CN109417179A - 用于操作固体氧化物燃料电池的方法 - Google Patents

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Abstract

本说明书涉及用于驱动固体氧化物燃料电池的方法，所述固体氧化物燃料电池包括阳极、阴极、和设置在阳极与阴极之间的电解质。

Description

用于操作固体氧化物燃料电池的方法
技术领域
本申请要求于2016年9月30日向韩国知识产权局提交的韩国专利申请第10-2016-0126647号的优先权和权益，其全部内容通过引用并入本文。
本说明书涉及用于驱动固体氧化物燃料电池的方法，所述固体氧化物燃料电池包括阳极、阴极、和设置在阳极与阴极之间的电解质。
背景技术
近来，已经预测到现有能源例如石油和煤的耗竭，并且对可以代替该能量的能量的兴趣正在增加。作为替代能源之一的燃料电池由于高效率以及不排放污染物如NOx和SOx以及使用的燃料丰富的优点而受到了特别关注。
燃料电池是将燃料和氧化剂的化学反应能转换成电能的发电体系，并且代表性地使用氢和烃(例如甲醇和丁烷)作为燃料并使用氧作为氧化剂。
燃料电池包括聚合物电解质膜燃料电池(PEMFC)、直接甲醇燃料电池(DMFC)、磷酸燃料电池(PAFC)、碱性燃料电池(AFC)、熔融碳酸盐燃料电池(MCFC)、固体氧化物燃料电池(SOFC)等。
同时，需要对通过应用燃料电池的阴极原理来将金属二次电池的阴极制造为阴极的金属空气二次电池进行研究。
发明内容
技术问题
本说明书致力于提供用于驱动固体氧化物燃料电池的方法，所述固体氧化物燃料电池包括阳极、阴极、和设置在阳极与阴极之间的电解质。技术方案
本说明书的一个示例性实施方案提供了用于驱动固体氧化物燃料电池的方法，所述固体氧化物燃料电池包括阳极、阴极、和设置在阳极与阴极之间并且包含基于二氧化铈的金属氧化物的电解质，所述方法包括：将固体氧化物燃料电池调节至驱动温度；通过向阴极供应含氧气体并向阳极供应含氢气体，将阳极的NiO还原成Ni；通过向阴极供应含氧气体并停止向经还原的阳极供应含氢气体，使电解质氧化；以及通过向阴极供应含氧气体并向经还原的阳极供应含氢气体，驱动固体氧化物燃料电池。
有益效果
根据本说明书的示例性实施方案，包含基于二氧化铈的金属氧化物的电解质可以改善氢的还原耐久性。
根据本说明书的示例性实施方案的用于驱动燃料电池的方法的优势在于提高电解质的离子传导贡献率和具有高的燃料电池效率。
附图说明
图1是示出固体氧化物燃料电池的发电原理的示意图。
图2是示意性地示出包括燃料电池的电池模块的实例的图。
图3是示出过程例3中的电池驱动期间的开路电压变化的图。
图4是示出过程例2中的根据燃料切断和空气切断的开路电压变化的图。
图5是过程例1和4中的堆叠体输出的比较图。
<附图标记说明>
60：电池模块
70：氧化剂供应单元
80：燃料供应单元
81：燃料罐
82：泵
具体实施方式
下文中，将详细描述本说明书。
本说明书提供了用于驱动固体氧化物燃料电池的方法，所述固体氧化物燃料电池包括阳极、阴极、和设置在阳极与阴极之间并且包含基于二氧化铈的金属氧化物的电解质。
用于驱动固体氧化物燃料电池的方法包括：将固体氧化物燃料电池调节至驱动温度；
通过向阴极供应含氧气体并向阳极供应含氢气体，将阳极的NiO还原成Ni；
通过向阴极供应含氧气体并停止向经还原的阳极供应含氢气体，使电解质氧化；以及
通过向阴极供应含氧气体并向经还原的阳极供应含氢气体，驱动固体氧化物燃料电池。
用于驱动固体氧化物燃料电池的方法包括将固体氧化物燃料电池调节至驱动温度。
固体氧化物燃料电池的驱动温度可以是600℃或更高且650℃或更低。
当将固体氧化物燃料电池调节至驱动温度时，可以分别向阳极和阴极供应空气。
用于驱动固体氧化物燃料电池的方法还可以包括：在调节驱动温度之前，制备其中顺序地层合有阳极、电解质和阴极的固体氧化物燃料电池；
将固体氧化物燃料电池定位和组装在两个或更多个隔离件之间；
在固体氧化物燃料电池上涂覆密封剂；
通过在分别向阳极和阴极供应空气的同时升高温度，从密封剂中除去添加剂；以及
通过对固体氧化物燃料电池加压来用密封剂密封固体氧化物燃料电池。
