(57)【要約】      （修正有）【課題】  初期不良や耐久劣化によって生じるクロスリークやマイクロショートを容易かつ確実に検出する方法を提供することにより、安全性に優れた高分子電解質型燃料電池を実現する。【解決手段】  高分子電解質膜と、前記高分子電解質膜を挟む一対の電極とを備える単電池複数個を、導電性のセパレータ２を介して積層して得られる高分子電解質型燃料電池の運転方法であって、燃料ガス７０および酸化剤ガス６０の供給を停止した後に前記単電池または単電池群の電気出力を検出し、不良単電池または不良単電池群を検出する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
高分子電解質膜と、前記高分子電解質膜を挟む一対の電極とを備え、前記電極の一方に水素を含む燃料ガスが供給され、かつ前記電極の他方に酸素を含む酸化剤ガスが供給されることによって発電する単電池複数個を、導電性のセパレータを介して積層して得られる高分子電解質型燃料電池の運転方法であって、
前記燃料ガスおよび前記酸化剤ガスの供給を停止した後に、前記単電池または単電池群の電気出力を検出し、前記電気出力が所定値以下の場合に、前記単電池または前記単電池群を不良と判別する工程を含むことを特徴とする高分子電解質型燃料電池の運転方法。
【請求項２】
前記燃料ガスおよび前記酸化剤ガスの供給を停止した後に、前記一対の電極の少なくとも一方に、不活性ガス、またはメタンもしくはプロパンを含む原料ガスを供給し、前記不活性ガスまたは前記原料ガスの供給中における前記単電池または前記単電池群の電気出力を検出し、前記電気出力が所定値以下の場合に、前記単電池または前記単電池群を不良と判別することを特徴とする請求項１記載の高分子電解質型燃料電池の運転方法。
【請求項３】
前記電気出力の単位時間当たりの変化量を検出し、前記変化量が所定値以上の場合に、前記単電池または前記単電池群を不良と判別することを特徴とする請求項１または２記載の高分子電解質型燃料電池の運転方法。
【請求項４】
前記所定値が、前記燃料ガスの供給される電極における金属触媒が溶解を開始する電圧値であることを特徴とする請求項１または２記載の高分子電解質型燃料電池の運転方法。
【請求項５】
高分子電解質膜と、前記高分子電解質膜を挟む一対の電極とを備え、前記電極の一方に水素を含む燃料ガスが供給され、かつ前記電極の他方に酸素を含む酸化剤ガスが供給されることによって発電する単電池複数個を、導電性のセパレータを介して積層して得られる高分子電解質型燃料電池であって、
さらに、前記燃料ガスおよび前記酸化剤ガスの供給を停止した後に、前記単電池または単電池群の電気出力を検出し、前記電気出力が所定値以下の場合に、前記単電池または前記単電池群を不良と判別する制御部を有することを特徴とする高分子電解質型燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ポータブル電源、電気自動車用電源および家庭内コージェネレーションシステムなどに使用される高分子電解質型燃料電池の運転方法に関する。より詳細には、本発明は、単電池を積層してなる燃料電池において、不良単電池または不良単電池群を検出する方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
高分子電解質膜を用いた高分子電解質型燃料電池は、水素を含有する燃料ガスと、空気などの酸素を含有する酸化剤ガスとを電気化学的に反応させることで、電力と熱とを同時に発生させる。この高分子電解質型燃料電池においては、水素イオンを選択的に輸送する高分子電解質膜の両面に、白金系の金属触媒を担持したカーボン粉末を主成分とする触媒層が形成されている。この触媒層の外面には、燃料ガスや酸化剤ガスに対する通気性と、電子伝導性とを併せ持つ拡散層が形成されており、この拡散層と触媒層とを合わせて電極を構成している。
【０００３】
