side.
そこで、プロトン(H+)を伝導イオンとしたプロトン伝導型の固体酸化物を固体電解質として採用したプロトン伝導型燃料電池(PCFC:Proton-conducting Ceramic-electrolyte Fuel Cell)が、次世代の燃料電池として注目されている(例えば、特許文献1)。 Proton-conducting ceramic-electrolyte fuel cells (PCFCs) that use proton-conducting solid oxides with protons (H + ) as conductive ions as solid electrolytes are the next-generation fuel cells. It is attracting attention (for example, Patent Document 1).
しかし、PCFCの効率的な運転条件が解明されていない。 However, the efficient operating conditions of the PCFC have not been elucidated.
本発明は、このような課題に鑑み、プロトン伝導型の固体酸化物を用いた燃料電池を効率よく運転することが可能な燃料電池システムを提供することを目的としている。 In view of such problems, an object of the present invention is to provide a fuel cell system capable of efficiently operating a fuel cell using a proton conductive solid oxide.
上記課題を解決するために、本発明に係る燃料電池システムは、BaZrCeYXO3−δ(ただし、X=Sc、Ga、In、Gd、および、Ybのうちいずれか1または複数)で示される固体酸化物を含む固体電解質を有する燃料電池本体と、前記燃料電池本体を400℃以上700℃未満とする温度調整部と、前記固体電解質の厚みと、前記燃料電池本体の電流密度との乗算値を12.5μm・A/cm2以上に維持する制御部と、を備える。 In order to solve the above problems, a fuel cell system according to the present invention is a solid oxide represented by BaZrCeYXO 3-δ (where X = Sc, Ga, In, Gd, and Yb, any one or more). A fuel cell main body having a solid electrolyte containing an object, a temperature adjusting unit for setting the fuel cell main body to 400 ° C. or higher and lower than 700 ° C., a thickness of the solid electrolyte, and a current density of the fuel cell main body multiplied by 12 And a control unit for maintaining the thickness at 5 μm · A / cm 2 or more.
また、前記Xは、GdおよびYbのいずれか一方または両方であってもよい。 X may be either one or both of Gd and Yb.
また、炭化水素およびアルコールのいずれか一方または両方を水素に改質する改質器をさらに備え、前記改質器は、前記燃料電池本体によって加熱され、前記温度調整部は、前記燃料電池本体を500℃以上700℃未満としてもよい。 The apparatus further includes a reformer that reforms either one or both of hydrocarbon and alcohol into hydrogen, the reformer is heated by the fuel cell body, and the temperature adjusting unit It is good also as 500 degreeC or more and less than 700 degreeC.
また、前記燃料電池本体は、燃料極と、空気極とを有し、前記制御部は、前記乗算値を12.5μm・A/cm2以上に維持するように、前記燃料極に供給する水素の量、および、前記温度調整部のいずれか一方または両方を制御してもよい。 The fuel cell body includes a fuel electrode and an air electrode, and the control unit supplies hydrogen to the fuel electrode so as to maintain the multiplication value at 12.5 μm · A / cm 2 or more. And either one or both of the temperature adjusting units may be controlled.
本発明によれば、プロトン伝導型の固体酸化物を用いた燃料電池を効率よく運転することが可能となる。 According to the present invention, it is possible to efficiently operate a fuel cell using a proton conduction type solid oxide.
以下に添付図面を参照しながら、本発明の好適な実施形態について詳細に説明する。かかる実施形態に示す寸法、材料、その他具体的な数値等は、発明の理解を容易とするための例示にすぎず、特に断る場合を除き、本発明を限定するものではない。なお、本明細書および図面において、実質的に同一の機能、構成を有する要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略し、また本発明に直接関係のない要素は図示を省略する。 Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. The dimensions, materials, and other specific numerical values shown in the embodiments are merely examples for facilitating the understanding of the invention, and do not limit the present invention unless otherwise specified. In the present specification and drawings, elements having substantially the same function and configuration are denoted by the same reference numerals, and redundant description is omitted, and elements not directly related to the present invention are not illustrated. To do.
