JP3094099B2 - Dual temperature controlled solid oxide fuel cell - Google Patents

Dual temperature controlled solid oxide fuel cell

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JP3094099B2
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  • Electric Propulsion And Braking For Vehicles (AREA)

Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は、新規な固体酸化物
型燃料電池及びそれを用いる発電方法に関する。
The present invention relates to a novel solid oxide fuel cell and a power generation method using the same.

【0002】[0002]

【従来の技術】一般に、メタンや天然ガス等の炭化水素
を燃料とし、ニッケルを燃料極とした固体酸化物型燃料
電池では、炭化水素の分解による炭素の析出が起こっ
て、ニッケル電極を損傷させることが知られている。そ
のため、従来、炭化水素を水あるいは二酸化炭素と水蒸
気を主成分とする燃焼ガスと加熱反応させ、水素と一酸
化炭素に改質した後、固体酸化物型燃料電池の燃料とし
て用いる方法(特開平9−129256号公報)等が提
案されている。ところが、この種の改質器を備えた燃料
電池では、改質反応部は全体として吸熱領域であり、他
方の発電部は発熱領域であるから、この発電部で発生す
る熱の移動を効率的に行う内部改質技術の開発が必要で
ある。また、改質型の燃料電池では、改質反応は発電に
寄与しないうえに、全体として熱効率及び発電効率が低
くなるという問題がある。そこで、熱の総合効率を向上
させるために、燃料電池からの排熱及び未燃焼の燃料を
燃やして得られる熱を改質器に供給するとともに、それ
らの熱を利用して蒸気タービンを作動させるコンバイン
ド方式が採用されている。しかしながら、これらの方法
は、燃料の改質器、変成器及び水タンク等の周辺装置を
必要とするものであり、燃料の高い総合変換効率を達成
するためには装置の大型化が避けられず、小型で高効率
の燃料電池は作製できない。
2. Description of the Related Art In general, in a solid oxide fuel cell using a fuel such as methane or natural gas as a fuel and nickel as a fuel electrode, carbon is deposited due to decomposition of the hydrocarbon, thereby damaging the nickel electrode. It is known. Therefore, conventionally, a method has been known in which a hydrocarbon is heated and reacted with water or a combustion gas containing carbon dioxide and water vapor as main components, reformed into hydrogen and carbon monoxide, and then used as a fuel for a solid oxide fuel cell (JP-A-Hei. No. 9-129256) has been proposed. However, in a fuel cell equipped with this type of reformer, the reforming reaction section is an endothermic area as a whole, and the other power generating section is a heat generating area, so that the transfer of heat generated in this power generating section can be efficiently performed. It is necessary to develop internal reforming technology. Further, in the reforming type fuel cell, there is a problem that the reforming reaction does not contribute to the power generation and the thermal efficiency and the power generation efficiency are lowered as a whole. Therefore, in order to improve the overall heat efficiency, the exhaust heat from the fuel cell and the heat obtained by burning the unburned fuel are supplied to the reformer, and the heat is used to operate the steam turbine. The combined method is adopted. However, these methods require peripheral equipment such as a fuel reformer, a shift converter, and a water tank, and in order to achieve a high overall conversion efficiency of the fuel, the size of the equipment is unavoidable. However, a small and highly efficient fuel cell cannot be manufactured.

【0003】一方、メタンを燃料とする固体酸化物型燃
料電池において、燃料極物質に鉄等を用いることによ
り、炭素の析出反応が発生しても発電を持続させること
のできる方法が見出されている。この場合には、メタン
の部分酸化反応が優先的に起こっており、この部分酸化
反応は、次式に示すとおりである。 CH+0.5O=CO+2H この反応の生起に伴うギブスエネルギー変化は、100
0℃では−273.18kJ/molであって、そのエ
ンタルピー変化の−21.7kJ/molよりも絶対値
が大きくなる。このことは、この酸化反応を進行させる
には、外部から熱を供給することが必要であり、この燃
料電池単独では熱的に自立した状態を保持して運転させ
ることはできないことを意味している。
[0003] On the other hand, in a solid oxide fuel cell using methane as a fuel, a method has been found which is capable of sustaining power generation by using iron or the like as an anode material even if a carbon deposition reaction occurs. ing. In this case, the partial oxidation reaction of methane occurs preferentially, and this partial oxidation reaction is as shown in the following equation. CH 4 + 0.5O 2 = CO + 2H 2 The Gibbs energy change accompanying the occurrence of this reaction is 100
At 0 ° C., it is −273.18 kJ / mol, and the absolute value is larger than the enthalpy change of −21.7 kJ / mol. This means that in order for the oxidation reaction to proceed, it is necessary to supply heat from the outside, and this fuel cell alone cannot be operated while maintaining a thermally independent state. I have.

【0004】そのため、メタンを外部から熱供給するこ
となく酸化させるには、メタンの完全酸化反応を行わせ
ることが必要になるが、その際、鉄電極も同時に酸化さ
れて電極の活性劣化が起こり、発電を継続できないとい
う問題がある。従来の固体酸化物型燃料電池は、一定の
温度で運転されており、その際、メタン等の炭化水素燃
料の完全酸化反応を用いて効率的に発電を行うことので
きる固体電解質型燃料電池及びその燃料電池を円滑に作
動させる運転方法について、未だ満足すべきものは存在
しない。
[0004] Therefore, in order to oxidize methane without supplying heat from the outside, it is necessary to carry out a complete oxidation reaction of methane. At this time, the iron electrode is also oxidized at the same time and the activation of the electrode deteriorates. However, there is a problem that power generation cannot be continued. A conventional solid oxide fuel cell is operated at a constant temperature. At that time, a solid oxide fuel cell and a solid oxide fuel cell capable of efficiently generating power using a complete oxidation reaction of a hydrocarbon fuel such as methane. There is still no satisfactory operation method for operating the fuel cell smoothly.

