JP6163933B2

JP6163933B2 - 固体酸化物形燃料電池単セルに係る各抵抗値を導出する導出装置

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Publication number: JP6163933B2
Application number: JP2013149761A
Authority: JP
Inventors: 和宏三浦; 保雄桑原; 小倉　義和; 義和小倉
Original assignee: Aisin Seiki Co Ltd; Aisin Corp
Current assignee: Aisin Corp
Priority date: 2013-07-18
Filing date: 2013-07-18
Publication date: 2017-07-19
Anticipated expiration: 2033-07-18
Also published as: JP2015022884A

Description

本発明は、固体酸化物形燃料電池単セルに係る各抵抗値を導出する導出装置に関する。

固体酸化物形燃料電池単セルに係る各抵抗値を導出する導出方法および導出装置の一形式として、特許文献１に示されているものが知られている。特許文献１の図４に示されているように、抵抗体を、第１電極１１１側に電気的に接続される第１抵抗部１２１、１２６ａと、第２電極１４１側に電気的に接続される第２抵抗部１３１、１２６ｂとを含んで構成し、第１抵抗部１２１、１２６ａと第２抵抗部１３１、１２６ｂを、第１抵抗部１２１、１２６ａにおける電流流れ方向と第２抵抗部１３１、１２６ｂにおける電流流れ方向とが互いに並行、かつ、反対方向となるように対向配置するようになっている。これにより、第１抵抗部１２１、１２６ａと第２抵抗部１３１、１２６ｂとで電流の流れ方向が反対方向となるため、それぞれを流れる電流が作る磁界を互いに打ち消し合うように作用させることができ、高周波電流による抵抗体のインダクタンスの影響を低減することができる。その結果、電流測定装置の測定精度を向上させることができる。

特開２０１０−１０３０７１号公報

上述した特許文献１に記載されている固体酸化物形燃料電池単セルに係る各抵抗値を導出する導出方法および導出装置においては、固体酸化物形燃料電池単セルの内部抵抗の測定精度を向上させることができるが、固体酸化物形燃料電池単セルの全抵抗のうち、オーミック抵抗の抵抗値、燃料極および酸化剤極の各電極反応抵抗値を分離し、各抵抗成分の測定精度を向上させる要請がある。

本発明は、上述した各問題を解消するためになされたもので、固体酸化物形燃料電池単セルに係る各抵抗値を導出する導出装置において、固体酸化物形燃料電池単セルの全抵抗のうち、オーミック抵抗の抵抗値ならびに燃料極および酸化剤極の各電極反応抵抗値の測定精度を向上させることを目的とする。

上記の課題を解決するため、請求項１に係る固体酸化物形燃料電池単セルに係る各抵抗値を導出する導出装置の発明は、固体酸化物形燃料電池単セルを保持して電流を取り出す保持集電装置によって保持された固体酸化物形燃料電池単セルに、それぞれ一対の電線がツイストされた電位ケーブルおよび電流ケーブルを介して接続されたインピーダンス測定器と、インピーダンス測定器によって計測されたインピーダンスの実成分と虚数成分とから固体酸化物形燃料電池単セルの燃料極および酸化剤極の各電極反応抵抗値ならびにオーミック抵抗の抵抗値を導出する導出部を備えている。
また、保持集電装置は、断熱材で筒状に気密的に形成された断熱管内に配設され、かつ、筒状に形成されて固体酸化物形燃料電池単セルを燃料極側から保持する第１ホルダー管と、筒状に形成されて固体酸化物形燃料電池単セルを酸化剤極側から保持する第２ホルダー管と、電位ケーブルおよび電流ケーブルの一方の電線が接続され、燃料極に接触する第１電極体と、電位ケーブルおよび電流ケーブルの他方の電線が接続され、酸化剤極に接触する第２電極体と、第１ホルダー管内に配設され、筒状に形成されて燃料極に燃料ガスを供給する第１ガス導入管と、第２ホルダー管内に配設され、筒状に形成されて酸化剤極に酸化剤ガスを供給する第２ガス導入管と、第１ホルダー管と固体酸化物形燃料電池単セルとの間に配設され、筒状に形成されるとともに電位ケーブルおよび電流ケーブルの一方の電線が挿入される切欠部を備えた第１ケーブル取出管と、第２ホルダー管と固体酸化物形燃料電池単セルとの間に配設され、筒状に形成されるとともに電位ケーブルおよび電流ケーブルの他方の電線が挿入される切欠部を備えた第２ケーブル取出管と、を備えている。

