JP2018036018A

JP2018036018A - Ｓｏｆｃセル評価用電気炉

Info

Publication number: JP2018036018A
Application number: JP2016171155A
Authority: JP
Inventors: 直毅柳橋; Naoki Yanagibashi; 益博江川; Masuhiro Egawa
Original assignee: Chino Corp
Current assignee: Chino Corp
Priority date: 2016-09-01
Filing date: 2016-09-01
Publication date: 2018-03-08

Abstract

【課題】セルスタックを実際の使用形態で評価試験した際のセルスタックの積層面を可視的に捉えること。【解決手段】断熱材３の外面から内面にかけて徐々に拡径するテーパー孔である貫通孔３ａが、断熱材３の周方向に沿って等間隔に少なくとも４箇所以上設けられている。また、断熱材３が収容される筐体２には、貫通孔３ａと対向するように該孔３ａと同数の開孔２ａが形成されている。作業者は、複数の開孔２ａから観測機器を用いてセルスタック１０の積層面を観測することができる。【選択図】図１

Description

本発明は、固体酸化物形燃料電池（Solid Oxide Fuel Cell ：ＳＯＦＣ）のセルスタックの性能評価を行うＳＯＦＣセル評価用電気炉に関するものである。

近年、エネルギー変換効率が高く、二酸化炭素排出の大幅削減を期待できるとして、電気化学反応による発電方式を利用した発電装置である燃料電池が着目されている。燃料電池は、その電気化学反応と電解質の種類によって幾つかの方式に分けられるが、種々ある燃料電池の中でも、固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）は、特に発電能力の高さや環境への負担の少なさから次世代エネルギー供給源として期待され、実用化に向けた研究開発が進められている。

ＳＯＦＣを構成する最小単位のセル（単セル）は、酸素イオン伝導体からなる緻密構造の固体電解質と、この固体電解質の一方の面に形成された多孔質構造の空気極（カソード）と、該固体電解質の他方の面に形成された多孔質構造の燃料極（アノード）とから構成される。空気極上に供給された空気中の酸素は、電気化学的に還元されて酸素イオンとなり、電解質膜を経由して燃料極に到達すると、その酸素イオンは燃料極上に供給された水素等の燃料ガスを酸化して、外部負荷に電子を放出し、電気エネルギーが生成される。

また、ＳＯＦＣの単セルの評価試験を行う場合、下記特許文献１に開示される電気化学セル評価用ホルダにセルを収容し、この評価用ホルダを電気炉に設置して一定高温下（例えば、７００〜１０００℃）において、測定条件（例えば、電気炉内の雰囲気温度やセル部への電流値）を色々と変えながら評価試験が行われる。

特開２０１６−４６０４０号公報

ところで、ＳＯＦＣによる発電を行う場合、セル単体では数十Ｗ程度の出力しか得られないため、発電装置などに搭載してｋＷ級の大規模発電を行うには、セル、集電体、セパレータなどを一組としたセル部を複数積層して出力密度を高めたセルスタックを用いて発電する必要がある。

しかし、特許文献１の評価用ホルダにはセル部が一組しか収容できないため、電気炉内でセル部の表裏面の温度分布や表裏面の機械的損傷（クラック）などをリアルタイムで観測することは可能であるが、セルスタックには対応していない。よって、セルスタックの積層面（側面）の状態観測など、性能評価試験として実際の運用に則した状態で発生する様々な現象をリアルタイムに外部から観測することが望まれている。

そこで、本発明は、上記課題を鑑みてなされたものであり、複数枚のＳＯＦＣ用のセルをスタックしたセルスタックの性能評価試験を行った際に該スタックの状態を外部から可視的に観測可能なＳＯＦＣセル評価用電気炉を提供することを目的としている。

上記した目的を達成するため、本発明に係る第１の態様は、内周面にヒーターが巻回して配置され、燃料極と空気極との間に電解質を挟んで構成されるＳＯＦＣ用のセルを複数積層してなるセルスタックが収容される有底円筒形状の断熱材と、
前記断熱材が収容される筐体と、
を有するＳＯＦＣセル評価用電気炉であって、
前記断熱材には、外周面から内周面に向かって徐々に拡径するテーパー状の貫通孔が、収容される前記セルスタックを囲むように周方向に沿って少なくとも４箇所以上等間隔に形成され、
前記筐体には、観測機器による観測用の開孔が前記貫通孔の形成位置に合わせて対向して形成されていることを特徴とする、ＳＯＦＣ評価用電気炉である。

