JP4488284B2 - Soundness evaluation method and soundness evaluation apparatus for solid oxide fuel cell - Google Patents

Soundness evaluation method and soundness evaluation apparatus for solid oxide fuel cell Download PDF

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Description

本発明は、平板積層型の固体酸化物形燃料電池(SOFC:Solid Oxide Fuel Cell)の健全性評価方法および健全性評価装置に関するものである。   The present invention relates to a soundness evaluation method and a soundness evaluation apparatus for a flat oxide fuel cell (SOFC: Solid Oxide Fuel Cell).

周知のように、固体酸化物形燃料電池は第三世代の発電用燃料電池として研究開発が進められている。この固体酸化物形燃料電池の構造には、円筒型、モノリス型および平板積層型の3種類が現在のところ提案されているが、これら構造のうち、低温作動型の固体酸化物形燃料電池には、平板積層型の構造が広く採用されている。   As is well known, solid oxide fuel cells are being researched and developed as third-generation power generation fuel cells. Three types of solid oxide fuel cells are currently proposed: a cylindrical type, a monolith type, and a flat plate type. Among these structures, a low temperature operation type solid oxide fuel cell is proposed. The flat plate type structure is widely adopted.

この平板積層型の固体酸化物形燃料電池においては、セパレータ、燃料極集電体、発電セル、空気極集電体が順番に積層されて単セルユニットが構成され、この単セルユニットが複数積層されてセルスタックが構成されている。また、各発電セルは、酸化物イオン伝導体からなる固体電解質を空気極(カソード)と燃料極(アノード)との間に挟んだ積層構造を有する。   In this flat plate type solid oxide fuel cell, a separator, a fuel electrode current collector, a power generation cell, and an air electrode current collector are sequentially stacked to form a single cell unit, and a plurality of the single cell units are stacked. Thus, a cell stack is configured. Each power generation cell has a laminated structure in which a solid electrolyte made of an oxide ion conductor is sandwiched between an air electrode (cathode) and a fuel electrode (anode).

上記構成からなるセルスタックにおいて、セパレータおよび空気極集電体を介して発電セルの空気極側に供給された酸素は、空気極層内の気孔を通って固体電解質との界面近傍に到達し、この部分で、空気極から電子を受け取って酸化物イオン(O2-)にイオン化される。この酸化物イオンは、燃料極の方向に向かって固体電解質層内を拡散移動する。燃料極との界面近傍に到達した酸化物イオンは、この部分で、燃料ガスと反応して反応生成物(H2 O等)を生じ、燃料極に電子を放出する。この電子を燃料極集電体により取り出すことによって電流が流れ、所定の起電力が得られる。 In the cell stack having the above configuration, oxygen supplied to the air electrode side of the power generation cell via the separator and the air electrode current collector passes through the pores in the air electrode layer and reaches the vicinity of the interface with the solid electrolyte, In this portion, electrons are received from the air electrode and ionized to oxide ions (O 2− ). The oxide ions diffuse and move in the solid electrolyte layer toward the fuel electrode. Oxide ions that have reached the vicinity of the interface with the fuel electrode react with the fuel gas at this portion to generate a reaction product (H 2 O or the like), and discharge electrons to the fuel electrode. When these electrons are taken out by the anode current collector, a current flows and a predetermined electromotive force is obtained.

因みに、燃料に水素を用いた場合の電極反応は次のようになる。
空気極: 1/2 O2 + 2e- → O2-
燃料極: H2 + O2- → H2 O+2e-
全体 : H2 + 1/2 O2 → H2
Incidentally, the electrode reaction when hydrogen is used as the fuel is as follows.
Air electrode: 1/2 O 2 + 2e → O 2−
Fuel electrode: H 2 + O 2− → H 2 O + 2e
Overall: H 2 +1/2 O 2 → H 2 O

ところで、上記平板積層型の固体酸化物形燃料電池のセルスタックにおいては、その健全性の評価項目として、(1)外観および寸法、(2)供給ガス配管のガスリークの有無、(3)電気的短絡の有無、(4)各発電セルに供給される燃料ガスの流量の均一性、(5)各単セルユニットの内部抵抗(セパレータ間の内部抵抗)などがある。このうち(1)〜(3)の評価項目については、セルスタックを組み立てた後に、ノギス、石鹸水、テスター等を用いて、既知の方法でその健全性を確認することができる。他方、(4)と(5)の評価項目については、セルスタックを組み立てた後に直接的に求める方法が確立されていないことから、従来では、実際に発電を行って、各セパレータ間の電圧を測定することにより健全性を確認するようにしていた。   By the way, in the cell stack of the flat plate type solid oxide fuel cell, as the evaluation items of its soundness, (1) appearance and dimensions, (2) presence or absence of gas leak in the supply gas pipe, (3) electrical There are presence / absence of short circuit, (4) uniformity of flow rate of fuel gas supplied to each power generation cell, and (5) internal resistance of each single cell unit (internal resistance between separators). Among the evaluation items (1) to (3), after assembling the cell stack, its soundness can be confirmed by a known method using calipers, soapy water, a tester, and the like. On the other hand, for the evaluation items of (4) and (5), since a method for directly obtaining after assembling the cell stack has not been established, conventionally, power is actually generated and the voltage between the separators is set. The soundness was confirmed by measuring.

しかしながら、上記従来の方法では、上述した(4)と(5)の少なくとも何れか一方の評価項目について単セルユニットの何れかが要求性能を満たさない場合に、その単セルユニットを電圧値に基づいて特定することができても、その原因が、燃料ガスの供給流量に起因するものなのか、或いは各単セルユニットの内部抵抗のバラツキに起因するものなのかを区別することができなかった。そのため、セルスタックを構成する単セルユニットの何れかに性能不良や不具合がある場合に、それに対して適切な対処ができないという問題点があった。   However, in the above conventional method, when any of the single cell units does not satisfy the required performance for at least one of the evaluation items (4) and (5), the single cell unit is determined based on the voltage value. However, it is impossible to distinguish whether the cause is caused by the supply flow rate of the fuel gas or the variation of the internal resistance of each single cell unit. For this reason, when any of the single cell units constituting the cell stack has a performance defect or a problem, there is a problem that an appropriate countermeasure cannot be taken.

