JP2015185320A - 燃料電池セルの特性評価方法、燃料電池装置、及び燃料電池セルの製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】燃料電池セルの開回路電圧における理論開回路電圧からの低下のうち、イオン輸率低下に起因する成分を簡易な手法で分離することができる燃料電池の特性評価方法を提供することを解決すべき課題とする。
【解決手段】燃料極と空気極と前記燃料極及び前記空気極に挟持される電解質とを有する燃料電池セルに対して発電を行いながら電圧と電流値との関係を測定する測定工程を有する特性評価方法であって、前記測定工程で電圧を変動させる範囲は、前記燃料電池セルの開回路電圧を超える範囲を少なくとも含む。電流を変動させる範囲は、ゼロを下回る範囲を少なくとも含む。開回路電圧から正と負の方向にそれぞれ電圧を印加するとIV曲線が得られる。得られた曲線のある電圧値の接線の傾きはその点のセルの全抵抗となる。電圧＋開回路電圧値に対して全抵抗をプロットし、全抵抗が最大となる電圧値がイオン輸率に起因する低下電圧（Ｅ_ｉ）となる。
【選択図】図２

Description

本発明は、燃料電池セルの特性評価方法、燃料電池装置、及び燃料電池セルの製造方法に関する。

燃料電池単セルの開回路電圧（Ｅ）は以下に示すネルンスト式により表される。

E：開回路電圧、t_i:電解質のイオン輸率、R：気体定数、T：温度、F：ファラデー定数、PO₂:酸素分圧

上式から明らかなように、電解質のイオン輸率（全導電率に対するイオン導電の寄与度：ｔ_ｉ）が１から低下すると開回路電圧（E）低下する。イオン輸率に起因する低下電圧（Ｅ_ｉ）はネルンスト式（ti=1）から算出される理論開回路電圧（Ｅ_ｔｈ）と、燃料電池単セルを構成した上で観測される開回路電圧（Ｅ_ｏｂ）の差から求めることができると考えられている（Ｅ_ｉ＝Ｅ_ｔｈ−Ｅ_ｏｂ：非特許文献１）。

また、イオンブロッキング法にて電解質のイオン輸率を見積もることができる（非特許文献２）。ここで見積もったイオン輸率を非特許文献２の（数１）に代入することでイオン輸率低下に起因する低下電圧（Ｅ_ｉ）を求めることができると考えられている（Ｅ_ｉ＝Ｅ_ｔｈ×（１−ｔ_ｉ）：非特許文献１）。

「固体電気化学」講談社サイエンティフィク、２００１年、第１９１−１９３頁 「燃料電池の解析手法」化学同人、２００５年、第２３６−２３８頁

イオン輸率が１ではない電解質を用いた燃料電池単セルには開回路時でも内部短絡が起こり、短絡電流が生じている（図１（a））。この状態はイオン輸率が１の電解質を用いた燃料電池単セルに短絡分相当の電流が流れている閉回路と見なすことができる（図１（b））。

燃料電池単セルの開回路電圧と電流印加時、特に低電流時の閉回路電圧の差、すなわち分極（図２（a,b））は抵抗過電圧と活性化過電圧の二つに分類される（図２（ｃ,ｄ）。
よって、イオン輸率が１ではない電解質を用いた燃料電池単セルの開回路電圧（観測ＯＣＶ）とネルンスト式（ti=1）から算出される理論開回路電圧（Ｅｔｈ：真のＯＣＶ）との電圧差には、イオン輸率、抵抗過電圧、活性化過電圧の三つの要素が含まれている。
非特許文献１で求めたイオン輸率に起因する低下電圧（Ｅｉ）にはイオン輸率低下以外に、短絡電流に伴い生じた抵抗過電圧と活性化過電圧の二つの要素が含まれている。従って非特許文献１の方法では、イオン輸率に起因する低下電圧（Ｅｉ）を正確に特定できないと考えられる。

