JPH0927336A

JPH0927336A - 燃料電池スタックの診断方法

Info

Publication number: JPH0927336A
Application number: JP7177075A
Authority: JP
Inventors: Toru Yajima; 亨矢嶋; Tsutomu Aoki; 努青木
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1995-07-13
Filing date: 1995-07-13
Publication date: 1997-01-28

Abstract

(57)【要約】【課題】特殊な装置を必要とせずに、燃料電池スタッ
クのクロスリークの発生を確実に検知可能な燃料電池ス
タックの診断方法を提供する。【解決手段】燃料電池の燃料極１ａに一定の濃度の水
素を含む水素含有ガスを供給すると共に、酸化剤極１ｂ
に一定の濃度の酸素を含む酸素含有ガスを供給する。酸
素含有ガスの供給量の経時的変化と、これに伴って燃料
電池スタック２において発生する電圧の経時的変化との
対応関係を記録する。酸素含有ガスの供給量の変化に伴
うスタック２の発生電圧の変化が急激な場合に、スタッ
ク２において水素の漏洩が発生していることを検知す
る。酸素含有ガスの供給量とスタック２において発生す
る電圧との経時的変化の対応関係から、スタック２にお
ける水素漏洩量を算出する。水素漏洩量が、スタック２
の正常時における水素漏洩量以上である場合に、クロス
リークの発生を特定する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、燃料電池スタック
に発生した異常を検知するための燃料電池スタックの診
断方法に係り、特に、燃料ガスや酸化剤ガスの漏洩であ
るクロスリークの発生を特定するための燃料電池スタッ
クの診断方法に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】燃料電池は、燃料を電気化学プロセスで
酸化させることにより、酸化反応にともなって放出され
るエネルギーを直接電気エネルギーに変換する装置であ
る。火力・水力発電のような発電方式は、熱エネルギー
や運動エネルギーの過程を経て発電が行われるものであ
るが、燃料電池による発電システムはこのような過程を
経ない直接発電であるので、燃料の持つ化学エネルギー
を有効に利用でき、比較的小さな規模でも、４０〜５０
％という高い熱効率が期待できる。また、発電装置内に
燃焼サイクルを含まないので、近年、公害要因として大
きな社会問題となっているＳＯｘ、ＮＯｘの排出量が極
めて少ない。そして、冷却水を大量に必要とするという
こともなく、騒音や振動が小さいため、環境特性に極め
て優れているという特徴を有している。

【０００３】さらに、燃料電池は負荷変動に対して応答
性が良く、原理的に高い変換効率が期待できるととも
に、発電に伴って発生する熱が給湯や暖冷房として利用
しやすいため、コージェネレーション（電熱併給）シス
テムとして、総合エネルギー効率を高めることが可能で
ある。

【０００４】このような燃料電池は、一般的に、電解質
を保持する電解質層が、多孔質材料を使用した一対の電
極（燃料極と酸化剤極）によって挟まれた構成となって
いる。そして、燃料極の背面に反応ガスとして燃料ガス
を接触させると共に、酸化剤極の背面に反応ガスとして
酸化剤ガスを接触させることにより、電気化学反応を生
じさせ、電極間から電気エネルギーを取り出すものであ
る。電解質としては、酸性溶液、溶融炭酸塩、アルカリ
溶液などがあるが、現在は、リン酸を用いたリン酸型燃
料電池が最も実用化に近いと考えられている。

【０００５】このようなリン酸型燃料電池の一例を、図
４に従って以下に説明する。すなわち、燃料電池の発電
部は燃料電池スタック２によって構成されている。燃料
電池スタック２は、単電池１がガス分離板３を介して複
数個積層された積層体である。

【０００６】単電池１は、リン酸を含浸した電解質層１
ｃが、多孔質材料を使用した燃料極（アノード電極）１
ａと酸化剤極（カソード電極）１ｂとに挟まれることに
よって構成されている。燃料極１ａと酸化剤極１ｂに
は、それぞれ電解質層１ｃと対向する面に、白金などに
よる触媒が塗布されている。そして、燃料極１ａの背面
には、水素などの燃料ガスが流通する燃料流通溝が形成
されている。また、酸化剤極１ｂの背面には、酸素など
の酸化剤ガスが流通する酸化剤流通溝が形成されてい
る。

【０００７】このような単電池１とガス分離板３とは交
互に複数個積層され、さらに一定積層数ごとに冷却板４
が挿入されることにより燃料電池スタック２が構成され
ている。ガス分離板３は、燃料極１ａ及び酸化剤極１ｂ
のそれぞれに供給されるガスを区分すると共に、単電池
１間の電気的接続を確保する部材である。なお、一般
に、燃料極１ａ、酸化剤極１ｂ、ガス分離板３及び冷却
板４はいずれも、炭素を材料として作られている。炭素
を用いる理由は、耐リン酸性（耐蝕性）、耐熱性、電気
伝導性及び熱伝導性に優れ、かつ低コストで製作できる
ためである。

【０００８】さらに、燃料電池スタック２の上下の端部
には、燃料電池スタック２で生じた電流を取り出す集電
板６が配置されている。一方、燃料電池スタック２の側
面には、燃料電池スタック２に燃料ガスと酸化剤ガスと
を供給・排出するガスマニホールド５が配置されてい
る。

【０００９】以上のような構成を有するリン酸型の燃料
電池の作用は、以下の通りである。すなわち、燃料電池
スタック２を構成する各単電池１においては、燃料極１
ａに供給された水素が、燃料極１ａに塗布された触媒の
作用により、次の式１のような反応を起こす。

