JP2018198191A - Electrochemical device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、電気化学装置に関する。 The present invention relates to an electrochemical device.
従来、電気化学セルの一種として、カソードとアノードと固体電解質層とを有する燃料電池セルが知られている（例えば、特許文献１参照）。燃料電池セルの発電中、酸素を含む酸化剤ガスがカソードに供給されるとともに、水素などの燃料ガスがアノードに供給される。 Conventionally, a fuel cell having a cathode, an anode, and a solid electrolyte layer is known as a kind of electrochemical cell (see, for example, Patent Document 1). During power generation of the fuel cell, an oxidant gas containing oxygen is supplied to the cathode and a fuel gas such as hydrogen is supplied to the anode.
しかしながら、燃料電池セルの発電中、燃料電池セルの使用環境によって出力性能、特に経時的な出力性能がばらつくという問題がある。この原因を本発明者等が鋭意検討した結果、カソードに供給される酸化剤ガスに含まれる様々な不純物のうち特にスルフィド系有機化合物がカソードに悪影響を及ぼしていることが分かった。 However, there is a problem that during the power generation of the fuel cell, the output performance, particularly the output performance with time, varies depending on the usage environment of the fuel cell. As a result of intensive studies by the present inventors on this cause, it has been found that, among various impurities contained in the oxidant gas supplied to the cathode, particularly the sulfide organic compound has an adverse effect on the cathode.
本発明は、このような新たな知見に基づいてなされたものであり、出力性能の劣化を抑制可能な電気化学装置を提供することを目的とする。 The present invention has been made based on such new knowledge, and an object thereof is to provide an electrochemical device capable of suppressing deterioration in output performance.
電気化学装置は、カソードとアノードと固体電解質層とを有する電気化学セルと、カソードに供給される酸化剤ガスを浄化する酸化剤ガス浄化装置とを備える。酸化剤ガス浄化装置は、酸化剤ガスに含まれるスルフィド系有機化合物の濃度を５ｐｐｂ以下にする。 The electrochemical device includes an electrochemical cell having a cathode, an anode, and a solid electrolyte layer, and an oxidant gas purification device that purifies the oxidant gas supplied to the cathode. In the oxidant gas purification device, the concentration of the sulfide organic compound contained in the oxidant gas is set to 5 ppb or less.
本発明によれば、出力性能の劣化を抑制可能な電気化学装置を提供することができる。 ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the electrochemical apparatus which can suppress degradation of output performance can be provided.
（燃料電池装置１００）
図１は、本実施形態に係る燃料電池装置１００のブロック図である。燃料電池装置１００は、燃料電池セル１０、酸化剤ガス浄化装置２０及び酸化剤ガスブロア３０を備える。
(Fuel cell device 100)
FIG. 1 is a block diagram of a fuel cell device 100 according to the present embodiment. The fuel cell device 100 includes a fuel cell 10, an oxidant gas purification device 20, and an oxidant gas blower 30.
１．燃料電池セル１０
燃料電池セル１０は、固体酸化物型燃料電池セル（ＳＯＦＣ：Ｓｏｌｉｄ Ｏｘｉｄｅ Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ）である。燃料電池セル１０は、カソード１１と、アノード１２と、固体電解質層１３とを有する。
1. Fuel cell 10
The fuel cell 10 is a solid oxide fuel cell (SOFC: Solid Oxide Fuel Cell). The fuel battery cell 10 includes a cathode 11, an anode 12, and a solid electrolyte layer 13.
カソード１１は、電子伝導性を有する多孔質材料によって構成される。カソード１１は、例えば、ＬＳＣＦ＝（Ｌａ，Ｓｒ）（Ｃｏ，Ｆｅ）Ｏ３、ＬＮＦ＝Ｌａ（Ｎｉ，Ｆｅ）Ｏ３（ランタンニッケルフェライト）、及びＬＳＣ＝（Ｌａ，Ｓｒ）ＣｏＯ３（ランタンストロンチウムコバルタイト）、ＬＳＦ＝（Ｌａ，Ｓｒ）ＦｅＯ３などによって構成することができるが、これに限られるものではない。カソード１１は、異なる材料によって構成される多層構造であってもよい。例えば、カソード１１は、ＬＳＣＦから構成される第１層（内側層）とＬＳＣから構成される第２層（外側層）との２層によって構成されてもよい。 The cathode 11 is made of a porous material having electronic conductivity. The cathode 11 is, for example, LSCF = (La, Sr) (Co, Fe) O 3 , LNF = La (Ni, Fe) O 3 (lanthanum nickel ferrite), and LSC = (La, Sr) CoO 3 (lanthanum strontium). Cobaltite), LSF = (La, Sr) FeO 3 and the like, but are not limited thereto. The cathode 11 may have a multilayer structure made of different materials. For example, the cathode 11 may be composed of two layers of a first layer (inner layer) made of LSCF and a second layer (outer layer) made of LSC.
