JP6166955B2 - 燃料電池の出力検査方法 - Google Patents
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Description
本発明は、燃料電池の出力検査方法に関する。
石油資源が枯渇化する一方、化石燃料の消費による地球温暖化等の環境問題が深刻化しており、二酸化炭素の発生を伴わないクリーンな電動機用電力源として燃料電池が注目されて広範に開発されると共に、一部では実用化され始めている。前記燃料電池を自動車等に搭載する場合には、高電圧と大電流とが得やすいことから、固体高分子電解質膜を用いる固体高分子型燃料電池が好適に用いられる。
前記固体高分子型燃料電池として、プロトン伝導性を備える固体高分子電解質膜の両面に、１対の電極触媒層を備え、各電極触媒層の上に、ガス拡散層を積層すると共に、さらに各ガス拡散層の上に、ガス通路を兼ねたセパレータを積層したものが知られている。前記１対の電極触媒層は、白金系金属等からなる触媒がカーボンブラック等の触媒担体に担持されイオン伝導性高分子バインダーにより一体化されることにより形成され、一方がカソード電極触媒層として作用し、他方がアノード電極触媒層として作用する。前記固体高分子型燃料電池は、前記構成を単セルとして、前記セパレータを介して複数の単セルを相互に積層することによりスタックを構成することができる。
前記固体高分子型燃料電池では、前記アノード電極触媒層を燃料極として前記ガス拡散層を介して水素等の還元性ガスを導入すると共に、前記カソード電極触媒層を空気極として前記ガス拡散層を介して空気等の酸素を含む酸化性ガスを導入する。このようにすると、前記アノード電極触媒層では、該電極触媒層に含まれる触媒の作用により、前記還元性ガスからプロトン及び電子が生成し、前記プロトンは前記固体高分子電解質膜を介して、前記空気極側の電極触媒層に移動する。そして、前記プロトンは、前記カソード電極触媒層で、該電極触媒層に含まれる触媒の作用により、該空気極に導入される前記酸化性ガス及び電子と反応して水を生成する。従って、前記アノード電極触媒層とカソード電極触媒層とを導線により接続することにより、該アノード電極触媒層で生成した電子を該カソード電極触媒層に送る回路が形成され、電流を取り出すことができる。
前記固体高分子型燃料電池は、工場出荷時に所定の検査を行うことにより、その異常の有無が判定される（例えば、特許文献１参照）。
前記検査は、発電したときに所定の電流値に対し、基準値以上の出力又は電圧が得られるか否かで異常の有無を判定している。しかし、前記のようにして検査するときには、電流値が大きくなるほどアノード電極触媒層に導入する水素の量が増大する上、大きい電流値に耐え得る検査装置が必要となるので、検査に要するコストが増大するという問題がある。
そこで、簡便でコストを低減することができる燃料電池の出力検査方法の開発が望まれる。簡便で低コストの燃料電池の出力検査方法として、例えば、検査対象の燃料電池と同型の複数の燃料電池において第１の電流における第１の電池性能を測定すると共に、該燃料電池において第１の電流より小さい第２の電流における第２の電池性能とを測定し、第１の電池性能と第２の電池性能との関係を求める方法が考えられる。
前記第１及び第２の電池性能としては、例えば、前記燃料電池の出力、電圧、インピーダンス、濃度過電圧等を挙げることができる。
このような燃料電池の出力検査方法では、第１の電池性能と第２の電池性能との関係における第１の電池性能の所定の値に対応する第２の電池性能の値を基準値とし、検査対象の燃料電池の第２の電池性能を測定して該基準値と比較することにより、該検査対象の燃料電池の良否の判定を行うことができる。この場合、第１の電流より小さい第２の電流で検査対象の燃料電池の良否を判定することができるので、簡便であり、検査にかかるコストも低減することができる。
しかしながら、前記出力検査方法では、第２の電池性能を測定する際の条件によっては、第１の電池性能と第２の電池性能との間で十分に高い相関が得られないことがあるという不都合がある。第１の電池性能と第２の電池性能との間で十分に高い相関が得られないときには、燃料電池の異常の有無を判定できないことがある。
そこで、本発明はかかる不都合を解消して、検査対象の燃料電池の異常の有無を確実に判定することができる燃料電池の出力検査方法を提供することを目的とする。
