JP2010249629A - Nondestructive inspection device for solid oxide fuel cell - Google Patents

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稚子 荒木
Tadaharu Adachi
忠晴 足立
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To solve the problems in a conventional nondestructive inspection device, wherein inspection takes up much space and is expensive, since an X-ray diffraction stress measuring instrument is large-scaled, and it is difficult to keep on applying X-rays to a solid oxide fuel cell at all times and detect an anomaly, while the fuel cell is in operation. <P>SOLUTION: A nondestructive inspection device includes a waveform generator 21, a piezoelectric vibrator 22, a piezoelectric transducer 24, a waveform analyzer 23, an analysis means, and a detection means. Vibration of a unit cell 1 due to the piezoelectric vibrator 22 is detected by the piezoelectric transducer 24 and is output to the waveform analyzer 23. Finite element software constitutes the analysis means for analyzing the characteristic frequency of the a unit cell 1. An electronic computer with the element software installed therein constitutes the detection means for detecting an anomaly produced inside a sample, by identifying the characteristics of the specimen through comparison of the characteristic frequency analyzed by the analysis means, with the resonance frequency measured by the piezoelectric transducer 24 and the waveform analyzer 23. <P>COPYRIGHT: (C)2011,JPO&INPIT

Description

本発明は、固体酸化物型燃料電池の内部に生じる異常を共振法を用いて非破壊的に検出する非破壊検査装置に関するものである。   The present invention relates to a nondestructive inspection apparatus that nondestructively detects an abnormality occurring inside a solid oxide fuel cell using a resonance method.

従来、この種の非破壊検査装置としては、例えば、特許文献1に開示されるようなX線回折を用いた応力測定方法などにより、試料中の残留応力を測定して試料内部の異常を検出するものがある。特許文献1に開示された応力測定方法では、窒化アルミニウム焼結体に特性X線を照射し、回折ピークの回折角度の変化を調べることにより、窒化アルミニウム焼結体の微少部の残留応力を、非破壊的にかつ正確に測定することを可能にしている。   Conventionally, as this type of non-destructive inspection apparatus, for example, a stress measurement method using X-ray diffraction as disclosed in Patent Document 1 is used to measure residual stress in a sample and detect abnormalities inside the sample. There is something to do. In the stress measurement method disclosed in Patent Document 1, the residual stress of the minute portion of the aluminum nitride sintered body is determined by irradiating the characteristic nitrided X-rays on the aluminum nitride sintered body and examining the change in the diffraction angle of the diffraction peak. It enables non-destructive and accurate measurement.

また、従来、この種の非破壊検査装置としては、試料内部に亀裂などが発生したときに生じる弾性波をアコースティックエミッションを用いて検知することにより、試料内部の異常を非破壊的に検出するものもある。   Conventionally, this type of non-destructive inspection device detects non-destructive abnormalities inside a sample by detecting acoustic waves generated when cracks occur inside the sample using acoustic emission. There is also.

特開平5−79926号公報JP-A-5-79926

しかしながら、特許文献1に開示されたX線回折を用いた上記従来の非破壊検査装置は、X線回折応力測定装置が大掛かりなものとなるため、検査に場所をとり、また、高価なものとなる。また、測定対象物の使用中、つまり、固体酸化物型燃料電池の稼働中に、X線を常時照射し続けて異常を検出することは困難である。また、高温下やガス雰囲気中ではX線回折応力測定装置が使用できないため、高温下やガス雰囲気中に置かれた試料の異常を検出することはできない。   However, since the conventional non-destructive inspection apparatus using X-ray diffraction disclosed in Patent Document 1 requires a large X-ray diffraction stress measurement apparatus, the inspection takes a lot of space and is expensive. Become. Further, it is difficult to detect an abnormality by constantly irradiating X-rays while using the measurement object, that is, during operation of the solid oxide fuel cell. In addition, since the X-ray diffraction stress measuring apparatus cannot be used at high temperatures or in a gas atmosphere, it is impossible to detect abnormalities in a sample placed at high temperatures or in a gas atmosphere.

また、上記従来のアコースティックエミッションを用いた非破壊検査装置は、アコースティックエミッションが受動的測定法であるため、試料に大きな異常が生じない限り異常の検知は難しく、試料の異常を早期に発見することが困難である。   In addition, since the conventional non-destructive inspection equipment using acoustic emission is a passive measurement method, it is difficult to detect an abnormality unless a large abnormality occurs in the sample. Is difficult.