本発明は、かかる事情に鑑みてなされたもので、セルスタックの健全性を容易かつ適切に評価することができ、単セルユニットの何れかに性能不良や不具合がある場合に、その原因を的確に把握することができる固体酸化物形燃料電池の健全性評価方法および健全性評価装置を提供することを目的とする。   The present invention has been made in view of such circumstances, and the soundness of the cell stack can be easily and appropriately evaluated. If any of the single cell units has a performance defect or a malfunction, the cause can be accurately determined. It is an object of the present invention to provide a soundness evaluation method and a soundness evaluation apparatus for a solid oxide fuel cell that can be grasped in a short time.

本発明者等は、上記課題を解決すべく鋭意研究を重ねた結果、セル内部で大きな濃度分布が存在するような実用規模の単セルユニットに一定電流を負荷した状態で、燃料ガス流量を変動させつつ交流インピーダンスを測定して、そのコールコールプロットをとると、低周波側の円弧の大きさが燃料ガス流量に応じて変化することを見出し、また上記円弧の高周波側での実軸との切片におけるインピーダンス値が単セルユニットの内部抵抗に応じて変化することを見出した。そして、このような原理を応用すれば、単セルユニットのインピーダンス特性からその性能を推定できること、そして複数の単セルユニットを有するセルスタックにおいては、各セパレータ間のインピーダンス特性を相互に比較することによって、発電セル間におけるガスの供給流量の均一性や、各セパレータ間の内部抵抗の均一性など、セルスタックの健全性を容易かつ適切に評価できることを見出し、本発明を完成させたものである。   As a result of intensive studies to solve the above problems, the present inventors have varied the fuel gas flow rate with a constant current loaded on a single cell unit of practical scale that has a large concentration distribution inside the cell. When measuring the AC impedance and taking the Cole-Cole plot, it is found that the size of the arc on the low frequency side changes according to the flow rate of the fuel gas, and with the real axis on the high frequency side of the arc. It has been found that the impedance value at the intercept changes according to the internal resistance of the single cell unit. And if such a principle is applied, the performance can be estimated from the impedance characteristics of the single cell unit, and in the cell stack having a plurality of single cell units, the impedance characteristics between the separators are compared with each other. The inventors have found that the soundness of the cell stack can be easily and appropriately evaluated, such as the uniformity of the gas supply flow rate between the power generation cells and the uniformity of the internal resistance between the separators, and the present invention has been completed.

すなわち、請求項1に記載の本発明に係る固体酸化物形燃料電池の健全性評価方法は、発電セルとセパレータとを交互に積層してなるセルスタックを有し、上記発電セルの各々に反応用のガスを供給して発電反応を生じさせる固体酸化物形燃料電池において、上記発電セルの各々に上記反応用のガスを供給した状態で、上記セルスタックの積層方向における両端間に試験信号を印加して、各セパレータ間のインピーダンスを測定、解析し、そのインピーダンス特性を相互に比較することにより上記セルスタックの健全性を評価することを特徴とするものである。   In other words, the soundness evaluation method for a solid oxide fuel cell according to the first aspect of the present invention includes a cell stack in which power generation cells and separators are alternately stacked, and reacts with each of the power generation cells. In a solid oxide fuel cell that generates a power generation reaction by supplying a gas for a test, a test signal is sent between both ends in the stacking direction of the cell stack with the reaction gas supplied to each of the power generation cells. It is characterized in that the soundness of the cell stack is evaluated by applying and measuring the impedance between the separators and comparing the impedance characteristics with each other.

ここで、試験信号には、例えば、交流正弦波信号、電流ステップ、ホワイトノイズ、デルタ関数などが含まれ、また、これらの信号は直流に重畳させる場合も含まれる。また、インピーダンスデータを得る方法としては、例えば各周波数における電圧・電流の交流波形を比較し求める方法、周知のインピーダンス解析装置により求める方法、フーリエ解析により求める方法、ラプラス変換により求める方法等が含まれ、さらに、データの解析方法としては例えば複素インピーダンス曲線を用いる方法、ボード線図を用いる方法、あるいはこれら視覚的な図を用いず直接コンピュータにより解析する方法等が含まれる。例えば、交流信号を用いてインピーダンスを測定する場合には、セルスタックの積層方向における両端間に交流信号を印加して、各セパレータ間の応答信号を測定し、印加交流信号と応答信号とから各セパレータ間の交流インピーダンスを演算により導き出すようにすればよい。   Here, the test signal includes, for example, an AC sine wave signal, a current step, white noise, a delta function, and the like, and includes a case where these signals are superimposed on DC. The method for obtaining impedance data includes, for example, a method for comparing and obtaining AC waveforms of voltage and current at each frequency, a method for obtaining by a known impedance analyzer, a method for obtaining by Fourier analysis, a method for obtaining by Laplace transform, and the like. Further, the data analysis method includes, for example, a method using a complex impedance curve, a method using a Bode diagram, or a method of directly analyzing by a computer without using these visual diagrams. For example, when measuring impedance using an AC signal, an AC signal is applied between both ends in the stacking direction of the cell stack, a response signal between the separators is measured, and each response signal is determined from the applied AC signal and the response signal. What is necessary is just to derive | lead-out the alternating current impedance between separators by a calculation.

請求項2に記載の発明は、請求項1に記載の固体酸化物形燃料電池の健全性評価方法において、各セパレータ間のインピーダンス特性を測定し、各測定データの時定数の大きな成分を解析し、それぞれを比較することによって、上記発電セルの各々に供給される上記反応用ガスの流量の均一性を評価することを特徴とするものである。
ここで、各セパレータ間のインピーダンス特性を解析する際に、例えば複素インピーダンス曲線を用いる場合には、それぞれの複素インピーダンス曲線を得た後、各複素インピーダンス曲線の低周波側に出現する円弧(ガス流量、ガス流路条件等によって変化するが時定数にして0.1秒から数秒程度のもの)の大きさをそれぞれ求めて、それら円弧の大きさを相互に比較することにより、上記発電セルの各々に供給される上記反応用ガスの流量の均一性を評価することが可能である。
The invention according to claim 2 is the soundness evaluation method for a solid oxide fuel cell according to claim 1, wherein impedance characteristics between the separators are measured, and components having a large time constant of each measurement data are analyzed. By comparing each, the uniformity of the flow rate of the reaction gas supplied to each of the power generation cells is evaluated.
Here, when analyzing the impedance characteristics between the separators, for example, when using complex impedance curves, arcs appearing on the low frequency side of each complex impedance curve (gas flow rate) after obtaining each complex impedance curve. Each of the above-mentioned power generation cells by calculating the size of each of the above-mentioned arcs, which vary depending on the gas flow path conditions, etc. It is possible to evaluate the uniformity of the flow rate of the reaction gas supplied to the reactor.

