JP6237424B2

JP6237424B2 - 燃料電池の検査方法

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Publication number: JP6237424B2
Application number: JP2014080267A
Authority: JP
Inventors: 一裕渡辺
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2014-04-09
Filing date: 2014-04-09
Publication date: 2017-11-29
Anticipated expiration: 2034-04-09
Also published as: JP2015201379A

Description

本発明は、燃料電池の検査方法に関する。

従来、単セルの組立後に燃料電池の良否を判定するために、実際に水素ガスを送気してエージングと呼ばれる慣らし運転を行い、その後に良否の判定を行うことがなされていた。エージングの方法としては、カソードに加湿酸素ガスを、アノードに水素ガスを供給し、電源により連続的に燃料電池に電圧を印加する方法が提案されていた（特許文献１参照）。

特開２００９−１９９８３４号公報特開２０１２−１３８２７７号公報

しかしながら、前記従来の技術では、膜電極接合体への含水に時間がかかるために電圧が安定するまでに大幅な時間を要し、慣らし運転に長い時間がかかる問題があった。

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、以下の適用例または形態として実現することが可能である。本発明の適用例は、
水素極と酸素極とを有する燃料電池の検査方法であって、
前記水素極と前記酸素極の少なくとも一方に送水を行う工程であって、送水先が前記水素極である場合には、気泡径が５０μｍ以下の水素のマイクロバブルを溶在させた水素水を送り、送水先が前記酸素極である場合には、酸素濃度が２１〜１００％の酸化ガスのマイクロバブルを溶在させた酸素水を前記酸素極に送る送水工程と、
前記送水工程による送水を行っている状態で、前記燃料電池の発電電圧を測定することによって前記燃料電池の検査を行う検査工程と、
を備える、燃料電池の検査方法。

本発明の一形態は、水素極と酸素極とを有する燃料電池の検査方法である。この燃料電池の検査方法は；前記水素極と前記酸素極の少なくとも一方に送水を行う工程であって、前記送水先が前記水素極である場合には、気泡径が５０μｍ以下の水素のマイクロバブルを溶在させた水素水を送り、前記送水先が酸素極である場合には、酸素濃度が２１〜１００％の酸化ガスのマイクロバブルを溶在させた酸素水を前記酸素極に送る送水工程と：前記送水工程による送水を行っている状態で、前記燃料電池の検査を行う検査工程と；を備える。

この燃料電池の検査方法によれば、水素極および／または酸素極に導入された水素水および／または酸素水は、気泡径が５０μｍ以下のマイクロバブルを溶在させたものであることから、燃料電池の電解質膜や水素極、酸素極を良好に加水させることができる。これによって、燃料電池の慣らし運転が良好になされ、慣らし運転の時間を短縮化することができる。これと同時に、燃料電池の検査を行うことができる。

なお、本発明は、種々の形態で実現することが可能である。例えば、前記形態の燃料電池の製造方法の各工程を備える燃料電池の製造方法等の形態で実現することができる。

第１実施形態で使用される燃料電池の検査システムの概略構成を示す説明図である。燃料電池の検査方法を示す工程図である。燃料電池の検査方法の作用を示す説明図である。第２実施形態で使用される燃料電池の検査システムの概略構成を示す説明図である。第３実施形態で使用される燃料電池の検査システムの概略構成を示す説明図である。第４実施形態で使用される燃料電池の検査システムの概略構成を示す説明図である。第５実施形態で使用される燃料電池の検査システムの概略構成を示す説明図である。第６実施形態で使用される燃料電池の検査システムの概略構成を示す説明図である。

次に、本発明の実施形態を説明する。
Ａ．第１実施形態：
Ａ−１．検査システムの構成：
本発明の第１実施形態としての燃料電池の検査方法は、燃料電池スタックを製造する際において単セルの組立後に、各単セルに対して実行される。まず、この検査方法において使用される燃料電池の検査システムについて説明する。

