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JP4993346B2 - Fuel cell equipment - Google Patents

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JP4993346B2 JP2006334698A JP2006334698A JP4993346B2 JP 4993346 B2 JP4993346 B2 JP 4993346B2 JP 2006334698 A JP2006334698 A JP 2006334698A JP 2006334698 A JP2006334698 A JP 2006334698A JP 4993346 B2 JP4993346 B2 JP 4993346B2
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Description

本発明は燃料電池設備、特に固体電解質型燃料電池等を電池本体に使用する燃料電池設備に関する。   The present invention relates to a fuel cell facility, and more particularly to a fuel cell facility that uses a solid oxide fuel cell or the like as a battery body.

代表的な燃料電池の一つとして、固体酸化物型燃料電池〔SOFC(Solid Oxide Fuel Cells)〕がある。この燃料電池では、通常、イットリア安定化ジルコニア(YSZ)などの焼結体からなる薄く脆い固体電解質層の一方の表面に燃料電極層を形成し、他方の表面に空気電極層を形成した3層構造の積層体が、単電池セルとして使用される。そして、この単電池セルを挟んで燃料電極側を燃料ガスが、また空気電極側を空気等の酸化ガスが中心部から周囲へ流通することにより、発電が行われる。   One typical fuel cell is a solid oxide fuel cell (SOFC). In this fuel cell, normally, a fuel electrode layer is formed on one surface of a thin and brittle solid electrolyte layer made of a sintered body such as yttria stabilized zirconia (YSZ), and an air electrode layer is formed on the other surface. A laminated body having a structure is used as a single battery cell. Then, power is generated by flowing fuel gas on the fuel electrode side and oxidizing gas such as air on the air electrode side from the central part to the periphery with the unit cell sandwiched therebetween.

燃料電極としてはNiとYSZのサーメット、空気電極としてはランタンストロンチウムマンガナイト(LSM)などが使用される。いずれも多孔質の焼結体である。   Ni and YSZ cermet are used as the fuel electrode, and lanthanum strontium manganite (LSM) is used as the air electrode. Both are porous sintered bodies.

この単電池セルは、起電力が1V以下と低いために、通常は複数枚を厚み方向へ積層し、直列に接続して使用される。より具体的には、単電池セルの両面側に反応空間が形成されるように、単電池セルを間に挟みながらインターコネクタを板厚方向へ積層することにより、セルスタックが構成される。セルスタックは炉内に収容され、800〜1000℃という高温で運転される。   Since this single battery cell has an electromotive force as low as 1 V or less, it is usually used by stacking a plurality of sheets in the thickness direction and connecting them in series. More specifically, the cell stack is configured by stacking interconnectors in the thickness direction while sandwiching the unit cells so that reaction spaces are formed on both sides of the unit cells. The cell stack is housed in a furnace and operated at a high temperature of 800-1000 ° C.

インターコネクタは、電池セルを電気的に直列接続する導電板であると共に、燃料ガスと酸化ガスを分離するセパレータ板であり、優れた電気伝導性及び耐熱性を求められる。これらの観点から、インターコネクタの材質にはFe−Cr合金、特に耐熱性が高く熱膨張係数が比較的小さいフェライト系ステンレス鋼が多用されており、両表面には隣接する単電池セルとの間に反応空間を形成するためのガス分配溝が形成されている。   The interconnector is a conductive plate that electrically connects battery cells in series and is a separator plate that separates fuel gas and oxidizing gas, and is required to have excellent electrical conductivity and heat resistance. From these viewpoints, Fe-Cr alloy, especially ferritic stainless steel with high heat resistance and comparatively low thermal expansion coefficient, is often used as the material of the interconnector, and both surfaces are adjacent to adjacent battery cells. A gas distribution groove for forming a reaction space is formed.

燃料電池の運転では、炉内を運転温度にバーナーで予熱後、炉内のセルスタックの中心部に水素リッチの燃料ガスと空気などの酸化ガスを供給する。セルスタック内に供給された燃料ガスは、単電池セルの一面側に形成された燃料電極側の反応空間を中央部から周囲へ流通する。また酸化ガスは、単電池セルの他面側に形成された空気電極側の反応空間を中央部から周囲へ流通する。こうして各単電池セルを挟んで両ガスが中央部から周囲へ流通することにより、各単電池セルで発電が行なわれることは前述したとおりである。運転温度は前述のとおり800〜1000℃である。   In the operation of the fuel cell, after preheating the inside of the furnace to the operating temperature with a burner, hydrogen-rich fuel gas and oxidizing gas such as air are supplied to the center of the cell stack in the furnace. The fuel gas supplied into the cell stack circulates from the central portion to the periphery through a reaction space on the fuel electrode side formed on one surface side of the unit cell. Further, the oxidizing gas flows from the central part to the surroundings in the reaction space on the air electrode side formed on the other surface side of the single battery cell. As described above, power is generated in each single battery cell when both gases circulate from the central portion to the surroundings with each single battery cell interposed therebetween. The operating temperature is 800 to 1000 ° C. as described above.

燃料ガスとしては、都市ガスなどのメタンを主体とする炭化水素系ガスを水蒸気により水素リッチに改質したものか、その炭化水素系ガスを、空気を用いた部分酸化により水素リッチに改質したものかが使用される。このため、いずれの原料ガスを使用する場合も、炭化水素系ガスを水素リッチに改質する改質器がセルスタックのガス流入側に設けられる。改質は、例えば水蒸気による場合700℃という高温を必要とする。このため、改質器は専用の加熱バーナーを装備するか、或いはセルスタックと熱的に組み合わされる。   As the fuel gas, a hydrocarbon gas mainly composed of methane such as city gas is reformed to be hydrogen rich with water vapor, or the hydrocarbon gas is reformed to hydrogen rich by partial oxidation using air. Something is used. For this reason, regardless of which raw material gas is used, a reformer for reforming the hydrocarbon-based gas to be rich in hydrogen is provided on the gas inflow side of the cell stack. The reforming requires a high temperature of 700 ° C., for example, when using steam. For this, the reformer is equipped with a dedicated heating burner or is thermally combined with the cell stack.

一方、酸化ガスとしては通常、大気のような水分含有空気が使用される。この空気も運転温度に近い温度に予熱されてセルスタックに供給される。この予熱のために、セルスタックからの排ガスで空気を予熱する熱交換器がセルスタックのガス流入側に設けられる。熱交換器を含めた酸化ガス供給系統は、高い高温強度、高温耐酸化性を求められるために、SUS310SやSUS316Lのようなステンレス鋼に代表されるFe−Cr合金、或いはインコネルのようなNi−Cr合金により構成される。   On the other hand, moisture-containing air such as air is usually used as the oxidizing gas. This air is also preheated to a temperature close to the operating temperature and supplied to the cell stack. For this preheating, a heat exchanger for preheating air with the exhaust gas from the cell stack is provided on the gas inflow side of the cell stack. Since an oxidizing gas supply system including a heat exchanger is required to have high high-temperature strength and high-temperature oxidation resistance, an Fe—Cr alloy represented by stainless steel such as SUS310S or SUS316L, or Ni—such as Inconel. It is composed of a Cr alloy.

このような固体酸化物型燃料電池における重大な問題点の一つとしてクロム被毒がある。この問題は、電池セルの空気電極側で発生するクロム蒸気による電池性能の経時的な低下の現象であり、セルスタックにおけるインターコネクタが原因とされている。この問題を以下に詳細に説明する。   One of the serious problems in such a solid oxide fuel cell is chromium poisoning. This problem is a phenomenon of deterioration of battery performance over time due to chromium vapor generated on the air electrode side of the battery cell, and is caused by an interconnector in the cell stack. This problem will be described in detail below.

