JP2019200887A - Cell evaluation system and method - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、固体酸化物形燃料電池(Solid Oxide Fuel Cell :SOFC)で使用する単セルの発電時における損傷過程を評価するセル評価システム及び方法に関するものである。 The present invention relates to a cell evaluation system and method for evaluating a damage process during power generation of a single cell used in a solid oxide fuel cell (SOFC).
従来から、水素と酸素との電気化学反応を利用して発電を行う燃料電池の種類の1つである固体酸化物形燃料電池(以下、単に「SOFC」という)が知られている。 2. Description of the Related Art Conventionally, a solid oxide fuel cell (hereinafter simply referred to as “SOFC”), which is one type of fuel cell that generates electricity using an electrochemical reaction between hydrogen and oxygen, is known.
SOFCは、一般に固体電解質の一方の面に燃料ガスを透過する燃料極と他方の面に空気ガスを透過する空気極とを有する複数の単セルをスタック状に積層し、固体電解質を隔壁として燃料極に燃料ガスを供給しつつ空気極に空気ガス(酸素を含有するガス)を供給しながら例えば700〜1000℃程度の作動温度で作動させる。このように作動させることで、空気極側から燃料極側への電解質膜を介した酸化物イオンの移動に伴って、一対の電極間に起電力が発生する。 SOFC is generally a stack of a plurality of single cells each having a fuel electrode that transmits fuel gas on one surface of the solid electrolyte and an air electrode that transmits air gas on the other surface. The fuel cell is operated at an operating temperature of, for example, about 700 to 1000 ° C. while supplying air gas (gas containing oxygen) to the air electrode while supplying fuel gas to the electrode. By operating in this way, an electromotive force is generated between the pair of electrodes as the oxide ions move from the air electrode side to the fuel electrode side through the electrolyte membrane.
ところで、SOFCで使用される単セルは、作動温度が高温のため起動時から作動温度に達するまでの時間を短縮させようと急速に昇温又は降温すると、温度変化に追従できず物理的変形により亀裂(クラック)が生じることがある。このため、昇温/降温動作における温度変化やセル表面の温度分布における単セルのクラック発生メカニズムを定量的に評価したいという要望がある。 By the way, the single cell used in SOFC is unable to follow the temperature change due to physical deformation if the temperature is rapidly raised or lowered so as to shorten the time from starting to reach the operating temperature because the operating temperature is high. Cracks may occur. For this reason, there is a demand to quantitatively evaluate the crack generation mechanism of a single cell in the temperature change in the temperature rising / falling operation and the temperature distribution on the cell surface.
下記特許文献1には、発電時における単セルの損傷過程を検出する手法としてアコースティックエミッション法(AE法)を用いて検出することについて記載されている。AE方とは、被検査体が変形或いはクラックが生じた際に、物体に蓄えられた歪みが弾性エネルギーとして解放され発生した弾性波(アコースティックエミッション波:AE波)を検出する受動的な手法であり、温度変化などの変形要因によって生じた単セルのクラックの有無を判断することができる。
非特許文献1では、単セルに生じたクラックにより発生するAE波を測定するため、セラミック管の外面に広帯域圧電型トランスディーサ(AEセンサ)を取り付けているが、単セルとセラミック管とのサイズ関係や検査環境などに応じてAEセンサの最適な設置位置が異なるため、AEセンサの適切な設置位置を判断するにはある程度の熟練度が必要となる。
In
また、AEセンサは、被検査体で発生したアコースティックエミッションを検出するため超音波帯域(数10kHz〜数MHz)の信号取得に有効な感度を備えている。そのため、周囲のバックグラウンドノイズ(雑音成分)の影響を受けやすく、セルに生じたクラックを起因とする信号(AE波)とこれ以外の信号(例えばシール部材の熱膨張による破損を起因とするAE波)とを分類するのが難しい。特に、単セルに生じたクラックがマイクロオーダーの微小なサイズの場合、クラック発生時のAE波が非常に微弱なため、正確にクラックを検出するのは非常に困難となる。 Further, the AE sensor has an effective sensitivity for acquiring signals in the ultrasonic band (several tens of kHz to several MHz) in order to detect acoustic emission generated in the object to be inspected. Therefore, it is easily affected by surrounding background noise (noise component), and a signal (AE wave) caused by a crack generated in the cell and other signals (for example, AE caused by damage due to thermal expansion of the seal member). Wave) is difficult to classify. In particular, when a crack generated in a single cell is a micro size, the AE wave when the crack is generated is very weak, so that it is very difficult to accurately detect the crack.
また、クラック検出方法の他のアプローチとしてセル電圧を観測する方法が挙げられる。通常、単セルにクラックが生じるとクラックの影響によりセル電圧が低下する挙動を示すが、マイクロオーダーの微小なクラックが発生したとしてもセル電圧に顕著な変化が現れないため、セル電圧を観察するだけでは微小なクラックを正確に検出することができなかった。 Another approach for crack detection is to observe the cell voltage. Normally, when a crack occurs in a single cell, the cell voltage decreases due to the effect of the crack. However, even if a micro-order micro crack occurs, the cell voltage does not change significantly, so observe the cell voltage. However, it was impossible to accurately detect minute cracks.
そこで、本発明は上記問題点に鑑みてなされたものであって、作業者の熟練度に因らず発電状態の単セルに生じたクラックがマイクロオーダーの微小なものであっても高精度に、且つ簡便にクラックの有無を検出して温度とクラックとの関係を定量的に評価することができるセル評価システム及び方法を提供することを目的としている。 Therefore, the present invention has been made in view of the above-mentioned problems, and it is highly accurate even if cracks generated in a single cell in a power generation state are micro ones regardless of the skill level of the operator. And it aims at providing the cell evaluation system and method which can detect the presence or absence of a crack simply and can evaluate the relationship between temperature and a crack quantitatively.
