JP4945882B2

JP4945882B2 - 燃料電池の性能解析方法

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Publication number: JP4945882B2
Application number: JP2004058203A
Authority: JP
Inventors: 英世大森
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2004-03-02
Filing date: 2004-03-02
Publication date: 2012-06-06
Anticipated expiration: 2024-03-02
Also published as: JP2005251482A

Description

本発明は、燃料電池の電圧降下及び電池寿命等に係わる製品解析に好適な燃料電池の性能解析方法に関する。

近年、水素と酸素の電気化学反応によって発電する燃料電池がエネルギー供給源として注目されている。この燃料電池は、例えば、燃料としての水素ガス（燃料ガス）とこれと反応する酸素ガス（酸化剤ガス）とが各々燃料極、酸化剤極に充分に供給されることで安定的に発電することができる。

しかし、両極間において、燃料ガスが酸化剤極側に、あるいは酸化剤ガスが燃料極側に漏洩する、いわゆるクロスリークが生じた場合には、燃料ガス中の水素と酸化剤ガス中の酸素とが直接反応することがある。このクロスリークが発生すると、電池内部の電解質膜、触媒等の劣化や炭素部材の腐食と共に、燃料電池の電圧降下が発生することがある。

上記クロスリークを検知、診断する技術の一つとして従来より、不活性ガスを用いた圧力降下法が知られている。これは、両電極に窒素等の不活性ガスを充填し差圧を付けて得た単位時間当りの圧力変化量からクロスリーク量を算出するものであるが、積層状態（スタック）のセルのクロスリーク量を各セル毎に測定することはできず、測定にはスタックの分解が必要となる。

また、アノードへの水素ガス圧をカソードへの空気圧よりも高く維持した状態で閉回路電圧を測定し、所定電圧以下であったときにガス漏れと判断する検知方法がある（例えば、特許文献１参照）。これは、水素のガス透過量が増大するとカソード側電極付近に水素分子が多く存在して電圧降下する原理を応用したものであるが、電圧降下を誘発する要因分析までは行なうことはできない。

酸素含有ガスの供給量の経時的変化と燃料電池スタックの発生電圧の経時的変化との対応関係から発生電圧の急激な変化を検知し、この時の水素漏洩量を算出して正常時における水素漏洩量との比較からクロスリークの発生を判断する診断方法もある（例えば、特許文献２参照）。しかし、酸素含有ガスの供給源に酸素含有ガスボンベや空気への窒素混合操作を要し、経時的変化のコントロールに流量計が必要になる等、システム以外の装置が必要であり、また、所定時間毎に数段階に分けて供給量を変化させ、しかも測定は発電を停止させスタック温度を低下させた後に行なうため、温度管理が必要であると共に判定を終えるのに時間がかかってしまうとの課題がある。
特開２００３−４５４６６号公報特開平９−２７３３６号公報

以上のように、従来よりクロスリークの測定、診断に係る技術は提案がなされているものの、複数セルが積層されたスタックを分解することなく各セル毎の測定、診断を行なうことは構造上、あるいは車両搭載時などガスボンベ等の他の装置が必要とする場合に場所が限られるなど、装置設置上やスペース上等の点から困難であり、燃料電池システム以外の外部装置を必要とせずに短時間で簡易に測定、診断が可能な技術は確立されるまでに至っていない。したがって、特に車両搭載状態などの場合には実際上、燃料電池内部で生じているガス透過の程度やガス透過の主原因がクロスリークであるか否かの判断、スタック中の異常セルの特定ができず、実質的に問題のない燃料電池まで定期的に交換しているのが実情である。

本発明は、上記に鑑みなされたものであり、外部装置が不要であると共に、スタック構造を分解せずにそのままの状態で燃料電池内部でのガス透過の要因解析（クロスリークか他の要因かの切り分け）を短時間で簡易に行なえ、ガス透過の要因をなすクロスリークの程度、クロスリークのあるセルの特定、及び将来の発電寿命の予測が可能な燃料電池の性能解析方法を提案することを目的とし、該目的を達成することを課題とする。

上記目的を達成するために、本発明の燃料電池の性能解析方法は、燃料ガス及び酸化剤ガスの電気化学反応により発電する、スタック構造に積層された複数の単セルの所定単位毎に、燃料極に供給された燃料ガスのガス供給圧ｐ¹および酸化剤極に供給された酸化剤ガスのガス供給圧ｐ²の間に差圧を生じさせたときの差圧時電圧と、前記ガス供給圧ｐ¹および前記ガス供給圧ｐ²を同圧としたときの同圧時電圧とを測定し、同圧での初期のセル電圧と前記同圧時電圧との第１電圧差と、前記同圧時電圧と前記差圧時電圧との第２電圧差とから前記複数の単セルの電圧降下要因を所定単位毎に計測するように構成したものである。

