(57)【要約】【課題】燃料電池の状態を詳細に評価することが可能な燃料電池の評価方法および燃料電池の評価装置を提供する。【解決手段】半電池状態にある燃料電池への水素供給量を変化させるステップと、水素供給量を変化させるステップにより前記水素供給量を変化させつつ、半電池状態にある前記燃料電池の電気特性を計測するステップと、を備える。半電池状態にある燃料電池への水素供給量を変化させつつ、半電池状態にある前記燃料電池の電気特性を計測するので、燃料電池の状態を詳細に評価することができる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
半電池計測によって燃料電池の状態を評価する燃料電池の評価方法において、
半電池状態にある燃料電池への水素供給量を変化させるステップと、
水素供給量を変化させるステップにより変化する各水素供給量における前記燃料電池の電気特性を計測するステップと、
を備えることを特徴とする燃料電池の評価方法。
【請求項２】
前記電気特性を計測するステップでは、半電池状態にある前記燃料電池の限界電流値を計測することを特徴とする請求項１に記載の燃料電池の評価方法。
【請求項３】
前記電気特性を計測するステップでは、半電池状態にある前記燃料電池の電流−過電圧特性における傾きを計測することを特徴とする請求項１に記載の燃料電池の評価方法。
【請求項４】
前記電気特性を計測するステップでは、半電池状態にある前記燃料電池の交換電流密度を計測することを特徴とする請求項１に記載の燃料電池の評価方法。
【請求項５】
前記電気特性を計測するステップでは、半電池状態にある前記燃料電池の電流−過電圧特性における傾きの変化点を計測することを特徴とする請求項１に記載の燃料電池の評価方法。
【請求項６】
半電池計測によって燃料電池の状態を評価する燃料電池の評価装置において、
半電池状態にある燃料電池への水素供給量を変化させる制御手段と、
前記制御手段により変化する各水素供給量における前記燃料電池の電気特性を計測する計測手段と、
を備えることを特徴とする燃料電池の評価装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半電池計測によって燃料電池の状態を評価する燃料電池の評価方法および燃料電池の評価装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池の劣化の程度を評価する方法として、特開２００６−３３１８４９号公報には、燃料電池から得られる電力を用いた方法が記載されている。この方法では、燃料電池の出力電流および出力電圧を検出し、電力を算出する。そして、算出された電力を予め定めた基準電力と比較することにより、燃料電池の劣化の程度を判定している。
【０００３】
また、特開２００９−４３６４５号公報には、燃料電池のリフレッシュ制御時の電気量を求め、予め作成した電気量と活性化過電圧との関係を示すマップを用いてセル電圧を推定するとともに、推定により得られたセル電圧と、実際に検出されたセル電圧とを比較することで燃料電池の劣化の程度を評価する方法が記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００６−３３１８４９号公報
【０００５】
【特許文献２】特開２００９−４３６４５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかし、上記の方法では、燃料電池の劣化の程度は評価できるものの、主要な劣化の要因を判定することはできない。例えば、劣化の主要な要因として、アノード要因、カソード要因、活性化要因、拡散要因などが考えられるが、いずれが主要な要因であるのかを把握できれば、燃料電池の正確な劣化状況が判定できるとともに、判定結果を燃料電池の開発設計や運転制御に有効利用することが可能となる。
【０００７】
本発明の目的は、燃料電池の状態を詳細に評価することが可能な燃料電池の評価方法および燃料電池の評価装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の燃料電池の評価方法は、半電池計測によって燃料電池の状態を評価する燃料電池の評価方法において、半電池状態にある燃料電池への水素供給量を変化させるステップと、水素供給量を変化させるステップにより変化する各水素供給量における前記燃料電池の電気特性を計測するステップと、を備えることを特徴とする。
この燃料電池の評価方法によれば、半電池状態にある燃料電池への水素供給量を変化させつつ、半電池状態にある前記燃料電池の電気特性を計測するので、燃料電池の状態を詳細に評価することができる。
【０００９】
前記電気特性を計測するステップでは、半電池状態にある前記燃料電池の限界電流値を計測してもよい。
【００１０】
前記電気特性を計測するステップでは、半電池状態にある前記燃料電池の電流−過電圧特性における傾きを計測してもよい。
【００１１】
前記電気特性を計測するステップでは、半電池状態にある前記燃料電池の交換電流密度を計測してもよい。
【００１２】
前記電気特性を計測するステップでは、半電池状態にある前記燃料電池の電流−過電圧特性における傾きの変化点を計測してもよい。
