JP6520734B2

JP6520734B2 - 燃料電池スタックのセル数の検査方法及びその検査装置

Info

Publication number: JP6520734B2
Application number: JP2016013636A
Authority: JP
Inventors: 重光野本
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2016-01-27
Filing date: 2016-01-27
Publication date: 2019-05-29
Anticipated expiration: 2036-01-27
Also published as: JP2017134991A

Description

本発明は、燃料電池スタックのセル数の検査方法及びその検査装置に関する。

燃料電池車両には、所定枚数のセルが積層された燃料電池スタックが搭載されている。燃料電池スタックでは、各セルにおいて燃料ガスと酸素ガスとの電気化学反応により発電する。

特開２０１２−０２８１８５号公報特開２００４−２２０８２３号公報特開２０１０−１０３０６３号公報

ところで、通常燃料電池スタックの各セルに対しセルの電圧を監視するセルモニタが取り付けられている。しかしながら、仮に、燃料電池スタック内のセル数が規定枚数（例えば３７０枚）より多くあると、製造工程上セルモニタは規定枚数のセルにしか取り付けられないため、セルモニタが接続されず電圧の監視ができないセルがスタック内に存在することになる。そして、燃料電池スタックの稼動時に、その監視できないセルが故障した場合には、例えば車両にアラームを出すことができない。そのため、燃料電池スタックの製造工程においてセルの積層枚数を確実に保証することが重要である。

燃料電池スタックの製造工程においてセルの積層枚数を保証する方法として、セルを規定枚数積層する工程で１枚ずつセルをカウントする方法が一般的である。しかしながら、製造工程や製造設備が正常に動作している場合にはこの方法で問題ないと考えられるが、製造工程や製造設備に何らかの異常が発生してその処置をしてからセルの積層を再開する場合等においては、セルの積層枚数のカウントの記憶が途切れて誤組付けが発生し、セルの積層枚数が保証されない可能性がある。

また、燃料電池スタックの製造工程における各セルにセルモニタを取付ける工程において、セルの積層枚数が規定枚数よりも少ない場合は、規定数用意されたセルモニタの一部が余りセルに取り付けられないので、これをきっかけに、セルの積層枚数が誤っていることを検出する機会はあるが、セルの積層枚数が規定枚数よりも多い場合は、規定数のセルモニタがすべて取り付けられてしまうため、セルの積層枚数が誤っていることを検出できない。なお、特許文献１、２には、燃料電池のセル自体の異常を検出する技術が開示され、特許文献３には、燃料電池のクロスリークを検出する技術が開示されている。

すなわち、本発明は以下の態様を含む。
（１）複数のセルを積層した燃料電池スタックの総電圧を測定する工程と、規定数の電圧測定部がセルと１対１で取り付けられている前記燃料電池スタックの複数のセルについて、前記電圧測定部を用いて前記複数のセルの各々の個別電圧を測定する工程と、前記個別電圧の総和と前記総電圧との電圧差（絶対値）を算出する工程と、前記電圧差と予め設定されている所定の閾値とを比較し、前記電圧差が前記所定の閾値より大きいときに前記燃料電池スタックのセル数が誤っていると判定する工程と、を有し、前記閾値は、セル数が規定数よりも１つ多い場合の電圧差の分布と、セル数が規定数の場合の電圧差の分布との間の値に設定されている、燃料電池スタックのセル数の検査方法。
（２）前記燃料電池スタックの総電圧と前記複数のセルの個別電圧の測定工程では、ＯＣＶを測定する、（１）に記載の燃料電池スタックのセル数の検査方法。
（３）複数のセルを積層した燃料電池スタックの総電圧を測定する総電圧測定部と、セルと１対１で取り付けられ、前記燃料電池スタックの複数のセルの各々の個別電圧を測定する規定数の個別電圧測定部と、前記個別電圧測定部で測定された個別電圧の総和と前記総電圧測定部で測定された総電圧との電圧差（絶対値）を算出する算出部と、前記算出部で算出された電圧差と予め設定されている所定の閾値とを比較し、前記電圧差が前記所定の閾値より大きいときに前記燃料電池スタックのセル数が誤っていると判定する判定部と、を有し、前記閾値は、セル数が規定数よりも１つ多い場合の電圧差の分布と、セル数が規定数の場合の電圧差の分布との間の値に設定されている、燃料電池スタックのセル数の検査装置。
（４）前記総電圧測定部と前記個別電圧測定部は、ＯＣＶを測定する、（３）に記載の燃料電池スタックのセル数の検査装置。

