JP2005302320A

JP2005302320A - 燃料電池の検査方法

Info

Publication number: JP2005302320A
Application number: JP2004112262A
Authority: JP
Inventors: Osamu Sakai; 修酒井; Eiichi Yasumoto; 栄一安本; Shigeyuki Unoki; 重幸鵜木; Hideo Kasahara; 英男笠原; Shinichi Arisaka; 伸一有坂
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2004-04-06
Filing date: 2004-04-06
Publication date: 2005-10-27

Abstract

【課題】より簡便であり、又被検査体である燃料電池の形状に対する自由度が高い、又は漏洩箇所がより特定可能な燃料電池の検査方法を提供すること。
【解決手段】燃料ガス総流路の入口、酸化剤ガス総流路の入口、及び冷却水総流路の入口を除き、燃料電池に設けられている出入口を閉鎖する閉鎖工程と、いずれか一つの流路に、プレッシャーレギュレータ２３を用いて、不活性ガスを注入・加圧する注入・加圧工程と、注入・加圧を開始してから所定時間後の前記不活性ガスの漏洩量を、マスフローメーター２２を用いて計測する計測工程と、前記加圧の圧力が、５〜３０ｋＰａの場合において、前記不活性ガスの一分間あたりの漏洩量が、前記不活性ガスを流入させた前記流路の体積の０．３％以上であったときに、前記流路から前記不活性ガスが漏洩しているという判定を行う判定工程とを備えた、燃料電池の検査方法。
【選択図】図２

Description

本発明は、民生用コジェネレーションや移動体用、モバイル用のエネルギー源として有用な燃料電池の検査方法に関する。

プロトン伝導性高分子膜を電解質として用いる固体高分子形燃料電池は電解質においてプロトンを選択的に輸送し、水素などの燃料ガスと空気などの酸化ガスを白金などの触媒層を有するガス拡散電極によって電気化学的に反応させるもので、電気と熱とを同時に発生させるものである。

燃料極側では、下記の式（１）に示されるように水素をプロトン（水素イオン）と電子に分解する反応が行われ、プロトンは電解質膜中を移動し、酸素極側では、式（２）に示されるように空気中の酸素と外部回路を経由してきた電子と反応して水が生成される。

燃料極側反応式：Ｈ_２→２Ｈ^＋＋２ｅ⁻・・・（１）
酸素極側反応式：２Ｈ^＋＋２ｅ⁻＋（１／２）Ｏ_２→Ｈ_２Ｏ・・・（２）
固体高分子形燃料電池の発電部において、プロトン伝導性電解質膜の両面には、白金系の金属触媒を担持したカーボン粉末とそれを被覆するように混合する高分子電解質とを主成分とする触媒反応層が密着して配置されている。さらに触媒反応層の外面には、ガス透過性と導電性を兼ね備えた一対のガス拡散層がこれに密着して配置されている。このガス拡散層と触媒反応層によりガス拡散電極を構成する。以上の電解質膜、触媒反応層、ガス拡散層を一体化したものを電極電解質膜接合体（以下、ＭＥＡ）と呼ぶ。また、ＭＥＡの周縁部にはガス漏洩を回避するためにガスケットが配されている。

ガス拡散電極の外側には、高分子電解質膜とガス拡散電極で構成された電極電解質膜接合体（以下、ＭＥＡ）を機械的に固定するとともに、隣接するＭＥＡ同士を互いに電気的を直列に接続させるためにセパレータ板が配置されている。このセパレータ板には、電極に反応ガスを供給しかつ反応により発生した水や余剰のガスを運び去るためのガス流路が形成されている。セパレータ板は金属材料を用いることもあるが、カーボン材料を用いるのが一般的である。又、ガス流路はセパレータ板と別に設けることもできるが、セパレータ板の表面に溝を設けてガス流路（燃料極用、酸化極の２種類）とする方式が一般的である。このセパレータ板に形成された溝を、燃料ガス流路、酸化剤ガス流路を呼ぶ。

多くの燃料電池は、上記のような構造の単電池を複数重ねた積層構造（スタックと呼ぶ）をとっている。上記のようなスタックでは、セパレータ板やガス拡散層等の積層する構成部品間の接触抵抗を低減するため、またガスのシール性を維持するため、電池全体を積層方向に恒常的に締め付けることが必要である。

又、固体高分子形燃料電池で発生する熱を冷却するとともに電池温度を調節するために、セパレータ間には各セル毎あるいは複数セル毎に冷却水が流れる冷却水流路が形成されており、電池を冷却するとともに熱交換により熱を取り出している。

各セルの燃料ガス流路入口は燃料ガス供給マニホールドで連通されており、各セルの燃料ガス流路出口は燃料ガス排出マニホールドで連通されている。つまりスタックの燃料ガス入口から供給された燃料ガスは燃料ガス供給マニホールドを通じて各セルの燃料ガス流路に分配され、各セルから出てきた燃料排ガスは燃料ガス排出マニホールドで混合され、スタックの燃料ガス出口から排出される。

同様にして、各セルの酸化剤ガス流路入口は酸化剤ガス供給マニホールドで連通されており、各セルの酸化剤ガス流路出口は酸化剤ガス排出マニホールドで連通されている。つまりスタックの酸化剤ガス入口から供給された空気は酸化剤ガス供給マニホールドを通じて各セルに分配され、各セルから出てきた酸素極排ガスは酸化剤ガス排出マニホールドで混合され、スタックの酸化剤ガス出口から排出される。

冷却水においても同じように、各セル毎あるいは複数セルごとに形成された冷却水が流れる冷却水流路も入口においては冷却水供給マニホールドで連通されており、出口においては冷却水排出マニホールドで連通されている。つまりスタックの冷却水入口から供給された冷却水は冷却水マニホールドを通じてセパレータに形成された各冷却水流路に分配され、各冷却水流路から出てきた冷却水は冷却水排出マニホールドで混合されスタックの冷却水出口から排出される。

固体高分子形燃料電池では、高分子電解質膜が含水率の増加に伴ってイオン伝導度が高くなる物性を有しているため、前記高分子電解質膜を湿潤状態に保つ必要がある。そのため電池に供給するガスは加湿することが一般的である。

