JP7308737B2 - Fuel cell evaluation device - Google Patents

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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。 The present invention relates to a fuel cell evaluation device for evaluating the performance of solid oxide fuel cells (SOFC) using glass seals.

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。 A solid oxide fuel cell (SOFC) is conventionally known as a fuel cell that uses an oxygen ion-conducting solid electrolyte as an electrolyte. Power is supplied to the separated fuel electrode and air electrode, and an electrochemical reaction proceeds at each electrode to extract electric power to the outside.

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。 For example, the SOFC disclosed in Patent Document 1 below includes a single cell provided with a single power generation cell composed of a solid electrolyte layer and a fuel electrode layer and an air electrode layer disposed on both sides of the solid electrolyte layer; A fuel electrode separator having a discharge passage, an air electrode separator having an air supply/discharge passage, a fuel electrode sealing member interposed between a solid electrolyte layer and the fuel electrode separator, a solid electrolyte layer and air. and an air electrode sealing member interposed between the electrode separator.

特開２００２－１４１０８３号公報Japanese Patent Application Laid-Open No. 2002-141083

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。 It is well known that in this type of fuel cell (SOFC), increasing the gas flow increases the inlet pressure. However, it is not well known that the inlet pressure rises depending on the current value when the fuel cell generates power. FIG. 4 shows the relationship between current and inlet pressure (line connecting each black triangle) and the relationship between current and fuel cell temperature (for example, housing temperature) (line connecting each black circle). Current value: 0 [A ] is set to 0 [kPa]. As shown in FIG. 4, it can be seen that the inlet pressure rises as the current value increases.

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。 The reason why the inlet pressure rises depending on the current value when the fuel cell generates power is thought to be that the amount of water vapor in the hydrogen increases due to the power generation of the fuel cell, and the viscosity of the gas rises as the temperature rises. FIG. 5 is a diagram showing the relationship between the temperature and viscosity of each gas. According to FIG. 5, the viscosity of each gas (hydrogen, nitrogen, and water vapor) increases as the temperature rises, and in particular, the viscosity of water vapor tends to increase sharply after exceeding 300°C.

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。 In addition, as shown in FIG. 4, the temperature of the fuel cell rises as the fuel cell generates power. If a glass seal (fuel electrode seal member, air electrode seal member) is used to prevent mixing of the fuel cells, the glass seal softens as the temperature of the fuel cell rises, and there is a risk of seal breakage. .

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。 SUMMARY OF THE INVENTION Accordingly, it is an object of the present invention to provide a fuel cell evaluation apparatus capable of protecting a fuel cell from breakage of the glass seal.

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。 In order to achieve the above object, the fuel cell evaluation device described in claim 1 of the present invention is a single cell composed of a solid oxide fuel cell or a cell stack in which a plurality of such single cells are stacked via separators. In a fuel cell evaluation device that evaluates
A glass seal is used in the single cell or the cell stack to prevent gas leakage to the outside and mixing of different gases,
a temperature sensor that detects the temperature of the fuel cell;
a pressure sensor that detects the inlet pressure of the single cell or the cell stack;
It is determined whether or not the inlet pressure of the single cell or the cell stack detected by the pressure sensor is equal to or higher than a set pressure, and when it is determined that the inlet pressure of the single cell or the cell stack is equal to or higher than the set pressure, the fuel cell and a control unit for controlling the load so that the temperature of the glass seal is equal to or lower than the softening point of the glass of the glass seal.

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。 A fuel cell evaluation device according to claim 2 of the present invention is a fuel cell evaluation device for evaluating the performance of a single cell composed of a solid oxide fuel cell or a cell stack in which a plurality of such single cells are stacked via separators. in
A glass seal is used in the single cell or the cell stack to prevent gas leakage to the outside and mixing of different gases,
a temperature sensor that detects the temperature of the fuel cell;
a pressure sensor that detects the inlet pressure of the single cell or the cell stack;
It is determined whether or not the temperature of the fuel cell detected by the temperature sensor is equal to or higher than the softening point of the glass of the glass seal, and it is determined that the temperature of the fuel cell is equal to or higher than the softening point of the glass of the glass seal. and a controller for controlling the gas flow rate so that the inlet pressure of the single cell or the cell stack becomes equal to or less than a set pressure when the pressure is set.

