JP2009252561A - 試験装置 - Google Patents

Abstract

【課題】メンテナンス性に優れ、取り扱いが容易な固体酸化物型燃料電池の試験片の特性試験を行う試験装置を提供する。
【解決手段】管状炉１１の軸方向中央部に反応室２２及び反応室４２を配置し、反応室２２を間に挟んで軸方向一方側に燃料ガス供給路２１、他方側に燃料ガス排出路２３を配置し、反応室４２を間に挟んで軸方向一方側に酸化ガス供給路４１、他方側に酸化ガス排出路４３を配置し、反応室２２及び反応室４２に、ＳＯＦＣの試験片１０を支持可能な端面２２ａ，４２ａをそれぞれ設けたことを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、例えば、固体酸化物型燃料電池（ＳＯＦＣ：Ｓｏｌｉｄ Ｏｘｉｄｅ Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ）の試験片の特性試験を行う試験装置に関するものである。

従来から、燃料電池の電解質にセラミックス系の固体電解質を用い、この固体電解質膜を燃料極と空気極とで両側から挟んでセルを形成した固体酸化物型燃料電池（以下、ＳＯＦＣという）が知られている。

このＳＯＦＣにおいては、以下に示すようなメリットがある。
まず、ダイレクト・メタノール型燃料電池等の固体高分子型燃料電池に比べ出力密度が高く、発電効率が高い。また、燃料ガスとして水素ガス以外に一酸化炭素やメタン等、炭化水素系全般をそのまま利用できる。さらに、作動温度が１０００℃程度と高いため、反応にＰｔ（白金）のように高価な触媒を利用せずに済む。

ところで、近年、ＳＯＦＣのセルに相当する試験片を用いて種々の特性試験が行われている。特性試験は、例えば特許文献１に示すような管状炉を備えた試験装置を用いて行われる。

ここで、図５に基づいて従来の試験装置の構成について説明する。図５は、従来における試験装置の概略構成図である。
同図に示すように、従来の試験装置１００は、管状炉１０１の軸方向一端側から挿入され燃料ガスが流通する第１セラミックチューブ１０２と、他端側から挿入され酸化ガスが流通する第２セラミックチューブ１０３と、各セラミックチューブ１０２，１０３の端面の間に挟み込まれた試験片１０４とを備えている。各セラミックチューブ１０２，１０３は、二重管構造となっており、その内管が燃料ガス及び酸化ガスがそれぞれ供給される供給路となっており、外管が反応後の燃料ガス及び酸化ガスの排ガスがそれぞれ排出される排出路となっている。また、セラミックチューブ１０３と試験片１０４との間は、パイレックスガラス（登録商標）１０５を溶融してシールされている。そして、管状炉１０１内を作動温度領域に保持した状態で、各セラミックチューブ１０２，１０３の供給路から試験片１０４に向けて燃料ガス及び酸化ガスをそれぞれ供給し（図５中矢印参照）、試験片１０４の特性を観察する。
特開平６−６６７１９号公報

しかしながら、上述した従来の試験装置１００にあっては、セラミックチューブ１０２，１０３と試験片１０４との間が、パイレックスガラス（登録商標）１０５を溶融してシールされているため、試験片１０４のメンテナンス等を行う際には、セラミックチューブ１０２，１０３を割って試験片１０４を取り出さなければならない。つまり、セラミックチューブ１０２，１０３と試験片１０４との間は、パイレックスガラス（登録商標）１０５により接着固定されているため、非破壊によるメンテナンスが不可能であり、メンテナンスを行う度にセラミックチューブ１０２，１０３を付け替えなければならないという問題がある。
また、パイレックスガラス（登録商標）１０５によるシールを行うには、セラミックチューブ１０２，１０３の端面を試験片１０４に突き当てて荷重をかけた状態で、パイレックスガラス（登録商標）１０５をバーナで加熱して溶融させる必要があり、作業が大変であるという問題がある。
さらに、セラミックチューブ１０２，１０３は、不透明の材質であり、試験片１０４に生じるクラックを検出することが難しいという問題がある。試験片１０４にクラックが生じていると、正確な測定ができない。

そこで、本発明は、上述した事情に鑑みてなされたものであって、メンテナンス性に優れ、取り扱いが容易な固体酸化物型燃料電池の試験片の特性試験を行う試験装置を提供するものである。

