JP7454956B2 - 燃料電池スタック及びこれを備えた燃料電池スタックモジュール並びに燃料電池システム - Google Patents

Description

本願は、燃料電池スタック及びこれを備えた燃料電池スタックモジュール並びに燃料電池システムに関するものである。

燃料電池スタックモジュールは、発電体である電気化学セルにおいて燃料ガスと酸化剤ガスとを反応させることにより発電を行う燃料電池スタック、スタック内に燃料ガスと酸化剤ガスを流すための配管、及びスタックを収納する収納容器等を備えている。

特許文献１には、電解質－電極構造体とセパレータとを有するセルが積層され、積層方向両端にエンドプレートが配設された燃料電池スタックが開示されている。この燃料電池スタックの一方のエンドプレートには、反応ガスの供給配管接続部と排出配管接続部とが、エンドプレートのプレート面中央部位を中心に点対称に配置されている。

特許文献１のスタック構造によれば、プレート面中央部位を中心に積層方向を回転軸として燃料電池スタックを１８０度回転させることにより、スタック内の反応ガスの流れ方向を反転させることができる。

特開２０１０－５５９９５号公報

しかしながら、特許文献１では、一方のエンドプレートに反応ガスの供給配管接続部と排出配管接続部とが設けられているため、反応ガスの流れ方向を反転させた場合、単位セル内における反応ガスの濃度分布によって生じる電流密度分布による劣化は均一化されるが、積層方向に対する反応ガスの流れによる濃度分布の影響は考慮されていない。

このため、特許文献１のスタック構造では、スタック内のセル積層方向と垂直な方向における反応ガス濃度分布及び温度分布による劣化の偏りを抑制することはできるが、積層方向における反応ガス濃度分布及び温度分布による劣化の偏りを抑制することはできない。

また、例えば固体酸化物形燃料電池のように、複数のスタックあるいは改質器、熱交換器等の周辺機器が断熱ボックス内に収納される場合、断熱ボックス内に温度分布が生じ、同一スタック内あるいは複数のスタック間で温度分布が生じることがある。特許文献１のスタック構造では、このような断熱ボックス内での温度分布による劣化の偏りを抑制することはできない。

本願は、上記のような課題を解決するための技術を開示するものであり、スタック内のセル積層方向における反応ガス濃度分布及び温度分布による劣化の偏りを抑制することができ、スタックの耐久性を向上させることが可能な燃料電池スタック及びこれを備えた燃料電池スタックモジュール、燃料電池システムを提供することを目的とする。

本願に開示される燃料電池スタックは、燃料ガスと酸化剤ガスとを反応させることにより発電を行う燃料電池スタックであって、複数の電気化学セルが一定の積層方向に積層された発電ユニットと、発電ユニットの積層方向の一方の端部に設置され燃料ガス導入配管接続部と酸化剤ガス導入配管接続部とを有するガス分配板と、発電ユニットの積層方向の他方の端部に設置され燃料ガス排出配管接続部と酸化剤ガス排出配管接続部とを有するガス集積板と、発電ユニットの積層方向の両端部に設けられた複数の電流端子板とを備え、燃料ガス導入配管接続部と燃料ガス排出配管接続部とは同形状であり発電ユニットの中心点を通り積層方向と垂直な対称軸に対して線対称に配置され、酸化剤ガス導入配管接続部と酸化剤ガス排出配管接続部とは同形状であり前記対称軸に対して線対称に配置されており、前記対称軸を中心として燃料電池スタックを１８０度回転させたときに元の燃料電池スタックの形状と重なる２回対称の回転対称構造である。

本願に開示される燃料電池スタックモジュールは、本願に開示される燃料電池スタックと、発電ユニットに燃料ガスを供給する燃料ガス導入配管と、発電ユニットに酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス導入配管と、発電ユニットから使用済みの燃料ガスを排出する燃料ガス排出配管と、発電ユニットから使用済みの酸化剤ガスを排出する酸化剤ガス排出配管と、電流端子板に接続され発電ユニットで発生した電流を取り出す電流線と、燃料電池スタックを収納する断熱ボックスとを含むものである。

本願に開示される燃料電池システムは、本願に開示される燃料電池スタックモジュールと、燃料電池スタックの運転制御を行う運転制御部と、電気化学セルの電圧データと燃料電池スタックの複数箇所における温度データとを含む運転データを収集する運転データ収集部と、運転データ収集部により収集された運転データに基づいて燃料電池スタックの劣化状態を判定する劣化状態判定部と、劣化状態判定部による判定結果を表示する表示部とを含むものである。

本願に開示される燃料電池スタックによれば、燃料電池スタックの上下及び左右を入れ替える配置変更が可能であるため、燃料電池スタック内の積層方向における反応ガス濃度分布及び温度分布による劣化の偏りを抑制することができる。これにより、燃料電池スタックの耐久性が向上し長寿命化が図られる。

