JP6127946B2

JP6127946B2 - 燃料電池の検査方法

Info

Publication number: JP6127946B2
Application number: JP2013250912A
Authority: JP
Inventors: 一裕渡辺
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2013-12-04
Filing date: 2013-12-04
Publication date: 2017-05-17
Anticipated expiration: 2033-12-04
Also published as: JP2015109177A

Description

本発明は、燃料電池の検査方法に関する。

燃料電池の性能を評価するための試験において、燃料電池の実際の運転条件に近づけて試験を行うために、燃料電池に加湿ガスが供給される場合がある。加湿ガスは、ガス供給路の上流に設けられた加湿器により、供給される（特許文献１）。

特開２００７−３２８９２３号公報

特許文献１の技術では、加湿器を用いるため、試験を行うための装置が大型化していた。また、ガスの湿度を制御するために、装置の制御が複雑化していた。そのため、装置の大型化や制御の複雑化を抑制可能な技術が求められていた。

本発明は、上述の課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、以下の形態として実現することが可能である。
本発明の第１の形態は、
電解質膜の両面に電極触媒層を備える膜電極接合体と、ガス流路と、を有する燃料電池の検査方法であって、
（ａ）前記ガス流路に接続された配管から前記燃料電池に水を供給する工程と、
（ｂ）少なくとも前記膜電極接合体に水を残したまま、前記配管から前記燃料電池内の水を排出する工程と、
（ｃ）前記配管から前記燃料電池に、加湿が行われていない燃料ガスと加湿が行われていない酸化ガスとを供給する工程と、
（ｄ）前記燃料電池が所定の出力を有するか否かを検査する工程と、を備え、
前記工程（ｄ）に先立ち、前記燃料電池内の水の量を所定の量に調整し、
前記所定の出力は、前記燃料電池が良品か否かを判定するために予め定められた出力であり、
前記所定の量は、前記工程（ｄ）において前記燃料電池が良品か否かを判定可能な量である、
燃料電池の検査方法である。
また、本発明は、以下の形態として実現することも可能である。

（１）本発明の一形態によれば電解質膜の両面に電極触媒層を備える膜電極接合体と、ガス流路と、を有する燃料電池の検査方法が提供される。この検査方法は、（ａ）前記ガス流路に接続された配管から前記燃料電池に水を供給する工程と；（ｂ）少なくとも前記膜電極接合体に水を残したまま、前記配管から前記燃料電池内の水を排出する工程と；（ｃ）前記配管から前記燃料電池に燃料ガスと酸化ガスとを供給する工程と；（ｄ）前記燃料電池が所定の出力を有するか否かを検査する工程と、を備え；前記工程（ｂ）及び前記工程（ｃ）の少なくとも一方の工程において、前記燃料電池内の水の量を所定の量に調整する。このような形態の燃料電池の検査方法であれば、燃料電池内に水を供給して、膜電極接合体に水を残したまま燃料電池から水を排出するので、検査を行うためにガスを加湿して膜電極接合体を含水させなくともよい。そのため、検査を行うための装置や制御システムを簡易化することができる。また、燃料電池内の水の量を所定の量に調整するので、検査を精度よく行うことができる。

本発明は、上述した燃料電池の発電検査方法以外の種々の形態で実現することも可能である。例えば、燃料電池の検査装置等の形態で実現することができる。

検査装置の構成を示す図である。燃料電池の検査方法を示すフローチャートである。検査における経過時間と出力との関係を示す図である。

Ａ．実施形態：
Ａ１．検査装置の構成：
図１は、検査装置１００の構成を示す図である。検査装置１００は、燃料電池が所定の出力を有するか否かを検査するための装置である。検査装置１００は、燃料電池４０と、燃料ガス供給管５０ａと、酸化ガス供給管６０ａと、燃料ガス排出管５０ｂと、酸化ガス排出管６０ｂと、ドレイン５５、６５と、制御部７０と、を備える。燃料ガス供給管５０ａと、酸化ガス供給管６０ａと、燃料ガス排出管５０ｂと、酸化ガス排出管６０ｂとは、本願の「配管」に相当する。

