JP2016103349A

JP2016103349A - 燃料電池の検査方法

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Publication number: JP2016103349A
Application number: JP2014240133A
Authority: JP
Inventors: 一美杉田; Kazumi Sugita
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2014-11-27
Filing date: 2014-11-27
Publication date: 2016-06-02
Anticipated expiration: 2034-11-27
Also published as: DE102015120230B4; DE102015120230A1; US20160154062A1; KR20160063999A; US9791516B2; JP6268607B2; KR101863416B1; CN105655614B; CN105655614A

Abstract

【課題】燃料電池スタックに燃料ガスを流して実際に燃料電池を発電させることなく、燃料電池を検査することができる燃料電池の検査方法を実現する。【解決手段】燃料電池１００の検査方法は、燃料電池スタック１１０に存在する電荷を用いて燃料電池を検査する方法であって、少なくとも、燃料電池スタック１１０に外部電源７０から電荷を供給する工程を有する。ここで、燃料電池１００の検査とは、例えば、燃料電池スタック１１０の発電状態において正常時にあるべき状態と比較することで異常を判別する検査をいう。【選択図】図１

Description

本発明は、燃料ガスを流して実際に発電させることなく、燃料電池を検査する方法に関する。

燃料電池は、複数の燃料電池セルが積層された燃料電池スタックを有する。燃料電池スタックは、各燃料電池セルの状態を監視するためのセルモニタを備える。各燃料電池セルとセルモニタは、コネクタケーブルで接続されている。

従来、セルモニタのコネクタケーブルの接続検査方法は、実際に燃料電池スタックに燃料ガスを流し、電池反応を起こさせることで行っていた。電池反応を起こさせることにより、各燃料電池セルに電荷を持たせ、それをセルモニタ基板からの電圧信号として受け取って、コネクタケーブルの接続に問題がないことを確認していた。

セルモニタを備えた燃料電池に関連する技術としては、例えば、複数積層された燃料電池セルを有する燃料電池と、各燃料電池セルの状態を監視するためのセルモニタと、を備え、燃料電池の側方領域にセルモニタを配置した燃料電池ユニットが開示されている（特許文献１参照）。

特開２０１３−１８０６４３号公報

ところで、従来の燃料電池の完成品の検査方法は、燃料電池スタックに燃料ガスとしての酸化ガス（空気、酸素：Ｏ₂）と水素（Ｈ₂）を流す必要があるため、燃料ガス供給装置と接続して燃料ガスが供給可能な状態としてからでないと検査できなかった。

また、燃料電池の製造工程において、燃料電池を検査することは考慮されていなかった。仮に燃料電池の製造工程において検査をするものとした場合、外装部との電気絶縁抵抗の測定が考えられる。この外装部の電気絶縁性の検査においても、燃料電池スタックに水素と酸素を供給して実際に発電することが想定されるが、燃料ガス供給装置を接続する必要があるため、検査設備が大掛かりになり、燃料電池スタックを実際に発電させて何かの検査を行うことには設備的な困難が予想される。実際、製造工程において実際に発電させて実施する検査方法が記載された公知文献は存在しなかった。

そこで、本発明は、上記の事情に鑑みて創案されたものであり、燃料電池完成品のみならず、燃料電池の製造工程においても、燃料電池スタックに燃料ガスを流して実際に発電させることなく、燃料電池を容易に検査することができる燃料電池の検査方法の提供を目的とする。

上記目的を達成するために、本発明に係る燃料電池の検査方法は、燃料電池スタックに存在する電荷を用いて燃料電池を検査する方法であって、少なくとも、燃料電池スタックに外部電源から電荷を供給する工程を有することを特徴とする。

上記電荷を供給する工程は、上記燃料電池スタックの総プラス部もしくは総マイナス部のいずれかに電荷を与える工程であればよい。

上記検査は、上記燃料電池スタックを構成する各燃料電池セルとセルモニタとの接続状態の検査であり、上記電荷の供給工程の後に、上記セルモニタの値に基づいて、上記各燃料電池セルと上記セルモニタとの接続を判定する工程を更に有することが好ましい。