しかしながら、過剰な湿潤状態にすると酸素極における生成水の発生も加わり、凝縮水により触媒反応層やガス拡散層の気孔部やセパレータ流路が閉塞される恐れがある。このようなガス拡散の阻害により電池性能が極端に劣化する状態をフラッディングと呼んでいる。そのため高分子電解質を適当な湿潤状態に保ちつつ、過剰な水分を安全かつ速やかに除去する機能が必要不可欠である。

又、燃料極側へ供給する燃料としては純水素が好適であるが、インフラや貯蔵などの面での課題がある。そのため、炭化水素等の水素含有の化合物から触媒反応によって水素ガスを生成する改質器を用いて燃料電池へ水素を主成分とする燃料ガスを供給することが一般的である。改質器により、メタン、ブタン、天然ガス等の炭化水素、メタノールなどのアルコール類、さらにはジメチルエーテル（ＤＭＥ）やガソリンなどから水素ガスを生成することが可能である。

各セルの燃料ガス流路と燃料ガスマニホールドを合わせて燃料ガス総流路と呼び、各セルの酸化剤ガス流路と酸化剤ガスマニホールドを合わせて酸化剤ガス総流路と呼び、各セル毎あるいは複数セルごとに形成された冷却水流路と冷却水マニホールドを合わせて冷却水総流路と呼ぶことにする。これら燃料ガス総流路、酸化剤ガス総流路、及び冷却水総流路は互いに隔離されており、かつ外部からも気密を確保することが必要である。つまりはそれぞれのシール性の確保が発電効率の向上、安全性の向上、メンテナンス頻度の低減において必要不可欠だからである。

上述した各流路の気密性を確保するために、固体高分子形燃料電池の単セル、ショートスタック、さらにはスタックを組み立てたときに、燃料ガス総流路、酸化剤ガス総流路、冷却水総流路、及び外部の各々が互いに気密が確保されており、流体の漏れが無いことを簡便かつ正確に試験する必要がある。

この試験のために、従来例としてスタックを組み立てる際に用いる固定冶具が、スタックの燃料ガス総流路、酸化剤ガス総流路、及び冷却水総流路に不活性ガスを供給できる構造を有しているものが開示されている（例えば、特許文献１参照。）。

この試験方法では、単電池を積層し、積層方向への締め付けを行った状態で、スタックが固定冶具上で保持されている。そして、固定冶具に設けられた不活性ガス供給路を通じて、スタックの燃料ガス総流路に不活性ガスを加圧・供給した後、燃料ガス総流路への不活性ガス供給路に設置されている弁を閉じる。その後に、燃料ガス総流路内の圧力の変化を追うことで漏れの有無の検知を行うことが出来る。同様に、酸化剤ガス総流路、冷却水総流路に対しても漏れの有無の検知を行うことが出来る。

又、燃料ガス総流路、酸化剤ガス総流路、冷却水総流路、及び外部のどの間でリークしているかの推測を行うことは、上記特許文献１の検知方法でも可能であるが、更に精度良く、どの間でリークしているのかを検知する方法が、例えば、特許文献２に開示されている。
特開２００１−２３６６５号公報特開２００２−３３４７１３号公報

上記特許文献１では、実際の製造工程を考慮しつつ有効なリーク試験を開示しているが、被検査体である燃料電池のセル及びスタックの形状の自由度が著しく小さくかつ、どの箇所から流体が漏洩しているかの特定までには至らない。

また、特許文献２においても、精度の高い非常に有効なリーク試験が開示されているが、設備、手間ともに煩雑であり、かつ、燃料ガス総流路、酸化剤ガス総流路、冷却水総流路、及び外部のどの間で漏洩しているかは判別できるものの、上記と同じくどの箇所から流体が漏洩しているかの特定までには至らない。

上記従来の課題を考慮して、本発明の目的は、より簡便であり、又は被検査体である燃料電池の形状に対する自由度が高い、又は漏洩箇所をより特定することが可能な燃料電池の検査方法を提供することである。

上記目的を達成するために、第１の本発明は、
水素イオン伝導性高分子電解質膜と、前記水素イオン伝導性高分子電解質膜の両面に配置した一対の電極と、前記電極の一方に燃料ガスを供給する燃料ガス流路と他方に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス流路とを形成した一対の導電性セパレータとで単電池を形成し、前記単電池を積層し、前記導電性セパレータの少なくとも一部に冷却水流路を形成し、複数の前記燃料ガス流路に前記燃料ガスを供給するための燃料ガス供給マニホールドと、複数の前記燃料ガス流路から残存ガスを排出するための燃料ガス排出マニホールドとを形成し、複数の前記酸化剤ガス流路に前記酸化剤ガスを供給するための酸化剤ガス供給マニホールドと、複数の前記酸化剤ガス流路から残存ガスを排出するための酸化剤ガス排出マニホールドとを形成し、前記冷却水流路に冷却水を供給するための冷却水供給マニホールドと、前記冷却水流路から冷却水を排出するための冷却水排出マニホールドとを形成し、前記燃料ガス流路、前記燃料ガス供給マニホールド、及び前記燃料ガス排出マニホールドを有する、前記燃料ガスの流通部分が燃料ガス総流路を形成し、前記酸化剤ガス流路、前記酸化剤ガス供給マニホールド、及び前記酸化剤ガス排出マニホールドを有する、前記酸化剤ガスの流通部分が酸化剤ガス総流路を形成し、前記冷却水流路、前記冷却水供給マニホールド、及び前記冷却水排出マニホールドを有する、前記冷却水の流通部分が冷却水総流路を形成した燃料電池の検査方法であって、
前記燃料ガス総流路の入口、前記酸化剤ガス総流路の入口、及び前記冷却水総流路の入口を除き、前記燃料電池に設けられている液体又は気体の出入口を閉鎖する閉鎖工程と、
前記燃料ガス総流路、前記酸化剤ガス総流路、又は前記冷却水総流路のいずれか一つの流路に不活性ガスを注入し、加圧する注入・加圧工程と、
前記加圧を開始してから、所定時間後の前記不活性ガスの、前記不活性ガスを注入した流路からの漏洩量を計測する計測工程と、
前記加圧の圧力が５〜３０ｋＰａの場合において、前記不活性ガスを注入し、加圧した、前記燃料ガス総流路、前記酸化剤ガス総流路、又は前記冷却水総流路の体積の０．２〜０．５％を閾値として、前記計測工程によって計測された一分間あたりの前記不活性ガスの漏洩量により、前記不活性ガスを注入し、加圧した流路から前記不活性ガスが漏洩しているか、否かの判定を行う判定工程とを備えた、燃料電池の検査方法である。