本発明者らは、検査対象の燃料電池と同型の複数の燃料電池において第１の電流における第１の電池性能を測定すると共に、該燃料電池において第１の電流より小さい第２の電流における第２の電池性能を測定し、第１の電池性能と第２の電池性能との関係を求める際に、第１の電池性能と第２の電池性能との間で十分に高い相関が得られないことがある理由について、鋭意検討した。
この結果、電極触媒として白金系金属を含む燃料電池では、例えば第１の電流を定格電流である１．０Ａ／ｃｍ２とした場合、測定時の電圧は電極触媒に含まれる白金の還元電位未満となるのに対し、第２の電流を０．１Ａ／ｃｍ２以下の低負荷とした場合、測定時の電圧が白金の還元電位以上となることがあることを見い出した。測定時の電圧が白金の還元電位以上であると、電極触媒の白金系金属の表面が酸化されることがあり、測定される電池性能のバラツキが大きくなるものと考えられる。
そこで、前記目的を達成するために、本発明の燃料電池の出力検査方法は、電極触媒として白金系金属を含む燃料電池の出力を検査する方法であって、
検査対象の燃料電池と同型の複数の燃料電池の所定の第１の電流における第１の電池性能と、該燃料電池の第１の電流より小さい第２の電流における第２の電池性能とを測定し、前記複数の燃料電池についての前記第１の電池性能と前記第２の電池性能との測定結果に基づき、第１の電池性能と第２の電池性能との相関関係を求める工程と、該第１の電池性能と第２の電池性能との前記相関関係における第１の電池性能の所定の値に対応する第２の電池性能の値を基準値とし、検査対象の燃料電池の第２の電池性能を測定して該基準値と比較することにより該検査対象の燃料電池の良否の判定を行う工程とを備え、該第２の電池性能の測定は測定時の電圧が白金の還元電位未満となる条件下に行うことを特徴とする。
検査対象の燃料電池と同型の複数の燃料電池の所定の第１の電流における第１の電池性能と、該燃料電池の第１の電流より小さい第２の電流における第２の電池性能とを測定し、前記複数の燃料電池についての前記第１の電池性能と前記第２の電池性能との測定結果に基づき、第１の電池性能と第２の電池性能との相関関係を求める工程と、該第１の電池性能と第２の電池性能との前記相関関係における第１の電池性能の所定の値に対応する第２の電池性能の値を基準値とし、検査対象の燃料電池の第２の電池性能を測定して該基準値と比較することにより該検査対象の燃料電池の良否の判定を行う工程とを備え、該第２の電池性能の測定は測定時の電圧が白金の還元電位未満となる条件下に行うことを特徴とする。
本発明の燃料電池の出力検査方法では、まず、検査対象の燃料電池と同型の複数の燃料電池の所定の第１の電流における第１の電池性能と、該燃料電池の第１の電流より小さい第２の電流における第２の電池性能とを測定し、該第１の電池性能と該第２の電池性能との相関関係を求める。このとき、前記第２の電池性能の測定は、測定時の電圧が白金の還元電位未満となる条件下に行う。
このようにすると、電極触媒の白金系金属の表面が酸化されることが無いので測定される第２の電池性能のバラツキを小さくすることができ、第１の電池性能と第２の電池性能との間で高い相関を得ることができる。この結果、第１の電池性能と第２の電池性能との相関関係における第１の電池性能の所定の値に対応する第２の電池性能の値を基準値とし、検査対象の燃料電池の第２の電池性能を測定して該基準値と比較することにより、該検査対象の燃料電池の異常の有無の判定を確実に行うことができる。
前記第１及び第２の電池性能としては、例えば、前記燃料電池の出力、電圧、インピーダンス、濃度過電圧等を挙げることができるが、測定が容易であることから電圧とすることが好ましい。
前記第２の電池性能の測定は、空気極に導入される空気と不活性ガスとの割合を調整することにより、測定時の電圧が白金の還元電位未満となる条件下に行うことができる。この場合、例えば、空気の流量が３Ｌ／分である場合には不活性ガスの流量を６Ｌ／分以上とすることが好ましく、空気の流量が２Ｌ／分である場合には不活性ガスの流量を３Ｌ／分以上とすることが好ましい。
前記空気極に導入される空気の流量が３Ｌ／分である場合に不活性ガスの流量が６Ｌ／分未満であるか、該空気の流量が２Ｌ／分である場合に不活性ガスの流量が３Ｌ／分未満であるときには、測定時の電圧が白金の還元電位以上になることがある。
次に、添付の図面を参照しながら本発明の実施の形態についてさらに詳しく説明する。