また、本願に開示される燃料電池スタックモジュールによれば、燃料電池スタックの上下及び左右を入れ替える配置変更が可能であるため、燃料電池スタック内の積層方向における反応ガス濃度分布及び温度分布、あるいは断熱ボックス内における温度分布による劣化の偏りを抑制することができる。これにより、燃料電池スタックの耐久性が向上し長寿命化が図られる。

また、本願に開示される燃料電池システムによれば、電気化学セル及び燃料電池スタックの部分的な劣化を検出し、燃料電池スタックの上下及び左右を入れ替える配置変更を実施することにより、燃料電池スタック内の積層方向における反応ガス濃度分布及び温度分布、あるいは断熱ボックス内における温度分布による劣化の偏りを抑制することができる。これにより、燃料電池スタックの耐久性が向上し長寿命化が図られる。

実施の形態１による燃料電池スタックモジュールを説明する概略斜視図である。 実施の形態１による燃料電池スタックを説明する概略斜視図である。 実施の形態１による燃料電池スタックの配置変更工程におけるガス分配板の位置変化を説明する図である。 実施の形態１による燃料電池スタックの別のガス分配板の位置変化を説明する図である。 実施の形態２による燃料電池スタックモジュールを説明する概略斜視図である。 実施の形態２による燃料電池システムを示す機能ブロック図である。 実施の形態２による燃料電池システムにおける運転制御部のハードウエア構成例を示す図である。 実施の形態２による燃料電池システムにおける劣化状態判定処理の流れを説明する図である。

実施の形態１．
以下に、実施の形態１による燃料電池スタック及び燃料電池スタックモジュールについて、図面に基づいて説明する。図１は、実施の形態１による燃料電池スタックモジュールを説明する概略斜視図、図２は、実施の形態１による燃料電池スタックを説明する概略斜視図である。なお、各図において図中、同一、相当部分には同一符号を付している。

実施の形態１による燃料電池スタックモジュール１００は、発電体単位である電気化学セル１において燃料ガスと酸化剤ガス（総称して反応ガスという）を反応させることにより発電を行う燃料電池スタック１０（以下、スタック１０と略す）を備えている。なお、図１に示す燃料電池スタックモジュール１００は、１つのスタック１０を備えているが、複数のスタック１０を備える場合もある。

スタック１０は、複数の電気化学セル１（以下、セル１と略す）が一定の積層方向に積層された発電ユニット２を有している。セル１は、固体酸化物形燃料電池（Ｓｏｌｉｄ Ｏｘｉｄｅ Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ：ＳＯＦＣ）の単一発電体であり、平板状の固体電解質の一方の面に燃料極（アノード）が形成され、他方の面に空気極（カソード）が形成されている。燃料極及び空気極は、いずれも導電性のセラミックスで形成された多孔質体である。なお、スタック１０による発電方法については、従来技術と同様であるので説明を省略する。

発電ユニット２の積層方向の一方の端部には、発電ユニット２に燃料ガスと酸化剤ガスを分配するガス分配板５Ａが設置されている。ガス分配板５Ａは、燃料ガス導入配管接続部６Ａと酸化剤ガス導入配管接続部７Ａとを有している。

また、発電ユニット２の積層方向の他方の端部には、発電ユニット２で使用済みの燃料ガスと酸化剤ガスを排出するガス集積板５Ｂが設置されている。ガス集積板５Ｂは、燃料ガス排出配管接続部６Ｂと酸化剤ガス排出配管接続部７Ｂとを有している。

燃料ガス導入配管接続部６Ａは、図２に示すように、ガス分配板５Ａに形成された孔部に挿入される筒状部を有し、フランジ部６１においてガス分配板５Ａに固定されている。なお、酸化剤ガス導入配管接続部７Ａ、燃料ガス排出配管接続部６Ｂ、及び酸化剤ガス排出配管接続部７Ｂも同様の構造である。

発電ユニット２の積層方向の両端部には、発電ユニット２で発生した電流を取り出す複数の電流端子板３が設けられている。さらに、発電ユニット２の両端部のセル１には、電圧計測線接続端子１１が形成されている。電圧計測線接続端子１１には、発電ユニット２の電圧を計測するための電圧計測線（図示省略）が接続される。

また、スタック１０には、発電ユニット２、ガス分配板５Ａ、電流端子板３、及びガス集積板５Ｂが積層された形状を保持するために、ボルト８が締結されている。これにより、温度変化による膨張と収縮により積層間が緩み、抵抗が増大して発電能力が低下することを防止している。

燃料電池スタックモジュール１００は、複数のガス用配管（いずれも図示省略）と、発電ユニット２で発生した電流を取り出す電流線であるバスバー４と、スタック１０を収納する断熱ボックス１２とを備えている。バスバー４は、溶接またはネジ止め等によって電流端子板３に接続される。

