(57)【要約】【課題】  従来の非破壊検査装置は、Ｘ線回折応力測定装置が大掛かりなものとなるため、検査に場所をとり、また、高価なものとなる。また、固体酸化物型燃料電池の稼働中に、Ｘ線を常時照射し続けて異常を検出することは困難である。【解決手段】  非破壊検査装置は、波形発生器２１、圧電振動子２２、圧電変換子２４、波形分析器２３、解析手段および検出手段から成る。圧電変換子２４は、圧電振動子２２により発生したユニットセル１の振動を検出し、波形分析器２３へ出力する。有限要素ソフトは、ユニットセル１の固有振動数を解析する解析手段を構成している。有限要素ソフトがインストールされた電子計算機は、解析手段で解析された固有振動数と、圧電変換子２４および波形分析器２３によって測定された共振周波数とを比較して、試料の特性を同定することにより、試料の内部に生じる異常を検出する検出手段を構成している。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
空気を供給する空気極で生成されるイオンを電池燃料を供給する燃料極へ伝える電解質が前記燃料極および前記空気極間に設けられて構成される固体酸化物型燃料電池のユニットセルからなる試料に接触して前記試料を加振する加振手段と、
この加振手段によって前記試料に発生した共振振動の共振周波数を前記試料に接触して測定する測定手段と、
前記試料の固有振動数を解析する解析手段と、
この解析手段で解析された固有振動数と前記測定手段によって測定された共振周波数とを比較して前記試料の特性を同定することにより、前記試料の内部に生じる異常を検出する検出手段と
からなる固体酸化物型燃料電池の非破壊検査装置。
【請求項２】
前記試料は、複数の前記ユニットセルからなる固体酸化物型燃料電池のスタックであり、
前記加振手段は、前記試料の稼働中において、前記試料を加振することを特徴とする請求項１に記載の固体酸化物型燃料電池の非破壊検査装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、固体酸化物型燃料電池の内部に生じる異常を共振法を用いて非破壊的に検出する非破壊検査装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、この種の非破壊検査装置としては、例えば、特許文献１に開示されるようなＸ線回折を用いた応力測定方法などにより、試料中の残留応力を測定して試料内部の異常を検出するものがある。特許文献１に開示された応力測定方法では、窒化アルミニウム焼結体に特性Ｘ線を照射し、回折ピークの回折角度の変化を調べることにより、窒化アルミニウム焼結体の微少部の残留応力を、非破壊的にかつ正確に測定することを可能にしている。
【０００３】
また、従来、この種の非破壊検査装置としては、試料内部に亀裂などが発生したときに生じる弾性波をアコースティックエミッションを用いて検知することにより、試料内部の異常を非破壊的に検出するものもある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開平５−７９９２６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、特許文献１に開示されたＸ線回折を用いた上記従来の非破壊検査装置は、Ｘ線回折応力測定装置が大掛かりなものとなるため、検査に場所をとり、また、高価なものとなる。また、測定対象物の使用中、つまり、固体酸化物型燃料電池の稼働中に、Ｘ線を常時照射し続けて異常を検出することは困難である。また、高温下やガス雰囲気中ではＸ線回折応力測定装置が使用できないため、高温下やガス雰囲気中に置かれた試料の異常を検出することはできない。
【０００６】
また、上記従来のアコースティックエミッションを用いた非破壊検査装置は、アコースティックエミッションが受動的測定法であるため、試料に大きな異常が生じない限り異常の検知は難しく、試料の異常を早期に発見することが困難である。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明はこのような課題を解決するためになされたもので、
空気を供給する空気極で生成されるイオンを電池燃料を供給する燃料極へ伝える電解質が燃料極および空気極間に設けられて構成される固体酸化物型燃料電池のユニットセルからなる試料に接触して試料を加振する加振手段と、
この加振手段によって試料に発生した共振振動の共振周波数を試料に接触して測定する測定手段と、
試料の固有振動数を解析する解析手段と、
この解析手段で解析された固有振動数と測定手段によって測定された共振周波数とを比較して試料の特性を同定することにより、試料の内部に生じる異常を検出する検出手段と
を備えて、固体酸化物型燃料電池の非破壊検査装置を構成した。
【０００８】
