JP5327807B2 - 触媒層を付加したチューブ型電気化学セル及びそれらから構成される電気化学反応システム - Google Patents
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Description
(2)燃料の改質反応は、吸熱反応であり、SOFCの発電反応は、発熱反応であることから、改質反応が、局所的、特に、燃料ガス導入部分に近いところに起こる場所で、急激な温度低下が生じ、それが、熱ひずみとなって、SOFCの破損に至ってしまう。
(3)燃料極の表面に付加された触媒層は、燃料極からの集電を妨げないように、電気抵抗が小さくなるよう設計されなければならない。
(4)そのために、大量の金属成分を付加し、電気抵抗を低減する必要があり、コストや反応効率の面からの改質反応層の設計が困難であった。
(1)燃料極材料からなるチューブ構造体に、緻密なイオン伝導体(電解質)と、空気極が積層されているチューブ型電気化学セルであって、
上記チューブ構造体を構成する燃料極材料が、Ni,Cu,Pt,Pd,Au,Ru,Co,La,Sr,Tiから選択される1種以上の元素及びこれらの元素1種類以上を含む酸化物化合物から構成される燃料極材料と、Zr,Ce,Mg,Sc,Ti,Al,Y,Ca,Gd,Sm,Ba,La,Sr,Ga,Bi,Nb,Wから選択される2種類以上の元素を含む酸化物化合物からなる電解質材料との複合材料であり、チューブ内壁に、燃料を改質する機能を有する触媒層がコートされており、チューブ型電気化学セルの表面に、電解質及び空気極がなくて、燃料極にむき出し状態の露出部があり、その箇所に、燃料極集電部が設置されている構造を有することを特徴とするチューブ型電気化学セル。
(2)燃料極材料と電解質の混合比率が、90:10重量%〜40:60重量%の範囲である、前記(1)に記載のチューブ型電気化学セル。
(3)高くても650℃の低温において、炭化水素系燃料の直接改質を可能とする、作動温度が低温化された、前記(1)に記載のチューブ型電気化学セル。
(4)チューブ内壁に塗布される触媒層の材料が、炭化水素系燃料、又はアルコール系燃料を水蒸気改質あるいは部分酸化する触媒から構成され、少なくともCe,Pt,Au,Ni,Ru,Cu,Fe,Pd,W,V,Ti,又はMoの元素及びこれらの元素1種類以上を含む酸化物化合物から構成される、前記(1)に記載のチューブ型電気化学セル。
(5)電気化学反応によって電流を取り出す電気化学反応システムであって、前記(1)から(4)のいずれかに記載のチューブ型電気化学セルより構成され、運転温度が高くても650℃であることを特徴とする電気化学反応システム。
(6)複数の上記チューブ型電気化学セルのスタックが集積されて、モジュール化している、前記(5)記載の電気化学反応システム。
本発明のチューブ型電気化学セルは、燃料極材料からなるチューブ構造体に、緻密なイオン伝導体(電解質)、空気極が積層されており、チューブ内壁に、燃料を改質する機能を有する触媒層がコートされており、チューブ型電気化学セルの表面に集電部が設置されている構造を有することを特徴とするものである。
(1)燃料極材料、セルロース系高分子、水を混合し、押し出し成型法によって、チューブ成型体を造形し、乾燥あるいは仮焼する工程。
(2)得られたチューブ成型体に、電解質材料、有機高分子、溶媒を混合したスラリーをコートし、1200〜1500℃において、燃料極チューブ構造体と電解質を同時焼成する工程。
(3)得られたイオン伝導体付多孔質チューブ構造体に、空気極材料をコートし、800〜1300℃において、焼成する工程。
(4)触媒層をチューブ内壁に塗布し、400〜1200℃において、焼成する工程。
(1)チューブサイズや触媒層を最適ないし好適化することで、高性能化の実現に必要な電極構造を有するチューブ型電気化学セルを構築することができる。
(2)本発明により、従来の材料においても、650℃以下、例えば、500〜650℃の低温において、炭化水素系燃料の直接改質が可能な、高出力SOFCを構築することができる。
(3)熱ひずみに高い耐性を有するマイクロチューブ型の形態を利用し、SOFCの集電を燃料極チューブ表面から行うことによって、触媒層の自由な設計を可能とする、高効率なチューブ型SOFCを提供することができる。
(4)改質器やそれに伴う熱交換器の簡略が可能であるため、従来になかったコンパクトなSOFCシステムの構築が可能となり、小型・高性能SOFCシステムをより安価に提供することができる。
2 燃料極
3 燃料極集電部
4 空気極
5 触媒層
6 チューブ孔
7 燃料
8 空気
9 シール材
10 集電ワイヤー
11 燃料マニホールド
Claims (6)
- 燃料極材料からなるチューブ構造体に、緻密なイオン伝導体(電解質)と、空気極が積層されているチューブ型電気化学セルであって、
上記チューブ構造体を構成する燃料極材料が、Ni,Cu,Pt,Pd,Au,Ru,Co,La,Sr,Tiから選択される1種以上の元素及びこれらの元素1種類以上を含む酸化物化合物から構成される燃料極材料と、Zr,Ce,Mg,Sc,Ti,Al,Y,Ca,Gd,Sm,Ba,La,Sr,Ga,Bi,Nb,Wから選択される2種類以上の元素を含む酸化物化合物からなる電解質材料との複合材料であり、チューブ内壁に、燃料を改質する機能を有する触媒層がコートされており、チューブ型電気化学セルの表面に、電解質及び空気極がなくて、燃料極にむき出し状態の露出部があり、その箇所に、燃料極集電部が設置されている構造を有することを特徴とするチューブ型電気化学セル。 - 燃料極材料と電解質の混合比率が、90:10重量%〜40:60重量%の範囲である、請求項1に記載のチューブ型電気化学セル。
- 高くても650℃の低温において、炭化水素系燃料の直接改質を可能とする、作動温度が低温化された、請求項1に記載のチューブ型電気化学セル。
- チューブ内壁に塗布される触媒層の材料が、炭化水素系燃料、又はアルコール系燃料を水蒸気改質あるいは部分酸化する触媒から構成され、少なくともCe,Pt,Au,Ni,Ru,Cu,Fe,Pd,W,V,Ti,又はMoの元素及びこれらの元素1種類以上を含む酸化物化合物から構成される、請求項1に記載のチューブ型電気化学セル。
- 電気化学反応によって電流を取り出す電気化学反応システムであって、請求項1から4のいずれかに記載のチューブ型電気化学セルより構成され、運転温度が高くても650℃であることを特徴とする電気化学反応システム。
- 複数の上記チューブ型電気化学セルのスタックが集積されて、モジュール化している、請求項5記載の電気化学反応システム。
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