JP2021089864A - 燃料電池評価装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】ガラスシールのシール破壊から燃料電池を保護する。【解決手段】燃料電池評価装置1は、固体酸化物形燃料電池からなる単セルまたは単セルがセパレータを介して複数積層されたセルスタックにて構成される燃料電池Wの性能を評価するもので、燃料電池Wには、外部へのガス漏れや異種ガスの混合を防ぐためのガラスシールが使用され、燃料電池Wの温度を検出する温度センサ4と、燃料電池Wの入口圧力を検出する圧力センサ5と、圧力センサ5にて検出した燃料電池Wの入口圧力が設定圧力以上か否かを判別し、燃料電池Wの入口圧力が設定圧力以上と判別したときに燃料電池Wの温度がガラスシールのガラスの軟化点の温度以下になるように負荷を制御する制御部6とを備える。【選択図】図1

Description

本発明は、ガラスシールを使用した固体酸化物形燃料電池(SOFC)の性能を評価する燃料電池評価装置に関するものである。
固体酸化物形燃料電池(SOFC)は、電解質として酸素イオン導電性固体電解質を使用した燃料電池として従来から知られており、燃料と酸化剤の2種類のガスをそれぞれ酸素イオン導電性固体電解質によって隔てられた燃料極と空気極に供給して、それぞれの電極で電気化学反応を進行させることで外部に電力を取り出している。
例えば下記特許文献1に開示されるSOFCは、固体電解質層とこの固体電解質層の両面に配設された燃料極層及び空気極層とからなる発電セルが単数設けられた単セルと、燃料給排通路が形成せれた燃料極セパレータと、空気給排通路が形成された空気極セパレータと、固体電解質層と燃料極セパレータとの間に介装された燃料極シール部材と、固体電解質層と空気極セパレータとの間に介装された空気極シール部材とを備えている。
特開2002−141083号公報
この種の燃料電池(SOFC)では、ガス流量を増やすことにより入口圧力が上昇するのは良く知られている。しかし、燃料電池の発電時に電流値に依存して入口圧力が上昇するのはあまり知られていない。図4は電流と入口圧力の関係(各黒三角を結ぶ線)、電流と燃料電池の温度(例えば筐体温度)の関係(各黒丸を結ぶ線)を示しており、電流値:0[A]のときの入口圧力を0[kPa]としている。図4に示すように、電流値の増加に伴って入口圧力が上昇しているのが判る。
この燃料電池の発電時に電流値に依存して入口圧力が上昇するのは、燃料電池の発電により水素中の水蒸気が増え、温度の上昇に伴って気体の粘性が上がるためであると考えられる。図5は各気体の温度と粘性率の関係を示す図である。図5によれば、温度の上昇に伴って各気体(水素、窒素、水蒸気)の粘性率が増加し、特に水蒸気の粘性率が300℃を超えてから急激に増加する傾向を示している。
また、図4に示すように、燃料電池の発電に伴って燃料電池の温度も上昇することから、例えば特許文献1のように、外部への燃料ガスや空気ガスの漏洩や燃料ガスと空気ガスの混合を防ぐためにガラスシール(燃料極シール部材、空気極シール部材)を使用している場合には、燃料電池の温度の上昇に伴ってガラスシールが軟化し、シール破壊を生じるおそれがあった。
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、ガラスシールのシール破壊から燃料電池を保護することができる燃料電池評価装置を提供することを目的としている。
上記目的を達成するため、本発明の請求項1に記載された燃料電池評価装置は、固体酸化物形燃料電池からなる単セルまたは該単セルがセパレータを介して複数積層されたセルスタックの性能を評価する燃料電池評価装置において、
前記単セルまたは前記セルスタックには、外部へのガス漏れや異種ガスの混合を防ぐためのガラスシールが使用され、
前記燃料電池の温度を検出する温度センサと、
前記単セルまたは前記セルスタックの入口圧力を検出する圧力センサと、
前記圧力センサにて検出した前記単セルまたは前記セルスタックの入口圧力が設定圧力以上か否かを判別し、前記単セルまたは前記セルスタックの入口圧力が設定圧力以上と判別したときに前記燃料電池の温度が前記ガラスシールのガラスの軟化点の温度以下になるように負荷を制御する制御部とを備えたことを特徴とする。
本発明の請求項2に記載された燃料電池評価装置は、固体酸化物形燃料電池からなる単セルまたは該単セルがセパレータを介して複数積層されたセルスタックの性能を評価する燃料電池評価装置において、
