CN110297187B - 燃料电池的电流泄漏检查方法 - Google Patents

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Abstract

一种燃料电池的电流泄漏检查方法，在燃料电池的检查工序中，通过缩短检查所花的时间并提高检查精度，由此提高产品的生产效率及品质。所述燃料电池具备阳极电极、阴极电极、以及被所述阳极电极与阴极电极夹着的电解质膜，所述燃料电池的电流泄漏检查方法包括：对检查对象的燃料电池施加作为所述电解质膜的极限电压的第一电压的第一工序；对所述第一工序后的所述燃料电池施加比所述第一电压低的第二电压的第二工序；对所述第二工序后的所述燃料电池施加比所述第二电压低的第三电压的第三工序；以及在所述第三工序中，检测在所述燃料电池流动的电流值，判断是否比规定的电流值低的判定工序。

Description

燃料电池的电流泄漏检查方法
技术领域
本发明涉及燃料电池的电流泄漏检查方法。
背景技术
近年来，从环境保全、可持续的能量利用的观点出发，对燃料电池的需要急速升高。燃料电池通过使含有氢的燃料气体与空气等含有氧的氧化气体发生电化学反应，从而能够从各自所具有的化学能量取出电能。作为燃料电池之一的固体高分子型燃料电池具备由阳极(阴极)与阴极(阳极)夹着电解质膜而成的膜电极接合体(MEA、Membrane ElectrodeAssembly)。
MEA有时会由于在热压成型工序和/或操作上产生的伤痕、或者因MEA中的碳的蒸气化而产生的膜中的缺陷、碳纤维的贯通，导致其电子屏蔽功能下降(漏电)。该缺陷会在燃料电池的充放电时引起性能下降，因此，发生了不能允许的性能下降的MEA必须检测为品质不足。作为检测方法，以往已知有一种通过对MEA施加直流的恒定电压并测定稳定电流值从而检测出发生了电流泄漏的MEA的方法。
然而，在上述检查方法中，对MEA施加了直流电压时流动的电流成为稳定电流值会需要时间，MEA的检查工序所花费的时间导致燃料电池的生产效率的下降。
另外，在MEA产生了缺陷的情况下，因在电池的使用中燃料气体与氧化气体发生直接的化学反应，从而会因其反应热而在缺陷的周围招致MEA的进一步的劣化，该劣化进一步使电池的性能劣化。
为了解决上述的问题，在专利文献1中，公开了一种如下的方法：在MEA的电流泄漏检查中，在施加使电流值稳定化的电压之前，施加比检查电压高的电压，由此缩短充电时间。由此，能够缩短MEA的检查工序所花的时间。
在先技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开2013-054925号公报
发明要解决的课题
然而，如专利文献1所记载那样，在漏电检查中使施加的电压下降时，在施加电压切换的瞬间会从电极产生逆流电流，电流值瞬间向负的值大幅地偏移，然后立即向正的值恢复。尤其是，根据电压条件等的不同而电流值的变动不同，若电流值的变动大则到稳定化为止所花的时间越长。因此，若在电流值没有稳定化的状态下进行检查则会招致检查精度的下降。
发明内容
本发明是为了解决上述问题而做出的，其目的在于，在燃料电池的检查工序中，通过缩短检查所花的时间并提高检查精度，由此提高产品的生产效率及品质。
用于解决课题的方案
(1)本发明提供一种燃料电池的电流泄漏检查方法，所述燃料电池具备阳极电极、阴极电极、以及被所述阳极电极与所述阴极电极夹着的电解质膜，其中，所述燃料电池的电流泄漏检查方法包括：对检查对象的燃料电池施加作为所述电解质膜的极限电压的第一电压的第一工序；对所述第一工序后的所述燃料电池施加比所述第一电压低的第二电压的第二工序；对所述第二工序后的所述燃料电池施加比所述第二电压低的第三电压的第三工序；以及在所述第三工序中，检测在所述燃料电池流动的电流值，判定检测出的所述电流值是否比规定的电流值低的判定工序。
