JP5949617B2 - 燃料電池スタックの評価方法 - Google Patents

Description

本発明は、燃料電池スタックを評価する技術に関する。

従来から、燃料電池スタックの性能を評価する方法が知られている（例えば、下記特許文献１）。下記特許文献１には、燃料ガスの流量、空気の流量、引き出す電流を各々一定に制御した状態で、出力電圧を測定することによって、燃料電池の性能を評価する方法が開示されている。

特開平２００７−８７６８６号公報

しかし、上記方法では燃料電池スタックの状態の変化に伴う性能の評価を行うことができないといった課題が指摘されていた。

本発明は、上述の課題の少なくとも一部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。本発明の一形態によれば、燃料電池セルを積層した燃料電池スタックの評価方法が提供される。この評価方法は、前記燃料電池スタックを加湿して、予め定めた所定の電流を引き出す定常電流出力工程と；前記定常電流出力工程後、所定湿度以下の燃料ガスと酸化ガスとを前記燃料電池スタックに供給すると共に、前記供給から所定時間経過後に前記燃料電池から最大出力を引き出し、前記燃料電池スタックおよび前記各燃料電池セルの出力を測定する測定工程と；前記測定した出力に基づいて、前記燃料電池スタックを評価する過渡性能評価工程と；を備える。この形態の評価方法によると、湿度の高い状態の燃料電池スタックに所定湿度以下の燃料ガスと酸化ガスとを供給し、燃料電池スタックの状態を変化させながら、燃料電池スタックおよび各燃料電池セルの出力を測定するので、燃料電池スタックの状態を変化させて出力性能を評価することができる。

また、このような形態によれば、低コスト化、省資源化、製造の容易化、性能の向上等の種々の課題の少なくとも１つを解決することができる。

なお、本発明は、種々の態様で実現することが可能である。例えば燃料電池の製造方法、燃料電池の製造装置、燃料電池の評価装置などの種々の形態で実現することができる。

評価システムを示す説明図である。 評価システムを用いた評価方法を示す説明図である。 燃料電池スタックの特性の変化を示す説明図である。

Ａ．第１実施形態：
（Ａ１）システム構成：
図１は本発明の第１実施形態としての、燃料電池スタックの性能を評価する評価システム１０を説明する説明図である。評価システム１０は、燃料電池スタック２０、水素タンク３０、三方弁３２、バブラー３４、コンプレッサ４０、三方弁４２、バブラー４４、測定装置５０、循環水用ヒーター７０を備える。

燃料電池スタック２０は、燃料電池の電力によって駆動する燃料電池車両用に製造されたものである。燃料電池スタック２０は、複数の燃料電池セルＣＬを積層することによって構成されている。燃料電池セルＣＬは固体高分子型の燃料電池であり、燃料ガスとしての水素ガスと、酸化ガスとしての空気とによって発電する。図示するように、各燃料電池セルＣＬは、電解質膜２２の両面に、触媒電極２３ｃ,２３ａ、ガス拡散層２４ｃ，２４ａを積層し、カソード側セパレータ２５ｃとアノード側セパレータ２５ａとで挟持した構造である。アノード側セパレータ２５ａには外部から供給された水素ガスをガス拡散層２４ａに供給するアノードガス供給流路２６ａが形成されている。カソード側セパレータ２５ｃには外部から供給された空気をガス拡散層２４ｃに供給するカソードガス供給流路２６ｃが形成されている。

また、燃料電池スタック２０には、冷却用の冷却水流路７２が形成されている。説明の便宜上、冷却水流路７２を直線の一点鎖線で図示したが、実際には、各燃料電池セルＣＬのアノード側セパレータ２５ａおよびカソード側セパレータ２５ｃに、冷却水が流通する流路が形成されており、燃料電池セルＣＬの積層により、各燃料電池セルＣＬに形成された流路が連通することにより冷却水流路７２が形成される。本実施形態においては、冷却水流路７２に流通させる水の温度を循環水用ヒーター７０によって制御することによって、燃料電池スタック２０の温度を制御する。

循環水用ヒーター７０は、燃料電池スタック２０の温度を制御する。具体的には、循環水用ヒーター７０は、冷却水流路７２に循環させる水（以下、循環水とも呼ぶ）の温度を制御する。本実施形態においては、循環水用ヒーター７０は、循環水の温度を制御することによって、燃料電池スタック２０の温度を６０℃に制御する。