セルスタックのインターコネクタがフェライト系ステンレス鋼等のFe−Cr合金からなることは前述したとおりである。その場合、電池セルの空気電極側の反応空間を高温の空気が流通することから、インターコネクタの空気電極側の表面に酸化スケール〔主にクロミア(Cr2 3 )〕が形成される。この酸化スケールは優れた耐熱性を有し、インターコネクタを高温から保護すると共に、電気伝導度も比較的高く、電池セルの電気的な接続を阻害しない。酸化スケールの電気導電性が高いことも、Fe−Cr合金がインターコネクタに使用される大きな理由の一つである。 As described above, the interconnector of the cell stack is made of an Fe—Cr alloy such as ferritic stainless steel. In this case, since high-temperature air flows through the reaction space on the air electrode side of the battery cell, an oxide scale [mainly chromia (Cr 2 O 3 )] is formed on the surface of the interconnector on the air electrode side. This oxide scale has excellent heat resistance, protects the interconnector from high temperatures, has a relatively high electrical conductivity, and does not hinder the electrical connection of the battery cells. The high electrical conductivity of the oxide scale is one of the major reasons why Fe—Cr alloys are used for interconnectors.

しかしながら、その酸化スケールの主体をなすクロミア(Cr2 3 )からCrO3 、CrO2 (OH)2 などのクロム化合物からなるクロム蒸気が発生する。これらのクロム蒸気〔CrO3 (g)、CrO2 (OH)2 (g)〕は、空気電極層の側に高抵抗のSrCrO4 等として析出したり、電解質と空気電極との界面においてクロミア(Cr2 3 )に変質して反応場を減少させるたりすることにより、徐々に電池特性を低下させる原因になる。このクロム蒸気による電池性能の低下がクロム被毒であり、インターコネクタにFe−Cr合金を用いる場合に解決しなければならない問題の一つである。 However, chromium vapor composed of chromium compounds such as CrO 3 and CrO 2 (OH) 2 is generated from chromia (Cr 2 O 3 ), which is the main component of the oxide scale. These chromium vapors [CrO 3 (g), CrO 2 (OH) 2 (g)] are deposited as high-resistance SrCrO 4 on the air electrode layer side, or chromia (at the interface between the electrolyte and the air electrode). By changing to Cr 2 O 3 ) and reducing the reaction field, the battery characteristics are gradually deteriorated. This deterioration in battery performance due to chromium vapor is chromium poisoning, which is one of the problems that must be solved when an Fe—Cr alloy is used for the interconnector.

この問題を解決するために、フェライト系ステンレス鋼等のFe−Cr合金からなるインターコネクタの表面に各種の化合物をコーティングすることは広く一般に行われている。Fe−Cr合金母材の表面に緻密なコーティング層が形成されれば、母材からのクロム蒸気の発生を効果的に抑制することができる。   In order to solve this problem, coating various compounds on the surface of an interconnector made of an Fe—Cr alloy such as ferritic stainless steel is widely performed. If a dense coating layer is formed on the surface of the Fe—Cr alloy base material, generation of chromium vapor from the base material can be effectively suppressed.

そして、そのコーティング技術の一つとして、ペロブスカイト型複合酸化物の緻密層をFe−Cr合金母材の表面に形成することは、例えば特許文献1により公知である。また、運転環境下で(Mn,Cr)3 4 などのスピネル型複合酸化物の被覆層を表面に形成するFe−Cr合金(SUS430など)も開発されている。更に、(Mn,Co)3 4 などのCrを含まないスピネル型複合酸化物をFe−Cr合金母材の表面にコーティングする対策も知られている。更に又、インターコネクタからCrを完全排除する対策も本出願人により先行して開発されている。 As one of the coating techniques, for example, Patent Document 1 discloses that a dense layer of a perovskite complex oxide is formed on the surface of an Fe—Cr alloy base material. In addition, an Fe—Cr alloy (such as SUS430) that forms a coating layer of a spinel type complex oxide such as (Mn, Cr) 3 O 4 on the surface in an operating environment has also been developed. Furthermore, a countermeasure for coating the surface of the Fe—Cr alloy base material with a spinel type complex oxide not containing Cr such as (Mn, Co) 3 O 4 is also known. Furthermore, a measure for completely eliminating Cr from the interconnector has been developed in advance by the present applicant.

特開2004−281105号公報JP 2004-281105 A

これらの対策により、インターコネクタに起因するクロム被毒は防止される。特に、インターコネクタからCrを完全排除すれば、インターコネクタがクロム被毒の原因になるはずはない。しかしながら、実際の燃料電池の運転では、クロム被毒の現象は完全には解消されない。すなわち、インターコネクタにクロム被毒対策を施すことにより、これを施さない場合と比べて、電池性能の低下が抑制されるのは事実であるが、その低下が完全に阻止されるわけではないのである。   These measures prevent chromium poisoning caused by the interconnector. In particular, if Cr is completely eliminated from the interconnector, the interconnector should not cause chrome poisoning. However, in actual fuel cell operation, the phenomenon of chromium poisoning is not completely eliminated. In other words, it is a fact that the decrease in battery performance is suppressed by taking measures against chrome poisoning to the interconnector compared to the case where it is not applied, but the decrease is not completely prevented. is there.

本発明の目的は、固体電解質型燃料電池におけるクロム被毒を可及的に抑制できる燃料電池設備を提供することにある。   An object of the present invention is to provide a fuel cell facility that can suppress chromium poisoning in a solid oxide fuel cell as much as possible.

上記目的を達成するために、固体電解質型燃料電池におけるインターコネクタの材質として、Crを含まない純Ni、Ni基合金を使用することは考えられている。しかし、実際には、これらのNi系金属はインターコネクタに使用されていない。それは、Ni母材の表面に形成される酸化スケールの電気導電性が低く、インターコネクタとしての基本性能が欠如する(セル電圧が定格に達しない)ことによる。この酸化スケールは、主に酸化ニッケル(NiO)である。   In order to achieve the above object, it is considered to use pure Ni or Ni-based alloy containing no Cr as an interconnector material in a solid oxide fuel cell. In practice, however, these Ni-based metals are not used in interconnectors. This is because the oxide scale formed on the surface of the Ni base material has low electrical conductivity and lacks basic performance as an interconnector (cell voltage does not reach the rating). This oxide scale is mainly nickel oxide (NiO).

この問題を、本出願人は、特定のスピネル型複合酸化物の被覆、より具体的には、Crを含まないNi系金属からなるインターコネクタの母材表面に、金属元素としてCo、Cu、Mnの少なくとも1種、及びNiを含むスピネル型複合酸化物を被覆層として形成することにより解決した。この対策によると、母材がCrを含まないことから、クロミア(Cr2 3 )の生成がなく、クロム被毒を生じる危険が皆無となる。しかも、スピネル型複合酸化物はペロブスカイト型複合酸化物と異なり、電気伝導性の低下を伴わないのである。 To solve this problem, the present applicant applied a specific spinel type complex oxide coating, more specifically, Co, Cu, Mn as metal elements on the base metal surface of the interconnector made of Ni-based metal not containing Cr. This was solved by forming a spinel complex oxide containing at least one of the above and Ni as a coating layer. According to this measure, since the base material does not contain Cr, there is no generation of chromia (Cr 2 O 3 ), and there is no danger of chromium poisoning. Moreover, unlike the perovskite complex oxide, the spinel complex oxide is not accompanied by a decrease in electrical conductivity.