【００１０】

【数１】この水素の解離反応により発生した水素イオン（Ｈ⁺）
は、電解質層１ｃに蓄えられたリン酸中を移動し、酸化
剤極１ｂに達する。

【００１１】一方、電子（ｅ^-）は、燃料極１ａから外
部回路を流れ、電力負荷を通って仕事をし、酸化剤極１
ｂに達する。そして、燃料極１ａから移動してきた水素
イオン（Ｈ⁺）と、酸化剤極１ｂに供給された酸素（Ｏ
₂）と、外部回路で仕事をしてきた電子（ｅ^-）とによ
り、酸化剤極１ｂに塗布された触媒の作用によって、次
の式２のような反応が起こる。

【００１２】

【数２】従って、単電池では、水素が酸化されて水になると共
に、このときの化学エネルギーが外部の電力負荷に与え
る電気エネルギーとなる。このようにして、単電池の電
池としての全反応が完結する。なお、上記の単電池１に
おける反応は発熱反応であるが、この熱は、スタック２
内部に挿入されている冷却板４の内部に水などの冷媒を
流すことにより除去され、燃料電池スタック２の温度が
一定に保たれる。

【００１３】また、実際のリン酸型燃料電池では通常、
燃料ガスとしては、主としてメタン（ＣＨ₄）からなる
天然ガスに水蒸気（Ｈ₂Ｏ）を加えて加熱し、次の式
３、式４のような、いわゆる改質反応によって発生させ
た水素を用いる。

【００１４】

【数３】

【数４】この反応では、水素と共に二酸化炭素（ＣＯ₂）も同時
に発生する。従って、燃料電池に供給されるガスは水素
と二酸化炭素との混合ガスとなる。また、未反応のメタ
ンや一酸化炭素（ＣＯ）も僅かながら含まれているが、
これらの量は無視できるほどである。以下、この混合ガ
スのことを「燃料ガス」と称する。二酸化炭素は電気化
学的に不活性であるので、燃料電池に供給されても上記
の反応を阻害することはない。また、酸化剤ガスとして
は、一般に空気が用いられる。空気は主に窒素と酸素か
らなるが、窒素も不活性ガスであるので、燃料電池に供
給されても問題はない。

【００１５】

【発明が解決しようとする課題】ところで、燃料電池が
発電を行うためには、燃料極１ａ及び酸化剤極１ｂにそ
れぞれの反応ガスが十分に供給されている必要がある。
しかし、電解質層１ｃに欠損等が発生し、燃料ガスが酸
化剤極へ漏洩したり、逆に酸化剤ガスが燃料極へ漏洩し
た場合（以下、この現象を「クロスリーク」と称する）
には、次のような問題が起こる。すなわち、クロスリー
クが発生すると、燃料ガス中の水素と酸化剤ガス中の酸
素が直接に反応し、消費されるため、発電のための燃料
ガスや酸化剤ガスが不足することになる。このように燃
料ガスが不足した場合には、反応は燃料ガスの供給され
る付近（燃料ガス入口付近）に集中し、この部分の発熱
量が正常な状態に比べて増加することになる。また、水
素と酸素の直接反応が生じている部分では反応熱が生
じ、電極の温度が上昇する。

【００１６】このような温度上昇により燃料極１ａ及び
空気極１ｂが高温になると、電池に蓄えられているリン
酸電解質の蒸発や触媒等の劣化が急速に進行して、電池
の寿命を短縮する原因となる。電解質層は、多孔質体の
細孔をリン酸が満たすことによりガスを遮断する機能を
果たしているが、リン酸の蒸発が進行すると、電解質層
の細孔を埋めていた液体の量が減少し、反応ガスの漏洩
が更に激しくなる。

【００１７】さらに、燃料ガスの不足が著しい場合、燃
料ガス出口付近では、酸化剤極１ｂに水素イオンが供給
されないため、水の生成反応が起こらない。そして、水
の生成反応の代わりに、次の式５、式６のような電極、
ガス分離板及び冷却板の材料である炭素が腐食される反
応が起こる。

【００１８】

【数５】

【数６】このような炭素の腐食反応が進行すると、燃料電池の主
な構成材料に欠損が生じて燃料電池の運転が不可能にな
る。そして、この腐食の進行により更にクロスリークが
激しくなることもある。

【００１９】クロスリークが発生すると、反応ガスの不
足により上記のような不都合が生じ、結果的に燃料電池
スタックにおいて発生する電圧が低下して、電気エネル
ギー量（発電量）が低下することとなる。

【００２０】このようなクロスリークの発生に対処する
ため、従来の燃料電池においては、電圧測定に基づく検
知方法により異常を検知している。すなわち、燃料電池
スタックの電圧を測定し、測定電圧がある一定値以下に
なったときに、燃料電池に異常が発生したと判断して、
その後の対応処置を行うこととしている。

【００２１】しかしながら、燃料電池スタックの電圧が
低下する原因は、クロスリーク以外にガス供給溝の異物
による閉塞、リン酸の過剰含浸によるガス拡散不良等も
考えられる。従って、上記のような電圧測定のみによる
異常検知方法では、クロスリークにより電圧が低下した
のか、あるいは他の原因によって電圧が低下したのかを
特定することができず、異常に対する迅速な対応ができ
ない。

【００２２】これに対処するため、酸化剤極から排出さ
れるガス中の二酸化炭素濃度を測定することによって、
クロスリークを検知する方法が考えられる。この方法
は、燃料ガスには二酸化炭素が含まれるため、燃料ガス
の漏洩があれば二酸化炭素の濃度が高まることを利用す
るものである。しかし、酸化剤ガスとして供給される空
気にも二酸化炭素が含まれているため、燃料ガスの漏洩
が微量の場合には、燃料ガスの漏洩による二酸化炭素の
みを検出することは困難である。

【００２３】また、酸化剤極から排出されるガス中の水
素濃度を測定することによって、クロスリークを検出す
る方法が考えられる。この方法は、酸化剤極に漏洩した
燃料ガス中の水素が全て酸素と反応するとは限らず、酸
化剤極から排出されるガスには水素が含まれていること
を利用するものである。しかし、この場合にも、燃料ガ
スの漏洩が微量のときには検出が困難となる。

