JP2009245691A - 燃料電池発電装置及びセル割れ検出方法並びにセル割れ検出プログラム - Google Patents

Abstract

【課題】セル割れを簡単かつ確実に検出する燃料電池発電装置及びセル割れ検出方法並びにセル割れ検出プログラムの提供。
【解決手段】燃料ガスが供給される燃料極層と酸化剤ガスが供給される空気極層と燃料極層及び空気極層の間に配設される固体電解質層とで構成される発電セルと、発電セルの両側に配置される空気極集電体及び燃料極集電体と、がセパレータを挟んで積層された燃料電池スタックと、燃料電池スタックの外部に設けられた電圧測定手段と、燃料電池発電装置を制御する制御手段と、を少なくとも備える燃料電池発電装置において、制御手段は、所定のタイミングで、発電セルに供給する酸化剤ガスの流量を増加させ、流量の増加前後の発電セルのセル電圧を電圧測定手段で測定し、酸化剤ガスの流量の増加に伴ってセル電圧が低下している場合に、当該発電セルにセル割れが生じていると判断する。
【選択図】図７

Description

本発明は、燃料電池発電装置及びセル割れ検出方法並びにセル割れ検出プログラムに関する。

ガスの電気化学反応により電気を発生させる燃料電池発電装置は、発電効率が高く、排出されるガスがクリーンで環境に対する影響が極めて少ないことから、近年、発電用途などに利用されている。この燃料電池発電装置は、反応温度や電解質の種類によって分類することができ、反応温度が３００℃程度以下の低温型には、固体高分子型（ＰＥＦＣ）、アルカリ型（ＡＦＣ）、リン酸型（ＰＡＦＣ）などがあり、高温型には、溶融炭酸塩型（ＭＣＦＣ）、固体酸化物型（ＳＯＦＣ）などがある。

この中で、固体酸化物型は、運転温度が高いためにＰｔ等の高価な貴金属の触媒を使用する必要がなく、排熱が利用しやすく、また、電池構成材料が全て固体でできていることから構成がシンプルであり、高い発電効率が得られるなどの特徴があり、近年盛んに開発が行われている。また、燃料電池発電装置は、発電セルの形状により、円筒型、モノリス型、平板積層型の３つに分類されるが、発電セルの形成が容易な平板積層型が広く採用されている。

上記平板積層型の固体酸化物型燃料電池装置は、発電セルとセパレータとが交互に積層されて燃料電池スタックが構成されている。発電セルは、酸化物イオン導電体からなる固体電解質層を空気極（カソード）層と燃料極（アノード）層とで挟み込んだ積層構造を有し、空気極側には酸化剤ガスとしても酸素（空気）が供給され、燃料極側には燃料ガスが供給されるようになっている。

上記空気極層及び燃料極層は、酸素や燃料ガスが固体電解質層との界面に到達することができるように多孔質材料で形成されている。また、セパレータ或いはインターコネクタは、発電セル間を電気的に接続すると共に、燃料ガスや酸化剤ガスをセパレータ外周面から導入して燃料極層に向かって吐出させる通路を有している。また、セパレータと空気極層との間には空気極集電体が配置され、セパレータと燃料極層との間には燃料極集電体が配置されている。

上記構成の固体酸化物燃料電池では、セパレータを介して発電セルの空気極側に供給された酸化剤ガス（酸素）は、空気極層内の気孔を通って固体電解質層との界面近傍に到達し、空気極から電子を受け取って酸化物イオン（Ｏ^２−）になる。この酸化物イオンは、燃料極に向かって固体電解質層内を拡散移動し、燃料極との界面近傍で燃料ガスと反応して反応生成物（Ｈ_２Ｏ等）となり、燃料極に電子を放出する。そして、この電子を燃料極集電体から取り出すことによって電流が発生する。上記電極反応（発電反応）は、燃料ガスとして水素を用いた場合は以下のようになる。

空気極： １／２Ｏ_２ ＋ ２ｅ⁻ → Ｏ^２−
燃料極： Ｈ_２ ＋ Ｏ^２− → Ｈ_２Ｏ ＋ ２ｅ⁻
全体 ： Ｈ_２ ＋ １／２Ｏ_２ → Ｈ_２Ｏ

ここで、燃料ガスとして水素を使用する場合、水素の濃度をコントロールするために窒素が混合されるが、装置が大型化するにつれて窒素の使用量が増加してしまう。そこで、燃料ガスとして水素に代えて都市ガスや天然ガスなどの炭化水素系ガスを使用する燃料電池発電装置が提案されている。

この燃料電池発電装置は、例えば、燃料ガスの流量と酸化剤ガスの流量とに応じて直流出力電力を発生する燃料電池スタックと、燃料電池スタックに酸化剤ガスを導入する空気供給系と、燃料電池スタックに燃料ガスを導入する燃料ガス供給系と、燃料ガス供給系から送られる炭化水素ガスを水素リッチな燃料ガスに改質する燃料改質器と、燃料ガス供給系に水蒸気を導入する水蒸気供給系と、各種制御を行う制御手段などで構成され、燃料電池スタックと燃料改質器とで燃料電池モジュールが構成される。

