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JP2010103009A - Internally modified solid oxide fuel cell, and fuel cell system - Google Patents

Internally modified solid oxide fuel cell, and fuel cell system Download PDF

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JP2010103009A
JP2010103009A JP2008274595A JP2008274595A JP2010103009A JP 2010103009 A JP2010103009 A JP 2010103009A JP 2008274595 A JP2008274595 A JP 2008274595A JP 2008274595 A JP2008274595 A JP 2008274595A JP 2010103009 A JP2010103009 A JP 2010103009A
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JP
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solid oxide
fuel cell
catalyst
anode
internal reforming
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Application number
JP2008274595A
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Masato Yoshino
正人 吉野
Kentaro Matsunaga
健太郎 松永
Tsuneji Kameda
常治 亀田
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Toshiba Corp
Original Assignee
Toshiba Corp
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Publication date
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Abstract

【課題】内部改質式固体酸化物型燃料電池において改質触媒および電子導電性物質の使用量を抑制する。
【解決手段】内部改質式固体酸化物型燃料電池に、カソードと、アノード12と、カソードおよびアノード12で挟まれた固体酸化物電解質11と、アノードに接して設けられた集電体16を備える。集電体16は、炭化水素から水素を生成する反応の改質触媒と電子導電性物質とを含有する被膜が基材の表面に形成された触媒集電要素61を含んでいる。触媒集電要素61の基材は、たとえば固体酸化物電解質11と同じ材料で形成される。
【選択図】図1
In an internal reforming solid oxide fuel cell, the use amount of a reforming catalyst and an electronic conductive material is suppressed.
An internal reforming solid oxide fuel cell includes a cathode, an anode 12, a solid oxide electrolyte 11 sandwiched between the cathode and the anode 12, and a current collector 16 provided in contact with the anode. Prepare. The current collector 16 includes a catalyst current collecting element 61 in which a film containing a reforming catalyst for a reaction for generating hydrogen from a hydrocarbon and an electron conductive material is formed on the surface of the base material. The base material of the catalyst current collecting element 61 is formed of, for example, the same material as the solid oxide electrolyte 11.
[Selection] Figure 1

Description

本発明は、内部改質式固体酸化物型燃料電池および燃料電池システムに関する。   The present invention relates to an internal reforming solid oxide fuel cell and a fuel cell system.

新エネルギーのひとつとして、水素が挙げられる。この水素の利用分野として、水素と酸素を電気化学的に反応させることにより、化学エネルギーを電気エネルギーに変換する燃料電池が注目されている。燃料電池は高いエネルギー利用効率を有し、大規模分散電源、家庭用電源、移動用電源として開発が進められている。   One new energy is hydrogen. As a field of utilization of hydrogen, a fuel cell that converts chemical energy into electric energy by electrochemically reacting hydrogen and oxygen has attracted attention. Fuel cells have high energy use efficiency and are being developed as large-scale distributed power sources, household power sources, and mobile power sources.

燃料電池は、温度域や使用する材料・燃料の種類に応じて、固体高分子型、リン酸型、溶融炭酸塩型、固体酸化物型、などに分けられる。このうち、効率などの観点から、固体酸化物の電解質を使用して、電気化学反応により電気エネルギーを得る固体酸化物形燃料電池(SOFC)が注目されている。   Fuel cells are classified into a solid polymer type, a phosphoric acid type, a molten carbonate type, a solid oxide type, and the like depending on the temperature range and the type of material and fuel used. Among these, from the viewpoint of efficiency, a solid oxide fuel cell (SOFC) that uses a solid oxide electrolyte and obtains electric energy through an electrochemical reaction has attracted attention.

燃料電池は、電解質と電極とを備えた電気化学セルである。SOFCに用いられる固体酸化物の電解質は、酸素イオン導電性を有し、一般に、緻密な安定化ジルコニアを用いて形成される。また、安定化ジルコニアと比較して酸素イオン導電性が良好な電解質材料として、ペロブスカイト型酸化物やセリア系固溶体などが用いられる場合がある。   A fuel cell is an electrochemical cell including an electrolyte and an electrode. The solid oxide electrolyte used in SOFC has oxygen ion conductivity and is generally formed using dense stabilized zirconia. In addition, a perovskite oxide, a ceria-based solid solution, or the like may be used as an electrolyte material having better oxygen ion conductivity than stabilized zirconia.

SOFCの電極は、燃料極と空気極に分けられる。燃料極では、燃料ガスであるHと、電解質の内部を移動してきた酸素イオンとが電気化学的に反応し、HOと電子(e)が生成される。空気極では、たとえば空気中の酸素が電子(e)を取り込み、電気化学反応により、酸素イオンが生成される。空気極で生成された酸素イオンは、電解質へと移動する。 The SOFC electrode is divided into a fuel electrode and an air electrode. At the fuel electrode, H 2 that is a fuel gas and oxygen ions that have moved inside the electrolyte react electrochemically to generate H 2 O and electrons (e ). In the air electrode, for example, oxygen in the air takes in electrons (e ), and oxygen ions are generated by an electrochemical reaction. Oxygen ions generated at the air electrode move to the electrolyte.

燃料極には、一般的に、たとえば、Ni−YSZ(イットリア安定化ジルコニア)、Ni−ScSZ(スカンジア安定化ジルコニア)など、金属と固体酸化物の混合焼結体(サーメット)が用いられる。また、燃料極に、たとえばNi、Co、Fe、Ni−Fe、Ni−Mg、Ptなど、金属単体あるいは合金など複数の金属の混合体が用いられる場合もある。   Generally, for example, a mixed sintered body (cermet) of a metal and a solid oxide such as Ni—YSZ (yttria stabilized zirconia) or Ni—ScSZ (scandia stabilized zirconia) is used for the fuel electrode. In some cases, for example, Ni, Co, Fe, Ni—Fe, Ni—Mg, Pt, or the like, a single metal or a mixture of a plurality of metals such as an alloy may be used for the fuel electrode.

空気極には、一般的に、たとえば、LaSrMn酸化物、LaSrCo酸化物、LaSrCoFe酸化物、LaSrFe酸化物など、ペロブスカイト型酸化物やこれらの一部サイトを置換した酸化物が用いられる。また、空気極に、たとえばLSM−YSZ、LSM−ScSZ、LSC−SDC、LSC−GDCなど、電解質に用いている固体酸化物との混合体なども用いられる場合もある。   For the air electrode, for example, perovskite oxides such as LaSrMn oxides, LaSrCo oxides, LaSrCoFe oxides, LaSrFe oxides, and oxides in which partial sites thereof are substituted are generally used. In addition, a mixture with a solid oxide used for an electrolyte such as LSM-YSZ, LSM-ScSZ, LSC-SDC, LSC-GDC, or the like may be used for the air electrode.

このような電気化学セルは、電解質あるいは電極を支持体として、電解質および電極が積層されている。たとえば、電解質を支持体とした場合、ある程度の強度を有する緻密な電解質基材の両面に空気極層および燃料極層が形成される。電極層の厚みは、一般的に、数十μm程度である。   In such an electrochemical cell, an electrolyte and an electrode are laminated using an electrolyte or an electrode as a support. For example, when an electrolyte is used as a support, an air electrode layer and a fuel electrode layer are formed on both surfaces of a dense electrolyte substrate having a certain degree of strength. The thickness of the electrode layer is generally about several tens of μm.

電極を支持体とする場合、多孔質の電極基材の表面に緻密な電解質層を形成し、さらにその上に、別の電極層、つまり基材が燃料極の場合は空気極が、形成される。電解質層の厚みは、一般的には、数〜数十μm程度である。   When an electrode is used as a support, a dense electrolyte layer is formed on the surface of a porous electrode substrate, and another electrode layer, that is, an air electrode when the substrate is a fuel electrode, is formed thereon. The The thickness of the electrolyte layer is generally about several to several tens of μm.

SOFCでは、水素以外に、炭化水素燃料や石炭ガス化ガスなどを直接導入して発電することが可能である。一般的に、これらの燃料は、燃料極へ供給される前に、改質器などを用いて水素を含む燃料に変換された後、燃料極に導入される場合と、直接燃料極に導入し、燃料極において改質反応を行い、水素を含む燃料に変換しつつ、発電を行う場合とがある。前者は外部改質方式、後者は内部改質方式などと呼ばれる。   In SOFC, it is possible to generate electricity by directly introducing hydrocarbon fuel or coal gasification gas in addition to hydrogen. In general, these fuels are converted into a fuel containing hydrogen using a reformer before being supplied to the fuel electrode and then introduced into the fuel electrode, or directly into the fuel electrode. In some cases, a reforming reaction is performed at the fuel electrode, and power is generated while being converted to a fuel containing hydrogen. The former is called an external reforming method, and the latter is called an internal reforming method.

