JP6607404B2

JP6607404B2 - 燃料電池セルの発電検査方法

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Publication number: JP6607404B2
Application number: JP2016154796A
Authority: JP
Inventors: 直利宮本
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2016-08-05
Filing date: 2016-08-05
Publication date: 2019-11-20
Anticipated expiration: 2036-08-05
Also published as: JP2018022658A

Description

本発明は、燃料電池セルと中間板とを交互に積層した状態で燃料電池セルの発電を検査する方法に関する。

特開２０１３−１２２９０８号公報には、燃料電池セルと中間板とを交互に積層した状態で燃料電池セルの発電を検査する方法が記載されている。この方法では、各中間板は、セルモニタに接続されているため、複数の燃料電池セルのそれぞれへのセルモニタの着脱作業等を省略することができる。また、中間板は、その内部に冷却水路を有しており、燃料電池セルの発電検査中に中間板内の冷却水路に冷却水を流すことにより、発電検査中の燃料電池セルを間接的に冷却することができる。これにより、燃料電池セル自体には、冷却水を流さなくてもよいため、発電検査後の燃料電池セルからの冷却水の抜き取り作業を省略することができる。

特開２０１３−１２２９０８号公報

この種の発電検査方法では、例えば、図６に示すように、燃料電池セル２０と中間板３０との間にガスケット９０を介在させ、燃料電池セル２０と中間板３０との積層方向に締結荷重を加えて、燃料電池セル２０と中間板３０との間の密着性を確保している。同図において、燃料電池セル３０と中間板３０との積層方向は、±Ｘ方向であり、鉛直方向は、−Ｚ方向である。燃料電池セル２０の発電検査時には、発熱を伴う起電反応により、ガスケット９０の分子運動が活発になり、ガスケット９０の未加硫成分が中間板３０に粘着し易い状態となる。燃料電池セル２０の発電検査後に、隣接する中間板３０の間から燃料電池セル２０を取り出すときは、中間板３０の温度は、発電検査時の温度よりも低下してしまい、ガスケット９０の分子運動が安定化し、ガスケット９０の未加硫成分が中間板３０に粘着してしまう。ガスケット９０の粘着力は、その膜厚方向（±Ｘ方向）において弱く、せん断方向（±Ｚ方向）において強い。このため、ガスケット９０をせん断方向に引き剥がそうとすると、過大なせん断応力により、燃料電池セル２０が損傷する虞がある。また、燃料電池セル２０を損傷させないように、隣接する中間板３０の間から燃料電池セル２０を取り出す作業に長時間を要することとなる。このような事情に鑑み、燃料電池セル２０の品質低下を抑制しつつ、発電検査の作業効率の向上を図る上で、燃料電池セル２０を損傷させることなく、隣接する中間板３０の間から燃料電池セル２０を短時間で取り出すことが課題となっている。

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。

本発明に係る燃料電池セルの発電検査方法は、燃料電池セルと中間板とを、ガスケットを間に介在させて、交互に積層した状態で前記燃料電池セルのアノード極及びカソード極にそれぞれ燃料ガス及び酸化ガスを供給しながら前記燃料電池セルの発電を検査した後に、前記中間板の少なくとも前記ガスケットと接する部分の温度を前記検査時における当該部分の温度よりも昇温させて前記燃料電池セルのアノード極に窒素ガスを供給する工程と、前記燃料電池セルのアノード極に窒素ガスが供給されているときの前記中間板の前記部分の温度を維持しながら、隣接する中間板の間から前記燃料電池セルを取り出す工程と、を備える。

燃料電池セルの発電検査時の中間板の温度よりも中間板の温度を昇温させて、燃料電池セルのアノード極に窒素ガスを供給し、且つ、燃料電池セルを取り出す迄の間に中間板の温度を維持することにより、燃料電池セルと中間板との間に介在するガスケットの活発な分子運動を維持させることができる。これにより、中間板に粘着したガスケットは、簡単に剥がし易くなるため、隣接する中間板の間から燃料電池セルを取り出すときの燃料電池セルの損傷を低減できる。

本実施形態に係る検査装置の構成の概略を示す説明図である。本実施形態に係る中間板の構成の概略を示す説明図である。本実施形態に係る検査装置の構成の概略を示す説明図である。本実施形態に係る燃料電池セルの発電検査方法の流れを示すフローチャートである。燃料電池セルのアノード極に窒素ガスを供給したときの窒素ガス供給時間に対する燃料電池セルの電解質膜の抵抗値の変化を示すグラフである。燃料電池セルと中間板との間に介在するガスケットの説明図である。

