JP3932263B2 - 燃料改質機構を備えた固体酸化物形燃料電池 - Google Patents
燃料改質機構を備えた固体酸化物形燃料電池 Download PDFInfo
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料改質機構を備えた固体酸化物形燃料電池、さらに詳細には固体酸化物形燃料電池用改質機構に関するものであり、特に発電装置との組み合わせに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
酸化物を電解質に持つ固体酸化物形燃料電池（以下：ＳＯＦＣ）では、効率を左右するイオン伝導度を充分確保するため、動作温度が高温である。加えて、水の電気分解と逆の反応で発電するため、発熱反応になっており、且つ発電時にジュール熱が発生する。そのため、ＳＯＦＣでは、発電の際、豊富な熱エネルギーが余剰になっている。
【０００３】
高効率のエネルギー変換効率のためには、この高温の熱エネルギーを電気エネルギーに変換することが有効であり、加圧型のＳＯＦＣとガスタービンを組み合わせたコンバインドシステムが考案されている。
【０００４】
また、熱エネルギーを直接利用することで効率を高くしたコジェネレーションシステムが考えられている。
【０００５】
一方、燃料電池の燃料としては、水素以外に炭化水素ガスが有望である。炭化水素ガスを燃料電池に適用する場合、通常、水を加熱した水蒸気改質と呼ばれる吸熱反応である触媒反応によって炭化水素ガスを水素に変換し、燃料電池に供給する改質装置が必要である。しかしながら、ＳＯＦＣでは高温で動作するため、所謂、内部改質が可能になっている。また、水蒸気改質の他に、水蒸気を全く用いない部分酸化と呼ばれる方法も考えられている。部分酸化反応には酸素ポンプが必要である。この酸素ポンプの役割をＳＯＦＣにあてたものが部分酸化型固体酸化物形燃料電池（以下：ＰＯＳＯＦＣ）と呼ばれる。
【０００６】
ＰＯＳＯＦＣは、炭化水素燃料を用いて、例えば、メタンと酸素イオンによる反応
ＣＨ４＋Ｏ２−⇒ＣＯ＋２Ｈ２＋２ｅ （１）
によって、電気を発生するとともに燃料電池の燃料である水素を発生することを特徴とする。
【０００７】
反応熱を考慮すると、ＳＯＦＣの余剰熱を熱源として部分酸化反応に必要な熱にすることが可能なため、ＰＯＳＯＦＣはＳＯＦＣの余剰熱の有効的な利用法である。よって、高効率が期待される。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
改質装置からＳＯＦＣに燃料を供給する場合、高温のまま燃料を供給することが重要である。また、改質装置から反応生成ガスである水素を効率よく取り出すことによって、改質反応を促進させることが可能になる。そのため、生成ガスの取り出しの効率化が課題となる。
【０００９】
一方、ＰＯＳＯＦＣとＳＯＦＣの組み合わせによる高効率化には、ＳＯＦＣからＰＯＳＯＦＣへの効率の良い熱エネルギー輸送やＰＯＳＯＦＣの反応ガス、即ちＳＯＦＣの燃料である水素や一酸化炭素を効率よく輸送することが課題になる。
【００１０】
また、水蒸気改質より高い効率を生ずるためには、ＰＯＳＯＦＣの作動電圧をＳＯＦＣの作動電圧より高くすることが求められているが（参考文献：横尾等、第１０回ＳＯＦＣ研究発表会講演要旨集、Ｐ１）、そのためにはＰＯＳＯＦＣの燃料雰囲気が炭化水素燃料リッチになっていなければならないという課題がある。
【００１１】
本発明は、固体酸化物形燃料電池の熱エネルギーを効率よく改質機構に利用し、且つ改質機構の効率向上の手段を提供することを目的とする。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
本発明は上記課題を鑑みてなされたものである。したがって、本発明による燃料改質機構を備えた固体酸化物形燃料電池は、空気極と燃料極とを固体酸化物電解質を介して設けた固体酸化物形燃料電池セルおよび同様に空気極と燃料極とを固体酸化物電解質を介して設けた部分酸化型固体酸化物形燃料電池セルの燃料極と前記固体酸化物形燃料電池セルの燃料極とを多孔質接続材を介して設け、かつ改質すべき部分酸化型固体酸化物形燃料電池セルの燃料ガスを前記多孔質接続材より導入することを特徴とする。
【００１３】
