JP2981571B2 - 固体電解質燃料電池 - Google Patents
固体電解質燃料電池Info
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- JP2981571B2 JP2981571B2 JP2320265A JP32026590A JP2981571B2 JP 2981571 B2 JP2981571 B2 JP 2981571B2 JP 2320265 A JP2320265 A JP 2320265A JP 32026590 A JP32026590 A JP 32026590A JP 2981571 B2 JP2981571 B2 JP 2981571B2
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- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
- Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
- Y02E60/30—Hydrogen technology
- Y02E60/50—Fuel cells
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- Fuel Cell (AREA)
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。
とする固体電解質燃料電池に関する。
［従来の技術及び発明が解決しようとする課題］ 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。
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。
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。
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。
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。
％程度として空気側（内側）で冷却を行なう。
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、内部抵抗の増大等により出力密度が高くな
い（また高くできない）ため、実用化には障害があっ
た。また、出口での理論起電圧が低いため、燃料を撹拌
しないようにしているが、そのために発電部の温度分布
のバラツキが大きくセルの劣化が進行し易い。さらに、
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。
においては、内部抵抗の増大等により出力密度が高くな
い（また高くできない）ため、実用化には障害があっ
た。また、出口での理論起電圧が低いため、燃料を撹拌
しないようにしているが、そのために発電部の温度分布
のバラツキが大きくセルの劣化が進行し易い。さらに、
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、以上の問題点をすべて解決し、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。特に、セル内の温度分布を平準化し得て、セルの内
部抵抗の減少及びセルの劣化の防止を図れる固体電解質
燃料電池を提供する処にある。
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。特に、セル内の温度分布を平準化し得て、セルの内
部抵抗の減少及びセルの劣化の防止を図れる固体電解質
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
をリサイクルし、１回（１リサイクル）当りの燃料利用
率を10〜20％とするとともにこの燃料利用率に対応する
値に出力電圧を設定して、燃料電池のセル内の温度分布
を平準化したことを特徴とするものである。
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
をリサイクルし、１回（１リサイクル）当りの燃料利用
率を10〜20％とするとともにこの燃料利用率に対応する
値に出力電圧を設定して、燃料電池のセル内の温度分布
を平準化した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、セルの
内部抵抗を減少させることができる。
げることにより、拡散抵抗を下げることができ、セルの
内部抵抗を減少させることができる。
また、燃料をリサイクルすることとしたので、１回当
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。
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。
さらに、１回当りの燃料利用率を10〜20％とするとと
もにこの燃料利用率に対応する値に出力電圧を設定した
ので、燃料電池のセル内の温度分布が平準化され、セル
の内部抵抗の減少及びセルの劣化の防止が図れる。
もにこの燃料利用率に対応する値に出力電圧を設定した
ので、燃料電池のセル内の温度分布が平準化され、セル
の内部抵抗の減少及びセルの劣化の防止が図れる。
すなわち、内部改質効果を伴う燃料による冷却速度は
燃料利用率によってほぼ決定され、しかもセルのジュー
ル発熱は出力電圧により決定されるので、燃料利用率に
対応する適切な出力電圧を設定することによりセル温度
の平準化が達成できる。このことにより、セル温度の平
準化を図るための燃料の撹拌が不要となり、化学ポテン
シャルの低下による発電効率の低下が防げるとともに撹
拌のための特別の構造や装置が不要となる。
燃料利用率によってほぼ決定され、しかもセルのジュー
ル発熱は出力電圧により決定されるので、燃料利用率に
対応する適切な出力電圧を設定することによりセル温度
の平準化が達成できる。このことにより、セル温度の平