【００２４】さらに、以上のような排出ガス中の二酸化
炭素や水素の濃度を測定するためには、ガスクロマトグ
ラフ等の特殊な装置を必要とするために、コスト高とな
る。そして、たとえ排出ガスにより異常発生が検知でき
たとしても、酸化剤極の出口マニホールドから排出され
るガスは、燃料電池スタックの全ての単電池から排出さ
れたガスが混合されたものであるから、どの単電池でク
ロスリークが生じているかを特定することはできない。

【００２５】本発明は、以上のような従来技術の問題点
を解決するために提案されたものであり、その主たる目
的は、燃料電池スタックにおいてクロスリークが生じた
ときに、特殊な装置を必要とせずに、その発生を確実に
検知することが可能な燃料電池スタックの診断方法を提
供することである。

【００２６】第２の目的は、燃料電池スタックのある単
電池においてクロスリークが生じたときに、その発生し
た単電池の特定が容易な燃料電池スタックの診断方法を
提供することである。

【００２７】

【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
めに、請求項１記載の発明である燃料電池スタックの診
断方法は、燃料極と酸化剤極との間に電解質層を挟んで
形成された単電池と、前記単電池が互いに電気的に直列
に接続されるように複数積層されたスタックと、各単電
池における燃料極に燃料ガスを供給する燃料ガスマニホ
ールドと、各単電池における酸化剤極に酸化剤ガスを供
給する酸化剤ガスマニホールドとを備えた燃料電池を診
断対象とし、前記燃料極に一定の濃度の水素を含む水素
含有ガスを供給すると共に、前記酸化剤極に一定の濃度
の酸素を含む酸素含有ガスを供給し、前記酸素含有ガス
の供給量の経時的変化と、これに伴って前記スタックに
おいて発生する電圧の経時的変化との対応関係を記録
し、前記酸素含有ガスの供給量の変化に伴う前記スタッ
クの発生電圧の変化が急激な場合に、前記スタックにお
いて水素の漏洩が発生していることを検知し、前記酸素
含有ガスの供給量と前記スタックにおいて発生する電圧
との経時的変化の対応関係から、前記スタックにおける
水素漏洩量を算出し、当該水素漏洩量が、前記スタック
の正常時における水素漏洩量以上である場合に、クロス
リークの発生を特定することを特徴とする。

【００２８】以上のような請求項１記載の発明では、ま
ず、燃料電池の燃料ガスマニホールドから燃料極に一定
の濃度の水素を含む水素含有ガスを供給する。同時に、
燃料電池の酸化剤ガスマニホールドから酸化剤極に一定
の濃度の酸素を含む酸素含有ガスを供給する。すると、
スタックにおいて電圧が発生するが、酸素含有ガスの供
給量を経時的に変化させたとき、発生電圧も経時的に変
化する。そして、このような酸素含有ガスの供給量の経
時的変化と発生電圧の経時的変化との対応関係が記録さ
れる。例えば、酸素含有ガスの供給量が次第に少なくな
るように変化させたとき、燃料電池スタックにおいて発
生する電圧は徐々に低下し、その低下の割合は徐々に大
きくなっていく。

【００２９】このように酸素含有ガスの供給量を徐々に
減少させていくと、スタックにおいて水素の漏洩が発生
している場合には、ある供給量において電圧が急激に低
下する。この電圧の変化の仕方は、酸素含有ガスに含ま
れる酸素の濃度と、スタックの異常によって漏洩する水
素の量によって決まる。供給される酸素含有ガスに含ま
れる酸素の濃度と水素含有ガスの濃度は一定であるた
め、上記のように記録された酸素含有ガスの供給量の経
時的変化と電圧の経時的変化との対応関係から、スタッ
クの異常によって漏洩する水素の量を算出する。

【００３０】ただし、水素含有ガス中の水素は、電解質
であるリン酸に気体の状態で溶解し、この溶解した水素
が酸化剤極に拡散していくため、正常時のスタックにお
いても極微量の水素の漏洩が生じ、上記のような電圧の
変化が観察され得る。かかる場合における水素の漏洩量
は、通常の燃料電池の運転には全く支障のない程度であ
る。このため、上記のように電圧の変化から求めた水素
の漏洩量が、正常時における水素の漏洩量を超えた場合
に、クロスリークであると特定され、燃料電池の運転の
継続が可能か否かを決定する。

【００３１】請求項２記載の発明である燃料電池スタッ
クの診断方法は、燃料極と酸化剤極との間に電解質層を
挟んで形成された単電池と、前記単電池が互いに電気的
に直列に接続されるように複数積層されたスタックと、
各単電池における燃料極に燃料ガスを供給する燃料ガス
マニホールドと、各単電池における酸化剤極に酸化剤ガ
スを供給する酸化剤ガスマニホールドとを備えた燃料電
池を診断対象とし、複数の単電池ごとに又は個々の単電
池ごとに供給される前記酸素含有ガスの量を算出し、前
記スタックの電圧を、複数の単電池ごとに又は個々の単
電池ごとに測定し、複数の前記単電池ごとに又は個々の
単電池ごとに供給される前記酸素含有ガスの量の経時的
変化と、これに伴って複数の単電池ごとに又は個々の単
電池ごとに発生する電圧の経時的変化との対応関係を記
録し、前記酸素含有ガスの供給量の変化に伴う複数の単
電池ごとの又は個々の単電池ごとの発生電圧の変化が急
激な場合に、複数の単電池ごとに又は個々の単電池ごと
に水素の漏洩が発生していることを検知し、複数の単電
池ごとに又は個々の単電池ごとに供給される前記酸素含
有ガスの量の経時的変化と、これに伴う複数の単電池ご
との又は個々の単電池ごとの前記スタックにおいて発生
する電圧との経時的変化との対応関係から、複数の単電
池ごとの又は個々の単電池ごとの水素漏洩量を算出し、
当該水素漏洩量が、複数の単電池ごとの又は個々の単電
池ごとの正常時における水素漏洩量以上である場合に、
クロスリークの発生を特定することを特徴とする。

