JP5674035B2 - 中低温高効率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
(1)電気化学セルが、燃料ガスと界面を有する燃料極、緻密なイオン伝導体(電解質)、空気(酸素)と界面を有する空気極がその順番に積層されている構造を有し、燃料極と空気極は接触することなく電解質によって分離され、Ru−CeO 2 ,Pd−CeO 2 ,Cu−CeO 2 ,又はNi−CeO 2 から構成される電気化学反応を促進する多孔質構造の機能層を有し、燃料ガスとの界面である燃料極表面全面あるいは一部に当該電気化学反応を促進する多孔質構造の機能層が積層されている構造を有する気体水素燃料を利用した単一の電気化学セルであって、
下記の式
式:η=作動時の燃料利用率×(作動電圧/1.25)
から計算される発電効率ηにおいて、40%以上をセル温度700℃以下で実現できることを特徴とする上記電気化学セル。
(2)上記電気化学セルの構造形状が、燃料極材料からなる支持構造を有し、
1)その燃料極構造体の一面に緻密なイオン伝導体(電解質)が積層され、
2)電解質上に燃料極構造支持体と接触することなく、空気極が積層されており、
3)燃料極材料からなる構造支持体の電解質が積層されず、燃料ガスと界面を有する面に電気化学反応を促進する機能層が積層されている、前記(1)記載の電気化学セル。
(3)上記電気化学セルの構造形状が、燃料極材料からなる支持構造を有し、
1)その燃料極構造体の一面に緻密なイオン伝導体(電解質)が積層され、
2)電解質上に燃料極構造支持体と接触することなく、空気極が積層されており、
3)燃料極材料からなる構造支持体の電解質が積層されず、燃料ガスと界面を有する面に電気化学反応を促進する機能層が積層されており、
4)空気が供給される面において電解質及び空気極がなくて、燃料極が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、前記(1)記載の電気化学セル。
(4)電解質材料が、Zr,Ce,Mg,Sc,Ti,Al,Y,Ca,Gd,Sm,Ba,La,Sr,Ga,Bi,Nb,Wから選ばれる2種類以上の元素を含む酸化物化合物である、前記(1)から(3)のいずれかに記載の電気化学セル。
(5)燃料極材料が、Ni,Cu,Pt,Pd,Au,Ru,Co,La,Sr,Tiから選ばれる元素及び/又はこれらの元素1種類以上を含む酸化物化合物から構成される、前記(1)から(3)のいずれかに記載の電気化学セル。
(6)燃料極材料が、前記(4)に記載の材料と、前記(5)に記載の材料の複合材料である、前記(1)から(3)のいずれかに記載の電気化学セル。
(7)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(6)のいずれかに記載の電気化学セルより構成され、運転温度が高くても700℃であることを特徴とする電気化学反応システム。
(8)上記記載の電気化学セルが複数集積されたスタック構造体を利用したモジュールから構成される、前記(7)に記載の電気化学反応システム。
(9)前記(1)から(6)のいずれかに記載の電気化学セルを使用して発電する発電方法であって、気体水素を含む燃料を持いて、700℃以下で、前記(1)で定義される発電効率が40%以上の条件で上記電気化学セルを使用して発電する発電方法。
本発明で定義する発電効率ηは、以下の式1、
式1:η=(作動時の燃料利用率)×(作動電圧)/1.25
で定義される。式中、1.25Vは、気体水素と酸素が反応して水になるときの反応熱のうち低位発熱量(LHV)から算出された理論起電力であり、作動時の燃料利用率は、燃料流量と作動電流から以下の式2のように計算できる(気体水素の場合)。
式2:(作動時の燃料利用率)=(作動電流)/((気体水素の流量)/6.9)
ここで、6.9(mL/min)は、1Aの電流を得るのに必要な気体水素の流量である。従って、セルの発電効率は、作動時の電流、電圧、及び気体水素流量によって決定される。
(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、成型体を造形し、乾燥あるいは仮焼する工程。
(2)得られた成型体に、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、燃料極構造体と電解質を同時焼成する工程。
(3)得られた電解質付成型体に、空気極材料をコートし、800〜1300℃において、焼成する工程。
