JP2016054146A - Solid oxide fuel battery system - Google Patents

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Megumi Shimazu
めぐみ 島津
小林 千尋
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千尋 小林
明 石黒
Akira Ishiguro
明 石黒
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光伸 塩野
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a solid oxide fuel battery system arranged so that damage to a fuel battery cell can be sufficiently suppressed even in the event of an emergency stop.SOLUTION: A solid oxide fuel battery system comprises: a fuel battery module containing fuel battery cells each having a solid electrolyte, a fuel electrode including a cermet of Ni and ceramic, and an air electrode; a fuel-supply device; a reformer; a water-supply device; an oxygen-supply device; and a controller. After having forcibly stopped the supply of fuel, water and oxygen in the course of a power-generating operation, the size (L) of the fuel electrode when a temperature in the module is 500°C, and the size (L) of the fuel electrode when the temperature is 400°C and an oxygen partial pressure of the air electrode is larger than 10atm satisfy the following condition: (1-L/L)×100≤0.45%.SELECTED DRAWING: Figure 1

Description

本発明は、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 system.

固体酸化物形燃料電池(Solid Oxide Fuel Cell:以下「SOFC」とも言う)は、固体電解質として酸化物イオン導電性固体電解質を用いる。固体電解質の一方の側に空気極が形成され、空気極に酸素(空気、酸素等)が供給される。固体電解質の他方の側に燃料極が形成され、燃料極に燃料ガスが供給される。   A solid oxide fuel cell (hereinafter also referred to as “SOFC”) uses an oxide ion conductive solid electrolyte as a solid electrolyte. An air electrode is formed on one side of the solid electrolyte, and oxygen (air, oxygen, etc.) is supplied to the air electrode. A fuel electrode is formed on the other side of the solid electrolyte, and fuel gas is supplied to the fuel electrode.

固体酸化物形燃料電池システムは、一般的に、例えば500℃以上1000℃以下の高温条件において、燃料極に燃料ガス、空気極に酸素を供給することにより、発電運転する。このような燃料電池システムにおいて、停電などの緊急停止が起きた場合、燃料電池モジュール内への燃料ガスおよび空気の供給が短時間で停止される。そして、例えば空気極などから進入した空気が高温状態にある燃料極に接触して燃料極が酸化され、燃料極に膨張などが生じて、燃料電池セルが破損してしまうおそれがあることが知られている。   In general, a solid oxide fuel cell system performs a power generation operation by supplying fuel gas to a fuel electrode and oxygen to an air electrode under a high temperature condition of, for example, 500 ° C. or more and 1000 ° C. or less. In such a fuel cell system, when an emergency stop such as a power failure occurs, the supply of fuel gas and air into the fuel cell module is stopped in a short time. Then, for example, it is known that the air that has entered from the air electrode or the like contacts the fuel electrode that is in a high temperature state, and the fuel electrode is oxidized, causing expansion or the like in the fuel electrode, which may damage the fuel cell. It has been.

特開2012−190630号公報(特許文献1)には、緊急停止時において、燃料電池セルの破損や性能低下を抑制するために、溜め手段に改質燃料ガスを溜めておき、異常停止状態になると、空気が燃料極流入口に到達する前に水素を水蒸気に含有させることで、燃料極の酸化を抑えることが記載されている。   Japanese Patent Laid-Open No. 2012-190630 (Patent Document 1) discloses that, in an emergency stop, reformed fuel gas is stored in a storage means in order to suppress damage of the fuel cell and performance degradation, and an abnormal stop state is entered. Then, it is described that the oxidation of the fuel electrode is suppressed by adding hydrogen to water vapor before the air reaches the fuel electrode inlet.

特開2012−190630号公報JP 2012-190630 A

本発明においては、固体酸化物形燃料電池システムの緊急停止時において、燃料ガス等の供給が止まり、例えば燃料ガス流路の出口側開口部から燃料極内に酸素が流入した場合であっても、固体電解質にクラックが生じたり、セルが破損したりする不具合が発生して出力性能が低下することを抑制できる燃料電池システムを提供することを目的とする。   In the present invention, at the time of an emergency stop of the solid oxide fuel cell system, the supply of fuel gas or the like is stopped, for example, even when oxygen flows into the fuel electrode from the opening on the outlet side of the fuel gas flow path. An object of the present invention is to provide a fuel cell system capable of suppressing a decrease in output performance due to a problem that a crack occurs in a solid electrolyte or a cell is damaged.

この課題について、図8を用いて具体的に説明する。図8は、緊急停止後の空気極の酸素分圧および燃料電池モジュール内の温度の時間変化の一例を示すグラフである。図8では、緊急停止が時間t=0で起きたとして、その後の空気極の酸素分圧および固体酸化物形燃料電池モジュールの温度の変化を示している。図8において、実線は空気極の酸素分圧を示し、破線は固体酸化物形燃料電池モジュール内の温度を示す。   This problem will be specifically described with reference to FIG. FIG. 8 is a graph showing an example of the temporal change in the oxygen partial pressure of the air electrode and the temperature in the fuel cell module after an emergency stop. FIG. 8 shows changes in the oxygen partial pressure of the air electrode and the temperature of the solid oxide fuel cell module thereafter, assuming that an emergency stop occurs at time t = 0. In FIG. 8, the solid line indicates the oxygen partial pressure of the air electrode, and the broken line indicates the temperature in the solid oxide fuel cell module.

なお、空気極の酸素分圧は例えば、下記手順で求めることができる。
空気極の酸素分圧pO2caは、ネルンストの式(式1)から求めることができる。式1において、pO2caは空気極の酸素分圧、pO2anは燃料極の酸素分圧、Eは燃料電池モジュールの電圧、Tは燃料電池モジュール内の温度、Rは気体定数、Fはファラデー定数である。燃料電池モジュールの電圧Eと燃料電池モジュール内の温度Tは実測値、気体定数Rとファラデー定数Fは既知の値を用いることができる。
E=−RT(ln(pO2an)−ln(pO2ca))/4F ・・式1
燃料電池モジュールの通常の運転停止時においては、空気極に空気を供給し空気極の酸素分圧pO2caを大気圧(0.21atm)と同じになるように制御している。式1より通常の運転停止時の温度での燃料極の酸素分圧pO2anを算出できる。
一方、緊急停止時には、空気極に空気を供給することができない。そこで、式1に上記方法により求めた燃料極の酸素分圧pO2anと、実測した燃料電池モジュール電圧E、燃料電池モジュール内の温度Tと、気体定数R、ファラデー定数Fを代入し、緊急停止時において、空気極に空気を供給していないときの空気極の酸素分圧pO2ca’を算出することができる。
The oxygen partial pressure of the air electrode can be obtained, for example, by the following procedure.
The oxygen partial pressure p O2ca of the air electrode can be obtained from the Nernst equation (Equation 1). In Formula 1, p O2ca oxygen partial pressure of the air electrode, p O2an oxygen partial pressure of the fuel electrode, E is the voltage of the fuel cell module, T is the temperature in the fuel cell module, R represents gas constant, F is Faraday's constant It is. Measured values can be used for the voltage E of the fuel cell module and the temperature T in the fuel cell module, and known values can be used for the gas constant R and the Faraday constant F.
E = -RT (ln ( pO2an ) -ln ( pO2ca )) / 4F .. Formula 1
When the normal operation of the fuel cell module is stopped, air is supplied to the air electrode and the oxygen partial pressure pO2ca of the air electrode is controlled to be equal to the atmospheric pressure (0.21 atm). From Equation 1, the oxygen partial pressure pO2an of the fuel electrode at the temperature at the time of normal operation stop can be calculated.
On the other hand, air cannot be supplied to the air electrode during an emergency stop. Therefore, the oxygen partial pressure pO2an of the fuel electrode obtained by the above method, the actually measured fuel cell module voltage E, the temperature T in the fuel cell module, the gas constant R, and the Faraday constant F are substituted into Equation 1 to perform an emergency stop. At this time, the oxygen partial pressure p O2ca ′ of the air electrode when no air is supplied to the air electrode can be calculated.

緊急停止直後、燃料ガス、酸素及び水の供給は止まっているが、改質器内には水および微量の燃料ガスが残留している。この水が蒸発することにより、固体酸化物形燃料電池セルの燃料極に水蒸気と微量の燃料ガスとの混合ガスが供給される。この時、空気極は空気の供給が停止しているため、燃料極は空気極に比べて圧力が高くなる。そのため、燃料極側に供給された水蒸気と微量の燃料ガスとの混合ガスの一部が溢れ出して、空気極側にも供給され、空気極側の酸素分圧pO2caが低下する。(図8中の工程1) Immediately after the emergency stop, the supply of fuel gas, oxygen and water is stopped, but water and a small amount of fuel gas remain in the reformer. As the water evaporates, a mixed gas of water vapor and a small amount of fuel gas is supplied to the fuel electrode of the solid oxide fuel cell. At this time, since the supply of air to the air electrode is stopped, the pressure of the fuel electrode is higher than that of the air electrode. Therefore, a part of the mixed gas of water vapor and a small amount of fuel gas supplied to the fuel electrode side overflows and is also supplied to the air electrode side, and the oxygen partial pressure pO2ca on the air electrode side decreases. (Step 1 in FIG. 8)

その後、改質器内に残存していた水が全て蒸発し、燃料極への水蒸気と燃料ガスの供給が止まる。これと同時に、燃料電池モジュール内の温度は少しずつ低下する。燃料電池モジュール及びこれに収容された複数の燃料電池セルは極めて熱容量が大きいため、緊急停止後、温度は極めて緩やかに安定的に低下する。これに伴い、燃料電池セルの燃料極や、改質器内に滞留している気体の温度も少しずつ安定的に低下して、気体の体積が収縮し始める。燃料電池モジュール内に滞留している気体が収縮することにより、燃料電池セルの燃料極の圧力も少しずつ安定的に時間をかけて低下する。ここで、緊急停止後においては、燃料電池モジュール内は熱容量が大きいことから各燃料電池セルは均熱化されているため、燃料極の圧力低下は、全ての燃料電池セルについてほぼ同時に、同程度に安定的に発生する。燃料極と同様に、空気極でも燃料電池モジュール内の気体の収縮に伴い外気を取り込むので、空気極の酸素分圧pO2caは時間とともに上昇する。(図8中の工程2) Thereafter, all the water remaining in the reformer evaporates, and the supply of water vapor and fuel gas to the fuel electrode is stopped. At the same time, the temperature in the fuel cell module gradually decreases. Since the fuel cell module and the plurality of fuel cells accommodated in the fuel cell module have an extremely large heat capacity, the temperature decreases very slowly and stably after an emergency stop. Along with this, the temperature of the fuel electrode of the fuel battery cell and the gas staying in the reformer gradually decreases gradually, and the gas volume starts to shrink. When the gas staying in the fuel cell module contracts, the pressure of the fuel electrode of the fuel cell also decreases gradually and stably over time. Here, after the emergency stop, since the fuel cell module has a large heat capacity, each fuel cell is soaked, so the pressure drop of the fuel electrode is almost the same for all the fuel cells. Occurs stably. Similar to the fuel electrode, the air electrode also takes in outside air as the gas in the fuel cell module contracts, so the oxygen partial pressure p O2ca of the air electrode increases with time. (Step 2 in FIG. 8)

外気の取り込みに伴う空気極の酸素分圧pO2caの上昇および各燃料極の温度低下に伴い、全ての燃料電池セルの燃料極に、空気極から少しずつ酸素が同タイミングで同量安定的に流入し始める。この酸素の流入によりNiとセラミックスとのサーメットを含む燃料極の酸化が起こる。燃料電池モジュール内の温度が高温の状態では、空気極の酸素分圧が低いので、空気極から燃料極に進入する酸素の量は少ない。そのため、緊急停止後であって燃料電池モジュール内の温度がまだ高温の場合においては、燃料極の酸化はほとんど問題にならない。実際は、燃料電池モジュール内の温度が500℃以下で燃料極の酸化が起こると考えられるが、燃料電池モジュール内の温度が400℃より高温の状態では、図8に示すように、空気極の酸素分圧pO2caが依然として低いため燃料極の酸化は進行しにくい。燃料電池モジュール内の温度が400℃近傍であって、空気極側の酸素分圧pO2caが10−5atmよりも大きい場合において、燃料極の酸化が最も深刻であることを本発明者らは突き止めた。そこで、緊急停止後においては、燃料電池モジュール内の温度が400℃であって空気極側の酸素分圧pO2caが所定値よりも大きいときの燃料極の酸化の状態を制御することで、セルの損傷を抑制できることを突き止めた。(図8中の工程3) As the oxygen partial pressure pO2ca of the air electrode increases due to the intake of outside air and the temperature of each fuel electrode decreases, oxygen is gradually supplied from the air electrode to the fuel electrode of all the fuel cells little by little at the same timing. Start to flow. This inflow of oxygen causes oxidation of the fuel electrode including the cermet of Ni and ceramics. When the temperature in the fuel cell module is high, the oxygen partial pressure of the air electrode is low, so that the amount of oxygen entering the fuel electrode from the air electrode is small. For this reason, when the temperature inside the fuel cell module is still high after an emergency stop, the oxidation of the fuel electrode is hardly a problem. Actually, it is considered that the oxidation of the fuel electrode occurs when the temperature in the fuel cell module is 500 ° C. or lower. However, when the temperature in the fuel cell module is higher than 400 ° C., as shown in FIG. Since the partial pressure pO2ca is still low, the oxidation of the fuel electrode hardly proceeds. When the temperature in the fuel cell module is around 400 ° C. and the oxygen partial pressure pO2ca on the air electrode side is larger than 10 −5 atm, the present inventors have found that the oxidation of the fuel electrode is the most serious. I found it. Therefore, after the emergency stop, the cell is controlled by controlling the oxidation state of the fuel electrode when the temperature in the fuel cell module is 400 ° C. and the oxygen partial pressure p O2ca on the air electrode side is larger than a predetermined value. I found out that I could suppress the damage. (Step 3 in FIG. 8)

一般に、燃料極が酸化されると、燃料極は膨張することが知られている。例えば、起動時にコーキングが生じると、燃料極が酸化されて膨張する。また、運転停止後まもなく、燃料等の供給を停止するシャットダウン停止した後であり、電解質が活性である一方で燃料極が活性を失っている状態において、燃料極が酸素イオンによって酸化される電気化学的酸化によっても、燃料極が酸化されて膨張することを発明者らは突き止めた。さらに、緊急停止時には、外気から取り込まれた空気と、高温状態の燃料極とが接することでも燃料極が酸化され膨張する。このように、燃料極に多くの膨張が蓄積されると、例えば、隣接する固体電解質に引張応力が発生して固体電解質にクラックが生じる。
ところが、燃料極がNiとセラミックスとのサーメットを含む場合、燃料電池モジュール内の温度が500℃以下においては、燃料極は、酸化により、膨張ではなく収縮するという驚くべき現象を発見した。発電運転中に停電などによって燃料や空気の供給が突然遮断された場合、燃料電池モジュール内温度の低下に伴い、燃料電池モジュール内に外気が取り込まれ、燃料電池モジュール内の空気極側の酸素分圧pO2caが上昇する。すると、燃料極の酸化反応が生じやすい温度領域において、酸素分圧pO2caが所定値以上、例えば10−5atmに大きくなることで、燃料極の酸化が進行する。この酸化により燃料極が収縮することを見出した。この収縮により、起動時のコーキング等による膨張を相殺することができ、運転開始前からの燃料極の寸法変化量を小さくすることができる。一方で、この収縮が大き過ぎて膨張量を超えて収縮してしまうと、固体電解質に圧縮応力が発生し固体電解質にクラックが生じてしまう。この現象は、燃料極ではなく支持体がNiとセラミックスとのサーメットを含み、この支持体を燃料極と接して設けた場合でも同様に発生する。具体的には、燃料電池モジュール内温度の低下に伴い、燃料電池モジュール内に外気が取り込まれて燃料電池モジュール内の空気極側の酸素分圧pO2caが10−5atm以上に上昇すると、支持体の酸化反応が生じやすい温度領域において、支持体の酸化が進行する。この酸化により支持体が収縮しすぎると、固体電解質に圧縮応力が発生し固体電解質にクラックが生じてしまう。
Generally, it is known that when the fuel electrode is oxidized, the fuel electrode expands. For example, when coking occurs during startup, the fuel electrode is oxidized and expands. In addition, shortly after the shutdown, after the shutdown to stop the supply of fuel, etc., in the state where the electrolyte is active while the fuel electrode is inactive, the fuel electrode is oxidized by oxygen ions. The inventors have found that the fuel electrode is also oxidized and expands due to mechanical oxidation. Furthermore, at the time of an emergency stop, the fuel electrode is oxidized and expanded by the contact between the air taken in from the outside air and the high temperature fuel electrode. As described above, when a large amount of expansion is accumulated in the fuel electrode, for example, tensile stress is generated in the adjacent solid electrolyte, and a crack is generated in the solid electrolyte.
However, when the fuel electrode includes a cermet of Ni and ceramics, a surprising phenomenon has been found that when the temperature in the fuel cell module is 500 ° C. or lower, the fuel electrode shrinks rather than expands due to oxidation. If the supply of fuel or air is suddenly interrupted due to a power failure during power generation operation, external air is taken into the fuel cell module as the temperature inside the fuel cell module decreases, and the oxygen content on the air electrode side inside the fuel cell module The pressure p O2ca increases. Then, in the temperature range where the oxidation reaction of the fuel electrode is likely to occur, the oxygen partial pressure pO2ca increases to a predetermined value or more, for example, 10 −5 atm, so that the oxidation of the fuel electrode proceeds. It has been found that the fuel electrode contracts due to this oxidation. By this contraction, expansion due to coking at the time of start-up can be offset, and the dimensional change amount of the fuel electrode from before the start of operation can be reduced. On the other hand, if this contraction is too large and contracts beyond the amount of expansion, compressive stress is generated in the solid electrolyte, and cracks are generated in the solid electrolyte. This phenomenon occurs in the same manner even when the support, not the fuel electrode, includes a cermet of Ni and ceramics, and this support is provided in contact with the fuel electrode. Specifically, as the temperature inside the fuel cell module decreases, outside air is taken into the fuel cell module and the oxygen partial pressure pO2ca on the air electrode side in the fuel cell module rises to 10 −5 atm or higher. Oxidation of the support proceeds in a temperature range where the body oxidation reaction is likely to occur. If the support contracts too much due to this oxidation, a compressive stress is generated in the solid electrolyte, and a crack occurs in the solid electrolyte.