上記目的を達成するため、本発明に係る第1の態様は、燃料極と空気極との間に電解質を挟んで構成される固体酸化物形燃料電池用の単セルを評価するセル評価システムであって、
前記単セルを境に、前記単セルの前記空気極側に空気ガスを導入する空気ガス導入空間と、前記単セルの前記燃料極側に燃料ガスを導入する燃料ガス導入空間がそれぞれ形成されるように、シール部材を介して空気極側ホルダと燃料極側ホルダで前記単セルを挟持保持する保持部と、
前記単セルを発電に必要な作動温度まで加熱する加熱部と、
前記空気ガス導入空間に前記空気ガスを導入するとともに、前記空気ガス導入空間内の前記空気ガスを排気する空気ガス給排気部と、
前記燃料ガス導入空間の背圧が前記空気ガス導入空間の背圧よりも高くなるように、前記燃料ガス導入空間に前記燃料ガスを導入するとともに、前記燃料ガス導入空間内の前記燃料ガスを排気する燃料ガス給排気部と、
前記空気ガス給排気部から排気される前記空気ガス中に含まれる前記燃料ガスを検出し、その検出結果に基づく検出信号を出力するガス検出部と、
前記ガス検出部から出力された前記検出信号に基づいて前記単セルに生じたクラックの有無を判断する制御部と、
を備えたことを特徴とする、セル評価システムである。
In order to achieve the above object, a first aspect according to the present invention is a cell evaluation system for evaluating a single cell for a solid oxide fuel cell configured by sandwiching an electrolyte between a fuel electrode and an air electrode. There,
An air gas introduction space for introducing air gas to the air electrode side of the single cell and a fuel gas introduction space for introducing fuel gas to the fuel electrode side of the single cell are formed with the single cell as a boundary. As described above, a holding unit that holds and holds the single cell between the air electrode side holder and the fuel electrode side holder via the seal member,
A heating section for heating the single cell to an operating temperature necessary for power generation;
An air gas supply / exhaust unit that introduces the air gas into the air gas introduction space and exhausts the air gas in the air gas introduction space;
The fuel gas is introduced into the fuel gas introduction space so that the back pressure of the fuel gas introduction space is higher than the back pressure of the air gas introduction space, and the fuel gas in the fuel gas introduction space is exhausted. A fuel gas supply / exhaust section,
A gas detection unit that detects the fuel gas contained in the air gas exhausted from the air gas supply / exhaust unit and outputs a detection signal based on the detection result;
A control unit that determines the presence or absence of a crack generated in the single cell based on the detection signal output from the gas detection unit;
A cell evaluation system comprising:
本発明の第2の態様は、第1の態様に係るセル評価システムにおいて、前記単セルの表面温度を検出する温度検出手段を備え、
前記ガス検出部は、前記燃料ガスのガス濃度を示す検出信号を出力する構成とし、
前記制御部は、前記ガス検出部から出力された前記検出信号と、前記温度検出手段で検出された温度情報とをプロットして前記単セルのクラック発生前後における温度とガス濃度との相関関係を示すセル評価データを作成することを特徴とする、セル評価システムである。
According to a second aspect of the present invention, in the cell evaluation system according to the first aspect, comprising a temperature detection means for detecting a surface temperature of the single cell,
The gas detection unit is configured to output a detection signal indicating a gas concentration of the fuel gas,
The control unit plots the detection signal output from the gas detection unit and the temperature information detected by the temperature detection unit to correlate the temperature and gas concentration before and after the occurrence of a crack in the single cell. A cell evaluation system is characterized in that cell evaluation data is generated.
本発明の第3の態様は、第1の態様又は第2の態様に係るセル評価システムにおいて、前記加熱部は、前記空気極側ホルダ及び前記燃料極側ホルダの側面に複数形成される挿入穴に挿入されるカートリッジ型ヒータであることを特徴とする、セル評価システムである。 According to a third aspect of the present invention, in the cell evaluation system according to the first aspect or the second aspect, the heating unit includes a plurality of insertion holes formed on side surfaces of the air electrode side holder and the fuel electrode side holder. A cell evaluation system, characterized in that it is a cartridge-type heater inserted into the battery.
本発明の第4の態様は、燃料極と空気極との間に電解質を挟んで構成される固体酸化物形燃料電池用の単セルを評価するセル評価方法であって、
前記単セルを境に、前記単セルの前記空気極側に空気ガスを導入する空気ガス導入空間と、前記単セルの前記燃料極側に燃料ガスを導入する燃料ガス導入空間がそれぞれ形成されるように、シール部材を介して空気極側ホルダと燃料極側ホルダで前記単セルを挟持保持するステップと、
前記単セルを発電に必要な作動温度まで加熱するステップと、
前記空気ガス導入空間に前記空気ガスを導入するとともに、前記空気ガス導入空間内の前記空気ガスを排気するステップと、
前記燃料ガス導入空間の背圧が前記空気ガス導入空間の背圧よりも高くなるように、前記燃料ガス導入空間に前記燃料ガスを導入するとともに、前記燃料ガス導入空間内の前記燃料ガスを排気するステップと、
前記空気ガス導入空間から排気される前記空気ガス中に含まれる前記燃料ガスを検出し、その検出結果に基づく検出信号を出力するステップと、
前記検出信号に基づいて前記単セルに生じたクラックの有無を判断するステップと、
を含むことを特徴とする、セル評価方法である。
A fourth aspect of the present invention is a cell evaluation method for evaluating a single cell for a solid oxide fuel cell configured by sandwiching an electrolyte between a fuel electrode and an air electrode,
An air gas introduction space for introducing air gas to the air electrode side of the single cell and a fuel gas introduction space for introducing fuel gas to the fuel electrode side of the single cell are formed with the single cell as a boundary. And sandwiching and holding the single cell between the air electrode side holder and the fuel electrode side holder via the seal member,
Heating the single cell to an operating temperature required for power generation;
Introducing the air gas into the air gas introduction space and exhausting the air gas in the air gas introduction space;
The fuel gas is introduced into the fuel gas introduction space so that the back pressure of the fuel gas introduction space is higher than the back pressure of the air gas introduction space, and the fuel gas in the fuel gas introduction space is exhausted. And steps to
Detecting the fuel gas contained in the air gas exhausted from the air gas introduction space, and outputting a detection signal based on the detection result;
Determining the presence or absence of cracks occurring in the single cell based on the detection signal;
It is a cell evaluation method characterized by including.
