(57)【要約】【課題】本発明は、スタック内での単電池の状態に近い条件で、単電池の動作特性を検出することができる検出方法を提供することを目的とする。【解決手段】単電池２０から電流を取り出した負荷状態で、燃料ガス支流路１２の上流端を流通する燃料ガスの圧力に応じて、燃料ガス本流路３Ａ’の下流端からの燃料ガスの排出／非排出の切り替えを行うステップ（ａ）と、負荷状態で、酸化剤ガス支流路１１の上流端を流通する酸化剤ガスの圧力に応じて、酸化剤ガス本流路５Ａ’の下流端からの酸化剤ガスの排出／非排出の切り替えを行うステップ（ｂ）と、ステップ（ａ）および（ｂ）での燃料ガスまたは酸化剤ガスの排出／非排出の切り替えに基づいて単電池２０の動作特性を検出するステップ（ｃ）と、を有する。【選択図】  図１
2005203236.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電解質膜の片面に接合されたアノードと、前記電解質膜の他面に接合されたカソードと、前記アノード及び前記カソードの外面に配置された一対のセパレータとを有する燃料電池の動作特性検出方法であって、
燃料ガス本流路を構成する貫通孔と、酸化剤ガス本流路を構成する貫通孔と、上流端が前記燃料ガス本流路に接続され前記アノードに燃料ガスを導く燃料ガス支流路と、上流端が前記酸化剤ガス本流路に接続され前記カソードに酸化剤ガスを導く酸化剤ガス支流路とを前記燃料電池に具備し、
前記燃料ガス本流路の上流端から前記燃料ガス支流路に燃料ガスを流通させ、前記酸化剤ガス本流路の上流端から前記酸化剤ガス支流路に酸化剤ガスを流通させ、前記燃料電池から電流を取り出した負荷状態で、前記燃料ガス支流路の上流端を流通する燃料ガスの圧力に応じて、前記燃料ガス本流路の下流端からの燃料ガスの排出／非排出の切り替えを行うステップ（ａ）と、
前記負荷状態で、前記酸化剤ガス支流路の上流端を流通する酸化剤ガスの圧力に応じて、前記酸化剤ガス本流路の下流端からの酸化剤ガスの排出／非排出の切り替えを行うステップ（ｂ）と、
前記ステップ（ａ）および（ｂ）での燃料ガスまたは酸化剤ガスの排出／非排出の切り替えに基づいて前記燃料電池の動作特性を検出するステップ（ｃ）と、
を有する燃料電池の動作特性検出方法。
【請求項２】
ステップ（ａ）において、前記燃料ガス支流路の上流端を流通する燃料ガスの圧力が所定値を超えた場合に非排出から排出に切り替え、
ステップ（ｂ）において、前記酸化剤ガス支流路の上流端を流通する酸化剤ガスの圧力が所定値を超えた場合に非排出から排出に切り替える、請求項１に記載の燃料電池の動作特性検出方法。
【請求項３】
電解質膜の片面に接合されたアノードと、前記電解質膜の他面に接合されたカソードと、前記アノード及び前記カソードの外面に配置された一対のセパレータとを有し、前記アノードに燃料ガスを導く燃料ガス支流路と、前記カソードに酸化剤ガスを導く酸化剤ガス支流路とが形成された燃料電池の動作特性検出方法であって、
燃料ガス本流路と、酸化剤ガス本流路とを用い、
前記燃料ガス支流路の上流端を前記燃料ガス本流路に接続し、前記酸化剤ガス支流路の上流端を前記酸化剤ガス本流路に接続するステップ（ａ）と、
前記燃料ガス本流路の上流端から前記燃料ガス支流路に燃料ガスを流通させ、前記酸化剤ガス本流路の上流端から前記酸化剤ガス支流路に酸化剤ガスを流通させ、前記燃料電池から電流を取り出した負荷状態で、前記燃料ガス支流路の上流端を流通する燃料ガスの圧力に応じて、前記燃料ガス本流路の下流端からの燃料ガスの排出／非排出の切り替えを行うステップ（ｂ）と、
前記負荷状態で、前記酸化剤ガス支流路の上流端を流通する酸化剤ガスの圧力に応じて、前記酸化剤ガス本流路の下流端からの酸化剤ガスの排出／非排出の切り替えを行うステップ（ｃ）と、
前記ステップ（ｂ）および（ｃ）での燃料ガスまたは酸化剤ガスの排出／非排出の切り替えに基づいて前記燃料電池の動作特性を検出するステップ（ｄ）と、
を有する燃料電池の動作特性検出方法。
【請求項４】
電解質膜の片面に接合されたアノードと、前記電解質膜の他面に接合されたカソードと、前記アノード及び前記カソードの外面に配置された一対のセパレータとを有し、燃料ガス本流路を構成する貫通孔と、酸化剤ガス本流路を構成する貫通孔と、上流端が前記燃料ガス本流路に接続され前記アノードに燃料ガスを導く燃料ガス支流路と、上流端が前記酸化剤ガス本流路に接続され前記カソードに酸化剤ガスを導く酸化剤ガス支流路と、が形成された燃料電池の動作特性検出装置であって、
前記燃料ガス本流路に燃料ガスを供給する燃料ガス供給手段と、前記酸化剤ガス本流路に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給手段と、前記燃料電池から電流を取り出す電子負荷と、前記燃料ガス支流路の上流端を流通する燃料ガスの圧力に応じて前記燃料ガス本流路の下流端からの燃料ガスの排出／非排出の切り替えを行う燃料ガス本流路開閉手段と、前記酸化剤ガス支流路の上流端を流通する酸化剤ガスの圧力に応じて前記酸化剤ガス本流路の下流端から酸化剤ガスの排出／非排出の切り替えを行う酸化剤ガス本流路開閉手段と、を備えた燃料電池の動作特性検出装置。
【請求項５】
