JP5495377B2 - Power generation method for solid oxide fuel cell - Google Patents
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Description
本発明は、アノード材料に供給される固体炭素を燃料として用いて発電する燃料電池セルを有する固体酸化物型燃料電池の発電方法、及び該固体酸化物型燃料電池に関する。 The present invention relates to a power generation method of a solid oxide fuel cell having a fuel cell that generates power using solid carbon supplied to an anode material as a fuel, and the solid oxide fuel cell.
イオン伝導性の固体酸化物(酸化物イオン伝導体)からなる電解質層(固体電解質層)をカソード(空気極)とアノード(燃料極)との間に配置した積層構造を有する固体酸化物型燃料電池(SOFC)は、第三世代の燃料電池として期待され、その開発が進んでいる。 Solid oxide fuel having a laminated structure in which an electrolyte layer (solid electrolyte layer) made of an ion conductive solid oxide (oxide ion conductor) is disposed between a cathode (air electrode) and an anode (fuel electrode) The battery (SOFC) is expected as a third generation fuel cell, and its development is progressing.
固体酸化物型燃料電池は、アノードに還元剤、例えば、水素(H2)、一酸化炭素(CO)、メタン(CH4)等のガス(燃料ガス)を供給し、カソードに酸化剤、例えば、酸素(O2)等を含むガス(例えば空気)を供給することにより発電するデバイスである(例えば、下記特許文献1参照)。
A solid oxide fuel cell supplies a reducing agent, for example, hydrogen (H 2 ), carbon monoxide (CO), methane (CH 4 ), or other gas (fuel gas) to the anode, and an oxidant, for example, , A device that generates electricity by supplying a gas (for example, air) containing oxygen (O 2 ) or the like (see, for example,
このように、通常、固体酸化物型燃料電池(SOFC)といえば、燃料はガス状であったが、燃料としてエネルギー密度の非常に高い固体炭素を用いることが提案された(特許文献2)。特許文献2は、アノード材料に担持させた固体炭素を二酸化炭素(CO2)と反応させて気体の一酸化炭素(CO)に変換し、当該気体の一酸化炭素(CO)を酸化することにより発電することを特徴としている。
As described above, normally, in the case of a solid oxide fuel cell (SOFC), the fuel is gaseous, but it has been proposed to use solid carbon having a very high energy density as the fuel (Patent Document 2). In
しかしながら、上記の固体酸化物型燃料電池は、炭化水素等の有機化合物をアノードに導入し、熱分解反応を進行させて、一旦固体炭素をアノード材料に担持させる賦活工程を必須工程として含んでいた。すなわち、あらかじめ燃料となる固体炭素をアノードに担持させておくことが必要であり、発電途中で固体炭素を補充することができないため、連続的に燃料電池反応を継続することができず、連続的な作動が求められる発電システムにはそのまま適用することが難しく、実用化の観点からするとその技術価値を十分に発揮させることができなかった。 However, the solid oxide fuel cell described above includes an activation process in which an organic compound such as a hydrocarbon is introduced into the anode, a thermal decomposition reaction proceeds, and solid carbon is once supported on the anode material as an essential process. . That is, it is necessary to previously support solid carbon as a fuel on the anode, and since solid carbon cannot be replenished during power generation, the fuel cell reaction cannot be continuously continued. It is difficult to apply as it is to a power generation system that requires proper operation, and its technical value cannot be fully exhibited from the viewpoint of practical use.
本発明は上記背景技術に鑑みてなされたものであり、その課題は、アノードに炭化水素等の有機化合物を導入して熱分解反応を進行させて生じた固体炭素をアノード材料に一旦担持させる工程を必要とせず、連続的に燃料電池反応を継続させることのできる燃料電池セルにおいて、燃料の供給を簡便にして利便性を向上させた固体酸化物型燃料電池とその発電方法を提供することにある。 The present invention has been made in view of the above-mentioned background art, and the problem is that the anode material temporarily supports solid carbon generated by introducing an organic compound such as a hydrocarbon into the anode and causing a thermal decomposition reaction to proceed. The present invention provides a solid oxide fuel cell and a power generation method thereof in which the convenience of fuel supply is improved and the convenience is improved in a fuel cell capable of continuously continuing the fuel cell reaction without the need for is there.
本発明者らは上記課題を解決すべく鋭意検討を行った結果、燃料電池セルを有する固体酸化物型燃料電池の装置構成として、少なくとも固体炭素を格納するための燃料室を設け、該燃料室中の固体炭素を発電によって発生した二酸化炭素と反応させて一酸化炭素に変換し、当該一酸化炭素を酸化することにより発電させる発電方法を採れば、固体炭素がアノード材料に担持されていないで、成型された固体炭素であっても、更に、単に燃料室に格納されていても、すなわち固体炭素がアノードから離れていても、成型された固体炭素が燃料として消費され、結果として連続的な発電が可能であることを見出した。 As a result of intensive studies to solve the above problems, the present inventors have provided a fuel chamber for storing at least solid carbon as an apparatus configuration of a solid oxide fuel cell having fuel cells, and the fuel chamber The solid carbon is not supported on the anode material if a solid-state carbon is reacted with carbon dioxide generated by power generation to convert it into carbon monoxide and the power generation method is performed by oxidizing the carbon monoxide. Even if it is molded solid carbon, or even if it is simply stored in the fuel chamber, that is, the solid carbon is separated from the anode, the molded solid carbon is consumed as a fuel, resulting in a continuous We found that power generation is possible.
そして、上記燃料電池セルの上記特長を生かすために、「成型された固体炭素」を固体炭素として用いることによって、すなわち、「成型された固体炭素」を該燃料室に格納することにより、上記課題を解決できることを見出して本発明に至った。 Then, in order to take advantage of the above features of the fuel cell, by using “molded solid carbon” as solid carbon, that is, by storing “molded solid carbon” in the fuel chamber, As a result, the present invention has been found.
すなわち、本発明は、
(1−a)複合金属酸化物を含むアノード材料を有するアノード、
(1−b)カソード材料を有するカソード、及び
(1−c)アノードとカソードとの間に配置されたイオン伝導性の固体酸化物を含む電解質、を有する
(1)燃料電池セル、
(2)発電の際に燃料として使用される固体炭素、並びに
(3)固体炭素を格納する燃料室
を少なくとも有し、
該燃料室中の固体炭素を発電によって発生した二酸化炭素と反応させて一酸化炭素に変換し、該一酸化炭素を酸化することにより発電する固体酸化物型燃料電池の発電方法であって、
該固体酸化物型燃料電池に用いる固体炭素が、成型された固体炭素であることを特徴とする固体酸化物型燃料電池の発電方法に存する。
That is, the present invention
(1-a) an anode having an anode material comprising a composite metal oxide;
(1) a fuel cell comprising: (1-b) a cathode having a cathode material; and (1-c) an electrolyte containing an ion conductive solid oxide disposed between the anode and the cathode.
(2) at least a solid carbon used as a fuel during power generation, and (3) a fuel chamber for storing the solid carbon,
A method for power generation of a solid oxide fuel cell, wherein solid carbon in the fuel chamber is converted into carbon monoxide by reacting with carbon dioxide generated by power generation, and power is generated by oxidizing the carbon monoxide,
A solid oxide fuel cell power generation method is characterized in that the solid carbon used in the solid oxide fuel cell is molded solid carbon.
また、本発明は、上記「成型された固体炭素」の形状が、芯状、棒状又はタブレット状である上記の固体酸化物型燃料電池の発電方法に存する。 Further, the present invention resides in the above power generation method of the solid oxide fuel cell, wherein the shape of the “molded solid carbon” is a core shape, a rod shape, or a tablet shape.
また、本発明は、上記燃料電池セルが、発電時に下記反応式(1)及び(2)を利用して発電することを特徴とする上記の固体酸化物型燃料電池の発電方法に存する。
CO2+C → 2CO (1)
CO+O2− → CO2+2e− (2)
The present invention also resides in the above power generation method for a solid oxide fuel cell, wherein the fuel cell generates power using the following reaction formulas (1) and (2) during power generation.
CO 2 + C → 2CO (1)
CO + O 2− → CO 2 + 2e − (2)
また、本発明は、
(1−a)複合金属酸化物を含むアノード材料を有するアノード、
(1−b)カソード材料を有するカソード、及び
(1−c)アノードとカソードとの間に配置されたイオン伝導性の固体酸化物を含む電解質、を有する
(1)燃料電池セル、
(2)発電の際に燃料として使用される固体炭素、並びに
(3)固体炭素を格納する燃料室
を少なくとも有し、
該燃料室中の固体炭素を発電によって発生した二酸化炭素と反応させて一酸化炭素に変換し、該一酸化炭素を酸化することにより発電する固体酸化物型燃料電池であって、前記固体炭素が成型された固体炭素であることを特徴とする固体酸化物型燃料電池に存する。
The present invention also provides:
(1-a) an anode having an anode material comprising a composite metal oxide;
(1) a fuel cell comprising: (1-b) a cathode having a cathode material; and (1-c) an electrolyte containing an ion conductive solid oxide disposed between the anode and the cathode.
(2) at least a solid carbon used as a fuel during power generation, and (3) a fuel chamber for storing the solid carbon,
A solid oxide fuel cell that generates electric power by reacting solid carbon in the fuel chamber with carbon dioxide generated by power generation to convert to carbon monoxide and oxidizing the carbon monoxide, wherein the solid carbon is The present invention resides in a solid oxide fuel cell characterized by being formed solid carbon.
本発明によれば、あらかじめアノードに炭化水素等の有機化合物を導入し、熱分解反応を用いて固体炭素を一旦アノード材料に担持させておく必要がないため、連続的に燃料電池反応を継続することができることから、連続的な作動を要する発電システムへの適用を容易ならしめ、実用化を促進し得る。 According to the present invention, it is not necessary to introduce an organic compound such as a hydrocarbon into the anode in advance and to have solid carbon supported once on the anode material using a pyrolysis reaction, so that the fuel cell reaction is continuously continued. Therefore, it can be easily applied to a power generation system that requires continuous operation, and the practical application can be promoted.