そして、イオンブロッキング法により求めた電解質のイオン輸率と、燃料電池作動下でのイオン輸率はガス雰囲気が厳密には異なるため同じでない。また電解質組成も電極などからの不純物の混入により同じではない可能性がある。そのため非特許文献２の方法では、イオン輸率に起因する低下電圧を正確に特定できないと考えられる。
ところで、観測される開回路電圧がネルンスト式（t_i=1）から算出される理論開回路電圧（Ｅ_ｔｈ）から低下する要因として、イオン輸率低下以外に電解質を介したガスリークの発生に伴う酸素分圧の変動が挙げられる。
ガスリークが発生するとセル近傍の酸素分圧を規定することは非常に困難である。そのため非特許文献１、２の方法では、理論開回路電圧（Ｅ_ｔｈ）をそもそも規定できない。従ってイオン輸率低下に起因する開回路電圧低下を正確に特定できないと考えられる。
上述した理由により非特許文献１及び２の方法ではイオン輸率低下及びガスリークに起因する開回路電圧低下を正確に特定できないと考えられる。

本発明は上記実情に鑑み完成したものであり燃料電池セルの開回路電圧における理論開回路電圧からの低下のうち、イオン輸率低下に起因する成分を簡易な手法で分離することができる燃料電池の特性評価方法を提供することを解決すべき課題とする。
また同時にガスリークに起因する成分を簡易な手法で分離することができる燃料電池の特性評価方法を提供することを解決すべき課題とする。

また、この燃料電池の評価方法を利用した燃料電池セルの製造方法並びに燃料電池装置を提供することも他の解決すべき課題とする。

（１）上記課題を解決する本発明の燃料電池セルの特性評価方法は、燃料極と空気極と前記燃料極及び前記空気極に挟持される電解質とを有する燃料電池セルに対して発電を行いながら電圧と電流値との関係を測定する測定工程を有する特性評価方法であって、
前記測定工程で電圧を変動させる範囲は、前記燃料電池セルの開回路電圧を超える範囲を少なくとも含む。
また電流を変動させる範囲は、ゼロを下回る範囲を少なくとも含む。

開回路電圧から正と負の方向にそれぞれある電圧を印加するとIV曲線が得られる（図２（a,b））。得られた曲線のある電圧値の接線の傾きはその点のセルの全抵抗となる。
それぞれ印加した電圧値、もしくは印加した電圧＋開回路電圧値に対して全抵抗をプロットし、全抵抗が最大となる電圧値がイオン輸率に起因する低下電圧（Ｅｉ）となる。また全抵抗が最大となる印加した電圧＋開回路電圧値がイオン輸率に起因する低下電圧を排除した開回路電圧、すなわちネルンスト式（ti=1）から算出される理論開回路電圧（Ｅｔｈ）となる（電解質を介したガスリークがない場合）。
また開回路、すなわち見かけの電流ゼロの位置から正と負の方向にそれぞれ電流を印加すると、所謂IV曲線が得られる（図２（a,b））。得られた曲線のある電流値の接線の傾きはその点のセルの全抵抗となる。
正と負の方向にそれぞれ印加した電流値に対して全抵抗をプロットし、全抵抗が最大となる電流値の絶対値はイオン輸率に起因する短絡電流となる。

イオン輸率が１ではない電解質を用いた燃料電池単セルには開回路時でも内部短絡が起こり、短絡電流が生じている（図１（a））。この状態はイオン輸率が１の電解質を用いた燃料電池単セルに短絡分相当の電流が流れた閉回路と見なすことができる（図１（b））。
値βの電流が流れることにより、抵抗過電圧と活性化過電圧の和αだけ減じた閉回路と見なすことができる（図１（b））。
そのためイオン輸率が１ではない燃料電池セルにおける開回路電圧（E_ob：図２（ａ））は、イオン輸率が１の燃料電池セルにおける開回路電圧（Eth：図２（ｂ））から短絡電流値に相当する電流値βを印加した時に生じる抵抗過電圧と活性化過電圧の和αだけ減じた閉回路電圧と見なせる。
一方、この時の抵抗過電圧と活性化過電圧は電流に対して図２（ｃ,ｄ）のような挙動をとると推測される。さらにこれら過電圧の各点における接線の傾きは抵抗に相当するため、電流に対する抵抗は図２（ｅ,ｆ）のようになると推測される。
図２（ｆ）に示したように、イオン輸率が１の電解質を用いた燃料電池セルでは、電流値がゼロ（開回路電圧（E_th）に相当）の時に燃料電池セルの全抵抗値は最大となる。
一方、図２（ｅ）に示したように、イオン輸率が１ではない電解質を用いた燃料電池セルでは、全抵抗値は見かけ上電流値がゼロの時よりも短絡電流値βを逆方向に印加した時に最大になると推測される。
以上のことから、全抵抗値が最大となる時の電圧値を観測すれば、イオン輸率低下に起因する低下電圧値αを見積もることができると考えられる。