前記単セルまたは前記セルスタックには、外部へのガス漏れや異種ガスの混合を防ぐためのガラスシールが使用され、
前記燃料電池の温度を検出する温度センサと、
前記単セルまたは前記セルスタックの入口圧力を検出する圧力センサと、
前記温度センサにて検出した前記燃料電池の温度が前記ガラスシールのガラスの軟化点の温度以上か否かを判別し、前記燃料電池の温度が前記ガラスシールのガラスの軟化点の温度以上と判別したときに前記単セルまたは前記セルスタックの入口圧力が設定圧力以下になるようにガス流量を制御する制御部とを備えたことを特徴とする。
本発明の請求項3に記載された燃料電池評価装置は、請求項1の燃料電池評価装置において、
前記制御部にて前記単セルまたは前記セルスタックの入口圧力が設定圧力以上と判別し、前記温度センサにて検出した前記燃料電池の温度が前記ガラスシールのガラスの軟化点の温度以上のときに警報を出力する警報部とを備えたことを特徴とする。
本発明の請求項4に記載された燃料電池評価装置は、請求項2の燃料電池評価装置において、
前記制御部にて前記燃料電池の温度が前記ガラスシールのガラスの軟化点の温度以上と判別し、前記圧力センサにて検出した前記単セルまたは前記セルスタックの入口圧力が設定圧力以上のときに警報を出力する警報部とを備えたことを特徴とする。
本発明によれば、ガラスシールのシール破壊から燃料電池を保護することができる。また、燃料ガスと空気ガスのガス流量を制御したときの判別結果に基づいてガラスシールの耐久性の評価を行うことができ、その評価結果からガラスシールの脆弱部分を把握することができる。
本発明に係る燃料電池評価装置の概略構成を示す説明図である。 (a)単セルの構成の一例を示す分解斜視図、(b)ガラスシールの使用箇所を示す拡大図である。 (a)セルスタックの構成の一例を示す分解斜視図、(b)ガラスシールの使用箇所を示す拡大図である。 電流と入口圧力の関係、電流と燃料電池の温度の関係を示す図である。 各気体(水素、窒素、水蒸気)の温度と粘性率の関係を示す図である。
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。
図1に示すように、本実施の形態の燃料電池評価装置1は、燃料電池Wの性能を評価するものであり、電気炉2、ガス供給部3、温度センサ4、圧力センサ5、制御部6、警報部7を備えて概略構成される。
評価対象の燃料電池Wは、固体電解質を挟み込む燃料極と空気極の3層構造のセルを有する固体酸化物形燃料電池(SOFC)からなる単セルやSOFCの単セルがセパレータを介して複数積層されたセルスタックで構成される。
燃料電池Wには、外部へのガス(燃料ガス、空気ガス)の漏れや異種ガス(燃料ガス、空気ガス)の混合を防ぐためにガラスシールが使用される。ガラスシールは、燃料電池Wにおいて、例えば燃料電池Wの電解質と筐体との間を封止する場合など、異なる部材が接触する箇所で使用される。
図2(a)は単セルの構成の一例を示す分解斜視図、図2(b)はガラスシールの使用箇所を示す拡大図である。
図2(a)の単セルW1は、評価用ホルダ11を用いて保持される。評価用ホルダ11は、燃料ガスを均等に拡散するためのガス流路が形成された不図示の燃料ガス拡散板、燃料極側ガスシール12、燃料極側集電体13、単セルW1、空気極側集電体14、空気極側ガスシール15、空気ガスを均等に拡散するためのガス流路が形成された空気ガス拡散板16を、燃料ガス導入管17a及び燃料ガス排出管17bを有する燃料極側マニホールド17と空気ガス導入管18a及び空気ガス排出管18bを有する空気極側マニホールド18の挟持方向(図2(a)の上下方向)に従って順に積層し、セラミックばね19を挿入したセラミックねじ20を空気極側マニホールド18の挿通孔18c及び燃料極側マニホールド17の挿通孔17cに挿通してセラミックナット21で締め付け、燃料極側マニホールド17と空気極側マニホールド18とを固定して組み立てる構成である。
図2(a)の構成では、図2(b)に示すように、単セルW1のサイズよりガスシール(燃料極側ガスシール12、空気極側ガスシール15)のサイズを大きくし(例えば、角50mmサイズの単セルW1に対し、ガスシールの外枠角を54mmサイズにする)、ガスシールの表裏面にガラスシールとしてのガラスペーストを塗布する。この他、単セルW1の端部や側面に対し、ガラスシールとして、ガラスペーストを塗布したり、ガラスコーテイングする場合もある。
