JP6992568B2 - 燃料電池のエージング装置 - Google Patents

Description

本発明は、複数のセルが積層された燃料電池のエージング装置に関する。

燃料電池は、反応ガスである燃料ガス（例えば水素）および酸化剤ガス（例えば空気）をアノード側電極およびカソード側電極に供給して電気化学的に反応させることにより、電気エネルギー（起電力）を得るシステムである。

例えば、固体高分子型燃料電池のセル（燃料電池セルや単セルということもある）は、イオン伝導性の電解質膜と、該電解質膜を挟持するアノード側触媒層（電極層）およびカソード側触媒層（電極層）とからなる膜電極接合体（ＭＥＡ：Membrane Electrode Assembly）を備えている。ＭＥＡの両側には、燃料ガスもしくは酸化剤ガスを提供するとともに電気化学反応によって生じた電気を集電するためのガス拡散層（ＧＤＬ：Gas Diffusion Layer）が形成されている。ＧＤＬが両側に配置されたＭＥＡは、ＭＥＧＡ（Membrane Electrode & Gas Diffusion Layer Assembly）と称され、ＭＥＧＡは、一対のセパレータにより挟持されている。ここで、ＭＥＧＡが燃料電池の発電部であり、ガス拡散層がない場合には、ＭＥＡが燃料電池の発電部となる。

燃料電池（燃料電池スタックということもある）は、前記した如くの構成を有するセルを複数枚重ね合わせて積層し、例えば、自動車等の車両に搭載して使用されている。

この種の燃料電池では、その製造工程で発生する揮発有機物による触媒の被毒などのため、初期発電性能が低くなっている。そこで、通常、燃料電池の組み立て後（例えば、製造工程における最終のユニット発電検査の前）に所望の発電性能を引き出すため、燃料電池のエージング運転（単に、エージングともいうこともある）と称される予備運転（ならし運転）が行われている。このエージング運転は、燃料電池の組み立て後に予備的に発電することで、セルの性能が所望の能力を発揮できるようにするものである。また、製造した後だけではなく、例えば、燃料電池を休止した後（特に、長期間休止した後）に再発電させる際（再起動時）や、長期間の発電によって起電力などの出力特性が低下した際などにも、前記したエージング運転を行うことによって、燃料電池の出力特性を回復する場合もある。

しかし、前記のような燃料電池のエージング（ならし運転）に要する時間（エージング時間）は非常に長く、生産台数の増加、普及に伴い、製造工程上の大きな課題となっている。そこで、このような燃料電池のエージングを高速で実施するには、低電位発電が必須となっているが（例えば、下記特許文献１等参照）、エージング中のセルの電圧（セル電圧）が水素欠乏やドライアップによって低下したときには、迅速に発電（エージング発電）を停止して、燃料電池スタックの破損を防止する必要がある。

一方で、発電中のセル電圧監視の方法として、従来から、セルに直接接続するセルモニタ（セルモニタコネクタともいう）を通じて全セルの電圧値をモニタする方法がある。従来、セルモニタは、１セル／１ｃｈ（すなわち、セル毎に１つのｃｈを接続し、各セルの電圧を各ｃｈで測定）で実施してきたが、コスト低減を目的としてｃｈ数を削減する必要があり、負電圧発生（電圧落ちともいう）の可能性が高いスタック両端部を除いては、複数セル（例えば２セル）／１ｃｈ（すなわち、複数のセルをまとめて１つのｃｈに接続し、複数セル毎の電圧を各ｃｈで測定）へ変更することが提案されている（例えば、下記特許文献２、３等参照）。

特開２０１７－２０８２９９号公報 特開２０１６－０９５９０７号公報 特開２０１７－１５２１３８号公報

１セル／１ｃｈの場合、各セルの電圧を確実に監視できるため、前記のように、発電中に水素欠乏やドライアップが発生したときに、セルの電圧が負電圧（例えば、-0.3V以下）になる前に、発電を停止することができる。