すなわち、上述の（１）に記載の燃料電池セルの特性評価方法には、以下の（２）に記載の構成要素を加えることで電解質のイオン輸率低下に起因する低下電圧値を判別できる。
さらに観測開回路電圧値（E_ob）、イオン輸率に起因する低下電圧値(Ｅ_i)、理論開回路電圧値（E_th）からガスリークに起因する低下電圧値（E_g）を算出することも可能である（E_g=E_th-（E_ob＋E_i））。

（２）前記測定工程にて測定した電圧及び電流から算出した前記燃料電池セルの全抵抗が最も高い電圧と、前記開回路電圧との差から前記電解質のイオン輸率低下に伴う低下電圧を算出するイオン輸率評価工程を有する。

燃料電池セルに開回路電圧値から電圧を徐々に印加していくと過電圧を相殺するまでは全抵抗は増加するが、過電圧を超えた電圧を印加すると燃料電池セルにおいて逆方向に電流が流れ始め（酸素ポンプ、水蒸気電解状態）、全抵抗が減少する。つまり、開回路電圧値から印加する電圧を変化させた時の全抵抗値が最大となる電圧値がイオン輸率低下に起因する低下電圧値（Ei）に相当する。

（３）上記課題を解決する本発明の燃料電池装置は、燃料極と空気極と前記燃料極及び前記空気極に挟持される電解質とを有する燃料電池セルと、
前記燃料電池セルに対して発電を行いながら電圧と電流値との関係を測定する測定手段と測定結果に基づき前記燃料電池セルを制御する制御部とを有する制御装置とを有する燃料電池であって、
前記測定手段で電圧を変動させる範囲は、前記燃料電池セルの開回路電圧を超える範囲を少なくとも含み、
前記制御手段は、前記測定工程にて測定した電圧及び電流から算出した前記燃料電池セルの全抵抗が最も高い電圧と、前記開回路電圧との差から算出される前記電解質のイオン輸率低下に伴う開回路電圧の低下に基づいて前記燃料電池セルを制御するイオン輸率評価手段を備える。
さらに観測開回路電圧値（E_ob）、イオン輸率に起因する低下電圧値(Ｅ_i)、理論開回路電圧値（E_th）から算出（E_g=E_th-（E_ob＋E_i））したガスリークに起因する低下電圧値（E_g）に基づいて前記燃料電池セルを制御するガスリーク評価手段を備える。

本発明の燃料電池装置は（２）に記載の特性評価方法と同じ原理にて電解質のイオン輸率低下を検出している。燃料電池セルの電解質のイオン輸率が低下すると発電した電力が無駄に消費されるため、イオン輸率の低下の程度により燃料電池セルの制御を変化させることでイオン輸率低下による悪影響を抑えることができる。

（４）上記課題を解決する本発明の燃料電池セルの製造方法は、燃料極と空気極と前記燃料極及び前記空気極に挟持される電解質とから製造した燃料電池セル粗製品から燃料電池セルを製造する方法であって、
前記燃料電池セル粗製品に対して発電を行いながら開回路電圧を超える範囲を少なくとも含む電圧と電流値との関係を測定する測定工程と、
前記測定工程にて測定した電圧及び電流から算出した前記燃料電池セル粗製品の全抵抗が最も高い電圧と、前記開回路電圧との差から前記電解質のイオン輸率低下に伴う開回路電圧の低下を算出するイオン輸率評価工程をもつ検品工程を有する。
さらに観測開回路電圧値（E_ob）、イオン輸率に起因する低下電圧値(Ｅ_i)、理論開回路電圧値（E_th）から算出（E_g=E_th-（E_ob＋E_i））したガスリークに起因する低下電圧値（E_g）に基づいてガスリーク評価工程をもつ検品工程を有する。