図１は、燃料電池の検査システムの概略構成を示す説明図である。燃料電池の検査システム１００は、検査対象である単セル１０と、水素水を単セル１０に供給する水素水供給系６０と、酸素水を単セル１０に供給する酸素水供給系８０と、ＥＣＵ１１０を備える。

単セル１０は、いわゆる固体高分子型燃料電池を構成するものであり、燃料ガスとして供給される水素と、酸化剤ガスとして供給される酸素とを用いて発電を行うためのものである。

単セル１０は、ＭＥＧＡフレーム２０と、アノード側セパレータ４０と、カソード側セパレータ４２と、からなり、接着剤にて接着されて製造される。ＭＥＧＡフレーム２０は、ＭＥＧＡ２２とフレーム２４とを接着剤にて接着して製造される。ＭＥＧＡフレーム２４は平面視矩形に形成され、平面視矩形に形成されたＭＥＧＡ２２の周縁を取囲む枠状に形成されたフレーム２４が接着されている。ＭＥＧＡ２２は、電解質膜３０と、アノード触媒層３１と、カソード触媒層３２と、アノード側ガス拡散層３３と、カソード側ガス拡散層３４と、を備える。

アノード側セパレータ４０には、水素が導入される水素流路４１が形成され、カソード側セパレータ４２には、酸素が導入される酸素流路４３が形成される。アノード側セパレータ４０、カソード側セパレータ４２には、冷却水が導入される冷却流路（図示しない）も形成される。水素流路４１、酸素流路４３、冷却水流路は、溝状の流路として形成されている。

電解質膜３０は、固体高分子材料、例えばパーフルオロカーボンスルホン酸を備えるフッ素系樹脂により形成されたプロトン伝導性を有するイオン交換膜であり、湿潤状態で良好な電気伝導性を示す。アノード触媒層３１およびカソード触媒層３２は、いずれも白金や白金合金等の触媒を担持した触媒担持カーボンを含んでいる。アノード触媒層３１が「水素極」であり、カソード触媒層３２が「酸素極」である。アノード側ガス拡散層３３およびカソード側ガス拡散層３４は、いずれも多孔質の拡散層用基材で構成されている。このような拡散層用基材として、例えば、カーボンペーパーやカーボンクロスやガラス状カーボン等のカーボン多孔質体や、金属メッシュや発泡金属等の金属多孔質体を用いることができる。

水素流路４１には、アノード側配管５２とアノード側排出配管５４が接続される。水素水供給系６０からの水素水が、アノード側配管５２を介して水素流路４１に導入される。導入された水素水は、アノード側排出配管５４を介して排出される。酸素流路４３には、カソード側配管５６とカソード側排出配管５８とが接続される。酸素水供給系８０からの酸素水が、カソード側配管５６を介して酸素流路４３に導入される。導入された酸素水は、カソード側排出配管５８を介して排出される。

水素水供給系６０は、水を収容する水槽６１と、水槽６１とアノード側配管５２とを接続する管路６２と、水槽６１とアノード側排出配管５４とを接続する管路６３と、水槽６１内の気体を排気するための排気管６４と、を備える。管路６２には、循環ポンプ６５が設けられている。さらに、水槽６１内には、マイクロバブル発生ユニット７１と、ヒータ７２とが設けられている。

マイクロバブル発生ユニット７１は、気体と水の供給を受けて、水中で微細な気泡を発生させる。詳しくは、水を高速で旋回させて強力なトルネードを発生させることによって、ノズル本体の中央に自然吸気された気体の筋を作り、ノズル出口付近の水の回転速度差が気体の筋をせん断し、マイクロバブルを発生させる。マイクロバブル発生ユニット７１には、気体としてＭＦＣ（マスフローコントローラ）７４を介して水素が供給されるとともに、水槽６１内の水が管路７５、ポンプ７６を介して供給される。この結果、マイクロバブル化された水素、すなわち、水素のマイクロバブルが水槽６１内に噴出されることになる。