本発明によれば、セルスタックの積層面が観測可能なように該スタックを囲むように少なくとも４箇所以上の貫通孔が形成されているとともに、この貫通孔と対向して開孔が形成されているため、セルスタックの実用的な評価試験を行った際に、観測機器を用いてセルスタックの積層面を可視的に捉えることができる。

本発明に係るＳＯＦＣ評価用電気炉の概略斜視図である。同電気炉のＡ−Ａ概略断面図である。同電気炉のＢ−Ｂ概略断面図である。

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。なお、この実施の形態によりこの発明が限定されるものではなく、この形態に基づいて当業者などによりなされる実施可能な他の形態、実施例及び運用技術などは全て本発明の範疇に含まれる。

図１〜図３の何れかに示すように、本発明に係るＳＯＦＣセル評価用電気炉（以下、単に「電気炉」という）１は、筐体２内に収容される断熱材３の内周面にヒーター４が巻回され、断熱材３の底部３ｅにおける略中央部分には、試験体となるセルスタック１０を載置する台座５が配置されている。

試験体となるセルスタック１０は、例えばＹＳＺ／Ｎｉサーメットなどの燃料極と、例えば（Ｌａ，Ｓｒ）ＭｎＯ₃などの空気極との間に、例えばＹＳＺ（イットリア安定化ジルコニア）やＳｃＳＺ（スカンジア安定化ジルコニア）などの電解質を一体化して構成されたＳＯＦＣ用の単セルと、還元雰囲気で安定であるＮｉ網などで構成される燃料極用集電体と、高温で酸化しにくい貴金属である例えば金（Ａｕ）や白金（Ｐｔ）製の網などで構成される空気極用集電体と、空気ガスや燃料ガスの流路形成及び各ガスの分離を行う一対のセパレータ（インターコネクタ）を一組としたセル部を複数積層して構成される。

筐体２は、断熱材３を覆うように鋼材を有底円筒形状に成形した容器である。筐体２は、断熱材３の外周面との間隙に所定幅の空気層が形成されるように、断熱材３の直径よりも数ｃｍ程度径が大きくなっている。これにより、観測時に断熱材３と直接接触することがない。

また、筐体２の側面には、断熱材３の貫通孔３ａの外側径よりも大径の開孔２ａが、貫通孔３ａと対向する位置に同数形成されている。図２では、貫通孔３ａが８個形成されているため、それに合わせて開孔２ａも同数（８個）形成される。

断熱材３は、セラミックファイバーを有底円筒形状に成形した容器である。また、断熱材３の壁内には、全周に亘ってヒーター４を巻回するヒーター収納部３ｂ（図２中では上下に２段）が形成されている。断熱材３を円筒形状とすることで、温度精度に優れ、且つ均一加熱に適しており、精密な温度制御や温度勾配が可能となる。

また、断熱材３の上部には、同材料で成形された円形の蓋部３ｃが取り付けられている。この蓋部３ｃは、複数分割（本実施形態では２分割）され、断熱材３の上方の開口部分（セルスタック１０の取り出し口）に嵌合される。

また、蓋部３ｃの略中心部分には、台座５に設置したセルスタック１０に燃料ガスや空気ガスを内部に供給するためのガス供給管や、各ガスを排出するガス排出管などを炉外に表出させるための挿通孔３ｄが形成されている。

図２に示すように、断熱材３は、底部３ｅに設けた台座５に設置されるセルスタック１０の積層面（側面）が視認可能な位置となるように、貫通孔３ａが周方向に沿って複数形成されている。本実施形態では、断熱材３の周方向に沿って貫通孔３ａが等間隔に８つ成形され、断熱材３が円筒形状を成しているため、各貫通孔３ａから台座５に設置されたセルスタック１０までの観測距離が略同等となる。

