JP7045028B2 - Direct carbon fuel cell - Google Patents
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Description
本発明は直接炭素燃料電池に関する。 The present invention relates directly to a carbon fuel cell.
従来の燃料電池としては、リン酸型燃料電池(PAFC)、溶融炭酸塩型燃料電池(MCFC)、固体酸化物型燃料電池(SOFC)、固体高分子型燃料電池(PEFC)等が知られている。
また、溶融炭酸塩型燃料電池や固体酸化物型燃料電池が気体燃料を用いるのに対して、固体炭素燃料を使用する直接炭素燃料電池(DCFC)も提案されている。
非特許文献1、2には、溶融炭酸塩を電解質として用い、燃料である炭素粉末を電解質中に分散させて用いた直接炭素燃料電池の例が記載されている。
直接炭素燃料電池の電気化学反応は以下の通りである。
カソード:O2+2CO2+4e-→2CO3
2-
アノード:C+2CO3
2-→3CO2+4e-
総括反応:C+O2→CO2
アノードでの反応は、アノードと、固体炭素燃料と、電解質である溶融炭酸塩との三相界面で生じる。
As conventional fuel cells, phosphoric acid type fuel cells (PAFC), molten carbonate type fuel cells (MCFC), solid oxide type fuel cells (SOFC), solid polymer type fuel cells (PEFC) and the like are known. There is.
Further, while molten carbonate fuel cells and solid oxide fuel cells use gaseous fuel, direct carbon fuel cells (DCFC) using solid carbon fuel have also been proposed.
The electrochemical reaction of the direct carbon fuel cell is as follows.
Cathode: O 2 + 2CO 2 + 4e- → 2CO 3 2-
Anode: C + 2CO 3 2- → 3CO 2 + 4e-
Summary reaction: C + O 2 → CO 2
The reaction at the anode occurs at the three-phase interface between the anode, the solid carbon fuel and the molten carbonate, which is the electrolyte.
しかしながら、非特許文献1、2で開示されている直接炭素燃料電池の発電性能は充分とは言えず、改良が求められる。
本発明は、発電性能に優れた直接炭素燃料電池の提供を目的とする。
However, the power generation performance of the direct carbon fuel cell disclosed in
An object of the present invention is to provide a direct carbon fuel cell having excellent power generation performance.
本発明は以下の態様を有する。
[1]溶融炭酸塩からなる電解質と、
前記電解質と酸素と二酸化炭素に接するカソードと、
前記電解質に接するアノードと、
前記アノード近傍の前記電解質中に存在する粒状の固体炭素と、
前記アノードと前記カソードとの間に設けられ、前記電解質を通過させ、前記固体炭素を通過させない隔壁とを有し、
前記固体炭素が前記アノードと前記隔壁との間で挟持され、前記アノードに前記固体炭素が圧接されている、直接炭素燃料電池。
[2]前記アノードを前記隔壁へ向かう方向に加圧する加圧手段を有する、[1]に記載の直接炭素燃料電池。
[3] 前記アノードが、気泡を逃がすための貫通孔を有する、[1]又は[2]に記載の直接炭素燃料電池。
[4]前記アノードの近傍に、気泡が抜ける隙間が設けられている、[1]乃至[3]のいずれかに記載の直接炭素燃料電池。
なお、本発明は、以下の態様を含む。
[11] 溶融炭酸塩からなる電解質と、前記電解質と酸素と二酸化炭素に接するカソードと、前記電解質に接するアノードと、前記アノード近傍の前記電解質中に存在する粒状の固体炭素と、前記アノードと前記カソードとの間に設けられ、前記電解質を通過させ、前記固体炭素を通過させない隔壁とを有し、前記アノードの少なくとも一部に、前記固体炭素を通過させない貫通孔が設けられており、前記貫通孔の開口面に前記固体炭素が圧接されていることを特徴とする直接炭素燃料電池。
[12] 前記固体炭素が前記貫通孔の開口面と前記隔壁の一部とで挟持されている、[11]の直接炭素燃料電池。
[13] 前記貫通孔の開口面と前記固体炭素とを密着させる方向に加圧する加圧手段を有する、[11]または[12]の直接炭素燃料電池。
[14] 前記固体炭素の平均粒子径が20~2000μmであり、前記貫通孔の開口面における前記貫通孔の直径が、該固体炭素の平均粒子径の1/3倍以下である、[11]~[13]のいずれかの直接炭素燃料電池。
The present invention has the following aspects.
