(57)【要約】【課題】固体酸化物形燃料電池の単セルに生じたクラックがマイクロオーダーの微小なものであっても高精度に、且つ簡便に検出可能とすること。【解決手段】単セルＳ１を境にして第１ガス導入空間Ｅ１と第２ガス導入空間Ｅ２とが形成されるように空気極側ホルダ１１と燃料極側ホルダ１２との間にシール部材Ｓ２を介して単セルＳ１を挟持保持し、空気ガス導入空間Ｅ１の背圧よりも燃料ガス導入空間Ｅ２の背圧の方が高くなるように差圧を持たせて空気ガス給排気部２０から空気ガス導入空間Ｅ１に空気ガスを導入するとともに、燃料ガス給排気部３０から燃料ガス導入空間Ｅ２に燃料ガスを導入する。そして、制御部６０は、空気ガス給排気部２０から排気された気体から燃料ガスが検出されたことを示す信号をガス検出部４０から入力すると、単セルＳ１にクラックが発生していると判断する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料極と空気極との間に電解質を挟んで構成される固体酸化物形燃料電池用の単セルを評価するセル評価システムであって、
前記単セルを境に、前記単セルの前記空気極側に空気ガスを導入する空気ガス導入空間と、前記単セルの前記燃料極側に燃料ガスを導入する燃料ガス導入空間がそれぞれ形成されるように、シール部材を介して空気極側ホルダと燃料極側ホルダで前記単セルを挟持保持する保持部と、
前記単セルを発電に必要な作動温度まで加熱する加熱部と、
前記空気ガス導入空間に前記空気ガスを導入するとともに、前記空気ガス導入空間内の前記空気ガスを排気する空気ガス給排気部と、
前記燃料ガス導入空間の背圧が前記空気ガス導入空間の背圧よりも高くなるように、前記燃料ガス導入空間に前記燃料ガスを導入するとともに、前記燃料ガス導入空間内の前記燃料ガスを排気する燃料ガス給排気部と、
前記空気ガス給排気部から排気される前記空気ガス中に含まれる前記燃料ガスを検出し、その検出結果に基づく検出信号を出力するガス検出部と、
前記ガス検出部から出力された前記検出信号に基づいて前記単セルに生じたクラックの有無を判断する制御部と、
を備えたことを特徴とするセル評価システム。
【請求項２】
前記単セルの表面温度を検出する温度検出手段を備え、
前記ガス検出部は、前記燃料ガスのガス濃度を示す検出信号を出力する構成とし、
前記制御部は、前記ガス検出部から出力された前記検出信号と、前記温度検出手段で検出された温度情報とをプロットして前記単セルのクラック発生前後における温度とガス濃度との相関関係を示すセル評価データを作成することを特徴とする請求項１記載のセル評価システム。
【請求項３】
前記加熱部は、前記空気極側ホルダ及び前記燃料極側ホルダの側面に複数形成される挿入穴に挿入されるカートリッジ型ヒータであることを特徴とする請求項１又は２記載のセル評価システム。
【請求項４】
燃料極と空気極との間に電解質を挟んで構成される固体酸化物形燃料電池用の単セルを評価するセル評価方法であって、
前記単セルを境に、前記単セルの前記空気極側に空気ガスを導入する空気ガス導入空間と、前記単セルの前記燃料極側に燃料ガスを導入する燃料ガス導入空間がそれぞれ形成されるように、シール部材を介して空気極側ホルダと燃料極側ホルダで前記単セルを挟持保持するステップと、
前記単セルを発電に必要な作動温度まで加熱するステップと、
前記空気ガス導入空間に前記空気ガスを導入するとともに、前記空気ガス導入空間内の前記空気ガスを排気するステップと、
前記燃料ガス導入空間の背圧が前記空気ガス導入空間の背圧よりも高くなるように、前記燃料ガス導入空間に前記燃料ガスを導入するとともに、前記燃料ガス導入空間内の前記燃料ガスを排気するステップと、
前記空気ガス導入空間から排気される前記空気ガス中に含まれる前記燃料ガスを検出し、その検出結果に基づく検出信号を出力するステップと、
前記検出信号に基づいて前記単セルに生じたクラックの有無を判断するステップと、
を含むことを特徴とするセル評価方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、固体酸化物形燃料電池（Solid Oxide Fuel Cell ：ＳＯＦＣ）で使用する単セルの発電時における損傷過程を評価するセル評価システム及び方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来から、水素と酸素との電気化学反応を利用して発電を行う燃料電池の種類の１つである固体酸化物形燃料電池（以下、単に「ＳＯＦＣ」という）が知られている。