アノードに固体炭素を直接担持させなくても発電するということは、燃料室に格納した固体炭素が消費されていることを意味している。すなわち、従来のように、気体の燃料を必要とせず、また、炭化水素等の有機化合物を導入し熱分解反応を進行させて、固体炭素をアノードに直接担持させる賦活工程を必要とすることもなく、燃料室に固体炭素を供給しさえすれば連続的に燃料電池を運転することが可能となるため、実用性の高い運転方法が可能となる。 Generating power without directly supporting solid carbon on the anode means that the solid carbon stored in the fuel chamber is consumed. That is, it does not require a gaseous fuel as in the prior art, and may require an activation process in which an organic compound such as a hydrocarbon is introduced and a pyrolysis reaction proceeds to directly support solid carbon on the anode. As long as the solid carbon is supplied to the fuel chamber, the fuel cell can be continuously operated, so that a highly practical operation method is possible.
また、燃料である固体炭素がアノード材料に接していなくても、近傍に存在する燃料室に格納又は充填されていれば作動することから、固体である燃料の形状を「成型された固体炭素」とすることによって、従来のように気体を必要とする形態に比較して、また粉末の場合に比較しても、極めて簡便に燃料電池セルに燃料を供給することが可能となり、家屋、工場、店舗等用の定置式の固体酸化物型燃料電池のみならず、携帯電話、携帯型カセットプレーヤー、ポータブルオーディオプレーヤー、ヘッドホンステレオ、パソコン等用の移動式の固体酸化物型燃料電池にも適用可能になる。 In addition, even if the solid carbon that is the fuel is not in contact with the anode material, it operates as long as it is stored or filled in the fuel chamber that exists in the vicinity. Therefore, the shape of the solid fuel is “molded solid carbon”. By doing so, it becomes possible to supply fuel to the fuel cells extremely easily compared to the conventional form that requires gas, and even in the case of powder, Applicable not only to stationary solid oxide fuel cells for stores, but also to mobile solid oxide fuel cells for mobile phones, portable cassette players, portable audio players, headphone stereos, personal computers, etc. Become.
以下、本発明の好適な実施形態について詳細に説明するが、本発明は以下の実施の形態に限定されるものではなく、その技術的思想の範囲内で種々変形することができる。 Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail. However, the present invention is not limited to the following embodiments, and various modifications can be made within the scope of the technical idea thereof.
<固体酸化物型燃料電池の基本構成>
本発明の固体酸化物型燃料電池は、少なくとも、以下の(1)、(2)及び(3)を有している。
(1)燃料電池セル
(2)発電の際に燃料として使用される固体炭素
(3)固体炭素を格納する燃料室
<Basic configuration of solid oxide fuel cell>
The solid oxide fuel cell of the present invention has at least the following (1), (2) and (3).
(1) Fuel cell (2) Solid carbon used as fuel during power generation (3) Fuel chamber for storing solid carbon
そして、上記燃料電池セルは、上記燃料室中の固体炭素を、発電によって発生した二酸化炭素と反応させて一酸化炭素に変換し、該一酸化炭素を酸化することにより発電する。このようなことを可能にする燃料電池セルの各部分の材料、発電方法、発電原理等については後述するが、まず、以下に固体酸化物型燃料電池の基本構成について説明する。 The fuel cell generates electric power by reacting solid carbon in the fuel chamber with carbon dioxide generated by power generation to convert it into carbon monoxide and oxidizing the carbon monoxide. The material, power generation method, power generation principle, and the like of each part of the fuel cell that make this possible will be described later. First, the basic configuration of the solid oxide fuel cell will be described below.
本発明における(1)燃料電池セルは、少なくとも、以下の(1−a)、(1−b)及び(1−c)を有している。
(1−a)複合金属酸化物を含むアノード材料を有するアノード、
(1−b)カソード材料を有するカソード、及び
(1−c)アノードとカソードとの間に配置されたイオン伝導性の固体酸化物を含む電解質、
The (1) fuel cell in the present invention has at least the following (1-a), (1-b) and (1-c).
(1-a) an anode having an anode material comprising a composite metal oxide;
An electrolyte comprising (1-b) a cathode having a cathode material, and (1-c) an ion-conducting solid oxide disposed between the anode and the cathode,
図1は、本発明における固体酸化物型燃料電池の一実施形態の基本構成を示す模式断面図である。図1に示す固体酸化物型燃料電池は、少なくとも、燃料電池セル10、燃料室1及び「酸化剤を含むガス導入口」33を有している。そして、燃料電池セル10は、少なくとも、アノード11、カソード31、及び、アノード11とカソード31との間に配置された電解質21とから構成されている。図1に示すアノード11は、アノード材料11b及びアノード集電体11aを有している。また、図1に示すカソード31は、カソード材料31b及びカソード集電体31aを有している。
FIG. 1 is a schematic cross-sectional view showing a basic configuration of an embodiment of a solid oxide fuel cell according to the present invention. The solid oxide fuel cell shown in FIG. 1 has at least a
また、本発明における固体酸化物型燃料電池は、燃料である固体炭素2を格納でき、該固体炭素2を燃料電池セル10に供給するための燃料室1を具備している。ここで燃料室1とは、アノード11側に設けられた発電のための固体炭素2を格納する空間であり、そこに格納される固体炭素2はアノード11に接している必要はない。ただ、該固体炭素2の少なくとも一部はアノード11に接していることも好ましい。より具体的には、燃料室1は、そこに格納される固体炭素2が、アノード集電体11aやアノード材料11bと接触するようになっている必要はないが、接触するようになっていることも好ましい。
Further, the solid oxide fuel cell according to the present invention can store
本発明においては、上記固体炭素2は成型されていることが必須である。すなわち、本発明における固体酸化物型燃料電池に供給される燃料としての固体炭素2は、あらかじめ成型され、「成型された固体炭素」43(以下、「成型固体炭素」43と略記する)の形状で上記燃料室1に格納される。図1において、固体炭素2は成型されて成型固体炭素43となっている。
In the present invention, it is essential that the
上記成型固体炭素43の形状は特に限定はないが、燃料室1への供給が容易である点、取り扱いや移動が便利である点、販売等がし易い点、粉体やガスに比べて安全に取り扱える点等から、芯状、棒状又はタブレット状であることが好ましい。
The shape of the molded
限定はされないが、例えば図1においては、燃料室1のうち下約90%に固体炭素2が成型固体炭素43の形態で格納されている。発電中でも、燃料室1に燃料である固体炭素2を成型固体炭素43の形態で追加することによって、発電を継続することができる。
Although not limited, for example, in FIG. 1,
アノード11側への酸素の混入は、発電効率の観点からできるだけ軽減した方が好ましい。酸素除去のために、窒素(N2)、二酸化炭素(CO2)等の不活性ガスで置換した固体炭素2、すなわち成型固体炭素43を格納することも好ましい。
It is preferable that oxygen contamination on the
燃料室1に固体炭素2があり、発電により生じたCO2が、例えば500〜1000℃で存在すれば、CO生成反応が進行し、燃料電池セル10により発電が継続される。本発明は、この意外な事実の新しい発見に基づいてなされたものである。
If there is
更に、図1に示す固体酸化物型燃料電池は、アノード11側にCO2を排出するための二酸化炭素(CO2)排出口3、カソード31側に酸素(O2)等の酸化剤を供給するための「酸化剤を含むガス導入口」33を有している。
Further, the solid oxide fuel cell shown in FIG. 1 supplies a carbon dioxide (CO 2 )
図2も、本発明における固体酸化物型燃料電池の基本構成を示す模式断面図である。図1に示した基本構成に加えて、発電開始時に発電開始剤を供給するための発電開始剤導入管13の先端が、上記固体酸化物型燃料電池のアノード11側に配置されている。図2では、特に発電開始剤導入管13の先端が、上記燃料室1とアノード11との間に配置されている。詳細には、二酸化炭素(CO2)排出口3の燃料室1を除くスペースに、発電開始剤導入管13を備え、発電開始剤導入管13の先端が、燃料室1とアノード11(具体的には、アノード集電体11a)との間に配置されている。発電開始剤導入管13の先端が、燃料室1とアノード11の間に配置されていることによって、発電開始剤がアノード材料11bの近傍に供給され、その結果、初期の発電特性が安定し易い。
FIG. 2 is also a schematic cross-sectional view showing the basic configuration of the solid oxide fuel cell according to the present invention. In addition to the basic configuration shown in FIG. 1, the tip of a power generation
図3に示す固体酸化物型燃料電池は、図2に示した固体酸化物型燃料電池と基本構成は同じであるが、発電開始剤導入管13の配置が異なる。すなわち、発電開始剤導入管13は燃料室1内を貫通し、発電開始剤導入管13の先端が、燃料室1とアノード11との間に配置されている。より詳しくは、燃料室1とアノード集電体11aの間に位置するように配置されている。発電開始剤導入管13は、燃料室1に格納されている成型固体炭素43の側面等、格納されている成型固体炭素43とは空間的に重複しないように設けられる。効果は上記と同様、初期の発電特性が安定し易い。
The basic configuration of the solid oxide fuel cell shown in FIG. 3 is the same as that of the solid oxide fuel cell shown in FIG. 2, but the arrangement of the power generation
図4に示す固体酸化物型燃料電池は、図2と図3に示した固体酸化物型燃料電池と基本構成は同じであるが、発電開始剤導入管13の先端の位置が異なる。すなわち、発電開始剤導入管13の先端が燃料室1内に位置するように配置されている。これでも、発電開始剤は徐々にアノード11に供給されるため、上記と同様の効果が得られる。
The basic configuration of the solid oxide fuel cell shown in FIG. 4 is the same as that of the solid oxide fuel cell shown in FIGS. 2 and 3, but the position of the tip of the power generation
