JPWO2014024224A1 - 燃料電池の製造方法 - Google Patents

Abstract

監視用セルの発電性能を規定するために、複数の通常セルと、水素ガスの圧力損失が通常セルより大きい監視用セルとを有する燃料電池とを備える燃料電池の製造方法は、（ａ）監視用セルの電圧範囲の上限電圧を定める工程と、（ｂ）監視用セルの電圧範囲の下限電圧を定める工程と、（ｃ）上限電圧及び下限電圧に基づいて、監視用セルにおける水素ガスの圧力損失の範囲の上限値及び下限値を定める工程と、（ｄ）監視用セルにおける水素ガスの圧力損失が、圧力損失の範囲に収まるように、監視用セルを製造する工程とを備える。

Description

本発明は、燃料電池の製造方法、燃料電池、及び、燃料電池システムに関するものである。

複数のセルが積層されて構成された燃料電池が知られている。燃料電池は、酸素と水素の供給を受けて、電気化学反応によって発電する。このため、氷点下環境下における暖機運転時において、燃料電池への水素の供給が足りなくなった場合には、燃料電池の発電性能が低下する。また、高温運転時において燃料電池内の電解質膜が極度に乾燥した場合にも、燃料電池の発電性能は低下する。

水素欠乏等の燃料電池の異常を検知する技術としては、例えば、下記の特許文献１に記載された技術が知られている。この特許文献１に記載の技術では、異常時における電圧変化が、通常のセルよりも敏感であるセル、すなわち、通常のセルよりも早く発電性能が低下するセル（以下、監視用セルともいう。）を燃料電池に設け、この監視用セルの電圧を監視することによって、燃料電池の異常を検知する。

特開２０００−５５８５８４号公報 特開２００７−０４８６０９号公報 特開２００９−１７０２２９号公報 特開２００５−１５９５８７号公報

しかし、上記の特許文献には、監視用セルの発電性能を、通常セルに対してどの程度低い性能に規定すればよいのかについて、考慮されていないという課題があった。また、監視用セルの発電性能が通常セルの発電性能に対して十分に低くないと、監視対象として十分に機能しないといった課題があった。また、監視用セルの発電性能が低過ぎると、異常時において、監視用セルの電圧が０Ｖ以下の負電圧となってしまい、監視用セルが劣化してしまうといった課題があった。そのほか、従来の燃料電池システムにおいては、その小型化や、低コスト化、省資源化、製造の容易化、使い勝手の向上等が望まれていた。

本発明は、上述の課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、以下の形態として実現することが可能である。

（１）本発明の一形態によれば、複数の通常セルと、水素ガスの圧力損失が前記通常セルより大きい監視用セルとを有する燃料電池の製造方法が提供される。この燃料電池の製造方法は、（ａ）前記監視用セルの電圧範囲の上限電圧を定める工程と；（ｂ）前記監視用セルの電圧範囲の下限電圧を定める工程と；（ｃ）前記上限電圧及び前記下限電圧に基づいて、前記監視用セルにおける前記水素ガスの圧力損失の範囲の上限値及び下限値を定める工程と；（ｄ）前記監視用セルにおける前記水素ガスの圧力損失が、前記圧力損失の範囲に収まるように、前記監視用セルを製造する工程と；を備える。この形態によれば、監視用セルの電圧を、下限電圧以上、上限電圧以下の電圧範囲に収めることができるので、上限電圧および下限電圧を適切な値に定めれば、監視用セルを監視部の監視対象として有効に機能させたり、監視用セルが異常時において負電圧になることを抑制することができる。

（２）上記形態の燃料電池の製造方法において、前記工程（ａ）は、（ａ１）前記複数の通常セルのそれぞれの電圧を測定し、前記複数の通常セルの平均電圧を求める工程と；（ａ２）前記平均電圧から所定の値を減じた値を、前記電圧範囲の前記上限電圧として定める工程と；を含んでもよい。この形態によれば、監視用セルの電圧は、通常セルの平均電圧より低くなるので、監視用セルを監視部の監視対象として有効に機能させることができる。

（３）上記形態の燃料電池の製造方法において、前記工程（ａ２）は、（ａ２−１）前記複数の通常セルの電圧の標準偏差を求める工程と、；（ａ２−２）前記標準偏差を３倍した値を前記所定の値として定める工程と；を含んでもよい。この形態によれば、監視用セルの電圧は、ほぼ全ての通常セルの電圧よりも低くなるので、監視用セルを監視部の監視対象としてさらに有効に機能させることができる。

（４）上記形態の燃料電池の製造方法において、前記工程（ｂ）は、（ｂ１）所定の条件下における前記通常セルの電圧の降下速度を求める工程と；（ｂ２）前記電圧の降下速度に基づいて、前記監視用セルの電圧を監視する監視部の監視周期の間に降下する前記通常セルの電圧の降下幅を求める工程と；（ｂ３）前記電圧の降下幅を、前記下限電圧として定める工程と；を含んでもよい。この形態によれば、所定の条件下において監視用セルの電圧が降下した場合であっても、監視用セルが負電圧になることを抑制することができる。この理由について説明する。監視部は、監視用セルの電圧を監視周期毎に監視する。所定の条件下において、監視用セルの電圧が降下すると、監視部は、監視用セルの電圧の降下を検知する。監視部が監視用セルの電圧の降下を検知すると、燃料電池の出力電流が制限され、監視用セルの電圧の降下が抑制される。すなわち、監視用セルの電圧は、最大でも、監視周期の間しか降下しないからである。なお、所定の条件下には、例えば、氷点下環境下における暖機運転時や、９０℃以上の高温環境下における高温運転時等が含まれる。