本発明においては、緊急停止した場合であっても、燃料電池セルに損傷が生じることを抑制できる固体酸化物形燃料電池システムを提供することを目的としている。   An object of the present invention is to provide a solid oxide fuel cell system that can prevent damage to fuel cells even when an emergency stop occurs.

上述した課題を解決するために、水素と酸素を反応させることにより発電する固体酸化物形燃料電池システムであって、固体酸化物形燃料電池システムは、固体電解質とNiとセラミックスとのサーメットを含む燃料極と空気極とを有してなる燃料電池セルを収容する燃料電池モジュールと、燃料電池モジュールに燃料を供給する燃料供給装置と、燃料供給装置により供給された燃料を水蒸気改質して水素を生成し、生成された水素を燃料極に供給する改質器と、改質器に水蒸気改質用の水を供給する水供給装置と、燃料電池モジュールに酸素を供給する酸素供給装置と、燃料供給装置、水供給装置、及び酸素供給装置を制御すると共に、燃料電池モジュールからの電力の取り出しを制御するコントローラと、を有している。燃料電池システムの発電運転中に燃料供給装置、水供給装置、及び、酸素供給装置が強制的に停止された後において、燃料電池モジュール内の温度が500℃のときの燃料極の寸法(L500)と、燃料電池モジュール内の温度が400℃であり、空気極の酸素分圧が10−5atmより大きいときの、燃料極の寸法(L400)と、が、(1−L400/L500)×100≦0.45%となる。
また、水素と酸素を反応させることにより発電する固体酸化物形燃料電池システムであって、固体酸化物形燃料電池システムは、燃料極と接して設けられ固体電解質と燃料極と空気極とNiとセラミックスとのサーメットを含む支持体とを有してなる燃料電池セルを収容する燃料電池モジュールと、燃料電池モジュールに燃料を供給する燃料供給装置と、燃料供給装置により供給された燃料を水蒸気改質して水素を生成し、生成された水素を燃料極に供給する改質器と、改質器に水蒸気改質用の水を供給する水供給装置と、燃料電池モジュールに酸素を供給する酸素供給装置と、燃料供給装置、水供給装置、及び酸素供給装置を制御すると共に、燃料電池モジュールからの電力の取り出しを制御するコントローラと、を有している。燃料電池システムの発電運転中に燃料供給装置、水供給装置、及び、酸素供給装置が強制的に停止された後において、燃料電池モジュール内の温度が500℃のときの支持体の寸法(L500)と、燃料電池モジュール内の温度が400℃であり、空気極の酸素分圧が10−5atmより大きいときの、支持体の寸法(L400)と、が、(1−L400/L500)×100≦0.45%となる。
In order to solve the above-described problem, a solid oxide fuel cell system that generates power by reacting hydrogen and oxygen, the solid oxide fuel cell system includes a cermet of a solid electrolyte, Ni, and ceramics A fuel cell module containing a fuel cell having a fuel electrode and an air electrode, a fuel supply device for supplying fuel to the fuel cell module, and steam reforming the fuel supplied by the fuel supply device to hydrogen A reformer that supplies the generated hydrogen to the fuel electrode, a water supply device that supplies water for steam reforming to the reformer, an oxygen supply device that supplies oxygen to the fuel cell module, A controller that controls the fuel supply device, the water supply device, and the oxygen supply device, and that controls the extraction of electric power from the fuel cell module. After the fuel supply device, water supply device, and oxygen supply device are forcibly stopped during the power generation operation of the fuel cell system, the dimensions of the fuel electrode when the temperature inside the fuel cell module is 500 ° C. (L 500 ) And the fuel electrode dimensions (L 400 ) when the temperature inside the fuel cell module is 400 ° C. and the oxygen partial pressure of the air electrode is greater than 10 −5 atm is (1−L 400 / L 500 ) × 100 ≦ 0.45%.
A solid oxide fuel cell system that generates electricity by reacting hydrogen and oxygen, the solid oxide fuel cell system being provided in contact with a fuel electrode, a solid electrolyte, a fuel electrode, an air electrode, and Ni A fuel cell module containing a fuel cell having a support including a cermet with ceramics, a fuel supply device for supplying fuel to the fuel cell module, and steam reforming the fuel supplied by the fuel supply device A reformer that supplies hydrogen to the fuel electrode, a water supply device that supplies water for steam reforming to the reformer, and an oxygen supply that supplies oxygen to the fuel cell module And a controller that controls the fuel supply device, the water supply device, and the oxygen supply device, and controls the extraction of electric power from the fuel cell module. After the fuel supply device, the water supply device, and the oxygen supply device are forcibly stopped during the power generation operation of the fuel cell system, the dimensions of the support when the temperature inside the fuel cell module is 500 ° C. (L 500 ) And the dimension (L 400 ) of the support when the temperature inside the fuel cell module is 400 ° C. and the oxygen partial pressure of the air electrode is greater than 10 −5 atm is (1−L 400 / L 500 ) × 100 ≦ 0.45%.

本発明では、燃料電池システムの発電運転中に燃料供給装置、水供給装置、及び、酸素供給装置が強制的に停止された(以降、緊急停止という)後において、燃料電池モジュール内の温度が400℃であり、酸素分圧が10−5atmより大きいときの、Niとセラミックスとのサーメットを含む燃料極及び/または支持体の寸法L400が、発電運転時の燃料極及び/または支持体の寸法に対して収縮し、その収縮量が所定範囲内に小さくなるようにしている。よって、固体電解質過剰な圧縮応力が生じることを抑制でき、固体電解質にクラックやセル破損が生じるのを抑制することができる。 In the present invention, after the fuel supply device, the water supply device, and the oxygen supply device are forcibly stopped during the power generation operation of the fuel cell system (hereinafter referred to as an emergency stop), the temperature in the fuel cell module is 400. When the oxygen partial pressure is greater than 10 −5 atm, the dimension L 400 of the fuel electrode and / or the support including the cermet of Ni and ceramics is It shrinks with respect to the dimensions, and the amount of shrinkage is reduced within a predetermined range. Therefore, it is possible to suppress the occurrence of excessive compressive stress in the solid electrolyte, and it is possible to suppress the occurrence of cracks and cell breakage in the solid electrolyte.

本発明の固体酸化物形燃料電池システムによれば、緊急停止が行われたとしても、燃料電池セルに損傷が生じることを十分に抑制することができる。   According to the solid oxide fuel cell system of the present invention, it is possible to sufficiently suppress the fuel cell from being damaged even if an emergency stop is performed.

本発明の一実施形態による燃料電池システムを示す全体構成図である。1 is an overall configuration diagram showing a fuel cell system according to an embodiment of the present invention. 本発明の一実施形態による燃料電池システムの燃料電池モジュールを示す正面断面図である。It is a front sectional view showing a fuel cell module of a fuel cell system by one embodiment of the present invention. 図2のIII-III線に沿った断面図である。FIG. 3 is a cross-sectional view taken along line III-III in FIG. 2. 本発明の一実施形態による燃料電池システムの燃料電池セルユニットを示す(a)部分断面図及び(b)横断面図である。It is (a) partial sectional view and (b) transverse sectional view showing a fuel cell unit of a fuel cell system by one embodiment of the present invention. 本発明の一実施形態による燃料電池モジュール内の温度と燃料電池セルの寸法の関係を示す図である。It is a figure which shows the relationship between the temperature in the fuel cell module by one Embodiment of this invention, and the dimension of a fuel cell. 本発明の一実施形態による燃料電池システムの燃料電池セルスタックを示す斜視図である。1 is a perspective view showing a fuel cell stack of a fuel cell system according to an embodiment of the present invention. 本発明の一実施形態による燃料電池システムを示すブロック図である。1 is a block diagram showing a fuel cell system according to an embodiment of the present invention. 緊急停止後の空気極の酸素分圧および燃料電池モジュールの温度の時間変化を示す図である。It is a figure which shows the time change of the oxygen partial pressure of the air electrode after an emergency stop, and the temperature of a fuel cell module. No.2で得られた固体酸化物形燃料電池セルの支持体の走査型電子顕微鏡画像である。No. 2 is a scanning electron microscope image of a support of a solid oxide fuel cell obtained in 2. 図9を画像処理した図である。FIG. 10 is a diagram obtained by performing image processing on FIG. 9.

定義
本発明において、「緊急停止」とは、固体酸化物形燃料電池システムの発電運転中に、例えば、停電や水ポンプ故障などにより、燃料電池モジュールからの電力の取り出し、燃料電池モジュールへの燃料ガス、水、空気の供給が突然停止される、停止状態を指す。すなわち、緊急停止時には、燃料電池モジュール内の温度Tが発電運転中の高温状態(例えば500℃以上1000℃以下)において、燃料ガス、水、空気の供給が制御されないまま強制的に停止される。
Definition In the present invention, “emergency stop” means that during power generation operation of a solid oxide fuel cell system, for example, power is taken out from the fuel cell module due to a power failure or a water pump failure, and the fuel to the fuel cell module is This refers to a stopped state in which the supply of gas, water, and air is suddenly stopped. That is, at the time of emergency stop, in the high temperature state (for example, 500 ° C. or more and 1000 ° C. or less) during the power generation operation, the fuel cell module is forcibly stopped without being supplied with fuel gas, water, and air.

固体酸化物形燃料電池システム
図1〜図4を参照しつつ、本発明の固体酸化物形燃料電池システムについて説明する。
図1は、本発明の一実施形態による固体酸物形燃料電池(SOFC)システムを示す全体構成図である。図2は、本発明の一実施形態による固体酸化物形燃料電池(SOFC)の燃料電池モジュールを示す側面断面図であり、図3は、図2のIII-III線に沿って断面図である。図4(a)は、本発明の一実施形態による固体酸化物形燃料電池(SOFC)システムの燃料電池セルユニットを示す部分断面図である。図4(b)は、燃料電池セルユニットの部分横断面図である。
Solid Oxide Fuel Cell System The solid oxide fuel cell system of the present invention will be described with reference to FIGS.
FIG. 1 is an overall configuration diagram showing a solid acid fuel cell (SOFC) system according to an embodiment of the present invention. FIG. 2 is a side sectional view showing a solid oxide fuel cell (SOFC) fuel cell module according to an embodiment of the present invention, and FIG. 3 is a sectional view taken along line III-III in FIG. . FIG. 4A is a partial cross-sectional view showing a fuel cell unit of a solid oxide fuel cell (SOFC) system according to an embodiment of the present invention. FIG. 4B is a partial cross-sectional view of the fuel cell unit.

本発明にかかる固体酸化物形燃料電池システム1は、水素と酸素を反応させることにより発電する。図1に示すように、固体酸化物形燃料電池システム1は、燃料電池モジュール2と、燃料供給装置38と、改質器20と、水供給装置28と、酸素供給装置44、45と、コントローラ110と、を有している。燃料電池モジュール2は、内側電極層90と固体電解質94と外側電極層92とを有する燃料電池セル12、14、16を収容している。内側電極層90は、例えば、燃料極であり、外側電極層92は、例えば、空気極である。以降、内側電極層90が燃料極であり、外側電極層92が空気極である燃料電池モジュール2を例にとって説明する。燃料極は、Niとセラミックスとのサーメットを含む。
燃料供給装置38は、燃料電池モジュール2に燃料を供給する。改質器20は、燃料供給装置38により供給された燃料を水蒸気改質して水素を生成し、生成された水素を燃料極90に供給する。水供給装置28は、改質器20に水蒸気改質用の水を供給する。酸素供給装置44、45は、燃料電池モジュール2に酸素を供給する。コントローラ110は、燃料供給装置38、水供給装置28、及び酸素供給装置44、45を制御すると共に、燃料電池モジュール2からの電力の取り出しを制御する。あるいは、燃料電池セル12、14、16は、支持体を有し、支持体と燃料極とを接して設け、支持体が、Niとセラミックスとのサーメットを含むようにしてもよい。
本発明においては、燃料電池システム1の発電運転中に燃料供給装置38、水供給装置28、及び、酸素供給装置44、45が強制的に停止された後であって、燃料電池モジュール内2の温度Tが500℃のときの燃料極90及び/または支持体の寸法(L500)と、燃料電池モジュール2内の温度Tが400℃であり、空気極92の酸素分圧pO2caが10−5atmより大きいときの、燃料極90及び/または支持体の寸法(L400)と、が、(1−L400/L500)×100≦0.45%である。
The solid oxide fuel cell system 1 according to the present invention generates power by reacting hydrogen and oxygen. As shown in FIG. 1, the solid oxide fuel cell system 1 includes a fuel cell module 2, a fuel supply device 38, a reformer 20, a water supply device 28, oxygen supply devices 44 and 45, and a controller. 110. The fuel cell module 2 accommodates fuel cells 12, 14, 16 having an inner electrode layer 90, a solid electrolyte 94, and an outer electrode layer 92. The inner electrode layer 90 is, for example, a fuel electrode, and the outer electrode layer 92 is, for example, an air electrode. Hereinafter, the fuel cell module 2 in which the inner electrode layer 90 is a fuel electrode and the outer electrode layer 92 is an air electrode will be described as an example. The fuel electrode includes a cermet of Ni and ceramics.
The fuel supply device 38 supplies fuel to the fuel cell module 2. The reformer 20 steam reforms the fuel supplied from the fuel supply device 38 to generate hydrogen, and supplies the generated hydrogen to the fuel electrode 90. The water supply device 28 supplies water for steam reforming to the reformer 20. The oxygen supply devices 44 and 45 supply oxygen to the fuel cell module 2. The controller 110 controls the fuel supply device 38, the water supply device 28, and the oxygen supply devices 44 and 45, and also controls the extraction of electric power from the fuel cell module 2. Alternatively, the fuel cells 12, 14, and 16 may have a support, and the support and the fuel electrode may be provided in contact with each other so that the support includes a cermet of Ni and ceramics.
In the present invention, after the fuel supply device 38, the water supply device 28, and the oxygen supply devices 44 and 45 are forcibly stopped during the power generation operation of the fuel cell system 1, The dimensions (L 500 ) of the fuel electrode 90 and / or the support when the temperature T is 500 ° C., the temperature T in the fuel cell module 2 is 400 ° C., and the oxygen partial pressure p O2ca of the air electrode 92 is 10 The dimension (L 400 ) of the fuel electrode 90 and / or the support when it is greater than 5 atm is (1−L 400 / L 500 ) × 100 ≦ 0.45%.

ここで、(1−L400/L500)×100は、燃料極90及び/または支持体の酸化収縮率Lrである。燃料極90の酸化収縮率Lrを0.45%以下に小さくすることにより、発電運転時の燃料極90の寸法に対する収縮量を所定範囲以下に小さくすることができ、固体電解質94のクラックおよびセル破損を防止することができる。さらに好ましくは、燃料極90の酸化収縮率Lr(1−L400/L500)×100は、0.35%以下である。 Here, (1-L 400 / L 500 ) × 100 is the oxidation contraction rate Lr of the fuel electrode 90 and / or the support. By reducing the oxidation shrinkage ratio Lr of the fuel electrode 90 to 0.45% or less, the amount of shrinkage with respect to the dimensions of the fuel electrode 90 during power generation operation can be reduced to a predetermined range or less, and cracks and cells in the solid electrolyte 94 Breakage can be prevented. More preferably, the oxidation shrinkage ratio Lr (1-L 400 / L 500 ) × 100 of the fuel electrode 90 is 0.35% or less.

図5(a)及び図5(b)を参照しつつ、緊急停止後の燃料電池モジュール2内の温度T変化と、燃料極90及び/または支持体の寸法L変化について説明する。ここでは、燃料極90の寸法変化を例にとって説明する。
図5(a)及び図5(b)は、本発明の一実施形態による燃料電池モジュール2内の温度Tと燃料電池セルの寸法Lの関係を示す図である。図5(a)は、時間tに対する燃料電池モジュール2内温度Tの変化を示す模式図である。図5(b)は、時間tに対する燃料電池セルの寸法Lの変化を示す模式図である。なお、便宜上、燃料電池セルの寸法を燃料極90の寸法Lとみなす。
燃料電池システム1においては、例えば、燃料電池モジュール2内の温度Tが500℃以上1000℃以下で発電運転を行う。図5(a)においては、一例として、温度Tが500℃で発電運転をする場合を示している。
With reference to FIGS. 5A and 5B, the temperature T change in the fuel cell module 2 after the emergency stop and the change in the dimension L of the fuel electrode 90 and / or the support will be described. Here, a change in the dimensions of the fuel electrode 90 will be described as an example.
FIGS. 5A and 5B are diagrams showing the relationship between the temperature T in the fuel cell module 2 and the dimension L of the fuel cell according to one embodiment of the present invention. FIG. 5A is a schematic diagram showing a change in the temperature T in the fuel cell module 2 with respect to time t. FIG. 5B is a schematic diagram showing a change in the dimension L of the fuel cell with respect to time t. For convenience, the size of the fuel cell is regarded as the size L of the fuel electrode 90.
In the fuel cell system 1, for example, the power generation operation is performed when the temperature T in the fuel cell module 2 is 500 ° C. or higher and 1000 ° C. or lower. FIG. 5A shows a case where the power generation operation is performed at a temperature T of 500 ° C. as an example.

