KR20200138159A - 금속 지지형 연료 전지 및 연료 전지 모듈 - Google Patents

금속 지지형 연료 전지 및 연료 전지 모듈 Download PDF

Info

Publication number
KR20200138159A
KR20200138159A KR1020207019501A KR20207019501A KR20200138159A KR 20200138159 A KR20200138159 A KR 20200138159A KR 1020207019501 A KR1020207019501 A KR 1020207019501A KR 20207019501 A KR20207019501 A KR 20207019501A KR 20200138159 A KR20200138159 A KR 20200138159A
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
fuel cell
electrode layer
gas
metal
layer
Prior art date
Application number
KR1020207019501A
Other languages
English (en)
Inventor
미쓰아키 에치고
히사오 오니시
노리토시 신케
유지 쓰다
Original Assignee
오사까 가스 가부시키가이샤
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 오사까 가스 가부시키가이샤 filed Critical 오사까 가스 가부시키가이샤
Publication of KR20200138159A publication Critical patent/KR20200138159A/ko

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/06—Combination of fuel cells with means for production of reactants or for treatment of residues
    • 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
    • H01M8/0637—Direct internal reforming at the anode of the fuel cell
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B3/00—Hydrogen; Gaseous mixtures containing hydrogen; Separation of hydrogen from mixtures containing it; Purification of hydrogen
    • C01B3/02—Production of hydrogen or of gaseous mixtures containing a substantial proportion of hydrogen
    • C01B3/32—Production of hydrogen or of gaseous mixtures containing a substantial proportion of hydrogen by reaction of gaseous or liquid organic compounds with gasifying agents, e.g. water, carbon dioxide, air
    • C01B3/34—Production of hydrogen or of gaseous mixtures containing a substantial proportion of hydrogen by reaction of gaseous or liquid organic compounds with gasifying agents, e.g. water, carbon dioxide, air by reaction of hydrocarbons with gasifying agents
    • C01B3/38—Production of hydrogen or of gaseous mixtures containing a substantial proportion of hydrogen by reaction of gaseous or liquid organic compounds with gasifying agents, e.g. water, carbon dioxide, air by reaction of hydrocarbons with gasifying agents using catalysts
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00—Electrodes
    • H01M4/86—Inert electrodes with catalytic activity, e.g. for fuel cells
    • H01M4/90—Selection of catalytic material
    • H01M4/9041—Metals or alloys
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/02—Details
    • H01M8/0202—Collectors; Separators, e.g. bipolar separators; Interconnectors
    • H01M8/0204—Non-porous and characterised by the material
    • H01M8/0206—Metals or alloys
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/02—Details
    • H01M8/0202—Collectors; Separators, e.g. bipolar separators; Interconnectors
    • H01M8/023—Porous and characterised by the material
    • H01M8/0232—Metals or alloys
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04007—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids related to heat exchange
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04298—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
    • H01M8/04694—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems characterised by variables to be controlled
    • H01M8/04858—Electric variables
    • H01M8/04925—Power, energy, capacity or load
    • H01M8/0494—Power, energy, capacity or load of fuel cell stacks
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/10—Fuel cells with solid electrolytes
    • H01M8/12—Fuel cells with solid electrolytes operating at high temperature, e.g. with stabilised ZrO2 electrolyte
    • H01M8/1213—Fuel cells with solid electrolytes operating at high temperature, e.g. with stabilised ZrO2 electrolyte characterised by the electrode/electrolyte combination or the supporting material
    • H01M8/1226—Fuel cells with solid electrolytes operating at high temperature, e.g. with stabilised ZrO2 electrolyte characterised by the electrode/electrolyte combination or the supporting material characterised by the supporting layer
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/24—Grouping of fuel cells, e.g. stacking of fuel cells
    • H01M8/241—Grouping of fuel cells, e.g. stacking of fuel cells with solid or matrix-supported electrolytes
    • H01M8/2425—High-temperature cells with solid electrolytes
    • H01M8/2432—Grouping of unit cells of planar configuration
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B2203/00—Integrated processes for the production of hydrogen or synthesis gas
    • C01B2203/02—Processes for making hydrogen or synthesis gas
    • C01B2203/0205—Processes for making hydrogen or synthesis gas containing a reforming step
    • C01B2203/0227—Processes for making hydrogen or synthesis gas containing a reforming step containing a catalytic reforming step
    • C01B2203/0233—Processes for making hydrogen or synthesis gas containing a reforming step containing a catalytic reforming step the reforming step being a steam reforming step
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B2203/00—Integrated processes for the production of hydrogen or synthesis gas
    • C01B2203/06—Integration with other chemical processes
    • C01B2203/066—Integration with other chemical processes with fuel cells
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B2203/00—Integrated processes for the production of hydrogen or synthesis gas
    • C01B2203/06—Integration with other chemical processes
    • C01B2203/066—Integration with other chemical processes with fuel cells
    • C01B2203/067—Integration with other chemical processes with fuel cells the reforming process taking place in the fuel cell
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B2203/00—Integrated processes for the production of hydrogen or synthesis gas
    • C01B2203/10—Catalysts for performing the hydrogen forming reactions
    • C01B2203/1041—Composition of the catalyst
    • C01B2203/1047—Group VIII metal catalysts
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B2203/00—Integrated processes for the production of hydrogen or synthesis gas
    • C01B2203/10—Catalysts for performing the hydrogen forming reactions
    • C01B2203/1041—Composition of the catalyst
    • C01B2203/1047—Group VIII metal catalysts
    • C01B2203/1052—Nickel or cobalt catalysts
    • C01B2203/1058—Nickel catalysts
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B2203/00—Integrated processes for the production of hydrogen or synthesis gas
    • C01B2203/10—Catalysts for performing the hydrogen forming reactions
    • C01B2203/1041—Composition of the catalyst
    • C01B2203/1047—Group VIII metal catalysts
    • C01B2203/1064—Platinum group metal catalysts
    • C01B2203/107—Platinum catalysts
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B2203/00—Integrated processes for the production of hydrogen or synthesis gas
    • C01B2203/10—Catalysts for performing the hydrogen forming reactions
    • C01B2203/1041—Composition of the catalyst
    • C01B2203/1082—Composition of support materials
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B2203/00—Integrated processes for the production of hydrogen or synthesis gas
    • C01B2203/12—Feeding the process for making hydrogen or synthesis gas
    • C01B2203/1205—Composition of the feed
    • C01B2203/1211—Organic compounds or organic mixtures used in the process for making hydrogen or synthesis gas
    • C01B2203/1235—Hydrocarbons
    • C01B2203/1241—Natural gas or methane
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B2203/00—Integrated processes for the production of hydrogen or synthesis gas
    • C01B2203/12—Feeding the process for making hydrogen or synthesis gas
    • C01B2203/1258—Pre-treatment of the feed
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/10—Fuel cells with solid electrolytes
    • H01M8/12—Fuel cells with solid electrolytes operating at high temperature, e.g. with stabilised ZrO2 electrolyte
    • H01M2008/1293—Fuel cells with solid oxide electrolytes
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30—Hydrogen technology
    • Y02E60/50—Fuel cells

Abstract

연료 전지 셀이 금속 지지체에 의해 지지된 구성을 구비하고, 연료 전지 셀에 구비되는 애노드 전극층을 수십미크론 오더로 해도, 내부 개질 반응을 합리적이고 또한 효율적으로 이용할 수 있는 금속 지지형 연료 전지를 얻는다. 연료 전지 셀(R)이 금속 지지체(1) 위에 박층형으로 형성되고, 원연료 가스로부터 수증기 개질 반응에 의해 수소를 생성하는 내부 개질 촉매층(D)을 셀 유닛(U) 내에 구비하고, 발전 반응에 의해 발생하는 수증기를 애노드 전극층(A)으로부터 배출하여, 내부 개질 촉매층(D)으로 안내하고, 또한 생성되는 수소를 애노드 전극층(A)으로 안내하는, 내부 개질 연료 공급로(L3(L3a, L3b))를 설치한다.

