JP5348447B2 - Cell characterization device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、電解質の両面に少なくとも一対の電極が形成されてなるセルの特性評価装置、および燃料電池に関する。 The present invention relates to a cell characteristic evaluation apparatus in which at least a pair of electrodes are formed on both surfaces of an electrolyte, and a fuel cell.
固体電解質燃料電池のセルの特性の向上、もしくはセルを構成する、燃料極、空気極、固体電解質、インターコネクタ等の部材の特性向上のための基礎研究において、イオン輸率、電圧−電流特性、過電圧、インピーダンス、およびガス透過性などの特性が測定される(特許文献1参照)。 In basic research to improve the characteristics of solid electrolyte fuel cell cells, or to improve the characteristics of the components of the fuel electrode, air electrode, solid electrolyte, interconnector, etc. that make up the cell, ion transport number, voltage-current characteristics, Characteristics such as overvoltage, impedance, and gas permeability are measured (see Patent Document 1).
通常これらの特性の評価を行う場合、固体電解質の焼結基板の片面に空気極、その反対面に燃料極が形成されたセルが使用される。続いて、ガラスリング、金属パッキンリング等のシール材を介して一対の気密管をセルの両面にそれぞれ密着させることにより、燃料極が位置される燃料極室と空気極が位置される空気極室とが、相互に隔離した構造として形成される。 Usually, when evaluating these characteristics, a cell in which an air electrode is formed on one side of a sintered substrate of a solid electrolyte and a fuel electrode is formed on the opposite side is used. Subsequently, a fuel electrode chamber in which the fuel electrode is located and an air electrode chamber in which the air electrode is located are obtained by closely attaching a pair of airtight tubes to both surfaces of the cell via a sealing material such as a glass ring or a metal packing ring. Are formed as structures isolated from each other.
そして、両電極の酸素イオン濃度に差を設けることにより、下記のような燃料電池反応を進行させながら、各種特性の評価が行われる。 Then, by providing a difference in the oxygen ion concentration of both electrodes, various characteristics are evaluated while a fuel cell reaction as described below proceeds.
アノード側: O2−+H2→H2O+2e−
カソード側: O2+4e−→2O2−
一方、セルの出力の向上およびセルの稼動温度の低減のために、固体電解質を薄膜手法で作成して固体電解質抵抗を低減する試みが活発に行われている。たとえば、固体電解質の厚さを数μm〜数十μm程度に薄膜化して、固体電解質抵抗を低減する試みが行われている(非特許文献1参照)。
Cathode side: O 2 + 4e − → 2O 2−
On the other hand, in order to improve the output of the cell and reduce the operating temperature of the cell, attempts have been actively made to reduce the solid electrolyte resistance by preparing a solid electrolyte by a thin film technique. For example, attempts have been made to reduce the solid electrolyte resistance by reducing the thickness of the solid electrolyte to about several μm to several tens of μm (see Non-Patent Document 1).
ところで、セルの発電特性の評価の際には、セルの両面に集電材およびシール材を積層してセル支持管等で挟んで支持する必要があるため、セル支持管を縦にして管状電気炉中に設置することが作業性の観点から好ましい。 By the way, when evaluating the power generation characteristics of a cell, it is necessary to stack a current collector and a sealing material on both sides of the cell and support them by sandwiching them with a cell support tube or the like. It is preferable to install it from the viewpoint of workability.
しかしながら、かかる縦型の構成の特性評価装置はセルによって上下2室に区切られた構造を持つこととなり、ガスの対流により下方のガス室ではセル周りの温度が上昇する一方で、上方のガス室では高温のガスが対流によって系外に逃げるためにセル周りの温度が低下し、この結果、セルの上下で大きな温度差が生じてしまうこととなる。 However, such a vertical characteristic evaluation apparatus has a structure that is divided into two upper and lower chambers by a cell, and the temperature around the cell rises in the lower gas chamber due to gas convection, while the upper gas chamber Then, since the high temperature gas escapes from the system by convection, the temperature around the cell is lowered, and as a result, a large temperature difference occurs between the upper and lower sides of the cell.
ここで、燃料電池のセルにおいては作動温度によってその特性が大きく変化するため、セルの上下2室における温度の均一性を図ることはきわめて重要である。このため、セルの上下で大きな温度差が生じると、安定した発電特性が得られないという問題があった。 Here, since the characteristics of the fuel cell vary greatly depending on the operating temperature, it is extremely important to achieve uniform temperature in the upper and lower chambers of the cell. For this reason, there is a problem that stable power generation characteristics cannot be obtained when a large temperature difference occurs between the upper and lower sides of the cell.
さらに、セルの特性評価装置における各部品の保護のために管状電気炉の末端に水冷が施されるが、冷却水循環装置の作動状況により水冷管の温度が変化してセル周りの温度の長周期的なぶれが生じていた。 Furthermore, water cooling is applied to the end of the tubular electric furnace to protect each part in the cell characterization device, but the temperature of the water cooling tube changes depending on the operating condition of the cooling water circulation device, and the long period of temperature around the cell There was a blur.