更に詳しくは、前記判定工程は、前記加圧の圧力をＸ（ｋＰａ）とすると、（数１）を満たす場合に、前記不活性ガスの一分間あたりの漏洩量が、前記不活性ガスを流入させた前記流路の体積の０．２％以上であったときに、前記流路から前記不活性ガスが漏洩しているという判定を行う判定工程である。

又、前記判定工程は、前記加圧の圧力をＸ（ｋＰａ）とすると、（数２）を満たす場合に、前記不活性ガスの一分間あたりの漏洩量が、前記不活性ガスを流入させた前記流路の体積の０．３％以上であったときに、前記流路から前記不活性ガスが漏洩しているという判定を行う判定工程である。

又、前記判定工程は、前記加圧の圧力をＸ（ｋＰａ）とすると、（数３）を満たす場合に、前記不活性ガスの一分間あたりの漏洩量が、前記不活性ガスを流入させた前記流路の体積の０．５％以上であったときに、前記流路から前記不活性ガスが漏洩しているという判定を行う判定工程である。

又、第２の本発明は、
前記注入・加圧工程は、プレッシャーレギュレータを用いて、一定圧力で前記いずれか一つの流路に前記不活性ガスを注入する工程であり、
前記計測工程は、前記プレッシャーレギュレータと前記燃料電池の間に配置されたマスフローメーターを用いて前記不活性ガスの移動量を計測する工程である、第１の本発明の燃料電池の検査方法である。

又、第３の本発明は、
前記判定工程にて、前記不活性ガスが漏洩していると判定された場合に、前記不活性ガスを注入し加圧した状態で、前記燃料電池を水没させ、発生する水泡からガス漏洩箇所を調査する調査工程を更に備えた、第１の本発明の燃料電池の検査方法である。

又、第４の本発明は、
水素イオン伝導性高分子電解質膜と、前記水素イオン伝導性高分子電解質膜の両面に配置した一対の電極と、前記電極の一方に燃料ガスを供給する燃料ガス流路と他方に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス流路とを形成した一対の導電性セパレータとで単電池を形成し、前記単電池を積層し、前記導電性セパレータの少なくとも一部に冷却水流路を形成し、複数の前記燃料ガス流路に前記燃料ガスを供給するための燃料ガス供給マニホールドと、複数の前記燃料ガス流路から残存ガスを排出するための燃料ガス排出マニホールドとを形成し、複数の前記酸化剤ガス流路に前記酸化剤ガスを供給するための酸化剤ガス供給マニホールドと、複数の前記酸化剤ガス流路から残存ガスを排出するための酸化剤ガス排出マニホールドとを形成し、前記冷却水流路に冷却水を供給するための冷却水供給マニホールドと、前記冷却水流路から冷却水を排出するための冷却水排出マニホールドとを形成し、前記燃料ガス流路、前記燃料ガス供給マニホールド、及び前記燃料ガス排出マニホールドを有する、前記燃料ガスの流通部分が燃料ガス総流路を形成し、前記酸化剤ガス流路、前記酸化剤ガス供給マニホールド、及び前記酸化剤ガス排出マニホールドを有する、前記酸化剤ガスの流通部分が酸化剤ガス総流路を形成し、前記冷却水流路、前記冷却水供給マニホールド、及び前記冷却水排出マニホールドを有する、前記冷却水の流通部分が冷却水総流路を形成した燃料電池の検査方法であって、
前記燃料ガス総流路の入口、前記酸化剤ガス総流路の入口、及び前記冷却水総流路の入口を除き、前記燃料電池に設けられている液体又は気体の出入口を閉鎖する閉鎖工程と、
前記燃料ガス総流路、前記酸化剤ガス総流路、又は前記冷却水総流路のいずれか一つの流路に不活性ガスを注入し、加圧するとともに、前記燃料電池を水没させ、発生する水泡からガス漏洩箇所を調査する調査工程とを備えた、燃料電池の検査方法である。

本発明によれば、より簡便な、又は被検査体である燃料電池の形状に対する自由度が高い、又は漏洩箇所をより特定することが可能な燃料電池の検査方法を提供することが出来る。

以下に図面を参照しながら本発明の実施の形態について説明する。

（実施の形態１）
まず、固体高分子形燃料電池（ＰＥＦＣ）のスタックを組み立てる。図１は、本実施の形態１における燃料電池のスタックの断面図である。尚、本実施の形態１におけるスタックは、（背景技術）において説明したスタックと同一であるため、概説するに留める。

本実施の形態１のスタック１０は、プロトン伝導性電解質膜１と、その両面に配置されている燃料極側触媒反応層２と酸素極側触媒反応層１２とを備えている。又、触媒反応層２、１２の外側には、ガス透過性と導電性を兼ね備えた燃料極側ガス拡散層３及び酸素極側ガス拡散層１３が密着配置されている。この燃料極側ガス拡散層３と燃料極側触媒反応層２によって燃料極側ガス拡散電極４が構成されている。同様に、酸素極側ガス拡散層１３と酸素極側ガス拡散層１２によって酸素極側ガス拡散電極１４が構成されている。以上の電解質膜１、触媒反応層２、１２、及びガス拡散層３、１３を一体化したものを電極電解質膜接合体（以下、ＭＥＡ）５と呼ぶ。また、ＭＥＡ５の周縁部にはガス漏洩を回避するために、燃料極側ガスケット９、及び酸素極側ガスケット１９が配置されている。

