JPH06342663A - 固体電解質型燃料電池 - Google Patents
固体電解質型燃料電池Info
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- JPH06342663A JPH06342663A JP5130210A JP13021093A JPH06342663A JP H06342663 A JPH06342663 A JP H06342663A JP 5130210 A JP5130210 A JP 5130210A JP 13021093 A JP13021093 A JP 13021093A JP H06342663 A JPH06342663 A JP H06342663A
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- H01M4/90—Selection of catalytic material
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- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
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- H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
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- H01M8/0606—Combination of fuel cells with means for production of reactants or for treatment of residues with means for production of gaseous reactants
- H01M8/0612—Combination of fuel cells with means for production of reactants or for treatment of residues with means for production of gaseous reactants from carbon-containing material
- H01M8/0625—Combination of fuel cells with means for production of reactants or for treatment of residues with means for production of gaseous reactants from carbon-containing material in a modular combined reactor/fuel cell structure
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- Y02E60/30—Hydrogen technology
- Y02E60/50—Fuel cells
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- Materials Engineering (AREA)
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Abstract
(57)【要約】
【目的】燃料ガスの内部改質が可能で、しかも、温度分
布によるセルの劣化や電池特性の低下のない固体電解質
型燃料電池を提供すること 【構成】上記目的は、酸化剤電極と燃料電極とが電解質
を介して配置され、燃料ガスと酸化剤ガスとを供給する
ことで発電する固体電解質型燃料電池において、燃料電
極の厚さを燃料ガス入口側で薄く、燃料ガス出口に近づ
くにつれて厚くしたことを特徴とする固体電解質型燃料
電池とすることによって達成することができる。
布によるセルの劣化や電池特性の低下のない固体電解質
型燃料電池を提供すること 【構成】上記目的は、酸化剤電極と燃料電極とが電解質
を介して配置され、燃料ガスと酸化剤ガスとを供給する
ことで発電する固体電解質型燃料電池において、燃料電
極の厚さを燃料ガス入口側で薄く、燃料ガス出口に近づ
くにつれて厚くしたことを特徴とする固体電解質型燃料
電池とすることによって達成することができる。
Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は燃料ガスの内部改質が可
能で、しかも、動作時の温度分布によるセルの劣化や電
池特性の低下のない固体電解質型燃料電池に関する。
能で、しかも、動作時の温度分布によるセルの劣化や電
池特性の低下のない固体電解質型燃料電池に関する。
【０００２】
【従来の技術】固体電解質型燃料電池は、一般に酸素イ
