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JP2013206684A - Electrode activation method of solid oxide fuel cell - Google Patents

Electrode activation method of solid oxide fuel cell Download PDF

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JP2013206684A JP2012073817A JP2012073817A JP2013206684A JP 2013206684 A JP2013206684 A JP 2013206684A JP 2012073817 A JP2012073817 A JP 2012073817A JP 2012073817 A JP2012073817 A JP 2012073817A JP 2013206684 A JP2013206684 A JP 2013206684A
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Tadanori Maoka
忠則 真岡
Kentaro Matsunaga
健太郎 松永
Masato Yoshino
正人 吉野
Tsuneji Kameda
常治 亀田
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Toshiba Corp
Original Assignee
Toshiba Corp
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a method which allows for rated operation over a longer period, by minimizing voltage drop due to long-term use of a solid oxide fuel cell (SOFC), while shortening the time after start-up operation of the SOFC before stabilization of voltage.SOLUTION: In the electrode activation method of a solid oxide fuel cell including an electrically insulating electrolyte membrane exhibiting oxygen ion conductivity, a fuel electrode formed on one main surface of the electrolyte membrane, and an air electrode formed on the other main surface of the electrolyte membrane, the fuel electrode is placed under a first atmosphere and the air electrode is placed under a second atmosphere when start-up operation of the solid oxide fuel cell is started and when the output voltage drops. Subsequently, a pulse voltage is applied to at least one of the fuel electrode and the air electrode.

Description

本発明は、固体酸化物燃料電池の電極活性化方法に関する。   The present invention relates to an electrode activation method for a solid oxide fuel cell.

固体電解質燃料電池(Solid Oxide Fuel Cell : SOFC)は、通常600〜900℃前後の運転条件においてイオン導電性(酸素イオンもしくは水素イオン)を有する電解質膜を介して、還元剤(燃料ガス;水素若しくは炭化水素など)と酸化剤(酸素など)とを反応(燃料電池反応)させ、そのエネルギーを電気として取り出す装置である。   A solid oxide fuel cell (SOFC) usually has a reducing agent (fuel gas; hydrogen or hydrogen) through an electrolyte membrane having ionic conductivity (oxygen ions or hydrogen ions) under an operating condition of about 600 to 900 ° C. This is a device that reacts a hydrocarbon (such as hydrocarbon) with an oxidant (such as oxygen) (fuel cell reaction) and extracts the energy as electricity.

このようなSOFCを、一定負荷電流の下で長期に亘って運転した場合の電圧の経時特性を調べてみると、例えば、定電流運転開始直後から約400時間までは電圧が徐々に上昇し、電圧が安定した後は、その電圧を比較的長期に亘って保持する。その後、さらに約700〜2000時間を経過すると、電圧が徐々に低下するのが一般的な挙動である。   When such a SOFC is operated over a long period of time under a constant load current, the time-dependent characteristics of the voltage are examined. For example, the voltage gradually increases until about 400 hours immediately after the start of constant current operation. After the voltage stabilizes, the voltage is maintained for a relatively long time. After that, when about 700 to 2000 hours are passed, the general behavior is that the voltage gradually decreases.

発電プラント用の実用機においては、定電流運転開始から電圧が安定するまでの時間の短縮が望まれている。このため、負荷電流を低負荷の状態から高負荷の状態にまで徐々に増大させる操作を繰り返し行い、電極/電解質層界面における活性サイト(酸素イオンと還元剤(燃料ガス)との反応サイト)を増大させることによって、定格負荷運転までの時間を短縮する方法が採られている。   In a practical machine for a power plant, it is desired to shorten the time from the start of constant current operation until the voltage stabilizes. For this reason, the operation of gradually increasing the load current from the low load state to the high load state is repeated, and the active site (reaction site between oxygen ions and reducing agent (fuel gas)) at the electrode / electrolyte layer interface is determined. A method of shortening the time to rated load operation by increasing the number is adopted.

また、上記実用機においては、運転後期における電圧低下を抑制し、定格運転をより長期間に亘って行うことが望まれている。SOFCの運転後期における電圧低下は、主としてSOFCにおける燃料極の触媒活性の低下及び燃料ガスの供給低下等に起因することが知られている。これら触媒活性の低下及び燃料ガスの供給低下は、長期間運転による加熱によってSOFCの燃料極を構成する材料が凝集し、この材料の表面積が減少すること、及び材料内の気孔率が減少することに起因している。   Moreover, in the said practical machine, it is desired to perform the rated driving | running over a long period of time, suppressing the voltage fall in the latter stage of driving | operation. It is known that the voltage drop in the late stage of operation of the SOFC is mainly caused by a decrease in the catalytic activity of the fuel electrode and a decrease in the supply of fuel gas in the SOFC. The decrease in the catalytic activity and the supply of fuel gas are caused by the fact that the material constituting the SOFC anode is aggregated by heating during long-term operation, the surface area of the material is reduced, and the porosity in the material is reduced. Due to

燃料極材料中の気孔率を増大させると、燃料ガスの供給を向上させることができるものの、気孔率が所定の値よりも大きくなると、燃料極材料の表面積が減少し、触媒活性が低下してしまうことになる。一方、燃料極材料の表面積を増大させると、燃料極の触媒活性を向上させることができるが、表面積が所定の値よりも大きくなると、その後の長期運転に亘る加熱によって燃料極材料が凝集してしまうことになり、当該材料中の気孔率が減少し、燃料ガスの供給を低下させてしまうことになる。すなわち、燃料極における触媒活性と燃料ガス供給とはトレードオフの関係にあり、両者を同時に向上させることは困難であった。   Increasing the porosity in the fuel electrode material can improve the supply of fuel gas. However, if the porosity exceeds a predetermined value, the surface area of the fuel electrode material decreases and the catalytic activity decreases. Will end up. On the other hand, if the surface area of the anode material is increased, the catalytic activity of the anode can be improved. However, if the surface area becomes larger than a predetermined value, the anode material is agglomerated by heating over the long term operation thereafter. As a result, the porosity in the material is reduced, and the supply of fuel gas is reduced. That is, the catalyst activity and fuel gas supply at the fuel electrode are in a trade-off relationship, and it is difficult to improve both simultaneously.

