JP6082308B2 - 燃料電池スタックの異常検出方法 - Google Patents

Description

本発明は、電解質膜の両側に一対の電極が配設される電解質膜・電極構造体とセパレータとを有する発電セルを備え、複数の前記発電セルが積層される燃料電池スタックの異常検出方法に関する。

例えば、固体高分子型燃料電池は、高分子イオン交換膜からなる電解質膜の一方側にアノード電極が、前記電解質膜の他方側にカソード電極が、それぞれ配設された電解質膜・電極構造体（以下、ＭＥＡともいう）を、セパレータによって挟持した発電セルを備えている。この燃料電池は、通常、所定の数の発電セルを積層するとともに、積層方向両端には、ターミナルプレート、絶縁プレート及びエンドプレートが配置されることにより、燃料電池スタックを構成している。燃料電池スタックは、例えば、燃料電池電気自動車等の燃料電池車両に搭載されている。

この燃料電池スタックでは、積層されている複数の発電セルの中に、異常（例えば、発電不良）が発生した発電セルが存在していると、燃料電池スタック全体の発電性能が低下するおそれがある。このため、燃料電池スタック内で異常が発生した発電セルを検出し、前記発電セルを新たな（正常な）発電セルと交換する必要がある。

例えば、特許文献１に開示されている燃料電池システムでは、固体高分子電解質膜を電極触媒層及びガス拡散層により挟む膜電極構造体と、前記電極触媒層の燃料極に燃料ガスを、前記電極触媒層の酸素極に酸化剤ガスを、それぞれ供給する流路を備えたセパレータと、を有している。そして、膜電極構造体をセパレータで挟持したセルを積層し、燃料ガス及び酸化剤ガスの電気化学反応により発電を行う燃料電池と、起動時の前記燃料電池の電圧挙動に基づき、前記ガス拡散層の切れ（不良）を検知する制御手段と、を備えている。

このように、起動時の燃料電池の電圧挙動に基づき、ガス拡散層の切れ（不良）を検知している。従って、固体高分子電解質膜の穴や薄肉化に伴う不具合（ガス漏れ）発生の前段階で、早期にガス拡散層の切れ（不良）等の不具合を検知して、高い信頼性を維持した燃料電池システムを実現できる、としている。

特開２００７−３１１０５２号公報

ところで、特に数百の発電セルが積層された燃料電池スタックでは、上記の特許文献１を適用しても、ガス流路（燃料ガス流路や酸化剤ガス流路）への異物混入や初期不良等によりガス流れが異常な発電セルを特定することが困難である。これにより、燃料電池スタックの運転時や製造時に、適切に対応することができないという問題がある。

本発明は、この種の問題を解決するものであり、簡単な工程で、積層されている複数の発電セルの中から、ガス流れ異常が発生した発電セルを確実に検出することが可能な燃料電池スタックの異常検出方法を提供することを目的とする。

本発明は、電解質膜の両側に一対の電極が配設される電解質膜・電極構造体とセパレータとを有する発電セルを備え、複数の前記発電セルが積層される燃料電池スタックの異常検出方法に関するものである。

この異常検出方法は、一方の電極に沿って水素含有ガスを流通させるとともに、他方の電極に沿って不活性ガスを流通させながら、各発電セルの両電極間の電位を測定する工程と、検出された各電位から各発電セルに流れる不活性ガスの流量を推定し、各発電セルを流れるガス流量の平均値に対するずれを比較することにより、ガス流れ異常が発生した発電セルの有無を検出する工程と、を有している。

また、この異常検出方法では、燃料電池スタックは、燃料電池車両に搭載された状態で、上記の各工程が行われることが好ましい。

本発明によれば、燃料電池スタックの一方の電極に沿って水素含有ガスを流通させるとともに、他方の電極に沿って不活性ガスを流通させることにより、水素濃淡電池が構成されている。このため、各発電セルに発生した電位から各発電セルに流れる不活性ガスの流量を推定し、各発電セルを流れるガス流量の平均値に対するずれを比較することによって、ガス流れ異常が発生した発電セルを検出することができる。これにより、簡単な工程で、積層されている複数の発電セルの中から、ガス流れ異常が発生した発電セルを確実に検出することが可能になる。

