JP5140984B2 - 電池寿命判定装置 - Google Patents

Description

本発明は、燃料電池セルの寿命を判定する電池寿命判定装置に関する。

従来より、燃料電池が知られており、水素を燃焼させて水を生成することでエネルギーを発生するので、有害物のエミッションがなく、またエネルギー発生効率を高くすることができるため、エネルギー源として注目されている。

この燃料電池は、燃料ガスである水素ガスとこれを燃焼させるために必要な酸素を含む空気などの酸化性ガスを反応させる燃料電池セルを基本単位として、必要な電力を得るために、燃料電池セルを複数積層させた燃料電池セルスタックから構成される。

１つの燃料電池セルは、電解質膜の一方側に空気極触媒層と空気極側拡散層を積層し、他方の側に燃料極触媒層と燃料極側拡散層を積層した構造の膜電極接合体（ＭＥＡ）を、空気極側拡散層と燃料極側拡散層とにガスを供給するためのガス流路を備えたセパレータで挟持して形成される。そして、ＭＥＡとセパレータを交互に積層することで、燃料電池セルスタックが形成される。

なお、電解質膜にはナフィオン（登録商標）膜が用いられる。また、空気極触媒層および燃料極触媒層は、白金などの触媒成分を担持するカーボン担体と電気伝導性物質である電解質溶液との混合溶液（触媒インキ）を調整し、それを電解質膜に塗布し乾燥して形成される。さらに、空気極側拡散層と燃料極側拡散層は、共に、カーボンクロス、カーボンペーパー、無機導電性繊維の織布や不織布などの基材に、ガス拡散に必要な気孔の確保と撥水性を持たせるための撥水加工を施した後、それを触媒層の上にホットプレスすることで形成される。撥水加工は、撥水性樹脂粒子（例えば、ＰＴＦＥ，ＰＦＡ，ＦＥＰ，ＥＴＦＥなどの粒子）と粉末カーボンと溶媒との混合溶液を拡散層用の基材に塗布し、乾燥させた後、３００℃以上の温度で焼成することで行われる。

また、ＭＥＡは、電解質膜のみが大きめに形成されており、周辺部は電解質膜のみから形成されており、この電解質膜がセパレータに挟み込まれてシールされる。そして、シール材としては有機高分子の接着剤などが用いられる。

特開２００５−１６６５９５号公報 特開２００３−３４６８５５号公報 特開２００４−３９４９０号公報 特開２００４−３１９１５３号公報

ここで、燃料電池は、その継続使用によってＭＥＡが劣化することがさけられず、これによって発電能力が落ちてくる。そして、発電能力が低下した場合には、これを寿命として判定し、交換する必要がある。そこで、燃料電池の寿命を正確に把握したいという要求がある。

ＭＥＡの劣化には、各種の要因があるが、その中にシール材からの溶出物により、拡散層に付着し、拡散層の撥水性が劣化することに起因するものがあり、この劣化に基づく寿命についても把握したい。

本発明は、電解質膜の両側に触媒層および拡散層を配置した膜電極接合体の周辺を挟み込みシール材によって固定して構成された燃料電池セルの寿命を判定する電池寿命判定装置であって、燃料電池セルの温度を制御する温度制御手段と、燃料電池セルの発電性能を検出する発電性能検出手段と、を含み、前記温度制御手段によって、所定の温度範囲で燃料電池セルの温度を上下するサイクルを繰り返し、このサイクルの繰り返しによって、前記シール材からの有機物質の溶出を促進して前記燃料電池セルを早期に劣化させるとともに、このサイクルの繰り返し回数に対応して前記検出手段によって検出した燃料電池セルの発電性能の劣化によって、燃料電池セルの寿命を判定することを特徴とする。

