JP2014165009A - セルスタックの評価装置、及びその評価方法 - Google Patents

Abstract

【課題】セルスタックを短時間で評価する。
【解決手段】評価対象であるセルスタック１０１が収納されるセル収納容器３１と、セル収納容器３１を覆う圧力容器３０と、圧力容器３０に対して加圧ガスＧpを供給・排気するための加圧ガスライン３３と、セルスタック１０１の燃料極側に対して燃料ガスＧｆを供給・排気するための燃料ガスライン３５と、セルスタック１０１の空気極側に対して酸化剤ガスＧｏを供給・排気するための酸化剤ガスライン３７と、圧力容器３０内の圧力を調節する第一圧力調節弁４０と、セル収納容器３１の燃料極側の空間の圧力を調節する第二圧力調節弁４１と、セル収納容器３１の空気極側の空間の圧力を調節する第三圧力調節弁４２と、セルスタック１０１の状態を監視する監視装置５５と、を備えている。
【選択図】図４

Description

本発明は、燃料電池セルを有するセルスタックの評価装置、及びその評価方法に関する。

燃料電池は、低公害で発電効率が高いため、近年、各種分野での利用が期待されている。燃料電池セルは、一般的に、水素や炭化水素系ガス等を含む燃料ガスから改質された一酸化炭素と酸素イオンとの反応場である燃料極と、空気等の酸化剤ガスから酸素イオンを生成する空気極と、この空気極で生成された酸素イオンを燃料極に移動させる固体電解質とを有する。燃料極と固体電解質との界面付近では、燃料極で改質された燃料ガスと固定電解質からの酸素イオンとが電気化学反応して発電が行われる。この燃料電池は、排気ガスがクリーンであることから、例えば、病院や工場等の分散電源として利用されている。

このような燃料電池セルを備えた燃料電池モジュールの一例として、例えば、以下の特許文献１に開示されているものがある。

この燃料電池モジュールは、圧力容器と、この圧力容器内に配置される複数のカートリッジと、を備えている。カートリッジは、セルチューブ（セルスタック）の束である。セルチューブは、複数の燃料電池セルと、円筒形状の基体管とを有している。電池セルは、前述したように、空気極、固体電解質及び燃料極が積層されたものである。複数の燃料電池セルは、円筒形状の基体管の外周面に形成されている。セルチューブの内部には燃料ガスを、セルチューブの外部には空気を通気することで発電させる。

特許第４１１９７２４号公報

上記特許文献１に記載の燃料電池モジュールに搭載される複数のセルチューブ（セルスタック）は、圧力容器内に配置される以前に性能評価することが望ましい。しかも、この評価にかかる時間が短いことが望ましい。

そこで、本発明は、以上のような要望に応えるため、セルスタックを短時間で評価することができるセルスタックの評価装置、及びその評価方法を提供することを目的とする。

上記目的を達成するための本発明の一態様としてのセルスタックの評価装置は、
燃料極と空気極とが積層されて形成されている燃料電池セルを有するセルスタックの評価装置において、前記セルスタックが収納されるセル収納容器と、前記セル収納容器を覆う圧力容器と、前記圧力容器内であって前記セル収納容器外の空間に対して加圧ガスを供給・排気するための加圧ガスラインと、前記セル収納容器内の前記セルスタックの空気極側の空間に対して酸化剤ガスを供給・排気するための酸化剤ガスラインと、前記セル収納容器内の前記セルスタックの燃料極側の空間に対して燃料ガスを供給・排気するための燃料ガスラインと、前記圧力容器内であって前記セル収納容器外の空間の圧力を調節する圧力調節部と、前記セル収納容器内の前記燃料極側の空間の圧力を調節する圧力調節部と、前記セル収納容器内の前記空気極側の空間の圧力を調節する圧力調節部と、前記空気極側の前記空間に供給された前記酸化剤ガスと前記燃料極側の前記空間に供給された前記燃料ガスとを用いて発電が行われている前記セルスタックの状態を監視する監視部と、を備えていることを特徴とする。

当該評価装置では、セルスタックの空気極側に供給する酸化剤ガスの量を少なくすることができる。このため、当該評価装置では、セルスタックの空気極側に酸化剤ガスを供給する時間、この酸化剤ガスが発電に適した温度になるまでの時間を短くすることができる。よって、当該評価装置では、セルスタックを短時間で評価することができる。

ここで、前記セルスタックの評価装置において、前記前記圧力容器内であって前記セル収納容器外の空間に配置され、該セル収納容器内を加熱する加熱器を備えていてもよい。

当該評価装置では、セルスタック、セルスタックの燃料極側に供給される燃料ガス、及びセルスタックの酸化剤ガス側に供給される酸化剤ガスを容易に発電に適した温度にすることができる。

また、以上のいずれかの前記セルスタックの評価装置において、前記各圧力調節部の動作を制御する制御装置を備え、前記制御装置は、前記圧力容器内であって前記収納容器外の空間の圧力と前記セル収納容器内の前記空気極側の空間の圧カとの圧力差が所定圧力差以内になり、前記セル収納容器内の前記空気極側の空間の圧力と前記セル収納容器内の前記燃料極側の空間の圧力との圧力差が所定圧力差以内になるように前記各圧力調節部を制御してもよい。

当該評価装置では、圧力容器内であって収納容器外の空間の圧力とセル収納容器内の空気極側の空間の圧カとの圧力差が所定圧力差以内になるので、セル収納容器の内外の圧力差によるセル収納容器の損傷を抑えることができる。さらに、当該評価装置では、セル収納容器内の空気極側の空間の圧力とセル収納容器内の燃料極側の空間の圧力との圧力差が所定圧力差以内になるので、セルスタックの燃料極側の空間と空気極側の空間との圧力差によるセルスタックの損傷を抑えることができる。

また、以上のいずれかの前記セルスタックの評価装置において、前記加圧ガスラインと前記酸化剤ガスラインと前記燃料ガスラインとのうちで、いずれか二つのライン中の排気側ラインは、前記圧力容器の外部で合流しており、二つの前記ラインにおける合流部よりも下流側には、二つの前記ラインのうちの一方のラインに連通している前記空間の圧力を調節する前記圧力調節部と、他方のラインに連通している前記空間の圧力を調節する前記圧力調節部とを兼用する兼用圧力調節部が設けられ、二つの前記ライン中の前記排気側ラインであって、前記合流部よりも上流側には、逆止弁がそれぞれ設けられていてもよい。