スタック１０は、放熱を低減し温度を一定に保持するため、運転時には断熱ボックス１２の内部に設置される。ガス分配板５Ａ及びガス集積板５Ｂそれぞれの中央部には、Ｕ字型部品１３を取り付けるためのネジ穴が形成されている。ガス集積板５Ｂに取り付けられたＵ字型部品１３は、断熱ボックス１２の底面を介して架台１４にボルトで締結される。ただし、スタック１０の支持方法はこれに限定されるものではない。

ガス用配管には、燃料ガス導入配管、酸化剤ガス導入配管、燃料ガス排出配管、及び酸化剤ガス排出配管が含まれる。燃料ガス導入配管は、ガス分配板５Ａの燃料ガス導入配管接続部６Ａに接続され、発電ユニット２に燃料ガスを供給する。酸化剤ガス導入配管は、ガス分配板５Ａの酸化剤ガス導入配管接続部７Ａに接続され、発電ユニット２に酸化剤ガスを供給する。

また、燃料ガス排出配管は、ガス集積板５Ｂの燃料ガス排出配管接続部６Ｂに接続され、発電ユニット２で使用済みの燃料ガスを排出する。酸化剤ガス排出配管は、ガス集積板５Ｂの酸化剤ガス排出配管接続部７Ｂに接続され、発電ユニット２で使用済みの酸化剤ガスを排出する。

燃料ガス導入配管からガス分配板５Ａを介して導入された燃料ガスは、発電ユニット２の各セル１に形成された燃料ガス流路（図示省略）を通って各セル１の燃料極表面に分配される。一方、酸化剤ガス導入配管からガス分配板５Ａを介して導入された酸化剤ガスは、各セル１に形成された酸化剤ガス流路（図示省略）を通って各セル１の空気極表面に分配される。

なお、酸化剤ガスの各セルへの導入方法としては、酸化剤ガス導入配管、酸化剤ガス排出配管、及び酸化剤ガス流路を介さず、外部より直接酸化剤ガスを各セルに誘導する方法もある。その場合、ガス分配板は燃料ガス導入配管接続部のみを有し、ガス集積板は燃料ガス排出配管接続部のみを有する。

実施の形態１によるスタック１０においては、運転時に発電ユニット２のセル１で発電反応による発熱が生じるが、各々のセル１からの発熱量は均一ではない。燃料濃度の高い上流側のセル１では反応が促進されるため、発電量及び発熱量が大きく、燃料濃度の低い下流側のセル１では発電量及び発熱量が小さくなる傾向がある。このため、下流側のセル１に比べて上流側のセル１は劣化が進行し易く、同一セル１内、及び同一スタック１０内で劣化の偏りが生じる。

また、断熱ボックス１２内には、複数のスタック１０、あるいは改質器、熱交換器等の周辺機器が収納されることがある。このような場合、断熱ボックス１２内で温度分布が生じ、温度の高い箇所に配置されたセル１及びスタック１０は部分的な劣化が進行する。さらに、セル１及びスタック１０の部分的な劣化が進行すると、セル１内及びスタック１０内での反応分布が拡大し、劣化がさらに進行する。

このような劣化の偏りを抑制するため、スタック１０は、スタック１０の上下及び左右を入れ替える配置変更が可能な構造を有している。セル１及びスタック１０の部分的な劣化が検出された際に、スタック１０の配置変更を実施することにより、部分的な劣化の進行が抑制される。これにより、セル１及びスタック１０の劣化の偏りを抑制することができ、劣化が均一化される。

以下に、配置変更が可能なスタック１０の構造と配置変更工程について、図１から図４を用いて詳細に説明する。なお、以下の説明では、図１に示すように、発電ユニット２の積層方向をＺ方向とし、発電ユニット２の積層方向に垂直な方向をＸ方向及びＹ方向とする。

また、図２において、Ｇは発電ユニット２の中心点（重心）である。図２に示すように、発電ユニット２の中心点Ｇを通りＺ方向と平行な直線をＺ軸、中心点Ｇを通りＸ方向と平行な直線をＸ軸、中心点Ｇを通りＹ方向と平行な直線をＹ軸とする。

配置変更が可能なスタック１０の構造として、スタック１０のガス分配板５Ａとガス集積板５Ｂは同形状であり、ガス分配板５Ａをガス集積板５Ｂとして用いることができ、ガス集積板５Ｂをガス分配板５Ａとして用いることができる。

図２に示すように、燃料ガス導入配管接続部６Ａと酸化剤ガス導入配管接続部７Ａは、ガス分配板５ＡのＹ軸と平行な端部５１ａに沿って配置されている。同様に、燃料ガス排出配管接続部６Ｂと酸化剤ガス排出配管接続部７Ｂは、ガス集積板５ＢのＹ軸と平行な端部５１ｂに沿って配置されている。