本発明は、電解質膜の両側に触媒層および拡散層を配置した膜電極接合体の周辺を挟み込みシール材によって固定して構成された燃料電池セルの寿命を判定する電池寿命判定装置であって、燃料電池セルからの電流を流し放電する放電装置と、燃料電池セルの温度を制御する温度制御手段と、燃料電池セルの発電性能を検出する発電性能検出手段と、を含み、前記放電装置により前記燃料電池セルからの電流を流し放電する状態で、前記温度制御手段によって、所定の温度範囲で燃料電池セルの温度を上下するサイクルを繰り返し、このサイクルの繰り返しによって、前記シール材からの有機物質の溶出を促進して前記燃料電池セルを早期に劣化させるとともに、このサイクルの繰り返し回数に対応して前記検出手段によって検出した燃料電池セルの発電性能の劣化によって、燃料電池セルの寿命を判定することを特徴とする。

また、前記温度制御手段は、対象となる燃料電池セルに冷却水を循環するとともに、この冷却水の温度を制御することで前記燃料電池セルの温度を制御することが好適である。

また、前記発電性能検出手段は、前記放電装置に流れる電流量に基づいて燃料電池セルの発電性能を検出することが好適である。

また、本発明は、電解質膜の両側に触媒層および拡散層を配置した膜電極接合体の周辺を挟み込みシール材によって固定して構成された燃料電池セルが複数積層された燃料電池セルスタックの寿命を判定する電池寿命判定装置であって、燃料電池セルの温度を検出する温度検出手段と、この温度検出手段により検出した温度により、燃料電池セルの温度が所定の温度範囲を超えて上下したサイクルの繰り替えし数をカウントするカウント手段と、このカウント手段によりカウントしたカウント値が所定値に至ったときに、このサイクルの繰り返しによって、前記シール材からの有機物質が溶出して前記燃料電池セルが劣化し前記燃料電池セルスタックの寿命と判定し、電池寿命についての表示を行う表示手段と、を有することを特徴とする。

また、前記温度検出手段は、前記燃料電池セルスタックへ循環する冷却水の温度を検出することが好適である。

本発明によれば、温度の上下のサイクルをカウントすることで、燃料電池セルや燃料電池セルスタックの寿命を検出する。従って、シール材からの溶出物によるＭＥＡの拡散層の撥水性低下によ燃料電池セルの発電性能の劣化を適切に判定することができる。

以下、本発明の実施形態について、図面に基づいて説明する。

「電池寿命判定装置」
図１は、実施形態に係る電池寿命判定装置の構成を示すブロック図である。寿命判定の対象となる燃料電池セル１０は、上述のようにＭＥＡとセパレータを交互に積層して形成された燃料電池セルスタックの単一セルであり、空気極側には空気、燃料極側には水素ガスが供給される。このために、燃料電池セル１０は、その周辺部に、供給側空気流路、排出側空気流路、供給側燃料ガス流路、排出側燃料ガス流路が形成され、これらガス供給装置１２に接続され、各ガスの供給排出が制御される。なお、寿命判定は、複数の燃料電池セル１０が積層された燃料電池セルスタックについて行ってもよい。また、燃料電池セル１０は、一対のセパレータの周辺部によってＭＥＡの電解質膜の周辺部を挟み込み、有機材料を含有する接着剤などのシール材で固定されている。

また、燃料電池セル１０のセパレータ内には、冷却水流路が形成されており、ここにウォーターポンプ１４が、接続されて、冷却水が循環される。そして、この冷却水の循環路の一部（この例では燃料電池セル１０への供給側流路）には、温度調整装置１６が設けられている。この温度調整装置１６は、加熱装置、冷却装置および熱交換器で構成され、循環路中の冷却水を加熱または冷却する。また、循環路の一部（この例では燃料電池セル１０からの排出側流路）には、温度計１８が設けられ、燃料電池セル１０に循環する冷却水の温度が計測される。

温度計１８の計測値は、制御装置２０に供給され、制御装置２０は冷却水の温度に基づき、温度調整装置１６を制御して、冷却水温度、すなわち燃料電池セル１０の温度を制御する。