本発明はこのような課題を解決するためになされたもので、
空気を供給する空気極で生成されるイオンを電池燃料を供給する燃料極へ伝える電解質が燃料極および空気極間に設けられて構成される固体酸化物型燃料電池のユニットセルからなる試料に接触して試料を加振する加振手段と、
この加振手段によって試料に発生した共振振動の共振周波数を試料に接触して測定する測定手段と、
試料の固有振動数を解析する解析手段と、
この解析手段で解析された固有振動数と測定手段によって測定された共振周波数とを比較して試料の特性を同定することにより、試料の内部に生じる異常を検出する検出手段と
を備えて、固体酸化物型燃料電池の非破壊検査装置を構成した。
The present invention has been made to solve such problems,
Contact with a sample consisting of a unit cell of a solid oxide fuel cell in which an electrolyte that transmits ions generated at an air electrode that supplies air to the fuel electrode that supplies battery fuel is provided between the fuel electrode and the air electrode And vibration means for vibrating the sample,
Measuring means for measuring the resonance frequency of the resonance vibration generated in the sample by the vibration means in contact with the sample;
Analysis means for analyzing the natural frequency of the sample;
A detection means for detecting an abnormality occurring in the sample by comparing the natural frequency analyzed by the analysis means and the resonance frequency measured by the measurement means to identify the characteristics of the sample, and a solid A non-destructive inspection device for oxide fuel cells was constructed.

この構成によれば、解析手段で解析された固有振動数と測定手段によって測定された共振周波数とを比較して試料の特性を同定することにより、試料の特性が既知である場合に、試料の内部に生じる異常、例えば、亀裂や剥離等の欠陥、残留応力や熱応力等の内部応力などを簡便に短時間で非破壊的に検出することができる。これらの欠陥や内部応力は、固体酸化物型燃料電池の性能低下や、破壊、事故の原因となる。   According to this configuration, when the characteristic of the sample is known by comparing the natural frequency analyzed by the analyzing means and the resonance frequency measured by the measuring means to identify the characteristic of the sample, Abnormalities that occur inside, for example, defects such as cracks and delamination, internal stresses such as residual stress and thermal stress, etc. can be detected easily and non-destructively in a short time. These defects and internal stress cause deterioration in performance, destruction, and accidents of the solid oxide fuel cell.

また、試料を超音波等を用いて加振することにより試料の特性を同定できるので、X線回折応力測定装置のように装置が大掛かりになることもなく、検査に場所をとらずにしかも安価に固体酸化物型燃料電池の非破壊検査を行うことができる。また、様々なサイズ、形状の試料について非破壊検査を行うことができる。また、X線を試料に常時照射することなく、単に試料を加振することで非破壊検査を行えるので、試料の稼働中においても、また、試料が高温下やガス雰囲気中に置かれていても、非破壊検査を行うことができる。   In addition, since the characteristics of the sample can be identified by vibrating the sample using ultrasonic waves etc., the apparatus does not become large like the X-ray diffraction stress measurement device, and it does not take up a lot of space for inspection. In addition, nondestructive inspection of solid oxide fuel cells can be performed. In addition, non-destructive inspection can be performed on samples of various sizes and shapes. In addition, since non-destructive inspection can be performed by simply oscillating the sample without always irradiating the sample with X-rays, the sample is placed under high temperature or in a gas atmosphere even while the sample is in operation. Can also perform non-destructive inspection.

また、本発明は、試料が、複数のユニットセルからなる固体酸化物型燃料電池のスタックであり、加振手段が、試料の稼働中において、試料を加振することを特徴とする。   Further, the present invention is characterized in that the sample is a stack of solid oxide fuel cells composed of a plurality of unit cells, and the vibration means vibrates the sample while the sample is in operation.

この構成によれば、複数のユニットセルからなる固体酸化物型燃料電池のスタックからなる試料を、その稼働中に加振手段によって加振することにより、試料の稼働中にその特性を同定することができる。このため、固体酸化物型燃料電池の稼働中においてその内部状態を常時監視することができ、その内部に生じる異常を早期に発見し、稼働中の固体酸化物型燃料電池が故障して停止に至る以前に対策を講じることが可能になる。   According to this configuration, the characteristics of the sample consisting of a stack of solid oxide fuel cells composed of a plurality of unit cells are identified during the operation of the sample by exciting the sample with the vibration means during the operation. Can do. For this reason, the internal state of the solid oxide fuel cell can be constantly monitored, the abnormality occurring in the interior can be detected early, and the operating solid oxide fuel cell can be stopped due to failure. It will be possible to take measures before it reaches.