燃料ガス導入配管接続部６Ａと燃料ガス排出配管接続部６Ｂとは同形状であり、Ｙ軸を対称軸として線対称に配置されている。また、酸化剤ガス導入配管接続部７Ａと酸化剤ガス排出配管接続部７Ｂとは同形状であり、Ｙ軸を対称軸として線対称に配置されている。さらに、複数の電流端子板３も、Ｙ軸に対して線対称に配置されている。

このように、スタック１０は、発電ユニット２の積層方向に垂直なＹ軸を対称軸とし、Ｙ軸に対して線対称な構造である。言い換えると、Ｙ軸を中心として１８０度回転させたときに元の形状と重なる２回対称の回転対称構造である。

具体的には、Ｙ軸を中心としてスタック１０を１８０度回転したとき、燃料ガス導入配管接続部６Ａと燃料ガス排出配管接続部６Ｂの位置が入れ替わり、酸化剤ガス導入配管接続部７Ａと酸化剤ガス排出配管接続部７Ｂの位置が入れ替わる。さらに、複数の電流端子板３は、それぞれ回転前の電流端子板３と同位置にある。

このような配置変更は、セル１またはスタック１０の部分的な劣化が検出された際に実施されるが、メンテナンス作業として定期的に実施してもよい。なお、劣化状態の判定方法については後の実施の形態２で説明する。

配置変更工程では、まず、燃料ガス導入配管、燃料ガス排出配管、酸化剤ガス導入配管、及び酸化剤ガス排出配管がそれぞれの接続部から取り外される。また、図１に示すＵ字型部品１３が架台１４から取り外され、スタック１０からＵ字型部品１３が取り外される。

さらに、電流端子板３からバスバー４が取り外され、電圧計測線接続端子１１から電圧計測線が取り外される。また、セル電圧計測線１６、温度センサ１７（図４参照）が取り付けられている場合はそれらも取り外される。ただし、セル電圧計測線１６は、線長に余裕がある場合は取り外さなくても良い。また、各部材の取り外しの順序は特に限定されない。

続いて、スタック１０の配置変更を実施する。配置変更は、Ｙ軸を中心としてスタック１０を１８０度回転してもよいが、ここでは、スタック１０をＸ軸方向に１８０度回転させてスタック１０の上下を入れ替え、さらにＺ軸を中心として１８０度回転させてスタック１０の左右を入れ替える場合について、図３（ａ）から図３（ｃ）を用いて説明する。

図３（ａ）は、配置変更前のガス分配板５Ａを示している。ガス分配板５Ａは、矩形の端面を有し、燃料ガス導入配管接続部６Ａ及び酸化剤ガス導入配管接続部７Ａは、ガス分配板５ＡのＹ軸と平行な端部５１ａに沿って、図中右側に配置されている。

図３（ａ）に示すガス分配板５Ａを、Ｘ軸を中心として１８０度回転させると、ガス分配板５Ａの上下（表裏）が入れ替わり、図３（ｂ）に示す配置となる。すなわち、燃料ガス導入配管接続部６Ａ及び酸化剤ガス導入配管接続部７Ａは下向きとなる。

続いて、図３（ｂ）に示すガス分配板５Ａを、Ｚ軸を中心として１８０度回転させると、ガス分配板５Ａの左右が入れ替わり、図３（ｃ）に示す配置となる。すなわち、燃料ガス導入配管接続部６Ａ及び酸化剤ガス導入配管接続部７Ａは、図中左側に配置される。

図３（ｃ）に示す燃料ガス導入配管接続部６Ａ及び酸化剤ガス導入配管接続部７Ａの配置は、図２に示す燃料ガス排出配管接続部６Ｂ及び酸化剤ガス排出配管接続部７Ｂの配置と同じである。図３（ａ）に示すガス分配板５Ａを、Ｙ軸を中心として１８０度回転させることによっても図３（ｃ）に示す配置となる。

なお、スタック１０を回転させる対称軸は、Ｘ軸、Ｙ軸に限定されるものではない。図４（ａ）に示すように、ガス分配板５Ａが正方形の端面を有する場合、発電ユニット２の対向する頂点（角部）結ぶＷ軸を対称軸としてもよい。Ｗ軸は、発電ユニット２の中心点を通り積層方向と垂直である。図４（ａ）は、配置変更前のガス分配板５Ａを示している。燃料ガス導入配管接続部６Ａ及び酸化剤ガス導入配管接続部７Ａは、ガス分配板５Ａの端部５１ａの中心よりも角部５２寄りに配置されている。

図４（ａ）に示すガス分配板５Ａを、Ｗ軸を中心として１８０度回転させると、ガス分配板５Ａの上下（表裏）が入れ替わると共に対向する角部の位置が入れ替わり、図４（ｂ）に示す配置となる。図４（ｂ）に示す燃料ガス導入配管接続部６Ａ及び酸化剤ガス導入配管接続部７Ａの配置は、配置変更後の燃料ガス排出配管接続部６Ｂ及び酸化剤ガス排出配管接続部７Ｂの配置となる。

