JP2011169176A - Exhaust emission control system - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は排気ガス浄化システムに関し、更に詳しくは、排気ガス中の固体炭素をアノード側に供給して電気化学的に処理する排気ガス浄化システムに関する。 The present invention relates to an exhaust gas purification system, and more particularly to an exhaust gas purification system that supplies solid carbon in exhaust gas to the anode side and performs an electrochemical treatment.
イオン伝導性を有する固体電解質を用い、アノード材料にディーゼル微粒子等の未燃焼微粒子を堆積させ、両電極間に外部から電圧を印加して、未燃焼微粒子中に含まれる固体炭素を電気化学的に除去する浄化装置が知られている(特許文献1〜5)。かかる浄化装置は、外部から電圧を印加することによって、酸素イオン等をアノード側に移動させ、アノード材料の上に堆積されている固体炭素と電気化学的に反応させ、固体炭素を酸化させて除去するというものであり、固体電解質としては、ジルコニア、セリア等の金属酸化物が用いられている。
Using solid electrolyte with ionic conductivity, unburned particulates such as diesel particulates are deposited on the anode material, and voltage is applied from the outside between both electrodes to electrochemically convert the solid carbon contained in the unburned particulates. A purification device for removal is known (
しかしながら、これらの浄化装置には、外部から常に電圧を印加する必要があり、装置自体が発電する可能性は全くなく、むしろ電気エネルギーを消費するものであった。また、固体炭素をアノード材料に接触させるようにアノードに堆積させ、固体炭素と共にアノードを形成させ、そこに電圧を印加させることが必須であった。従って、上記文献に記載の技術では、微粒子はアノード材料に直接堆積させる必要があるので、一旦捕捉した微粒子をアノード側に移動させる手段については勿論のこと、捕捉した微粒子を浄化装置に移動させる手段について検討されたものはなかった。 However, it is necessary to always apply a voltage from the outside to these purification apparatuses, and the apparatus itself has no possibility of generating electric power, but rather consumes electric energy. In addition, it was essential to deposit solid carbon on the anode so as to contact the anode material, to form an anode with solid carbon, and to apply a voltage thereto. Therefore, in the technique described in the above document, since the fine particles need to be directly deposited on the anode material, not only means for moving the captured fine particles to the anode side, but also means for moving the captured fine particles to the purification device. There was nothing to be considered about.
一方、特許文献6には、メタン、プロパン等の有機化合物をアノードに導入し、該有機化合物の熱分解反応によって、アノード材料に固体炭素を担持させ、かかる「アノード材料に担持された固体炭素」を二酸化炭素と反応させて気体の一酸化炭素に変換し、当該気体の一酸化炭素を酸化することにより発電することを特徴とする固体酸化物型電池の発電方法が記載されている。 On the other hand, in Patent Document 6, an organic compound such as methane or propane is introduced into an anode, and solid carbon is supported on the anode material by a thermal decomposition reaction of the organic compound. Such “solid carbon supported on the anode material” A power generation method for a solid oxide battery is described, in which a gas is reacted with carbon dioxide to convert it to gaseous carbon monoxide and the gas is oxidized to oxidize the gas.
この技術は、通常の燃料電池が燃料としてメタンや水素を使用するのに対し、固体炭素を燃料として使用することが特徴であり、アノードに担持された固体炭素が電気化学的に反応して発電するものである。 This technology is characterized in that solid fuel is used as fuel, whereas ordinary fuel cells use methane or hydrogen as fuel, and the solid carbon supported on the anode reacts electrochemically to generate electricity. To do.
しかしながら、かかる発電方法は、有機化合物を導入し熱分解反応を進行させて、一旦固体炭素をアノードに担持させる賦活工程等を必須工程として含み、あらかじめ燃料となる固体炭素をアノードに担持させておくことが必要であり、発電途中で固体炭素を補充することができないため、連続的に燃料電池反応を継続することができず、連続的な作動が求められる発電システムや電気化学リアクターにはそのまま適用することは難しく、実用化の観点からするとその技術価値を十分に発揮させることができなかった。 However, such a power generation method includes an activation step of introducing an organic compound and causing a thermal decomposition reaction to once support solid carbon on the anode as an essential step, and previously supporting solid carbon as a fuel on the anode. Because solid carbon cannot be replenished in the middle of power generation, the fuel cell reaction cannot be continued continuously, and it can be applied directly to power generation systems and electrochemical reactors that require continuous operation. It was difficult to do so, and its technical value could not be fully demonstrated from the viewpoint of practical application.
しかも、特許文献6記載の技術においては、そもそも、燃料として用いる固体炭素は、排気ガス中の粒子状物質に含まれるものではなく、賦活工程でアノードに導入された有機化合物ガスの熱分解により生じさせたものであり、排気ガスを浄化させるものではなかった。また、アノード材料に固体炭素を直接担持させるので、捕捉された微粒子(固体炭素)をアノード側に移動させる手段については勿論のこと、捕捉された微粒子(固体炭素)を装置(固体酸化物型電池等の電気化学リアクター)に移動させる手段についても、その必要がないので検討されていなかった。 Moreover, in the technique described in Patent Document 6, solid carbon used as fuel is not included in the particulate matter in the exhaust gas, but is generated by thermal decomposition of the organic compound gas introduced into the anode in the activation process. The exhaust gas was not purified. In addition, since solid carbon is directly supported on the anode material, not only means for moving the captured fine particles (solid carbon) to the anode side, but also the captured fine particles (solid carbon) are used in the device (solid oxide battery). The means for moving to an electrochemical reactor) has not been studied since it is not necessary.
近年、環境問題が深刻化しており、内燃機関から排出される排気ガスの優れた浄化システムの開発が望まれている。また、有機資源の枯渇も深刻化しており、効率的な発電システムの開発も望まれている。 In recent years, environmental problems have become serious, and development of an excellent purification system for exhaust gas discharged from an internal combustion engine is desired. In addition, the depletion of organic resources has become serious, and the development of an efficient power generation system is also desired.
本発明は上記背景技術に鑑みてなされたものであり、その課題は、処理中に電極に電圧を印加することなく排気ガス中に含まれる粒子状物質を処理する排気ガス浄化システムを提供することであり、また、固体炭素を燃料として発電しつつ、排気ガス中に含まれる固体炭素を処理する排気ガス浄化システムを提供することである。 The present invention has been made in view of the above-described background art, and an object thereof is to provide an exhaust gas purification system that processes particulate matter contained in exhaust gas without applying a voltage to an electrode during processing. Another object of the present invention is to provide an exhaust gas purification system that processes solid carbon contained in exhaust gas while generating power using solid carbon as fuel.
本発明者らは上記課題を解決すべく鋭意検討を行った結果、装置構成として少なくとも固体炭素を格納するための隔室を設け、該隔室に存在する固体炭素を二酸化炭素と反応させて一酸化炭素に変換し、当該一酸化炭素を酸化することにより発電させる処理方法を採れば、該固体炭素が燃料として消費され、結果として連続的な発電が可能であると共に、連続的な粒子状物質の電気化学的除去が可能であることを見出した。また、固体炭素がアノードに直接担持されておらず、アノードから離れていても、アノード側に設けられた隔室に格納されてさえいれば、発電と粒子状物質の電気化学的除去が可能であることを見出した。 As a result of intensive studies to solve the above problems, the inventors of the present invention have provided a compartment for storing at least solid carbon as an apparatus configuration, and reacting the solid carbon existing in the compartment with carbon dioxide for the purpose. If the processing method of converting to carbon oxide and generating power by oxidizing the carbon monoxide is adopted, the solid carbon is consumed as fuel, and as a result, continuous power generation is possible and continuous particulate matter It was found that the electrochemical removal of can be performed. Moreover, even if the solid carbon is not directly supported on the anode and is separated from the anode, it can be generated and electrochemically removed from the particulate matter as long as it is stored in a compartment provided on the anode side. I found out.
そして、更に、かかる電気化学リアクターにおいては、上記したように固体炭素をアノード材料に直接担持させておく必要がないので、サイクロン捕集器で捕集された「固体炭素を含む粒子状物質」を、途切れることなく電気化学リアクターのアノード側に供給しさえすれば、定常的に処理(発電及び/又は粒子状物質の除去)ができることを見出して本発明に到った。 Further, in such an electrochemical reactor, since it is not necessary to directly support solid carbon on the anode material as described above, “particulate matter containing solid carbon” collected by a cyclone collector is used. As a result, the inventors have found that the process (power generation and / or removal of particulate matter) can be performed steadily as long as it is supplied to the anode side of the electrochemical reactor without interruption.
すなわち、本発明は、内燃機関から排出される排気ガス中に含まれる粒子状物質を捕集するサイクロン捕集器を備える排気ガス浄化システムであって、前記サイクロン捕集器により捕集した粒子状物質をサイクロン捕集器に併設された隔室にある電気化学リアクターに供給し、前記電気化学リアクターが、供給された粒子状物質を電気化学的に除去することを特徴とする排気ガス浄化システムを提供するものである。 That is, the present invention is an exhaust gas purification system including a cyclone collector that collects particulate matter contained in exhaust gas discharged from an internal combustion engine, and the particulate matter collected by the cyclone collector An exhaust gas purification system characterized in that a substance is supplied to an electrochemical reactor in a compartment attached to a cyclone collector, and the electrochemical reactor electrochemically removes the supplied particulate matter. It is to provide.
また、本発明は、上記電気化学リアクターが上記粒子状物質を燃料とする固体酸化物型燃料電池であって、該固体酸化物型燃料電池が、複合金属酸化物を含むアノード材料を有するアノード、カソード材料を有するカソード、及びアノードとカソードとの間に配置されたイオン伝導性の固体酸化物を含む電解質を少なくとも有し、該粒子状物質中の固体炭素を、発電によって発生した二酸化炭素と反応させて一酸化炭素に変換し、当該一酸化炭素を酸化することにより発電するものであることを特徴とする上記の排気ガス浄化システムを提供するものである。以下、この発明を「態様1」とする。
The present invention is also a solid oxide fuel cell in which the electrochemical reactor uses the particulate matter as a fuel, the solid oxide fuel cell having an anode material containing a composite metal oxide, A cathode having a cathode material, and an electrolyte including an ion conductive solid oxide disposed between the anode and the cathode, and reacting solid carbon in the particulate matter with carbon dioxide generated by power generation Thus, the exhaust gas purification system is provided, wherein the exhaust gas purification system is characterized in that power is generated by converting the carbon monoxide into carbon monoxide and oxidizing the carbon monoxide. Hereinafter, this invention is referred to as “
また、本発明は、上記電気化学リアクターが固体酸化物型処理装置であって、該固体酸化物型処理装置が、アノード材料を有するアノード、カソード材料を有するカソード、及びアノードとカソードとの間に配置されたイオン伝導性の固体酸化物を含む電解質を少なくとも有し、該アノードと該カソードの間に電圧を印加することにより酸素イオンをアノードに移行させ、アノード上で該酸素イオンと上記粒子状物質中の固体炭素とを電気化学的に反応させるものであることを特徴とする上記の排気ガス浄化システムを提供するものである。以下、この発明を「態様2」とする。
In the present invention, the electrochemical reactor is a solid oxide processing apparatus, and the solid oxide processing apparatus includes an anode having an anode material, a cathode having a cathode material, and an anode and a cathode. At least an electrolyte containing an ion-conducting solid oxide disposed; and by applying a voltage between the anode and the cathode, oxygen ions are transferred to the anode, and the oxygen ions and the particles are formed on the anode. It is an object of the present invention to provide an exhaust gas purification system as described above, which is capable of electrochemically reacting with solid carbon in a substance. Hereinafter, this invention is referred to as “
本発明によれば、粒子状物質の捕集部と電気化学リアクターとが独立して配置されており、内燃機関から排出される排気ガス中に含まれる粒子状物質を、効率よく簡便に途切れることなく電気化学リアクターのアノード側に供給することが可能である。特に、処理中(システム稼働中)に電極に電圧を印加することなく、排気ガス中に含まれる粒子状物質を処理する排気ガス浄化システムを提供することができる。 According to the present invention, the particulate matter collecting part and the electrochemical reactor are arranged independently, and the particulate matter contained in the exhaust gas discharged from the internal combustion engine can be interrupted efficiently and simply. Without being supplied to the anode side of the electrochemical reactor. In particular, it is possible to provide an exhaust gas purification system that processes particulate matter contained in exhaust gas without applying a voltage to the electrode during processing (system operation).