前記燃料ガス本流路開閉手段は、一端が前記燃料ガス本流路の下流端に接続され、他端からの一定の長さが水中もしくは水銀中に浸漬されている筒状の管からなり、
前記酸化剤ガス本流路開閉手段は、一端が前記酸化剤ガス本流路の下流端に接続され、他端からの一定の長さが水中もしくは水銀中に浸漬されている筒状の管からなる、請求項４に記載の燃料電池の動作特性検出装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池の動作特性検出方法及び動作特性検出装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は、燃料の供給と燃焼生成物の排出とを連続的に行い、燃料の持つ化学エネルギーを直接電気エネルギーに変換する電池である。電解質膜として固体高分子電解質膜を用いる固体高分子型燃料電池は、作動温度が低く、電力密度が高く、瞬時動作が可能である等の理由から、自動車用や、小規模なコージェネレーションシステムとなる家庭用据置型として開発が急速に進められている。
【０００３】
図６（ａ）は固体高分子型燃料電池の基本単位となる単電池の一例を模式的に示す分解斜視図、図６（ｂ）は、組み立て後の単電池を模式的に示す斜視図、図６（ｃ）は単電池を積層して構成した固体高分子型燃料電池を模式的に示す斜視図である。
【０００４】
図６（ａ）、（ｂ）に示すように、単電池２０は、固体高分子からなる電解質膜６と、これを挟むように配された一対の触媒層７，９と、触媒層７，９の外面に配された一対のガス拡散層８，１０と、ガス拡散層８，１０の外面に配された一対のセパレータ１，２とを有する。触媒層７とガス拡散層８とでアノード１３を構成し、触媒層９とガス拡散層１０とでカソード１４を構成する。電解質膜６の両面にそれぞれアノード１３とカソード１４を接合し、電極電解質複合体（以下、ＭＥＡという）１５を構成する。セパレータ１，２、電解質膜６には、燃料ガス供給マニフォルド孔３Ａ、燃料ガス排出マニフォルド孔３Ｂ、酸化剤ガス供給マニフォルド孔５Ａ、酸化剤ガス排出マニフォルド孔５Ｂが形成されている。なお、実際には、電解質膜６の両面の外周部にアノード１３及びカソード１４を囲むようにガスケットがそれぞれ配設され、各ガスケットに、燃料ガス供給マニフォルド孔３Ａ、燃料ガス排出マニフォルド孔３Ｂ、酸化剤ガス供給マニフォルド孔５Ａ、酸化剤ガス排出マニフォルド孔５Ｂが形成されているが、ここでは図示を省略している。
【０００５】
図７は、セパレータ１のガス拡散層８と接する主面を模式的に示す上面図である。図８は、セパレータ２のガス拡散層１０と接する主面を模式的に示す上面図である。図７に示すように、セパレータ１の主面には、燃料ガス供給マニフォルド孔３Ａと、燃料ガス排出マニフォルド孔３Ｂとを結ぶ燃料ガス支流路１２が形成されている。図８に示すように、セパレータ２の主面には、酸化剤ガス供給マニフォルド孔５Ａと酸化剤ガス排出マニフォルド孔５Ｂとを結ぶ酸化剤ガス支流路１１が形成されている。
【０００６】
燃料電池の基本単位は単電池であるが、一つの単電池から得られる電圧は小さいため、通常、図６（ｃ）に示すように、単電池２０を何枚も積層したスタック３０にして使用する。スタック３０において、各単電池２０の燃料ガス供給マニフォルド孔３Ａが連続して燃料ガス供給マニフォルド３Ａ’を形成し、各単電池２０の燃料ガス排出マニフォルド孔３Ｂが連続して燃料ガス排出マニフォルド孔３Ｂ’を形成し、各単電池２０の酸化剤ガス供給マニフォルド孔５Ａが連続して酸化剤ガス供給マニフォルド５Ａ’を形成し、各単電池２０の酸化剤ガス排出マニフォルド孔５Ｂが連続して酸化剤ガス排出マニフォルド５Ｂ’を形成する。スタック３０において、燃料ガス供給マニフォルド３Ａ’の上流端から燃料ガスが供給され、燃料ガス供給マニフォルド３Ａ’内を燃料ガスが流通するとともに、各単電池２０の燃料ガス支流路１２に燃料ガスが分流し、各単電池２０のアノード１３に燃料ガスが供給される。スタック３０において、酸化剤ガス供給マニフォルド５Ａ’の上流端から酸化剤ガスが供給され、酸化剤ガス供給マニフォルド５Ｂ’内を酸化剤ガスが流通するとともに、各単電池２０の酸化剤ガス支流路１１に酸化剤ガスが分流し、各単電池２０のカソード１４に酸化剤ガスが供給される。
【０００７】
各単電池２０における反応を説明する。燃料供給マニフォルド３Ａ’から燃料ガス支流路１２を介してアノード１３に水素を含む燃料ガスが供給されると、触媒層７において下記の反応式（１）に示す反応が生じる。
Ｈ２→２Ｈ＋＋２ｅ−        （１）
上記反応式（１）において生じたプロトン（Ｈ＋）は、電解質膜６を、また電子（ｅ−）は外部回路を通ってカソード１４に移動する。燃料ガス支流路１２に供給される燃料ガスのうち、上記反応式（１）の反応に寄与しなかった燃料ガスは、燃料ガス排出マニフォルド３Ｂ’から排出される。
【０００８】
酸化剤供給マニフォルド５Ａ’から酸化剤ガス支流路１１を介してカソード１４に酸化剤ガスが供給されると、触媒層９において、酸化剤ガス中の酸素と、アノード１３から移動してきたプロトンと、電子とにより下記の反応式（２）に示す反応が生じ、水が生成される。
１／２Ｏ２＋２Ｈ＋＋２ｅ−→Ｈ２Ｏ    （２）
反応式（２）において発生した水と、上記反応式（２）の反応に寄与しなかった酸化剤ガスは、酸化剤ガス排出マニフォルド５Ｂ’から排出される。
