JP2015179622A - Evaluation method for solid oxide fuel cell cell, and solid oxide fuel cell system - Google Patents

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a cell evaluation method based on a carbon deposition mechanism in an anode support body for a solid oxide fuel cell, and a technology for suppressing an expansion failure of the anode support body caused by carbon deposition.SOLUTION: According to an embodiment, an evaluation method for an anode support body for a solid oxide fuel cell includes an evaluation of a solid oxide fuel cell by comparing a depth D from an outermost surface of the anode support body facing a gas passage with a predetermined reference depth D, where carbon concentration from the outermost surface to the depth D is equal to or larger than reference concentration C. A control unit controls at least one of a start condition, power generation operation condition, and stop condition so that the depth D, which is an index of carbon concentration at a surface of the anode support body, is not equal to or larger than the reference depth D.

Description

本発明は、固体酸化物形燃料電池セルの評価方法および固体酸化物形燃料電池システムに関する。   The present invention relates to a solid oxide fuel cell evaluation method and a solid oxide fuel cell system.

固体酸化物形燃料電池(SOFC)は、固体高分子形燃料電池(PEFC)に比べて一般に電力変換効率が高い。また、燃料として水素だけでなく、炭化水素やアルコール、ジメチルエーテル(DME)といった原燃料を改質して得られる改質ガスを利用することができる。さらに、原燃料の改質の際に副生する、一酸化炭素や未改質のメタン等も発電用の燃料として用いることができる。一般に、SOFCで発生する熱量や、発電に利用しない余剰ガスをセル上部で燃焼させて得られる熱などを利用して、改質のための熱を供給することで、1つの熱的閉鎖系において熱バランスを取れることが、SOFCが高効率であることの一因となっている。   Solid oxide fuel cells (SOFC) generally have higher power conversion efficiency than solid polymer fuel cells (PEFC). Further, not only hydrogen but also reformed gas obtained by reforming raw fuel such as hydrocarbon, alcohol and dimethyl ether (DME) can be used as the fuel. Furthermore, carbon monoxide, unreformed methane, etc. produced as a by-product during reforming of the raw fuel can also be used as a fuel for power generation. Generally, in one thermal closed system, heat for reforming is supplied by using the amount of heat generated in SOFC or heat obtained by burning surplus gas not used for power generation in the upper part of the cell. The ability to balance heat contributes to the high efficiency of SOFC.

SOFCの動作温度は、従来700℃以上の高温である場合が多かったが、近年開発が進む低温(700℃未満)作動の電解質材料や空気極材料を用いることで、より低温での動作が可能になりつつある。これにより、耐熱性の低い安価な材料を採用できるなど、SOFCの実用性を高めることができる。しかしその一方で、セルの動作温度が低下すれば、セルと熱的にバランスする改質器の温度も低下する。その結果、改質反応における熱平衡により、メタン割合の高い燃料ガスがセルに供給されることになる。また、熱量を調整した天然ガスやLPGなど、炭素数が2以上の炭化水素(C2以上炭化水素)を含む原燃料を用いる場合、改質器でC2以上炭化水素がC1化学種(炭素数1の炭化水素)に転化されずにセルに供給される、いわゆるC2以上炭化水素のスリップ発生の懸念が高まる。   The operating temperature of SOFC has often been 700 ° C or higher in the past, but it is possible to operate at lower temperatures by using low-temperature (below 700 ° C) electrolyte materials and air electrode materials that have been developed recently. It is becoming. Thereby, the practicality of SOFC can be improved, for example, an inexpensive material with low heat resistance can be adopted. However, on the other hand, if the operating temperature of the cell decreases, the temperature of the reformer that is thermally balanced with the cell also decreases. As a result, fuel gas having a high methane ratio is supplied to the cell due to thermal equilibrium in the reforming reaction. In addition, when using raw fuel containing hydrocarbons having 2 or more carbon atoms (C2 or more hydrocarbons) such as natural gas or LPG with adjusted calorie, C2 or more hydrocarbons are converted to C1 species (carbon number 1) in the reformer. There is a growing concern about the occurrence of slippage of so-called C2 or higher hydrocarbons that are supplied to the cell without being converted into hydrocarbons.

メタン濃度の高いガスの供給、あるいはC2以上炭化水素のスリップ発生の問題は、通常の動作温度(700℃以上)で動作するSOFCであっても、起動時や停止時において改質器が十分に加温されない場合や、発電運転中であっても改質水ポンプの停止あるいは流量低下、セルスタックと改質器の熱バランス崩れによる改質器温度の低下など、システムにおける何らかのトラブルによって生じる可能性がある。   The problem of the supply of gas with high methane concentration or the occurrence of slippage of C2 or higher hydrocarbons is that the reformer is sufficient at startup and shutdown even for SOFCs operating at normal operating temperatures (700 ° C or higher). It may be caused by some trouble in the system, such as when the heater is not heated, or the reforming water pump stops or the flow rate decreases even during power generation, or the reformer temperature decreases due to the loss of thermal balance between the cell stack and the reformer There is.

ところで、アノード(燃料極)支持型のSOFCではアノード支持体として、高い導電性を有するニッケル(Ni)を含むサーメットが好ましく使用される。改質器から供給される改質ガスに高濃度のメタンやC2以上炭化水素が含まれる場合、メタンやC2以上炭化水素の大部分は、アノード支持体に含まれるNiの触媒作用により共存水蒸気と改質反応が進み、水素リッチなガスとなって発電用燃料として用いられる。しかしながら、一部のメタンやC2以上炭化水素は、アノード支持体において炭素として析出する場合がある。   By the way, in an anode (fuel electrode) -supported SOFC, a cermet containing nickel (Ni) having high conductivity is preferably used as an anode support. When the reformed gas supplied from the reformer contains high-concentration methane and C2 or higher hydrocarbons, most of the methane and C2 or higher hydrocarbons are combined with coexisting steam by the catalytic action of Ni contained in the anode support. As the reforming reaction proceeds, the hydrogen-rich gas is used as a fuel for power generation. However, some methane and C2 or higher hydrocarbons may precipitate as carbon on the anode support.

特に、水蒸気分圧が低く炭化水素分圧の高い低S/C(スチーム/カーボン比)の条件下では、アノード支持体での炭素析出が起こりやすい。この炭素析出の反応としては、メタンの直接熱分解反応(下記式(1))や、水蒸気改質反応(下記式(2))または水性移行反応(水性ガスシフト反応)(下記式(3))によって生成したCOの不均化反応(下記式(4))などが知られている。

Figure 2015179622
In particular, carbon deposition on the anode support tends to occur under conditions of low S / C (steam / carbon ratio) where the water vapor partial pressure is low and the hydrocarbon partial pressure is high. Examples of the carbon deposition reaction include a direct thermal decomposition reaction of methane (the following formula (1)), a steam reforming reaction (the following formula (2)), or an aqueous transfer reaction (a water gas shift reaction) (the following formula (3)). The disproportionation reaction of CO produced by the above (formula (4) below) is known.
Figure 2015179622

アノード支持体で析出した炭素は、アノード支持体を膨張させる。その結果、アノード支持体の表面に設けられる電極や電解質層を破損させるおそれがある。また、炭素析出によるアノード支持体の膨張や、その結果生じる電解質層のクラック生成は不可逆的な現象である。そのため、アノード支持体の膨張による電解質層のクラック発生が重篤になったものは、セルとして使用不能に陥ることがあった(非特許文献1、2参照)。   The carbon deposited on the anode support causes the anode support to expand. As a result, there is a risk of damaging the electrode and electrolyte layer provided on the surface of the anode support. Also, the expansion of the anode support due to carbon deposition and the resulting cracking of the electrolyte layer are irreversible phenomena. For this reason, a case in which the occurrence of cracks in the electrolyte layer due to the expansion of the anode support has become seriously unusable as a cell (see Non-Patent Documents 1 and 2).

J.H. Koh, Y.S. Yoo, J.W. Park, H.C. Lim, Solid State Ionics, 149(2002) 157 -166J.H.Koh, Y.S.Yoo, J.W.Park, H.C.Lim, Solid State Ionics, 149 (2002) 157 -166 C. M. Finnery, N.J. Coe, R.H. Cunninghum, R.M. Ormerod, Catal.Today, 46(1998)137 -145C. M. Finnery, N.J. Coe, R.H.Cunninghum, R.M.Ormerod, Catal.Today, 46 (1998) 137 -145

上述したような炭素析出に起因する不具合を未然に防ぐ手段として、炭素析出、アノード支持体の膨張、さらにそれに伴う電解質層の破断(クラック発生)などの個々の現象に対し、メカニズムと閾値を把握することが極めて重要であり、それらを踏まえたSOFCセルまたはシステムの評価方法が求められている。   As a means of preventing the problems caused by carbon deposition as described above, the mechanism and threshold are grasped for individual phenomena such as carbon deposition, anode support expansion, and associated electrolyte layer breakage (crack generation). Therefore, there is a need for a SOFC cell or system evaluation method based on these.

さらに、上記評価方法が確立できた暁には、それを踏まえた制御方法、すなわち、システム起動停止工程や運転制御条件において、炭素析出によるトラブルを最小限に抑制できる技術へ落とし込むことが求められている。   Furthermore, when the above evaluation method has been established, it is required to put it into a control method based on the evaluation method, that is, a technology that can minimize troubles caused by carbon deposition in the system start / stop process and operation control conditions. Yes.

しかしながら、固体酸化物形燃料電池用のアノード支持体における炭素析出機構を踏まえたセル評価方法、およびそれを踏まえた炭素析出の抑制技術については、これまで有効な知見が提示されておらず、未だ検討の余地があった。   However, the cell evaluation method based on the carbon deposition mechanism in the anode support for the solid oxide fuel cell and the carbon deposition suppression technology based on the cell deposition method have not been presented so far, so far. There was room for consideration.

本発明はこうした状況に鑑みてなされたものであり、その目的は、固体酸化物形燃料電池用のアノード支持体における炭素析出機構に基づくセル評価方法と、炭素析出によるアノード支持体の膨張破壊を抑制する技術の提供にある。   The present invention has been made in view of such circumstances, and its purpose is to provide a cell evaluation method based on a carbon deposition mechanism in an anode support for a solid oxide fuel cell, and an expansion failure of the anode support due to carbon deposition. It is in the provision of technology to suppress.

本発明のある態様は、固体酸化物形燃料電池セルの評価方法である。当該評価方法は、ニッケル金属を含む多孔質材料で形成され、燃料ガスが流通するガス流路を有するアノード支持体と、前記アノード支持体の上に形成された、燃料極層、固体酸化物電解質層および空気極層が積層された積層体と、を含む固体酸化物形燃料電池セルの評価方法であって、前記ガス流路に面する前記アノード支持体の表面近傍の炭素濃度に基づいて、前記固体酸化物形燃料電池セルを評価することを特徴とする。   One embodiment of the present invention is a method for evaluating a solid oxide fuel cell. The evaluation method includes an anode support formed of a porous material containing nickel metal and having a gas flow path through which fuel gas flows, and a fuel electrode layer and a solid oxide electrolyte formed on the anode support. A solid oxide fuel cell comprising: a laminate in which a layer and an air electrode layer are laminated, based on a carbon concentration in the vicinity of the surface of the anode support facing the gas flow path, The solid oxide fuel cell is evaluated.

上記態様の当該評価方法において、炭素濃度が所定の基準濃度以上となる、前記ガス流路に面する前記アノード支持体の最表面からの深さを取得し、前記深さを所定の基準深さと比較することにより、前記固体酸化物形燃料電池セルを評価してもよい。また、前記深さが所定の基準深さ以上である場合に、前記固体酸化物形燃料電池セルの性能を回復するための処理が必要と判断してもよい。前記基準深さが1〜200μmの範囲であってもよい。前記炭素濃度の前記基準濃度が、前記アノード支持体に対する重量比が100ppm〜10%の範囲であってもよい。前記アノード支持体がニッケルサーメットを含んでもよい。前記アノード支持体の作製時において、前記アノード支持体の全質量に対する酸化Ni含有率が40質量%以上であってもよい。   In the evaluation method of the above aspect, the depth from the outermost surface of the anode support facing the gas flow path, where the carbon concentration is equal to or higher than a predetermined reference concentration, is acquired, and the depth is set to a predetermined reference depth. The solid oxide fuel cells may be evaluated by comparison. Further, when the depth is equal to or greater than a predetermined reference depth, it may be determined that processing for recovering the performance of the solid oxide fuel cell is necessary. The reference depth may be in the range of 1 to 200 μm. The reference concentration of the carbon concentration may be in a range of 100 ppm to 10% by weight with respect to the anode support. The anode support may include nickel cermet. At the time of producing the anode support, the Ni oxide content relative to the total mass of the anode support may be 40% by mass or more.