したがって、燃料極を構成する材料の凝集を抑制するために様々な手段が提案されている。例えば、燃料極をニッケルフォームあるいはニッケルフェルトから構成することが提案されている。この場合、燃料極の気孔率は、ニッケルフォームあるいはニッケルフェルトの気孔率によって予め定められるが、長期運転に亘る加熱によってニッケルフォーム等のニッケル繊維同士の凝集を避けることはできない。   Therefore, various means have been proposed to suppress aggregation of the material constituting the fuel electrode. For example, it has been proposed that the fuel electrode is made of nickel foam or nickel felt. In this case, the porosity of the fuel electrode is determined in advance by the porosity of nickel foam or nickel felt, but aggregation of nickel fibers such as nickel foam cannot be avoided by heating over a long period of operation.

結果として、燃料極における触媒活性と燃料ガス供給とを同時に向上させることはできず、SOFCの長期間の使用による電圧低下を抑制することはできず、定格運転をより長期間に亘って行うこともできない。   As a result, catalyst activity and fuel gas supply at the fuel electrode cannot be improved at the same time, voltage drop due to long-term use of SOFC cannot be suppressed, and rated operation should be performed for a longer period. I can't.

特表2007−531974号Special table 2007-531974

本発明が解決しようとする課題は、固体酸化物燃料電池(SOFC)の長期間の使用による電圧低下を抑制し、定格運転をより長期間に亘って行うことができるとともに、SOFCの運転開始時から電圧安定化までの時間の短縮化する方法を提供することである。   The problem to be solved by the present invention is to suppress a voltage drop due to a long-term use of a solid oxide fuel cell (SOFC) and to perform a rated operation for a longer period of time. It is to provide a method for shortening the time from voltage stabilization to voltage stabilization.

本発明の一態様は、電気的に絶縁性であって、酸素イオン導電性を呈する電解質膜と、前記電解質膜の一方の主面側に形成された燃料極と、前記電解質膜の他方の主面側に形成された空気極とを具えた固体酸化物型燃料電池の電極活性化方法であって、前記固体酸化物燃料電池の運転開始時及び出力電圧の低下時において、前記燃料極を第1の雰囲気下に配置するとともに、前記空気極を第2の雰囲気下に配置するステップと、前記燃料極及び前記空気極の少なくとも一方にパルス電圧を印加するステップと、を具えることを特徴とする。   One embodiment of the present invention is an electrically insulating electrolyte membrane exhibiting oxygen ion conductivity, a fuel electrode formed on one main surface side of the electrolyte membrane, and the other main electrode of the electrolyte membrane. An electrode activation method for a solid oxide fuel cell comprising an air electrode formed on a surface side, wherein the fuel electrode is inserted into the first electrode at the start of operation of the solid oxide fuel cell and when the output voltage decreases. And disposing the air electrode in a second atmosphere, and applying a pulse voltage to at least one of the fuel electrode and the air electrode. To do.

本発明によれば、固体酸化物燃料電池(SOFC)の長期間の使用による電圧低下を抑制し、定格運転をより長期間に亘って行うことができるとともに、SOFCの運転開始時から電圧安定化までの時間の短縮化する方法を提供することができる。   According to the present invention, voltage drop due to long-term use of a solid oxide fuel cell (SOFC) can be suppressed, rated operation can be performed for a longer period, and voltage stabilization from the start of SOFC operation. It is possible to provide a method for shortening the time until the time.

第1の実施形態における固体酸化物型燃料電池(SOFC)の概略構成を示す断面図である。It is sectional drawing which shows schematic structure of the solid oxide fuel cell (SOFC) in 1st Embodiment. 図1に示すSOFCの電極活性化方法を行う装置の概略構成図である。It is a schematic block diagram of the apparatus which performs the electrode activation method of SOFC shown in FIG. 電極活性化に用いるパルス電圧の波形を示す図である。It is a figure which shows the waveform of the pulse voltage used for electrode activation. 電極活性化に用いるパルス電圧の波形を示す図である。It is a figure which shows the waveform of the pulse voltage used for electrode activation. 実施例における燃料極の活性化によるSOFCの電圧(起電力)の時間依存性を示すグラフである。It is a graph which shows the time dependence of the voltage (electromotive force) of SOFC by activation of the fuel electrode in an Example. 実施例における燃料極の活性化によるSOFCの電圧(起電力)の時間依存性を示すグラフである。It is a graph which shows the time dependence of the voltage (electromotive force) of SOFC by activation of the fuel electrode in an Example.

以下、図面を参照しながら実施形態に基づいて説明する。   Hereinafter, it demonstrates based on embodiment, referring drawings.

(第1の実施形態)
図1は、本実施形態における固体酸化物型燃料電池(SOFC)の概略構成を示す断面図であり、図2は、図1に示すSOFCの電極活性化方法を行う装置の概略構成図である。
(First embodiment)
FIG. 1 is a cross-sectional view showing a schematic configuration of a solid oxide fuel cell (SOFC) in the present embodiment, and FIG. 2 is a schematic configuration diagram of an apparatus for performing the SOFC electrode activation method shown in FIG. .