【００３２】以上のような請求項２記載の発明では、ま
ず、複数の単電池ごとに又は個々の単電池ごとに酸化剤
極に供給される酸素含有ガスの量を算出する。簡単に
は、燃料電池スタックにおいて、全ての単電池の酸化剤
極に均等に酸素含有ガスが供給されるならば、燃料電池
スタックに供給された酸素含有ガスの量を単電池の数で
割ればよい。もしくは、実測又は他の計算方法により酸
素含有ガスの配分の割合を予め算出することも可能であ
る。

【００３３】そして、燃料電池の燃料ガスマニホールド
から燃料極に一定の濃度の水素を含む水素含有ガスを供
給する。同時に、燃料電池の酸化剤ガスマニホールドか
ら酸化剤極に一定の濃度の酸素を含む酸素含有ガスを供
給する。すると、スタックにおいて電圧が発生するが、
酸素含有ガスの供給量を経時的に変化させたとき、発生
電圧も経時的に変化する。そして、複数の前記単電池ご
とに又は個々の単電池ごとに供給される酸素含有ガスの
供給量の経時的変化と複数の単電池ごとに又は個々の単
電池ごとに発生する電圧の経時的変化との対応関係が記
録される。

【００３４】酸素含有ガスの供給量を徐々に減少させて
いくと、水素の漏洩が発生している単電池を含む複数の
単電池又は単独の単電池においては、ある供給量におい
て電圧が急激に低下する。この電圧の変化の仕方は、酸
素含有ガスに含まれる酸素の濃度と、当該単電池の異常
によって漏洩する水素の量によって決まる。供給される
酸素含有ガスに含まれる酸素の濃度と水素含有ガスの濃
度は一定であるため、上記のように記録された酸素含有
ガスの供給量の経時的変化と電圧の経時的変化との対応
関係から、当該単電池の異常によって漏洩する水素の量
を算出する。

【００３５】ただし、水素含有ガス中の水素は、電解質
であるリン酸に気体の状態で溶解し、この溶解した水素
が酸化剤極に拡散していくため、正常時の単電池におい
ても極微量の水素の漏洩が生じ、上記のような電圧の変
化が観察され得る。かかる場合における水素の漏洩量
は、通常の燃料電池の運転には全く支障のない程度であ
る。このため、上記のように電圧の変化から求めた水素
の漏洩量が、正常時における水素の漏洩量を超えた場合
に、当該複数の単電池のいずれかにおいて又は当該単電
池においてクロスリークが発生していると特定され、燃
料電池の運転の継続が可能か否かを決定する。

【００３６】請求項３記載の発明は、請求項１又は請求
項２記載の燃料電池スタックの診断方法において、前記
燃料電池は負荷電流を流す回路に接続され、前記スタッ
クから負荷電流に流れる電流を遮断した後に、前記燃料
極に水素を含む水素含有ガスを供給すると共に、前記酸
化剤極に酸素を含む酸素含有ガスを供給することを特徴
とする。

【００３７】以上のような請求項３記載の発明では、ス
タックに設けられた負荷電流を流す回路を開放すること
により発電停止状態となり、スタックの温度が低温に安
定する。スタックの温度が安定していると発生電圧が安
定するので、電圧の変化を正確に測定することが可能と
なる。

【００３８】請求項４記載の発明は、請求項１〜３のい
ずれか１項に記載の燃料電池スタックの診断方法におい
て、前記酸素含有ガスの酸素含有量は、漏洩する前記水
素含有ガスの水素との反応に必要な量であり、且つ前記
酸素含有ガスの０．１％以下であることを特徴とする。

【００３９】以上のような請求項４記載の発明では、酸
素含有ガスに含まれる酸素の濃度を０．１％以下とする
ことにより、負荷電流を流す回路を解放することに伴う
酸化剤極の電位の上昇を抑制することができ、白金触媒
が溶解・再析出し、粒子が肥大化（シンタリング）する
ことによる特性低下を防ぐことが可能となる。

【００４０】

【発明の実施の形態】以下、本発明の燃料電池スタック
の診断方法の実施の形態を、図面を参照して以下に説明
する。なお、図４に示した従来例と同一または対応する
要素には同一符号を付してその説明を省略し、ここでは
異なる部分についてのみ述べる。また、図１では、燃料
ガス（および水素含有ガス）と酸化剤ガス（および酸素
含有ガス）が燃料電池スタック２内で同一方向に流れる
ように描かれているが、実際には、燃料ガスと酸化剤ガ
スは、第４図に示すように互いに直交する方向に流れ
る。そして、図１においては、ガスマニホールド５、お
よび集電板６を省略している。さらに、図３に示す燃料
電池スタック２は、簡略化して１個の単電池１のみを示
しているが、実際には、図４に示すように、単位電池
１、ガス分離板３及び冷却板４を複数個積層することに
より形成されている。

【００４１】（１）第１の実施の形態請求項１記載の発明である燃料電池発電装置の診断方法
に対応する一つの実施の形態を、第１の実施の形態とし
て以下に説明する。

【００４２】（ａ）第１の実施の形態の診断対象となる
燃料電池発電装置まず、本実施の形態に用いる燃料電池発電装置の一例
を、図１に従って説明する。すなわち、燃料電池スタッ
ク２における燃料極１ａには、燃料ガス供給管１１及び
排出管１２が接続されている。燃料ガス供給管１１に
は、燃料ガスの供給源として、天然ガスと水蒸気から改
質反応によって水素を発生させる改質器（図示せず）が
接続されている。酸化剤極１ｂには、酸化剤ガス供給管
１３及び排出管１４が接続されている。酸化剤ガス供給
管１３には、酸化剤ガスの供給源として、空気を送るブ
ロワ等が接続されている。

