(57)【要約】【課題】検査時間の短縮化が可能な燃料電池の検査方法を提供する。【解決手段】燃料電池の検査方法は、水素含有ガスを用いて発電を行うセルスタックを備えた燃料電池において、ガスのリークを検査する。セルスタックは、保持部材上に立設され、セルスタック上には、セルスタックから排出されるオフガスを燃焼させる燃焼部が形成される。セルスタックには、その下部において一端側から水素含有ガスが供給されている。燃料電池の検査方法は、燃料電池を起動させる起動工程と、燃料電池による発電開始前において、燃焼部の温度が燃料電池の定格発電時における温度以上で所定時間継続すると共に、燃焼部の温度上昇速度が一定値以下となった後に、燃料電池を停止させる停止工程と、停止工程中もしくは停止工程の後、リークの有無を検査する検査工程と、を含む。【選択図】図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
水素含有ガスを用いて発電を行うセルスタックを備えた燃料電池において、ガスのリークを検査するための検査方法であって、
前記セルスタックは、保持部材上に立設され、
前記セルスタック上には、前記セルスタックから排出されるオフガスを燃焼させる燃焼部が形成され、
前記セルスタックには、その下部において一端側から前記水素含有ガスが供給されており、
前記燃料電池を起動させる起動工程と、
前記燃料電池による発電開始前において、前記燃焼部の温度が前記燃料電池の定格発電時における温度以上で所定時間継続すると共に、前記燃焼部の温度上昇速度が一定値以下となった後に、前記燃料電池を停止させる停止工程と、
前記停止工程中もしくは前記停止工程の後、前記リークの有無を検査する検査工程と、を含むことを特徴とする燃料電池の検査方法。
【請求項２】
前記セルスタックには、セルが複数配列されていることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池の検査方法。
【請求項３】
前記停止工程では、前記燃焼部の温度上昇速度が前記一定値以下となった状態が一定時間継続した場合に、前記燃料電池を停止させることを特徴とする請求項１又は２に記載の燃料電池の検査方法。
【請求項４】
前記停止工程では、前記燃焼部における温度が時間に関する変曲点に達した場合に、前記燃料電池を停止させることを特徴とする請求項１〜３の何れか一項に記載の燃料電池の検査方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の一側面は、燃料電池の検査方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、燃料電池におけるリークを検査する検査方法として、例えば特許文献１に記載されたものが知られている。特許文献１に記載された検査方法では、供給手段によって燃料電池スタックに検査ガスを供給する際に、温調手段によって燃料電池スタックの温度ないし検査環境雰囲気温度と等温になるように検査ガスを調温される。これにより、燃料電池スタックと検査ガスとの温度差を解消し、燃料電池スタック内部の検査ガスの圧力が安定するまでに要する時間を短縮することが図られている。
【０００３】
このような検査方法の対象となる燃料電池としては、例えば特許文献２に記載されたように、水素含有ガスを用いて発電を行う複数のセルが配列されたセルスタックを備えたものが知られている。特許文献２に記載された燃料電池では、セルスタックが保持部材上に立設され、その下部において一端側から水素含有ガスが供給される。また、この燃料電池においては、セルスタックからのオフガスを燃焼させる燃焼部が当該セルスタック上に形成されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１０−１９８９０９号公報
【特許文献２】特開２０１２−９４３９８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ここで、上述したような燃料電池の検査方法では、燃料電池の起動から発電を経て停止に至る一連の発電試験を、例えば１０〜２０回繰り返すサイクル試験を実施することにより、ガスのリーク（以下、単に「リーク」ともいう）を誘発させている。しかしこの場合には、一連の発電試験に長時間（例えば、１サイクル試験あたり約１５時間以上）を要することから、リークの検査に時間がかかってしまうという問題がある。
【０００６】
