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固体酸化物型燃料電池及び固体酸化物型燃料電池の運転方法 コモンズ 新技術説明会

国内特許コード P05P001865
整理番号 K053P72
掲載日 2005年4月8日
出願番号 特願2003-297780
公開番号 特開2005-071717
登録番号 特許第4504642号
出願日 平成15年8月21日(2003.8.21)
公開日 平成17年3月17日(2005.3.17)
登録日 平成22年4月30日(2010.4.30)
発明者
  • 伊原 学
  • 横山 千昭
出願人
  • 国立研究開発法人科学技術振興機構
発明の名称 固体酸化物型燃料電池及び固体酸化物型燃料電池の運転方法 コモンズ 新技術説明会
発明の概要 【課題】 発電システムのコンパクト化を容易かつ確実に図ることのできる構成を有する固体酸化物型燃料電池及び固体酸化物型燃料電池の運転方法の提供。
【解決手段】 固体酸化物型燃料電池1は、アノード2と、カソード3と、アノード2とカソード3との間に配置されたイオン伝導性の固体酸化物からなる電解質層4と、を少なくとも有する。アノード2は、多孔質の複合金属酸化物材料を含む電極反応層2aを有しており、電極反応層2aには、電極活物質として、固体炭素からなる粒子が更に担持されている。固体炭素からなる粒子は、炭素及び水素を構成元素として少なくとも含む有機化合物を電極反応層2a中に供給し、次いで、電極反応層2a中において、200~1200℃の温度条件下で有機化合物の熱分解反応を進行させる熱処理工程を経て形成されている。
【選択図】 図1
従来技術、競合技術の概要


イオン伝導性の固体酸化物(酸化物イオン伝導体)からなる電解質層(固体電解質層)をカソード(空気極)とアノード(燃料極)との間に配置した積層構造を有する固体酸化物型燃料電池(SOFC)は、第三世代の燃料電池として期待され、その開発が進んでいる。



固体酸化物型燃料電池は、アノードに還元剤(例えば、H、CO、メタン等の炭化水素)を含むガス(燃料ガス)を供給し、カソードに酸化剤(例えば、酸素)を含むガス(例えば、空気)を供給することにより発電するデバイスである(例えば、下記特許文献1参照)。
【特許文献1】
特開平9-129256号公報

産業上の利用分野


本発明は固体酸化物型燃料電池(SOFC)及び固体酸化物型燃料電池の運転方法に関する。

特許請求の範囲 【請求項1】
アノードと、カソードと、前記アノードと前記カソードとの間に配置されたイオン伝導性の固体酸化物からなる電解質層と、を少なくとも有する固体酸化物型燃料電池であって、
前記アノードは、多孔質の複合金属酸化物材料を含む電極反応層を有しており、
前記電極反応層には、電極活物質として、固体炭素からなる粒子が担持されており
記固体炭素からなる粒子は、炭素及び水素を構成元素として少なくとも含む有機化合物を前記電極反応層中に供給し、次いで、前記電極反応層中において、200~1200℃の温度条件下で前記有機化合物の熱分解反応を進行させる熱処理工程を経て形成されており、かつ、
前記固体炭素からなる粒子を還元剤として消費することによって発電すること、
を特徴とする固体酸化物型燃料電池。

【請求項2】
前記固体炭素からなる粒子を還元剤として消費した後、前記熱処理工程により前記固体炭素からなる粒子を再び形成させることにより繰り返し使用すること、を特徴とする請求項1に記載の固体酸化物型燃料電池。

【請求項3】
前記電極反応層に還元剤を供給することなく、前記固体炭素からなる粒子を還元剤として消費することによって発電すること、
を特徴とする請求項1又は2に記載の固体酸化物型燃料電池。

【請求項4】
アノードの電極反応が下記反応式(I)及び(II)で表される反応を含む、請求項1~3のいずれか一項に記載の固体酸化物型燃料電池。
C+O2-→CO+2e ・・・(I)
C+2O2-→CO+4e ・・・(II)

【請求項5】
前記有機化合物が、酸素及び/又は硫黄を構成元素として更に含んでいること、を特徴とする請求項1~4のうちの何れか1項に記載の固体酸化物型燃料電池。

【請求項6】
前記有機化合物が1atm、25℃の条件下で気体であること、を特徴とする請求項1~5のうちの何れか1項に記載の固体酸化物型燃料電池。

【請求項7】
前記有機化合物が1atm、25℃の温度条件下で液体であること、を特徴とする請求項1~5のうちの何れか1項に記載の固体酸化物型燃料電池。

【請求項8】
前記有機化合物の炭素数が1~100であること、を特徴とする請求項1~のうちの何れか1項に記載の固体酸化物型燃料電池。

【請求項9】
前記有機化合物の炭素数が1~10であること、を特徴とする請求項1~のうちの何れか1項に記載の固体酸化物型燃料電池。

【請求項10】
前記有機化合物の炭素数が1~6であること、を特徴とする請求項1~のうちの何れか1項に記載の固体酸化物型燃料電池。

【請求項11】
前記熱処理工程の温度が600~900℃であること、を特徴とする請求項1~のうちの何れか1項に記載の固体酸化物型燃料電池。

【請求項12】
前記電極反応層が、前記複合金属酸化物材料と金属材料とからなる混合成形体からなること、を特徴とする請求項1~11のうちの何れか1項に記載の固体酸化物型燃料電池。

