JP2008108647A - Reformer integrated fuel cell - Google Patents
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Abstract
【課題】従来における水蒸気改質器と水素精製器と燃料電池を一体に構成することにより、装置構成を著しくコンパクト化し、コスト低減が可能で実用性が高く、発電効率や耐久性を向上させ得る改質器一体型燃料電池を得る。
【解決手段】多孔質改質触媒層上に順次、バリア層、水素分離兼アノード層、電解質層及びカソード層を配置してなり、前記多孔質改質触媒層のバリア層側にNi、Rh、Ru、Ir、Pd、Pt、Re、Co、Feのいずれか一つ以上の金属及びLn1-xAxMO3(式中、Lnは希土類元素、AはBa、Sr、Caのいずれか一つ以上であり、MはCr、Tiのいずれか一つ以上であり、Xの範囲は0≦X≦1である)を含む表面層を設けてなることを特徴とする改質器一体型燃料電池。本改質器一体型燃料電池は平板状、断面円形状、断面長方形状、断面多角形状など各種形状の改質器一体型燃料電池として構成される。
【選択図】図1
A conventional steam reformer, a hydrogen purifier, and a fuel cell are integrated into a single unit, so that the configuration of the apparatus can be remarkably reduced, the cost can be reduced, the utility is high, and the power generation efficiency and durability can be improved. A reformer integrated fuel cell is obtained.
A barrier layer, a hydrogen separation / anode layer, an electrolyte layer, and a cathode layer are sequentially disposed on a porous reforming catalyst layer, and Ni, Rh, ru, Ir, Pd, Pt, Re, Co, one or more of metals and Ln 1-x a x MO 3 ( where the Fe, Ln is a rare earth element, a is Ba, Sr, one of Ca one A reformer-integrated fuel comprising a surface layer including M, wherein M is at least one of Cr and Ti, and the range of X is 0 ≦ X ≦ 1 battery. The reformer integrated fuel cell is configured as a reformer integrated fuel cell having various shapes such as a flat plate shape, a circular cross section, a rectangular cross section, and a polygonal cross section.
[Selection] Figure 1
Description
本発明は、燃料改質器と燃料電池を一体化した改質器一体型燃料電池に関する。 The present invention relates to a reformer integrated fuel cell in which a fuel reformer and a fuel cell are integrated.
燃料電池には、イオン伝導体すなわち電解質に利用される物質の違いにより、固体高分子形燃料電池(PEFC)、リン酸形燃料電池(PAFC)、溶融炭酸塩形燃料電池(MCFC)、固体酸化物形燃料電池(SOFC)など各種あるが、これらは原理的に同じである。その電解質として、PEFCでは固体高分子が用いられ、MCFCでは溶融炭酸塩が用いられ、PAFCではリン酸が用いられ、SOFCでは固体酸化物が用いられる。 Fuel cells include solid polymer fuel cells (PEFCs), phosphoric acid fuel cells (PAFCs), molten carbonate fuel cells (MCFCs), solid oxides, depending on the material used for the ionic conductor, or electrolyte. There are various types such as a physical fuel cell (SOFC), but these are the same in principle. As the electrolyte, solid polymer is used in PEFC, molten carbonate is used in MCFC, phosphoric acid is used in PAFC, and solid oxide is used in SOFC.
これら燃料電池のうち、PEFC、PAFC、MCFCの燃料は水素であるが、MCFCでは一酸化炭素がアノードでのシフト反応により水素を発生するので一酸化炭素も燃料となる。SOFCの燃料は水素及び一酸化炭素であるが、メタンはSOFCのアノードの金属(Ni等)で水素、一酸化炭素に改質されて燃料となる。これらの燃料は、通常、炭化水素系燃料の水蒸気改質法や部分燃焼法により得られる。しかし、改質ガスから水素、あるいは水素と一酸化炭素のみを取り出すためには、別途水素精製器が必要となる。また、PEFCに用いる場合は、高温の改質ガスを100℃以下まで冷却する熱交換器も必要となる。 Among these fuel cells, the fuel of PEFC, PAFC, and MCFC is hydrogen, but in MCFC, carbon monoxide generates hydrogen by a shift reaction at the anode, so that carbon monoxide is also fuel. The fuel of SOFC is hydrogen and carbon monoxide, but methane is reformed to hydrogen and carbon monoxide by the metal (Ni etc.) of the anode of SOFC to become fuel. These fuels are usually obtained by a steam reforming method or a partial combustion method of hydrocarbon fuel. However, in order to extract only hydrogen or only hydrogen and carbon monoxide from the reformed gas, a separate hydrogen purifier is required. Moreover, when using for PEFC, the heat exchanger which cools high temperature reformed gas to 100 degrees C or less is also needed.
以下、主としてSOFCを例に説明するが、他の燃料電池についても同様である。SOFCは作動温度が800〜1000℃の範囲、通常1000℃と高いが、支持膜式すなわちジルコニア系やLaGaO3などの固体酸化物電解質を膜厚の厚いアノードで支持する形式のSOFCのように650〜800℃程度、例えば750℃程度の作動温度のものも開発されつつある。SOFCは固体酸化物電解質を挟んでアノード及びカソードの3層ユニットで構成される。 Hereinafter, the SOFC will be mainly described as an example, but the same applies to other fuel cells. The SOFC has an operating temperature in the range of 800 to 1000 ° C., usually as high as 1000 ° C., but it is 650 like a supported membrane type, that is, a SOFC that supports a solid oxide electrolyte such as zirconia or LaGaO 3 with a thick anode. Those having an operating temperature of about ˜800 ° C., for example, about 750 ° C. are being developed. The SOFC is composed of a three-layer unit of an anode and a cathode with a solid oxide electrolyte in between.
酸化剤ガスが空気の場合を例にすると、カソードに導入される空気中の酸素はカソードで酸化物イオン(O2-)となり、固体酸化物電解質を通ってアノードに至る。ここで、アノードに導入される燃料と反応して電子を放出し、電気と水等の反応生成物を生成する。カソードでの利用済み空気はカソードオフガスとして排出され、アノードでの利用済み燃料はアノードオフガスとして排出されるが、アノードオフガスにはアノードでの未利用の燃料、水蒸気、二酸化炭素等の反応生成物が含まれている。 Taking the case where the oxidant gas is air as an example, oxygen in the air introduced into the cathode becomes oxide ions (O 2− ) at the cathode, and reaches the anode through the solid oxide electrolyte. Here, it reacts with the fuel introduced into the anode and emits electrons to produce a reaction product such as electricity and water. Used air at the cathode is discharged as cathode offgas, and spent fuel at the anode is discharged as anode offgas. The anode offgas contains unreacted fuel at the anode, reaction products such as water vapor and carbon dioxide. include.
ところで、特開2004−146337号公報には、供給燃料ガスである改質ガスの水素精製機能を備えた燃料電池が開示されている。図10は同公報に示されたその断面図である。酸素極10、水素極30で電解質膜40を挟んだ構造であり、電解質膜40はバナジウムで形成された緻密な基材43を中心とする5層構造で構成される。基材43の両面に固体酸化物からなる電解質層42、44の薄膜が成膜され、電解質層42、44の外面にパラジウム(Pd)被膜41、45が設けられている。
By the way, Japanese Patent Application Laid-Open No. 2004-146337 discloses a fuel cell having a hydrogen purification function of reformed gas that is supplied fuel gas. FIG. 10 is a cross-sectional view shown in the publication. The
Pd被膜41、45が水素透過性材料に相当するが、水素極30へは水素リッチな燃料ガスが供給されることから、同公報中明示の記載はないが、燃料としては炭化水素を別途燃料改質器等で改質した燃料を用いるものと解される。また、基材43は、Pd被膜とともに電解質層42、44の支持体としての役割を兼ねており、基材43が緻密であるため、電解質層42、44はかなりの薄膜化(1μm程度以下)が可能とされている。
Although the
また、特開2005−19041号公報には、固体電解質層をアノード及びカソードにより挟持してなり、アノードが多孔性基板状に水素透過性金属膜を接着した水素透過性電極によって形成され、且つ固体電解質層がプロトン導電性酸化物薄膜からなる燃料電池が記載されている。しかしこの燃料電池の場合も、多孔性基板側から供給される燃料としては炭化水素系燃料を別途燃料改質器で改質した燃料が用いられる。 Japanese Patent Application Laid-Open No. 2005-19041 discloses that a solid electrolyte layer is sandwiched between an anode and a cathode, the anode is formed by a hydrogen permeable electrode in which a hydrogen permeable metal film is bonded to a porous substrate, and a solid A fuel cell is described in which the electrolyte layer comprises a proton conductive oxide thin film. However, also in this fuel cell, a fuel obtained by reforming a hydrocarbon-based fuel with a separate fuel reformer is used as the fuel supplied from the porous substrate side.
本発明は、上述従来のように燃料改質器と燃料電池を別個に配置するのではなく、また燃料改質器と、水素精製器及び燃料電池とを別個に配置するのではなく、燃料改質器と水素精製器と燃料電池とを一体に構成することにより、装置構成を著しくコンパクト化し、耐久性に優れた改質器一体型燃料電池を提供することを目的とするものである。 In the present invention, the fuel reformer and the fuel cell are not separately disposed as in the conventional case, and the fuel reformer is not disposed separately from the fuel reformer, the hydrogen purifier, and the fuel cell. It is an object of the present invention to provide a reformer-integrated fuel cell that is extremely compact and has excellent durability by integrally configuring a mass device, a hydrogen purifier, and a fuel cell.
本発明(1)は、燃料改質器と燃料電池を一体化した燃料電池であって、多孔質改質触媒層上に順次、バリア層、水素分離兼アノード層、電解質層及びカソード層を配置してなり、前記多孔質改質触媒層のバリア層側にNi、Rh、Ru、Ir、Pd、Pt、Re、Co、Feのいずれか一つ以上の金属及びLn1-xAxMO3(式中、Lnは希土類元素、AはBa、Sr、Caのいずれか一つ以上であり、MはCr、Tiのいずれか一つ以上であり、Xの範囲は0≦X≦1である)を含む表面層を設けてなることを特徴とする改質器一体型燃料電池である。 The present invention (1) is a fuel cell in which a fuel reformer and a fuel cell are integrated, and a barrier layer, a hydrogen separation / anode layer, an electrolyte layer, and a cathode layer are sequentially disposed on a porous reforming catalyst layer. And at least one of Ni, Rh, Ru, Ir, Pd, Pt, Re, Co, and Fe on the barrier layer side of the porous reforming catalyst layer and Ln 1-x A x MO 3 (In the formula, Ln is a rare earth element, A is one or more of Ba, Sr, and Ca, M is one or more of Cr and Ti, and the range of X is 0 ≦ X ≦ 1. Is a reformer integrated fuel cell, characterized in that a surface layer is provided.
本発明(2)は、燃料改質器と燃料電池を一体化した燃料電池であって、内部に燃料流路を有する多孔質改質触媒層の外周面に順次、バリア層、水素分離兼アノード層、電解質層及びカソード層を配置してなり、前記多孔質改質触媒層のバリア層側にNi、Rh、Ru、Ir、Pd、Pt、Re、Co、Feのいずれか一つ以上の金属及びLn1-xAxMO3(式中、Lnは希土類元素、AはBa、Sr、Caのいずれか一つ以上であり、MはCr、Tiのいずれか一つ以上であり、Xの範囲は0≦X≦1である)を含む表面層を設けてなることを特徴とする改質器一体型燃料電池である。 The present invention (2) is a fuel cell in which a fuel reformer and a fuel cell are integrated, and a barrier layer, a hydrogen separation and anode are sequentially formed on the outer peripheral surface of a porous reforming catalyst layer having a fuel flow path therein. A layer, an electrolyte layer, and a cathode layer, and one or more metals of Ni, Rh, Ru, Ir, Pd, Pt, Re, Co, and Fe on the barrier layer side of the porous reforming catalyst layer And Ln 1-x A x MO 3 (wherein Ln is a rare earth element, A is at least one of Ba, Sr, and Ca, M is at least one of Cr and Ti, The reformer-integrated fuel cell is provided with a surface layer including a range of 0 ≦ X ≦ 1.
