JP6743426B2 - 燃料電池セルの電気特性測定装置及び電気特性測定方法 - Google Patents

Description

本発明は、燃料電池セルの電気特性測定装置及び電気特性測定方法に関する。

固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）は、複数の単セルが積層されたセルスタック構造を有している。セルスタックは、平板構造と円筒構造に大別されるが、いずれの場合もアノード（燃料極）、カソード（空気極）、及び電解質からなるセラミックス製の単セルがインターコネクタを介して連結された構造を有している。セルスタックに組み込まれた各単セルにおいては、アノード側に水素含有燃料を、カソード側に空気を供給し、内部で水素と酸素を反応させることにより発電が行われる。

ところで、燃料電池の製造工場で組立・焼成・還元処理されたセルスタックにおいて、製造工程などに起因して異質な単セルが所定割合以上含まれている場合、所期の発電能力を発揮できない。セルスタックの発電能力が不足していると、必要な電力を需要箇所に供給できないことから、単セルの健全性を診断する方法（特許文献１，２）やセルスタックの健全性を診断する方法（特許文献３）が提案されている。

特開２００７−２１４０７２号公報 特開２００８−１６６１８９号公報 特開２００４−２４１３２５号公報

固体酸化物形燃料電池のセルスタックは、発電中の動作温度が高く、その温度は６００〜１０００℃にも達する。そのため、燃料電池ユニットの起動後にセルスタックの発電能力の不足が判明した場合には、一旦運転を停止し、セルスタックの温度が下がるのを待ってから新たなセルスタックに交換するなどの必要が生じる。しかも、セルスタックの交換中は、需要箇所に電力を供給できない上、単セルやセルスタックの健全性の診断を燃料電池ユニットの設置現場で行うのは困難である。このような事情から、燃料電池ユニットを作動させる前に、単セルやセルスタックの健全性評価を行うことが望まれていた。

本発明は、固体酸化物形燃料電池のセルスタックの健全性評価に利用することのできる燃料電池セルの電気特性測定装置及び電気特性測定方法を提供することを目的とする。

本発明は、固体酸化型燃料電池のセルスタックにおいて、任意の単セルの内部抵抗値及び静電容量値を測定するための燃料電池セルの電気特性測定装置であって、測定対象単セル、第１抵抗値を有する第１外部抵抗、及び定電圧直流電源からなる充電用回路と、前記測定対象単セル、及び第２抵抗値を有する第２外部抵抗からなる放電用回路と、前記測定対象単セルが前記充電用回路又は前記放電用回路のいずれかに含まれるように、回路接続を切り換える充放電切換器と、前記測定対象単セルの両極に接続され、充電時及び放電時の充電電圧の変化を測定する充電電圧測定器と、を備える燃料電池セルの電気特性測定装置に関する。

更に、本発明は、前記電気特性測定装置を用いた燃料電池セルの電気特性測定方法であって、燃料電池が発電を行っていない常温下で、前記測定対象単セルが前記充電用回路に含まれるように前記充放電切換器を切り換えることにより、前記測定対象単セルの充電電圧値の時間変化を充電曲線として記録した後、前記測定対象単セルが前記放電用回路に含まれるように前記充放電切換器を切り換えることにより、前記測定対象単セルの充電電圧値の時間変化を放電曲線として記録する充放電曲線記録工程と、前記充電曲線より求めた前記測定対象単セルの満充電電圧値、前記定電圧直流電源により印加した直流電圧値、及び前記第１抵抗値に基づいて、前記測定対象単セルの内部抵抗値を算出する内部抵抗値算出工程と、前記放電曲線より求めた前記測定対象単セルの時定数、前記内部抵抗値及び前記第２抵抗値に基づいて、前記測定対象単セルの静電容量値を算出する静電容量値算出工程と、を含む燃料電池セルの電気特性測定方法に関する。

本発明によれば、固体酸化物形燃料電池のセルスタックの健全性評価に利用することのできる燃料電池セルの電気特性測定装置及び電気特性測定方法を提供することができる。

本発明の燃料電池セルの電気特性測定装置において、単セルの充電用回路を形成した状態を示す回路図である。 本発明の燃料電池セルの電気特性測定装置において、単セルの放電用回路を形成した状態を示す回路図である。 本発明の実施形態に係る単セルの充電曲線及び放電曲線である。