しかし、複数セル（例えば２セル）／１ｃｈとすると、複数セル分の電圧の総和（例えば、２セル／１ｃｈの場合は、２セル分の電圧の和）を監視することとなり、１つのセルのみが負電圧に突入したときの検知の感度が低下してしまう。仮に、負電圧に突入してからも発電を継続してしまうと、カーボン酸化による触媒の劣化が進展したり、セル内での発熱が加速して、燃料電池スタック全体が破損してしまうおそれがある。この場合、セル電圧だけではなく、抵抗測定やインピーダンス測定、発熱測定、カソードガス（酸化剤ガス）の流量測定等を追加ないし併用すれば、負電圧検知の感度低下を回避し得るものの、いずれもコストアップに繋がるといった問題が生じ得る（上記特許文献２、３参照）。

ここで、通常の発電検査においては、反応ガスを十分に与えてセルを高電位（例えば、0.6～0.7V付近）で維持するとともに、通常走行中は高電圧状態であるため、負電圧との閾値を設定しやすく（図６（Ａ）参照）、前記した複数セル／１ｃｈのような、複数のセルの電圧を一括で監視するセルモニタから取得した電圧値から負電圧の発生をある程度正確に検出することができる。

しなしながら、エージングで実施する低電位発電（例えば、0～0.4V）においては、電圧の変動値が小さいため、負電圧との閾値を設定することは困難であり（図６（Ｂ）参照）、前記負電圧の発生を正確に検出することは難しい。

本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、セルモニタ削減によるコスト低減を行いつつ、エージング中の負電圧発生を確実に検出することのできる燃料電池のエージング装置を提供することにある。

前記課題を解決すべく、本発明による燃料電池のエージング装置は、複数のセルが積層された燃料電池をエージングするためのエージング装置であって、反応ガス入口側の所定のセルの電圧を単独で監視する第一のセルモニタと、前記所定のセル以外の複数のセルの電圧を一括で監視する第二のセルモニタと、前記第一のセルモニタによって取得された電圧値を上限電圧値とし、前記第一のセルモニタおよび前記第二のセルモニタによって取得された電圧値から、前記第二のセルモニタにより監視される前記複数のセルの個々の負電圧発生を推定する制御部と、を備えることを特徴としている。

また、前記制御部は、エージング中のセルの電圧の正常判定範囲の上限値および下限値をα１およびα２、負電圧異常判定範囲の上限値をβ、前記第二のセルモニタにより監視されるセルの個数をｎとしたとき、β＋α２×（ｎ－１）で定まる異常電圧閾値がα１×ｎ未満を満たすように、各値を設定し、前記上限電圧値とα１とを比較して、エージング中の燃料電池の発電状態を制御することが好ましい。

また、前記制御部は、前記上限電圧値がα１を超えたときに、前記第二のセルモニタにより監視される前記複数のセルにおいて負電圧が発生する可能性があるとして、エージング発電を停止することが好ましい。

また、前記α１は、エージングの目標電圧範囲の下限値以上、前記α２は、エージングの目標電圧範囲の上限値未満に設定されることが好ましい。

また、前記制御部は、前記α２未満の制御切換判定閾値を設定し、前記上限電圧値が前記運転切換判定閾値を超えたときに、前記燃料電池に供給する電流を上げる、反応ガスに混入する不活性ガスの混合量を上げる、或いは、反応ガスとしての酸化剤ガスの供給量を減らすことによって、各セルの電圧を下げる制御を行うことが好ましい。

また、前記エージング装置は、反応ガス入口側から最も離れた位置のセルの電圧を単独で監視する第三のセルモニタを更に備え、前記制御部は、前記第三のセルモニタによって取得された電圧値を別途の上限電圧値とし、前記別途の上限電圧値がα１を超えたときに、前記第二のセルモニタにより監視される前記複数のセルにおいて負電圧が発生する可能性があるとして、エージング発電を停止することが好ましい。

本発明によれば、最も電圧が高くなり得る反応ガス入口側のセルの電圧を単独で監視することで、それ以外の複数のセルの個々の負電圧発生を推定するので、セルモニタ削減によるコスト低減を行いつつ、エージング中の負電圧発生を確実に検出することができる。

