JP3961321B2 - 混合ガス型固体酸化物燃料電池の混合ガス供給方法およびその装置 - Google Patents
混合ガス型固体酸化物燃料電池の混合ガス供給方法およびその装置Info
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- Y02E60/50—Fuel cells
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- Fuel Cell (AREA)
- Inert Electrodes (AREA)
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、混合ガス型固体酸化物燃料電池の混合ガス供給方法およびその装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、このような分野の技術としては、以下に示すようなものがあった。
【０００３】
混合ガス型の固体酸化物型燃料電池は、正極および負極に燃料と空気よりなる同一混合ガスを供給するようにしている。
【０００４】
図３は混合ガス型の固体酸化物型燃料電池の機能を示す模式図である。
【０００５】
この図において、１０１は正極、１０２は固体イオン伝導性酸化物からなる電解質、１０３は負極、１０４は正極１０１で反応するＯ2 、１０５は負極１０３で反応するＨ2 、１０６は外部回路、１０７はその外部回路に接続される負荷である。
【０００６】
そこで、正極１０１では空気中の酸素Ｏ2 が電子を受け取り、酸素イオンとなり、この酸素イオンは正極１０１から電解質１０２に入り拡散する。したがって、電解質１０２中の酸素イオンは正極１０１から負極１０３へと移動する。負極１０３では酸素イオンとＨ2 が反応して電子を取り出す。この電子は、外部回路１０６を通って正極１０１へと流れ、外部回路１０６の途中にある負荷１０７で仕事をする。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、正極側に供給された燃料は反応することなく捨てられることになる。燃料の利用効率を向上させるには、混合ガスを負極に流した後に正極に流すか、あるいは正極に流した後に負極に流すかが考えられるが、どちらがより有効か分かっていなかった。
【０００８】
そこで、本発明は、これらの問題点を解決するためになされたものであり、正極と負極の両極に同一混合ガスを流して、起電・発電した場合に生じる正極の著しい損傷が回避されるとともに、燃料の利用効率の向上を図り得る混合ガス型固体酸化物燃料電池の混合ガス供給方法およびその装置を提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記目的を達成するために、
〔１〕混合ガス型固体酸化物燃料電池の混合ガス供給方法において、燃料と空気の混合ガスを正極に流し、その後、その正極で反応した混合ガスを負極に流すことを特徴とする。
【００１０】
〔２〕混合ガス型固体酸化物燃料電池の混合ガス供給装置において、燃料と空気の混合ガスを正極に供給する第１のガス供給手段と、この第１のガス供給手段で反応した混合ガスを負極に供給する第２のガス供給手段とを具備することを特徴とする。
【００１１】
〔３〕混合ガス型固体酸化物燃料電池の混合ガス供給装置において、内部に燃料と空気の混合ガスを流す第１の流路が形成される円筒状の正極と、この円筒状の正極の外周部に形成される固体イオン伝導性酸化物からなる円筒状の電解質と、この円筒状の電解質の外周部に形成される円筒状の負極と、この円筒状の負極の表面に前記正極で反応した後の混合ガスを供給する空間が画定される円筒状のカバーを有する第２の流路とを具備することを特徴とする。
【００１２】
〔４〕上記〔２〕又は〔３〕記載の混合ガス型固体酸化物燃料電池の混合ガス供給装置において、前記正極は、希土類元素系複合酸化物電極からなることを特徴とする。
【００１３】
〔５〕上記〔４〕記載の混合ガス型固体酸化物燃料電池の混合ガス供給装置において、前記希土類元素系複合酸化物電極がＳｍ x Ｓｒ 1-x ＣｏＯ 3 （ｘ：０．３〜０．７）電極からなることを特徴とする。
【００１４】
