JP2019008899A - 燃料電池スタックの検査方法 - Google Patents

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Abstract

【課題】燃料電池スタックを構成する複数の単セルのうちで、アノードガス導入流路の閉塞が発生しやすい単セルを検出する。【解決手段】複数の単セルを有する燃料電池スタックの検査方法は、（ａ）燃料電池スタックとアノードガス循環流路とを備える燃料電池システムを予め定めた液水蓄積条件で運転することによって、アノードガス循環流路に液水を蓄積させる工程（Ｓ３２０）と、（ｂ）工程（ａ）の後に、燃料電池システムを停止して予め定めた再起動条件が成立するまで待機する工程（Ｓ４１０）と、（ｃ）工程（ｂ）の後に、燃料電池システムを再起動して、燃料電池スタックの発電を実行し、各単セルの電圧を測定して負電圧となった単セルを検出する工程（Ｓ５３０，Ｓ６２０）と、を備える。【選択図】図３

Description

本発明は、燃料電池スタックを構成する複数の単セルのうちでアノードガス導入流路が液水で閉塞しやすい単セルを検出する方法に関するものである。
燃料電池スタックの単セルのアノードガス流路は、発電によって生成された液水によって閉塞する可能性がある。燃料電池システムの停止時にアノードガス流路が液水によって閉塞してしまうことを抑制するために、掃気運転が実行される。特許文献１の燃料電池システムは、アノードガスを掃気ガスとして掃気運転を行い、アノード排ガス導出流路に滞留する液水を単セル外部に排出することによって、アノード排ガス導出流路の閉塞を抑制する。
特開２０１４−１９７４８１号公報
ところが、本願の発明者は、製造誤差によってアノードガス流路の流路径が過度に小さくなってしまい、液水による閉塞が発生しやすい単セルが生じる可能性があることを見出した。特に、アノードガス導入流路にくし歯状の流路構造を採用した場合のように、局所的なアノードガス流路が小さな場合には、液水による閉塞が生じやすい。アノードガス導入流路に閉塞が生じると、アノードガスが欠乏して単セルが負電圧となり、単セルの劣化をもたらす恐れがある。しかし、局所的な小さなアノードガス流路は寸法が微小なので、燃料電池スタックを組み立てる前に単セルを個別に検査して、液水による閉塞が生じるか否かを判定することは困難である。そこで、燃料電池スタックを検査し、アノードガス導入流路の閉塞が発生しやすい単セルを検出することが望まれる。
本発明は、上述の課題を解決するためになされたものであり、以下の形態として実現することが可能である。
（１）本発明の一形態によれば、複数の単セルを有する燃料電池スタックの検査方法が提供される。この燃料電池スタックの検査方法は、（ａ）前記燃料電池スタックと、前記燃料電池スタックのアノードガス排出口とアノードガス供給口との間に接続されてアノードガスを循環させるアノードガス循環流路と、を備える燃料電池システムを予め定めた液水蓄積条件で運転することによって、前記アノードガス循環流路に液水を蓄積させる工程と、（ｂ）前記工程（ａ）の後に、前記燃料電池システムを停止して予め定めた再起動条件が成立するまで待機する工程と、（ｃ）前記工程（ｂ）の後に、前記燃料電池システムを再起動して、前記燃料電池スタックの発電を実行し、各単セルの電圧を測定して負電圧となった単セルを検出する工程と、を備える。
この形態の燃料電池スタックの検査方法によれば、液水蓄積条件での運転によってアノードガス循環流路に液水を蓄積するので、再起動時にアノードガス循環流路内の液水が各単セルのアノードガス導入流路に流れ込む。アノードガス導入流路が過度に小さな単セルは、この液水によって閉塞するので、発電を継続するとアノードガスが欠乏して単セルが負電圧となる。こうして、負電圧となった単セルを検出することによって、アノードガス導入流路が閉塞しやすい単セルを検出できる。また、液水蓄積条件での運転の後に待機することによって、単セル内の生成水がカソード側からアノード側に移動するので、単セル内のアノードガスの空間容積が減少してアノードガスの残量も減少する。こうすれば、再起動後に単セルがアノードガス欠乏になりやすく、負電圧を容易に検出できるので、アノードガス導入流路が閉塞しやすい単セルを容易に検出できる。
（２）上記形態の燃料電池スタックの検査方法において、前記工程（ａ）の前記液水蓄積条件による運転は、前記燃料電池スタックの定格電流よりも低い電流を前記燃料電池スタックに発生させた状態で前記燃料電池システムを運転する低負荷運転と、前記低負荷運転の後に、前記燃料電池スタックの発電を停止し、前記アノードガス循環流路におけるアノードガスの循環を継続した状態で前記燃料電池システムを運転する非発電運転と、を含むものとしてもよい。