(燃料電池システム100)
図1は、燃料電池システム100を説明する図である。なお、図1中、ガスの流れを実線の矢印で示し、制御信号の流れを破線の矢印で示す。
(Fuel cell system 100)
FIG. 1 is a diagram illustrating a
図1に示すように、燃料電池システム100は、燃料電池ユニット110と、制御部120とを含んで構成される。
As shown in FIG. 1, the
(燃料電池ユニット110)
燃料電池ユニット110は、燃料電池モジュール210と、ブロワ220と、温度調整部230とを含んで構成される。燃料電池モジュール210は、改質器212と、燃料電池本体214とを含む。
(Fuel cell unit 110)
The
改質器212には、炭化水素の水蒸気改質反応を促進する触媒が収容されている。改質器212は、後述する燃料電池本体214によって所定温度に加熱される。改質器212は、燃料供給管212aが接続され、燃料供給管212aを通じて、炭化水素(CnHm、例えば、都市ガス)および水蒸気が供給される。燃料供給管212aには、流量調整弁212bが設けられる。
The
改質器212に炭化水素および水蒸気が供給されると、下記反応式(1)および反応式(2)に示す水蒸気改質反応が進行し、炭化水素が水素(H2)や一酸化炭素(CO)に改質される。
CnHm + nH2O → nCO + (m/2+n)H2 …反応式(1)
CO + H2O → CO2 + H2 …反応式(2)
When hydrocarbon and steam are supplied to the
C n H m + nH 2 O → nCO + (m / 2 + n) H 2 ... Reaction Formula (1)
CO + H 2 O → CO 2 + H 2 ... Reaction formula (2)
このようにして、改質器212では、水素(以下、「燃料」と称する)が生成される。そして、改質器212で生成された燃料は、燃料電池本体214の燃料極214aに供給されることとなる。
In this way, the
ブロワ220は、燃料電池本体214の空気極214bに酸素含有ガス(例えば、空気)を供給する。
The
燃料電池本体214(セルスタック)は、プロトン伝導型燃料電池(PCFC)である。燃料電池本体214は、燃料極214aと、空気極214bと、固体電解質214cとを含んで構成される。
The fuel cell main body 214 (cell stack) is a proton conduction fuel cell (PCFC). The
燃料極214a(アノード)は、例えば、ニッケル(Ni)やジルコニア(Zr)を含んで構成される。空気極214b(カソード)は、例えば、ランタンマンガナイト(LSM)を含んで構成される。
The
固体電解質214cは、プロトン伝導型の固体酸化物を含んで構成される。プロトン伝導型の固体酸化物を含む固体電解質214cを有する燃料電池本体214は、イオンとして主にプロトン(H+)を伝導させる。したがって、燃料極214aに燃料が供給されることにより、下記反応式(3)に示す酸化反応が進行し、空気極214bに空気が供給されることにより、下記反応式(4)に示す還元反応が進行する。そして、プロトンが固体電解質214cを伝導(移動)することにより、燃料電池本体214が発電する。つまり、燃料電池本体214は、燃料と酸素によって発電することとなる。
H2 → 2H+ + 2e− …反応式(3)
1/2O2 + 2H+ + 2e− → H2O …反応式(4)
The
H 2 → 2H + + 2e − ... Reaction formula (3)
1 / 2O 2 + 2H + + 2e − → H 2 O (Scheme 4)
また、燃料電池本体214において、上記反応式(3)、反応式(4)に示す反応が進行し、発電が為されると、熱が発生する。
Further, in the fuel cell
本実施形態において、プロトン伝導型の固体酸化物は、BaZrCeYXO3−δ(ただし、X=Sc、Ga、In、Gd、および、Ybのうちいずれか1または複数)で示される酸化物であり、好ましくは、XがGdおよびYbのいずれか一方または両方である。なお、BaZrCeYXO3−δ(ただし、X=Sc、Ga、In、Gd、および、Ybのうちいずれか1または複数)における各元素(Ba、Zr、Ce、Y、Sc、Ga、In、Gd、Yb)の含有率に限定はない。 In the present embodiment, the proton-conducting solid oxide is an oxide represented by BaZrCeYXO 3-δ (where X = Sc, Ga, In, Gd, and Yb, any one or more), Preferably, X is one or both of Gd and Yb. In addition, each element (Ba, Zr, Ce, Y, Sc, Ga, In, Gd, in BaZrCeYXO 3-δ (where X = Sc, Ga, In, Gd, and Yb). There is no limitation on the content of Yb).