【0005】最近、メタノール、ガソリンを燃料とした
固体高分子電解質型燃料電池を搭載した自動車などの移
動体が提案されているが、その燃料電池は、燃料を水素
と一酸化炭素に改質し、更に水素に変成した後に燃料電
池で発電し、そのエネルギーを用いて移動体を駆動させ
るものである。そのため、この方法では、改質器や変成
器等を搭載しなければならず、燃料電池の周辺装置が大
きくなり重量も増大するために、加速効率及びエネルギ
ー効率の低下を招き、また、燃料から水素を得る工程で
エネルギー損失が大きくなり、さらには、高分子電解質
の化学的分解を防止するために、80℃で水分が存在す
る状態を保持することが不可欠であって、この電解質管
理技術は極めて複雑である等の問題があり、小型で軽量
であって、かつ高燃料効率で自動車を駆動させることの
できる燃料電池の開発は、実現していない。
Recently, a mobile body such as an automobile equipped with a solid polymer electrolyte fuel cell using methanol or gasoline as a fuel has been proposed. In this fuel cell, fuel is reformed into hydrogen and carbon monoxide. In addition, the fuel cell generates electricity after being further converted to hydrogen, and the mobile body is driven using the energy. Therefore, in this method, it is necessary to mount a reformer, a shift converter, and the like, and the peripheral devices of the fuel cell are increased in size and weight, so that the acceleration efficiency and the energy efficiency are reduced. Energy loss increases in the process of obtaining hydrogen, and furthermore, in order to prevent chemical decomposition of the polymer electrolyte, it is essential to maintain a state in which water is present at 80 ° C. The development of a fuel cell which has problems such as extremely complicatedness, and is small and lightweight, and which can drive an automobile with high fuel efficiency has not been realized.

【0006】[0006]

【発明が解決しようとする課題】本発明は、従来の技術
における上記した実状に鑑みてなされたものである。す
なわち、本発明の目的は、炭化水素を燃料とし、その化
学反応熱を有効利用して高効率で発電を継続させること
が可能な小型の固体酸化物型燃料電池、及びそれを用い
る円滑な運転方法を提供することにある。また、本発明
の他の目的は、上記した小型の固体酸化物型燃料電池を
装填した自動車を提供することにある。
SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made in view of the above situation in the prior art. That is, an object of the present invention is to provide a small-sized solid oxide fuel cell capable of continuing power generation with high efficiency using hydrocarbons as fuel and effectively utilizing heat of chemical reaction, and a smooth operation using the same. It is to provide a method. Another object of the present invention is to provide an automobile equipped with the above-mentioned small solid oxide fuel cell.

【0007】[0007]

【課題を解決するための手段】本発明者は、上記の課題
を解決すべく鋭意研究を重ねた結果、機能の異なる2種
の固体酸化物型燃料電池を組み合わせて操作することに
より、炭化水素系燃料の酸化反応熱を効率的に利用して
発電できる固体酸化物型燃料電池が得られることを見出
し、本発明を完成するに至った。すなわち、本発明の二
温制御連結式固体酸化物型燃料電池は、炭化水素系燃料
の部分酸化反応および発電を行う低温作動の固体酸化物
型燃料電池と該燃料電池の反応系から流出する一酸化酸
素および水素を主成分とする反応生成ガスを燃料として
酸化反応を行って発電させる高温作動の固体酸化物型燃
料電池を連結させて設けたことを特徴とする。
Means for Solving the Problems The inventors of the present invention have made intensive studies to solve the above-mentioned problems, and as a result, by operating two types of solid oxide fuel cells having different functions in combination, it has become possible to obtain hydrocarbons. The present inventors have found that a solid oxide fuel cell capable of generating power by efficiently utilizing the heat of oxidation reaction of a system fuel can be obtained, and have completed the present invention. That is, two temperature controlled articulated solid oxide fuel cell of the present invention, the hydrocarbon-based fuel
-Temperature solid oxide fuel cell that performs partial oxidation reaction and power generation, and monoxide that flows out of the reaction system of the fuel cell
Reaction gas containing hydrogen and hydrogen as main components as fuel
A high-temperature operating solid oxide fuel cell that generates electricity by performing an oxidation reaction is provided in connection with the fuel cell.

