JP2010177078A - 燃料電池の性能判断方法 - Google Patents

Abstract

【課題】複数の燃料電池が積層された後、性能不良の燃料電池を簡単且つ確実に検出することを可能にする。
【解決手段】性能判断方法は、複数の発電セル６０を積層して燃料電池スタックを組み付ける工程と、積層された前記燃料電池スタックを最大負荷状態で発電を行う工程と、酸化剤ガス、燃料ガス及び冷却媒体の供給量を変化させるとともに、前記供給量の変化時における各発電セル６０の電圧変化を検出する工程と、検出された前記電圧変化に基づいて前記発電セル６０の性能判断を行う工程とを有している。
【選択図】図４

Description

本発明は、カソード側電極に供給される酸化剤ガス及びアノード側電極に供給される燃料ガスの電気化学反応により発電するとともに、温度調整用の冷却媒体が供給される燃料電池の性能を判断するための燃料電池の性能判断方法に関する。

例えば、固体高分子型燃料電池は、高分子イオン交換膜からなる電解質膜（電解質）の両側に、それぞれアノード側電極及びカソード側電極を配設した電解質膜・電極構造体（電解質・電極構造体）（ＭＥＡ）を、セパレータによって挟持した発電セルを備えている。この種の燃料電池は、通常、所定の数の発電セルを積層することにより、燃料電池スタックとして使用されている。

上記の燃料電池では、セパレータの面内に、アノード側電極に対向して燃料ガスを流すための燃料ガス流路と、カソード側電極に対向して酸化剤ガスを流すための酸化剤ガス流路とが設けられている。また、セパレータ間には、冷却媒体を流すための冷却媒体流路が、前記セパレータの面方向に沿って設けられている。

この種の燃料電池は、各発電セルに燃料ガス、酸化剤ガス及び冷却媒体を供給するために、積層方向に貫通する各連通孔が形成された、所謂、内部マニホールド型燃料電池を構成する場合が多い。その際、各発電セルの流路溝形状や、シール形状又はＭＥＡの厚さ等にばらつきが生じると、各発電セルの圧力損失が異なってセル電圧がばらつく等の不具合が発生し易い。

このため、例えば、特許文献１に開示されているように、単セルでの利用率に対するセル電圧安定性と耐久劣化特性を測定し、セル電圧安定性と耐久劣化特性の良好なガス利用率範囲を予め設定した後、全ての単セルがガス利用率範囲内になるように各単セルの圧力損失値の範囲を計算により求め、圧力損失値の範囲内の単セルを集めて組み立てた燃料電池が知られている。

特開２００５−１４９９３１号公報

しかしながら、上記の従来技術では、特に、車載用燃料電池のように、数百の単セルを積層して燃料電池スタックを構成する場合、各単セル毎に圧力損失を全て測定しなければならない。このため、燃料電池スタックを製造するために、多大な時間を要するという問題がある。

しかも、燃料電池スタックとして数百の単セルを積層した後に、酸化剤ガス、燃料ガス又は冷却媒体の少なくともいずれかの流路系に流配不良が惹起されるおそれがある。しかしながら、上記の特許文献１では、燃料電池スタックとして積層した後に、いずれの単セルに流配不良があるか否かの検査を行うことができないという問題がある。

本発明はこの種の問題を解決するものであり、複数の燃料電池が積層された後、性能不良の燃料電池を簡単且つ確実に検出することが可能な燃料電池の性能判断方法を提供することを目的とする。

本発明は、カソード側電極に供給される酸化剤ガス及びアノード側電極に供給される燃料ガスの電気化学反応により発電するとともに、温度調整用の冷却媒体が供給される燃料電池の性能を判断するための燃料電池の性能判断方法に関するものである。

この性能判断方法は、複数の燃料電池を積層する工程と、積層された前記燃料電池により一定の負荷状態で発電を行う工程と、少なくとも酸化剤ガス、燃料ガス又は冷却媒体のいずれかの供給量を変化させるとともに、前記供給量の変化時における前記燃料電池の電圧変化を検出する工程と、検出された前記電圧変化に基づいて前記燃料電池の性能判断を行う工程とを有している。

また、この性能判断方法は、酸化剤ガス、燃料ガス及び冷却媒体の供給量を、順次、変化させるとともに、各供給量の変化時における燃料電池の電圧変化を個別に検出することが好ましい。

