JP2014112511A - 燃料電池の出力検査方法 - Google Patents

Abstract

【課題】簡便でコストを低減することができる燃料電池の出力検査方法を提供する。
【解決手段】検査対象の燃料電池と同型の複数の燃料電池の所定の第１の電流における第１の電池性能と、該燃料電池の第１の電流より低い第２の電流における第２の電池性能とを測定し、第１の電池性能と第２の電池性能との関係を求める。第１の電池性能と第２の電池性能との関係における第１の電池性能の所定の値に対応する第２の電池性能の値を基準値とし、検査対象の燃料電池の第２の電池性能を測定して基準値と比較することにより検査対象の燃料電池の良否の判定を行う。
【選択図】 図４

Description

本発明は、燃料電池の出力検査方法に関する。

石油資源が枯渇化する一方、化石燃料の消費による地球温暖化等の環境問題が深刻化しており、二酸化炭素の発生を伴わないクリーンな電動機用電力源として燃料電池が注目されて広範に開発されると共に、一部では実用化され始めている。前記燃料電池を自動車等に搭載する場合には、高電圧と大電流とが得やすいことから、固体高分子電解質膜を用いる固体高分子型燃料電池が好適に用いられる。

前記固体高分子型燃料電池として、プロトン伝導性を備える固体高分子電解質膜の両面に、１対の電極触媒層を備え、各電極触媒層の上に、ガス拡散層を積層すると共に、さらに各ガス拡散層の上に、ガス通路を兼ねたセパレータを積層したものが知られている。前記１対の電極触媒層は、白金等の触媒がカーボンブラック等の触媒担体に担持されイオン伝導性高分子バインダーにより一体化されることにより形成され、一方がカソード電極触媒層として作用し、他方がアノード電極触媒層として作用する。前記固体高分子型燃料電池は、前記構成を単セルとして複数の単セルを前記セパレータを介して相互に積層することによりスタックを構成することができる。

前記固体高分子型燃料電池では、前記アノード電極触媒層を燃料極として前記ガス拡散層を介して水素等の還元性ガスを導入すると共に、前記カソード電極触媒層を酸素極として前記ガス拡散層を介して空気等の酸素を含む酸化性ガスを導入する。このようにすると、前記アノード電極触媒層では、該電極触媒層に含まれる触媒の作用により、前記還元性ガスからプロトン及び電子が生成し、前記プロトンは前記固体高分子電解質膜を介して、前記酸素極側の電極触媒層に移動する。そして、前記プロトンは、前記カソード電極触媒層で、該電極触媒層に含まれる触媒の作用により、該酸素極に導入される前記酸化性ガス及び電子と反応して水を生成する。従って、前記アノード電極触媒層とカソード電極触媒層とを導線により接続することにより、該アノード電極触媒層で生成した電子を該カソード電極触媒層に送る回路が形成され、電流を取り出すことができる。

前記固体高分子型燃料電池は、工場出荷時に所定の検査を行うことにより、その異常の有無が判定される（例えば、特許文献１参照）。

前記検査は、発電したときに所定の電流値に対し、基準値以上の出力又は電圧が得られるか否かで異常の有無を判定している。

特開２０１１−２８９６５号公報

しかしながら、前記のようにして検査するときには、電流値が大きくなるほどアノード電極触媒層に導入する水素の量が増大する上、大きい電流値に耐えうる検査装置が必要となるので、検査に要するコストが増大するという不都合がある。

そこで、本発明は、かかる不都合を解消して、簡便でコストを低減することができる燃料電池の出力検査方法を提供することを目的とする。

かかる目的を達成するために、本発明は、燃料電池の出力を検査する方法であって、検査対象の燃料電池と同型の複数の燃料電池の所定の第１の電流における第１の電池性能と、該燃料電池の第１の電流より小さい第２の電流における第２の電池性能とを測定し、第１の電池性能と第２の電池性能との関係を求める工程と、該第１の電池性能と第２の電池性能との関係における第１の電池性能の所定の値に対応する第２の電池性能の値を基準値とし、検査対象の燃料電池の第２の電池性能を測定して該基準値と比較することにより該検査対象の燃料電池の良否の判定を行う工程とを備えることを特徴とする。