これによれば、電位ケーブルおよび電流ケーブルをツイストさせているため、これらのケーブルのインダクタンスを小さく抑制することができる。したがって、ケーブルのインダクタンスの影響を受けることなく、固体酸化物形燃料電池単セルの燃料極および酸化剤極の各電極反応抵抗値ならびにオーミック抵抗の抵抗値を正確に測定することができ、すなわち測定精度を向上させることができる。
また、各ケーブルは各ケーブル取出管の切欠部から外部に引き出すこととなるため、各ホルダー管と固体酸化物形燃料電池単セルとの間に挟まれるなどして各ケーブルを損傷させることなく、保持集電装置から各ケーブルを簡単な構成で引き出すことができる。また、各ケーブルを所定位置に配設させることにより他のもの（他方のケーブル、測定対象である固体酸化物形燃料電池単セルなど）から確実に離すことができ、測定誤差を抑制することができる。

また請求項２に係る発明は、請求項１の固体酸化物形燃料電池単セルに係る各抵抗値を導出する導出装置において、導出部は、インピーダンスの実成分と虚数成分をコール−コールプロットに示すコール−コールプロット表示部と、コール−コールプロット表示部によって示されたインピーダンスの実成分と虚数成分との関係が連続する上方に凸設された２つの半円状である場合、虚数軸に近い側の半円部分の左端が実軸と交差する値をオーミック抵抗の抵抗値として導出するオーミック抵抗値導出部と、虚数軸に近い側の半円部分が実軸と交差する部分の大きさに相当する値を、燃料極の電極反応抵抗値として導出する燃料極反応抵抗値導出部と、虚数軸に遠い側の半円部分が実軸と交差する部分の大きさに相当する値を、酸化剤極の電極反応抵抗値として導出する酸化剤極反応抵抗値導出部と、を備えている。
これによれば、固体酸化物形燃料電池単セルの燃料極および酸化剤極の各電極反応抵抗値ならびにオーミック抵抗の抵抗値を簡単かつ正確に測定することができる。

また請求項３に係る発明は、請求項１または請求項２の固体酸化物形燃料電池単セルに係る各抵抗値を導出する導出装置において、固体酸化物形燃料電池単セルと第１ケーブル取出管との間、第１ケーブル取出管と第１ホルダー管との間、固体酸化物形燃料電池単セルと第２ケーブル取出管との間、および、第２ケーブル取出管と第２ホルダー管との間は、ガラス材で筒状に形成されたシール管によってシールされている。

これによれば、保持集電装置に保持された固体酸化物形燃料電池単セルを測定する際には、保持集電装置は非常に高温（例えば６００〜１０００℃）の断熱管内に配設されているが、シール管によってシールされているため、高温環境下においても効果的にガス漏れを抑制することができる。

本発明の一実施形態による固体酸化物形燃料電池単セルに係る各抵抗値を導出する導出装置を示した概要図である。図１に示した加熱装置内に収容され保持集電装置によって保持された固体酸化物形燃料電池単セルを示す部分拡大断面図である。図１に示した制御装置のブロック構成図である。図１に示した導出装置の測定回路を示す図である。交流インピーダンス測定の測定結果をコール−コールプロットした図である。

以下、本発明による固体酸化物形燃料電池単セルに係る各抵抗値を導出する導出方法および導出装置の一実施形態について図面を参照して説明する。図１はその導出装置の構成を示す概要図であり、図２は加熱装置１１内に収容され保持集電装置１２によって保持された固体酸化物形燃料電池単セル（以下、単セルという。）２０を示す部分拡大断面図である。

単セル２０に係る各抵抗値を導出する導出装置（以下、導出装置という）１０は、加熱装置１１と、加熱装置１１内に配設されて単セル２０を保持して電流を取り出す保持集電装置１２と、単セル２０のインピーダンスを測定するインピーダンス測定器１３と、制御装置１４と、を備えている。

加熱装置１１は、断熱材で筒状に気密的に形成されたケーシング１１ａ（断熱管）および熱源１１ｂを備えている。ケーシング１１ａは、内部に検査対象である単セル２０を入出できるような構造となっている。例えば、ケーシング１１ａは、縦方向に二分割され、開閉できるように構成されている。熱源１１ｂは、電気ヒータやガスバーナなどである。