さらに、一定の負荷状態とは、最大負荷状態であることが好ましい。

本発明によれば、燃料電池が一定の負荷状態で発電を行いながら、少なくとも酸化剤ガス、燃料ガス又は冷却媒体のいずれかの供給量を変化させた際の前記燃料電池の電圧変化が検出されている。このため、積層体内の特定の燃料電池に流配不良（ストイキ不足）が惹起していることを容易に検出することができ、積層された前記燃料電池の性能判断が確実に遂行される。これにより、積層前の各燃料電池毎に検査を行う必要がなく、良好な燃料電池スタックを迅速且つ短時間に組み立てることが可能になる。

本発明の実施形態に係る燃料電池の性能判断方法が適用される燃料電池システムの概略構成図である。 前記燃料電池システムを構成する発電セルの分解斜視説明図である。 流体流量と出力電圧との関係説明図である。 第１の実施形態に係る燃料電池の性能判断方法を説明するタイムチャートである。 第２の実施形態に係る燃料電池の性能判断方法を説明するタイムチャートである。

図１は、本発明の実施形態に係る燃料電池の性能判断方法が適用される燃料電池システム１０の概略構成図である。

燃料電池システム１０は、図示しない燃料電池車両に搭載されており、燃料電池スタック１２と、前記燃料電池スタック１２に冷却媒体を供給するための冷却媒体供給機構１６と、前記燃料電池スタック１２に酸化剤ガスを供給するための酸化剤ガス供給機構１８と、前記燃料電池スタック１２に燃料ガスを供給するための燃料ガス供給機構２０とを備える。なお、燃料電池システム１０は、燃料電池の性能判断を行う専用機として構成してもよく、その際には、車載される必要はない。

冷却媒体供給機構１６は、ラジエータ２４を備える。このラジエータ２４には、冷媒用ポンプ２６を介して冷却媒体供給配管２８と、冷却媒体排出配管３０とが接続される。

酸化剤ガス供給機構１８は、冷媒用ポンプ２６に近接して配置される空気用ポンプ３２を備える。この空気用ポンプ３２に一端が接続される空気供給配管３４は、加湿器３６に他端が接続されるとともに、この加湿器３６には、加湿空気供給配管３８を介して燃料電池スタック１２が接続される。燃料電池スタック１２と加湿器３６とには、使用済みの生成水を含んだ酸化剤ガス（以下、オフガスという）を加湿流体として供給するためのオフガス供給配管４０が接続される。加湿器３６では、オフガス供給配管４０を介して供給されたオフガスの排出側に、背圧弁４２が配設される。

燃料ガス供給機構２０は、燃料ガスとして水素ガスが貯留される燃料ガスタンク４４を備える。この燃料ガスタンク４４には、燃料ガスパイプ４５の一端が接続され、前記燃料ガスパイプ４５には、遮断弁４６、レギュレータ４８及びエゼクタ５０を介して燃料電池スタック１２が接続される。

燃料電池スタック１２には、使用済みの燃料ガスが排出される排出燃料ガス配管５２が接続される。この排出燃料ガス配管５２は、リターン配管５４を介してエゼクタ５０に接続されるとともに、一部がパージ弁５６に連通する。

燃料電池スタック１２は、複数の発電セル（燃料電池）６０が車長方向（図２中、矢印Ａ方向）である水平方向に積層されるとともに、積層方向の両端には、図示しないが、ターミナルプレート及び絶縁プレートを介してエンドプレート６２ａ、６２ｂが配設される。

図２に示すように、各発電セル６０は、電解質膜・電極構造体（電解質・電極構造体）（ＭＥＡ）６６と、前記電解質膜・電極構造体６６を挟持する第１及び第２セパレータ６８、７０とを備えるとともに、縦長に構成される。なお、第１及び第２セパレータ６８、７０は、カーボンセパレータ又は金属セパレータで構成される。

発電セル６０の長辺方向（矢印Ｃ方向）の一端縁部（上端縁部）には、矢印Ａ方向に互いに連通して、酸化剤ガス、例えば、酸素含有ガスを供給するための酸化剤ガス供給連通孔７２ａ、及び燃料ガス、例えば、水素含有ガスを供給するための燃料ガス供給連通孔７６ａが設けられる。

発電セル６０の長辺方向の他端縁部（下端縁部）には、矢印Ａ方向に互いに連通して、酸化剤ガスを排出するための酸化剤ガス排出連通孔７２ｂ及び燃料ガスを排出するための燃料ガス排出連通孔７６ｂが設けられる。