以下、本発明の実施形態に係る燃料電池セルの電気特性測定装置（以下、単に「電気特性測定装置」という）について図１、図２を参照しながら説明する。図１は、電気特性測定装置において、単セルの充電用回路を形成した状態を示す回路図である。図２は、電気特性測定装置において、単セルの放電用回路を形成した状態を示す回路図である。

図１に示す電気特性測定装置１は、固体酸化型燃料電池２００のセルスタックを構成する単セル２０１の内部抵抗値及び静電容量値を測定するための装置である。発電装置として提供される燃料電池ユニットは、燃料電池２００、空気予熱器、水蒸発器、改質器、燃焼器等を断熱材で包囲したホットモジュールと、発電動作及び電力供給等に必要な補機群と、熱回収に使用する熱交換器と、をパッケージ化したものである。

電気特性測定装置１は、定電圧直流電源１１と、第１外部抵抗１２と、充電電圧測定器としての電圧計１３と、第２外部抵抗１５と、充放電切換器としての切換えスイッチ１６と、を有している。定電圧直流電源１１、第１外部抵抗１２、及び切換えスイッチ１６は、燃料電池２００が発電を行っていない常温下で、測定対象単セル２０１に電気的に直列接続され、測定対象単セル２０１を充電する充電用回路Ａ１を形成する。第２外部抵抗１５は、燃料電池２００が発電を行っていない常温下で、測定対象単セル２０１に電気的に並列接続され、測定対象単セル２０１を放電する放電用回路Ａ２（図２参照）を形成する。また、電圧計１３は、測定対象単セル２０１に電気的に並列接続される。

定電圧直流電源１１は、所定の直流電圧値Ｖ_０（数ボルト程度）を充電用回路Ａ１に印加可能に構成されている。第１外部抵抗１２は、第１抵抗値Ｒ_１を有しており、この第１抵抗値Ｒ_１は、単セル２０１の内部抵抗値Ｒ_ｉに基づいて設定される。典型的には、第１抵抗値Ｒ_１は、単セル２０１の内部抵抗値Ｒ_ｉ０の０．１〜１０倍程度に設定される。電圧計１３は、単セル２０１の２つの電極、即ち、カソードと、アノードとにそれぞれ電気的に接続され、単セル２０１の充電電圧値を測定可能である。

第２外部抵抗１５は、第２抵抗値Ｒ_２を有しており、この第２抵抗値Ｒ_２は、単セル２０１の時定数τ_ｉに基づいて設定される。具体的には、単セル２０１の内部抵抗及び第２外部抵抗１５からなる合成抵抗の時定数τ_ｐが数秒から１分程度になるように、第２外部抵抗１５の第２抵抗値Ｒ_２を設定する。参考までに、第２外部抵抗１５の第２抵抗値Ｒ_２を単セル２０１の内部抵抗値Ｒ_ｉの３倍に設定すると、合成抵抗の時定数τ_ｐは単セルの時定数τ_ｉの７５％になる。また、第２外部抵抗１５の第２抵抗値Ｒ_２を単セル２０１の内部抵抗値Ｒ_ｉの０．３倍に設定すると、合成抵抗の時定数τ_ｐは単セルの時定数τ_ｉの２３％になる。本実施形態では、第２抵抗値Ｒ_２は、単セル２０１の内部抵抗値Ｒ_ｉと同等の値（合成抵抗の時定数τ_ｐが単セルの時定数τ_ｉの５０％）に設定される。

切換えスイッチ１６は、第１外部抵抗１２と単セル２０１との間であって、且つ、単セル２０１と第２外部抵抗１５との間に設けられている。切換えスイッチ１６は、単セルが充電用回路Ａ１又は放電用回路Ａ２のいずれかに含まれるように、回路接続を切り換える。具体的には、切換えスイッチ１６は、図１に示すように、定電圧直流電源１１と、第１外部抵抗１２と、単セル２０１とが電気的に直列接続される充電用回路Ａ１を構成する充電側位置と、図２に示すように、単セル２０１と第２外部抵抗１５とによって閉回路である放電用回路Ａ２が構成されて、単セル２０１において放電が行われる放電側位置と、の間で切換え可能である。

