(57)【要約】【課題】固体酸化物形燃料電池のセルスタックの健全性評価に利用することのできる燃料電池セルの電気特性測定方法、及び燃料電池セルスタックの診断方法を提供する。【解決手段】燃料電池セルの電気特性測定方法は、燃料電池２００が発電を行っていない常温下で、任意の単セル２０１に対して第１抵抗値を有する第１外部抵抗１２及び定電圧直流電源１１を接続して充電用回路Ａ１を形成することにより、単セル２０１の充電電圧値の時間変化を充電曲線として記録する充電曲線記録工程と、第１抵抗値、定電圧直流電源１１により印加した直流電圧値、及び充電曲線より求めた単セル２０１の満充電電圧値に基づいて、単セル２０１の内部抵抗値を測定する内部抵抗値測定工程と、充電曲線より求めた単セル２０１の時定数、及び内部抵抗値に基づいて、単セル２０１の静電容量値を測定する静電容量値測定工程と、を含む。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
固体酸化型燃料電池のセルスタックにおいて、前記燃料電池が発電を行っていない常温下で、任意の単セルに対して第１抵抗値を有する第１外部抵抗、及び定電圧直流電源を接続して充電用回路を形成することにより、前記単セルの充電電圧値の時間変化を充電曲線として記録する充電曲線記録工程と、
前記第１抵抗値、前記定電圧直流電源より印加した直流電圧値、及び前記充電曲線より求めた前記単セルの満充電電圧値に基づいて、前記単セルの内部抵抗値を算出する内部抵抗値算出工程と、
前記充電曲線より求めた前記単セルの時定数、及び前記内部抵抗値に基づいて、前記単セルの静電容量値を算出する静電容量値算出工程と、を含む
燃料電池セルの電気特性測定方法。
【請求項２】
固体酸化型燃料電池のセルスタックにおいて、前記燃料電池が発電を行っていない常温下で、任意の単セルに対して第１抵抗値を有する第１外部抵抗、及び定電圧直流電源を接続して充電用回路を形成することにより、前記単セルの充電電圧値の時間変化を充電曲線として記録した後、前記定電圧直流電源の接続を遮断して放電用回路を形成することにより、前記単セルの充電電圧値の時間変化を放電曲線として記録する充放電曲線記録工程と、
前記第１抵抗値、前記定電圧直流電源により印加した直流電圧値、及び前記充電曲線より求めた前記単セルの満充電電圧値に基づいて、前記単セルの内部抵抗値を算出する内部抵抗値算出工程と、
前記放電曲線より求めた前記単セルの時定数、及び前記内部抵抗値に基づいて、前記単セルの静電容量値を算出する静電容量値算出工程と、を含む
燃料電池セルの電気特性測定方法。
【請求項３】
請求項１又は請求項２に記載の方法に従って、前記セルスタックの単セルごとに前記内部抵抗値及び前記静電容量値を測定する電気特性測定工程と、
前記単セルごとの前記内部抵抗値どうし、及び／又は、前記静電容量値どうしを比較し、前記セルスタックが特性の異なる前記単セルを含むか否かを判別する異特性セル判別工程と、を含む
燃料電池セルスタックの診断方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池セルの電気特性測定方法、及び燃料電池セルスタックの診断方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）は、複数の単セルが積層されたセルスタック構造を有している。セルスタックは、平板構造と円筒構造に大別されるが、いずれの場合もアノード（燃料極）、カソード（空気極）、及び電解質からなるセラミックス製の単セルがインターコネクタを介して連結された構造を有している。セルスタックに組み込まれた各単セルにおいては、アノード側に水素含有燃料を、カソード側に空気を供給し、内部で水素と酸素を反応させることにより発電が行われる。
【０００３】