なお、複素インピーダンス曲線とは、インピーダンスの実数成分を横軸に、虚数成分を縦軸にとって、この複素平面上に、周波数変化に伴うインピーダンスの軌跡を描いたもので、コールコールプロットとも呼ばれる。
上記複素インピーダンス曲線の低周波側に出現する円弧(半円)の大きさを求める方法には、例えば、インピーダンスの虚数成分がほぼ0になる点を円弧の端点として、円弧の両端点間の距離から直径を求める方法や、虚数成分の絶対値が極大となる円弧の頂点と上記端点との間の距離から半径を求める方法などが含まれる。また、上記頂点における虚数成分の絶対値から円弧の半径を推定することも可能である。こうした方法は、わざわざデータをプロットしたり、図面上に曲線を描かなくでも可能であるが、ここでは、説明を簡素化するために複素インピーダンス曲線による解析を例にとって示した。以下も同様である。
The complex impedance curve is a curve obtained by drawing a locus of impedance accompanying a frequency change on the complex plane with the real component of impedance on the horizontal axis and the imaginary component on the vertical axis, and is also called a Cole-Cole plot.
The method for obtaining the size of the arc (semicircle) appearing on the low frequency side of the complex impedance curve is, for example, the distance between the end points of the arc with the point where the imaginary component of the impedance is almost zero as the end point of the arc. And a method for obtaining the radius from the distance between the vertex of the circular arc where the absolute value of the imaginary component is a maximum and the end point. It is also possible to estimate the radius of the arc from the absolute value of the imaginary component at the vertex. Such a method can be performed without bothering plotting data or drawing a curve on the drawing. Here, in order to simplify the explanation, an analysis using a complex impedance curve is shown as an example. The same applies to the following.

低周波側に出現する円弧の大きさは、反応用のガスの供給流量におおよそ反比例し、ガスの供給流量が少ないほど大きくなる傾向があるので、当該円弧の大きさを発電セル間で相互に比較することによって、発電セル間におけるガスの供給流量の均一性を把握することができるとともに、ガスの供給流量が他の発電セルと比べて少ない発電セル(すなわち、反応用ガスの供給系統に何らかの問題がある発電セル)を容易に検出することができる。   The size of the arc that appears on the low-frequency side is roughly inversely proportional to the reaction gas supply flow rate, and tends to increase as the gas supply flow rate decreases. By comparing, the uniformity of the gas supply flow rate between the power generation cells can be grasped, and the power supply cell with a smaller gas supply flow rate than other power generation cells (that is, the reaction gas supply system has some sort of It is possible to easily detect problematic power generation cells.

請求項3に記載の発明は、請求項2に記載の固体酸化物形燃料電池の健全性評価方法において、各セパレータ間のインピーダンス特性を測定し、上記時定数の大きな成分を除いたインピーダンスを解析し、これを相互に比較することにより、各セパレータ間の内部抵抗の均一性を評価することを特徴とするものである。   According to a third aspect of the present invention, in the soundness evaluation method for a solid oxide fuel cell according to the second aspect, the impedance characteristics between the separators are measured, and the impedance obtained by removing the component having a large time constant is analyzed. Then, by comparing these with each other, the uniformity of the internal resistance between the separators is evaluated.

なお、この明細書においては、各セパレータ間に存在するセルの材質や製造行程等に由来し、ガス流量に依存しないセルのインピーダンスのことを「内部抵抗」として定義する。
この請求項3に記載の固体酸化物形燃料電池の健全性評価方法において、各セパレータ間のインピーダンス特性を解析する際に、例えば複素インピーダンス曲線を用いる場合には、各複素インピーダンス曲線にて低周波側に観測される円弧の高周波端を実軸へ外挿した際の切片のインピーダンス値をそれぞれ求めて、それらインピーダンス値を相互に比較することにより、各セパレータ間の内部抵抗の均一性を評価することが可能である。
In this specification, the impedance of a cell that is derived from the material of the cells existing between the separators, the manufacturing process, etc. and does not depend on the gas flow rate is defined as “internal resistance”.
In the soundness evaluation method for a solid oxide fuel cell according to claim 3, when analyzing the impedance characteristics between the separators, for example, when using a complex impedance curve, a low frequency is represented by each complex impedance curve. The impedance values of the intercepts when the high-frequency ends of the arcs observed on the side are extrapolated to the real axis are obtained, and the impedance values are compared with each other to evaluate the uniformity of the internal resistance between the separators. It is possible.

すなわち、複素インピーダンス曲線において低周波側のデータを用いて円弧を描いた場合に、その円弧の高周波側での実軸との切片のインピーダンス値は、単セルユニットの内部抵抗が大きいほど高インピーダンス側にシフトする現象が見られるので、上記インピーダンス値を各セパレータ間で相互に比較することによって、各セパレータ間の内部抵抗の均一性を把握することができるとともに、内部抵抗が他の単セルユニットと比べて大きい単セルユニットを容易に検出することができる。   That is, when an arc is drawn using data on the low frequency side in the complex impedance curve, the impedance value of the intercept with the real axis on the high frequency side of the arc is higher as the internal resistance of the single cell unit is larger. Therefore, by comparing the impedance values with each other, the uniformity of the internal resistance between the separators can be grasped, and the internal resistance is different from that of other single cell units. A single cell unit larger than that can be easily detected.