本発明(3)は、燃料改質器と燃料電池を一体化した燃料電池であって、内部に酸化剤ガス流路を有し、多孔質改質触媒層の内周面に順次、バリア層、水素分離兼アノード層、電解質層及びカソード層を配置してなり、前記多孔質改質触媒層のバリア層側にNi、Rh、Ru、Ir、Pd、Pt、Re、Co、Feのいずれか一つ以上の金属及びLn1-xAxMO3(式中、Lnは希土類元素、AはBa、Sr、Caのいずれか一つ以上であり、MはCr、Tiのいずれか一つ以上であり、Xの範囲は0≦X≦1である)を含む表面層を設けてなることを特徴とする改質器一体型燃料電池である。 The present invention (3) is a fuel cell in which a fuel reformer and a fuel cell are integrated. The fuel cell has an oxidant gas flow path therein, and sequentially forms a barrier layer on the inner peripheral surface of the porous reforming catalyst layer. , A hydrogen separation / anode layer, an electrolyte layer, and a cathode layer, and any one of Ni, Rh, Ru, Ir, Pd, Pt, Re, Co, and Fe on the barrier layer side of the porous reforming catalyst layer One or more metals and Ln 1-x A x MO 3 (wherein Ln is a rare earth element, A is one or more of Ba, Sr and Ca, and M is one or more of Cr and Ti) And the range of X is 0 ≦ X ≦ 1). The reformer-integrated fuel cell is provided with a reformer-integrated fuel cell.
本発明(4)は、燃料改質器と燃料電池を一体化した燃料電池であって、内部に燃料流路を備えた電気絶縁性多孔質基体管の上に順次、多孔質改質触媒層、バリア層、水素分離兼アノード層、電解質及びカソード層を積層した層構造を有する発電素子部が隣接されて複数形成されるとともに、前記多孔質改質触媒層のバリア層側にNi、Rh、Ru、Ir、Pd、Pt、Re、Co、Feのいずれか一つ以上の金属及びLn1-xAxMO3(式中、Lnは希土類元素、AはBa、Sr、Caのいずれか一つ以上であり、MはCr、Tiのいずれか一つ以上であり、Xの範囲は0≦X≦1である)を含む表面層を設けてなり、且つ、少なくとも2つ以上の隣り合う発電素子部がインターコネクタにより電気的に直列に接続されていることを特徴とする改質器一体型燃料電池である。 The present invention (4) is a fuel cell in which a fuel reformer and a fuel cell are integrated, and a porous reforming catalyst layer is sequentially formed on an electrically insulating porous substrate tube having a fuel flow path therein. A plurality of power generation element portions having a layer structure in which a barrier layer, a hydrogen separation / anode layer, an electrolyte and a cathode layer are stacked adjacent to each other, and Ni, Rh, ru, Ir, Pd, Pt, Re, Co, one or more of metals and Ln 1-x a x MO 3 ( where the Fe, Ln is a rare earth element, a is Ba, Sr, one of Ca one And M is one or more of Cr and Ti, and the range of X is 0 ≦ X ≦ 1, and at least two adjacent power generations are provided. The element part is electrically connected in series by an interconnector Reformer to an integral type fuel cell.
以下において、前記化学式“Ln1-xAxMO3(式中、Lnは希土類元素、AはBa、Sr、Caのいずれか一つ以上であり、MはCr、Tiのいずれか一つ以上であり、Xの範囲は0≦X≦1である)”を、適宜“Ln1-xAxMO3”と略記している。 In the following, the chemical formula “Ln 1-x A x MO 3 , wherein Ln is a rare earth element, A is one or more of Ba, Sr, and Ca, and M is one or more of Cr and Ti. And the range of X is 0 ≦ X ≦ 1) ”is abbreviated as“ Ln 1−x A x MO 3 ”as appropriate.
本発明の改質器一体型燃料電池においては、燃料改質器と燃料電池とが一体化され、装置構成を著しくコンパクト化することができる。これにより、起動時間を短縮することができ、また、自動車や船舶などの移動体用の発電装置や家庭や工場などに設置される発電装置、あるいは持ち運び容易な発電装置として使用することを可能にし、コスト低減を可能にするなど、実用上も非常に有用である。また、本発明の改質器一体型燃料電池は、それ自体で炭化水素系燃料を改質、精製し、精製した水素を燃料とするので燃料電池としての発電効率を向上させることができる。 In the reformer-integrated fuel cell of the present invention, the fuel reformer and the fuel cell are integrated, and the apparatus configuration can be remarkably reduced in size. As a result, the startup time can be shortened, and it can be used as a power generator for mobile objects such as automobiles and ships, a power generator installed in a home or factory, or a power generator that is easy to carry. It is very useful in practice, such as enabling cost reduction. Further, the reformer-integrated fuel cell of the present invention reforms and purifies a hydrocarbon fuel by itself and uses the purified hydrogen as a fuel, so that the power generation efficiency as a fuel cell can be improved.
特に、本発明によれば、多孔質改質触媒層の表面、すなわち多孔質改質触媒層1のバリア層2側の表面にNi、Rh、Ru、Ir、Pd、Pt、Re、Co、Feのいずれか一つ以上の金属及びLn1-xAxMO3を含む表面層を設けることにより、多孔質改質触媒層とバリア層との密着性を向上させ、耐久性に優れた改質器一体型燃料電池とすることができ、またその作製時の歩留まりを向上させることができる。
In particular, according to the present invention, Ni, Rh, Ru, Ir, Pd, Pt, Re, Co, Fe on the surface of the porous reforming catalyst layer, that is, the surface of the porous reforming
図1は本発明の基本的構成を説明する図である。図1中、1は多孔質改質触媒層であり、改質器一体型燃料電池を構成する第1の層である。2はバリア層であり、改質器一体型燃料電池を構成する第2の層である。3は水素分離兼アノード層であり、改質器一体型燃料電池を構成する第3の層である。4は電解質層であり、改質器一体型燃料電池を構成する第4の層である。5はカソード層であり、改質器一体型燃料電池を構成する第5の層である。
FIG. 1 is a diagram for explaining the basic configuration of the present invention. In FIG. 1,
そして、図1のとおり、本発明の改質器一体型燃料電池においては、多孔質改質触媒層1の表面、すなわち多孔質改質触媒層1のバリア層2側の表面にNi、Rh、Ru、Ir、Pd、Pt、Re、Co、Feのいずれか一つ以上の金属及びLn1-xAxMO3を含む表面層1’を設ける。これにより、多孔質改質触媒層1とバリア層2との密着性を向上させ、耐久性に優れた改質器一体型燃料電池とすることができ、またその作製時の歩留まりを向上させることができる。
As shown in FIG. 1, in the reformer-integrated fuel cell of the present invention, the surface of the porous reforming
表面層1’は、改質触媒金属であるNi、Rh、Ru、Ir、Pd、Pt、Re、Co、Feのいずれか一つ以上の金属を含むので改質触媒としての機能も有することから、多孔質改質触媒層1の一部と解することができる。
Since the
以下において、まず改質器一体型燃料電池を構成する各層について説明し、次いで本発明(1)〜(4)の改質器一体型燃料電池の態様について説明する。 In the following, each layer constituting the reformer-integrated fuel cell will be described first, and then aspects of the reformer-integrated fuel cell of the present invention (1) to (4) will be described.
〈第1の層である多孔質改質触媒層〉
第1の層である多孔質改質触媒層は、改質触媒としての役割に加え、燃料電池の支持体としての役割も果たす層である。図1で言えば多孔質改質触媒層1に相当する層である。
<Porous reforming catalyst layer as first layer>
The porous reforming catalyst layer, which is the first layer, is a layer that serves as a support for the fuel cell in addition to the role as a reforming catalyst. In FIG. 1, this is a layer corresponding to the porous reforming
多孔質改質触媒層の気孔率は10〜85%、平均気孔径は0.05〜10μmであるのが好ましい。その厚さは支持体として必要とされる強度に依存するが、好ましくは100μm以上であるのが好ましい。多孔質改質触媒層においては、炭化水素系燃料の水蒸気改質により改質ガスを生成する。改質ガスはH2、CO、CO2を含むが、H2のみが後述水素分離兼アノード層を通って電解質層に流れる。なお、多孔質改質触媒層は、改質器一体型燃料電池が使用される時、つまりその作動時に改質触媒機能を有すればよく、必ずしも多孔質改質触媒層の形成時に改質触媒機能を有する必要はない。 The porous reforming catalyst layer preferably has a porosity of 10 to 85% and an average pore diameter of 0.05 to 10 μm. The thickness depends on the strength required for the support, but is preferably 100 μm or more. In the porous reforming catalyst layer, reformed gas is generated by steam reforming of the hydrocarbon fuel. The reformed gas contains H 2 , CO, and CO 2 , but only H 2 flows to the electrolyte layer through the hydrogen separation / anode layer described later. The porous reforming catalyst layer only needs to have a reforming catalyst function when the reformer-integrated fuel cell is used, that is, when the reformer integrated fuel cell is operated. There is no need to have a function.
多孔質改質触媒層の構成材料としては、改質触媒としての役割と燃料電池の支持体としての役割を合わせ有する材料を用いる。その例としては、ニッケルとイットリア安定化ジルコニアの混合物を主体とする焼結体(Ni−YSZサーメット等)、多孔質セラミックス、多孔質サーメットなどが挙げられるが、これらに限定されない。 As a constituent material of the porous reforming catalyst layer, a material having both a role as a reforming catalyst and a role as a support for a fuel cell is used. Examples thereof include, but are not limited to, a sintered body (Ni-YSZ cermet or the like) mainly composed of a mixture of nickel and yttria-stabilized zirconia, porous ceramics, porous cermet and the like.
〈多孔質改質触媒層に設ける表面層〉
第1の層である多孔質改質触媒層における第2の層側の面に、第2の層であるバリア層との密着性を高めるため、Ni、Rh、Ru、Ir、Pd、Pt、Re、Co、Feのいずれか一つ以上の金属及びバリア層に使用されているLn1-xAxMO3を含む表面層を設ける。図1で言えば表面層1’に相当する層である。
<Surface layer provided on porous reforming catalyst layer>
Ni, Rh, Ru, Ir, Pd, Pt, Ni, Rh, Ru, Ir, Pt, in order to improve the adhesion with the barrier layer as the second layer on the second layer side surface of the porous reforming catalyst layer as the first layer A surface layer containing one or more metals of Re, Co, and Fe and Ln 1-x A x MO 3 used for the barrier layer is provided. In FIG. 1, this is a layer corresponding to the
表面層は、本発明(1)〜(4)において重要な構成である。これにより、多孔質改質触媒層とバリア層との密着性、耐久性を向上させ、その作製時の歩留まりを向上させることができる。 The surface layer is an important structure in the present invention (1) to (4). Thereby, the adhesiveness and durability of a porous reforming catalyst layer and a barrier layer can be improved, and the yield at the time of the production can be improved.
表面層における、Ni、Rh、Ru、Ir、Pd、Pt、Re、Co、Feのいずれか一つ以上の金属及びLn1-xAxMO3以外の構成材料は、多孔質改質触媒層の構成材料の一部であるイットリア安定化ジルコニアであり、バリア層の構成材料〔後述〈第2の層であるバリア層〉〕の一部となり得る。イットリア安定化ジルコニアに加え、安定化ジルコニア、部分安定化ジルコニア、ジルコニア、アルミナ、マグネシアより選ばれる一つ以上の材料の混合物等が含まれていてもよい。 The constituent material other than one or more metals of Ni, Rh, Ru, Ir, Pd, Pt, Re, Co, and Fe and Ln 1-x A x MO 3 in the surface layer is a porous reforming catalyst layer Yttria-stabilized zirconia, which is a part of the constituent material, and can be a part of the constituent material of the barrier layer (described later <barrier layer as the second layer>). In addition to yttria-stabilized zirconia, a mixture of one or more materials selected from stabilized zirconia, partially stabilized zirconia, zirconia, alumina, and magnesia may be included.
