(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
電池電圧Ｕを検出することによって高分子電解質型燃料電池（２）のアノードガス空間（４）とカソードガス空間（６）との間のガス漏れ（32）を検知するガス漏れ検知方法において、第１の期間で、アノードガス空間（４）およびカソードガス空間（６）が窒素（N2）によって洗浄され、第２の期間で、カソードガス空間（６）に酸素（O2）が、アノードガス空間（４）に水素（H2）が充填され、引き続いて酸素（O2）の大部分がカソードガス空間（６）から除去され、その後限界値UG以下への時間に依存する電池電圧Ｕの低下が測定されて評価されることを特徴とするガス漏れ検知方法。
【請求項２】
測定中、アノードガス空間（４）および／またはカソードガス空間（６）が閉じられることを特徴とする請求項１記載のガス漏れ検知方法。
【請求項３】
第１の期間と第２の期間との間に、アノードガス空間（４）およびカソードガス空間（６）から窒素（N2）が除去されることを特徴とする請求項１又は２記載のガス漏れ検知方法。
【請求項４】
限界値UGが高分子電解質型燃料電池（２）の無負荷電圧の半分であることを特徴とする請求項１乃至３の１つに記載のガス漏れ検知方法。
【請求項５】
電池電圧Ｕが15s〜20sの間測定されることを特徴とする請求項１乃至４の１つに記載のガス漏れ検知方法。
【発明の詳細な説明】
本発明は、高分子電解質型（PEM）燃料電池のアノードガス空間とカソードガス空間との間のガス漏れを検知するガス漏れ検知方法に関する。
よく知られているように、水の電気分解においては、電流を流すことによって水分子が水素と酸素に分解される。燃料電池においては、この過程が逆向きに進行する。水素と酸素が電気化学的に結合して水になるとき、高い効率で電流が発生する。また、燃料ガスとして純粋水素を用いれば、有害物質や二酸化炭素の放出もない。燃料電池は、工業用燃料ガス、例えば天然ガスや石炭ガスを用い、純粋酸素の代わりに空気あるいはO2濃縮した空気を用いても、化石燃料により運転される他の発電装置に比較して明らかに有害物質の発生が少なく、また二酸化炭素の発生も少ない。燃料電池の原理の工業化は、多くの様々な解決策に則って進められており、種々の電解質と、80℃から1000℃の運転温度が用いられている。燃料電池は運転温度によって低温燃料電池、中温燃料電池ならびに高温燃料電池に分類され、これらはさらに様々な技術上の実施形態によって区分される。
プラスチックの固体電解質体（高分子電解質膜、すなわちPEM）を用いた燃料電池は、上記の基本的な長所に加えて、運転温度が低いこと（80℃、あるいはそれ以下）、過負荷特性に優れていること、電圧低下が少ないこと、長寿命であること、負荷サイクル特性および温度サイクル特性に優れていること、流体状の腐食性電解質が不要であること等のプラスの特性を備えている。さらに、この燃料電池は、酸素の代わりに周囲の空気を使用して運転するのに適している。空気を用いて運転する高分子電解質型燃料電池は、これらのすべての特性を備えているので、例えば自動車の排ガスのない電気駆動用としてほぼ理想的な発電装置である。
専門書では“スタック”とも呼ばれる燃料電池ブロックは、通常、平板状に形成され互いに積層された多数の燃料電池より組み立てられる。燃料電池ブロックは、単独ては運転できないので、一般に、燃料電池ブロックと、駆動部と、付属の電子回路モジュールとを包括して燃料電池モジュールが構成される。駆動部には、例えば水素（H2）、酸素（O2）あるいは周囲からの空気等の作動媒体の供給装置、生成水の排出装置、損失熱の排出装置、作動媒体の加湿装置、および不活性ガス成分の排出装置が含まれる。