準化を図るための燃料の撹拌が不要となり、化学ポテン
シャルの低下による発電効率の低下が防げるとともに撹
拌のための特別の構造や装置が不要となる。
特に、円筒状のセルの燃料極側に都市ガスを水蒸気改
質して得られた燃料を供給し、燃料利用率が14〜16％で
出力電圧が0.67〜0.71Vであると、セル内の温度のバラ
ツキ（特にセルの軸方向の温度軸）を10℃以内に平準化
することができる。
質して得られた燃料を供給し、燃料利用率が14〜16％で
出力電圧が0.67〜0.71Vであると、セル内の温度のバラ
ツキ（特にセルの軸方向の温度軸）を10℃以内に平準化
することができる。
［実施例］ 以下、実施例及び比較例により本発明をより詳細に説
明する。
明する。
実施例及び比較例として、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（軸方向の長さ300mm）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
ネート等により空気極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ルアサーメット等
よりなる燃料極14を、順次積層して形成したものであ
る。
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（軸方向の長さ300mm）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
ネート等により空気極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ルアサーメット等
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変性さ
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
スチーム／カーボン比（S/C）が1.0となるように水分添
加され、200〜900℃に予熱されて発電部15に戻る。
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変性さ
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
スチーム／カーボン比（S/C）が1.0となるように水分添
加され、200〜900℃に予熱されて発電部15に戻る。
空気極側には、PSA（Pressure Swing Adsorption）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。
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。
次の組成（容量％）からなる都市ガス13Aを用いた。
CH488％、C2H66％、C3H84％、C4H102％ 実施例１ 上記したシステムにおいて、出力電圧を0.689Vに設定
してセルモジュールにおける温度分布（燃料ガス温度分
布及びセルの固体部分の温度分布）を反応、伝熱のシュ
ミレーションにより求めた。
してセルモジュールにおける温度分布（燃料ガス温度分
布及びセルの固体部分の温度分布）を反応、伝熱のシュ
ミレーションにより求めた。
すなわち、ヒュックの拡散方程式を始めとする物質移
動の式及び伝熱の式並びに成分間の化学平衡式をセルの
微小部分について解き、それを境界条件として隣の微小
部分について解くという計算を繰り返し、セルの全ての
部分について前述の各関係式が満足させられるような解
を得た。
動の式及び伝熱の式並びに成分間の化学平衡式をセルの
微小部分について解き、それを境界条件として隣の微小
部分について解くという計算を繰り返し、セルの全ての
部分について前述の各関係式が満足させられるような解
を得た。
本実施例において、セルの軸方向における温度分布
（燃料ガスの温度分布及びセルの固体部分の温度分布）
は第３図及び第４図のようになり、固体部分の軸方向の
温度幅は約10℃であった。なお、固体部分の径方向にお
ける温度のバラツキはなかった。
（燃料ガスの温度分布及びセルの固体部分の温度分布）
は第３図及び第４図のようになり、固体部分の軸方向の
温度幅は約10℃であった。なお、固体部分の径方向にお
ける温度のバラツキはなかった。
比較例１ 実施例１と同じ条件で出力電圧を0.585Vに変化させる
と、セルの軸方向における温度分布は第５図及び第６図
のようになり、固体部分の軸方向の温度幅は約90℃であ
った。
と、セルの軸方向における温度分布は第５図及び第６図
のようになり、固体部分の軸方向の温度幅は約90℃であ
った。
比較例２ 実施例１と同じ条件で出力電圧を0.984Vに変化させる
と、セルの軸方向における温度分布は第７図及び第８図
のようになり、固体部分の軸方向の温度幅は約60℃であ
った。
と、セルの軸方向における温度分布は第７図及び第８図
のようになり、固体部分の軸方向の温度幅は約60℃であ
った。
比較例３ 空気極側に空気を供給し、燃料極側に600℃で予備改
質した都市ガスを供給し、燃料をリサイクルしない従来
型の固体電解質燃料電池において、燃料利用率を85％と
し、空気利用率を25％とする条件下で、出力電圧を0.68
9Vに設定すると、セルの軸方向における温度分布は第９
図及び第10図のようになり、固体部分の軸方向の温度幅
は約90℃であった。
質した都市ガスを供給し、燃料をリサイクルしない従来
型の固体電解質燃料電池において、燃料利用率を85％と
し、空気利用率を25％とする条件下で、出力電圧を0.68
9Vに設定すると、セルの軸方向における温度分布は第９
図及び第10図のようになり、固体部分の軸方向の温度幅
は約90℃であった。
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。
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］ 本発明においては、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