密封剂包含玻璃粉末并且还可以包含添加剂，所述添加剂包括粘合剂、增塑剂、分散剂和溶剂中的至少一者。粘合剂、增塑剂、分散剂和溶剂没有特别限制，并且可以使用本领域已知的典型材料。
密封剂还可以包含金属氧化物。
在从密封剂中除去添加剂中，可以除去除玻璃粉末之外的添加剂，例如粘合剂、增塑剂、分散剂和溶剂，并且在还包含金属氧化物的情况下，可以除去除玻璃粉末和金属氧化物之外的添加剂。
在密封固体氧化物燃料电池中，除去添加剂，对流体密封剂加压以移动到待密封位置并填充空的空间以密封固体氧化物燃料电池。
在从密封剂中除去添加剂中，最终加热温度可以是700℃或更高且800℃或更低，并且特别地700℃或更高且730℃或更低。
当在从密封剂中除去添加剂中，最终加热温度是700℃或更高且800℃或更低并且固体氧化物燃料电池的驱动温度是600℃或更高且650℃或更低时，增加温度以从密封剂中除去添加剂，然后可以冷却至固体氧化物燃料电池的驱动温度。
用于驱动固体氧化物燃料电池的方法包括：通过向阴极供应含氧气体并向阳极供应含氢气体，将阳极的NiO还原成Ni。
用于驱动固体氧化物燃料电池的方法包括：通过向阴极供应含氧气体并停止向经还原的阳极供应含氢气体，使电解质氧化。
电解质的基于二氧化铈的金属氧化物具有高的离子传导性，但是具有化学稳定性低的缺点。特别地，在基于二氧化铈的金属氧化物中，Ce四价离子容易被氢还原成三价离子，并且经还原的基于二氧化铈的金属氧化物具有增加的电子传导特性并且电流流动。
结果，当电解质包含经还原的基于二氧化铈的金属氧化物时，电流可以通过电解质在阴极与阳极之间流动。当电流在阴极与阳极之间流动时，开路电压(OCV)下降并且燃料电池的能量转换效率可能降低。
在驱动燃料电池之前，电解质通过电解质氧化而被充分氧化，以改善包含基于二氧化铈的金属氧化物的电解质对氢的还原耐久性。
在电解质的氧化中，停止向经还原的阳极供应含氢气体的时间可以是2分钟或更长，特别地2分钟或更长且60分钟或更短，并且更特别地30分钟或更长且40分钟或更短。
在电解质的氧化中，电池中的氧分压(PO2)可以是10-34或更高且1或更低，特别地10-34或更高且0.2或更低，并且更特别地10-5或更高且0.2或更低。
在本文中，氧分压(PO2)意指氧分子相对于气体中的分子总数的数量，并且没有单独的单位。
通过电解质氧化，可以通过OCV变化确认电解质被充分氧化。
考虑到基于二氧化铈的电解质的迁移数为约0.7，确定电解质在电解质氧化中被充分氧化的开路电压(OCV)理论上为875mV或更高。换句话说，当电解质被氧化时，可以直接看出，当固体氧化物燃料电池的OCV值被测量为875mV或更高时，电解质被充分氧化。
用于驱动固体氧化物燃料电池的方法包括：通过向阴极供应含氧气体并向经还原的阳极供应含氢气体，驱动固体氧化物燃料电池。
当驱动固体氧化物燃料电池时，固体氧化物燃料电池的开路电压(OCV)可以是600mV或更高且960mV或更低。
用于驱动固体氧化物燃料电池的方法还可以包括：在驱动固体氧化物燃料电池之后，通过向阴极供应含氧气体并停止向阳极供应含氢气体，使电解质再氧化。
当驱动固体氧化物燃料电池，然后OCV逐渐降低至0mV或接近0mV时，停止在驱动固体氧化物燃料电池期间供应的含氢气体的供应并且使电解质再次氧化，然后固体氧化物燃料电池的OCV可以恢复驱动初始阶段的OCV。
通过电解质的再氧化，通过恢复驱动初始阶段的OCV的OCV变化可以确认电解质被充分氧化。
本说明书提供了固体氧化物燃料电池，所述固体氧化物燃料电池根据所述驱动方法驱动并且包括：阳极、阴极、和设置在阳极与阴极之间并且包含基于二氧化铈的金属氧化物的电解质。
图1示意性地示出了固体氧化物燃料电池的发电原理。固体氧化物燃料电池包括电解质层以及形成在电解质层的两个表面上的燃料电极(阳极)和阴极(阴极)。参照示出固体氧化物燃料电池的发电原理的图1，空气在阴极处被电化学还原以产生氧离子，并且所产生的氧离子通过电解质层转移到阳极。在阳极中，注入燃料例如氢、甲醇、丁烷等，并且燃料与氧离子结合并被电化学氧化以放出电子并产生水。该反应导致电子转移至外部电路。