図5も、本発明における固体酸化物型燃料電池の基本構成を示す模式断面図である。図1に示した固体酸化物型燃料電池の基本構成に加えて、固体酸化物型燃料電池の電流密度を制御するための外部制御回路22を有している。
FIG. 5 is also a schematic cross-sectional view showing the basic configuration of the solid oxide fuel cell according to the present invention. In addition to the basic configuration of the solid oxide fuel cell shown in FIG. 1, an
図6も、本発明における固体酸化物型燃料電池の基本構成を示す模式断面図である。図1に示した固体酸化物型燃料電池の基本構成に加えて、アノード11へ電気化学的に酸素源を注入するための電気回路23を有している。本発明における固体酸化物型燃料電池の発電方法においては、発電開始時に、アノード11へ電気化学的に酸素源を注入することが、初期の発電特性を安定化させる点で好ましい。酸素源は特に限定はないが、具体的には、例えば、空気や酸素等が挙げられる。
FIG. 6 is also a schematic cross-sectional view showing the basic configuration of the solid oxide fuel cell according to the present invention. In addition to the basic structure of the solid oxide fuel cell shown in FIG. 1, an
酸素源の電気化学的な注入方法については特に限定はされないが、具体的には、例えば、アノード11とカソード31との間に、電池セルの持つネルンスト電位を利用し、電流密度0.01mA/cm2〜5mA/cm2で流し、カソード31で酸素が電子を取り込んで酸化物イオン(O2−)となり、このO2−が電解質を移動してアノード11で燃料と反応して電子を放出させ、電極反応を開始させることが好ましい。発電開始時に、アノード11へ電気化学的に酸素源を注入しないと、発電の初期段階で安定した発電が得られない場合がある。
The method for electrochemically injecting the oxygen source is not particularly limited. Specifically, for example, the Nernst potential of the battery cell is used between the
<(1−a)アノード>
アノード11のアノード材料11bは複合金属酸化物を含む。すなわち、アノード材料11bは、複合金属酸化物を含むものであってもよいし、サーメットを含むものであってもよい。ここで「サーメット」とは、金属と金属酸化物粉末が混合され焼結されたものをいう。複合金属酸化物又はサーメットは多孔質であることが好ましい。複合金属酸化物又はサーメットとしては、公知の固体酸化物型燃料電池にアノード活物質として一般に用いられているものが好適に使用できる。
<(1-a) Anode>
The
[複合金属酸化物]
自身がアノード材料11bの成分として、また、アノード材料11bの成分であるサーメットの原料としても用いられる複合金属酸化物としては、固体酸化物型燃料電池にアノード活物質として一般に用いられているものであれば特に限定はない。発電の際に、十分な出力特性、耐久性等を確実に得る点からは、イットリアが配合された安定化ジルコニア(Y2O3−ZrO2)(以下、「YSZ」と略記する);Gd、La、Y、Sm、Nd、Ca、Mg、Sr、Ba、Dy及びYbからなる群より選ばれる少なくとも1種がドープされたCeO2[このうち特に、GdがドープされたCeO2(以下、「GDC」と略記する)、SmがドープされたCeO2が好ましい];Sc2O3−ZrO2(以下、「ScSZ」と略記する);Sm2O3−CeO2(以下、「SDC」と略記する)等が特に好ましい。
[Composite metal oxide]
The composite metal oxide used as a component of the
ここで、上記YSZの場合、Y2O3の割合(Y2O3の含有量)は、Y2O3−ZrO2に対して8〜10モル%であることが好ましい。また、上記GDCの場合、Gdの割合(Gdの含有量)は、ドープされたCeO2に対して3〜40モル%が好ましく、8〜40モル%がより好ましく、10〜40モル%が更に好ましく、15〜40モル%であることが特に好ましい。更に、上記SmがドープされたCeO2の場合、Smの割合(Smの含有量)は、ドープされたCeO2に対して15〜40モル%であることが好ましい。また、特に好ましいセリア系固溶体としては、Ce0.8Gd0.2O2−δ(式中、δは酸素欠損量を示す)、Ce0.67Gd0.33O2−δ(式中、δは酸素欠損量を示す)等が挙げられる。
In the case of the YSZ, (the content of
また、発電の際に、十分な出力特性を得る観点からは、電気伝導性を有する複合金属酸化物を用いることが好ましい。複合金属酸化物の導電率は、1000℃において、0.01〜10Scm−1であることが特に好ましい。 In addition, it is preferable to use a composite metal oxide having electrical conductivity from the viewpoint of obtaining sufficient output characteristics during power generation. The conductivity of the composite metal oxide is particularly preferably 0.01 to 10 Scm −1 at 1000 ° C.
[[サーメット]]
本発明の効果をより確実に得るとともに、優れた出力特性をより確実に得る観点から、アノード材料11bはサーメットであることが好ましい。サーメットとしては、固体酸化物型燃料電池にアノード活物質として一般に用いられているものであれば特に限定はないが、Ni、Pt、Au、Cu、Fe、W及びTaからなる群より選ばれる少なくとも1種の金属と複合金属酸化物(特に上記複合金属酸化物)とのサーメットが好ましい。発電の際に、十分な出力特性を確実に得る点等からは、ニッケルと複合金属酸化物のサーメット等が好ましいものとして挙げられ、特に、ニッケルと上記した複合金属酸化物とのサーメット等が好ましいものとして挙げられる。
[[cermet]]
From the viewpoint of more reliably obtaining the effects of the present invention and more reliably obtaining excellent output characteristics, the
特に好ましくは、出力特性の点で、ニッケルとYSZとのサーメット(以下、「Ni/YSZ」と略記する)、ニッケルとGDCとのサーメット(以下、「Ni/GDC」と略記する)、ニッケルとScSZとのサーメット(以下、「Ni/ScSZ」と略記する)又はニッケルとSDCとのサーメット(以下、「Ni/SDC」と略記する)である。 Particularly preferably, in terms of output characteristics, cermet of nickel and YSZ (hereinafter abbreviated as “Ni / YSZ”), cermet of nickel and GDC (hereinafter abbreviated as “Ni / GDC”), nickel, It is a cermet with ScSZ (hereinafter abbreviated as “Ni / ScSZ”) or a cermet with nickel and SDC (hereinafter abbreviated as “Ni / SDC”).
また、サーメットにおける金属の体積分率V1と、複合金属酸化物の体積分率V2とが下記式で表される条件を満たしていることが、電子伝導性確保の点で好ましい。
0.2≦[V1/(V1+V2)]≦0.8
Moreover, it is preferable from the point of ensuring electronic conductivity that the volume fraction V1 of the metal in a cermet and the volume fraction V2 of a composite metal oxide satisfy | fill the conditions represented by a following formula.
0.2 ≦ [V1 / (V1 + V2)] ≦ 0.8
ここで、[V1/(V1+V2)]が0.2未満となると、アノード材料11b中の電子伝導性が十分に確保できなくなり、固体酸化物型燃料電池の出力特性が不十分となる場合がある。また、[V1/(V1+V2)]が0.8を超えると、アノード材料11b中のイオン伝導性が十分に確保できなくなり、固体酸化物型燃料電池1の出力特性が不十分となる場合がある。アノード材料11b中の電子伝導性とイオン伝導性を共に十分に確保する観点から、[V1/(V1+V2)]は0.2〜0.8であることが好ましく、0.3〜0.7であることが特に好ましく、0.4〜0.6が更に好ましい。
Here, if [V1 / (V1 + V2)] is less than 0.2, sufficient electron conductivity in the
具体的には、Ni/YSZ、Ni/GDC、Ni/ScSZ、又はNi/SDCにおいて、体積分率の比としてNi/(かかる複合金属酸化物+Ni)の値が、上記値の範囲に入っているものが好ましい。 Specifically, in Ni / YSZ, Ni / GDC, Ni / ScSZ, or Ni / SDC, the value of Ni / (such composite metal oxide + Ni) falls within the above range as the volume fraction ratio. Is preferred.
[[電気伝導性を有する複合金属酸化物]]
ここで、アノード材料11bがサーメットのような金属粒子若しくは合金粒子を含む材料であると、アノード中の金属が、カーバイドやカーボンウィスカーを生成させる原因になり、長期的な電極劣化の要因となる場合がある。すなわち、金属に溶解した炭素が析出して成長する際に金属粒子を電極のフレーム構造から脱落させてしまい、それが電極劣化の要因となる場合がある。また、酸化還元サイクル時の金属粒子の体積膨張・収縮により、それが電極劣化の要因となる場合がある。したがって、アノード材料11bとして、上記サーメットに代えて、電気伝導性を有する複合金属酸化物を用いることも好ましい。
[[Composite metal oxide with electrical conductivity]]
Here, when the
電極劣化の原因となる金属粒子若しくは合金粒子を含むサーメットに代えて、アノード材料11bのうちの少なくとも1種のアノード材料に電気伝導性を有する複合金属酸化物を用いることによって、上記電極劣化の要因が解消され、RDCFCの運転時にアノードの劣化を抑制し、酸化還元サイクル特性を向上させ、高出力を安定的に維持させることができる。アノード材料11bに電気伝導性を有する複合金属酸化物を含むことが好ましい。ここで、「電気伝導性を有する」とは、運転温度において電気伝導度が10−4Scm−1以上であることを意味する。
By using a composite metal oxide having electrical conductivity for at least one anode material of the
ここで、前記した電極劣化を生じない範囲においては金属を含有していてもよく、本発明は、アノード材料11bの組成から、少量の「金属粒子若しくは合金粒子」の含有を排除するものではない。アノード材料11b全体中に含有される「金属粒子若しくは合金粒子」は合計で10質量%以下が好ましく、5質量%以下がより好ましく、2質量%以下が特に好ましく、金属粒子も合金粒子も含まれていないことが更に好ましい。
Here, a metal may be contained within a range in which the above-described electrode deterioration does not occur, and the present invention does not exclude the inclusion of a small amount of “metal particles or alloy particles” from the composition of the
上記の「電気伝導性を有する複合金属酸化物」の電気伝導度は、運転温度において10−2Scm−1以上であることが好ましく、10−1Scm−1以上であることが特に好ましい。ここで、「電気伝導」とは、電子伝導、ホール伝導、酸化物イオン伝導及びプロトン伝導のうちの少なくとも1つからなる電気伝導、すなわち、それらのうちの1つ又は2つ以上が組み合わされた電気伝導を意味する。電気伝導度が低過ぎると、十分な出力特性が得られない場合がある。 The electric conductivity of the above-mentioned “complex metal oxide having electric conductivity” is preferably 10 −2 Scm −1 or more, particularly preferably 10 −1 Scm −1 or more, at the operating temperature. Here, “electric conduction” means electric conduction consisting of at least one of electron conduction, hole conduction, oxide ion conduction and proton conduction, that is, one or more of them are combined. Means electrical conduction. If the electrical conductivity is too low, sufficient output characteristics may not be obtained.
