JPH03236164A - 固体電解質燃料電池 - Google Patents
固体電解質燃料電池Info
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- JPH03236164A JPH03236164A JP2033049A JP3304990A JPH03236164A JP H03236164 A JPH03236164 A JP H03236164A JP 2033049 A JP2033049 A JP 2033049A JP 3304990 A JP3304990 A JP 3304990A JP H03236164 A JPH03236164 A JP H03236164A
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- solid electrolyte
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- electrolyte fuel
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Classifications
-
- 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
Landscapes
- Fuel Cell (AREA)
Abstract
(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。
め要約のデータは記録されません。
Description
【発明の詳細な説明】
［産業上の利用分野］
本発明は、天然ガス、ナフサ等の軽質炭化水素を燃料と
する固体電解質燃料電池に関し、詳しくは、平板型ある
いはモノリシック型のセルであって実質的な発電部にお
いて燃料流と空気流とが交差する交差型のセルを用いた
固体電解質燃料電池に関する。
する固体電解質燃料電池に関し、詳しくは、平板型ある
いはモノリシック型のセルであって実質的な発電部にお
いて燃料流と空気流とが交差する交差型のセルを用いた
固体電解質燃料電池に関する。
［従来の技術］
平板型あるいはモノリシック型のセルを用い、天然ガス
、ナフサ等の軽質炭化水素を燃料とし、空気を酸化剤と
して使用する固体電解質燃料電池は既知である。また、
そのようなものの一つとして、実質的な発電部において
燃料流と空気流とが交差する交差型のセルを用いた固体
電解質燃料電池も既知である。
、ナフサ等の軽質炭化水素を燃料とし、空気を酸化剤と
して使用する固体電解質燃料電池は既知である。また、
そのようなものの一つとして、実質的な発電部において
燃料流と空気流とが交差する交差型のセルを用いた固体
電解質燃料電池も既知である。
従来、二のような固体電解質燃料電池は、燃料利用率を
高くして（８０〜８５％）燃料のリサイクルは行なわな
い、という条件で作動させていた。
高くして（８０〜８５％）燃料のリサイクルは行なわな
い、という条件で作動させていた。
［発明が解決しようとする課題］
しかしなから、このような従来の交差型のセルを用いた
燃料電池においては、セルの実質的な発電部において電
流密度に歪みが生じることが知られている（Ｊ、 Ｅｌ
ｅｃｔｒｏｃｈｅｓ、 Ｓｏｃ、 Ｖｏｌ。
燃料電池においては、セルの実質的な発電部において電
流密度に歪みが生じることが知られている（Ｊ、 Ｅｌ
ｅｃｔｒｏｃｈｅｓ、 Ｓｏｃ、 Ｖｏｌ。
１３０、 Ｎｏ、 １．４８−５５． Ｊａｎ、 １９
８３） 、このような電流密度の歪みが生じると、同時
にセルの平面方向においてジュール熱による熱歪みも生
じ、極端な場合にはセルが破壊されることがある。
８３） 、このような電流密度の歪みが生じると、同時
にセルの平面方向においてジュール熱による熱歪みも生
じ、極端な場合にはセルが破壊されることがある。
このため、交差型の平板型セルにおいては、大型のもの
が得られないという欠点があった。
が得られないという欠点があった。
また、固体電解質が酸素イオン導電体であり、燃料利用
率の上昇に伴って理論起電圧が低下するため、出力密度
を増加させることができなかった。
率の上昇に伴って理論起電圧が低下するため、出力密度
を増加させることができなかった。
さらに、燃料をリサイクルしないため、約１５〜２０％
の燃料が無駄になっていた。
の燃料が無駄になっていた。
本発明の課題は、以上の問題点を全て解決し、優れた性
能を有する固体電解質燃料電池を提供する処にある。
能を有する固体電解質燃料電池を提供する処にある。
［課題を解決するための手段及び作用コ本発明の固体電
解質燃料電池は、平板型あるいはモノリシック型のセル
であって実質的な発電部において燃料流と空気流とが交
差する交差型のセルを用いた固体電解質燃料電池であっ
て、燃料極側に炭化水素を水蒸気改質して得られた燃料
を供給するとともに、この燃料をリサイクルすることを
特徴とするものである。
解質燃料電池は、平板型あるいはモノリシック型のセル