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。 A fuel cell evaluation device according to claim 3 of the present invention is the fuel cell evaluation device according to claim 1,
When the control unit determines that the inlet pressure of the single cell or the cell stack is equal to or higher than the set pressure, and the temperature of the fuel cell detected by the temperature sensor is equal to or higher than the softening point of the glass of the glass seal and an alarm unit for outputting an alarm.

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。 A fuel cell evaluation device according to claim 4 of the present invention is the fuel cell evaluation device according to claim 2,
When the control unit determines that the temperature of the fuel cell is equal to or higher than the softening point of the glass of the glass seal, and the inlet pressure of the single cell or the cell stack detected by the pressure sensor is equal to or higher than a set pressure and an alarm unit for outputting an alarm.

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。 According to the present invention, the fuel cell can be protected from breakage of the glass seal. In addition, the durability of the glass seal can be evaluated based on the determination result when the gas flow rate of the fuel gas and the air gas is controlled, and the fragile portion of the glass seal can be grasped from the evaluation result.

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。1 is an explanatory diagram showing a schematic configuration of a fuel cell evaluation device according to the present invention; FIG. （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) An exploded perspective view showing an example of the configuration of a single cell, (b) an enlarged view showing a location where a glass seal is used. （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。(a) An exploded perspective view showing an example of the configuration of a cell stack, (b) an enlarged view showing a location where a glass seal is used. 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。FIG. 4 is a diagram showing the relationship between current and inlet pressure, and the relationship between current and fuel cell temperature. 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。It is a figure which shows the temperature of each gas (hydrogen, nitrogen, water vapor), and the relationship of a viscosity coefficient.

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。 EMBODIMENT OF THE INVENTION Hereinafter, the form for implementing this invention is demonstrated in detail, referring attached drawings.

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。 As shown in FIG. 1, the fuel cell evaluation apparatus 1 of the present embodiment evaluates the performance of a fuel cell W, and includes an electric furnace 2, a gas supply unit 3, a temperature sensor 4, a pressure sensor 5, a control unit 6. It is roughly configured with an alarm unit 7 .

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。 The fuel cell W to be evaluated is a single cell composed of a solid oxide fuel cell (SOFC) having a three-layer structure of a fuel electrode and an air electrode sandwiching a solid electrolyte, or a plurality of SOFC single cells stacked with separators interposed. consists of a stacked cell stack.

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。 A glass seal is used in the fuel cell W to prevent leakage of gases (fuel gas, air gas) to the outside and mixing of different gases (fuel gas, air gas). Glass seals are used in the fuel cell W where different members come into contact, for example, when sealing between the electrolyte of the fuel cell W and the housing.

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。 FIG. 2(a) is an exploded perspective view showing an example of the configuration of a single cell, and FIG. 2(b) is an enlarged view showing a portion where a glass seal is used.

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。 The single cell W1 in FIG. 2(a) is held using the holder 11 for evaluation. The evaluation holder 11 includes a fuel gas diffusion plate (not shown) formed with a gas flow path for evenly diffusing the fuel gas, a fuel electrode side gas seal 12, a fuel electrode side current collector 13, a single cell W1, an air It has an electrode-side current collector 14, an air-electrode-side gas seal 15, an air gas diffusion plate 16 formed with a gas flow path for diffusing the air gas evenly, and a fuel gas introduction pipe 17a and a fuel gas discharge pipe 17b. A ceramic screw into which a ceramic spring 19 is inserted, and a fuel electrode side manifold 17 and an air electrode side manifold 18 having an air gas introduction pipe 18a and an air gas discharge pipe 18b are stacked in order along the sandwiching direction (vertical direction in FIG. 2(a)). 20 is inserted into the insertion hole 18c of the air electrode side manifold 18 and the insertion hole 17c of the fuel electrode side manifold 17 and tightened with a ceramic nut 21 to fix and assemble the fuel electrode side manifold 17 and the air electrode side manifold 18. be.