あるいは、上記検査は、外装部の電気絶縁性の検査であり、上記電荷の供給工程の後に、上記外装部からのリーク電流に基づいて、該外装部の電気絶縁性を検査する工程を更に有することが好ましい。

本発明に係る燃料電池の検査方法は、燃料電池完成品のみならず、燃料電池の製造工程においても、燃料電池スタックに燃料ガスを流して実際に発電することなく、外部電源から電荷を与えて検査するため、実際に発電する場合に比して、燃料電池を容易に検査することができる。

本発明の第１の実施の形態に係る燃料電池の検査方法の検査対象および検査設備を示す模式図である。第１の実施の形態の燃料電池スタックの通電状態を示す模式図である。比較例としての燃料ガス供給装置から燃料電池に燃料ガスを供給する様子を説明する模式図である。燃料ガス供給装置から燃料電池に燃料ガスを供給して実施する比較例としての燃料電池のセルモニタ接続検査方法の説明図である。燃料ガス供給装置から燃料電池に燃料ガスを供給する場合の不具合の説明に供する模式図である。第２の実施の形態の燃料電池の模式図である。図６（Ｂ）のＶＩＩ−ＶＩＩ線断面図である。第２の実施の形態における外装部の電気絶縁性検査方法の一例の説明図である。第２の実施の形態における外装部の電気絶縁性検査方法の他例の説明図である。

以下に本発明の実施の形態を説明する。以下の図面の記載において、同一又は類似の部分には同一又は類似の符号で表している。但し、図面は模式的なものである。したがって、具体的な寸法等は以下の説明を照らし合わせて判断するべきものである。また、図面相互間においても互いの寸法の関係や比率が異なる部分が含まれていることは勿論である。

〔定義〕
本明細書では以下のように用語を定義する。
「検査」：発電状態において正常時にあるべき状態と比較することで異常を判別することをいい、実際に発電する場合の他、外部から電荷を与えることで実際に発電した場合と同様の内部状態とすることも含む。
「製造工程」：最終的に製品として完成する前の工程をいい、燃料電池システムであれば燃料ガスである水素ガスと酸化ガスの供給手段が燃料電池スタックに接続される前の工程である。

〔第１の実施の形態〕
（検査対象および検査設備）
まず、図１を参照して、本発明の第１の実施の形態に係る燃料電池の検査方法の検査対象および検査設備について説明する。図１は本発明の第１の実施の形態に係る燃料電池の検査方法の検査対象および検査状況を示す模式図である。

図１に示すように、燃料電池１００は、燃料電池セル１０が複数積層された燃料電池スタック１１０を有する。複数の燃料電池セル１０は、各々が高分子電解質膜の両側にガス拡散電極を積層した積層体を一対のセパレータで挟持した構造を備え、直列に積層され締結されている。

各燃料電池セル１０は、接続端子１１を備える。燃料電池１００一側面には、各燃料電池セル１０の状態を監視するための車両ＥＣＵ（ＥｌｅｃｔｒｉｃＣｏｎｔｒｏｌＵｎｉｔ）であるセルモニタ２０を備える。セルモニタ２０は、複数の接続端子２１を備える。各燃料電池セル１０の接続端子１１とセルモニタ２０の接続端子２１は、コネクタケーブル３０によって接続される。第１の実施の形態に係る燃料電池の検査方法の検査対象は、各燃料電池セル１０とセルモニタ２０との接続である。

燃料電池スタック１１０の両端部には、それぞれ総プラスターミナル（総プラス部）４１と総マイナスターミナル（総マイナス部）４２が設けられている。総プラスターミナル４１は、総プラスリレー５１を介して、端子台５３と電気的に接続されている。他方、総マイナスターミナル４２は、総マイナスリレー５２を介して、端子台５３と電気的に接続されている。