このように、燃料ガス導入配管接続部６Ａ及び酸化剤ガス導入配管接続部７Ａを、ガス分配板５Ａの角部５２に寄せて配置することにより、ガス集積板５Ｂの燃料ガス排出配管接続部６Ｂ及び酸化剤ガス排出配管接続部７Ｂとの距離が長くなる。すなわち、配置変更による両者の移動距離が長くなり、温度の影響による劣化の抑制にさらに有効である。

スタック１０の配置変更後、ガス分配板５Ａ（配置変更後はガス集積板として用いられる）にＵ字型部品１３を取り付け、Ｕ字型部品１３を架台１４に固定する。続いて、ガス集積板５Ｂ（配置変更後はガス分配板として用いられる）の燃料ガス排出配管接続部６Ｂ（配置変更後は燃料ガス導入配管接続部として用いられる）に、燃料ガス導入配管を接続し、酸化剤ガス排出配管接続部７Ｂ（配置変更後は酸化剤ガス導入配管接続部として用いられる）に、酸化剤ガス導入配管を接続する。

また、ガス分配板５Ａ（配置変更後はガス集積板として用いられる）の燃料ガス導入配管接続部６Ａ（配置変更後は燃料ガス排出配管接続部として用いられる）に、燃料ガス排出配管を接続し、酸化剤ガス導入配管接続部７Ａ（配置変更後は酸化剤ガス排出配管接続部として用いられる）に、酸化剤ガス排出配管を接続する。さらに、配置変更前と同位置にある電流端子板３にバスバー４を取り付け、電圧計測線接続端子１１に電圧計測線を取り付ける。

配置変更後は、燃料ガス及び酸化剤ガスの流れ方向が逆になり、上流側だった部分は下流側となり、下流側だった部分は上流側となる。すなわち、下流側のセル１に比べて発電量及び発熱量が大きい上流側のセル１が下流側となり、スタック１０内の積層方向における反応ガス濃度分布及び温度分布による劣化の偏りが抑制される。

また、複数のスタック１０あるいは周辺機器等が断熱ボックス１２内に収納され、断熱ボックス１２内で温度分布が生じている場合、スタック１０内または複数のスタック１０間でも温度分布が生じる。このような場合、断熱ボックス１２内の温度の高い箇所に配置されていたセル１またはスタック１０を、配置変更により温度の低い箇所に配置することにより、劣化の偏りが抑制される。

以上のように、実施の形態１によれば、スタック１０が上下及び左右を入れ替える配置変更が可能な構造を有しているため、スタック１０内の積層方向における反応ガス濃度分布及び温度分布、あるいは断熱ボックス１２内における温度分布による劣化の偏りを抑制することができ、セル１及びスタック１０の劣化が均一化される。これにより、スタック１０の耐久性が向上し長寿命化が図られる。

なお、外部より直接酸化剤ガスを各セルに誘導するスタックの場合は、燃料ガス導入配管接続部と燃料ガス排出配管接続部とを同形状とし、Ｙ軸を対称軸として線対称に配置すればよい。これにより、Ｙ軸を中心としてスタックを１８０度回転したとき、燃料ガス導入配管接続部と燃料ガス排出配管接続部の位置が入れ替わり、実施の形態１によるスタック１０と同様の効果を奏する。

実施の形態２．
図５は、実施の形態２による燃料電池スタックモジュールを説明する概略斜視図、図６は、実施の形態２による燃料電池システムを示す機能ブロック図、及び図７は、実施の形態２による燃料電池システムにおける運転制御部のハードウエア構成例を示す図である。

実施の形態２による燃料電池スタックモジュール１０１は、図５に示すように、セル１の電圧を計測するための電圧計測端子１５及びセル電圧計測線１６、スタック１０の複数箇所における温度を測定するための温度センサ１７を備えている。それ以外の構成については、上記実施の形態１による燃料電池スタックモジュール１００（図１参照）と同様であるので説明を省略する。

なお、図５では、図１に示す架台１４を省略している。また、セル電圧計測線１６は１本のみ図示されているが、各々の電圧計測端子１５に設けられる。また、図５では、各セル１に電圧計測端子１５が設置されているが、複数のセル１の電圧（段電圧）をまとめて計測するようにしてもよい。

また、図５では、温度センサ１７はスタック１０の中央部付近の２箇所に設置されているが、温度センサ１７の設置箇所はこれに限定されるものではなく、酸化剤ガス導入配管または酸化剤ガス排出配管の内部、スタック１０の内部等に設置してもよい。

実施の形態２による燃料電池システム２００は、エネファーム（登録商標）等の定置型燃料電池、自動車等の移動体用燃料電池、及び産業用燃料電池等に適用される。なお、実施の形態２では固体酸化物形燃料電池を用いているが、燃料電池の種類はこれに限定されるものではなく、固体高分子形燃料電池、リン酸形燃料電池、及び溶融炭酸塩形燃料電池であってもよい。