本発明によれば、上記のように、解析手段で解析された固有振動数と測定手段によって測定された共振周波数とを比較して試料の特性を同定することにより、試料の特性が既知である場合に、試料の内部に生じる異常を簡便に短時間で非破壊的に検出することができる。   According to the present invention, as described above, the characteristic of the sample is known by comparing the natural frequency analyzed by the analyzing means and the resonance frequency measured by the measuring means to identify the characteristic of the sample. In this case, an abnormality occurring inside the sample can be detected easily and non-destructively in a short time.

(a)は、本発明の一実施の形態による非破壊検査装置で固体酸化物型燃料電池のユニットセルを検査する際の構成の概略を示す図、(b)は、本発明の一実施の形態による非破壊検査装置で固体酸化物型燃料電池のスタック構造を検査する際の構成の概略を示す図である。(A) is a figure which shows the outline of the structure at the time of inspecting the unit cell of a solid oxide fuel cell with the nondestructive inspection apparatus by one embodiment of this invention, (b) is one implementation of this invention It is a figure which shows the outline of a structure at the time of test | inspecting the stack structure of a solid oxide fuel cell with the nondestructive inspection apparatus by a form. 図1に示す固体酸化物型燃料電池のユニットセルの動作の概略を示す図である。It is a figure which shows the outline of operation | movement of the unit cell of the solid oxide fuel cell shown in FIG. (a)は、図1に示す固体酸化物型燃料電池を構成する電解質の結晶構造、(b)は、その電解質におけるイオン伝導機構の概略を示した図である。(A) is the crystal structure of the electrolyte which comprises the solid oxide fuel cell shown in FIG. 1, (b) is the figure which showed the outline of the ion conduction mechanism in the electrolyte. 図1に示す固体酸化物型燃料電池のユニットセルの有限要素ソフトを用いた固有値解析の結果を示すグラフである。It is a graph which shows the result of the eigenvalue analysis using the finite element software of the unit cell of the solid oxide fuel cell shown in FIG.

次に、本発明を実施するための形態について説明する。   Next, the form for implementing this invention is demonstrated.

図1(a)は、本発明の一実施の形態による非破壊検査装置の構成の概略を示す図である。本実施形態では、この非破壊検査装置は、固体酸化物型燃料電池を構成するユニットセル1の製品の非破壊検査に用いられ、ユニットセル1を試料とする。   Fig.1 (a) is a figure which shows the outline of a structure of the nondestructive inspection apparatus by one embodiment of this invention. In this embodiment, this nondestructive inspection apparatus is used for nondestructive inspection of the product of the unit cell 1 which comprises a solid oxide fuel cell, and uses the unit cell 1 as a sample.

非破壊検査装置は、波形発生器21、圧電振動子22、圧電変換子24、波形分析器23、並びに後述する解析手段および検出手段から成る。   The nondestructive inspection apparatus includes a waveform generator 21, a piezoelectric vibrator 22, a piezoelectric transducer 24, a waveform analyzer 23, and analysis means and detection means described later.

波形発生器21および圧電振動子22は、ユニットセル1の試料に接触して試料を加振する加振手段を構成している。圧電振動子22は、圧電材料からできており、波形発生器21から出力される電気信号波形に従って振動し、接触するユニットセル1に振動を加える。圧電変換子24は、圧電振動子22により発生したユニットセル1の振動を検出し、圧電材料によりこの振動を電気信号に変換して波形分析器23へ出力する。   The waveform generator 21 and the piezoelectric vibrator 22 constitute a vibrating means that vibrates the sample by contacting the sample of the unit cell 1. The piezoelectric vibrator 22 is made of a piezoelectric material, vibrates according to the electric signal waveform output from the waveform generator 21, and applies vibration to the unit cell 1 that is in contact therewith. The piezoelectric transducer 24 detects the vibration of the unit cell 1 generated by the piezoelectric vibrator 22, converts the vibration into an electric signal by the piezoelectric material, and outputs the electric signal to the waveform analyzer 23.