本発明の燃料電池の性能解析方法においては、発電運転中において、複数の単セル（モジュール）の電圧降下の要因分析を所定の単位毎（例えば、１セル毎やスタックが分割構造を持つ時はサブスタック毎）に、供給される燃料ガス及び酸化剤ガスのガス圧調整（差圧⇔同圧）にて起こるセル電圧の変化によって行なう。すなわち、所定単位毎のガス透過量−セル電圧の関係特性を踏まえ、両極に供給されるガス圧間に差圧を生じさせた時と同圧とした時の電圧差、すなわち初期のセル電圧と両極に供給されるガス圧間が同圧時の電圧との第１電圧差と、前記同圧時電圧と両極に供給されるガス圧間に差圧がある時の電圧との第２電圧差とから、クロスリークに由来する電圧降下とクロスリーク以外（例えば短絡、触媒劣化など）に由来する電圧降下とに切り分けるものである。

本発明の燃料電池の性能解析方法によれば、燃料電池システム以外の外部装置が不要で、車両搭載状態などの場合のガス透過要因の解析に好適であると共に、１セル毎等の所望の単位で差圧を発生させた時の電圧測定を行なうと共に同圧とした時の電圧測定をも行なって両者の電圧差をとるようにするので、異常のあるセルの特定が可能であり、電圧降下要因をクロスリークによるものとクロスリーク以外によるものとに解析でき、スタック構造を分解することなく簡易かつ短時間での判断が可能となる。

上記のように複数の単セルの電圧降下要因を所定単位毎に計測する際には、複数の単セルの所定単位毎の燃料ガス又は酸化剤ガスが電解質膜を透過するガス透過量を圧力降下法により予め算出すると共に、差圧時電圧と同圧時電圧との電圧差から予め算出したガス透過量に対応する電圧変化率を求め、電圧変化率とガス透過量との関係線を作成し、性能解析を行なおうとする被計測セルの所定単位毎に実測された第２電圧差の電圧変化率から、前記関係線を用いて該被計測セルのクロスリーク量を所定単位毎に求めるようにすることができる。

複数の単セルを例えば窒素等の不活性ガスを用いた圧力降下法により所定単位毎（例えば１セル毎）のガス透過量を予め算出しておき、このガス透過量と該ガス透過量に対応させて電圧差から求まる電圧変化率との関係線を作成するので、性能解析を行なおうとする被計測セルの所定単位毎に実測された電圧の電圧変化率（例えば発電開始時の初期電圧に対する変化率）を得ることでガス透過量、すなわちクロスリーク量を求めることが可能である。これにより、燃料電池スタックを分解して各単セルを取出すことなく、複数の単セルの所定単位毎の性能解析を行なうことができる。

本発明における燃料電池には、例えば、固体高分子形燃料電池（PEFC）や直接メタノール形燃料電池（DMFC）などが含まれる。ＰＥＦＣに構成する場合には例えば、アノード極、カソード極、および前記アノード極と前記カソード極との間に狭持された高分子電解質膜を有する膜電極接合体、並びに前記膜電極接合体を狭持すると共に、前記アノード極との間に燃料が通過する燃料流路と前記カソード極との間に酸化ガスが通過する酸化ガス流路とを形成する一対のセパレータを備えた単セルを含み、所望によりこの単セルを複数積層したスタック構造に構成することができる。スタック構造は単一であるほか、スタック構造に構成された複数のサブスタックが接続されたものでもよい。前記アノード極と前記カソード極は、電気化学反応を担う触媒層と集電体として機能する拡散層とで構成できる。

本発明によれば、外部装置が不要であると共に、スタック構造を分解せずにそのままの状態で燃料電池内部でのガス透過の要因解析（クロスリークか他の要因かの切り分け）を短時間で簡易に行なえ、ガス透過の要因をなすクロスリークの程度、クロスリークのあるセルの特定、及び将来の発電寿命の予測が可能な燃料電池の性能解析方法を提案することができる。

以下、図面を参照して、本発明の燃料電池の性能解析方法の実施形態を説明する。なお、下記の実施形態において、固体高分子形に構成された燃料電池に燃料ガス及び酸化剤ガスとして水素ガス及び空気（エア）を用いた場合を中心に説明する。但し、本発明においてはこれら実施形態に制限されるものではない。

（第１実施形態）
本発明の燃料電池の性能解析方法の第１実施形態を図１〜図６を参照して説明する。本実施形態は、燃料電池を単セル（モジュール）に構成し、単セルを被計測セルとして電圧降下要因を解析するようにしたものである。