次に、上述の電気特性測定装置１を用いる燃料電池セルの電気特性測定方法について図３を参照しながら説明する。図３は、単セル２０１の充電曲線及び放電曲線（すなわち、充放電曲線）である。燃料電池セルの電気特性測定方法は、充放電曲線記録工程と、内部抵抗値算出工程と、静電容量値算出工程と、を含んでいる。

充放電曲線記録工程では、燃料電池２００が発電を行っていない常温下で、測定対象単セル２０１が充電用回路Ａ１に含まれるように切換えスイッチ１６（充放電切換器）を切り換えることにより、測定対象単セル２０１の充電電圧値の時間変化を充電曲線Ｃ１として記録した後、測定対象単セル２０１が放電用回路Ａ２に含まれるように切換えスイッチ１６を切り換えることにより、測定対象単セル２０１の充電電圧値の時間変化を放電曲線Ｃ２として記録する。

具体的には、充放電曲線記録工程では、先ず、燃料電池２００が燃料電池ユニットに搭載されていない状態（典型的には、組立・焼成・還元処理済みセルスタックが出荷前の状態）で、測定対象単セル２０１に対して、上述した電気特性測定装置１を接続する。そして、切換えスイッチ１６を充電側位置へ切り換え（図１）、測定対象単セル２０１に所定の直流電圧値Ｖ_０を印加して充電を開始する。単セル２０１の充電中は、電圧計１３により充電曲線Ｃ１を記録し、充電電圧値が飽和した時点で満充電電圧値Ｖ_Ｓに達したものと判断して充電操作を終了する。

次に、切換えスイッチ１６を放電側位置へ切り換え（図２）、測定対象単セル２０１への印加電圧を遮断して放電を開始する。単セル２０１の放電中は、電圧計１３により放電曲線Ｃ２を記録し、充電電圧値が満充電電圧値Ｖ_Ｓの３６．８％相当の値に達した時点以降で放電操作を終了する。

充放電曲線記録工程に続く内部抵抗値算出工程では、充電曲線Ｃ１より求めた測定対象単セル２０１の満充電電圧値Ｖ_Ｓ、定電圧直流電源１１により印加した直流電圧値Ｖ_０、及び第１抵抗値Ｒ_１に基づいて、測定対象単セル２０１の内部抵抗値Ｒ_ｉを算出する。具体的には、次の式（１）を使用して内部抵抗値Ｒ_ｉを求める。
Ｒ_ｉ＝Ｖ_Ｓ×Ｒ_１÷（Ｖ_０−Ｖ_Ｓ） … （１）

内部抵抗値算出工程に続く静電容量値算出工程では、放電曲線Ｃ２より求めた合成抵抗（すなわち、測定対象単セル２０１の内部抵抗及び第２外部抵抗１５からなる合成抵抗）の時定数τ_ｐ、内部抵抗値Ｒ_ｉ及び第２抵抗値Ｒ_２に基づいて、測定対象単セル２０１の静電容量値Ｃ_ｉを求める。具体的には、次の式（２），（３）を使用して静電容量値Ｃ_ｉを求める。なお、式中のＲ_ｐは、内部抵抗値Ｒ_ｉ及び第２抵抗値Ｒ_２の合成抵抗値である。
Ｒ_ｐ＝Ｒ_ｉ×Ｒ_２／（Ｒ_ｉ＋Ｒ_２） … （２）
Ｃ_ｉ＝τ_ｐ÷Ｒ_ｐ … （３）

ここで、合成抵抗の時定数τ_ｐは、放電開始時点の充電電圧値（すなわち、満充電電圧値Ｖ_Ｓ）を１００％として、放電中の充電電圧値が満充電電圧値Ｖ_Ｓの３６．８％（＝１／ｅ×１００）まで低下するのに要する時間である。図３の放電曲線Ｃ２に示すように、放電開始時刻をｔ_１とし、充電電圧値がＶ_Ｓ×１／ｅとなった時刻をｔ_２とすると、合成抵抗の時定数τ_ｐは、次の式（４）で表わされる。
τ_ｐ＝ｔ_２−ｔ_１ … （４）