Description

금속 지지형 연료 전지 및 연료 전지 모듈
본 발명은, 전해질층을 사이에 두고 애노드 전극층과 캐소드 전극층이 형성된 연료 전지 셀과, 애노드 전극층에 수소를 함유하는 가스를 공급하는 환원성 가스 공급로와, 캐소드 전극층에 산소를 함유하는 가스를 공급하는 산화성 가스 공급로를 구비한 연료 전지에 관한 것이다.
연료 전지 셀은, 양쪽 전극층에 필요한 가스(환원성 가스, 산화성 가스)가 공급됨으로써, 그 단체(單體)에서 발전한다. 본 명세서에서는, 이 연료 전지 셀, 환원성 가스 공급로 및 산화성 가스 공급로를 구비하여 구성되는 유닛을 「연료 전지 단일 셀 유닛」이라고 부른다. 그리고, 이들 연료 전지 단일 셀 유닛이 소정의 방향으로 복수 적층되어, 본 발명에 관한 연료 전지 모듈이 구축된다. 이 연료 전지 모듈은, 본 발명에서 말하는 연료 전지 장치의 중핵을 이룬다.
이러한 종류의 연료 전지에 관한 배경기술로서, 특허문헌 1, 특허문헌 2, 특허문헌 3에 기재된 기술을 들 수 있다.
특허문헌 1에 개시된 기술은, 발전 성능을 희생시키지 않고, 발전 중에 있어서 지나치게 고온으로 되어 버리는 것, 및 온도 불균일이 발생해 버리는 것 중 어느 것이라도 방지할 수 있는 연료 전지를 제공하는 것을 목적으로 하고, 연료극(본 발명의 「애노드 전극층」에 상당)(112)에 연료 가스(본 발명의 「수소를 함유하는 가스」에 상당)을 공급하기 위한 유로인 연료 공급 유로(본 발명의 「환원성 가스 공급로」에 상당)(210, 125)를 구비하고 있다. 그리고, 이 연료 공급 유로에, 수증기 개질 반응을 발생시키기 위한 개질 촉매부(PR1)를, 연료극(112)로부터 이격하고 또한 연료극(112)에 대향하는 면에 형성한다.
이 문헌 1에 개시된 기술에서는, 개질 촉매부(PR1)에서 개질된 개질 가스가 연료극에 도입된다. 그리고, 개질 가스는 연료극에서 소비되고, 연료 공급 유로의 출구로부터 배출된다. 이 기술에서는, 수증기 개질 반응이 흡열반응인 것(열 공급이 필요)을 이용하여, 연료 전지 셀의 고온화를 방지한다. 여기에서, 개질 촉매부(PR1)가 형성된 부위는, 연료극에 대하여 연료 가스 공급의 상류측이 되는 부위이며, 전지 반응을 종료한 배기는 개질 촉매부(PB1)가 형성된 유로와는 별도의 배기 유로로부터 배출된다. 본 명세서의 도 19의 (c)는, 이 구조를 모식적으로 나타낸 것이다.
또한, 도면 등으로부터 판단하여, 문헌 1에 개시된 연료 전지는, 그 구조에서 볼 때, 소위 애노드 전극 지지형 연료 전지로 되어 있다.
한편, 발명자들은, 특허문헌 2, 특허문헌 3에 있어서, 금속 지지체의 한쪽 면에 박층형으로 연료 전지 셀을 설치하는 것을 제안하고 있다.
특허문헌 2에 개시된 기술은 전기화학 소자를 평판형으로 하는 것이며, 특허문헌 3에 개시된 기술은, 전기화학 소자를 원반형으로 한다.
이들 특허문헌에 개시된 기술은, 전기화학 소자, 전기화학 모듈, 전기화학 장치에 관한 것이지만, 전기화학 소자가 수소를 함유하는 가스 및 산소를 함유하는 가스의 공급을 받아서 발전을 행하는 경우, 전기화학 소자는 연료 전지 셀이 되고, 전기화학 모듈이 연료 전지 모듈이 되고, 전기화학 장치가 연료 전지 장치가 된다.
특허문헌 2, 특허문헌 3에 개시된 기술은, 연료 전지 셀의 지지를 금속 지지체에 의해 행함으로써, 금속 지지체의 한쪽 면에 형성하는 연료 전지 셀을 이루는 각 층(적어도, 애노드 전극층, 전해질층 및 캐소드 전극층)을 미크론 오더부터 수십 미크론 오더의 매우 얇은 박층으로도 할 수 있다. 물론, 수밀리미터 정도의 두께를 구비해도 된다.
일본공개특허 제2017-208232호 공보 일본공개특허 제2016-195029호 공보 일본공개특허 제2017-183177호 공보
특허문헌 1에 개시된 종래형의 애노드 지지형 연료 전지에서는, 애노드 전극층이 두껍고(일반적으로 수밀리미터 오더), 연료 가스가 도입되는 입구 부분에서 단숨에 내부 개질 반응도 진행해 버린다. 그러므로, 연료 전지의 입구 온도가 낮아지고, 배기측은 반대로 연료 전지 셀의 본래의 온도로 유지되므로, 개질 촉매부를 형성한 측이 저온으로 되기 쉽고, 입구측과 출구측의 온도차가 나기 쉽다.
또한, 연료 전지 반응에서는 수증기가 생성되지만, 전지 반응을 종료한 배기는 개질 촉매부를 통하지 않고 배기 유로로부터 배출되므로, 이 수증기가 내부 개질 반응에 유용하게 이용되는 일은 없다.
특허문헌 2, 특허문헌 3에 개시된 기술에 있어서는, 금속 지지형 연료 전지에서는, 금속 지지체 상에 형성되는 애노드 전극층이 수십미크론 오더로 얇기 때문에, 특허문헌 1에 기재된 애노드 지지형 연료 전지보다 내부 개질 반응의 효과가 얻어지기 어렵고, 애노드 지지형 연료 전지와 같은 높은 발전 효율을 실현하는 것이 어렵다.
이 실정을 감안하여, 본 발명의 주된 과제는, 연료 전지 셀이 금속 지지체에 의해 지지된 구성을 구비하고, 연료 전지 셀에 구비되는 애노드 전극층을 수십미크론 오더로 해도, 내부 개질 반응을 합리적이고 또한 효율적으로 이용할 수 있는 연료 전지를 얻는 점에 있다.
본 발명의 제1 특징 구성은,
전해질층을 사이에 두고 애노드 전극층과 캐소드 전극층이 형성된 연료 전지 셀과, 상기 애노드 전극층에 수소를 함유하는 가스를 공급하는 환원성 가스 공급로와, 상기 캐소드 전극층에 산소를 함유하는 가스를 공급하는 산화성 가스 공급로를 구비한 연료 전지 단일 셀 유닛으로서 구성되고,
상기 연료 전지 셀이 금속 지지체 상에 박층형으로 형성되며,
원연료 가스로부터 수증기 개질 반응에 의해 수소를 생성하는 내부 개질 촉매층을 연료 전지 단일 셀 유닛 내에 구비하고, 발전 반응에 의해 발생하는 수증기를 상기 애노드 전극층으로부터 배출하여, 상기 내부 개질 촉매층으로 안내하고, 또한 해당 내부 개질 촉매층에서 생성되는 수소를 상기 애노드 전극층으로 안내하는, 내부 개질 연료 공급로를 설치한 점에 있다.
본 특징 구성에 의하면, 연료 전지 셀은 금속 지지체에 의해 지지된 구성으로 되고, 애노드 전극층에 환원성 가스 공급로를 통하여 적어도 수소가 공급된다. 한편, 캐소드 전극층에는 산화성 가스 공급로를 통하여 적어도 산소가 공급된다. 그 결과, 이들 가스 공급에 의해, 전지 반응을 양호하게 발생시킬 수 있다. 또한, 연료 전지 셀은, 이 셀과는 별체의 금속 지지체에 지지되므로, 예를 들면, 연료 전지 셀의 강도를 유지하기 위해 애노드 전극층을 두껍게 하는 등의 필요는 없고, 나중에도 나타내는 바와 같이, 예를 들면, 수십∼수백미크론의 두께까지 연료 전지 셀을 얇게 구성하는 것도 가능하게 된다.
그런데, 이와 같이 하여 구성되는 연료 전지의 운전에는, 그 연료 전지 셀의 조성(組成)에 따라서, 전지 반응에 필요로 되는 온도역(예를 들면, 나중에 나타내는 바와 같이 연료 전지를 SOFC로 하는 경우, 그 작동 온도는 700℃ 정도가 됨)으로 유지하는 것이 필요하게 된다. 전지 반응 자체는 발열반응이므로, 소정의 온도역에 도달한 상태에서, 적절한 열 제거에 의해 전지는 운전을 계속할 수 있다. 이 온도역은 이른바, 수증기 개질이 진행되는 온도역이다.
그리고, 본 발명에 관한 연료 전지 단일 셀 유닛에는, 내부 개질 촉매층이 형성되고, 또한, 내부 개질 연료 공급로가 구비된다. 이 내부 개질 연료 공급로는, 적어도 애노드 전극층에서 생성되는 수증기를 상기 내부 개질 촉매층으로 안내하는 기능 부위로 되어 있다.
그 결과, 내부 개질 촉매층에 수증기 개질의 대상이 되는 원연료 가스를 공급해 둠으로써, 발전 반응에 의해 생성되는 수증기를 이용하여, 이 가스의 내부 개질을 일으킬 수 있다. 그리고, 이와 같이 하여 생성되는 수소를, 내부 개질 연료 공급로를 통하여 애노드 전극층으로 안내함으로써, 발전의 용도로 제공할 수 있다.
즉, 본 발명에서의 내부 개질 연료 공급로는, 애노드 전극층으로부터 방출되는 수증기의 배출부로서의 역할과, 수증기 개질에 의해 생성되는 수소를 애노드 전극층으로 다시 안내하는 공급부와의 양쪽을 겸하는 것으로 된다.
그 결과, 나중에도 나타내는 바와 같이, 이 구성의 금속 지지형 연료 전지에서는, 내부 개질 촉매층을 구비하지 않고, 외부 개질기만으로 수증기 개질을 행하는 연료 전지에 대하여, 발전 효율을 향상시킬 수 있다. 특히, 저S/C비(수증기/탄소·몰비)의 영역에서의 발전 효율의 개선이 현저하다. 또한, 애노드 전극층에 대하여 수소를 함유하는 가스를 공급하는 환원성 가스 공급로의 입구·출구간의 수소 분압차를 작게 할 수 있으므로, 저수소 분압 하에서 일어나기 쉬운 연료 전지 셀의 열화를 억제할 수 있는 효과도 얻어진다.
그 결과, 본 발명의 구성을 취함으로써, 연료 전지의 애노드 전극층에서 생성되는 수증기를 유효하게 이용하면서 내부 개질 반응을 금속 지지형 셀 유닛 내에서 발생시키는 것이 가능해지고, 연료 전지를 금속 지지형으로 해도, 발전 효율이 양호한 전지를 얻을 수 있다. 덧붙여, 연료 전지 셀 내부에서 발전에 사용되는 연료 가스(이 가스를 본 명세서에서는 「발전용 연료 가스」라고 부르는 경우가 있고, 이 발전용 연료 가스는 구체적으로는 수소 및 일산화탄소이며, 원연료 가스를 개질하여 얻어지는 가스임)의 농도 분포, 이용율 분포를 저감할 수 있으므로(내부에서 발전용 연료 가스 농도가 균일화됨), 고효율이면서 또한 내구성이 우수한 금속 지지형 연료 전지를 실현할 수 있다.
또한, 본 구성에 있어서는, 흡열반응부인 수증기 개질부와, 발열반응부인 전지 반응부가 환원성 가스 공급로에서의 가스의 흐름 방향에 있어서 순차 혼재하여 출현하는 것으로 되므로, 이들 부위를 별개로 설치하는 특허문헌 1에 기재된 구조에 대하여, 온도 분포가 발생하기 어렵고, 신뢰성을 확보할 수 있다.
본 발명의 제2 특징 구성은,
상기 금속 지지체를 관통하는 관통공이 복수 개 형성되고,
상기 금속 지지체의 한쪽 면에 상기 애노드 전극층이, 다른 쪽 면을 따라 상기 환원성 가스 공급로가 설치되고, 또한 해당 환원성 가스 공급로의 내면 중 적어도 일부에 상기 내부 개질 촉매층이 형성되고,
상기 환원성 가스 공급로에서의 흐름 방향으로 관하여, 상기 관통공이 작용하여 상기 내부 개질 연료 공급로로 되는 점에 있다.
본 특징 구성에 의하면, 연료 전지 셀을 지지하는 금속 지지체에 복수의 관통공을 형성하는 것만으로, 이 관통공에 내부 개질 연료 공급로로서의 역할을 담당시킬 수 있다.
그리고, 이 구성에 있어서는, 상기 환원성 가스 공급로에서의 흐름 방향에 관하여, 상류측에 위치하는 관통공이, 앞서 설명한 배출부로서의 역할을 담당하고, 그 관통공보다 하류측에 위치하는 관통공이 공급부로서 작용하는 것으로 된다.
그 결과, 비교적 간단한 구조로, 본 발명에 말하는 내부 개질 연료 공급로를 실현할 수 있다. 이 구성을 실현하려고 하면, 환원성 가스 공급로는 특정한 방향을 향하고 있으면 된다.
그리고, 금속 지지체의 애노드 전극층이 설치되는 측의 면의 관통공의 개구부의 면적보다 다른 쪽 면의 관통공의 개구부의 면적이 크면 바람직하다. 이와 같이 함으로써, 애노드 전극층에 발전용 연료 가스를 공급하기 쉬워지기 때문이다.
본 발명의 제3 특징 구성은,
상기 금속 지지체에서의, 상기 연료 전지 셀이 형성된 면과는 다른 면에, 상기 내부 개질 촉매층이 형성되는 점에 있다.
본 특징 구성에 의하면, 연료 전지 셀을 설치하는 면과는 상이한, 금속 지지체 상의 특정면을 이용하여, 내부 개질의 용도로 제공할 수 있다. 또한, 금속 지지체 상의 특정면에, 내부 개질 촉매층을 형성하여 내부 개질의 용도로 제공할 수 있으므로, 저비용으로 컴팩트하고 고성능인 금속 지지형 연료 전지를 얻을 수 있다.
본 발명의 제4 특징 구성은,
상기 연료 전지 단일 셀 유닛에, 상기 환원성 가스 공급로와 상기 산화성 가스 공급로를 칸막이하는 적어도 하나의 금속 세퍼레이터를 구비하고,
상기 금속 세퍼레이터의 상기 환원성 가스 공급로측 중 적어도 일부에 상기 내부 개질 촉매층이 형성되는 점에 있다.
본 특징 구성에 의하면, 금속 세퍼레이터를 이용하여, 내부 개질 연료 공급로를 구축할 수 있다. 또한, 금속 세퍼레이터의 환원성 가스 공급로측 중 적어도 일부에, 내부 개질 촉매층을 형성하여 내부 개질의 용도로 제공할 수 있으므로, 저비용으로 컴팩트하고 고성능인 연료 전지 장치를 얻을 수 있다.
본 발명의 제5 특징 구성은,
상기 관통공의 내부에 상기 내부 개질 촉매층을 형성하는 점에 있다.
본 특징 구성에 의하면, 금속 지지체에 형성하는 관통공을 이용하여, 내부 개질의 용도로 제공할 수 있다. 또한, 이 관통공에, 내부 개질 촉매층을 형성하여 내부 개질의 용도로 제공할 수 있으므로, 저비용으로 컴팩트하고 고성능인 연료 전지 장치를 얻을 수 있다.
본 발명의 제6 특징 구성은,
상기 내부 개질 촉매층에 함유되는 개질 촉매가, 담체에 금속이 담지된 촉매인 점에 있다.
본 특징 구성에 의하면, 담체에 금속을 담지시킨 촉매를 사용함으로써, 촉매에 사용하는 금속의 사용량을 저감해도 고성능의 내부 개질 촉매층으로 할 수 있으므로, 저비용으로 고성능인 연료 전지 장치를 얻을 수 있다.
본 발명의 제7 특징 구성은,
상기 내부 개질 촉매층에 함유되는 개질 촉매가 적어도 Ni를 포함하는 촉매인 점에 있다.
본 특징 구성에 의하면, 비교적 입수가 용이하며 저렴한 금속인 Ni를 사용하여 수증기 개질을 내부 개질 촉매층에서 일으킬 수 있다.
본 발명의 제8 특징 구성은, 상기 애노드 전극층이 Ni를 포함하는 점에 있다.
본 특징 구성에 의해, 연료 전지가 비교적 고온에서 작동하는 산소 이온 도전형의 전지인 경우에, 이 애노드 전극층에 보내어지는 산소 이온과 연료 가스에 포함되는 수소의 반응을, Ni라는 비교적 입수가 용이하며 저렴한 금속으로 실현된다.
본 발명의 제9 특징 구성은,
상기 내부 개질 촉매층에 함유되는 개질 촉매가 Ni를 포함하는 촉매이고, 상기 애노드 전극층이 Ni를 포함하고, 상기 애노드 전극층의 Ni 함유량과 상기 내부 개질 촉매층의 Ni 함유량이 다른 점에 있다.
본 특징 구성에 의하면, 내부 개질 촉매층 및 애노드 전극층의 양쪽에 Ni를 함유시킴으로써, 입수 가능하고, 또한 저렴한 Ni를 이용하여 각각의 층을 실현할 수 있다. 또한, 애노드 전극층 내부에서도, 개질을 발생시킬 수 있다.
그런데, 본 발명에 있어서는, 내부 개질 촉매층을 형성함으로써, 연료 전지 단일 셀 유닛에 구비되고, 애노드 전극층에서 발생되는 수증기를 이용하여 수증기 개질을 행하여, 적어도 수소와 함께 보내어져 오는 원연료 가스(예를 들면, 메탄)를 개질하지만, 이 수증기 개질에 있어서 바람직한 Ni 촉매의 농도와, 캐소드 전극층으로부터 애노드 전극층까지 이동해 오는 산소 이온 O2 -과 적어도 수소가 양호하게 전지 반응을 행하므로, 바람직한 Ni 농도와는 상이하고, 일반적으로, 전자의 농도가 후자의 농도보다 낮다. 그래서, 이들 층의 작용 목적에 따라, Ni 농도를 적절하게 선택함으로써, 각 층을 적절하게 작용시킬 수 있다.
본 발명의 제10 특징 구성은,
상기 애노드 전극층의 Ni 함유량이 35 질량% 이상 85 질량% 이하인 점에 있다.
본 특징 구성에 의하면, 애노드 전극층의 Ni 함유량을 35 질량%보다 작게 하면, 이 전극층에 유입되는, 예를 들면 산소 이온과 수소의 반응에 의해 생기는 전자의 도전 패스가 형성되기 어려워지고, 발전 성능이 얻기 어렵다. 한편, 85 질량%보다 크게 해도, 가일층의 반응 효과를 얻기 어렵다. 즉, Ni를 함유하는 것에 의해, 애노드 전극층 내에서의 전지 반응을 높이는 것은 어렵다.
그리고, 애노드 전극층의 Ni 함유량은 40 질량%보다 많으면 보다 바람직하고, 45 질량%보다 많으면 더욱 바람직하다. 이와 같이 하면, 전자의 도전 패스를 보다 형성하기 쉽게 하여 발전 성능을 높일 수 있기 때문이다. 또한, 애노드 전극층의 Ni 함유량은 80 질량% 이하이면, Ni의 사용량을 줄여 비용 절감하기 쉬워지므로 보다 바람직하다.
본 발명의 제11 특징 구성은,
상기 내부 개질 촉매층의 Ni 함유량이 0.1 질량% 이상 50 질량% 이하인 점에 있다.
본 특징 구성에 의하면, 연료 전지 셀과 대략 같은 정도의 온도가 되는 내부 개질 촉매층에 있어서, 이 층의 Ni 함유량을 0.1 질량%보다 작게 하면, 이 층에 접촉하는 원연료 가스를 개질하는 효과를 얻기 어렵다. 한편, 50 질량%보다 크게 해도, 가일층의 개질 효과를 얻기 어렵다. 즉, Ni를 함유하는 것에 의해, 내부 개질 촉매층 내에서의 개질 반응을 높이는 것은 어렵다.
그리고, 내부 개질 촉매층의 Ni 함유량은 1 질량%보다 많으면 보다 바람직하고, 5 질량%보다 많으면 더욱 바람직하다. 이와 같이 하면, 원연료 가스를 개질하는 효과를 보다 높일 수 있기 때문이다. 또한, 내부 개질 촉매층의 Ni 함유량은 45 질량% 이하이면 보다 바람직하고, 40 질량% 이하이면 더욱 바람직하다. 이와 같이 하면, Ni의 사용량을 줄여 비용 절감하기 쉬워지기 때문이다.
본 발명의 제12 특징 구성은,
상기 환원성 가스 공급로에, 해당 환원성 가스 공급로 내의 흐름을 흩트리는 난류 촉진체를 설치한 점에 있다.
환원성 가스 공급로 내를 흐르는 가스류는, 그 유로 구성에 의해 층류로 되기 쉽지만, 이 유로에 난류 촉진체를 삽입하여 둠으로써, 흐름을 흩트리고, 환원성 가스 공급로 내에 형성되는 주류에 대하여, 주류 방향과는 상이한 방향(예를 들면, 주류에 대하여 직교하는 흐름)을 형성할 수 있다. 그 결과, 환원성 가스 공급로로부터 애노드 전극층으로의 수소를 함유하는 가스의 공급을 효율적으로 행할 수 있다. 또한, 지금까지 설명해 온 내부 개질 촉매층으로의 소정의 가스(개질 전 연료 가스나 수증기)의 혼합·방출을 촉진하여, 내부 개질 촉매층에 의한 내부 개질을 보다 촉진할 수 있다.
본 발명의 제13 특징 구성은,
상기 연료 전지 셀이 고체 산화물형 연료 전지인 점에 있다.
본 특징 구성에 의하면, 외부 개질기에 의해 개질된 개질 완료 가스에 관하여, 캐소드 전극층(C) 중의 일산화탄소 제거 등의 추가 개질 공정을 경과하지 않고, 직접 고체 산화물형 연료 전지에 공급하여 발전을 행할 수 있으므로, 단순한 구성의 연료 전지 장치로 할 수 있다.
또한, 이 고체 산화물형 연료 전지는, 그 발전 작동 온도가 650℃ 이상의 고온역에서 사용할 수 있지만, 이 온도역의 열을 내부 개질 반응에 유효하게 이용하면서, 고효율의 발전을 실현할 수 있다.
본 발명의 제14 특징 구성은,
지금까지 설명해 온 금속 지지형 연료 전지의 복수를 가지고 구성되며,
하나의 상기 연료 전지 단일 셀 유닛의 상기 산화성 가스 공급로가, 해당 하나의 연료 전지 단일 셀 유닛에 인접하는 다른 상기 연료 전지 단일 셀 유닛의 상기 캐소드 전극층에 상기 산소를 함유하는 가스를 공급하는 연료 전지 모듈로 되어 있는 점에 있다.
본 특징 구성에 의하면, 복수의 연료 전지 단일 셀 유닛을 적층하여(예를 들면, 상하 방향으로 겹쳐 쌓아도 되고, 좌우 방향으로 병설해도 됨) 연료 전지 모듈을 구축하는 경우에, 하나의 연료 전지 단일 셀 유닛으로 형성할 수 있는 산화성 가스 공급로를, 다른 연료 전지 단일 셀 유닛을 구성하는 연료 전지 셀의 캐소드 전극층으로의 산화성 가스의 공급원으로 함으로써, 다른 부재를 특별히 필요로 하지 않고, 비교적 간편하고 또한 규격화된 연료 전지 단일 셀 유닛을 사용하여, 연료 전지 모듈을 구축할 수 있다.
본 발명의 제15 특징 구성은,
상기 연료 전지 모듈과 외부 개질기를 적어도 가지고, 상기 연료 전지 모듈에 대하여 환원성 성분을 함유하는 연료 가스를 공급하는 연료 공급부를 가지는 연료 전지 장치로 되어 있는 점에 있다.
본 특징 구성에 의하면, 도시가스 등의 기존의 원연료 공급 인프라를 이용하여, 내구성·신뢰성 및 성능이 우수한 연료 전지 모듈을 구비한 연료 전지 장치를 실현할 수 있다. 또한, 연료 전지 모듈로부터 배출되는 이용되지 않은 연료 가스를 재활용하는 시스템을 구축하기 쉬워지므로, 고효율의 연료 전지 장치를 실현할 수도 있다.
본 발명의 제16 특징 구성은,
상기 연료 전지 모듈과, 상기 연료 전지 모듈로부터 전력을 취출하는 인버터를 적어도 가지는 점에 있다.
본 특징 구성에 의하면, 연료 전지 셀에 있어서 발생되는 전력을 인버터를 통하여 취출할 수 있고, 전력 변환·주파수 변환 등을 실시함으로써, 발전 전력의 적절한 이용이 가능하게 된다.
본 발명의 제17 특징 구성은,
상기 연료 전지 모듈 및/또는 외부 개질기로부터 배출되는 열을 재이용하는 배열(排熱) 이용부를 가지는 점에 있다.
본 특징 구성에 의하면, 연료 전지 모듈 및/또는 외부 개질기로부터 배출되는 열을 배열 이용부에서 이용할 수 있으므로, 에너지 효율이 우수한 연료 전지 장치를 실현할 수 있다. 그리고, 연료 전지 모듈로부터 배출되는 이용되지 않은 연료 가스의 연소열을 이용하여 발전하는 발전 시스템과 조합하여 에너지 효율이 우수한 하이브리드 장치를 실현할 수도 있다.
[도 1] 제1 실시형태의 연료 전지 장치의 개략 구성을 나타내는 도면이다.
[도 2] 제1 실시형태의 연료 전지 단일 셀 유닛의 구조를 나타내는 상면도이다.
[도 3] 제1 실시형태의 연료 전지 단일 셀 유닛의 구조를 나타내는 단면도(斷面圖)이다.
[도 4] 돌기가 있는 집전판의 구조를 나타내는 사시 단면도이다.
[도 5] 제1 실시형태의 연료 전지 모듈의 구조를 나타내는 단면도이다.
[도 6] 제1 실시형태에서의 전지 반응과 개질 반응의 설명도이다.
[도 7] 제2 실시형태의 연료 전지 장치의 구성을 나타내는 도면이다.
[도 8] 제2 실시형태의 연료 전지 모듈의 구조를 나타내는 정면도 및 평단면도이다.
[도 9] 제2 실시형태의 연료 전지 단일 셀 유닛의 구조를 나타내는 사시도이다.