また、態様1においては、燃料として、従来の燃料電池のように水素や有機物気体ではなく固体炭素を使用できるので、排気ガス中の粒子状物質に含まれる固体炭素を使用でき、結果として、発電しつつ排気ガス中の粒子状物質に含まれる固体炭素を処理できる。また、連続的に燃料電池反応を継続させて、連続的に排気ガスを浄化することができる。
Moreover, in
また、本発明における固体酸化物型燃料電池では、アノードに固体炭素を直接担持しなくても、固体炭素を電気化学的に除去したり、固体炭素を燃料として用いて発電させたりできるので、その特長を生かし、排気ガス中の粒子状物質をサイクロン捕集器で捕集した後、隔室中に存在する固体酸化物型燃料電池のアノードの上(アノード集電体の上でも、アノード材料の上でもよい)に供給することによって、効率よく簡便に途切れることなく電気化学リアクターを稼働させることができ、排気ガスを浄化できる。 Further, in the solid oxide fuel cell according to the present invention, the solid carbon can be removed electrochemically or generated using the solid carbon as a fuel without directly supporting the solid carbon on the anode. Taking advantage of the features, particulate matter in exhaust gas is collected by a cyclone collector, and then on the anode of the solid oxide fuel cell existing in the compartment (even on the anode current collector) In this case, the electrochemical reactor can be operated efficiently and easily without interruption, and the exhaust gas can be purified.
また、処理中に電極に電圧を印加することなく、排気ガス中に含まれる粒子状物質を処理する排気ガス浄化システムを提供することができる。すなわち、外部電源等を必要としない自己完結型であり、連続的な粒子状物質除去が可能な電気化学的排気ガス浄化システムを提供することができる。 Moreover, the exhaust gas purification system which processes the particulate matter contained in exhaust gas can be provided, without applying a voltage to an electrode during a process. That is, it is possible to provide an electrochemical exhaust gas purification system that is self-contained and does not require an external power source or the like and that can continuously remove particulate matter.
以下、本発明の好適な実施形態について詳細に説明するが、本発明は以下の実施の形態に限定されるものではなく、その技術的思想の範囲内で種々変形することができる。 Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail. However, the present invention is not limited to the following embodiments, and various modifications can be made within the scope of the technical idea thereof.
[排気ガス浄化システム]
図1は、本発明の排気ガス浄化システムの基本構成の一例を示す縦断面概念図である。また、図2は、本発明の排気ガス浄化システムの基本構成の一例を示す斜視図である。
[Exhaust gas purification system]
FIG. 1 is a longitudinal sectional conceptual diagram showing an example of a basic configuration of an exhaust gas purification system of the present invention. FIG. 2 is a perspective view showing an example of the basic configuration of the exhaust gas purification system of the present invention.
<サイクロン捕集器>
本発明の排気ガス浄化システムは、内燃機関Eから排出される排気ガスH中に含まれる粒子状物質を捕集するサイクロン捕集器2を備えていることを特徴とする。内燃機関Eから排出された排気ガスHは、吸気管1を通じて該サイクロン捕集器2に送られる。そして、サイクロン捕集器2で捕集された排気ガスH中の該粒子状物質は、該サイクロン捕集器2に併設された隔室5にある電気化学リアクター14に供給されて、該粒子状物質は電気化学的に除去される。粒子状物質が電気化学的に除去された排気ガスHは、排気管11を通って大気中に放出される。
<Cyclone collector>
The exhaust gas purification system of the present invention includes a
本発明においては、上記サイクロン捕集器2と上記隔室5との間に仕切板3が備えられており、該仕切板3のサイクロン捕集器2側に、サイクロン捕集器2で捕集した粒子状物質を一旦貯蔵できるようになっていることが好ましい。サイクロン捕集器2自体の下部等に、直接、電気化学リアクター14のアノード111を設置すると、電気化学リアクター14(のアノード111)の損傷が起き易いが、サイクロン捕集器2と上記隔室5との間に仕切板3が備えられていれば、損傷を防ぐことが可能である。また、本固体酸化物型燃料電池で高い発電特性を得るためには、生成したCOやCO2をアノード111中に長く滞留させることが重要であり、かつ系外からの空気つまりは酸素の漏れこみを極力少なくする必要がある。従って、サイクロン捕集器2と上記隔室5との間に仕切板3が備えられていれば、シール性能が向上するため、高い発電効率が得られる。
In the present invention, a
本発明の排気ガス浄化システムでは、特許文献1〜5に記載の公知技術のように、アノード111又はアノード材料111bに直接固体炭素102を担持又は堆積させなくても反応が進行するので、一旦仕切板3のサイクロン捕集器2側に貯蔵し、間欠的にまとめて電気化学リアクター14のアノード111上に載せるだけでよい。すなわち、固体炭素102は、アノード材料111b又はアノード集電体111aの上に、一定の厚さをもって積み重ねられても、その厚さ方向全体にわたって反応が進行するので(固体炭素102が処理できるので)、そのことにより初めて、「サイクロン捕集」とそれに次ぐ「アノード111に供給」という方式の使用が可能になった。
In the exhaust gas purification system of the present invention, the reaction proceeds even if the solid carbon 102 is not directly supported or deposited on the anode 111 or the anode material 111b as in the known techniques described in
本発明の排気ガス浄化システムにおける電気化学リアクター14において、アノード111(アノード材料111b)に直接固体炭素102を担持又は堆積させなくても反応が進行し、また、固体炭素102の電気化学的除去のみならず、その固体炭素102を燃料として発電が可能である(電気化学リアクター14の)構成や原理は後述する。
In the
「アノード111にまとめて供給」に関しては、仕切板3のサイクロン捕集器2側から電気化学リアクター14に供給する供給時期を判断する制御部(図示せず)を備えていて、粒子状物質中の固体炭素102を適量ずつ電気化学リアクター14のアノード111側に供給できるようになっていることが好ましい。仕切板3に対するサイクロン捕集器2の側に一旦貯蔵された粒子状物質の電気化学リアクター14への供給時期の判断基準は特に限定はなく、内燃機関の運転経過時間、仕切板3のサイクロン捕集器2側に集積した(図1及び図2では仕切板3の上に乗った)粒子状物質の重さ若しくは高さ、発生ガス(CO、CO2)濃度等が挙げられる。また、常に一定時間ごとに供給する方式でもよい。
With regard to the “supply to the anode 111 collectively”, a control unit (not shown) for determining the supply timing to supply to the
中でも、上記サイクロン捕集器2と上記隔室5との間に仕切板3を備えており、捕集した粒子状物質が一定の重さになると、該仕切板3が開口してサイクロン捕集器2の底部から上記電気化学リアクター14のアノード111に該粒子状物質が供給されるようになっていることが、制御が容易であること、定常的な電気化学リアクター14の運転が可能であること等の点で好ましい。
In particular, a
隔室5にある電気化学リアクター14への供給は、仕切板3が開口することによりなされる。ここで「開口する」とは、粒子状物質が供給される動作であれば特に限定はないが、具体的には、例えば、該仕切板3が、除かれる、傾斜する、カメラの絞りのように開く、中心付近で観音開きに開く、回転する等が挙げられる。
Supply to the
サイクロン捕集器2の構造、種類、大きさ等は、内燃機関から排出される排気ガスH中に含まれる粒子状物質を捕集し易いものであれば特に限定はない。図1及び図2では、サイクロン捕集器2の壁面を粒子状物質が渦を巻きながら落ちて行き、サイクロン捕集器2の中心軸部分を、粒子状物質が捕集されたガスが上に向かって流出されるようになっている。流出された排気ガスHは、排気管11を通って排気される。
The structure, type, size and the like of the
電気化学リアクター14の下面に位置するカソード131には、空気等の酸素を含有する気体を供給するための酸素供給管13が配置されている。酸素供給管13は、電気化学リアクター14のカソード131に、空気等の酸素含有気体を供給できるようになっている。
An
更に、隔室5にある電気化学リアクター14のアノード111側には、電気化学反応により生成したCO2を排出するための二酸化炭素(CO2)排出口103が設置されている。
Further, on the anode 111 side of the
隔室5、仕切板3、酸素供給管13等の素材は、耐熱性や耐食性がある材料であれば特に限定されるものではない。好ましくは、鉄、ステンレス、インコネル、ハステロイ、炭素モリブデン鋼、炭素バナジウム鋼、クロムモリブデン鋼等が挙げられる。なお、電気化学リアクター14の、アノード、カソード、電解質等を構成する各部の材料、構造等は後述する。
The materials such as the
本発明の態様1では、上記電気化学リアクター14は、粒子状物質中の固体炭素102を燃料とする固体酸化物型燃料電池である。該固体酸化物型燃料電池14の構成は後述するが、粒子状物質中の固体炭素102を、発電によって発生した二酸化炭素と反応させて一酸化炭素に変換し、当該一酸化炭素を酸化することにより発電する。態様1では、電気化学リアクター14である固体酸化物型燃料電池14から得られた電力は、リード線15を通じて外部に得られる。また、リード線15(出力用のリード線とは異なる場合がある)を介して外部電子回路により制御される。
In
本発明の態様2では、上記電気化学リアクター14は、固体酸化物型処理装置である。固体酸化物型処理装置14のアノード111とカソード131の間に電圧を印加することにより、酸素イオンをアノード111に移行させ、アノード111上で該酸素イオンと上記粒子状物質中の固体炭素102とを電気化学的に反応させ、粒子状物質を除去する。態様2では、電気化学リアクターである固体酸化物型処理装置14のアノード111とカソード131の間に、リード線15を通じて電圧を外部から印加できるようになっている。外部から印加する電圧は、リード線15を介して外部電子回路により制御される。
In
<電気集塵機>
更に、本発明の排気ガス浄化システムには、一例を図3に示したような電気集塵機Dが、サイクロン捕集器2と内燃機関Eの間に備えられていることも好ましい。電気集塵機Dのスイッチ19を切ることによって、そこに捕集されている粒子状物質をサイクロン捕集器2にまとめて移送することもできる。それによって、サイクロン捕集器2による直接捕集と、電気集塵機Dによる捕集を併用することができる。電気集塵機Dを組み合わせることによって、サイクロン捕集器2による粒子状物質の捕集効率を上げたり、排気ガスH中に含まれる粒子状物質の種類によって使い分けたりすることができる。
<Electric dust collector>
Furthermore, in the exhaust gas purification system of the present invention, it is also preferable that an electric dust collector D as shown in FIG. 3 is provided between the
図3は、本発明における電気集塵機Dの一例の断面図である。電気集塵機Dは、両端面に開口部を有する略筒状体であり、該開口部の一端は内燃機関Eに、他端は吸気管1に連結される。電気集塵機Dには、内燃機関Eから排出される排気ガスHaが、内燃機関の燃焼排圧によって送り込まれ、該排気ガスHaを電気的に集塵して排気ガスHbとして排出する。集塵機構については、一般的な放電による電気集塵機構が好適に用いられ、図3に示すように、放電電極16と該放電電極16を筒状体に配置した集塵電極17により構成され、直流電源18及びスイッチ19等の電気回路により作動するようになっていることが好ましい。
FIG. 3 is a cross-sectional view of an example of the electrostatic precipitator D according to the present invention. The electrostatic precipitator D is a substantially cylindrical body having openings at both end faces, and one end of the opening is connected to the internal combustion engine E and the other end is connected to the
<配置例>
図4は、本発明の排気ガス浄化システムを車載配置したときの一例を示す説明図である。一般的なフロントエンジンレイアウトの自動車Cであれば、図4に示すように、内燃機関Eの後方に、(要すれば前記電気集塵機Dを配置し、)排気ガス浄化システム100を配置する。FR車であればセンタートンネル内に配置し、FF車であればエンジンルーム内又は消音器直前に配置すること等が考えられる。レイアウト自体は、特に限定されるものではなく、排気ガス浄化システム100から排出された排気ガスHbが、マフラーパイプ等を通じて消音器で減圧されて、排気ガスHcを大気中に放出する構成であればよい。
<Example of arrangement>
FIG. 4 is an explanatory diagram showing an example when the exhaust gas purification system of the present invention is installed on a vehicle. In the case of an automobile C having a general front engine layout, as shown in FIG. 4, an exhaust
また、更に、従来の化学触媒を併用することもできる。また、図1に示したように、DPF(Diesel particulate filter)4を設けることも好ましい。 Furthermore, a conventional chemical catalyst can be used in combination. Moreover, as shown in FIG. 1, it is also preferable to provide a DPF (Diesel particulate filter) 4.