さらに、燃料電池セル１０のプラス端子およびマイナス端子の間には、放電装置２２が接続され、燃料電池セル１０からの電流がここで消費される。この放電装置２２は、例えば可変抵抗で構成される。また、電流計２４により、放電装置２２に流れる電流を測定し、その測定値は制御装置２０に供給され、制御装置２０が放電装置２２を制御して、ここに流れる電流を制御する。

そして、このような装置を用いた寿命判定は、次のようにして行う。まず、図２に示すように、制御装置２０は放電装置２２を制御して、ここに流れる電流値を一定値に制御する。そして、温度調整装置１６を制御して、冷却水（燃料電池セル１０）の温度を所定の温度範囲で上下させる。この例では、１サイクルを１５分として、３０°Ｃと、６０°Ｃの温度範囲で、上下させている。また、この例では、冷却は、冷却水を３０°Ｃを若干下回る温度の新規冷却水に入れ替えることによって行っており、これによって冷却水温度は急激に低温になる。この場合、温度調整装置１６はヒータなどの加熱装置のみを設ければよい。なお、本実施形態では、放電電流を一定に制御したが、放電電圧を一定に制御してもよい。

このような温度変化のサイクルを繰り返し、サイクルの所定回数毎に燃料電池セル１０の発電能力をチェックする。すなわち、制御装置２０は、放電装置２２を制御して、最高負荷での燃料電池セル１０の出力電圧を電圧計２６により計測する。この最高負荷は、例えば、放電抵抗を切り離した状態での燃料電池セル１０の端子間電圧を計測することによって行われる。

このように温度変化のサイクルを繰り返すことで、燃料電池セル１０は劣化していき、例えば図３に示すように所定回数以上のサイクルで出力電圧が低下し始める。そして、セル電圧が当初電圧の１／２（５０％）になったことで、電池寿命と判定する。

このようにして、燃料電池セル１０の寿命を判定することができる。ここで、本実施形態においては、上述のように、燃料電池セル１０に対し、所定の範囲の温度変化のサイクルを繰り返し与える。燃料電池セル１０は、高温において、シール材から有機物質が溶出する。シール材としては、エポキシ系、合成ゴム系、酢酸ビニル系など各種のものがあるが、接着剤として機能するためには有機物質がある程度溶出することを免れず、高温において特に溶出しやすい。

なお、シール材としては、エポキシ系の接着剤などが利用され、溶出物としては、フタル酸などが考えられる。

このように、シール材からの溶出物は、ＭＥＡの拡散層に付着すると、拡散層の撥水性が低下してしまい、従ってセルの発電性能が低下して、セル電圧が低下する。このような溶出物質の拡散層への付着は、セル内の水分が多い方が起こりやすい。従って、低負荷であって、温度が低い場合に溶出物の拡散層への付着が促進される。

本実施形態では、高温状態と、低温状態を交互に生起し、また放電装置２２において比較的低負荷、高電流状態とすることで、セル内部の水分が多い状態を作り出し、シール材からの溶出物の拡散層への付着を促進する。そして、このサイクルのカウント数に対する電池寿命を検出する。これによって、拡散層の撥水性劣化に基づく電池寿命について、比較的短時間で判定が可能になる。

なお、上記説明においては、実際に燃料電池セル１０において発電を行い、高温状態と、低温状態を交互に生起させた。しかし、シール材からの有機物質の溶出は、必ずしも燃料電池セル１０における発電がなくても生じる。そこで、燃料電池セル１０において、実際の発電は行わずに、燃料電池セル１０の温度を温度調整装置１６によって制御して変更し、適切なタイミングで燃料電池セル１０の発電性能を検出してもよい。この際、燃料電池セル１０内には、シール材から溶出する有機物質を拡散層まで搬送する溶液としての水が充満している必要がある。そこで、発電状態に充満される生成水と同様の水を燃料電池セル１０内に充填することが好適である。