図１に示す燃料電池１は、固体高分子型燃料電池であり、プロトン伝導性を備える固体高分子電解質膜２の両面に、１対の電極触媒層３ａ，３ｂを備え、各電極触媒層３ａ，３ｂの上に、ガス拡散層４ａ，４ｂ、ガス通路を兼ねたセパレータ５ａ，５ｂが積層された構成を単セルとしている。
電極触媒層３ａ，３ｂは、白金系金属等からなる触媒がカーボンブラック等の触媒担体に担持され、イオン伝導性高分子バインダーにより一体化されることにより形成されている。前記白金系金属は、白金自体であってもよく、白金合金であってもよい。
燃料電池１は、例えば、電極触媒層３ａを燃料極（アノード）としてセパレータ５ａからガス拡散層４ａを介して水素等の還元性ガスを導入すると共に、電極触媒層３ｂを空気極（カソード）としてセパレータ５ｂからガス拡散層４ｂを介して空気等の酸素を含む酸化性ガスを導入することにより発電を行う。
また、燃料電池１は、セパレータ５ａ，５ｂを介して複数の前記単セルが積層されることにより、燃料電池スタックを構成する。
次に、本実施形態における燃料電池１の出力検査方法について説明する。前記出力検査方法は、燃料電池１の工場出荷時等にその異常の有無を判定するために行われる。
本実施形態の燃料電池１の出力検査方法では、まず、複数の燃料電池１について、電極触媒層３ａ，３ｂに実用時と同一量の水素及び酸素含有ガスを供給して発電を行う。前記酸素含有ガスとしては、例えば空気を用いることができる。このときの燃料電池１の電流と電池性能との関係を、図２（ａ）に示す。そして、定格電流Ｉ１における第１の電圧Ｅ１を測定する。
次に、複数の燃料電池１について、電極触媒層３ａに実用時と同一量の水素を供給する一方、電極触媒層３ｂには実用時の酸素含有ガスよりも酸素含有量を低減させたガスを供給して発電を行う。前記酸素含有量を低減させたガスとしては、例えば空気を窒素等の不活性ガスにより希釈したガスを用いることができる。このときの燃料電池１の電流と電池性能との関係を、図２（ｂ）に示す。そして、定格電流Ｉ１より小さい電流Ｉ２における第２の電圧Ｅ２を測定する。
このとき、電圧Ｅ１と電圧Ｅ２との間には図３に示すように正の相関関係があり、複数の燃料電池１について、電圧Ｅ１と電圧Ｅ２とを求めることにより、次式（１）のような関係式を求めることができる。
Ｅ１＝ａＥ２＋ｂ （ａ，ｂは定数） ・・・（１）
そこで、定格電流Ｉ１における所定の電圧Ｅ１に対応する電圧Ｅ２を基準値ＥＳとする。
そこで、定格電流Ｉ１における所定の電圧Ｅ１に対応する電圧Ｅ２を基準値ＥＳとする。
次に、検査対象の燃料電池１について、電極触媒層３ａに実用時と同一量の水素を供給する一方、電極触媒層３ｂには実用時の酸素含有ガスよりも酸素含有量を低減させたガスを供給して発電を行い、電流Ｉ２における電圧Ｅ２を測定する。そして、検査対象の燃料電池１について測定された電圧Ｅ２を基準値ＥＳと比較し、Ｅ２≧ＥＳであれば、該検査対象の燃料電池１を良品（異常なし）と判定する。また、Ｅ２＜ＥＳであれば、前記検査対象の燃料電池１を不良品（異常あり）と判定する。
ところで、燃料電池１では、図４に示すように、定格電流Ｉ１＝１．０Ａ／ｃｍ２のときには測定時の電圧は電極触媒に含まれる白金の還元電位（０．８Ｖ）未満である。しかし、電流Ｉ２が０．１Ａ／ｃｍ２以下のときには測定時の電圧は白金の還元電位以上になることがある。測定時の電圧が白金の還元電位以上になると、電極触媒の白金系金属の表面が酸化され、第２の電圧Ｅ２のバラツキが大きくなり、第１の電圧Ｅ１と第２の電圧Ｅ２との間で十分に高い相関を得ることができなくなる。
そこで、本実施形態の燃料電池１の出力検査方法では、第２の電圧Ｅ２の測定を、測定時の電圧が白金の還元電位未満となる条件下に行う。第２の電圧Ｅ２の測定は、具体的には、空気極に導入される空気と不活性ガスとの割合を調整して行うことにより、測定時の電圧を白金の還元電位未満とすることができる。
図５に、空気極に導入されるガス流量と測定時の電圧との関係を示す。図５から、空気極に導入される空気の流量が３Ｌ／分である場合には、不活性ガス（窒素）の流量を６Ｌ／分以上とすることにより測定時の電圧を白金の還元電位未満とすることができることが明らかである。また、空気極に導入される空気の流量が２Ｌ／分である場合には、不活性ガス（窒素）の流量を３Ｌ／分以上とすることにより測定時の電圧を白金の還元電位未満とすることができることが明らかである。
次に、本発明の実施例及び比較例を示す。
〔実施例〕
