JP3058012B2 - 内部改質型高温固体電解質型燃料電池の単電池 - Google Patents

内部改質型高温固体電解質型燃料電池の単電池

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JP3058012B2 JP6158661A JP15866194A JP3058012B2 JP 3058012 B2 JP3058012 B2 JP 3058012B2 JP 6158661 A JP6158661 A JP 6158661A JP 15866194 A JP15866194 A JP 15866194A JP 3058012 B2 JP3058012 B2 JP 3058012B2
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    • Y02E60/30Hydrogen technology
    • Y02E60/50Fuel cells

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  • Inert Electrodes (AREA)

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は内部改質型高温固体電解
質型燃料電池(SOFC)の単電池に係り、特に、長期
にわたり安定に作動可能な内部改質型SOFCを実現す
ることができる単電池に関する。
【0002】
【従来の技術】SOFCの単電池はY23 安定化Zr
2 (YSZ)よりなる電解質膜の表面に燃料極(アノ
ード)及び空気極(カソード)の電極膜を積層した構成
とされている。従来、一般に、燃料極膜はNi−YSZ
サーメットで構成され、空気極膜は(La,Sr)Mn
3 で構成されている。
【0003】このようなSOFC用の燃料改質方式に
は、燃料電池の外で行って得た改質ガスを電池に供給す
る外部改質法と、電池内部で直接改質する内部改質法と
があるが、SOFCは作動温度が高いため、メタン、メ
タノール等を直接燃料として供給して内部で改質して作
動できることが大きな特徴であり、内部改質方式の実現
のための開発が進められている。
【0004】しかし、内部改質型SOFCは未だ十分な
実用段階に達しておらず、比較的大きい出力のSOFC
モジュールでも大部分外部で改質し、全体の1/4程度
を内部改質しているのが現状である。しかし、このよう
な方法では、内部消費動力を増大させたり、熱損失の増
加を招き、好ましくない。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】内部改質型SOFCが
実用化されていない理由の一つは、メタン、メタノー
ル、エタノール等の炭化水素燃料の水蒸気改質反応の触
媒であるNiがSOFCの燃料極に含まれており、その
活性度が高いために、燃料の改質反応が局所で完了して
単電池が破壊することにある。つまり、燃料改質反応は
吸熱反応であるから、改質反応が起こる場所は温度の低
下を来す。しかし、発電反応は発熱を伴い、それが起こ
る場所は温度が上昇する。従って、改質反応は、発電反
応と同じ場所で必要量だけ改質するように起こらなけれ
ば、単電池内部の温度勾配が急激になり単電池の熱応力
による破壊が起こることになる。しかしながら、従来の
単電池では、燃料極の触媒活性が高いために、改質反応
が過度に促進され、単電池の破壊を招く。
【0006】本発明は上記従来の問題点を解決し、燃料
極の触媒活性が低く、単電池の局所的な温度の急勾配が
防止された内部改質法SOFCの単電池を提供すること
を目的とする。
【0007】
【課題を解決するための手段】請求項1の内部改質法S
OFCの単電池は、電解質膜の一方の面に燃料極膜を形
成すると共に、他方の面に空気極膜を形成してなる内部
改質型高温固体電解質型燃料電池の単電池において、該
燃料極膜は、電解質膜上に形成された、Niサーメット
よりなる基層膜と、この基層膜上に形成されたFeサー
メットよりなる被覆膜とを有することを特徴とする。
【0008】請求項2の内部改質法SOFCの単電池
は、請求項1の単電池において、NiサーメットはNi
とY23 部分安定化ZrO2 ,Al23 ,MgO及
びMgAl24 よりなる群から選ばれる1種又は2種
以上とのサーメットであり、FeサーメットはFeとY
23 部分安定化ZrO2 ,Al23 ,MgO及びM
gAl24 よりなる群から選ばれる1種又は2種以上
とのサーメットであることを特徴とする。
【0009】請求項3の内部改質法SOFCの単電池
は、請求項2において、NiサーメットはNi−Y2
3 部分安定化ZrO2 サーメットであり、Feサーメッ
トはFe−Y23 部分安定化ZrO2 サーメットであ
ることを特徴とする。
【0010】以下、図面を参照して本発明を詳細に説明
する。
【0011】図1は本発明の内部改質法SOFCの単電
池の一実施例を示す断面図である。本発明の内部改質法
SOFCの単電池1は、内部改質法SOFCの単電池を
構成する燃料極膜2を、Niサーメットよりなる基層膜
2Aと、基層膜2Aを覆うFeサーメットよりなる被覆
膜2Bとの積層構造としたものである。図中、3は電解
質膜、4は空気極膜である。
【0012】ここで、Niサーメットとしては、Ni−
YSZサーメットが好ましいが、その他Ni−Al2
3 サーメット、Ni−MgOサーメット、Ni−MgA
2O4 サーメットなどであっても良い。また、Feサー
メットとしては、Fe−YSZサーメットが好ましい
が、その他、Fe−Al23 サーメット、Fe−Mg
Oサーメット、Fe−MgAl24 サーメットなどで
あっても良い。
【0013】Niサーメットよりなる基層膜の厚さは、
薄過ぎると燃料改質性能に支障をきたし、厚過ぎると電
極部での電圧降下が大きくなることから、50〜200
μmとするのが好ましい。なお、このNiサーメットの
Ni含有率は導電率及び電解質膜との熱膨張差の面か