本発明の他の態様は、固体酸化物形燃料電池システムである。当該固体酸化物形燃料電池システムは、改質反応により水素リッチな燃料ガスを生成する改質器と、ニッケル金属を含む多孔質材料で形成され、前記燃料ガスが流通するガス経路を有するアノード支持体と、前記支持体の上に形成され、燃料極層、固体酸化物電解質層および空気極層が積層された積層体と、を含み、前記改質器から供給される燃料ガスと空気とを反応させて発電する固体酸化物形燃料電池セルと、前記アノード支持体の表面の炭素濃度が所定の基準濃度以上になる最表面からの深さが所定の基準深さ以上にならないように、発電開始までの起動条件、発電中の発電運転条件、発電停止後の停止条件のうちの少なくとも1つを制御する制御部と、を備えることを特徴とする。   Another aspect of the present invention is a solid oxide fuel cell system. The solid oxide fuel cell system includes a reformer that generates a hydrogen-rich fuel gas by a reforming reaction, and an anode support that is formed of a porous material containing nickel metal and has a gas path through which the fuel gas flows. And a stack formed on the support, the fuel electrode layer, the solid oxide electrolyte layer, and the air electrode layer being stacked, and the fuel gas and air supplied from the reformer The solid oxide fuel cell that generates electric power by reaction and the power generation so that the depth from the outermost surface where the carbon concentration of the surface of the anode support is not less than a predetermined reference concentration does not exceed the predetermined reference depth. And a controller that controls at least one of a start condition until start, a power generation operation condition during power generation, and a stop condition after power generation is stopped.

上記態様の固体酸化物形燃料電池システムにおいて、前記制御部は、前記起動条件として、前記燃料電池セルへ供給する燃料ガスの供給炭化水素燃料の炭素モル数に対する水蒸気モル比率(S/C値)を通常運転時よりも高く設定してもよい。また、前記制御部は、発電運転時のいずれかの時点において、アノード支持体への炭素蓄積量が増加したと判断された場合に、炭化水素燃料の炭素モル数に対する水蒸気モル比率(S/C値)を所定時間だけ上昇させて蓄積炭素の除去制御を行ってもよい。また、前記制御部は、前記停止条件として、発電停止後にも前記燃料電池セルへの燃料ガスの供給を継続し、かつ、その際の供給炭化水素燃料の炭素モル数に対する水蒸気モル比率(S/C値)を通常運転時よりも高く設定してもよい。   In the solid oxide fuel cell system according to the aspect described above, the control unit, as the start condition, has a water vapor mole ratio (S / C value) with respect to the number of moles of carbon of the hydrocarbon fuel supplied to the fuel cell. May be set higher than in normal operation. In addition, when it is determined that the carbon accumulation amount on the anode support has increased at any point during the power generation operation, the control unit determines the water vapor mole ratio (S / C) relative to the number of carbon moles of the hydrocarbon fuel. The value may be increased for a predetermined time to control the removal of accumulated carbon. Further, the control unit continues the supply of the fuel gas to the fuel cell even after the power generation is stopped as the stop condition, and the water vapor mole ratio (S / (C value) may be set higher than in normal operation.

なお、上述した各要素を適宜組み合わせたものも、本件特許出願によって特許による保護を求める発明の範囲に含まれうる。   A combination of the above-described elements as appropriate can also be included in the scope of the invention for which patent protection is sought by this patent application.

本発明の固体酸化物形燃料電池セルの評価方法によれば、固体酸化物形燃料電池用のアノード支持体の炭素析出機構に基づいて燃料電池セルを適切に評価することができる。また、本発明の固体酸化物形燃料電池システムによれば、炭素析出によるアノード支持体の膨張破壊を効果的に抑制する。   According to the solid oxide fuel cell evaluation method of the present invention, the fuel cell can be appropriately evaluated based on the carbon deposition mechanism of the anode support for the solid oxide fuel cell. Moreover, according to the solid oxide fuel cell system of the present invention, expansion failure of the anode support due to carbon deposition is effectively suppressed.

実施の形態に係る燃料電池システムの主要部の概略構造を示す斜視図である。It is a perspective view which shows schematic structure of the principal part of the fuel cell system which concerns on embodiment. 実施の形態に係る燃料電池システムの主要部の構造を模式的に示す概略図である。It is the schematic which shows typically the structure of the principal part of the fuel cell system which concerns on embodiment. 燃料電池スタックの構造を模式的に示す水平断面図である。2 is a horizontal sectional view schematically showing the structure of a fuel cell stack. FIG. アノード支持体の一部を拡大して示す模式図である。It is a schematic diagram which expands and shows a part of anode support. アノード支持体の表面からの深さ(距離)に対する炭素元素濃度を質量%で示したグラフである。It is the graph which showed the carbon element density | concentration with respect to the depth (distance) from the surface of an anode support body by the mass%. 所定の炭素濃度(質量%)以上となるアノード支持体の表面からの最深深さ(距離)を「炭素析出厚み」と定義し、曝露時間に対して整理したグラフであるIt is a graph in which the deepest depth (distance) from the surface of the anode support that is equal to or higher than a predetermined carbon concentration (mass%) is defined as “carbon deposition thickness” and arranged with respect to exposure time. 炭素析出厚みに対する膨張率の変化を示すグラフである。It is a graph which shows the change of the expansion coefficient with respect to carbon deposition thickness. サンプルの膨張率と目視されたクラック数との関係を示すグラフである。It is a graph which shows the relationship between the expansion coefficient of a sample, and the number of cracks visually observed. 固体酸化物形燃料電池セルの評価方法のある態様を示すフローチャートである。It is a flowchart which shows a certain aspect of the evaluation method of a solid oxide fuel cell. 耐久試験が実施された参考例1、比較例1、実施例1、2の各燃料電池セルについて、試験開始前の出力電圧を基準として、出力電圧の相対値の変化を示すグラフである。It is a graph which shows the change of the relative value of an output voltage on the basis of the output voltage before a test start about each fuel cell of the reference example 1, the comparative example 1, and Examples 1 and 2 with which the durability test was implemented. 耐久試験が実施された参考例2、比較例2、実施例3の各燃料電池セルについて、試験開始前の出力電圧を基準として、出力電圧の相対値の変化を示すグラフである。It is a graph which shows the change of the relative value of an output voltage on the basis of the output voltage before a test start about each fuel cell of the reference example 2, the comparative example 2, and Example 3 in which the durability test was implemented.

以下、本発明の実施の形態を図面を参照して説明する。なお、すべての図面において、同様な構成要素には同様の符号を付し、適宜説明を省略する。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. In all the drawings, the same reference numerals are given to the same components, and the description will be omitted as appropriate.

図1は、実施の形態に係る燃料電池システムの主要部の概略構造を示す斜視図である。図2は、実施の形態に係る燃料電池システムの主要部の構造を模式的に示す概略図である。図1では、モジュールケース2の内部を透視した状態を示している。図2は模式図であるため、各部の配置や設置数等は必ずしも図1と一致しない。燃料電池システム100は、ホットモジュール1を備える。ホットモジュール1は、モジュールケース2と、モジュールケース2内に収容される燃料電池スタック10、水気化器50および改質器6を有する。   FIG. 1 is a perspective view showing a schematic structure of a main part of a fuel cell system according to an embodiment. FIG. 2 is a schematic diagram schematically showing the structure of the main part of the fuel cell system according to the embodiment. FIG. 1 shows a state where the inside of the module case 2 is seen through. Since FIG. 2 is a schematic diagram, the arrangement, the number of installations, and the like of each part do not necessarily match those in FIG. The fuel cell system 100 includes a hot module 1. The hot module 1 includes a module case 2, a fuel cell stack 10 accommodated in the module case 2, a water vaporizer 50, and a reformer 6.

モジュールケース2は、例えば、耐熱性金属で形成された略直方体形状の外枠体と、外枠体の内面に内張りされた断熱材とで構成される。モジュールケース2には、供給管3、供給管4および供給管52が設けられる。供給管3は、ケース外部からケース内に原燃料を供給する管である。供給管4は、ケース外部からケース内にカソード用空気(酸素含有ガス)を供給する管である。供給管52は、ケース外部からケース内に水蒸気改質反応に用いられる改質用水を供給する管である。また、モジュールケース2には、排気口5が設けられる。原燃料としては、都市ガス、LPG、メタノール、ジメチルエーテル(DME)、灯油等が用いられる。なお、燃料の供給管3、水の供給管52および、カソード用空気の供給管4には、燃料、水、および、カソード用空気の各供給量を調整可能なように、各々に対応して図示しない供給量制御手段(ポンプおよび/または制御弁)が設けられ、これらは、燃料電池システム100に備えられた制御部200からの制御信号によって適宜制御される。   The module case 2 is composed of, for example, a substantially rectangular parallelepiped outer frame formed of a heat-resistant metal and a heat insulating material lined on the inner surface of the outer frame. The module case 2 is provided with a supply pipe 3, a supply pipe 4 and a supply pipe 52. The supply pipe 3 is a pipe that supplies raw fuel into the case from the outside of the case. The supply pipe 4 is a pipe for supplying cathode air (oxygen-containing gas) from the outside of the case into the case. The supply pipe 52 is a pipe for supplying reforming water used for the steam reforming reaction from the outside of the case into the case. The module case 2 is provided with an exhaust port 5. As raw fuel, city gas, LPG, methanol, dimethyl ether (DME), kerosene and the like are used. The fuel supply pipe 3, the water supply pipe 52, and the cathode air supply pipe 4 correspond to the fuel, water, and cathode air supply amounts, respectively, so that they can be adjusted. A supply amount control means (pump and / or control valve) (not shown) is provided, and these are appropriately controlled by a control signal from the control unit 200 provided in the fuel cell system 100.

水気化器50および改質器6は、モジュールケース2内の上部であって、燃料電池スタック10の上方に配置される。水気化器50には供給管52が接続され、改質器6には供給管3が接続される。水気化器50は、供給管52から供給される改質用水を気化させる。気化された改質用水(水蒸気)は、改質器6に供給される。改質器6は、耐熱性金属で形成されたケースと、ケース内に収容され原燃料の改質に用いられる改質触媒とを有する。改質器6は、水気化器50から供給される水蒸気を用いる水蒸気改質反応により、供給管3から供給される原燃料を水素リッチな燃料ガス(改質ガス)に改質する。   The water vaporizer 50 and the reformer 6 are arranged in the upper part of the module case 2 and above the fuel cell stack 10. A supply pipe 52 is connected to the water vaporizer 50, and a supply pipe 3 is connected to the reformer 6. The water vaporizer 50 vaporizes the reforming water supplied from the supply pipe 52. Vaporized reforming water (steam) is supplied to the reformer 6. The reformer 6 includes a case formed of a heat-resistant metal and a reforming catalyst that is accommodated in the case and used for reforming raw fuel. The reformer 6 reforms the raw fuel supplied from the supply pipe 3 into a hydrogen-rich fuel gas (reformed gas) by a steam reforming reaction using the steam supplied from the water vaporizer 50.

改質器6の改質ガス出口部6aには、改質ガス供給管7の一端が接続される。改質ガス供給管7の他端は、マニホールド8に接続される。マニホールド8は、後述するアノード触媒層23に供給される燃料の供給路である。マニホールド8は、燃料電池スタック10の下方に配置され、改質器6から供給される改質ガスを、燃料電池スタック10に含まれる複数の燃料電池20に分配する。燃料電池スタック10は、モジュールケース2内の下部であって、改質器6および水気化器50の下方に配置され、マニホールド8上に固定される。   One end of a reformed gas supply pipe 7 is connected to the reformed gas outlet 6 a of the reformer 6. The other end of the reformed gas supply pipe 7 is connected to the manifold 8. The manifold 8 is a fuel supply path that is supplied to an anode catalyst layer 23 described later. The manifold 8 is disposed below the fuel cell stack 10 and distributes the reformed gas supplied from the reformer 6 to the plurality of fuel cells 20 included in the fuel cell stack 10. The fuel cell stack 10 is disposed in the lower part of the module case 2, below the reformer 6 and the water vaporizer 50, and fixed on the manifold 8.