本発明の燃料電池セルの製造方法は（２）に記載の特性評価方法と同じ原理にて電解質のイオン輸率低下を検出している。燃料電池セルの電解質のイオン輸率はできるだけ高い方が望ましく、製造時にイオン輸率の低下の程度を評価することにより、使用に耐えない電解質を備える燃料電池セルを排除することができる。ここで、「燃料電池セル粗製品」とは検品前の燃料電池セルを意味し燃料電池セルとして必要な諸特性が実現されている場合に燃料電池セルとして用いられる。

本発明の特性評価方法を適用する燃料電池セルの開回路もしくは閉回路状態の概略を示す概略図である。（ａ）はイオン輸率が１ではない燃料電池セルの開回路状態の概略を示し、（ｂ）は電解質のイオン輸率が１である燃料電池セルの閉回路状態の概略を示す概略図である。 燃料電池セルにおけるＩＶ曲線（ａ、ｂ）、過電圧（ｃ、ｄ）、全抵抗（ｅ、ｆ）との関係を示す図である。（ａ）、（ｃ）、及び（ｅ）がイオン輸率が１でない燃料電池セルであり、（ｂ）、（ｄ）、及び（ｆ）がイオン輸率が１である燃料電池セルである。 実施例における燃料電池セルについて測定工程及びイオン輸率評価工程を行う装置（燃料電池装置）の概略図である。 実施例において測定を行ったＩＶ曲線を示すグラフである。 図４にて示したＩＶ曲線から算出した全抵抗の電圧依存性を示すグラフである。

本発明の燃料電池セルの特性評価方法、燃料電池セルの製造方法、並びに、燃料電池装置について以下実施形態に基づき詳細に説明する。本実施形態において採用される燃料電池としては電解質を有するものであればすべて適用できるが特に固体酸化物形燃料電池に適用することが望ましく、特に電解質としてＬＳＧＭ（Ｌａ，Ｓｒ，Ｇａ，Ｍｇを含むペロブスカイト型酸化物）系及びCeO2系電解質を採用した固体酸化物形燃料電池に適用することがより望ましい。

（燃料電池セルの特性評価方法）
本実施形態の燃料電池セルの特性評価方法は燃料極と空気極とそれら燃料極及び空気極に挟持される電解質とをもつ燃料電池セルの特性を評価する方法である。評価する特性は電解質の特性に関し特に電解質のイオン輸率に関する特性を含む。燃料電池の電解質には電子伝導性が非常に低く、イオン輸率が１に近いことが求められる。例えば固体酸化物形燃料電池に用いられるＬＳＧＭ系電解質は燃料極や空気極との相互作用によってイオン輸率が低下することが知られている。

本特性評価方法は燃料電池セルを製造した直後、メンテナンス作業時、修理時に検査目的で行うこともできるし、使用中の燃料電池に対して劣化の程度を判別するために行うこともできる。

本実施形態の燃料電池セルの特性評価方法は燃料電池セルが発生する電圧と電流とを測定する測定工程とその他の工程とをもつ。

・測定工程
測定工程では燃料電池セルの開回路電圧を超える範囲での電圧を印加した際の電流を測定する。あるいは正負の電流を印加した際の電圧を測定する。得られた電圧と電流とから全抵抗を求める。開回路電圧値から電圧を徐々に印加していくと、イオン輸率が１ではない場合には過電圧αの存在により全抵抗の値が一度増加する。そして過電圧αを超える電圧を印加すると全抵抗の値は減少する。一方、イオン輸率が１である場合には全抵抗の値は増加しない。

この原理を用いて後述するイオン輸率評価工程にてイオン輸率低下に起因する低下電圧αを算出する。

測定工程において燃料電池セルの全抵抗を測定する具体的な方法としては限定されない。直流を用いる方法、交流を用いる方法が挙げられる。直流にて測定する方法は目的の電圧を印加した時に観測される電流値を測定し、その時の電圧と電流とから全抵抗を算出する。
あるいは電流を印加した時に観測される電圧値を測定し、その時の電圧と電流とから全抵抗を算出する。
全抵抗の算出はＩＶ曲線のある点における接線の傾きを求め、その傾きから全抵抗を算出する。例えば、ある電圧値から±５ｍＶの範囲の電流値から傾きを算出する。