はるかに高い出力密度を得ることができる。
クルの採用により、従来の固体電解質燃料電池に比べて
はるかに高い出力密度を得ることができる。
さらに、本発明のようにしてセルの温度分布が平準化
することにより、次のような効果を達成することができ
る。
することにより、次のような効果を達成することができ
る。
（１）熱ひずみが減少し、セルの耐久性や信頼性が向上
する。
する。
（２）セルの（最高温度と平均温度との差が小さくなる
ため）平均温度を上げることができ、セルの内部抵抗が
減少する。
ため）平均温度を上げることができ、セルの内部抵抗が
減少する。
（３）セルの最高温度が下がるため、シンタリングや固
相反応等によるセルの劣化を防げる。
相反応等によるセルの劣化を防げる。
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、 第３図は、実施例１におけるセルの軸方向の燃料ガスの
温度分布を示す線図、 第４図は、実施例１におけるセルの軸方向の固体部分の
温度分布を示す線図、 第５図は、比較例１におけるセルの軸方向の燃料ガスの
温度分布を示す線図、 第６図は、比較例１におけるセルの軸方向の固体部分の
温度分布を示す線図、 第７図は、比較例２におけるセルの軸方向の燃料ガスの
温度分布を示す線図、 第８図は、比較例２におけるセルの軸方向の固体部分の
温度分布を示す線図、 第９図は、比較例３におけるセルの軸方向の燃料ガスの
温度分布を示す線図、 第10図は、比較例３におけるセルの軸方向の固体部分の
温度分布を示す線図である。 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
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、 第３図は、実施例１におけるセルの軸方向の燃料ガスの
温度分布を示す線図、 第４図は、実施例１におけるセルの軸方向の固体部分の
温度分布を示す線図、 第５図は、比較例１におけるセルの軸方向の燃料ガスの
温度分布を示す線図、 第６図は、比較例１におけるセルの軸方向の固体部分の
温度分布を示す線図、 第７図は、比較例２におけるセルの軸方向の燃料ガスの
温度分布を示す線図、 第８図は、比較例２におけるセルの軸方向の固体部分の
温度分布を示す線図、 第９図は、比較例３におけるセルの軸方向の燃料ガスの
温度分布を示す線図、 第10図は、比較例３におけるセルの軸方向の固体部分の
温度分布を示す線図である。 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 平３−95867（ＪＰ，Ａ) 特開 昭63−158759（ＪＰ，Ａ) 特開 昭62−119870（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.6，ＤＢ名) H01M 8/00 - 8/24
Claims (2)
- 【請求項１】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
において、 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し、１回当りの燃料利
用率を10〜20％とするとともにこの燃料利用率に対応す
る値に出力電圧を設定して、燃料電池のセル内の温度分
布を平準化した固体電解質燃料電池。 - 【請求項２】円筒状のセルの燃料極側に都市ガスを水蒸
気改質して得られた燃料を供給し、燃料利用率が14〜16
％で出力電圧が0.67〜0.71Vであることを特徴とする請
求項１記載の固体で電解質燃料電池。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2320265A JP2981571B2 (ja) | 1990-11-22 | 1990-11-22 | 固体電解質燃料電池 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2320265A JP2981571B2 (ja) | 1990-11-22 | 1990-11-22 | 固体電解質燃料電池 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH04190570A JPH04190570A (ja) | 1992-07-08 |
| JP2981571B2 true JP2981571B2 (ja) | 1999-11-22 |
Family
ID=18119577
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2320265A Expired - Fee Related JP2981571B2 (ja) | 1990-11-22 | 1990-11-22 | 固体電解質燃料電池 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2981571B2 (ja) |
Families Citing this family (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP3988206B2 (ja) * | 1997-05-15 | 2007-10-10 | トヨタ自動車株式会社 | 燃料電池装置 |
| JPH11233129A (ja) | 1998-02-17 | 1999-08-27 | Mitsubishi Heavy Ind Ltd | 固体電解質型燃料電池発電システム |
-
1990
- 1990-11-22 JP JP2320265A patent/JP2981571B2/ja not_active Expired - Fee Related
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH04190570A (ja) | 1992-07-08 |
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