JP2013161662A - Evaluation method of fuel electrode - Google Patents
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Abstract
【課題】燃料極におけるニッケルの還元状態を感度よく正確に把握できるようにする。
【解決手段】ステップS101で、固体酸化物形燃料電池のニッケルを含んで構成された燃料極より排出される排ガス中の水蒸気分圧を時系列で測定する。次に、ステップS102で、燃料極に供給される燃料ガスの量と排ガス中の水蒸気分圧との関係と、時系列で測定された水蒸気分圧とから積算水蒸気量を算出する。次に、ステップS103で、燃料極の側に存在するニッケルの総物質量に対する積算水蒸気量の割合を燃料極の還元率として算出し、算出した還元率により燃料極を評価する。
【選択図】 図1The present invention makes it possible to accurately and accurately grasp the reduction state of nickel in a fuel electrode.
In step S101, a water vapor partial pressure in exhaust gas discharged from a fuel electrode including nickel of a solid oxide fuel cell is measured in time series. Next, in step S102, an integrated water vapor amount is calculated from the relationship between the amount of fuel gas supplied to the fuel electrode and the water vapor partial pressure in the exhaust gas, and the water vapor partial pressure measured in time series. Next, in step S103, the ratio of the integrated water vapor amount to the total amount of nickel present on the fuel electrode side is calculated as the reduction rate of the fuel electrode, and the fuel electrode is evaluated based on the calculated reduction rate.
[Selection] Figure 1
Description
本発明は、固体酸化物形燃料電池の燃料極の状態を評価する燃料極の評価方法に関する。 The present invention relates to a fuel electrode evaluation method for evaluating the state of a fuel electrode of a solid oxide fuel cell.
近年、酸素イオン伝導体を用いた固体酸化物形燃料電池に関心が高まりつつある。特にエネルギーの有効利用という観点から、固体酸化物形燃料電池はカルノー効率の制約を受けないために本質的に高いエネルギー変換効率を有し、さらに、良好な環境保全が期待されるなどの優れた特徴を持っている。 In recent years, there has been an increasing interest in solid oxide fuel cells using oxygen ion conductors. In particular, from the viewpoint of effective use of energy, solid oxide fuel cells are not subject to the restrictions of Carnot efficiency, so they have essentially high energy conversion efficiency, and excellent environmental protection is expected. Has characteristics.
以下、固体酸化物形燃料電池について図4を用いて簡単に説明する。図4は、固体酸化物形燃料電池の構成を示す構成図である。固体酸化物形燃料電池は、電解質401と燃料極402と空気極403とから構成されている。燃料極402には、燃料として水素404が供給され、空気極403には、酸化剤としての酸素を含む空気406が供給され、発電動作が行われる。
Hereinafter, the solid oxide fuel cell will be briefly described with reference to FIG. FIG. 4 is a configuration diagram showing the configuration of the solid oxide fuel cell. The solid oxide fuel cell includes an
発電動作においては、供給された空気406の酸素が空気極403で電子408と結合して酸化物イオン(O2-)407となる。酸化物イオン407は、電解質401を通過して燃料極402に移動する。燃料極402に移動した酸化物イオン407は、ここに供給されている水素404と反応し、水(H2O)を生成する。このとき、燃料極402には、電子408が生成する。このようにして生成した電子408は、燃料極402より外部に取り出される。燃料極402より外部に取り出された電子408は、電子負荷409を通過して空気極403に供給される。
In the power generation operation, oxygen in the supplied
上述した酸化物イオン407および電子408の移動が、固体酸化物形燃料電池の発電における電流となる。このように発電される中で燃料極402で生成した水(水蒸気)は、アノード排ガス405として外部に排出される。なお、アノード排ガス405は、未利用の水素も含んでいるので、水素と水蒸気との混合ガスである。
The movement of the oxide ions 407 and the
ところで、固体酸化物形燃料電池の燃料極は、一般にはニッケルと電解質材料とから構成されている。ニッケルは、水素の電気化学的な酸化反応の触媒として作用する。また、ニッケルは、水素の酸化反応により生じた電子が伝導する経路(伝導パス)としても機能する。 Incidentally, the fuel electrode of a solid oxide fuel cell is generally composed of nickel and an electrolyte material. Nickel acts as a catalyst for the electrochemical oxidation reaction of hydrogen. Nickel also functions as a path (conduction path) through which electrons generated by the oxidation reaction of hydrogen are conducted.