高分子電解質型燃料電池モジュールの運転中に、個々の高分子電解質型燃料電池に故障が生じると、高分子電解質型燃料電池モジュール全体の運転に支障をきたす。例えば膜・電極結合体に漏れが生じて高分子電解質型燃料電池のアノードガス空間からカソードガス空間へガスの移動が生じると、触媒を通して水素（H2）と酸素（O2）の熱反応を引き起こす可能性がある。問題は、アノードガス空間とカソードガス空間との間のガス漏れを迅速に検知することと、高分子電解質型燃料電池モジュールの損傷した燃料電池を同定することである。
燃料電池のアノードガス空間とカソードガス空間との間のガス漏れの従来技術による公知の検知方法においては、これらの間に圧力差が生じ、この圧力差の速度変化が評価される。したがって、この方法においては圧力が測定される。この方法は、燃料電池モジュールを構成する多数の燃料電池を全体として測定するものであり、燃料電池モジュール中の損傷した個々の燃料電池を同定することは不可能である。さらに、この方法は感度が低いので、燃料電池モジュール中の小さな漏れの検知には適していない。
本発明の課題は、高分子電解質型燃料電池のアノードガス空間とカソードガス空間との間のガス漏れを十分高い感度で検知する検知方法を提供することにある。
この課題は、本発明によれば、電池電圧Ｕを検出することによって高分子電解質型燃料電池のアノードガス空間とカソードガス空間との間のガス漏れを検定するガス漏れ検知方法において、第１の期間で、アノードガス空間およびカソードガス空間が窒素によって洗浄され、第２の期間で、カソードガス空間に酸素が、アノードガス空間に水素が充填され、引き続いて酸素の大部分がカソードガス空間から除去され、その後限界値UG以下への時間に依存する電池電圧Ｕの低下が測定されて評価されることによって解決される。
アノードとカソードとの間の評価可能な電池電圧Ｕは、高分子電解質型燃料電池の凡そ1Vの無負荷電圧の範囲にある。本方法は、この評価可能な電池電圧Ｕを用いれば、高分子電解質型燃料電池のガス漏れの検知に十分な感度を持つこととなり、技術的に信頼性の高い適用が保証される。各セルはそれぞれ個別に本方法により診断される。全体として測定する方法においては、多数の燃料電池のグループの中に故障した燃料電池があるか否かが決定されるのみで、位置を定めるには不十分であるという欠点をもっていたが、本方法ではこの欠点が回避される。電池電圧Ｕが限界値UG以下へ低下するのが速ければ速いほど、燃料電池内に漏れが存在する確率が高くなる。
測定中にアノードガス空間および／またはカソードガス空間が閉じられると好ましい。これによって作動媒体のさらなる導入が阻止される。偶然生じた漏れの拡大は燃料電池に継続して供給される作動媒体の間の激しい反応により阻止される。
さらに別の実施態様においては、電池電圧Ｕの限界値UGが高分子電解質型燃料電池の無負荷電圧の約半分とされる。無負荷電圧の約半分は凡そ0.5Vである。電圧Ｕが15〜20sの時限内、とくに16s以内に限界値UG以下に低下すれば、この燃料電池に漏れがあると正確に想定される。漏れのない健全に機能している燃料電池においては電池電圧は50sを経過したのちはじめて限界値UG以下に低下する。本方法により、故障した燃料電池が一義的に検知される。
本発明によれば、高分子電解質型燃料電池を備えた燃料電池発電設備は、本方法を実施するための、すなわち窒素を供給し電池電圧を検査ないし測定するための制御装置を備えている。
従属する請求項にその他の好適な実施態様が記載されている。
本発明とそのさらに進んだ構成の理解を容易にするために、図面に基づいて実施例を詳しく説明する。図には高分子電解質型燃料電池発電設備が模式的に示されている。
図のごとく、燃料電池発電設備40は、アノードガス空間４とカソードガス空間６とを有する１個の高分子電解質型燃料電池（電池２）を内蔵している。このアノードガス空間４とカソードガス空間６とは、膜・電極結合体８によって互いに隔てられている。