【0008】また、本発明の発電方法は、上記の二温制
御連結式固体酸化物型燃料電池を用いて、低温作動の固
体酸化物型燃料電池により炭化水素系燃料の部分酸化反
応および発電を行った後、該反応系から流出する一酸化
酸素および水素を主成分とする反応生成ガスを燃料とし
て、高温作動の固体酸化物型燃料電池により酸化反応を
行って発電させることを特徴とする。その際、高温作動
の固体酸化物型燃料電池で発生した熱を、低温作動の固
体酸化物型燃料電池における部分酸化反応および発電に
用いることが好ましい。さらに、本発明は、上記の二温
制御連結式固体酸化物型燃料電池を自動車の動力源電池
として装填したことを特徴とする。
Further, according to the power generation method of the present invention, a partial oxidation reaction and power generation of a hydrocarbon-based fuel are performed by a solid oxide fuel cell operating at a low temperature using the above-mentioned dual temperature control connected solid oxide fuel cell. After the reaction, a reaction product gas containing oxygen monoxide and hydrogen flowing out of the reaction system as main components is used as a fuel to perform an oxidation reaction by a solid oxide fuel cell operating at high temperature to generate power. At this time, it is preferable to use heat generated in the solid oxide fuel cell operating at high temperature for the partial oxidation reaction and power generation in the solid oxide fuel cell operating at low temperature. Further, the present invention is characterized in that the above-mentioned dual temperature control connected solid oxide fuel cell is mounted as a power source cell of an automobile.

【0009】[0009]

【発明の実施の形態】以下、本発明について詳細に説明
する。本発明者らは、炭化水素燃料の燃焼用燃料極(ア
ノード)について鋭意検討したところ、燃料極に鉄/イ
ットリウム安定化ジルコニア(Fe/YSZ)を用いる
と、一酸化炭素と水素までの部分酸化では炭素の析出が
起こっても200時間程度の耐久性を有しているもの
の、完全酸化反応を行うと燃料極にニッケル/イットリ
ウム安定化ジルコニア(Ni/YSZ)を用いた場合に
比較して性能が劣ることを確認した。
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION Hereinafter, the present invention will be described in detail. The present inventors have conducted intensive studies on a fuel electrode (anode) for combustion of hydrocarbon fuels. When iron / yttrium-stabilized zirconia (Fe / YSZ) was used for the fuel electrode, partial oxidation to carbon monoxide and hydrogen was performed. Although it has a durability of about 200 hours even if carbon deposition occurs, the performance of the complete oxidation reaction is higher than when nickel / yttrium stabilized zirconia (Ni / YSZ) is used for the fuel electrode. Was inferior.

【0010】次に、メタンの燃焼を次式(1)及び
(2)のように2段階の電気化学反応として行うと、前
段は吸熱過程であって後段は発熱過程であるが、全反応
過程としては、図1に見られるように、メタンの直接利
用とほぼ同等の効率を達成することができる。 CH+0.5O = CO+2H (1) CO+2H +1.5O = CO+2HO (2)
Next, when the combustion of methane is carried out as a two-stage electrochemical reaction as shown in the following formulas (1) and (2), the former stage is an endothermic process and the latter stage is an exothermic process. As shown in FIG. 1, almost the same efficiency as the direct use of methane can be achieved. CH 4 + 0.5O 2 = CO + 2H 2 (1) CO + 2H 2 + 1.5O 2 = CO 2 + 2H 2 O (2)

【0011】そこで、本発明においては、上記式(1)
で示される吸熱を伴う電気化学反応と上記式(2)で示
される発熱を伴う電気化学反応とを2領域に区分し、2
段階のそれぞれの領域で燃料電池反応を行わせること、
また、それらの領域間において有効な物質の移動及び熱
の利用を図ることにより、小型で可搬型並びに静置型と
して利用できる固体酸化物型燃料電池を得たものであ
る。
Therefore, in the present invention, the above formula (1)
The electrochemical reaction involving endotherm represented by the formula and the electrochemical reaction involving heat generation represented by the above formula (2) are divided into two regions.
Allowing a fuel cell reaction to take place in each area of the stage;
Further, a solid oxide fuel cell which is small and can be used as a portable type and a stationary type is obtained by effectively transferring a substance and utilizing heat between these regions.

【0012】本発明の固体酸化物型燃料電池は、少なく
とも作動温度及び電極物質の異なる2種の固体酸化物型
燃料電池、すなわち、低温作動の固体酸化物型燃料電池
(以下、単に「発電部I」という)と高温作動の固体酸
化物型燃料電池(以下、単に「発電部II」という)とを
連結させて構成された二温制御連結式のものであって、
発電部I内で炭化水素燃料の部分酸化反応および発電
を行う工程、およびその部分酸化反応により得られた一
酸化酸素と水素を含む生成ガスを、他方の発電部II内に
導入して酸化および発電を行う工程を経ることにより、
全体として、炭化水素系燃料の完全酸化反応に対応する
発電効率を達成できるものであって、2温度2段階(Tw
o−Temperature−Two−stage)固体酸化物型燃料電池
(TTT−SOFC)とも称することができる。このT
TT−SOFCにおけるエネルギ−の流れについて、そ
の概念図を図2に示す。
The solid oxide fuel cell of the present invention comprises at least two types of solid oxide fuel cells having different operating temperatures and electrode materials, that is, a low-temperature operating solid oxide fuel cell (hereinafter simply referred to as a "power generation unit"). I ") and a solid oxide fuel cell operating at a high temperature (hereinafter simply referred to as" power generation section II ").
A step of performing a partial oxidation reaction and power generation of the hydrocarbon fuel in the power generation unit I, and introducing a product gas containing oxygen monoxide and hydrogen obtained by the partial oxidation reaction into the other power generation unit II to perform oxidation and By going through the process of generating electricity,
As a whole, it is possible to achieve a power generation efficiency corresponding to the complete oxidation reaction of hydrocarbon-based fuel, and it is possible to achieve two temperatures and two stages (Tw
o-Temperature-Two-stage) can also be called a solid oxide fuel cell (TTT-SOFC). This T
FIG. 2 is a conceptual diagram showing the flow of energy in the TT-SOFC.

