JP7358652B2 - 溶融炭酸塩型燃料電池のセパレータ焙焼のオンライン評価方法 - Google Patents

Description

本発明は、溶融炭酸塩型燃料電池の技術分野に属し、溶融炭酸塩型燃料電池のセパレータ焙焼のオンライン評価方法に関する。

溶融炭酸塩型燃料電池（ＭＣＦＣ）は、６５０℃で作動する高温燃料電池であり、貴金属を触媒とする必要がなく、燃料が入手しやすく、騒音が少なく、汚染物がほぼゼロ排出であり、発電効率が高く、熱電併給が図られるなどの利点があり、１００キロワットレベルからメガワットレベルの分散型発電所や固定型発電所に適しており、将来性が期待できる。

溶融炭酸塩型燃料電池では、重要な部材には、電極、セパレータ、電解質、双極板などがあり、この中でも、セパレータの性能の良否が電池の性能に大きな影響を与える。一般には、セパレータの性能はその気孔率及び平均孔径につながり、成形後のセパレータの細孔分布が主に成形前の膜に含まれる揮発されにくい粘着剤や溶媒の含有量及びこれらの分布の均一さに依存する。含有量が高い場合、成形後の膜の気孔率及び平均孔径が大きく、膜に含浸させた電解質が多くなり、膜の電気抵抗が小さいが、平均孔径が大きいため、陰極や陽極ではガス溢れが発生しやすく、一方、含有量が低い場合、膜の気孔率及び平均孔径が減少し、ガスバリアに有利であるが、膜に含浸させた電解質が少なくなり、イオン伝導に不利である。このため、セパレータについては適切な気孔率及び孔径分布が求められ、一般には、セパレータについて、気孔率は５０～７０％、孔径は１μｍ未満であり、均一に分布していることが期待される。

溶融炭酸塩型燃料電池のセパレータは、電池の初回起動時に原位置焙焼を行うので、初回の焙焼効果が電池の性能を直接左右する。技術的秘密と技術的封鎖により、中国では、ＭＣＦＣに関する研究はまだ初期段階である。現在、ＭＣＦＣに取り込んでいる機関としては、主に中国科学院大連化学物理研究所、中国華能集団クリーンエネルギー技術研究院有限公司及び一部の大学があり、溶融炭酸塩型燃料電池のセパレータ焙焼効果のオンライン評価に関しては、まだ関連する検討や著作がなく、このため、溶融炭酸塩型燃料電池の発電性能が確保されにくい。

本発明の目的は、上記の従来技術の欠点を解決し、溶融炭酸塩型燃料電池の発電性能を効果的に確保できる溶融炭酸塩型燃料電池のセパレータ焙焼のオンライン評価方法を提供することである。

上記の目的を達成させるために、本発明による溶融炭酸塩型燃料電池のセパレータ焙焼のオンライン評価方法は、
溶融炭酸塩型燃料電池を組み立てるに先立って、溶融炭酸塩型燃料電池のセパレータの重量を記録し、溶融炭酸塩型燃料電池のセパレータの組成から、溶融炭酸塩型燃料電池のセパレータに含まれる溶媒、粘着剤及び可塑剤の質量を算出するステップ１）と、
溶融炭酸塩型燃料電池のセパレータの熱重量曲線から、溶融炭酸塩型燃料電池のセパレータの焙焼の昇温プログラムを設定するステップ２）と、
溶融炭酸塩型燃料電池のセパレータの焙焼の昇温プログラムに従って、組み立てられた溶融炭酸塩型燃料電池に対して昇温焙焼を行い、昇温中、溶融炭酸塩型燃料電池の陰極に空気を導入し、溶融炭酸塩型燃料電池の陽極に窒素ガスを導入しながら、陰極の排気口での酸素ガス濃度の変化をオンラインで監視し、酸素ガス濃度が小さくなってから大きくなると、溶融炭酸塩型燃料電池のセパレータ内の溶媒、粘着剤及び可塑剤が完全に燃焼されたことを示し、このとき、溶融炭酸塩型燃料電池のセパレータが多孔質のシート状構造となり、
溶融炭酸塩型燃料電池が４９０～５００℃に安定化すると、陰極への空気導入を停止し、このとき、電解質が徐々に溶融して溶融炭酸塩型燃料電池のセパレータに含浸し、
溶融炭酸塩型燃料電池が６００～６５０℃に安定化すると、溶融炭酸塩型燃料電池が電解質で満たされ、このとき、溶融炭酸塩型燃料電池は発電能力を備えるものとなり、溶融炭酸塩型燃料電池の陽極に水素ガスを導入し、溶融炭酸塩型燃料電池の陰極に空気及び二酸化炭素を導入し、溶融炭酸塩型燃料電池の内部で活性化反応が行われた後、溶融炭酸塩型燃料電池について放電テストを行った結果、溶融炭酸塩型燃料電池の陰極及び陽極でガス溢れやガス漏れの危険がなく、単一電池の平均開回路電圧が予め設定された電圧値よりも大きい場合、溶融炭酸塩型燃料電池のセパレータの焙焼が合格し、それ以外の場合、溶融炭酸塩型燃料電池のセパレータの焙焼が合格しておらず、これにより、溶融炭酸塩型燃料電池のセパレータ焙焼のオンライン評価が完了するステップ３）とを含む。

