(57)【要約】【課題】  燃料電池車両の燃料電池スタックの一部のセルで発生する局所的なセルの逆電圧現象を、実態に即して精密にシュミレートすることができる、燃料電池におけるセルの逆電圧シミュレーションスタックを提供する。【解決手段】  本発明による燃料電池におけるセルの逆電圧シミュレーションスタックは、複数のセルで構成されるスタックから任意に選択された一部のセルの分離板が、その水素流路の入口を部分的に遮断されて構成されることにより、水素供給入口から流入される水素のセル内への供給不足が一部のセルだけで誘発されるように配備されたことを特徴とする。【選択図】図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数のセルで構成されるスタックから任意に選択された一部のセルの分離板が、その水素流路の入口を部分的に遮断されて構成されることにより、水素供給入口から流入される水素のセル内への供給不足が前記一部のセルだけで誘発されるように配備されたことを特徴とする燃料電池におけるセルの逆電圧シミュレーションスタック。
【請求項２】
前記一部のセルの水素流路の入口の先端には、前記水素供給入口に流入さる水素の供給を遮断するための遮断部材が裝着されたことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池におけるセルの逆電圧シミュレーションスタック。
【請求項３】
前記遮断部材は、前記一部のセルの分離板の水素流路の入口面積全体の７０％以上９５％以下を遮断することを特徴とする請求項２に記載の燃料電池におけるセルの逆電圧シミュレーションスタック。
【請求項４】
前記遮断部材は、高分子または金属材料からなることを特徴とする請求項２に記載の燃料電池におけるセルの逆電圧シミュレーションスタック。
【請求項５】
前記スタックの運転のための電流密度は、２００ｍＡ／ｃｍ２を超え、１，０００ｍＡ／ｃｍ２未満であることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池におけるセルの逆電圧シミュレーションスタック。
【請求項６】
前記スタックにおいて、前記水素流路の入口の一部が遮断される前記一部のセルは１つ以上であり、前記スタック内の全体セル数の５０％以下であることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池におけるセルの逆電圧シミュレーションスタック。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池におけるセルの逆電圧シミュレーションスタックに係り、より詳しくは、燃料電池スタックにおいて複数のセルの中で一部のセルだけに局所的に発生する逆電圧現象をシミュレートするための燃料電池におけるセルの逆電圧シミュレーションスタックに関する。
【背景技術】
【０００２】
通常、自動車用燃料電池としては、高分子電解質膜燃料電池（Ｐｏｌｙｍｅｒ  Ｅｌｅｃｔｒｏｌｙｔｅ  Ｍｅｍｂｒａｎｅ  Ｆｕｅｌ  Ｃｅｌｌ）を使用している。高分子電解質膜燃料電池は、自動車の様々な運転条件下で、少なくとも数十ＫＷ以上の出力性能を正常に発揮するためには広範囲な電流密度で安定して作動しなければならない。
【０００３】
燃料電池は、要求される出力を充足するために単位セル（Ｕｎｉｔ  Ｃｅｌｌ）を積層して組み立てたスタック形態にして使用される。そして、燃料電池スタックの単位セルは、最も内側に膜電極接合体（Ｍｅｍｂｒａｎｅ−Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ  Ａｓｓｅｍｂｌｙ）が位置される。膜電極接合体は水素イオンが移動する固体高分子電解質膜と、電解質膜の両面に触媒を塗布して構成される触媒電極、すなわちアノード（Ａｎｏｄｅ）とカソード（Ｃａｔｈｏｄｅ）と、で構成される。
【０００４】
また、膜電極接合体の外側部分、すなわちアノード及びカソードが位置する外側部分には気体拡散層（Ｇａｓ  Ｄｉｆｆｕｓｉｏｎ  Ｌａｙｅｒ）及びガスケット（Ｇａｓｋｅｔ）が積層され、気体拡散層の外側には反応気体、冷却水、及び反応により発生した水を供給及び／又は排除する流路（Ｆｌｏｗ  Ｆｉｅｌｄ）を提供する分離板が接合される。