【０００３】
ＳＯＦＣは、一般に固体電解質の一方の面に燃料ガスを透過する燃料極と他方の面に空気ガスを透過する空気極とを有する複数の単セルをスタック状に積層し、固体電解質を隔壁として燃料極に燃料ガスを供給しつつ空気極に空気ガス（酸素を含有するガス）を供給しながら例えば７００〜１０００℃程度の作動温度で作動させる。このように作動させることで、空気極側から燃料極側への電解質膜を介した酸化物イオンの移動に伴って、一対の電極間に起電力が発生する。
【０００４】
ところで、ＳＯＦＣで使用される単セルは、作動温度が高温のため起動時から作動温度に達するまでの時間を短縮させようと急速に昇温又は降温すると、温度変化に追従できず物理的変形により亀裂（クラック）が生じることがある。このため、昇温／降温動作における温度変化やセル表面の温度分布における単セルのクラック発生メカニズムを定量的に評価したいという要望がある。
【０００５】
下記特許文献１には、発電時における単セルの損傷過程を検出する手法としてアコースティックエミッション法（ＡＥ法）を用いて検出することについて記載されている。ＡＥ方とは、被検査体が変形或いはクラックが生じた際に、物体に蓄えられた歪みが弾性エネルギーとして解放され発生した弾性波（アコースティックエミッション波：ＡＥ波）を検出する受動的な手法であり、温度変化などの変形要因によって生じた単セルのクラックの有無を判断することができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【非特許文献１】「固体酸化物燃料電池における損傷過程の可視化」  日本機械学会論文集（Ａ編）  ７６巻７６２号（２０１０- ２）  ９７頁〜１０６頁
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
非特許文献１では、単セルに生じたクラックにより発生するＡＥ波を測定するため、セラミック管の外面に広帯域圧電型トランスディーサ（ＡＥセンサ）を取り付けているが、単セルとセラミック管とのサイズ関係や検査環境などに応じてＡＥセンサの最適な設置位置が異なるため、ＡＥセンサの適切な設置位置を判断するにはある程度の熟練度が必要となる。
【０００８】
また、ＡＥセンサは、被検査体で発生したアコースティックエミッションを検出するため超音波帯域（数１０ｋＨｚ〜数ＭＨｚ）の信号取得に有効な感度を備えている。そのため、周囲のバックグラウンドノイズ（雑音成分）の影響を受けやすく、セルに生じたクラックを起因とする信号（ＡＥ波）とこれ以外の信号（例えばシール部材の熱膨張による破損を起因とするＡＥ波）とを分類するのが難しい。特に、単セルに生じたクラックがマイクロオーダーの微小なサイズの場合、クラック発生時のＡＥ波が非常に微弱なため、正確にクラックを検出するのは非常に困難となる。
【０００９】
また、クラック検出方法の他のアプローチとしてセル電圧を観測する方法が挙げられる。通常、単セルにクラックが生じるとクラックの影響によりセル電圧が低下する挙動を示すが、マイクロオーダーの微小なクラックが発生したとしてもセル電圧に顕著な変化が現れないため、セル電圧を観察するだけでは微小なクラックを正確に検出することができなかった。
【００１０】
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、作業者の熟練度に因らず発電状態の単セルに生じたクラックがマイクロオーダーの微小なものであっても高精度に、且つ簡便にクラックの有無を検出して温度とクラックとの関係を定量的に評価することができるセル評価システム及び方法を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記目的を達成するため、本発明に係る第１の態様は、燃料極と空気極との間に電解質を挟んで構成される固体酸化物形燃料電池用の単セルを評価するセル評価システムであって、
前記単セルを境に、前記単セルの前記空気極側に空気ガスを導入する空気ガス導入空間と、前記単セルの前記燃料極側に燃料ガスを導入する燃料ガス導入空間がそれぞれ形成されるように、シール部材を介して空気極側ホルダと燃料極側ホルダで前記単セルを挟持保持する保持部と、
前記単セルを発電に必要な作動温度まで加熱する加熱部と、
前記空気ガス導入空間に前記空気ガスを導入するとともに、前記空気ガス導入空間内の前記空気ガスを排気する空気ガス給排気部と、
