TWI718910B - 燃料電池單元、燃料電池系統、滲漏檢出方法 - Google Patents

燃料電池單元、燃料電池系統、滲漏檢出方法 Download PDF

Info

Publication number
TWI718910B
TWI718910B TW109109251A TW109109251A TWI718910B TW I718910 B TWI718910 B TW I718910B TW 109109251 A TW109109251 A TW 109109251A TW 109109251 A TW109109251 A TW 109109251A TW I718910 B TWI718910 B TW I718910B
Authority
TW
Taiwan
Prior art keywords
electrode
fuel cell
region
unit
cell unit
Prior art date
Application number
TW109109251A
Other languages
English (en)
Other versions
TW202040861A (zh
Inventor
出川宗里
佐久間憲之
笹子佳孝
杉本有俊
三瀬信行
堤貴志
Original Assignee
日商日立全球先端科技股份有限公司
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 日商日立全球先端科技股份有限公司 filed Critical 日商日立全球先端科技股份有限公司
Publication of TW202040861A publication Critical patent/TW202040861A/zh
Application granted granted Critical
Publication of TWI718910B publication Critical patent/TWI718910B/zh

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/10—Fuel cells with solid electrolytes
    • H01M8/12—Fuel cells with solid electrolytes operating at high temperature, e.g. with stabilised ZrO2 electrolyte
    • H01M8/1286—Fuel cells applied on a support, e.g. miniature fuel cells deposited on silica supports
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04298—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
    • H01M8/04313—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems characterised by the detection or assessment of variables; characterised by the detection or assessment of failure or abnormal function
    • H01M8/04664—Failure or abnormal function
    • H01M8/04671—Failure or abnormal function of the individual fuel cell
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04298—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
    • H01M8/04313—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems characterised by the detection or assessment of variables; characterised by the detection or assessment of failure or abnormal function
    • H01M8/04537—Electric variables
    • H01M8/04544—Voltage
    • H01M8/04552—Voltage of the individual fuel cell
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/10—Fuel cells with solid electrolytes
    • H01M8/12—Fuel cells with solid electrolytes operating at high temperature, e.g. with stabilised ZrO2 electrolyte
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/10—Fuel cells with solid electrolytes
    • H01M8/12—Fuel cells with solid electrolytes operating at high temperature, e.g. with stabilised ZrO2 electrolyte
    • H01M8/1213—Fuel cells with solid electrolytes operating at high temperature, e.g. with stabilised ZrO2 electrolyte characterised by the electrode/electrolyte combination or the supporting material
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/10—Fuel cells with solid electrolytes
    • H01M8/12—Fuel cells with solid electrolytes operating at high temperature, e.g. with stabilised ZrO2 electrolyte
    • H01M8/1213—Fuel cells with solid electrolytes operating at high temperature, e.g. with stabilised ZrO2 electrolyte characterised by the electrode/electrolyte combination or the supporting material
    • H01M8/1226—Fuel cells with solid electrolytes operating at high temperature, e.g. with stabilised ZrO2 electrolyte characterised by the electrode/electrolyte combination or the supporting material characterised by the supporting layer
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30—Hydrogen technology
    • Y02E60/50—Fuel cells

Landscapes

  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Sustainable Development (AREA)
  • Sustainable Energy (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Electrochemistry (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Fuel Cell (AREA)

Abstract

本發明之目的在於提供一種藉由於燃料極氣體或空氣極氣體滲漏時精度良好地檢出該情況而提高可靠性之燃料電池系統。本發明之燃料電池單元係於支持基板上積層第1電極、電解質膜、及第2電極，並且將上述第1電極、上述電解質膜、及上述第2電極中至少任一者藉由絕緣構件電性分離而形成第1區域與第2區域，上述絕緣構件配置於上述支持基板之不與開口部分重疊之位置(參照圖3)。