昇温中、溶融炭酸塩型燃料電池の陰極に１Ｌ／分の空気を導入し、溶融炭酸塩型燃料電池の陽極に０．５Ｌ／分の窒素ガスを導入する。

溶融炭酸塩型燃料電池が６００～６５０℃に安定化すると、溶融炭酸塩型燃料電池が電解質で満たされ、このとき、溶融炭酸塩型燃料電池は発電能力を備えるものとなり、
溶融炭酸塩型燃料電池の陽極に１Ｌ／分の水素ガスを導入し、溶融炭酸塩型燃料電池の陰極に３Ｌ／分の空気及び１Ｌ／分の二酸化炭素を導入する。

予め設定された電圧値が１．１Ｖである。

本発明は以下の有益な効果を有する。
本発明による溶融炭酸塩型燃料電池のセパレータ焙焼のオンライン評価方法によれば、具体的に実行される際に、電池の昇温焙焼において、陰極に空気、陽極に窒素ガスが導入されることにより、陽極の酸化が回避され、また、焙焼過程において、陰極の排気口での酸素ガス濃度の変化をオンラインで監視し、酸素ガス濃度が小さくなってから大きくなると、セパレータ内の粘着剤及び可塑剤が完全に燃焼されたことを示し、このとき、セパレータが多孔質のシート状構造となり、また、電池が初期発電能力を備えたものとなったときに、陽極に水素ガス、陰極に空気及び二酸化炭素が導入され、電池内部で短時間の活性化反応が行われた後、電池について放電テストを行うことができ、テストにおいては、電池の陰極及び陽極でガス溢れやガス漏れの危険がなく、単一電池の平均開回路電圧が１．１Ｖよりも大きい場合、電池のセパレータの焙焼が合格し、これにより、溶融炭酸塩型燃料電池のセパレータ焙焼のオンライン評価が実現され、溶融炭酸塩型燃料電池の発電性能が確保され、ＭＣＦＣの発電性能の最適化などにおいて指導的な意義がある。

本発明のフローチャートである。

以下、図面を参照しながら本発明についてさらに詳細に説明する。

図１に示すように、本発明による溶融炭酸塩型燃料電池のセパレータ焙焼のオンライン評価方法は、
溶融炭酸塩型燃料電池を組み立てるに先立って、溶融炭酸塩型燃料電池のセパレータの重量を記録し、溶融炭酸塩型燃料電池のセパレータの組成から、溶融炭酸塩型燃料電池のセパレータに含まれる溶媒、粘着剤及び可塑剤の質量を算出するステップ１）と、
溶融炭酸塩型燃料電池のセパレータの熱重量曲線から、溶融炭酸塩型燃料電池のセパレータの焙焼の昇温プログラムを設定するステップ２）と、
溶融炭酸塩型燃料電池のセパレータの焙焼の昇温プログラムに従って、組み立てられた溶融炭酸塩型燃料電池に対して昇温焙焼を行い、昇温中、溶融炭酸塩型燃料電池の陰極に空気を導入し、溶融炭酸塩型燃料電池の陽極に窒素ガスを導入しながら、陰極の排気口での酸素ガス濃度の変化をオンラインで監視し、酸素ガス濃度が小さくなってから大きくなると、溶融炭酸塩型燃料電池のセパレータ内の溶媒、粘着剤及び可塑剤が完全に燃焼されたことを示し、このとき、溶融炭酸塩型燃料電池のセパレータが多孔質のシート状構造となり、
溶融炭酸塩型燃料電池が４９０～５００℃に安定化すると、陰極への空気導入を停止し、このとき、電解質が徐々に溶融して溶融炭酸塩型燃料電池のセパレータに含浸し、
溶融炭酸塩型燃料電池が６００～６５０℃に安定化すると、溶融炭酸塩型燃料電池が電解質で満たされ、このとき、溶融炭酸塩型燃料電池は発電能力を備えるものとなり、溶融炭酸塩型燃料電池の陽極に水素ガスを導入し、溶融炭酸塩型燃料電池の陰極に空気及び二酸化炭素を導入し、溶融炭酸塩型燃料電池の内部で活性化反応が行われた後、溶融炭酸塩型燃料電池について放電テストを行った結果、溶融炭酸塩型燃料電池の陰極及び陽極でガス溢れやガス漏れの危険がなく、単一電池の平均開回路電圧が１．１Ｖよりも大きい場合、溶融炭酸塩型燃料電池のセパレータの焙焼が合格し、それ以外の場合、溶融炭酸塩型燃料電池のセパレータの焙焼が合格しておらず、これにより、溶融炭酸塩型燃料電池のセパレータ焙焼のオンライン評価が完了するステップ３）とを含む。

