JP7308737B2

JP7308737B2 - 燃料電池評価装置

Info

Publication number: JP7308737B2
Application number: JP2019220396A
Authority: JP
Inventors: 益博江川; 翼佐藤; 直毅柳橋
Original assignee: Chino Corp
Current assignee: Chino Corp
Priority date: 2019-12-05
Filing date: 2019-12-05
Publication date: 2023-07-14
Anticipated expiration: 2039-12-05
Also published as: JP2021089864A

Description

本発明は、ガラスシールを使用した固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）の性能を評価する燃料電池評価装置に関するものである。

固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）は、電解質として酸素イオン導電性固体電解質を使用した燃料電池として従来から知られており、燃料と酸化剤の２種類のガスをそれぞれ酸素イオン導電性固体電解質によって隔てられた燃料極と空気極に供給して、それぞれの電極で電気化学反応を進行させることで外部に電力を取り出している。

例えば下記特許文献１に開示されるＳＯＦＣは、固体電解質層とこの固体電解質層の両面に配設された燃料極層及び空気極層とからなる発電セルが単数設けられた単セルと、燃料給排通路が形成せれた燃料極セパレータと、空気給排通路が形成された空気極セパレータと、固体電解質層と燃料極セパレータとの間に介装された燃料極シール部材と、固体電解質層と空気極セパレータとの間に介装された空気極シール部材とを備えている。

特開２００２－１４１０８３号公報

この種の燃料電池（ＳＯＦＣ）では、ガス流量を増やすことにより入口圧力が上昇するのは良く知られている。しかし、燃料電池の発電時に電流値に依存して入口圧力が上昇するのはあまり知られていない。図４は電流と入口圧力の関係（各黒三角を結ぶ線）、電流と燃料電池の温度（例えば筐体温度）の関係（各黒丸を結ぶ線）を示しており、電流値：０［Ａ］のときの入口圧力を０［ｋＰａ］としている。図４に示すように、電流値の増加に伴って入口圧力が上昇しているのが判る。

この燃料電池の発電時に電流値に依存して入口圧力が上昇するのは、燃料電池の発電により水素中の水蒸気が増え、温度の上昇に伴って気体の粘性が上がるためであると考えられる。図５は各気体の温度と粘性率の関係を示す図である。図５によれば、温度の上昇に伴って各気体（水素、窒素、水蒸気）の粘性率が増加し、特に水蒸気の粘性率が３００℃を超えてから急激に増加する傾向を示している。

また、図４に示すように、燃料電池の発電に伴って燃料電池の温度も上昇することから、例えば特許文献１のように、外部への燃料ガスや空気ガスの漏洩や燃料ガスと空気ガスの混合を防ぐためにガラスシール（燃料極シール部材、空気極シール部材）を使用している場合には、燃料電池の温度の上昇に伴ってガラスシールが軟化し、シール破壊を生じるおそれがあった。

そこで、本発明は上記問題点に鑑みてなされたものであって、ガラスシールのシール破壊から燃料電池を保護することができる燃料電池評価装置を提供することを目的としている。

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

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

本発明の請求項３に記載された燃料電池評価装置は、請求項１の燃料電池評価装置において、
前記制御部にて前記単セルまたは前記セルスタックの入口圧力が設定圧力以上と判別し、前記温度センサにて検出した前記燃料電池の温度が前記ガラスシールのガラスの軟化点の温度以上のときに警報を出力する警報部とを備えたことを特徴とする。

本発明の請求項４に記載された燃料電池評価装置は、請求項２の燃料電池評価装置において、
前記制御部にて前記燃料電池の温度が前記ガラスシールのガラスの軟化点の温度以上と判別し、前記圧力センサにて検出した前記単セルまたは前記セルスタックの入口圧力が設定圧力以上のときに警報を出力する警報部とを備えたことを特徴とする。