また、図5に示すように、固体酸化物形燃料電池(SOFC)501は、実際の運転では、断熱容器505の内部に配置され、発電動作に伴って発生する熱を利用して、動作に必要な温度を維持している。なお、運転開始時など、発電に伴って発生する熱だけで温度が維持できない場合には、電気ヒーターやバーナーなどで熱を加えるようにしている。
In addition, as shown in FIG. 5, the solid oxide fuel cell (SOFC) 501 is disposed inside the
運転時には、断熱容器505の外部より、水素ガス502および空気504が供給され、発電が行われ、発電の結果生成した水蒸気と用いられなかった水素とが混合している混合ガスが、排ガス503として断熱容器505の外部に排出される。なお、図示していないが、発電に利用した後の空気も、断熱容器505の外部に排出される。また、SOFC501の電圧が、電圧計測線506と電圧計507により測定されている。
During operation,
このように発電システムとして構成されているSOFC501では、空気極,電解質,燃料極などは、金属酸化物からなる各材料を焼成してから組み込まれる。また、燃料極においては、この構成成分であるニッケルは、上述したように発電システムに組み込まれた初期には、発電動作を開始するために昇温された後に還元されるまで酸化状態にある。前述したように発電のために電極反応を行わせて燃料電池に電力を発生させるためには、まず燃料極中の酸化ニッケルをニッケル金属に還元する必要がある(特許文献1酸参照)。この燃料極におけるニッケルの初期還元工程は、発電反応や発熱反応を行わず、水素と電力を大量に消費する工程であるため、必要最低限の時間だけ行われることが望ましい。 Thus, in SOFC501 comprised as a power generation system, an air electrode, an electrolyte, a fuel electrode, etc. are integrated after baking each material which consists of metal oxides. In the fuel electrode, nickel as a constituent component is in an oxidized state in the initial stage of being incorporated in the power generation system as described above until it is reduced after being heated to start the power generation operation. As described above, in order to generate an electric power in the fuel cell by performing an electrode reaction for power generation, it is necessary to first reduce nickel oxide in the fuel electrode to nickel metal (refer to Patent Document 1 Acid). The initial nickel reduction process at the fuel electrode is a process that consumes a large amount of hydrogen and electric power without performing a power generation reaction or an exothermic reaction.
この初期還元工程について簡単に説明する。まず、SOFC501へ水素ガス502および空気504の供給が開始されると、燃料極側と空気極側の酸素の濃度差によってSOFC501の出力端に電圧が発生する。これと同時に、燃料極およびニッケルメッシュ等の燃料極側集電体構成部材中の酸化ニッケルが還元される。還元に使用されなかった水素と還元に伴って発生した水蒸気の混合ガスが、排ガス503として排出される。利用した後の空気は、図5には図示していないが、断熱容器505の外部に排出される。また、SOFC501の電圧を、電圧計測線506および電圧計507を用いて測定する。
This initial reduction process will be briefly described. First, when the supply of the
上述した燃料極におけるニッケルの初期還元では、SOFC501の電圧を検知し、燃料極の初期還元の進行度合いを検知している。具体的には、電圧計507を用いて電圧を観測し、次式で記述される起電力Eに等しい電位差が得られたときに燃料極側のニッケルの導電率が十分にあがったとし、還元の完了と判断している。なお、式中のΔGは、ある温度における水生成の標準ギブス自由エネルギー変化である。
In the initial reduction of nickel at the fuel electrode described above, the voltage of the
例えば、空気および水素流量が少ない還元雰囲気ガスを流して初期還元を行い、1.05V以上の電圧が得られることを、初期還元工程終了の目安としている。 For example, the initial reduction is performed by flowing a reducing atmosphere gas with a small flow rate of air and hydrogen, and a voltage of 1.05 V or more is obtained as a guideline for the end of the initial reduction process.