阴极可以包含具有氧离子传导性的无机材料以便适用于固体氧化物燃料电池的阴极。无机材料的种类没有特别限制，但是无机材料可以包括以下中的至少一者：氧化钇稳定的氧化锆(YSZ；(Y2O3)x(ZrO2)1-x，x＝0.05至0.15)、氧化钪稳定的氧化锆(ScSZ；(Sc2O3)x(ZrO2)1-x，x＝0.05至0.15)、钐掺杂的二氧化铈(SDC；(Sm2O3)x(CeO2)1-x，x＝0.02至0.4)、钆掺杂的二氧化铈(GDC；(Gd2O3)x(CeO2)1-x，x＝0.02至0.4)、镧锶锰氧化物(LSM)、镧锶钴铁氧体(LSCF)、镧锶镍铁氧体(LSNF)、镧钙镍铁氧体(LCNF)、镧锶钴氧化物(LSC)、钆锶钴氧化物(GSC)、镧锶铁氧体(LSF)、钐锶钴氧化物(SSC)、钡锶钴铁氧体(BSCF)和镧锶镓镁氧化物(LSGM)。
阴极可以包含以下中的至少一者：镧锶锰氧化物(LSM)、镧锶钴铁氧体(LSCF)、镧锶镍铁氧体(LSNF)、镧钙镍铁氧体(LCNF)、镧锶钴氧化物(LSC)、钆锶钴氧化物(GSC)、镧锶铁氧体(LSF)、钐锶钴氧化物(SSC)、钡锶钴铁氧体(BSCF)和镧锶镓镁氧化物(LSGM)。
阴极可以包含以下中的至少一者：镧锶钴铁氧体(LSCF)、镧锶钴氧化物(LSC)和钡锶钴铁氧体(BSCF)。
阴极的厚度可以是10μm或更大且100μm或更小。特别地，阴极的厚度可以是20μm或更大且50μm或更小。
阴极的孔隙率可以是10％或更大且50％或更小。特别地，阴极的孔隙率可以是10％或更大且30％或更小。
阴极的孔的直径可以是0.1μm或更大且10μm或更小。特别地，阴极的孔的直径可以是0.5μm或更大且5μm或更小。更特别地，阴极的孔的直径可以是0.5μm或更大且2μm或更小。
用于制备阴极的方法没有特别限制，但是例如，阴极可以通过如下制备：涂覆阴极浆料并干燥，并且烧制涂覆的阴极浆料；或者通过在单独的离型片上涂覆阴极浆料并干燥来形成用于阴极的生料片，并且可以将一个或更多个用于阴极的生料片单独或与相邻异质层的生料片一起烧制以制备阴极。
用于阴极的生料片的厚度可以是10μm或更大且100μm或更小。
阴极浆料包含具有氧离子传导性的无机颗粒，并且如果需要，阴极浆料还可以包含粘合剂树脂、增塑剂、分散剂和溶剂中的至少一者。粘合剂树脂、增塑剂、分散剂和溶剂没有特别限制，并且可以使用本领域已知的典型材料。
基于阴极浆料的总重量，具有氧离子传导性的无机颗粒的含量可以是40重量％或更多且70重量％或更少，溶剂的含量可以是10重量％或更多且30重量％或更少，分散剂的含量可以是5重量％或更多且10重量％或更少，增塑剂的含量可以是0.5重量％或更多且3重量％或更少，并且粘合剂的含量可以是10重量％或更多且30重量％或更少。
阳极可以包含具有氧离子传导性的无机材料以便适用于固体氧化物燃料电池的阳极。无机材料的种类没有特别限制，但是无机材料可以包括以下中的至少一者：氧化钇稳定的氧化锆(YSZ；(Y2O3)x(ZrO2)1-x，x＝0.05至0.15)、氧化钪稳定的氧化锆(ScSZ；(Sc2O3)x(ZrO2)1-x，x＝0.05至0.15)、钐掺杂的二氧化铈(SDC；(Sm2O3)x(CeO2)1-x，x＝0.02至0.4)和钆掺杂的二氧化铈(GDC；(Gd2O3)x(CeO2)1-x，x＝0.02至0.4)。
阳极可以包含与电解质的金属氧化物相同的无机材料。特别地，当电解质包含基于二氧化铈的金属氧化物时，阳极可以包含基于二氧化铈的金属氧化物。更特别地，当电解质包含钆掺杂的二氧化铈时，阳极可以包含钆掺杂的二氧化铈。
阳极的厚度可以是10μm或更大且1000μm或更小。特别地，阳极的厚度可以是20μm或更大且900μm或更小。
阳极的孔隙率可以是10％或更大且50％或更小。特别地，阳极的孔隙率可以是10％或更大且30％或更小。
阳极的孔的直径可以是0.1μm或更大且10μm或更小。特别地，阳极的孔的直径可以是0.5μm或更大且5μm或更小。更特别地，阳极的孔的直径可以是0.5μm或更大且2μm或更小。