上記燃料電池発電装置では、発電中に燃料電池スタックが高温（ＳＯＦＣでは、約６５０〜１０００℃）になるため、燃料電池スタックを構成する各構成物に熱ストレスが加わりやすい。特に、発電セルを構成する固体電解質層はセラミックス等の脆い部材で形成されているため、急激に温度が変化したり、中央部と周縁部に大きな温度差が生じると、発電セルに割れ（以下、セル割れと呼ぶ。）が生じる。

このようなセル割れが生じると、空気極層側の酸化剤ガスと燃料極層側の燃料ガスとが割れた部分で接触して燃焼反応を起こし、この燃焼反応により、燃料電池発電装置で利用可能な燃料ガスが減少して発電セルの出力電圧（以下、セル電圧と呼ぶ。）が低下する。また、この燃焼反応により、燃料極層の表面に酸化膜が形成され、発電に利用可能な電極面積が減少してセル電圧が低下する。そして、セル割れが生じた状態で負荷電流を一定にして運転を継続すると、この燃焼反応により発電セルの温度が上昇し、セル割れが大きくなると共に電極の酸化が促進され、セル電圧が０Ｖまで低下して電池として機能しなくなる。更に運転を継続すると、セル電圧がマイナス電位になって抵抗体になり、ジュール発熱によって発電セルの温度が更に上昇し、ついには、固体電解質層が溶解してしまうなどの致命的な損傷が生じる。

そこで、このような発電セルの致命的な損傷を防止するために、例えば、下記特許文献１では、燃料電池スタックに診断用の電流を強制的に流して磁場を形成し、当該燃料電池スタックから漏洩する磁束を外部に設置した磁束センサを使って検出することにより、セル割れを早期に検出する方法を提案している。

上記方法は燃料電池発電装置から燃料電池スタックを取り出して行う方法であり、セル割れの検出のために燃料電池装置の運転を一旦停止させなければならない。しかしながら、上述したように固体酸化物型の燃料電池発電装置では燃料電池スタックを高温で動作させるため、一旦運転を停止すると運転の再開までに時間を要し、燃料電池発電装置を効率的に運転することができない。また、上記方法は特別な設備が必要であり、セル割れを容易に検出することができない。

このような背景から、セル割れが生じた場合には、セル割れの進行を抑制するために、発電セルから得られる電流を減少させる、すなわち、燃料利用率（供給したガスに対する発電反応に使用される燃料ガスの割合）を低下させて運転を行う方法が採用されている。

特開２００７−１１５５１２号公報

しかしながら、燃料電池スタックは多数の発電セルが積層されて構成されているため、その中の一部の発電セルにセル割れが生じても、初期段階では燃料電池スタック全体の出力はほとんど変化せず、セル割れを早期に検出することができない。また、発電セルには個体差があり、セル電圧は一定ではないため、個々の発電セルの電圧を測定したとしても、初期段階ではセル電圧が低い発電セルにセル割れが生じているかを正確に判断することはできない。そのため、セル割れが生じた状態で運転を継続してしまい、上述したように燃料電池発電装置の運転を停止させる事態が発生してしまうという問題があった。

本発明は、上記問題点に鑑みてなされたものであって、その主たる目的は、セル割れを簡単かつ確実に検出することができる燃料電池発電装置及びセル割れ検出方法並びにセル割れ検出プログラムを提供することにある。

上記目的を達成するため、本発明は、酸化剤ガスが供給される空気極層と燃料ガスが供給される燃料極層と前記空気極層及び前記燃料極層の間に配設される固体電解質層とで構成される発電セルがセパレータを挟んで積層された燃料電池スタックと、各発電セル又は一群の発電セル毎のセル電圧を測定する電圧測定手段と、制御手段と、を少なくとも備える燃料電池発電装置において、前記制御手段は、前記酸化剤ガスを第１の流量で流した状態における各発電セル又は一群の発電セル毎のセル電圧を前記電圧測定手段に測定させ、前記酸化剤ガスを前記第１の流量よりも大きい第２の流量で流した状態における各発電セル又は一群の発電セル毎のセル電圧を前記電圧測定手段に測定させ、前記酸化剤ガスの流量増加に伴って前記セル電圧が低下する発電セル又は一群の発電セルがある場合に、当該発電セル又は一群の発電セルにセル割れが生じていると判断するものである。

また、本発明は、酸化剤ガスが供給される空気極層と燃料ガスが供給される燃料極層と前記空気極層及び前記燃料極層の間に配設される固体電解質層とで構成される発電セルがセパレータを挟んで積層された燃料電池スタックと、各発電セル又は一群の発電セル毎のセル電圧を測定する電圧測定手段と、を少なくとも備える燃料電池発電装置におけるセル割れ検出方法であって、前記酸化剤ガスを第１の流量で流した状態における各発電セル又は一群の発電セル毎のセル電圧を前記電圧測定手段で測定する第１の処理と、前記酸化剤ガスを前記第１の流量よりも大きい第２の流量で流した状態における各発電セル又は一群の発電セル毎のセル電圧を前記電圧測定手段で測定する第２の処理と、前記酸化剤ガスの流量増加に伴って前記セル電圧が低下する発電セル又は一群の発電セルがある場合に、当該発電セル又は一群の発電セルにセル割れが生じていると判断する第３の処理と、を少なくとも実行するものである。