（５）上記形態の燃料電池の製造方法において、前記工程（ｂ１）は、複数の条件下に対応する複数の電圧の降下速度を求める工程を含み、；前記工程（ｂ２）は、前記複数の条件下に対応する複数の電圧の降下幅を求める工程を含み；前記工程（ｂ３）は、前記複数の電圧の降下幅を、複数の下限電圧として定める工程を含み、；前記工程（ｃ）は、前記複数の下限電圧に基づいて、前記圧力損失の範囲の上限値の候補を複数求め、前記複数の上限値の候補のうち、最も小さい上限値の候補を、前記圧力損失の範囲の上限値として定める工程を含んでもよい。この形態によれば、複数の条件下のうちのいずれの条件下においても、監視用セルが負電圧になることを抑制することができる。

（６）上記形態の燃料電池の製造方法において、前記工程（ｃ）は、（ｃ１）前記監視用セルにおける前記水素ガスの圧力損失と、前記監視用セルの電圧と、の関係を求める工程と；（ｃ２）前記関係に基づいて、前記電圧範囲に対応する前記圧力損失の範囲を定める工程と；を含んでもよい。この形態によれば、監視用セルの電圧を上限電圧から下限電圧までの電圧範囲に収めるための、監視用セルにおける水素ガスの圧力損失の範囲を定めることができる。

（７）本発明の他の形態によれば、燃料電池が提供される。燃料電池は、複数の通常セルと、水素ガスの圧力損失が前記通常セルより大きい監視用セルとを備え、前記監視用セルの電圧は、前記複数の通常セルの平均電圧から所定の値を減じた値以下である。この形態によれば、監視用セルの電圧は、通常セルの平均電圧より低くなるので、監視用セルを監視部の監視対象として有効に機能させることができる。

（８）上記形態の燃料電池において、前記監視用セルの電圧は、前記監視用セルの電圧を監視する監視部の監視周期の間に降下する前記通常セルの電圧の降下幅以上の値であってもよい。この形態によれば、所定の条件下において監視用セルの電圧が降下した場合であっても、監視用セルが負電圧になることを抑制することができる。この理由について説明する。監視部は、監視用セルの電圧を監視周期毎に監視しており、監視用セルの電圧が降下すると、監視部は、監視用セルの電圧の降下を検知する。監視部が監視用セルの電圧の降下を検知すると、燃料電池の出力電流は制限され、監視用セルの電圧の降下が抑制される。すなわち、監視用セルの電圧は、最大でも、監視用セルの監視周期の間しか降下しないからである。

（９）本発明の他の形態によれば、燃料電池システムが提供される。燃料電池システムは、上記形態の燃料電池と、前記監視用セルの電圧を監視する監視部とを備える。

本発明は、上記以外の種々の形態で実現することも可能である。例えば、燃料電池や燃料電池システムの設計方法、これらの設計方法によって製造・設計された燃料電池、燃料電池システム等の形態で実現することができる。

本発明の一実施形態としての燃料電池システムの概略構成を示す説明図である。 通常セルの断面構成を示す説明図である。 燃料電池において、監視用セルのアノードにおける圧力損失が、通常セルのアノードにおける圧力損失よりも大きくなっている状態を模式的に示す説明図である 燃料電池の製造工程を示す工程図である。 各セルにおける電流密度と電圧との関係をグラフ形式で示す説明図である。 監視用セルの通常セルに対するアノードにおける圧力損失差と、最大負荷発電時における監視用セルの電圧との関係をグラフ形式で示す説明図である。 複数の通常セルの電圧の分布をグラフ形式で示す説明図である。 温度と、平均電圧Ｖｍ及び電圧Ｖｍ２との関係をグラフ形式で示す説明図である。 急速暖気運転の経過時間とセルの電圧との関係をグラフ形式で示す説明図である。 監視用セルの通常セルに対するアノードにおける圧力損失差と急速暖気運転時における監視用セル１４の電圧との関係をグラフ形式で示す説明図である。 変形例における燃料電池１０ｂの構成を模式的に示す説明図である。

次に、本発明の実施の形態を実施形態に基づいて以下の順序で説明する。
Ａ．実施形態：
Ａ−１．燃料電池システムの概略構成：
Ａ−２．燃料電池の概略構成：
Ａ−３．燃料電池の製造方法：
Ａ−４．圧力損失を調整するための他の手段：
Ｂ．変形例：

Ａ．実施形態：
Ａ−１．燃料電池システムの概略構成：
図１は、本発明の一実施形態としての燃料電池システム１００の概略構成を示す説明図である。燃料電池システム１００は、車両に搭載されており、電気化学反応によって発電を行う燃料電池１０と、燃料電池１０への燃料ガスの供給及び燃料電池１０からの燃料ガスの排出を担う燃料ガス系機器６０と、燃料電池１０への酸化ガスの供給及び燃料電池１０からの酸化ガスの排出を担う酸化ガス系機器７０と、燃料電池１０の冷却を担う冷却系機器８０と、燃料電池システム１００の全体を制御する制御ユニット９０とを備えている。

燃料電池１０は、固体高分子形燃料電池であり、複数のセルが積層されることによって構成されている。燃料電池１０は、燃料ガスとしての水素ガス及び酸化ガスとしての空気が供給されると、電気化学反応による発電を行う。