アノード２０は、電子伝導性を有する多孔質の材料によって構成される。アノード２０は、例えば、Ｎｉ（ニッケル）とＹＳＺ（８ＹＳＺ：イットリア安定化ジルコニア）とによって構成することができるが、これに限られるものではない。アノード２０は、アノード集電部（外側層）とアノード活性部（内側層）とを有していてもよい。また、アノード２０は、図示しない支持基板によって支持されていてもよい。 The anode 20 is made of a porous material having electronic conductivity. The anode 20 can be composed of, for example, Ni (nickel) and YSZ (8YSZ: yttria stabilized zirconia), but is not limited thereto. The anode 20 may have an anode current collector (outer layer) and an anode active part (inner layer). The anode 20 may be supported by a support substrate (not shown).
固体電解質層１３は、カソード１１とアノード１２との間に配置される。固体電解質層１３は、イオン伝導性を有し且つ電子伝導性を有さない緻密材料によって構成される。固体電解質層１３は、例えば、ＹＳＺ（８ＹＳＺ）によって構成することができるが、これに限られるものではない。固体電解質層１３の気孔率は、０〜７％程度とすることができる。 The solid electrolyte layer 13 is disposed between the cathode 11 and the anode 12. The solid electrolyte layer 13 is made of a dense material that has ionic conductivity and no electronic conductivity. The solid electrolyte layer 13 can be composed of, for example, YSZ (8YSZ), but is not limited thereto. The porosity of the solid electrolyte layer 13 can be about 0 to 7%.
燃料電池セル１０の発電中、後述する酸化剤ガス浄化装置２０によって浄化された酸化剤ガス（例えば、空気）が配管１ａを介してカソード１１に供給されるとともに、水素などの燃料ガスが配管１ｂを介してアノード１２に供給される。すると、カソード１１において下記（１）式に示す化学反応が起こり、アノード１２において下記（２）式に示す化学反応が起こる。その結果、燃料電池セル１０に電流が流れる。カソード１１を通過した残酸化剤ガスは、配管１ｆから排出される。アノード１２において消費されなかった残燃料は、水蒸気とともに配管１ｅから排出される。
（１／２）・Ｏ２＋２ｅ−→Ｏ２ − …（１）
Ｈ２＋Ｏ２ −→Ｈ２Ｏ＋２ｅ− …（２）
During power generation of the fuel cell 10, an oxidant gas (for example, air) purified by an oxidant gas purification device 20 to be described later is supplied to the cathode 11 via the pipe 1 a and a fuel gas such as hydrogen is supplied to the pipe 1 b. Is supplied to the anode 12. Then, a chemical reaction represented by the following formula (1) occurs in the cathode 11 and a chemical reaction represented by the following formula (2) occurs in the anode 12. As a result, a current flows through the fuel cell 10. The residual oxidant gas that has passed through the cathode 11 is discharged from the pipe 1f. The remaining fuel that has not been consumed in the anode 12 is discharged from the pipe 1e together with the water vapor.
(1/2) · O 2 + 2e − → O 2 − (1)
H 2 + O 2 − → H 2 O + 2e − (2)
２．酸化剤ガス浄化装置２０
酸化剤ガス浄化装置２０は、燃料電池セル１０の上流側に配置される。酸化剤ガス浄化装置２０は、配管１ｃを介して供給される酸化剤ガスを浄化する。詳細には、酸化剤ガス浄化装置２０は、浄化前の酸化剤ガスに含まれるジメチルスルフィドを除去する。ジメチルスルフィド（ｄｉｍｅｔｈｙｌｓｕｌｆｉｄｅ（ＤＭＳ））は、エーテルの酸素原子を硫黄原子で置き換えた一般式ＲＳＲの骨格をもち、２つのＲはメチル基である。ジメチルスルフィドは、青海苔様の香気成分として知られている。ジメチルスルフィドの沸点は約３７℃であるため、ジメチルスルフィドは気体もしくはエアロゾル形態で酸化剤ガス中に存在している。
2. Oxidant gas purification device 20
The oxidant gas purification device 20 is disposed on the upstream side of the fuel battery cell 10. The oxidant gas purification device 20 purifies the oxidant gas supplied via the pipe 1c. Specifically, the oxidant gas purification device 20 removes dimethyl sulfide contained in the oxidant gas before purification. Dimethylsulfide (DMS) has a skeleton of the general formula RSR in which the oxygen atom of ether is replaced with a sulfur atom, and two Rs are methyl groups. Dimethyl sulfide is known as a green laver-like aroma component. Since the boiling point of dimethyl sulfide is about 37 ° C., dimethyl sulfide is present in the oxidant gas in the form of gas or aerosol.