このように、表面層は、改質触媒金属であるNi、Rh、Ru、Ir、Pd、Pt、Re、Co、Feのいずれか一つ以上の金属を含むので改質機能も有する。表面層は、その意味で第1の層である多孔質改質触媒層の一部とも言え、また多孔質改質触媒層とバリア層との間に介在することから中間層とも言える。 Thus, since the surface layer contains one or more metals of Ni, Rh, Ru, Ir, Pd, Pt, Re, Co, and Fe which are the reforming catalyst metals, the surface layer also has a reforming function. In this sense, the surface layer can be said to be a part of the porous reforming catalyst layer that is the first layer, and can also be said to be an intermediate layer because it is interposed between the porous reforming catalyst layer and the barrier layer.
なお、本〈多孔質改質触媒層に設ける表面層〉の項における以下の説明において、表面層について、上記イットリア安定化ジルコニア、またこれに“安定化ジルコニア、部分安定化ジルコニア、ジルコニア、アルミナ、マグネシアより選ばれる一つ以上の材料の混合物等”を含む場合を含めて、適宜「イットリア安定化ジルコニア」と記載している。 In the following description in the section of <Surface layer provided on porous reforming catalyst layer>, the surface layer is the above yttria-stabilized zirconia, or “stabilized zirconia, partially stabilized zirconia, zirconia, alumina, The term “yttria-stabilized zirconia” is used as appropriate, including the case of including a mixture of one or more materials selected from magnesia.
表面層におけるLn1-xAxMO3の含有量は、EDX等による元素分析から求められるモル比において、10〜90%(モル%、以下同じ)、好ましくは20〜80%、より好ましくは30〜70%である。Ln1-xAxMO3含有量が多くなるに従い、バリア層との密着性は向上するが、表面層と多孔質改質触媒層の境界で隙間が発生し易くなる。 The content of Ln 1-x A x MO 3 in the surface layer is 10 to 90% (mol%, the same applies hereinafter), preferably 20 to 80%, more preferably, in the molar ratio determined from elemental analysis by EDX or the like. 30-70%. As the content of Ln 1-x A x MO 3 increases, the adhesion to the barrier layer improves, but a gap is likely to occur at the boundary between the surface layer and the porous reforming catalyst layer.
表面層におけるNi、Rh、Ru、Ir、Pd、Pt、Re、Co、Feのいずれか一つ以上の金属の含有量は、5〜50%(モル%、以下同じ)、好ましくは20〜40%である。また、表面層におけるイットリア安定化ジルコニアの含有量は5〜50%、好ましくは20〜40%である。Ni、Rh、Ru、Ir、Pd、Pt、Re、Co、Feのいずれか一つ以上の金属及び/又はイットリア安定化ジルコニアにより、Ln1-xAxMO3含有部と非含有部との密着性が得られる。 The content of one or more metals of Ni, Rh, Ru, Ir, Pd, Pt, Re, Co, and Fe in the surface layer is 5 to 50% (mol%, the same applies hereinafter), preferably 20 to 40 %. The content of yttria-stabilized zirconia in the surface layer is 5 to 50%, preferably 20 to 40%. By using at least one of Ni, Rh, Ru, Ir, Pd, Pt, Re, Co, and Fe and / or yttria-stabilized zirconia, the Ln 1-x A x MO 3 containing part and the non-containing part Adhesion can be obtained.
表面層の厚さには限定はなく任意に設定できる。また、サブミクロンオーダーから多孔質改質触媒層全体にLn1-xAxMO3成分が含有されていてもよい。Ln1-xAxMO3は、ニッケルやイットリア安定化ジルコニアに比べて高コストであるため、多孔質改質触媒層全体でなく、表面のみに含有されている方が好ましい。また表面部から多孔質改質触媒層の内部にかけて、Ln1-xAxMO3含有比率が減少していくような傾斜された構造となっていてもよい。 The thickness of the surface layer is not limited and can be set arbitrarily. Further, the Ln 1-x A x MO 3 component may be contained in the entire porous reforming catalyst layer from the submicron order. Ln 1-x A x MO 3 is more expensive than nickel or yttria-stabilized zirconia, so it is preferable that Ln 1-x A x MO 3 is contained only on the surface, not the entire porous reforming catalyst layer. Further, the structure may be inclined so that the Ln 1-x A x MO 3 content ratio decreases from the surface portion to the inside of the porous reforming catalyst layer.
多孔質改質触媒層は、例えば、Ni粒子、NiO粒子及びイットリア安定化ジルコニアの粒子を混合し、混合物を押出成形、加圧成形等により成形し、焼結することにより構成することができる。また、表面層は、前記金属がNiの場合、多孔質改質触媒層上にNiOとLn1-xAxMO3とイットリア安定化ジルコニアの混合粉末を、スラリーコート法やスプレー吹き付け法、印刷法により形成することができる。 The porous reforming catalyst layer can be constituted, for example, by mixing Ni particles, NiO particles and yttria-stabilized zirconia particles, molding the mixture by extrusion molding, pressure molding, or the like, and sintering the mixture. In addition, when the metal is Ni, the surface layer is a slurry coating method, spray spraying method, printing, or the like, mixed powder of NiO, Ln 1-x A x MO 3 and yttria-stabilized zirconia on the porous reforming catalyst layer. It can be formed by the method.
〈第2の層であるバリア層〉
第2の層であるバリア層は、多孔質改質触媒層のNiと、水素分離兼アノード層における水素分離膜成分のPdとの相互拡散を防止するための層である。図1で言えばバリア層2に相当する層である。
<Barrier layer as the second layer>
The barrier layer as the second layer is a layer for preventing mutual diffusion of Ni of the porous reforming catalyst layer and Pd of the hydrogen separation membrane component in the hydrogen separation / anode layer. In FIG. 1, this is a layer corresponding to the
その構成材料は、使用温度である400〜700℃の水素雰囲気において還元により金属にまで分解されないことが必要である。還元により分解して金属を生ずると、第3の層である、Pd膜又はPd合金膜により構成される水素分離兼アノード層と反応し、(a)水素分離兼アノード層に穴が開く、(b)水素分離性が低下する、等の欠陥、問題が起こり好ましくない。また、使用温度における二酸化炭素雰囲気において分解しないことも必要である。 The constituent material is required not to be decomposed into a metal by reduction in a hydrogen atmosphere at 400 to 700 ° C. which is a use temperature. When metal is generated by decomposition by reduction, it reacts with the third layer, the hydrogen separation / anode layer constituted by the Pd film or Pd alloy film, and (a) a hole is opened in the hydrogen separation / anode layer. b) Defects and problems such as a decrease in hydrogen separation occur, which is not preferable. It is also necessary not to decompose in a carbon dioxide atmosphere at the use temperature.
このため、バリア層の構成材料としては、(a)電気伝導性のLn1-xAxMO3(式中、Lnは希土類元素、AはBa、Sr、Caのいずれか一つ以上であり、MはCr、Tiのいずれか一つ以上であり、Xの範囲は0≦X≦1である)、(b)安定化ジルコニア、部分安定化ジルコニア、ジルコニア、アルミナ、マグネシアのいずれか一つ以上とLn1-xAxMO3との混合物もしくは化合物が使用される。これらの材料は還元雰囲気、CO2雰囲気においても耐久性を有する。 For this reason, as the constituent material of the barrier layer, (a) electrically conductive Ln 1-x A x MO 3 (wherein Ln is a rare earth element, A is any one of Ba, Sr, and Ca) , M is at least one of Cr and Ti, and the range of X is 0 ≦ X ≦ 1), (b) any one of stabilized zirconia, partially stabilized zirconia, zirconia, alumina, and magnesia A mixture or a compound of the above and Ln 1-x A x MO 3 is used. These materials have durability even in a reducing atmosphere and a CO 2 atmosphere.
また、バリア層はガスが通過するために多孔質であることが必要である。その気孔率は5〜85%、平均気孔径は0.05〜10μmであるのが好ましい。厚さは5〜100μmであるのが好ましい。バリア層では電気伝導性を有する材料がLn1-xAxMO3であり、第3の層である水素分離兼アノード層で発生した電流は、Ln1-xAxMO3を通じて第1の層である多孔質改質触媒層側に導出される。このため、バリア層中のLn1-xAxMO3の含有割合は高いほど、電池性能が向上する。その含有比率は20〜100%(モル%、以下同じ)、好ましくは40〜100%、より好ましくは60〜100%である。前記表面層では、電気伝導性の一部をNi、Rh、Ru、Ir、Pd、Pt、Re、Co、Feのいずれか一つ以上の金属が担っているが、バリア層ではLn1-xAxMO3のみが電気伝導性を担うため、Ln1-xAxMO3の含有比率は表面層でのその比率以上であるのが好ましい。 Further, the barrier layer needs to be porous in order for gas to pass through. The porosity is preferably 5 to 85%, and the average pore diameter is preferably 0.05 to 10 μm. The thickness is preferably 5 to 100 μm. In the barrier layer, the material having electrical conductivity is Ln 1-x A x MO 3 , and the current generated in the third layer, the hydrogen separation / anode layer, passes through the first layer through Ln 1-x A x MO 3 . It is led out to the porous reforming catalyst layer side which is a layer. Therefore, the content of Ln 1-x A x MO 3 barrier layer is higher, thereby improving the battery performance. The content ratio is 20 to 100% (mol%, the same applies hereinafter), preferably 40 to 100%, more preferably 60 to 100%. In the surface layer, a part of electrical conductivity is carried by one or more metals of Ni, Rh, Ru, Ir, Pd, Pt, Re, Co, and Fe. In the barrier layer, Ln 1-x Since only A x MO 3 bears electrical conductivity, the content ratio of Ln 1-x A x MO 3 is preferably greater than or equal to that in the surface layer.
バリア層は、多孔質である必要があるが、その形成時に多孔質になるものであってもよく、燃料電池としての使用時に多孔質になるものであってもよい。また、そのようにバリア層を形成するに際して、第3の層である水素分離兼アノード層の成分をバリア層に食い込ませるアンカー効果により、第1の層である多孔質改質触媒層に対して、水素分離兼アノード層をより強固に保持することができる。加えて、バリア層は、燃料ガス相からアノード相(水素分離兼アノード層)への水素の固溶サイトを三次元的に拡大する効果があり、これにより改質器一体型燃料電池のアノード分極を小さくすることができる。 The barrier layer needs to be porous, but may be porous when formed, or may be porous when used as a fuel cell. Further, when the barrier layer is formed in such a manner, the anchoring effect of causing the components of the hydrogen separation / anode layer, which is the third layer, to penetrate into the barrier layer is used for the porous reforming catalyst layer, which is the first layer. The hydrogen separation / anode layer can be held more firmly. In addition, the barrier layer has the effect of expanding the solid solution site of hydrogen from the fuel gas phase to the anode phase (hydrogen separation and anode layer) three-dimensionally. Can be reduced.
バリア層の形成の仕方としては、多孔質改質触媒層上の表面層に対してディップコート法、スプレー吹き付け法、印刷法、あるいは触媒金属の溶解除去法などによって行うことができる。このうち印刷法は、多孔質改質触媒層が平板状である場合に特に有用である。また、その作製時に表面層との同時焼成を行ってもよい。 The barrier layer can be formed by a dip coating method, a spray spraying method, a printing method, or a catalyst metal dissolution and removal method on the surface layer on the porous reforming catalyst layer. Among these, the printing method is particularly useful when the porous reforming catalyst layer is flat. Moreover, you may perform simultaneous baking with a surface layer at the time of the preparation.
