JP2019021578A

JP2019021578A - Fuel cell system

Info

Publication number: JP2019021578A
Application number: JP2017141128A
Authority: JP
Inventors: 良雄松崎; Yoshio Matsuzaki; 洸基佐藤; Koki Sato; 貴亮染川; Takaaki Somekawa; 雄也立川; Yuya Tachikawa; 俊輔谷口; Shunsuke Taniguchi; 一成佐々木; Kazunari Sasaki
Original assignee: Kyushu University NUC; Tokyo Gas Co Ltd
Current assignee: Kyushu University NUC; Tokyo Gas Co Ltd
Priority date: 2017-07-20
Filing date: 2017-07-20
Publication date: 2019-02-07
Anticipated expiration: 2037-07-20
Also published as: JP7029122B2

Abstract

To efficiently operate a fuel cell arranged by use of a proton-conducting solid oxide.SOLUTION: A fuel cell system 100 comprises: a fuel cell body 214 having a solid electrolyte 214c including a solid oxide represented by BaZrCeYXO(where X is one or more of Sc, Ga, In, Gd and Yb); a temperature regulating part 230 which makes the fuel cell body 214 at a temperature of 400°C or higher and lower than 700°C; and a control part 120 which retains the product of a thickness of the solid electrolyte by a current density of the fuel cell body 214 at a value of 12.5 μm A/cmor more.SELECTED DRAWING: Figure 1

Description

本発明は、プロトン伝導型の固体酸化物を用いた燃料電池システムに関する。 The present invention relates to a fuel cell system using a proton conductive solid oxide.

従来、酸素イオン（Ｏ^２−）を伝導イオンとした固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ：Solid Oxide Fuel Cell）が広く利用されている。しかし、従来のＳＯＦＣは、燃料極（アノード）側で水が生成されるため、燃料の濃度が低下してしまうという問題がある。 Conventionally, a solid oxide fuel cell (SOFC) using oxygen ions (O ²⁻ ) as conductive ions has been widely used. However, the conventional SOFC has a problem that the concentration of fuel decreases because water is generated on the fuel electrode (anode) side.

そこで、プロトン（Ｈ^＋）を伝導イオンとしたプロトン伝導型の固体酸化物を固体電解質として採用したプロトン伝導型燃料電池（ＰＣＦＣ：Proton-conducting Ceramic-electrolyte Fuel Cell）が、次世代の燃料電池として注目されている（例えば、特許文献１）。 Proton-conducting ceramic-electrolyte fuel cells (PCFCs) that use proton-conducting solid oxides with protons (H ⁺ ) as conductive ions as solid electrolytes are the next-generation fuel cells. It is attracting attention (for example, Patent Document 1).

特開２０１６−１００１９６号公報JP 2016-1001916 A

しかし、ＰＣＦＣの効率的な運転条件が解明されていない。 However, the efficient operating conditions of the PCFC have not been elucidated.

本発明は、このような課題に鑑み、プロトン伝導型の固体酸化物を用いた燃料電池を効率よく運転することが可能な燃料電池システムを提供することを目的としている。 In view of such problems, an object of the present invention is to provide a fuel cell system capable of efficiently operating a fuel cell using a proton conductive solid oxide.

上記課題を解決するために、本発明に係る燃料電池システムは、ＢａＺｒＣｅＹＸＯ_３−δ（ただし、Ｘ＝Ｓｃ、Ｇａ、Ｉｎ、Ｇｄ、および、Ｙｂのうちいずれか１または複数）で示される固体酸化物を含む固体電解質を有する燃料電池本体と、前記燃料電池本体を４００℃以上７００℃未満とする温度調整部と、前記固体電解質の厚みと、前記燃料電池本体の電流密度との乗算値を１２．５μｍ・Ａ／ｃｍ^２以上に維持する制御部と、を備える。 In order to solve the above problems, a fuel cell system according to the present invention is a solid oxide represented by BaZrCeYXO _3-δ (where X = Sc, Ga, In, Gd, and Yb, any one or more). A fuel cell main body having a solid electrolyte containing an object, a temperature adjusting unit for setting the fuel cell main body to 400 ° C. or higher and lower than 700 ° C., a thickness of the solid electrolyte, and a current density of the fuel cell main body multiplied by 12 And a control unit for maintaining the thickness at 5 μm · A / cm ² or more.

また、前記Ｘは、ＧｄおよびＹｂのいずれか一方または両方であってもよい。 X may be either one or both of Gd and Yb.

また、炭化水素およびアルコールのいずれか一方または両方を水素に改質する改質器をさらに備え、前記改質器は、前記燃料電池本体によって加熱され、前記温度調整部は、前記燃料電池本体を５００℃以上７００℃未満としてもよい。 The apparatus further includes a reformer that reforms either one or both of hydrocarbon and alcohol into hydrogen, the reformer is heated by the fuel cell body, and the temperature adjusting unit It is good also as 500 degreeC or more and less than 700 degreeC.

また、前記燃料電池本体は、燃料極と、空気極とを有し、前記制御部は、前記乗算値を１２．５μｍ・Ａ／ｃｍ^２以上に維持するように、前記燃料極に供給する水素の量、および、前記温度調整部のいずれか一方または両方を制御してもよい。 The fuel cell body includes a fuel electrode and an air electrode, and the control unit supplies hydrogen to the fuel electrode so as to maintain the multiplication value at 12.5 μm · A / cm ² or more. And either one or both of the temperature adjusting units may be controlled.

本発明によれば、プロトン伝導型の固体酸化物を用いた燃料電池を効率よく運転することが可能となる。 According to the present invention, it is possible to efficiently operate a fuel cell using a proton conduction type solid oxide.

燃料電池システムを説明する図である。It is a figure explaining a fuel cell system. 固体電解質を伝導するイオンを説明する図である。It is a figure explaining the ion which conducts a solid electrolyte. 酸素分圧に対する、ＢＺＣＹＸ電解質のイオン輸率の変化を説明する図である。It is a figure explaining the change of the ion transport number of BZCYX electrolyte with respect to oxygen partial pressure. ＢＺＣＹＸ電解質のイオン導電率の温度依存性を説明する図である。It is a figure explaining the temperature dependence of the ionic conductivity of a BZCYX electrolyte. 燃料電池本体の電流密度と、リーク電流との関係を説明する図である。It is a figure explaining the relationship between the current density of a fuel cell main body, and a leakage current. 燃料電池本体の電流密度と、燃料利用率との関係を説明する図である。It is a figure explaining the relationship between the current density of a fuel cell main body, and a fuel utilization factor. 燃料電池本体の電流密度と、発電効率η[％]との関係を説明する図である。It is a figure explaining the relationship between the current density of a fuel cell main body, and power generation efficiency (eta) [%].

以下に添付図面を参照しながら、本発明の好適な実施形態について詳細に説明する。かかる実施形態に示す寸法、材料、その他具体的な数値等は、発明の理解を容易とするための例示にすぎず、特に断る場合を除き、本発明を限定するものではない。なお、本明細書および図面において、実質的に同一の機能、構成を有する要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略し、また本発明に直接関係のない要素は図示を省略する。 Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. The dimensions, materials, and other specific numerical values shown in the embodiments are merely examples for facilitating the understanding of the invention, and do not limit the present invention unless otherwise specified. In the present specification and drawings, elements having substantially the same function and configuration are denoted by the same reference numerals, and redundant description is omitted, and elements not directly related to the present invention are not illustrated. To do.