図1に示す電気化学セル10は、電気的に絶縁性であって、電子絶縁性と酸素イオン導電性を呈する電解質膜11と、この電解質膜11の一方の主面11A側に形成された燃料極12と、電解質膜11の他方の主面11B側に形成された空気極13と、燃料極12及び空気極13それぞれの、電解質膜11と反対側の主面12A及び13A側に形成された一対の集電材14及び15とを含む。   An electrochemical cell 10 shown in FIG. 1 is electrically insulative and has an electrolyte membrane 11 exhibiting electronic insulation and oxygen ion conductivity, and a fuel formed on one main surface 11A side of the electrolyte membrane 11. The electrode 12, the air electrode 13 formed on the other main surface 11B side of the electrolyte membrane 11, and the fuel electrode 12 and the air electrode 13 respectively formed on the main surfaces 12A and 13A side opposite to the electrolyte membrane 11. A pair of current collectors 14 and 15 is included.

電解質膜11は、例えば安定化ジルコニアから構成することができる。この場合、安定化剤としては、Y、Sc、Yb、Gd、Nd、CaO、MgOなどを挙げることができる。これらの安定化剤はジルコニア中に固溶させて使用する。また、安定化ジルコニアに代えて、LaSrGaMg酸化物、LaSrGaMgCo酸化物、LaSrGaMgCoFe酸化物、LaSrGaMgCoFe酸化物などのペロブスカイト型酸化物から構成することもできる。さらに、CeOにSm、Gd、Y、Laなどを固溶させたセリア系電解質固溶体を用いることもできる。但し、電解質膜11は、これらの材料に限定されるものではなく、これら以外の材料から構成してもかまわない。 The electrolyte membrane 11 can be composed of, for example, stabilized zirconia. In this case, examples of the stabilizer include Y 2 O 3 , Sc 2 O 3 , Yb 2 O 3 , Gd 2 O 3 , Nd 2 O 3 , CaO, and MgO. These stabilizers are used as a solid solution in zirconia. Moreover, it can replace with stabilized zirconia and can also comprise perovskite type oxides, such as LaSrGaMg oxide, LaSrGaMgCo oxide, LaSrGaMgCoFe oxide, LaSrGaMgCoFe oxide. Furthermore, a ceria-based electrolyte solid solution in which Sm 2 O 3 , Gd 2 O 3 , Y 2 O 3 , La 2 O 3 and the like are dissolved in CeO 2 can also be used. However, the electrolyte membrane 11 is not limited to these materials, and may be composed of other materials.

なお、電解質膜11の厚さは、目的に応じて任意に設定することができるが、例えば0.01mm〜0.5mmの範囲とすることができる。   The thickness of the electrolyte membrane 11 can be arbitrarily set according to the purpose, but can be set in the range of 0.01 mm to 0.5 mm, for example.

一例として、厚さ0.01mmの8mol%Y安定化ジルコニアを用いることができる。 As an example, 8 mol% Y 2 O 3 stabilized zirconia having a thickness of 0.01 mm can be used.

燃料極12は、ニッケル粒子、又は酸化ニッケル粒子とセリア系及びジルコニア系の少なくとも一方のセラミック粒子とのサーメットから構成することができる。燃料極12をサーメットから構成する場合、還元処理前において、酸化ニッケル粒子とセラミック粒子との質量混合比を、例えば60:40〜30:70とし、酸化ニッケル粒子の平均粒子径とセラミック粒子の平均粒子径との比を、例えば100:30〜100:1となるようにする。なお、還元処理後において、上記酸化ニッケル粒子はニッケル粒子に変換される。なお、燃料極12の厚さは5μm〜50μmとすることができる。   The fuel electrode 12 can be composed of nickel particles or cermets of nickel oxide particles and at least one of ceria-based and zirconia-based ceramic particles. When the fuel electrode 12 is composed of cermet, before the reduction treatment, the mass mixing ratio of nickel oxide particles and ceramic particles is, for example, 60:40 to 30:70, and the average particle diameter of nickel oxide particles and the average of ceramic particles The ratio with the particle diameter is set to, for example, 100: 30 to 100: 1. Note that the nickel oxide particles are converted into nickel particles after the reduction treatment. The thickness of the fuel electrode 12 can be 5 μm to 50 μm.

セリア系セラミックス粒子としては、CeOにSm、Gd、Y、Laなどを固溶させたセラミックスからなる粒子を挙げることができる。また、ジルコニア系セラミックス粒子としては、ZrOにY、Sc、Yb、Gd、Nd、CaO、MgOなどの安定化剤を固溶させたセラミックスからなる粒子を挙げることができる。 Examples of the ceria-based ceramic particles include particles made of ceramics in which Sm 2 O 3 , Gd 2 O 3 , Y 2 O 3 , La 2 O 3 and the like are dissolved in CeO 2 . Moreover, as zirconia-based ceramic particles, stabilizers such as Y 2 O 3 , Sc 2 O 3 , Yb 2 O 3 , Gd 2 O 3 , Nd 2 O 3 , CaO, and MgO are dissolved in ZrO 2 . There may be mentioned particles made of ceramics.

一例として、平均粒子径1μmの酸化ニッケル粒子と平均粒子径0.2μmのイットリア安定化ジルコニア粒子とを質量混合比で50:50とすることができる。この場合、酸化ニッケル粒子の平均粒子径とイットリア安定化ジルコニア粒子の平均粒子径とは、100:20となる。また、厚さは5μmとすることができる。   As an example, nickel oxide particles having an average particle diameter of 1 μm and yttria-stabilized zirconia particles having an average particle diameter of 0.2 μm can be set to a mass mixing ratio of 50:50. In this case, the average particle diameter of the nickel oxide particles and the average particle diameter of the yttria-stabilized zirconia particles are 100: 20. The thickness can be 5 μm.

