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JP6155682B2 - Operation method of fuel cell - Google Patents
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Description

本発明は、燃料電池の運転方法に係り、特に、燃料電池の初期運転時に燃料電池内部を還元する技術に関する。   The present invention relates to a method for operating a fuel cell, and more particularly to a technique for reducing the inside of a fuel cell during initial operation of the fuel cell.

固体酸化物燃料電池(SOFC;以下、「燃料電池」と略す)は、燃料(還元剤)と酸化剤の2種類のガスをそれぞれ酸素イオン伝導性固体電解質によって隔てられた、燃料極、空気極に供給して、それぞれの電極で電気化学反応を進行させて外部に電力を取り出す電池である。電池の構成材料を積層して組み合わせた発電体をセルと称する。   A solid oxide fuel cell (SOFC; hereinafter referred to as “fuel cell”) is composed of a fuel electrode and an air electrode in which two kinds of gases, a fuel (reducing agent) and an oxidizing agent, are separated by an oxygen ion conductive solid electrolyte. , And an electrochemical reaction is caused to proceed at each electrode to extract electric power to the outside. A power generator in which battery constituent materials are stacked and combined is referred to as a cell.

このような燃料電池は、燃料極として金属酸化物を用いているので、運転を開始する際には、この酸化物から酸素を除去する(還元する)必要がある。そこで、従来より初期運転時(最初期の運転開始時)に、燃料電池内の燃料極側に還元剤を供給することにより、酸素と反応させて酸素を除去する運転方法が採用されている。   Since such a fuel cell uses a metal oxide as a fuel electrode, it is necessary to remove (reduce) oxygen from the oxide when starting operation. Therefore, conventionally, an operation method has been adopted in which oxygen is removed by reacting with oxygen by supplying a reducing agent to the fuel electrode side in the fuel cell at the initial operation (at the start of the initial operation).

このような還元を行う燃料電池の従来例として、例えば特許文献1に記載されたものが知られている。該特許文献1では、還元処理は燃料電池の作動温度で行うことが作業プロセスの簡素化の観点からは望ましいとされている。   As a conventional example of a fuel cell that performs such reduction, for example, one described in Patent Document 1 is known. In Patent Document 1, it is considered that the reduction treatment is preferably performed at the operating temperature of the fuel cell from the viewpoint of simplifying the work process.

一方、燃料電池内に設けられるセルは、一層毎に主に金属製であるガス流路や支持部材を構成する筐体と接合した接合体(ユニット)として形成されている。この接合に用いる材料として、高温で結晶化して固化するガラスが一般的に用いられる。ガラスの固化は高温・酸化状態(空気雰囲気等)で行う必要があるため、燃料電池を組み立てる際の工程順としては、ガラス接合の後、ユニットを積層していわゆるスタック(積層体)として燃料電池に組み込み、運転開始時に還元剤を燃料極側に供給して温度を上昇させ、燃料電池内を還元することになる。   On the other hand, the cell provided in the fuel cell is formed as a joined body (unit) joined to a casing constituting a gas flow path and a supporting member mainly made of metal for each layer. As a material used for this joining, glass that crystallizes and solidifies at a high temperature is generally used. Since the glass must be solidified in a high temperature / oxidized state (air atmosphere, etc.), as a process sequence when assembling the fuel cell, the glass cells are joined and then the units are stacked to form a so-called stack (laminate). When the operation is started, a reducing agent is supplied to the fuel electrode side to increase the temperature, and the inside of the fuel cell is reduced.

特開2005−166481号公報Japanese Patent Laying-Open No. 2005-166481

上述したように、特許文献1に開示された従来例では、燃料電池の運転温度、或いはそれ以下の温度で燃料電池を還元している。燃料電池の接合に用いるガラスのガラス転移点は650℃前後が一般的であり、例えば650℃で運転する燃料電池では、この温度で還元することになる。還元の際、セルを構成する金属酸化物から酸素が除去されることによって、セルが収縮する。このとき、セルの収縮速度が大きいと、ガラス転移点付近ではガラスは剛直のためガラス内部に応力が生じる。このため、ガラスが破断する可能性がある。   As described above, in the conventional example disclosed in Patent Document 1, the fuel cell is reduced at the operating temperature of the fuel cell or lower. The glass transition point of the glass used for joining the fuel cells is generally around 650 ° C. For example, in a fuel cell operating at 650 ° C., reduction is performed at this temperature. During the reduction, the cell is contracted by removing oxygen from the metal oxide constituting the cell. At this time, if the shrinkage rate of the cell is large, the glass is rigid in the vicinity of the glass transition point, so that stress is generated inside the glass. For this reason, glass may break.

