(57)【要約】【課題】燃料電池の性能を詳細に評価することができる燃料電池の評価方法および評価装置を提供する。【解決手段】燃料電池セルのアノード極およびカソード極の一方に燃料ガスを、他方に不活性ガスをそれぞれ導入した状態で前記燃料電池セルに対して半電池計測を実行する。また、半電池計測の実行時に導入される燃料ガスの供給量を変化させる。さらに、半電池計測の実行時に得られる測定結果および燃料ガスの供給量に基づいて、燃料ガスの供給量に対応付けられたターフェルプロットを取得する。【選択図】図１
2011029085.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池を電気化学測定を用いて評価する燃料電池の評価方法において、
燃料電池セルのアノード極およびカソード極の一方に燃料ガスを、他方に不活性ガスをそれぞれ導入した状態で前記燃料電池セルに対して半電池計測を実行するステップと、
前記半電池計測を実行するステップにおいて導入される燃料ガスの供給量を変化させるステップと、
前記半電池計測を実行するステップにより得られる測定結果および前記供給量を変化させるステップにおける前記燃料ガスの供給量に基づいて、前記燃料ガスの供給量に対応付けられたターフェルプロットを取得するステップと、
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】
前記燃料ガスの供給量を変化させるステップでは限界拡散電流に到達しない供給量まで前記燃料ガスの供給量を減少させ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】
前記ターフェルプロットを取得するステップで取得されたターフェルプロットに基づいて前記燃料ガスの供給量に対応する限界電流を求めるステップを備えることを特徴とする請求項１または２に記載の燃料電池の評価方法。
【請求項４】
前記ターフェルプロットを取得するステップで取得されたターフェルプロットに基づいて前記限界電流と前記燃料ガスの供給量の下限流量との関係を求めるステップを備えることを特徴とする請求項３に記載の燃料電池の評価方法。
【請求項５】
前記ターフェルプロットを取得するステップで取得されたターフェルプロットに基づいて前記燃料ガスの供給量の削減幅と過電圧変化との関係を求めるステップを備えることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の燃料電池の評価方法。
【請求項６】
燃料電池を電気化学測定を用いて評価する燃料電池の評価装置において、
燃料電池セルのアノード極およびカソード極の一方に燃料ガスを、他方に不活性ガスをそれぞれ導入した状態で前記燃料電池セルに対して半電池計測を実行する計測手段と、
前記半電池計測を実行するステップにおいて導入される燃料ガスの供給量を変化させる供給量制御手段と、
前記半電池計測を実行するステップにより得られる測定結果および前記供給量を変化させるステップにおける前記燃料ガスの供給量に基づいて、前記燃料ガスの供給量に対応付けられたターフェルプロットを取得するターフェルプロット取得手段と、
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、燃料電池を電気化学測定を用いて評価する燃料電池の評価方法および評価装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池における発電時には、アノードに燃料（水素ガス）を、カソードに酸化剤（エアー）を、それぞれ供給し、それらの供給ガスの化学反応によって電子を発生させる。供給ガスが１００％反応し、電気エネルギーに変換されたと仮定した場合、下記の（１）式に基づいて、負荷電流から理論的に消費ガス体積を算出できる。
【０００３】
【数１】
2011029085.tif 000003
【０００４】
しかし、供給ガスのすべてが反応に使われることはなく、実際には供給したガスのうち一部は消費されずに排出される。そのため、負荷電流から求まる理論的な消費体積分の流量より大きな流量を供給して燃料電池を運転する。通常、アノード燃料利用率が８０〜９０％となるように供給流量が制御される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開平０７−０２２０４７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
燃料電池の運転時には、一部の燃料が消費されずに排出されるため、燃料の無駄が生じる。燃料を再循環させることで利用率を向上させることも可能だが、システムの複雑化を招く。そのため、燃料の無駄が最小限で済むように、運転条件に応じて最適な供給流量を選定する必要がある。