ここで、燃料電池セル１０の発電中に出力が低下する場合があり、その原因を本発明者等が鋭意検討した結果、カソード１１に供給される酸化剤ガスに含まれるジメチルスルフィドがカソード１１周辺で酸化され硫黄酸化物（ＳＯｘ）が生成されることによってカソード１１が劣化するという新たな知見を得た。従来、酸化剤ガス中に含まれる硫黄酸化物（ＳＯｘ）がカソード１１に悪影響を与えることは知られていたが、酸化剤ガス中に含まれる硫黄化合物のうち特にジメチルスルフィドがカソード１１に悪影響を与えうることは知られていなかったため、従来の酸化剤ガス浄化装置では酸化剤ガスを十分に浄化しきれていなかった。 Here, the output of the fuel cell 10 may decrease during power generation. As a result of intensive studies by the present inventors on the cause, dimethyl sulfide contained in the oxidant gas supplied to the cathode 11 is around the cathode 11. As a result, the cathode 11 was deteriorated by being oxidized with sulfur oxide (SOx). Conventionally, it has been known that sulfur oxide (SOx) contained in the oxidant gas has an adverse effect on the cathode 11, but among the sulfur compounds contained in the oxidant gas, particularly dimethyl sulfide has an adverse effect on the cathode 11. Since it was not known that the oxidant gas could be given, the conventional oxidant gas purification device could not sufficiently purify the oxidant gas.
そこで、本実施形態に係る燃料電池装置１００では、酸化剤ガス浄化装置２０によってジメチルスルフィドを酸化剤ガスから除去することによって、カソード１１が劣化することを抑制している。なお、「酸化剤ガスを浄化する」とは、酸化剤ガス浄化装置２０に供給される酸化剤ガスを、カソード１１における酸素還元反応に適した組成にすることを意味し、特に本実施形態では、酸化剤ガスに含まれるジメチルスルフィドを除去することを意味する。また、「ジメチルスルフィドを除去する」とは、酸化剤ガス浄化装置２０に供給される酸化剤ガスに含まれるジメチルスルフィドの少なくとも一部を捕獲又は捕集することを意味する。 Therefore, in the fuel cell device 100 according to the present embodiment, the oxidant gas purification device 20 removes dimethyl sulfide from the oxidant gas, thereby suppressing the cathode 11 from deteriorating. Note that “purifying the oxidant gas” means that the oxidant gas supplied to the oxidant gas purification device 20 has a composition suitable for the oxygen reduction reaction in the cathode 11, and particularly in this embodiment. Means to remove dimethyl sulfide contained in the oxidant gas. Further, “removing dimethyl sulfide” means capturing or collecting at least a part of dimethyl sulfide contained in the oxidant gas supplied to the oxidant gas purification device 20.
ここで、本実施形態に係る酸化剤ガス浄化装置２０は、浄化後の酸化剤ガスに含まれるジメチルスルフィドの濃度を５ｐｐｂ以下にする。これにより、浄化後の酸化剤ガスに含まれるジメチルスルフィドの濃度が５ｐｐｂより大きい場合に比べて、カソード１１の劣化を顕著に小さくすることができる。浄化後の酸化剤ガスに含まれるジメチルスルフィドの濃度は、１ｐｐｂ以下が好ましく、０．３ｐｐｂ以下がより好ましく、０．１ｐｐｂ以下（すなわち、実質的に０ｐｐｂ）が特に好ましい。 Here, the oxidant gas purification device 20 according to this embodiment sets the concentration of dimethyl sulfide contained in the oxidant gas after purification to 5 ppb or less. Thereby, compared with the case where the density | concentration of the dimethyl sulfide contained in the oxidant gas after purification | cleaning is larger than 5 ppb, deterioration of the cathode 11 can be made remarkably small. The concentration of dimethyl sulfide contained in the oxidant gas after purification is preferably 1 ppb or less, more preferably 0.3 ppb or less, and particularly preferably 0.1 ppb or less (ie substantially 0 ppb).
酸化剤ガス浄化装置２０による浄化前の酸化剤ガスに含まれるジメチルスルフィドの濃度は特に制限されず、３０ｐｐｂ以上であってもよい。酸化剤ガス浄化装置２０は、浄化前の酸化剤ガスに３０ｐｐｂ以上のジメチルスルフィドが含まれる場合であっても、浄化後の酸化剤ガスに含まれるジメチルスルフィドを５ｐｐｂ以下まで低下させられる浄化能力を有する。 The concentration of dimethyl sulfide contained in the oxidant gas before purification by the oxidant gas purification device 20 is not particularly limited, and may be 30 ppb or more. The oxidant gas purification device 20 has a purification capability that can reduce the dimethyl sulfide contained in the oxidant gas after purification to 5 ppb or less even when the oxidant gas before purification contains 30 ppb or more of dimethyl sulfide. Have.