[도 10] 제2 실시형태의 연료 전지 단일 셀 유닛의 형성 과정의 설명도이다.
[도 11] 제2 실시형태에서의 전지 반응과 개질 반응의 설명도이다.
[도 12] 제3 실시형태의 연료 전지 장치의 개략 구성을 나타내는 도면이다.
[도 13] 제3 실시형태에서의 한 쌍의 연료 전지 단일 셀 유닛을 구비한 연료 전지 모듈의 요부 단면 사시도이다.
[도 14] 제3 실시형태에서의 한 쌍의 연료 전지 단일 셀 유닛을 구비한 연료 전지 모듈의 요부 단면 사시도이다.
[도 15] 연료 전지 단일 셀 유닛 내에서의 내부 개질을 행하는 경우와 행하지 않는 경우의 연료 전지의 발전 효율 비교를 나타내는 도면이다.
[도 16] 연료 전지 단일 셀 유닛 내에서의 내부 개질을 행하는 경우와 행하지 않는 경우의 연료 전지 셀 입구에서의 발전용 연료 가스 분압을 나타내는 도면이다.
[도 17] 연료 전지 단일 셀 유닛 내에서의 내부 개질을 행하는 경우와 행하지 않는 경우의 연료 전지 셀 출구에서의 발전용 연료 가스 분압을 나타내는 도면이다.
[도 18] 연료 전지 단일 셀 유닛 내에서의 내부 개질을 행하는 경우와 행하지 않는 경우의 연료 전지 셀 입구·출구 사이에서의 발전용 연료 가스 분압차를 나타내는 도면이다.
[도 19] 연료 전지 단일 셀 유닛에서의 내부 개질 촉매층의 배치 구성을 나타내는 비교 설명도이다.
[도 20] 난류 촉진체의 다른 실시형태를 나타내는 도면이다.
[도 21] 난류 촉진체의 표면에 내부 개질 촉매층을 설치한 다른 실시형태를 나타내는 도면이다.
[도 22] 난류 촉진체를 구비한 제2 실시형태의 연료 전지 단일 셀 유닛의 단면도이다.
본 발명의 실시형태에 대하여 도면에 기초하여 설명한다.
이하, 본 발명의 실시형태로서, 제1 실시형태, 제2 실시형태 및 제3 실시형태를 소개한다. 설명에 있어서는, 각 실시형태에 대하여, 해당 실시형태를 채용하는 연료 전지 장치(Y) 전체의 설명을 한 후, 연료 전지 장치(Y)에 구비되는 연료 전지 모듈(M), 이 연료 전지 모듈(M)을 적층 상태에서 구축하는 연료 전지 단일 셀 유닛(U)에 대하여 설명한다.
제1 실시형태의 특징은, 연료 전지 모듈(M)이 원반형으로 되고, 그것 자체가 환원성 가스 및 산화성 가스의 공급을 받아서 전지 동작하는 것에 대하여, 제2 실시형태에서는, 연료 전지 모듈(M)은 개략 직사각형으로 되고, 이 연료 전지 모듈(M)이 외부 개질기(34), 기화기(33)를 수납하는 하우징(10) 내에 수납되어 전지 동작하는 점에 있다. 제3 실시형태는, 기본적으로는 제1 실시형태의 구조를 답습하고, 제1 실시형태에 있어서 원반형으로 하고 있는 연료 전지 모듈(M)을 사각형으로 한다. 제1 실시형태 및 제3 실시형태의 연료 전지 셀(R)은 매우 얇게 제작할 수 있다. 한편, 제2 실시형태의 연료 전지 셀(R)은 제1 실시형태의 연료 전지 셀(R)에 대하여 두께를 갖게 하는 것도 가능하다. 당연히, 비교적 얇게 구성해도 된다.
본 발명의 특징인, 연료 전지 단일 셀 유닛(U)에 내부 개질 촉매층(D)을 구비하는 점 및 외부 개질기(34)를 구비하는 점에 관해서는, 전체 실시형태에서 공통이다.
본 발명에 있어서, 연료 전지 단일 셀 유닛(U)은 금속 지지체(1) 상에 형성되는 연료 전지 셀(R)을 구비하는 것으로부터 「금속 지지형 연료 전지」로서 구성된다.
<제1 실시형태>
본 실시형태의 연료 전지 장치(Y)의 구성을 도 1에 나타냈다.
<연료 전지 장치>
연료 전지 장치(Y)는, 전력과 열의 양쪽을 발생·공급 가능한, 소위 「코제너레이션 시스템」으로 되어 있다. 전력은 인버터(38)를 통하여 출력되고, 열은 배기가스가 보유하는 열을 열교환기(36)에 의해 온수로서 회수하고 이용할 수 있다. 인버터(38)는, 예를 들면, 연료 전지 모듈(M)의 직류를 변환하여, 상용 계통(도시하지 않음)으로부터 수전하는 전력과 같은 전압 및 같은 주파수로 변환하여 출력한다. 제어부(39)는, 이 인버터(38)를 적절히 제어하는 등, 연료 전지 장치(Y)를 구성하고 있는 각 기기의 작동을 제어한다.
연료 전지 장치(Y)에는, 발전의 용도를 담당하는 연료 전지 모듈(M)에 대하여, 환원성 가스 공급용의 주된 기기로서, 승압 펌프(30), 탈황기(31), 개질수(改質水) 탱크(32), 기화기(33) 및 외부 개질기(34)를 구비하고 있다. 산화성 가스 공급용의 주요 기기는 블로어(35)이고, 이 블로어(35)에 의해 공기를 흡인하여 산소를 함유하는 산화성 가스가 공급 가능하게 되어 있다.
환원성 가스의 공급 계통(이 계통은 연료 전지 장치에서의 연료 공급부로 됨)에 관하여 추가로 설명하면, 도시가스(메탄을 주성분으로서 에탄이나 프로판, 부탄 등을 포함하는 가스) 등의 탄화수소계의 원연료 가스가 승압 펌프(30)에 의해 흡인되고, 또한 승압되어 연료 전지 모듈(M)에 보내어진다. 도시가스에는 유황 화합물 성분이 함유되어 있으므로, 탈황기(31)에 있어서 이 유황 화합물 성분을 제거(탈황)할 필요가 있다. 이 원연료 가스는, 기화기(33)의 후단측에서 개질수 탱크(32)로부터 공급되는 개질수와 혼합되고, 기화기(33)에 있어서 물은 수증기로 된다. 이 원연료 가스와 수증기는 외부 개질기(34)에 보내어지고, 원연료 가스는 수증기 개질된다. 이 수증기 개질 반응은, 개질기 내에 수납되는 개질 촉매에 의한 반응이며, 후술하는 내부 개질 반응과 마찬가지로, 탄화수소계의 원연료 가스(예를 들면, 메탄)가 일부 개질되어, 적어도 수소를 함유하는 가스(개질 완료 가스)가 생성되고, 발전의 용도로 제공된다.
외부 개질기(34)에 의한 개질은, 원연료 가스의 전부를 개질하는 것이 아니고, 적절 비율로 개질한다. 따라서, 본 발명에 있어서, 연료 전지 모듈(M) 내에 구비되는 연료 전지 셀(R)을 구성하는 애노드 전극층(A)에 보내어지는 가스는, 원연료 가스(개질 전 가스)와 개질 완료 가스의 혼합 가스가 된다. 이 개질 완료 가스에는, 지금까지 설명해 온 발전용 연료 가스인 수소나 일산화탄소가 포함된다. 혼합 가스는 연료 전지 단일 셀 유닛(U)에 구비되는 환원성 가스 공급로(L1)에 공급된다.
더욱 구체적으로 설명을 진행하면, 도 3, 도 4에 나타낸 바와 같이, 애노드 전극층(A)에 대하여 발전용 수소를 함유하는 가스를 공급하는 환원성 가스 공급로(L1)가 설치되고, 이 환원성 가스 공급로(L1)에 혼합 가스(원연료 가스(개질 전 가스)과 개질 완료 가스를 포함함)가 공급되고, 이 혼합 가스에 포함되는 적어도 수소가 연료 전지 셀(R)에서 연료 전지 반응에 사용된다. 반응에 사용되지 않았던 잔여의 수소를 포함하는 배기가스는, 연료 전지 단일 셀 유닛(U)으로부터 배출된다.
앞서 설명한 바와 같이, 열교환기(36)는, 연료 전지 모듈(M)로부터의 배기가스와, 공급되는 냉수를 열교환시키고, 온수를 생성한다. 이 열교환기(36)는 연료 전지 장치(Y)의 배열 이용부가 된다. 이 배열 이용 형태 대신에, 연료 전지 모듈(M)로부터 배출되는 배기가스를 열 발생에 이용하는 형태로 해도 된다. 즉, 배기가스에는, 연료 전지 단일 셀 유닛(U)에 의해 반응에 사용되지 않았던 잔여의 수소, 일산화탄소, 나아가 원연료 가스가 포함되기 때문에, 이들 연소성 가스 연소에 의해 발생하는 열을 이용할 수도 있다. 후술하는 제2 실시형태는, 잔여의 연소 성분을 연료로서, 외부 개질기(34), 기화기(33)의 가열에 이용한다.
<연료 전지 단일 셀 유닛>
도 2, 도 3에, 본 실시형태의 연료 전지 단일 셀 유닛(U)의 상면도 및 단면도를 나타냈다.
연료 전지 단일 셀 유닛(U)은, 금속 지지체(1) 위에 형성되는 연료 전지 셀(R)과, 이 연료 전지 셀(R)과는 반대측에 접합되는 금속 세퍼레이터(돌기가 있는 집전판(3))를 가지고 구성된다. 본 실시형태에서의 금속 지지체(1)는 원반 형상이고, 연료 전지 셀(R)은 애노드 전극층(A), 전해질층(B), 캐소드 전극층(C)을 적어도 구비하여 구성되며, 금속 지지체(1)의 표면측(1e)에 형성·배치되고, 전해질층(B)은, 애노드 전극층(A)과 캐소드 전극층(C) 사이에 있는 구조로 된다. 연료 전지 셀(R)을 금속 지지체(1)의 표면측(1e)에 형성하는 경우에는, 금속 세퍼레이터(3)는 금속 지지체(1)의 이면측(1f)에 위치된다. 즉, 금속 지지체(1)를 사이에 두는 형태로, 연료 전지 셀(R) 및 금속 세퍼레이터(3)가 위치된다.
이와 같이 연료 전지 단일 셀 유닛(U)은, 금속 지지체(1) 상에 형성된 연료 전지 셀(R)과 금속 세퍼레이터(3)를 구비함으로써, 환원성 가스 공급로(L1)를 통하여 애노드 전극층(A)에 적어도 수소를 함유하는 가스를, 산화성 가스 공급로(L2)를 통하여 캐소드 전극층(C)에 산소를 함유하는 가스를 공급하여 발전할 수 있다. 또한, 연료 전지 단일 셀 유닛(U)의 구조적 특징으로서, 금속 지지체(1)의 표면측(1e)에는 금속 산화물층(x)이, 애노드 전극층(A)의 표면(애노드 전극층(A)과 이것을 덮는 전해질층(B)의 계면을 포함함)에는 중간층(y)이, 또한, 전해질층(B)의 표면(전해질층(B)과 이것을 덮는 캐소드 전극층(C)의 계면을 포함함)에 반응 방지층(z)을 구비하고 있다. 이들 금속 산화물층(x), 중간층(y), 반응 방지층(z)은, 이들 층(x, y, z)을 사이에 두는 재료층 사이에서의 구성 재료의 확산을 억제하는 것 등을 위해 설치되는 층이며, 이해를 용이하게 하기 위하여, 도 6에 나타냈다.
<금속 지지체>
금속 지지체(1)는, 금속제의 원반 형상을 가지는 평판이다.
도 2, 도 3으로부터도 판명되는 바와 같이, 금속 지지체(1)의 중앙에, 금속 지지체(1)와 동심(同心)의 개구부(1b)가 형성되어 있다. 금속 지지체(1)에는, 표면측(1e)와 이면측(1f)을 관통하여 복수의 관통공(1a)이 형성되어 있다. 이 관통공(1a)을 통하여 금속 지지체(1)의 표면측(1e)와 이면측(1f) 사이에서 가스의 통류가 가능하게 되어 있다. 이 관통공(1a)을 흐르는 가스는, 구체적으로, 앞서 설명한 개질 완료 가스(수소 H2를 함유함)와, 연료 전지 셀(R)에서의 발전 반응에 의해 생성되는 수증기 H2O이다(도 6 참조).
금속 지지체(1)의 재료로서는, 전자전도성, 내열성, 내산화성 및 내부식성이 우수한 재료가 사용된다. 예를 들면, 페라이트계 스테인레스, 오스테나이트계 스테인레스, 니켈기 합금 등이 사용된다. 특히, 크롬을 포함하는 합금이 바람직하게 사용된다. 본 실시형태에서는, 금속 지지체(1)는, Cr을 18 질량% 이상 25 질량% 이하 함유하는 Fe-Cr계 합금을 사용하고 있지만, Mn을 0.05 질량% 이상 함유하는 Fe-Cr계 합금, Ti를 0.15 질량% 이상 1.0 질량% 이하 함유하는 Fe-Cr계 합금, Zr을 0.15 질량% 이상 1.0 질량% 이하 함유하는 Fe-Cr계 합금, Ti 및 Zr을 함유하고 Ti와 Zr의 합계의 함유량이 0.15 질량% 이상 1.0 질량% 이하인 Fe-Cr계 합금, Cu를 0.10 질량% 이상 1.0 질량% 이하 함유하는 Fe-Cr계 합금이면 특히 호적하다.
금속 지지체(1)는 전체로서 판형이다. 그리고, 금속 지지체(1)는, 애노드 전극층(A)이 형성되는 면을 표면측(1e)으로 하여, 표면측(1e)으로부터 이면측(1f)으로 관통하는 복수의 관통공(1a)을 가진다. 관통공(1a)은, 금속 지지체(1)의 이면측(1f)으로부터 표면측(1e)으로 가스를 투과시키는 기능을 가진다. 그리고, 판형의 금속 지지체(1)를 굽히거나 하여, 예를 들면, 상자형, 원통형 등의 형상으로 변형시켜 사용하는 것도 가능하다.
금속 지지체(1)의 표면에는, 확산 억제층으로서의 금속 산화물층(x)이 형성되어 있다(도 6 참조). 즉, 금속 지지체(1)와 후술하는 애노드 전극층(A) 사이에, 확산 억제층을 형성하고 있다. 금속 산화물층(x)은, 금속 지지체(1)의 외부에 노출된 면뿐만 아니라, 애노드 전극층(A)과의 접촉면(계면)에도 형성된다. 또한, 관통공(1a)의 내측의 면에 형성할 수도 있다. 이 금속 산화물층(x)에 의해, 금속 지지체(1)와 애노드 전극층(A) 사이의 원소 상호 확산을 억제할 수 있다. 예를 들면, 금속 지지체(1)로서 크롬을 함유하는 페라이트계 스테인레스를 사용한 경우에는, 금속 산화물층(x)이 주로 크롬 산화물로 된다. 그리고, 금속 지지체(1)의 크롬 원자 등이 애노드 전극층(A)이나 전해질층(B)으로 확산하는 것을, 크롬 산화물을 주성분으로 하는 금속 산화물층(x)이 억제한다. 금속 산화물층(x)의 두께는, 확산 방지 성능의 높음과 전기저항의 낮음을 양립시킬 수 있는 두께라면 된다.
금속 산화물층(x)은 각종 방법에 의해 형성될 수 있지만, 금속 지지체(1)의 표면을 산화시켜 금속 산화물로 하는 방법이 바람직하게 이용된다. 또한, 금속 지지체(1)의 표면에, 금속 산화물층(x)을 스프레이 코팅법(용사법(溶射法)이나 에어로졸 데포지션법, 에어로졸 가스 데포지션법, 파우더 제트 데포지션법, 파티클 제트 데포지션법, 콜드 스프레이법 등의 방법), 스퍼터링법이나 PLD법 등의 PVD법, CVD법 등에 의해 형성해도 되고, 도금과 산화 처리에 의해 형성해도 된다. 또한, 금속 산화물층(x)은 도전성이 높은 스피넬상(spinel phase) 등을 포함해도 된다.
금속 지지체(1)로서 페라이트계 스테인레스재를 사용한 경우, 애노드 전극층(A)이나 전해질층(B)의 재료로서 사용되는 YSZ(이트리아 안정화 지르코니아)나 GDC(가돌리늄·도프·세리아, CGO라고도 함) 등과 열팽창계수가 가깝다. 따라서, 저온과 고온의 온도 사이클이 반복된 경우도 연료 전지 셀(R)이 손상을 받기 어렵다. 따라서, 장기 내구성이 우수한 연료 전지 셀(R)을 실현할 수 있으므로 바람직하다.
앞에서도 나타낸 바와 같이, 금속 지지체(1)는, 표면측(1e)와 이면측(1f)을 관통하여 형성되는 복수의 관통공(1a)을 가진다. 그리고, 예를 들면, 관통공(1a)은 기계적, 화학적 혹은 광학적 천공 가공 등에 의해, 금속 지지체(1)에 형성할 수 있다. 이 관통공(1a)은 도 3의 (b)에도 나타낸 바와 같이, 실질적으로 금속 지지체(1)의 표면측(1e) 쪽이 좁은 테이퍼 형상으로 되어 있다. 이 관통공(1a)은, 금속 지지체(1)의 표리 양측으로부터 가스를 투과시키는 기능을 가진다. 금속 지지체(1)에 가스 투과성을 갖게 하기 위하여, 다공질 금속을 사용하는 것도 가능하다. 예를 들면, 금속 지지체(1)는, 소결 금속이나 발포 금속 등을 사용할 수도 있다.
<연료 전지 셀>
앞에서도 나타낸 바와 같이, 연료 전지 셀(R)은 애노드 전극층(A), 전해질층(B), 캐소드 전극층(C)과, 이들 층 사이에 적절히, 중간층(y), 반응 방지층(z)을 가지고 구성된다. 이 연료 전지 셀(R)은 고체 산화물형 연료 전지 SOFC이다. 이와 같이, 실시형태로서 나타내는 연료 전지 셀(R)은 중간층(y), 반응 방지층(z)을 구비함으로써, 전해질층(B)은, 애노드 전극층(A)과 캐소드 전극층(C)에 의해 간접적으로 끼워진 구조로 된다. 전지 발전만을 발생시킨다는 의미로부터는, 전해질층(B)의 한쪽 면에 애노드 전극층(A)을, 다른 쪽 면에 캐소드 전극층(C)을 형성함으로써, 발전하는 것은 가능하다.
<애노드 전극층>
애노드 전극층(A)은 도 3, 도 6 등에 나타낸 바와 같이, 금속 지지체(1)의 표면측(1e)으로서 관통공(1a)이 형성된 영역보다 큰 영역에, 박층의 상태로 형성할 수 있다. 박층으로 하는 경우에는, 그 두께를, 예를 들면 1㎛∼100㎛ 정도, 바람직하게는 5㎛∼50㎛로 할 수 있다. 이와 같은 두께로 하면, 고가인 전극층 재료의 사용량을 저감하여 비용 절감을 도모하면서, 충분한 전극 성능을 확보하는 것이 가능하게 된다. 관통공(1a)이 형성된 영역의 전체가, 애노드 전극층(A)에 덮혀 있다. 즉, 관통공(1a)은 금속 지지체(1)에서의 애노드 전극층(A)이 형성된 영역의 내측에 형성되어 있다. 바꾸어 말하면, 모든 관통공(1a)이 애노드 전극층(A)에 면하여 형성되어 있다.
애노드 전극층(A)의 재료로서는, 예를 들면 NiO-GDC, Ni-GDC, NiO-YSZ, Ni-YSZ, CuO-CeO2, Cu-CeO2 등의 복합재를 사용할 수 있다. 이들 예에서는, GDC, YSZ, CeO2를 복합재의 골재라고 부를 수 있다.
그리고, 애노드 전극층(A)은, 저온 소성법(예를 들면, 1100℃보다 높은 고온역에서의 소성 처리를 하지 않는 저온역에서의 소성 처리를 이용하는 습식법)이나 스프레이 코팅법(용사법이나 에어로졸 데포지션법, 에어로졸 가스 데포지션법, 파우더 제트 데포지션법, 파티클 제트 데포지션법, 콜드 스프레이법 등의 방법), PVD법(스퍼터링법이나 펄스 레이저 데포지션법 등), CVD법 등에 의해 형성하는 것이 바람직하다. 이들의, 저온역에서 사용 가능한 프로세스에 의해, 예를 들면 1100℃보다 높은 고온역에서의 소성을 이용하지 않고, 양호한 애노드 전극층(A)이 얻어진다. 그러므로, 금속 지지체(1)를 손상시키지 않고, 또한, 금속 지지체(1)와 애노드 전극층(A)의 원소 상호 확산을 억제할 수 있고, 내구성이 우수한 전기화학 소자를 실현할 수 있으므로 바람직하다. 또한, 저온 소성법을 이용하면, 원재료의 핸들링이 용이하게 되므로 더욱 바람직하다.
그리고, 이 애노드 전극층(A)에 포함하는 Ni의 양은, 35 질량% 이상 85 질량% 이하의 범위로 할 수 있다. 또한, 애노드 전극층(A)에 포함하는 Ni의 양은, 발전 성능을 보다 높일 수 있으므로, 40 질량%보다 많으면 보다 바람직하고, 45 질량%보다 많으면 더욱 바람직하다. 한편, 비용 절감하기 쉬워지므로, 80 질량% 이하이면 보다 바람직하다.
애노드 전극층(A)은 가스 투과성을 갖게 하기 위해, 그 내부 및 표면에 복수의 세공(도시하지 않음)을 가진다. 즉 애노드 전극층(A)은, 다공질인 층으로서 형성한다. 애노드 전극층(A)은, 예를 들면, 그 치밀도가 30% 이상 80% 미만으로 되도록 형성된다. 세공의 사이즈는, 전기화학 반응을 행할 때에 원활한 반응이 진행되는 데에 알맞은 사이즈를 적절히 선택할 수 있다. 그리고, 치밀도란, 층을 구성하는 재료의 공간에 차지하는 비율로서, (1-공공률)로 표시할 수 있고, 또한, 상대밀도와 동등하다.
(중간층)
중간층(y)은 도 6에 나타낸 바와 같이, 애노드 전극층(A)을 덮은 상태에서, 애노드 전극층(A) 위에 박층의 상태로 형성할 수 있다. 박층으로 하는 경우에는, 그 두께를, 예를 들면 1㎛∼100㎛ 정도, 바람직하게는 2㎛∼50㎛ 정도, 보다 바람직하게는 4㎛∼25㎛ 정도로 할 수 있다. 이와 같은 두께로 하면, 고가인 중간층 재료의 사용량을 저감하여 비용 절감을 도모하면서, 충분한 성능을 확보하는 것이 가능해진다. 중간층(y)의 재료로서는, 예를 들면, YSZ(이트리아 안정화 지르코니아), SSZ(스칸듐 안정화 지르코니아)이나 GDC(가돌리늄·도프·세리아), YDC(이트륨·도프·세리아), SDC(사마륨·도프·세리아) 등을 사용할 수 있다. 특히 세리아계의 세라믹스가 바람직하게 사용된다.
중간층(y)은, 저온 소성법(예를 들면, 1100℃보다 높은 고온역에서의 소성 처리를 하지 않는 저온역에서의 소성 처리를 이용하는 습식법)이나 스프레이 코팅법(용사법이나 에어로졸 데포지션법, 에어로졸 가스 데포지션법, 파우더 제트 데포지션법, 파티클 제트 데포지션법, 콜드 스프레이법 등의 방법), PVD법(스퍼터링법, 펄스 레이저 데포지션법 등), CVD법 등에 의해 형성하는 것이 바람직하다. 이들의, 저온역에서 사용 가능한 성막 프로세스에 의해, 예를 들면, 1100℃보다 높은 고온역에서의 소성을 이용하지 않고 중간층(y)이 얻어진다. 그러므로, 금속 지지체(1)를 손상시키지 않고, 금속 지지체(1)와 애노드 전극층(A)의 원소 상호 확산을 억제할 수 있고, 내구성이 우수한 연료 전지 셀(R)을 실현할 수 있다. 또한, 저온 소성법을 이용하면, 원재료의 핸들링이 용이하게 되므로 더욱 바람직하다.
중간층(y)은 산소 이온(산화물 이온) 전도성을 가진다. 또한, 산소 이온(산화물 이온)과 전자의 혼합 전도성을 가지면 더욱 바람직하다. 이들 성질을 가지는 중간층(y)은, 연료 전지 셀(R)로의 적용에 적합하다.
(전해질층)
전해질층(B)은 애노드 전극층(A) 및 중간층(y)를 덮은 상태에서, 중간층(y) 위에 박층의 상태로 형성된다. 또한, 두께가 10㎛ 이하인 박막의 상태로 형성할 수도 있다. 상세하게는 전해질층(B)은 도 3, 도 6 등에 나타낸 바와 같이, 중간층(y) 위와 금속 지지체(1) 위에 걸쳐 형성된다. 이와 같이 구성하고, 전해질층(B)에 금속 지지체(1)에 접합함으로써, 전기화학 소자 전체로서 견뢰성이 우수한 것으로 할 수 있다.
또한 전해질층(B)은, 금속 지지체(1)의 표면측(1e)으로서 관통공(1a)이 형성된 영역보다 큰 영역에 형성된다. 즉, 관통공(1a)은 금속 지지체(1)에서의 전해질층(B)이 형성된 영역의 내측에 형성되어 있다.
또한 전해질층(B)의 주위에 있어서는, 애노드 전극층(A) 및 중간층(y)으로부터의 가스의 누출을 억제할 수 있다. 설명하면, 발전 시에는, 금속 지지체(1)의 이면측으로부터 관통공(1a)을 통하여 애노드 전극층(A)에 가스가 공급된다. 전해질층(B)이 금속 지지체(1)에 접하고 있는 부위에 있어서는, 개스킷 등의 별도의 부재를 설치하지 않고, 가스의 누출을 억제할 수 있다. 그리고, 본 실시형태에서는 전해질층(B)에 의해 애노드 전극층(A)의 주위를 모두 덮고 있지만, 애노드 전극층(A) 및 중간층(y)의 상부에 전해질층(B)을 형성하고, 주위에 개스킷 등을 설치하는 구성으로 해도 된다.