Description

燃料電池單元、燃料電池系統、滲漏檢出方法
本發明係關於一種燃料電池。
近年來，作為實現高能量轉換、且不排出二氧化碳或氮氧化物等污染物質之潔淨能源，燃料電池受到注目。尤其，於燃料電池單元中使用固體電解質之系統由於可將發電效率高且容易處理之氫或甲烷、一氧化碳等氣體用作燃料，故而與其他方式相比優點較多，作為節能性、環境性優異之汽電共生(cogeneration system)系統受到期待。
固體電解質型燃料電池單元成為由燃料極與空氣極夾持固體電解質之構造，將電解質作為間隔壁對燃料極側供給氫等燃料氣體，對氧極側供給空氣或氧氣。固體電解質型燃料電池單元有若干個類型。例如，下述專利文獻1記載有一種固體電解質型燃料電池單元，其藉由使電解質變薄來補償電解質之導電率之降低率，於單晶矽基板形成貫通窗，於貫通窗積層燃料極、電解質、空氣極，能夠進行低溫動作(700℃以下)。
下述專利文獻1揭示了如下構成：『圖示之燃料電池單元具備基板4，於基板4設置絕緣層5並且形成貫通窗6，於將貫通窗6封閉之狀態下具備上述3層構造體。又，燃料極2與空氣極3於與貫通窗6對應之區域具備形成電解質1之表面露出之開口部7之格子狀之框架電極2B、3B作為進行集電之集電電極，且於開口部7內設置有粒狀電極2A、3A。』(參照段落0026)。 先前技術文獻 專利文獻
專利文獻1：日本專利特開2003-346817號公報
[發明所欲解決之問題]
於如專利文獻1般具有開口部之燃料電池單元中，電解質膜係藉由基板支持開口部之兩側。因此，耐受加工時之殘留應力、動作時之熱應力、燃料極之氣體與空氣極之氣體之壓力差等的能力較弱。藉此，有於產生意料之外之變化時電解質膜破壞之可能性。
若電解質膜破壞，則經由破壞之部分，燃料極之氣體或空氣極之氣體向另一個極滲漏，該等氣體混合。藉此，產生滲漏之單元之發電輸出降低。於混合之氣體能夠輸入至其他單元之情形時，其他單元之發電輸出亦降低。進而，於因破壞而燃料極之電極與空氣極之電極接觸之情形時，與該單元連接之其他單元之發電輸出亦降低。再者，破壞有一次伸展之情形時與隨時間伸展之情形時，發電輸出之降低量亦根據破壞狀態而不同。
本發明係鑒於如上所述之問題而完成者，目的在於提供一種藉由於燃料極氣體或空氣極滲漏氣體時精度良好地檢出該情況來提高可靠性之燃料電池系統。 [解決問題之技術手段]
本發明之燃料電池單元於支持基板上積層第1電極、電解質膜、第2電極，並且將上述第1電極、上述電解質膜、及上述第2電極中至少任一者藉由絕緣構件電性分離而形成第1區域與第2區域，上述絕緣構件配置於上述支持基板之不與開口部分重疊之位置。 [發明之效果]
根據本發明之燃料電池單元，可利用簡單的構成檢出開口部中之電解質膜之破壞。藉此，例如，由於不需要滲漏檢出用之壓力計或流量計，故而可抑制滲漏檢出所需要之能量。又，由於滲漏檢出用之感測部可內置於燃料電池單元，故而使感測部之尺寸形成得較小，亦容易於燃料電池單元內設置複數個感測部。
＜實施形態1＞ 圖1係本發明之實施形態1之燃料電池系統1之整體構成圖。如圖1所示，燃料電池系統1係藉由使燃料氣體40與氧化劑50於燃料電池堆2中發生氧化還原反應而轉換為電力P1，於電力調整部119中調整電壓與可供給之電流量，對以電為能量之負載200供給電力P2之系統。燃料電池系統1具備至少1個以上之燃料電池堆2。
燃料電池單元3係介隔電解質11而分為空間12與13。電解質11例如可由下述固體氧化物構成。對空間12與13之任一者供給燃料氣體40，對另一者供給氧化劑50，藉由加熱器70將燃料電池單元3置於300度至700度之溫度T1下。藉此，藉由電解質11中之氧化還原反應產生離子，該離子於處於電解質11之一個面之電極14與處於另一個面之電極15之間經由電解質11傳導，藉此獲得電力P1。藉由電解質11中之氧化還原反應而正常時獲得電壓V1。於電解質11破壞時可經由下述破壞偵測部5獲得電壓V2。
對於燃料電池堆2之空間12，經由流路43/閥41/流路42供給燃料氣體40。未反應之燃料氣體與反應性生物經由流路45/閥44/流路46排出。作為燃料氣體40之例，例如可列舉氫氣或天然氣。
對於燃料電池堆2之空間13，經由流路53/閥51/流路52供給氧化劑50。未反應之氧化劑與反應性生物經由流路55/閥54/流路56排出。作為氧化劑50之例，例如可列舉氧氣或空氣。於使用大氣中之空氣之情形時，由於不會斷開供給，故而亦可無閥51與54。
排出之燃料氣體40或氧化劑50可對燃料電池單元3再供給，亦可對其他燃料電池單元3供給。藉此，可提高燃料氣體40或氧化劑50之使用效率。
控制單元80係控制燃料電池系統1之動作之功能部，實施燃料電池堆2之溫度、燃料氣體40與氧化劑50之輸入輸出、電力P1之監視與控制等。控制單元80具備電壓測定部81與82、運算部83、氣體控制部84、電力控制部85、及溫度控制部86。