図１に示すように、本実施形態における単セル１０は、フッ素系イオン交換樹脂膜（高分子電解質膜）１１がアノード拡散電極１６とカソード拡散電極１７との間に狭持されてなる膜電極接合体２０と、膜電極接合体２０を更に狭持すると共に、アノード拡散電極１６との間に水素ガスが通過する、即ち供給排出される水素ガス流路（燃料流路）２３と、カソード拡散電極１７との間に空気（エア）が通過する、即ち供給排出されるエア流路（酸化ガス流路）２４とを形成する一対のセパレータ２１、２２とで構成されている。

高分子電解質膜は、イオン導電性を有する電解質で構成することができ、一般にパーフルオロスルホン酸膜などが用いられる。この膜は、通常イオン導電性を高める点から湿潤状態とされ、水素ガスが供給されて得たアノード側の水素イオンは該膜を良好にイオン伝導してカソード側に移動することができる。この湿潤状態は、燃料である水素ガス及び／又はカソード側の酸素を含む空気に加水（加湿）することによって形成できる。

アノード拡散電極及びカソード拡散電極は、電気化学反応を担う触媒層と集電体として機能する拡散層とで構成される。アノード拡散電極は、高分子電解質膜側から順にアノード触媒層と拡散層とが積層され、カソード拡散電極は、高分子電解質膜側から順にカソード触媒層と拡散層とが積層されて構成されている。アノード触媒層及びカソード触媒層は、高分子電解質膜の表面に、触媒としての白金又は白金と他の金属とからなる合金を塗布してなるものである。塗布は、白金又は白金と他の金属とからなる合金を担持したカーボン粉を作製し、このカーボン粉を適当な有機溶剤に分散させ、これに電解質溶液を適量添加してペースト化し、高分子電解質膜上にスクリーン印刷する方法などによって行なえる。また、前記カーボン粉を含有するペーストを膜成形したシートを高分子電解質膜上にプレスしたり、白金等を高分子電解質膜と対向する側の拡散層の表面に塗布するようにしてもよい。

各拡散層は、ともに炭素繊維からなる糸で織成したカーボンクロスにより形成されている。なお、拡散層は、カーボンクロスのほか、炭素繊維からなるカーボンペーパーやカーボンフェルトなどで構成した形態も好適である。

セパレータは、膜電極接合体を更に狭持するように設けられると共に、膜電極接合体を構成するアノード拡散電極との間に水素ガス流路が形成され、カソード拡散電極との間にエア流路が形成される。セパレータは、ガス不透過の導電性部材、例えば、カーボンを圧縮してガス不透過とした緻密質カーボンによって構成することができる。このセパレータは、単セルを複数積層してスタック構造をなすときには一つのセパレータが二つの膜電極接合体の間で共有され、セパレータの両側の面において流路が形成されるようになっている。

単セル１０は、水素ガス流路２３に水素（Ｈ₂）密度の高い水素ガスが供給され、エア流路２４に酸素（Ｏ₂）を含む空気が供給され、下記式(1)〜(3)で表される電気化学反応（電池反応）によって外部に電力を供給することができる。なお、式(1) 、式(2)は各々アノード側、カソード側での反応を示し、式(3)は燃料電池の全反応である。
Ｈ₂ → ２Ｈ⁺＋２ｅ^- …(1)
(1/2)Ｏ₂＋２Ｈ⁺＋２ｅ^- → Ｈ₂Ｏ …(2)
Ｈ₂＋(1/2)Ｏ₂ → Ｈ₂Ｏ …(3)

図２に示すように、単セル１０のアノード側には、その水素ガス流路２３の供給口と連通するように、圧力計Ｐ１、水素調圧バルブＶ１、加湿器２５、及びマスフローコントローラ２７を備えた水素供給管３０の一端が接続され、更に水素ガス流路２３の排出口と連通するように、バルブＶ２を備えた排出管３１の一端が接続されており、発電運転時における水素ガスあるいは後述する透過量測定（性能解析）時における窒素等の不活性ガスの水素ガス流路２３への供給と、電池反応に寄与しなかった排出水素ガス及び不活性ガスの排出が可能なようになっている。

なお、水素供給管３０の他端には、図示しない水素貯蔵タンク、レギュレータが接続可能に設けられており、発電運転時に水素ガスを供給できるようになっている。このとき、水素ガスの供給圧は水素調圧バルブＶ１の開閉状態を制御することで容易に調整できる。また、水素貯蔵タンクには、図示しない水素充填用のコネクタを介して水素ガスを高圧充填できるようになっている。

単セル１０のカソード側には、そのエア流路２４の供給口と連通するように、バルブＶ３、加湿器２６、マスフローコントローラ２８、及び図示しないコンプレッサを備えたエア供給管３２の一端が接続され、更に圧力計Ｐ２及びエア調圧バルブＶ４を備えた排出管３３の一端がエア流路２４の排出口と連通するように接続されており、単セル１０のエア流路２４へのエア（空気）又は窒素等の不活性ガスの供給と、電池反応によって酸素密度が低くなった排出空気及び生成水並びに不活性ガスの排出が可能なようになっている。