ところが、このようなインターコネクタをセルスタックに使用した燃料電池設備でさえも、長時間の運転を続けると、クロム被毒によると思われる電池性能の経時的な低下が生じることが判明した。そこで本発明者は、クロム被毒の原因をインターコネクタ以外に求め、様々な角度から多角的に検討を行った。その結果、セルスタックに酸化ガスを供給する酸化ガス供給系も、クロム被毒の原因になり得ることを突き止めた。   However, it has been found that even in a fuel cell facility using such an interconnector for a cell stack, if the operation is continued for a long time, the battery performance is likely to be deteriorated with time due to chromium poisoning. Therefore, the present inventor has sought the cause of chromium poisoning in addition to the interconnector, and has studied it from various angles. As a result, it has been found that an oxidizing gas supply system that supplies an oxidizing gas to the cell stack can also cause chromium poisoning.

すなわち、酸化ガス供給系統は、セルスタックにおける電池セルの空気電極側の反応空間に高温の水分含有空気を供給する。予熱のために、系路途中に、セルスタックからの排ガスとの熱交換を行う予熱器か設けられる。予熱器を含めた酸化ガス供給系統は、前述したとおり、高い高温強度、高温耐酸化性を求められるために、Fe−Cr合金やNi−Cr合金により構成される。このため、酸化ガス供給系統の予熱器より下流側の部分、特に予熱器内でクロミア(Cr2 3 )が形成され、これから生じるクロム蒸気が電池セルの空気電極側の反応空間に到達して、空気電極層の側に高抵抗のSrCrO4 等として析出したり、電解質と空気電極との界面においてクロミア(Cr2 3 )に変質して反応場を減少させるたりすることにより、徐々に電池特性を低下させることになる。 That is, the oxidizing gas supply system supplies high-temperature water-containing air to the reaction space on the air electrode side of the battery cell in the cell stack. For preheating, a preheater for exchanging heat with the exhaust gas from the cell stack is provided in the middle of the system path. As described above, the oxidizing gas supply system including the preheater is composed of an Fe—Cr alloy or an Ni—Cr alloy in order to require high high temperature strength and high temperature oxidation resistance. For this reason, chromia (Cr 2 O 3 ) is formed in the downstream side of the preheater of the oxidizing gas supply system, particularly in the preheater, and chromium vapor generated from this reaches the reaction space on the air electrode side of the battery cell. By gradually depositing as high-resistance SrCrO 4 or the like on the side of the air electrode layer, or by changing to chromia (Cr 2 O 3 ) at the interface between the electrolyte and the air electrode, the reaction field is gradually reduced. The characteristics will be reduced.

しかしがら、予熱器を含めた酸化ガス供給系統を、Crを含まないNi系金属に変更することは、主に経済的な面から実施困難である。そこで本発明者は、酸化ガス供給系統の最下流で酸化ガス中のクロム蒸気を分別してトラップするのが有効であると考え、その方法について様々な角度から検討を重ねた。その結果、クロミア(Cr2 3 )から発生し、クロム被毒の原因となるCrO3 (g)、CrO2 (OH)2 (g)などのクロム蒸気は、電子を捕捉することにより負の極性を示しやすく、電界印加によりトラップ可能となることを見出した。 However, changing the oxidizing gas supply system including the preheater to a Ni-based metal not containing Cr is difficult to implement mainly from an economical viewpoint. Therefore, the present inventor considered that it is effective to separate and trap chromium vapor in the oxidizing gas at the most downstream side of the oxidizing gas supply system, and studied the method from various angles. As a result, chromium vapors such as CrO 3 (g) and CrO 2 (OH) 2 (g), which are generated from chromia (Cr 2 O 3 ) and cause chromium poisoning, are negative by trapping electrons. It has been found that the polarity can be easily shown and trapping is possible by applying an electric field.

クロム蒸気の生成プロセスを化学式1に示す。CrO2 (OH)2 (g)の発生が主で、CrO3 (g)の発生が従である考えられる。 The production process of chromium vapor is shown in Chemical Formula 1. It is considered that the generation of CrO 2 (OH) 2 (g) is the main and the generation of CrO 3 (g) is the subordinate.

Figure 0004993346
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また、これらのクロム蒸気が負の極性を示しやすいことの確認実験の一つを図6に示す。オーステナイト系ステンレス鋼(SUS310S)からなる電極1,1の間にマイカからなる絶縁板2を絶縁性のスペーサー3と共に挟み、燃料電池の運転温度に相当する高温下で電源4により高電圧を印加する。そうすると、スペーサー3が絶縁板2の負極側に存在するときのみ、絶縁板2の負極対向表面に黄色の付着物5が生じる。この付着物5は六価クロムであることを確認しており、負極側の電極1から生じたクロム蒸気が負の極性をもつため、絶縁板2の負極対向表面に付着したものと考えられる。クロム蒸気が負の極性をもつ理由としては、燃料電池の運転温度に相当する800℃というような高温下では熱電子が発生し、これがクロム蒸気分子に付着して負イオン化するものと考えられるのである。   FIG. 6 shows one of confirmation experiments that these chromium vapors easily show negative polarity. An insulating plate 2 made of mica is sandwiched between insulating electrodes 3 between electrodes 1 and 1 made of austenitic stainless steel (SUS310S), and a high voltage is applied by a power source 4 at a high temperature corresponding to the operating temperature of the fuel cell. . Then, a yellow deposit 5 is generated on the negative electrode facing surface of the insulating plate 2 only when the spacer 3 exists on the negative electrode side of the insulating plate 2. This deposit 5 has been confirmed to be hexavalent chromium, and the chromium vapor generated from the electrode 1 on the negative electrode side has a negative polarity. Therefore, it is considered that the deposit 5 adhered to the negative electrode facing surface of the insulating plate 2. The reason why chromium vapor has a negative polarity is that thermoelectrons are generated at a high temperature such as 800 ° C. corresponding to the operating temperature of the fuel cell, and this is considered to be negatively ionized by adhering to the chromium vapor molecules. is there.

本発明の燃料電池設備は、かかる知見を基礎として完成されたものであって、燃料電池セルを挟みながらインターコネクタを積層して構成されたセルスタックと、セルスタックに原料ガス及び酸化ガスをそれぞれ供給する2種類のガス供給系統と、セルスタックからの排ガスと熱交換して酸化ガスを予熱するべく酸化ガス供給系統に設けらた予熱器と、予熱後の酸化ガスに含まれるクロム蒸気を捕捉するべく予熱器よりも下流側の酸化ガス供給系統に設けられたクロム捕捉器とを具備する。   The fuel cell equipment of the present invention has been completed on the basis of such knowledge, and is composed of a cell stack formed by stacking interconnectors with the fuel cell sandwiched therebetween, and a raw material gas and an oxidizing gas in the cell stack, respectively. Two types of gas supply systems to supply, a preheater provided in the oxidation gas supply system to preheat the oxidation gas by exchanging heat with the exhaust gas from the cell stack, and capture chromium vapor contained in the oxidation gas after preheating Therefore, it comprises a chromium trap provided in the oxidizing gas supply system downstream of the preheater.