電壓測定部81測定燃料電池單元3中產生之電壓V1，電壓測定部82測定燃料電池單元3之破壞偵測部5中產生之電壓V2。氣體控制部84藉由分別利用信號90、91、92、93控制閥41、44、51、54而控制燃料氣體40與氧化劑50對於燃料電池單元3之輸入輸出。溫度控制部86藉由經由信號94對單元附近之加熱器70進行控制並且經由溫度計71進行溫度測定，而控制燃料電池單元3之溫度T1。電力控制部85藉由經由信號95控制開關60，而對電力P1之輸出進行接通/斷開控制，經由信號96控制電力調整部110。運算部83藉由使用其等之測定值或控制值實施控制運算，掌握燃料電池系統1之運轉狀態，以成為最佳之運轉狀態之方式控制各功能部。
電力調整部110針對燃料電池單元3輸出之電力P1調整電壓與可供給之電流量後作為電力P2對負載200供電。電力調整部110藉由燃料電池單元3之串聯連接數之控制與利用變壓器之變壓，控制電壓值。作為變壓器之例，可列舉DC(direct current，直流)-DC轉換器或變流器等，可根據負載200之規格採用適當之組合。電力調整部110藉由控制燃料電池單元3之並聯連接數，而控制電流量。
於該等控制中，亦可調整燃料電池單元3之特性。於該情形時，氣體控制部84藉由閥控制量控制燃料氣體40或氧化劑50之供給量，溫度控制部86亦可調整燃料電池單元3之溫度。進而，如下所述，亦可將燃料電池單元3之一部分自燃料電池系統1電性切斷，或者將切斷之燃料電池單元3再連接。
圖2係燃料電池單元3之俯視圖。燃料電池單元3例如可使用半導體製程製成。於基板20上形成有絕緣體21。於絕緣體21上形成有電極15與電極18。於電極15上形成有電解質11，於電極18上形成有電解質11-1。於電解質11上形成有電極14，於電解質11-1上形成有電極17。電極15與電極18介隔絕緣體16電性分離，電解質11與電解質11-1介隔絕緣體16電性分離，電極14與電極17介隔絕緣體16電性分離。
電極墊24電性連接於開關60之LO側與電壓測定部81之LO側。電極墊25電性連接於開關60之HI側與電壓測定部81之HI側。電極墊27電性連接於電壓測定部82之LO側。電極墊28電性連接於電壓測定部82之HI側。關於開口部10與破壞偵測部5將於下文敍述。電極14、15、17、18分別電性連接於電極墊24、25、27、28。電極墊24與25輸出圖2中之絕緣體16之右側區域(第1區域)中之電壓(第1電壓輸出部)。電極墊27與28輸出圖2中之絕緣體16之左側區域(第2區域)中之電壓(第2電壓輸出部)。
圖3係圖2之A-A'剖視圖。於絕緣體21與基板20之一部分，藉由蝕刻設置1毫米見方以下之開口部10。電極15、電解質11、及電極14配置於與開口部10重疊之位置。電極18、電解質11-1、電極17、及絕緣體16配置於不與開口部10重疊之位置。電極15經由開口部10而與空間13相接。電極14及17與空間12相接。空間12與空間13以氣體不自各空間之一者向另一者導通之方式空間上隔離。
破壞偵測部5由電極18、電解質11-1、電極17構成。破壞偵測部5配置於空間12側且不與開口部10重疊(並非開口部10之正上方)之位置。換言之，藉由將電極15與18、電解質11與11-1、電極14與17利用絕緣體16相互電性分離，形成有破壞偵測部5。
作為基板20之材料，例如使用矽(Si)，具有400微米以上之厚度。作為絕緣體21與絕緣體16之材料，例如使用氮化矽(SiN)，藉由CVD(chemical vapor deposition，化學氣相沈積)法形成，具有200奈米左右之厚度。
作為電解質11，使用氧化物離子導體或質子導體。作為氧化物離子導體，例如可列舉氧化釔穩定氧化鋯(YSZ)、氧化鈧穩定氧化鋯、五倍子酸鑭等。作為質子導體，例如，可列舉鈣鈦礦型氧化物。於YSZ膜之情形時，使用濺鍍法以500奈米以下之厚度形成。
電極14、15、17、18使用濺鍍法等以100奈米以下之厚度形成。較理想為晶界較多(較佳為，晶界通過至電解質11與空間12相接之面、電解質11與空間13相接之面為止，具有柱狀結晶)、且熔點較使用溫度高(例如900℃以上)之膜。作為此種膜，例如可列舉鉑(Pt)、銀膜(Ag)、鎳膜(Ni)、鉻膜(Cr)、鈀膜(Pd)、釕膜(Ru)、銠膜(Rh)等。於燃料氣體40或氧化劑50包含腐蝕性氣體之情形時，亦可使用氮化鈦膜(TiN)、氮化鎢膜(WN)、氮化鉬膜(MoN)、氮化鉿膜(HfN)、氮化鉭(TaN)等導電性之化合物材料。
電極墊24、25、27、28使用濺鍍法等以100奈米以上之厚度形成，如上所述，與燃料電池單元3外部電性連接。於該連接時，由於有對電極墊之連接部施加加重或超音波等負載之情形，故而自電解質11之破壞防止之觀點而言，較理想為於各電極墊正下方不存在電解質11。另一方面，各電極墊與燃料電池單元3外部連接之部分以外亦可相對於電極14、17、15、18分別整體地相接。於該情形時，藉由將電極墊形成為網狀，可使空間12或13內之氣體分別與電極14、15、17、18接觸。電極墊24、25、27、28之材料較理想為電阻率較低之金屬，可使用金膜(Au)、銀膜(Ag)等。亦可為作為其他高熔點金屬之鉬膜(Mo)、鎢膜(W)、鉭膜(Ta)、鉿膜(Hf)、包含雜質之矽膜等。於燃料電池單元3以450℃以下之低溫動作使用之情形時，亦可為金膜(Au)、銀膜(Ag)、鋁膜(Al)、銅膜(Cu)、碳(C)等。