後述するように両極のガス供給圧の間に差圧を生じさせるときには、予め圧力計Ｐ１，Ｐ２及びマスフローコントローラ２７，２８によりガス供給量を略一定に保った状態で、アノード側の水素調圧バルブＶ１とカソード側のエア調圧バルブＶ４を調節、例えばエア調圧バルブＶ４の開度を大きくしてカソード側ガス供給圧を低下させる等することによって両ガス供給圧の間に圧力差を形成することができる。

また、単セル１０は、電圧測定器３４と電気的に接続されており、発電運転時の電圧をモニタ可能なようになっている。

単セル１０の通常の発電運転は、アノード側において加湿器２５で加湿された水素ガスが水素供給管３０を挿通して所定の水素圧で水素ガス流路２３に供給されると共に、カソード側においてフィルタ（不図示）を介して吸入され、エアコンプレッサ（不図示）で圧縮しつつ圧力計Ｐ２及びマスフローコントローラ２８によりガス供給量を略一定に保つようにして、加湿器２６で加湿された空気（酸素）が、エア供給管３２を挿通して所定の供給圧でエア流路２４に供給されることで行なわれる。単セルでは、一般に供給される水素ガス及び空気の圧力が増大するほど反応速度が上昇し発電効率が向上するため加圧されている。

単セル１０、圧力計Ｐ１〜Ｐ２、水素調圧バルブＶ１、バルブＶ２〜Ｖ３、エア調圧バルブＶ４、加湿器２５，２６、電圧測定器３４、マスフローコントローラ２７，２８、及び図示しないコンプレッサ等は、制御部（ＥＣＵ）１００と電気的に接続されており、制御部１００によって動作タイミングが制御されるようになっている。この制御部１００は、負荷の大きさに応じて水素ガス及びエアの量を調節することにより出力を制御する燃料電池の通常の発電運転制御を担うと共に、測定した電圧を取り込み、取込まれた各電圧間の電圧差からクロスリークの計測、分析等を担うものである。

以下、単セル１０について行なう性能解析を図３〜図６を参照して説明する。図３は、単セルの電圧降下要因を計測する第１計測ルーチンを示すものである。
まず、単セル１０が有するガス成分の透過量の程度を測定するために、ステップ１００において、単セル１０のアノード側に繋がる水素供給管３０に設けられた水素調圧バルブＶ１を開けて未加湿の窒素（不活性ガス）又は水素ガス（水素供給側のガス供給圧ｐ¹）を供給すると共に、カソード側に繋がるエア供給管３２に設けられたバルブＶ３を開けて未加湿の窒素ガス（不活性ガス；エア供給側のガス供給圧ｐ²）を供給する。このとき、ｐ¹＝ｐ²に調圧されており、単セル１０は非発電状態である。そして、エア調圧バルブＶ４により排出管３３を挿通して窒素ガスを排出してｐ¹＞ｐ²の状態を形成し、この状態からのアノード側のｐ¹の単位時間当りの降下量を測定する。測定されたｐ¹の降下量から圧力変化量を求め、この変化量をもとに単セル１０のガス透過量を算出する。

次に、ステップ１２０において、上記と同様にして水素供給管３０に加湿水素ガス（ガス供給圧ｐ¹）を供給すると共に、カソード側に繋がるエア供給管３２に加湿エア（空気；ガス供給圧ｐ²）を供給し、モータ等の負荷に電力供給しながら通常の発電運転を行ない、その後負荷を外して両極間における電荷の移動が遮断された開回路（ＯＣ；Open Circuit）の状態とした後、ステップ１４０においてアノード及びカソードへのガス供給量を圧力計Ｐ１，Ｐ２及びマスフローコントローラ２７，２８により各々略一定にし、次のステップ１６０でアノード側ガス供給圧ｐ¹とカソード側ガス供給圧ｐ²とが同圧であるときの電圧（同圧時電圧）を取り込む。

次に、ステップ１８０において、アノード側ガス供給圧ｐ¹とカソード側ガス供給圧ｐ²との間にｐ¹＞ｐ²となるように上記同様に差圧を生じさせ、次のステップ２００でｐ¹＞ｐ²時の電圧（差圧時電圧）を取り込む。

一つの単セルについて同圧時電圧及び差圧時電圧の取り込みが終了した後、ステップ２２０において測定済セルの数がカウントされ、セル数の和〔Σ(セル数)〕が所望とするセル数ｍ以下であるか否かが判断される。このとき、ガス透過量の異なるセルを選択して行なうようにする。ステップ２２０において、セル数の和がｍ以下であると判断されたときは未測定の他のセルについてステップ１００〜ステップ２００を繰り返し、セル数の和がｍを超えていると判断されたときにはステップ２４０に移行する。