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。 In the configuration of FIG. 2A, as shown in FIG. The outer frame corner of the gas seal is set to 54 mm for the unit cell W1 of 50 mm square), and a glass paste as a glass seal is applied to the front and back surfaces of the gas seal. In addition, glass paste may be applied as a glass seal or glass coating may be applied to the ends and side surfaces of the single cell W1.

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。 FIG. 3(a) is an exploded perspective view showing an example of the configuration of the cell stack, and FIG. 3(b) is an enlarged view showing the locations where glass seals are used.

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。 The cell stack W2 of FIG. 3(a) has an interface formed on a lower manifold 31 having a gas inlet pipe 31a and a gas outlet pipe 31b, a gas seal 32, and a gas flow path 33a for evenly diffusing gas. A connector (separator) 33, a gas seal 32, a current collector 34, a single cell W1, a current collector 34, and a gas seal 32 are stacked in this order, and an upper manifold and a lower manifold 31 (not shown) having a gas introduction pipe and a gas discharge pipe. are fixed by a fixing means (not shown) (for example, a ceramic screw through which a ceramic spring is inserted as in FIG. 2, a ceramic nut, or the like). That is, the cell stack W2 of FIG. 3A has a configuration in which a plurality of unit cells W1 are sandwiched between a pair of gas seals 32 and a pair of current collectors 34 and arranged between interconnectors (separators) 33. As shown in FIG. The interconnectors 33 positioned at the top (directly below the upper manifold) and the bottom (directly above the lower manifold 31) are provided with not only gas flow paths 33a for evenly diffusing gas but also bus bars 33b for current extraction. and a voltage line 33c are provided.

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。 In the configuration of FIG. 3(a), a glass seal is used near the outer peripheral edge of the interconnector 33 surrounded by the dotted line in FIG. 3(b). In addition, a glass seal may be used near the outer peripheral edge of the gas seal 32 and on the side surface of each single cell W1 or cell stack. In addition, the glass seal has a paste-like or tape-like shape at room temperature before use.

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。 As the glass seal used in FIG. 2(b) and FIG. 3(b) described above, for example, a glass ceramic sealing material for solid oxide fuel cells (SCHOTT SOFC: sealing glass) manufactured by SCHOTT Japan Co., Ltd. GM31107) sealing glass. The physical properties of this sealing glass (GM31107) are drive temperature: 650-750°C, sealing temperature: 700°C, softening point: 592°C, transition point: 534°C.

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。 In the present embodiment, the fuel cell W to be evaluated is a SOFC single cell or cell stack, and has a configuration using a glass seal for preventing gas leakage to the outside and mixing of different gases. There is no limitation to the configuration shown in FIG. 2(a) or FIG. 3(a).

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。 The electric furnace 2 has a measuring space 2a which is controlled to a constant temperature (for example, 700 to 1000° C., and the operating temperature of the fuel cell W is around 800° C.). It is a configuration covered with A fuel cell W to be evaluated is installed in the measurement space 2 a of the electric furnace 2 . Although not shown, a heater whose heating is controlled by the controller 6 is installed on the inner wall peripheral surface of the heat insulating material facing the measurement space 2a.

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。 The fuel cell W to be evaluated is installed in the measurement space 2a of the electric furnace 2 and is connected to a pipe 41 for supplying gas and to a pipe 42 for discharging unreacted gas.