図5(b)に示すように、起動後、燃料電池モジュール2内の温度Tが上昇すると、燃料極90の寸法Lが大きくなる。例えば、Lを、燃料電池モジュール運転開始時の燃料極の寸法、Lを、起動中の燃料極90の寸法とすると、L>Lとなる。すなわち、燃料極90は運転開始前よりも伸びる。また、起動時にコーキングが生じることによっても、燃料極の寸法は大きくなる。その後、ほぼ一定の温度で発電運転している間、燃料極90の寸法変化はほとんど生じない。
一方、緊急停止されると、燃料電池モジュール2内の温度Tは下降し、燃料極90の寸法Lが減少する。理想的には、燃料電池モジュール2内の温度Tが運転開始前の温度まで低下したときの燃料極90の寸法Lが、運転開始時の燃料極の寸法Lと略同じであれば、セルの劣化は生じない。ところが、実際には燃料極がコーキングなどにより酸化を受けているため、運転停止後の寸法Lは、運転開始時の寸法Lよりも大きくなる。一方で、緊急停止後の空気の進入により燃料極の酸化収縮が生じるため、コーキングなどによる膨張を相殺しさらに収縮する。燃料極90の寸法Lは、例えば、運転開始前の寸法Lよりも小さくなり、固体電解質に圧縮応力が発生して、結果的にはセルが損傷する恐れがある。
As shown in FIG. 5B, when the temperature T in the fuel cell module 2 rises after startup, the dimension L of the fuel electrode 90 increases. For example, if L 0 is the dimension of the fuel electrode at the start of the fuel cell module operation, and L 1 is the dimension of the fuel electrode 90 being activated, then L 1 > L 0 . That is, the fuel electrode 90 extends more than before the start of operation. In addition, the size of the fuel electrode also increases due to the occurrence of coking at startup. Thereafter, during the power generation operation at a substantially constant temperature, the dimensional change of the fuel electrode 90 hardly occurs.
On the other hand, when the emergency stop is performed, the temperature T in the fuel cell module 2 decreases, and the dimension L of the fuel electrode 90 decreases. Ideally, if the dimension L S of the fuel electrode 90 when the temperature T in the fuel cell module 2 drops to the temperature before the start of operation is substantially the same as the dimension L 0 of the fuel electrode at the start of operation, Cell degradation does not occur. However, since the fuel electrode is actually oxidized by coking or the like, the dimension L S after the operation is stopped is larger than the dimension L 0 at the start of the operation. On the other hand, since the fuel electrode undergoes oxidative shrinkage due to the ingress of air after an emergency stop, the expansion due to coking is offset and further contracted. For example, the dimension L S of the fuel electrode 90 is smaller than the dimension L 0 before the start of operation, and a compressive stress is generated in the solid electrolyte, and as a result, the cell may be damaged.

燃料極90は、燃料電池モジュール2内の温度Tが所定値以上に高く、かつ、空気極92の酸素分圧pO2caが所定値以上の場合において、酸化が進行する。緊急停止時においては、例えば燃料電池モジュール2内の温度Tが未だ高温の場合には、燃料電池モジュール2内の気体の収縮量が少なく、空気極92の酸素分圧pO2caがそれほど高くないため、燃料極90の酸化はあまり問題にならない。燃料電池モジュール2内の温度Tが400℃程度にまで低下して、空気極92の酸素分圧pO2caが10−5atmよりも高くなると、燃料極90の酸化が深刻な問題となる。 The fuel electrode 90 undergoes oxidation when the temperature T in the fuel cell module 2 is higher than a predetermined value and the oxygen partial pressure pO2ca of the air electrode 92 is higher than a predetermined value. At the time of emergency stop, for example, when the temperature T in the fuel cell module 2 is still high, the contraction amount of the gas in the fuel cell module 2 is small, and the oxygen partial pressure pO2ca of the air electrode 92 is not so high. The oxidation of the fuel electrode 90 is not a problem. When the temperature T in the fuel cell module 2 decreases to about 400 ° C. and the oxygen partial pressure pO2ca of the air electrode 92 becomes higher than 10 −5 atm, the oxidation of the fuel electrode 90 becomes a serious problem.

前述したように、燃料極90が酸化されると、燃料極90は膨張することが知られている。ところが、燃料極がNiとセラミックスとのサーメットを含む場合には、燃料電池モジュール内の温度が500℃以下においては、燃料極は、酸化により、膨張ではなく収縮するという驚くべき現象を発見した。この収縮量を所定範囲内に小さくすることで、燃料極90の収縮にともなって固体電解質94にクラックが生じることができる。具体的には、本発明においては、燃料電池モジュール2内の温度Tが400℃であって、空気極92の酸素分圧pO2caが10−5atm以上/より大きい場合における、燃料極92の寸法L400と、燃料電池モジュール2内の温度Tが500℃のときの燃料極の寸法L500と、を、(1−L400/L500)×100≦0.45%とする。すなわち、400℃における燃料極の収縮をある程度小さくすることで、緊急停止した場合であっても、燃料極の寸法変化ΔL(ΔL=L−L)を小さくすることができ、固体電解質94にクラックが生じることを抑制できる。 As described above, it is known that when the fuel electrode 90 is oxidized, the fuel electrode 90 expands. However, when the fuel electrode contains a cermet of Ni and ceramics, a surprising phenomenon has been found that when the temperature in the fuel cell module is 500 ° C. or lower, the fuel electrode contracts rather than expands due to oxidation. By reducing the amount of contraction within a predetermined range, a crack can be generated in the solid electrolyte 94 as the fuel electrode 90 contracts. Specifically, in the present invention, when the temperature T in the fuel cell module 2 is 400 ° C. and the oxygen partial pressure p O2ca of the air electrode 92 is 10 −5 atm or higher / larger, The dimension L 400 and the dimension L 500 of the fuel electrode when the temperature T in the fuel cell module 2 is 500 ° C. are (1−L 400 / L 500 ) × 100 ≦ 0.45%. That is, by reducing the contraction of the fuel electrode at 400 ° C. to some extent, the dimensional change ΔL (ΔL = L 0 −L S ) of the fuel electrode can be reduced even in the case of an emergency stop, and the solid electrolyte 94 It is possible to suppress cracks from occurring.

燃料電池モジュール2内の温度Tとは、燃料電池セルスタック14の温度である。例えば、後述の発電室温度センサ142によって推定される温度であり、燃料電池セルの空気極、燃料極、あるいは支持体の温度としてみなすことができる。   The temperature T in the fuel cell module 2 is the temperature of the fuel cell stack 14. For example, the temperature is estimated by a power generation chamber temperature sensor 142 described later, and can be regarded as the temperature of the air electrode, the fuel electrode, or the support of the fuel cell.

空気極の酸素分圧pO2caとは、空気極/電解質界面における酸素分圧をさす。具体的には、空気極の酸素分圧pO2caは、前述の通り、例えば、ネルンストの式(式1)から求めることができる。式1において、pO2caは空気極の酸素分圧、pO2anは燃料極の酸素分圧、Eは燃料電池モジュールの電圧、Tは燃料電池モジュール内の温度、Rは気体定数、Fはファラデー定数である。燃料電池モジュールの電圧Eと燃料電池モジュール内の温度Tは実測値、気体定数Rとファラデー定数Fは既知の値を用いることができる。
E=−RT(ln(pO2an)−ln(pO2ca))/4F ・・式1
The oxygen partial pressure p O2ca at the air electrode refers to the oxygen partial pressure at the air electrode / electrolyte interface. Specifically, the oxygen partial pressure p O2ca of the air electrode can be obtained from the Nernst equation (Equation 1), for example, as described above. In Formula 1, p O2ca oxygen partial pressure of the air electrode, p O2an oxygen partial pressure of the fuel electrode, E is the voltage of the fuel cell module, T is the temperature in the fuel cell module, R represents gas constant, F is Faraday's constant It is. Measured values can be used for the voltage E of the fuel cell module and the temperature T in the fuel cell module, and known values can be used for the gas constant R and the Faraday constant F.
E = -RT (ln ( pO2an ) -ln ( pO2ca )) / 4F .. Formula 1

燃料電池モジュール2の通常の運転停止時においては、空気極92に空気を供給し空気極92の酸素分圧pO2caを大気圧(0.21atm)と同じになるように制御する。式1より通常の運転停止時の温度での燃料極90の酸素分圧pO2anを算出する。式1に、上記方法により求めた燃料極90の酸素分圧pO2anと、実測した燃料電池モジュール電圧E、燃料電池モジュール内の温度Tと、気体定数R、ファラデー定数Fを代入し、緊急停止時において、空気極92に空気を供給していないときの空気極92の酸素分圧pO2ca’を算出する。 When the fuel cell module 2 is stopped normally, air is supplied to the air electrode 92 and the oxygen partial pressure pO2ca of the air electrode 92 is controlled to be equal to the atmospheric pressure (0.21 atm). The oxygen partial pressure p O2an of the fuel electrode 90 at the temperature at the time of normal operation stop is calculated from Equation 1. Substitute the oxygen partial pressure p O2an of the fuel electrode 90 obtained by the above method, the actually measured fuel cell module voltage E, the temperature T in the fuel cell module, the gas constant R, and the Faraday constant F into Equation 1 and perform an emergency stop. At this time, the oxygen partial pressure pO2ca ′ of the air electrode 92 when no air is supplied to the air electrode 92 is calculated.

本発明の燃料極90の寸法Lとして、燃料極90の長さ、厚さ、体積など、任意の寸法を用いることができる。ここで、燃料極90の長さとは、例えば、燃料電池モジュールにおいて燃料電池セル12、14、16から改質器20(空気用熱交換器22)に向かう方向(例えば、図3でZ軸方向)に沿う燃料極90の長さである。燃料極90の厚さとは、例えば、図4(b)に示す、支持体201と固体電解質203との間の燃料極202の長さである。あるいは、固体電解質94の残留応力から、燃料極の寸法変化を類推してもよい。
固体電解質94の残留応力から燃料極90の寸法変化を類推する方法としては、例えば、以下の方法を用いることができる。
As the dimension L of the fuel electrode 90 of the present invention, any dimensions such as the length, thickness, and volume of the fuel electrode 90 can be used. Here, the length of the fuel electrode 90 is, for example, a direction from the fuel cells 12, 14, 16 toward the reformer 20 (air heat exchanger 22) in the fuel cell module (for example, the Z-axis direction in FIG. 3). ) Along the length of the fuel electrode 90. The thickness of the fuel electrode 90 is, for example, the length of the fuel electrode 202 between the support 201 and the solid electrolyte 203 shown in FIG. Alternatively, the dimensional change of the fuel electrode may be inferred from the residual stress of the solid electrolyte 94.
As a method for estimating the dimensional change of the fuel electrode 90 from the residual stress of the solid electrolyte 94, for example, the following method can be used.

例えば、X線回折(XRD)のsin2ψ法によって、固体電解質の残留応力を測定することができる。具体的には、運転前後のサンプルを適当な大きさに切断し、以下に示す条件で測定を行った。残留応力の測定には、例えば、PANalytical製X'Pert PRO MPDを用いることができる。測定面積は、例えば、2mm×2mmとし、X線出力を40mA, 45kV、測定範囲を94.0-95.7として、試料面法線と結晶面法線のなす角度ψを変化させて回折角2θを求め、ヤング率、ポアソン比、無歪状態における反射角θから求められる定数を用いて下記の式から応力σを求めることができる。 For example, the residual stress of a solid electrolyte can be measured by the sin 2 ψ method of X-ray diffraction (XRD). Specifically, the sample before and after the operation was cut into an appropriate size and measured under the following conditions. For example, X'Pert PRO MPD manufactured by PANalytical can be used to measure the residual stress. For example, the measurement area is 2 mm × 2 mm, the X-ray output is 40 mA, 45 kV, the measurement range is 94.0-95.7, the angle ψ between the sample surface normal and the crystal surface normal is changed, and the diffraction angle 2θ is obtained. The stress σ can be obtained from the following equation using constants obtained from the Young's modulus, Poisson's ratio, and reflection angle θ in the unstrained state.

上記で求めた固体電解質の応力値から、例えば、電解質の歪の変化を算出し、それを燃料極の寸法変化とすることができる。 From the stress value of the solid electrolyte determined above, for example, a change in the strain of the electrolyte can be calculated and used as a change in the dimensions of the fuel electrode.

燃料極90の酸化収縮率Lrは、例えば、以下の方法にて求めることができる。
還元させた固体酸化物形燃料電池セルを長さ15mmに切断し、切断面が平行になるように研磨して試料を作製する。この試料について、熱機械分析装置TMA(例えば、島津製作所製TMA−60)を用いて酸化収縮率Lrを求める。なお、測定時の荷重は10gとする。
試料を水素中6℃/minで室温から、固体酸化物形燃料電池システム運転時を想定して、例えば650℃まで昇温する。その後、水素中6℃/minで400℃まで降温させる。400℃で10分間安定させた後、窒素中で5分間保持する。その後、固体酸化物形燃料電池システムの運転停止時を想定し、酸素分圧が0.001atmになるように配合した空気と窒素の混合ガス中で18時間保持する。500℃の時の寸法(L500)と400℃酸素分圧0.001atm下で保持した際の寸法(L400)から酸化収縮率Lr(%)を求める。
酸化収縮率Lr(%)=(1−L400/L500)×100
The oxidation shrinkage ratio Lr of the fuel electrode 90 can be obtained by the following method, for example.
The reduced solid oxide fuel cell is cut to a length of 15 mm and polished so that the cut surfaces are parallel to prepare a sample. About this sample, oxidation shrinkage ratio Lr is calculated | required using the thermomechanical analyzer TMA (for example, TMA-60 by Shimadzu Corporation). The load during measurement is 10 g.
The sample is heated from room temperature at 6 ° C./min in hydrogen to, for example, 650 ° C. assuming that the solid oxide fuel cell system is in operation. Thereafter, the temperature is lowered to 400 ° C. at 6 ° C./min in hydrogen. Stabilize at 400 ° C. for 10 minutes, then hold in nitrogen for 5 minutes. Thereafter, assuming that the operation of the solid oxide fuel cell system is stopped, the solid oxide fuel cell system is maintained for 18 hours in a mixed gas of air and nitrogen so that the oxygen partial pressure is 0.001 atm. The oxidation shrinkage ratio Lr (%) is obtained from the dimension at 500 ° C. (L 500 ) and the dimension at the time of holding at 400 ° C. under an oxygen partial pressure of 0.001 atm (L 400 ).
Oxidation shrinkage ratio Lr (%) = (1−L 400 / L 500 ) × 100

所定の温度領域において、燃料極90が酸化膨張ではなく酸化収縮する理由は定かではないが、以下のように考えられる。なお、ここでは、燃料極がNiとセラミックスとのサーメットを含む場合を例にとって説明する。
燃料極90に含まれるNi粒子は、酸化雰囲気にさらされると、次のように反応して、Ni粒子が酸化してNiOになる。
2Ni(s)+O2(g)→2NiO(s)
この酸化反応は、高温ほど速度が大きい。緊急停止後においては、高温時には空気極の酸素分圧がまだ低いため、酸化の進行も緩やかである。燃料電池モジュールの温度が400℃において、空気極の酸素分圧pO2caが10−5atm以上に大きくなり、酸化が進行する。この酸化反応は、Ni粒子の表面から進行する。Ni粒子が酸化すると表面エネルギーが変化するため、Ni粒子とセラミックス粒子との接触面積が大きくなる。燃料極は多孔質構造を有しており、多孔質構造を有するNiとセラミックスとのサーメットにおいて、Ni粒子とセラミックス粒子が近づくように微構造変化を起こす。この変化により収縮が生じると考えられる。なお、500℃以上の温度では、酸化反応が生じた場合には、酸化収縮ではなく酸化膨張が起こる。その理由は、温度が高くなるとNi粒子の酸化が激しく進行するためNi粒子の表面にNiOが多量に析出し、膨張するためであると考えられる。一方、200℃以下ではNi粒子の酸化速度が非常に遅いため、モジュール停止時間内では収縮が見られない。
The reason why the fuel electrode 90 undergoes oxidative contraction rather than oxidative expansion in a predetermined temperature range is not clear, but is considered as follows. Here, the case where the fuel electrode includes cermet of Ni and ceramics will be described as an example.
When the Ni particles contained in the fuel electrode 90 are exposed to an oxidizing atmosphere, the Ni particles react as follows to oxidize the Ni particles to NiO.
2Ni (s) + O 2 (g) → 2NiO (s)
This oxidation reaction is faster at higher temperatures. After the emergency stop, since the oxygen partial pressure of the air electrode is still low at high temperatures, the progress of oxidation is slow. When the temperature of the fuel cell module is 400 ° C., the oxygen partial pressure p O2ca of the air electrode increases to 10 −5 atm or more, and oxidation proceeds. This oxidation reaction proceeds from the surface of the Ni particles. When the Ni particles are oxidized, the surface energy changes, so that the contact area between the Ni particles and the ceramic particles increases. The fuel electrode has a porous structure, and in a cermet of Ni and ceramics having a porous structure, a microstructural change is caused so that the Ni particles and the ceramic particles approach each other. This change is considered to cause contraction. In addition, at a temperature of 500 ° C. or higher, when an oxidation reaction occurs, oxidation expansion occurs instead of oxidation shrinkage. The reason for this is thought to be that NiO precipitates on the surface of Ni particles in large quantities and expands because the oxidation of Ni particles proceeds vigorously as the temperature rises. On the other hand, since the oxidation rate of Ni particles is very slow below 200 ° C., no shrinkage is observed within the module stop time.

燃料極90において、燃料電池システムの運転開始時におけるNiとセラミックスとの単位面積あたりの界面長が2μm/μm以上10μm/μm以下であることが好ましい。これにより、燃料極の収縮量を所定範囲内に小さくすることができるため、電解質クラックやセル破損を防止することが可能となる。さらに好ましくは、3.5μm/μm以上10μm/μm以下である。ここで燃料電池システムの運転開始時とは、初めて燃料電池システムを起動させるときのことをさす。 In the fuel electrode 90, it is preferred interface length per unit area of the Ni and the ceramic at the beginning operation of the fuel cell system is 2 [mu] m / [mu] m 2 or more 10 [mu] m / [mu] m 2 or less. As a result, the contraction amount of the fuel electrode can be reduced within a predetermined range, so that it is possible to prevent electrolyte cracks and cell breakage. More preferably, it is 3.5 μm / μm 2 or more and 10 μm / μm 2 or less. Here, the start of operation of the fuel cell system refers to the time when the fuel cell system is started for the first time.