燃料極の構成要素である、NiやFe、Coなどといった金属成分は、炭化水素燃料を改質し、水素を含む燃料にする改質触媒作用も有している。電極を支持体とする場合、燃料極を支持体としたセルは、Niなどの改質触媒作用を有する金属成分が多く存在する。このため、内部改質方式にも適していると考えられるが、条件によっては、十分改質が進行しない場合もある。一方、電解質支持型セルの場合、Niなどの改質触媒作用を有する金属は薄い電極層(数十μm)内にしか存在せず、内部改質方式では十分に改質が進行しない場合も生じる。   Metal components such as Ni, Fe, and Co, which are constituent elements of the fuel electrode, also have a reforming catalytic action that reforms a hydrocarbon fuel into a fuel containing hydrogen. When an electrode is used as a support, a cell using a fuel electrode as a support contains a large number of metal components having a reforming catalytic action such as Ni. For this reason, it is considered suitable for the internal reforming method, but depending on the conditions, the reforming may not proceed sufficiently. On the other hand, in the case of an electrolyte-supported cell, a metal having a reforming catalytic action such as Ni exists only in a thin electrode layer (several tens of μm), and the reforming may not sufficiently proceed in the internal reforming method. .

特許文献1には、集電材にNi繊維などを用い、集電材に改質作用を付与する方法が開示されている。しかし、Ni繊維は酸化還元の繰り返しにより、改質効果および集電機能が劣化する可能性が高い。そのため、改質触媒作用の高い電極などが開発されている。また、特許文献2などでは、炭化水素燃料のクラッキング防止などが検討されている。   Patent Document 1 discloses a method of using Ni fibers or the like as a current collector and imparting a modification action to the current collector. However, Ni fibers have a high possibility of deterioration of the modification effect and the current collecting function due to repeated redox. Therefore, an electrode having a high reforming catalytic action has been developed. Further, in Patent Document 2 and the like, prevention of cracking of hydrocarbon fuel is studied.

集電材をNiのみで形成した場合、電解質や電極材料との熱膨張係数差が大きいため、破損などの不具合が生じやすい。そこで、特許文献3には、サーメット材料を集電体材料に用いて、熱膨張係数差を緩和したりする方法が開示されている。
特開平3−283266号公報 特開2007−311318号公報 特開平8−17453号公報
When the current collector is made of only Ni, the thermal expansion coefficient difference from the electrolyte or electrode material is large, so that problems such as breakage are likely to occur. Therefore, Patent Document 3 discloses a method of reducing a difference in thermal expansion coefficient by using a cermet material as a current collector material.
JP-A-3-283266 JP 2007-311318 A JP-A-8-17453

たとえば電解質支持型セルを用いたSOFCにおいて、燃料極で炭化水素系燃料などを内部改質すると、燃料極での改質効果が低い場合がある。集電材料に改質効果を持たせると、酸化還元の繰り返しによる劣化や、他の構成材料との熱膨張係数差の緩和などが必要となる。   For example, in an SOFC using an electrolyte-supported cell, if a hydrocarbon-based fuel or the like is internally reformed at the fuel electrode, the reforming effect at the fuel electrode may be low. If the current collecting material has a reforming effect, it is necessary to deteriorate due to repeated oxidation-reduction or to relax the difference in thermal expansion coefficient from other constituent materials.

また、触媒は、反応物質と接する部分しか反応には寄与しない。このため触媒の粒子の内部の領域は反応には寄与せず、触媒としては無駄な部分である。しかし、特許文献1などでは、このような無駄な部分を削減する方法は開示されていない。   Further, the catalyst contributes to the reaction only at the portion in contact with the reactant. For this reason, the area | region inside the particle | grains of a catalyst does not contribute to reaction, but is a useless part as a catalyst. However, Patent Document 1 and the like do not disclose a method for reducing such a useless portion.

そこで、本発明は、内部改質式固体酸化物型燃料電池において、改質触媒および電子導電性物質の使用量を抑制することを目的とする。   Accordingly, an object of the present invention is to suppress the use amount of the reforming catalyst and the electronically conductive substance in the internal reforming solid oxide fuel cell.

上述の目的を達成するため、本発明は、内部改質式固体酸化物型燃料電池において、カソードと、アノードと、前記カソードおよび前記アノードで挟まれた固体酸化物電解質と、炭化水素から水素を生成する反応の改質触媒と電子導電性物質とを含有する被膜が基材の表面に形成された触媒集電要素を含み前記アノードに接して設けられた集電体と、を有することを特徴とする。   In order to achieve the above object, the present invention provides an internal reforming solid oxide fuel cell in which a cathode, an anode, a solid oxide electrolyte sandwiched between the cathode and the anode, and hydrogen from hydrocarbons. And a current collector comprising a catalyst current collector element formed on a surface of a base material and a current collector provided in contact with the anode. And

また、本発明は、燃料電池システムにおいて、カソードと、アノードと、前記カソードおよび前記アノードで挟まれた固体酸化物電解質と、表面に炭化水素から水素を生成する改質触媒および電子導電性を持つ物質とを含有する被膜とを備えた触媒集電要素からなり前記アノードに接して設けられた集電材と、を有する内部改質式固体酸化物型燃料電池と、前記アノードに炭化水素を含有する炭化水素系燃料を供給する燃料供給装置と、を具備することを特徴とする。   The present invention also provides a fuel cell system having a cathode, an anode, a solid oxide electrolyte sandwiched between the cathode and the anode, a reforming catalyst for generating hydrogen from hydrocarbons on the surface, and electronic conductivity. An internal reforming solid oxide fuel cell having a current collector made of a catalyst current collecting element having a coating containing a substance and provided in contact with the anode, and containing a hydrocarbon in the anode And a fuel supply device for supplying hydrocarbon fuel.

本発明によれば、内部改質式固体酸化物型燃料電池において、改質触媒および電子導電性物質の使用量を抑制することができる。   ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the usage-amount of a reforming catalyst and an electronically conductive substance can be suppressed in an internal reforming type solid oxide fuel cell.

本発明に係る内部改質式固体酸化物型燃料電池の実施の形態を、図面を参照して説明する。なお、同一または類似の構成には同一の符号を付し、重複する説明は省略する。   An embodiment of an internal reforming solid oxide fuel cell according to the present invention will be described with reference to the drawings. In addition, the same code | symbol is attached | subjected to the same or similar structure, and the overlapping description is abbreviate | omitted.

[第1の実施の形態]
図2は、本発明に係る内部改質式固体酸化物型燃料電池の第1の実施の形態を用いた燃料電池システムのブロック図である。
[First Embodiment]
FIG. 2 is a block diagram of a fuel cell system using the first embodiment of the internal reforming solid oxide fuel cell according to the present invention.

本実施の形態の燃料電池システムは、内部改質式固体酸化物型燃料電池30と、燃料供給装置31と、酸素供給装置32とを有している。この燃料電池システムにおいて、燃料供給装置31が内部改質式固体酸化物型燃料電池30に炭化水素を含有する炭化水素系燃料を供給し、酸素供給装置32が内部改質式固体酸化物型燃料電池30に酸素を供給すると、内部改質式固体酸化物型燃料電池30は発電する。内部改質式固体酸化物型燃料電池30が発電した電力は、内部改質式固体酸化物型燃料電池30に接続された外部負荷33で消費される。   The fuel cell system according to the present embodiment includes an internal reforming solid oxide fuel cell 30, a fuel supply device 31, and an oxygen supply device 32. In this fuel cell system, a fuel supply device 31 supplies a hydrocarbon-based fuel containing hydrocarbons to an internal reforming solid oxide fuel cell 30, and an oxygen supply device 32 provides an internal reforming solid oxide fuel. When oxygen is supplied to the battery 30, the internal reforming solid oxide fuel cell 30 generates power. The electric power generated by the internal reforming solid oxide fuel cell 30 is consumed by an external load 33 connected to the internal reforming solid oxide fuel cell 30.

図3は、本実施の形態における内部改質式固体酸化物型燃料電池を分解した状態の斜視図である。   FIG. 3 is a perspective view of a state in which the internal reforming solid oxide fuel cell according to the present embodiment is disassembled.

内部改質式固体酸化物型燃料電池30は、複数の板状の単セル17を積層してスタック化したものである。図3は、スタック化される内部改質式固体酸化物型燃料電池30の一部を抜き出して、各構成部材を積層方向に離して記載した図である。なお、内部改質式固体酸化物型燃料電池30の各構成部材の間には、必要に応じて気体の漏えい・進入を防止するためのシール材、電気的に絶縁するための絶縁材が設けられる。   The internal reforming solid oxide fuel cell 30 is formed by stacking a plurality of plate-like single cells 17. FIG. 3 is a diagram in which a part of the internal reforming solid oxide fuel cell 30 to be stacked is extracted and components are separated from each other in the stacking direction. Between the constituent members of the internal reforming solid oxide fuel cell 30, a sealing material for preventing gas leakage and entry and an insulating material for electrical insulation are provided as necessary. It is done.