例えば、Ln1-xCaxCrO3粉末を水あるいは有機溶媒に分散してスラリーとし、多孔質改質触媒層に形成した表面層に対してスプレー吹き付け法、印刷法などにより塗布し、熱処理することで形成することができる。Ln1-xCaxCrO3が電気伝導性を有するため、水素分離兼アノード層で発生した電気が、バリア層、表面層を通って、多孔質改質触媒層に流れる。 For example, Ln 1-x Ca x CrO 3 powder is dispersed in water or an organic solvent to form a slurry, which is applied to the surface layer formed on the porous reforming catalyst layer by spraying, printing, etc., and heat-treated. Can be formed. Since Ln 1-x Ca x CrO 3 has electrical conductivity, electricity generated in the hydrogen separation / anode layer flows to the porous reforming catalyst layer through the barrier layer and the surface layer.
〈第3の層である水素分離兼アノード層〉
第3の層である水素分離兼アノード層は、多孔質改質触媒層に形成したバリア層の面に形成する。水素分離兼アノード層は、水素分離膜としての機能、役割に加えて、アノードとしての機能、役割も兼ねる。図1で言えば水素分離兼アノード層3に相当する層である。
<Third layer, hydrogen separation and anode layer>
The third hydrogen separation / anode layer is formed on the surface of the barrier layer formed on the porous reforming catalyst layer. The hydrogen separation / anode layer has a function and a role as an anode in addition to a function and a role as a hydrogen separation membrane. In FIG. 1, this layer corresponds to the hydrogen separation /
水素分離兼アノード層の構成材料としては、改質ガスから水素を選択的に透過する機能を有し、且つ燃料電池のアノードとしての機能を有する材料であればいずれも用いられる。その好ましい例として、Pd膜、Pd合金膜、5族金属(V、Nb又はTa)膜、5族金属合金膜、あるいは、5族金属膜又は5族金属合金膜とPd膜又はPd合金膜との多層膜が挙げられる。Pdと合金化する金属としては、Au、Ag、Cu、Pt、Rh、Ru、Ir、Ce、Sm、Tb、Dy、Ho、Er、Yb、Y、Gdが挙げられる。それら金属の二種類以上を組み合わせてもよい。
As a constituent material of the hydrogen separation / anode layer, any material can be used as long as it has a function of selectively permeating hydrogen from the reformed gas and a function as an anode of the fuel cell. Preferred examples thereof include a Pd film, a Pd alloy film, a
それら水素分離兼アノード層の構成材料をバリア層の面に対してメッキ法や蒸着法、その他適宜の方法により形成することでバリア層に支持される。水素分離膜兼アノード層は、穴(孔)のない緻密な膜であることが必要であるが、バリア層を介しているので、水素分離兼アノード層自体を薄膜化できる。その厚さは好ましくは30μm以下である。PdやPd合金は高価であるが、薄膜化によりコスト低減が可能であり、また水素透過速度の向上が可能となる。 These constituent materials for the hydrogen separation / anode layer are supported on the barrier layer by forming the surface of the barrier layer on the surface of the barrier layer by plating, vapor deposition, or other appropriate methods. The hydrogen separation membrane / anode layer needs to be a dense membrane without holes (holes), but since the barrier separation layer is interposed, the hydrogen separation membrane / anode layer itself can be thinned. The thickness is preferably 30 μm or less. Pd and Pd alloys are expensive, but the cost can be reduced by reducing the film thickness, and the hydrogen permeation rate can be improved.
〈第4の層である電解質層〉
第4の層である電解質層は、燃料である水素がアノードでイオン化した水素イオン(プロトン)を伝導し通過させる役割をする。図1で言えば電解質層4に相当する層である。
<The electrolyte layer which is the 4th layer>
The electrolyte layer, which is the fourth layer, plays a role of conducting and passing hydrogen ions (protons) ionized at the anode by hydrogen as the fuel. In FIG. 1, this is a layer corresponding to the electrolyte layer 4.
電解質層の構成材料としては、そのようにプロトンを伝導し得る材料であればいずれも用いられる。その例としては、式:ABO3(式中、AはBa、Sr、Caのいずれか一つ以上であり、BはCe、Zrのいずれか一つ以上である。BサイトのCe、Zrは一部希土類元素で置換できる)で表されるペロブスカイト化合物が挙げられる。このうち一部、特にBサイトにCeを含む化合物は、燃料ガス中のCO2に対する化学的安定性が乏しいことが知られているが、第3の層である水素分離兼アノード層が緻密に形成されていれば、電解質材料と燃料ガス層との直接接触が遮断されるために、そのような問題を回避することができる。 As the constituent material of the electrolyte layer, any material that can conduct protons is used. Examples thereof include the formula: ABO 3 (wherein A is one or more of Ba, Sr and Ca, B is one or more of Ce and Zr. Ce and Zr of B site are And a perovskite compound that can be partially substituted with rare earth elements). Of these compounds, especially compounds containing Ce at the B site are known to have poor chemical stability against CO 2 in the fuel gas, but the third layer, the hydrogen separation and anode layer, is dense. If it is formed, the direct contact between the electrolyte material and the fuel gas layer is interrupted, so that such a problem can be avoided.
電解質層は、例えば、BaCe0.8Y0.2O3±δなどをバインダー、分散剤とともに、水あるいは有機溶媒に添加、混合してスラリーとし、スクリーン印刷等により水素分離兼アノード層の面に塗布した後、熱処理することで形成することができる。また、BaCe0.8Y0.2O3±δの各金属イオンを含むアルコキシド溶液を用いる、所謂ゾルゲル法や、物理蒸着や化学蒸着法により形成してもよい。 The electrolyte layer is obtained, for example, by adding BaCe 0.8 Y 0.2 O 3 ± δ or the like together with a binder and a dispersant to water or an organic solvent and mixing it to form a slurry, which is applied to the surface of the hydrogen separation and anode layer by screen printing or the like. It can be formed by heat treatment. Alternatively, it may be formed by a so-called sol-gel method, physical vapor deposition, or chemical vapor deposition using an alkoxide solution containing metal ions of BaCe 0.8 Y 0.2 O 3 ± δ.
電解質層は、そのようなプロトン伝導し得る材料を主成分として構成されていればよく、プロトン伝導性を有する範囲内で、他の材料との混合物としても差し支えない。電解質層の厚さは好ましくは10μm以下である。 The electrolyte layer only needs to be composed of such a material capable of conducting protons as a main component, and may be a mixture with other materials within a range having proton conductivity. The thickness of the electrolyte layer is preferably 10 μm or less.
〈第5の層であるカソード層〉
第5の層であるカソード層は図1で言えばカソード層5に相当する層である。カソード層の構成材料としては、Ln1-xAxCoO3±δ、Ln1-xAxFeO3±δ、Ln1-xAxMnO3±δ(これらの式中、Lnは希土類元素、AはBa、Sr又はCaである)などのセラミックスや、Ag、Pt、Phなどの金属が用いられる。それら化学式のうち、Ln1-xAxCoO3±δの場合ついて例示するとLa0.6Sr0.4CoO3±δ、Sm0.5Sr0.5CoO3±δ、Pr0.5Ba0.5CoO3±δなどが挙げられる。
<Cathode layer as the fifth layer>
The cathode layer which is the fifth layer is a layer corresponding to the
カソード層は、電解質層の面にそれらの材料のスラリー、あるいはペーストを用いてスクリーン印刷等により塗布した後、熱処理することで形成される。カソード層の厚さは好ましくは30μm以下である。 The cathode layer is formed by applying a heat treatment after applying the slurry or paste of the material to the surface of the electrolyte layer by screen printing or the like. The thickness of the cathode layer is preferably 30 μm or less.
《本発明(1)の改質器一体型燃料電池の態様》
本発明(1)は、多孔質改質触媒層の上に、順次、バリア層、水素分離兼アノード層、電解質層及びカソード層を配置してなり、当該多孔質改質触媒層のバリア層側にNi、Rh、Ru、Ir、Pd、Pt、Re、Co、Feのいずれか一つ以上の金属及びLn1-xAxMO3を含む表面層を設けてなる改質器一体型燃料電池である。
<< Mode of Reformer-Integrated Fuel Cell of the Present Invention (1) >>
In the present invention (1), a barrier layer, a hydrogen separation / anode layer, an electrolyte layer, and a cathode layer are sequentially disposed on the porous reforming catalyst layer, and the porous reforming catalyst layer is on the barrier layer side. A reformer-integrated fuel cell comprising a surface layer containing at least one of Ni, Rh, Ru, Ir, Pd, Pt, Re, Co, and Fe and Ln 1-x A x MO 3 It is.
この態様における構成を層構造でみると「多孔質改質触媒層−表面層−バリア層−水素分離兼アノード層−電解質層−カソード層」となり、そして、その表面層がNi、Rh、Ru、Ir、Pd、Pt、Re、Co、Feのいずれか一つ以上の金属及びLn1-xAxMO3を含む材料で形成されている。 When the structure in this embodiment is viewed as a layer structure, it becomes “porous reforming catalyst layer—surface layer—barrier layer—hydrogen separation / anode layer—electrolyte layer—cathode layer”, and the surface layer is Ni, Rh, Ru, It is made of a material containing at least one of Ir, Pd, Pt, Re, Co, and Fe and Ln 1-x A x MO 3 .
このように、本発明(1)の改質器一体型燃料電池においては、その層構造を備えることを必須とし、多孔質改質触媒層とバリア層との間にNi、Rh、Ru、Ir、Pd、Pt、Re、Co、Feのいずれか一つ以上の金属及びLn1-xAxMO3を含む表面層を設ける。これにより、多孔質改質触媒層とバリア層との密着性を向上させ、耐久性に優れた改質器一体型燃料電池とすることができる。この点は後述、本発明(2)〜(4)の改質器一体型燃料電池についても同様である。 Thus, in the reformer-integrated fuel cell of the present invention (1), it is essential to have the layer structure, and Ni, Rh, Ru, Ir are provided between the porous reforming catalyst layer and the barrier layer. , Pd, Pt, Re, Co, Fe, and a surface layer containing one or more metals and Ln 1-x A x MO 3 . Thereby, the adhesiveness of a porous reforming catalyst layer and a barrier layer can be improved, and it can be set as the reformer integrated fuel cell excellent in durability. This also applies to the reformer-integrated fuel cell of the present invention (2) to (4) described later.
多孔質改質触媒層の形状は、平板状でもよく、断面円形状でもよく、断面楕円形状でもよく、断面長方形状でもよく、断面多角形状でもよい。多孔質改質触媒層の上に各層が層状に配置されるので、本発明(1)の改質器一体型燃料電池は多孔質改質触媒層の形状に対応した形状に構成される。それらいずれの形状の場合にも、多孔質改質触媒層について、表面層、バリア層、水素分離兼アノード層、電解質層及びカソード層が配置された側と相対する側が燃料流路となり、カソード層側が酸化剤ガス流路となる。 The shape of the porous reforming catalyst layer may be a flat plate shape, a circular cross section, an elliptical cross section, a rectangular cross section, or a polygonal cross section. Since each layer is arranged in layers on the porous reforming catalyst layer, the reformer-integrated fuel cell of the present invention (1) is configured in a shape corresponding to the shape of the porous reforming catalyst layer. In any of these shapes, the porous reforming catalyst layer has a fuel flow path on the side opposite to the side where the surface layer, barrier layer, hydrogen separation / anode layer, electrolyte layer, and cathode layer are disposed, and the cathode layer The side becomes an oxidant gas flow path.
なお、多孔質改質触媒層の形状が断面円形状、断面楕円形状、断面長方形状、断面多角形状の場合には、その内部長手方向に連通する内空を備えることができる。その内空を燃料流路にすれば本発明(2)に相当する改質器一体型燃料電池となる。 In addition, when the shape of the porous reforming catalyst layer is a circular cross-section, an elliptical cross-section, a rectangular cross-section, or a polygonal cross-section, an inner space that communicates with the inner longitudinal direction can be provided. If the inner space is used as a fuel flow path, a reformer integrated fuel cell corresponding to the present invention (2) is obtained.