なお、本発明において、燃料極のNiとセラミックスとの単位面積あたりの界面長が特定の範囲であることにより燃料極の収縮量を所定値よりも小さくできる理由としては以下のように考えられるが、本発明はこれに限定されるものではない。Niは、酸化すると表面エネルギーが変化するため、Niとセラミックスとの接触面積が大きくなる。つまり、多孔質のNiとセラミックスとのサーメットにおいて、Niとセラミックスが近づくように微構造変化を起こす。この変化により収縮が生じると考えられる。Niとセラミックスとの単位面積あたりの界面長を所定範囲内とすることで、サーメット全体としての収縮量を所定範囲内に小さくすることができると考えられる。具体的には、界面長を2μm/μm以上10μm/μm以下にすることで、微構造変化を抑制し収縮を所定範囲内に抑えることができる。よって、固体電解質のクラックやセル破損を防止することができると考えられる。 In the present invention, the reason why the amount of contraction of the fuel electrode can be made smaller than a predetermined value when the interface length per unit area between Ni and ceramics of the fuel electrode is in a specific range is considered as follows. However, the present invention is not limited to this. Since the surface energy of Ni changes when oxidized, the contact area between Ni and ceramics increases. That is, in the cermet of porous Ni and ceramics, the microstructure changes so that Ni and ceramics approach each other. This change is considered to cause contraction. It is considered that the shrinkage amount of the entire cermet can be reduced within the predetermined range by setting the interface length per unit area of Ni and ceramics within the predetermined range. Specifically, when the interface length is 2 μm / μm 2 or more and 10 μm / μm 2 or less, the microstructure change can be suppressed and the shrinkage can be suppressed within a predetermined range. Therefore, it is thought that cracking of the solid electrolyte and cell damage can be prevented.

なお、Niとセラミックスのサーメットの酸化による収縮は、200℃以上500℃以下で生じ、さらに400℃近傍で最も大きくなることを発明者らは発見した。
500℃より高い場合には、酸化収縮ではなく酸化膨張が起こる理由は、前述のように、高温においては、Ni粒子の酸化が激しくNi粒子表面に多量のNiOが析出するためであると考えられる。なお、緊急停止後には、高温での空気極の酸素分圧が低いため、酸化自体があまり起こらない。一方、200℃以下ではNi粒子の酸化速度が非常に遅いため、モジュール停止時間内では燃料極の収縮が見られない。
以上より、本発明の燃料電池システムでは、緊急停止後、燃料電池モジュール内の温度が400℃であり、酸素分圧pO2caが10−5atmより大きい場合において、燃料極の酸化収縮を所定範囲内とすることができると考えられる。
The inventors discovered that the shrinkage due to oxidation of Ni and ceramics cermet occurs at 200 ° C. or more and 500 ° C. or less and becomes the largest around 400 ° C.
When the temperature is higher than 500 ° C., the reason why the oxidative expansion occurs instead of the oxidative shrinkage is considered to be because, as described above, the Ni particles are oxidized at a high temperature and a large amount of NiO is deposited on the surface of the Ni particles. . Note that after the emergency stop, the oxygen partial pressure of the air electrode at a high temperature is low, so that the oxidation itself does not occur so much. On the other hand, since the oxidation rate of Ni particles is very low at 200 ° C. or lower, no contraction of the fuel electrode is observed within the module stop time.
As described above, in the fuel cell system of the present invention, after the emergency stop, when the temperature in the fuel cell module is 400 ° C. and the oxygen partial pressure p O2ca is greater than 10 −5 atm, the oxidation contraction of the fuel electrode is within a predetermined range. It is thought that it can be inside.

Niとセラミックスとの単位面積あたりの界面長は以下のようにして求めることができる。電子顕微鏡にて発電前の固体電解質形燃料電池セルを観察する。電子顕微鏡観察のための試料は、還元処理後の固体酸化物形燃料電池セルの燃料極を研磨後、日立製作所製IM4000によってイオンミリング加工処理を行い作製することができる。この試料を、走査型電子顕微鏡(日立製作所製S−4100)により、加速電圧5kV、2次電子画像および反射電子像、倍率10000倍で観察し、電子顕微鏡画像(反射電子像)を得る。この電子顕微鏡画像において、明暗差によってNiとセラミックスと気孔とを区別する。Niとセラミックスとの界面を目視で定める。この界面の長さがNiとセラミックスとの界面長を示す。電子顕微鏡画像に示された界面長をすべて足すことによりNiとセラミックスの界面長の合計値を求める。この合計値を電子顕微鏡画像の視野面積で割った値を、Niとセラミックスとの単位面積あたりの界面長とする。   The interface length per unit area between Ni and ceramics can be determined as follows. The solid electrolyte fuel cell before power generation is observed with an electron microscope. A sample for observation with an electron microscope can be prepared by polishing the fuel electrode of the solid oxide fuel cell after the reduction treatment and then performing ion milling treatment with IM4000 manufactured by Hitachi, Ltd. This sample is observed with a scanning electron microscope (S-4100, manufactured by Hitachi, Ltd.) at an acceleration voltage of 5 kV, a secondary electron image and a reflected electron image, and a magnification of 10,000 times to obtain an electron microscope image (reflected electron image). In this electron microscope image, Ni, ceramics, and pores are distinguished by the difference in brightness. The interface between Ni and ceramics is determined visually. The length of this interface indicates the interface length between Ni and ceramics. The total value of the interface lengths of Ni and ceramics is obtained by adding all the interface lengths shown in the electron microscope image. A value obtained by dividing the total value by the visual field area of the electron microscope image is defined as an interface length per unit area between Ni and ceramics.

なお、Ni、セラミックス、気孔を判別する手法は、電子顕微鏡画像における明暗差を用いるものには限られない。例えば、同一視野においてSEM−EDSにより元素マッピングを取得し、Ni、セラミックスのマッピング画像を重ね合わせることで3値化することもできる。   In addition, the method of discriminating Ni, ceramics, and pores is not limited to the method using the light / dark difference in the electron microscope image. For example, element mapping can be obtained by SEM-EDS in the same visual field, and ternarization can be performed by superimposing Ni and ceramic mapping images.

燃料極がNiとYSZとのサーメットを含んでなる場合、燃料極のNiとYSZとの単位面積あたりの界面長は、2μm/μm以上6μm/μm以下であることが好ましい。さらに好ましくは、3.5μm/μm以上5.5μm/μm以下であることが好ましい。 If the fuel electrode comprises a cermet of Ni and YSZ, the interface length per unit area of Ni and YSZ in the fuel electrode is preferably 2 [mu] m / [mu] m 2 or more 6 [mu] m / [mu] m 2 or less. More preferably, it is preferably 3.5 [mu] m / [mu] m 2 or more 5.5 [mu] m / [mu] m 2 or less.

燃料極がNiとGDCとのサーメットを含んでなる場合、燃料極のNiとGDCとの単位面積あたりの界面長は、6μm/μm以上10μm/μm以下であることが好ましい。さらに好ましくは、7μm/μm以上10μm/μm以下であることが好ましい。 When the fuel electrode includes a cermet of Ni and GDC, the interface length per unit area between Ni and GDC of the fuel electrode is preferably 6 μm / μm 2 or more and 10 μm / μm 2 or less. More preferably, it is 7 μm / μm 2 or more and 10 μm / μm 2 or less.

再び添付図面を参照して、本発明の実施形態による固体酸化物形燃料電池(SOFC)システムを説明する。
図1に示すように、本発明の一実施形態による固体酸化物形燃料電池(SOFC)システム1は、燃料電池モジュール2と、補機ユニット4を備えている。
Referring again to the attached drawings, a solid oxide fuel cell (SOFC) system according to an embodiment of the present invention will be described.
As shown in FIG. 1, a solid oxide fuel cell (SOFC) system 1 according to an embodiment of the present invention includes a fuel cell module 2 and an auxiliary unit 4.

燃料電池モジュール2は、ハウジング6を備え、このハウジング6内部には、断熱材7を介して金属製のケース8が内蔵されている。この密閉空間であるケース8の下方部分である発電室10には、燃料と酸素(空気)とにより発電反応を行う燃料電池セル集合体12が配置されている。この燃料電池セル集合体12は、10個の燃料電池セルスタック14(図5参照)を備え、この燃料電池セルスタック14は、燃料電池セルである16本の燃料電池セルユニット16(図4参照)から構成されている。このように、燃料電池セル集合体12は、160本の燃料電池セルユニット16を有し、これらの燃料電池セルユニット16の全てが直列接続されている。   The fuel cell module 2 includes a housing 6, and a metal case 8 is built in the housing 6 via a heat insulating material 7. A fuel cell assembly 12 that performs a power generation reaction with fuel and oxygen (air) is disposed in a power generation chamber 10 that is a lower portion of the case 8 that is a sealed space. The fuel cell assembly 12 includes ten fuel cell stacks 14 (see FIG. 5). The fuel cell stack 14 includes 16 fuel cell units 16 (see FIG. 4), which are fuel cells. ). Thus, the fuel cell assembly 12 has 160 fuel cell units 16, and all of these fuel cell units 16 are connected in series.

燃料電池モジュール2のケース8の上述した発電室10の上方には、燃焼部である燃焼室18が形成され、この燃焼室18で、発電反応に使用されなかった残余の燃料と残余の酸化剤(空気)とが燃焼し、排気ガスを生成するようになっている。さらに、ケース8は断熱材7により覆われており、燃料電池モジュール2内部の熱が、外気へ発散するのを抑制している。
また、この燃焼室18の上方には、燃料を改質する改質器20が配置され、前記残余ガスの燃焼熱によって改質器20を改質反応が可能な温度となるように加熱している。さらに、この改質器20の上方には、残余ガスの燃焼ガスにより発電用の空気を加熱し、発電用の空気を予熱する熱交換器である空気用熱交換器22が配置されている。
A combustion chamber 18 that is a combustion section is formed above the above-described power generation chamber 10 of the case 8 of the fuel cell module 2. In this combustion chamber 18, the remaining fuel and the remaining oxidant that have not been used for the power generation reaction. (Air) is combusted to generate exhaust gas. Further, the case 8 is covered with a heat insulating material 7 to suppress the heat inside the fuel cell module 2 from being diffused to the outside air.
Further, a reformer 20 for reforming the fuel is disposed above the combustion chamber 18, and the reformer 20 is heated to a temperature at which a reforming reaction can be performed by the combustion heat of the residual gas. Yes. Further, an air heat exchanger 22, which is a heat exchanger for heating the power generation air with the remaining combustion gas and preheating the power generation air, is disposed above the reformer 20.

次に、補機ユニット4は、燃料電池モジュール2からの排気中に含まれる水分を結露させた水を貯水してフィルターにより純水とする純水タンク26と、この貯水タンクから供給される水の流量を調整する水流量調整ユニット28(モータで駆動される「水ポンプ」等)を備えている。また、補機ユニット4は、都市ガス等の燃料供給源30から供給された燃料を遮断するガス遮断弁32と、燃料ガスから硫黄を除去するための脱硫器36と、燃料ガスの流量を調整する燃料流量調整ユニット38(モータで駆動される「燃料ポンプ」等)と、電源喪失時において、燃料流量調整ユニット38から流出する燃料ガスを遮断するバルブ39を備えている。さらに、補機ユニット4は、空気供給源40から供給される酸素である空気を遮断する電磁弁42と、空気の流量を調整する改質用空気流量調整ユニット44及び発電用空気流量調整ユニット45(モータで駆動される「空気ブロア」等)と、改質器20に供給される改質用空気を加熱する第1ヒータ46と、発電室に供給される発電用空気を加熱する第2ヒータ48とを備えている。これらの第1ヒータ46と第2ヒータ48は、起動時の昇温を効率よく行うために設けられているが、省略しても良い。   Next, the auxiliary unit 4 stores pure water tank 26 that stores water condensed from moisture contained in the exhaust from the fuel cell module 2 and makes it pure water with a filter, and water supplied from the water storage tank. Is provided with a water flow rate adjusting unit 28 (such as a “water pump” driven by a motor). In addition, the auxiliary unit 4 adjusts the flow rate of the fuel gas, the gas shutoff valve 32 for shutting off the fuel supplied from the fuel supply source 30 such as city gas, the desulfurizer 36 for removing sulfur from the fuel gas, A fuel flow adjustment unit 38 (such as a “fuel pump” driven by a motor) and a valve 39 that shuts off fuel gas flowing out from the fuel flow adjustment unit 38 when power is lost. Further, the auxiliary unit 4 includes an electromagnetic valve 42 that shuts off air that is oxygen supplied from the air supply source 40, a reforming air flow rate adjustment unit 44 that adjusts the flow rate of air, and a power generation air flow rate adjustment unit 45. (Such as an “air blower” driven by a motor), a first heater 46 for heating the reforming air supplied to the reformer 20, and a second heater for heating the power generating air supplied to the power generation chamber 48. The first heater 46 and the second heater 48 are provided in order to efficiently raise the temperature at startup, but may be omitted.

次に、燃料電池モジュール2には、排気ガスが供給される温水製造装置50が接続されている。この温水製造装置50には、水供給源24から水道水が供給され、この水道水が排気ガスの熱により温水となり、図示しない外部の給湯器の貯湯タンクへ供給されるようになっている。
また、燃料電池モジュール2には、燃料ガスの供給量等を制御するための制御ボックス52が取り付けられている。
さらに、燃料電池モジュール2には、燃料電池モジュールにより発電された電力を外部に供給するための電力取出部(電力変換部)であるインバータ54が接続されている。
Next, a hot water production apparatus 50 to which exhaust gas is supplied is connected to the fuel cell module 2. The hot water production apparatus 50 is supplied with tap water from the water supply source 24, and the tap water is heated by the heat of the exhaust gas and supplied to a hot water storage tank of an external hot water heater (not shown).
The fuel cell module 2 is provided with a control box 52 for controlling the amount of fuel gas supplied and the like.
Furthermore, the fuel cell module 2 is connected to an inverter 54 that is a power extraction unit (power conversion unit) for supplying the power generated by the fuel cell module to the outside.

燃料電池モジュール
再び図2及び図3を参照して、本発明の一実施形態による固体酸化物形燃料電池(SOFC)システムの燃料電池モジュールの内部構造を説明する。
図2及び図3に示すように、燃料電池モジュール2のハウジング6内のケース8には、上述したように、下方から順に、燃料電池セル集合体12、改質器20、空気用熱交換器22が配置されている。
Fuel Cell Module Referring to FIGS. 2 and 3 again, the internal structure of a fuel cell module of a solid oxide fuel cell (SOFC) system according to an embodiment of the present invention will be described.
As shown in FIGS. 2 and 3, the case 8 in the housing 6 of the fuel cell module 2 has a fuel cell assembly 12, a reformer 20, and an air heat exchanger in order from the bottom as described above. 22 is arranged.

改質器20は、その上流端側の端部側面に純水、改質される燃料ガス、及び改質用空気を導入するための改質器導入管62が取り付けられている。
改質器導入管62は、改質器20の一端の側壁面から延びる円管であり、90゜屈曲されて概ね鉛直方向に延び、ケース8の上端面を貫通している。なお、改質器導入管62は、改質器20に水を導入する水導入管として機能している。また、改質器導入管62の上には、T字管62aが接続されており、このT字管62aの概ね水平方向に延びる管の両側の端部には、燃料ガス及び純水を供給するための配管が夫々接続されている。水供給用配管63aはT字管62aの一方の側端から斜め上方に向けて延びている。燃料ガス供給用配管63bはT字管62aの他方の側端から水平方向に延びた後、U字型に屈曲され、水供給用配管63aと同様の方向に、概ね水平に延びている。
The reformer 20 is provided with a reformer introduction pipe 62 for introducing pure water, fuel gas to be reformed, and reforming air on the end side surface on the upstream end side.
The reformer introduction pipe 62 is a circular pipe extending from the side wall surface at one end of the reformer 20, is bent by 90 ° and extends in a substantially vertical direction, and penetrates the upper end surface of the case 8. The reformer introduction pipe 62 functions as a water introduction pipe for introducing water into the reformer 20. Further, a T-shaped tube 62a is connected on the reformer introduction tube 62, and fuel gas and pure water are supplied to both ends of the T-shaped tube 62a extending in a substantially horizontal direction. Pipes for connecting are connected to each other. The water supply pipe 63a extends obliquely upward from one side end of the T-shaped pipe 62a. The fuel gas supply pipe 63b extends in the horizontal direction from the other side end of the T-shaped pipe 62a, then bends in a U shape, and extends substantially horizontally in the same direction as the water supply pipe 63a.

一方、改質器20の内部には、上流側から順に、蒸発部20a、混合部20b、改質部20cが形成され、この改質部20cには改質触媒が充填されている。この改質器20に導入された水蒸気(純水)が混合された燃料ガス及び空気は、改質器20内に充填された改質触媒により改質される。改質触媒としては、アルミナの球体表面にニッケルを付与したものや、アルミナの球体表面にルテニウムを付与したものが適宜用いられる。   On the other hand, an evaporation unit 20a, a mixing unit 20b, and a reforming unit 20c are formed in the reformer 20 sequentially from the upstream side, and the reforming unit 20c is filled with a reforming catalyst. The fuel gas and air mixed with the steam (pure water) introduced into the reformer 20 are reformed by the reforming catalyst filled in the reformer 20. As the reforming catalyst, a catalyst obtained by imparting nickel to the alumina sphere surface or a catalyst obtained by imparting ruthenium to the alumina sphere surface is appropriately used.

この改質器20の下流端側には、燃料ガス供給管64が接続され、この燃料ガス供給管64は、下方に延び、さらに、燃料電池セル集合体12の下方に形成されたマニホールド66内で水平に延びている。燃料ガス供給管64の水平部64aの下方面には、複数の燃料供給孔64bが形成されており、この燃料供給孔64bから、改質された燃料ガスがマニホールド66内に供給される。また、燃料ガス供給管64の鉛直部の途中には、流路が狭められた圧力変動抑制用流路抵抗部64cが設けられ、燃料ガスの供給流路の流路抵抗が調整されている。流路抵抗の調整については後述する。   A fuel gas supply pipe 64 is connected to the downstream end side of the reformer 20, and the fuel gas supply pipe 64 extends downward and further in an manifold 66 formed below the fuel cell assembly 12. It extends horizontally. A plurality of fuel supply holes 64 b are formed in the lower surface of the horizontal portion 64 a of the fuel gas supply pipe 64, and the reformed fuel gas is supplied into the manifold 66 from the fuel supply holes 64 b. Further, in the middle of the vertical portion of the fuel gas supply pipe 64, a pressure fluctuation suppressing flow path resistance portion 64c having a narrow flow path is provided, and the flow path resistance of the fuel gas supply flow path is adjusted. The adjustment of the channel resistance will be described later.

このマニホールド66の上方には、上述した燃料電池セルスタック14を支持するための貫通孔を備えた下支持板68が取り付けられており、マニホールド66内の燃料ガスが、燃料電池セルユニット16内に供給される。   A lower support plate 68 having a through hole for supporting the fuel cell stack 14 described above is attached above the manifold 66, and the fuel gas in the manifold 66 flows into the fuel cell unit 16. Supplied.