本発明における固体酸化物型燃料電池のアノードは、金属粒子も合金粒子も含有していないか、又は、それらによる3次元的ネットワークが形成されない範囲を上限として金属粒子若しくは合金粒子を含有していることが好ましい。「3次元的ネットワーク」とは、アノードの厚さ方向にそれのみを通して電気伝導が可能の状態(通じる状態)をいう。金属粒子若しくは合金粒子による3次元的ネットワークが形成されていると、酸化と還元の繰り返しで、アノード材料が体積膨張と体積収縮を繰り返す結果、アノードが劣化する場合がある。 The anode of the solid oxide fuel cell according to the present invention does not contain metal particles or alloy particles, or contains metal particles or alloy particles up to a range in which a three-dimensional network is not formed. It is preferable. The “three-dimensional network” refers to a state in which electrical conduction is possible through the thickness direction of the anode. If a three-dimensional network is formed of metal particles or alloy particles, the anode may deteriorate as a result of repeated expansion and contraction of the anode material due to repeated oxidation and reduction.
また、本発明における固体酸化物型燃料電池のアノード材料11bに用いられる電気伝導性を有する複合金属酸化物は、それ自体で、3次元的ネットワークを形成していること、すなわち複合金属酸化物自体で、電子伝導可能な3次元的ネットワークを形成していることが、良好な電気伝導性を実現し、結果として十分な出力特性が得られる点で好ましい。
In addition, the composite metal oxide having electrical conductivity used for the
本発明における固体酸化物型燃料電池のアノード材料11bに用いられる電気伝導性を有する複合金属酸化物は、少なくともそのうちの1種は、ペロブスカイト型結晶構造、パイロクロア型結晶構造又はフルオライト型結晶構造を有する複合金属酸化物よりなることが好ましい。
At least one of the composite metal oxides having electrical conductivity used for the
ペロブスカイト型結晶構造を有する複合金属酸化物とは、いわゆるペロブスカイト型の結晶構造をとる複合金属酸化物をいい、下記一般式(G)で表わされる複合金属酸化物が好ましい。
A1±aB1±bO3−δ (G)
[組成式(G)中、Aは、La、Sr、Ca、Y、Ba、Pr、Ce、K、Na、Sm、Pb、Nd、Gd、Bi、Ag、Cs、Rb、Tl、Cd、Eu、Mg、Dy、Li及びHoからなる群より選ばれる少なくとも1種を示し、Bは、Co、Cr、Mn、Ni、Ce、Gd、Al、Ti、Zr、Sc、Mg、Ga、Cu、Fe、Yb、Y、Nb、I、Ni、Sr、Bi、In、Ca、Sn、Ta、W、Th、U、Hf、Mo、Lu、Tm、Tb、Dy、Ho、Os、Rh、Ag、Tr、Sb、Zn、Pa、In、Re及びErからなる群より選ばれる少なくとも1種を示し、0≦a≦0.2、0≦b≦0.2であり、δは酸素欠損量である。]
The composite metal oxide having a perovskite crystal structure refers to a composite metal oxide having a so-called perovskite crystal structure, and a composite metal oxide represented by the following general formula (G) is preferable.
A 1 ± a B 1 ± b O 3-δ (G)
[In the composition formula (G), A represents La, Sr, Ca, Y, Ba, Pr, Ce, K, Na, Sm, Pb, Nd, Gd, Bi, Ag, Cs, Rb, Tl, Cd, Eu. , Mg, Dy, Li, and Ho, B represents Co, Cr, Mn, Ni, Ce, Gd, Al, Ti, Zr, Sc, Mg, Ga, Cu, Fe Yb, Y, Nb, I, Ni, Sr, Bi, In, Ca, Sn, Ta, W, Th, U, Hf, Mo, Lu, Tm, Tb, Dy, Ho, Os, Rh, Ag, Tr , Sb, Zn, Pa, In, Re, and Er, at least one selected from the group consisting of 0 ≦ a ≦ 0.2 and 0 ≦ b ≦ 0.2, and δ is the amount of oxygen deficiency. ]
このうち、LaMnO3、LaCoO3、LaCrO3等を母体とする物質がより好ましく、例えば、(LaSr)MnO3系の複合金属酸化物(本発明では、これを「LSM」と略記する)、(LaSr)CoO3系の複合金属酸化物(本発明では、これを「LSC」と略記する)が特に好ましいものとして挙げられる。 Of these, substances based on LaMnO 3 , LaCoO 3 , LaCrO 3 and the like are more preferable. For example, (LaSr) MnO 3 -based composite metal oxide (in the present invention, this is abbreviated as “LSM”), ( LaSr) CoO 3 -based composite metal oxide (in the present invention, this is abbreviated as “LSC”) is particularly preferable.
また、組成式(G)において、Bが、MnをB全体に対して50モル%以上含有するものであることが、前記効果をより奏するために好ましい。また、組成式(G)において、Bが、CoをB全体に対して50モル%以上含有するものであること、又は、Bが、CoとFeを、それらの合計でB全体に対して50モル%以上含有するものであることが、前記効果を奏するために好ましい。 Moreover, in compositional formula (G), it is preferable for B to contain 50 mol% or more of Mn with respect to the whole B in order to exhibit the said effect more. Further, in the composition formula (G), B contains 50 mol% or more of Co with respect to the entire B, or B contains Co and Fe in total of 50 with respect to the entire B. It is preferable for the content to be at least mol% in order to achieve the above effects.
そのほかのペロブスカイト型結晶構造を有する複合金属酸化物は、一般式、A(B1−xMx)1±aO3−δ[式中、0≦x≦0.8、0≦a≦0.2である]において、AはBa、Sr、Ca等の2価のカチオンから少なくとも1種が選ばれ、BはCe、Zr、Ti等の4価のカチオンから少なくとも1種が選ばれ、Mは3価の希土類、Y、Sc、In、Yb、Nd、Gd、Al、Ga等から少なくとも1種が選ばれる。 Other composite metal oxides having a perovskite crystal structure are represented by the general formula A (B 1-x M x ) 1 ± a O 3-δ [where 0 ≦ x ≦ 0.8, 0 ≦ a ≦ 0. .2], A is at least one selected from divalent cations such as Ba, Sr, and Ca, B is at least one selected from tetravalent cations such as Ce, Zr, and Ti, and M Is at least one selected from trivalent rare earth, Y, Sc, In, Yb, Nd, Gd, Al, Ga and the like.
例えば、Ba(Ce1−xGdx)1±aO3[式中、0≦x≦0.8、0≦a≦0.2である]、Ca(Al1−xTix)1±aO3[式中、0≦x≦0.8、0≦a≦0.2である]、Sr(Ce1−xYbx)1±aO3(式中、0≦x≦0.8、0≦a≦0.2である)、Sr(Zr1−xYx)1±aO3(式中、0≦x≦0.8、0≦a≦0.2である)、Sr(Zr1−xScx)1±aO3(式中、0≦x≦0.8、0≦a≦0.2である)等で表されるものも好ましい。具体的には、BaCe0.9Gd0.1O3、CaAl0.7Ti0.3O3、SrCe0.95Yb0.05O3、SrZr0.95Y0.05O3、SrZr0.9Sc0.1O3等が挙げられる。 For example, Ba (Ce 1-x Gd x ) 1 ± a O 3 [where 0 ≦ x ≦ 0.8, 0 ≦ a ≦ 0.2], Ca (Al 1-x Ti x ) 1 ± a O 3 [wherein, 0 ≦ x ≦ 0.8,0 is ≦ a ≦ 0.2], Sr ( Ce 1-x Yb x) in 1 ± a O 3 (wherein, 0 ≦ x ≦ 0. 8, 0 ≦ a ≦ 0.2), Sr (Zr 1−x Y x ) 1 ± a O 3 (where 0 ≦ x ≦ 0.8, 0 ≦ a ≦ 0.2), Those represented by Sr (Zr 1-x Sc x ) 1 ± a O 3 (where 0 ≦ x ≦ 0.8, 0 ≦ a ≦ 0.2) are also preferred. Specifically, BaCe 0.9 Gd 0.1 O 3 , CaAl 0.7 Ti 0.3 O 3 , SrCe 0.95 Yb 0.05 O 3 , SrZr 0.95 Y 0.05 O 3 , SrZr 0.9 Sc 0.1 O 3 and the like.
一般式、La1−xSrxGa1−y−zMgyMzO3[式中、Mは、Co、Fe、Ni又はCuの何れか1種以上の元素を示し、x=0.05〜0.3、y=0〜0.29、z=0.01〜0.3、y+z=0.025〜0.3の範囲である。]で表されるランタンガレートも好ましい。具体的には、La0.8Sr0.2Ga0.8Mg0.15Co0.05O3−δ(式中、δは酸素欠損量を示す)等が挙げられる。 Formula, La 1-x Sr x Ga 1-y-z Mg y M z O 3 [ wherein, M represents, Co, Fe, indicates any one or more elements of Ni or Cu, x = 0. It is the range of 05-0.3, y = 0-0.29, z = 0.01-0.3, y + z = 0.025-0.3. The lanthanum gallate represented by the formula is also preferable. Specific examples include La 0.8 Sr 0.2 Ga 0.8 Mg 0.15 Co 0.05 O 3-δ (where δ represents the amount of oxygen deficiency).
好ましい電気伝導性を有する複合金属酸化物としては、具体的には、例えば、La0.8Sr0.2MnO3、La0.85Sr0.15MnO3、La0.95Sr0.05MnO3等の、La1−bSrbMnO[bは、0≦b≦0.5]で表わされる化合物;La0.8Sr0.2CoO3、La0.85Sr0.15CoO3、La0.95Sr0.05CoO3等の、La1−dSrdMnO3[dは、0≦d≦0.5]で表わされる化合物;La0.6Sr0.4Fe0.8Co0.2O3、La0.6Sr0.4Fe0.2Co0.8O3等のLa1−eSreFefCo1−fO3[eは0≦e≦0.5、fは0≦f≦1]で表わされる化合物;La0.75Sr0.2Cr0.5Mn0.5O3等のLa1−gSrgCr1−hMnhO3[gは0≦g≦0.5、hは0≦h≦1]で表わされる化合物;等が挙げられる。 Specific examples of the composite metal oxide having preferable electrical conductivity include La 0.8 Sr 0.2 MnO 3 , La 0.85 Sr 0.15 MnO 3 , and La 0.95 Sr 0.05. La 1-b Sr b MnO [b is 0 ≦ b ≦ 0.5], such as MnO 3 ; La 0.8 Sr 0.2 CoO 3 , La 0.85 Sr 0.15 CoO 3 La 1-d Sr d MnO 3 [d is 0 ≦ d ≦ 0.5], such as La 0.95 Sr 0.05 CoO 3 ; La 0.6 Sr 0.4 Fe 0. 8 Co 0.2 O 3, La 0.6 Sr 0.4 Fe 0.2 Co 0.8 La 1-e Sr of O 3, e Fe f Co 1-f O 3 [e is 0 ≦ e ≦ 0 .5, f is a compound represented by 0 ≦ f ≦ 1]; La 0.75 Sr 0. 2 Cr 0.5 Mn 0.5 O 3 and other La 1-g Sr g Cr 1-h Mn h O 3 [g is 0 ≦ g ≦ 0.5, h is 0 ≦ h ≦ 1] And the like.