전해질층(B)의 재료로서는, YSZ(이트리아 안정화 지르코니아), SSZ(스칸듐 안정화 지르코니아)나 GDC(가돌리늄·도프·세리아), YDC(이트륨·도프·세리아), SDC(사마륨·도프·세리아), LSGM(스트론튬·마그네슘 첨가 란탄갈레이트) 등을 사용할 수 있다. 특히 지르코니아계의 세라믹스가 바람직하게 사용된다. 전해질층(B)에 지르코니아계 세라믹스로 하면, 연료 전지 셀(R)을 이용한 SOFC의 가동 온도를 세리아계 세라믹스에 비하여 높게 할 수 있다. SOFC로 하는 경우, 전해질층(B)의 재료로서 YSZ와 같은 650℃ 정도 이상의 고온역에서도 높은 전해질 성능을 발휘할 수 있는 재료를 사용하고, 시스템의 원연료에 도시가스나 LPG 등의 탄화수소계의 원연료를 사용하고, 원연료를 수증기 개질 등에 의해 SOFC의 환원성 가스로 하는 시스템 구성으로 하면, SOFC의 셀 스택에서 발생하는 열을 원연료 가스의 개질에 이용하는 고효율의 SOFC 시스템을 구축할 수 있다.
전해질층(B)은, 저온 소성법(예를 들면, 1100℃를 넘는 고온역에서의 소성 처리를 하지 않는 저온역에서의 소성 처리를 이용하는 습식법)이나 스프레이 코팅법(용사법이나 에어로졸 데포지션법, 에어로졸 가스 데포지션법, 파우더 제트 데포지션법, 파티클 제트 데포지션법, 콜드 스프레이법 등의 방법), PVD법(스퍼터링법, 펄스 레이저 데포지션법 등), CVD법 등에 의해 형성하는 것이 바람직하다. 이들의, 저온역에서 사용 가능한 성막 프로세스에 의해, 예를 들면, 1100℃를 넘는 고온역에서의 소성을 이용하지 않고, 치밀하고 기밀성 및 가스 배리어성이 높은 전해질층(B)이 얻어진다. 그러므로, 금속 지지체(1)의 손상을 억제하고, 또한, 금속 지지체(1)와 애노드 전극층(A)의 원소 상호 확산을 억제할 수 있고, 성능·내구성이 우수한 연료 전지 셀(R)을 실현할 수 있다. 특히, 저온 소성법이나 스프레이 코팅법 등을 이용하면, 저비용의 소자를 실현할 수 있으므로 바람직하다. 또한, 스프레이 코팅법을 이용하면, 치밀하고 기밀성 및 가스 배리어성이 높은 전해질층이 저온역에서 용이하게 얻어지기 쉬우므로 더욱 바람직하다.
전해질층(B)은, 환원성 가스나 산화성 가스의 가스 누출을 차폐하고, 또한, 높은 이온 전도성을 발현하기 위해, 치밀하게 구성된다. 전해질층(B)의 치밀도는 90% 이상이 바람직하고, 95% 이상이면 보다 바람직하며, 98% 이상이면 더욱 바람직하다. 전해질층(B)은 균일한 층인 경우에는, 그 치밀도가 95% 이상이면 바람직하고, 98% 이상이면 보다 바람직하다. 또한, 전해질층(B)가, 복수의 층상으로 구성되어 있는 경우는, 그 중 적어도 일부가, 치밀도가 98% 이상인 층(치밀 전해질층)을 포함하고 있으면 바람직하고, 99% 이상인 층(치밀 전해질층)을 포함하고 있으면 보다 바람직하다. 이와 같은 치밀 전해질층이 전해질층의 일부에 포함되어 있으면, 전해질층이 복수의 층상으로 구성되어 있는 경우라도, 치밀하고 기밀성 및 가스 배리어성이 높은 전해질층을 형성하기 쉽게 할 수 있기 때문이다.
(반응 방지층)
반응 방지층(z)는, 전해질층(B) 위에 박층의 상태로 형성할 수 있다. 박층으로 하는 경우에는, 그 두께를, 예를 들면 1㎛∼100㎛ 정도, 바람직하게는 2㎛∼50㎛ 정도, 보다 바람직하게는 3㎛∼15㎛ 정도로 할 수 있다. 이와 같은 두께로 하면, 고가인 반응 방지층 재료의 사용량을 저감하여 비용 절감을 도모하면서, 충분한 성능을 확보하는 것이 가능해진다. 반응 방지층(z)의 재료로서는, 전해질층(B)의 성분과 캐소드 전극층(C)의 성분 사이의 반응을 방지할 수 있는 재료라면 되지만, 예를 들면, 세리아계 재료 등이 사용된다. 또한 반응 방지층(z)의 재료로서, Sm, Gd 및 Y로 이루어지는 군으로부터 선택되는 원소 중 적어도 1개를 함유하는 재료가 바람직하게 사용된다. 그리고, Sm, Gd 및 Y로 이루어지는 군으로부터 선택되는 원소 중 적어도 1개를 함유하고, 이들 원소의 함유율의 합계가 1.0 질량% 이상 10 질량% 이하이면 된다. 반응 방지층(z)을 전해질층(B)와 캐소드 전극층(C) 사이에 도입함으로써, 캐소드 전극층(C)의 구성 재료와 전해질층(B)의 구성 재료의 반응이 효과적으로 억제되고(확산 억제), 연료 전지 셀(R)의 성능의 장기 안정성을 향상시킬 수 있다. 반응 방지층(z)의 형성은, 1100℃ 이하의 처리 온도에서 형성할 수 있는 방법을 적절히 이용하여 행하면, 금속 지지체(1)의 손상을 억제하고, 또한, 금속 지지체(1)와 애노드 전극층(A)의 원소 상호 확산을 억제할 수 있고, 성능·내구성이 우수한 연료 전지 셀(R)을 실현할 수 있으므로 바람직하다. 예를 들면, 저온 소성법(예를 들면, 1100℃를 넘는 고온역에서의 소성 처리를 하지 않는 저온역에서의 소성 처리를 이용하는 습식법), 스프레이 코팅법(용사법이나 에어로졸 데포지션법, 에어로졸 가스 데포지션법, 파우더 제트 데포지션법, 파티클 제트 데포지션법, 콜드 스프레이법 등의 방법), PVD법(스퍼터링법, 펄스 레이저 데포지션법 등), CVD법 등을 적절히 이용하여 행할 수 있다. 특히, 저온 소성법이나 스프레이 코팅법 등을 이용하면, 저비용의 소자를 실현할 수 있으므로 바람직하다. 또한, 저온 소성법을 이용하면, 원재료의 핸들링이 용이해지므로 더욱 바람직하다.
(캐소드 전극층)
캐소드 전극층(C)은, 전해질층(B) 혹은 반응 방지층(z) 위에 박층의 상태로 형성할 수 있다. 박층으로 하는 경우에는, 그 두께를, 예를 들면 1㎛∼100㎛ 정도, 바람직하게는 5㎛∼50㎛로 할 수 있다. 이와 같은 두께로 하면, 고가인 캐소드 전극층 재료의 사용량을 저감하여 비용 절감을 도모하면서, 충분한 전극 성능을 확보하는 것이 가능해진다. 캐소드 전극층(C)의 재료로서는, 예를 들면 LSCF, LSM 등의 복합 산화물, 세리아계 산화물 및 이들의 혼합물을 사용할 수 있다. 특히 캐소드 전극층(C)이, La, Sr, Sm, Mn, Co 및 Fe로 이루어지는 군으로부터 선택되는 2종류 이상의 원소를 함유하는 페로브스카이트(perovskite)형 산화물을 포함하는 것이 바람직하다. 이상의 재료를 사용하여 구성되는 캐소드 전극층(C)은, 캐소드로서 기능한다.
그리고, 캐소드 전극층(C)의 형성은, 1100℃ 이하의 처리 온도에서 형성할 수 있는 방법을 적절히 이용하여 행하면, 금속 지지체(1)의 손상을 억제하고, 또한, 금속 지지체(1)와 애노드 전극층(A)의 원소 상호 확산을 억제할 수 있고, 성능·내구성이 우수한 연료 전지 셀(R)을 실현할 수 있으므로 바람직하다. 예를 들면, 저온 소성법(예를 들면, 1100℃를 넘는 고온역에서의 소성 처리를 하지 않는 저온역에서의 소성 처리를 이용하는 습식법), 스프레이 코팅법(용사법이나 에어로졸 데포지션법, 에어로졸 가스 데포지션법, 파우더 제트 데포지션법, 파티클 제트 데포지션법, 콜드 스프레이법 등의 방법), PDV법(스퍼터링법, 펄스 레이저 데포지션법 등), CVD법 등을 적절히 이용하여 행할 수 있다. 특히, 저온 소성법이나 스프레이 코팅법 등을 이용하면, 저비용의 소자를 실현할 수 있으므로 바람직하다. 또한, 저온 소성법을 이용하면, 원재료의 핸들링이 용이하게 되므로 더욱 바람직하다.
연료 전지 단일 셀 유닛(U)에서는, 금속 지지체(1)와 애노드 전극층(A) 사이의 전기전도성을 확보하고 있다. 또한, 필요에 따라, 금속 지지체(1) 표면의 필요한 부분에 절연 피막을 형성해도 된다.
<연료 전지 셀에서의 발전>
연료 전지 셀(R)은, 수소를 함유하는 환원성 가스 및 산소를 함유하는 산화성 가스의 양쪽의 공급을 받아서 발전한다. 이와 같이 양쪽 가스가 연료 전지 셀(R)의 각 전극층(애노드 전극층(A) 및 캐소드 전극층(C))에 공급됨으로써, 도 6에 나타내는 바와 같이, 캐소드 전극층(C)에 있어서 산소 분자 O2가 전자 e-와 반응하여 산소 이온 O2-이 생성된다. 그 산소 이온 O2 -이 전해질층(B)을 통과하여 애노드 전극층(A)으로 이동한다. 애노드 전극층(A)에 있어서는, 발전용 연료 가스이지만(수소 H2 및 일산화탄소 CO) 각각 산소 이온 O2 -과 반응하여, 수증기 H2O, 이산화탄소 CO2와 전자 e-가 생성된다. 이상의 반응에 의해, 애노드 전극층(A)과 캐소드 전극층(C) 사이에 기전력이 발생하고, 발전이 행해진다. 이 발전 원리는, 제2 실시형태에서도 동일하다(도 11 참조).
이하, 환원성 가스 및 산화성 가스의 공급 구조에 관하여 설명하고, 또한 본 발명의 독특한 내부 개질에 관한 구성에 대하여 설명한다.
도 3에 나타낸 바와 같이, 연료 전지 단일 셀 유닛(U)은, 금속 세퍼레이터로서의 돌기가 있는 집전판(3)을 구비하여 구성된다. 이 돌기가 있는 집전판(3)은, 도 4의 (a)에 나타낸 바와 같이, 금속제의 원반 형상의 판으로서, 오목부 또는 볼록부가 1개 이상 포함되는 요철 구조 부위(3a)를 가지고, 금속 지지체(1)의 이면측(1f)을 면하여 배치되고, 금속 지지체(1)에 대하여 접합 부위 W를 통하여 접합된다. 요철 구조 부위(3a)는, 복수의 연료 전지 단일 셀 유닛(U)이 적층될 때에, 다른 연료 전지 단일 셀 유닛(U)의 캐소드 전극층(C)에 접속된다. 따라서, 이 돌기가 있는 집전판(3)은, 금속 지지체(1), 나아가 애노드 전극층(A)에 전기적으로 접속되어 있다. 이 돌기가 있는 집전판(3)에 있어서, 그 표리 사이에서 가스가 유통하는 경우는 없다. 후술하는 바와 같이, 돌기가 있는 집전판(3)의 금속 지지체(1)측(바꾸어 말하면 애노드 전극층(A)측)은, 지금까지 설명해 온 환원성 가스 공급로(L1)로 되고, 그 이면측(금속 지지체(1)로부터 이격된 측)은, 지금까지 설명해 온 산화성 가스 공급로(L2)로 할 수 있는 것이다.
이하, 이들 가스의 공급·배출에 관하여 설명한다.
연료 전지 단일 셀 유닛(U)에는, 가스 공급관(2)이 구비되어 있다.
가스 공급관(2)은, 환원성 가스 및 산화성 가스를 별개로, 돌기가 있는 집전판(3)의 상하에 형성된 공간(각각, 직경 방향 바깥쪽으로 흐르는 공급로가 됨)에 공급한다. 가스 공급관(2)은, 금속제의 원통 형상 부재로 되고, 그 중심축(Z)이 금속 지지체(1)의 중심축(Z)과 일치한 상태에서, 금속 지지체(1)의 개구부(1b)에 삽입되고, 용접에 의해 고정된다. 또한, 금속 지지체(1)가 가스 공급관(2)에 대하여 밀봉재를 끼워 가압되어도 된다. 가스 공급관(2)의 재료로서는, 전술한 금속 지지체(1)와 동일한 것을 사용할 수 있다. 또한 가스 공급관(2)의 표면에, 금속 지지체(1)와 동일한 확산 방지막을 형성하면, Cr 비산을 억제할 수 있어 호적하다.
그리고, 가스 공급관(2)은, 연료 전지 단일 셀 유닛(U) 및 후술하는 연료 전지 모듈(M)을 구성하기 위해 충분한 강도를 가지면 된다. 또한, 가스 공급관(2)에는, 소결 금속이나 발포 금속 등을 사용할 수도 있지만, 이 경우에는 가스가 투과하지 않도록 표면 코팅 등의 처리를 실시하면 된다.
가스 공급관(2)은, 그 내측에 중심축(Z)과 평행하게 칸막이벽(2a)이 배치되어, 제1 유로(2b)와 제2 유로(2c)로 칸막이된다. 제1 유로(2b)와 제2 유로(2c)는 각각 다른 가스가 통류할 수 있도록, 서로 가스가 통류하지 않는 형태로 된다.
가스 공급관(2)에는, 내측과 외측을 관통하는 제1 통류공(通流孔)(2d)과 제2 통류공(2e)이 형성되어 있다. 제1 통류공(2d)은, 금속 지지체(1)와 돌기가 있는 집전판(3) 사이의 공간(본 발명의 환원성 가스 공급로(L1)가 됨)과 제1 유로(2b)를 연결하고, 양자 사이에서의 가스의 통류가 가능하게 되어 있다. 제2 통류공(2e)은, 돌기가 있는 집전판(3)에 대하여 금속 지지체(1)와 반대측의 공간(본 발명의 산화성 가스 공급로(L2)가 됨)과 제2 유로(2c)를 연결하고, 양자 사이에서의 가스의 통류가 가능하게 되어 있다. 제1 통류공(2d)과 제2 통류공(2e)은, 가스 공급관(2)의 중심축(Z)을 따르는 방향에 관하여, 상이한 위치에 형성되어 있고, 돌기가 있는 집전판(3)을 사이에 두고 양측에 형성되어 있다.
따라서, 본 실시형태에서는, 제1 유로(2b)가 돌기가 있는 집전판(3)의 상측에 형성되는 환원성 가스 공급로(L1)에 접속되고, 제2 유로(2c)가 돌기가 있는 집전판(3)의 하측에 형성되는 산화성 가스 공급로(L2)에 접속된다.
돌기가 있는 집전판(3)은 도 4에 나타내는 바와 같이, 복수의 요철 구조 부위(3a)가, 돌기가 있는 집전판(3)의 원반의 면으로부터 상하 방향으로 돌출되어 형성되어 있다. 요철 구조 부위(3a)는 꼭지점이 완만한 원뿔 형상이다.
돌기가 있는 집전판(3)은 도 3에 나타내어지는 바와 같이, 금속 지지체(1)의 이면측(1f)을 면하여 배치되고, 금속 지지체(1)에 대하여 접합 부위 W를 통하여 접합된다. 예를 들면, 돌기가 있는 집전판(3)을 금속 지지체(1)에 직접 가압하여 접합할 수 있지만, 이 경우에는, 요철 구조 부위(3a)의 꼭지점과 금속 지지체(1)의 접촉하는 부분이 접합 부위 W가 된다. 또한, 요철 구조 부위(3a)의 꼭지점에, 도전성이 우수한 세라믹스 페이스트 등을 도포하여 접합 부위 W를 형성하여, 돌기가 있는 집전판(3)을 금속 지지체(1)에 가압하여 접합할 수도 있고, 금속 펠트 등을 돌기가 있는 집전판(3)과 금속 지지체(1) 사이에 끼워 돌기가 있는 집전판(3)을 금속 지지체(1)에 가압하여 접합할 수도 있다. 혹은, 돌기가 있는 집전판(3)과 금속 지지체(1)가 요철 구조 부위(3a)의 꼭지점의 일부 또는 전부에서, 납땜에 의해 접합 부위 W를 형성하면서 접합할 수도 있다. 그리고, 돌기가 있는 집전판(3)은, 가스 공급관(2)이 개구부(3b)를 통과하는 형태로 배치된다. 돌기가 있는 집전판(3)과 가스 공급관(2)은, 개구부(3b)의 주위에 있어서 용접에 의해 접합된다. 또한, 돌기가 있는 집전판(3)이 가스 공급관(2)에 대하여 밀봉재를 사이에 두고 가압되어도 된다.
돌기가 있는 집전판(3)의 재료로서는, 전술한 금속 지지체(1)와 동일한 것을 사용할 수 있다. 또한 돌기가 있는 집전판(3)의 표면에, 금속 지지체(1)와 동일한 확산 방지막을 형성하면, Cr 비산을 억제할 수 있어 호적하다. 이상과 같이 구성되는 돌기가 있는 집전판(3)은, 프레스 성형 등에 의해 저비용으로 제조할 수 있다. 그리고, 돌기가 있는 집전판(3)은, 표면측(1e)와 이면측(1f) 사이에서 가스가 통류할 수 없도록, 가스를 투과하지 않는 재료로 구성된다.
이 구조로부터, 금속 세퍼레이터로서의 돌기가 있는 집전판(3)은, 금속 지지체(1)를 통하여 연료 전지 셀(R)을 구성하는 애노드 전극층(A)에 전기적으로 접속된다. 후술하는 바와 같이, 연료 전지 단일 셀 유닛(U)이 적층되고, 연료 전지 모듈(M)을 이루는 상태에서는, 돌기가 있는 집전판(3)은 캐소드 전극층(C)에도 전기적으로 접속된다.
돌기가 있는 집전판(3)은, 연료 전지 단일 셀 유닛(U) 및 후술하는 연료 전지 모듈(M)을 구성하기 위해 충분한 강도를 가지면 되고, 예를 들면, 0.1㎜∼2㎜ 정도, 바람직하게는 0.1㎜∼1㎜ 정도, 보다 바람직하게는 0.1㎜∼0.5㎜ 정도의 두께의 것을 사용할 수 있다. 또한, 돌기가 있는 집전판(3)에는, 금속판의 이외에 소결 금속이나 발포 금속 등을 사용할 수도 있지만, 이 경우에는 가스가 투과하지 않도록 표면 코팅 등의 처리를 실시하면 된다.
<가스 공급>
지금까지 설명해 온 바와 같이, 돌기가 있는 집전판(3)은 요철 구조 부위(3a)를 가지고 있고, 요철 구조 부위(3a)의 꼭지점이 금속 지지체(1)의 이면측(1f)에 접합된다. 이 구조에 있어서, 금속 지지체(1)와 돌기가 있는 집전판(3) 사이에는, 중심축(Z)에 대하여 축대칭인, 원반형(도넛형)의 공간(환원성 가스 공급로(L1))이 형성된다. 이 공급로(L1)에는, 가스 공급관(2)의 제1 통류공(2d)을 통하여 제1 유로(2b)로부터 환원성 가스가 공급된다. 그 결과, 그 환원성 가스는, 금속 지지체(1)의 관통공(1a)에 공급되어, 애노드 전극층(A)에 공급된다.
또한, 마찬가지로, 돌기가 있는 집전판(3)의 요철 구조 부위(3a)의 꼭지점이, 하측에 위치하는 연료 전지 단일 셀 유닛(U)의 캐소드 전극층(C)에 대하여 접합됨으로써, 가스 공급관(2)의 제2 통류공(2e)을 통하여 캐소드 전극층(C)에 대하여 가스의 공급이 가능하게 되는 공간(산화성 가스 공급로(L2))이 형성된다.
이상이, 본 발명에 관한 연료 전지의 기본 구성에 관한 설명이지만, 이하, 본 발명의 특징 구성에 관하여, 주로 도 5, 도 6을 사용하여 설명한다.
지금까지도 설명한 바와 같이, 본 실시형태에서는, 돌기가 있는 집전판(3)과 금속 지지체(1) 사이에, 애노드 전극층(A)에 수소를 함유하는 가스를 공급하는 환원성 가스 공급로(L1)가 형성되어 있다. 그리고, 도 5에 화살표로도 나타낸 바와 같이 이 공급로(L1)를 흐르는 가스는, 원판 중심측에 위치되는 가스 공급관(2)측으로부터 직경 방향 바깥쪽으로의 일방향으로 된다. 그리고, 금속 지지체(1)의 표리를 관통하여 형성된 관통공(1a)을 통하여, 애노드 전극층(A)에 발전 반응용의 수소를 공급할 수 있는 것이다.
여기에서, 연료 전지 셀(R) 내에서의 발전 반응은, 앞서 설명한 바와 같지만, 이 반응에 수반하여, 애노드 전극층(A)으로부터 관통공(1a), 환원성 가스 공급로(L1)에는, 수증기 H2O가 방출된다. 그 결과, 본 발명의 환원성 가스 공급로(L1)는, 수소 H2를 함유하는 가스를 애노드 전극층(A)에 공급하는 공급부로 되고 있고, 또한 수증기 H2O의 배출처로도 되고 있다.
그래서, 본 발명에서는, 도 5, 도 6에 나타낸 바와 같이, 돌기가 있는 집전판(3)의 환원성 가스 공급로(L1)측의 면(금속 지지체(1)측의 면)에, 내부 개질 촉매층(D)을 형성하고 있다.
지금까지도 설명한 바와 같이, 환원성 가스 공급로(L1)에는, 외부 개질에 의해 얻어지는 수소 H2 외에, 개질 대상이 되는 원연료 가스(개질 전 가스: 도시하는 예에서는 메탄 CH4)가 흐르지만, 애노드 전극층(A)에 있어서 생성하는 수증기 H2O를 환원성 가스 공급로(L1)로 되돌리는 것에 의해, 이 공급로(L1)에 유입하여 연료 가스 CH4를 개질할 수 있다. 당연히, 생성되는 수소 H2나 일산화탄소 CO는, 하류측에 있어서 관통공(1a)을 통하여 애노드 전극층(A)에 공급하여, 발전의 용도로 제공할 수 있다.
내부 개질 촉매층(D)의 재료로서는, 예를 들면 니켈, 루테늄, 백금 등의 개질 촉매를 유지한 세라믹제의 다공질 입상체의 다수를 통기 가능한 상태로 형성할 수 있다.
그리고, 이 내부 개질 촉매층(D)에 Ni를 함유하는 경우, Ni의 함유량은, 0.1 질량% 이상 50 질량% 이하의 범위로 할 수 있다. 그리고, 내부 개질 촉매층(D)에 Ni를 함유하는 경우, Ni의 함유량은, 1 질량% 이상이면 보다 바람직하고, 5 질량% 이상이면 더욱 바람직하다. 이와 같이 함으로써, 보다 높은 내부 개질 성능이 얻어지기 때문이다. 한편, 내부 개질 촉매층(D)이 Ni를 함유하는 경우의 Ni의 함유량은, 45 질량% 이하이면 보다 바람직하고, 40 질량% 이하이면 더욱 바람직하다. 이와 같이 함으로써, 연료 전지 장치의 비용을 보다 저감할 수 있게 되기 때문이다. 또한, Ni를 담체에 담지하는 것도 바람직하다.
그리고, 이 내부 개질 촉매층(D)은, 저온 소성법(예를 들면, 1100℃보다 높은 고온역에서의 소성 처리를 하지 않는 저온역에서의 소성 처리를 이용하는 습식법)이나 스프레이 코팅법(용사법이나 에어로졸 데포지션법, 에어로졸 가스 데포지션법, 파우더 제트 데포지션법, 파티클 제트 데포지션법, 콜드 스프레이법 등의 방법), PVD법(스퍼터링법이나 펄스 레이저 데포지션법 등), CVD법 등에 의해 형성하는 것이 바람직하다. 이들의, 저온역에서 사용 가능한 프로세스에 의해, 내부 개질 촉매층(D)을 형성하는 환원성 가스 공급로(L1)(예를 들면, 금속 지지체(1), 돌기가 있는 집전판(3))의 고온 가열에 의한 손상을 억제하면서, 양호한 내부 개질 촉매층(D)을 형성하고, 내구성이 우수한 연료 전지 단일 셀 유닛(U)을 실현할 수 있기 때문이다. 또한, 금속 지지체(1)나 돌기가 있는 집전판(3)의 표면에 확산 억제층(x)을 형성한 후, 내부 개질 촉매층(D)을 형성하면, 금속 지지체(1)나 돌기가 있는 집전판(3)으로부터의 Cr의 비산을 억제할 수 있으므로 바람직하다.
이와 같은 내부 개질 촉매층(D)는, 그 두께를, 예를 들면 1㎛ 이상으로 하면 바람직하고, 2㎛ 이상으로 하면 보다 바람직하고, 5㎛ 이상으로 하면 더욱 바람직하다. 이와 같은 두께로 함으로써, 연료 가스나 수증기의 접촉 면적을 증가시키고, 내부 개질율을 높일 수 있기 때문이다. 또한, 그 두께를, 예를 들면 500㎛ 이하로 하면 바람직하고, 300㎛ 이하로 하면 보다 바람직하고, 100㎛ 이하로 하면 더욱 바람직하다. 이와 같은 두께로 함으로써, 고가인 내부 개질 촉매 재료의 사용량을 저감하여 비용 절감을 도모할 수 있기 때문이다.
다시, 도 6으로 되돌아가, 이 내부 개질 촉매층(D)에서의 수증기 개질 반응에 관하여 간단히 설명해 둔다. 동 도면에 나타낸 바와 같이, 연료 전지 단일 셀 유닛(U)에 내부 개질 촉매층(D)을 형성함으로써, 환원성 가스 공급로(L1)에 공급되는 원연료 가스 CH4를 하기와 같이 개질하여, 발전용 연료 가스가 되는 수소 H2, 일산화탄소 CO를 생성할 수 있다. 도 11에 나타내는 실시형태에 있어서도, 이 개질 반응은 동일하다.
CH4+H2O→CO+3H2
CO+H2O→CO2+H2
CH4+2H2O→CO2+4H2
