(57)【要約】【課題】未燃焼成分および不完全燃焼成分の外界への排出を大幅に低減できる排出ガスの浄化機能を備えた固体酸化物型燃料電池を提供する。【解決手段】固体酸化物から成る筒状の電解質Ｅの内面にアノードＡ、外面にカソードＣを備えた筒状体Ｓから成り、アノードＡの少なくとも表面に酸化触媒を含み、該筒状体Ｓの一端から燃料ガスＦを供給し、他端から排出される未燃焼成分および／または不完全燃焼成分を含む排出ガスを筒状体Ｓの外部で火炎燃焼Ｂさせ、火炎燃焼Ｂによる筒状体の昇温により筒状体Ｓの内部で燃料ガスＦを触媒燃焼させつつ発電することを特徴とする固体酸化物型燃料電池。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
固体酸化物から成る筒状の電解質の内面にアノード、外面にカソードを備えた筒状体から成り、該アノードの少なくとも表面に酸化触媒を含み、該筒状体の一端から燃料ガスを供給し、他端から排出される未燃焼成分および／または不完全燃焼成分を含む排出ガスを該筒状体の外部で火炎燃焼させ、該火炎燃焼による筒状体の昇温により該筒状体内部で上記燃料ガスを触媒燃焼させつつ発電することを特徴とする固体酸化物型燃料電池。
【請求項２】
請求項１において、燃焼機器のバーナー火口を構成することを特徴とする固体酸化物型燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、触媒燃焼を利用した固体酸化物型燃料電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
固体酸化物を電解質とする固体酸化物型燃料電池は、作動温度を高くすることができるため、反応を促進するための触媒が不要であることで、ランニングコストが低減できるという利点がある。しかし、排出ガス中に含まれる未燃焼の炭素、炭化水素および不完全燃焼成分であるＣＯ、ＮＯｘなどによる環境汚染および健康被害を防止するために、これら成分の外界への排出量をできるだけ低減する排出ガス浄化が必要である。
【０００３】
例えば、特許文献１、２に、固体酸化物から成る筒状の電解質の内面にアノード、外面にカソードを備えた筒状体から成り、該筒状体の内部で燃料を火炎燃焼させることにより発電する固体酸化物型燃料電池が開示されている。これは、火炎が接触する筒状体の内壁直近の消炎領域で未燃焼や不完全燃焼が不可避的に起きる。
【０００４】
特許文献３には、燃焼排ガスの未燃焼成分を固体酸化物型燃料電池の燃料として利用し、排出ガスのエネルギーを電力として回収し周辺機器に利用することが開示されている。固体酸化物型燃料電池の排出ガスを浄化することはできない。
【０００５】
【特許文献１】特開２００６−１７９２９１号公報
【特許文献２】特開２００６−１７９２９５号公報
【特許文献３】特開平０５−０６０３１０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明は、未燃焼成分および不完全燃焼成分の外界への排出を大幅に低減できる排出ガスの浄化機能を備えた固体酸化物型燃料電池を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記の目的を達成するために、本発明によれば、固体酸化物から成る筒状の電解質の内面にアノード、外面にカソードを備えた筒状体から成り、該アノードの少なくとも表面に酸化触媒を含み、該筒状体の一端から燃料ガスを供給し、他端から排出される未燃焼成分および／または不完全燃焼成分を含む排出ガスを該筒状体の外部で火炎燃焼させ、該火炎燃焼による筒状体の昇温により該筒状体内部で上記燃料ガスを触媒燃焼させつつ発電することを特徴とする固体酸化物型燃料電池が提供される。
【発明の効果】
【０００８】
本発明の固体酸化物型燃料電池は、電池本体を構成する筒状体の外部で排出ガスを火炎燃焼させるので、火炎が筒状体とは接触せず消炎領域が発生しないため、排出ガスを容易に完全燃焼させることができ、未燃焼成分および不完全燃焼成分の外界への排出を大幅に低減できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