根据(1)的发明，通过施加作为电解质膜的极限电压的第一电压，能够缩短电流泄漏检查中的电池的充电时间。另外，通过使施加电压从第一电压阶段性地下降至第三电压，能够减少伴随施加电压的下降产生的逆流电流，能够缓和电流值的变动。因此，根据本发明，在燃料电池的检查工序中，能够缩短检查所花的时间并且能够提高检查精度，能够提高产品的生产效率及品质。
(2)在(1)的发明中，优选的是，所述第二工序中的电压施加时间比所述第一工序中的电压施加时间长。
根据(2)的发明，在进行了由极限电压实现的急速充电之后，花费比极限电压施加时间长的时间地施加更低的第二电压而进行电流值的稳定化，由此能够更可靠地实现短时间的充电和上述的电流值变动的缓和。
发明效果
根据本发明，在燃料电池的检查工序中，能够缩短检查所花的时间并提高检查精度，来提高产品的生产效率及品质。
附图说明
图1是简要地示出本发明的实施方式涉及的单体电池的图。
图2是简要地示出本发明的实施方式涉及的燃料电池的图。
图3是简要地示出本发明的实施方式涉及的电流泄漏检查的情形的图。
图4是示出本发明的实施方式涉及的电流泄漏检查的步骤的流程图。
图5是示出本发明的实施例1涉及的电流泄漏检查中的电流值的继时性变化的图。
图6是示出本发明的比较例1涉及的电流泄漏检查中的电流值的继时性变化的图。
图7是示出本发明的比较例2涉及的电流泄漏检查中的电流值的继时性变化的图。
附图标记说明：
10…单体电池
11…电解质膜
100…燃料电池
21…阳极电极层
22…阳极气体扩散层
23…阳极隔离件
23a…阳极气体流路
24…阳极冷却板
24a…阳极制冷剂流路
25…氢气入口歧管
25a…氢气入口歧管分支流路
26…氢气出口歧管
31…阴极电极层
32…阴极气体扩散层
33…阴极隔离件
33a…阴极气体流路
34…阴极冷却板
34a…阴极制冷剂流路
35…空气入口歧管
35a…氢气入口歧管分支流路
36…空气出口歧管
40…外部电极
41…直流电源
42…电流计。
具体实施方式
以下，参照附图对本发明的实施方式进行说明，但本发明并不限定于此。
<固体高分子型燃料电池的结构>
燃料电池100是通过层叠多个图1所示的单体电池10而设为燃料电池堆的电池，该多个单体电池10以串联的方式连接。单体电池10在中央具备电解质膜11，在电解质膜11的一侧(在图1中为左侧)配置阳极电极层21及阳极气体扩散层22，在另一侧(在图1中为右侧)配置阴极电极层31及阴极气体扩散层32。
在阳极气体扩散层22及阴极气体扩散层32各自的与电解质膜11相反的一侧，分别配置阳极隔离件23及阴极隔离件33。阳极隔离件23及阴极隔离件33分别形成用于使反应气体(阳极侧：氢，阴极侧：空气)不偏倚地遍布于阳极电极层21及阴极电极层31各自的表面的气体流路23a、33a，并同时将由单体电池10产生的电流向相邻的单体电池10传输。
由上述的阳极电极层21、阳极气体扩散层22及阳极隔离件23构成阳极电极，由阴极电极层31、阴极气体扩散层32及阴极隔离件33构成阴极电极。
而且，阳极冷却板24及阴极冷却板34分别配置于阳极隔离件23及阴极隔离件33各自的与气体流路23a、33a相反的一侧。阳极冷却板24及阴极冷却板34分别具备供起到将在燃料电池100产生的剩余废热除去的作用的制冷剂流通的制冷剂流路24a、34a，并同时起到将由单体电池10产生的电流向相邻的单体电池10传输的导电体的作用。
所述各气体扩散层32、33使反应气体(阳极侧：氢，阴极侧：空气)不偏倚地遍布于阳极电极层21及阴极电极层31各自的表面，并同时将通过氢与氧的电化学反应而从阴极侧生成的水迅速地向气体流路33a排出，而且将由各电极21、31产生的电流向阳极隔离件23及阴极隔离件33分别传输。