マニホールド8は、開口を有する箱状本体と、箱状本体の開口を塞ぐ上蓋とで構成される。上蓋は、たとえば無機ガラス組成物等によって箱状本体に固定される。上蓋は、燃料電池スタック10の保持部材として機能する。上蓋には、各燃料電池20のアノード支持体21を固定するための複数の開孔が設けられており、各開孔に各アノード支持体21の下端部が挿入され、接着剤等の固定材により固定される。固定材として用いられる接着剤としては、シリカ−アルミナ系の無機接着剤が例示される。この場合、各アノード支持体21の下端部が、無機接着剤を介して上蓋の各開孔に保持された状態で、無機接着剤を焼成により固化することで、アノード支持体21を上蓋に固定することができる。また、アノード支持体21と上蓋とを固定する接着剤層がシール材で被覆される。これにより、アノード支持体21と上蓋の接合部がガスタイト(気密)にシールされる。   The manifold 8 includes a box-shaped main body having an opening and an upper lid that closes the opening of the box-shaped main body. The upper lid is fixed to the box-shaped main body by, for example, an inorganic glass composition. The upper lid functions as a holding member for the fuel cell stack 10. The upper lid is provided with a plurality of holes for fixing the anode support 21 of each fuel cell 20, and the lower end portion of each anode support 21 is inserted into each opening, and a fixing material such as an adhesive is provided. It is fixed by. Examples of the adhesive used as the fixing material include silica-alumina based inorganic adhesives. In this case, the anode support 21 is fixed to the upper lid by solidifying the inorganic adhesive by firing in a state where the lower end portion of each anode support 21 is held in each opening of the upper lid via the inorganic adhesive. can do. Further, an adhesive layer for fixing the anode support 21 and the upper lid is covered with a sealing material. Thereby, the junction part of the anode support body 21 and an upper cover is sealed gas tight (airtight).

燃料電池スタック10は、複数の燃料電池20(セル)の組立体である。燃料電池20として、たとえば円筒平板型の燃料電池が用いられる場合、複数(図2では簡略化のため5個を表示)の縦長の燃料電池20が水平方向に一列に配列される。また、隣接する燃料電池20の側面間には、集電部材30が介在する。そして、この一列の燃料電池20が平面上に複数配列されることで、多数の燃料電池20がマトリクス状に配列される(図3参照)。各列の最外側の集電部材30は、導電部材40に電気的に接続される。   The fuel cell stack 10 is an assembly of a plurality of fuel cells 20 (cells). When, for example, a cylindrical flat plate type fuel cell is used as the fuel cell 20, a plurality of (e.g., five are shown for simplicity) vertically long fuel cells 20 are arranged in a row in the horizontal direction. A current collecting member 30 is interposed between the side surfaces of the adjacent fuel cells 20. A plurality of fuel cells 20 in a row are arranged on a plane, so that a large number of fuel cells 20 are arranged in a matrix (see FIG. 3). The outermost current collecting member 30 in each row is electrically connected to the conductive member 40.

燃料電池20はそれぞれの内部に、燃料電池20の下端から上端にかけて延在する複数のガス流路22が設けられる。各ガス流路22は、その下端部がマニホールド8と連通する。ガス流路22の上端部は、改質器6および水気化器50と燃料電池スタック10とで挟まれる空間に開放される。当該空間は、ガス流路22の上端部から放出される燃料ガスの燃焼部を構成する。マニホールド8からガス流路22に流れ込む燃料ガスは、その大部分が燃料電池20に供給される。燃料電池20に供給されない余剰の燃料ガスは、ガス流路22の上端部から燃焼部に供給される。   Each of the fuel cells 20 is provided with a plurality of gas flow paths 22 extending from the lower end to the upper end of the fuel cell 20. Each gas channel 22 communicates with the manifold 8 at its lower end. The upper end portion of the gas flow path 22 is opened to a space sandwiched between the reformer 6 and the water vaporizer 50 and the fuel cell stack 10. The space constitutes a combustion portion for fuel gas discharged from the upper end portion of the gas flow path 22. Most of the fuel gas flowing from the manifold 8 into the gas flow path 22 is supplied to the fuel cell 20. Excess fuel gas that is not supplied to the fuel cell 20 is supplied from the upper end of the gas flow path 22 to the combustion unit.

続いて、燃料電池スタック10の構造についてより詳細に説明する。図3は、燃料電池スタックの構造を模式的に示す水平断面図である。図3に示すように、本実施の形態では、円筒平板型の燃料電池20を例示する。燃料電池20は、アノード支持型固体酸化物形燃料電池であり、アノード支持体21と、ガス流路22と、アノード触媒層23(燃料極層)と、電解質層24(固体酸化物電解質層)と、カソード触媒層25(空気極層)と、インターコネクタ26とを備える。   Next, the structure of the fuel cell stack 10 will be described in more detail. FIG. 3 is a horizontal sectional view schematically showing the structure of the fuel cell stack. As shown in FIG. 3, in the present embodiment, a cylindrical flat plate fuel cell 20 is illustrated. The fuel cell 20 is an anode-supported solid oxide fuel cell, and includes an anode support 21, a gas flow path 22, an anode catalyst layer 23 (fuel electrode layer), and an electrolyte layer 24 (solid oxide electrolyte layer). A cathode catalyst layer 25 (air electrode layer), and an interconnector 26.

アノード支持体21は、Ni金属および酸化Niの少なくとも一方を含む多孔質体である。アノード支持体21は、扁平な長円形状の水平断面形状を有するとともに、鉛直方向(縦方向)に延びる(図2参照)板状片である。アノード支持体21は、マニホールド8側に位置する下面と、改質器6側に位置する上面と、互いに対向する2つの平坦な側面(平坦側面)と、互いに対向する2つの半円筒面形状の側面(2つの平坦側面が並ぶ方向に対して直交する方向に並ぶ2つの湾曲側面)とを有する。   The anode support 21 is a porous body containing at least one of Ni metal and Ni oxide. The anode support 21 is a plate-like piece having a flat oval horizontal cross-sectional shape and extending in the vertical direction (vertical direction) (see FIG. 2). The anode support 21 has a lower surface located on the manifold 8 side, an upper surface located on the reformer 6 side, two flat side surfaces (flat side surfaces) facing each other, and two semi-cylindrical surface shapes facing each other. And side surfaces (two curved side surfaces arranged in a direction orthogonal to the direction in which the two flat side surfaces are arranged).

アノード支持体21は、その中心部に複数のガス流路22を有する。ガス流路22は、アノード支持体21の長手方向に沿って設けられる。ガス流路22の一端(下端)はアノード支持体21の下面に位置し、ガス流路22の他端(上端)はアノード支持体21の上面に位置する。本実施の形態では、各アノード支持体21に4本のガス流路22が設けられている。アノード支持体21は、マニホールド8に対して固定され、ガス流路22の一端がマニホールド8に連通される。改質器6で生成される改質ガスは、マニホールド8により各燃料電池20のガス流路22に分配され、ガス流路22の一端から他端側へ流れる。   The anode support 21 has a plurality of gas flow paths 22 at the center thereof. The gas flow path 22 is provided along the longitudinal direction of the anode support 21. One end (lower end) of the gas passage 22 is located on the lower surface of the anode support 21, and the other end (upper end) of the gas passage 22 is located on the upper surface of the anode support 21. In the present embodiment, four gas flow paths 22 are provided in each anode support 21. The anode support 21 is fixed to the manifold 8, and one end of the gas flow path 22 is communicated with the manifold 8. The reformed gas generated in the reformer 6 is distributed to the gas flow path 22 of each fuel cell 20 by the manifold 8 and flows from one end of the gas flow path 22 to the other end side.

インターコネクタ26は、アノード支持体21の一方の平坦側面上(図3中の第1列の燃料電池スタック10−1において左側の平坦側面上)に設けられる。インターコネクタ26は、各燃料電池20のアノードから集電するための導電部材である。インターコネクタ26は、たとえば導電性セラミックで構成することができる。   The interconnector 26 is provided on one flat side surface of the anode support 21 (on the left flat side surface in the fuel cell stack 10-1 in the first row in FIG. 3). The interconnector 26 is a conductive member for collecting current from the anode of each fuel cell 20. The interconnector 26 can be made of, for example, a conductive ceramic.

アノード触媒層23は、アノード支持体21の表面に設けられる。本実施の形態では、アノード触媒層23は、少なくともアノード支持体21の他方の平坦側面上(図3中の第1列の燃料電池スタック10−1において右側の平坦側面上)に積層される。   The anode catalyst layer 23 is provided on the surface of the anode support 21. In the present embodiment, the anode catalyst layer 23 is laminated at least on the other flat side surface of the anode support 21 (on the right flat side surface in the fuel cell stack 10-1 in the first row in FIG. 3).

電解質層24は、アノード触媒層23のアノード支持体21とは反対側の面に設けられる。本実施の形態では、電解質層24は、アノード触媒層23の表面全体を被覆している。カソード触媒層25は、電解質層24のアノード触媒層23とは反対側の面に設けられる。本実施の形態では、カソード触媒層25は、電解質層24の主表面上に積層される。したがって、アノード支持体21を挟んでインターコネクタ26とは反対側に配置される。すなわち、燃料電池20は、ガス流路22を有するアノード支持体21の一方の面に、アノード触媒層23、電解質層24およびカソード触媒層25がこの順に積層され、アノード支持体21の他方の面にインターコネクタ26が形成された構造を有する。アノード支持体21、アノード触媒層23、電解質層24およびカソード触媒層25の構成材料については後に詳細に説明する。   The electrolyte layer 24 is provided on the surface of the anode catalyst layer 23 opposite to the anode support 21. In the present embodiment, the electrolyte layer 24 covers the entire surface of the anode catalyst layer 23. The cathode catalyst layer 25 is provided on the surface of the electrolyte layer 24 opposite to the anode catalyst layer 23. In the present embodiment, the cathode catalyst layer 25 is laminated on the main surface of the electrolyte layer 24. Therefore, the anode support 21 is disposed on the side opposite to the interconnector 26. That is, in the fuel cell 20, the anode catalyst layer 23, the electrolyte layer 24, and the cathode catalyst layer 25 are laminated in this order on one surface of the anode support 21 having the gas flow path 22, and the other surface of the anode support 21. And an interconnector 26 is formed. The constituent materials of the anode support 21, the anode catalyst layer 23, the electrolyte layer 24, and the cathode catalyst layer 25 will be described in detail later.

複数の燃料電池20は、隣り合う2つの燃料電池20における一方のカソード触媒層25と、他方のインターコネクタ26とが対向するようにして一列に並べられ、集電部材30を介して互いに接合される。すなわち、図3に示すように、各燃料電池20の左側に位置するインターコネクタ26を、左隣の燃料電池20の右側に位置するカソード触媒層25と、集電部材30を介して接合する。これにより、一列に並ぶ複数の燃料電池20が直列に接続され、燃料電池スタック10が構成される。本実施の形態では、燃料電池スタック10は、第1列の燃料電池スタック10−1と、第2列の燃料電池スタック10−2とを含む。集電部材30は、弾性を有する金属または合金から形成される所定形状の部材や、金属繊維または合金繊維からなるフェルトに所定の表面処理を施した部材から構成することができる。   The plurality of fuel cells 20 are arranged in a row so that one cathode catalyst layer 25 and the other interconnector 26 in two adjacent fuel cells 20 face each other, and are joined to each other via a current collecting member 30. The That is, as shown in FIG. 3, the interconnector 26 located on the left side of each fuel cell 20 is joined to the cathode catalyst layer 25 located on the right side of the adjacent fuel cell 20 via the current collecting member 30. As a result, a plurality of fuel cells 20 arranged in a row are connected in series to form the fuel cell stack 10. In the present embodiment, the fuel cell stack 10 includes a first row of fuel cell stacks 10-1 and a second row of fuel cell stacks 10-2. The current collecting member 30 can be composed of a member having a predetermined shape formed from a metal or alloy having elasticity, or a member obtained by performing a predetermined surface treatment on a felt made of metal fiber or alloy fiber.

上述した構成を備えるホットモジュール1において、水素製造用の原燃料が供給管3から改質器6に、改質用水が供給管52から水気化器50にそれぞれ供給される。改質器6は、水蒸気改質反応により原燃料を改質して、燃料電池20の発電に用いられる水素リッチな改質ガスを生成する。生成された改質ガスは、改質ガス供給管7を介してマニホールド8に供給される。マニホールド8に供給された改質ガスは、各燃料電池20に分配され、各燃料電池20のガス流路22内を上昇する。この過程で、改質ガス中の水素は、アノード支持体21内を透過してアノード触媒層23に到達する。一方、カソード用空気が供給管4からモジュールケース2内に導入される。モジュールケース2内に導入されたカソード用空気は、各燃料電池20に供給され、カソード空気中の酸素がカソード触媒層25に到達する。   In the hot module 1 having the above-described configuration, raw fuel for hydrogen production is supplied from the supply pipe 3 to the reformer 6, and reforming water is supplied from the supply pipe 52 to the water vaporizer 50. The reformer 6 reforms the raw fuel by a steam reforming reaction to generate a hydrogen-rich reformed gas used for power generation of the fuel cell 20. The generated reformed gas is supplied to the manifold 8 via the reformed gas supply pipe 7. The reformed gas supplied to the manifold 8 is distributed to each fuel cell 20 and rises in the gas flow path 22 of each fuel cell 20. In this process, hydrogen in the reformed gas permeates through the anode support 21 and reaches the anode catalyst layer 23. On the other hand, cathode air is introduced into the module case 2 from the supply pipe 4. The cathode air introduced into the module case 2 is supplied to each fuel cell 20, and oxygen in the cathode air reaches the cathode catalyst layer 25.