用于制备阳极的方法没有特别限制，但是例如，阳极可以通过如下制备：涂覆阳极浆料并干燥，并且烧制涂覆的阳极浆料；或者通过在单独的离型片上涂覆阳极浆料并干燥来形成用于阳极的生料片，并且可以将一个或更多个用于阳极的生料片单独或与相邻异质层的生料片一起烧制以制备阳极。
用于阳极的生料片的厚度可以是10μm或更大且100μm或更小。
阳极浆料包含具有氧离子传导性的无机颗粒，并且如果需要，阳极浆料还可以包含粘合剂树脂、增塑剂、分散剂和溶剂中的至少一者。粘合剂树脂、增塑剂、分散剂和溶剂没有特别限制，并且可以使用本领域已知的典型材料。
基于阳极浆料的总重量，具有氧离子传导性的无机颗粒的含量可以是10重量％或更多且50重量％或更少，溶剂的含量可以是10重量％或更多且30重量％或更少，分散剂的含量可以是5重量％或更多且10重量％或更少，增塑剂的含量可以是0.5重量％或更多且3重量％或更少，并且粘合剂的含量可以是10重量％或更多且30重量％或更少。
阳极浆料还可以包含NiO。基于具有氧离子传导性的无机颗粒的重量，NiO的含量可以是35重量％或更多且60重量％或更少。
阳极可以设置在单独的多孔陶瓷支撑体或多孔金属支撑体上，或者可以包括阳极支撑体和阳极功能层。此时，阳极支撑体是这样的层：其包含与阳极功能层相同的无机材料，但是由于比阳极功能层更高的孔隙率和相对更大的厚度而支撑另一层。阳极功能层可以是设置在阳极支撑体和电解质层之间以实际上起作为阳极的主要作用的层。
当阳极设置在多孔陶瓷支撑体或多孔金属支撑体上时，在经烧制的多孔陶瓷支撑体或多孔金属支撑体上层合所制备的用于阳极的生料片，然后烧制以制备阳极。
当阳极包括阳极支撑体和阳极功能层时，阳极可以通过如下制备：在经烧制的阳极支撑体上层合所制备的阳极功能层的生料片，然后烧制经层合的生料片。
当阳极包括阳极支撑体和阳极功能层时，阳极支撑体的厚度可以是350μm或更大且1000μm或更小，并且阳极功能层的厚度可以是5μm或更大且50μm或更小。
电解质可以包含基于二氧化铈的金属氧化物。
基于二氧化铈的金属氧化物没有特别限制，只要具有氧离子传导性即可，但是特别地，基于二氧化铈的金属氧化物可以包括钐掺杂的二氧化铈和钆掺杂的二氧化铈中的至少一者，并且更特别地，钆掺杂的二氧化铈。
电解质的厚度可以是10μm或更大且100μm或更小。特别地，电解质的厚度可以是20μm或更大且50μm或更小。
用于制备电解质的方法没有特别限制，但是例如，电解质可以通过如下制备：涂覆电解质浆料并干燥，并且烧制涂覆的电解质浆料；或者通过在单独的离型片上涂覆电解质浆料并干燥来形成用于电解质的生料片，并且可以将一个或更多个用于电解质的生料片单独或与相邻异质层的生料片一起烧制以制备电解质。
用于电解质的生料片的厚度可以是10μm或更大且100μm或更小。
电解质浆料包含基于二氧化铈的金属氧化物颗粒，并且如果需要，阳极浆料还可以包含粘合剂树脂、增塑剂、分散剂和溶剂中的至少一者。粘合剂树脂、增塑剂、分散剂和溶剂没有特别限制，并且可以使用本领域已知的典型材料。
基于电解质浆料的总重量，基于二氧化铈的金属氧化物颗粒的含量可以是40重量％或更多且70重量％或更少。
基于电解质浆料的总重量，溶剂的含量可以是10重量％或更多且30重量％或更少，分散剂的含量可以是5重量％或更多且10重量％或更少，增塑剂的含量可以是0.5重量％或更多且3重量％或更少，并且粘合剂的含量可以是10重量％或更多且30重量％或更少。
在本说明书中，生料片意指可以在下一过程中进行处理的薄膜状膜，而不是完成的最终产品。换句话说，生料片涂覆有包含无机颗粒和溶剂的涂覆组合物，然后以片形式被干燥，并且意指能够在包含少量溶剂的同时保持片形式的半干燥片。
燃料电池的形式没有限制，例如，可以是硬币型、板型、圆筒型、喇叭型、纽扣型、片型或层合型。
燃料电池可以特别地用作电动车辆、混合电动车辆、插电式混合电动车辆或能量储存装置的电源。
本说明书提供了包括燃料电池作为单元电池的电池模块。
图2示意性地示出了包括燃料电池的电池模块的一个实施方案，并且燃料电池包括电池模块60、氧化剂供应单元70和燃料供应单元80。
电池模块60包括一个或更多个上述燃料电池作为单元电池，并且当包括两个或更多个单元电池时包括介于单元电池之间的隔离件。隔离件用于防止单元电池彼此电连接并将从外部供应的燃料和氧化剂传输至单元电池。