パイロクロア型結晶構造を有する複合金属酸化物とは、いわゆるパイロクロア型の結晶構造をとる複合金属酸化物をいい、Ln2((Zr1−xTix)2)1±aO7(式中、LnはSc、Y、La及び他のランタノイドからなる群より選ばれた1種以上の元素を示し、0≦x≦0.5、0≦a≦0.2である)が好ましいものとして挙げられる。具体的には例えば、Gd2((Zr1−xTix)2)1±aO7(式中、0≦x≦0.5、0≦a≦0.2である)、Y2((Zr1−xTix)2)1±aO7(式中、0≦x≦0.5、0≦a≦0.2である)等が挙げられる。 The composite metal oxide having a pyrochlore crystal structure refers to a composite metal oxide having a so-called pyrochlore crystal structure, Ln 2 ((Zr 1−x Ti x ) 2 ) 1 ± a O 7 (wherein Ln represents one or more elements selected from the group consisting of Sc, Y, La and other lanthanoids, and 0 ≦ x ≦ 0.5 and 0 ≦ a ≦ 0.2) are preferred. . Specifically, for example, Gd 2 ((Zr 1-x Ti x ) 2 ) 1 ± a O 7 (where 0 ≦ x ≦ 0.5, 0 ≦ a ≦ 0.2), Y 2 ( (Zr 1-x Ti x ) 2 ) 1 ± a O 7 (where 0 ≦ x ≦ 0.5, 0 ≦ a ≦ 0.2).
フルオライト型結晶構造を有する複合金属酸化物とは、いわゆるフルオライト型の結晶構造をとる複合金属酸化物をいい、その中で好ましいものはセリア系複合金属酸化物で、Ce1−xMxO2(式中、MはGd、La、Y、Sc、Sm、Pr、Nd、Ca、Mg、Sr、Ba、Dy、Yb、Tb及び他の2価または3価のランタノイドからなる群から選ばれた1種以上の元素を示し、0≦x≦0.5である)で表されるものである。特に好ましいセリア系複合金属酸化物として、Ce0.8Gd0.2O2−δ(式中、δは酸素欠損量を示す)等が挙げられる。 The composite metal oxide having a fluorite-type crystal structure refers to a composite metal oxide having a so-called fluorite-type crystal structure. Among them, a ceria-based composite metal oxide is preferable, and Ce 1-x M x O 2 (wherein M is selected from the group consisting of Gd, La, Y, Sc, Sm, Pr, Nd, Ca, Mg, Sr, Ba, Dy, Yb, Tb and other divalent or trivalent lanthanoids) 1 or more elements, and 0 ≦ x ≦ 0.5). Particularly preferred ceria-based composite metal oxides include Ce 0.8 Gd 0.2 O 2-δ (where δ represents the amount of oxygen deficiency).
本発明における固体酸化物型燃料電池のアノード材料11bに用いられる電気伝導性を有する複合金属酸化物としては、ペロブスカイト型結晶構造を有する複合金属酸化物が、金属粒子若しくは合金粒子を含有しなくても高い電気伝導性を有し、前記した本発明の効果をより奏する点で特に好ましい。
As the composite metal oxide having electrical conductivity used for the
上記アノード材料11bが2種以上のアノード材料よりなる複合材料である場合には、上記以外のアノード材料も複合金属酸化物であることが好ましい。更に、アノードにおいては、少なくとも電子伝導性とホール伝導性のどちらかを有する複合金属酸化物、及び、少なくとも酸化物イオン伝導性とプロトン伝導性のどちらかを有する複合金属酸化物の2種類以上のアノード材料を含有することが好ましい。ここで、「少なくとも電子伝導性とホール伝導性のどちらかを有する」とは、その両方を合わせた電気伝導度が10−4Scm−1以上であることをいい、「少なくとも酸化物イオン伝導性とプロトン伝導性のどちらかを有する」とは、その両方を合わせた電気伝導度が10−4Scm−1以上であることをいう。
When the
本発明における好ましいアノード材料11bとしては、比較的高い電子伝導性と酸化物イオン伝導性の両方を有するという点で、LSMとGDCの複合材料であるLSM/GDC、LSC単独、LSCとGDCの複合材料であるLSC/GDC等が挙げられる。また、電子伝導性とプロトン伝導性の両方を有するという点で、LSMとSrCe1−iYbiO3(iは、0≦i≦1)(以下、「SCYb」と略記する)の複合材料であるLSM/SCYb、LSCとSCYbの複合材料であるLSC/SCYb等が挙げられる。また、電子伝導性と酸化物イオン伝導性に加えてプロトン伝導性を有するという点で、「LSM若しくはLSC」とGDCとSCYbの複合材料である「LSM若しくはLSC」/GDC/SCYb等が挙げられる。
[膜厚]
アノード材料11bの膜厚は特に限定はないが、通常10μm〜5mmであり、好ましくは20μm〜1mm、より好ましくは30μm〜700μm、更に好ましくは40μm〜400μm、最も好ましくは50μm〜150μmである。膜厚は、触針タイプの表面粗さ計、又はSEMによる断面観察で測定してもよい。
[Film thickness]
The thickness of the
なお、ここで言及したアノード11(燃料極)の最適な厚さは、空孔度によって変わる。すなわち、空孔度はアノード11への気体の拡散のしやすさや、発生した一酸化炭素(CO)ガスの実効反応サイトへの移動しやすさに影響するため、空孔度が変わると厚さの最適条件は変わることがある。したがって、得られたアノード11の空孔度に合わせて適宜アノード11の膜厚は決定することが好ましい。
Note that the optimum thickness of the anode 11 (fuel electrode) mentioned here varies depending on the porosity. That is, since the porosity affects the ease of gas diffusion to the
[発電開始剤]
本発明における固体酸化物型燃料電池の使用に際しては、発電開始剤導入時(以下、「発電開始剤導入工程」ということもある)と発電時(以下、「発電工程」ということもある)が少なくとも存在する。発電開始剤導入時には、アノード11に発電開始剤を供給することで発電を開始させることが、初期の発電特性が安定し易い点で好ましい。ここで、「発電開始剤」とは、一酸化炭素又は二酸化炭素をいう。発電開始剤導入工程においては、発電開始剤を供給し、一酸化炭素又は二酸化炭素を燃料室1の固体炭素2に接触させる。
[Power generation initiator]
When using the solid oxide fuel cell according to the present invention, a power generation initiator is introduced (hereinafter also referred to as “power generation initiator introduction process”) and a power generation (hereinafter also referred to as “power generation process”). At least exists. When introducing a power generation initiator, it is preferable to start power generation by supplying a power generation initiator to the
発電開始剤の導入手段として、例えば、図2、3、4に示したように、発電開始時に発電開始剤を供給する発電開始剤導入管13を設置することが好ましい。発電開始剤導入管13の先端は、発電開始剤がアノード11に到達すれば、どの位置に配置されていてもよいが、図2又は図3に示したように、燃料室1とアノード11の間に配置されていることが、発電開始剤をアノード11に迅速かつ確実に供給できる点で好ましい。
As the means for introducing the power generation initiator, for example, as shown in FIGS. 2, 3, and 4, it is preferable to install a power generation
[アノードの機構、構造、物性等]
発電時には(発電工程では)、燃料室1に供給した固体炭素2を使用し、少なくとも後記する反応式(1)及び反応式(2)により電子を発生させる。また同時に、カソード31では、酸化性ガスに電子を供与し、イオン化した酸化物イオン(O2−)を電解質21に注入する。
[Anode mechanism, structure, physical properties, etc.]
At the time of power generation (in the power generation process), the
本発明における固体酸化物型燃料電池の大きさは特に限定はないが、1cm3〜500m3であることが好ましく、1000cm3〜50000cm3であることが特に好ましい。
There is no particular limitation on the size of the solid oxide fuel cell according to the present invention, it is particularly preferable preferably from 1
本発明における固体酸化物型燃料電池の発電時の出力は特に限定はないが、0.001kW〜500kWが好ましく、0.01kW〜100kWであることが特に好ましく、0.01kW〜10kWであることが更に好ましい。本発明における固体酸化物型燃料電池は、上記大きさの場合に上記出力を発生できる。 The output during power generation of the solid oxide fuel cell in the present invention is not particularly limited, but is preferably 0.001 kW to 500 kW, particularly preferably 0.01 kW to 100 kW, and preferably 0.01 kW to 10 kW. Further preferred. The solid oxide fuel cell of the present invention can generate the output when the size is the above.