【０００９】
各単電池２０の燃料ガス排出マニフォルド３Ｂ’から排出された燃料ガスは、スタック３０の燃料ガス排出マニフォルド３Ｂ’を流通し、その下流端から外部に排出される。各単電池２０の酸化剤ガス排出マニフォルド５Ｂ’から排出された酸化剤ガス及び水は、スタック３０の酸化剤ガス排出マニフォルド５Ｂ’を流通し、その下流端から外部に排出される。
【００１０】
スタック３０の上記構成により、各単電池２０の燃料ガス支流路１２及び酸化剤ガス支流路１１のガス流通抵抗が同じ場合は、各単電池２０に、同一流量および同一圧力の燃料ガス及び酸化剤ガスが配流される。
【００１１】
固体高分子型燃料電池において、電解質膜６は含水率の増加に伴ってイオン伝導度が高くなる物性を有しているため、電解質膜６を湿潤状態に保つ必要がある。そのため、スタック３０に供給するガスは加湿することが一般的である。しかしながら、過剰な湿潤状態にするとカソード１４における生成水の発生も加わり、触媒層７，９やガス拡散層８，１０の気孔部、燃料ガス支流路１２、酸化剤ガス支流路１１に液体水が滞留し、ガス流通抵抗が高くなってしまう。本明細書では触媒層７，９やガス拡散層８，１０の気孔部での液体水の滞留が要因であるガス流通抵抗も含めて燃料ガス支流路１２のガス流通抵抗及び酸化剤ガス支流路１１のガス流通抵抗という。ガス流通抵抗が高くなることにより、電池性能が極端に劣化する状態を「フラッディング」という。フラッディングを生じさせないためには、電解質膜６を適度な湿潤状態に保ちつつ、過剰な水分が安全かつ速やかに除去されるように運転することが必要である。
【００１２】
しかしながら、単電池２０には個体差があり、同一スタック３０内での使用であっても、特定の単電池２０においてのみガス流通抵抗が増大してしまうことがある。ガス流通抵抗が増大した単電池２０においては、ガスの流入量が相対的に少なくなる。図９（ａ）はいずれの単電池２０においてもガス流通抵抗の極端な増大が生じていないスタック３０におけるガスの流通の様子を、図９（ｂ）は特定の単電池２０ａにおいてガス流通抵抗の極端な増大が生じた場合のスタック３０におけるガスの流通の様子を模式的に示す図である。図９において、矢印の長さは、ガスの流入量を相対的に表す。図９（ａ）に示すように、いずれの単電池２０においてもガス流通抵抗の極端な増大が生じていない場合は、各単電池２０に供給されるガスの流量は同一である。一方、図９（ｂ）に示すように、特定の単電池２０ａにおいてガス流通抵抗の極端な増大が生じると、単電池２０ａへのガスの流入量は他の単電池２０と比較して少なくなる。
【００１３】
各単電池２０での消費ガス量は一定なので、ガス流入量の少なくなった単電池２０ａでは、他の単電池２０と比較してガス流入量に対する消費ガス量であるガス利用率が上昇し、電圧低下が生じる。そして、ガス利用率が上昇すると、ガス流通抵抗の増大が加速し、極端な電圧低下が生じ、フラッディングが起こる。その結果、固体高分子型燃料電池全体のエネルギー効率が低下してしまう。
【００１４】
各単電池の電圧のばらつきを抑制する方法として、各単電池へ供給される及び／又は各単電池から排出されるガスの流量、圧力及び／又は加湿量を単電池毎に変化させる燃料電池の運転方法が開示されている（例えば、特許文献１参照）
【特許文献１】特開２０００−２５１９１３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１５】
しかしながら、上記のような運転方法は、運転中のスタックでのガス流量、圧力及び／又は加湿量を検出する必要があり非常に煩雑である。
【００１６】
単電池間でのフラッディングの起こりやすさの差は、各単電池の製造工程やスタックを組み立てる工程等で生じうる。この内、フラッディングの起こりやすさの差が生じる大きな要因は、各単電池の製造工程にあると考えられている。
【００１７】
固体高分子型燃料電池において、上述のように特定の単電池に生じたフラッディングによるエネルギー効率の低下を防ぐためには、製造工程においてすでにフラッディングが生じやすい要因が発生している単電池を、スタック内に組み込まないようにすることが最も好ましい。したがって、スタックに組み込む前に、フラッディングが生じやすい要因が発生している単電池であるか否かを検出することができ、このような単電池を除外してスタックを製造することが望ましい。単電池をスタックに組み込んだ後では、不都合が生じた単電池を取り除くために煩雑な作業を要し好ましくない。
【００１８】
スタックでは、単電池内のガス流通抵抗に応じて単電池に供給されるガス量が変化する。これまで、単電池の状態で発電特性を検出する方法は知られていたものの、常にガス供給量が一定であり、スタック内での単電池を摸擬しているとはいえなかった。
【課題を解決するための手段】
【００１９】
本発明は、スタック内での単電池の状態に近い条件で、単電池の動作特性を検出することができる検出方法及び検出装置を提供することを目的とする。
【００２０】