圖4係表示燃料電池單元3之電壓特性之一例之曲線圖。例如，於電解質11由YSZ形成之燃料電池單元3中，使用氫作為燃料氣體40，使用氧作為氧化劑50之情形時，於電極14中發生式1所示之氧化反應，於電極15中發生式2所示之還原反應。
2H2 +2O2- →2H2 O+4e-   (1) O2 +4e- →2O2- (2)
此時，電子e- 自電極14經由外部之負載流向電極17，氧離子O2- 於YSZ中自電極17向電極14傳導。藉此，於電極15與電極14之間產生電壓V1，電極15相對於電極14成為高電位(HI側)。電壓V1之最大值於開路時為1.23 V。
若以上述膜厚為前提，包括開口部10上之電極14/電解質11/電極15之積層膜成為厚度薄為1微米以下，且端部支持於基板20上之絕緣體21之構造。因此，耐受加工時之殘留應力、動作時之熱應力、燃料極之氣體與空氣極之氣體之壓力差等的能力較弱，於產生意料之外之變化之形時，有破壞之可能性。
若於開口部10中產生破壞，則空間12與空間13經由破壞部空間上連接，燃料氣體40或者氧化劑50向另一個空間滲漏，成為混合之環境氣體。於是，於電極14或15中於同一面上同時發生式1與2之反應，電壓V1與可供給之電流量降低，故而電力P1亦降低。此時，於破壞偵測部5之電極17與電極18中亦分別發生數1與2之反應，空間12之氧分壓於電極17附近與電極18附近不同，故而於電極17與18之間產生電壓V2。電壓V2低於正常時之電壓V1，電極18相對於電極17成為高電位(HI側)。
若開口部10中之破壞擴大，則電壓V1降低，而電壓V2卻增加，若達到完全破壞，則空間12與13之環境氣體穩定，電壓V1與V2亦穩定。此時，相對於電壓V1或V2設定閾值電壓V1th或閾值電壓V2th，例如，若電壓V1為V1th以上，電壓V2為V2th以下之範圍，則判定為燃料電池單元3正常(可動作)，若為除此以外，則判定為異常(不可動作)。於判定為異常之情形時，如下所述，將該燃料電池單元3分離。
於燃料電池單元3之異常判定中，亦可使用電壓V1與V2之差量。例如，若差量為閾值以上，則判定為正常，若為閾值以下，則判定為異常。藉由使用差量，即便同相雜訊混入至電壓測定部81或82亦可消除，故而可防止誤判定，判定精度提高。差量既可由運算部83利用計算求出，亦可藉由將差量電路連接於運算部83之任一個端子而於電路上求出。
圖5係說明燃料電池系統1之動作之流程圖之例。本流程圖可藉由運算部83實施。以下對圖5之各步驟進行說明。
(圖5：步驟S501〜S502) 於通常動作時，溫度控制部86將燃料電池單元3藉由加熱器70加熱，一面藉由溫度計71監視溫度，一面保持固定之動作溫度。氣體控制部84對閥41、44、51、54進行控制，將燃料氣體40供給至燃料電池單元3之空間12，將氧化劑50供給至空間13。若溫度控制(S501)或氣體控制(S502)有異常，則跳向步驟S511。若溫度與氣體無異常，則進入步驟S503。
(圖5：步驟S503〜S505) 運算部83選擇要診斷之燃料電池單元3(S503)。運算部83藉由電壓測定部81測定所選擇之燃料電池單元3之電壓V1，並且藉由電壓測定部82測定電壓V2(S504)。運算部83使用電壓V1與V2判定燃料電池單元3是否正常(燃料氣體40或氧化劑50是否不滲漏)(S505)。
(圖5：步驟S505：補足) 運算部83可根據以下之任一者判定燃料電池單元3是否正常。(a)於V1＜V1th或V2≧V2th時，判定為異常。(b)於V1－V2低於閾值時，判定為異常。(c)於V1為0且穩定地經過閾值以上之時間時，或V2為超過0之值且穩定地經過閾值以上之時間時，判定為異常。
(圖5：步驟S506〜S508) 於S505中判定為異常之情形時(S506：是)，運算部83藉由電力控制部85將開關60關閉，並且將有異常之燃料電池單元3自燃料電池系統1分離(S507〜S508)。藉由將開關60打開而停止異常單元之電力P1之輸出(S508)，藉由將閥41、44、51、54關閉而停止燃料氣體40與氧化劑50之供給(S507)，藉此進行實施。
(圖5：步驟S509〜S510) 運算部83藉由電力調整部110調整輸出電力(S509)。電力調整部110針對因產生有異常之燃料電池單元3所致之供電狀態之變化或負載200之狀態變化，調整電壓與可供給之電流量。若電力P2之供給力充分(S510：是)，則將電力P2對負載200持續供電，返回至S501維持通常動作。於由於破壞之燃料電池單元3之數量較多等而電力P2之供給力不充分之情形時(S510：否)，進入步驟S511。
(圖5：步驟S509：補足) 電力調整部110例如可藉由升壓電路或來自其他電源之電力供給等機構調整輸出電力。電力調整之機構並不限定，只要負載200可供給需要之電力即可。
(圖5：步驟S511〜S513) 運算部83判斷燃料電池系統1異常(S511)。運算部83藉由停止電力P2之供給(S512)，停止所有燃料氣體40與氧化劑50之輸入輸出(S513)，而停止燃料電池系統1之運轉。