アノード11のアノード集電体11aの構成材料は電子伝導性を有し、かつ固体酸化物型燃料電池の作動温度領域において化学的及び物理的に安定であるものであればその形状及び構成材料は特に限定されず、公知の固体酸化物型燃料電池に備えられているものと同様のものを使用することができる。600℃〜1200℃で化学的及び物理的に安定であるものが好ましい。
As long as the constituent material of the anode
このアノード集電体11aは、燃料電池セル10を複数積層して使用する場合には、各単位セル間に配置されるセパレータとしての機能をも果たすものである。
The anode
また、アノード11には、ガスの供給口(図示せず)及び放出口(図示せず)、並びに、これらの供給口と放出口とに接続されたガスの内部流路(図示せず)が設けられていてもよい。本発明における固体酸化物型燃料電池は、一般の公知の燃料電池とは燃料の種類、使用方法、発電原理等は全く異なるが、ガスの供給口及び放出口並びにこれらの供給口と放出口とに接続されたガスの内部流路等の機械的外部構造については、一般の公知の燃料電池の構造と同様のものが使用できる。
The
本発明における固体酸化物型燃料電池では、発電時に、アノード11に対し反応生成ガスを外部に放出させるためのキャリアガスを実質的に導入しないことが好ましい。後述するように、キャリアガスを実質的に導入しないと、アノード11において反応式(1)で示される反応がより効率的に起こるので好ましい。またこれにより、発電時には装置構成をより極めてコンパクトにできる。
In the solid oxide fuel cell according to the present invention, it is preferable that substantially no carrier gas for releasing the reaction product gas to the
<(1−b)カソード>
発電時には、カソード31には、「酸化剤(例えば酸素)を含むガス」(例えば空気)が供給され、カソード材料31bは、酸化剤の還元反応が進行する反応場となるものである。カソード材料31bの組成や形状については特に限定されず、公知の固体酸化物型燃料電池に備えられているカソード31に一般に使用されているものと同様のものを使用することができる。例えば、(LaSr)MnO3系、(LaSr)CoO3系の複合金属酸化物からなる材料等を好ましく使用することができる。特に好ましくは、例えば、La0.85Sr0.15MnO3 等が挙げられる。
<(1-b) Cathode>
At the time of power generation, the
カソード31のカソード集電体31aの構成は、先に述べたアノード11のアノード集電体11aと同様であり、構成材料及び形状については特に限定されず、公知の固体酸化物型燃料電池に備えられているものと同様のものを使用することができる。なお、カソード集電体31aには、空気等の酸化剤を含むガスをカソード材料31bに供給するためのガス流路(図示せず)が形成されている。また、このカソード集電体31aは、燃料電池セル10を複数積層して使用する場合には、各単位セル間に配置されるセパレータとしての機能をも果たすものである。
The configuration of the cathode
<(1−c)電解質>
電解質21は、イオン伝導性の固体酸化物を含む。電解質21は、酸化物イオン(O2−)の移動媒体であると同時に、還元剤(先に述べた固体炭素2)と酸化剤を含むガス(例えば空気)を直接接触させないための隔壁としても機能し、ガス不透過性の緻密な構造を有している。この電解質21の構成材料は特に限定されず、公知の固体酸化物型燃料電池に用いられる材料を使用することができるが、酸化物イオンの伝導性が高く、カソード31側の酸化性雰囲気からアノード11側の還元性雰囲気までの条件下で、化学的に安定で、熱衝撃に強い材料から構成することが好ましい。
<(1-c) Electrolyte>
The
かかる要件を満たす材料としては、例えば、イットリア安定化ジルコニア(YSZ)、
スカンジア安定化ジルコニア(ScSZ)等の安定化ジルコニア;ランタンガレート;セリア系固溶体等が好ましいものとして挙げられる。
Examples of materials that satisfy such requirements include yttria stabilized zirconia (YSZ),
Preferred examples include stabilized zirconia such as scandia-stabilized zirconia (ScSZ); lanthanum gallate; ceria-based solid solution.
安定化ジルコニアは特に限定はないが、下記一般式
(ZrO2)1−x(M2O3)x
[式中、MはY、Sc、Sm、Al、Nd、Gd、Yb及びCeからなる群より選ばれた1種以上の元素を示す。ただしここで、MがCeの場合はM2O3の代わりにCeO2である。]、又は、下記一般式
(ZrO2)1−x(MO)x
[式中、MはCa及びMgからなる群より選ばれた1種以上の元素を示す]における、xが0<x≦0.3である固溶体が好ましい。特に好ましいものとしては、例えば、(ZrO2)1−x(Y2O3)x(式中、0<x≦0.3)等が挙げられ、より好ましくは、式中、0.08≦x≦0.1である。また、更に好ましいものとしては(ZrO2)0.92(Y2O3)0.08等が挙げられる。
Stabilized zirconia is not particularly limited, but the following general formula (ZrO 2 ) 1-x (M 2 O 3 ) x
[Wherein M represents one or more elements selected from the group consisting of Y, Sc, Sm, Al, Nd, Gd, Yb and Ce. However, here, when M is Ce, it is CeO 2 instead of M 2 O 3 . Or the following general formula (ZrO 2 ) 1-x (MO) x
In the formula, M is preferably a solid solution in which x is 0 <x ≦ 0.3 in M represents one or more elements selected from the group consisting of Ca and Mg. Particularly preferable examples include (ZrO 2 ) 1-x (Y 2 O 3 ) x (where 0 <x ≦ 0.3), and more preferably 0.08 ≦ x ≦ 0.1. More preferable examples include (ZrO 2 ) 0.92 (Y 2 O 3 ) 0.08 .
なお、例えば「式中、Aは、Q、R及びTからなる群から選ばれた1種以上の元素を示す」という表現は、式中、AがQである固溶体とAがRである固溶体の混合でもよいことを示すだけではなく、AとしてQとRとを同時に結晶サイトに有する固溶体をも示すものとする。以下、同様である。 For example, the expression “in the formula, A represents one or more elements selected from the group consisting of Q, R and T” is a solid solution in which A is Q and a solid solution in which A is R. In addition, the solid solution having Q and R simultaneously at the crystal site as A is also shown. The same applies hereinafter.
ランタンガレートは特に限定はないが、一般式、La1−xSrxGa1−y−zMgyAzO3(式中、AはCo、Fe、Ni又はCuの何れか1種以上の元素を示し、x=0.05〜0.3、y=0〜0.29、z=0.01〜0.3、y+z=0.025〜0.3の範囲である)で表される固溶体が好ましい。具体的には、La0.8Sr0.2Ga0.8Mg0.15Co0.05O3−δ(式中、δは酸素欠損量を示す)等が挙げられる。 Although lanthanum gallate is not particularly limited, general formula, La in 1-x Sr x Ga 1- y-z Mg y A z O 3 ( wherein, A is Co, Fe, any one or more of Ni or Cu Element is represented by x = 0.05 to 0.3, y = 0 to 0.29, z = 0.01 to 0.3, y + z = 0.025 to 0.3). A solid solution is preferred. Specific examples include La 0.8 Sr 0.2 Ga 0.8 Mg 0.15 Co 0.05 O 3-δ (where δ represents the amount of oxygen deficiency).
セリア系固溶体は特に限定はないが、Ce1−xMxO2(式中、MはGd、La、Y、Sc、Sm、Al、Pr、Nd、Ca、Mg、Sr、Ba、Dy、Yb、Tb、及び他の2価又は3価のランタノイドからなる群から選ばれた1種以上の元素を示す)における、xが0<x≦0.5である固溶体が好ましい。中でも、MがGdであるCe1−xGdxO2(式中、0<x≦0.5)、又は、MがSmであるCe1−xSmxO2(式中、0<x≦0.5)がより好ましく、何れの式においても、式中、0.03≦x≦0.4が特に好ましく、0.08≦x≦0.4が更に好ましく、0.1≦x≦0.4が最も好ましい。また、特に好ましいセリア系固溶体としては、Ce0.8Gd0.2O2−δ(式中、δは酸素欠損量を示す)、Ce0.67Gd0.33O2−δ(式中、δは酸素欠損量を示す)、Ce0.9Gd0.1O2−δ(式中、δは酸素欠損量を示す)等が挙げられる。特に、GDCを電解質21の材料として用いると、発電時の温度が750℃以下であっても、出力密度を充分大きくできるので好ましい。
The ceria-based solid solution is not particularly limited, but Ce 1-x M x O 2 (wherein M is Gd, La, Y, Sc, Sm, Al, Pr, Nd, Ca, Mg, Sr, Ba, Dy, A solid solution in which x is 0 <x ≦ 0.5 in Yb, Tb, and one or more elements selected from the group consisting of other divalent or trivalent lanthanoids) is preferable. Among them, Ce 1-x Gd x O 2 where M is Gd (where 0 <x ≦ 0.5), or Ce 1-x Sm x O 2 where M is Sm (where 0 <x ≦ 0.5) is more preferable, and in any formula, 0.03 ≦ x ≦ 0.4 is particularly preferable, 0.08 ≦ x ≦ 0.4 is further preferable, and 0.1 ≦ x ≦ 0.4. 0.4 is most preferred. Particularly preferable ceria-based solid solutions include Ce 0.8 Gd 0.2 O 2-δ (where δ represents the amount of oxygen deficiency), Ce 0.67 Gd 0.33 O 2-δ (wherein , Δ represents an oxygen deficiency amount), Ce 0.9 Gd 0.1 O 2-δ (where δ represents an oxygen deficiency amount), and the like. In particular, it is preferable to use GDC as the material of the
また、発電の際に、十分な出力特性を得る観点からは、かかる複合金属酸化物の導電率は、1000℃において、0.01〜10Scm−1であることが好ましい。 Moreover, from the viewpoint of obtaining sufficient output characteristics during power generation, the conductivity of the composite metal oxide is preferably 0.01 to 10 Scm −1 at 1000 ° C.