（燃料電池システム１００）
図１は、燃料電池システム１００を説明する図である。なお、図１中、ガスの流れを実線の矢印で示し、制御信号の流れを破線の矢印で示す。 (Fuel cell system 100)
FIG. 1 is a diagram illustrating a fuel cell system 100. In FIG. 1, the gas flow is indicated by solid arrows, and the control signal flow is indicated by broken arrows.

図１に示すように、燃料電池システム１００は、燃料電池ユニット１１０と、制御部１２０とを含んで構成される。 As shown in FIG. 1, the fuel cell system 100 includes a fuel cell unit 110 and a control unit 120.

（燃料電池ユニット１１０）
燃料電池ユニット１１０は、燃料電池モジュール２１０と、ブロワ２２０と、温度調整部２３０とを含んで構成される。燃料電池モジュール２１０は、改質器２１２と、燃料電池本体２１４とを含む。 (Fuel cell unit 110)
The fuel cell unit 110 includes a fuel cell module 210, a blower 220, and a temperature adjustment unit 230. The fuel cell module 210 includes a reformer 212 and a fuel cell main body 214.

改質器２１２には、炭化水素の水蒸気改質反応を促進する触媒が収容されている。改質器２１２は、後述する燃料電池本体２１４によって所定温度に加熱される。改質器２１２は、燃料供給管２１２ａが接続され、燃料供給管２１２ａを通じて、炭化水素（Ｃ_ｎＨ_ｍ、例えば、都市ガス）および水蒸気が供給される。燃料供給管２１２ａには、流量調整弁２１２ｂが設けられる。 The reformer 212 contains a catalyst that promotes the steam reforming reaction of hydrocarbons. The reformer 212 is heated to a predetermined temperature by a fuel cell main body 214 described later. A fuel supply pipe 212a is connected to the reformer 212, and hydrocarbons (C _n H _m , for example, city gas) and water vapor are supplied through the fuel supply pipe 212a. The fuel supply pipe 212a is provided with a flow rate adjustment valve 212b.

改質器２１２に炭化水素および水蒸気が供給されると、下記反応式（１）および反応式（２）に示す水蒸気改質反応が進行し、炭化水素が水素（Ｈ_２）や一酸化炭素（ＣＯ）に改質される。
Ｃ_ｎＨ_ｍ＋ｎＨ_２Ｏ → ｎＣＯ＋（ｍ／２＋ｎ）Ｈ_２ …反応式（１）
ＣＯ＋Ｈ_２Ｏ → ＣＯ_２＋Ｈ_２ …反応式（２） When hydrocarbon and steam are supplied to the reformer 212, the steam reforming reaction shown in the following reaction formula (1) and reaction formula (2) proceeds, and the hydrocarbon is converted to hydrogen (H ₂ ) or carbon monoxide ( CO).
_{_{_{C n H m + nH 2 O}}} → nCO + (m / 2 + n) H 2 ... Reaction Formula (1)
CO + H ₂ O → CO ₂ + H ₂ ... Reaction formula (2)

このようにして、改質器２１２では、水素（以下、「燃料」と称する）が生成される。そして、改質器２１２で生成された燃料は、燃料電池本体２１４の燃料極２１４ａに供給されることとなる。 In this way, the reformer 212 generates hydrogen (hereinafter referred to as “fuel”). Then, the fuel generated by the reformer 212 is supplied to the fuel electrode 214a of the fuel cell main body 214.

ブロワ２２０は、燃料電池本体２１４の空気極２１４ｂに酸素含有ガス（例えば、空気）を供給する。 The blower 220 supplies an oxygen-containing gas (for example, air) to the air electrode 214 b of the fuel cell main body 214.

燃料電池本体２１４（セルスタック）は、プロトン伝導型燃料電池（ＰＣＦＣ）である。燃料電池本体２１４は、燃料極２１４ａと、空気極２１４ｂと、固体電解質２１４ｃとを含んで構成される。 The fuel cell main body 214 (cell stack) is a proton conduction fuel cell (PCFC). The fuel cell body 214 includes a fuel electrode 214a, an air electrode 214b, and a solid electrolyte 214c.

燃料極２１４ａ（アノード）は、例えば、ニッケル（Ｎｉ）やジルコニア（Ｚｒ）を含んで構成される。空気極２１４ｂ（カソード）は、例えば、ランタンマンガナイト（ＬＳＭ）を含んで構成される。 The fuel electrode 214a (anode) includes, for example, nickel (Ni) or zirconia (Zr). The air electrode 214b (cathode) includes, for example, lanthanum manganite (LSM).

固体電解質２１４ｃは、プロトン伝導型の固体酸化物を含んで構成される。プロトン伝導型の固体酸化物を含む固体電解質２１４ｃを有する燃料電池本体２１４は、イオンとして主にプロトン（Ｈ^＋）を伝導させる。したがって、燃料極２１４ａに燃料が供給されることにより、下記反応式（３）に示す酸化反応が進行し、空気極２１４ｂに空気が供給されることにより、下記反応式（４）に示す還元反応が進行する。そして、プロトンが固体電解質２１４ｃを伝導（移動）することにより、燃料電池本体２１４が発電する。つまり、燃料電池本体２１４は、燃料と酸素によって発電することとなる。
Ｈ_２ → ２Ｈ^＋＋２ｅ⁻ …反応式（３）
１／２Ｏ_２＋２Ｈ^＋＋２ｅ⁻ → Ｈ_２Ｏ …反応式（４） The solid electrolyte 214c includes a proton-conducting solid oxide. The fuel cell main body 214 having the solid electrolyte 214c containing the proton conductive solid oxide mainly conducts protons (H ⁺ ) as ions. Therefore, when the fuel is supplied to the fuel electrode 214a, the oxidation reaction shown in the following reaction formula (3) proceeds, and when the air is supplied to the air electrode 214b, the reduction reaction shown in the following reaction formula (4). Progresses. Then, the protons conduct (move) the solid electrolyte 214c, whereby the fuel cell main body 214 generates power. That is, the fuel cell main body 214 generates power with fuel and oxygen.
H ₂ → 2H ⁺ + 2e ⁻ ... Reaction formula (3)
1 / 2O ₂ + 2H ⁺ + 2e ⁻ → H ₂ O (Scheme 4)

また、燃料電池本体２１４において、上記反応式（３）、反応式（４）に示す反応が進行し、発電が為されると、熱が発生する。 Further, in the fuel cell main body 214, when the reactions shown in the above reaction formulas (3) and (4) proceed and power is generated, heat is generated.