前記燃料ガス導入空間の背圧が前記空気ガス導入空間の背圧よりも高くなるように、前記燃料ガス導入空間に前記燃料ガスを導入するとともに、前記燃料ガス導入空間内の前記燃料ガスを排気する燃料ガス給排気部と、
前記空気ガス給排気部から排気される前記空気ガス中に含まれる前記燃料ガスを検出し、その検出結果に基づく検出信号を出力するガス検出部と、
前記ガス検出部から出力された前記検出信号に基づいて前記単セルに生じたクラックの有無を判断する制御部と、
を備えたことを特徴とする、セル評価システムである。
【００１２】
本発明の第２の態様は、第１の態様に係るセル評価システムにおいて、前記単セルの表面温度を検出する温度検出手段を備え、
前記ガス検出部は、前記燃料ガスのガス濃度を示す検出信号を出力する構成とし、
前記制御部は、前記ガス検出部から出力された前記検出信号と、前記温度検出手段で検出された温度情報とをプロットして前記単セルのクラック発生前後における温度とガス濃度との相関関係を示すセル評価データを作成することを特徴とする、セル評価システムである。
【００１３】
本発明の第３の態様は、第１の態様又は第２の態様に係るセル評価システムにおいて、前記加熱部は、前記空気極側ホルダ及び前記燃料極側ホルダの側面に複数形成される挿入穴に挿入されるカートリッジ型ヒータであることを特徴とする、セル評価システムである。
【００１４】
本発明の第４の態様は、燃料極と空気極との間に電解質を挟んで構成される固体酸化物形燃料電池用の単セルを評価するセル評価方法であって、
前記単セルを境に、前記単セルの前記空気極側に空気ガスを導入する空気ガス導入空間と、前記単セルの前記燃料極側に燃料ガスを導入する燃料ガス導入空間がそれぞれ形成されるように、シール部材を介して空気極側ホルダと燃料極側ホルダで前記単セルを挟持保持するステップと、
前記単セルを発電に必要な作動温度まで加熱するステップと、
前記空気ガス導入空間に前記空気ガスを導入するとともに、前記空気ガス導入空間内の前記空気ガスを排気するステップと、
前記燃料ガス導入空間の背圧が前記空気ガス導入空間の背圧よりも高くなるように、前記燃料ガス導入空間に前記燃料ガスを導入するとともに、前記燃料ガス導入空間内の前記燃料ガスを排気するステップと、
前記空気ガス導入空間から排気される前記空気ガス中に含まれる前記燃料ガスを検出し、その検出結果に基づく検出信号を出力するステップと、
前記検出信号に基づいて前記単セルに生じたクラックの有無を判断するステップと、
を含むことを特徴とする、セル評価方法である。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、単セルを境に形成された空気ガス導入空間と燃料ガス導入空間にそれぞれ空気ガスと燃料ガスを導入し、空気ガス導入空間から排気された気体成分から燃料ガスが検出されたときにクラックが発生していると判断している。これにより、空気ガス中に燃料ガスが含まれているか否かで単セルにクラックが発生しているか否かの判断が可能となるため、クラック検出にあたり特別な技術や熟練度が必要なく、発電中における単セルに発生したマイクロオーダーの微小なクラックも高精度に検出することができる。
【００１６】
また、温度検出手段で測定した単セル表面の温度と、空気ガス導入空間内に含有される燃料ガスのガス濃度との相関関係をプロットしたセル評価データが作成可能なため、発電時の昇温に伴って発生した単セルのクラックの成長過程を定量的に評価することができる。
【００１７】
さらに、加熱部を複数本のカートリッジ型ヒータで構成して空気極側ホルダや燃料極側ホルダに形成した挿入穴にそれぞれ挿入してセル部を上下方向から加熱させることができるため、電気炉のように空間全体を加熱させるよりも効率的に作動温度まで昇温可能となり、加熱時間を大幅に短縮させることができる。また、ヒータを複数本で構成しているため、単セルにおけるセル表面の温度を部分的に制御することができ、温度変化による単セルのクラックの発生メカニズムや、昇温／降温に伴うクラックの成長過程を観察しながら単セルの性能評価が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】本発明に係るセル評価システムの構成を示す概略構成図である。
【図２】同システムにおける保持部を収容容器に収容した状態を示す概略構成図である。