そして、各燃料電池20の外周側に位置するカソード触媒層25において、下記式(5)で表される電極反応が生起される。カソード触媒層25で生成されたO2−は、電解質層24を透過してアノード触媒層23に到達する。また、燃料電池20の中心側に位置するアノード触媒層23において、下記式(6)で表される電極反応が生起される。これにより、燃料電池20において発電が行われる。
1/2O+2e→O2− (5)
2−+H→HO+2e (6)
In the cathode catalyst layer 25 located on the outer peripheral side of each fuel cell 20, an electrode reaction represented by the following formula (5) occurs. O 2− produced in the cathode catalyst layer 25 permeates the electrolyte layer 24 and reaches the anode catalyst layer 23. Further, an electrode reaction represented by the following formula (6) occurs in the anode catalyst layer 23 located on the center side of the fuel cell 20. Thereby, power generation is performed in the fuel cell 20.
1 / 2O 2 + 2e → O 2− (5)
O 2− + H 2 → H 2 O + 2e (6)

ガス流路22を流通する改質ガスのうち、電極反応に使用されなかった余剰の改質ガスは、アノード支持体21の上端からモジュールケース2内に放出される。この改質ガスは、改質器6および水気化器50と燃料電池スタック10との間に位置する燃焼部において燃焼される。モジュールケース2内には所定の着火手段(図示せず)が設けられており、改質ガスが燃焼部に放出され始めると着火手段が作動して、改質ガスの燃焼が開始される。また、モジュールケース2内に導入されたカソード用空気のうち、電極反応に使用されなかった余剰の空気が改質ガスの燃焼に利用される。モジュールケース2内は、各燃料電池20の発電により発生する熱、および余剰改質ガスの燃焼により発生する熱により、たとえば600℃〜1000℃程度の高温になる。水気化器50および改質器6は、燃料電池20から発生する熱および改質ガスの燃焼により発生する熱を用いて、改質用水の気化および改質反応を実施する。モジュールケース2内での改質ガスの燃焼によって生成された排気ガスは、排気口5からモジュールケース2外に排出される。   Of the reformed gas flowing through the gas flow path 22, surplus reformed gas that has not been used for the electrode reaction is released into the module case 2 from the upper end of the anode support 21. This reformed gas is burned in the combustion section located between the reformer 6 and the water vaporizer 50 and the fuel cell stack 10. Predetermined ignition means (not shown) is provided in the module case 2, and when the reformed gas starts to be released to the combustion section, the ignition means is activated and combustion of the reformed gas is started. Of the cathode air introduced into the module case 2, surplus air that has not been used for the electrode reaction is used for combustion of the reformed gas. The inside of the module case 2 becomes a high temperature of about 600 ° C. to 1000 ° C., for example, due to heat generated by the power generation of each fuel cell 20 and heat generated by combustion of the surplus reformed gas. The water vaporizer 50 and the reformer 6 perform the vaporization and reforming reaction of the reforming water using the heat generated from the fuel cell 20 and the heat generated by the combustion of the reformed gas. The exhaust gas generated by the combustion of the reformed gas in the module case 2 is discharged out of the module case 2 through the exhaust port 5.

続いて、燃料電池20を構成する各部の組成について詳細に説明する。図4は、アノード支持体の一部を拡大して示す模式図である。アノード支持体21は、燃料をガス流路22からアノード触媒層23まで透過させるためにガス透過性を有することが要求される。また、アノード支持体21は、アノード触媒層23で生成される電子をインターコネクタ26に伝達させるために導電性を有することが要求される。   Next, the composition of each part constituting the fuel cell 20 will be described in detail. FIG. 4 is an enlarged schematic view showing a part of the anode support. The anode support 21 is required to have gas permeability in order to permeate fuel from the gas flow path 22 to the anode catalyst layer 23. Further, the anode support 21 is required to have conductivity in order to transmit electrons generated in the anode catalyst layer 23 to the interconnector 26.

そこで、本実施の形態に係るアノード支持体21は、多孔質である基部210を有する。基部210を多孔質とすることで、ガス流路22からアノード触媒層23へ改質ガスを透過させることができる。また、基部210は、Ni金属および酸化Niの少なくとも一方を含む。基部210に含まれるNiは、アノード支持体21や燃料電池20の製造時には酸化Niの状態を取り、所定の還元工程ののちにはほぼNi金属になる。また、燃料電池システム100の駆動前等は粒子表面の一部が酸化された酸化Ni/Ni金属の混合状態をとり、燃料電池システム100の駆動中、還元性の改質ガスが流通している間は、大部分が還元されて実質的にほぼNi金属の状態をとりうる。図4では、Ni金属および酸化Niを区別せずに、ニッケル部212として図示している。基部210がニッケル部212を有することで、アノード支持体21に導電性を付与することができる。   Therefore, the anode support 21 according to the present embodiment has a base 210 that is porous. By making the base 210 porous, the reformed gas can be transmitted from the gas flow path 22 to the anode catalyst layer 23. Further, the base 210 includes at least one of Ni metal and Ni oxide. Ni contained in the base 210 takes the state of Ni oxide during the manufacture of the anode support 21 and the fuel cell 20, and becomes substantially Ni metal after a predetermined reduction process. Further, before driving the fuel cell system 100, a mixed state of oxidized Ni / Ni metal in which a part of the particle surface is oxidized is taken, and reducing reformed gas is circulated while the fuel cell system 100 is driven. In the meantime, most of the metal is reduced and can be substantially in the state of Ni metal. In FIG. 4, Ni metal and Ni oxide are not distinguished from each other and are illustrated as a nickel portion 212. Since the base 210 has the nickel portion 212, conductivity can be imparted to the anode support 21.

基部210は、Ni金属および酸化Niの少なくとも一方(すなわちニッケル部212)と、Y、ジルコニア系複合酸化物およびセリア系複合酸化物からなる群から選択される少なくとも1つの酸化物214との複合体であることが好ましい。すなわち、基部210は、Ni金属および/または酸化Niと多孔質の導電性セラミックとで構成されるニッケルサーメットであることが好ましい。ジルコニア系複合酸化物としては、YSZ、ScSZ(Scandia Stabilized Zirconia)等が例示される。セリア系複合酸化物としては、SDC(Samaria-Doped Ceria)、YDC(Yttria-Doped Ceria)、LDC(La2O3-doped Ceria)、GDC(Gadolinia-doped Ceria)等が例示される。 The base 210 includes at least one of Ni metal and Ni oxide (that is, the nickel portion 212), and at least one oxide 214 selected from the group consisting of Y 2 O 3 , a zirconia-based composite oxide, and a ceria-based composite oxide. It is preferable that the composite is That is, the base 210 is preferably a nickel cermet composed of Ni metal and / or Ni oxide and a porous conductive ceramic. Examples of the zirconia-based composite oxide include YSZ, ScSZ (Scandia Stabilized Zirconia) and the like. Examples of the ceria-based composite oxide include SDC (Samaria-Doped Ceria), YDC (Yttria-Doped Ceria), LDC (La 2 O 3 -doped Ceria), GDC (Gadolinia-doped Ceria), and the like.

アノード支持体21は、好ましくは20%以上、より好ましくは25%〜50%の開気孔率を有する。また、アノード支持体21は、好ましくは100S/cm以上、より好ましくは200S/cm以上の導電率を有する。これらの要件を満たすために、アノード支持体21の作製時において、基部210は、アノード支持体21の全質量に対して酸化Ni換算で、好ましくは40質量%以上、より好ましくは40質量%〜80質量%、さらに好ましくは40質量%〜75質量%のNi原子を含有する。基部210におけるNi原子の含有量を、酸化Ni換算で40質量%以上とすることで、アノード支持体21に所望の導電率をより確実に付与することができる。また、基部210におけるNi原子の含有量を、酸化Ni換算で80質量%以下とすることで、アノード支持体21に所望の開気孔率をより確実に付与することができる。アノード支持体21の寸法は、高さ(上端部から下端部までの長さ)がたとえば7cm〜20cmである。   The anode support 21 preferably has an open porosity of 20% or more, more preferably 25% to 50%. The anode support 21 preferably has a conductivity of 100 S / cm or higher, more preferably 200 S / cm or higher. In order to satisfy these requirements, when the anode support 21 is manufactured, the base 210 is preferably 40% by mass or more, more preferably 40% by mass or more, in terms of Ni oxide, with respect to the total mass of the anode support 21. It contains 80 mass%, more preferably 40 mass% to 75 mass% Ni atoms. By setting the content of Ni atoms in the base 210 to 40 mass% or more in terms of Ni oxide, desired conductivity can be more reliably imparted to the anode support 21. Moreover, a desired open porosity can be more reliably imparted to the anode support 21 by setting the content of Ni atoms in the base 210 to 80% by mass or less in terms of Ni oxide. As for the dimension of the anode support 21, the height (length from the upper end to the lower end) is, for example, 7 cm to 20 cm.

基部210の製造方法としては、酸化ニッケルと酸化物214とを含む複合体組成物を押し出し成形等の手段により支持体形状に加工し、適宜焼成処理を施すことで、所定の寸法および気孔率を有するサーメットを形成する方法が、好ましい例として挙げられる。サーメットは、最終的に全てのセル構成層が形成された後に、燃料電池として使用される前に還元処理が施される。この還元処理は通常、水素ガス、あるいは窒素で希釈した水素ガス等の還元ガス気流下で、燃料電池20または燃料電池スタック10を所定温度まで加熱することで実施される。この還元処理により、基部210に含まれる酸化ニッケルのほぼ全てがNi金属に還元される。   As a manufacturing method of the base 210, a composite composition containing nickel oxide and oxide 214 is processed into a support shape by means of extrusion molding or the like, and subjected to appropriate firing treatment to obtain predetermined dimensions and porosity. A preferred example is a method of forming a cermet having the same. The cermet is subjected to a reduction treatment before it is used as a fuel cell after all cell constituent layers are finally formed. This reduction treatment is usually performed by heating the fuel cell 20 or the fuel cell stack 10 to a predetermined temperature in a reducing gas stream such as hydrogen gas or hydrogen gas diluted with nitrogen. By this reduction treatment, almost all of the nickel oxide contained in the base portion 210 is reduced to Ni metal.

従来、SOFCの動作温度は700℃以上の高温である場合が多かった。これに対し、近年、電解質材料や空気極材料の改良が進み、600℃程度、あるいはそれを下回る低温で動作可能なSOFCが用いられるようになりつつある。しかしながら、燃料電池20の動作温度が低下すると、燃料電池20の発熱を利用して改質器6での改質反応を行うホットモジュール1では改質器6の温度も低下することになる。この場合、熱平衡によりメタン割合の高い改質ガスが生成されてしまうおそれがある。   Conventionally, the operating temperature of SOFC is often a high temperature of 700 ° C. or higher. On the other hand, in recent years, improvements in electrolyte materials and air electrode materials have progressed, and SOFCs capable of operating at a low temperature of about 600 ° C. or lower are being used. However, when the operating temperature of the fuel cell 20 decreases, the temperature of the reformer 6 also decreases in the hot module 1 that performs the reforming reaction in the reformer 6 using the heat generated by the fuel cell 20. In this case, a reformed gas having a high methane ratio may be generated due to thermal equilibrium.

また、C2以上炭化水素を含む原燃料が用いられる場合、改質器6でC2以上炭化水素がC1化学種に転化されずに燃料電池20に供給されるおそれがある(C2以上炭化水素のスリップ発生)。さらに、燃料電池システム100は、ユーザの指示、省エネルギー効果の向上目的、機器のトラブル等の様々な事由により、停止させられることがある。システムの停止工程、およびその後の再起動工程では、従来の高温で動作するSOFCであっても、改質器6が十分に加温されない場合がある。この場合も、上述したメタン濃度増大や、C2以上炭化水素が混入した改質ガスが燃料電池20に供給される状況が生じうる。   Further, when a raw fuel containing C2 or higher hydrocarbons is used, the reformer 6 may cause the C2 or higher hydrocarbons to be supplied to the fuel cell 20 without being converted into C1 chemical species (C2 or higher hydrocarbon slips). Occurrence). Further, the fuel cell system 100 may be stopped due to various reasons such as a user instruction, a purpose of improving the energy saving effect, and a trouble of the device. In the system stop process and the subsequent restart process, the reformer 6 may not be sufficiently heated even with a conventional SOFC operating at a high temperature. Also in this case, the above-described methane concentration increase or a situation where the reformed gas mixed with C2 or more hydrocarbons is supplied to the fuel cell 20 may occur.

