JP2018125284A - 固体酸化物形燃料電池セル - Google Patents
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Abstract
Description
燃料極層は、例えば、Niと、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との混合体、Niと、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との混合体、Niと、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トとの混合体、の少なくとも一種から形成される。本実施形態では、燃料極層は、Ni/YSZからなる。
電解質層は、燃料極層の外周面に沿って全周にわたって形成されており、下端は燃料極層の下端よりも上方で終端し、上端は燃料極層の上端よりも下方で終端している。電解質層は、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、の少なくとも一種から形成される。
空気極層は、電解質層の外周面に沿って全周にわたって形成されており、下端は電解質層の下端よりも上方で終端し、上端は電解質層の上端よりも下方で終端している。
集電層は、空気極層の外表面に銀を含有する層として形成される。集電層は、アルカリ土類金属を第1の濃度で含有する電子伝導層と、アルカリ土類金属を第1の濃度よりも高い第2の濃度で含有する硫黄捕集層とを有する。
本発明の燃料電池セルは、公知の方法に準じて従って、適宜製造することができる。好ましい製造方法を示せば下記のとおりである。
また、排気ガス室78の下面のほぼ中央には、排気ガス排出管82が接続され、この排気ガス排出管82の下流端は、図2に示す上述した温水製造装置50に接続されている。図3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。
固体酸化物形燃料電池セルの作製
NiO粉末と10YSZ(10mol%Y2O3−90mol%ZrO2)粉末とを重量比65:35で混合して、押し出し成形機にてせん断を加え1次粒子化させながら円筒状に成形し、燃焼極支持体を作製した。この燃料極支持体上に、燃料極の反応を促進させる燃料極触媒層を形成した。燃料極触媒層は、NiOとGDC10(10mol%Gd2O3−90mol%CeO2)とを、重量比50:50で混合したものをスラリーコート法により燃料極支持体上に製膜し形成した。さらに、燃料極反応触媒層上にLDC40(40mol%La2O3−60mol%CeO2)、La0.8Sr0.2Ga0.8Mg0.2O3の組成のLSGMをスラリーコート法により順次積層し、電解質層を形成し、成形体を得た。得られた成形体を1300℃にて焼成した。その後、空気極層用スラリーをスラリーコート法にて製膜し、1050℃で焼成することで空気極層を形成した。
実施例1に対し、硫黄捕集層を設けない点以外は同様の方法にて固体酸化物形燃料電池セルを作製した。
作製した実施例および比較例の固体酸化物形燃料電池セルを用いて下記の方法にて固体酸化物形燃料電池セルスタックを作製した。
作製した固体酸化物形燃料電池セルスタックを用いて耐久試験を行った。燃料ガスとして水素−窒素混合ガスを利用し、燃料利用率は75%に設定した。酸化剤ガスとして、ガスボンベ由来の二酸化硫黄/空気混合ガスをコンプレッサーエアーで希釈することにより、0.5ppmの二酸化硫黄成分を含む空気を供給した。これは、実際の燃料電池システム使用環境の約100倍にあたる硫黄濃度となる。なお、空気利用率は40%に設定した。発電定常温度は700℃、電流値を空気極の面積で除した平均電流密度を0.2Acm-2に設定し、約1000時間にわたり連続運転を行った。その際の電圧劣化率を表1に示す。
前記実施例にて作製した固体酸化物形燃料電池セルスタックを10組搭載し160本を直列に接続し、さらに改質器、空気配管、および燃料配管を取付けた後にハウジングで囲み、固体酸化物形燃料電池モジュールを作製した。この固体酸化物形燃料電池モジュールを、固体酸化物形燃料電池システムに組み込んだ。
燃料ガスを都市ガス13Aとし、燃料利用率は75%に設定し、スチームカーボン比(S/C)を2.5とした。また、酸化剤ガスは空気とし、空気利用率は40%とした。ここで、空気供給源からセルに空気が到達するまでの間には特別なケミカルフィルター等を設けなかった。発電定常温度は700℃とし、平均電流密度0.2A/cm2で約3000時間にわたり連続運転を行った。