本実施形態では、気泡径が５０μｍ以下の水素のマイクロバブルを発生させる。これにより、水槽６１内に収容される水は、水素のマイクロバブルを高濃度に溶在させた水素水となる。また、温調器７７を作動させることによって、温調器７７に接続されたヒータ７２で、水槽６１内に収容される水が４０〜９５℃の範囲内に加熱される。以上のように構成した水素水供給系６０によれば、気泡径が５０μｍ以下の水素のマイクロバブルを溶在させ、かつ４０〜９５℃に調温された水素水を、水槽６１から単セル１０の水素流路４１に送ることができる。

酸素水供給系８０は、水を収容する水槽８１と、水槽８１とカソード側配管５６とを接続する管路８２と、水槽８１とカソード側排出配管５８とを接続する管路８３と、水槽８１内の気体を排気するための排気管８４と、を備える。管路８２には、循環ポンプ８５が設けられている。さらに、水槽８１内には、マイクロバブル発生ユニット９１と、ヒータ９２とが設けられている。

マイクロバブル発生ユニット９１は、水素水供給系６０のマイクロバブル発生ユニット７１と同様に、気体と水の供給を受けて、水中で微細な気泡を発生させる。このマイクロバブル発生ユニット９１には、気体としてＭＦＣ（マスフローコントローラ）９４を介して酸素濃度が２１〜１００％（２１％以上、１００％以下）の酸化ガスが供給されるとともに、水槽８１内の水が管路９５、ポンプ９６を介して供給される。酸素濃度が２１〜１００％の酸化ガスとしては、本実施形態では空気が用いられる。この結果、マイクロバブル化された酸化ガス、すなわち、酸化ガスのマイクロバブルが水槽８１内に噴出されることになる。

マイクロバブル発生ユニット９１も、気泡径が５０μｍ以下の酸化ガスのマイクロバブルを発生させる。これにより、水槽９１内に収容される水は、酸素濃度が２１〜１００％の酸化ガスのマイクロバブルを高濃度に溶在させた酸素水となる。また、温調器９７を作動させることによって、温調器９７に接続されたヒータ９２で、水槽８１内に収容される水が４０〜９５℃の範囲内に加熱される。以上のように構成した酸素水供給系８０によれば、気泡径が５０μｍ以下の、酸素濃度が２１〜１００％の酸化ガスのマイクロバブルを溶在させ、かつ調温された酸素水を、水槽８１から単セル１０の酸素流路４３に送ることができる。

アノード側セパレータ４０とカソード側セパレータ４２の間には、単セル１０の発電電圧を測定するための電圧センサ９９が設けられている。電圧センサ９９によって得られた発電電圧は、ＥＣＵ１１０に送られる。

ＥＣＵ１１０は、水素水供給系６０の各部、酸素水供給系８０の各部を駆動制御するとともに、電圧センサ９９によって得られた発電電圧に基づいて、単セル１０の良否を判定する。

Ａ−２．検査方法：
上述した検査システム１００を用いた燃料電池の検査方法について、次に説明する。図２は、燃料電池の検査方法を示す工程図である。この検査方法は、工程１から工程３までの３つの工程によって構成される。各工程１〜３はこの順に実行される。各工程１〜３について、順に説明する。

［工程１］
工程１は、送水工程である。この送水工程は、上述した検査システム１００において、水素水供給系６０および酸素水供給系８０を駆動することによって、前述した水素のマイクロバブルを溶在させた水素水を単セル１０のアノード触媒層３１に送り、前述した酸化ガスのマイクロバブルを溶在させた酸素水を単セル１０のカソード触媒層３２に送る。

［工程２］
工程２は、電圧検査工程である。この電圧検査工程は、工程１による送水を行っている状態で、単セル１０に微弱負荷を掛けて、電圧センサ９９によって単セル１０の発電電圧を測定し、得られた発電電圧に基づいて単セル１０の良否を判定する。本実施形態では、「微弱負荷」とは、０［Ａ／ｃｍ²］を上回り、例えば１０［ｍＡ／ｃｍ²］以下の負荷である。上記単セル１０の良否の判定は、所定の閾値（例えば、０．９［Ｖ］）以上となったときには「良」と判定し、上記閾値を下回るときには「不良」と判定する。