であって実質的な発電部において燃料流と空気流とが交
差する交差型のセルを用いた固体電解質燃料電池であっ
て、燃料極側に炭化水素を水蒸気改質して得られた燃料
を供給するとともに、この燃料をリサイクルすることを
特徴とするものである。
通常、固体電解質燃料電池を用いて発電する際に発生す
る熱は、固体電解質の抵抗によるジュール熱、固体電解
質の空気極側界面におけるエントロピーに基づく発熱を
はじめ、大半か発電部の単位面積当りの電流密度にほぼ
比例して発生している。本発明のように燃料をリサイク
ルすると、発電部における電流密度の分布が平準化され
る。このため、セルの実質的な発電部における温度分布
の均一化がはかれることとなる。なお、ガスマニホール
ドの容易性より実質的な発電部における燃料流と空気流
との交差角度は６０〜９０″であるのが好ましいが、こ
の場合には交差角度が小さい場合に比べ電流密度の偏り
が大きくなり、かつ非対称となるため、電流分布の平準
化の効果は大きい。
る熱は、固体電解質の抵抗によるジュール熱、固体電解
質の空気極側界面におけるエントロピーに基づく発熱を
はじめ、大半か発電部の単位面積当りの電流密度にほぼ
比例して発生している。本発明のように燃料をリサイク
ルすると、発電部における電流密度の分布が平準化され
る。このため、セルの実質的な発電部における温度分布
の均一化がはかれることとなる。なお、ガスマニホール
ドの容易性より実質的な発電部における燃料流と空気流
との交差角度は６０〜９０″であるのが好ましいが、こ
の場合には交差角度が小さい場合に比べ電流密度の偏り
が大きくなり、かつ非対称となるため、電流分布の平準
化の効果は大きい。
本発明では、燃料をリサイクルすることとしたので、１
回（１サイクル）当りの燃料利用率を下げて理論起電圧
を上げることができる。しかも、リサイクルすることに
より全体としては燃料利用率が１００％近くになるので
、残った燃料を燃焼することによるロス（１５〜２０％
）がなくなる。なお、１回当りの燃料利用率は、１０〜
２０％とするのが好ましい。
回（１サイクル）当りの燃料利用率を下げて理論起電圧
を上げることができる。しかも、リサイクルすることに
より全体としては燃料利用率が１００％近くになるので
、残った燃料を燃焼することによるロス（１５〜２０％
）がなくなる。なお、１回当りの燃料利用率は、１０〜
２０％とするのが好ましい。
また、原料の炭化水素をリサイクルガスと混合し、これ
を断熱型反応器を用いて水蒸気改質することにより、従
来のチューブラ−タイプの改質器に比べて大幅なコスト
ダウンがはかれる。
を断熱型反応器を用いて水蒸気改質することにより、従
来のチューブラ−タイプの改質器に比べて大幅なコスト
ダウンがはかれる。
また、原料の炭化水素とリサイクルガスを混合し、水蒸
気改質したのちに、ＣＯ変成（式（１）参照）及び脱炭
酸することにより、発電部入口予熱部におけるＢｏｕｄ
ａｒｔ反応（式（２）参照）に基づくＣ析出を防止でき
る。
気改質したのちに、ＣＯ変成（式（１）参照）及び脱炭
酸することにより、発電部入口予熱部におけるＢｏｕｄ
ａｒｔ反応（式（２）参照）に基づくＣ析出を防止でき
る。
ＣＯ＋ＨＯ→ＣＯ＋Ｈ・・・（１）
２ ２ ２
２ ＣＯ＃Ｃ（ｓ ） ＋ Ｃ０２・・・（２）また、
燃料をリサイクルすることにより、セルの集合体を収納
した発電部の入口におけるスチーム／カーボン比（Ｓ／
Ｃ）が１．０〜２゜０でも炭素の析出が見られないので
、従来技術（Ｓ／Ｃ−２，０〜３．０）に比べて大幅に
効率の向上か期待できる。
燃料をリサイクルすることにより、セルの集合体を収納
した発電部の入口におけるスチーム／カーボン比（Ｓ／
Ｃ）が１．０〜２゜０でも炭素の析出が見られないので
、従来技術（Ｓ／Ｃ−２，０〜３．０）に比べて大幅に
効率の向上か期待できる。
［実施例コ
実施例として、第１図に示したシステムからなる固体電
解質燃料電池を構成した。この電池においては、第２図
に示す交差型の平板状セル１０を用いた。このセル１０
は、ランタンマンガネト等よりなる空気極１１の上に、
安定化ジルコニア等の薄膜よりなる電解質１２及びニッ
ケルジルコニアサーメット等よりなる燃料極Ｉ３を順次
積層し、さらにこれらをランタンクロメート等よりなる
インターコネクタ１４を介して積層して形成したもので
ある。燃料流及び空気流は、リブ付き阪からなるディス
トリビュータ１５１８によって、はぼ９０°の交差角度
で交差方向に流れるようにされている。
解質燃料電池を構成した。この電池においては、第２図
に示す交差型の平板状セル１０を用いた。このセル１０
は、ランタンマンガネト等よりなる空気極１１の上に、
安定化ジルコニア等の薄膜よりなる電解質１２及びニッ
ケルジルコニアサーメット等よりなる燃料極Ｉ３を順次
積層し、さらにこれらをランタンクロメート等よりなる
インターコネクタ１４を介して積層して形成したもので
ある。燃料流及び空気流は、リブ付き阪からなるディス
トリビュータ１５１８によって、はぼ９０°の交差角度