上記の課題を解決するために、請求項１に記載した発明は、固体酸化物型燃料電池の試験片（例えば、実施形態における試験片１０）の一方の電極（例えば、実施形態における空気極８）に第１の反応ガス（例えば、実施形態における酸化ガス）を供給する第１ガス供給路（例えば、実施形態における酸化ガス供給路４１）と、該一方の電極において前記第１の燃料ガスを反応させる第１反応室（例えば、実施形態における反応室４２）と、該一方の電極から前記第１の反応ガスの第１反応排ガスを排出する第１ガス排出路（例えば、実施形態における酸化ガス排出路４３）と、他方の電極（例えば、実施形態における燃料極７）に第２の反応ガス（例えば、実施形態における燃料ガス）を供給する第２ガス供給路（例えば、実施形態における燃料ガス供給路２１）と、該他方の電極において前記第２の反応ガスを反応させる第２反応室（例えば、実施形態における反応室２２）と、該他方の電極から前記第２の反応ガスの第２反応排ガスを排出する第２ガス排出路（例えば、実施形態における燃料ガス排出路２３）と、を備え、前記第１ガス供給路、前記第１反応室及び前記第１ガス排出路、並びに前記第２ガス供給路、前記第２反応室及び前記第２ガス排出路を、温度制御可能な管状炉（例えば、実施形態における管状炉１１）内に設けた、前記固体酸化物型燃料電池の試験片の特性試験を行う試験装置（例えば、実施形態における試験装置１）であって、前記管状炉の軸方向中央部に前記第１反応室及び前記第２反応室を配置し、前記第１反応室を間に挟んで軸方向一方側に前記第１ガス供給路、他方側に前記第１ガス排出路を配置し、前記第２反応室を間に挟んで軸方向一方側に前記第２ガス供給路、他方側に前記第２ガス排出路を配置し、前記第１反応室及び前記第２反応室を形成する反応室形成部材に、前記固体酸化物型燃料電池の試験片を支持可能な第１支持部（例えば、実施形態における反応室２２の端面２２ａ）及び第２支持部（例えば、実施形態における反応室４２の端面４２ａ）をそれぞれ設けたことを特徴とする。

請求項２に記載した発明は、前記管状炉に、前記第１支持部を備える前記第１反応室の前記反応室形成部材を前記管状炉の径方向一方から支持する第１支持部品と、前記第２支持部を備える前記第２反応室の前記反応室形成部材を前記管状炉の径方向他方向から支持する第２支持部品（例えば、実施形態における支持部材５２）と、を設け、前記第１支持部品に、前記第１支持部による前記試験片への支持荷重を調整可能な支持荷重調整装置（例えば、実施形態における支持荷重調整装置６０）を設けたことを特徴とする。

請求項３に記載した発明は、前記第１ガス供給路及び前記第１ガス排出路に、該第１ガス供給路及び第１ガス排出路内を封鎖可能な第１バルブ（例えば、実施形態におけるバルブ４８）及び第２バルブ（例えば、実施形態におけるバルブ４９）をそれぞれ設け、前記第２ガス供給路及び前記第２ガス排出路に、該第２ガス供給路及び第２ガス排出路内を封鎖可能な第３バルブ（例えば、実施形態におけるバルブ２７）及び第４バルブ（例えば、実施形態におけるバルブ２８）をそれぞれ設け、前記第１ガス供給路前記第１ガス排出路、または前記第２ガス供給路前記第２ガス排出路に、前記第１ガス供給路内もしくは前記第１ガス排出路内、または前記第２ガス供給路内もしくは前記第２ガス排出路内の圧力を測定可能な圧力検出装置（例えば、実施形態における圧力計２９，５０）を設け、該圧力検出装置により検出される圧力値に基づいて前記支持荷重調整装置の支持荷重を調整可能とされていることを特徴とする。

請求項４に記載した発明は、前記第１ガス供給路及び前記第１ガス供給路、前記第１反応室、前記第２ガス供給路、前記第２ガス排出路、前記第２反応室は、石英ガラスにより形成されていることを特徴とする。

請求項５に記載した発明は、前記支持荷重調整装置は、冷却ジャケット（例えば、実施形態における冷却ジャケット６２）を有し、該冷却ジャケット内の温度を調整可能な冷却装置（例えば、実施形態における冷却装置）に接続されていることを特徴とする。