また、本発明は、酸化剤ガスが供給される空気極層と燃料ガスが供給される燃料極層と前記空気極層及び前記燃料極層の間に配設される固体電解質層とで構成される発電セルがセパレータを挟んで積層された燃料電池スタックにおけるセル割れ検出方法であって、前記酸化剤ガスを第１の流量で流した状態における各発電セル又は一群の発電セル毎のセル電圧を測定する第１の処理と、前記酸化剤ガスを前記第１の流量よりも大きい第２の流量で流した状態における各発電セル又は一群の発電セル毎のセル電圧を測定する第２の処理と、前記酸化剤ガスの流量増加に伴って前記セル電圧が低下する発電セル又は一群の発電セルがある場合に、当該発電セル又は一群の発電セルにセル割れが生じていると判断する第３の処理と、を少なくとも実行するものである。

また、本発明は、酸化剤ガスが供給される空気極層と燃料ガスが供給される燃料極層と前記空気極層及び前記燃料極層の間に配設される固体電解質層とで構成される発電セルがセパレータを挟んで積層された燃料電池スタックと、各発電セル又は一群の発電セル毎のセル電圧を測定する電圧測定手段と、を少なくとも備える燃料電池発電装置で動作するセル割れ検出プログラムであって、コンピュータを、前記酸化剤ガスを第１の流量で流した状態における各発電セル又は一群の発電セル毎のセル電圧を前記電圧測定手段に測定させ、前記酸化剤ガスを前記第１の流量よりも大きい第２の流量で流した状態における各発電セル又は一群の発電セル毎のセル電圧を前記電圧測定手段に測定させ、前記酸化剤ガスの流量増加に伴って前記セル電圧が低下する発電セル又は一群の発電セルがある場合に、当該発電セル又は一群の発電セルにセル割れが生じていると判断する手段として機能させるものである。

本発明の燃料電池発電装置及びセル割れ検出方法並びにセル割れ検出プログラムによれば、燃料電池スタックに供給する酸化剤ガスの流量を増加させ、増加前後のセル電圧を測定し、酸化剤ガスの流量の増加に伴ってセル電圧が低下しているかに基づいてセル割れを検出するため、セル割れを簡単かつ確実に検出することができる。

また、酸化剤ガスの流量を増加させても、セル割れのない正常な発電セルでは、余剰な酸化剤ガスは発電反応に利用されずに排出されるため、上記セル割れ検出方法を燃料電池発電装置の運転中に実行することができ、燃料電池発電装置を効率的に運転することができる。また、上記セル割れ検出方法は、燃料電池スタックの製造後の検査にも利用可能なため、不良な燃料電池スタックを容易に判別することができる。

本発明は、その好ましい一実施の形態において、燃料ガスが供給される燃料極層と酸化剤ガスが供給される空気極層と燃料極層及び空気極層の間に配設される固体電解質層とで構成される発電セルと、発電セルの両側に配置される空気極集電体及び燃料極集電体と、がセパレータを挟んで積層された燃料電池スタックと、燃料電池スタックの外部に設けられた電圧測定手段と、燃料電池発電装置の動作を制御する制御手段と、を少なくとも備える燃料電池発電装置において、制御手段は、所定のタイミングで、発電セルに供給する酸化剤ガスの流量を増加させ、流量の増加前後の発電セルのセル電圧を電圧測定手段によって測定し、酸化剤ガスの流量の増加に伴ってセル電圧が低下している発電セルがある場合に、当該発電セルにセル割れが生じていると判断する。以下、その具体的構成について、図面を参照して説明する。

上記した本発明の実施の形態についてさらに詳細に説明すべく、本発明の一実施例に係る燃料電池発電装置及びセル割れ検出方法並びにセル割れ検出プログラムについて、図１乃至図８を参照して説明する。図１は、本実施例の燃料電池発電装置の構成を模式的に示す図である。また、図２は、燃料電池モジュール内の燃料電池スタックの具体的構成例を示す図であり、図３は、燃料電池モジュール内の１つの発電セルの構成を模式的に示す図である。また、図４乃至図６は、酸化剤ガスの流量を変化させたときのセル電圧及び不良セルの状態を示す図であり、図７は、本実施例の燃料電池発電装置を用いたセル割れ検出方法の手順を示すフローチャート図である。また、図８は、燃料電池モジュール内の１つの発電セルを含むユニットにおける端子の配置を具体的に示す図である。