［工程３］
工程３は、排水工程である。この排水工程は、単セル１０から水素水供給系６０と酸素水供給系８０を取り外して、単セル１０の水素流路４１および酸素流路４３について排水を行う。工程３を終えると、燃料電池の検査方法は終了する。

Ａ−３．実施形態効果：
以上のように構成された燃料電池の検査方法によれば、工程１によって、気泡径が５０μｍ以下の水素のマイクロバブルを溶在させた水素水を単セル１０のアノード触媒層３１に送り、酸素濃度が２１〜１００％の酸化ガスのマイクロバブル（気泡径が５０μｍ以下）を溶在させた酸素水を単セル１０のカソード触媒層３２に送ることによって、図３の模式図に示すような作用を奏することができる。

図３に示すように、水素流路４１および酸素流路４３に導入された水素水、酸素水は、気泡径が５０μｍ以下のマイクロバブルを溶在させたものであることから、水素水の水は矢印Ｙ１、Ｙ２に示すように容易に進み、酸素水の水はＹ３に示すように容易に進む。このために、ＭＥＧＡ２２を良好に加水させることができる。これによって、単セル１０の慣らし運転が良好になされ、慣らし運転の時間を短縮化することができる。この際、セパレータ４０、４２はフラッシングされ、親水性が向上する。また、アノード触媒層３１およびカソード触媒層３２が水素と活性化される（触媒活性化）。さらに、プロトンＨ⁺は良好に加水された電解質膜３０内を拡散する（プロトンパスの生成）。これらの作用効果と同時に、単セル１０の良否を判定することができる。

Ｂ．第２実施形態：
本発明の第２実施形態としての燃料電池の検査方法について、次に説明する。この検査方法は、第１実施形態の燃料電池の検査方法と比較して、送水工程における送水の形態が相違し、残余の形態については同一である。第１実施形態では、図１に示すように、アノード触媒層３１とカソード触媒層３２の両方に、水素もしくは酸化ガスのマイクロバブルを溶在させた水を送る構成としていた。これに対して、第２実施形態では、図４に示すように、アノード触媒層３１だけに、水素のマイクロバブルを溶在させた水を送る構成とし、カソード触媒層３２に対しては、ＭＦＣ２９４を介して空気を供給する構成とした。なお、空気に替えて酸素を供給する構成としてもよい。図４における残余の構成は、図１と同一であり、第１実施形態と同じ符号を付けて、その説明を省略する。

以上のように構成された第２実施形態の燃料電池の検査方法は、第１実施形態の燃料電池の検査方法と同様に、ＭＥＧＡ２２を良好に加水させ、慣らし運転の時間を短縮化することができ、触媒活性化を行うことができ、プロトンパスの生成を行うことができる。また、同時に、単セル１０の良否を判定することができる。

Ｃ．第３実施形態：
本発明の第３実施形態としての燃料電池の検査方法について、次に説明する。この検査方法は、第１実施形態の燃料電池の検査方法と比較して、送水工程における送水の形態が相違し、残余の形態については同一である。第１実施形態では、図１に示すように、アノード触媒層３１とカソード触媒層３２の両方に、水素もしくは酸化ガスのマイクロバブルを溶在させた水を送る構成としていた。これに対して、第３実施形態では、図５に示すように、カソード触媒層３２だけに、酸化ガスのマイクロバブルを溶在させた水を送る構成とし、アノード触媒層３１に対しては、ＭＦＣ３７４を介して水素を供給する構成とした。なお、図５における残余の構成は、図１と同一であり、第１実施形態と同じ符号を付けて、その説明を省略する。

以上のように構成された第３施形態の燃料電池の検査方法は、第１および第２実施形態の燃料電池の検査方法と同様に、ＭＥＧＡ２２を良好に加水させ、慣らし運転の時間を短縮化することができ、触媒活性化を行うことができ、プロトンパスの生成を行うことができる。また、同時に、単セル１０の良否を判定することができる。