この場合、二つの前記ラインのうち、一方のラインは前記酸化剤ガスラインであり、他方のラインは前記加圧ガスラインであってもよい。また、二つの前記ラインのうち、一方のラインは前記燃料ガスラインであり、他方のラインは前記加圧ガスラインであってもよい。

当該評価装置では、二つのライン中の排気側ラインを合流させているので、ラインの総全長を短くすることができる上に、圧力調節弁の数量を少なくすることができ、装置コストを抑えることができる。さらに、制御装置を有する場合、この制御装置における制御対象の数量が減るので、制御装置の制御負荷を削減することができる。

上記目的を達成するための本発明の一態様としてのセルスタックの評価方法は、
燃料極と空気極とが積層されて形成されている燃料電池セルを有するセルスタックの評価方法において、前記セルスタックをセル収納容器内に収納し、該セル収納容器を覆う圧力容器内に収納する収納工程と、前記圧力容器内であって前記セル収納容器外の空間に加圧ガスを供給しつつ、該空間の圧力を調整し、前記セル収納容器内の前記空気極側の空間に酸化剤ガスを供給しつつ該空間の圧力を調整し、前記セル収納容器内の前記燃料極側の空間に燃料ガスを供給しつつ該空間の圧力を調整するガス供給調整工程と、前記空気極側の空間に供給された前記酸化剤ガスと前記燃料極側に供給された前記燃料ガスとを用いて、前記セルスタックで発電が行われている状態を監視する監視工程と、を実行することを特徴とする。

当該評価方法でも、先に説明した評価装置と同様、セルスタックを短時間で評価することができる。

ここで、前記セルスタックの評価方法において、前記ガス供給調整工程では、前記圧力容器内であって前記収納容器外の空間の圧力と前記セル収納容器内の前記空気極側の空間の圧カとの圧力差を所定圧力差以内に調節し、前記セル収納容器内の前記空気極側の空間の圧力と前記セル収納容器内の前記燃料極側の空間の圧力との圧力差を所定圧力差以内に調節してもよい。

当該評価方法では、圧力容器内であって収納容器外の空間の圧力とセル収納容器内の空気極側の空間の圧カとの圧力差が所定圧力差以内になるので、セル収納容器の内外の圧力差によるセル収納容器の損傷を抑えることができる。さらに、当該評価方法では、セル収納容器内の空気極側の空間の圧力とセル収納容器内の燃料極側の空間の圧力との圧力差が所定圧力差以内になるので、セルスタックの燃料極側の空間と空気極側の空間との圧力差によるセルスタックの損傷を抑えることができる。

本発明によれば、セルスタックを短時間で評価することができる。

燃料電池モジュールの概略構成を示す模式図である。 カートリッジの要部の拡大断面図である。 セルスタックの要部の拡大断面図である。 本発明に係る第一実施家形態におけるセルスタックの評価装置の概略構成を示す模式図である。 本発明に係る第２実施形態におけるセルスタックの評価装置の概略構成を示す模式図である。 本発明に係る第３実施形態におけるセルスタックの評価装置の概略構成を示す模式図である。

以下、本発明に係るセルスタックの評価装置の各種実施形態について、図面を参照して詳細に説明する。

「燃料電池モジュールの実施形態」
まず、本発明に係る評価装置の評価対象であるセルスタックを備えている燃料電池モジュールの実施形態について、図１〜図３を参照して説明する。なお、以下に示す燃料電池モジュールは、セルスタックの実機の適用例を示すものであって、本発明に係わる評価装置そのものを示すものではない。

図１において、燃料電池モジュールＭは、容器中心軸Ａｖを中心として容器中心軸方向Ｄｖに延びる円筒形状の圧力容器１０と、この圧力容器１０内に配置されている複数のカートリッジ２０１及び複数の各種配管３００と、を備えている。

配管３００としては、燃料ガス供給源１からの燃料ガスＧｆを圧力容器１０内の各カートリッジ２０１に導く燃料ガス供給配管３１０と、各カートリッジ２０１を通過した燃料ガスＧｆを圧力容器１０外に導く燃料ガス排出配管３２０と、酸化剤ガス供給源２からの酸化剤ガスＧｏを圧力容器１０内の各カートリッジ２０１に導く酸化剤ガス供給配管３３０と、各カートリッジ２０１を通過した酸化剤ガスＧｏを圧力容器１０外に導く酸化剤ガス排出配管３４０とがある。

燃料ガスＧｆとしては、例えば、水素、一酸化炭素、メタン等の炭化水素系ガス、石炭等の炭素質原料のガス化により得られた炭化水素を含むガス、又は、これらの２以上の成分を含むガス等が利用される。また、酸化剤ガスＧｏとしては、例えば、酸素を１５〜３０vol％含むガス等が利用される。代表的な酸化剤ガスＧｏとしては、空気であるが、燃焼排気ガスと空気との混合ガスや、酸素と空気との混合ガスを利用してもよい。

圧力容器１０は、例えば、内部の圧力が０．１ＭＰａ〜約５ＭＰa、内部の温度が大気温度〜約５５０℃で運用される。このため、この圧力容器１０は、耐圧性を考慮して、円筒形状の胴部１１と、圧力容器１０の容器中心軸方向Ｄｖにおける両端部に形成されている半球状の鏡部１２とを有している。この圧力容器１０は、全体として円筒形状を成し、その容器中心軸Ａｖが上下方向に延びるよう設置されている。また、この圧力容器１０は、耐圧性が要求されると共に、使用条件によって、酸化剤ガスＧｏ中に含まれる酸素などの酸化剤に対する耐食性も要求される場合には、例えば、ＳＵＳ３０４などのステンレス系材で形成されている。