交流にて測定する方法としては一般的に交流インピーダンス法と称される方法を採用して行うｃｏｌｅ−ｃｏｌｅプロットにより算出できる。交流インピーダンス法としては、リサージュ法、交流ブリッジ法、位相弁別法、デジタル・フーリエ積分法、ノイズ印加による高速フーリエ変換法が例示できる。ｃｏｌｅ−ｃｏｌｅプロットを行うに際しては複数の周波数を採用して測定を行うがその選択は全抵抗が求められる程度の範囲及び数を採用する。周波数としては１ＭＨｚ〜１００ｍＨｚの範囲が例示できる。また、交流の振幅としては特に限定しないが０．１ｍＶ〜５０ｍＶ程度とすることが例示できる。

複数の周波数において測定された燃料電池セルのインピーダンスについて、その実部をＸ軸に虚部をＹ軸にプロットして規定される二次元座標におけるインピーダンス円から全抵抗の値を算出する。

なお、測定工程において燃料電池に印加する電圧は１又は２以上の特定の電圧を印加して行う。特に後述する全抵抗の最大値が精度良く検出できるように測定を行う電圧の値のみ合わせ及び測定数を設定することが好ましい。また測定を行う順序としては電圧が低い方から高い方に向けて行う。反対に高い方から低い方に向けて行っても良い。更には電圧を不規則に変化させても良い。

電圧を開回路電圧から高い方に向けて増加するようにして測定する場合には電圧を変動させた範囲において過電圧の範囲であるかどうかが容易に判定できる。すなわち、電圧を低い方から順次変動させたときに全抵抗が上昇する限りにおいてはその測定を行っている電圧は過電圧の範囲に含まれると判断できる。また、特定の電圧でのみ電流値を測定する場合にはその特定電圧での電流値の変動からイオン輸率の低下の進行の有無を判断できる。例えばある期間毎に複数回の測定工程を行う場合において前回の測定値と比べることによりイオン輸率の低下が進行しているかどうかと、進行の程度とが判別できる。具体的にはガス分圧などを揃えた上で同じ電圧を印加して測定工程を行ってもイオン輸率の低下に従い測定される電流値は小さくなるため、電流値が小さくなる程度によってイオン輸率の低下の程度を見積もることができる。

ここで、全抵抗の値は絶対値が正確なものでは無くても算出値の相対的な大小関係が正確に保たれていれば充分な値である。そのためＩＶ曲線は電圧と電流とから求めても良いし、電圧計や電流計から送出される電圧や電流に比例した大きさをもつ測定信号など、電圧や電流に関連して変動する値をそのまま用いても良い。

電流と電圧とはそれぞれポテンショスタットなどの電圧計と電流計とにより測定できる。また、電圧計及び電流計をもたなくても他の手段により電圧や電流の値を推測することもできる。例えば定電圧装置や定電流装置を用いて電圧及び電流のうちの一方について一定値に保ったときに他方の値を測定するなどの方法により行うことができる。電圧計及び電流計の双方をもつ場合には本工程とは独立して電圧と電流とを随時測定することで燃料電池セルの運転状況が分かる。

測定工程は燃料電池セルに接続される負荷から切り離して行うことが望ましい。測定工程は逆向きの電圧を印加して行うため負荷に接続したままで行うと負荷に対して予期せぬ影響を与えかねないからである。燃料電池セルが複数ある場合には複数の燃料電池セルの中から順次測定対象とする燃料電池セルを選択して負荷から切断して測定工程を適用することによりいつでも測定工程を行うことができる。なお、本実施形態の特性評価方法は燃料電池セルの電解質のイオン輸率低下を評価する方法であるため、本方法を行う頻度としては電解質の劣化が予測される頻度にて行うことができる。例えば毎年、毎月、毎週、毎日、必要な頻度にて行うことができる。

更には対象となる燃料電池セルについて発電状況を監視する監視工程をもたせ得られた発電状況に応じて測定工程を適用できる。測定工程にて測定される電圧及び電流の値は燃料電池セルの運転状況により変動するため測定工程は運転状況に応じて、例えば出力が一定時間、一定範囲に収まっているときなどのように出力が安定している場合や、発電量が所定値よりも低いときに本測定工程を実行するようにすることにより測定工程により得られる値の正確性が向上できる。

また、測定工程は１つの燃料電池セルについて行うことができることはもちろん、２以上の燃料電池セルについて同時に測定工程を行うことができる。複数の燃料電池セルについて同時に測定工程を行う場合には複数の燃料電池セルについて同時に特性評価を行うことになる。複数の燃料電池セルに対して同時に測定工程を適用した場合にはそれらの燃料電池セルにおけるイオン輸率低下の平均値が算出できる。