本発明は、上記した課題を解決するためになされたものであり、本発明の目的は、セル近傍の温度分布を均一化して安定した発電特性を得ることができるセルの特性評価装置、および燃料電池を提供することにある。 The present invention has been made to solve the above-described problems, and an object of the present invention is to provide a cell characteristic evaluation apparatus and fuel that can obtain a stable power generation characteristic by uniformizing the temperature distribution in the vicinity of the cell. To provide a battery.
本発明の目的は、下記の手段により達成される。 The object of the present invention is achieved by the following means.
(1)電解質の両面に少なくとも一対の電極が形成されてなるセルの特性評価装置であって、前記セルの両面に対して一対の支持治具を介してそれぞれ支持し得る一対の中空のセル支持管と、前記一対の中空のセル支持管内の各々の空間に臨む前記一対の支持治具を接続することによって、前記一対の中空のセル支持管内の前記空間同士の間で熱伝導を行う、前記セルの外側を取り囲むための囲繞部材と、を有することを特徴とするセルの特性評価装置。 (1) at least characteristic evaluation apparatus of the pair of electrodes is formed cells on both sides of the electrolyte, a pair of hollow capable of their respective supporting lifting via a pair of support jigs against both sides of the cell Heat conduction between the spaces in the pair of hollow cell support tubes by connecting the cell support tubes and the pair of support jigs facing the spaces in the pair of hollow cell support tubes. And a surrounding member for enclosing the outside of the cell.
(2)前記囲繞部材は、前記一対の中空のセル支持管に対して着脱可能であることを特徴とする上記(1)に記載のセルの特性評価装置。 (2) The cell characteristic evaluation apparatus according to (1), wherein the surrounding member is detachable from the pair of hollow cell support tubes.
(3)前記囲繞部材は、前記一対の中空のセル支持管の一方に設けられた第1の係合部に係合し得る第1囲繞部と、当該第1囲繞部に連結可能とされ前記一対の中空のセル支持管の他方に設けられた第2の係合部に係合し得る第2囲繞部とを有することを特徴とする上記(1)又は(2)に記載のセルの特性評価装置。 (3) The surrounding member is connectable to a first surrounding portion that can be engaged with a first engaging portion provided on one of the pair of hollow cell support tubes, and to the first surrounding portion. The cell characteristic according to (1) or (2) above, further comprising a second surrounding portion that can be engaged with a second engaging portion provided on the other of the pair of hollow cell support tubes. Evaluation device.
(4)前記第1囲繞部は、第1ねじ部を有し、前記第2囲繞部は、前記第1ねじ部に螺合し得る第2ねじ部を有することを特徴とする上記(3)に記載のセルの特性評価装置。 (4) the first circumference Nyo portion has a first threaded portion, the second circumference Nyo section above, characterized in that it has a second threaded portion which can screwed into the first threaded portion ( The cell characteristic evaluation apparatus according to 3).
(5)前記囲繞部材は、熱伝導率が30W/m・K以上の材料からなることを特徴とする上記(1)〜(4)のいずれか1つに記載のセルの特性評価装置。 (5) the circumference Nyo member, the thermal conductivity, comprising the 30 W / m · K or more materials (1) to the cell characteristic evaluation apparatus according to any one of (4).
(6)電解質の両面に少なくとも一対の電極が形成されてなるセルと、前記セルの両面に対してそれぞれ支持し得る一対の中空のセル支持管と、前記一対の中空のセル支持管内の各々の空間に臨む前記一対の支持治具を接続することによって、前記一対の中空のセル支持管内の前記空間同士の間で熱伝導を行う、前記セルの外側を取り囲むための囲繞部材と、を有することを特徴とする燃料電池。 (6) and at least a pair of electrodes is formed cells on both sides of the electrolyte, and a pair of hollow cell support tube their respective may asked to support against both sides of the cell, the pair of hollow cell support tube An encircling member for enclosing the outside of the cell, which conducts heat conduction between the spaces in the pair of hollow cell support tubes by connecting the pair of support jigs facing each of the space; A fuel cell comprising:
(7)前記囲繞部材は、前記一対の中空のセル支持管に対して着脱可能であることを特徴とする上記(6)に記載の燃料電池。 (7) The fuel cell according to (6), wherein the surrounding member is detachable with respect to the pair of hollow cell support tubes.
(8)前記囲繞部材は、前記一対の中空のセル支持管の一方に設けられた第1の係合部に係合し得る第1囲繞部と、当該第1囲繞部に連結可能とされ前記一対の中空のセル支持管の他方に設けられた第2の係合部に係合し得る第2囲繞部とを有することを特徴とする上記(6)又は(7)に記載の燃料電池。 (8) The surrounding member is connectable to a first surrounding portion that can be engaged with a first engaging portion provided on one of the pair of hollow cell support tubes, and to the first surrounding portion. The fuel cell according to (6) or (7), further including a second surrounding portion that can be engaged with a second engaging portion provided on the other of the pair of hollow cell support tubes.