이 환원성 가스 공급로(L1)(내부 개질 촉매층(D))의 온도는, 사실상, 연료 전지 셀(R)의 작동 온도인 600℃∼900℃로 되어 있다. 지금까지 설명해 온 제1 실시형태의 연료 전지 단일 셀 유닛(U)의 연료 전지로서의 기능 구성을 모식적으로 나타내면, 도 19의 (a)에 나타내는 구조로 된다.
이상의 설명에 있어서, 제1 실시형태에서의 연료 전지 모듈(M)에 관하여, 그 개략을 나타냈다. 본 실시형태에서의 연료 전지 모듈(M)의 구조를 구체적으로 설명해 놓는다.
도 5에 나타낸 바와 같이, 제1 실시형태 연료 전지 모듈(M)은, 연료 전지 단일 셀 유닛(U)이 복수 적층한 상태로 구성된다. 즉, 연료 전지 단일 셀 유닛(U)을, 개스킷(6)을 사이에 두고 복수 적층하여 구성한다. 개스킷(6)은, 한쪽의 연료 전지 단일 셀 유닛(U)의 가스 공급관(2)과, 다른 쪽의 연료 전지 단일 셀 유닛(U)의 가스 공급관(2) 사이에 배치된다. 그리고, 개스킷(6)은, 한쪽의 연료 전지 단일 셀 유닛(U)의 금속 지지체(1), 가스 공급관(2) 및 돌기가 있는 집전판(3)과, 다른 쪽의 연료 전지 단일 셀 유닛(U)의 금속 지지체(1), 가스 공급관(2) 및 돌기가 있는 집전판(3) 사이를, 전기적으로 절연한다. 개스킷(6)은, 아울러, 가스 공급관(2)의 제1 유로(2b) 및 제2 유로(2c)를 통류하는 가스가 누출되거나 혼합되거나 하지 않도록, 연료 전지 단일 셀 유닛(U)의 접속 부위(가스 공급관(2)의 접속 부위)를 기밀하게 유지한다. 개스킷(6)은, 이상의 전기적 절연 및 기밀 유지가 가능하도록, 예를 들면, 버미큘라이트나 운모, 알루미나 등을 재료로 하여 형성된다.
그리고, 전술한 바와 같이, 돌기가 있는 집전판(3)이, 한쪽의 연료 전지 단일 셀 유닛(U)의 금속 지지체(1)와, 캐소드 전극층(C)을 전기적으로 접속하고 있다. 따라서 본 실시형태에 관한 연료 전지 단일 셀 유닛(U)에서는, 각 연료 전지 단일 셀 유닛(U)의 연료 전지 셀(R)이 전기적으로 직렬로 접속된다.
연료 전지 모듈(M)에서의 가스의 통류에 대해서는, 지금까지도 설명해 온 바와 같다.
환원성 가스 공급로(L1)의 구성 형태에 관해서는, 도 4의 (a)에 나타내는 형상의 돌기가 있는 집전판(3)으로 해도 되고, 도 4의 (b), 도 4의 (c)와 같이 해도 된다. 이들 구성에 있어서, 공통이 되는 기술적 요소는, 수소를 함유하는 환원성 가스(구체적으로는, 개질 전 가스와 개질 완료 가스의 혼합 가스) 및 산소를 함유하는 가스인 산화성 가스(구체적으로는, 공기)가, 외경측으로 이동하여 배기가스로서 배기되는 구성으로 할 수 있으면 된다.
본 발명에 있어서는, 환원성 가스 공급로(L1)가, 혼합 가스의 공급측으로부터 배출측으로 흐르고, 그 사이에 형성된 복수(다수)의 관통공(1a)에 대하여, 수소 H2를 함유하는 가스의 애노드 전극층(A)으로의 유통이 행해진다. 그리고, 애노드 전극층(A)에서 생성되는 수증기 H2O를 내부 개질 촉매층(D)으로 되돌림으로써 수증기 개질을 행하고, 발전용 연료 가스인 수소 및 일산화탄소를 생성시켜, 하류측에 위치하는 관통공(1a)으로부터 수소 H2를 포함하는 발전용 연료 가스를 애노드 전극층(A)에 공급하여 발전을 행하는 것이 가능하게 된다. 그래서, 이와 같은 가스의 경로를 내부 개질 연료 공급로(L3)라고 부르고, 생성되는 수증기 H2O의 배출측을 배출부(L3a)라고 부르며, 내부 개질된 수소 H2의 공급측을 공급부(L3b)라고 부른다. 이 배출부(L3a)는, 본 발명의 수증기 공급로이기도 하다. 그리고, 배출부(L3a)는 공급부(L3b)로서의 기능을 동시에 담당할 수도 있고, 공급부(L3b)가 배출부(L3a)로서의 기능을 동시에 담당할 수도 있다.
<제2 실시형태>
이하, 제2 실시형태에 관한, 이 연료 전지 장치(Y), 연료 전지 모듈(M) 및 연료 전지 단일 셀 유닛(U)에 대하여 도면에 기초하여 설명한다.
<연료 전지 장치>
도 7에는, 연료 전지 장치(Y)의 개요가 나타내어져 있다.
연료 전지 장치(Y)도, 연료 전지 모듈(M)을 구비하여 구성되고, 이 연료 전지 모듈(M)에 공급되는 수소를 함유하는 환원성 가스와 산소를 함유하는 산화성 가스에 의해 발전 동작한다.
도 7, 도 8에 나타낸 바와 같이, 연료 전지 모듈(M)은 개략 직사각형으로 구성되며, 하나의 하우징(10) 내에 이 연료 전지 모듈(M), 외부 개질기(34), 기화기(33) 등을 구비하여 구성되어 있다. 환원성 가스의 공급 계통에 구비되는 각 기기(승압 펌프(30), 탈황기(31), 개질수 탱크(32), 기화기(33), 외부 개질기(34))의 작용은 앞서 설명한 제1 실시형태의 것과 동일하다. 다만, 외부 개질기(34) 및 기화기(33)가 연료 전지 모듈(M)이 수납되는 하우징(10) 내에 위치되므로, 연료 전지 모듈(M)의 열이 유효하게 이용된다.
본 제2 실시형태의 연료 전지 모듈(M)은, 그 상부에 수소를 함유하는 배기가스의 연소부(101)가 형성되어 있고, 이 부위(101)에서 연료 전지의 배기가스에 포함되는 잔여의 연소 성분(구체적으로는 수소, 일산화탄소 및 메탄)을 연소하고, 그 열을 수증기 개질 및 기화에 이용할 수 있다.
인버터(38), 제어부(39) 및 열교환기(36)의 작용에 관해서는, 앞선 실시형태와 동일하다.
따라서, 제2 실시형태도, 연료 전지 장치(Y)는, 전력과 열의 양쪽을 발생·공급 가능한, 소위 「코제너레이션 시스템」으로 되어 있다.
그런데, 연료 전지 단일 셀 유닛(U) 혹은 연료 전지 셀(R)에 구비되는 각 전극층(애노드 전극층(A) 및 캐소드 전극층(C))으로의 수소를 함유하는 환원성 가스의 공급, 산소를 함유하는 산화성 가스의 공급에 관해서는, 본 실시형태의 독특한 구성으로 되어 있다.
도 7, 도 11에 기초하여, 그 개략을 설명해 두면, 외부 개질기(34)의 하류측에는 가스 매니폴드(102)가 설치되고, 개질 전 가스(원연료 가스) 및 개질 완료 가스가, 연료 전지 단일 셀 유닛(U)의 구비되는 환원성 가스 공급로(L1)에 분배 공급되고, 이 공급로(L1)로부터 애노드 전극층(A)에 수소를 함유하는 환원성 가스가 공급되도록 구성되어 있다.
한편, 산소의 산화성 가스 공급로(L2)로의 공급은, 블로어(35)에 의해 공기를 하우징(10) 내에 흡인하고, 흡인된 산소를 함유하는 산화성 가스를, 연료 전지 단일 셀 유닛(U), 집전판(CP) 각각에 설치된 산화성 가스 공급로(L2)를 통하여 캐소드 전극층(C)에 공급하도록 구성되어 있다. 본 실시형태는, 연료 전지 모듈(M)과 외부 개질기(34) 사이가 연소부(101)로 되어 있지만, 블로어(35)에 의해 흡인된 공기는, 연소부(101)에서의 잔여의 연료 연소에도 이용된다.
이와 같이 하여 소정의 전지 반응, 연소 반응에 의해 발생하는 배기가스는 열교환기(36)에 보내어지고, 소정의 열 이용의 용도로 제공된다. 여기에서, 하우징(10)의 배기구(103)에 설치되어 있는 기기(103a)는, 배기가스 처리용 기기이다.
<연료 전지 모듈(M)>
다음으로, 도 8을 이용하여 연료 전지 모듈(M)에 대하여 설명한다.
도 8의 (a)에 연료 전지 모듈(M)의 측면도를 나타내고, 도 8의 (b)에 그 단면도(도 8의 (a)의 VIII-VIII단면)를 나타냈다.
본 실시형태에서는, 연료 전지 모듈(M)은, 연료 전지 단일 셀 유닛(U)의 복수를 가로 방향(도 8의 좌우 방향)으로 적층하여 구성되어 있다. 이 연료 전지 단일 셀 유닛(U)은 각각, 구체적으로는, 앞서 설명한 가스 매니폴드(102)에 입설한 구조로 할 수 있다. 즉, 연료 전지 셀(R)을 지지하는 금속 지지체(1)를 가스 매니폴드(102)에 입설함으로써, 연료 전지 모듈(M)을 구축하고 있다.
본 제2 실시형태에서는, 금속 지지체(1)는, 그 입설 상태에서 상하 방향으로 연장되는 환원성 가스 공급로(L1)를 구비하여 구성되는 통형(筒形)으로 형성되어 있다. 한편, 이 금속 지지체(1)에 전기적으로 접속되는 형태에서, 요철 형상의 집전판(CP)이 구비되고, 집전판(CP)이 통풍성을 가짐으로서, 연료 전지 모듈(M)의 주위부에 흡인된 산화성 가스(구체적으로는 공기)를 연료 전지 셀(R)의 캐소드 전극층(C)까지 도달시킨다(도 11 참조).
도 8의 (a) 및 도 8의 (b)에 나타낸 바와 같이, 연료 전지 모듈(M)은, 복수의 연료 전지 단일 셀 유닛(U), 가스 매니폴드(102), 집전판(CP), 종단(終端) 부재(104) 및 전류 인출부(105)를 구비하여 구성된다.
연료 전지 단일 셀 유닛(U)은, 중공(中空)의 통인 금속 지지체(1)의 한쪽 면에 연료 전지 셀(R)을 구비하여 구성되고, 전체로서 장척의 평판 혹은 평평한 막대의 형상으로 된다. 그리고, 연료 전지 단일 셀 유닛(U)의 길이 방향의 한쪽의 단부가, 가스 매니폴드(102)에 대하여 유리 밀봉재 등의 접착 부재에 의해 고정된다. 금속 지지체(1)와 가스 매니폴드(102) 사이는 전기적으로 절연되어 있다.
연료 전지 셀(R)은, 전체로서 박막형 혹은 층형(본 발명에서는, 양자를 포함하는 형태를 「박층형」이라고 칭함)으로 구성된다. 본 실시형태에 있어서도, 연료 전지 셀(R)이 애노드 전극층(A), 전해질층(B) 및 캐소드 전극층(C)을 구비하여 구성되는 점에 관하여 변함은 없다. 앞서 설명한 금속 산화물층(x), 중간층(y), 반응 방지층(z)을 설치하는 점에 관해서도 마찬가지다. 이들 금속 산화물층(x), 중간층(y), 반응 방지층(z)에 관해서는, 도 11에 나타냈다.
제2 실시형태에서는, 복수의 연료 전지 단일 셀 유닛(U)을, 하나의 연료 전지 단일 셀 유닛(U)의 금속 지지체(1)의 배면에 다른 연료 전지 단일 셀 유닛(U)의 집전판(CP)이 접촉하는 상태로 적층함으로써, 소정의 전기적 출력을 취출할 수 있다.
집전판(CP)에는, 도전성, 가스 투과성 및 연료 전지 단일 셀 유닛(U)의 적층병렬 배치의 방향으로 탄성을 가지는 부재가 이용된다. 예를 들면, 집전판(CP)에는, 금속박을 이용한 익스펜드 메탈이나 금속 메쉬, 펠트 모양 부재가 사용된다. 이에 의해, 블로어(35)로부터 공급되는 공기가 집전판(CP)을 투과 또는 통류하여 연료 전지 셀(R)의 캐소드 전극층(C)에 공급할 수 있다. 본 발명에서는, 연료 전지 단일 셀 유닛(U)을 구성하여, 이 집전판(CP)을 통과하여 산소를 함유하는 가스가 흐르는 유로를 산화성 가스 공급로(L2)라고 부른다(도 11 참조).
또한 집전판(CP)이 연료 전지 단일 셀 유닛(U)의 병렬 배치의 방향으로 탄성을 가지므로, 가스 매니폴드(102)에 캔틸레버(cantilever) 지지된 금속 지지체(1)는 병렬 배치의 방향으로도 변위할 수 있고, 진동이나 온도 변화 등의 외란(外亂)에 대한 연료 전지 모듈(M)의 강건성(robustness)이 높아진다.
병렬 배치된 복수의 연료 전지 단일 셀 유닛(U)은, 한 쌍의 종단 부재(104)에 협지되어 있다. 종단 부재(104)는, 도전성을 가지고 탄성 변형 가능한 부재이며, 그 하단이 가스 매니폴드(102)에 고정되어 있다. 종단 부재(104)에는, 연료 전지 단일 셀 유닛(U)의 병렬 배치의 방향을 따라 외측을 향하여 연장되는 전류 인출부(105)가 접속되어 있다. 전류 인출부(105)는 인버터(38)에 접속되고, 연료 전지 셀(R)의 발전에 의해 발생하는 전류를 인버터(38)로 보낸다.
<연료 전지 단일 셀 유닛(U)>
도 9, 도 10에, 제2 실시형태 연료 전지 단일 셀 유닛(U)의 개략 구성이 나타내어져 있다.
도 9는, 이 연료 전지 단일 셀 유닛(U)의 사시도이고, 도 10은, 유닛(U)의 형성 순서를 나타낸 것이다.
지금까지도 설명한 바와 같이, 연료 전지 단일 셀 유닛(U)은, 도전성을 가지는 금속 지지체(1)와, 연료 전지 셀(R)을 구비하여 구성되어 있고, 연료 전지 셀(R)은 전해질층(B)을 사이에 둔 상태에서, 애노드 전극층(A)과, 캐소드 전극층(C)을 가지고 구성되어 있다.
<금속 지지체(1)>
금속 지지체(1)는, 직사각형의 평판 부재(72)와, 길이 방향으로 직교하는 단면이 U자형인 U자 부재(73)와, 커버부(74)를 구비하여 구성되어 있다. 평판 부재(72)의 긴 변과 U자 부재(73)의 긴 변(U자의 2개의 꼭지점에 대응하는 변)이 접합되고, 한쪽의 단부(도시하는 것에서는 상단(上端)측)가 커버부(74)로 막혀 있다. 이에 의해, 내부에 공간을 가지고 전체로서 평판 혹은 평평한 봉형의 금속 지지체(1)가 구성된다. 평판 부재(72)는, 금속 지지체(1)의 중심축에 대하여 평행하게 배치된다.
금속 지지체(1)의 내부 공간이, 지금까지 설명해 온 환원성 가스 공급로(L1)로 된다. 커버부(74)에는, 환원성 가스 공급로(L1)를 흐른 가스가 금속 지지체(1)의 외부에 배출하는 배기가스 배출구(77)가 설치된다. 이 배기가스 배출구(77)의 배출측(상측)이, 앞서 설명한 연소부(101)로 되는 것이다. 커버부(74)가 형성되는 단부와는 반대측(하측으로서, 앞서 설명한 가스 매니폴드(102)에 접속되는 부위)의 단부는 개구되어 있고, 환원성 가스 공급로(L1)의 입구로 된다.
평판 부재(72), U자 부재(73) 및 커버부(74)의 재료로서는, 도전성, 내열성, 내산화성 및 내부식성이 우수한 재료가 사용된다. 예를 들면, 페라이트계 스테인레스강, 오스테나이트계 스테인레스강, 니켈기 합금 등이 사용된다. 즉 금속 지지체(1)는 견고하게 구성된다. 특히 페라이트계 스테인레스강이 바람직하게 사용된다.
금속 지지체(1)의 재료에 페라이트계 스테인레스강을 사용한 경우, 연료 전지 셀(R)에서 재료로 사용되는 YSZ(이트륨 안정화 지르코니아)나 GDC(가돌리늄·도프·세리아, CGO라고도 함) 등과 열팽창계수가 가까워진다. 따라서, 저온과 고온의 온도 사이클이 반복된 경우도 연료 전지 단일 셀 유닛(U)이 손상을 받기 어렵다. 따라서, 장기 내구성이 우수한 연료 전지 셀(R)을 실현할 수 있으므로 바람직하다.
그리고, 금속 지지체(1)의 재료로서는, 열전도율이 3Wm-1Km-1을 상회하는 재료를 사용하는 것이 바람직하고, 10Wm-11Km-1을 상회하는 재료라면 더욱 바람직하다. 예를 들면, 스테인레스강이라면 열전도율이 15∼30Wmm-1Km-1 정도이므로, 금속 지지체(1)의 재료로서 호적하다.
또한, 금속 지지체(1)의 재료로서는, 취성 파괴를 일으키지 않는 고인성 재료인 것이 더욱 바람직하다. 세라믹스 재료 등과 비교하여 금속 재료는 고인성이며, 금속 지지체(1)로서 호적하다.
도 10으로부터도 판명되는 바와 같이, 평판 부재(72)에는, 평판 부재(72)의 표면과 이면을 관통하여 복수의 관통공(78)을 형성한다. 이 관통공(78)을 통하여 금속 지지체(1)의 내측과 외측 사이에서 가스의 통류가 가능하게 되어 있다. 한편, 평판 부재(72)나 U자 부재(73)에서의 관통공(78)이 형성되지 않는 영역은, 금속 지지체(1)의 내측과 외측 사이에서 가스가 통류할 수 없다.
이상이, 본 발명에 관한 연료 전지의 기본 구성에 관한 설명이지만, 이하, 본 발명의 특징 구성에 관하여, 주로 도 10, 도 11을 사용하여 설명한다.
지금까지도 설명한 바와 같이, 본 실시형태에서는, 금속 지지체(1) 내에, 애노드 전극층(A)의 수소를 함유하는 가스를 공급하는 환원성 가스 공급로(L1)가 형성되어 있다. 그리고, 도 9에 1점 쇄선 화살표로도 나타낸 바와 같이, 이 공급로(L1)에서의 가스는, 금속 지지체(1)의 축방향 개구측(하측)으로부터 축방향 커버체부측(상측)으로의 일방향으로 된다. 평판 부재(72)의 표리를 관통하여 형성된 관통공(78)을 통하여, 애노드 전극층(A)에 발전 반응용의 수소 H2를 공급할 수 있다. 여기에서, 연료 전지 셀(R) 중에서의 발전 반응은, 앞서 설명한 바와 같지만, 이 반응에 수반하여, 애노드 전극층(A)으로부터 관통공(78)에는, 수증기 H2O가 방출된다. 그 결과, 본 실시형태의 관통공(78) 및 환원성 가스 공급로(L1)의 일부는, 수소 H2를 함유하는 가스를 공급하는 공급부(L3b)로 되고 있는 동시에, 수증기 H2O의 배출부(L3a)로도 되고 있는 것이다.
그래서, 도 10, 도 11에 나타낸 바와 같이, 평판 부재(72)의 이면(72b), 금속 지지체(1)의 내면(73b)에, 내부 개질 촉매층(D)을 형성하고 있다.
지금까지도 설명한 바와 같이, 환원성 가스 공급로(L1)에는, 외부 개질에 의해 얻어지는 수소 외에, 개질 대상이 되는 개질 전 가스(원연료 가스이며, 도시하는 예에서는 메탄 CH4)를 유통하지만, 애노드 전극층(A)에서 생성되는 수증기 H2O를 내부 개질 촉매층(D)으로 되돌림으로써 수증기 개질을 행하고, 하류측(도 11의 경우에는 지면 이면측)에 위치하는 관통공(78)로부터 수소 H2를 애노드 전극층(A)에 공급하여 발전을 행하는 것이 가능하게 된다. 그래서, 본 발명에 관한 내부 개질 연료 공급로(L3)을, 생성되는 수증기 H2O의 배출부(L3a)와, 내부 개질된 수소 H2의 공급부(L3b)로 구성하는 점은, 제1 실시형태와 동일하다. 그리고, 배출부(L3a)는 공급부(L3b)로서의 기능을 동시에 담당할 수도 있고, 공급부(L3b)가 배출부(L3a)로서의 기능을 동시에 담당할 수도 있다. 이 배출부(L3a)가 수증기 공급로가 되고 있다.
내부 개질 촉매층(D)의 재료, 그 두께 등은, 앞서 설명한 것과 동일하다.
이와 같은 구조를 채용하는 것에 의해, 금속 지지체(1) 내에서, 애노드 전극층(A)으로부터 배출되는 수증기 H2O를 이용하여, 수증기 개질을 일으키게 하고, 개질에 의해 얻어지는 수소 H2 및 일산화탄소 CO를 발전용 연료 가스로서 애노드 전극층(A)에 공급·이용할 수 있다.
제2 실시형태의 연료 전지 단일 셀 유닛은, 사실상, 도 19의 (a)에 나타내는 구조로 된다.
<제3 실시형태>
이하, 제3 실시형태에 관한, 이 연료 전지 장치(Y), 연료 전지 모듈(M) 및 연료 전지 단일 셀 유닛(U)에 대하여 도면에 기초하여 설명한다.
<연료 전지 장치>
도 12는, 연료 전지 장치(Y)의 전체 구성을 나타낸 개략도이며, 연료 전지 본체인 연료 전지 모듈(M)에 연결되는 연료 가스 공급 계통 FL, 산화성 가스 공급 계통 AL 및 애노드 오프 가스(anode off gas) 순환 계통 RL을 각각 나타내고 있다.
연료 전지 모듈(M) 내에는, 복수 적층하여, 이 연료 전지 모듈(M)을 구성하는 연료 전지 단일 셀 유닛(U)을 하나 모식적으로 나타내고 있다. 지금까지도 설명한 바와 같이 연료 전지 단일 셀 유닛(U)에는, 연료 전지 셀(R)이 구비되어 있다. 이들 연료 전지 단일 셀 유닛(U), 연료 전지 셀(R) 등에 관해서는, 앞서 설명한 제1 실시형태와의 관계에서 설명하면, 제1 실시형태에서는, 금속 지지체(1)가 원반형으로 형성되어 있었던 것에 대하여, 제3 실시형태에서는 기본 사각형으로 되고, 그 길이 방향을 따라, 연료 전지 셀(R), 환원성 가스 공급로(L1), 산화성 가스 공급로(L2)가 형성되어 있다.
본 제3 실시형태의 특징은, 이하의 2점이다.
1. 연료 전지가 기동을 완료하고, 전력 부하에 따라 그 발전을 행하는 정상 운전 상태에 있어서는, 애노드 오프 가스 순환 계통 RL을 통하여 순환되는 수증기를 개질에 사용한다.
2. 연료 전지 단일 셀 유닛(U) 내에 설치된 환원성 가스 공급로(L1)에 내부 개질 촉매층(D)이 형성되고, 또한 난류 촉진체(E)가 설치된다.
연료 전지 장치(Y)는, 본 실시형태에서도 코제너레이션 시스템(열병합발전 시스템)으로서 구성되고, 연료 전지 장치(Y)로부터 배출되는 열을 이용하는 배열 이용부로서의 열교환기(36)를 가지고, 또한 연료 전지 장치(Y)에서 발전되는 전력을 출력하기 위한 출력 변환부로서의 인버터(38)를 구비하고 있다.
제어부(39)는, 연료 전지 장치(Y)에 요구되는 전력 부하에 따라서 연료 전지 장치(Y) 전체의 운전을 제어한다. 제어 대상이 되는 각 기기에 관해서는, 해당 기기의 설명에 있어서 행한다. 이 제어부(39)로의 입력 정보는, 연료 전지 장치(Y)의 기동 개시·기동 정지 정보 및 장치(Y)에 요구되는 전력 부하이다.
연료 전지 장치(Y)는, 연료 전지 모듈(M)과, 연료 가스 공급 계통 FL, 산화성 가스 공급 계통 AL 및 애노드 오프 가스 순환 계통 RL을 구비하여 구성되어 있다. 연료 가스 공급 계통 FL이, 본 발명의 연료 공급로에 해당한다.
연료 가스 공급 계통 FL에는, 승압 펌프(30), 탈황기(31)를 구비한 원연료 가스 공급 계통 FLa와, 개질수 탱크(32), 개질수 펌프(32p) 및 기화기(33)가 수증기 공급 계통 FLb를 구비하고 있다.
이들 원연료 가스 공급 계통 FLa 및 수증기 공급 계통 FLb는, 애노드 오프 가스 순환 계통 RL에 합류되는 형태가 채용되고 있고, 아래쪽에 구비되는 외부 개질기(34)에 원연료 가스 및 수증기를 공급한다. 외부 개질기(34)는, 그 아래쪽에서, 연료 전지 모듈(M)을 구성하는 연료 전지 단일 셀 유닛(U)에 형성된 환원성 가스 공급로(L1)에 접속되어 있다.
승압 펌프(30)는, 원연료 가스의 일례인 도시가스 등의 탄화수소계 가스를 승압하여, 연료 전지 장치(Y)에 공급한다. 이 공급 형태는, 연료 전지 장치(Y)에 요구되는 전력 부하에 알맞은 양의 원연료 가스를, 제어부(39)로부터의 지령에 따라서 공급하는 것이다.
탈황기(31)는, 도시가스 등에 포함되는 유황 화합물 성분을 제거(탈황)한다.