このように、収容されるセルスタック１０を囲むように複数の貫通孔３ａを形成することで、評価試験を行った際に、セルスタック１０の積層状態を周方向全体に亘って観測することが可能となる。

この貫通孔３ａは、断熱材３の断熱効果を阻害しないようにするため、図３に示すように外面から内面にかけて徐々に拡径するテーパー孔となっている。このテーパーの角度は、観測時に使用する観測機器の画角に合わせて適宜成形すればよい。

本発明の電気炉１では、筐体２の開孔２ａと、空気層を介して対向配置される貫通孔３ａとが連続するように設けられている。つまり、開孔２ａから台座５に設置されるセルスタック１０までの間は、窓などの部材が存在せず連通しているため、作業者は、開孔２ａに、赤外線カメラやＸ線カメラなどの観測機器の撮像手段（レンズ）を位置合わせすることで、台座５に設置されるセルスタック１０の状態を直接観測することができる。

また、筐体２の側面には、炉内温度を計測、制御するための温度計（図示せず）を挿入する測温孔６が形成されている。図３では、電気炉１の炉内上部、下部にそれぞれ１つずつ形成されている。さらに、筐体２の側面には、例えばヒーター４の電源入力用端子などの端子群（図示せず）を覆う端子カバー７が設けられている。

台座５は、断熱材３と同素材（セラミックファイバー）で構成され、セルスタック１０の高さ寸法に合わせて高さ調整が適宜可能となっており、セルスタック１０の積層面の厚さに応じて、積層面の中央部分と貫通孔３ａの中心とが対向するように位置合わせすることができる。

そして、上述した電気炉１でセルスタック１０の観測を行う場合、まず蓋部３ｃを開いて台座５にセルスタック１０を設置し、セルスタック１０に燃料ガス及び空気ガスのガス導入管をそれぞれセットして蓋部３ｃを閉じて評価試験を開始する。

評価試験を開始されると、セルスタック１０の状態変化を観測するため、複数の開孔２ａから観測機器を用いてセルスタック１０の積層面を観測する。観測機器による観測方法としては、例えば必要な箇所に複数台の観測機器を配置して同時に観測する方法や、筐体２の周囲に機器移動用のレールを敷設して各貫通孔３ａの所定周期で順番に観測する方法などがある。

例えば、赤外線カメラで観測した際に、温度の高温変化部位が発見された場合、この変化部位がどのような状態で起こっているかを可視的に即座に捉えることで、異常発生時における原因究明を容易に行えるようになる。

以上説明したように、本発明に係る電気炉１は、断熱材３の周方向に沿って等間隔に複数のテーパー形状の貫通孔３ａが、台座５に設置されるセルスタック１０の周囲を囲むように形成されているため、セルスタック１０の評価試験を実施した際に、該スタック１０の積層面（側面）の状態を可視的に観測することができる。

また、貫通孔３ａ及び開孔２ａには、窓（石英窓やサファイア窓）が設けられておらず、開孔２ａからセルスタック１０まで連通しているため、試験体であるセルスタック１０を撮影する際に、窓材の赤外線透過特性などを考慮する必要がなく、直に撮影するだけでセルスタック１０の状態を観測することができる。

１…ＳＯＦＣ評価用電気炉
２…筐体（２ａ…開孔）
３…断熱材（３ａ…貫通孔、３ｂ…ヒーター収納部、３ｃ…蓋部、３ｄ…挿通孔、３ｅ…底部）
４…ヒーター
５…台座
６…測温孔
７…端子カバー
１０…セルスタック

Claims

内周面にヒータが巻回して配置され、燃料極と空気極との間に電解質を挟んで構成されるＳＯＦＣ用のセルを複数積層してなるセルスタックが収容される有底円筒形状の断熱材と、
前記断熱材が収容される筐体と、
を有するＳＯＦＣセル評価用電気炉であって、
前記断熱材には、外周面から内周面に向かって徐々に拡径するテーパー状の貫通孔が、収容される前記セルスタックを囲むように周方向に沿って等間隔に少なくとも４箇所以上形成され、
前記筐体には、前記貫通孔の形成位置に合わせて観測機器による観測用の開孔が対向して形成されていることを特徴とするＳＯＦＣセル評価用電気炉。