本発明による燃焼電池のエージング装置の適用対象となる燃料電池（燃料電池スタック）の一例の要部断面図である。 図１に示す燃料電池（燃料電池スタック）を含む燃料電池システムの概略構成図である。 図２に示すセルモニタの接続態様、並びに、反応ガス入口および出口とセル電圧との関係を示す模式図である。 エージングのとき（低電位）の、端部セルモニタにおけるセル電圧の正常判定範囲および負電圧異常判定範囲、並びに、中央部セルモニタにおけるセル電圧の正常判定範囲および負電圧異常判定範囲の一例を示す図である。 制御装置による電圧低減制御の効果を説明する図である。 従来技術による、端部セルモニタにおけるセル電圧の正常判定範囲および負電圧異常判定範囲、並びに、中央部セルモニタにおけるセル電圧の正常判定範囲および負電圧異常判定範囲を示す図であり、（Ａ）は通常の発電検査のとき（高電位）、（Ｂ）はエージングのとき（低電位）を示す図である。

以下、本発明の構成を図面に示す実施形態の一例に基づいて詳細に説明する。以下では、一例として、燃料電池車に搭載される燃料電池またはこれを含む燃料電池システムに本発明を適用した場合を例示して説明するが、適用範囲がこのような例に限られることはない。

［燃料電池（燃料電池スタック）の構成］
図１は、本発明による燃焼電池のエージング装置の適用対象となる燃料電池（燃料電池スタック）の一例の要部断面図である。

図１に示すように、燃料電池（燃料電池スタック）１０には、基本単位であるセル（単電池）１が複数積層されている。各セル１は、酸化剤ガス（例えば空気）と、燃料ガス（例えば水素）と、の電気化学反応により起電力を発生する固体高分子型燃料電池である。セル１は、ＭＥＧＡ２と、ＭＥＧＡ２を区画するように、ＭＥＧＡ２に接触するセパレータ（燃料電池用セパレータ）３とを備えている。なお、本実施形態では、ＭＥＧＡ２は、一対のセパレータ３、３により、挟持されている。

ＭＥＧＡ２は、膜電極接合体（ＭＥＡ）４と、この両面に配置されたガス拡散層７、７とが、一体化されたものである。膜電極接合体４は、電解質膜５と、電解質膜５を挟むように接合された一対の電極６、６と、からなる。電解質膜５は、固体高分子材料で形成されたプロトン伝導性のイオン交換膜からなり、電極６は、たとえば、白金などの触媒を担持した例えば多孔質のカーボン素材により形成される。電解質膜５の一方側に配置された電極６がアノードとなり、他方側の電極６がカソードとなる。ガス拡散層７は、例えばカーボンペーパ若しくはカーボンクロス等のカーボン多孔質体、または、金属メッシュ若しくは発泡金属等の金属多孔質体などのガス透過性を有する導電性部材によって形成される。

本実施形態では、ＭＥＧＡ２が、燃料電池１０の発電部であり、セパレータ３は、ＭＥＧＡ２のガス拡散層７に接触している。また、ガス拡散層７が省略されている場合には、膜電極接合体４が発電部であり、この場合には、セパレータ３は、膜電極接合体４に接触している。したがって、燃料電池１０の発電部は、膜電極接合体４を含むものであり、セパレータ３に接触する。

セパレータ３は、導電性やガス不透過性などに優れた金属を基材とする板状の部材であって、その一面側がＭＥＧＡ２のガス拡散層７と当接し、他面側が隣接する他のセパレータ３の他面側と当接している。

本実施形態では、各セパレータ３は、波形状ないし凹凸状に形成されている。セパレータ３の形状は、波の形状が等脚台形をなし、かつ波の頂部が平坦で、この頂部の両端が等しい角度をなして角張っている。つまり、各セパレータ３は、表側から見ても裏側から見ても、ほぼ同じ形状である。ＭＥＧＡ２の一方のガス拡散層７には、セパレータ３の頂部が面接触し、ＭＥＧＡ２の他方のガス拡散層７には、セパレータ３の頂部が面接触している。

一方の電極（すなわちアノード）６側のガス拡散層７とセパレータ３との間に画成されるガス流路２１は、燃料ガスが流通する流路であり、他方の電極（すなわちカソード）６側のガス拡散層７とセパレータ３との間に画成されるガス流路２２は、酸化剤ガスが流通する流路である。セル１を介して対向する一方のガス流路２１に燃料ガスが供給され、ガス流路２２に酸化剤ガスが供給されると、セル１内で電気化学反応が生じて起電力が生じる。