オン伝導性を有する固体物質を電解質として用い、1000
℃前後の高温で使用される。このため、使用材料が限定
され、電解質のみならず各電極、集電体などの殆ど全て
に固体材料が用いられ、例えば、電解質にイットリア(Y
2O3)を混ぜたジルコニア(ZrO2)(以下、YSZ と略称する)
を、燃料電極にニッケルと YSZ とのサーメットを、酸
化剤電極に LaSrO3 や LaCoO3 等の、酸素イオン伝導性
と電子伝導性とを有するペロブスカイト酸化物が使用さ
れている。
オン伝導性を有する固体物質を電解質として用い、1000
℃前後の高温で使用される。このため、使用材料が限定
され、電解質のみならず各電極、集電体などの殆ど全て
に固体材料が用いられ、例えば、電解質にイットリア(Y
2O3)を混ぜたジルコニア(ZrO2)(以下、YSZ と略称する)
を、燃料電極にニッケルと YSZ とのサーメットを、酸
化剤電極に LaSrO3 や LaCoO3 等の、酸素イオン伝導性
と電子伝導性とを有するペロブスカイト酸化物が使用さ
れている。
【０００３】固体電解質型燃料電池においては、酸化剤
中の酸素が電子をもらって酸化剤電極表面で(1)式に示
す反応によってイオン化する。生成した酸素イオンは固
体電解質中を移動し、燃料電極表面で(2)式に従って電
子を放出して酸素になるとともに、生成した酸素が燃料
ガスを水蒸気改質することによって得られた水素あるい
は一酸化炭素と(3)式及び(4)式に従って反応し、水蒸気
または二酸化炭素が生成される。電子は外部回路を経て
燃料電極から酸化剤電極に移動し、電気エネルギーとし
て利用される。固体電解質中の酸素イオンの伝導度は温
度が高いほど高いので、固体電解質型燃料電池は、通
常、1000℃の高温で作動させる。
中の酸素が電子をもらって酸化剤電極表面で(1)式に示
す反応によってイオン化する。生成した酸素イオンは固
体電解質中を移動し、燃料電極表面で(2)式に従って電
子を放出して酸素になるとともに、生成した酸素が燃料
ガスを水蒸気改質することによって得られた水素あるい
は一酸化炭素と(3)式及び(4)式に従って反応し、水蒸気
または二酸化炭素が生成される。電子は外部回路を経て
燃料電極から酸化剤電極に移動し、電気エネルギーとし
て利用される。固体電解質中の酸素イオンの伝導度は温
度が高いほど高いので、固体電解質型燃料電池は、通
常、1000℃の高温で作動させる。
【０００４】1/2 O2+ e~ → O~ (1) O~ → 1/2 O2 ＋ e~ (2) CO ＋1/2 O2 → CO2 (3) H2 ＋1/2 O2 → H2O (4) 燃料ガスの水蒸気改質を行うためには、改質装置を固体
電解質型燃料電池とは別に設けることも可能であるが、
改質装置の設置スペースが必要であり、装置のコンパク
ト化の障害となること、装置コストがかかることなどの
問題があった。この問題点を解決するために、近年、燃
料電極で直接燃料ガスの水蒸気改質を行う直接内部改質
方式の検討が進められている。直接内部改質方式は、燃
料電極、例えば Ni‐YSZ 電極を電池反応に必要な電極
としてだけではなく、水蒸気改質反応の触媒としても使
用して燃料ガスの水蒸気改質を行う方式であり、これま
でに、メタン等の燃料ガスが Ni‐YSZ 電極上で水蒸気
改質可能なことが報告されている。
電解質型燃料電池とは別に設けることも可能であるが、
改質装置の設置スペースが必要であり、装置のコンパク
ト化の障害となること、装置コストがかかることなどの
問題があった。この問題点を解決するために、近年、燃
料電極で直接燃料ガスの水蒸気改質を行う直接内部改質
方式の検討が進められている。直接内部改質方式は、燃
料電極、例えば Ni‐YSZ 電極を電池反応に必要な電極
としてだけではなく、水蒸気改質反応の触媒としても使
用して燃料ガスの水蒸気改質を行う方式であり、これま
でに、メタン等の燃料ガスが Ni‐YSZ 電極上で水蒸気
改質可能なことが報告されている。
【０００５】従来の固体電解質型燃料電池の構成の概略
を図３に示す。直接内部改質方式では、燃料電極１に燃
料と水蒸気との混合ガス６を供給し、燃料電極１上で水
蒸気改質反応を行わせるとともに、水蒸気改質反応で生
成した水素もしくは一酸化炭素を上記の電池反応によっ
て酸素と反応させることにより、燃料電池の発電を行わ
せるものである。
を図３に示す。直接内部改質方式では、燃料電極１に燃
料と水蒸気との混合ガス６を供給し、燃料電極１上で水
蒸気改質反応を行わせるとともに、水蒸気改質反応で生
成した水素もしくは一酸化炭素を上記の電池反応によっ
て酸素と反応させることにより、燃料電池の発電を行わ
せるものである。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、この場
合、燃料ガスの水蒸気改質反応は燃料電極表面で均一に
起るわけではなく、燃料ガスの反応量は燃料電極の燃料