本発明は、このような従来の課題を解決するためになされたものであり、その目的とするところは、燃料電池の還元時にガラスに加わる応力を低減することのできる燃料電池の運転方法を提供することにある。   The present invention has been made to solve such a conventional problem, and an object of the present invention is to provide a method of operating a fuel cell capable of reducing stress applied to glass during reduction of the fuel cell. There is to do.

上記目的を達成するため、本願発明は、燃料電池の初期運転時に、該燃料電池内を還元する際の燃料電池温度を、燃料電池に設けられるセルと筐体とを接合するガラスの転移点となる温度以上で、ガラスの流動点となる温度以下とする。 In order to achieve the above object, the present invention relates to the temperature of the fuel cell when reducing the inside of the fuel cell during the initial operation of the fuel cell, and the transition point of the glass that joins the cell and the casing provided in the fuel cell. Above the temperature at which the pour point of the glass is reached .

本発明に係る燃料電池の運転方法では、燃料電池の最初期に燃料電池内を還元する際に、セルが収縮することによりガラスに加えられる応力に起因してガラスが破断することを防止できる。   In the fuel cell operating method according to the present invention, when the inside of the fuel cell is reduced in the initial stage of the fuel cell, the glass can be prevented from being broken due to the stress applied to the glass due to the shrinkage of the cell.

本発明の一実施形態に係る燃料電池のユニット構造の断面を模式的に示す説明図である。It is explanatory drawing which shows typically the cross section of the unit structure of the fuel cell which concerns on one Embodiment of this invention. 本発明の一実施形態に係る燃料電池の、スタック構造を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the stack structure of the fuel cell which concerns on one Embodiment of this invention. 本発明の一実施形態に係る燃料電池の、セルと筐体の接合部付近を拡大した説明図である。It is explanatory drawing which expanded the junction part vicinity of the cell and housing | casing of the fuel cell which concerns on one Embodiment of this invention. 本発明の一実施形態に係る燃料電池の、第1実施例におけるガラスの温度と粘度との関係を示す特性図である。It is a characteristic view which shows the relationship between the temperature of glass and the viscosity in 1st Example of the fuel cell which concerns on one Embodiment of this invention. 本発明の一実施形態に係る燃料電池の、第2実施例におけるガラスの温度と粘度との関係を示す特性図である。It is a characteristic view which shows the relationship between the temperature and viscosity of the glass in 2nd Example of the fuel cell which concerns on one Embodiment of this invention. 本発明による燃料電池の運転方法を採用した場合と、採用しない場合の実験結果を示す図である。It is a figure which shows the experimental result when not employ | adopting the case where the operating method of the fuel cell by this invention is employ | adopted.

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.

[本発明の実施形態の説明]
図1は、本発明の実施形態に係る燃料電池ユニットの断面を模式的に示す説明図である。図1に示すように、燃料電池ユニット10は、中心にガス流路となる空洞が形成された円盤形状を成している。そして、図2に示すように、燃料電池ユニット10が複数枚積層されて、スタック30が構成される。
[Description of Embodiment of the Present Invention]
FIG. 1 is an explanatory view schematically showing a cross section of a fuel cell unit according to an embodiment of the present invention. As shown in FIG. 1, the fuel cell unit 10 has a disk shape in which a cavity serving as a gas flow path is formed at the center. As shown in FIG. 2, a plurality of fuel cell units 10 are stacked to form a stack 30.

図1に示すように燃料電池ユニット10は、筐体13を備えている。筐体13は、セル11の支持、セル11表面へのガス流路の形成、セル11間(積層された上下のセル間)の導電等の役割を果たし、主に金属部品で一体または複数の部品の組み合わせで形成されている。該筐体13には、ガラス12によりセル11が接合されている。また、筐体13には、セル11間の導電を補助するために集電体14が筐体13と一体、或いは別体で形成されている。集電体14は、ガス流れのための隙間を有している。   As shown in FIG. 1, the fuel cell unit 10 includes a housing 13. The housing 13 plays a role of supporting the cells 11, forming a gas flow path on the surface of the cells 11, conducting between the cells 11 (between the stacked upper and lower cells), etc. It is formed by a combination of parts. The cell 11 is bonded to the casing 13 by glass 12. Further, a current collector 14 is formed integrally with the housing 13 or separately from the housing 13 in order to assist the conduction between the cells 11. The current collector 14 has a gap for gas flow.