ら、35〜45体積%であることが好ましい。
【0014】一方、このNiサーメットよりなる基層膜
を覆うFeサーメットよりなる被覆膜の厚さは、薄過ぎ
ると、メタン、メタノール、エタノール等の炭化水素燃
料の透過量が多くなり、必要以上の燃料改質反応が局所
的に進行する。逆に、厚過ぎると先の炭化水素燃料の透
過が困難になり、発電に必要な燃料(主に水素)を電極
反応進行部に供給できなくなることから、50〜200
μmとするのが好ましい。このFeサーメットのFe含
有率は導電率及び熱膨張係数の面から20〜35体積%
であることが好ましい。
【0015】なお、一般にSOFCの単電池の電解質膜
としては、YSZが採用されることから、本発明におい
ては、燃料極の基層膜としてはNi−YSZサーメット
が、また、被覆膜としてはFe−YSZサーメットを採
用するのが好ましい。一方、空気極膜としては(La,
Sr)MnO3 が採用される。
【0016】なお、これら基層膜のNiサーメット及び
被覆膜のFeサーメットは、いずれもSOFCの作動時
の還元雰囲気でサーメットを形成するものであり、頭書
は、各々NiO−YSZ,Fe23 −YSZといった
酸化物複合材料となっている。
【0017】このような基層膜及び被覆膜よりなる燃料
極を製造するには、例えば、原料粉末を有機溶媒とその
他添加剤で混練して作製したNiO−YSZスラリーを
電解質グリーン表面上に塗布した後、更にその上から同
じ要領で作製したFe23−YSZスラリーを塗布し
て燃料極を2層として焼成する。ここでFe23 −Y
SZ粉末は、Feの任意の酸化物や、硝酸塩、酢酸塩、
炭酸塩等とYSZを混合焼成して作製することができ
る。
【0018】
【作用】本発明の内部改質法SOFCの単電池の燃料極
では、SOFC作動環境下において、炭化水素燃料の水
蒸気改質反応に対する触媒活性の高いNiサーメット膜
表面を、当該活性の低いFeサーメット膜が被覆した形
になって、Niと燃料ガスの接触が大幅に制限され、結
果として、燃料極の炭化水素燃料の水蒸気改質反応に対
する触媒活性を低く抑制することができる。このため局
所での必要以上の燃料改質が防止される。
【0019】なお、燃料極に要求される高い電子導電性
はFeサーメット中のFe量を制御することで、熱膨張
率の整合性と共に充分な特性を確保できる。また、Ni
サーメット膜をFeサーメット膜で被覆することによ
り、電池の内部抵抗が増大し、短絡電流密度が若干低下
するが、電池は支障なく安定に作動する。
【0020】
【実施例】以下に実験例及び実施例を挙げて、本発明を
より具体的に説明する。
【0021】実験例1 20mm×100mm×0.5mm厚さのYSZ板の両
面に厚さ約200μmのNi40体積%−YSZサーメ
ット(還元時)を形成したもの(試料 No.1)、及び同
様にYSZ板両面に同厚さのNi40体積%−YSZサ
ーメット(還元時)を形成し更にその表面に厚さ約50
μmのFe23体積%−YSZサーメット(還元時)を
形成したもの(試料 No.2)を用いて、メタンの水蒸気
改質実験を行った。なお、YSZへの各サーメット膜の
形成は、1450℃,3時間(昇温速度及び降温速度は
いずれも200℃/hr)の焼成で行った。
【0022】上記手法で作製した試料1,2の板をアル
ミナ製の反応管に各々セットし、供給メタン量=200
ml/minに固定し、スチーム/カーボン比(S/C
比)を2〜5の間で変化させて1000℃で改質実験を
行い、結果を図2に示した。なお、図2において、□は
試料1、△は試料2、○はブランク(即ち、実験装置の
みの改質性能)を示す。
【0023】図2より明らかなように、試料1の改質性
能は高く、S/C=2では、95%以上のメタンを改質
した。一方、試料2の改質性能は低く、試料1の高い改
質性能がFeサーメット被覆膜により抑えられているこ
とが判る。
【0024】実施例1 図1に示す本発明の単電池(サイズ10cm×10c
m,有効発電面積100cm2 )を下記仕様にて作成し
た。
【0025】電解質膜:YSZ,厚さ0.5mm 空気極膜:(La,Sr)MnO3 ,厚さ120μm 燃料極膜: 基層膜=Ni40体積%−YSZサーメット(還元
時),厚さ70μm 被覆膜=Fe23体積%−YSZサーメット(還元
時),厚さ150μm この単電池をSOFCに用いて、燃料にS/C比=2.
5のメタンを、また、酸化ガスとして空気をそれぞれ直
行流で流し、作動温度1000℃で電流−電圧特性を調
べることにより、電池の性能試験を行った。
【0026】また、燃料に水素を使用した場合について
も同様に性能試験を行った。
【0027】結果を図3に示す。図3において、○は水
素を用いた場合、△はメタンを用いた場合である。
【0028】図3より次のことが明らかである。即ち、
メタンを用いた場合では、燃料中の酸素分圧が高いた
め、水素を用いた場合より、低い開回路電圧を示した。
1500時間程度の発電では、両電池共に劣化すること
無く、安定に作動した。なお、水素の場合に比べ、メタ
ンの場合の性能が低いのは、開回路電圧が低く、ファラ
デーインピーダンスが増加したためである。
【0029】
【発明の効果】以上詳述した通り、本発明の内部改質法
SOFCの単電池によれば、内部の急激な温度勾配によ
る単電池の破壊の問題がなく、従って、長期にわたり安
定に作動可能な内部改質法SOFCを実現することがで
きる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の内部改質法SOFCの単電池の一実施
例を示す断面図である。
【図2】実験例1の結果を示すグラフである。
【図3】実施例1の結果を示すグラフである。
【符号の説明】
1 内部改質法SOFCの単電池 2 燃料極膜 2A 基層膜 2B 被覆膜 6 電解質膜 4 空気極膜
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) H01M 4/86 H01M 8/12