本発明の燃料電池設備においては、予熱器よりも下流側の酸化ガス供給系統、好ましくは最下流で排ガス中のクロム蒸気が捕捉されため、その蒸気のセルスタックへの流入が回避される。セルスタック中のインターコネクタにおけるクロム被毒対策と組み合わせることにより、電池セルの空気電極側で問題となるクロム被毒を完全に阻止することが可能となる。   In the fuel cell facility of the present invention, the chromium vapor in the exhaust gas is captured at the downstream side of the preheater, preferably the most downstream, so that the vapor is prevented from flowing into the cell stack. By combining with the chromium poisoning countermeasure in the interconnector in the cell stack, it becomes possible to completely prevent the chromium poisoning which is a problem on the air electrode side of the battery cell.

燃料電池セルは、固体電解質型の他、炭酸溶融塩型を含む。クロム捕捉器としては、対向配置された正極と負極の間に酸化ガスを流通させる電界印加型が好ましい。なぜなら、クロミア(Cr2 3 )から発生するCrO3 (g)、CrO2 (OH)2 (g)などのクロム蒸気は、電子を捕捉することにより負の極性を示しやすいことから、正極と負極の間に酸化ガスを流通させると、正極側へ引き寄せられて捕捉されるからである。熱電子が発生しやすい材料を負極に使用するとか、高圧パルス電圧の印加によりコロナ放電を発生させるといった手段により、クロム蒸気の負極性化を促進することが可能である。また電子を付着させる手段と、電子の付着により負極化されたクロム蒸気を捕捉する手段とを分けて構成することもできる。更に又、正極側を背面側へ通ガス可能な構造とすることにより、正極側に捕捉されるクロム蒸気を極間から外部へ排出して、極面におけるクロム蒸気の付着堆積を防止することもできる。 The fuel cell includes a solid electrolyte type and a carbonated molten salt type. As the chromium trap, an electric field application type in which an oxidizing gas is circulated between a positive electrode and a negative electrode arranged to face each other is preferable. This is because chromium vapors such as CrO 3 (g) and CrO 2 (OH) 2 (g) generated from chromia (Cr 2 O 3 ) tend to exhibit a negative polarity by trapping electrons. This is because when an oxidizing gas is circulated between the negative electrodes, it is attracted to and captured by the positive electrode side. It is possible to promote the negative polarity of chromium vapor by using a material that easily generates thermoelectrons for the negative electrode or by generating a corona discharge by applying a high voltage pulse voltage. Further, the means for attaching electrons and the means for capturing chromium vapor that has been made negative by the attachment of electrons can be configured separately. Furthermore, by making the positive electrode side gas-permeable to the back side, the chromium vapor trapped on the positive electrode side can be discharged from the gap to the outside to prevent the deposition of chromium vapor on the pole surface. it can.

このようなクロム蒸気が負の極性を示しやすいことを生かした電界印加型のクロム捕捉器は、構造が簡単で効果も大きく非常に効率的であり、セルスタック内の単電池セルの空気電極側を流通する酸化ガスに対して効力を発揮するようにセルスタック内に組み込むこともできる。   Electric field applied type chrome traps that make use of the fact that these chrome vapors tend to exhibit a negative polarity are simple in structure, effective, and very efficient. It can also be incorporated into the cell stack so as to be effective against the oxidizing gas flowing through the gas.

本発明の燃料電池設備は、酸化ガスをセルスタックへ供給する酸化ガス供給系統において、セルスタックからの排ガスと熱交換して酸化ガスを予熱する予熱器よりも下流側にクロム捕捉器を設けて、予熱後の酸化ガスに含まれるクロム蒸気を捕捉し、セルスタックへの流入を阻止する。この従来省みられることのなかった、酸化ガス供給系統からセルスタックへのクロム蒸気の流入を阻止することにより、そのクロム蒸気に起因するセルスタックでのクロム被毒を防止することができ、クロム被毒による電池性能の低下を長期間にわたって安定的に阻止することができる。   The fuel cell facility of the present invention is a oxidant gas supply system for supplying an oxidant gas to a cell stack. A chrome trap is provided downstream of a preheater that preheats the oxidant gas by exchanging heat with exhaust gas from the cell stack. The chromium vapor contained in the oxidizing gas after preheating is trapped, and the flow into the cell stack is prevented. By preventing the inflow of chromium vapor from the oxidizing gas supply system to the cell stack, which has not been omitted in the past, chromium poisoning in the cell stack due to the chromium vapor can be prevented. A decrease in battery performance due to poisoning can be stably prevented over a long period of time.

以下に本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。図1は本発明の一実施形態を示す燃料電池設備の構成図、図2は同燃料電池設備に使用されているセルスタックの構成図、図3は同燃料電池設備に使用されているクロム捕捉器の構成図である。   Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings. FIG. 1 is a block diagram of a fuel cell facility showing an embodiment of the present invention, FIG. 2 is a block diagram of a cell stack used in the fuel cell facility, and FIG. 3 is a chromium trap used in the fuel cell facility. It is a block diagram of a container.

本発明の燃料電池設備は、図1に示すように、固体電解質型燃料電池の本体であるセルスタック10と、セルスタック10に原料ガスを供給する原料ガス供給系統に設けられた改質器20と、セルスタック10に酸化ガスを供給する酸化ガス供給系統に設けられた予熱器30と、予熱器30と共に酸化ガス供給系統に設けられたクロム捕捉器40とを備えている。   As shown in FIG. 1, a fuel cell facility of the present invention includes a cell stack 10 that is a main body of a solid oxide fuel cell, and a reformer 20 provided in a source gas supply system that supplies a source gas to the cell stack 10. And a preheater 30 provided in the oxidizing gas supply system for supplying the oxidizing gas to the cell stack 10, and a chromium trap 40 provided in the oxidizing gas supply system together with the preheater 30.

セルスタック10は、図2に示すように、円板状の単電池セル11を間に挟みながら、同じく円板状のインターコネクタ12を板厚方向に積層することにより構成されている。単電池セル11は、固体電解質層11aの一方の表面に燃料電極層11bが積層され、他方の表面に空気電極層11cが積層された3層構造の薄い円板である。   As shown in FIG. 2, the cell stack 10 is configured by laminating disk-like interconnectors 12 in the thickness direction while sandwiching disk-like single battery cells 11 therebetween. The unit cell 11 is a thin disk having a three-layer structure in which a fuel electrode layer 11b is stacked on one surface of a solid electrolyte layer 11a and an air electrode layer 11c is stacked on the other surface.

単電池セル11の固体電解質層11aは例えばYSZからなり、その厚みは5〜30μmである。燃料電極層11bは、例えばNiとYSZのサーメットからなり、その厚みは0.5〜2mmである。空気電極層11cは、例えばLSMからなり、その厚みは20〜50μmである。   The solid electrolyte layer 11a of the single battery cell 11 is made of, for example, YSZ and has a thickness of 5 to 30 μm. The fuel electrode layer 11b is made of, for example, cermet of Ni and YSZ, and has a thickness of 0.5 to 2 mm. The air electrode layer 11c is made of, for example, LSM and has a thickness of 20 to 50 μm.

単電池セル11の中心部には、燃料ガス及び酸化ガスをそれぞれ通過させるために2種類の貫通孔が設けられている。   Two types of through-holes are provided in the center of the unit cell 11 in order to allow the fuel gas and the oxidizing gas to pass therethrough.

