JP2926259B2 - 固体電解質燃料電池 - Google Patents

固体電解質燃料電池

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Description

【発明の詳細な説明】 [産業上の利用分野] 本発明は、天然ガス、ナフサ等の軽質炭化水素を燃料
とする固体電解質燃料電池に関する。
[従来の技術] 天然ガス、ナフサ等の軽質炭化水素を燃料とし、空気
を酸化剤として使用する固体電解質燃料電池は既知であ
り、特に、このような固体電解質燃料電池のセル構造と
しては、特開昭57-130381号に示されたものが代表的で
ある。
これは、第2図に示すように、管状の多孔質支持体11
の外側に、内側管状電極(空気極)12、電解質13、及び
外側電極(燃料極)14を、順次積層して形成し、空気を
多孔質支持体11の内側に流し、燃料を外側電極14の外側
に流すものである。
従来は、このようなセル構造を用いて、下記の条件で
システム全体を構成し作動させていた。すなわち、 燃料利用率を高くして(80〜85%)、燃料のリサイク
ルは行なわない。
酸化剤として空気をそのまま用い、空気利用率を25%
程度として空気側(内側)で冷却を行なう。
[発明が解決しようとする課題] しかしながら、このような従来の固体電解質燃料電池
においては、単位面積当りの標準的な出力密度が150mW/
cm2であり、セル1本当りの出力が20W程度である。従っ
て、1KW当り50本程度のセルが必要となり、セルのコス
トが高くなるので、固体電解質燃料電池の実用化の大き
な障害となっていた。
このように、出力密度が高くない(又は高くできな
い)原因としては、次のようなことが挙げられる。
(1)多孔質支持管及び多孔質空気極を通って空気(酸
素)が供給される際の拡散抵抗により、約250mA/cm2
上の電流密度においては急速に内部抵抗が増大するの
で、出力密度を増加させることができない。
(2)固体電解質が酸素イオン導電体であり、燃料利用
率の上昇に伴って理論起電圧が低下するため、出力密度
を増加させることができない。
そこで、上記の(1)で指摘した拡散抵抗を低下させ
るため、空気極の多孔性を増大させることが考えられる
が、そのようにすると空気極のオーム抵抗が増大し、特
開昭57-130381号に示されたセルを用いた固体電解質燃
料電池においても、電池全体の65%を占めるようになり
(これは、空気極が緻密質であると仮定して算出した抵
抗の約8倍である)、空気極の多孔性を増大させること
によるこれ以上の改良は困難である。
また、上記した以外にも、従来の固体電解質燃料電池
には、次のような問題点があった。
(3)出口での理論起電圧が低いため、燃料をまぜない
ようにしているが、そのために発電部の温度分布のバラ
ツキが大きい。
(4)燃料をリサイクルしないため、約15〜20%の燃料
が無駄になる。
本発明の課題は、以上の問題点を全て解決し、優れた
性能を有する固体電解質燃料電池を提供する処にある。
[課題を解決するための手段及び作用] 本発明の固体電解質燃料電池は、セルの機械的強度を
保持するための多孔質支持体の上に、空気極、電解質及
び燃料極を、順次積層して構成したセルを用いるか、あ
るいは、それ自身が支持体を兼ねる多孔質空気極の上
に、電解質及び燃料極を順次積層して構成したセルを用
いた固体電解質燃料電池であって、前記空気極側に酸素
を富化した空気を供給し、前記燃料極側に炭化水素を水
蒸気改質して得られた燃料を供給するとともに、この燃
料をリサイクルすることを特徴とするものである。
このように空気極側に供給する空気中の酸素濃度を上
げることにより、拡散抵抗を下げることができる。特
に、酸素濃度を90容量%以上にすると、逆拡散して排出
されるN2の量が小さくなるため、拡散抵抗をほとんど考
慮しなくともよくなる。また、空気の利用率を上げるた
めにも、酸素濃度は高いほど好ましい。しかしながら、
酸素プラント(例えばPSA装置)の効率との兼ね合い
で、最適のO2濃度が決定される。
また、燃料をリサイクルすることとしたので、1回
(1サイクル)当りの燃料利用率を下げて理論起電圧を
上げることができる。しかも、リサイクルすることによ
り全体としては燃料利用率が100%近くになるので、残
った燃料を燃焼することによるロス(15〜20%)がなく
なる。
1回当りの燃料利用率は、10〜20%とするのが好まし
い。1回当りの燃料利用率を10%未満とすると、セルの
集合体を収納した発電部に入るリサイクルガスをかなり
高温まで予熱する必要があり、発電部を出た高温のリサ
イクルガスが有する利用可能な熱のみで予熱することが
困難となるので、好ましくない。逆に、1回当りの燃料
利用率が20%を超えると、発電部に入るリサイクルガス
の温度が低くなりすぎて水蒸気が凝縮するおそれがある
とともに、効率や電流密度が下がるので、好ましくな
い。
また、固体電解質燃料電池を用いて発電する際に発生
する熱は、固体電解質の空気極側界面におけるエントロ
ピーに基づく発熱をはじめ、大半が支持体以外の発電に
直接関与する部分で発生しているので、多孔質支持管や
多孔質空気極などの障害のない燃料極側から、リサイク
ル燃料ガスにより冷却することにより、円滑な冷却がは
かれる。
また、原料の炭化水素をリサイクルガスと混合し、こ
れを断熱型反応器を用いて水蒸気改質することにより、
従来のチューブラータイプの改質器に比べて大幅なコス
トダウンがはかれる。
また、原料の炭化水素とリサイクルガスを混合し、水
蒸気改質したのちに、CO変成(式(1)参照)及び脱炭
酸することにより、セルの集合体を収納した発電部の入
口予熱部におけるBoudart反応(式(2)参照)に基づ
く炭素析出を防止できる。
CO+H2O→CO2+H2 …(1) 2COC(s)+CO2 …(2) また、PSA(Pressure Swing Adsorption)法の採用
により、酸素富化による電池効率の向上で得られる程度
のエネルギーで酸素富化を行なうことができる。
また、円筒状の多孔質支持体の上に、空気極、電解質
及び燃料極を、順次積層して構成したセルを用いるか、
あるいは、それ自身が支持体を兼ねる円筒状の多孔質空
気極の上に、電解質及び燃料極を、順次積層して構成し
たセルを用いた固体電解質燃料電池においては、燃料を
リサイクルすることにより、前記セルの集合体を収納し
た発電部の入口におけるスチーム/カーボン比(S/C)