本発明の検査方法では、まず、検査対象の燃料電池と同型の複数の燃料電池の所定の第１の電流における第１の電池性能と、該燃料電池の第１の電流より小さい第２の電流における第２の電池性能とを測定し、該第１の電池性能と該第２の電池性能との関係を求める。ここで、前記第１の電流は例えば定格電流であり、前記第２の電流はカソード電極触媒層に導入する酸素の量を、該定格電流の場合よりも低減して発電を行うことにより該第１の電流より小さい電流とすることができる。

また、前記第１及び第２の電池性能は、両者の間に一定の対応関係があるものであればよく特に限定されることはない。このような前記第１及び第２の電池性能として、例えば、前記燃料電池の出力、電圧、インピーダンス、濃度過電圧等を挙げることができる。

次に、前記のようにして求められた前記第１の電池性能と前記第２の電池性能との関係から、該第１の電池性能の所定の値に対応する該第２の電池性能の値を基準値に設定する。ここで、前記第１の電池性能の所定の値は、該第１の電池性能に対応する出力が良品と判断される値以上となるように設定することができる。

次に、検査対象の燃料電池について、前記第２の電池性能を測定し、前記基準値と比較することにより、該燃料電池の良否を判定する。

この結果、本発明の検査方法によれば、第１の電流より小さい第２の電流で、簡便に検査対象の燃料電池の良否を判定することができ、検査にかかるコストも低減することができる。

本発明の燃料電池の出力検査方法において、例えば、前記第１の電池性能は前記第１の電流における電圧であり、前記第２の電池性能は前記第２の電流における電圧であってもよい。この場合、前記第１の電流における電圧と、前記第２の電流における電圧との間には正の相関関係があり、該第２の電流における電圧が前記基準値以上であれば、該第１の電流における電圧は該基準値に対応する所定の値以上であり、該電圧から算出される出力が所定の値以上であると判定することができる。

また、本発明の燃料電池の出力検査方法において、例えば、前記第１の電池性能は前記第１の電流における出力であり、前記第２の電池性能は前記第２の電流における濃度過電圧であってもよい。この場合、前記第１の電流における出力と、前記第２の電流における濃度過電圧との間には負の相関関係があり、該第２の電流における電圧が前記基準値以下であれば、該第１の電流における出力は該基準値に対応する所定の値以上であると判定することができる。

燃料電池の構成例を示す模式的断面図。 本発明の第１の実施形態の検査方法を示すグラフ。 本発明の第１の実施形態に係る、電圧Ｅ_１と電圧Ｅ_２との相関関係を示すグラフ。 燃料電池の電圧と過電圧との関係を示すグラフ。 本発明の第２の実施形態の検査方法を示すグラフ。 電流−電圧曲線における傾きと切片との測定結果を示すグラフ。 定格電流Ｉ_１より小さい電流Ｉ_２における実測電圧Ｅ_２と、定格電流Ｉ_１における予測電圧Ｅとの関係を示すグラフ。

次に、添付の図面を参照しながら本発明の実施の形態についてさらに詳しく説明する。

図１に示す燃料電池１は、固体高分子型燃料電池であり、プロトン伝導性を備える固体高分子電解質膜２の両面に、１対の電極触媒層３ａ，３ｂを備え、各電極触媒層３ａ，３ｂの上に、ガス拡散層４ａ，４ｂ、ガス通路を兼ねたセパレータ５ａ，５ｂが積層された構成を単セルとしている。燃料電池１は、例えば、電極触媒層３ａをアノードとしてセパレータ５ａからガス拡散層４ａを介して水素等の還元性ガスを導入すると共に、電極触媒層３ｂをカソードとしてセパレータ５ｂからガス拡散層４ｂを介して空気等の酸素を含む酸化性ガスを導入することにより発電を行う。