氧化剂供应单元70用于将氧化剂供应至电池模块60。作为氧化剂，代表性地使用氧，并且可以使用氧或空气，其被注入至氧化剂供应单元70中。
燃料供应单元80用于将燃料供应至电池模块60并且包括储存燃料的燃料罐81和将燃料罐81中储存的燃料供应至电池模块60的泵82。作为燃料，可以使用气态或液态氢或烃燃料。烃燃料的实例可以包括甲醇、乙醇、丙醇、丁醇或天然气。
发明实施方式
在下文中，将通过实施例更详细地描述本说明书。然而，以下实施例仅用于举例说明本说明书，并且本说明书不限于此。
[实施例]
[制备例]
通过阳极支撑体层(ASL)、阳极功能层(AFL)、电解质层(EL)和阴极层(CL)来制备用于测量的固体氧化物燃料电池。
ASL浆料使用GDC和NiO作为无机材料，并且在这种情况下，GDC和NiO的比例为50:50体积％。
此外，ASL浆料包含分散剂、增塑剂和粘合剂树脂以及溶剂，基于浆料的总重量，添加50.2重量％的无机材料、18.2重量％的溶剂、6.2重量％的分散剂、1.2重量％的增塑剂和24.2重量％的粘合剂。将ASL浆料流延成型以获得厚度为100μm至200μm的ASL生料片。
AFL浆料具有与ASL浆料相同的有机材料，不同之处在于无机材料，但是GDC和NiO的组成比是60:40体积％，并且浇铸厚度为10μm的AFL生料片，其比ASL的厚度薄。
EL浆料具有与ASL浆料相同的有机材料，不同之处在于无机材料，但是无机材料仅由GDC制成而没有NiO，并且使用该EL浆料浇铸厚度为20μm的EL生料片。
将ASL生料片、AFL生料片和EL生料片顺序地层合，然后在1400℃下烧结以制备半电池。
在这种情况下，烧结之后的ASL、AFL和EL的厚度分别是800μm、20μm和20μm。
使用三辊磨机，以糊形式制备LSCF阴极组合物，其基于整个组合物的总重量包含60重量％的LSCF6428(La0.6Sr0.4Co0.2Fe0.8O3-δ)和40重量％的作为粘合剂组合物的ESL441。
在以上制备的半电池的电解质层上通过丝网印刷涂覆LSCF阴极组合物，干燥，然后在1000℃下热处理以形成阴极。
[过程例1]
通过在600℃下在向阴极供应空气的同时向阳极供应氢约2小时将NiO还原为Ni，并且在没有电解质氧化的情况下立即分别向阴极和阳极供应空气和燃料，驱动应用制备例中制备的GDC电解质的SOFC堆叠体。
此时，测量电流I和电压V并计算堆叠体输出I×V，结果，根据过程例1的输出是19.28W(参见图5)。
作为测量开路电压(OCV)的结果，确认初始OCV是840mV并且在18小时之后OCV降低至0。
[过程例2]
通过在600℃下还原阳极，然后在没有电解质氧化的情况下分别向阴极和阳极供应空气和燃料，驱动应用制备例中制备的GDC电解质的SOFC堆叠体，然后，当在初始OCV状态下立即停止燃料供应时，通过图4(左)可以看出OCV降低到680mV。
但是，通过图4(右)，可以看出在相同条件下，当阴极中的空气停止时，电解质迅速完全被还原并且OCV变为0mV。
结果，可以看出当电解质暴露于还原气氛时，阳极和阴极电短路并且OCV变为0。
[过程例3]
通过在600℃下在向阴极供应空气的同时向阳极供应氢气约2小时将NiO还原成Ni，然后立即分别向阴极和阳极供应空气和燃料，驱动应用制备例中制备的GDC电解质的SOFC堆叠体。
初始OCV是840mV，并且作为测量开路电压(OCV)的结果，确认在18小时之后OCV降低至0。
根据图3，作为在驱动时测量OCV的结果，确认GDC电解质被还原，OCV逐渐降低并且最终OCV变为0。在这种情况下，在保持向阴极供应空气的同时，将向阳极供应的燃料切断约2小时。结果，确认初始OCV值恢复至840mV。
[过程例4]
通过在600℃下在向阴极供应空气的同时向阳极供应氢气约2小时将NiO还原成Ni，驱动应用制备例中制备的GDC电解质的SOFC堆叠体。然后，通过如下驱动SOFC堆叠体：停止氢供应45分钟以使电解质被供应至阴极的空气中的氧氧化，并且立即分别向阴极和阳极供应空气和燃料。测量开路电压(OCV)的结果示于图3中。