しかしながら、上述した技術では、計測される電圧は、燃料極側のガス平衡状態のほかに、水素流量による燃料極側ガス平衡状態の変化、空気流量による空気極側のガス平衡状態の変化など、多くの要因により左右され(非特許文献1参照)、これらの原因による電圧変化と切り分けにくい、という問題がある。また、上述した技術では、初期還元工程における燃料極におけるニッケルの還元状態が、感度よく検出することができない。 However, in the above-described technique, the measured voltage is, in addition to the gas equilibrium state on the fuel electrode side, the change in the fuel electrode side gas equilibrium state due to the hydrogen flow rate, the change in the gas equilibrium state on the air electrode side due to the air flow rate, etc. It depends on many factors (see Non-Patent Document 1), and there is a problem that it is difficult to distinguish from voltage changes due to these causes. In the above-described technique, the nickel reduction state in the fuel electrode in the initial reduction process cannot be detected with high sensitivity.
ここで、電圧以外から還元進行率を判断する方法として、ガス供給流量と含有ニッケル量の物質収支より判断する方法が考えられる。しかしながら、燃料極に供給された水素ガスがすべてニッケルの還元に利用される訳ではなく、また、燃料極側流路構造や燃料極中の微細構造により還元が完了する時間が異なるため、ガスの流量と含有ニッケル量とから還元に必要な時間を判断することは困難である。 Here, as a method of judging the reduction progress rate from other than the voltage, a method of judging from the material balance of the gas supply flow rate and the nickel content can be considered. However, not all hydrogen gas supplied to the fuel electrode is used for nickel reduction, and the time for completing the reduction differs depending on the fuel electrode side channel structure and the fine structure in the fuel electrode. It is difficult to determine the time required for reduction from the flow rate and the amount of nickel contained.
以上に説明したように、従来では、燃料極におけるニッケルの還元状態を感度よく正確に把握することができず、経験的に時間の余裕をもって還元工程を完了としており、燃料極におけるニッケルの初期還元工程を、必要最低限の時間だけ行うことができない状態であった。 As described above, conventionally, the reduction state of nickel at the fuel electrode cannot be accurately and accurately grasped, and the reduction process has been completed empirically with sufficient time, and the initial reduction of nickel at the fuel electrode. The process could not be performed for the minimum necessary time.
本発明は、以上のような問題点を解消するためになされたものであり、燃料極におけるニッケルの還元状態を感度よく正確に把握できるようにすることを目的とする。 The present invention has been made to solve the above problems, and an object thereof is to make it possible to accurately and accurately grasp the nickel reduction state in the fuel electrode.
本発明に係る燃料極の評価方法は、固体酸化物形燃料電池のニッケルを含んで構成された燃料極より排出される排ガス中の水蒸気分圧を時系列で測定する第1ステップと、燃料極に供給される燃料ガスの量と排ガス中の水蒸気分圧との関係と、時系列で測定された水蒸気分圧とから積算水蒸気量を算出する第2ステップと、燃料極の側に存在するニッケルの総物質量に対する積算水蒸気量の割合を燃料極の還元率として燃料極を評価する第3ステップとを備える。なお、還元率が90%を超えた時点で燃料極の還元が完了したものとすればよい。 A fuel electrode evaluation method according to the present invention includes a first step of measuring a water vapor partial pressure in exhaust gas discharged from a fuel electrode including nickel of a solid oxide fuel cell in time series, and a fuel electrode. A second step of calculating the integrated water vapor amount from the relationship between the amount of fuel gas supplied to the water vapor and the water vapor partial pressure in the exhaust gas, and the water vapor partial pressure measured in time series, and nickel present on the fuel electrode side And a third step of evaluating the fuel electrode using the ratio of the accumulated water vapor amount to the total amount of the material as a reduction rate of the fuel electrode. It should be noted that the reduction of the fuel electrode may be completed when the reduction rate exceeds 90%.