<電気化学リアクター>
本発明の排気ガス浄化システムにおいては、上記したように、サイクロン捕集器2で捕集した粒子状物質を、併設された隔室5にある電気化学リアクター14に供給して、電気化学的に除去することを特徴とする。本発明における電気化学リアクター14は、態様1では固体酸化物型燃料電池であり、態様2では固体酸化物型処理装置である。
<Electrochemical reactor>
In the exhaust gas purification system of the present invention, as described above, the particulate matter collected by the
以下、本発明における電気化学リアクター14について、態様1の固体酸化物型燃料電池14を例にとって説明する。
Hereinafter, the
態様2の固体酸化物型処理装置14であっても、アノード111、カソード131、電解質等の好ましい材料(物質)や構造(形態)は、下記する態様1の固体酸化物型燃料電池14の場合と同様であり、主にアノード111とカソード131の間に電圧を印加することにより酸素イオンをアノード111に移行させること、発電しないこと等が、態様1の固体酸化物型燃料電池14とは異なるだけである。
Even in the solid
<固体酸化物型燃料電池の形態>
図5は、本発明の排気ガス浄化システムに用いる固体酸化物型燃料電池14の好適な一実施形態の基本構成を示す模式断面図である。図5には、固体酸化物型燃料電池14の他に、少なくとも、固体酸化物型燃料電池14が内に設置されている隔室5、及び酸素供給管13が示されている。そして、固体酸化物型燃料電池14は、主として、アノード111、カソード131、及び、アノード111とカソード131との間に配置された電解質121とから構成されている。図5に示すように、更に、アノード111はアノード材料111b及びアノード集電体111aを有している。また、図5に示すように、カソード131はカソード材料131b及びカソード集電体131aを有している。
<Form of solid oxide fuel cell>
FIG. 5 is a schematic cross-sectional view showing the basic configuration of a preferred embodiment of the solid
隔室5の内には固体酸化物型燃料電池14があり、隔室5は、内燃機関から排出される排気ガスH中に含まれる粒子状物質中の固体炭素102を格納できるようになっている。ここで隔室5は、固体酸化物型燃料電池14から見ると、アノード111側に設けられた、発電のための固体炭素102を格納する空間である。そこに格納される固体炭素102はアノード111に接している必要はないが、該固体炭素102の少なくとも一部は、アノード111に接していることも好ましい。より具体的には、固体炭素102が、アノード集電体111aやアノード材料111bと接触するようになっている必要はないが、一部の固体炭素102が接触するようになっていることも好ましい。
A solid
限定はされないが、例えば、図5においては、隔室5のうち下約40%に、粒子状物質(固体炭素102)が格納されている。発電中でも、隔室5に、燃料である固体炭素102が、サイクロン捕集器2に隣接された仕切板3から追加されることによって、発電を継続させることができる。
Although not limited, for example, in FIG. 5, particulate matter (solid carbon 102) is stored in about 40% of the lower part of the
アノード111側への酸素の混入は、発電効率の観点からできるだけ軽減した方が好ましい。酸素除去のために、窒素(N2)や二酸化炭素(CO2)等の不活性ガスで、隔室5内を置換することも好ましい。
It is preferable that oxygen contamination on the anode 111 side be reduced as much as possible from the viewpoint of power generation efficiency. In order to remove oxygen, it is also preferable to replace the inside of the
隔室5に固体炭素102があり、発電により生じたCO2が、例えば500〜1000℃で存在すれば、CO生成反応が進行し、固体酸化物型燃料電池14により発電が継続される。本発明は、この意外な事実の新しい発見に基づいてなされたものである。かかる現象があるために、排気ガスH中に含まれる粒子状物質をサイクロン捕集器2で捕集し、併設された隔室5にある固体酸化物型燃料電池14に該粒子状物質を供給して発電しつつ排気ガスHを浄化するシステムが完成した。
If there is solid carbon 102 in the
更に、図5に示す固体酸化物型燃料電池14は、アノード111側に、CO2を排出するための二酸化炭素(CO2)排出口103、カソード131側に酸素(O2)等の酸化剤を供給するための酸素供給管13を併設している。
Further, the solid
図5に示した基本構成に加えて、発電開始時に発電開始剤を供給するための発電開始剤導入管(図示せず)の先端がアノード111側に配置されていることが好ましい。発電開始剤導入管の先端の配置はアノード111側ならば特に限定はない。発電開始剤導入管の先端がアノード111側に配置されていることによって、発電開始剤がアノード材料111bの近傍に供給され、その結果、初期の発電特性が安定し易く、排気ガス浄化システムにおける電気化学リアクター14が安定して初期稼働する。
In addition to the basic configuration shown in FIG. 5, it is preferable that the tip of a power generation initiator introduction pipe (not shown) for supplying a power generation initiator at the start of power generation is disposed on the anode 111 side. The arrangement of the tip of the power generation initiator introduction pipe is not particularly limited as long as it is on the anode 111 side. Since the tip of the power generation initiator introduction pipe is arranged on the anode 111 side, the power generation initiator is supplied in the vicinity of the anode material 111b. As a result, the initial power generation characteristics are easily stabilized, and the electric power in the exhaust gas purification system is improved. The
態様1においても、図5に示した固体酸化物型燃料電池14の基本構成に加えて、アノード111へ電気化学的に酸素源を注入するための電気回路(図示せず)を有していることが好ましい。態様1においても、排気ガス浄化システム開始時、すなわち発電開始時に、アノード111へ電気化学的に酸素源を注入することが、初期の発電特性を安定化させる点で好ましい。酸素源は特に限定はないが、具体的には、例えば、空気や酸素等が挙げられる。
The
酸素源の電気化学的な注入方法については特に限定はされないが、具体的には、例えば、アノード111とカソード131との間に、電池セルの持つネルンスト電位を利用し、電流密度0.01mA/cm2〜5mA/cm2で流し、カソード131で酸素が電子を取り込んで酸化物イオン(O2−)となり、このO2−が電解質121を移動してアノード111で燃料と反応して電子を放出させ、電極反応を開始させることが好ましい。発電開始時に、アノード111へ電気化学的に酸素源を注入しないと、発電の初期段階で安定した発電が得られず、排気ガス浄化システムが安定して開始しない場合がある。 The method for electrochemically injecting the oxygen source is not particularly limited. Specifically, for example, the Nernst potential of the battery cell is used between the anode 111 and the cathode 131, and the current density is 0.01 mA / It flows at a rate of cm 2 to 5 mA / cm 2 , oxygen is taken in by the cathode 131 and becomes oxide ions (O 2− ), and this O 2− moves through the electrolyte 121 and reacts with the fuel at the anode 111 to give electrons. It is preferable to release and initiate the electrode reaction. If the oxygen source is not electrochemically injected into the anode 111 at the start of power generation, stable power generation cannot be obtained at the initial stage of power generation, and the exhaust gas purification system may not start stably.
<<アノード>>
アノード111のアノード材料111bは複合金属酸化物を含む。すなわち、アノード材料111bは、複合金属酸化物を含むものであってもよいし、サーメットを含むものであってもよい。ここで「サーメット」とは、金属と金属酸化物粉末が混合され焼結されたものをいう。複合金属酸化物又はサーメットは多孔質であることが好ましい。複合金属酸化物又はサーメットとしては、公知の固体酸化物型燃料電池14にアノード活物質として一般に用いられているものが好適に使用できる。
<< Anode >>
The anode material 111b of the anode 111 includes a composite metal oxide. That is, the anode material 111b may include a composite metal oxide, or may include cermet. Here, “cermet” means a mixture of metal and metal oxide powder and sintered. The composite metal oxide or cermet is preferably porous. As the composite metal oxide or cermet, those generally used as the anode active material in the known solid
[複合金属酸化物]
自身がアノード材料111bの成分として、また、アノード材料111bの成分であるサーメットの原料としても用いられる複合金属酸化物としては、固体酸化物型燃料電池14にアノード活物質として一般に用いられているものであれば特に限定はない。発電の際に、十分な出力特性、耐久性等を確実に得る点からは、イットリアが配合された安定化ジルコニア(Y2O3−ZrO2)(以下、「YSZ」と略記する);Gd、La、Y、Sm、Nd、Ca、Mg、Sr、Ba、Dy及びYbからなる群より選ばれる少なくとも1種がドープされたCeO2[このうち特に、GdがドープされたCeO2(以下、「GDC」と略記する)、SmがドープされたCeO2が好ましい];Sc2O3−ZrO2(以下、「ScSZ」と略記する);Sm2O3−CeO2(以下、「SDC」と略記する)等が特に好ましい。
[Composite metal oxide]
As a composite metal oxide which is used as a component of the anode material 111b and also as a raw material of the cermet which is a component of the anode material 111b, it is generally used as an anode active material in the solid
ここで、上記YSZの場合、Y2O3の割合(Y2O3の含有量)は、Y2O3−ZrO2に対して8〜10モル%であることが好ましい。また、上記GDCの場合、Gdの割合(Gdの含有量)は、ドープされたCeO2に対して3〜40モル%が好ましく、8〜40モル%がより好ましく、10〜40モル%が更に好ましく、15〜40モル%であることが特に好ましい。更に、上記SmがドープされたCeO2の場合、Smの割合(Smの含有量)は、ドープされたCeO2に対して15〜40モル%であることが好ましい。また、特に好ましいセリア系固溶体としては、Ce0.8Gd0.2O2−δ(式中、δは酸素欠損量を示す)、Ce0.67Gd0.33O2−δ(式中、δは酸素欠損量を示す)等が挙げられる。
In the case of the YSZ, (the content of
また、発電の際に、十分な出力特性を得る観点からは、電気伝導性を有する複合金属酸化物を用いることが好ましい。複合金属酸化物の導電率は、1000℃において、0.01〜10Scm−1であることが特に好ましい。 In addition, it is preferable to use a composite metal oxide having electrical conductivity from the viewpoint of obtaining sufficient output characteristics during power generation. The conductivity of the composite metal oxide is particularly preferably 0.01 to 10 Scm −1 at 1000 ° C.