ところで、燃料電池の製造工場で組立・焼成・還元処理されたセルスタックにおいて、製造工程などに起因して異質な単セルが所定割合以上含まれている場合、所期の発電能力を発揮できない。セルスタックの発電能力が不足していると、必要な電力を需要箇所に供給できないことから、単セルの健全性を診断する方法（特許文献１，２）やセルスタックの健全性を診断する方法（特許文献３）が提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００７−２１４０７２号公報
【特許文献２】特開２００８−１６６１８９号公報
【特許文献３】特開２００４−２４１３２５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
固体酸化物形燃料電池のセルスタックは、発電中の動作温度が高く、その温度は６００〜１０００℃にも達する。そのため、燃料電池ユニットの起動後にセルスタックの発電能力の不足が判明した場合には、一旦運転を停止し、セルスタックの温度が下がるのを待ってから新たなセルスタックに交換するなどの必要が生じる。しかも、セルスタックの交換中は、需要箇所に電力を供給できない上、単セルやセルスタックの健全性の診断を燃料電池ユニットの設置現場で行うのは困難である。このような事情から、燃料電池ユニットを作動させる前に、単セルやセルスタックの健全性評価を行うことが望まれていた。
【０００６】
本発明は、固体酸化物形燃料電池のセルスタックの健全性評価に利用することのできる燃料電池セルの電気特性測定方法、及び燃料電池セルスタックの診断方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明は、固体酸化型燃料電池のセルスタックにおいて、前記燃料電池が発電を行っていない常温下で、任意の単セルに対して第１抵抗値を有する第１外部抵抗、及び定電圧直流電源を接続して充電用回路を形成することにより、前記単セルの充電電圧値の時間変化を充電曲線として記録する充電曲線記録工程と、前記第１抵抗値、前記定電圧直流電源により印加した直流電圧値、及び前記充電曲線より求めた前記単セルの満充電電圧値に基づいて、前記単セルの内部抵抗値を算出する内部抵抗値算出工程と、前記充電曲線より求めた前記単セルの時定数、及び前記内部抵抗値に基づいて、前記単セルの静電容量値を算出する静電容量値算出工程と、を含む燃料電池セルの電気特性測定方法に関する。
【０００８】
また、本発明は、固体酸化型燃料電池のセルスタックにおいて、前記燃料電池が発電を行っていない常温下で、任意の単セルに対して第１抵抗値を有する第１外部抵抗、及び定電圧直流電源を接続して充電用回路を形成することにより、前記単セルの充電電圧値の時間変化を充電曲線として記録した後、前記定電圧直流電源の接続を遮断して放電用回路を形成することにより、前記単セルの充電電圧値の時間変化を放電曲線として記録する充放電曲線記録工程と、前記第１抵抗値、前記定電圧直流電源により印加した直流電圧値、及び前記充電曲線より求めた前記単セルの満充電電圧値に基づいて、前記単セルの内部抵抗値を算出する内部抵抗値算出工程と、前記放電曲線より求めた前記単セルの時定数、及び前記内部抵抗値に基づいて、前記単セルの静電容量値を算出する静電容量値算出工程と、を含む燃料電池セルの電気特性測定方法に関する。
【０００９】
また、本発明は、前記電気特性測定方法に従って、前記セルスタックの単セルごとに前記内部抵抗値及び前記静電容量値を測定する電気特性測定工程と、前記単セルごとの前記内部抵抗値どうし、及び／又は、前記静電容量値どうしを比較し、前記セルスタックが特性の異なる前記単セルを含むか否かを判別する異特性セル判別工程と、を含む燃料電池セルスタックの診断方法に関する。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、固体酸化物形燃料電池のセルスタックの健全性評価に利用することのできる燃料電池セルの電気特性測定方法、及び燃料電池セルスタックの診断方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明の燃料電池セルの電気特性測定方法において、単セルの充電用回路を形成した状態を示す回路図である。