「燃料電池スタックの寿命判定装置」
図４に、車載された燃料電池セルスタック３０の電池寿命判定装置の構成例を示す。燃料電池セルスタック３０は、セパレータと、ＭＥＡを交互に積層し、複数のセルを積層形成したものである。両端のセパレータは、内側面のみがガス流路が形成されたセルの外壁となるが、他のセパレータはその両面にガス流路が形成され、２つのセルの仕切りとして機能する。また、上述のように、セパレータはＭＥＡの電解質膜を挟み込んで接着されるが、このセパレータの積層部分に供給側空気流路、排出側空気流路、供給側燃料ガス流路、排出側燃料ガス流路として機能するマニホールドがそれぞれ形成され、これらマニホールドが各セルに接続されるとともに、ガス供給装置３２に接続され、各ガスの供給排出が制御される。なお、セパレータ同士およびＭＥＡを挟み込んだ部分は有機材料を含有する接着剤などのシール材で固定されている。

また、燃料電池セルスタック３０のセパレータ内には、冷却水流路となるマニホールドも形成されており、ここにウォーターポンプ３４が、接続されて、冷却水が循環される。そして、循環路の一部（この例では燃料電池セル１０からの排出側流路）には、温度計３８が設けられ、燃料電池セルスタック３０に循環する冷却水の温度が計測される。

温度計３８の計測値は、ＥＣＵ４０に供給され、ＥＣＵ４０は冷却水の温度に基づき、燃料電池セルスタック３０の寿命を判定し、判定結果を表示装置４２に表示する。

さらに、燃料電池セルスタック３０のプラス端子およびマイナス端子の間には、負荷４４が接続され、燃料電池セルスタック３０からの電流がここに供給される。この負荷４４は、例えば走行用のモータであるが、その他車載の各種電気機器などでもよい。

このような装置において、ＥＣＵ４０は、温度計３８から送られてくる冷却水（燃料電池セルスタック３０）の温度を２つのしきい値と比較し、所定の温度範囲の温度変化のサイクルをカウントする。すなわち、下側しきい値以下の温度と上側しきい値以上の温度とからなるペアを１サイクルとして、何サイクルが経験されたかをカウントする。なお、下側しきい値としては３０°Ｃ、上側しきい値としては６０°Ｃ等が採用される。

そして、ＥＣＵ４０はカウント値（サイクルの回数）が所定値となったことで、燃料電池セルスタック３０の寿命と判定し、表示装置においてその旨の表示を行う。従って、ユーザはこの表示を見て燃料電池セルスタック３０の寿命を知り、その交換ができる。従来は、車両の走行距離や、搭載期間などにより、燃料電池セルスタック３０の寿命を判定していたが、燃料電池セルの寿命の大きな要因として、拡散層の撥水性不良があり、これは走行距離や、搭載期間とあまり関係がない。

そこで、従来の寿命判定では、寿命に至っていない燃料電池を廃棄してしまったり、走行中に寿命にいたり、発電性能が低下して、走行に支障を来したりするという問題があった。本実施形態により、適切な寿命判定が行えるため、燃料電池を適切に利用することができる。

なお、寿命と判定するカウント数は、上述した図１の構成によって、検出することが好ましい。

ここで、上述のようなサイクルは、外気温の変化や負荷４４への電力供給状態によって生じる。すなわち、外気温を変化しやすく、また走行状態によって負荷４４への電力供給量が変化するため、燃料電池セルスタック３０の温度が変化する。そして、このような温度変化により上述の実施形態において説明したように、拡散層に対するシール材溶出物の付着が促進される。そこで、上記カウントによって、燃料電池セルスタック３０についての適切な寿命判定が可能になる。なお、燃料電池セルスタック３０は、通常発電していない状態ではセル内が乾燥状態に置かれ、シール材の溶出は少ないため、上述のような温度変化に基づくカウントは行わない。

本実施形態では、燃料電池セルスタック３０を車載したが、燃料電池はいかなるものでもよい。

なお、電流が大きいほど水分が多くなるが、電流量が大きいと同時に必要なガス量が大きくなっってガス流速が大きくなるため、必ずしも不純物が拡散層に付着しやすくなるとはいえない。

