JP2020113371A - 燃料電池の検査方法 - Google Patents

Abstract

【課題】不良品の流出を抑制することができる、燃料電池の検査方法を提供すること。【解決手段】本発明に係る燃料電池の検査方法は、膜電極接合体（ＭＥＡ）を有する電池セルを積層し、電池セルの積層方向に締結荷重を加えて締結することで製造される燃料電池に対して、複数のステップＳ１〜Ｓ４によって検査を行う燃料電池の検査方法であって、膜電極接合体（ＭＥＡ）に対して締結荷重以上の荷重Ｐを加えながら耐電圧検査を行う耐電圧検査ステップＳ１を備え、複数のステップＳ１〜Ｓ４のうち、膜電極接合体（ＭＥＡ）に対して最も大きい荷重を加えるステップは、耐電圧検査ステップＳ１、若しくは耐電圧検査ステップＳ１よりも前に行われるステップである。【選択図】図２

Description

本発明は、燃料電池の検査方法に関する。

燃料電池、例えば、固体高分子型燃料電池は、電解質膜を一対の電極（アノード及びカソード）で挟んで作製した膜電極接合体（以下「ＭＥＡ（Membrane Electrode Assembly）」と呼ぶ場合がある）にそれぞれ反応ガス（燃料ガスおよび酸化ガス）を供給して電気化学反応を引き起こすことにより、物質の持つ化学エネルギーを直接電気エネルギーに変換する。

ＭＥＡは、プロトン伝導性向上のため、薄膜化等の検討がなされている。それに伴い、ＭＥＡのガス拡散電極との界面への異物混入のキズ等で、ＭＥＡに求められるガス・電子の遮蔽機能が低下したＭＥＡの発生確率が上がることが懸念されている。これらは燃料電池の性能を低下させるものであり、電気リークおよびガスリーク（以下、「リーク」と呼ぶ場合がある）に対するＭＥＡの検査により判定できる。

特許文献１には、ＭＥＡに所定の電圧値まで電圧を印加し、リーク電流が所定値以下であるか否かを判定する耐電圧検査の方法が開示されている。具体的には、ＭＥＡに第１の電圧値まで電圧を印加した際のリーク電流が所定値以下であった場合、更に第２の電圧値で所定時間保持した際のリーク電流の値に基づいて、ＭＥＡの品質を判定する。このような方法においては、耐電圧が低いＭＥＡを不良品と判断できるため、市場に不良品が流出することを抑制することができる。

特開２０１６−０８１５９６号公報

特許文献１に開示されている耐電圧検査の試験に合格した場合であっても、実際の製品においてＭＥＡに大きな荷重が加えられる場合、当該ＭＥＡの膜厚が薄くなるおそれがある。また、耐電圧検査の後、燃料電池を製作する工程の中でＭＥＡに対して大きな荷重がかけられる場合にも、当該ＭＥＡが破損してしまうおそれがある。これらのような場合には、耐電圧検査の試験を一度合格したＭＥＡであっても、試験後に十分な耐電圧を有しなくなる可能性があり、結果的に不良品が流出するおそれがあるという問題があった。

本発明は、このような問題を解決するためになされたものであり、不良品の流出を抑制することができる、燃料電池の検査方法を提供するものである。

本発明に係る燃料電池の検査方法は、膜電極接合体を有する電池セルを積層し、前記電池セルの積層方向に締結荷重を加えて締結することで製造される燃料電池に対して、複数のステップによって検査を行う燃料電池の検査方法であって、前記膜電極接合体に対して前記締結荷重以上の荷重を加えながら耐電圧検査を行う耐電圧検査ステップを備え、前記複数のステップのうち、前記膜電極接合体に対して最も大きい荷重を加えるステップは、前記耐電圧検査ステップ、若しくは前記耐電圧検査ステップよりも前に行われるステップであることを特徴としたものである。

上記の構成によれば、本発明に係る燃料電池の検査方法は、膜電極接合体を有する電池セルを積層し、前記電池セルの積層方向に締結荷重を加えて締結することで製造される燃料電池に対して、複数のステップによって検査を行う方法である。当該燃料電池の検査方法は、電極接合体に対して荷重を加えながら耐電圧検査を行う耐電圧検査ステップを備える。また、複数のステップのうち、膜電極接合体に対して最も大きい荷重を加えるステップは、耐電圧検査ステップ、若しくは耐電圧検査ステップよりも前に行われるステップである。
このような構成とすることで、膜電極接合体が、大きな荷重が加えられた場合でも十分な耐電圧を有するか否かを判定することができる。したがって、耐電圧検査時あるいは耐電圧検査後に荷重が加わって破損してしまうような膜電極接合体を不良品として判別することができる。

