JP2017162573A - 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 - Google Patents

Abstract

【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

Description

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。

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。

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。

特開２００７−２１４０７２号公報 特開２００８−１６６１８９号公報 特開２００４−２４１３２５号公報

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。 本発明の第１実施形態に係る単セルの充電曲線である。 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。

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。

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。

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。

定電圧直流電源１１は、所定の直流電圧値Ｖ_０（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Ｒ_１を有しており、この第１抵抗値Ｒ_１は、単セル２０１の内部抵抗値Ｒ_ｉに基づいて設定される。典型的には、第１抵抗値Ｒ_１は、単セル２０１の内部抵抗値Ｒ_ｉ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。

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。

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。

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Ｖ_０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Ｖ_Ｓに達したものと判断して充電操作を終了する。

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Ｒ_１、定電圧直流電源１１により印加した直流電圧値Ｖ_０、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Ｖ_Ｓに基づいて、測定対象単セル２０１の内部抵抗値Ｒ_ｉを算出する。具体的には、次の式（１）を使用して内部抵抗値Ｒ_ｉ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。
Ｒ_ｉ＝Ｖ_Ｓ×Ｒ_１÷（Ｖ_０−Ｖ_Ｓ） … （１）

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τ_ｉ、及び内部抵抗値Ｒ_ｉに基づいて、測定対象単セル２０１の静電容量値Ｃ_ｉを求める。具体的には、次の式（２）を使用して静電容量値Ｃ_ｉを求める。
Ｃ_ｉ＝τ_ｉ÷Ｒ_ｉ … （２）

ここで、単セル２０１の時定数τ_ｉは、充電終了時点の充電電圧値（すなわち、満充電電圧値Ｖ_Ｓ）を１００％として、充電中の充電電圧値が満充電電圧値Ｖ_Ｓ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ｔ_１とし、充電電圧値がＶ_Ｓ×（１−１／ｅ）となった時刻をｔ_２とすると、単セル２０１の時定数τ_ｉは、次の式（３）で表わされる。
τ_ｉ＝ｔ_２−ｔ_１ … （３）

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Ｒ_ｉ及び静電容量値算出工程で求めた静電容量値Ｃ_ｉ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。

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Ｒ_ｉどうし、及び、静電容量値Ｃ_ｉ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。

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。

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Ｒ_１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Ｒ_１、定電圧直流電源１１により印加した直流電圧値Ｖ_０、及び充電曲線Ｃ１より求めた満充電電圧値Ｖ_Ｓに基づいて、単セル２０１の内部抵抗値Ｒ_ｉ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τ_ｉ、及び内部抵抗値Ｒ_ｉに基づいて、単セル２０１の静電容量値Ｃ_ｉ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Ｒ_ｉ及び静電容量値Ｃ_ｉを正確且つ短時間で計測ことができる。

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Ｒ_ｉ及び静電容量値Ｃ_ｉ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Ｒ_ｉどうし、及び／又は、静電容量値Ｃ_ｉ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Ｒ_ｉ及び／又は静電容量値Ｃ_ｉ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。

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。

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。

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。

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。

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Ｖ_０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Ｖ_Ｓに達したものと判断して充電操作を終了する。

次に、測定対象単セル２０１に直流電圧値Ｖ_０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Ｖ_Ｓ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。

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Ｒ_１、定電圧直流電源１１により印加した直流電圧値Ｖ_０、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Ｖ_Ｓに基づいて、測定対象単セル２０１の内部抵抗値Ｒ_ｉ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Ｒ_ｉを求める。

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τ_ｉ、及び内部抵抗値Ｒ_ｉに基づいて、測定対象単セル２０１の静電容量値Ｃ_ｉ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Ｃ_ｉを求める。

ここで、単セル２０１の時定数τ_ｉは、放電開始時点の充電電圧値（すなわち、満充電電圧値Ｖ_Ｓ）を１００％として、放電中の充電電圧値が満充電電圧値Ｖ_Ｓ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ｔ_１とし、充電電圧値がＶ_Ｓ×１／ｅとなった時刻をｔ_２とすると、単セル２０１の時定数τ_ｉは、次の式（４）で表わされる。
τ_ｉ＝ｔ_２−ｔ_１ … （４）

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Ｒ_ｉ及び静電容量値算出工程で求めた静電容量値Ｃ_ｉ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。

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。

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Ｒ_１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Ｒ_１、定電圧直流電源１１により印加した直流電圧値Ｖ_０、及び充電曲線Ｃ２より求めた満充電電圧値Ｖ_Ｓに基づいて、単セル２０１の内部抵抗値Ｖ_ｉ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τ_ｉ、及び内部抵抗値Ｒ_ｉに基づいて、単セル２０１の静電容量値Ｃ_ｉ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Ｒ_ｉ及び静電容量値Ｃ_ｉを正確且つ短時間で計測ことができる。

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Ｒ_ｉ及び静電容量値Ｃ_ｉ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Ｒ_ｉどうし、及び／又は、静電容量値Ｃ_ｉ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Ｒ_ｉ及び／又は静電容量値Ｃ_ｉ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。

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Ｃ_ｉ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Ｃ_ｉ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。

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。

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

Claims (3)

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。
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。
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。

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