JP2005142062A - 燃料電池の検査装置および検査方法 - Google Patents

Abstract

【課題】燃料電池ＭＥＡの性能検査において、局所的な特性評価を可能とし、検出感度を向上させることで、微小欠陥の検出を行う燃料電池の検査装置および方法を提供すること。
【解決手段】部分的にアノードにガスを供給するアノードガス供給口と、ガスを排出するアノードガス排出口を具備したアノードガス供給板と、部分的にカソードにガスを供給するカソードガス供給口とガスを排出するカソードガス排出口を具備したカソードガス供給板を備えた構成、もしくは、燃料電池ＭＥＡ全面にアノードガスを供給するアノードガス供給板とカソードガスを供給するカソードガス供給板を備えた構成であって、アノードガス供給板、カソードガス供給板共に複数の導電材と絶縁材で分割され、分割された導電材に各々接続された計測線で構成された局所計測用の評価治具を適用し、測定対象部にのみ計測用のガスを供給し、局所的に燃料電池MEAの特性評価を行う。
【選択図】図１

Description

本発明は、燃料電池に関し、特に燃料電池ＭＥＡの局所的な欠陥を感度良く検出することが可能な燃料電池の検査装置および検査方法に関するものである。

現在の燃料電池は、一般に酸素を含む酸化剤がカソードに供給され、水素を含む燃料ガスがアノードに供給されて発電するものであり、一対のカソードとアノードとからなる燃料電池セル、または燃料電池セルが複数個直列に接続された燃料電池スタックで構成されていることが多い。更に、燃料電池を構成するＭＥＡ（ＭｅｍｂＲａｎｅ ＥｌｅＣｔＲｏｄｅ Ａｓｓｅｍｂｌｙ）は、電解質膜とその両端に塗られた触媒層とガス拡散層からなる電極で構成される。

従来の燃料電池の検査装置としては、燃料電池セルにガスを供給し、単一セルの電圧、電流をモニタしているものがあった（例えば、特許文献１参照）。以下、図面を参照しながら従来の燃料電池の検査方法を説明する。

図７は、上記特許文献１に記載の従来の燃料電池の検査装置を示すものである。

図７において、電解質層ｐの一方の面に酸素極ｏを備え、且つ他方の面に燃料極ｈを備えた燃料電池ＭＥＡの特性評価用治具において、酸素極ｏ又は燃料極ｈに反応性ガスを供給する反応性ガス供給用流露Ｒを備えるように導電性の非金属材にて形成されて、酸素極ｏ又は燃料極ｈに当て付けられる状態で配置される流路形成部１と、外部から受け入れた反応性ガスを反応性ガス供給用流路Ｒに流動させるための中継部に装備される反応性ガス受入部２とを備える。
特開２００１−１７６５３２号公報（図１）

しかしながら、従来の燃料電池の検査方法では、単一セルの発電部分の全面に対しての電圧や電流をモニタするため単一セル全体としての発電異常を検出することは可能かも知れないが、セル全体としての電圧や電流のモニタでは、全体として平均化されてしまい、局所的な微小欠陥が存在した場合でも、セル全体としてもモニタでは検出は難しいことになる。また、局所的な微小欠陥は、燃料電池の耐久特性に影響を与え、劣化を加速させることや、突然劣化を誘発することが生じる可能性が高くなる可能性もある。

このような状況では、燃料電池の耐久特性に対して高い信頼性を保証するため、耐久特性に影響を与えるような微小欠陥を検出することが重要となる。

従来の構成では全体をモニタしているため、微小欠陥を検出するには感度が不十分であり、セルの耐久特性に影響を与えるような局所的な微小欠陥を評価することが難しいという課題を有することになる。

本発明は、上記従来の課題を解決するもので、燃料電池ＭＥＡの性能検査において、局所的な特性評価を可能とし、微小欠陥の検出を行うことが可能な燃料電池の検査装置および方法を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明の第１の発明における燃料電池検査装置および方法は、部分的にアノードにガスを供給するアノードガス供給口３１と、ガスを排出するアノードガス排出口３２を具備したアノードガス供給板１１と、部分的にカソードにガスを供給するカソードガス供給口３３とガスを排出するカソードガス排出口３４を具備したカソードガス供給板１２を備え、アノードガス供給板、カソードガス供給板共に複数の導電材と絶縁材で分割され、分割された導電材に各々接続された計測線で構成された局所計測用の評価治具を適用し、測定対象部にのみ計測用のガスを供給し、局所的に燃料電池ＭＥＡの特性評価を行う。

本発明の第２の発明における燃料電池検査装置および方法は、燃料電池ＭＥＡの全体面にアノードガスを供給する流路と供給口と排出口を具備したアノードガス供給板と、カソードガスを供給する流路と供給口と排出口を具備したカソードガス供給板を備え、アノードガス供給板、カソードガス供給板共に複数の導電材と絶縁材で分割され、分割された導電材に各々接続された計測線で構成された局所計測用の評価治具を適用し、局所的に燃料電池ＭＥＡの特性評価を行う。

本構成によって、燃料電池ＭＥＡの性能検査において、局所的な特性評価の計測を行い燃料電池ＭＥＡの微小欠陥を検出することができる。

以上のように、本発明の第１の発明においては、測定時において、測定用のガスを局所的に供給するため、ＭＥＡ上での反応部分が局所のみに限られ、微小欠陥の検出の感度を大きく向上させることができ、燃料電池ＭＥＡの微小欠陥を検出することができる。

また、本発明の第２の発明においては、ガス供給をＭＥＡ全面に行うため、ガスの供給および排出のラインを簡素化することができる。また、計測ごとに不活性ガスのパージが不要になるため、ガス置換に要する時間を短縮することが可能となる。微小欠陥の検出の感度は第１の発明に劣るが、装置のコストや計測に要する時間に関しては有利となる。

以下本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。

（実施の形態１）
図１，図２および図３は、実施の形態１における燃料電池ＭＥＡの局所的な特性評価を行うための治具の構成を示す。

図１において、１０は燃料電池ＭＥＡであり、アノードガス供給板１１とカソードガス供給板１２により挟み込まれ、締結されている。アノードガス供給板１１およびカソードガス供給板１２は、導電性の非金属材とそれを分割する非導電性の非金属材で形成されており、特に導電材にはカーボン、非導電材にはフッ素樹脂使用するのが望ましいが、これに限定されず、導電材には耐熱性および耐蝕性に優れ、導電性を備えた樹脂やセラミックなどの材料を用いても良く、非導電材には耐熱性および耐食性に優れ、非導電性を備えたシリコン樹脂やセラミックなどの材料を用いても良い。