上記目的を達成するために、本発明は、電解質膜の片面に接合されたアノードと、前記電解質膜の他面に接合されたカソードと、前記アノード及び前記カソードの外面に配置された一対のセパレータとを有する燃料電池の動作特性検出方法であって、燃料ガス本流路を構成する貫通孔と、酸化剤ガス本流路を構成する貫通孔と、上流端が前記燃料ガス本流路に接続され前記アノードに燃料ガスを導く燃料ガス支流路と、上流端が前記酸化剤ガス本流路に接続され前記カソードに酸化剤ガスを導く酸化剤ガス支流路とを前記燃料電池に具備し、前記燃料ガス本流路の上流端から前記燃料ガス支流路に燃料ガスを流通させ、前記酸化剤ガス本流路の上流端から前記酸化剤ガス支流路に酸化剤ガスを流通させ、前記燃料電池から電流を取り出した負荷状態で、前記燃料ガス支流路の上流端を流通する燃料ガスの圧力に応じて、前記燃料ガス本流路の下流端からの燃料ガスの排出／非排出の切り替えを行うステップ（ａ）と、前記負荷状態で、前記酸化剤ガス支流路の上流端を流通する酸化剤ガスの圧力に応じて、前記酸化剤ガス本流路の下流端からの酸化剤ガスの排出／非排出の切り替えを行うステップ（ｂ）と、前記ステップ（ａ）および（ｂ）での燃料ガスまたは酸化剤ガスの排出／非排出の切り替えに基づいて前記燃料電池の動作特性を検出するステップ（ｃ）とを有する。
【００２１】
ステップ（ａ）において、供給された燃料ガスは、前記圧力に応じて燃料ガス支流路以外の流路から排出されることがあり、同じくステップ（ｂ）において、供給された酸化剤ガスは、前記圧力に応じて酸化剤ガス支流路以外の流路から排出されることがある。燃料ガス支流路及び酸化剤ガス支流路以外に、ガスを排出させる他の流路があるという条件は、スタック内の単電池と同じ条件である。尚、本発明では他の流路へは、燃料ガス支流路及び酸化剤ガス支流路を流通する流体の圧力に応じて流通される。
【００２２】
ステップ（ａ）において、前記燃料ガス支流路の上流端を流通する燃料ガスの圧力が所定値を超えた場合に非排出から排出に切り替え、ステップ（ｂ）において、前記酸化剤ガス支流路の上流端を流通する酸化剤ガスの圧力が所定値を超えた場合に非排出から排出に切り替えることが望ましい。燃料ガス支流路あるいは、酸化剤ガス支流路の上流端を流通するガスの圧力が所定値を超えたか否か、容易に確認することができるからである。
【００２３】
また、本発明は、電解質膜の片面に接合されたアノードと、前記電解質膜の他面に接合されたカソードと、前記アノード及び前記カソードの外面に配置された一対のセパレータとを有し、前記アノードに燃料ガスを導く燃料ガス支流路と、前記カソードに酸化剤ガスを導く酸化剤ガス支流路とが形成された燃料電池の動作特性検出方法であって、燃料ガス本流路と、酸化剤ガス本流路とを用い、前記燃料ガス支流路の上流端を前記燃料ガス本流路に接続し、前記酸化剤ガス支流路の上流端を前記酸化剤ガス本流路に接続するステップ（ａ）と、前記燃料ガス本流路の上流端から前記燃料ガス支流路に燃料ガスを流通させ、前記酸化剤ガス本流路の上流端から前記酸化剤ガス支流路に酸化剤ガスを流通させ、前記燃料電池から電流を取り出した負荷状態で、前記燃料ガス支流路の上流端を流通する燃料ガスの圧力に応じて、前記燃料ガス本流路の下流端からの燃料ガスの排出／非排出の切り替えを行うステップ（ｂ）と、前記負荷状態で、前記酸化剤ガス支流路の上流端を流通する酸化剤ガスの圧力に応じて、前記酸化剤ガス本流路の下流端からの酸化剤ガスの排出／非排出の切り替えを行うステップ（ｃ）と、前記ステップ（ｂ）および（ｃ）での燃料ガスまたは酸化剤ガスの排出／非排出の切り替えに基づいて前記燃料電池の動作特性を検出するステップ（ｄ）とを有する。
【００２４】
本検出方法によると、燃料ガス本流路及び酸化剤ガス本流路を内部に備えていない単電池で、スタックに組み込んだ際に外部燃料ガス本流路及び外部酸化剤ガス本流路から燃料ガス及び酸化剤ガスを直接取得する構成の単電池であっても、スタックに組み込む前に、スタック内での状態を模擬した状態で動作特性を検出することができる。
【００２５】
また、本発明は、電解質膜の片面に接合されたアノードと、前記電解質膜の他面に接合されたカソードと、前記アノード及び前記カソードの外面に配置された一対のセパレータとを有し、燃料ガス本流路を構成する貫通孔と、酸化剤ガス本流路を構成する貫通孔と、上流端が前記燃料ガス本流路に接続され前記アノードに燃料ガスを導く燃料ガス支流路と、上流端が前記酸化剤ガス本流路に接続され前記カソードに酸化剤ガスを導く酸化剤ガス支流路と、が形成された燃料電池の動作特性検出装置であって、前記燃料ガス本流路に燃料ガスを供給する燃料ガス供給手段と、前記酸化剤ガス本流路に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給手段と、前記燃料電池から電流を取り出す電子負荷と、前記燃料ガス支流路の上流端を流通する燃料ガスの圧力に応じて前記燃料ガス本流路の下流端からの燃料ガスの排出／非排出の切り替えを行う燃料ガス本流路開閉手段と、前記酸化剤ガス支流路の上流端を流通する酸化剤ガスの圧力に応じて前記酸化剤ガス本流路の下流端から酸化剤ガスの排出／非排出の切り替えを行う酸化剤ガス本流路開閉手段と、を備える。このような構成の検出装置を用いると、上記検出方法を容易に行うことができる。
【００２６】