空気極13は、従前より電気化学セルの酸素極として用いられている任意の材料から構成することができるが、好ましくは、一般式Ln1−xBO3−δ(Ln=希土類元素;A=Sr、Ca、Ba;B=Cr、Mn、Fe、Co、Niのうち少なくとも1種)で表される複合酸化物粒子から構成することができる。このような複合酸化物は酸素を効率よく解離すると同時に電子電導性を有している。したがって、燃料極12における触媒を介した酸素イオンと、水素ガスなどとの電気化学反応を促進することができ、固体酸化物型燃料電池10の高出力化に寄与することとなる。 The air electrode 13, can be composed of any material used as an oxygen electrode of an electrochemical cell than before, preferably, the general formula Ln 1-x A x BO 3 -δ (Ln = rare earth elements; A = Sr, Ca, Ba; B = at least one of Cr, Mn, Fe, Co, and Ni). Such a composite oxide efficiently dissociates oxygen and has electronic conductivity. Therefore, an electrochemical reaction between oxygen ions and hydrogen gas via the catalyst in the fuel electrode 12 can be promoted, which contributes to high output of the solid oxide fuel cell 10.

空気極13の厚さは、目的に応じて任意に設定することができるが、例えば0.01mm〜1mmの範囲とすることができる。   Although the thickness of the air electrode 13 can be set arbitrarily according to the purpose, it can be set in a range of 0.01 mm to 1 mm, for example.

一例として、厚さ0.02mmのランタン・ストロンチウム・コバルト・鉄の複合酸化物(LaSrCoFe)を用いることができる。 As an example, a composite oxide of lanthanum, strontium, cobalt, and iron (La 6 Sr 4 Co 2 Fe 8 O 3 ) having a thickness of 0.02 mm can be used.

集電材14及び15は、通常の運転条件で酸化しないような材料から構成することが必要であり、例えば金、銀、白金などの貴金属の他、他の母材となる金属等を銀などでコーティングしたものを用いることができる。また、導電性を有するセラミック材料を用いることもできる。さらには、酸化被膜が導電性を有するようなクロム系合金も用いることができる。   The current collectors 14 and 15 must be made of a material that does not oxidize under normal operating conditions. For example, in addition to noble metals such as gold, silver, and platinum, other base metals such as silver can be used. A coated one can be used. A ceramic material having conductivity can also be used. Further, a chromium-based alloy whose oxide film has conductivity can also be used.

次に、図2に示す装置を用いたSOFC10の電極活性化方法について説明する。
図2に示すように、SOFC10の電極、すなわち燃料極12及び空気極13に対して、配線211及び212を介してポテンショスタット(もしくは「電源」)21を接続し、このポテンショスタット(電源)21に対して波形発生器22を接続する。そして、SOFC10の起動時及び出力電圧の低下時において、燃料極12側に不活性ガスを供給し、当該燃料極12側を不活性ガス雰囲気にするとともに、空気極13側に酸素含有ガスを供給し、当該空気極13側を酸素ガス含有雰囲気とする。
Next, a method for activating the SOFC 10 electrode using the apparatus shown in FIG. 2 will be described.
As shown in FIG. 2, a potentiostat (or “power supply”) 21 is connected to the electrodes of the SOFC 10, that is, the fuel electrode 12 and the air electrode 13 via wirings 211 and 212, and this potentiostat (power supply) 21. Is connected to the waveform generator 22. Then, when the SOFC 10 is started up and when the output voltage is lowered, an inert gas is supplied to the fuel electrode 12 side, the fuel electrode 12 side is set to an inert gas atmosphere, and an oxygen-containing gas is supplied to the air electrode 13 side. And let the said air electrode 13 side be oxygen gas containing atmosphere.

不活性ガスとしては、以下に説明するような電極活性が行われる限りにおいて特に限定されるものではないが、窒素ガスや希ガス等を用いることができ、特に安価な窒素ガスを用いることが好ましい。酸素含有ガスとしても、以下に説明するような電極活性が行われる限りにおいて特に限定されるものではなく、窒素ガス中に意図的に酸素ガスを混入したものや空気等を用いることができるが、特に安価であって、SOFC10の駆動時に用いる空気が好ましい。また、酸素含有ガスとして空気を用いることにより、SOFC10のシステム系において、別途のガス供給装置を設ける必要がなく、当該システム系の構成を簡略化することができる。   The inert gas is not particularly limited as long as the electrode activity as described below is performed, but nitrogen gas, rare gas, or the like can be used, and particularly inexpensive nitrogen gas is preferably used. . The oxygen-containing gas is not particularly limited as long as the electrode activity as described below is performed, and a gas in which oxygen gas is intentionally mixed in nitrogen gas, air, or the like can be used. In particular, air that is inexpensive and used when the SOFC 10 is driven is preferable. Further, by using air as the oxygen-containing gas, it is not necessary to provide a separate gas supply device in the SOFC 10 system system, and the configuration of the system system can be simplified.