請求項4に記載の発明は、請求項1〜3の何れかに記載の固体酸化物形燃料電池の健全性評価方法において、上記固体酸化物形燃料電池は、上記セルスタックの周囲にガスマニホールドを有し、当該ガスマニホールドから各セパレータに導電性のガス配管を介して反応用のガスを供給する固体酸化物形燃料電池であり、各セパレータ間のインピーダンスを測定するにあたり、上記ガスマニホールドと上記ガス配管とを絶縁し、上記ガス配管にプローブを当接させて、当該プローブにより上記試験信号に対する応答信号を測定し、当該応答信号と上記試験信号とからセパレータ間のインピーダンスを求めることを特徴とするものである。   According to a fourth aspect of the present invention, in the solid oxide fuel cell soundness evaluation method according to any one of the first to third aspects, the solid oxide fuel cell has a gas manifold around the cell stack. A solid oxide fuel cell that supplies a reaction gas from the gas manifold to each separator through a conductive gas pipe. In measuring the impedance between the separators, the gas manifold and the gas manifold Insulating the gas pipe, bringing a probe into contact with the gas pipe, measuring a response signal to the test signal with the probe, and obtaining an impedance between the separators from the response signal and the test signal To do.

請求項5に記載の発明は、発電セルとセパレータとを交互に積層してなるセルスタックを有し、上記発電セルの各々に反応用のガスを供給して発電反応を生じさせる固体酸化物形燃料電池において、上記セルスタックの健全性を評価する健全性評価装置であって、上記セルスタックの積層方向における両端間に試験信号を印加する試験信号印加手段と、各セパレータ間について、上記試験信号に対する応答信号を検出するプローブと、上記応答信号と上記試験信号とから各セパレータ間のインピーダンスを求め、そのインピーダンス特性を相互に比較することにより上記セルスタックの健全性を評価する評価手段とを備えることを特徴とするものである。   The invention according to claim 5 is a solid oxide type having a cell stack formed by alternately stacking power generation cells and separators, and generating a power generation reaction by supplying a reaction gas to each of the power generation cells. In a fuel cell, a soundness evaluation apparatus for evaluating the soundness of the cell stack, the test signal applying means for applying a test signal between both ends in the stacking direction of the cell stack, and the test signal between each separator A probe for detecting a response signal to the cell, and an evaluation means for evaluating the soundness of the cell stack by obtaining an impedance between the separators from the response signal and the test signal and comparing the impedance characteristics with each other. It is characterized by this.

請求項1〜5の何れかに記載の発明によれば、各発電セルに供給される反応用ガスの供給流量の均一性や、各セパレータ間の内部抵抗の均一性など、セルスタックの健全性を容易かつ適切に評価することができ、単セルユニットの何れかに性能不良や不具合がある場合に、その原因を的確に把握することができる。   According to the invention of any one of claims 1 to 5, the soundness of the cell stack such as the uniformity of the supply flow rate of the reaction gas supplied to each power generation cell and the uniformity of the internal resistance between the separators. Can be evaluated easily and appropriately, and when any of the single cell units has a performance defect or a malfunction, the cause can be accurately grasped.

以下、図面に基づいて、本発明に係る固体酸化物形燃料電池の健全性評価方法および健全性評価装置の一実施形態について説明する。
図1は、上記健全性評価方法および健全性評価装置の評価対象となる平板積層型の固体酸化物形燃料電池の要部構成を示すもので、この固体酸化物形燃料電池においては、セパレータ11(または端板11a、11b)、燃料極集電体12、発電セル13、空気極集電体14が順番に積層されて単セルユニット10が構成され、この単セルユニット10が複数積層されてセルスタック20が構成されている。
Hereinafter, an embodiment of a soundness evaluation method and a soundness evaluation apparatus for a solid oxide fuel cell according to the present invention will be described with reference to the drawings.
FIG. 1 shows a main configuration of a flat plate type solid oxide fuel cell to be evaluated by the soundness evaluation method and the soundness evaluation apparatus. In this solid oxide fuel cell, a separator 11 is shown. (Or the end plates 11a and 11b), the fuel electrode current collector 12, the power generation cell 13, and the air electrode current collector 14 are sequentially stacked to form a single cell unit 10, and a plurality of the single cell units 10 are stacked. A cell stack 20 is configured.

ここで、セパレータ11はステンレス等で構成され、燃料極集電体12はNi基合金等のスポンジ状の多孔質焼結金属板で構成され、空気極集電体14はAg基合金等のスポンジ状の多孔質焼結金属板で構成されている。また、発電セル13は、燃料極と空気極との間に固体電解質を挟んだ積層構造を有し、固体電解質はイットリアを添加した安定化ジルコニア(YSZ)等で構成され、燃料極はNi、Co等の金属あるいはNi−YSZ、Co−YSZ等のサーメットで構成され、空気極はLaMnO3 、LaCoO3 等で構成されている。 Here, the separator 11 is made of stainless steel, the fuel electrode current collector 12 is made of a sponge-like porous sintered metal plate such as a Ni-based alloy, and the air electrode current collector 14 is made of a sponge such as an Ag-based alloy. It is comprised with the shape of a porous sintered metal plate. The power generation cell 13 has a laminated structure in which a solid electrolyte is sandwiched between a fuel electrode and an air electrode. The solid electrolyte is composed of stabilized zirconia (YSZ) to which yttria is added, and the fuel electrode is Ni, A metal such as Co or a cermet such as Ni—YSZ or Co—YSZ is used, and the air electrode is made of LaMnO 3 , LaCoO 3 or the like.

また、セルスタック20の側方には、各セパレータ11の燃料通路(図示省略)に導電性のガス配管17を通して燃料ガスを供給する燃料ガスマニホールド15と、各セパレータ11の酸化剤通路(図示省略)に導電性のガス配管18を通して酸化剤ガスとしての空気を供給する酸化剤ガスマニホールド16とが、セルスタック20の積層方向に延在して設けられている。上記ガス配管17、18は、ガスマニホールド15、16と絶縁されており、ガス配管17、18の各々にプローブ31(後述)を当接させることによってセパレータ11間の電圧を容易に測定できるように構成されている。   Further, on the side of the cell stack 20, a fuel gas manifold 15 that supplies fuel gas to the fuel passages (not shown) of each separator 11 through the conductive gas pipe 17, and an oxidant passage (not shown) of each separator 11. ) And an oxidant gas manifold 16 for supplying air as an oxidant gas through the conductive gas pipe 18, extending in the stacking direction of the cell stack 20. The gas pipes 17 and 18 are insulated from the gas manifolds 15 and 16 so that the voltage between the separators 11 can be easily measured by bringing a probe 31 (described later) into contact with each of the gas pipes 17 and 18. It is configured.