発電セル６０の短辺方向（矢印Ｂ方向）の一端縁部には、冷却媒体を供給するための冷却媒体供給連通孔７４ａが設けられるとともに、前記発電セル６０の短辺方向の他端縁部には、冷却媒体を排出するための冷却媒体排出連通孔７４ｂが設けられる。冷却媒体供給連通孔７４ａ及び冷却媒体排出連通孔７４ｂは、縦長形状に設定される。

電解質膜・電極構造体６６は、例えば、パーフルオロスルホン酸の薄膜に水が含浸された固体高分子電解質膜７８と、前記固体高分子電解質膜７８を挟持するアノード側電極８０及びカソード側電極８２とを備える。

第１セパレータ６８の電解質膜・電極構造体６６に向かう面６８ａには、燃料ガス供給連通孔７６ａと燃料ガス排出連通孔７６ｂとを連通する燃料ガス流路８４が形成される。この燃料ガス流路８４は、例えば、矢印Ｃ方向に延在する溝部により構成される。第１セパレータ６８の面６８ａとは反対の面６８ｂには、冷却媒体供給連通孔７４ａと冷却媒体排出連通孔７４ｂとを連通する冷却媒体流路８６が形成される。この冷却媒体流路８６は、矢印Ｂ方向に延在する溝部により構成される。

第２セパレータ７０の電解質膜・電極構造体６６に向かう面７０ａには、例えば、矢印Ｃ方向に延在する溝部からなる酸化剤ガス流路８８が設けられるとともに、この酸化剤ガス流路８８は、酸化剤ガス供給連通孔７２ａと酸化剤ガス排出連通孔７２ｂとに連通する。第２セパレータ７０の面７０ａとは反対の面７０ｂには、第１セパレータ６８の面６８ｂと重なり合って冷却媒体流路８６が一体的に形成される。図示しないが、第１及び第２セパレータ６８、７０には、シール部材が設けられる。

図１に示すように、燃料電池スタック１２は、例えば、エンドプレート６２ａ、６２ｂを端板とするケーシング（図示せず）を備えてもよく、また、このケーシングに代えて、エンドプレート６２ａ、６２ｂ間を図示しないタイロッドで連結して構成してもよい。

燃料電池スタック１２には、各発電セル６０のセル電圧端子９０に接続されて、発電時の前記発電セル６０のセル電圧をモニタする電圧モニタ９２が接続される。この電圧モニタ９２は、コントローラ９４に接続されるとともに、前記コントローラ９４は、燃料電池システム１０全体の制御を行う。

次いで、第１の実施形態に係る燃料電池スタック１２の性能判断方法について、以下に説明する。

先ず、所定数の発電セル６０が積層されるとともに、積層方向の両端にターミナルプレート及び絶縁プレートを介してエンドプレート６２ａ、６２ｂが配設される。そして、エンドプレート６２ａ、６２ｂ間に、所定の締め付け荷重が付与されて燃料電池スタック１２が組み付けられる。

燃料電池スタック１２は、一定の負荷状態、第１の実施形態では、最大負荷状態で発電が行われる。具体的には、図１に示すように、酸化剤ガス供給機構１８を構成する空気用ポンプ３２が駆動され、酸化剤ガスである外部空気が吸引されて空気供給配管３４に導入される。この空気は、空気供給配管３４から加湿器３６内に導入され、加湿空気供給配管３８に供給される。

その際、オフガス供給配管４０には、後述するように、反応に使用された酸化剤ガスであるオフガスが供給されている。このため、使用前の空気には、加湿器３６の水透過膜（図示せず）を介してオフガス中に含まれる水分が移動し、この使用前の空気が加湿される。加湿された空気は、加湿空気供給配管３８からエンドプレート６２ｂを通って燃料電池スタック１２内の酸化剤ガス供給連通孔７２ａに供給される。

一方、燃料ガス供給機構２０では、遮断弁４６の開放作用下に、燃料ガスタンク４４内の燃料ガス（水素ガス）がレギュレータ４８で降圧された後、エゼクタ５０からエンドプレート６２ｂを通って燃料電池スタック１２内の燃料ガス供給連通孔７６ａに導入される。

さらに、冷却媒体供給機構１６では、冷媒用ポンプ２６の作用下に、冷却媒体供給配管２８からエンドプレート６２ａを通って燃料電池スタック１２内の冷却媒体供給連通孔７４ａに冷却媒体が導入される。