＜實施形態1：總結＞ 本實施形態1之燃料電池系統1將由電極17/電解質11-1/電極18構成之破壞偵測部5自作為發電部分之開口部10正上方電性絕緣地形成。藉由使破壞偵測部5與發電部分絕緣，於正常動作時不產生V2，並且於氣體滲漏時產生獨立於V1之V2。因此，藉由監視V2，可檢出氣體滲漏。由於V2係於氣體滲漏時破壞偵測部5藉由與通常發電時相同之機制發電之電壓，故而可藉由與監視V1之部分相同之構成來構成破壞偵測部5。藉此，不需要為了破壞偵測部5而形成與發電部分不同構成之感測部，亦不需要對於破壞偵測部5之能量供給。即，可提高燃料電池系統1之可靠性，並且使燃料電池單元3小型化，進而抑制破壞偵測部5用之能量消耗。
相對於此，於代替破壞偵測部5而將壓力計或流量計等感測部內置於燃料電池單元3之情形時，不容易使動作溫度為300度以上，燃料電池單元3之尺寸亦變大。進而，亦需要轉換感測部之控制與輸出信號之電路，另外需要尺寸或能量。本實施形態1於消除該等先前技術中之問題之方面發揮較先前技術更有利之技術效果。
＜實施形態2＞ 於本發明之實施形態2中，說明如下構成例：藉由抑制燃料氣體40或氧化劑50對電解質11帶來之影響以免產生未意料之發電動作，而提高發電效率。其他構成由於與實施形態1相同，故而以下主要對差異點進行說明。
圖6係本實施形態2之燃料電池單元3之俯視圖。於本實施形態2中，電解質11與空間12相接之面由絕緣體31覆蓋。關於該理由將於下文敍述。
圖7係圖6之B-B'剖視圖。為了提高燃料電池單元3之發電效率，較理想為，電解質11中並非開口部10之正上方之部分(圖7之電解質11-2)不與燃料氣體40(即空間12)接觸。其原因在於，於開口部10正上方以外之部分產生多餘之發電，阻礙開口部10中之發電。因此，藉由絕緣體31(密封部)覆蓋電解質11-2。
同樣地，較理想為，電極14、電極15、或其兩者分別不與空間12或空間13接觸。燃料氣體40之離子經由電極14向電解質11-1通過，或者氧化劑50之離子經由電極15向電解質11-1通過，同樣產生多餘之發電。因此，於電極14與電解質11-1之間配置絕緣體32，或於電極15與電解質11-1之間配置絕緣體33，或者均配置絕緣體32與33。藉此，可進而提高燃料電池單元3之發電效率。
藉由圖6〜圖7所示之構成，於並非開口部10之正上方之部分(電解質11-2、及電極14與15中與電解質11-2相接之部分)，可抑制與破壞偵測部5中之電壓V2相同之電壓產生。因此，燃料電池單元3之發電效率提高。又，由於在並非開口部10之正上方之部分不利於發電之氣體之消耗得到抑制，故而藉此發電效率提高。
＜實施形態3＞ 於本發明之實施形態3中，對在發電部(開口部10之正上方部分)與破壞偵測部5之間共用電極或電解質中至少任一者的構成例進行說明。進而，對共用LO側與HI側之電極墊中任一者之構成例進行說明。其他構成由於與實施形態1〜2相同，故而以下主要對差異點進行說明。
圖8係本實施形態3之燃料電池單元3之俯視圖。於圖8中，代替構成破壞偵測部5之電極15，使用電極14。電極墊27藉由電極墊24代用。因此，電極墊24與電壓測定部82之LO側連接。
圖9係圖8之C-C'剖視圖。電極14以覆蓋電解質11之上表面/絕緣體16之上表面/電解質11-1之上表面之方式延伸，藉此代替破壞偵測部5中之電極15使用電極14。藉由此種構成，可減少電極墊之個數，並且減少加工製程之步驟數。
圖10係表示本實施形態3之燃料電池單元3之變化例之俯視圖。於圖10中，電極墊28藉由電極墊25代用。因此，電極墊25與電壓測定部82之HI側連接。
圖11係圖10之D-D'剖視圖。電極15以覆蓋電解質11之下表面/絕緣體16之下表面/電解質11-1之下表面之方式延伸，藉此代替破壞偵測部5中之電極18使用電極15。藉由此種構成，與圖8〜圖9之構成同樣地，可減少電極墊之個數，並且減少加工製程之步驟數。
圖12係表示本實施形態3之燃料電池單元3之變化例之俯視圖。於圖12中，絕緣體16分為覆蓋電極14之上表面之部分與覆蓋電解質11之下表面之部分而形成。
圖13係圖12之E-E’剖視圖。電解質11以覆蓋電極14之下表面/上側之絕緣體16之下表面/電極17之下表面之方式延伸，並且以覆蓋電極15之上表面/下側之絕緣體16之上表面/電極18之上表面之方式延伸。藉此，代替破壞偵測部5中之電解質11-1使用電解質11。藉由圖12〜圖13之構成，於電解質11之層中不需要絕緣體16，可容易地形成電解質11之層。例如，不需要為了絕緣體16而將電解質11圖案化/蝕刻之工序，亦防止對電解質11之品質之影響。
圖8〜圖13中所說明之構成亦可組合。例如，於圖12〜圖13之構成中，亦可代替電極17使用電極14(即，併用圖8〜圖9之構成)，於圖12〜圖13之構成中，亦可代替電極18使用電極15(即，併用圖10〜圖11之構成)。