〔６〕上記〔２〕又は〔３〕記載の混合ガス型固体酸化物燃料電池の混合ガス供給装置において、前記負極は、サマリウムもしくはガドリニウムの少なくとも一つを１０モル％〜３０モル％ドープしたセリアを仕込み重量で５重量％〜３０重量％と残部酸化ニッケルからなる材料を混合調整したサーメット電極であることを特徴とする。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について図を参照しながら説明する。
【００１６】
図１は本発明の第１実施例を示す混合ガス型固体酸化物燃料電池の混合ガス供給方法を示す模式図、図２はその混合ガス型固体酸化物燃料電池の構造を示す構成図であり、図２（ａ）はその外観斜視図、図２（ｂ）はその図２（ａ）のＡ−Ａ線断面図である。
【００１７】
これらの図において、１は燃料と空気の混合ガス、２はその燃料と空気の混合ガス１が供給される第１の流路、３はその第１の流路を画定する円筒状の正極、４はその円筒状の正極３の外周部に形成される固体イオン伝導性酸化物からなる円筒状の電解質、５はその円筒状の電解質４の外周部に形成される円筒状の負極、６は第２の流路、７はその第２の流路６を画定する円筒状のカバー、８はその第２の流路６に供給される、第１の流路２で反応した後の混合ガス、９は燃料電池の外部回路、１０はその外部回路９に接続される負荷である。
【００１８】
そこで、この実施例では、第１の流路２に、まず、燃料と空気の混合ガス１が供給されて、円筒状の正極３で十分なる反応（正極３上では空気中の酸素のみが反応）が行われる。次いで、そこで反応した混合ガス８は、円筒状の負極５で十分に反応した後に排出される。
【００１９】
上記した固体酸化物型燃料電池の構成例としては、サマリウムもしくはガドリニウムの少なくとも一つを１０モル％〜３０モル％ドープしたセリアを仕込み重量で５重量％〜３０重量％と残部酸化ニッケルからなる材料を混合調整したサーメット電極からなる負極と、Ｓｍ0.5 Ｓｒ0.5 ＣｏＯ3 電極からなる正極と、セリア系固体電解質からなり、Ｓｍ0.5 Ｓｒ0.5 ＣｏＯ3 電極（正極）に燃料と空気よりなる混合ガスを流し、その後、サーメット電極（負極）に誘導する。
【００２０】
すなわち、前記正極は、Ｓｍ0.5 Ｓｒ0.5 ＣｏＯ3 電極からなり、前記負極は、サマリウムもしくはガドリニウムの少なくとも一つを１０モル％〜３０モル％ドープしたセリアを仕込み重量で５重量％〜３０重量％と残部酸化ニッケルからなる材料を混合調整したサーメット電極とする。
【００２１】
なお、セリアとは、ＣｅＯ2 であり、これにＳｍもしくはＧｄをドープしたもの（Ｃｅの酸化数は＋４で、ＳｍもしくはＧｄの酸化数は＋３であることにより酸素の数はドープにより変化する）である。
【００２２】
ドープしたセリアを仕込み重量で５重量％〜３０重量％と残部酸化ニッケルからなる材料がサーメットであり、上記セリアを５重量％〜３０重量％＋９５重量％〜７０重量％ＮｉＯからなる。
【００２３】
上記混合物を十分混合して、セリア電解質に塗り付けた後に焼成（約１０５０℃）し、その後、メタンなどでＮｉＯをＮｉに還元して実際に使用する。
【００２４】
なお、上記した正極の材料としてのＳｍ0.5 Ｓｒ0.5 ＣｏＯ3 は、Ｓｍのドープ量にはある程度幅〔Ｓｍ x Ｓｒ 1-x ＣｏＯ 3 （ｘ：０．３〜０．７）〕がある。さらに、Ｓｍでなくとも希土類元素であればそれなりに性能がでる。さらに、ペロブスカイト系の複合酸化物（例えば、ＬａＭｎＯ3 ）でも出力は落ちるがそれなりに機能する。
【００２５】
従来の場合は、燃料電池を７００℃に設定して、混合ガス（メタンと空気中の酸素の混合比＝２：１）を流した場合、ガス流速を遅くすると出力の低下が見られ、正極の劣化が観察された。
【００２６】
これを詳細に検討した結果、混合ガスが負極と反応し、その反応生成物が正極を劣化させていることが明らかになった。
【００２７】
一方、本発明の燃料電池への混合ガスの供給方法によれば、正極に混合ガスを導入した後に、負極に流すことにより、所定の出力が安定して得られるようになった。
【００２８】
本発明によれば、このように構成したので、正極と負極の両極に同一混合ガスを流して、起電・発電した場合に生じる正極の著しい損傷を回避することができるとともに、燃料の利用効率の大幅な向上を図ることができる。
【００２９】
なお、本発明は上記実施例に限定されるものではなく、本発明の趣旨に基づいて種々の変形が可能であり、これらを本発明の範囲から排除するものではない。
【００３０】
【発明の効果】