この形態の燃料電池スタックの検査方法によれば、低負荷運転に応じて反応ガスが低流量となるので、単セル内から生成水の持ち去りを抑制でき、単セル内に多量の液水を滞留させることができる。また、非発電運転によってアノードガス循環流路に結露水を生じさせ、アノードガス循環流路に液水を蓄積することができる。
（３）上記形態の燃料電池スタックの検査方法において、前記低負荷運転は、前記低負荷運転により前記燃料電池スタックが昇温して前記燃料電池スタックの温度が予め定めた暖機完了温度に達するとともに、前記アノードガス循環流路に設けられたアノードガス循環ポンプが前記暖機完了温度に達しないように実行されるものとしてもよい。
この形態の燃料電池スタックの検査方法によれば、アノード排ガスは十分昇温される一方、アノードガス循環ポンプはそれほど昇温されないので、この温度差によってアノードガス循環ポンプで結露が生じ、多量の液水を蓄積させることができる。
（４）上記形態の燃料電池スタックの検査方法において、前記再起動条件は、前記燃料電池システムが停止して予め定めた待機時間を経過することと、前記燃料電池スタックの温度が予め定めた待機完了温度まで低下することと、の少なくとも一方を含むものとしてもよい。
この形態の燃料電池スタックの検査方法によれば、単セルのカソード側からアノード側に水を十分に移動させつつ、検査時間を短くすることが可能である。
（５）上記形態の燃料電池スタックの検査方法において、前記工程（ａ）は、前記アノードガス循環流路に設けられたアノードガス循環ポンプに液水を蓄積させるように実行されるものとしてもよい。
この形態の燃料電池スタックの検査方法によれば、アノードガス循環ポンプに液水を蓄積することができるので、燃料電池システムの再起動時に、アノードガス循環ポンプ内の液水をアノードガスとともに燃料電池スタックに供給することが可能となる。
（６）上記形態の燃料電池スタックの検査方法において、前記工程（ｃ）は、前記燃料電池スタックの発電の前に前記燃料電池スタックにアノードガスを供給して各単セル内のアノードに残存する気体を前記アノードガスで置換する工程を含むものとしてもよい。
この形態の燃料電池スタックの検査方法によれば、アノードガス置換工程によって、アノードガス循環流路内の液水を各単セルのアノードガス導入流路に流入させることができる。
本発明は、上記以外の種々の形態で実現することも可能である。例えば、燃料電池スタックの検査装置等の形態で実現することができる。
本発明の一実施形態における燃料電池システムの概略構成を示す説明図。 単セルのアノード側セパレータの概略構成を示す説明図。 燃料電池スタックの検査方法を示すフローチャート。 液水蓄積運転の一例を示すフローチャート。 燃料電池スタックの検査過程における燃料電池スタックの発電電流と水素供給流量と水素循環流量の時間変化の一例を示す図。 アノードガス導入流路が液水によって閉塞されている様子を示す図。
図１は、本発明の一実施形態における検査対象の燃料電池スタック２０が設けられた燃料電池システム１０の概略構成を示す説明図である。本実施形態では、実際に車両に搭載されて車両の動力源となる電力を出力する燃料電池システムの運転を再現して燃料電池スタック２０の検査を行う。燃料電池システム１０は、車載用の燃料電池システムと同様な構成を有する。燃料電池システム１０は、燃料電池スタック２０と、アノードガス供給循環系５０と、カソードガス供給排出系３０と、冷却媒体循環系７０と、制御部８０と、ＤＣ／ＤＣコンバータ９０と、パワーコントロールユニット（以下「ＰＣＵ」と称する）９１と、セルモニタ９５と、を備える。
燃料電池スタック２０は、エンドプレート２１と、絶縁板２２と、集電板２３と、複数の単セル２４と、集電板２３と、絶縁板２２と、エンドプレート２１とが、この順に積層されている。単セル２４は、図示しない膜電極接合体と、膜電極接合体のアノード及びカソードの両側から挟持する２枚のセパレータとによって構成されている。
アノードガス供給循環系５０は、制御部８０の制御に従って、燃料電池スタック２０へのアノードガスの供給及びアノードガスの循環を行う。図１の例では、アノードガスとして水素が採用されている。アノードガス供給循環系５０は、ガスタンク４０と、シャットバルブ４１と、アノードガス供給管６０と、レギュレータ５１と、インジェクタ５４と、アノードガス還流管６１と、アノードガス循環ポンプ５５と、気液分離器５６と、シャットバルブ５７と、排気排水管５８と、を備える。
ガスタンク４０には、数十ＭＰａの高圧の水素ガスが貯蔵されている。アノードガス供給管６０は、ガスタンク４０と燃料電池スタック２０のアノードガス供給口２５との間に接続され、ガスタンク４０からの水素を燃料電池スタック２０に供給する。アノードガス供給管６０には、ガスタンク４０側から、シャットバルブ４１と、レギュレータ５１と、インジェクタ５４とがこの順に配置されている。レギュレータ５１は、水素の圧力を調整する。インジェクタ５４は、レギュレータ５１によって圧力が調整された水素を燃料電池スタック２０のアノードガス供給口２５に向けて噴射する。