【００４３】また、酸化剤ガス供給管１３には、その内
部を流れるガスの流量を調節する流量調節弁１５と、ガ
スの流量を計測する流量計１６が設けられている。そし
て、流量計１６には記録装置２０が接続されている。流
量計１６によって計測された流量値は、電気的な信号に
変換されて記録装置２０に送られ、この記録装置によっ
て流量の時間的な変化が記録される構成となっている。
さらに、酸化剤ガス供給管１３には、切替弁１７を設け
た酸素含有ガス供給管１８が接続されている。この酸素
含有ガス供給管１８には、酸素含有ガスの供給源とし
て、０．１％の酸素を窒素に混合したガスを入れたガス
ボンベ１９が接続されている。

【００４４】一方、燃料電池スタック２から取り出され
た直流電流は、電流線３１を介し、開閉器３２を経てイ
ンバーター３３により交流電流に変換され、図示しない
外部の電力負荷に供給される構成となっている。また、
燃料電池スタック２で発生する電圧を計測する電圧計３
４が、燃料電池スタック２の両極間に接続されている。
電圧計３４で計測された電圧の値は、記録装置２０に送
られ、この記録装置で時間的な変化が記録される構成と
なっている。

【００４５】（ｂ）第１の実施の形態の作用次に、上述の燃料電池発電装置を用いた本実施の形態
を、その実施の手順に従って説明する。

【００４６】発電停止から酸素含有ガス及び水素含有
ガスの供給まで上述の燃料電池発電装置が発電状態にある場合には、図
１に示すように、切替弁１７は酸化剤ガス供給管１３に
酸化剤ガス（一般には空気）を供給する方向に開いてい
る。また、開閉器３２は閉路状態にあるため、燃料電池
スタック２、電流線３１、インバーター３３及び外部の
負荷（図示せず）のいずれにも電流が流れている。

【００４７】以上のような燃料電池発電装置に対して、
本実施の形態による診断方法を実施するためには、ま
ず、燃料電池発電装置を発電状態から発電停止状態にす
る必要があるが、これは一般的には以下のように行われ
る。すなわち、燃料極１ａおよび酸化剤極１ｂに窒素等
の不活性ガスを供給して、燃料ガスおよび酸化剤ガスを
強制的に排出すると共に、開閉器３２を開いて、燃料電
池スタック２に流れている電流を遮断する。

【００４８】このように負荷電流を流す回路を開くと、
酸化剤極の電位が上昇するために、白金触媒が溶解・再
析出し、粒子が肥大化（シンタリング）する。すると、
白金触媒の表面積の減少に伴って活性化分極が増加し、
触媒層の細孔へリン酸が流入するため、ガスの拡散性が
低下し、拡散分極の増加等を原因とする特性の低下が進
行する可能性がある。しかし、本実施の形態において
は、酸素含有ガスに含まれる酸素の濃度を０．１％以下
とすることにより、酸化剤極の電位の上昇が抑制され
る。

【００４９】以上のように発電を停止した後、切替弁１
７を切り替えて、酸化剤ガス供給管１３に酸素含有ガス
を流入させ、酸化剤極１ｂに酸素含有ガスを供給する。
また、燃料極１ａには燃料ガス供給管１１から水素含有
ガスを供給する。

【００５０】発生電圧の検出以上のように酸化剤極１ｂに酸素含有ガスを供給し、燃
料極１ａに水素含有ガスを供給すると、燃料電池スタッ
ク２において電圧が発生する。そして、燃料電池スタッ
ク２でクロスリークが発生している場合、燃料電池スタ
ック２に供給する酸素含有ガスの供給量を変化させる
と、燃料電池スタック２で発生する電圧は以下のように
変化する。

【００５１】例えば、単電池１個当たり０．６〜０．８
Ｖ程度の電圧が発生するような酸素含有ガスの供給量で
あった場合、その供給量を減少させていくと、電圧は徐
々に低下していく。そして、もし燃料電池スタック２で
クロスリークが発生している場合、流量がある値以下に
なると電圧は急激に低下して、単電池１個当たり０．１
〜０．２Ｖ程度になる。

【００５２】このような酸素含有ガスの供給量は流量計
１６によって測定され、発生電圧は電圧計３４によって
測定される。それらの測定値は記録装置２０に送られ、
一定時間ごとに記録される。このように記録された酸素
含有ガスの供給量と発生電圧との関係の時間的な変化を
示すグラフを、図２に示す。このグラフから明らかなよ
うに、酸素含有ガスの供給量がある値以下になると電圧
は急激に低下するという現象が起こる。

【００５３】酸素含有ガスの供給量と電圧と変化の関
係上記の電圧低下現象は、次のようにして説明できる。ま
ず、単電池で発生する電圧Ｅは、単電池に流れる電流が
０で、単電池の温度をＴ、水素含有ガス中の水素濃度を
Ｃ_H、酸素含有ガス中の酸素濃度をＣｏとすると、理論
的にはネルンストの式により次式７のように表される。

【００５４】

【数７】ここで、Ｅ₀は標準起電力と呼ばれ、２５℃のとき１．
２３Ｖであるが、温度によって変わる。また、Ｒは気体
定数で８．３１（Ｊ／ｍｏｌ・Ｋ）、Ｆはファラデー定
数で９６４８５（Ｃ／ｍｏｌ）である。