【0013】本発明の二温制御連結式固体酸化物型燃料
電池においては、 熱の供給を効率的に行うために、炭
化水素系燃料の部分酸化反応と発電を行う発電部Iの作
動温度は、その部分酸化反応工程で得られた一酸化炭素
および水素を酸化させる発電部IIの作動温度よりも低い
ことを特徴とするものであり、また、発電部IIにおい
て、一酸化炭素および水素を酸化した際に発生する反応
熱及び発電に伴うジュール熱は、炭化水素系燃料の部分
酸化反応を行う発電部Iに供給されるように固体酸化物
型燃料電池を設計する。
In the dual temperature controlled solid oxide fuel cell of the present invention, in order to efficiently supply heat, the operating temperature of the power generation unit I for performing partial oxidation reaction of hydrocarbon fuel and power generation is set as follows. The operation temperature of the power generation unit II for oxidizing carbon monoxide and hydrogen obtained in the partial oxidation reaction step is lower than the operating temperature, and in the power generation unit II, carbon monoxide and hydrogen are oxidized. The solid oxide fuel cell is designed so that the reaction heat generated at this time and the Joule heat accompanying the power generation are supplied to the power generation unit I that performs a partial oxidation reaction of the hydrocarbon fuel.

【0014】図3は、本発明の二温制御連結式固体酸化
物型燃料電池の構造、その熱の移動及び物質移動の一例
を示すものである。図3においては、一つのスタック内
に、下段には炭化水素系燃料の部分酸化反応と発電を行
う低温作動の発電部Iを設け、その上段には発電部Iで
得られた一酸化炭素および水素を酸化させる高温作動の
発電部IIを設けたものである。
FIG. 3 shows an example of the structure of the dual temperature controlled solid oxide fuel cell of the present invention and its heat and mass transfer. In FIG. 3, in one stack, a lower-stage power generation unit I for performing partial oxidation reaction and power generation of a hydrocarbon-based fuel is provided in a lower stage, and the carbon monoxide obtained in the power generation unit I and It is provided with a high-temperature operating power generation unit II for oxidizing hydrogen.

【0015】本発明に用いる炭化水素系燃料としては、
部分酸化によって一酸化炭素および水素を生成する炭化
水素類であれば使用可能であるが、具体的には、メタ
ン、エタン、プロパン、ブタン、エチレン、プロピレン
等の単独またはこれらの混合物を用いることが好まし
く、なかでもメタンまたはメタンを主成分とする天然ガ
スがより好ましい。 また、これらの燃料は、気体でも
液体でも使用できるが、自動車の燃料源としては液体で
用いることが好ましい。他方、これらの燃料の酸化反応
に用いる酸素としては、空気が好ましいが、その他の酸
素含有物質も使用可能である。
The hydrocarbon fuel used in the present invention includes:
Any hydrocarbon that generates carbon monoxide and hydrogen by partial oxidation can be used.Specifically, it is possible to use methane, ethane, propane, butane, ethylene, propylene, etc. alone or a mixture thereof. Methane or natural gas containing methane as a main component is more preferable. Further, these fuels can be used as gas or liquid, but it is preferable to use liquid as a fuel source for automobiles. On the other hand, air is preferable as oxygen used for the oxidation reaction of these fuels, but other oxygen-containing substances can also be used.

【0016】本発明に用いられる低温作動の発電部Iで
は、メタン等の炭化水素系燃料および空気を導入するこ
とにより発電に伴う燃料の部分酸化反応によって、一酸
化炭素および水素を生成すると同時に、燃料電池反応が
起こるものである。燃料がメタンの場合には、次式のよ
うに、メタン1モルに対して酸素0.5モルの割合で反
応が進行して、一酸化炭素及び水素が生成するように反
応を制御する。 CH+0.5O → CO+2H また、燃料としてその他の炭化水素の場合には、メタン
と同じく、次式のように反応が進行するように制御す
る。 C2n+2+0.5nO → nCO+(n+1)H
この発電部Iにおいて、燃料の電力への変換率は、HH
V基準で20〜25%程度である。
The low-temperature power generation unit I used in the present invention produces carbon monoxide and hydrogen by introducing a hydrocarbon fuel such as methane and air and thereby performing a partial oxidation reaction of the fuel accompanying the power generation. A fuel cell reaction occurs. When the fuel is methane, the reaction is controlled so that the reaction proceeds at a rate of 0.5 mole of oxygen to 1 mole of methane to generate carbon monoxide and hydrogen as shown in the following equation. CH 4 + 0.5O 2 → CO + 2H 2 When other hydrocarbons are used as the fuel, the control is performed so that the reaction proceeds as in the following formula, as in the case of methane. C n H 2n + 2 +0.5 nO 2 → nCO + (n + 1) H
2 In this power generation unit I, the conversion rate of fuel to electric power is HH
It is about 20 to 25% on a V basis.