図2は、本発明の一実施形態に係る燃料電池スタックの構造を示す断面図である。図1に示した燃料電池ユニット10を平面が重なる方向に複数積層して、スタック30を形成している。このように、セル平面と垂直方向にユニット10を積層することにより、セル両面の燃料極側と空気極側に、それぞれ独立した燃料流路と空気流路が形成される。   FIG. 2 is a cross-sectional view showing the structure of a fuel cell stack according to an embodiment of the present invention. A stack 30 is formed by stacking a plurality of fuel cell units 10 shown in FIG. In this manner, by stacking the units 10 in the direction perpendicular to the cell plane, independent fuel flow paths and air flow paths are formed on the fuel electrode side and the air electrode side on both surfaces of the cell.

図3は、図1に示したユニット10の、セル11と筐体13のガラス接合部20付近を拡大して示す説明図である。そして、図3(a)はスタックを還元する前(還元剤を供給する前)、図3(b)は還元した後の状態を模式的に示している。   FIG. 3 is an explanatory diagram showing, in an enlarged manner, the vicinity of the glass joint portion 20 between the cell 11 and the housing 13 of the unit 10 shown in FIG. FIG. 3A schematically shows a state before the stack is reduced (before the reducing agent is supplied), and FIG. 3B schematically shows a state after the reduction.

図3(a)に示すように、還元剤を供給する前の状態において、セル11の端部の中心からの距離は初期的に設定されたR0となっている。また、ガラス12端部の、中心からの距離も同様にR0となっている。そして、スタック内に還元剤を供給してセル11内の酸素が除去されると、セル11が内側に収縮して中心からの距離が短くなる。即ち、図3(b)に示すように、セル11の端部の中心からの距離がR0からR1(R1<R0)に変化する。この際、筐体13は収縮しないので、該筐体13の位置は還元前の状態に維持される。従って、セル11と筐体13を接合するガラス12は、セル11が収縮することによる剪断力を受けて変形することとなる。この剪断力を受ける条件によっては、ガラス12が破断するという問題が発生する。   As shown in FIG. 3A, in the state before supplying the reducing agent, the distance from the center of the end of the cell 11 is initially set to R0. Further, the distance from the center of the end portion of the glass 12 is also R0. And if a reducing agent is supplied in a stack and oxygen in the cell 11 is removed, the cell 11 will shrink | contract inside and the distance from a center will become short. That is, as shown in FIG. 3B, the distance from the center of the end of the cell 11 changes from R0 to R1 (R1 <R0). At this time, since the housing 13 does not contract, the position of the housing 13 is maintained in the state before reduction. Therefore, the glass 12 that joins the cell 11 and the housing 13 is deformed by receiving a shearing force due to the shrinkage of the cell 11. Depending on the conditions for receiving the shearing force, there arises a problem that the glass 12 is broken.

以下、スタックの還元時にガラス12が破断しない条件について説明する。   Hereinafter, the conditions under which the glass 12 does not break when the stack is reduced will be described.

図4は、ガラス12の温度と粘度との関係を示す特性図であり、横軸を温度とし、縦軸を対数表示の粘度[log(Pa・s)]としている。そして、ガラス12の粘度を曲線S1で示し、臨界粘度を曲線S2で示している。図4において、Tfはガラス12の流動点を示し、Tsはガラス12の軟化点を示し、Tgはガラスの転移点を示している。   FIG. 4 is a characteristic diagram showing the relationship between the temperature and the viscosity of the glass 12, where the horizontal axis represents temperature and the vertical axis represents logarithmic viscosity [log (Pa · s)]. The viscosity of the glass 12 is indicated by a curve S1, and the critical viscosity is indicated by a curve S2. In FIG. 4, Tf represents the pour point of the glass 12, Ts represents the softening point of the glass 12, and Tg represents the glass transition point.

ここで、臨界粘度ηsは、下記(1)式で示すことができる。   Here, the critical viscosity ηs can be expressed by the following equation (1).