以上説明したことにより、本発明によれば、燃料極におけるニッケルの還元状態を感度よく正確に把握できるようになるという優れた効果が得られる。 As described above, according to the present invention, it is possible to obtain an excellent effect that the reduction state of nickel in the fuel electrode can be accurately and accurately grasped.
以下、本発明の実施の形態について図を参照して説明する。図1は、本発明の実施の形態における燃料極の評価方法を説明するためのフローチャートである。まず、ステップS101で、固体酸化物形燃料電池のニッケルを含んで構成された燃料極より排出される排ガス中の水蒸気分圧を時系列で測定する。これは、燃料極におけるニッケルの初期還元工程において行うものである。例えば、大気雰囲気で製造直後の固体酸化物形燃料電池を加熱・昇温し、固体酸化物形燃料電池の近傍温度が800℃に到達した後に一旦窒素でパージし、次に水素を導入してから、上記時系列の測定を開始すればよい。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 1 is a flowchart for explaining a fuel electrode evaluation method according to an embodiment of the present invention. First, in step S101, the water vapor partial pressure in the exhaust gas discharged from the fuel electrode configured to contain nickel of the solid oxide fuel cell is measured in time series. This is performed in the initial reduction process of nickel in the fuel electrode. For example, a solid oxide fuel cell immediately after manufacture is heated and heated in an air atmosphere, and after the temperature in the vicinity of the solid oxide fuel cell reaches 800 ° C., it is purged with nitrogen, and then hydrogen is introduced. From this, the time-series measurement may be started.
次に、ステップS102で、燃料極に供給される燃料ガスの量と排ガス中の水蒸気分圧との関係、および時系列で測定された水蒸気分圧から積算水蒸気量を算出する。 Next, in step S102, an integrated water vapor amount is calculated from the relationship between the amount of fuel gas supplied to the fuel electrode and the water vapor partial pressure in the exhaust gas, and the water vapor partial pressure measured in time series.
次に、ステップS103で、燃料極の側に存在するニッケルの総物質量に対する積算水蒸気量の割合を燃料極の還元率として算出し、算出した還元率により燃料極を評価する。この還元率は、積算水蒸気量が、燃料極側に存在していた酸化ニッケルが還元された物質量に等しいものとして求めている。例えば、この評価において、算出された還元率が90%を超えたことを判断する。ここで、還元率が90%を超えたことを判断すれば(ステップS103のY)、ステップS104に移行し、燃料極の還元が完了したものとすればよい。還元率が90%を超えるまで、ステップS101〜ステップS103を繰り返せばよい。 Next, in step S103, the ratio of the integrated water vapor amount to the total amount of nickel present on the fuel electrode side is calculated as the reduction rate of the fuel electrode, and the fuel electrode is evaluated based on the calculated reduction rate. The reduction rate is obtained on the assumption that the integrated water vapor amount is equal to the amount of substance obtained by reducing nickel oxide present on the fuel electrode side. For example, in this evaluation, it is determined that the calculated reduction rate exceeds 90%. Here, if it is determined that the reduction rate has exceeded 90% (Y in step S103), the process proceeds to step S104, and the reduction of the fuel electrode may be completed. Steps S101 to S103 may be repeated until the reduction rate exceeds 90%.