【０００７】
最適流量を求める方法として、発電時に負荷をかけた際の参照電極に対する単極のＩ−Ｖ特性をモニタしつつ、流量を制御することも可能である。しかし、発電の際には出力電圧低下の原因として生成水の滞留による物質移動起因のものや、発熱乾燥によるイオン伝導度低下に起因するものなど、多くの要素が含まれており、どの影響をどの程度受けているのかを分離抽出することは困難である。また、低負荷運転時など出力が小さくてもよい場合でも、余分な燃料を供給してしまう可能性もある。そこで、電池全体としての性能を向上させるためには、非発電状態で単極性能評価を行い、実質的なガス利用特性を把握する必要がある。
【０００８】
本発明の目的は、燃料電池の性能を詳細に評価することができる燃料電池の評価方法および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】
【０００９】
本発明の燃料電池の評価方法は、燃料電池を電気化学測定を用いて評価する燃料電池の評価方法において、燃料電池セルのアノードおよびカソードの一方に燃料ガスを、他方に不活性ガスをそれぞれ導入した状態で前記燃料電池セルに対して半電池計測を実行するステップと、前記半電池計測を実行するステップにおいて導入される燃料ガスの供給量を変化させるステップと、前記半電池計測を実行するステップにより得られる測定結果および前記供給量を変化させるステップにおける前記燃料ガスの供給量に基づいて、前記燃料ガスの供給量に対応付けられたターフェルプロットを取得するステップと、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、燃料電池セルに対して半電池計測を実行し、燃料ガスの供給量に対応付けられたターフェルプロットを取得するので、燃料電池の性能を詳細に評価することができる。
【００１０】
前記燃料ガスの供給量を変化させるステップでは限界拡散電流に到達しない供給量まで前記燃料ガスの供給量を減少させてもよい。
【００１１】
前記ターフェルプロットを取得するステップで取得されたターフェルプロットに基づいて前記燃料ガスの供給量に対応する限界電流を求めるステップを備えてもよい。
【００１２】
前記ターフェルプロットを取得するステップで取得されたターフェルプロットに基づいて前記限界電流と前記燃料ガスの供給量の下限流量との関係を求めるステップを備えてもよい。
【００１３】
前記ターフェルプロットを取得するステップで取得されたターフェルプロットに基づいて前記燃料ガスの供給量の削減幅と過電圧変化との関係を求めるステップを備えてもよい。
【００１４】
本発明の燃料電池の評価装置は、燃料電池を電気化学測定を用いて評価する燃料電池の評価装置において、燃料電池セルのアノードおよびカソードの一方に燃料ガスを、他方に不活性ガスをそれぞれ導入した状態で前記燃料電池セルに対して半電池計測を実行する計測手段と、前記半電池計測を実行するステップにおいて導入される燃料ガスの供給量を変化させる供給量制御手段と、前記半電池計測を実行するステップにより得られる測定結果および前記供給量を変化させるステップにおける前記燃料ガスの供給量に基づいて、前記燃料ガスの供給量に対応付けられたターフェルプロットを取得するターフェルプロット取得手段と、を備えることを特徴とする。
この燃料電池の評価装置によれば、燃料電池セルに対して半電池計測を実行し、燃料ガスの供給量に対応付けられたターフェルプロットを取得するので、燃料電池の性能を詳細に評価することができる。
【発明の効果】
【００１５】
本発明の燃料電池の評価方法によれば、燃料電池セルに対して半電池計測を実行し、燃料ガスの供給量に対応付けられたターフェルプロットを取得するので、燃料電池の性能を詳細に評価することができる。
【００１６】
本発明の燃料電池の評価装置によれば、燃料電池セルに対して半電池計測を実行し、燃料ガスの供給量に対応付けられたターフェルプロットを取得するので、燃料電池の性能を詳細に評価することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】燃料電池セルに対しハーフセル測定を行う際の構成を示すブロック図。
【図２】単一電極反応の分極曲線を示す図。
【図３】ハーフセル測定の計測結果を示す図であり、（ａ）はターフェルプロットを例示する図、（ｂ）は同一の燃料電池について燃料の流量を変化させつつ過電圧を計測した結果を示す図。
【図４】ターフェルプロットに基づく評価結果を示す図であり、（ａ）は燃料の流量とその時の下限電流（Ｑm）との関係を示す図、（ｂ）はＱ0を基準とする燃料の削減量と、流量を減らしたことによる過電圧の変化との関係を示す図。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