内部抵抗値算出工程で求めた内部抵抗値Ｒ_ｉ及び静電容量値算出工程で求めた静電容量値Ｃ_ｉは、セルスタックが異質な単セル２０１を含むか否かを判別するための情報として利用される。典型的には、静電容量値算出工程に続いて異特性セル判別工程を実行し、単セル２０１ごとの内部抵抗値Ｒ_ｉどうし、及び、静電容量値Ｃ_ｉどうしを比較し、セルスタックが特性の異なる単セル２０１を含むか否かを判別する。そして、セルスタックが異質な単セル２０１を所定割合以上（例えば、全セル数に対して数％程度）含む場合には、セルスタックの健全性が担保されていないと判断し、当該セルスタックを燃料電池ユニットに搭載することなく補修する。補修が困難な場合は、再利用可能な部品を回収した後、廃棄等の処分を行ってもよい。
なお、異特性セル判別工程では、単セル２０１どうしの特性値を比較して異質性を判別するだけでなく、各単セル２０１の特性値を予め設定した基準値（例えば、全セルの特性値の平均値）と比較することにより、その異質性を判別してもよい。

本実施形態に係る燃料電池セルの電気特性測定装置及び電気特性測定方法によれば、以下のような効果を得ることができる。
固体酸化型燃料電池２００のセルスタックにおいて、任意の単セル２０１の内部抵抗値及び静電容量値を測定するための電気特性測定装置１は、測定対象単セル２０１、第１抵抗値を有する第１外部抵抗１２、及び定電圧直流電源１１からなる充電用回路Ａ１と、測定対象単セル２０１、及び第２抵抗値を有する第２外部抵抗１５からなる放電用回路Ａ２と、測定対象単セル２０１が充電用回路Ａ１又は放電用回路Ａ２のいずれかに含まれるように、回路接続を切り換える充放電切換器としての切換えスイッチ１６と、測定対象単セル２０１の両極に接続され、充電時及び放電時の充電電圧の変化を測定する充電電圧測定器としての電圧計１３と、を備える。

一般に、燃料電池の単セルの静電容量値を計測する場合、次のような不都合がある。充電曲線から単セルの時定数τ_ｉを求めるケースでは、充電開始時刻ｔ_１と充電電圧値がＶ_Ｓ×（１−１／ｅ）となった時刻ｔ_２の２つを計測した上で、式「τ_ｉ＝ｔ_２−ｔ_１」に代入する必要があるが、充電曲線の充電開始部分が屈折していないと、充電開始時刻ｔ_１を正確に求めることができない。したがって、充電開始時刻ｔ_１の計測誤差がそのまま時定数τ_ｉの誤差となる。また、放電曲線から単セルの時定数τ_ｉを求めるケースでは、単セルの内部抵抗値や静電容量値が大きいと、図３に示す放電曲線Ｃ３のようにセル内での放電に時間が掛かる。したがって、単セルの状態によっては、時定数τ_ｉを決定するまでに長時間を要することになる。

これに対して、本発明では、測定対象単セル２０１に第２外部抵抗を並列に接続し、単セル２０１の内部抵抗及び第２外部抵抗１５からなる合成抵抗を形成している。並列回路の合成抵抗値Ｒ_ｐは、単セル２０１の内部抵抗値Ｒ_ｉよりも小さく、合成抵抗の時定数τ_ｐが単セルの時定数τ_ｉよりも短くなるので、放電曲線Ｃ２に示すように短時間で単セル２０１の放電が行える。また、合成抵抗の時定数τ_ｐを満充電状態から放電を開始して求めるように構成しているので、放電開始時刻が明確である。そのため、単セル２０１の時定数τ_ｉを充電ゼロの状態から充電を開始して求める場合に比べて、時定数を正確に測定可能である。その結果、セル数が数十〜数百にも達するセルスタックにおいて、全ての単セル２０１の静電容量値Ｃ_ｉを効率よく正確に測定することができる。