例えば、アノード電極側に水素含有ガスを流通させるとともに、カソード電極側に不活性ガスを流通させることにより、カソードガス（酸化剤ガス）の流れ不良が発生した発電セルを特定することができる。一方、アノード電極側に不活性ガスを流通させるとともに、カソード電極側に水素含有ガスを流通させることにより、アノードガス（燃料ガス）の流れ不良が発生した発電セルを特定することが可能になる。

本発明の第１の実施形態に係る異常検出方法が適用される燃料電池スタックがセル異常検出システムに取り付けられた状態の概略説明図である。 前記燃料電池スタックを構成する発電セルの分解斜視説明図である。 前記燃料電池スタックを構成する各発電セルのガス分配率の説明図である。 前記燃料電池スタックに水素供給装置と窒素供給装置とが反対に取り付けられた状態の概略説明図である。 本発明の第２の実施形態に係る異常検出方法を実施するためのセル異常検出システムの概略説明図である。

図１に示すように、本発明の第１の実施形態に係る異常検出方法が適用される燃料電池スタック１０は、組み立て後に各発電セル１２のガス分配異常を診断するために、セル異常検出システム１４に取り付けられる。

燃料電池スタック１０は、例えば、複数の横長形状（又は、縦長形状）の発電セル１２が立位姿勢で水平方向（矢印Ａ方向）に積層される。燃料電池スタック１０は、図示しないが、例えば、燃料電池電気自動車等の燃料電池車両に搭載される。

発電セル１２の積層方向一端には、第１ターミナルプレート１５ａ、第１絶縁プレート１６ａ及び第１エンドプレート１８ａが、外方に向かって順次配設される。発電セル１２の積層方向他端には、第２ターミナルプレート１５ｂ、第２絶縁プレート１６ｂ及び第２エンドプレート１８ｂが、外方に向かって順次配設される。

第１エンドプレート１８ａ及び第２エンドプレート１８ｂは、発電セル１２の外形寸法よりも大きな外形寸法に設定される。第１エンドプレート１８ａと第２エンドプレート１８ｂとは、図示しないが、複数本の締め付けボルトにより積層方向に締め付けられ、発電セル１２には、前記積層方向に所定の締め付け荷重が付与される。なお、燃料電池スタック１０は、第１エンドプレート１８ａ及び第２エンドプレート１８ｂを端板とするケーシング内に積層された発電セル１２を収容して構成することもできる。

図２に示すように、発電セル１２は、電解質膜・電極構造体２０と、前記電解質膜・電極構造体２０を挟持する第１セパレータ２２及び第２セパレータ２４とを備える。第１セパレータ２２及び第２セパレータ２４は、例えば、鋼板、ステンレス鋼板、アルミニウム板、めっき処理鋼板、あるいはその金属表面に防食用の表面処理を施した金属板により構成される。

第１セパレータ２２及び第２セパレータ２４は、平面が矩形状を有するとともに、金属製薄板を波形状にプレス加工することにより、断面凹凸形状に成形される。なお、第１セパレータ２２及び第２セパレータ２４は、金属セパレータに代えて、例えば、カーボンセパレータを使用してもよい。

なお、第１の実施形態では、２枚のセパレータで１枚のＭＥＡを挟持するセルを積層するとともに、各セル間に冷却媒体を流通させる各セル冷却構造を採用するが（後述する）、複数のセル毎に冷却媒体を流通させる、所謂、間引き冷却構造を採用してもよい。その際、セルは、３枚以上のセパレータと２枚以上のＭＥＡを備えている。

電解質膜・電極構造体２０は、例えば、炭化水素系又はパーフルオロスルホン酸の薄膜に水が含浸された固体高分子電解質膜２６と、前記固体高分子電解質膜２６を挟持するアノード電極２８及びカソード電極３０とを備える。固体高分子電解質膜２６は、アノード電極２８及びカソード電極３０よりも大きな平面寸法を有している。なお、電解質膜・電極構造体２０は、アノード電極２８とカソード電極３０とが互いに異なる平面寸法に設定される段差ＭＥＡを構成してもよい。

