(57)【要約】【課題】クロスリーク量を定量的に測定でき、かつスタック状態で各セルのクロスリーク量を測定できる、燃料電池の診断方法の提供。【解決手段】（１）燃料電池のアノード１４に水素または水素含有ガスを導入するとともに、カソード１７に不活性ガスを導入するかまたは真空引きし、各セル電圧を測定することでクロスリーク量を判定する燃料電池の診断方法。（２）水素濃淡電池の原理に基づいて生じるセルの電圧から該セルの水素クロスリーク量を求める。（３）燃料電池のスタック状態で各セル電圧の測定を行う。（４）ガス供給圧と冷却温度の少なくとも一方を変えて各セル電圧を測定する。【選択図】        図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池のアノードに水素または水素含有ガスを導入するとともに、カソードに不活性ガスを導入するかまたは真空引きし、各セル電圧を測定することでクロスリーク量を判定する燃料電池の診断方法。
【請求項２】
水素濃淡電池の原理に基づいて生じるセルの電圧から該セルの水素クロスリーク量を求める請求項１記載の燃料電池の診断方法。
【請求項３】
燃料電池のスタック状態で各セル電圧の測定を行う請求項１記載の燃料電池の診断方法。
【請求項４】
ガス供給圧と冷却温度の少なくとも一方を変えて各セル電圧を測定する請求項１記載の燃料電池の診断方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は燃料電池（たとえば、固体高分子電解質型燃料電池などの低温型燃料電池）の診断方法に関し、とくに電解質膜のクロスリークに係る燃料電池の診断方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
固体高分子電解質型燃料電池は、膜−電極アッセンブリ（ＭＥＡ：Membrane-Electrode Assembly ）とセパレータとの積層体からなる。膜−電極アッセンブリは、イオン交換膜からなる電解質膜とこの電解質膜の一面に配置された触媒層からなる電極（アノード、燃料極）および電解質膜の他面に配置された触媒層からなる電極（カソード、空気極）とからなる。膜−電極アッセンブリとセパレータとの間には、アノード側、カソード側にそれぞれ拡散層が設けられる。セパレータには、アノードに燃料ガス（水素）を供給するための燃料ガス流路が形成され、カソードに酸化ガス（酸素、通常は空気）を供給するための酸化ガス流路が形成されている。また、セパレータには冷媒（通常、冷却水）を流すための冷媒流路も形成されている。膜−電極アッセンブリとセパレータを重ねてセルを構成し、少なくとも１つのセルからモジュールを構成し、モジュールを積層してセル積層体とし、セル積層体のセル積層方向両端に、ターミナル、インシュレータ、エンドプレートを配置し、セル積層体をセル積層方向に締め付け、セル積層体の外側でセル積層方向に延びる締結部材（たとえば、テンションプレート）、ボルト・ナットにて固定して、スタックを構成する。
各セルの、アノード側では、水素を水素イオン（プロトン）と電子にする反応が行われ、水素イオンは電解質膜中をカソード側に移動し、カソード側では酸素と水素イオンおよび電子（隣りのＭＥＡのアノードで生成した電子がセパレータを通してくる、またはセル積層方向一端のセルのアノードで生成した電子が外部回路を通して他端のセルのカソードにくる）から水を生成するつぎの反応が行われる。
アノード側：Ｈ2 →２Ｈ+ ＋２ｅ- 
カソード側：２Ｈ+ ＋２ｅ- ＋（１／２）Ｏ2 →Ｈ2 Ｏ
【０００３】
電解質膜はプロトンのみを膜中を膜厚方向に移動させるべきものであるが、極微量の水素がアノード側からカソード側に、または極微量のエアがカソード側からアノード側に、膜中を膜厚方向に移動し（これをクロスリークという）、膜を通過した所で水素が酸素と反応し熱を生じて膜を劣化させ、燃料電池の耐久性、寿命を低下させる。
クロスリークの有無、進行の診断方法は、従来、つぎの２つの方法の何れかで行われている。
▲１▼  アノード側に燃料ガスを流すとともに、カソードに酸化ガスを流した時の、セル電圧の変化からクロスリーク量を判定する方法で、特開平９−２７３３６号公報に開示されている。
▲２▼  両極に窒素などの不活性ガスを満たして差圧をつけ、単位時間当たりの圧力変化量をクロスリーク量として測定する。
【０００４】
【特許文献１】
特開平９−２７３３６号公報
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、上記▲１▼の方法には、定量性に欠けるという問題があり、上記▲２▼の方法には、積層状態での各セルのクロスリーク量が測定できず、測定しようとすると、分解して１セルずつ測定しなければならないという問題がある。