で交差方向に流れるようにされている。
第１図に示すシステムにおいては、発電部２０における
燃料利用率は１５％とし、８５％の燃料をリサイクルシ
ステムにまわす。このリサイクルガスは、脱硫された都
市ガスと混合され、断熱型反応器において断熱改質され
た後、ＣｕＺｎ系触媒を用いてＣＯ変成される。次に、
冷却分離により脱水され、モノエタノールアミン法によ
り脱炭酸された後、発電部２０の入口におけるＳ／Ｃが
１．０となるように水分添加され、６３０〜６５０℃に
予熱されて発電部２０に戻る。
燃料利用率は１５％とし、８５％の燃料をリサイクルシ
ステムにまわす。このリサイクルガスは、脱硫された都
市ガスと混合され、断熱型反応器において断熱改質され
た後、ＣｕＺｎ系触媒を用いてＣＯ変成される。次に、
冷却分離により脱水され、モノエタノールアミン法によ
り脱炭酸された後、発電部２０の入口におけるＳ／Ｃが
１．０となるように水分添加され、６３０〜６５０℃に
予熱されて発電部２０に戻る。
空気利用率は２５％とした。
また、リサイクルガスに混入する都市ガスとしては、次
の組成からなる都市ガス１３Ａを用い を二 。
の組成からなる都市ガス１３Ａを用い を二 。
ＣＨ３８９６、Ｃ２Ｈ６６％、Ｃ５Ｆ１２％、Ｃ４Ｈ１
ｏ２％ なお、都市ガスを脱硫したのちに断熱改質する方法は、
特願昭６２−３２０２８２号に開示された方法によった
。
ｏ２％ なお、都市ガスを脱硫したのちに断熱改質する方法は、
特願昭６２−３２０２８２号に開示された方法によった
。
第１図に示すリサイクルシステムの■〜■の各部におけ
るガス組成（容量％）は、次の通りであった。
るガス組成（容量％）は、次の通りであった。
本実施例における出力密度は、０．９４Ｗ／Ｃ−であっ
た。理論電圧は０．９５Ｖ、出力電圧は０．４８Ｖ、効
率は４１．３％（ｂｙ ＨＨ■）であった。
た。理論電圧は０．９５Ｖ、出力電圧は０．４８Ｖ、効
率は４１．３％（ｂｙ ＨＨ■）であった。
なお、比較例として、同一のセルを用い、Ｓ／Ｃ−３，
０、燃料利用率８５％でワンスルーの実験を行なったと
ころ、出力密度は０．３６Ｗ ／ ｃｊであった。理論
電圧はＣ１，７５Ｖ、出力電圧は０．５６Ｖ、効率ハ４
１． ３％（ｂ ｙＷＨＶ）であった。
０、燃料利用率８５％でワンスルーの実験を行なったと
ころ、出力密度は０．３６Ｗ ／ ｃｊであった。理論
電圧はＣ１，７５Ｖ、出力電圧は０．５６Ｖ、効率ハ４
１． ３％（ｂ ｙＷＨＶ）であった。
次に、１５ｃｓＸ１５ｃａ＋の正方形状のセルで平均電
流密度８９ ｍ Ａ ／ ｃ−の条件で、温度分布とガ
スの拡散を無視したモデルを用いて、実質的な発電部に
おける電流密度の分布をシミュレートした結果を第３図
及び第４図に示す。いずれの場合も、燃料利用率は１５
％で、８５％の燃料をリサイクルした。空気利用率は２
５％とした。Ｓ／Ｃについては、第３図の場合は１．０
であり、第４図の場合は３．０である。
流密度８９ ｍ Ａ ／ ｃ−の条件で、温度分布とガ
スの拡散を無視したモデルを用いて、実質的な発電部に
おける電流密度の分布をシミュレートした結果を第３図
及び第４図に示す。いずれの場合も、燃料利用率は１５
％で、８５％の燃料をリサイクルした。空気利用率は２
５％とした。Ｓ／Ｃについては、第３図の場合は１．０
であり、第４図の場合は３．０である。
比較例として、同様のセルで同様の平均電流密度の条件
で、温度分布とガスの拡散を無視したモデルを用いて、
燃料利用率８５％でワンスルーの場合の実質的な発電部
における電流密度の分布をシミュレートした結果を第５
図及び第６図に示す。いずれの場合も、空気利用率は２
５％とした。Ｓ／Ｃについては、第５図の場合は１．０
であり、第６図の場合は３゜０である。
で、温度分布とガスの拡散を無視したモデルを用いて、
燃料利用率８５％でワンスルーの場合の実質的な発電部
における電流密度の分布をシミュレートした結果を第５
図及び第６図に示す。いずれの場合も、空気利用率は２
５％とした。Ｓ／Ｃについては、第５図の場合は１．０
であり、第６図の場合は３゜０である。
第３図と第５図、及び第４図と第６図とを比較すると明
らかなように、本実施例の固体電解質燃料電池において
は、セルの電流密度の分布が大幅に均一化されており、
熱歪みの問題も大幅に減少してほぼ解消されている。
らかなように、本実施例の固体電解質燃料電池において
は、セルの電流密度の分布が大幅に均一化されており、
熱歪みの問題も大幅に減少してほぼ解消されている。
なお、本発明の固体電解質燃料電池においては、セル構
造は第２図のものに限られない。交差型のセルであれば
、どのようなものであってもよい。
造は第２図のものに限られない。交差型のセルであれば
、どのようなものであってもよい。
［発明の効果］
（１）セルの実質的な発電部における電流密度の分布か
均一化され、温度分布も均一となるため、セルの劣化防
止をはかることができる。
均一化され、温度分布も均一となるため、セルの劣化防
止をはかることができる。
（２）従来の固体電解質燃料電池に比べて単位面積当り