燃料電池４０は、反応ガスとして水素と酸素との供給を受けて発電する固体高分子型燃料電池である。燃料電池４０は、単セル２０を、エンドプレート３４とエンドプレート３５との間に複数積層したスタック構造を有する。単セル２０は、膜電極接合体（Membrane Electrode Assembly、ＭＥＡ）１０と、ＭＥＡ１０の一方の面に微細多孔質層（Micro Porous Layer、ＭＰＬ）１４を介して接合されたアノード側ガス拡散層１６と、もう一方の面にＭＰＬ１５を介して接合されたカソード側ガス拡散層１７と、を備える膜電極ガス拡散層接合体（Membrane-Electrode＆Gas Diffusion Layer Assembly、ＭＥＧＡ２２）を備える。ＭＥＧＡ２２のアノード側ガス拡散層１６及びカソード側ガス拡散層１７は、それぞれ、アノード側セパレータ１８及びカソード側セパレータ１９と隣接している。アノード側ガス拡散層１６とアノード側セパレータ１８との間には、燃料ガス流路３２が形成されている。カソード側ガス拡散層１７とカソード側セパレータ１９との間には、酸化ガス流路３３が形成されている。

ＭＥＡ１０は、電解質膜１１と、電解質膜１１の両面にそれぞれ形成されたアノード側触媒層１２及びカソード側触媒層１３と、を備える。電解質膜１１は、湿潤状態において良好なプロトン伝導性を示す固体高分子薄膜である。電解質膜１１は、例えば、ナフィオン（登録商標）などのフッ素系樹脂のイオン交換膜によって構成される。アノード側触媒層１２及びカソード側触媒層１３は、水素と酸素との化学反応を促進する触媒と、触媒を担持したカーボン粒子とを備える。アノード側触媒層１２及びカソード側触媒層１３は、本願の「電極触媒層」に相当する。

ＭＰＬ１４、１５は、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）などの撥水性樹脂とカーボンブラックなどの導電性材料とを用いて構成された微細孔を有する。ＭＰＬ１４、１５は、ＭＥＡ１０内の湿潤状態を保持するとともに、燃料電池４０の発電中に、アノード側触媒層１２及びカソード側触媒層１３や、アノード側ガス拡散層１６及びカソード側ガス拡散層１７の細孔が、化学反応により生じた水によって閉塞されることを抑制する。

アノード側ガス拡散層１６及びカソード側ガス拡散層１７は、例えば、炭素繊維基材や黒鉛繊維基材、発泡金属など、導電性及びガス拡散性を有する多孔質の基材によって構成される。

アノード側セパレータ１８及びカソード側セパレータ１９は、導電性及びガス不透過性を有する板状部材であり、例えば、金属板によって構成される。

燃料ガス流路３２は、燃料ガス供給管５０ａ及び燃料ガス排出管５０ｂと接続されている。酸化ガス流路３３は、酸化ガス供給管６０ａ及び酸化ガス排出管６０ｂと接続されている。複数の単セル２０には、燃料ガス供給管５０ａから燃料ガス流路３２を介して燃料ガス（例えば水素）が供給され、酸化ガス供給管６０ａから酸化ガス流路３３を介して酸化ガス（例えば空気）が供給される。また、複数の単セル２０において反応済みのガスや反応に供されなかったガスは、燃料ガス排出管５０ｂ及び酸化ガス排出管６０ｂから排出される。更に、後述の検査において、燃料電池４０の複数の単セル２０には、燃料ガス供給管５０ａ及び酸化ガス供給管６０ａから水が供給され、燃料ガス排出管５０ｂ及び酸化ガス排出管６０ｂから水が排出される。排出された水は、ドレイン５５、６５に収容される。