単セル２０は、図２に示すように、燃料極２１、空気極２２（酸化剤極）、および両極の間に介装された電解質２３から構成されている。本実施形態の燃料電池は、固体酸化物燃料電池であり、電解質として固体酸化物の一種である酸化ジルコニウムを使用している。単セル２０の燃料極２１には、燃料ガスとしての水素ガスが供給される。単セル２０の空気極２２側には、燃焼用酸化剤ガスである空気が供給される。なお、図２では、単セル２０を模式的に表わしている。測定対象は、単セル２０でなく、複数のセルを積層して構成したものでもよい。

保持集電装置１２は、図１に示すように、ケーシング１１ａ内に配設されている。この保持集電装置１２は、図２に示すように、第１および第２ホルダー管１２ａ，１２ｂ、第１および第２ケーブル取出管１２ｃ，１２ｄ、第１〜第４シール管１２ｅ〜１２ｈ、ならびに、第１および第２電極体１２ｉ，１２ｊ、第１および第２ガス導入管１２ｋ，１２ｌを備えている。
第１ホルダー管１２ａは、筒状に形成されて単セル２０を燃料極２１側から保持する。第２ホルダー管１２ｂは、筒状に形成されて単セル２０を空気極２２側から保持する。

第１ケーブル取出管１２ｃは、筒状に形成されるとともに第１ホルダー管１２ａと単セル２０との間に配設されている。第１ケーブル取出管１２ｃは、電位ケーブル１３ｃの一方の電線１３ｃ１および電流ケーブル１３ｄの一方の電線１３ｄ１がそれぞれ挿入される切欠部１２ｃ１，１２ｃ２を備えている。電線１３ｃ１が挿入されている切欠部１２ｃ１および電線１３ｄ１が挿入されている切欠部１２ｃ２は、耐熱のシール材（例えば耐熱ガラス）でそれぞれ充填されている。

第２ケーブル取出管１２ｄは、筒状に形成されるとともに第２ホルダー管１２ｂと単セル２０との間に配設されている。第２ケーブル取出管１２ｄは、電位ケーブル１３ｃの他方の電線１３ｃ２および電流ケーブル１３ｄの他方の電線１３ｄ２がそれぞれ挿入される切欠部１２ｄ１，１２ｄ２を備えている。電線１３ｃ２が挿入されている切欠部１２ｄ１および電線１３ｄ２が挿入されている切欠部１２ｄ２は、耐熱のシール材（例えば耐熱ガラス）でそれぞれ充填されている。

第１シール管１２ｅは、単セル２０の燃料極２１と第１ケーブル取出管１２ｃとの間に配設され、ガラス材で筒状に形成されている。単セル２０の燃料極２１と第１ケーブル取出管１２ｃとの間は、第１シール管１２ｅによってシールされている。第２シール管１２ｆは、第１ケーブル取出管１２ｃと第１ホルダー管１２ａとの間に配設され、ガラス材で筒状に形成されている。第１ケーブル取出管１２ｃと第１ホルダー管１２ａとの間は、第２シール管１２ｆによってシールされている。

第３シール管１２ｇは、単セル２０の空気極２２と第２ケーブル取出管１２ｄとの間に配設され、ガラス材で筒状に形成されている。単セル２０の空気極２２と第２ケーブル取出管１２ｄとの間は、第３シール管１２ｇによってシールされている。第４シール管１２ｈは、第２ケーブル取出管１２ｄと第２ホルダー管１２ｂとの間に配設され、ガラス材で筒状に形成されている。第２ケーブル取出管１２ｄと第２ホルダー管１２ｂとの間は、第４シール管１２ｈによってシールされている。

第１ホルダー管１２ａ、第１ケーブル取出管１２ｃ、ならびに第１および第２シール管１２ｅ，１２ｆは、単セル２０の燃料極２１を燃料極２１側から付勢手段（例えば圧縮ばね）によって付勢して保持するようになっている。また、第２ホルダー管１２ｂ、第２ケーブル取出管１２ｄ、ならびに第３および第４シール管１２ｇ，１２ｈは、単セル２０の空気極２２を空気極２２側から付勢手段（例えば圧縮ばね）によって付勢して保持するようになっている。

なお、第１ホルダー管１２ａ、第１ケーブル取出管１２ｃ、ならびに第１および第２シール管１２ｅ，１２ｆは、同一内径となるように構成されるとともに同軸に配設されるのが好ましい。また、これら管は、単セル２０の燃料極２１の外径（外枠）より小さく設定されるのが好ましい。第２ホルダー管１２ｂ、第２ケーブル取出管１２ｄ、ならびに第３および第４シール管１２ｇ，１２ｈは、同一内径となるように構成されるとともに同軸に配設されるのが好ましい。また、これら管は、単セル２０の空気極２２の外径（外枠）より小さく設定されるのが好ましい。また、第１ホルダー管１２ａ側の管と第２ホルダー管１２ｂ側の管とを同一内径とするのが好ましい。