以上、詳細に説明したように、本発明によれば、正極と負極の両極に同一混合ガスを流すことにより、起電・発電した場合に生じる正極の著しい損傷が回避されるとともに、燃料の利用効率を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の第１実施例を示す混合ガス型固体酸化物燃料電池の混合ガス供給方法を示す模式図である。
【図２】 本発明の第１実施例を示す混合ガス型固体酸化物燃料電池の構造を示す構成図である。
【図３】 混合ガス型の固体酸化物型燃料電池の機能を示す模式図である。
【符号の説明】
１ 燃料と空気の混合ガス
２ 第１の流路
３ 円筒状の正極
４ 固体イオン伝導性酸化物からなる円筒状の電解質
５ 円筒状の負極
６ 第２の流路
７ 円筒状のカバー
８ 第１の流路で反応した後の混合ガス
９ 燃料電池の外部回路
１０ 負荷
【発明の属する技術分野】
本発明は、混合ガス型固体酸化物燃料電池の混合ガス供給方法およびその装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、このような分野の技術としては、以下に示すようなものがあった。
【０００３】
混合ガス型の固体酸化物型燃料電池は、正極および負極に燃料と空気よりなる同一混合ガスを供給するようにしている。
【０００４】
図３は混合ガス型の固体酸化物型燃料電池の機能を示す模式図である。
【０００５】
この図において、１０１は正極、１０２は固体イオン伝導性酸化物からなる電解質、１０３は負極、１０４は正極１０１で反応するＯ2 、１０５は負極１０３で反応するＨ2 、１０６は外部回路、１０７はその外部回路に接続される負荷である。
【０００６】
そこで、正極１０１では空気中の酸素Ｏ2 が電子を受け取り、酸素イオンとなり、この酸素イオンは正極１０１から電解質１０２に入り拡散する。したがって、電解質１０２中の酸素イオンは正極１０１から負極１０３へと移動する。負極１０３では酸素イオンとＨ2 が反応して電子を取り出す。この電子は、外部回路１０６を通って正極１０１へと流れ、外部回路１０６の途中にある負荷１０７で仕事をする。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、正極側に供給された燃料は反応することなく捨てられることになる。燃料の利用効率を向上させるには、混合ガスを負極に流した後に正極に流すか、あるいは正極に流した後に負極に流すかが考えられるが、どちらがより有効か分かっていなかった。
【０００８】
そこで、本発明は、これらの問題点を解決するためになされたものであり、正極と負極の両極に同一混合ガスを流して、起電・発電した場合に生じる正極の著しい損傷が回避されるとともに、燃料の利用効率の向上を図り得る混合ガス型固体酸化物燃料電池の混合ガス供給方法およびその装置を提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記目的を達成するために、
〔１〕混合ガス型固体酸化物燃料電池の混合ガス供給方法において、燃料と空気の混合ガスを正極に流し、その後、その正極で反応した混合ガスを負極に流すことを特徴とする。
【００１０】
〔２〕混合ガス型固体酸化物燃料電池の混合ガス供給装置において、燃料と空気の混合ガスを正極に供給する第１のガス供給手段と、この第１のガス供給手段で反応した混合ガスを負極に供給する第２のガス供給手段とを具備することを特徴とする。
【００１１】
〔３〕混合ガス型固体酸化物燃料電池の混合ガス供給装置において、内部に燃料と空気の混合ガスを流す第１の流路が形成される円筒状の正極と、この円筒状の正極の外周部に形成される固体イオン伝導性酸化物からなる円筒状の電解質と、この円筒状の電解質の外周部に形成される円筒状の負極と、この円筒状の負極の表面に前記正極で反応した後の混合ガスを供給する空間が画定される円筒状のカバーを有する第２の流路とを具備することを特徴とする。
【００１２】
〔４〕上記〔２〕又は〔３〕記載の混合ガス型固体酸化物燃料電池の混合ガス供給装置において、前記正極は、希土類元素系複合酸化物電極からなることを特徴とする。
【００１３】
〔５〕上記〔４〕記載の混合ガス型固体酸化物燃料電池の混合ガス供給装置において、前記希土類元素系複合酸化物電極がＳｍ x Ｓｒ 1-x ＣｏＯ 3 （ｘ：０．３〜０．７）電極からなることを特徴とする。
【００１４】
