JP2022003629A - 燃料電池セルの検査方法 - Google Patents

Abstract

【課題】燃料電池セルのガス漏れ量をより正確に評価することができる燃料電池セルの検査方法を提供する。【解決手段】検査方法は、電解質膜１１を一対の電極１２で挟んだ膜電極接合体１４を備えた燃料電池セル１０を検査する方法であり、電解質膜１１におけるガス透過量を含んだ測定値を測定するリーク検査工程ＳＴ２，ＳＴ３と、燃料電池セル１０に乾いた気体を流して該気体の圧力損失を測定する圧損検査工程ＳＴ１と、を含み、リーク検査工程ＳＴ２，ＳＴ３の直前の工程が、圧損検査工程ＳＴ１であることを特徴としている。【選択図】図４

Description

本発明は、燃料電池セルの検査方法に関する。

燃料電池（燃料電池スタック）は、複数の燃料電池セル（単セル）が積層されて構成されている。各々の燃料電池セルは、電解質膜を一対の電極で挟んだ膜電極接合体（Ｍｅｍｂｒａｎｅ Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ Ａｓｓｅｍｂｌｙ：ＭＥＡ）を含んでいる。膜電極接合体の外周部は、額縁状のシール部材でシールされている。

燃料極に供給される燃料ガスや空気極に供給される空気がシール部材から漏れると、燃料電池セルの性能が低下する。シール部材の気密性を評価してガス漏れ量が大きい燃料電池セルを不具合品として選別するリーク検査が行われている（例えば、特許文献１参照）。

特開２０１６−１６４８２７号公報

しかるに、リーク検査工程で測定されるガスは、シール部材から漏出したガスに加えて、電解質膜を透過したガスを含んでいる。電解質膜のガス透過量は、電解質膜の湿潤状態（電解質膜の含水量）に左右される。電解質膜は、膜電極接合体に燃料ガス及び空気の流路が形成されたセパレータを接合するセル化工程において、一旦は乾燥されるものの、セル化工程とリーク検査工程との間の待機時間において、空気中の水分を徐々に吸収する。

待機時間や湿度に影響されて、リーク検査工程毎の電解質膜のガス透過量にばらつきがあると、シール部材における燃料電池セルのガス漏れ量を正確に評価することが困難になる。そこで、本発明は、燃料電池セルのガス漏れ量をより正確に評価することができる燃料電池セルの検査方法を提供することを目的とする。

本発明の一態様に係る検査方法は、電解質膜を一対の電極で挟んだ膜電極接合体を備えた燃料電池セルを検査する方法であり、電解質膜におけるガス透過量を含んだ測定値を測定するリーク検査工程と、燃料電池セルに乾いた気体を流して該気体の圧力損失を測定する圧損検査工程と、を含み、リーク検査工程の直前の工程が、圧損検査工程であることを特徴としている。

この態様によれば、圧損検査工程における乾いた気体により電解質膜を乾燥させて、リーク検査工程毎の電解質膜の湿潤状態を一律に揃えることができる。リーク検査工程において測定値に含まれる電解質膜のガス透過量のばらつきを抑えることができるため、測定値から燃料電池セルのガス漏れ量をより正確に評価できる。

本発明によれば、燃料電池セルのガス漏れ量をより正確に評価することができる。

図１は、本発明に係る燃料電池システムの一例を概略的に示す断面図である。 図２は、図１中のＩＩ線で囲まれた燃料電池セルの外周部を拡大して示す断面図である。 図３は、本発明の検査方法に用いるリーク検査装置の一例を概略的に示す断面図である。 図４は、本発明の検査方法の一例を示す流れ図である。 図５は、リーク検査工程における電解質膜の湿潤状態の影響を示す図である。 図６は、本発明との比較のために示す従来の検査方法の一例を示す流れ図である。

添付図面を参照して、本発明の好適な実施形態について説明する。なお、各図において、同一の符号を付したものは、同一又は同様の構成を有する。以下、図１から図６を参照して各構成について詳しく説明する。

図１は、本発明に係る燃料電池システム１の一例を概略的に示す断面図である。図示した例では、燃料電池システム１が、燃料電池２に加えて、燃料電池２に水素ガスを供給する水素タンク３、燃料電池２に空気を供給するエアポンプ４、燃料電池２を冷却するラジエータ５等を備えている。

燃料電池２は、複数の燃料電池セル１０に加えて、一対の集電板６、一対の絶縁板７、一対のエンドプレート８をさらに備えている。積層された燃料電池セル１０は、一対の集電板６に挟まれている。一対の集電板６は、一対の絶縁板７に挟まれている。一対の絶縁板７は、一対のエンドプレート８に挟まれて加圧されている。

図２は、図１中のＩＩ線で囲まれた燃料電池セルの外周部を拡大して示す断面図である。図２に示すように、燃料電池セル１０は、膜電極接合体１４と、膜電極接合体１４の両面に接着された一対のセパレータ１５と、膜電極接合体１４の外周部をシールする額縁状のシール部材１６と、を備えている。

膜電極接合体１４は、電解質膜１１と、該電解質膜１１の両面に塗布された触媒電極１２と、該触媒電極１２を覆うガス拡散層１３と、を備えている。膜電極接合体１４は、燃料極側に水素ガスを含んだ燃料ガスが供給され、空気極側に酸素ガスを含んだ空気が供給される。各々のセパレータ１５には、水素ガスを含んだ燃料ガス及び酸素ガスを含んだ空気の流路が形成されている。