図3(a)はセルスタックの構成の一例を示す分解斜視図、図3(b)はガラスシールの使用箇所を示す拡大図である。
図3(a)のセルスタックW2は、ガス導入管31a及びガス排出管31bを有する下マニホールド31の上に、ガスシール32、ガスを均等に拡散するためのガス流路33aが形成されたインターコネクタ(セパレータ)33、ガスシール32、集電体34、単セルW1、集電体34、ガスシール32の順に積層され、ガス導入管及びガス排出管を有する不図示の上マニホールドと下マニホールド31との間を不図示の固定手段(例えば、図2と同様のセラミックばねを挿通したセラミックねじ、セラミックナットなど)で固定して組み立てる構成である。すなわち、図3(a)のセルスタックW2は、複数の単セルW1が一対のガスシール32と一対の集電体34で挟み込まれてインターコネクタ(セパレータ)33間に配置された構成である。なお、最上部(上マニホールドの直下)および最下部(下マニホールド31の直上)に位置するインターコネクタ33には、ガスを均等に拡散するためのガス流路33aだけでなく電流取り出し用のブスバー33bと電圧線33cが設けられる。
図3(a)の構成では、図3(b)の点線で囲むインターコネクタ33の外周端部付近にガラスシールを使用する。この他、ガスシール32の外周端部付近、各単セルW1やセルスタックの側面にガラスシールを使用する場合もある。なお、ガラスシールは、使用前の常温においてペースト状やテープ状となっている。
上述した図2(b)や図3(b)に使用されるガラスシールとしては、例えばショット日本株式会社製の固体酸化物燃料電池用ガラスセラミックシール材(SCHOTT SOFC:封止ガラス)の低温(GM31107)の封止ガラスがある。この封止ガラス(GM31107)の物理的特性は、駆動温度:650−750℃、封止温度:700℃、軟化点:592℃、転移点:534℃である。
なお、本実施の形態において、評価対象となる燃料電池Wは、SOFCの単セルやセルスタックであって、外部へのガス漏れや異種ガスの混合を防ぐためのガラスシールが使用された構成であればよく、図2(a)や図3(a)の構成に限定されるものではない。
電気炉2は、一定温度(例えば700〜1000℃であり、燃料電池Wの作動温度:800℃前後)に制御される測定空間2aが形成された断熱材の外側を矩形状の金属製のケースで覆った構成である。電気炉2の測定空間2aには、評価対象の燃料電池Wが設置される。なお、図示はしないが、測定空間2aに面する断熱材の内壁周面には、制御部6にて加熱制御されるヒータが設置される。
評価対象の燃料電池Wは、電気炉2の測定空間2aに設置された状態でガスを供給するための配管41が接続されるとともに未反応のガスを排出するための配管42が接続される。
なお、図1の1本の太線で示される配管41は、実際には、燃料ガスを燃料電池Wの燃料極に供給するための配管(例えば図2(a)の燃料ガス導入管17aに接続される配管)と、空気ガスを燃料電池Wの空気極に供給するための配管(例えば図2(a)の空気ガス導入管18aに接続される配管)との2本の配管で構成される。
また、図1の1本の太線で示される配管42は、実際には、燃料電池Wの燃料極に供給された未反応の燃料ガスを排出するための配管(例えば図2(a)の燃料ガス排出管17bに接続される配管)と、燃料電池Wの空気極に供給された未反応の空気ガスを排出するための配管(例えば図2(a)の空気ガス排出管18bに接続される配管)との2本の配管で構成される。
ガス供給部3は、燃料電池Wの発電に必要なガス(燃料ガス、空気ガス)を配管41を介して燃料電池Wに供給する。ガス供給部3は、制御部6の後述するガス流量制御手段6cにて燃料電池Wに供給されるガス(燃料ガス、空気ガス)の流量が制御される。
なお、図1では、ガス供給部3を1つのブロックで示しているが、実際には、燃料電池Wの燃料極に燃料ガスを供給するためのガス供給部と、燃料電池Wの空気極に空気ガスを供給するためのガス供給部で構成され、ガス流量制御手段6cにて個別にガスの流量が制御される。
温度センサ4は、例えば熱電対、サーミスタ、測温抵抗体などで構成され、燃料電池Wの所定箇所(例えば筐体部分)に配置される。温度センサ4は、燃料電池Wの温度(例えば筐体温度)を検出し、温度検出信号を制御部6に出力する。