カートリッジ２０１は、複数のセルスタックの束で構成されている。図２に示すように、セル集合体であるセルスタック１０１は、円筒形状（又は管形状）の基体管１０３と、基体管１０３の外周面に形成されている複数の燃料電池セル１０５と、隣り合う燃料電池セル１０５の間に形成されているインターコネクタ１０７とを有する。燃料電池セル１０５は、図３に示すように、燃料極１１２と固体電解質１１１と空気極１１３とが積層して形成されている。セルスタック１０１は、さらに、基体管１０３の外周面に形成されている複数の燃料電池セル１０５のうちで、基体管１０３の軸方向において最も端に形成されている燃料電池セル１０５の空気極１１３に、インターコネクタ１０７を介して電気的に接続されているリード膜１１５を有する。

本実施形態では、この円筒形状（又は管形状）のセルスタック１０１の内周側に燃料ガスＧｆが通り、セルスタック１０１の外周側に酸化剤ガスＧｏが通る。

基体管１０３は、例えば、ＣａＯ安定化ＺｒＯ_２（ＣＳＺ）、Ｙ_２Ｏ_３安定化ＺｒＯ₂（ＹＳＺ）、ＭｇＡｌ_２Ｏ_４等のいずれかで形成されている多孔質体である。この基体管１０３は、燃料電池セル１０５とインターコネクタ１０７とリード膜１１５とを支持する役目を担っている。さらに、この基体管１０３は、内周側に供給された燃料ガスＧｆを基体管１０３の細孔を介して基体管１０３の外周面に形成される燃料電池セル１０５に拡散させる役目も担っている。

燃料極１１２は、例えば、Ｎｉ／ＹＳＺ等、Ｎｉとジルコニア系電解質材料との複合材の酸化物で形成されている。この場合、燃料極１１２は、燃料極１１２の成分であるＮｉが燃料ガスＧｆに対して触媒として作用する。この触媒としての作用は、基体管１０３を介して供給された燃料ガスＧｆ中に、例えば、メタン（ＣＨ_４）と水蒸気とが含まれている場合、これら相互を反応させ、水素（Ｈ_２）と一酸化炭素（ＣＯ）に改質する作用である。

空気極１１３は、例えば、ＬａＳｒＭｎＯ_３系酸化物、又はＬａＣｏＯ_３系酸化物で形成されている。この空気極１１３は、固体電解質１１１との界面付近において、供給される酸化剤ガスＧｏ中の酸素を解離させて酸素イオン（Ｏ^２−）を生成する。

固体電解質１１１は、例えば、主としてＹＳＺで形成されている。このＹＳＺは、ガスを通しにくい気密性と、高温下での高い酸素イオン導電性とを有している。この固体電解質１１１は、空気極１１３で生成された酸素イオン（Ｏ^２−）を燃料極１１２に移動させる。

前述の燃料極１１２では、固体電解質１１１との界面付近において、改質により得られた水素（Ｈ_２）及び一酸化炭素（ＣＯ）と、固体電解質１１１から供給された酸素イオン（Ｏ^２−）とが反応し、水（Ｈ_２Ｏ）及び二酸化炭素（ＣＯ_２）が生成される。この燃料電池セル１０５では、この反応過程で酸素イオンから電子が放出されて、発電が行われる。

インターコネクタ１０７は、例えば、ＳｒＴｉＯ_３系などのＭ_１−ｘＬ_ｘＴｉＯ_３（Ｍはアルカリ土類金属元素、Ｌはランタノイド元素）で表される導電性ペロブスカイト型酸化物で形成されている。このインターコネクタ１０７は、燃料ガスＧｆと酸化剤ガスＧｏとが混合しないように緻密な膜で、酸化雰囲気と還元雰囲気との両雰囲気下で安定した電気導電性を有する。このインターコネクタ１０７は、隣り合う燃料電池セル１０５において、一方の燃料電池セル１０５の空気極１１３と他方の燃料電池セル１０５の燃料極１１２とを電気的に接続する。つまり、このインターコネクタ１０７は、隣り合う燃料電池セル１０５同士を電気的に直列接続する。

リード膜１１５は、電子伝導性を有すること、及びセルスタック１０１を構成する他の材料との熱膨張係数が近いことが必要であることから、例えば、Ｎｉ／ＹＳＺ等のＮｉとジルコニア系電解質材料との複合材で形成されている。このリード膜１１５は、インターコネクタ１０７により電気的に直列接続されている複数の燃料電池セル１０５で発電された直流電力をセルスタック１０１の端部付近まで導出する役目を担っている。

カートリッジ２０１は、図２に示すように、複数のセルスタック１０１と、複数のセルスタック１０１の束の一方の端部を覆う第一カートリッジヘッダ２２０ａと、複数のセルスタック１０１の束の他方の端部を覆う第二カートリッジヘッダ２２０ｂと、を有している。複数のセルスタック１０１は、互いに平行で且つその長手方向における互いの位置が揃って、全体として円柱形状を成している。また、第一カートリッジヘッダ２２０ａ及び第二カートリッジヘッダ２２０ｂは、円柱形状を成している複数のセルスタック１０１の束の外径よりわずかに大きな外径の円筒形状を成している。このため、カートリッジ２０１は、全体として、セルスタック１０１の長手方向に長い円柱形状を成している。なお、カートリッジ２０１は、円柱形状でなくてもよく、例えば、角柱形状であってもよい。

第一カートリッジヘッダ２２０ａ及び第二カートリッジヘッダ２２０ｂは、いずれも、複数のセルスタック１０１の束の端部が開口２２８から内部に入り込む円筒形状のケーシング２２９ａ，２２９ｂと、ケーシング２２９ａ，２２９ｂの開口２２８を塞ぐ仕切断熱板２２７ａ，２２７ｂと、ケーシング２２９ａ，２２９ｂの内部空間をセルスタック１０１の長手方向で２つの空間に仕切る管板２２５ａ，２２５ｂと、を有している。管板２２５ａ，２２５ｂ等は、高温耐久性のある金属材料で形成されている。管板２２５ａ，２２５ｂ及び仕切断熱板２２７ａ，２２７ｂには、複数のセルスタック１０１の端部のそれぞれが挿通可能な貫通孔が形成されている。管板２２５ａ，２２５ｂは、その貫通孔に挿通されたセルスタック１０１の端部をシール部材又は接着剤２３７を介して支持する。このため、この管板２２５ａ，２２５ｂには貫通孔が形成されているものの、この管板２２５ａ，２２５ｂを基準にしてケーシング２２９ａ，２２９ｂ内の一方の空間に対する他方の空間の気密性が確保されている。仕切断熱板２２７ａ，２２７ｂの貫通孔の内径は、ここに挿通されるセルスタック１０１の外径よりも大きく形成されている。つまり、仕切断熱板２２７ａ，２２７ｂの貫通孔の内周面と、この貫通孔に挿通されたセルスタック１０１の外周面との間には隙間２３５ａ，２３５ｂが存在する。