インターコネクタ12は、単電池セル11と同じ外径の金属円板であり、純Ni、Crを含まないNi基合金又はFe−Ni合金からなる。インターコネクタ12の中心部には、単電池セル11の貫通孔に対応する燃料ガス用及び酸化ガス用の各貫通孔が設けられている。インターコネクタ12の厚みは0.5〜2.5mmが好ましく、1.0〜2.0mmが特に好ましい。薄すぎると半径方向の熱伝導性の低下により温度勾配が生じ、インターコネクタの熱歪みや熱応力によるセル割れが生じる。反対に厚すぎる場合は材料費のコストアップやスタック容量の増加を招く。   The interconnector 12 is a metal disk having the same outer diameter as that of the single battery cell 11 and is made of Ni-based alloy or Fe—Ni alloy not containing pure Ni and Cr. At the center of the interconnector 12, fuel gas and oxidant gas through holes corresponding to the through holes of the unit cells 11 are provided. The thickness of the interconnector 12 is preferably 0.5 to 2.5 mm, particularly preferably 1.0 to 2.0 mm. If it is too thin, a temperature gradient is generated due to a decrease in thermal conductivity in the radial direction, and cell cracking due to thermal distortion or thermal stress of the interconnector occurs. On the other hand, if it is too thick, the material cost increases and the stack capacity increases.

インターコネクタ12は、積層された所定枚数の複数の単電池セル11を電気的に直列接続すると共に、単電池セル11の両面側に反応空間を形成するためのもので、エンドプレートを兼ねる両端のものを除き同じ構造である。   The interconnector 12 is used to electrically connect a plurality of stacked unit battery cells 11 in series and to form reaction spaces on both sides of the unit battery cell 11. It is the same structure except for things.

両端のものを除くインターコネクタ12、すなわち2枚の単電池セル11,11に挟まれるインターコネクタ12は、単電池セル11の燃料電極側の表面に対向する表面に、燃料ガスを中心部の貫通孔から外周部へ拡散させながら流通させる燃料ガス用のガス分配溝12aを有している。また、単電池セル11の空気電極側の表面に対向する表面には、空気等の酸化ガスを中心部の貫通孔から外周部へ拡散させながら流通させる酸化ガス用のガス分配溝12bが設けられている。   The interconnector 12 except the ones at both ends, that is, the interconnector 12 sandwiched between the two unit cells 11, 11 penetrates the fuel gas through the center of the unit cell 11 on the surface facing the surface on the fuel electrode side. It has a gas distribution groove 12a for fuel gas that flows while being diffused from the hole to the outer periphery. Further, a gas distribution groove 12b for oxidizing gas is provided on the surface of the single battery cell 11 opposite to the surface on the air electrode side for allowing the oxidizing gas such as air to flow while diffusing from the central through hole to the outer peripheral portion. ing.

両端のインターコネクタ12,12の一方は、単電池セル11の燃料電極側の表面に接触し、その表面には、燃料ガスを中心部の貫通孔から外周部へ拡散させながら流通させる燃料ガス用のガス分配溝12aが設けられている。他方は単電池セル12の空気電極側の表面に接触し、その表面には、酸化ガスを中心部の貫通孔から外周部へ拡散させながら流通させる酸化ガス用のガス分配溝12bが設けられている。   One of the interconnectors 12 and 12 at both ends is in contact with the surface of the unit cell 11 on the fuel electrode side, on which the fuel gas is circulated while being diffused from the central through hole to the outer periphery. Gas distribution groove 12a is provided. The other is in contact with the surface of the unit cell 12 on the air electrode side, and the surface is provided with a gas distribution groove 12b for oxidizing gas through which the oxidizing gas flows while diffusing from the through hole in the central portion to the outer peripheral portion. Yes.

各インターコネクタ12の両表面には、(Co,Ni)3 4 、(Mn,Ni)3 4 、(Cu,Ni)3 4 などで示されるスピネル型複合酸化物の被覆層12cが形成されている。この被覆層12cは、インターコネクタ12の母材であるNi系金属の表面にCo、Mn、Cuなどを電解メッキ又は無電解メッキした後、その母材を高温酸化性雰囲気下に保持することにより形成されている。被覆層12cの厚みは50μm以下である。 On both surfaces of each interconnector 12, a spinel-type composite oxide coating layer 12c represented by (Co, Ni) 3 O 4 , (Mn, Ni) 3 O 4 , (Cu, Ni) 3 O 4, or the like is provided. Is formed. The coating layer 12c is formed by electrolytically or electrolessly plating Co, Mn, Cu or the like on the surface of the Ni-based metal that is the base material of the interconnector 12, and then holding the base material in a high-temperature oxidizing atmosphere. Is formed. The thickness of the coating layer 12c is 50 μm or less.

この被覆層12cは、隣接する2つの単電池セル11,11間に配置されるインターコネクタ12においては、それらの単電池セル11,11を電気的に接続する必要から両表面に必要であるが、一方の表面のみを単電池セル11に対向させる両端のインターコネクタ12,12においては、ガス分配溝12a,12bが設けられる対向面にのみ設ければよく、必ずしも両面に設ける必要はない。   In the interconnector 12 arranged between two adjacent unit cells 11, 11, the coating layer 12 c is necessary on both surfaces because it is necessary to electrically connect the unit cells 11, 11. In the interconnectors 12 and 12 at both ends where only one surface is opposed to the unit cell 11, it is only necessary to provide it on the opposing surfaces where the gas distribution grooves 12 a and 12 b are provided, and it is not always necessary to provide them on both surfaces.

そしてセルスタック10は、所定枚数のインターコネクタ12,12・・を、各間に単電池セル11を挟みながら積み重ね、図示されない連結ロッドなどで固定することにより構成されている。構成されたセルスタック10は図示さない炉内に収容され、予熱のためのバーナーを下方に装備している。   The cell stack 10 is configured by stacking a predetermined number of interconnectors 12, 12,... With the single battery cells 11 sandwiched therebetween, and fixing with a connecting rod or the like (not shown). The constructed cell stack 10 is accommodated in a furnace (not shown) and is equipped with a burner for preheating below.

改質器20は、燃料用原料ガスである都市ガスを水蒸気と混合して水素リッチの原料ガスとする。この改質器20は予熱のための図示されないバーナーを装備している。改質器20は、原料ガス供給系統(ガス管)と共に、耐熱性に優れたオーステナイト系ステンレス鋼(SUS310S)などのFe−Cr合金、又はインコネルなどのNi−Cr合金により構成されている。   The reformer 20 mixes city gas, which is a raw material gas for fuel, with water vapor to form a hydrogen-rich raw material gas. The reformer 20 is equipped with a burner (not shown) for preheating. The reformer 20 is composed of an Fe—Cr alloy such as austenitic stainless steel (SUS310S) excellent in heat resistance, or a Ni—Cr alloy such as Inconel, together with a raw material gas supply system (gas pipe).

予熱器30は、酸化ガスである空気等をセルスタック10からの高温排ガスと熱交換して加熱する熱交換器である。この予熱器30は、酸化ガス供給系統(ガス管)と共に、耐熱性に優れたオーステナイト系ステンレス鋼(SUS310S)などのFe−Cr合金、又はインコネルなどのNi−Cr合金により構成されている。   The preheater 30 is a heat exchanger that heats the oxidizing gas, such as air, by exchanging heat with the high-temperature exhaust gas from the cell stack 10. The preheater 30 is made of an oxidation gas supply system (gas pipe) and an Fe—Cr alloy such as austenitic stainless steel (SUS310S) excellent in heat resistance, or an Ni—Cr alloy such as Inconel.