さらに、あるセル１と、それに隣接するもうひとつのセル１とは、アノードとなる電極６とカソードとなる電極６とを向き合わせて配置されている。また、あるセル１のアノードとなる電極６に沿って配置されたセパレータ３の背面側の頂部と、もうひとつのセル１のカソードとなる電極６に沿って配置されたセパレータ３の背面側の頂部とが、面接触している。隣接する２つのセル１間で面接触するセパレータ３、３の間に画成される空間２３には、セル１を冷却する冷媒としての水が流通する。

また、隣接する２つのセル１の端部間には、燃料ガス（例えば水素）または酸化剤ガス（例えば空気）や冷却用の水をシールするシール部材としてのガスケット（図示省略）が挟圧保持されている。

［燃料電池システムの構成］
図２は、図１に示す燃料電池（燃料電池スタック）を含む燃料電池システムの概略構成図である。

図２に示すように、燃料電池システム１００は、前記した燃料電池１０と、電極（アノード）６側のガス流路２１および電極（カソード）６側のガス流路２２に反応ガス（燃料ガスおよび酸化剤ガス）を供給・排出するためのガス配管１１と、空間２３に冷媒としての水（冷却水）を供給・排出するための冷却水配管１３と、各セル１間の電圧（セル電圧）を検査・監視するためのセルモニタ３０と、システム全体を統括制御するための制御装置（制御部）４０とを含んで構成されている。

本実施形態において、前記セルモニタ３０のセル電圧監視の単位は、図３に示されるように、燃料電池（燃料電池スタック）１０の（セル積層方向の）両端部に位置するセル１（例えば１～１０個のセル１）（以下、端部セル１ａという）については、１セル／１ｃｈとされ、燃料電池（燃料電池スタック）１０の（セル積層方向の）中央部に位置するセル１（以下、中央部セル１ｂという）については、複数セル（図示例では、２セル）／１ｃｈとなっている。すなわち、本実施形態において、前記セルモニタ３０は、ガス配管１１の反応ガス入口１１ａ側（および反応ガス出口１１ｂ側）と反応ガス入口１１ａ側から離れた反対側とを含む両端部に位置する端部セル１ａ、１ａの電圧を単独で監視する端部セルモニタ３０ａ、３０ａと、端部セル１ａ以外の中央部に位置する複数の中央部セル１ｂ（図示例では、２個の中央部セル１ｂ）の電圧を一括で監視する中央部セルモニタ３０ｂとで構成されている。

端部セルモニタ３０ａ（すなわち、セル電圧監視の単位が１セル／１ｃｈのセルモニタ３０）は、セル毎に１つのｃｈを接続し、各セルの電圧を各ｃｈで測定するようになっている。一方で、中央部セルモニタ３０ｂ（すなわち、セル電圧監視の単位が複数セル／１ｃｈのセルモニタ３０）は、複数のセルをまとめて１つのｃｈに接続し、複数セル毎の電圧の総和（または平均電圧）を各ｃｈで測定するようになっている。

前記セルモニタ３０（の端部セルモニタ３０ａおよび中央部セルモニタ３０ｂ）で検出された電圧値は、通信線等を介して制御装置４０に入力される。

ここで、前記セルモニタ３０（の端部セルモニタ３０ａおよび中央部セルモニタ３０ｂ）で検出される各セル１の電圧値（セル電圧）は、図３に示されるように、ガス配管１１の反応ガス入口１１ａ側が高く、反応ガス入口１１ａから離れるに従って低くなる。つまり、反応ガス入口１１ａ側の端部セルモニタ３０ａで検出されたセル１（端部セル１ａ）の電圧値（セル電圧）が、最も高くなり得る。そこで、制御装置４０は、ガス配管１１の反応ガス入口１１ａ側の端部セル１ａの電圧（端部セルモニタ３０ａで検出された電圧）で当該燃料電池１０の上限電圧値を監視している（後で詳述）。

なお、中央部セルモニタ３０ｂ（の１ｃｈ）で一括監視する中央部セル１ｂの個数は、複数であればよく、図示例のような２個に限られないことは勿論である。また、中央部セルモニタ３０ｂ（の１ｃｈ）で一括監視する中央部セル１ｂの個数は、統一されていなくてもよい。