【図２】本発明の第１実施形態に係る単セルの充電曲線である。
【図３】本発明の第２実施形態に係る単セルの充電曲線及び放電曲線である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下、本発明の第１実施形態に係る燃料電池セルの電気特性測定方法、及び燃料電池セルスタックの診断方法について説明する。先ず、燃料電池セルの電気特性測定方法で用いられる電気特性測定装置の回路の構成について図１を参照しながら説明する。図１は、電気特性測定装置において、単セルの充電用回路を形成した状態を示す回路図である。
【００１３】
図１に示す電気特性測定装置１は、固体酸化型燃料電池２００のセルスタックを構成する単セル２０１の内部抵抗値及び静電容量値を測定するための装置である。発電装置として提供される燃料電池ユニットは、燃料電池２００、空気予熱器、水蒸発器、改質器、燃焼器等を断熱材で包囲したホットモジュールと、発電動作及び電力供給等に必要な補機群と、熱回収に使用する熱交換器と、をパッケージ化したものである。
【００１４】
電気特性測定装置１は、定電圧直流電源１１と、第１外部抵抗１２と、充電電圧測定器としての電圧計１３と、を有している。定電圧直流電源１１及び第１外部抵抗１２は、燃料電池２００が発電を行っていない常温下で、測定対象単セル２０１に電気的に直列接続され、測定対象単セル２０１を充電する充電用回路Ａ１を形成する。また、電圧計１３は、測定対象単セル２０１に電気的に並列接続される。
【００１５】
定電圧直流電源１１は、所定の直流電圧値Ｖ０（数ボルト程度）を充電用回路Ａ１に印加可能に構成されている。第１外部抵抗１２は、第１抵抗値Ｒ１を有しており、この第１抵抗値Ｒ１は、単セル２０１の内部抵抗値Ｒｉに基づいて設定される。典型的には、第１抵抗値Ｒ１は、単セル２０１の内部抵抗値Ｒｉの０．１〜１０倍程度に設定される。電圧計１３は、単セル２０１の２つの電極、即ち、カソードと、アノードとにそれぞれ電気的に接続され、単セル２０１の充電電圧値を測定可能である。
【００１６】
次に、燃料電池セルの電気特性測定方法について図２を参照しながら説明する。図２は、単セル２０１の充電曲線である。第１実施形態に係る燃料電池セルの電気特性測定方法は、充電曲線記録工程と、内部抵抗値算出工程と、静電容量値算出工程と、を含んでいる。
【００１７】
充電曲線記録工程では、燃料電池２００が発電を行っていない常温下で、任意の単セル２０１に対して、第１外部抵抗１２及び定電圧直流電源１１を接続して充電用回路Ａ１（図１参照）を形成することにより、単セル２０１の充電電圧値の時間変化を充電曲線Ｃ１として記録する。
【００１８】
具体的には、充電曲線記録工程では、先ず、燃料電池２００が燃料電池ユニットに搭載されていない状態（典型的には、組立・焼成・還元処理済みセルスタックが出荷前の状態）で、測定対象単セル２０１に対して、上述した電気特性測定装置１を接続する。そして、測定対象単セル２０１に所定の直流電圧値Ｖ０を印加して充電を開始する。単セル２０１の充電中は、電圧計１３により充電曲線Ｃ１を記録し、充電電圧値が飽和した時点で満充電電圧値ＶＳに達したものと判断して充電操作を終了する。
【００１９】
充電曲線記録工程に続く内部抵抗値算出工程では、第１抵抗値Ｒ１、定電圧直流電源１１により印加した直流電圧値Ｖ０、及び充電曲線Ｃ１より求めた測定対象単セル２０１の満充電電圧値ＶＳに基づいて、測定対象単セル２０１の内部抵抗値Ｒｉを算出する。具体的には、次の式（１）を使用して内部抵抗値Ｒｉを求める。なお、式（１）は、満充電時に単セル２０１に流れる電流値と第１外部抵抗１２に流れる電流値とが等しいという関係から導ける数式である。