一方、改質器20の上方には、空気用熱交換器22が設けられている。
また、図2に示すように、燃料ガスと空気との燃焼を開始するための点火装置83が、燃焼室18に設けられている。
On the other hand, an air heat exchanger 22 is provided above the reformer 20.
Further, as shown in FIG. 2, an ignition device 83 for starting combustion of fuel gas and air is provided in the combustion chamber 18.

燃料電池セルユニット
次に再び図4を参照して燃料電池セルユニット16について説明する。
図4(a)に示すように、燃料電池セルユニット16は、燃料電池セル84と、この燃料電池セル84の両端部にそれぞれ接続されたキャップである内側電極端子86とを備えている。
燃料電池セル84は、上下方向に延びる管状構造体であり、内部に燃料ガス流路88を形成する円筒形の内側電極90と、円筒形の外側電極92と、内側電極90と外側電極92との間にある固体電解質94とを備えている。この内側電極90は、燃料ガスが通過する燃料極であり、(−)極となり、一方、外側電極92は、空気と接触する空気極であり、(+)極となっている。
Fuel Cell Unit Next, the fuel cell unit 16 will be described with reference again to FIG.
As shown in FIG. 4A, the fuel cell unit 16 includes a fuel cell 84 and inner electrode terminals 86 that are caps respectively connected to both ends of the fuel cell 84.
The fuel cell 84 is a tubular structure that extends in the vertical direction, and includes a cylindrical inner electrode 90 that forms a fuel gas flow path 88 therein, a cylindrical outer electrode 92, an inner electrode 90, and an outer electrode 92. And a solid electrolyte 94 between them. The inner electrode 90 is a fuel electrode through which fuel gas passes and becomes a (−) electrode, while the outer electrode 92 is an air electrode in contact with air and becomes a (+) electrode.

燃料電池セル84の上端側と下端側に取り付けられた内側電極端子86は、同一構造であるため、ここでは、上端側に取り付けられた内側電極端子86について具体的に説明する。内側電極層90の上部90aは、固体電解質94と外側電極層92に対して露出された外周面90bと上端面90cとを備えている。内側電極端子86は、導電性のシール材96を介して内側電極層90の外周面90bと接続され、さらに、内側電極層90の上端面90cとは直接接触することにより、内側電極層90と電気的に接続されている。内側電極端子86の中心部には、内側電極層90の燃料ガス流路88と連通する燃料ガス流路細管98が形成されている。   Since the inner electrode terminal 86 attached to the upper end side and the lower end side of the fuel cell 84 has the same structure, the inner electrode terminal 86 attached to the upper end side will be specifically described here. The upper part 90 a of the inner electrode layer 90 includes an outer peripheral surface 90 b and an upper end surface 90 c exposed to the solid electrolyte 94 and the outer electrode layer 92. The inner electrode terminal 86 is connected to the outer peripheral surface 90b of the inner electrode layer 90 through a conductive sealing material 96, and is further in direct contact with the upper end surface 90c of the inner electrode layer 90, thereby Electrically connected. At the center of the inner electrode terminal 86, a fuel gas channel capillary 98 that communicates with the fuel gas channel 88 of the inner electrode layer 90 is formed.

この燃料ガス流路細管98は、内側電極端子86の中心から燃料電池セル84の軸線方向に延びるように設けられた細長い細管である。このため、マニホールド66(図2)から、下側の内側電極端子86の燃料ガス流路細管98を通って燃料ガス流路88に流入する燃料ガスの流れには、所定の圧力損失が発生する。従って、下側の内側電極端子86の燃料ガス流路細管98は、流入側流路抵抗部として作用し、その流路抵抗は所定の値となるように設定されている。また、燃料ガス流路88から、上側の内側電極端子86の燃料ガス流路細管98を通って燃焼室18(図2)に流出する燃料ガスの流れにも所定の圧力損失が発生する。従って、上側の内側電極端子86の燃料ガス流路細管98は、流出側流路抵抗部として作用し、その流路抵抗は所定の値となるように設定されている。   The fuel gas passage narrow tube 98 is an elongated thin tube provided so as to extend in the axial direction of the fuel cell 84 from the center of the inner electrode terminal 86. For this reason, a predetermined pressure loss occurs in the flow of the fuel gas flowing from the manifold 66 (FIG. 2) into the fuel gas passage 88 through the fuel gas passage narrow tube 98 of the lower inner electrode terminal 86. . Accordingly, the fuel gas flow passage narrow tube 98 of the lower inner electrode terminal 86 acts as an inflow side flow passage resistance portion, and the flow passage resistance is set to a predetermined value. Further, a predetermined pressure loss also occurs in the flow of the fuel gas flowing out from the fuel gas flow path 88 to the combustion chamber 18 (FIG. 2) through the fuel gas flow path narrow tube 98 of the upper inner electrode terminal 86. Therefore, the fuel gas flow passage narrow tube 98 of the upper inner electrode terminal 86 acts as an outflow side flow passage resistance portion, and the flow passage resistance is set to a predetermined value.

図4(b)を参照して、燃料電池セル84の構造を詳細に説明する。
本発明の一態様における固体酸化物形燃料電池セル210は、例えば支持体201と、(第一/第二)燃料極202、(第一/第二)固体電解質203と、(第一/第二)空気極204と、集電層205から構成される。燃料極202は、例えば第一燃料極層と第二燃料極層とを含む。第一燃料極層は、第二燃料極層と支持体201との間に設けられる。第一燃料極層は、例えば、燃料極層である。第二燃料極層は、例えば、燃料極触媒層である。固体電解質203は、例えば第一固体電解質層と第二固体電解質層とを含む。第一固体電解質層は、第二固体電解質層と燃料極202との間に設けられる。第一固体電解質層は、例えば、反応抑制層である。第二固体電解質層は、例えば、固体電解質層である。空気極204は、例えば第一空気極層と第二空気極層とを含む。第一空気極層は、第二空気極層と固体電解質203との間に設けられる。第一空気極層は、例えば、空気極触媒層である。第二空気極層は、例えば、空気極層である。本発明の固体酸化物形燃料電池セルにおいて、各層の好ましい厚さは、支持体が0.5〜2mm、燃料極層(第一燃料極層)が10〜200μm、燃料極触媒層(第二燃料極層)が0〜30μm、反応抑制層(第一固体電解質層)が0〜20μm、固体電解質層(第二固体電解質層)が5〜60μm、空気極触媒層(第一空気極層)が0〜30μm、空気極層(第二空気極層)が10〜200μmである。
With reference to FIG. 4B, the structure of the fuel cell 84 will be described in detail.
The solid oxide fuel cell 210 according to an embodiment of the present invention includes, for example, a support 201, a (first / second) fuel electrode 202, a (first / second) solid electrolyte 203, and a (first / second). 2) It is composed of an air electrode 204 and a current collecting layer 205. The fuel electrode 202 includes, for example, a first fuel electrode layer and a second fuel electrode layer. The first fuel electrode layer is provided between the second fuel electrode layer and the support 201. The first fuel electrode layer is, for example, a fuel electrode layer. The second fuel electrode layer is, for example, a fuel electrode catalyst layer. The solid electrolyte 203 includes, for example, a first solid electrolyte layer and a second solid electrolyte layer. The first solid electrolyte layer is provided between the second solid electrolyte layer and the fuel electrode 202. The first solid electrolyte layer is, for example, a reaction suppression layer. The second solid electrolyte layer is, for example, a solid electrolyte layer. The air electrode 204 includes, for example, a first air electrode layer and a second air electrode layer. The first air electrode layer is provided between the second air electrode layer and the solid electrolyte 203. The first air electrode layer is, for example, an air electrode catalyst layer. The second air electrode layer is, for example, an air electrode layer. In the solid oxide fuel cell of the present invention, the preferred thickness of each layer is 0.5 to 2 mm for the support, 10 to 200 μm for the fuel electrode layer (first fuel electrode layer), and the fuel electrode catalyst layer (second electrode). The fuel electrode layer) is 0-30 μm, the reaction suppression layer (first solid electrolyte layer) is 0-20 μm, the solid electrolyte layer (second solid electrolyte layer) is 5-60 μm, and the air electrode catalyst layer (first air electrode layer). Is 0 to 30 μm, and the air electrode layer (second air electrode layer) is 10 to 200 μm.

図4(b)では、燃料電池セルにおいて、内側電極が燃料極である例を示しているが、内側電極は、燃料極であっても、空気極であってもよい。また、内側電極は支持体として構成されていてもよいし、別体で構成されていてもよい。内側電極と支持体とが別体として構成される場合、内側電極を燃料極とし、燃料極は支持体と接して設けてもよい。支持体内部にガス流路を備えた燃料電池セル(円筒形セル、中空板状セルなど)では、好適には内側電極は燃料極である。内側電極が燃料極である場合、外側電極は空気極となる。この場合、燃料極の内部にガス流路を備え、燃料極の表面に固体電解質と空気極と集電層とが形成される。   FIG. 4B shows an example in which the inner electrode is a fuel electrode in the fuel cell, but the inner electrode may be a fuel electrode or an air electrode. The inner electrode may be configured as a support or may be configured as a separate body. When the inner electrode and the support are configured separately, the inner electrode may be a fuel electrode, and the fuel electrode may be provided in contact with the support. In a fuel cell (such as a cylindrical cell or a hollow plate cell) having a gas flow path inside the support, the inner electrode is preferably a fuel electrode. When the inner electrode is a fuel electrode, the outer electrode is an air electrode. In this case, a gas flow path is provided inside the fuel electrode, and a solid electrolyte, an air electrode, and a current collecting layer are formed on the surface of the fuel electrode.

燃料極202には、例えば、Niとセラミックスとのサーメットからなるものを用いることができる。セラミックスとしては、CaやY、Sc等の希土類元素から選ばれる少なくとも一種をドープしたジルコニア、希土類元素から選ばれる少なくとも一種をドープしたセリア、Sr、Mg、Co、Fe、Cuから選ばれる少なくとも一種をドープしたランタンガレードが挙げられる。好ましくは、イットリア(Y)をドープしたジルコニア(YSZ)やガドリア(Gd)をドープしたセリア(GDC)が挙げられる。 As the fuel electrode 202, for example, one made of cermet of Ni and ceramics can be used. As the ceramic, at least one selected from zirconia doped with at least one selected from rare earth elements such as Ca, Y, and Sc, ceria doped with at least one selected from rare earth elements, Sr, Mg, Co, Fe, and Cu. A doped lantern garade can be mentioned. Preferred examples include zirconia (YSZ) doped with yttria (Y 2 O 3 ) and ceria (GDC) doped with gadria (Gd 2 O 3 ).

燃料極202は、Niとセラミックスとの混合比が重量比で30:70以上70:30以下であることが好ましい。さらに好ましくは、50:50以上70:30以下である。これにより高い電子伝導性と高い強度を実現することができる。   In the fuel electrode 202, the mixing ratio of Ni and ceramic is preferably 30:70 or more and 70:30 or less by weight. More preferably, it is 50:50 or more and 70:30 or less. Thereby, high electronic conductivity and high strength can be realized.

なお、本発明において、支持体と燃料極とを別に設ける場合、Niとセラミックスとのサーメットからなる支持体を燃料極に接して設ける場合においても、同様の効果を発揮することが可能である。この場合は、燃料極は公知のものを採用することが可能である。   In the present invention, when the support and the fuel electrode are provided separately, even when a support made of cermet of Ni and ceramics is provided in contact with the fuel electrode, the same effect can be exhibited. In this case, a well-known fuel electrode can be adopted.

固体電解質203としては、例えば、Y、Sc等の希土類元素から選ばれる少なくとも一種をドープしたジルコニア、希土類元素から選ばれる少なくとも一種をドープしたセリア、Sr、Mgから選ばれる少なくとも一種をドープしたランタンガレート、の少なくとも一種が挙げられる。好ましくは、SrおよびMgがドープされたランタンガレートまたはYSZを用いることができる。より好ましくは一般式La1-aSraGa1-b-cMgbCoc3(但し、0.05≦a≦0.3、0<b<0.3、0≦c≦0.15)で表されるランタンガレート(LSGM)を用いることができる。 Examples of the solid electrolyte 203 include zirconia doped with at least one selected from rare earth elements such as Y and Sc, ceria doped with at least one selected from rare earth elements, and lanthanum gallate doped with at least one selected from Sr and Mg. And at least one of them. Preferably, lanthanum gallate or YSZ doped with Sr and Mg can be used. More preferably the general formula La 1-a Sr a Ga 1 -bc Mg b Co c O 3 ( where, 0.05 ≦ a ≦ 0.3,0 <b <0.3,0 ≦ c ≦ 0.15) The lanthanum gallate (LSGM) represented by these can be used.

空気極204としては、例えば、Sr、Caから選ばれた少なくとも一種をドープしたランタンマンガナイト、Sr、Co、Ni、Cuから選ばれた少なくとも一種をドープしたランタンフェライト、Sr、Fe、Ni、Cuから選ばれた少なくとも一種をドープしたランタンコバルタイト、銀、などの少なくとも一種を用いることができる。空気極204は、単層であっても、又は複層であっても良い。外側電極が複層の空気極である場合の例としては、例えば電解質側にL0.6Sr0.4Co0.2Fe0.83を含む層(例えば、空気極触媒層、第一空気極層)を用い、最表層にL0.6Sr0.4Co0.8Fe0.23を含む層(例えば、空気極層、第二空気極層)を用いることができる。 Examples of the air electrode 204 include lanthanum manganite doped with at least one selected from Sr and Ca, lanthanum ferrite doped with at least one selected from Sr, Co, Ni and Cu, Sr, Fe, Ni and Cu. At least one of lanthanum cobaltite doped with at least one selected from the group consisting of silver and silver can be used. The air electrode 204 may be a single layer or a multilayer. As an example of the case where the outer electrode is a multilayer air electrode, for example, a layer containing L 0.6 Sr 0.4 Co 0.2 Fe 0.8 O 3 on the electrolyte side (for example, an air electrode catalyst layer, a first air electrode layer) is used. A layer containing L 0.6 Sr 0.4 Co 0.8 Fe 0.2 O 3 (for example, an air electrode layer or a second air electrode layer) can be used as the outermost layer.

発電性能を向上させるという観点から、燃料極202と固体電解質203との間に、燃料極触媒層(第二燃料極層)を設けることができる。燃料極触媒層としては、電子伝導性と酸素イオン伝導性に優れるという観点から、Ni/セリウム含有酸化物、Ni/ランタンガレート酸化物等が挙げられる。   From the viewpoint of improving the power generation performance, a fuel electrode catalyst layer (second fuel electrode layer) can be provided between the fuel electrode 202 and the solid electrolyte 203. Examples of the fuel electrode catalyst layer include Ni / cerium-containing oxides and Ni / lanthanum gallate oxides from the viewpoint of excellent electronic conductivity and oxygen ion conductivity.

さらに発電性能を向上させるために、燃料極202または燃料極触媒層と、固体電解質203との間に、反応抑制層(第一固体電解質層)を設けることができる。反応抑制層としては、酸素イオン伝導性に優れるという観点から、セリウム含有酸化物が挙げられる。   In order to further improve the power generation performance, a reaction suppression layer (first solid electrolyte layer) can be provided between the fuel electrode 202 or the fuel electrode catalyst layer and the solid electrolyte 203. Examples of the reaction suppressing layer include cerium-containing oxides from the viewpoint of excellent oxygen ion conductivity.

本発明における固体電解質形燃料電池セルの各層の作製方法については、スラリー液をコーティングするスラリーコート法、テープキャスティング法、ドクターブレード法、転写法などにより好ましく行うことができる。また印刷手法も利用可能であり、スクリーン印刷法やインクジェット法などを用いることができる。   The method for producing each layer of the solid oxide fuel cell in the present invention can be preferably carried out by a slurry coating method for coating a slurry liquid, a tape casting method, a doctor blade method, a transfer method or the like. A printing method can also be used, and a screen printing method, an inkjet method, or the like can be used.

空気極、固体電解質、燃料極は、各原料粉末に、溶媒(水、アルコールなど)、分散剤、バインダー等の成形助剤を添加してスラリーを作製し、それをコーティングし、乾燥した後、焼成(1100℃以上1400℃未満)することによって得ることができる。   The air electrode, solid electrolyte, and fuel electrode are prepared by adding a molding aid such as a solvent (water, alcohol, etc.), a dispersant, a binder, etc. to each raw material powder, coating it, and drying it. It can obtain by baking (1100 degreeC or more and less than 1400 degreeC).

焼成は、各電極及び固体電解質の層を形成する都度行ってもよいが、複数の層を一度に焼成する「共焼成」を行うことも可能である。また、固体電解質がドーパントの拡散等により変性しないように、焼成は酸化雰囲気下で行なうことが好ましい。より好適には、空気と酸素との混合ガスを用い、酸素濃度20質量%以上30質量%以下の雰囲気で焼成を行う。   Firing may be performed each time the electrodes and the solid electrolyte layer are formed, but “co-firing” in which a plurality of layers are fired at once is also possible. Further, the firing is preferably performed in an oxidizing atmosphere so that the solid electrolyte is not denatured by diffusion of the dopant. More preferably, firing is performed in an atmosphere having an oxygen concentration of 20% by mass to 30% by mass using a mixed gas of air and oxygen.

図6により燃料電池セルスタック14について説明する。図6は、本発明の一実施形態による固体酸化物形燃料電池(SOFC)システムの燃料電池セルスタックを示す斜視図である。
図6に示すように、燃料電池セルスタック14は、16本の燃料電池セルユニット16を備え、これらの燃料電池セルユニット16は、8本ずつ2列に並べて配置されている。各燃料電池セルユニット16は、下端側がセラミックス製の長方形の下支持板68(図2)により支持され、上端側は、両端部の燃料電池セルユニット16が4本ずつ、概ね正方形の2枚の上支持板100により支持されている。これらの下支持板68及び上支持板100には、内側電極端子86が貫通可能な貫通穴がそれぞれ形成されている。
The fuel cell stack 14 will be described with reference to FIG. FIG. 6 is a perspective view showing a fuel cell stack of a solid oxide fuel cell (SOFC) system according to an embodiment of the present invention.
As shown in FIG. 6, the fuel cell stack 14 includes 16 fuel cell units 16, and these fuel cell units 16 are arranged in two rows of 8 each. Each fuel cell unit 16 is supported at its lower end by a rectangular lower support plate 68 (FIG. 2) made of ceramics, and at the upper end, four fuel cell units 16 at both ends are provided, each having a generally square shape. It is supported by the upper support plate 100. The lower support plate 68 and the upper support plate 100 are formed with through holes through which the inner electrode terminal 86 can pass.