此时，测量电流I和电压V并计算堆叠体输出I×V，结果，根据过程例4的输出是57.7W(参见图5)。结果，可以看出在电池驱动之前，通过电解质氧化，电解质的还原稳定性增加并且堆叠体输出增加。
初始OCV是840mV，并且作为测量开路电压(OCV)的结果，确认在18小时之后OCV降低至0。

Claims (4)

1.一种用于驱动固体氧化物燃料电池的方法，所述固体氧化物燃料电池包括阳极、阴极、和设置在所述阳极与所述阴极之间并且包含基于二氧化铈的金属氧化物的电解质，所述方法包括：
将所述固体氧化物燃料电池调节至驱动温度；
通过向所述阴极供应含氧气体并向所述阳极供应含氢气体，将所述阳极的NiO还原成Ni；
通过向所述阴极供应所述含氧气体并停止向经还原的阳极供应所述含氢气体，使所述电解质氧化；以及
通过向所述阴极供应含氧气体并向所述经还原的阳极供应含氢气体，驱动所述固体氧化物燃料电池。
2.根据权利要求1所述的方法，其中所述基于二氧化铈的金属氧化物包括钐掺杂的二氧化铈和钆掺杂的二氧化铈中的至少一者。
3.根据权利要求1所述的方法，其中在所述电解质的氧化中，停止向所述经还原的阳极供应所述含氢气体的时间是2分钟或更长且60分钟或更短。
4.根据权利要求1所述的方法，其中所述固体氧化物燃料电池的所述驱动温度是600℃或更高且650℃或更低。
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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN114361543A (zh) * 2022-01-06 2022-04-15 徐州华清京昆能源有限公司 一种高平整度低应力固体氧化物燃料电池的制备方法

Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20110003235A1 (en) * 2009-07-03 2011-01-06 Institute Of Nuclear Energy Research Atomic Energy Council, Executive Yuan Solid oxide fuel cell and manufacturing method thereof
EP2621006A1 (en) * 2012-01-26 2013-07-31 Institute of Nuclear Energy Research Atomic Energy Council An anode on a pretreated substrate for improving redox-stablility of solid oxide fuel cell and the fabrication method thereof
JP2014053177A (ja) * 2012-09-07 2014-03-20 Nippon Telegr & Teleph Corp <Ntt> 固体酸化物形燃料電池システムおよび固体酸化物形燃料電池システムの停止方法
CN103811789A (zh) * 2012-11-07 2014-05-21 中国科学院上海硅酸盐研究所 一种具有对称电极的固体氧化物燃料电池及其制备方法和应用
CN103887549A (zh) * 2012-12-21 2014-06-25 中国科学院大连化学物理研究所 一种固体氧化物燃料电池复合电解质薄膜及其制备
CN104779409A (zh) * 2015-04-27 2015-07-15 上海邦民新能源科技有限公司 一种固体氧化物燃料电池及其制备方法

Family Cites Families (12)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP4024164B2 (ja) 2003-02-27 2007-12-19 日本電信電話株式会社 固体酸化物形燃料電池の運転方法
JP5122083B2 (ja) 2006-05-22 2013-01-16 三菱マテリアル株式会社 燃料電池発電装置及び制御プログラム並びに燃料電池発電装置の制御方法