アノード電極２８及びカソード電極３０は、カーボンペーパ等からなるガス拡散層と、白金合金が表面に担持された多孔質カーボン粒子を前記ガス拡散層の表面に一様に塗布して形成される電極触媒層とを有する。電極触媒層は、例えば、固体高分子電解質膜２６の両面に形成されている。

発電セル１２の矢印Ｂ方向（図２中、矢印Ａ方向に交差する水平方向）の一端縁部には、積層方向である矢印Ａ方向に互いに連通して、酸化剤ガス、例えば、酸素含有ガスを供給するための酸化剤ガス供給連通孔３２ａ、冷却媒体を供給するための冷却媒体供給連通孔３４ａ、及び燃料ガス、例えば、水素含有ガスを排出するための燃料ガス排出連通孔３６ｂが、矢印Ｃ方向（鉛直方向）に配列して設けられる。

発電セル１２の矢印Ｂ方向の他端縁部には、矢印Ａ方向に互いに連通して、燃料ガスを供給するための燃料ガス供給連通孔３６ａ、冷却媒体を排出するための冷却媒体排出連通孔３４ｂ、及び酸化剤ガスを排出するための酸化剤ガス排出連通孔３２ｂが、矢印Ｃ方向に配列して設けられる。

第１セパレータ２２の電解質膜・電極構造体２０に向かう面２２ａには、例えば、矢印Ｂ方向に延在する燃料ガス流路３８が形成される。燃料ガス流路３８は、燃料ガス供給連通孔３６ａと燃料ガス排出連通孔３６ｂとに連通する。

第２セパレータ２４の電解質膜・電極構造体２０に向かう面２４ａには、例えば、矢印Ｂ方向に延在する酸化剤ガス流路４０が設けられる。酸化剤ガス流路４０は、酸化剤ガス供給連通孔３２ａと酸化剤ガス排出連通孔３２ｂとに連通する。酸化剤ガス流路４０と燃料ガス流路３８とは、互いに対向流（酸化剤ガスの流れ方向と燃料ガスの流れ方向とが逆方向）に構成される。

互いに隣接する第１セパレータ２２の面２２ｂと第２セパレータ２４の面２４ｂとの間には、冷却媒体供給連通孔３４ａと冷却媒体排出連通孔３４ｂとに連通する冷却媒体流路４２が形成される。冷却媒体流路４２は、燃料ガス流路３８の裏面形状と酸化剤ガス流路４０の裏面形状とが重なり合って形成される。

第１セパレータ２２の面２２ａ、２２ｂには、この第１セパレータ２２の外周端部を周回して、第１シール部材４４が一体化される。第２セパレータ２４の面２４ａ、２４ｂには、この第２セパレータ２４の外周端部を周回して、第２シール部材４６が一体化される。

第１シール部材４４及び第２シール部材４６には、例えば、ＥＰＤＭ、ＮＢＲ、フッ素ゴム、シリコーンゴム、フロロシリコーンゴム、ブチルゴム、天然ゴム、スチレンゴム、クロロプレーン又はアクリルゴム等のシール材、クッション材、あるいはパッキン材等の弾性を有するシール部材が用いられる。

図１に示すように、セル異常検出システム１４は、燃料電池スタック１０内の燃料ガス流路３８に、すなわち、アノード電極２８に沿って水素を流通させる水素供給装置５０を備える。なお、水素供給装置５０は、純水素又は水素を含有するガス（水素含有ガス）を供給するものであればよい。セル異常検出システム１４は、燃料電池スタック１０内の酸化剤ガス流路４０に、すなわち、カソード電極３０に沿って不活性ガス、例えば、窒素ガス（又は、ヘリウム、ネオン、アルゴン等）を流通させる窒素供給装置５２を備える。セル異常検出システム１４は、各発電セル１２の両電極（アノード電極２８及びカソード電極３０）間の電位を測定するセル電圧検出装置５４を備える。

水素供給装置５０は、燃料電池スタック１０の燃料ガス供給連通孔３６ａ及び燃料ガス排出連通孔３６ｂに連通する。窒素供給装置５２は、燃料電池スタック１０の酸化剤ガス供給連通孔３２ａ及び酸化剤ガス排出連通孔３２ｂに連通する。セル電圧検出装置５４は、各発電セル１２に設けられたセル電圧測定用端子（図示せず）に接続される複数本のケーブル５６を備える。

