JP4918274B2 - 燃料電池セル及び水電解セルの製造方法、並びに、セル構造体 - Google Patents

Description

本発明は、燃料電池セル及び水電解セルの製造方法に関しており、特に、燃料電池セルや水電解セルの電気的、機械的特性を適正に検査することを可能にするための技術に関する。

固体電解質型の燃料電池セルは、焼成工程の後、所望の電気的、機械的特性が得られていることを検査によって確認した後に製品として出荷される。これは、固体電解質型の燃料電池セルの電気的、機械的特性が、焼成雰囲気の微少な違いに強く影響を受けることが知られているからである。何らかの不具合によって不適正な雰囲気で焼成が行われると、所望の電気的、機械的特性が得られない。このため、焼成が適正に行われたことを、何らかの検査によって確認する必要がある。

燃料電池セルの検査方法は、例えば、特開２００５−２７６７２９号公報に知られている。特開２００５−２７６７２９号公報は、燃料電池セルに発電を行わせることなく、燃料電池セルを検査する方法を開示している。この公報に開示されている検査方法では、燃料電池セルの開回路電圧が測定され、開回路電圧から当該燃料電池セルの不良が判定される。

燃料電池セルの特性、特に、機械的特性を適正に検査するためには、破壊検査を行うことが望ましい。例えば、燃料電池セルの引っ張り強さの検査は、燃料電池セルから試験片を切り出し、その試験片が破壊される引っ張り応力を計測することによって行うことが可能である。

一つの問題は、破壊検査が、多数の燃料電池セルの検査、特に全数検査とは相容れない点である。製造された燃料電池セルの特性の分布を把握するためには、多数の燃料電池セルの検査、最も好適には、全数検査を行う必要がある。しかしながら、多数の燃料電池セルに対して破壊検査を行うことは、製品の理想的な歩留まりを低下させる。例えば、同時に焼成工程が行われた１ロット、Ｎ本の燃料電池セルのうち、Ｍ本の燃料電池セルを破壊検査によって検査する場合には、製品の歩留まりは、最高でも１００×（Ｎ−Ｍ）／Ｎ％であり、決して１００％にはならない。１ロットの燃料電池セルのうちの破壊検査が行われる燃料電池セルの数Ｍを増加させれば、検査の確実性は向上するものの、製品の歩留まりは低下してしまう。このような事情は、水を電気分解して水素と酸素とを発生するために使用される水電解セルの検査でも同様に当てはまる。

特開２００４−３２７１２９号公報は、燃料電池セルの全数検査を行うための検査技術を開示している。しかし、公知のその検査技術では、燃料電池セルに応力を印加するものの、破壊検査を行うわけではないので、燃料電池セルの機械的特性を充分に測定することはできない。

このような背景から、燃料電池セルや水電解セルの特性を、破壊検査を用いて評価する一方で、燃料電池セルや水電解セルの理論上の歩留まりを１００％にできるような燃料電池セルの検査技術の提供が望まれている。
特開２００５−２７６７２９号公報 特開２００４−３２７１２９号公報

したがって、本発明の目的は、燃料電池セルや水電解セルの特性を破壊検査を用いて適正に評価する一方で、燃料電池セルや水電解セルの理論上の歩留まりを１００％にできるような検査技術を提供することにある。

上記の目的を達成するために、本発明は、以下に述べられる手段を採用する。その手段を構成する技術的事項の記述には、［特許請求の範囲］の記載と［発明を実施するための最良の形態］の記載との対応関係を明らかにするために、［発明を実施するための最良の形態］で使用される番号・符号が付加されている。但し、付加された番号・符号は、［特許請求の範囲］に記載されている発明の技術的範囲を限定的に解釈するために用いてはならない。

一の観点において、本発明による燃料電池セル製造方法は、製品セル（２、２Ａ、２Ｂ）と検査部分（３、３Ａ、３Ｂ）とを有するセル構造体（１、１Ａ、１Ｂ）を作製するセル作製工程と、セル構造体（１、１Ａ、１Ｂ）を切断して検査部分（３、３Ａ、３Ｂ）を分離する切断工程と、検査部分（３、３Ａ、３Ｂ）に対して、破壊検査を含む特性検査を行う検査工程と、前記特性検査の結果に基づいて製品セル（２、２Ａ、２Ｂ）の合否を判定する判定工程とを具備する。