本実施の形態の燃料電池１００は、検査時において、燃料電池スタック１１０に電荷を供給（電圧を印加）するための外部電源として、直流安定化電源７０を着脱自在に備えている。直流安定化電源７０の接続ケーブル７１は、検査時において、端子台５３に電気的に接続される。また、セルモニタ２０には、信号を送信するための通信ケーブル２２が電気的に接続されている。通信ケーブル２２は、不図示の検査設備と電気的に接続される。セルモニタ２０は、計測値をデジタル化処理して、検査設備に送信する。

なお、燃料電池１００は、製造工程の後半において、または、出荷後において、燃料電池１００の一端部には、燃料ガス供給装置（図示せず）の一部として、燃料供給管９０および燃料排出管９１を備えた燃料給排部６０が接続される（図３参照）。燃料給排部６０と総マイナスターミナル４２との間には、燃料分配用エンドプレート６１が介設されている。なお、燃料ガス供給装置の接続前の製造工程において、燃料供給管および燃料排出管は接続されていない。

（第１の実施の形態に係る燃料電池の検査方法）
次に、図１から図５を参照して、本発明の第１の実施の形態に係る燃料電池の検査方法について説明する。図２は第１の実施の形態の燃料電池スタックの通電状態を示す模式図である。図３は比較例の燃料電池の検査方法としての燃料ガス供給装置から燃料電池に燃料ガスを供給する様子を説明する模式図である。図４は燃料ガス供給装置から燃料電池に燃料ガスを供給して実施する比較例の燃料電池の検査方法としての燃料電池のセルモニタ接続検査方法の説明図である。図５は燃料ガス供給装置から燃料電池に燃料ガスを供給する場合の不具合の説明に供する模式図である。

第１の実施の形態では、燃料電池の検査方法として、セルモニタ接続検査方法について説明する。第１の実施の形態のセルモニタ接続検査方法は、少なくとも、燃料電池スタックに外部電源から電荷を供給する工程と、電荷の供給工程の後に、セルモニタの値に基づいて、各燃料電池セルとセルモニタとの接続を判定する工程と、を有する。

（燃料電池スタックに外部電源から電荷を供給する工程）
図１に示すように、燃料電池スタックに外部電源から電荷を供給する工程では、外部電源としての直流安定化電源７０の接続ケーブル７１を端子台５３に電気的に接続する。そして、直流安定化電源７０から燃料電池スタック１１０に電荷を供給（電圧を印加）し、電流を流す。

図２に示すように、燃料電池１００は、電気的な等価回路として、燃料電池セル１０が、接触抵抗８１および電気二重層容量８２を備える。電気二重層容量８２は、電解質膜を挟持する一対のガス拡散電極間に形成されるキャパシタである。スイッチ８４は、総プラスリレー５１および総マイナスリレー５２による電気的接続手段を模式的に示したものである。燃料電池スタック１１０に燃料ガスが供給されていない状態で、直流安定化電源７０を端子台５３に接続して、総プラスリレー５１および総マイナスリレー５２を短絡、すなわちスイッチ８４を接続状態とし、燃料電池スタック１１０に電流を流すと、電流は接触抵抗８１および電気二重層容量８２を通過し、各燃料電池セル１０は電池を形成しない。一般に、燃料電池セル１０において、電解質膜はイオン（固体高分子形燃料電池（ＰＥＦＣ；ｐｏｌｙｍｅｒｅｌｅｃｔｒｏｌｙｔｅｆｕｅｌｃｅｌｌ）の場合、プロトン）のみを通過させるが、燃料ガスや電子のクロスオーバーが必ず起きる。このため、燃料電池セル１０には、等価的に、電気二重層容量８２に並列して電荷移動抵抗８３が生じることになる。よって、燃料電池スタック１１０に電圧を印加した場合には、各燃料電池セル１０は接触抵抗８１と電荷移動抵抗８３で定まる一定の電流が流れていることになり、この接触抵抗８１および電荷移動抵抗８３と電流とで定まる燃料電池セル１０の両端の電圧をセルモニタ２０で検出することにより、セルモニタの接続状態を検査することが可能である。