개질수 탱크(32)는, 외부 개질기(34)에서의 수증기 개질에 필요하는 수증기를 공급하기 위하여, 개질수(기본적으로는 순수)를 저류한다. 공급 형태는, 연료 전지 장치(Y)에 요구되는 전력 부하에 알맞은 연료 가스를 얻기 위한, 제어부(39)로부터의 지령에 따른 양만큼 공급하는 것이다. 다만, 나중에도 설명하는 바와 같이, 본 실시형태의 연료 전지 장치(Y)에서는, 통상의 정상 운전 상태에서는, 애노드 오프 가스에 포함되는 수증기로, 수증기 개질에 있어서 필요하게 되는 수증기를 조달할 수 있으므로, 개질수 탱크(32)로부터의 개질수의 공급, 및 기화기(33)에서의 기화는, 연료 전지 장치(Y)의 기동 시에 있어서 주로 그 역할을 수행한다.
기화기(33)는, 개질수 탱크(32)로부터 공급되는 개질수를 수증기로 한다. 외부 개질기(34)는, 기화기(33)에 의해 생성된 수증기를 이용하여 탈황기(31)에 의해 탈황된 원연료 가스를 수증기 개질하여, 수소를 포함하는 가스인 개질 가스로 한다. 다만, 본 발명의 연료 전지 단일 셀 유닛(U) 내에는 내부 개질 촉매층(D)이 구비되므로, 이 유닛(U) 내에 있어서도 원연료 가스의 개질을 행한다. 그 결과, 외부 개질기(34)에 있어서는, 원연료 가스의 일부가 개질되고, 잔부는 연료 전지 단일 셀 유닛(U)의 환원성 가스 공급로(L1)에 그대로 공급한다.
외부 개질기(34)에는 수증기 개질 촉매가 수납되지만, 이러한 종류의 촉매로서는 루테늄계 촉매, 니켈계 촉매를 들 수 있다. 또한, 구체적으로는, 루테늄 성분을 알루미나 담체에 담지시켜 얻어지는 Ru/Al2O3 촉매나 니켈 성분을 알루미나 담체에 담지시켜 얻어지는 Ni/Al2O3 촉매 등을 사용할 수 있다.
그런데, 이 연료 전지 장치(Y)가 전력 부하에 따라서, 계속적으로 발전 작동하는 정상 운전 상태에서의 운전 동작에 관하여, 이하에 설명한다.
연료 전지는 산화물 이온 전도형으로 하므로, 연료 전지 단일 셀 유닛(U)에 설치되어 있는 환원성 가스 공급로(L1)로부터 배출되는 배기가스(애노드 오프 가스)에는 수증기가 포함된다. 그래서, 이 가스를 냉각하고, 또한 과분한 수분을 응축 제거하여, 수증기 분압을 조정한 애노드 오프 가스를 외부 개질기(34)로 되돌리고, 수증기 개질의 용도로 제공하는 운전 형태를 채용하고 있다.
즉, 연료 전지 장치(Y)는 애노드 오프 가스 순환 계통 RL을 구비하고, 애노드 오프 가스 순환 계통 RL에, 내부를 흐르는 애노드 오프 가스를 냉각시키는 냉각기(32a), 더 냉각하고, 또한 그 응축수를 취출하여 내부를 흐르는 애노드 오프 가스의 수증기 분압을 조정하는 응축기(32b), 외부 개질기(34)로 되돌리는 애노드 오프 가스의 온도를 상승하는 가열기(32c)를 구비하고 있다.
이 구조를 채용하는 것에 의해, 순환 펌프(32d)를 작동시켜, 외부 개질기(34)에 투입하는 수증기량을, 애노드 오프 가스 순환 계통 RL을 통하여 순환되는 가스에 의한 것으로 할 수 있다. 최종 단계의 응축기(32b)에서의 응축 온도를 조정함으로써, 애노드 오프 가스 순환 계통 RL을 통하여 순환하는 수증기 분압을 조정하는 것이 가능하게 되고, 외부 개질기(34)에 투입되는 가스에 관하여, 그 수증기/카본비(S/C비)를 제어할 수 있다.
이 순환 형태는, 연료 전지 장치(Y)에 요구되는 전력 부하에 알맞게 원연료 가스 중 적어도 일부를 외부 개질기(34)에서 개질하는 경우에 필요하게 되는 수증기량을, 외부 개질기(34)에 있어서 적절한 S/C비로 하는 것이며, 제어부(39)로부터의 지령을 따른 작동으로 된다.
여기에서의 제어 대상은, 순환 펌프(32d)에 의한 순환량, 압력 설정 및 냉각 최종 단계가 되는 응축기(32b)에서의 응축 온도(결과적으로, 출구 수증기 분압으로 됨)의 설정, 제어로 된다.
산화성 가스 공급 계통 AL에는 블로어(35)가 설치되고, 그 아래쪽에서, 연료 전지 모듈(M)을 구성하는 연료 전지 단일 셀 유닛(U)에 형성된 산화성 가스 공급로(L2)에 접속되어 있다. 블로어(35)의 공기 흡인량도, 전력 부하에 알맞게 연료 전지로 발전 반응을 일으키게 하는 데에 충분한 공기량을 확보하는 것이며, 제어부(39)로부터의 지령을 따른 작동으로 된다.
이상이, 이 제3 실시형태에서의, 주로 환원성 가스의 공급측의 고안이며, 본 발명과 같이, 연료 전지 단일 셀 유닛(U) 내에 내부 개질 촉매층(D)을 구비하고, 내부 개질에 의해 얻어지는 수소나 일산화탄소를 전지 연료로 하는 구성에서는, 발전에 의해 생성되는 수증기가 수증기 개질에서 소비되므로, 앞서 설명한 애노드 오프 가스에 포함되는 수증기 응축용으로 갖추어야 할 응축기(32b)의 부하가 저감된다. 그 결과, 본 발명에 관한 연료 전지 장치(Y)는, 이 점에서도 유리하게 된다.
<내부 개질 촉매층을 형성하는 위치의 고안>
제3 실시형태의 연료 전지 단일 셀 유닛(U)은, 도 13, 도 14에 나타내어지는 바와 같이, 상면에서 볼 때, 실질 사각형의 상자형으로 형성되고, 환원성 가스 및 산화성 가스의 흐름 방향이 특정 일방향으로 된다. 도 13, 도 14에서의, 이 방향은 도면상 우측 상승으로 하고 있다.
그런데, 상기의 내부 개질 촉매층(D)을 형성하는 위치이지만, 본 실시형태에서는, 도 14에 나타내는 바와 같이, 환원성 가스를 애노드 전극층(A)에 공급하기 위하여, 및 애노드 전극층(A)에서 발생하는 수증기를 환원성 가스 공급로(L1)에 배출하기 위해 형성되는 관통공(1a)으로서, 환원성 가스의 흐름 방향에 있어서, 가장 상류측에 있는 관통공(1a)과 동일한 위치, 그 위치로부터 하류측으로 되는 위치에, 내부 개질 촉매층(D)을 한정하고 있다.
이와 같은 위치로부터 내부 개질 촉매층(D)을 형성함으로써, 애노드 전극층(A)에서 발생하는 수증기를, 효율적으로 본 발명의 목적에 따라서 사용할 수 있다.
본 제3 실시형태의 연료 전지 단일 셀 유닛(U)은 사실상, 도 19의 (b)에 나타내는 구조로 된다.
<난류 촉진체를 설치하는 고안>
도 12, 도 13, 도 14에 나타낸 바와 같이, 애노드 전극층(A)에 연료 가스를 공급하는 환원성 가스 공급로(L1)에는, 이 공급로 내의 흐름을 흩트리는 난류 촉진체(E(Ea))가 설치되어 있다.
더욱 상세하게는, 금속 지지체(1)를 관통하여 형성되어 있는 관통공(1a)에 대하여, 그 수소를 함유하는 가스인 환원성 가스의 유입측으로 되는, 연료 전지 셀(R)의 형성면과는 반대측의 면에, 망상체(Ea)가 설치되어 있다. 이 망상체(Ea)는 구체적으로는 메탈 라스나 금속 철망을 금속 지지체(1) 상에 붙여서 형성한다. 결과, 환원성 가스 공급로(L1)를 흐르는 수소를 함유하는 가스는, 이 망상체(Ea)에 의해 흩트러지고, 관통공(1a)으로 향하는 흐름 방향 성분, 및 관통공(1a)으로부터 유출하는 흐름을 유기(誘起)하고, 연료 가스의 애노드 전극층(A)으로의 공급, 애노드 전극층(A)으로부터의 수증기의 도출을 양호하게 일으킬 수 있다.
이상이, 본 발명에 관한 연료 전지 단일 셀 유닛(U) 내에서, 연료 전지 셀(R)의 애노드 전극층(A)에서 생성되는 수증기 H2O를 이용하여 내부 개질(연료 전지 셀(R) 내에서의 수증기 개질)을 행하는 연료 전지의 구조에 관한 설명이다.
이하, 본 발명의 내부 개질을 수반하여 연료 전지를 운전하는 경우의 이점에 관하여 설명한다.
도 15에, 내부 개질을 실행하는 경우와 실행하지 않는 경우의 양자 사이에서의 연료 전지의 발전 효율 비교를, 도 16, 도 17에, 양자 사이에서의 연료 전지 셀(R) 입구·출구(구체적으로는 환원성 가스 공급로(L1)의 입구·출구)에서의 수소 및 일산화탄소를 포함하는 발전용 연료 가스 분압을 나타냈다. 도 18은, 동(同)입구·출구 사이에서의 발전용 연료 가스 분압의 차를 나타내는 도면이다.
발전용 연료 가스 분압의 기재에 관해서는, 전체 가스압에 대한 비율(%)로 나타내고 있다.
또한, 발전용 연료 가스 분압의 차는, 하기와 같다.
환원성 가스 공급로 입구에서의 발전용 연료 가스 분압 비율: Rin
Rin=[발전용 연료 가스의 분압]/[전체 가스압]×100%
환원성 가스 공급로 출구에서의 발전용 연료 가스 분압 비율: Rout
Rout=[발전용 연료 가스의 분압]/[전체 가스압]×100%
발전용 연료 가스 분압의 차=Rin-Rout[%]
이들 도면에 있어서, 흑색 사각표시가, 본 발명에 관한 내부 개질을 실행하는 경우를 나타내고, 흰색 마름모 표시가, 내부 개질을 실행하지 않는 경우에 대응한다.
전체 도면에 있어서, 가로축은, 연료 전지에 도입되는 수증기(S)와 카본(C)의 몰비(S/C비)이다. 이 S/C비는, 도 1, 도 7, 도 12에 나타내는 연료 전지 장치(Y)의 구성에 있어서, 외부 개질기(34)에 도입되는 가스(원연료 가스와 수증기의 혼합 가스)의 S/C비이며, 연료 전지의 전력 부하 등의 운전 조건에 따라서 변화되는 경우가 있는 운전 파라미터이다. S/C비는 1.5부터 3.0까지, 0.5씩으로 변화시켰다. 이 범위는, 연료 전지 장치(Y)의 운전에 있어서 통상 변화되는 경우가 있는 범위이다.
그 외, 검토 시에 설정한 조건을 나타낸다.
연료 전지 단일 셀 유닛 발전 전압 0.8V
연료 전지 셀 온도(=내부 개질 온도) 700℃
연료 전지 종합 연료 이용율 80%
이 연료 전지 종합 연료 이용 효율은 연료 전지 장치(Y)에서의 발전 반응에 의해 소비한 발전용 연료 가스(H2+CO)의 비율이며, 하기 식으로 표기된다.
[발전 반응에 의해 소비한 발전용 연료 가스 몰수]/[연료 전지에 공급 및 내부 개질에 의해 생성한 발전용 연료 가스의 합계]×100(%)
환원성 가스 수소·일산화탄소
전해질 산소 이온 전도형 전해질
외부 개질기 평형 온도 내부 개질 실행 시 700℃
내부 개질 비실행 시 500℃
프로세스 압력 120kPa
이 프로세스 압력은, 구체적으로는 외부 개질기(34) 및 각 가스 공급로(L1, L2)에서의 가스압이다.
검토 결과
<발전 효율 등>
도 15로부터도 판명되는 바와 같이, 내부 개질이 있는 경우에는, 연료 전지 내부에서 발생하는 수증기에 의한 연료 개질에 의해 발전용 연료 가스가 증가하고, 연료 이용율 일정 조건에서의 발전량이 증가하므로 고효율로 된다.
내부 개질이 있는 경우에서의 외부 개질기(34)의 평형 온도는, 500℃로 낮게 억제할 수 있으므로, S/C비가 낮은 경우라도 탄화수소의 열분해(코킹)이 발생하기 어려워 프로세스나 시스템의 신뢰가 높아지는 이점이 생긴다.
그 결과, 연료 전지 장치(Y)의 설계상, 외부 개질기(34)의 저온화와 S/C비의 저감은, 수증기 개질 반응열이나 중발열의 공급이나, 수자립(水自立)(전력 부하에 따라 발전하는 운전 상태에 있어서, 발전에 의해 생성되는 수증기(물)만을 사용하여 수증기 개질을 실행하고, 연료 가스를 얻는 운전 형태)을 위한 응축기(제3 실시형태에 기재된 애노드 오프 가스 순환로(RL)에 구비되는 응축기(32b))의 전열 면적의 삭감을 할 수 있고, 비용적으로도 유리하게 된다. 이번의 검토에서는, 내부 개질을 실행하지 않을 경우 S/C비=2.5, 내부 개질을 실행할 경우 S/C비=2.0로 하면, 연료 전지 장치(Y)의 설계상, 외부 개질기(34)에 필요로 되는 열량은 60%의 저감, 수증기 발생에 필요한 기화기(33)의 전열량(傳熱量)은 20% 저감하는 한편, 직류 발전 효율은 3.6% 향상된다.
<발전용 연료 가스 분압>
도 16으로부터도 판명되는 바와 같이, 내부 개질의 유무에 의한 연료 전지 셀(R) 입구의 발전용 연료 가스의 분압에는 약 1.5∼2배의 차가 있고, 내부 개질 있음 쪽이 낮은 값으로 된다. 내부 개질이 없는 경우에는, S/C비가 높아지면 분압은 낮아진다. 수소나 일산화탄소의 생성량이 늘어나는 이상으로, 수증기의 증가 영향을 크게 받기 때문이다.
내부 개질 있음의 경우에는, S/C비가 변화해도 발전용 연료 가스 분압은 거의 변하지 않는다. 외부 개질기(34)의 온도가 낮으므로, 고S/C화에 의한 연료의 증가와 수증기의 증가가 대략 균형을 잡고 있다.
그리고, 내부 개질을 실행하는 경우에는, 외부 개질기(34)의 저온화(500℃)에 의해 연료 전지 입구의 발전용 연료 가스 분압은 낮게 할 수 있지만, 연료 전지 내(700℃)에서는 발생 수증기에 의해 신속하게 수증기 개질 반응이 발생하므로, 연료 전지 출구의 발전용 연료 가스 분압은 높아진다. 전지 출구의 분압이 높아지는 것은, 오프 가스 연소의 안정화에 유리하게 된다.
또한 내부 개질을 실행하는 경우에는, 연료 전지 출입구의 발전용 연료 가스 분압차(농도차)가 작아지는 것에 의해, 발전량의 연료 전지 셀(R) 내의 편재가 작아지고, 온도차도 축소되므로, 연료 전지의 열 응력이 완화되는 것에 의해 내구성이나 신뢰성이 향상된다.
<연료 전지 장치(Y)의 운전>
이상, 발명자들이 행한 검토에 의해, 지금까지 설명해 온 연료 전지 장치는 하기의 조건으로 운전하는 것이 바람직하다.
(1) 외부 개질기(34)의 입구에서의 수증기/카본비(S/C비)를, 1.5 이상 3.0 이하의 범위로 제어한다. 보다 바람직하게는, 1.5 이상 2.5 이하의 범위로 제어한다. 특히, 이와 같이 외부 개질기(34)를 비교적 저S/C비(1.5 이상 2.5 이하)로 운전하는 경우에는, 원연료 가스에 포함되는 유황 농도를 1vol.ppb 이하(더욱 바람직하게는, 0.1vol.ppb 이하)까지 저감함으로써, 원연료 가스에 포함되는 유황분에 의해 개질 촉매 등이 피독되는 등의 악영향을 크게 저감하고, 연료 전지 장치의 신뢰성·내구성을 향상하여, 안정된 운전을 계속할 수 있다.
(2) 외부 개질기(34)에서의 개질 온도를, 환원성 가스 공급로(L1)에 형성된 내부 개질 촉매층(D)에서의 온도보다 낮게 제어한다.
(3) 환원성 가스 공급로(L1)의 입구에서의 발전용 연료 가스 분압을 전체 가스압의 50% 이하로 하여 운전한다.
즉, 동일한 전력 부하 하에서, 환원성 가스 공급로(L1)의 입구에서의 발전용 연료 가스 분압을, 연료 가스의 개질을 주로 외부 개질기(34)에서 행하는 경우(예를 들면, 연료 전지 장치(Y)의 시동 시)에 설정하는 환원성 가스 공급로(L1)의 입구에서의 발전용 연료 가스 분압에 대하여, 낮게 제어한다.
(4) 환원성 가스 공급로(L1)의 입구와 출구에서의 발전용 연료 가스 분압 비율(전체 가스압에 대한 발전용 연료 가스의 분압 비율로 퍼센트 표시의 비율)의 차이를 40% 이내로 유지하여 운전한다.
(5) 외부 개질기(34)에 의해 개질되는 연료 가스의 개질율을, 30% 이상 60% 이하로 한다.
(6) 동일한 전력 부하 하에서, 연료 가스의 개질을 주로 외부 개질기(34)에서 행하는 경우(예를 들면, 연료 전지 장치(Y)의 시동 시)에 설정하는 수증기/카본비(S/C비)에 대하여, 외부 개질기(34)의 입구에서의 수증기/카본비(S/C비)를 낮게 제어한다.
<다른 실시형태>
(1) 상기의 제1 실시형태, 제2 실시형태에서는, 연료 전지 단일 셀 유닛에 설치하는 환원 가스 공급로(L1)를 흐르는 가스의 흐름 방향 전체에 내부 개질 촉매층(D)을 형성하는 예를 제시했지만, 이들 실시형태에 있어서도 제3 실시형태에 따라서, 도 19의 (b)에 나타낸 바와 같이, 가장 상류측에 설치되는 수증기 공급로(관통공(1a))의 하류측에 설치할 수도 있다. 이와 같이 구성함으로써, 내부 개질 촉매의 양을 줄이고, 비용 절감을 도모할 수 있다.
(2) 전술한 제1 실시형태에서는, 금속 지지체(1)와 전해질층(B) 사이에 애노드 전극층(A)을 배치하고, 전해질층(B)으로부터 볼 때 금속 지지체(1)와 반대측에 캐소드 전극층(C)을 배치했다. 애노드 전극층(A)과 캐소드 전극층(C)을 반대로 배치하는 구성도 가능하다. 즉, 금속 지지체(1)와 전해질층(B) 사이에 캐소드 전극층(C)을 배치하고, 전해질층(B)으로부터 볼 때 금속 지지체(1)와 반대측에 애노드 전극층(A)을 배치하는 구성도 가능하다. 이 경우, 환원성 가스 공급로(L1)와 산화성 가스 공급로(L2)의 위치 관계는 역전(逆轉)시키고, 지금까지도 설명한 바와 같이, 환원성 가스 공급로(L1)측(이 경우에는 금속 세퍼레이터(7)의 하측)에 내부 개질 촉매층(D)을 형성함으로써, 본 발명의 목적을 달성할 수 있다.
(3) 전술한 각 실시형태에 있어서는 금속 지지체(1) 위에, 단일의 연료 전지 셀(R)을 형성했으나, 금속 지지체(1)의 표면측에 복수의 연료 전지 셀(R)을 구획 나누기하여 복수 배치해도 된다.
(4) 지금까지 설명해 온 실시형태에 있어서는, 내부 개질 촉매층(D)의 형성 부위에 관하여, 금속 지지체(1)의 이면측(1f), 금속 세퍼레이터(3, 7)의 환원성 가스 공급로(L1) 측의 내면에 형성하는 경우에 대하여 설명하였으나, 내부 개질 촉매층(D)은, 애노드 전극층(A)에서 생성되는 수증기가 유통하는 부위에 형성하면 내부 개질의 용도를 달성하므로, 금속 지지체(1)에 형성하는 관통공(1a)의 내면에 형성해도 된다.
(5) 상기의 외부 개질기(34)에서의 개질에 관해서는, 이 개질기(34)이 수증기 개질을 행하는 것으로 하였으나, 본 발명에 있어서는, 외부 개질기(34)의 부하는 저하할 수 있으므로, 수증기 개질 이외의 개질, 예를 들면, 부분 연소 개질, 오토 서멀 개질을 행하는 개질기도 채용할 수 있다.
본 발명에서 사용하는 원연료 가스는 소위 탄화수소계 연료이며, 이 원연료 가스를 개질하여, 적어도 수소를 생성할 수 있으면 된다.
(6) 상기의 실시형태에서는 난류 촉진체(E)를 망상체(Ea)로 형성하고, 또한 금속 지지체(1)의 면에 붙이는 구성으로 하였으나, 환원성 가스 공급로(L1) 내의 흐름을 관통공(1a) 방향에 방향을 정하는 기능을 가지면 되고, 환원성 가스 공급로(L1)의 흐름을 흩트리는 장해체(Eb)를 다수 배치하는 것으로 해도 된다. 이 장해체(Eb)로서는, 구형, 삼각추형, 기둥형체 등, 임의의 형상으로 할 수 있다. 도 20에, 장해체(Eb)를 구형으로 하는 경우의 예를 제시했다.
(7) 상기의 실시형태에서는, 내부 개질 촉매층(D)와 난류 촉진체(E)를 독립된 것으로서 설명하였으나, 예를 들면, 앞서 설명한 망상체(Ea)의 표면 중 적어도 일부에, 혹은 장해체(Eb) 중 적어도 일부에 내부 개질 촉매층(D)을 형성해도 된다. 도 21에 이 예를 제시했다. 즉, 난류 촉진체(E) 중 적어도 일부(도시하는 예에서는 표면)에 내부 개질 촉매층(D)을 형성함으로써, 이 난류 촉진체(E)를 배치하여, 난류 촉진과 내부 개질의 양쪽의 기능을 발휘시킬 수 있다.
(8) 상기의 제1 실시형태, 제2 실시형태에 있어서는, 환원성 가스 공급로(L1)에 내부 개질 촉매층(D)을 형성하는 예를 제시했다. 이들 실시형태에 있어도, 환원성 가스 공급로(L1)에 난류 촉진체(E)를 설치해도 된다. 본 발명의 제2 실시형태의 경우의 구성예를 도 22에 나타냈다. 이 예에서는, 통내에 형성하는 연료 가스 공급로(L1)의 내부에 난류 촉진체가 되는 메쉬(Ea(E))를 배치하고, 그 외표면에도 내부 개질 촉매층(D)을 형성하고 있다.
(9) 상기의 실시형태에서는, 도시가스(메탄을 주성분으로서 에탄이나 프로판, 부탄 등을 포함하는 가스) 등의 탄화수소계 가스를 원연료 가스로서 사용하는 예를 제시했지만, 원연료 가스로서는, 천연가스, 나프타, 등유 등의 탄화수소류나, 메탄올이나 에탄올 등의 알코올류, DME 등의 에테르류 등을 원연료 가스로서 사용할 수도 있다.
(10) 상기의 실시형태에서는, 연료 전지 장치(Y)에 외부 개질기(34)를 구비하는 경우에 관하여 설명했으나, 본 발명에 관한 연료 전지 단일 셀 유닛(U)은, 내부에 내부 개질 촉매층(D)을 구비하고, 이 부위에서 개질을 행할 수 있으므로, 외부 개질기(34)를 구비하지 않고, 연료 전지 단일 셀 유닛(U)에 설치되는 연료 가스 공급로에 원연료 가스를 그대로 공급하여, 내부 개질을 일으키게 하여, 개질 완료 가스를 애노드 전극층에 공급하는 것으로 해도 된다. 즉, 연료 전지 단일 셀 유닛(U) 내에 설치되는 연료 가스 공급로(L1) 전체에 수소(개질 완료 가스)가 흐르고 있을 필요는 없다.
(11) 상기의 실시형태에서는, 애노드 전극층(A)과 전해질층(B) 사이에 중간층(y)을 설치하고, 또한, 전해질층(B)와 캐소드 전극층(C) 사이에 반응 방지층(z)을 설치할 경우에 관하여 설명하였으나, 중간층(y)이나 반응 방지층(z)과 같은 전극층과 전해질층 사이에 개재시키는 개재층을 설치하지 않는 구성으로 할 수도 있고, 어느 한쪽의 개재층만 설치할 수도 있다. 또한 필요에 따라, 개재층의 수를 증가시킬 수도 있다.
(12) 상기의 실시형태에서는, 금속 지지체(1)의 표면에 확산 억제층으로서의 금속 산화물층(x)을 설치한 경우에 관하여 설명하였으나, 필요에 따라, 금속 산화물층(x)을 설치하지 않는 구성으로 할 수도 있고, 금속 산화물층(x)을 복수의 층으로 할 수도 있다. 또한, 금속 산화물층과 상이한 확산 억제층을 구비할 수도 있다.
그리고, 전술한 실시형태에서 개시되는 구성은 모순이 생기지 않는 한, 다른 실시형태에서 개시되는 구성과 조합하여 적용하는 것이 가능하며, 또한, 본 명세서에 있어서 개시된 실시형태는 예시로서, 본 발명의 실시형태는 이것에 한정되지 않고, 본 발명의 목적을 벗어나지 않는 범위 내에서 적절히 개변할 수 있다.
1 : 금속 지지체
1a : 관통공
1e : 표면측
1f : 이면측
1x : 유로 부위
1y : 관통공
1z : 관통공
3 : 돌기가 있는 집전판(금속 세퍼레이터)
3a : 요철 구조 부위
34 : 외부 개질기
38 : 인버터
72 : 평판 부재
73 : U자 부재
78 : 관통공
A : 애노드 전극층
B : 전해질층
C : 캐소드 전극층
CP : 집전판
D : 내부 개질 촉매층
E : 난류 촉진체
L1 : 환원성 가스 공급로
L2 : 산화성 가스 공급로
L3 : 내부 개질 연료 공급로
L3a : 배출부(수증기 공급로·내부 개질 연료 공급로)
L3b : 공급부(내부 개질 연료 공급로)
M : 연료 전지 모듈
R : 연료 전지 셀
U : 연료 전지 단일 셀 유닛
Y : 연료 전지 장치