JP2010061829A (ja) 2008-09-01 2010-03-18 Nippon Telegr & Teleph Corp <Ntt> 固体酸化物形燃料電池の運転方法
KR101110850B1 (ko) 2009-07-22 2012-02-16 연세대학교 산학협력단 연료극 내의 산소분압에 의해 고체산화물 전해질층 내 전자 전도도를 제어한 고체산화물 연료전지 및 그 작동방법
KR101519667B1 (ko) 2009-11-30 2015-05-13 현대자동차주식회사 연료전지 가속 활성화 방법
KR101342528B1 (ko) 2012-05-22 2013-12-17 쌍용머티리얼 주식회사 직접 내부 개질형 고체산화물 연료전지의 운전 방법
GB2517927B (en) * 2013-09-04 2018-05-16 Ceres Ip Co Ltd Process for forming a metal supported solid oxide fuel cell
JP6241651B2 (ja) * 2013-09-27 2017-12-06 Toto株式会社 固体酸化物型燃料電池装置
JP2015191833A (ja) * 2014-03-28 2015-11-02 Toto株式会社 固体酸化物型燃料電池システム
CN107078328B (zh) 2014-11-18 2021-05-04 株式会社Lg化学 用于制造固体氧化物燃料电池的方法
JP6532668B2 (ja) * 2014-11-19 2019-06-19 東京瓦斯株式会社 燃料電池システム
KR101656156B1 (ko) 2014-12-31 2016-09-09 세종대학교산학협력단 고체산화물 연료전지의 운전 방법

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20110003235A1 (en) * 2009-07-03 2011-01-06 Institute Of Nuclear Energy Research Atomic Energy Council, Executive Yuan Solid oxide fuel cell and manufacturing method thereof
EP2621006A1 (en) * 2012-01-26 2013-07-31 Institute of Nuclear Energy Research Atomic Energy Council An anode on a pretreated substrate for improving redox-stablility of solid oxide fuel cell and the fabrication method thereof
JP2014053177A (ja) * 2012-09-07 2014-03-20 Nippon Telegr & Teleph Corp <Ntt> 固体酸化物形燃料電池システムおよび固体酸化物形燃料電池システムの停止方法
CN103811789A (zh) * 2012-11-07 2014-05-21 中国科学院上海硅酸盐研究所 一种具有对称电极的固体氧化物燃料电池及其制备方法和应用
CN103887549A (zh) * 2012-12-21 2014-06-25 中国科学院大连化学物理研究所 一种固体氧化物燃料电池复合电解质薄膜及其制备
CN104779409A (zh) * 2015-04-27 2015-07-15 上海邦民新能源科技有限公司 一种固体氧化物燃料电池及其制备方法

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN114361543A (zh) * 2022-01-06 2022-04-15 徐州华清京昆能源有限公司 一种高平整度低应力固体氧化物燃料电池的制备方法

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