波形分析器23は、圧電変換子24から入力した電気信号からユニットセル1の振動波形を検出する。そして、検出した試料の振動波形を自動的に記録する。圧電変換子24および波形分析器23は、加振手段によって試料に発生した共振振動の共振周波数を試料に接触して測定する測定手段を構成している。なお、試料の固有振動数と等しい周波数が試料に加えられた場合に、その振幅が大きくなって共鳴状態となり、共振周波数が測定される。なお、加速度センサを用いて試料の振動を検出する構成であってもよい。   The waveform analyzer 23 detects the vibration waveform of the unit cell 1 from the electrical signal input from the piezoelectric transducer 24. Then, the detected vibration waveform of the sample is automatically recorded. The piezoelectric transducer 24 and the waveform analyzer 23 constitute measurement means for measuring the resonance frequency of the resonance vibration generated in the sample by the vibration means in contact with the sample. When a frequency equal to the natural frequency of the sample is applied to the sample, the amplitude increases and the resonance state is obtained, and the resonance frequency is measured. In addition, the structure which detects the vibration of a sample using an acceleration sensor may be sufficient.

上記の非破壊検査装置の測定対象物であるユニットセル1は、電池燃料を水素(H)として供給する平板状の燃料極2と、空気を酸素(O)として供給する平板状の空気極4と、この空気極4で生成される酸素イオン(O2−)を燃料極2へ伝える、燃料極2および空気極4間に設けられた平板状の電解質3とから構成される。電解質3は、後述する結晶構造をした、8mol%のイットリア(Y)が添加された安定化ジルコニア(ZrO)から成る。燃料極2は、ニッケルや、ニッケルと安定化ジルコニアとの混合物であるサーメット等から成る。空気極4は、電子伝導性を持つLaMnOもしくはLaCoO、または、これらのLaの一部をSr、Ca等に置換したペロブスカイト型酸化物(LSM)等から成る。 The unit cell 1 that is a measurement object of the nondestructive inspection apparatus includes a flat fuel electrode 2 that supplies battery fuel as hydrogen (H 2 ), and a flat air that supplies air as oxygen (O 2 ). The electrode 4 is composed of a flat electrolyte 3 provided between the fuel electrode 2 and the air electrode 4, which transmits oxygen ions (O 2− ) generated in the air electrode 4 to the fuel electrode 2. The electrolyte 3 is made of stabilized zirconia (ZrO 2 ) having a crystal structure to be described later and added with 8 mol% of yttria (Y 2 O 3 ). The fuel electrode 2 is made of nickel, cermet that is a mixture of nickel and stabilized zirconia, or the like. The air electrode 4 is made of LaMnO 3 or LaCoO 3 having electronic conductivity, or a perovskite oxide (LSM) in which a part of these La is replaced with Sr, Ca, or the like.

ユニットセル1では、図2に示すように空気極4に酸素(O)が供給され、酸素(O)は空気極4において電子(e)を受けとり、酸素イオン(O2−)にイオン化される。この酸素イオン(O2−)は、電解質3を経由して燃料極2に移動し、燃料極2に供給された電池燃料である水素(H)と反応して、反応生成物(HO)を生じ、電子(e)を放出する。負荷5は、この反応過程で発生した電力を消費する。 In the unit cell 1, as shown in FIG. 2, oxygen (O 2 ) is supplied to the air electrode 4, and the oxygen (O 2 ) receives electrons (e ) in the air electrode 4 and converts them into oxygen ions (O 2− ). Ionized. This oxygen ion (O 2− ) moves to the fuel electrode 2 via the electrolyte 3 and reacts with hydrogen (H 2 ), which is a cell fuel supplied to the fuel electrode 2, to produce a reaction product (H 2 O) and electrons (e ) are emitted. The load 5 consumes the electric power generated in this reaction process.

図3(a)は電解質3の結晶構造、同図(b)は電解質3におけるイオン伝導機構の概略を示した図である。   3A is a diagram showing the crystal structure of the electrolyte 3, and FIG. 3B is a diagram showing an outline of the ion conduction mechanism in the electrolyte 3. FIG.

電解質3を構成する安定化ジルコニアは、イットリア(Y)を添加物としてジルコニア(ZrO)格子中に置換固溶した、YとZrOとの複合酸化物からなる。この安定化ジルコニアの結晶構造は、同図(a)示すように、陽イオン(Zr4+、Y3+)11と陰イオン(O2−)10とから成る立方晶の結晶構造をしている。 The stabilized zirconia that constitutes the electrolyte 3 is composed of a composite oxide of Y 2 O 3 and ZrO 2 in which yttria (Y 2 O 3 ) as an additive is substituted and dissolved in a zirconia (ZrO 2 ) lattice. The stabilized zirconia has a cubic crystal structure composed of cations (Zr 4+ , Y 3+ ) 11 and anions (O 2− ) 10 as shown in FIG.