なお、比較例として、図３および図４に示すように、実際に燃料電池１００に燃料ガスＧを流す場合には、各燃料電池セル１０は電池を形成し、電荷を貯め込む。燃料ガスを流して実施する比較例のセルモニタ接続検査方法では、燃料ガスＧが供給された状態において、セルモニタ２０が各々の燃料電池セル１０における発電による出力電圧を検出することになる。しかしながら、後に燃料ガス供給装置の接続を解除する必要がある場合には、検査後に窒素（Ｎ₂）パージを行い、燃料ガスを窒素に置換する必要があるため、設備が複雑化し、生産性が非常に悪くなるおそれがあった。また、燃料電池スタック１１０に電荷を貯まった状態では、人が触れることができないため、自然放電で電荷を消費する必要があり、待ち時間が生じていた。さらに、発電検査用ベンチを流用したとしても、後から組み付けた部品の検査となるため、接続検査のための工程が複雑化する可能性があった。

（セルモニタの接続状態を判定する工程）
次に、再び図１および図２を参照して、セルモニタの接続状態を判定する工程では、電荷の供給工程後に、セルモニタ２０が燃料電池スタック１１０の燃料電池セル１０の各々の電圧を計測する。セルモニタ２０は、計測した電圧をデジタル化処理して、不図示の検査設備へと信号を送信する。検査設備がデジタル化処理された数値を判定する。燃料電池セル１０とセルモニタ２０との接続が不良であるとセルモニタ２０には電圧が印加されず、セルモニタ２０で検出される電圧は検出されない。一方、燃料電池１０とセルモニタ２０との接続が正常であると直流安定化電源７０の印加電圧と燃料電池スタック１１０を構成する燃料電池セル１０のスタック数とで定まる各燃料電池セル１０の分圧がセルモニタ２０に印加されるはずである。そこで例えば、セルモニタ２０で検出される電圧が０Ｖであれば燃料電池セル１０とセルモニタ２０とを接続するコネクタケーブル３０が未接続であると判定できる。また、セルモニタ２０で検出される電圧が上記分圧、例示的な判定規格として１００ｍＶ±４０ｍＶであればコネクタケーブル３０の接続が良好であると判断できる。

これに対し、図３や図４に示した比較例のセルモニタ接続検査方法では、燃料電池スタックとして、もしくは各燃料電池セル自体を単品として、良品か否かを実際に発電させることで検査を行う必要があるので、次のような不都合が生じる。すなわち、図３および図５に示すように、燃料電池スタック１１０の燃料ガス供給管９０から離れた燃料電池セル１０ほど燃料ガスＧが届き難い。窒素（Ｎ₂）パージで燃料ガスＧを追い出す処理をしても、燃料電池スタック１１０内に燃料ガスＧが残留することがある。また、初期から電荷を貯め込んでしまう燃料電池セル１０があるため、未接続状態であっても接続ＯＫと判断する可能性がある。

