JP2009205909A - 燃料電池の凍結検知方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】 燃料電池内部の水が凍結を開始する時には、水の体積変化と凝固熱放出による燃料電池の特性の変化が現れる。本発明の凍結検知方法は、それらの変化を捉えることによって、燃料電池内部の水の凍結が始まったことを検知する方法である。この凍結検知方法では、凍結独自の現象を利用しているので、より正確に凍結検知を行なうことにより、誤作動を減らすことができる。また比較的早い段階での検知が可能なので、完全に燃料電池内部の水が凍結してしまう前に出力低下に対する処置を行なうことができる。
【選択図】 図1
Description
前記第1の工程において、前記出力測定値の時間微分値及び/または2次時間微分値が正の所定値以上であった場合に、その後、前記出力測定値の時間微分値及び/または2次時間微分値が負の値に変化したか否かを判定する第2の工程と、を有することを特徴とする燃料電池セルの凍結検知方法である。
始めに電解質11であるNafion(デュポン社の登録商標)膜の両面に、触媒層12、13として2cm角の白金黒をホットプレスにより接着したMEAを準備した。次にMEAの両面をガス拡散層14であるカーボンクロスで挟み、さらにその外側から、SUSに金メッキを施し、反応ガス流路を形成した集電体15で両側を挟んで締結し、図1に示すような燃料電池を作製した。
実施例1と同じ燃料電池を用い、出力電圧の微分値ではなく2次微分値を用いて凍結検知を行なった点以外は実施例1と同様の試験を行なった。即ち、出力電圧の2次微分値が5mV/sec2以上になった(第1の工程)後に、−5mV/sec2以下に達した(第2の工程)時点で、加熱手段を用いて、燃料電池を加熱した。この場合であっても、加熱を施した後は、一度低下した出力電圧は徐々に回復し、発電を継続して行なうことができた。
実施例3においては、実施例1で作製した燃料電池を3セル直列に積層して、図2に示すような燃料電池スタックを作製した。そして、実施例1と同様に環境試験機に入れ、−15℃の雰囲気で1時間以上放置した。その後2.4Vの定電圧で発電を開始した。一定時間発電後、図10のようなスタック内部の凍結が始まったことを示す電流の変化が現れた。出力電流の微分値が5mA/sec以上になった後に、−5mA/sec以下に変化し、かつ出力電流の2次微分値が5mA/sec2以上になった後に、−5mA/sec2以下に達した時点で、燃料電池を短絡回路に接続して短絡させた。図11は短絡させた後の電流値の推移を表したものである。図11のように、短絡させることで、燃料電池内部を完全に凍結させること無く、発電を継続することができた。
比較例では、実施例3で使用したものと同じ構成の燃料電池スタックを用い、実施例3と同様に試験環境−15℃において1時間以上一定に保った後に、100mAの定電流で発電を行った。実施例1と同じように、セル内部での凍結が始まったことを示す電圧の上昇が見られた。比較例では電圧の変化が見られても、すぐに発電を継続させる処置を行なわず、図12に示すように出力電圧が0Vまで落ちてしまってから、燃料電池を短絡回路に接続し短絡させ発電を試みた。しかし、出力電圧が0Vに落ちてしまってからでは、燃料電池内部が完全に凍結しているために、短絡しても発電を継続することはできなかった。
12、22 燃料極
13、23 酸化剤極
14、24 ガス拡散層
15、25 集電体
16、26 シール材料
27 エンドプレート
Claims (20)
- 燃料電池セル内の水分が凍結を開始したことを検知する燃料電池セルの凍結検知方法において、
前記燃料電池セルの出力測定値の時間微分値及び/または2次時間微分値が正の所定値以上か否かを判定する第1の工程と、
前記第1の工程において、前記出力測定値の時間微分値及び/または2次時間微分値が正の所定値以上であった場合に、その後、前記出力測定値の時間微分値及び/または2次時間微分値が負の値に変化したか否かを判定する第2の工程と、を有することを特徴とする燃料電池セルの凍結検知方法。 - 前記第2の工程の後に、前記出力測定値の時間微分値及び/または2次時間微分値が負の所定値以下か否かを判定する第3の工程を有することを特徴とする請求項1に記載の燃料電池セルの凍結検知方法。