アノードガス還流管６１は、燃料電池スタック２０のアノードガス排出口２６とアノードガス供給管６０の下流部分６０ｄとに接続され、アノードガスを還流させるための配管である。アノードガス還流管６１には、燃料電池スタック２０のアノードガス排出口２６側から、気液分離器５６と、アノードガス循環ポンプ５５とがこの順に配置されている。気液分離器５６は、燃料電池スタック２０のアノードガス排出口２６から排出された気体と液体を分離する。アノードガス排出口２６から排出された気体は、主に、発電に利用されなかった水素と、各単セル２４のカソード側からアノード側に透過した窒素と、発電により生成された水蒸気である。アノードガス排出口２６から排出された液体は、主に、発電により生成された液水である。気液分離器５６は、これらの気体と液体のうちの窒素と液水を分離して、シャットバルブ５７と排気排水管５８を介して外部に排出する。気液分離器５６に残った水素と水蒸気は、アノードガスとしてアノードガス循環ポンプ５５によってアノードガス還流管６１に還流され、アノードガス供給管６０の下流部分６０ｄを介して燃料電池スタック２０に再度供給される。なお、アノードガス還流管６１と、アノードガス供給管６０の下流部分６０ｄと、気液分離器５６と、アノードガス循環ポンプ５５とは、燃料電池スタック２０のアノードガス排出口２６とアノードガス供給口２５との間に接続されてアノードガスを循環させるアノードガス循環流路６２を構成する。
カソードガス供給排出系３０は、制御部８０の制御に従って、燃料電池スタック２０へのカソードガスの供給及びカソードガスの排出を行う。図１の例では、カソードガスとして空気が採用されている。カソードガス供給排出系３０は、カソードガス供給管３２と、コンプレッサ３１と、三方弁３３と、バイパス管３８と、調圧弁３６と、カソードガス排出管３９とを備える。
カソードガス供給管３２は、燃料電池スタック２０に接続され、外部から取り込んだ空気を燃料電池スタック２０に供給する。カソードガス供給管３２には、空気の入口側から、外気温度センサ３５と、エアフローメータ３４と、コンプレッサ３１と、三方弁３３とがこの順に配置されている。外気温度センサ３５は、取り込む前の空気の温度を測定する。エアフローメータ３４は、取り込んだ空気の量を測定する。コンプレッサ３１は、取り組んだ空気を圧縮する。三方弁３３は、バイパス管３８と接続され、燃料電池スタック２０とバイパス管３８への空気の流量を調節する。バイパス管３８は、カソードガス排出管３９と接続されている。
カソードガス排出管３９は、上流側の端部が燃料電池スタック２０に接続されており、その途中がバイパス管３８と、アノードガス供給循環系５０の排気排水管５８とに接続されている。カソードガス排出管３９は、燃料電池スタック２０から排出されたカソード排ガスと、バイパス管３８に分流された空気と、排気排水管５８から排出された窒素と液水とを外部に排出する。また、カソードガス排出管３９には、調圧弁３６が設けられている。調圧弁３６は、カソードガス排出管３９とバイパス管３８との接続部位よりも燃料電池スタック２０側に位置する。調圧弁３６は、燃料電池スタック２０に供給された空気の圧力を調整する。
冷却媒体循環系７０は、制御部８０の制御に従って燃料電池スタック２０を冷却する。冷却媒体循環系７０は、冷媒供給管７４と、冷媒排出管７３と、ラジエータ７１と、バイパス管７７と、三方弁７５と、冷媒ポンプ７２と、を備える。冷媒としては、例えば、水、エチレングリコール等の不凍水、空気などが用いられる。冷媒ポンプ７２は、冷媒供給管７４に設けられており、冷媒を燃料電池スタック２０に供給する。三方弁７５は、ラジエータ７１とバイパス管７７への冷媒の流量を調節する。なお、燃料電池スタック２０の冷媒出口２７近傍の冷媒排出管７３には、冷媒出口温度センサ７６が設置されている。冷媒出口温度センサ７６は、燃料電池システム１０の運転時に、燃料電池スタック２０の冷媒出口２７を流れる冷媒の温度を測定することによって、燃料電池スタック２０の温度を測定する。また、燃料電池システム１０の停止時には、冷媒の循環が停止しているので、燃料電池スタック２０の温度は、冷媒出口温度センサ７６の測定値と、外気温度センサ３５又は車載エアコンの外気温度センサ（図示せず）の測定値によって推定される。これらの温度の関係は、マップ又はルックアップテーブルとして、制御部８０内の不揮発性メモリ（図示せず）に格納されている。