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。 1 is actually a pipe for supplying the fuel gas to the fuel electrode of the fuel cell W (for example, it is connected to the fuel gas introduction pipe 17a in FIG. 2(a). and a pipe for supplying air gas to the air electrode of the fuel cell W (for example, a pipe connected to the air gas introduction pipe 18a in FIG. 2(a)). .

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。 1 is actually a pipe for discharging unreacted fuel gas supplied to the fuel electrode of the fuel cell W (for example, the fuel gas in FIG. 2(a)). a pipe connected to the gas discharge pipe 17b) and a pipe for discharging unreacted air gas supplied to the air electrode of the fuel cell W (for example, connected to the air gas discharge pipe 18b in FIG. 2A). It consists of two pipes.

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。 The gas supply unit 3 supplies gas (fuel gas, air gas) necessary for power generation of the fuel cell W to the fuel cell W through the pipe 41 . The gas supply unit 3 controls the flow rate of the gas (fuel gas, air gas) supplied to the fuel cell W by a gas flow control means 6c of the control unit 6, which will be described later.

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。 In FIG. 1, the gas supply unit 3 is shown as one block, but actually, a gas supply unit for supplying fuel gas to the fuel electrode of the fuel cell W It is composed of a gas supply unit for supplying air gas, and the gas flow rate is individually controlled by the gas flow control means 6c.

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。 The temperature sensor 4 is composed of, for example, a thermocouple, a thermistor, a resistance temperature detector, etc., and is arranged at a predetermined location of the fuel cell W (for example, a housing portion). The temperature sensor 4 detects the temperature of the fuel cell W (for example, the housing temperature) and outputs a temperature detection signal to the control section 6 .

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。 The pressure sensor 5 is provided at a position close to the electric furnace 2 in the pipe 41 between the gas supply unit 3 and the fuel cell W, and detects inlet pressures on the fuel electrode side and the air electrode side of the fuel cell W, A detection signal is output to the control unit 6 .

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。 The control unit 6 comprehensively controls the gas supply unit 3, the temperature sensor 4, the pressure sensor 5, and the alarm unit 7 in order to evaluate the performance of the fuel cell W. A control means 6c is provided.

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。 Based on the pressure detection signal from the pressure sensor 4, the discriminating means 6a discriminates whether or not the inlet pressure of at least one of the fuel electrode side and the air electrode side of the fuel cell W is equal to or higher than a set pressure (for example, +1 kPa).

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。 As another aspect, the determining means 6a determines whether or not the temperature of the fuel cell W based on the temperature detection signal from the temperature sensor 3 is equal to or higher than the softening point of the glass of the glass seal.

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。 When the discriminating means 6a determines that the inlet pressure of at least one of the fuel electrode side and the air electrode side of the fuel cell W is equal to or higher than the set pressure, the load control means 6b detects that the temperature of the fuel cell W (for example, the temperature of the housing) exceeds the glass seal temperature. The amount of load (for example, the current value and output value sweeping with an electronic load) is controlled so that the temperature is below the softening point of the glass.

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。 The gas flow rate control means 6c controls the gas supply section 3 so that a predetermined gas flow rate is obtained in the normal power generation state of the fuel cell W. If it is determined that the pressure is above the point, the gas supply unit 3 is controlled so that the inlet pressures on the fuel electrode side and the air electrode side of the fuel cell W are below the set pressure.

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）。 The alarm unit 7 determines that the inlet pressure of at least one of the fuel electrode side and the air electrode side of the fuel cell W is equal to or higher than the set pressure by the determination means 6a of the control unit 6, and the temperature of the fuel cell W reaches the temperature of the glass of the glass seal. When the temperature exceeds the softening point, an alarm is output (for example, an alarm output by a specific sound or voice).

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）。 As another aspect, the alarm unit 7 determines that the temperature of the fuel cell W is equal to or higher than the softening point of the glass of the glass seal by the determination means 6a of the control unit 6, and the fuel electrode side of the fuel cell W and the air When at least one of the inlet pressures on the pole side is higher than the set pressure, an alarm is output (for example, an alarm output by a specific sound or voice).