又、ガス拡散電極４、１４の外側には、ＭＥＡ５を機械的に固定するとともに、隣接するＭＥＡ５同士を互いに電気的を直列に接続させるためにセパレータ板１７が配置されている。このセパレータ板１７には、電極に反応ガスを供給し、かつ反応により発生した水や余剰のガスを運び去るためのガス流路が形成されている。高分子電解質膜１を挟んで燃料極側に形成されているガス流路が燃料ガス流路６で、他方のガス流路が酸化剤ガス流路１６である。

又、スタック１０で発生する熱を冷却するとともに電池温度を調節するために、セパレータ板１７間には各セル毎あるいは複数セル毎に冷却水が流れる冷却水流路１８が形成されている。また、セパレータ板１７間には、冷却水の漏洩を回避するためにシール剤２０が配置されている。尚、図１では、２つのセル毎に冷却水流路１８が設けられている。

又、本実施の形態１のスタックは、各セルの燃料ガス流路６へと燃料ガスを供給する燃料ガス供給マニホールドと、燃料ガス流路から燃料ガスを排出する燃料ガス排出マニホールドを備えている。同様に、酸化剤ガス供給マニホールド、酸化剤ガス排出マニホールド、冷却水供給マニホールド、及び冷却水排出マニホールドが形成されている。

尚、本実施の形態１では、燃料ガス供給マニホールド、燃料ガス流路、及び燃料ガス排出マニホールドを合わせて、燃料ガス総流路（スタック１０における燃料ガスの流通部分の全てを示す）とする。又、酸化剤ガス供給マニホールド、酸化剤ガス流路、及び酸化剤ガス排出マニホールドを合わせて、酸化剤ガス総流路（スタック１０における酸化剤ガスの流通部分の全てを示す）とする。又、冷却水供給マニホールド、冷却水流路、冷却水排出マニホールドを合わせて、冷却水総流路（スタック１０における冷却水の流通部分の全てを示す）とする。

スタック１０の燃料ガス総流路の入口、酸化剤ガス総流路の入口、及び冷却水総流路の入口以外の出入口を目止め部材で閉鎖する（本発明の閉鎖工程の一例に相当する。）。そして、図２に示したような検査装置にセットする。図２に示す様に、マスフローメーター２２と漏洩試験装置ガス供給口２１との間はフレキシブルな管（例えばＰＦＡチューブ）で配管しており、スタック１０の形状や各流体の入口の位置に対してほぼ無限の自由度を持つ。

次に、スタック１０の燃料ガス総流路入口に漏洩試験装置ガス供給口２１を取り付け、不活性ガス（例えば窒素）を注入し、加圧する（本発明の注入・加圧工程の一例に相当する。）。尚、本実施の形態１ではプレッシャーレギュレータ２３を用いてゲージ圧２０ｋＰａで一定加圧した。すなわち、不活性ガスは、プレッシャーレギュレータ２３を通り、マスフロメータ２２を介してスタック１０へ注入される。

所定時間（例えば１分間）経過後のマスフロメータ２２の数値を読みとり、燃料ガス総流路からの漏れ量を計測する（本発明の計測工程の一例に相当する。）。マスフロメータ２２で計測した一分間あたりの漏れ量が燃料ガス総流路の体積の０．３％以下であれば漏洩無しと判断する（本発明の判定工程の一例に相当する。）。ここで漏洩量とは、一分間あたりの不活性ガスのマスフローメーター２２を移動する量に相当する。これにより燃料ガス総流路から酸化剤ガス総流路、燃料ガス総流路から冷却水総流路、燃料ガス総流路から外部への全てのガス漏洩が無いことが分かる。尚、本発明の所定時間は、本実施の形態１では一分間であるが、マスフローメータ２２の数値が安定すれば一分以内に計測を行っても良い。

ここで漏れ無しと判断した基準値を０．３％以下としたが、この基準値の根拠となる、本検査方法による不活性ガスの漏れ量と電池運転した時の単セルのセル電圧の依存性を図５に示す。漏れ量が燃料ガス総流路体積の０．３％より大きいとセル電圧が低下することが分かる。

次に、同じようにして酸化剤ガス総流路の漏洩試験を行う。漏洩試験装置ガス供給口２１をスタック１０の燃料ガス総流路入口から取り外し、酸化剤ガス総流路入口に取り付け不活性ガスを注入し、加圧する。プレッシャーレギュレータ２３でゲージ圧２０ｋＰａの一定圧で加圧し、所定時間（本発明では１分間）経過後のマスフローメーター２２の数値を読みとり、酸化剤ガス総流路からの漏れ量を計測する。この漏れ量が酸化剤ガス総流路の体積の０．３％以下であれば漏洩無しと判断する。これにより酸化剤ガス総流路から燃料ガス総流路、酸化剤ガス総流路から冷却水総流路、酸化剤ガス総流路から外部への全てのガス漏洩が無いことが分かる。

ここで漏れ無しと判断した基準値を０．３％以下としたが、この基準値の根拠となる、本検査方法による不活性ガスの漏れ量と電池運転した時の単セルのセル電圧の依存性を図６に示す。漏れ量が酸化剤ガス総流路体積の０．３％より大きいとセル電圧が低下することが分かる。

次に同じようにして冷却水総流路の漏洩試験を行う。漏洩試験装置ガス供給口２１をスタック１０の酸化剤ガス総流路入口から取り外し、冷却水総流路入口に取り付け不活性ガスを注入し、加圧する。プレッシャーレギュレータ２３でゲージ圧２０ｋＰａの一定圧で加圧し、所定時間（本発明では１分間）経過後のマスフローメーター２２の数値を読みとり、冷却水総流路からの漏れ量を知る。この漏れ量が冷却水総流路の体積の０．３％以下であれば漏洩無しと判断する。これにより冷却水総流路から燃料ガス総流路、冷却水総流路から酸化剤ガス総流路、冷却水総流路から外部への全てのガス漏洩が無いことが分かる。