締結の方式としては、カソードガス供給板１２に燃料電池ＭＥＡを乗せ、アノードガス供給板１１をモータ等で機械的な加圧をかけて、所定の締結圧になるまで、加圧し固定するのが望ましい。

アノードガス供給板１１にアノードガス供給管３１を用いてアノードガスを供給し、アノードガス排出管３２を用いて、アノードガスを排出する。カソードガス供給板１２にカソードガス供給管３３を用いてカソードガスを供給し、カソードガス排出管３４を用いて、カソードガスを排出する。アノードガスには、燃料を含むガスもしくは不活性ガスが供給される。カソードガスには、酸化剤を含むガスもしくは不活性ガスが供給される。燃料には水素、酸化剤には酸素、不活性ガスには窒素が用いられる。ガス供給管には、劣化要因となる燃料電池ＭＥＡへの金属イオンの流入を防ぐ観点から、フッ素樹脂を材料に用いることが望ましいが、これに限定されず、耐熱性および耐食性に優れた非導電性のシリコン樹脂やセラミックを使用しても良い。

アノードガス供給板１１とアノードガス供給管３１およびアノードガス排出管３２はアノードガス供給板分割部それぞれとガスバルブ６３で接続されており、ガスバルブはそれぞれ独立に開閉することができる。カソードガス供給板１２も同様にカソードガス供給管３３およびカソードガス排出管３４はカソードガス供給板分割部それぞれとガスバルブ６４で接続されている。

アノードガス供給板１１およびカソードガス供給板１２はほぼ同じ構造を有している。図２は、分割部分を拡大した縦断面方向の構成図である。燃料電池ＭＥＡは電解質膜層ｐとその両側に具備されるアノード触媒層ｈとカソード触媒層ｏとさらにその外側に具備されるガス拡散層ｄで構成される。燃料電池ＭＥＡはアノードガス供給板１１とカソードガス供給板１２により挟まれており、アノードガス供給板１１は導電材の１１１と非導電材の１１２によって構成され、カソードガス供給板１２は導電材の１２１と非導電材の１２２によって構成される。非導電材によりガス供給板の分割部は隣の分割部との直接の通電性は無い。分割部内部にはＭＥＡにガスを供給するための流路が備えられている。

導電性のガス供給板の外側には非導電性の板１３が備えられており、外部との絶縁性を確保する役割およびガス供給板を抑える役割をしている。板１３にはガス供給路用の穴およびガス供給板の導電材分割部と電気的接続を取るためのアノード側のコネクタ部１１３およびカソード側のコネクタ部１２３が備わっている。ガス流路の密閉性を高めるために板１３とガス供給板１１もしくは１２の供給口はＯリング等でガスが外部に漏れないように接続される。

図３は、ガス供給板の上面図であり、前記分割部が格子状に配置された構造でガス供給板が構成される。分割部は正方形が望ましいが、ＭＥＡの形状によって種々の形状をとることもできる。

ｎ×ｍ個の分割部がガス供給板に配置され、各々の分割部にアノード側では、ガス供給口３１、ガス排出口３２および電気的接合部１１３が備えられ、カソード側ではガス供給口３３、ガス排出口３４および電気的接合部１２３が備えられている。

図４は検査装置の電気計測に関係する装置構成図を示したものである。局所的な燃料電池ＭＥＡ１０を挟んだ特性評価治具１１、１２の局所計測分割部にそれぞれ接続されたアノード側の電気計測線４１およびカソード側の電気計測線４２は、電圧計測部５３と配線切替部５１、５２とで接続される。配線切替部５１および５２は計測制御部５４により計測対象部のガス供給板分割部と接続された電気計測線と測定部とを接続する。計測対象外のガス供給板分割部と測定部とは切り離される。接続の方式には、リレーや半導体スイッチ回路等を用いればよい。

図５は検査装置のガス供給に関係する装置構成図を示したものである。

アノードにガスを供給するガス供給部６１とカソードにガスを供給するガス供給部６２が備えられ、制御部５４によりガスバルブ６３および６４の開閉が制御され、測定対象となる供給板分割部にのみ計測用のガスが供給および排出される。ガス供給部６３は燃料ガスおよび不活性ガスを制御部５４の信号に応じて供給し、ガス供給部６２は酸化剤を含むガスおよび不活性ガスを制御部５４の信号に応じて供給する。

上記構成を用いて、以下に燃料電池ＭＥＡの局所的な開回路電圧の特性評価計測を行う手順を説明する。

図６は計測の手順を示したフロー図である。

まず、計測対象となる燃料電池ＭＥＡを評価治具にセットする。ガス供給板でＭＥＡを挟み込み、ガス供給板のすべての分割部に不活性ガスをパージし、ＭＥＡに電位が発生しないようにする。測定対象分割部のみにアノードに燃料ガスおよびカソードに酸化剤を含むガスを供給し、開回路電圧を発生させ、その電圧を計測部で計測し、制御部でデータ処理を行い、対象分割部の箇所とデータ値を保存する。計測、データ処理が終了した後、対象分割部を再度、不活性ガスでパージし、アノードの燃料ガスおよびカソードの酸化剤を含むガスを完全に排出する。測定箇所の電位が元に戻った後、次の対象分割部の計測に移る。以後は、この動作を繰り返し、ガス供給板全面の分割計測を行い、全分割部の計測が終了した後、制御部のデータ処理により所定の規定値から外れた開回路電圧が計測された場合は異常な燃料電池ＭＥＡと判定する。

判定終了の後、ガス供給板の締結を解除し、測定対象となる燃料電池ＭＥＡを評価用治具から外す。計測対象となる燃料電池ＭＥＡが複数ある場合は、以上の計測動作を繰り返すことで、特性評価計測を行うことが出来る。

微小ピンホールによりクロスリーク等が存在すると、水素分圧、酸素分圧が低下し、開回路電圧が低下する要因となる。また、クロスリークにより高分子膜の劣化が加速され、耐久特性に悪影響を与える。