[[サーメット]]
電池としての優れた出力特性をより確実に得る観点から、アノード材料111bはサーメットであることが好ましい。サーメットとしては、固体酸化物型燃料電池14にアノード活物質として一般に用いられているものであれば特に限定はないが、Ni、Pt、Au、Cu、Fe、W及びTaからなる群より選ばれる少なくとも1種の金属と複合金属酸化物(特に上記複合金属酸化物)とのサーメットが好ましい。発電の際に、十分な出力特性を確実に得る点等からは、ニッケルと複合金属酸化物のサーメット等が好ましいものとして挙げられ、特に、ニッケルと上記した複合金属酸化物とのサーメット等が好ましいものとして挙げられる。
[[cermet]]
From the viewpoint of more reliably obtaining excellent output characteristics as a battery, the anode material 111b is preferably cermet. The cermet is not particularly limited as long as it is generally used as the anode active material in the solid
特に好ましくは、出力特性の点で、ニッケルとYSZとのサーメット(以下、「Ni/YSZ」と略記する)、ニッケルとGDCとのサーメット(以下、「Ni/GDC」と略記する)、ニッケルとScSZとのサーメット(以下、「Ni/ScSZ」と略記する)又はニッケルとSDCとのサーメット(以下、「Ni/SDC」と略記する)である。 Particularly preferably, in terms of output characteristics, cermet of nickel and YSZ (hereinafter abbreviated as “Ni / YSZ”), cermet of nickel and GDC (hereinafter abbreviated as “Ni / GDC”), nickel, It is a cermet with ScSZ (hereinafter abbreviated as “Ni / ScSZ”) or a cermet with nickel and SDC (hereinafter abbreviated as “Ni / SDC”).
また、サーメットにおける金属の体積分率V1と、複合金属酸化物の体積分率V2とが下記式で表される条件を満たしていることが、電子伝導性確保の点で好ましい。
0.2≦[V1/(V1+V2)]≦0.8
Moreover, it is preferable from the point of ensuring electronic conductivity that the volume fraction V1 of the metal in a cermet and the volume fraction V2 of a composite metal oxide satisfy | fill the conditions represented by a following formula.
0.2 ≦ [V1 / (V1 + V2)] ≦ 0.8
ここで、[V1/(V1+V2)]が0.2未満となると、アノード材料111b中の電子伝導性が十分に確保できなくなり、固体酸化物型燃料電池14の出力特性が不十分となる場合がある。また、[V1/(V1+V2)]が0.8を超えると、アノード材料111b中のイオン伝導性が十分に確保できなくなり、固体酸化物型燃料電池14の出力特性が不十分となる場合がある。アノード材料111b中の電子伝導性とイオン伝導性を共に十分に確保する観点から、[V1/(V1+V2)]は0.2〜0.8であることが好ましく、0.3〜0.7であることが特に好ましく、0.4〜0.6が更に好ましい。
Here, if [V1 / (V1 + V2)] is less than 0.2, sufficient electron conductivity in the anode material 111b cannot be secured, and the output characteristics of the solid
具体的には、Ni/YSZ、Ni/GDC、Ni/ScSZ、又はNi/SDCにおいて、体積分率の比としてNi/(かかる複合金属酸化物+Ni)の値が、上記値の範囲に入っているものが好ましい。 Specifically, in Ni / YSZ, Ni / GDC, Ni / ScSZ, or Ni / SDC, the value of Ni / (such composite metal oxide + Ni) falls within the above range as the volume fraction ratio. Is preferred.
[[電気伝導性を有する複合金属酸化物]]
ここで、アノード材料111bがサーメットのような金属粒子若しくは合金粒子を含む材料であると、アノード111中の金属が、カーバイドやカーボンウィスカーを生成させる原因になり、長期的な電極劣化の要因となる場合がある。すなわち、金属に溶解した炭素が析出して成長する際に金属粒子を電極のフレーム構造から脱落させてしまい、それが電極劣化の要因となる場合がある。また、酸化還元サイクル時の金属粒子の体積膨張・収縮により、それが電極劣化の要因となる場合がある。したがって、アノード材料111bとして、上記サーメットに代えて、電気伝導性を有する複合金属酸化物を用いることも好ましい。
[[Composite metal oxide with electrical conductivity]]
Here, when the anode material 111b is a material containing metal particles or alloy particles such as cermet, the metal in the anode 111 causes carbide and carbon whiskers, and causes long-term electrode deterioration. There is a case. That is, when carbon dissolved in the metal precipitates and grows, the metal particles are dropped from the frame structure of the electrode, which may cause deterioration of the electrode. Moreover, the volume expansion / contraction of the metal particles during the redox cycle may cause electrode deterioration. Therefore, it is also preferable to use a composite metal oxide having electrical conductivity in place of the cermet as the anode material 111b.
電極劣化の原因となる金属粒子若しくは合金粒子を含むサーメットに代えて、アノード材料111bのうちの少なくとも1種のアノード材料に電気伝導性を有する複合金属酸化物を用いることによって、上記電極劣化の要因が解消され、RDCFCの運転時にアノード111の劣化を抑制し、酸化還元サイクル特性を向上させ、高出力を安定的に維持させることができる。アノード材料111bに電気伝導性を有する複合金属酸化物を含むことが好ましい。ここで、「電気伝導性を有する」とは、運転温度において電気伝導度が10−4Scm−1以上であることを意味する。 In place of the cermet containing metal particles or alloy particles that cause electrode deterioration, the composite metal oxide having electrical conductivity is used for at least one anode material of the anode material 111b, thereby causing the electrode deterioration factor. Is eliminated, deterioration of the anode 111 is suppressed during the operation of the RDCFC, redox cycle characteristics are improved, and high output can be stably maintained. It is preferable that the anode material 111b includes a composite metal oxide having electrical conductivity. Here, “having electrical conductivity” means that the electrical conductivity is 10 −4 Scm −1 or more at the operating temperature.
ここで、前記した電極劣化を生じない範囲においては金属を含有していてもよく、本発明は、アノード材料111bの組成から、少量の「金属粒子若しくは合金粒子」の含有を排除するものではない。アノード材料111b全体中に含有される「金属粒子若しくは合金粒子」は合計で10質量%以下が好ましく、5質量%以下がより好ましく、2質量%以下が特に好ましく、金属粒子も合金粒子も含まれていないことが更に好ましい。 Here, a metal may be contained within a range in which the above-described electrode deterioration does not occur, and the present invention does not exclude the inclusion of a small amount of “metal particles or alloy particles” from the composition of the anode material 111b. . The total amount of “metal particles or alloy particles” contained in the anode material 111b is preferably 10% by mass or less, more preferably 5% by mass or less, and particularly preferably 2% by mass or less, including both metal particles and alloy particles. More preferably not.
上記の「電気伝導性を有する複合金属酸化物」の電気伝導度は、運転温度において10−2Scm−1以上であることが好ましく、10−1Scm−1以上であることが特に好ましい。ここで、「電気伝導」とは、電子伝導、ホール伝導、酸化物イオン伝導及びプロトン伝導のうちの少なくとも1つからなる電気伝導、すなわち、それらのうちの1つ又は2つ以上が組み合わされた電気伝導を意味する。電気伝導度が低過ぎると、十分な出力特性が得られない場合がある。 The electric conductivity of the above-mentioned “complex metal oxide having electric conductivity” is preferably 10 −2 Scm −1 or more, particularly preferably 10 −1 Scm −1 or more, at the operating temperature. Here, “electric conduction” means electric conduction consisting of at least one of electron conduction, hole conduction, oxide ion conduction and proton conduction, that is, one or more of them are combined. Means electrical conduction. If the electrical conductivity is too low, sufficient output characteristics may not be obtained.
アノード111は、金属粒子も合金粒子も含有していないか、又は、それらによる3次元的ネットワークが形成されない範囲を上限として金属粒子若しくは合金粒子を含有していることが好ましい。「3次元的ネットワーク」とは、アノード111の厚さ方向にそれのみを通して電気伝導が可能の状態(通じる状態)をいう。金属粒子若しくは合金粒子による3次元的ネットワークが形成されていると、酸化と還元の繰り返しで、アノード材料111bが体積膨張と体積収縮を繰り返す結果、アノード111が劣化する場合がある。 The anode 111 preferably contains neither metal particles nor alloy particles, or contains metal particles or alloy particles up to a range in which a three-dimensional network is not formed. The “three-dimensional network” refers to a state in which electrical conduction is possible through the anode 111 in the thickness direction. If a three-dimensional network is formed by metal particles or alloy particles, the anode 111 may deteriorate as a result of repeated expansion and contraction of the anode material 111b due to repeated oxidation and reduction.
また、アノード材料111bに用いられる電気伝導性を有する複合金属酸化物は、それ自体で、3次元的ネットワークを形成していること、すなわち複合金属酸化物自体で、電子伝導可能な3次元的ネットワークを形成していることが、良好な電気伝導性を実現し、結果として十分な出力特性が得られる点で好ましい。 Further, the composite metal oxide having electrical conductivity used for the anode material 111b itself forms a three-dimensional network, that is, the three-dimensional network capable of conducting electrons by the composite metal oxide itself. Is preferable in that good electrical conductivity is realized and as a result, sufficient output characteristics can be obtained.
アノード材料111bに用いられる電気伝導性を有する複合金属酸化物は、少なくともそのうちの1種は、ペロブスカイト型結晶構造、パイロクロア型結晶構造又はフルオライト型結晶構造を有する複合金属酸化物よりなることが好ましい。 It is preferable that at least one of the complex metal oxides having electrical conductivity used for the anode material 111b is composed of a complex metal oxide having a perovskite crystal structure, a pyrochlore crystal structure, or a fluorite crystal structure. .
ペロブスカイト型結晶構造を有する複合金属酸化物とは、いわゆるペロブスカイト型の結晶構造をとる複合金属酸化物をいい、下記一般式(G)で表わされる複合金属酸化物が好ましい。
A1±aB1±bO3−δ (G)
[組成式(G)中、Aは、La、Sr、Ca、Y、Ba、Pr、Ce、K、Na、Sm、Pb、Nd、Gd、Bi、Ag、Cs、Rb、Tl、Cd、Eu、Mg、Dy、Li及びHoからなる群より選ばれる少なくとも1種を示し、Bは、Co、Cr、Mn、Ni、Ce、Gd、Al、Ti、Zr、Sc、Mg、Ga、Cu、Fe、Yb、Y、Nb、I、Ni、Sr、Bi、In、Ca、Sn、Ta、W、Th、U、Hf、Mo、Lu、Tm、Tb、Dy、Ho、Os、Rh、Ag、Tr、Sb、Zn、Pa、In、Re及びErからなる群より選ばれる少なくとも1種を示し、0≦a≦0.2、0≦b≦0.2であり、δは酸素欠損量である。]
The composite metal oxide having a perovskite crystal structure refers to a composite metal oxide having a so-called perovskite crystal structure, and a composite metal oxide represented by the following general formula (G) is preferable.
A 1 ± a B 1 ± b O 3-δ (G)
[In the composition formula (G), A represents La, Sr, Ca, Y, Ba, Pr, Ce, K, Na, Sm, Pb, Nd, Gd, Bi, Ag, Cs, Rb, Tl, Cd, Eu. , Mg, Dy, Li, and Ho, B represents Co, Cr, Mn, Ni, Ce, Gd, Al, Ti, Zr, Sc, Mg, Ga, Cu, Fe Yb, Y, Nb, I, Ni, Sr, Bi, In, Ca, Sn, Ta, W, Th, U, Hf, Mo, Lu, Tm, Tb, Dy, Ho, Os, Rh, Ag, Tr , Sb, Zn, Pa, In, Re, and Er, at least one selected from the group consisting of 0 ≦ a ≦ 0.2 and 0 ≦ b ≦ 0.2, and δ is the amount of oxygen deficiency. ]
このうち、LaMnO3、LaCoO3、LaCrO3等を母体とする物質がより好ましく、例えば、(LaSr)MnO3系の複合金属酸化物(本発明では、これを「LSM」と略記する)、(LaSr)CoO3系の複合金属酸化物(本発明では、これを「LSC」と略記する)が特に好ましいものとして挙げられる。 Of these, substances based on LaMnO 3 , LaCoO 3 , LaCrO 3 and the like are more preferable. For example, (LaSr) MnO 3 -based composite metal oxide (in the present invention, this is abbreviated as “LSM”), ( LaSr) CoO 3 -based composite metal oxide (in the present invention, this is abbreviated as “LSC”) is particularly preferable.