〈態様例1:平板状の改質器一体型燃料電池の態様例〉
図2は、本発明(1)の改質器一体型燃料電池の一例として、平板状の改質器一体型燃料電池の態様例を説明する図である。図2(a)は平面図、図2(b)は図2(a)中A−A線断面図である。図2の各層1〜5はそれぞれ図1の各層1〜5に対応している。この点、以下に述べる改質器一体型燃料電池についても同様である。
<Aspect Example 1: Example of Flat Reformer-Integrated Fuel Cell>
FIG. 2 is a diagram illustrating an example of a planar reformer-integrated fuel cell as an example of the reformer-integrated fuel cell of the present invention (1). 2A is a plan view, and FIG. 2B is a cross-sectional view taken along line AA in FIG. 2A. Each of the
図2(b)のとおり、多孔質改質触媒層1とカソード層5との間に閉回路を構成し、負荷をかけることで電力が取り出される。その際、多孔質改質触媒層1に集電体を接して配置することにより電気を取り出すことができる。このように集電体を配する点は、以下で述べる態様についても同様である。
As shown in FIG. 2B, a closed circuit is formed between the porous reforming
〈態様例2:平板状の改質器一体型燃料電池の積層態様〉
平板状の改質器一体型燃料電池は、セパレータを介して積層してスタック化することもできる。図3はその態様を示す図である。図3のとおり、複数個の平板状の改質器一体型燃料電池を、各カソード層5を同じ方向に向け、上下に位置する隣り合う多孔質改質触媒層1とカソード層5との間に、セパレータSEを挟んで積層する。
<Aspect Example 2: Stacking Aspect of Flat Reformer-Integrated Fuel Cell>
The flat reformer-integrated fuel cell can be stacked by stacking with a separator. FIG. 3 is a diagram showing this aspect. As shown in FIG. 3, a plurality of planar reformer-integrated fuel cells are arranged between adjacent porous reforming
このように複数個の平板状の改質器一体型燃料電池を積層することによりコンパクト化できる。図3のとおり、積層されたスタックの横方向から、アノード側に燃料と水蒸気、カソード側に酸化剤ガスを導入する。そして最外層の多孔質改質触媒層1aと最外層のカソード層5aとの間に閉回路を構成し、負荷をかけることで電力が取り出される。その際、多孔質改質触媒層は多孔質すなわち多数の連通孔を有するので、多孔質改質触媒層自体が燃料流路となり、且つ炭化水素系燃料を改質する。
Thus, it is possible to reduce the size by stacking a plurality of planar reformer integrated fuel cells. As shown in FIG. 3, fuel and water vapor are introduced into the anode side and oxidant gas is introduced into the cathode side from the lateral direction of the stacked stack. Then, a closed circuit is formed between the outermost porous reforming catalyst layer 1a and the
《本発明(2)の改質器一体型燃料電池の態様》
本発明(2)は、内部に燃料流路を有する多孔質改質触媒層の外周面に順次、バリア層、水素分離兼アノード層、電解質層及びカソード層を配置してなり、当該多孔質改質触媒層のバリア層側にNi、Rh、Ru、Ir、Pd、Pt、Re、Co、Feのいずれか一つ以上の金属及びLn1-xAxMO3を含む表面層を設けてなる改質器一体型燃料電池である。
<< Aspect of Reformer-Integrated Fuel Cell of the Present Invention (2) >>
In the present invention (2), a barrier layer, a hydrogen separation / anode layer, an electrolyte layer, and a cathode layer are sequentially arranged on the outer peripheral surface of a porous reforming catalyst layer having a fuel flow path therein. A surface layer containing at least one of Ni, Rh, Ru, Ir, Pd, Pt, Re, Co, and Fe and Ln 1-x A x MO 3 is provided on the barrier layer side of the porous catalyst layer. This is a reformer integrated fuel cell.
この態様における構成を層構造でみると「内部に燃料流路を有する多孔質改質触媒層−表面層−バリア層−水素分離兼アノード層−電解質層−カソード層」となり、そしてその表面層がNi、Rh、Ru、Ir、Pd、Pt、Re、Co、Feのいずれか一つ以上の金属及びLn1-xAxMO3を含む材料で形成されている。前記〈本発明(1)の改質器一体型燃料電池の態様〉との関係では、本発明(2)は、本発明(1)における多孔質改質触媒層が「内部に燃料流路を有する多孔質改質触媒層」である点で異なる。 When the configuration in this embodiment is viewed as a layer structure, it becomes “a porous reforming catalyst layer having a fuel flow passage inside—a surface layer—a barrier layer—a hydrogen separation / anode layer—an electrolyte layer—a cathode layer”, and the surface layer is It is made of a material containing at least one of Ni, Rh, Ru, Ir, Pd, Pt, Re, Co, and Fe and Ln 1-x A x MO 3 . In relation to the above-described <aspect of the reformer-integrated fuel cell of the present invention (1)>, the present invention (2) has a structure in which the porous reforming catalyst layer in the present invention (1) has “a fuel flow path inside. It differs in that it is a “porous reforming catalyst layer”.
本発明(2)における「内部に燃料流路を有する多孔質改質触媒層」の形状は、断面円形状でもよく、断面楕円形状でもよく、断面長方形状でもよく、断面多角形状でもよい。内部に燃料流路を有する多孔質改質触媒層の上に各層が層状に配置されるので、本発明(2)の改質器一体型燃料電池は多孔質改質触媒層の形状に対応した形状に構成される。 In the present invention (2), the shape of the “porous reforming catalyst layer having a fuel flow path therein” may be a circular cross section, an elliptical cross section, a rectangular cross section, or a polygonal cross section. Since each layer is arranged in layers on a porous reforming catalyst layer having a fuel flow path therein, the reformer-integrated fuel cell of the present invention (2) corresponds to the shape of the porous reforming catalyst layer. Configured in shape.
〈態様例1:円筒管状改質器一体型燃料電池〉
図4は、本発明(2)の改質器一体型燃料電池の一例として、断面円形状の改質器一体型燃料電池を説明する図である。図4(a)は長手方向断面図、図4(b)は図4(a)中A−A線断面図である。多孔質改質触媒層1は一端から他端に連通する内空Sを有する円筒管状(断面円形状)に形成される。その内空Sが燃料及び水蒸気の流路すなわち燃料流路である。
<Example 1: Cylindrical tubular reformer integrated fuel cell>
FIG. 4 is a diagram for explaining a reformer integrated fuel cell having a circular cross section as an example of the reformer integrated fuel cell of the present invention (2). 4A is a longitudinal sectional view, and FIG. 4B is a sectional view taken along line AA in FIG. 4A. The porous reforming
〈態様例2:円筒管状改質器一体型燃料電池〉
図5は、上記〈態様例1〉の変形態様を説明する図で、図5(a)に斜視図として示している。図5(a)のとおり、長手方向にインターコネクタINを形成する。インターコネクタINの構成材料としては、Ag、Ag合金等の金属や、Ln1-xAxMO3(式中、Lnは希土類元素、AはBa、Sr、Caのいずれか一つ以上であり、MはCr、Tiのいずれか一つ以上であり、Xの範囲は0≦X≦1である)などの導電性セラミックス、導電性セラミックスとジルコニア、アルミナ等との混合物、InO2、SnO2などの導電性物質とガラス等の混合物が用いられる。インターコネクタINは多孔質改質触媒層1に接合、連結される。この態様では、インターコネクタINとカソード層5との間に閉回路を構成し、負荷をかけることで電力が取り出される。
<Example 2: Cylindrical tubular reformer integrated fuel cell>
FIG. 5 is a diagram for explaining a modified embodiment of the above <embodiment example 1>, and is shown as a perspective view in FIG. As shown in FIG. 5A, the interconnector IN is formed in the longitudinal direction. As a constituent material of the interconnector IN, a metal such as Ag or an Ag alloy, or Ln 1-x A x MO 3 (wherein Ln is a rare earth element, A is any one of Ba, Sr, and Ca) , M is one or more of Cr and Ti, and the range of X is 0 ≦ X ≦ 1), etc., a mixture of conductive ceramics and zirconia, alumina, etc., InO 2 , SnO 2 A mixture of a conductive material such as glass and glass is used. The interconnector IN is joined and connected to the porous reforming
図5(b)はそのような円筒管状改質器一体型燃料電池の複数個を併置してスタック化した態様例である。各円筒管状改質器一体型燃料電池の単位をインターコネクタINにより電気的に並列または直列に連結して閉回路を構成し、負荷をかけることで電力が取り出される。電気的に並列に連結した場合は高電流が得られ、電気的に直列に連結した場合は高電圧が得られる。 FIG. 5B shows an example of a stack in which a plurality of such cylindrical tubular reformer integrated fuel cells are juxtaposed. Each cylindrical tubular reformer-integrated fuel cell unit is electrically connected in parallel or in series by an interconnector IN to form a closed circuit, and electric power is taken out by applying a load. A high current is obtained when electrically connected in parallel, and a high voltage is obtained when electrically connected in series.
〈態様例3:断面長方形状の改質器一体型燃料電池〉
図6は、本発明(2)の改質器一体型燃料電池の他の態様例として、断面長方形状の改質器一体型燃料電池を説明する図である。図6(a)は長手方向断面図、図6(b)は図6(a)中A−A線断面図である。多孔質改質触媒層1は一端から他端に連通する内空Sを有する断面長方形状に形成される。その内空Sが燃料及び水蒸気の流路すなわち燃料流路である。
<Example 3: Reformer-integrated fuel cell having a rectangular cross section>
FIG. 6 is a diagram for explaining a reformer-integrated fuel cell having a rectangular cross section as another embodiment of the reformer-integrated fuel cell of the present invention (2). 6A is a longitudinal sectional view, and FIG. 6B is a sectional view taken along line AA in FIG. 6A. The porous reforming
《本発明(3)の改質器一体型燃料電池の態様》
本発明(3)は、内部に酸化剤ガス流路を有し、多孔質改質触媒層の内周面に順次、バリア層、水素分離兼アノード層、電解質層及びカソード層を配置してなり、当該多孔質改質触媒層のバリア層側にNi、Rh、Ru、Ir、Pd、Pt、Re、Co、Feのいずれか一つ以上の金属及びLn1-xAxMO3を含む表面層を設けてなる改質器一体型燃料電池である。前記本発明(2)とは内部に酸化剤ガス流路を有する点で異なる。
<< Aspect of Reformer-Integrated Fuel Cell of the Present Invention (3) >>
The present invention (3) has an oxidant gas flow path inside, and a barrier layer, a hydrogen separation / anode layer, an electrolyte layer, and a cathode layer are sequentially arranged on the inner peripheral surface of the porous reforming catalyst layer. The surface containing one or more metals of Ni, Rh, Ru, Ir, Pd, Pt, Re, Co, and Fe and Ln 1-x A x MO 3 on the barrier layer side of the porous reforming catalyst layer A reformer-integrated fuel cell provided with a layer. The present invention (2) differs from the present invention (2) in that an oxidant gas flow path is provided inside.
この態様における構成を層構造でみると、外側から内側に向けて「多孔質改質触媒層−表面層−バリア層−水素分離兼アノード層−電解質層−カソード層」となり、そして、その表面層がNi、Rh、Ru、Ir、Pd、Pt、Re、Co、Feのいずれか一つ以上の金属及びLn1-xAxMO3を含む材料で形成されている。多孔質改質触媒層の形状は、断面円形状でもよく、断面楕円形状でもよく、断面長方形状でもよく、断面多角形状でもよい。多孔質改質触媒層の内側に順次各層が層状に配置されるので、改質器一体型燃料電池は多孔質改質触媒層の形状に対応した形状に構成される。 When the structure in this embodiment is viewed in a layer structure, it becomes “porous reforming catalyst layer-surface layer-barrier layer-hydrogen separation / anode layer-electrolyte layer-cathode layer” from the outside to the inside, and the surface layer Is made of a material containing at least one of Ni, Rh, Ru, Ir, Pd, Pt, Re, Co, and Fe and Ln 1-x A x MO 3 . The shape of the porous reforming catalyst layer may be a circular cross section, an elliptical cross section, a rectangular cross section, or a polygonal cross section. Since the layers are sequentially arranged inside the porous reforming catalyst layer, the reformer-integrated fuel cell is configured in a shape corresponding to the shape of the porous reforming catalyst layer.