【０００５】
燃料電池の発電のための電気化学反応を説明すると、燃料電池の酸化極であるアノードに供給された水素が水素イオンと電子に分離され、水素イオンは高分子電解質膜を介して還元極のカソード側に移動し、電子は外部回路を介してカソードに移動し、カソードでは酸素分子、水素イオン、及び電子が反応して電気と熱を生成すると共に、反応副産物として水を生成する。
燃料電池内の電気化学反応時に生成される水は、膜電極接合体に加湿性を維持させる役割をするので適正な量が存在する場合は好ましいが、過量の水が発生した場合はこれを適切に除去しないと、高電流密度で「フラッディング（Ｆｌｏｏｄｉｎｇ）」現象が発生し、このフラッディングした水は、反応気体が効率的に燃料電池セル内に供給されるのを妨げて電圧損失を増大させる。
【０００６】
このように、高分子電解質膜燃料電池は、水の燃料電池内のフラッディング、冬期の氷の生成、及び反応気体供給装置の異常などの様々な原因により、アノードにおける反応気体（Ｒｅａｃｔａｎｔ  Ｇａｓｅｓ）である水素の供給不足、及びカソードにおける酸素または空気の供給不足の問題が発生することがある。とりわけアノードの水素燃料不足（Ｈｙｄｒｏｇｅｎ  Ｆｕｅｌ  Ｓｔａｒｖａｔｉｏｎ）は、燃料電池のセル性能に致命的な悪影響を及ぼし、セル電圧を大きく減少させることが知られている。
【０００７】
水素供給不足は、大きく分けて、燃料電池セルで全体的に水素供給が足りなくなる「全体的な水素不足（Ｏｖｅｒａｌｌ  Ｈｙｄｒｏｇｅｎ  Ｓｔａｒｖａｔｉｏｎ）」現象と、セルの全体的な水素供給は充分であるが、不均一な分配（Ｕｎｅｖｅｎ  Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ）により部分的に水素供給が足りなくなる「局所的な水素不足（Ｌｏｃａｌ  Ｈｙｄｒｏｇｅｎ  Ｓｔａｒｖａｔｉｏｎ）」現象と、がある。
【０００８】
これら水素不足現象は、水素気体の不均一な供給及び分配、突然の燃料電池ロード（Ｌｏａｄ）の要求量の増加、及び燃料電池の始動（Ｓｔａｒｔ−ｕｐ）などの運転条件において頻繁に発生する。
その中、全体的な水素不足は、燃料電池運転装置などでセンサを用いて水素供給状態などをモニターリングすることで比較的容易に検知できる
【０００９】
一方、一部のセルにおける局所的な水素不足は、燃料電池スタックの各セルをスタック電圧モニターリング（Ｓｔａｃｋ  Ｖｏｌｔａｇｅ  Ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ）装置などで注意深くモニターリングしなければ検知できないため、検知するのに多大の努力と複雑な制御システムを必要とする。
ここでスタックとは、２つ以上の多重セルで構成された燃料電池を意味し、一部のセルとは、１つ以上のセルであり、スタック内の全体セル数の５０％以下であることを意味する。
【００１０】
図１は、実際の燃料電池車両のスタックで発生したセル電圧の急落現象を示す図面である。
図１に示す燃料電池スタックは、５分以上の正常運転後に、１つのセルの電圧が突然０．１Ｖに急落（Ｒａｐｉｄ  Ｄｒｏｐ  ｏｆ  Ｃｅｌｌ  Ｖｏｌｔａｇｅ）した。このようなセル電圧の急落現象が発生すると、直ちに車両内のスタックの運転を停止し、燃料電池を解体して異常セルを交換するなどのメンテナンスをしなければならない。
【００１１】
このような現象は、局所的な水素供給不足が原因で発生することが大部分であるが、このように電圧が急落したセルを放置して車両をそのまま運転し続けると、電圧が０Ｖ以下になるセルの逆電圧状態に到達してしまい、膜電極接合体触媒担体（Ｃａｔａｌｙｓｔ  Ｓｕｐｐｏｒｔ）の炭素の腐食を加速する（例えば特許文献１、２を参照）。
【００１２】
通常、膜電極接合体触媒担体によく用いられる炭素は、膜電極接合体の運転条件では熱力学的に不安定な状態であり、次の通り酸化して腐食される可能性がある。
Ｃ＋２Ｈ２Ｏ−＞ＣＯ２＋４Ｈ＋＋４ｅ−（０．２０７Ｖ  ｖｓ．  ＲＨＥ）
Ｃ＋Ｈ２Ｏ−＞ＣＯ＋２Ｈ＋＋２ｅ−（０．５１８Ｖ  ｖｓ．  ＲＨＥ）