Claims (17)

  1. 전해질층을 사이에 두고 애노드 전극층과 캐소드 전극층이 형성된 연료 전지 셀; 상기 애노드 전극층에 수소를 함유하는 가스를 공급하는 환원성 가스 공급로; 및 상기 캐소드 전극층에 산소를 함유하는 가스를 공급하는 산화성 가스 공급로를 구비하는 연료 전지 단일 셀 유닛으로서 구성되고,
    상기 연료 전지 셀이 금속 지지체 상에 박층형으로 형성되며,
    원연료 가스로부터 수증기 개질 반응에 의해 수소를 생성하는 내부 개질 촉매층을 연료 전지 단일 셀 유닛 내에 구비하고,
    발전 반응에 의해 발생하는 수증기를 상기 애노드 전극층으로부터 배출하여, 상기 내부 개질 촉매층으로 안내하고, 또한 상기 내부 개질 촉매층에서 생성되는 수소를 상기 애노드 전극층으로 안내하는, 내부 개질 연료 공급로를 설치한,
    금속 지지형 연료 전지.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 금속 지지체를 관통하는 관통공이 복수 개 형성되고,
    상기 금속 지지체의 한쪽 면에 상기 애노드 전극층이, 다른 쪽 면을 따라 상기 환원성 가스 공급로가 설치되고, 또한 상기 환원성 가스 공급로의 내면 중 적어도 일부에 상기 내부 개질 촉매층이 설치되고,
    상기 환원성 가스 공급로에서의 흐름 방향에 관하여, 상기 관통공이 작용하여 상기 내부 개질 연료 공급로로 되는, 금속 지지형 연료 전지.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 금속 지지체에서의, 상기 연료 전지 셀이 형성된 면과는 상이한 면에, 상기 내부 개질 촉매층이 형성되는, 금속 지지형 연료 전지.
  4. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 연료 전지 단일 셀 유닛에, 상기 환원성 가스 공급로와 상기 산화성 가스 공급로를 칸막이하는 적어도 하나의 금속 세퍼레이터를 구비하고,
    상기 금속 세퍼레이터의 상기 환원성 가스 공급로측 중 적어도 일부에 상기 내부 개질 촉매층이 형성되는, 금속 지지형 연료 전지.
  5. 제2항에 있어서,
    상기 관통공의 내부에 상기 내부 개질 촉매층을 형성하는, 금속 지지형 연료 전지.
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 내부 개질 촉매층에 함유되는 개질 촉매가 담체에 금속이 담지된 촉매인, 금속 지지형 연료 전지.
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 내부 개질 촉매층에 함유되는 개질 촉매가 Ni를 포함하는 촉매인, 금속 지지형 연료 전지.
  8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 애노드 전극층이 Ni를 포함하는, 금속 지지형 연료 전지.
  9. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 내부 개질 촉매층에 함유되는 개질 촉매가 Ni를 포함하는 촉매이며, 상기 애노드 전극층이 Ni를 포함하고, 상기 애노드 전극층의 Ni 함유량과 상기 내부 개질 촉매층의 Ni 함유량이 상이한, 금속 지지형 연료 전지.
  10. 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 애노드 전극층의 Ni 함유량이 35 질량% 이상 85 질량% 이하인, 금속 지지형 연료 전지.
  11. 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 내부 개질 촉매층의 Ni 함유량이 0.1 질량% 이상 50 질량% 이하인, 금속 지지형 연료 전지.
  12. 제1항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 환원성 가스 공급로에, 상기 환원성 가스 공급로 내의 흐름을 흩트리는 난류 촉진체를 설치한, 금속 지지형 연료 전지.
  13. 제1항 내지 제12항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 연료 전지 셀이 고체 산화물형 연료 전지인, 금속 지지형 연료 전지.
  14. 제1항 내지 제13항 중 어느 한 항에 기재된 금속 지지형 연료 전지의 복수 개를 가지고 구성되고,
    하나의 상기 연료 전지 단일 셀 유닛의 상기 산화성 가스 공급로가, 상기 하나의 연료 전지 단일 셀 유닛에 인접하는 다른 상기 연료 전지 단일 셀 유닛의 상기 캐소드 전극층에 상기 산소를 함유하는 가스를 공급하는,
    연료 전지 모듈.
  15. 제14항에 기재된 상기 전지 모듈과 외부 개질기를 적어도 가지고, 상기 전지 모듈에 대하여 환원성 성분을 함유하는 연료 가스를 공급하는 연료 공급부를 가지는, 연료 전지 장치.
  16. 제14항에 기재된 상기 연료 전지 모듈과, 상기 연료 전지 모듈로부터 전력을 취출하는 인버터를 적어도 가지는, 연료 전지 장치.
  17. 제14항 내지 제16항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 연료 전지 모듈 및/또는 외부 개질기로부터 배출되는 열을 재이용하는 배열(排熱) 이용부를 가지는, 연료 전지 장치.
KR1020207019501A 2018-03-30 2019-03-29 금속 지지형 연료 전지 및 연료 전지 모듈 KR20200138159A (ko)