本発明によれば、ガラスシールのシール破壊から燃料電池を保護することができる。また、燃料ガスと空気ガスのガス流量を制御したときの判別結果に基づいてガラスシールの耐久性の評価を行うことができ、その評価結果からガラスシールの脆弱部分を把握することができる。

本発明に係る燃料電池評価装置の概略構成を示す説明図である。（ａ）単セルの構成の一例を示す分解斜視図、（ｂ）ガラスシールの使用箇所を示す拡大図である。（ａ）セルスタックの構成の一例を示す分解斜視図、（ｂ）ガラスシールの使用箇所を示す拡大図である。電流と入口圧力の関係、電流と燃料電池の温度の関係を示す図である。各気体（水素、窒素、水蒸気）の温度と粘性率の関係を示す図である。

以下、本発明を実施するための形態について、添付した図面を参照しながら詳細に説明する。

図１に示すように、本実施の形態の燃料電池評価装置１は、燃料電池Ｗの性能を評価するものであり、電気炉２、ガス供給部３、温度センサ４、圧力センサ５、制御部６、警報部７を備えて概略構成される。

評価対象の燃料電池Ｗは、固体電解質を挟み込む燃料極と空気極の３層構造のセルを有する固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）からなる単セルやＳＯＦＣの単セルがセパレータを介して複数積層されたセルスタックで構成される。

燃料電池Ｗには、外部へのガス（燃料ガス、空気ガス）の漏れや異種ガス（燃料ガス、空気ガス）の混合を防ぐためにガラスシールが使用される。ガラスシールは、燃料電池Ｗにおいて、例えば燃料電池Ｗの電解質と筐体との間を封止する場合など、異なる部材が接触する箇所で使用される。

図２（ａ）は単セルの構成の一例を示す分解斜視図、図２（ｂ）はガラスシールの使用箇所を示す拡大図である。

図２（ａ）の単セルＷ１は、評価用ホルダ１１を用いて保持される。評価用ホルダ１１は、燃料ガスを均等に拡散するためのガス流路が形成された不図示の燃料ガス拡散板、燃料極側ガスシール１２、燃料極側集電体１３、単セルＷ１、空気極側集電体１４、空気極側ガスシール１５、空気ガスを均等に拡散するためのガス流路が形成された空気ガス拡散板１６を、燃料ガス導入管１７ａ及び燃料ガス排出管１７ｂを有する燃料極側マニホールド１７と空気ガス導入管１８ａ及び空気ガス排出管１８ｂを有する空気極側マニホールド１８の挟持方向（図２（ａ）の上下方向）に従って順に積層し、セラミックばね１９を挿入したセラミックねじ２０を空気極側マニホールド１８の挿通孔１８ｃ及び燃料極側マニホールド１７の挿通孔１７ｃに挿通してセラミックナット２１で締め付け、燃料極側マニホールド１７と空気極側マニホールド１８とを固定して組み立てる構成である。

図２（ａ）の構成では、図２（ｂ）に示すように、単セルＷ１のサイズよりガスシール（燃料極側ガスシール１２、空気極側ガスシール１５）のサイズを大きくし（例えば、角５０ｍｍサイズの単セルＷ１に対し、ガスシールの外枠角を５４ｍｍサイズにする）、ガスシールの表裏面にガラスシールとしてのガラスペーストを塗布する。この他、単セルＷ１の端部や側面に対し、ガラスシールとして、ガラスペーストを塗布したり、ガラスコーテイングする場合もある。