ここでＲＨＥ（Ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ  Ｈｙｄｒｏｇｅｎ  Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ）は標準水素電極を意味する。
【００１３】
酸化反応は一般的にはゆっくり進行するが、燃料電池の高電圧条件では早く進行することがあり、このような高電圧条件は水素不足や燃料電池自動車の始動／停止条件で頻繁に発生する。
【００１４】
また、このようなセルの逆電圧条件が持続して、約−２Ｖ以下の過度な逆電圧状態になると、燃料電池セルは、熱が高くなりすぎて膜電極接合体及び気体拡散層などが破損し、膜電極接合体にピンホールが発生し、セルが電気的に短絡されるという深刻な問題を引き起こし、結局、これ以上燃料電池を正常運転できなくなるセル故障状態に到達する。
【００１５】
したがって、このような逆電圧状態に到達する前に、燃料電池を適切に制御して安定して運行する方法の開発が必要である。また、このような逆電圧状態に対する耐久性に優れた燃料電池の部品及びシステムの開発が重要である。
しかし、上述した局所的な水素不足によるセルの逆電圧現象は、予め異常があるか否かを検知することが困難であるため、部品及びシステムの開発に先立って、このような現象を実態に即してシミュレートできる標準診断技法の確立が必要である。
【００１６】
セルの逆電圧現象をシュミレートするために従来からよく用いられた方法として、アノードに水素の代わりに窒素を供給するか、又はアノードの水素化学量論比（Ｓｔｏｉｃｈｉｏｍｅｔｒｉｃ  Ｒａｔｉｏ）を減少させて、全体的な水素供給量を減少させる方法がある。しかし、これら方法は、数百個のセルで構成された実際の燃料電池のスタック内の、一部のセルのみの局所的な水素不足によって生じるセル性能の急落現象及び逆電圧現象を実態に即してミュレートすることは困難であった。
【００１７】
上述したように、燃料電池内の局所的なセルの逆電圧シミュレーションのための適切な逆電圧モデルが存在しないため、逆電圧を解決するための燃料電池車両の制御法の開発や逆電圧に対する耐久性に優れた燃料電池部品素材の開発が容易ではないという問題があった。
従来の燃料電池における単位セルの逆電圧シミュレーション技法は、単一のセル（Ｓｉｎｇｌｅ  Ｃｅｌｌ）または２つ以上の多重セルで構成されたスタックの何れでも使用できる。
【００１８】
図２は、従来の燃料電池におけるセルの逆電圧シミュレーション用単セルを示す図面である。図２に示すように、従来の燃料電池におけるセルの逆電圧シミュレーション用単セル４は、両側のエンドプレート１、２の間に単一セル３が挿入された形態である。
逆電圧シミュレーション技法は、水素が不足するか、水素供給が全面的に遮断された苛酷な状態をシュミレートするための方法であり、燃料電池セルのアノードに水素供給を中断し、その代わりに窒素を供給して燃料電池を運転することにより逆電圧を誘導することができる。
【００１９】
このような従来のシミュレーション技法は、燃料電池セルに水素の供給が中断された非常に苛酷な条件で燃料電池スタックに全体的に発生する逆電圧現象をシュミレートする方法であるが、実際の燃料電池車両のスタックのように数百個のセルの中で一部のセルだけで電圧が急落するという局所的な逆電圧現象をシュミレートすることはかなり難しい。
また、このような従来のシミュレーション技法は、運転が可能な領域は４０〜２００ｍＡ／ｃｍ２の低電流密度領域しかないという問題がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００２０】
【特許文献１】特開２００３−１６８４４２号公報
【特許文献２】特開２００３−１７８７６４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００２１】
本発明は、上記のような点を改善するために考案されたものであって、燃料電池車両の燃料電池スタックの一部のセルで発生する局所的なセルの逆電圧現象を、実態に即して精密にシュミレートすることができる、燃料電池におけるセルの逆電圧シミュレーションスタックを提供することにその目的がある。
【課題を解決するための手段】
【００２２】