高温部と低温部のように温度差がつくよう一対の器壁がある場合、反応生成物のうち、分子量の大きい（重い）分子は低温部に、軽い分子は高温部に拡散していくという熱拡散が起きる。本発明は、この現象を積極的に利用して、メタン（炭化水素ガス）と水素を効率よく移送する。特に、高温部を上部に位置付けることによって、軽い水素はＳＯＦＣに良く拡散していく。
【００１４】
また、ＰＯＳＯＦＣセルの生成ガス排出方向を上部方向にし、且つ多孔質接続材の多孔度を傾斜させる（多孔度を徐々に小さくする）ことによって、拡散の効果を増強する。また、バイポーラ接続することによって、熱エネルギーの効率の良い輸送を実現できる。
【００１５】
【実施例】
以下、図面を参照して本発明の実施例を詳細に説明する。
【００１６】
【実施例１】
図１は本発明の改質機構を備えた固体酸化物形燃料電池を説明する図であって、１はＳＯＦＣセルであり、２はＰＯＳＯＦＣセルであって、１のＳＯＦＣセルの燃料（水素）を供給する。３は多孔質接続材であって、例えばニッケルフェルトなどが考えられる。
【００１７】
前記ＳＯＦＣセル１は、空気極５と固体酸化物電解質６を介して接続する燃料極７を有しており、一方ＰＯＳＯＦＣセル２も空気極５’と固体酸化物電解質６’を介して接続する燃料極７’を備えた構造になっている。
【００１８】
本発明においては、前記ＳＯＦＣセル１とＰＯＳＯＦＣセル２の燃料極７，７’が多孔質接続材３を介して対向するように配置し、ＳＯＦＣセル１とＰＯＳＯＦＣセル２がバイポーラ接続される。前記多孔質接続材３は前記ＳＯＦＣセル１の方向（上部方向）に向かって多孔度が小さくなるように配置してある。このため水素より重いメタンが前記ＳＯＦＣセル１の方向（上部方向）に拡散しにくいようになっている。
【００１９】
また、前記多孔質接続材３には電流の取り出し線を付随させることにより、電流取出しにも使用することができる。
【００２０】
４はＰＯＳＯＦＣセル２の燃料ガス（改質されるガス）であって、炭化水素ガスである。炭化水素ガスは前記多孔質接続材３の流路もしくは合金パイプにより、前記多孔質接続材３のｘ方向の中央部で２のＰＯＳＯＦＣに近いところ（ｙ方向で前記多孔質接続材３の下半分より下方）より導入される。
【００２１】
前記ＳＯＦＣセル１及びＰＯＳＯＦＣセル２の空気極５、５’には集電帯が付随しており、電気の取り出しに用いられる。
【００２２】
このように構成される本発明の改質機構を備えた固体酸化物形燃料電池にインターコネクタを設置すれば、複数の改質機構を備えた固体酸化物形燃料電池を接続することができ、スタック化も可能となる。
【００２３】
前記多孔質接続材３にＰＯＳＯＦＣセル２の燃料ガス４を導入すると、燃料ガスの炭化水素ガスは、ＰＯＳＯＦＣセル２において、前記式（１）に基づき、水素と炭酸ガスを発生するるとともに、発電を行う。このとき必要な熱はＳＯＦＣセル１の余剰の熱より供給される。
【００２４】
このとき、前述のように分子量の大きい分子は低温部に、分子量の小さな分子は高温部に拡散していくため、水素より重い炭化水素ガスは、低温のＰＯＳＯＦＣセル２方向へ、一方軽い水素ガスはＳＯＦＣセル１方向に拡散していく。すなわち前記式（１）の反応より発生した水素は、多孔質接続材３の多孔に導かれて上方に拡散し、ＳＯＦＣセル１の燃料極７に到達して、水素ガスが酸素と化合して発電を行うことになる。このとき、ＳＯＦＣセル１をＰＯＳＯＦＣセル２の上部に設けることにより、軽い水素は効率的に上方（ＳＯＦＣセル１）に拡散する。さらに多孔質接続材３の多孔度は上部に行くほど小さくなっているため、炭化水素ガスの上方への拡散が防止され、その結果、上方への水素の拡散効率が良好となる。
【００２５】
さらに、多孔質接続材３の下部よりＰＯＳＯＦＣセル２の燃料ガスを導入することによって、前記燃料ガスをＰＯＳＯＦＣセル２の燃料極７’に良好に接触することができる。
【００２６】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明による改質機構を備えた固体酸化物形燃料電池によれば、ＳＯＦＣセルおよび燃料極とＰＯＳＯＦＣセルの燃料極とを多孔質接続材を介して設け、かつ改質すべきＰＯＳＯＦＣセルの燃料ガスを前記多孔質接続材より導入することにより、ＳＯＦＣセルの余剰の熱を利用してＰＯＳＯＦＣセルの発電及び燃料ガスの改質を行い、かつ多孔質接続材により、改質により発生した水素をＳＯＦＣセルに効率的に移送することが可能であるため、熱エネルギーの効率のよい利用と、改質効率の向上を達成できるという利点がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の改質機構を備えた固体酸化物形燃料電池を説明する図。