また、組成式(G)において、Bが、MnをB全体に対して50モル%以上含有するものであることが、前記効果をより奏するために好ましい。また、組成式(G)において、Bが、CoをB全体に対して50モル%以上含有するものであること、又は、Bが、CoとFeを、それらの合計でB全体に対して50モル%以上含有するものであることが、前記効果を奏するために好ましい。 Moreover, in compositional formula (G), it is preferable for B to contain 50 mol% or more of Mn with respect to the whole B in order to exhibit the said effect more. Further, in the composition formula (G), B contains 50 mol% or more of Co with respect to the entire B, or B contains Co and Fe in total of 50 with respect to the entire B. It is preferable for the content to be at least mol% in order to achieve the above effects.
そのほかのペロブスカイト型結晶構造を有する複合金属酸化物は、一般式、A(B1−xMx)1±aO3−δ[式中、0≦x≦0.8、0≦a≦0.2である]において、AはBa、Sr、Ca等の2価のカチオンから少なくとも1種が選ばれ、BはCe、Zr、Ti等の4価のカチオンから少なくとも1種が選ばれ、Mは3価の希土類、Y、Sc、In、Yb、Nd、Gd、Al、Ga等から少なくとも1種が選ばれる。 Other composite metal oxides having a perovskite crystal structure are represented by the general formula A (B 1-x M x ) 1 ± a O 3-δ [where 0 ≦ x ≦ 0.8, 0 ≦ a ≦ 0. .2], A is at least one selected from divalent cations such as Ba, Sr, and Ca, B is at least one selected from tetravalent cations such as Ce, Zr, and Ti, and M Is at least one selected from trivalent rare earth, Y, Sc, In, Yb, Nd, Gd, Al, Ga and the like.
例えば、Ba(Ce1−xGdx)1±aO3[式中、0≦x≦0.8、0≦a≦0.2である]、Ca(Al1−xTix)1±aO3[式中、0≦x≦0.8、0≦a≦0.2である]、Sr(Ce1−xYbx)1±aO3(式中、0≦x≦0.8、0≦a≦0.2である)、Sr(Zr1−xYx)1±aO3(式中、0≦x≦0.8、0≦a≦0.2である)、Sr(Zr1−xScx)1±aO3(式中、0≦x≦0.8、0≦a≦0.2である)等で表されるものも好ましい。具体的には、BaCe0.9Gd0.1O3、CaAl0.7Ti0.3O3、SrCe0.95Yb0.05O3、SrZr0.95Y0.05O3、SrZr0.9Sc0.1O3等が挙げられる。 For example, Ba (Ce 1-x Gd x ) 1 ± a O 3 [where 0 ≦ x ≦ 0.8, 0 ≦ a ≦ 0.2], Ca (Al 1-x Ti x ) 1 ± a O 3 [wherein, 0 ≦ x ≦ 0.8,0 is ≦ a ≦ 0.2], Sr ( Ce 1-x Yb x) in 1 ± a O 3 (wherein, 0 ≦ x ≦ 0. 8, 0 ≦ a ≦ 0.2), Sr (Zr 1−x Y x ) 1 ± a O 3 (where 0 ≦ x ≦ 0.8, 0 ≦ a ≦ 0.2), Those represented by Sr (Zr 1-x Sc x ) 1 ± a O 3 (where 0 ≦ x ≦ 0.8, 0 ≦ a ≦ 0.2) are also preferred. Specifically, BaCe 0.9 Gd 0.1 O 3 , CaAl 0.7 Ti 0.3 O 3 , SrCe 0.95 Yb 0.05 O 3 , SrZr 0.95 Y 0.05 O 3 , SrZr 0.9 Sc 0.1 O 3 and the like.
一般式、La1−xSrxGa1−y−zMgyMzO3[式中、Mは、Co、Fe、Ni又はCuの何れか1種以上の元素を示し、x=0.05〜0.3、y=0〜0.29、z=0.01〜0.3、y+z=0.025〜0.3の範囲である。]で表されるランタンガレートも好ましい。具体的には、La0.8Sr0.2Ga0.8Mg0.15Co0.05O3−δ(式中、δは酸素欠損量を示す)等が挙げられる。 Formula, La 1-x Sr x Ga 1-y-z Mg y M z O 3 [ wherein, M represents, Co, Fe, indicates any one or more elements of Ni or Cu, x = 0. It is the range of 05-0.3, y = 0-0.29, z = 0.01-0.3, y + z = 0.025-0.3. The lanthanum gallate represented by the formula is also preferable. Specific examples include La 0.8 Sr 0.2 Ga 0.8 Mg 0.15 Co 0.05 O 3-δ (where δ represents the amount of oxygen deficiency).
好ましい電気伝導性を有する複合金属酸化物としては、具体的には、例えば、La0.8Sr0.2MnO3、La0.85Sr0.15MnO3、La0.95Sr0.05MnO3等の、La1−bSrbMnO[bは、0≦b≦0.5]で表わされる化合物;La0.8Sr0.2CoO3、La0.85Sr0.15CoO3、La0.95Sr0.05CoO3等の、La1−dSrdMnO3[dは、0≦d≦0.5]で表わされる化合物;La0.6Sr0.4Fe0.8Co0.2O3、La0.6Sr0.4Fe0.2Co0.8O3等のLa1−eSreFefCo1−fO3[eは0≦e≦0.5、fは0≦f≦1]で表わされる化合物;La0.75Sr0.2Cr0.5Mn0.5O3等のLa1−gSrgCr1−hMnhO3[gは0≦g≦0.5、hは0≦h≦1]で表わされる化合物;等が挙げられる。 Specific examples of the composite metal oxide having preferable electrical conductivity include La 0.8 Sr 0.2 MnO 3 , La 0.85 Sr 0.15 MnO 3 , and La 0.95 Sr 0.05. La 1-b Sr b MnO [b is 0 ≦ b ≦ 0.5], such as MnO 3 ; La 0.8 Sr 0.2 CoO 3 , La 0.85 Sr 0.15 CoO 3 La 1-d Sr d MnO 3 [d is 0 ≦ d ≦ 0.5], such as La 0.95 Sr 0.05 CoO 3 ; La 0.6 Sr 0.4 Fe 0. 8 Co 0.2 O 3, La 0.6 Sr 0.4 Fe 0.2 Co 0.8 La 1-e Sr of O 3, e Fe f Co 1-f O 3 [e is 0 ≦ e ≦ 0 .5, f is a compound represented by 0 ≦ f ≦ 1]; La 0.75 Sr 0. 2 Cr 0.5 Mn 0.5 O 3 and other La 1-g Sr g Cr 1-h Mn h O 3 [g is 0 ≦ g ≦ 0.5, h is 0 ≦ h ≦ 1] And the like.
パイロクロア型結晶構造を有する複合金属酸化物とは、いわゆるパイロクロア型の結晶構造をとる複合金属酸化物をいい、Ln2((Zr1−xTix)2)1±aO7(式中、LnはSc、Y、La及び他のランタノイドからなる群より選ばれた1種以上の元素を示し、0≦x≦0.5、0≦a≦0.2である)が好ましいものとして挙げられる。具体的には例えば、Gd2((Zr1−xTix)2)1±aO7(式中、0≦x≦0.5、0≦a≦0.2である)、Y2((Zr1−xTix)2)1±aO7(式中、0≦x≦0.5、0≦a≦0.2である)等が挙げられる。 The composite metal oxide having a pyrochlore crystal structure refers to a composite metal oxide having a so-called pyrochlore crystal structure, Ln 2 ((Zr 1−x Ti x ) 2 ) 1 ± a O 7 (wherein Ln represents one or more elements selected from the group consisting of Sc, Y, La and other lanthanoids, and 0 ≦ x ≦ 0.5 and 0 ≦ a ≦ 0.2) are preferred. . Specifically, for example, Gd 2 ((Zr 1-x Ti x ) 2 ) 1 ± a O 7 (where 0 ≦ x ≦ 0.5, 0 ≦ a ≦ 0.2), Y 2 ( (Zr 1-x Ti x ) 2 ) 1 ± a O 7 (where 0 ≦ x ≦ 0.5, 0 ≦ a ≦ 0.2).
フルオライト型結晶構造を有する複合金属酸化物とは、いわゆるフルオライト型の結晶構造をとる複合金属酸化物をいい、その中で好ましいものはセリア系複合金属酸化物で、Ce1−xMxO2(式中、MはGd、La、Y、Sc、Sm、Pr、Nd、Ca、Mg、Sr、Ba、Dy、Yb、Tb及び他の2価または3価のランタノイドからなる群から選ばれた1種以上の元素を示し、0≦x≦0.5である)で表されるものである。特に好ましいセリア系複合金属酸化物として、Ce0.8Gd0.2O2−δ(式中、δは酸素欠損量を示す)等が挙げられる。 The composite metal oxide having a fluorite-type crystal structure refers to a composite metal oxide having a so-called fluorite-type crystal structure. Among them, a ceria-based composite metal oxide is preferable, and Ce 1-x M x O 2 (wherein M is selected from the group consisting of Gd, La, Y, Sc, Sm, Pr, Nd, Ca, Mg, Sr, Ba, Dy, Yb, Tb and other divalent or trivalent lanthanoids) 1 or more elements, and 0 ≦ x ≦ 0.5). Particularly preferred ceria-based composite metal oxides include Ce 0.8 Gd 0.2 O 2-δ (where δ represents the amount of oxygen deficiency).
アノード材料111bに用いられる電気伝導性を有する複合金属酸化物としては、ペロブスカイト型結晶構造を有する複合金属酸化物が、金属粒子若しくは合金粒子を含有しなくても高い電気伝導性を有し、前記した本発明の効果をより奏する点で特に好ましい。 As the composite metal oxide having electrical conductivity used for the anode material 111b, the composite metal oxide having a perovskite crystal structure has high electrical conductivity without containing metal particles or alloy particles, It is particularly preferable in that the effect of the present invention is further exhibited.
上記アノード材料111bが2種以上のアノード材料よりなる複合材料である場合には、上記以外のアノード材料も複合金属酸化物であることが好ましい。更に、アノード111においては、少なくとも電子伝導性とホール伝導性のどちらかを有する複合金属酸化物、及び、少なくとも酸化物イオン伝導性とプロトン伝導性のどちらかを有する複合金属酸化物の2種類以上のアノード材料を含有することが好ましい。ここで、「少なくとも電子伝導性とホール伝導性のどちらかを有する」とは、その両方を合わせた電気伝導度が10−4Scm−1以上であることをいい、「少なくとも酸化物イオン伝導性とプロトン伝導性のどちらかを有する」とは、その両方を合わせた電気伝導度が10−4Scm−1以上であることをいう。 When the anode material 111b is a composite material composed of two or more kinds of anode materials, the anode material other than the above is preferably also a composite metal oxide. Furthermore, in the anode 111, two or more kinds of composite metal oxides having at least one of electron conductivity and hole conductivity, and composite metal oxides having at least one of oxide ion conductivity and proton conductivity. The anode material is preferably contained. Here, “having at least one of electron conductivity and hole conductivity” means that the combined electric conductivity is 10 −4 Scm −1 or more, and “at least oxide ion conductivity. "Having either proton conductivity or proton conductivity" means that the combined electrical conductivity is 10 −4 Scm −1 or more.
本発明における好ましいアノード材料111bとしては、比較的高い電子伝導性と酸化物イオン伝導性の両方を有するという点で、LSMとGDCの複合材料であるLSM/GDC、LSC単独、LSCとGDCの複合材料であるLSC/GDC等が挙げられる。また、電子伝導性とプロトン伝導性の両方を有するという点で、LSMとSrCe1−iYbiO3(iは、0≦i≦1)(以下、「SCYb」と略記する)の複合材料であるLSM/SCYb、LSCとSCYbの複合材料であるLSC/SCYb等が挙げられる。また、電子伝導性と酸化物イオン伝導性に加えてプロトン伝導性を有するという点で、(LSM若しくはLSC)とGDCとSCYbの複合材料である(LSM若しくはLSC)/GDC/SCYb等が挙げられる。 Preferred anode material 111b in the present invention is that LSM / GDC, which is a composite material of LSM and GDC, LSC alone, and a composite of LSC and GDC in that it has both relatively high electronic conductivity and oxide ion conductivity. Examples thereof include LSC / GDC which is a material. In addition, a composite material of LSM and SrCe 1-i Yb i O 3 (i is 0 ≦ i ≦ 1) (hereinafter abbreviated as “SCYb”) in that it has both electron conductivity and proton conductivity. And LSC / SCYb, which is a composite material of LSC and SCYb. Further, in terms of having proton conductivity in addition to electron conductivity and oxide ion conductivity, (LSM or LSC), a composite material of GDC and SCYb (LSM or LSC) / GDC / SCYb, and the like can be given. .