Ｒｉ＝ＶＳ×Ｒ１÷（Ｖ０−ＶＳ）    …    （１）
【００２０】
内部抵抗値算出工程に続く静電容量値算出工程では、充電曲線Ｃ１より求めた測定対象単セル２０１の時定数τｉ、及び内部抵抗値Ｒｉに基づいて、測定対象単セル２０１の静電容量値Ｃｉを求める。具体的には、次の式（２）を使用して静電容量値Ｃｉを求める。
Ｃｉ＝τｉ÷Ｒｉ    …    （２）
【００２１】
ここで、単セル２０１の時定数τｉは、充電終了時点の充電電圧値（すなわち、満充電電圧値ＶＳ）を１００％として、充電中の充電電圧値が満充電電圧値ＶＳの６３．２％（＝１−１／ｅ×１００）まで到達するのに要する時間である。図２の充電曲線Ｃ１に示すように、充電開始時刻をｔ１とし、充電電圧値がＶＳ×（１−１／ｅ）となった時刻をｔ２とすると、単セル２０１の時定数τｉは、次の式（３）で表わされる。
τｉ＝ｔ２−ｔ１    …    （３）
【００２２】
次に、燃料電池セルスタックの診断方法について説明する。第１実施形態に係る燃料電池セルスタックの診断方法は、上述した燃料電池セルの電気特性測定方法に従う電気特性測定工程と、異特性セル判別工程と、を含んでいる。電気特性測定工程では、内部抵抗値算出工程で求めた内部抵抗値Ｒｉ及び静電容量値算出工程で求めた静電容量値Ｃｉを取得し、単セルの異質性を判別するための情報として利用する。
【００２３】
電気特性測定工程に続く異特性セル判別工程では、単セル２０１ごとの内部抵抗値Ｒｉどうし、及び、静電容量値Ｃｉどうしを比較し、セルスタックが特性の異なる単セル２０１を含むか否かを判別する。そして、セルスタックが異質な単セル２０１を所定割合以上（例えば、全セル数に対して数％程度）含む場合には、セルスタックの健全性が担保されていないと判断し、当該セルスタックを燃料電池ユニットに搭載することなく補修する。補修が困難な場合は、再利用可能な部品を回収した後、廃棄等の処分を行ってもよい。
なお、異特性セル判別工程では、単セル２０１どうしの特性値を比較して異質性を判別するだけでなく、各単セル２０１の特性値を予め設定した基準値（例えば、全セルの特性値の平均値）と比較することにより、その異質性を判別してもよい。
【００２４】
第１実施形態に係る燃料電池セルの電気特性測定方法、及び燃料電池セルスタックの診断方法によれば、以下のような効果を得ることができる。
【００２５】
燃料電池セルの電気特性測定方法は、固体酸化型燃料電池のセルスタックにおいて、燃料電池２００が発電を行っていない常温下で、任意の単セル２０１に対して第１抵抗値Ｒ１を有する第１外部抵抗１２、及び定電圧直流電源１１を接続して充電用回路Ａ１を形成することにより、単セル２０１の充電電圧値の時間変化を充電曲線Ｃ１として記録する充電曲線記録工程と、第１抵抗値Ｒ１、定電圧直流電源１１により印加した直流電圧値Ｖ０、及び充電曲線Ｃ１より求めた満充電電圧値ＶＳに基づいて、単セル２０１の内部抵抗値Ｒｉを算出する内部抵抗値算出工程と、充電曲線Ｃ１より求めた単セル２０１の時定数τｉ、及び内部抵抗値Ｒｉに基づいて、単セル２０１の静電容量値Ｃｉを算出する静電容量値算出工程と、を含む。このため、燃料電池ユニットを作動させる前に、セルスタックの全体に亘って単セル２０１の内部抵抗値Ｒｉ及び静電容量値Ｃｉを正確且つ短時間で計測ことができる。
【００２６】
また、燃料電池セルスタックの診断方法は、上記燃料電池セルの電気特性測定方法に従って、セルスタックの単セル２０１ごとに内部抵抗値Ｒｉ及び静電容量値Ｃｉを測定する電気特性測定工程と、単セル２０１ごとの内部抵抗値Ｒｉどうし、及び／又は、静電容量値Ｃｉどうしを比較し、セルスタックが特性の異なる単セル２０１を含むか否かを判別する異特性セル判別工程と、を含む。このため、燃料電池ユニットを作動させる前に、単セル２０１ごとの内部抵抗値Ｒｉ及び／又は静電容量値Ｃｉに基づいて、セルスタックの健全性評価を行うことができる。