第一カートリッジヘッダ２２０ａのケーシング２２９ａと管板２２５ａとで形成されている空間は、燃料ガスＧｆが供給される燃料ガス供給室２１７を形成している。このケーシング２２９ａには、燃料ガス供給配管３１０からの燃料ガスＧｆを燃料ガス供給室２１７に導くための燃料ガス供給孔２３１ａが形成されている。この燃料ガス供給室２１７内には、複数のセルスタック１０１における基体管１０３の端部が位置し、ここで開放している。燃料ガス供給配管３１０から燃料ガス供給室２１７に導かれた燃料ガスＧｆは、複数のセルスタック１０１の基体管１０３の内部に流れ込む。この際、燃料ガスＧｆは、燃料ガス供給室２１７により、複数のセルスタック１０１の各基体管１０３に対してほぼ均等流量に配分される。このため、複数のセルスタック１０１における各発電量の均一化を図ることができる。

第二カートリッジヘッダ２２０ｂのケーシング２２９ｂと管板２２５ｂとで形成されている空間は、セルスタック１０１の基体管１０３内を通過した燃料ガスＧｆが流れ込む燃料ガス排出室２１９を形成している。このケーシング２２９ｂには、燃料ガス排出室２１９に流れ込んだ燃料ガスＧｆを燃料ガス排出配管３２０に導くための燃料ガス排出孔２３１ｂが形成されている。この燃料ガス排出室２１９内には、複数のセルスタック１０１における基体管１０３の端部が位置し、ここで開放している。複数のセルスタック１０１の各基体管１０３内を通過した燃料ガスＧｆは、前述したように、燃料ガス排出室２１９に流入した後、燃料ガス排出配管３２０を通って、圧力容器１０外へ排出される。

第二カートリッジヘッダ２２０ｂのケーシング２２９ｂと仕切断熱板２２７ｂと管板２２５ｂとで形成されている空間は、酸化剤ガス供給室２１６を形成している。このケーシング２２９ｂには、酸化剤ガス供給配管３３０からの酸化剤ガスＧｏを酸化剤ガス供給室２１６に導くための酸化剤ガス供給孔２３３ｂが形成されている。この酸化剤ガス供給室２１６内に導かれた酸化剤ガスＧｏは、仕切断熱板２２７ｂの貫通孔の内周面と、この貫通孔に挿通されているセルスタック１０１の外周面との間の隙間２３５ｂから、第一カートリッジヘッダ２２０ａと第二カートリッジヘッダ２２０ｂとの間の発電室２１５へと流出する。

第一カートリッジヘッダ２２０ａと第二カートリッジヘッダ２２０ｂとの間の発電室２１５には、複数のセルスタック１０１の燃料電池セル１０５が配置されている。このため、この発電室２１５では、燃料ガスＧｆと酸化剤ガスＧｏとが電気化学的反応して、発電が行われる。なお、この発電室２１５で、セルスタック１０１の長手方向における中央部付近の温度は、燃料電池モジュールＭの定常運転時に、およそ７００℃〜１１００℃の高温雰囲気になる。また、この発電室２１５は、第一カートリッジヘッダ２２０ａと第二カートリッジヘッダ２２０ｂとの間であって、外周側が断熱材１６で囲まれた空間である。この断熱材１６は、例えば、アルミナシリカ系の材料で形成されている。

第一カートリッジヘッダ２２０ａのケーシング２２９ａと仕切断熱板２２７ａと管板２２５ａとで形成されている空間は、発電室２１５を通った酸化剤ガスＧｏが流入する酸化剤ガス排出室２１８を形成している。このケーシング２２９ａには、酸化剤ガス排出室２１８に流れ込んだ酸化剤ガスＧｏを酸化剤ガス排出配管３４０に導くための酸化剤ガス排出孔２３３ａが形成されている。発電室２１５中の酸化剤ガスＧｏは、仕切断熱板２２７ａの貫通孔の内周面と、この貫通孔に挿通されているセルスタック１０１の外周面との間の隙間２３５ａから酸化剤ガス排出室２１８内に流入した後、酸化剤ガス排出配管３４０を通って、圧力容器１０外へ排出される。

発電室２１５の高温化に伴って、各カートリッジヘッダ２２０ａ，２２０ｂの管板２２５ａ，２２５ｂが高温化する。第一カートリッジヘッダ２２０ａ及び第二カートリッジヘッダ２２０ｂの仕切断熱板２２７ａ，２２７ｂは、この管板２２５ａ，２２５ｂが高温化による強度低下や酸化剤ガスＧｏ中に含まれている酸化剤による腐食を抑える。さらに、この仕切断熱板２２７ａ，２２７ｂは、管板２２５ａ，２２５ｂの熱変形も抑える。

前述したように、発電室２１５中の酸化剤ガスＧｏと、この発電室２１５に配置されている複数のセルスタック１０１の内側を通る燃料ガスＧｆとは、セルスタック１０１における複数の燃料電池セル１０５で電気化学反応する。この結果、複数の燃料電池セル１０５で発電が行われる。

複数の燃料電池セル１０５での発電で得られた直流電流は、複数の燃料電池セル１０５相互間に設けられているインターコネクタ１０７を経て、セルスタック１０１の端部側へ流れ、このセルスタック１０１のリード膜１１５に流れ込む。そして、この直流電流は、リード膜１１５から、集電板（不図示）を介して、カートリッジ２０１の集電棒（不図示）に流れ、カートリッジ２０１外部へ取り出される。複数の集電棒は、互いに直列及び／又は並列接続されている。集電棒のうち、最も下流側の集電棒は、例えば、図示されていないインバータに接続されている。カートリッジ２０１外部に取り出された直流電流は、直列及び／又は並列接続されている複数の集電棒を経て、例えば、インバータに流れ、ここで交流電流に変換されて、電力負荷へと供給される。