[膜厚]
アノード材料111bの膜厚は特に限定はないが、通常10μm〜5mmであり、好ましくは20μm〜1mm、より好ましくは30μm〜700μm、更に好ましくは40μm〜400μm、最も好ましくは50μm〜150μmである。膜厚は、触針タイプの表面粗さ計、又はSEMによる断面観察で測定してもよい。
[Film thickness]
The thickness of the anode material 111b is not particularly limited, but is usually 10 μm to 5 mm, preferably 20 μm to 1 mm, more preferably 30 μm to 700 μm, still more preferably 40 μm to 400 μm, and most preferably 50 μm to 150 μm. The film thickness may be measured by a stylus type surface roughness meter or cross-sectional observation by SEM.
なお、ここで言及したアノード111(燃料極)の最適な厚さは、空孔度によって変わる。すなわち、空孔度はアノード111への気体の拡散のしやすさや、発生した一酸化炭素(CO)ガスの実効反応サイトへの移動しやすさに影響するため、空孔度が変わると厚さの最適条件は変わることがある。したがって、得られたアノード111の空孔度に合わせて適宜アノード111の膜厚は決定することが好ましい。 Note that the optimum thickness of the anode 111 (fuel electrode) mentioned here varies depending on the porosity. That is, since the porosity affects the ease of gas diffusion to the anode 111 and the ease of movement of the generated carbon monoxide (CO) gas to the effective reaction site, the thickness changes as the porosity changes. Optimum conditions may vary. Therefore, it is preferable to determine the thickness of the anode 111 as appropriate in accordance with the obtained porosity of the anode 111.
[発電開始剤]
本発明の排気ガス浄化システムには電気化学リアクター14が必須であるが、そこから発生する電気を使用するか否かにかかわらず、電気化学リアクター14は発電する場合がある。従って、その場合には、電気化学リアクター14の運転を開始することを、「電気化学リアクター14の発電を開始する」という場合がある。本発明の排気ガス浄化システムにおいては、燃料として供給した粒子状物質中の固体炭素に、一酸化炭素又は二酸化炭素である「発電開始剤」を供給することで、電気化学リアクターの運転を開始させることが好ましい。本発明の排気ガス浄化システムの使用に際しては、アノード111に発電開始剤を供給することで発電を開始、すなわち排気ガス浄化システムの稼働を開始させることが、初期の特性が安定し易い点で好ましい。ここで、「発電開始剤」とは、一酸化炭素又は二酸化炭素をいう。発電開始剤導入工程においては、発電開始剤を供給し、一酸化炭素又は二酸化炭素である発電開始剤を、隔室5に存在する固体炭素102に接触させる。
[Power generation initiator]
Although the
発電開始剤の導入手段については特に限定はなく、発電開始剤導入管の先端が、発電開始剤がアノード111に到達するような位置に配置されていれば、アノード111側のどの位置に配置されていてもよい。 The means for introducing the power generation initiator is not particularly limited. If the tip of the power generation initiator introduction pipe is disposed at a position where the power generation initiator reaches the anode 111, it is disposed at any position on the anode 111 side. It may be.
[アノードの機構、構造、物性等]
本発明の排気ガス浄化システム稼働時、態様1においては発電時には、サイクロン捕集器2から隔室5に供給された固体炭素102を使用し、少なくとも後記する反応式(1)及び反応式(2)により電子を発生させる。また同時に、カソード131では、酸化性ガスに電子を供与し、イオン化した酸化物イオン(O2−)を電解質121に注入する。
[Anode mechanism, structure, physical properties, etc.]
In operation of the exhaust gas purification system of the present invention, in the first aspect, during power generation, the solid carbon 102 supplied from the
本発明における電気化学リアクター14(本発明の態様1における固体酸化物型燃料電池、及び本発明の態様2における固体酸化物型処理装置)の大きさは特に限定はないが、1cm3〜500m3であることが好ましく、1000cm3〜50000cm3であることが特に好ましい。
The size of the
本発明の態様1における固体酸化物型燃料電池14の発電時の出力は特に限定はないが、0.001kW〜500kWが好ましく、0.01kW〜100kWであることが特に好ましく、0.01kW〜10kWであることが更に好ましい。上記大きさの場合に上記出力を発生できる。
The output during power generation of the solid
アノード111のアノード集電体111aの構成材料は電子伝導性を有し、かつ固体酸化物型燃料電池14の作動温度領域において化学的及び物理的に安定であるものであればその形状及び構成材料は特に限定されず、公知の固体酸化物型燃料電池14に備えられているものと同様のものを使用することができる。600℃〜1200℃で化学的及び物理的に安定であるものが好ましい。
If the constituent material of the anode current collector 111a of the anode 111 has electronic conductivity and is chemically and physically stable in the operating temperature region of the solid
このアノード集電体111aは、電気化学リアクター14を複数積層して使用する場合には、各単位セル間に配置されるセパレータとしての機能をも果たすものである。
The anode current collector 111a also functions as a separator disposed between the unit cells when a plurality of
また、アノード111には、ガスの供給口(図示せず)及び放出口(図示せず)、並びに、これらの供給口と放出口とに接続されたガスの内部流路(図示せず)が設けられていてもよい。本発明における電気化学リアクター14は、一般の公知の燃料電池とは燃料の種類、使用方法、原理等は異なるが、ガスの供給口及び放出口並びにこれらの供給口と放出口とに接続されたガスの内部流路等の機械的外部構造については、一般の公知の燃料電池の構造と同様のものが使用できる。
The anode 111 has a gas supply port (not shown) and a discharge port (not shown), and an internal gas flow path (not shown) connected to the supply port and the discharge port. It may be provided. The
本発明における電気化学リアクター14では、アノード111に対し反応生成ガスを外部に放出させるためのキャリアガスを実質的に導入しないことが好ましい。後述するように、キャリアガスを実質的に導入しないと、アノード111において反応式(1)で示される反応がより効率的に起こるので好ましい。またこれにより、装置構成をより極めてコンパクトにできる。
In the
<<カソード>>
発電時には、カソード131には、「酸化剤(例えば酸素)を含むガス」(例えば空気)が供給され、カソード材料131bは、酸化剤の還元反応が進行する反応場となるものである。カソード材料131bの組成や形状については特に限定されず、公知の固体酸化物型燃料電池14に備えられているカソード131に一般に使用されているものと同様のものを使用することができる。例えば、(LaSr)MnO3系、(LaSr)CoO3系の複合金属酸化物からなる材料等を好ましく使用することができる。特に好ましくは、例えば、La0.85Sr0.15MnO3 等が挙げられる。
<< Cathode >>
During power generation, the cathode 131 is supplied with “a gas containing an oxidant (for example, oxygen)” (for example, air), and the cathode material 131b serves as a reaction field in which a reduction reaction of the oxidant proceeds. The composition and shape of the cathode material 131b are not particularly limited, and those similar to those generally used for the cathode 131 provided in the known solid
カソード131のカソード集電体131aの構成は、先に述べたアノード111のアノード集電体111aと同様であり、構成材料及び形状については特に限定されず、公知の固体酸化物型燃料電池14に備えられているものと同様のものを使用することができる。なお、カソード集電体131aには、空気等の酸化剤を含むガスをカソード材料131bに供給するためのガス流路(図示せず)が形成されている。また、このカソード集電体131aは、固体酸化物型燃料電池14を複数積層して使用する場合には、各単位セル間に配置されるセパレータとしての機能をも果たすものである。
The configuration of the cathode current collector 131a of the cathode 131 is the same as that of the anode current collector 111a of the anode 111 described above, and the constituent material and shape are not particularly limited, and a known solid
<<電解質>>
電解質121は、イオン伝導性の固体酸化物を含む。電解質121は、酸化物イオン(O2−)の移動媒体であると同時に、還元剤(先に述べた固体炭素102)と酸化剤を含むガス(例えば空気)を直接接触させないための隔壁としても機能し、ガス不透過性の緻密な構造を有している。この電解質121の構成材料は特に限定されず、公知の固体酸化物型燃料電池14に用いられる材料を使用することができるが、酸化物イオンの伝導性が高く、カソード131側の酸化性雰囲気からアノード111側の還元性雰囲気までの条件下で、化学的に安定で、熱衝撃に強い材料から構成することが好ましい。
<< Electrolyte >>
The electrolyte 121 includes an ion conductive solid oxide. The electrolyte 121 is not only a moving medium for oxide ions (O 2− ), but also a partition wall for preventing a reducing agent (the solid carbon 102 described above) and a gas (for example, air) containing an oxidizing agent from being in direct contact with each other. It functions and has a gas impermeable dense structure. The constituent material of the electrolyte 121 is not particularly limited, and a material used for a known solid
かかる要件を満たす材料としては、例えば、イットリア安定化ジルコニア(YSZ)、
スカンジア安定化ジルコニア(ScSZ)等の安定化ジルコニア;ランタンガレート;セリア系固溶体等が好ましいものとして挙げられる。
Examples of materials that satisfy such requirements include yttria stabilized zirconia (YSZ),
Preferred examples include stabilized zirconia such as scandia-stabilized zirconia (ScSZ); lanthanum gallate; ceria-based solid solution.
安定化ジルコニアは特に限定はないが、下記一般式
(ZrO2)1−x(M2O3)x
[式中、MはY、Sc、Sm、Al、Nd、Gd、Yb及びCeからなる群より選ばれた1種以上の元素を示す。ただしここで、MがCeの場合はM2O3の代わりにCeO2である。]、又は、下記一般式
(ZrO2)1−x(MO)x
[式中、MはCa及びMgからなる群より選ばれた1種以上の元素を示す]における、xが0<x≦0.3である固溶体が好ましい。特に好ましいものとしては、例えば、(ZrO2)1−x(Y2O3)x(式中、0<x≦0.3)等が挙げられ、より好ましくは、式中、0.08≦x≦0.1である。また、更に好ましいものとしては(ZrO2)0.92(Y2O3)0.08等が挙げられる。
Stabilized zirconia is not particularly limited, but the following general formula (ZrO 2 ) 1-x (M 2 O 3 ) x
[Wherein M represents one or more elements selected from the group consisting of Y, Sc, Sm, Al, Nd, Gd, Yb and Ce. However, here, when M is Ce, it is CeO 2 instead of M 2 O 3 . Or the following general formula (ZrO 2 ) 1-x (MO) x
In the formula, M is preferably a solid solution in which x is 0 <x ≦ 0.3 in M represents one or more elements selected from the group consisting of Ca and Mg. Particularly preferable examples include (ZrO 2 ) 1-x (Y 2 O 3 ) x (where 0 <x ≦ 0.3), and more preferably 0.08 ≦ x ≦ 0.1. More preferable examples include (ZrO 2 ) 0.92 (Y 2 O 3 ) 0.08 .
なお、例えば「式中、Aは、Q、R及びTからなる群から選ばれた1種以上の元素を示す」という表現は、式中、AがQである固溶体とAがRである固溶体の混合でもよいことを示すだけではなく、AとしてQとRとを同時に結晶サイトに有する固溶体をも示すものとする。以下、同様である。 For example, the expression “in the formula, A represents one or more elements selected from the group consisting of Q, R and T” is a solid solution in which A is Q and a solid solution in which A is R. In addition, the solid solution having Q and R simultaneously at the crystal site as A is also shown. The same applies hereinafter.