【符号の説明】
１ ＳＯＦＣ
２ ＰＯＳＯＦＣ
３ 多孔質接続材
４ 炭化水素ガス
５ 空気極
６ 固体酸化物電解質
７ 燃料極
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料改質機構を備えた固体酸化物形燃料電池、さらに詳細には固体酸化物形燃料電池用改質機構に関するものであり、特に発電装置との組み合わせに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
酸化物を電解質に持つ固体酸化物形燃料電池（以下：ＳＯＦＣ）では、効率を左右するイオン伝導度を充分確保するため、動作温度が高温である。加えて、水の電気分解と逆の反応で発電するため、発熱反応になっており、且つ発電時にジュール熱が発生する。そのため、ＳＯＦＣでは、発電の際、豊富な熱エネルギーが余剰になっている。
【０００３】
高効率のエネルギー変換効率のためには、この高温の熱エネルギーを電気エネルギーに変換することが有効であり、加圧型のＳＯＦＣとガスタービンを組み合わせたコンバインドシステムが考案されている。
【０００４】
また、熱エネルギーを直接利用することで効率を高くしたコジェネレーションシステムが考えられている。
【０００５】
一方、燃料電池の燃料としては、水素以外に炭化水素ガスが有望である。炭化水素ガスを燃料電池に適用する場合、通常、水を加熱した水蒸気改質と呼ばれる吸熱反応である触媒反応によって炭化水素ガスを水素に変換し、燃料電池に供給する改質装置が必要である。しかしながら、ＳＯＦＣでは高温で動作するため、所謂、内部改質が可能になっている。また、水蒸気改質の他に、水蒸気を全く用いない部分酸化と呼ばれる方法も考えられている。部分酸化反応には酸素ポンプが必要である。この酸素ポンプの役割をＳＯＦＣにあてたものが部分酸化型固体酸化物形燃料電池（以下：ＰＯＳＯＦＣ）と呼ばれる。
【０００６】
ＰＯＳＯＦＣは、炭化水素燃料を用いて、例えば、メタンと酸素イオンによる反応
ＣＨ４＋Ｏ２−⇒ＣＯ＋２Ｈ２＋２ｅ （１）
によって、電気を発生するとともに燃料電池の燃料である水素を発生することを特徴とする。
【０００７】
反応熱を考慮すると、ＳＯＦＣの余剰熱を熱源として部分酸化反応に必要な熱にすることが可能なため、ＰＯＳＯＦＣはＳＯＦＣの余剰熱の有効的な利用法である。よって、高効率が期待される。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
改質装置からＳＯＦＣに燃料を供給する場合、高温のまま燃料を供給することが重要である。また、改質装置から反応生成ガスである水素を効率よく取り出すことによって、改質反応を促進させることが可能になる。そのため、生成ガスの取り出しの効率化が課題となる。
【０００９】
一方、ＰＯＳＯＦＣとＳＯＦＣの組み合わせによる高効率化には、ＳＯＦＣからＰＯＳＯＦＣへの効率の良い熱エネルギー輸送やＰＯＳＯＦＣの反応ガス、即ちＳＯＦＣの燃料である水素や一酸化炭素を効率よく輸送することが課題になる。
【００１０】
また、水蒸気改質より高い効率を生ずるためには、ＰＯＳＯＦＣの作動電圧をＳＯＦＣの作動電圧より高くすることが求められているが（参考文献：横尾等、第１０回ＳＯＦＣ研究発表会講演要旨集、Ｐ１）、そのためにはＰＯＳＯＦＣの燃料雰囲気が炭化水素燃料リッチになっていなければならないという課題がある。
【００１１】
本発明は、固体酸化物形燃料電池の熱エネルギーを効率よく改質機構に利用し、且つ改質機構の効率向上の手段を提供することを目的とする。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
本発明は上記課題を鑑みてなされたものである。したがって、本発明による燃料改質機構を備えた固体酸化物形燃料電池は、空気極と燃料極とを固体酸化物電解質を介して設けた固体酸化物形燃料電池セルおよび同様に空気極と燃料極とを固体酸化物電解質を介して設けた部分酸化型固体酸化物形燃料電池セルの燃料極と前記固体酸化物形燃料電池セルの燃料極とを多孔質接続材を介して設け、かつ改質すべき部分酸化型固体酸化物形燃料電池セルの燃料ガスを前記多孔質接続材より導入することを特徴とする。
【００１３】