とりわけ、システムの停止工程では、燃料電池20の発電を停止させた後、燃料電池20へ改質ガスを供給し続けながら燃料電池20を徐々に冷却することがある。この改質ガスの供給は、アノード支持体21およびアノード触媒層23へ空気が流入し、アノード支持体21が再酸化することを防止する目的で行われる。この場合、燃料電池20の発電の停止後も、数時間にわたって燃料電池20へ改質ガスが供給されることになる。一方、燃料電池20の温度低下に伴って改質器6の温度も低下していく。そのため、改質器6から燃料電池20へ、高濃度のメタンや未改質のC2以上炭化水素化合物が供給されるおそれが高まる。   In particular, in the system stop process, after the power generation of the fuel cell 20 is stopped, the fuel cell 20 may be gradually cooled while the reformed gas is continuously supplied to the fuel cell 20. The reformed gas is supplied for the purpose of preventing air from flowing into the anode support 21 and the anode catalyst layer 23 and re-oxidation of the anode support 21. In this case, the reformed gas is supplied to the fuel cell 20 for several hours even after the power generation of the fuel cell 20 is stopped. On the other hand, as the temperature of the fuel cell 20 decreases, the temperature of the reformer 6 also decreases. For this reason, there is a high possibility that high-concentration methane or unreformed C2 or higher hydrocarbon compound is supplied from the reformer 6 to the fuel cell 20.

高濃度のメタンや、C2以上炭化水素化合物が燃料電池20へ供給された場合、従来のアノード支持体を有する燃料電池システムでは、様々な形態の炭素析出が各所に生じるおそれがあった。このような炭素析出は、たとえばマニホールド、アノード支持体の燃料ガス流れ方向上流部、アノード支持体の細孔内等、あるいはホットモジュールにおける外部の集電構造等により電位が変化する箇所などに生じやすい。   When high-concentration methane or C2 or higher hydrocarbon compounds are supplied to the fuel cell 20, the fuel cell system having the conventional anode support may cause various forms of carbon deposition in various places. Such carbon deposition is likely to occur, for example, in the manifold, the upstream portion of the anode support in the fuel gas flow direction, in the pores of the anode support, or in places where the potential changes due to the external current collecting structure in the hot module. .

炭素析出は、たとえば、C2以上炭化水素を多く含み、低S/Cの改質ガスが燃料電池に供給される場合、あるいは高濃度のメタンを多く含み、低S/Cの改質ガスが供給される場合などに発生する。そして、アノード支持体21の細孔内やNi粒子上等に炭素が析出した場合、これがアノード支持体の寸法膨張をもたらす。アノード支持体が膨張すると、応力変形やクラックが発生するおそれがあった。また、アノード支持体とマニホールドとの接合部を被覆するシール材に応力変形が生じ、クラックや剥離に至るおそれがあった。特に、原燃料が、炭素数2以上の炭化水素化合物を原燃料の総モル量に対して5モル%以上含有する場合には、上述した炭素析出が生じやすい傾向にある。   For example, carbon deposition includes a large amount of hydrocarbons containing C2 or more and low S / C reformed gas is supplied to the fuel cell, or high concentration of methane is included and low S / C reformed gas is supplied. Occurs when it is done. When carbon is deposited in the pores of the anode support 21 or on the Ni particles, this causes dimensional expansion of the anode support. When the anode support is expanded, there is a possibility that stress deformation and cracks may occur. In addition, stress deformation occurs in the sealing material covering the joint between the anode support and the manifold, which may lead to cracking or peeling. In particular, when the raw fuel contains a hydrocarbon compound having 2 or more carbon atoms in an amount of 5 mol% or more based on the total molar amount of the raw fuel, the above-described carbon deposition tends to occur.

アノード触媒層23は、Ni金属および酸化Niの少なくとも一方と、ジルコニア系複合酸化物、セリア系複合酸化物およびLSGMからなる群から選択される少なくとも1つの複合酸化物とで構成される複合体であることが好ましい。具体的には、アノード触媒層23は、Ni/YSZ、Ni/ScSZ、Ni/SDC、Ni/YDC、Ni/LDC、Ni/GDC、Ni/LSGM(La−Sr−Ga−Mg複合酸化物)からなる群から選択される少なくとも1つのサーメットであることが好ましい。アノード触媒層23の層厚は、たとえば0.1μm〜50μmである。   The anode catalyst layer 23 is a composite composed of at least one of Ni metal and Ni oxide and at least one composite oxide selected from the group consisting of zirconia composite oxide, ceria composite oxide, and LSGM. Preferably there is. Specifically, the anode catalyst layer 23 is made of Ni / YSZ, Ni / ScSZ, Ni / SDC, Ni / YDC, Ni / LDC, Ni / GDC, Ni / LSGM (La—Sr—Ga—Mg composite oxide). Preferably, at least one cermet selected from the group consisting of: The layer thickness of the anode catalyst layer 23 is, for example, 0.1 μm to 50 μm.

電解質層24は、電極間の電子伝導やイオン伝導の橋渡しをする電解質として機能するとともに、燃料ガスおよび空気のリークを防止するためのガス遮断層としても機能する。電解質層24は、ジルコニア系複合酸化物、セリア系複合酸化物およびLSGMからなる群から選択される少なくとも1つの複合酸化物を含むことが好ましい。具体的には、電解質層24には、YSZ、ScSZ、SDC、YDC、LDC、GDC、LSGMからなる群から選択される固体電解質が好ましく用いられる。電解質層24の層厚は、たとえば0.2μm〜200μmである。   The electrolyte layer 24 functions as an electrolyte that bridges electron conduction and ion conduction between the electrodes, and also functions as a gas barrier layer for preventing leakage of fuel gas and air. The electrolyte layer 24 preferably includes at least one composite oxide selected from the group consisting of a zirconia composite oxide, a ceria composite oxide, and LSGM. Specifically, a solid electrolyte selected from the group consisting of YSZ, ScSZ, SDC, YDC, LDC, GDC, and LSGM is preferably used for the electrolyte layer 24. The layer thickness of the electrolyte layer 24 is, for example, 0.2 μm to 200 μm.

カソード触媒層25は、いわゆるABO型のペロブスカイト型酸化物で構成される導電性セラミックを用いて形成することができる。カソード触媒層25は、ガス透過性を有することが求められる。そのため、カソード触媒層25の開気孔率は、好ましくは20%以上であり、より好ましくは30%〜50%である。したがって、カソード触媒層25は、LSM(La Sr Mn)、LSC(La Sr Co)、LSCF(La Sr Co Fe)等の複合酸化物を含むことが好ましい。カソード触媒層25の層厚は、たとえば2μm〜200μmである。ただし、カソード触媒層25が集電部材30への電気的接続機能を有する場合、あるいはカソード触媒層25自体が集電機能を有する場合などは、この限りでない。上述したアノード触媒層23、電解質層24および/またはカソード触媒層25の材料によって、600℃程度あるいはそれを下回る温度での燃料電池20の動作が実現されうる。 The cathode catalyst layer 25 can be formed using a conductive ceramic composed of a so-called ABO 3 type perovskite oxide. The cathode catalyst layer 25 is required to have gas permeability. Therefore, the open porosity of the cathode catalyst layer 25 is preferably 20% or more, and more preferably 30% to 50%. Therefore, the cathode catalyst layer 25 preferably contains a composite oxide such as LSM (La Sr Mn), LSC (La Sr Co), or LSCF (La Sr Co Fe). The layer thickness of the cathode catalyst layer 25 is, for example, 2 μm to 200 μm. However, this does not apply when the cathode catalyst layer 25 has a function of electrically connecting to the current collector 30 or when the cathode catalyst layer 25 itself has a function of collecting current. Depending on the materials of the anode catalyst layer 23, the electrolyte layer 24 and / or the cathode catalyst layer 25 described above, the operation of the fuel cell 20 at a temperature of about 600 ° C. or lower can be realized.

アノード触媒層23、電解質層24およびカソード触媒層25は、アノード支持体21に対してこの順に積層される。また、インターコネクタ26がアノード支持体21に焼結される。これにより、燃料電池20が形成される。なお、上述したアノード支持体21の形成過程で、アノード支持体21となる複合体組成物の焼成と同時にアノード触媒層23や電解質層24を複合体組成物に焼結させることで、残留応力の少ない状態でアノード支持体21、アノード触媒層23および電解質層24からなる構造体を形成することができる。   The anode catalyst layer 23, the electrolyte layer 24, and the cathode catalyst layer 25 are laminated on the anode support 21 in this order. Further, the interconnector 26 is sintered to the anode support 21. Thereby, the fuel cell 20 is formed. In the process of forming the anode support 21 described above, by sintering the composite composition to be the anode support 21 and simultaneously sintering the anode catalyst layer 23 and the electrolyte layer 24 to the composite composition, residual stress can be reduced. A structure including the anode support 21, the anode catalyst layer 23, and the electrolyte layer 24 can be formed in a small amount.

(固体酸化物形燃料電池セルの評価方法)
本発明者らは、アノード支持体21に用いられるニッケルサーメットに関して、低S/Cの含炭化水素ガスが曝露される条件におけるアノード支持体21上への炭素蓄積挙動、支持体構造変化やそれに伴う支持体自体のマクロ的な寸法膨張挙動を鋭意検討した結果、炭素析出が起きるメカニズム、炭素析出が起きる際のアノード支持体21の状態・物性変化、寸法膨張が生じる臨界条件、およびその回復条件に関して、以下のような知見を得た。
(Evaluation method of solid oxide fuel cell)
With respect to the nickel cermet used for the anode support 21, the present inventors have found that the carbon accumulation behavior on the anode support 21 under the condition where the low S / C hydrocarbon-containing gas is exposed, the structure change of the support and the accompanying change. As a result of earnestly examining the macroscopic dimensional expansion behavior of the support itself, regarding the mechanism of carbon deposition, the state / physical property change of the anode support 21 when carbon deposition occurs, the critical conditions for dimensional expansion, and the recovery conditions The following findings were obtained.

(1)低S/C、具体的には熱力学平衡的に水蒸気改質反応が完結せずに炭化水素の炭化分解が生じるS/C<1の炭化水素と水蒸気の混合ガスをニッケルサーメットを含むアノード支持体に高温下で曝露させると、アノード支持体中のニッケル粒子上に炭素が析出する。 (1) Low S / C, specifically, a mixed gas of hydrocarbons and steam with S / C <1 in which hydrocarbon reforming of hydrocarbons occurs without complete steam reforming in thermodynamic equilibrium with nickel cermet When exposed to a containing anode support at elevated temperatures, carbon deposits on the nickel particles in the anode support.

(2)炭素析出は、アノード支持体の燃料ガスに接する側の表面から逐次進行し、徐々にニッケルサーメットの空孔を通じて内部まで燃料ガスが拡散することにより、炭素析出部位が内部へ徐々に拡大する。 (2) Carbon deposition proceeds sequentially from the surface of the anode support on the side in contact with the fuel gas, and gradually diffuses into the inside through the pores of the nickel cermet, so that the carbon deposition site gradually expands inside. To do.

(3)炭素析出が進行すると、少なくとも混合ガスに曝露された面においては2次元的に、さらに、アノード支持体の形状によって曝露面が複数ある場合にはアノード支持体全体が3次元的に膨張し、変位計(Dilatometer)により寸法膨張が観測される。このとき、炭素析出部位の厚み(表層からの深さ)が、ある一定値を超えたところから寸法膨張が開始される。 (3) When carbon deposition proceeds, at least the surface exposed to the mixed gas expands two-dimensionally, and if there are a plurality of exposed surfaces depending on the shape of the anode support, the entire anode support expands three-dimensionally. Then, dimensional expansion is observed by a displacement meter (Dilatometer). At this time, dimensional expansion starts when the thickness of the carbon deposition site (depth from the surface layer) exceeds a certain value.

以下に知見(2)、(3)に関連する分析結果を記載する。
NiO(住友金属鉱山、NiO−FP)とYSZ(東ソー、TZ8YS)を体積比40:60で湿式混合し、乾燥した後、600℃、1時間焼成した。得られた粉に架橋ポリメタクリル酸メチル(積水化成品工業)を重量比30%で混合し、乾式粉砕後、静水圧プレス100MPaでペレット状試料を成型した。圧粉体ペレットを大気中1300℃、4時間焼成することでNiO/YSZペレットを作成した。このペレットから約2×2×10mmの直方体サンプルを切り出し、水素中で800℃5時間で還元処理することで、炭化水素曝露試験用Ni/YSZ試料を作成した。還元前のNiO/YSZの空孔度は約17%、還元処理後のNi/YSZ試料の空孔度は約35%であった。
The analysis results related to the findings (2) and (3) are described below.
NiO (Sumitomo Metal Mining, NiO-FP) and YSZ (Tosoh, TZ8YS) were wet-mixed at a volume ratio of 40:60, dried, and then fired at 600 ° C. for 1 hour. Cross-linked polymethyl methacrylate (Sekisui Chemical Co., Ltd.) was mixed with the obtained powder at a weight ratio of 30%, and after dry grinding, a pellet-like sample was molded with an isostatic press of 100 MPa. NiO / YSZ pellets were prepared by firing the green compact pellets at 1300 ° C. for 4 hours in the air. An approximately 2 × 2 × 10 mm rectangular parallelepiped sample was cut out from this pellet and subjected to a reduction treatment in hydrogen at 800 ° C. for 5 hours to prepare a Ni / YSZ sample for a hydrocarbon exposure test. The porosity of NiO / YSZ before the reduction was about 17%, and the porosity of the Ni / YSZ sample after the reduction treatment was about 35%.