図7は、本発明(3)の改質器一体型燃料電池、すなわち内部に酸化剤ガス流路SAを有する断面円形状の改質器一体型燃料電池を説明する図である。図7のとおり、断面円形状の多孔質改質触媒層1の内周面に順次、表面層1’、バリア層2、水素分離兼アノード層3、電解質層4、カソード層5を配置し、カソード層5の内部に酸化剤ガス流路SAを有する。当該内膜形断面円形状の燃料電池以外の内膜形断面楕円形状燃料電池、内膜形断面長方形状燃料電池、内膜形断面多角形状燃料電池についても同様に構成される。それらいずれの形状の場合にも、多孔質改質触媒層について、表面層、バリア層、水素分離兼アノード層、電解質層及びカソード層が配置された側と相対する側が燃料流路となり、カソード層側が酸化剤ガス流路となる。すなわち、当該カソード層側の酸化剤ガス流路が本発明(3)の改質器一体型燃料電池において“内部に酸化剤ガス流路を有し”として言う酸化剤ガス流路である。他の点は前記《本発明(2)の改質器一体型燃料電池の態様》における〈態様例1:円筒状改質器一体型燃料電池〉の場合と同様である。
FIG. 7 is a diagram for explaining a reformer-integrated fuel cell of the present invention (3), that is, a reformer-integrated fuel cell having a circular cross section having an oxidant gas passage SA therein. As shown in FIG. 7, a
《本発明(4)の改質器一体型燃料電池の態様》
本発明(4)は、内部に燃料流路を備えた電気絶縁性多孔質基体管の上に順次、多孔質改質触媒層、バリア層、水素分離兼アノード層、電解質及びカソード層を積層した層構造を有する発電素子部が隣接されて複数形成されるとともに、当該多孔質改質触媒層のバリア層側にNi、Rh、Ru、Ir、Pd、Pt、Re、Co、Feのいずれか一つ以上の金属及びLn1-xAxMO3を含む表面層を設けてなり、且つ、少なくとも2つ以上の隣り合う発電素子部がインターコネクタにより電気的に直列に接続されている改質器一体型燃料電池である。
<< Mode of Reformer-Integrated Fuel Cell of the Present Invention (4) >>
In the present invention (4), a porous reforming catalyst layer, a barrier layer, a hydrogen separation / anode layer, an electrolyte, and a cathode layer are sequentially laminated on an electrically insulating porous substrate tube having a fuel flow path therein. A plurality of power generating element portions having a layer structure are formed adjacent to each other, and any one of Ni, Rh, Ru, Ir, Pd, Pt, Re, Co, and Fe is formed on the barrier layer side of the porous reforming catalyst layer. A reformer provided with a surface layer containing one or more metals and Ln 1-x A x MO 3 and having at least two adjacent power generating element portions electrically connected in series by an interconnector This is an integrated fuel cell.
この態様における各発電素子部の構成を層構造でみると「内部に燃料流路を備えた電気絶縁性多孔質基体管−多孔質改質触媒層−表面層−バリア層−水素分離兼アノード層−電解質−カソード層」となり、そしてその表面層がNi、Rh、Ru、Ir、Pd、Pt、Re、Co、Feのいずれか一つ以上の金属及びLn1-xAxMO3を含む材料で形成されている。電気絶縁性多孔質基体管の構成材料としては、(a)MgO、MgAl2O4、(b)安定化ジルコニア、ジルコニア、(c)アルミナ、あるいは(a)、(b)及び(c)のうちのいずれか2種の混合物、(a)、(b)及び(c)の混合物などが用いられる。 The structure of each power generating element part in this embodiment is viewed as a layer structure: “Electrically insulating porous substrate tube having a fuel flow path therein—porous reforming catalyst layer—surface layer—barrier layer—hydrogen separation and anode layer A material containing at least one of Ni, Rh, Ru, Ir, Pd, Pt, Re, Co and Fe and Ln 1-x A x MO 3. It is formed with. The constituent materials of the electrically insulating porous substrate tube are (a) MgO, MgAl 2 O 4 , (b) stabilized zirconia, zirconia, (c) alumina, or (a), (b) and (c). A mixture of any two of them, a mixture of (a), (b) and (c), etc. are used.
内部に燃料流路を備えた電気絶縁性多孔質基体管の形状は、中空の断面円形状でもよく、中空の断面楕円形状でもよく、中空の断面長方形状でもよく、中空の断面多角形状でもよい。中空の断面円形状の場合は中空の円筒形状、中空の断面長方形状の場合は中空の板状形状とも言える。内部に燃料流路を備えた電気絶縁性多孔質基体管の上に各層が層状に配置されるので、本発明(4)の改質器一体型燃料電池は「内部に燃料流路を備えた電気絶縁性多孔質基体管」の形状に対応した形状に構成される。 The shape of the electrically insulating porous substrate tube provided with the fuel flow path inside may be a hollow cross-section circular shape, a hollow cross-section elliptical shape, a hollow cross-section rectangular shape, or a hollow cross-section polygonal shape. . In the case of a hollow circular cross section, it can be said to be a hollow cylindrical shape, and in the case of a hollow cross sectional rectangular shape, it can be said to be a hollow plate shape. Since each layer is arranged in layers on an electrically insulating porous substrate tube having a fuel flow path therein, the reformer-integrated fuel cell of the present invention (4) has “with a fuel flow path inside. It is configured in a shape corresponding to the shape of “electrically insulating porous substrate tube”.
この改質器一体型燃料電池は、発電素子部が横縞状に配置されることから横縞形燃料電池とも言える。また、前記《本発明(1)の改質器一体型燃料電池の態様》との関係では、本発明(1)における多孔質改質触媒層の内側、つまりバリア層の位置と反対側に「内部に燃料流路を備えた電気絶縁性多孔質基体管」を配置する点で異なる。 This reformer-integrated fuel cell can be said to be a horizontal-striped fuel cell because the power generation element portions are arranged in a horizontal-striped manner. Further, in relation to the above-mentioned << embodiment of the reformer-integrated fuel cell of the present invention (1) >>, on the inner side of the porous reforming catalyst layer in the present invention (1), that is, on the opposite side to the position of the barrier layer. The difference is that an “electrically insulating porous substrate tube having a fuel flow path” is disposed therein.
図8は、本改質器一体型燃料電池を説明する図である。図8(a)は平面図、図8(b)〜(c)は図8(a)中A−A線断面図、図8(d)は図8(b)中の一部を取り出して示した図である。図8には断面長方形状の場合を示しているが、断面円形状、断面楕円形状、断面多角形状の場合も同様に構成される。 FIG. 8 is a diagram illustrating the reformer-integrated fuel cell. 8A is a plan view, FIGS. 8B to 8C are cross-sectional views taken along line AA in FIG. 8A, and FIG. 8D is a part of FIG. 8B taken out. FIG. Although FIG. 8 shows the case of a rectangular cross section, the same configuration is applied to a circular cross section, an elliptical cross section, and a polygonal cross section.
図8のとおり、電気絶縁性多孔質基体管SU上に多孔質改質触媒層1、表面層1’、バリア層2、水素分離兼アノード層3、電解質層4、カソード層5を順次配置する。隣り合うセル、つまり発電素子(発電素子部)の多孔質触媒層1とカソード層5がインターコネクタINによって電気的に直列に接続されている。インターコネクタINの構成材料は前記と同様である。図8では、インターコネクタINは、図8(a)のように幅方向中央部に配しているが、幅方向の幅のうちの片側部、あるいは幅方向の全幅に配してもよい。
As shown in FIG. 8, the porous reforming
燃料電池としての使用時には、図8(d)のように、電気絶縁性多孔質基体管SU側に燃料と水蒸気を流通させ、カソード層5側には酸化剤ガスを流通させる。燃料と水蒸気は、電気絶縁性多孔質基体管SUの孔を通して多孔質改質触媒層1に至り、ここで燃料が水蒸気改質され、改質ガス中のH2のみが水素分離兼アノード層3を通って電解質層4に流れて発電に寄与する。なお、図8(d)中、発電時の電流の流れを示している。
At the time of use as a fuel cell, as shown in FIG. 8D, fuel and water vapor are circulated on the electrically insulating porous substrate tube SU side, and oxidant gas is circulated on the
本発明(1)〜(4)の改質器一体型燃料電池は550〜650℃の温度で運転することができる。この温度は多孔質改質触媒層での炭化水素系燃料の水蒸気改質温度と同等の温度である。本発明(1)〜(4)の改質器一体型燃料電池は適宜断熱容器等に収容して使用する。その際、多孔質改質触媒層側〔本発明(4)では電気絶縁性多孔質基体管側〕への燃料、水蒸気の供給機構、アノードオフガスの導出機構、カソード層側への酸化剤ガスの供給機構、カソードオフガスの導出機構が配置される。 The reformer-integrated fuel cells of the present invention (1) to (4) can be operated at a temperature of 550 to 650 ° C. This temperature is equivalent to the steam reforming temperature of the hydrocarbon fuel in the porous reforming catalyst layer. The reformer-integrated fuel cells of the present invention (1) to (4) are appropriately used in a heat insulating container or the like. At that time, the supply mechanism of fuel and water vapor to the porous reforming catalyst layer side (the electrically insulating porous substrate tube side in the present invention (4)), the derivation mechanism of the anode off gas, the oxidant gas to the cathode layer side A supply mechanism and a cathode off-gas lead-out mechanism are arranged.
多孔質改質触媒層側〔本発明(4)では電気絶縁性多孔質基体管側〕へ供給する燃料としては都市ガス、天然ガス、石油ガス、ガソリン、灯油、その他の多様な炭化水素系燃料を用いることができる。都市ガスなどのように硫黄化合物を含む燃料の場合には脱硫して改質触媒層側に供給される。カソード層側へは酸化剤ガスを供給するが、酸化剤ガスとしては、空気のほか、酸素富化空気、酸素などが用いられる。 The fuel to be supplied to the porous reforming catalyst layer side (the electrically insulating porous substrate tube side in the present invention (4)) is city gas, natural gas, petroleum gas, gasoline, kerosene, and other various hydrocarbon fuels. Can be used. In the case of a fuel containing a sulfur compound such as city gas, it is desulfurized and supplied to the reforming catalyst layer side. An oxidant gas is supplied to the cathode layer side. As the oxidant gas, oxygen-enriched air, oxygen, and the like are used in addition to air.
以下、実施例に基づき本発明をさらに詳しく説明するが、本発明がこれら実施例に限定されないことはもちろんである。図9は、実施例1〜6のうち実施例1〜5における平板状の改質器一体型燃料電池の作製過程を示した図である。 EXAMPLES Hereinafter, although this invention is demonstrated in more detail based on an Example, of course, this invention is not limited to these Examples. FIG. 9 is a diagram showing a manufacturing process of the flat reformer integrated fuel cell in Examples 1 to 5 among Examples 1 to 6.