本発明者らは、鋭意検討した結果、規定数の電圧測定部が個別に取り付けられている複数のセルの個別電圧を加算した総和と燃料電池スタックの総電圧との電圧差が所定の数値範囲外であるか否かを判定することにより、燃料電池スタックのセル数の誤りを確実に検出できることを見出し、本発明を完成するに至った。

すなわち、本発明は以下の態様を含む。
（１）複数のセルを積層した燃料電池スタックの総電圧を測定する工程と、規定数の電圧測定部がセルと１対１で取り付けられている前記燃料電池スタックの複数のセルについて、前記電圧測定部を用いて前記複数のセルの各々の個別電圧を測定する工程と、前記個別電圧の総和と前記総電圧との電圧差（絶対値）を算出する工程と、前記電圧差と予め設定されている所定の閾値とを比較し、前記電圧差が前記所定の閾値より大きいときに前記燃料電池スタックのセル数が誤っていると判定する工程と、を有する、燃料電池スタックのセル数の検査方法。
（２）前記燃料電池スタックの総電圧と前記複数のセルの個別電圧の測定工程では、ＯＣＶを測定する、（１）に記載の燃料電池スタックのセル数の検査方法。
（３）複数のセルを積層した燃料電池スタックの総電圧を測定する総電圧測定部と、セルと１対１で取り付けられ、前記燃料電池スタックの複数のセルの各々の個別電圧を測定する規定数の個別電圧測定部と、前記個別電圧測定部で測定された個別電圧の総和と前記総電圧測定部で測定された総電圧との電圧差（絶対値）を算出する算出部と、前記算出部で算出された電圧差と予め設定されている所定の閾値とを比較し、前記電圧差が前記所定の閾値より大きいときに前記燃料電池スタックのセル数が誤っていると判定する判定部と、を有する、燃料電池スタックのセル数の検査装置。
（４）前記総電圧測定部と前記個別電圧測定部は、ＯＣＶを測定する、（３）に記載の燃料電池スタックのセル数の検査装置。

本発明によれば、燃料電池スタックのセル数が規定数よりも多い場合に、そのセル数の誤りを確実に検出することができるので、例えば総てのセルにセルモニタ（個別電圧測定部）が取り付けられており、燃料電池スタックの稼働時のセルの電圧の異常を確実に検出できる。

燃料電池スタックの使用例を示す燃料電池車両の模式図である。検査装置の構成の概略を示す説明図である。セル構造を示す説明図である。セル数の検査方法のフローを示す説明図である。ＯＣＶを示す説明図である。電圧差ΔＶの閾値Ｄを示す説明図である。

以下、本発明の実施の形態について詳細に説明する。なお、図面の上下左右等の位置関係は、特に断らない限り、図面に示す位置関係に基づくものとする。また、図面の寸法比率は、図示の比率に限定されるものではない。さらに、以下の実施の形態は、本発明を説明するための例示であり、本発明をその実施の形態のみに限定する趣旨ではない。またさらに、本発明は、その要旨を逸脱しない限り、さまざまな変形が可能である。

先ず、燃料電池スタックの使用例を説明する。図１は、燃料電池スタック１が搭載された燃料電池車両２の一例を示す模式図である。

例えば燃料電池車両２には、例えば３つのガスタンク１０が車体のリア部に搭載されている。ガスタンク１０は、燃料電池システム１１の一部を構成し、ガス供給ライン１２を通じて燃料電池スタック１に燃料ガスを供給できる。燃料電池スタック１に供給される燃料ガスは、例えば水素ガスである。また、燃料電池スタック１には、車両外部から取り入れられた酸化ガスを供給できる。燃料電池スタック１は、供給された燃料ガスと酸化ガスの電気化学反応により発電を行い、かかる電力により燃料電池車両２を駆動できる。なお、燃料電池スタック１は、燃料電池自動車のみならず、電気自動車、ハイブリッド自動車などの車両のほか、各種移動体（例えば、船舶や飛行機、ロボットなど）や定置設備（住宅、ビル）にも搭載できる。

燃料電池スタック１は、例えば図２に示すように複数のセル２０が積層されて構成されている。セル２０の数（規定数）は、燃料電池スタック１の仕様により定められている。

図３は、燃料電池スタック１を構成するセル２０の分解斜視図である。セル２０は、高分子電解質膜２１と、アノード極２２と、カソード極２３と、セパレータ２４、２５とから構成されている。アノード極２２及びカソード極２３は、高分子電解質膜２１を両側から挟んでサンドイッチ構造を形成している。