次のステップ２４０において、ステップ１００で得た各単セルのガス透過量の値と、ステップ１６０及びステップ２００で取り込まれた複数セルの全電圧（差圧時電圧及び同圧時電圧）とから、横軸を単セルのガス透過量とし、縦軸を電圧としたガス透過量及びセル電圧の関係を示す図４のグラフを作成する。

図４に示されるように、差圧をかけたときには電圧降下が大きく、同圧としたときには差圧時に比し電圧降下の程度が緩和されている。すなわち、差圧時電圧と同圧時電圧との電圧差ΔＶ¹の絶対値に相当する量がクロスリークに由来する電圧降下を意味し、同圧時における電圧降下ΔＶ²はクロスリーク以外の例えば短絡や触媒劣化等に由来するものである。このように、差圧時及び同圧時における電圧差から単セルの電圧降下要因を分析（計測）することができる。

上記において、ＯＣ状態での電圧から図４を得る場合を説明したが、発電中の電圧からガス透過量とセル電圧との関係を示すグラフを作成するようにすることもできる。この場合には、例えば図６に示すようなグラフ（電流密度０．８４Ａ／ｃｍ²の場合）を得ることができる。図６に示されるように、同圧時から差圧時の電圧降下は小さく、ＯＣ状態以外に濃度分極抵抗の小さい（低電流密度）領域において効果的である。

次のステップ２６０において、上記より得られたグラフ（図４）から得られる電圧差ΔＶ¹の変化から上記のガス透過率に対応する電圧変化率を求め、横軸を電圧変化率、縦軸をガス透過量とした図５の関係線を作成し、電圧変化率とガス透過量との関係を示す近似式を得る。この関係線におけるガス透過量は、クロスリーク量を表すものである。

以上のようにして近似式を得ることにより、電圧降下要因を解析しようとする単セル（被計測セル）について、その単セルで実測された電圧の電圧変化率がデータとして得られたときには、上記の関係線を用いることで他の外部装置を用いることなく簡易かつ短時間にクロスリーク量が求められる。

（第２実施形態）
本発明の燃料電池の性能解析方法の第２実施形態を図７〜図１３を参照して説明する。本実施形態は、第１実施形態における単セルを燃料電池スタックに構成して車載し、スタック状態での電圧降下要因を計測するようにしたものである。なお、透過量測定（性能解析）のための不活性ガス（窒素）並びに発電のための燃料及び酸化剤ガスは第１実施形態で使用したものを用いることができ、第１実施形態と同様の構成要素（燃料電池スタックを構成する単セルを含む）には同一の参照符号を付してその詳細な説明を省略する。

図７に示すように、本実施形態における燃料電池スタック４０は、単セルを複数積層してスタック構造に構成され、スタックを構成する単セルの各々は第１実施形態における単セル（図１参照）と同様に構成されており、外部のモータ等の負荷に電力を供給することが可能なようになっている。

燃料電池スタック４０のアノード側には、単セルが積層されたスタック構造の水素ガス流路２３の供給口と連通するように、圧力計Ｐ１、水素調圧バルブＶ１、加湿器２５、及びマスフローコントローラ２７を備えた水素供給管３０の一端が接続され、更に水素ガス流路２３の排出口と連通するように、バルブＶ２を備えた排出管３１の一端が接続されており、第１実施形態と同様に発電運転時における水素ガスあるいは後述する透過量測定（性能解析）時における窒素等の不活性ガスの水素ガス流路２３への供給と、電池反応に寄与しなかった排出水素ガス及び不活性ガスの排出が可能なようになっている。なお、水素供給管３０の他端には、図示しない水素貯蔵タンク、レギュレータが接続可能に設けられており、発電運転時に水素ガスを供給できるようになっている。このとき、供給される水素ガスの供給圧は水素調圧バルブＶ１の開閉状態を制御して調整される。

また、排出管３１の他端は、排出水素ガス中の水分を除去する気水分離器４２と接続されており、この気水分離器４２は循環用水素ポンプ４３及び逆止弁を備えた配管３５によって水素供給管３０と連通され、発電運転時に電池反応に寄与しなかった排出水素ガスを循環させて再供給されるようになっている。気水分離器４２では、これを通過する排出水素ガスを再び燃料ガスとして利用するために、排出水素ガスに含まれる余分な水分が除去される。更に、配管３５の循環用水素ポンプ４３と逆止弁との配管途中にはバルブＶ５を備えた排出管３６の一端が接続されており、バルブＶ５を開けたときに他端からの排出が可能なようになっている。