このような燃料電池セル製造方法では、破壊検査が使用されることにより、特に機械的特性について適正な特性検査を行うことができる。破壊検査は、製品セル（２、２Ａ、２Ｂ）ではなく検査部分（３、３Ａ、３Ｂ）に対して行われるため、破壊検査を行っても製品セル（２、２Ａ、２Ｂ）の理論上の歩留まりは低下しない。言い換えれば、燃料電池セルの理論上の歩留まりを１００％にすることができる。加えて、本発明による燃料電池セル製造方法は、多数の燃料電池セルの検査、理想的には、全数検査を行うことを可能にし、これにより、燃料電池セルの特性の分布を把握することを可能にする。燃料電池セルの特性の分布を把握することは、製造された燃料電池セルが組み込まれる燃料電池モジュールの要求に合わせて組み込むべき燃料電池セルを選定するために有効である。

好適には、燃料電池セル製造方法は、更に、検査部分（３、３Ａ、３Ｂ）を還元するための還元工程を具備し、前記特性検査は、検査部分（３、３Ａ、３Ｂ）が還元された後に行われることが好ましい。

前記セル構造体（１）を形成する工程が、セル構造体（１）を、その一端で支持して焼成する工程を含む場合には、検査部分（３）は、セル構造体（１）の他端に形成されていることが好ましい。

製品セル（２）と検査部分（３）とは、同一の膜積層構造を有することが好ましい。具体的には、製品セル（２）と検査部分（３）とは、いずれも、燃料極（１２）と電解質膜（１３）とインターコネクタ（１４）と空気極（１５）とを備えることが好ましい。

このような製造方法は、水電解セルの製造方法に適用されることも可能である。

他の観点において、本発明による燃料電池セル構造体は、燃料電池セルとして機能する製品セル部分（２）と、製品セル部分（２）と一体に形成され、且つ、製品セル部分（２）と同一の膜積層構造を有する検査部分（３）とを具備する。

更に他の観点において、本発明による水電解セル構造体は、水電解セルとして機能する製品セル部分（２）と、製品セル部分（２）と一体に形成され、且つ、製品セル部分（２）と同一の膜積層構造を有する検査部分（３）とを具備する。

本発明によれば、燃料電池セルや水電解セルの特性を破壊検査によって評価しながら、燃料電池セルや水電解セルの理論上の歩留まりを１００％にできるような燃料電池セルの検査技術が提供される。
更に本発明によれば、燃料電池セルや水電解セルの性能の分布を明らかにし、燃料電池セルや水電解セルが組み込まれるモジュールの要求に合わせて組み込むべきセルを選定することが可能になる。

図１は、本発明の一実施形態における燃料電池セルの製造工程を示すフローチャートである。本実施形態の燃料電池セルの製造工程では、まず、セルチューブの作製が行われる（ステップＳ０１）。

図２は、作製されるセルチューブの構造を示す側面図である。セルチューブ１は、製品セル２と、製品セル２と一体に形成された検査素子３とから構成されている。製品セル２は、セルチューブ１のうち最終製品として出荷されるべき部分である。検査素子３は、製品セル２の電気的、機械的特性を測定するために使用される部分である。製品セル２と検査素子３は、同一の原料で、同一の時期に、同一の装置で作製されるため、製品セル２と検査素子３は、概ね同一の特性を有していると考えてよい。したがって、検査素子３を検査することは、製品セル２を検査することとほぼ等価である。後述されるように、セルチューブ１が後の工程において製品セル２と検査素子３とに切断され、検査素子３が製品セル２の検査に使用される。