このように構成される燃料電池スタック１０の通常運転時の動作について、以下に説明する。

先ず、図２に示すように、発電セル１２の酸化剤ガス供給連通孔３２ａには、酸素含有ガス等の酸化剤ガスが供給される。発電セル１２の燃料ガス供給連通孔３６ａには、水素含有ガス等の燃料ガスが供給される。さらに、発電セル１２の冷却媒体供給連通孔３４ａには、純水やエチレングリコール、オイル等の冷却媒体が供給される。

このため、酸化剤ガスは、酸化剤ガス供給連通孔３２ａから第２セパレータ２４の酸化剤ガス流路４０に導入される。酸化剤ガスは、酸化剤ガス流路４０に沿って矢印Ｂ方向に移動し、電解質膜・電極構造体２０のカソード電極３０に供給される。

一方、燃料ガスは、燃料ガス供給連通孔３６ａから第１セパレータ２２の燃料ガス流路３８に供給される。燃料ガスは、燃料ガス流路３８に沿って矢印Ｂ方向に移動し、電解質膜・電極構造体２０のアノード電極２８に供給される。

従って、電解質膜・電極構造体２０では、カソード電極３０に供給される酸化剤ガスと、アノード電極２８に供給される燃料ガスとが、電極触媒層内で電気化学反応により消費されて発電が行われる。

次いで、電解質膜・電極構造体２０のカソード電極３０に供給されて消費された酸化剤ガスは、酸化剤ガス排出連通孔３２ｂに沿って矢印Ａ方向に排出される。一方、電解質膜・電極構造体２０のアノード電極２８に供給されて消費された燃料ガスは、燃料ガス排出連通孔３６ｂに沿って矢印Ａ方向に排出される。

また、冷却媒体供給連通孔３４ａに供給された冷却媒体は、第１セパレータ２２及び第２セパレータ２４間の冷却媒体流路４２に導入される。冷却媒体は、矢印Ｂ方向に移動して電解質膜・電極構造体２０を冷却した後、冷却媒体排出連通孔３４ｂに沿って矢印Ａ方向に排出される。

次いで、第１の実施形態に係る燃料電池スタック１０の異常検出方法について、以下に説明する。

先ず、燃料電池スタック１０は、例えば、初期の組み立て作業後に、図１に示すように、セル異常検出システム１４に取り付けられる。セル異常検出システム１４では、水素供給装置５０は、燃料ガス供給連通孔３６ａ及び燃料ガス排出連通孔３６ｂに連通して接続され、窒素供給装置５２は、酸化剤ガス供給連通孔３２ａ及び酸化剤ガス排出連通孔３２ｂに連通して接続される。セル電圧検出装置５４は、各ケーブル５６が各発電セル１２に設けられたセル電圧測定用端子（図示せず）に接続される。

そこで、水素供給装置５０から燃料電池スタック１０の燃料ガス供給連通孔３６ａに水素が供給されるとともに、窒素供給装置５２から前記燃料電池スタック１０の酸化剤ガス供給連通孔３２ａに窒素ガスが供給される。

燃料ガス供給連通孔３６ａに供給された水素は、各発電セル１２の燃料ガス流路３８に沿って、すなわち、アノード電極２８に沿って流通する。一方、酸化剤ガス供給連通孔３２ａに供給される窒素ガスは、各発電セル１２の酸化剤ガス流路４０に沿って、すなわち、カソード電極３０に沿って流通する。このため、各発電セル１２は、水素濃淡電池を構成して起電力が発生する。その際、セル電圧検出装置５４は、各発電セル１２の両電極間（アノード電極２８とカソード電極３０との間）の電位を測定する。

水素濃淡電池の起電力Ｅは、Ｅ＝（ＲＴ／２Ｆ）ｌｎ（Ｐ_H2,An／Ｐ_H2,Ca）から得られる。ここで、Ｒは、気体定数、Ｔは、絶対温度、Ｆは、ファラデー常数、Ｐ_H2,Anは、アノード電極２８側の水素分圧、Ｐ_H2,Caは、カソード電極３０側の水素分圧である。