燃料電池スタック４０のカソード側には、スタック構造中のエア流路２４の供給口と連通するようにエア供給管３２の一端が接続され、更にエア流路２４の排出口と連通するように圧力計Ｐ２及びエア調圧バルブＶ４を備えた排出管３３の一端が接続されており、スタックのエア流路２４へのエア（空気）の供給と、電池反応によって酸素密度が低くなった排出空気及び生成水の排出が可能なようになっている。エア供給管３２及び排出管３３の各他端は加湿器４１と接続されており、燃料電池スタック４０に加湿エアを供給すると共に、排出管３３を通じて排出された生成水を再びエア供給管３２に戻し再利用可能なように構成されている。また、加湿器４１には更に、エアコンプレッサ２９を備えた供給配管４４及び排出配管４５の各々の一端が接続されており、供給配管４４の他端に配された図示しないフィルタを介して外気よりエア（空気）を吸引すると共に、排出配管４５の他端から外部に排出空気及び不要な生成水を排出できるようになっている。

本実施形態において、両極のガス供給圧の間に差圧を生じさせるときには、予め圧力計Ｐ１及びマスフローコントローラ２７、並びに圧力計Ｐ２及びエアコンプレッサ２９によりガス供給量を略一定に保った状態で、アノード側の水素調圧バルブＶ１とカソード側のエア調圧バルブＶ４とを調節、例えばエア調圧バルブＶ４の開度を大きくしてカソード側ガス供給圧を低下させる等することによって両ガス供給圧の間に圧力差を形成することができる。このとき、バルブＶ５は閉状態となっている。

また、燃料電池スタック４０は、個々の単セルと電気的に接続されるようにして電圧測定器３４が設けられており、発電運転時の複数の単セルの個々の電圧をモニタ可能なようになっている。電圧測定器は、個々の単セルと接続せず、複数個（例えば２つの単セル）ごと、又はスタックが分割構造になっているときはサブスタック毎に接続するようにしてもよく、あるいはスタック中央部では個々の単セル毎に接続し端部付近では２つ毎に接続するような形態であってもよい。

また、燃料電池スタック４０、圧力計Ｐ１〜Ｐ２、循環用水素ポンプ４３、水素調圧バルブＶ１、バルブＶ２〜Ｖ３及びＶ５、エア調圧バルブＶ４、マスフローコントローラ２７、加湿器２５，４１、電圧測定器３４、エアコンプレッサ２９等は、図示しないが第１実施形態と同様にして制御部（ＥＣＵ）１００と電気的に接続されており、制御部１００によって動作タイミングが制御され、第１実施形態と同様に通常の発電運転制御を担うと共に、測定した電圧を取り込み、取込まれた各電圧間の電圧差からクロスリークの計測、発電範囲の予測判定制御等を担うものである。

以下、燃料電池スタック４０について行なう性能解析を図８〜図１３を参照して説明する。
まず、燃料電池スタックを構成する複数の単セルから任意に選択した個々の単セル（セルNo.1〜No.m）について、図２と同様の配管構成を形成した状態で第１実施形態と同様に図３に示す第１計測ルーチンが実行され、ステップ１００〜ステップ２６０におけるガス透過量が異なる複数の単セルの結果から、横軸を電圧変化率、縦軸をガス透過量とした図５と同様の関係線を作成し、電圧変化率とガス透過量との関係を示す近似式を得る。

図８は、燃料電池スタックにおける複数の単セルの電圧降下要因を単セル毎に計測する第２計測ルーチンを示すものである。この第２計測ルーチンが実行されると、まずステップ３００において燃料電池スタック４０が通常の発電運転制御において開回路（ＯＣ）の状態であるか否かが判断され、ＯＣ状態であると判断したときには、ステップ３２０に移行する。また、ＯＣ状態でないと判断したときには、ＯＣ状態となるまで待機する。

ステップ３２０において、アノード及びカソードへのガス供給量を圧力計Ｐ１及びマスフローコントローラ、並びに圧力計Ｐ２及びエアコンプレッサ２９により各々略一定にし、次のステップ３４０でセル（例えばセルNo.1）におけるアノード側ガス供給圧ｐ¹とカソード側ガス供給圧ｐ²とが同圧であるときの電圧（同圧時電圧）を取り込む。

一つの単セル（セルNo.1）について同圧時電圧の取り込みが終了した後、ステップ３５０において測定済セルの数がカウントされ、セル数の和〔Σ(セル数)〕が燃料電池スタック４０の構成セル数ｎ以下であるか否かが判断される。ステップ３５０において、セル数の和がｎ以下、即ち構成セルの全ての測定が完了していないと判断されたときは、未測定の他のセルについて取り込みを繰り返し、セル数の和がｎを超えている、即ち構成セルの全ての測定が完了したと判断されたときには、ステップ３６０に移行する。