前記制御装置４０は、ＣＰＵや各種メモリ（ＲＯＭ、ＲＡＭ等）を有するマイコンで構成され、当該燃料電池システム１００を構成する各部の動作を統括制御したり、統括制御に必要な情報を取得したりすることで、燃料電池１０の発電状態（出力電圧、出力電流等）を制御する。詳しくは、制御装置４０は、前記セルモニタ３０（の端部セルモニタ３０ａおよび中央部セルモニタ３０ｂ）で検出された電圧値等を常時監視することで、燃料電池１０の発電状態を制御する。例えば、制御装置４０は、前記セルモニタコネクタ３０からの電圧値に基づいて、セル１の電圧が降下する負電圧の発生を検出（推定）したときに、燃料電池１０の発電状態を制御（例えば、出力制限や発電停止）するようになっている（後で詳述）。

なお、本実施形態では、前記したセルモニタ３０と制御装置４０とによって、以下で説明する前記燃料電池１０をエージングするためのエージング装置が構成される。

［燃料電池（燃料電池スタック）のエージング］
前記した如くの構成を有する燃料電池１０では、発電性能（出力特性）を安定させるために、例えば当該燃料電池１０の組み立て後などにエージング（ならし運転）が行われる。

ここで、前述したように、燃料電池１０のエージングの高速化のために低電位発電を実施し、且つセル電圧監視を複数セルまとめて実施する場合、水素欠乏やドライアップ等の異常が発生したときに素早く検知して発電停止しなければ、燃料電池（燃料電池スタック）１０全体を破損させるおそれがある。しかし、前記のようなエージングで実施する低電位発電（例えば、0～0.4V付近）においては、負電圧との閾値を設定することは難しい（図６（Ｂ）参照）。

そこで、本実施形態では、低電位エージング（例えば、0～0.4V付近）において、セル電圧監視を複数セル（図示例では、２セル）／１ｃｈでも負電圧異常を確実に検知し、燃料電池（燃料電池スタック）１０を破損させない方法として、以下に基づいてエージングを実施する。

ここで、本例では、例えば、燃料電池（燃料電池スタック）１０のエージングを短時間で完了させるための低電位発電として、エージングの目標電圧範囲は0～0.4Vとする。

また、セルモニタ３０（の端部セルモニタ３０ａおよび中央部セルモニタ３０ｂ）のセル電圧監視の単位は、端部セル１ａ（燃料電池１０の（セル積層方向の）両端部に位置し、端部セルモニタ３０ａで監視されるセル）は１セル／１ｃｈ、それ以外の中央部セル１ｂ（燃料電池１０の（セル積層方向の）中央部に位置し、中央部セルモニタ３０ｂで監視されるセル）は２セル／１ｃｈとする（図３参照）。

また、セル１（端部セル１ａ、中央部セル１ｂ）の負電圧異常の電圧閾値（言い換えれば、負電圧異常判定範囲の上限値）は-0.3Vとする（図４参照）。

＜負電圧との閾値（異常電圧閾値）を設定＞
エージング中の各セルの電圧の正常判定範囲をα１～α２（言い換えれば、正常判定範囲の下限値をα１、正常判定範囲の上限値をα２）、負電圧異常判定範囲の上限値をβ（本例では、-0.3V）、中央部セルモニタ３０ｂにより（１ｃｈで）監視される中央部セル１ｂの個数をｎ（本例では、２）としたとき、中央部セルモニタ３０ｂにおいて、負電圧との閾値（異常電圧閾値）は、以下の式（１）で表わされることになる。なお、エージング中の各セルの電圧の正常判定範囲（α１～α２）は、エージングの目標電圧範囲（本例では、0～0.4V）以内、より詳しくは、正常判定範囲の下限値α１がエージングの目標電圧範囲の下限値（本例では、0V）以上、正常判定範囲の上限値α２がエージングの目標電圧範囲の上限値（本例では、0.4V）未満に設定される。