另外，阳极电极层21将从阳极侧的气体扩散层13供给的氢作为反应物，发生以下的氢电极反应。
H2→2H++2e-···(1)
另一方面，阴极电极层31将在阳极电极生成并透过电解质膜11而到达阴极侧的质子、以及从阴极侧的气体扩散层32供给的空气中所含的氧作为反应物，发生以下的水生成反应。
O2+4H++4e-→2H2O···(2)
图2是示出层叠多个上述的单体电池10而得到的燃料电池堆的一部分的示意图，此处的各单体电池10仅示出分别构成阳极、阴极各电极的阳极隔离件23及阴极隔离件33。在各个单体电池10中产生0.5V～1V的电压，但该电压也取决于负载电流。通过将300个～400个单体电池10串联连接，能够作为燃料电池堆而得到合计约150V～300V程度的电压。
在燃料电池堆的图2中的上部，分别设置沿单体电池10的层叠方向延伸的氢气入口歧管25及空气入口歧管35。另外，在图2中的燃料电池堆的下部，分别设置沿单体电池10的层叠方向延伸、并通往所述氢气入口歧管25的氢气出口歧管26、通往所述空气入口歧管35的空气出口歧管36。
氢气入口歧管25经由与各单体电池10分别连接的分支流路25a而连接于阳极隔离件23的气体流路23a的入口。气体流路23a的出口经由分支流路26a而连接于氢气出口歧管26。
空气入口歧管35经由与各单体电池10分别连接的分支流路35a而连接于阴极隔离件33的气体流路33a的入口。气体流路33a的出口经由分支流路36a而向空气出口歧管36连接。
关于阳极侧，从氢气入口歧管25向各气体流路23a分别分配氢气，并将该氢气向各单体电池供给。关于未反应的氢气，在通过气体流路23a之后，从氢气出口歧管26回收。
关于阴极侧，从空气入口歧管35分别向各气体流路33a分配空气，并将该空气向各单体电池供给。关于未反应的空气，在通过气体流路33a之后，从空气气体出口歧管36回收。
膜电极接合体(MEA)110如上述那样在电解质膜11的单侧的面具备阳极电极，在另一侧的面具备阴极电极。电解质膜11是由氟系树脂材料或烃系树脂材料形成的离子交换膜，在湿润状态下具有良好的质子传导性。阳极电极层21及阴极电极层31是提供促进电极反应的催化剂的层，例如由包含担载了铂的碳和电解质在内的材料形成。阳极气体扩散层22及阴极气体扩散层32是使用于电极反应的反应气体(空气及氢气)在面方向(与燃料电池100的层叠方向(参照图1)大致正交的方向)上扩散的层，例如由碳布和/或碳纸形成。
隔离件23、33由为不透过气体的致密材质并且具有导电性的材料，例如由被压缩成型了的致密质碳、金属、导电性树脂形成。阳极侧气体流路层23a及阴极侧气体流路层33a是作为使反应气体沿着燃料电池100的面方向流通的反应气体流路而发挥功能的层，例如由金属多孔体、碳多孔体等具有导电性的多孔质材料形成。
<电流泄漏检查方法>
图3是简要地示出本发明的实施方式中的MEA110的检查的情形的说明图。图4是示出本发明的实施方式中的MEA110的检查的步骤的流程图。
在本实施方式中的MEA110的检查中，对MEA110施加直流电压，检测在电压施加时的MEA110流动的电流，基于检测到的电流值是否比规定的电流值低来判定MEA110有无电流泄漏(以下，也称为“漏电”)。
如图3所示，MEA110被一对外部电极板40夹入，由压力机(未图示)施加载荷。由此，一对外部电极板40与MEA110以没有间隙地压接的状态被紧固连结。一对外部电极板40与直流电源41连接。另外，在一对外部电极板40与直流电源41之间设有电流计42，能够检测在MEA110流动的电流值。
参照图4，对本实施方式涉及的电流泄漏检查方法的步骤进行说明。
首先，在步骤S1中，在检查对象的工件(MEA110)没置一对外部电极40。具体而言，如上所述，将MEA110由一对外部电极板40夹入。设置可以是自动也可以是手动。