同図(b)に示すように、イットリアをジルコニア格子中に置換固溶することにより、Y3+イオン11bがZr4+イオン11aの一部を占めて、酸素イオン空孔12が生成される。この酸素イオン空孔12を介して酸素イオン(O2−)10が動くことにより、固体酸化物型燃料電池において電力の供給を担うイオン伝導が行われる。 As shown in FIG. 4B, by replacing and dissolving yttria in the zirconia lattice, Y 3+ ions 11b occupy a part of Zr 4+ ions 11a, and oxygen ion vacancies 12 are generated. When the oxygen ions (O 2− ) 10 move through the oxygen ion vacancies 12, ion conduction responsible for supplying electric power is performed in the solid oxide fuel cell.

図4は、ユニットセル1の有限要素ソフト(MSC.Marc2005)を用いた固有値解析の結果を示すグラフである。   FIG. 4 is a graph showing the result of eigenvalue analysis using the unit cell 1 finite element software (MSC.Marc2005).

この解析では、ユニットセル1は、燃料極2が、厚さが1.5[mm]の、Niが添加されたイットリア添加ジルコニアNi−8YSZから成り、電解質3が、厚さが30[μm]のイットリア添加ジルコニア8YSZから成り、空気極4が、厚さが20[μm]のLSMから成るものとしている。また、ユニットセル1のサイズは27.5[mm]×27.5[mm]であり、境界条件はユニットセル1の周辺の四端面を固定とした。ここで、有限要素ソフトおよびこれがインストールされる電子計算機は、ユニットセル1の試料の固有振動数を解析する解析手段を構成している。この解析手段により同図(a)および(b)に示す解析結果が得られる。   In this analysis, the unit cell 1 is made of yttria-added zirconia Ni-8YSZ to which the fuel electrode 2 has a thickness of 1.5 [mm] and Ni is added, and the electrolyte 3 has a thickness of 30 [μm]. The yttria-added zirconia 8YSZ and the air electrode 4 are made of LSM having a thickness of 20 [μm]. The size of the unit cell 1 is 27.5 [mm] × 27.5 [mm], and the boundary condition is that the four end faces around the unit cell 1 are fixed. Here, the finite element software and the electronic computer in which the finite element software is installed constitute analysis means for analyzing the natural frequency of the sample of the unit cell 1. By this analyzing means, the analysis results shown in FIGS.

同図(a)は、ユニットセル1の様々な固有振動モードにおける固有振動数を示したグラフである。同グラフの横軸は固有振動モードのモード数(Mode number)、縦軸は固有振動数(Resonant frequency)[KHz]を示す。モード数は、振動面に形成される波の節の数を表している。例えば、モード数は、振動面に振動の山および谷が2×3個形成されることを表している。ユニットセル1の振動モードは、基本的には一様薄板と同様の傾向を示す。同図(a)のグラフは、最低次の固有振動モード()の固有振動数が11[kHz]程度であり、面内の振動の節が多くなる高次の固有振動モードほど固有振動数が高くなることを示している。 FIG. 4A is a graph showing natural frequencies in various natural vibration modes of the unit cell 1. The horizontal axis of the graph represents the natural vibration mode number (Mode number), and the vertical axis represents the natural frequency (Resonant frequency) [KHz]. The mode number represents the number of wave nodes formed on the vibration surface. For example, the mode number 2 R 3 indicates that 2 × 3 vibration peaks and valleys are formed on the vibration surface. The vibration mode of the unit cell 1 basically shows the same tendency as a uniform thin plate. The graph of FIG. 6A shows that the natural frequency of the lowest-order natural vibration mode ( 1 R 1 ) is about 11 [kHz], and the higher-order natural vibration mode with more in-plane vibration nodes has more natural characteristics. It shows that the frequency increases.