クロム捕捉器40は、予熱器30より下流側、特に酸化ガス供給系統の最下流部(セルスタック10の酸化ガス入口の直近)に設けられている。このクロム捕捉器40は、図3に示すように、所定の間隔をあけて対向配置された一対の電極板41,42と、電極板41,42に高電圧を印加する直流電源43と、正極側の電極板41の表面に接して電極板41,42間に配置された絶縁板44とを有しており、正極側の絶縁板44と負極側の電極板42との間を酸化ガスが一方向に通過するように構成されている。   The chromium trap 40 is provided on the downstream side of the preheater 30, particularly in the most downstream portion of the oxidizing gas supply system (immediately near the oxidizing gas inlet of the cell stack 10). As shown in FIG. 3, the chromium trap 40 includes a pair of electrode plates 41 and 42 arranged to face each other at a predetermined interval, a DC power source 43 that applies a high voltage to the electrode plates 41 and 42, a positive electrode And an insulating plate 44 disposed between the electrode plates 41 and 42 in contact with the surface of the electrode plate 41 on the side, and an oxidizing gas is interposed between the insulating plate 44 on the positive electrode side and the electrode plate 42 on the negative electrode side. It is configured to pass in one direction.

電極板41,42は、例えばCrを含まないNi基合金やFe合金、純Niなどからなる。絶縁板44の材質としては、アルミナ、マグネシアなどのセラミックスが適当である。   The electrode plates 41 and 42 are made of, for example, a Ni-based alloy, a Fe alloy, or pure Ni that does not contain Cr. As a material of the insulating plate 44, ceramics such as alumina and magnesia are suitable.

このような構成になる燃料電池設備の機能は以下のとおりである。   The function of the fuel cell facility configured as described above is as follows.

所定量の燃料ガス及び酸化ガスとしての空気をセルスタック10に流通させつつ、セルスタック10及び改質器20をバーナーにより予熱する。セルスタック10の予熱に伴い、予熱ガスが予熱器30に送られ、空気が予熱される。セルスタック10及び改質器20が所定温度に達すると、発電運転を開始する。   The cell stack 10 and the reformer 20 are preheated by a burner while a predetermined amount of fuel gas and air as an oxidizing gas are passed through the cell stack 10. As the cell stack 10 is preheated, the preheated gas is sent to the preheater 30 to preheat the air. When the cell stack 10 and the reformer 20 reach a predetermined temperature, the power generation operation is started.

発電運転では、改質器20で得られた水素リッチの燃料ガスと予熱器30で予熱された空気がセルスタック10に供給される。セルスタック10では、単電池セル11の燃料電極11aと燃料電極側のインターコネクタ12との間に水素リッチの燃料ガスが中心部から外周部へむけて流通すると共に、単電池セル11の空気電極11bと空気電極側のインターコネクタ12との間に空気が中心部から外周部へむけて流通する。これにより各単電池セル11で発電が行われる。各単電池セル11はインターコネクタ12により直列に接続されている。   In the power generation operation, the hydrogen-rich fuel gas obtained by the reformer 20 and the air preheated by the preheater 30 are supplied to the cell stack 10. In the cell stack 10, a hydrogen-rich fuel gas flows from the central part to the outer peripheral part between the fuel electrode 11 a of the single battery cell 11 and the interconnector 12 on the fuel electrode side, and the air electrode of the single battery cell 11. Air flows between the central part 11b and the outer electrode part between the air electrode side interconnector 12b. As a result, power is generated in each single battery cell 11. Each single battery cell 11 is connected in series by an interconnector 12.

セルスタック10での運転温度は例えば800℃である。したがって、予熱器30でも空気が例えば800℃近くの高温に予熱され、酸化ガス配管を通ってセルスタック10に供給される。   The operating temperature in the cell stack 10 is 800 ° C., for example. Therefore, in the preheater 30, air is preheated to a high temperature, for example, near 800 ° C., and supplied to the cell stack 10 through the oxidizing gas pipe.

ここで、セルスタック10内のインターコネクタ12,12・・・は純Ni、Crを含まないNi基合金又はFe−Ni合金からなる。これらの金属は耐熱性に優れると共に、それ自体の電気伝導度が高いために、隣接する単電池セル11,11間でガスセパレーター及び電気的接続部材として機能する。特に、各インターコネクタ12においては、単電池セル11の燃料電極側の表面及び空気電極側の表面に(Co,Ni)3 4 、(Mn,Ni)3 4 、(Cu,Ni)3 4 などの、金属元素としてCo、Cu、Mnの少なくとも1種、及びNiを含み、好ましくはCrを含まないスピネル型複合酸化物の被覆層12cが形成されている。 Here, the interconnectors 12, 12... In the cell stack 10 are made of pure Ni, Ni-based alloy not containing Cr, or Fe—Ni alloy. Since these metals are excellent in heat resistance and have high electrical conductivity, they function as gas separators and electrical connection members between adjacent unit cells 11 and 11. In particular, each interconnector 12 has (Co, Ni) 3 O 4 , (Mn, Ni) 3 O 4 , (Cu, Ni) 3 on the surface of the unit cell 11 on the fuel electrode side and on the air electrode side. A spinel-type composite oxide coating layer 12c containing at least one of Co, Cu, Mn, and Ni as a metal element, such as O 4 , and preferably not containing Cr is formed.

Co、Cu、Mnの少なくとも1種、及びNiを含むスピネル型複合酸化物からなる被覆層12cの特徴は以下のとおりである。第1に、例えば母材表面にCo、Cu、Mnの少なくとも1種からなる金属を電解メッキ、無電解メッキ等により被覆し、酸化性雰囲気中で加熱処理することにより簡単に形成することができる。第2に、金属の電解メッキ、無電解メッキ等によると、その層厚を簡単に厚くすることができ、耐久性を高めることができる。   The characteristics of the coating layer 12c made of a spinel complex oxide containing at least one of Co, Cu, and Mn and Ni are as follows. First, for example, the surface of the base material can be easily formed by coating a metal composed of at least one of Co, Cu, and Mn by electrolytic plating, electroless plating, or the like, and heat-treating in an oxidizing atmosphere. . Secondly, according to electrolytic plating or electroless plating of metal, the layer thickness can be easily increased, and durability can be enhanced.

第3に、そのスピネル型複合酸化物はp型半導体の特性を示し、特に複数の原子価をもつ遷移金属のスピネル型複合酸化物となるため、ホッピング伝導機構により高い電気伝導性を示し、ペロブスカイト型複合酸化物と比べてイオンが拡散しにくいとはいえ、NiOと比べると格段に高い電気電導性を示す。   Third, the spinel complex oxide exhibits the characteristics of a p-type semiconductor, and in particular, it becomes a spinel complex oxide of a transition metal having a plurality of valences. Therefore, the spinel complex oxide exhibits high electrical conductivity by a hopping conduction mechanism, and perovskite. Although it is difficult for ions to diffuse as compared with the type complex oxide, it exhibits much higher electrical conductivity than NiO.

第4に、スピネル型複合酸化物は又、結晶構造が酸素の最密充填構造で、密度的に極めて緻密な結晶構造であるため、ペロブスカイト型複合酸化物と比べて酸化物イオン(酸素イオン)、Niイオン、Coイオンが拡散しにくい。このため母材との反応性が低く、界面におけるNi系酸化スケールの生成が抑制される。しかも、この界面に形成される酸化スケールは、p型半導体の特性を示すスピネル型酸化物となるため、NiOより電気伝導度が良好である。これらのため、前記スピネル型複合酸化物は、インターコネクタの被覆層に適用して単電池セルの電気的接続を阻害しない。   Fourth, since the spinel type complex oxide has a close-packed structure of oxygen and an extremely dense crystal structure in terms of density, the oxide ion (oxygen ion) compared to the perovskite type complex oxide. Ni ions and Co ions are difficult to diffuse. For this reason, the reactivity with a base material is low, and the production | generation of the Ni-type oxide scale in an interface is suppressed. In addition, since the oxide scale formed at this interface is a spinel oxide showing the characteristics of a p-type semiconductor, the electrical conductivity is better than that of NiO. For these reasons, the spinel complex oxide is applied to the coating layer of the interconnector and does not hinder the electrical connection of the single battery cell.