本実施例では、まず、複数の燃料電池１について、電極触媒層３ａ，３ｂに実用時と同一量の水素及び酸素含有ガスを供給して発電を行い、定格電流Ｉ１＝１．０Ａ／ｃｍ２のときの第１の電圧Ｅ１を測定した。
本実施例では、まず、複数の燃料電池１について、電極触媒層３ａ，３ｂに実用時と同一量の水素及び酸素含有ガスを供給して発電を行い、定格電流Ｉ１＝１．０Ａ／ｃｍ２のときの第１の電圧Ｅ１を測定した。
次に、複数の燃料電池１について、電極触媒層３ａに実用時と同一量の水素を供給する一方、電極触媒層３ｂには実用時の酸素含有ガスよりも酸素含有量を低減させたガスを供給して発電を行い、電流Ｉ２＝０．１Ａ／ｃｍ２のときの第２の電圧Ｅ２を測定した。前記酸素含有量を低減させたガスは、空気の流量２Ｌ／分に対し、不活性ガスとしての窒素の流量を４Ｌ／分とし、測定時の電圧が白金の還元電位（０．８Ｖ）未満になるようにした。
本実施例における第１の電圧Ｅ１と第２の電圧Ｅ２との相関関係を図６に示す。Ｒ2は回帰直線の決定係数である。
〔比較例〕
本比較例では、第２の電圧Ｅ２を測定するときに、前記酸素含有量を低減させたガスを、空気の流量４Ｌ／分に対し、不活性ガスとしての窒素の流量を２Ｌ／分とし、測定時の電圧が白金の還元電位（０．８Ｖ）以上になるようにした以外は前記実施例と全く同一にして、第１の電圧Ｅ１と第２の電圧Ｅ２とを測定した。
本比較例では、第２の電圧Ｅ２を測定するときに、前記酸素含有量を低減させたガスを、空気の流量４Ｌ／分に対し、不活性ガスとしての窒素の流量を２Ｌ／分とし、測定時の電圧が白金の還元電位（０．８Ｖ）以上になるようにした以外は前記実施例と全く同一にして、第１の電圧Ｅ１と第２の電圧Ｅ２とを測定した。
本比較例における第１の電圧Ｅ１と第２の電圧Ｅ２との相関関係を図７に示す。
図６及び図７から、第２の電圧Ｅ２を測定するときに電圧を白金の還元電位未満にすることにより、電圧を白金の還元電位以上にした場合よりも、第１の電圧Ｅ１と第２の電圧Ｅ２との間で高い相関を得ることができることが明らかである。この結果、測定時の電圧を白金の還元電位未満にすることにより、検査対象の燃料電池の異常の有無を確実に判定することができることが明らかである。
尚、本実施形態では、第１及び第２の電池性能が電圧である場合を例に説明しているが、第１及び第２の電池性能として燃料電池の出力、インピーダンス、濃度過電圧等を用いてもよい。この場合、例えば、第１の電池性能を燃料電池の出力とし、第２の電池性能を濃度過電圧とし、燃料電池の出力と濃度過電圧との相関関係を用いて燃料電池の異常の有無を判定するようにしてもよい。
１…燃料電池、 ２…固体高分子電解質膜、 ３ａ，３ｂ…電極触媒層、 ４ａ，４ｂ…ガス拡散層、 ５ａ，５ｂ…セパレータ。
Claims (5)
- 電極触媒として白金系金属を含む燃料電池の出力を検査する方法であって、
検査対象の燃料電池と同型の複数の燃料電池の所定の第１の電流における第１の電池性能と、該燃料電池の第１の電流より小さい第２の電流における第２の電池性能とを測定し、前記複数の燃料電池についての前記第１の電池性能と前記第２の電池性能との測定結果に基づき、第１の電池性能と第２の電池性能との相関関係を求める工程と、
該第１の電池性能と第２の電池性能との前記相関関係における第１の電池性能の所定の値に対応する第２の電池性能の値を基準値とし、検査対象の燃料電池の第２の電池性能を測定して該基準値と比較することにより該検査対象の燃料電池の良否の判定を行う工程とを備え、
該第２の電池性能の測定は測定時の電圧が白金の還元電位未満となる条件下に行うことを特徴とする燃料電池の出力検査方法。 - 請求項１記載の燃料電池の出力検査方法において、前記第１の電池性能及び第２の電池性能は燃料電池の電圧であることを特徴とする燃料電池の出力検査方法。
- 請求項１又は請求項２記載の燃料電池の出力検査方法において、前記第２の電池性能の測定は、空気極に導入される空気と不活性ガスとの割合を調整して行うことを特徴とする燃料電池の出力検査方法。
- 請求項３記載の燃料電池の出力検査方法において、空気極に導入される空気の流量が３Ｌ／分である場合に、不活性ガスの流量を６Ｌ／分以上とすることを特徴とする燃料電池の出力検査方法。
- 請求項３記載の燃料電池の出力検査方法において、空気極に導入される空気の流量が２Ｌ／分である場合に、不活性ガスの流量を３Ｌ／分以上とすることを特徴とする燃料電池の出力検査方法。
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