請求項１，２に記載した発明によれば、第１支持部品と第２支持部品とにより、第１反応室と第２反応室とを、各反応室の間に試験片を挟みこんだ状態で管状炉の径方向に向けて支持することができる。これにより、第１反応室及び第２反応室、試験片の間をシールした状態で、第１反応室及び第２反応室、試験片をセットすることができる。この場合、第１支持部品に支持荷重調整装置を設けることで、第１反応室による試験片への支持荷重を調整することができる。つまり、熱膨張の差等により第１反応室及び第２反応室、試験片の間に隙間が生じた場合には、再び支持荷重調整装置により支持荷重を調整することで、第１反応室及び第２反応室、試験片の間を確実にシールすることができる。
このように、従来のようなパイレックスガラス（登録商標）により第１，２セラミックチューブと試験片とをシールする場合と異なり、第１反応室及び第２反応室、試験片間を接着固定する必要がない。つまり、各反応室を破壊することなく試験片を取り出すことができるため、試験片のメンテナンスを行う度に各部材を交換することがなく、試験装置のメンテナンス性を向上することができる。
また、支持荷重調整装置と第２支持部品との間に各反応室及び試験片を挟みこんだ状態で支持することができるため、各反応室と試験片との間をシールするために加熱を要せず、第１反応室及び第２反応室と試験片との間を確実にシールすることができる。これにより、各部材のセット作業を容易に行うことができる。
したがって、従来のようにパイレックスガラス（登録商標）を用いて第１，２セラミックチューブと試験片とをシールする場合に比べて、メンテナンス性を向上させ、取り扱いを容易にすることができる。また、第１反応室及び第２反応室、試験片の間を確実にシールすることができるため、高精度な試験結果を得ることができる。

請求項３に記載した発明によれば、第１ガス供給路及び第１ガス排出路に第１バルブ及び第２バルブをそれぞれ設けるとともに、第２ガス供給路及び第２ガス排出路に第３バルブ及び第４バルブをそれぞれ設け、第１ガス供給路または第１ガス排出路、もしくは第２ガス供給路または第２ガス排出路に圧力検出装置を設けることで、第１反応室または第２反応室における圧力リークを検出することができる。すなわち、各反応室を高圧にしてバルブを閉じた後に、圧力検出装置により圧力低下が検出された場合には、各反応室と試験片との間からガスの漏れがあると判断することができる。これにより、支持荷重調整装置による支持荷重を決定することができるため、第１反応室及び第２反応室、試験片の間を確実にシールすることができる。

上述したように、各反応室を破壊することなく試験片を取り出すことができるので、各反応室を再利用することができる。そのため、各反応室を高価な石英ガラスで構成することが可能になる。石英ガラスは透明材料であるため、請求項４に記載した発明によれば、各反応室の外部から内部を観察することができる。例えば、試験片にクラック等が生じている場合には、第１ガス供給路内が曇ることで試験片のクラックを検出することができる。したがって、メンテナンス性をより向上させることができる。

請求項５に記載した発明によれば、指示荷重調整装置が冷却ジャケットを備えているため、支持荷重調整装置を冷却することができ、支持荷重調整装置の焼き付きを防止することができる。

（試験装置）
次に、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。図１は試験装置の断面図であり、図２は試験装置の側面図である。
図１，２に示すように、試験装置１は、ＳＯＦＣの試験片１０の特性試験を行うものであって、有底筒状の管状炉１１を備えている。管状炉１１は、円筒部１２と、円筒部１２の軸方向両端を閉塞するように形成されたエンド部（端面）１３，１４とで構成されており、円筒部１２の軸方向と水平方向とが平行な状態（横型）で配置されている。この管状炉１１は、円筒部１２の軸方向に沿って上下方向で分割された上半部１５と下半部１６とで構成されている。そして、円筒部１２の外周壁における上半部１５と下半部１６との連結部分には、円筒部１２に対して着脱可能なバックル１７が設けられており、このバックル１７を取り外すことで上半部１５と下半部１６とを分割し、管状炉１１を開放できるようになっている。

円筒部１２には、その軸方向に沿って図示しないヒータが設けられている。このヒータは、一般的な管状炉と同様に形成されており、円筒部１２の内周壁に沿って螺旋状に形成されており、このヒータにより管状炉１１内の温度制御を行う。本実施形態では、管状炉１１内（例えば、管状炉１１の軸方向中央部）に例えば１０００度の均熱帯が形成される。また、両エンド部１３，１４には、上半部１５と下半部１６とに亘って、水平方向に直交する方向を長軸方向とした長円形の貫通孔１８，１９が形成されている。

管状炉１１内には、管状炉１１の下半部１６側に軸方向に沿って配置され燃料ガス（第２の反応ガス）が流通する燃料ガス流通系２０と、上半部１５側に軸方向に沿って配置され酸化ガス（第１の反応ガス）が流通する酸化ガス流通系４０と、燃料ガス流通系２０と酸化ガス流通系４０との間に挟みこまれた試験片１０とが設けられている。
燃料ガス流通系２０は、試験片１０に向けて燃料ガスを供給する燃料ガス供給路（第２ガス供給路）２１と、試験片１０の後述する燃料極７において燃料ガスを反応させる反応室２２（第２反応室）と、反応室２２内から燃料ガスの排ガスを排出する燃料ガス排出路（第２ガス排出路）２３とが連通可能に構成されている。