固体電解質214cが、BaZrCeYXO3−δ(ただし、X=Sc、Ga、In、Gd、および、Ybのうちいずれか1または複数)を含むことにより、酸化物イオン伝導型の固体酸化物(例えば、YSZ(イットリア安定化ジルコニア))を含む固体電解質を備えた従来の燃料電池本体(従来のSOFC)と比較して、燃料極214a中の燃料の濃度低下を防止することができ、発電効率を向上させることが可能となる。
When the
また、固体電解質214cが、BaZrCeYXO3−δ(ただし、X=Sc、Ga、In、Gd、および、Ybのうちいずれか1または複数)を含むことにより、従来のSOFCと比較して低温で発電させることが可能となる。
In addition, since the
さらに、プロトン伝導型の固体酸化物として、BaZrCeYXO3−δ(ただし、X=Sc、Ga、In、Gd、および、Ybのうちいずれか1または複数)を採用することにより、BaZrCeYO3−δと比較して、化学安定性を向上させることができる。 Furthermore, by adopting BaZrCeYXO 3-δ (where X = Sc, Ga, In, Gd, and Yb, any one or more) as a proton-conducting solid oxide, BaZrCeYO 3-δ and In comparison, chemical stability can be improved.
また、固体電解質214cが、BaZrCeYXO3−δ(ただし、X=Gd、および、Ybのうちいずれか一方または両方)を含むことにより、発電効率をさらに向上させることができる。
Further, when the
温度調整部230は、CPU(中央処理装置)を含む半導体集積回路で構成される。温度調整部230は、ROMからCPU自体を動作させるためのプログラムやパラメータ等を読み出す。温度調整部230は、ワークエリアとしてのRAMや他の電子回路と協働して、ブロワ220を制御する。本実施形態において、温度調整部230は、燃料電池本体214(燃料電池モジュール210)が400℃以上700℃未満、好ましくは500℃以上700℃未満となるように、ブロワ220によって供給される空気の量を調整する。
The
図2は、固体電解質214cを伝導するイオンを説明する図である。上記したように、プロトン伝導型の固体酸化物を含む固体電解質214cは、主にプロトン(H+)を伝導させる。また、図2に示すように、固体電解質214cは、プロトンに加えて、酸素イオン(O2−)、電子(e−)、ホール(h+)を伝導させる。ここで、ホール(正孔)の伝導は、固体電解質214c内においてリーク電流(漏れ電流)を生じさせるため、燃料電池本体214のエネルギー効率や出力を低下させる原因となる。
FIG. 2 is a diagram for explaining ions conducted through the
そこで、BaZrCeYXO3−δを含む固体電解質(以下、「BZCYX電解質」と称する)の温度および酸素分圧を変化させて、イオン輸率を導出した。具体的に説明すると、BZCYX電解質を電気炉に収容して所定の温度(550℃、600℃、700℃)に維持し、BZCYX電解質の導電率を測定しながら、電気炉に供給するガスの酸素分圧を変化させた。そして、測定した導電率からイオン輸率を導出した。 Therefore, the ion transport number was derived by changing the temperature and oxygen partial pressure of the solid electrolyte containing BaZrCeYXO 3-δ (hereinafter referred to as “BZCYX electrolyte”). Specifically, the BZCYX electrolyte is housed in an electric furnace and maintained at a predetermined temperature (550 ° C., 600 ° C., 700 ° C.), and the oxygen of the gas supplied to the electric furnace is measured while measuring the conductivity of the BZCYX electrolyte. The partial pressure was changed. The ion transport number was derived from the measured conductivity.