燃料電池ＭＥＡをセルとして組み立て、全体にガス供給を行い、開回路電圧を計測した場合では、１０μｍ以下のピンホールが存在しても、開回路電圧に大きな差は見られなかった。しかし、局所的な特性評価を行った場合は、１０μｍ以下のピンホールが検出可能であり、長期的な耐久特性に影響を与えるピンホールが検出できた。

以上の局所計測を行う検査装置の構成および方法により、燃料電池ＭＥＡの局所的な開回路電圧を計測することが可能となり、燃料電池ＭＥＡの耐久特定に影響を与える局所的な微小欠陥を検出することができる。

（実施の形態２）
図１〜３の評価治具に関しては、前述の実施の形態１と同様なため、ここでは省略する。

上記構成を用いて、燃料電池ＭＥＡの局所的な電流−電圧の特性評価計測を行う手順を説明する。

図６は計測の手順を示したフロー図である。

まず、計測対象となる燃料電池ＭＥＡを評価治具にセットする。ガス供給板でＭＥＡを挟み込み、ガス供給板のすべての分割部に不活性ガスをパージし、ＭＥＡに電位が発生しないようにする。測定対象分割部のみにアノードに燃料ガスおよびカソードに酸化剤を含むガスを供給し、電子負荷を接続し、対象分割部のみのＭＥＡ上で発電させる。そのときの電流値と電圧値を計測部で計測し、制御部でデータ処理を行い、対象分割部の箇所とデータ値を保存する。電子負荷により電流値を制御し、ガス流量はマスフローコントローラーで制御する。計測時の電流値およびガス流量は所定の値を予め設定しておいた条件で計測を行う。

計測は１条件に限らず、任意の数条件での計測を行ってもよい。計測、データ処理が終了した後、対象分割部を再度、不活性ガスでパージし、アノードの燃料ガスおよびカソードの酸化剤を含むガスを完全に排出する。測定箇所の電位が元に戻った後、次の対象分割部の計測に移る。以後は、この動作を繰り返し、ガス供給板全面の分割計測を行い、全分割部の計測が終了した後、制御部のデータ処理により所定の規定値から外れた電圧値が計測された場合は異常な燃料電池ＭＥＡと判定する。判定終了の後、ガス供給板の締結を解除し、測定対象となる燃料電池ＭＥＡを評価用治具から外す。計測対象となる燃料電池ＭＥＡが複数ある場合は、以上の計測動作を繰り返すことで、局所部分の発電の特性評価計測を行うことが出来る。

局所的な触媒層の異常が存在した場合は、所定の電流値に対して、電圧値が低く現れる。通常時においてＭＥＡ全体で発電した場合は、触媒層の異常が存在すると、ＭＥＡ上で電流密度のばらつきが生じ、耐久特性に悪影響を与える可能性がある。

燃料電池ＭＥＡをセルとして組み立て、全体にガス供給を行い、電流−電圧特性を計測した場合では、局所的な触媒層の異常が存在しても、電流−電圧特性に大きな差は見られなかった。しかし、局所的な特性評価を行った場合は、局所的な電圧低下が検出可能であり、長期的な耐久特性に影響を与える触媒層異常が検出できた。

以上の局所計測を行う検査装置の構成および方法により、燃料電池ＭＥＡの局所的な電流−電圧特性を計測することが可能となり、燃料電池ＭＥＡの耐久特定に影響を与える局所的な微小欠陥を検出することができる。

（実施の形態３）
図１〜３の評価治具に関しては、前述の実施の形態１と同様なため、ここでは省略する。

上記構成を用いて、燃料電池ＭＥＡの局所的な交流インピーダンス値の特性評価計測を行う手順を説明する。

図６は計測の手順を示したフロー図である。

まず、計測対象となる燃料電池ＭＥＡを評価治具にセットする。ガス供給板でＭＥＡを挟み込み、ガス供給板のすべての分割部に不活性ガスをパージし、ＭＥＡに電位が発生しないようにする。測定対象分割部のみにアノードに燃料ガスおよびカソードに酸化剤を含むガスを供給し、電子負荷を接続し、対象分割部のみのＭＥＡ上で発電させる。そのときに電子負荷電流に所定の周波数の交流信号を重畳させ、交流インピーダンスを計測部で計測し、制御部でデータ処理を行い、対象分割部の箇所とデータ値を保存する。電子負荷により電流値を制御し、ガス流量はマスフローコントローラーで制御する。計測時の交流周波数、電流値およびガス流量は所定の値を予め設定しておいた条件で計測を行う。

計測は１条件に限らず、任意の数条件での計測を行ってもよい。計測、データ処理が終了した後、対象分割部を再度、不活性ガスでパージし、アノードの燃料ガスおよびカソードの酸化剤を含むガスを完全に排出する。測定箇所の電位が元に戻った後、次の対象分割部の計測に移る。以後は、この動作を繰り返し、ガス供給板全面の分割計測を行い、全分割部の計測が終了した後、制御部のデータ処理により所定の規定値から外れた交流インピーダンス値が計測された場合は異常な燃料電池ＭＥＡと判定する。判定終了の後、ガス供給板の締結を解除し、測定対象となる燃料電池ＭＥＡを評価用治具から外す。計測対象となる燃料電池ＭＥＡが複数ある場合は、以上の計測動作を繰り返すことで、局所部分の発電時における交流インピーダンスの特性評価計測を行うことが出来る。

局所的な触媒層の異常が存在した場合は、所定の周波数における交流インピーダンスに差が現れる。通常時においてＭＥＡ全体で発電した場合は、触媒層の異常が存在すると、ＭＥＡ上で電流密度のばらつきが生じ、耐久特性に悪影響を与える可能性がある。

燃料電池ＭＥＡをセルとして組み立て、全体にガス供給を行い、交流インピーダンスを計測した場合では、局所的な触媒層の異常が存在しても、交流インピーダンス値に大きな差は見られなかった。しかし、局所的な特性評価を行った場合は、局所的な交流インピーダンス値の変化が検出可能であり、長期的な耐久特性に影響を与える触媒層異常が検出できた。

以上の局所計測を行う検査装置の構成および方法により、燃料電池ＭＥＡの局所的な交流インピーダンス値を計測することが可能となり、燃料電池ＭＥＡの耐久特定に影響を与える局所的な微小欠陥を検出することができる。