以下、図１乃至図６を参照しながら本発明の実施形態について説明する。ここで、同一符号は同一の要素を示すものとし、重複する説明は省略する。
図１は本実施形態に係る検査装置１０の構成の概略を示す説明図である。検査装置１０は、燃料電池セル２０と中間板３０とを交互に積層した状態で燃料電池セル２０の発電を検査するように構成されている。燃料電池は、燃料を電気化学プロセスによって酸化させることにより酸化反応に伴って放出されるエネルギーを電気エネルギーに直接変換する発電システムであり、複数の燃料電池セル２０を積層して成るスタック構造を有している。このようなスタック構造を有する燃料電池は、一種の組電池であり、燃料電池スタックとも呼ばれている。燃料電池セル２０は、反応ガス（燃料ガス、酸化ガス）の流路となる溝が形成された一対のセパレータで膜−電極アッセンブリの両面を挟み込んだ構造を有しており、単セルとも呼ばれている。膜−電極アッセンブリは、水素イオンを選択的に輸送するための電解質膜の両側面に多孔質材料から成る一対の電極（アノード極、カソード極）が形成された構造を有している。セパレータ及び膜−電極アッセンブリの構造は、公知であるため、その詳細な説明は省略する。

検査装置１０は、燃料電池を構成する複数の燃料電池セル２０の発電を検査する複数の中間板３０と、各燃料電池セル２０の発電特性（例えば、各燃料電池セル２０の出力電圧、出力電流、抵抗、又は温度など）に関する情報をケーブル４２経由で各中間板３０から収集してそれを評価及び分析する発電評価装置４１とを備えている。発電評価装置４１は、例えば、各燃料電池セル２０の発電特性を検出するセルモニタと、セルモニタが検出した発電特性に関する情報を評価及び分析するコンピュータシステムとから構成される。但し、発電評価装置４１は必ずしもセルモニタを備えている必要はなく、例えば、各中間板３０がセルモニタを備えている場合には、各燃料電池セル２０の発電特性に関する情報を各中間板３０内のセルモニタから発電評価装置４１に送信するように構成してもよい。中間板３０と燃料電池セル２０とが交互に配置されて積層体を形成するように、隣接する二つの中間板３０の間には、一つの燃料電池セル２０が挿入されており、その積層体の一端に位置する中間板３０には、絶縁インシュレータ５１及びエンドプレート６１が配置され、その積層体の他端に位置する中間板３０には、絶縁インシュレータ５２及びエンドプレート６２が配置されている。エンドプレート６１，６２は、例えば、金属板である。絶縁インシュレータ５１は、中間板３０とエンドプレート６１との間の絶縁を確保する絶縁部材である。同様に、絶縁インシュレータ５２は、中間板３０とエンドプレート６２との間の絶縁を確保する絶縁部材である。

なお、各燃料電池セル２０，各中間板３０，各絶縁インシュレータ５１，５２，及び各エンドプレート６１，６２には、各孔軸が一致するように貫通孔（図示せず）が予め形成されており、シャフト（図示せず）をその貫通孔に挿通し、ボルト等の締結具（図示せず）で締結することにより、燃料電池セル２０及び中間板３０の積層方向に締結力を加え、燃料電池セル２０と中間板３０との間の密着性を確保している。本明細書では、燃料電池セル２０及び中間板３０の積層方向を±Ｘ方向とし、鉛直方向を−Ｚ方向としている。

図２は本実施形態に係る中間板３０の構成の概略を示す説明図である。各中間板３０は、その内部に冷却水路３５を有する導電性板状部材である。燃料電池セル２０内部で生じる起電反応は、発熱を伴うため、中間板３０内の冷却水路３５に冷却水を流すことによって、燃料電池セル２０を間接的に冷却することができる。また、中間板３０には、それぞれ、燃料ガス供給マニホールド、酸化ガス供給マニホールド、酸化ガス排出マニホールド、及び燃料ガス排出マニホールドとして機能する複数の貫通孔３１，３２，３３，３４が形成されている。燃料電池セル２０は、燃料ガス供給マニホールド、酸化ガス供給マニホールド、酸化ガス排出マニホールド、及び燃料ガス排出マニホールドを有しており、燃料電池セル２０と中間板３０と交互に積層するときは、燃料電池セル２０の燃料ガス供給マニホールド、酸化ガス供給マニホールド、酸化ガス排出マニホールド、及び燃料ガス排出マニホールドが中間板３０の貫通孔３１，３２，３３，３４と整合するように、中間板３０に対して燃料電池セル２０が位置決めされる。