図１に示すように、本実施例の燃料電池発電装置１は、燃料ガス（都市ガスや天然ガス、ＬＰＧガスなどの炭化水素ガス）の流量と酸化剤ガス（酸素や空気など）の流量とに応じて直流出力電力を発生する燃料電池スタック３（バンドルとも呼ぶ。）と、燃料電池スタック３に酸化剤ガス（本実施例では空気とする。）を導入する空気ブロア６や空気供給配管などの空気供給系と、燃料電池スタック３に燃料ガスを導入する燃料ガス昇圧器７や燃料ガス供給配管などの燃料ガス供給系と、燃料電池モジュール２内に配設され、燃料ガス供給系から送られる炭化水素ガスを水素リッチな燃料ガスに改質する燃料改質器４と、燃料ガス供給系に水蒸気を導入する水移送ポンプ８や水蒸気発生器１０、水蒸気供給配管などの水蒸気供給系と、燃料電池スタック３内の各構成物の電圧を測定する電圧測定手段５ａと、燃料電池スタック３の温度を測定する温度測定手段（図示せず）と、電圧測定手段５ａで測定した電圧や温度測定手段で測定した温度に基づいて燃料ガスや水蒸気、空気の流量制御などを行う制御手段５と、燃料電池スタック３からの直流出力を交流出力に変換して交流電力を外部負荷に供給するインバータ（図示せず）などで構成されている。

また、図２に示すように、燃料電池スタック３は、固体電解質層１２の両面に燃料極層１３と空気極層１１とを配置した発電セル１４と、燃料極層１３の外側に配置した燃料極集電体１９と、空気極層１１の外側に配置した空気極集電体１８と、各集電体の外側に配したセパレータ１７（インターコネクタとも呼ぶ。）とからなる単セル（ユニット）が縦方向に多数積層されて構成されている。

固体電解質層１２は、ランタンガレート（Ｌａ_０．８Ｓｒ_０．２Ｇａ_０．８Ｍｇ_０．１５Ｃｏ_０．０５Ｏ_２．８５）やイットリアを添加した安定化ジルコニア（ＹＳＺ）等で構成され、燃料極層１３は、Ｎｉ、Ｃｏ等の金属又はＮｉ−ＹＳＺ、Ｃｏ−ＹＳＺ、Ｎｉとサマリウムドープセリア（Ｃｅ_０．８Ｓｍ_０．２Ｏ_２）のサーメット等で構成され、空気極層１１は、サマリウムコバルタイト（Ｓｍ_０．５Ｓｒ_０．５ＣｏＯ_３）、ランタンマンガナイト（ＬａＭｎＯ_３）、ランタン鉄コバルタイト（ＬａＳｒＣｏＦｅＯ_３）等で構成されている。また、燃料極集電体１９はＮｉ基合金等のスポンジ状の多孔質焼結金属板で構成され、空気極集電体１８はＡｇ基合金等のスポンジ状の多孔質焼結金属板で構成されている。

また、セパレータ１７は、ステンレス等で構成され、空気極集電体１８側の面にはＡｇメッキ層が形成され、燃料極集電体１９側の面にはＮｉメッキ層が形成され、発電セル１４間を電気的に接続する。また、セパレータ１７は、発電セル１４に対してガスを供給する機能を有し、燃料ガスをセパレータ１７の外周面から導入して燃料極集電体１９に対向する面のほぼ中央部から吐出する燃料ガス通路と、酸化剤ガス（空気）をセパレータ１７の外周面から導入して空気極集電体１８に対向する面のほぼ中央部から吐出する酸化剤ガス通路とを備えている。

そして、図３の模式図に示すように、運転時には、燃料ガス通路及び酸化剤ガス通路を通してセパレータ１７の略中心部から発電セル１４に向けて供給される燃料ガス及び酸化剤ガス（空気）を発電セル１４の外周方向に拡散させながら燃料極層１３及び空気極層１１の全面に良好な分布で行き渡らせて発電反応を生じさせると共に、発電反応で消費されなかった余剰ガス（高温排ガス）を発電セル１４の外周部からハウジング内に自由に放出するようになっており、ハウジングの内部空間に放出された排ガスは排気穴より燃料電池モジュール２外に排出されるようになっている。

また、図２に示すように、この燃料電池スタック３の両側にはステンレス等で形成された一対の端板１５、１６が配置されており、燃料電池スタック３の電力はこの上下一対の端板１５、１６を介して外部に取り出すことができ、外部に設けた電圧測定手段により測定できるようになっている。また、図３に示すように、１又は複数の発電セル１４（図３では、個々の発電セル１４）のセル電圧はセパレータ１７に接続された配線を介して外部に取り出すことができ、外部に設けた電圧測定手段により測定できるようになっている。

なお、図２及び図３では、発電セル１４の両側に燃料極集電体１９及び空気極集電体１８が配置された構成を示しているが、燃料極集電体１９及び空気極集電体１８を配置しない構成に対しても、本発明を適用することができる。また、図２では、発電セル１４の外周部にガス漏れ防止シールを設けないシールレス構造の燃料電池スタック３を示したが、燃料電池スタック３が隔壁によって密閉されるシール構造に対しても、本発明を適用することができる。

このような構成において、燃料電池発電装置１の運転中に各発電セル１４のセル電圧をモニタした結果の一例を図４（左図）に示す。ここで、発電セル１４にセル割れが生じていない状態では各発電セル１４のセル電圧は一定であることが望ましいが、実際には、図４（左図）に示すように、各構成部品の材料や配置、接続状態のばらつきなどに起因してセル電圧にも多少のばらつきが生じる。そのため、燃料電池発電装置１の運転中に各発電セル１４のセル電圧をモニタしただけでは、発電セル１４にセル割れが生じているかを判断するのは容易ではない。