上記構成からなる固体酸化物形燃料電池においては、燃料ガスマニホールド15からガス配管17を介してセパレータ11に導入された燃料ガスが燃料極集電体12に向けて吐出されるとともに、酸化剤ガスマニホールド16からガス配管18を介してセパレータ11に導入された空気が空気極集電体14に向けて吐出され、それらガスが発電セル13の中心部から外周方向に拡散しながら燃料極及び空気極の全面に良好な分布で行き渡ることにより、既述した発電反応が生じることとなる。また、本実施形態では、発電セル13の外周部にガス漏れ防止シールを敢えて設けないシールレス構造としているため、上記発電反応によって生成されたガスや上記発電反応に使用されなかった残余のガスが、発電セル13の外周部から外に放出されることとなる。   In the solid oxide fuel cell having the above-described configuration, the fuel gas introduced into the separator 11 from the fuel gas manifold 15 through the gas pipe 17 is discharged toward the anode current collector 12, and the oxidant gas. The air introduced into the separator 11 from the manifold 16 through the gas pipe 18 is discharged toward the air electrode current collector 14, and these gases diffuse from the center of the power generation cell 13 to the outer peripheral direction while being diffused to the fuel electrode and the air electrode. The power generation reaction described above occurs by spreading over the entire surface with a good distribution. Moreover, in this embodiment, since it is set as the sealless structure which does not dare provide the gas leak prevention seal in the outer peripheral part of the electric power generation cell 13, the gas produced | generated by the said electric power generation reaction, or the residual gas which was not used for the said electric power generation reaction Then, it is discharged from the outer peripheral portion of the power generation cell 13.

次に、上記構成からなる固体酸化物形燃料電池のセルスタック20の健全性を評価する健全性評価装置の一実施形態について説明する。この健全性評価装置は、図2に示すように、プローブ31とインピーダンス解析装置32とにより概略構成されている。
プローブ31は、櫛状に配列された複数の接触子33を有し、これら接触子33を測定対象部位(セパレータ11、ガス配管17、18など)に当接させることにより、測定信号を採取してインピーダンス解析装置32に出力することが可能となっている。なお、接触子33どうしの間隔は、セルスタック20内の各セパレータ11または各ガス配管17、18に同時に接触し得る間隔に予め設定されている。
Next, an embodiment of a soundness evaluation apparatus for evaluating the soundness of the cell stack 20 of the solid oxide fuel cell having the above configuration will be described. As shown in FIG. 2, the soundness evaluation apparatus is roughly configured by a probe 31 and an impedance analysis apparatus 32.
The probe 31 has a plurality of contacts 33 arranged in a comb shape, and collects a measurement signal by bringing these contacts 33 into contact with a measurement target site (separator 11, gas pipes 17, 18, etc.). And output to the impedance analyzer 32. Note that the interval between the contactors 33 is set in advance to an interval at which the separators 11 or the gas pipes 17 and 18 in the cell stack 20 can be simultaneously contacted.

一方、インピーダンス解析装置32は、CPU(Central Processing Unit )、RAM(Random Access Memory)、記憶装置、入力装置、表示装置およびインターフェース等を有する制御部(評価手段)と、セルスタック20の積層方向における両端間に試験信号(例えば、交流電流)を印加する信号印加部(試験信号印加手段)とを備えて構成されている。また、上記制御部の記憶装置には、上記CPUにより実行される各種処理プログラムや制御データ等を記憶する記憶領域の他に、インピーダンスの測定データ等を記憶する記憶領域などが設けられている。   On the other hand, the impedance analysis device 32 includes a control unit (evaluation means) having a CPU (Central Processing Unit), a RAM (Random Access Memory), a storage device, an input device, a display device, an interface, and the like, and the cell stack 20 in the stacking direction. A signal applying unit (test signal applying means) that applies a test signal (for example, an alternating current) between both ends is provided. The storage device of the control unit is provided with a storage area for storing impedance measurement data and the like in addition to a storage area for storing various processing programs executed by the CPU and control data.

そして、上記CPUは、上記記憶装置に格納された各種処理プログラムを読み込んで実行することにより、信号印加部を制御してセルスタック20に所定の試験信号を印加させる処理、上記試験信号に対する応答信号をプローブ31から受信して記憶装置に記憶する処理、上記応答信号と上記試験信号とから各セパレータ11間のインピーダンスを求め記憶装置に記憶する処理、各セパレータ11間のインピーダンス特性を相互に比較することによりセルスタック20の健全性を評価する処理などを行うようになっている。   The CPU reads and executes various processing programs stored in the storage device, thereby controlling the signal application unit to apply a predetermined test signal to the cell stack 20, and a response signal to the test signal. Is received from the probe 31 and stored in the storage device, the impedance between the separators 11 is obtained from the response signal and the test signal, and stored in the storage device, and the impedance characteristics between the separators 11 are compared with each other. Accordingly, processing for evaluating the soundness of the cell stack 20 is performed.

次に、上記構成からなる健全性評価装置を用いたセルスタック20の健全性評価方法の一実施形態について説明する。
先ず、図3に示すように、評価対象となるセルスタック20に上記健全性評価装置をセットする(ステップS1)。すなわち、プローブ31の各接触子33を上記セルスタック20の各セパレータ11または各ガス配管17、18にそれぞれ当接させるとともに、試験信号印加用のケーブル34a、34bを上記セルスタック20の端板11a、11bにそれぞれ接続する。
次いで、反応用のガス(燃料ガス、酸化剤ガス)を各ガスマニホールド15、16に供給する供給配管のバルブ(図示省略)を開放して、各発電セル13の燃料極側に燃料ガスを、空気極側に酸化剤ガスとしての空気を供給する(ステップS2)。
Next, an embodiment of a soundness evaluation method for the cell stack 20 using the soundness evaluation apparatus having the above configuration will be described.
First, as shown in FIG. 3, the soundness evaluation apparatus is set in the cell stack 20 to be evaluated (step S1). That is, the contacts 33 of the probe 31 are brought into contact with the separators 11 or the gas pipes 17 and 18 of the cell stack 20 and the test signal application cables 34a and 34b are connected to the end plates 11a of the cell stack 20, respectively. , 11b.
Next, the valve (not shown) of the supply piping for supplying the reaction gas (fuel gas, oxidant gas) to each gas manifold 15, 16 is opened, and the fuel gas is supplied to the fuel electrode side of each power generation cell 13. Air as an oxidant gas is supplied to the air electrode side (step S2).