の出力密度を約２．５〜６倍にすることができる。
の出力密度を約２．５〜６倍にすることができる。
（３）燃料利用率が１００％近くになるので、燃料の無
駄がなくなる。
駄がなくなる。
（４）燃料をリサイクルしてＨ２分圧を上げることによ
り、Ｓ／Ｃが２．０以下という条件でも内部改質が可能
であり、発電効率を高くすることができる。
り、Ｓ／Ｃが２．０以下という条件でも内部改質が可能
であり、発電効率を高くすることができる。
料電池の燃料のリサイクルシステムを示す概略図、
第２図は、本発明の固体電解質燃料電池に用いる交差型
セルの一例を示す斜視図、 第３図及び第４図は、本発明の実施例におけるセルの電
流密度の分布図、 第５図及び第６図は、比較例におけるセルの電流密度の
分布図である。
セルの一例を示す斜視図、 第３図及び第４図は、本発明の実施例におけるセルの電
流密度の分布図、 第５図及び第６図は、比較例におけるセルの電流密度の
分布図である。
符号の説明
Claims (1)
- 【特許請求の範囲】 １ 平板型あるいはモノリシック型のセルであって実質
的な発電部において燃料流と空気流とが交差する交差型
のセルを用いた固体電解質燃料電池であって、燃料極側
に炭化水素を水蒸気改質して得られた燃料を供給すると
ともに、この燃料をリサイクルすることを特徴とする固
体電解質燃料電池。 ２ 実質的な発電部における燃料流と空気流との交差角
度が６０〜９０°であることを特徴とする請求項１記載
の固体電解質燃料電池。 ３ 原料の炭化水素が、リサイクルガスと混合されたの
ち、断熱型反応器において水蒸気改質されることを特徴
とする請求項１又は２に記載の固体電解質燃料電池。 ４ 原料の炭化水素とリサイクルガスが混合され、水蒸
気改質されたのち、ＣＯ変成、脱水、脱炭酸の各工程を
経て、燃料極側に供給されることを、特徴とする請求項
１〜３のいずれか１項に記載の固体電解質燃料電池。 ５ １回当りの燃料利用率が１０〜２０％であることを
特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の固体電
解質燃料電池。 ６ 発電部の入口におけるスチーム／カーボン比が１．
０〜２．０であることを特徴とする請求項１〜５のいず
れか１項に記載の固体電解質燃料電池。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2033049A JPH03236164A (ja) | 1990-02-13 | 1990-02-13 | 固体電解質燃料電池 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2033049A JPH03236164A (ja) | 1990-02-13 | 1990-02-13 | 固体電解質燃料電池 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH03236164A true JPH03236164A (ja) | 1991-10-22 |
Family
ID=12375918
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2033049A Pending JPH03236164A (ja) | 1990-02-13 | 1990-02-13 | 固体電解質燃料電池 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH03236164A (ja) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US6309770B1 (en) | 1998-02-17 | 2001-10-30 | Mitsubishi Heavy Industries, Ltd. | Solid electrolyte fuel cell power generating system |
| JP2017091630A (ja) * | 2015-11-03 | 2017-05-25 | 株式会社豊田中央研究所 | 発電システム |
-
1990
- 1990-02-13 JP JP2033049A patent/JPH03236164A/ja active Pending
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US6309770B1 (en) | 1998-02-17 | 2001-10-30 | Mitsubishi Heavy Industries, Ltd. | Solid electrolyte fuel cell power generating system |
| JP2017091630A (ja) * | 2015-11-03 | 2017-05-25 | 株式会社豊田中央研究所 | 発電システム |
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