【0017】発電部Iの作動温度としては、使用する燃
料の種類及び電池の構造等によっても左右されるが、燃
料の部分酸化反応の進行及び発電に好適な温度であっ
て、通常800〜950℃の範囲で行われるが、880
〜920℃が好ましく、900℃程度がより好ましい。
また、発電部Iの固体酸化物電解質としては、従来より
使用されている公知の固体酸化物の中で、900℃程度
の作動温度においてイオン導電性の比較的高いものが使
用可能であり、例えば、イットリア安定化ジルコニア
(YSZ)、希土類添加セリア、ランタンガレート系電
解質等の固体金属酸化物が用いられる。
The operating temperature of the power generation section I depends on the type of fuel to be used, the structure of the battery, and the like, but is a temperature suitable for the progress of the partial oxidation reaction of the fuel and the power generation, and is generally 800 to 950. C., but at 880
To 920 ° C, more preferably about 900 ° C.
As the solid oxide electrolyte of the power generation unit I, among known solid oxides conventionally used, those having relatively high ionic conductivity at an operating temperature of about 900 ° C. can be used. And a solid metal oxide such as yttria-stabilized zirconia (YSZ), rare earth-doped ceria, and lanthanum gallate-based electrolyte.

【0018】本発明においては、固体酸化物電解質とし
て、YSZを用いた場合、空気極としてはランタンマン
ガナイト系ペロブスカイト酸化物を、また、燃料極とし
ては鉄/YSZを用いることが好ましい。一方、希土類
添加セリアまたはランタンガレート系電解質を用いた場
合、空気極としてはランタンコバルタイト系ペロブスカ
イト酸化物を、また、燃料極としては鉄/YSZを用い
ることが好ましい。この鉄/YSZは、炭素の析出に耐
えることができる反面、炭酸ガス及び水の存在に弱いと
いう特性を有している。また、発電部Iの他の材料に
は、燃料の部分酸化及び発電に適するものであれば使用
可能であり、インタ−コネクト材としてはランタンクロ
マイト系ペロブスカイト酸化物等が好ましい。
In the present invention, when YSZ is used as the solid oxide electrolyte, it is preferable to use a lanthanum manganite perovskite oxide as the air electrode and iron / YSZ as the fuel electrode. On the other hand, when a rare earth-added ceria or lanthanum gallate-based electrolyte is used, it is preferable to use a lanthanum cobaltite-based perovskite oxide as the air electrode and iron / YSZ as the fuel electrode. This iron / YSZ has the property of being resistant to carbon dioxide and water, while being able to withstand the precipitation of carbon. In addition, any other material suitable for partial oxidation of fuel and power generation can be used as the other material of the power generation unit I, and a lanthanum chromite perovskite oxide or the like is preferable as the interconnect material.

【0019】次に、高温作動の発電部IIでは、発電部I
で得られた一酸化炭素及び水素は酸化されて、それぞれ
炭酸ガス及び水が生成し、発熱するとともに発電し、ま
たそれに伴ってジュール熱が発生する。この発電部IIで
発生する熱は、発電部Iに回して利用する。この 発電
部IIにおいては、燃料の電力への変換率は、HHV基準
で55〜60%程度である。発電部IIの作動温度として
は、使用する電池の構造等によっても左右されるが、一
酸化炭素と水素の酸化反応が容易に進行するとともに、
発電効率の向上に適する温度であって、通常950〜1
050℃の範囲で行われるが、980〜1020℃が好
ましく、1000℃程度がより好適である。
Next, in the power generation section II operating at high temperature, the power generation section I
The carbon monoxide and hydrogen obtained in step (1) are oxidized to generate carbon dioxide gas and water, respectively, and generate heat, generate power, and generate Joule heat accordingly. The heat generated in the power generation unit II is used by being transferred to the power generation unit I. In this power generation unit II, the conversion rate of fuel to electric power is about 55 to 60% based on HHV. The operating temperature of the power generation unit II depends on the structure of the battery used, but the oxidation reaction of carbon monoxide and hydrogen easily proceeds,
A temperature suitable for improving the power generation efficiency, which is usually 950 to 1
The reaction is performed in the range of 050 ° C, preferably 980 to 1020 ° C, and more preferably about 1000 ° C.

【0020】発電部IIの固体酸化物電解質としては、従
来より使用されている公知の固体酸化物の中で、100
0℃程度でイオン導電性の高いもの等が使用可能である
が、具体的には、イットリア安定化ジルコニア等が好ま
しい。また、発電部IIの材料として、空気極としてはラ
ンタンマンガナイト系ペロブスカイト酸化物を、また、
燃料極としてはニッケル/YSZを用いることが好まし
い。また、発電部IIの他の材料には、一酸化炭素及び水
素燃料の酸化及び発電に適するものであれば使用可能で
あり、インタ−コネクト材としてはランタンマンガナイ
ト系ペロブスカイト酸化物等が好ましい。
As the solid oxide electrolyte of the power generation unit II, 100% of known solid oxides conventionally used are used.
Although a material having high ionic conductivity at about 0 ° C. can be used, specifically, yttria-stabilized zirconia or the like is preferable. As a material of the power generation unit II, a lanthanum manganite-based perovskite oxide is used as an air electrode,
It is preferable to use nickel / YSZ as the fuel electrode. As other materials of the power generation unit II, any material suitable for oxidizing carbon monoxide and hydrogen fuel and generating power can be used, and a lanthanum manganite perovskite oxide or the like is preferable as the interconnect material.

【0021】図4及び図5は、固体酸化物型燃料電池の
主要部の構成の一例を示す概略図である。図4は、発電
部の層構成及びその間を流れる反応原料と発生した電流
の流れる方向を示すものである。また、図5は、発電部
と接続部に用いられる材料と反応材料の流れを示すもの
である。
FIGS. 4 and 5 are schematic views showing an example of the configuration of the main part of the solid oxide fuel cell. FIG. 4 shows the layer configuration of the power generation unit, the reaction raw materials flowing therebetween, and the direction in which the generated current flows. FIG. 5 shows the flow of the material and the reaction material used for the power generation unit and the connection unit.