本実施形態では、燃料電池１０は、通常の発電性能を有する複数の通常セル１２と、通常セル１２よりも発電性能が低下しやすい監視用セル１４とを備えている。具体的には、監視用セル１４のアノードに供給される水素ガスの圧力損失は、通常セルのアノードに供給される水素ガスの圧力損失よりも大きくなっている。このため、監視用セル１４は、通常セル１２よりも水素ガスの欠乏状態に陥りやすく、発電性能が低下しやすい構成となっている。また、監視用セル１４は、制御ユニット９０内の監視部９２の監視対象となっている。監視用セル１４の詳細については後述する。

燃料ガス系機器６０は、水素タンク６１と、シャットバルブ６２と、レギュレータ６３と、気液分離器６６と、循環ポンプ６８と、パージ弁６９と、配管６４，６５，６７ａ，６７ｂとを備えている。

水素タンク６１に貯蔵された水素ガスは、配管６４を介して燃料電池１０のアノードに燃料ガスとして供給される。シャットバルブ６２及びレギュレータ６３は、水素ガスの圧力及び水素ガスの燃料電池１０への供給量を調整する。

アノードからの排ガス（以下、アノードオフガスとも呼ぶ。）は、配管６５を介して気液分離器６６に導かれる。気液分離器６６は、アノードオフガスに含まれる水と、発電で消費されなかった水素ガスとを分離する。気液分離器６６によって分離された水素ガスは、配管６７ａ、循環ポンプ６８及び配管６４を介して、燃料電池１０に循環する。

気液分離器６６と循環ポンプ６８との間からは、配管６７ｂが分岐しており、この配管６７ｂには、パージ弁６９が設けられている。パージ弁６９は、通常時には閉じられており、上述のアノードオフガスは、燃料電池１０に循環する。ただし、アノードオフガスに含まれる窒素ガスや水蒸気などの不純物濃度が上昇すると、パージ弁６９が所定のタイミングで開弁し、アノードオフガスは、配管６７ｂを介して希釈器７６に導かれるとともに、燃料電池システム１００の外部に排出される。この結果、窒素ガスや水蒸気などの不純物がアノード側から取り除かれ、アノード側の不純物濃度の上昇が抑制される。

酸化ガス系機器７０は、エアクリーナ７１と、エアコンプレッサ７２と、希釈器７６と、配管７３，７４，７７とを備えている。エアクリーナ７１から吸入された空気は、エアコンプレッサ７２によって圧縮され、配管７３を介して燃料電池１０のカソードに酸化ガスとして供給される。カソードからの排ガス（以下、カソードオフガスとも呼ぶ。）は、配管７４を介して希釈器７６に導かれる。

希釈器７６は、カソードオフガスと、上述の所定のタイミングで希釈器７６に導入されるアノードオフガスとを混合することによって、アノードオフガスに含まれる水素の濃度を希釈する。希釈器７６から排出された排出ガスは、配管７７を介して、燃料電池システム１００の系外へ排出される。

冷却系機器８０は、ラジエータ８１と、循環ポンプ８２と、配管８３，８４とを備えている。配管８３，８４は、燃料電池１０とラジエータ８１とに接続されている。配管８３，８４の内部を流れる冷却水は、循環ポンプ８２の圧力によって、燃料電池１０とラジエータ８１とを循環する。このため、燃料電池１０の電気化学反応に伴って生じる熱は、循環する冷却水によって吸収され、この冷却水によって吸収された熱が、ラジエータ８１によって放熱される。この結果、燃料電池１０の温度は、適切な温度に保たれる。

制御ユニット９０は、内部にＣＰＵや、ＲＡＭ、ＲＯＭ等を備えるマイクロコンピュータとして構成されており、ＲＯＭに記憶されたプログラムをＲＡＭに展開して実行する。制御ユニット９０は、燃料電池システム１００を制御する制御部９１と、監視用セル１４の電圧を監視する監視部９２とを備えている。

制御部９１は、車両からの出力要求９５や、監視用セル１４の電圧状態に基づいて、レギュレータ６３や、エアコンプレッサ７２、パージ弁６９等に駆動信号を出力することによって、燃料電池システム１００を制御する。監視部９２は、監視用セル１４の電圧を監視周期Ｔ毎に監視している。監視用セル１４が水素欠乏状態となり、監視用セル１４の電圧が降下すると、監視部９２は、監視用セル１４の電圧の降下を検知する。監視部９２が監視用セル１４の電圧の降下を検知すると、制御部９１は、燃料電池１０の出力電流に制限をかけて、監視用セル１４の電圧の降下を抑制する。

Ａ−２．燃料電池の概略構成：
図２は、通常セル１２の断面構成を示す説明図である。通常セル１２は、電解質膜２１と、電解質膜２１の両面に形成されたアノード２２ａ、カソード２２ｂと、アノード２２ａ及びカソード２２ｂを両側から挟持するガス拡散層２４ａ，２４ｂと、ガス拡散層２４ａ，２４ｂを両側から挟持するセパレータ２６ａ，２６ｂとを備えている。なお、監視用セル１４の構成は、圧力損失を大きくするための手段が施されている点を除いて、通常セル１２の構成とほぼ同じである。圧力損失を大きくするための手段については、後述する。

電解質膜２１は、湿潤状態においてプロトン伝導性を示す固体高分子によって形成されている。アノード２２ａ及びカソード２２ｂは、導電性を有する担体上に触媒が担持された電極である。本実施形態では、アノード２２ａ及びカソード２２ｂは、白金触媒を担持したカーボン粒子と、電解質膜２１を構成する高分子電解質と同質の電解質とを備えている。