Claims (3)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 電解質膜の一方の面に燃料極膜を形成す
    ると共に、他方の面に空気極膜を形成してなる内部改質
    型高温固体電解質型燃料電池の単電池において、 該燃料極膜は、電解質膜上に形成された、Niサーメッ
    トよりなる基層膜と、この基層膜上に形成されたFeサ
    ーメットよりなる被覆膜とを有することを特徴とする内
    部改質型高温固体電解質型燃料電池の単電池。
  2. 【請求項2】 請求項1の単電池において、Niサーメ
    ットはNiとY23 部分安定化ZrO2 ,Al2
    3 ,MgO及びMgAl24 よりなる群から選ばれる
    1種又は2種以上とのサーメットであり、Feサーメッ
    トはFeとY23 部分安定化ZrO2 ,Al23
    MgO及びMgAl24 よりなる群から選ばれる1種
    又は2種以上とのサーメットであることを特徴とする内
    部改質型高温固体電解質型燃料電池の単電池。
  3. 【請求項3】 請求項2において、NiサーメットはN
    i−Y23 部分安定化ZrO2 サーメットであり、F
    eサーメットはFe−Y23 部分安定化ZrO2 サー
    メットであることを特徴とする内部改質型高温固体電解
    質型燃料電池の単電池。
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EP1328035A1 (fr) * 2002-01-09 2003-07-16 HTceramix S.A. - High Technology Electroceramics PEN de pile à combustible à oxydes solide
KR101238889B1 (ko) * 2010-12-28 2013-03-04 주식회사 포스코 고체산화물 연료전지와 이의 제조방법 및 연료극 제조를 위한 테이프 캐스팅 장치
CN115142087A (zh) * 2022-06-27 2022-10-04 上海嘉氢源科技有限公司 多孔双功能分解水电催化剂及其制备方法、电解池与应用

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