図3は、酸素分圧に対する、BZCYX電解質のイオン輸率の変化を説明する図である。図3(a)、図3(b)は、BZCYX電解質を550℃とした場合を示す。図3(c)、図3(d)は、BZCYX電解質を600℃とした場合を示す。図3(e)、図3(f)は、BZCYX電解質を700℃とした場合を示す。 FIG. 3 is a diagram for explaining a change in ion transport number of the BZCYX electrolyte with respect to the oxygen partial pressure. FIG. 3A and FIG. 3B show the case where the BZCYX electrolyte is 550 ° C. FIG. 3C and FIG. 3D show the case where the BZCYX electrolyte is 600 ° C. FIG. 3E and FIG. 3F show the case where the BZCYX electrolyte is set to 700 ° C.
なお、図3(a)、図3(c)、図3(e)中、X=Gaを黒丸で、X=Inを黒三角で、X=Ybを白三角で示す。図3(b)、図3(d)、図3(f)中、X=Scを白四角で、X=Gdを白丸で示す。また、図3(a)〜図3(f)中、縦軸をイオン輸率とし、横軸を酸素分圧(log(PO2[atm]))とする。つまり、横軸は、固体電解質214cの厚み方向に対応し、右側(酸素分圧が大きい側)に向かう方向が空気極214bに近づく方向であり、左側(酸素分圧が小さい側)に向かう方向が燃料極214aに近づく方向である。
In FIGS. 3A, 3C, and 3E, X = Ga is indicated by a black circle, X = In is indicated by a black triangle, and X = Yb is indicated by a white triangle. In FIG. 3B, FIG. 3D, and FIG. 3F, X = Sc is indicated by a white square and X = Gd is indicated by a white circle. In FIGS. 3A to 3F, the vertical axis represents ion transport number, and the horizontal axis represents oxygen partial pressure (log (PO 2 [atm])). That is, the horizontal axis corresponds to the thickness direction of the
図3(a)図3(b)に示すように、550℃において、BZCYX電解質におけるXがGa、Sc、Inの場合には、酸素分圧が増加してもイオン輸率はほとんど低下しない。これに対し、BZCYX電解質におけるXがYb、Gdの場合には、酸素分圧が増加するに従ってイオン輸率が低下することが分った。 As shown in FIGS. 3A and 3B, when X in the BZCYX electrolyte is Ga, Sc, or In at 550 ° C., the ion transport number hardly decreases even when the oxygen partial pressure increases. On the other hand, it was found that when the X in the BZCYX electrolyte is Yb or Gd, the ion transport number decreases as the oxygen partial pressure increases.
また、図3(c)、図3(d)に示すように、600℃にすると、BZCYX電解質におけるXがGa、Sc、Inの場合であっても、酸素分圧が増加するに従ってイオン輸率が若干低下することが確認された。また、BZCYX電解質におけるXがYb、Gdの場合には、酸素分圧が増加するに従って、XがGa、Sc、Inの場合よりもイオン輸率が低下することが分った。 As shown in FIGS. 3C and 3D, when the temperature is set to 600 ° C., even if X in the BZCYX electrolyte is Ga, Sc, In, the ion transport number increases as the oxygen partial pressure increases. Was confirmed to be slightly lower. Further, it was found that when X in the BZCYX electrolyte is Yb or Gd, the ion transport number is lowered as X is Ga, Sc or In as the oxygen partial pressure is increased.
さらに、図3(e)、図3(f)に示すように、700℃にすると、BZCYX電解質におけるXの元素にかかわらず、酸素分圧が増加するに従ってイオン輸率が急激に低下することが確認された。 Further, as shown in FIGS. 3 (e) and 3 (f), when the temperature is set to 700 ° C., the ion transport number may rapidly decrease as the oxygen partial pressure increases regardless of the X element in the BZCYX electrolyte. confirmed.
以上の実験結果から、BZCYX電解質は、700℃以上になるとイオン輸率が著しく低下することが分った。つまり、BZCYX電解質は、700℃以上になるとホールの伝導が急激に増加することが確認された。 From the above experimental results, it was found that the ion transport number of the BZCYX electrolyte significantly decreased when the temperature was 700 ° C. or higher. That is, it was confirmed that the BZCYX electrolyte rapidly increased hole conduction at 700 ° C. or higher.