ガス拡散層２４ａ，２４ｂは、電気化学反応に供されるガスの流路として機能するとともに、集電を行なうための部材としても機能する。ガス拡散層２４ａ，２４ｂは、ガス透過性を有する導電性部材、例えば、カーボンペーパやカーボンクロス、あるいは金属メッシュや発泡金属等によって形成することができる。

セパレータ２６ａ，２６ｂは、ガス不透過な導電性部材、例えば、圧縮カーボンやステンレス鋼によって形成されている。セパレータ２６ａ，２６ｂのそれぞれの表面には、所定の凹凸形状が形成されている。この凹凸形状によって、セパレータ２６ａとガス拡散層２４ａとの間には、燃料ガスとしての水素ガスが流れる燃料ガス流路２７が形成される。同様に、セパレータ２６ｂとガス拡散層２４ｂとの間には、酸化ガスとしての酸素が流れる酸化ガス流路２８が形成される。

なお、セパレータ２６ａの燃料ガス流路２７とは反対の面と、セパレータ２６ｂの酸化ガス流路２８とは反対の面とには、図示していない断面において、溝が形成されている。この溝は、通常セル１２の温度を調節するための冷却水が流れる冷却水流路として機能する。

図３は、燃料電池１０において、監視用セル１４のアノードにおける圧力損失が、通常セル１２のアノードにおける圧力損失よりも大きくなっている状態を模式的に示す説明図である。図３に示すように、燃料電池１０は、複数の通常セル１２と、監視用セル１４と、水素ガス供給マニホールド２９ａと、水素ガス排出マニホールド２９ｂと、分配器２９ｃとを備えている。本実施形態では、水素ガス供給マニホールド２９ａのうち、監視用セル１４に対して水素ガスを供給する供給部２９ａ１は、通常セル１２に水素ガスを供給する部分に比べて狭くなっている。このため、監視用セル１４のアノードにおける圧力損失は、通常セル１２のアノードにおける圧力損失よりも大きくなっている。なお、圧力損失を大きくするための他の手段については、後述する。

Ａ−３．燃料電池の製造方法：
図４は、燃料電池１０の製造工程を示す工程図である。工程Ｓ１００では、複数の通常セル１２を製造する。工程Ｓ１１０では、監視用セル１４の電圧範囲の上限電圧Ｖ１を定める。具体的には、まず、複数の通常セル１２のそれぞれの電圧を測定し、複数の通常セル１２の平均電圧Ｖｍを求める。そして、平均電圧Ｖｍから所定の値を減じた値を、電圧範囲の上限電圧Ｖ１として定める。

工程Ｓ１２０では、監視用セル１４の電圧範囲の下限電圧Ｖ２を定める。具体的には、まず、所定の条件下における通常セル１２の電圧の降下速度を求める。そして、電圧の降下速度に基づいて、監視用セル１４の電圧を監視する監視部９２の監視周期Ｔの間に降下する通常セル１２の電圧の降下幅を求め、この電圧の降下幅を、下限電圧Ｖ２として定める。

工程Ｓ１３０では、上限電圧Ｖ１及び下限電圧Ｖ２に基づいて、監視用セル１４における水素ガスの圧力損失の範囲の上限値及び下限値を定める。すなわち、監視用セル１４の電圧が上限電圧Ｖ１から下限電圧Ｖ２の間に収まるための、監視用セル１４における水素ガスの圧力損失の範囲の上限値及び下限値を定める。

工程Ｓ１４０では、監視用セル１４における水素ガスの圧力損失が、工程Ｓ１３０において定めた圧力損失の範囲である上限値から下限値までの間に収まるように、監視用セル１４を製造する。工程Ｓ１５０では、複数の通常セル１２及び監視用セル１４を積層して、燃料電池１０を製造する。

以上の製造方法によって製造された燃料電池１０によれば、監視用セル１４の電圧は、複数の通常セル１２の平均電圧から所定の値を減じた値以下となるので、監視用セル１４を監視部９２の監視対象として有効に機能させることができる。さらに、この燃料電池１０によれば、所定の条件下において監視用セル１４の電圧が降下した場合であっても、監視用セル１４が負電圧になることを抑制することができる。

以下では、このような製造方法を採用する理由について、監視用セル１４の好ましい性能とともに説明する。本実施形態では、燃料電池１０への水素ガスの供給が不足している水素欠乏時において、監視用セル１４が通常セル１２よりも鋭敏に反応、すなわち、監視用セル１４の電圧が通常セル１２の電圧よりも先に低下するように、監視用セル１４のアノードにおける圧力損失を、通常セル１２のアノードにおける圧力損失よりも大きくする。

ここで、監視用セル１４のアノードにおける圧力損失と、通常セル１２のアノードにおける圧力損失との差（以下、単に圧力損失差ともいう。）が小さすぎると、監視用セル１４の水素欠乏時における反応（電圧降下）が、通常セル１２の水素欠乏時における反応と同程度となり、監視用セル１４がセンサーとして機能しないおそれがある。

一方、圧力損失差が大きすぎると、氷点下環境下における暖機運転時の水素欠乏状態の場合や、９０℃以上の高温運転時に、セル内の電解質膜２１が過剰に乾燥した状態（以下、ドライアップともいう。）となった場合において、監視用セル１４の電圧が低下し過ぎて０Ｖ以下（負電圧）となり、監視用セル１４が劣化してしまうおそれがある。特に、ドライアップ時に監視用セル１４が負電圧となる現象は、高温運転時に水素欠乏状態となった場合に発生しやすい。