ガス入口付近で多く、燃料ガス出口に向かうにつれて減
少する。一方、メタン等の燃料ガスの水蒸気改質反応は
吸熱反応であることが知られている。このため、直接内
部改質方式を従来の固体電解質型燃料電池に適用する
と、吸熱反応である水蒸気改質反応の進行によって、セ
ル内部に図４に示すような温度分布が生じ、例えば、反
応が急激に進む燃料ガス入口付近でセル内部温度が1000
℃から500℃に急激に低下することになる。セル内部に
このような温度分布が生じると、セラミックから形成さ
れている固体電解質型燃料電池セルが熱膨張の差によっ
て破壊したり、あるいは、局部的に温度低下が発生した
部分で固体電解質中の酸素イオンの伝導度が低下するた
めに、電池性能も低下するなどの問題があった。
合、燃料ガスの水蒸気改質反応は燃料電極表面で均一に
起るわけではなく、燃料ガスの反応量は燃料電極の燃料
ガス入口付近で多く、燃料ガス出口に向かうにつれて減
少する。一方、メタン等の燃料ガスの水蒸気改質反応は
吸熱反応であることが知られている。このため、直接内
部改質方式を従来の固体電解質型燃料電池に適用する
と、吸熱反応である水蒸気改質反応の進行によって、セ
ル内部に図４に示すような温度分布が生じ、例えば、反
応が急激に進む燃料ガス入口付近でセル内部温度が1000
℃から500℃に急激に低下することになる。セル内部に
このような温度分布が生じると、セラミックから形成さ
れている固体電解質型燃料電池セルが熱膨張の差によっ
て破壊したり、あるいは、局部的に温度低下が発生した
部分で固体電解質中の酸素イオンの伝導度が低下するた
めに、電池性能も低下するなどの問題があった。
【０００７】本発明の目的は、上記従来技術の有してい
た課題を解決して、燃料ガスの内部改質が可能で、しか
も、動作時に発生する温度分布によるセルの劣化や電池
特性の低下のない固体電解質型燃料電池を提供すること
にある。
た課題を解決して、燃料ガスの内部改質が可能で、しか
も、動作時に発生する温度分布によるセルの劣化や電池
特性の低下のない固体電解質型燃料電池を提供すること
にある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】上記目的は、酸化剤電極
と燃料電極とが電解質を介して配置され、燃料ガスと酸
化剤ガスとを供給することで発電する固体電解質型燃料
電池において、燃料電極の厚さを燃料ガス入口側で薄
く、燃料ガス出口に近づくにつれて厚くしたことを特徴
とする固体電解質型燃料電池とすることによって達成す
ることができる。
と燃料電極とが電解質を介して配置され、燃料ガスと酸
化剤ガスとを供給することで発電する固体電解質型燃料
電池において、燃料電極の厚さを燃料ガス入口側で薄
く、燃料ガス出口に近づくにつれて厚くしたことを特徴
とする固体電解質型燃料電池とすることによって達成す
ることができる。
【０００９】
【作用】上記構成とすることによって、燃料ガスの水蒸
気改質反応が燃料電極で均一に行われるようになるた
め、セル内の温度分布が均一となり、内部改質による燃
料電池の特性低下及び劣化がなくなる。すなわち、水蒸
気改質反応の急激な進行による温度低下が起りやすい燃
料ガス入口側で触媒となる燃料電極の厚さを薄くするこ
とによって燃料ガスの水蒸気改質反応の進行を抑制し、
ガス出口に近づくにつれて未反応の燃料ガスが減少する
ので燃料電極厚さを厚くして燃料ガスの水蒸気改質反応
を促進させることが、セル内部の温度を一定に保つこと
に効果的に作用する。
気改質反応が燃料電極で均一に行われるようになるた
め、セル内の温度分布が均一となり、内部改質による燃
料電池の特性低下及び劣化がなくなる。すなわち、水蒸
気改質反応の急激な進行による温度低下が起りやすい燃
料ガス入口側で触媒となる燃料電極の厚さを薄くするこ
とによって燃料ガスの水蒸気改質反応の進行を抑制し、
ガス出口に近づくにつれて未反応の燃料ガスが減少する
ので燃料電極厚さを厚くして燃料ガスの水蒸気改質反応
を促進させることが、セル内部の温度を一定に保つこと
に効果的に作用する。
【００１０】
【実施例】以下、本発明の固体電解質型燃料電池につい
て実施例によって具体的に説明する。本発明燃料電池の
セル構成を図１に示す。従来の固体電解質型燃料電池セ
ルとは、燃料電極１の厚さを燃料ガス入口側で薄く(本
実施例の場合、約20μm)、出口側に近づくにつれて厚く
(同じく、約100μm)した点で大きく異なる。なお、本実
施例の場合、燃料電極１の材料としてはニッケルを50％
含む Ni‐YSZ サーメット(電極表面積約25cm2)、固体電
解質２としては YSZ (厚さ100μ)、酸化剤電極３として
は LaSrO3(厚さ５mm)を用いた。また、燃料ガスにはメ
タンを使用、その供給量は400cc/min、水蒸気供給量は1
200cc/min、酸化剤ガス８としては空気を用い、その供
給量は2500cc/minとした。