つまり、燃料電池本体214が700℃以上であると、700℃未満である場合と比較して、イオン輸率が低下する。したがって、温度調整部230が燃料電池本体214を700℃未満とすることにより、燃料電池本体214の発電効率を向上させることができる。
That is, when the fuel cell
また、上記実験結果から温度が低い方がBZCYX電解質のイオン輸率が高いことが確認された。しかし、温度を低くしすぎるとBZCYX電解質のイオン導電率が低下する。そこで、温度を変化させつつ、BZCYX電解質のイオン導電率を測定した。 Moreover, it was confirmed from the above experimental results that the lower the temperature, the higher the ion transport number of the BZCYX electrolyte. However, if the temperature is too low, the ionic conductivity of the BZCYX electrolyte will decrease. Therefore, the ionic conductivity of the BZCYX electrolyte was measured while changing the temperature.
図4は、BZCYX電解質のイオン導電率の温度依存性を説明する図である。図4中、縦軸をイオン導電率(log(σ[Scm−1]))とし、横軸を温度(1000/T[K]、[℃])とする。なお、図4では、BZCYX電解質においてXがGdの場合についてのイオン導電率を示す。 FIG. 4 is a diagram illustrating the temperature dependence of the ionic conductivity of the BZCYX electrolyte. In FIG. 4, the vertical axis represents ionic conductivity (log (σ [Scm −1 ])), and the horizontal axis represents temperature (1000 / T [K], [° C.]). FIG. 4 shows the ionic conductivity when X is Gd in the BZCYX electrolyte.
図4に示すように、温度が低下するに従って、BZCYX電解質のイオン導電率が低下することが分った。また、400℃であっても、BZCYX電解質のイオン導電率が、燃料電池本体214の高効率運転の指標である5×10−3Scm−1(≒−2.3(log(σ[Scm−1])))以上であることが確認された。 As shown in FIG. 4, it was found that the ionic conductivity of the BZCYX electrolyte decreases as the temperature decreases. Even at 400 ° C., the ionic conductivity of the BZCYX electrolyte is 5 × 10 −3 Scm −1 (≈−2.3 (log (σ [Scm − 1 ]))) It was confirmed that this is the case.
したがって、温度調整部230が燃料電池本体214を400℃以上に維持することにより、燃料電池本体214の発電効率を所定値以上とすることができる。
Therefore, the
また、上記したように、燃料電池本体214は、改質器212を加熱する。燃料電池本体214が500℃未満である場合には、500℃以上である場合と比較して、改質器212における水蒸気改質反応(上記反応式(1)、反応式(2))の反応効率が低い。したがって、温度調整部230が燃料電池本体214を500℃以上とすることにより、改質器212における水蒸気改質反応の反応効率を向上させることができる。つまり、改質器212において生成される燃料の量を増加させることが可能となる。
Further, as described above, the fuel cell
(制御部120)
図1に戻って説明すると、制御部120(パワーコンディショナー)は、CPU(中央処理装置)を含む半導体集積回路で構成される。制御部120は、ROMからCPU自体を動作させるためのプログラムやパラメータ等を読み出す。制御部120は、ワークエリアとしてのRAMや他の電子回路と協働して、燃料電池システム100全体を管理および制御する。制御部120は、燃料電池本体214から直流電力を取りだし、交流電力に変換して、負荷に供給する。
(Control unit 120)
Returning to FIG. 1, the control unit 120 (power conditioner) is configured by a semiconductor integrated circuit including a CPU (central processing unit). The
また、本実施形態において、制御部120は、流量調整弁212b、および、温度調整部230のいずれか一方または両方を制御する。具体的に説明すると、制御部120は、燃料電池本体214の電流密度が所定値となるように、流量調整弁212b、および、温度調整部230のいずれか一方または両方を制御する。
In the present embodiment, the
燃料電池本体214の発電電流の電流密度(以下、単に「電流密度」と称する)を増加させた場合のリーク電流を測定した。また、燃料電池本体214の電流密度を増加させた場合の燃料利用率Uf[%]を算出した。さらに、リーク電流および燃料利用率Ufに基づいて、燃料電池本体214の電流密度と、発電効率η[%]との関係を導き出した。なお、燃料電池本体214における固体電解質214cの厚み(燃料極214aと空気極214bとの間の距離、膜厚)は、25μmとした。