上述した燃料極の評価方法が適用される固体酸化物形燃料電池を用いた発電システムについて図2を用いて説明する。図2は、発電システムの構成を示す構成図である。このシステムは、測定部201と、算出・表示部202とを備える。
A power generation system using a solid oxide fuel cell to which the above-described fuel electrode evaluation method is applied will be described with reference to FIG. FIG. 2 is a configuration diagram showing the configuration of the power generation system. This system includes a measurement unit 201 and a calculation /
測定部201は、SOFC211の発電動作時に燃料極より排出される排ガス213中の水蒸気分圧を測定する。測定部201は、例えば、排ガス213の露点を測定する露点計から構成されたものである。
The measuring unit 201 measures the partial pressure of water vapor in the
算出・表示部202は、燃料極に供給される燃料ガスの量と排ガス213中の水蒸気分圧との関係と、時系列で測定された水蒸気分圧とから積算水蒸気量を算出し、燃料極の側に存在するニッケルの総物質量に対する積算水蒸気量の割合を算出し、これを燃料極の還元率として利用者に視認可能に表示する。また、算出・表示部202は、算出した還元率が、設定されている基準値(90%)に到達すると、燃料極の還元が完了した旨を、利用者に視認可能に表示する。
The calculation /
上述した構成とした発電システムは、例えば、CPUと主記憶装置と外部記憶装置とネットワーク接続装置となどを備えたコンピュータ機器であり、主記憶装置に展開されたプログラムによりCPUが動作することで、上述した各機能が実現される。 The power generation system configured as described above is, for example, a computer device including a CPU, a main storage device, an external storage device, a network connection device, and the like, and the CPU is operated by a program developed in the main storage device. Each function mentioned above is implement | achieved.
なお、測定および判断の対象となるSOFC211は、断熱容器215の内部に配置され、発電動作時には、発電動作に伴って発生する熱を利用し、動作に必要な温度を維持している。ただし、運転開始時や初期還元工程など、発電に伴って発生する熱だけで温度が維持できない場合や発電に伴う熱を利用できない場合には、電気ヒーターやバーナーなどで熱を加えるようにしている。
Note that the
運転時には、断熱容器215の外部より、水素ガス212および空気214が供給され、発電が行われ、発電の結果生成した水蒸気と用いられなかった水素とが混合している混合ガスが、排ガス213として断熱容器215の外部に排出される。なお、図示していないが、各ガスは、例えば、マスフローコントローラにより流量が制御されている。また、発電に利用した後の空気も、断熱容器215の外部に排出される。
During operation,
また、運転時のSOFC211からは、電流取り出し線217を用いて電流を取り出す。取り出される電流は、可変抵抗器などの電子負荷216により制御される。また、SOFC211の電圧が、電圧計測線218と電圧計219により測定されている。
In addition, current is extracted from the
次に、初期還元工程における還元率の算出についてより詳細に説明する。まず、SOFC211を含む電気回路を流れる電流はなく、SOFC211を構成する電解質は、イオン輸率が1.0である。この条件で、大気雰囲気でSOFC211を昇温し、SOFC211の近傍温度が800℃に到達した後に一旦窒素でパージし、次に水素を導入すると、燃料極中および燃料極側集電材中の酸化ニッケルが還元される(初期還元工程)。これらの還元は、「NiO+H2→Ni+H2O」の反応式で表される。
Next, calculation of the reduction rate in the initial reduction process will be described in more detail. First, there is no current flowing through the electric circuit including the
なお、水素を導入すると、一部の微量な水素は、部品間でガスリークする。このガスリークにより、酸化ニッケルの還元以外にも水蒸気が生成される。SOFC211を用いるシステムでは、上述した部品間のガスリークにより単位時間あたりに燃料極排ガス内に生成する水蒸気量[H2O]leakは、水素流量によらずほぼ5ml/min(およそ2×10-4mol/min)ということがこれまでの要素試験により明らかになっている。従って、ガスリークにより生成される水蒸気量は、無視してよい値である。
Note that when hydrogen is introduced, some of the trace amount of hydrogen leaks between parts. Due to this gas leak, water vapor is generated in addition to the reduction of nickel oxide. In the system using the
次に、SOFC211の燃料極中に含まれる酸化ニッケルの物質量は、SOFC211の作製時に原料として配合した酸化ニッケル粉の配合量によって予め求めておくことができる。これを[NiO]anodeとする。また、大気雰囲気で800℃に昇温しているため、ニッケルメッシュなどのニッケル金属製の燃料極側ガス流路構成部品は、昇温過程において酸化ニッケルに酸化されている。
Next, the amount of nickel oxide contained in the fuel electrode of the
従って、燃料極側の流路構成部品における酸化ニッケルも上述した反応式により還元されるものと考えられ、この結果、水蒸気を発生する。このため、燃料極側の流路構成部品における酸化ニッケルについても、考慮する。この酸化ニッケルの物質量を[NiO]channel,1073Kとする。この量は、燃料極側ガス流路構成部品中のニッケルの物質量([Ni]channel,normal)に等しく、組み立て前の部品の組成と比重により予め求めておくことができる。 Therefore, it is considered that nickel oxide in the flow path component on the fuel electrode side is also reduced by the above-described reaction formula, and as a result, water vapor is generated. For this reason, the nickel oxide in the flow path component on the fuel electrode side is also considered. The amount of the nickel oxide material is [NiO] channel, 1073K. This amount is equal to the nickel substance amount ([Ni] channel, normal) in the fuel electrode side gas flow path component, and can be determined in advance by the composition and specific gravity of the component before assembly.