本発明の一側面は、上記実情に鑑みてなされたものであり、検査時間の短縮化が可能な燃料電池の検査方法を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記課題を解決するために本発明者らは鋭意検討を重ねた結果、上述の燃料電池においては、セルスタック下部に温度乖離が生じ、この温度乖離による熱膨張差が、リークを発生させるひびや割れ等を誘発するという知見を得た。そして、鋭意検討をさらに重ねた結果、セルスタック下部の温度乖離と燃焼部の温度との間には相関があることを見出し、具体的には、燃料電池による発電開始前であって燃焼部の温度が燃料電池の定格発電時における温度以上で所定時間継続すると共に、燃焼部の温度上昇速度が一定値以下となった場合に、当該温度乖離が大きく拡大するという知見を得た。そこで、燃料電池の始動後、燃焼部の温度が燃料電池の定格発電時における温度以上で所定時間継続すると共に、燃焼部の温度上昇速度が一定値以下となれば、その後においては、セルスタック下部の温度乖離も縮小化してリークに対する影響が小さくなるため、燃料電池を停止しても支障が無いことに想到し、本発明を完成するに至った。
【０００８】
すなわち、本発明の一側面に係る燃料電池の検査方法は、水素含有ガスを用いて発電を行うセルスタックを備えた燃料電池において、ガスのリークを検査するための検査方法であって、セルスタックは、保持部材上に立設され、セルスタック上には、セルスタックから排出されるオフガスを燃焼させる燃焼部が形成され、セルスタックには、その下部において一端側から水素含有ガスが供給されており、燃料電池を起動させる起動工程と、燃料電池による発電開始前において、燃焼部の温度が燃料電池の定格発電時における温度以上で所定時間継続すると共に、燃焼部の温度上昇速度が一定値以下となった後に、燃料電池を停止させる停止工程と、停止工程中もしくは停止工程の後、リークの有無を検査する検査工程と、を含む。
【０００９】
このような燃料電池の検査方法では、燃料電池の起動から発電を経て停止に至る一連の発電試験することなく、リークを発生させるひびや割れ等を誘発させることができる。従って、検査時間の短縮化が可能となる。また、本発明の一側面に係る燃料電池の検査方法では、セルスタックには、セルが複数配列されていてもよい。
【００１０】
また、燃焼部の温度上昇速度が一定値以下となった状態が一定時間継続した場合に、セルスタック下部の温度乖離が最も拡大することがさらに見出される。そこで、停止工程では、燃焼部の温度上昇速度が一定値以下となった状態が一定時間継続した場合に、燃料電池を停止させてもよい。
【００１１】
また、燃焼部における温度が時間に関する変曲点に達した場合に、セルスタック下部の温度乖離が最も拡大することがさらに見出される。そこで、停止工程では、燃焼部における温度が時間に関する変曲点に達した場合に、燃料電池を停止させてもよい。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、検査時間の短縮化が可能な燃料電池の検査方法を提供することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】検査対象となる燃料電池を含む燃料電池システムを示す概略構成図である。
【図２】（ａ）は図１の燃料電池の一例を示す斜視図であり、（ｂ）は図１の燃料電池の他の例を示す斜視図である。
【図３】図２（ａ）のIII−III線に沿う一部拡大断面図である。
【図４】一実施形態に係る燃料電池の検査方法を説明するためのフローチャートである。
【図５】図１の燃料電池における起動時の温度推移を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、本発明の好適な実施形態について、図面を参照して詳細に説明する。なお、以下の説明において同一又は相当部分には同一符号を付し、重複する説明を省略する。
【００１５】
図１は、検査対象となる燃料電池を含む燃料電池システムを示す概略構成図である。図１に示すように、本実施形態に係る燃料電池の検査方法は、燃料電池１におけるガスのリークを検査するためのものである。そこで、まず、検査対象となる燃料電池１を含む燃料電池システム１００について説明する。
【００１６】
燃料電池システム１００は、燃料電池１と、脱硫器２と、改質器３と、燃焼部４と、を少なくとも備えている。燃料電池システム１００は、水素原子含有燃料及び酸化剤を用いて発電を行う。水素原子含有燃料としては、例えば、炭化水素系燃料が用いられる。炭化水素系燃料として、分子中に炭素と水素とを含む化合物（酸素等、他の元素を含んでいてもよい）若しくはそれらの混合物が用いられる。炭化水素系燃料として、例えば、炭化水素類、アルコール類、エーテル類、バイオ燃料が挙げられ、これらの炭化水素系燃料は従来の石油・石炭等の化石燃料由来のもの、合成ガス等の合成系燃料由来のもの、バイオマス由来のものを適宜用いることができる。