浄化前又は浄化後の酸化剤ガスに含まれるジメチルスルフィドの濃度は、試料採取袋に採取した酸化剤ガスをガスクロマトグラフ装置（Ａｇｉｌｅｎｔ製、型式７８９０Ａ ＧＣ）で分析することによって測定できる。ジメチルスルフィドの濃度測定は、「環境省、特定悪臭物質の測定の方法、別表第二に掲げる二硫化メチルの測定方法、［ｏｎｌｉｎｅ］インターネット＜ＵＲＬ：https://www.env.go.jp/hourei/10/000022.html＞」に準拠するものとする。 The concentration of dimethyl sulfide contained in the oxidant gas before or after purification can be measured by analyzing the oxidant gas collected in the sample collection bag with a gas chromatograph apparatus (manufactured by Agilent, model 7890A GC). The concentration measurement of dimethyl sulfide is as follows: “Ministry of the Environment, measurement method of specific malodorous substances, measurement method of methyl disulfide listed in Appendix 2, [online] Internet <URL: https://www.env.go.jp/ hourei / 10 / 000022.html> ”.
酸化剤ガス浄化装置２０は、ジメチルスルフィドを除去できるものであればよく、その除去方法は特に制限されないが、効率的かつ精度良くジメチルスルフィドを除去できるコールドトラップが好適である。 The oxidant gas purification device 20 is not particularly limited as long as it can remove dimethyl sulfide, and a cold trap that can efficiently and accurately remove dimethyl sulfide is suitable.
コールドトラップとは、ジメチルスルフィドを含む酸化剤ガスをジメチルスルフィドの沸点（約３７℃）以下に冷却することによって、気体もしくはエアロゾル形態のジメチルスルフィドを液体に濃縮して除去する装置である。コールドトラップでは、温度、流速、流量などを制御することによって、ジメチルスルフィドの除去率を簡便に調整することができる。 A cold trap is an apparatus that concentrates and removes dimethyl sulfide in a gas or aerosol form into a liquid by cooling an oxidizing gas containing dimethyl sulfide to a boiling point (about 37 ° C.) or lower of dimethyl sulfide. In the cold trap, the removal rate of dimethyl sulfide can be easily adjusted by controlling temperature, flow rate, flow rate, and the like.
３．酸化剤ガスブロア３０
酸化剤ガスブロア３０は、燃料電池セル１０と酸化剤ガス浄化装置２０の間に配置される。詳細には、酸化剤ガスブロア３０は、燃料電池セル１０の上流側かつ酸化剤ガス浄化装置２０の下流側に配置される。
3. Oxidant gas blower 30
The oxidant gas blower 30 is disposed between the fuel battery cell 10 and the oxidant gas purification device 20. Specifically, the oxidant gas blower 30 is disposed on the upstream side of the fuel cell 10 and on the downstream side of the oxidant gas purification device 20.
酸化剤ガスブロア３０には、配管１ｄを介して、酸化剤ガス浄化装置２０による浄化後の酸化剤ガスが供給される。酸化剤ガスブロア３０は、配管１ａを介して、酸化剤ガス浄化装置２０による浄化後の酸化剤ガスをカソード１１に送り出す。酸化剤ガスブロア３０には、モータ駆動式の送風機を用いることができる。酸化剤ガスブロア３０の駆動は、図示しない運転制御部によって制御される。 The oxidant gas blower 30 is supplied with the oxidant gas after purification by the oxidant gas purification device 20 through the pipe 1d. The oxidant gas blower 30 sends the oxidant gas purified by the oxidant gas purification device 20 to the cathode 11 via the pipe 1a. As the oxidant gas blower 30, a motor-driven blower can be used. The driving of the oxidant gas blower 30 is controlled by an operation control unit (not shown).
（他の実施形態）
本発明は以上のような実施形態に限定されるものではなく、本発明の範囲を逸脱しない範囲で種々の変形又は変更が可能である。
(Other embodiments)
The present invention is not limited to the embodiment described above, and various modifications or changes can be made without departing from the scope of the present invention.
上記実施形態では、本発明に係る酸化剤ガス浄化装置２０を燃料電池装置１００に適用した場合について説明したが、酸化剤ガス浄化装置２０は、電気化学セルを備える電気化学装置に広く適用可能である。 In the above embodiment, the case where the oxidant gas purification device 20 according to the present invention is applied to the fuel cell device 100 has been described. However, the oxidant gas purification device 20 can be widely applied to electrochemical devices including an electrochemical cell. is there.