(9)前記第1囲繞部は、第1ねじ部を有し、前記第2囲繞部は、前記第1ねじ部に螺合し得る第2ねじ部を有することを特徴とする上記(8)に記載の燃料電池。 (9) said first circumference Nyo portion has a first threaded portion, the second circumference Nyo section above, characterized in that it has a second threaded portion which can screwed into the first threaded portion ( The fuel cell according to 8).
(10)前記囲繞部材は、熱伝導率が30W/m・K以上の材料からなることを特徴とする上記(6)〜(9)のいずれか1つに記載の燃料電池。 (10) the circumference Nyo member, the fuel cell according to any one of the above (6) to (9) thermal conductivity, characterized in that it consists of 30 W / m · K or more materials.
本発明によれば、セル近傍が囲繞部材によって覆われるため、囲繞部材の内側で熱勾配が生じた場合には囲繞部材を通して熱が伝播されて熱勾配が是正され、囲繞部材によって囲まれたセル近傍の温度が均一化される。これにより、セルの安定した発電特性を得ることができる。また、安定した発電特性により、特性評価項目としての各パラメータの測定精度が向上する。 According to the present invention, since the cell neighborhood are covered with circumference Nyo member, heat is propagated through the enclosed Nyo member is corrected thermal gradient in the case where the thermal gradient is generated inside the enclosed Nyo member, the circumference Nyo member The temperature in the vicinity of the enclosed cell is made uniform. Thereby, the stable power generation characteristic of the cell can be obtained. Moreover, the measurement accuracy of each parameter as a characteristic evaluation item is improved by stable power generation characteristics.
また、囲繞部材を、一対のセル支持管の一方に設けられた第1の係合部に係合し得る第1囲繞部と、当該第1囲繞部に連結可能とされ一対のセル支持管の他方に設けられた第2の係合部に係合し得る第2囲繞部とから構成することにより、セルとセル支持管とのシール性能を確実にすることができるとともに、セルとセル支持管との位置ずれをも防止することができる。 Further, the circumference Nyo member, first and first circumference Nyo portion to engage the engaging portion, the pair of cells are capable connected to the first circumference Nyo portion provided on one of the pair of cell support tube by configuring the second circumference Nyo portion engageable with the second engaging portion provided in the other of the support tube, it is possible to ensure the sealing performance between the cell and the cell support tube, cells And displacement of the cell support tube can also be prevented.
以下、本発明の実施の形態を、図面を参照して詳細に説明する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
図1は、本発明の一実施形態にかかるセルの特性評価装置の全体構成を示す図、図2は、セルを支持する部分の拡大断面図、図3は、セルを支持する際の当該セルに対する押圧力ないし圧接力を調整するための調整機構部付近の拡大断面図である。 FIG. 1 is a diagram showing the overall configuration of a cell characteristic evaluation apparatus according to an embodiment of the present invention, FIG. 2 is an enlarged cross-sectional view of a portion that supports the cell, and FIG. 3 is the cell when supporting the cell. It is an expanded sectional view of the adjustment mechanism part vicinity for adjusting the pressing force thru | or press-contact force with respect to.
図1に示すように、セルの特性評価装置100は、たとえば固体電解質燃料電池のセル4の特性評価装置であって、空気極側セル保持部110と、燃料極側セル保持部120とを有している。このセルの特性評価装置100は、セル4についての、イオン輸率、電圧−電流特性、過電圧、インピーダンス、およびガス透過性などの特性を評価することができる。
As shown in FIG. 1, a cell
図2に示すように、セル4は、電解質1の両面に少なくとも一対の電極が形成されて構成されている。電解質1は、たとえば固体電解質の焼結基板であり、一方の面に空気極2、他方の面に燃料極3が印刷法などによって形成されている。