- 前記出力測定値は、電圧、電流、セル温度の内の少なくともいずれか一種類であることを特徴とする請求項1または2に記載の燃料電池セルの凍結検知方法。
- 前記第1の工程における前記出力測定値が電圧であり、前記時間微分値の正の所定値及び、前記2次時間微分値の正の所定値はそれぞれ5mV/sec及び5mV/sec2であることを特徴とする請求項1に記載の燃料電池セルの凍結検知方法。
- 前記第3の工程における前記時間微分値の負の所定値及び、前記2次時間微分値の負の所定値はそれぞれ−5mV/sec及び−5mV/sec2であることを特徴とする請求項2に記載の燃料電池セルの凍結検知方法。
- 前記第1の工程における前記出力測定値が電流であり、前記時間微分値の正の所定値及び、前記2次時間微分値の正の所定値はそれぞれ5mA/sec及び5mA/sec2であることを特徴とする請求項1に記載の燃料電池セルの凍結検知方法。
- 前記第3の工程における前記時間微分値の負の所定値及び、前記2次時間微分値の負の所定値はそれぞれ−5mA/sec及び−5mA/sec2であることを特徴とする請求項2に記載の燃料電池セルの凍結検知方法。
- 前記第1の工程における前記出力測定値がセル温度であり、前記時間微分値の正の所定値及び、前記2次時間微分値の正の所定値はそれぞれ0.2℃/sec及び0.2℃/sec2であることを特徴とする請求項1に記載の燃料電池セルの凍結検知方法。
- 前記第3の工程における前記時間微分値の負の所定値及び、前記2次時間微分値の負の所定値はそれぞれ−0.2℃/sec及び−0.2℃/sec2であることを特徴とする請求項2に記載の燃料電池セルの凍結検知方法。
- 前記出力測定値に対して、前記燃料電池セルの内部の水分量に応じて定められる所定の変位量以上変位したか否かを判定する工程を更に有することを特徴とする請求項1乃至9のいずれか1項に記載の燃料電池セルの凍結検知方法。
- 燃料電池セル内の水分が凍結を開始したことを検知する燃料電池セルの凍結検知方法において、
前記燃料電池セルのセル抵抗が所定の変位量以上低下したか否かを判定する第1の工程と、
前記第1の工程において前記セル抵抗が所定の変位量以上低下した場合に、前記セル抵抗の時間微分値及び/または2次時間微分値が負の所定値に達した否かを判定する第2の工程を有することを特徴とする燃料電池セルの凍結検知方法。 - 前記第2の工程において、前記セル抵抗の時間微分値及び/または2次時間微分値が負の所定値に達した場合に、前記セル抵抗の時間微分値及び/または2次時間微分値が正の値に変化したか否かを判定する第3の工程を第2の工程の後に有することを特徴とする請求項11に記載の燃料電池セルの凍結検知方法。
- 前記第3の工程において、前記セル抵抗の時間微分値及び/または2次時間微分値が正の所定値以上か否かを判定することを特徴とする請求項12に記載の燃料電池セルの凍結検知方法。
- 前記第1の工程における前記セル抵抗の所定の変位量は、前記燃料電池セルの内部の水分量に応じて定められることを特徴とする請求項11乃至13のいずれか1項に記載の燃料電池セルの凍結検知方法。
- 前記第1の工程における前記セル抵抗の所定の変位量は5mΩであり、前記第2の工程における前記セル抵抗の時間微分値の負の所定値及び2次時間微分値の負の所定値は−5mΩ/sec及び−5mΩ/sec2であることを特徴とする請求項11に記載の燃料電池セルの凍結検知方法。
- 前記第3の工程における前記セル抵抗の時間微分値の正の所定値及び2次時間微分値の正の所定値は5mΩ/sec及び5mΩ/sec2であることを特徴とする請求項13に記載の燃料電池セルの凍結検知方法。
- 燃料電池セル内の水分が凍結を開始したことを検知する燃料電池セルの凍結検知方法において、
前記燃料電池セルのセル締結圧が所定の変位量以上増加したか否かを判定する工程を有することを特徴とする燃料電池セルの凍結検知方法。 - 前記セル締結圧の所定の変位量は、前記燃料電池セルの内部の水分量に応じて定められることを特徴とする請求項17に記載の燃料電池セルの凍結検知方法。
- 前記セル締結圧の所定の変位量は10kPaであることを特徴とする請求項17に記載の燃料電池セルの凍結検知方法。
- 請求項1乃至19のいずれかに記載の凍結検知方法を組み合わせて用いたことを特徴とする燃料電池セルの凍結検知方法。
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