The leakage current was measured when the current density (hereinafter simply referred to as “current density”) of the generated current of the fuel cell
図5は、燃料電池本体214の電流密度と、リーク電流との関係を説明する図である。図5(a)は、燃料電池本体214を550℃とした場合を示す。図5(b)は、燃料電池本体214を600℃とした場合を示す。図5(c)は、燃料電池本体214を700℃とした場合を示す。図5(a)〜図5(c)中、縦軸を発電電流密度に対するリーク電流密度の比(ileak/iext)とし、横軸を電流密度(iext[Acm−2])とする。
FIG. 5 is a diagram for explaining the relationship between the current density of the fuel cell
図6は、燃料電池本体214の電流密度と、燃料利用率Ufとの関係を説明する図である。図6(a)は、燃料電池本体214を550℃とした場合を示す。図6(b)は、燃料電池本体214を600℃とした場合を示す。図6(c)は、燃料電池本体214を700℃とした場合を示す。図6(a)〜図6(c)中、縦軸を燃料利用率Uf[%]とし、横軸を電流密度(iext[Acm−2])とする。
FIG. 6 is a diagram for explaining the relationship between the current density of the fuel cell
図7は、燃料電池本体214の電流密度と、発電効率η[%]との関係を説明する図である。図7(a)は、燃料電池本体214を550℃とした場合を示す。図7(b)は、燃料電池本体214を600℃とした場合を示す。図7(c)は、燃料電池本体214を700℃とした場合を示す。図7(a)〜図7(c)中、縦軸を発電効率η[%]、横軸を電流密度(iext[Acm−2])とする。
FIG. 7 is a diagram for explaining the relationship between the current density of the fuel cell
なお、図5(a)〜図5(c)、図6(a)〜図6(c)、図7(a)〜図7(c)において、X=Gaを黒丸で、X=Scを白四角で、X=Inを黒三角で、X=Ybを白三角で、X=Gdを白丸で示す。また、図6(a)〜図6(c)、図7(a)〜図7(c)において、YSZを用いた従来のSOFCの値を破線で示す。 In FIGS. 5A to 5C, FIGS. 6A to 6C, and FIGS. 7A to 7C, X = Ga is a black circle, and X = Sc. A white square, X = In is a black triangle, X = Yb is a white triangle, and X = Gd is a white circle. Also, in FIGS. 6A to 6C and FIGS. 7A to 7C, the conventional SOFC value using YSZ is indicated by a broken line.
(リーク電流について)
図5(a)〜図5(c)に示すように、燃料電池本体214の温度にかかわらず、電流密度を上昇させるに従ってリーク電流が減少することが確認された。
(Leakage current)
As shown in FIGS. 5A to 5C, it was confirmed that the leakage current decreases as the current density is increased regardless of the temperature of the fuel cell
(燃料利用率Ufについて)
燃料電池本体214が550℃である場合、図6(a)に示すように、固体電解質214cのBZCYX電解質のXがSc、Inであると、電流密度にかかわらず、燃料利用率Ufは、従来のSOFCと同様(75%程度)であった。一方、固体電解質214cのBZCYX電解質のXがYb、Gdであると、電流密度が上昇するに従って、燃料利用率Ufが上昇することが確認された。また、XがYbである場合には、電流密度が0.35Acm−2以上であると燃料利用率Ufが70%以上となり、電流密度が0.75Acm−2以上であると従来のSOFCと同程度の燃料利用率Ufとなることが分った。一方、XがGdである場合には、電流密度が0.5Acm−2以上であると燃料利用率Ufが70%以上となり、電流密度が1.0Acm−2以上であると従来のSOFCと同程度の燃料利用率Ufとなることが確認された。
(About fuel utilization rate Uf)
When the fuel cell
燃料電池本体214が600℃である場合、図6(b)に示すように、固体電解質214cのBZCYX電解質のXがGaであると、燃料利用率Ufは、従来のSOFCと同様(75%程度)であった。一方、固体電解質214cのBZCYX電解質のXがSc、In、Yb、Gdであると、電流密度が上昇するに従って、燃料利用率Ufが上昇することが確認された。また、XがSc、Inである場合には、電流密度が0.25Acm−2以上であると燃料利用率Ufが70%以上となり、電流密度が0.35Acm−2以上であると従来のSOFCと同程度の燃料利用率Ufとなることが分った。一方、XがYbである場合には、電流密度が0.5Acm−2以上であると燃料利用率Ufが70%以上となり、電流密度が1.0Acm−2以上であると従来のSOFCと同程度の燃料利用率Ufとなることが分った。また、XがGdである場合には、電流密度が0.75Acm−2以上であると燃料利用率Ufが70%以上となり、電流密度が1.0Acm−2以上であると従来のSOFCと同程度の燃料利用率Ufとなることが確認された。
When the