次に、ステップ３６０において、アノード側ガス供給圧ｐ¹とカソード側ガス供給圧ｐ²との間にｐ¹＞ｐ²となるように差圧を生じさせ、次のステップ３８０でセル（例えばセルNo.1）におけるｐ¹＞ｐ²時の電圧（差圧時電圧）を取り込む。

一つの単セル（セルNo.1）について差圧時電圧の取り込みが終了した後、ステップ４００において測定済セルの数がカウントされ、セル数の和〔Σ(セル数)〕が燃料電池スタック４０の構成セル数ｎ以下であるか否かが判断される。ステップ４００において、セル数の和がｎ以下、即ち構成セルの全ての測定が完了していないと判断されたときは、未測定の他のセルについて取り込みを繰り返し、セル数の和がｎを超えている、即ち構成セルの全ての測定が完了したと判断されたときには、ステップ４２０に移行する。

ステップ４２０において、燃料電池スタックの構成セルの取り込まれた全電圧（差圧時電圧及び同圧時電圧）を、横軸をセル番号（No.1…No.n）、縦軸をセル電圧として各セルとセル電圧との関係を示す図９のグラフを作成し、作成したグラフから各単セルの電圧変化率を算出する。

ここで、差圧時電圧と同圧時電圧との電圧差（ΔＶ¹）の絶対値に相当する量がクロスリークに由来する電圧降下を意味し、同圧時における電圧降下はクロスリーク以外の例えば短絡や触媒劣化等に由来するものである。このように、差圧時及び同圧時における電圧差から単セルの電圧降下要因を分析（計測）することができる。

次に、ステップ４４０において、算出された電圧変化率から、既に得られている電圧変化率とガス透過量との関係線における近似式を用いてガス透過量を求め、横軸をセル番号、縦軸をガス透過率として各セルとガス透過率との関係を示す図１０のヒストグラムを作成する。ここでのガス透過量は、クロスリーク量を表すものである。

以上のようにして単セル毎のクロスリーク量を計測できると共に、クロスリークの程度が大きいセルを特定することができる。これにより、特定されたセルの電圧降下がクロスリークに大きく由来するものである場合には、特定されたセルのみを交換する等の処置が可能である。したがって、複数の単セルで構成されてたスタックの場合でも、従来のように電圧降下の大きいセルの特定や、その要因がクロスリークに由来するものであるか否かの判断が困難であるために実用上問題のない場合でも定期的にスタック全体を交換する、あるいはスタックを分解して対処する等を行なうのを回避でき、特定された単セルについてのみ交換や適切な処置を講ずることが可能となる。

図１１は、継続走行可能な距離の予測を行なう予測ルーチンを示すものである。本ルーチンが実行されると、ステップ５００において走行距離が所定距離Ｌ（例えば１万ｋｍ）に達しているか否かが判断され、所定距離Ｌに達したと判断されたときには、ステップ５２０において燃料電池スタックを構成する単セルの全クロスリーク量のうち最大値ｔ^maxが取り込まれ、保存される。

次に、ステップ５４０において、クロスリーク量の最大値ｔ^maxが所定の閾値Ｔ以下であるか否かが判断され、最大値ｔ^maxが所定の閾値Ｔ以下であると判断されたときには、ステップ５６０において、所定距離Ｌ毎に燃料電池スタックの全構成セルの平均ガス透過量をプロットして図１２を作成すると共に、さらに走行距離に対する最大値ｔ^maxの変化量及び車両の走行状態（例えば、平均車速、負荷の大きさ等）から今後の走行状態を推定しつつ、大きく電圧降下を生ずる可能性のある閾値Ｔ（＝ｍ¹；図１２及び図１３中の破線）に到達するまでの走行距離を最大値ｔ^maxをみて算出する（図１３）。そして、図１３に示すように、将来の想定される走行条件ごとに、走行距離に対するクロスリーク量の最大値ｔ^maxの変化傾向が予測され、その後本ルーチンは終了する。以上のように、得られた予測データから今後継続して走行可能な走行距離を判断することができる。

また、ステップ５４０において、最大値ｔ^maxが所定の閾値Ｔを超えていると判断されたときには、ステップ５８０において警告が発せられ、大幅な電圧降下や破損の可能性があり得ることを予め判断することができる。なお、ステップ５００において、所定距離Ｌに達していないと判断されたときには、本ルーチンはそのまま終了する。

本実施形態では、クロスリーク量の最大値を走行距離毎にみるようにしたが、走行距離以外の例えば燃料電池自体の高負荷発電の程度（時間等）など他の発電条件毎にみるようにしてもよい。また、ｔ^maxを参照する態様に限らず、ｔ^max付近の複数値の平均値を参照して判断する等、場合に応じた事項を参照することで行なえる。