【００１７】
具体的には、炭化水素類として、例えばメタン、エタン、プロパン、ブタン、天然ガス、ＬＰＧ（液化石油ガス）、都市ガス、タウンガス、ガソリン、ナフサ、灯油、軽油が挙げられる。アルコール類として、メタノール、エタノールが挙げられる。エーテル類として、ジメチルエーテルが挙げられる。バイオ燃料として、バイオガス、バイオエタノール、バイオディーゼル、バイオジェットが挙げられる。酸化剤として、例えば、空気、純酸素ガス（通常の除去手法で除去が困難な不純物を含んでもよい）、酸素富化空気が用いられる。
【００１８】
脱硫器２は、改質器３に供給される水素原子含有燃料の脱硫を行う。脱硫器２は、水素原子含有燃料に含有される硫黄化合物を除去するための脱硫触媒を有している。脱硫器２の脱硫方式として、例えば、硫黄化合物を吸着して除去する吸着脱硫方式や、硫黄化合物を水素と反応させて除去する水素化脱硫方式が採用される。脱硫器２は、脱硫した水素原子含有燃料を改質器３へ供給する。
【００１９】
改質器３は、水素原子含有燃料を改質触媒によって改質し、水素リッチガスである改質ガス（水素含有ガス）を発生させる。改質器３は、発生させた改質ガスを燃料電池１へ供給する。改質器３での改質方式は、特に限定されず、例えば、水蒸気改質反応（ＳＲ）、部分酸化改質反応（ＰＯＸ）、オートサーマル改質反応（ＡＴＲ）、その他の改質方式を採用できる。改質器３には、脱硫器２から水素原子含有燃料が供給されると共に、必要に応じて空気等の酸化剤や水が供給される。この改質器３は、供給された水を加熱し気化させることによって水蒸気を生成する水気化部（不図示）を有している。改質器３は、燃焼部４で発生する燃焼熱を受熱可能な位置に配されており、ここでは、燃焼部４の上部において後述のセルスタック５に対向するよう配置されている。
【００２０】
燃料電池１は、改質ガス及び酸化剤を用いて発電を行うものであり、固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ：Solid Oxide Fuel Cell）が採用されている。燃料電池１は、セルスタック５を備えている。セルスタック５は、改質器３から改質ガスが供給されるアノードと、酸化剤が供給されるカソードと、これらの間に配置される電解質と、を有している。セルスタック５は、例えばパワーコンディショナーを介して電力を外部へ供給する。セルスタック５は、発電に用いられなかった改質ガス及び酸化剤をオフガスとして、燃焼部４へ供給する。
【００２１】
燃焼部４は、セルスタック５から排出されるオフガスを燃焼させる領域であり、セルスタック５上に形成されている。ここでは、例えばセルスタック５のアノード出口を改質器３側に開放することにより、改質器３とセルスタック５との間における空間が燃焼部４として画成される。燃焼部４によって発生する熱は、改質器３での改質ガスの発生に用いられる。燃焼部４からの排ガスは、例えば排気触媒を介して筐体１０外へ排気される。なお、燃焼部４には、イグナイター等の着火手段を適宜用いることができる。
【００２２】
また、燃料電池システム１００は、全体の制御処理を行う制御部１１を備えている。制御部１１は、燃料電池システム１００内で発生する各種信号を取得すると共に、燃料電池システム１００内の各機器へ制御信号を出力する。
【００２３】
図２（ａ）は図１の燃料電池の一例を示す斜視図であり、図２（ｂ）は図１の燃料電池の他の例を示す斜視図である。図３は図２（ａ）のIII−III線に沿う一部拡大断面図である。図２（ａ）及び図３に示すように、燃料電池１は、セルスタック５として、長尺な直方体形状を呈し、ガラス等のシール材７を介してマニホールド（保持部材）６上に立設されている。具体的には、セルスタック５は、立置された状態においてマニホールド６内と連通するように、該マニホールド６に上方から差し込まれて嵌合されている。そして、セルスタック５とマニホールド６との間にシール材７を介在され、これらの間が封止されている。或いは、図２（ｂ）に示すように、燃料電池１においては、燃料電池１は、複数のセルが配列されたセルスタック５’を備えていてもよい（つまり、セルスタック５’には、セルが複数配列されていてもよい）。
【００２４】
このような燃料電池１には、図１及び図２に示すように、マニホールド６の長手方向の端部に設けられた流入口８から、改質器３で発生させた改質ガスが流入される。流入された当該改質ガスは、マニホールド６内を流れると共に、セルスタック５において下部の一端側から供給されて上方へ向かって流通する。