が1.0〜2.0でも炭素の析出が見られないので、従来技術
(S/C=2.0〜3.0)に比べて大幅に効率の向上が期待で
きる。
また、円筒状の多孔質支持体の上に、空気極、電解質
及び燃料極を、順次積層して構成したセルを用いるか、
あるいは、それ自身が支持体を兼ねる円筒状の多孔質空
気極の上に、電解質及び燃料極を、順次積層して構成し
たセルを用いた固体電解質燃料電池においては、前記セ
ルの集合体を収納した発電部内においてリサイクルガス
の吹出し等により燃料を撹拌することにより、発電部の
温度分布を均一化することができ、熱応力の発生によ
る割れの防止、固相反応により劣化が生じることの防
止、及び平均温度の上昇により内部抵抗の減少を、は
かることができる。
このように、発電部内において燃料を撹拌する場合に
は、発電により発生したH2Oが利用できるので、発電部
入口におけるS/Cが0.5でも炭素析出なく運転できる。
[実施例] 実施例として、第1図に示したシステムからなる固体
電解質燃料電池を構成した。この電池においては、第2
図に示す円筒状のセル10を用いた。このセル10は、安定
化ジルコニアアルミナ等よりなる多孔質支持体11の外側
に、ランタンマンガネート等よりなる空気極12、安定化
ジルコニア等の薄膜よりなる電解質13、及びニッケルジ
ルコニアサーメット等よりなる燃料極14を、順次積層し
て形成したものである。
第1図に示すシステムにおいては、発電部15における
燃料利用率は15%とし、85%の燃料をリサイクルシステ
ムにまわす。このリサイクルガスは、原料の炭化水素で
ある脱硫された都市ガスと混合され、断熱型反応器にお
いて断熱改質された後、Cu-Zn系触媒を用いてCO変成さ
れる。次に、冷却分離により脱水され、モノエタノール
アミン法により脱炭酸された後、発電部15の入口におけ
るS/Cが0.5となるように水分添加され、600〜650℃に予
熱されて発電部15に戻る。発電部15内においては、リサ
イクルガスの吹出しにより燃料が撹拌される。
空気極側には、PSAにより酸素濃度を約100容量%とし
た酸素富化空気を供給した。
また、リサイクルガスに混入する都市ガスとしては、
次の組成(容量%)からなる都市ガス13Aを用いた。
CH488%、C2H66%、C3H84%、C4H102% なお、都市ガスを脱硫したのちに断熱改質する方法
は、特願昭63-318818号に開示された方法によった。
第1図に示すリサイクルシステムの〜の各部にお
けるガス組成(容量%)は、次表の通りであった。
本実施例における出力密度は、0.96W/cm2(PSAに要し
たエネルギーを修正すると0.87〜0.93W/cm2)であっ
た。理論電圧は1.009V、出力電圧は0.504V、効率は42.5
%(by HHV)であった。
比較例として、S/Cを3.0、燃料利用率を85%としたワ
ンスルー方式をとると、出力密度は0.15W/cm2であっ
た。出力電圧は0.592V、効率は42.5%(by HHV)であっ
た。
この結果からすると、本実施例の固体電解質燃料電池
においては、1KW当りのセルの必要本数は従来の約1/5と
なり、大幅なコストダウンが可能となる。さらに、空気
極を緻密化する効果を併せて考えると、セルの必要本数
は従来の1/10程度となることが期待できる。
なお、発電部15内の燃料を撹拌せずに上記と同様の条
件で、S/Cを1.0とした場合には炭素析出はなかったが、
S/Cを1.0未満とした場合には炭素の析出が認められた。
次に、1回当りの燃料利用率を、5%、10%、15%、
20%、25%とした場合のリサイクルシステムにおける熱
収支、発電部入口の予熱温度、および効率を第2表に示
す。
これらの実施例においては、空気極側に酸素濃度が約
100容量%の酸素富化空気を供給し、燃料極側に都市ガ
ス13Aを混入したリサイクルガスを供給した。断熱型改
質装置の出口温度は630℃、CO変成直後のCO濃度は0.3容
量%、発電部15の入口におけるS/Cは1.0、セルの温度は
1000℃とした。出力電圧は理論電圧の1/2であり、1回
当りの燃料利用率が5%の場合には0.536V、10%の場合
には0.519V、15%の場合には0.506V、20%の場合には0.
497V、25%の場合には0.489Vであった。
第2表に示すように、1回当りの燃料利用率を5%と
すると、発電部に入るリサイクルガスを1000℃以上に予
熱する必要がある。この場合、熱損失を考慮すると、発
電部を出たリサイクルガスが有する利用可能な熱のみで
予熱することが困難となる。1回当りの燃料利用率を25
%とすると、発電部に入るリサイクルガスの温度が100
℃以下となってリサイクルガス中の水蒸気が凝縮するお
それがあるとともに、効率も低下する。
なお、本発明の固体電解質燃料電池においては、セル
構造は第2図のものに限られない。支持体を別個に設け
ず、多孔質の空気極で支持体を兼ねるようにしてもよ
い。また、平板構造のセルであってもよい。
[発明の効果] (1)酸素富化空気の利用と燃料リサイクルの採用によ
り、従来の固体電解質燃料電池に比べて単位面積当りの
出力密度を約6倍にすることができる。
(2)酸素富化空気の利用により、空気極の密度を大き
くしても(空気極の多孔度を低下させても)拡散抵抗を
下げることができるため、内部抵抗を従来の半分程度に
でき、出力密度を約2倍にすることができる。
(3)断熱型リフォーマーとPSA法を採用すると、酸素
富化と燃料リサイクルを行なうことによりイニシャルラ
ンニングコストを低く抑えることができる。
(4)燃料をリサイクルしてH2分圧を上げることによ
り、S/Cが2.0以下という条件でも内部改質が可能であ
り、発電効率を高くすることができる。
(5)発電部内において燃料を撹拌する場合には、発電
部温度の均一化及び燃料側からの冷却により、セルの劣
化の防止をはかることができる。
【図面の簡単な説明】
第1図は、本発明の一実施例の固体電解質燃料電池の燃
料のリサイクルシステムを示す概略図、 第2図は、固体電解質燃料電池に用いる円筒状セルを示
す斜視図である。 符号の説明 10……セル、11……多孔質支持体、12……空気極、13…
…電解質、14……燃料極、15……発電部
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭62−119680(JP,A) 特開 昭61−24171(JP,A) (58)調査した分野(Int.Cl.6,DB名) H01M 8/00 - 8/24