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。
【００１９】
図１は、燃料電池セル（単セル）に対しハーフセル測定を行う際の構成を示すブロック図である。図１は、アノード極測定を行う場合を示している。測定時には、カソードおよびアノードの接続関係を入れ替えることで、後述するアノード極測定の場合と同様の方法でカソード極についても測定、評価できる。
【００２０】
図１に示すように、燃料電池セル１０は、白金電極触媒（Ｐｔ／Ｃ触媒）が表面に修飾された固体高分子型電解質膜１を、それぞれガス拡散層を有するアノード極２およびカソード極３で挟み込んで構成される。アノード極２には、互いに絶縁されたアノード本電極２Ａとアノード分割電極２Ｂとが形成されている。また、カソード極３には、アノード本電極２Ａに対向するカソード本電極３Ａが形成されている。
【００２１】
また、アノード本電極２Ａは作用極として、アノード分割電極２Ｂは参照極として、カソード本電極３Ａは対極として、それぞれ計測手段としてのポテンシオスタット４に接続されている。ポテンシオスタット４には計測結果を記録するレコーダ５が接続され、レコーダ５には演算装置６が接続される。図１に示すように、演算装置６はターフェルプロット取得手段６１および評価部６２を構成する。
【００２２】
次に、本発明による評価方法の手順について説明する。
【００２３】
アノード極２には燃料としての水素ガスを、カソード極３には窒素ガスを、それぞれ供給する。これにより、作用極（アノード本電極２Ａ）および参照極（アノード分割電極２Ｂ）に水素ガスが、対極（カソード本電極３Ａ）に窒素ガスが、それぞれ供給される。これらのガスの供給量は供給量制御手段としての流量制御装置７によって制御される。
【００２４】
電位規制はポテンシオスタット４により行い、レコーダ５で測定値を記録する。このとき、参照極（アノード分割電極２Ｂ）を基準として作用極（アノード本電極２Ａ）の電位を高電位に制御し、それぞれの規制電位で充分時間が経過した後の定常状態における電流値をデータとして記録する。演算装置６のターフェルプロット取得手段６１は、流量制御装置７を介して燃料の供給量を制御しつつ、レコーダ５に記録されるデータを取得する。これによりレコーダ５のデータは、燃料の供給量の関数としてのターフェルプロットとして取得される。また、演算装置６の評価部６２は、ターフェルプロット取得手段６１により取得されたターフェルプロットに基づく後述の各種評価（図３〜図４）を実行する。
【００２５】
図２は単一電極反応の分極曲線を示す図である。
【００２６】
図２に示すように、分極曲線では反応物質の活性化に起因する活性化過電圧と、反応物質の拡散に起因する濃度過電圧が観測される。燃料が充分に導入されている場合、図２の実線で示すように、バトラー・ボルマーの式に基づく曲線となり、過電圧が大きくなると限界拡散電流（ＩDa）に達する。しかし、燃料が充分に導入されていない場合、図２の点線で示すように、燃料の供給効率が悪くなるために過電圧がより大きくなる。また、過電圧が大きくなると燃料のほとんどが消費されて限界電流（ＩLa）に達し、性能は急激に低下する。
【００２７】
図３（ａ）は、本発明において取得されるターフェルプロットを例示する図である。
【００２８】
図３（ａ）に示す例では、燃料電池Ｘおよび燃料電気Ｙについて単極性評価を行っている。図３（ａ）において、異なる燃料電池Ｘ，Ｙに対して充分な流量（Ｑ0）の燃料を与えた場合のターフェルプロットを、それぞれＱ0X，Ｑ0Yとして示している。このように充分な燃料を与えた場合のターフェルプロットに基づいて、燃料電池Ｘ，Ｙの単極性能を評価することができる。
【００２９】
しかし、実際の使用する際の負荷電流領域が分かっている場合、その領域内で限界電流に達しない程度に燃料の流量を抑えて測定することで実使用範囲内における性能の評価ができる。図３（ａ）において、燃料電池Ｘ，Ｙに対し、抑制した流量（Ｑ1）の燃料を与えた場合のターフェルプロットを、それぞれＱ1X，Ｑ1Yとして示している（Ｑ1＜Ｑ0）。このように、流量を抑制した状態でのターフェルプロットを得ることにより、燃料の流量を減らした場合における燃料電池Ｘ，Ｙの性能比較をすることもできる。
【００３０】
図３（ｂ）は同一の燃料電池について燃料の流量を変化させつつ過電圧を計測した結果を示す図である。
【００３１】
この例では、燃料電池の流量を充分な流量（Ｑ0）およびより抑制された流量（Ｑ1，Ｑ2）の３点で測定している（Ｑ0＞Ｑ1＞Ｑ2）。燃料の流量をＱ1とした場合、流量がＱ0の場合よりも過電圧が多少大きくなるが、ＩAまで電流を引くことができる。しかし、ＩA以上の電流を引くことはできず、電池性能は急激に悪化する。同様に、燃料の流量をＱ2とした場合、ＩBまで電流を引くことができるがそれ以上の電流を引くことはできず、電池性能は急激に悪化する。