Applications Claiming Priority (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2018070210 2018-03-30
JPJP-P-2018-070210 2018-03-30
PCT/JP2019/014222 WO2019189843A1 (ja) 2018-03-30 2019-03-29 金属支持型燃料電池及び燃料電池モジュール

Publications (1)

Publication Number Publication Date
KR20200138159A true KR20200138159A (ko) 2020-12-09

Family

ID=68062329

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020207019501A KR20200138159A (ko) 2018-03-30 2019-03-29 금속 지지형 연료 전지 및 연료 전지 모듈

Country Status (7)

Country Link
US (1) US20210028478A1 (ko)
EP (1) EP3780198A4 (ko)
JP (1) JP7247170B2 (ko)
KR (1) KR20200138159A (ko)
CN (1) CN111886730A (ko)
CA (1) CA3095428A1 (ko)
WO (1) WO2019189843A1 (ko)

Families Citing this family (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP7444683B2 (ja) * 2020-03-31 2024-03-06 大阪瓦斯株式会社 金属支持体、電気化学素子、電気化学モジュール、電気化学装置、エネルギーシステム、固体酸化物形燃料電池、固体酸化物形電解セル、および金属支持体の製造方法
US20230035943A1 (en) * 2021-07-29 2023-02-02 Nissan North America, Inc. Metal-supported anode for solid oxide fuel cell
JPWO2023012979A1 (ko) * 2021-08-05 2023-02-09
CN113373419A (zh) * 2021-08-12 2021-09-10 北京思伟特新能源科技有限公司 一种固体氧化物燃料电池电解质薄膜制备方法

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2016195029A (ja) 2015-03-31 2016-11-17 大阪瓦斯株式会社 電気化学素子、それを備えた電気化学モジュール、電気化学装置およびエネルギーシステム
JP2017183177A (ja) 2016-03-31 2017-10-05 大阪瓦斯株式会社 電気化学素子、セルユニット、電気化学モジュール、電気化学装置およびエネルギーシステム
JP2017208232A (ja) 2016-05-18 2017-11-24 株式会社デンソー 燃料電池

Family Cites Families (22)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS63207054A (ja) * 1987-02-23 1988-08-26 Fujikura Ltd 固体電解質燃料電池発電装置
JPS63310574A (ja) * 1987-06-11 1988-12-19 Tokyo Gas Co Ltd 内部改質型燃料電池
US6033794A (en) * 1997-12-10 2000-03-07 The United States Of America As Represented By The United States Department Of Energy Multi-stage fuel cell system method and apparatus
JP2003132906A (ja) * 2001-10-24 2003-05-09 Nissan Motor Co Ltd 燃料電池用単セル及び固体電解質型燃料電池
WO2004049491A1 (en) * 2002-10-25 2004-06-10 Antonino Salvatore Arico SOLID OXIDE FUEL CELL WITH CERMET Cu/Ni ALLOY ANODE
JP4329345B2 (ja) 2003-01-21 2009-09-09 三菱マテリアル株式会社 内部改質式燃料電池
JP4543612B2 (ja) * 2003-03-11 2010-09-15 トヨタ自動車株式会社 燃料電池システム
US20050053819A1 (en) 2003-07-18 2005-03-10 Paz Eduardo E. Solid oxide fuel cell interconnect with catalyst coating
JP2005203258A (ja) * 2004-01-16 2005-07-28 Mitsubishi Materials Corp 固体酸化物形燃料電池
US7732084B2 (en) * 2004-02-04 2010-06-08 General Electric Company Solid oxide fuel cell with internal reforming, catalyzed interconnect for use therewith, and methods
CA2505653A1 (en) * 2004-04-28 2005-10-28 National Research Council Of Canada Composite catalyst layer, electrode and passive mixing flow field for compressionless fuel cells
JP2006318712A (ja) * 2005-05-11 2006-11-24 Toshiba Corp 燃料電池
US20070015015A1 (en) * 2005-07-12 2007-01-18 Koji Hoshino Solid oxide fuel cell
WO2008123968A1 (en) * 2007-04-05 2008-10-16 Bloom Energy Corporation Solid oxide fuel cell system with internal reformation
GB2448890B (en) * 2007-05-01 2013-03-13 Ceres Ip Co Ltd A method of disposing a water gas shift catalyst on a metal substrate
JP4697564B2 (ja) * 2009-03-31 2011-06-08 Ｔｏｔｏ株式会社 固体電解質型燃料電池
FR2945378B1 (fr) * 2009-05-11 2011-10-14 Commissariat Energie Atomique Cellule de pile a combustible haute temperature a reformage interne d'hydrocarbures.
EP3128593B1 (en) * 2014-03-31 2019-10-02 Sumitomo Electric Industries, Ltd. Porous collector and fuel cell
JP6839926B2 (ja) 2016-03-31 2021-03-10 大阪瓦斯株式会社 電気化学モジュール、電気化学装置およびエネルギーシステム
WO2017180523A1 (en) * 2016-04-11 2017-10-19 Fuelcell Energy, Inc. Supported nickel catalysts used as direct internal reforming catalyst in molten carbonate fuel cells
JP6848268B2 (ja) 2016-09-01 2021-03-24 日産自動車株式会社 固体酸化物型燃料電池単セル
AU2018214190B2 (en) * 2017-01-31 2023-02-02 Shell Internationale Research Maatschappij B.V. Method and system for producing hydrogen, electricity and co-production

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2016195029A (ja) 2015-03-31 2016-11-17 大阪瓦斯株式会社 電気化学素子、それを備えた電気化学モジュール、電気化学装置およびエネルギーシステム
JP2017183177A (ja) 2016-03-31 2017-10-05 大阪瓦斯株式会社 電気化学素子、セルユニット、電気化学モジュール、電気化学装置およびエネルギーシステム
JP2017208232A (ja) 2016-05-18 2017-11-24 株式会社デンソー 燃料電池

Also Published As

Publication number Publication date
EP3780198A1 (en) 2021-02-17
JPWO2019189843A1 (ja) 2021-04-22
WO2019189843A1 (ja) 2019-10-03
JP7247170B2 (ja) 2023-03-28
CA3095428A1 (en) 2019-10-03
US20210028478A1 (en) 2021-01-28
EP3780198A4 (en) 2021-12-29
CN111886730A (zh) 2020-11-03

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP7105972B2 (ja) 電気化学素子、電気化学モジュール、電気化学装置、エネルギーシステム、固体酸化物形燃料電池、および電気化学素子の製造方法
CN111868983B (zh) 燃料电池单电池单元、燃料电池模块及燃料电池装置
KR20200138159A (ko) 금속 지지형 연료 전지 및 연료 전지 모듈
US20230392249A1 (en) Manufacturing Method for Alloy Material, Alloy Material, Electrochemical Element, Electrochemical Module, Electrochemical Device, Energy System and Solid Oxide Fuel Cell
CN111868985B (zh) 燃料电池装置和燃料电池装置的运转方法
JP7317547B2 (ja) 燃料電池構造体、それを備えた燃料電池モジュール及び燃料電池装置
TWI763812B (zh) 電化學裝置、能源系統、及固態氧化物型燃料電池

Legal Events

Date Code Title Description
A201 Request for examination
E902 Notification of reason for refusal