［数１］
異常電圧閾値＝β＋α２×（ｎ－１） ・・・（１）

ここで、中央部セルモニタ３０ｂにおいて、前述の異常電圧閾値がエージング中のセル電圧の正常判定範囲とラップする（言い換えれば、異常電圧閾値β＋α２×（ｎ－１）が中央部セルモニタ３０ｂ（で監視される複数の中央部セル１ｂ）における正常判定範囲の下限値α１×ｎ以上となる）と、前述したように、負電圧の発生を正確に検出することができなくなる。

そこで、前記制御装置４０は、以下の式（２）を満たすように、エージング中の各セルの電圧の正常判定範囲（α１～α２）を設定する。

［数２］
β＋α２×（ｎ－１）＜α１×ｎ ・・・（２）

本例においては、正常判定範囲の下限値α１は、エージングの目標電圧範囲の下限値である0Vに設定されるので、前記制御装置４０は、エージング中の各セルの電圧の正常判定範囲の上限値α２を0.3V未満に設定することで、中央部セルモニタ３０ｂにおける異常電圧閾値を0V（＝-0.3+0.3×（2-1））未満とする（図４参照）。

これにより、中央部セルモニタ３０ｂにおいて、異常電圧閾値（本例では、0V未満）はエージング中のセル電圧の正常判定範囲（本例では、0～0.6V）とラップしない（言い換えれば、異常電圧閾値が正常判定範囲の下限値未満となる）ので、負電圧の発生を正確に検出することができる。

＜発電状態の制御＞
前記制御装置４０は、上述したように、正常判定範囲（α１～α２）等の各値を設定するとともに、正常判定範囲の上限値α２（本例では、0.3V未満）より更に小さい（言い換えれば、上限値α２未満の）制御切換判定閾値α３（本例では、0.25V）を設定し、燃料電池１０を構成するセル１のうち、セル電圧が最も高くなり得るガス配管１１の反応ガス入口１１ａに近い端部セル１ａの電圧が制御切換判定閾値α３（本例では、0.25V）や正常判定範囲の上限値α２（本例では、0.3V未満）を超えないか否かを常時監視することで、他の全てのセル１が正常判定範囲の上限値α２（本例では、0.3V未満）を超えて発電継続することがないように、エージング中の燃料電池１０の発電状態を制御する。

詳しくは、前記制御装置４０は、端部セル１ａの電圧（端部セルモニタ３０ａのより検出される電圧）と制御切換判定閾値α３（本例では、0.25V）や正常判定範囲の上限値α２（本例では、0.3V未満）とを比較し、端部セル１ａの電圧が制御切換判定閾値α３を超えたら、酸化剤ガス（例えば空気）の供給量を減らす、反応ガスに混入する不活性ガス（例えば、窒素）の混合量を上げる、燃料電池１０に供給する電流を上げる、のいずれかの手段で、各セル１の電圧が全体に下がるように（言い換えれば、負電圧検知によって発電停止とならないように）、燃料電池１０の発電状態を制御して、発電（エージング発電）を継続する（図５参照）。

また、前記制御装置４０は、端部セル１ａの電圧が正常判定範囲の上限値α２を超えたら、負電圧が発生する（特に、中央部セルモニタ３０ｂのより監視される複数の中央部セル１ｂにおいて負電圧が発生する）可能性があるとして、設備を停止させて、発電（エージング発電）を停止する。

すなわち、本実施形態では、エージングの目標電圧範囲（本例では、0～0.4V）であっても、端部セル１ａの電圧が正常判定範囲の上限値α２（本例では、0.3V未満に設定される所定値）を超えてしまった場合には、前記制御装置４０は、負電圧異常発生による燃料電池（燃料電池スタック）１０の破損を回避すべく、設備を停止させて、発電（エージング発電）を停止することになる。

以上で説明したように、本実施形態のエージング装置では、最も電圧が高くなり得る反応ガス入口１１ａ側の端部セル１ａの電圧を単独で監視することで、それ以外の中央部セル１ｂの複数のセルの個々の負電圧発生を推定するので、セルモニタ削減によるコスト低減を行いつつ、エージング中の負電圧発生を確実に検出することができる。すなわち、エージングの高速化のための低電位発電と、セルモニタのｃｈ数を削減しても負電圧突入防止の機能を維持するという相反する目的を両立させることができる。