水素タンク３０は、燃料ガスとしての水素ガスを燃料電池スタック２０に供給する。三方弁３２は、水素タンク３０から供給された水素ガスを、直接的に燃料電池スタック２０に供給するか、バブラー３４を介して供給するかの切り替えを行う。バブラー３４は、水素タンク３０から供給された水素ガスを加湿して燃料電池スタック２０に供給する。本実施形態においては、燃料電池スタック２０に供給される水素ガスは８０℃である。燃料電池スタック２０に供給される水素ガスの温度制御は、水素タンク３０から燃料電池スタック２０までの流路間にヒーター（図示省略）を設置することや、バブラー３４に収容されている水の水温を調整することによって行う。燃料電池スタック２０に供給された水素ガスは、各燃料電池セルＣＬのアノードガス供給流路２６ａを流通し、ガス拡散層２４ａ、触媒電極２３ａを介して電解質膜２２に供給される。

コンプレッサ４０は、外部の空気を燃料電池スタック２０に供給する。三方弁４２は、コンプレッサ４０から供給された空気を、直接的に燃料電池スタック２０に供給するか、バブラー４４を介して供給するかの切り替えを行う。バブラー４４は、コンプレッサ４０から供給された空気を加湿して燃料電池スタック２０に供給する。本実施形態においては、燃料電池スタック２０に供給される空気は８０℃である。燃料電池スタック２０に供給される空気の温度制御は、コンプレッサ４０から燃料電池スタック２０までの流路間にヒーター（図示省略）を設置することや、バブラー４４に収容されている水の水温を調整することによって行う。燃料電池スタック２０に供給された空気は、各燃料電池セルＣＬのカソードガス供給流路２６ｃを流通し、ガス拡散層２４ｃ、触媒電極２３ｃを介して電解質膜２２に供給される。燃料電池スタック２０は、電解質膜２２に供給された空気と水素ガスとによる電気化学反応によって発電する。

上述したように、燃料電池スタック２０には８０℃の水素ガスと空気とが供給される。また、循環水用ヒーター７０によって、燃料電池スタック２０は６０℃に制御されている。仮に、バブラー３４を介すことによって湿度１００％近くまで加湿された８０℃の水素ガスと、バブラー４４を介すことによって湿度１００％近くまで加湿された８０℃の空気とを、６０℃の燃料電池スタック２０内に供給した場合、８０℃における水の飽和水蒸気量よりも６０℃における飽和水蒸気量が小さいため、各燃料電池セルＣＬ内の水素ガスおよび空気の湿度は１００％以上（過加湿状態）となる。このように、評価システム１０は、各バブラーを介して供給する水素ガスおよび空気の温度よりも、燃料電池セルＣＬ内の温度を低くすることによって、燃料電池セルＣＬ内部を過加湿条件にすることができる。

各燃料電池セルＣＬのカソードおよびアノードには、それぞれ、ケーブル５２ｃとケーブル５２ａとが接続されている。各燃料電池セルＣＬに接続されたケーブル５２ｃ,５２ａの他端は測定装置５０に接続されている。測定装置５０は、各燃料電池セルＣＬの出力電圧［Ｖ］を測定することが可能である。具体的には、測定装置５０は、負荷を制御して各燃料電池ＣＬから一定の電流［Ａ］を引き出し、各燃料電池ＣＬの出力電圧［Ｖ］を測定する。また、測定装置５０は、測定した各燃料電池セルＣＬの出力電圧［Ｖ］の平均値と、各燃料電池セルＣＬから引いた電流値［Ａ］とに基づいて、燃料電池スタック２０の換算出力［ｋＷ］（以下、スタック換算出力とも呼ぶ）を算出することが可能である。さらに、測定装置５０は、燃料電池スタック２０の両端のアノードとカソードに接続されたケーブルによって、燃料電池スタック２０の出力電圧を実測し、出力［ｋＷ］を算出することが可能である。評価システム１０は、上記説明した構成によって燃料電池スタック２０の性能評価を行う。

（Ａ２）性能評価方法：
図２は、評価システム１０を用いた燃料電池スタック２０の評価方法を説明する説明図である。工程Ｔ１０２として、過加湿条件下において燃料電池スタック２０の定常出力を測定する。具体的には、三方弁３２を制御して、水素タンク３０からバブラー３４を介して水素ガスを燃料電池スタック２０に供給する。また、三方弁４２を制御して、コンプレッサ４０からバブラー４４を介して燃料電池スタック２０に空気を供給する。そして、過加湿度条件下で、測定装置５０によって負荷を制御し、燃料電池スタック２０から電流２［Ａ］を引き、そのときの出力電圧［Ｖ］を測定する。工程Ｔ１０２においては、燃料電池車両に搭載された燃料電池スタック２０に生じ得るフラッディングを再現し、フラッディングを生じた状態で燃料電池スタック２０が車両の走行に必要な電力を出力可能か判断する。