〈実施例1〉
酸化ニッケル粉末とイットリア安定化ジルコニア粉末を重量比6:4で混合し、有機バインダを追加混合した後、シートキャスティングによりシート状に成形した。このシートを6枚積層し、脱脂工程を経た後、1400℃で焼結することにより、□22mm×厚さ1.2mmの多孔質改質触媒層1を得た。図9(a)に示している。多孔質改質触媒層1は改質器一体型燃料電池において支持体としての役割もする。
<Example 1>
Nickel oxide powder and yttria-stabilized zirconia powder were mixed at a weight ratio of 6: 4, an organic binder was additionally mixed, and then formed into a sheet by sheet casting. Six sheets were laminated, passed through a degreasing step, and sintered at 1400 ° C. to obtain a porous reforming
多孔質改質触媒層1上に、La0.8Ca0.2CrO3と酸化ニッケルとイットリア安定化ジルコニアの混合粉末ペースト(モル比5:2:3)を印刷法により形成し、1400℃に加熱して表面層1’を形成した。図9(b)に示している。表面層1’は、酸化ニッケルを含むので改質触媒としての役割もする。なお、酸化ニッケルは改質器一体型燃料電池の作動時に還元されてニッケルとなり改質触媒として機能する。
A mixed powder paste (molar ratio 5: 2: 3) of La 0.8 Ca 0.2 CrO 3 , nickel oxide and yttria-stabilized zirconia is formed on the porous reforming
バリア層2としてLa0.8Ca0.2CrO3とイットリア安定化ジルコニア混合ペースト(モル比8:2)を多孔質改質触媒層1上に印刷法により形成した後、1400℃に加熱して焼き付けを行った。図9(c)に示している。バリア層2は表面層1’を介して多孔質改質触媒層1上に形成されている。焼き付け後の試料では、バリア層2の剥離は見られなかった。この試料をスクラッチ試験により、バリア層の密着力を評価したところ、37Nの荷重で剥離した。
La 0.8 Ca 0.2 CrO 3 and yttria-stabilized zirconia mixed paste (molar ratio 8: 2) is formed on the porous reforming
バリア層2上に、水素分離兼アノード層3として、メッキ法によりPd膜を14μm形成した。図9(d)に示している。水素分離兼アノード層3上に電解質層4として、BaCe0.8Y0.2アルコキシド溶液を用い、ディップコーティングにより塗布し、乾燥後、仮焼した。再度アルコキシド溶液による塗膜、乾燥を合計10回繰り返した後、1000℃で焼成して厚さ1μmのBaCe0.8Y0.2O3±δ電解質膜を形成した。図9(e)に示している。カソードとして、La0.6Sr0.4CoO3±δのペーストを印刷法により形成し、900℃で焼き付けを行った。こうして平板状の改質器一体型燃料電池を得た。本燃料電池は600℃及びその前後の温度で作動させることができる。
A 14 μm Pd film was formed on the
本実施例1では、多孔質改質触媒層、バリア層間の密着性がよく、作製時にバリア層が剥離することなく、改質器一体型燃料電池を作製することができた。 In Example 1, the adhesion between the porous reforming catalyst layer and the barrier layer was good, and the reformer integrated fuel cell could be produced without peeling off the barrier layer during production.
〈実施例2〉
実施例1と同様の方法で、酸化ニッケルとイットリア安定化ジルコニアの□22mm×厚さ1.2mmの多孔質改質触媒層を得た。多孔質改質触媒層上に、La0.8Ca0.2CrO3と酸化ニッケルとイットリア安定化ジルコニアの混合粉末ペースト(モル比5:2:3)を印刷法により形成し、1400℃に加熱して表面層を形成した。更にバリア層としてLa0.8Ca0.2CrO3ペーストを多孔質改質触媒層上に印刷法により形成した後、1400℃に加熱して焼き付けを行った。焼き付け後の試料では、バリア層の剥離は見られなかった。この試料をスクラッチ試験により、バリア層の密着力を評価したところ、35Nの荷重で剥離した。
<Example 2>
In the same manner as in Example 1, a porous reforming catalyst layer of nickel oxide and yttria-stabilized zirconia having a square size of 22 mm and a thickness of 1.2 mm was obtained. A mixed powder paste (molar ratio 5: 2: 3) of La 0.8 Ca 0.2 CrO 3 , nickel oxide and yttria-stabilized zirconia is formed on the porous reforming catalyst layer by heating, and heated to 1400 ° C. A layer was formed. Further, a La 0.8 Ca 0.2 CrO 3 paste was formed as a barrier layer on the porous reforming catalyst layer by a printing method, and then baked by heating to 1400 ° C. In the sample after baking, peeling of the barrier layer was not observed. When this sample was evaluated for the adhesion of the barrier layer by a scratch test, it was peeled off at a load of 35N.
バリア層上に、水素分離兼アノード層として、メッキ法によりPd膜を14μm形成した。次いで、水素分離兼アノード層上に電解質層として、BaCe0.8Y0.2アルコキシド溶液を用い、ディップコーティングにより塗布、乾燥後、仮焼した。再度アルコキシド溶液による塗膜乾燥を合計10回繰り返した後、1000℃で焼成して厚さ1μmのBaCe0.8Y0.2O3±δ電解質膜を得た。さらにカソードとしてLa0.6Sr0.4CoO3±δのペーストを印刷法により形成し、900℃で焼き付けを行い、平板状の改質器一体型燃料電池を得た。 A 14 μm Pd film was formed on the barrier layer by a plating method as a hydrogen separation and anode layer. Next, a BaCe 0.8 Y 0.2 alkoxide solution was applied as an electrolyte layer on the hydrogen separation / anode layer, applied by dip coating, dried, and calcined. The coating film drying with the alkoxide solution was repeated a total of 10 times, followed by firing at 1000 ° C. to obtain a BaCe 0.8 Y 0.2 O 3 ± δ electrolyte membrane having a thickness of 1 μm. Further, a paste of La 0.6 Sr 0.4 CoO 3 ± δ was formed as a cathode by a printing method and baked at 900 ° C. to obtain a planar reformer integrated fuel cell.
本実施例2では、多孔質改質触媒層、バリア層間の密着性がよく、作製時にバリア層が剥離することなく、改質器一体型燃料電池を作製することができた。本燃料電池は600℃及びその前後の温度で作動させることができる。 In Example 2, the adhesion between the porous reforming catalyst layer and the barrier layer was good, and the reformer integrated fuel cell could be produced without peeling off the barrier layer during production. The fuel cell can be operated at 600 ° C. and temperatures around it.
〈実施例3〉
実施例1と同様の方法で、酸化ニッケルとイットリア安定化ジルコニアの□22mm×厚さ1.2mmの多孔質改質触媒層兼支持体を得た。多孔質改質触媒層上に、La0.8Ca0.2CrO3と酸化ニッケルとイットリア安定化ジルコニアの混合粉末ペースト(モル比6:2:2)を印刷法により形成し、1400℃に加熱して多孔質改質触媒層表面層を形成した。更にバリア層としてLa0.8Ca0.2CrO3ペーストを多孔質改質触媒層上に印刷法により形成した後、1400℃に加熱して焼き付けを行った。焼き付け後の試料では、バリア層の剥離は見られなかった。この試料をスクラッチ試験により、バリア層の密着力を評価したところ、32Nの荷重まで剥離しなかった。
<Example 3>
In the same manner as in Example 1, a porous reforming catalyst layer / support of □ 22 mm × 1.2 mm thickness of nickel oxide and yttria stabilized zirconia was obtained. A mixed powder paste (molar ratio 6: 2: 2) of La 0.8 Ca 0.2 CrO 3 , nickel oxide and yttria-stabilized zirconia is formed on the porous reforming catalyst layer by heating, and heated to 1400 ° C. A quality reforming catalyst layer surface layer was formed. Further, a La 0.8 Ca 0.2 CrO 3 paste was formed as a barrier layer on the porous reforming catalyst layer by a printing method, and then baked by heating to 1400 ° C. In the sample after baking, peeling of the barrier layer was not observed. When this sample was evaluated for the adhesion of the barrier layer by a scratch test, it was not peeled up to a load of 32N.
バリア層上に、水素分離兼アノード層として、メッキ法によりPd膜を14μm形成した。次いで、水素分離兼アノード層上に電解質層として、BaCe0.8Y0.2アルコキシド溶液を用い、ディップコーティングにより塗布し、乾燥後、仮焼した。再度アルコキシド溶液による塗膜乾燥を合計10回繰り返した後、1000℃で焼成して厚さ1μmのBaCe0.8Y0.2O3±δ電解質膜を得た。さらにカソードとしてLa0.6Sr0.4CoO3±δのペーストを印刷法により形成し、900℃で焼き付けを行い、平板状の改質器一体型燃料電池を得た。 A 14 μm Pd film was formed on the barrier layer by a plating method as a hydrogen separation and anode layer. Next, a BaCe 0.8 Y 0.2 alkoxide solution was applied as an electrolyte layer on the hydrogen separation / anode layer by dip coating, dried, and calcined. The coating film drying with the alkoxide solution was repeated a total of 10 times, followed by firing at 1000 ° C. to obtain a BaCe 0.8 Y 0.2 O 3 ± δ electrolyte membrane having a thickness of 1 μm. Further, a paste of La 0.6 Sr 0.4 CoO 3 ± δ was formed as a cathode by a printing method and baked at 900 ° C. to obtain a planar reformer integrated fuel cell.
本実施例3では、多孔質改質触媒層、バリア層間の密着性がよく、作製時にバリア層が剥離することなく、改質器一体型燃料電池を作製することができた。本燃料電池は600℃及びその前後の温度で作動させることができる。 In Example 3, the adhesion between the porous reforming catalyst layer and the barrier layer was good, and the reformer integrated fuel cell could be produced without peeling off the barrier layer during production. The fuel cell can be operated at 600 ° C. and temperatures around it.
〈実施例4〉
実施例1と同様の方法で、酸化ニッケルとイットリア安定化ジルコニアの□22mm×厚さ1.2mmの多孔質改質触媒層を得た。多孔質改質触媒層上に、La0.8Ca0.2CrO3と酸化ニッケルとイットリア安定化ジルコニアの混合粉末ペースト(モル比7:1:2)を印刷法により形成し、1400℃に加熱して多孔質改質触媒層表面層を形成した。更にバリア層としてLa0.8Ca0.2CrO3とイットリア安定化ジルコニア混合ペースト(モル比8:2)を多孔質改質触媒層上に印刷法により形成した後、1400℃に加熱して焼き付けを行った。焼き付け後の試料では、バリア層の剥離は見られなかった。この試料をスクラッチ試験により、バリア層の密着力を評価したところ、30Nの荷重まで剥離しなかった。
<Example 4>
In the same manner as in Example 1, a porous reforming catalyst layer of nickel oxide and yttria-stabilized zirconia having a square size of 22 mm and a thickness of 1.2 mm was obtained. A mixed powder paste of La 0.8 Ca 0.2 CrO 3 , nickel oxide and yttria-stabilized zirconia (molar ratio 7: 1: 2) is formed on the porous reforming catalyst layer by a printing method, heated to 1400 ° C. and porous A quality reforming catalyst layer surface layer was formed. Furthermore, La 0.8 Ca 0.2 CrO 3 and yttria-stabilized zirconia mixed paste (molar ratio 8: 2) were formed on the porous reforming catalyst layer by a printing method as a barrier layer, and then baked by heating to 1400 ° C. . In the sample after baking, peeling of the barrier layer was not observed. When this sample was evaluated for the adhesion of the barrier layer by a scratch test, it was not peeled up to a load of 30 N.
バリア層上に、水素分離兼アノード層として、メッキ法によりPd膜を14μm形成した。次いで、水素分離兼アノード層上に電解質層として、BaCe0.8Y0.2アルコキシド溶液を用い、ディップコーティングにより塗布し、乾燥後、仮焼した。再度アルコキシド溶液による塗膜乾燥を合計10回繰り返した後、1000℃で焼成して厚さ1μmのBaCe0.8Y0.2O3±δ電解質膜を得た。さらにカソードとしてLa0.6Sr0.4CoO3±δのペーストを印刷法により形成し、900℃で焼き付けを行い、平板状の改質器一体型燃料電池を得た。 A 14 μm Pd film was formed on the barrier layer by a plating method as a hydrogen separation and anode layer. Next, a BaCe 0.8 Y 0.2 alkoxide solution was applied as an electrolyte layer on the hydrogen separation / anode layer by dip coating, dried, and calcined. The coating film drying with the alkoxide solution was repeated a total of 10 times, followed by firing at 1000 ° C. to obtain a BaCe 0.8 Y 0.2 O 3 ± δ electrolyte membrane having a thickness of 1 μm. Further, a paste of La 0.6 Sr 0.4 CoO 3 ± δ was formed as a cathode by a printing method and baked at 900 ° C. to obtain a planar reformer integrated fuel cell.