As shown in FIG. 2, the
セルの特性評価装置100は、空気極2および燃料極3に対してそれぞれ対応するガスを導入するための一対の管状のガス導入管9a,9bと、ガス導入管9a,9bを囲んで外側に配置される一対の管状のセル支持管8a,8bとを有している。
The cell
燃料電池反応を生じさせる場合には、空気(酸素)ガスが空気極側セル保持部110の入口111から流入され、ガス導入管9aを通ってセル4の空気極2に導かれた後、セル支持管8aを通って出口112から流出される。また、燃料(水素)ガスが燃料極側セル保持部120の入口121から流入され、ガス導入管9bを通ってセル4の燃料極3に導かれた後、セル支持管8bを通って出口122から流出される。
In the case of causing a fuel cell reaction, air (oxygen) gas is introduced from the
セル支持管8a,8bは、セル4側の端部に、着脱可能な支持治具7a,7bを有している。これらの支持治具7aおよび7bは、セル支持管8a,8bの端部に対して、たとえばねじ締結などの固定手段によって着脱可能とされる。そして、セル支持管8a,8bと支持治具7a,7bとの間は、シール材6a,6bによってシールされる。なお、図2のねじの螺合部において、雄ねじと雌ねじのクリアランスは実際より大きく描かれている(図3においても同様)。
The
このようにして、セル支持管8a,8bの支持治具7a,7bの先端面が、シール材5a,5bを介してセル4の表面に接触し得る。このシール材5a,5bによって、燃料極3が位置される燃料極室と空気極2が位置される空気極室とが、相互に隔離した構造として気密に保たれる。
In this way, the tip surfaces of the
ここで、支持治具7a,7bの先端面は、適切なシール性能を確保するために、評価の都度仕上げ調整される必要がある。本実施形態によれば、特性評価において使用中に支持治具7a,7bの先端面が損傷した場合であっても、支持治具7a,7bのみを交換するだけで済む。これにより、セル支持管8a,8bの取り替えをする必要が無く、作業性が向上するとともに、コストの低減も図られる。
Here, the end surfaces of the
セル支持管8a,8b、および支持治具7a,7bの材料として、たとえばアルミナ(Al2O3)が使用されるが、石英(ガラス)、金属などが使用されてもよい。また、ガス導入管9a,9bの材料としては、たとえば石英(ガラス)が使用される。また、シール材5a,5b、およびシール材6a,6bの材料として、たとえば白金、金などの金属が使用されるが、石英(ガラス)、ゴム、樹脂などが使用されてもよい。
For example, alumina (Al 2 O 3 ) is used as the material of the
セルの特性評価装置100は、一対のセル支持管8a、8bのそれぞれのセル側端部近傍、および当該一対のセル支持管8a、8bにより支持されるセル4を取り囲むための囲繞部材16を有している。囲繞部材16は、一対のセル支持管8a、8bに対して着脱可能であり、熱伝導性を有している。
この囲繞部材16は、一対のセル支持管8a、8bの一方に設けられた支持治具7a(第1の係合部)に係合し得る第1囲繞部16aと、当該第1囲繞部16aに連結可能とされ一対のセル支持管8a、8bの他方に設けられた支持治具7b(第2の係合部)に係合し得る第2囲繞部16bとを有している。第1囲繞部16aは、概ね環状を呈しており、第2囲繞部16bは、概ね円筒状を呈している。また、第1囲繞部16aは、第1ねじ部17aを有し、第2囲繞部16bは、第1ねじ部17aに螺合し得る第2ねじ部17bを有している。
The circumference Nyo member 16 includes a first circumference Nyo portion 16a engageable with the pair of the cell support tube 8a, the support jig 7a provided on one of 8b (first engagement portion), the first enclosed Nyo portion 16a configured to be coupled to a pair of the cell support tube 8a, and a second
このように、セル4近傍が囲繞部材16によって覆われるため、セル4の上下の空間の温度の均一性が図られる。すなわち、セル4周りの空間で対流が生じず、しかも囲繞部材16内部で熱勾配が生じた場合に囲繞部材16を通して熱が伝播されて熱勾配が是正されるため、囲繞部材16によって囲まれたセル4近傍の温度が均一化される。
Thus, since the
囲繞部材16は、セル4近傍の均熱化の観点から、熱伝導率が所定値以上の材料からなることが好ましい。具体的には、囲繞部材16は、たとえばマグネシア(MgO)などの、熱伝導率が10W/m・K以上の材料からなることが好ましい。また、囲繞部材16は、たとえばアルミナ(Al2O3)などの、熱伝導率が20W/m・K以上の材料からなることがより好ましい。また、囲繞部材16は、たとえばボロンナイトライド(BN)などの、熱伝導率が30W/m・K以上の材料からなることがさらに好ましい。しかも、これらの材料は、耐熱衝撃性、電気絶縁性、および耐電圧性を有しているので好ましい。また、囲繞部材16は、熱伝導率が70W/m・K以上の、窒化アルミニウム、窒化ケイ素、または銅等の金属などの材料から構成されることも可能である。
Circumference Nyo member 16, from the viewpoint of temperature control of the
また、セルの特性評価装置100にセル4をセッティングする際に、着脱が容易なねじ込み方式の囲繞部材16を用いることによって、セル4とセル支持管8a,8bとのシール性能を確実にすることができるとともに、セル4とセル支持管8a,8bとの位置ずれをも防止することができる利点がある。
Also, when setting the
ガス導入管9a,9bの内側には、電極管10a,10bが配置される。電極管10a,10bは、外径がたとえば4mmであり、軸方向に伸延する4つの貫通孔が形成された絶縁管である。電極管10a,10bの材料として、たとえばアルミナ(Al2O3)が使用される。また、電極管10a,10bの貫通孔には、電極線12a,12bと、温度センサ13a,13bのリード線とが挿通される。温度センサ13aおよび13bは、それぞれ空気極2および燃料極3近傍の温度を検出することができる。なお、電極管10a,10bの貫通孔の個数は4つに限定されるものではない。