【0022】本発明では、上記のように、作動温度の異
なる2個の固体酸化物型燃料電池、すなわち、低温作動
の発電部Iと高温作動の発電部IIとを連結して構成され
ている。本発明に使用する材料として、燃料極に異なる
材料を使用することが重要であり、例えば、低温作動の
発電部IにはFe/YSZを、また、高温作動の発電部II
にはNi/YSZを、それぞれ燃料極に用いる。本発明に
おける発電部Iと発電部IIとの連結とは、発電部IIで発
生する熱を発電部Iの熱源として有効に利用できるよう
に結合している構成であれば採用することができるが、
例えば、次のような方式が挙げられる。
In the present invention, as described above, the two solid oxide fuel cells having different operating temperatures, that is, the power generating unit I operating at low temperature and the power generating unit II operating at high temperature are connected. . As the material used in the present invention, it is important to use a different material for the fuel electrode. For example, Fe / YSZ is used for the low-temperature operation power generation unit I, and the high-temperature operation power generation unit II is used.
Use Ni / YSZ for the fuel electrode. The connection between the power generation unit I and the power generation unit II in the present invention can be adopted as long as the heat generated in the power generation unit II is connected so as to be effectively used as a heat source of the power generation unit I. ,
For example, the following method is available.

【0023】i)発電部位を直に連結する方法 同一の固体酸化物電解質(例.YSZ)の円筒型を用い
て、燃料導入側を低温作動の発電部位Iとし、その後方
に高温作動の発電部位IIを配置するものであり、その一
例を図6に示す。 燃料電池の反応の酸化剤として用い
る酸素としては、空気を円筒型電解質の内側を高温作動
の発電部位IIから低温作動の発電部位Iに向かって流す
ようにする。また、発電部位IIで発生する熱は、電解質
等の固体材料内における熱伝導及び空気による輸送によ
り発電部位Iに送られる。このような円筒型を複数集め
てユニットとし、低温発電部位Iと高温発電部位IIとに
おいて別々に集電する。
I) Method of Directly Connecting Power Generation Sites Using the same solid oxide electrolyte (for example, YSZ) cylindrical type, the fuel introduction side is a low temperature operation power generation site I, and behind it is a high temperature operation power generation. The site II is arranged, and one example is shown in FIG. As the oxygen used as the oxidizing agent in the reaction of the fuel cell, air is caused to flow inside the cylindrical electrolyte from the power generating part II operating at high temperature to the power generating part I operating at low temperature. The heat generated in the power generation site II is sent to the power generation site I by heat conduction in a solid material such as an electrolyte and transport by air. A plurality of such cylindrical types are collected into a unit, and power is separately collected in the low-temperature power generation site I and the high-temperature power generation site II.

【0024】ii)低温発電部と高温発電部とをそれぞれ
別にスタック化し、ガスマニュホールドにより連結する
方法 第1段の低温発電用スタックでCO+Hまで酸化させ
て発電を行い、得られた生成ガスを集めて、再び第2段
の高温発電用スタックに導入する。そして、高温発電用
スタックの熱は、スタック間の熱伝導により低温発電用
スタックに移動させる。また、高温発電用スタックの排
出空気は、必要に応じて低温発電用スタックに導入して
熱の供給を行うものであって、その態様を図7に示す。
Ii) A method in which the low-temperature power generation section and the high-temperature power generation section are separately stacked and connected by a gas manifold. The first low-temperature power generation stack oxidizes to CO + H 2 to generate power, and the generated gas is obtained. Are collected and introduced again into the second-stage high-temperature power generation stack. Then, the heat of the high-temperature power generation stack is transferred to the low-temperature power generation stack by heat conduction between the stacks. The discharged air from the high-temperature power generation stack is supplied to the low-temperature power generation stack as necessary to supply heat, and FIG. 7 shows an embodiment thereof.

【0025】本発明の発電方法としては、まず、原料の
炭化水素系燃料と空気とを、予め上記した固体電解質型
燃料電池の排出ガスとそれぞれ熱交換させて加熱する。
なお、燃料電池の起動前には、予め燃料の一部を燃焼さ
せて得られた高温ガスを用いて燃料及び空気を加熱す
る。次に、加熱された燃料は低温発電部に、また加熱さ
れた空気は高温発電部に、それぞれ導入する。低温発電
部では、高温発電部から排出される一部使用後の空気と
燃料の部分酸化反応が起こって発電し、一酸化炭素と水
素を主成分とする燃料生成ガスが放出される。次いで、
低温発電部から排出されたその燃料生成ガスを高温発電
部に燃料として導入して一酸化炭素および水素の酸化反
応により発電させる。その燃料電池と原料の流れとの関
係を図8に示す。
In the power generation method of the present invention, first, the raw material hydrocarbon-based fuel and air are heated by exchanging heat with the exhaust gas of the solid oxide fuel cell in advance.
Before starting the fuel cell, the fuel and the air are heated by using a high-temperature gas obtained by previously burning a part of the fuel. Next, the heated fuel is introduced into the low-temperature power generation section, and the heated air is introduced into the high-temperature power generation section. In the low-temperature power generation unit, a partially oxidized reaction between the partially used air and the fuel discharged from the high-temperature power generation unit occurs to generate power, and a fuel-generating gas mainly composed of carbon monoxide and hydrogen is released. Then
The fuel-producing gas discharged from the low-temperature power generation unit is introduced into the high-temperature power generation unit as fuel, and power is generated by an oxidation reaction of carbon monoxide and hydrogen. FIG. 8 shows the relationship between the fuel cell and the flow of the raw material.