本実施例4では、多孔質改質触媒層、バリア層間の密着性がよく、作製時にバリア層が剥離することなく、改質器一体型燃料電池を作製することができた。本燃料電池は600℃及びその前後の温度で作動させることができる。 In Example 4, the adhesion between the porous reforming catalyst layer and the barrier layer was good, and the reformer integrated fuel cell could be produced without peeling off the barrier layer during production. The fuel cell can be operated at 600 ° C. and temperatures around it.
〈実施例5〉
実施例1と同様の方法で、酸化ニッケルとイットリア安定化ジルコニアの□22mm×厚さ1.2mmの多孔質改質触媒層兼支持体を得た。多孔質改質触媒層上に、La0.8Ca0.2CrO3と酸化ニッケルとイットリア安定化ジルコニアの混合粉末ペースト(モル比3:4:3)を印刷法により形成し、1400℃に加熱して多孔質改質触媒層表面層を形成した。更にバリア層としてLa0.8Ca0.2CrO3とイットリア安定化ジルコニアの混合ペースト(モル比6:4)を多孔質改質触媒層上に印刷法により形成した後、1400℃に加熱して焼き付けを行った。焼き付け後の試料では、バリア層の剥離は見られなかった。この試料をスクラッチ試験により、バリア層の密着力を評価したところ、50Nの荷重まで剥離しなかった。
<Example 5>
In the same manner as in Example 1, a porous reforming catalyst layer / support of □ 22 mm × 1.2 mm thickness of nickel oxide and yttria stabilized zirconia was obtained. A mixed powder paste (molar ratio 3: 4: 3) of La 0.8 Ca 0.2 CrO 3 , nickel oxide and yttria-stabilized zirconia is formed on the porous reforming catalyst layer by heating, and heated to 1400 ° C. to be porous. A quality reforming catalyst layer surface layer was formed. Further, a mixed paste of La 0.8 Ca 0.2 CrO 3 and yttria-stabilized zirconia (molar ratio 6: 4) was formed as a barrier layer on the porous reforming catalyst layer by printing, and then heated to 1400 ° C. and baked. It was. In the sample after baking, peeling of the barrier layer was not observed. When this sample was evaluated for the adhesion of the barrier layer by a scratch test, it was not peeled up to a load of 50N.
バリア層上に、水素分離兼アノード層として、メッキ法によりPd膜を14μm形成した。次いで、水素分離兼アノード層上に電解質層として、BaCe0.8Y0.2アルコキシド溶液を用い、ディップコーティングにより塗布し、乾燥後、仮焼した。再度アルコキシド溶液による塗膜乾燥を合計10回繰り返した後、1000℃で焼成して厚さ1μmのBaCe0.8Y0.2O3±δ電解質膜を形成した。さらにカソードとしてLa0.6Sr0.4CoO3±δのペーストを印刷法により形成し、900℃で焼き付けを行い、平板状の改質器一体型燃料電池を得た。 A 14 μm Pd film was formed on the barrier layer by a plating method as a hydrogen separation and anode layer. Next, a BaCe 0.8 Y 0.2 alkoxide solution was applied as an electrolyte layer on the hydrogen separation / anode layer by dip coating, dried, and calcined. The coating film drying with the alkoxide solution was repeated a total of 10 times, followed by baking at 1000 ° C. to form a BaCe 0.8 Y 0.2 O 3 ± δ electrolyte membrane having a thickness of 1 μm. Further, a paste of La 0.6 Sr 0.4 CoO 3 ± δ was formed as a cathode by a printing method and baked at 900 ° C. to obtain a planar reformer integrated fuel cell.
本実施例5では、多孔質改質触媒層、バリア層間の密着性がよく、作製時にバリア層が剥離することなく、改質器一体型燃料電池を作製することができた。本燃料電池は600℃及びその前後の温度で作動させることができる。 In Example 5, the adhesion between the porous reforming catalyst layer and the barrier layer was good, and the reformer integrated fuel cell could be produced without peeling off the barrier layer during production. The fuel cell can be operated at 600 ° C. and temperatures around it.
〈実施例6〉
本発明(2)の円筒管状改質器一体型燃料電池において、図4に示すような円筒管形状の改質器一体型燃料電池を以下の手法により作製した。酸化ニッケル、イットリア安定化ジルコニアの各粉末と有機バインダを混合した後、押し出し成形法により、円筒管形状に成形した。この成形体を、脱脂工程を経た後、1400℃で焼結することにより、外径10mm、内径8mm、長さ100mmの多孔質改質触媒層を得た。多孔質改質触媒層は改質器一体型燃料電池において支持体としての役割もする。
<Example 6>
In the cylindrical tubular reformer integrated fuel cell of the present invention (2), a reformer integrated fuel cell having a cylindrical tube shape as shown in FIG. 4 was produced by the following method. Each powder of nickel oxide and yttria-stabilized zirconia and an organic binder were mixed, and then formed into a cylindrical tube shape by an extrusion method. This molded body was subjected to a degreasing step and then sintered at 1400 ° C. to obtain a porous reforming catalyst layer having an outer diameter of 10 mm, an inner diameter of 8 mm, and a length of 100 mm. The porous reforming catalyst layer also serves as a support in the reformer-integrated fuel cell.
多孔質改質触媒層上に、La0.8Ca0.2CrO3と酸化ニッケルとイットリア安定化ジルコニアの混合粉末スラリー(モル比5:2:3)をディップコーティング法により形成し、1400℃に加熱して表面層を形成した。更にバリア層としてLa0.8Ca0.2CrO3とイットリア安定化ジルコニアとの混合スラリー(モル比8:2)を表面層上にディップコーティング法により形成した後、1400℃に加熱して表面層とバリア層とを同時に焼き付けを行った。焼き付けた後の試料では、バリア層の剥離は見られなかった。 On the porous reforming catalyst layer, a mixed powder slurry (molar ratio 5: 2: 3) of La 0.8 Ca 0.2 CrO 3 , nickel oxide and yttria-stabilized zirconia is formed by dip coating, and heated to 1400 ° C. A surface layer was formed. Further, a mixed slurry of La 0.8 Ca 0.2 CrO 3 and yttria-stabilized zirconia (molar ratio 8: 2) was formed as a barrier layer on the surface layer by dip coating, and then heated to 1400 ° C. to heat the surface layer and the barrier layer. Were baked at the same time. In the sample after baking, peeling of the barrier layer was not observed.
バリア層作製後は、水素分離兼アノードとして、バリア層上にメッキ法によりPd膜を14μm形成した。水素分離兼アノード層上に電解質層として、BaCe0.8Y0.2アルコキシド溶液を用い、ディップコーティングにより塗布、乾燥後、仮焼した。再度アルコキシド溶液による塗膜乾燥を合計10回繰り返した後、1000℃で焼成して厚さ1μmのBaCe0.8Y0.2O3±δ電解質膜を得た。さらにカソードとしてLa0.6Sr0.4CoO3±δのスラリーをディップコーティング法により形成し、900℃で焼き付けを行い、円筒管形状の改質器一体型燃料電池を得た。 After the barrier layer was produced, a Pd film of 14 μm was formed on the barrier layer by plating as a hydrogen separation and anode. A BaCe 0.8 Y 0.2 alkoxide solution was used as an electrolyte layer on the hydrogen separation / anode layer, applied by dip coating, dried, and calcined. The coating film drying with the alkoxide solution was repeated a total of 10 times, followed by firing at 1000 ° C. to obtain a BaCe 0.8 Y 0.2 O 3 ± δ electrolyte membrane having a thickness of 1 μm. Further, a slurry of La 0.6 Sr 0.4 CoO 3 ± δ was formed as a cathode by a dip coating method and baked at 900 ° C. to obtain a reformer integrated fuel cell having a cylindrical tube shape.
本実施例6では、多孔質改質触媒層、バリア層間の密着性がよく、作製時にバリア層が剥離することなく、改質器一体型燃料電池を作製することができた。本燃料電池は600℃及びその前後の温度で作動させることができる。 In Example 6, the adhesion between the porous reforming catalyst layer and the barrier layer was good, and the reformer integrated fuel cell could be produced without peeling off the barrier layer during production. The fuel cell can be operated at 600 ° C. and temperatures around it.
〈比較例1〉
実施例1と同様の方法で、酸化ニッケルとイットリア安定化ジルコニアの□22mm×厚さ1.2mmの多孔質改質触媒層を得た。多孔質改質触媒層の上に、バリア層としてLa0.8Ca0.2CrO3とイットリア安定化ジルコニア混合ペースト(モル比8:2)を印刷法により形成した後、1400℃に加熱して焼き付けを行った。焼き付け後の試料では、バリア層の剥離している試料が存在した。この試料について、スクラッチ試験を行い、バリア層の密着力を評価したところ、22Nの荷重で剥離してしまった。
<Comparative example 1>
In the same manner as in Example 1, a porous reforming catalyst layer of nickel oxide and yttria-stabilized zirconia having a square size of 22 mm and a thickness of 1.2 mm was obtained. On the porous reforming catalyst layer, La 0.8 Ca 0.2 CrO 3 and yttria-stabilized zirconia mixed paste (molar ratio 8: 2) are formed by a printing method as a barrier layer, and then heated to 1400 ° C. for baking. It was. In the sample after baking, there was a sample in which the barrier layer was peeled off. When this sample was subjected to a scratch test to evaluate the adhesion of the barrier layer, it was peeled off with a load of 22N.
〈比較例2〉
実施例1と同様の方法で、酸化ニッケルとイットリア安定化ジルコニアの□22mm×厚さ1.2mmの多孔質改質触媒層を得た。多孔質改質触媒層の上に、バリア層としてLa0.8Ca0.2CrO3ペーストを印刷法により形成した後、1400℃に加熱して同時に焼き付けを行った。焼き付けた後の試料では、ほとんどの試料でバリア層が剥離した。この試料にてスクラッチ試験を行い、バリア層の密着力を評価したところ、10Nの荷重で剥離してしまった。
<Comparative example 2>
In the same manner as in Example 1, a porous reforming catalyst layer of nickel oxide and yttria-stabilized zirconia having a square size of 22 mm and a thickness of 1.2 mm was obtained. On the porous reforming catalyst layer, a La 0.8 Ca 0.2 CrO 3 paste was formed as a barrier layer by a printing method, and then heated to 1400 ° C. and simultaneously baked. In the samples after baking, the barrier layer was peeled off in most samples. When a scratch test was performed on this sample and the adhesion of the barrier layer was evaluated, the sample peeled off with a load of 10N.
以上の実施例1〜5と比較例1〜2のスクラッチ試験結果を表1にまとめて記載している。表1のとおり、実施例1〜5は、比較例1〜2に比べ剥離に至る荷重が格段に大きく、密着力が向上しているのが分かる。 Table 1 summarizes the scratch test results of Examples 1 to 5 and Comparative Examples 1 and 2 described above. As shown in Table 1, it can be seen that in Examples 1 to 5, the load leading to peeling is much larger than in Comparative Examples 1 and 2, and the adhesion is improved.
1 第1の層である多孔質改質触媒層
1’ 表面層
2 第2の層であるバリア層
3 第3の層である水素分離兼アノード層
4 第4の層である電解質層
5 第5の層(最外層)であるカソード層
S 多孔質改質触媒層1の内空流路(燃料流路)
SA カソード層5の内空流路(酸化剤ガス流路)
SE セパレータ
IN インターコネクタ
SU 電気絶縁性多孔質基体
10 酸素極
30 水素極
40 電解質膜
43 緻密な基材
42、44 固体酸化物からなる電解質層
45 Pd被膜
DESCRIPTION OF
SE separator IN interconnector SU electrically insulating
Claims (12)
The reformer-integrated fuel cell according to any one of claims 1 to 8, wherein the constituent material of the electrolyte layer is a formula: ABO 3 (where A is any one of Ba, Sr, and Ca). And B is at least one of Ce and Zr, and Ce and Zr at the B site may be partially substituted with rare earth elements). A reformer-integrated fuel cell.
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