また、燃料電池１は、セパレータ５ａ，５ｂを介して複数の前記単セルが積層されることにより、燃料電池スタックを構成する。

次に、本実施形態における燃料電池１の出力検査方法について説明する。前記出力検査方法は、燃料電池１の工場出荷時等にその良否を判定するために行われる。

本実施形態の燃料電池１の出力検査方法の第１の態様では、まず、複数の燃料電池１について、電極触媒層３ａ，３ｂに実用時と同一量の水素及び酸素含有ガスを供給して発電を行う。前記酸素含有ガスとしては、例えば空気を用いることができる。このときの燃料電池１の電流と電圧との関係を、図２（ａ）に示す。そして、定格電流Ｉ_１における電圧Ｅ_１を測定する。

次に、複数の燃料電池１について、電極触媒層３ａに実用時と同一量の水素を供給する一方、電極触媒層３ｂには実用時の酸素含有ガスよりも酸素含有量を低減させたガスを供給して発電を行う。前記酸素含有量を低減させたガスとしては、例えば空気を窒素により希釈したガスを用いることができる。このときの燃料電池１の電流と電圧との関係を、図２（ｂ）に示す。そして、定格電流Ｉ_１より小さい電流Ｉ_２における電圧Ｅ_２を測定する。

このとき、電圧Ｅ_１と電圧Ｅ_２との間には図３に示すように正の相関関係があり、複数の燃料電池１について、電圧Ｅ_１と電圧Ｅ_２とを求めることにより、次式（１）のような関係式を求めることができる。

Ｅ_１＝ａＥ_２＋ｂ （ａ，ｂは定数） ・・・（１）
そこで、定格電流Ｉ_１における所定の電圧Ｅ_１に対応する電圧Ｅ_２を基準値Ｅ_Ｓとする。

次に、検査対象の燃料電池１について、電極触媒層３ａに実用時と同一量の水素を供給する一方、電極触媒層３ｂには実用時の酸素含有ガスよりも酸素含有量を低減させたガスを供給して発電を行い、電流Ｉ_２における電圧Ｅ_２を測定する。そして、検査対象の燃料電池１について測定された電圧Ｅ_２を基準値Ｅ_Ｓと比較し、Ｅ_２≧Ｅ_Ｓであれば、該検査対象の燃料電池１を良品と判定する。また、Ｅ_２＜Ｅ_Ｓであれば、前記検査対象の燃料電池１を不良品と判定する。

次に、本実施形態の燃料電池１の出力検査方法の第２の態様では、まず、複数の燃料電池１について、電極触媒層３ａ，３ｂに実用時と同一量の水素及び酸素含有ガスを供給して発電を行い、定格電流Ｉ_１における出力Ｐ_１を測定する。前記酸素含有ガスとしては、例えば空気を用いることができる。

次に、複数の燃料電池１について、電極触媒層３ａに実用時と同一量の水素を供給する一方、電極触媒層３ｂには実用時の酸素含有ガスよりも酸素含有量を低減させたガスを供給して発電を行い、定格電流Ｉ_１より低い電流Ｉ_２における電圧Ｅ_２を測定する。前記酸素含有量を低減させたガスとしては、例えば空気を窒素により希釈したガスを用いることができる。

次に、電圧Ｅ_２を用いて、電流Ｉ_２における濃度過電圧η_ｃｏｎｃを求める。一般に燃料電池における電圧Ｅ_２は、理論電圧Ｅ_０から過電圧ηを減じた値であり、次式（２）で表される。

Ｅ_２＝Ｅ_０−η ・・・（２）
また、燃料電池には、抵抗過電圧η_ｏｈｍ、活性化過電圧η_ａｃｔ、濃度過電圧η_ｃｏｎｃの３種の過電圧が存在することが知られており、前記式（２）は次式（３）のように表すことができる。

Ｅ_２＝Ｅ_０−η_ｏｈｍ−η_ａｃｔ−η_ｃｏｎｃ ・・・（３）
そして、濃度過電圧η_ｃｏｎｃは、前記式（３）を変形することにより、次式（４）のように表すことができる。