なお、本実施形態では、燃料極12側を不活性ガス雰囲気とし、空気極13側を酸素ガス含有雰囲気としているが、以下に説明する電極活性が行われる限りにおいて、これら電極側の雰囲気は特に限定されない。但し、真空雰囲気若しくは酸素分圧≦20%とした場合、特に空気極13を構成する一般式Ln1−xBO3−δ(Ln=希土類元素;A=Sr、Ca、Ba;B=Cr、Mn、Fe、Co、Niのうち少なくとも1種)で表される複合酸化物粒子の酸素が離脱し、空気極13が崩壊してしまう場合がある。したがって、空気極13を真空雰囲気若しくは酸素分圧≦20%とすることは避けることが好ましい。 In this embodiment, the fuel electrode 12 side is an inert gas atmosphere, and the air electrode 13 side is an oxygen gas-containing atmosphere. However, as long as the electrode activity described below is performed, the atmosphere on these electrode sides is particularly It is not limited. However, when the vacuum atmosphere or oxygen partial pressure ≦ 20%, the general formula Ln 1-x A x BO 3−δ (Ln = rare earth element; A = Sr, Ca, Ba; In some cases, the oxygen in the composite oxide particles represented by at least one of Cr, Mn, Fe, Co, and Ni) is released, and the air electrode 13 may collapse. Therefore, it is preferable to avoid the air electrode 13 from being in a vacuum atmosphere or an oxygen partial pressure ≦ 20%.

次いで、電源22からポテンショスタット21を介して、所定のパルス電圧を活性化したい側の電極、すなわち燃料極12又は空気極13に印加する。これによって、パルス電圧が印加された側の電極、すなわち燃料極12又は空気極13が活性化され、上述したSOFC10の起動時から一定の電圧に到達するまでの時間、すなわち定格運転となるまでの時間を短縮化することができるとともに、長期間運転後の、電圧低下を抑制することができる。   Next, a predetermined pulse voltage is applied from the power source 22 via the potentiostat 21 to the electrode on the side to be activated, that is, the fuel electrode 12 or the air electrode 13. As a result, the electrode on the side to which the pulse voltage is applied, that is, the fuel electrode 12 or the air electrode 13 is activated, and the time from when the SOFC 10 is started until it reaches a certain voltage, that is, until the rated operation is achieved. The time can be shortened and the voltage drop after long-term operation can be suppressed.

パルス電圧としては、図3に示すような三角波のパルス電圧あるいは図4に示すような鋸波のパルス電圧とすることができる。この場合、パルス長は0.1秒から30分であることが好ましい。パルス長が0.1秒未満であると、電極活性の効果を十分に得られない場合があり、パルス長が30分以上であると電極活性に長時間を要するため好ましくない。   The pulse voltage may be a triangular pulse voltage as shown in FIG. 3 or a sawtooth pulse voltage as shown in FIG. In this case, the pulse length is preferably 0.1 seconds to 30 minutes. If the pulse length is less than 0.1 seconds, the electrode activation effect may not be sufficiently obtained, and if the pulse length is 30 minutes or longer, it takes a long time to activate the electrode.

パルス電圧の電位掃引速度は、5mV/秒から500mV/秒であることが好ましい。パルス電圧の電位掃引速度が5mV/秒未満であると、電極活性の長時間を要してしまうため好ましくない。また、パルス電圧の電位掃引速度が500mV/秒を超えると、電極活性の効果を十分に得ることができない場合がある。なお、パルス電圧の電位掃引速度は、図3及び図4に示すように、パルス電圧の上昇速度あるいは下降速度を意味する。   The potential sweep rate of the pulse voltage is preferably 5 mV / second to 500 mV / second. If the potential sweep rate of the pulse voltage is less than 5 mV / second, it takes a long time for electrode activation, which is not preferable. In addition, if the potential sweep rate of the pulse voltage exceeds 500 mV / second, the electrode activation effect may not be sufficiently obtained. The potential sweep speed of the pulse voltage means the rising speed or the falling speed of the pulse voltage as shown in FIGS.

パルス電圧の印加時間は、10分から60分であることが好ましい。パルス電圧の印加時間が10分未満であると、電極活性の効果が十分に得られない場合があり、パルス電圧の印加時間が60分を超えても最早電極活性には寄与せず、単に処理時間が長時間化するため好ましくない。   The application time of the pulse voltage is preferably 10 minutes to 60 minutes. If the application time of the pulse voltage is less than 10 minutes, the electrode activation effect may not be sufficiently obtained. Even if the application time of the pulse voltage exceeds 60 minutes, it no longer contributes to the electrode activity and is simply treated. This is not preferable because the time is prolonged.

パルス電圧の大きさ、すなわち印加電圧の大きさは、SOFC10の構成等に依存するが、通常は数V程度であり、好ましくは0.1Vから1V程度である。また、パルス電圧の極性は単一とすることもできるが、極性を入れ替えることもできる。例えば、燃料極12の電位が負電位となるようにマイナス極性のパルス電圧を印加した後、燃料極12の電位が正電位となるようにプラス極性のパルス電圧を印加することもできる。なお、特に理由は明確でないが、後者のように極性を入れ替えてパルス電圧を印加することにより、特にSOFC10の長期間運転後の電圧減少をより効果的に回復させることができる。   The magnitude of the pulse voltage, that is, the magnitude of the applied voltage depends on the configuration of the SOFC 10 or the like, but is usually about several volts, preferably about 0.1 to 1V. Further, the polarity of the pulse voltage can be single, but the polarity can also be switched. For example, after applying a negative polarity pulse voltage so that the potential of the fuel electrode 12 becomes a negative potential, a positive polarity pulse voltage can be applied so that the potential of the fuel electrode 12 becomes a positive potential. Although the reason is not particularly clear, the voltage decrease after long-term operation of the SOFC 10 can be more effectively recovered by applying the pulse voltage with the polarity reversed as in the latter case.