・その他の工程
その他の工程は必要に応じて選択される。その他の工程としてはイオン輸率評価工程、ガスリーク評価工程が挙げられる。イオン輸率評価工程では前述した測定工程中における測定結果から算出した低下電圧αに基づきイオン輸率の低下の程度を評価する。イオン輸率の低下は低下電圧αから正確に算出することもできる上、低下電圧αの値又はそれに関連する値をそのままイオン輸率低下の程度であるとすることもできる。

得られたイオン輸率低下はどのように用いても良いし、そのまま記録として残すだけでも良い。更にはイオン輸率の低下が所定値を上回った場合にはその旨を報知する手段を設けても良い。報知する手段としては光、音、電気信号などを用いて行うものが採用できる。

イオン輸率低下を燃料電池セルの制御に用いても良い。例えばイオン輸率が低下した燃料電池セルに対しては空気の供給量を増加させたり、燃料の供給を減少させたりすることで燃料電池の温度上昇を抑制して燃料電池保護を行うようにすることができる。

複数ある燃料電池セルに対して個別に本特性評価方法を適用している場合には複数の燃料電池のうちイオン輸率の低下が所定の許容範囲を超えているものについて、以後の使用を停止するような制御を行うことができる。一部の燃料電池セルの使用を停止する場合には停止する燃料電池セルを電気的に外して残りの燃料電池セルだけを用いるように回路を形成し直すことが望ましい。電気的に外した燃料電池セルに対しては以後、燃料の供給を停止したり減少したりすることが好ましい。燃料の供給を減少乃至停止した場合でも燃料電池セルの保護のために空気の供給は続けることが望ましい。

更に、本工程ではイオン輸率の値やイオン輸率の低下に由来する過電圧を算出することができるため、それ以外の原因により低下した電圧を算出することもできる。例えば燃料極と空気極とに供給するガスのガス分圧を用いて算出される理論開回路電圧と観測された開回路電圧との差のうちイオン輸率の低下に基づく値を減ずることによりその他の要因により低下した電圧の値を算出することができる。例えばその他の要因としてガスリークによるものが主因である場合には、ガス分圧を用いて算出される理論開回路電圧と観測された開回路電圧との差のうちイオン輸率の低下に基づく値を減じた値からガスリークに起因する低下電圧を算出できる。

（燃料電池装置）
本実施例の燃料電池装置は燃料電池セルと制御装置とをもつ。燃料電池セルについては前述の特性評価方法にて記載したものが採用できる。制御装置については前述の特性評価方法をそのまま制御部のロジックとして有し、その評価方法の基礎になる電圧の印加及び電流の測定を行う装置を有するものが採用できる。評価方法としては測定工程及びイオン輸率評価工程をもつ。複数の燃料電池セルをもつ燃料電池装置の場合には制御装置は複数の燃料電池セルについて個別にイオン輸率の低下を評価しても良いし、複数の燃料電池セルをまとめてイオン輸率の低下の評価を行っても良い。

本装置は制御装置により燃料電池セルの評価することでイオン輸率の低下を検出できる。検出したイオン輸率の低下が許容範囲を超えた場合に種々の制御を行うことができる。種々の制御の具体例としては特性評価方法にて説明したものをそのまま採用することができる。

なお、燃料電池装置としては燃料ガス、空気を供給する供給装置、燃料ガスを製造する改質器、排ガス浄化装置、筐体などを有することができる。

（燃料電池の製造方法）
本実施形態の燃料電池セルの製造方法は燃料電池セル粗製品から燃料電池セルを製造する方法である。燃料電池セル粗製品は燃料極及び空気極と電解質とをもつ。燃料電池セル粗製品は諸特性が実現されているか否かが判断されていないだけでその他の構成は上述の特性評価方法にて記載した燃料電池セルと同じである。本製造方法では燃料電池セル粗製品を組み立てた後、上述の特性評価方法（測定工程及びイオン輸率評価工程を必須とする）を行う。更に得られた結果から、イオン輸率が許容範囲にある場合に良品とする検品工程をもつ。