η_ｃｏｎｃ＝Ｅ_０−η_ｏｈｍ−η_ａｃｔ−Ｅ_２ ・・・（４）
理論電圧Ｅ_０、電圧Ｅ_２、抵抗過電圧η_ｏｈｍ、活性化過電圧η_ａｃｔ、濃度過電圧η_ｃｏｎｃの関係を図４に示す。

ここで、抵抗過電圧η_ｏｈｍは、燃料電池１のインピーダンスを測定して抵抗Ｒを求めることで、オームの法則により求めることができ、式（５）のように表される。

η_ｏｈｍ＝Ｉ_２×Ｒ ・・・（５）
また、活性化過電圧η_ａｃｔは、濃度過電圧η_ｃｏｎｃの影響の少ない小電流域では、燃料電池１の電圧Ｅ_２から近似的に算出することができるので、該小電流域で複数の電流値に対する電圧Ｅ_２を測定すれば、ターフェルの式（６）により近似的に求めることができる。

η_ａｃｔ≒Ｅ_０−η_ｏｈｍ−Ｅ_２＝ｃ・ｌｏｇＩ_２＋ｄ （ｃ，ｄは定数）
・・・（６）
そこで、電流Ｉ_２における電圧Ｅ_２を測定すれば、濃度過電圧η_ｃｏｎｃは理論電圧Ｅ_０、式（４）、（５）、（６）から算出することができる。

複数の燃料電池１について、定格電流Ｉ_１で測定した出力Ｐ_１と、上述のようにして電流Ｉ_２で算出された濃度過電圧η_ｃｏｎｃとの例を図５に示す。図５から、出力Ｐ_１と、濃度過電圧η_ｃｏｎｃとの間には負の相関関係があることが明らかである。そこで、図５に示すように、定格電流Ｉ_１における所定の出力Ｐ_１に対応する濃度過電圧η_ｃｏｎｃを基準値η_Ｓとする。

次に、検査対象の燃料電池１について、電極触媒層３ａに実用時と同一量の水素を供給する一方、電極触媒層３ｂには実用時の酸素含有ガスよりも酸素含有量を低減させたガスを供給して発電を行い、電流Ｉ_２における電圧Ｅ_２を測定すると共に、電圧Ｅ_２に対応する濃度過電圧η_ｃｏｎｃを算出する。そして、検査対象の燃料電池１について算出された濃度過電圧η_ｃｏｎｃを基準値η_Ｓと比較し、η_ｃｏｎｃ≦η_Ｓであれば、該検査対象の燃料電池１を良品と判定する。また、η_ｃｏｎｃ＞η_Ｓであれば、前記検査対象の燃料電池１を不良品と判定する。

前記活性化過電圧η_ａｃｔをターフェルの式（６）により近似的に求める際に、前記小電流域での複数の電流値に対する電圧Ｅ_２の測定は、電流を上昇又は下降させながら行うことができるが、電流を一旦上限値まで上昇させた後、下降させながら行うことが好ましい。これは、電流を上昇させながら電圧Ｅ_２の測定を行うと電極触媒が酸化されて被膜により被覆されて測定値のバラツキが大きくなるのに対し、電流を一旦上限値まで上昇させると電位が還元領域に入るため、その後に電流を下降させながら電圧Ｅ_２の測定を行うと測定値のバラツキが小さくなることによる。

電流を上昇させながら複数の電流値に対する電圧Ｅ_２を測定して、電流電圧曲線における傾きと切片とを求める操作を繰り返したときの結果と、電流を一旦上限値まで上昇させた後、下降させながら複数の電流値に対する電圧Ｅ_２を測定して、電流電圧曲線における傾きと切片とを求める操作を繰り返したときの結果とにおいて、ターフェルの式の傾き（式（６）の定数ｃ）を比較したものを図６（ａ）に示す。また、ターフェルの式の切片（式（６）の定数ｄ）を比較したものを図６（ｂ）に示す。