例えば、図２に示すように、固体酸化物型の電解セル（ＳＯＥＣ：Ｓｏｌｉｄ Ｏｘｉｄｅ Ｅｌｅｃｔｒｏｌｙｓｅｒ Ｃｅｌｌ）４０を備える電解装置２００にも適用可能である。電解セル４０の作動中、酸化剤ガス浄化装置２０による浄化後の酸化剤ガスが配管１ａを介してカソード１１に供給されるとともに、配管１ｂを介して水蒸気がアノード１２に供給される。すると、電解セル４０では、カソード１１において下記（３）式に示す化学反応が起こり、アノード１２において下記（４）式に示す化学反応が起こる。その結果、電解セル４０のアノード１２において水素が生成される。アノード１２において生成された水素は、アノード１２で消費されなかった水蒸気とともに配管１ｅから取り出される。カソード１１において生成された酸素は、カソード１１に供給された浄化後の酸化剤ガスとともに配管１ｆから取り出される。
Ｏ２ −→（１／２）・Ｏ２＋２ｅ− …（３）
Ｈ２Ｏ＋２ｅ−→Ｈ２＋Ｏ２ − …（４）
For example, as shown in FIG. 2, the present invention can also be applied to an electrolyzer 200 including a solid oxide electrolyzer cell (SOEC) 40. During operation of the electrolysis cell 40, the oxidant gas after purification by the oxidant gas purification device 20 is supplied to the cathode 11 via the pipe 1a, and water vapor is supplied to the anode 12 via the pipe 1b. Then, in the electrolytic cell 40, a chemical reaction represented by the following formula (3) occurs in the cathode 11, and a chemical reaction represented by the following formula (4) occurs in the anode 12. As a result, hydrogen is generated at the anode 12 of the electrolytic cell 40. Hydrogen produced at the anode 12 is taken out from the pipe 1e together with the water vapor not consumed at the anode 12. Oxygen generated at the cathode 11 is taken out from the pipe 1 f together with the purified oxidant gas supplied to the cathode 11.
O 2 − → (1/2) · O 2 + 2e − (3)
H 2 O + 2e − → H 2 + O 2 − (4)
上記実施形態において、酸化剤ガス浄化装置２０は、浄化前の酸化剤ガスに含まれるジメチルスルフィドを除去することとしたが、浄化前の酸化剤ガスに含まれる“スルフィド系有機化合物”を除去できることが好ましい。スルフィド系有機化合物には、ジメチルスルフィドだけでなく、ジメチルジスルフィド(Ｄｉｍｅｔｈｙｌ ｄｉｓｕｌｆｉｄｅ（ＤＭＤＳ）)などが含まれる。ジメチルジスルフィドは、一般式ＲＳＳＲの骨格をもち、２つのＲはメチル基である。ジメチルジスルフィドは、硫黄臭の香気成分として知られている。ジメチルジスルフィドの沸点は約１１０℃であるため、ジメチルジスルフィドも気体もしくはエアロゾル形態で酸化剤ガス中に存在しうる。このようなジメチルジスルフィドを含むスルフィド系有機化合物は、ジメチルスルフィドと同様、硫黄酸化物が生成される原因となりうるため、酸化剤ガス浄化装置２０によって除去することが好ましい。この場合、「酸化剤ガスを浄化する」とは、酸化剤ガスに含まれるスルフィド系有機化合物を除去することを意味し、「スルフィド系有機化合物を除去する」とは、酸化剤ガス浄化装置２０に供給される酸化剤ガスに含まれるスルフィド系有機化合物の少なくとも一部を捕獲又は捕集することを意味する。 In the above embodiment, the oxidant gas purification device 20 removes dimethyl sulfide contained in the oxidant gas before purification, but can remove “sulfide-based organic compounds” contained in the oxidant gas before purification. Is preferred. The sulfide organic compound includes not only dimethyl sulfide but also dimethyl disulfide (DMDS). Dimethyl disulfide has a skeleton of the general formula RSSR, and two Rs are methyl groups. Dimethyl disulfide is known as an aromatic component of sulfur odor. Since the boiling point of dimethyl disulfide is about 110 ° C., dimethyl disulfide can also be present in the oxidant gas in gaseous or aerosol form. Such a sulfide-based organic compound containing dimethyl disulfide is preferably removed by the oxidant gas purification device 20 because it can cause sulfur oxides to be produced, like dimethyl sulfide. In this case, “purifying the oxidant gas” means removing the sulfide organic compound contained in the oxidant gas, and “removing the sulfide organic compound” means the oxidant gas purification device 20. This means that at least a part of the sulfide-based organic compound contained in the oxidant gas supplied to is captured or collected.
上記実施形態において、燃料電池装置１００は、カソード１１に供給される酸化剤ガスを浄化するために酸化剤ガス浄化装置２０のみを備えることとしたが、ＳＯｘやＮＯｘなどの不純物を除去するためのフィルタを別途備えていてもよい。 In the above embodiment, the fuel cell device 100 includes only the oxidant gas purification device 20 to purify the oxidant gas supplied to the cathode 11, but removes impurities such as SOx and NOx. A filter may be provided separately.