そこで、本実施形態では、上述した事態を避けるために、監視用セル１４の通常セル１２に対するアノードにおける圧力損失差が、どの範囲に収まっていればよいのかについて検討する。以下では、監視用セル１４の通常セル１２に対するアノードにおける圧力損失差の検討に先立って、監視用セル１４の電圧の好ましい範囲について検討する。

図５は、各セルにおける電流密度と電圧との関係をグラフ形式で示す説明図である。この図５には、複数の通常セル１２のそれぞれの電圧を測定することによって得られた通常セル１２の平均電圧Ｖｍが示されている。平均電圧Ｖｍの下側には、電圧Ｖｍ２が示されている。この電圧Ｖｍ２は、複数の通常セル１２の電圧の標準偏差σを求め、この標準偏差σを３倍した値である３σを、平均電圧Ｖｍから差し引くことによって得られる。また、この図５には、水素欠乏時やドライアップ時等におけるセルの電圧降下幅Ｖｔｈが示されている。

この図５に示すように、各セルの電圧は、電流密度が大きくなるにしたがって低下する。本実施形態では、燃料電池１０の最大負荷発電時におけるセルの電圧に着目し、この最大負荷発電時における電圧Ｖｍ２を上限電圧Ｖ１として定める。そして、電圧降下幅Ｖｔｈを下限電圧Ｖ２として定める。

このとき、最大負荷発電時における監視用セル１４の電圧は、上限電圧Ｖ１以下であることが好ましい。このようにすれば、監視用セル１４の電圧と通常セル１２の電圧との差が明確になるとともに、監視用セル１４の電圧が、ほぼ全ての通常セル１２の電圧よりも低い状態になっている可能性が高くなるので、監視用セル１４を監視部９２の監視対象として有効に機能させることが可能となる。

一方、最大負荷発電時における監視用セル１４の電圧は、下限電圧Ｖ２以上であることが好ましい。このようにすれば、水素欠乏時やドライアップ時等の異常時において、監視用セル１４の電圧が降下した場合であっても、監視用セル１４の電圧が０Ｖ以下（負電圧）となってしまうことを抑制することができ、監視用セル１４の劣化を抑制することが可能となる。

以上より、最大負荷発電時における監視用セル１４の電圧は、上限電圧Ｖ１から下限電圧Ｖ２の範囲に収まることが好ましい。

次に、監視用セル１４の通常セル１２に対するアノードにおける圧力損失差をどの範囲に収めれば、最大負荷発電時における監視用セル１４の電圧を、上限電圧Ｖ１から下限電圧Ｖ２の範囲に収めることができるのかについて検討する。なお、上限電圧Ｖ１や下限電圧Ｖ２（＝電圧降下幅Ｖｔｈ）の求め方の詳細については後述する。

図６は、監視用セル１４の通常セル１２に対するアノードにおける圧力損失差と、最大負荷発電時における監視用セル１４の電圧との関係をグラフ形式で示す説明図である。この図６には、複数の通常セル１２の平均電圧Ｖｍと、上限電圧Ｖ１と、下限電圧Ｖ２（＝電圧降下幅Ｖｔｈ）とが示されている。また、この図６に示された各点は、アノードにおける圧力損失差の異なる監視用セル１４の電圧を測定することによって得られたデータである。曲線Ｓ１は、これらのデータを滑らかに結んだ線である。この図６に示すように、監視用セル１４の通常セル１２に対するアノードにおける圧力損失差が大きくなるほど、監視用セル１４の電圧は低下する。

ここで、上限電圧Ｖ１と曲線Ｓ１との交点における圧力損失差をＰ１として定め、下限電圧Ｖ２と曲線Ｓ１との交点における圧力損失差をＰ２として定める。そうすると、監視用セル１４の通常セル１２に対するアノードにおける圧力損失差を、Ｐ１からＰ２の範囲に収めれば、最大負荷発電時における監視用セル１４の電圧が、上限電圧Ｖ１から下限電圧Ｖ２の範囲に収まることが理解できる。

すなわち、監視用セル１４の通常セル１２に対するアノードにおける圧力損失差を、Ｐ１からＰ２の範囲に収まるように調整すれば、監視用セル１４の電圧を、上限電圧Ｖ１から下限電圧Ｖ２の範囲に収めることができ、監視用セル１４の性能を最適なものにすることができる。なお、監視用セル１４の通常セル１２に対するアノードにおける圧力損失差を調整する方法については後述する。

次に、上限電圧Ｖ１の求め方について説明する。

図７は、複数の通常セル１２の電圧の分布をグラフ形式で示す説明図である。この図７は、複数の通常セル１２の電圧を同じ動作条件で測定し、０．０５Ｖ毎に電圧を区切って通常セル１２の数を測定した結果を示している。この図７に示すように、複数の通常セル１２の電圧を測定すると、電圧の分布は、ほぼ正規分布となる。上述したように、本実施形態では、複数の通常セル１２の電圧の標準偏差σを算出する。そして、複数の通常セル１２の電圧の平均電圧Ｖｍから３σを減じた値Ｖｍ２を上限電圧Ｖ１として定める。この図７に示すように、上限電圧Ｖ１よりも小さい電圧の通常セル１２は、ほとんど存在しない。したがって、監視用セル１４の電圧を、上限電圧Ｖ１以下とすれば、監視用セル１４が監視部９２の監視対象として有効に機能することが理解できる。