本実施形態において、プロトン伝導型の固体酸化物は、ＢａＺｒＣｅＹＸＯ_３−δ（ただし、Ｘ＝Ｓｃ、Ｇａ、Ｉｎ、Ｇｄ、および、Ｙｂのうちいずれか１または複数）で示される酸化物であり、好ましくは、ＸがＧｄおよびＹｂのいずれか一方または両方である。なお、ＢａＺｒＣｅＹＸＯ_３−δ（ただし、Ｘ＝Ｓｃ、Ｇａ、Ｉｎ、Ｇｄ、および、Ｙｂのうちいずれか１または複数）における各元素（Ｂａ、Ｚｒ、Ｃｅ、Ｙ、Ｓｃ、Ｇａ、Ｉｎ、Ｇｄ、Ｙｂ）の含有率に限定はない。 In the present embodiment, the proton-conducting solid oxide is an oxide represented by BaZrCeYXO _3-δ (where X = Sc, Ga, In, Gd, and Yb, any one or more), Preferably, X is one or both of Gd and Yb. In addition, each element (Ba, Zr, Ce, Y, Sc, Ga, In, Gd, in BaZrCeYXO _3-δ (where X = Sc, Ga, In, Gd, and Yb). There is no limitation on the content of Yb).

固体電解質２１４ｃが、ＢａＺｒＣｅＹＸＯ_３−δ（ただし、Ｘ＝Ｓｃ、Ｇａ、Ｉｎ、Ｇｄ、および、Ｙｂのうちいずれか１または複数）を含むことにより、酸化物イオン伝導型の固体酸化物（例えば、ＹＳＺ（イットリア安定化ジルコニア））を含む固体電解質を備えた従来の燃料電池本体（従来のＳＯＦＣ）と比較して、燃料極２１４ａ中の燃料の濃度低下を防止することができ、発電効率を向上させることが可能となる。 When the solid electrolyte 214c contains BaZrCeYXO _3-δ (where X = Sc, Ga, In, Gd, and Yb, any one or more of them), the oxide ion conductive solid oxide (for example, Compared with a conventional fuel cell body (conventional SOFC) equipped with a solid electrolyte containing YSZ (yttria stabilized zirconia), the concentration of fuel in the fuel electrode 214a can be prevented from decreasing, and power generation efficiency is improved. It becomes possible to make it.

また、固体電解質２１４ｃが、ＢａＺｒＣｅＹＸＯ_３−δ（ただし、Ｘ＝Ｓｃ、Ｇａ、Ｉｎ、Ｇｄ、および、Ｙｂのうちいずれか１または複数）を含むことにより、従来のＳＯＦＣと比較して低温で発電させることが可能となる。 In addition, since the solid electrolyte 214c contains BaZrCeYXO _3-δ (where X = Sc, Ga, In, Gd, and Yb), power generation is performed at a lower temperature compared to a conventional SOFC. It becomes possible to make it.

さらに、プロトン伝導型の固体酸化物として、ＢａＺｒＣｅＹＸＯ_３−δ（ただし、Ｘ＝Ｓｃ、Ｇａ、Ｉｎ、Ｇｄ、および、Ｙｂのうちいずれか１または複数）を採用することにより、ＢａＺｒＣｅＹＯ_３−δと比較して、化学安定性を向上させることができる。 Furthermore, by adopting BaZrCeYXO _3-δ (where X = Sc, Ga, In, Gd, and Yb, any one or more) as a proton-conducting solid oxide, BaZrCeYO _3-δ and In comparison, chemical stability can be improved.

また、固体電解質２１４ｃが、ＢａＺｒＣｅＹＸＯ_３−δ（ただし、Ｘ＝Ｇｄ、および、Ｙｂのうちいずれか一方または両方）を含むことにより、発電効率をさらに向上させることができる。 Further, when the solid electrolyte 214c contains BaZrCeYXO _3-δ (where X = Gd and / or Yb, either one or both), the power generation efficiency can be further improved.

温度調整部２３０は、ＣＰＵ（中央処理装置）を含む半導体集積回路で構成される。温度調整部２３０は、ＲＯＭからＣＰＵ自体を動作させるためのプログラムやパラメータ等を読み出す。温度調整部２３０は、ワークエリアとしてのＲＡＭや他の電子回路と協働して、ブロワ２２０を制御する。本実施形態において、温度調整部２３０は、燃料電池本体２１４（燃料電池モジュール２１０）が４００℃以上７００℃未満、好ましくは５００℃以上７００℃未満となるように、ブロワ２２０によって供給される空気の量を調整する。 The temperature adjustment unit 230 is configured by a semiconductor integrated circuit including a CPU (Central Processing Unit). The temperature adjustment unit 230 reads programs, parameters, and the like for operating the CPU itself from the ROM. The temperature adjustment unit 230 controls the blower 220 in cooperation with a RAM as a work area and other electronic circuits. In the present embodiment, the temperature adjustment unit 230 is configured to control the air supplied by the blower 220 so that the fuel cell main body 214 (fuel cell module 210) has a temperature of 400 ° C. or higher and lower than 700 ° C., preferably 500 ° C. or higher and lower than 700 ° C. Adjust the amount.

図２は、固体電解質２１４ｃを伝導するイオンを説明する図である。上記したように、プロトン伝導型の固体酸化物を含む固体電解質２１４ｃは、主にプロトン（Ｈ^＋）を伝導させる。また、図２に示すように、固体電解質２１４ｃは、プロトンに加えて、酸素イオン（Ｏ^２−）、電子（ｅ⁻）、ホール（ｈ^＋）を伝導させる。ここで、ホール（正孔）の伝導は、固体電解質２１４ｃ内においてリーク電流（漏れ電流）を生じさせるため、燃料電池本体２１４のエネルギー効率や出力を低下させる原因となる。 FIG. 2 is a diagram for explaining ions conducted through the solid electrolyte 214c. As described above, the solid electrolyte 214c containing a proton conductive solid oxide mainly conducts protons (H ⁺ ). Further, as shown in FIG. 2, the solid electrolyte 214c conducts oxygen ions (O ²⁻ ), electrons (e ⁻ ), and holes (h ⁺ ) in addition to protons. Here, the conduction of holes causes a leakage current (leakage current) in the solid electrolyte 214c, which causes a decrease in energy efficiency and output of the fuel cell main body 214.

そこで、ＢａＺｒＣｅＹＸＯ_３−δを含む固体電解質（以下、「ＢＺＣＹＸ電解質」と称する）の温度および酸素分圧を変化させて、イオン輸率を導出した。具体的に説明すると、ＢＺＣＹＸ電解質を電気炉に収容して所定の温度（５５０℃、６００℃、７００℃）に維持し、ＢＺＣＹＸ電解質の導電率を測定しながら、電気炉に供給するガスの酸素分圧を変化させた。そして、測定した導電率からイオン輸率を導出した。 Therefore, the ion transport number was derived by changing the temperature and oxygen partial pressure of the solid electrolyte containing BaZrCeYXO _3-δ (hereinafter referred to as “BZCYX electrolyte”). Specifically, the BZCYX electrolyte is housed in an electric furnace and maintained at a predetermined temperature (550 ° C., 600 ° C., 700 ° C.), and the oxygen of the gas supplied to the electric furnace is measured while measuring the conductivity of the BZCYX electrolyte. The partial pressure was changed. The ion transport number was derived from the measured conductivity.