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。 When evaluating the performance of the fuel cell W using the fuel cell evaluation apparatus 1 configured as described above, the fuel cell W to be evaluated is installed in the measurement space 2a of the electric furnace 2, and pipes are connected to the fuel cell W. 41 and 42 are connected. In the case where the fuel cell W is an SOFC, a process of reducing NiO to Ni is performed after installation of the fuel cell W in order to bring it into a predetermined power-generating state.

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。 Then, the gas supply unit 3 is controlled by the gas flow rate control means 6c of the control unit 6, and the fuel gas is supplied to the fuel electrode and the air gas is supplied to the air electrode of the fuel cell W in a state capable of generating power. Then, the temperature sensor 4 detects the temperature of the fuel cell W (for example, the housing temperature) and outputs a temperature detection signal to the controller 6 . Further, the pressure sensor 5 detects inlet pressures on the fuel electrode side and the air electrode side of the fuel cell W and outputs a pressure detection signal to the controller 6 .

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。 Then, the determination means 6a of the control unit 6 determines whether the inlet pressure of at least one of the fuel electrode side and the air electrode side of the fuel cell W based on the pressure detection signal from the pressure sensor 4 is equal to or higher than a set pressure (for example, +1 kPa). discriminate.

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。 Further, the determining means 6a of the control unit 6 determines whether or not the temperature of the fuel cell W (for example, the housing temperature) based on the temperature detection signal from the temperature sensor 3 is equal to or higher than the softening point of the glass of the glass seal.

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。 Then, when the discriminating means 6a discriminates that the inlet pressure of at least one of the fuel electrode side and the air electrode side of the fuel cell W is equal to or higher than the set pressure, the temperature of the fuel cell W (for example, the temperature of the housing) softens the glass of the glass seal. The load control means 6b controls the amount of load (for example, current value and output value swept by the electronic load) so that the temperature is below the point.

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。 Further, when the determination means 6a determines that the temperature of the fuel cell W (for example, the temperature of the housing) is equal to or higher than the softening point of the glass of the glass seal, the inlet pressures of the fuel electrode side and the air electrode side of the fuel cell W are reduced to the set pressure or less. The gas flow rate control means 6c controls the gas supply section 3 to reduce the flow rate of the gas supplied to the fuel cell W so that

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。 The discriminating means 6a discriminates that the inlet pressure of at least one of the fuel electrode side and the air electrode side of the fuel cell W is equal to or higher than the set pressure, and the temperature of the fuel cell W (for example, the temperature of the housing) softens the glass of the glass seal. When the temperature exceeds the point, the alarm unit 7 outputs an alarm.

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。 Further, the discriminating means 6a discriminates that the temperature of the fuel cell W (for example, the housing temperature) is equal to or higher than the softening point of the glass of the glass seal, and the inlet pressure of at least one of the fuel electrode side and the air electrode side of the fuel cell W is determined. is equal to or higher than the set pressure, the alarm unit 7 outputs an alarm.

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。 As described above, according to the present embodiment, the temperature sensor 4 detects the temperature of the fuel cell W (for example, the housing temperature), the pressure sensor 5 detects the inlet pressure of the fuel cell W, and the fuel cell W The load is controlled so that the temperature of the fuel cell W becomes equal to or lower than the softening point of the glass of the glass seal when the inlet pressure of the fuel cell W is equal to or higher than the set pressure. An alarm is output when the temperature exceeds the softening point of the glass of the glass seal. Further, when the temperature of the fuel cell W is equal to or higher than the softening point of the glass of the glass seal, the gas flow rate is controlled so that the inlet pressure of the fuel cell W becomes equal to or lower than the set pressure. When the temperature at the softening point of the glass or higher and the inlet pressure of the fuel cell W is higher than the set pressure, an alarm is output. As a result, the fuel cell can be protected from breakage of the glass seal. In addition, the durability of the glass seal can be evaluated based on the determination result when the gas flow rate of the fuel gas and the air gas is controlled, and the fragile portion of the glass seal can be grasped from the evaluation result.