図３（ａ）はセルスタックの構成の一例を示す分解斜視図、図３（ｂ）はガラスシールの使用箇所を示す拡大図である。

図３（ａ）のセルスタックＷ２は、ガス導入管３１ａ及びガス排出管３１ｂを有する下マニホールド３１の上に、ガスシール３２、ガスを均等に拡散するためのガス流路３３ａが形成されたインターコネクタ（セパレータ）３３、ガスシール３２、集電体３４、単セルＷ１、集電体３４、ガスシール３２の順に積層され、ガス導入管及びガス排出管を有する不図示の上マニホールドと下マニホールド３１との間を不図示の固定手段（例えば、図２と同様のセラミックばねを挿通したセラミックねじ、セラミックナットなど）で固定して組み立てる構成である。すなわち、図３（ａ）のセルスタックＷ２は、複数の単セルＷ１が一対のガスシール３２と一対の集電体３４で挟み込まれてインターコネクタ（セパレータ）３３間に配置された構成である。なお、最上部（上マニホールドの直下）および最下部（下マニホールド３１の直上）に位置するインターコネクタ３３には、ガスを均等に拡散するためのガス流路３３ａだけでなく電流取り出し用のブスバー３３ｂと電圧線３３ｃが設けられる。

図３（ａ）の構成では、図３（ｂ）の点線で囲むインターコネクタ３３の外周端部付近にガラスシールを使用する。この他、ガスシール３２の外周端部付近、各単セルＷ１やセルスタックの側面にガラスシールを使用する場合もある。なお、ガラスシールは、使用前の常温においてペースト状やテープ状となっている。

上述した図２（ｂ）や図３（ｂ）に使用されるガラスシールとしては、例えばショット日本株式会社製の固体酸化物燃料電池用ガラスセラミックシール材（ＳＣＨＯＴＴＳＯＦＣ：封止ガラス）の低温（ＧＭ３１１０７）の封止ガラスがある。この封止ガラス（ＧＭ３１１０７）の物理的特性は、駆動温度：６５０－７５０℃、封止温度：７００℃、軟化点：５９２℃、転移点：５３４℃である。

なお、本実施の形態において、評価対象となる燃料電池Ｗは、ＳＯＦＣの単セルやセルスタックであって、外部へのガス漏れや異種ガスの混合を防ぐためのガラスシールが使用された構成であればよく、図２（ａ）や図３（ａ）の構成に限定されるものではない。

電気炉２は、一定温度（例えば７００～１０００℃であり、燃料電池Ｗの作動温度：８００℃前後）に制御される測定空間２ａが形成された断熱材の外側を矩形状の金属製のケースで覆った構成である。電気炉２の測定空間２ａには、評価対象の燃料電池Ｗが設置される。なお、図示はしないが、測定空間２ａに面する断熱材の内壁周面には、制御部６にて加熱制御されるヒータが設置される。

評価対象の燃料電池Ｗは、電気炉２の測定空間２ａに設置された状態でガスを供給するための配管４１が接続されるとともに未反応のガスを排出するための配管４２が接続される。

なお、図１の１本の太線で示される配管４１は、実際には、燃料ガスを燃料電池Ｗの燃料極に供給するための配管（例えば図２（ａ）の燃料ガス導入管１７ａに接続される配管）と、空気ガスを燃料電池Ｗの空気極に供給するための配管（例えば図２（ａ）の空気ガス導入管１８ａに接続される配管）との２本の配管で構成される。

また、図１の１本の太線で示される配管４２は、実際には、燃料電池Ｗの燃料極に供給された未反応の燃料ガスを排出するための配管（例えば図２（ａ）の燃料ガス排出管１７ｂに接続される配管）と、燃料電池Ｗの空気極に供給された未反応の空気ガスを排出するための配管（例えば図２（ａ）の空気ガス排出管１８ｂに接続される配管）との２本の配管で構成される。

ガス供給部３は、燃料電池Ｗの発電に必要なガス（燃料ガス、空気ガス）を配管４１を介して燃料電池Ｗに供給する。ガス供給部３は、制御部６の後述するガス流量制御手段６ｃにて燃料電池Ｗに供給されるガス（燃料ガス、空気ガス）の流量が制御される。

なお、図１では、ガス供給部３を１つのブロックで示しているが、実際には、燃料電池Ｗの燃料極に燃料ガスを供給するためのガス供給部と、燃料電池Ｗの空気極に空気ガスを供給するためのガス供給部で構成され、ガス流量制御手段６ｃにて個別にガスの流量が制御される。