図３は、セルチューブ１の構造を示す断面図である。本実施形態では、セルチューブ１は、円筒横縞型の構造を有している。具体的には、セルチューブ１は、円筒形の基体管１１を備えており、基体管１１の表面に、燃料極１２、電解質膜１３、インターコネクタ１４、及び空気極１５が順次に形成されている。セルチューブ１の製品セル２と検査素子３とは、同一の膜積層構造を有している。即ち、製品セル２と検査素子３とは、いずれも、燃料極１２、電解質膜１３、インターコネクタ１４、及び空気極１５を備えている。このような構成は、検査素子３を用いて製品セル２の電気的特性を評価するために重要である。

図１に戻り、セルチューブの作製工程（ステップＳ０１）では、原料粉体から粘土が調製され、その粘土を押し出し成型によって成型することによって、基体管１１が作製される（ステップＳ０２）。更に続いて、基体管１１の上に、燃料極１２、電解質膜１３、及びインターコネクタ１４が順次に成膜される（ステップＳ０３）。成膜の後、基体管１１、燃料極１２、電解質膜１３、及びインターコネクタ１４が一度に焼成される（ステップＳ０４）。ステップＳ０４の焼成は、セルチューブ１の上端を支持しながらセルチューブ１を吊り下げた状態で行われる。続いて、空気極１５が成膜され（ステップＳ０５）、その後、その空気極１５が焼成される（ステップＳ０６）。ステップＳ０６の焼成は、ステップＳ０４の焼成と同様に、セルチューブ１の上端を支持しながらセルチューブ１を吊り下げた状態で行われる。以上で、セルチューブ１の作製が完了する。

セルチューブの作製工程（ステップＳ０１）では、所定の本数のセルチューブ１を１ロットとしてセルチューブ１が作製される。１ロットのセルチューブ１については、上述のステップＳ０２〜Ｓ０６の各工程が、同時に行われる。特に、１ロットのセルチューブ１は、ステップＳ０４、Ｓ０６において同一の焼成炉によって同時に焼成されることに留意されたい。

セルチューブ１の作製工程の後、セルチューブ１が製品セル２と検査素子３とに切断される（ステップＳ０７）。

続いて、検査素子３の還元処理が行われる（ステップＳ０８）。この還元処理は、電解質膜１３を還元することによって検査素子３の状態を製品セル２が実際に使用される状態に近づけるためのものである。空気極１５の焼成後では、電解質膜１３が完全に酸化されており、電解質膜１３の導電性が低い。このような状態では、製品セル２の発電能力は低い。電解質膜１３の導電性を向上させて発電能力を高めるために、製品セル２は、それが実際に使用される前に還元処理がなされる。その一方で、還元処理は、製品セル２の電気的・機械的特性に大きく影響を与える。還元処理は、特に機械的強度を低下させる。製品セル２を適正に評価するために、検査素子３に還元処理がなされ、検査素子３の状態が、製品セル２が実際に使用される状態に近づけられる。

検査素子３の還元処理は、基体管１１の内側に還元性ガス（例えば、水素と不活性ガスとの混合ガス）が供給され、空気極１５の外側に酸化性ガス（例えば、空気）が供給されている状態で、検査素子３を高温に加熱することによって行われる。これにより、電解質膜１３が還元され、検査素子３の状態が、製品セル２が実際に使用される状態に近づく。

還元処理の後、検査素子３の電気的・機械的特性の検査が行われる（ステップＳ０９）。この特性検査では、様々な試験が行われる。例えば、検査素子３のリーク率、気孔率、ガス透過率、及び導電率の試験が行われ得る。リーク率、気孔率、ガス透過率、及び導電率は、製品セル２の発電効率に影響する重要なパラメータである。加えて、機械的強度の試験が行われ得る。機械的強度の試験としては、例えば、内圧バースト試験、引っ張り試験、圧環試験、曲げ試験が行われ得る。内圧バースト試験とは、基体管１１の内側に高圧力のガスを封入して基体管１１の内圧を上昇させ、基体管１１が機械的に耐えられる最高内圧を測定する試験である。引っ張り試験とは、検査素子３の両端に検査素子３が破壊されるまで引っ張り力を作用させることによって引っ張り強度を測定する試験である。圧環試験とは、増大する応力を基体管１１の径方向に、検査素子３が破壊されるまで印加する試験である。曲げ試験とは、検査素子３から切り出された試験片に曲げ応力を印加する試験であり、曲げ試験としては、３点曲げ試験、４点曲げ試験が行われ得る。更に、液体浸透探傷試験（ＰＴ：penetrant test）が行われ得る。