Electrode tubes 10a and 10b are disposed inside the
ガス導入管9aの端面とセル4の空気極2との間、およびガス導入管9bの端面とセル4の燃料極3との間に、それぞれ集電材11a,11bが配置される。電極線12a,12bは、集電材11a,11bを介して、それぞれセル4の電極2,3と接続されることができる。集電材11a,11bの材料として、たとえば銀などの金属の発泡体またはメッシュが使用される。
セルの特性評価装置100におけるセル4を支持する部分は、雰囲気を保護するための保護管14で覆われている。この保護管14の内部では、安全を考慮して一定量の不活性ガスが流通される。
A portion of the cell
また、セルの特性評価装置100には、セル4を所定の温度に加熱するための加熱炉15が設けられている。加熱炉15は、2つのガス予熱加熱炉15a,15cとセル加熱炉15bとが一体化された構成をなしている。これにより、加熱炉15はコンパクトになり、セル4の電解質1に、より安定した温度のガスを供給することができる。ここで、加熱炉15は、空気極2および燃料極3の近傍に設けられた温度センサ13a,13bによって温度管理がなされている。なお、加熱炉15においては、3個に限られず任意の個数の独立した炉が設けられ得る。
The cell
セルの特性評価装置100の空気極側セル保持部110および燃料極側セル保持部120は、セル4を支持する際の当該セル4に対する押圧力ないし圧接力を調整するための調整機構部113,123をそれぞれ有している(図1参照)。以下、空気極側セル保持部110の調整機構部113について説明する。燃料極側セル保持部120の調整機構部123は、空気極側セル保持部110の調整機構部113と同様の構成であるため説明を省略する。
The air electrode side
図3に示すように、調整機構部113は、ガス導入管9aのセル4に対する圧接力を調整するための圧接力調整部114と、ガス導入管9aのセル4に対する圧接力とは独立してセル支持管8aのセル4に対する押圧力を調整するための押圧力調整部115とから構成されている。本明細書において、圧接とは、押圧して接触抵抗が少なくなるように両者を接触させることをいう。なお、図3中の矢印はガスの流通方向を示す。
As shown in FIG. 3, the
圧接力調整部114は、ガス導入管9aをセル4の方へ付勢し得る第1ばね部材26と、当該第1ばね部材26の作動長を変化させる第1可変部21とを有している。また、押圧力調整部115は、セル支持管8aをセル4の方へ付勢し得る第2ばね部材27と、当該第2ばね部材27の作動長を変化させる第2可変部24とを有している。
The pressing
第1ばね部材26は、ガス導入管9aに設けられた当接面51と供給用マニホールド20に設けられた当接面52との間に配置される。つまり第1ばね部材26の作動長は、両当接面51,52間の距離によって決定される。また、第2ばね部材27は、セル支持管8aの後端部に位置する当接面53と押圧用治具25に設けられた当接面54との間に配置される。つまり第2ばね部材27の作動長は、両当接面53,54間の距離によって決定される。
The
そして、第1可変部21および第2可変部24はそれぞれ、ねじの送り動作に利用される雌ねじ部41および42を有している。第1可変部21の雌ねじ部41は、セルの特性評価装置100に固定された排出用マニホールド23に固着されている治具22に形成された雄ねじ部43に螺合される。また、第2可変部24の雌ねじ部42は、排出用マニホールド23に形成された雄ねじ部44に螺合される。また、第1可変部21には、供給用マニホールド20に形成された凹状部45に係合する係合部46が形成されており、第2可変部24には、押圧用治具25に形成された凹状部47に係合する係合部48が形成されている。
The first
したがって、第1可変部21を回転させることにより、供給用マニホールド20を軸方向に微小移動させることができ、これにより第1ばね部材26の作動長を精密に変化させることができる。また、第1可変部21の外周面には、たとえば10度刻みの溝からなる目盛りが形成されており(図1参照)、操作性の向上が図られている。雌ねじ部41および雄ねじ部43のピッチはたとえば1mmに設定される。つまり第1可変部21を1回転させると、第1可変部21および供給用マニホールド20は、1mm軸方向に移動する。なお、第1可変部21を回転させると同時に、第1ばね部材26も移動する。第1ばね部材26による荷重は、ガス導入管9aが集電材11aを介してセル4に接触した時点で初めて生じる構造とされている。また、第1可変部21および供給用マニホールド20の移動量に比例して、ガス導入管9aのセル4に対する圧接力を増減できるため、セル4の機械的強度に応じて圧接力を設定することが可能である。
Therefore, by rotating the first
第1ばね部材26は、最大荷重、つまり最小作動長におけるばね荷重がたとえば7kgとなるように設定され、また、第1可変部21の1回転による1mmの軸方向移動量に対してばね荷重がたとえば1kg変化するように設定される。なお、セル4の種類によって、第1ばね部材26の設定荷重またはばね定数が適宜変更され得る。
The
こうして圧接力調整部114は、ガス導入管9aのセル4に対する圧接力を微小調整することができる。ここで、第1ばね部材26によるガス導入管9aの圧接力は、集電材11aを介してセル4の電極に作用する。
In this way, the pressing
一方、第2可変部24を回転させることにより、押圧用治具25を軸方向に微小移動させることができ、これにより第2ばね部材27の作動長を精密に変化させることができる。また、第2可変部24の外周面にも、たとえば10度刻みの溝からなる目盛りが形成されており(図1参照)、操作性の向上が図られている。雌ねじ部42および雄ねじ部44のピッチはたとえば2mmに設定される。つまり第2可変部24を1回転させると、第2可変部24および押圧用治具25は、2mm軸方向に移動する。なお、第2可変部24を回転させると同時に、第2ばね部材27も移動する。第2ばね部材27による荷重は、セル支持管8aがシール材5aを介してセル4に接触した時点で初めて生じる構造とされている。また、第2可変部24および押圧用治具25の移動量に比例して、セル支持管8aのセル4に対する押圧力を増減できるため、セル4の電解質1の機械的強度、およびシール材5aの種類(材料)に応じて押圧力を設定することが可能である。
On the other hand, by rotating the second