図２に示すように、燃料電池スタック１２内の発電セル６０に供給された空気は、酸化剤ガス供給連通孔７２ａから第２セパレータ７０の酸化剤ガス流路８８に導入され、電解質膜・電極構造体６６のカソード側電極８２に沿って移動する。一方、燃料ガスは、燃料ガス供給連通孔７６ａから第１セパレータ６８の燃料ガス流路８４に導入され、電解質膜・電極構造体６６のアノード側電極８０に沿って移動する。

従って、各電解質膜・電極構造体６６では、カソード側電極８２に供給される空気中の酸素と、アノード側電極８０に供給される燃料ガス（水素）とが、電極触媒層内で電気化学反応により消費され、発電が行われる。

次いで、カソード側電極８２に供給されて消費された空気は、酸化剤ガス排出連通孔７２ｂに沿って流動した後、オフガスとしてエンドプレート６２ｂからオフガス供給配管４０に排出される（図１参照）。

同様に、アノード側電極８０に供給されて消費された燃料ガスは、燃料ガス排出連通孔７６ｂに排出されて流動し、排出燃料ガスとしてエンドプレート６２ｂから排出燃料ガス配管５２に排出される（図１参照）。排出燃料ガス配管５２に排出された排出燃料ガスは、一部がリターン配管５４を通ってエゼクタ５０の吸引作用下に燃料ガスパイプ４５に戻される。この排出燃料ガスは、新たな燃料ガスに混在して燃料ガスパイプ４５から燃料電池スタック１２内に供給される。残余の排出燃料ガスは、パージ弁５６の開放作用下に排出される。

また、冷却媒体は、図２に示すように、冷却媒体供給連通孔７４ａから第１及び第２セパレータ６８、７０間の冷却媒体流路８６に導入された後、矢印Ｂ方向に沿って流動する。この冷却媒体は、電解質膜・電極構造体６６を冷却した後、冷却媒体排出連通孔７４ｂを移動してエンドプレート６２ａから冷却媒体排出配管３０に排出される。この冷却媒体は、図１に示すように、ラジエータ２４により冷却された後、冷媒用ポンプ２６の作用下に冷却媒体供給配管２８から燃料電池スタック１２に供給される。

上記のように、燃料電池スタック１２が最大負荷で発電を行いながら、少なくとも酸化剤ガス、燃料ガス又は冷却媒体のいずれか、第１の実施形態では、前記酸化剤ガス、燃料ガス及び冷却媒体の全ての供給量が変化される。

ここで、発電セル６０では、図３に示すように、基本流量に対する初期性能（出力電圧）が低い場合であっても、流体（酸化剤ガス、燃料ガス又は冷却媒体の少なくともいずれか）の運転時の流量変化時に、安定した発電が行われる発電セル６０が存在している（ラインＬ１参照）。一方、初期性能が高いものの、流体の流量変化によってストイキ安定性の悪い不安定な発電がなされる発電セル６０が存在している（ラインＬ２参照）。

従って、実際の運転で使用される流量変動の範囲内において、安定した発電を行うことのできる発電セル６０は、燃料電池スタック１２に組み込まれる一方、発電が不安定となる発電セル６０は、前記燃料電池スタック１２から取り除く必要がある。

そこで、図４に示すように、燃料電池スタック１２の発電中に、酸化剤ガス、燃料ガス及び冷却媒体の流量をそれぞれ一定量だけ減少（又は増加）させる処理が行われる。その際、燃料電池スタック１２を構成する各発電セル６０のセル電圧は、セル電圧端子９０に接続されている電圧モニタ９２により検出される。

コントローラ９４では、検出された電圧が閾値電圧Ｖ０よりも低いか否かを検出する。そして、閾値電圧Ｖ０以下となった発電セル６０は、流配不足、すなわち、性能不良であると判断される。なお、閾値電圧Ｖ０は、例えば、予め設定された固定値、又は、スタック内やモジュール内の平均セル電圧である。

次に、性能不良であると判断された発電セル６０は、燃料電池スタック１２から取り除かれるとともに、新たな発電セル６０が前記燃料電池スタック１２に積層された後、上記の性能判断処理が施される。

このように、第１の実施形態では、所定数の発電セル６０が積層された燃料電池スタック１２を、最大負荷状態で発電させながら、酸化剤ガス、燃料ガス及び冷却媒体の供給量を変化させるとともに、前記供給量の変化時における各発電セル６０の電圧変化を検出している。このため、燃料電池スタック１２内の特定の発電セル６０の流配不良（ストイキ不足）を容易に検出することができ、積層された状態における前記発電セル６０の性能判断が確実に遂行される。