図１に、本発明の固体酸化物型燃料電池の基本形態を模式的に示す。
【００１０】
本発明の固体酸化物型燃料電池Ｓは、固体酸化物から成る筒状の電解質Ｅの内面にアノードＡ、外面にカソードＣを備えた筒状体から成る。アノードＡの少なくとも表面には酸化触媒を含む。酸化触媒としては、耐熱性のあるＰｔ、Ｐｄ、Ｒｈ等の白金族の金属（貴金属）が適している。アノードＡおよびカソードＣは集電体としてＰｔ等のメッシュ（図示せず）を備えており、各集電体から出力端子としてＰｔ等のリード線Ｌが外部へ延びている。
【００１１】
固体酸化物から成る筒状の電解質Ｅとしては、燃料電池で使用される公知の固体電解質を使用することができ、例として、次のものを挙げることができる。
【００１２】
（ａ）ＹＳＺ（イットリア安定化ジルコニア）、ＳｃＳＺ（スカンジア安定化ジルコニア）、これらにＣｅ、Ａｌ等をドープしたジルコニア系セラミックス。
【００１３】
（ｂ）ＳＤＣ（サマリアドープドセリア）、ＧＤＣ（ガドリアドープドセリア）等のセリア系セラミックス。
【００１４】
（ｃ）ＬＳＧＭ（ランタンガレート）。
【００１５】
（ｄ）酸化ビスマス系セラミックス。
【００１６】
アノードＡを形成する材料も、公知の材料を使用することができ、例として、次のものを挙げることができる。
【００１７】
（ａ）ニッケルと、イットリア安定化ジルコニア系、スカンジア安定化ジルコニア系、又はセリア系（ＳＤＣ、ＧＤＣ、ＹＤＣ等）セラミックとのサーメット。
【００１８】
（ｂ）ニッケルとコバルトと、イットリア安定化ジルコニア系、又はセリア系セラミックスとのサーメット。
【００１９】
（ｃ）導電性酸化物、例えばリチウムが固溶された酸化ニッケル等、を主成分（５０重量％以上９９重量％以下）とする焼結体。
【００２０】
（ｄ）（ａ）、（ｂ）、（ｃ）に挙げたものに、白金族元素からなる金属、又はその酸化物が１〜１０重量％程度配合されたもの。
【００２１】
これらのうち、特に（ａ）、（ｂ）、（ｃ）が好ましい。
【００２２】
（ｃ）の導電性酸化物を主成分とする焼結体は、優れた耐酸化性を有するので、アノード層の酸化に起因して発生する、アノード層の電極抵抗の上昇による発電効率の低下、あるいは発電不能、アノード層の固体電解質層からの剥離といった現象を防止できる。また、導電性酸化物としては、先に例示したリチウムが固溶された酸化ニッケルが好適である。更に、上記（ａ）、（ｂ）、（ｃ）に挙げたものに白金族元素から成る金属、又はその酸化物を配合した材料を使用することにより、高い発電性能を得ることができる。
【００２３】
カソードＣの材料も、やはり公知のものを使用することができ、例えば、ストロンチウム（Ｓｒ）が添加されたランタン、サマリウム等の周期律表第３族元素の、マンガン酸化合物（例えばランタンストロンチウムマンガナイト）、ガリウム酸化合物、又はコバルト酸化合物（例えばランタンストロンチウムコバルタイト、サマリウムストロンチウムコバルタイト）又は、フェライト系化合物（例えばランタンストロンチウムコバルトフェライト）等が挙げられる。
更に、必要に応じてカソードに炭素系造孔材などを添加することにより、高い発電特性を得ることができる。
【００２４】
筒状体Ｓの一端から燃料ガスＦを供給し、他端から排出される未燃焼成分および／または不完全燃焼成分を含む排出ガスを筒状体Ｓの外部で火炎燃焼Ｂさせる。燃料ガスＦを供給しても電池Ｓは作動しない。この作動前の時点に未燃焼で排出される燃料ガスＦに着火することにより火炎燃焼Ｂが開始する。この火炎燃焼Ｂにより筒状体Ｓが昇温して、触媒燃焼温度に達すると、筒状体Ｓの内部で燃料ガスの触媒燃焼が開始し、それにより燃料電池の作動が開始する。触媒燃焼は一般に２００〜３００℃で起き得る。
【００２５】
筒状体Ｓの一端から供給された燃料ガスＦは、筒状体Ｓ内で燃料電池の発電反応に関与した後、筒状体Ｓの他端から排出され火炎燃焼Ｂにより完全燃焼するので、未燃焼成分や不完全燃焼成分が残留しない。
【００２６】