第2ばね部材27は、最大荷重がたとえば7kgとなるように設定され、また、第2可変部24の1回転による2mmの軸方向移動量に対してばね荷重がたとえば2kg変化するように設定される。なお、電解質1あるいはシール材5aの種類によって、第2ばね部材27の設定荷重またはばね定数が適宜変更され得る。
The
こうして押圧力調整部115は、セル支持管8aのセル4に対する押圧力を微小調整することができる。ここで、第2ばね部材27によるセル支持管8aの押圧力は、シール材5aを介してセル4の電解質1に作用する。
In this way, the pressing
また、調整機構部113は、雰囲気をシールするためのシール材28〜32を使用することによって小型化が図られている。これにより、ガスの流通の際に生じる残留ガスの濃度の影響を小さくすることができ、評価結果の信頼性が向上する。なお、集電材11aの構造を選択することにより、イオン輸率の測定が可能である。
Further, the
次に、図4〜図6を参照して、セルの特性評価装置100に評価対象であるセル4をセットする方法について説明する。なお、空気極側セル保持部110の調整機構部113の操作を主として説明するが、燃料極側セル保持部120の調整機構部123も同様の操作が行われる。
Next, a method for setting the
まず、予め相互に離間された状態の一対のセル支持管8a,8bの間(同様に一対のガス導入管9a,9bの間)に、セル4、集電材11a,11b、およびシール材5a,5bを図2に示すように重ねて位置させる(図4(A)参照)。
First, between the pair of
このとき、囲繞部材16の第1囲繞部16aは、セル支持管8aが第1囲繞部16aの中央に形成された孔に挿通された状態で保持され、囲繞部材16の第2囲繞部16bは、セル支持管8bが第2囲繞部16bの中央に形成された孔に挿通された状態で保持されている。すなわち、第1囲繞部16aおよび第2囲繞部16bは、互いに分離された状態である。なお、第1囲繞部16aは、セル支持管8aに設けられた支持治具7aの上端面に載置された状態で保持されてもよい。
The first circumference Nyo portion 16a of the circumference Nyo member 16 is held in a state where the cell support tube 8a is inserted in the center a hole formed in the first circumference Nyo portion 16a, the second circumference Nyo member 16
そして、圧接力調整部114の第1可変部21を回転させることにより、第1可変部21および供給用マニホールド20が図中下方に移動するとともに、第1ばね部材26およびガス導入管9aが図中下方に移動して、ガス導入管9aの先端が集電材11aを介してセル4に丁度接触する(図4(B)参照)。この時点で、セル4の電極2,3が圧接力0kgでガス導入管9a,9bにより挟み込まれて支持される。
Then, by rotating the first
続いて、第1可変部21をさらに回転させると、セル4の電極2,3に対する圧接力が増大される。本実施形態では、圧接力は最大7kgに設定可能であるが、所定の適切な圧接力が得られるまで第1可変部21が回転させられる(図5(A)参照)。
Subsequently, when the first
次に、押圧力調整部115の第2可変部24を回転させることにより、第2可変部24および押圧用治具25が図中下方に移動するとともに、第2ばね部材27およびセル支持管8aが図中下方に移動して、セル支持管8aの先端がシール材5aを介してセル4に丁度接触する(図5(B)参照)。この時点で、セル4の電解質1が押圧力0kgでセル支持管8a,8bにより挟み込まれて支持される。
Next, by rotating the second
続いて、第2可変部24をさらに回転させると、セル4の電解質1に対する押圧力が増大される。本実施形態では、押圧力は最大7kgに設定可能であるが、所定の適切な押圧力が得られるまで第2可変部24が回転させられる(図6参照)。
Subsequently, when the second
そして、第1囲繞部16aの第1ねじ部17aと第2囲繞部16bの第2ねじ部17bとを螺合させる。これにより、囲繞部材16は、一対のセル支持管8a,8bのそれぞれのセル側端部近傍、および当該一対のセル支持管8a,8bにより支持されるセル4を取り囲んだ状態で、一対のセル支持管8a,8bに装着されて固定される(図7参照)。なお、囲繞部材16の一対のセル支持管8a,8bへの固定は、図5(B)に示す段階で予備的に行われた後、再度最終的に実施されてもよい。
Then, screwing the second screw portion 17b of the first threaded portion 17a and the second
このように本実施形態のセルの特性評価装置100は、セル4の両面に対してそれぞれ対応するガスを導入するための一対の管状のガス導入管9a,9bと、ガス導入管9a,9bを囲んで外側に配置される一対の管状のセル支持管8a,8bと、ガス導入管9a,9bのセル4に対する圧接力を調整するための圧接力調整部114と、セル支持管8a,8bのセル4に対する押圧力を調整するための押圧力調整部115とを有している。
As described above, the cell
したがって、薄膜化されたセル4であっても、損傷を与えることなく容易にセルの特性評価装置100に設置することができる。
Therefore, even the thinned
すなわち、圧接力調整部114により、集電材11a,11bと電極2,3との間の接触抵抗の低減、集電材11a,11bの集電性能の確保につながる電極に対する最適な圧接力を、セル4に損傷を与えることなく設定することができる。また、押圧力調整部115により、ガスのシール性能の確保につながる電解質1に対する最適な押圧力を、電解質1あるいはシール材5aに損傷を与えることなく設定することができる。さらに、評価テスト中において、たとえばシール材5aの変形によって押圧力が変動した場合であっても、押圧力調整部115により押圧力の調整が可能であるため、確実なシール性能を保持できる。
That is, the pressure contact
このようにしてセルに対する均一かつ一定の挟み込み力を確保することができ、安定した評価結果を得ることができる。 In this way, a uniform and constant clamping force for the cell can be ensured, and a stable evaluation result can be obtained.