制御部７０は、コンピュータによって構成されており、検査装置１００の各部を制御する。制御部７０は、例えば、燃料電池４０への水及びガスの供給や、燃料電池４０からの水の排出を制御する。また、制御部７０は、後述の検査において、燃料電池４０内の水の量を検査を行うために適した量（所定の量）に調整し、燃料電池４０の出力が所定の値以上であるか否かを検査する。

Ａ２．燃料電池の検査方法：
図２は、検査装置１００による燃料電池４０の検査方法を示すフローチャートである。燃料電池４０の検査では、まず、燃料電池４０の複数の単セル２０内に水が注入される（ステップＳ１００）。ステップＳ１００では、制御部７０は、燃料ガス供給管５０ａ及び酸化ガス供給管６０ａから、例えば約５０℃〜１００℃の温水が供給されるように、検査装置１００を制御する。ステップＳ１００は、本願の「工程（ａ）」に相当する。

次に、制御部７０の制御により、少なくともＭＥＡ１０内に水を残したまま、燃料ガス排出管５０ｂ及び酸化ガス排出管６０ｂから、燃料電池４０内の水が排出される（ステップＳ１０２）。ステップＳ１０２では、制御部７０は、燃料ガス供給管５０ａ及び酸化ガス供給管６０ａから、例えば窒素ガスを供給し、燃料電池４０内の水を、燃料ガス排出管５０ｂ及び酸化ガス排出管６０ｂから排出する。

燃料電池４０の備える複数の単セル２０はＭＰＬ１４、１５を有している。そのため、ステップＳ１０２では、燃料ガス流路３２及び酸化ガス流路３３と、アノード側ガス拡散層１６及びカソード側ガス拡散層１７とからは、水が排出されるものの、単セル２０のＭＰＬ１４、１５に挟持されたＭＥＡ１０内は、水が含水された湿潤状態となる。このようにステップＳ１０２においてＭＥＡ１０を湿潤状態とすることで、後の検査（ステップＳ１１２）が行われる際には、燃料電池４０の複数の単セル２０内（ＭＥＡ１０内）の水の量は、精度よく検査を行うために適した量となる。ステップＳ１０２は、本願の「工程（ｂ）」に相当する。

次に、燃料ガス供給管５０ａから燃料ガスが、酸化ガス供給管６０ａから酸化ガスが、それぞれ燃料電池４０に供給される（ステップＳ１０４）。ステップＳ１０４では、制御部７０は、加湿器を用いた加湿が行われない燃料ガス及び酸化ガス（無加湿ガス）を供給する。ステップＳ１０４は、本願の「工程（ｃ）」に相当する。

次に、制御部７０により、燃料電池４０が下限電圧に保持される（ステップＳ１０６）。下限電圧とは、燃料電池４０が逆電位になることを防ぐための下限の電圧である。本実施形態では、制御部７０は、電圧値の変動を許容可能なように、電圧を０．３Ｖに設定して保持する。

燃料電池４０が下限電圧に保持されると、制御部７０により、フラッディングが解消したか否かが判断される（ステップＳ１０８）。制御部７０は、フラッディングが解消したか否かを、燃料電池４０の出力（電流値）が上昇しはじめたか否かにより判断することができる。制御部７０は、更に、出力（電流値）を監視して、例えば、電流値が燃料電池４０の出力の９割に達したか否かを判断する。

フラッディングが解消したと判断されると（ステップＳ１０８：ＹＥＳ）、制御部７０により、燃料電池４０の電流値が検査条件の電流値に変更される（ステップＳ１１０）。制御部７０は、電流値を例えば、５０〜５００Ａの範囲内の電流値に変更して、変更した電流値を保持し、出力（電圧値）を監視する。