本発明によれば、単セルを境に形成された空気ガス導入空間と燃料ガス導入空間にそれぞれ空気ガスと燃料ガスを導入し、空気ガス導入空間から排気された気体成分から燃料ガスが検出されたときにクラックが発生していると判断している。これにより、空気ガス中に燃料ガスが含まれているか否かで単セルにクラックが発生しているか否かの判断が可能となるため、クラック検出にあたり特別な技術や熟練度が必要なく、発電中における単セルに発生したマイクロオーダーの微小なクラックも高精度に検出することができる。 According to the present invention, air gas and fuel gas are respectively introduced into an air gas introduction space and a fuel gas introduction space formed with a single cell as a boundary, and the fuel gas is detected from the gas components exhausted from the air gas introduction space. It is determined that a crack has occurred. This makes it possible to determine whether or not a crack has occurred in a single cell based on whether or not the fuel gas is contained in the air gas. Micro cracks in the micro-order generated in the single cell inside can be detected with high accuracy.
また、温度検出手段で測定した単セル表面の温度と、空気ガス導入空間内に含有される燃料ガスのガス濃度との相関関係をプロットしたセル評価データが作成可能なため、発電時の昇温に伴って発生した単セルのクラックの成長過程を定量的に評価することができる。 In addition, cell evaluation data plotting the correlation between the temperature of the single cell surface measured by the temperature detection means and the gas concentration of the fuel gas contained in the air gas introduction space can be created. It is possible to quantitatively evaluate the growth process of the crack of the single cell generated along with this.
さらに、加熱部を複数本のカートリッジ型ヒータで構成して空気極側ホルダや燃料極側ホルダに形成した挿入穴にそれぞれ挿入してセル部を上下方向から加熱させることができるため、電気炉のように空間全体を加熱させるよりも効率的に作動温度まで昇温可能となり、加熱時間を大幅に短縮させることができる。また、ヒータを複数本で構成しているため、単セルにおけるセル表面の温度を部分的に制御することができ、温度変化による単セルのクラックの発生メカニズムや、昇温/降温に伴うクラックの成長過程を観察しながら単セルの性能評価が可能となる。 Furthermore, since the heating part is composed of a plurality of cartridge type heaters and inserted into the insertion holes formed in the air electrode side holder and the fuel electrode side holder, respectively, the cell part can be heated from the vertical direction. Thus, the temperature can be raised to the operating temperature more efficiently than heating the entire space, and the heating time can be greatly shortened. In addition, since the heater is composed of multiple heaters, the temperature of the cell surface in the single cell can be partially controlled, and the mechanism of cracking of the single cell due to temperature changes and the cracking caused by temperature rise / fall It is possible to evaluate the performance of a single cell while observing the growth process.
以下、本発明を実施するための形態について、添付した図面を参照しながら詳細に説明する。 Hereinafter, embodiments for carrying out the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
なお、本明細書に添付する図面は、図示と理解のしやすさの便宜上、適宜縮尺、縦横の寸法比、形状などについて、実物から変更し模式的に表現される場合があるが、あくまで一例であって、本発明の解釈を限定するものではない。従って、添付した図面を用いて説明する実施の形態により、本発明が限定されず、この形態に基づいて当業者などにより考え得る実施可能な他の形態、実施例及び運用技術などは全て本発明の範疇に含まれるものとする。 Note that the drawings attached to the present specification may be schematically expressed by appropriately changing the scale, vertical / horizontal dimension ratio, shape, etc. from the actual one for convenience of illustration and easy understanding. However, the interpretation of the present invention is not limited. Therefore, the present invention is not limited by the embodiment described with reference to the accompanying drawings, and all other forms, examples, operation techniques, and the like that can be considered by those skilled in the art based on this embodiment are included in the present invention. It shall be included in the category.
また、本明細書において、添付する各図を参照した以下の説明において、方向乃至位置を示すために上、下、左、右の語を使用した場合、これはユーザが各図を図示の通りに見た場合の上、下、左、右に一致する。 In this specification, in the following description with reference to the accompanying drawings, when the words “up”, “down”, “left”, and “right” are used to indicate directions and positions, this is indicated by the user as shown in the drawings. Matches top, bottom, left, and right.
[システム構成]
まず、本発明に係るセル評価システムの構成について説明する。
本実施形態のセル評価システム1は、SOFCのセル部Sを構成する単セルS1を被検査対象とし、発電時に使用する2種類のガス(燃料ガス、空気ガス)を用いてクラックから漏洩した一方のガス(燃料ガス)が他方のガス(空気ガス)中に含まれているか否かの検出結果に基づき、クラックの有無の判断や温度変化を起因とするクラックの成長過程を定量的に評価するシステムである。
[System configuration]
First, the configuration of the cell evaluation system according to the present invention will be described.
In the
よって、本発明のシステムにおいて単セルS1に発生するクラックは、単セルS1の表面(空気極)側から裏面(燃料極)側にかけて連続して形成されガスが漏洩可能な程度の損傷度合いとし、単セルS1の表面にのみ形成された損傷や単セルS1の表面から裏面にまで到達せずに内部で留まっているような損傷は検出対象外となる。本実施形態では、図1や図2に示すように単セルS1に形成されたクラックを太折れ線で模式的に示している。 Therefore, the crack generated in the single cell S1 in the system of the present invention is formed continuously from the front surface (air electrode) side to the back surface (fuel electrode) side of the single cell S1, and the degree of damage is such that gas can leak. Damage that is formed only on the surface of the single cell S1 or damage that remains inside the single cell S1 without reaching the back surface from the front surface is excluded from detection. In the present embodiment, as shown in FIGS. 1 and 2, the cracks formed in the single cell S <b> 1 are schematically shown by thick broken lines.