本発明の目的は、クロスリーク量を定量的に測定でき、かつスタック状態で各セルのクロスリーク量を測定できる、燃料電池の診断方法を提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成する本発明はつぎの通りである。
（１）  燃料電池のアノードに水素または水素含有ガスを導入するとともに、カソードに不活性ガスを導入するかまたは真空引きし、各セル電圧を測定することでクロスリーク量を判定する燃料電池の診断方法。
（２）  水素濃淡電池の原理に基づいて生じるセルの電圧から該セルの水素クロスリーク量を求める（１）記載の燃料電池の診断方法。
（３）  燃料電池のスタック状態で各セル電圧の測定を行う（１）記載の燃料電池の診断方法。
（４）  ガス供給圧と冷却温度の少なくとも一方を変えて各セル電圧を測定する（１）記載の燃料電池の診断方法。
【０００７】
上記（１）、（２）、（３）の燃料電池の診断方法では、アノードに水素、カソードに不活性ガス（たとえば、窒素）を導入すると、セルにはアノード側の水素と電解質膜を通過したカソード側の水素の濃淡差（分圧差）に依存した起電力が発生し、その時の各セル電圧をモニタリングすることにより、各セルのクロスリーク量を定量的に求めることができる。それを総和すればスタックのクロスリーク量が求まる。このクロスリーク量の測定は、セルを積層したスタック状態で行うことができる。
上記（４）の燃料電池の診断方法では、ガス供給圧と冷却温度の少なくとも一方を変えて各セル電圧を測定するので、燃料電池運転の各状態でのクロスリーク量を測定でき、予測することができる。
【０００８】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明の燃料電池を図１〜図６を参照して説明する。
本発明で対象となる燃料電池は低温型燃料電池であり、たとえば固体高分子電解質型燃料電池１０である。該燃料電池１０は、たとえば燃料電池自動車に搭載される。ただし、自動車以外に用いられてもよい。
【０００９】
固体高分子電解質型燃料電池１０は、図４、図５に示すように、膜−電極アッセンブリ（ＭＥＡ：Membrane-Electrode Assembly ）とセパレータ１８との積層体からなる。膜−電極アッセンブリは、イオン交換膜からなる電解質膜１１と、この電解質膜１１の一面に配置された触媒層１２からなる電極（アノード、燃料極）１４および電解質膜１１の他面に配置された触媒層１５からなる電極（カソード、空気極）１７とからなる。膜−電極アッセンブリとセパレータ１８との間には、アノード側、カソード側にそれぞれ拡散層１３、１６が設けられる。
膜−電極アッセンブリとセパレータ１８を重ねてセル１９を構成し、少なくとも１つのセルからモジュールを構成し、モジュールを積層してセル積層体とし、セル積層体のセル積層方向両端に、ターミナル２０、インシュレータ２１、エンドプレート２２を配置し、セル積層体をセル積層方向に締め付け、セル積層体の外側でセル積層方向に延びる締結部材（たとえば、テンションプレート２４）、ボルト・ナット２５にて固定して、スタック２３を構成する。
【００１０】
セパレータ１８は、カーボン、またはメタル、またはメタルと樹脂フレーム、または導電性樹脂、の何れか、またはその組み合わせからなる。図示例はカーボンセパレータの場合を示している。ただし、セパレータ１８は、カーボン製に限るものではない。
セパレータ１８には、アノード１４に燃料ガス（水素）を供給するための燃料ガス流路２７が形成され、カソード１７に酸化ガス（酸素、通常は空気）を供給するための酸化ガス流路２８が形成されている。燃料ガスも酸化ガスも反応ガスである。また、セパレータには冷媒（通常、冷却水）を流すための冷媒流路２６も形成されている。冷媒流路２６はセル毎に、または１以上のセル毎に（たとえば、モジュール毎に）設けられている。
【００１１】
図６に示すように、セパレータ１８には、セル積層方向に貫通する、冷媒マニホールド２９、燃料ガスマニホールド３０、酸化ガスマニホールド３１が設けられる。
冷媒マニホールド２９は入側２９ａと出側２９ｂを有し、冷媒は入側２９ａからセル内の冷媒流路２６を通って出側２９ｂへ流れる。
燃料ガスマニホールド３０は入側３０ａと出側３０ｂを有し、燃料ガスは入側３０ａからセル内の燃料ガス流路２７を通って出側３０ｂへ流れる。
酸化ガスマニホールド３１は入側３１ａと出側３１ｂを有し、酸化ガスは入側３１ａからセル内の酸化ガス流路２８を通って出側３１ｂへ流れる。