図３は、酸素分圧に対する、ＢＺＣＹＸ電解質のイオン輸率の変化を説明する図である。図３（ａ）、図３（ｂ）は、ＢＺＣＹＸ電解質を５５０℃とした場合を示す。図３（ｃ）、図３（ｄ）は、ＢＺＣＹＸ電解質を６００℃とした場合を示す。図３（ｅ）、図３（ｆ）は、ＢＺＣＹＸ電解質を７００℃とした場合を示す。 FIG. 3 is a diagram for explaining a change in ion transport number of the BZCYX electrolyte with respect to the oxygen partial pressure. FIG. 3A and FIG. 3B show the case where the BZCYX electrolyte is 550 ° C. FIG. 3C and FIG. 3D show the case where the BZCYX electrolyte is 600 ° C. FIG. 3E and FIG. 3F show the case where the BZCYX electrolyte is set to 700 ° C.

なお、図３（ａ）、図３（ｃ）、図３（ｅ）中、Ｘ＝Ｇａを黒丸で、Ｘ＝Ｉｎを黒三角で、Ｘ＝Ｙｂを白三角で示す。図３（ｂ）、図３（ｄ）、図３（ｆ）中、Ｘ＝Ｓｃを白四角で、Ｘ＝Ｇｄを白丸で示す。また、図３（ａ）〜図３（ｆ）中、縦軸をイオン輸率とし、横軸を酸素分圧（ｌｏｇ（ＰＯ_２[ａｔｍ]））とする。つまり、横軸は、固体電解質２１４ｃの厚み方向に対応し、右側（酸素分圧が大きい側）に向かう方向が空気極２１４ｂに近づく方向であり、左側（酸素分圧が小さい側）に向かう方向が燃料極２１４ａに近づく方向である。 In FIGS. 3A, 3C, and 3E, X = Ga is indicated by a black circle, X = In is indicated by a black triangle, and X = Yb is indicated by a white triangle. In FIG. 3B, FIG. 3D, and FIG. 3F, X = Sc is indicated by a white square and X = Gd is indicated by a white circle. In FIGS. 3A to 3F, the vertical axis represents ion transport number, and the horizontal axis represents oxygen partial pressure (log (PO ₂ [atm])). That is, the horizontal axis corresponds to the thickness direction of the solid electrolyte 214c, the direction toward the right side (the side with the higher oxygen partial pressure) is the direction closer to the air electrode 214b, and the direction toward the left side (the side with the lower oxygen partial pressure). Is a direction approaching the fuel electrode 214a.

図３（ａ）図３（ｂ）に示すように、５５０℃において、ＢＺＣＹＸ電解質におけるＸがＧａ、Ｓｃ、Ｉｎの場合には、酸素分圧が増加してもイオン輸率はほとんど低下しない。これに対し、ＢＺＣＹＸ電解質におけるＸがＹｂ、Ｇｄの場合には、酸素分圧が増加するに従ってイオン輸率が低下することが分った。 As shown in FIGS. 3A and 3B, when X in the BZCYX electrolyte is Ga, Sc, or In at 550 ° C., the ion transport number hardly decreases even when the oxygen partial pressure increases. On the other hand, it was found that when the X in the BZCYX electrolyte is Yb or Gd, the ion transport number decreases as the oxygen partial pressure increases.

また、図３（ｃ）、図３（ｄ）に示すように、６００℃にすると、ＢＺＣＹＸ電解質におけるＸがＧａ、Ｓｃ、Ｉｎの場合であっても、酸素分圧が増加するに従ってイオン輸率が若干低下することが確認された。また、ＢＺＣＹＸ電解質におけるＸがＹｂ、Ｇｄの場合には、酸素分圧が増加するに従って、ＸがＧａ、Ｓｃ、Ｉｎの場合よりもイオン輸率が低下することが分った。 As shown in FIGS. 3C and 3D, when the temperature is set to 600 ° C., even if X in the BZCYX electrolyte is Ga, Sc, In, the ion transport number increases as the oxygen partial pressure increases. Was confirmed to be slightly lower. Further, it was found that when X in the BZCYX electrolyte is Yb or Gd, the ion transport number is lowered as X is Ga, Sc or In as the oxygen partial pressure is increased.

さらに、図３（ｅ）、図３（ｆ）に示すように、７００℃にすると、ＢＺＣＹＸ電解質におけるＸの元素にかかわらず、酸素分圧が増加するに従ってイオン輸率が急激に低下することが確認された。 Further, as shown in FIGS. 3 (e) and 3 (f), when the temperature is set to 700 ° C., the ion transport number may rapidly decrease as the oxygen partial pressure increases regardless of the X element in the BZCYX electrolyte. confirmed.

以上の実験結果から、ＢＺＣＹＸ電解質は、７００℃以上になるとイオン輸率が著しく低下することが分った。つまり、ＢＺＣＹＸ電解質は、７００℃以上になるとホールの伝導が急激に増加することが確認された。 From the above experimental results, it was found that the ion transport number of the BZCYX electrolyte significantly decreased when the temperature was 700 ° C. or higher. That is, it was confirmed that the BZCYX electrolyte rapidly increased hole conduction at 700 ° C. or higher.

つまり、燃料電池本体２１４が７００℃以上であると、７００℃未満である場合と比較して、イオン輸率が低下する。したがって、温度調整部２３０が燃料電池本体２１４を７００℃未満とすることにより、燃料電池本体２１４の発電効率を向上させることができる。 That is, when the fuel cell main body 214 is 700 ° C. or higher, the ion transport number is lowered as compared with the case where it is lower than 700 ° C. Therefore, when the temperature adjustment unit 230 sets the fuel cell body 214 to less than 700 ° C., the power generation efficiency of the fuel cell body 214 can be improved.

また、上記実験結果から温度が低い方がＢＺＣＹＸ電解質のイオン輸率が高いことが確認された。しかし、温度を低くしすぎるとＢＺＣＹＸ電解質のイオン導電率が低下する。そこで、温度を変化させつつ、ＢＺＣＹＸ電解質のイオン導電率を測定した。 Moreover, it was confirmed from the above experimental results that the lower the temperature, the higher the ion transport number of the BZCYX electrolyte. However, if the temperature is too low, the ionic conductivity of the BZCYX electrolyte will decrease. Therefore, the ionic conductivity of the BZCYX electrolyte was measured while changing the temperature.

図４は、ＢＺＣＹＸ電解質のイオン導電率の温度依存性を説明する図である。図４中、縦軸をイオン導電率（ｌｏｇ（σ[Ｓｃｍ^−１]））とし、横軸を温度（１０００／Ｔ[Ｋ]、[℃]）とする。なお、図４では、ＢＺＣＹＸ電解質においてＸがＧｄの場合についてのイオン導電率を示す。 FIG. 4 is a diagram illustrating the temperature dependence of the ionic conductivity of the BZCYX electrolyte. In FIG. 4, the vertical axis represents ionic conductivity (log (σ [Scm ⁻¹ ])), and the horizontal axis represents temperature (1000 / T [K], [° C.]). FIG. 4 shows the ionic conductivity when X is Gd in the BZCYX electrolyte.