同図(b)は、同図(a)に示す固有振動モードのモード数がの場合における、面内応力に対する固有振動数の変化を示した解析結果のグラフを示している。同グラフの横軸は、ユニットセル1の電解質3の中央面端部における面内応力(In-plane stress at edge)[MPa]、縦軸は、固有振動数(Resonant frequency)[KHz]を示す。面内応力は、同グラフ中の特性線A,B,C,DおよびEに示すように、横軸の面内方向(In-plane direction)[mm]における両端部付近で、縦軸の応力(stress)[MPa]に示すように、応力が高くなっている。各プロットA,B,C,DおよびEは、この端部における応力に対応する固有振動数を示している。また、負の値の面内応力は圧縮、正の値の面内応力は、引張の応力である。 FIG (b) shows a graph of when the number of modes of the natural oscillation modes shown in the diagram (a) is 2 R 2, analysis shows the change in the natural frequency with respect to plane stress results. The horizontal axis of the graph represents in-plane stress at the end of the center surface of the electrolyte 3 of the unit cell 1 (MPa), and the vertical axis represents the natural frequency (KHz). . As shown by characteristic lines A, B, C, D and E in the graph, the in-plane stress is the stress on the vertical axis in the vicinity of both ends in the in-plane direction [mm] on the horizontal axis. (Stress) As shown in [MPa], the stress is high. Each plot A, B, C, D and E shows the natural frequency corresponding to the stress at this end. Negative in-plane stress is compression, and positive in-plane stress is tensile stress.

同図(b)のグラフに示すように、電解質3の面内応力が引張になるにつれて、固有振動数が上昇している。また、面内応力の100[MPa]の変化に対して固有振動数が0.1[kHz]程度変化しており、これは実際に十分測定可能なオーダーであり、固体酸化物型燃料電池のユニットセル1の応力評価に共振測定が有効であることを示している。   As shown in the graph of FIG. 5B, the natural frequency increases as the in-plane stress of the electrolyte 3 becomes tensile. In addition, the natural frequency is changed by about 0.1 [kHz] with respect to the change of the in-plane stress of 100 [MPa], which is an order that can be actually measured. It shows that resonance measurement is effective for stress evaluation of the unit cell 1.

有限要素ソフトがインストールされた電子計算機は、解析手段で解析された固有振動数と、図1に示す圧電変換子24および波形分析器23からなる測定手段によって測定された共振周波数とを比較して、試料の特性を同定することにより、試料の内部に生じる異常を検出する検出手段を構成している。   The electronic computer in which the finite element software is installed compares the natural frequency analyzed by the analyzing means with the resonance frequency measured by the measuring means comprising the piezoelectric transducer 24 and the waveform analyzer 23 shown in FIG. By detecting the characteristics of the sample, detection means for detecting an abnormality occurring inside the sample is configured.

このような本実施形態による非破壊検査装置では、逆解析的に試料の材料特性を求めることが可能であり、試料の特性が既知である場合、固有振動数や共振周波数から試料の形状誤差・初期欠陥・内部応力等が分かる。例えば、本実施形態による非破壊検査装置で検査された製品の共振振動数が、予め測定した正常な製品の共振振動数より大きい場合、引張応力が増大するにつれて共振振動数が大きくなる図4(b)の解析結果から、検査製品の内部に引張応力が働いて異常があることが分かる。また、例えば、正常な製品の特定の固有振動モードの固有振動数に対応する共振周波数を製品に加えても、製品が共振しなくなった場合、この固有振動モードに対応する結晶構造に欠陥が生じていることなどが分かる。また、例えば、予め正常でない様々な大きさの製品の固有振動数を解析しておくことにより、製品検査時に製品の共振周波数を測定して、この共振周波数と解析しておいた様々な大きさの製品の固有振動数とを比較することにより、製品の大きさを同定できて、製品の形状誤差を検出することができる。また、例えば、図4(b)のグラフの特性線A〜Eに示す応力分布を備えたユニットセル1の固有振動数と、測定した製品の共振周波数とを比較することにより、製品の応力分布を同定でき、製品の応力の局所的な測定が可能となる。   In such a nondestructive inspection apparatus according to the present embodiment, it is possible to inversely analyze the material characteristics of the sample. When the characteristics of the sample are known, the shape error of the sample can be calculated from the natural frequency and the resonance frequency. You can see the initial defects, internal stress, etc. For example, when the resonance frequency of the product inspected by the nondestructive inspection apparatus according to the present embodiment is larger than the resonance frequency of a normal product measured in advance, the resonance frequency increases as the tensile stress increases (FIG. 4 ( From the analysis result of b), it can be seen that there is an abnormality due to the tensile stress acting inside the inspection product. Also, for example, if a product no longer resonates even if a resonance frequency corresponding to the natural frequency of a specific natural vibration mode of a normal product is added to the product, a defect occurs in the crystal structure corresponding to this natural vibration mode. I understand that. In addition, for example, by analyzing the natural frequency of products of various sizes that are not normal in advance, the resonance frequency of the product is measured at the time of product inspection, and this resonance frequency and the various sizes analyzed. By comparing with the natural frequency of the product, the size of the product can be identified, and the shape error of the product can be detected. Further, for example, by comparing the natural frequency of the unit cell 1 having the stress distribution shown in the characteristic lines A to E in the graph of FIG. 4B with the measured resonance frequency of the product, the stress distribution of the product And local measurement of product stress is possible.