（実施の形態４）
図１〜３の評価治具に関しては、前述の実施の形態１と同様なため、ここでは省略する。

上記構成を用いて、燃料電池ＭＥＡの局所的な水素リーク電流の特性評価計測を行う手順を説明する。

図６は計測の手順を示したフロー図である。

まず、計測対象となる燃料電池ＭＥＡを評価治具にセットする。ガス供給板でＭＥＡを挟み込み、ガス供給板のすべての分割部に不活性ガスをパージし、ＭＥＡに電位が発生しないようにする。測定対象分割部のみにアノードに燃料ガスおよびカソードに不活性ガスを供給する。そのときにクロノアンペロメトリー法を用いて、対象分割部のみに電位を与える。アノードからカソードにクロスリークする水素ガスをカソード触媒層でイオン化させ、与えた電位によって、水素リーク電流として流れる電流値を計測部で計測し、制御部でデータ処理を行い、対象分割部の箇所とデータ値を保存する。計測における印加電圧値、水素ガス流量および不活性ガス流量は所定の値を予め設定しておいた条件で計測を行う。

計測、データ処理が終了した後、対象分割部を再度、不活性ガスでパージし、アノードの燃料ガスを完全に排出する。測定箇所の電位が元に戻った後、次の対象分割部の計測に移る。以後は、この動作を繰り返し、ガス供給板全面の分割計測を行い、全分割部の計測が終了した後、制御部のデータ処理により所定の規定値から外れた水素リーク電流値が計測された場合は異常な燃料電池ＭＥＡと判定する。

判定終了の後、ガス供給板の締結を解除し、測定対象となる燃料電池ＭＥＡを評価用治具から外す。計測対象となる燃料電池ＭＥＡが複数ある場合は、以上の計測動作を繰り返すことで、局所部分のクロスリーク量の特性評価計測を行うことが出来る。

微小ピンホールによりクロスリーク等が存在すると、水素分圧、酸素分圧が低下し、開回路電圧が低下する要因となる。また、クロスリークにより高分子膜の劣化が加速され、耐久特性に悪影響を与える。

燃料電池ＭＥＡをセルとして組み立て、全体にガス供給を行い、水素リーク電流を計測した場合では、１０μｍ以下のピンホールが存在しても、水素リーク電流値に大きな差は見られなかった。しかし、局所的な特性評価を行った場合は、１０μｍ以下のピンホールが検出可能であり、長期的な耐久特性に影響を与えるピンホールが検出できた。

以上の局所計測を行う検査装置の構成および方法により、燃料電池ＭＥＡの局所的な水素リーク電流値を計測することが可能となり、燃料電池ＭＥＡの耐久特定に影響を与える局所的な微小欠陥を検出することができる。

（実施の形態５）
図１〜３の評価治具に関しては、前述の実施の形態１と同様なため、ここでは省略する。

上記構成を用いて、燃料電池ＭＥＡの局所的な短絡電流の特性評価計測を行う手順を説明する。

図６は計測の手順を示したフロー図である。

まず、計測対象となる燃料電池ＭＥＡを評価治具にセットする。ガス供給板でＭＥＡを挟み込み、ガス供給板のすべての分割部に不活性ガスをパージし、ＭＥＡに電位が発生しないようにする。そのときにクロノアンペロメトリー法を用いて、測定対象分割部のみに電位を与える。与えた電位によって、流れる短絡電流値を計測部で計測し、制御部でデータ処理を行い、対象分割部の箇所とデータ値を保存する。計測における印加電圧値は所定の値を予め設定しておいた条件で計測を行う。

計測、データ処理が終了した後、次の対象分割部の計測に移る。以後は、この動作を繰り返し、ガス供給板全面の分割計測を行い、全分割部の計測が終了した後、制御部のデータ処理により所定の規定値から外れた短絡電流値が計測された場合は異常な燃料電池ＭＥＡと判定する。判定終了の後、ガス供給板の締結を解除し、測定対象となる燃料電池ＭＥＡを評価用治具から外す。計測対象となる燃料電池ＭＥＡが複数ある場合は、以上の計測動作を繰り返すことで、局所部分の短絡電流値の特性評価計測を行うことが出来る。

微小短絡により短絡電流が存在すると、発電電圧が低下する要因となる。また、短絡電流によるオーム加熱により高分子膜の劣化が加速され、耐久特性に悪影響を与える。

燃料電池ＭＥＡをセルとして組み立て、全体にガス供給を行い、短絡電流を計測した場合では、微小短絡が存在しても、短絡電流値に大きな差は見られなかった。しかし、局所的な特性評価を行った場合は、微小短絡が検出可能であり、長期的な耐久特性に影響を与える微小短絡が検出できた。

以上の局所計測を行う検査装置の構成および方法により、燃料電池ＭＥＡの局所的な短絡電流値を計測することが可能となり、燃料電池ＭＥＡの耐久特定に影響を与える局所的な微小欠陥を検出することができる。

（実施の形態６）
図１〜３の評価治具に関しては、前述の実施の形態１と同様なため、ここでは省略する。

上記構成を用いて、燃料電池ＭＥＡの局所的な触媒層の反応面積の特性評価計測を行う手順を説明する。

図６は計測の手順を示したフロー図である。

まず、計測対象となる燃料電池ＭＥＡを評価治具にセットする。ガス供給板でＭＥＡを挟み込み、ガス供給板のすべての分割部に不活性ガスをパージし、ＭＥＡに電位が発生しないようにする。測定対象分割部のみにアノードに燃料ガスおよびカソードに不活性ガスを供給する。そのときにサイクリックボルタンメトリー法を用いて、カソードにリークする水素を用いて、カソード触媒層の水素の吸脱着を起こさせ、カソード触媒層の反応面積を計測部で計測し、制御部でデータ処理を行い、対象分割部の箇所とデータ値を保存する。計測時の印加電圧、掃引速度は所定の値を予め設定しておいた条件で計測を行う。