図４に示すように、温度が低下するに従って、ＢＺＣＹＸ電解質のイオン導電率が低下することが分った。また、４００℃であっても、ＢＺＣＹＸ電解質のイオン導電率が、燃料電池本体２１４の高効率運転の指標である５×１０^−３Ｓｃｍ^−１（≒−２．３（ｌｏｇ（σ[Ｓｃｍ^−１]）））以上であることが確認された。 As shown in FIG. 4, it was found that the ionic conductivity of the BZCYX electrolyte decreases as the temperature decreases. Even at 400 ° C., the ionic conductivity of the BZCYX electrolyte is 5 × 10 ⁻³ Scm ⁻¹ (≈−2.3 (log (σ [Scm ^{− 1} ]))) It was confirmed that this is the case.

したがって、温度調整部２３０が燃料電池本体２１４を４００℃以上に維持することにより、燃料電池本体２１４の発電効率を所定値以上とすることができる。 Therefore, the temperature adjustment unit 230 maintains the fuel cell main body 214 at 400 ° C. or higher, so that the power generation efficiency of the fuel cell main body 214 can be set to a predetermined value or higher.

また、上記したように、燃料電池本体２１４は、改質器２１２を加熱する。燃料電池本体２１４が５００℃未満である場合には、５００℃以上である場合と比較して、改質器２１２における水蒸気改質反応（上記反応式（１）、反応式（２））の反応効率が低い。したがって、温度調整部２３０が燃料電池本体２１４を５００℃以上とすることにより、改質器２１２における水蒸気改質反応の反応効率を向上させることができる。つまり、改質器２１２において生成される燃料の量を増加させることが可能となる。 Further, as described above, the fuel cell main body 214 heats the reformer 212. When the fuel cell main body 214 is less than 500 ° C., the steam reforming reaction in the reformer 212 (the above reaction formula (1), reaction formula (2)) is compared with the case where the temperature is 500 ° C. or higher. Low efficiency. Therefore, when the temperature adjustment unit 230 sets the fuel cell body 214 to 500 ° C. or higher, the reaction efficiency of the steam reforming reaction in the reformer 212 can be improved. That is, the amount of fuel produced in the reformer 212 can be increased.

（制御部１２０）
図１に戻って説明すると、制御部１２０（パワーコンディショナー）は、ＣＰＵ（中央処理装置）を含む半導体集積回路で構成される。制御部１２０は、ＲＯＭからＣＰＵ自体を動作させるためのプログラムやパラメータ等を読み出す。制御部１２０は、ワークエリアとしてのＲＡＭや他の電子回路と協働して、燃料電池システム１００全体を管理および制御する。制御部１２０は、燃料電池本体２１４から直流電力を取りだし、交流電力に変換して、負荷に供給する。 (Control unit 120)
Returning to FIG. 1, the control unit 120 (power conditioner) is configured by a semiconductor integrated circuit including a CPU (central processing unit). The control unit 120 reads a program, parameters, and the like for operating the CPU itself from the ROM. The control unit 120 manages and controls the entire fuel cell system 100 in cooperation with a RAM as a work area and other electronic circuits. The control unit 120 extracts DC power from the fuel cell body 214, converts it to AC power, and supplies it to the load.

また、本実施形態において、制御部１２０は、流量調整弁２１２ｂ、および、温度調整部２３０のいずれか一方または両方を制御する。具体的に説明すると、制御部１２０は、燃料電池本体２１４の電流密度が所定値となるように、流量調整弁２１２ｂ、および、温度調整部２３０のいずれか一方または両方を制御する。 In the present embodiment, the control unit 120 controls one or both of the flow rate adjustment valve 212b and the temperature adjustment unit 230. Specifically, the control unit 120 controls one or both of the flow rate adjustment valve 212b and the temperature adjustment unit 230 so that the current density of the fuel cell main body 214 becomes a predetermined value.

燃料電池本体２１４の発電電流の電流密度（以下、単に「電流密度」と称する）を増加させた場合のリーク電流を測定した。また、燃料電池本体２１４の電流密度を増加させた場合の燃料利用率Ｕｆ[％]を算出した。さらに、リーク電流および燃料利用率Ｕｆに基づいて、燃料電池本体２１４の電流密度と、発電効率η[％]との関係を導き出した。なお、燃料電池本体２１４における固体電解質２１４ｃの厚み（燃料極２１４ａと空気極２１４ｂとの間の距離、膜厚）は、２５μｍとした。 The leakage current was measured when the current density (hereinafter simply referred to as “current density”) of the generated current of the fuel cell main body 214 was increased. Further, the fuel utilization rate Uf [%] when the current density of the fuel cell main body 214 was increased was calculated. Furthermore, the relationship between the current density of the fuel cell main body 214 and the power generation efficiency η [%] was derived based on the leak current and the fuel utilization rate Uf. The thickness of the solid electrolyte 214c in the fuel cell main body 214 (distance between the fuel electrode 214a and the air electrode 214b, the film thickness) was set to 25 μm.

図５は、燃料電池本体２１４の電流密度と、リーク電流との関係を説明する図である。図５（ａ）は、燃料電池本体２１４を５５０℃とした場合を示す。図５（ｂ）は、燃料電池本体２１４を６００℃とした場合を示す。図５（ｃ）は、燃料電池本体２１４を７００℃とした場合を示す。図５（ａ）〜図５（ｃ）中、縦軸を発電電流密度に対するリーク電流密度の比（ｉ_ｌｅａｋ／ｉ_ｅｘｔ）とし、横軸を電流密度（ｉ_ｅｘｔ[Ａｃｍ^−２]）とする。 FIG. 5 is a diagram for explaining the relationship between the current density of the fuel cell main body 214 and the leakage current. FIG. 5A shows a case where the fuel cell main body 214 is set to 550 ° C. FIG. 5B shows a case where the fuel cell main body 214 is set to 600 ° C. FIG. 5C shows a case where the fuel cell main body 214 is set to 700 ° C. 5A to 5C, the vertical axis represents the ratio of leakage current density to the generated current density (i _leak / i _ext ), and the horizontal axis represents current density (i _ext [Acm ⁻² ]). .

図６は、燃料電池本体２１４の電流密度と、燃料利用率Ｕｆとの関係を説明する図である。図６（ａ）は、燃料電池本体２１４を５５０℃とした場合を示す。図６（ｂ）は、燃料電池本体２１４を６００℃とした場合を示す。図６（ｃ）は、燃料電池本体２１４を７００℃とした場合を示す。図６（ａ）〜図６（ｃ）中、縦軸を燃料利用率Ｕｆ[％]とし、横軸を電流密度（ｉ_ｅｘｔ[Ａｃｍ^−２]）とする。 FIG. 6 is a diagram for explaining the relationship between the current density of the fuel cell main body 214 and the fuel utilization rate Uf. FIG. 6A shows a case where the fuel cell main body 214 is set to 550 ° C. FIG. 6B shows a case where the fuel cell body 214 is set to 600 ° C. FIG. 6C shows the case where the fuel cell main body 214 is set to 700 ° C. 6A to 6C, the vertical axis represents the fuel utilization rate Uf [%], and the horizontal axis represents the current density (i _ext [Acm ⁻² ]).