上記実施形態において、燃料電池装置１００は、燃料電池セル１０、酸化剤ガス浄化装置２０及び酸化剤ガスブロア３０を備えることとしたが、改質器、蒸発器、排ガス燃焼器、起動用燃焼器、酸化剤ガス予熱器、ブロア、ポンプ及びセンサなどを備えていてもよい。 In the above embodiment, the fuel cell device 100 includes the fuel cell 10, the oxidant gas purification device 20, and the oxidant gas blower 30, but the reformer, the evaporator, the exhaust gas combustor, the start-up combustor, An oxidant gas preheater, a blower, a pump, a sensor, and the like may be provided.
上記実施形態において、燃料電池装置１００は、燃料電池セル１０を１つだけ備えることとしたが、複数の燃料電池セル１０を備えていてもよい。この場合、各燃料電池セル１０の基端部は、燃料ガスマニホールドに支持されていてもよい。 In the above embodiment, the fuel cell device 100 includes only one fuel cell 10, but may include a plurality of fuel cells 10. In this case, the base end portion of each fuel cell 10 may be supported by the fuel gas manifold.
上記実施形態では特に説明していないが、固体酸化物型燃料電池セルは、横縞形、縦縞形、アノード支持形、平板形、円筒形などのいずれであってもよい。 Although not specifically described in the above embodiment, the solid oxide fuel cell may be any of a horizontal stripe shape, a vertical stripe shape, an anode support shape, a flat plate shape, a cylindrical shape, and the like.
上記実施形態では、配管１ｃを介して酸化剤ガス浄化装置２０に酸化剤ガスが供給されることとしたが、これに限られるものではない。例えば、酸化剤ガス浄化装置２０に形成された開口部から直接酸化剤ガスを内部に取り込んでもよい。 In the said embodiment, although oxidant gas was supplied to the oxidant gas purification apparatus 20 via the piping 1c, it is not restricted to this. For example, the oxidant gas may be directly taken into the inside from the opening formed in the oxidant gas purification device 20.
上記実施形態において、酸化剤ガスブロア３０は、燃料電池セル１０の上流側かつ酸化剤ガス浄化装置２０の下流側に配置されることとしたが、これに限られるものではない。酸化剤ガス浄化装置２０から燃料電池セル１０に酸化剤ガスを流すことができる限り、酸化剤ガスブロア３０は、燃料電池セル１０の下流側に配置されていてもよいし、酸化剤ガス浄化装置２０の上流側に配置されていてもよい。 In the above-described embodiment, the oxidant gas blower 30 is arranged on the upstream side of the fuel cell 10 and on the downstream side of the oxidant gas purification device 20, but this is not restrictive. As long as the oxidant gas can flow from the oxidant gas purification device 20 to the fuel cell 10, the oxidant gas blower 30 may be disposed on the downstream side of the fuel cell 10 or the oxidant gas purification device 20. It may be arranged on the upstream side.
以下において、本発明の実施例について説明する。ただし、本発明は以下に説明する実施例に限定されるものではない。 Examples of the present invention will be described below. However, the present invention is not limited to the examples described below.
（サンプルＮｏ．１〜Ｎｏ．１０の作製）
以下のようにして、サンプルＮｏ．１〜Ｎｏ．１０に係る燃料電池を作製した。
まず、ＮｉＯ粉末と８ＹＳＺ粉末と造孔材（ＰＭＭＡ）の調合粉末とＩＰＡを混合したスラリーを窒素雰囲気下で乾燥させることによって混合粉末を作製した。
(Production of sample No. 1 to No. 10)
Sample no. 1-No. 10 was produced.
First, the mixed powder was produced by drying the slurry which mixed the powder which mixed NiO powder, 8YSZ powder, the pore making material (PMMA), and IPA in nitrogen atmosphere.
次に、混合粉末を一軸プレス（成形圧５０ＭＰａ）することで縦３０ｍｍ×横３０ｍｍ、厚み３ｍｍの板を成形し、その板をＣＩＰ（成形圧：１００ＭＰａ）でさらに圧密することによってアノード集電部の成形体を作製した。 Next, the mixed powder is uniaxially pressed (molding pressure 50 MPa) to form a plate having a length of 30 mm × width of 30 mm and a thickness of 3 mm, and the plate is further consolidated with CIP (molding pressure: 100 MPa) to thereby prepare an anode current collector. A molded body was prepared.
次に、ＮｉＯ‐８ＹＳＺとＰＭＭＡの調合粉末とＩＰＡを混合したスラリーをアノード集電部の成形体上に塗布することによって、アノード活性部の成形体を作製した。 Next, a slurry in which NiA-8YSZ and PMMA mixed powder and IPA were mixed was applied onto the molded body of the anode current collector to produce a molded body of the anode active part.
次に、８ＹＳＺにテルピネオールとバインダーを混合した固体電解質層用スラリーを作成し、固体電解質層用スラリーをアノード活性部の成形体上に塗布することによって固体電解質層の成形体を形成した。 Next, a solid electrolyte layer slurry in which 8YSZ was mixed with terpineol and a binder was prepared, and the solid electrolyte layer slurry was applied onto the anode active portion molded body to form a solid electrolyte layer molded body.