セルスタック１０１の内周側を流れる燃料ガスＧｆとセルスタック１０１の外周側を流れる酸化剤ガスＧｏとは、このセルスタック１０１を介して熱交換する。この結果、燃料ガスＧｆは、酸化剤ガスＧｏにより加熱され、酸化剤ガスＧｏは、逆に燃料ガスＧｆにより冷却される。本実施形態では、これら燃料ガスＧｆと酸化剤ガスＧｏとがセルスタック１０１の内周側と外周側とを対向して流れる。このため、燃料ガスと酸化剤ガスとの熱交換率が高まり、セルスタック１０１の上部において、燃料ガスによる酸化剤ガスの冷却効率、及び、セルスタック１０１の下部において、酸化剤ガスによる燃料ガスの冷却効率が高まる。よって、本実施形態において、酸化剤ガスＧｏは、第一カートリッジヘッダ２２０ａを形成する管板２２５ａ等が座屈変形等しない温度に冷却されてから、この第一カートリッジヘッダ２２０ａの酸化剤ガス排出室２１８に流れ込む。また、本実施形態において、燃料ガスＧｆは、発電室２１５内のセルスタック１０１内で、ヒータ等を用いることなく発電に適した温度に予熱昇温される。

なお、本実施形態では、燃料ガスＧｆと酸化剤ガスＧｏとがセルスタック１０１の内周側と外周側とを対向して流れる、つまり燃料ガスＧｆと酸化剤ガスＧｏとが逆向きに流れるが、必ずしもこの必要はなく、例えば、燃料ガスＧｆと酸化剤ガスＧｏとがセルスタック１０１の内周側と外周側で同じ向きに流れてもよいし、酸化剤ガスＧｏが燃料ガスＧｆの流れに対して直交する方向に流れてもよい。

円柱形状の複数のカートリッジ２０１は、いずれも、カートリッジ中心軸Ａｃが圧力容器１０の容器中心軸Ａｖと平行になるよう、圧力容器１０内に配置されている。つまり、本実施形態では、カートリッジ中心軸Ａｃは、容器中心軸Ａｖと同様、上下方向に延びている。本実施形態において、所定数のカートリッジ２０１は、容器中心軸方向Ｄｖ（上下方向）における位置が互いに同じ位置になり、且つ容器中心軸Ａｖに対して垂直な仮想面を含む方向で互いに隣接するよう配置されて、カートリッジ群２００を構成している。本実施形態の燃料電池モジュールＭは、このカートリッジ群２００を２つ備えている。２つのカートリッジ群２００（２００ａ，２００ｂ）は、圧力容器１０内で容器中心軸方向Ｄｖに並んでいる。

「第一実施形態」
次に、本発明に係るセルスタックの評価装置の第１実施形態について、図４に基づいて説明する。

本実施形態の評価装置は、評価対象である１本のセルスタック１０１が収納されるセル収納容器３１と、このセル収納容器３１が収納される圧力容器３０と、を備えている。

本実施形態の評価装置は、さらに、圧力容器３０に対して加圧ガス供給源３２から加圧ガスＧpを供給し、圧力容器３０の外部へと排気するための加圧ガスライン３３と、セル収納容器３１に収納されたセルスタック１０１の内周側（燃料極側）に対して燃料ガス供給源３４から燃料ガスＧｆを供給し、圧力容器３０の外部へと排気するための燃料ガスライン３５と、セル収納容器３１の内部においてセルスタック１０１の外周側（空気極側）に対して酸化剤ガス供給源３６から酸化剤ガスＧｏを供給し、圧力容器３０の外部へと排気するための酸化剤ガスライン３７と、を備えている。圧力容器３０の内部であって、セル収納容器３１の外部には、シーリング材３８に覆われたヒータ３９（加熱器）、ここの温度を検知する温度計５１、断熱材（不図示）等が配置されている。

セル収納容器３１は、ヒータ３９により加熱されて、例えば、６００℃以上になるため、耐熱性を考慮して、高温耐久性のある金属材料又はセラミックス等で形成されている。

加圧ガスライン３３中の加圧ガス排気側ライン３３aには、圧力容器３０内の圧力を調節する第一圧力調節弁（圧力調節部）４０が設けられている。また、燃料ガスライン３５中の燃料ガス排気側ライン３５aには、セル収納容器３１内のセルスタック１０１の内周側（燃料極側）の空間の圧力を調節する第二圧力調節弁（圧力調節部）４１が設けられている。さらに、酸化剤ガスライン３７中の酸化剤ガス排気側ライン３７aには、セル収納容器３１内のセルスタック１０１の外周側（空気極側）の空間の圧力を調節する第三圧力調節弁（圧力調節部）４２が設けられている。

本実施形態の評価装置は、さらに、各圧力調節弁４０〜４２の動作を制御する制御装置と、セルスタック１０１の発電状態を監視する監視装置５５とを備えている。制御装置は、第一差圧計４５と、第二差圧計４６と、これら差圧計４５，４６で検知された圧力差に基づいて各圧力調節弁４０〜４２に対して駆動指令を出力する制御装置本体５０と、を備えている。第一差圧計４５は、圧力容器３０の内部であってセル収納容器３１の外部の空間と、セル収納容器３１内のセルスタック１０１の外周側の空間との圧力差を検知する。また、第二差圧計４６は、セル収納容器３１内のセルスタック１０１の外周側の空間と、セルスタック１０１の内周側の空間又は燃料ガスライン３５内の空間との圧力差を検知する。監視装置５５は、セルスタック１０１のリード膜１１５（図３に示す）と電気的に接続され、セルスタック１０１から流れる電流や、セルスタック１０１にかかる電圧、さらに温度計５１で検知された温度等を監視する。