図1に示すように、本実施形態のセル評価システム1は、単セルS1を含むセル部Sを構成する各部品を挟持保持する保持部10と、第1のガスである空気ガスを保持部10に供給/排気する空気ガス給排気部20と、第2のガスである燃料ガスを保持部10に供給/排気する燃料ガス給排気部30と、燃料ガスを空気ガス給排気部20側で検出するガス検出部40と、発電時にセル部Sを所定の作動温度まで加熱する加熱部50と、単セルS1にクラックが発生しているか否かの判断や各部の駆動制御を行う制御部60とで構成されている。
As shown in FIG. 1, the
<セル部>
セル部Sは、単セルS1と、一対のシール部材S2と、空気極用集電体S3と、燃料極用集電体S4とで構成され、保持部10によって挟持保持される部材である。
<Cell part>
The cell portion S is a member that is configured by a single cell S1, a pair of sealing members S2, an air electrode current collector S3, and a fuel electrode current collector S4, and is sandwiched and held by the holding
単セルS1は、例えばYSZ/Niサーメットなどの燃料極(アノード)と、例えば(La,Sr)MnO3 などの空気極(カソード)との間に、例えばYSZ(イットリア安定化ジルコニア)やScSZ(スカンジア安定化ジルコニア)などの電解質を一体化して構成される。なお、単セルS1の構成は、従来公知の形態であれば上記材料に限定されない。 The single cell S1 includes, for example, YSZ (yttria stabilized zirconia) or ScSZ (cathode) between a fuel electrode (anode) such as YSZ / Ni cermet and an air electrode (cathode) such as (La, Sr) MnO 3. Scandia stabilized zirconia) and other electrolytes are integrated. The configuration of the single cell S1 is not limited to the above materials as long as it is a conventionally known form.
一対のシール部材S2は、ガス漏洩防止用として単セルS1の外周縁部を挟んで対向配置され、弾力性を有するセラミックス(例えば、バーミキュライト、マイカ、アルミナファイバーなど)やガラスO−リングからなる。 The pair of seal members S2 are arranged to face each other with the outer peripheral edge of the single cell S1 interposed therebetween for preventing gas leakage, and are made of elastic ceramics (for example, vermiculite, mica, alumina fiber, etc.) or a glass O-ring.
空気極用集電体S3は、高温で酸化しにくい貴金属である例えば金(Au)や白金(Pt)製の網などで構成される。また、燃料極用集電体S4は、還元雰囲気で安定であるNi網などで構成される。空気極用集電体S3や燃料極用集電体S4に形成される開口形状は、発電効率を考慮してガスの流れが最適となるように設計される。よって、単セルS1の性能評価を行う場合は、各集電体S3、S4の開口形状の異なるものを複数種類用意するのが好ましい。 The air electrode current collector S3 is made of, for example, a net made of gold (Au) or platinum (Pt), which is a noble metal that hardly oxidizes at high temperatures. Further, the fuel electrode current collector S4 is formed of a Ni net or the like that is stable in a reducing atmosphere. The opening shapes formed in the air electrode current collector S3 and the fuel electrode current collector S4 are designed so that the gas flow is optimized in consideration of power generation efficiency. Therefore, when performing the performance evaluation of the single cell S1, it is preferable to prepare a plurality of types of collectors S3 and S4 having different opening shapes.
<保持部>
保持部10は、一対の挟持部材として機能する空気極側ホルダ11と燃料極側ホルダ12との間にセル部Sを挟持保持した状態で固定部材13により締結固定して組み立てる構成である。図1において、セル部Sは、上方からシール部材S2、空気極用集電体S3、単セルS1、シール部材S2、燃料極用集電体S4の順に積層される。
<Holding part>
The holding
空気極側ホルダ11は空気ガス給排気部20側に配置され、燃料極側ホルダ12は、燃料ガス給排気部30側に配置される。図1において、空気極側ホルダ11はセル部Sよりも上方、燃料極側ホルダ12は下方に配置され、シール部材S2を介在させた状態で単セルS1を空気極側ホルダ11と燃料極側ホルダ12との間で挟持保持する。
The air
これにより、図1に示すように、保持部10によって保持された単セルS1を境とし、単セルS1の空気極側には空気ガス導入空間E1が形成され、単セルS1の燃料極側には燃料ガス導入空間E2が形成される。そして、空気ガス導入空間E1には空気極用集電体S3が収容され、燃料ガス導入空間E2には燃料極用集電体S4が収容される。
As a result, as shown in FIG. 1, an air gas introduction space E1 is formed on the air electrode side of the single cell S1, with the single cell S1 held by the holding
この空気ガス導入空間E1、燃料ガス導入空間E2は、単セルS1を隔壁としてシール部材S2により各空間の気密性が確保されているため、外部へのガス漏洩や外気の進入はなく、また単セルS1にクラックが発生していない状態において一方の空間(例えば空気ガス導入空間E1)側から他方の空間(例えば燃料ガス導入空間E2)側にガス漏洩することもない。 In the air gas introduction space E1 and the fuel gas introduction space E2, since the airtightness of each space is secured by the sealing member S2 with the single cell S1 as a partition wall, there is no gas leakage to the outside and no entry of outside air. No gas leaks from one space (for example, air gas introduction space E1) side to the other space (for example, fuel gas introduction space E2) side in a state where no crack is generated in the cell S1.