【００５５】ただし、実際に測定を行うと、Ｅ₀は理論
値よりも低いが、ここでは電圧の変化のみ測定されれば
良いので、Ｅ₀の理論値との違いは重要ではない。ま
た、クロスリークが生じているとき、酸素濃度の対数
（ｌｏｇ（Ｃｏ））に対する電圧Ｅの傾きは２．３ＲＴ
／４Ｆよりも大きく、その差は一般にターフェル勾配と
して測定される値（単電池に流れる電流Ｉと単電池で発
生する電圧Ｅとの関係において、電流の対数ｌｏｇＩに
対する電圧Ｅの傾き）にほぼ等しい。従って、実験的に
は、ターフェル勾配をｂとすると、電圧Ｅと水素含有ガ
ス中の水素濃度Ｃ_H及び酸素含有ガス中の酸素濃度Ｃｏ
との関係は、次式８のように表される。

【００５６】

【数８】ここで、燃料電池発電装置において電解質層１ｃ等に欠
損等があり、運転時にクロスリークが発生する状態にあ
るとする。この場合には、上記のように酸化剤極１ｂに
酸素含有ガスを供給し、燃料極１ａに水素含有ガスを供
給すると、酸化剤極１ｂに水素含有ガスが漏洩する。す
ると、酸化剤極１ｂに供給された酸素含有ガスの酸素が
水素との反応によって消費され、酸素濃度が低下する。

【００５７】漏洩してきた水素の全量が、酸化剤極の酸
素と反応するとすると、単電池の酸化剤ガス出口におけ
る酸素濃度Ｃｏ^outは、酸素含有ガス中の酸素濃度をＣ
ｏⁱⁿ、酸素含有ガスの供給量をＳ、水素の漏洩量をＬと
すると、次の式９のように表わされる。

【００５８】

【数９】従って、（式８）と（式９）とを合わせると、酸素含有
ガスの供給量と電圧との関係が次の式１０のように求ま
る。

【００５９】

【数１０】上記（式１０）において、Ｃｏⁱⁿ×Ｓ≦Ｌ／２のときは
値が発散してしまうが、このときは実際には酸化剤極の
酸素が全て水素との反応によって消費され、酸化剤極も
水素雰囲気になっており、単電池は水素の濃淡電池の状
態になっているため、０．１〜０．２Ｖ程度の電圧が生
じると考えられる。

【００６０】なお、クロスリークが生じていない場合に
も、上記のような電圧の変化が観察される。これは、水
素含有ガス中の水素は、電解質であるリン酸に気体の状
態で溶解し、この溶解した水素が酸化剤極に拡散してい
くため、極微量のクロスリークが生じているのと同様の
現象が生じるためである。この量は、通常の燃料電池の
運転には全く支障のない程度である。このため、上記の
方法により求めたクロスリークによる水素の漏洩量が、
予め定められた上限値（正常時の水素の漏洩量）を超え
ているときにのみ、異常と判断されることになる。

【００６１】水素の漏洩量の算出図２に示すような酸素含有ガス供給量と電圧との関係か
ら、水素の漏洩量Ｌを求めるには、以下のようにする。

【００６２】最も簡単には、第２図において、電圧が急
激に低下するときの酸素含有ガス供給量Ｓ_Eを測定すれ
ば、（式１０）から分かるように、Ｃｏⁱⁿ×Ｓ_E＝Ｌ／
２であるから、酸素含有ガス中の酸素濃度とＳ_Eの値か
ら、漏洩量Ｌの値が求められる。

【００６３】また、酸素含有ガス供給量Ｓ₁のときの電
圧Ｅ₁と、供給量Ｓ₂のときの電圧Ｅ₂を測定すると、
（式１０）より、

【数１１】となるから、（式１１）を解いて漏洩量Ｌを求めること
ができる。さらに正確に求めるためには、第２図の測定
結果に、ＬおよびＥ₀を変数として、（式１０）を最小
二乗法等によりフィッティングすると、Ｌを求めること
ができる。そして、以上のように求められた水素の漏洩
量Ｌが、予め定められた上限値（正常時の水素漏洩量）
を超えているときに、クロスリークが発生していると判
断されることになる。

【００６４】（ｃ）第１の実施の形態の効果以上のような本実施の形態の効果は、以下の通りであ
る。すなわち、ガスクロマトグラフ等の特殊な装置を必
要とせずに、クロスリークによる水素の漏洩量が検出で
きるので、クロスリークの発生を確実に検知することが
できる。

【００６５】このように、燃料電池発電装置におけるク
ロスリークの発生が検知された場合、その後の運転にお
いて、燃料ガス及び酸化剤ガスの供給量を増加させ、反
応ガスの欠乏が生じないようにするか、あるいは燃料電
池スタックを交換する等の方法により、発電装置として
の信頼性を向上させることができる。

【００６６】また、診断は、負荷電流を流す回路を開
き、発電状態を停止させて燃料電池スタック２の温度を
低下させた後に行うので、燃料電池スタック２の温度が
一定になり、標準起電力が安定し、検出値が正確とな
る。

【００６７】さらに、酸素含有ガスに含まれる酸素の濃
度が０．１％となっているので、負荷電流を流す回路を
解放することに伴う酸化剤極の電位の上昇を抑制され
る。したがって、白金触媒が溶解・再析出し、粒子が肥
大化（シンタリング）することによる特性低下を防ぐこ
とが可能となり、診断が燃料電池発電装置に与える影響
を少なくすることができる。

【００６８】（２）第２の実施の形態請求項２記載の発明である燃料電池発電装置の診断方法
に対応する一つの実施の形態を、第２の実施の形態とし
て以下に説明する。

【００６９】（ａ）第２の実施の形態の診断対象となる
燃料電池発電装置まず、本実施の形態に用いる燃料電池発電装置の一例
を、図３に従って説明する。なお、第１の実施の形態に
用いる燃料電池発電装置と同一の部材には同一の符号を
付して説明は省略する。すなわち、燃料電池スタック２
は、単電池１とガス分離板３を一定の個数積層するごと
に冷却板４が挿入されている。この冷却板４と冷却板４
との間の複数個の単電池１及びガス分離板３の組を、
「サブスタック」と呼ぶ。そして、このような各サブス
タックごとに又は個々の単電池ごとに発生する電圧を測
定する電圧計３４が設けられている。