<燃料電池セルの製造方法>
本発明における燃料電池セル10の製造方法は特に限定されず、公知の固体酸化物燃料電池の製造に適用されている公知の薄膜製造技術等を使用することができる。例えば、スキージ法、スクリーンプリンティング法、真空蒸着法、スパッタ法、イオンプレーティング法等のPVD法、熱CVD法、プラズマCVD法、レーザーCVD法等のCVD法、溶射法等が挙げられる。
<Method for producing fuel cell>
The manufacturing method of the
電解質21を形成する方法としては、例えば、公知のセラミックプロセスであるシート成形焼結法を例示することができる。より具体的には、原料及び溶媒を混合することによって得たスラリーをシート状に延ばし、乾燥させた後に、必要に応じてカッターナイフ等を用いて成形し焼成する。スラリーには、必要に応じて、バインダー、可塑剤、分散剤等の公知の添加剤を配合させてもよい。成形、焼成等の条件は、原料の組成に応じて適宜設定することができる。また、先に述べたPVD法、CVD法、溶射法等の薄膜形成法により、例えば、アノード11又はカソード31上に電解質21の層を形成することもできる。
As a method of forming the
<固体酸化物型燃料電池の形態>
本発明における固体酸化物型燃料電池は、少なくとも、(1)燃料電池セル10、(2)発電の際に燃料として使用される固体炭素2及び(3)固体炭素2を格納する燃料室1を有している。
<Form of solid oxide fuel cell>
The solid oxide fuel cell according to the present invention includes at least (1) a
図7及び図8に、本発明における固体酸化物型燃料電池の形態の一例を示す。燃料電池セル10の下には酸化剤を含むガス導入口33があり、燃料電池セル10の下部にあるカソード31(図1〜6参照)に「空気等の酸化剤を含むガス」を供給できるようになっている。また、図7では燃料電池セル10の上、すなわち燃料電池セル10のアノード11側には、燃料となる成型固体炭素43を格納する燃料室1があり、使用者が成型固体炭素43を該燃料室1内に入れられるようになっている。
7 and 8 show an example of the form of the solid oxide fuel cell according to the present invention. A
図7においては、燃料電池セル10と成型固体炭素43との間には仕切網42があり、成型固体炭素43が燃料電池セル10のアノード集電体11aやアノード材料11bに直接接触して傷をつけないようになっているが、該仕切網42は必須ではない。仕切網42は、一酸化炭素(CO)等の気体は通過できるようになっており、全ての気体は固体炭素2に接触できる。
In FIG. 7, there is a
燃料室1には、二酸化炭素(CO2)排出口3があり、二酸化炭素(CO2)を外部に排出できるようになっている。また、二酸化炭素(CO2)排出口3、成型固体炭素格納口(図示せず)等を含めて燃料室1は、外部から空気等の酸化剤を含むガスが、燃料電池セル10のアノード11に到達できないようになっている。
The
また、発電開始時に発電開始剤を供給するための発電開始剤導入管13の先端が、上記燃料電池セル10のアノード11側に配置されていることが好ましく、図7、図8に示したように、上記燃料室1とアノード11との間に配置されていることが特に好ましい。
Moreover, it is preferable that the tip of the power generation
図7に示したように、外部制御回路22があり、発電開始直後に電流密度をその初期値から増加させながら固体酸化物型燃料電池を運転させたり、発電開始時にアノード11へ電気化学的に酸素源を注入させたり、発生した電力を取り出したりする目的に使用できるようになっている。
As shown in FIG. 7, there is an
図8には、予備の成型固体炭素の格納室45があり、その中に予備の成型固体炭素44が格納されている。予備の成型固体炭素44は、成型固体炭素43が消費し尽くされたり、消費し尽くされそうになったりしたら、予備の成型固体炭素の格納室45から燃料室1に移動できるようになっている。移動に際しては、外部から空気等の酸化剤を含むガスが、燃料電池セル10のアノードに実質的に到達できないようになっており、また、一酸化炭素(CO)等のガスが外部に漏洩しないようになっている。
In FIG. 8, there is a
発電継続中の固体炭素2の追加方法としては特に限定はないが、燃料室1の上から成型固体炭素43を例えば積み重ねる等して継ぎ足す方法、図8のように燃料室1の近傍に予備の成型固体炭素44を保存しておき、固体炭素2が消費された時点で、その予備の成型固体炭素44に置き換える(予備の成型固体炭素44を追加格納する)方法等が挙げられる。
The method for adding the
燃料として供給される成型固体炭素43中の固体炭素2、又は成型前の固体炭素2は、炭素を含有する固体をいい、ここで「炭素」とは無定形炭素、グラファイト等の結晶性の単体炭素をいう。固体炭素2は、具体的には特に限定はないが、天然黒鉛、人造黒鉛、カーボンブラック(ファーネスブラック、チャンネルブラック、アセチレンブラック、ランプブラック等)、グラファイトチョーク、フラーレン等の結晶性炭素;木炭、竹炭、墨等の動植物由来の炭素;煙突煤;コークス;排気ガスに含まれる粒子状物質(一般に「PM」とも言われる)中の炭素微粒子;等が挙げられる。
The
上記成型固体炭素43中の炭素含有率は特に限定はないが、50質量%以上であることが、固体酸化物型燃料電池の良好な発電のために好ましい。より好ましくは70質量%以上、特に好ましくは90質量%以上である。「炭素含有率」とは、炭素原子(C)の成型固体炭素全体に対する含有割合(質量%)をいう。
The carbon content in the molded
成型固体炭素43の形状は、粉末ではなく成型された形状であれば特に限定はないが、芯状、棒状又はタブレット状であることが、前の<固体酸化物型燃料電池の基本構成>において記載した理由から好ましい。成型固体炭素43の大きさは特に限定はなく、シャープペンシルの芯、チョーク等の形状も好ましい。
The shape of the molded
成型方法は特に限定はなく、公知の方法が用いられる。また、成型に際しては、有機ポリマー等のバインダー;タール、ピッチ等の粘結材等を併用することもできる。 A molding method is not particularly limited, and a known method is used. In molding, a binder such as an organic polymer; a binder such as tar and pitch can be used in combination.
成型固体炭素43の格納部や成型固体炭素43の内部はガスが透過するようになっていることが好ましい。そのためには、成型固体炭素43自体に多孔性を持たせる、あるいは貫通孔や溝を設ける等してガス流路を確保することが好ましい。
It is preferable that the gas permeates through the storage portion of the molded
<運転方法>
本発明における固体酸化物型燃料電池の運転方法は、カソード31に空気等の酸化剤を含むガスを供給し、連続的に供給される固体炭素2を還元剤として発電する発電工程とを少なくとも含む方法であれば特に限定されない。要すれば、前記した一酸化炭素等の発電開始剤を燃料室1の固体炭素2に供給して電池反応を開始させる工程後、固体炭素2が供給され続ける限り、連続的な運転が可能である。
<Driving method>
The operation method of the solid oxide fuel cell according to the present invention includes at least a power generation step of supplying a gas containing an oxidant such as air to the
発電開始剤導入方法については、特に限定されるものではなく、燃料室1の固体炭素2へ極少量の一酸化炭素又は二酸化炭素を瞬間的に流せばよい。反応開始剤の流入量は、電池反応が開始するのに十分量であればよく特に限定されない。また、発電開始時に、アノード11へ電気化学的に酸素源を注入することも好ましい。
The method for introducing the power generation initiator is not particularly limited, and an extremely small amount of carbon monoxide or carbon dioxide may be instantaneously flowed to the
固体炭素2の供給方法については、成型固体炭素43を直接的に燃料室1に格納すればよく、従来の公知文献2に記載されているような賦活工程が不要なため、非常に簡便である。
The method of supplying the
本発明における固体酸化物型燃料電池の発電方法においては、発電開始直後、電流密度をその初期値から増加させながら運転させることが、安定した発電のために好ましい。発電開始直後、徐々に電流密度を上げることが、安定した発電のために特に好ましい。「徐々に電流密度を上げる」とは、通常、毎分当り0.008mA/cm2〜2mA/cm2で増加させることをいい、特に好ましくは、毎分当り0.016mA/cm2〜1mA/cm2である。かかる範囲を外れると、初期の発電特性が安定しない場合がある。 In the power generation method of the solid oxide fuel cell according to the present invention, it is preferable for stable power generation to operate while increasing the current density from its initial value immediately after the start of power generation. Immediately after the start of power generation, gradually increasing the current density is particularly preferable for stable power generation. “Slowly increasing the current density” usually means increasing at a rate of 0.008 mA / cm 2 to 2 mA / cm 2 per minute, and particularly preferably 0.016 mA / cm 2 to 1 mA / min per minute. cm 2 . Outside this range, the initial power generation characteristics may not be stable.
以上、本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではない。例えば、本発明における固体酸化物型燃料電池は、例えば、図1〜6に示した固体酸化物型燃料電池を複数積層した形態を有していてもよい。 The preferred embodiment of the present invention has been described above, but the present invention is not limited to the above embodiment. For example, the solid oxide fuel cell according to the present invention may have, for example, a form in which a plurality of the solid oxide fuel cells shown in FIGS.
本発明においては、燃料室1中の固体炭素2を、発電によって発生した二酸化炭素と反応させて一酸化炭素に変換し、当該一酸化炭素を酸化することにより発電する。特に、発電時にアノード11において、少なくとも、下記の反応式(1)及び(2)を利用して発電を行う。
CO2+C → 2CO (1)
CO+O2− → CO2+2e− (2)
In the present invention, the
CO 2 + C → 2CO (1)
CO + O 2− → CO 2 + 2e − (2)
反応式(1)を利用することで、アノード11の近傍に供給される固体炭素2を、気体のCOに変換して燃料として消費するので、発電時において固体炭素2の存在位置の影響を極めて小さくすることが可能になる。つまり、固体酸化物型燃料電池では、一般的に電解質21の表面に近いところでの電極反応ほど発電への寄与が大きいので、電解質21の表面から遠いところに分布する固体炭素2は消費されにくい。そのため、反応式(1)で示される反応が起きない場合と比べて高い燃料利用率が得られ、アノード11から離れた位置に固体炭素2が供給されても発電が可能になる。
By using the reaction formula (1), the
加えて、反応式(2)によるCOの酸化反応は、下記反応式(3)又は反応式(4)による固体炭素2の酸化反応よりも反応速度が大きいため、高い出力密度が得られる。反応式(2)を支配的に起こすには、例えば、反応生成ガスによる圧力上昇分以上はアノード11外部に反応生成ガスを放出させないようにして、反応式(1)や反応式(3)で生成した一酸化炭素(CO)をアノード11に滞留する時間を長くすることや、系外から流入する酸素によって起こる一酸化炭素(CO)の酸化による消費を抑えること等が挙げられる。
C+O2− → CO+2e− (3)
C+2O2− → CO2+4e− (4)
In addition, the CO oxidation reaction according to the reaction formula (2) has a higher reaction rate than the
C + O 2− → CO + 2e − (3)
C + 2O 2− → CO 2 + 4e − (4)
本発明における固体酸化物型燃料電池の発電方法においては、反応式(2)で消費される一酸化炭素(CO)の50モル%以上が反応式(1)で生成されることが好ましい。すなわち、発電時に消費される一酸化炭素の50モル%以上が、固体炭素2と二酸化炭素との反応により生じた一酸化炭素であることが好ましい。特に好ましくは60モル%以上、更に好ましくは70モル%以上である。
In the power generation method of the solid oxide fuel cell in the present invention, it is preferable that 50 mol% or more of carbon monoxide (CO) consumed in the reaction formula (2) is generated in the reaction formula (1). That is, it is preferable that 50 mol% or more of carbon monoxide consumed during power generation is carbon monoxide generated by the reaction between the
また、本発明における固体酸化物型燃料電池の発電方法においては、電荷移動量の50%以上が、固体炭素2と二酸化炭素との反応により得られた一酸化炭素の酸化に起因することが好ましい。
Moreover, in the power generation method of the solid oxide fuel cell according to the present invention, it is preferable that 50% or more of the charge transfer amount is due to the oxidation of carbon monoxide obtained by the reaction between the
反応式(2)を支配的に起こす手段としては、反応式(1)や反応式(3)で生成したCOをアノード11に滞留する時間を長くさせることや、系外から流入する酸素によって起こるCOの酸化による消費を抑えるために、酸素の流入を遮断すること等が挙げられる。常法のようにアノード11にキャリアガスを流すと、反応式(2)は殆ど起こらない。
Means for causing the reaction formula (2) to dominate is caused by extending the residence time of CO produced in the reaction formula (1) or the reaction formula (3) in the
アノード11において反応式(1)で示される反応を起こすためには、電極反応(2)及び/又は(4)で生成したCO2をアノード11中に長く滞留させることが大事であり、そのために発電時のキャリアガスの導入をなくすことが好ましい。キャリアガスの導入をなくすためには、系外からの空気つまりは酸素の漏れこみを、シール性能を向上する等して、極力少なくし、酸素分圧の上昇による電圧低下を防ぐことが好ましい。
In order to cause the reaction represented by the reaction formula (1) in the
発電工程において、カソード31に供給する酸化剤を含むガスは、入手容易性から空気であることが好ましい。また、同様の観点から、酸化剤は酸素であることが好ましい。
In the power generation step, the gas containing the oxidant supplied to the
また、発電時における固体酸化物型燃料電池の電荷移動量や出力密度を向上させる観点から、アノード11に、該アノード11における反応生成ガスを外部に放出させるためのキャリアガスを供給しないことが好ましい。
From the viewpoint of improving the charge transfer amount and power density of the solid oxide fuel cell during power generation, it is preferable not to supply a carrier gas for releasing the reaction product gas in the
本発明における固体酸化物型燃料電池において、発電工程での温度は400〜1000℃が好ましく、450〜900℃がより好ましく、500〜750℃が特に好ましい。温度が低すぎると反応式(1)が進行しにくくなることや、セル(電極及び電解質)の抵抗が大きくなるために、出力密度が低下する場合がある。一方、高すぎると、セルや周辺部材の劣化が早まる場合がある。 In the solid oxide fuel cell of the present invention, the temperature in the power generation step is preferably 400 to 1000 ° C, more preferably 450 to 900 ° C, and particularly preferably 500 to 750 ° C. If the temperature is too low, the reaction formula (1) is difficult to proceed, and the resistance of the cell (electrode and electrolyte) increases, which may reduce the output density. On the other hand, if it is too high, the cell and peripheral members may be deteriorated quickly.