次に、以上で説明した評価装置を用いたセルスタック１０１の評価手順について説明する。

まず、評価対象である１本のセルスタック１０１をセル収納容器３１内に収納し、このセル収納容器３１を圧力容器３０内に収納する（収納工程）。次に、セル収納容器３１内のセルスタック１０１の外周側の空間に酸化剤ガス供給源３６からの酸化剤ガスＧｏを供給すると共に、セル収納容器３１内のセルスタック１０１の内周側の空間に燃料ガス供給源３４からの燃料ガスＧｆを供給する。さらに、酸化剤ガスＧｏの供給及び燃料ガスＧｆの供給と並行して、圧力容器３０内であってセル収納容器３１外の空間に加圧ガス供給源３２から加圧ガスＧpを供給する（ガス供給調整工程）。さらに、酸化剤ガスＧｏ、燃料ガスＧｆ、加圧ガスＧpの供給と並行して、ヒータ３９を駆動する（加熱工程）。この加熱工程では、制御装置本体５０は、温度計５１で検知された温度に基づいて、ヒータ３９での発熱量を制御する。

ガス供給調整工程では、制御装置本体５０が、圧力容器３０内であってセル収納容器３１外の空間の圧力が所定圧力になり、第一差圧計４５で検知された圧力差が所定圧力差以内に収まり、且つ第二差圧計４６で検知された圧力差も所定圧力差以内に収まるよう、第一圧力調節弁４０、第二圧力調節弁４１及び第三圧力調節弁４２に対して駆動指令を出力する。または、制御装置本体５０は、以上の条件を満たすよう、各ライン３３,３５,３７からのガスの流量に関するガス流量指令を各圧力調節弁４０,４１,４２に対して出力する。

セルスタック１０１は、前述したように、そのほとんどの構成要素がセラミックスで形成されている。このため、セルスタック１０１は、その内周側と外周側との圧力差が所定圧力差よりも大きいと破損する恐れがある。また、セル収納容器３１も耐熱性を考慮してセラミックス等で形成されているため、セル収納容器３１の内部と外部との圧力差が所定圧力差よりも大きいと破損する恐れがある。そこで、本実施形態では、セルスタック１０１が破損しない所定圧力差を予め定めておくと共に、セル収納容器３１が破損しない所定圧力差を予め定めておき、各差圧計４５,４６で検知された圧力差が対応する所定差圧以下になるよう、制御装置本体５０で各圧力調節弁４０,４１,４２を制御する。または、本実施形態では、先に述べた条件を満たすよう、ライン３３,３５,３７からのガスの流量を制御する。

ガス供給調整工程及び加熱工程が開始され、セルスタック１０１の外周側に酸化剤ガスＧｏが供給され、セルスタック１０１の内周側に燃料ガスＧｆが供給され、しかもセルスタック１０１周りの環境温度が所定以上になると、セルスタック１０１による発電が始まる。監視装置５５は、発電を開始したセルスタック１０１から流れる電流や、セルスタック１０１にかかる電圧、さらに、温度計５１で検知されたセルスタック１０１の周囲温度等を監視する（監視工程）。監視装置５５は、この発電しているセルスタック１０１の状態を示す各種パラメータ（電流、電圧、温度）等を監視しつつ、これら各種パラメータを表示する。各種パラメータの表示内容は、このセルスタック１０１の評価に用いられる。

なお、監視装置５５は、取得した各種パラメータを表示するのみに留まらず、各種パラメータが各種パラメータに対して予め定められている標準範囲を満たすか否かに応じて、このセルスタック１０１が適正であるか否かを判断し、この判断結果を出力するものであってもよい。

ところで、以上で説明した評価装置において、セル収納容器３１を設けず、圧力容器３０の内側であってセルスタック１０１の外周側に酸化剤ガスＧｏを供給しても、このセルスタック１０１を評価することが可能である。しかしながら、圧力容器３０内であってセルスタック１０１の外周側には、ヒータや断熱材等を設ける必要があるため、圧力容器３０の小型化には限度がある。このため、セル収納容器３１を設けず、圧力容器３０内であってセルスタック１０１の外周側に酸化剤ガスＧｏを供給する場合、セルスタック１０１の外周側の圧力が所定圧力になるまで、セルスタック１０１の外周側に供給する酸化剤ガスＧｏの量が多くなる。このため、セルスタック１０１の外周側に酸化剤ガスＧｏを供給する時間や、この酸化剤ガスＧｏが発電に適した温度以上になるまでの時間もかかる上に、セルスタック１０１の外周側の減圧時間もかかる。

しかしながら、本実施形態では、圧力容器３０内にセル収納容器３１を設け、このセル収納容器３１内であって、セルスタック１０１の外周側に酸化剤ガスＧｏを供給するようにしているので、セルスタック１０１の外周側に供給する酸化剤ガスＧｏの量を少なくすることができる。したがって、本実施形態では、セル収納容器３１を設けず、圧力容器３０内であってセルスタック１０１の外周側に酸化剤ガスＧｏを供給する場合と比べて、セルスタック１０１の外周側に酸化剤ガスＧｏを供給する時間、この酸化剤ガスＧｏが発電に適した温度以上になるまでの時間を短くすることができる。よって、本実施形態によれば、セルスタック１０１を短時間で評価することができる。

「第二実施形態」
次に、本発明に係るセルスタックの評価装置の第二実施形態について、図５に基づいて説明する。なお、図５において、上記第1実施形態と同一若しくは機能的に同一の構成には同一の符号を付してその説明を省略する。

本実施形態では、第一実施形態における各ガスライン３３，３４，３５のうち、酸化剤ガスライン３７中の酸化剤ガス排気側ライン３７aと、加圧ガスライン３３中の加圧ガス排気側ライン３３ａとを合流させている。酸化剤ガス排気側ライン３７aと加圧ガス排気側ライン３３ａとの合流部３３ｂは、圧力容器３０の外側に位置している。この合流部３３ｂよりも下流側には、第一実施形態における第一圧力調節弁４０と第三圧力調節弁４２との役目を兼ねる兼用圧力調節弁（圧力調節部）４２ａが設けられている。また、酸化剤ガス排気側ライン３７a中で合流部３３ｂより上流側には、合流部３３ｂからセル収納容器３１側への流れを防ぐ逆止弁４９が設けられている。加圧ガス排気側ライン３３ａ中で合流部３３ｂよりも上流側には、合流部３３ｂから圧力容器３０側への流れを防ぐ逆止弁４８が設けられている。