第１の制御弁12を備えた供給配管10と、第２の制御弁16を備えた排出配管14を介して、作動媒体がアノードガス空間４に供給され、この空間より排出される。これに対応して、第３の制御弁20を備えた供給配管18と、第４の制御弁24を備えた排出配管22を介して、作動媒体がカソードガス空間６に供給され、この空間より排出される。第５の制御弁44を備え分岐して供給配管10,18に開口する別の供給配管42を介して、電池２は窒素（N2）により洗浄される。
制御弁12,16,20,24および44は制御装置46により操作される。
電池２で発生した電流は、導電線28を介して負荷48へ他の利用のために供給される。導電線28にはスイッチ50が接続されており、スイッチ50を閉状態にすれば、電流は電池２より流出する。スイッチ50が開かれると、電流の流れは停止され、電圧計52を接続された導電線26によって電池２の電池電圧Ｕが測定される。
アノードガス空間４とカソードガス空間６との間の膜・電極結合体８のガス漏れ32の検知方法において、第１の期間で、アノードガス空間４とカソードガス空間６とが窒素（N2）により洗浄される。この措置により、アノードガス空間４とカソードガス空間６とは不活性状態となる。この不活性状態を得るためには、他の不活性ガスを用いてもよい。第１の期間において制御弁44,16,24が開かれる。
続いて、排出配管14,22を介して、例えば排気ポンプによって、電池２から窒素（N2）が除去される。
時間的に第１の期間に続く第２の期間において、カソードガス空間６に凡そ2.3barの絶対圧力で酸素（O2）が約1sの間充填される。
その後、カソードガス空間６への供給配管18の弁20が閉じられ、酸素（O2）の供給が停止される。排出配管22を介して酸素（O2）がほぼ完全に除去され、続いて排出配管22の弁24が閉じられる。膜・電極結合体８のカソード30には、カソードガス空間６から除去されなかった酸素（O2）の残存分が吸着によって貯留される。
第２の期間において、弁16が閉じられ、アノードガス空間４に約2.0barの絶対圧力で水素（H2）が凡そ0.1sの間充填される。充填後、供給配管10の弁12が閉じられる。この措置によって、反応可能な水素（H2）の量が、アノードガス空間４の体積、およびこれに付属する供給配管10と排出配管14の一部の体積に制限される。
これらの手順が完了したのち、弁12,16,20,24および44が閉じられて、電池２が周囲から気密に隔離される。燃料電池発電設備40のこの状態において、スイッチ50が開かれ、すなわち電流が流れない状態で、電池２の電池電圧Ｕが測定される。この測定は第２の期間の直後に開始されなければならない。
電池電圧Ｕすなわち無負荷電圧は測定開始時に約1Vの値である。電池２の膜・電極結合体８にガス漏れがない場合、電池電圧Ｕは約1minの時限内に0Vへ低下する。これに対して、電池２にガス漏れがある場合、アノードガス空間４の水素（H2）がカソードガス空間６の酸素（O2）と直接反応するので、電圧は極めて高速で低下する。したがって、ガス漏れが存在すると見なす基準は、電池電圧Ｕが、1minより明らかに短い予め定められた時限内に、無負荷電圧より極めて小さい限界値UG以下に低下することと規定される。
この時限は15〜20sとするべきである。16sの時限は実際上特に有効であり、その場合限界値UGは無負荷電圧の凡そ半分すなわち約0.5Vの値である。電池電圧Ｕがこの時限内にこの限界値UG以下に低下すれば、電池２にガス漏れ32が存在することとなる。
本方法は、無負荷電圧の範囲にある評価可能な電池電圧Ｕに基づいて、十分な感度を有している。若干数の電池よりなる燃料電池ブロックの場合にも、直列接続された多数の電池（例えば５個以下）に対して本方法を適用することができる。勿論、この場合には、電池のこのグループの中に故障した電池があるか否かが決定され得る。この場合、限界値UGは調査されるグループの電池の数に対応させて適合させねばならない。
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