第１電極体１２ｉは、電位ケーブル１３ｃの一方の電線１３ｃ１および電流ケーブル１３ｄの一方の電線１３ｄ１が接続され、燃料極２１に接触して電流を取り出す。第１電極体１２ｉは、金属材（例えば白金メッシュ）でメッシュ状に構成されるのが好ましい。

第２電極体１２ｊは、電位ケーブル１３ｃの他方の電線１３ｃ２および電流ケーブル１３ｄの他方の電線１３ｄ２が接続され、空気極２２に接触して電流を取り出す。第２電極体１２ｊも、金属材（例えば白金メッシュ）でメッシュ状に構成されるのが好ましい。

第１ガス導入管１２ｋは、第１ホルダー管１２ａ内に配設され、筒状に形成されて燃料極２１に燃料ガスを供給する。第１ガス導入管１２ｋの一端（上端）は、第１電極体１２ｉに当接している。第１ガス導入管１２ｋの他端側から第１ガス導入管１２ｋ内に燃料ガスが供給され、第１電極体１２ｉを通過して第１ガス導入管１２ｋと第１ホルダー管１２ａとの間を通って燃料オフガスとして導出されるようになっている。なお、第１ガス導入管１２ｋは、第１電極体１２ｉの外径（外枠）より小さく設定されるのが好ましい。

第２ガス導入管１２ｌは、第２ホルダー管１２ｂ内に配設され、筒状に形成されて空気極２２に空気を供給する。第２ガス導入管１２ｌの一端（下端）は、第２電極体１２ｊに当接している。第２ガス導入管１２ｌの他端側から第２ガス導入管１２ｌ内に空気が供給され、第２電極体１２ｊを通過して第２ガス導入管１２ｌと第２ホルダー管１２ｂとの間を通って空気オフガスとして導出されるようになっている。なお、第２ガス導入管１２ｌは、第２電極体１２ｊの外径（外枠）より小さく設定されるのが好ましい。

インピーダンス測定器１３は、図１に示すように、ポテンショスタット１３ａと周波数応答アナライザ１３ｂから構成されている。ポテンショスタット１３ａは、電圧を測定・制御するための装置であり、電流を測定・制御するための装置である。ポテンショスタット１３ａは、一対の電線１３ｃ１，１３ｃ２からなる電位ケーブル１３ｃの一端が接続され、一対の電線１３ｃ１，１３ｃ２の各他端側は、それぞれ第１電極体１２ｉおよび第２電極体１２ｊに接続されている。一対の電線１３ｃ１，１３ｃ２は捩じられている（ツイストされている）。

また、ポテンショスタット１３ａは、一対の電線１３ｄ１，１３ｄ２からなる電流ケーブル１３ｄの一端が接続され、一対の電線１３ｄ１，１３ｄ２の各他端側は、それぞれ第１電極体１２ｉおよび第２電極体１２ｊに接続されている。一対の電線１３ｄ１，１３ｄ２は捩じられている（ツイストされている）。

周波数応答アナライザ１３ｂは、交流信号をポテンショスタット１３ａを介して単セル２０に印加し、ポテンショスタット１３ａより出力された電圧・電流信号から交流インピーダンスを算出（計測）する。

ポテンショスタット１３ａおよび周波数応答アナライザ１３ｂは、制御装置１４に接続されており、制御装置１４によって制御されている。制御装置１４は、図３に示すように、インピーダンス測定器１３によって計測されたインピーダンスの実成分と虚数成分とから単セル２０の燃料極２１および空気極２２の各電極反応抵抗値ならびにオーミック抵抗Ｒ１の抵抗値を導出する導出部１４ａを備えている。オーミック抵抗Ｒ１は、主として燃料電池の膜抵抗や電解質による純抵抗である。

導出部１４ａは、インピーダンスの実成分と虚数成分をコール−コールプロットに示すコール−コールプロット表示部１４ｂと、コール−コールプロット表示部１４ｂによって示されたインピーダンスの実成分と虚数成分との関係が連続する上方に凸設された２つの半円状である場合、虚数軸に近い側の半円部分の左端が実軸と交差する値をオーミック抵抗Ｒ１の抵抗値として導出するオーミック抵抗値導出部１４ｃと、虚数軸に近い側の半円部分が実軸と交差する部分の大きさに相当する値を、燃料極２１の電極反応抵抗値として導出する燃料極反応抵抗値導出部１４ｄと、虚数軸に遠い側の半円部分が実軸と交差する部分の大きさに相当する値を、空気極２２の電極反応抵抗値として導出する酸化剤極反応抵抗値導出部１４ｅと、を備えている。