計測、データ処理が終了した後、対象分割部を再度、不活性ガスでパージし、アノードの燃料ガスを完全に排出する。測定箇所の電位が元に戻った後、次の対象分割部の計測に移る。以後は、この動作を繰り返し、ガス供給板全面の分割計測を行う。カソード触媒層の計測が終了した後、アノードに不活性ガスおよびカソードに燃料ガスを供給する。以後はカソード触媒層の反応面積を計測する手順と同様にして、アノード触媒層の反応面積を計測する。全分割部の計測が終了した後、制御部のデータ処理により所定の規定値から外れた触媒層の反応面積が計測された場合は異常な燃料電池ＭＥＡと判定する。判定終了の後、ガス供給板の締結を解除し、測定対象となる燃料電池ＭＥＡを評価用治具から外す。計測対象となる燃料電池ＭＥＡが複数ある場合は、以上の計測動作を繰り返すことで、局所部分の発電時における触媒層の反応面積の特性評価計測を行うことが出来る。

局所的な触媒層の異常が存在した場合は、触媒層の反応面積に差が現れる。通常時においてＭＥＡ全体で発電した場合は、触媒層の異常が存在すると、ＭＥＡ上で電流密度のばらつきが生じ、耐久特性に悪影響を与える可能性がある。

燃料電池ＭＥＡをセルとして組み立て、全体にガス供給を行い、触媒層の反応面積を計測した場合では、局所的な触媒層の異常が存在しても、反応面積値に大きな差は見られなかった。しかし、局所的な特性評価を行った場合は、局所的な反応面積値の変化が検出可能であり、長期的な耐久特性に影響を与える触媒層異常が検出できた。

以上の局所計測を行う検査装置の構成および方法により、燃料電池ＭＥＡの局所的な交流インピーダンス値を計測することが可能となり、燃料電池ＭＥＡの耐久特定に影響を与える局所的な微小欠陥を検出することができる。

（実施の形態７）
図８、図９および図１０は本発明の実施の形態７における燃料電池ＭＥＡの局所的な特性評価を行うための治具の構成図を示す。

評価治具各部の材質等の説明は、前述の実施の形態１と同様なためここでは省略し、同様な構成には同じ番号を用いている。

図８において、１０は燃料電池ＭＥＡであり、アノードガス供給板１１とカソードガス供給板１２により挟み込まれ、締結されている。

締結の方式としては、カソードガス供給板１２に燃料電池ＭＥＡを乗せ、アノードガス供給板１１をモータ等で機械的な加圧をかけて、所定の締結圧になるまで、加圧し固定するのが望ましい。

アノードガス供給板１１にアノードガス供給管３１を用いてアノードガスを供給し、アノードガス排出管３２を用いて、アノードガスを排出する。カソードガス供給板１２にカソードガス供給管３３を用いてカソードガスを供給し、カソードガス排出管３４を用いて、カソードガスを排出する。アノードガスには、燃料を含むガスもしくは不活性ガスが供給される。カソードガスには、酸化剤を含むガスもしくは不活性ガスが供給される。燃料には水素、酸化剤には酸素、不活性ガスには窒素が用いられる。

アノードガス供給板１１とアノードガス供給管３１およびアノードガス排出管３２はアノードガス供給板とガスバルブ６３で接続されており、ガスバルブはそれぞれ独立に開閉することができる。カソードガス供給板１２も同様にカソードガス供給管３３およびカソードガス排出管３４はカソードガス供給板とガスバルブ６４で接続されている。

アノードガス供給板１１およびカソードガス供給板１２はほぼ同じ構造を有している。図９は、縦断面方向の構成図である。燃料電池ＭＥＡは電解質膜層ｐとその両側に具備されるアノード触媒層ｈとカソード触媒層ｏとさらにその外側に具備されるガス拡散層ｄで構成される。燃料電池ＭＥＡはアノードガス供給板１１とカソードガス供給板１２により挟まれており、アノードガス供給板１１は導電材の１１１と非導電材の１１２によって構成され、カソードガス供給板１２は導電材の１２１と非導電材の１２２によって構成される。非導電材によりガス供給板の分割部は隣の分割部との直接の通電性は無い。供給板内部にはＭＥＡにガスを供給するための流路が備えられている。

導電性のガス供給板の外側には非導電性の板１３が備えられており、外部との絶縁性を確保する役割およびガス供給板を抑える役割をしている。板１３にはガス供給路用の穴およびガス供給板の導電材分割部と電気的接続を取るためのアノード側のコネクタ部１１３およびカソード側のコネクタ部１２３が備わっている。ガス流路の密閉性を高めるために板１３とガス供給板１１もしくは１２の供給口はＯリング等でガスが外部に漏れないように接続される。

図１０は、ガス供給板の上面図であり、前記分割部が格子状に配置された構造でガス供給板が構成される。分割部は正方形が望ましいが、ＭＥＡの形状によって種々の形状をとることもできる。ｎ×ｍ個の分割部がガス供給板に配置され、各々の分割部にアノード側では、ガス供給口３１、ガス排出口３２および電気的接合部１１３が備えられ、カソード側ではガス供給口３３、ガス排出口３４および電気的接合部１２３が備えられている。

図４は検査装置の電気計測に関係する装置構成図を示したものである。局所的な燃料電池ＭＥＡ１０を挟んだ特性評価治具１１、１２の局所計測分割部にそれぞれ接続されたアノード側の電気計測線４１およびカソード側の電気計測線４２は、電圧計測部５３と配線切替部５１、５２とで接続される。配線切替部５１および５２は計測制御部５４により計測対象部のガス供給板分割部と接続された電気計測線と測定部とを接続する。計測対象外のガス供給板分割部と測定部とは切り離される。接続の方式には、リレーや半導体スイッチ回路等を用いればよい。

図１１は検査装置のガス供給に関係する装置構成図を示したものである。アノードにガスを供給するガス供給部６１とカソードにガスを供給するガス供給部６２が備えられ、制御部５４によりガスバルブ６３および６４の開閉が制御され、測定時に計測用のガスが供給および排出される。ガス供給部６３は燃料ガスおよび不活性ガスを制御部５４の信号に応じて供給し、ガス供給部６２は酸化剤を含むガスおよび不活性ガスを制御部５４の信号に応じて供給する。

上記構成を用いて、燃料電池ＭＥＡの局所的な開回路電圧の特性評価計測を行う手順を説明する。図１２は計測の手順を示したフロー図である。最初に、計測対象となる燃料電池ＭＥＡを評価治具にセットする。ガス供給板でＭＥＡを挟み込み、アノードに燃料ガスおよびカソードに酸化剤を含むガスを供給し、開回路電圧を発生させ、その電圧を計測部で計測し、制御部でデータ処理を行い、対象分割部の箇所とデータ値を保存する。測定対象測定箇所のデータ処理が終わった後、次の対象分割部の計測に移る。