本発明は、前記目的を達成するためになされたものであって、複数のセルで構成されるスタックから任意に選択された一部のセルの分離板が、その水素流路の入口を部分的に遮断されて構成されることにより、水素供給入口から流入される水素のセル内への供給不足が一部のセルだけで誘発されるように配備されたことを特徴とする燃料電池におけるセルの逆電圧シミュレーションスタックを提供する。
【００２３】
また、前記水素流路の入口の先端には、水素供給入口に流入された水素の供給を遮断するための遮断部材が裝着されたことを特徴とする。
更に、前記遮断部材は、分離板の水素流路の入口面積全体の７０％以上９５％以下を遮断することを特徴とする。
【００２４】
また、前記スタックの運転のための電流密度は、２００ｍＡ／ｃｍ２を超え、１，０００ｍＡ／ｃｍ２未満であることを特徴とする。
更に、前記スタックにおいて、水素流路の入口の一部が遮断される一部のセルは、１つ以上であり、スタック内の全体セル数の５０％以下であることを特徴とする。
【発明の効果】
【００２５】
本発明の逆電圧シミュレーションスタックは４８０ｍＡ／ｃｍ２の中電流密度で少なくとも５分以上正常運転されその後に逆電圧に到達するため、燃料電池車両の中速度（Ｍｅｄｉｕｍ  Ｓｐｅｅｄ）以上の走行状態における逆電圧を実態に応じて精密にシュミレートできるという長所がある。
また、本発明の逆電圧シミュレーションスタックは、逆電圧現象を、２００ｍＡ／ｃｍ２を超え、１０００ｍＡ／ｃｍ２未満の中電流密度領域でも実態に即して精密にシュミレートすることができ、更に膜電極接合体内のピンホールの発生及び気体拡散層の破損現象も忠実にシュミレートできるという長所がある。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】実際の燃料電池車両のスタックで発生したセル電圧の急落現象を示す図である。
【図２】従来の燃料電池におけるセルの逆電圧シミュレーション用単セルを示す図である。
【図３】本発明の１実施例に係る燃料電池におけるセルの逆電圧シミュレーションスタックを示す図である。
【図４】本発明の分離板の遮断部材の裝着構造を概略的に示す図である。
【図５】本発明の比較例の条件で、燃料電池のアノードへの水素の供給を完全に遮断し水素の代わりに窒素ガスを供給して苛酷な水素不足条件におけるセル電圧挙動をシュミレートした結果を示すグラフである。
【図６】本発明の実施例の条件でシミュレーション評価した燃料電池スタックの、局所的な水素不足による逆電圧現象を示すグラフである。
【図７】本発明によるスタックの局所的な水素供給不足を示すシミュレーションの評価開始時（０秒）と評価終了時（７００秒）の、４８０ｍＡ／ｃｍ２における各セルの電圧を示すグラフである。
【図８】本発明によるスタックの第３セルの局所的な水素供給不足による逆電圧シミュレーションの、評価前の電流−電圧セル性能と評価後の電流−電圧セル性能を比較して示すグラフである。
【図９】本発明の逆電圧シミュレーションの、評価前後の膜電極接合体のアノード触媒層の表面を走査電子顕微鏡を用いて観察して示す図面であり、（ａ）は、逆電圧シミュレーションの評価前の新品状態の膜電極接合体のアノード表面を５０倍に拡大した写真であり、（ｂ）及び（ｃ）は、逆電圧シミュレーションの評価後の第３セルの膜電極接合体のアノード表面を、それぞれ５０倍及び１００倍に拡大した写真である。
【図１０】本発明の実施例で膜電極接合体のエネルギー分散型Ｘ線分光器による元素分析の結果を示すグラフであり、（ａ）は膜電極接合体の結果示すグラフであり、（ｂ）は、ピンホールの近くに付着した異物の結果を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００２７】
本発明は、燃料電池車量車両スタックの複数のセルの中で、一部のセルだけの電圧が急落する局所的なセルの逆電圧現象を、実態に即して精密にシュミレートする燃料電池におけるセルの逆電圧シミュレーションスタックを提供するものである。
本発明の燃料電池におけるセルの逆電圧シミュレーションスタックは、複数のセルで構成されるスタックから任意に選択された一部のセルの分離板が、その水素流路の入口を部分的に遮断されて構成され、水素供給入口から流入される水素のセル内への供給不足が前記一部のセルだけで誘発される。