Ｄ．第４実施形態：
本発明の第４実施形態としての燃料電池の検査方法について、次に説明する。この検査方法は、第１実施形態の燃料電池の検査方法と比較して、送水工程において使用される燃料電池の検査システムの構成が相違し、残余の形態については同一である。第１実施形態では、図１に示すように、水槽６１に設けた排気管６４の端部を外側に開口する構成としていた。これによって、マイクロバブルが消滅し、水から分離した水素を大気に放出していた。これに対して、第４実施形態では、図６に示すように、水槽６１に設けた排気管４６４の端部をＭＦＣ７４のイン側の管路４６６に接続する構成とした。なお、図６における残余の構成は、図１と同一であり、第１実施形態と同じ符号を付けて、その説明を省略する。

以上のように構成された第４施形態の燃料電池の検査方法は、第１実施形態の燃料電池の検査方法と同じ作用効果を奏し、さらに、マイクロバブルが消滅し、水から分離した水素を水素水供給系４６０において再循環させることができることから、水素の使用量をより低減することができる。

Ｅ．第５実施形態：
本発明の第５実施形態としての燃料電池の検査方法について、次に説明する。この検査方法は、第１実施形態（あるいは第４実施形態）の燃料電池の検査方法と比較して、工程２が相違し、残余の形態については同一である。第１実施形態の工程２では、単セルに微弱負荷を掛けて単セルの電圧を電圧センサにより測定し、該測定結果に基づいて単セルの検査を行う構成とした。これに対して、第５実施形態では、工程１による送水を行なっている状態で、水素ガスが単セルを通過することで生じる圧力損失（以下「アノード圧損」という）と、酸化ガスが単セルを通過することで生じる圧力損失（以下「カソード圧損」という）とを求めて、これら圧損に基づいて単セルの検査を行う構成とした。

アノード圧損およびカソード圧損は、図７に示すように、アノード側配管５２、アノード側排出配管５４、カソード側配管５６、およびカソード側排出配管５８のそれぞれに連結される各管路に圧力センサ５０２、５０４、５０６、５０８を設け、各圧力センサ５０２〜５０８によって測定されたアノード入口圧力Ｐ１、アノード出口圧力Ｐ２、カソード入口圧力Ｐ３、およびカソード出口圧力Ｐ４に基づいて算出する。詳しくは、次式（１）、（２）に基づいて算出する。

アノード圧損＝Ｐ１−Ｐ２ …（１）
カソード圧損＝Ｐ３−Ｐ４ …（２）

以上のように構成された第５実施形態の燃料電池の検査方法は、第１実施形態の燃料電池の検査方法と同様に、ＭＥＧＡ２２を良好に加水させ、慣らし運転の時間を短縮化することができ、触媒活性化を行うことができ、プロトンパスの生成を行うことができる。また、同時に、アノード圧損およびカソード圧損に基づいて単セル１０の良否を判定することができる。

なお、第５実施形態の変形例として、アノード圧損およびカソード圧損に基づいて単セル１０の良否を判定することに加えて、第１実施形態と同様に、単セルに微弱負荷を掛けて、単セル電圧に基づいて単セルの検査を行うことを合わせて実行する構成としてもよい。

Ｆ．第６実施形態：
本発明の第６実施形態としての燃料電池の検査方法について、次に説明する。この検査方法は、第１実施形態の燃料電池の検査方法と比較して、工程２が相違し、残余の形態については同一である。第１実施形態の工程２では、単セルに微弱負荷を掛けて単セルの電圧を電圧センサにより測定し、該測定結果に基づいて単セルの検査を行う構成とした。これに対して、第６実施形態では、工程１による送水を行なっている状態で、水分検知および水素検知を行うことによって単セルについての流体漏れ検査を行う構成とした。