温度センサ４は、例えば熱電対、サーミスタ、測温抵抗体などで構成され、燃料電池Ｗの所定箇所（例えば筐体部分）に配置される。温度センサ４は、燃料電池Ｗの温度（例えば筐体温度）を検出し、温度検出信号を制御部６に出力する。

圧力センサ５は、ガス供給部３と燃料電池Ｗとの間の配管４１の電気炉２に近接した位置に設けられ、燃料電池Ｗの燃料極側および空気極側の入口圧力を検出し、圧力検出信号を制御部６に出力する。

制御部６は、燃料電池Ｗの性能を評価するため、ガス供給部３、温度センサ４、圧力センサ５、警報部７を統括制御するものであり、判別手段６ａ、負荷制御手段６ｂ、ガス流量制御手段６ｃを備える。

判別手段６ａは、圧力センサ４からの圧力検出信号に基づく燃料電池Ｗの燃料極側および空気極側の少なくとも一方の入口圧力が設定圧力（例えば＋１ｋＰａ）以上か否かを判別する。

また、判別手段６ａは、別の態様として、温度センサ３からの温度検出信号に基づく燃料電池Ｗの温度がガラスシールのガラスの軟化点以上か否かを判別する。

負荷制御手段６ｂは、判別手段６ａにて燃料電池Ｗの燃料極側および空気極側の少なくとも一方の入口圧力が設定圧力以上と判別すると、燃料電池Ｗの温度（例えば筐体温度）がガラスシールのガラスの軟化点の温度以下になるように負荷の量（例えば電子負荷で掃引している電流値や出力値など）を制御する。

ガス流量制御手段６ｃは、通常の燃料電池Ｗの発電状態では、所定のガス流量となるようにガス供給部３を制御し、判別手段６ａにて燃料電池Ｗの温度がガラスシールのガラスの軟化点以上と判別すると、燃料電池Ｗの燃料極側および空気極側の入口圧力が設定圧力以下になるようにガス供給部３を制御する。

警報部７は、制御部６の判別手段６ａにて燃料電池Ｗの燃料極側および空気極側の少なくとも一方の入口圧力が設定圧力以上と判別し、燃料電池Ｗの温度がガラスシールのガラスの軟化点の温度以上のときに警報を出力する（例えば特定音や音声による警報出力など）。

また、警報部７は、別の態様として、制御部６の判別手段６ａにて燃料電池Ｗの温度がガラスシールのガラスの軟化点の温度以上と判別し、燃料電池Ｗの燃料極側および空気極側の少なくとも一方の入口圧力が設定圧力以上のときに警報を出力する（例えば特定音や音声による警報出力など）。

上記のように構成される燃料電池評価装置１により燃料電池Ｗの性能の評価を行う場合には、評価対象となる燃料電池Ｗを電気炉２の測定空間２ａに設置し、燃料電池Ｗに配管４１，４２を接続する。なお、燃料電池ＷがＳＯＦＣの場合には、燃料電池Ｗの設置後に所定の発電可能な状態とするためにＮｉＯをＮｉに還元する処理が施される。

そして、制御部６のガス流量制御手段６ｃにてガス供給部３が制御され、発電可能な状態の燃料電池Ｗに対して燃料極に燃料ガスが供給され、空気極に空気ガスが供給されると、温度センサ４が燃料電池Ｗの温度（例えば筐体温度）を検出して温度検出信号を制御部６に出力する。また、圧力センサ５が燃料電池Ｗの燃料極側および空気極側の入口圧力を検出して圧力検出信号を制御部６に出力する。

そして、制御部６の判別手段６ａは、圧力センサ４からの圧力検出信号に基づく燃料電池Ｗの燃料極側および空気極側の少なくとも一方の入口圧力が設定圧力（例えば＋１ｋＰａ）以上か否かを判別する。