ランタンガレートは特に限定はないが、一般式、La1−xSrxGa1−y−zMgyAzO3(式中、AはCo、Fe、Ni又はCuの何れか1種以上の元素を示し、x=0.05〜0.3、y=0〜0.29、z=0.01〜0.3、y+z=0.025〜0.3の範囲である)で表される固溶体が好ましい。具体的には、La0.8Sr0.2Ga0.8Mg0.15Co0.05O3−δ(式中、δは酸素欠損量を示す)等が挙げられる。 Although lanthanum gallate is not particularly limited, general formula, La in 1-x Sr x Ga 1- y-z Mg y A z O 3 ( wherein, A is Co, Fe, any one or more of Ni or Cu Element is represented by x = 0.05 to 0.3, y = 0 to 0.29, z = 0.01 to 0.3, y + z = 0.025 to 0.3). A solid solution is preferred. Specific examples include La 0.8 Sr 0.2 Ga 0.8 Mg 0.15 Co 0.05 O 3-δ (where δ represents the amount of oxygen deficiency).
セリア系固溶体は特に限定はないが、Ce1−xMxO2(式中、MはGd、La、Y、Sc、Sm、Al、Pr、Nd、Ca、Mg、Sr、Ba、Dy、Yb、Tb、及び他の2価又は3価のランタノイドからなる群から選ばれた1種以上の元素を示す)における、xが0<x≦0.5である固溶体が好ましい。中でも、MがGdであるCe1−xGdxO2(式中、0<x≦0.5)、又は、MがSmであるCe1−xSmxO2(式中、0<x≦0.5)がより好ましく、何れの式においても、式中、0.03≦x≦0.4が特に好ましく、0.08≦x≦0.4が更に好ましく、0.1≦x≦0.4が最も好ましい。また、特に好ましいセリア系固溶体としては、Ce0.8Gd0.2O2−δ(式中、δは酸素欠損量を示す)、Ce0.67Gd0.33O2−δ(式中、δは酸素欠損量を示す)、Ce0.9Gd0.1O2−δ(式中、δは酸素欠損量を示す)等が挙げられる。特に、GDCを電解質121の材料として用いると、発電時の温度が750℃以下であっても、出力密度を充分大きくできるので好ましい。 The ceria-based solid solution is not particularly limited, but Ce 1-x M x O 2 (wherein M is Gd, La, Y, Sc, Sm, Al, Pr, Nd, Ca, Mg, Sr, Ba, Dy, A solid solution in which x is 0 <x ≦ 0.5 in Yb, Tb, and one or more elements selected from the group consisting of other divalent or trivalent lanthanoids) is preferable. Among them, Ce 1-x Gd x O 2 where M is Gd (where 0 <x ≦ 0.5), or Ce 1-x Sm x O 2 where M is Sm (where 0 <x ≦ 0.5) is more preferable, and in any formula, 0.03 ≦ x ≦ 0.4 is particularly preferable, 0.08 ≦ x ≦ 0.4 is further preferable, and 0.1 ≦ x ≦ 0.4. 0.4 is most preferred. Particularly preferable ceria-based solid solutions include Ce 0.8 Gd 0.2 O 2-δ (where δ represents the amount of oxygen deficiency), Ce 0.67 Gd 0.33 O 2-δ (wherein , Δ represents an oxygen deficiency amount), Ce 0.9 Gd 0.1 O 2-δ (where δ represents an oxygen deficiency amount), and the like. In particular, it is preferable to use GDC as the material of the electrolyte 121 because the power density can be sufficiently increased even when the temperature during power generation is 750 ° C. or lower.
また、排気ガス浄化システムの稼働の際に、十分な出力特性を得る観点からは、かかる複合金属酸化物の導電率は、1000℃において、0.01〜10Scm−1であることが好ましい。 Moreover, from the viewpoint of obtaining sufficient output characteristics during operation of the exhaust gas purification system, the conductivity of the composite metal oxide is preferably 0.01 to 10 Scm −1 at 1000 ° C.
<電気化学リアクターの製造方法>
本発明における電気化学リアクター14の製造方法は特に限定されず、公知の固体酸化物燃料電池の製造に適用されている公知の薄膜製造技術等を使用することができる。例えば、スキージ法、スクリーンプリンティング法、真空蒸着法、スパッタ法、イオンプレーティング法等のPVD法、熱CVD法、プラズマCVD法、レーザーCVD法等のCVD法、溶射法等が挙げられる。
<Method for producing electrochemical reactor>
The manufacturing method of the
例えば、電解質121を形成する方法としては、例えば、公知のセラミックプロセスであるシート成形焼結法を例示することができる。より具体的には、原料及び溶媒を混合することによって得たスラリーをシート状に延ばし、乾燥させた後に、必要に応じてカッターナイフ等を用いて成形し焼成する。スラリーには、必要に応じて、バインダー、可塑剤、分散剤等の公知の添加剤を配合させてもよい。成形、焼成等の条件は、原料の組成に応じて適宜設定することができる。また、先に述べたPVD法、CVD法、溶射法等の薄膜形成法により、例えば、アノード111又はカソード131上に電解質121の層を形成することもできる。 For example, as a method of forming the electrolyte 121, for example, a sheet forming and sintering method which is a known ceramic process can be exemplified. More specifically, the slurry obtained by mixing the raw material and the solvent is extended into a sheet shape, dried, and then shaped and fired as necessary using a cutter knife or the like. You may mix | blend well-known additives, such as a binder, a plasticizer, a dispersing agent, with a slurry as needed. Conditions such as molding and firing can be appropriately set according to the composition of the raw material. Further, for example, the electrolyte 121 layer can be formed on the anode 111 or the cathode 131 by a thin film forming method such as the PVD method, the CVD method, or the thermal spraying method described above.
<運転方法>
本発明の排気ガス浄化システムの運転方法は、要すれば前記した一酸化炭素等の発電開始剤を隔室5の固体炭素102に供給して電池反応を開始させる工程後、カソード131に空気等の酸化剤を含むガスを供給し、サイクロン捕集器2から供給される固体炭素102を還元剤として発電(固体炭素102を除去)する工程とを少なくとも含む方法であれば特に限定されない。通常、発電開始剤を導入して電池反応が開始され、固体炭素102がサイクロン捕集器2から供給され続ける限り、連続的な運転が可能である。
<Driving method>
In the operation method of the exhaust gas purification system of the present invention, if necessary, after the step of supplying the power generation initiator such as carbon monoxide to the solid carbon 102 of the
発電開始剤導入方法については、特に限定されるものではなく、隔室5の固体炭素102へ極少量の一酸化炭素又は二酸化炭素を瞬間的に流せばよい。反応開始剤の流入量は、電池反応が開始するのに十分量であればよく特に限定されない。
The method for introducing the power generation initiator is not particularly limited, and an extremely small amount of carbon monoxide or carbon dioxide may be instantaneously flowed to the solid carbon 102 in the
固体炭素102は炭素を含有するものをいい、ここで「炭素」とは無定形炭素、グラファイト等の単体炭素をいう。固体炭素102は、内燃機関から排出される排気ガスH中に含まれる粒子状物質に含有されるものであれば具体的には特に限定はない。 Solid carbon 102 refers to carbon containing carbon, and “carbon” refers to simple carbon such as amorphous carbon and graphite. The solid carbon 102 is not particularly limited as long as it is contained in the particulate matter contained in the exhaust gas H discharged from the internal combustion engine.
本発明の排気ガス浄化システムの態様1における固体酸化物型燃料電池14の発電方法においては、発電開始直後、電流密度をその初期値から増加させながら運転させることが、安定した発電と排気ガス浄化のために好ましい。発電開始直後、徐々に電流密度を上げることが特に好ましい。「徐々に電流密度を上げる」とは、通常、毎分当り0.008mA/cm2〜2mA/cm2で増加させることをいい、特に好ましくは、毎分当り0.016mA/cm2〜1mA/cm2である。かかる範囲を外れると、初期の発電特性が安定しない場合がある。
In the power generation method of the solid
以上、本発明における電気化学リアクター14の好適な実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではない。
As mentioned above, although preferred embodiment of the
本発明の態様1においては、隔室5中に移動してきた固体炭素102を、発電によって発生した二酸化炭素と反応させて一酸化炭素に変換し、当該一酸化炭素を酸化することにより発電する。特に、発電時にアノード111において、少なくとも、下記の反応式(1)及び(2)を利用して発電を行う。
CO2+C → 2CO (1)
CO+O2− → CO2+2e− (2)
In the first aspect of the present invention, the solid carbon 102 that has moved into the
CO 2 + C → 2CO (1)
CO + O 2− → CO 2 + 2e − (2)
反応式(1)を利用することで、アノード111の近傍に供給される固体炭素102を、気体のCOに変換して燃料として消費するので、発電時において固体炭素102の存在位置の影響を極めて小さくすることが可能になる。つまり、公知の固体酸化物型燃料電池14では、一般的に電解質121の表面に近いところでの電極反応ほど発電への寄与が大きいので、電解質121の表面から遠いところに分布する固体炭素102は消費され難い。そのため、本発明においては、反応式(1)で示される反応が起きない場合と比べて、高い燃料利用率が得られ、アノード111から離れた位置に固体炭素102が供給されても発電が可能になる。
By using the reaction formula (1), the solid carbon 102 supplied in the vicinity of the anode 111 is converted to gaseous CO and consumed as fuel, so that the influence of the location of the solid carbon 102 during power generation is extremely low. It becomes possible to make it smaller. That is, in the known solid
「アノード111の上に積み重ねられた固体炭素」のように、アノード111から離れた位置に固体炭素102が存在していても発電及び該固体炭素102の除去が可能になったために、サイクロン捕集器2で捕集された粒子状物質を一旦仕切板3で仕切られた側に保持し、間欠的に、併設された電気化学リアクター14の隔室5に該粒子状物質を供給して電気化学的に除去するという、簡便で連続的な排気ガスHの浄化が可能になった。
As in the case of “solid carbon stacked on the anode 111”, even if the solid carbon 102 exists at a position away from the anode 111, power generation and removal of the solid carbon 102 are possible. The particulate matter collected by the
加えて、反応式(2)によるCOの酸化反応は、下記反応式(3)又は反応式(4)による固体炭素102の酸化反応よりも反応速度が大きいため、高い出力密度が得られる。反応式(2)を支配的に起こすには、例えば、反応生成ガスによる圧力上昇分以上はアノード111外部に反応生成ガスを放出させないようにして、反応式(1)や反応式(3)で生成した一酸化炭素(CO)をアノード111に滞留する時間を長くすることや、系外から流入する酸素によって起こる一酸化炭素(CO)の酸化による消費を抑えること等が挙げられる。
C+O2− → CO+2e− (3)
C+2O2− → CO2+4e− (4)
In addition, since the CO oxidation reaction according to the reaction formula (2) has a higher reaction rate than the oxidation reaction of the solid carbon 102 according to the following reaction formula (3) or the reaction formula (4), a high output density can be obtained. In order to cause the reaction formula (2) to dominate, for example, the reaction product gas is not discharged outside the anode 111 beyond the pressure increase due to the reaction product gas, and the reaction formula (1) or the reaction formula (3) is used. Examples include increasing the time during which the produced carbon monoxide (CO) stays in the anode 111 and suppressing consumption due to oxidation of carbon monoxide (CO) caused by oxygen flowing from outside the system.
C + O 2− → CO + 2e − (3)
C + 2O 2− → CO 2 + 4e − (4)
本発明においては、反応式(2)で消費される一酸化炭素(CO)の50モル%以上が反応式(1)で生成されることが好ましい。すなわち、発電時に消費される一酸化炭素の50モル%以上が、固体炭素102と二酸化炭素との反応により生じた一酸化炭素であることが好ましい。特に好ましくは60モル%以上、更に好ましくは70モル%以上である。 In the present invention, it is preferable that 50 mol% or more of carbon monoxide (CO) consumed in the reaction formula (2) is generated in the reaction formula (1). That is, it is preferable that 50 mol% or more of carbon monoxide consumed during power generation is carbon monoxide generated by the reaction between the solid carbon 102 and carbon dioxide. Especially preferably, it is 60 mol% or more, More preferably, it is 70 mol% or more.