【0026】本発明においては、低温発電部(発電部
I)と高温発電部(発電部II)を合わせると、メタン燃
料の場合には、全体として次の反応が進行することにな
る。 CH + 2O = CO + HO 上記の反応は、メタンの直接酸化反応に対応するもので
ある。この反応の発電効率(理論値)は、800℃では
99.9%であり、1000℃では99.7%に達し、
従来型の固体酸化物型燃料電池よりも遙かに高い効率で
発電させることが可能である。
In the present invention, when the low-temperature power generation section (power generation section I) and the high-temperature power generation section (power generation section II) are combined, the following reaction proceeds as a whole in the case of methane fuel. CH 4 + 2O 2 = CO 2 + H 2 O The above reaction corresponds to the direct oxidation reaction of methane. The power generation efficiency (theoretical value) of this reaction is 99.9% at 800 ° C., and reaches 99.7% at 1000 ° C.
It is possible to generate power with much higher efficiency than a conventional solid oxide fuel cell.

【0027】本発明の二温制御連結式固体酸化物型燃料
電池は、外部からの熱の供給を必要としないため、外部
加熱装置や燃料の改質装置及び変成装置等が不要とな
り、小型で、可搬型並びに静置型の固体酸化物型燃料電
池である。また、本発明では、高温作動の固体酸化物型
燃料電池内における一酸化炭素と水素の酸化反応で放出
される熱が、低温作動の固体酸化物型燃料電池内に供給
される炭化水素燃料の部分酸化反応を促進させることに
より、外部から加熱しなくても、熱効率の高い燃料電池
の運転方法を達成することができる。
The dual temperature controlled solid oxide fuel cell of the present invention does not require external heat supply, and therefore does not require an external heating device, a fuel reforming device, a shift device, and the like. , Portable and stationary solid oxide fuel cells. Further, in the present invention, the heat released by the oxidation reaction between carbon monoxide and hydrogen in the solid oxide fuel cell operating at a high temperature generates the heat of the hydrocarbon fuel supplied into the solid oxide fuel cell operating at a low temperature. By promoting the partial oxidation reaction, a fuel cell operation method with high thermal efficiency can be achieved without external heating.

【0028】したがって、本発明においては、2次電池
と本発明の二温制御連結式固体酸化物型燃料電池とを自
動車に搭載させることにより、その駆動エネルギーを燃
料電池で供給するとともに、発車時の高出力は燃料電池
と2次電池の両者で受け持つことができ、停車時の車の
運動エネルギーは回生ブレーキ等を用いて2次電池に回
収する等により作動可能である。また、燃料処理用の周
辺装置がないため、小型で軽量であるという利点があ
り、バス、トラック、タクシー等の業務用乗用車等の液
体燃料を積載する自動車に有用である。
Therefore, in the present invention, by mounting the secondary battery and the dual-temperature controlled solid oxide fuel cell of the present invention on an automobile, the driving energy thereof is supplied by the fuel cell, and at the time of departure. The high output can be handled by both the fuel cell and the secondary battery, and the kinetic energy of the vehicle when the vehicle is stopped can be operated by recovering the kinetic energy to the secondary battery using a regenerative brake or the like. Further, since there is no peripheral device for fuel treatment, there is an advantage that it is small and lightweight, and it is useful for automobiles loaded with liquid fuel such as buses, trucks, taxis and other commercial passenger cars.

【0029】[0029]

【発明の効果】本発明によれば、炭化水素系燃料を用い
る固体酸化物型燃料電池を従来型よりも高い運転効率で
運転することが可能である。また、本発明の固体酸化物
型燃料電池は、従来型において設けられていた外部加熱
装置や燃料の改質装置を必要としないため、固体酸化物
型燃料電池の周辺装置の構造を単純化でき、小型で軽量
のものを経済的に作製することができる。さらに、本発
明では、小型で軽量であるが高効率であり、可搬型並び
に静置型の固体酸化物型燃料電池が得られるため、自動
車などの動力源として搭載可能であり、また、効率の高
いコジェネレイションシステムを構成することも可能で
ある。
According to the present invention, it is possible to operate a solid oxide fuel cell using a hydrocarbon-based fuel with higher operation efficiency than the conventional type. Further, the solid oxide fuel cell of the present invention does not require an external heating device or a fuel reforming device provided in the conventional type, so that the structure of peripheral devices of the solid oxide fuel cell can be simplified. In addition, a small and lightweight product can be economically manufactured. Further, according to the present invention, a compact and lightweight but high efficiency is obtained, and a portable and stationary solid oxide fuel cell can be obtained. It is also possible to configure a cogeneration system.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】燃料の電気化学反応を2段階で行ったときの反
応温度と効率との関係を示すグラフである。
FIG. 1 is a graph showing the relationship between reaction temperature and efficiency when a fuel electrochemical reaction is performed in two stages.

【図2】本発明の固体酸化物型燃料電池におけるエネル
ギーの流れを示す概念図である。
FIG. 2 is a conceptual diagram showing a flow of energy in the solid oxide fuel cell of the present invention.