セパレータ２４、２５は、ガス不透過の導電性部材から構成され、アノード電極２２、カソード電極２３を両側から挟みつつ、アノード極２２及びカソード極２３との間にそれぞれ燃料ガス及び酸化ガスの流路２４ａ、２５ａを形成している。

燃料電池スタック１では、各セル２０のアノード極２２の流路２４ａに燃料ガスとしての水素ガスが供給され、カソード極２３の流路２５ａに酸化ガスが供給され、アノード極２２において（１）式の酸化反応が生じ、カソード極２３において（２）式の還元反応が生じる。燃料電池スタック１全体としては（３）式の起電反応が生じる。
Ｈ₂→ ２Ｈ+＋２ｅ- …（１）
（１／２）Ｏ₂＋２Ｈ+＋２ｅ- → Ｈ₂Ｏ …（２）
Ｈ₂＋（１／２）Ｏ₂ → Ｈ₂Ｏ …（３）

次に、以上のように構成される燃料電池スタック１の製造プロセスにおいて、セル２０の数を検査する検査方法及び検査装置について説明する。

セル数の検査は、例えば複数のセル２０を積層して組み付け、その後燃料電池スタック１の発電前リーク検査を行った後のスタック発電検査において行われる。

図２に示すようにセル数の検査装置３０は、例えば複数のセル２０を積層した燃料電池スタック１の総電圧Ｖを測定する総電圧測定部４０と、燃料電池スタック１の規定数の複数のセル２０の各々の個別電圧ｖを測定する個別電圧測定部４１と、総電圧測定部４０と個別電圧測定部４１の測定結果に基づいてセル数の適否を判断する制御部４２を有している。

制御部４２は、例えば個別電圧測定部４１で測定された個別電圧ｖの総和ｖｃと総電圧測定部４０で測定された総電圧Ｖとの電圧差ΔＶを算出する算出部５０と、算出部５０で算出された電圧差ΔＶと、予め設定されている所定の数値範囲Ｓとを比較し、電圧差ΔＶが所定の数値範囲Ｓ外であるときに燃料電池スタック１のセル数が誤っていることを判定する判定部５１と、を有している。

総電圧測定部４０は、いわゆる電圧計であり、燃料電池スタック１の直列的に配置されたセル群の両側に、測定端子４０ａを取り付け、セル群全体の発電により生じた総電圧Ｖを測定できる。測定された総電圧Ｖのデータは制御部４２に出力される。

個別電圧測定部４２は、いわゆるセンサモニタといわれる電圧計であり、例えばセルの組み付け工程において規定数の個別電圧測定部４２がセル２０に対して１対１で取り付けられる。個別電圧測定部４２は、取り付けられた複数のセル２０の各々で発電する個別電圧ｖを測定できる。測定された個別電圧ｖのデータは制御部４２に出力される。

制御部４２は、例えば汎用コンピュータであり、記憶部に記憶されたプログラムを実行することにより、算出部５０と判定部５１の機能を実現して、後述のセル数の検査方法を実行できる。

図４は、燃料電池スタック１のセル数の検査方法の主な工程を示すフロー図である。セル数の検査が開始されると、先ず総電圧測定部４０により燃料電池スタック１の総電圧Ｖが測定される（図４の工程Ｓ１）。次に個別電圧測定部４１により規定数の複数のセル２０の各々の個別電圧ｖ（ｖ１、ｖ２、ｖ３、ｖ４・・・、ｖｎ（ｎは規定数））が測定される（図４の工程Ｓ２）。かかる燃料電池スタック１の総電圧Ｖと個別電圧ｖの測定では、図５に示すようにセル電圧が最も高くなるＯＣＶ（open circuit voltage）値（負荷電流が０Ｖのときの電圧値）が測定される。また、かかる測定は、燃料電池スタック１の製造工程のスタック発電検査工程で行われ、かかるスタック発電検査工程では、発電検査前において複数回行われる燃料電池スタック１の慣らし運転において、１回目の慣らし運転の完了後であって２回目の慣らし運転時のＯＣＶが採用される。慣らし運転は、燃料電池スタック１の本来の能力を安定的に発揮させるために、発電検査の前に予め行っておく発電である。これにより、スタック発電検査工程のより早い段階で、なおかつ十分安定した電圧を測定できる。なお、工程Ｓ１と工程Ｓ２は、順番が逆に行われてもよいし、同時に行われてもよい。

次に、制御部４２の算出部５０において、個別電圧ｖの総和ｖｃ（ｖｃ=ｖ１+ｖ２+ｖ３+ｖ４+・・・+ｖｎ）と総電圧Ｖとの電圧差ΔＶ（ΔＶ=Ｖ−ｖｃ）（絶対値）が算出される。次に、判定部５１において、電圧差ΔＶと予め設定されている所定の閾値Ｄとが比較される。閾値Ｄは、例えば図６に示すように予め知得した、セル数が１つ多い場合の電圧差ΔＶの分布、セル数が正しい場合の電圧差ΔＶの分布から、それらの間の閾値Ｄが求められている。