例えば、図４（右図）は、セル割れ１４ａが生じた発電セル１４（ここでは１３番目の発電セル１４）を燃料極層１３側から見た図であり、燃料極層１３のセル割れ１４ａ部分近傍（酸化剤ガスはセル割れ１４ａ部分から外周側に向かって流れるため、通常はセル割れ１４ａ部分の外周側近傍）には絶縁膜（通常は酸化膜１４ｂ）が形成されており、この酸化膜１４ｂにより燃料極層１３の実効的な電極面積が小さくなり、その結果、図４（左図）に示すようにセル電圧が低下している。一方、他の発電セル１４（ここでは７番目と４７番目の発電セル１４）のセル電圧も小さいが、これは発電セル１４の個体差に基づくものである。

従って、個々の発電セル１４のセル電圧をモニタしただけでは、セル電圧の低下がセル割れ１４ａに起因するのか、個体差に起因するのかを判別することはできない。また、個々の発電セル１４のセル電圧を継続的にモニタすることによってセル電圧の経時的な低下を検出することはできるが、この方法では、セル割れ１４ａの検出に時間を要し、時間が経過すると、セル割れ１４ａ以外の要因（例えば、後述するセパレータ１７や空気極集電体１８、燃料極集電体１９の状態変化、酸化剤ガスや燃料ガスの流路の閉塞、固体電解質層１２の構造変化など）によってもセル電圧が低下するため、やはり、セル電圧の低下がセル割れ１４ａに起因するのか、個体差に起因するのかを判別することはできない。

そこで、本実施例では、このセル電圧の低下がセル割れ１４ａに起因するのか、個体差に起因するのかを判別するために、発電セル１４に供給する酸化剤ガスの流量を増加（ここでは空気流量を７８Ｌ／ｍｉｎから１３５Ｌ／ｍｉｎに増加）させる。この状態では、図５（右図）に示すように、セル割れ１４ａが生じた発電セル１４では燃料極層１３側に漏洩する酸化剤ガスが増加して燃料極層１３の酸化膜１４ｂが成長し（酸化膜１４ｂの面積が増大又は酸化膜１４ｂの膜厚が厚くなり）、その結果、図５（左図）に示すように、その発電セル１４のセル電圧は大きく低下する。一方、他の発電セル１４では、余分に供給された酸化剤ガスは発電反応には利用されずに排出されるため、セル電圧は変化しない。従って、酸化剤ガスの流量増加に伴ってセル電圧が低下するか否かを判別することによって、その発電セル１４にセル割れ１４ａが発生しているか否かを判断することができる。

この酸化剤ガスの流量及び増加量は、発電セル１４の構造やサイズ、燃料極層１３の材料、燃料電池スタック３の温度、燃料ガスの流量などを勘案して適宜設定することができる。しかしながら、酸化剤ガスの流量を元に戻しても、図６（右図）に示すように燃料極層１３の酸化膜１４ｂはそのまま残り、図６（左図）に示すようにセル割れ１４ａが生じた発電セル１４のセル電圧は図４（左図）の状態には戻らないため、酸化剤ガスの増加量は、酸化剤ガスの流量増加に伴うセル電圧の低下が検出可能な限り、極力小さくすることが望ましい。

なお、上記酸化剤ガスの流量制御や、電圧測定手段５ａを用いたセル電圧の測定、セル割れ１４ａが発生しているか否かの判断は制御手段５によって実行されるが、これらの制御は、コンピュータを、上記制御手段５として機能させるセル割れ検出プログラムによって実行する構成としてもよい。

次に、上記構成の燃料電池発電装置１を用いたセル割れ検出の具体的手順について、図７のフローチャート図を参照して説明する。

まず、ステップＳ１０１で、コールドスタンバイ状態（常温状態）において、制御装置のボタン操作などによって燃料電池発電装置１の起動が指示されると、制御手段５は、燃料電池モジュール２を起動用のヒータやバーナにより加熱して、燃料電池スタック３を発電可能な温度まで昇温させる。

次に、ステップＳ１０２で、制御手段５は、空気供給系を制御して、燃料電池スタック３に所定の流量の空気を供給し、引き続きステップＳ１０３で、燃料ガス供給系及び水蒸気供給系を制御して、燃料電池スタック３に所定の流量の燃料ガス及び水蒸気を供給する。

次に、ステップＳ１０４で、制御手段５は、温度測定手段を用いて燃料電池スタック３の温度を監視し、ステップＳ１０５で、燃料電池スタック３の温度と予め定められた温度とを比較し、所定の温度に達したらホットスタンバイ状態になったと判断して、ステップＳ１０６で、発電を開始する。そして、ステップＳ１０７で、運転停止が指示されるまで、発電を継続する。

ここまでの動作が従来の制御方法であるが、本実施例では、ステップＳ１０８で、制御手段５は、セル割れの検出を行うか否かを判断する。なお、この判断の基準として、運転開始からの時間経過を監視し、所定の時間間隔でセル割れの検出を行うようにしてもよいし、予め定めたタイミング（例えば、所定の時刻）でセル割れの検出を行うようにしてもよいし、常時セル電圧をモニタし、セル電圧の低下を検出したらセル割れの検出を行うようにしてもよい。