次に制御部７０により、燃料電池４０が所定の出力（電圧値）を有するか否かの検査が行われる（ステップＳ１１２）。制御部７０は、例えば、出力が予め定められた規格値以上である場合に、燃料電池４０は良品であると判定し、そうでない場合に燃料電池４０は良品でないと判定することができる。ステップＳ１１０〜ステップＳ１１２は、「本願の工程（ｄ）」に相当する。以上のようにして、検査装置１００による検査が実行される。検査により良品と判定された燃料電池４０は、例えば、他の出荷検査を経て、車両に搭載される。

図３は、検査における経過時間と出力（電圧値）との関係を示す図である。図３には、横軸に経過時間、縦軸に出力をとった２つの燃料電池の検査結果が示されている。図に示す一点鎖線は、ステップＳ１１２における検査の閾値を示す。一点鎖線で示す出力以上の出力を有する燃料電池は、良品と判定される。

Ａ３．効果：
以上のような燃料電池４０の検査方法であれば、燃料ガス供給管５０ａ及び酸化ガス供給管６０ａから燃料電池４０内に水を供給して、ＭＥＡ１０に水を残したまま燃料電池４０から水を排出する。そのため、検査を行うためにガスを加湿してＭＥＡ１０を含水させなくともよいので、検査を行うための装置や制御システムを簡易化することができる。

また、燃料電池４０内に水を供給した後、ＭＥＡ１０に水を残したまま燃料電池４０から水を排出し、加湿が行われていない燃料ガス及び酸化ガスを供給することにより、燃料電池４０内の水の量を、検査を行うために適した量（最適な量）に調整することができる。そのため、精度の良い検査結果を得ることができる。更に、燃料電池４０内に温水を供給するので、冷却媒体により複数の単セル２０を通常の発電状態の温度（例えば、８０℃）に調整しなくともよい。よって、検査に要する手間や時間を削減することができる。すなわち、本実施形態の検査方法であれば、燃料電池４０が所定の出力を有するか否かを検査するためにかかるコストを低下させることができる。

Ｂ．変形例：
Ｂ１．変形例１：
上述の実施形態では、制御部７０は、電圧値の変動を許容可能なように下限電圧を０．３Ｖに設定し、保持している（図２、ステップＳ１０６）。これに対し、制御部７０は、例えば、燃料電池４０内の水の量が、検査を行うためにより適した量に調整されていれば、電圧を０．６Ｖに設定してもよい。このようにすれば、ステップＳ１１０において、検査条件に変更する際の電圧変動を小さくすることができる。

Ｂ２．変形例２：
上述の実施形態では、制御部７０は、電圧を下限電圧である０．３Ｖに設定して保持し（図２、ステップＳ１０６）、フラッディングが解消した後（図２、ステップＳ１０８：ＹＥＳ）、電流値を検査条件である５０〜５００Ａの範囲内の電流値に変更している（図２、ステップＳ１１０）。その後、制御部７０は、燃料電池４０が所定の出力（電圧）を有するか否かを検査している（図２、ステップＳ１１２）。これに対し、制御部７０は、ステップＳ１０６において、電圧を例えば、０．６Ｖに設定し、フラッディングが解消した後（図２、ステップＳ１０８：ＹＥＳ）、ステップＳ１１０において、そのまま電流値を監視して、燃料電池４０が所定の電流値を有するか否かを検査してもよい。このようにすれば、上述の実施形態のように、電流値を一定にして電圧値を監視する検査条件に変更しなくともよいため、発電検査における工程数を削減することができる。