＜實施形態4＞ 圖14係本發明之實施形態4之燃料電池模組3-2之俯視圖。燃料電池模組3-2係將具備破壞偵測部5之燃料電池單元3與不具備破壞偵測部5之燃料電池單元3-1陣列狀地配置之模組。燃料電池模組3-2具備對空間12供給燃料氣體40之閥41/流路43、以及將燃料氣體40自空間12排出之閥44/流路45。於空間13中亦同樣可設置氧化劑50之導入口與排出口。關於燃料電池單元3與3-1之配置將於下文敍述。
圖15係燃料電池單元3-1之俯視圖。燃料電池單元3-1由於不具備破壞偵測部5，故而不具有絕緣體16/電極墊27/電極墊28。其他構成與燃料電池單元3相同。
圖16係圖15之F-F'剖視圖。燃料電池單元3-1例如可藉由與先前之燃料電池單元相同之製造工序來製造。
燃料電池單元3於矽基板上藉由半導體製程製作，故而藉由使用矽晶圓等大面積基板，可如圖14所示製作成陣列狀。又，於在形成於基板上之複數個燃料電池單元3間使空間12與13分別共通之情形時，破壞偵測部5只要有至少1個則足夠，其他燃料電池單元3-1亦可不具備破壞偵測部5。藉由此種構成，而讓基板上之發電面積增加，發電效率提高。
藉由將燃料電池單元3(即破壞偵測部5)分別配置於空間12之氣體輸入(流路43)側附近與氣體輸出(流路45)側附近，可使破壞偵測部5冗餘化，並且推定破壞之開口部10之場所。例如，於電壓V2於氣體輸入側與輸出側不同之情形時，可視為於V2較大之側之開口部10中產生破壞。於電壓V2於氣體輸入側與輸出側相同之情形時，可視為整體地於複數個開口部10中產生破壞。或者，藉由於其他燃料電池堆2之燃料電池單元產生破壞等，亦可視為輸入側之氣體本身已經混合。
圖17係燃料電池堆2-1之構成圖。燃料電池堆2-1係將圖14所示之燃料電池模組3-2立體地積層而成者。針對每層設置有空間12與13，進而分別設置有導入口與排出口、控制燃料氣體40與氧化劑50向其等輸入輸出之閥41、44、51、54、以及將電力P1之輸出開閉之開關60。藉由此種構成，監視各層之電壓V2，於有燃料電池單元產生破壞之層之情形時，將該層分離。層之分離係藉由如下操作進行：藉由將該層之閥41、44、51、54關閉，而將燃料氣體40與氧化劑50之輸入輸出遮斷，藉由將開關60打開，而將電力P1之輸出遮斷。藉由此種構成，可兼顧燃料電池系統1之發電能力之提高與可靠性之提高。
＜關於本發明之變化例＞ 本發明並不限定於上述實施形態，包含各種變化例。例如，上述實施形態係為了容易理解地說明本發明而詳細地說明者，未必限定於具備所說明之所有構成。又，可將某實施形態之構成之一部分置換為其他實施形態之構成，又，亦可對某實施形態之構成添加其他實施形態之構成。又，關於各實施形態之構成之一部分，可進行其他構成之追加、刪除、置換。
於以上之實施形態中，亦可對空間12供給氧化劑50，對空間13供給燃料氣體40。於該情形時，電壓V1與V2之極性成為自圖4中所說明者反轉而成者。
控制單元80亦可使用安裝有其功能之電路元件等硬體構成，關於運算功能亦可藉由運算裝置執行安裝有其功能之軟體而構成。
1:燃料電池系統 2:燃料電池堆 2-1:燃料電池堆 3:燃料電池單元 3-1:燃料電池單元 3-2:燃料電池模組 5:破壞偵測部 10:開口部 11:電解質 11-1:電解質 11-2:電解質 12:空間 13:空間 14:電極 15:電極 16:絕緣體 17:電極 18:電極 20:基板 21:絕緣體 22:電極墊 24:電極墊 25:電極墊 27:電極墊 28:電極墊 31:絕緣體 32:絕緣體 33:絕緣體 40:燃料氣體 41:閥 42:流路 43:流路 44:閥 45:流路 46:流路 50:氧化劑 51:閥 52:流路 53:流路 54:閥 55:流路 56:流路 60:開關 70:加熱器 71:溫度計 80:控制單元 81:電壓測定部 82:電壓測定部 83:運算部 84:氣體控制部 85:電力控制部 86:溫度控制部 90,91,92,93:信號 94:信號 95:信號 96:信號 110:電力調整部 200:負載 P1:電力 P2:電力 T1:溫度 V1:電壓 V2:電壓
圖1係實施形態1之燃料電池系統1之整體構成圖。 圖2係燃料電池單元3之俯視圖。 圖3係圖2之A-A'剖視圖。 圖4係表示燃料電池單元3之電壓特性之一例之曲線圖。 圖5係說明燃料電池系統1之動作之流程圖之例。 圖6係實施形態2之燃料電池單元3之俯視圖。 圖7係圖6之B-B'剖視圖。 圖8係實施形態3之燃料電池單元3之俯視圖。 圖9係圖8之C-C'剖視圖。 圖10係表示實施形態3之燃料電池單元3之變化例之俯視圖。 圖11係圖10之D-D'剖視圖。 圖12係表示實施形態3之燃料電池單元3之變化例之俯視圖。 圖13係圖12之E-E'剖視圖。 圖14係實施形態4之燃料電池模組3-2之俯視圖。 圖15係燃料電池單元3-1之俯視圖。 圖16係圖15之F-F'剖視圖。 圖17係燃料電池堆2-1之構成圖。
5:破壞偵測部
10:開口部
11:電解質
11-1:電解質
12:空間
13:空間
14:電極
15:電極
16:絕緣體
17:電極
18:電極
20:基板
21:絕緣體
25:電極墊
28:電極墊