本実施形態では、酸化剤ガス排気側ライン３７aと加圧ガス排気側ライン３３ａとを合流させているので、酸化剤ガスライン３７と加圧ガスライン３３との圧力差は実施的にない。このため、酸化剤ガスライン３７に連通しているセル収納容器３１内であってセルスタック１０１の外周側の空間と加圧ガスライン３３に連通している圧力容器３０内であってセル収納容器３１の外側の空間との圧力差も実質的にない。従って、本実施形態では、セル収納容器３１内であってセルスタック１０１の外周側の空間の圧力と、圧力容器３０内であってセル収納容器３１の外側の空間の圧力をそれぞれ個別に調節する必要がない。

よって、本実施形態において、制御装置本体５０ａは、ガス供給調整工程で、兼用圧力調節弁４２ａと第二圧力調節弁４１とを制御すればよくなる。

以上のように、本実施形態では、酸化剤ガス排気側ライン３７aと加圧ガス排気側ライン３３ａとを合流させたことで、ラインの総全長を短くすることができる上に、圧力調節弁の数量を少なくすることができ、装置コストを抑えることができる。さらに、制御装置本体５０ａにおける制御対象の数量が減るので、制御装置本体５０ａの制御負荷を削減することができる。

なお、兼用圧力調節弁４２ａの制御にあたり、加圧ガスライン３３中の加圧ガス上流側ライン３３ｕを流れる加圧ガスＧpの流量を検知する流量計５２を設け、この加圧ガスＧpの流量が所定の流量になるように、兼用圧力調節弁４２ａを制御してもよい。また、酸化剤ガスライン３７中の酸化剤ガス上流側ライン３７ｕを流れる酸化剤ガスＧｏの流量を検知する流量計（不図示）を設け、この酸化剤ガスＧｏの流量が所定の流量になるように、兼用圧力調節弁４２ａを制御してもよい。

また、本実施形態では、前述したように、酸化剤ガス排気側ライン３７ａと加圧ガス排気側ライン３３ａとを合流させているので、セル収納容器３１内であってセルスタック１０１の外周側の空間の圧力と、圧力容器３０内であってセル収納容器３１の外側の空間の圧力とが実質的に同じであり、それぞれ個別に調節する必要がない。また、セル収納容器３１内であってセルスタック１０１の外周側の空間と、セル収納容器３１内でセルスタック１０１の内周側の空間との圧力差は、第二圧力調節弁４１のみを制御装置本体５０ａで制御すれば対応可能である。したがって、兼用圧力調節弁４２ａは、制御装置本体５０ａで制御できない、例えば、手動式弁やオリフィス等の圧力抵抗体であってもよい。

「第三実施形態」
次に、本発明に係るセルスタック１０１の評価装置の第三実施形態について、図６に基づいて説明する。なお、図６において、上記第1実施形態と同一若しくは機能的に同一の構成には同一の符号を付してその説明を省略する。

本実施形態では、第一実施形態における各ガスライン３３，３４，３５のうち、燃料ガスライン３５中の燃料ガス排気側ライン３５aと、加圧ガスライン３３中の加圧ガス排気側ライン３３ａとを合流させている。燃料ガス排気側ライン３５aと加圧ガス排気側ライン３３ａとの合流部３５ｂは、圧力容器３０の外側に位置している。この合流部３５ｂよりも下流側には、第一実施形態における第一圧力調節弁４０と第二圧力調節弁４１との役目を兼ねる兼用圧力調節弁（圧力調節部）４１ａが設けられている。また、燃料ガス排気側ライン３５a中で合流部３５ｂより上流側には、合流部３５ｂからセルスタック１０１の内周側への流れを防ぐ逆止弁４７が設けられている。加圧ガス排気側ライン３３ａ中で合流部３５ｂよりも上流側には、合流部３５ｂから圧力容器３０側への流れを防ぐ逆止弁４８が設けられている。

本実施形態では、燃料ガス排気側ライン３５aと加圧ガス排気側ライン３３ａとを合流させているので、燃料ガスライン３５と加圧ガスライン３３との圧力差は実施的にない。このため、燃料ガスライン３５に連通しているセルスタック１０１の内周側の空間と加圧ガスライン３３に連通している圧力容器３０内であってセル収納容器３１の外側の空間との圧力差も実質的にない。従って、本実施形態では、セルスタック１０１の内周側の空間の圧力と、圧力容器３０内であってセル収納容器３１の外側の空間の圧力をそれぞれ個別に調節する必要がない。

よって、本実施形態において、制御装置本体５０ｂは、ガス供給調整工程で、兼用圧力調節弁４１ａと第三圧力調節弁４２とを制御すればよくなる。

以上のように、本実施形態では、燃料ガス排気側ライン３５ａと加圧ガス排気側ライン３３ａとを合流させたことで、第二実施形態と同様、ラインの総全長を短くすることができる上に、圧力調節弁の数量を少なくすることができ、装置コストを抑えることができる。さらに、制御装置本体５０ｂにおける制御対象の数量が減るので、制御装置本体５０ｂの制御負荷を削減することができる。

なお、本実施形態においても、第二実施形態と同様、兼用圧力調節弁４１ａの制御にあたり、加圧ガスライン３３中の加圧ガス上流側ライン３３ｕを流れる加圧ガスＧpの流量を検知する流量計５２を設け、この加圧ガスＧpの流量が所定の流量になるように、兼用圧力調節弁４１ａを制御してもよい。また、燃料ガスライン３５中の燃料ガス上流側ライン３５ｕを流れる燃料ガスＧｆの流量を検知する流量計（不図示）を設け、この燃料ガスＧｆの流量が所定の流量になるように、兼用圧力調節弁４１ａを制御してもよい。

また、本実施形態においても、第二実施形態と同様、兼用圧力調節弁４１ａは、制御装置本体５０ｂで制御できない、例えば、手動式弁やオリフィス等の圧力抵抗体であってもよい。