本発明の燃料電池の評価装置は、半電池計測によって燃料電池の状態を評価する燃料電池の評価装置において、半電池状態にある燃料電池への水素供給量を変化させる制御手段と、前記制御手段により変化する各水素供給量における前記燃料電池の電気特性を計測する計測手段と、を備えることを特徴とする。
【００１３】
この燃料電池の評価装置によれば、半電池状態にある燃料電池への水素供給量を変化させつつ、半電池状態にある前記燃料電池の電気特性を計測するので、燃料電池の状態を詳細に評価することができる。
【発明の効果】
【００１４】
本発明の燃料電池の評価方法によれば、半電池状態にある燃料電池への水素供給量を変化させつつ、半電池状態にある前記燃料電池の電気特性を計測するので、燃料電池の状態を詳細に評価することができる。
【００１５】
本発明の燃料電池の評価装置によれば、半電池状態にある燃料電池への水素供給量を変化させつつ、半電池状態にある前記燃料電池の電気特性を計測するので、燃料電池の状態を詳細に評価することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】燃料電池の計測システムを示すブロック図。
【図２】半電池計測の結果を例示する図。
【図３】半電池計測の結果を例示する図であり、（ａ）は拡散要因に起因する劣化が生じた場合を示す図、（ｂ）はＨ２の供給流量と電流値（最大値）との関係を示す図。
【図４】半電池計測の結果を例示する図であり、触媒の活性化要因に起因する劣化が生じた場合の電流−過電圧特性を例示する図。
【図５】半電池計測の結果を例示する図であり、（ａ）は交換電流密度が変化した場合の電流−過電圧特性を例示する図、（ｂ）は電流−過電圧特性に反応電子数の変化点が現れる例を示す図。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下、本発明による燃料電池の評価方法の実施形態について説明する。
【００１８】
図１は、燃料電池１０の計測システムを示すブロック図である。
【００１９】
図１に示すように、燃料電池１０は、電解質膜１と、電解質膜１を挟んで設けられたアノード電極層２１およびカソード電極層３１と、を備える。また、電解質膜１およびアノード電極層２１の中間にはアノード触媒拡散層２２が、電解質膜１およびカソード電極層３１の中間にはアノード触媒拡散層３２が、それぞれ設けられる。アノード電極層２１にはアノードガス流路２１ａが、カソード電極層３１にはカソードガス流路３１ａが、それぞれ形成される。
【００２０】
アノード電極層２１のアノードガス流路２１ａおよびカソード電極層３１のカソードガス流路３１ａには、図１に示すガス供給装置７を介してガスが供給される。
【００２１】
図１に示すように、アノード電極層２１およびアノード触媒拡散層２２は、絶縁材２４を介して図１において上下方向に分離され、分離されたそれぞれの領域にアノード本電極２Ａおよびアノード参照電極２Ｂが形成される。また、図１に示すように、カソード電極層３１およびカソード触媒拡散層３２は、絶縁材３４を介して図１において上下方向に分離され、分離されたそれぞれの領域にカソード本電極３Ａおよびカソード参照電極３Ｂが形成される。アノード本電極２Ａとカソード本電極３Ａ、および、アノード参照電極２Ｂとカソード参照電極３Ｂは、それぞれ電解質膜１を介して対向して配置されている。
【００２２】
図１に示すように、アノード本電極２Ａおよびカソード本電極３Ａの間には、負荷装置４が接続され、負荷装置４は計測装置５に接続される。また、アノード本電極２Ａおよびアノード参照電極２Ｂの間には電圧計６１が、カソード本電極３Ａおよびカソード参照電極３Ｂの間には電圧計６２が、それぞれ接続され、電圧計６１および電圧計６２からの計測信号は計測装置５に与えられる。
【００２３】
図１に示すように、計測装置５は、ガス供給装置７等を制御する制御手段５１と、燃料電池１０の電気特性を計測する計測手段５２と、を構成する。
【００２４】
次に、燃料電池１の特性を評価するための半電池計測の手法について説明する。
【００２５】
アノード側の計測を行う場合、アノードガス流路２１ａにＨ２ガスを、カソードガス流路３１ａにＮ２ガスをそれぞれ供給する。この場合、アノード参照電極２Ｂを参照極、アノード本電極２Ａを作用極、カソード本電極３Ａを対極として、アノード本電極２Ａおよびカソード本電極３Ａ間に電流を流しながら、電圧計６１を用いてアノード参照電極２Ｂに対するアノード本電極２Ａの電圧（過電圧η）を計測する。
【００２６】
アノード本電極２Ａおよびカソード本電極３Ａ間の電流は、負荷装置４を介して制御手段５１により制御する。また、アノード参照電極２Ｂに対するアノード本電極２Ａの電圧（過電圧η）は計測手段５２により計測される。これにより、アノード本電極２Ａおよびカソード本電極３Ａ間の電流および過電圧ηについて、電流−過電圧特性を計測する。
【００２７】
本実施形態では、計測装置５の制御手段５１によってガス供給装置７を制御することにより、アノードガス流路２１ａに供給されるＨ２ガスの流量を変更しつつ、上記の電流−過電圧特性を計測する。