[1] An electrolyte composed of molten carbonate and
The cathode in contact with the electrolyte, oxygen and carbon dioxide,
The anode in contact with the electrolyte and
Granular solid carbon present in the electrolyte near the anode,
It has a partition wall provided between the anode and the cathode that allows the electrolyte to pass through and does not allow the solid carbon to pass through.
A direct carbon fuel cell in which the solid carbon is sandwiched between the anode and the partition wall, and the solid carbon is pressure-welded to the anode.
[2] The direct carbon fuel cell according to [1], which has a pressurizing means for pressurizing the anode in the direction toward the partition wall.
[3] The direct carbon fuel cell according to [1] or [2], wherein the anode has a through hole for allowing air bubbles to escape.
[4] The direct carbon fuel cell according to any one of [1] to [3], wherein a gap through which air bubbles escape is provided in the vicinity of the anode.
The present invention includes the following aspects.
[11] An electrolyte composed of molten carbonate, a cathode in contact with the electrolyte, oxygen and carbon dioxide, an anode in contact with the anode, granular solid carbon present in the electrolyte in the vicinity of the anode, the anode and the above. It has a partition wall that is provided between the anode and the anode and allows the electrolyte to pass through and does not allow the solid carbon to pass through, and at least a part of the anode is provided with a through hole that does not allow the solid carbon to pass through. A direct carbon fuel cell characterized in that the solid carbon is pressure-welded to the opening surface of the hole.
[12] The direct carbon fuel cell according to [11], wherein the solid carbon is sandwiched between the opening surface of the through hole and a part of the partition wall.
[13] The direct carbon fuel cell according to [11] or [12], which has a pressurizing means for pressurizing in a direction in which the opening surface of the through hole and the solid carbon are brought into close contact with each other.
[14] The average particle size of the solid carbon is 20 to 2000 μm, and the diameter of the through hole on the opening surface of the through hole is 1/3 or less of the average particle size of the solid carbon. [11] A direct carbon fuel cell according to any one of [13].
本発明の直接炭素燃料電池は、発電性能に優れる。 The direct carbon fuel cell of the present invention is excellent in power generation performance.
図1は、本発明の直接炭素燃料電池の一実施形態を示す断面図である。
本実施形態の直接炭素燃料電池は、溶融炭酸塩(電解質)3と、一部が溶融炭酸塩3中に浸漬されているカソード1と、全体が溶融炭酸塩3中に浸漬されているアノード2と、アノード2の近傍の溶融炭酸塩3中に存在する粒状の固体炭素(燃料)4とを有する。溶融炭酸塩3は反応器5の底部に設けられた電気炉5cに収容されている。
本実施形態では、直接炭素燃料電池の発電特性を測定するために、参照電極20が設けられ、カソード1、アノード2および参照電極20がポテンショスタット/ガルバノスタット(図示略)に接続されている。符号11、21は配線を示す。アノード2の配線は図示していない。
カソード1および参照電極20と、アノード2との間には、溶融炭酸塩3を通過させ、かつ固体炭素4を通過させない、多孔質の隔壁6が設けられている。隔壁6は有底の円筒状であり、隔壁6の底部は溶融炭酸塩3中に浸漬されている。
FIG. 1 is a cross-sectional view showing an embodiment of the direct carbon fuel cell of the present invention.