内部改質式固体酸化物型燃料電池30は、それぞれの単セル17に対して、単セル17を両面から挟み込む集電体15,16と、単セル17および集電体15,16を両面から挟み込むセパレータ14とを有している。集電体15,16は、いずれも、導電性を持つ材料で、気体が通過可能に層状に形成されている。   The internal reforming solid oxide fuel cell 30 has current collectors 15 and 16 sandwiching the single cell 17 from both surfaces, and the single cell 17 and current collectors 15 and 16 from both surfaces. And a separator 14 to be sandwiched. The current collectors 15 and 16 are both made of a conductive material and are formed in layers so that gas can pass through.

セパレータ14は、導電性の材料で板状に形成されている。単セル17は、集電体15,16およびセパレータ14によって電気的に接続されている。セパレータ14には、貫通燃料流路21および貫通酸素流路23が形成されている。貫通燃料流路21および貫通酸素流路23は、それぞれ対向する辺に沿って延びる領域がセパレータ14の板厚方向に貫通した空間である。セパレータ14の一方の表面には、一対の貫通燃料流路21の間に溝状燃料流路22が形成されている。溝状燃料流路22が形成された側とは反対側のセパレータ14の表面には、一対の貫通酸素流路23の間に溝状酸素流路24が形成されている。セパレータ14に溝状燃料流路22および溝状酸素流路24を設けているため、アノード12およびカソード13には、効率よく反応ガスが供給される。   The separator 14 is formed in a plate shape with a conductive material. The single cell 17 is electrically connected by current collectors 15 and 16 and a separator 14. In the separator 14, a through fuel channel 21 and a through oxygen channel 23 are formed. The penetrating fuel passage 21 and the penetrating oxygen passage 23 are spaces in which regions extending along opposing sides penetrate each other in the plate thickness direction of the separator 14. On one surface of the separator 14, a groove-like fuel channel 22 is formed between the pair of through fuel channels 21. On the surface of the separator 14 opposite to the side on which the groove-like fuel passage 22 is formed, a groove-like oxygen passage 24 is formed between the pair of penetrating oxygen passages 23. Since the groove-like fuel channel 22 and the groove-like oxygen channel 24 are provided in the separator 14, the reaction gas is efficiently supplied to the anode 12 and the cathode 13.

図4は、本実施の形態における単セルの断面図である。   FIG. 4 is a cross-sectional view of a single cell in the present embodiment.

本実施の形態の単セル17は、板状の固体酸化物電解質11を支持体とし、その両面をカソード13およびアノード12で挟み込んだものである。カソード13、固体酸化物電解質11、アノード12は、たとえば、いずれも層状に形成されている。   The single cell 17 according to the present embodiment has a plate-like solid oxide electrolyte 11 as a support, and both sides thereof are sandwiched between a cathode 13 and an anode 12. For example, the cathode 13, the solid oxide electrolyte 11, and the anode 12 are all formed in layers.

固体酸化物電解質11は、たとえば安定化ジルコニア、ペロブスカイト型酸化物あるいはセリア(CeO)系電解質固溶体を用いて形成される。安定化ジルコニアとは、たとえばY、Sc、Yb、Gd、Nd、CaO、MgOなどを安定化剤として固溶させたジルコニアである。ペロブスカイト型酸化物としては、たとえばLaSrGaMg酸化物、LaSrGaMgCo酸化物、LaSrGaMgCoFe酸化物、LaSrGaMgCoFe酸化物などが挙げられる。セリア(CeO)系電解質固溶体としては、Sm、Gd、Y、Laなど固溶したセリア系固溶体が挙げられる。なお、これら以外の電解質を用いてもよい。 The solid oxide electrolyte 11 is formed using, for example, stabilized zirconia, perovskite oxide, or ceria (CeO 2 ) electrolyte solid solution. Stabilized zirconia is, for example, zirconia in which Y 2 O 3 , Sc 2 O 3 , Yb 2 O 3 , Gd 2 O 3 , Nd 2 O 3 , CaO, MgO or the like is dissolved as a stabilizer. Examples of the perovskite oxide include LaSrGaMg oxide, LaSrGaMgCo oxide, LaSrGaMgCoFe oxide, LaSrGaMgCoFe oxide, and the like. Examples of the ceria (CeO 2 ) -based electrolyte solid solution include ceria-based solid solutions in which Sm 2 O 3 , Gd 2 O 3 , Y 2 O 3 , La 2 O 3 and the like are dissolved. In addition, you may use electrolytes other than these.

カソード13は、たとえばLaSrMn酸化物(以下、LSMと呼ぶ)、LaSrCo酸化物(以下、LSCと呼ぶ)、LaSrCoFe酸化物(以下、LSCFと呼ぶ)、LaSrFe酸化物(以下、LSFと呼ぶ)、LaSrMnCo酸化物(以下、LSMCと呼ぶ)、LaSrMnCr酸化物(以下、LSMCと呼ぶ)、LaCoMn酸化物(以下、LCMと呼ぶ)、LaSrCu酸化物(以下、LSCと呼ぶ)、LaSrFeNi酸化物(以下、LSFNと呼ぶ)、LaNiFe酸化物(以下、LNFと呼ぶ)、LaBaCo酸化物(以下、LBCと呼ぶ)、LaNiCo酸化物(以下、LNCと呼ぶ)、LaSrAlFe酸化物(以下、LSAFと呼ぶ)、LaSrCoNiCu酸化物(以下、LSCNCと呼ぶ)、LaSrFeNiCu酸化物(以下、LSFNCと呼ぶ)、LaNi酸化物(以下、LNと呼ぶ)、GdSrCo酸化物(以下、GSCと呼ぶ)、GdSrMn酸化物(以下、GSMと呼ぶ)、PrCaMn酸化物(以下、PCaMと呼ぶ)、PrSrMn酸化物(以下、PSMと呼ぶ)、PrBaCo酸化物(以下、PBCと呼ぶ)、SmSrCo酸化物(以下、SSCと呼ぶ)、NdSmCo酸化物(以下、NSCと呼ぶ)、BiSrCaCu酸化物(以下、BSCCと呼ぶ)、BaLaFeCo酸化物(以下、BLFCと呼ぶ)、BaSrFeCo酸化物(以下、BSFCと呼ぶ)、YSrFeCo酸化物(以下、YLFCと呼ぶ)、YCuCoFe酸化物(以下、YCCFと呼ぶ)、YBaCu酸化物(以下、YBCと呼ぶ)などで形成される。カソード13は、電解質材料との混合体でもよく、たとえば、LSM−YSZ、LSCF−SDC、LSCF−GDC、LSCF−YDC、LSCF−LDC、LSCF−CDC、LSM−ScSZ、LSM−SDC、LSM−GDCなどで形成されてもよい。さらに、カソード13に、たとえばPt、Ru、Au、Ag、Pdなどの成分を添加してもよい。   The cathode 13 includes, for example, LaSrMn oxide (hereinafter referred to as LSM), LaSrCo oxide (hereinafter referred to as LSC), LaSrCoFe oxide (hereinafter referred to as LSCF), LaSrFe oxide (hereinafter referred to as LSF), LaSrMnCo, Oxide (hereinafter referred to as LSMC), LaSrMnCr oxide (hereinafter referred to as LSMC), LaCoMn oxide (hereinafter referred to as LCM), LaSrCu oxide (hereinafter referred to as LSC), LaSrFeNi oxide (hereinafter referred to as LSFN) ), LaNiFe oxide (hereinafter referred to as LNF), LaBaCo oxide (hereinafter referred to as LBC), LaNiCo oxide (hereinafter referred to as LNC), LaSrAlFe oxide (hereinafter referred to as LSAF), LaSrCoNiCu oxidation Product (hereinafter referred to as LSCNC), LaSrFe iCu oxide (hereinafter referred to as LSFNC), LaNi oxide (hereinafter referred to as LN), GdSrCo oxide (hereinafter referred to as GSC), GdSrMn oxide (hereinafter referred to as GSM), PrCaMn oxide (hereinafter referred to as LSM) PCaM), PrSrMn oxide (hereinafter referred to as PSM), PrBaCo oxide (hereinafter referred to as PBC), SmSrCo oxide (hereinafter referred to as SSC), NdSmCo oxide (hereinafter referred to as NSC), BiSrCaCu Oxide (hereinafter referred to as BSCC), BaLaFeCo oxide (hereinafter referred to as BLFC), BaSrFeCo oxide (hereinafter referred to as BSFC), YSrFeCo oxide (hereinafter referred to as YLFC), YCuCoFe oxide (hereinafter referred to as YCCF) And YBaCu oxide (hereinafter referred to as YBC). The cathode 13 may be a mixture with an electrolyte material, for example, LSM-YSZ, LSCF-SDC, LSCF-GDC, LSCF-YDC, LSCF-LDC, LSCF-CDC, LSM-ScSZ, LSM-SDC, LSM-GDC. Etc. may be formed. Furthermore, for example, components such as Pt, Ru, Au, Ag, and Pd may be added to the cathode 13.