Claims (15)

  1. 一種燃料電池單元，其特徵在於具備： 支持基板，其具有開口部； 積層膜，其配置於上述支持基板之上；以及 絕緣構件，其將上述積層膜分離為第1區域與第2區域； 上述積層膜具備： 第1電極，其配置於上述支持基板之上； 電解質膜，其配置於上述第1電極之上；以及 第2電極，其配置於上述電解質膜之上； 上述絕緣構件配置於上述支持基板之上不與上述開口部重疊之位置， 上述絕緣構件藉由將上述第1電極、上述電解質膜、或上述第2電極中至少任一者向電性絕緣之2個區域分離，而將上述第1區域與上述第2區域之間電性絕緣。
  2. 如請求項1之燃料電池單元，其中 上述燃料電池單元進而具備第1電壓輸出部，該第1電壓輸出部將上述第1區域中之上述第1電極與上述第2電極之間之電位差輸出， 上述燃料電池單元進而具備第2電壓輸出部，該第2電壓輸出部將上述第2區域中之上述第1電極與上述第2電極之間之電位差輸出。
  3. 如請求項1之燃料電池單元，其中 上述電解質膜具有於上述支持基板之上與上述開口部重疊之第1部分、及於上述支持基板之上不與上述開口部重疊之第2部分， 上述第2部分介隔第1絕緣膜而與上述第1電極接觸， 上述第2部分介隔第2絕緣膜而與上述第2電極接觸， 上述燃料電池單元進而具備以上述電解質膜不與外部氣體接觸之方式密封之密封部。
  4. 如請求項1之燃料電池單元，其中 上述絕緣構件藉由將上述第1電極與上述電解質膜向電性絕緣之2個區域分離，而將上述第1電極向上述第1區域與上述第2區域分離並且將上述電解質膜向上述第1區域與上述第2區域分離， 上述第2電極將上述絕緣構件所分離之上述電解質膜之上述第1區域與上述第2區域之間電性連接。
  5. 如請求項4之燃料電池單元，其中 上述燃料電池單元進而具備第1電壓輸出部，該第1電壓輸出部將上述第1區域中之上述第1電極與上述第2電極之間之電位差輸出， 上述燃料電池單元進而具備第2電壓輸出部，該第2電壓輸出部將上述第2區域中之上述第1電極與上述第2電極之間之電位差輸出， 上述第1電壓輸出部將於上述第1區域中與上述第1電極電性連接之第1電極墊、與於上述第1區域中與上述第2電極電性連接之第2電極墊之間的電位差輸出， 上述第2電壓輸出部將於上述第2區域中與上述第1電極電性連接之第3電極墊、與上述第2電極墊之間之電位差輸出。
  6. 如請求項1之燃料電池單元，其中 上述絕緣構件藉由將上述第2電極與上述電解質膜向電性絕緣之2個區域分離，而將上述第2電極向上述第1區域與上述第2區域分離並且將上述電解質膜向上述第1區域與上述第2區域分離， 上述第1電極將上述絕緣構件所分離之上述電解質膜之上述第1區域與上述第2區域之間電性連接。
  7. 如請求項6之燃料電池單元，其中 上述燃料電池單元進而具備第1電壓輸出部，該第1電壓輸出部將上述第1區域中之上述第1電極與上述第2電極之間之電位差輸出， 上述燃料電池單元進而具備第2電壓輸出部，該第2電壓輸出部將上述第2區域中之上述第1電極與上述第2電極之間之電位差輸出， 上述第1電壓輸出部將於上述第1區域中與上述第1電極電性連接之第1電極墊、與於上述第1區域中與上述第2電極電性連接之第2電極墊之間之電位差輸出， 上述第2電壓輸出部將於上述第2區域中與上述第2電極電性連接之第3電極墊、與上述第1電極墊之間之電位差輸出。
  8. 如請求項1之燃料電池單元，其中 上述絕緣構件藉由將上述第1電極與上述第2電極向電性絕緣之2個區域分離，而將上述第1電極向上述第1區域與上述第2區域分離並且將上述第2電極向上述第1區域與上述第2區域分離， 上述電解質膜將上述絕緣構件所分離之上述第1電極之上述第1區域與上述第2區域之間電性連接， 上述電解質膜將上述絕緣構件所分離之上述第2電極之上述第1區域與上述第2區域之間電性連接。
  9. 如請求項1之燃料電池單元，其中 上述電解質膜係使用固體氧化物而形成。
  10. 如請求項1之燃料電池單元，其中 上述積層膜之厚度為1微米以下。
  11. 一種燃料電池系統，其特徵在於具備： 1個以上之燃料電池單元；以及 控制部，其控制上述燃料電池單元之動作； 上述燃料電池單元具備： 支持基板，其具有開口部； 積層膜，其配置於上述支持基板之上；以及 絕緣構件，其將上述積層膜分離為第1區域與第2區域； 上述積層膜具備： 第1電極，其配置於上述支持基板之上； 電解質膜，其配置於上述第1電極之上；以及 第2電極，其配置於上述電解質膜之上； 上述絕緣構件配置於上述支持基板之上不與上述開口部重疊之位置， 上述絕緣構件藉由將上述第1電極、上述電解質膜、或上述第2電極中至少任一者向電性絕緣之2個區域分離，而將上述第1區域與上述第2區域之間電性絕緣， 上述控制部藉由監視上述第2區域中之上述第1電極與上述第2電極之間之電位差，而檢出是否產生對上述燃料電池單元供給之燃料氣體之滲漏， 上述控制部於產生上述滲漏之情形時停止對上述燃料電池單元供給上述燃料氣體，並且將產生上述滲漏之上述燃料電池單元之發電輸出自其他上述燃料電池單元之發電輸出分離。
  12. 如請求項11之燃料電池系統，其中 上述控制部監視上述第1區域中之上述第1電極與上述第2電極之間之第1電位差、和上述第2區域中之上述第1電極與上述第2電極之間之第2電位差， 上述控制部基於上述第1電位差與上述第2電位差之間之差量是否達到低於閾值，檢出是否產生上述滲漏。
  13. 如請求項11之燃料電池系統，其中 上述燃料電池系統具備第1單元作為上述燃料電池單元， 上述燃料電池系統進而具備第2單元，該第2單元不具備上述絕緣構件。
  14. 如請求項13之燃料電池系統，其中 上述燃料電池系統進而具備導入上述燃料氣體之導入口、及將上述燃料氣體排出之排出口， 上述燃料電池系統進而具備第3單元作為上述燃料電池單元， 上述第1單元與上述導入口之間之距離較上述第3單元與上述導入口之間的距離更短， 上述第3單元與上述排出口之間之距離較上述第1單元與上述排出口之間的距離更短。
  15. 一種滲漏檢出方法，其特徵在於：其係檢出是否產生對燃料電池單元供給之燃料氣體之滲漏者，且 上述燃料電池單元具備： 支持基板，其具有開口部； 積層膜，其配置於上述支持基板之上；以及 絕緣構件，其將上述積層膜分離為第1區域與第2區域； 上述積層膜具備： 第1電極，其配置於上述支持基板之上； 電解質膜，其配置於上述第1電極之上；以及 第2電極，其配置於上述電解質膜之上； 上述絕緣構件配置於上述支持基板之上不與上述開口部重疊之位置， 上述絕緣構件藉由將上述第1電極、上述電解質膜、或上述第2電極中至少任一者向電性絕緣之2個區域分離，而將上述第1區域與上述第2區域之間電性絕緣， 上述滲漏檢出方法具有如下步驟： 取得上述第2區域中之上述第1電極與上述第2電極之間之電位差；以及 使用上述電位差判斷是否產生上述滲漏。
TW109109251A 2019-04-26 2020-03-19 燃料電池單元、燃料電池系統、滲漏檢出方法 TWI718910B (zh)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
PCT/JP2019/017980 WO2020217467A1 (ja) 2019-04-26 2019-04-26 燃料電池セル、燃料電池システム、リーク検出方法
WOPCT/JP2019/017980 2019-04-26