In the direct carbon fuel cell of the present embodiment, the molten carbonate (electrolyte) 3, the
In this embodiment, a
A
本実施形態において、アノード2は、円板状で表面から裏面に貫通する貫通孔2aが設けられた部材からなっており、隔壁6の内側に嵌装されている。
固体炭素4はアノード2と隔壁6の底面との間に充填されている。アノード2は、加圧手段7によって隔壁6の底面に向かう方向へ加圧され、これによってアノード2の下面(貫通孔の開口面)に固体炭素4が圧接されている。すなわち、加圧手段7によって、アノード2の下面と固体炭素4とが密着する方向の圧力が加えられ、固体炭素4はアノード2の下面と隔壁6の底面とで挟持されている。符号8は加圧手段7の加圧力を測定する測定器である。
In the present embodiment, the
The
本実施形態において、カソード1および参照電極20は、通気管12、22内にそれぞれ収容されている。通気管12、22は、一端が溶融炭酸塩3中に浸漬され他端が反応器5の外部に開口しており、カソード1および参照電極20の周りに、O2およびCO2を含む混合気体が供給されるようになっている。符号13、23は前記混合気体を供給する給気管、符号14、24は通気管12、22内の気体を反応器5の外部へ排気する排気管を示す。すなわち、カソード1および参照電極20は、溶融炭酸塩3と酸素と二酸化炭素に接している。
反応器5の上部には不活性ガスの供給口5aおよび排気口5bが設けられ、反応器5内に不活性ガスが充填されるようになっている。符号9は発電時にアノード2で発生するCO2を反応器5の外部へ排気する排気管である。
In the present embodiment, the
An inert
溶融炭酸塩3としては、Li2CO3、Na2CO3、およびK2CO3からなる群から選ばれる1種以上が好ましい。
融点降下の点で、Li2CO3とNa2CO3とK2CO3との3元型混合物またはL
i2CO3とK2CO3もしくはLi2CO3とNa2CO3の2元型混合物がより好ましい。
As the
In terms of melting point depression, a ternary mixture of Li 2 CO 3 and Na 2 CO 3 and K 2 CO 3 or L
A binary mixture of i 2 CO 3 and K 2 CO 3 or Li 2 CO 3 and Na 2 CO 3 is more preferred.
粒状の固体炭素4としては、活性炭、石炭またはバイオマス由来の炭化物が好ましい。不純物(灰分)が含まれていない点で活性炭が好ましい。
固体炭素4の平均粒子径は20~2000μmが好ましい。
ここで、粒状の固体炭素の平均粒子径は、ふるい分け法による質量平均径である。
As the granular
The average particle size of the
Here, the average particle size of the granular solid carbon is the mass average diameter by the sieving method.
アノード2の材質としては、金(Au)、ニッケル(Ni)等が挙げられる。触媒活性やコストの点ではニッケルが好ましい。
カソード1の材質としては、金(Au)、Liドープされた酸化ニッケル等が挙げられる。
隔壁6は、溶融炭酸塩3を通過させ固体炭素4を通過させない細孔を有する材料で形成されることが好ましい。例えば平均細孔直径が100~500nmの多孔質材料が好ましい。ここで、平均細孔直径の測定方法は水銀圧入法である。
隔壁6の材質としては、溶融塩に対する安定性の点で多孔質アルミナが好ましい。
Examples of the material of the
Examples of the material of the
The
As the material of the
反応器5に充填する不活性ガスとしては、アルゴン(Ar)、窒素(N2)等を用いることができる。
カソード1および参照電極20の周りに供給する、O2およびCO2を含む混合気体としては、O2とCO2またはCO2と空気の混合気体等を用いることができる。
As the inert gas to be filled in the
As the mixed gas containing O 2 and CO 2 supplied around the
図2はアノード2の平面図であり、図3は発電時のアノード2の近傍を模式的に示した説明図である。図3中の符号32は、炭素/電極/溶融炭酸塩の三相界面(反応サイト)を示す。
本実施形態において、アノード2は板状であり、その厚さ方向が垂直になるように配置され、加圧手段7によって、アノード2の下面に粒状の固体炭素4が押しつけられている。このようにアノード2に固体炭素4を圧接させることにより、アノード2と固体炭素4をより確実に接触させることができる。
また、本実施形態のアノード2には、図2に示すように、表面から裏面に貫通する貫通孔2aが同心円状に設けられている。貫通孔2aの配置はこれに限られず、適宜変更可能である。
発電時には、アノード2の下面と固体炭素4と溶融炭酸塩3との三相界面(反応サイト)32から、生成物であるCO2ガス(気泡)が生成する(C+2CO3
2-→3CO2+4e-)。従来の直接炭素燃料電池では、固体炭素と溶融塩のスラリーに、アノードを挿入して発電していたため、連続発電時に気泡がアノードを覆ってしまい、反応サイトの連続的な形成が抑制されていた。本実施形態では、図3に示すように、固体炭素4と溶融炭酸塩3のスラリーに対して、貫通孔2aを有するアノード2を上方からプレスした状態で発電させるため、生成物である気泡31は貫通孔2aを通ってアノード2の上方へ排出される。これにより、アノード2の下部において三相界面(反応サイト)の形成が促進され、発電性能が向上する。