空気極側ホルダ11は、その側面に空気ガスを空気ガス導入空間E1に導入する空気ガス導入口11aと、空気ガス導入空間E1に導入された空気ガスを外部に排気する空気ガス排気口11bが形成され、セル部Sを挟持する挟持部材として機能するとともに空気ガスの供給/排気を行うマニホールドの機能も有する。
The air
空気ガス導入口11aから導入された空気ガスは、空気極側ホルダ11の単セルS1側の面において空気ガス導入口11aと連通するように形成されたガス流入口(不図示)から空気ガス導入空間E1内に導入される。また、空気極側ホルダ11におけるガス流入口近傍に空気ガス排気口11bと連通するようにガス流出口(不図示)が形成され、このガス流出口から空気ガス導入空間E1内の空気ガスが排気される。
Air gas introduced from the
燃料極側ホルダ12は、その側面に燃料ガスを燃料ガス導入空間E2に導入する燃料ガス導入口12aと、燃料ガス導入空間E2に導入された燃料ガスを外部に排気する燃料ガス排気口12bが形成され、セル部Sを挟持する挟持部材として機能するとともに燃料ガスの供給/排気を行うマニホールドの機能も有する。
The fuel
燃料ガス導入口12aから導入された燃料ガスは、燃料極側ホルダ12の単セルS1側の面において燃料ガス導入口12aと連通するように形成されたガス流入口(不図示)から燃料ガス導入空間E2内に導入される。また、燃料極側ホルダ12におけるガス流入口近傍には燃料ガス排気口12bと連通するようにガス流出口(不図示)が形成され、このガス流出口から燃料ガス導入空間E2内の燃料ガスが排気される。
The fuel gas introduced from the
固定部材13は、耐熱性を有するアルミナ製のボルトと、ボルトと螺合するアルミナ製のナットと、雰囲気温度による熱膨張などの影響を吸収するためのセラミックバネとで構成されている。保持部10は、空気極側ホルダ11と燃料極側ホルダ12とを突き合わせてセル部Sを挟持させた状態でボルトにセラミックバネを介在させてナットで締付固定して組み立てられる。
The fixing
<空気ガス給排気部>
空気ガス給排気部20は、保持部10に保持された単セルS1を境に形成される空気ガス導入空間E1に空気ガス供給源G1から空気ガス(例えば酸素(O2 )、空気のような酸素を含有するガス)を導入する空気ガス導入手段21と、空気ガス導入空間E1内に充満する空気ガスを外部に排気する空気ガス排気手段22とで構成される。空気ガス導入手段21は、空気ガス導入口11aと接続され、空気ガス排気手段22は、空気ガス排気口11bと接続される。
<Air gas supply / exhaust section>
The air gas supply /
空気ガス給排気部20は、制御部60の制御により、図示しない給排気ポンプや開閉弁などを制御しながら空気ガスの流量制御(単位時間あたりの供給量及び排気量の制御)が行われる。
The air gas supply /
<燃料ガス給排気部>
燃料ガス給排気部30は、保持部10に保持された単セルS1を境に形成される燃料ガス導入空間E2に燃料ガス供給源G2から燃料ガス(例えば水素(H2 )、一酸化炭素(CO)、炭化水素)を導入する燃料ガス導入手段31と、燃料ガス導入空間E2内に充満する燃料ガスを外部に排気する燃料ガス排気手段32とで構成される。燃料ガス導入手段31は、燃料ガス導入口12aと接続され、燃料ガス排気手段32は、燃料ガス排気口12bと接続される。また、燃料ガス給排気部30は、保持部10に供給される燃料ガスを所定の露点温度となるように加湿する加湿手段33を備えている。
<Fuel gas supply / exhaust section>
The fuel gas supply /
燃料ガス給排気部30は、制御部60の制御により、図示しない給排気ポンプや開閉弁などを制御しながら燃料ガスの流量制御(単位時間あたりの供給量及び排気量の制御)や加湿手段33の露点制御などが行われる。
The fuel gas supply /
燃料ガス給排気部30は、燃料ガス排気手段32の背圧が空気ガス排気手段22の背圧よりも所定圧(例えば1〜2kPa)だけ高くなるように設定されている。つまり、空気ガス導入空間E1内の圧力と燃料ガス導入空間E2内の圧力に差圧が生じるように、燃料ガス導入空間E2内の圧力を空気ガス導入空間E1内の圧力よりも高くしている。
The fuel gas supply /
これにより、単セルS1にクラックが生じている場合に、燃料ガス導入空間E2に充満している燃料ガスを空気ガス導入空間E1に漏洩させることができる。また、燃料ガスとして水素を使用し、空気ガスとして酸素を使用した場合、水素の方が酸素よりも分子量が小さいためクラックから漏洩しやすくなり、微小なクラックをより高精度に検出することが可能となる。 Thereby, when the crack has arisen in the single cell S1, the fuel gas with which the fuel gas introduction space E2 is filled can be leaked to the air gas introduction space E1. Also, when hydrogen is used as the fuel gas and oxygen is used as the air gas, hydrogen has a lower molecular weight than oxygen, so it is easier to leak from cracks, and it is possible to detect minute cracks with higher accuracy. It becomes.
<ガス検出部>
ガス検出部40は、単セルS1に生じたクラックから空気ガス導入空間E1に漏洩した燃料ガスを検出するためのガス検出装置で構成され、空気ガス排気手段22の流路上に配置される。ガス検出部40は、空気ガス排気手段22で排気される気体から検出対象となる燃料ガスを検出し、空気ガス導入空間E1中の雰囲気に存在するか否かを示す信号や、燃料ガスのガス濃度を示す信号を検出信号として制御部60に出力する。ガス検出部40による燃料ガスの検出タイミングや検出信号の出力タイミングは任意に設定可能であるが、セル評価中は常時検出及び出力可能な状態に設定するのが好ましい。
<Gas detector>
The
ガス検出部40の構成としては、例えば周知のガスセンサを使用することができ、検出対象となる燃料ガスの成分に応じて適宜選択可能である。
例えば、水素を燃料ガスとして使用した場合は水素センサを用いることができる。水素センサの検出原理として定電位電界式又は熱伝導方式が知られており、定電位電界式は非常に高感度で燃料ガスが検出可能なため、空気ガス導入空間E1内に燃料ガスが含まれているか否かを判定する簡易的なクラック検出を行う際に適し、熱伝導方式は空気ガス導入空間E1内に含まれる燃料ガスを100vol%のガス濃度まで検出可能なため、クラックの成長過程などの詳細なセル評価データを作成する場合に適している。
As a configuration of the
For example, when hydrogen is used as the fuel gas, a hydrogen sensor can be used. As a detection principle of the hydrogen sensor, a constant potential electric field type or a heat conduction method is known. Since the constant potential electric field type can detect fuel gas with very high sensitivity, the fuel gas is contained in the air gas introduction space E1. It is suitable for simple crack detection to determine whether or not it is present, and the heat conduction method can detect the fuel gas contained in the air gas introduction space E1 to a gas concentration of 100 vol%, so that the crack growth process, etc. It is suitable for creating detailed cell evaluation data.