制御部８０は、ＣＰＵと不揮発性メモリとを備えるコンピュータとして構成されており、具体的にはＥＣＵ（Electronic Control Unit）である。制御部８０は、燃料電池システム１０の起動及び停止を制御するための信号を出力する。制御部８０は、発電要求を受けて、燃料電池システム１０の各部を制御して燃料電池スタック２０を発電させる。また、制御部８０は、セルモニタ９５を制御して、燃料電池スタック２０の各単セル２４のセル電圧を測定させる。セルモニタ９５によって測定された各単セル２４のセル電圧値は、制御部８０のセル電圧通知部８２に送信されて外部に通知される。
ＤＣ／ＤＣコンバータ９０は、制御部８０の制御に応じて燃料電池スタック２０から出力された電圧を昇圧してＰＣＵ９１に供給する。ＰＣＵ９１は、インバータを内蔵し、制御部８０の制御に応じて負荷に電力を供給する。また、ＰＣＵ９１は、後述する燃料電池スタック２０の検査において、制御部８０の制御により燃料電池スタック２０の電流を調整する。
図２は、燃料電池スタック２０（図１）の単セル２４のアノード側のセパレータ１００を膜電極接合体側から見た概略構成を示す説明図である。図２において、Ｘ方向は水平方向であり、Ｚ方向は鉛直上向き方向であり、Ｙ方向は単セル２４の積層方向である。セパレータ１００の長手方向の一端縁部には、アノードガス入口マニホールド孔１１０と、冷却媒体出口マニホールド孔１６０と、カソードガス入口マニホールド孔１３０と、が上から下へと順に並んで設けられている。これに対して、セパレータ１００の他端縁部には、カソードガス出口マニホールド孔１４０と、冷却媒体入口マニホールド孔１５０と、アノードガス出口マニホールド孔１２０と、が上から下へと順に並んで設けられている。なお、アノードガス入口マニホールド孔１１０及びアノードガス出口マニホールド孔１２０はそれぞれ、図１に示す燃料電池スタック２０のアノードガス供給口２５とアノードガス排出口２６に連通している。
セパレータ１００の中央部分には、複数の筋状のアノードガス流路１０５が形成されている。図２の例では、アノードガス流路１０５はサーペンタイン流路であり、等間隔で配置された複数の溝状の区分流路１０５ｐが蛇行するように形成されている。アノードガス流路１０５とアノードガス入口マニホールド孔１１０との間には、アノードガス導入流路１１１が形成されており、アノードガス流路１０５とアノードガス出口マニホールド孔１２０との間には、アノードガス導出流路１２１が形成されている。アノードガス導入流路１１１は、くし歯の形状を有し、複数の溝状の区分導入流路１１１ｐがＺ方向に等間隔で配列されている。アノードガス導出流路１２１も同様にくし歯の形状を有し、複数の溝状の区分導出流路１２１ｐがＺ方向に等間隔で配列されている。但し、アノードガス導入流路１１１及びアノードガス導出流路１２１は、くし歯形状を有しなくてもよい。
アノードガス入口マニホールド孔１１０に供給された水素は、アノードガス導入流路１１１を通過してアノードガス流路１０５に流れ込む。アノードガス流路１０５に流れ込んだ水素は、蛇行しながら流れて、アノードガス導出流路１２１を通過してアノードガス出口マニホールド孔１２０に流れる。
図３は、本発明の一実施形態における燃料電池スタックの検査方法を示すフローチャートである。このフローは、燃料電池システム１０の全体が停止しており、検査対象となる燃料電池スタック２０が図１に示したように設置された状態で開始される。ステップＳ２１０において、制御部８０は、冷媒出口温度センサ７６（図１）及び外気温度センサ３５（図１）の温度測定値を用いて燃料電池スタック２０の温度を推定する。
ステップＳ２２０において、制御部８０は、ステップＳ２１０で推定された燃料電池スタック２０の温度が検査開始温度以下に到達したか否かを判定する。検査開始温度は、燃料電池スタック２０が十分に低温になっていると判断できる温度であり、例えば２０℃以上４０℃以下の値に設定される。燃料電池スタック２０の起動前の温度が検査開始温度以下に到達すれば、後述するステップＳ３２０の液水蓄積運転において液水を容易に蓄積することができる。燃料電池スタック２０が検査開始温度以下に達している場合には、燃料電池システム１０の他の部品（例えばアノードガス循環ポンプ５５）も検査開始温度以下になっているものと推定できる。但し、ステップＳ２２０の判定条件に、アノードガス循環ポンプ５５が検査開始温度以下になっていること、という条件を追加してもよい。ステップＳ２２０において、燃料電池スタック２０の温度が検査開始温度以下に到達していないと判定された場合には、ステップＳ２１０に戻り、温度推定を継続する。燃料電池スタック２０の温度が検査開始温度以下に到達したと判定された場合には、ステップＳ３１０に移行する。なお、ステップＳ２１０，Ｓ２２０を省略してもよい。