ηs=τs/γ …(1)
但し、τsはガラス12の許容剪断応力、γはセル変形剪断速度である。ここで、許容剪断応力τsは、ガラス12の温度により変化する数値であり、そのときの温度におけるガラスの破壊強度で定められる。即ち、許容剪断応力τsは温度の関数である。また、セル変形剪断速度γは、還元時の温度、還元剤(還元性ガス)の濃度及び流量により変化する数値である。従って、ガラス12の臨界粘度ηsは、許容剪断応力τsとセル変形剪断速度γにより決定する数値であり、還元剤の濃度及び流量を一定とすれば、還元時の温度変化に伴って変化する数値となる。
ηs = τs / γ (1)
Where τs is the allowable shear stress of the glass 12, and γ is the cell deformation shear rate. Here, the allowable shear stress τs is a numerical value that varies depending on the temperature of the glass 12, and is determined by the breaking strength of the glass at that temperature. That is, the allowable shear stress τs is a function of temperature. The cell deformation shear rate γ is a numerical value that varies depending on the temperature during reduction, the concentration of the reducing agent (reducing gas), and the flow rate. Accordingly, the critical viscosity ηs of the glass 12 is a numerical value determined by the allowable shear stress τs and the cell deformation shear rate γ, and is a numerical value that changes with a temperature change during reduction if the concentration and flow rate of the reducing agent are constant. It becomes.

図4に示す曲線S2は、還元剤の濃度及び流量を所定値に設定したときの、ガラス12の、温度変化に対する臨界粘度ηsの特性を示している。そして、ガラス12が破断するということは、そのときの温度において、ガラス12の粘度ηが、許容剪断応力τsを与える臨界粘度ηs(=τs/γ)を上回っているということである。   A curve S2 shown in FIG. 4 shows the characteristic of the critical viscosity ηs with respect to temperature change of the glass 12 when the concentration and flow rate of the reducing agent are set to predetermined values. When the glass 12 is broken, the viscosity η of the glass 12 exceeds the critical viscosity ηs (= τs / γ) that gives the allowable shear stress τs at the temperature at that time.

換言すれば、ガラス12の粘度ηが、臨界粘度ηsを下回る温度範囲では、ガラス12の接合は破断せずに、セル11と筐体13との接合状態を維持することとなる。その一方で、ガラス12の粘度ηが臨界粘度ηsを上回る温度範囲では、ガラス12に生じる剪断力により、ガラス12が破断する可能性が高まる。   In other words, in the temperature range where the viscosity η of the glass 12 is lower than the critical viscosity ηs, the bonding of the glass 12 is not broken and the bonding state between the cell 11 and the housing 13 is maintained. On the other hand, in the temperature range where the viscosity η of the glass 12 exceeds the critical viscosity ηs, the possibility that the glass 12 is broken by the shearing force generated in the glass 12 increases.

従って、本実施形態では、上述した(1)式により、臨界粘度ηsと温度の関係を示す特性を求め、「η<ηs」となる温度範囲となるように、還元時のスタック温度を調整する。具体的には、還元剤の温度をこの温度範囲となるように調整する。ここで、補助的に高温の空気を流す、ヒータを用いて過熱するなどの手段を併用しても良い。   Therefore, in the present embodiment, the characteristic indicating the relationship between the critical viscosity ηs and the temperature is obtained by the above-described equation (1), and the stack temperature at the time of reduction is adjusted so that the temperature range becomes “η <ηs”. . Specifically, the temperature of the reducing agent is adjusted to be within this temperature range. Here, auxiliary means such as flowing hot air or heating with a heater may be used in combination.

また、スタック温度が、ガラス転移が生じる温度(過冷却状態からガラス状態に変わる温度)であるガラス転移点(Tg)を与える温度以下である場合には、剛性率が高くガラス12が流動性を有しないので、ガラス転移点(Tg)を与える温度以上となるようにスタック温度を設定する必要がある。更に、スタック温度がガラス12の流動開始点(Tf;ガラスが流動化する温度)を超えると、ガラス12の流動化が大きくなり、柔らかくなり過ぎるので、この流動開始点(Tf)を与える温度未満とする必要がある。   In addition, when the stack temperature is equal to or lower than the temperature at which the glass transition point (Tg), which is the temperature at which the glass transition occurs (the temperature at which the supercooled state changes to the glass state), is given, the rigidity is high and the glass 12 has fluidity. Since it does not have, it is necessary to set stack temperature so that it may become more than the temperature which gives a glass transition point (Tg). Furthermore, when the stack temperature exceeds the flow start point (Tf; temperature at which the glass fluidizes) of the glass 12, the fluidization of the glass 12 becomes large and becomes too soft, so that it is less than the temperature that gives this flow start point (Tf). It is necessary to.