【請求項13】
前記金属材料の構成元素が、Ni、Pt、Au、Cu、Fe、W及びTaからなる群より選択される少なくとも1種であること、を特徴とする請求項12に記載の固体酸化物型燃料電池。

【請求項14】
前記金属材料がNiであること、を特徴とする請求項13に記載の固体酸化物型燃料電池。

【請求項15】
前記混合成形体における前記金属材料の体積分率V1と、前記複合金属酸化物材料の体積分率V2とが下記(1)で表される条件を満たしていること、
を特徴とする請求項12~14のうちの何れか1項に記載の固体酸化物型燃料電池。
0.2≦{V1/(V1+V2)}≦0.8・・・(1)

【請求項16】
出力が、0.01~500kWであること、を特徴とする請求項1~15のうちの何れか1項に記載の固体酸化物型燃料電池。

【請求項17】
前記複合金属酸化物材料がイットリアが添加された安定化ジルコニアからなること、を特徴とする請求項1~16のうちの何れか1項に記載の固体酸化物型燃料電池。

【請求項18】
前記イットリアの割合が1~20mol%であること、を特徴とする請求項17に記載の固体酸化物型燃料電池。

【請求項19】
前記複合金属酸化物材料がGd、La、Y、Sm、Nd、Ca、Mg、Sr、Ba、Dy及びYbからなる群より選択される少なくとも1種がドープされたCeOからなること、を特徴とする請求項1~16のうちの何れか1項に記載の固体酸化物型燃料電池。

【請求項20】
前記複合金属酸化物材料がGdがドープされたCeOからなること、を特徴とする請求項1~17のうちの何れか1項に記載の固体酸化物型燃料電池。

【請求項21】
前記Gdの割合が1~40mol%であること、を特徴とする請求項20に記載の固体酸化物型燃料電池。

【請求項22】
前記複合金属酸化物材料がSmがドープされたCeOからなること、を特徴とする請求項1~17のうちの何れか1項に記載の固体酸化物型燃料電池。

【請求項23】
前記Smの割合が10~30mol%であること、を特徴とする請求項22に記載の固体酸化物型燃料電池。

【請求項24】
前記複合金属酸化物材料の導電率が、1000℃において、0.01~10S/cmであること、を特徴とする請求項1~23のうちの何れか1項に記載の固体酸化物型燃料電池。

【請求項25】
前記アノードには、該アノードにおける反応生成ガスを外部に放出させるためのキャリアガスの供給口及び放出口、並びに、前記供給口と前記放出口とに接続された前記キャリアガスの内部流路が設けられており、
前記キャリアガスが、N及び希ガスからなる群より選択される少なくとも1種の成分ガスからなること、を特徴とする請求項1~24のうちの何れか1項に記載の固体酸化物型燃料電池。

【請求項26】
前記キャリアガス中には、Oが更に含まれており、かつ、
前記アノード中の前記キャリアガス中の前記Oの分圧が、前記カソード中のOの分圧よりも低くなるように調節されていること、を特徴とする請求項25に記載の固体酸化物型燃料電池。

【請求項27】
前記キャリアガスが空気であること、を特徴とする請求項25に記載の固体酸化物型燃料電池。

【請求項28】
アノードと、カソードと、前記アノードと前記カソードとの間に配置されたイオン伝導性の固体酸化物からなる電解質層と、を少なくとも有し、かつ、前記アノードが多孔質の複合金属酸化物材料を含む電極反応層を有する固体酸化物型燃料電池の運転方法であって、
炭素及び水素を構成元素として少なくとも含む有機化合物を前記電極反応層中に供給し、次いで、前記電極反応層中において、200~1200℃の温度条件下で前記有機化合物の熱分解反応を進行させることにより、前記電極反応層中に、電極活物質として固体炭素からなる粒子を析出させる熱処理工程と、
前記熱処理工程後、前記カソードに酸化剤を含むガスを供給し、前記固体炭素からなる粒子を還元剤として消費することによって発電する発電工程と、
を少なくとも含むこと、
を特徴とする固体酸化物型燃料電池の運転方法。

【請求項29】
前記熱処理工程及び前記発電工程からなる作業を繰り返して行うこと、
を特徴とする請求項28に記載の固体酸化物型燃料電池の運転方法。

【請求項30】
前記酸化剤が酸素であること、を特徴とする請求項28又は29に記載の固体酸化物型燃料電池の運転方法。

【請求項31】
前記酸化剤を含むガスが空気であること、を特徴とする請求項28又は29に記載の固体酸化物型燃料電池の運転方法。

【請求項32】
発電中において、前記アノードに、該アノードにおける反応生成ガスを外部に放出させるためのキャリアガスを供給し、
前記キャリアガスとして、N及び希ガスからなる群より選択される少なくとも1種の成分ガスからなるガスを使用すること、を特徴とする請求項28~31のうちの何れか1項に記載の固体酸化物型燃料電池の運転方法。

【請求項33】
前記キャリアガス中には、Oが更に含まれており、かつ、
前記アノード中の前記キャリアガス中の前記Oの分圧が、前記カソード中のOの分圧よりも低くなるように調節すること、を特徴とする請求項32に記載の固体酸化物型燃料電池の運転方法。

【請求項34】
前記キャリアガスが空気であること、を特徴とする請求項33に記載の固体酸化物型燃料電池の運転方法。
国際特許分類(IPC)
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出願権利状態 登録
参考情報 (研究プロジェクト等) さきがけ 変換と制御 領域
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