また、ガス検出部40は、周知のガスセンサの他、空気ガス排気手段22から採取した気体を分析して検出対象となる燃料ガスの成分を特定するガスクロマトグラフィーを用いることもできる。
Further, the
<加熱部>
加熱部50は、保持部10に内挿されるカートリッジ型ヒータや保持部10を収容した状態で加熱させる電気炉などの加熱機器で構成される。
<Heating section>
The
本実施形態の加熱部50は、図2に示すように複数の挿入穴11c、12cを空気極側ホルダ11と燃料極側ホルダ12との側面にそれぞれ設け、この挿入穴11c、12cに円筒形状のカートリッジ型ヒータを複数本挿入する構成である。
As shown in FIG. 2, the
カートリッジ型ヒータを採用する利点としては、単セルS1におけるセル表面の温度を部分的に制御することができるため、温度変化における単セルS1のクラックの発生メカニズムや、昇温/降温に伴うクラックの成長過程を観察しながら単セルS1の性能評価が可能である。また、セル部Sの上下がヒータによって囲まれるため、電気炉と比べて作動温度に到達するまでの時間を格段に短縮することが可能である。 Advantages of adopting the cartridge type heater are that the temperature of the cell surface in the single cell S1 can be partially controlled, so that the generation mechanism of cracks in the single cell S1 due to temperature change and the cracks caused by temperature rise / fall It is possible to evaluate the performance of the single cell S1 while observing the growth process. Moreover, since the upper and lower sides of the cell part S are surrounded by the heater, it is possible to significantly shorten the time until the operating temperature is reached as compared with the electric furnace.
発電時に加熱部50で保持部10を加熱するにあたり、加熱効率を高めるという観点から筐体全体を断熱材で形成した収容容器100内に保持部10を収容した状態で加熱するのが好ましい。図2に示すように、収容容器100の両側面には開口101が形成されており、仕切部材102を用いて開口101の一方又は両方を適宜開口/閉口させることで、容器内部の温度状況を適宜可変させることができる。さらに、容器内の熱循環を促すために開口101からブロワーなどの送風手段103を用いることもできる。この送風手段103の風量/風向制御は制御部60が行う。
When heating the holding
<制御部>
制御部60は、例えばCPUやROM,RAMなどの各種ハードウェアで構成され、セル評価システム1を構成する各部の駆動制御や演算処理を行う。
<Control unit>
The
また、制御部60は、加熱部50の温度制御を行う。制御部60による加熱部50の温度制御としては、例えば加熱部50が複数のカートリッジ型ヒータで構成されている場合、単セルS1のセル表面温度が所望の温度分布となるように複数あるヒータを適宜駆動制御すればよい。
Further, the
さらに、制御部60は、ガス検出部40から出力された検出信号に基づいて単セルS1にクラックが生じているか否かの判断をしている。つまり、クラック有無の判断処理は、ガス検出部40から濃度に関係なく燃料ガスを検出したことを示す検出信号が出力されたときにクラック有りと判断する。そして、クラックの有無を判断した結果を作業員が操作する外部の端末装置(PC、スマートフォン、タブレット端末など)に、周知の通信ネットワーク(LANなどのローカル通信網、携帯キャリアの移動体通信網、インターネット網など)を介して送信する。
なお、制御部60で判断した判断結果を、図示しない外部記憶装置(HDD、SDカード、フラッシュUSBメモリなど)に記憶させる構成とし、作業員が外部記憶装置から記録したデータを取り出すようにしてもよい。
Furthermore, the
The determination result determined by the
また、制御部60は、ガス検出部40で検出されたガス濃度と、加熱部50の温度情報とをプロットしてクラックの成長過程をガス濃度と温度との相関関係から定量的に評価するためのセル評価データを作成する。作成されたセル評価データは、周知の通信ネットワークを介して外部の端末装置に送信する。セル評価データは、図示しない外部記憶装置に記憶させるようにすることもできる。なお、セル評価データを作成する際の温度データは、熱電対などの温度センサで構成される温度検出手段70によって単セルS1の表面温度を測定する。
Further, the
図3は、縦軸を燃料ガスである水素のガス濃度とし、横軸を加熱部50によるセル面内の温度差としてガス濃度と温度差との相関関係を示したセル評価データの一例を示すグラフである。図3に示すように、単セルS1を温度差が20℃からカートリッジヒータを調整して、温度差を大きくしていった際に150℃付近を過ぎたあたりで水素濃度が急激に上昇していることが確認された。これは、温度差に伴って単セルS1に発生したクラックから漏洩した水素が検出されていることを示している。つまり、本システムを採用すると、温度差により発生したクラックを通過した水素が空気ガス導入空間E1に漏洩していることが確認できるため、クラックの有無を容易に判断することができる。
FIG. 3 shows an example of cell evaluation data showing the correlation between the gas concentration and the temperature difference, where the vertical axis is the gas concentration of hydrogen as the fuel gas, and the horizontal axis is the temperature difference in the cell plane by the
図4は、縦軸を燃料ガスである水素のガス濃度とし、横軸を加熱部50によるセル面内の温度差としてクラックの成長過程を示したセル評価データの一例を示すグラフである。図4に示すように、単セルS1の温度差が100℃付近でクラックが発生し、このクラックから水素が漏洩していることが検出された。また、一度水素から窒素に切り替え、150℃付近でもう一度水素に切り替えるとより多くの水素が検出された。これは、温度差を大きくするに伴ってクラックが成長して拡大し、水素の漏洩量が増してガス濃度が上昇したことを示している。よって、本システムを採用すると、セル面内の温度差を起因とするクラックの成長過程を定量的に評価することが可能となる。
FIG. 4 is a graph showing an example of cell evaluation data in which the vertical axis represents the gas concentration of hydrogen as the fuel gas and the horizontal axis represents the temperature difference in the cell plane by the
[処理動作]
次に、上述したセル評価システム1の処理動作について説明する。
ここでは、ガス検出部40が空気ガス導入空間E1中に燃料ガスが含まれているか否かによって単セルS1にクラックの有無を判断するとともに、クラックが検出された際の温度とガス濃度の相関関係を示すセル評価データを作成するまでの処理である。
[Processing operation]
Next, the processing operation of the
Here, the