燃料ガス供給路２１は、耐熱性、低熱伝導率、透明等を有する構成材料として、例えば石英ガラス等からなる管状のものであり、一方のエンド部１３に形成された貫通孔１８の下半部１６側から挿通され、管状炉１１内を軸方向に沿って延在している。燃料ガス供給路２１の一端側（供給側）は、図示しない燃料ガスの供給源に接続されており、この供給源から水素、一酸化炭素、メタン等の燃料ガスが供給される。

燃料ガス供給路２１の他端側（排出側）には、管状炉１１の軸方向中央部の均熱帯において石英ガラス等からなる反応室２２が接続されている。この反応室２２は、上方に向けて開口部２４を有する有底筒状のものであり、その軸方向と管状炉１１の径方向とが一致した状態で配置されている。つまり、反応室２２の外周面に、燃料ガス供給路２１が接続されている。そして、反応室２２の内部は、燃料ガスと試験片１０とが反応する反応空間２５として構成されている。

一方、燃料ガス排出路２３は、燃料ガス供給路２１と同様に石英ガラス等からなる管状のものであり、反応室２２を間に挟んで燃料ガス供給路２１の反対側に接続されている。つまり、燃料ガス排出路２３は、反応室２２の外周面に接続され、管状炉１１の軸方向に沿って延在しており、他方のエンド部１４に形成された貫通孔１９の下半部１６側から引き出されている。そして、反応空間２５内で反応した燃料ガスの排ガスが、燃料ガス排出路２３を通って管状炉１１外部へ送り出されるようになっている。また、反応室２２における外周面の上部には、外周面を囲むようにカラー２６が設けられている。このカラー２６は、反応室２２の上部周縁から軸方向に沿って突出するように形成されている。

酸化ガス流通系４０は、試験片１０に向けて酸化ガスを供給する酸化ガス供給路（第１ガス供給路）４１と、試験片１０の後述する空気極８において酸化ガスを反応させる反応室４２（第１反応室）と、反応室４２内から酸化ガスの排ガスを排出する酸化ガス排出路（第１ガス排出路）４３とが連通可能に構成されている。
酸化ガス供給路４１は、上述した燃料ガス供給路２１と同様に石英ガラス等からなる管状のものであり、一方のエンド部１３に形成された貫通孔１８の上半部１５側から挿通され、管状炉１１内を軸方向に沿って延在している。酸化ガス供給路４１の一端側は、図示しない酸化ガスの供給源に接続されており、この供給源から空気や酸素等の酸化ガスが供給される。

酸化ガス供給路４１の他端側には、管状炉１１の軸方向中央部において石英ガラス等からなる反応室４２が接続されている。この反応室４２は、下方に向けて開口部４４を有する有底筒状のものであり、その軸方向と管状炉１１の径方向とが一致した状態で配置されている。つまり、反応室４２の開口部４４と上述した反応室２２の開口部２４とは、対向した状態で配置されている。そして、反応室４２の内部は、酸化ガスと試験片１０とが反応する反応空間４５として構成されている。

一方、酸化ガス排出路４３は、酸化ガス供給路４１と同様に石英ガラス等からなる管状のものであり、反応室４２を間に挟んで酸化ガス供給路４１の反対側に接続されている。つまり、酸化ガス排出路４３は、反応室４２の外周面に接続され、管状炉１１の軸方向に沿って延在しており、他方のエンド部１４に形成された貫通孔１９の上半部１５側から引き出されている。そして、反応空間４５で反応した酸化ガスの排ガスが、酸化ガス排出路４３を通って管状炉１１外部へ送り出されるようになっている。なお、エンド部１３の貫通孔１８における燃料ガス供給路２１と酸化ガス供給路４１との間や、エンド部１４の貫通孔１９における燃料ガス排出路２３と酸化ガス排出路４３との間の隙間には、グラスウール等の断熱材（不図示）が充填されている。

上述した燃料ガス流通系２０における燃料ガス供給路２１及び燃料ガス排出路２３には、燃料ガス流通系２０（燃料ガス供給路２１から燃料ガス排出路２３に至るまで）内を封鎖可能なバルブ（第３バルブ及び第４バルブ）２７，２８が設けられている。そして、燃料ガス排出路２３には、圧力計（圧力検出装置）２９が接続されており、燃料ガス流通系２０内の圧力を検出できるようになっている。
同様に、上述した酸化ガス流通系４０における酸化ガス供給４１路及び酸化ガス排出路４３には、酸化ガス流通系４０（酸化ガス供給路４１から酸化ガス排出路４３に至るまで）内を封鎖可能なバルブ（第１バルブ及び第２バルブ）４８，４９が設けられている。そして、酸化ガス排出路４３には、圧力計（圧力検出装置）５０が接続されており、酸化ガス流通系４０内の圧力を検出できるようになっている。