また、本実施形態のセルの特性評価装置100は、一対のセル支持管8a,8bのそれぞれのセル側端部近傍、および当該一対のセル支持管8a,8bにより支持されるセル4を取り囲むための囲繞部材16を有している。
The cell
したがって、セル4近傍が囲繞部材16によって覆われるため、囲繞部材16の内側で熱勾配が生じた場合には囲繞部材16を通して熱が伝播されて熱勾配が是正され、囲繞部材16によって囲まれたセル4近傍の温度が均一化される。これにより、セル4の安定した発電特性を得ることができる。また、安定した発電特性により、特性評価項目としての各パラメータの測定精度が向上する。
Therefore, since the
また、囲繞部材16を、一対のセル支持管8a,8bの一方に設けられた支持治具7aに係合し得る第1囲繞部16aと、当該第1囲繞部16aに連結可能とされ一対のセル支持管8a,8bの他方に設けられた支持治具7bに係合し得る第2囲繞部16bとから構成することにより、セル4とセル支持管8a,8bとのシール性能を確実にすることができるとともに、セル4とセル支持管8a,8bとの位置ずれをも防止することができる利点がある。
Further, the circumference Nyo member 16, a pair of the cell support tube 8a, a first circumference Nyo portion 16a engageable to the supporting jig 7a provided on one of 8b, and connectable to said first circumference Nyo portion 16a sealing performance between by a pair of cell support tube 8a, by configuring the second
本発明は、上記した実施形態のみに限定されるものではなく、特許請求の範囲内において、種々改変することができる。 The present invention is not limited to the above-described embodiments, and various modifications can be made within the scope of the claims.
たとえば、上記実施形態では、セルの特性評価装置100において、単一のセルが評価される場合について説明したが、本発明はこれに限定されるものではない。本発明のセルの特性評価装置は、スタック状のセルの評価にも適用可能である。
For example, in the above-described embodiment, the case where a single cell is evaluated in the cell
また、上述したセル4、セル支持管8a,8b、および囲繞部材16の構成は、燃料電池にも適用可能であり、上述した効果と同様の効果を得ることができる。すなわち、本発明は、電解質の両面に少なくとも一対の電極が形成されてなるセル4と、前記セルの両面に対してそれぞれ接触して支持し得る一対のセル支持管8a,8bと、前記一対のセル支持管のそれぞれのセル側端部近傍、および当該一対のセル支持管により支持されるセルを取り囲むための囲繞部材16とを有する燃料電池にも適用され得る。
The
本発明の効果を、以下の実施例および比較例を用いて説明する。ただし、本発明の技術的範囲が以下の実施例に限定されるものではない。 The effects of the present invention will be described using the following examples and comparative examples. However, the technical scope of the present invention is not limited to the following examples.
ここでは、囲繞部材16の材質を変化させて、セル4の上下の空間の温度の差を測定した。セル4の上下の空間の温度を、セル4の表面から10mm離間させて配置した温度センサ13aおよび13b(熱電対)によってそれぞれ測定した。セル4として、外径が16mm、厚さが1.3mmのものを使用した。囲繞部材16の軸方向長さは45mmとした。なお、保護管14による不活性ガスの流通は無しとした。
Here, by changing the material of the circumference Nyo member 16, to measure the difference in temperature between the upper and lower spaces of the
囲繞部材16の材質は、比較例1では空気(すなわち囲繞部材16無し;0.026W/m・K)、比較例2ではアルミナファイバー断熱材(0.2W/m・K)、実施例1ではボロンナイトライド(BN;33W/m・K)、実施例2では銅(384W/m・K)とした。なお、上記の熱伝導率の数値は、空気については573K、1atmでの値、アルミナファイバー断熱材については1073K、1atmでの値、ボロンナイトライドについては300K、1atmでの値、銅については573K、1atmでの値を示す。 The material of the circumference Nyo member 16, in Comparative Example 1 air (without i.e. circumference Nyo member 16; 0.026W / m · K) , Comparative Example 2, an alumina fiber insulation material (0.2W / m · K), Example In Example 1, boron nitride (BN; 33 W / m · K) was used, and in Example 2, copper (384 W / m · K) was used. The above values of thermal conductivity are 573 K and 1 atm for air, 1073 K for alumina fiber insulation, 1 atm, 300 K for boron nitride, 1 atm, and 573 K for copper. The value at 1 atm is shown.