図３は検査装置１０を用いて燃料電池セル２０の発電を検査するときの反応ガス（燃料ガス、酸化ガス）及び冷却水の流れの様子を示す説明図である。燃料ガス供給マニホールド７１には、バルブ８４を介して燃料ガス供給装置８１が接続され、更に、バルブ８５を介して窒素ガス供給装置８３が接続されている。一方、酸化ガス供給マニホールド７２には、酸化ガス供給装置８２が接続されている。ここで、燃料ガス供給装置８１は、例えば、燃料ガスとしての水素ガスを貯蔵する水素タンクである。酸化ガス供給装置８２は、例えば、酸化ガスとしての空気を供給するエアポンプである。窒素ガス供給装置８３は、例えば、窒素ガスを貯蔵する窒素タンクである。燃料電池セル２０の発電検査時にバルブ８４を介して燃料ガス供給装置８１から供給される燃料ガスは、燃料ガス供給マニホールド７１を通過して各燃料電池セル２０に流れ込み、各燃料電池セル２０での起電反応に寄与した後に、燃料ガス排出マニホールド７３を通過して外部に外出される。同様に、燃料電池セル２０の発電検査時に酸化ガス供給装置８２から供給される酸化ガスは、酸化ガス供給マニホールド７２を通過して各燃料電池セル２０に流れ込み、各燃料電池セル２０での起電反応に寄与した後に、酸化ガス排出マニホールド７４を通過して外部に外出される。各中間板３０の冷却水路３５は、ポンプ７６から圧送される冷却水を循環させる冷却水循環路７５に接続している。中間板３０内の冷却水路３５を流れる際に冷却水が吸収した熱量は、ラジエータ７７を介して放熱され、燃料電池セル２０が適度な温度で発電できるように、冷却水の温度が調整されている。発電検査中の燃料電池セル２０では、アノード極において（１）式の酸化反応が生じ、カソード極において（２）式の還元反応が生じる。燃料電池セル２０全体としては（３）式の起電反応が生じる。

Ｈ₂ → ２Ｈ⁺＋２ｅ^- …（１）
（１／２）Ｏ₂＋２Ｈ⁺＋２ｅ^- → Ｈ₂Ｏ …（２）
Ｈ₂＋（１／２）Ｏ₂ → Ｈ₂Ｏ …（３）

燃料電池セル２０の発電検査が終了すると、バルブ８４は閉弁されるとともに、バルブ８５が開弁されて、窒素ガス供給装置８３から燃料ガス供給マニホールド７１を通して燃料電池セル２０のアノード極に窒素ガスが供給される。これにより、燃料電池セル２０内に残留する未反応燃料が窒素ガスで置換される。未反応燃料を窒素ガスで置換すると、燃料電池セル２０のアノード電位は、略０Ｖの状態を暫く維持する。このような発電停止状態においては、電解質膜を介して、燃料電池セル２０内における酸化ガス流路と燃料ガス流路との間で濃度差に応じてガスの移動が起こる。即ち、酸素濃度の高い燃料電池セル２０内の酸化ガス流路から、燃料電池セル２０内の燃料ガス流路へと酸素が移動する。また、窒素濃度の高い燃料電池セル２０内の燃料ガス流路から、燃料電池セル２０内の酸化ガス流路へと窒素が移動する。そして、最終的には、燃料電池セル２０内の酸化ガス流路も燃料電池セル２０内の燃料ガス流路も共に、ほぼ同じ成分のガス（空気）によって満たされた状態になる。また、燃料電池セル２０のアノード極に窒素ガスを供給することにより、燃料電池セル２０の電解質膜の乾燥を促すことができる。

なお、図１及び図３には図示していないが、燃料電池セル２０と中間板３０とが交互に積層された状態において、燃料電池セル２０と中間板３０との間には、図６に示すように、ガスケット９０が介在しているものとする。

