JP6385086B2 - 固体酸化物形燃料電池セルの評価方法および固体酸化物形燃料電池システム - Google Patents
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Description
1/2O2+2e−→O2− (5)
O2−+H2→H2O+2e− (6)
本発明者らは、アノード支持体21に用いられるニッケルサーメットに関して、低S/Cの含炭化水素ガスが曝露される条件におけるアノード支持体21上への炭素蓄積挙動、支持体構造変化やそれに伴う支持体自体のマクロ的な寸法膨張挙動を鋭意検討した結果、炭素析出が起きるメカニズム、炭素析出が起きる際のアノード支持体21の状態・物性変化、寸法膨張が生じる臨界条件、およびその回復条件に関して、以下のような知見を得た。
NiO(住友金属鉱山、NiO−FP)とYSZ(東ソー、TZ8YS)を体積比40:60で湿式混合し、乾燥した後、600℃、1時間焼成した。得られた粉に架橋ポリメタクリル酸メチル(積水化成品工業)を重量比30%で混合し、乾式粉砕後、静水圧プレス100MPaでペレット状試料を成型した。圧粉体ペレットを大気中1300℃、4時間焼成することでNiO/YSZペレットを作成した。このペレットから約2×2×10mmの直方体サンプルを切り出し、水素中で800℃5時間で還元処理することで、炭化水素曝露試験用Ni/YSZ試料を作成した。還元前のNiO/YSZの空孔度は約17%、還元処理後のNi/YSZ試料の空孔度は約35%であった。
(4)このような炭化水素曝露による寸法膨張は支持体Niサーメット部位に選択的に起こり、隣接する電解質等の層には生じないため、支持体/電解質で応力(電解質に対して伸張応力)が発生し、この応力がある臨界点を超えると電解質層の破壊(クラック)が発生する。
D0=D_allow×N
この場合の安全係数Nは通常0.2から5、好ましくは0.5から3の範囲である。Nが上記範囲に該当せず、著しく1から乖離した値となる場合には、支持体物性試験結果が実際の燃料電池システムを反映していないことになり、試験条件の妥当性と言う観点から好ましくない。こうした場合には、実際のシステムに近い炭化水素種、温度やS/C範囲を用いて、再度物性情報を取得し、Nが前記範囲内に収まるようにすることが好ましい。
上述した燃料電池セルの評価方法に関連して実施される固体酸化物形燃料電池システムの制御方法について以下に説明する。
起動条件制御では、発電開始までに燃料電池セルへ供給する燃料ガスに含まれる炭化水素の炭素モル数に対する水蒸気モル比率(S/C値)を通常運転時(たとえば、2.2〜2.5)よりも高く設定する。
発電運転時のいずれかの時点おいて、アノード支持体への炭素蓄積量が基準値より増加したと判断された場合に、炭化水素燃料の炭素モル数に対する水蒸気モル比率(S/C値)を所定時間だけ通常運転時(たとえば、2.2〜2.5)よりも上昇させて蓄積炭素の除去制御を行う。
停止条件制御では、燃料電池セルへの燃料ガスの供給を継続し、かつ、燃料電池セルへ供給する燃料ガスの供給炭化水素燃料の炭素モル数に対する水蒸気モル比率(S/C値)を通常運転時(たとえば、2.2〜2.5)よりも高く設定する。