図８は、温度と、平均電圧Ｖｍ及び電圧Ｖｍ２との関係をグラフ形式で示す説明図である。この図８に示すように、平均電圧Ｖｍと電圧Ｖｍ２との差、すなわち、各セルの電圧のバラツキは、温度によって大きく異なっている。具体的には、低温域と高温域において各セルの電圧のバラツキが大きくなっている。したがって、上限電圧Ｖ１（＝電圧Ｖｍ２）及びＰ１は、各セルの電圧のバラツキが最も大きくなる温度条件において求めることが好ましい。

次に、下限電圧Ｖ２に対応する電圧降下幅Ｖｔｈの求め方について説明する。本実施形態では、電圧降下幅Ｖｔｈには、急速暖気運転の水素欠乏時における電圧降下幅Ｖｔｈ１と、高温運転のドライアップ時における電圧降下幅Ｖｔｈ２の２種類が含まれる。

図９は、急速暖気運転の経過時間と、セルの電圧との関係をグラフ形式で示す説明図である。この図９に示すように、０℃以下の氷点下環境下において、急速暖気運転が行なわれた場合には、各セルは、水素欠乏状態になりやすく、電圧が低下する。電圧が低下して０Ｖ以下の負電圧になると、セルが劣化するおそれがある。

そこで、本実施形態では、図９に示す曲線Ｓ２の傾きに基づいて電圧降下速度［ｄＶ／ｄｔ］を求めるとともに、この電圧降下速度に、監視部９２の監視周期Ｔを掛けることによって、監視周期Ｔの間における電圧降下幅Ｖｔｈ１を求める。なお、本実施形態では、電圧降下幅Ｖｔｈ１は、電圧が降下する場合を正の値として規定する。

ここで、電圧降下幅Ｖｔｈ１として、電圧降下速度に監視周期Ｔを掛け合わせた値を採用した理由について説明する。上述したように、監視部９２は、監視用セル１４の電圧を監視周期Ｔ毎に監視している。このため、急速暖気運転が行なわれて監視用セル１４が水素欠乏状態となり、監視用セル１４の電圧が降下すると、監視部９２は、監視用セル１４の電圧の降下を検知する。監視部９２が監視用セル１４の電圧の降下を検知すると、制御部９１は、燃料電池１０の出力電流に制限をかけて、監視用セル１４の電圧の降下を抑制する。すなわち、監視用セル１４の電圧は、最大でも、監視周期Ｔの間しか降下しないからである。

図１０は、監視用セル１４の通常セル１２に対するアノードにおける圧力損失差と、急速暖気運転時における監視用セル１４の電圧との関係をグラフ形式で示す説明図である。この図１０には、水素欠乏時における電圧降下幅Ｖｔｈ１が示されている。そして、曲線Ｓ３と、電圧降下幅Ｖｔｈ１との交点における圧力損失差をＰ２ｈとして定める。このＰ２ｈは、監視用セル１４が水素欠乏時に負電圧となってしまうことを抑制することのできる上限の圧力損失差である。

次に、ドライアップ時における電圧降下幅Ｖｔｈ２を求める。ドライアップ時における電圧降下幅Ｖｔｈ２の求め方は、図９に示した水素欠乏時における電圧降下幅Ｖｔｈ１の求め方と同じである。すなわち、ドライアップ時において電圧が降下する場合の傾きに基づいて電圧降下速度［ｄＶ／ｄｔ］を求めるとともに、この電圧降下速度に、監視部９２の監視周期Ｔを掛けることによって、監視周期Ｔの間における電圧降下幅Ｖｔｈ２を求めればよい。そして、図１０と同様にして、電圧降下幅Ｖｔｈ２から、Ｐ２ｄを求めればよい。ただし、この場合には、図１０の縦軸は、「高温時の最大負荷運転時のセル電圧」となる。このＰ２ｄは、監視用セル１４がドライアップ時に負電圧となってしまうことを抑制することのできる上限の圧力損失差である。

そして、Ｐ２ｈ（水素欠乏時）と、Ｐ２ｄ（ドライアップ時）のうち、小さい方を、圧力損失差の上限であるＰ２として定め、監視用セル１４の通常セル１２に対する圧力損失差をＰ２以下とすればよい。

このようにすれば、水素欠乏時において監視用セル１４の電圧が降下した場合であっても、ドライアップ時において監視用セル１４の電圧が降下した場合であっても、監視用セル１４が負電圧となってしまうことを抑制することができる。

Ａ−４．圧力損失を調整するための他の手段：
以下では、監視用セル１４のアノードにおける圧力損失を調整し、通常セル１２のアノードにおける圧力損失よりも大きくするためのその他の手段について説明する。上記の手段や以下に示す手段を単独で又は組み合わせて実施することによって、監視用セル１４のアノードにおける圧力損失を、Ｐ１からＰ２の範囲に収まるようにすることができる。

手段１．マニホールド近傍に対して施す手段：
・水素ガス供給マニホールド２９ａのうち、監視用セル１４に対して水素ガスを供給する部分に、水素ガスの抵抗となる板を挿入する。具体的には、例えば、監視用セル１４内に設けられているシーリングプレートの長さを変更することによって、水素ガスの供給口の開口面積を小さくする。なお、シーリングプレートは、セル内のガス流路を封止するための部材であり、セパレータ上に設けられている。
・水素ガス供給マニホールド２９ａのうち、監視用セル１４に対して水素ガスを供給する部分の断面積を、監視用セル１４に近づくにしたがって小さくする。