(4)機能層を、管状成型体の内壁に積層し、400〜1200℃において、焼成する工程。
(1)燃料ガスとの界面である燃料極表面全面あるいは一部に電気化学反応を促進する多孔質構造の機能層が積層されている構造を有する、700℃以下において40%以上の発電効率を実現することが可能な電気化学セルを提供することができる。
(2)簡便な手法を用いて上記機能層を積層することができ、低コストでの性能向上が見込める。
(3)中低温域のセル運転温度において前述の式1で定義される発電効率が飛躍的に向上する。
(4)平板型や管状型など様々なセル形状において上記機能層の積層が可能であり、様々なアプリケーションへの展開が期待できる。
(5)セルレベルでの高効率・運転温度低減の実現によって、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。
(6)本発明は、従来のセル構造へも適用が可能であり、既存のSOFCシステムにおいても高性能化が容易に図ることができる。
1 電解質
2 燃料極
3 空気極
4 機能層
5 燃料
6 酸素
7 インターコネクト接続部
8 燃料通路
9 インターコネクト
10 酸素通路
11 集電ワイヤー
12 燃料マニホールド
13 シール材
Claims (9)
- 電気化学セルが、燃料ガスと界面を有する燃料極、緻密なイオン伝導体(電解質)、空気(酸素)と界面を有する空気極がその順番に積層されている構造を有し、燃料極と空気極は接触することなく電解質によって分離され、Ru−CeO 2 ,Pd−CeO 2 ,Cu−CeO 2 ,又はNi−CeO 2 から構成される電気化学反応を促進する多孔質構造の機能層を有し、燃料ガスとの界面である燃料極表面全面あるいは一部に当該電気化学反応を促進する多孔質構造の機能層が積層されている構造を有する気体水素燃料を利用した単一の電気化学セルであって、
下記の式
式:η=作動時の燃料利用率×(作動電圧/1.25)
から計算される発電効率ηにおいて、40%以上をセル温度700℃以下で実現できることを特徴とする上記電気化学セル。 - 上記電気化学セルの構造形状が、燃料極材料からなる支持構造を有し、
1)その燃料極構造体の一面に緻密なイオン伝導体(電解質)が積層され、
2)電解質上に燃料極構造支持体と接触することなく、空気極が積層されており、
3)燃料極材料からなる構造支持体の電解質が積層されず、燃料ガスと界面を有する面に電気化学反応を促進する機能層が積層されている、請求項1記載の電気化学セル。 - 上記電気化学セルの構造形状が、燃料極材料からなる支持構造を有し、
1)その燃料極構造体の一面に緻密なイオン伝導体(電解質)が積層され、
2)電解質上に燃料極構造支持体と接触することなく、空気極が積層されており、
3)燃料極材料からなる構造支持体の電解質が積層されず、燃料ガスと界面を有する面に電気化学反応を促進する機能層が積層されており、
4)空気が供給される面において電解質及び空気極がなくて、燃料極が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、請求項1記載の電気化学セル。 - 電解質材料が、Zr,Ce,Mg,Sc,Ti,Al,Y,Ca,Gd,Sm,Ba,La,Sr,Ga,Bi,Nb,Wから選ばれる2種類以上の元素を含む酸化物化合物である、請求項1から3のいずれかに記載の電気化学セル。
- 燃料極材料が、Ni,Cu,Pt,Pd,Au,Ru,Co,La,Sr,Tiから選ばれる元素及び/又はこれらの元素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から3のいずれかに記載の電気化学セル。
- 燃料極材料が、請求項4に記載の材料と、請求項5に記載の材料の複合材料である、請求項1から3のいずれかに記載の電気化学セル。
- 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6のいずれかに記載の電気化学セルより構成され、運転温度が高くても700℃であることを特徴とする電気化学反応システム。
- 上記記載の電気化学セルが複数集積されたスタック構造体を利用したモジュールから構成される、請求項7に記載の電気化学反応システム。
- 請求項1から6のいずれかに記載の電気化学セルを使用して発電する発電方法であって、気体水素を含む燃料を持いて、700℃以下で、請求項1で定義される発電効率が40%以上の条件で上記電気化学セルを使用して発電する発電方法。
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