上述のような操作によって電極、すなわち燃料極12あるいは空気極13が活性化されて、SOFC10の起動時から一定の電圧に到達するまでの時間、すなわち定格運転となるまでの時間を短縮化することができ、長期間運転後の電圧低下を抑制することができる理由については、現在明らかとなっていない。しかしながら、上述した雰囲気中でパルス電圧を印加することにより、燃料極12及び空気極13を構成する材料の移動及び再配列が生じ、これによって、これら電極の表面積及び気孔率が当初設計したような最適な状態に近接した状態となり、触媒活性及びガスの供給が最適に近い状態になるためと考えられる。   By shortening the time from when the electrode, that is, the fuel electrode 12 or the air electrode 13 is activated by the operation as described above until the SOFC 10 starts up to reach a certain voltage, that is, the time until the rated operation is performed. The reason why the voltage drop after long-term operation can be suppressed is not clear at present. However, application of the pulse voltage in the atmosphere described above causes movement and rearrangement of the materials constituting the fuel electrode 12 and the air electrode 13, such that the surface area and porosity of these electrodes are as originally designed. It is considered that the catalyst is close to the optimum state and the catalyst activity and the gas supply are close to the optimum state.

(第2の実施形態)
第1の実施形態では、燃料極12側を不活性ガス雰囲気とし、空気極13側を酸素ガス含有雰囲気としたが、本実施形態では、燃料極12側を水素ガス含有雰囲気とし、空気極13側を酸素ガス含有雰囲気としている。水素ガス含有雰囲気としては、水素ガスと水蒸気との混合ガスや水素ガスと炭化水素ガスとの混合ガス、すなわち燃料ガスとすることができる。また、第1の実施形態で述べたように、酸素ガス含有雰囲気は、SOFC10の駆動時に用いる空気とすることができる。
(Second Embodiment)
In the first embodiment, the fuel electrode 12 side is an inert gas atmosphere and the air electrode 13 side is an oxygen gas-containing atmosphere, but in this embodiment, the fuel electrode 12 side is a hydrogen gas-containing atmosphere and the air electrode 13 is. The side is an atmosphere containing oxygen gas. The hydrogen gas-containing atmosphere can be a mixed gas of hydrogen gas and water vapor or a mixed gas of hydrogen gas and hydrocarbon gas, that is, a fuel gas. Further, as described in the first embodiment, the oxygen gas-containing atmosphere can be air used when the SOFC 10 is driven.

したがって、本実施形態では、SOFC10の駆動時の燃料ガス及び空気を用いて電極、すなわち燃料極12又は空気極13を活性化することができるので、SOFC10のシステム系において、別途のガス供給装置を設ける必要がなく、当該システム系の構成を簡略化することができる。   Therefore, in this embodiment, since the electrode, that is, the fuel electrode 12 or the air electrode 13 can be activated using the fuel gas and air when the SOFC 10 is driven, a separate gas supply device is provided in the system system of the SOFC 10. There is no need to provide it, and the configuration of the system system can be simplified.

但し、上記活性処理中において、燃料ガスは燃料極12において燃料電池反応(酸化/還元反応)に費やされるので、電極活性の効果は第1の実施形態の場合と比較して劣化する。   However, since the fuel gas is consumed in the fuel cell reaction (oxidation / reduction reaction) in the fuel electrode 12 during the activation process, the electrode activation effect is deteriorated as compared with the case of the first embodiment.

なお、SOFC10の構成及び電極活性のための装置構成は、第1の実施形態に関する図1及び図2と同様である。また、印加するパルス電圧に関する要件も第1の実施形態と同様である。   The configuration of the SOFC 10 and the device configuration for electrode activation are the same as those in FIGS. 1 and 2 relating to the first embodiment. Further, the requirements regarding the pulse voltage to be applied are the same as those in the first embodiment.

(実施例1)
図1に示すようなSOFC10の燃料極12を窒素雰囲気(窒素60体積%+水素40体積%)とし、空気極13を空気雰囲気とした後、燃料極12に対して電位掃引速度50mV/秒、パルス幅40秒の三角波のパルス電圧を30分間印加した。この操作を1サイクルとし、合計4サイクルの操作を燃料極12に施し、燃料極12の活性化を実施した。なお、ポテンショスタット21により、SOFC10、すなわち燃料極12及び空気極13間の負荷電流密度を0.15A/cmとしたところ、パルス電圧印加によって、燃料極12の電位が空気極13の電位を基準として、−1V〜−0.3Vの間で変化した。
Example 1
The fuel electrode 12 of the SOFC 10 as shown in FIG. 1 has a nitrogen atmosphere (nitrogen 60% by volume + hydrogen 40% by volume), and the air electrode 13 has an air atmosphere. Then, a potential sweep rate of 50 mV / second with respect to the fuel electrode 12 A triangular pulse voltage with a pulse width of 40 seconds was applied for 30 minutes. This operation was defined as one cycle, and a total of four cycles of operation were performed on the fuel electrode 12 to activate the fuel electrode 12. When the load current density between the SOFC 10, that is, the fuel electrode 12 and the air electrode 13 is set to 0.15 A / cm 2 by the potentiostat 21, the potential of the fuel electrode 12 is changed to the potential of the air electrode 13 by applying a pulse voltage. As a reference, it varied between -1V and -0.3V.

電解質膜11は、厚さ0.01mmの8mol%Y安定化ジルコニアから構成し、燃料極12は、厚さ5μmの、平均粒子径1μmの酸化ニッケル粒子と平均粒子径0.2μmのイットリア安定化ジルコニア粒子とが質量混合比で50:50で混合してなる多孔質層から構成した。また、空気極13は、厚さ0.02mmのランタン・ストロンチウム・コバルト・鉄の複合酸化物(LaSrCoFe)した。なお、本実施例の操作を簡便化するために、SOFC10の集電材14及び15は省略した。 The electrolyte membrane 11 is composed of 0.01 mol thick 8 mol% Y 2 O 3 stabilized zirconia, and the fuel electrode 12 is 5 μm thick, nickel oxide particles having an average particle size of 1 μm, and an average particle size of 0.2 μm. A yttria-stabilized zirconia particle and a porous layer formed by mixing at a mass mixing ratio of 50:50 were used. The air electrode 13 was a composite oxide of lanthanum, strontium, cobalt, and iron (La 6 Sr 4 Co 2 Fe 8 O 3 ) having a thickness of 0.02 mm. In order to simplify the operation of the present embodiment, the current collectors 14 and 15 of the SOFC 10 are omitted.