【図3】本発明の固体酸化物型燃料電池における熱の移
動及び物質移動の一例を示す概略図である。
FIG. 3 is a schematic diagram showing an example of heat transfer and mass transfer in the solid oxide fuel cell of the present invention.

【図4】固体酸化物型燃料電池の主要部の層構成の一例
を示す概略図である。
FIG. 4 is a schematic diagram showing an example of a layer configuration of a main part of a solid oxide fuel cell.

【図5】固体酸化物型燃料電池の主要部である発電部と
接続部に用いられる材料と反応材料の流れの一例を示す
概略図である。
FIG. 5 is a schematic diagram illustrating an example of a flow of a material and a reaction material used for a power generation unit and a connection unit, which are main parts of a solid oxide fuel cell.

【図6】本発明における固体酸化物型燃料電池の一例の
構造を示す概略図である。
FIG. 6 is a schematic view showing a structure of an example of a solid oxide fuel cell according to the present invention.

【図7】本発明における固体酸化物型燃料電池の他の一
例の構造を示す概略図である。
FIG. 7 is a schematic view showing the structure of another example of the solid oxide fuel cell according to the present invention.

【図8】本発明の固体酸化物型燃料電池と原料の流れと
の関係を示す概念図である。
FIG. 8 is a conceptual diagram showing the relationship between the solid oxide fuel cell of the present invention and the flow of raw materials.

フロントページの続き (72)発明者 酒井 夏子 茨城県つくば市東1丁目1番 工業技術 院物質工学工業技術研究所内 (72)発明者 根岸 秀之 茨城県つくば市東1丁目1番 工業技術 院物質工学工業技術研究所内 (56)参考文献 特開 昭63−91968(JP,A) 特開 平8−17453(JP,A) 特開 平8−31423(JP,A) 特開 平4−286867(JP,A) 米国特許5712055(US,A) (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) H01M 8/00 - 8/24 B60L 11/18 Continued on the front page (72) Inventor Natsuko Sakai 1-1-1, Higashi, Tsukuba, Ibaraki Pref., National Institute of Industrial Science and Technology (72) Inventor Hideyuki Negishi 1-1-1, Higashi, Tsukuba, Ibaraki Pref. In the laboratory (56) References JP-A-63-91968 (JP, A) JP-A-8-17453 (JP, A) JP-A-8-31423 (JP, A) JP-A-4-286867 (JP, A) US Patent 5712055 (US, A) (58) Fields investigated (Int. Cl. 7 , DB name) H01M 8/00-8/24 B60L 11/18

Claims (5)

(57)【特許請求の範囲】(57) [Claims] 【請求項1】 炭化水素系燃料の部分酸化反応および発
電を行う低温作動の固体酸化物型燃料電池と該燃料電池
の反応系から流出する一酸化酸素および水素を主成分と
する反応生成ガスを燃料として酸化反応を行って発電さ
せる高温作動の固体酸化物型燃料電池を連結させて設け
たことを特徴とする二温制御連結式固体酸化物型燃料電
池。
1. A partial oxidation reaction and generation of a hydrocarbon fuel.
Solid oxide fuel cell and the fuel cell of the low-temperature operation performing photoelectric
With oxygen monoxide and hydrogen flowing out of the reaction system
Generated by the oxidation reaction using the reaction product gas
A dual temperature controlled solid oxide fuel cell comprising a high temperature operating solid oxide fuel cell connected to the fuel cell.
【請求項2】 低温作動の固体酸化物型燃料電池により
炭化水素系燃料の部分酸化反応および発電を行った後、
該反応系から流出する一酸化酸素および水素を主成分と
する反応生成ガスを燃料として、高温作動の固体酸化物
型燃料電池により酸化反応を行って発電させることを特
徴とする二温制御連結式固体酸化物型燃料電池を用いる
発電方法。
2. After performing a partial oxidation reaction of hydrocarbon fuel and power generation by a solid oxide fuel cell operating at low temperature,
A dual temperature control connection type wherein electricity is generated by performing an oxidation reaction with a solid oxide fuel cell operating at a high temperature using a reaction product gas mainly containing oxygen monoxide and hydrogen flowing out of the reaction system as a fuel. A power generation method using a solid oxide fuel cell.
【請求項3】 炭化水素系燃料が、メタンまたはメタン
を主成分とする天然ガスであることを特徴とする請求項
2に記載の二温制御連結式固体酸化物型燃料電池を用い
る発電方法。
3. The method according to claim 2, wherein the hydrocarbon-based fuel is methane or natural gas containing methane as a main component.
【請求項4】 高温作動の固体酸化物型燃料電池で発生
した熱を、低温作動の固体酸化物型燃料電池における部
分酸化反応および発電に用いることを特徴とする請求項
2または3に記載の二温制御連結式固体酸化物型燃料電
池を用いる発電方法。
4. The method according to claim 2, wherein heat generated in the solid oxide fuel cell operated at a high temperature is used for a partial oxidation reaction and power generation in the solid oxide fuel cell operated at a low temperature. A power generation method using a dual temperature controlled solid oxide fuel cell.
【請求項5】 請求項1に記載の二温制御連結式固体酸
化物型燃料電池を動力源電池として装填したことを特徴
とする自動車。
5. An automobile equipped with the dual temperature controlled solid oxide fuel cell according to claim 1 as a power source battery.
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