そして、供給される燃料ガスや酸化剤ガスが外にリークしたり、これら二種類のガスが互いに混合しないように、電極の周囲には高分子電解質膜を挟むようにガスケットなどのガスシール材が配置される。このガスシール材は、電極および高分子電解質膜と一体化して組み立てられる。このように高分子電解質膜、電極およびガスシール材を一体化して得られるものを、ＭＥＡ（膜電極接合体）と呼ぶ。ＭＥＡの外側には、これを機械的に固定するとともに、隣接したＭＥＡを互いに電気的に直列に接続するための導電性のセパレータが配置される。セパレータのＭＥＡと接触する部分には、電極に燃料ガスや酸化剤ガスを供給し、生成ガスや余剰ガスを運び去るためのガス流路が形成されている。ガス流路はセパレータと別に設けることもできるが、セパレータの表面に溝を設けてガス流路とする方式が一般的である。
【０００４】
この溝に燃料ガスや酸化剤ガスを供給するためは、ガス流路を形成したセパレータに、貫通孔を設け、ガス流路の出入り口をこの貫通孔まで延ばし、この貫通孔から直接燃料ガスや酸化剤ガスを各ガス流路に分岐しながら供給する必要がある。ここで、この各ガス流路に燃料ガスや酸化剤ガスを供給するための貫通孔のことをマニホールド孔と呼ぶ。
また、高分子電解質型燃料電池は運転中に発熱することから、電池を良好な温度状態に維持するために冷却水などを用いて冷却する必要がある。通常、単電池１〜３個毎に冷却水を流す冷却部をセパレータとセパレータとの間に設ける。一般には、セパレータの背面に冷却水流路を設けて冷却部を構成する場合が多い。この場合、セパレータには冷却水を各冷却水流路に分配するためのマニホールド孔を設けることも必要となる。
【０００５】
以上のようなＭＥＡ、セパレータおよび冷却部を交互に重ね、１０〜２００個の単電池を積層して得られる積層体を、集電板と絶縁板を介して端板で挟み、締結ボルトで両端から固定することによって高分子電解質型燃料電池を得るのが一般的である。
ここで、端板には、燃料ガス、酸化剤ガスおよび冷却水それぞれのマニホールド孔に対応して、燃料ガス、酸化剤ガスおよび冷却水の供給および排出のための入口が設けられており、この入口を介してこれら燃料ガス、酸化剤ガスおよび冷却水の供給および排出がなされる。
【０００６】
しかし、上述のような従来の高分子電解質型燃料電池では、高分子電解質膜の初期不良や耐久劣化によるピンホールの発生、およびガスケットの不良などによって、燃料ガスが酸化剤ガス側の電極（酸化剤極）にリークしたり、酸化剤ガスが燃料ガス側の電極（燃料極）にリークしたりするクロスリークが発生するという問題があった。このとき、リークした燃料ガスは酸化剤ガス側の電極の触媒上で酸化剤ガスと直接反応し、この状態が長時間継続されると、反応による局所的な発熱によってピンホールが拡大する。そして、やがては燃料ガスが激しく燃焼し、燃料電池全体が危険な状態に達する可能性があるという問題があった。
【０００７】
また、上述の高分子電解質型燃料電池は、薄い高分子電解質膜を触媒層や拡散層を介して挟んで保持する構造を有するため、局部的に圧力がかかる部分では高分子電解質膜にカーボン繊維が埋まり、マイクロショートが発生する可能性があった。マイクロショートが発生している部分では、微少電流が流れており、通常の発電性能には大きな影響は与えないものの、発熱があるために長時間の使用によってピンホールに発展し、前述のような問題が発生する可能性があった。
これに対しては、例えば特許文献１において、劣化した不良単電池を検出する方法が開示されているが、上記問題を解決するには充分とは言えなかった。
【特許文献１】特開２０００−５８０９５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
そこで、本発明は、上述のような問題に鑑み、初期不良や耐久劣化によって生じるクロスリークやマイクロショートを容易かつ確実に検出する方法を提供することにより、安全性に優れた高分子電解質型燃料電池の運転を実現することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上述のような課題を解決するため、本発明は、高分子電解質膜と、前記高分子電解質膜を挟む一対の電極とを備え、前記電極の一方に水素を含む燃料ガスが供給され、かつ前記電極の他方に酸素を含む酸化剤ガスが供給されることによって発電する単電池を、導電性のセパレータを介して積層して得られる高分子電解質型燃料電池の運転方法であって、