一方、アノード2に貫通孔2aを設けることによって、アノード2の下面(貫通孔2aの開口面)の面積が大きく縮小すると、かえって発電性能が低下するため、かかる不都合が生じないように、貫通孔2aの大きさ、数を設定することが好ましい。
FIG. 2 is a plan view of the
In the present embodiment, the
Further, as shown in FIG. 2, the
During power generation, CO 2 gas (bubbles), which is a product, is generated from the three-phase interface (reaction site) 32 between the lower surface of the
On the other hand, if the area of the lower surface of the anode 2 (the opening surface of the through
アノード2の下面(貫通孔2aの開口面)における貫通孔2aの直径は、固体炭素4の粒径よりも小さく、固体炭素4は貫通孔2aを通過しない。該貫通孔2aの直径は、固体炭素4の平均粒子径の1/3倍以下が好ましい。
貫通孔2aの一方の開口部から他方の開口部までの距離(本実施形態ではアノード2の厚さ)は、0.05~1mmが好ましい。
The diameter of the through
The distance from one opening of the through
本実施形態において固体炭素4が挟持されている区画、すなわちアノード2の下面と隔壁6の底面と隔壁6の内壁とで囲まれた区画内に存在する固体炭素4の粒径および固体炭素4の合計体積が一定であるとき、加圧手段7の加圧力を大きくすることによって、アノード2と固体炭素4の接触部位の数を増大させることができる。前記区画内において固体炭素4が最密充填状態になると、それ以上加圧力を増加させても発電性能は変化しない。
また固体炭素4の粒径を小さくして、固体炭素4の数を増やすことによっても前記接触部位の数を増大させることができる。
In the present embodiment, the particle size of the
Further, the number of the contact portions can be increased by reducing the particle size of the
例えば、加圧手段7の加圧力は、アノード2の下面の単位面積当たり30~100kN/m2が好ましい。
前記固体炭素4が挟持されている区画の全質量(隔壁6内部の溶融炭酸塩3と固体炭素4との合計)に対して、固体炭素4が占める割合(以下、固体炭素の充填率という)は0.5~2.0質量%が好ましい。
For example, the pressing force of the pressurizing means 7 is preferably 30 to 100 kN / m 2 per unit area of the lower surface of the
The ratio of the
<変形例>
本実施形態では、板状のアノードを、その表面が水平方向となるように配置して、アノードの下面に固体炭素を圧接したが、三相界面の形成を妨げる気泡がアノードの孔を抜けて除去される構造であればよく、アノードの表面が傾斜していてもよく、また固体炭素が圧接されるのはアノードの下面でなくてもよい。アノードの反応サイトで発生した気泡が抜けやすい点では、アノードの下面に反応サイトが存在することが好ましい。
本実施形態では、アノードの下面と隔壁の底面とで固体炭素を挟持したが、アノードに固体炭素を圧接できればよく、この構成に限らない。またアノードの形状は、板状でなくてもよく、気泡を逃がすための貫通孔を形成可能な形状であればよい。例えば多孔質電極内部に固体炭素を充填してもよい。
固体炭素4は隔壁6の内方のみに存在し、アノードの下だけでなく、一部がアノードより上の溶融炭酸塩中に存在していてもよい。
本実施形態では、アノードとは別に加圧手段を設けたが、加圧手段を用いずにアノードに固体炭素を圧接してもよい。
<Modification example>
In the present embodiment, the plate-shaped anode is arranged so that its surface is in the horizontal direction, and solid carbon is pressed against the lower surface of the anode, but bubbles that hinder the formation of the three-phase interface pass through the holes of the anode. The structure may be any as long as it is removed, the surface of the anode may be inclined, and the solid carbon may not be pressure-welded to the lower surface of the anode. It is preferable that the reaction site is present on the lower surface of the anode in that bubbles generated at the reaction site of the anode can easily escape.