【図３】発電状態においてクラックが発生した単セル表面の温度と燃料ガスである水素濃度との相関関係を示したセル評価データの一例を示すグラフである。
【図４】発電状態においてクラックが発生した単セル表面の温度と燃料ガスである水素濃度との相関関係を示したセル評価データの他の例を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
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。
【００２０】
なお、本明細書に添付する図面は、図示と理解のしやすさの便宜上、適宜縮尺、縦横の寸法比、形状などについて、実物から変更し模式的に表現される場合があるが、あくまで一例であって、本発明の解釈を限定するものではない。従って、添付した図面を用いて説明する実施の形態により、本発明が限定されず、この形態に基づいて当業者などにより考え得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ものとする。
【００２１】
また、本明細書において、添付する各図を参照した以下の説明において、方向乃至位置を示すために上、下、左、右の語を使用した場合、これはユーザが各図を図示の通りに見た場合の上、下、左、右に一致する。
【００２２】
［システム構成］
まず、本発明に係るセル評価システムの構成について説明する。
本実施形態のセル評価システム１は、ＳＯＦＣのセル部Ｓを構成する単セルＳ１を被検査対象とし、発電時に使用する２種類のガス（燃料ガス、空気ガス）を用いてクラックから漏洩した一方のガス（燃料ガス）が他方のガス（空気ガス）中に含まれているか否かの検出結果に基づき、クラックの有無の判断や温度変化を起因とするクラックの成長過程を定量的に評価するシステムである。
【００２３】
よって、本発明のシステムにおいて単セルＳ１に発生するクラックは、単セルＳ１の表面（空気極）側から裏面（燃料極）側にかけて連続して形成されガスが漏洩可能な程度の損傷度合いとし、単セルＳ１の表面にのみ形成された損傷や単セルＳ１の表面から裏面にまで到達せずに内部で留まっているような損傷は検出対象外となる。本実施形態では、図１や図２に示すように単セルＳ１に形成されたクラックを太折れ線で模式的に示している。
【００２４】
図１に示すように、本実施形態のセル評価システム１は、単セルＳ１を含むセル部Ｓを構成する各部品を挟持保持する保持部１０と、第１のガスである空気ガスを保持部１０に供給／排気する空気ガス給排気部２０と、第２のガスである燃料ガスを保持部１０に供給／排気する燃料ガス給排気部３０と、燃料ガスを空気ガス給排気部２０側で検出するガス検出部４０と、発電時にセル部Ｓを所定の作動温度まで加熱する加熱部５０と、単セルＳ１にクラックが発生しているか否かの判断や各部の駆動制御を行う制御部６０とで構成されている。
【００２５】
＜セル部＞
セル部Ｓは、単セルＳ１と、一対のシール部材Ｓ２と、空気極用集電体Ｓ３と、燃料極用集電体Ｓ４とで構成され、保持部１０によって挟持保持される部材である。
【００２６】
単セルＳ１は、例えばＹＳＺ／Ｎｉサーメットなどの燃料極（アノード）と、例えば（Ｌａ，Ｓｒ）ＭｎＯ3 などの空気極（カソード）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る。なお、単セルＳ１の構成は、従来公知の形態であれば上記材料に限定されない。
【００２７】
一対のシール部材Ｓ２は、ガス漏洩防止用として単セルＳ１の外周縁部を挟んで対向配置され、弾力性を有するセラミックス（例えば、バーミキュライト、マイカ、アルミナファイバーなど）やガラスＯ−リングからなる。
【００２８】
空気極用集電体Ｓ３は、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。また、燃料極用集電体Ｓ４は、還元雰囲気で安定であるＮｉ網などで構成される。空気極用集電体Ｓ３や燃料極用集電体Ｓ４に形成される開口形状は、発電効率を考慮してガスの流れが最適となるように設計される。よって、単セルＳ１の性能評価を行う場合は、各集電体Ｓ３、Ｓ４の開口形状の異なるものを複数種類用意するのが好ましい。
【００２９】
＜保持部＞
保持部１０は、一対の挟持部材として機能する空気極側ホルダ１１と燃料極側ホルダ１２との間にセル部Ｓを挟持保持した状態で固定部材１３により締結固定して組み立てる構成である。図１において、セル部Ｓは、上方からシール部材Ｓ２、空気極用集電体Ｓ３、単セルＳ１、シール部材Ｓ２、燃料極用集電体Ｓ４の順に積層される。