また、燃料電池本体214が700℃である場合、図6(c)に示すように、固体電解質214cのBZCYX電解質のXがGaであると、燃料利用率Ufは、従来のSOFCと同様(75%程度)であった。一方、固体電解質214cのBZCYX電解質のXがSc、In、Yb、Gdであると、電流密度が上昇するに従って、燃料利用率Ufが上昇することが確認された。また、XがSc、Inである場合には、電流密度が0.5Acm−2以上であると燃料利用率Ufが70%以上となり、電流密度が0.75Acm−2以上であると従来のSOFCと同程度の燃料利用率Ufとなることが分った。一方、XがYbである場合には、電流密度が0.75Acm−2以上であると燃料利用率Ufが60%以上となり、電流密度が1.0Acm−2以上であると燃料利用率Ufが68%程度となることが分った。また、XがGdである場合には、電流密度が1.0Acm−2以上であると燃料利用率Ufが64%程度となることが確認された。
Further, when the fuel cell
(発電効率ηについて)
図7(a)〜図7(c)に示すように、従来のSOFCは、電流密度を上昇させると内部抵抗が増加するため発電効率ηが低下する。一方、燃料電池本体214は、電流密度を上昇させた場合に、内部抵抗は増加するものの、上記図5(a)〜図5(c)に示したようにリーク電流が減少し、上記図6(a)〜図6(c)に示したように、燃料利用率Ufが上昇するため、発電効率ηは上昇する。
(About power generation efficiency η)
As shown in FIG. 7A to FIG. 7C, in the conventional SOFC, when the current density is increased, the internal resistance increases, so that the power generation efficiency η decreases. On the other hand, in the fuel cell
具体的に説明すると、図7(a)に示すように、燃料電池本体214が550℃である場合、固体電解質214cのBZCYX電解質のXがSc、Inであると、電流密度が上昇するに従って発電効率ηは低下するものの、従来のSOFCより高い発電効率ηであった。一方、固体電解質214cのBZCYX電解質のXがYb、Gdであると、電流密度が約0.5Acm−2までは電流密度が上昇するに従って、発電効率ηが上昇し、電流密度が0.5Acm−2以上では高い発電効率ηを維持することが確認された。また、電流密度が0.5Acm−2以上であると発電効率ηが68%程度になることが分った。
More specifically, as shown in FIG. 7A, when the
また、図7(b)に示すように、燃料電池本体214が600℃である場合、固体電解質214cのBZCYX電解質のXがSc、Inであると、電流密度が上昇するに従って発電効率ηは低下するものの、従来のSOFCより高い発電効率であった。一方、固体電解質214cのBZCYX電解質のXがYb、Gdであると、電流密度が約0.5Acm−2までは電流密度が上昇するに従って、発電効率ηが上昇し、電流密度が0.5Acm−2以上では高い発電効率ηを維持することが確認された。また、電流密度が0.5Acm−2以上であると発電効率ηが68%程度になることが分った。
Further, as shown in FIG. 7B, when the
一方、図7(c)に示すように、燃料電池本体214が700℃である場合、XがGa、In以外は、電流密度が上昇すると、発電効率ηは上昇するものの、従来のSOFCより発電効率が低いことが確認された。
On the other hand, as shown in FIG. 7C, when the fuel cell
以上の実験結果から、制御部120は、固体電解質214cの厚みが25μmである場合、燃料電池本体214の電流密度(発電電流の電流密度)が0.5A/cm2以上となるように、流量調整弁212b、および、温度調整部230のいずれか一方または両方を制御することで、従来のSOFCより高い発電効率ηを実現することができる。つまり、制御部120は、固体電解質214cの厚みと、燃料電池本体214の電流密度(発電電流の電流密度)との乗算値が12.5μm・A/cm2以上となるように流量調整弁212b、および、温度調整部230のいずれか一方または両方を制御する。これにより、従来のSOFCと比較して高い発電効率ηで燃料電池本体214を運転させることが可能となる。
From the above experimental results, when the thickness of the
以上、添付図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明はかかる実施形態に限定されないことは言うまでもない。当業者であれば、特許請求の範囲に記載された範疇内において、各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、それらについても当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。 As mentioned above, although preferred embodiment of this invention was described referring an accompanying drawing, it cannot be overemphasized that this invention is not limited to this embodiment. It will be apparent to those skilled in the art that various changes and modifications can be made within the scope of the claims, and these are naturally within the technical scope of the present invention. Understood.