第5に、被覆層の耐熱性に優れ、燃料電池の過酷な運転環境から母材を保護する。そして第6に、母材がCrを含まないことから、単電池セルの空気電極側において、母材と被覆層との界面におけるクロミア(Cr2 3 )の生成がなく、クロム被毒を生じる危険が皆無である。 Fifth, the heat resistance of the coating layer is excellent, and the base material is protected from the harsh operating environment of the fuel cell. Sixth, since the base material does not contain Cr, chromia (Cr 2 O 3 ) is not generated at the interface between the base material and the coating layer on the air electrode side of the single battery cell, resulting in chromium poisoning. There is no danger.

すなわち、Fe−Cr合金の表面にスピネル型複合酸化物の被覆層を形成した場合、界面に形成される酸化スケールはクロム被毒等の問題を生じる。これに対し、純Ni若しくはCrを含まないNi基合金又はFe−Ni合金の表面にスピネル型複合酸化物の被覆層を形成した場合、界面に形成される酸化スケールによる問題(クロム被毒、電気伝導度の低下等)は生じない。   That is, when a spinel-type composite oxide coating layer is formed on the surface of the Fe—Cr alloy, the oxide scale formed at the interface causes problems such as chromium poisoning. On the other hand, when a spinel-type composite oxide coating layer is formed on the surface of pure Ni or Cr-free Ni-based alloy or Fe-Ni alloy, problems due to oxide scale formed at the interface (chromium poisoning, electrical No decrease in conductivity occurs.

Ni基合金におけるNi含有量は60重量%以上が好ましい。なぜなら、燃料電池に必要な耐熱性、耐食性を確保するためである。Ni以外の含有元素として好適なのはMo、Fe、Co、Cuなどである。典型的なNi基合金はパーマロイである。なお、これらの母材金属において、クロム被毒の原因にならない程度の微量のCrの含有は許容される。具体的には1重量%以下である。   The Ni content in the Ni-based alloy is preferably 60% by weight or more. This is to ensure the heat resistance and corrosion resistance necessary for the fuel cell. Suitable elements other than Ni include Mo, Fe, Co, and Cu. A typical Ni-based alloy is permalloy. It should be noted that these base metals can contain a trace amount of Cr that does not cause chromium poisoning. Specifically, it is 1% by weight or less.

一方、予熱器30で高温に予熱された空気は、酸化ガス配管を通ってセルスタック10に供給される。予熱器30も酸化ガス配管もオーステナイト系ステンレス鋼(SUS310S)などからなり、内面にクロミア(Cr2 3 )を生じ、CrO3 (g)、CrO2 (OH)2 (g)といったクロム蒸気を生じる。このクロム蒸気は、高温下で熱電子を捕捉して負の極性を示す。このため、下流側のクロム捕捉器40内の電極板41,42間を通過するときに正極の電極板41の側に引かれ、その表面に接して設けられた絶縁板44の表面に付着する。このため、セルスタック10に供給される空気中のクロム蒸気が事前に除去され、単電池セル11の空気電極側においては、インターコネクタ中のクロムだけでなく、空気中のクロム蒸気に起因するクロム被毒も防止される。 On the other hand, the air preheated to a high temperature by the preheater 30 is supplied to the cell stack 10 through the oxidizing gas pipe. Both the preheater 30 and the oxidizing gas pipe are made of austenitic stainless steel (SUS310S), and chromia (Cr 2 O 3 ) is generated on the inner surface, and chromium vapor such as CrO 3 (g) and CrO 2 (OH) 2 (g) Arise. This chromium vapor captures thermoelectrons at a high temperature and exhibits a negative polarity. For this reason, when it passes between the electrode plates 41 and 42 in the downstream chromium capturer 40, it is pulled to the positive electrode plate 41 side and adheres to the surface of the insulating plate 44 provided in contact with the surface. . For this reason, chromium vapor in the air supplied to the cell stack 10 is removed in advance, and on the air electrode side of the single battery cell 11, not only chromium in the interconnector but also chromium caused by chromium vapor in the air. Poisoning is also prevented.

かくして、セルスタック10では電池性能の経時的な低下が回避され、長期間安定な電池性能が維持される。   Thus, the cell stack 10 avoids a decrease in battery performance over time and maintains stable battery performance for a long period of time.

図5は本発明の燃料電池設備における電池性能を他の電池設備と比較して示したグラフである。   FIG. 5 is a graph showing the cell performance of the fuel cell facility of the present invention in comparison with other cell facilities.

図5の縦軸はセルスタックにおける単電池セル電圧、横軸は運転時間であり、両者の関係を、セルスタックにおけるインターコネクタにクロム被毒対策を講じ、かつ酸化ガス供給系統にクロム被毒対策としてクロム捕捉器を設けた本発明例、インターコネクタにおけるクロム被毒対策のみを講じた従来例1、酸化ガス供給系統におけるクロム被毒対策もインターコネクタにおけるクロム被毒対策も講じない従来例2について示している。   The vertical axis in FIG. 5 is the unit cell voltage in the cell stack, and the horizontal axis is the operation time. The relationship between the two is taken as a countermeasure against chromium poisoning in the interconnector in the cell stack and in the oxidizing gas supply system. Example 1 of the present invention provided with a chrome catcher, Conventional example 1 in which only a countermeasure against chromium poisoning in an interconnector is taken, Conventional example 2 in which neither a chromium poisoning countermeasure in an oxidizing gas supply system nor a chromium poisoning countermeasure in an interconnector is taken Show.

インターコネクタにおけるクロム被毒対策としては、厚みが1.5mm、直径が120mmの純Niからなる円板状母材の両表面に(Co,Ni)3 4 からなる厚みが5μmの被覆層を形成した。この被覆層は、純Niからなる円板状母材の両表面に無電解メッキによりCoを被覆し、その円板状母材を800℃×48時間の酸化性加熱雰囲気中に保持することにより形成した。クロム被毒対策を講じないインターコネクタはフェライト系ステンレス鋼(SUS430)により作製した。 As a countermeasure against chromium poisoning in the interconnector, a coating layer of 5 μm thick made of (Co, Ni) 3 O 4 is formed on both surfaces of a disk-shaped base material made of pure Ni having a thickness of 1.5 mm and a diameter of 120 mm. Formed. This coating layer is obtained by coating Co on both surfaces of a disk-shaped base material made of pure Ni by electroless plating and holding the disk-shaped base material in an oxidizing heating atmosphere at 800 ° C. for 48 hours. Formed. The interconnector that does not take measures against chromium poisoning was made of ferritic stainless steel (SUS430).