図1は、本実施の形態におけるアノード近傍の拡大断面図である。   FIG. 1 is an enlarged cross-sectional view of the vicinity of the anode in the present embodiment.

アノード12は、たとえば金属と固体酸化物の混合焼結体(サーメット)であるアノード粒子60を用いて固体酸化物電解質11の表面に層状に形成される。サーメットとしては、たとえばNi−YSZ、Ni−ScSZ、Ni−SDC、Ni−GDC、Ni−YDC、などが用いられる。また、このようなサーメットに、たとえばFe、Co、Cu、Mg、Al、Pt、Ru、Auなどの成分を添加してもよい。あるいは、Fe、Co、Cu、Mg、Al、Pt、Ru、Auなどを主構成材料とするサーメットを用いてもよい。また、貴金属を含む金属を単独で電極として用いてもよい。たとえばNi、Fe、Co、Cu、Mg、Al、Pt、Ru、Auなどの単体、合金、混合体でアノード12を形成してもよい。   The anode 12 is formed in layers on the surface of the solid oxide electrolyte 11 using anode particles 60 that are, for example, a mixed sintered body (cermet) of metal and solid oxide. As the cermet, for example, Ni—YSZ, Ni—ScSZ, Ni—SDC, Ni—GDC, Ni—YDC, and the like are used. Moreover, you may add components, such as Fe, Co, Cu, Mg, Al, Pt, Ru, Au, to such a cermet. Or you may use the cermet which uses Fe, Co, Cu, Mg, Al, Pt, Ru, Au, etc. as a main constituent material. Moreover, you may use the metal containing a noble metal independently as an electrode. For example, the anode 12 may be formed of a simple substance such as Ni, Fe, Co, Cu, Mg, Al, Pt, Ru, or Au, an alloy, or a mixture.

アノード12の表面には、集電体16の層が形成されている。集電体16は、触媒集電要素61の集合体である。   A layer of a current collector 16 is formed on the surface of the anode 12. The current collector 16 is an aggregate of the catalyst current collecting elements 61.

図5は、本実施の形態における触媒集電要素の断面図である。   FIG. 5 is a cross-sectional view of the catalyst current collecting element in the present embodiment.

触媒集電要素61は、基材91の表面に改質触媒および電子導電性物質を含有する被膜81が形成された粒子である。改質触媒とは、炭化水素から水素を生成する改質反応のNiなどの触媒である。また、電子導電性物質とは、Niなどの電子導電性を持つ物質である。集電体16は、アノード12に接して設けられる。   The catalyst current collecting element 61 is a particle in which a coating 81 containing a reforming catalyst and an electronic conductive material is formed on the surface of a base material 91. The reforming catalyst is a catalyst such as Ni in a reforming reaction that generates hydrogen from a hydrocarbon. Further, the electron conductive substance is a substance having electronic conductivity such as Ni. The current collector 16 is provided in contact with the anode 12.

触媒集電要素61は、たとえば、メッキ方法、PVD法、CVD法、電気泳動法、スラリーコーティング法、スパッタリング法、プラズマスプレー法、イオンプレーティング法、フレームスプレー法、プラズマジェットトーチ法、EVD法、などによって形成される。あるいは、圧縮、摩擦、せん断力などの機械的作用によって触媒集電要素61を形成することもできる。   The catalyst current collecting element 61 includes, for example, a plating method, PVD method, CVD method, electrophoresis method, slurry coating method, sputtering method, plasma spray method, ion plating method, flame spray method, plasma jet torch method, EVD method, Formed by. Alternatively, the catalyst current collecting element 61 can be formed by a mechanical action such as compression, friction, or shearing force.

触媒集電要素61の基材91は、耐熱性を有し、安定であることが望ましい。被膜81に含有される改質触媒および電子導電性物質として、たとえばNi、Fe、Co、Mg、Ti、Cu、Al、Pt、Au、Ag、Pd、Ruなどの金属単体、これらの混合物、あるいは、これらの合金などを用いることができる。また、被膜81に含有される改質触媒および電子導電性物質として、ペロブスカイト型酸化物などの酸化物セラミックスあるいは非酸化物セラミックを用いてもよい。   It is desirable that the base 91 of the catalyst current collecting element 61 has heat resistance and is stable. Examples of the reforming catalyst and the electronic conductive material contained in the coating 81 include simple metals such as Ni, Fe, Co, Mg, Ti, Cu, Al, Pt, Au, Ag, Pd, and Ru, a mixture thereof, or These alloys can be used. Further, oxide ceramics such as perovskite oxides or non-oxide ceramics may be used as the reforming catalyst and the electronic conductive material contained in the coating 81.

また、触媒集電要素61の被膜81は、単層でもよいし、2層以上の複数層が形成されてもよい。触媒集電要素61の表面が完全に被膜81で覆われている必要はなく、点状や斑状でも構わない。   Further, the coating 81 of the catalyst current collecting element 61 may be a single layer or a plurality of layers of two or more layers. The surface of the catalyst current collecting element 61 does not need to be completely covered with the coating 81, and may be in the form of dots or spots.

図6は、YSZを基材としてその表面にAgの被膜が形成された粒子の顕微鏡写真である。   FIG. 6 is a photomicrograph of particles in which an Ag coating is formed on the surface of YSZ as a base material.

図6の粒子は、直径15μm程度のYSZ粒子を基材として、その表面に1μm程度のAgの被膜が形成されている。このような粒子を触媒集電要素61として用いることができる。   The particles in FIG. 6 have YSZ particles having a diameter of about 15 μm as a base material, and an Ag film of about 1 μm is formed on the surface thereof. Such particles can be used as the catalyst current collecting element 61.

このような燃料電池システムにおいて、燃料供給装置31によって内部改質式固体酸化物型燃料電池30に供給された炭化水素系燃料は、貫通燃料流路21を通って溝状燃料流路22に送られる。溝状燃料流路22に到達した炭化水素系燃料は、集電体16の触媒集電要素61に接することとなる。触媒集電要素61の表面に炭化水素から水素を生成する改質反応の改質触媒を含有する被膜81が形成されているため、触媒集電要素61に接した炭化水素系燃料を用いて内部改質反応が生じる。この内部改質反応によって生成された水素は、アノード12に供給される。また、酸素供給装置32は、空気などの酸素を含む気体を内部改質式固体酸化物型燃料電池30に供給する。この酸素を含む気体は、貫通酸素流路23を通って溝状酸素流路24に送られる。溝状酸素流路24に到達した酸素は、カソード13に接することになる。   In such a fuel cell system, the hydrocarbon-based fuel supplied to the internal reforming solid oxide fuel cell 30 by the fuel supply device 31 is sent to the groove-like fuel channel 22 through the through fuel channel 21. It is done. The hydrocarbon fuel that has reached the groove-like fuel flow path 22 comes into contact with the catalyst current collecting element 61 of the current collector 16. Since the coating 81 containing the reforming catalyst of the reforming reaction for generating hydrogen from hydrocarbon is formed on the surface of the catalyst current collecting element 61, the inside of the catalyst current collecting element 61 using the hydrocarbon fuel in contact with the catalyst current collecting element 61. A reforming reaction occurs. Hydrogen produced by this internal reforming reaction is supplied to the anode 12. The oxygen supply device 32 supplies a gas containing oxygen such as air to the internal reforming solid oxide fuel cell 30. The gas containing oxygen is sent to the groove-like oxygen channel 24 through the through oxygen channel 23. Oxygen that has reached the groove-like oxygen flow path 24 comes into contact with the cathode 13.

このようにしてアノード12に水素、カソード13に酸素が供給されることにより、内部改質式固体酸化物型燃料電池30は発電する。集電体16の触媒集電要素61には電子導電性物質を含有する被膜81が形成されているため、発電によって生じた電流は集電体16を通って流れることになる。   By supplying hydrogen to the anode 12 and oxygen to the cathode 13 in this way, the internal reforming solid oxide fuel cell 30 generates power. Since the catalyst current collecting element 61 of the current collector 16 is formed with the coating 81 containing the electron conductive material, the current generated by the power generation flows through the current collector 16.