水素流路の入口の先端には、水素供給入口に流入された水素の供給を遮断するための遮断部材が裝着される。
【００２８】
具体的には、燃料電池スタックのアノード全体に水素を正常に供給しながら、所定のセルの分離板の水素供給入口を７０％以上９５％以下の範囲で局所的に遮断することにより、０Ｖ以上で５分以上運転された後、所定セルだけで逆電圧が発生するようにしたセルの逆電圧シミュレーションスタックを提供する。
また、スタックの運転のための電流密度は、２００ｍＡ／ｃｍ２を超え、１，０００ｍＡ／ｃｍ２未満であることが好ましい。
また、本発明のスタックにおいて、水素流路の入口の一部が遮断されるセルは、１つ以上であり、スタック内の全体セル数の５０％以下である。
また、遮断部材は、高分子または金属材料からなることが好ましい。
以下に、実施例を示し、添付図面を参照しつつ、本発明をより詳細に説明する。
【実施例１】
【００２９】
図３は、本発明の１実施例に係る燃料電池におけるセルの逆電圧シミュレーションスタックを示す図面である。
図３に示す本発明の逆電圧シミュレーションスタック１０（以下単にスタック１０と記す）は、５つの単位燃料電池セル１１〜１５が積層されて構成され、中央の第３セル１３だけの分離板２０の水素供給を一部遮断してスタック１０内の水素の局所的な供給不足を誘起させるものであって、実際の燃料電池車両のような局所的なセルの逆電圧現象をシュミレートするためのモデルである。
【００３０】
スタック１０は、各セル１１〜１５の水素供給入口からスタック全体のアノードに水素を正常に供給して運転するが、但し中央に配置された第３セル１３のみ水素供給を部分的に妨害し、このセル１３だけに局所的な水素不足を誘発させる。これにより、スタック１０は、実際の燃料電池車量車両において、始動後に少なくとも５分以上０Ｖ以上の電圧で正常に運転され、その後に突発する局所的なセルの逆電圧現象を、実際の燃料電池車量車両のスタックとほぼ同様にシュミレートすることができる。
【００３１】
図４は、本発明の分離板の遮断部材の裝着構造を概略的に示す図面である。
図４に示すように、スタック１０の分離盤２０は、水素供給入口２１及び水素排出出口２２と、空気供給入口２３及び空気排出出口２４と、それらを連結する流路と、を有する。
【００３２】
水素供給入口２１及び水素排出出口２２の間の水素流路２５と、空気供給入口２３及び空気排出出口２４の空気の流路とは、それぞれ独立して連通するように形成されている。図４では、後述する遮断部材２６の裝着位置を明確にするために水素供給入口２１と水素排出出口２２を連結する水素流路２５を黒矢印に簡単化し強調して示してある。
【００３３】
図４の部分詳細図に示すように、第３セル１３の水素供給入口２１と水素流路２５との間に遮断部材２６が裝着される。
遮断部材２６は、水素流路２５が形成されている分離板２０の水素流路２５の入口先端に裝着され、水素が供給される水素流路を部分的に遮断することにより、第３セル１３に水素供給不足を誘起させる。
【００３４】
また、遮断部材２６は、第３セル１３を除いた他のセル及びセル内に供給される水素の供給経路に影響を及ぼすことなく、第３セル１３にだけ水素供給不足を起こさせることができるように形成される。
【００３５】
具体的には、図３に示すスタック１０の水素供給マニホールド（積層された各セル１１〜１５の水素供給入口が連結されて形成される。図示しない。）に流入された水素は第１セル１１、第２セル１２、第４セル１４、及び第５セル１５には供給不足になることなく円滑に供給されるが、第３セル１３は遮断部材２６により水素供給が一部遮断されて水素供給不足が誘発されるように、遮断部材２６が配置される。
【００３６】
大部分が正常に水素が供給されるスタック１０内の１つのセルにおける局所的な水素不足による逆電圧挙動をシュミレートするために、遮断部材２６は、剛性（Ｓｔｉｆｆｎｅｓｓ）に優れた高分子や金属材料を用いてフィルム（Ｆｉｌｍ）状又はシート（Ｓｈｅｅｔ）状に形成される。
【００３７】
また、分離板２０の水素供給入口２１と水素流路２５との間に遮断部材２６を裝着する場合、遮断部材２６は、分離板２０に形成された水素流路２５の入口面積全体の７０％以上９５％以下の面積の水素流路入口に裝着される。