図8は、囲繞部材16による均熱効果を示すグラフである。グラフの横軸は、加熱炉15の設定温度を示し、グラフの縦軸は、セル4の下空間(アノード側)の温度からセル4の上空間(カソード側) の温度を差し引いた値を示している。
Figure 8 is a graph showing the soaking effect circumference Nyo member 16. The horizontal axis of the graph shows the set temperature of the heating furnace 15, and the vertical axis of the graph shows the value obtained by subtracting the temperature of the upper space (cathode side) of the
図8に示すように、実施例1および2におけるセル4の上下の空間の温度差は、図示の設定温度の全範囲にわたって、±4℃の温度範囲内に保たれていることがわかった。一方、比較例1および2におけるセル4の上下の空間の温度差は、設定温度が高くなるほど大きくなり、高温領域では+6℃以上に達することがわかった。すなわち、囲繞部材16の設置による均熱効果が確認された。なお、高温領域において比較例1におけるセル4の上下の空間の温度差が比較例2のものよりも小さいのは、空気の対流による影響と考えられる。
As shown in FIG. 8, it was found that the temperature difference between the upper and lower spaces of the
1 電解質、
2 空気極(電極) 、
3 燃料極(電極) 、
4 セル、
5a,5b シール材、
6a,6b シール材、
7a,7b 支持治具、
8a,8b セル支持管、
9a,9b ガス導入管、
10a,10b 電極管、
11a,11b 集電材、
12a,12b 電極線、
13a,13b 温度センサ、
14 保護管、
15 加熱炉、
16 囲繞部材、
16a 第1囲繞部
16b 第2囲繞部
100 特性評価装置、
110 空気極側セル保持部、
120 燃料極側セル保持部、
111,121 入口、
112,122 出口、
113,123 調整機構部。
1 electrolyte,
2 Air electrode (electrode)
3 Fuel electrode (electrode)
4 cells,
5a, 5b sealing material,
6a, 6b sealing material,
7a, 7b support jig,
8a, 8b cell support tube,
9a, 9b gas introduction pipes,
10a, 10b electrode tube,
11a, 11b current collector,
12a, 12b electrode wires,
13a, 13b temperature sensor,
14 Protection tube,
15 heating furnace,
16 enclose Nyo member,
16a first
110 Air electrode side cell holding part,
120 fuel electrode side cell holding part,
111, 121 entrance,
112, 122 exit,
113, 123 Adjustment mechanism section.
Claims (10)
前記セルの両面に対して一対の支持治具を介してそれぞれ支持し得る一対の中空のセル支持管と、
前記一対の中空のセル支持管内の各々の空間に臨む前記一対の支持治具を接続することによって、前記一対の中空のセル支持管内の前記空間同士の間で熱伝導を行う、前記セルの外側を取り囲むための囲繞部材と、
を有することを特徴とするセルの特性評価装置。 A cell characteristic evaluation apparatus in which at least a pair of electrodes are formed on both surfaces of an electrolyte,
A pair of hollow cell support tube capable of their respective supporting lifting via a pair of support jigs against both sides of the cell,
The outside of the cell that conducts heat between the spaces in the pair of hollow cell support tubes by connecting the pair of support jigs facing the spaces in the pair of hollow cell support tubes. A surrounding member for enclosing
A device for evaluating cell characteristics, comprising:
前記第2囲繞部は、前記第1ねじ部に螺合し得る第2ねじ部を有することを特徴とする請求項3に記載のセルの特性評価装置。 The first surrounding portion has a first screw portion,
The cell characteristic evaluation apparatus according to claim 3, wherein the second surrounding portion has a second screw portion that can be screwed into the first screw portion.
前記セルの両面に対してそれぞれ支持し得る一対の中空のセル支持管と、
前記一対の中空のセル支持管内の各々の空間に臨む前記一対の支持治具を接続することによって、前記一対の中空のセル支持管内の前記空間同士の間で熱伝導を行う、前記セルの外側を取り囲むための囲繞部材と、
を有することを特徴とする燃料電池。 A cell in which at least a pair of electrodes are formed on both surfaces of the electrolyte;
A pair of hollow cell support tube their respective may asked to support against both sides of the cell,
The outside of the cell that conducts heat between the spaces in the pair of hollow cell support tubes by connecting the pair of support jigs facing the spaces in the pair of hollow cell support tubes. A surrounding member for enclosing
A fuel cell comprising:
前記第2囲繞部は、前記第1ねじ部に螺合し得る第2ねじ部を有することを特徴とする請求項8に記載の燃料電池。 The first surrounding portion has a first screw portion,
9. The fuel cell according to claim 8, wherein the second surrounding portion has a second screw portion that can be screwed into the first screw portion.
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