従って、本実施形態では、還元時のスタック温度(燃料電池温度)を、ガラス12の転移点(Tg)を与える温度以上であり、且つ、「η<ηs」を満足する温度範囲であり、且つ、ガラス12の流動開始点(Tf)を与える温度未満となる温度とする。こうすることにより、還元時にガラス12が破断することを防止でき、図1に示したセル11と筐体13との間の接合状態を確実に維持することができることとなる。   Therefore, in this embodiment, the stack temperature (fuel cell temperature) at the time of reduction is equal to or higher than the temperature that gives the transition point (Tg) of the glass 12, and is in a temperature range that satisfies “η <ηs”, and The temperature is lower than the temperature at which the flow start point (Tf) of the glass 12 is given. By doing so, it is possible to prevent the glass 12 from being broken at the time of reduction, and the bonding state between the cell 11 and the housing 13 shown in FIG. 1 can be reliably maintained.

図4に示す例では、ガラス12の粘度を示す曲線S1と、該ガラス12の臨界粘度ηsを示す曲線S2が700℃付近で交わっており、700℃を超える温度範囲で「η<ηs」の関係が満たされている。また、ガラス転移点(Tg)を与える温度は650℃であり、ガラス12の流動点(Tf)は850℃である。このため、700℃未満となる温度範囲r1では、「η<ηs」が成立しないので、還元時にガラス12が破断する可能性が高く、また、850℃を上回る温度範囲r3では、還元時にガラス12が流動化して接合を維持できなくなる。従って、スタック温度を700℃〜850℃の温度範囲r2として還元処理を行えば、ガラス12の破断が発生せず、且つ、ガラス12の流動化を防止できる。   In the example shown in FIG. 4, the curve S1 indicating the viscosity of the glass 12 and the curve S2 indicating the critical viscosity ηs of the glass 12 intersect at around 700 ° C., and “η <ηs” in the temperature range exceeding 700 ° C. The relationship is satisfied. Moreover, the temperature which gives a glass transition point (Tg) is 650 degreeC, and the pour point (Tf) of the glass 12 is 850 degreeC. For this reason, since “η <ηs” does not hold in the temperature range r1 of less than 700 ° C., the glass 12 is highly likely to break during the reduction, and in the temperature range r3 above 850 ° C., the glass 12 during the reduction. Fluidizes and cannot maintain the bonding. Therefore, if the reduction treatment is performed with the stack temperature in the temperature range r2 of 700 ° C. to 850 ° C., the glass 12 does not break and the glass 12 can be prevented from fluidizing.

このようにして、本実施形態に係る燃料電池の運転方法では、還元時の燃料電池温度(スタック温度)を、燃料電池に設けられるセル11と筐体13とを接合するガラス12の転移点(Tg)となる温度以上としている。更に、ガラス12の粘度ηが、臨界粘度ηs(=τs/γ)以下となる温度範囲(τsはガラスの許容剪断応力、γはセル変形剪断速度)としている。具体的には、還元時に還元ガスの温度を700℃〜850℃の範囲としているので、セル11の酸素が除去されることにより、該セル11が収縮した場合であっても(図3(b)参照)、ガラス12が破断することを防止することができる。   Thus, in the fuel cell operating method according to the present embodiment, the fuel cell temperature (stack temperature) at the time of reduction is changed to the transition point of the glass 12 that joins the cell 11 and the housing 13 provided in the fuel cell ( Tg) or higher. Furthermore, the temperature range in which the viscosity η of the glass 12 is equal to or lower than the critical viscosity ηs (= τs / γ) (τs is the allowable shear stress of the glass, and γ is the cell deformation shear rate). Specifically, since the temperature of the reducing gas is set in a range of 700 ° C. to 850 ° C. during the reduction, even when the cell 11 contracts due to the removal of oxygen in the cell 11 (FIG. 3B). )), And the glass 12 can be prevented from breaking.

また、ガラス12の粘度が、温度範囲r2内の、軟化点(Ts)を示す温度よりも低い温度(軟化点より大きい粘度を与える温度)で還元すれば、振動等の外力が加えられてセル11と筐体13との間に、還元に起因する応力よりも大きい力が作用した場合でも、高い粘度により粘性変形が抑えられ、還元の前後での位置ずれが生じにくいという、更なる効果も期待される。   Further, if the viscosity of the glass 12 is reduced at a temperature lower than the temperature indicating the softening point (Ts) within the temperature range r2 (temperature giving a viscosity higher than the softening point), an external force such as vibration is applied to the cell. Even when a force larger than the stress caused by the reduction acts between the housing 11 and the casing 13, the viscous deformation is suppressed by the high viscosity, and the further effect that the positional deviation before and after the reduction hardly occurs is also obtained. Be expected.