前記燃料ガスおよび前記酸化剤ガスの供給を停止した後に前記単電池または単電池群の電気出力を検出し、前記電気出力が所定値以下の場合に、前記単電池または前記単電池群を不良と判別する工程を含むことを特徴とする高分子電解質型燃料電池の運転方法を提供する。
【００１０】
前記運転方法においては、前記燃料ガスおよび前記酸化剤ガスの供給を停止した後に、前記一対の電極の少なくとも一方に、不活性ガス、またはメタンもしくはプロパンを含む原料ガスを供給し、前記不活性ガスまたは前記原料ガスの供給中における前記単電池または前記単電池群の電気出力を検出し、前記電気出力が所定値以下の場合に、前記単電池または前記単電池群を不良と判別することが好ましい。前記所定値としては、前記燃料ガスの供給される電極における金属触媒が溶解を開始する電圧値であるのが好ましい。
【００１１】
また、前記電気出力の単位時間当たりの変化量を検出し、前記変化量が所定値以上の場合に、前記単電池または前記単電池群を不良と判別してもよい。
さらに、本発明は、高分子電解質膜と、前記高分子電解質膜を挟む一対の電極とを備え、前記電極の一方に水素を含む燃料ガスが供給され、かつ前記電極の他方に酸素を含む酸化剤ガスが供給されることによって発電する単電池複数個を、導電性のセパレータを介して積層して得られる高分子電解質型燃料電池であって、前記燃料ガスおよび前記酸化剤ガスの供給を停止した後に、前記単電池または単電池群の電気出力を検出し、前記電気出力が所定値以下の場合に、前記単電池または前記単電池群を不良と判別する制御部を有することを特徴とする高分子電解質型燃料電池にも関する。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、単電池を積層した燃料電池において、クロスリークあるいはマイクロショートなどが発生している不良単電池が存在する場合には、燃料ガスの供給を停止した後の不良単電池の電圧が他の正常な単電池と比較して極端に早く低下することに着目することによって、クロスリークやマイクロショートの発生を容易にかつ確実に検知できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
本発明者らは、単電池を積層して得られる燃料電池に、クロスリークまたはマイクロショートなどが発生している不良単電池が存在する場合には、燃料ガスおよび酸化剤ガスの供給を停止した後に当該不良単電池の電圧が他の正常な単電池と比較して極端に早く低下することに着目し、クロスリークやマイクロショートの発生を確実に検知することのできる高分子電解質型燃料電池の運転方法を見出した。
【００１４】
すなわち、本発明は、高分子電解質膜と、前記高分子電解質膜を挟む一対の電極とを備え、前記電極の一方に水素を含む燃料ガスが供給され、かつ前記電極の他方に酸素を含む酸化剤ガスが供給されることによって発電する単電池を、導電性のセパレータを介して積層して得られる高分子電解質型燃料電池の運転方法であって、前記燃料ガスおよび前記酸化剤ガスの供給を停止した後に前記単電池または単電池群の電気出力を検出し、前記燃料電池における不良単電池または不良単電池群を検出する。
【００１５】
ここで、本発明のポイントは、単電池を積層してなる燃料電池において、当該単電池または単電池群の電圧、電流またはこれらの変化量を検出することによって、不良単電池または不良単電池群を検出する工程を含む点にあり、単電池の構成などについては特に制限はない。また、単電池群に含まれる単電池の数についても特に制限はない。
前記工程においては、前記燃料ガスの供給を停止した後に、前記燃料ガスの代わりに不活性ガスなどを供給し、前記不活性ガスの供給中における前記単電池の電圧などを検出し、前記燃料電池における不良単電池を検出することが好ましい。これは、クロスリークやマイクロショートを有する単電池において、正常な単電池に比較して、残留している水素と酸素の消費速度が速いことに起因しており、通常運転中に認識困難な微小なリークやショートも検出できるという理由による。
【００１６】