ステップＳ０９の特性検査では、検査素子３を破壊的に検査する破壊検査が行われる。破壊検査は、機械的強度を評価するためには最も適した方法であり、破壊検査を行うことにより、検査素子３の機械的特性を、高い信頼性をもって評価できる。これは、製品セル２の機械的特性を高い信頼性をもって評価することと等価である。上述の内圧バースト試験、引っ張り試験、圧環試験、曲げ試験は、いずれも、破壊検査である。破壊検査は、機械的強度を評価するためのものに限られない。例えば、検査素子３から試験片を切り出し、その試験片の断面写真から、気孔率を評価することも可能である。

ステップＳ０９で行われた検査素子３の検査の結果から、製品セル２の合否が判定される（ステップＳ１０）。例えば、ある検査素子３の特性が所定の要求を満足しない場合、当該検査素子３に接続されていた製品セル２が不良であると判定される。検査素子３の特性と製品セル２の特性との相関性のデータを予め取得しておけば、検査素子３の特性の検査により、間接的に製品セル２の特性を検査することが可能である。

１ロットのセルチューブ１に対して、特性検査が行われる検査素子３の数は、適宜に決定可能であることに留意されたい。必要であれば、全てのセルチューブ１の検査素子３の検査が行われてもよい。重要なことは、検査素子３について破壊検査を実施しても、このことが最終的に出荷される製品セル２の数には影響しない点である。たとえ検査素子３の全数検査を行っても、製品セル２の理想的な歩留まりは１００％である。多数の検査素子３を検査すること、特に、検査素子３の全数検査を行うことは、燃料電池セルの特性の分布を把握することを可能にする点でも好適である。燃料電池セルの特性の分布を把握することにより、製造された燃料電池セルが組み込まれる燃料電池モジュールの要求に合わせて組み込むべき燃料電池セルを選定することができる。これは、燃料電池モジュールの設計の裕度を向上させるために好適である。

このように、本実施形態における燃料電池セルの製造手順では、製品セル２の特性、特に機械的特性が、検査素子３の破壊検査によって高い信頼性をもって評価される。その一方で、製品セル２は検査によって破壊されないから、製品セル２の理想的な歩留まりは、１００％に維持される。

製品セル２の合否の判定をより適切に行うためには、図４に示されているように、ステップＳ０４、Ｓ０６の少なくとも一方の焼成工程において、検査素子３が設けられている端と反対の端が支持された状態でセルチューブ１が吊り下げられることが好適である。より具体的には、焼成を行う焼成炉２１の内部に支持筒体２２が設けられ、支持筒体２２により、セルチューブ１の上端が支持される。即ち、セルチューブ１は、検査素子３がセルチューブ１の下端に位置するような向きに保持される。

このような向きでセルチューブ１を支持して焼成を行うことにより、セルチューブ１の発電効率が最も悪い部分を、検査素子３に割り当てることができる。気孔率が低いと燃料ガスが通りにくいから、（極端に気孔率が高くない限り）発電効率は、気孔率が低いほど低い。その一方で、焼成の際にセルチューブ１の上端が支持される場合には、上端に近いほど大きな荷重がかかるから、セルチューブ１の気孔率は、セルチューブ１の下端に近いほど低くなる。言い換えれば、発電効率は、セルチューブ１の下端に近くなるほど低くなる。したがって、検査素子３がセルチューブ１の下端に位置するような向きにセルチューブ１を保持することにより、発電効率が最も悪い部分を、検査素子３に割り当てることができる。発電効率が最も悪い部分である検査素子３から製品セル２の合否の判定を行うことは、実際に使用される製品セル２の信頼性を高めるために有効である。