図７は、燃料電池本体２１４の電流密度と、発電効率η[％]との関係を説明する図である。図７（ａ）は、燃料電池本体２１４を５５０℃とした場合を示す。図７（ｂ）は、燃料電池本体２１４を６００℃とした場合を示す。図７（ｃ）は、燃料電池本体２１４を７００℃とした場合を示す。図７（ａ）〜図７（ｃ）中、縦軸を発電効率η[％]、横軸を電流密度（ｉ_ｅｘｔ[Ａｃｍ^−２]）とする。 FIG. 7 is a diagram for explaining the relationship between the current density of the fuel cell main body 214 and the power generation efficiency η [%]. FIG. 7A shows a case where the fuel cell main body 214 is set to 550 ° C. FIG. 7B shows a case where the fuel cell main body 214 is set to 600 ° C. FIG. 7C shows a case where the fuel cell main body 214 is set to 700 ° C. 7A to 7C, the vertical axis represents power generation efficiency η [%], and the horizontal axis represents current density (i _ext [Acm ⁻² ]).

なお、図５（ａ）〜図５（ｃ）、図６（ａ）〜図６（ｃ）、図７（ａ）〜図７（ｃ）において、Ｘ＝Ｇａを黒丸で、Ｘ＝Ｓｃを白四角で、Ｘ＝Ｉｎを黒三角で、Ｘ＝Ｙｂを白三角で、Ｘ＝Ｇｄを白丸で示す。また、図６（ａ）〜図６（ｃ）、図７（ａ）〜図７（ｃ）において、ＹＳＺを用いた従来のＳＯＦＣの値を破線で示す。 In FIGS. 5A to 5C, FIGS. 6A to 6C, and FIGS. 7A to 7C, X = Ga is a black circle, and X = Sc. A white square, X = In is a black triangle, X = Yb is a white triangle, and X = Gd is a white circle. Also, in FIGS. 6A to 6C and FIGS. 7A to 7C, the conventional SOFC value using YSZ is indicated by a broken line.

（リーク電流について）
図５（ａ）〜図５（ｃ）に示すように、燃料電池本体２１４の温度にかかわらず、電流密度を上昇させるに従ってリーク電流が減少することが確認された。 (Leakage current)
As shown in FIGS. 5A to 5C, it was confirmed that the leakage current decreases as the current density is increased regardless of the temperature of the fuel cell main body 214.

（燃料利用率Ｕｆについて）
燃料電池本体２１４が５５０℃である場合、図６（ａ）に示すように、固体電解質２１４ｃのＢＺＣＹＸ電解質のＸがＳｃ、Ｉｎであると、電流密度にかかわらず、燃料利用率Ｕｆは、従来のＳＯＦＣと同様（７５％程度）であった。一方、固体電解質２１４ｃのＢＺＣＹＸ電解質のＸがＹｂ、Ｇｄであると、電流密度が上昇するに従って、燃料利用率Ｕｆが上昇することが確認された。また、ＸがＹｂである場合には、電流密度が０．３５Ａｃｍ^−２以上であると燃料利用率Ｕｆが７０％以上となり、電流密度が０．７５Ａｃｍ^−２以上であると従来のＳＯＦＣと同程度の燃料利用率Ｕｆとなることが分った。一方、ＸがＧｄである場合には、電流密度が０．５Ａｃｍ^−２以上であると燃料利用率Ｕｆが７０％以上となり、電流密度が１．０Ａｃｍ^−２以上であると従来のＳＯＦＣと同程度の燃料利用率Ｕｆとなることが確認された。 (About fuel utilization rate Uf)
When the fuel cell main body 214 is 550 ° C., as shown in FIG. 6A, when the X of the BZCYX electrolyte of the solid electrolyte 214c is Sc, In, the fuel utilization rate Uf is equal to the conventional one regardless of the current density. It was the same as that of SOFC (about 75%). On the other hand, when X of the BZCYX electrolyte of the solid electrolyte 214c is Yb, Gd, it was confirmed that the fuel utilization rate Uf increases as the current density increases. Also, when X is Yb is the current density is 0.35Acm ^-2 or more fuel utilization factor Uf becomes 70% or more, the conventional SOFC when the current density is 0.75Acm ^-2 or more same It was found that the fuel utilization rate Uf was about. On the other hand, when X is Gd, when current density is 0.5Acm ^-2 or more fuel utilization factor Uf becomes 70% or more, the conventional SOFC when the current density is 1.0Acm ^-2 or more same It was confirmed that the fuel utilization rate Uf was about.

燃料電池本体２１４が６００℃である場合、図６（ｂ）に示すように、固体電解質２１４ｃのＢＺＣＹＸ電解質のＸがＧａであると、燃料利用率Ｕｆは、従来のＳＯＦＣと同様（７５％程度）であった。一方、固体電解質２１４ｃのＢＺＣＹＸ電解質のＸがＳｃ、Ｉｎ、Ｙｂ、Ｇｄであると、電流密度が上昇するに従って、燃料利用率Ｕｆが上昇することが確認された。また、ＸがＳｃ、Ｉｎである場合には、電流密度が０．２５Ａｃｍ^−２以上であると燃料利用率Ｕｆが７０％以上となり、電流密度が０．３５Ａｃｍ^−２以上であると従来のＳＯＦＣと同程度の燃料利用率Ｕｆとなることが分った。一方、ＸがＹｂである場合には、電流密度が０．５Ａｃｍ^−２以上であると燃料利用率Ｕｆが７０％以上となり、電流密度が１．０Ａｃｍ^−２以上であると従来のＳＯＦＣと同程度の燃料利用率Ｕｆとなることが分った。また、ＸがＧｄである場合には、電流密度が０．７５Ａｃｍ^−２以上であると燃料利用率Ｕｆが７０％以上となり、電流密度が１．０Ａｃｍ^−２以上であると従来のＳＯＦＣと同程度の燃料利用率Ｕｆとなることが確認された。 When the fuel cell body 214 is 600 ° C., as shown in FIG. 6B, when the X of the BZCYX electrolyte of the solid electrolyte 214c is Ga, the fuel utilization rate Uf is the same as that of the conventional SOFC (about 75%). )Met. On the other hand, when X of the BZCYX electrolyte of the solid electrolyte 214c is Sc, In, Yb, or Gd, it was confirmed that the fuel utilization rate Uf increases as the current density increases. In addition, when X is Sc or In, when the current density is 0.25 Acm ⁻² or more, the fuel utilization rate Uf is 70% or more, and when the current density is 0.35 Acm ⁻² or more, the conventional SOFC It has been found that the fuel utilization rate Uf is about the same as that. On the other hand, when X is Yb, if the current density is 0.5 Acm ⁻² or more, the fuel utilization rate Uf is 70% or more, and if the current density is 1.0 Acm ⁻² or more, it is the same as the conventional SOFC. It was found that the fuel utilization rate Uf was about. Also, when X is Gd, when current density is 0.75Acm ^-2 or more fuel utilization factor Uf becomes 70% or more, the conventional SOFC when the current density is 1.0Acm ^-2 or more same It was confirmed that the fuel utilization rate Uf was about.