本発明における固体酸化物型燃料電池は、発電時の温度750℃以下で、出力密度が50(mW/cm2)以上にすることができる。また、出力密度が50(mW/cm2)以上になるように、組成、構造、設定等が調整された固体酸化物型燃料電池が好ましい。特に、電解質21としてGDCを用いることによって、発電時の温度が750℃以下であっても、出力密度を50(mW/cm2)以上にすることができる。
The solid oxide fuel cell according to the present invention can have a power generation temperature of 750 ° C. or lower and a power density of 50 (mW / cm 2 ) or higher. In addition, a solid oxide fuel cell whose composition, structure, setting, etc. are adjusted so that the power density is 50 (mW / cm 2 ) or more is preferable. In particular, by using GDC as the
また、本発明における固体酸化物型燃料電池は、電流密度9.3mA/cm2で発電したときの燃料利用効率を60%以上にできる。また、燃料利用効率60%以上になるように、組成、構造、設定等が調整された固体酸化物型燃料電池が好ましい。ここで「燃料利用効率」とは、アノード材料11b近傍に供給した固体炭素2中の炭素に対する、反応式(4)を仮定し電荷移動量から計算した消費炭素量の割合である。
In addition, the solid oxide fuel cell according to the present invention can achieve a fuel utilization efficiency of 60% or more when power is generated at a current density of 9.3 mA / cm 2 . Further, a solid oxide fuel cell in which the composition, structure, setting, etc. are adjusted so that the fuel utilization efficiency is 60% or more is preferable. Here, the “fuel use efficiency” is the ratio of the consumed carbon amount calculated from the charge transfer amount assuming the reaction formula (4) with respect to the carbon in the
また、本発明における固体酸化物型燃料電池は、電流密度80mA/cm2で発電したときの燃料利用効率を20%以上にできる。また、燃料利用効率20%以上になるように、組成、構造、設定等が調整された固体酸化物型燃料電池が好ましい。特に好ましくは30%以上、更に好ましくは40%以上である。 Moreover, the solid oxide fuel cell according to the present invention can achieve a fuel utilization efficiency of 20% or more when power is generated at a current density of 80 mA / cm 2 . In addition, a solid oxide fuel cell in which the composition, structure, setting, etc. are adjusted so that the fuel utilization efficiency is 20% or more is preferable. Particularly preferably, it is 30% or more, more preferably 40% or more.
具体的には、上記したように、系外からの空気すなわち酸素の漏れこみを、シール性能を向上する等して極力少なくしたり、アノード11の大気への開口径を小さくしたりして大気からアノード11への酸素の流入を抑制して、反応式(1)及び/又は反応式(2)における一酸化炭素(CO)について損失を軽減することによって実現される。
Specifically, as described above, leakage of air from the outside of the system, that is, oxygen, is reduced as much as possible by improving the sealing performance, or the opening diameter of the
以下、本発明を実施例により更に詳細に説明するが、本発明はこれら実施例に限定されるものではない。 EXAMPLES Hereinafter, although an Example demonstrates this invention still in detail, this invention is not limited to these Examples.
実施例1
電解質として、厚さ0.3mmのScSZ(10モル%のSc2O3と1モル%のCeO2がドープされたZrO2)ディスクを使用し、アノード材料には、Ni/GDC(GdがドープされたCeO2)多孔質サーメットを、カソード材料にはLa0.85Sr0.15MnO3多孔質膜を用いた。アノードの厚さは50μmであった。
Example 1
As an electrolyte, ScSZ thickness 0.3
構成と製造方法は、一般的な固体酸化物型燃料電池の構成と製造方法に従った。すなわち、アノード材料及びカソード材料の粉体を溶媒に分散し、有機バインダー等を添加してスラリーを調製した。次いで、当該スラリーをドクターブレード法でディスクに塗布し、焼成して燃料電池セルを作製した。 The configuration and manufacturing method followed the configuration and manufacturing method of a general solid oxide fuel cell. That is, the anode material and cathode material powders were dispersed in a solvent, and an organic binder or the like was added to prepare a slurry. Next, the slurry was applied to a disk by a doctor blade method and fired to produce a fuel cell.
上記の燃料電池セルを用いて固体酸化物型燃料電池を作製した。固体炭素を燃料として消費して発電することを確認するため、燃料室に、カーボンブラック(三菱化学社製「MA7」)(以下、「CB」と略記する)28.3mgを格納した。 A solid oxide fuel cell was produced using the fuel cell described above. In order to confirm that power is generated by consuming solid carbon as fuel, 28.3 mg of carbon black (“MA7” manufactured by Mitsubishi Chemical Corporation) (hereinafter abbreviated as “CB”) was stored in the fuel chamber.
その後、アノードに純アルゴン(Ar)を、202STPmL/分で約1時間供給し、O2等の残留ガスを十分排気した。処理中は、カソード側に純酸素を酸化剤として供給した。セルのシールを確実にし、アノードから3.5mの1/8インチステンレス管をつなぎ、ガスクロマトグラフ装置を挟んで5mのビニルチューブ(内径8mm)で外に排気した。
Thereafter, pure argon (Ar) was supplied to the anode at 202 STPmL / min for about 1 hour, and residual gas such as O 2 was exhausted sufficiently. During the treatment, pure oxygen was supplied as an oxidizing agent to the cathode side. The cell was securely sealed, a 3.5
900℃で、電流をある一定電流密度に調整して発電をおこない、それぞれの電流密度における端子電圧の経時変化をモニターした。電流密度33.0mA/cm2の時に最大出力密度20.3mW/cm2が得られた。よって、上記燃料電池セルは、外部から供給された固体炭素を燃料として発電することが確認できた。 Electric power was generated by adjusting the current to a certain constant current density at 900 ° C., and the change with time in the terminal voltage at each current density was monitored. A maximum output density of 20.3 mW / cm 2 was obtained at a current density of 33.0 mA / cm 2 . Therefore, it was confirmed that the fuel cell generates power using solid carbon supplied from the outside as fuel.
上記では燃料室にCBを直接供給したが、成型固体炭素を供給しても、成型固体炭素中の固体炭素を燃料として、上記と同様に発電させることができる。 In the above description, CB is directly supplied to the fuel chamber. However, even if molded solid carbon is supplied, power can be generated in the same manner as described above using the solid carbon in the molded solid carbon as a fuel.
本発明は、従来のように気体を燃料とせず、極めて簡便に燃料電池セルに燃料を供給することが可能であるため、家屋、工場、店舗等の定置式の固体酸化物型燃料電池のみならず、携帯電話、パソコン等の移動式の固体酸化物型燃料電池にも適用可能になるため、電力を必要とするあらゆる分野に広く利用されるものである。 Since the present invention can supply fuel to the fuel cells without using gas as a fuel as in the prior art, it can be used only for stationary solid oxide fuel cells such as houses, factories and stores. In addition, since it can be applied to mobile solid oxide fuel cells such as mobile phones and personal computers, it is widely used in all fields that require electric power.
1 燃料室
2 固体炭素
3 二酸化炭素(CO2)排出口
10 燃料電池セル
11 アノード
11a アノード集電体
11b アノード材料
13 発電開始剤導入管
21 電解質
22 外部制御回路
23 電気回路
31 カソード
31a カソード集電体
31b カソード材料
33 酸化剤を含むガス導入口
41 リード線
42 仕切網
43 成型された固体炭素(成型固体炭素)
44 予備の成型固体炭素
45 予備の成型固体炭素の格納室
1
44 Preliminary molded
Claims (10)
CO2+C → 2CO (1)
CO+O2− → CO2+2e− (2) 8. The solid oxide fuel according to claim 1, wherein the fuel cell generates power using the following reaction formulas (1) and (2) during power generation. Battery power generation method.
CO 2 + C → 2CO (1)
CO + O 2− → CO 2 + 2e − (2)
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