圧力センサ5は、ガス供給部3と燃料電池Wとの間の配管41の電気炉2に近接した位置に設けられ、燃料電池Wの燃料極側および空気極側の入口圧力を検出し、圧力検出信号を制御部6に出力する。
制御部6は、燃料電池Wの性能を評価するため、ガス供給部3、温度センサ4、圧力センサ5、警報部7を統括制御するものであり、判別手段6a、負荷制御手段6b、ガス流量制御手段6cを備える。
判別手段6aは、圧力センサ4からの圧力検出信号に基づく燃料電池Wの燃料極側および空気極側の少なくとも一方の入口圧力が設定圧力(例えば+1kPa)以上か否かを判別する。
また、判別手段6aは、別の態様として、温度センサ3からの温度検出信号に基づく燃料電池Wの温度がガラスシールのガラスの軟化点以上か否かを判別する。
負荷制御手段6bは、判別手段6aにて燃料電池Wの燃料極側および空気極側の少なくとも一方の入口圧力が設定圧力以上と判別すると、燃料電池Wの温度(例えば筐体温度)がガラスシールのガラスの軟化点の温度以下になるように負荷の量(例えば電子負荷で掃引している電流値や出力値など)を制御する。
ガス流量制御手段6cは、通常の燃料電池Wの発電状態では、所定のガス流量となるようにガス供給部3を制御し、判別手段6aにて燃料電池Wの温度がガラスシールのガラスの軟化点以上と判別すると、燃料電池Wの燃料極側および空気極側の入口圧力が設定圧力以下になるようにガス供給部3を制御する。
警報部7は、制御部6の判別手段6aにて燃料電池Wの燃料極側および空気極側の少なくとも一方の入口圧力が設定圧力以上と判別し、燃料電池Wの温度がガラスシールのガラスの軟化点の温度以上のときに警報を出力する(例えば特定音や音声による警報出力など)。
また、警報部7は、別の態様として、制御部6の判別手段6aにて燃料電池Wの温度がガラスシールのガラスの軟化点の温度以上と判別し、燃料電池Wの燃料極側および空気極側の少なくとも一方の入口圧力が設定圧力以上のときに警報を出力する(例えば特定音や音声による警報出力など)。
上記のように構成される燃料電池評価装置1により燃料電池Wの性能の評価を行う場合には、評価対象となる燃料電池Wを電気炉2の測定空間2aに設置し、燃料電池Wに配管41,42を接続する。なお、燃料電池WがSOFCの場合には、燃料電池Wの設置後に所定の発電可能な状態とするためにNiOをNiに還元する処理が施される。
そして、制御部6のガス流量制御手段6cにてガス供給部3が制御され、発電可能な状態の燃料電池Wに対して燃料極に燃料ガスが供給され、空気極に空気ガスが供給されると、温度センサ4が燃料電池Wの温度(例えば筐体温度)を検出して温度検出信号を制御部6に出力する。また、圧力センサ5が燃料電池Wの燃料極側および空気極側の入口圧力を検出して圧力検出信号を制御部6に出力する。
そして、制御部6の判別手段6aは、圧力センサ4からの圧力検出信号に基づく燃料電池Wの燃料極側および空気極側の少なくとも一方の入口圧力が設定圧力(例えば+1kPa)以上か否かを判別する。
また、制御部6の判別手段6aは、温度センサ3からの温度検出信号に基づく燃料電池Wの温度(例えば筐体温度)がガラスシールのガラスの軟化点以上か否かを判別する。
そして、判別手段6aにて燃料電池Wの燃料極側および空気極側の少なくとも一方の入口圧力が設定圧力以上と判別すると、燃料電池Wの温度(例えば筐体温度)がガラスシールのガラスの軟化点の温度以下になるように負荷制御手段6bが負荷の量(例えば電子負荷で掃引している電流値や出力値など)を制御する。
また、判別手段6aにて燃料電池Wの温度(例えば筐体温度)がガラスシールのガラスの軟化点以上と判別すると、燃料電池Wの燃料極側および空気極側の入口圧力を設定圧力以下になるようにガス流量制御手段6cがガス供給部3を制御して燃料電池Wに供給されるガスの流量を減らす。
なお、判別手段6aにて燃料電池Wの燃料極側および空気極側の少なくとも一方の入口圧力が設定圧力以上と判別し、燃料電池Wの温度(例えば筐体温度)がガラスシールのガラスの軟化点の温度以上になった場合には警報部7から警報を出力する。
また、判別手段6aにて燃料電池Wの温度(例えば筐体温度)がガラスシールのガラスの軟化点の温度以上と判別し、燃料電池Wの燃料極側および空気極側の少なくとも一方の入口圧力が設定圧力以上になった場合には警報部7から警報を出力する。