これにより、積層前の各発電セル６０毎に検査を行う必要がなく、良好な燃料電池スタック１２を迅速且つ短時間に組み立てることが可能になるという効果が得られる。特に、車載用の燃料電池スタック１２では、数百枚の発電セル６０が積層されており、前記発電セル６０の検査時間を大幅に短縮することができ、検査処理が一挙に効率化されるという利点がある。

図５は、本発明の第２の実施形態に係る燃料電池の性能判断方法を説明するタイムチャートである。

この第２の実施形態では、第１の実施形態と同様に、燃料電池スタック１２を最大負荷状態で運転させている。そして、酸化剤ガス、冷却媒体及び燃料ガスの供給量を、順次、変化させるとともに、各供給量の変化時における各発電セル６０の電圧変化を個別に検出している。

コントローラ９４では、検出された電圧が閾値電圧Ｖ０よりも低いか否かを検出する。そして、閾値電圧Ｖ０以下となった発電セル６０は、流配不足、すなわち、性能不良であると判断される。

具体的には、先ず、酸化剤ガスのみの供給量が減少（又は増加）されることにより、酸化剤ガス流配不良が発生している発電セル６０を検出することができる。次いで、冷却媒体の流量のみが減少（又は増加）されることにより、この冷却媒体の供給量不足による発電性能の低下が惹起される発電セル６０が検出される。さらに、燃料ガスのみの供給量が減少（又は増加）されることにより、燃料ガス流配不良の発電セル６０が検出される。

従って、第２の実施形態では、酸化剤ガス流配不良、燃料ガス流配不良及び電解質膜・電極構造体６６の性能不良を有する発電セル６０を個別に検出することができる他、上記の第１の実施形態と同様の効果が得られる。

１０…燃料電池システム １２…燃料電池スタック
１６…冷却媒体供給機構 １８…酸化剤ガス供給機構
２０…燃料ガス供給機構 ２４…ラジエータ
２６、３２…ポンプ ２８…冷却媒体供給配管
３０…冷却媒体排出配管 ３４…空気供給配管
３６…加湿器 ３８…加湿空気供給配管
４０…オフガス供給配管 ４４…燃料ガスタンク
４５…燃料ガスパイプ ５０…エゼクタ
５１…燃料ガス供給配管 ５２…排出燃料ガス配管
５４…リターン配管 ６０…発電セル
６２ａ、６２ｂ…エンドプレート ６６…電解質膜・電極構造体
６８、７０…セパレータ ７２ａ…酸化剤ガス供給連通孔
７２ｂ…酸化剤ガス排出連通孔 ７４ａ…冷却媒体供給連通孔
７４ｂ…冷却媒体排出連通孔 ７６ａ…燃料ガス供給連通孔
７６ｂ…燃料ガス排出連通孔 ７８…固体高分子電解質膜
８０…アノード側電極 ８２…カソード側電極
８４…燃料ガス流路 ８６…冷却媒体流路
８８…酸化剤ガス流路 ９０…セル電圧端子
９２…電圧モニタ ９４…コントローラ

Claims (3)

1. カソード側電極に供給される酸化剤ガス及びアノード側電極に供給される燃料ガスの電気化学反応により発電するとともに、温度調整用の冷却媒体が供給される燃料電池の性能を判断するための燃料電池の性能判断方法であって、
   複数の前記燃料電池を積層する工程と、
   積層された前記燃料電池により一定の負荷状態で発電を行う工程と、
   少なくとも前記酸化剤ガス、前記燃料ガス又は前記冷却媒体のいずれかの供給量を変化させるとともに、前記供給量の変化時における前記燃料電池の電圧変化を検出する工程と、
   検出された前記電圧変化に基づいて前記燃料電池の性能判断を行う工程と、
   を有することを特徴とする燃料電池の性能判断方法。
2. 請求項１記載の性能判断方法において、前記酸化剤ガス、前記燃料ガス及び前記冷却媒体の供給量を、順次、変化させるとともに、各供給量の変化時における前記燃料電池の電圧変化を個別に検出することを特徴とする燃料電池の性能判断方法。
3. 請求項１又は２記載の性能判断方法において、前記一定の負荷状態とは、最大負荷状態であることを特徴とする燃料電池の性能判断方法。

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