【００２５】
次に、上述した燃料電池１におけるリークを検査する検査方法について、図４のフローチャートを参照しつつ説明する。図４は、一実施形態に係る燃料電池の検査方法を説明するためにフローチャートである。本実施形態の検査方法は、例えば、燃料電池１がシステムに搭載前に実施される検査方法であって、耐久性に問題のあるセルスタック５を選別する方法に関するものである。
【００２６】
図４に示すように、まず、燃料電池１を起動させる（Ｓ１）。具体的には、水素原子含有燃料及び酸化剤を改質器３に供給し、部分酸化改質により改質ガスを生成させると共に、セルスタック５のカソードに酸化剤を供給する。続いて、改質器３の温度が上昇して所定温度に達した場合、改質器３に水を供給し、オートサーマル改質反応により改質ガスを生成させる。その後、改質器３の温度が定常状態に達した場合、改質器３への酸化剤の供給を停止し、水蒸気改質反応により改質ガスを生成させる。
【００２７】
このとき、セルスタック５による発電開始前において、燃焼部４の温度が燃料電池１の定格発電時における温度（以下、「定格発電温度」という）以上で所定時間継続し、且つ、燃焼部４の温度上昇速度が一定速度（一定値）以下か否かを判定する（Ｓ２）。燃焼部４の温度としては、燃焼部４中に配置された温度センサにより検出された温度を用いることができる。温度上昇速度としては、燃焼温度の所定秒間（例えば１０秒間）の移動平均温度と、所定秒前の移動平均温度と、の差を算出してなる１秒当たりの燃焼部４の温度上昇温度（℃／秒）を用いることができる。これら燃焼部４の温度及び温度上昇速度に関しては、以下において同様である。
【００２８】
上記Ｓ２の判定における定格発電温度は、発電の際における燃焼部４の温度計測部と同じ或いはその近傍の温度であることが望ましく、計測部位が複数存在する場合には、それらの何れかで計測された温度を定格発電温度として用いてもよく、例えば複数の計測部位で計測された各温度のうちの低い温度を定格発電温度として用いることができる。
【００２９】
上記Ｓ２の判定における定格発電温度が継続する所定時間は、例えば計測誤差等による温度変動を排除できる時間であり、例えば５分間以上とすることができる。上記Ｓ２の判定における温度上昇速度の一定速度としては、０．０４℃／秒が好ましい。この場合において、上記Ｓ２の判定では、燃焼部４の温度上昇速度が一定速度以下で一定時間継続したかを判定してもよく、当該一定時間は、例えば計測誤差等による温度変動を排除できる時間であり、例えば１分間以上とすることができる。すなわち、上記Ｓ２の判定では、例えば燃焼部４が定格発電温度以上となる時間が５分以上継続した後、燃焼部４の温度上昇速度が０．０４℃／秒以下になることが１分以上継続した場合に、Ｙｅｓとなり後段のＳ３へ移行させることができる。
【００３０】
さらに上記Ｓ２の判定における温度上昇速度の一定速度としては、０．０２℃／秒が一層好ましい。この場合において、上記Ｓ２の判定では、燃焼部４の温度上昇速度が継続する時間によらずに当該判定処理が可能となる。
【００３１】
上記Ｓ２にてＹｅｓの場合、燃料電池１に対する各種供給を停止し、燃料電池１を停止させる（Ｓ３）。一方、上記Ｓ２にてＮｏの場合には、上記Ｓ２の判定を繰り返し実施する。そして、上記Ｓ１〜Ｓ３を1サイクルとし、当該１サイクルの後又は当該１サイクルを複数回繰り返した後、燃料電池１のリークの有無を検査する。
【００３２】
リークの有無を判断する検査方法は、具体的には、セルスタック５上部のセル孔を閉塞し、セルスタック５にガス供給パイプを介して空気や窒素を供給して若干の圧力を加え、この状態で当該セルスタック５ごと水没させ、リーク発生箇所（リーク部分）からの気泡を確認する。或いは、セルスタック５にガス供給パイプを介してヘリウムを供給した後、ヘリウムリークディテクターを用いてリーク発生箇所から漏れ出るヘリウムを検知することで、リーク発生箇所を特定する。
【００３３】
次に、本実施形態における上記検査方法の作用効果について説明する。図５は、燃料電池における起動時の各箇所の温度推移を示すグラフである。図中の横軸は時間を示し、図中の縦軸は、燃料電池１下部の温度、燃焼部４の温度、及び燃焼部４の温度上昇速度を示している。ここでの温度は、基準値に対する相対値で示されている。
【００３４】