前記不活性ガスとしては、例えば窒素ガス、アルゴンガス、ヘリウムガスなどが挙げられるが、なかでも、比較的容易に入手できるという理由から、窒素ガスを用いるのが好ましい。
また、このときの不活性ガスの供給量としては、５〜３０リットル／分という範囲でよいが、運転状態でＭＥＡに加わる圧力を制限するという理由から、定格圧力損失となる流量であるのが好ましい。
【００１７】
また、前記単電池の電圧値が予め設定された電圧値以下であることを検出することによって、前記燃料電池における不良単電池を検出することが好ましい。すなわち、燃料ガスおよび酸化剤ガスの供給停止または不活性ガスの供給開始から、予め定められた時間（所定時間）が経過した時点での前記単電池の電圧値が、予め設定されたしきい値（所定値）以下であることを検出して燃料電池の不良単電池を検出することが有効である。これは、クロスリークやマイクロショートの問題を有している単電池は、明らかに電圧低下が速く、特に、ある一定の時間帯では正常な単電池との差が顕著になるという理由によるものである。好ましい所定時間およびしきい値については後述の実施例において述べる。
【００１８】
また、不活性ガスは、燃料電池を構成する単電池において、燃料極および酸化剤極の両方に供給してもよいが、燃料極のみに供給してもよい。また、酸化剤極のみに供給してもよい。なかでも、安全性の面より、実際のシステムにおいては、燃料電池を停止する際に常に燃料極を不活性ガスでパージする方式が多く採用されているという理由から、燃料極のみに供給するのが好ましい。
【００１９】
電圧の検出方法には、マルチチャンネルデータロガーや、マルチチャンネルＡＤ変換ボードなどを使用することができる。マルチチャンネルデータロガーとしては、例えばＡｇｉｌｅｎｔ３４９７０Ａなどが挙げられ、マルチチャンネルＡＤ変換ボードとしては、例えばＮＡＴＥＣ社製のＮＡ９８−０１６４などが挙げられる。また、検出された電圧値は、制御用コンピュータ（制御部）に取り込み、当該コンピュータ上で予め設定して記憶させたしきい値を比較される。
以下に、実施例を用いて図面を参照しながら本発明をより具体的に説明するが、本発明はこれらのみに限定されるものではない。
【実施例】
【００２０】
《実施例１》
まず、３０ｎｍの平均一次粒径を有する導電性カーボン粒子であるケッチェンブラックＥＣ（オランダ国、ＡＫＺＯ Ｃｈｅｍｉｅ社製）に、平均粒径約３０Åの白金粒子を担持させた第一の触媒体（５０重量％白金）を酸化剤極側の触媒として用いた。また、ケッチェンブラックＥＣに、平均粒径約３０Åの白金粒子とルテニウム粒子とを担持させた第二の触媒体（２５重量％白金、２５重量％ルテニウム）を燃料極の触媒として用いた。
【００２１】
前記第一の触媒体をイソプロパノールに分散させて得られた分散液と、パーフルオロカーボンスルホン酸の粉末をエチルアルコールに分散させた分散液とを混合し、第一のペーストを得た。スクリーン印刷法によって、厚み２５０μｍのカーボン不織布の一方の面に第一のペーストを塗布して触媒層を形成し、電極（酸化剤極）を作製した。なお、電極作製後の触媒層中に含まれる白金量は０．５ｍｇ／ｃｍ2、パーフルオロカーボンスルホン酸の量は１．２ｍｇ／ｃｍ2となるよう調整した。
【００２２】
同様にして、前記第二の触媒体をイソプロパノールに分散させて得られた分散液と、パーフルオロカーボンスルホン酸の粉末をエチルアルコールに分散させた分散液とを混合し、第二のペーストを得た。スクリーン印刷法によって、厚み２５０μｍのカーボン不織布の一方の面に第二のペーストを塗布して触媒層を形成し、電極（燃料極）を作製した。この場合も、電極作製後の触媒層中に含まれる白金量は０．５ｍｇ／ｃｍ2、パーフルオロカーボンスルホン酸の量は１．２ｍｇ／ｃｍ2となるよう調整した。
【００２３】
次に、作製された燃料極および酸化剤極で、燃料極および酸化剤極より一回り大きい面積を有するプロトン伝導性の高分子電解質膜の中央部を挟み、触媒層と高分子電解質膜とが十分に密着するように、全体をホットプレスによって接合した。ここでは、プロトン伝導性の高分子電解質として、パーフルオロカーボンスルホン酸を薄膜化したもの（米国デュポン社製：ナフィオン１１２）を用いた。さらに、燃料極および酸化剤極の外側部分に位置する高分子電解質膜の部分を両側から挟むように、後述するセパレータと同一の形状に打ち抜かれたガスケットをホットプレスによって接合し、ＭＥＡ（膜電極接合体）を作製した。