【００２８】
一方、カソード側の計測を行う場合、カソードガス流路３１ａにＨ２ガスを、アノードガス流路２１ａにＮ２ガスをそれぞれ供給する。この場合、カソード参照電極３Ｂを参照極、カソード本電極３Ａを作用極、アノード本電極２Ａを対極として、アノード本電極２Ａおよびカソード本電極３Ａ間に電流を流しながら、電圧計６２を用いてカソード参照電極３Ｂに対するカソード本電極３Ａの電圧（過電圧η）を計測する。
【００２９】
アノード本電極２Ａおよびカソード本電極３Ａ間の電流は、負荷装置４を介して制御手段５１により制御する。また、カソード参照電極３Ｂに対するカソード本電極３Ａの電圧（過電圧η）は計測手段５２により計測される。これにより、アノード本電極２Ａおよびカソード本電極３Ａ間の電流および過電圧ηについて、電流−過電圧特性を計測する。
【００３０】
本実施形態では、計測装置５の制御手段５１によってガス供給装置７を制御することにより、カソードガス流路３１ａに供給されるＨ２ガスの流量を変更しつつ、上記の電流−過電圧特性を計測する。
【００３１】
図２は、半電池計測の結果を例示する図である。
【００３２】
図２の例では、Ｈ２の供給流量をＱ１，Ｑ２，Ｑ３とし（Ｑ１＜Ｑ２＜Ｑ３）、各供給流量における電流−過電圧特性を計測している。
【００３３】
図２に示すように、電流ｉの増加とともに過電圧ηは比例的に増加し、ある電流値で過電圧ηが急激に増大する。例えば、Ｈ２の供給流量がＱ１のときに電流値ｉ１において、Ｈ２の供給流量がＱ２のときに電流値ｉ２において、それぞれ過電圧ηが急激に増大する。このように、過電圧ηが急激に増大する電流値は、Ｈ２の供給流量不足により生ずる限界電流値を示している。
【００３４】
また、Ｈ２の供給流量が反応に対して充分な量であっても、拡散要因に起因する限界（電流の最大値）が存在する。Ｈ２の供給流量をＱ３としたときの電流値ｉ３がこれに対応する。
【００３５】
燃料電池の劣化は、電流−過電圧特性に反映される。図３（ａ）は、拡散要因に起因する燃料電池１０の劣化が生じた場合の電流−過電圧特性を例示している。
【００３６】
図３（ａ）に示すように、拡散要因に起因する劣化が生じた場合、同じＨ２の供給流量（この場合、Ｑ３）でも、電流値がｉ３からｉ３´に減少する（Δｉ＝ｉ３−ｉ３´）。したがって、このような経時変化を捉えることで、拡散要因に起因する劣化を検出することができる。
【００３７】
図３（ｂ）は、Ｈ２の供給流量と、電流値（最大値）との関係を示している。図３（ｂ）に示すように、拡散要因に起因する劣化が生じた場合、Ｈ２の供給流量が大きい領域で電流値（最大値）が飽和する。
【００３８】
図４は、触媒の活性化要因に起因する劣化が生じた場合の電流−過電圧特性を例示している。この場合、活性化要因に起因する劣化とともに、電流−過電圧の傾きが増大する。例えば、電流−過電圧の傾きがα（図２）からα´（図４）に増加する。したがって、このような経時変化を捉えることで、触媒の活性化要因に起因する劣化を検出することができる。
【００３９】
図５（ａ）は、交換電流密度が変化した場合の電流−過電圧特性を例示している。図５（ａ）の例では、触媒機能が保たれているため電流−過電圧の傾きは不変であるが、触媒反応に寄与する面積が減少するため、交換電流密度がｉ０からｉ０´に減少している。したがって、このような経時変化を捉えることで、交換電流密度の変化を検出することができ、劣化要因等を詳細に解析できる。
【００４０】
図５（ｂ）は、電流−過電圧特性に反応電子数の変化点が現れる例を示している。
【００４１】
一般的に、触媒活性は反応電子数（ｎ）によって異なる。図５（ｂ）の例では、電流−過電圧の傾きが領域Ｐでα１からα２に変化しており、このことは、この領域で反応電子数が変化することを示している。したがって、反応電子数の変化点の位置の経時変化を捉えることで、劣化要因等を詳細に解析できる。
【００４２】
以上のように、燃料電池に対して半電池計測を行うことにより劣化の要因等をアノード側、カソード側に分離して解析することができる。また、Ｈ２の供給流量を変えながら半電池計測を行うことで、燃料電池の劣化要因を拡散要因、活性化要因などに分離、特定することができる。これにより、燃料電池の設計をより的確なものにできるとともに、半電池計測の結果を燃料電池の運転制御に有効に活用できる。
【００４３】
以上説明したように、本発明の燃料電池の評価方法によれば、半電池状態にある燃料電池への水素供給量を変化させつつ、半電池状態にある前記燃料電池の電気特性を計測するので、燃料電池の状態を詳細に評価することができる。
【００４４】
本発明の適用範囲は上記実施形態に限定されることはない。本発明は、半電池計測によって燃料電池の状態を評価する燃料電池の評価方法および燃料電池の評価装置に対し、広く適用することができる。
【符号の説明】
【００４５】
１０    燃料電池
５１    制御手段
５２    計測手段
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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