図６（ａ）及び図６（ｂ）から、電流を一旦上限値まで上昇させた後、下降させながら電圧Ｅ_２を測定することにより、測定値のバラツキが小さくなることが明らかである。

また、電流Ｉ_２における濃度過電圧η_ｃｏｎｃは、次のようにして求めることもできる。

まず、電極触媒層３ａ，３ｂに濃度過電圧η_ｃｏｎｃを無視できる量の水素及び酸素含有ガスを供給し、濃度過電圧η_ｃｏｎｃを無視できる電流を供給して発電を行い、このときの電圧Ｖ_１を測定する。このときには、十分な量の酸素が存在するので、濃度過電圧η_ｃｏｎｃは発生しない。

次に、電極触媒層３ｂに対する酸素含有ガスの供給を停止し、そのまま発電を継続する。このようにすると、電極触媒層３ｂ内の酸素が発電により消費され、電極触媒層３ｂ内の酸素量が次第に低下する。

そこで、電極触媒層３ｂ内の酸素濃度を継続的に測定し、濃度過電圧η_ｃｏｎｃが発生する所定の酸素濃度まで低下したときに、電流Ｉ_２における電圧Ｖ_２を測定する。この結果、電圧Ｖ_１と電圧Ｖ_２との差として電流Ｉ_２における濃度過電圧η_ｃｏｎｃを求めることができる（式（７））。

η_ｃｏｎｃ＝Ｖ_１−Ｖ_２ ・・・（７）
また、本実施形態における燃料電池１の出力検査方法では、電極触媒層３ａ，３ｂの相対湿度を９０％以上として電圧の測定を行うことが好ましい。このようにすることにより、電流Ｉ_２において実測された電圧Ｅ_２と、定格電流Ｉ_１において予測される電圧Ｅとの間で、高い相関性を得ることができる。

電極触媒層３ａ，３ｂの相対湿度を８０％としたときの電流Ｉ_２における実測電圧Ｅ_２と、定格電流Ｉ_１にける予測電圧Ｅとの関係を図７（ａ）に、相対湿度を９０％以上（例えば１００％）としたときの電流Ｉ_２における実測電圧Ｅ_２と、定格電流Ｉ_１にける予測電圧Ｅとの関係を図７（ｂ）に、それぞれ示す。Ｒ^２は、回帰直線の決定係数である。

図７（ａ）及び図７（ｂ）から、電極触媒層３ａ，３ｂの相対湿度を８０％としたときでも電流Ｉ_２における実測電圧Ｅ_２と、定格電流Ｉ_１における予測電圧Ｅとの間には相関性が見られるものの、相対湿度を９０％以上とすると、より高い相関性を得ることができることが明らかである。

１…燃料電池、 ２…固体高分子電解質膜、 ３ａ，３ｂ…電極触媒層、 ４ａ，４ｂ…ガス拡散層、 ５ａ，５ｂ…セパレータ。

Claims (4)

1. 燃料電池の出力を検査する方法であって、
   検査対象の燃料電池と同型の複数の燃料電池の所定の第１の電流における第１の電池性能と、該燃料電池の第１の電流より小さい第２の電流における第２の電池性能とを測定し、第１の電池性能と第２の電池性能との関係を求める工程と、
   該第１の電池性能と第２の電池性能との関係における第１の電池性能の所定の値に対応する第２の電池性能の値を基準値とし、検査対象の燃料電池の第２の電池性能を測定して該基準値と比較することにより該検査対象の燃料電池の良否の判定を行う工程とを備えることを特徴とする燃料電池の出力検査方法。
2. 請求項１記載の燃料電池の出力検査方法において、前記第２の電流はカソード電極触媒層に導入する酸素の量を、前記第１の電流の場合よりも低減して発電を行ったときの電流であることを特徴とする燃料電池の出力検査方法。
3. 請求項１又は請求項２記載の燃料電池の出力検査方法において、前記第１の電池性能は前記第１の電流における電圧であり、前記第２の電池性能は前記第２の電流における電圧であることを特徴とする燃料電池の出力検査方法。
4. 請求項１又は請求項２記載の燃料電池の出力検査方法において、前記第１の電池性能は前記第１の電流における出力であり、前記第２の電池性能は前記第２の電流における濃度過電圧であることを特徴とする燃料電池の出力検査方法。