【００３０】
空気極側ホルダ１１は空気ガス給排気部２０側に配置され、燃料極側ホルダ１２は、燃料ガス給排気部３０側に配置される。図１において、空気極側ホルダ１１はセル部Ｓよりも上方、燃料極側ホルダ１２は下方に配置され、シール部材Ｓ２を介在させた状態で単セルＳ１を空気極側ホルダ１１と燃料極側ホルダ１２との間で挟持保持する。
【００３１】
これにより、図１に示すように、保持部１０によって保持された単セルＳ１を境とし、単セルＳ１の空気極側には空気ガス導入空間Ｅ１が形成され、単セルＳ１の燃料極側には燃料ガス導入空間Ｅ２が形成される。そして、空気ガス導入空間Ｅ１には空気極用集電体Ｓ３が収容され、燃料ガス導入空間Ｅ２には燃料極用集電体Ｓ４が収容される。
【００３２】
この空気ガス導入空間Ｅ１、燃料ガス導入空間Ｅ２は、単セルＳ１を隔壁としてシール部材Ｓ２により各空間の気密性が確保されているため、外部へのガス漏洩や外気の進入はなく、また単セルＳ１にクラックが発生していない状態において一方の空間（例えば空気ガス導入空間Ｅ１）側から他方の空間（例えば燃料ガス導入空間Ｅ２）側にガス漏洩することもない。
【００３３】
空気極側ホルダ１１は、その側面に空気ガスを空気ガス導入空間Ｅ１に導入する空気ガス導入口１１ａと、空気ガス導入空間Ｅ１に導入された空気ガスを外部に排気する空気ガス排気口１１ｂが形成され、セル部Ｓを挟持する挟持部材として機能するとともに空気ガスの供給／排気を行うマニホールドの機能も有する。
【００３４】
空気ガス導入口１１ａから導入された空気ガスは、空気極側ホルダ１１の単セルＳ１側の面において空気ガス導入口１１ａと連通するように形成されたガス流入口（不図示）から空気ガス導入空間Ｅ１内に導入される。また、空気極側ホルダ１１におけるガス流入口近傍に空気ガス排気口１１ｂと連通するようにガス流出口（不図示）が形成され、このガス流出口から空気ガス導入空間Ｅ１内の空気ガスが排気される。
【００３５】
燃料極側ホルダ１２は、その側面に燃料ガスを燃料ガス導入空間Ｅ２に導入する燃料ガス導入口１２ａと、燃料ガス導入空間Ｅ２に導入された燃料ガスを外部に排気する燃料ガス排気口１２ｂが形成され、セル部Ｓを挟持する挟持部材として機能するとともに燃料ガスの供給／排気を行うマニホールドの機能も有する。
【００３６】
燃料ガス導入口１２ａから導入された燃料ガスは、燃料極側ホルダ１２の単セルＳ１側の面において燃料ガス導入口１２ａと連通するように形成されたガス流入口（不図示）から燃料ガス導入空間Ｅ２内に導入される。また、燃料極側ホルダ１２におけるガス流入口近傍には燃料ガス排気口１２ｂと連通するようにガス流出口（不図示）が形成され、このガス流出口から燃料ガス導入空間Ｅ２内の燃料ガスが排気される。
【００３７】
固定部材１３は、耐熱性を有するアルミナ製のボルトと、ボルトと螺合するアルミナ製のナットと、雰囲気温度による熱膨張などの影響を吸収するためのセラミックバネとで構成されている。保持部１０は、空気極側ホルダ１１と燃料極側ホルダ１２とを突き合わせてセル部Ｓを挟持させた状態でボルトにセラミックバネを介在させてナットで締付固定して組み立てられる。
【００３８】
＜空気ガス給排気部＞
空気ガス給排気部２０は、保持部１０に保持された単セルＳ１を境に形成される空気ガス導入空間Ｅ１に空気ガス供給源Ｇ１から空気ガス（例えば酸素（Ｏ2 ）、空気のような酸素を含有するガス）を導入する空気ガス導入手段２１と、空気ガス導入空間Ｅ１内に充満する空気ガスを外部に排気する空気ガス排気手段２２とで構成される。空気ガス導入手段２１は、空気ガス導入口１１ａと接続され、空気ガス排気手段２２は、空気ガス排気口１１ｂと接続される。
【００３９】
空気ガス給排気部２０は、制御部６０の制御により、図示しない給排気ポンプや開閉弁などを制御しながら空気ガスの流量制御（単位時間あたりの供給量及び排気量の制御）が行われる。
【００４０】
＜燃料ガス給排気部＞
燃料ガス給排気部３０は、保持部１０に保持された単セルＳ１を境に形成される燃料ガス導入空間Ｅ２に燃料ガス供給源Ｇ２から燃料ガス（例えば水素（Ｈ2 ）、一酸化炭素（ＣＯ）、炭化水素）を導入する燃料ガス導入手段３１と、燃料ガス導入空間Ｅ２内に充満する燃料ガスを外部に排気する燃料ガス排気手段３２とで構成される。燃料ガス導入手段３１は、燃料ガス導入口１２ａと接続され、燃料ガス排気手段３２は、燃料ガス排気口１２ｂと接続される。また、燃料ガス給排気部３０は、保持部１０に供給される燃料ガスを所定の露点温度となるように加湿する加湿手段３３を備えている。