〔６〕上記〔２〕又は〔３〕記載の混合ガス型固体酸化物燃料電池の混合ガス供給装置において、前記負極は、サマリウムもしくはガドリニウムの少なくとも一つを１０モル％〜３０モル％ドープしたセリアを仕込み重量で５重量％〜３０重量％と残部酸化ニッケルからなる材料を混合調整したサーメット電極であることを特徴とする。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について図を参照しながら説明する。
【００１６】
図１は本発明の第１実施例を示す混合ガス型固体酸化物燃料電池の混合ガス供給方法を示す模式図、図２はその混合ガス型固体酸化物燃料電池の構造を示す構成図であり、図２（ａ）はその外観斜視図、図２（ｂ）はその図２（ａ）のＡ−Ａ線断面図である。
【００１７】
これらの図において、１は燃料と空気の混合ガス、２はその燃料と空気の混合ガス１が供給される第１の流路、３はその第１の流路を画定する円筒状の正極、４はその円筒状の正極３の外周部に形成される固体イオン伝導性酸化物からなる円筒状の電解質、５はその円筒状の電解質４の外周部に形成される円筒状の負極、６は第２の流路、７はその第２の流路６を画定する円筒状のカバー、８はその第２の流路６に供給される、第１の流路２で反応した後の混合ガス、９は燃料電池の外部回路、１０はその外部回路９に接続される負荷である。
【００１８】
そこで、この実施例では、第１の流路２に、まず、燃料と空気の混合ガス１が供給されて、円筒状の正極３で十分なる反応（正極３上では空気中の酸素のみが反応）が行われる。次いで、そこで反応した混合ガス８は、円筒状の負極５で十分に反応した後に排出される。
【００１９】
上記した固体酸化物型燃料電池の構成例としては、サマリウムもしくはガドリニウムの少なくとも一つを１０モル％〜３０モル％ドープしたセリアを仕込み重量で５重量％〜３０重量％と残部酸化ニッケルからなる材料を混合調整したサーメット電極からなる負極と、Ｓｍ0.5 Ｓｒ0.5 ＣｏＯ3 電極からなる正極と、セリア系固体電解質からなり、Ｓｍ0.5 Ｓｒ0.5 ＣｏＯ3 電極（正極）に燃料と空気よりなる混合ガスを流し、その後、サーメット電極（負極）に誘導する。
【００２０】
すなわち、前記正極は、Ｓｍ0.5 Ｓｒ0.5 ＣｏＯ3 電極からなり、前記負極は、サマリウムもしくはガドリニウムの少なくとも一つを１０モル％〜３０モル％ドープしたセリアを仕込み重量で５重量％〜３０重量％と残部酸化ニッケルからなる材料を混合調整したサーメット電極とする。
【００２１】
なお、セリアとは、ＣｅＯ2 であり、これにＳｍもしくはＧｄをドープしたもの（Ｃｅの酸化数は＋４で、ＳｍもしくはＧｄの酸化数は＋３であることにより酸素の数はドープにより変化する）である。
【００２２】
ドープしたセリアを仕込み重量で５重量％〜３０重量％と残部酸化ニッケルからなる材料がサーメットであり、上記セリアを５重量％〜３０重量％＋９５重量％〜７０重量％ＮｉＯからなる。
【００２３】
上記混合物を十分混合して、セリア電解質に塗り付けた後に焼成（約１０５０℃）し、その後、メタンなどでＮｉＯをＮｉに還元して実際に使用する。
【００２４】
なお、上記した正極の材料としてのＳｍ0.5 Ｓｒ0.5 ＣｏＯ3 は、Ｓｍのドープ量にはある程度幅〔Ｓｍ x Ｓｒ 1-x ＣｏＯ 3 （ｘ：０．３〜０．７）〕がある。さらに、Ｓｍでなくとも希土類元素であればそれなりに性能がでる。さらに、ペロブスカイト系の複合酸化物（例えば、ＬａＭｎＯ3 ）でも出力は落ちるがそれなりに機能する。
【００２５】
従来の場合は、燃料電池を７００℃に設定して、混合ガス（メタンと空気中の酸素の混合比＝２：１）を流した場合、ガス流速を遅くすると出力の低下が見られ、正極の劣化が観察された。
【００２６】
これを詳細に検討した結果、混合ガスが負極と反応し、その反応生成物が正極を劣化させていることが明らかになった。
【００２７】
一方、本発明の燃料電池への混合ガスの供給方法によれば、正極に混合ガスを導入した後に、負極に流すことにより、所定の出力が安定して得られるようになった。
【００２８】
本発明によれば、このように構成したので、正極と負極の両極に同一混合ガスを流して、起電・発電した場合に生じる正極の著しい損傷を回避することができるとともに、燃料の利用効率の大幅な向上を図ることができる。
【００２９】
なお、本発明は上記実施例に限定されるものではなく、本発明の趣旨に基づいて種々の変形が可能であり、これらを本発明の範囲から排除するものではない。
【００３０】
【発明の効果】