【００７０】（ｂ）第２の実施の形態の作用次に、上述の燃料電池発電装置を用いた本実施の形態
を、その実施の手順に従って説明する。なお、第１の実
施の形態と同様の手順は説明を簡略化する。

【００７１】ます、各サブスタック又は個々の単電池１
に供給される酸素含有ガスの量を、実測あるいは計算に
より算出する。簡単には、通常、各単電池１にはガスは
ほぼ均等に供給されるので、燃料電池スタック２全体に
供給される酸素含有ガスの量を、サブスタックの数又は
単電池１の数で割ればよい。

【００７２】そして、第１の実施の形態と同様に、燃料
電池発電装置を発電停止状態にし、酸化剤極１ｂに酸素
含有ガスを供給し、燃料極１ａに水素含有ガスを供給す
る。酸素含有ガスの供給量は流量計１６によって測定さ
れ、上記のように各サブスタックごとの又は個々の単電
池１ごとの酸素含有ガスの供給量が算出される。各サブ
スタックごとの発生電圧又は個々の単電池１ごとの発生
電圧は、電圧計３４によって測定される。各サブスタッ
クごとの又は個々の単電池１ごとの酸素含有ガス供給量
及び発生電圧は記録装置２０に送られ、一定時間ごとに
記録される。このように記録された酸素含有ガスの供給
量と発生電圧との関係の時間的な変化を示すグラフが、
図２と同様に示される。

【００７３】かかる酸素含有ガス供給量と発生電圧との
関係に基づいて、上記の第１の実施の形態と同様に、各
サブスタックごとの又は個々の単電池１ごとの水素の漏
洩量を求める。そして、このようにした求めた漏洩量
が、予め定められた上限値（対応するサブスタック又は
単電池１の正常時の水素の漏洩量）を超えているサブス
タック又は単電池１がある場合に、当該サブスタックの
いずれかの単電池１又は当該単電池１においてクロスリ
ークが発生していると判断されることとなる。

【００７４】（ｃ）第２の実施の形態の効果以上のような本実施の形態の効果は、以下の通りであ
る。すなわち、第１の実施の形態と同様に、ガスクロマ
トグラフ等の特殊な装置を必要とせずに、クロスリーク
による水素の漏洩量が検出できるので、クロスリークの
発生を確実に検知することができる。

【００７５】さらに、クロスリークの発生を、個々のサ
ブスタックごとに又は個々の単電池１ごとに検知するこ
とができるので、どの単電池において異常が生じている
かを特定しやすくなる。従って、クロスリーク量の大き
い単電池１又はサブスタックのみを取り除き、交換ある
いは電気的にバイパスする等により、正常な単電池１の
みによって燃料電池発電装置の運転を引き続き行うこと
ができる。

【００７６】なお、燃料電池スタック２が発電を行って
いるときには、個々の単電池１によって、あるいは１つ
の単電池内の平面方向の位置の相違によって、温度に差
が生じている。しかし、本実施の形態を実施する場合
は、第１の実施の形態と同様に、診断を行う前に負荷電
流を流す回路を開き、発電を停止しているので、燃料電
池スタック２の温度はほぼ一様に低下している。従っ
て、燃料電池スタック２の温度が一定になり、標準起電
力が安定し、検出値が正確となる。

【００７７】（３）他の実施の形態本発明は、以上のような実施の形態に限定されるもので
はなく、使用される各部材の数量、種類、実施の手順等
は適宜変更可能である。

【００７８】例えば、上記の実施の形態においては、酸
素含有ガスにおける酸素の含有量は０．１％であった
が、０．１％以下であれば他の値でもよい。また、酸素
含有ガスの供給源としては、ガスボンベの他に、空気に
窒素ガスを一定の割合で混合する方法も可能である。

【００７９】また、燃料極１ａに供給される水素含有ガ
スは、発電に用いる燃料ガスを用いても、あるいはガス
ボンベ等から供給される純水素ガス、または窒素等不活
性ガスと水素との混合ガスを用いてもよい。この水素含
有ガス中の水素の濃度は高い方が、クロスリークが生じ
ていた場合にはその影響が大きいのでクロスリークの検
出には有利だが、水素が最低１％以上含まれていれば検
出は可能であり、燃料電池スタックに悪影響を及ぼすこ
ともない。ただし、時間によって濃度が変化しないよう
にする必要がある。

【００８０】上記の実施の形態においては、診断の実施
の前に、不活性ガスの供給によって、燃料極１ａ及び酸
化剤極１ｂから燃料ガス及び酸化剤ガスを強制的に排出
させていた。しかし、上記のように燃料ガスはそのまま
水素含有ガスとして使うことができるので、燃料極１ａ
には不活性ガスを供給しなくてもよい。

【００８１】また、上記実施の形態では、発電状態を停
止させて燃料電池スタック２の温度を低下させた後に診
断を行っていた。これは、燃料電池スタック２の温度を
一定にすることにより、標準起電力を安定させ、検出値
の正確を期すためである。したがって、冷却板４の構造
や冷媒の性能を高める等の工夫により温度が時間によっ
て変動しないようにすれば、運転しているときの温度の
ままで診断を行ってもよい。なお、クロスリークの検出
は温度が高い方が容易であるため、運転温度による診断
の方がクロスリークの検出が容易となる。但し、あまり
高温になると単電池の触媒層の劣化やリン酸の蒸発等が
加速されるので、運転温度以上に温度を高くするのは好
ましくない。

【００８２】さらに、上記実施の形態の対象となった燃
料電池発電装置は、既に一定期間使用を継続して行った
ものであったが、本発明は、これ以外の燃料電池発電装
置に対しても適用可能である。例えば、燃料電池発電装
置の製作が完了した後、発電運転を開始する前に、上記
実施の形態を適用することもできる。