シール部材１６は、燃料ガスの流路と空気の流路とが短絡しないように、膜電極接合体１４の外周部における膜電極接合体１４とセパレータ１５との隙間をシールしている。燃料電池システム１として燃料電池セル１０を組み立てる工程よりも前の工程において、燃料電池セル１０の内部から外部へ燃料ガスや空気が漏出しないかシール性を評価するリーク検査が行われる。

図３は、本発明の検査方法に用いるリーク検査装置の一例を概略的に示す断面図である。図２に示すように、リーク検査装置２０は、一対のシールプレート２１と、一対のプレッシャープレート２２と、台座２３と、複数のガイドレール２４と、押圧装置２５と、検知ガス供給装置２６と、圧力センサ２７と、制御部２８と、を備えている。

一対のシールプレート２１は、前述した集電板６及び絶縁板７と同様に、燃料電池セル１０の積層方向において燃料電池セル１０を挟むように配置されている。シールプレート２１は、リーク検査工程においてプレッシャープレート２２と燃料電池セル１０との間をシールし、それらの間から検知ガスが漏出することを防止する。

一対のプレッシャープレート２２は、燃料電池セル１０の積層方向において一対のシールプレート２１及び燃料電池セル１０を挟むように配置されている。一方のプレッシャープレート２２は、押圧装置２５に接続されており、リーク検査工程において積層された燃料電池セル１０に圧縮荷重を付与する。他方のプレッシャープレート２２は、台座２３により支持され、燃料電池セル１０に付与された圧縮荷重を受け止める。

各々のガイドレール２４は、燃料電池セル１０の積層方向に沿って延在している。複数のガイドレール２４は、燃料電池セル１０の外周部に当接することにより燃料電池セルの移動を積層方向に規制する。検知ガス供給装置２６は、ヘリウムガス等の検知ガスを供給する。圧力センサ２７は、検知ガス供給装置２６と燃料電池セル１０とを接続するガス供給配管に接続され、管内の圧力を検知する。制御部２８は、圧力センサ２７が検出した圧力に基づいて燃料電池セル１０のシール性を評価するリーク検査工程を実行する。

図４は、本発明の検査方法の一例を示す流れ図である。図４に示すように、検査方法は、電解質膜１１におけるガス透過量を含んだ測定値を測定するリーク検査工程ＳＴ２，ＳＴ３と、燃料電池セル１０に乾いた窒素ガス等の気体を流して該気体の圧力損失を測定する圧損検査工程ＳＴ１と、を含んでいる。

図示した例では、リーク検査工程ＳＴ２，ＳＴ３が、電解質膜１１のガス透過性を評価する第１のリーク検査工程ＳＴ２と、シール部材１６のシール性を評価する第２のリーク検査工程ＳＴ３と、を含んでいる。なお、電解質膜１１のガス透過性とシール部材１６のシール性と双方を一工程のリーク検査工程で評価してもよい。

本発明の検査方法は、リーク検査工程ＳＴ２，ＳＴ３の直前の工程が、燃料電池セル１０に乾いた気体を流す圧損検査工程ＳＴ１であることが特徴の一つである。圧損検査工程ＳＴ１では、燃料電池セル１０のインピーダンスを測定することにより、電解質膜１１の湿潤状態をモニターしている。

図５は、リーク検査工程ＳＴ２，ＳＴ３における電解質膜の湿潤状態の影響を示す図である。図６は、本発明との比較のために示す従来の検査方法の一例を示す流れ図である。図５に示すように、電解質膜１１のガス透過量は、電解質膜１１の湿潤状態によって増減することが知られている。図６に例示するような従来の検査方法では、電解質膜１１のガス透過量のばらつきによって検査装置２０の測定値が増減するため、測定値から燃料電池セルのガス漏れ量を正確に評価することができなかった。

これに対し、本発明の検査方法では、リーク検査工程ＳＴ２，ＳＴ３の直前の工程が、燃料電池セル１０に乾いた気体を流して該気体の圧力損失を測定する圧損検査工程ＳＴ１であるため、リーク検査工程ＳＴ２，ＳＴ３における電解質膜１１のガス透過量を一律に揃えることができる。電解質膜１１におけるガス透過量のばらつきを排して、リーク検査装置２０の測定値からシール部材１６における燃料電池セル１０のガス漏れ量をより正確に評価できるようになる。

以上説明した実施形態は、本発明の理解を容易にするためのものであり、本発明を限定して解釈するためのものではない。実施形態が備える各要素並びにその配置、材料、条件、形状及びサイズ等は、例示したものに限定されるわけではなく適宜変更することができる。また、異なる実施形態で示した構成同士を部分的に置換し又は組み合わせることが可能である。

１…燃料電池システム、２…燃料電池、３…水素タンク、４…エアポンプ、５…ラジエータ、６…集電板、７…絶縁板、８…エンドプレート、１０…燃料電池セル、１１…電解質膜、１２…触媒電極、１３…ガス拡散層、１４…膜電極接合体、１５…セパレータ、１６…シール部材、２０…リーク検査装置、２１…シールプレート、２２…プレッシャープレート、２３…台座、２４…ガイドレール、２５…押圧装置、２６…検知ガス供給装置、２７…圧力センサ、２８…制御部、ＳＴ１…圧損検査工程、ＳＴ２，ＳＴ３…リーク検査工程。

Claims (1)

1. 電解質膜を一対の電極で挟んだ膜電極接合体を備えた燃料電池セルを検査する方法であって、
   前記電解質膜におけるガス透過量を含んだ測定値を測定するリーク検査工程と、前記燃料電池セルに乾いた気体を流して該気体の圧力損失を測定する圧損検査工程と、を含み、
   前記リーク検査工程の直前の工程が、前記圧損検査工程であることを特徴とする、
   検査方法。

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