固体高分子電解質膜２６の水素透過量が、発電セル１２間で均一であると仮定すると、カソード電極３０側の水素分圧Ｐ_H2,Caは、各発電セル１２に流れる窒素ガスの流量に依存し、水素濃淡電池の起電力Ｅが決定される。従って、ガス流れが悪い発電セル１２の電圧は、他の発電セル１２の電圧よりも低くなる。さらに、不活性ガスである窒素ガスが使用されており、電気化学的な反応が惹起されることがない。このため、電極触媒の状態に影響されることがなく、単に物理的なガス流れのみに起因する電圧のばらつきが得られる。

これにより、アノード電極２８側に水素を流通させるとともに、カソード電極３０側に窒素ガス（不活性ガス）を流通させることにより、カソードガス（酸化剤ガス）の流れ不良が発生した発電セル１２を特定することができる。

例えば、図３は、燃料電池スタック１０を構成する各発電セル１２のガス分配の診断結果を示している。すなわち、アノード電極２８側には、相対湿度ＲＨ５０％に加湿された水素が供給される一方、カソード電極３０側には、相対湿度ＲＨ５０％に加湿された窒素ガスが供給され、各発電セル１２の電圧が測定された。

窒素流量は、例えば、３パターンに設定され、前記窒素流量と濃淡電池起電力との関係が求められた。そして、特定の窒素流量の時に、各発電セル１２の電圧から各発電セル１２を流れる窒素流量を推定し、各発電セル１２を流れるガス流量が平均値に対してどのくらいずれているかをパーセンテージで表した値（ガス分配率）の分布が、図３に示されている。

図３から了解されるように、２個の発電セル１２は、カソード側のガス分配率が、他の発電セル１２と比べて著しく低く、他の発電セル１２のばらつきの範囲を超えるもの（異常）であり、前記２個の発電セル１２にガス流れ異常が発生したことが特定される。このため、ガス流れ異常が発生した発電セル１２は、正常な発電セル１２と交換される。

この場合、第１の実施形態では、燃料電池スタック１０のアノード電極２８に沿って水素を流通させるとともに、カソード電極３０に沿って窒素ガスを流通させることにより、各発電セル１２が水素濃淡電池として構成されている。従って、各発電セル１２に発生した電位を比較することによって、電位のばらつきからガス流れ異常が発生した発電セル１２を検出することができる。

これにより、簡単な工程で、積層されている複数の発電セル１２の中から、ガス流れ異常が発生した発電セル１２を確実に検出することが可能になるという効果が得られる。

また、各発電セル１２のアノード側のガス分配率を測定する際には、図４に示すように、水素供給装置５０が酸化剤ガス流路４０に接続される一方、窒素供給装置５２が燃料ガス流路３８に接続される。このため、酸化剤ガス供給連通孔３２ａに水素が供給されるとともに、燃料ガス供給連通孔３６ａに窒素ガスが供給される。

従って、アノード電極２８側に窒素ガス（不活性ガス）が流通されるとともに、カソード電極３０側に水素が流通される。これにより、上記のカソード側のガス分配率と同様に、アノード側のガス分配率を測定することができ、アノードガス（燃料ガス）の流れ不良が発生した発電セル１２を特定することが可能になる。

図５は、本発明の第２の実施形態に係る異常検出方法を実施するためのセル異常検出システム６０の概略説明図である。なお、第１の実施形態に係るセル異常検出システム１４と同一の構成要素には、同一の参照符号を付して、その詳細な説明は省略する。

セル異常検出システム６０は、燃料電池車両に搭載されており、発電反応に使用されている燃料電池スタック１０のガス分配診断を行う。燃料電池スタック１０には、燃料ガスを供給する燃料ガス供給装置６２と、酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給装置６４と、冷却媒体を循環供給するための冷却媒体供給装置（図示せず）とが接続される。