また、燃料電池本体２１４が７００℃である場合、図６（ｃ）に示すように、固体電解質２１４ｃのＢＺＣＹＸ電解質のＸがＧａであると、燃料利用率Ｕｆは、従来のＳＯＦＣと同様（７５％程度）であった。一方、固体電解質２１４ｃのＢＺＣＹＸ電解質のＸがＳｃ、Ｉｎ、Ｙｂ、Ｇｄであると、電流密度が上昇するに従って、燃料利用率Ｕｆが上昇することが確認された。また、ＸがＳｃ、Ｉｎである場合には、電流密度が０．５Ａｃｍ^−２以上であると燃料利用率Ｕｆが７０％以上となり、電流密度が０．７５Ａｃｍ^−２以上であると従来のＳＯＦＣと同程度の燃料利用率Ｕｆとなることが分った。一方、ＸがＹｂである場合には、電流密度が０．７５Ａｃｍ^−２以上であると燃料利用率Ｕｆが６０％以上となり、電流密度が１．０Ａｃｍ^−２以上であると燃料利用率Ｕｆが６８％程度となることが分った。また、ＸがＧｄである場合には、電流密度が１．０Ａｃｍ^−２以上であると燃料利用率Ｕｆが６４％程度となることが確認された。 Further, when the fuel cell main body 214 is 700 ° C., as shown in FIG. 6C, when the X of the BZCYX electrolyte of the solid electrolyte 214c is Ga, the fuel utilization rate Uf is the same as that of the conventional SOFC (75 %). On the other hand, when X of the BZCYX electrolyte of the solid electrolyte 214c is Sc, In, Yb, or Gd, it was confirmed that the fuel utilization rate Uf increases as the current density increases. In addition, when X is Sc or In, when the current density is 0.5 Acm ⁻² or more, the fuel utilization rate Uf is 70% or more, and when the current density is 0.75 Acm ⁻² or more, the conventional SOFC It has been found that the fuel utilization rate Uf is about the same as that. On the other hand, when X is Yb, if the current density is 0.75 Acm ⁻² or more, the fuel utilization rate Uf is 60% or more, and if the current density is 1.0 Acm ⁻² or more, the fuel utilization rate Uf is It was found to be about 68%. Further, when X is Gd, it was confirmed that the fuel utilization rate Uf is about 64% when the current density is 1.0 Acm ⁻² or more.

（発電効率ηについて）
図７（ａ）〜図７（ｃ）に示すように、従来のＳＯＦＣは、電流密度を上昇させると内部抵抗が増加するため発電効率ηが低下する。一方、燃料電池本体２１４は、電流密度を上昇させた場合に、内部抵抗は増加するものの、上記図５（ａ）〜図５（ｃ）に示したようにリーク電流が減少し、上記図６（ａ）〜図６（ｃ）に示したように、燃料利用率Ｕｆが上昇するため、発電効率ηは上昇する。 (About power generation efficiency η)
As shown in FIG. 7A to FIG. 7C, in the conventional SOFC, when the current density is increased, the internal resistance increases, so that the power generation efficiency η decreases. On the other hand, in the fuel cell main body 214, when the current density is increased, the internal resistance increases, but the leakage current decreases as shown in FIGS. 5 (a) to 5 (c). As shown in FIGS. 6A to 6C, the fuel utilization rate Uf increases, so that the power generation efficiency η increases.

具体的に説明すると、図７（ａ）に示すように、燃料電池本体２１４が５５０℃である場合、固体電解質２１４ｃのＢＺＣＹＸ電解質のＸがＳｃ、Ｉｎであると、電流密度が上昇するに従って発電効率ηは低下するものの、従来のＳＯＦＣより高い発電効率ηであった。一方、固体電解質２１４ｃのＢＺＣＹＸ電解質のＸがＹｂ、Ｇｄであると、電流密度が約０．５Ａｃｍ^−２までは電流密度が上昇するに従って、発電効率ηが上昇し、電流密度が０．５Ａｃｍ^−２以上では高い発電効率ηを維持することが確認された。また、電流密度が０．５Ａｃｍ^−２以上であると発電効率ηが６８％程度になることが分った。 More specifically, as shown in FIG. 7A, when the fuel cell body 214 is 550 ° C., if the X of the BZCYX electrolyte of the solid electrolyte 214c is Sc, In, the power generation increases as the current density increases. Although the efficiency η is reduced, the power generation efficiency η is higher than that of the conventional SOFC. On the other hand, when X of the BZCYX electrolyte of the solid electrolyte 214c is Yb or Gd, the power generation efficiency η increases as the current density increases up to about 0.5 Acm ^−2, and the current density increases to 0.5 Acm ^−. It was confirmed that the power generation efficiency η was maintained at ² or more. Further, it was found that the power generation efficiency η is about 68% when the current density is 0.5 Acm ⁻² or more.

また、図７（ｂ）に示すように、燃料電池本体２１４が６００℃である場合、固体電解質２１４ｃのＢＺＣＹＸ電解質のＸがＳｃ、Ｉｎであると、電流密度が上昇するに従って発電効率ηは低下するものの、従来のＳＯＦＣより高い発電効率であった。一方、固体電解質２１４ｃのＢＺＣＹＸ電解質のＸがＹｂ、Ｇｄであると、電流密度が約０．５Ａｃｍ^−２までは電流密度が上昇するに従って、発電効率ηが上昇し、電流密度が０．５Ａｃｍ^−２以上では高い発電効率ηを維持することが確認された。また、電流密度が０．５Ａｃｍ^−２以上であると発電効率ηが６８％程度になることが分った。 Further, as shown in FIG. 7B, when the fuel cell body 214 is 600 ° C., the power generation efficiency η decreases as the current density increases when X of the BZCYX electrolyte of the solid electrolyte 214c is Sc, In. However, the power generation efficiency was higher than that of the conventional SOFC. On the other hand, when X of the BZCYX electrolyte of the solid electrolyte 214c is Yb or Gd, the power generation efficiency η increases as the current density increases up to about 0.5 Acm ^−2, and the current density increases to 0.5 Acm ^−. It was confirmed that the power generation efficiency η was maintained at ² or more. Further, it was found that the power generation efficiency η is about 68% when the current density is 0.5 Acm ⁻² or more.

一方、図７（ｃ）に示すように、燃料電池本体２１４が７００℃である場合、ＸがＧａ、Ｉｎ以外は、電流密度が上昇すると、発電効率ηは上昇するものの、従来のＳＯＦＣより発電効率が低いことが確認された。 On the other hand, as shown in FIG. 7C, when the fuel cell main body 214 is 700 ° C., the power generation efficiency η increases as the current density increases except when X is Ga and In, but the power generation efficiency η increases compared with the conventional SOFC. It was confirmed that the efficiency was low.