ここで漏れ無しと判断した基準値を０．３％以下としたが、この基準値の根拠となる本検査方法による不活性ガスの漏れ量と一週間連続運転した際のスタックを循環する冷却水の重量変化の依存性を図７に示す。漏れ量が冷却水総流路体積の０．３％より大きいと、循環する冷却水が時間の経過とともに減少してしまうことが推定される。冷却水の漏洩は電池温度の変動や周辺の電子部品の破損を引き起こす。

以上の燃料ガス総流路、酸化剤ガス総流路、冷却水総流路の漏洩試験でガス漏洩がないことが確認できると、被検査体であるスタック１０は燃料ガス総流路、酸化剤ガス総流路、冷却水総流路、及び外部のそれぞれが気密確保できており相互のガス漏洩が無いことが検査できる。

上記では、燃料ガス総流路、酸化剤ガス総流路、冷却水総流路の順に検査を行ったが、無論その順序は問わない。また不活性ガスとして窒素を用いたが、ヘリウム、アルゴンなどをもちいても同様の検査が可能である。

また、本実施の形態１では、ゲージ圧２０ｋＰａの際の燃料ガス総流路、酸化剤ガス総流路、冷却水総流路の気密性の判断値を０．３％以下としたが、当然、加圧した時の圧力などによって判断する基準値は変わる。

下記の（表１）に燃料ガス総流路における、加圧した圧力と、判断基準値を示す。

なお、酸化剤ガス総流路、及び冷却水総流路も上記（表１）と同様のガス圧と判断基準値の関係であった。

（実施の形態２）
本実施の形態２の検査方法は、基本的な工程は実施の形態１と同様であるが、実施の形態１の工程によってガス漏れと判定された後、更に漏洩箇所を特定するための調査工程を有している点が異なる。そのため、実施の形態１と異なる点を中心に説明する。以下に、本実施の形態２における第３の本発明の一例である調査工程について説明する。

燃料ガス総流路においてガス漏洩が発生した場合、不活性ガスを注入、加圧したままの状態でスタック１０を水槽２４中に水没させる。水槽２４に入れる水の量はスタック１０全体が水に浸る量であればよい。このとき酸化剤ガス総流路入口から水泡２５が現れれば燃料ガス総流路から酸化剤ガス総流路へのクロスリークであると判断できる。冷却水総流路入口から水泡２５が現れれば燃料ガス総流路から冷却水総流路へのリークがあると判断できる。

又、酸化剤ガス総流路入口及び冷却水総流路入口以外のスタック１０の積層体側面等から水泡２５が発生すると、燃料ガス総流路から外部へのリークであると判断できる。さらに、燃料ガス総流路から外部へのリークの場合、水泡２５の発生箇所からリーク箇所、つまりシールが不十分である箇所も確実に把握できる。リーク箇所が把握できれば組み直す際に交換する部品やガスケットの再チェック箇所も限られているので組み直しに要する時間を短縮できる。この水没試験の模式図を図３に示す。

尚、上記では燃料ガス総流路の検査時にガス漏洩が起こった際について述べたが、図４に示す本実施の形態２の検査方法の操作フロー図に示す様に、酸化剤ガス総流路及び冷却水総流路の検査時にガス漏洩が起こった際も同様に水没試験を行う。更に、酸化剤ガス総流路から外部、及び冷却水総流路から外部へのガス漏洩が起こった場合も上記と同様にリーク箇所の把握が出来る。

また、本発明のガス漏洩試験は燃料電池スタックの組み立て時に限らず、燃料電池として所定時間稼動した後のメンテナンス時やトラブル発生時の検査方法としても行うことができる。

また、本実施の形態１、２では、本発明の検査方法を燃料電池のスタックに対して行ったが、セル単体に対して適用してもよい。

又、本実施の形態２は、本実施の形態１の工程にて漏洩が発見された際に行っているが、実施の形態１における本発明の一例である注入・加圧工程と判定工程を実施せずに、本発明の閉鎖工程を実施した後に、本実施の形態２に記載の様にスタックを水没させて試験（第４の本発明の調査工程の一例に相当する）を行ってもよい。いうまでもなく、ガス漏れの判定とガス漏れ箇所の調査を同時に行うことが出来る。

ただし、この場合、全数について水没させ試験を行わなければならず、又水没後には乾燥工程などの後処理を行う必要があるため、余分に工程が必要となり時間がかかりコスト高になる。そのため実施の形態１の工程を実施し、ガス漏れの判定を行った後に、本実施の形態２を実施した方がより好ましい。

以下に本発明の構成及び効果をより明確なものとするべく実施例で説明する。

（実施例１）
まず、ＭＥＡ５の作製方法について述べる。燃料極に用いる電極は、平均粒径が３０ｎｍのカーボン粉末（ＡＫＺＯ社製、ケッチェンブラック（登録商標））を、塩化白金酸と塩化ルテニウム酸とを溶解した水溶液に浸漬したのち、これを還元処理することで、カーボン粉末に白金−ルテニウムを担持させ、作製した。このとき、白金粒子とルテニウム粒子との平均粒径は共に約３０Åで、カーボン粉末にたいする白金粒子とルテニウム粒子との担持率は、それぞれ３０重量％及び２４重量％とした。

この触媒担持カーボン粉末を水素イオン伝導性高分子電解質であるパーフルオロスルホン酸のアルコール溶液中に分散させ、スラリー化した。これを燃料極用の触媒ペーストとした。この触媒ペースト中のパーフルオロスルホン酸とカーボン粉末との重量混合比は、１．６：１．０とした。

次に、酸素極に用いる電極は平均粒径が３０ｎｍの炭素粉末（ＡＫＺＯ社製、ケッチェンブラック）を、塩化白金酸を溶解した水溶液に浸漬したのち、これを還元処理することで、炭素粉末に白金を担持させ、作製した。このとき、白金粒子の平均粒径は約３０Åで、炭素粉末にたいする白金粒子の担持率は、それぞれ５０重量％とした。

この触媒担持カーボン粉末を水素イオン伝導性高分子電解質であるパーフルオロスルホン酸のアルコール溶液中に分散させ、スラリー化した。これを酸素極用の触媒ペーストとした。この触媒ペースト中のパーフルオロスルホン酸とカーボン粉末との重量混合比は、１：１とした。