燃料電池システム２００は、図６に示すように、燃料電池スタックモジュール１０１、運転制御部２１、運転データ収集部２２、劣化状態判定部２３、及び表示部２４を備えている。運転制御部２１は、劣化状態判定部２３による結果をフィードバックしてスタック１０の運転制御を行う。

運転データ収集部２２は、予め設定された間隔でスタック１０の運転データを収集する。運転データには、少なくとも運転時間、セル電圧データ（または段電圧データ）、スタック１０の複数箇所における温度データが含まれる。運転データ収集部２２で収集された運転データは、随時、劣化状態判定部２３へ送信され蓄積される。

劣化状態判定部２３は、運転データ収集部２２により収集された運転データに基づいてスタック１０の劣化状態を判定する。例えばセル電圧データから各セル１の発電状態が分かるため、各セル１の劣化状態を判定することができる。なお、劣化状態とは、劣化の有無、劣化の程度、及び劣化位置を含む。表示部２４は、劣化状態判定部２３による判定結果を表示する。

運転制御部２１は、ハードウエアの一例を図７に示すように、プロセッサ２１１と記憶装置２１２から構成される。記憶装置２１２は、ランダムアクセスメモリ等の揮発性記憶装置と、フラッシュメモリ等の不揮発性の補助記憶装置とを具備する。また、フラッシュメモリの代わりにハードディスクの補助記憶装置を具備してもよい。

プロセッサ２１１は、記憶装置２１２から入力されたプログラムを実行する。この場合、補助記憶装置から揮発性記憶装置を介してプロセッサ２１１にプログラムが入力される。また、プロセッサ２１１は、演算結果等のデータを記憶装置２１２の揮発性記憶装置に出力してもよいし、揮発性記憶装置を介して補助記憶装置にデータを保存してもよい。なお、運転データ収集部２２及び劣化状態判定部２３のハードウエア構成もほぼ同様であるので説明を省略する。

実施の形態２による燃料電池システム２００では、セル電圧変化率の時間変化、セル間電圧差の最大値、積算最大温度、及び最大温度と最小温度の差の４項目を劣化状態判定部２３における劣化状態判定の判断材料としている。それぞれの項目について、判断基準となる設定値Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄが実験データに基づいて予め設定されている。

上記４項目のうちのいずれか１つが設定値よりも大きい場合、当該セル１またはスタック１０は劣化していると判定される。また、各項目の数値が設定値よりも大きいほど、当該セル１またはスタック１０の劣化の程度が大きいと判定される。

劣化状態判定部２３による劣化状態判定処理の流れについて、図８のフローチャートを用いて説明する。ステップＳ１において、劣化状態判定部２３は、運転データ収集部２２により収集されたセル電圧データ及びスタック温度データを取得する。

次に、ステップＳ２において、下式（１）により時間経過に対するセル電圧変化率を算出する。式（１）において、Ｘ１はセル電圧変化率、Ｖ_０は初期セル電圧、Ｖ_１は所定時間経過後のセル電圧、ｔ１は所定時間である。

Ｘ１＝（Ｖ_０－Ｖ_１）／ｔ１ （１）

次に、ステップＳ３において、下式（２）によりセル電圧変化率Ｘ１の時間変化を算出する。式（２）において、Ｙ１はセル電圧変化率Ｘ１の時間変化、Ｘ１_０は初期セル電圧変化率、Ｘ１_１は所定時間経過後のセル電圧変化率、ｔ２は所定時間である。なお、所定時間ｔ１、ｔ２は特に限定されるものではなく任意に設定される。

Ｙ１＝（Ｘ１_０－Ｘ１_１）／ｔ２ （２）

続いて、ステップＳ４において、ステップＳ３で算出された電圧変化率Ｘ１の時間変化Ｙ１を設定値Ａと比較する。電圧変化率Ｘ１の時間変化Ｙ１が設定値Ａよりも大きい場合（ＹＥＳ）、ステップＳ１１において当該セル１またはスタック１０が劣化していると判定し、その旨を表示部２４に表示する。

一方、ステップＳ４において電圧変化率Ｘ１の時間変化Ｙ１が設定値Ａよりも小さい場合（ＮＯ）、ステップＳ５において、下式（３）により同一スタック１０におけるセル間電圧差の最大値を算出する。式（３）において、Ｖ_ｍａｘはセル電圧の最大値、Ｖ_ｍｉｎはセル電圧の最小値、ΔＶ_ｍａｘはセル間電圧差の最大値である。