以上の実験結果から、制御部１２０は、固体電解質２１４ｃの厚みが２５μｍである場合、燃料電池本体２１４の電流密度（発電電流の電流密度）が０．５Ａ／ｃｍ^２以上となるように、流量調整弁２１２ｂ、および、温度調整部２３０のいずれか一方または両方を制御することで、従来のＳＯＦＣより高い発電効率ηを実現することができる。つまり、制御部１２０は、固体電解質２１４ｃの厚みと、燃料電池本体２１４の電流密度（発電電流の電流密度）との乗算値が１２．５μｍ・Ａ／ｃｍ^２以上となるように流量調整弁２１２ｂ、および、温度調整部２３０のいずれか一方または両方を制御する。これにより、従来のＳＯＦＣと比較して高い発電効率ηで燃料電池本体２１４を運転させることが可能となる。 From the above experimental results, when the thickness of the solid electrolyte 214c is 25 μm, the control unit 120 has a flow rate so that the current density of the fuel cell body 214 (current density of the generated current) is 0.5 A / cm ² or more. By controlling either one or both of the regulating valve 212b and the temperature regulating unit 230, a power generation efficiency η higher than that of the conventional SOFC can be realized. That is, the control unit 120 sets the flow rate adjustment valve 212b so that the product of the thickness of the solid electrolyte 214c and the current density of the fuel cell main body 214 (current density of generated current) is 12.5 μm · A / cm ² or more. , And one or both of the temperature adjusting units 230 are controlled. As a result, the fuel cell main body 214 can be operated with higher power generation efficiency η compared to the conventional SOFC.

以上、添付図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明はかかる実施形態に限定されないことは言うまでもない。当業者であれば、特許請求の範囲に記載された範疇内において、各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、それらについても当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。 As mentioned above, although preferred embodiment of this invention was described referring an accompanying drawing, it cannot be overemphasized that this invention is not limited to this embodiment. It will be apparent to those skilled in the art that various changes and modifications can be made within the scope of the claims, and these are naturally within the technical scope of the present invention. Understood.

例えば、上記実施形態において、改質器２１２に炭化水素が供給される構成を例に挙げて説明した。しかし、改質器２１２には、アルコール（例えば、バイオエタノール）が供給されてもよい。この場合、改質器２１２には、アルコールの水蒸気改質を促進する触媒が収容される。 For example, in the above embodiment, the configuration in which hydrocarbons are supplied to the reformer 212 has been described as an example. However, the reformer 212 may be supplied with alcohol (for example, bioethanol). In this case, the reformer 212 contains a catalyst that promotes steam reforming of alcohol.

また、上記実施形態において、燃料電池モジュール２１０が改質器２１２を備える構成を例に挙げて説明した。しかし、改質器２１２は必須の構成ではない。例えば、水素源から燃料電池本体２１４の燃料極２１４ａに直接水素が供給されてもよい。 Further, in the above-described embodiment, the configuration in which the fuel cell module 210 includes the reformer 212 has been described as an example. However, the reformer 212 is not an essential configuration. For example, hydrogen may be directly supplied from the hydrogen source to the fuel electrode 214a of the fuel cell main body 214.

また、上記実施形態において、温度調整部２３０は、ブロワ２２０を制御して、燃料電池本体２１４の温度を４００℃以上７００℃未満とする構成を例に挙げて説明した。しかし、温度調整部２３０は、空気極２１４ｂに供給される空気（ブロワ２２０から吐出される空気）と、燃料電池本体２１４から排気される排気ガスとを熱交換する熱交換器で構成されてもよい。この場合、温度調整部２３０は、空気を予熱し、排気ガスを冷却することで、燃料電池本体２１４の温度を４００℃以上７００℃未満とする。 In the above embodiment, the temperature adjustment unit 230 controls the blower 220 to explain the configuration in which the temperature of the fuel cell main body 214 is set to 400 ° C. or higher and lower than 700 ° C. as an example. However, the temperature adjustment unit 230 may be configured by a heat exchanger that exchanges heat between the air supplied to the air electrode 214b (air discharged from the blower 220) and the exhaust gas exhausted from the fuel cell main body 214. Good. In this case, the temperature adjustment unit 230 preheats the air and cools the exhaust gas, thereby setting the temperature of the fuel cell main body 214 to 400 ° C. or higher and lower than 700 ° C.

本発明は、プロトン伝導型の固体酸化物を用いた燃料電池システムに利用することができる。 The present invention can be used in a fuel cell system using a proton conductive solid oxide.

１００燃料電池システム
１１０燃料電池ユニット
１２０制御部
２１０燃料電池モジュール
２１２改質器
２１４燃料電池本体
２１４ｃ固体電解質
２３０温度調整部 DESCRIPTION OF SYMBOLS 100 Fuel cell system 110 Fuel cell unit 120 Control part 210 Fuel cell module 212 Reformer 214 Fuel cell main body 214c Solid electrolyte 230 Temperature adjustment part

Claims

ＢａＺｒＣｅＹＸＯ_３−δ（ただし、Ｘ＝Ｓｃ、Ｇａ、Ｉｎ、Ｇｄ、および、Ｙｂのうちいずれか１または複数）で示される固体酸化物を含む固体電解質を有する燃料電池本体と、
前記燃料電池本体を４００℃以上７００℃未満とする温度調整部と、
前記固体電解質の厚みと、前記燃料電池本体の電流密度との乗算値を１２．５μｍ・Ａ／ｃｍ^２以上に維持する制御部と、
を備える燃料電池システム。 A fuel cell body having a solid electrolyte containing a solid oxide represented by BaZrCeYXO _3-δ (where X = Sc, Ga, In, Gd, and Yb),
A temperature adjusting unit for setting the fuel cell body to 400 ° C. or higher and lower than 700 ° C .;
A control unit for maintaining the product of the thickness of the solid electrolyte and the current density of the fuel cell main body at 12.5 μm · A / cm ² or more;
A fuel cell system comprising:

前記Ｘは、ＧｄおよびＹｂのいずれか一方または両方である請求項１に記載の燃料電池システム。 2. The fuel cell system according to claim 1, wherein X is one or both of Gd and Yb.

炭化水素およびアルコールのいずれか一方または両方を水素に改質する改質器をさらに備え、
前記改質器は、前記燃料電池本体によって加熱され、
前記温度調整部は、前記燃料電池本体を５００℃以上７００℃未満とする請求項１または２に記載の燃料電池システム。 A reformer for reforming either or both of a hydrocarbon and an alcohol into hydrogen;
The reformer is heated by the fuel cell body,
The fuel cell system according to claim 1, wherein the temperature adjustment unit sets the fuel cell main body to 500 ° C. or higher and lower than 700 ° C. 3.

前記燃料電池本体は、燃料極と、空気極とを有し、
前記制御部は、前記乗算値を１２．５μｍ・Ａ／ｃｍ^２以上に維持するように、前記燃料極に供給する水素の量、および、前記温度調整部のいずれか一方または両方を制御する請求項１から３のいずれか１項に記載の燃料電池システム。 The fuel cell body has a fuel electrode and an air electrode,
The control unit controls one or both of the amount of hydrogen supplied to the fuel electrode and the temperature adjusting unit so that the multiplication value is maintained at 12.5 μm · A / cm ² or more. Item 4. The fuel cell system according to any one of Items 1 to 3.