ステップＳ３１０において、制御部８０は、燃料電池システム１０を起動させる。ステップＳ３２０において、制御部８０は、燃料電池システム１０を液水蓄積条件で運転することによって、アノードガス循環流路６２（図１）に液水を蓄積させる。
図４は、図３に示すステップＳ３２０の液水蓄積運転の一例を示すフローチャートである。ステップＳ３２２において、制御部８０は、低負荷運転を実行する。「低負荷運転」とは、燃料電池スタック２０の定格電流よりも低い電流を燃料電池スタック２０に発生させた状態で燃料電池システム１０を運転させることをいう。例えば、低負荷運転では、燃料電池スタック２０の定格電流の２％以上１５％以下の電流を発生させることが好ましい。起動後に燃料電池スタック２０を低負荷で運転させると、低負荷に応じてアノードガスとカソードガスが低流量となるので、単セル２４内から生成水の持ち去りを抑制でき、単セル２４内に多量の生成水を滞留させることができる。また、低負荷運転は、燃料電池スタック２０を昇温させる暖機運転としても機能する。低負荷運転中に、アノードガス温度は徐々に上昇する。後述するように、低負荷運転は、アノードガス循環流路６２（特にアノードガス循環ポンプ５５）の温度が十分に上昇する前に停止することが好ましい。また、低負荷運転では、アノードガスとカソードガスのそれぞれのストイキ比が適切な範囲の値（例えば１．２０以上１．３０以下）となるようにアノードガス供給循環系５０とカソードガス供給排出系３０を動作させることが好ましい。ここで、「ストイキ比」とは、理論上発電に必要な反応ガス流量に対する実際の反応ガス流量のことをいう。
ステップＳ３２４において、制御部８０は、低負荷運転が完了したか否かを判定する。ここで、低負荷運転の完了条件は、例えば、燃料電池スタック２０の温度が予め定めた暖機完了温度に達すること、とすることができる。暖機完了温度は、例えば５５℃以上６０℃以下の値に設定される。なお、低負荷運転の完了時には、燃料電池スタック２０が暖機完了温度に達するとともにアノードガス循環ポンプ５５が暖機完了温度に達しないことが好ましい。こうすれば、アノード排ガスとアノードガス循環ポンプ５５との温度差によって、アノードガス循環ポンプ５５で結露が生じ、多量の液水を蓄積させることができる。低負荷運転が完了していないと判定された場合には、ステップＳ３２２に戻り、低負荷運転を継続する。低負荷運転が完了したと判定された場合には、ステップＳ３２６に移行する。
ステップＳ３２６において、制御部８０は、非発電運転を実行する。「非発電運転」とは、燃料電池スタック２０の発電を停止してアノードガス循環流路６２におけるアノードガスの循環を継続した状態で燃料電池システム１０を運転させることをいう。非発電運転の際には、例えば、インジェクタ５４は水素の供給を停止し、アノードガス循環ポンプ５５は運転を継続してアノードガスを循環させる。非発電運転は、間欠運転として行ってもよい。「間欠運転」とは、燃料電池システム１０の運転を維持しながら燃料電池スタック２０の発電を一時的に停止させる運転を意味する。間欠運転中又は非発電運転中は、単セル２４の電圧が開回路電圧となるのを避けるために小さな電流を燃料電池スタック２０から発生させてもよい。この場合も、実質的に発電を行っていないので、「間欠運転」か「非発電運転」に含まれる。なお、非発電運転の際、カソードガスの供給は継続してもよく、停止してもよい。
ここで、ステップＳ３２２の低負荷運転の開始前に燃料電池スタック２０やアノードガス循環流路６２が十分低い温度になっていれば、低負荷運転により燃料電池スタック２０が暖機完了温度に達したときに、アノードガス循環ポンプ５５と気液分離器５６とを含むアノードガス循環流路６２は暖機完了温度に達していない。このため、燃料電池スタック２０から排出された湿度の高いアノードガスがアノードガス循環流路６２を通過すると、アノードガス循環流路６２内に結露が生じて液水が蓄積される。特に、アノードガス循環ポンプ５５や、気液分離器５６は、配管よりも低温に保たれやすいので、これらの部品の内部において液水が蓄積されやすい。
ステップＳ３２８において、制御部８０は、非発電運転が完了したか否かを判定する。ここで、非発電運転の完了条件は、例えば、アノードガス循環流路６２に十分な液水が蓄積される時間に達すること、とすることができる。十分な液水が蓄積される時間は、例えば３分以上７分以下の値に設定される。非発電運転が完了していないと判定された場合には、ステップＳ３２６に戻り、非発電運転を継続する。非発電運転が完了したと判定された場合には、図４の処理を完了し、図３のステップＳ３３０に移行する。