【００２４】
ここで、本実施例で作製した高分子電解質型燃料電池の構造を図１に示した。図１に示すように、高分子電解質型燃料電池１０は、ＭＥＡ１およびセパレータ２を交互に積層して積層電池を得、その両端を、集電板３および絶縁板４を介して端板５で挟み、全体を所定の荷重で締め付けて得た。端板５には、外部のガス供給装置（図示せず）からそれぞれ酸化剤ガス６０および燃料ガス７０を供給するための酸化剤ガス用マニホールド孔入口部６および燃料ガス用マニホールド孔入口部７と、それぞれ酸化剤ガス６０および燃料ガス７０が排出される酸化剤ガス用マニホールド孔出口部８および燃料ガス用マニホールド孔出口部９とを設けた。これら入口部および出口部は管状とした。
【００２５】
また、図２に、本実施例において用いたセパレータ２の上面図を示した。セパレータ２には、図１に示す酸化剤ガス用マニホールド孔入口部６または燃料ガス用マニホールド孔入口部７から供給されるガスが流れる入口マニホールド孔２１と、この入口マニホールド孔２１から分岐したガス流路２２と、ガス流路２２を通流したガスが排出される出口マニホールド孔２３とを設けた。また、冷却水のためのマニホールド孔２４も設けた。
本実施例においては、上述の単電池を５０個積層することによって燃料電池を構成した。
【００２６】
次に、本実施例の高分子電解質型燃料電池の動作および燃料ガスおよび酸化剤ガス供給停止後の電圧挙動を測定し、その結果を図３に示した。ここでは、模擬改質ガス（水素８０体積％、二酸化炭素２０体積％および一酸化炭素５０ｐｐｍを含む）を燃料ガスとして用い、空気を酸化剤ガスとして用いた。また、水素利用率８０％、酸素利用率５０％、水素加湿バブラー温度７５℃、空気加湿バブラー温度５０℃、電池温度７５℃、および電流密度０．３Ａ／ｃｍ2の条件を用いた。
【００２７】
まず、上述の条件で燃料電池を動作させた後、負荷を停止して燃料ガスおよび酸化剤ガスの供給を停止し、燃料ガスおよび酸化剤ガスのためのマニホールド孔の入口および出口を封止した。図３には、このときの燃料電池の電圧低下の様子をグラフに示した。図３は、正常な単電池の平均電圧とクロスリークを発生している単電池の電圧を示している。負荷電流を停止した状態では、各単電池は開回路電圧を示しているが、水素供給を停止し、出口および入口を封止した時点から電圧が徐々に低下し始め、約２０分程度で０．１Ｖを下回っている。
【００２８】
図３より、明らかにピンホールを有する単電池のほうが正常な単電池の平均電圧より低下速度が速いことがわかる。これは、ピンホール部分で燃料ガスと酸化剤ガスのクロスリークが生じているために、ＭＥＡ近傍に残留する燃料ガスの消費が促進されているためである。この結果は、マイクロショートを発生している単電池に関しても同様であり、この場合も微少電流による残留水素の消費が促進されているものと考えられる。
【００２９】
したがって、燃料ガスおよび酸化剤ガスの供給を停止した後の単電池の電圧の低下速度を検出することによって、容易かつ確実にクロスリークやマイクロショートの発生を検出できる。燃料ガスの供給を停止した後、所定時間経過した時点での電圧値が所定値以下である単電池をピンホールあるいはマイクロショートが発生していると判定した。
【００３０】
図４は、正常な単電池の平均電圧とピンホールが発生している単電池の電圧との差と、時間との関係をグラフにしたものである。より高精度にピンホールの発生した単電池を検出するためには、正常な単電池との電圧差が大きい時間帯で判定することが望ましい。図４より、電圧差が最も増大するのは、燃料ガスの供給を停止して約５分後であることがわかる。
【００３１】
そこで、本実施例では、燃料ガスおよび酸化剤ガスの供給を停止した後、５分経過した後において、電圧値０．４Ｖを電気出力のしきい値（予め定めた所定値）とした。図３および図４の電圧挙動より判断すると、所定時間は２分から７分の間が望ましく、また、電圧の所定値は０．７Ｖから０．２Ｖの間に設定することが望ましい。これは、これらの範囲においては、正常な電圧と異常な電圧との差を明確に検出することができる傾向にあるからである。