改質触媒は、炭化水素系燃料と接しなければ内部改質反応に寄与しないため、触媒集電要素61の内部に改質触媒を含有させても触媒としての機能はほとんど発揮しない。しかし、本実施の形態では、触媒集電要素61の表面には改質触媒および電子導電性物質を含有する被膜81が形成されている。このため、触媒としての機能をほとんど損なうことなく改質触媒の使用量を抑制することができる。また、電子導電性を確保しつつ電子導電性物質の使用量を抑制することができる。   Since the reforming catalyst does not contribute to the internal reforming reaction unless it comes into contact with the hydrocarbon-based fuel, even if the reforming catalyst is contained in the catalyst current collecting element 61, the function as a catalyst is hardly exhibited. However, in the present embodiment, the coating 81 containing the reforming catalyst and the electronic conductive material is formed on the surface of the catalyst current collecting element 61. For this reason, the usage-amount of a reforming catalyst can be suppressed, without impairing the function as a catalyst almost. Moreover, the usage-amount of an electronic conductive substance can be suppressed, ensuring electronic conductivity.

さらに、Niなどの金属で全体が形成された触媒あるいは集電要素を用いると、高温の運転温度と停止中の低温を繰り返し経験すると、酸化反応および還元反応を繰り返し経験する場合がある。酸化反応および還元反応を繰り返し経験すると、これらの反応に伴う体積変化を繰り返し経験することとなり、クラックなどが生じて健全性を維持できないおそれがある。しかし、本実施の形態では、Niなどの金属は表面にのみ用いられるため、酸化反応および還元反応を繰り返し経験したとしても、その体積変化は小さく健全性が損なわれるおそれは小さい。   Furthermore, when a catalyst or a current collecting element formed entirely of a metal such as Ni is used, when the high operating temperature and the low temperature during the stop are repeatedly experienced, the oxidation reaction and the reduction reaction may be repeatedly experienced. When the oxidation reaction and the reduction reaction are repeatedly experienced, the volume change associated with these reactions is repeatedly experienced, and cracks or the like may occur, and the soundness may not be maintained. However, in the present embodiment, since a metal such as Ni is used only on the surface, even if the oxidation reaction and the reduction reaction are repeatedly experienced, the volume change is small and there is little possibility that the soundness is impaired.

NiやRuは改質効果が高いため、被膜81に含有される改質触媒および電子導電性物質として好ましい。また、Agは非常に電子導電性が高いため、被膜81にAgが含有されることが好ましい。   Ni and Ru are preferable as a reforming catalyst and an electronic conductive material contained in the coating 81 because they have a high reforming effect. Moreover, since Ag has very high electronic conductivity, it is preferable that Ag is contained in the coating film 81.

また、触媒集電要素61の基材91は、被膜81に含有される触媒物質および電子導電性物質よりも熱膨張係数が固体酸化物電解質11に近い物質で形成されることが好ましい。さらに、固体酸化物電解質11と熱膨張率が同程度のものを用いることが好ましい。触媒集電要素61の熱膨張は、触媒集電要素61の体積の大部分を占める基材91の熱膨張率に大きく依存する。このため、基材91と固体酸化物電解質11との熱膨張率が同程度であれば、集電体16の層と固体酸化物電解質11の熱膨張差を小さくすることができる。熱膨張差を小さくすることにより、集電体16の層の剥離やクラックの発生を抑制することができる。   Further, the base 91 of the catalyst current collecting element 61 is preferably formed of a material having a thermal expansion coefficient closer to that of the solid oxide electrolyte 11 than the catalyst material and the electronic conductive material contained in the coating 81. Furthermore, it is preferable to use a material having the same thermal expansion coefficient as that of the solid oxide electrolyte 11. The thermal expansion of the catalyst current collecting element 61 greatly depends on the thermal expansion coefficient of the base material 91 that occupies most of the volume of the catalyst current collecting element 61. For this reason, if the thermal expansion coefficient of the base material 91 and the solid oxide electrolyte 11 is approximately the same, the difference in thermal expansion between the layer of the current collector 16 and the solid oxide electrolyte 11 can be reduced. By reducing the difference in thermal expansion, it is possible to suppress the peeling of the layers of the current collector 16 and the occurrence of cracks.

そこで、触媒集電要素61の基材91は、たとえば固体酸化物電解質11と同じ材質とする。固体酸化物電解質11にYSZを用いた場合には、基材91としてYSZを用いる。あるいは、固体酸化物電解質11にScSZを用いた場合には基材91としてScSZを、固体酸化物電解質11にGDCやSDCといったセリア系電解質材料を適用した場合には基材91としてセリア系電解質材料を、固体酸化物電解質11にランタンガレード系材料を適用した場合には基材91としてランタンガレード系材料を用いる。これによって、固体酸化物電解質11と集電体16の層の熱膨張をほぼ同程度とすることができる。また、GDCやSDCといったセリア系電解質材料で基材91を形成すると、カーボン析出を抑制でき、内部改質方式の固体酸化物型燃料電池において、高い改質効果を得ることができる。   Therefore, the base material 91 of the catalyst current collecting element 61 is made of, for example, the same material as that of the solid oxide electrolyte 11. When YSZ is used for the solid oxide electrolyte 11, YSZ is used as the base material 91. Alternatively, when ScSZ is used for the solid oxide electrolyte 11, ScSZ is used as the substrate 91, and when a ceria-based electrolyte material such as GDC or SDC is applied to the solid oxide electrolyte 11, the ceria-based electrolyte material is used as the substrate 91. When a lanthanum garade material is applied to the solid oxide electrolyte 11, a lanthanum garade material is used as the substrate 91. As a result, the thermal expansion of the layers of the solid oxide electrolyte 11 and the current collector 16 can be made substantially the same. Further, when the base material 91 is formed of a ceria-based electrolyte material such as GDC or SDC, carbon deposition can be suppressed, and a high reforming effect can be obtained in an internal reforming solid oxide fuel cell.

[第2の実施の形態]
図7は、本発明に係る内部改質式固体酸化物型燃料電池の第2の実施の形態における単セルの断面図である。
[Second Embodiment]
FIG. 7 is a sectional view of a single cell in the second embodiment of the internal reforming solid oxide fuel cell according to the present invention.

本実施の形態の単セル17は、板状のアノード12を支持体とし、その表面に固体酸化物電解質11およびカソード13を積層したものである。この単セル17を用いた内部改質式固体酸化物型燃料電池であっても、第1の実施の形態と同様にアノード12の表面に集電体16(図1参照)の層を形成することにより、改質触媒および電子導電性物質の使用量を抑制することができる。   The single cell 17 of the present embodiment has a plate-like anode 12 as a support, and a solid oxide electrolyte 11 and a cathode 13 are laminated on the surface thereof. Even in the internal reforming solid oxide fuel cell using the single cell 17, a layer of the current collector 16 (see FIG. 1) is formed on the surface of the anode 12 as in the first embodiment. Thereby, the usage-amount of a reforming catalyst and an electronic conductive substance can be suppressed.

また、本実施の形態ではアノード12を支持体としているため、単セル17の熱膨張としてアノード12の熱膨張が支配的である。そこで、集電体16の触媒集電要素61の基材91として、アノード12と熱膨張率が同程度の物質を用いることが好ましい。   In this embodiment, since the anode 12 is used as a support, the thermal expansion of the anode 12 is dominant as the thermal expansion of the single cell 17. Therefore, it is preferable to use a material having a thermal expansion coefficient similar to that of the anode 12 as the base material 91 of the catalyst current collecting element 61 of the current collector 16.

[第3の実施の形態]
図8は、本発明に係る内部改質式固体酸化物型燃料電池の第3の実施の形態における単セルの断面図である。
[Third Embodiment]
FIG. 8 is a sectional view of a single cell in the third embodiment of the internal reforming solid oxide fuel cell according to the present invention.

本実施の形態の単セル17は、固体酸化物電解質11とカソード13との間に反応抑制層18を設けている。反応抑制層18は、緻密ないしは緻密に近い構造であることが必要である。この単セル17を用いた内部改質式固体酸化物型燃料電池であっても、第1の実施の形態と同様にアノード12の表面に集電体16(図1参照)の層を形成することにより、改質触媒および電子導電性物質の使用量を抑制することができる。   In the single cell 17 of the present embodiment, a reaction suppression layer 18 is provided between the solid oxide electrolyte 11 and the cathode 13. The reaction suppression layer 18 needs to have a dense structure or a close-packed structure. Even in the internal reforming solid oxide fuel cell using the single cell 17, a layer of the current collector 16 (see FIG. 1) is formed on the surface of the anode 12 as in the first embodiment. Thereby, the usage-amount of a reforming catalyst and an electronic conductive substance can be suppressed.