また、耐電圧検査ステップにおいて膜電極接合体にかける荷重の大きさは、締結荷重以上である。すなわち、当該荷重の大きさを、実際の製品において膜電極接合体が受ける圧力値以上とする。このような構成とすることで、製品化した際に膜厚が薄くなって十分な耐電圧を有さなくなるような膜電極接合体を、不良品として判別することができる。
以上のようにして、不良品の流出を抑制することができる。

本発明により、不良品の流出を抑制することができる、燃料電池の検査方法を提供することができる。

燃料電池の検査方法のフローチャートである。 燃料電池の検査方法の各工程における、膜電極接合体が受ける荷重の大きさを表すグラフである。 耐電圧検査を行う耐電圧検査装置の概略図である。

以下、本発明を適用した具体的な実施形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。ただし、本発明が以下の実施形態に限定される訳ではない。また、説明を明確にするため、以下の記載および図面は、適宜、簡略化されている。

まず、図１を参照して、本実施形態に係る燃料電池の検査方法について説明する。本実施形態に係る燃料電池の検査方法は、ＭＥＡを有する電池セルを積層し、電池セルの積層方向に締結荷重を加えて締結することで製造される燃料電池の検査方法である。
図１は、本実施形態に係る燃料電池の検査方法のフローチャートである。図１に示すように、本実施形態に係る燃料電池の検査方法は、複数のステップＳ１〜Ｓ４を備える。ステップＳ１はＭＥＡの耐電圧を検査する耐電圧検査ステップ、ステップＳ２はＭＥＡの圧力損失を検査する圧損検査ステップ、ステップＳ３は電池セルの積層工程であるセル積層ステップ、ステップＳ４は燃料電池の発電性能を検査する発電検査ステップである。なお、以下の説明では、各ステップＳ１〜Ｓ４は検査者によって行われるものとして説明するが、可能であれば、その一部または全部はＣＰＵ（Central Processing Unit）を備える制御装置（不図示）等によって行われてもよい。

本実施形態においては、耐電圧検査ステップＳ１において、ＭＥＡに対し、上記の全工程を通じて最も大きい荷重を加えながら前記耐電圧検査を行う。すなわち、複数のステップＳ１〜Ｓ４のうち、ＭＥＡに対して最も大きい荷重を加えるステップは、耐電圧検査ステップＳ１であるとする。さらに、耐電圧検査ステップＳ１において、ＭＥＡに対して加える荷重の大きさは、締結荷重以上とする。すなわち、耐電圧検査ステップＳ１においては、実際の製品においてＭＥＡが受ける圧力値以上の荷重を加えながら耐電圧検査を行う。

図２は、本実施形態に係る燃料電池の検査方法の各工程における、ＭＥＡが受ける荷重の大きさを表すグラフである。図２の縦軸は、ＭＥＡが受ける荷重の大きさを表す。また、グラフの各値におけるエラーバーは、各工程における荷重の公差を表す。
図２に示すように、耐電圧検査ステップＳ１においてＭＥＡに加えられる荷重は、圧損検査ステップＳ２、セル積層工程ステップＳ３、及び発電検査ステップＳ４においてＭＥＡに加わる荷重のいずれよりも大きい圧力値とする。すなわち、耐電圧検査ステップＳ１においてＭＥＡに加える荷重の最小値は、その他のステップにおいてＭＥＡに加える荷重の最大値以上とする。このような構成とすることで、耐電圧検査後に荷重が加わって破損してしまうような膜電極接合体を不良品として判別することができる。

また、図２に示すように、耐電圧検査ステップＳ１においてＭＥＡに加えられる荷重は、最終製品として市場に出荷される燃料電池においてＭＥＡに加わる荷重以上とする。すなわち、耐電圧検査ステップＳ１においてＭＥＡに加えられる荷重は、締結荷重以上とする。
このような構成とすることで、製品化した際に膜厚が薄くなって十分な耐電圧を有さなくなるような膜電極接合体を、不良品として判別することができる。したがって、不良品の流出を抑制することができる。