本発明の燃料電池セルの特性評価方法について実施例に基づき説明する。

・燃料電池セル及び測定装置
図３に示すように、燃料極支持型の燃料電池セル２０としては空気極２２がＬＳＣＦ（La, Sr, Co, Fe系ペロブスカイト型酸化物）からなり、燃料極２１がＮｉとＧＤＣ（Ga Doped CeO2）との複合系材料からなり、電解質２３がＬＳＧＭからなるものを製造して用いた。電解質と燃料極との間にはＬＤＣ（La Doped CeO2）からなる層（図略）を設けた。

図３に示すように、この燃料電池セル２０を保持集電装置１２にて保持した状態で燃料（水蒸気を３％含む水素ガス）と空気とを流して７００℃における発電状況を確認した。保持集電装置１２は第１ホルダー管１２ａと第２ホルダー管１２ｂとをもち、第１ホルダー管１２ａは、筒状に形成されて燃料電池セル２０を燃料極２１側から保持し、第２ホルダー管１２ｂは、筒状に形成されて燃料電池セル２０を空気極２２側から保持した。第１ホルダー管１２ａと燃料極２１との間には第１シール管１２ｅが介設され、第２ホルダー管１２ｂと空気極２２との間には第２シール管１２ｇが介設されることで気密化された。第１及び第２シール管１２ｅ及び１２ｇは筒状のガラス材から構成された。燃料極２１と空気極２２とのそれぞれの表面には第１電極体１２ｉと第２電極体１２ｊとが配設され生じた起電力を測定機３０（測定手段及び制御手段に相当）に導線３１及び３２を通じて導出している。第１電極体１２ｉと第２電極体１２ｊとはそれぞれ白金製のメッシュ状部材から構成されている。測定機３０は電源装置４０に接続されている。電源装置４０は燃料電池セル２０から発生する電力を消費する負荷や測定機３０に電力を供給する電力源として作用する装置である。

第１ホルダー管１２ａには、径が小さい第１ガス導入管１２ｋが同軸的に配設される。同じように、第２ホルダー管１２ｂにも、径が小さい第２ガス導入管１２ｌが同軸的に配設される。第１ガス導入管１２ｋは第１電極体１２ｉに先端が当接しており、第２ガス導入管１２ｌは第２電極体１２ｊに先端が当接している。第１ガス導入管１２ｋは燃料ガスを供給し、第１電極体１２ｉ内を通じて燃料極２１に燃料ガスを供給する。反応に供された燃料オフガスは第１ホルダー管１２ａと第１ガス導入管１２ｋとの間隙を戻っていく。第２ガス導入管１２ｌは空気を供給し、第２電極体１２ｊ内を通じて空気極２２に空気を供給する。反応に供された空気オフガスは第２ホルダー管１２ｂと第２ガス導入管１２ｌとの間隙を戻っていく。

・直流法による特性評価方法
燃料電池セル２０について燃料電池として作動させながらポテンショガルバノスタット（ＶＳＰ−３００、ＢｉｏＬｏｇｉｃ社製）を用いて７００℃にて印加する電流を変化させることでＩＶ測定を行った（図４）。各電流における全抵抗はその電圧を基準として±５ｍＶにおけるＩＶの傾きから算出した（ＩＶは直線に近似した）。算出した全抵抗と電圧との関係を図５に示す。

図５から明らかなように、燃料電池セルの観測開回路電圧（Ｅ_ｏｂ）である０．８２５Ｖから１．０５Ｖ付近まで全抵抗の値は増加し、１．０５Ｖ付近を超えると全抵抗の値は減少した。これは両者の差である０．２２５Ｖ（１．０５Ｖ−０．８２５Ｖ）がイオン輸率低下に起因するもの（α）と考えられる。
一方、今回のガス雰囲気と温度からネルンスト式により算出される理論開回路電圧（Eth）は約１．１２Ｖである。本実施例でイオン輸率低下分を考慮した開回路電圧は１．０５Ｖであるため、約０．０７Ｖの乖離がある。理論開回路電圧と観測開回路電圧からの乖離がイオン輸率とガスリークの二つのみの要因とすると、約０．０７Ｖがガスリークに起因する低下電圧値と見積もることができる。