このような本実施形態による固体酸化物型燃料電池の非破壊検査装置によれば、解析手段で解析された固有振動数と測定手段によって測定された共振周波数とを比較してユニットセル1の特性を同定することにより、ユニットセル1の特性が既知である場合に、ユニットセル1の内部に生じる異常、例えば、固体酸化物型燃料電池の性能低下や、破壊、事故の原因となる、亀裂や剥離等の欠陥、残留応力や熱応力等の内部応力などを簡便に短時間で非破壊的に検出することができる。   According to such a non-destructive inspection apparatus for a solid oxide fuel cell according to the present embodiment, the characteristic frequency of the unit cell 1 is compared by comparing the natural frequency analyzed by the analysis means with the resonance frequency measured by the measurement means. When the characteristics of the unit cell 1 are known, abnormalities that occur inside the unit cell 1, such as cracks or Defects such as peeling and internal stresses such as residual stress and thermal stress can be detected easily and non-destructively in a short time.

また、ユニットセル1を超音波等を用いて加振することによりユニットセル1の特性を同定できるので、X線回折応力測定装置のように装置が大掛かりになることもなく、検査に場所をとらずにしかも安価に固体酸化物型燃料電池の非破壊検査を行うことができる。また、様々なサイズ、形状のユニットセル1について非破壊検査を行うことができる。また、X線をユニットセル1に常時照射することなく、単にユニットセル1を加振することで非破壊検査を行えるので、ユニットセル1の稼働中においても、また、ユニットセル1が高温下やガス雰囲気中に置かれていても、非破壊検査を行うことができる。   In addition, since the characteristics of the unit cell 1 can be identified by vibrating the unit cell 1 using ultrasonic waves or the like, the apparatus does not become large like the X-ray diffraction stress measuring apparatus, and the space for the inspection is taken. In addition, the non-destructive inspection of the solid oxide fuel cell can be performed at low cost. Further, nondestructive inspection can be performed on the unit cells 1 having various sizes and shapes. In addition, since the non-destructive inspection can be performed by simply oscillating the unit cell 1 without always irradiating the unit cell 1 with the X-ray, the unit cell 1 can be kept at a high temperature even while the unit cell 1 is in operation. Nondestructive inspection can be performed even in a gas atmosphere.

図1(b)は、図1(a)に示す複数のユニットセル1をインターコネクタ5によって直列接続した固体酸化物型燃料電池のスタック構造31を、上述した非破壊検査装置で検査する際の構成の概略を示している。   FIG. 1B shows a case where a stack structure 31 of a solid oxide fuel cell in which a plurality of unit cells 1 shown in FIG. 1A are connected in series by an interconnector 5 is inspected by the above-described nondestructive inspection apparatus. An outline of the configuration is shown.

スタック構造31の振動を検出する圧電変換子24は、スタック構造31のインターコネクタ5に接触している。加振手段を構成している波形発生器21および圧電振動子22は、スタック構造31の稼働中、すなわち固体酸化物型燃料電池の発電運転時において、このスタック構造31を常時、または予め設定された所定の時間帯に加振する。波形分析器23は、加振されたスタック構造31の共振周波数を測定し、検出手段は、測定された共振周波数と、解析手段によって予め解析されたスタック構造31の固有振動数や、正常なスタック構造31の共振振動数とを比較し、スタック構造31の内部のひびや内部応力等の異常を検出する。検出手段によって異常が検出された場合、電子計算機等の制御によって速やかに、警報音を出力したり、ランプを点灯して、または電子計算機の画面に異常状態を知らせる情報を表示して、スタック構造31に異常が発生したことを報知する。なお、この報知において、内部応力の分布や応力の大きさ、引張応力または圧縮応力等の異常の種類を報知する構成であってもよい。   The piezoelectric transducer 24 that detects the vibration of the stack structure 31 is in contact with the interconnector 5 of the stack structure 31. The waveform generator 21 and the piezoelectric vibrator 22 constituting the excitation means are set to the stack structure 31 constantly or in advance during the operation of the stack structure 31, that is, during the power generation operation of the solid oxide fuel cell. Vibrated at a predetermined time. The waveform analyzer 23 measures the resonance frequency of the excited stack structure 31, and the detection means detects the measured resonance frequency, the natural frequency of the stack structure 31 previously analyzed by the analysis means, and the normal stack. The resonance frequency of the structure 31 is compared, and abnormalities such as cracks and internal stress inside the stack structure 31 are detected. If an abnormality is detected by the detection means, a stack structure that promptly outputs an audible alarm, lights a lamp, or displays information notifying the abnormal state on the screen of the electronic computer by controlling the electronic computer etc. 31 is notified that an abnormality has occurred. In this notification, a configuration for notifying the distribution of internal stress, the magnitude of the stress, the type of abnormality such as tensile stress or compressive stress may be used.