この構成によれば、解析手段で解析された固有振動数と測定手段によって測定された共振周波数とを比較して試料の特性を同定することにより、試料の特性が既知である場合に、試料の内部に生じる異常、例えば、亀裂や剥離等の欠陥、残留応力や熱応力等の内部応力などを簡便に短時間で非破壊的に検出することができる。これらの欠陥や内部応力は、固体酸化物型燃料電池の性能低下や、破壊、事故の原因となる。
【０００９】
また、試料を超音波等を用いて加振することにより試料の特性を同定できるので、Ｘ線回折応力測定装置のように装置が大掛かりになることもなく、検査に場所をとらずにしかも安価に固体酸化物型燃料電池の非破壊検査を行うことができる。また、様々なサイズ、形状の試料について非破壊検査を行うことができる。また、Ｘ線を試料に常時照射することなく、単に試料を加振することで非破壊検査を行えるので、試料の稼働中においても、また、試料が高温下やガス雰囲気中に置かれていても、非破壊検査を行うことができる。
【００１０】
また、本発明は、試料が、複数のユニットセルからなる固体酸化物型燃料電池のスタックであり、加振手段が、試料の稼働中において、試料を加振することを特徴とする。
【００１１】
この構成によれば、複数のユニットセルからなる固体酸化物型燃料電池のスタックからなる試料を、その稼働中に加振手段によって加振することにより、試料の稼働中にその特性を同定することができる。このため、固体酸化物型燃料電池の稼働中においてその内部状態を常時監視することができ、その内部に生じる異常を早期に発見し、稼働中の固体酸化物型燃料電池が故障して停止に至る以前に対策を講じることが可能になる。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、上記のように、解析手段で解析された固有振動数と測定手段によって測定された共振周波数とを比較して試料の特性を同定することにより、試料の特性が既知である場合に、試料の内部に生じる異常を簡便に短時間で非破壊的に検出することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】（ａ）は、本発明の一実施の形態による非破壊検査装置で固体酸化物型燃料電池のユニットセルを検査する際の構成の概略を示す図、（ｂ）は、本発明の一実施の形態による非破壊検査装置で固体酸化物型燃料電池のスタック構造を検査する際の構成の概略を示す図である。
【図２】図１に示す固体酸化物型燃料電池のユニットセルの動作の概略を示す図である。
【図３】（ａ）は、図１に示す固体酸化物型燃料電池を構成する電解質の結晶構造、（ｂ）は、その電解質におけるイオン伝導機構の概略を示した図である。
【図４】図１に示す固体酸化物型燃料電池のユニットセルの有限要素ソフトを用いた固有値解析の結果を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
次に、本発明を実施するための形態について説明する。
【００１５】
図１（ａ）は、本発明の一実施の形態による非破壊検査装置の構成の概略を示す図である。本実施形態では、この非破壊検査装置は、固体酸化物型燃料電池を構成するユニットセル１の製品の非破壊検査に用いられ、ユニットセル１を試料とする。
【００１６】
非破壊検査装置は、波形発生器２１、圧電振動子２２、圧電変換子２４、波形分析器２３、並びに後述する解析手段および検出手段から成る。
【００１７】
波形発生器２１および圧電振動子２２は、ユニットセル１の試料に接触して試料を加振する加振手段を構成している。圧電振動子２２は、圧電材料からできており、波形発生器２１から出力される電気信号波形に従って振動し、接触するユニットセル１に振動を加える。圧電変換子２４は、圧電振動子２２により発生したユニットセル１の振動を検出し、圧電材料によりこの振動を電気信号に変換して波形分析器２３へ出力する。
【００１８】
波形分析器２３は、圧電変換子２４から入力した電気信号からユニットセル１の振動波形を検出する。そして、検出した試料の振動波形を自動的に記録する。圧電変換子２４および波形分析器２３は、加振手段によって試料に発生した共振振動の共振周波数を試料に接触して測定する測定手段を構成している。なお、試料の固有振動数と等しい周波数が試料に加えられた場合に、その振幅が大きくなって共鳴状態となり、共振周波数が測定される。なお、加速度センサを用いて試料の振動を検出する構成であってもよい。
【００１９】
上記の非破壊検査装置の測定対象物であるユニットセル１は、電池燃料を水素（Ｈ２）として供給する平板状の燃料極２と、空気を酸素（Ｏ２）として供給する平板状の空気極４と、この空気極４で生成される酸素イオン（Ｏ２−）を燃料極２へ伝える、燃料極２および空気極４間に設けられた平板状の電解質３とから構成される。電解質３は、後述する結晶構造をした、８mol％のイットリア（Ｙ２Ｏ３）が添加された安定化ジルコニア（ＺｒＯ２）から成る。燃料極２は、ニッケルや、ニッケルと安定化ジルコニアとの混合物であるサーメット等から成る。空気極４は、電子伝導性を持つＬａＭｎＯ３もしくはＬａＣoＯ３、または、これらのＬａの一部をＳｒ、Ｃａ等に置換したペロブスカイト型酸化物（ＬＳＭ）等から成る。