単セル２０の燃料極２１、空気極２２およびオーミック抵抗Ｒ１の各抵抗値を測定するため、交流インピーダンス測定が行われている。この交流インピーダンス測定は、一定の電圧下で周波数を変化させて電流を測定し、その測定結果からインピーダンスを算出するものである。

測定回路は、図４に示すように、電流ケーブル１３ｄのインダクタンスＬ、オーミック抵抗Ｒ１、燃料極２１の抵抗成分Ｒ２とコンデンサ成分Ｃ２、および空気極２２の抵抗成分Ｒ３とコンデンサ成分Ｃ３が直列に接続されている。燃料極２１の抵抗成分Ｒ２とコンデンサ成分Ｃ２は並列に接続され、空気極２２の抵抗成分Ｒ３とコンデンサ成分Ｃ３は並列に接続されている。

本実施形態では、電流ケーブル１３ｄの一対の電線１３ｄ１，１３ｄ２はツイストされているので、電流ケーブル１３ｄのインダクタンスＬはほとんど０である。したがって、測定回路は、実質的に、オーミック抵抗Ｒ１、燃料極２１の抵抗成分Ｒ２とコンデンサ成分Ｃ２、および空気極２２の抵抗成分Ｒ３とコンデンサ成分Ｃ３が直列に接続されていることになる。

次に、交流インピーダンス測定結果について図５を参照して説明する。測定条件は、燃料電池の発電温度は７００℃であり（発電温度はこれに限定されない）、酸化剤ガスは空気であり、燃料ガスは３ｖｏｌ％水素ガスあるいはメタン改質ガスであり、交流インピーダンス印加周波数は１ＭＨｚ〜０．１Ｈｚであり、交流インピーダンス振幅は１０ｍＶである。

本実施形態による測定方法（電流ケーブル１３ｄがツイストされている）に係る測定結果を実線で示し、電流ケーブル１３ｄがツイストされていない比較例を破線で示す。

実施例の測定結果は、インピーダンスの実成分と虚数成分との関係が連続する上方に凸設された２つの半円部分Ａ１，Ａ２からなるものである。また、虚数軸に近い側の半円部分Ａ１の左端が実軸と交差する値Ｒｒｅ１がオーミック抵抗Ｒ１の抵抗値として導出される（オーミック抵抗値導出部１４ｃ）。また、虚数軸に近い側の半円部分Ａ１が実軸と交差する部分の大きさに相当する値（＝Ｒｒｅ２−Ｒｒｅ１）が、燃料極２１の電極反応抵抗値Ｒ２として導出される（燃料極反応抵抗値導出部１４ｄ）。また、虚数軸に遠い側の半円部分Ａ２が実軸と交差する部分の大きさに相当する値（＝Ｒｒｅ３−Ｒｒｅ２）が、空気極２２の電極反応抵抗値Ｒ３として導出される（酸化剤極反応抵抗値導出部１４ｅ）。さらに、虚数軸に遠い側の半円部分Ａ２が実軸と交差する値Ｒｒｅ３が、単セル２０の全抵抗値として導出される。ただし、Ａ１とＡ２の関係は限定されるものではない。

虚数軸に近い側の半円部分Ａ１が実軸と交差する部分の大きさに相当する値（＝Ｒｒｅ２−Ｒｒｅ１）が、燃料極２１の電極反応抵抗値Ｒ２であり、虚数軸に遠い側の半円部分Ａ２が実軸と交差する部分の大きさに相当する値（＝Ｒｒｅ３−Ｒｒｅ２）が、空気極２２の電極反応抵抗値Ｒ３であることを、本願発明者は実験により知得した。

これに対して、比較例の測定結果（破線）は、１つの半円部分Ａ３であり、その半円部分Ａ３の左端が実軸と交差する値Ｒｒｅ４がオーミック抵抗Ｒ１の抵抗値Ｒ１ａとして導出されることになる。抵抗値Ｒｒｅ４は、電流ケーブル１３ｄのインダクタンスＬ分が含まれているため、オーミック抵抗Ｒ１の抵抗値は、実際のオーミック抵抗Ｒ１の抵抗値より大きい抵抗値Ｒ１ａとなる。このようにインダクタンスＬ分が０でなく比較的大きくなるのは、電流ケーブル１３ｄがツイストされていないので電圧と電流の位相角ずれが生じて真値から乖離するためである。また、比較例では現れる半円部分は１つだけである。これも、電流ケーブル１３ｄのインダクタンスＬの影響を受けているからである。