以後は、この動作を繰り返し、ガス供給板全面の分割計測を行い、全分割部の計測が終了した後、制御部のデータ処理により所定の規定値から外れた開回路電圧が計測された場合は異常な燃料電池ＭＥＡと判定する。判定終了の後、ガス供給板の締結を解除し、測定対象となる燃料電池ＭＥＡを評価用治具から外す。計測対象となる燃料電池ＭＥＡが複数ある場合は、以上の計測動作を繰り返すことで、特性評価計測を行うことが出来る。

微小ピンホールによりクロスリーク等が存在すると、水素分圧、酸素分圧が低下し、開回路電圧が低下する要因となる。また、クロスリークにより高分子膜の劣化が加速され、耐久特性に悪影響を与える。

燃料電池ＭＥＡをセルとして組み立て、全体にガス供給を行い、開回路電圧を計測した場合では、１０μｍ以下のピンホールが存在しても、開回路電圧に大きな差は見られなかった。しかし、局所的な特性評価を行った場合は、１０μｍ以下のピンホールが検出可能であり、長期的な耐久特性に影響を与えるピンホールが検出できた。

以上の局所計測を行う検査装置の構成および方法により、燃料電池ＭＥＡの局所的な開回路電圧を計測することが可能となり、燃料電池ＭＥＡの耐久特定に影響を与える局所的な微小欠陥を検出することができる。

（実施の形態８）
図８〜１０の評価治具に関しては、実施の形態７と同様なため、ここでは省略する。

上記構成を用いて、燃料電池ＭＥＡの局所的な電流−電圧の特性評価計測を行う手順を説明する。

図１２は計測の手順を示したフロー図である。

まず、計測対象となる燃料電池ＭＥＡを評価治具にセットする。ガス供給板でＭＥＡを挟み込み、アノードに燃料ガスおよびカソードに酸化剤を含むガスを供給し、電子負荷を接続し、発電させる。そのときの測定対象分割部の電流値と電圧値を計測部で計測し、制御部でデータ処理を行い、測定対象分割部の箇所とデータ値を保存する。電子負荷により電流値を制御し、ガス流量はマスフローコントローラーで制御する。計測時の電流値およびガス流量は所定の値を予め設定しておいた条件で計測を行う。

計測は１条件に限らず、任意の数条件での計測を行ってもよい。計測、データ処理が終了した後、次の対象分割部の計測に移る。以後は、この動作を繰り返し、ガス供給板全面の分割計測を行い、全分割部の計測が終了した後、制御部のデータ処理により所定の規定値から外れた電圧値が計測された場合は異常な燃料電池ＭＥＡと判定する。判定終了の後、ガス供給板の締結を解除し、測定対象となる燃料電池ＭＥＡを評価用治具から外す。計測対象となる燃料電池ＭＥＡが複数ある場合は、以上の計測動作を繰り返すことで、局所部分の発電の特性評価計測を行うことが出来る。

局所的な触媒層の異常が存在した場合は、所定の電流値に対して、電圧値が低く現れる。通常時においてＭＥＡ全体で発電した場合は、触媒層の異常が存在すると、ＭＥＡ上で電流密度のばらつきが生じ、耐久特性に悪影響を与える可能性がある。

燃料電池ＭＥＡをセルとして組み立て、全体にガス供給を行い、電流−電圧特性を計測した場合では、局所的な触媒層の異常が存在しても、電流−電圧特性に大きな差は見られなかった。しかし、局所的な特性評価を行った場合は、局所的な電圧低下が検出可能であり、長期的な耐久特性に影響を与える触媒層異常が検出できた。

以上の局所計測を行う検査装置の構成および方法により、燃料電池ＭＥＡの局所的な電流−電圧特性を計測することが可能となり、燃料電池ＭＥＡの耐久特定に影響を与える局所的な微小欠陥を検出することができる。

（実施の形態９）
図８〜１０の評価治具に関しては、前述の実施の形態７と同様なため、ここでは省略する。

上記構成を用いて、燃料電池ＭＥＡの局所的な交流インピーダンス値の特性評価計測を行う手順を説明する。

図１２は計測の手順を示したフロー図である。まず、計測対象となる燃料電池ＭＥＡを評価治具にセットする。ガス供給板でＭＥＡを挟み込み、アノードに燃料ガスおよびカソードに酸化剤を含むガスを供給し、電子負荷を接続し、発電させる。そのときに測定対象分割部の電子負荷電流に所定の周波数の交流信号を重畳させ、交流インピーダンスを計測部で計測し、制御部でデータ処理を行い、対象分割部の箇所とデータ値を保存する。電子負荷により電流値を制御し、ガス流量はマスフローコントローラーで制御する。計測時の交流周波数、電流値およびガス流量は所定の値を予め設定しておいた条件で計測を行う。計測は1条件に限らず、任意の数条件での計測を行ってもよい。

計測、データ処理が終了した後、次の対象分割部の計測に移る。以後は、この動作を繰り返し、ガス供給板全面の分割計測を行い、全分割部の計測が終了した後、制御部のデータ処理により所定の規定値から外れた交流インピーダンス値が計測された場合は異常な燃料電池ＭＥＡと判定する。判定終了の後、ガス供給板の締結を解除し、測定対象となる燃料電池ＭＥＡを評価用治具から外す。計測対象となる燃料電池ＭＥＡが複数ある場合は、以上の計測動作を繰り返すことで、局所部分の発電時における交流インピーダンスの特性評価計測を行うことが出来る。

局所的な触媒層の異常が存在した場合は、所定の周波数における交流インピーダンスに差が現れる。通常時においてＭＥＡ全体で発電した場合は、触媒層の異常が存在すると、ＭＥＡ上で電流密度のばらつきが生じ、耐久特性に悪影響を与える可能性がある。

燃料電池ＭＥＡをセルとして組み立て、全体にガス供給を行い、交流インピーダンスを計測した場合では、局所的な触媒層の異常が存在しても、交流インピーダンス値に大きな差は見られなかった。しかし、局所的な特性評価を行った場合は、局所的な交流インピーダンス値の変化が検出可能であり、長期的な耐久特性に影響を与える触媒層異常が検出できた。