固体酸化物電解質11を形成する電解質材料、および、カソード13などを形成する電極材料の選択によっては、電解質材料と電極材料との反応性が高い場合がある。このような場合には、固体酸化物電解質11とカソード13との間に、反応抑制層18を設けることにより、電解質材料と電極材料との反応を抑制することができる。反応抑制層を導入してもよい。   Depending on the selection of the electrolyte material that forms the solid oxide electrolyte 11 and the electrode material that forms the cathode 13 or the like, the reactivity between the electrolyte material and the electrode material may be high. In such a case, the reaction between the electrolyte material and the electrode material can be suppressed by providing the reaction suppression layer 18 between the solid oxide electrolyte 11 and the cathode 13. A reaction suppression layer may be introduced.

[第4の実施の形態]
図9は、本発明に係る内部改質式固体酸化物型燃料電池の第4の実施の形態における単セルを断面とともに示す斜視図である。
[Fourth Embodiment]
FIG. 9 is a perspective view showing a single cell together with a cross section in a fourth embodiment of an internal reforming solid oxide fuel cell according to the present invention.

本実施の形態の単セル17は、円筒状に形成されたアノード12を支持体として、その外面に固体酸化物電解質11およびカソード13を積層形成したものである。燃料極支持体と電解質層の間に、燃料極活性層を設けてもよい。固体酸化物電解質11とカソード13との間に、反応抑制層を設けてもよい。   The single cell 17 according to the present embodiment is obtained by stacking a solid oxide electrolyte 11 and a cathode 13 on the outer surface of a cylindrical anode 12 as a support. An anode active layer may be provided between the anode support and the electrolyte layer. A reaction suppression layer may be provided between the solid oxide electrolyte 11 and the cathode 13.

このような単セル17を用いる場合、円筒状のアノード12の内部空間が燃料流路となるため、燃料流路を別途形成する必要がない。また、カソード13には外側に存在する酸素が供給されるため、酸素流路を別途形成する必要がなく、酸素供給装置32(図2参照)を特別に設ける必要がない。   When such a single cell 17 is used, the internal space of the cylindrical anode 12 serves as a fuel flow path, so there is no need to separately form a fuel flow path. Further, since oxygen existing outside is supplied to the cathode 13, it is not necessary to separately form an oxygen flow path, and it is not necessary to provide an oxygen supply device 32 (see FIG. 2).

この単セル17を用いる内部改質式固体酸化物型燃料電池であっても、第1の実施の形態と同様にアノード12の表面に集電体16(図1参照)の層を形成することにより、改質触媒および電子導電性物質の使用量を抑制することができる。   Even in the internal reforming solid oxide fuel cell using this single cell 17, a layer of the current collector 16 (see FIG. 1) is formed on the surface of the anode 12 as in the first embodiment. Thereby, the usage-amount of a reforming catalyst and an electronic conductive substance can be suppressed.

[第5の実施の形態]
図10は、本発明に係る内部改質式固体酸化物型燃料電池の第5の実施の形態におけるアノード近傍の拡大断面図である。
[Fifth Embodiment]
FIG. 10 is an enlarged cross-sectional view of the vicinity of the anode in the fifth embodiment of the internal reforming solid oxide fuel cell according to the present invention.

本実施の形態では、第1の実施の形態における集電体16(図1参照)の層とアノード12(図1参照)の代わりに、集電体入りアノード19を設けている。集電体入りアノード19には、アノード粒子60、粒子状の触媒集電要素61および繊維状の触媒集電要素62が混在している。繊維状の触媒集電要素62は、基材91(図5参照)の表面に改質触媒および電子導電性物質を含有する被膜81(図5参照)が形成され、粒子状の触媒集電要素61と同様の断面形状(図5参照)を有する。   In the present embodiment, an anode 19 with a current collector is provided in place of the layer of the current collector 16 (see FIG. 1) and the anode 12 (see FIG. 1) in the first embodiment. The anode 19 with a current collector contains a mixture of anode particles 60, particulate catalyst current collector elements 61, and fibrous catalyst current collector elements 62. The fibrous catalyst current collecting element 62 has a particulate catalyst current collecting element in which a coating 81 (see FIG. 5) containing a reforming catalyst and an electronic conductive material is formed on the surface of a substrate 91 (see FIG. 5). It has the same cross-sectional shape as 61 (see FIG. 5).

このような繊維状の触媒集電要素62を用いた場合でも、粒子状の触媒集電要素61の場合と同様に、改質触媒および電子導電性物質の使用量を抑制することができる。なお、粒子状の触媒集電要素61および繊維状の触媒集電要素62のいずれか一方のみを用いてもよい。   Even when such a fibrous catalyst current collecting element 62 is used, the amount of the reforming catalyst and the electron conductive material used can be suppressed as in the case of the particulate catalyst current collecting element 61. Only one of the particulate catalyst current collecting element 61 and the fibrous catalyst current collecting element 62 may be used.

触媒集電要素61,62とアノード粒子60とを混在させることにより、内部改質反応によって生じた水素のアノード粒子60までの移動距離が短くなる。また、集電体およびアノードの全体としての厚さを薄くすることができる。   By mixing the catalyst current collecting elements 61 and 62 and the anode particles 60, the moving distance of the hydrogen generated by the internal reforming reaction to the anode particles 60 is shortened. In addition, the overall thickness of the current collector and the anode can be reduced.

固体酸化物電解質11からセパレータ14に向かって、集電体入りアノード19中の触媒集電要素61,62の密度を変化させてもよい。たとえば炭化水素系燃料がより多く存在するセパレータ14の近傍では触媒集電要素61,62の密度を高めることにより、内部改質反応をより効率的に進めることができる。   The density of the catalyst current collecting elements 61 and 62 in the current-collecting anode 19 may be changed from the solid oxide electrolyte 11 toward the separator 14. For example, in the vicinity of the separator 14 where more hydrocarbon fuel is present, the internal reforming reaction can be more efficiently advanced by increasing the density of the catalyst current collecting elements 61 and 62.

[第6の実施の形態]
図11は、本発明に係る内部改質式固体酸化物型燃料電池の第6の実施の形態におけるアノード近傍の拡大断面図である。
[Sixth Embodiment]
FIG. 11 is an enlarged cross-sectional view of the vicinity of the anode in the sixth embodiment of the internal reforming solid oxide fuel cell according to the present invention.

本実施の形態では、セパレータ14の溝状燃料流路22の内部にも触媒集電要素61を充填している。この際、溝状燃料流路22には炭化水素系燃料が通過できる空間は確保しておく必要がある。   In the present embodiment, the catalyst current collecting element 61 is also filled in the groove-like fuel flow path 22 of the separator 14. At this time, it is necessary to secure a space through which the hydrocarbon-based fuel can pass in the groove-like fuel flow path 22.

このような内部改質式固体酸化物型燃料電池では、たとえば炭化水素系燃料がより多く存在するセパレータ14の溝状燃料流路22に改質触媒が存在することになるため、改質効果が向上する。また、触媒集電要素61がセパレータ14と溝状燃料流路22でも接触することとなるため、集電面積を増加し、固体酸化物型燃料電池の内部抵抗が小さくなる。   In such an internal reforming solid oxide fuel cell, for example, the reforming catalyst is present in the groove-like fuel flow path 22 of the separator 14 in which more hydrocarbon fuel is present. improves. Further, since the catalyst current collecting element 61 is also in contact with the separator 14 in the grooved fuel flow path 22, the current collecting area is increased and the internal resistance of the solid oxide fuel cell is reduced.

[第7の実施の形態]
図12は、本発明に係る内部改質式固体酸化物型燃料電池の第7の実施の形態におけるアノード近傍の拡大断面図である。
[Seventh Embodiment]
FIG. 12 is an enlarged cross-sectional view of the vicinity of the anode in the seventh embodiment of the internal reforming solid oxide fuel cell according to the present invention.

本実施の形態では、セパレータ14の溝状燃料流路22に改質触媒粒子42を充填したものである。この際、溝状燃料流路22には炭化水素系燃料が通過できる空間は確保しておく必要がある。このような内部改質式固体酸化物型燃料電池では、たとえば炭化水素系燃料がより多く存在するセパレータ14の溝状燃料流路22に改質触媒が存在することになるため、改質効果が向上する。   In this embodiment, the grooved fuel flow path 22 of the separator 14 is filled with the reforming catalyst particles 42. At this time, it is necessary to secure a space through which the hydrocarbon-based fuel can pass in the groove-like fuel flow path 22. In such an internal reforming solid oxide fuel cell, for example, the reforming catalyst is present in the groove-like fuel flow path 22 of the separator 14 in which more hydrocarbon fuel is present. improves.