なお、液水蓄積条件による運転を低負荷運転と非発電運転によって実行する代わりに、他の液水蓄積条件で運転を行ってもよい。例えば、外気温を氷点下に下げた状態で燃料電池システムを暖機運転させることによって液水蓄積運転を行ってもよい。この際、燃料電池スタックに供給するアノードガスを氷点下に下げるようにすれば、更に多量の液水を蓄積できる。なお、いずれの液水蓄積条件を採用する場合にも、液水蓄積条件による運転の終了時において、アノードガス循環ポンプ５５の温度が、燃料電池スタック２０の温度よりも予め定めた温度差（例えば１０℃）以上低いことが好ましい。こうすれば、アノードガス循環ポンプ５５を含むアノードガス循環流路６２内に多量の液水を蓄積できる。
図３に戻り、ステップＳ３２０の液水蓄積運転を行った後、ステップＳ３３０において、制御部８０は、燃料電池システム１０の運転を停止させる。ステップＳ４１０において、制御部８０は、燃料電池システム１０を再起動条件が成立するまで待機させる。ステップＳ４１０では、アノードガス供給循環系５０とカソードガス供給排出系３０及び冷却媒体循環系７０が全て運転を停止している。この停止状態で待機すると、ステップＳ３２２（図４）の低負荷運転で生成された単セル２４内の生成水が、膜電極接合体を介してカソード側からアノード側に移動する。こうすれば、単セル２４内の水素の空間容積が減少して水素の残量も減少するので、後述する発電時に単セル２４が水素欠乏になりやすく、負電圧を容易に検出できる。
なお、待機中に冷却媒体循環系７０を運転させて燃料電池スタック２０を強制冷却すると、生成水がカソード側のセパレータ近傍に溜まりやすくなり、アノード側への水の移動量が減少する。カソード側の生成水は、燃料電池システム１０の再起動により、カソード排ガスとともに単セル２４の外部に排出されてしまう。従って、アノード側の水量を増加させるために、冷却媒体循環系７０を停止した状態で待機することが好ましい。また、待機中では、カソード側の空気中の窒素も膜電極接合体を介してアノード側に移動し、アノード側の水素は膜電極接合体を介してカソード側に移動してカソード側の空気と反応する。
ステップＳ４２０において、制御部８０は、燃料電池システム１０の待機が完了したか否かを判定する。ここで、待機完了条件（再起動条件）は、例えば、燃料電池システム１０が停止して予め定めた待機時間を経過することと、燃料電池スタック２０の温度が予め定めた待機完了温度まで低下することと、の少なくとも一方を含むように設定される。「待機時間」とは、生成水がカソード側からアノード側に十分に移動する時間であり、例えば、１時間以上３時間以下の範囲に設定される。「待機完了温度」とは、生成水のうちで水蒸気の部分が十分に液水化する温度であり、例えば、３０℃以上４０℃以下の範囲に設定される。再起動条件をこのように設定すれば、単セル２４のカソード側からアノード側に水を十分に移動させつつ、検査時間を短くすることが可能である。ステップＳ４２０において、待機未完了（再起動条件不成立）と判定された場合には、ステップＳ４１０に戻り、待機を継続する。待機完了（再起動条件成立）と判定された場合には、ステップＳ５１０に移行する。
ステップＳ５１０において、制御部８０は、燃料電池システム１０を再起動させる。ステップＳ５２０において、制御部８０は、燃料電池スタック２０の発電の前に燃料電池スタック２０にアノードガスを供給して各単セル２４内のアノードに残存する気体をアノードガスで置換する工程を実行する。具体的には、制御部８０は、インジェクタ５４とアノードガス循環ポンプ５５を運転させ、水素を燃料電池スタック２０に注入することによって、ステップＳ４１０の待機工程で単セル２４のアノード側に滞留している窒素とわずかの水素を新たな水素で置換する。アノードガス循環ポンプ５５が運転を開始すると、ステップＳ３２０の液水蓄積運転でアノードガス循環流路６２に蓄積した液水が燃料電池スタック２０のアノードガス供給口２５（図１）に供給される。アノードガス供給口２５に供給された液水は、各単セル２４のアノードガス導入流路１１１（図２）に流れ込む。従って、製造誤差により、区分導入流路１１１ｐの流路断面積が過度に小さくなっている単セル２４では、液水によって閉塞が発生する。但し、ステップＳ５２０は省略してもよい。
ステップＳ５３０において、制御部８０は、燃料電池スタック２０を発電させる。この発電は、単セル２４の電圧が開回路電圧となるのを避けるために、小さな電流を燃料電池スタック２０から発生させる状態で実行することが好ましい。この発電は、例えば、燃料電池スタック２０の定格電流の３％以上１５％以下の電流を発生させるように実行される。燃料電池スタック２０が発電を継続すると、単セル２４内の水素が消費されるので、アノードガス導入流路１１１が閉塞している単セル２４は水素欠乏により負電圧となる。この発電中に、制御部８０は、負電圧となった単セルを検出するために、セルモニタ９５（図１）に各単セル２４のセル電圧を測定させて、測定結果を制御部８０に通知する。なお、単セル２４のセル電圧の測定は、ステップＳ５３０における発電の終了後に行ってもよい。