炭素析出によるNi/YSZ試料の変形を評価するため、Netzsch社製のDilatometer中で炭化水素曝露試験を実施した。ガスは100cc/min速度で供給した。サンプルの形状変化として直方体の長辺の長さ変化を測定した。Ni/YSZ試料を乾燥5%H/N雰囲気にて5℃/minで昇温し、800℃を保持した。サンプル長さが安定したことを確認した後、1%プロパン/N2ガスの供給を開始し、所定の炭化水素曝露時間(10分、20分、30分、60分、90分、120分)になるようにサンプルを1%プロパン/N2ガスに曝露させた。炭化水素燃料の水蒸気量は、温度制御した水をバブリングすることによって制御した。サンプルの形状変化が大きい場合、変形挙動の終了を待たずに乾燥Nにて燃料をパージした後、降温してサンプルを取り出した。 In order to evaluate the deformation of the Ni / YSZ sample due to carbon deposition, a hydrocarbon exposure test was performed in a Diatomometer manufactured by Netzsch. The gas was supplied at a rate of 100 cc / min. The change in length of the long side of the rectangular parallelepiped was measured as the change in shape of the sample. The Ni / YSZ sample was heated at 5 ° C./min in a dry 5% H 2 / N 2 atmosphere and maintained at 800 ° C. After confirming that the sample length was stable, the supply of 1% propane / N2 gas was started, and at a predetermined hydrocarbon exposure time (10 minutes, 20 minutes, 30 minutes, 60 minutes, 90 minutes, 120 minutes) The samples were exposed to 1% propane / N2 gas so that The amount of water vapor in the hydrocarbon fuel was controlled by bubbling temperature-controlled water. When the change in the shape of the sample was large, the fuel was purged with dry N 2 without waiting for the end of the deformation behavior, and then the temperature was lowered and the sample was taken out.

取り出したサンプルを、Dilatometer設置時に最もガス曝露を受けやすいサンプル表面を含む断面で切断した。得られた切断面に対して、SEM−EDXでNi、Zr、Cそれぞれの元素濃度(カウント数)を表層からの距離ごとに測定し、各元素の強度比と、元のサンプルの元素組成を掛け合わせ、各元素濃度を算出した。図5は、アノード支持体の表面からの深さ(距離)に対する炭素元素濃度を質量%で示したグラフである。   The sample taken out was cut at a cross-section including the sample surface that was most susceptible to gas exposure when the Dilatometer was installed. With respect to the obtained cut surface, each element concentration (count number) of Ni, Zr, and C was measured for each distance from the surface layer by SEM-EDX, and the intensity ratio of each element and the elemental composition of the original sample were determined. Each element concentration was calculated by multiplication. FIG. 5 is a graph showing the carbon element concentration with respect to the depth (distance) from the surface of the anode support in mass%.

図6は、所定の炭素濃度(この場合1質量%)以上となるアノード支持体の表面からの最深深さ(距離)を「炭素析出厚み」と定義し、曝露時間に対して整理したグラフである。図6に示すように、炭素析出厚みは、曝露時間が10分まではほぼゼロとなり、その後に増大することが見いだされた。また、サンプル長軸に対する膨張率も、炭素析出厚みに相関して増大する。図7は、炭素析出厚みに対する膨張率の変化を示すグラフである。図7に示すように、一定の炭素析出厚み(以下D_allowと表記)以上(この場合、約60μm)で膨張が開始されることが明らかにされた。種々の組成で形成されたアノード支持体についてD_allowを調べた。この結果を表1に示す。

Figure 2015179622
FIG. 6 is a graph in which the deepest depth (distance) from the surface of the anode support that is a predetermined carbon concentration (1% by mass in this case) or more is defined as “carbon deposition thickness” and is arranged with respect to the exposure time. is there. As shown in FIG. 6, the carbon deposition thickness was found to be nearly zero until the exposure time was 10 minutes and then increased. In addition, the coefficient of expansion relative to the sample major axis also increases in correlation with the carbon deposition thickness. FIG. 7 is a graph showing changes in expansion coefficient with respect to carbon deposition thickness. As shown in FIG. 7, it was clarified that the expansion starts when the carbon deposition thickness is constant (hereinafter referred to as D_allow) or more (in this case, about 60 μm). D_allow was investigated for anode supports formed with various compositions. The results are shown in Table 1.
Figure 2015179622

石英窓付き加熱炉に上述したNi/YSZ試料から切り出したサンプルをセットし、赤外線ランプにて400℃に加熱しながら、ガス雰囲気をNから希釈プロパンガス(S/C=0.1)に切替えた。CCDカメラで画像処理による寸法膨張率測定および目視による電解質面でのクラック発生本数計測を実施した。図8は、サンプルの膨張率と目視されたクラック数との関係を示すグラフである。図8に示すように、膨張率0.2%まではクラック観測されなかったが、0.2〜0.4%の間で4つのサンプルのいずれにもクラックが発生した。
(4)このような炭化水素曝露による寸法膨張は支持体Niサーメット部位に選択的に起こり、隣接する電解質等の層には生じないため、支持体/電解質で応力(電解質に対して伸張応力)が発生し、この応力がある臨界点を超えると電解質層の破壊(クラック)が発生する。
The sample cut from the Ni / YSZ sample described above is set in a heating furnace with a quartz window, and the gas atmosphere is changed from N 2 to diluted propane gas (S / C = 0.1) while heating to 400 ° C. with an infrared lamp. Switched. A dimensional expansion coefficient was measured by image processing with a CCD camera, and the number of cracks on the electrolyte surface was visually measured. FIG. 8 is a graph showing the relationship between the expansion rate of the sample and the number of cracks visually observed. As shown in FIG. 8, cracks were not observed up to an expansion rate of 0.2%, but cracks occurred in any of the four samples between 0.2 and 0.4%.
(4) Since dimensional expansion due to such hydrocarbon exposure occurs selectively in the support Ni cermet site and not in adjacent layers such as electrolyte, stress in the support / electrolyte (extension stress with respect to the electrolyte) When this stress exceeds a certain critical point, the electrolyte layer is broken (cracked).

(5)炭素析出が一旦生じた支持体を、熱力学的に水蒸気改質や析出炭素の除去が優勢になるS/C>1のガスに曝露させると、条件によっては析出炭素の一部が除去される。ただし、炭素析出によって支持体の寸法膨張が起きていた場合、寸法に関しては曝露前まで完全には復元しない。 (5) When the support on which carbon deposition has once occurred is exposed to a gas of S / C> 1 in which steam reforming and removal of the precipitated carbon are predominantly thermodynamically, a part of the deposited carbon may be depending on conditions. Removed. However, when dimensional expansion of the support occurs due to carbon deposition, the dimensions are not completely restored until before exposure.

上記知見(1)、(2)、(3)からわかったことは、アノード支持体表面から深さ方向の炭素析出状態を何らかの方法で観察すれば、支持体の寸法膨張が未然あるいは微小であってもその度合いを定量化できることである。また上記知見(3)からは「炭素析出しても寸法膨張に至らない許容値D_allow」が存在することになり、寸法変化に至らずとも、炭素析出量に応じた、潜在的破壊リスクを予測することが可能になった。すなわち、炭素析出量のアノード支持体表面からの深さ方向のプロファイルが燃料電池システムにおける、炭素析出による破壊の進行度または炭素析出による破壊に至るまでの潜在的リスクに関する良い評価指標となることを見いだした。   From the above findings (1), (2), and (3), it was found that if the carbon deposition state in the depth direction from the surface of the anode support was observed by some method, the dimensional expansion of the support was in advance or very small. But the degree can be quantified. In addition, from the above knowledge (3), there is a “allowable value D_allow that does not lead to dimensional expansion even when carbon is deposited”, and the potential destruction risk is predicted according to the amount of deposited carbon even if dimensional change does not occur. It became possible to do. That is, the depth profile of the amount of carbon deposition from the anode support surface is a good evaluation index regarding the degree of progress of destruction due to carbon deposition or the potential risk until the destruction due to carbon deposition in the fuel cell system. I found it.

上記知見(1)、(4)から、燃料電池の運転条件あるいは運転履歴から、炭素析出がどの程度進行したかを予測することができる。たとえば改質器の温度低下、改質水ポンプの出力低下などから、炭素析出に関する破壊進行あるいは破壊リスクの上昇が生じたかを、前述の評価指標に照らして自己診断することができる。   From the above findings (1) and (4), it is possible to predict how much carbon deposition has progressed from the operating conditions or operating history of the fuel cell. For example, it is possible to make a self-diagnosis in light of the above-mentioned evaluation index to determine whether the progress of destruction related to carbon deposition or an increase in the risk of destruction has occurred due to a decrease in the temperature of the reformer, a decrease in the output of the reforming water pump, or the like.

さらに、上記知見(5)からは、炭素析出したもののまだ破壊には至らない領域において、析出炭素を除去し、一旦高まった破壊リスクを下げるための復帰方法が見いだされる。   Furthermore, from the above knowledge (5), in the region where carbon is deposited but not yet destroyed, a recovery method is found to remove the deposited carbon and reduce the risk of destruction once increased.

これらの燃料電池セルの評価方法、自己診断方法、復帰方法を合わせることで、燃料電池セルスタックへの炭素析出による破壊リスクを正しく把握し、適宜復帰操作をかけることで破壊を回避、ひいては燃料電池システムの信頼性や長期耐久性を高めることが可能になることが見いだされた。   By combining these fuel cell evaluation methods, self-diagnosis methods, and return methods, the risk of destruction due to carbon deposition on the fuel cell stack can be correctly grasped, and the return operation can be performed appropriately to avoid destruction, and in turn fuel cells. It has been found that the reliability and long-term durability of the system can be increased.

上記知見に基づいて考案された、本実施の形態の固体酸化物形燃料電池セルの評価方法について説明する。当該評価方法では、ガス流路に面するアノード支持体の表面近傍の炭素濃度に基づいて、固体酸化物形燃料電池セルの性能が評価される。   A method for evaluating the solid oxide fuel cell according to the present embodiment devised based on the above knowledge will be described. In the evaluation method, the performance of the solid oxide fuel cell is evaluated based on the carbon concentration near the surface of the anode support facing the gas flow path.

図9は、固体酸化物形燃料電池セルの評価方法のある態様を示すフローチャートである。図9に示すように、まず、ガス流路に面するアノード支持体の表面近傍の炭素濃度に関する情報として、炭素濃度が基準濃度C以上となる、ガス流路に面するアノード支持体の最表面からの深さD(上述した、最深深さまたは炭素析出厚みに該当)を取得する(S10)。なお、「アノード支持体の最表面からの深さ」は、アノード支持体の最表面の法線方向における最表面からの距離で定められる。基準濃度Cは、通常、アノード支持体に対する炭素の重量比で100ppm〜10%の範囲で定められる。   FIG. 9 is a flowchart showing an aspect of a method for evaluating a solid oxide fuel cell. As shown in FIG. 9, first, as the information on the carbon concentration near the surface of the anode support facing the gas flow path, the outermost surface of the anode support facing the gas flow path where the carbon concentration is equal to or higher than the reference concentration C. Depth D (corresponding to the aforementioned deepest depth or carbon deposition thickness) is acquired (S10). The “depth from the outermost surface of the anode support” is determined by the distance from the outermost surface in the normal direction of the outermost surface of the anode support. The reference concentration C is usually determined in the range of 100 ppm to 10% by weight ratio of carbon to the anode support.

アノード支持体の表面近傍の炭素濃度の取得方法としては、二次イオン質量分析(SIMS)、X線光電子分光分析(XPS/ESCA)、オージェ電子分光分析(AES)などの深さ方向分析法や、SEM/EDXによる試料断面の元素分析法などが挙げられる。これらの分析は、通常、アノード支持体から取り出されたサンプル片に対して行われる。   Depth direction analysis methods such as secondary ion mass spectrometry (SIMS), X-ray photoelectron spectroscopy (XPS / ESCA), Auger electron spectroscopy (AES), etc. And elemental analysis of the sample cross section by SEM / EDX. These analyzes are usually performed on sample pieces taken from the anode support.