実施形態に係る電池寿命判定装置の構成を示すブロック図である。 水温の調整状態を示す図である。 セル性能の変化を示す図である。 車載した電池寿命判定装置の構成を示すブロック図である。 温度変化サイクルのカウントを示す図である。

符号の説明

１０ 燃料電池セル、１２，３２ ガス供給装置、１４，３４ ウォーターポンプ、１６ 温度調整装置、１８，３８ 温度計、２０ 制御装置、２２ 放電装置、２４ 電流計、２６ 電圧計、３０ 燃料電池セルスタック、４２ 表示装置、４４ 負荷。

Claims (6)

1. 電解質膜の両側に触媒層および拡散層を配置した膜電極接合体の周辺を挟み込みシール材によって固定して構成された燃料電池セルの寿命を判定する電池寿命判定装置であって、
   燃料電池セルの温度を制御する温度制御手段と、
   燃料電池セルの発電性能を検出する発電性能検出手段と、
   を含み、
   前記温度制御手段によって、所定の温度範囲で燃料電池セルの温度を上下するサイクルを繰り返し、このサイクルの繰り返しによって、前記シール材からの有機物質の溶出を促進して前記燃料電池セルを早期に劣化させるとともに、このサイクルの繰り返し回数に対応して前記検出手段によって検出した燃料電池セルの発電性能の劣化によって、燃料電池セルの寿命を判定することを特徴とする電池寿命判定装置。
2. 電解質膜の両側に触媒層および拡散層を配置した膜電極接合体の周辺を挟み込みシール材によって固定して構成された燃料電池セルの寿命を判定する電池寿命判定装置であって、
   燃料電池セルからの電流を流し放電する放電装置と、
   燃料電池セルの温度を制御する温度制御手段と、
   燃料電池セルの発電性能を検出する発電性能検出手段と、
   を含み、
   前記放電装置により前記燃料電池セルからの電流を流し放電する状態で、前記温度制御手段によって、所定の温度範囲で燃料電池セルの温度を上下するサイクルを繰り返し、このサイクルの繰り返しによって、前記シール材からの有機物質の溶出を促進して前記燃料電池セルを早期に劣化させるとともに、このサイクルの繰り返し回数に対応して前記検出手段によって検出した燃料電池セルの発電性能の劣化によって、燃料電池セルの寿命を判定することを特徴とする電池寿命判定装置。
3. 請求項１または２に記載の電池寿命判定装置において、
   前記温度制御手段は、対象となる燃料電池セルに冷却水を循環するとともに、この冷却水の温度を制御することで前記燃料電池セルの温度を制御することを特徴とする電池寿命判定装置。
4. 請求項１〜３のいずれか１つに記載の電池寿命判定装置において、
   前記発電性能検出手段は、前記放電装置に流れる電流量に基づいて燃料電池セルの発電性能を検出することを特徴とする電池寿命判定装置。
5. 電解質膜の両側に触媒層および拡散層を配置した膜電極接合体の周辺を挟み込みシール材によって固定して構成された燃料電池セルが複数積層された燃料電池セルスタックの寿命を判定する電池寿命判定装置であって、
   燃料電池セルの温度を検出する温度検出手段と、
   この温度検出手段により検出した温度により、燃料電池セルの温度が所定の温度範囲を超えて上下したサイクルの繰り替えし数をカウントするカウント手段と、
   このカウント手段によりカウントしたカウント値が所定値に至ったときに、このサイクルの繰り返しによって、前記シール材からの有機物質が溶出して前記燃料電池セルが劣化し前記燃料電池セルスタックの寿命と判定し、電池寿命についての表示を行う表示手段と、
   を有することを特徴とする電池寿命判定装置。
6. 請求項５に記載の電池寿命判定装置において、
   前記温度検出手段は、前記燃料電池セルスタックへ循環する冷却水の温度を検出することを特徴とする電池寿命判定装置。

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