【００２７】
次に、本発明の第２実施形態に係る燃料電池セルの電気特性測定方法、及び燃料電池セルスタックの診断方法について説明する。先ず、燃料電池セルの電気特性測定方法で用いられる電気特性測定装置１の回路の構成について再び図１を参照しながら説明する。図１は、単セル２０１の充電用回路を形成した状態を示す回路図である。
【００２８】
図１に示すように、第２実施形態における電気特性測定装置１は、第１実施形態で使用したものと基本的に同じ構成を有しているが、定電圧直流電源１１の接続を遮断して放電用回路Ａ２（符号省略）を形成可能になっている点が相違している。放電用回路Ａ２は、図１において、定電圧直流電源１１と第１外部抵抗１２の間の電気接続を切断、第１外部抵抗１２と単セル２０１の間の電気接続を切断、又は単セル２０１と定電圧直流電源１１との間の電気接続を切断することにより実行される。なお、実用的な回路設計においては、予め電気特性測定装置１の所要の箇所にスイッチを介在させておき、このスイッチを操作することにより充電用回路Ａ１と放電用回路Ａ２の切り換えを行えばよい。
【００２９】
次に、燃料電池セルの電気特性測定方法について図３を参照しながら説明する。図３は、単セル２０１充電曲線及び放電曲線（すなわち、充放電曲線）である。第２実施形態に係る燃料電池セルの電気特性測定方法は、充放電曲線記録工程と、内部抵抗値算出工程と、静電容量値算出工程と、を含んでいる。
【００３０】
充放電曲線記録工程では、燃料電池２００が発電を行っていない常温下で、任意の単セル２０１に対して、第１外部抵抗１２及び定電圧直流電源１１を接続して充電用回路Ａ１を形成することにより、単セル２０１の充電電圧値の時間変化を充電曲線Ｃ２として記録した後、定電圧直流電源１１の接続を遮断して放電用回路Ａ２を形成することにより、単セルの充電電圧値の時間変化を放電曲線Ｃ３として記録する。
【００３１】
具体的には、充放電曲線記録工程では、先ず、燃料電池２００が燃料電池ユニットに搭載されていない状態（典型的には、組立・焼成・還元処理済みセルスタックが出荷前の状態）で、測定対象単セル２０１に対して、上述した電気特性測定装置１を接続する。そして、測定対象単セル２０１に所定の直流電圧値Ｖ０を印加して充電を開始する。単セル２０１の充電中は、電圧計１３により充電曲線Ｃ２を記録し、充電電圧値が飽和した時点で満充電電圧値ＶＳに達したものと判断して充電操作を終了する。
【００３２】
次に、測定対象単セル２０１に直流電圧値Ｖ０が印加されないように電圧印加を遮断し、放電を開始する。単セル２０１の放電中は、電圧計１３により放電曲線Ｃ３を記録し、充電電圧値が満充電電圧値ＶＳの３６．８％相当の値に達した時点以降で放電操作を終了する。
【００３３】
充放電曲線記録工程に続く内部抵抗値算出工程では、第１抵抗値Ｒ１、定電圧直流電源１１により印加した直流電圧値Ｖ０、及び充電曲線Ｃ２より求めた測定対象単セル２０１の満充電電圧値ＶＳに基づいて、測定対象単セル２０１の内部抵抗値Ｒｉを算出する。具体的には、上述した式（１）を使用して内部抵抗値Ｒｉを求める。
【００３４】
内部抵抗値算出工程に続く静電容量値算出工程では、放電曲線Ｃ３より求めた測定対象単セル２０１の時定数τｉ、及び内部抵抗値Ｒｉに基づいて、測定対象単セル２０１の静電容量値Ｃｉを求める。具体的には、上述した式（２）を使用して静電容量値Ｃｉを求める。
【００３５】
ここで、単セル２０１の時定数τｉは、放電開始時点の充電電圧値（すなわち、満充電電圧値ＶＳ）を１００％として、放電中の充電電圧値が満充電電圧値ＶＳの３６．８％（＝１／ｅ×１００）まで低下するのに要する時間である。図３の放電曲線Ｃ３に示すように、放電開始時刻をｔ１とし、充電電圧値がＶＳ×１／ｅとなった時刻をｔ２とすると、単セル２０１の時定数τｉは、次の式（４）で表わされる。