さらに、燃料電池セルユニット16には、集電体102及び外部端子104が取り付けられている。この集電体102は、燃料極である内側電極90に取り付けられた内側電極端子86と電気的に接続される燃料極用接続部102aと、空気極である外側電極92の外周面と電気的に接続される空気極用接続部102bとを接続するように一体的に形成されている。また、各燃料電池セルユニット16の外側電極92(空気極)の外表面全体には、空気極の電極として、銀製の薄膜が形成されている。この薄膜の表面に空気極用接続部102bが接触することにより、集電体102は空気極全体と電気的に接続される。   Furthermore, a current collector 102 and an external terminal 104 are attached to the fuel cell unit 16. The current collector 102 is electrically connected to the fuel electrode connection portion 102a electrically connected to the inner electrode terminal 86 attached to the inner electrode 90 which is a fuel electrode, and the outer peripheral surface of the outer electrode 92 which is an air electrode. Are integrally formed so as to be connected to the air electrode connecting portion 102b connected to the air electrode. In addition, a silver thin film is formed on the entire outer surface of the outer electrode 92 (air electrode) of each fuel cell unit 16 as an electrode of the air electrode. When the air electrode connecting portion 102b contacts the surface of the thin film, the current collector 102 is electrically connected to the entire air electrode.

さらに、燃料電池セルスタック14の端(図5では左端の奥側)に位置する燃料電池セルユニット16の空気極86には、2つの外部端子104がそれぞれ接続されている。これらの外部端子104は、隣接する燃料電池セルスタック14の端にある燃料電池セルユニット16の内側電極端子86に接続され、上述したように、160本の燃料電池セルユニット16の全てが直列接続されるようになっている。   Furthermore, two external terminals 104 are connected to the air electrode 86 of the fuel cell unit 16 located at the end of the fuel cell stack 14 (the far left side in FIG. 5). These external terminals 104 are connected to the inner electrode terminal 86 of the fuel cell unit 16 at the end of the adjacent fuel cell stack 14, and as described above, all 160 fuel cell units 16 are connected in series. It has come to be.

図7により本実施形態による固体酸化物形燃料電池(SOFC)システムに取り付けられたセンサ類等について説明する。図7は、本発明の一実施形態による固体酸化物形燃料電池(SOFC)システムを示すブロック図である。
図7に示すように、固体酸化物形燃料電池システム1は、コントローラである制御部110を備え、この制御部110には、使用者が操作するための「ON」や「OFF」等の操作ボタンを備えた操作装置112、発電出力値(ワット数)等の種々のデータを表示するための表示装置114、及び、異常状態のとき等に警報(ワーニング)を発する報知装置116が接続されている。なお、この報知装置116は、遠隔地にある管理センタに接続され、この管理センタに異常状態を通知するようなものであっても良い。また、制御部110には、マイクロプロセッサ、メモリ、及びこれらを作動させるプログラム(以上、図示せず)が内蔵されており、これらにより、各センサからの入力信号に基づいて、補機ユニット4、インバータ54等が制御される。
The sensors and the like attached to the solid oxide fuel cell (SOFC) system according to the present embodiment will be described with reference to FIG. FIG. 7 is a block diagram illustrating a solid oxide fuel cell (SOFC) system according to an embodiment of the present invention.
As shown in FIG. 7, the solid oxide fuel cell system 1 includes a control unit 110 that is a controller. The control unit 110 includes operations such as “ON” and “OFF” for operation by the user. An operation device 112 having a button, a display device 114 for displaying various data such as a power generation output value (wattage), and a notification device 116 for issuing a warning (warning) in an abnormal state are connected. Yes. The notification device 116 may be connected to a remote management center and notify the management center of an abnormal state. In addition, the control unit 110 incorporates a microprocessor, a memory, and a program (not shown) for operating these components, and thereby, based on input signals from the respective sensors, the auxiliary unit 4, The inverter 54 and the like are controlled.

次に、制御部110には、以下に説明する種々のセンサからの信号が入力されるようになっている。
先ず、可燃ガス検出センサ120は、ガス漏れを検知するためのもので、燃料電池モジュール2及び補機ユニット4に取り付けられている。CO検出センサ122は、本来排気ガス通路80等を経て外部に排出される排気ガス中のCOが、燃料電池モジュール2及び補機ユニット4を覆う外部ハウジング(図示せず)へ漏れたかどうかを検知するためのものである。貯湯状態検出センサ124は、図示しない給湯器におけるお湯の温度や水量を検知するためのものである。
Next, signals from various sensors described below are input to the control unit 110.
First, the combustible gas detection sensor 120 is for detecting a gas leak, and is attached to the fuel cell module 2 and the auxiliary unit 4. The CO detection sensor 122 detects whether or not CO in the exhaust gas originally discharged to the outside through the exhaust gas passage 80 or the like leaks to an external housing (not shown) that covers the fuel cell module 2 and the auxiliary unit 4. Is to do. The hot water storage state detection sensor 124 is for detecting the temperature and amount of hot water in a water heater (not shown).

電力状態検出センサ126は、インバータ54及び分電盤(図示せず)の電流及び電圧等を検知するためのものである。発電用空気流量検出センサ128は、発電室10に供給される発電用空気の流量を検出するためのものである。改質用空気流量センサ130は、改質器20に供給される改質用空気の流量を検出するためのものである。燃料流量センサ132は、改質器20に供給される燃料ガスの流量を検出するためのものである。   The power state detection sensor 126 is for detecting the current and voltage of the inverter 54 and the distribution board (not shown). The power generation air flow rate detection sensor 128 is for detecting the flow rate of power generation air supplied to the power generation chamber 10. The reforming air flow sensor 130 is for detecting the flow rate of the reforming air supplied to the reformer 20. The fuel flow sensor 132 is for detecting the flow rate of the fuel gas supplied to the reformer 20.

水流量センサ134は、改質器20に供給される純水の流量を検出するためのものである。水位センサ136は、純水タンク26の水位を検出するためのものである。圧力センサ138は、改質器20の外部の上流側の圧力を検出するためのものである。排気温度センサ140は、温水製造装置50に流入する排気ガスの温度を検出するためのものである。   The water flow rate sensor 134 is for detecting the flow rate of pure water supplied to the reformer 20. The water level sensor 136 is for detecting the water level of the pure water tank 26. The pressure sensor 138 is for detecting the pressure on the upstream side outside the reformer 20. The exhaust temperature sensor 140 is for detecting the temperature of the exhaust gas flowing into the hot water production apparatus 50.

発電室温度センサ142は、図3に示すように、燃料電池セル集合体12の近傍の前面側と背面側に設けられ、燃料電池セルスタック14の近傍の温度を検出して、燃料電池セルスタック14(即ち燃料電池セル84自体)の温度を推定するためのものである。燃焼室温度センサ144は、燃焼室18の温度を検出するためのものである。排気ガス室温度センサ146は、排気ガス室78の排気ガスの温度を検出するためのものである。改質器温度センサ148は、改質器20の温度を検出するためのものであり、改質器20の入口温度と出口温度から改質器20の温度を算出する。外気温度センサ150は、固体酸化物形燃料電池(SOFC)システムが屋外に配置された場合、外気の温度を検出するためのものである。また、外気の湿度等を測定するセンサを設けるようにしても良い。   As shown in FIG. 3, the power generation chamber temperature sensor 142 is provided on the front side and the back side in the vicinity of the fuel cell assembly 12, and detects the temperature in the vicinity of the fuel cell stack 14 to thereby detect the fuel cell stack. 14 (ie, the fuel cell 84 itself) is estimated. The combustion chamber temperature sensor 144 is for detecting the temperature of the combustion chamber 18. The exhaust gas chamber temperature sensor 146 is for detecting the temperature of the exhaust gas in the exhaust gas chamber 78. The reformer temperature sensor 148 is for detecting the temperature of the reformer 20, and calculates the temperature of the reformer 20 from the inlet temperature and the outlet temperature of the reformer 20. The outside air temperature sensor 150 is for detecting the temperature of the outside air when the solid oxide fuel cell (SOFC) system is placed outdoors. Further, a sensor for measuring the humidity or the like of the outside air may be provided.

これらのセンサ類からの信号は、制御部110に送られ、制御部110は、これらの信号によるデータに基づき、水流量調整ユニット28、燃料流量調整ユニット38、改質用空気流量調整ユニット44、発電用空気流量調整ユニット45に、制御信号を送り、これらのユニットにおける各流量を制御するようになっている。   Signals from these sensors are sent to the control unit 110, and the control unit 110, based on data based on these signals, the water flow rate adjustment unit 28, the fuel flow rate adjustment unit 38, the reforming air flow rate adjustment unit 44, A control signal is sent to the power generation air flow rate adjusting unit 45 to control each flow rate in these units.

図2及び図3に示すように、空気用熱交換器22は、複数の燃焼ガス配管70と発電用空気流路72と、を有する。また、図2に示すように、複数の燃焼ガス配管70の一方の端部には、排気ガス集約室78が設けられており、この排気ガス集約室78は、各燃焼ガス配管70に連通されている。また、排気ガス集約室78には、排気ガス排出管82が接続されている。さらに、各燃焼ガス配管70の他方の端部は開放されており、この開放された端部は、ケース8の上面に形成された連通開口8aを介して、ケース8内の燃焼室18に連通されている。   As shown in FIGS. 2 and 3, the air heat exchanger 22 includes a plurality of combustion gas pipes 70 and a power generation air flow path 72. As shown in FIG. 2, an exhaust gas collecting chamber 78 is provided at one end of the plurality of combustion gas pipes 70, and the exhaust gas collecting chamber 78 is communicated with each combustion gas pipe 70. ing. Further, an exhaust gas discharge pipe 82 is connected to the exhaust gas collecting chamber 78. Further, the other end of each combustion gas pipe 70 is open, and this open end communicates with the combustion chamber 18 in the case 8 via a communication opening 8 a formed on the upper surface of the case 8. Has been.

燃焼ガス配管70は、水平方向に向けられた複数の金属製の円管であり、各円管は夫々平行に配置されている。一方、発電用空気流路72は、各燃焼ガス配管70の外側の空間によって構成されている。また、発電用空気流路72の、排気ガス排出管82側の端部には、発電用空気導入管74が接続されており、燃料電池モジュール2の外部の空気が、発電用空気導入管74を通って発電用空気流路72に導入される。なお、発電用空気導入管74は、排気ガス排出管82と平行に、空気用熱交換器22から水平方向に突出している。さらに、発電用空気流路72の他方の端部の両側面には、一対の連絡流路76(図3)が接続されており、発電用空気流路72と各連絡流路76は、夫々、出口ポート76aを介して連通されている。   The combustion gas pipe 70 is a plurality of metal circular pipes oriented in the horizontal direction, and the circular pipes are arranged in parallel. On the other hand, the power generation air flow path 72 is constituted by a space outside each combustion gas pipe 70. Further, a power generation air introduction pipe 74 is connected to an end of the power generation air flow path 72 on the exhaust gas discharge pipe 82 side, and the air outside the fuel cell module 2 is connected to the power generation air introduction pipe 74. And is introduced into the power generation air flow path 72. The power generation air introduction pipe 74 protrudes in the horizontal direction from the air heat exchanger 22 in parallel with the exhaust gas discharge pipe 82. Further, a pair of communication flow paths 76 (FIG. 3) are connected to both side surfaces of the other end of the power generation air flow path 72, and each of the power generation air flow path 72 and each communication flow path 76 is connected to each other. The communication is made through the outlet port 76a.

図3に示すように、ケース8の両側面には、発電用空気供給路77が夫々設けられている。空気用熱交換器22の両側面に設けられた各連絡流路76は、ケース8の両側面に設けられた発電用空気供給路77の上部に夫々連通されている。また、各発電用空気供給路77の下部には、多数の吹出口77aが水平方向に並べて設けられている。各発電用空気供給路77を通って供給された発電用の空気は、多数の吹出口77aから、燃料電池モジュール2内の燃料電池セルスタック14の下部側面に向けて噴射される。   As shown in FIG. 3, a power generation air supply passage 77 is provided on each side surface of the case 8. Each communication channel 76 provided on both side surfaces of the air heat exchanger 22 communicates with an upper portion of a power generation air supply channel 77 provided on both side surfaces of the case 8. In addition, a large number of air outlets 77 a are arranged in the horizontal direction at the lower portion of each power generation air supply passage 77. The power generation air supplied through each power generation air supply path 77 is injected toward the lower side surface of the fuel cell stack 14 in the fuel cell module 2 from a large number of air outlets 77a.

また、ケース8内部の天井面には、隔壁である整流板21が取り付けられており、この整流板21には開口部21aが設けられている。
整流板21は、ケース8の天井面と改質器20の間に、水平に配置された板材である。この整流板21は、燃焼室18から上方に流れる気体の流れを整え、空気用熱交換器22の入り口(図2の連通開口8a)に導くように構成されている。燃焼室18から上方へ向かう発電用空気及び燃焼ガスは、整流板21の中央に設けられた開口部21aを通って整流板21の上側に流入し、整流板21の上面とケース8の天井面の間の排気通路21bを図2における左方向に流れ、空気用熱交換器22の入り口に導かれる。また、開口部21aは、改質器20の改質部20cの上方に設けられており、開口部21aを通って上昇した気体は、蒸発部20aとは反対側の、図2における左側の排気通路21bに流れる。このため、蒸発部20aの上方の空間(図2における右側)は、改質部20cの上方の空間よりも排気の流れが遅く、排気の流れが淀む気体滞留空間21cとして作用する。
A rectifying plate 21 that is a partition wall is attached to the ceiling surface inside the case 8, and the rectifying plate 21 has an opening 21 a.
The rectifying plate 21 is a plate member disposed horizontally between the ceiling surface of the case 8 and the reformer 20. The rectifying plate 21 is configured to adjust the flow of the gas flowing upward from the combustion chamber 18 and to guide it to the inlet of the air heat exchanger 22 (communication opening 8a in FIG. 2). The power generation air and the combustion gas traveling upward from the combustion chamber 18 flow into the upper side of the rectifying plate 21 through the opening 21 a provided in the center of the rectifying plate 21, and the upper surface of the rectifying plate 21 and the ceiling surface of the case 8. 2 flows to the left in FIG. 2 and is led to the inlet of the heat exchanger 22 for air. The opening 21a is provided above the reforming unit 20c of the reformer 20, and the gas rising through the opening 21a is exhausted on the left side in FIG. 2 on the side opposite to the evaporation unit 20a. It flows into the passage 21b. For this reason, the space above the evaporation unit 20a (the right side in FIG. 2) acts as a gas retention space 21c in which the exhaust flow is slower than the space above the reforming unit 20c and the exhaust flow is stagnant.

また、整流板21の開口部21aの縁には、全周に亘って縦壁21dが設けられており、この縦壁21dにより、整流板21の下側の空間から整流板21の上側の排気通路21bに流入する流路が狭められている。さらに、排気通路21bと空気用熱交換器22を連通させる連通開口8aの縁にも、全周に亘って下がり壁8b(図2)が設けられており、この下がり壁8bにより、排気通路21bから空気用熱交換器22に流入する流路が狭められている。これらの縦壁21d、下がり壁8bを設けることにより、燃焼室18から空気用熱交換器22を通って燃料電池モジュール2の外部に至る排気の通路における流路抵抗が調整されている。流路抵抗の調整については後述する。   Further, a vertical wall 21d is provided at the edge of the opening 21a of the rectifying plate 21 over the entire circumference, and the vertical wall 21d allows the exhaust above the rectifying plate 21 from the space below the rectifying plate 21. The flow path flowing into the passage 21b is narrowed. Further, a falling wall 8b (FIG. 2) is provided over the entire circumference at the edge of the communication opening 8a that allows the exhaust passage 21b and the air heat exchanger 22 to communicate with each other. The flow path flowing into the air heat exchanger 22 is narrowed. By providing the vertical wall 21d and the falling wall 8b, the flow resistance in the exhaust passage from the combustion chamber 18 to the outside of the fuel cell module 2 through the air heat exchanger 22 is adjusted. The adjustment of the channel resistance will be described later.

次に、固体酸化物形燃料電池システム1の発電運転時における燃料、発電用空気、及び排気ガスの流れを説明する。
まず、燃料は、燃料ガス供給用配管63b、T字管62a、改質器導入管62を介して改質器20の蒸発部20aに導入されると共に、純水は、水供給用配管63a、T字管62a、改質器導入管62を介して蒸発部20aに導入される。従って、供給された燃料及び水はT字管62aにおいて合流され、改質器導入管62を通って蒸発部20aに導入される。発電運転中においては、蒸発部20aは高温に加熱されているため、蒸発部20aに導入された純水は、比較的速やかに蒸発され水蒸気となる。蒸発された水蒸気及び燃料は、混合部20b内で混合され、改質器20の改質部20cに流入する。水蒸気と共に改質部20cに導入された燃料は、ここで水蒸気改質され、水素を豊富に含む燃料ガスに改質される。改質部20cにおいて改質された燃料は、燃料ガス供給管64を通って下方に下り、分散室であるマニホールド66に流入する。
Next, the flow of fuel, power generation air, and exhaust gas during the power generation operation of the solid oxide fuel cell system 1 will be described.
First, the fuel is introduced into the evaporation section 20a of the reformer 20 through the fuel gas supply pipe 63b, the T-shaped pipe 62a, and the reformer introduction pipe 62, and the pure water is supplied to the water supply pipe 63a, It is introduced into the evaporator 20a through the T-shaped tube 62a and the reformer introducing tube 62. Accordingly, the supplied fuel and water are merged in the T-shaped tube 62 a and introduced into the evaporation unit 20 a through the reformer introduction tube 62. During the power generation operation, since the evaporation unit 20a is heated to a high temperature, the pure water introduced into the evaporation unit 20a is evaporated relatively quickly to become water vapor. The evaporated water vapor and fuel are mixed in the mixing unit 20 b and flow into the reforming unit 20 c of the reformer 20. The fuel introduced into the reforming unit 20c together with the steam is steam reformed here and reformed into a fuel gas rich in hydrogen. The fuel reformed in the reforming unit 20c goes down through the fuel gas supply pipe 64 and flows into the manifold 66 which is a dispersion chamber.