以上の実施形態の評価装置は、いずれも制御装置本体５０，５０ａ，５０ｂを有しているが、各圧力調節弁等を人が操作することで、この制御装置本体５０，５０ａ，５０ｂを省略してもよい。また、以上では、二つの空間の圧力差を検知するために差圧計を設けているが、この差圧計の替りに、各空間の圧力を検知する圧力計とこれら圧力計からの出力の差を求める演算器等を設けてもよい。また、第二実施形態では、酸化剤ガス排気側ライン３７aと加圧ガス排気側ライン３３ａとを合流させ、第三実施形態では、燃料ガス排気側ライン３５ａと加圧ガス排気側ライン３３ａとを合流させているが、酸化剤ガス排気側ライン３７aと燃料ガス排気側ライン３５ａとを合流させてもよい。

３０：圧力容器、３１：セル収納容器、３２：加圧ガス供給源、３３：加圧ガスライン３３、３４：燃料ガス供給源、３５：燃料ガスライン、３６：酸化剤ガス供給源、３７：酸化剤ガスライン、３８：シーリング材、３９：ヒータ（加熱器）、４０：第一圧力調節弁（圧力調節部）、４１：第二圧力調節弁（圧力調節部）、４２：第三圧力調節弁（圧力調節部）、４１ａ，４２ａ：兼用圧力調節弁（圧力調節部）、４５：第一差圧計、４６：第二差圧計、４７，４８,４９：逆止弁、５０,５０ａ，５０ｂ：制御装置、５５：監視装置、１０１：セルスタック

Claims (8)

1. 燃料極と空気極とが積層されて形成されている燃料電池セルを有するセルスタックの評価装置において、
   前記セルスタックが収納されるセル収納容器と、
   前記セル収納容器を覆う圧力容器と、
   前記圧力容器内であって前記セル収納容器外の空間に対して加圧ガスを供給・排気するための加圧ガスラインと、
   前記セル収納容器内の前記セルスタックの空気極側の空間に対して酸化剤ガスを供給・排気するための酸化剤ガスラインと、
   前記セル収納容器内の前記セルスタックの燃料極側の空間に対して燃料ガスを供給・排気するための燃料ガスラインと、
   前記圧力容器内であって前記セル収納容器外の空間の圧力を調節する圧力調節部と、
   前記セル収納容器内の前記燃料極側の空間の圧力を調節する圧力調節部と、
   前記セル収納容器内の前記空気極側の空間の圧力を調節する圧力調節部と、
   前記空気極側の前記空間に供給された前記酸化剤ガスと前記燃料極側の前記空間に供給された前記燃料ガスとを用いて発電が行われている前記セルスタックの状態を監視する監視部と、
   を備えていることを特徴とするセルスタックの評価装置。
2. 請求項１に記載のセルスタックの評価装置において、
   前記前記圧力容器内であって前記セル収納容器外の空間に配置され、該セル収納容器内を加熱する加熱器を備えている、
   ことを特徴とするセルスタックの評価装置。
3. 請求項１又は２に記載のセルスタックの評価装置において、
   前記各圧力調節部の動作を制御する制御装置を備え、
   前記制御装置は、前記圧力容器内であって前記収納容器外の空間の圧力と前記セル収納容器内の前記空気極側の空間の圧カとの圧力差が所定圧力差以内になり、前記セル収納容器内の前記空気極側の空間の圧力と前記セル収納容器内の前記燃料極側の空間の圧力との圧力差が所定圧力差以内になるように前記各圧力調節部を制御する、
   ことを特徴とするセルスタックの評価装置。
4. 請求項１から３のいずれか一項に記載のセルスタックの評価装置において、
   前記加圧ガスラインと前記酸化剤ガスラインと前記燃料ガスラインとのうちで、いずれか二つのライン中の排気側ラインは、前記圧力容器の外部で合流しており、
   二つの前記ラインにおける合流部よりも下流側には、二つの前記ラインのうちの一方のラインに連通している前記空間の圧力を調節する前記圧力調節部と、他方のラインに連通している前記空間の圧力を調節する前記圧力調節部とを兼用する兼用圧力調節部が設けられ、
   二つの前記ライン中の前記排気側ラインであって、前記合流部よりも上流側には、逆止弁がそれぞれ設けられている、
   ことを特徴とするセルスタックの評価装置。
5. 請求項４に記載のセルスタックの評価装置において、
   二つの前記ラインのうち、一方のラインは前記酸化剤ガスラインであり、他方のラインは前記加圧ガスラインである、
   ことを特徴とするセルスタックの評価装置。
6. 請求項４に記載のセルスタックの評価装置において、
   二つの前記ラインのうち、一方のラインは前記燃料ガスラインであり、他方のラインは前記加圧ガスラインである、
   ことを特徴とするセルスタックの評価装置。
7. 燃料極と空気極とが積層されて形成されている燃料電池セルを有するセルスタックの評価方法において、
   前記セルスタックをセル収納容器内に収納し、該セル収納容器を覆う圧力容器内に収納する収納工程と、
   前記圧力容器内であって前記セル収納容器外の空間に加圧ガスを供給しつつ、該空間の圧力を調整し、前記セル収納容器内の前記空気極側の空間に酸化剤ガスを供給しつつ該空間の圧力を調整し、前記セル収納容器内の前記燃料極側の空間に燃料ガスを供給しつつ該空間の圧力を調整するガス供給調整工程と、
   前記空気極側の空間に供給された前記酸化剤ガスと前記燃料極側に供給された前記燃料ガスとを用いて、前記セルスタックで発電が行われている状態を監視する監視工程と、
   を実行することを特徴とするセルスタックの評価方法。
8. 請求項７に記載のセルスタックの評価方法において、
   前記ガス供給調整工程では、前記圧力容器内であって前記収納容器外の空間の圧力と前記セル収納容器内の前記空気極側の空間の圧カとの圧力差を所定圧力差以内に調節し、前記セル収納容器内の前記空気極側の空間の圧力と前記セル収納容器内の前記燃料極側の空間の圧力との圧力差を所定圧力差以内に調節する、
   ことを特徴とするセルスタックの評価方法。

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