図(1)(b)に示す固体酸化物型燃料電池の非破壊検査装置では、複数のユニットセル1からなる固体酸化物型燃料電池のスタック構造31を、その稼働中に加振手段によって加振することにより、スタック構造31の稼働中にその特性を同定することができる。このため、固体酸化物型燃料電池の稼働中においてその内部状態を常時監視することができ、その内部に生じる異常を早期に発見し、稼働中の固体酸化物型燃料電池が故障して停止に至る以前に対策を講じることが可能になる。   In the solid oxide fuel cell non-destructive inspection apparatus shown in FIGS. 1A and 1B, a solid oxide fuel cell stack structure 31 composed of a plurality of unit cells 1 is applied with vibration means during operation. By shaking, the characteristics of the stack structure 31 can be identified during operation. For this reason, the internal state of the solid oxide fuel cell can be constantly monitored, the abnormality occurring in the interior can be detected early, and the operating solid oxide fuel cell can be stopped due to failure. It will be possible to take measures before it reaches.

1…ユニットセル
2…燃料極
3…電解質
4…空気極
5…インターコネクタ
10…酸素イオン
11…陽イオン
11a…Zr4+イオン
11b…Y3+イオン
12…酸素イオン空孔
21…波形発生器
22…圧電振動子
23…波形分析器
24…圧電変換子
31…スタック構造
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Unit cell 2 ... Fuel electrode 3 ... Electrolyte 4 ... Air electrode 5 ... Interconnector 10 ... Oxygen ion 11 ... Positive ion 11a ... Zr 4+ ion 11b ... Y3 + ion 12 ... Oxygen ion hole 21 ... Waveform generator 22 ... Piezoelectric vibrator 23 ... Waveform analyzer 24 ... Piezoelectric transducer 31 ... Stack structure

Claims (2)

空気を供給する空気極で生成されるイオンを電池燃料を供給する燃料極へ伝える電解質が前記燃料極および前記空気極間に設けられて構成される固体酸化物型燃料電池のユニットセルからなる試料に接触して前記試料を加振する加振手段と、
この加振手段によって前記試料に発生した共振振動の共振周波数を前記試料に接触して測定する測定手段と、
前記試料の固有振動数を解析する解析手段と、
この解析手段で解析された固有振動数と前記測定手段によって測定された共振周波数とを比較して前記試料の特性を同定することにより、前記試料の内部に生じる異常を検出する検出手段と
からなる固体酸化物型燃料電池の非破壊検査装置。
A sample comprising a unit cell of a solid oxide fuel cell in which an electrolyte that transmits ions generated at an air electrode that supplies air to a fuel electrode that supplies battery fuel is provided between the fuel electrode and the air electrode Vibrating means for vibrating the sample in contact with
Measurement means for measuring the resonance frequency of the resonance vibration generated in the sample by the vibration means in contact with the sample;
Analyzing means for analyzing the natural frequency of the sample;
And a detecting means for detecting an abnormality occurring in the sample by comparing the natural frequency analyzed by the analyzing means and the resonance frequency measured by the measuring means to identify the characteristics of the sample. Non-destructive inspection equipment for solid oxide fuel cells.
前記試料は、複数の前記ユニットセルからなる固体酸化物型燃料電池のスタックであり、
前記加振手段は、前記試料の稼働中において、前記試料を加振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非破壊検査装置。
The sample is a stack of solid oxide fuel cells composed of a plurality of the unit cells,
2. The non-destructive inspection apparatus for a solid oxide fuel cell according to claim 1, wherein the vibration means vibrates the sample during operation of the sample.
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