て実施例によって具体的に説明する。本発明燃料電池の
セル構成を図１に示す。従来の固体電解質型燃料電池セ
ルとは、燃料電極１の厚さを燃料ガス入口側で薄く(本
実施例の場合、約20μm)、出口側に近づくにつれて厚く
(同じく、約100μm)した点で大きく異なる。なお、本実
施例の場合、燃料電極１の材料としてはニッケルを50％
含む Ni‐YSZ サーメット(電極表面積約25cm2)、固体電
解質２としては YSZ (厚さ100μ)、酸化剤電極３として
は LaSrO3(厚さ５mm)を用いた。また、燃料ガスにはメ
タンを使用、その供給量は400cc/min、水蒸気供給量は1
200cc/min、酸化剤ガス８としては空気を用い、その供
給量は2500cc/minとした。
【００１１】上記構成のセルを用い、燃料ガスと水蒸気
との混合ガス６と酸化剤ガス８とを予め1000℃に予熱し
てからセルスタックに供給し、0.4W/cm2で発電を行わせ
ることができた。また、セル内部の温度は1000℃でほぼ
一定であった。
との混合ガス６と酸化剤ガス８とを予め1000℃に予熱し
てからセルスタックに供給し、0.4W/cm2で発電を行わせ
ることができた。また、セル内部の温度は1000℃でほぼ
一定であった。
【００１２】なお、燃料電極の作成は、従来の燃料電極
の製造技術であるスパッタ、溶射、グリーンシートによ
る一体焼結等の方法を用いて容易に行うことができる。
の製造技術であるスパッタ、溶射、グリーンシートによ
る一体焼結等の方法を用いて容易に行うことができる。
【００１３】
【発明の効果】以上述べてきたように、固体電解質燃料
電池を本発明構成の燃料電池とすることによって、燃料
電極で燃料ガスの水蒸気改質反応を均一に行わせること
により、セル内部における温度分布の発生を抑制するこ
とが可能となり、局部的な温度低下に起因する固体電解
質の酸素イオン伝導性の低下による電池性能の低下、及
び、温度差に起因する固体電解質型燃料電池構成材料の
熱膨張差による破壊が起らない、内部改質可能で、高性
能、長寿命の固体電解質型燃料電池を実現することがで
きた。また、本発明は、燃料電極の厚さを変えることだ
けであるので、従来の固体電解質型燃料電池の製造手段
に新たに工程を増やす必要がなく、容易に実施可能であ
る。
電池を本発明構成の燃料電池とすることによって、燃料
電極で燃料ガスの水蒸気改質反応を均一に行わせること
により、セル内部における温度分布の発生を抑制するこ
とが可能となり、局部的な温度低下に起因する固体電解
質の酸素イオン伝導性の低下による電池性能の低下、及
び、温度差に起因する固体電解質型燃料電池構成材料の
熱膨張差による破壊が起らない、内部改質可能で、高性
能、長寿命の固体電解質型燃料電池を実現することがで
きた。また、本発明は、燃料電極の厚さを変えることだ
けであるので、従来の固体電解質型燃料電池の製造手段
に新たに工程を増やす必要がなく、容易に実施可能であ
る。
【図１】本発明固体電解質型燃料電池セルの概略構成を
示す断面図。
示す断面図。
【図２】本発明固体電解質型燃料電池の燃料ガス入口‐
出口間のセル内の温度分布を示す図。
出口間のセル内の温度分布を示す図。
【図３】従来の固体電解質型燃料電池セルの概略構成を
示す断面図。
示す断面図。
【図４】従来の固体電解質型燃料電池の燃料ガス入口‐
出口間のセル内の温度分布を示す図。
出口間のセル内の温度分布を示す図。
１…燃料電池、２…固体電解質、３…酸化剤電極、４…
燃料ガス流路、５…酸化剤ガス流路、６…燃料と水蒸気
との混合ガス、７…燃料電極排ガス、８…酸化剤ガス、
９…酸化剤電極排ガス。
燃料ガス流路、５…酸化剤ガス流路、６…燃料と水蒸気
との混合ガス、７…燃料電極排ガス、８…酸化剤ガス、
９…酸化剤電極排ガス。
Claims (1)
- 【請求項１】酸化剤電極と燃料電極とが電解質を介して
配置され、燃料ガスと酸化剤ガスとを供給することで発
電する固体電解質型燃料電池において、燃料電極の厚さ
を燃料ガス入口側で薄く、燃料ガス出口に近づくにつれ
て厚くしたことを特徴とする固体電解質型燃料電池。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP5130210A JPH06342663A (ja) | 1993-06-01 | 1993-06-01 | 固体電解質型燃料電池 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP5130210A JPH06342663A (ja) | 1993-06-01 | 1993-06-01 | 固体電解質型燃料電池 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH06342663A true JPH06342663A (ja) | 1994-12-13 |
Family