【００３２】
このような、ピンホール発生単電池の検出結果を受けて、実際のコージェネレーションシステムでは、警報を発生し、メンテナンスの時期をユーザに知らせることが可能となる。また、本実施例では実運転中の燃料電池における運転方法を示したが、本方法は電池組立直後の出荷検査としても有効である。
【００３３】
《実施例２》
本実施例の高分子電解質型燃料電池の電池電圧の電圧挙動を図５に示した。本実施例では、実施例１で用いた燃料電池と同様の燃料電池を用い、燃料電池への燃料ガスおよび酸化剤ガスの供給を停止した後に、不活性ガスとして窒素ガスを燃料極側に供給した。図５には、実施例１と同様に、クロスリークを有する単電池の電圧挙動と正常な単電池の平均電圧の挙動を示した。
【００３４】
図５より、窒素ガスを供給しない場合と比較して、各単電池の電圧は急速に低下し、１０分以内に０．１Ｖ以下に低下していることが判る。すなわち、窒素ガスによって水素を強制的に排出することによって、電圧低下が促進されていることがわかる。これによって、窒素ガスを供給しない場合に対して、約１／２の時間でクロスリークやピンホールが発生している単電池の検出が可能となる。
【００３５】
図６は、正常な単電池の平均電圧とピンホールが発生している単電池の電圧との差と、時間との関係をグラフにしたものである。図６より、窒素ガス供給開始後約２分で、電圧差が最大となることがわかる。そこで、本実施例では、窒素ガス供給開始後２分後において電圧値０．４Ｖをしきい値とした。さらに、図５および図６の電圧挙動より判断すると、所定時間は１分から４分の間が望ましく、また、電圧のしきい値は０．６Ｖから０．２Ｖの間に設定することが望ましい。
【００３６】
また、図７には、燃料ガスおよび酸化剤ガスの供給を停止した後に、燃料極にメタンガスを主成分とする都市ガス（１３Ａ）を供給した場合の電圧の挙動を示し、図８には、燃料ガスおよび酸化剤ガスの供給を停止した後に、酸化剤極に窒素ガスを供給した場合の電圧の挙動を示した。また、図９には、燃料ガスおよび酸化剤ガスの供給を停止した後に、酸化剤極に都市ガスを供給した場合の電圧の挙動を示した。
さらに、図１０には、燃料ガスおよび酸化剤ガスの供給を停止した後に、酸化剤極にプロパンガスを供給した場合の電圧の挙動を示し、図１１には、燃料ガスおよび酸化剤ガスの供給を停止した後に、燃料極にプロパンガスを供給した場合の電圧の挙動を示した。これらの挙動は上記実施例２の場合と同様であった。ここで、不活性ガスとしては、窒素ガス以外にも、ヘリウムガスやアルゴンガスを用いることが可能である。
また、マイクロショートを発生している単電池が存在する場合にも同様の結果が得られ、本発明に係る方法が、マイクロショートを発生している単電池の検出にも有効であることがわかった。
【００３７】
《実施例３》
本実施例の高分子電解質型燃料電池の電池の電圧挙動を図１２に示した。本実施例では、実施例１で用いた燃料電池と同様の燃料電池を用い、燃料電池への燃料ガスおよび酸化剤ガスの供給を停止した後、不活性ガスとして窒素ガスを燃料極側に供給した。図１２にはこの場合の単電池の電圧の時間に対する変化量（ｄＶ／ｄＴ）を示した。具体的には、３０秒ごとの電圧の変化量を示した。
図１２からわかるように、不良単電池の電圧の変化量は、明らかに正常な単電池の電圧の変化量より大きい。すなわち、単位時間あたりの電圧の変化量を検出することによっても、ピンホールやマイクロショートの発生した単電池を検出することができる。
【００３８】
《実施例４》
本実施例では、実施例１で用いた燃料電池と同様の燃料電池を用い、燃料電池への燃料ガスおよび酸化剤ガスの供給を停止した後、不活性ガスとして窒素ガスを燃料極側に供給した。この場合の単電池の電圧が所定値以下になった場合に、当該単電池を不良と判別した。そして、この所定値について検討した。