そして、反応用のガスを供給した状態で、セルスタック20の積層方向における両端間に試験信号(交流電流)を印加する。ここでは、インピーダンス解析装置32のCPUが、入力装置からの指示入力等に基づき信号印加部を制御して、セルスタック20に試験信号を印加させる処理を行う。なお、この処理は開回路状態で行うようにしても発電状態で行うようにしてもよい。
次いで、上記試験信号に対する応答信号(応答電圧)をプローブ31により採取し、当該応答信号と上記試験信号とからセパレータ11間のインピーダンスを求める(ステップS3)。ここでは、インピーダンス解析装置32のCPUが、上記応答信号をプローブ31から受信して、上記応答信号と上記試験信号とから各セパレータ11間のインピーダンスを演算により求め、当該演算結果を記憶装置に格納する処理を行う。
Then, a test signal (alternating current) is applied between both ends of the cell stack 20 in the stacking direction with the reaction gas supplied. Here, the CPU of the impedance analysis device 32 controls the signal application unit based on an instruction input from the input device and performs a process of applying a test signal to the cell stack 20. This process may be performed in an open circuit state or in a power generation state.
Next, a response signal (response voltage) to the test signal is sampled by the probe 31, and the impedance between the separators 11 is obtained from the response signal and the test signal (step S3). Here, the CPU of the impedance analyzer 32 receives the response signal from the probe 31, calculates the impedance between the separators 11 from the response signal and the test signal, and stores the calculation result in the storage device. Perform the process.

次いで、各セパレータ11間のインピーダンス特性を相互に比較することによりセルスタック20の健全性を評価する(ステップS4)。
すなわち、インピーダンス解析装置32のCPUが、記憶装置に格納されたインピーダンスの測定データを読み込んで、単セルユニット10毎のインピーダンス特性を解析し、それらの特性を相互に比較することにより、単セルユニット10の性能の均一性を評価してセルスタック20の健全性を診断する処理を行う。
Next, the soundness of the cell stack 20 is evaluated by comparing impedance characteristics between the separators 11 (step S4).
That is, the CPU of the impedance analyzer 32 reads the impedance measurement data stored in the storage device, analyzes the impedance characteristics of each single cell unit 10, and compares these characteristics with each other. 10 is performed to evaluate the uniformity of the performance of 10 and diagnose the soundness of the cell stack 20.

例えば、発電セル13間における燃料ガスの供給流量の均一性を評価する場合には、得られたインピーダンス特性のうち時定数の大きな成分の抵抗成分(コールコールプロットの円弧Cの実軸との低周波側の切片の値から高周波側の切片の値を差し引いた値のインピーダンスLに相当)をそれぞれ求めて、それらの大きさを相互に比較する。
すなわち、各セパレータ11間のインピーダンス特性を例えば複素インピーダンス曲線で表すと、低周波側に大きな円弧Cが出現し、その円弧Cの直径が、図4に示すように、燃料ガスの供給流量におおよそ反比例し、燃料ガスの供給流量が少ないほど大きくなる傾向がある。このため、上記円弧Cの直径を相互に比較することにより、発電セル13間における燃料ガスの供給流量の均一性を把握することができるとともに、燃料ガスの供給流量が他の発電セル13と比べて少ない発電セル(すなわち、ガスの供給系統に何らかの問題がある発電セル)を容易に検出することができる。
For example, when evaluating the uniformity of the supply flow rate of the fuel gas between the power generation cells 13, the resistance component having a large time constant in the obtained impedance characteristic (low resistance with respect to the real axis of the arc C of the Cole-Cole plot). (Corresponding to the impedance L of the value obtained by subtracting the value of the high frequency side intercept from the value of the frequency side intercept), and the magnitudes thereof are compared with each other.
That is, when the impedance characteristics between the separators 11 are represented by, for example, a complex impedance curve, a large arc C appears on the low frequency side, and the diameter of the arc C approximately corresponds to the fuel gas supply flow rate as shown in FIG. It is inversely proportional and tends to increase as the fuel gas supply flow rate decreases. Therefore, by comparing the diameters of the arcs C with each other, the uniformity of the supply flow rate of the fuel gas between the power generation cells 13 can be grasped, and the supply flow rate of the fuel gas is compared with the other power generation cells 13. Therefore, it is possible to easily detect a small number of power generation cells (that is, power generation cells having some problem in the gas supply system).