ΔＶ_ｍａｘ＝Ｖ_ｍａｘ－Ｖ_ｍｉｎ （３）

続いて、ステップＳ６において、ステップＳ５で算出されたセル間電圧差の最大値ΔＶ_ｍａｘを設定値Ｂと比較する。セル間電圧差の最大値ΔＶ_ｍａｘが設定値Ｂよりも大きい場合（ＹＥＳ）、ステップＳ１１において当該セル１またはスタック１０が劣化していると判定し、その旨を表示部２４に表示する。

一方、ステップＳ６においてセル間電圧差の最大値ΔＶ_ｍａｘが設定値Ｂよりも小さい場合（ＮＯ）、ステップＳ７において、下式（４）よりスタック１０の積算最大温度を算出する。式（４）においてＴ１は積算最大温度、Ｔ_ｍａｘは最大温度、ｔ３は最大温度の保持時間である。

Ｔ１＝Ｔ_ｍａｘ×ｔ３ （４）

続いて、ステップＳ８において、ステップＳ７で算出された積算最大温度Ｔ１を設定値Ｃと比較する。積算最大温度Ｔ１が設定値Ｃよりも大きい場合（ＹＥＳ）、ステップＳ１１において当該スタック１０が劣化していると判定し、その旨を表示部２４に表示する。

一方、ステップＳ８において積算最大温度Ｔ１が設定値Ｃよりも小さい場合（ＮＯ）、ステップＳ９において、下式（５）によりスタック１０の複数の温度測定点における最大温度と最小温度の差を算出する。式（５）において、ΔＴは最大温度と最小温度の差、Ｔ_ｍａｘは最大温度、Ｔ_ｍｉｎは最小温度である。

ΔＴ＝Ｔ_ｍａｘ－Ｔ_ｍｉｎ （５）

続いて、ステップＳ１０において、ステップＳ９で算出された最大温度と最小温度の差ΔＴを設定値Ｄと比較する。最大温度と最小温度の差ΔＴが設定値Ｄよりも大きい場合（ＹＥＳ）、ステップＳ１１において当該スタック１０が劣化していると判定し、その旨を表示部２４に表示する。

一方、ステップＳ１０において、最大温度と最小温度の差ΔＴが設定値Ｄよりも小さい場合（ＮＯ）、現時点では劣化していないと判定し、ステップＳ２へ戻る。

ステップＳ１２では、スタック１０の配置判断を行う。ただし、断熱ボックス１２内に１つのスタック１０が配置されている場合は、スタック１０の上下及び左右を入れ替えるように配置変更するだけであるため、配置判断は特に必要ない。

一方、断熱ボックス１２内に複数のスタック１０あるいは周辺機器等が配置されている場合は、スタック１０の劣化の有無、程度、及び劣化位置に応じてスタック１０の配置を判断する。例えば複数のスタック１０間で劣化の偏りが検出された場合、劣化の程度が最も大きいスタック１０と劣化の程度が最も小さいスタック１０の位置を入れ替える。

なお、複数のスタック１０が配置されている場合、各スタック１０のセル電圧データ及び温度データについてマップを作成し、マップに基づいてスタック１０の配置判断を行うようにしてもよい。

続いてステップＳ１３においてスタック１０の配置変更を実施する。配置変更については、上記実施の形態１で説明した通りであるので説明を省略する。なお、図８に示すフローチャートにおいて、ステップＳ４、Ｓ６、Ｓ８、及びＳ１０の順番は、これに限定されるものではなく、入れ替え可能である。

また、図８では、劣化状態判定の判断材料である４項目のうちの１つが設定値よりも大きければ、当該セル１またはスタック１０は劣化していると判定されるが、劣化の程度を判定するために４項目全てについて設定値との比較を行うようにしてもよい。設定値よりも大きい項目が多いほど、当該スタック１０の劣化の程度が大きいと判定される。

実施の形態２による燃料電池システム２００によれば、セル１またはスタック１０の部分的な劣化を検出し、スタック１０の上下及び左右を入れ替える配置変更を実施することにより、スタック１０内の積層方向における反応ガス濃度分布及び温度分布、あるいは断熱ボックス１２内における温度分布による劣化の偏りを抑制することができる。これにより、スタック１０の耐久性が向上し長寿命化が図られる。

本開示は、様々な例示的な実施の形態及び実施例が記載されているが、１つ、または複数の実施の形態に記載された様々な特徴、態様、及び機能は特定の実施の形態の適用に限られるのではなく、単独で、または様々な組み合わせで実施の形態に適用可能である。従って、例示されていない無数の変形例が、本願明細書に開示される技術の範囲内において想定される。例えば、少なくとも１つの構成要素を変形する場合、追加する場合または省略する場合、さらには、少なくとも１つの構成要素を抽出し、他の実施の形態の構成要素と組み合わせる場合が含まれるものとする。