【００４１】
燃料ガス給排気部３０は、制御部６０の制御により、図示しない給排気ポンプや開閉弁などを制御しながら燃料ガスの流量制御（単位時間あたりの供給量及び排気量の制御）や加湿手段３３の露点制御などが行われる。
【００４２】
燃料ガス給排気部３０は、燃料ガス排気手段３２の背圧が空気ガス排気手段２２の背圧よりも所定圧（例えば１〜２ｋＰａ）だけ高くなるように設定されている。つまり、空気ガス導入空間Ｅ１内の圧力と燃料ガス導入空間Ｅ２内の圧力に差圧が生じるように、燃料ガス導入空間Ｅ２内の圧力を空気ガス導入空間Ｅ１内の圧力よりも高くしている。
【００４３】
これにより、単セルＳ１にクラックが生じている場合に、燃料ガス導入空間Ｅ２に充満している燃料ガスを空気ガス導入空間Ｅ１に漏洩させることができる。また、燃料ガスとして水素を使用し、空気ガスとして酸素を使用した場合、水素の方が酸素よりも分子量が小さいためクラックから漏洩しやすくなり、微小なクラックをより高精度に検出することが可能となる。
【００４４】
＜ガス検出部＞
ガス検出部４０は、単セルＳ１に生じたクラックから空気ガス導入空間Ｅ１に漏洩した燃料ガスを検出するためのガス検出装置で構成され、空気ガス排気手段２２の流路上に配置される。ガス検出部４０は、空気ガス排気手段２２で排気される気体から検出対象となる燃料ガスを検出し、空気ガス導入空間Ｅ１中の雰囲気に存在するか否かを示す信号や、燃料ガスのガス濃度を示す信号を検出信号として制御部６０に出力する。ガス検出部４０による燃料ガスの検出タイミングや検出信号の出力タイミングは任意に設定可能であるが、セル評価中は常時検出及び出力可能な状態に設定するのが好ましい。
【００４５】
ガス検出部４０の構成としては、例えば周知のガスセンサを使用することができ、検出対象となる燃料ガスの成分に応じて適宜選択可能である。
例えば、水素を燃料ガスとして使用した場合は水素センサを用いることができる。水素センサの検出原理として定電位電界式又は熱伝導方式が知られており、定電位電界式は非常に高感度で燃料ガスが検出可能なため、空気ガス導入空間Ｅ１内に燃料ガスが含まれているか否かを判定する簡易的なクラック検出を行う際に適し、熱伝導方式は空気ガス導入空間Ｅ１内に含まれる燃料ガスを１００ｖｏｌ％のガス濃度まで検出可能なため、クラックの成長過程などの詳細なセル評価データを作成する場合に適している。
【００４６】
また、ガス検出部４０は、周知のガスセンサの他、空気ガス排気手段２２から採取した気体を分析して検出対象となる燃料ガスの成分を特定するガスクロマトグラフィーを用いることもできる。
【００４７】
＜加熱部＞
加熱部５０は、保持部１０に内挿されるカートリッジ型ヒータや保持部１０を収容した状態で加熱させる電気炉などの加熱機器で構成される。
【００４８】
本実施形態の加熱部５０は、図２に示すように複数の挿入穴１１ｃ、１２ｃを空気極側ホルダ１１と燃料極側ホルダ１２との側面にそれぞれ設け、この挿入穴１１ｃ、１２ｃに円筒形状のカートリッジ型ヒータを複数本挿入する構成である。
【００４９】
カートリッジ型ヒータを採用する利点としては、単セルＳ１におけるセル表面の温度を部分的に制御することができるため、温度変化における単セルＳ１のクラックの発生メカニズムや、昇温／降温に伴うクラックの成長過程を観察しながら単セルＳ１の性能評価が可能である。また、セル部Ｓの上下がヒータによって囲まれるため、電気炉と比べて作動温度に到達するまでの時間を格段に短縮することが可能である。
【００５０】
発電時に加熱部５０で保持部１０を加熱するにあたり、加熱効率を高めるという観点から筐体全体を断熱材で形成した収容容器１００内に保持部１０を収容した状態で加熱するのが好ましい。図２に示すように、収容容器１００の両側面には開口１０１が形成されており、仕切部材１０２を用いて開口１０１の一方又は両方を適宜開口／閉口させることで、容器内部の温度状況を適宜可変させることができる。さらに、容器内の熱循環を促すために開口１０１からブロワーなどの送風手段１０３を用いることもできる。この送風手段１０３の風量／風向制御は制御部６０が行う。
【００５１】
＜制御部＞
制御部６０は、例えばＣＰＵやＲＯＭ，ＲＡＭなどの各種ハードウェアで構成され、セル評価システム１を構成する各部の駆動制御や演算処理を行う。