【００３２】
また、同じ流量でも過電圧の変化の度合いは負荷電流で大きく異なる。例えば、負荷電流がＩAでは、流量がＱ0からＱ1に変化した場合の過電圧の変化はηA1−ηA0と大きいが、負荷電流がＩBでは、流量がＱ0からＱ1に変化した場合の過電圧の変化はηB1−ηB0と大幅に小さくなる。また、負荷電流がＩBの場合には、Ｑ2まで流量を抑えても過電圧の変化は比較的小さい。
【００３３】
また、限界電流に到達する直前のポイント（ηA1，ηB2）が、燃料の利用率が実質的に最も高い運転状態を表している。
【００３４】
図４（ａ）は燃料の流量とその時の下限電流（Ｑm）との関係を示したものであり、図３（ｂ）において、流量Ｑ1における過電圧ηA1のポイント、および流量Ｑ2における過電圧ηB2のポイントに代表される関係を示している。図４（ａ）に示す関係から、どの流量で、最大どれだけの電流が引けるかが分かる。したがって、負荷電流に応じた下限電流（Ｑm）を設定することができる。
【００３５】
図４（ｂ）はＱ0を基準とする燃料の削減量と、流量を減らしたことによる過電圧の変化との関係を示す図である。
【００３６】
図４（ｂ）に示すように、燃料削減量がゼロ、すなわち燃料の供給量がＱ0のとき、最も過電圧が小さく最大の性能を発揮する。例えば、負荷電流を急激に変化させる場合、そのときの過電圧の変化（Δη／ΔＩ）が小さいほど電極が新しい平衡状態に到達するまでの時間が短いので、出力応答性が良好になる。すなわち、燃料の流量を減らしたことによる過電圧の変化（ηA1−ηA0、あるいはηB2−ηB0）が小さいほど、出力応答性のロスは小さい。したがって、高い出力応答性を得たい場合にはある程度の流量を確保する必要がある。一方、車両を一定速度に保って運転するときなど、負荷電流の変化勾配が穏やかな場合には、燃料の流量を下げることである程度のパフォーマンスを保ちつつ、燃料の無駄を減らすことができる。
【００３７】
このように、出力応答性と省エネルギーのウェイト配分に応じた燃料の流量を選択することで、最適な運転状態を得ることができる。
【００３８】
上記のように、本発明の評価方法によれば、燃料の供給量を変えながら半電池計測を行うので、燃料電池の運転に必要な燃料の下限流量等を単極ごとに決定することが可能となる。また、燃料電池の運転に際し、出力応答性と省エネルギーの両者を考慮した燃料の流量制御を行うことができる。さらに、例えば生産現場などで電池仕様が確定しており、初期診断で標準品との比較評価により欠陥品の検知を行うような工程において、燃料を節約した検査が可能となる。
【００３９】
上記実施形態では、燃料の供給量のみを変化させつつ半電池計測を行っているが、燃料の供給量に加え、温度や湿度など、他の条件を変化させながらターフェルプロットを取得してもよい。これにより、電池の性能に及ぼす温度や湿度などの影響を評価することができ、実施の運転状況に応じた最も効率的な運転条件を求めることが可能となる。
【００４０】
発電状態で負荷電流をかけている際の、単極の過電圧特性を取得してもよい。この場合、実施の発電状態で負荷電流をかけた際の単極過電圧特性と非発電状態での当該特性とを比較することができるので、より実用的な分析が可能となる。例えば、劣化や生成水に起因する過電圧増大を、他の原因から分離して抽出することができる。また、発電状態時および非発電状態時の特性差を、熱発生などのエネルギーロスや反応効率、および律速状態を評価するための判断材料として利用することができる。
【００４１】
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、燃料電池セルに対して半電池計測を実行し、燃料ガスの供給量に対応付けられたターフェルプロットを取得するので、燃料電池の性能を詳細に評価することができる。
【００４２】
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、燃料電池を電気化学測定を用いて評価する燃料電池の評価方法および評価装置に対し、広く適用することができる。
【符号の説明】
【００４３】
２      アノード極
３      カソード極
４      ポテンシオスタット（計測手段）
７      流量制御装置（供給量制御手段）
１０    燃料電池セル
６１    ターフェルプロット取得手段
【図１】
2011029085.tif 000004
【図２】
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【図３】
2011029085.tif 000006
【図４】
2011029085.tif 000007