【００３８】
スタック１０は、水素流路入口面積の７０％未満が遮断された場合には、与えられた運転条件では局所的な水素不足による逆電圧があまり発生しないため、逆電圧挙動のシュミレーションが困難であり、入口面積の９５％を超えて遮断した場合には、水素不足が大きくなる過ぎて逆電圧が早く発生してしまうため、正常運転中に突発する一部のセルの急激な性能不全による逆電圧現象のシミュレーションが困難である。
【００３９】
また、実際の燃料電池車両のような高速運転領域までシュミレートするためには、燃料電池スタックを、従来の２００ｍＡ／ｃｍ２よりも高い定電流密度の条件で運転しなければならない。例えば、定電流密度が１，０００ｍＡ／ｃｍ２以上であれば過度な水素不足現象により逆電圧が早く発生するため、スタックの運転のための定電流密度は、２００ｍＡ／ｃｍ２を超え、１，０００ｍＡ／ｃｍ２未満であることが好ましい。
【００４０】
本実施例では第３セル１３の分離板２０だけに遮断部材２６を裝着して水素供給不足を誘導しているが、スタック１０は、これに限定されることはなくスタック１０を構成する全体セルの５０％以下のセルに水素供給不足を誘導するように遮断部材２６を裝着するセルの数を構成すればよい。
【００４１】
例えば、図３に示すように、５つのセル１１〜１５で構成されるスタック１０の場合は、第１セル１１〜第５セル１５から任意に選択した２つのセルに遮断部材を裝着してセルの逆電圧シミュレーション用スタックとして構成してもよい。
更にスタック１０は、分離板２０の一方の端部に設けた水素供給入口２１の下部に空気排出出口２４を形成し、他方の端部に設けた水素排出出口２２の上部に空気供給入口２３を形成しても良い。
【実施例２】
【００４２】
以下に、上述した実施例のような本発明のスタックを用いて、セルの逆電圧挙動をシュミレートして評価した。
比較例は、図２に示す単一セルで構成されるセルの逆電圧シミュレーションスタックを製作し、アノードに水素の代わりに窒素を供給して２００ｍＡ／ｃｍ２の定電流密度の条件下で運転した。
【００４３】
一般に、燃料電池における反応気体の正常供給条件は、アノードの水素化学量論比が１．３以上１．８以下、カソードの空気化学量論比が１．６以上２．５以下であることを意味する。その理由は、水素及び空気化学量論比がそれぞれ１．３及び１．６未満であれば、反応気体供給が不足する状態になり、水素及び空気化学量論比それぞれが１．８及び２．５を超えると、反応気体供給が必要以上に過量になって反応気体の損失が増加するからである。
【００４４】
実施例では、図３に示す５つのセルで構成されるスタック１０を製作し、スタック１０の中央に配置されただい３セル１３のみの分離板の水素供給入口と水素流路との間に約８３％の水素供給を遮断するために、ポリイミド（Ｐｏｌｙｉｍｉｄｅ）フィルム（遮断部材２６）を裝着してスタックの水素供給マニホールドに、水素を正常運転化学量論比として１．５が供給されるように配備し、遮断部材２６が裝着されたセルにだけの水素供給が不足するようなスタックを製作した。スタック１０のアノードに水素を化学量論比＝１．５で供給し、スタック１０のカソードに空気化学量論比＝２．０を供給した。ここで逆電圧挙動を評価するための条件としてセル温度を６５℃にし、相対湿度はアノードとカソードをそれぞれ５０％にした。
【００４５】
スタック全体のアノード（あるいは水素供給入口）に水素を正常に供給し、スタックに４８０ｍＡ／ｃｍ２の中電流密度を加えて運転し、但しスタックの中央に配置された１つのセルの水素流路の入口を遮断部材を用いて遮断し、このセルだけに局所的な水素不足を誘発して各セルの挙動を観察した。
即ち、スタック１０を用いて、水素化学量論比は正常運転条件を維持して運転して、燃料電池の一部の分離板の水素供給入口が過量の液状水、氷またはその他の異物により局所的に詰まって局所的に水素供給不足となる現象をシュミレートした。
【００４６】
その結果、何れの場合も、局所的に水素供給の問題が発生した燃料電池セルは、他の正常セル（Ｎｏｒｍａｌ  Ｃｅｌｌｓ）のように数分以上は正常に運転され、数分後に逆電圧が発生した。即ち、スタック１０は、実際の燃料電池車両において、正常運転状態で１つまたは一部のセルで急激に発生する局所的な逆電圧現象を、実際とほぼ同様にシュミレートすることができた。