本発明の固体酸化物型燃料電池は、典型的には燃焼機器のバーナー火口として用いることができる。発電された電力は、基本的な実施形態においては燃焼機器自体の操作用電力として利用する。具体例としては、ガスファンヒーターに蓄電器と共に用いて、燃焼起動、ファン駆動、表示パネルなどの電力として用いることができる。
【実施例】
【００２７】
〔実施例１〕
図１に示す本発明の固体酸化物型燃料電池を下記の手順にて作製した。
【００２８】
固体電解質Ｅとして、ドクターブレード法で形成したＳｍ０．２Ｃｅ０．８Ｏ１．９（サマリアドープトセリア：ＳＤＣ）のグリーンシートを筒状に成形し、筒状体の内面にアノードＡとしてニッケルとコバルトとＳＤＣのペーストを印刷し、外面にカソードＣとしてＳｍ０．５Ｓｒ０．５ＣｏＯ３とＳＤＣのペーストを印刷し、１２００℃にて焼成して円筒セルを得た。円筒セルの寸法は高さ１７ｍｍ、内径４．０ｍｍφであった。
【００２９】
次いで、集電体として、白金メッシュをアノードＡおよびカソードＣの両電極に各電極ペーストで付着させ、再度１２００℃にて焼成して固定した。
【００３０】
最後に、触媒燃焼を可能とするために、アノードＡの表面に白金を含む溶液であるヘキサクロロ白金酸を浸透させ、７０℃にて乾燥を行ない、固体酸化物型燃料電池Ｓを完成させた。
【００３１】
作製した固体酸化物型燃料電池Ｓについて、空気−１０％ブタン混合ガスを燃料ガスＦとして総流量９００sccmで発電特性を測定した。その結果、図２に示すように、３３０ｍＷの電力を取り出すことができた。
【００３２】
〔実施例２〕
図３に示すように、実施例１の固体酸化物型燃料電池Ｓの周囲を円筒状の断熱材Ｉ（材質：アルミナ）で囲んだ状態で実施例１と同様の燃料供給条件かで発電特性を測定して保温効果を調べた。その結果、図４の曲線２で示すように４００ｍＷの電力を取り出すことができ、実施例１の断熱材なしの結果（図４中の曲線１）に比べて７０ｍＷの出力上昇が確認された。
【００３３】
なお、実施例２では、保温のために単一の燃料電池Ｓの周囲を断熱材Ｉで囲んだが、図５に示すように複数本の燃料電池Ｓを束ね、その束の周囲を断熱材Ｉで囲むこともできる。この場合、束ねられた燃料電池Ｓが隣同士で保温しあうことで、更なる発電効率の向上が期待できる。
【００３４】
〔実施例３〕
実施例１の固体酸化物型燃料電池Ｓを用いて、燃料成分の排出時に、火炎燃焼させた場合と、火炎燃焼させない場合とについて、発電時のＣＯ排出量を比較した。排出ガス中のＣＯ濃度は、火炎燃焼ありの場合にはほぼ０ｐｐｍであったのに対して、火炎燃焼なしの場合には１０００ｐｐｍと高い値であった。このことから、排出ガス中には燃料改質で生成したＣＯが多量に含まれているものの、火炎燃焼させることでほとんどが完全燃焼することが分かった。
【産業上の利用可能性】
【００３５】
本発明によれば、未燃焼成分および不完全燃焼成分の外界への排出を大幅に低減できる排出ガスの浄化機能を備えた固体酸化物型燃料電池が提供される。
【図面の簡単な説明】
【００３６】
【図１】本発明の固体酸化物型燃料電池の（１）発電作動中の斜視図、（２）電池本体の斜視図、（３）電池本体の横断面図である。
【図２】本発明の固体酸化物型燃料電池の発電特性を示すグラフである。
【図３】本発明の固体酸化物型燃料電池の周囲を断熱材で囲んだ状態で発電作動中の斜視図である。
【図４】本発明の固体酸化物型燃料電池の周囲を断熱材で囲んだ場合の発電特性を示すグラフである。
【図５】本発明の固体酸化物型燃料電池を複数本束ね、束の周囲を断熱材で囲んだ状態で発電作動中の斜視図である。
【符号の説明】
【００３７】
Ｓ    固体酸化物型燃料電池（筒状体）
Ｅ    固体酸化物から成る電解質
Ａ    アノード
Ｂ    火炎燃焼
Ｃ    カソード
Ｌ    リード線（出力端子）
Ｆ    燃料ガス
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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