なお、燃料極側ガス流路構成部品にはニッケルのほかにも耐熱ステンレスが用いられているが、これらは大気雰囲気で800℃に昇温して表面に不動態皮膜を形成しているために、常圧・純水素還元雰囲気により還元されない。 In addition to nickel, heat-resistant stainless steel is used for the fuel electrode side gas flow path components, but these are heated to 800 ° C in an air atmosphere and form a passive film on the surface. It is not reduced by a normal pressure / pure hydrogen reduction atmosphere.
以上のことを踏まえ、大気雰囲気下で800℃まで昇温した燃料極を一旦窒素でパージしてから、還元剤として水素を導入したとき(初期還元工程)に、単位時間あたりに燃料極排ガス中に生成する水蒸気量を[H2O]anodegasとすると、ある時刻tにおいて「Σ([H2O]anodegas−[H2O]leak)dt=[Ni]anodeside」なる関係が成り立つ。ただし、この式において、[Ni]anodesideは、時刻tまでに燃料極およびニッケル金属製の燃料極側ガス流路構成部品に生成したニッケルの物質量である。 Based on the above, when the fuel electrode heated to 800 ° C. in the air atmosphere is once purged with nitrogen and then hydrogen is introduced as a reducing agent (initial reduction step), the fuel electrode exhaust gas per unit time Assuming that the amount of water vapor generated in [H 2 O] anodegas is, a relationship “Σ ([H 2 O] anodegas− [H 2 O] leak) dt = [Ni] anodeside” holds at a certain time t. However, in this equation, [Ni] anodeside is the amount of nickel produced in the fuel electrode and the nickel metal fuel electrode side gas flow path component by time t.
ここで、[H2O]leakは、前述したように無視できる量である。このため、上記の水蒸気量とニッケルの物質量との関係は、「Σ([H2O]anodegas)dt=[Ni]anodeside」と示すことができる。このように、初期還元工程における燃料極排ガス中の総水蒸気量は、燃料極側におけるニッケルの物質量に等しいものとすることができる。従って、還元進行率100%に達した時点において「[Ni]anodeside=[NiO]anode+[NiO]channel,1073K」の関係が成立する。 Here, [H 2 O] leak is a negligible amount as described above. Therefore, the relationship between the amount of water vapor and the amount of nickel can be expressed as “Σ ([H 2 O] anodegas) dt = [Ni] anodeside”. Thus, the total amount of water vapor in the fuel electrode exhaust gas in the initial reduction step can be made equal to the amount of nickel substance on the fuel electrode side. Accordingly, when the reduction progress rate reaches 100%, the relationship “[Ni] anodeside = [NiO] anode + [NiO] channel, 1073K” is established.
従って、測定部201を用いて例えば1分ごとに水蒸気分圧を計測し、時刻tまでの計測結果を積算し、この積算結果より、燃料極に供給される燃料ガスの量と排ガス中の水蒸気分圧との関係を用いて燃料極排ガス中の水蒸気量を計算すれば、燃料極側の酸化ニッケルの総量は既知であるので、初期還元工程におけるニッケル還元の進行度合いを確かめる(評価する)ことができる。 Therefore, for example, the water vapor partial pressure is measured every minute using the measuring unit 201, the measurement results up to time t are integrated, and the amount of fuel gas supplied to the fuel electrode and the water vapor in the exhaust gas are calculated from the integration result. If the amount of water vapor in the fuel electrode exhaust gas is calculated using the relationship with the partial pressure, the total amount of nickel oxide on the fuel electrode side is known, so check (evaluate) the progress of nickel reduction in the initial reduction process. Can do.