50%Ni/YSZで形成されたアノード支持体、Ni/YSZで形成されたアノード触媒層、YSZで形成された電解質層、LSCF(La0.6Sr0.4Co0.2Fe0.8O3−δで形成されたカソード触媒層が積層された積層体を有する円筒平板型の燃料電池セルを用いた。燃料ガスとして、70%H2/20%H2O/15%CO2/10%CO/5%CH4という組成のベースガスを含む水蒸気改質ガスをアノード触媒層に供給し、酸化剤ガスとして空気をカソード触媒層に供給した。通常運転時において、セル温度を670℃とし、燃料ガス利用率を75%、酸化剤ガス利用率を40%とした。停止時において、セル温度が350℃未満になるまで、水蒸気改質ガスを導入した。また、起動時、発電時、停止時ともにS/C比を2.2とした。起動時間3h、通常運転時間8h、停止時間約6h、インターバル約7hを1サイクルとし、200サイクルの耐久試験を実施した。なお、1回目のサイクルの停止後に、セルの一部を抜き出して、炭素析出厚みを測定した。具体的には、円筒平板型セルを高さ方向に対して垂直に切り出し、燃料ガス流路から深さ方向の炭素濃度分布をEDXで測定した。測定された炭素析出厚み(SEM/EDXによる基準濃度1%)は4μmであった。
炭素析出によってアノード支持体がダメージを受けた状態を意図的に作り出すために、停止時において、発電停止とともに強制的に改質水ポンプを停止させた状態で、原料ガスであるプロパン(濃度:1%)のみを30分間にわたり燃料電池セルに供給した。具体的には、原料ガスとしてのプロパンについて、改質器をバイパスした後、改質器出口の下流側で燃料ガス供給ラインに戻すことにより燃料電池セルに直接的に導入した。停止時に、プロパンのみをセルに供給したことを除いて、参考例1と同条件にて、比較例1のセルに対して200サイクルの耐久試験を実施した。1回目のサイクルの停止後に測定された炭素析出厚み(基準濃度1%)は、38μmであった。
比較例1と同様に、停止時にプロパンのみを燃料電池セルに供給して停止した後、2回目の起動時における水蒸気改質工程において30分間にわたり、S/C比を3.5として回復運転を実施した。これ以外の条件を参考例1と同条件として、実施例1のセルに対して200サイクルの耐久試験を実施した。1回目のサイクルの停止後に測定された炭素析出厚み(基準濃度1%)は、36μmであったが、2回目のサイクル停止後の炭素析出厚み(基準濃度1%)は7μmまで減少していた。
比較例1と同様に、停止時にプロパンのみを燃料電池セルに供給した。実施例2では、2回目のサイクル以降の起動時において、30分間にわたり、S/C比を3として回復運転を実施した。これ以外の条件を参考例1と同条件として、実施例1のセルに対して200サイクルの耐久試験を実施した。1回目のサイクルの停止後に測定された炭素析出厚み(基準濃度1%)は、47μmであった。
起動時、発電時、停止時ともにS/C比を2.5としたことを除き、参考例1と同様な条件にて10サイクルの耐久試験を実施した。1回目のサイクルの停止後に測定された炭素析出厚み(基準濃度1%)は、3μmであった。
比較例2では、通常運転時に、プロパン(濃度:1%)のみを30分間にわたり燃料電池セルに供給した。これ以外の条件を参考例2と同条件として、比較例2のセルに対して10サイクルの耐久試験を実施した。1回目のサイクルの停止後に測定された炭素析出厚み(基準濃度1%)は、78μmであった。
比較例2と同様に、通常運転時に、プロパンのみを燃料電池セルに供給した後、30分間にわたり、S/C比を5として回復運転を実施した。これ以外の条件を参考例2と同条件として、実施例1のセルに対して10サイクルの耐久試験を実施した。1回目のサイクルの停止後に測定された炭素析出厚み(基準濃度1%)は、16.5μmであった。
Claims (8)
- ニッケル金属を含む多孔質材料で形成され、燃料ガスが流通するガス流路を有するアノード支持体と、前記アノード支持体の上に形成された、燃料極層、固体酸化物電解質層および空気極層が積層された積層体と、を含む固体酸化物形燃料電池セルの評価方法であって、
前記ガス流路に面する前記アノード支持体の表面近傍の炭素濃度に基づいて、該炭素濃度が所定の基準濃度以上となる、前記アノード支持体の最表面からの深さを取得し、
前記深さを所定の基準深さと比較し、