例えば、前記燃料ガス本流路開閉手段は、一端が前記燃料ガス本流路の下流端に接続され、他端からの一定の長さが水中もしくは水銀中に浸漬されている筒状の管から構成することができ、前記酸化剤ガス本流路開閉手段は、一端が前記酸化剤ガス本流路の下流端に接続され、他端からの一定の長さが水中もしくは水銀中に浸漬されている筒状の管から構成することができる。このような構成によると、水中もしくは水銀中に浸漬されている筒状の管の液界面に浸漬部分の長さに対応した圧力がかかると、管内を流体が流通し、水中もしくは水銀中に気泡が発生する。したがって、気泡の発生の有無により前記管の下流端からの流体の排出が許容されている状態か否か容易に検出することができる。
【発明の効果】
【００２７】
本発明によると、固体高分子型燃料電池を構成する単電池について、スタックを構成する前の段階で、スタックを構成した際の動作特性に近い動作特性を検出することができるので、例えばフラッディングしやすい単電池を事前により正確に検出することができ、このような単電池を除外してスタックを製造することができるので製造効率がよい。また、エネルギー効率の高いスタックを容易に製造することができるようになる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２８】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照しながら説明する。
（単電池の動作特性検出装置）
図１は、本実施形態の単電池の動作特性検出装置の概略の構成を示すブロック図である。本検出装置は、単電池２０を検出対象とし、燃料ガス供給手段４１と、酸化剤ガス供給手段５１と、燃料ガス本流路開閉手段４４と、酸化剤ガス本流路開閉手段５４と、単電池２０から電流を取り出す電子負荷７０とからなる。尚、検出対象の単電池２０として、図６〜図８を用いて説明した従来技術の単電池２０と同様の構成のものを用いるので、単電池の各構成要素には従来技術の単電池２０と同一の符号を付し、説明を省略する。単電池２０内の燃料ガス支流路１２の上流端は、燃料ガス供給マニフォルド３Ａ’に接続されている。図１においては、かかる接続点を分流点３ａとする。酸化剤ガス支流路１１の上流端は、酸化剤ガス供給マニフォルド５Ａ’に接続されている。図１においては、かかる接続点を分流点５ａとする。単電池２０の動作特性検出の際には、燃料ガス供給手段４１は燃料ガス供給マニフォルド３Ａ’の上流端に接続され、燃料ガス本流路開閉手段４４は燃料ガス供給マニフォルド３Ａ’の下流端に接続される。また、酸化剤ガス供給手段５１は酸化剤ガス供給マニフォルド５Ａ’の上流端に接続され、酸化剤ガス本流路開閉手段５４は酸化剤ガス供給マニフォルド５Ａ’の下流端に接続される。電子負荷７０は、単電池２０のアノードとカソードに接続される。
【００２９】
燃料ガス本流路開閉手段４４が開状態である場合は、燃料ガス供給マニフォルド３Ａ’の下流端が開放され、燃料ガス供給マニフォルド３Ａ’の下流端からの燃料ガスの排出を許容する。一方、燃料ガス本流路開閉手段４４が閉状態である場合は、燃料ガス供給マニフォルド３Ａ’の下流端が閉鎖され、燃料ガス供給マニフォルド３Ａ’の下流端からの燃料ガスの排出を許容しない。したがって、燃料ガス本流路開閉手段４４が閉状態である場合は、燃料ガス供給手段４１から供給される燃料ガスの全ては分流点３ａから単電池２０内の燃料ガス支流路１２に流通する。燃料ガス支流路１２からアノードに燃料ガスが供給され、上記反応式（１）で示した反応に寄与しない燃料ガスは、燃料ガス排出マニフォルドの下流端から排出される。
【００３０】
酸化剤ガス本流路開閉手段５４が開状態である場合は、酸化剤ガス本流路５２の下流端が開放され、酸化剤ガス供給マニフォルド５Ａ’の下流端からの酸化剤ガスの排出を許容する。一方、酸化剤ガス本流路開閉手段５４が閉状態である場合は、酸化剤ガス供給マニフォルド５Ａ’の下流端が閉鎖され、酸化剤ガス供給マニフォルド５Ａ’の下流端からの酸化剤ガスの排出を許容しない。したがって、酸化剤ガス本流路開閉手段５４が閉状態である場合は、酸化剤ガス供給手段５１から供給される酸化剤ガスの全ては分流点５２ｂから単電池２０内の酸化剤ガス支流路１１に流通する。酸化剤ガス支流路１１からカソードに酸化剤ガスが供給され、上記反応式（２）で示した反応に寄与しない酸化剤ガス及び生成水は、酸化剤ガス排出マニフォルドの下流端から排出される。
【００３１】
燃料ガス本流路開閉手段４４は、分流点３ａを流通する燃料ガスの圧力に応じて開閉を切り替える。本実施形態では、燃料ガス供給マニフォルド３Ａ’内の流体により、燃料ガス本流路開閉手段４４にかかる圧力が一定値以下の場合は閉状態とし、前記圧力が一定値より大きい場合は開状態とする。燃料ガス本流路開閉手段４４にかかる圧力は、分流点３ａを流通する燃料ガスの圧力に応じて変化し、分流点３ａを流通する燃料ガスの圧力は、燃料ガス支流路１２のガス流通抵抗及び燃料ガス供給手段４１からの供給ガス量に応じて変化する。したがって、例えば供給ガス量が一定の場合は、燃料ガス本流路開閉手段４４の開閉は、燃料ガス支流路１２のガス流通抵抗に応じて切り替わる。尚、燃料ガス本流路開閉手段４４にかかる圧力は、分流点３ａを流通する燃料ガスの圧力とほぼ同じとみなすことができる。
【００３２】