取得された深さDと所定の基準深さDとを比較することにより、固体酸化物形燃料電池セルが評価される。具体的には、取得された距離Dが基準深さD未満の場合には、S20のyesに進み、炭素析出によるセル破壊のおそれがないと判定される(S30)。一方、取得された距離Dが基準深さD以上である場合には、S20のnoに進み、炭素析出によるセル破壊のおそれがあると判定される(S40)。なお、基準深さDは、通常1〜200μmの範囲で定められ、取得された距離Dが基準深さD以上である場合には、セルの性能を回復するための何らかの処理を施す必要があると判断することができる。 By comparing the depth D obtained with a predetermined reference depth D 0, a solid oxide fuel cell is evaluated. Specifically, when the acquired distance D is less than the reference depth D 0 , the process proceeds to yes of S20, and it is determined that there is no possibility of cell destruction due to carbon deposition (S30). On the other hand, if the obtained distance D is the reference depth D 0 or more, the process proceeds to no in S20, it is determined that there is a possibility of cell destruction by carbon deposition (S40). Note that the reference depth D 0 is usually determined in the range of 1 to 200 μm, and if the acquired distance D is equal to or greater than the reference depth D 0, it is necessary to perform some processing for restoring the cell performance. It can be judged that there is.

なお、Dは前出の炭素析出しても寸法膨張に至らない許容値D_allowに基づいて決定され、D_allowと同一値を用いても良いが、上述のような支持体サンプルに対する物性評価結果と実際の燃料電池システムに対する実証試験結果とを対比させることにより、何らかの安全係数Nをかけて用いても良い。
=D_allow×N
この場合の安全係数Nは通常0.2から5、好ましくは0.5から3の範囲である。Nが上記範囲に該当せず、著しく1から乖離した値となる場合には、支持体物性試験結果が実際の燃料電池システムを反映していないことになり、試験条件の妥当性と言う観点から好ましくない。こうした場合には、実際のシステムに近い炭化水素種、温度やS/C範囲を用いて、再度物性情報を取得し、Nが前記範囲内に収まるようにすることが好ましい。
Note that D 0 is determined based on the allowable value D_allow that does not lead to dimensional expansion even when carbon is deposited as described above, and the same value as D_allow may be used. It may be used with some safety factor N by comparing with the actual test results for the fuel cell system.
D 0 = D_allow × N
The safety factor N in this case is usually in the range of 0.2 to 5, preferably 0.5 to 3. If N does not fall within the above range and is a value significantly deviating from 1, the result of the physical property test of the support does not reflect the actual fuel cell system, and from the viewpoint of the validity of the test conditions. It is not preferable. In such a case, it is preferable to acquire physical property information again using hydrocarbon species close to the actual system, temperature, and S / C range so that N is within the above range.

(固体酸化物形燃料電池システムの制御方法)
上述した燃料電池セルの評価方法に関連して実施される固体酸化物形燃料電池システムの制御方法について以下に説明する。
(Control method of solid oxide fuel cell system)
A control method of the solid oxide fuel cell system implemented in relation to the above-described fuel cell evaluation method will be described below.

制御部200は、アノード支持体の表面の炭素濃度の指標となる、深さDが基準深さD以上にならないように、起動条件、発電運転条件、停止条件のうちの少なくとも1つを制御する。起動条件は、燃料電池システムの起動開始後から燃料電池セルの温度が所定温度(たとえば、600℃)になり、発電を開始するまでの起動時に設定される運転条件をいう。発電運転条件とは、上記起動時の経過後、発電を停止するとともに、供給する燃料の量を減少させ始めるまでの発電運転時に設定される運転条件をいう。また、停止条件は、発電停止後、燃料電池システムが完全に停止するまでの停止時に設定される運転条件をいう。 Controller 200 is indicative of the carbon concentration in the surface of the anode support, as the depth D does not become higher than the reference depth D 0, start condition, the power generation operation conditions, at least one control of the stop condition To do. The start condition refers to an operation condition set at start-up until the temperature of the fuel cell reaches a predetermined temperature (for example, 600 ° C.) after the start of start of the fuel cell system and power generation is started. The power generation operation condition is an operation condition set at the time of the power generation operation until the power generation is stopped and the amount of fuel to be supplied is started to be reduced after the startup. The stop condition refers to an operation condition that is set when the fuel cell system stops completely after power generation stops.

(起動条件制御)
起動条件制御では、発電開始までに燃料電池セルへ供給する燃料ガスに含まれる炭化水素の炭素モル数に対する水蒸気モル比率(S/C値)を通常運転時(たとえば、2.2〜2.5)よりも高く設定する。
(Startup condition control)
In the starting condition control, the water vapor molar ratio (S / C value) with respect to the number of moles of hydrocarbons contained in the fuel gas supplied to the fuel cell before the start of power generation is determined during normal operation (eg, 2.2 to 2.5 ) Is set higher.

(発電運転条件制御)
発電運転時のいずれかの時点おいて、アノード支持体への炭素蓄積量が基準値より増加したと判断された場合に、炭化水素燃料の炭素モル数に対する水蒸気モル比率(S/C値)を所定時間だけ通常運転時(たとえば、2.2〜2.5)よりも上昇させて蓄積炭素の除去制御を行う。
(Power generation operating condition control)
When it is determined that the amount of carbon accumulated on the anode support has increased from the reference value at any time during the power generation operation, the water vapor molar ratio (S / C value) to the number of moles of hydrocarbon fuel is calculated. Accumulated carbon removal control is performed for a predetermined time period higher than that during normal operation (eg, 2.2 to 2.5).

アノード支持体への炭素蓄積量が基準値より増加したと判断される例としては、燃料ガスの改質のための水蒸気供給量の低下、あるいは炭化水素原料供給量の上昇、あるいは水蒸気改質反応器の温度低下の程度が所定の基準値を超えた場合が挙げられる。   Examples of the case where the carbon accumulation amount on the anode support is judged to have increased from the reference value include a decrease in the steam supply amount for fuel gas reforming, an increase in the hydrocarbon feed rate, or a steam reforming reaction. A case where the degree of temperature drop of the vessel exceeds a predetermined reference value can be mentioned.

(停止条件制御)
停止条件制御では、燃料電池セルへの燃料ガスの供給を継続し、かつ、燃料電池セルへ供給する燃料ガスの供給炭化水素燃料の炭素モル数に対する水蒸気モル比率(S/C値)を通常運転時(たとえば、2.2〜2.5)よりも高く設定する。
(Stop condition control)
In the stop condition control, the fuel gas is continuously supplied to the fuel cells, and the water vapor molar ratio (S / C value) to the number of moles of hydrocarbon fuel supplied to the fuel cells is normally operated. Set higher than time (for example, 2.2 to 2.5).

以上説明したように、本実施の形態によれば、固体酸化物形燃料電池用のアノード支持体について、炭素析出機構に基づくセル評価を適切に行うことができる。また、炭素析出機構に関する知見を生かし、原燃料がC2以上炭化水素を5モル%以上含有する場合であっても、炭素析出に起因するアノード支持体の膨張破壊を効果的に抑制することができる。   As described above, according to the present embodiment, cell evaluation based on the carbon deposition mechanism can be appropriately performed on the anode support for a solid oxide fuel cell. Further, by making use of the knowledge about the carbon deposition mechanism, even when the raw fuel contains C2 or more and 5 mol% or more of hydrocarbons, the expansion failure of the anode support due to the carbon deposition can be effectively suppressed. .

本発明は、上述した実施の形態に限定されるものではなく、当業者の知識に基づいて各種の設計変更等の変形を加えることも可能であり、そのような変形が加えられた実施の形態も本発明の範囲に含まれうるものである。   The present invention is not limited to the above-described embodiments, and various modifications such as design changes can be added based on the knowledge of those skilled in the art. Embodiments to which such modifications are added Can also be included in the scope of the present invention.

以下、本発明の実施例を説明するが、これら実施例は、本発明を好適に説明するための例示に過ぎず、なんら本発明を限定するものではない。   Examples of the present invention will be described below. However, these examples are merely examples for suitably explaining the present invention, and do not limit the present invention.

(参考例1)
50%Ni/YSZで形成されたアノード支持体、Ni/YSZで形成されたアノード触媒層、YSZで形成された電解質層、LSCF(La0.6Sr0.4Co0.2Fe0.83−δで形成されたカソード触媒層が積層された積層体を有する円筒平板型の燃料電池セルを用いた。燃料ガスとして、70%H/20%HO/15%CO/10%CO/5%CHという組成のベースガスを含む水蒸気改質ガスをアノード触媒層に供給し、酸化剤ガスとして空気をカソード触媒層に供給した。通常運転時において、セル温度を670℃とし、燃料ガス利用率を75%、酸化剤ガス利用率を40%とした。停止時において、セル温度が350℃未満になるまで、水蒸気改質ガスを導入した。また、起動時、発電時、停止時ともにS/C比を2.2とした。起動時間3h、通常運転時間8h、停止時間約6h、インターバル約7hを1サイクルとし、200サイクルの耐久試験を実施した。なお、1回目のサイクルの停止後に、セルの一部を抜き出して、炭素析出厚みを測定した。具体的には、円筒平板型セルを高さ方向に対して垂直に切り出し、燃料ガス流路から深さ方向の炭素濃度分布をEDXで測定した。測定された炭素析出厚み(SEM/EDXによる基準濃度1%)は4μmであった。
(Reference Example 1)
Anode support made of 50% Ni / YSZ, anode catalyst layer made of Ni / YSZ, electrolyte layer made of YSZ, LSCF (La 0.6 Sr 0.4 Co 0.2 Fe 0.8 A cylindrical flat plate type fuel cell having a laminate in which a cathode catalyst layer formed of O 3−δ was used was used as a fuel gas, 70% H 2 /20% H 2 O / 15% CO 2 / A steam reformed gas containing a base gas having a composition of 10% CO / 5% CH 4 was supplied to the anode catalyst layer, and air was supplied as an oxidant gas to the cathode catalyst layer at a cell temperature of 670 ° C. during normal operation. The fuel gas utilization rate was 75% and the oxidant gas utilization rate was 40% .At the time of shutdown, steam reformed gas was introduced until the cell temperature became less than 350 ° C. When stopped The S / C ratio was set to 2.2, and a 200 cycle endurance test was conducted with a start time of 3 h, normal operation time of 8 h, stop time of about 6 h, and an interval of about 7 h as one cycle. After the cell was stopped, a part of the cell was extracted, and the carbon deposition thickness was measured.Specifically, the cylindrical flat plate cell was cut out perpendicular to the height direction, and the carbon concentration in the depth direction from the fuel gas flow path was measured. The distribution was measured by EDX, and the measured carbon deposition thickness (standard concentration 1% by SEM / EDX) was 4 μm.

(比較例1)
炭素析出によってアノード支持体がダメージを受けた状態を意図的に作り出すために、停止時において、発電停止とともに強制的に改質水ポンプを停止させた状態で、原料ガスであるプロパン(濃度:1%)のみを30分間にわたり燃料電池セルに供給した。具体的には、原料ガスとしてのプロパンについて、改質器をバイパスした後、改質器出口の下流側で燃料ガス供給ラインに戻すことにより燃料電池セルに直接的に導入した。停止時に、プロパンのみをセルに供給したことを除いて、参考例1と同条件にて、比較例1のセルに対して200サイクルの耐久試験を実施した。1回目のサイクルの停止後に測定された炭素析出厚み(基準濃度1%)は、38μmであった。
(Comparative Example 1)
In order to intentionally create a state in which the anode support is damaged due to carbon deposition, propane (concentration: 1) is used in the state in which the reforming water pump is forcibly stopped at the same time as power generation is stopped. %) Was fed to the fuel cell over 30 minutes. Specifically, propane as a raw material gas was directly introduced into the fuel cell by bypassing the reformer and then returning to the fuel gas supply line on the downstream side of the reformer outlet. A 200 cycle endurance test was performed on the cell of Comparative Example 1 under the same conditions as Reference Example 1 except that only propane was supplied to the cell at the time of stopping. The carbon deposition thickness (reference concentration 1%) measured after stopping the first cycle was 38 μm.

(実施例1)
比較例1と同様に、停止時にプロパンのみを燃料電池セルに供給して停止した後、2回目の起動時における水蒸気改質工程において30分間にわたり、S/C比を3.5として回復運転を実施した。これ以外の条件を参考例1と同条件として、実施例1のセルに対して200サイクルの耐久試験を実施した。1回目のサイクルの停止後に測定された炭素析出厚み(基準濃度1%)は、36μmであったが、2回目のサイクル停止後の炭素析出厚み(基準濃度1%)は7μmまで減少していた。
Example 1
Similarly to Comparative Example 1, after stopping only by supplying propane to the fuel cell at the time of stoppage, the recovery operation was performed with an S / C ratio of 3.5 over 30 minutes in the steam reforming process at the second start-up time. Carried out. The other conditions were the same as those in Reference Example 1, and a 200-cycle durability test was performed on the cell of Example 1. The carbon deposition thickness (reference concentration 1%) measured after the stop of the first cycle was 36 μm, but the carbon deposition thickness (reference concentration 1%) after the second cycle stop was reduced to 7 μm. .