上記の連続運転を終えた固体酸化物形燃料電池システムより固体酸化物形燃料電池モジュールを取り出し、さらにモジュール内の燃料電池セルを取り出した。試験後のセルについて、以下の手順に沿って元素分析を実施した。
作製した固体酸化物形燃料電池セルをモデル化し、セルの長軸方向における電解質層/空気極層界面での電流密度分布のシミュレーションを実施した。作動温度は700℃とし、セル内での温度分布はないものと仮定した。燃料利用率は70%、空気利用率は35%とし、平均電流密度は0.2A/cm2とした。計算に用いたセルの寸法は以下の通りである。燃料極支持体が外径10mm、肉厚1mmとした。燃料極反応触媒層の厚みを20μmとした。LDC層の厚みを5μmとした。LSGM層の厚みを30μmとした。空気極の厚みを25μm、面積を35cm2とした。電子伝導層の厚みを50μm、硫黄捕集層の厚みを30μmとした。シミュレーションはセルを長軸方向に約5〜10mmピッチで分割し、分割した範囲における任意の位置の電荷移動を計算することにより、セルの各位置における局所的な電流密度を算出した。
2 燃料電池モジュール
4 補機ユニット
6 ハウジング
7 断熱材
8 密封空間
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
18 燃焼室
20 改質器
22 空気用熱交換器
24 水供給源
28 水流量調整ユニット
30 燃料供給源
32 ガス遮断弁
36 脱硫器
38 燃料流量調整ユニット
40 空気供給源
42 電磁弁
44 改質用空気流量調整ユニット
45 発電用空気流量調整ユニット
46 第1ヒータ
48 第2ヒータ
50 温水製造装置
52 制御ボックス
54 インバータ
60 純水導入管
62 被改質ガス導入管
64 燃料ガス供給管
66 マニホールド
68 下支持板
70 空気集約室
72 空気分配室
74 空気流路管
76 空気導入管
80 排気ガス通路
82 排気ガス排出管
83 点火装置
84 燃料電池セル
86 内側電極端子
88 燃料ガス流路
90 内側電極
91 多孔質支持体
92 外側電極
94 電解質
100 上支持板
102 集電体
Claims (10)
- 固体酸化物形の電解質層を間に挟んで燃料極層と空気極層とが積層された燃料電池セルにおいて、
前記空気極層の外表面に銀を含有する集電層を有し、
前記集電層は、アルカリ土類金属を第1の濃度で含有する電子伝導層と、前記アルカリ土類金属を前記第1の濃度よりも高い第2の濃度で含有する硫黄捕集層とを有することを特徴とする燃料電池セル。 - 前記空気極層は、前記電子伝導層及び前記硫黄捕集層が含有する前記アルカリ土類金属と同一のアルカリ土類金属を含むペロブスカイト型酸化物を含有することを特徴とする、請求項1に記載の燃料電池セル。
- 前記集電層は、前記硫黄捕集層の外表面上に前記電子伝導層が積層された積層構造を有することを特徴とする、請求項1又は2に記載の燃料電池セル。
- 前記第1の濃度は0.01wt%以上7wt%以下であり、前記第2の濃度は1.5wt%以上10wt%以下であることを特徴とする、請求項1乃至3のいずれか一項に記載の燃料電池セル。
- 前記電子伝導層又は前記硫黄捕集層中のアルカリ土類金属は、ペロブスカイト型酸化物として含有されていることを特徴とする、請求項1乃至4のいずれか一項に記載の燃料電池セル。
- 前記燃料電池セルは、内側に配置された前記燃料極層の外側に向かって前記電解質層、前記空気極層及び前記集電層が設けられた筒状形状であり、
前記燃料極層は、前記燃料電池セルの軸方向に燃料ガスを流通させる内部流路を有し、
前記硫黄捕集層は、前記空気極層の外表面上であって、少なくとも前記内部流路に前記燃料ガスが供給される前記燃料電池セルの一端側近傍に設けられていることを特徴とする、請求項1乃至5のいずれか一項に記載の燃料電池セル。 - 前記硫黄捕集層の膜厚は、10μm以上120μm以下であることを特徴とする請求項1乃至6のいずれか一項に記載の燃料電池セル。
- 前記電子伝導層の膜厚は、10μm以上80μm以下であることを特徴とする請求項1乃至7のいずれか一項に記載の燃料電池セル。
- 前記空気極層の膜厚は、10μm以上60μm以下であることを特徴とする請求項1乃至8のいずれか一項に記載の燃料電池セル。
- 前記電解質層は、LSGM層でなることを特徴とする請求項1乃至9のいずれか一項に記載の燃料電池セル。
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