燃料電池スタック２０の出力［ｋＷ］が、予め定めた所定の値（以下、「定常出力」とも言う）未満である場合、車両搭載用としては採用できない燃料電池スタックであると判断し、燃料電池セルＣＬの交換や組み直しを行う（工程Ｔ１０８）。そして、新たに組み直した燃料電池スタック２０に対して、再度、工程Ｔ１０２を行う（工程Ｔ１０８→工程Ｔ１０２）。なお、定常出力の値は、燃料電池スタック２０を燃料電池車両に搭載した際に、車両の走行および制御に十分な電力が確保できることを条件として予め定めた値である。

工程Ｔ１０２において、燃料電池スタック２０の出力［ｋＷ］が定常出力以上であった場合、次に、その燃料電池スタック２０に対して過渡性能評価を行う（工程Ｔ１０４）。過渡性能評価は、各燃料電池セルＣＬ内に乾燥した水素ガスと空気と（以下、乾燥した水素ガスと空気とを、単に「ドライガス」とも呼ぶ）を供給しながら、経時的に状態変化する燃料電池スタック２０の特性を評価する評価方法である。具体的には、三方弁３２を制御して、水素タンク３０からバブラー３４を介さずに、直接的に水素ガスを燃料電池スタック２０に供給する。また、三方弁４２を制御して、コンプレッサ４０からバブラー４４を介さずに、直接的に燃料電池スタック２０に空気を供給する。ドライガスの供給と同時に、各燃料電池セルＣＬの抵抗値を測定装置５０によってリアルタイムに測定する。

そして、いずれかの燃料電池セルＣＬの抵抗値が上昇し始めたタイミングで、所定の期間をかけて測定装置５０による負荷を所定の値（以下、最大負荷とも呼ぶ）にまで上昇させ、そのときに出力される各燃料電池セルＣＬの出力電圧を測定する。負荷を上昇させるための上記所定の期間は、測定装置５０の性能に依存し、約１秒〜５秒であるが、その期間が短いほど好ましい。また、最大負荷とは、燃料電池車両に搭載した際に燃料電池スタック２０にかかる最大負荷値を、実験等によって予め取得して設定した値である。

各燃料電池セルＣＬの出力電圧を取得後、各燃料電池セルＣＬ間の出力電圧値にばらつきがある場合は、その燃料電池スタック２０に対しては、性能評価を工程Ｔ１０８に進める。各燃料電池セルＣＬの出力電圧のばらつきの有無の判断方法については後で説明する。

また、燃料電池スタック２０の出力［ｋＷ］（以下、過渡出力とも言う）が、上述した定常出力の８５％未満である場合にも、その燃料電池スタック２０に対しては、性能評価を工程Ｔ１０８に進める。本実施形態においては、過渡出力として、各燃料電池セルＣＬの出力電圧の平均値と各燃料電池セルＣＬから引いた電流とに基づいて算出したスタック換算出力［ｋＷ］を採用する。

一方、各燃料電池セルＣＬの出力電圧にばらつきがなく、かつ、スタック換算出力が定常出力の８５％以上である場合には、その燃料電池スタック２０は出荷可能と判断する（工程Ｔ１０６）。

以下、過渡性能評価における評価方法について説明する。図３は、ドライガス供給時における燃料電池スタック２０の特性の変化を示す説明図である。図３には、サンプルとして採用した燃料電池スタック２０（以下、サンプルとも呼ぶ）について、ドライガス供給開始からｔ１（ｓｅｃ）経過後の状態（状態Ａ）における特性と、ｔ２（ｓｅｃ）経過後の状態（状態Ｂ）における特性とを示している。本実施形態においては、燃料電池セルＣＬを６セル積層した燃料電池スタック２０（サンプル）を採用する。図に示したＶｃｌは、各燃料電池セルＣＬから約１［ｓｅｃ］の期間で電流密度を２［Ａ/ｃｍ２］を引いた時の、各燃料電池セルＣＬの出力電圧［Ｖ］を示している。Ｃｄは、電流密度［Ａ/ｃｍ２］を示している。Ｖｓｔは、燃料電池スタック２０のスタック換算出力［ｋＷ］を示している。

図示した燃料電池スタック２０（サンプル）の場合、燃料電池スタック２０は、ドライガス供給開始から時間が経過するほど、燃料電池セルＣＬの出力電圧にばらつきが生じていることがわかる。各燃料電池セルＣＬにおける出力電圧のばらつきの要因の一つとして、各燃料電池セルＣＬにおけるセル内部の排水性の有無が挙げられる。