次に、ＧＤＣ（ガドリニウムドープセリア）スラリーを作製し、固体電解質層の成形体上にＧＤＣスラリーを塗布することによってバリア層の成形体を作製した。 Next, a GDC (gadolinium-doped ceria) slurry was prepared, and a barrier layer compact was fabricated by applying the GDC slurry onto the solid electrolyte layer compact.
次に、アノード集電部、アノード活性部、固体電解質層及びバリア層の成形体を焼成（１４５０℃、５時間）して、燃料極、固体電解質層及びバリア層を形成した。 Next, the anode current collector, the anode active part, the solid electrolyte layer, and the molded body of the barrier layer were fired (1450 ° C., 5 hours) to form the fuel electrode, the solid electrolyte layer, and the barrier layer.
次に、表１に示すカソード材料にテルピネオールとバインダーを混合したカソード用スラリーを作製し、カソード用スラリーをバリア層上に塗布することによって、カソードの成形体を作製した。そして、カソードの成形体を焼成（１１００℃、１時間）して空気極を形成した。 Next, a cathode slurry in which terpineol and a binder were mixed with the cathode material shown in Table 1 was prepared, and the cathode slurry was applied on the barrier layer to prepare a cathode compact. Then, the cathode compact was fired (1100 ° C., 1 hour) to form an air electrode.
（サンプルＮｏ．１〜Ｎｏ．１０の発電試験）
まず、カソードに供給する酸化剤ガスとして、ジメチルスルフィドの濃度が３０ｐｐｂである空気を準備した。
(Power generation test of sample No. 1 to No. 10)
First, air having a dimethyl sulfide concentration of 30 ppb was prepared as an oxidant gas supplied to the cathode.
次に、コールドトラップでジメチルスルフィドを除去した酸化剤ガスをカソードに供給するとともに、アノードに窒素ガスを供給しながら７５０℃まで昇温し、７５０℃に達した時点でアノードに水素ガスを供給することによって還元処理を３時間行った。 Next, an oxidant gas from which dimethyl sulfide has been removed by a cold trap is supplied to the cathode, and the temperature is raised to 750 ° C. while supplying nitrogen gas to the anode. When the temperature reaches 750 ° C., hydrogen gas is supplied to the anode. The reduction treatment was performed for 3 hours.
この際、コールドトラップにおけるジメチルスルフィドの除去率を変更することによって、表１に示すように、カソードに供給される空気に含まれるジメチルスルフィドの濃度を調整した。ジメチルスルフィドの除去率は、コールドトラップの温度とガス流量を制御することによって調整した。 At this time, as shown in Table 1, the concentration of dimethyl sulfide contained in the air supplied to the cathode was adjusted by changing the removal rate of dimethyl sulfide in the cold trap. The removal rate of dimethyl sulfide was adjusted by controlling the temperature of the cold trap and the gas flow rate.
次に、上述した酸化剤ガスの供給と水素ガスの供給を継続させて、温度が７５０℃で定格電流密度０．２Ａ/ｃｍ２における燃料電池の初期出力と、１０００時間経過後の出力とを測定した。そして、１０００時間当たりの電圧降下率を燃料電池の出力劣化率として算出した。 Next, the supply of the oxidant gas and the supply of hydrogen gas described above are continued, and the initial output of the fuel cell at a temperature of 750 ° C. and a rated current density of 0.2 A / cm 2 and the output after 1000 hours have elapsed. It was measured. The voltage drop rate per 1000 hours was calculated as the output deterioration rate of the fuel cell.
表１に示すように、酸化剤ガスにおけるジメチルスルフィドの濃度を５ｐｐｂ以下にしたサンプルＮｏ．５〜１０では、酸化剤ガスにおけるジメチルスルフィドの濃度が５ｐｐｂより大きいサンプルＮｏ．１〜４に比べて、燃料電池の出力低下率を顕著に抑えることができた。 As shown in Table 1, sample No. 1 in which the concentration of dimethyl sulfide in the oxidant gas was 5 ppb or less. In Samples 5 to 10, sample Nos. 5 and 6 having a dimethyl sulfide concentration in the oxidant gas higher than 5 ppb. Compared with 1-4, the output reduction rate of the fuel cell could be remarkably suppressed.
これは、酸化剤ガスに含まれるジメチルスルフィドの濃度を５ｐｐｂ以下にして、カソード周辺でジメチルスルフィドが酸化して硫黄酸化物が生成されることを十分抑えることによって、カソードの劣化を抑制できたためである。特に、今回の試験では、酸化剤ガスに含まれるジメチルスルフィドの濃度を５ｐｐｂ以下とすることによって、カソードの劣化を顕著に抑制できることを確認できた。 This is because the deterioration of the cathode could be suppressed by reducing the concentration of dimethyl sulfide contained in the oxidant gas to 5 ppb or less and sufficiently suppressing the oxidation of dimethyl sulfide around the cathode to produce sulfur oxide. is there. In particular, in this test, it was confirmed that the deterioration of the cathode can be remarkably suppressed by setting the concentration of dimethyl sulfide contained in the oxidant gas to 5 ppb or less.