【００８３】

【発明の効果】以上のような本発明によれば、酸素含有
ガスの供給量とスタックにおいて発生する電圧との経時
的変化の対応関係から、スタックにおける水素漏洩量を
算出し、当該水素漏洩量が、前記スタックの正常時にお
ける水素漏洩量以上である場合に、クロスリークの発生
を特定することによって、特殊な装置を必要とせずに、
クロスリークの発生を確実に検知することが可能な燃料
電池スタックの診断方法を提供することができる。

【００８４】また、本発明によれば、複数の単電池ごと
の又は個々の単電池ごとの酸素含有ガスの供給量と、複
数の単電池ごとに又は個々の単電池ごとに発生する電圧
との経時的変化の対応関係から、複数の単電池ごとの又
は個々の単電池ごとの水素漏洩量を算出し、当該水素漏
洩量が、複数の単電池ごとの又は個々の単電池ごとの正
常時における水素漏洩量以上である場合に、クロスリー
クの発生を特定することによって、クロスリークの発生
した単電池を確実に判別することが可能な燃料電池スタ
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】

【図１】本発明の第１の実施の形態による燃料電池スタ
ックの診断方法を実施するための燃料電池発電装置の構
成の一例を示すブロック図である。

【図２】図１の燃料電池発電装置における燃料電池スタ
ックに供給される酸素含有ガスの供給量と、燃料電池ス
タックで発生する電圧との関係の一例を示す特性図であ
る。

【図３】本発明の第２の実施の形態による燃料電池スタ
ックの診断方法を実施するための燃料電池発電装置の構
成の一例を示すブロック図である。

【図４】一般的なリン酸型燃料電池の構成例を示す分解
斜視図である。

【符号の説明】

１…単電池２…燃料電池スタック３…ガス分離板４…冷却板５…ガスマニホールド６…集電板１１…燃料ガス供給管１２…燃料ガス排出管１３…酸化剤ガス供給管１４…酸化剤ガス排出管１５…流量調節弁１６…流量計１７…切替弁１８…酸素含有ガス供給管１９…酸素含有ガスボンベ２０…記録装置３１…電流線３２…開閉器３３…インバーター３４…電圧計４１…ホルダー４２…ガスシール４３…ヒーター

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】燃料極と酸化剤極との間に電解質層を挟
んで形成された単電池と、前記単電池が互いに電気的に
直列に接続されるように複数積層されたスタックと、各
単電池における燃料極に燃料ガスを供給する燃料ガスマ
ニホールドと、各単電池における酸化剤極に酸化剤ガス
を供給する酸化剤ガスマニホールドとを備えた燃料電池
を診断対象とし、前記燃料極に一定の濃度の水素を含む水素含有ガスを供
給すると共に、前記酸化剤極に一定の濃度の酸素を含む
酸素含有ガスを供給し、前記酸素含有ガスの供給量の経時的変化と、これに伴っ
て前記スタックにおいて発生する電圧の経時的変化との
対応関係を記録し、前記酸素含有ガスの供給量の変化に伴う前記スタックの
発生電圧の変化が急激な場合に、前記スタックにおいて
水素の漏洩が発生していることを検知し、前記酸素含有ガスの供給量と前記スタックにおいて発生
する電圧との経時的変化の対応関係から、前記スタック
における水素漏洩量を算出し、当該水素漏洩量が、前記スタックの正常時における水素
漏洩量以上である場合に、クロスリークの発生を特定す
ることを特徴とする燃料電池スタックの診断方法。
【請求項２】燃料極と酸化剤極との間に電解質層を挟
んで形成された単電池と、前記単電池が互いに電気的に
直列に接続されるように複数積層されたスタックと、各
単電池における燃料極に燃料ガスを供給する燃料ガスマ
ニホールドと、各単電池における酸化剤極に酸化剤ガス
を供給する酸化剤ガスマニホールドとを備えた燃料電池
を診断対象とし、前記燃料極に一定の濃度の水素を含む水素含有ガスを供
給すると共に、前記酸化剤極に一定の濃度の酸素を含む
酸素含有ガスを供給し、複数の単電池ごとに又は個々の単電池ごとに供給される
前記酸素含有ガスの量を算出し、複数の前記単電池ごとに又は個々の単電池ごとに供給さ
れる前記酸素含有ガスの量の経時的変化と、これに伴っ
て複数の単電池ごとに又は個々の単電池ごとに発生する
電圧の経時的変化との対応関係を記録し、前記酸素含有ガスの供給量の変化に伴う複数の単電池ご
との又は個々の単電池ごとの発生電圧の変化が急激な場
合に、複数の単電池ごとに又は個々の単電池ごとに水素
の漏洩が発生していることを検知し、複数の単電池ごとに又は個々の単電池ごとに供給される
前記酸素含有ガスの量の経時的変化と、これに伴う複数
の単電池ごとの又は個々の単電池ごとの前記スタックに
おいて発生する電圧との経時的変化との対応関係から、
複数の単電池ごとの又は個々の単電池ごとの水素漏洩量
を算出し、当該水素漏洩量が、複数の単電池ごとの又は個々の単電
池ごとの正常時における水素漏洩量以上である場合に、
クロスリークの発生を特定することを特徴とする燃料電
池スタックの診断方法。
【請求項３】前記燃料電池は負荷電流を流す回路に接
続され、前記スタックから負荷電流に流れる電流を遮断した後
に、前記燃料極に水素を含む水素含有ガスを供給すると
共に、前記酸化剤極に酸素を含む酸素含有ガスを供給す
ることを特徴とする請求項１又は請求項２記載の燃料電
池スタックの診断方法。
【請求項４】前記酸素含有ガスの酸素含有量は、漏洩
する前記水素含有ガスの水素との反応に必要な量であ
り、且つ前記酸素含有ガスの０．１％以下であることを
特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の燃料電
池スタックの診断方法。