通常、燃料電池の電圧は、燃料極の絶対電位と酸化剤極の絶対電位との差であり、電流が発生しない状態では、燃料極の電位は約０Ｖであり、酸化剤極の電位は約１Ｖである。これに対して、燃料電池への燃料ガスの供給を停止した後や、燃料極側へ不活性ガスまたは都市ガスの供給を開始した後に電池の電圧が低下するのは、燃料極の電位が上昇して酸化剤極の電位に近づくからである。
【００３９】
ここで、燃料極の電位が上昇して約０．５Ｖ以上に達すると、例えば燃料極において用いられている金属触媒であるルテニウムの溶出が開始することが知られている。すなわち、燃料極の電位が上昇し、電池電圧が０．５Ｖ未満に低下すると、触媒が劣化する可能性があることがわかる。
このため、正常な単電池にダメージを与えずに、ピンホールやマイクロショートの発生している不良単電池を検出するためには、単電池が不良か否かを判別する電圧のしきい値を０．５Ｖ以上に設定することが好ましいことを見出した。
【産業上の利用可能性】
【００４０】
本発明によれば、単電池を積層した燃料電池において、クロスリークあるいはマイクロショートなどが発生している不良単電池が存在する場合には、燃料ガスの供給を停止した後の不良単電池の電圧が他の正常な単電池と比較して極端に早く低下することに着目することによって、クロスリークやマイクロショートの発生を容易にかつ確実に検知できる。これによって、コージェネレーションシステムでは警報を発生し、メンテナンスの時期をユーザに知らせることが可能となり、実使用状態での安全性を大幅に向上することが可能である。また、本発明に係る方法は、製品出荷時の燃料電池の検査方法としても有効に用いることができる。
【図面の簡単な説明】
【００４１】
【図１】本発明の実施例において作製した高分子電解質型燃料電池の構成を示す図である。
【図２】本発明の実施例において用いたセパレータの構成を示す上面図である。
【図３】本発明の実施例１における高分子電解質燃料電池の電圧挙動を示す図である。
【図４】本発明の実施例１の高分子電解質型燃料電池の正常な単電池とピンホールを発生した単電池との電圧差の挙動を示す図である。
【図５】本発明の実施例２における高分子電解質燃料電池の電圧挙動を示す図である。
【図６】本発明の実施例２の高分子電解質型燃料電池の正常な単電池とピンホールを発生した単電池の電圧挙動を示す図である。
【図７】本発明の高分子電解質型燃料電池の正常な単電池とピンホールを発生した単電池の電圧挙動を示す他の図である。
【図８】本発明の高分子電解質型燃料電池の正常な単電池とピンホールを発生した単電池の電圧挙動を示す他の図である。
【図９】本発明の高分子電解質型燃料電池の正常な単電池とピンホールを発生した単電池の電圧挙動を示す他の図である。
【図１０】本発明の高分子電解質型燃料電池の正常な単電池とピンホールを発生した単電池の電圧挙動を示す他の図である。
【図１１】本発明の高分子電解質型燃料電池の正常な単電池とピンホールを発生した単電池の電圧挙動を示す他の図である。
【図１２】本発明の高分子電解質型燃料電池の正常な単電池とピンホールを発生した単電池の電圧挙動を示す他の図である。
【符号の説明】
【００４２】
１  ＭＥＡ
２  セパレータ
３  集電板
４  絶縁板
５  端板
６  酸化剤ガス用マニホールド孔入口部
７  燃料ガス用マニホールド孔入口部
８  酸化剤ガス用マニホールド孔出口部
９  燃料ガス用マニホールド孔出口部
１０  高分子電解質型燃料電池
２１  入口マニホールド孔
２２  ガス流路
２３  出口マニホールド孔
６０  酸化剤ガス
７０  燃料ガス
【図１】
2004335448.tif 000003
【図２】
2004335448.tif 000004
【図３】
2004335448.tif 000005
【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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【図１１】
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【図１２】
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