【００１２】
図１に示すように、冷媒マニホールド２９には冷媒（冷却水）配管３２が接続されている。
燃料ガスマニホールド３０には燃料ガス配管３３が接続されている。
酸化ガスマニホールド３１には酸化ガス配管３４が接続されている。
【００１３】
図１に示すように、セル１９には、セル電圧モニター４０が取付けられている。セル電圧モニター４０は、スタック２３に積層された各セル１９毎に、または複数のセル１９毎に、セル１９に取付けられ、セル電圧モニター３２が取付けられたセル１９の電位を検出する。セル電圧モニター３２は、セル１９のセパレータ１８に取り付けられる。
セル１９を積層したスタック２３、冷媒配管３２、燃料ガス配管３３、酸化ガス配管３４、セル電圧モニター４０は、燃料電池運転時に必要なものであるが、そのまま、クロスリークテスト時にも使用される。
【００１４】
クロスリークテストのために、つぎの測定装置、コンピュータ（データロガー）が設けられる。
冷媒配管３４には、冷却水温度測定用の温度検出器、たとえば熱電対３５が設けられる。
燃料ガス配管３３には、燃料ガス配管３３中のガス圧力（クロスリークテスト時の水素圧力）を測定する圧力計３６が設けられる。
酸化ガス配管３４には、酸素ガス配管３４中のガス圧力（クロスリークテスト時の窒素圧力）を測定する圧力計３７が設けられるとともに、マスフローコントローラ（Ｎ2 用）が設けられる。
熱電対３５の測定値、圧力計３６の測定値、圧力計３７の測定値、セル電圧モニター４０の検出値は、コンピュータ（データロガー）３９に送信され、入力される。
【００１５】
データロガー３３に入力された各セル１９の電位の差から、各セル１９の起電力Ｅが算出される。
たとえば、図１において、スタックの一端のセル１９のセパレータ１８の、セル電圧モニター３２によって検出された電位が、たとえば０．０７Ｖとし、つぎのセル１９のセパレータ１８の検出電位が０．１４Ｖとし、さらにつぎのセル１９のセパレータ１８の検出電位が０．２１Ｖとすると、スタック一端のセル１９の膜１１の両側のセパレータ１８の電位差、すなわちスタック一端のセル１９の起電力Ｅは、０．０７Ｖであり、つぎのセル１９の起電力は０．１４Ｖ−０．０７Ｖ＝０．０７Ｖであり、さらにつぎのセル１９の起電力は０．２１Ｖ−０．１４Ｖ＝０．０７Ｖであるといった具合である。
【００１６】
上記の装置において実行される本発明の燃料電池の診断方法は、燃料電池１０のアノード１４に水素または水素含有ガスを導入するとともに、カソード１７に不活性ガス（たとえば、窒素）を導入するかまたは真空引きし、各セル電圧を測定することでクロスリーク量を判定する燃料電池の診断方法からなる。
クロスリーク量の測定、判定は、セル１９を積層してスタック２３とした状態で行なわれる。
【００１７】
アノード１４側に水素または水素含有ガスを流し、カソード１７側に不活性ガス（たとえば、窒素）を流すかまたは真空引きすると、セル１９には、アノード１４側の水素と電解質膜１１を通過したカソード１７側の水素の濃淡差（分圧差）に依存した起電力Ｅが発生する。
その起電力Ｅは、つぎのネルンストの式（１）に従う。
Ｅ＝2.3026×｛（ＲＴ）／（２Ｆ）｝×ｌｏｇ10｛ＰH2（ａ）／ＰH2（ｃ）｝…………  （１）
ここで、
Ｅ：セルの起電力（セル電圧モニター３２により検出された電位の差）
Ｒ：気体定数８．３１（Ｊ／ｍｏｌ・Ｋ）
Ｆ：ファラデー定数
Ｔ：温度（°Ｋ）（熱電対３５で計測）
ＰH2（ａ）：アノード側の水素圧力（ＫＰａabs ）（圧力計３６で計測）
圧力計３６、熱電対３５、セル電圧モニター３２で計測した値を（１）式に代入することにより、カソード側の水素分圧ＰH2（ｃ）を求めることができる。
【００１８】
一方、カソード側の水素分圧ＰH2（ｃ）と、そのセルの膜のクロスリーク量との間には、つぎの（２）式の関係が成立する。
ＰH2（ｃ）＝｛（クロスリーク量）／（カソード側ガス量）｝×Ｐ全（ｃ）    …………  （２）
ここで、
Ｐ全（ｃ）：カソード側の不活性ガスの全圧（ＫＰａabs ）（圧力計３７で計測）
（２）式で、
（カソード側ガス量）＝（窒素流量）＋（クロスリーク量）≒（窒素流量）
と近似して、（カソード側ガス量）をマスフローコントローラ３８により計測する。
【００１９】
（２）式において、ＰH2（ｃ）には（１）式で演算された値を用い、Ｐ全（ｃ）には圧力計３７で計測された値を用い、カソード側ガス量にはマスフローコントローラ３８により計測された値を用いることにより、各セルのクロスリーク量を演算し求めることができる。各セルのクロスリーク量を総和するとスタック２３のセル全体のクロスリーク量が求まる。