これらの触媒担持カーボンを含むスラリーをフィルム基材に乾燥させて触媒反応層２、１２とし、高分子電解質膜（デュポン社製Ｎａｆｉｏｎ（登録商標）１１２）の両面にそれぞれホットプレスにより転写し、触媒層付電解質膜とした。触媒反応層は１０ｃｍ角の電極面積１００ｃｍ^２とした。

一方、ガス拡散層３、１３はＰＡＮ（ポリアクリロニトリル）を原料とする平織のカーボンクロスをガス拡散層基材に用い、このカーボンクロスに導電性撥水層を塗工した。
導電性撥水層について説明する。界面活性剤を添加した水にアセチレンブラック（電気化学工業社製）の顆粒を分散させた後、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）の水性ディスパージョン（ダイキン社製）を加えてよく混練したものを導電性撥水層スラリーとした。スラリーの重量組成比は、水：ＡＢ：ＰＴＦＥ：界面活性剤＝４０：１０：３：１とした。このスラリーを前記カーボンクロスに塗工した後、電気炉で３００℃、３時間焼成して界面活性剤を除去させつつ導電性撥水層をカーボンクロスに固着させた。このガス拡散層３、１３を触媒反応層２、１２より周囲１ｍｍづつ大きな１０．２ｃｍ角に切断した。

次に、導電性撥水層が触媒反応層と結着するように、導電性撥水層を内側にして、触媒層付電解質膜の両面に一対のガス拡散層を形成する。さらにガス拡散層３、１３の周囲にバイトンゴム製のガスケット９、１９を配置して１００℃、５分ホットプレスしてＭＥＡ５とした。

セパレータ板１７は厚み３ｍｍの樹脂含浸黒鉛板に切削加工により、燃料ガス流路６、酸化剤ガス流路１６を施した。アノード側の流路はリブ幅１．０ｍｍ、溝幅１．０ｍｍ、流路本数３本のサーペンタインタイプ流路、カソード側の流路はリブ幅１．０ｍｍ、溝幅１．０ｍｍ、流路本数６本のサーペンタインタイプ流路とした。

単電池を４０セル積層し、集電板、絶縁板、エンドプレートをそれぞれ両端に配して、スタッドボルト、荷重バネを用いて締結して固体高分子形燃料電池スタックとした。冷却水流路１８は各セル毎に設け（図１とは異なる）、冷却水流路１８はリブ幅２．０ｍｍ、溝幅２．０ｍｍ、流路本数８本のサーペンタインタイプ流路とした。

燃料ガス流路と燃料ガスマニホールド（燃料ガス供給マニホールドと燃料ガス排出マニホールドを示す。）の体積を足した燃料ガス総流路の体積は約０．７２Ｌであり、酸化剤ガス流路と酸化剤ガスマニホールド（酸化剤ガス供給マニホールドと酸化剤ガス排出マニホールドを示す。）の体積を足した酸化剤ガス総流路の体積は約０．９５Ｌであり、冷却水流路と冷却水マニホールド（冷却水供給マニホールドと冷却水排出マニホールドを示す。）の体積を足した冷却水総流路体積は０．７４Ｌであった。

この高分子形燃料電池スタックに対してリーク検査を行った。燃料ガス総流路入口、酸化剤ガス総流路入口、冷却水総流路入口の３箇所以外は目止めプラグで閉鎖し、燃料ガス総流路入口に漏洩試験装置ガス供給口２１を取り付け、窒素ガスをプレッシャーレギュレータ２３でゲージ圧２０ｋＰａの圧力で注入、加圧した。プレッシャーレギュレータ２３とＰＥＦＣスタックとの間にはマスフローメーター２２を配している（図２参照）。１分経過後のマスフローメーター２２の数値は１．５０ｃｃ／分であった。燃料室体積０．７２Ｌに対して０．３％以下であるので燃料ガス総流路リーク試験合格とした。

次に酸化剤ガス総流路入口に漏洩試験装置ガス供給口２１を取り付け、窒素ガスをプレッシャーレギュレータ２３でゲージ圧２０ｋＰａの圧力で注入、加圧した。１分経過後のマスフローメーター２２の数値は１．８１ｃｃ／分であった。酸化剤ガス総流路体積０．９５Ｌに対して０．３％以下であるので酸化剤ガス総流路リーク試験合格とした。

次に冷却水総流路入口に漏洩試験装置ガス供給口２１を取り付け、窒素ガスをプレッシャーレギュレータ２３でゲージ圧２０ｋＰａの圧力で注入、加圧した。１分経過後のマスフローメーター２２の数値は１．５２ｃｃ／分であった。冷却水総流路体積０．７４Ｌに対して０．３％以下であるので冷却水総流路リーク試験合格とした。

以上より本実施例で作製した固体高分子形燃料電池スタックはリーク試験合格とした。
このスタックのシール性が確実であることをさらに示すために不合格品に対して行う水没試験を行った。まず燃料ガス総流路入口に漏洩試験装置ガス供給口２１を取り付け、窒素ガスをプレッシャーレギュレータ２３でゲージ圧２０ｋＰａの圧力で注入、加圧し、当該スタックを水没させた。１分間保持したがスタックのどこからも水泡２５は生まれなかった。

次に、水槽からスタックを取り出し、酸化剤ガス総流路入口に漏洩試験装置ガス供給口２１を取り付け、窒素ガスをプレッシャーレギュレータ２３でゲージ圧２０ｋＰａの圧力で注入、加圧し、当該スタックを水没させた。１分間保持したがスタックのどこからも水泡２５は生まれなかった。

次に、水槽からスタックを取り出し、冷却水総流路入口に漏洩試験装置ガス供給口２１を取り付け、窒素ガスをプレッシャーレギュレータ２３でゲージ圧２０ｋＰａの圧力で注入、加圧し、当該スタックを水没させた。１分間保持したがスタックのどこからも水泡２５は生まれなかった。