Claims (5)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】セルの機械的強度を保持するための円筒状
    の多孔質支持体の上に、空気極、電解質及び燃料極を、
    順次積層して構成した円筒状のセルか、あるいは、それ
    自身が支持体を兼ねる円筒状の多孔質空気極の上に、電
    解質及び燃料極を順次積層して構成した円筒状のセルの
    集合体が収納された発電部を有する固体電解質燃料電池
    において、 前記セルの空気極側に酸素を富化した空気を供給し、 前記発電部に、炭化水素を水蒸気改質して得られた燃料
    ガスを、発電により発熱した前記燃料極、電解質及び空
    気極よりも低温で供給することにより、前記セルの燃料
    極、電解質及び空気極を燃料極側から冷却し、 かつ前記発電部から排出される燃料ガスを脱硫された燃
    料ガスと混合し、改質して発電部に供給するリサイクル
    を行うことを特徴とする固体電解質燃料電池。
  2. 【請求項2】前記セルの空気極側に供給する酸素富化空
    気中の酸素濃度が、90容量%以上であることを特徴とす
    る請求項1記載の固体電解質燃料電池。
  3. 【請求項3】酸素富化空気をPSA法により製造すること
    を特徴とする請求項1又は2に記載の固体電解質燃料電
    池。
  4. 【請求項4】1回当りの燃料利用率が10〜20%であるこ
    とを特徴とする請求項1〜3のいずれか1項に記載の固
    体電解質燃料電池。
  5. 【請求項5】前記セルの集合体を収納した発電部の入口
    におけるスチーム/カーボン比が1.0〜2.0であることを
    特徴とする請求項1〜4のいずれか1項に記載の固体電
    解質燃料電池。
JP2144947A 1989-06-09 1990-06-01 固体電解質燃料電池 Expired - Fee Related JP2926259B2 (ja)

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