τｉ＝ｔ２−ｔ１    …    （４）
【００３６】
次に、第２実施形態に係る燃料電池セルスタックの診断方法は、上述した燃料電池セルの電気特性測定方法に従う電気特性測定工程と、異特性セル判別工程と、を含んでいる。電気特性測定工程では、内部抵抗値算出工程で求めた内部抵抗値Ｒｉ及び静電容量値算出工程で求めた静電容量値Ｃｉを取得し、単セルの異質性を判別するための情報として利用する。なお、異特性セル判別工程の内容は、第１実施形態と同じであるので、詳細な説明を省略する。
【００３７】
第２実施形態に係る燃料電池セルの電気特性測定方法、及び燃料電池セルスタックの診断方法によれば、以下のような効果を得ることができる。
【００３８】
燃料電池セルの電気特性測定方法では、固体酸化型燃料電池のセルスタックにおいて、燃料電池２００が発電を行っていない常温下で、任意の単セル２０１に対して第１抵抗値Ｒ１を有する第１外部抵抗１２、及び定電圧直流電源１１を接続して充電用回路Ａ１を形成することにより、単セル２０１の充電電圧値の時間変化を充電曲線Ｃ２として記録した後、定電圧直流電源１１の接続を遮断して放電用回路Ａ２を形成することにより、単セル２０１の充電電圧値の時間変化を放電曲線Ｃ３として記録する充放電曲線記録工程と、第１抵抗値Ｒ１、定電圧直流電源１１により印加した直流電圧値Ｖ０、及び充電曲線Ｃ２より求めた満充電電圧値ＶＳに基づいて、単セル２０１の内部抵抗値Ｖｉを算出する内部抵抗値算出工程と、放電曲線Ｃ３より求めた単セル２０１の時定数τｉ、及び内部抵抗値Ｒｉに基づいて、単セル２０１の静電容量値Ｃｉを算出する静電容量値算出工程と、を含む。このため、燃料電池ユニットを作動させる前に、セルスタックの全体に亘って単セル２０１の内部抵抗値Ｒｉ及び静電容量値Ｃｉを正確且つ短時間で計測ことができる。
【００３９】
また、燃料電池セルスタックの診断方法は、上記燃料電池セルの電気特性測定方法に従って、セルスタックの単セル２０１ごとに内部抵抗値Ｒｉ及び静電容量値Ｃｉを測定する電気特性測定工程と、単セル２０１ごとの内部抵抗値Ｒｉどうし、及び／又は、静電容量値Ｃｉどうしを比較し、セルスタックが特性の異なる単セル２０１を含むか否かを判別する異特性セル判別工程と、を含む。このため、燃料電池ユニットを作動させる前に、単セル２０１ごとの内部抵抗値Ｒｉ及び／又は静電容量値Ｃｉに基づいて、セルスタックの健全性評価を行うことができる。
【００４０】
本発明は、上記実施形態に限定されることはなく、特許請求の範囲に記載された技術的範囲において変形が可能である。例えば、上記実施形態では、異特性セル判別工程は、単セル２０１ごとの内部抵抗値Ｒｉどうし、及び、静電容量値Ｃｉどうしを比較し、セルスタックが特性の異なる単セル２０１を含むか否かを判別したが、これに限定されない。異特性セル判別工程は、各単セル２０１の内部抵抗値Ｒｉのみを比較することにより、その異質性を判別してもよいし、各単セル２０１の静電容量値Ｃｉのみを比較することにより、その異質性を判別してもよい。
【００４１】
また、上記実施形態では、燃料電池２００が燃料電池ユニットに搭載されていない状態で、測定対象単セル２０１の電気特性を測定するケースを例示した。しかし、燃料電池２００が発電を行っていない常温下であれば、燃料電池２００が燃料電池ユニットに搭載されている状態で、測定対象単セル２０１の電気特性を測定してもよい。
【符号の説明】
【００４２】
１１  定電圧直流電源
１２  第１外部抵抗
２００  燃料電池
２０１  単セル
Ａ１  充電用回路
Ａ２  放電用回路
Ｃ１、Ｃ２  充電曲線
Ｃ３  放電曲線
【図１】
2017162573.tif 000003
【図２】
2017162573.tif 000004
【図３】
2017162573.tif 000005