Publications (2)

Publication Number Publication Date
TW202040861A TW202040861A (zh) 2020-11-01
TWI718910B true TWI718910B (zh) 2021-02-11

Family

ID=72940758

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
TW109109251A TWI718910B (zh) 2019-04-26 2020-03-19 燃料電池單元、燃料電池系統、滲漏檢出方法

Country Status (6)

Country Link
US (1) US11855318B2 (zh)
EP (1) EP3961778A4 (zh)
JP (1) JP7121855B2 (zh)
CN (1) CN113678293A (zh)
TW (1) TWI718910B (zh)
WO (1) WO2020217467A1 (zh)

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20120021330A1 (en) * 2010-07-21 2012-01-26 Ngk Insulators, Ltd. Electrode material and solid oxide fuel cell containing the electrode material
US20130052549A1 (en) * 2011-08-25 2013-02-28 Hirotaka Mizuhata Anion-exchange-membrane type of fuel-cell-system
US20180145360A1 (en) * 2006-05-11 2018-05-24 Alan Devoe Solid oxide fuel cell device and system

Family Cites Families (15)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE19649436C1 (de) * 1996-11-28 1998-01-15 Siemens Ag Verfahren zum Erkennen eines Gaslecks
DE60235058D1 (de) * 2001-03-29 2010-03-04 Panasonic Corp Dünnschicht-Polymerelektrolytbrennstoffzelle und deren Betriebsverfahren
US6677070B2 (en) 2001-04-19 2004-01-13 Hewlett-Packard Development Company, L.P. Hybrid thin film/thick film solid oxide fuel cell and method of manufacturing the same
JP2002352832A (ja) * 2001-05-22 2002-12-06 Nissan Motor Co Ltd 燃料電池用セル板、その製造方法および燃料電池スタック
JP4026411B2 (ja) 2002-05-27 2007-12-26 日産自動車株式会社 固体電解質型燃料電池セルおよびその製造方法
JP4135891B2 (ja) * 2002-11-07 2008-08-20 独立行政法人産業技術総合研究所 固体電解質型燃料電池用電解質材料の製造方法、及び固体電解質型燃料電池セルの製造方法
JP4711213B2 (ja) * 2004-12-24 2011-06-29 トヨタ自動車株式会社 燃料電池スタック及び燃料電池スタックケース
FR2894075A1 (fr) * 2005-11-30 2007-06-01 St Microelectronics Sa Support de pile a combustible integree
US7858261B2 (en) * 2006-05-02 2010-12-28 Lilliputian Systems, Inc. Systems and methods for stacking fuel cells
JP5049064B2 (ja) 2007-07-09 2012-10-17 株式会社アツミテック イオン伝導性電解質膜の検査方法および検査装置
JP5078598B2 (ja) * 2007-12-25 2012-11-21 本田技研工業株式会社 燃料電池スタック
JP2010009822A (ja) * 2008-06-25 2010-01-14 Toyota Motor Corp 燃料電池システム
US9083014B2 (en) * 2008-11-20 2015-07-14 Panasonic Intellectual Property Management Co., Ltd. Fuel cell system for performing normal and abnormal shut-down processes
US9281527B2 (en) * 2011-06-15 2016-03-08 Lg Fuel Cell Systems Inc. Fuel cell system with interconnect
US10547065B2 (en) * 2015-09-18 2020-01-28 Honda Motor Co., Ltd. Fuel battery

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20180145360A1 (en) * 2006-05-11 2018-05-24 Alan Devoe Solid oxide fuel cell device and system
US20120021330A1 (en) * 2010-07-21 2012-01-26 Ngk Insulators, Ltd. Electrode material and solid oxide fuel cell containing the electrode material
US20130052549A1 (en) * 2011-08-25 2013-02-28 Hirotaka Mizuhata Anion-exchange-membrane type of fuel-cell-system

Also Published As

Publication number Publication date
TW202040861A (zh) 2020-11-01
JP7121855B2 (ja) 2022-08-18
CN113678293A (zh) 2021-11-19
EP3961778A1 (en) 2022-03-02
WO2020217467A1 (ja) 2020-10-29
EP3961778A4 (en) 2022-12-07
US11855318B2 (en) 2023-12-26
US20220181658A1 (en) 2022-06-09
JPWO2020217467A1 (zh) 2020-10-29

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP5708658B2 (ja) 積層電池の内部抵抗測定装置及び内部抵抗測定方法
US20040026268A1 (en) Gas sensor and detection method and device for gas.concentration
JP5936976B2 (ja) 燃料電池の運転方法
JP2009222708A (ja) ガスセンサ制御装置
US8802250B2 (en) Fuel cell bypass diode structures and attachment methods
US20110136029A1 (en) Fuel cell and temperature measurement method
US9660283B2 (en) Current measurement device
TWI718910B (zh) 燃料電池單元、燃料電池系統、滲漏檢出方法
JP6036836B2 (ja) 積層電池の内部抵抗測定回路
JP5350671B2 (ja) 燃料電池用水蒸気センサの異常検出装置、燃料電池用水蒸気センサ、及び燃料電池システム
JP5060023B2 (ja) 燃料電池及び燃料電池モジュール
TWI732697B (zh) 燃料電池胞、燃料電池胞製造方法
TWI726440B (zh) 燃料電池單元
US20090208781A1 (en) Method for operating a fuel cell system
WO2016006116A1 (ja) 燃料電池のインピーダンス測定装置および燃料電池のインピーダンス測定方法
JP2007095573A (ja) 燃料電池および燃料電池の評価方法
JP4880282B2 (ja) 燃料電池システム及び燃料電池
WO2021080003A1 (ja) ガス成分検出装置
CN114667621B (zh) 燃料电池单元、燃料电池单元制造方法
JP2010165680A (ja) 湿度が調整される燃料電池
JP6485746B2 (ja) 燃料電池システムおよびその運転方法
JP2005183039A (ja) 積層型燃料電池の電流分布の測定方法、積層型燃料電池および積層型燃料電池の運転方法
JP2012142191A (ja) 固体酸化物形燃料電池の運転状態の監視方法及び固体酸化物形燃料電池
JPH04282566A (ja) 固体電解質型燃料電池用インターコネクター及びこれを有する固体電解質型燃料電池
JP2004163205A (ja) ガスセンサ