ID=15028726
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP5130210A Pending JPH06342663A (ja) | 1993-06-01 | 1993-06-01 | 固体電解質型燃料電池 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH06342663A (ja) |
Cited By (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO1996038871A1 (de) * | 1995-05-31 | 1996-12-05 | Forschungszentrum Jülich GmbH | Anodensubstrat für eine hochtemperatur-brennstoffzelle |
| JP2006032343A (ja) * | 2004-07-13 | 2006-02-02 | Ford Motor Co | 固体酸化物燃料電池の内部改質の反応速度を制御する装置及び方法 |
| US7410717B2 (en) * | 2003-10-25 | 2008-08-12 | Korea Institute Of Science & Technology | Solid oxide fuel cell(SOFC) for coproducing syngas and electricity by the internal reforming of carbon dioxide by hydrocarbons and electrochemical membrane reactor system |
| JP2008305692A (ja) * | 2007-06-08 | 2008-12-18 | Kansai Electric Power Co Inc:The | 燃料電池用構造体、燃料電池および電極層前駆グリーンシート |
| DE10317976B4 (de) * | 2003-04-17 | 2013-05-29 | Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt e.V. | Festelektrolyt-Brennstoffzelle und Verfahren zu ihrer Herstellung sowie Verwendung der Festelektrolyt-Brennstoffzelle als Elektrolyseur |
| EP2660918A4 (en) * | 2010-12-28 | 2016-08-10 | Posco | SOLID OXYGEN FUEL CELL, METHOD OF MANUFACTURING THEREON AND BAND CASTING DEVICE FOR PRODUCING A FUEL ELECTRODE |
-
1993
- 1993-06-01 JP JP5130210A patent/JPH06342663A/ja active Pending
Cited By (8)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO1996038871A1 (de) * | 1995-05-31 | 1996-12-05 | Forschungszentrum Jülich GmbH | Anodensubstrat für eine hochtemperatur-brennstoffzelle |
| AU697262B2 (en) * | 1995-05-31 | 1998-10-01 | Forschungszentrum Julich Gmbh | Anode substrate for a high-temperature fuel cell |
| US5998056A (en) * | 1995-05-31 | 1999-12-07 | Forschungszentrum Julich Gmbh | Anode substrate for a high temperature fuel cell |
| DE10317976B4 (de) * | 2003-04-17 | 2013-05-29 | Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt e.V. | Festelektrolyt-Brennstoffzelle und Verfahren zu ihrer Herstellung sowie Verwendung der Festelektrolyt-Brennstoffzelle als Elektrolyseur |
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