例えば、750℃で燃料利用率50%に相当する水素/水蒸気分圧とした際に、各発電セル13に対する燃料ガスの供給流量を1cc/min/cm2 とすると、複素インピーダンス曲線の低周波側のデータから描ける円弧Cの実軸との両切片の差のインピーダンスLが、図4に示すように、約1Ωcm2 となり、燃料ガスの供給流量を3cc/min/cm2 とすると、約0.4Ωcm2 となり、燃料ガスの供給流量を5cc/min/cm2 とすると、約0.3Ωcm2 となることが、本発明者等による実験によって確認されている。しがたって、上記条件下では、燃料ガスの供給流量が1cc/min/cm2 に設定されている場合に、各円弧Cの実軸との両切片の差のインピーダンスLがほぼ同じ値(1Ωcm2 )でそれぞれのバラツキが統計的に許容誤差の範囲内となった際には、各発電セル13に対する燃料ガスの供給流量がほぼ均一で、正常であると診断することができ、一部の円弧Cの直径が他の円弧Cの直径と著しく異なり上記許容誤差の範囲を超えている際には、発電セル13間で燃料ガスの供給流量に偏りがあり、上記一部の円弧Cに対応する発電セル13の燃料ガス供給系統に異常があると診断することができる。 For example, assuming a hydrogen / water vapor partial pressure corresponding to a fuel utilization rate of 50% at 750 ° C., assuming that the supply flow rate of fuel gas to each power generation cell 13 is 1 cc / min / cm 2 , the low frequency side of the complex impedance curve As shown in FIG. 4, the impedance L of the difference between both intercepts from the real axis of the arc C that can be drawn from the data is about 1 Ωcm 2 , and the fuel gas supply flow rate is about 3 cc / min / cm 2 . 4Omucm 2 next, when the supply flow rate of the fuel gas and 5cc / min / cm 2, to be approximately 0.3Omucm 2, has been confirmed by experiments by the present inventors. Therefore, under the above conditions, when the fuel gas supply flow rate is set to 1 cc / min / cm 2 , the impedance L of the difference between both intercepts from the real axis of each arc C is approximately the same value (1 Ωcm When each variation is statistically within the allowable error range in 2 ), it can be diagnosed that the supply flow rate of the fuel gas to each power generation cell 13 is almost uniform and normal. When the diameter of the arc C is significantly different from the diameters of the other arcs C and exceeds the allowable error range, the fuel gas supply flow rate is uneven between the power generation cells 13 and corresponds to the part of the arcs C. It can be diagnosed that the fuel gas supply system of the power generation cell 13 is abnormal.

また、例えば、単セルユニット10の内部抵抗の均一性を評価する場合には、複素インピーダンス曲線による解析を例にとると、複素インピーダンス曲線の低周波円弧Cの高周波側での実軸との切片Pのインピーダンス値をそれぞれ求めて、それらインピーダンス値を相互に比較する。
すなわち、複素インピーダンス曲線における低周波円弧Cの高周波端での実軸との切片Pのインピーダンス値は、単セルユニット10の内部抵抗が大きいほど高インピーダンス側にシフトする傾向がある。このため、低周波側の円弧Cの高周波端の切片Pのインピーダンス値を各セパレータ11間で相互に比較することによって、各セパレータ11間の内部抵抗の均一性を把握することができるとともに、内部抵抗が他の単セルユニット10と比べて大きい単セルユニット10を容易に検出することができる。
Further, for example, when evaluating the uniformity of the internal resistance of the single cell unit 10, taking the analysis by the complex impedance curve as an example, the intercept of the complex impedance curve with the real axis on the high frequency side of the low frequency arc C The impedance values of P are obtained, and the impedance values are compared with each other.
That is, the impedance value of the intercept P with respect to the real axis at the high frequency end of the low frequency arc C in the complex impedance curve tends to shift to the high impedance side as the internal resistance of the single cell unit 10 increases. Therefore, by comparing the impedance value of the intercept P at the high frequency end of the arc C on the low frequency side between the separators 11, it is possible to grasp the uniformity of the internal resistance between the separators 11 and The single cell unit 10 having a resistance larger than that of the other single cell units 10 can be easily detected.

なお、単セルユニット10の内部抵抗や燃料ガスの供給流量以外についても、一部の単セルユニット10に性能上の問題がある場合には、複素インピーダンス曲線の各部に特徴的な違いが現れることとなるので、複素インピーダンス曲線の低周波側の円弧Cが実軸と交わす両切片の差のインピーダンスLやその高周波端の切片Pの位置以外の部分についても上記と同様な比較を行うことによって、単セルユニット10の各種性能の均一性を把握することができるとともに、性能面で何らかの問題を内包する単セルユニット10が存在する場合には、その単セルユニット10を容易に特定することができる。   In addition to the internal resistance of the single cell unit 10 and the fuel gas supply flow rate, if some of the single cell units 10 have performance problems, characteristic differences appear in each part of the complex impedance curve. Therefore, by comparing the impedance L of the difference between both intercepts where the arc C on the low frequency side of the complex impedance curve intersects the real axis and the portion other than the position of the intercept P at the high frequency end, The uniformity of various performances of the single cell unit 10 can be grasped, and when there is a single cell unit 10 that includes some problem in terms of performance, the single cell unit 10 can be easily identified. .

以上のように、本実施形態によれば、発電セル13の各々に反応用のガス(燃料ガス、酸化剤ガス)を供給した状態で、セルスタック20の積層方向における両端間に試験信号を印加して、各セパレータ11間のインピーダンスを測定し、そのインピーダンス特性を相互に比較することによりセルスタック20の健全性を評価するようにしたので、単セルユニット10間における燃料ガスの供給流量や内部抵抗のバラツキ等に起因する、従来の電圧測定では原因究明が困難であった性能不良や不具合が存在するような場合においても、その原因を的確に把握することができ、原因に応じた対処を適切に行うことができる。   As described above, according to the present embodiment, a test signal is applied between both ends in the stacking direction of the cell stack 20 with the reaction gas (fuel gas, oxidant gas) supplied to each of the power generation cells 13. Since the impedance between the separators 11 is measured and the soundness of the cell stack 20 is evaluated by comparing the impedance characteristics with each other, the fuel gas supply flow rate between the single cell units 10 and the internal Even when there is a performance failure or malfunction that was difficult to determine by conventional voltage measurement due to resistance variation, etc., it is possible to accurately grasp the cause and take measures according to the cause. Can be done appropriately.

なお、本実施形態においては、単セルユニット10毎にインピーダンス特性を測定するようにしたが、所定数の単セルユニット10を発電ブロックとして、当該発電ブロック毎にインピーダンス特性を測定するようにしてもよい。この場合にも、各インピーダンス特性を相互に比較することによりセルスタック20の健全性を適切に評価することが可能である。   In the present embodiment, the impedance characteristics are measured for each single cell unit 10, but the impedance characteristics are measured for each power generation block using a predetermined number of single cell units 10 as power generation blocks. Good. Also in this case, it is possible to appropriately evaluate the soundness of the cell stack 20 by comparing the impedance characteristics with each other.