また、上記のようにクロスリーク量から判断するのではなく、複数の単セルの所定単位毎の出力低下（電圧降下）やその変化データを、例えば走行距離等の所望の発電条件ごとに記録し、記録されたデータ、例えば図１４に示すような関係から出力が所定の閾値を満足するか否かを判断して予測するようにすることもできる。

上記では、スタックを構成する個々の単セルのクロスリーク量の結果から将来の走行可能距離の予測を行なうようにしたが、所望数の単セルを１単位とし各クロスリーク量の平均値から予測を行なうようにすることもできる。この場合、１単位ごとの平均電圧の差ΔＶからガス透過率に対応する電圧変化率（平均セル電圧変化率）を求め、横軸を平均セル電圧変化率、縦軸をガス透過量とした図１５の関係線を作成し、平均セル電圧変化率とガス透過量との関係を示す近似式を得、これに基づいてクロスリーク量、クロスリークの大きい単セルの特定、将来的に走行可能な走行距離等の予測を行なうようにすることもできる。ここでの関係線におけるガス透過量もクロスリーク量を表すものである。また同様に、スタックが複数のサブスタックからなる分割構造をなす場合はサブスタック単位で各サブスタックのクロスリーク量の結果から予測を行なうようにすることも可能である。

上記以外に更に、単セル毎の圧力損失Δｐの変化、あるいはサブスタック等の所定単位毎（単位毎に圧力計が必要）の圧力損失Δｐの変化を、例えば走行距離等の所望の発電条件ごとに記録し、記録されたデータ、例えば図１６又は図１７に示すような関係から圧力損失が所定の閾値を満足するか否かを判断して予測するようにするこもできる。図１６及び図１７より、ＯＣ状態（即ち低電流密度の状態）での圧力損失（圧力分布）は小さいことがわかる。

本発明の第１実施形態に係る単セルの構成例を示す概略断面図である。本発明の第１実施形態に係る燃料電池システム（単セル）を示す概略構成図である。単セルの電圧降下要因を計測するルーチンを示す流れ図である。ＯＣ時におけるガス透過量とセル電圧との関係を示す関係図である。ＯＣ時における電圧変化率とガス透過量との近似関係を示す関係図である。発電運転時におけるガス透過量とセル電圧との関係を示す本発明の第２実施形態に係る燃料電池システム（スタック）を示す概略構成図である。燃料電池スタックにおける複数の単セルの電圧降下要因を単セル毎に計測するルーチンを示す流れ図である。ｎ個のセルと各セルのセル電圧との関係を示す関係図である。ｎ個のセルと各セルのクロスリーク量との関係を示す関係図である。継続走行可能な距離の予測を行なう予測ルーチンを示す流れ図である。所定距離Ｌに対する燃料電池スタックの平均透過量（全構成セルの平均クロスリーク量）の変化を示す関係図である。走行距離と燃料電池スタック中の単セルの最大透過量（単セルの最大クロスリーク量）との関係を示す関係図である。走行距離と出力との関係を示す関係図である。平均セル電圧変化率とガス透過量との近似関係を示す関係図である。スタックにおける電流密度に対する圧力損失の変化を示す関係図である。単セルにおける電流密度に対する圧力損失の変化を示す関係図である。

符号の説明

１０…単セル
１６…アノード拡散電極（燃料極）
１７…カソード拡散電極（酸化剤極）
４０…燃料電池スタック

Claims

燃料ガス及び酸化剤ガスの電気化学反応により発電する、スタック構造に積層された複数の単セルの所定単位毎に、燃料極に供給された燃料ガスのガス供給圧ｐ¹および酸化剤極に供給された酸化剤ガスのガス供給圧ｐ²の間に差圧を生じさせたときの差圧時電圧と、前記ガス供給圧ｐ¹および前記ガス供給圧ｐ²を同圧としたときの同圧時電圧とを測定し、同圧での初期のセル電圧と前記同圧時電圧との第１電圧差と、前記同圧時電圧と前記差圧時電圧との第２電圧差とから前記複数の単セルの電圧降下要因を所定単位毎に計測する燃料電池の性能解析方法。
前記複数の単セルの所定単位毎の燃料ガス又は酸化剤ガスが電解質膜を透過するガス透過量を圧力降下法により予め算出すると共に、前記第２電圧差から前記ガス透過量に対応する該第２電圧差の電圧変化率を求めて、前記電圧変化率とガス透過量との関係線を作成し、
被計測セルの所定単位毎に実測された第２電圧差の電圧変化率から、前記関係線を用いて該被計測セルのクロスリーク量を所定単位毎に求める請求項１に記載の燃料電池の性能解析方法。
前記所定単位は、セル又はスタックが分割構造を持つときはサブスタックである請求項１又は請求項２に記載の燃料電池の性能解析方法。