これによって、従来測定ではできなかったセル積層状態での各セルのクロスリーク量を定量的に求めることができる。
【００２０】
図２はセル電圧モニター４０で測定されたセル電位の差として求めた各セル１９の、セル電圧（各セル起電力）Ｅ／時間のグラフである。図２において、セル電圧（各セル起電力）Ｅが山状となっているのは、燃料電池の通常運転で燃料電池のカソード側にあったエアが残っているのでその影響が出ているためであるが、すぐにエアが窒素で置換されてセル電圧（各セル起電力）Ｅは時間に対してほぼ一定値に収斂する。この一定値に収斂したセル電圧（各セル起電力）Ｅは、通常、各セルで異なっている。
【００２１】
図３は、図１のＥを用いて式（１）からＰH2（ｃ）を演算し、そのＰH2（ｃ）を用いて式（２）から演算して求めた各セルのクロスリーク量を示している。図２において、セルＮｏは、スタック一端から他端に向かって順に付したセル番号である。
図３に示すように、各セル１９でクロスリーク量が定量的に求められる。このクロスリーク量はセルを積層したスタック状態で求められたものである。
【００２２】
上記ではカソード側に導入される不活性ガスを窒素の場合を例にとったが、不活性ガスは窒素に限るものではなく、ヘリウムやアルゴンに変えてもよいし、あるいは真空引きしてもよい。
また、圧力計３６、３７の数を増やして、ガス入口と出口にそれぞれつけるようにすれば、セル面内のリーク位置を、ガス入口に近い所かガス出口に近い所かまで特定できるようになる。
【００２３】
また、アノード１４とカソード１７の圧力を変化させることで、たとえば差圧をつけて測定することで、膜１１の劣化度（孔あき具合）を把握することが可能である。たとえば、差圧をかえて測定した場合に、一部のセルのクロスリーク量が大きく変わるようであれば、そのセルの膜の孔あきが予想される。
また、冷媒（冷却水）温度を変化させることで、クロスリーク量の温度依存性を測定することができる。
また、圧力と温度の何れか少なくとも一方を変えて測定し、それを燃料電池の通常運転領域の圧力、温度範囲で変化させることにより、通常運転領域でのクロスリーク量と膜劣化を予想でき、膜１１、燃料電池１０の耐久信頼性を把握できる。
【００２４】
【発明の効果】
請求項１、２、３の燃料電池の診断方法によれば、アノードに水素、カソードに不活性ガス（たとえば、窒素）を導入し、その時の各セル電圧をモニタリングするので、各セルのクロスリーク量を定量的に求めることができる。それを総和すればスタックのクロスリーク量が求まる。このクロスリーク量の測定は、セルを積層したスタック状態で行うことができる。
請求項４の燃料電池の診断方法によれば、ガス供給圧と冷却温度の少なくとも一方を変えて各セル電圧を測定するので、燃料電池運転の各状態でのクロスリーク量を予測することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の燃料電池の診断方法を実行する装置の系統図である。
【図２】本発明の燃料電池の診断方法におけるセル電圧（各セル起電力）／時間のグラフである。
【図３】本発明の燃料電池の診断方法におけるクロスリーク量／セルＮｏの棒グラフである。
【図４】本発明の燃料電池を含む燃料電池スタックの側面図である。
【図５】図４の燃料電池スタックの一部の拡大断面図である。
【図６】図４のうちセルの正面図である。
【符号の説明】
１０  （固体高分子電解質型）燃料電池
１１  電解質膜
１２、１５  触媒層
１３、１６  拡散層
１４  電極（アノード、燃料極）
１７  電極（カソード、空気極）
１８  セパレータ
１９  セル
２０  ターミナル
２１  インシュレータ
２２  エンドプレート
２３  スタック
２４  締結部材（テンションプレート）
２５  ボルト
２６  冷媒流路（冷却水流路）
２７  燃料ガス流路
２８  酸化ガス流路
２９  冷媒マニホールド
２９ａ  入側
２９ｂ  出側
３０  燃料ガスマニホールド
３０ａ  入側
３０ｂ  出側
３１  酸化ガスマニホールド
３１ａ  入側
３１ｂ  出側
３２  冷媒配管
３３  燃料ガス配管
３４  酸化ガス配管
３５  熱電対
３６  圧力計（水素または水素含有ガス測定用）
３７  圧力計（不活性ガス測定用）
３８  マスフローコントローラ（不活性ガス用）
３９  データロガー
４０  セル電圧モニター
【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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