以下、この還元確認方法が、電圧の測定による還元の確認によりも感度が高いことについて、図3を用いて説明する。図3は、800℃まで大気中で昇温を行い、SOFC211の温度800℃のときに燃料極側に供給するガスを窒素から水素に切り替えた後の、SOFC211電圧の経時変化(a)と、前述したことにより求められる還元率の経時変化(b)とを示す特性図である。 Hereinafter, it will be described with reference to FIG. 3 that this reduction confirmation method has higher sensitivity than confirmation of reduction by voltage measurement. FIG. 3 shows the change over time (a) in the SOFC211 voltage after the temperature was raised to 800 ° C in the atmosphere and the gas supplied to the fuel electrode side was switched from nitrogen to hydrogen when the temperature of the SOFC211 was 800 ° C. It is a characteristic figure which shows the time-dependent change (b) of the reduction rate calculated | required by having mentioned above.
図3に示すように、SOFC211の出力電圧が1.1Vでほぼ静定したあとも、上述したことにより求められる還元率が上昇しており、酸化ニッケルの還元反応が継続していることがわかる。このように、SOFC211の出力電圧だけでは還元の完了を確認することができない。このことは、従来では経験上確認されており、出力電圧の測定結果による判定では、余裕をもって還元を完了とする必要があった。
As shown in FIG. 3, even after the output voltage of
これに対し、本実施の形態によれば、初期還元工程におけるニッケルの還元が進行している割合を直接的に知ることができ、必要十分な還元がなされた状態を確認できる。このように、本実施の形態における燃料極の評価方法によれば、電圧測定に基づいた方法に比較して、還元完了をより感度よく検知することが可能である。 On the other hand, according to the present embodiment, it is possible to directly know the rate at which the reduction of nickel in the initial reduction step has progressed, and it is possible to confirm the state where necessary and sufficient reduction has been performed. As described above, according to the fuel electrode evaluation method in the present embodiment, it is possible to detect the completion of reduction more sensitively than the method based on voltage measurement.
次に、還元率90%で、還元完了と判定することについて説明する。燃料極側ガス流路構成部品、例えば精密穴加工が施された板状のニッケル網の厚さは、100μmである。大気雰囲気での昇温中に、ニッケル網は表面から徐々に酸化されるが、網の中心部分は酸素が到達しにくいために、一般的な昇温過程では酸化されずにニッケル金属の状態を維持している。従って、このような部品を備えている場合、上述した還元率は通常95%以上にはならないと考えられる。また、還元率が90%より小さくとも電極としては十分機能するが、有効電極面積が小さくなってしまうため好ましくない。以上のことより、還元完了と判定する還元率は、90%以上とすることが望ましい。 Next, it will be described how to determine that the reduction is completed at a reduction rate of 90%. The thickness of the fuel electrode side gas flow path component, for example, a plate-shaped nickel net provided with precision holes is 100 μm. The nickel mesh is gradually oxidized from the surface during the temperature rise in the atmosphere, but the central part of the mesh is difficult for oxygen to reach, so the nickel metal state is not oxidized during the general temperature rise process. Is maintained. Therefore, when such parts are provided, it is considered that the above-described reduction rate does not normally exceed 95%. Even if the reduction rate is less than 90%, the electrode functions sufficiently, but the effective electrode area becomes small, which is not preferable. From the above, it is desirable that the reduction rate for determining completion of reduction is 90% or more.