【００５２】
また、制御部６０は、加熱部５０の温度制御を行う。制御部６０による加熱部５０の温度制御としては、例えば加熱部５０が複数のカートリッジ型ヒータで構成されている場合、単セルＳ１のセル表面温度が所望の温度分布となるように複数あるヒータを適宜駆動制御すればよい。
【００５３】
さらに、制御部６０は、ガス検出部４０から出力された検出信号に基づいて単セルＳ１にクラックが生じているか否かの判断をしている。つまり、クラック有無の判断処理は、ガス検出部４０から濃度に関係なく燃料ガスを検出したことを示す検出信号が出力されたときにクラック有りと判断する。そして、クラックの有無を判断した結果を作業員が操作する外部の端末装置（ＰＣ、スマートフォン、タブレット端末など）に、周知の通信ネットワーク（ＬＡＮなどのローカル通信網、携帯キャリアの移動体通信網、インターネット網など）を介して送信する。
なお、制御部６０で判断した判断結果を、図示しない外部記憶装置（ＨＤＤ、ＳＤカード、フラッシュＵＳＢメモリなど）に記憶させる構成とし、作業員が外部記憶装置から記録したデータを取り出すようにしてもよい。
【００５４】
また、制御部６０は、ガス検出部４０で検出されたガス濃度と、加熱部５０の温度情報とをプロットしてクラックの成長過程をガス濃度と温度との相関関係から定量的に評価するためのセル評価データを作成する。作成されたセル評価データは、周知の通信ネットワークを介して外部の端末装置に送信する。セル評価データは、図示しない外部記憶装置に記憶させるようにすることもできる。なお、セル評価データを作成する際の温度データは、熱電対などの温度センサで構成される温度検出手段７０によって単セルＳ１の表面温度を測定する。
【００５５】
図３は、縦軸を燃料ガスである水素のガス濃度とし、横軸を加熱部５０によるセル面内の温度差としてガス濃度と温度差との相関関係を示したセル評価データの一例を示すグラフである。図３に示すように、単セルＳ１を温度差が２０℃からカートリッジヒータを調整して、温度差を大きくしていった際に１５０℃付近を過ぎたあたりで水素濃度が急激に上昇していることが確認された。これは、温度差に伴って単セルＳ１に発生したクラックから漏洩した水素が検出されていることを示している。つまり、本システムを採用すると、温度差により発生したクラックを通過した水素が空気ガス導入空間Ｅ１に漏洩していることが確認できるため、クラックの有無を容易に判断することができる。
【００５６】
図４は、縦軸を燃料ガスである水素のガス濃度とし、横軸を加熱部５０によるセル面内の温度差としてクラックの成長過程を示したセル評価データの一例を示すグラフである。図４に示すように、単セルＳ１の温度差が１００℃付近でクラックが発生し、このクラックから水素が漏洩していることが検出された。また、一度水素から窒素に切り替え、１５０℃付近でもう一度水素に切り替えるとより多くの水素が検出された。これは、温度差を大きくするに伴ってクラックが成長して拡大し、水素の漏洩量が増してガス濃度が上昇したことを示している。よって、本システムを採用すると、セル面内の温度差を起因とするクラックの成長過程を定量的に評価することが可能となる。
【００５７】
［処理動作］
次に、上述したセル評価システム１の処理動作について説明する。
ここでは、ガス検出部４０が空気ガス導入空間Ｅ１中に燃料ガスが含まれているか否かによって単セルＳ１にクラックの有無を判断するとともに、クラックが検出された際の温度とガス濃度の相関関係を示すセル評価データを作成するまでの処理である。
【００５８】
まず、単セルＳ１を含むセル部Ｓが挟持されるように空気極側ホルダ１１と燃料極側ホルダ１２との間に一対のシール部材Ｓ２を介在させた状態で配置して固定部材１３で締結固定する。また、単セルＳ１を境に形成される空気ガス導入空間Ｅ１には空気極用集電体Ｓ３が、燃料ガス導入空間Ｅ２には燃料極用集電体Ｓ４がそれぞれ収容される。
【００５９】
次に、発電動作を実施する。発電動作では、加熱部５０を制御して加熱を開始し、空気ガス給排気部２０から空気ガスを導入するとともに、燃料ガス給排気部３０から燃料ガスを導入する。これにより、空気ガス導入空間Ｅ１には空気ガスが、燃料ガス導入空間Ｅ２には燃料ガスがそれぞれ導入される。
【００６０】
次に、発電状態においてガス検出部４０による燃料ガスの検出を行う。
このとき、単セルＳ１にクラックが生じていない場合は、クラックから燃料ガスが漏洩しないため、ガス検出部４０で燃料ガスが検出されない。よって、ガス検出部４０は、燃料ガス不検出を示す検出信号を制御部６０に出力する。