また、本実施形態においては、セルスタック20の組立後にその健全性を評価する場合について例示したが、本発明はこれに限定されるものではなく、例えば、本実施形態の健全性評価装置を装着したまま固体酸化物形燃料電池の運転を行って、運転中にセルスタック20の健全性を定期的に評価することにより、発電セル13の割れや燃料極の剥離など、セルスタック20における異常発生を監視することも可能である。   Moreover, in this embodiment, although illustrated about the case where the soundness is evaluated after the assembly of the cell stack 20, this invention is not limited to this, For example, the soundness evaluation apparatus of this embodiment is equipped. By operating the solid oxide fuel cell as it is and periodically evaluating the soundness of the cell stack 20 during operation, abnormalities in the cell stack 20 such as cracking of the power generation cell 13 and separation of the fuel electrode occur. It is also possible to monitor.

平板積層型の固体酸化物形燃料電池の要部構成を示す図である。It is a figure which shows the principal part structure of a flat plate type solid oxide fuel cell. 本発明に係る固体酸化物形燃料電池の健全性評価装置の一実施形態を示す概略構成図である。It is a schematic block diagram which shows one Embodiment of the soundness evaluation apparatus of the solid oxide fuel cell which concerns on this invention. 本発明に係る固体酸化物形燃料電池の健全性評価方法の一実施形態を説明するためのフローチャートである。It is a flowchart for demonstrating one Embodiment of the soundness evaluation method of the solid oxide fuel cell which concerns on this invention. 複素インピーダンス曲線の一例を示す図である。It is a figure which shows an example of a complex impedance curve.

符号の説明Explanation of symbols

10 単セルユニット
11 セパレータ
13 発電セル
15、16 ガスマニホールド
17、18 ガス配管
20 セルスタック
31 プローブ
32 インピーダンス解析装置(試験信号印加手段、解析手段)
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 Single cell unit 11 Separator 13 Power generation cell 15, 16 Gas manifold 17, 18 Gas piping 20 Cell stack 31 Probe 32 Impedance analysis apparatus (test signal application means, analysis means)

Claims (5)

発電セルとセパレータとを交互に積層してなるセルスタックを有し、上記発電セルの各々に反応用のガスを供給して発電反応を生じさせる固体酸化物形燃料電池において、
上記発電セルの各々に上記反応用のガスを供給した状態で、上記セルスタックの積層方向における両端間に試験信号を印加して、各セパレータ間のインピーダンスを測定し、そのインピーダンス特性を相互に比較することにより上記セルスタックの健全性を評価することを特徴とする固体酸化物形燃料電池の健全性評価方法。
In a solid oxide fuel cell having a cell stack in which power generation cells and separators are alternately stacked, and generating a power generation reaction by supplying a reaction gas to each of the power generation cells,
With the reaction gas supplied to each of the power generation cells, a test signal is applied across the cell stack in the stacking direction, the impedance between the separators is measured, and the impedance characteristics are compared with each other. A method for evaluating the soundness of a solid oxide fuel cell, wherein the soundness of the cell stack is evaluated.
各セパレータ間のインピーダンス特性を測定し、各測定データの時定数の大きな成分を解析し、それぞれを比較することによって、上記発電セルの各々に供給される上記反応用ガスの流量の均一性を評価することを特徴とする請求項1に記載の固体酸化物形燃料電池の健全性評価方法。   Measure impedance characteristics between separators, analyze components with large time constants in each measurement data, and compare them to evaluate the uniformity of the flow rate of the reaction gas supplied to each of the power generation cells The soundness evaluation method for a solid oxide fuel cell according to claim 1, wherein: 各セパレータ間のインピーダンス特性を測定し、上記時定数の大きな成分を除いたインピーダンスを解析し、これを相互に比較することにより、各セパレータ間の内部抵抗の均一性を評価することを特徴とする請求項2に記載の固体酸化物形燃料電池の健全性評価方法。   The impedance characteristic between each separator is measured, the impedance excluding the component having the large time constant is analyzed, and the internal resistance uniformity between the separators is evaluated by comparing the impedances with each other. The soundness evaluation method of the solid oxide fuel cell according to claim 2. 上記固体酸化物形燃料電池は、上記セルスタックの周囲にガスマニホールドを有し、当該ガスマニホールドから各セパレータに導電性のガス配管を介して反応用のガスを供給する固体酸化物形燃料電池であり、
各セパレータ間のインピーダンスを測定するにあたり、上記ガスマニホールドと上記ガス配管とを絶縁し、上記ガス配管にプローブを当接させて、当該プローブにより上記試験信号に対する応答信号を測定し、当該応答信号と上記試験信号とからセパレータ間のインピーダンスを求めることを特徴とする請求項1〜3の何れかに記載の固体酸化物形燃料電池の健全性評価方法。
The solid oxide fuel cell is a solid oxide fuel cell having a gas manifold around the cell stack and supplying a reaction gas from the gas manifold to each separator through a conductive gas pipe. Yes,
In measuring the impedance between the separators, the gas manifold and the gas pipe are insulated, a probe is brought into contact with the gas pipe, a response signal to the test signal is measured by the probe, and the response signal and 4. The method for evaluating the integrity of a solid oxide fuel cell according to claim 1, wherein an impedance between the separators is obtained from the test signal.
発電セルとセパレータとを交互に積層してなるセルスタックを有し、上記発電セルの各々に反応用のガスを供給して発電反応を生じさせる固体酸化物形燃料電池において、上記セルスタックの健全性を評価する健全性評価装置であって、
上記セルスタックの積層方向における両端間に試験信号を印加する試験信号印加手段と、
各セパレータ間について、上記試験信号に対する応答信号を検出するプローブと、
上記応答信号と上記試験信号とから各セパレータ間のインピーダンスを求め、そのインピーダンス特性を相互に比較することにより上記セルスタックの健全性を評価する評価手段とを備えることを特徴とする固体酸化物形燃料電池の健全性評価装置。
In a solid oxide fuel cell having a cell stack in which power generation cells and separators are alternately stacked and supplying a reaction gas to each of the power generation cells to generate a power generation reaction, the cell stack is sound A soundness evaluation device for evaluating sex,
Test signal applying means for applying a test signal between both ends in the stacking direction of the cell stack;
A probe for detecting a response signal to the test signal between each separator,
Solid oxide form characterized by comprising evaluation means for obtaining the impedance between the separators from the response signal and the test signal and evaluating the soundness of the cell stack by comparing the impedance characteristics with each other Fuel cell soundness evaluation device.
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