以上より本実施例で作製したスタックのシール性が確実であることがさらに明確となった。

（実施例２）
実施例２として、実施例１のような４０セルスタックを作製する工程の途中で、任意の１セルには燃料極側ガスケット９に切り欠きを意図的に設け、任意の１セルには酸素極側ガスケット１９に切り欠きを意図的に設け、さらに冷却水マニホールドの任意の１箇所に切り欠きを意図的に設けて４０セルスタックを作製した。

この高分子形燃料電池スタックに対してリーク検査を行った。燃料ガス総流路入口、酸化剤ガス総流路入口、冷却水総流路入口の３箇所以外の給排出口は目止めプラグで閉鎖し、燃料ガス総流路入口に漏洩試験装置ガス供給口２１を取り付け、窒素ガスをプレッシャーレギュレータ２３でゲージ圧２０ｋＰａの圧力で注入、加圧した。プレッシャーレギュレータ２３とＰＥＦＣスタックとの間にはマスフローメーター２２を配している（図２参照）。１分経過後のマスフローメーター２２の数値は２４．５ｃｃ／分であった。燃料ガス総流路体積０．７２Ｌに対して０．３％以下ではないので燃料ガス総流路リーク試験不合格とした。

続けて燃料ガス総流路に対して水没試験を行った（図３参照）。燃料ガス総流路入口に漏洩試験装置ガス供給口２１を取り付け、窒素ガスをプレッシャーレギュレータ２３でゲージ圧２０ｋＰａの圧力で注入、加圧し、当該スタックを水没させた。水没させて間もなく水泡２５が発生した。水泡２５が発生した箇所は意図的に燃料極側ガスケット９に切り欠きを設けた箇所であった。このガスケットを交換するべくスタックを組み直した。

そして改めて図２に示したリーク試験装置を用いて燃料ガス総流路漏洩試験を行った。燃料ガス総流路入口に漏洩試験装置ガス供給口２１を取り付け、窒素ガスをプレッシャーレギュレータ２３でゲージ圧２０ｋＰａの圧力で注入、加圧した。１分経過後のマスフローメーター２２の数値は１．５３ｃｃ／分であった。燃料ガス総流路体積０．７２Ｌに対して０．３％以下であるので燃料ガス総流路リーク試験合格とした。

次に酸化剤ガス総流路入口に漏洩試験装置ガス供給口２１を取り付け、窒素ガスをプレッシャーレギュレータ２３でゲージ圧２０ｋＰａの圧力で注入、加圧した。１分経過後のマスフローメーター２２の数値は５２．４ｃｃ／分であった。酸化剤ガス総流路体積０．９５Ｌに対して０．３％以下でないので酸化剤ガス総流路リーク試験不合格とした。

続けて酸化剤ガス総流路に対して水没試験を行った（図３参照）。酸化剤ガス総流路入口に漏洩試験装置ガス供給口２１を取り付け、窒素ガスをプレッシャーレギュレータ２３でゲージ圧２０ｋＰａの圧力で注入、加圧し、当該スタックを水没させた。水没させて間もなく水泡２５が発生した。水泡２５が発生した箇所は意図的に酸素極側ガスケット１９に切り欠きを設けた箇所であった。このガスケットを交換するべくスタックを組み直した。

そして改めて図２に示したリーク試験装置を用いて酸化剤ガス総流路漏洩試験を行った。酸化剤ガス総流路入口に漏洩試験装置ガス供給口２１を取り付け、窒素ガスをプレッシャーレギュレータ２３でゲージ圧２０ｋＰａの圧力で注入、加圧した。１分経過後のマスフローメーター２２の数値は１．４８ｃｃ／分であった。酸化剤ガス総流路体積０．９５Ｌに対して０．３％以下であるので酸化剤ガス総流路リーク試験合格とした。

次に冷却水総流路入口に漏洩試験装置ガス供給口２１を取り付け、窒素ガスをプレッシャーレギュレータ２３でゲージ圧２０ｋＰａの圧力で注入、加圧した。１分経過後のマスフローメーター２２の数値は２８．６ｃｃ／分であった。冷却水総流路体積０．７４Ｌに対して０．３％以下でないので冷却水総流路リーク試験不合格とした。

続けて冷却水総流路に対して水没試験を行った（図３参照）。冷却水総流路入口に漏洩試験装置ガス供給口２１を取り付け、窒素ガスをプレッシャーレギュレータ２３でゲージ圧２０ｋＰａの圧力で注入、加圧し、当該スタックを水没させた。水没させて間もなく水泡２５が発生した。水泡２５が発生した箇所は意図的に冷却水マニホールドに切り欠きを設けた箇所であった。この切り欠きを設けた箇所の冷却水マニホールドを交換するべくスタックを組み直した。

そして改めて図２に示したリーク試験装置を用いて冷却水総流路漏洩試験を行った。冷却水総流路入口に漏洩試験装置ガス供給口２１を取り付け、窒素ガスをプレッシャーレギュレータ２３でゲージ圧２０ｋＰａの圧力で注入、加圧した。１分経過後のマスフローメーター２２の数値は１．５４ｃｃ／分であった。冷却水総流路体積０．９５Ｌに対して０．３％以下であるので冷却水総流路リーク試験合格とした。

上記のように本発明のリーク試験、特に水没試験によってシール性が不十分な箇所を特定することが可能であり、スタックを組み直す時間を短縮することが可能となった。

本発明にかかる燃料電池の検査方法は、より簡便な、又は被検査体である燃料電池の形状に対する自由度も高い、又は漏洩箇所をより特定することが可能な効果を有し、民生用コジェネレーションや移動体用、モバイル用のエネルギー源等として用いられる燃料電池の検査方法として有用である。

一般的な固体高分子形燃料電池のスタックの構成断面図本発明にかかる実施の形態１における燃料電池の検査方法を説明するめの模式図本発明にかかる実施の形態２における燃料電池の検査方法を説明するための模式図本発明にかかる実施の形態２における燃料電池の検査方法のフロー図燃料ガス総流路における不活性ガスの漏れ量と単セルのセル電圧の依存性を示した図酸化剤ガス総流路における不活性ガスの漏れ量と単セルのセル電圧の依存性を示した図冷却水総流路における不活性ガスの漏れ量と一週間連続運転した際のスタックを循環する冷却水の重量変化の依存性を示した図