実施例１
本実施例の具体的な操作は以下のとおりである。
１）電極有効面積が０．２ｍ²の溶融炭酸塩型燃料電池のセルを一対用意し、厚さ０．７ｍｍ、重量４２０ｇのセパレータを選択し、セパレータを製造するための組成から推定した結果、メタアルミン酸リチウム粉末の含有量は約７０～８０％であった。
２）セパレータの熱重量曲線から、セパレータ焙焼の昇温プログラムを作成した。
３）昇温プログラムに従って、組み立てられたセルに昇温焙焼を行い、昇温中、陰極に１Ｌ／分の空気を導入し、陽極に０．５Ｌ／分の窒素ガスを導入した。
４）酸素ガス濃度検出装置を用いて、陰極の排気ガスを監視し、酸素ガス濃度が最初の０．２Ｌ／分から０．２Ｌ／分程度になると、セパレータ内の粘着剤及び可塑剤などがほぼ完全に焙焼され、
電池が４９０～５００℃に安定化すると、陰極への空気導入を停止し、
電池が６００～６５０℃に安定化すると、セパレータはほぼ電解質で満たされ、さらに、陽極に１Ｌ／分の水素ガスを導入し、陰極に３Ｌ／分の空気及び１Ｌ／分の二酸化炭素を導入し、電池の内部で短時間の活性化反応が行われた後、電池について放電テストを行うことができ、
ここでは、セパレータ焙焼の品質は、電池の陰極及び陽極でガス溢れやガス漏れの危険の有無に基づいて判定され、セルの開回路電圧が１．１２Ｖに達する場合、今回のセパレータ焙焼が高品質であることを示している。

Claims (4)

1. 溶融炭酸塩型燃料電池を組み立てるに先立って、溶融炭酸塩型燃料電池のセパレータの重量を記録し、溶融炭酸塩型燃料電池のセパレータの組成から、溶融炭酸塩型燃料電池のセパレータに含まれる溶媒、粘着剤及び可塑剤の質量を算出するステップ１）と、
   溶融炭酸塩型燃料電池のセパレータの熱重量曲線から、溶融炭酸塩型燃料電池のセパレータの焙焼の昇温プログラムを設定するステップ２）と、
   溶融炭酸塩型燃料電池のセパレータの焙焼の昇温プログラムに従って、組み立てられた溶融炭酸塩型燃料電池に対して昇温焙焼を行い、昇温中、溶融炭酸塩型燃料電池の陰極に空気を導入し、溶融炭酸塩型燃料電池の陽極に窒素ガスを導入しながら、陰極の排気口での酸素ガス濃度の変化をオンラインで監視し、酸素ガス濃度が小さくなってから大きくなると、溶融炭酸塩型燃料電池のセパレータ内の溶媒、粘着剤及び可塑剤が完全に燃焼されたことを示し、このとき、溶融炭酸塩型燃料電池のセパレータが多孔質のシート状構造となり、
   溶融炭酸塩型燃料電池が４９０～５００℃に安定化すると、陰極への空気導入を停止し、このとき、電解質が徐々に溶融して溶融炭酸塩型燃料電池のセパレータに含浸し、
   溶融炭酸塩型燃料電池が６００～６５０℃に安定化すると、溶融炭酸塩型燃料電池が電解質で満たされ、このとき、溶融炭酸塩型燃料電池は発電能力を備えるものとなり、溶融炭酸塩型燃料電池の陽極に水素ガスを導入し、溶融炭酸塩型燃料電池の陰極に空気及び二酸化炭素を導入し、溶融炭酸塩型燃料電池の内部で活性化反応が行われた後、溶融炭酸塩型燃料電池について放電テストを行った結果、溶融炭酸塩型燃料電池の陰極及び陽極でガス溢れやガス漏れの危険がなく、単一電池の平均開回路電圧が予め設定された電圧値よりも大きい場合、溶融炭酸塩型燃料電池のセパレータの焙焼が合格し、それ以外の場合、溶融炭酸塩型燃料電池のセパレータの焙焼が合格しておらず、これにより、溶融炭酸塩型燃料電池のセパレータ焙焼のオンライン評価が完了するステップ３）とを含む、ことを特徴とする溶融炭酸塩型燃料電池のセパレータ焙焼のオンライン評価方法。
2. 昇温中、溶融炭酸塩型燃料電池の陰極に１Ｌ／分の空気を導入し、溶融炭酸塩型燃料電池の陽極に０．５Ｌ／分の窒素ガスを導入する、ことを特徴とする請求項１に記載の溶融炭酸塩型燃料電池のセパレータ焙焼のオンライン評価方法。
3. 溶融炭酸塩型燃料電池が６００～６５０℃に安定化すると、溶融炭酸塩型燃料電池が電解質で満たされ、このとき、溶融炭酸塩型燃料電池は発電能力を備えるものとなり、
   溶融炭酸塩型燃料電池の陽極に１Ｌ／分の水素ガスを導入し、溶融炭酸塩型燃料電池の陰極に３Ｌ／分の空気及び１Ｌ／分の二酸化炭素を導入する、ことを特徴とする請求項１に記載の溶融炭酸塩型燃料電池のセパレータ焙焼のオンライン評価方法。
4. 予め設定された電圧値が１．１Ｖである、ことを特徴とする請求項１に記載の溶融炭酸塩型燃料電池のセパレータ焙焼のオンライン評価方法。