そして、電圧差ΔＶが所定の閾値Ｄ以下であるとき、すなわち電圧値ΔＶ≦閾値Ｄであるときに、燃料電池スタックのセル数が適正であると判定され、電圧差ΔＶが所定の閾値Ｄより大きいとき、すなわち閾値Ｄ＜電圧値ΔＶであるときに、燃料電池スタック１のセル数が誤っていると判定される。燃料電池スタック１のセル数が誤っていると判定された場合には、例えばその燃料電池スタック１の製造が停止される。

本実施の形態によれば、複数のセル２０を積層した燃料電池スタック１の総電圧Ｖを測定し、規定数の個別電圧測定部４１がセルと１対１で取り付けられた複数のセル２０について各々の個別電圧ｖを測定し、個別電圧ｖの総和ｖｃと総電圧Ｖとの電圧差ΔＶを算出し、電圧差ΔＶと予め設定されている所定の閾値Ｄとを比較し、電圧差ΔＶが所定の閾値Ｄよりも大きいときに燃料電池スタック１のセル数が誤っていると判定する。仮に燃料電池スタック１のセル２０の数が規定数より多かった場合に、個別電圧測定部４１が取り付けられている規定数のセル２０の個別電圧ｖの総和ｖｃと実際の数のセル２０の総電圧Ｖとの間に所定の閾値Ｄを超える電圧差ΔＶが生じるので、本実施の形態によれば燃料電池スタック１のセル数の誤りを確実に検出できる。

燃料電池スタック１の総電圧Ｖと複数のセル２０の個別電圧ｖの測定工程では、ＯＣＶを測定するので、安定的かつ正確にセル数の誤りを検出できる。

以上、添付図面を参照しながら本発明の好適な実施の形態について説明したが、本発明はかかる例に限定されない。当業者であれば、特許請求の範囲に記載された思想の範疇内において、各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、それらについても当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。

例えば以上の実施形態における燃料電池スタック１の構成はこれに限られるものではない。また、燃料電池スタック１の総電圧と複数のセル２０の個別電圧の測定工程で測定される電圧は、必ずしもＯＣＶである必要はない。

本発明は、燃料電池スタックに積層されたセルの積層枚数の誤りを確実に検出する際に有用である。

１燃料電池スタック
２０セル
４０総電圧測定部
４１個別電圧測定部
４２制御部
５０算出部
５１判定部

Claims

複数のセルを積層した燃料電池スタックの総電圧を測定する工程と、
規定数の電圧測定部がセルと１対１で取り付けられている前記燃料電池スタックの複数のセルについて、前記電圧測定部を用いて前記複数のセルの各々の個別電圧を測定する工程と、
前記個別電圧の総和と前記総電圧との電圧差を算出する工程と、
前記電圧差と予め設定されている所定の閾値とを比較し、前記電圧差が前記所定の閾値より大きいときに前記燃料電池スタックのセル数が誤っていると判定する工程と、を有し、
前記閾値は、セル数が規定数よりも１つ多い場合の電圧差の分布と、セル数が規定数の場合の電圧差の分布との間の値に設定されている、
燃料電池スタックのセル数の検査方法。
前記燃料電池スタックの総電圧と前記複数のセルの個別電圧の測定工程では、ＯＣＶを測定する、請求項１に記載の燃料電池スタックのセル数の検査方法。
複数のセルを積層した燃料電池スタックの総電圧を測定する総電圧測定部と、
セルと１対１で取り付けられ、前記燃料電池スタックの複数のセルの各々の個別電圧を測定する規定数の個別電圧測定部と、
前記個別電圧測定部で測定された個別電圧の総和と前記総電圧測定部で測定された総電圧との電圧差を算出する算出部と、
前記算出部で算出された電圧差と予め設定されている所定の閾値とを比較し、前記電圧差が前記所定の閾値より大きいときに前記燃料電池スタックのセル数が誤っていると判定する判定部と、を有し、
前記閾値は、セル数が規定数よりも１つ多い場合の電圧差の分布と、セル数が規定数の場合の電圧差の分布との間の値に設定されている、燃料電池スタックのセル数の検査装置。
前記総電圧測定部と前記個別電圧測定部は、ＯＣＶを測定する、請求項３に記載の燃料電池スタックのセル数の検査装置。