酸化ガス供給系統におけるクロム被毒対策であるクロム捕捉器の仕様は以下のとおりである。構造は図3に示すとおりであり、Niからなる高圧電極板と同じくNiからなる低圧電極板の間にアルミナからなる絶縁板を高圧電極板に接して配置し、絶縁板と低圧電極板との間に通気空間を形成したものになっている。アルミナからなる絶縁板の厚みは1mmである。通気空間を形成するためのスペーサーは厚みが1mmのマイカ板であり、絶縁板と低圧電極板との間の両側部に配置されて、この間にギャップ量が1mm、横幅が50mm、奥行きが50mmの通気空間を形成し、400Vを印加した。   The specifications of the chromium trap that is a countermeasure against chromium poisoning in the oxidizing gas supply system are as follows. The structure is as shown in FIG. 3, and an insulating plate made of alumina is arranged in contact with the high voltage electrode plate between the high voltage electrode plate made of Ni and the low voltage electrode plate made of Ni, and the insulating plate and the low voltage electrode plate are interposed between them. Ventilation space is formed. The thickness of the insulating plate made of alumina is 1 mm. The spacer for forming the ventilation space is a mica plate having a thickness of 1 mm, and is disposed on both sides between the insulating plate and the low voltage electrode plate. The gap amount is 1 mm, the width is 50 mm, and the depth is 50 mm. A ventilation space was formed and 400 V was applied.

燃料ガスは、実験のために改質を必要としない水素ガスを使用し、流量は0.2L/min(N)とした。酸化ガスとしては、常温常湿の空気を予熱器で800℃に予熱し、前記クロム捕捉器を介してセルスタックに供給した。流量は2L/min(N)とした。   As the fuel gas, hydrogen gas that does not require reforming was used for the experiment, and the flow rate was set to 0.2 L / min (N). As oxidizing gas, air at normal temperature and humidity was preheated to 800 ° C. with a preheater and supplied to the cell stack via the chromium trap. The flow rate was 2 L / min (N).

セルスタックは80枚の単電池セルを積層して構成されており、その運転条件は各燃料電池設備間で同一とした。   The cell stack is configured by stacking 80 single battery cells, and the operating conditions are the same among the fuel cell facilities.

図5から分かるように、セルスタックにおけるインターコネクタにクロム被毒対策を講じず、酸化ガス供給系統にもクロム被毒対策を講じない従来例2の場合は、定格セル電圧(運転開始時のセル電圧)0.8Vに対し、5000時間の運転で約0.2Vの電圧低下を生じた。インターコネクタにのみクロム被毒対策を講じた従来例1の場合は、この電圧低下が0.1V弱まで改善されたが、クロム被毒に起因すると思われるセル電圧の低下は完全には防止されてない。これらに対し、両者にクロム被毒対策を講じた本発明例の場合、セル電圧の経時的な低下が生じず、5000時間の運転中、定格セル電圧が維持された。クロム捕捉器内の絶縁板の表面に六価クロムが多量に付着していたことから、酸化ガス供給系統におけるクロム被毒対策の有効性が確認された。   As can be seen from FIG. 5, in the case of the conventional example 2 where no chrome poisoning measures are taken for the interconnector in the cell stack and no chrome poisoning measures are taken for the oxidizing gas supply system, the rated cell voltage (cell at the start of operation) Voltage) A voltage drop of about 0.2 V was generated after 5000 hours of operation with respect to 0.8 V. In the case of the conventional example 1 in which measures against chromium poisoning were taken only for the interconnector, this voltage drop was improved to a little less than 0.1V, but the drop in cell voltage that seems to be caused by chromium poisoning was completely prevented. Not. On the other hand, in the case of the present invention in which measures against chromium poisoning were taken for both, the cell voltage did not decrease with time, and the rated cell voltage was maintained during the operation for 5000 hours. Because of the large amount of hexavalent chromium adhering to the surface of the insulating plate in the chromium trap, the effectiveness of the chromium poisoning countermeasure in the oxidizing gas supply system was confirmed.

図4はクロム捕捉器の別の例を示す構成図である。このクロム捕捉器40は、対向配置された一対の電極板41,42の間に絶縁性のスペーサ45を介在させることにより、電極板41,42の間に酸化ガスの流通路を形成した構成になっている。このクロム捕捉器40を使用することによっても、セルスタック10に流入する酸化ガス中のクロム蒸気がクロム捕捉器40の正極側の電極板41に吸着されることにより事前に除去され、セルスタック10への侵入が防止される。   FIG. 4 is a block diagram showing another example of the chromium trap. The chromium trap 40 has a structure in which an oxidizing gas flow passage is formed between the electrode plates 41 and 42 by interposing an insulating spacer 45 between a pair of electrode plates 41 and 42 arranged opposite to each other. It has become. Also by using this chromium trap 40, chromium vapor in the oxidizing gas flowing into the cell stack 10 is removed in advance by being adsorbed by the positive electrode plate 41 of the chromium trap 40, and the cell stack 10. Intrusion is prevented.

本発明の一実施形態を示す燃料電池設備の構成図である。It is a block diagram of the fuel cell equipment which shows one Embodiment of this invention. 同燃料電池設備に使用されているセルスタックの構成図である。It is a block diagram of the cell stack currently used for the fuel cell equipment. 同燃料電池設備に使用されているクロム捕捉器の構成図である。It is a block diagram of the chromium trap used for the fuel cell equipment. 同燃料電池設備に使用可能な別のクロム捕捉器の構成図である。It is a block diagram of another chromium catcher which can be used for the fuel cell equipment. 本発明の燃料電池設備における電池性能を他の他の電池設備と比較して示したグラフである。It is the graph which showed the battery performance in the fuel cell equipment of the present invention compared with other battery equipment. クロム蒸気が負の極性を示すことの確認実験の説明図である。It is explanatory drawing of the confirmation experiment that chromium vapor | steam shows a negative polarity.

符号の説明Explanation of symbols

10 セルスタック
11 単電池セル
12 インターコネクタ
20 改質器
30 予熱器
40 クロム捕捉器
41,42 電極板
43 直流電源
44 絶縁板
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 Cell stack 11 Single battery cell 12 Interconnector 20 Reformer 30 Preheater 40 Chromium trap 41,42 Electrode plate 43 DC power supply 44 Insulation plate

Claims (3)

燃料電池セルを挟みながらインターコネクタを積層して構成されたセルスタックと、セルスタックに原料ガス及び酸化ガスをそれぞれ供給する2種類のガス供給系統と、セルスタックからの排ガスと熱交換して酸化ガスを予熱するべく酸化ガス供給系統に設けらた予熱器と、予熱後の酸化ガスに含まれるクロム蒸気を捕捉するべく予熱器よりも下流側の酸化ガス供給系統に設けられたクロム捕捉器とを具備する燃料電池設備。   A cell stack constructed by stacking interconnectors with fuel cells sandwiched between them, two types of gas supply systems that supply raw gas and oxidizing gas to the cell stack, and oxidation by exchanging heat with the exhaust gas from the cell stack A preheater provided in the oxidizing gas supply system to preheat the gas, and a chromium trap provided in the oxidizing gas supply system downstream of the preheater to capture chromium vapor contained in the preheated oxidizing gas; A fuel cell facility comprising: 前記クロム捕捉器は、対向配置された正極と負極の間に酸化ガスを流通させる電界印加型である請求項1に記載の燃料電池設備。   2. The fuel cell equipment according to claim 1, wherein the chromium trap is of an electric field application type in which an oxidizing gas is circulated between a positive electrode and a negative electrode that are arranged to face each other. 燃料電池へ酸化ガスを供給する酸化ガスの流通経路に設けられ、その酸化ガスを正極と負極の間に流通させるように構成されたクロム捕捉器。   A chromium trap provided in an oxidant gas flow path for supplying an oxidant gas to a fuel cell and configured to circulate the oxidant gas between a positive electrode and a negative electrode.
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