ここで、反応室４２の開口部４４側は、反応室２２と反応室４２との間にＳＯＦＣの試験片１０を挟んだ状態で、反応室２２に形成されたカラー２６内に収容されている。具体的には、反応室２２の開口部２４側の端面（第１支持部）２２ａと、反応室４２の開口部４４側の端面（第２支持部）４２ａとが、試験片１０の表裏面における外周部分にそれぞれ突き当てられることで、試験片１０が支持されている。なお、本試験装置の試験片１０は、直径２ｃｍ程度の円板形状のものであり、ＹＳＺ（Ｙｔｔｒｉａ Ｓｔａｂｉｌｉｚｅｄ Ｚｉｒｃｏｎｉａ）等からなる固体電解質膜９と、この固体電解質膜９を表裏面から挟むように空気極８と、燃料極７とを備えている。なお、空気極８の形成材料としては、例えばガドリニウム系の材料とＹＳＺとの焼結体が用いられる。一方、燃料極７の形成材料としては、例えばニッケルとＹＳＺとの焼結体が用いられる。

また、反応室２２の底面側には、セラミック等からなり、反応室２２を管状炉１１の径方向に支持する支持部材（第２支持部品）５２が設けられている。この支持部材５２は、管状炉１１の円筒部１２の下方に設けられたベース部材５３を備えている。このベース部材５３は、平板状に形成されており、その表面からは円柱形状の支持部５４が立設されている。この支持部５４は、円筒部１２に形成された貫通孔５１を貫通して、径方向内側に向けて延出しており、反応室２２の底部に当接している。つまり、支持部５４の上面と反応室２２の底面とが当接することで、反応室２２が管状炉１１の径方向に支持されている。

一方、反応室４２の底面（上面）側には、支持荷重調整装置６０が設けられている。この支持荷重調整装置６０は、ネジ調整機構６１と冷却ジャケット６２とで構成されている。ネジ調整機構６１は、反応室４２の軸方向上方であって、円筒部１２の外壁に固定されたベース部６３を備えている。このベース部６３は、軸方向に貫通孔６４を有する円柱形状のものである。ベース部６３の貫通孔６４の内周面には、螺旋状の雌ねじ溝（不図示）が形成されている。貫通孔６４の雌ネジ溝には、外周面に螺旋状の雄ネジ溝が形成されたネジ６５が螺合されている。このネジ６５の一端側は、円筒部１２に形成された貫通孔６６を貫通しており、円筒部１２内に配置された当接部６７に接続されている。この当接部６７は、円板形状のものであり、その外径が反応室４２の底面と略同径に形成されている。

ネジ６５の他端には、円板状の締結ハンドル６８が設けられている。この締結ハンドル６８は、ネジ６５をその軸線方向に移動させるものであって、締結ハンドル６８を回転させることで貫通孔６４の雌ネジ溝に螺合されたネジ６５を上昇させたり、下降させたりするものである。つまり、ネジ６５の締結方向に締結ハンドル６８を回転させることにより、ネジ６５が下降してネジ６５の一端側に設けられた当接部６７の下面が、反応室４２の底面に当接する。これにより、ネジ調整機構６１は、反応室２２に対して軸方向に向けて支持荷重を作用させるようになっている。つまり、反応室２２及び試験片１０、反応室４２は、当接部６７の下面と上述した支持部材５２の支持部５４の上面との間で、管状炉１１の径方向に挟みこまれた状態で支持されている。そして、締結ハンドル６８を回転させてネジ６５の締結力を調整することで、反応室４２の軸方向に作用させる支持荷重を調整することができる。

ベース部６３の内部には、貫通孔６４を取り囲むように空間部が設けられている。この空間部は、その内部に冷却媒体Ｗが流通しており、ここが冷却ジャケット６２として構成されている。冷却ジャケット６２は、貫通孔６４に形成された雌ネジ溝とネジ６５に形成された雄ネジ溝との焼き付きを防止するためのものであって、図示しない冷却装置に接続されている。この冷却装置からは、冷却ジャケット６２内に向けて水や冷却液等の冷却媒体Ｗが供給されるとともに、冷却ジャケット６２からは、ベース部６３と熱交換が行われた冷却媒体Ｗが冷却装置に向けて排出される。つまり、冷却ジャケット６２と冷却装置との間で、冷却媒体Ｗが循環可能に構成されており、冷却ジャケット６２内の温度を調整可能に構成されている。