なお、燃料ガス供給装置から燃料ガスを供給して実施する発電検査後に、本実施の形態のセルモニタ接続検査方法を実施する場合について説明する。本実施の形態のセルモニタ接続検査方法は、前述のとおり、燃料電池の電解質膜のクロスオーバーを利用した検査方法であるため、電解質膜の濡れ状態によって電子の移動のしやすさが変わり、電解移動抵抗８３が変化してしまう。また前述したように、発電検査実施後の放置時間などでも電荷移動抵抗８３が異なる。このため、発電検査実施前においてセルモニタ接続検査方法を実施する場合のような上記判定規格を設けられない。そこで、発電検査実施後にセルモニタ接続検査方法を実施する場合には、まず外部から電圧を印加しない状態、すなわち直流安定化電源７０の接続前か、スイッチ８４を遮断した状態で、各燃料電池セル１０の初期電圧値をセルモニタ２０で計測する。そして、直流安定化電源７０を接続するか、スイッチ８４を接続状態として、外部から電圧を印加した状態で、各燃料電池セル１０の電圧値をセルモニタ２０で計測する。そしてセルモニタ２０で検出された電圧値と初期電圧値との差分を演算し、当該差分が上述した判定規格値に合致しているか否かでセルモニタの接続状態を判定する。電圧を印加しない状態の初期電圧値と電圧を印加した状態の検査電圧値との差分を演算することで、外乱による影響を相殺し、適正なセルモニタの接続状態の検査が可能となる。

すなわち、本実施の形態に係るセルモニタ接続検査方法では、燃料電池スタック１１０に外部から電圧を印加し、セルモニタ２０の信号をチェックする。燃料電池スタック１１０に電圧を印加したにも拘らず、セルモニタ２０にて０Ｖを検知していた場合は、セルモニタ２０の接続不良と判断する。またセルモニタ２０にて予め設定した設定規格値を示していた場合には接続が正常と判断する。従って、実際に燃料電池スタック１１０に燃料ガスを供給して実施する燃料電池セル１０単体の発電検査後であっても、セルモニタ２０の検出電圧値からセルモニタ２０の接続不良を判断することが可能である。

以上、説明したように、第１の実施の形態に係る燃料電池の検査方法は、燃料電池スタック１１０を構成する各燃料電池セル１０とセルモニタ２０との接続状態の検査方法である。本実施の形態のセルモニタ接続検査方法によれば、燃料電池１００の完成品のみならず、燃料電池１００の製造工程においても、燃料電池スタック１１０に燃料ガスを流して実際に発電することなく、各燃料電池セル１０とセルモニタ２０との接続状態を検査することができるという優れた効果を奏する。

〔第２の実施の形態〕
次に、図１、図６から図９を参照して、本発明の第２の実施の形態に係る燃料電池の検査方法として、外装部の電気絶縁性の検査方法について説明する。図６は第２の実施の形態の燃料電池の模式図である。図７は図６（Ｂ）のＶＩＩ−ＶＩＩ線断面図である。図８は第２の実施の形態における外装部の電気絶縁性検査方法の一例の説明図である。図９は第２の実施の形態における外装部の電気絶縁性検査方法の他例の説明図である。なお、第１の実施の形態と同一構成要素については、同一の符号を付して説明する。

第２の実施の形態における外装部の電気絶縁性の検査方法は、第１の実施の形態と同様に、燃料電池スタック１１０を有する燃料電池１００を検査対象として実施され、検査設備としての外部電源（直流安定化電源）７０を備える（図１参照）。図６および図７に示すように、燃料電池スタック１１０は、平板状のカバー２２１および箱体状のケイシング２２２からなる外装部２２０内に収納される。外装部２２０の開口部は、燃料電池スタック１１０の長手方向の一端部に設けられたエンドプレート６０で閉成される。図７に示すように、燃料電池スタック１１０の両端部、上下および左右は、電気絶縁材２３０で覆われている。

また、図８および図９に示すように、燃料電池スタック１１０の各燃料電池セル１０は、第１の実施の形態と同様の構成で、接触抵抗８１、電気二重層容量８２、および電荷移動抵抗８３を備える。さらに、外装部２２０に漏れ出るリーク電流を測定するための電流計２４０を備えている。

第２の実施の形態の外装部の電気絶縁性の検査方法は、少なくとも、燃料電池スタックに外部電源から電荷を供給する工程と、電荷の供給工程の後に、外装部からのリーク電流に基づいて、該外装部の電気絶縁性を検査する工程と、を有する。