【００４７】
このように、スタック１０は、燃料電池車両の始動以後に少なくとも５分以上、０Ｖ以上の電圧で正常運転され、その後、予想外に突然発生する１つのセルの局所的な逆電圧現象を忠実にシュミレートした。
【００４８】
図５は、本発明の比較例の条件で、但し燃料電池のアノードへの水素の供給を完全に遮断し、水素の代わりに窒素ガスを供給して苛酷な水素不足条件におけるセル電圧挙動をシュミレートした比較例の結果を示すグラフである。
図５に示すように、比較例の条件では、燃料電池が正常運転する時間が非常に短いため、比較例のスタックは、２００ｍＡ／ｃｍ２のような低電流密度（Ｌｏｗ  Ｃｕｒｒｅｎｔ  Ｄｅｎｓｉｔｙ）でも約２秒後にはセル電圧が０Ｖ未満に急激に低下して逆電圧が発生し、約５０秒後にはセル電圧が約−２．４Ｖまで低下した。
【００４９】
したがって、比較例のような従来の方法は、実際の燃料電池車両のスタックの、正常に５分以上運転した後に局所的に一部のセルで逆電圧が突然発生するという現象をシュミレートしにくい。
【００５０】
図６は、本発明の実施例の条件でシミュレーション評価した燃料電池スタックの、局所的な水素不足による逆電圧現象を示すグラフである。
図６は、スタック１０に局所的な水素不足を意図的に誘発した場合、水素不足の第３セル１３が、他のセルと同様に約４００秒まで０Ｖ以上で正常運転されるが、その後、セル電圧が低下し６６４秒後にはセル電圧が０Ｖ未満に低下し、７００秒後には−２．２Ｖに到達してセル故障状態になったという結果を示す。
【００５１】
図７は、本発明によるスタックの局所的な水素供給不足を示すシミュレーションの評価開始時（０秒）と評価終了時（７００秒）の、４８０ｍＡ／ｃｍ２における各セルの電圧を示すグラフである。
図７に示すように、上述したような定電流密度（Ｃｏｎｓｔａｎｔ  Ｃｕｒｒｅｎｔ  Ｄｅｎｓｉｔｙ）の条件で運転した場合、第１、第２、第４、及び第５セルのような正常セルはセル電圧があまり変化しなかったが、意図的に局所的な水素供給不足をシミュレーションした第３セル１３は、電圧が急激に減少して明確な逆電圧現象を示すことが分かった。
【００５２】
すなわち、本発明の逆電圧シミュレーション用スタックは、実際の燃料電池車両で起こる、スタックの全体的な水素の化学量論比が１．５という正常運転条件で供給されている場合に、予想外の理由によりセル内部で局所的な水素不足現象が発生してスタックの一部のセルだけで逆電圧が発生する現象を忠実にシュミレートしている。
【００５３】
前記比較例のスタックは、２００ｍＡ／ｃｍ２の低電流密度の条件で運転してもセル電圧の減少が発生し、逆電圧に到達する速度が速すぎて実際の燃料電池車両の低速度状態しかシュミレートできないという短所があったが、実施例のスタックは４８０ｍＡ／ｃｍ２の中電流密度でも５分以上正常運転され、その後に逆電圧に到達するため、燃料電池車両の中速度（Ｍｅｄｉｕｍ  Ｓｐｅｅｄ）以上の走行状態における逆電圧を実態に即してシュミレートできるという長所がある。
【００５４】
図８は、本発明によるスタックの第３セルの局所的な水素供給不足による逆電圧シミュレーションの評価前の電流−電圧セル性能と評価後の電流−電圧セル性能とを比較して示すグラフである。
電流−電圧セル性能は、次のような運転条件で市販の装置を用いて測定した。
１ＫＷ  Ｔｅｓｔ  Ｓｔａｔｉｏｎ、Ｗｏｎ−Ａ  Ｔｅｃｈ  Ｃｏ．、韓国
燃料電池セル入口温度＝６５℃
気体圧力＝常圧（Ｎｅａｒ  Ａｍｂｉｅｎｔ  Ｐｒｅｓｓｕｒｅ）
アノード（水素）／カソード（空気）相対湿度＝５０％／５０％
アノード（水素）／カソード（空気）化学量論比＝１．５／２．０
【００５５】
図８に示すように、第３セルは、逆電圧の発生により全電流密度領域で電流−電圧セル性能が低下した。開回路電圧（Ｏｐｅｎ  Ｃｉｒｃｕｉｔ  Ｖｏｌｔａｇｅ）は、逆電圧の評価前の１．００７Ｖから評価後の０．９５２Ｖに５．５％減少し、セル電圧は、１，５００ｍＡ／ｃｍ２の高電流密度で、逆電圧の評価前の０．５５５Ｖから評価後の０．５３３Ｖに４．０％減少した。
【００５６】