酸化剤ガス本流路開閉手段５４は、分流点５ａを流通する酸化剤ガスの圧力に応じて開閉を切り替える。本実施形態では、酸化剤ガス供給マニフォルド５Ａ’内の流体により、酸化剤ガス本流路開閉手段５４にかかる圧力が一定値以下の場合は閉状態とし、前記圧力が一定値より大きい場合は開状態とする。酸化剤ガス本流路開閉手段５４にかかる圧力は、分流点５ａを流通する酸化剤ガスの圧力に応じて変化し、分流点５ａを流通する酸化剤ガスの圧力は、酸化剤ガス支流路１１のガス流通抵抗及び酸化剤ガス供給手段５１からの供給ガス量に応じて変化する。したがって、例えば供給ガス量が一定の場合は、酸化剤ガス本流路開閉手段５４の開閉は、酸化剤ガス支流路１１のガス流通抵抗に応じて切り替わる。尚、酸化剤ガス本流路開閉手段５４にかかる圧力は、分流点５ａを流通する酸化剤ガスの圧力とほぼ同じとみなすことができる。
【００３３】
燃料ガス供給手段４１及び酸化剤ガス供給手段５１は、燃料ガス支流路１２及び酸化剤ガス支流路１１のガス流通抵抗に関係なく、一定量のガスを供給する制御も可能であるし、所望のガス利用率となるように電子負荷７０の電流値に応じてガス供給量を制御することも可能である。
【００３４】
本検出装置による単電池の動作特性検出方法は、供給手段４１，５１からのガスの供給と、電子負荷７０による電流の取得を所定時間継続させ、開閉手段４４，５４の動作を検出する。所定時間内に燃料ガス本流路開閉手段４４もしくは酸化剤ガス本流路開閉手段５４が開状態となったら、フラッディングが生じやすい単電池と判定する。尚、一般的には、燃料ガス支流路１２より酸化剤ガス支流路１１の方が、ガス流通抵抗の増大が生じやすい。酸化剤ガス支流路１１は、カソードで生成された水の排出路ともなり、かかる水が滞留することによりガス流通抵抗を増大させるからである。燃料ガス本流路開閉手段４４、及び酸化剤ガス本流路開閉手段５４において切り替えが起こる圧力は、正常な単電池とフラッディングが生じやすい単電池との境界となる圧力を検出時と同一の運転条件において事前に取得し、その値に設定する。
【００３５】
図示しないが、例えば単電池２０の電圧等の発電特性を検出する発電特性検出手段を設けることも可能である。発電特性検出手段によると、フラッディングが生じていること、すなわち電池性能が極端に落ちていることを直接確認することができる。
【００３６】
本実施形態では、燃料ガス供給マニフォルド３Ａ’と酸化剤ガス供給マニフォルド５Ａ’が内部に形成されている単電池２０が検出対象である場合の検出装置の構成を示したが、外部の燃料ガス供給マニフォルド及び酸化剤ガス供給マニフォルドから、内部の燃料ガス支流路、酸化剤ガス支流路に直接ガスを導く構成の単電池を検出対象とすることもできる。この場合、検出装置において、燃料ガス供給マニフォルド及び酸化剤ガス供給マニフォルドを備えた構成とする。
（単電池の動作特性検出装置の具体的な構成例）
図２は、本実施形態における単電池の動作特性検出装置の構成を概略的に示す斜視図であり、特に燃料本流路開閉手段、空気本流路開閉手段の具体的な構成を示す。
図２に示すように、燃料ガス本流路開閉手段４４は、燃料ガス供給マニフォルド３Ａ’の下流端に接続された燃料ガス流通管４２と、精製水が注入され水平に配置されたメスシリンダー４３からなる。メスシリンダー４３においては、燃料ガス流通管４２の下流端から一部分が、その中心軸が鉛直方向となるように水中に浸漬されている。燃料ガス流通管４２の浸漬部分の鉛直方向の長さをＬａ（mm）、メスシリンダー４３の水面の高さをＨａ（mm）、燃料ガス流通管４４内の水面の高さをｈａ（mm）、Ｈａ（mm）とｈａ(mm)との差をＰａ（mm）とする。メスシリンダー４３においては、燃料ガス流通管４２内の水面にＬａ（mmaq）より大きな圧力がかかると、気泡が発生する。すなわち、燃料ガス流通管４２の下流端が開放され、燃料ガス供給マニフォルド３Ａ’の下流端から燃料ガスが排出される。
【００３７】
図２に示すように、酸化剤ガス本流路開閉手段５４は、酸化剤ガス供給マニフォルド５Ａ’の下流端に接続された酸化剤ガス流通管５２と、精製水が注入され水平に配置されたメスシリンダー５３からなる。メスシリンダー５３では、酸化剤ガス流通管５２の下流端から一部分が、その中心軸が鉛直方向となるように水中に浸漬されている。酸化剤ガス流通管５２の浸漬部分の鉛直方向の長さをＬｃ（mm）、メスシリンダー５３の水面の高さをＨｃ（mm）、燃料ガス流通管５４内の水面の高さをｈｃ（mm）、Ｈｃ（mm）とｈｃ(mm)との差をＰｃ（mm）とする。メスシリンダー５３においては、酸化剤ガス流通管５２内の水面にＬｃ（mmaq）より大きな圧力がかかると、気泡が発生する。すなわち、酸化剤ガス流通管５２の下流端が開放され、酸化剤ガス供給マニフォルド５Ａ’の下流端から酸化剤ガスが排出される。
【００３８】
尚、メスシリンダー４３，５３内の液状物質は精製水に限定されることはなく、燃料ガス流通管４２及び酸化剤ガス流通管５２の水面にかかる圧力が測定できる物質であればよく、例えば水銀を用いることができる。
【００３９】
本実施形態では、供給手段からのガスの供給と、電子負荷７０による電流の取得を所定時間継続し、所定時間内に、メスシリンダー４３，５３から気泡が発生したか否かでフラッディングが生じやすい単電池か否かの検出を行うが、Ｐａ、Ｐｃの経時変化を追うことにより、単電池２０内のガス流通抵抗の変化を検出することができ、また、最初に気泡が発生した後も気泡の発生の程度を検出することによりフラッディングの進行の程度を検出することができる。また、あわせて、単電池の電圧変化を検出してもよい。