また、制御部６の判別手段６ａは、温度センサ３からの温度検出信号に基づく燃料電池Ｗの温度（例えば筐体温度）がガラスシールのガラスの軟化点以上か否かを判別する。

そして、判別手段６ａにて燃料電池Ｗの燃料極側および空気極側の少なくとも一方の入口圧力が設定圧力以上と判別すると、燃料電池Ｗの温度（例えば筐体温度）がガラスシールのガラスの軟化点の温度以下になるように負荷制御手段６ｂが負荷の量（例えば電子負荷で掃引している電流値や出力値など）を制御する。

また、判別手段６ａにて燃料電池Ｗの温度（例えば筐体温度）がガラスシールのガラスの軟化点以上と判別すると、燃料電池Ｗの燃料極側および空気極側の入口圧力を設定圧力以下になるようにガス流量制御手段６ｃがガス供給部３を制御して燃料電池Ｗに供給されるガスの流量を減らす。

なお、判別手段６ａにて燃料電池Ｗの燃料極側および空気極側の少なくとも一方の入口圧力が設定圧力以上と判別し、燃料電池Ｗの温度（例えば筐体温度）がガラスシールのガラスの軟化点の温度以上になった場合には警報部７から警報を出力する。

また、判別手段６ａにて燃料電池Ｗの温度（例えば筐体温度）がガラスシールのガラスの軟化点の温度以上と判別し、燃料電池Ｗの燃料極側および空気極側の少なくとも一方の入口圧力が設定圧力以上になった場合には警報部７から警報を出力する。

このように、本実施の形態によれば、温度センサ４にて燃料電池Ｗの温度（例えば筐体温度）を検出し、圧力センサ５にて燃料電池Ｗの入口圧力を検出し、燃料電池Ｗの入口圧力が設定圧力以上のときに燃料電池Ｗの温度がガラスシールのガラスの軟化点の温度以下になるように負荷を制御し、燃料電池Ｗの入口圧力が設定圧力以上で燃料電池Ｗの温度がガラスシールのガラスの軟化点の温度以上のときには警報を出力する。また、燃料電池Ｗの温度がガラスシールのガラスの軟化点の温度以上のときに燃料電池Ｗの入口圧力が設定圧力以下になるようにガス流量を制御し、燃料電池Ｗの温度がガラスシールのガラスの軟化点の温度以上で燃料電池Ｗの入口圧力が設定圧力以上のときには警報を出力する。これにより、ガラスシールのシール破壊から燃料電池を保護することができる。また、燃料ガスと空気ガスのガス流量を制御したときの判別結果に基づいてガラスシールの耐久性の評価を行うことができ、その評価結果からガラスシールの脆弱部分を把握することができる。

以上、本発明に係る燃料電池評価装置の最良の形態について説明したが、この形態による記述及び図面により本発明が限定されることはない。すなわち、この形態に基づいて当業者等によりなされる他の形態、実施例及び運用技術などはすべて本発明の範疇に含まれることは勿論である。

１燃料電池評価装置
２電気炉
２ａ測定空間
２ｂヒータ
３ガス供給部
４温度センサ
５圧力センサ
６制御部
６ａ判別手段
６ｂヒータ制御手段
６ｃガス流量制御手段
７警報部
１１評価用ホルダ
１２燃料極側ガスシール
１３燃料極側集電体
１４空気極側集電体
１５空気極側ガスシール
１６空気ガス拡散板
１７燃料極側マニホールド
１７ａ燃料ガス導入管
１７ｂ燃料ガス排出管
１７ｃ挿通孔
１８空気極側マニホールド
１８ａ空気ガス導入管
１８ｂ空気ガス排出管
１８ｃ挿通孔
１９セラミックばね
２０セラミックねじ
２１セラミックナット
３１下マニホールド
３１ａガス導入管
３１ｂガス排出管
３２ガスシール
３３インターコネクタ（セパレータ）
３３ａガス流路
３３ｂブスバー
３３ｃ電圧線
３４集電体
４１，４２配管
Ｗ燃料電池
Ｗ１単セル
Ｗ２セルスタック

Claims

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。
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。
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。
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。