セル割れの検出に際して、まず、ステップＳ１０９で、制御手段５は、電圧測定手段５ａを用いて、通常の発電条件の酸化剤ガスの流量（第１の流量と呼ぶ。）における各発電セル１４又はグループ化された発電セル１４のセル電圧を取得する。

次に、ステップＳ１１０で、制御手段５は、空気ブロア６を制御して酸化剤ガスの流量を増加させて、第１の流量よりも大きい第２の流量に変更し、電圧測定手段５ａを用いて、その状態における各発電セル１４又はグループ化された発電セル１４のセル電圧を取得する。なお、前述したように、正常な発電セル１４では、余分に供給された酸化剤ガスは発電反応には利用されずに排出されるため、発電条件に影響を与えることない。

次に、ステップＳ１１１で、制御手段５は、酸化剤ガスの流量の増加に伴ってセル電圧が低下している発電セル１４があるかを判断し、セル電圧が低下している発電セル１４がなければ、セル割れ１４ａが発生していないと判断して、酸化剤ガスの流量を第１の流量に戻し、ステップＳ１０６に戻って同じ発電条件で運転を継続する。

一方、セル電圧が低下している発電セル１４があれば、その発電セル１４にセル割れ１４ａが発生していると判断し、ステップＳ１１２で、制御手段５は、セル割れ１４ａの進行を抑制するために発電条件を変更し（例えば、燃料利用率を低下させ）、ステップＳ１０６に戻ってその発電条件で発電を継続する。

なお、上記フローは燃料電池発電装置１の運転中にセル割れ１４ａを検出する場合の手順であるが、この方法は燃料電池スタック３の検査においても利用することができる。その場合は、燃料電池スタック３製造後、ステップＳ１０９〜Ｓ１１１の処理を行い、酸化剤ガスの流量の増加に伴ってセル電圧が低下している発電セル１４があれば、その発電セル１４にセル割れ１４ａが発生していると判断し、その発電セル１４の交換を行う。

このように、本実施例の燃料電池発電装置１では、制御手段５は、所定の時間間隔、又は、所定のタイミング、又はセル電圧の低下を検出したら、各発電セル１４のセル電圧を測定し、続いて、酸化剤ガスの流量を増加させて各発電セル１４のセル電圧を測定し、酸化剤ガスの流量増加に伴ってセル電圧が低下する発電セル１４があるかに基づいて、セル割れ１４ａを検出する。これにより、セル割れを簡単かつ確実に検出することができる。

また、酸化剤ガスの流量を増加させても、セル割れ１４ａのない正常な発電セル１４では、余剰な酸化剤ガスは発電反応に利用されずに排出されるため、燃料電池発電装置１の運転中にセル割れ１４ａを検出することができ、燃料電池発電装置を効率的に運転することができる。また、燃料電池スタック３の検査時にセル割れ１４ａを検出することにより、不良な燃料電池スタック３を容易に判別することができる。

以上、個々の発電セル１４両側のセパレータ１７間のセル電圧を検出する場合について記載したが、この構成では、セパレータ１７間の電圧が変化した場合に、その変化が発電セル１４に起因しているのか、セパレータ１７や空気極集電体１８、燃料極集電体１９等の状態変化による過電圧に起因しているのかを判別することができない場合も生じる。

上記構成物の状態変化について具体的に説明すると、空気極側のセパレータ１７はステンレスの表面にＡｇメッキ処理が施されているが、メッキの施工状態により表面にＡｇメッキのピンホールなどがあると、供給している空気中の酸素がピンホールから侵入し、Ａｇメッキ内部のステンレスと反応して酸化スケールが生じ、この反応が進行するとＡｇメッキ内部がふくれあがり、Ａｇメッキが徐々に剥がれてステンレスとの固着状態が悪化し、電気抵抗が増加する。

また、燃料極側のセパレータ１７表面は水素を含む還元性雰囲気であり、ステンレス表面は酸化されにくい状態になっているが、発電を行うと水素が水蒸気に変化し、この水蒸気がステンレスの表面を酸化し、また、水蒸気と水素の混合ガスでは、水蒸気が水素と酸素に分離し、この酸素がセパレータ１７表面を酸化する可能性もある。

また、発泡Ｎｉなどからなる燃料極集電体１９は高温での長期使用によってクリープ変形の可能性があり、この変形によって燃料極集電体１９と発電セル１４の燃料極層１３との接触不良が起こり、過電圧が上昇する場合もある。

また、発泡金属にＡｇメッキを施して作製した空気極集電体１８はセパレータ１７と同様にＡｇメッキのピンホールにより過電圧が生じる可能性があり、燃料極集電体１９と同様にクリープ変形により接触不良によって過電圧が上昇する場合もある。