（燃料電池スタックに外部電源から電荷を供給する工程）
燃料電池スタックに外部電源から電荷を供給する工程では、図８に示すように、外部電源としての直流安定化電源７０の接続ケーブル７１を端子台５３に電気的に接続する。そして、直流安定化電源７０から燃料電池スタック１１０に電荷を供給（電圧を印加）し、電流を流す。直流安定化電源７０から燃料電池スタック１１０への印加電圧は、例えば、２５０〜５００Ｖ程度とする。なお、図９に示すように、燃料電池スタック１１０の総プラス部４１もしくは総マイナス部４２のいずれかに電圧を印加してもよい。

（外装部の電気絶縁性を検査する工程）
次に、外装部の電気絶縁性を検査する工程では、図８に示すように、電荷の供給工程の後に、外装部２２０から漏れ出るリーク電流に基づいて、当該外装部２２０の電気絶縁性を検査する。外装部２２０から漏れ出るリーク電流は、電流計２４０で測定する。外装部２２０からのリーク電流を測定することで、燃料電池スタック１１０に燃料ガスを流して実際に発電することなく、燃料電池スタック１１０と外装部２２０との電気絶縁抵抗を測定することが可能である。

また、図９のように、燃料電池スタック１１０の総プラス部４１もしくは総マイナス部４２のいずれかに電圧を印加する場合には、リーク電流を利用して燃料電池スタック１１０全体に電荷を貯めることが可能である。これにより、燃料電池スタック１１０に印加電圧分だけの電荷を貯めることが可能であるため、燃料電池スタック１１０に燃料ガスを流して実際に発電することなく、燃料電池スタック１１０全体と外装部２２０との電気絶縁抵抗を測定することができる。

第２の実施の形態に係る燃料電池の検査方法は、燃料電池完成品のみならず、燃料電池の製造工程においても、燃料電池スタック１１０に燃料ガスを流して実際に発電することなく、燃料電池スタック１１０の検査が可能であるという、第１の実施の形態と基本的に同様の作用効果を奏する。特に第２の実施の形態における外装部の電気絶縁性の検査方法は、燃料電池スタック１１０に燃料ガスを流して実際に発電することなく、燃料電池スタック１１０と外装部２２０との電気絶縁抵抗を測定することができるという有利な効果を奏する。さらに、図９に示す実施の形態では、燃料電池スタック１１０の総プラス部４１もしくは総マイナス部４２のいずれかに電荷を与えればよいので、電気絶縁抵抗測定の簡素化を図ることができる。

〔その他の実施の形態〕
上記のように本発明を実施の形態によって記載したが、この開示の一部をなす記述及び図面はこの発明を限定するものであると理解するべきではない。この開示から当業者には様々な代替実施の形態、実施例及び運用技術が明らかになるはずである。本発明はここでは記載していない様々な実施の形態等を包含するということを理解すべきである。

１０燃料電池セル
２０セルモニタ
７０外部電源
１００燃料電池
１１０燃料電池スタック
２２０外装部

Claims

燃料電池スタックに存在する電荷を用いて燃料電池を検査する方法であって、
少なくとも、前記燃料電池スタックに外部電源から電荷を供給する工程を有することを特徴とする燃料電池の検査方法。
前記電荷を供給する工程は、燃料電池スタックの総プラス部もしくは総マイナス部のいずれかに電荷を与える工程であることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池の検査方法。
前記検査は、前記燃料電池スタックを構成する各燃料電池セルとセルモニタとの接続状態の検査であり、
前記電荷の供給工程の後に、前記セルモニタの値に基づいて、前記各燃料電池セルと前記セルモニタとの接続を判定する工程を更に有することを特徴とする請求項１または請求項２に記載の燃料電池の検査方法。
前記検査は、外装部の電気絶縁性の検査であり、
前記電荷の供給工程の後に、前記外装部からのリーク電流に基づいて、該外装部の電気絶縁性を検査する工程を更に有することを特徴とする請求項１または請求項２に記載の燃料電池の検査方法。