ここで、ステップＳ１〜Ｓ４の具体的な工程について説明する。
まず、ステップＳ１（耐電圧検査ステップ）において、検査者は、ＭＥＡに対し、全工程を通じて最も大きい荷重を加えながら、ＭＥＡが十分な耐電圧を有するか否かを検査する耐電圧検査を行う。耐電圧検査ステップＳ１においてＭＥＡに加えられる荷重の大きさは、締結荷重以上とする。すなわち、耐電圧検査ステップＳ１においてＭＥＡに加えられる荷重の大きさは、実際の製品においてＭＥＡが受ける圧力値以上とする。このような検査においては、荷重によってＭＥＡの膜厚が薄くなった場合にも当該ＭＥＡが十分な耐電圧を有するか否かを調べることができる。

耐電圧検査ステップＳ１においては、上記特許文献１に開示されているような検査装置及び検査方法を用いて、ＭＥＡの耐電圧を検査することができる。具体的には、例えば図３に示されるような耐電圧検査装置１０を用いることができる。図３は、耐電圧検査装置１０の構成を示す模式図である。

図３に示す耐電圧検査装置１０は、燃料電池に用いられるＭＥＡに所定の電圧領域で電圧を掃引しながら印加し、ＭＥＡの耐電圧を検査する装置である。なお、ＭＥＡは、当該ＭＥＡを挟持する一対のセパレータ（図示せず）等を備える単セルの構成要素の一部である。燃料電池は、当該当該単セルが複数積層されてなる燃料電池スタック構造を有するものである。燃料電池としては、例えば、比較的小型で発電効率に優れる固体高分子型燃料電池が用いられる。

図３に示すように、ＭＥＡは、電解質膜４２（燃料電池用電解質膜）を備える。電解質膜４２の一方の面には、アノードとしての触媒電極４３が形成されている。電解質膜４２の他方の面には、カソードとしての触媒電極４４が形成されている。触媒電極４３および触媒電極４４の外面には、各々、ガス拡散層４５、ガス拡散層４６が形成されている。

電解質膜４２は、固体高分子材料、例えばフッ素系樹脂により形成されたプロトン伝導性のイオン交換膜であり、湿潤状態で良好な電気伝導性を示す。

触媒電極４３および触媒電極４４は、電気化学反応を促進する触媒を含有する触媒インクを電解質膜４２上に塗布し、所定時間乾燥させ触媒層として形成したものである。触媒インクとしては、例えば触媒担持カーボンとしての白金担持カーボンと、アイオノマーと、所定の溶媒とを混合したものを用いる。

ガス拡散層４５およびガス拡散層４６は、ガス透過性および導電性を有する部材によって構成されている。ガス拡散層４５，４６を設けることによって、燃料電池として機能させた際に、触媒電極４３，４４に対するガス供給効率を向上させることができる。

耐電圧検査装置１０は、測定制御部２０と、陽極２３と、陰極２４とを備える。陽極２３と陰極２４とは、測定制御部２０と電気的に接続されている。測定制御部２０は、陽極２３と陰極２４との間に電圧を印加し、電極間に流れた電流を測定する。測定制御部２０は、予め設定した電圧領域において、電極間に印加する電圧を掃引することができる。

耐電圧検査ステップＳ１（図１参照）においては、陽極２３と陰極２４との間にＭＥＡを挟み込み、ＭＥＡに対して荷重Ｐを加える。当該荷重Ｐは、全工程を通じてＭＥＡにかかる荷重の中で最も大きい圧力値をもつ荷重である。また、当該荷重Ｐの大きさは、締結荷重以上である。この状態で、陽極２３と陰極２４との間に所定の電圧を掃引し、ＭＥＡに流れた電流を測定する。当該電流が所定の基準値以下であった場合は、ＭＥＡが十分な耐電圧を有したものと判定できる。

ステップＳ１（耐電圧検査ステップ）において、ＭＥＡが十分な耐電圧を有すると判定された場合（ステップＳ１のＯＫ）は、ステップＳ２に進む。ステップＳ１（耐電圧検査ステップ）において、ＭＥＡが十分な耐電圧を有さないと判定された場合（ステップＳ１のＮＧ）は、当該ＭＥＡを不良品と判定し、製品ラインから取り除く。