燃料ガス供給装置６２は、高圧水素を貯留する水素タンク６６を備える。水素タンク６６は、水素供給流路６８を介して燃料電池スタック１０の燃料ガス供給連通孔３６ａに連通する。水素供給流路６８には、減圧弁７０及びエゼクタ７２が設けられる。エゼクタ７２は、水素タンク６６から供給される水素ガスを、水素供給流路６８を通って燃料電池スタック１０に供給する。その際、エゼクタ７２は、燃料電池スタック１０で使用されなかった未使用の水素ガスを含む排ガスを、水素循環路７４から吸引して、再度、前記燃料電池スタック１０に燃料ガスとして供給する。

酸化剤ガス供給装置６４は、大気からの空気を圧縮して供給するエアポンプ７６を備え、前記エアポンプ７６が空気供給流路７８に配設される。空気供給流路７８は、燃料電池スタック１０の酸化剤ガス供給連通孔３２ａに連通する。空気供給流路７８には、切り替え弁８０及び加湿器８２が配設され、前記切り替え弁８０には、減圧弁８４を介装して窒素タンク８６が接続される。加湿器８２は、酸化剤ガス供給連通孔３２ａに供給される酸化剤ガス（空気）を、酸化剤ガス排出連通孔３２ｂから排出される酸化剤ガスにより加湿する。

このように構成される第２の実施形態では、燃料電池スタック１０が、燃料ガス供給装置６２及び酸化剤ガス供給装置６４から供給される燃料ガス及び酸化剤ガスの反応により運転され、図示しない燃料電池車両が走行されている。そして、燃料電池スタック１０の運転中に、何らかの原因で発電セル１２にガスが流れ難くなった際、燃料電池車両がアイドル状態に維持される。

次いで、切り替え弁８０が操作されて、窒素タンク８６が燃料電池スタック１０の酸化剤ガス供給連通孔３２ａに連通する。このため、窒素タンク８６から酸化剤ガス供給連通孔３２ａに窒素ガスが供給されるとともに、水素タンク６６から燃料ガス供給連通孔３６ａに水素が供給される。従って、各発電セル１２は、濃淡電池を構成し、第１の実施形態と同様に、カソード側のガス分配率が得られる。

さらに、ガス分配率の低い発電セル１２の個数とガス分配率とが特定される。そして、カソード側の空気供給流量が、通常運転時よりも増量され、ガス分配率と発電セル１２の個数とを掛け合わせた値に相当する量だけ増量される。これにより、燃料電池スタック１０は、一時的ではあるが、運転可能な状態になるため、修理可能な場所まで移動させることができる。

１０…燃料電池スタック １２…発電セル
１４、６０…セル異常検出システム ２０…電解質膜・電極構造体
２２、２４…セパレータ ２６…固体高分子電解質膜
２８…アノード電極 ３０…カソード電極
３２ａ…酸化剤ガス供給連通孔 ３２ｂ…酸化剤ガス排出連通孔
３４ａ…冷却媒体供給連通孔 ３４ｂ…冷却媒体排出連通孔
３６ａ…燃料ガス供給連通孔 ３６ｂ…燃料ガス排出連通孔
３８…燃料ガス流路 ４０…酸化剤ガス流路
４２…冷却媒体流路 ５０…水素供給装置
５２…窒素供給装置 ５４…セル電圧検出装置
５６…ケーブル ６２…燃料ガス供給装置
６４…酸化剤ガス供給装置 ６６…水素タンク
７６…エアポンプ ８０…切り替え弁
８６…窒素タンク

Claims (2)

1. 電解質膜の両側に一対の電極が配設される電解質膜・電極構造体とセパレータとを有する発電セルを備え、複数の前記発電セルが積層される燃料電池スタックの異常検出方法であって、
   一方の電極に沿って水素含有ガスを流通させるとともに、他方の電極に沿って不活性ガスを流通させながら、各発電セルの両電極間の電位を測定する工程と、
   検出された各電位から各前記発電セルに流れる前記不活性ガスの流量を推定し、各前記発電セルを流れるガス流量の平均値に対するずれを比較することにより、ガス流れ異常が発生した発電セルの有無を検出する工程と、
   を有することを特徴とする燃料電池スタックの異常検出方法。
2. 請求項１記載の異常検出方法において、前記燃料電池スタックは、燃料電池車両に搭載された状態で、上記の各工程が行われることを特徴とする燃料電池スタックの異常検出方法。

Images