また、表１に示すように、酸化剤ガスにおけるジメチルスルフィドの濃度を０．３ｐｐｂ以下にしたサンプルＮｏ．８〜１０では、燃料電池の出力低下率を更に抑えることができた。 Further, as shown in Table 1, sample No. 1 in which the concentration of dimethyl sulfide in the oxidant gas was 0.3 ppb or less. In 8-10, the output reduction rate of the fuel cell could be further suppressed.
特に、空気極材料として（Ｌａ，Ｓｒ）（Ｃｏ，Ｆｅ）Ｏ３を用い、かつ、酸化剤ガスにおけるジメチルスルフィドの濃度を０．１ｐｐｂ以下（実質的に０ｐｐｂ）にしたサンプルＮｏ．１０では、燃料電池の出力低下率を最も抑えることができた。 In particular, sample No. 1 was prepared using (La, Sr) (Co, Fe) O 3 as the air electrode material and the concentration of dimethyl sulfide in the oxidant gas being 0.1 ppb or less (substantially 0 ppb). 10, the output reduction rate of the fuel cell could be suppressed most.
１０ 燃料電池セル（電気化学セルの一例）
１１ カソード
１２ アノード
１３ 固体電解質層
２０ 酸化剤ガス浄化装置
３０ ブロア
４０ 電解セル（電気化学セルの一例）
１００ 燃料電池装置（電気化学装置の一例）
２００ 電解装置（電気化学装置の一例）
10 Fuel cell (an example of an electrochemical cell)
DESCRIPTION OF SYMBOLS 11 Cathode 12 Anode 13 Solid electrolyte layer 20 Oxidant gas purification apparatus 30 Blower 40 Electrolytic cell (an example of an electrochemical cell)
100 Fuel cell device (an example of an electrochemical device)
200 Electrolytic device (an example of an electrochemical device)
Claims (2)
前記カソードに供給される酸化剤ガスを浄化する酸化剤ガス浄化装置と、
を備え、
前記酸化剤ガス浄化装置は、酸化剤ガスに含まれるスルフィド系有機化合物の濃度を５ｐｐｂ以下にする、
電気化学装置。 An electrochemical cell having a cathode, an anode, and a solid electrolyte layer;
An oxidant gas purification device for purifying the oxidant gas supplied to the cathode;
With
The oxidant gas purification device has a concentration of sulfide organic compound contained in the oxidant gas of 5 ppb or less.
Electrochemical device.
請求項１に記載の電気化学装置。 The concentration of dimethyl sulfide contained in the oxidant gas before purification by the oxidant gas purification device is 30 ppb or more.
The electrochemical device according to claim 1.
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Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPS62262727A (en) * | 1986-05-07 | 1987-11-14 | Mitsui Toatsu Chem Inc | Method for treating dimethyl sulfide or diethyl sulfide |
| JP2004152649A (en) * | 2002-10-31 | 2004-05-27 | Toyota Motor Corp | Power output device |
| JP2005342611A (en) * | 2004-06-02 | 2005-12-15 | Univ Waseda | Desulfurizing agent and its manufacturing method, desulfurizing method and method for producing high-purity hydrogen |
| JP2015191728A (en) * | 2014-03-27 | 2015-11-02 | 東京瓦斯株式会社 | Desulfurization method of air for fuel cell, and fuel cell |
| JP2016162539A (en) * | 2015-02-27 | 2016-09-05 | パナソニックＩｐマネジメント株式会社 | Fuel battery power generation device |
| JP6194094B1 (en) * | 2016-11-30 | 2017-09-06 | 日本碍子株式会社 | Electrochemical equipment |
-
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-
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Patent Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPS62262727A (en) * | 1986-05-07 | 1987-11-14 | Mitsui Toatsu Chem Inc | Method for treating dimethyl sulfide or diethyl sulfide |
| JP2004152649A (en) * | 2002-10-31 | 2004-05-27 | Toyota Motor Corp | Power output device |
| JP2005342611A (en) * | 2004-06-02 | 2005-12-15 | Univ Waseda | Desulfurizing agent and its manufacturing method, desulfurizing method and method for producing high-purity hydrogen |
| JP2015191728A (en) * | 2014-03-27 | 2015-11-02 | 東京瓦斯株式会社 | Desulfurization method of air for fuel cell, and fuel cell |
| JP2016162539A (en) * | 2015-02-27 | 2016-09-05 | パナソニックＩｐマネジメント株式会社 | Fuel battery power generation device |
| JP6194094B1 (en) * | 2016-11-30 | 2017-09-06 | 日本碍子株式会社 | Electrochemical equipment |
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