(実施例2)
比較例1と同様に、停止時にプロパンのみを燃料電池セルに供給した。実施例2では、2回目のサイクル以降の起動時において、30分間にわたり、S/C比を3として回復運転を実施した。これ以外の条件を参考例1と同条件として、実施例1のセルに対して200サイクルの耐久試験を実施した。1回目のサイクルの停止後に測定された炭素析出厚み(基準濃度1%)は、47μmであった。
(Example 2)
As in Comparative Example 1, only propane was supplied to the fuel cell when stopped. In Example 2, the recovery operation was performed with an S / C ratio of 3 over 30 minutes at the start-up after the second cycle. The other conditions were the same as those in Reference Example 1, and a 200-cycle durability test was performed on the cell of Example 1. The carbon deposition thickness (reference concentration 1%) measured after stopping the first cycle was 47 μm.

図10は、上記のように耐久試験が実施された参考例1、比較例1、実施例1、2の各燃料電池セルについて、試験開始前の出力電圧を基準として、出力電圧の相対値の変化を示すグラフである。試験開始前の出力電圧からの電圧低下率が10%を超えるまでを寿命と定義した場合、比較例1では、寿命が10サイクル程度であった。比較例1では、炭素析出量が起動停止に伴って蓄積し、応力限界を超えたところで電解質層にクラックが発生し、燃料ガスリークに伴うアノード支持体の再酸化などによって大幅に電圧低下が生じ、やがて発電不能となることが確認された。   FIG. 10 shows the relative value of the output voltage for each fuel cell of Reference Example 1, Comparative Example 1, and Examples 1 and 2 in which the durability test was performed as described above, based on the output voltage before the start of the test. It is a graph which shows a change. When it was defined as the life until the voltage drop rate from the output voltage before the start of the test exceeded 10%, in Comparative Example 1, the life was about 10 cycles. In Comparative Example 1, the amount of deposited carbon accumulates with the start and stop, cracks occur in the electrolyte layer when the stress limit is exceeded, and the voltage drops significantly due to reoxidation of the anode support accompanying fuel gas leakage, It was confirmed that power generation would eventually become impossible.

これに対して、停止時に比較例1に比べてS/C比を大きく設定した実施例1、起動時に比較例1に比べてS/C比を大きく設定した実施例2では、比較例1のような顕著な電圧低下が認められず、停止時にプロパンを供給していない参考例1と同様に、寿命が200サイクルを超えることが確認された。   On the other hand, in Example 1 in which the S / C ratio was set larger than that in Comparative Example 1 when stopped, and in Example 2 in which the S / C ratio was set larger than that in Comparative Example 1 at start-up, Comparative Example 1 Such a remarkable voltage drop was not recognized, and it was confirmed that the life exceeded 200 cycles as in Reference Example 1 in which propane was not supplied at the time of stoppage.

(参考例2)
起動時、発電時、停止時ともにS/C比を2.5としたことを除き、参考例1と同様な条件にて10サイクルの耐久試験を実施した。1回目のサイクルの停止後に測定された炭素析出厚み(基準濃度1%)は、3μmであった。
(Reference Example 2)
A 10-cycle endurance test was performed under the same conditions as in Reference Example 1 except that the S / C ratio was set to 2.5 during startup, during power generation, and during shutdown. The carbon deposition thickness (reference concentration 1%) measured after stopping the first cycle was 3 μm.

(比較例2)
比較例2では、通常運転時に、プロパン(濃度:1%)のみを30分間にわたり燃料電池セルに供給した。これ以外の条件を参考例2と同条件として、比較例2のセルに対して10サイクルの耐久試験を実施した。1回目のサイクルの停止後に測定された炭素析出厚み(基準濃度1%)は、78μmであった。
(Comparative Example 2)
In Comparative Example 2, during normal operation, only propane (concentration: 1%) was supplied to the fuel cell for 30 minutes. The other conditions were the same as in Reference Example 2, and a 10-cycle durability test was performed on the cell of Comparative Example 2. The carbon deposition thickness (reference concentration 1%) measured after stopping the first cycle was 78 μm.

(実施例3)
比較例2と同様に、通常運転時に、プロパンのみを燃料電池セルに供給した後、30分間にわたり、S/C比を5として回復運転を実施した。これ以外の条件を参考例2と同条件として、実施例1のセルに対して10サイクルの耐久試験を実施した。1回目のサイクルの停止後に測定された炭素析出厚み(基準濃度1%)は、16.5μmであった。
(Example 3)
Similarly to Comparative Example 2, during the normal operation, after supplying only propane to the fuel cell, the recovery operation was carried out with an S / C ratio of 5 over 30 minutes. The other conditions were the same as in Reference Example 2, and a 10-cycle durability test was performed on the cell of Example 1. The carbon deposition thickness (reference concentration 1%) measured after stopping the first cycle was 16.5 μm.

図11は、上記のように耐久試験が実施された参考例2、比較例2、実施例3の各燃料電池セルについて、試験開始前の出力電圧を基準として、出力電圧の相対値の変化を示すグラフである。   FIG. 11 shows the change in the relative value of the output voltage for each fuel cell of Reference Example 2, Comparative Example 2, and Example 3 where the durability test was performed as described above, with reference to the output voltage before the start of the test. It is a graph to show.

比較例2では、2回目のサイクルにおいて、出力電圧が試験開始前の値から23%程度低下し、寿命が1サイクルであった。これに対して、実施例3では、通常運転時にプロパンのみを供給していない参考例2と同様に、寿命が10サイクル以上になることが確認された。   In Comparative Example 2, in the second cycle, the output voltage decreased by about 23% from the value before the start of the test, and the lifetime was one cycle. On the other hand, in Example 3, it was confirmed that the lifetime was 10 cycles or more, as in Reference Example 2 in which only propane was not supplied during normal operation.

6 改質器、 20 燃料電池、 21 アノード支持体、 23 アノード触媒層、 24 電解質層、 25 カソード触媒層、 100 燃料電池システム、 210 基部、212 ニッケル部、214 酸化物 6 reformer, 20 fuel cell, 21 anode support, 23 anode catalyst layer, 24 electrolyte layer, 25 cathode catalyst layer, 100 fuel cell system, 210 base, 212 nickel part, 214 oxide

Claims (11)

ニッケル金属を含む多孔質材料で形成され、燃料ガスが流通するガス流路を有するアノード支持体と、前記アノード支持体の上に形成された、燃料極層、固体酸化物電解質層および空気極層が積層された積層体と、を含む固体酸化物形燃料電池セルの評価方法であって、
前記ガス流路に面する前記アノード支持体の表面近傍の炭素濃度に基づいて、前記固体酸化物形燃料電池セルを評価することを特徴とする固体酸化物形燃料電池セルの評価方法。
An anode support formed of a porous material containing nickel metal and having a gas flow path through which fuel gas flows, and a fuel electrode layer, a solid oxide electrolyte layer, and an air electrode layer formed on the anode support A method for evaluating a solid oxide fuel cell comprising:
A method for evaluating a solid oxide fuel cell, wherein the solid oxide fuel cell is evaluated based on a carbon concentration in the vicinity of the surface of the anode support facing the gas flow path.
炭素濃度が所定の基準濃度以上となる、前記ガス流路に面する前記アノード支持体の最表面からの深さを取得し、前記深さを所定の基準深さと比較することにより、前記固体酸化物形燃料電池セルを評価する請求項1に記載の固体酸化物形燃料電池セルの評価方法。   Obtaining the depth from the outermost surface of the anode support facing the gas flow path where the carbon concentration is equal to or higher than a predetermined reference concentration, and comparing the depth with a predetermined reference depth, the solid oxidation 2. The method for evaluating a solid oxide fuel cell according to claim 1, wherein the physical fuel cell is evaluated. 前記深さが所定の基準深さ以上である場合に、前記固体酸化物形燃料電池セルの性能を回復するための処理が必要と判断することを特徴とする請求項2に記載の固体酸化物形燃料電池セルの評価方法。   3. The solid oxide according to claim 2, wherein when the depth is equal to or greater than a predetermined reference depth, it is determined that a process for recovering the performance of the solid oxide fuel cell is necessary. Of evaluating fuel cell. 前記基準深さが1〜200μmの範囲である請求項3に記載の固体酸化物形燃料電池セルの評価方法。   The method for evaluating a solid oxide fuel cell according to claim 3, wherein the reference depth is in the range of 1 to 200 μm. 前記炭素濃度の前記基準濃度が、前記アノード支持体に対する重量比が100ppm〜10%の範囲である請求項1乃至4のいずれか1項に記載の固体酸化物形燃料電池セルの評価方法。   5. The method for evaluating a solid oxide fuel cell according to claim 1, wherein the reference concentration of the carbon concentration is in a range of 100 ppm to 10% by weight with respect to the anode support. 前記アノード支持体がニッケルサーメットを含む請求項1乃至5のいずれか1項に記載の固体酸化物形燃料電池セルの評価方法。   The method for evaluating a solid oxide fuel cell according to any one of claims 1 to 5, wherein the anode support includes nickel cermet. 前記アノード支持体の作製時において、前記アノード支持体の全質量に対する酸化Ni含有率が40質量%以上である請求項6に記載の固体酸化物形燃料電池セルの評価方法。   The method for evaluating a solid oxide fuel cell according to claim 6, wherein the Ni oxide content is 40% by mass or more based on the total mass of the anode support when the anode support is manufactured. 改質反応により水素リッチな燃料ガスを生成する改質器と、
ニッケル金属を含む多孔質材料で形成され、前記燃料ガスが流通するガス経路を有するアノード支持体と、前記支持体の上に形成され、燃料極層、固体酸化物電解質層および空気極層が積層された積層体と、を含み、前記改質器から供給される燃料ガスと空気とを反応させて発電する固体酸化物形燃料電池セルと、
前記アノード支持体の表面の炭素濃度が所定の基準濃度以上になる最表面からの深さが所定の基準深さ以上にならないように、発電開始までの起動条件、発電中の発電運転条件、発電停止後の停止条件のうちの少なくとも1つを制御する制御部と、
を備えることを特徴とする固体酸化物形燃料電池システム。
A reformer that generates hydrogen-rich fuel gas through a reforming reaction;
An anode support formed of a porous material containing nickel metal and having a gas path through which the fuel gas flows, and a fuel electrode layer, a solid oxide electrolyte layer, and an air electrode layer formed on the support are laminated. A solid oxide fuel cell that generates electric power by reacting fuel gas supplied from the reformer and air,
In order to prevent the depth from the outermost surface where the carbon concentration of the surface of the anode support becomes equal to or higher than a predetermined reference concentration from exceeding the predetermined reference depth, the start conditions until the start of power generation, the power generation operation conditions during power generation, A control unit that controls at least one of the stop conditions after the stop;
A solid oxide fuel cell system comprising:
前記制御部は、前記起動条件として、前記燃料電池セルへ供給する燃料ガスの供給炭化水素燃料の炭素モル数に対する水蒸気モル比率(S/C値)を通常運転時よりも高く設定する請求項8に記載の固体酸化物形燃料電池システム。   The said control part sets the water vapor | steam molar ratio (S / C value) with respect to the carbon mole number of the supply hydrocarbon fuel of the fuel gas supplied to the said fuel cell as a said starting condition higher than the time of normal operation. 2. A solid oxide fuel cell system according to 1. 前記制御部は、発電運転時のいずれかの時点において、アノード支持体への炭素蓄積量が増加したと判断された場合に、炭化水素燃料の炭素モル数に対する水蒸気モル比率(S/C値)を所定時間だけ上昇させて蓄積炭素の除去制御を行う請求項8または9に記載の固体酸化物形燃料電池システム。   When it is determined that the amount of carbon stored in the anode support has increased at any point during the power generation operation, the control unit determines the water vapor mole ratio (S / C value) relative to the number of moles of hydrocarbon fuel. The solid oxide fuel cell system according to claim 8 or 9, wherein the control for removing the accumulated carbon is performed by raising the value for a predetermined time. 前記制御部は、前記停止条件として、発電停止後にも前記燃料電池セルへの燃料ガスの供給を継続し、かつ、その際の供給炭化水素燃料の炭素モル数に対する水蒸気モル比率(S/C値)を通常運転時よりも高く設定する請求項8乃至9に記載の固体酸化物形燃料電池システム。   The control unit continues the supply of the fuel gas to the fuel cell after the power generation is stopped as the stop condition, and the water vapor molar ratio (S / C value to the number of carbon moles of the supplied hydrocarbon fuel at that time ) Is set higher than that during normal operation. 10. The solid oxide fuel cell system according to claim 8, wherein:
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