【実施例】
【００４０】
固体高分子型燃料電池を構成する単電池を製造し、その後、図２に示す検出装置を用いて、単電池の動作特性を検出した。
（単電池の製造）
まず、アノード１３用の触媒ペーストを作製した。平均粒径が３０ｎｍのカーボン粉末（ＡＫＺＯ社製、ケッチェンブラック）を、塩化白金酸と塩化ルテニウム酸とを溶解した水溶液に浸漬したのち、これを還元処理することで、カーボン粉末に白金−ルテニウムを担持させた。このとき、白金粒子とルテニウム粒子との平均粒径はともに約３ｎｍで、カーボン粉末に対する白金粒子とルテニウム粒子の担持率は、それぞれ３０重量％及び２４重量％とした。この触媒担持カーボン粉末を水素イオン伝導性高分子電解質であるパーフルオロスルホン酸の５０重量％アルコール溶液（旭硝子社製、フレミオン溶液）中に分散させ、スラリー化した。これをアノード１３用の触媒ペーストとした。この触媒ペースト中のパーフルオロスルホン酸とカーボン粉末との重量混合比は、１．６：１．０とした。
【００４１】
次に、カソード１４用の触媒ペーストを作製した。平均粒径が３０ｎｍのカーボン粉末（ＡＫＺＯ社製、ケッチェンブラック）を、塩化白金酸を溶解した水溶液に浸漬したのち、これを還元処理することで、カーボン粉末に白金を担持させた。このとき、白金粒子の平均粒径は約３ｎｍで、カーボン粉末に対する白金粒子の担持率は、５０重量％とした。この触媒担持カーボン粉末を水素イオン伝導性高分子電解質であるパーフルオロスルホン酸の５０重量％アルコール溶液（旭硝子社製、フレミオン溶液）中に分散させ、スラリー化した。これをカソード１４用の触媒ペーストとした。この触媒ペースト中のパーフルオロスルホン酸とカーボン粉末との重量混合比は、１．０：１．０とした。
【００４２】
これらの触媒担持カーボンを含むスラリーをポリプロピレン製フィルム基材に乾燥させて触媒層７，９とし、高分子電解質膜（デュポン社製、Ｎａｆｉｏｎ１１２）６の両面にそれぞれホットプレスにより転写し、触媒層付き電解質膜とした。触媒層７，９は１０ｃｍ角で、電極面積１００ｃｍ２とした。
【００４３】
ＰＡＮ（ポリアクリロニトリル）を原料とする平織のカーボンクロス（日本カーボン社製、ＧＦ−２０−３１Ｅ）を基材に用い、このカーボンクロスに導電性撥水層を塗工し、ガス拡散層８，１０とした。導電性撥水層について説明する。界面活性剤（Ｔｒｉｔｏｎ−Ｘ）を添加した水にアセチレンブラック（電気化学工業社製）の顆粒を分散させた後、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）の水性ディスパージョン（ダイキン社製、Ｄ−１）を加えてよく混練したものを導電性撥水層スラリーとした。このスラリーの重量組成比は、水：アセチレングラック：ＰＴＦＥ：界面活性剤＝４０：１０：３：１とした。このスラリーを前記カーボンクロスに塗工した後、電気炉で３００℃、３時間焼成して界面活性剤を除去させつつ導電性撥水層をカーボンクロスに固着させ、ガス拡散層８，１０とした。このガス拡散層８，１０を触媒層７，９より周囲１ｍｍずつ大きな１０．２ｃｍ角に切断した。
【００４４】
次に、触媒付電解質膜の両面に一対のガス拡散層８，１０を導電性撥水層が触媒反応層７，９と接するように結着し、さらにガス拡散層８，１０の周囲にパイントゴム製のガスケットを配置して、１００℃、１０ｋｇｆ／ｃｍ２、５分ホットプレスしＭＥＡ１５とした。
【００４５】
セパレータ１，２は、厚み３ｍｍの樹脂含浸黒鉛板に切削加工でガス流路１１，１２を施したものを用いた。図示しないが、アノード１３側のセパレータ１のガス流路１２は、リブ幅１．０ｍｍ、溝幅１．０ｍｍの３本の流路からなるサーペンタイプ流路、カソード側のセパレータ２のガス流路はリブ幅１．０ｍｍ、溝幅１．０ｍｍの６本の流路からなるサーペンタイプ流路とした。
【００４６】
ＭＥＡ１５をセパレータ１，２、集電板、絶縁板、端板の順に挟持し、１０ｋｇｆ／ｃｍ２の締結圧で締結し単電池２０とした。
（単電池の動作特性検出）
本検出においては、燃料ガスとして水素ガスを用い、酸化剤ガスとして空気を用いた。尚、単電池の動作特性を検出する前に、図３に示す検出装置を用いて、電子負荷７０により取得する電流密度０．１５Ａ／ｃｍ２、水素ガス利用率６０％〜８０％の条件下で、燃料ガス供給マニフォルド３Ａ’の下流端にかかる圧力を、圧力計（長野計器（株）製ＫＬ−７１）４５を用いて測定した。水素ガス利用率は５％毎変化させた。３０枚の単電池２０の前記圧力を測定し、その平均値より略１０％高い値を表１に示す。各水素ガス利用率において、平均値より略１０％高い圧力が図２に示す燃料ガス流通管４２の水面にかかっている場合は、フラッディングが生じている状態であるとみなすことができる。同じく、図３に示す検出装置を用いて、電子負荷７０により取得する電流密度０．１５Ａ／ｃｍ２、空気利用率６０％〜８０％の条件下で、空気ガス供給マニフォルド５Ａ’の下流端にかかる圧力を、圧力計５５を用いて測定した。空気利用率は５％毎変化させた。３０枚の単電池２０の前記圧力を測定し、その平均値より略１０％高い値を表２に示す。各空気利用率において、平均値より略１０％高い圧力が図２に示す空気流通管５２の水面にかかっている場合は、フラッディングが生じている状態であるとみなすことができる。