[変形例の説明]
次に、粘度特性が異なるガラス12を用いた場合の実施形態について説明する。図5は、粘度特性が前述した実施形態と異なるガラス12を用いた場合の、粘度ηと臨界粘度ηsとの関係を示す特性図である。図5に示す曲線S11は、温度変化に対する粘度ηの特性を示し、曲線S12は温度変化に対する臨界粘度ηsの特性を示している。この例では、ガラス12の転移点(Tg)が600℃、軟化点(Ts)が800℃、流動点(Tf)が850℃で、「η<ηs」となる温度範囲が650℃以上となっている。このため、650℃未満となる温度範囲r11では、還元時にガラス12が破断する可能性が高く、また、850℃を上回る温度範囲r13では、還元時にガラス12が流動化して接合を維持できなくなる。従って、650℃〜850℃の温度範囲r12で還元を行えば、ガラス12の破断が発生せず、且つ、流動化することを防止できる。
[Description of modification]
Next, an embodiment in which glass 12 having different viscosity characteristics is used will be described. FIG. 5 is a characteristic diagram showing the relationship between the viscosity η and the critical viscosity ηs when a glass 12 having a viscosity characteristic different from that of the above-described embodiment is used. A curve S11 shown in FIG. 5 shows the characteristic of the viscosity η with respect to the temperature change, and a curve S12 shows the characteristic of the critical viscosity ηs with respect to the temperature change. In this example, the transition point (Tg) of the glass 12 is 600 ° C., the softening point (Ts) is 800 ° C., the pour point (Tf) is 850 ° C., and the temperature range where “η <ηs” is 650 ° C. or more. ing. For this reason, in the temperature range r11 where the temperature is less than 650 ° C., the glass 12 is likely to break during the reduction, and in the temperature range r13 exceeding 850 ° C., the glass 12 is fluidized during the reduction and the bonding cannot be maintained. Therefore, if reduction is performed in the temperature range r12 of 650 ° C. to 850 ° C., the glass 12 is not broken and can be prevented from fluidizing.

次に、本発明に係る燃料電池の運転方法の、実施例、比較例について説明する。発明者らは、本実施形態の運転方法で設定される温度範囲とした場合、及びこれ以外の温度範囲とした場合で、それぞれ複数の条件でスタックの還元処理を実行した。そして、ガスリークの状態を検査したところ、下記の如くの結果が得られた。   Next, examples and comparative examples of the fuel cell operation method according to the present invention will be described. The inventors performed the stack reduction process under a plurality of conditions, respectively, when the temperature range is set by the operation method of the present embodiment and when the temperature range is other than this. When the state of gas leak was inspected, the following results were obtained.

[実施例1]
ガラス転移点を650℃、軟化点を750℃、η=ηsとなる温度が700℃である条件(図4に示した条件)で、還元温度を720℃(図4の温度範囲r2内)とした。テストピースを3個検査したところ、還元後のガスリークは3個中0個であり、ガスリークは発生していないと判定された。また、ガラス12による接合部を目視により確認したところ、破断の発生は確認されなかった。
[Example 1]
Under the condition that the glass transition point is 650 ° C., the softening point is 750 ° C., and the temperature at which η = ηs is 700 ° C. (condition shown in FIG. 4), the reduction temperature is 720 ° C. (within the temperature range r2 in FIG. 4). did. When three test pieces were inspected, the number of gas leaks after reduction was 0 out of 3, and it was determined that no gas leak occurred. Moreover, when the joint part by the glass 12 was confirmed visually, generation | occurrence | production of a fracture | rupture was not confirmed.

[実施例2]
ガラス転移点を650℃、軟化点を750℃、η=ηsとなる温度が700℃である条件(図4に示した条件)で、還元温度を800℃(図4の温度範囲r2内)とした。テストピースを3個検査したところ、還元後のガスリークは3個中0個であり、ガスリークは発生していないと判定された。また、ガラス12による接合部を目視により確認したところ、破断の発生は確認されなかった。
[Example 2]
The reduction temperature is set to 800 ° C. (within the temperature range r 2 in FIG. 4) under the condition that the glass transition point is 650 ° C., the softening point is 750 ° C., and the temperature at which η = ηs is 700 ° C. (the condition shown in FIG. 4). did. When three test pieces were inspected, the number of gas leaks after reduction was 0 out of 3, and it was determined that no gas leak occurred. Moreover, when the joint part by the glass 12 was confirmed visually, generation | occurrence | production of a fracture | rupture was not confirmed.