接下来，在步骤S2中，由压力机(未图示)施加载荷而开始电极加压。具体而言，利用压力机(未图示)向对MEA110进行夹持的一对外部电极板40施加载荷。
接下来，在步骤S3中，判别加压载荷是否达到了规定载荷。若该判别为“是”则进入步骤S4，若为“否”则反复进行本步骤S3的判别。
接下来，在步骤S4中，作为第一工序，对MEA110施加电解质膜的极限电压(第一电压)。例如，对MEA110施加1.0V作为极限电压(第一电压)。
接下来，在步骤S5中，判别极限电压(第一电压)的施加时间是否经过了规定时间。若该判别为“是”则进入步骤S6，若为“否”则反复进行本步骤S5的判别直到经过规定时间为止。
接下来，在步骤S6中，作为第二工序，对MEA110施加充电电压(第二电压)。例如对MEA110施加比极限电压(第一电压)低的电压作为充电电压(第二电压)。
接下来，在步骤S7中，判别充电电压(第二电压)的施加时间是否经过了规定时间。若该判别为“是”则进入步骤S8，若为“否”则反复进行本步骤S7的判别直到经过规定时间为止。在此，步骤S7的规定时间设定为比上述的步骤S5的规定时间长。
接下来，在步骤S8中，作为第三工序，对MEA110施加检查电压(第三电压)。例如对MEA110施加比充电电压(第二电压)低的电压作为检查电压(第三电压)。
接下来，在步骤S9中，判别检查电压(第三电压)的施加时间是否经过了规定时间。若该判别为“是”则进入步骤S10，若为“否”则反复进行步骤S9的判别直到经过规定时间为止。在此，步骤S9的规定时间设定为比上述的步骤S7的规定时间长。
接下来，在步骤S10中，实施MEA110的贯穿电流检查。具体而言，在施加了检查电压的状态下测定电流值，根据测定值是否超过规定的电流值(阈值)来判断MEA110是否正常。
接下来，在步骤S11中，在解除了电极加压之后，在步骤S12中取出工件(MEA110)并结束本检查。
以下，对本实施方式的第一工序、第二工序及第三工序进一步详细地进行说明。
如上所述，作为第一电压而施加作为固体高分子型燃料电池的极限电压的1.0V(充电加速电压)。为了使充电电压下的双电层形成提前完成，以充电加速的目的而施加能够以最短时间充电的极限电压。不过，为了防止电极的劣化，优选极限电压的施加限定于短时间。例如，第一电压的施加时间优选限定于1秒钟。
之后，作为第二电压而施加比第一电压低的电压(充电电压)。在被施加直流电压而开始充电时，在MEA110流动的电流值逐渐上升，在迎来某一峰值后电流值逐渐减少。这是因为，在双电层的形成过程中产生电流，在形成完成后不再产生以双电层为起因的电流。另外，使充电电压比检查电压高且比极限电压低。通过使电压阶段性地下降，从而能够减少伴随电压下降产生的逆流电流量，因此，能够减小电流值的变动。作为第二电压，优选使充电反应充分地进行且与第三检查电压的电压差小的电压。例如，第二电压优选为0.6～0.8V，尤其优选以0.7V施加6秒钟。
最后，施加作为检查电压的第三电压。第三电压下的双电层因第一电压及第二电压下的充电而早期地形成，另外逆流电流量也小，因此，电流值早期向稳定值稳定化。由此，能够兼顾到检查时间的缩短和检查精度的提高。作为第三电压，优选为能够识别漏电电流的程度的低电压，为了提高检查精度，需要电流值充分地稳定化的时间的施加。例如，第三电压优选以0.3V施加13秒钟。
检查电压优选为如前述那样在漏电部以外流动的电流充分变小的程度的低电压。在此，作为检查对象的MEA110的电阻值具有若施加电压高则变得小的性质。因此，若检查电压过高，则该MEA110的缺陷部处与健全部处的电阻值之差会消失，而变得难以根据电流值的大小来进行缺陷部是否存在的判定。另一方面，若检查电压过低，则从第二电压切换成第三电压时产生的放电后的电流值的恢复会变慢，因此值的收敛会变慢，另外会导致检测到负的电流值等而变得难以进行短时间内的正确的值的测定。
