JP5094114B2 - 燃料電池の運転方法 - Google Patents
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Description
a)排気流中の反応成分の濃度を評価し、
b)排気流中の反応成分の濃度を、電極のレドックスダメージのない燃料電池から取り出される最大電流と関係付け、そして
c)電極のレドックスダメージがない状態で効率を最適化するために、燃料電池の運転状態を調整する、ことを含むものである。
・電池、スタック、そしてスタック内の電池についての電圧・電流曲線。これは、種々の反応物利用率について及び両電極の電位範囲で質量移動を分離することにより実行することができる。
・交流インピーダンススペクトロスコピー
・低電流インターラプション
・流入及び排気ガスのガスクロマトグラフィー分析
a) アノード排気流の燃料品質を評価し、
b) 酸化剤排気流の酸化剤品質を評価し、
c) 電極の三重点のガス品質を計算し、
d) アノード排気流の燃料品質を、燃料電池アノードの酸化ダメージなしに燃料電池から取り出すことのできる最大電流と関係づけ、
e) 酸化剤の排気流の酸化剤品質を、燃料電池への電圧効果と酸化剤供給量の寄生ポンプ輸送ロスに基づいて、最適消耗レベルと関係付ける一方、燃料電池の酸化剤側電極の還元ダメージなしに燃料電池から取り出すことのできる最大電流に対し安全限界を維持し、
f) 燃料電池のアノードを酸化することなく燃料電池の効率を最適化するため、燃料電池から取り出される電流を調整し、及び/又は燃料供給流の流速を調整し、及び/又は
g) 酸化剤側電極を還元することなく燃料電池の効率を最適化するため、燃料電池から取り出される電流を調整し、及び/又は酸化剤供給流を調整する。
図1は、アノード(2)、カソード(3)、固体電解質(4)からなる燃料電池(1)を示す模式図である。アノード(2)には、反応成分を含むガス状燃料供給流(5)が供給され、カソード(3)には反応成分を含むガス状の酸化剤燃料供給流(6)が供給される。電池(1)の運転時には、反応成分は電気化学反応により消費され、各反応成分が減少したアノード及びカソード排気流(7,8)が生成する。図示した実施形態では、アノード排気流(7)の反応性燃料成分の濃度は、センサにより評価され、そのセンサは、センサ電極(10,11)が、アノード排気流(7)と、空気(12)にそれぞれ曝されている。この場合、空気が基準ガスとして使用されている。アノード排気流(7)中の反応性燃料成分の濃度と、燃料電池(1)から取り出される最大電流との間の関係は予め決定され、それにより、電極(2,3)のレドックスダメージがない状態で効率を最適化するように、電池の運転を調整することができる。
3YSZからなる固定電解質(90mm×110mm、94±10μm)、Niグリッド(Niグリッド 64±20μm )を有するNi−サーメットのアノード(厚さ 57±10μm)、Agグリッド(102±20μm)を有するLSMカソード(61±10μm)、とからなる固体酸化物燃料電池を、定電流法で、850℃、4,10,20そして40%の水分を含む水素ガスを流して試験した。カソード側には空気を用いることができる。図4に示すように、電池は、アルミナの試験用スタンドの上に取り付けられている。電流は、アノード側のNi加圧層と、カソード側のAgのエキスパンドメッシュとにより集電される。空気と燃料をカソードとアノードに制限し、さらに交差混合を防止すするため、ガラス−セラミックのシールを用いた。燃料電池スタックを60Nで加圧し、集電体を密着させた。空気と水素の流速は、それぞれのガスで校正したマスフローコントローラで制御した。蒸留水で満たした加湿器を水素を加湿するのに用いた。水温は、温度コントローラを用い所望の温度となるように制御した。
1)PEN(正極−電解質−負極)
燃料電池の試験に用いたPENは、大きさ110mm×90mmの固体電解質(3YSZ、94±10μm)からなる。YSZと混合したNiを片面にスクリーン印刷し(厚さ57μm)、1400℃で2時間焼成してアノードを作製した(100mm×80mm)。LSMは逆の面にスクリーン印刷し(厚さ61μm)、1150℃で2時間焼成してカソードを作製した(100mm×80mm)。
ノバテックの酸素プローブ(モデル1232)を用いた。プローブは、両面に導電性のPtペーストを塗布したジルコニア酸素センサである。センサを、外径8mm、長さ170mmのアルミナ管の一端に固定した。空気側基準極の温度を測定するため、R熱電対を用いた。
用途: 汚染物を含まない700℃以上の燃焼煙管ガス。例えば、天然ガス、照明用オイル。
温度範囲: 700-1400℃
長さ: 500-1500mm
プロセス接続: 3/4"BSP又はNPT
シース外径: 19mm
ヒータ: なし
煙管ガス熱電対: R、一体型
応答時間: 典型的には1秒以内
ヘッド温度: 最大150℃
基準ガス: 空気
校正用ガス流量: 10-500cc/min
基準空気接続: プローブケーブル中の一体型空気ライン
粒子用フィルター
(オプション): 不要
校正用ガス接続: 1/8"NPT雌型
重量: 0.1kg/100mm長さ
Claims (6)
- 反応性燃料成分を含む燃料供給流をアノードに供給し、該アノードにおいて該反応性燃料成分を電気化学反応により消費させて、該反応性燃料成分が消費されたアノード排気流を生成させる一方、酸化剤供給流をカソードに供給し、該カソードにおいて反応性酸化剤成分を電気化学反応により消費させて、酸化剤品質を有するカソード排気流を生成させる、固体酸化物燃料電池の運転方法であって、
a)アノード排気流中の反応性燃料成分の濃度を決定し、
b)予め求めておいたアノード排気流中の反応性燃料成分の濃度と電極ダメージのない状態で取り出された最大電流との間の関係に基づいて、前記a)で決定されたアノード排気流中の反応性燃料成分の濃度を、アノードの酸化ダメージのない燃料電池から取り出される最大電流と関係付け、そして
c)アノードの酸化ダメージを防止するために、燃料電池から取り出される電流、燃料供給流の流速または酸化剤の供給速度を調整する、固体酸化物燃料電池の運転方法。 - 燃料電池の運転を調整してアノードへの酸素の移動速度を低下させ、アノードの酸化ダメージを防止する請求項1記載の運転方法。
- 電池から取り出される電流を減らすことにより及び/又はアノード排気流の燃料品質を向上させることにより燃料電池の運転を調整して、酸素イオンと反応可能な反応燃料成分の濃度を増加させる請求項2記載の運転方法。
- 基準電極が基準ガスに曝され、作用電極が採集された排気流に曝されている酸素センサのネルンスト電圧を測定することにより、排気流中の反応成分の濃度を決定する請求項1記載の運転方法。
- 基準ガスが空気である請求項4記載の運転方法。
- 酸化剤排気流の酸化剤品質を決定し、
上記の決定された酸化剤排気流の酸化剤品質を、燃料電池スタックへの電圧効果と酸化剤供給量の寄生ポンプ輸送ロスとに基づいて、最適消耗レベルと関係付ける一方、燃料電池のカソードの還元損傷なしに燃料電池から取り出すことのできる最大電流に対し安全限界を維持し、及び
カソードの還元を防止するため、燃料電池スタックから取り出される電流を調整し、及び/又は酸化剤供給流を調整する、請求項1記載の運転方法。
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