ステップＳ２（圧損検査ステップ）に進んだ場合、検査者は、ＭＥＡを流れるガス等の流体の圧力損失が十分小さいか否かを検査する圧損検査を行う。具体的には、例えばＭＥＡを流れるガス等の流体に対し、入口における流体の圧力と出口における流体の圧力の差を測定する。当該流体の圧力の差が予め定められた基準値以下であると判定された場合（ステップＳ２のＯＫ）は、ステップＳ３に進む。当該流体の圧力の差が予め定められた基準値よりも高いと判定された場合（ステップＳ２のＮＧ）は、当該ＭＥＡを不良品と判定し、製品ラインから取り除く。

ステップＳ３（セル積層ステップ）に進んだ場合、検査者は、ＭＥＡを有する電池セルを積層して燃料電池を製造する。電池セルを積層して燃料電池を製造できる場合（ステップＳ３のＯＫ）は、ステップＳ４に進む。電池セルが膨張している等の理由で、電池セルを積層しても燃料電池を製造できない場合（ステップＳ３のＮＧ）は、当該電池セルを不良品と判定し、製品ラインから取り除く。

ステップＳ４（発電検査ステップ）に進んだ場合、検査者は、製造した燃料電池が十分な発電性能を有するか否かを検査する発電検査を行う。具体的には、例えば燃料電池の起電力を測定し、当該起電力が基準値以上であるか否かを判定する。燃料電池の起電力が基準値以上である場合（ステップＳ４のＯＫ）は、当該燃料電池を合格品として出荷する。燃料電池の起電力が基準値未満である場合（ステップＳ４のＮＧ）は、当該燃料電池を不良品と判定し、製品ラインから取り除く。

以上のように、本実施形態に係る燃料電池の検査方法は、耐電圧検査ステップＳ１においてＭＥＡに対して加える荷重の大きさが締結荷重以上である。また、複数のステップＳ１〜Ｓ４のうちＭＥＡに対して最も大きい荷重を加えるステップは、耐電圧検査ステップＳ１である。このような構成においては、不良品の流出を抑制することができる。

なお、本発明は上記の実施形態に限られたものではなく、趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更することが可能である。

例えば、上記の実施形態において、ステップＳ１〜Ｓ４はこの順に行われるものとして説明したが、各工程の順番は入れ替わっていてもよい。各工程の順番が入れ替わった場合であっても、膜電極接合体に対して全工程を通じて最も大きい荷重を加えながら耐電圧検査を行うことで、不良品の流出を抑制することができる。

また、上記の実施形態において各工程の順番が入れ替わった場合、ＭＥＡに対して最も大きい荷重を加えるステップは、耐電圧検査ステップよりも前に行われるステップであってもよい。このような構成では、ＭＥＡに対して最も大きい荷重を加えた後で耐電圧検査を行う。したがって、ＭＥＡに大きな荷重が加えられた場合でも十分な耐電圧を有するか否かを判定することができる。また、当該耐電圧検査の試験を合格した場合には、その後の工程でＭＥＡに対して更に大きな荷重がかからないため、ＭＥＡの破損や耐電圧の低下が起こりにくい。したがって、不良品の流出を抑制することができる。

また、上記の実施形態において、ステップＳ１〜Ｓ４の工程のみを行う例について説明したが、必要があれば、他の検査等を実施してもよい。例えば、ステップＳ１（耐電圧検査ステップ）において、検査者は、耐電圧検査装置１０を用いて耐電圧検査をするとともに短絡検査を行ってもよい。当該短絡検査は、例えば特開２０１３−０５４９２５号公報に開示されている方法で実施することができる。

１０ 耐電圧検査装置
２０ 測定制御部
２３ 陽極
２４ 陰極
４２ 電解質膜
４３ 触媒電極
４４ 触媒電極
４５ ガス拡散層
４６ ガス拡散層
ＭＥＡ 膜電極接合体
Ｐ 荷重

Claims (1)

1. 膜電極接合体を有する電池セルを積層し、前記電池セルの積層方向に締結荷重を加えて締結することで製造される燃料電池に対して、複数のステップによって検査を行う燃料電池の検査方法であって、
   前記膜電極接合体に対して前記締結荷重以上の荷重を加えながら耐電圧検査を行う耐電圧検査ステップを備え、
   前記複数のステップのうち、前記膜電極接合体に対して最も大きい荷重を加えるステップは、前記耐電圧検査ステップ、若しくは前記耐電圧検査ステップよりも前に行われるステップである、
   燃料電池の検査方法。

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