凭借第三电压施加完成了的时间点的电流值，判定比规定的电流值高还是低，认为检测到高的电流值的MEA110是由于缺陷的存在而产生了漏电的MEA110，认为是不合格品。规定的电流值(阈值)根据电压而不同，例如优选在0.3V时为5mA。
为了更详细地说明上述内容，对(i)～(iii)的各情况下的电压施加时的电流值的继时变化进行说明。
(i)仅施加检查电压的情况
从电压施加开始起电流值逐渐上升，在迎来某一峰值后电流值逐渐减少，最终向稳定值稳定化。此时，进行由电荷向电极界面移动而引起的双电层的形成，电流值发生变动。在双电层的形成结束时电流值成为稳定值。即，电流值的变动是由双电层的形成过程引起的。
(ii)以两个阶段在第一电压(充电电压)之后施加比第一电压(充电电压)低的第二电压(检查电压)的情况
利用施加于MEA110的第一电压而形成第一双电层。之后，在从第一电压切换并下降成第二电压的瞬间，因第一电压而形成于MEA110的第一双电层的一部分放电，电流逆流。因此，在施加电压切换时，检测到负的电流值。在放电结束之后，电流值立即向正的值恢复，因第二电压而开始新的第二双电层的形成。之后，短时间之后第二双电层的形成完成，电流值成为稳定值。由于通过第一电压施加而第二双电层形成这部分的充电早期完成，所以与(i)的情况相比能够使电流值短时间内稳定化。
然而，在电压切换时未进行充分的充电的情况下，电流值在刚从负恢复之后，从初期～中期阶段开始第二双电层形成，因此有可能大幅地超过最终的稳定值地上升。在该情况下，难以进行电流值的判定时间点的设定，在实现了检查时间的短时间化的情况下，可能会产生从正常的品质的MEA110检测出超过阈值的电流值而误判定为不合格品那样的情况。
(iii)以三阶段施加第一电压～第三电压的情况
利用第一电压来加速第二电压下的充电，在第二电压下充分地推进双电层的形成。由此，在第三电压施加时间点下，能够使检查电压下的双电层的形成早期地完成，因此，电流值向稳定值早期地收敛。
另外，通过第二电压与第三电压的电压差小，能够减少电压下降时产生的逆流电流量，电流值的变动变小。由此，稳定值附近的值的偏差也变小，能够实现读取误差小的高精度的检查。
需要说明的是，不限于仅三个阶段的施加，通过反复进行阶段性的电压施加而减小电流值的从最终的收敛值的上偏差，从而在检查电压的施加开始后，在任意时间点下均能够以不取阈值以上的电流值的方式使电流值稳定化(图5)。在该情况下，不存在因检查电压下的电流值的稳定化不充分这一理由而检测到阈值以上的电流值的情况，因此，若检测到阈值以上的电流值，则能够当场判断为以漏电为起因的不合格品。
需要说明的是，本发明并不限定于上述实施方式，能够达到本发明的目的的范围内的变形、改良包含于本发明。
【实施例】
以下，基于实施例对本发明的检查方法详细地进行说明。
<实施例1>
使MEA110被外部电极板夹持，由压力机施加载荷，使电极板与MEA没有间隙地压接。在该状态下，将作为MEA110的极限电压的1.0V的直流电压施加了1秒钟。接着，在将第二电压0.7V施加了6秒钟之后，将作为检查电压的第三电压0.3V施加13秒钟，继时性地测定了在MEA流动的电流值的变化。
<比较例1>
作为第一电压而将0.5V施加4秒钟，将作为检查电压的第二电压0.3V施加了16秒钟，除此以外与实施例1同样，并继时性地测定了在MEA流动的电流值的变化。
<比较例2>
作为第一电压而将0.6V施加7秒钟，将作为检查电压的第二电压0.3V施加了13秒钟，除此以外与实施例1同样，并继时性地测定了在MEA流动的电流值的变化。
上述实施例及比较例全都是检查时间设定为合计20秒，关于比较短的时间内的检查精度，以电流值的变化倾向为基础进行了评价。关于各例，在图5～7中示出电流值的继时变化的测定结果，以下记载该考察。