手段２．セパレータ近傍に対して施す手段：
・監視用セル１４内に設けられているシーリングプレートの表面にアイオノマやゴムコートを塗布することによって、シーリングプレートの厚さを変更し、水素ガスの供給口の開口面積を小さくする。
・監視用セル１４内に設けられているシーリングプレートに対して親水化処理を行なう。
・監視用セル１４内に設けられているシーリングプレート上のゴム量を変更する。
・監視用セル１４内に設けられているシーリングプレートの流路の形状を変更する。
・監視用セル１４内のガス流路の幅を変更する。具体的には、例えば、ガス流路の幅を大きくすることによって、電解質膜と触媒電極とが接合された膜電極接合体を、ガス流路に食い込ませる。
・監視用セル１４内のガス流路にアイオノマを塗布して、ガス流路の断面積を小さくする。

手段３．ガス拡散層・触媒層の近傍に対して施す手段：
・監視用セル１４の触媒層におけるアイオノマの膨潤度を大きくすることによって、触媒層の多孔度を小さくする。なお、高温運転時に監視用セル１４がドライアップ状態になりやすくするために、カーボンに対するアイオノマの重量比（Ｉ／Ｃ）を下げることが好ましい。
・監視用セル１４のアノードの多孔質層（ＭＰＬ：Micro Porous Layer）の材料として、つぶれやすい性質の材料を採用する。なお、多孔質層は、ガス拡散層の表面に形成される層であり、ガス拡散層よりも微細な孔を有している。
・監視用セル１４のガス拡散層を水素ガス流路に撓み込ませる。具体的には、例えば、ガス拡散層の材料として曲げ剛性の小さい材料を採用したり、水素ガス流路の幅を大きくすることによってガス拡散層を水素ガス流路に撓み込みやすくする。なお、ガス拡散層に含まれる炭素繊維は、ロール形態時においてロール長さ方向に配向しやすいので、ガス拡散層のロール長さ方向における曲げ剛性の方が、ロール幅方向における曲げ剛性よりも大きい。したがって、ガス拡散層を水素ガス流路に撓み込みやすくするためには、ガス拡散層のロール方向も考慮することが好ましい。

このように、本実施形態では、監視用セル１４の電圧が、上限電圧Ｖ１から下限電圧Ｖ２の範囲に収まるように、監視用セル１４のアノードにおける圧力損失を調整するので、監視用セル１４を監視部９２の監視対象として有効に機能させつつ、水素欠乏時やドライアップ時の電圧降下による監視用セル１４の負電圧化を抑制することが可能となる。

Ｂ．変形例：
なお、この発明は上記の実施形態や実施形態に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の態様において実施することが可能であり、例えば次のような変形も可能である。

Ｂ１．変形例１：
図１１は、変形例における燃料電池１０ｂの構成を模式的に示す説明図である。図３に示した実施形態における燃料電池１０との違いは、監視用セル１４が３つ設けられている点だけであり、他の構成は同じである。このように、監視用セル１４は２つ以上であってもよい。

Ｂ２．変形例２：
上記実施形態では、監視用セル１４のアノードにおける圧力損失が通常セル１２のアノードにおける圧力損失よりも大きくなるように調整している。しかし、監視用セル１４のカソードにおける圧力損失が通常セル１２のカソードにおける圧力損失よりも大きくなるように調整してもよい。

Ｂ３．変形例３：
上記実施形態では、上限電圧Ｖ１を定める際に、３σを平均電圧Ｖｍから減じている。しかし、２σやσ、平均電圧Ｖｍの５％等の所定の値を平均電圧Ｖｍから減じてもよい。

Ｂ４．変形例４：
上記実施形態では、下限電圧Ｖ２を求めるために、水素欠乏時における電圧降下幅Ｖｔｈ１と、ドライアップ時における電圧降下幅Ｖｔｈ２の２つを求めている。すなわち、上記実施形態では、２つの条件下に対応する２つの電圧降下速度を求め、２つの条件下に対応する２つの電圧降下幅を求めている。しかし、他の条件下における電圧降下速度及び電圧降下幅をさらに求めてもよく、また、１つの条件下における電圧降下速度及び電圧降下幅のみを求めてもよい。例えば、水素欠乏時における電圧降下幅Ｖｔｈ１のみを求めてもよく、ドライアップ時における電圧降下幅Ｖｔｈ２のみを求めてもよい。

Ｂ５．変形例５：
上記実施形態では、図９において、監視用セル１４の電圧降下速度は、通常セル１２の電圧降下速度とほぼ等しいと推定し、通常セル１２を用いて電圧降下幅Ｖｔｈ１を求めている。しかし、通常セル１２の代わりに、監視用セル１４に近い構造のテスト用セルを用いて、電圧降下幅Ｖｔｈを求めてもよい。

Ｂ６．変形例６：
上記実施形態では、図６及び図１０の横軸として、監視用セル１４と通常セル１２の圧力損失差を採用している。しかし、図６及び図１０の横軸として、監視用セル１４の圧力損失の値を採用してもよい。

Ｂ７．変形例７：
上記実施形態では、車両に搭載される燃料電池システム１００について説明している。しかし、上記実施形態の燃料電池システム１００は、車両以外の移動体に搭載されてもよく、また、設置型であってもよい。

Ｂ８．変形例８：
上記実施形態においてソフトウェアで実現されている機能の一部をハードウェアで実現してもよく、あるいは、ハードウェアで実現されている機能の一部をソフトウェアで実現してもよい。