（特性試験方法）
次に、図１〜４に基づいて、ＳＯＦＣの試験片の特性試験方法について説明する。まず、本実施形態における試験装置の組立手順について説明する。図３，４は、試験装置の組立手順を示す工程図である。
図３に示すように、まず管状炉１１を開放した状態、つまり、上半部１５を取り外した状態で下半部１６内に燃料ガス流通系２０をセットする。具体的には、下半部１６の貫通孔１８，１９内に、燃料ガス供給路２１及び燃料ガス排出路２３を収容するとともに、支持部材５２の支持部５４の上面と反応室２２の底面とを当接させた状態でセットする。燃料ガス流通系２０のセットが完了したら、反応室２２のカラー２６内に試験片１０を収容する。

試験片１０のセットが完了したら、次に、図４に示すように、酸化ガス流通系４０をセットする。具体的には、酸化ガス流通系４０の反応室４２を反応室２２のカラー２６内に収容するようにセットする。そして、反応室４２の開口部４４の端面４２ａと反応室２２の開口部２４の端面２２ａとの間に、試験片１０を挟みこむ。
酸化ガス流通系４０のセットが完了したら、続いて、酸化ガス流通系４０の上方から酸化ガス流通系４０を覆うように、管状炉１１の上半部１５をセットする。具体的には、上半部の貫通孔１８，１９内に、酸化ガス流通系４０の酸化ガス供給路４１及び酸化ガス排出路４３を収容するように装着する。そして、上半部１５をセットしたら、上半部１５と下半部１６とをバックル１７にて連結する。これにより、管状炉１１のセットが完了する。

ここで、管状炉１１のセットが完了したら、反応室２２と反応室４２に支持荷重を加え、反応室２２及び反応室４２と試験片１０との間をシールする。具体的には、ネジ調整機構６１の締結ハンドル６８を回転させてネジ６５を下降させ（図４中矢印Ｓ参照）、ネジ６５の先端に設けられた当接部６７を反応室４２の底面（上面）に当接させる。これにより、反応室２２及び反応室４２、試験片１０は、その軸方向に支持荷重が作用し、支持部材５２の支持部５４とネジ調整機構６１の当接部６７との間に挟みこまれた状態になる。よって、反応室２２及び反応室４２、試験片１０の間がシールされる。
これにより、試験装置１の組立が完了する（図１，２参照）。

また、特性試験後に試験片のメンテナンスを行う場合には、上述した試験装置１の組立方法と逆の手順で酸化ガス流通系４０等を取り外していく。つまり、従来のようなパイレックスガラス（登録商標）１０５により第２セラミックチューブ１０３と試験片１０４とをシールする場合（図５参照）と異なり、各反応室２２，４２と試験片１０との間を接着固定する必要がない。

次に、図１に基づいて本実施形態における特性試験方法について説明する。
まず、管状炉１１のヒータを作動させ、管状炉１１内を加熱するとともに、支持荷重調整装置６０の冷却ジャケットに冷却媒体Ｗを供給する。なお、管状炉１１内を加熱すると、管状炉１１の軸方向中央部には約１０００度の均熱帯が形成される。次に、図示しない燃料ガス及び酸化ガスの供給源から、燃料ガス供給路２１及び酸化ガス供給路４１のそれぞれに向けて燃料ガス及び酸化がスを供給する。なお、燃料ガス及び酸化ガスの供給圧は、大気圧より若干高く設定することが好ましい。

ところで、管状炉１１内が高温に保持されると、各部材の熱膨張の差により、反応室２２及び反応室４２、試験片１０の間に隙間が生じ、燃料ガスまたは酸化ガスが漏れる虞がある。

そこで、本実施形態では、燃料ガス流通系２０（反応室２２）及び酸化ガス流通系４０（反応室４２）内の圧力リークを、圧力計２９，５０により検出することができる。すなわち、各反応室２２，４２内を高圧にしてバルブ２７，２８，４８，４９を閉じた後に、圧力計２９，５０により圧力低下が検出された場合には、各反応室２２，４２と試験片１０との間からガスの漏れがあると判断することができる。これにより、ネジ調整機構６１による支持荷重を決定することができるため、反応室２２及び第２反応室４２、試験片１０の間を確実にシールすることができる。なお、圧力リークの測定は、試験開始時や、長時間使用時等、定期的に行うことが好ましい。

試験装置１による特性試験を開始すると、供給源から供給された燃料ガス及び酸化ガスは、燃料ガス供給路２１及び酸化ガス供給路４１を通って反応室２２及び反応室４２に供給される。すると、反応室４２の空気極８で発生した酸素イオンが、固体電解質膜９を透過して反応室２２の燃料極７まで移動する。そして、燃料極７まで移動した酸素イオンが、燃料極７で燃料ガスと反応する際に、電子を放出することで発電が行われる。反応室４２において発電に供された酸化ガスの排ガスは、酸化ガス排出路４３を通って希釈器に供給される。一方、反応室２２で発電に供された燃料ガスの排ガスは、燃料ガス排出路２３を通って希釈器に供給される。