前記深さが所定の基準深さ以上である場合に、前記固体酸化物形燃料電池セルの性能を回復するための処理が必要と判断することを特徴とする固体酸化物形燃料電池セルの評価方法。 - 前記基準深さが1〜200μmの範囲である請求項1に記載の固体酸化物形燃料電池セルの評価方法。
- 前記炭素濃度の前記基準濃度が、前記アノード支持体に対する重量比が100ppm〜10%の範囲である請求項1または2に記載の固体酸化物形燃料電池セルの評価方法。
- 前記アノード支持体がニッケルサーメットを含む請求項1乃至3のいずれか1項に記載の固体酸化物形燃料電池セルの評価方法。
- 前記アノード支持体の作製時において、前記アノード支持体の全質量に対する酸化Ni含有率が40質量%以上である請求項4に記載の固体酸化物形燃料電池セルの評価方法。
- 改質反応により水素リッチな燃料ガスを生成する改質器と、
ニッケル金属を含む多孔質材料で形成され、前記燃料ガスが流通するガス経路を有するアノード支持体と、前記支持体の上に形成され、燃料極層、固体酸化物電解質層および空気極層が積層された積層体と、を含み、前記改質器から供給される燃料ガスと空気とを反応させて発電する固体酸化物形燃料電池セルと、
前記アノード支持体の表面の炭素濃度が所定の基準濃度以上になる最表面からの深さが所定の基準深さ以上にならないように、発電開始までの起動条件、発電中の発電運転条件、発電停止後の停止条件のうちの少なくとも1つを制御する制御部と、を備え、
前記制御部は、前記起動条件として、前記燃料電池セルへ供給する燃料ガスの供給炭化水素燃料の炭素モル数に対する水蒸気モル比率(S/C値)を通常運転時よりも高く設定することを特徴とする固体酸化物形燃料電池システム。 - 改質反応により水素リッチな燃料ガスを生成する改質器と、
ニッケル金属を含む多孔質材料で形成され、前記燃料ガスが流通するガス経路を有するアノード支持体と、前記支持体の上に形成され、燃料極層、固体酸化物電解質層および空気極層が積層された積層体と、を含み、前記改質器から供給される燃料ガスと空気とを反応させて発電する固体酸化物形燃料電池セルと、
前記アノード支持体の表面の炭素濃度が所定の基準濃度以上になる最表面からの深さが所定の基準深さ以上にならないように、発電開始までの起動条件、発電中の発電運転条件、発電停止後の停止条件のうちの少なくとも1つを制御する制御部と、を備え、
前記制御部は、発電運転時のいずれかの時点において、アノード支持体への炭素蓄積量が増加したと判断された場合に、炭化水素燃料の炭素モル数に対する水蒸気モル比率(S/C値)を所定時間だけ上昇させて蓄積炭素の除去制御を行うことを特徴とする固体酸化物形燃料電池システム。 - 改質反応により水素リッチな燃料ガスを生成する改質器と、
ニッケル金属を含む多孔質材料で形成され、前記燃料ガスが流通するガス経路を有するアノード支持体と、前記支持体の上に形成され、燃料極層、固体酸化物電解質層および空気極層が積層された積層体と、を含み、前記改質器から供給される燃料ガスと空気とを反応させて発電する固体酸化物形燃料電池セルと、
前記アノード支持体の表面の炭素濃度が所定の基準濃度以上になる最表面からの深さが所定の基準深さ以上にならないように、発電開始までの起動条件、発電中の発電運転条件、発電停止後の停止条件のうちの少なくとも1つを制御する制御部と、を備え、
前記制御部は、前記停止条件として、発電停止後にも前記燃料電池セルへの燃料ガスの供給を継続し、かつ、その際の供給炭化水素燃料の炭素モル数に対する水蒸気モル比率(S/C値)を通常運転時よりも高く設定することを特徴とする固体酸化物形燃料電池システム。
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