【００２０】
ユニットセル１では、図２に示すように空気極４に酸素（Ｏ２）が供給され、酸素（Ｏ２）は空気極４において電子（ｅ−）を受けとり、酸素イオン（Ｏ２−）にイオン化される。この酸素イオン（Ｏ２−）は、電解質３を経由して燃料極２に移動し、燃料極２に供給された電池燃料である水素（Ｈ２）と反応して、反応生成物（Ｈ２Ｏ）を生じ、電子（ｅ−）を放出する。負荷５は、この反応過程で発生した電力を消費する。
【００２１】
図３（ａ）は電解質３の結晶構造、同図（ｂ）は電解質３におけるイオン伝導機構の概略を示した図である。
【００２２】
電解質３を構成する安定化ジルコニアは、イットリア（Ｙ２Ｏ３）を添加物としてジルコニア（ＺｒＯ２）格子中に置換固溶した、Ｙ２Ｏ３とＺｒＯ２との複合酸化物からなる。この安定化ジルコニアの結晶構造は、同図（ａ）示すように、陽イオン（Ｚｒ４＋、Ｙ３＋）１１と陰イオン（Ｏ２−）１０とから成る立方晶の結晶構造をしている。
【００２３】
同図（ｂ）に示すように、イットリアをジルコニア格子中に置換固溶することにより、Ｙ３＋イオン１１ｂがＺｒ４＋イオン１１ａの一部を占めて、酸素イオン空孔１２が生成される。この酸素イオン空孔１２を介して酸素イオン（Ｏ２−）１０が動くことにより、固体酸化物型燃料電池において電力の供給を担うイオン伝導が行われる。
【００２４】
図４は、ユニットセル１の有限要素ソフト（MSC.Marc2005）を用いた固有値解析の結果を示すグラフである。
【００２５】
この解析では、ユニットセル１は、燃料極２が、厚さが１．５［ｍｍ］の、Ｎｉが添加されたイットリア添加ジルコニアNi−８YSZから成り、電解質３が、厚さが３０［μｍ］のイットリア添加ジルコニア８ＹＳＺから成り、空気極４が、厚さが２０［μｍ］のＬＳＭから成るものとしている。また、ユニットセル１のサイズは２７．５［ｍｍ］×２７．５［ｍｍ］であり、境界条件はユニットセル１の周辺の四端面を固定とした。ここで、有限要素ソフトおよびこれがインストールされる電子計算機は、ユニットセル１の試料の固有振動数を解析する解析手段を構成している。この解析手段により同図（ａ）および（ｂ）に示す解析結果が得られる。
【００２６】
同図（ａ）は、ユニットセル１の様々な固有振動モードにおける固有振動数を示したグラフである。同グラフの横軸は固有振動モードのモード数（Mode number）、縦軸は固有振動数（Resonant frequency）[ＫＨｚ]を示す。モード数は、振動面に形成される波の節の数を表している。例えば、モード数２Ｒ３は、振動面に振動の山および谷が２×３個形成されることを表している。ユニットセル１の振動モードは、基本的には一様薄板と同様の傾向を示す。同図（ａ）のグラフは、最低次の固有振動モード（１Ｒ１）の固有振動数が１１［ｋＨｚ］程度であり、面内の振動の節が多くなる高次の固有振動モードほど固有振動数が高くなることを示している。
【００２７】
同図（ｂ）は、同図（ａ）に示す固有振動モードのモード数が２Ｒ２の場合における、面内応力に対する固有振動数の変化を示した解析結果のグラフを示している。同グラフの横軸は、ユニットセル１の電解質３の中央面端部における面内応力（In-plane stress at edge）［ＭＰａ］、縦軸は、固有振動数（Resonant frequency）[ＫＨｚ]を示す。面内応力は、同グラフ中の特性線Ａ，Ｂ，Ｃ，ＤおよびＥに示すように、横軸の面内方向（In-plane direction）［mm］における両端部付近で、縦軸の応力（stress）［ＭＰａ］に示すように、応力が高くなっている。各プロットＡ，Ｂ，Ｃ，ＤおよびＥは、この端部における応力に対応する固有振動数を示している。また、負の値の面内応力は圧縮、正の値の面内応力は、引張の応力である。
【００２８】
同図（ｂ）のグラフに示すように、電解質３の面内応力が引張になるにつれて、固有振動数が上昇している。また、面内応力の１００［ＭＰａ］の変化に対して固有振動数が０．１［ｋＨｚ］程度変化しており、これは実際に十分測定可能なオーダーであり、固体酸化物型燃料電池のユニットセル１の応力評価に共振測定が有効であることを示している。
【００２９】
有限要素ソフトがインストールされた電子計算機は、解析手段で解析された固有振動数と、図１に示す圧電変換子２４および波形分析器２３からなる測定手段によって測定された共振周波数とを比較して、試料の特性を同定することにより、試料の内部に生じる異常を検出する検出手段を構成している。
【００３０】