In the present embodiment, the solid carbon is sandwiched between the lower surface of the anode and the bottom surface of the partition wall, but the configuration is not limited to this as long as the solid carbon can be pressure-welded to the anode. Further, the shape of the anode does not have to be plate-shaped, and may be any shape as long as it can form a through hole for allowing air bubbles to escape. For example, the inside of the porous electrode may be filled with solid carbon.
The
In the present embodiment, the pressurizing means is provided separately from the anode, but solid carbon may be pressure-welded to the anode without using the pressurizing means.
また、アノードに固体炭素を圧接させることによって、アノードと固体炭素との接触をより確実にできるため、貫通孔を有しないアノードに粒状の固体炭素を圧接させる構成としてもよい。かかる構成によれば、後述の比較例1のように、貫通孔を有しないアノードの近傍の溶融炭酸塩中に粒状の固体炭素が分散されている場合に比べて、発電性能を向上させることができる。さらに三相界面(反応サイト)で生成する気泡が抜ける隙間を、アノード近傍に設けることにより発電性能をより向上させることができる。 Further, since the contact between the anode and the solid carbon can be more reliably performed by pressing the solid carbon to the anode, the structure may be such that the granular solid carbon is pressed to the anode having no through hole. According to this configuration, it is possible to improve the power generation performance as compared with the case where granular solid carbon is dispersed in the molten carbonate in the vicinity of the anode having no through hole as in Comparative Example 1 described later. can. Further, the power generation performance can be further improved by providing a gap in the vicinity of the anode through which bubbles generated at the three-phase interface (reaction site) escape.
以下に実施例を用いて本発明をさらに詳しく説明するが、本発明はこれら実施例に限定されるものではない。
(実施例1)
図1に示す構成の直接炭素燃料電池を作成し、定電流モードで,電圧の経時変化を測定した。結果を図4に示す。
アノード2の材質は金(Au)とした。アノード2の形状は、直径14.5mm、厚さ0.5mmの円板状とし、直径0.5mmの孔を、図2に示すように、同心円状に25個設けた。カソード1および参照電極20は金(Au)製とした。隔壁6としては、平均細孔直径が120nmの多孔質アルミナ管(内径15mm)を用いた。反応器5の材質は石英とした。
溶融炭酸塩3は、Li2CO3の16.9モル%と、Na2CO3の25.0モル%と、K2CO3の58.1モル%との混合物を用いた。電気炉5cの壁面温度は800℃とした。固体炭素4としては、平均粒子径が1.0mmの活性炭を用い、電気炉5c内の溶融炭酸塩3に対して固体炭素4は1質量%とした。
反応器5内にArガスを供給し、隔壁6内の溶融炭酸塩3をArガスによるバブリングで撹拌した。カソード1および参照電極20の周りにはO2/CO2(体積比)が1/2の混合気体を供給した。
加圧手段7によって加える圧力は、アノード2下面の単位面積当たり70kN/m2とした。圧力を加えた状態で、アノード2の下面と隔壁6の底面と隔壁6の内壁とで囲まれた区画の体積は880mm3であり、該区画における固体炭素4の充填率は1.0質量%であった。
Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to Examples, but the present invention is not limited to these Examples.
(Example 1)
A direct carbon fuel cell having the configuration shown in FIG. 1 was prepared, and the change over time of the voltage was measured in the constant current mode. The results are shown in FIG.