マニホールド66は、燃料電池セルスタック14の下側に配置された比較的体積の大きい直方体状の空間であり、その上面に設けられた多数の穴が燃料電池セルスタック14を構成する各燃料電池セルユニット16の内側に連通している。マニホールド66に導入された燃料は、その上面に設けられた多数の穴を通って、燃料電池セルユニット16の燃料極、即ち、燃料電池セルユニット16の内部を通って、その上端から流出する。また、燃料である水素ガスが燃料電池セルユニット16の内部を通過する際、空気極(酸化剤ガス極)である燃料電池セルユニット16の外側を通る空気中の酸素と反応して電荷が生成される。この発電に使用されずに残った残余燃料は、各燃料電池セルユニット16の上端から流出し、燃料電池セルスタック14の上方に設けられた燃焼室18内で燃焼される。   The manifold 66 is a rectangular parallelepiped space having a relatively large volume, which is disposed on the lower side of the fuel cell stack 14, and a plurality of holes provided on the upper surface thereof constitute each fuel cell constituting the fuel cell stack 14. It communicates with the inside of the unit 16. The fuel introduced into the manifold 66 flows out of the upper end of the fuel cell unit 16 through the fuel electrode of the fuel cell unit 16, that is, through the inside of the fuel cell unit 16 through a number of holes provided on the upper surface thereof. Further, when hydrogen gas as a fuel passes through the inside of the fuel cell unit 16, it reacts with oxygen in the air passing outside the fuel cell unit 16 as an air electrode (oxidant gas electrode) to generate a charge. Is done. The remaining fuel that is not used for power generation flows out from the upper end of each fuel cell unit 16 and is combusted in a combustion chamber 18 provided above the fuel cell stack 14.

一方、酸素である発電用の空気は、発電用の酸素供給装置である発電用空気流量調整ユニット45によって、発電用空気導入管74を介して燃料電池モジュール2内に送り込まれる。燃料電池モジュール2内に送り込まれた空気は、発電用空気導入管74を介して空気用熱交換器22の発電用空気流路72に導入され、予熱される。予熱された空気は、各出口ポート76a(図3)を介して各連絡流路76に流出する。各連絡流路76に流入した発電用の空気は、燃料電池モジュール2の両側面に設けられた発電用空気供給路77を通って下方に流れ、多数の吹出口77aから、燃料電池セルスタック14に向けて発電室10内に噴射される。   On the other hand, the power generation air, which is oxygen, is sent into the fuel cell module 2 through the power generation air introduction pipe 74 by the power generation air flow rate adjustment unit 45 that is an oxygen supply device for power generation. The air sent into the fuel cell module 2 is introduced into the power generation air passage 72 of the air heat exchanger 22 via the power generation air introduction pipe 74 and preheated. The preheated air flows out to each communication channel 76 via each outlet port 76a (FIG. 3). The power generation air flowing into each communication channel 76 flows downward through the power generation air supply passages 77 provided on both side surfaces of the fuel cell module 2, and the fuel cell stack 14 from a number of outlets 77a. Toward the power generation chamber 10.

発電室10内に噴射された空気は、燃料電池セルスタック14の空気極(酸素極側)である各燃料電池セルユニット16の外側面に接触し、空気中の酸素の一部が発電に利用される。また、吹出口77aを介して発電室10の下部に噴射された空気は、発電に利用されながら発電室10内を上昇する。発電室10内を上昇した空気は、各燃料電池セルユニット16の上端から流出する燃料を燃焼させる。この燃焼による燃焼熱は、燃料電池セルスタック14の上方に配置された改質器20の蒸発部20a、混合部20b及び改質部20cを加熱する。燃料が燃焼され、生成された燃焼ガスは、上方の改質器20を加熱した後、改質器20上方の開口部21aを通って整流板21の上側に流入する。整流板21の上側に流入した燃焼ガスは、整流板21によって構成された排気通路21bを通って空気用熱交換器22の入り口である連通開口8aに導かれる。連通開口8aから空気用熱交換器22に流入した燃焼ガスは、開放された各燃焼ガス配管70の端部に流入し、各燃焼ガス配管70外側の発電用空気流路72を流れる発電用空気との間で熱交換を行い、排気ガス集約室78に集約される。排気ガス集約室78に集約された排気ガスは、排気ガス排出管82を介して燃料電池モジュール2の外部に排出される。これにより、蒸発部20aにおける水の蒸発、及び改質部20cにおける吸熱反応である水蒸気改質反応が促進されると共に、空気用熱交換器22内の発電用空気が予熱される。   The air injected into the power generation chamber 10 contacts the outer surface of each fuel cell unit 16 that is the air electrode (oxygen electrode side) of the fuel cell stack 14, and a part of oxygen in the air is used for power generation. Is done. Moreover, the air injected to the lower part of the power generation chamber 10 through the blower outlet 77a rises in the power generation chamber 10 while being used for power generation. The air rising in the power generation chamber 10 burns the fuel flowing out from the upper end of each fuel cell unit 16. The combustion heat generated by this combustion heats the evaporation section 20a, the mixing section 20b, and the reforming section 20c of the reformer 20 disposed above the fuel cell stack 14. The combustion gas generated by burning the fuel heats the upper reformer 20 and then flows into the upper side of the rectifying plate 21 through the opening 21 a above the reformer 20. The combustion gas that has flowed into the upper side of the rectifying plate 21 is guided to the communication opening 8 a that is the inlet of the air heat exchanger 22 through the exhaust passage 21 b formed by the rectifying plate 21. The combustion gas that has flowed into the air heat exchanger 22 from the communication opening 8 a flows into the open end of each combustion gas pipe 70 and flows through the power generation air flow path 72 outside each combustion gas pipe 70. Are exchanged with each other and collected in an exhaust gas collecting chamber 78. The exhaust gas collected in the exhaust gas collection chamber 78 is discharged to the outside of the fuel cell module 2 through the exhaust gas discharge pipe 82. As a result, the evaporation of water in the evaporation unit 20a and the steam reforming reaction, which is an endothermic reaction in the reforming unit 20c, are promoted, and the power generation air in the air heat exchanger 22 is preheated.

本実施例においては、燃料極を支持体としたタイプの両端が開放された円筒型固体酸化物形燃料電池セルを作製した。以下に円筒型固体酸化物形燃料電池セルの作製方法について詳細を示す。なお、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。   In this example, a cylindrical solid oxide fuel cell having both ends of a type using a fuel electrode as a support was opened. Details of the method for producing the cylindrical solid oxide fuel cell will be described below. The present invention is not limited to these examples.

1.燃料極を支持体としたセルの作製
燃料極支持体201の外側に形成された固体電解質層203と、固体電解質203の外側に形成された空気極204とを含む円筒形固体酸化物形燃料電池セルを作製した。この例では、燃料極が支持体として構成されている。燃料極支持体201と固体電解質層203との間には、燃料極反応触媒層を設けた。また該固体電解質層203と燃料極反応触媒層との間には、反応防止層を設けた。以下に作製手順について詳細に説明する。
1. Fabrication of a cell using a fuel electrode as a support A cylindrical solid oxide fuel cell including a solid electrolyte layer 203 formed on the outside of the fuel electrode support 201 and an air electrode 204 formed on the outside of the solid electrolyte 203 A cell was produced. In this example, the fuel electrode is configured as a support. A fuel electrode reaction catalyst layer was provided between the fuel electrode support 201 and the solid electrolyte layer 203. A reaction preventing layer was provided between the solid electrolyte layer 203 and the fuel electrode reaction catalyst layer. The production procedure will be described in detail below.

No.1、5、6
NiO粉末と、(ZrO)0.90(Y)0.10(以下YSZと略称する)粉末とをNi:YSZの重量比で59:41となるように混合した。該粉末を押出し成形法によって円筒状成形体を作製した。成形体を900℃で熱処理して仮焼体とした。仮焼体の表面に、スラリーコート法により燃料極反応触媒層、反応防止層、固体電解質の順番で成形した。これら積層成形体を支持体と1300℃で共焼成した。なお、このとき反応防止層の厚さは2から10μmの間になるように調整した。また固体電解質層の厚さは30〜60μmの間になるように調整した。次に、空気極の面積が32.7cm2になるようにセルへマスキングをし、固体電解質の表面に空気極を成形した。この成形体を1100℃で焼成し、固体酸化物形燃料電池セル、サンプルNo.1、5、6を得た。なお、燃料極支持体は、共焼成後の寸法で、外径10mm、肉厚1mm、有効セル長110mmとした。以下にスラリーコート法に用いた各層のスラリー作製方法について(1-a)から(1-d)に詳しく示す。なお、サンプルNo.1、5、6の各セルはそれぞれ複数本作製し、一部を用いて試験片を作製し、酸化収縮率Lrの測定及び界面長の測定を行った。また、残りのセルで起動停止試験を実施した。
No. 1, 5, 6
NiO powder and (ZrO 2 ) 0.90 (Y 2 O 3 ) 0.10 (hereinafter abbreviated as YSZ) powder were mixed so that the weight ratio of Ni: YSZ was 59:41. A cylindrical molded body was produced by extruding the powder. The formed body was heat treated at 900 ° C. to obtain a calcined body. On the surface of the calcined body, a fuel electrode reaction catalyst layer, a reaction prevention layer, and a solid electrolyte were formed in this order by a slurry coating method. These laminated molded bodies were co-fired at 1300 ° C. with the support. At this time, the thickness of the reaction preventing layer was adjusted to be between 2 and 10 μm. The thickness of the solid electrolyte layer was adjusted to be between 30 and 60 μm. Next, the cell was masked so that the area of the air electrode was 32.7 cm 2 , and the air electrode was formed on the surface of the solid electrolyte. This molded body was fired at 1100 ° C., and the solid oxide fuel cell, Sample No. 1, 5, 6 were obtained. The fuel electrode support had dimensions after co-firing, an outer diameter of 10 mm, a wall thickness of 1 mm, and an effective cell length of 110 mm. The details of the slurry preparation method for each layer used in the slurry coating method are shown in (1-a) to (1-d) below. Sample No. A plurality of cells 1, 5, and 6 were prepared, a test piece was prepared using a part of each cell, and the oxidation shrinkage ratio Lr and the interface length were measured. In addition, a start / stop test was performed on the remaining cells.

(1-a)燃料極反応触媒層スラリーの作製
NiO粉末とGDC粉末の混合物を共沈法で作製後、熱処理を行い燃料極反応触媒層粉末を得た。NiO粉末とGDC粉末の混合比は重量比で50:50とした。平均粒子径は0.5μmとなるよう調節した。該粉末40重量部を溶媒(エタノール)100重量部、バインダー(エチルセルロース)2重量部、分散剤(ポリオキシエチレンアルキルリン酸エステル)1重量部、消泡剤(ソルビタンセスキオレート)1重量部と混合した後、十分攪拌してスラリーを調整した。
(1-a) Preparation of fuel electrode reaction catalyst layer slurry A mixture of NiO powder and GDC powder was prepared by a coprecipitation method, followed by heat treatment to obtain a fuel electrode reaction catalyst layer powder. The mixing ratio of NiO powder and GDC powder was 50:50 by weight. The average particle size was adjusted to 0.5 μm. 40 parts by weight of the powder is mixed with 100 parts by weight of a solvent (ethanol), 2 parts by weight of a binder (ethyl cellulose), 1 part by weight of a dispersant (polyoxyethylene alkyl phosphate ester) and 1 part by weight of an antifoaming agent (sorbitan sesquiolate). Then, the slurry was prepared by sufficiently stirring.

(1-b)反応防止層のスラリー作製
反応防止層の材料には、(Ce0.6La0.4)O(以下LDCと略称する)粉末を用いた。焼結助剤としてGa粉末を0.2重量部混合し、溶媒(エタノール)100重量部、バインダー(エチルセルロース)2重量部、分散剤(ポリオキシエチレンアルキルリン酸エステル)1重量部、消泡剤(ソルビタンセスキオレート)1重量部と混合した後、十分攪拌してスラリーを調整した。
(1-b) Preparation of Slurry for Reaction Prevention Layer (Ce 0.6 La 0.4 ) O 2 (hereinafter abbreviated as LDC) powder was used as the material for the reaction prevention layer. As a sintering aid, 0.2 part by weight of Ga 2 O 3 powder is mixed, 100 parts by weight of solvent (ethanol), 2 parts by weight of binder (ethyl cellulose), 1 part by weight of dispersant (polyoxyethylene alkyl phosphate ester), After mixing with 1 part by weight of an antifoaming agent (sorbitan sesquiolate), the slurry was prepared by sufficiently stirring.

(1-c)固体電解質層のスラリー作製
第2の層の材料には、La0.8Sr0.2Ga0.8Mg0.2の組成のLSGM粉末を用いた。LSGM粉末40 重量部を溶媒(エタノール)100重量部、バインダー(エチルセルロース)2重量部、分散剤(ポリオキシエチレンアルキルリン酸エステル)1重量部、消泡剤(ソルビタンセスキオレート)1重量部とを混合した後、十分攪拌してスラリーを調整した。
(1-c) Slurry Preparation of Solid Electrolyte Layer As the material for the second layer, LSGM powder having a composition of La 0.8 Sr 0.2 Ga 0.8 Mg 0.2 O 3 was used. 40 parts by weight of LSGM powder, 100 parts by weight of solvent (ethanol), 2 parts by weight of binder (ethyl cellulose), 1 part by weight of dispersant (polyoxyethylene alkyl phosphate ester), 1 part by weight of antifoaming agent (sorbitan sesquiolate) After mixing, the slurry was prepared by sufficiently stirring.

(1-d)空気極スラリーの作製
空気極の材料には、La0.6Sr0.4Co0.8Fe0.2の組成の粉末を用いた。該粉末40重量部を溶媒(エタノール)100重量部、バインダー(エチルセルロース)2重量部、分散剤(ポリオキシエチレンアルキルリン酸エステル)1重量部、消泡剤(ソルビタンセスキオレート)1重量部とを混合した後、十分攪拌してスラリーを調整した。
(1-d) Preparation of Air Electrode Slurry A powder having a composition of La 0.6 Sr 0.4 Co 0.8 Fe 0.2 O 3 was used as the air electrode material. 40 parts by weight of the powder is 100 parts by weight of a solvent (ethanol), 2 parts by weight of a binder (ethyl cellulose), 1 part by weight of a dispersant (polyoxyethylene alkyl phosphate ester) and 1 part by weight of an antifoaming agent (sorbitan sesquiolate). After mixing, the slurry was prepared by sufficiently stirring.

No.2〜4
NiO粉末と、Ce0.9Gd0.11.95(以下GDCと略称する) 粉末の混合物を湿式混合法で作製後、熱処理、粉砕を行い燃料極支持体原料粉末を得た。NiO粉末とGDC粉末の混合比は、Ni:GDCの重量比で表1に示す組成とした。これ以外はNo.1と同様に行い、複数本の固体酸化物形燃料電池セルを得た。
No. 2-4
A mixture of NiO powder and Ce 0.9 Gd 0.1 O 1.95 (hereinafter abbreviated as GDC) powder was prepared by a wet mixing method, followed by heat treatment and pulverization to obtain a fuel electrode support raw material powder. The mixing ratio of the NiO powder and the GDC powder was the composition shown in Table 1 in terms of the Ni: GDC weight ratio. Other than this, no. 1 was performed, and a plurality of solid oxide fuel cells were obtained.

作製したサンプルNo.1〜6の固体酸化物形燃料電池セルについて、各評価を行った。結果を表1に示す。   The prepared sample No. Each evaluation was performed about the 1-6 solid oxide fuel cell. The results are shown in Table 1.

(燃料極の酸化収縮率測定)
まず、以下の方法にてサンプルNo.1〜6の固体酸化物形燃料電池セルの還元処理を行い、その後、各サンプルについて酸化処理を行い、酸化処理後の酸化収縮率Lrを測定した。
まず、サンプルNo.1〜6について、燃料極の還元処理を行った。具体的には、サンプルNo.1〜6の固体酸化物形燃料電池セルの燃料極に窒素200cc/min、空気極に空気2000cc/minを供給し、室温から700℃まで1時間半で昇温した。その後、温度700℃一定で燃料極に水素90cc/min、窒素40cc/min、空気側に空気2000cc/minを供給し8時間保持した。その後、燃料極側に水素30cc/min、窒素200cc/min、空気極側に空気2000cc/minを供給し、3時間で室温まで降温した。
(Measurement of oxidation shrinkage of fuel electrode)
First, sample no. 1 to 6 solid oxide fuel cells were subjected to reduction treatment, and then each sample was subjected to oxidation treatment, and the oxidation shrinkage ratio Lr after the oxidation treatment was measured.
First, sample no. About 1-6, the reduction process of the fuel electrode was performed. Specifically, sample no. Nitrogen 200 cc / min was supplied to the fuel electrode of the solid oxide fuel cells 1 to 6 and air 2000 cc / min was supplied to the air electrode, and the temperature was raised from room temperature to 700 ° C. over 1 hour and a half. Thereafter, hydrogen was maintained at a temperature of 700 ° C., 90 cc / min of hydrogen was supplied to the fuel electrode, 40 cc / min of nitrogen, and 2000 cc / min of air was supplied to the air side and held for 8 hours. Thereafter, hydrogen 30 cc / min and nitrogen 200 cc / min were supplied to the fuel electrode side, and air 2000 cc / min was supplied to the air electrode side, and the temperature was lowered to room temperature in 3 hours.