そこで、セパレータ１７や空気極集電体１８、燃料極集電体１９の状態変化の影響を受けずに発電セル１４のセル割れ１４ａを検出可能にするために、燃料電池スタック３の少なくとも一つの発電セル１４を含むユニットに対して、セパレータ１７に端子を接続すると共に、各構成部品間に所定のサイズ、厚み、形態の端子を挿入し、燃料電池スタック３の外部に設けた電圧測定手段５ａによって端子間の電圧を測定できるようにすることもできる。

具体的には、図８の左側に示すように、空気極側のセパレータ１７（図の上側のセパレータ）の側面にねじ止めなどによって端子２０ａを接続すると共に、セパレータ１７と空気極集電体１８との間（セパレータ１７と空気極集電体１８との間に接触抵抗を低減するための金属層（エキスパンドメタル１８ａと呼ぶ。）が配設される構成ではセパレータ１７とエキスパンドメタル１８ａとの間）の少なくとも一部に端子２１ａを挿入する。また、燃料極側のセパレータ１７の側面にねじ止めなどによって端子２０ｂを接続すると共に、セパレータ１７と燃料極集電体１９との間の少なくとも一部に端子２１ｂを挿入する。

そして、これらの端子と燃料電池スタック３の外部に設けた電圧測定手段５ａとの間を配線で接続し、電圧測定手段５ａによって、セパレータ１７間の電圧（端子２０ａと端子２０ｂとの間の電圧）を測定すると共に、セパレータ１７の過電圧（端子２０ａと端子２１ａとの間の電圧、又は、端子２０ｂと端子２１ｂとの間の電圧）を測定する。また、必要に応じて、空気極集電体１８と発電セル１４との間の少なくとも一部に端子２２ａを挿入し、燃料極集電体１９と発電セル１４との間の少なくとも一部に端子２２ｂを挿入し、空気極集電体１８の過電圧（端子２１ａと端子２２ａとの間の電圧）と燃料極集電体１９の電圧（端子２１ｂと端子２２ｂとの間の電圧）とを測定する。

または、図８の右側に示すように、空気極側のセパレータ１７の側面にねじ止めなどによって端子２０ａを接続すると共に、空気極集電体１８の側面にねじ止めなどによって端子２３ａを接続し、また、燃料極側のセパレータ１７の側面にねじ止めなどによって端子２０ｂを接続すると共に、燃料極集電体１９の側面にねじ止めなどによって端子２３ｂを接続する。

そして、これらの端子と燃料電池スタック３の外部に設けた電圧測定手段５ａとの間を配線で接続し、電圧測定手段５ａによって、セパレータ１７及び空気極集電体１８の過電圧（端子２０ａと端子２３ａとの間の電圧）、又は、セパレータ１７及び燃料極集電体１９の過電圧（端子２０ｂと端子２３ｂとの間の電圧）を測定する。

このように、セパレータ１７や空気極集電体１８、燃料極集電体１９の状態変化に起因する過電圧を測定することにより、発電セル１４のセル割れ１４ａに起因するセル電圧の低下を正確に測定することができる。また、これにより、酸化剤ガスの流量の増加を小さくすることができるため、本実施例のセル割れ１４ａの検出による酸化膜１４ｂの成長の進行を抑制することができる。

なお、上記実施例では、炭化水素系の燃料ガスと水蒸気とを用いる燃料電池発電装置１について記載したが、本発明は上記実施例に限定されるものではなく、水素ガスと窒素ガスを用いる燃料電池発電装置１においても同様に適用することができる。また、上記実施例では、シールレスタイプの燃料電池発電装置１について記載したが、シールタイプの燃料電池発電装置１においても、同様に適用することができる。

本発明は、固体酸化物型燃料電池発電装置において特に有効であるが、固体高分子型燃料電池発電装置、リン酸型燃料電池発電装置、溶融炭酸塩型燃料電池発電装置などの他の種類の燃料電池発電装置に対しても適用することが可能である。

本発明の一実施例に係る燃料電池発電装置の構成を模式的に示す図である。 本発明の一実施例に係る燃料電池スタックの具体的構成例を示す図である。 本発明の一実施例に係る発電セルの構成を模式的に示す図である。 酸化剤ガスの流量増加前の各発電セルのセル電圧及びセル割れが生じた発電セルの状態を示す図である。 酸化剤ガスの流量増加時の各発電セルのセル電圧及びセル割れが生じた発電セルの状態を示す図である。 酸化剤ガスの流量を元に戻した時の各発電セルのセル電圧及びセル割れが生じた発電セルの状態を示す図である。 本発明の一実施例に係る燃料電池発電装置を用いたセル割れ検出手順を示すフローチャート図である。 本発明の一実施例に係る燃料電池スタックにおける端子の配置を具体的に示す図である。

符号の説明

１ 燃料電池発電装置
２ 燃料電池モジュール
３ 燃料電池スタック
４ 燃料改質器
５ 制御手段
５ａ 電圧測定手段
６ 空気ブロア
７ 燃料ガスブロア
８ 水移送ポンプ
９ 純水タンク
１０ 水蒸気発生器
１１ 空気極層
１２ 固体電解質層
１３ 燃料極層
１４ 発電セル
１４ａ セル割れ
１４ｂ 酸化膜
１５、１６ 端板
１７ セパレータ
１８ 空気極集電体
１８ａ エキスパンドメタル
１９ 燃料極集電体
２０ａ、２０ｂ 端子
２１ａ、２１ｂ 端子
２２ａ、２２ｂ 端子
２３ａ、２３ｂ 端子