一方、単セルＳ１にクラックが発生している場合は、このクラックから燃料ガスが空気ガス導入空間Ｅ１側へと漏洩するため、ガス検出部４０で燃料ガスが検出される。よって、ガス検出部４０は、検出された燃料ガスのガス濃度を示す検出信号を制御部６０に出力する。
【００６１】
制御部６０は、ガス検出部４０から出力された検出信号に基づいて単セルＳ１にクラックが発生しているか否かの判断を行う。入力した検出信号がガス不検出を示す信号の場合は、単セルＳ１にクラックが発生していないと判断する。
一方、入力した検出信号がガス濃度を示す信号の場合、単セルＳ１にクラックが発生していると判断するとともに、温度検出手段７０によって測定された現在の単セルＳ１の表面温度と検出した燃料ガスのガス濃度をプロットしてセル評価データを作成する。
【００６２】
［作用・効果］
以上説明したように、上述したセル評価システム１は、単セルＳ１を境にして空気ガス導入空間Ｅ１と燃料ガス導入空間Ｅ２とが形成されるように、空気極側ホルダ１１と燃料極側ホルダ１２との間に一対のシール部材Ｓ２を介して挟持保持する。また、空気ガス導入空間Ｅ１の背圧よりも燃料ガス導入空間Ｅ２の背圧の方が高くなるように差圧を持たせて空気ガス給排気部２０から空気ガス導入空間Ｅ１に空気ガスを導入するとともに、燃料ガス給排気部３０から燃料ガス導入空間Ｅ２に燃料ガスを導入する。そして、燃料ガスがガス検出部４０で検出されると、単セルＳ１にクラックが発生していると判断する。
【００６３】
これにより、単セルＳ１にクラックが生じた場合に、空気ガス中に含まれる燃料ガスを検出するだけでマイクロオーダーのクラックを高精度に検出することができる。また、単セルＳ１に生じたクラックから燃料ガスの漏洩を検出するだけでクラックの有無が判断できるため、特別な技術を必要とせずに不慣れな作業員でも簡便に検査を行うことができる。
【００６４】
さらに、温度検出手段７０で測定した単セルＳ１の表面温度と、空気ガス導入空間Ｅ１内に含有される燃料ガスのガス濃度との相関関係をプロットしたセル評価データが作成可能なため、発電時の昇温に伴って発生した単セルＳ１のクラックの成長過程を定量的に評価することができる。つまり、被検査対象となる単セルＳ１がどの程度の温度変化によってクラックが発生し、どのような昇温／降温動作を行うとクラックが拡大するかを把握することができるようになる。
【００６５】
また、加熱部５０を複数本のカートリッジ型ヒータで構成して空気極側ホルダ１１や燃料極側ホルダ１２に形成した挿入穴１１ｃ、１２ｃにそれぞれ挿入してセル部Ｓを上下方向から加熱させることができるため、電気炉のように空間全体を加熱させるよりも効率的に作動温度まで昇温可能となり、加熱時間を大幅に短縮させることができる。さらに、ヒータを複数本で構成しているため、単セルＳ１におけるセル表面の温度を部分的に制御することができ、温度変化による単セルＳ１のクラックの発生メカニズムや、昇温／降温に伴うクラックの成長過程を観察しながら単セルＳ１の性能評価が可能である。
【００６６】
また、検出した燃料ガスを単位時間あたりのガス濃度から判断するような構成とした場合は、クラックのサイズと単位時間あたりのガス濃度の相関関係を定量的に知得しておけば、検出した燃料ガスのガス濃度からクラックの大凡のサイズ（つまり、単セルＳ１の損傷度合い）を推測することも可能である。
【符号の説明】
【００６７】
１…セル評価システム
１０…保持部
１１…空気極側ホルダ（１１ａ…空気ガス導入口、１１ｂ…空気ガス排気口、１１ｃ…挿入穴）
１２…燃料極側ホルダ（１２ａ…燃料ガス導入口、１２ｂ…燃料ガス排気口、１２ｃ…挿入穴）
１３…固定部材
２０…空気ガス給排気部
２１…空気ガス導入手段
２２…空気ガス排気手段
３０…燃料ガス給排気部
３１…燃料ガス導入手段
３２…燃料ガス排気手段
４０…ガス検出部
５０…加熱部
６０…制御部
７０…温度検出手段
Ｅ１…空気ガス導入空間
Ｅ２…燃料ガス導入空間
Ｇ１…空気ガス供給源
Ｇ２…燃料ガス供給源
Ｓ…セル部（Ｓ１…単セル、Ｓ２…一対のシール部材、Ｓ３…空気極用集電体、Ｓ４…燃料極用集電体）
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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