[考察]
<实施例1>
(1)从第一电压向第二电压的切换时间点(1s时间点)
从电压施加开始起电流值上升，在施加电压切换的瞬间(1s时间点)，电流值没有向负的值下降。这是因为，在施加电压下降时其落差小，另外第一电压的施加时间短，所以从利用形成于电极的第一电压得到的双电层的放电电压低，电流不会逆流而开始了利用第二电压的双电层形成。
(2)从第二电压向第三电压的切换时间点(7s时间点)
在施加电压切换的瞬间(7s时间点)，电流值向负的值下降了。这是因为，从利用形成于电极的第二电压得到的双电层的放电电压比第三施加电压大，电流发生了逆流。
(3)到测定结束为止(到20s时间点为止)
电流值在从施加电压切换的瞬间(7s时间点)起约5秒后(12s时间点)，上升到稳定值附近，到测定结束(20s时间点)为止在稳定值附近稳定。即，电流值在从施加电压切换的时间点起约5秒后在稳定值附近稳定化，之后在约8秒钟的期间保持着稳定。在从第二电压向第三电压的切换时间点已经充分地进行了充电，所以认为检查电压下的双电层的形成早期完成，电流值向稳定值收敛了。
<比较例1>
(1)从第一电压向第二电压的切换时间点(4s时间点)
从电压施加开始起电流值上升，在施加电压切换的瞬间(4s时间点)，电流值向负的值下降了。这是因为，由形成于电极的第二电压引起的充电电压比第三施加电压大，电流发生了逆流。
(2)到测定结束为止(到20s时间点为止)
从施加电压切换的瞬间(4s时间点)起，电流值在约1秒之后(5s时间点)向止的值超过作为阈值的5mA地急剧上升，持续减少直到测定结束(20s时间点)。由于在电压的切换时间点下充电不充分，因此，认为检查电压下的双电层的形成到测定结束为止没有完成。
<比较例2>
(1)到从第一电压向第二电压的切换为止(7s时间点)
从电压施加开始起电流值上升，在施加电压切换的瞬间(7s时间点)，电流值向负的值下降了。这是因为，由形成于电极的第二电压引起的充电电压比第三施加电压大，电流发生了逆流。
(2)到测定结束为止(到20s时间点为止)
从施加电压切换的瞬间(7s时间点)起，电流值在约1秒后(8s时间点)向正的值到作为阈值的5mA附近为止急剧上升，持续减少直到测定结束(20s时间点)。由于在电压的切换时间点下充电不充分，因此，认为检查电压下的双电层的形成到测定结束为止没有完成。
[评价]
(1)电流值稳定化时间
在实施例1中，与比较例1及2比较，测定电流值向检查电压下的稳定电流值早期地稳定化了。由此，根据实施例1，确认到能够缩短检查时间。
(2)电流值的变动
实施例1与比较例1及2比较，在向检查电压切换后产生的电流值的变动小。由此，稳定值附近处的值的偏差也变小，因此确认到能够实现读取误差小的高精度的检查。另外，在实施例1中，在向检查电压切换后，以不取超过作为阈值的5mA的电流值的方式向稳定值稳定化了。由此，在检测到超过5mA的值时，能够立即判断出不是稳定化时间不足而是发生了漏电，因此确认到检查效率提高。

Claims (1)

1.一种燃料电池的电流泄漏检查方法，所述燃料电池具备：
阳极电极；
阴极电极；以及
被所述阳极电极与所述阴极电极夹着的电解质膜，
其中，所述燃料电池的电流泄漏检查方法包括：
对检查对象的燃料电池施加作为所述电解质膜的极限电压的第一电压的第一工序；
对所述第一工序后的所述燃料电池施加比所述第一电压低的第二电压的第二工序；
对所述第二工序后的所述燃料电池施加比所述第二电压低的第三电压的第三工序；以及
在所述第三工序中，检测在所述燃料电池流动的电流值，判定检测出的所述电流值是否比规定的电流值低的判定工序，
所述第二工序中的电压施加时间比所述第一工序中的电压施加时间长。
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