[実施例3]
ガラス転移点を600℃、軟化点を800℃、η=ηsとなる温度が650℃である条件(図5に示した条件)で、還元温度を670℃(図5の温度範囲r12内の温度)とした。テストピースを3個検査したところ、還元後のガスリークは3個中0個であり、ガスリークは発生していないと判定された。また、ガラス12による接合部を目視により確認したところ、破断の発生は確認されなかった。
[Example 3]
The glass transition point is 600 ° C., the softening point is 800 ° C., and the temperature at which η = ηs is 650 ° C. (the conditions shown in FIG. 5). The reduction temperature is 670 ° C. (the temperature within the temperature range r12 in FIG. 5). ). When three test pieces were inspected, the number of gas leaks after reduction was 0 out of 3, and it was determined that no gas leak occurred. Moreover, when the joint part by the glass 12 was confirmed visually, generation | occurrence | production of a fracture | rupture was not confirmed.

[比較例1]
ガラス転移点を650℃、軟化点を750℃、η=ηsとなる温度が700℃である条件(図4に示した条件)で、還元温度を650℃(図4の温度範囲r2外)とした。テストピースを3個検査したところ、還元後のガスリークは3個中3個であり、ガスリークが発生しているものと判定された。また、ガラス12による接合部を目視により確認したところ、多くの箇所で破断の発生が確認された。
[Comparative Example 1]
The reduction temperature is 650 ° C. (outside the temperature range r 2 in FIG. 4) under the condition that the glass transition point is 650 ° C., the softening point is 750 ° C., and the temperature at which η = ηs is 700 ° C. (the condition shown in FIG. 4). did. When three test pieces were inspected, the number of gas leaks after the reduction was three out of three, and it was determined that a gas leak occurred. Moreover, when the joint part by the glass 12 was confirmed visually, generation | occurrence | production of a fracture | rupture was confirmed in many places.

[比較例2]
ガラス転移点を600℃、軟化点を800℃、η=ηsとなる温度が650℃である条件(図5に示した条件)で、還元温度を620℃(図5の温度範囲r12外の温度)とした。テストピースを3個検査したところ、還元後のガスリークは3個中2個であり、ガスリークが発生しているものと判定された。また、ガラス12による接合部を目視により確認したところ、数箇所で破断の発生が確認された。
[Comparative Example 2]
The glass transition point is 600 ° C., the softening point is 800 ° C., and the temperature at which η = ηs is 650 ° C. (the conditions shown in FIG. 5), and the reduction temperature is 620 ° C. (temperature outside the temperature range r12 in FIG. 5). ). When three test pieces were inspected, the number of gas leaks after reduction was two out of three, and it was determined that a gas leak occurred. Moreover, when the joint part by the glass 12 was confirmed visually, generation | occurrence | production of a fracture | rupture was confirmed in several places.

そして、上述した実施例1〜3、及び比較例1,2を対比して理解されるように、本願発明で示した温度範囲で還元処理を実行することにより、ガラス12の破断を防止できることが確認された。   And as understood by comparing Examples 1 to 3 and Comparative Examples 1 and 2 described above, the glass 12 can be prevented from being broken by performing the reduction treatment in the temperature range shown in the present invention. confirmed.

このようにして、本実施形態に係る燃料電池の運転方法では、スタック運転時の最初期においてセル11を還元処理する際に、還元時の温度を、セル11と筐体13とを接合するガラス12の転移点(Tg)の温度以上としている。更に、ガラス12の粘度ηが、臨界粘度ηs(=τs/γ)を下回る温度範囲としているので、還元時にセル11が収縮した場合でも、ガラス12が破断することを防止でき、セル11と筐体13の接合を維持することが可能となる。   Thus, in the method for operating the fuel cell according to the present embodiment, when the cell 11 is subjected to the reduction treatment in the initial stage of the stack operation, the temperature at the time of reduction is set to the glass that joins the cell 11 and the housing 13. The temperature is equal to or higher than 12 transition points (Tg). Furthermore, since the viscosity η of the glass 12 is in a temperature range lower than the critical viscosity ηs (= τs / γ), even when the cell 11 contracts during reduction, the glass 12 can be prevented from being broken, and the cell 11 and the housing It becomes possible to maintain the joining of the body 13.