以上の局所計測を行う検査装置の構成および方法により、燃料電池ＭＥＡの局所的な交流インピーダンス値を計測することが可能となり、燃料電池ＭＥＡの耐久特定に影響を与える局所的な微小欠陥を検出することができる。

（実施の形態１０）
図８〜１０の評価治具に関しては、実施の形態７と同様なため、ここでは省略する。

上記構成を用いて、燃料電池ＭＥＡの局所的な水素リーク電流の特性評価計測を行う手順を説明する。

図１２は計測の手順を示したフロー図である。まず、計測対象となる燃料電池ＭＥＡを評価治具にセットする。ガス供給板でＭＥＡを挟み込み、アノードに燃料ガスおよびカソードに不活性ガスを供給する。そのときにクロノアンペロメトリー法を用いて、測定対象分割部のみに電位を与える。アノードからカソードにクロスリークする水素ガスをカソード触媒層でイオン化させ、与えた電位によって、水素リーク電流として流れる電流値を計測部で計測し、制御部でデータ処理を行い、対象分割部の箇所とデータ値を保存する。計測における印加電圧値、水素ガス流量および不活性ガス流量は所定の値を予め設定しておいた条件で計測を行う。

計測、データ処理が終了した後、次の対象分割部の計測に移る。以後は、この動作を繰り返し、ガス供給板全面の分割計測を行い、全分割部の計測が終了した後、制御部のデータ処理により所定の規定値から外れた水素リーク電流値が計測された場合は異常な燃料電池ＭＥＡと判定する。判定終了の後、ガス供給板の締結を解除し、測定対象となる燃料電池ＭＥＡを評価用治具から外す。計測対象となる燃料電池ＭＥＡが複数ある場合は、以上の計測動作を繰り返すことで、局所部分のクロスリーク量の特性評価計測を行うことが出来る。

微小ピンホールによりクロスリーク等が存在すると、水素分圧、酸素分圧が低下し、開回路電圧が低下する要因となる。また、クロスリークにより高分子膜の劣化が加速され、耐久特性に悪影響を与える。

燃料電池ＭＥＡをセルとして組み立て、全体にガス供給を行い、水素リーク電流を計測した場合では、１０μｍ以下のピンホールが存在しても、水素リーク電流値に大きな差は見られなかった。しかし、局所的な特性評価を行った場合は、１０μｍ以下のピンホールが検出可能であり、長期的な耐久特性に影響を与えるピンホールが検出できた。

以上の局所計測を行う検査装置の構成および方法により、燃料電池ＭＥＡの局所的な水素リーク電流値を計測することが可能となり、燃料電池ＭＥＡの耐久特定に影響を与える局所的な微小欠陥を検出することができる。

（実施の形態１１）
図８〜１０の評価治具に関しては、実施の形態７と同様なため、ここでは省略する。

上記構成を用いて、燃料電池ＭＥＡの局所的な短絡電流の特性評価計測を行う手順を説明する。

図１２は計測の手順を示したフロー図である。まず、計測対象となる燃料電池ＭＥＡを評価治具にセットする。ガス供給板でＭＥＡを挟み込み、ガス供給板に不活性ガスをパージし、ＭＥＡに電位が発生しないようにする。そのときにクロノアンペロメトリー法を用いて、測定対象分割部のみに電位を与える。与えた電位によって、流れる短絡電流値を計測部で計測し、制御部でデータ処理を行い、対象分割部の箇所とデータ値を保存する。計測における印加電圧値は所定の値を予め設定しておいた条件で計測を行う。

計測、データ処理が終了した後、次の対象分割部の計測に移る。以後は、この動作を繰り返し、ガス供給板全面の分割計測を行い、全分割部の計測が終了した後、制御部のデータ処理により所定の規定値から外れた短絡電流値が計測された場合は異常な燃料電池ＭＥＡと判定する。判定終了の後、ガス供給板の締結を解除し、測定対象となる燃料電池ＭＥＡを評価用治具から外す。計測対象となる燃料電池ＭＥＡが複数ある場合は、以上の計測動作を繰り返すことで、局所部分の短絡電流値の特性評価計測を行うことが出来る。

微小短絡により短絡電流が存在すると、発電電圧が低下する要因となる。また、短絡電流によるオーム加熱により高分子膜の劣化が加速され、耐久特性に悪影響を与える。

燃料電池ＭＥＡをセルとして組み立て、全体にガス供給を行い、短絡電流を計測した場合では、微小短絡が存在しても、短絡電流値に大きな差は見られなかった。しかし、局所的な特性評価を行った場合は、微小短絡が検出可能であり、長期的な耐久特性に影響を与える微小短絡が検出できた。

以上の局所計測を行う検査装置の構成および方法により、燃料電池ＭＥＡの局所的な短絡電流値を計測することが可能となり、燃料電池ＭＥＡの耐久特定に影響を与える局所的な微小欠陥を検出することができる。

（実施の形態１２）
図８〜１０の評価治具に関しては、実施の形態７と同様なため、ここでは省略する。

上記構成を用いて、燃料電池ＭＥＡの局所的な触媒層の反応面積の特性評価計測を行う手順を説明する。

図１２は計測の手順を示したフロー図である。まず計測対象となる燃料電池ＭＥＡを評価治具にセットする。ガス供給板でＭＥＡを挟み込み、アノードに燃料ガスおよびカソードに不活性ガスを供給する。そのときに測定対象分割部に、サイクリックボルタンメトリー法を用いて、カソードにリークする水素を用いて、カソード触媒層の水素の吸脱着を起こさせ、カソード触媒層の反応面積を計測部で計測し、制御部でデータ処理を行い、対象分割部の箇所とデータ値を保存する。計測時の印加電圧、掃引速度は所定の値を予め設定しておいた条件で計測を行う。

計測、データ処理が終了した後、次の対象分割部の計測に移る。以後は、この動作を繰り返し、ガス供給板全面の分割計測を行う。カソード触媒層の計測が終了した後、アノードに不活性ガスおよびカソードに燃料ガスを供給する。以後はカソード触媒層の反応面積を計測する手順と同様にして、アノード触媒層の反応面積を計測する。全分割部の計測が終了した後、制御部のデータ処理により所定の規定値から外れた触媒層の反応面積が計測された場合は異常な燃料電池ＭＥＡと判定する。判定終了の後、ガス供給板の締結を解除し、測定対象となる燃料電池ＭＥＡを評価用治具から外す。計測対象となる燃料電池ＭＥＡが複数ある場合は、以上の計測動作を繰り返すことで、局所部分の発電時における触媒層の反応面積の特性評価計測を行うことが出来る。