【００４７】
【表１】
2005203236.tif 000003
【００４８】
【表２】
2005203236.tif 000004
次に、図２に示す検出装置を用いて、検出対象の単電池の動作特性、具体的にはフラッディングが生じやすいか否かを検出した。詳細な検出条件は、負荷７０により取り出す電流密度を０．１５Ａ／ｃｍ２、燃料ガス供給マニフォルド３Ａ’の上流端から、露点６５℃、水素ガス利用率が７０％となるように水素ガスを供給した。そして、Ｌａは水素ガス利用率が７０％のときの表１の値である８５０ｍｍとした。酸化剤ガス供給マニフォルド５Ａ’の上流端から、露点７０℃、空気利用率が７０％となるように空気を供給した。そして、Ｌｃは空気利用率が７０％のときの表２の値である３７５（ｍｍ）とした。上記条件にて、水素ガス及び空気ガスの供給と負荷による電流の取得を１５分間継続して行い、いずれのメスシリンダー４３，５３からも気泡が発生しなかった単電池はフラッディングが生じにくい良好品であると判定した。尚、いずれかのメスシリンダー４３，５３から気泡が発生した単電池２０については、気泡が発生した時点で検出を終了し、フラッディングが生じやすい不良品であると判定した。
【００４９】
上記検出において、良好品であると判定された単電池を２０枚用いてスタックを製造し、スタックの発電特性を検出した。ここで検出した発電特性は、スタック内の各単電池の電圧の経時変化である。詳細な検出条件は、負荷により取り出す電流密度を０．１５Ａ／ｃｍ２、燃料ガス供給マニフォルド３Ａ’の上流端から、水素ガス利用率が７０％となるように露点６５℃の水素ガスを供給した。酸化剤ガス供給マニフォルド５Ａ’の上流端から、空気利用率が７０％となるように露点７０℃の空気を供給した。
【００５０】
図４に結果を示す。図４からわかるように、２０時間経過しても、いずれの単電池からも電圧の低下は観測されなかった。すなわち、スタックにおける電池性能の低下は観測されなかった。
【００５１】
尚、比較例として、上記単電池の動作特性検出を行っていない単電池を無作為で２０枚選びスタックを構成し、かかるスタックについて、上記と同様の条件で発電特性を検出した。図５に結果を示す。図５からわかるように、２０枚の単電池中二つの単電池でフラッディングが発生したことがわかる。
【００５２】
この試験において、電圧の急激な低下が観測された単電池を取り出し、図２に示す検出装置を用いて空気利用率を変化させながら測定したところ、空気利用率７５％においてシリンダー５３内に気泡が発生した。
【産業上の利用可能性】
【００５３】
本発明は、固体高分子型燃料電池を製造する際に有用である。予めフラッディングが生じやすい単電池を除いてスタックを製造することができるので、エネルギー効率の高い固体高分子型燃料電池を煩雑な作業を行うことなく製造することができる。
【図面の簡単な説明】
【００５４】
【図１】本実施形態の単電池の動作特性検出装置の概略の構成を示すブロック図。
【図２】本実施形態の単電池の動作特性検出装置の概略の構成を示す斜視図。
【図３】単電池内の圧力検出方法を示す図である。
【図４】実施例のスタックの電圧検出結果を示す図。
【図５】比較例のスタックの電圧検出結果を示す図。
【図６】固体高分子型燃料電池及びそれを構成する単電池の構成を模式的に示す図。
【図７】燃料ガス支流路が形成されたセパレータの主面を示す上面図。
【図８】酸化剤ガス支流路が形成されたセパレータの主面を示す上面図。
【図９】（ａ）いずれの単電池においてもガス流通抵抗が増大していないスタック、（ｂ）一つの単電池においてガス流通抵抗が増大しているスタックにおけるガスの流通の様子を模式的に示す図。
【符号の説明】
【００５５】
１，２  セパレータ        
３Ａ    燃料ガス供給マニフォルド孔
３Ａ’  燃料ガス供給マニフォルド
３Ｂ    燃料ガス排出マニフォルド孔
３Ｂ’  燃料ガス排出マニフォルド
５Ａ    酸化剤ガス供給マニフォルド孔
５Ａ’  酸化剤ガス供給マニフォルド
５Ｂ    酸化剤ガス排出マニフォルド孔
５Ｂ’  酸化剤ガス排出マニフォルド
７，９  触媒層
８，１０  ガス拡散層
１１    酸化剤ガス支流路
１２    燃料ガス支流路
１３    アノード
１４    カソード
１５    ＭＥＡ
２０    単電池
３０    スタック
４１    燃料ガス供給手段
４２    燃料ガス流通管
４３    メスシリンダー
４４    燃料ガス本流路開閉手段
５１    酸化剤ガス供給手段
５２    酸化剤ガス流通管
５３    メスシリンダー
５４    酸化剤ガス本流路開閉手段
７０    電子負荷
【図１】
2005203236.tif 000005
【図２】
2005203236.tif 000006
【図３】
2005203236.tif 000007
【図４】
2005203236.tif 000008
【図５】
2005203236.tif 000009
【図６】
2005203236.tif 000010
【図７】
2005203236.tif 000011
【図８】
2005203236.tif 000012
【図９】
2005203236.tif 000013