また、還元時の温度を流動点(Tf)未満としているので、ガラス12が流動化することが無く、セル11と筐体13との接合状態を維持することができる。   Moreover, since the temperature at the time of reduction is less than the pour point (Tf), the glass 12 is not fluidized and the joined state between the cell 11 and the housing 13 can be maintained.

ここで、上述したように、(1)式で用いる「セル変形剪断速度γ」は、燃焼ガスの濃度、及び流量によって変化する数値である。従って、燃焼ガスの濃度、流量の選び方によっては、図4に示したように、粘度ηが臨界粘度ηsを下回る温度範囲が存在しないこともあり得る。具体的には、γの値が大きくなると、臨界粘度ηsが小さくなるので図4に示す温度範囲r2が存在しない場合があり得る。   Here, as described above, the “cell deformation shear rate γ” used in the equation (1) is a numerical value that varies depending on the concentration and flow rate of the combustion gas. Therefore, depending on how the combustion gas concentration and flow rate are selected, there may be no temperature range in which the viscosity η is lower than the critical viscosity ηs, as shown in FIG. Specifically, as the value of γ increases, the critical viscosity ηs decreases, so the temperature range r2 shown in FIG. 4 may not exist.

そこで、本発明では、燃焼ガスの濃度、流量を適切に設定することにより、セル変形剪断速度γの値が適切になるように設定し、粘度ηが臨界粘度ηsを下回る温度範囲(図4に示す温度範囲r2)が存在するようにしている。こうすることにより、より確実にスタック還元時におけるガラス12の破断を防止することが可能となる
以上、本発明の燃料電池の運転方法を図示の実施形態に基づいて説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、各部の構成は、同様の機能を有する任意の構成のものに置き換えることができる。
Therefore, in the present invention, by appropriately setting the concentration and flow rate of the combustion gas, the cell deformation shear rate γ is set to an appropriate value, and the temperature range in which the viscosity η is lower than the critical viscosity ηs (see FIG. 4). The temperature range r2) shown is present. By doing so, it is possible to more reliably prevent the glass 12 from being broken during the stack reduction. The fuel cell operating method of the present invention has been described based on the illustrated embodiment. However, the configuration of each unit can be replaced with any configuration having the same function.

本発明は、燃料電池を運転する最初期に行う還元処理時の、ガラスの破断を防止することに利用することができる。   The present invention can be used to prevent breakage of glass during a reduction process performed at the initial stage of operating a fuel cell.

10 燃料電池ユニット
11 セル
12 ガラス
13 筐体
14 集電体
20 ガラス接合部
30 スタック
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 Fuel cell unit 11 Cell 12 Glass 13 Case 14 Current collector 20 Glass joint part 30 Stack

Claims (3)

燃料電池の初期運転時に、該燃料電池内に還元剤を供給して還元する際の運転方法において、
還元時の燃料電池温度を、
前記燃料電池に設けられるセルと筐体とを接合するガラスの転移点(Tg)となる温度以上で、前記ガラスの流動点となる温度以下とすること
を特徴とする燃料電池の運転方法。
In the initial operation of the fuel cell, in the operation method when reducing by supplying a reducing agent into the fuel cell,
The fuel cell temperature during reduction
A method for operating a fuel cell, wherein the temperature is equal to or higher than a temperature at which a glass transition point (Tg) is bonded between a cell and a casing provided in the fuel cell, and is equal to or lower than a temperature at which the glass flows .
前記ガラスの粘度ηが、下記(1)式で求められる臨界粘度ηs以下となる温度範囲とすることを特徴とする請求項1に記載の燃料電池の運転方法。2. The fuel cell operating method according to claim 1, wherein the glass has a viscosity η within a temperature range equal to or lower than a critical viscosity ηs determined by the following formula (1).
ηs=τs/γ …(1)ηs = τs / γ (1)
但し、τsはガラスの許容剪断応力、γはセル変形剪断速度Where τs is the allowable shear stress of glass and γ is the cell deformation shear rate.
前記流動点となる温度以下となる温度範囲で、前記ガラスの粘度ηが前記臨界粘度ηs以下となる温度範囲が存在するように、前記燃料電池内に供給する還元剤の流量、及び濃度を設定することを特徴とする請求項2に記載の燃料電池の運転方法。   The flow rate and concentration of the reducing agent supplied into the fuel cell are set so that there is a temperature range where the viscosity η of the glass is equal to or lower than the critical viscosity ηs in a temperature range where the temperature becomes the pour point or lower. The method for operating a fuel cell according to claim 2, wherein:
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