Ｂ３．変形例３：
上述の実施形態では、制御部７０は、燃料ガス排出管５０ｂ及び酸化ガス排出管６０ｂから、燃料電池４０内の水を排出し（図２、ステップＳ１０２）、加湿が行われていない燃料ガス及び酸化ガスを供給することにより（図２、ステップＳ１０４）、燃料電池４０内の水の量を所定の量に調整している。これに対し、制御部７０は、以下の方法によっても、燃料電池４０内の水の量を所定の量に調整することができる。
（Ａ）ステップＳ１０４以降において、燃料電池４０（ＭＥＡ１０）内に供給される燃料ガスの流量及び酸化ガスの流量に応じて、ステップＳ１００において供給される温水の量を調整する。
（Ｂ）ステップＳ１００において燃料電池４０（ＭＥＡ１０）内に供給された水の量に応じて、ステップＳ１０４において供給される燃料ガスの流量及び酸化ガスの流量を調整する。

制御部７０は、上記（Ａ）又は（Ｂ）の方法により、燃料電池４０のアノード側又はカソード側の一方の水の量が減少することを抑制することができる。なお、制御部７０は、上述の実施形態の方法と、上記（Ａ）、（Ｂ）の方法とを適宜組み合わせて、燃料電池４０内の水の量を検査を行うために適した量に調整してもよい。

Ｂ４．変形例４：
上述の実施形態では、制御部７０は、燃料電池４０に温水を供給している（図２、ステップＳ１００）。これに対し、制御部７０は、温水に代えて、燃料電池４０に蒸気を供給してもよい。

Ｂ５．変形例５：
上述の実施形態では、制御部７０は、燃料ガス供給管５０ａ及び酸化ガス供給管６０ａから、例えば窒素ガスを供給し、燃料電池４０内の水を、燃料ガス排出管５０ｂ及び酸化ガス排出管６０ｂから排出している（図２、ステップＳ１０２）。これに対し、制御部７０は、ステップＳ１０２において、ステップＳ１０４で用いられる燃料ガス及び酸化ガスを、燃料ガス供給管５０ａ及び酸化ガス供給管６０ａからそれぞれ供給して、燃料電池４０内の水を排出してもよい。また、制御部７０は、例えば重力を利用して、燃料ガス排出管５０ｂ及び酸化ガス排出管６０ｂからドレイン５５、６５へ燃料電池内の水を排出してもよい。

Ｂ６．変形例６：
上述の実施形態では、制御部７０は、検査装置１００により、複数の単セル２０を備えるスタック型の燃料電池４０について検査を行っている。これに対し、制御部７０は、検査装置１００により、スタック型ではない燃料電池（単セル２０）について検査を行ってもよい。

１０…ＭＥＡ
１１…電解質膜
１２…アノード側触媒層
１３…カソード側触媒層
１４、１５…ＭＰＬ
１６…アノード側ガス拡散層
１７…カソード側ガス拡散層
１８…アノード側セパレータ
１９…カソード側セパレータ
２０…単セル
２２…ＭＥＧＡ
３２…燃料ガス流路
３３…酸化ガス流路
３４、３５…エンドプレート
４０…燃料電池
５０ａ…燃料ガス供給管
５０ｂ…燃料ガス排出管
５５、６５…ドレイン
６０ａ…酸化ガス供給管
６０ｂ…酸化ガス排出管
７０…制御部
１００…検査装置

Claims

電解質膜の両面に電極触媒層を備える膜電極接合体と、ガス流路と、を有する燃料電池の検査方法であって、
（ａ）前記ガス流路に接続された配管から前記燃料電池に水を供給する工程と、
（ｂ）少なくとも前記膜電極接合体に水を残したまま、前記配管から前記燃料電池内の水を排出する工程と、
（ｃ）前記配管から前記燃料電池に、加湿が行われていない燃料ガスと加湿が行われていない酸化ガスとを供給する工程と、
（ｄ）前記燃料電池が所定の出力を有するか否かを検査する工程と、を備え、
前記工程（ｄ）に先立ち、前記燃料電池内の水の量を所定の量に調整し、
前記所定の出力は、前記燃料電池が良品か否かを判定するために予め定められた出力であり、
前記所定の量は、前記工程（ｄ）において前記燃料電池が良品か否かを判定可能な量である、
燃料電池の検査方法。