本発明は、上述の実施形態や実施例、変形例に限られるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲において種々の構成で実現することができる。例えば、発明の概要の欄に記載した各形態中の技術的特徴に対応する実施形態、実施例、変形例中の技術的特徴は、上述の課題の一部又は全部を解決するために、あるいは、上述の効果の一部又は全部を達成するために、適宜、差し替えや、組み合わせを行うことが可能である。また、その技術的特徴が本明細書中に必須なものとして説明されていなければ、適宜、削除することが可能である。

１０…燃料電池
１０ｂ…燃料電池
１２…通常セル
１４…監視用セル
２１…電解質膜
２２ａ…アノード
２２ｂ…カソード
２４ａ…ガス拡散層
２４ｂ…ガス拡散層
２６ａ…セパレータ
２６ｂ…セパレータ
２７…燃料ガス流路
２８…酸化ガス流路
２９ａ…水素ガス供給マニホールド
２９ａ１…供給部
２９ｂ…水素ガス排出マニホールド
２９ｃ…分配器
６０…燃料ガス系機器
６１…水素タンク
６２…シャットバルブ
６３…レギュレータ
６４…配管
６５…配管
６６…気液分離器
６７ａ…配管
６７ｂ…配管
６８…循環ポンプ
６９…パージ弁
７０…酸化ガス系機器
７１…エアクリーナ
７２…エアコンプレッサ
７３…配管
７４…配管
７６…希釈器
７７…配管
８０…冷却系機器
８１…ラジエータ
８２…循環ポンプ
８３…配管
９０…制御ユニット
９１…制御部
９２…監視部
９５…出力要求
１００…燃料電池システム

特表２００２−５２０７７８号公報 特開２００７−０４８６０９号公報 特開２００９−１７０２２９号公報 特開２００６−３３８９２１号公報

Claims (9)

1. 複数の通常セルと、水素ガスの圧力損失が前記通常セルより大きい監視用セルとを有する燃料電池の製造方法であって、
   （ａ）前記監視用セルの電圧範囲の上限電圧を定める工程と、
   （ｂ）前記監視用セルの電圧範囲の下限電圧を定める工程と、
   （ｃ）前記上限電圧及び前記下限電圧に基づいて、前記監視用セルにおける前記水素ガスの圧力損失の範囲の上限値及び下限値を定める工程と、
   （ｄ）前記監視用セルにおける前記水素ガスの圧力損失が、前記圧力損失の範囲に収まるように、前記監視用セルを製造する工程と
   を備える、燃料電池の製造方法。
2. 請求項１に記載の燃料電池の製造方法であって、
   前記工程（ａ）は、
   （ａ１）前記複数の通常セルのそれぞれの電圧を測定し、前記複数の通常セルの平均電圧を求める工程と、
   （ａ２）前記平均電圧から所定の値を減じた値を、前記電圧範囲の前記上限電圧として定める工程と
   を含む、燃料電池の製造方法。
3. 請求項２に記載の燃料電池の製造方法であって、
   前記工程（ａ２）は、
   （ａ２−１）前記複数の通常セルの電圧の標準偏差を求める工程と、
   （ａ２−２）前記標準偏差を３倍した値を前記所定の値として定める工程と
   を含む、燃料電池の製造方法。
4. 請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の燃料電池の製造方法であって、
   前記工程（ｂ）は、
   （ｂ１）所定の条件下における前記通常セルの電圧の降下速度を求める工程と、
   （ｂ２）前記電圧の降下速度に基づいて、前記監視用セルの電圧を監視する監視部の監視周期の間に降下する前記通常セルの電圧の降下幅を求める工程と、
   （ｂ３）前記電圧の降下幅を、前記下限電圧として定める工程と
   を含む、燃料電池の製造方法。
5. 請求項４に記載の燃料電池の製造方法であって、
   前記工程（ｂ１）は、複数の条件下に対応する複数の電圧の降下速度を求める工程を含み、
   前記工程（ｂ２）は、前記複数の条件下に対応する複数の電圧の降下幅を求める工程を含み、
   前記工程（ｂ３）は、前記複数の電圧の降下幅を、複数の下限電圧として定める工程を含み、
   前記工程（ｃ）は、前記複数の下限電圧に基づいて、前記圧力損失の範囲の上限値の候補を複数求め、前記複数の上限値の候補のうち、最も小さい上限値の候補を、前記圧力損失の範囲の上限値として定める工程を含む、
   燃料電池の製造方法。
6. 請求項１から請求項５のいずれか一項に記載の燃料電池の製造方法であって、
   前記工程（ｃ）は、
   （ｃ１）前記監視用セルにおける前記水素ガスの圧力損失と、前記監視用セルの電圧と、の関係を求める工程と、
   （ｃ２）前記関係に基づいて、前記電圧範囲に対応する前記圧力損失の範囲を定める工程と
   を含む、燃料電池の製造方法。
7. 燃料電池であって、
   複数の通常セルと、
   水素ガスの圧力損失が前記通常セルより大きい監視用セルと
   を備え、
   前記監視用セルの電圧は、前記複数の通常セルの平均電圧から所定の値を減じた値以下である、燃料電池。
8. 請求項７に記載の燃料電池であって、
   前記監視用セルの電圧は、前記監視用セルの電圧を監視する監視部の監視周期の間に降下する前記通常セルの電圧の降下幅以上の値である、燃料電池。
9. 燃料電池システムであって、
   請求項７または請求項８に記載の燃料電池と、
   前記監視用セルの電圧を監視する監視部と、
   を備える、燃料電池システム。

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