各燃料電池セルＣＬは、工程Ｔ１０２において高湿度状態となっていたため、セル内部には多くの水が介在する。工程Ｔ１０２の後、工程Ｔ１０４において、各燃料電池セルＣＬにドライガスを供給すると、セル面内においてガスの流通しやすい部分はより乾燥し、ガスの流通がしにくい部分は水分が介在した状態が維持される。各燃料電池セルＣＬにおいて、排水性の偏りが存在し介在する水の分布に偏りが生じている場合、当該燃料電池セルＣＬの出力電圧は低下する。すなわち、排水性の偏りが有る燃料電池セルＣＬと、無い燃料電池セルＣＬとによって、各燃料電池セルＣＬ間で出力電圧にばらつきが生じる。

また、各燃料電池セルＣＬの内部の排水性に偏りが生じる一つの要因として、各燃料電池セルＣＬにおけるアノードガス供給流路２６ａとカソードガス供給流路２６ｃの圧損のばらつきが挙げられる。燃料電池セルＣＬを燃料電池スタック２０として積層した際の押圧によって、ある程度、アノードガス供給流路２６ａとカソードガス供給流路２６ｃは圧損する。各燃料電池セルＣＬ間で圧損にばらつきがある場合、燃料電池セルＣＬの内部の排水性に偏りが生じる。

工程Ｔ１０４で、各燃料電池セルＣＬにドライガスを供給することによって、セル内部の排水性のばらつきによって性能低下を生じる燃料電池セルＣＬを明確することができ、かつ、性能低下にばらつきがある燃料電池スタック２０を抽出することができる。

本実施形態における過渡特性評価は、燃料電池セルＣＬ内部の排水性を利用し、各燃料電池セルＣＬの特性にばらつきが生じやすい条件をつくり、燃料電池スタック２０の性能評価を行う。具体的には、上述したように、排水性にばらつきが生じやすい条件下で、各燃料電池セルＣＬの出力電圧にばらつきがなく、かつ、スタック換算出力が定常出力の８５％以上である燃料電池スタック２０を抽出する。

以上説明したように、本実施形態における燃料電池スタック２０の性能評価方法は、過渡性能評価を行う。過渡性能評価は、過加湿条件下から燃料電池セルＣＬにドライガスを供給しながら各燃料電池セルＣＬの特性を評価することにより、燃料電池スタック２０の状態を変化させて性能を評価させることができる。具体的には、排水性の偏りが有る燃料電池セルＣＬと排水性の偏りが無い燃料電池セルＣＬとの特性のばらつきが生じやすい状態に変化させながら出力性能を評価することができる。

また、特性評価として、燃料電池スタック２０の出力と、各燃料電池セルＣＬの特性のばらつきの度合いとの２つの条件を考慮して特性評価を行うため、各燃料電池セルＣＬ間の特性にばらつきが無く、かつ、燃料電池スタック２０としての出力性能も十分備えた燃料電池スタック２０を抽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、或いは、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。

上記の実施形態では、燃料電池車両に搭載する燃料電池について説明したが、燃料電池を据え置き型とした発電プラントとしての燃料電池に適用することもできる。

１０…評価システム
２０…燃料電池スタック
２２…電解質膜
２３ａ，２３ｃ…触媒電極
２４ａ，２４ｃ…ガス拡散層
２５ａ…アノード側セパレータ
２５ｃ…カソード側セパレータ
２６ａ…アノードガス供給流路
２６ｃ…カソードガス供給流路
３０…水素タンク
３２，４２…三方弁
３４，４４…バブラー
４０…コンプレッサ
５０…測定装置
５２ａ，５２ｃ…ケーブル
７０…循環水用ヒーター
７２…冷却水流路
ＣＬ…燃料電池セル

Claims (1)

1. 燃料電池セルを積層した燃料電池スタックの評価方法であって、
   前記燃料電池スタックを加湿して、予め定めた所定の電流を引き出す定常電流出力工程と、
   前記定常電流出力工程後、所定湿度以下の燃料ガスと酸化ガスとを前記燃料電池スタックに供給すると共に、前記供給から所定時間経過後に前記燃料電池から最大出力を引き出し、前記燃料電池スタックおよび各燃料電池セルの出力を測定する測定工程と、
   前記測定した出力に基づいて、前記燃料電池スタックを評価する過渡性能評価工程と
   を備える評価方法。

Images