図中の燃料電池１下部の温度に関して、曲線Ａは、セルスタック５下部におけるマニホールド６周辺の温度であって長手方向一端側（改質ガスが供給される流入口８側）の温度を示している。曲線Ｂは、セルスタック５下部におけるマニホールド６周辺の温度であって長手方向他端側（改質ガスが供給される流入口８側と反対側）の温度を示している。その他の曲線は、セルスタック５下部におけるマニホールド６周辺の温度であって長手方向一端と他端との間の各位置の温度を示している。また、曲線Ｃは燃焼部４の温度を示し、波形Ｄは燃焼部４の温度上昇速度を示している。
【００３５】
燃料電池１においては、シール材７にてリークが発生し易いことが見出されるところ、図５に示すように、セルスタック５下部にて温度乖離（図中の曲線Ａ，Ｂに示される乖離）が生じ、この温度乖離による熱膨張差が、リークを発生させるひびや割れ等を誘発する可能性があると想定できる。そして、セルスタック５下部の温度乖離と燃焼部４の温度との間には相関があり、セルスタック５による発電開始前であって燃焼部４の温度が定格発電温度で所定時間継続し、且つ燃焼部４の温度上昇速度が一定速度（例えば０．０４℃／秒）以下となった場合に、当該温度乖離が大きく拡大することがわかる。よって、始動後に燃焼部４の温度が所定温度以上で所定時間継続し且つ燃焼部４の温度上昇速度が一定速度以下となれば、その後においては、セルスタック５下部の温度乖離も縮小化してリークに対する影響が小さくなり、燃料電池１を停止しても、リークの誘発に支障が無いことが見出される。
【００３６】
この点、本実施形態では、燃料電池１による発電開始前で、燃焼部４が定格発電温度以上で所定時間継続すると共に燃焼部４の温度上昇速度が一定値以下となった後に、燃料電池１を停止させる（上記Ｓ２，Ｓ３）。すなわち、燃料電池１を起動後、セルスタック５下部の温度差が最も拡大する時点αの後であって発電工程に至る前の所定工程で、燃料電池１を停止させる。これにより、燃料電池１の起動から発電を経て停止に至る一連の発電試験することなく、リークを発生させるひびや割れ等が誘発させることができ、熱膨張による影響を受けやすい部分のリーク検査を効率的に実施することができる。従って、燃料電池１のリークの検査に係る検査時間を短縮化することが可能となる。
【００３７】
また、燃焼部４の温度上昇速度が一定速度以下となった状態が一定時間継続した場合に、セルスタック５下部の温度乖離が最も拡大することがさらに見出される。そこで、本実施形態では、上述したように、燃焼部４の温度上昇速度が一定値以下となった状態が一定時間継続した場合に、燃料電池１を停止させることもできる。
【００３８】
以上、本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限られるものではなく、各請求項に記載した要旨を変更しない範囲で変形し、又は他のものに適用したものであってもよい。
【００３９】
例えば、上記Ｓ２の判定では、燃焼部４における温度が時間に関する変曲点に達しているか否かをさらに判定し、変曲点に達している場合に上記Ｓ３で燃料電池１を停止させてもよい。変曲部分とは、時間に関する燃焼部４の温度曲線上において、変化する方向が変わる点又は曲率の符号が変化する点である。
【００４０】
また、上記Ｓ２の判定では、改質器３がオートサーマル改質反応によって改質ガスを生成しているか否かをさらに判定し、オートサーマル改質反応が終了する場合に上記Ｓ３で燃料電池１を停止させてもよい。この場合、改質器３で水蒸気改質反応が開始される前に燃料電池１を停止できるため、改質器３に水を供給する水供給ラインを不要にでき、装置の簡略化が可能となる。また、オートサーマル改質反応によって改質された改質ガスがセルスタック５に供給されることから、当該セルスタック５の還元が可能であり、セルスタック５の酸化に対する影響を抑えることができる。
【００４１】
上記実施形態において、燃料電池１のリークの有無を検査する手法は特に限定されず、種々の方法が可能であり、例えば、燃料電池１を停止させる上記Ｓ３中にリークを検出してもよいし、上記Ｓ３の後にリークを検出してもよい。また、上述したように検知ガスを供給してそのリークを検出してもよいし、燃料電池１の運転状態に基づきリークを検出してもよい。また、リークの検査ついては、発電試験による電圧低下によっても判断することができ、例えば、上記１サイクルを複数繰り返し実施した後、発電試験を行って発電性能を計測し、電圧の低下度合等に基づいてリークの有無を推測することも可能である。
【符号の説明】
【００４２】
１…燃料電池、４…燃焼部、５…セルスタック、６…マニホールド（保持部材）。
【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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