ここで、過電圧の発生は図１にて説明したようにイオン輸率の低下に伴う電子伝導に基づくものであり、求めた過電圧（Ｅ_ｉ）の値を利用して現在のイオン輸率（ｔｉ）を算出した（イオン輸率評価工程）。

ｔｉ＝（Ｅ_ｔｈ−Ｅ_ｉ）／Ｅ_ｔｈ＝Ｅ_ｏｂ／Ｅ_ｔｈ＝０．８２５Ｖ／１．０５Ｖ≒０．７６７が求められた。

・交流法による特性評価方法
交流インピーダンス法により一定の電圧を印加しながら測定を行った。一定の電圧としては燃料電池セルに対して観測された開回路電圧（Ｅ_ｏｂ：０．８２５Ｖ）＋０．４Ｖから減少する方向に向けて変化させながら測定した（測定工程）。各電圧における全抵抗は測定したインピーダンスに基づいてｃｏｌｅ−ｃｏｌｅプロットにより求めた。測定した全抵抗と電圧との関係は図５に示すものとほぼ同じ結果が得られた。

従って、上述した直流法による測定と同様の処理を行うことによって現在のイオン輸率が求められる。

１２…保持集電装置 １２ａ、１２ｂ…第１及び第２ホルダー管 １２ｉ、１２ｊ…第１及び第２電極体 １２ｋ及び１２ｌ…第１及び第２ガス導入管
２０…単セル（固体酸化物形燃料電池セル） ２１…燃料極 ２２…空気極 ２３…電解質 ３０…測定機

Claims (7)

1. 燃料極と空気極と前記燃料極及び前記空気極に挟持される電解質とを有する燃料電池セルに対して発電を行いながら電圧と電流値との関係を測定する測定工程を有する特性評価方法であって、
   前記測定工程で電圧を変動させる範囲は、前記燃料電池セルの開回路電圧を超える範囲を少なくとも含む燃料電池セルの特性評価方法。
2. 前記測定工程にて測定した電圧及び電流から算出した前記燃料電池セルの全抵抗が最大となる電圧と、前記開回路電圧との差から前記電解質のイオン輸率低下に伴う開回路電圧の低下を算出するイオン輸率評価工程を有する請求項１に記載の燃料電池セルの特性評価方法。
3. 前記測定工程にて測定した前記電解質を介したガスリークに伴う開回路電圧の低下を算出する前記燃料電池セルのガスリーク評価を有する請求項２に記載の燃料電池セルの特性評価方法。
4. 燃料極と空気極と前記燃料極及び前記空気極に挟持される電解質とを有する燃料電池セルと、
   前記燃料電池セルに対して発電を行いながら電圧と電流値との関係を測定する測定手段と測定結果に基づき前記燃料電池セルを制御する制御部とを有する制御装置とを有する燃料電池であって、
   前記測定手段で電圧を変動させる範囲は、前記燃料電池セルの開回路電圧を超える範囲を少なくとも含み、
   前記制御手段は、前記測定工程にて測定した電圧及び電流から算出した前記燃料電池セルの全抵抗が最大となる電圧と、前記開回路電圧との差から算出される前記電解質のイオン輸率低下に伴う開回路電圧の低下に基づいて前記燃料電池セルを制御するイオン輸率評価手段を備える燃料電池装置。
5. 前記制御手段は、前記測定工程にて測定した前記電解質を介したガスリークに伴う開回路電圧の低下に基づいて前記燃料電池セルを制御するガスリーク評価手段を備える請求項４に記載の燃料電池装置。
6. 燃料極と空気極と前記燃料極及び前記空気極に挟持される電解質とから製造した燃料電池セル粗製品から燃料電池セルを製造する方法であって、
   前記燃料電池セル粗製品に対して発電を行いながら開回路電圧を超える範囲を少なくとも含む電圧と電流値との関係を測定する測定工程と、
   前記測定工程にて測定した電圧及び電流から算出した前記燃料電池セル粗製品の全抵抗が最大となる電圧と、前記開回路電圧との差から前記電解質のイオン輸率低下に伴う開回路電圧の低下を算出するイオン輸率評価工程を有する燃料電池セルの製造方法。
7. 前記測定工程にて測定した前記電解質を介したガスリークに伴う開回路電圧の低下に基づいて前記燃料電池セルを制御するガスリーク評価工程を有する請求項６に記載の燃料電池セルの製造方法。

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