なお、上記実施形態では、ガス配管１１の反応ガス入口１１ａ側の端部セル１ａの電圧で当該燃料電池１０の上限電圧値を監視しているが、例えば、ガス配管１１の反応ガス入口１１ａ側から最も離れた位置の端部セル１ａの電圧（端部セルモニタ３０ａで検出された電圧）を当該燃料電池１０の上限電圧値（別途の上限電圧値）としてもよい。この場合、前記制御装置４０は、この別途の上限電圧値と制御切換判定閾値α３（本例では、0.25V）や正常判定範囲の上限値α２（本例では、0.3V未満）とを比較し、上記と同様に燃料電池１０の発電状態を制御するようにしてもよい。

以上、本発明の実施の形態を図面を用いて詳述してきたが、具体的な構成はこの実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲における設計変更等があっても、それらは本発明に含まれるものである。

１…セル（燃料電池セル）、１ａ…端部セル、１ｂ…中央部セル、２…ＭＥＧＡ、３…セパレータ、４…膜電極接合体（ＭＥＡ）、５…電解質膜、６…電極、７…ガス拡散層、１０…燃料電池（燃料電池スタック）、１１…ガス配管、１１ａ…反応ガス入口、１１ｂ…反応ガス出口、１３…冷却水配管、２１、２２…ガス流路、２３…水が流通する空間、３０…セルモニタ、３０ａ…端部セルモニタ（第一のセルモニタ、第三のセルモニタ）、３０ｂ…中央部セルモニタ（第二のセルモニタ）、４０…制御装置（制御部）、１００…燃料電池システム

Claims (6)

1. 複数のセルが積層された燃料電池をエージングするためのエージング装置であって、
   反応ガス入口側の所定のセルの電圧を単独で監視する第一のセルモニタと、
   前記所定のセル以外の複数のセルの電圧を一括で監視する第二のセルモニタと、
   前記第一のセルモニタによって取得された電圧値をエージング中の燃料電池の発電状態を制御するための上限電圧値としつつ、前記第一のセルモニタおよび前記第二のセルモニタによって取得された電圧値から、前記第二のセルモニタにより監視される前記複数のセルの個々の負電圧発生を推定する制御部と、を備える燃料電池のエージング装置。
2. 前記制御部は、エージング中のセルの電圧の正常判定範囲の下限値および上限値をα１およびα２、負電圧異常判定範囲の上限値をβ、前記第二のセルモニタにより監視されるセルの個数をｎとしたとき、β＋α２×（ｎ－１）で定まる異常電圧閾値がα１×ｎ未満を満たすように、α１とβの値に基づいてα２の値を設定するとともに、
   前記上限電圧値とα２とを比較して、エージング中の燃料電池の発電状態を制御する、請求項１に記載の燃料電池のエージング装置。
3. 前記制御部は、前記上限電圧値がα２を超えたときに、前記第二のセルモニタにより監視される前記複数のセルにおいて負電圧が発生する可能性があるとして、エージング発電を停止する、請求項２に記載の燃料電池のエージング装置。
4. 前記α１は、エージングの目標電圧範囲の下限値以上、前記α２は、エージングの目標電圧範囲の上限値未満に設定される、請求項２又は３に記載の燃料電池のエージング装置。
5. 前記制御部は、前記α２未満の制御切換判定閾値を設定し、
   前記上限電圧値が前記制御切換判定閾値を超えたときに、前記燃料電池に供給する電流を上げる、反応ガスに混入する不活性ガスの混合量を上げる、或いは、反応ガスとしての酸化剤ガスの供給量を減らすことによって、各セルの電圧を下げる制御を行う、請求項２から４のいずれか一項に記載の燃料電池のエージング装置。
6. 前記エージング装置は、反応ガス入口側から最も離れた位置のセルの電圧を単独で監視する第三のセルモニタを更に備え、
   前記制御部は、前記第三のセルモニタによって取得された電圧値を別途の上限電圧値とし、前記別途の上限電圧値がα２を超えたときに、前記第二のセルモニタにより監視される前記複数のセルにおいて負電圧が発生する可能性があるとして、エージング発電を停止する、請求項２から５のいずれか一項に記載の燃料電池のエージング装置。

Images