本実施形態によれば、単セル２０に係る各抵抗値を導出する導出方法は、単セル２０を保持して電流を取り出す保持集電装置１２によって保持された単セル２０に、それぞれ一対の電線１３ｃ１，１３ｃ２、１３ｄ１，１３ｄ２がツイストされた電位ケーブル１３ｃおよび電流ケーブル１３ｄを介して接続されたインピーダンス測定器１３によって計測されたインピーダンスの実成分と虚数成分とから単セル２０の燃料極２１および空気極２２（酸化剤極）の各電極反応抵抗値ならびにオーミック抵抗（例えばオーミック抵抗Ｒ１）の抵抗値を導出する。

これによれば、電位ケーブル１３ｃおよび電流ケーブル１３ｄはツイストさせているため、これらのケーブルのインダクタンスを小さく抑制することができる。したがって、ケーブルのインダクタンスの影響を受けることなく、単セル２０のオーミック抵抗Ｒ１の抵抗値ならびに燃料極２１および空気極２２の各電極反応抵抗値を正確に測定することができ、すなわち単セル２０の各抵抗値について分離測定精度を向上させることができる。

また本実施形態に係る単セル２０に係る各抵抗値を導出する導出方法において、インピーダンスの実成分と虚数成分は、コール−コールプロットに示され、コール−コールプロットに示されたインピーダンスの実成分と虚数成分は、連続する上方に突出した２つの半円状Ａ１，Ａ２であり、たとえば、図４に示す等価回路によって次のように定義することができる。オーミック抵抗Ｒ１の抵抗値は、虚数軸に近い側の半円部分Ａ１の左端が実軸と交差する値Ｒｒｅ１であり、燃料極２１の電極反応抵抗値Ｒ２は、虚数軸に近い側の半円部分Ａ１が実軸と交差する部分の大きさに相当する値（＝Ｒｒｅ２−Ｒｒｅ１）であり、空気極２２の電極反応抵抗値Ｒ３は、虚数軸に遠い側の半円部分Ａ２が実軸と交差する部分の大きさに相当する値（＝Ｒｒｅ３−Ｒｒｅ２）である。なお、燃料極と酸化剤極の電極反応抵抗値に関する円弧は燃料電池単セル構成によって半円の定義が入れ替わることもある。
これによれば、単セル２０の燃料極２１および空気極２２の各電極反応抵抗値ならびにオーミック抵抗Ｒ１の抵抗値を簡単かつ正確に測定することができる。

また本実施形態に係る単セル２０に係る各抵抗値を導出する導出装置は、単セル２０を保持して電流を取り出す保持集電装置１２によって保持された単セル２０に、それぞれ一対の電線１３ｃ１，１３ｃ２、１３ｄ１，１３ｄ２がツイストされた電位ケーブル１３ｃおよび電流ケーブル１３ｄを介して接続されたインピーダンス測定器１３と、インピーダンス測定器１３によって計測されたインピーダンスの実成分と虚数成分とから単セル２０の燃料極２１および空気極２２の各電極反応抵抗値ならびにオーミック抵抗の抵抗値を導出する導出部１４ａと、を備えている。

これによれば、電位ケーブル１３ｃおよび電流ケーブル１３ｄはツイストさせているため、これらのケーブルのインダクタンスを小さく抑制することができる。したがって、ケーブルのインダクタンスの影響を受けることなく、単セル２０の燃料極２１および空気極２２の各電極反応抵抗値ならびにオーミック抵抗Ｒ１の抵抗値を正確に測定することができ、すなわち測定精度を向上させることができる。