高温部と低温部のように温度差がつくよう一対の器壁がある場合、反応生成物のうち、分子量の大きい（重い）分子は低温部に、軽い分子は高温部に拡散していくという熱拡散が起きる。本発明は、この現象を積極的に利用して、メタン（炭化水素ガス）と水素を効率よく移送する。特に、高温部を上部に位置付けることによって、軽い水素はＳＯＦＣに良く拡散していく。
【００１４】
また、ＰＯＳＯＦＣセルの生成ガス排出方向を上部方向にし、且つ多孔質接続材の多孔度を傾斜させる（多孔度を徐々に小さくする）ことによって、拡散の効果を増強する。また、バイポーラ接続することによって、熱エネルギーの効率の良い輸送を実現できる。
【００１５】
【実施例】
以下、図面を参照して本発明の実施例を詳細に説明する。
【００１６】
【実施例１】
図１は本発明の改質機構を備えた固体酸化物形燃料電池を説明する図であって、１はＳＯＦＣセルであり、２はＰＯＳＯＦＣセルであって、１のＳＯＦＣセルの燃料（水素）を供給する。３は多孔質接続材であって、例えばニッケルフェルトなどが考えられる。
【００１７】
前記ＳＯＦＣセル１は、空気極５と固体酸化物電解質６を介して接続する燃料極７を有しており、一方ＰＯＳＯＦＣセル２も空気極５’と固体酸化物電解質６’を介して接続する燃料極７’を備えた構造になっている。
【００１８】
本発明においては、前記ＳＯＦＣセル１とＰＯＳＯＦＣセル２の燃料極７，７’が多孔質接続材３を介して対向するように配置し、ＳＯＦＣセル１とＰＯＳＯＦＣセル２がバイポーラ接続される。前記多孔質接続材３は前記ＳＯＦＣセル１の方向（上部方向）に向かって多孔度が小さくなるように配置してある。このため水素より重いメタンが前記ＳＯＦＣセル１の方向（上部方向）に拡散しにくいようになっている。
【００１９】
また、前記多孔質接続材３には電流の取り出し線を付随させることにより、電流取出しにも使用することができる。
【００２０】
４はＰＯＳＯＦＣセル２の燃料ガス（改質されるガス）であって、炭化水素ガスである。炭化水素ガスは前記多孔質接続材３の流路もしくは合金パイプにより、前記多孔質接続材３のｘ方向の中央部で２のＰＯＳＯＦＣに近いところ（ｙ方向で前記多孔質接続材３の下半分より下方）より導入される。
【００２１】
前記ＳＯＦＣセル１及びＰＯＳＯＦＣセル２の空気極５、５’には集電帯が付随しており、電気の取り出しに用いられる。
【００２２】
このように構成される本発明の改質機構を備えた固体酸化物形燃料電池にインターコネクタを設置すれば、複数の改質機構を備えた固体酸化物形燃料電池を接続することができ、スタック化も可能となる。
【００２３】
前記多孔質接続材３にＰＯＳＯＦＣセル２の燃料ガス４を導入すると、燃料ガスの炭化水素ガスは、ＰＯＳＯＦＣセル２において、前記式（１）に基づき、水素と炭酸ガスを発生するるとともに、発電を行う。このとき必要な熱はＳＯＦＣセル１の余剰の熱より供給される。
【００２４】
このとき、前述のように分子量の大きい分子は低温部に、分子量の小さな分子は高温部に拡散していくため、水素より重い炭化水素ガスは、低温のＰＯＳＯＦＣセル２方向へ、一方軽い水素ガスはＳＯＦＣセル１方向に拡散していく。すなわち前記式（１）の反応より発生した水素は、多孔質接続材３の多孔に導かれて上方に拡散し、ＳＯＦＣセル１の燃料極７に到達して、水素ガスが酸素と化合して発電を行うことになる。このとき、ＳＯＦＣセル１をＰＯＳＯＦＣセル２の上部に設けることにより、軽い水素は効率的に上方（ＳＯＦＣセル１）に拡散する。さらに多孔質接続材３の多孔度は上部に行くほど小さくなっているため、炭化水素ガスの上方への拡散が防止され、その結果、上方への水素の拡散効率が良好となる。
【００２５】
さらに、多孔質接続材３の下部よりＰＯＳＯＦＣセル２の燃料ガスを導入することによって、前記燃料ガスをＰＯＳＯＦＣセル２の燃料極７’に良好に接触することができる。
【００２６】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明による改質機構を備えた固体酸化物形燃料電池によれば、ＳＯＦＣセルおよび燃料極とＰＯＳＯＦＣセルの燃料極とを多孔質接続材を介して設け、かつ改質すべきＰＯＳＯＦＣセルの燃料ガスを前記多孔質接続材より導入することにより、ＳＯＦＣセルの余剰の熱を利用してＰＯＳＯＦＣセルの発電及び燃料ガスの改質を行い、かつ多孔質接続材により、改質により発生した水素をＳＯＦＣセルに効率的に移送することが可能であるため、熱エネルギーの効率のよい利用と、改質効率の向上を達成できるという利点がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の改質機構を備えた固体酸化物形燃料電池を説明する図。