Claims (7)

1. 酸化剤ガスが供給される空気極層と燃料ガスが供給される燃料極層と前記空気極層及び前記燃料極層の間に配設される固体電解質層とで構成される発電セルがセパレータを挟んで積層された燃料電池スタックと、各発電セル又は一群の発電セル毎のセル電圧を測定する電圧測定手段と、制御手段と、を少なくとも備える燃料電池発電装置において、
   前記制御手段は、前記酸化剤ガスを第１の流量で流した状態における各発電セル又は一群の発電セル毎のセル電圧を前記電圧測定手段に測定させ、前記酸化剤ガスを前記第１の流量よりも大きい第２の流量で流した状態における各発電セル又は一群の発電セル毎のセル電圧を前記電圧測定手段に測定させ、前記酸化剤ガスの流量増加に伴って前記セル電圧が低下する発電セル又は一群の発電セルがある場合に、当該発電セル又は一群の発電セルにセル割れが生じていると判断する、ことを特徴とする燃料電池発電装置。
2. 前記第１の流量は、前記燃料電池発電装置の定常運転時の流量であり、
   前記制御手段は、セル割れが生じていると判断した場合に、燃料利用率を低下させて前記燃料電池発電装置の運転を継続する、ことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池発電装置。
3. 酸化剤ガスが供給される空気極層と燃料ガスが供給される燃料極層と前記空気極層及び前記燃料極層の間に配設される固体電解質層とで構成される発電セルがセパレータを挟んで積層された燃料電池スタックと、各発電セル又は一群の発電セル毎のセル電圧を測定する電圧測定手段と、を少なくとも備える燃料電池発電装置におけるセル割れ検出方法であって、
   前記酸化剤ガスを第１の流量で流した状態における各発電セル又は一群の発電セル毎のセル電圧を前記電圧測定手段で測定する第１の処理と、
   前記酸化剤ガスを前記第１の流量よりも大きい第２の流量で流した状態における各発電セル又は一群の発電セル毎のセル電圧を前記電圧測定手段で測定する第２の処理と、
   前記酸化剤ガスの流量増加に伴って前記セル電圧が低下する発電セル又は一群の発電セルがある場合に、当該発電セル又は一群の発電セルにセル割れが生じていると判断する第３の処理と、を少なくとも実行することを特徴とする燃料電池発電装置におけるセル割れ検出方法。
4. 前記第１の流量は、前記燃料電池発電装置の定常運転時の流量であり、
   前記第３の処理で、セル割れが生じていると判断した場合に、燃料利用率を低下させて前記燃料電池発電装置の運転を継続する、ことを特徴とする請求項３に記載の燃料電池発電装置におけるセル割れ検出方法。
5. 前記第１乃至第３の処理を、定期的、又は、予め定めたタイミング、又は、前記セル電圧の低下を検出した時に実行する、ことを特徴とする請求項３又は４に記載の燃料電池発電装置におけるセル割れ検出方法。
6. 酸化剤ガスが供給される空気極層と燃料ガスが供給される燃料極層と前記空気極層及び前記燃料極層の間に配設される固体電解質層とで構成される発電セルがセパレータを挟んで積層された燃料電池スタックにおけるセル割れ検出方法であって、
   前記酸化剤ガスを第１の流量で流した状態における各発電セル又は一群の発電セル毎のセル電圧を測定する第１の処理と、
   前記酸化剤ガスを前記第１の流量よりも大きい第２の流量で流した状態における各発電セル又は一群の発電セル毎のセル電圧を測定する第２の処理と、
   前記酸化剤ガスの流量増加に伴って前記セル電圧が低下する発電セル又は一群の発電セルがある場合に、当該発電セル又は一群の発電セルにセル割れが生じていると判断する第３の処理と、を少なくとも実行することを特徴とする燃料電池スタックにおけるセル割れ検出方法。
7. 酸化剤ガスが供給される空気極層と燃料ガスが供給される燃料極層と前記空気極層及び前記燃料極層の間に配設される固体電解質層とで構成される発電セルがセパレータを挟んで積層された燃料電池スタックと、各発電セル又は一群の発電セル毎のセル電圧を測定する電圧測定手段と、を少なくとも備える燃料電池発電装置で動作するセル割れ検出プログラムであって、
   コンピュータを、
   前記酸化剤ガスを第１の流量で流した状態における各発電セル又は一群の発電セル毎のセル電圧を前記電圧測定手段に測定させ、前記酸化剤ガスを前記第１の流量よりも大きい第２の流量で流した状態における各発電セル又は一群の発電セル毎のセル電圧を前記電圧測定手段に測定させ、前記酸化剤ガスの流量増加に伴って前記セル電圧が低下する発電セル又は一群の発電セルがある場合に、当該発電セル又は一群の発電セルにセル割れが生じていると判断する手段として機能させる、ことを特徴とするセル割れ検出プログラム。

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