この改質触媒粒子42には、たとえば化学プラントや燃料電池の改質器などで使用実績のあるものを用いる。これにより、固体酸化物型燃料電池の信頼性を向上させることができる。   As the reforming catalyst particles 42, for example, those that have been used in chemical plant or fuel cell reformers are used. Thereby, the reliability of the solid oxide fuel cell can be improved.

このような内部改質式固体酸化物型燃料電池であっても、少なくとも集電体16の層では、改質触媒および電子導電性物質は基材の内部に用いる必要がないため、改質触媒および電子導電性物質の使用量を抑制することができる。   Even in such an internal reforming type solid oxide fuel cell, at least in the layer of the current collector 16, it is not necessary to use the reforming catalyst and the electronic conductive material inside the base material. In addition, the amount of the electronic conductive substance used can be suppressed.

[第8の実施の形態]
図13は、本発明に係る内部改質式固体酸化物型燃料電池の第8の実施の形態におけるアノード近傍の拡大断面図である。
[Eighth Embodiment]
FIG. 13 is an enlarged cross-sectional view of the vicinity of the anode in the eighth embodiment of the internal reforming solid oxide fuel cell according to the present invention.

本実施の形態では、セパレータ14の溝状燃料流路22に改質触媒粒子42および触媒集電要素61を充填している。この際、溝状燃料流路22には炭化水素系燃料が通過できる空間は確保しておく必要がある。この改質触媒粒子42には、たとえば化学プラントや燃料電池の改質器などで使用実績のあるものを用いる。   In the present embodiment, the reformed catalyst particles 42 and the catalyst current collecting element 61 are filled in the groove-like fuel flow path 22 of the separator 14. At this time, it is necessary to secure a space through which the hydrocarbon-based fuel can pass in the groove-like fuel flow path 22. As the reforming catalyst particles 42, for example, those that have been used in chemical plant or fuel cell reformers are used.

一般的に用いられている改質触媒はアルミナなどを担持体に用いているため、導電性が非常に低い。しかし、本実施の形態では、そのような改質触媒粒子42を触媒集電要素61と混合することにより、集電効果を向上させることができる。   A commonly used reforming catalyst uses alumina or the like as a support, and therefore has very low conductivity. However, in the present embodiment, the current collecting effect can be improved by mixing such reforming catalyst particles 42 with the catalyst current collecting element 61.

[第9の実施の形態]
図14は、本発明に係る内部改質式固体酸化物型燃料電池の第9の実施の形態におけるアノード近傍の拡大断面図である。
[Ninth Embodiment]
FIG. 14 is an enlarged cross-sectional view of the vicinity of the anode in the ninth embodiment of the internal reforming solid oxide fuel cell according to the present invention.

本実施の形態では、触媒集電要素61および導電粒子43で集電体16の層を形成している。導電粒子43は、触媒集電要素61よりも電子導電性が高い物質で表面に被膜を形成した粒子である。たとえば触媒集電要素61はNiやRuなどで被膜を形成した粒子であり、導電粒子43はAgで被膜を形成した粒子である。   In the present embodiment, a layer of the current collector 16 is formed by the catalyst current collecting element 61 and the conductive particles 43. The conductive particles 43 are particles having a film formed on the surface with a substance having higher electronic conductivity than the catalyst current collecting element 61. For example, the catalyst current collecting element 61 is a particle having a film formed of Ni or Ru, and the conductive particle 43 is a particle having a film formed of Ag.

このように導電粒子43を用いることにより集電効果を高めることができる。なお、導電粒子43の代わりに、繊維状の触媒集電要素62と同様に、表面に電子導電性が高い物質の被膜が形成された繊維状の物体を用いてもよい。   Thus, the current collection effect can be enhanced by using the conductive particles 43. Instead of the conductive particles 43, a fibrous object having a surface coated with a substance having a high electronic conductivity may be used similarly to the fibrous catalyst current collecting element 62.

[第10の実施の形態]
図15は、本発明に係る内部改質式固体酸化物型燃料電池の第10の実施の形態におけるアノード近傍の拡大断面図である。
[Tenth embodiment]
FIG. 15 is an enlarged cross-sectional view of the vicinity of the anode in the tenth embodiment of the internal reforming solid oxide fuel cell according to the present invention.

本実施の形態では、セパレータ14の溝状燃料流路22に導電粒子43および触媒集電要素61を充填している。この際、溝状燃料流路22には炭化水素系燃料が通過できる空間は確保しておく必要がある。このような内部改質式固体酸化物型燃料電池では導電粒子43がセパレータ14と溝状燃料流路22でも接触することとなるため、内部抵抗が小さくなる。   In the present embodiment, the conductive fuel 43 and the catalyst current collecting element 61 are filled in the groove-like fuel flow path 22 of the separator 14. At this time, it is necessary to secure a space through which the hydrocarbon-based fuel can pass in the groove-like fuel flow path 22. In such an internal reforming type solid oxide fuel cell, since the conductive particles 43 are also in contact with the separator 14 and the groove-like fuel flow path 22, the internal resistance is reduced.

[第11の実施の形態]
図16は、本発明に係る内部改質式固体酸化物型燃料電池の第11の実施の形態における触媒集電要素の平面図である。
[Eleventh embodiment]
FIG. 16 is a plan view of a catalyst current collecting element in an eleventh embodiment of an internal reforming solid oxide fuel cell according to the present invention.

本実施の形態では、触媒集電要素61は、基材91の表面に改質触媒および電子導電性物質を高分散させて被膜81を形成したものである。なお、触媒集電要素61の形状は粒子状でも繊維状でもよい。   In the present embodiment, the catalyst current collecting element 61 is obtained by forming the coating 81 on the surface of the base material 91 by highly dispersing the reforming catalyst and the electronic conductive material. The shape of the catalyst current collecting element 61 may be particulate or fibrous.

基材91の表面に、改質触媒および電子導電性物質を単に担持させた場合には、内部改質式固体酸化物型燃料電池の運転に必要な高温になると、特に粒子の接触部分近傍に凝集してしまう場合がある。しかし、改質触媒および電子導電性物質を高分散させておくことにより、このような凝集は起こりにくくなる。   When the reforming catalyst and the electronically conductive substance are simply supported on the surface of the base material 91, especially at the vicinity of the contact portion of the particles at a high temperature required for the operation of the internal reforming solid oxide fuel cell. Aggregation may occur. However, such agglomeration is less likely to occur by highly dispersing the reforming catalyst and the electronic conductive material.

また、改質触媒および電子導電性物質を基材91の表面に高分散させることにより、反応に寄与する活性面積が増加し、改質効果を向上させることができる。   Further, by highly dispersing the reforming catalyst and the electronic conductive material on the surface of the base material 91, the active area contributing to the reaction is increased, and the reforming effect can be improved.

[他の実施の形態]
上述の各実施の形態は単なる例示であり、本発明はこれらに限定されない。また、各実施の形態の特徴を組み合わせて実施することもできる。
[Other embodiments]
The above-described embodiments are merely examples, and the present invention is not limited to these. Moreover, it can also implement combining the characteristic of each embodiment.