このように、本実施の形態によれば、温度センサ4にて燃料電池Wの温度(例えば筐体温度)を検出し、圧力センサ5にて燃料電池Wの入口圧力を検出し、燃料電池Wの入口圧力が設定圧力以上のときに燃料電池Wの温度がガラスシールのガラスの軟化点の温度以下になるように負荷を制御し、燃料電池Wの入口圧力が設定圧力以上で燃料電池Wの温度がガラスシールのガラスの軟化点の温度以上のときには警報を出力する。また、燃料電池Wの温度がガラスシールのガラスの軟化点の温度以上のときに燃料電池Wの入口圧力が設定圧力以下になるようにガス流量を制御し、燃料電池Wの温度がガラスシールのガラスの軟化点の温度以上で燃料電池Wの入口圧力が設定圧力以上のときには警報を出力する。これにより、ガラスシールのシール破壊から燃料電池を保護することができる。また、燃料ガスと空気ガスのガス流量を制御したときの判別結果に基づいてガラスシールの耐久性の評価を行うことができ、その評価結果からガラスシールの脆弱部分を把握することができる。
以上、本発明に係る燃料電池評価装置の最良の形態について説明したが、この形態による記述及び図面により本発明が限定されることはない。すなわち、この形態に基づいて当業者等によりなされる他の形態、実施例及び運用技術などはすべて本発明の範疇に含まれることは勿論である。
1 燃料電池評価装置
2 電気炉
2a 測定空間
2b ヒータ
3 ガス供給部
4 温度センサ
5 圧力センサ
6 制御部
6a 判別手段
6b ヒータ制御手段
6c ガス流量制御手段
7 警報部
11 評価用ホルダ
12 燃料極側ガスシール
13 燃料極側集電体
14 空気極側集電体
15 空気極側ガスシール
16 空気ガス拡散板
17 燃料極側マニホールド
17a 燃料ガス導入管
17b 燃料ガス排出管
17c 挿通孔
18 空気極側マニホールド
18a 空気ガス導入管
18b 空気ガス排出管
18c 挿通孔
19 セラミックばね
20 セラミックねじ
21 セラミックナット
31 下マニホールド
31a ガス導入管
31b ガス排出管
32 ガスシール
33 インターコネクタ(セパレータ)
33a ガス流路
33b ブスバー
33c 電圧線
34 集電体
41,42 配管
W 燃料電池
W1 単セル
W2 セルスタック

Claims (4)

  1. 固体酸化物形燃料電池からなる単セルまたは該単セルがセパレータを介して複数積層されたセルスタックの性能を評価する燃料電池評価装置において、
    前記単セルまたは前記セルスタックには、外部へのガス漏れや異種ガスの混合を防ぐためのガラスシールが使用され、
    前記燃料電池の温度を検出する温度センサと、
    前記単セルまたは前記セルスタックの入口圧力を検出する圧力センサと、
    前記圧力センサにて検出した前記単セルまたは前記セルスタックの入口圧力が設定圧力以上か否かを判別し、前記単セルまたは前記セルスタックの入口圧力が設定圧力以上と判別したときに前記燃料電池の温度が前記ガラスシールのガラスの軟化点の温度以下になるように負荷を制御する制御部とを備えたことを特徴とする燃料電池評価装置。
  2. 固体酸化物形燃料電池からなる単セルまたは該単セルがセパレータを介して複数積層されたセルスタックの性能を評価する燃料電池評価装置において、
    前記単セルまたは前記セルスタックには、外部へのガス漏れや異種ガスの混合を防ぐためのガラスシールが使用され、
    前記燃料電池の温度を検出する温度センサと、
    前記単セルまたは前記セルスタックの入口圧力を検出する圧力センサと、
    前記温度センサにて検出した前記燃料電池の温度が前記ガラスシールのガラスの軟化点の温度以上か否かを判別し、前記燃料電池の温度が前記ガラスシールのガラスの軟化点の温度以上と判別したときに前記単セルまたは前記セルスタックの入口圧力が設定圧力以下になるようにガス流量を制御する制御部とを備えたことを特徴とする燃料電池評価装置。
  3. 前記制御部にて前記単セルまたは前記セルスタックの入口圧力が設定圧力以上と判別し、前記温度センサにて検出した前記燃料電池の温度が前記ガラスシールのガラスの軟化点の温度以上のときに警報を出力する警報部とを備えたことを特徴とする請求項1に記載の燃料電池評価装置。
  4. 前記制御部にて前記燃料電池の温度が前記ガラスシールのガラスの軟化点の温度以上と判別し、前記圧力センサにて検出した前記単セルまたは前記セルスタックの入口圧力が設定圧力以上のときに警報を出力する警報部とを備えたことを特徴とする請求項2に記載の燃料電池評価装置。
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