図８に示すような電流−電圧セル性能の減少は、逆電圧で発生した高熱により膜電極接合体及び気体拡散層が激しく損傷したことを示し、本発明のシミュレーション方法が、逆電圧によるセル損傷現象と同様に、あるいはほぼ同様にシュミレートしていることを示す。
【００５７】
実施例の逆電圧の発生による膜電極接合体の損傷程度を形態学的に観察するために、走査電子顕微鏡を用いて逆電圧シミュレーションの評価前後の膜電極接合体のアノード触媒層の表面を観察した。
走査電子顕微鏡：Ｉｎｓｐｅｃｔ  ＴＭ、ＦＥＩ  Ｃｏ．、米国
【００５８】
通常、逆電圧による過度な熱の発生時に生成される膜電極接合体内のピンホールの長さ×幅のサイズは最小で０．２ｍｍ×０．２ｍｍないしそれ以上であり、激しい逆電圧条件下で生成するピンホールは、数ｍｍ×数ｍｍ以上になることもある。
【００５９】
図９は、本発明の逆電圧シミュレーションの評価前後の膜電極接合体のアノード触媒層の表面を走査電子顕微鏡を用いて観察して示す図面であり、（ａ）は、逆電圧シミュレーションの評価前の新品状態の膜電極接合体のアノード表面を５０倍に拡大した写真であり、（ｂ）及び（ｃ）は、逆電圧シミュレーションの評価後の第３セルの膜電極接合体のアノード表面を、それぞれ５０倍及び１００倍に拡大した写真である。
【００６０】
図９の（ｂ）及び（ｃ）に示すように、逆電圧条件で発生した熱により、膜電極接合体のアノード表面に、０．７ｍｍ（長さ）×０．５ｍｍ（幅）のピンホールが発生したが、これは実施例の条件が逆電圧で発生するピンホールの生成現象を忠実にシュミレートしている。
【００６１】
異物を更に詳しく分析するために元素分析を実施した。
測定機器：エネルギー分散型Ｘ線分光器  Ｓｙｓｔｅｍ−６、Ｔｈｅｒｍｏ  Ｎｏｒａｎ  Ｉｎｃ．、米国製
【００６２】
図１０は、本発明の実施例で膜電極接合体のエネルギー分散型Ｘ線分光器による元素分析の結果を示すグラフであり、（ａ）は膜電極接合体の結果示すグラフであり、（ｂ）は、ピンホールの近くに付着した異物の結果を示すグラフである。
図１０の（ａ）に示すように、膜電極接合体のアノード触媒層からは、白金（Ｐｔ）、フッ素（Ｆ）などのような典型的な膜電極接合体触媒層の元素が検出された。しかし、ピンホールの近くに付着した異質物からは、図１０の（ｂ）のように多量の炭素と一部のフッ素が検出されたが、これは典型的な気体拡散層の微細気孔層の元素構成と一致する。
このようなピンホールの周囲には、気体拡散層の微細気孔層が破損して飛散したものであると推定される異物が付着していることを観察することができた。
【００６３】
したがって、実施例の逆電圧条件で発生した熱により膜電極接合体にピンホールが発生し、また、気体拡散層の微細気孔層がピンホールの近くに付着したことが分かる。また、このような逆電圧シミュレーション条件が、実際の燃料電池車両で発生する局所的な水素不足による一部のセルの逆電圧挙動だけでなく、膜電極接合体及び気体拡散層の破損現象も実態に即して形態学的に証明されるように精密にシュミレートしていることが分かった。
【００６４】
以上、本発明に関する好ましい実施形態を説明したが、本発明は前記実施形態に限定されず、本発明の属する技術範囲を逸脱しない範囲での全ての変更が含まれる。
【符号の説明】
【００６５】
１０      セルの逆電圧シミュレーション用スタック（スタック）
１１      第１セル
１２      第２セル
１３      第３セル
１４      第４セル
１５      第５セル
２０      第３セルの分離板
２１      水素供給入口
２２      水素排出出口
２３      第空気供給入口
２４      空気排出出口
２５      水素流路
２６      遮断部材
【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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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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