成果報告書詳細
管理番号20110000000883
タイトル平成20年度~平成22年度成果報告書 固体酸化物形燃料電池システム要素技術開発 基礎的・共通的課題のための研究開発 中温円形平板形耐久性の評価
公開日2011/9/28
報告書年度2008 - 2010
委託先名三菱マテリアル株式会社
プロジェクト番号P08004
部署名新エネルギー部
和文要約中温円形平板形の固体酸化物形燃料電池において燃料極中のNi凝集が劣化を引き起こす主な原因である。5000時間の長期耐久試験後と40回の熱サイクル試験後の燃料極の構造分析によると、劣化率0.32%/1000hrの改良セル2は依然としてNiの凝集が確認された。一方、燃料極の焼結温度を50℃上昇させた改良セル3については、長期耐久試験後において、燃料極構造の変化は微小であり、セリアとNiによる強固な骨格構造の燃料極は崩れ難いことが判明した。Ni凝集の原因に関しては、発電セルに供給される炭化水素の改質器の温度が影響することが分かった。改質器の温度を低下させるとNiの凝集が進行する傾向が認められた。燃料極上での炭化水素燃料の改質反応は吸熱反応であるため燃料極の温度が低下し、その後、燃料電池反応で生じる熱により、温度上昇が起きている可能性が高い。この燃料極上で生じる局所的な熱サイクルがNi凝集に繋がると考えられる。5000時間の長期耐久後の発電セルに対して26回の熱サイクルを実施したところ、殆ど性能低下が認められなかった。改良セル3を用いた5000時間の長期耐久試験での劣化率は0.30%/1000hrとなり、改良セル4を用いた40回の熱サイクル試験における劣化率は0.028%/回となった。現段階において耐久性に関しては、さまざまなスタックの劣化要因の抽出が行われ、セル-集電体の物理的な接触不良、或いは蒸発金属による短絡の問題が収束し、発電セルの性能低下が残された課題となった。Niの凝集(シンタリング)に挙げられるようにSOFC特有の高温作動域での反応速度の遅い現象が長期的な安定動作に影響を与える重要な要素となっている。
英文要約Sintering of an anode followed by agglomeration of Ni caused a main degradation in the cell performance
of SOFC. Thorough analyses were focused on morphology changes within the anode before and after the 5000hr
continuous operation and 40 times of thermal cycles. Ni sintering was still observed for the Improved
Cell #2 which had a degradation rate of 0.32%/1000hr. Instead, the Improved Cell #3 with a higher
sintering temperature at the fabrication of the cell showed a slight change in the anode structure,
meaning that a bold network between Ni and ceria resisted against a thermal stress. As to the cause of
the Ni agglomeration, the post-examination of anode suggested the operating temperature of a reformer
would affect the Ni sintering in the anode. By decreasing the reforming temperature of hydrocarbon prior
to the supply to the cell, the Ni in the anode tended to agglomerate more, which implied that the reforming
on the anode caused the Ni sintering.
One hypothesis was suggested.
Since the reforming reaction of the hydrocarbon is endothermic reaction followed by the heat absorbing
from ambient matters, spotted reforming parts within the anode would experience the thermal-cycles caused
by the hydrocarbon reformation, consequently, the Ni agglomeration would occur. Regarding a durability
of the cell after long-term operation, 26 thermal cycles were tested after the 5000hr continuous operation.
A large decrease in the cell performance was not observed. The degradation rate in the 5000 hr continuous
stack test was obtained as 0.30%/1000hr for the Improved Cell #3. The Improved Cell #4 with a modification
on the sintering temperature showed the degradation rate of 0.028%/cycle in the 40 times of the thermal cycle.
In view of degradation in the stack, large degradation factors such as connection failure between the cell
and the current collector, or the short-circuit by the re-crystallization of evaporated metal, were settled
at this stage. The performance decrease of the cell itself emerged as the last obstacle towards several
years of the stable operation. Especially, slow reactions occurred at the high temperature zone, which
were eccentric to SOFC such as Ni sintering or agglomeration became a crucial key factor for the long-term
operation.
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