還元処理を行ったサンプルNo.1〜6の固体酸化物形燃料電池セルを長さ15mmに切断し、切断面が平行になるように研磨して酸化収縮率測定用の試料1〜6とした。これらの試料1〜6について固体酸化物形燃料電池システムが運転停止した後、燃料電池モジュール内の温度が所定の温度まで降下した状況を想定し、熱機械分析装置TMA(島津製作所製TMA−60)を用いて以下の試験を実施した。なお、測定時の荷重は10gとした。
まず、試料1〜6を水素中6℃/minで室温から、650℃まで昇温した。この温度は、固体酸化物形燃料電池システム運転時を想定した温度である。その後、水素中6℃/minで400℃まで降温させた。400℃で10分間安定させた後、窒素中で5分間保持した。その後、固体酸化物形燃料電池システムの運転停止時を想定し、酸素分圧が0.001atmになるように配合した空気と窒素の混合ガス中で18時間保持した。500℃の時の寸法(L500)と400℃酸素分圧0.001atm下で保持した際の最小寸法(L400)から以下の式により、試料1〜6の各燃料極の酸化収縮率Lrを求めた。
酸化収縮率Lr(%)=(1−L400/L500)×100
ここで、燃料極の寸法Lとして、燃料極のZ軸方向の長さを用いた。
Sample No. subjected to reduction treatment 1 to 6 solid oxide fuel cells were cut to a length of 15 mm and polished so that the cut surfaces were parallel to obtain samples 1 to 6 for measuring the oxidation shrinkage rate. Assuming a situation in which the temperature inside the fuel cell module drops to a predetermined temperature after the solid oxide fuel cell system is stopped for these samples 1 to 6, a thermomechanical analyzer TMA (TMA-60 manufactured by Shimadzu Corporation) is assumed. ) Was used to carry out the following test. The load during measurement was 10 g.
First, samples 1 to 6 were heated from room temperature to 650 ° C. at 6 ° C./min in hydrogen. This temperature is a temperature that is assumed during operation of the solid oxide fuel cell system. Thereafter, the temperature was lowered to 400 ° C. at 6 ° C./min in hydrogen. Stabilized at 400 ° C. for 10 minutes and then held in nitrogen for 5 minutes. Thereafter, assuming that the operation of the solid oxide fuel cell system was stopped, the solid oxide fuel cell system was maintained in a mixed gas of air and nitrogen so that the oxygen partial pressure was 0.001 atm for 18 hours. From the dimension at 500 ° C. (L 500 ) and the minimum dimension (L 400 ) when held at 400 ° C. under an oxygen partial pressure of 0.001 atm, the oxidation shrinkage ratio Lr of each fuel electrode of Samples 1 to 6 is obtained by the following formula. Asked.
Oxidation shrinkage ratio Lr (%) = (1−L 400 / L 500 ) × 100
Here, the length of the fuel electrode in the Z-axis direction was used as the dimension L of the fuel electrode.

(界面長の算出)
まず、作製したサンプルNo.1〜6を電子顕微鏡にて観察した。電子顕微鏡観察のための試料には、サンプルNo.1〜6を適当なサイズに切り出した試験片1〜6を用いた。この切り出した試験片1〜6の多孔質支持体を研磨後、日立製作所製IM4000によってイオンミリング加工処理を行い作製した。これらの試験片1〜6を、走査型電子顕微鏡(日立製作所製S−4100)により、加速電圧5kV、2次電子画像および反射電子像、倍率10000倍で観察し、電子顕微鏡画像(反射電子像)を得た。
図9はNo.2の電子顕微鏡画像である。図に示される電子顕微鏡画像(反射電子像)では、明暗差によってNiとGDCと気孔とが個別に表示されている。図9では、Niが“灰色”、GDCが“白色”、気孔が“黒色”で表示されている。
(Calculation of interface length)
First, the produced sample No. 1 to 6 were observed with an electron microscope. Samples for electron microscope observation include sample no. Test pieces 1 to 6 in which 1 to 6 were cut out to an appropriate size were used. After the cut porous supports of the test pieces 1 to 6 were polished, ion milling processing was performed using IM4000 manufactured by Hitachi, Ltd. These test pieces 1 to 6 were observed with a scanning electron microscope (S-4100, manufactured by Hitachi, Ltd.) at an acceleration voltage of 5 kV, a secondary electron image and a reflected electron image, and a magnification of 10,000 times. )
FIG. It is an electron microscope image of 2. FIG. In the electron microscope image (reflected electron image) shown in the figure, Ni, GDC, and pores are individually displayed due to the difference in brightness. In FIG. 9, Ni is displayed as “gray”, GDC as “white”, and pores as “black”.

(電子顕微鏡画像処理)
図10は、図9に示す電子顕微鏡画像を画像解析ソフト(三谷商事株式会社製WinROOF)によって画像処理した図である。図10では、NiとGDCとの界面が白色で示されている。この界面は、電子顕微鏡画像(反射電子像)の明暗差からNi、GDC、気孔を区別し、NiとGDCの界面を目視で定めたものであり、この界面の長さはNiとGDCとの界面長を示す。
NiとGDCとの単位面積あたりの界面長の平均値は以下の方法にて求めた。
図10に示す界面長をすべて足すことによりNiとGDCの界面長の合計値を求めた。この合計値を電子顕微鏡画像の視野面積で割った値を、単位面積あたりのNiとGDCとの単位面積あたりの界面長とした。なお、電子顕微鏡画像の視野によるばらつきを低減するために、1つの試料につき10視野の電子顕微鏡画像について画像処理を行い、単位面積あたりの界面長の平均値を算出した。
(Electron microscope image processing)
FIG. 10 is a diagram obtained by performing image processing on the electron microscope image shown in FIG. 9 using image analysis software (WinROOF manufactured by Mitani Corporation). In FIG. 10, the interface between Ni and GDC is shown in white. This interface distinguishes Ni, GDC, and pores from the contrast of the electron microscope image (reflected electron image), and visually determines the interface between Ni and GDC. The length of this interface is the difference between Ni and GDC. Indicates the interface length.
The average value of the interface length per unit area between Ni and GDC was determined by the following method.
The total interface length of Ni and GDC was determined by adding all the interface lengths shown in FIG. A value obtained by dividing the total value by the visual field area of the electron microscope image was defined as the interface length per unit area between Ni and GDC per unit area. In addition, in order to reduce the dispersion | variation by the visual field of an electron microscope image, image processing was performed about the electron microscope image of 10 visual fields per sample, and the average value of the interface length per unit area was computed.

(起動停止試験)
また、得られたサンプルNo.1〜6の固体酸化物形燃料電池セルを固体電解質形燃料電池システムに組み込み、発電試験を行った。発電条件としては、燃料は都市ガス13Aと水、空気の混合ガスとした。酸化剤は空気とした。発電定常温度は650℃とし、電流密度0.2A/cm2で運転した後、下記方法で固体電解質型燃料電池システムの運転停止を行った。
燃料極側のガスの供給、水の供給、及び空気の供給を短時間に停止する。同時に空気極側の空気の供給も停止する。また、燃料電池モジュールからの電力の取り出しも停止する(出力電流=0)。停止の後、燃料電池モジュールはこの状態で自然放置した。上記の起動停止試験を5サイクル繰返し、試験後の固体酸化物形燃料電池セルのクラック有無を、光学顕微鏡(キーエンス製デジタルマイクロスコープVHX−1000)を用いて確認した。
(Start / stop test)
In addition, the obtained sample No. 1 to 6 solid oxide fuel cells were incorporated into a solid oxide fuel cell system and a power generation test was conducted. As power generation conditions, the fuel was a mixed gas of city gas 13A, water and air. The oxidizing agent was air. The steady state power generation temperature was set to 650 ° C., and after operation at a current density of 0.2 A / cm 2, the solid oxide fuel cell system was stopped by the following method.
Gas supply, water supply, and air supply on the fuel electrode side are stopped in a short time. At the same time, the supply of air on the air electrode side is also stopped. Also, the extraction of power from the fuel cell module is stopped (output current = 0). After the stop, the fuel cell module was left in this state. The above start / stop test was repeated 5 cycles, and the presence or absence of cracks in the solid oxide fuel cell after the test was confirmed using an optical microscope (Keyence digital microscope VHX-1000).

1 固体酸化物形燃料電池システム
2 燃料電池モジュール
4 補機ユニット
7 断熱材(蓄熱材)
8 ケース
8a 連通開口
8b 下がり壁
10 発電室
12 燃料電池セル集合体
14 燃料電池セルスタック
16 燃料電池セルユニット(燃料電池セル)
18 燃焼室(燃焼部)
20 改質器
20a 蒸発部(蒸発室)
20b 混合部(圧力変動吸収手段)
20c 改質部
20d 蒸発/混合部隔壁
20e 隔壁開口
20f 混合/改質部隔壁(圧力変動吸収手段)
20g 連通孔(狭小流路)
21 整流板(隔壁)
21a 開口部
21b 排気通路
21c 気体滞留空間
21d 縦壁
22 空気用熱交換器(熱交換器)
23 蒸発室用断熱材(内部断熱材)
24 水供給源
26 純水タンク
28 水流量調整ユニット(水供給装置)
30 燃料供給源
38 燃料流量調整ユニット(燃料供給装置)
39 バルブ
40 空気供給源
44 改質用空気流量調整ユニット(改質用の酸素供給装置)
45 発電用空気流量調整ユニット(発電用の酸素供給装置)
46 第1ヒータ
48 第2ヒータ
50 温水製造装置(排熱回収用の熱交換器)
52 制御ボックス
54 インバータ
62 改質器導入管(水導入管、予熱部、結露部)
62a T字管(結露部)
63a 水供給用配管
63b 燃料ガス供給用配管
64 燃料ガス供給管
64c 圧力変動抑制用流路抵抗部
66 マニホールド(分散室)
76 空気導入管
76a 吹出口
82 排気ガス排出管
83 点火装置
84 燃料電池セル
85 排気バルブ
86 内側電極端子(キャップ)
98 燃料ガス流路細管
110 制御部(コントローラ)
110a シャットダウン停止回路
110b 電圧監視回路
112 操作装置
114 表示装置
116 警報装置
126 電力状態検出センサ
132 燃料流量センサ(燃料供給量検出センサ)
138 圧力センサ(改質器圧力センサ)
142 発電室温度センサ(温度検出手段)
148 改質器温度センサ
150 外気温度センサ
1 Solid Oxide Fuel Cell System 2 Fuel Cell Module 4 Auxiliary Unit 7 Heat Insulation Material (Heat Storage Material)
8 Case 8a Communication opening 8b Falling wall 10 Power generation chamber 12 Fuel cell assembly 14 Fuel cell stack 16 Fuel cell unit (fuel cell)
18 Combustion chamber (combustion section)
20 Reformer 20a Evaporating section (evaporating chamber)
20b Mixing part (pressure fluctuation absorbing means)
20c reforming part 20d evaporation / mixing part partition 20e partition opening 20f mixing / reforming part partition (pressure fluctuation absorbing means)
20g communication hole (narrow channel)
21 Rectifier plate (partition wall)
21a Opening 21b Exhaust passage 21c Gas residence space 21d Vertical wall 22 Air heat exchanger (heat exchanger)
23 Heat insulating material for evaporation chamber (internal heat insulating material)
24 Water supply source 26 Pure water tank 28 Water flow rate adjustment unit (water supply device)
30 Fuel supply source 38 Fuel flow rate adjustment unit (fuel supply device)
39 Valve 40 Air supply source 44 Reforming air flow rate adjusting unit (reforming oxygen supply device)
45 Air flow adjustment unit for power generation (oxygen supply device for power generation)
46 1st heater 48 2nd heater 50 Hot water production apparatus (heat exchanger for exhaust heat recovery)
52 Control box 54 Inverter 62 Reformer introduction pipe (water introduction pipe, preheating part, condensation part)
62a T-shaped tube (condensation part)
63a Water supply pipe 63b Fuel gas supply pipe 64 Fuel gas supply pipe 64c Pressure fluctuation suppressing flow path resistance 66 Manifold (dispersion chamber)
76 Air introduction pipe 76a Air outlet 82 Exhaust gas discharge pipe 83 Ignition device 84 Fuel cell 85 Exhaust valve 86 Inner electrode terminal (cap)
98 Fuel gas passage narrow tube 110 Controller (controller)
110a Shutdown stop circuit 110b Voltage monitoring circuit 112 Operation device 114 Display device 116 Alarm device 126 Power state detection sensor 132 Fuel flow rate sensor (fuel supply amount detection sensor)
138 Pressure sensor (reformer pressure sensor)
142 Power generation chamber temperature sensor (temperature detection means)
148 Reformer Temperature Sensor 150 Outside Temperature Sensor

Claims (6)

水素と酸素を反応させることにより発電する固体酸化物形燃料電池システムであって、
固体電解質とNiとセラミックスとのサーメットを含む燃料極と空気極とを有してなる燃料電池セルを収容する燃料電池モジュールと、
前記燃料電池モジュールに燃料を供給する燃料供給装置と、
前記燃料供給装置により供給された燃料を水蒸気改質して水素を生成し、生成された水素を前記燃料極に供給する改質器と、
前記改質器に水蒸気改質用の水を供給する水供給装置と、
前記燃料電池モジュールに酸素を供給する酸素供給装置と、
前記燃料供給装置、前記水供給装置、及び前記酸素供給装置を制御すると共に、前記燃料電池モジュールからの電力の取り出しを制御するコントローラと、を有しており、
前記燃料電池システムの発電運転中に前記燃料供給装置、前記水供給装置、及び、前記酸素供給装置の強制的に停止された後において、前記燃料電池モジュール内の温度が500℃のときの燃料極の寸法(L500)と、前記燃料電池モジュール内の温度が400℃であり、前記空気極の酸素分圧が10−5atmより大きいときの、前記燃料極の寸法(L400)と、が、(1−L400/L500)×100≦0.45%となることを特徴とする、固体酸化物形燃料電池システム。
A solid oxide fuel cell system that generates electricity by reacting hydrogen and oxygen,
A fuel cell module containing a fuel cell comprising a fuel electrode and a cathode containing a cermet of solid electrolyte, Ni and ceramics; and
A fuel supply device for supplying fuel to the fuel cell module;
A reformer for generating hydrogen by steam reforming the fuel supplied by the fuel supply device, and supplying the generated hydrogen to the fuel electrode;
A water supply device for supplying water for steam reforming to the reformer;
An oxygen supply device for supplying oxygen to the fuel cell module;
A controller for controlling the fuel supply device, the water supply device, and the oxygen supply device, and for controlling the extraction of electric power from the fuel cell module,
The fuel electrode when the temperature in the fuel cell module is 500 ° C. after the fuel supply device, the water supply device, and the oxygen supply device are forcibly stopped during the power generation operation of the fuel cell system. the dimensions (L 500) of a temperature of 400 ° C. in the fuel cell module, when the oxygen partial pressure is greater than 10 -5 atm of the air electrode, the dimension of the fuel electrode and the (L 400), but (1-L 400 / L 500 ) × 100 ≦ 0.45%, solid oxide fuel cell system
水素と酸素を反応させることにより発電する固体酸化物形燃料電池システムであって、
固体電解質と燃料極と空気極と前記燃料極と接して設けられNiとセラミックスとのサーメットを含む支持体と、を有してなる燃料電池セルを収容する燃料電池モジュールと、
前記燃料電池モジュールに燃料を供給する燃料供給装置と、
前記燃料供給装置により供給された燃料を水蒸気改質して水素を生成し、生成された水素を前記燃料極に供給する改質器と、
前記改質器に水蒸気改質用の水を供給する水供給装置と、
前記燃料電池モジュールに酸素を供給する酸素供給装置と、
前記燃料供給装置、前記水供給装置、及び前記酸素供給装置を制御すると共に、前記燃料電池モジュールからの電力の取り出しを制御するコントローラと、を有しており、
前記燃料電池システムの発電運転中に前記燃料供給装置、前記水供給装置、及び、前記酸素供給装置の少なくともいずれかが強制的に停止された後において、前記燃料電池モジュール内の温度が500℃のときの前記支持体の寸法(L500)と、前記燃料電池モジュール内の温度が400℃であり、前記空気極の酸素分圧が10−5atmより大きいときの、前記支持体の寸法(L400)と、が、(1−L400/L500)×100≦0.45%となることを特徴とする、固体酸化物形燃料電池システム。
A solid oxide fuel cell system that generates electricity by reacting hydrogen and oxygen,
A fuel cell module containing a fuel cell comprising: a solid electrolyte; a fuel electrode; an air electrode; and a support including a cermet of Ni and ceramics provided in contact with the fuel electrode;
A fuel supply device for supplying fuel to the fuel cell module;
A reformer for generating hydrogen by steam reforming the fuel supplied by the fuel supply device, and supplying the generated hydrogen to the fuel electrode;
A water supply device for supplying water for steam reforming to the reformer;
An oxygen supply device for supplying oxygen to the fuel cell module;
A controller for controlling the fuel supply device, the water supply device, and the oxygen supply device, and for controlling the extraction of electric power from the fuel cell module,
After at least one of the fuel supply device, the water supply device, and the oxygen supply device is forcibly stopped during the power generation operation of the fuel cell system, the temperature in the fuel cell module is 500 ° C. The size of the support (L 500 ) and the temperature of the support when the temperature in the fuel cell module is 400 ° C. and the oxygen partial pressure of the air electrode is greater than 10 −5 atm. 400 ) and (1−L 400 / L 500 ) × 100 ≦ 0.45%, a solid oxide fuel cell system.
前記サーメットにおいて、前記Niと前記セラミックスとの単位面積当たりの界面長が2μm/μm以上10μm/μm以下である、請求項1記載の固体酸化物形燃料電池システム。 2. The solid oxide fuel cell system according to claim 1, wherein in the cermet, an interface length per unit area between the Ni and the ceramic is 2 μm / μm 2 or more and 10 μm / μm 2 or less. 前記燃料極は、NiとYSZのサーメットまたはNiとGDCのサーメットの少なくともいずれかを含む、請求項1または3に記載の固体酸化物形燃料電池システム。   4. The solid oxide fuel cell system according to claim 1, wherein the fuel electrode includes at least one of Ni and YSZ cermets or Ni and GDC cermets. 5. 前記サーメットにおいて、前記Niと前記セラミックスとの単位面積当たりの界面長が2μm/μm以上10μm/μm以下である、請求項2記載の固体酸化物形燃料電池システム。 3. The solid oxide fuel cell system according to claim 2, wherein in the cermet, an interface length per unit area between the Ni and the ceramic is 2 μm / μm 2 or more and 10 μm / μm 2 or less. 前記支持体は、NiとYSZのサーメットまたはNiとGDCのサーメットの少なくともいずれかを含む、請求項2または5に記載の固体酸化物形燃料電池システム。   The solid oxide fuel cell system according to claim 2 or 5, wherein the support includes at least one of Ni and YSZ cermet or Ni and GDC cermet.
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