このような本実施形態による非破壊検査装置では、逆解析的に試料の材料特性を求めることが可能であり、試料の特性が既知である場合、固有振動数や共振周波数から試料の形状誤差・初期欠陥・内部応力等が分かる。例えば、本実施形態による非破壊検査装置で検査された製品の共振振動数が、予め測定した正常な製品の共振振動数より大きい場合、引張応力が増大するにつれて共振振動数が大きくなる図４（ｂ）の解析結果から、検査製品の内部に引張応力が働いて異常があることが分かる。また、例えば、正常な製品の特定の固有振動モードの固有振動数に対応する共振周波数を製品に加えても、製品が共振しなくなった場合、この固有振動モードに対応する結晶構造に欠陥が生じていることなどが分かる。また、例えば、予め正常でない様々な大きさの製品の固有振動数を解析しておくことにより、製品検査時に製品の共振周波数を測定して、この共振周波数と解析しておいた様々な大きさの製品の固有振動数とを比較することにより、製品の大きさを同定できて、製品の形状誤差を検出することができる。また、例えば、図４（ｂ）のグラフの特性線Ａ〜Ｅに示す応力分布を備えたユニットセル１の固有振動数と、測定した製品の共振周波数とを比較することにより、製品の応力分布を同定でき、製品の応力の局所的な測定が可能となる。
【００３１】
このような本実施形態による固体酸化物型燃料電池の非破壊検査装置によれば、解析手段で解析された固有振動数と測定手段によって測定された共振周波数とを比較してユニットセル１の特性を同定することにより、ユニットセル１の特性が既知である場合に、ユニットセル１の内部に生じる異常、例えば、固体酸化物型燃料電池の性能低下や、破壊、事故の原因となる、亀裂や剥離等の欠陥、残留応力や熱応力等の内部応力などを簡便に短時間で非破壊的に検出することができる。
【００３２】
また、ユニットセル１を超音波等を用いて加振することによりユニットセル１の特性を同定できるので、Ｘ線回折応力測定装置のように装置が大掛かりになることもなく、検査に場所をとらずにしかも安価に固体酸化物型燃料電池の非破壊検査を行うことができる。また、様々なサイズ、形状のユニットセル１について非破壊検査を行うことができる。また、Ｘ線をユニットセル１に常時照射することなく、単にユニットセル１を加振することで非破壊検査を行えるので、ユニットセル１の稼働中においても、また、ユニットセル１が高温下やガス雰囲気中に置かれていても、非破壊検査を行うことができる。
【００３３】
図１（ｂ）は、図１（ａ）に示す複数のユニットセル１をインターコネクタ５によって直列接続した固体酸化物型燃料電池のスタック構造３１を、上述した非破壊検査装置で検査する際の構成の概略を示している。
【００３４】
スタック構造３１の振動を検出する圧電変換子２４は、スタック構造３１のインターコネクタ５に接触している。加振手段を構成している波形発生器２１および圧電振動子２２は、スタック構造３１の稼働中、すなわち固体酸化物型燃料電池の発電運転時において、このスタック構造３１を常時、または予め設定された所定の時間帯に加振する。波形分析器２３は、加振されたスタック構造３１の共振周波数を測定し、検出手段は、測定された共振周波数と、解析手段によって予め解析されたスタック構造３１の固有振動数や、正常なスタック構造３１の共振振動数とを比較し、スタック構造３１の内部のひびや内部応力等の異常を検出する。検出手段によって異常が検出された場合、電子計算機等の制御によって速やかに、警報音を出力したり、ランプを点灯して、または電子計算機の画面に異常状態を知らせる情報を表示して、スタック構造３１に異常が発生したことを報知する。なお、この報知において、内部応力の分布や応力の大きさ、引張応力または圧縮応力等の異常の種類を報知する構成であってもよい。
【００３５】
図（１）（ｂ）に示す固体酸化物型燃料電池の非破壊検査装置では、複数のユニットセル１からなる固体酸化物型燃料電池のスタック構造３１を、その稼働中に加振手段によって加振することにより、スタック構造３１の稼働中にその特性を同定することができる。このため、固体酸化物型燃料電池の稼働中においてその内部状態を常時監視することができ、その内部に生じる異常を早期に発見し、稼働中の固体酸化物型燃料電池が故障して停止に至る以前に対策を講じることが可能になる。
【符号の説明】
【００３６】
１…ユニットセル
２…燃料極
３…電解質
４…空気極
５…インターコネクタ
１０…酸素イオン
１１…陽イオン
１１ａ…Ｚｒ４＋イオン
１１ｂ…Ｙ３＋イオン
１２…酸素イオン空孔
２１…波形発生器
２２…圧電振動子
２３…波形分析器
２４…圧電変換子
３１…スタック構造
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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