符号の説明

１高分子電解質膜
２燃料極側触媒反応層
３燃料極側ガス拡散層
４燃料極側電極
５電極電解質膜接合体（ＭＥＡ）
６燃料ガス流路
９燃料極側ガスケット
１０スタック
１２酸素極側触媒反応層
１３酸素極側触媒反応層
１４酸素極側電極
１６酸化剤ガス流路
１７導電性セパレータ板
１８冷却水流路
１９酸素極側ガスケット
２０シール剤
２１漏洩試験装置ガス供給口
２２マスフロメーター
２３プレッシャーレギュレータ
２４水槽
２５水泡

Claims

水素イオン伝導性高分子電解質膜と、前記水素イオン伝導性高分子電解質膜の両面に配置した一対の電極と、前記電極の一方に燃料ガスを供給する燃料ガス流路と他方に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス流路とを形成した一対の導電性セパレータとで単電池を形成し、前記単電池を積層し、前記導電性セパレータの少なくとも一部に冷却水流路を形成し、複数の前記燃料ガス流路に前記燃料ガスを供給するための燃料ガス供給マニホールドと、複数の前記燃料ガス流路から残存ガスを排出するための燃料ガス排出マニホールドとを形成し、複数の前記酸化剤ガス流路に前記酸化剤ガスを供給するための酸化剤ガス供給マニホールドと、複数の前記酸化剤ガス流路から残存ガスを排出するための酸化剤ガス排出マニホールドとを形成し、前記冷却水流路に冷却水を供給するための冷却水供給マニホールドと、前記冷却水流路から冷却水を排出するための冷却水排出マニホールドとを形成し、前記燃料ガス流路、前記燃料ガス供給マニホールド、及び前記燃料ガス排出マニホールドを有する、前記燃料ガスの流通部分が燃料ガス総流路を形成し、前記酸化剤ガス流路、前記酸化剤ガス供給マニホールド、及び前記酸化剤ガス排出マニホールドを有する、前記酸化剤ガスの流通部分が酸化剤ガス総流路を形成し、前記冷却水流路、前記冷却水供給マニホールド、及び前記冷却水排出マニホールドを有する、前記冷却水の流通部分が冷却水総流路を形成した燃料電池の検査方法であって、
前記燃料ガス総流路の入口、前記酸化剤ガス総流路の入口、及び前記冷却水総流路の入口を除き、前記燃料電池に設けられている液体又は気体の出入口を閉鎖する閉鎖工程と、
前記燃料ガス総流路、前記酸化剤ガス総流路、又は前記冷却水総流路のいずれか一つの流路に不活性ガスを注入し、加圧する注入・加圧工程と、
前記加圧を開始してから、所定時間後の前記不活性ガスの、前記不活性ガスを注入した流路からの漏洩量を計測する計測工程と、
前記加圧の圧力が５〜３０ｋＰａの場合において、前記不活性ガスを注入し、加圧した、前記燃料ガス総流路、前記酸化剤ガス総流路、又は前記冷却水総流路の体積の０．２〜０．５％を閾値として、前記計測工程によって計測された一分間あたりの前記不活性ガスの漏洩量により、前記不活性ガスを注入し、加圧した流路から前記不活性ガスが漏洩しているか、否かの判定を行う判定工程とを備えた、燃料電池の検査方法。
前記注入・加圧工程は、プレッシャーレギュレータを用いて、一定圧力で前記いずれか一つの流路に前記不活性ガスを注入する工程であり、
前記計測工程は、前記プレッシャーレギュレータと前記燃料電池の間に配置されたマスフローメーターを用いて前記不活性ガスの移動量を計測する工程である、請求項１記載の燃料電池の検査方法。
前記判定工程にて、前記不活性ガスが漏洩していると判定された場合に、前記不活性ガスを注入し加圧した状態で、前記燃料電池を水没させ、発生する水泡からガス漏洩箇所を調査する調査工程を更に備えた、請求項１記載の燃料電池の検査方法。
水素イオン伝導性高分子電解質膜と、前記水素イオン伝導性高分子電解質膜の両面に配置した一対の電極と、前記電極の一方に燃料ガスを供給する燃料ガス流路と他方に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス流路とを形成した一対の導電性セパレータとで単電池を形成し、前記単電池を積層し、前記導電性セパレータの少なくとも一部に冷却水流路を形成し、複数の前記燃料ガス流路に前記燃料ガスを供給するための燃料ガス供給マニホールドと、複数の前記燃料ガス流路から残存ガスを排出するための燃料ガス排出マニホールドとを形成し、複数の前記酸化剤ガス流路に前記酸化剤ガスを供給するための酸化剤ガス供給マニホールドと、複数の前記酸化剤ガス流路から残存ガスを排出するための酸化剤ガス排出マニホールドとを形成し、前記冷却水流路に冷却水を供給するための冷却水供給マニホールドと、前記冷却水流路から冷却水を排出するための冷却水排出マニホールドとを形成し、前記燃料ガス流路、前記燃料ガス供給マニホールド、及び前記燃料ガス排出マニホールドを有する、前記燃料ガスの流通部分が燃料ガス総流路を形成し、前記酸化剤ガス流路、前記酸化剤ガス供給マニホールド、及び前記酸化剤ガス排出マニホールドを有する、前記酸化剤ガスの流通部分が酸化剤ガス総流路を形成し、前記冷却水流路、前記冷却水供給マニホールド、及び前記冷却水排出マニホールドを有する、前記冷却水の流通部分が冷却水総流路を形成した燃料電池の検査方法であって、
前記燃料ガス総流路の入口、前記酸化剤ガス総流路の入口、及び前記冷却水総流路の入口を除き、前記燃料電池に設けられている液体又は気体の出入口を閉鎖する閉鎖工程と、
前記燃料ガス総流路、前記酸化剤ガス総流路、又は前記冷却水総流路のいずれか一つの流路に不活性ガスを注入し、加圧するとともに、前記燃料電池を水没させ、発生する水泡からガス漏洩箇所を調査する調査工程とを備えた、燃料電池の検査方法。