また、上述の電気特性測定装置１による燃料電池セルの電気特性測定方法は、燃料電池２００が発電を行っていない常温下で、測定対象単セル２０１が充電用回路Ａ１に含まれるように充放電切換器としての切換えスイッチ１６を切り換えることにより、測定対象単セル２０１の充電電圧値の時間変化を充電曲線Ｃ１として記録した後、測定対象単セル２０１が放電用回路Ａ２に含まれるように切換えスイッチ１６を切り換えることにより、測定対象単セル２０１の充電電圧値の時間変化を放電曲線Ｃ２として記録する充放電曲線記録工程と、充電曲線Ｃ１より求めた測定対象単セル２０１の満充電電圧値Ｖ_Ｓ、定電圧直流電源１１により印加した直流電圧値Ｖ_０、及び第１抵抗値Ｒ_１に基づいて、測定対象単セル２０１の内部抵抗値Ｒ_ｉを算出する内部抵抗値算出工程と、放電曲線Ｃ２より求めた合成抵抗の時定数τ_ｐ、内部抵抗値Ｒ_ｉ及び第２抵抗値Ｒ_２に基づいて、測定対象単セル２０１の静電容量値Ｃ_ｉを算出する静電容量値算出工程と、を含む。このため、燃料電池ユニットを作動させる前に、セルスタックの全体に亘って単セル２０１の内部抵抗値Ｒ_ｉ及び静電容量値Ｃ_ｉを正確且つ短時間で計測し、セルスタックの健全性評価を行うことができる。

本発明は、上記実施形態に限定されることはなく、特許請求の範囲に記載された技術的範囲において変形が可能である。例えば、上記実施形態では、異特性セル判別工程は、単セル２０１ごとの内部抵抗値Ｒｉどうし、及び、静電容量値Ｃ_ｉどうしを比較し、セルスタックが特性の異なる単セル２０１を含むか否かを判別したが、これに限定されない。異特性セル判別工程は、各単セル２０１の内部抵抗値Ｒｉのみを比較することにより、その異質性を判別してもよいし、各単セル２０１の静電容量値Ｃ_ｉのみを比較することにより、その異質性を判別してもよい。

また、上記実施形態では、燃料電池２００が燃料電池ユニットに搭載されていない状態で、測定対象単セル２０１の電気特性を測定するケースを例示した。しかし、燃料電池２００が発電を行っていない常温下であれば、燃料電池２００が燃料電池ユニットに搭載されている状態で、測定対象単セル２０１の電気特性を測定してもよい。

１ 電気特性測定装置
１１ 定電圧直流電源
１２ 第１外部抵抗
１３ 電圧計（充電電圧測定器）
１５ 第２外部抵抗
１６ 切換えスイッチ（充放電切換器）
２００ 燃料電池
２０１ 単セル（測定対象単セル）
Ａ１ 充電用回路
Ａ２ 放電用回路
Ｃ１ 充電曲線
Ｃ２、Ｃ３ 放電曲線

Claims (2)

1. 固体酸化型燃料電池のセルスタックにおいて、任意の単セルの内部抵抗値及び静電容量値を測定するための燃料電池セルの電気特性測定装置であって、
   測定対象単セル、第１抵抗値を有する第１外部抵抗、及び定電圧直流電源からなる充電用回路と、
   前記測定対象単セル、及び第２抵抗値を有する第２外部抵抗からなる放電用回路と、
   前記測定対象単セルが前記充電用回路又は前記放電用回路のいずれかに含まれるように、回路接続を切り換える充放電切換器と、
   前記測定対象単セルの両極に接続され、充電時及び放電時の充電電圧の変化を測定する充電電圧測定器と、
   を備える燃料電池セルの電気特性測定装置。
2. 請求項１に記載の電気特性測定装置による燃料電池セルの電気特性測定方法であって、
   燃料電池が発電を行っていない常温下で、前記測定対象単セルが前記充電用回路に含まれるように前記充放電切換器を切り換えることにより、前記測定対象単セルの充電電圧値の時間変化を充電曲線として記録した後、前記測定対象単セルが前記放電用回路に含まれるように前記充放電切換器を切り換えることにより、前記測定対象単セルの充電電圧値の時間変化を放電曲線として記録する充放電曲線記録工程と、
   前記充電曲線より求めた前記測定対象単セルの満充電電圧値、前記定電圧直流電源により印加した直流電圧値、及び前記第１抵抗値に基づいて、前記測定対象単セルの内部抵抗値を算出する内部抵抗値計算出工程と、
   前記放電曲線より求めた合成抵抗の時定数、前記内部抵抗値及び前記第２抵抗値に基づいて、前記測定対象単セルの静電容量値を算出する静電容量値算出工程と、を含む
   燃料電池セルの電気特性測定方法。

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