また、本発明においては、電荷移動量の50%以上が、固体炭素102と二酸化炭素との反応により得られた一酸化炭素の酸化に起因することが好ましい。 In the present invention, it is preferable that 50% or more of the amount of charge transfer is due to oxidation of carbon monoxide obtained by the reaction between the solid carbon 102 and carbon dioxide.
反応式(2)を支配的に起こす手段としては、反応式(1)や反応式(3)で生成したCOをアノード111に滞留する時間を長くさせることや、系外から流入する酸素によって起こるCOの酸化による消費を抑えるために、酸素の流入を遮断すること等が挙げられる。常法のようにアノード111にキャリアガスを流すと、反応式(2)は殆ど起こらない。 As means for predominantly starting the reaction formula (2), it is caused by extending the residence time of CO produced in the reaction formula (1) or the reaction formula (3) in the anode 111 or by oxygen flowing from outside the system. In order to suppress consumption due to oxidation of CO, for example, blocking inflow of oxygen can be mentioned. When a carrier gas is passed through the anode 111 as in a conventional method, the reaction formula (2) hardly occurs.
アノード111において反応式(1)で示される反応を起こすためには、電極反応(2)及び/又は(4)で生成したCO2をアノード111中に長く滞留させることが大事であり、そのために発電時のキャリアガスの導入をなくすことが好ましい。キャリアガスの導入をなくすためには、系外からの空気つまりは酸素の漏れこみを、シール性能を向上する等して、極力少なくし、酸素分圧の上昇による電圧低下を防ぐことが好ましい。 In order to cause the reaction represented by the reaction formula (1) in the anode 111, it is important to retain the CO 2 produced in the electrode reaction (2) and / or (4) for a long time in the anode 111. It is preferable to eliminate the introduction of carrier gas during power generation. In order to eliminate the introduction of the carrier gas, it is preferable to reduce the leakage of air, that is, oxygen from outside the system as much as possible by improving the sealing performance and preventing the voltage drop due to the increase of the oxygen partial pressure.
カソード131に供給する酸化剤を含むガスは、入手容易性から空気であることが好ましい。また、同様の観点から、酸化剤は酸素であることが好ましい。また、態様1で発電時における固体酸化物型燃料電池14の電荷移動量や出力密度を向上させる観点から、アノード111に、該アノード111における反応生成ガスを外部に放出させるためのキャリアガスを供給しないことが好ましい。
The gas containing the oxidant supplied to the cathode 131 is preferably air from the viewpoint of availability. From the same viewpoint, the oxidizing agent is preferably oxygen. In addition, from the viewpoint of improving the charge transfer amount and output density of the solid
本発明の排気ガス浄化システム稼働時の温度は400〜1000℃が好ましく、450〜900℃がより好ましく、500〜750℃が特に好ましい。温度が低すぎると反応式(1)が進行しにくくなることや、セル(電極及び電解質)の抵抗が大きくなるために、出力密度が低下する場合がある。一方、高すぎると、セルや周辺部材の劣化が早まる場合がある。 The temperature during operation of the exhaust gas purification system of the present invention is preferably 400 to 1000 ° C, more preferably 450 to 900 ° C, and particularly preferably 500 to 750 ° C. If the temperature is too low, the reaction formula (1) is difficult to proceed, and the resistance of the cell (electrode and electrolyte) increases, which may reduce the output density. On the other hand, if it is too high, the cell and peripheral members may be deteriorated quickly.
本発明の態様1では、発電時の温度750℃以下で、出力密度が50(mW/cm2)以上にすることができる。また、出力密度が50(mW/cm2)以上になるように、組成、構造、設定等が調整された固体酸化物型燃料電池14が好ましい。特に、電解質121としてGDCを用いることによって、発電時の温度が750℃以下であっても、出力密度を50(mW/cm2)以上にすることができる。
In the
また、本発明の態様1では、電流密度9.3mA/cm2で発電したときの燃料利用効率を60%以上にできる。また、燃料利用効率60%以上になるように、組成、構造、設定等が調整された固体酸化物型燃料電池14が好ましい。ここで「燃料利用効率」とは、アノード材料111b近傍に供給した固体炭素102中の炭素に対する、反応式(4)を仮定し電荷移動量から計算した消費炭素量の割合である。
Further, in
また、本発明の態様1では、電流密度80mA/cm2で発電したときの燃料利用効率を20%以上にできる。また、燃料利用効率20%以上になるように、組成、構造、設定等が調整された固体酸化物型燃料電池14が好ましい。特に好ましくは30%以上、更に好ましくは40%以上である。
Moreover, in
具体的には、上記したように、系外からの空気すなわち酸素の漏れこみを、シール性能を向上する等して極力少なくしたり、アノード111の大気への開口径を小さくしたりして大気からアノード111への酸素の流入を抑制して、反応式(1)及び/又は反応式(2)における一酸化炭素(CO)について損失を軽減することによって実現される。 Specifically, as described above, leakage of air from outside the system, that is, oxygen, is reduced as much as possible by improving the sealing performance, or the opening diameter of the anode 111 to the atmosphere is reduced. This is realized by reducing the loss of carbon monoxide (CO) in the reaction formula (1) and / or the reaction formula (2) by suppressing the inflow of oxygen to the anode 111.
以下、本発明を実施例により更に詳細に説明するが、本発明はこれら実施例に限定されるものではない。 EXAMPLES Hereinafter, although an Example demonstrates this invention still in detail, this invention is not limited to these Examples.
実施例1
電解質として、厚さ0.3mmのScSZ(10モル%のSc2O3と1モル%のCeO2がドープされたZrO2)ディスクを使用し、アノード材料には、Ni/GDC(GdがドープされたCeO2)多孔質サーメットを、カソード材料にはLa0.85Sr0.15MnO3多孔質膜を用いた。アノードの厚さは50μmであった。なお、構成と製造方法は、一般的な固体酸化物型燃料電池の構成と製造方法に従った。すなわち、アノード材料及びカソード材料の粉体を溶媒に分散し、有機バインダー等を添加してスラリーを調製した。次いで、当該スラリーをドクターブレード法でディスクに塗布し、焼成して固体酸化物型燃料電池を作成した。
Example 1
As an electrolyte, ScSZ thickness 0.3
このようにして、図5に示したような固体酸化物型燃料電池を作製した。排気ガス中に含まれる粒子状物質を燃料として消費(除去)して発電することを確認するため、排気ガス中に含まれる粒子状物質の擬似物質としてカーボンブラック(三菱化学社製「MA7」)(以下、「CB」と略記する)を用い、燃料室に28.3mgのCBを充填した。 In this way, a solid oxide fuel cell as shown in FIG. 5 was produced. Carbon black (“MA7” manufactured by Mitsubishi Chemical Corporation) is used as a pseudo-substance of particulate matter contained in exhaust gas in order to confirm that the particulate matter contained in exhaust gas is consumed (removed) as fuel to generate power. (Hereinafter abbreviated as “CB”), the fuel chamber was filled with 28.3 mg of CB.
本実施例では、燃料室にCBを直接供給したが、上記で得られた固体酸化物型燃料電池を電気化学リアクターとして用いれば、サイクロン捕集器で捕集した内燃機関から排出される排気ガス中に含まれる粒子状物質に含有される固体炭素を燃料として稼働し、かつ該粒子状物質を処理(除去)できる。 In this embodiment, CB was directly supplied to the fuel chamber. However, if the solid oxide fuel cell obtained above is used as an electrochemical reactor, the exhaust gas discharged from the internal combustion engine collected by the cyclone collector. Solid carbon contained in the particulate matter contained therein can be used as a fuel, and the particulate matter can be treated (removed).
その後、アノードに純アルゴン(Ar)を、202STPmL/分で約1時間供給し、O2等の残留ガスを十分排気した。処理中は、カソード側に純酸素を酸化剤として供給した。セルのシールを確実にし、アノードから3.5mの1/8インチステンレス管をつなぎ、ガスクロマトグラフ装置を挟んで5mのビニルチューブ(内径8mm)で外に排気した。
Thereafter, pure argon (Ar) was supplied to the anode at 202 STPmL / min for about 1 hour, and residual gas such as O 2 was exhausted sufficiently. During the treatment, pure oxygen was supplied as an oxidizing agent to the cathode side. The cell was securely sealed, a 3.5
900℃で、電流をある一定電流密度に調整した場合の発電をおこない、それぞれの電量密度における端子電圧の経時変化をモニターした。電流密度33.0mA/cm2の時に最大出力密度20.3mW/cm2が得られた。従って、内燃機関から排出される排気ガス中に含まれる粒子状物質中の固体炭素でも同様に消費して発電できることが示された。また、排気ガス中に含まれる粒子状物質中の固体炭素が除去され、排気ガスを浄化できることが示された。 Electric power was generated when the current was adjusted to a constant current density at 900 ° C., and the change with time in the terminal voltage at each power density was monitored. A maximum output density of 20.3 mW / cm 2 was obtained at a current density of 33.0 mA / cm 2 . Therefore, it has been shown that solid carbon contained in the particulate matter contained in the exhaust gas discharged from the internal combustion engine can be consumed and generated in the same manner. In addition, it was shown that the solid carbon in the particulate matter contained in the exhaust gas is removed, and the exhaust gas can be purified.
上記と同様の固体酸化物型燃料電池を電気化学リアクターとして用い、更に電気集塵機を備えた装置を用い、内燃機関から排出される排気ガス中に含まれる粒子状物質を処理すると、内燃機関から排出される排気ガス中に含まれる粒子状物質中の固体炭素を消費して発電できる。また、排気ガス中に含まれる粒子状物質中の固体炭素が除去され、排気ガスを浄化できる。 When a solid oxide fuel cell similar to the above is used as an electrochemical reactor and a particulate matter contained in exhaust gas discharged from the internal combustion engine is processed using an apparatus equipped with an electrostatic precipitator, it is discharged from the internal combustion engine. Electric power can be generated by consuming solid carbon in the particulate matter contained in the exhaust gas. Further, the solid carbon in the particulate matter contained in the exhaust gas is removed, and the exhaust gas can be purified.
本発明は、内燃機関から排出される排ガス中に含まれる粒子状物質の除去が可能であるので、ディーゼルエンジン、ガスタービンエンジン等の内燃機関を用いる分野に、広く利用されるものである。 Since the present invention can remove particulate matter contained in exhaust gas discharged from an internal combustion engine, the present invention is widely used in the field using an internal combustion engine such as a diesel engine or a gas turbine engine.
1 吸気管
2 サイクロン捕集器
3 仕切板
4 DPF(Diesel particulate filter)
5 隔室
11 排気管
13 酸素供給管
14 電気化学リアクター
(態様1では固体酸化物型燃料電池、態様2では固体酸化物型処理装置)
15 リード線
16 放電電極
17 集塵電極
18 直流電源
19 スイッチ
100 排気ガス浄化システム
102 固体炭素
103 二酸化炭素(CO2)排出口
111 アノード
111a アノード集電体
111b アノード材料
121 電解質
122 外部制御回路
123 電気回路
131 カソード
131a カソード集電体
131b カソード材料
H 排気ガス
E 内燃機関
D 電気集塵機
C 自動車
1
5
(In
15
Claims (11)
CO2+C → 2CO (1)
CO+O2− → CO2+2e− (2) 11. The claim according to claim 2, wherein the solid oxide fuel cell generates power using the following reaction formulas (1) and (2) during power generation. The exhaust gas purification system described.
CO 2 + C → 2CO (1)
CO + O 2− → CO 2 + 2e − (2)
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