なお、上述の実施形態では、セルチューブ１に検査素子３が一つだけ設けられる燃料電池セル製造方法が開示されているが、セルチューブ１に複数の検査素子３が設けられることも可能である。セルチューブ１に複数の検査素子３が設けられることは、多くの種類の検査を行うことを可能にする点で好適である。

また、セルチューブの構造としては、図５に示されているように、円筒縦縞型の構造を採用することも可能である。この場合でも、セルチューブ１Ａが、製品セル２Ａと検査素子３Ａとで構成され、セルチューブ１Ａから切断された検査素子３Ａを用いて電気的・機械的特性の検査が行われる。

また、図６に示されているように、本発明は、セルチューブ１の代わりに平板型セル１Ｂが作製される場合にも適用可能である。この場合、平板型セル１Ｂが、２つの切断面４、５において切断され、これにより、製品セル２Ｂと検査素子３Ｂとが作製される。検査素子３Ｂを用いて電気的・機械的特性の検査が行われる。

燃料電池セルと水電解セルの構造は、実質的に同一であるから、上述された燃料電池セル製造方法が、水電解セル製造方法にも適用できることは、当業者には自明的である。

図１は、本発明の一実施形態における燃料電池セルの製造工程を示すフローチャートである。 図２は、一実施形態におけるセルチューブの構造を示す側面図である。 図３は、一実施形態におけるセルチューブの詳細構造を示す断面図である。 図４は、セルチューブの好適な焼成方法を示す図である。 図５は、他の実施形態におけるセルチューブの構造を示す鳥瞰図である。 図６は、更に他の実施形態における平板型セルの構造を示す鳥瞰図である。

符号の説明

１、１Ａ：セルチューブ
１Ｂ：平板型セル
２、２Ａ、２Ｂ：製品セル
３、３Ａ、３Ｂ：検査素子
４、５：切断面
１１：基体管
１２：燃料極
１３：電解質膜
１４：インターコネクタ
１５：空気極
２１：焼成炉
２２：支持筒体

Claims (6)

1. 製品セルと検査部分とを有する、円筒型のセル構造体を作製するセル作製工程と、
   前記セル構造体を切断して前記検査部分を分離する切断工程と、
   前記検査部分に対して、破壊検査を含む特性検査を行う検査工程と、
   前記特性検査の結果に基づいて前記製品セルの合否を判定する判定工程
   とを具備し、
   前記セル構造体を形成する工程は、前記セル構造体を、その一端で支持して吊るしながら焼成する工程を含み、
   前記検査部分は、前記セル構造体の他端に形成されている
   燃料電池セル製造方法。
2. 請求項１に記載の燃料電池セル製造方法であって、
   更に、前記検査部分を還元するための還元工程を具備し、
   前記特性検査は、前記検査部分が還元された後に行われる
   燃料電池セル製造方法。
3. 請求項１又は２に記載の燃料電池セル製造方法であって、
   前記製品セルの特性と前記検査部分の特性との相関性のデータが予め取得され、
   前記検査工程では、検査された前記検査部分の特性と前記相関性のデータとを用いて、前記製品セルの特性が検査される
   燃料電池セル製造方法。
4. 請求項１に記載の燃料電池セル製造方法であって、
   前記製品セルと検査部分とは、同一の膜積層構造を有する
   燃料電池セル製造方法。
5. 請求項４に記載の燃料電池セル製造方法であって、
   前記製品セルと検査部分とは、いずれも、燃料極と電解質膜とインターコネクタと空気極とを備える
   燃料電池セル製造方法。
6. 製品セルと検査部分とを有する、円筒型のセル構造体を作製するセル作製工程と、
   前記セル構造体を切断して前記検査部分を分離する切断工程と、
   前記検査部分に対して、破壊検査を含む特性検査を行う検査工程と、
   前記特性検査の結果に基づいて前記製品セルの合否を判定する判定工程
   とを具備し、
   前記セル構造体を形成する工程は、前記セル構造体を、その一端で支持して吊るしながら焼成する工程を含み、
   前記検査部分は、前記セル構造体の他端に形成されている
   水電解セル製造方法。

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