本願は、燃料電池スタック及びこれを備えた燃料電池スタックモジュール、燃料電池システムとして利用することができる。

１ 電気化学セル（セル）、２ 発電ユニット、３ 電流端子板、４ バスバー、５Ａ ガス分配板、５Ｂ ガス集積板、６Ａ 燃料ガス導入配管接続部、６Ｂ 燃料ガス排出配管接続部、７Ａ 酸化剤ガス導入配管接続部、７Ｂ 酸化剤ガス排出配管接続部、８ ボルト、１０ 燃料電池スタック（スタック）、１１ 電圧計測線接続端子、１２ 断熱ボックス、１３ Ｕ字型部品、１４ 架台、１５ 電圧計測端子、１６ セル電圧計測線、１７ 温度センサ、２１ 運転制御部、２２ 運転データ収集部、２３ 劣化状態判定部、２４ 表示部、５１ａ、５１ｂ 端部、５２ 角部、６１ フランジ部、１００、１０１ 燃料電池スタックモジュール、２００ 燃料電池システム、２１１ プロセッサ、２１２ 記憶装置

Claims (11)

1. 燃料ガスと酸化剤ガスとを反応させることにより発電を行う燃料電池スタックであって、
   複数の電気化学セルが一定の積層方向に積層された発電ユニットと、
   前記発電ユニットの前記積層方向の一方の端部に設置され燃料ガス導入配管接続部と酸化剤ガス導入配管接続部とを有するガス分配板と、
   前記発電ユニットの前記積層方向の他方の端部に設置され燃料ガス排出配管接続部と酸化剤ガス排出配管接続部とを有するガス集積板と、
   前記発電ユニットの前記積層方向の両端部に設けられた複数の電流端子板と、を備え、
   前記燃料ガス導入配管接続部と前記燃料ガス排出配管接続部とは同形状であり前記発電ユニットの中心点を通り前記積層方向と垂直な対称軸に対して線対称に配置され、
   前記酸化剤ガス導入配管接続部と前記酸化剤ガス排出配管接続部とは同形状であり前記対称軸に対して線対称に配置されており、
   前記対称軸を中心として燃料電池スタックを１８０度回転させたときに元の燃料電池スタックの形状と重なる２回対称の回転対称構造であることを特徴とする燃料電池スタック。
2. 前記ガス分配板と前記ガス集積板とは同形状であることを特徴とする請求項１記載の燃料電池スタック。
3. 前記ガス分配板は矩形の端面を有し、前記燃料ガス導入配管接続部及び前記酸化剤ガス導入配管接続部は、前記端面の一端部の中心よりも角部寄りに配置されたことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の燃料電池スタック。
4. 前記複数の電流端子板は、前記対称軸に対して線対称に配置されたことを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の燃料電池スタック。
5. 請求項１から請求項４のいずれか一項に記載の燃料電池スタックを備えた燃料電池スタックモジュールであって、
   前記発電ユニットに燃料ガスを供給する燃料ガス導入配管と、
   前記発電ユニットに酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス導入配管と、
   前記発電ユニットから使用済みの燃料ガスを排出する燃料ガス排出配管と、
   前記発電ユニットから使用済みの酸化剤ガスを排出する酸化剤ガス排出配管と、
   前記電流端子板に接続され前記発電ユニットで発生した電流を取り出す電流線と、
   前記燃料電池スタックを収納する断熱ボックスと、を含むことを特徴とする燃料電池スタックモジュール。
6. 前記電気化学セルの電圧を計測するためのセル電圧計測線と、前記燃料電池スタックの複数箇所における温度を測定するための温度センサと、を備えたことを特徴とする請求項５記載の燃料電池スタックモジュール。
7. 請求項６に記載の燃料電池スタックモジュールと、
   前記燃料電池スタックの運転制御を行う運転制御部と、
   前記電気化学セルの電圧データと前記燃料電池スタックの複数箇所における温度データとを含む運転データを収集する運転データ収集部と、
   前記運転データ収集部により収集された運転データに基づいて前記燃料電池スタックの劣化状態を判定する劣化状態判定部と、
   前記劣化状態判定部による判定結果を表示する表示部と、を含むことを特徴とする燃料電池システム。
8. 前記劣化状態判定部は、前記電気化学セルの電圧変化率の時間変化に基づいて前記燃料電池スタックの劣化状態を判定することを特徴とする請求項７記載の燃料電池システム。
9. 前記劣化状態判定部は、同一の前記燃料電池スタック内における電気化学セル間電圧差の最大値に基づいて前記燃料電池スタックの劣化状態を判定することを特徴とする請求項７または請求項８に記載の燃料電池システム。
10. 前記劣化状態判定部は、前記燃料電池スタックの積算最大温度に基づいて前記燃料電池スタックの劣化状態を判定することを特徴とする請求項７から請求項９のいずれか一項に記載の燃料電池システム。
11. 前記劣化状態判定部は、前記燃料電池スタックの最大温度と最小温度の差に基づいて前記燃料電池スタックの劣化状態を判定することを特徴とする請求項７から請求項１０のいずれか一項に記載の燃料電池システム。

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