このように、本実施形態では、管状炉１１の軸方向中央部に反応室２２及び反応室４２を配置し、反応室２２を間に挟んで軸方向一方側に燃料ガス供給路２１、他方側に燃料ガス排出路２３を配置するとともに、反応室４２を間に挟んで軸方向一方側に酸化ガス供給路４１、他方側に酸化ガス排出路４３を配置し、反応室２２の端面２２ａと反応室４２の端面４２ａとの間に試験片１０を挟みこむような構成とした。そして、管状炉１１に、反応室４２を管状炉１１の径方向一方から支持する支持荷重調整装置６０と、反応室２２を管状炉１１の径方向他方向から支持する支持部材５２と、を設け、これら支持荷重調整装置６０と支持部材５２との間で各反応室２２，４２及び試験片１０を挟み込んで支持する構成とした。

この構成によれば、支持荷重調整装置６０と支持部材５２とにより、反応室２２と反応室４２とを、管状炉１１の径方向に向けて挟みこむことにより、反応室２２と反応室４２との間に試験片１０を挟みこんだ状態で支持することができる。これにより、反応室２２及び反応室４２と試験片１０との間をシールした状態で、反応室２２及び反応室４２、試験片１０をセットすることができる。この場合、支持荷重調整装置６０のネジ調整機構６１のネジ６５を締結することで、反応室２２による試験片１０への支持荷重を調整することができる。つまり、熱膨張の差等により反応室２２及び反応室４２、試験片１０の間に隙間が生じた場合には、再びネジ６５を締結することで、反応室２２及び反応室４２、試験片１０の間を確実にシールすることができる。
このように、従来のようなパイレックスガラス（登録商標）１０５により第１，２セラミックチューブ１０２，１０３と試験片１０４とをシールする場合（図５参照）と異なり、各反応室２２，４２と試験片１０との間を接着固定する必要がない。これにより、燃料ガス流通系２０及び酸化ガス流通系４０と試験片１０とをそれぞれ破壊せずに分解することができるため、各反応室２２，４２を非破壊により試験片１０を取り出すことができる。そのため、試験片１０のメンテナンスを行う度に第１流通系２０及び第２流通系４０を交換することがなく、試験装置１のメンテナンス性を向上することができる。

また、支持荷重調整装置６０と支持部材５２との間に各反応室２２，４２及び試験片２０を挟みこんだ状態で支持することができるため、各反応室２２，４２と試験片２０との間をシールするために加熱を要せず、反応室２２及び反応室４２と試験片１０との間を確実にシールすることができる。これにより、各部材のセット作業を容易に行うことができる。

さらに、ネジ調整機構６１のベース部６３に冷却ジャケット６２を備えたため、ネジ６５とベース部６３とを冷却することができ、ネジ６５とベース部６３との焼き付きを防止することができる。また、締結ハンドル６８も冷却されるため、特性試験中においても締結ハンドル６８が操作し易くなる。

ところで、従来の試験装置１００にあっては、図５に示すように、ガスの流通系として第１，２セラミックチューブ１０２，１０３を用いていたため、これら第１，２セラミックチューブ１０２，１０３内を確認することができなかった。つまり、試験片１０４にクラック等が生じた場合であっても、試験片１０４をメンテナンスする際まで気付かずに使用することがあり、適切な試験結果が得られないという問題がある。
これに対して、本実施形態の試験装置１にあっては、上述したように、各反応室２２，４２を破壊することなく試験片１０を取り出すことができるので、各反応室２２，４２を再利用することができる。そのため、各反応室２２，４２を高価な石英ガラスで構成することが可能になる。石英ガラスは透明材料であるため、各反応室２２，４２の外部から内部を観察することができる。例えば、試験片１０にクラック等が生じている場合には、燃料ガス供給路２１内が曇ることで試験片１０のクラックを検出することができる。そして、試験片１０のクラックが生じた場合には、試験装置１を分解して速やかに試験片１０を交換することができる。したがって、メンテナンス性をより向上させることができる。

したがって、従来のようにパイレックスガラス（登録商標）１０５を用いて第１，２セラミックチューブ１０２，１０３と試験片１０４とをシールする場合（図５参照）に比べて、メンテナンス性を向上させ、取り扱いを容易にすることができる。また、反応室２２及び反応室４２、試験片１０の間を確実にシールすることができるため、高精度な試験結果を得ることができる。