まず、単セルS1を含むセル部Sが挟持されるように空気極側ホルダ11と燃料極側ホルダ12との間に一対のシール部材S2を介在させた状態で配置して固定部材13で締結固定する。また、単セルS1を境に形成される空気ガス導入空間E1には空気極用集電体S3が、燃料ガス導入空間E2には燃料極用集電体S4がそれぞれ収容される。
First, a pair of seal members S2 are interposed between the air
次に、発電動作を実施する。発電動作では、加熱部50を制御して加熱を開始し、空気ガス給排気部20から空気ガスを導入するとともに、燃料ガス給排気部30から燃料ガスを導入する。これにより、空気ガス導入空間E1には空気ガスが、燃料ガス導入空間E2には燃料ガスがそれぞれ導入される。
Next, a power generation operation is performed. In the power generation operation, heating is started by controlling the
次に、発電状態においてガス検出部40による燃料ガスの検出を行う。
このとき、単セルS1にクラックが生じていない場合は、クラックから燃料ガスが漏洩しないため、ガス検出部40で燃料ガスが検出されない。よって、ガス検出部40は、燃料ガス不検出を示す検出信号を制御部60に出力する。
一方、単セルS1にクラックが発生している場合は、このクラックから燃料ガスが空気ガス導入空間E1側へと漏洩するため、ガス検出部40で燃料ガスが検出される。よって、ガス検出部40は、検出された燃料ガスのガス濃度を示す検出信号を制御部60に出力する。
Next, the fuel gas is detected by the
At this time, if no crack is generated in the single cell S1, the fuel gas is not leaked from the crack, so that the fuel gas is not detected by the
On the other hand, when a crack is generated in the single cell S1, the fuel gas leaks from the crack to the air gas introduction space E1, and the
制御部60は、ガス検出部40から出力された検出信号に基づいて単セルS1にクラックが発生しているか否かの判断を行う。入力した検出信号がガス不検出を示す信号の場合は、単セルS1にクラックが発生していないと判断する。
一方、入力した検出信号がガス濃度を示す信号の場合、単セルS1にクラックが発生していると判断するとともに、温度検出手段70によって測定された現在の単セルS1の表面温度と検出した燃料ガスのガス濃度をプロットしてセル評価データを作成する。
The
On the other hand, if the input detection signal is a signal indicating the gas concentration, it is determined that a crack has occurred in the single cell S1, and the current surface temperature of the single cell S1 measured by the temperature detection means 70 and the detected fuel. Cell evaluation data is created by plotting the gas concentration of the gas.
[作用・効果]
以上説明したように、上述したセル評価システム1は、単セルS1を境にして空気ガス導入空間E1と燃料ガス導入空間E2とが形成されるように、空気極側ホルダ11と燃料極側ホルダ12との間に一対のシール部材S2を介して挟持保持する。また、空気ガス導入空間E1の背圧よりも燃料ガス導入空間E2の背圧の方が高くなるように差圧を持たせて空気ガス給排気部20から空気ガス導入空間E1に空気ガスを導入するとともに、燃料ガス給排気部30から燃料ガス導入空間E2に燃料ガスを導入する。そして、燃料ガスがガス検出部40で検出されると、単セルS1にクラックが発生していると判断する。
[Action / Effect]
As described above, the
これにより、単セルS1にクラックが生じた場合に、空気ガス中に含まれる燃料ガスを検出するだけでマイクロオーダーのクラックを高精度に検出することができる。また、単セルS1に生じたクラックから燃料ガスの漏洩を検出するだけでクラックの有無が判断できるため、特別な技術を必要とせずに不慣れな作業員でも簡便に検査を行うことができる。 Thereby, when a crack occurs in the single cell S1, it is possible to detect a micro-order crack with high accuracy only by detecting the fuel gas contained in the air gas. In addition, since the presence or absence of a crack can be determined by simply detecting the leakage of the fuel gas from the crack generated in the single cell S1, even an inexperienced worker can easily perform an inspection without requiring a special technique.
さらに、温度検出手段70で測定した単セルS1の表面温度と、空気ガス導入空間E1内に含有される燃料ガスのガス濃度との相関関係をプロットしたセル評価データが作成可能なため、発電時の昇温に伴って発生した単セルS1のクラックの成長過程を定量的に評価することができる。つまり、被検査対象となる単セルS1がどの程度の温度変化によってクラックが発生し、どのような昇温/降温動作を行うとクラックが拡大するかを把握することができるようになる。
Furthermore, since cell evaluation data plotting the correlation between the surface temperature of the single cell S1 measured by the
また、加熱部50を複数本のカートリッジ型ヒータで構成して空気極側ホルダ11や燃料極側ホルダ12に形成した挿入穴11c、12cにそれぞれ挿入してセル部Sを上下方向から加熱させることができるため、電気炉のように空間全体を加熱させるよりも効率的に作動温度まで昇温可能となり、加熱時間を大幅に短縮させることができる。さらに、ヒータを複数本で構成しているため、単セルS1におけるセル表面の温度を部分的に制御することができ、温度変化による単セルS1のクラックの発生メカニズムや、昇温/降温に伴うクラックの成長過程を観察しながら単セルS1の性能評価が可能である。
Further, the
また、検出した燃料ガスを単位時間あたりのガス濃度から判断するような構成とした場合は、クラックのサイズと単位時間あたりのガス濃度の相関関係を定量的に知得しておけば、検出した燃料ガスのガス濃度からクラックの大凡のサイズ(つまり、単セルS1の損傷度合い)を推測することも可能である。 In addition, when the detected fuel gas is determined from the gas concentration per unit time, it can be detected if the correlation between the crack size and the gas concentration per unit time is quantitatively known. It is also possible to estimate the approximate size of the crack (that is, the degree of damage to the single cell S1) from the gas concentration of the fuel gas.