図5は、燃料極12の活性化によるSOFC10の電圧(起電力)の時間依存性を示すグラフである。   FIG. 5 is a graph showing the time dependence of the voltage (electromotive force) of the SOFC 10 due to the activation of the fuel electrode 12.

図5から明らかなように、SOFC10の起動時においては、燃料極12に対してパルス電圧を印加することにより燃料極12が活性化し、サイクル毎にSOFC10の電圧、すなわち起電力が増大し、起動から約250時間で定格運転状態になることが分かる(図中の太線)。一方、燃料極12に対してパルス電圧を印加しない場合は、起動から定格運転状態になるまで約500時間を要することが分かる(図中の細線)。したがって、上述した燃料極12の活性化によってSOFC10の起動から定格運転状態までの時間が約半分に短縮されることが判明した。   As can be seen from FIG. 5, when the SOFC 10 is started, the fuel electrode 12 is activated by applying a pulse voltage to the fuel electrode 12, and the voltage of the SOFC 10, that is, the electromotive force increases for each cycle. It can be seen that the rated operation state is reached in about 250 hours (thick line in the figure). On the other hand, when no pulse voltage is applied to the fuel electrode 12, it can be seen that it takes about 500 hours from the start to the rated operation state (thin line in the figure). Therefore, it has been found that the activation of the fuel electrode 12 described above shortens the time from the activation of the SOFC 10 to the rated operation state by about half.

なお、図5から明らかなように、SOFC10の起動時において燃料極12の活性化を実施しない場合は、約700時間の運転の後に電圧が低下するが、燃料極12の活性化を実施した場合は、約700時間の運転の後にも電圧が低下しないことが判明した。   As is clear from FIG. 5, when the activation of the fuel electrode 12 is not performed at the time of starting the SOFC 10, the voltage decreases after about 700 hours of operation, but the activation of the fuel electrode 12 is performed. Was found not to drop in voltage after about 700 hours of operation.

特に図示しないが、燃料極12側の雰囲気を窒素100%としてパルスを加えた場合は、上記実施例に比較して、起動から約200時間で定格運転状態となり、約700運転の後も電圧が低下しないことが判明した。すなわち、窒素100%とすることにより、水素を含む場合と比較し、より短時間で定格運転状態となり、より長期間に亘って定格運転状態を保持できることが判明した。   Although not shown in particular, when a pulse is applied with the atmosphere on the fuel electrode 12 side being 100% nitrogen, compared to the above embodiment, the rated operation state is reached in about 200 hours from the start, and the voltage remains after about 700 operations. It turned out not to decline. That is, it was found that by setting the nitrogen to 100%, the rated operation state can be achieved in a shorter time and the rated operation state can be maintained for a longer period than in the case of containing hydrogen.

また、特に図示しないが、上記同様の条件で空気極13の活性化を実施したところ、燃料極12を活性化した場合とほぼ同様の結果が得られた。   Although not shown, when the air electrode 13 was activated under the same conditions as described above, almost the same result as that obtained when the fuel electrode 12 was activated was obtained.

(実施例2)
図6は、実施例1で、SOFC10の起動時に燃料極12を、パルス電圧を印加して活性した場合の、長期運転に伴うSOFC10の電圧低下を示すグラフである。
(Example 2)
FIG. 6 is a graph showing a voltage drop of the SOFC 10 accompanying a long-term operation when the fuel electrode 12 is activated by applying a pulse voltage when the SOFC 10 is activated in the first embodiment.

図6に示すように、SOFC10の起動時に燃料極12を活性化した場合においても、約2500時間が経過すると、電圧の減少が見られる。しかしながら、実施例1と同様のパルス電圧印加条件を採用し、この条件下でのパルス電圧印加を1サイクルとし、合計3サイクルのパルス電圧印加を行うことにより、上述した電圧減少が回復することが分かる。   As shown in FIG. 6, even when the fuel electrode 12 is activated when the SOFC 10 is activated, a voltage decrease is observed after about 2500 hours. However, by adopting the same pulse voltage application condition as in Example 1, and applying the pulse voltage under this condition as one cycle and applying the pulse voltage for a total of three cycles, the above-mentioned voltage decrease can be recovered. I understand.

また、特に図示しないが、極性を逆にしたパルス電圧を上記3サイクルのパルス電圧後に5〜10分間印加することによって、電圧減少の回復に要する時間が100時間程度短縮されることが判明した。   Although not particularly shown, it has been found that applying a pulse voltage with the polarity reversed for 5 to 10 minutes after the pulse voltage of the above three cycles shortens the time required to recover the voltage decrease by about 100 hours.