また、本実施の形態における方法によれば、燃料極側におけるニッケルの還元を選択的に検知することができる。この理由を以下に説明する。図4を用いて固体酸化物形燃料電池の発電原理を説明した際に述べたように、燃料極排ガスは、未利用の水素と、酸化ニッケル−水素反応により生成した水蒸気の混合ガスである。従って、水蒸気分圧を測定することによる本実施の形態の方法では、ある時間tにおける水素とニッケルの反応の大小を直接的に検知していることとなる。 Further, according to the method in the present embodiment, the reduction of nickel on the fuel electrode side can be selectively detected. The reason for this will be described below. As described when the power generation principle of the solid oxide fuel cell is described with reference to FIG. 4, the fuel electrode exhaust gas is a mixed gas of unused hydrogen and water vapor generated by a nickel oxide-hydrogen reaction. Therefore, in the method of this embodiment by measuring the water vapor partial pressure, the magnitude of the reaction between hydrogen and nickel at a certain time t is directly detected.
以上に説明したように、本発明では、燃料極より排出される排ガス中の水蒸気分圧の積算値より求められる水蒸気量が、燃料極側の酸化ニッケルの還元により生成されたものであり、酸化ニッケルが還元された物質量に等しいという知見をもとに、水蒸気量より還元率を算出して燃料極を評価するようにした。このようにした本発明によれば、燃料極の初期還元進行率を感度よく、選択的に検知することができるようになり、的確な処置をとることが可能となる。このため、本発明によれば、固体酸化物形燃料電池発電システムを製造する際に、固体酸化物形燃料電池部分の初期還元作業をより確実にかつ効率的に行うことが可能となる。 As described above, in the present invention, the amount of water vapor obtained from the integrated value of the water vapor partial pressure in the exhaust gas discharged from the fuel electrode is generated by the reduction of nickel oxide on the fuel electrode side, and is oxidized. Based on the knowledge that nickel is equal to the amount of substance reduced, the reduction rate was calculated from the amount of water vapor to evaluate the fuel electrode. According to the present invention described above, the initial reduction progress rate of the fuel electrode can be selectively detected with high sensitivity, and an appropriate measure can be taken. Therefore, according to the present invention, when the solid oxide fuel cell power generation system is manufactured, the initial reduction operation of the solid oxide fuel cell portion can be more reliably and efficiently performed.
なお、本発明は以上に説明した実施の形態に限定されるものではなく、本発明の技術的思想内で、当分野において通常の知識を有する者により、多くの変形および組み合わせが実施可能であることは明白である。 The present invention is not limited to the embodiment described above, and many modifications and combinations can be implemented by those having ordinary knowledge in the art within the technical idea of the present invention. It is obvious.
201…測定部、202…算出・表示部202、211…固体酸化物形燃料電池(SOFC)、212…水素ガス、213…排ガス、214…空気、215…断熱容器、216…電子負荷、217…電流取り出し線、218…電圧計測線、219…電圧計。
DESCRIPTION OF SYMBOLS 201 ... Measuring
Claims (2)
前記燃料極に供給される燃料ガスの量と排ガス中の水蒸気分圧との関係と、時系列で測定された水蒸気分圧とから積算水蒸気量を算出する第2ステップと、
前記燃料極の側に存在するニッケルの総物質量に対する前記積算水蒸気量の割合を前記燃料極の還元率として前記燃料極を評価する第3ステップと
を備えることを特徴とする燃料極の評価方法。 A first step of measuring, in a time series, a water vapor partial pressure in exhaust gas discharged from a fuel electrode configured to contain nickel of a solid oxide fuel cell;
A second step of calculating an integrated water vapor amount from the relationship between the amount of fuel gas supplied to the fuel electrode and the water vapor partial pressure in the exhaust gas, and the water vapor partial pressure measured in time series;
And a third step of evaluating the fuel electrode using the ratio of the accumulated water vapor amount to the total amount of nickel present on the fuel electrode side as a reduction rate of the fuel electrode. .
前記還元率が90%を超えた時点で前記燃料極の還元が完了したものとすることを特徴とする燃料極の評価方法。 In the fuel electrode evaluation method according to claim 1,
The fuel electrode evaluation method, wherein the reduction of the fuel electrode is completed when the reduction rate exceeds 90%.
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