例えば、上記実施形態において、改質器212に炭化水素が供給される構成を例に挙げて説明した。しかし、改質器212には、アルコール(例えば、バイオエタノール)が供給されてもよい。この場合、改質器212には、アルコールの水蒸気改質を促進する触媒が収容される。
For example, in the above embodiment, the configuration in which hydrocarbons are supplied to the
また、上記実施形態において、燃料電池モジュール210が改質器212を備える構成を例に挙げて説明した。しかし、改質器212は必須の構成ではない。例えば、水素源から燃料電池本体214の燃料極214aに直接水素が供給されてもよい。
Further, in the above-described embodiment, the configuration in which the
また、上記実施形態において、温度調整部230は、ブロワ220を制御して、燃料電池本体214の温度を400℃以上700℃未満とする構成を例に挙げて説明した。しかし、温度調整部230は、空気極214bに供給される空気(ブロワ220から吐出される空気)と、燃料電池本体214から排気される排気ガスとを熱交換する熱交換器で構成されてもよい。この場合、温度調整部230は、空気を予熱し、排気ガスを冷却することで、燃料電池本体214の温度を400℃以上700℃未満とする。
In the above embodiment, the
本発明は、プロトン伝導型の固体酸化物を用いた燃料電池システムに利用することができる。 The present invention can be used in a fuel cell system using a proton conductive solid oxide.
100 燃料電池システム
110 燃料電池ユニット
120 制御部
210 燃料電池モジュール
212 改質器
214 燃料電池本体
214c 固体電解質
230 温度調整部
DESCRIPTION OF
Claims (4)
前記燃料電池本体を400℃以上700℃未満とする温度調整部と、
前記固体電解質の厚みと、前記燃料電池本体の電流密度との乗算値を12.5μm・A/cm2以上に維持する制御部と、
を備える燃料電池システム。 A fuel cell body having a solid electrolyte containing a solid oxide represented by BaZrCeYXO 3-δ (where X = Sc, Ga, In, Gd, and Yb),
A temperature adjusting unit for setting the fuel cell body to 400 ° C. or higher and lower than 700 ° C .;
A control unit for maintaining the product of the thickness of the solid electrolyte and the current density of the fuel cell main body at 12.5 μm · A / cm 2 or more;
A fuel cell system comprising:
前記改質器は、前記燃料電池本体によって加熱され、
前記温度調整部は、前記燃料電池本体を500℃以上700℃未満とする請求項1または2に記載の燃料電池システム。 A reformer for reforming either or both of a hydrocarbon and an alcohol into hydrogen;
The reformer is heated by the fuel cell body,
The fuel cell system according to claim 1, wherein the temperature adjustment unit sets the fuel cell main body to 500 ° C. or higher and lower than 700 ° C. 3.
前記制御部は、前記乗算値を12.5μm・A/cm2以上に維持するように、前記燃料極に供給する水素の量、および、前記温度調整部のいずれか一方または両方を制御する請求項1から3のいずれか1項に記載の燃料電池システム。 The fuel cell body has a fuel electrode and an air electrode,
The control unit controls one or both of the amount of hydrogen supplied to the fuel electrode and the temperature adjusting unit so that the multiplication value is maintained at 12.5 μm · A / cm 2 or more. Item 4. The fuel cell system according to any one of Items 1 to 3.
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