The material of the
As the
Ar gas was supplied into the
The pressure applied by the pressurizing means 7 was 70 kN / m 2 per unit area of the lower surface of the
(比較例1)
図1に示す構成において、加圧手段7を設けず、また、隔壁6内の溶融炭酸塩3を、不活性ガスによるバブリングで撹拌できるように、給気管(図示せず)を設けた。アノード2を板状の金(Au)電極とした。固体炭素の平均粒子径を17μmとした。隔壁6内の固体炭素と溶融炭酸塩3を実施例1と同様にArガスによるバブリングで撹拌して、固体炭素のアノード2への接触を促進させた。
実施例1と同様にして、定電流モードで,電圧の経時変化を測定した。結果を図5に示す。
(Comparative Example 1)
In the configuration shown in FIG. 1, the pressurizing means 7 is not provided, and an air supply pipe (not shown) is provided so that the
In the same manner as in Example 1, the change over time of the voltage was measured in the constant current mode. The results are shown in FIG.
図4、5の結果に示されるように、比較例1に比べて実施例1は発電特性が向上した。具体的には、比較例1は、電圧が定常状態に達するまでに5分程度時間を要し、さらに電圧の経時的変動が見られた。これに対して実施例1では,電圧が速やかに定常状態に達し、かつ変動が見られず、安定した発電を実現できた。また、比較例1は,25mA/cm2以上の発電は困難であったが、実施例では,50mA/cm2以上の発電が可能であった。
なお、実施例1におけるアノード面積は1.0cm2、比較例1におけるアノード面積は1.6cm2として,アノード面積基準で発電特性を求めた。
As shown in the results of FIGS. 4 and 5, the power generation characteristics of Example 1 were improved as compared with Comparative Example 1. Specifically, in Comparative Example 1, it took about 5 minutes for the voltage to reach a steady state, and further fluctuation of the voltage with time was observed. On the other hand, in Example 1, the voltage quickly reached a steady state, no fluctuation was observed, and stable power generation could be realized. Further, in Comparative Example 1, it was difficult to generate power of 25 mA / cm 2 or more, but in the example, it was possible to generate power of 50 mA / cm 2 or more.
The anode area in Example 1 was 1.0 cm 2 , and the anode area in Comparative Example 1 was 1.6 cm 2 , and the power generation characteristics were obtained based on the anode area.
1 カソード
2 アノード
2a 貫通孔
3 溶融炭酸塩(電解質)
4 固体炭素(燃料)
5 反応器
5a 不活性ガスの供給口
5b 排気口
5c 電気炉
6 隔壁
7 加圧手段
8 測定器
9 排気管
11 配線
12 通気管
13 給気管
14 排気管
20 参照電極
21 配線
22 通気管
23 給気管
24 排気管
31 気泡
32 三相界面
1
4 Solid carbon (fuel)
5
Claims (4)
前記電解質と酸素と二酸化炭素に接するカソードと、
前記電解質に接するアノードと、
前記アノード近傍の前記電解質中に存在する粒状の固体炭素と、
前記アノードと前記カソードとの間に設けられ、前記電解質を通過させ、前記固体炭素を通過させない、多孔質の隔壁とを有し、
前記固体炭素が前記アノードと前記隔壁との間で挟持され、前記アノードに前記固体炭素が圧接されている、直接炭素燃料電池。 An electrolyte consisting of molten carbonate and
The cathode in contact with the electrolyte, oxygen and carbon dioxide,
The anode in contact with the electrolyte and
Granular solid carbon present in the electrolyte near the anode,
It has a porous partition wall provided between the anode and the cathode that allows the electrolyte to pass through and does not allow the solid carbon to pass through.
A direct carbon fuel cell in which the solid carbon is sandwiched between the anode and the partition wall, and the solid carbon is pressure-welded to the anode.
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渡部弘達,石炭チャーを直接燃料とするダイレクトカーボン燃料電池の開発,科学研究費助成事業 研究成果報告書,日本,2016年06月16日,科研費データベースに収録(http://kaken.nii.ac.jp/ja/file/KAKENHI-PROJECT-25630064/25630064seika.pdf |
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