ステップＳ６１０において、制御部８０は、負電圧検査時間を経過したか否かを判定する。負電圧検査時間は、例えば、３秒以上１０秒以下の値に設定される。負電圧検査時間を経過していないと判定された場合には、ステップＳ５３０に戻り、発電を継続する。負電圧検査時間を経過したと判定された場合には、ステップＳ６２０に移行する。ステップＳ６２０において、制御部８０のセル電圧通知部８２は、負電圧となった単セルを検査員に通知する。この通知は、例えば、燃料電池スタック２０内における単セル２４の位置（セル番号）と、負電圧の値とを含むことが好ましい。負電圧となった単セルが検出された場合には、例えば、燃料電池スタック２０を分解して、その単セルを新たな単セルと交換すること等の処理が実行される。
図５は、燃料電池スタック２０の検査過程における燃料電池スタック２０の発電電流と水素供給流量と水素循環流量の時間変化の一例を示す図である。時刻ｔ０から時刻ｔ１までは、燃料電池システム１０が低負荷運転（図４、ステップＳ３２２）を実行する。このとき、燃料電池スタック２０は、定格電流よりも低い電流Ｉ１を発生させている。これに応じて、インジェクタ５４が流量Ｓ１の水素を供給し、アノードガス循環ポンプ５５が流量Ｒ１の水素を循環させている。時刻ｔ１になると、燃料電池スタック２０が暖機完了温度に達する。
時刻ｔ１から時刻ｔ２までは、燃料電池システム１０が非発電運転（図４、ステップＳ３２６）を実行する。このとき、燃料電池スタック２０は発電せず、インジェクタ５４は水素の供給を停止している。アノードガス循環ポンプ５５は、依然として流量Ｒ１の水素を循環させている。アノードガス循環ポンプ５５の運転により、低負荷運転で生じた水蒸気がアノードガス循環流路６２（図１）に流れて結露し、液水がアノードガス循環流路６２に蓄積する。時刻ｔ２になると、燃料電池システム１０の運転が停止する。
時刻ｔ２から時刻ｔ３までは、燃料電池システム１０が待機する（図３、ステップＳ４１０）。このとき、燃料電池システム１０の発電が停止しており、インジェクタ５４とアノードガス循環ポンプ５５の運転も停止している。低負荷運転で生じた生成水が単セル２４のアノード側に移動し、アノード側に液水が蓄積する。
時刻ｔ３から時刻ｔ４までは、燃料電池システム１０が水素置換（図３、ステップＳ５２０）を実行する。このとき、燃料電池スタック２０は発電せず、インジェクタ５４は流量Ｓ２の水素を供給し、アノードガス循環ポンプ５５は流量Ｒ２（＝Ｓ２）の水素を循環させている。アノードガス循環ポンプ５５の運転により、アノードガス循環流路６２及び各単セル２４のアノード側に蓄積した液水が燃料電池スタック２０のアノードガス供給口２５（図１）に供給される。
時刻ｔ４から時刻ｔ５までは、燃料電池スタック２０が発電（図３、ステップＳ５３０）を実行する。このとき、燃料電池スタック２０は電流Ｉ３を発生させている。これに応じて、インジェクタ５４が流量Ｓ３の水素を供給し、アノードガス循環ポンプ５５が流量Ｒ３の水素を循環させている。時刻ｔ５になると、負電圧検査時間が経過し、燃料電池システム１０が停止する。
図６は、負電圧となった単セル２４（図１）のアノードガス導入流路１１１が液水によって閉塞されている様子を示す図である。図６では、図２に示す破線の丸で囲まれた領域ＶＩが描かれている。アノードガス導入流路１１１の各区分導入流路１１１ｐの間には、凸部１１２が形成されている。各凸部１１２は、区分導入流路１１１ｐよりも細い隙間１１１ｍによって２つに分かれている。
図６のように、アノードガス導入流路１１１が閉塞しやすい単セル２４においては、図３に示すステップＳ３１０〜Ｓ５２０で蓄積した液水Ｗａが燃料電池スタック２０のアノードガス供給口２５からセパレータ１００のアノードガス入口マニホールド孔１１０を経て、アノードガス導入流路１１１に流入すると、隙間１１１ｍにより液水Ｗａが各区分導入流路１１１ｐに吸い上げられ、アノードガス導入流路１１１が閉塞してしまう。アノードガス導入流路１１１が閉塞した状態で発電すると、単セル２４は水素欠乏状態となり、負電圧が発生する。従って、負電圧となった単セル２４を検出することによって、アノードガス導入流路１１１が閉塞しやすい単セル２４を検出することができる。
以上説明したように、本発明の一実施形態では、燃料電池スタック２０の検査において、負電圧となった単セル２４を検出することによって、アノードガス導入流路１１１が閉塞しやすい単セル２４を検出することができる。