1…セル評価システム
10…保持部
11…空気極側ホルダ(11a…空気ガス導入口、11b…空気ガス排気口、11c…挿入穴)
12…燃料極側ホルダ(12a…燃料ガス導入口、12b…燃料ガス排気口、12c…挿入穴)
13…固定部材
20…空気ガス給排気部
21…空気ガス導入手段
22…空気ガス排気手段
30…燃料ガス給排気部
31…燃料ガス導入手段
32…燃料ガス排気手段
40…ガス検出部
50…加熱部
60…制御部
70…温度検出手段
E1…空気ガス導入空間
E2…燃料ガス導入空間
G1…空気ガス供給源
G2…燃料ガス供給源
S…セル部(S1…単セル、S2…一対のシール部材、S3…空気極用集電体、S4…燃料極用集電体)
DESCRIPTION OF
12 ... Fuel electrode side holder (12a ... Fuel gas introduction port, 12b ... Fuel gas exhaust port, 12c ... Insertion hole)
DESCRIPTION OF
Claims (4)
前記単セルを境に、前記単セルの前記空気極側に空気ガスを導入する空気ガス導入空間と、前記単セルの前記燃料極側に燃料ガスを導入する燃料ガス導入空間がそれぞれ形成されるように、シール部材を介して空気極側ホルダと燃料極側ホルダで前記単セルを挟持保持する保持部と、
前記単セルを発電に必要な作動温度まで加熱する加熱部と、
前記空気ガス導入空間に前記空気ガスを導入するとともに、前記空気ガス導入空間内の前記空気ガスを排気する空気ガス給排気部と、
前記燃料ガス導入空間の背圧が前記空気ガス導入空間の背圧よりも高くなるように、前記燃料ガス導入空間に前記燃料ガスを導入するとともに、前記燃料ガス導入空間内の前記燃料ガスを排気する燃料ガス給排気部と、
前記空気ガス給排気部から排気される前記空気ガス中に含まれる前記燃料ガスを検出し、その検出結果に基づく検出信号を出力するガス検出部と、
前記ガス検出部から出力された前記検出信号に基づいて前記単セルに生じたクラックの有無を判断する制御部と、
を備えたことを特徴とするセル評価システム。 A cell evaluation system for evaluating a single cell for a solid oxide fuel cell configured by sandwiching an electrolyte between a fuel electrode and an air electrode,
An air gas introduction space for introducing air gas to the air electrode side of the single cell and a fuel gas introduction space for introducing fuel gas to the fuel electrode side of the single cell are formed with the single cell as a boundary. As described above, a holding unit that holds and holds the single cell between the air electrode side holder and the fuel electrode side holder via the seal member,
A heating section for heating the single cell to an operating temperature necessary for power generation;
An air gas supply / exhaust unit that introduces the air gas into the air gas introduction space and exhausts the air gas in the air gas introduction space;
The fuel gas is introduced into the fuel gas introduction space so that the back pressure of the fuel gas introduction space is higher than the back pressure of the air gas introduction space, and the fuel gas in the fuel gas introduction space is exhausted. A fuel gas supply / exhaust section,
A gas detection unit that detects the fuel gas contained in the air gas exhausted from the air gas supply / exhaust unit and outputs a detection signal based on the detection result;
A control unit that determines the presence or absence of a crack generated in the single cell based on the detection signal output from the gas detection unit;
A cell evaluation system comprising:
前記ガス検出部は、前記燃料ガスのガス濃度を示す検出信号を出力する構成とし、
前記制御部は、前記ガス検出部から出力された前記検出信号と、前記温度検出手段で検出された温度情報とをプロットして前記単セルのクラック発生前後における温度とガス濃度との相関関係を示すセル評価データを作成することを特徴とする請求項1記載のセル評価システム。 Temperature detecting means for detecting the surface temperature of the single cell;
The gas detection unit is configured to output a detection signal indicating a gas concentration of the fuel gas,
The control unit plots the detection signal output from the gas detection unit and the temperature information detected by the temperature detection unit to correlate the temperature and gas concentration before and after the occurrence of a crack in the single cell. The cell evaluation system according to claim 1, wherein cell evaluation data to be shown is created.
前記単セルを境に、前記単セルの前記空気極側に空気ガスを導入する空気ガス導入空間と、前記単セルの前記燃料極側に燃料ガスを導入する燃料ガス導入空間がそれぞれ形成されるように、シール部材を介して空気極側ホルダと燃料極側ホルダで前記単セルを挟持保持するステップと、
前記単セルを発電に必要な作動温度まで加熱するステップと、
前記空気ガス導入空間に前記空気ガスを導入するとともに、前記空気ガス導入空間内の前記空気ガスを排気するステップと、
前記燃料ガス導入空間の背圧が前記空気ガス導入空間の背圧よりも高くなるように、前記燃料ガス導入空間に前記燃料ガスを導入するとともに、前記燃料ガス導入空間内の前記燃料ガスを排気するステップと、
前記空気ガス導入空間から排気される前記空気ガス中に含まれる前記燃料ガスを検出し、その検出結果に基づく検出信号を出力するステップと、
前記検出信号に基づいて前記単セルに生じたクラックの有無を判断するステップと、
を含むことを特徴とするセル評価方法。 A cell evaluation method for evaluating a single cell for a solid oxide fuel cell configured by sandwiching an electrolyte between a fuel electrode and an air electrode,
An air gas introduction space for introducing air gas to the air electrode side of the single cell and a fuel gas introduction space for introducing fuel gas to the fuel electrode side of the single cell are formed with the single cell as a boundary. And sandwiching and holding the single cell between the air electrode side holder and the fuel electrode side holder via the seal member,
Heating the single cell to an operating temperature required for power generation;
Introducing the air gas into the air gas introduction space and exhausting the air gas in the air gas introduction space;
The fuel gas is introduced into the fuel gas introduction space so that the back pressure of the fuel gas introduction space is higher than the back pressure of the air gas introduction space, and the fuel gas in the fuel gas introduction space is exhausted. And steps to
Detecting the fuel gas contained in the air gas exhausted from the air gas introduction space, and outputting a detection signal based on the detection result;
Determining the presence or absence of cracks occurring in the single cell based on the detection signal;
A cell evaluation method comprising:
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