また本実施形態に係る単セル２０に係る各抵抗値を導出する導出装置において、導出部１４ａは、インピーダンスの実成分と虚数成分をコール−コールプロットに示すコール−コールプロット表示部１４ｂと、コール−コールプロット表示部１４ｂによって示されたインピーダンスの実成分と虚数成分との関係が連続する上方に凸設された２つの半円状Ａ１，Ａ２である場合、虚数軸に近い側の半円部分Ａ１の左端が実軸と交差する値Ｒｒｅ１をオーミック抵抗Ｒ１の抵抗値として導出するオーミック抵抗値導出部１４ｃと、虚数軸に近い側の半円部分Ａ１が実軸と交差する部分の大きさに相当する値（＝Ｒｒｅ２−Ｒｒｅ１）を、燃料極２１の電極反応抵抗値Ｒ２として導出する燃料極反応抵抗値導出部１４ｄと、虚数軸に遠い側の半円部分Ａ２が実軸と交差する部分の大きさに相当する値（＝Ｒｒｅ３−Ｒｒｅ２）を、空気極２２の電極反応抵抗値Ｒ３として導出する酸化剤極反応抵抗値導出部１４ｅと、を備えている。
これによれば、単セル２０の燃料極２１および空気極２２の各電極反応抵抗値ならびにオーミック抵抗Ｒ１の抵抗値を簡単かつ正確に測定することができる。

また本実施形態に係る単セル２０に係る各抵抗値を導出する導出装置において、保持集電装置１２は、断熱材で筒状に気密的に形成されたケーシング１１ａ（断熱管）内に配設され、かつ、筒状に形成されて単セル２０を燃料極２１側から保持する第１ホルダー管１２ａと、筒状に形成されて単セル２０を空気極２２側から保持する第２ホルダー管１２ｂと、電位ケーブル１３ｃおよび電流ケーブル１３ｄの一方の各電線１３ｃ１，１３ｄ１が接続され、燃料極２１に接触する第１電極体１２ｉと、電位ケーブル１３ｃおよび電流ケーブル１３ｄの他方の各電線１３ｃ２，１３ｄ２が接続され、空気極２２に接触する第２電極体１２ｊと、第１ホルダー管１２ａ内に配設され、筒状に形成されて燃料極２１に燃料ガスを供給する第１ガス導入管１２ｋと、第２ホルダー管１２ｂ内に配設され、筒状に形成されて空気極２２に酸化剤ガスを供給する第２ガス導入管１２ｌと、第１ホルダー管１２ａと単セル２０との間に配設され、筒状に形成されるとともに電位ケーブル１３ｃおよび電流ケーブル１３ｄの一方の電線１３ｃ１，１３ｄ１がそれぞれ挿入される切欠部１２ｃ１，１２ｃ２を備えた第１ケーブル取出管１２ｃと、第２ホルダー管１２ｂと単セル２０との間に配設され、筒状に形成されるとともに電位ケーブル１３ｃおよび電流ケーブル１３ｄの他方の電線１３ｃ２，１３ｄ２がそれぞれ挿入される切欠部１２ｄ１，１２ｄ２を備えた第２ケーブル取出管１２ｄと、を備えている。

これによれば、各ケーブル１３ｃ，１３ｄは各ケーブル取出管１２ｃ，１２ｄの切欠部１２ｃ１，１２ｃ２、１２ｄ１，１２ｄ２から外部に引き出すこととなるため、各ホルダー管１２ａ，１２ｂと単セル２０との間に挟まれるなどして各ケーブルを損傷させることなく、保持集電装置１２から各ケーブル１３ｃ，１３ｄを簡単な構成で引き出すことができる。また、各ケーブル１３ｃ，１３ｄを所定位置に配設させることにより他のもの（他方のケーブル、測定対象である燃料電池など）から確実に離すことができ、測定誤差を抑制することができる。

また本実施形態に係る単セル２０に係る各抵抗値を導出する導出装置において、単セル２０と第１ケーブル取出管１２ｃとの間、第１ケーブル取出管１２ｃと第１ホルダー管１２ａとの間、単セル２０と第２ケーブル取出管１２ｄとの間、および、第２ケーブル取出管１２ｄと第２ホルダー管１２ｂとの間は、ガラス材や耐熱高剛性のプラスチック材で筒状に形成された各シール管１２ｅ〜１２ｈによってそれぞれシールされている。

これによれば、保持集電装置１２に保持された単セル２０を測定する際には、保持集電装置１２は非常に高温（例えば６００〜１０００℃）のケーシング１１ａ（断熱管）内に配設されているが、各シール管１２ｅ〜１２ｈによってシールされているため、高温環境下においても効果的にガス漏れを抑制することができる。