本発明は、上述の実施形態に限られるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲において種々の構成で実現することができる。例えば、発明の概要の欄に記載した各形態中の技術的特徴に対応する実施形態の技術的特徴は、上述の課題の一部又は全部を解決するために、あるいは、上述の効果の一部又は全部を達成するために、適宜、差し替えや、組み合わせを行うことが可能である。また、その技術的特徴が本明細書中に必須なものとして説明されていなければ、適宜、削除することが可能である。
１０…燃料電池システム
２０…燃料電池スタック
２１…エンドプレート
２２…絶縁板
２３…集電板
２４…単セル
２５…アノードガス供給口
２６…アノードガス排出口
２７…冷媒出口
３０…カソードガス供給排出系
３１…コンプレッサ
３２…カソードガス供給管
３３…三方弁
３４…エアフローメータ
３５…外気温度センサ
３６…調圧弁
３８…バイパス管
３９…カソードガス排出管
４０…ガスタンク
４１…シャットバルブ
５０…アノードガス供給循環系
５１…レギュレータ
５４…インジェクタ
５５…アノードガス循環ポンプ
５６…気液分離器
５７…シャットバルブ
５８…排気排水管
６０…アノードガス供給管
６０ｄ…下流部分
６１…アノードガス還流管
６２…アノードガス循環流路
７０…冷却媒体循環系
７１…ラジエータ
７２…冷媒ポンプ
７３…冷媒排出管
７４…冷媒供給管
７５…三方弁
７６…冷媒出口温度センサ
７７…バイパス管
８０…制御部
８２…セル電圧通知部
９０…ＤＣ／ＤＣコンバータ
９１…パワーコントロールユニット（ＰＣＵ）
９５…セルモニタ
１００…セパレータ
１０５…アノードガス流路
１０５ｐ…区分流路
１１０…アノードガス入口マニホールド孔
１１１…アノードガス導入流路
１１１ｍ…隙間
１１１ｐ…区分導入流路
１１２…凸部
１２０…アノードガス出口マニホールド孔
１２１…アノードガス導出流路
１２１ｐ…区分導出流路
１３０…カソードガス入口マニホールド孔
１４０…カソードガス出口マニホールド孔
１５０…冷却媒体入口マニホールド孔
１６０…冷却媒体出口マニホールド孔

Claims (6)

  1. 複数の単セルを有する燃料電池スタックの検査方法であって、
    （ａ）前記燃料電池スタックと、前記燃料電池スタックのアノードガス排出口とアノードガス供給口との間に接続されてアノードガスを循環させるアノードガス循環流路と、を備える燃料電池システムを予め定めた液水蓄積条件で運転することによって、前記アノードガス循環流路に液水を蓄積させる工程と、
    （ｂ）前記工程（ａ）の後に、前記燃料電池システムを停止して予め定めた再起動条件が成立するまで待機する工程と、
    （ｃ）前記工程（ｂ）の後に、前記燃料電池システムを再起動して、前記燃料電池スタックの発電を実行し、各単セルの電圧を測定して負電圧となった単セルを検出する工程と、
    を備える燃料電池スタックの検査方法。
  2. 請求項１に記載の燃料電池スタックの検査方法において、
    前記工程（ａ）の前記液水蓄積条件による運転は、
    前記燃料電池スタックの定格電流よりも低い電流を前記燃料電池スタックに発生させた状態で前記燃料電池システムを運転する低負荷運転と、
    前記低負荷運転の後に、前記燃料電池スタックの発電を停止し、前記アノードガス循環流路におけるアノードガスの循環を継続した状態で前記燃料電池システムを運転する非発電運転と、
    を含む燃料電池スタックの検査方法。
  3. 請求項２に記載の燃料電池スタックの検査方法において、
    前記低負荷運転は、前記低負荷運転により前記燃料電池スタックが昇温して前記燃料電池スタックの温度が予め定めた暖機完了温度に達するとともに、前記アノードガス循環流路に設けられたアノードガス循環ポンプが前記暖機完了温度に達しないように実行される、
    燃料電池スタックの検査方法。
  4. 請求項１〜３のいずれか一項に記載の燃料電池スタックの検査方法において、
    前記再起動条件は、前記燃料電池システムが停止して予め定めた待機時間を経過することと、前記燃料電池スタックの温度が予め定めた待機完了温度まで低下することと、の少なくとも一方を含む、
    燃料電池スタックの検査方法。
  5. 請求項１〜４のいずれか一項に記載の燃料電池スタックの検査方法において、
    前記工程（ａ）は、前記アノードガス循環流路に設けられたアノードガス循環ポンプに液水を蓄積させるように実行される、
    燃料電池スタックの検査方法。
  6. 請求項１〜５のいずれか一項に記載の燃料電池スタックの検査方法において、
    前記工程（ｃ）は、前記燃料電池スタックの発電の前に前記燃料電池スタックにアノードガスを供給して各単セル内のアノードに残存する気体を前記アノードガスで置換する工程を含む、
    燃料電池スタックの検査方法。
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