局所的な触媒層の異常が存在した場合は、触媒層の反応面積に差が現れる。通常時においてＭＥＡ全体で発電した場合は、触媒層の異常が存在すると、ＭＥＡ上で電流密度のばらつきが生じ、耐久特性に悪影響を与える可能性がある。

燃料電池ＭＥＡをセルとして組み立て、全体にガス供給を行い、触媒層の反応面積を計測した場合では、局所的な触媒層の異常が存在しても、反応面積値に大きな差は見られなかった。しかし、局所的な特性評価を行った場合は、局所的な反応面積値の変化が検出可能であり、長期的な耐久特性に影響を与える触媒層異常が検出できた。

以上の局所計測を行う検査装置の構成および方法により、燃料電池ＭＥＡの局所的な交流インピーダンス値を計測することが可能となり、燃料電池ＭＥＡの耐久特定に影響を与える局所的な微小欠陥を検出することができる。

本発明の検査装置および検査方法は、局所的な特性計測を行う構成で燃料電池ＭＥＡの特性計測の感度向上させる特徴および電極面の性能ばらつきを評価できる特徴を有し、燃料電池ＭＥＡの高性能な特性計測などの特性計測装置および方法の用途にも適用できる。

第１の発明の実施形態に係る検査装置の評価治具を示す図 第１の発明の実施形態に係る検査装置の評価治具の分割部を示す図 第１の発明の実施形態に係る検査装置の評価治具の上面図 第１の発明の実施形態に係る検査装置の計測装置の系統図 第１の発明の実施形態に係る検査装置のガス制御の系統図 第１の発明の実施形態に係る検査方法のフロー図 従来の燃料電池検査装置の特性評価治具の斜視図 第２の発明の実施形態に係る検査装置の評価治具を示す図 第２の発明の実施形態に係る検査装置の評価治具の分割部を示す図 第２の発明の実施形態に係る検査装置の評価治具の上面図 第２の発明の実施形態に係る検査装置のガス制御の系統図 第２の発明の実施形態に係る検査方法のフロー図

符号の説明

１０ 燃料電池ＭＥＡ
１１ アノードガス供給板
１２ カソードガス供給板
１３ 絶縁板
１１１ アノードガス供給板分割導電部
１１２ アノードガス供給板分割絶縁部
１１３ アノード電気接続コネクタ
１２１ カソードガス供給板分割導電部
１２２ カソードガス供給板分割絶縁部
１２３ カソード電気接続コネクタ
３１ アノードガス供給管
３２ アノードガス排出管
３３ カソードガス供給管
３４ カソードガス排出管
４１ アノード電気計測線
４２ カソード電気計測線
４３ 計測切替部制御信号線
４４ 計測データ送信線
５１ アノード電気計測切替部
５２ カソード電気計測切替部
５３ 特性計測部
５４ 制御・データ処理部
６３ アノードガスバルブ
６４ カソードガスバルブ
ｈ 燃料極
ｏ 酸素極
ｐ 電解質層
ｄ ガス拡散層

Claims (9)

1. アノードガスを部分的に供給するアノードガス供給口と、前記アノードガスを排出するアノードガス排出口を具備したアノードガス供給板と、カソードガスを部分的に供給するカソードガス供給口と、前記カソードガスを排出するカソードガス排出口を具備したカソードガス供給板を備え、前記アノードガス供給板と前記カソードガス供給板は共に複数の導電材と絶縁材で分割され局所的な計測を行うこと
   を特徴とする燃料電池の検査装置。
2. アノードガスを全体的に供給する流路と、アノードガスを供給する供給口と、前記アノードガスを排出する排出口を具備したアノードガス供給板と、カソードガスを全体に供給する流路と、カソードガスを供給する供給口と、前記カソードガスを排出する排出口を具備したカソードガス供給板を備え、前記アノードガス供給板と前記カソードガス供給板は共に複数の導電材と絶縁材で分割され局所的な計測を行うこと
   を特徴とする燃料電池の検査装置。
3. 局所的な電圧測定手段を備え、燃料電池の発電特性である開回路電圧の計測を行うことを特徴とする請求項１または２記載の燃料電池の検査装置。
4. 局所的な発電部分に対して負荷電流を変動させる負荷電流変動手段と負荷電流の変動に対する電圧測定手段を備え、電圧電流特性の計測を行うことを特徴とする請求項１または２記載の燃料電池の検査装置。
5. 局所的な発電部分に対して交流信号を重畳させた負荷電流を変動させる負荷電流変動手段と負荷電流の変動に対する電圧測定手段を備え、電気化学インピーダンス法を用いて電圧応答結果に対するインピーダンスに関する計算手段を備えたことを特徴とする請求項１または２記載の燃料電池の検査装置。
6. アノードガス供給口に水素を供給し、カソードガス供給口に不活性ガスを供給し、クロノアンペロメトリー法を用いて局所的な水素リーク電流を計測する手段を備えたことを特徴とする請求項１または２記載の燃料電池の検査装置。
7. アノードガス供給口に不活性ガスを供給し、カソードガス供給口に不活性ガスを供給し、クロノアンペロメトリー法を用いて局所的な短絡電流を計測する手段を備えたことを特徴とする請求項１または２記載の燃料電池の検査装置。
8. アノードガス供給口に水素を供給し、カソードガス供給口に不活性ガスを供給し、サイクリックボルタンメトリー法を用いてカソード触媒層の局所的な反応面積を計測し、アノードガス供給口に不活性ガスを供給し、カソード供給口に水素を供給し、サイクリックボルタンメトリー法を用いて、アノード触媒層の局所的な反応面積を計測する手段を備えたことを特徴とする請求項１または２記載の燃料電池の検査装置。
9. 測定結果が予め正常とされる規定値から一定の値以上離れた場合に異常と判定するデータ処理部を備えたことを特徴とする請求項１〜８の何れか一項に記載の燃料電池の検査装置。

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