本発明に係る内部改質式固体酸化物型燃料電池の第1の実施の形態におけるアノード近傍の拡大断面図である。1 is an enlarged cross-sectional view in the vicinity of an anode in a first embodiment of an internal reforming solid oxide fuel cell according to the present invention. 本発明に係る内部改質式固体酸化物型燃料電池の第1の実施の形態を用いた燃料電池システムのブロック図である。1 is a block diagram of a fuel cell system using a first embodiment of an internal reforming solid oxide fuel cell according to the present invention. FIG. 本発明に係る内部改質式固体酸化物型燃料電池の第1の実施の形態を分解した状態の斜視図である。1 is an exploded perspective view of a first embodiment of an internal reforming solid oxide fuel cell according to the present invention. 本発明に係る内部改質式固体酸化物型燃料電池の第1の実施の形態における単セルの断面図である。It is sectional drawing of the single cell in 1st Embodiment of the internal reforming type solid oxide fuel cell which concerns on this invention. 本発明に係る内部改質式固体酸化物型燃料電池の第1の実施の形態における触媒集電要素の断面図である。It is sectional drawing of the catalyst current collection element in 1st Embodiment of the internal reforming type solid oxide fuel cell which concerns on this invention. YSZを基材としてその表面にAgの被膜が形成された粒子の顕微鏡写真である。It is a microscope picture of the particle | grains in which the coating film of Ag was formed in the surface using YSZ as a base material. 本発明に係る内部改質式固体酸化物型燃料電池の第2の実施の形態における単セルの断面図である。It is sectional drawing of the single cell in 2nd Embodiment of the internal reforming type solid oxide fuel cell which concerns on this invention. 本発明に係る内部改質式固体酸化物型燃料電池の第3の実施の形態における単セルの断面図である。It is sectional drawing of the single cell in 3rd Embodiment of the internal reforming type solid oxide fuel cell which concerns on this invention. 本発明に係る内部改質式固体酸化物型燃料電池の第4の実施の形態における単セルを断面とともに示す斜視図である。It is a perspective view which shows the single cell in 4th Embodiment of the internal reforming type solid oxide fuel cell which concerns on this invention with a cross section. 本発明に係る内部改質式固体酸化物型燃料電池の第5の実施の形態におけるアノード近傍の拡大断面図である。It is an expanded sectional view of the anode vicinity in the fifth embodiment of the internal reforming solid oxide fuel cell according to the present invention. 本発明に係る内部改質式固体酸化物型燃料電池の第6の実施の形態におけるアノード近傍の拡大断面図である。It is an expanded sectional view of the anode vicinity in the sixth embodiment of the internal reforming solid oxide fuel cell according to the present invention. 本発明に係る内部改質式固体酸化物型燃料電池の第7の実施の形態におけるアノード近傍の拡大断面図である。It is an expanded sectional view of the anode vicinity in the seventh embodiment of the internal reforming solid oxide fuel cell according to the present invention. 本発明に係る内部改質式固体酸化物型燃料電池の第8の実施の形態におけるアノード近傍の拡大断面図である。It is an expanded sectional view of the anode vicinity in the eighth embodiment of the internal reforming solid oxide fuel cell according to the present invention. 本発明に係る内部改質式固体酸化物型燃料電池の第9の実施の形態におけるアノード近傍の拡大断面図である。It is an expanded sectional view of the anode vicinity in the ninth embodiment of the internal reforming solid oxide fuel cell according to the present invention. 本発明に係る内部改質式固体酸化物型燃料電池の第10の実施の形態におけるアノード近傍の拡大断面図である。It is an expanded sectional view of the anode vicinity in the tenth embodiment of the internal reforming solid oxide fuel cell according to the present invention. 本発明に係る内部改質式固体酸化物型燃料電池の第11の実施の形態における触媒集電要素の平面図である。It is a top view of the catalyst current collection element in 11th Embodiment of the internal reforming type solid oxide fuel cell which concerns on this invention.

符号の説明Explanation of symbols

11…固体酸化物電解質、12…アノード、13…カソード、14…セパレータ、15…集電体、16…集電体、17…単セル、18…反応抑制層、19…集電体入りアノード、21…貫通燃料流路、22…溝状燃料流路、23…貫通酸素流路、24…溝状酸素流路、30…内部改質式固体酸化物型燃料電池、31…燃料供給装置、32…酸素供給装置、33…外部負荷、42…改質触媒粒子、43…導電粒子、60…アノード粒子、61…触媒集電要素、62…触媒集電要素、81…被膜、91…基材 DESCRIPTION OF SYMBOLS 11 ... Solid oxide electrolyte, 12 ... Anode, 13 ... Cathode, 14 ... Separator, 15 ... Current collector, 16 ... Current collector, 17 ... Single cell, 18 ... Reaction suppression layer, 19 ... Anode with a current collector, DESCRIPTION OF SYMBOLS 21 ... Through fuel flow path, 22 ... Groove fuel flow path, 23 ... Through oxygen flow path, 24 ... Groove oxygen flow path, 30 ... Internal reforming type solid oxide fuel cell, 31 ... Fuel supply apparatus, 32 DESCRIPTION OF SYMBOLS ... Oxygen supply apparatus, 33 ... External load, 42 ... Reformed catalyst particle, 43 ... Conductive particle, 60 ... Anode particle, 61 ... Catalyst current collection element, 62 ... Catalyst current collection element, 81 ... Coating, 91 ... Base material

Claims (12)

カソードと、
アノードと、
前記カソードおよび前記アノードで挟まれた固体酸化物電解質と、
炭化水素から水素を生成する反応の改質触媒と電子導電性物質とを含有する被膜が基材の表面に形成された触媒集電要素を含み前記アノードに接して設けられた集電体と、
を有することを特徴とする内部改質式固体酸化物型燃料電池。
A cathode,
An anode,
A solid oxide electrolyte sandwiched between the cathode and the anode;
A current collector provided in contact with the anode, including a catalyst current collecting element formed on the surface of the substrate with a coating containing a reforming catalyst for the reaction of generating hydrogen from hydrocarbons and an electron conductive material;
An internal reforming solid oxide fuel cell characterized by comprising:
前記基材は、熱膨張係数が前記改質触媒および前記電子導電性物質のいずれよりも前記固体酸化物電解質に近い物質で形成されていることを特徴とする請求項1に記載の内部改質式固体酸化物型燃料電池。   2. The internal reforming according to claim 1, wherein the base material is formed of a material having a thermal expansion coefficient closer to the solid oxide electrolyte than any of the reforming catalyst and the electron conductive material. Type solid oxide fuel cell. 前記基材は、前記固体酸化物電解質と同一の物質で形成されていることを特徴とする請求項2に記載の内部改質式固体酸化物型燃料電池。   The internal reforming solid oxide fuel cell according to claim 2, wherein the base material is formed of the same material as the solid oxide electrolyte. 前記基材は、セリア系電解質材料で形成されていることを特徴とする請求項1ないし請求項3のいずれか1項に記載の内部改質式固体酸化物型燃料電池。   The internal reforming solid oxide fuel cell according to any one of claims 1 to 3, wherein the base material is made of a ceria-based electrolyte material. 前記改質触媒および前記電子導電性物質は、いずれもNiであることを特徴とする請求項1ないし請求項4のいずれか1項に記載の内部改質式固体酸化物型燃料電池。   5. The internal reforming solid oxide fuel cell according to claim 1, wherein both of the reforming catalyst and the electronically conductive material are Ni. 前記集電体は、前記触媒集電要素よりも前記被膜の電子導電性が高い導電要素を含むことを特徴とする請求項1ないし請求項5のいずれか1項に記載の内部改質式固体酸化物型燃料電池。   The internal reforming solid according to any one of claims 1 to 5, wherein the current collector includes a conductive element having a higher electronic conductivity of the coating than the catalyst current collecting element. Oxide fuel cell. 前記導電要素はAgを含有することを特徴とする請求項1ないし請求項6のいずれか1項に記載の内部改質式固体酸化物型燃料電池。   The internal reforming solid oxide fuel cell according to any one of claims 1 to 6, wherein the conductive element contains Ag. 電子導電性を持つ物質で炭化水素を含有する燃料が流れる燃料流路が前記アノードに対向して形成されたセパレータを有し、前記集電材は前記セパレータと前記アノードとの間に設けられていることを特徴とする請求項1ないし請求項7のいずれか1項に記載の内部改質式固体酸化物型燃料電池。   A fuel flow path through which a hydrocarbon-containing fuel, which is a substance having electronic conductivity, has a separator formed to face the anode, and the current collector is provided between the separator and the anode. The internal reforming solid oxide fuel cell according to any one of claims 1 to 7, wherein the internal reforming solid oxide fuel cell is provided. 前記触媒集電要素は、前記燃料流路にも配置されていることを特徴とする請求項8に記載の内部改質式固体酸化物型燃料電池。   9. The internal reforming solid oxide fuel cell according to claim 8, wherein the catalyst current collecting element is also disposed in the fuel flow path. 前記改質触媒が少なくとも表面に存在し前記燃料流路に配置された改質触媒要素を有することを特徴とする請求項8または請求項9に記載の内部改質式固体酸化物型燃料電池。   10. The internal reforming solid oxide fuel cell according to claim 8, wherein the reforming catalyst is present on at least a surface and has a reforming catalyst element disposed in the fuel flow path. 11. 前記被膜は、高分散状態で形成されていることを特徴とする請求項1ないし請求項10のいずれか1項に記載の内部改質式固体酸化物型燃料電池。   The internal reforming solid oxide fuel cell according to any one of claims 1 to 10, wherein the coating is formed in a highly dispersed state. カソードと、アノードと、前記カソードおよび前記アノードで挟まれた固体酸化物電解質と、表面に炭化水素から水素を生成する改質触媒および電子導電性を持つ物質とを含有する被膜とを備えた触媒集電要素からなり前記アノードに接して設けられた集電材と、を有する内部改質式固体酸化物型燃料電池と、
前記アノードに炭化水素を含有する炭化水素系燃料を供給する燃料供給装置と、
を具備することを特徴とする燃料電池システム。
A catalyst comprising a cathode, an anode, a solid oxide electrolyte sandwiched between the cathode and the anode, and a coating containing a reforming catalyst for generating hydrogen from hydrocarbons and a substance having electronic conductivity on the surface An internal reforming solid oxide fuel cell having a current collector made of a current collecting element and provided in contact with the anode;
A fuel supply device for supplying a hydrocarbon-based fuel containing hydrocarbons to the anode;
A fuel cell system comprising:
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