水分検知および水素検知は、図８に示すように、単セル１０を囲うカバー６０２内にＨ₂センサ６０４と湿度センサ６０６とを設け、Ｈ₂センサ６０４による検出結果から水素検知を行い、湿度センサ６０６の検出結果から水分検知を行うように構成する。詳しくは、水素検知がなされたとき、すなわち、水素濃度が所定の閾値を超えたときに水素漏れがあると判定する。また、湿度センサによって検出された湿度が所定の閾値を超えたときに水漏れがあると判定する。

以上のように構成された第６実施形態の燃料電池の検査方法は、第１実施形態の燃料電池の検査方法と同様に、ＭＥＧＡ２２を良好に加水させ、慣らし運転の時間を短縮化することができ、触媒活性化を行うことができ、プロトンパスの生成を行うことができる。また、同時に、水分検知および水素検知による単セル１０の検査を行うことができる。

なお、第６実施形態の変形例として、水分検知および水素検知による単セル１０の検査を行うことに加えて、第１実施形態と同様に、単セルに微弱負荷を掛けて、単セル電圧に基づいて単セルの検査を行うことを合わせて実行する構成としてもよい。また、水分検知、水素検知の双方を行う構成に換えて、いずれか一方を行う構成としてもよい。また、水分検知や水素検知の検査に換えて、目視による検査としてもよい。

Ｇ．変形例：
・変形例１
第１ないし第４実施形態では、工程２において、単セルに微弱負荷を掛けて、単セル電圧に基づいて単セルの検査を行う構成としたが、これに換えて、ＯＣＶ電圧に基づいて単セルの検査を行う構成としてもよい。

・変形例２
第１実施形態では、工程２において、単セルに微弱負荷を掛けて、単セル電圧に基づいて単セルの検査を行う構成としたが、これに換えて、複数の単セルを積層させて同時に検査してもよく、更にフル負荷発電による検査を必要とするときには、工程１と工程２との間で、セルモニタケーブルの接続状態（接続忘れ、接続不良、誤組付）が正しいか否かの判定を行うようにしてもよい。

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、前述した実施形態および各変形例における構成要素の中の、独立請求項で記載された要素以外の要素は、付加的な要素であり、適宜省略可能である。

１０…単セル
２０…ＭＥＧＡフレーム
２２…ＭＥＧＡ
２４…フレーム
３０…電解質膜
３１…アノード触媒層
３２…カソード触媒層
３３…アノード側ガス拡散層
３４…カソード側ガス拡散層
４０…アノード側セパレータ
４１…水素流路
４２…カソード側セパレータ
４３…酸素流路
５２…アノード側配管
５４…アノード側排出配管
５６…カソード側配管
５８…カソード側排出配管
６０…水素水供給系
６１…水槽
６２…管路
６３…管路
６４…排気管
６５…循環ポンプ
７１…マイクロバブル発生ユニット
７２…ヒータ
７４…ＭＦＣ
７５…管路
７６…ポンプ
７７…温調器
８０…酸素水供給系
８１…水槽
８２…管路
８３…管路
８４…排気管
８５…循環ポンプ
９１…マイクロバブル発生ユニット
９２…ヒータ
９４…ＭＦＣ
９５…管路
９６…ポンプ
９７…温調器
９９…電圧センサ
１１０…ＥＣＵ
１００、２００、３００、４００、５００、６００…検査システム
４６０…水素水供給系
４６４…排気管
４６６…管路
５０２…圧力センサ
６０２…カバー
６０４…Ｈ₂センサ
６０６…湿度センサ

Claims

水素極と酸素極とを有する燃料電池の検査方法であって、
前記水素極と前記酸素極の少なくとも一方に送水を行う工程であって、送水先が前記水素極である場合には、気泡径が５０μｍ以下の水素のマイクロバブルを溶在させた水素水を送り、送水先が前記酸素極である場合には、酸素濃度が２１〜１００％の酸化ガスのマイクロバブルを溶在させた酸素水を前記酸素極に送る送水工程と、
前記送水工程による送水を行っている状態で、前記燃料電池の発電電圧を測定することによって前記燃料電池の検査を行う検査工程と、
を備える、燃料電池の検査方法。