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。 Although the best mode of the fuel cell evaluation apparatus according to the present invention has been described above, the present invention is not limited by the description and drawings according to this mode. In other words, other forms, embodiments, operation techniques, etc. made by those skilled in the art based on this form are all included in the scope of the present invention.

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 REFERENCE SIGNS LIST 1 fuel cell evaluation device 2 electric furnace 2a measurement space 2b heater 3 gas supply section 4 temperature sensor 5 pressure sensor 6 control section 6a determination means 6b heater control means 6c gas flow rate control means 7 alarm section 11 holder for evaluation 12 fuel electrode side gas Seal 13 fuel electrode side current collector 14 air electrode side current collector 15 air electrode side gas seal 16 air gas diffusion plate 17 fuel electrode side manifold 17a fuel gas introduction pipe 17b fuel gas discharge pipe 17c insertion hole 18 air electrode side manifold 18a Air gas introduction pipe 18b Air gas discharge pipe 18c Insertion hole 19 Ceramic spring 20 Ceramic screw 21 Ceramic nut 31 Lower manifold 31a Gas introduction pipe 31b Gas discharge pipe 32 Gas seal 33 Interconnector (separator)
33a gas channel 33b busbar 33c voltage line 34 current collector 41, 42 pipe W fuel cell W1 single cell W2 cell stack

Claims (4)

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。 In a fuel cell evaluation device for evaluating the performance of a single cell composed of a solid oxide fuel cell or a cell stack in which a plurality of such single cells are stacked via a separator,
A glass seal is used in the single cell or the cell stack to prevent gas leakage to the outside and mixing of different gases,
a temperature sensor that detects the temperature of the fuel cell;
a pressure sensor that detects the inlet pressure of the single cell or the cell stack;
It is determined whether or not the inlet pressure of the single cell or the cell stack detected by the pressure sensor is equal to or higher than a set pressure, and when it is determined that the inlet pressure of the single cell or the cell stack is equal to or higher than the set pressure, the fuel cell and a controller for controlling the load so that the temperature of the glass of the glass seal is equal to or lower than the softening point of the glass of the glass seal. 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。 In a fuel cell evaluation device for evaluating the performance of a single cell composed of a solid oxide fuel cell or a cell stack in which a plurality of such single cells are stacked via a separator,
A glass seal is used in the single cell or the cell stack to prevent gas leakage to the outside and mixing of different gases,
a temperature sensor that detects the temperature of the fuel cell;
a pressure sensor that detects the inlet pressure of the single cell or the cell stack;
It is determined whether or not the temperature of the fuel cell detected by the temperature sensor is equal to or higher than the softening point of the glass of the glass seal, and it is determined that the temperature of the fuel cell is equal to or higher than the softening point of the glass of the glass seal. and a control unit for controlling a gas flow rate so that the inlet pressure of the single cell or the cell stack becomes equal to or less than a set pressure when the pressure is set. 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。 When the control unit determines that the inlet pressure of the single cell or the cell stack is equal to or higher than the set pressure, and the temperature of the fuel cell detected by the temperature sensor is equal to or higher than the softening point of the glass of the glass seal 2. The fuel cell evaluation device according to claim 1, further comprising an alarm unit for outputting an alarm. 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。 When the control unit determines that the temperature of the fuel cell is equal to or higher than the softening point of the glass of the glass seal, and the inlet pressure of the single cell or the cell stack detected by the pressure sensor is equal to or higher than a set pressure 3. The fuel cell evaluation device according to claim 2, further comprising an alarm unit for outputting an alarm.
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