なお、本発明の技術範囲は、上述した実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において、上述した実施形態に種々の変更を加えたものを含む。すなわち、上述した実施形態で挙げた構成等はほんの一例に過ぎず、適宜変更が可能である。
例えば、上述の実施形態では、燃料ガス流通系及び酸化ガス流通系を全て石英ガラスで構成してある場合について説明したが、これに限られることなく種々の材料を用いることが可能である。この場合、耐熱性に加え、透明性に優れ、かつ低熱伝導性の材料であることが好ましい。
また、支持荷重調整装置としてネジ調整機構による構成について説明したが、これに限らず、第１反応室と第２反応室との軸方向に向けて加重を作用させる構成であれば、適宜設計変更が可能である。

本発明の実施形態における試験装置の断面図である。 本発明の実施形態における試験装置の断面図である。 本発明の実施形態における試験装置の組立手順を示す工程図である。 本発明の実施形態における試験装置の組立手順を示す工程図である。 従来における試験装置の断面図である。

符号の説明

１…試験装置 ７…燃料極（他方の電極） ８…空気極（一方の電極） １１…管状炉 １０…試験片 ２１…燃料ガス供給路（第２ガス供給路） ２２…反応室（第２反応室） ２３…燃料ガス排出路（第２ガス排出路） ２７，２８，４８，４９…バルブ（第１〜第４のバルブ） ２９，５０…圧力計（圧力検出装置） ４１…酸化ガス供給路（第１ガス供給路） ４２…反応室（第１反応室） ４３…酸化ガス排出路（第１ガス排出路） ５２…支持部材（第２支持部品） ６０…支持荷重調整装置（第１支持部品） ６２…冷却ジャケット

Claims (5)

1. 固体酸化物型燃料電池の試験片の一方の電極に第１の反応ガスを供給する第１ガス供給路と、該一方の電極において前記第１の燃料ガスを反応させる第１反応室と、該一方の電極から前記第１の反応ガスの第１反応排ガスを排出する第１ガス排出路と、
   他方の電極に第２の反応ガスを供給する第２ガス供給路と、該他方の電極において前記第２の反応ガスを反応させる第２反応室と、該他方の電極から前記第２の反応ガスの第２反応排ガスを排出する第２ガス排出路と、を備え、
   前記第１ガス供給路、前記第１反応室及び前記第１ガス排出路、並びに前記第２ガス供給路、前記第２反応室及び前記第２ガス排出路を、温度制御可能な管状炉内に設けた、前記固体酸化物型燃料電池の試験片の特性試験を行う試験装置であって、
   前記管状炉の軸方向中央部に前記第１反応室及び前記第２反応室を配置し、前記第１反応室を間に挟んで軸方向一方側に前記第１ガス供給路、他方側に前記第１ガス排出路を配置し、
   前記第２反応室を間に挟んで軸方向一方側に前記第２ガス供給路、他方側に前記第２ガス排出路を配置し、
   前記第１反応室及び前記第２反応室を形成する反応室形成部材に、前記固体酸化物型燃料電池の試験片を支持可能な第１支持部及び第２支持部をそれぞれ設けたことを特徴とする試験装置。
2. 前記管状炉に、前記第１支持部を備える前記第１反応室の前記反応室形成部材を前記管状炉の径方向一方から支持する第１支持部品と、
   前記第２支持部を備える前記第２反応室の前記反応室形成部材を前記管状炉の径方向他方向から支持する第２支持部品と、を設け、
   前記第１支持部品に、前記第１支持部による前記試験片への支持荷重を調整可能な支持荷重調整装置を設けたことを特徴とする請求項１記載の試験装置。
3. 前記第１ガス供給路及び前記第１ガス排出路に、該第１ガス供給路及び第１ガス排出路内を封鎖可能な第１バルブ及び第２バルブをそれぞれ設け、
   前記第２ガス供給路及び前記第２ガス排出路に、該第２ガス供給路及び第２ガス排出路内を封鎖可能な第３バルブ及び第４バルブをそれぞれ設け、
   前記第１ガス供給路もしくは前記第１ガス排出路、または前記第２ガス供給路もしくは前記第２ガス排出路に、前記第１ガス供給路内もしくは前記第１ガス排出路内、または前記第２ガス供給路内もしくは前記第２ガス排出路内の圧力を測定可能な圧力検出装置を設け、
   該圧力検出装置により検出される圧力値に基づいて前記支持荷重調整装置の支持荷重を調整可能とされていることを特徴とする請求項２記載の試験装置。
4. 前記第１ガス供給路及び前記第１ガス供給路、前記第１反応室、前記第２ガス供給路、前記第２ガス排出路、前記第２反応室は、石英ガラスにより形成されていることを特徴とする請求項１から請求項３の何れか１項に記載の試験装置。
5. 前記支持荷重調整装置は、冷却ジャケットを有し、該冷却ジャケット内の温度を調整可能な冷却装置に接続されていることを特徴とする請求項２または請求項３に記載の試験装置。

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