【符号の説明】
１ ＳＯＦＣ
２ ＰＯＳＯＦＣ
３ 多孔質接続材
４ 炭化水素ガス
５ 空気極
６ 固体酸化物電解質
７ 燃料極
Claims (5)
- 空気極と燃料極とを固体酸化物電解質を介して設けた固体酸化物形燃料電池セルおよび同様に空気極と燃料極とを固体酸化物電解質を介して設けた部分酸化型固体酸化物形燃料電池セルの燃料極と前記固体酸化物形燃料電池セルの燃料極とを多孔質接続材を介して設け、かつ改質すべき部分酸化型固体酸化物形燃料電池セルの燃料ガスを前記多孔質接続材より導入することを特徴とする燃料改質機構を備えた固体酸化物形燃料電池。
- 前記固体酸化物形燃料電池セルと部分酸化型固体酸化物形燃料電池セルを前記多孔質接続材を介して上下方向に接続したとき、前記固体酸化物形燃料電池セルを上部に配することを特徴とする請求項１記載の燃料改質機構を備えた固体酸化物形燃料電池。
- 前記多孔質接続材は固体酸化物形燃料電池セル側方向に向かってその多孔度が小さくなっていくことを特徴とする請求項１または２記載の燃料改質機構を備えた固体酸化物形燃料電池。
- 前記改質すべき部分酸化型固体酸化物形燃料電池セルの燃料ガスは前記多孔質接続材の部分酸化型固体酸化物形燃料電池セル側に導入されることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項記載の燃料改質機構を備えた固体酸化物形燃料電池。
- 前記改質すべき部分酸化型固体酸化物形燃料電池セルの燃料ガスは炭化水素ガスであることを特徴とする請求項１から４のいずれか１項記載の燃料改質機構を備えた固体酸化物形燃料電池。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2002117206A JP3932263B2 (ja) | 2002-04-19 | 2002-04-19 | 燃料改質機構を備えた固体酸化物形燃料電池 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2002117206A JP3932263B2 (ja) | 2002-04-19 | 2002-04-19 | 燃料改質機構を備えた固体酸化物形燃料電池 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2003317746A JP2003317746A (ja) | 2003-11-07 |
| JP3932263B2 true JP3932263B2 (ja) | 2007-06-20 |
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ID=29534487
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2002117206A Expired - Lifetime JP3932263B2 (ja) | 2002-04-19 | 2002-04-19 | 燃料改質機構を備えた固体酸化物形燃料電池 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP3932263B2 (ja) |
Families Citing this family (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP5826092B2 (ja) * | 2012-03-30 | 2015-12-02 | 株式会社日本触媒 | 固体酸化物形燃料電池 |
-
2002
- 2002-04-19 JP JP2002117206A patent/JP3932263B2/ja not_active Expired - Lifetime
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JP2003317746A (ja) | 2003-11-07 |
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