１０…導出装置、１１…加熱装置、１１ａ…ケーシング（断熱管）、１１ｂ…熱源、１２…保持集電装置、１２ａ，１２ｂ…第１および第２ホルダー管、１２ｃ，１２ｄ…第１および第２ケーブル取出管、１２ｃ１，１２ｃ２，１２ｄ１，１２ｄ２…切欠部、１２ｅ〜１２ｈ…シール管、１２ｉ，１２ｊ…第１および第２電極体、１２ｋ，１２ｌ…第１および第２ガス導入管、１３…インピーダンス測定器、１３ａ…ポテンショスタット、１３ｂ…周波数応答アナライザ、１３ｃ…電位ケーブル、１３ｃ１，１３ｃ２…一対の電線、１３ｄ…電流ケーブル、１３ｄ１，１３ｄ２…一対の電線、１４…制御装置、１４ａ…導出部、１４ｂ…コール−コールプロット表示部、１４ｃ…オーミック抵抗値導出部、１４ｄ…燃料極反応抵抗値導出部、１４ｅ…酸化剤極反応抵抗値導出部、２０…単セル（固体酸化物形燃料電池単セル）、２１…燃料極、２２…空気極、２３…電解質、Ａ１，Ａ２…半円部分、Ａ３…半円部分、Ｃ２，Ｃ３…コンデンサ成分、Ｌ…インダクタンス、Ｒ１…抵抗、Ｒ２，Ｒ３…抵抗成分。

Claims

固体酸化物形燃料電池単セルを保持して電流を取り出す保持集電装置によって保持された前記固体酸化物形燃料電池単セルに、それぞれ一対の電線がツイストされた電位ケーブルおよび電流ケーブルを介して接続されたインピーダンス測定器と、
前記インピーダンス測定器によって計測されたインピーダンスの実成分と虚数成分とから前記固体酸化物形燃料電池単セルの燃料極および酸化剤極の各電極反応抵抗値ならびにオーミック抵抗の抵抗値を導出する導出部と、を備え、
前記保持集電装置は、
断熱材で筒状に気密的に形成された断熱管内に配設され、かつ、
筒状に形成されて前記固体酸化物形燃料電池単セルを燃料極側から保持する第１ホルダー管と、
筒状に形成されて前記固体酸化物形燃料電池単セルを酸化剤極側から保持する第２ホルダー管と、
前記電位ケーブルおよび電流ケーブルの一方の前記電線が接続され、前記燃料極に接触する第１電極体と、
前記電位ケーブルおよび電流ケーブルの他方の前記電線が接続され、前記酸化剤極に接触する第２電極体と、
前記第１ホルダー管内に配設され、筒状に形成されて前記燃料極に燃料ガスを供給する第１ガス導入管と、
前記第２ホルダー管内に配設され、筒状に形成されて前記酸化剤極に酸化剤ガスを供給する第２ガス導入管と、
前記第１ホルダー管と前記固体酸化物形燃料電池単セルとの間に配設され、筒状に形成されるとともに前記電位ケーブルおよび電流ケーブルの一方の前記電線が挿入される切欠部を備えた第１ケーブル取出管と、
前記第２ホルダー管と前記固体酸化物形燃料電池単セルとの間に配設され、筒状に形成されるとともに前記電位ケーブルおよび電流ケーブルの他方の前記電線が挿入される切欠部を備えた第２ケーブル取出管と、
を備えた固体酸化物形燃料電池単セルに係る各抵抗値を導出する導出装置。
前記導出部は、
前記インピーダンスの実成分と虚数成分をコール−コールプロットに示すコール−コールプロット表示部と、
前記コール−コールプロット表示部によって示された前記インピーダンスの実成分と虚数成分との関係が連続する上方に凸設された２つの半円状である場合、虚数軸に近い側の半円部分の左端が実軸と交差する値を前記オーミック抵抗の抵抗値として導出するオーミック抵抗値導出部と、
前記虚数軸に近い側の前記半円部分が実軸と交差する部分の大きさに相当する値を、前記燃料極の電極反応抵抗値として導出する燃料極反応抵抗値導出部と、
前記虚数軸に遠い側の前記半円部分が前記実軸と交差する部分の大きさに相当する値を、前記酸化剤極の電極反応抵抗値として導出する酸化剤極反応抵抗値導出部と、を備えた請求項１記載の固体酸化物形燃料電池単セルに係る各抵抗値を導出する導出装置。
前記固体酸化物形燃料電池単セルと前記第１ケーブル取出管との間、前記第１ケーブル取出管と前記第１ホルダー管との間、前記固体酸化物形燃料電池単セルと前記第２ケーブル取出管との間、および、前記第２ケーブル取出管と前記第２ホルダー管との間は、ガラス材で筒状に形成されたシール管によってシールされている請求項１または請求項２記載の固体酸化物形燃料電池単セルに係る各抵抗値を導出する導出装置。