以上、実施例1及び実施例2から、SOFC10の起動時及び出力電圧の低下時において、燃料極12を不活性雰囲気とし、空気極13を酸素ガス含有雰囲気とし、燃料極12又は空気極13に対して所定の条件でパルス電圧を印加することにより、SOFC10の長期間の使用による電圧低下を抑制し、定格運転をより長期間に亘って行うことができるとともに、SOFC10の運転開始時から電圧安定化までの時間の短縮出来ることが分かる。   As described above, from Example 1 and Example 2, when the SOFC 10 is started up and the output voltage is reduced, the fuel electrode 12 is an inert atmosphere, the air electrode 13 is an oxygen gas-containing atmosphere, and the fuel electrode 12 or the air electrode 13 is connected. In contrast, by applying a pulse voltage under predetermined conditions, voltage drop due to long-term use of the SOFC 10 can be suppressed, rated operation can be performed for a longer period, and voltage stabilization from the start of operation of the SOFC 10 It can be seen that the time until conversion can be shortened.

以上、本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は例として掲示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。   As mentioned above, although several embodiment of this invention was described, these embodiment was posted as an example and is not intending limiting the range of invention. These novel embodiments can be implemented in various other forms, and various omissions, replacements, and changes can be made without departing from the scope of the invention. These embodiments and modifications thereof are included in the scope and gist of the invention, and are included in the invention described in the claims and the equivalents thereof.

10 固体酸化物型燃料電池
11 電解質膜
12 燃料極
13 空気極
14,15 集電材
21 ポテンショスタット(電源)
22 波形発生器
10 Solid Oxide Fuel Cell 11 Electrolyte Membrane 12 Fuel Electrode 13 Air Electrodes 14 and 15 Current Collector 21 Potentiostat (Power Supply)
22 Waveform generator

Claims (8)

電気的に絶縁性であって、酸素イオン導電性を呈する電解質膜と、前記電解質膜の一方の主面側に形成された燃料極と、前記電解質膜の他方の主面側に形成された空気極とを具えた固体酸化物型燃料電池の電極活性化方法であって、
前記固体酸化物燃料電池の起動運転開始時及び出力電圧の低下時において、前記燃料極を第1の雰囲気下に配置するとともに、前記空気極を第2の雰囲気下に配置するステップと、
前記燃料極及び前記空気極の少なくとも一方にパルス電圧を印加するステップと、
を具えることを特徴とする、固体酸化物型燃料電池の電極活性化方法。
An electrolyte membrane that is electrically insulating and exhibits oxygen ion conductivity, a fuel electrode formed on one main surface side of the electrolyte membrane, and an air formed on the other main surface side of the electrolyte membrane An electrode activation method for a solid oxide fuel cell comprising an electrode,
Disposing the fuel electrode in a first atmosphere at the start of start-up operation of the solid oxide fuel cell and lowering the output voltage, and disposing the air electrode in a second atmosphere;
Applying a pulse voltage to at least one of the fuel electrode and the air electrode;
A method for activating an electrode of a solid oxide fuel cell, comprising:
前記第1の雰囲気は不活性ガス雰囲気であり、前記第2の雰囲気は酸素ガス含有雰囲気であって、前記燃料極に前記パルス電圧を負荷することを特徴とする、請求項1に記載の固体酸化物型燃料電池の電極活性化方法。   2. The solid according to claim 1, wherein the first atmosphere is an inert gas atmosphere, the second atmosphere is an oxygen gas-containing atmosphere, and the pulse voltage is applied to the fuel electrode. An electrode activation method for an oxide fuel cell. 前記第1の雰囲気は不活性ガス雰囲気であり、前記第2の雰囲気は酸素ガス含有雰囲気であって、前記空気極に前記パルス電圧を負荷することを特徴とする、請求項1に記載の固体酸化物型燃料電池の電極活性化方法。   2. The solid according to claim 1, wherein the first atmosphere is an inert gas atmosphere, the second atmosphere is an oxygen gas-containing atmosphere, and the pulse voltage is applied to the air electrode. An electrode activation method for an oxide fuel cell. 前記第1の雰囲気は水素ガス含有雰囲気であり、前記第2の雰囲気は酸素ガス含有雰囲気であって、前記燃料極に前記パルス電圧を負荷することを特徴とする、請求項1に記載の固体酸化物型燃料電池の電極活性化方法。   2. The solid according to claim 1, wherein the first atmosphere is a hydrogen gas-containing atmosphere, the second atmosphere is an oxygen gas-containing atmosphere, and the pulse voltage is applied to the fuel electrode. An electrode activation method for an oxide fuel cell. 前記第1の雰囲気は水素ガス含有雰囲気であり、前記第2の雰囲気は酸素ガス含有雰囲気であって、前記空気極に前記パルス電圧を負荷することを特徴とする、請求項1に記載の固体酸化物型燃料電池の電極活性化方法。   2. The solid according to claim 1, wherein the first atmosphere is a hydrogen gas-containing atmosphere, the second atmosphere is an oxygen gas-containing atmosphere, and the pulse voltage is applied to the air electrode. An electrode activation method for an oxide fuel cell. 前記パルス電圧のパルス長が0.1秒から30分であることを特徴とする、請求項1〜5のいずれか一に記載の固体酸化物型燃料電池の電極活性化方法。   6. The electrode activation method for a solid oxide fuel cell according to claim 1, wherein a pulse length of the pulse voltage is 0.1 second to 30 minutes. 前記パルス電圧の電位掃引速度が5mV/秒から500mV/秒であることを特徴とする、請求項1〜6のいずれか一に記載の固体酸化物型燃料電池の電極活性化方法。   The electrode activation method for a solid oxide fuel cell according to any one of claims 1 to 6, wherein a potential sweep rate of the pulse voltage is 5 mV / sec to 500 mV / sec. 前記パルス電圧の印加時間が10分から60分であることを特徴とする、請求項1〜7のいずれか一に記載の固体酸化物型燃料電池の電極活性化方法。   8. The electrode activation method for a solid oxide fuel cell according to claim 1, wherein the pulse voltage is applied for 10 minutes to 60 minutes.
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