以上、詳細に説明したように、本発明によれば、正極と負極の両極に同一混合ガスを流すことにより、起電・発電した場合に生じる正極の著しい損傷が回避されるとともに、燃料の利用効率を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の第１実施例を示す混合ガス型固体酸化物燃料電池の混合ガス供給方法を示す模式図である。
【図２】 本発明の第１実施例を示す混合ガス型固体酸化物燃料電池の構造を示す構成図である。
【図３】 混合ガス型の固体酸化物型燃料電池の機能を示す模式図である。
【符号の説明】
１ 燃料と空気の混合ガス
２ 第１の流路
３ 円筒状の正極
４ 固体イオン伝導性酸化物からなる円筒状の電解質
５ 円筒状の負極
６ 第２の流路
７ 円筒状のカバー
８ 第１の流路で反応した後の混合ガス
９ 燃料電池の外部回路
１０ 負荷
Claims (6)
- 燃料と空気の混合ガスを正極に流し、その後、該正極で反応した混合ガスを負極に流すことを特徴とする混合ガス型固体酸化物燃料電池の混合ガス供給方法。
- （ａ）燃料と空気の混合ガスを正極に供給する第１のガス供給手段と、
（ｂ）該第１のガス供給手段で反応した混合ガスを負極に供給する第２のガス供給手段とを具備することを特徴とする混合ガス型固体酸化物燃料電池の混合ガス供給装置。 - （ａ）内部に燃料と空気の混合ガスを流す第１の流路が形成される円筒状の正極と、
（ｂ）該円筒状の正極の外周部に形成される固体イオン伝導性酸化物からなる円筒状の電解質と、
（ｃ）該円筒状の電解質の外周部に形成される円筒状の負極と、
（ｄ）該円筒状の負極の表面に前記正極で反応した後の混合ガスを供給する空間が画定される円筒状のカバーを有する第２の流路とを具備することを特徴とする混合ガス型固体酸化物燃料電池の混合ガス供給装置。 - 請求項２又は３記載の混合ガス型固体酸化物燃料電池の混合ガス供給装置において、前記正極は、希土類元素系複合酸化物電極からなることを特徴とする混合ガス型固体酸化物燃料電池の混合ガス供給装置。
- 請求項４記載の混合ガス型固体酸化物燃料電池の混合ガス供給装置において、前記希土類元素系複合酸化物電極がＳｍ X Ｓｒ 1-x ＣｏＯ 3 （ｘ：０．３〜０．７）電極からなることを特徴とする混合ガス型固体酸化物燃料電池の混合ガス供給装置。
- 請求項２又は３記載の混合ガス型固体酸化物燃料電池の混合ガス供給装置において、前記負極は、サマリウムもしくはガドリニウムの少なくとも一つを１０モル％〜３０モル％ドープしたセリアを仕込み重量で５重量％〜３０重量％と残部酸化ニッケルからなる材料を混合調整したサーメット電極であることを特徴とする混合ガス型固体酸化物燃料電池の混合ガス供給装置。
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|---|---|---|---|
| JP2002085541A JP3961321B2 (ja) | 2002-03-26 | 2002-03-26 | 混合ガス型固体酸化物燃料電池の混合ガス供給方法およびその装置 |
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| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2003282091A JP2003282091A (ja) | 2003-10-03 |
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| JP5151191B2 (ja) * | 2007-03-09 | 2013-02-27 | 大日本印刷株式会社 | インターコネクタ及びこれを用いた単室型固体酸化物形燃料電池のスタック構造 |
| CN103715446B (zh) * | 2013-12-31 | 2015-11-11 | 重庆大学 | 与下水道u型管集成的废水降解发电装置和方法 |
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2002
- 2002-03-26 JP JP2002085541A patent/JP3961321B2/ja not_active Expired - Fee Related
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