次に、図４を参照しながら、燃料電池セル２０の発電検査方法の流れについて説明する。まず、隣接する中間板３０の間に燃料電池セル２０を挿入することにより、燃料電池セル２０と中間板３０とを交互に積層する（Ｓ４０１）。次いで、燃料電池セル２０と中間板３０とを交互に積層してなる積層体に締結荷重を加えて、燃料電池セル２０と中間板３０との間の密着性を確保する（Ｓ４０２）。このとき、燃料電池セル２０と中間板３０との間には、図６に示すように、ガスケット９０が介挿されているものとする。次いで、燃料電池セル２０と中間板３０とを交互に積層してなる積層体からガス漏れが生じていないか否かをチェックする（Ｓ４０３）。次いで、各燃料電池セル２０に燃料ガス及び酸化ガスを供給し、（３）式に示す起電反応を生じさせて、各燃料電池セル２０の発電特性（例えば、各燃料電池セル２０の出力電圧、出力電流、抵抗、又は温度など）に関する情報を各中間板３０から収集する（Ｓ４０４）。Ｓ４０１〜Ｓ４０４に示す一連のステップにおいて、中間板３０の温度は、ラジエータ７７により、ほぼ一定温度（例えば、約４８℃）に維持されている。

燃料電池セル２０の発電検査が終了すると、燃料電池セル２０の発電検査時の中間板３０の温度（例えば、約４８℃）よりも中間板３０の温度を昇温させて、燃料電池セル２０のアノード極に窒素ガスを供給し、燃料電池セル２０内に残留する未反応燃料を窒素ガスで置換する（Ｓ４０５）。燃料電池セル２０のアノード極に窒素ガスを供給しているときの中間板３０の温度は、発電中の燃料電池セル２０の温度（例えば、約７０〜９５℃）と同程度の温度であるのが望ましく、例えば、約８０℃が好適である。次いで、燃料電池セル２０のアノード極に窒素ガスが供給されているときの中間板３０の温度（例えば、約８０℃）を維持しながら、隣接する中間板３０の間から燃料電池セル２０を取り出す（Ｓ４０６）。燃料電池セル２０の発電検査時には、発熱を伴う起電反応により、ガスケット９０の分子運動が活発になり、ガスケット９０の未加硫成分が中間板３０に粘着し易い状態となるが、燃料電池セル２０の発電検査時の中間板３０の温度（例えば、約４８℃）よりも中間板３０の温度を昇温させて（例えば、中間板３０の温度を約８０℃に昇温させて）、燃料電池セル２０のアノード極に窒素ガスを供給し、且つ、燃料電池セル２０を取り出す迄の間に中間板３０の温度（例えば、約８０℃）を維持することにより、ガスケット９０の活発な分子運動を維持させることができる。これにより、中間板３０に粘着したガスケット９０は、簡単に剥がし易くなるため、隣接する中間板３０の間から燃料電池セル２０を取り出すときの燃料電池セル２０の損傷を低減できる。本発明者の実験によれば、隣接する中間板３０の間から燃料電池セル２０を取り出すのに要する時間は、従来の方法と比較して、燃料電池セル２０一つあたりにつき約５秒短縮できることが確認できた。燃料電池セル２０の一日あたりの発電検査数を、例えば、約１４００とすると、発電検査に要する作業時間を一日あたり約２時間短縮できる。また、本実施形態の発電検査方法によれば、隣接する中間板３０の間から燃料電池セル２０を取り出すときにガスケット９０に作用するせん断応力を、従来の方法の１５ｋｇｆから約５ｋｇｆまで低減できた。また、本実施形態の発電検査方法によれば、隣接する中間板３０の間から燃料電池セル２０を取り出すときにガスケット９０に作用するせん断応力に起因する燃料電池セル２０の正常品に対する不良品の割合を、従来の方法の１％から０％にまで低減できた。

なお、燃料電池セル２０のアノード極に窒素ガスを供給する目的は、燃料電池セル２０の未反応燃料ガスを窒素ガスに置換することと、燃料電池セル２０の電解質膜の乾燥を促すことであるが、燃料電池セル２０のアノード極に窒素ガスを供給する際に、中間板３０の温度を昇温させ（Ｓ４０５）、且つ、燃料電池セル２０を取り出す迄の間に中間板３０の温度を維持する（Ｓ４０６）ことにより、燃料電池セル２０の電解質膜が十分に乾燥するまでに要する窒素ガス供給時間を短縮できることが本発明者の実験により確認されている。図５は、燃料電池セル２０のアノード極に窒素ガスを供給したときの窒素ガス供給時間に対する燃料電池セル２０の電解質膜の抵抗値の変化をグラフに表したものであり、横軸は窒素ガス供給時間を示し、縦軸は燃料電池セル２０の電解質膜の抵抗値を示している。燃料電池セル２０の電解質膜の乾燥の度合いは、燃料電池セル２０の電解質膜の抵抗値と関連しているため、燃料電池セル２０の電解質膜の抵抗値から燃料電池セル２０の電解質膜の乾燥の度合いを判定することができる。同図において、符号５０１は、本実施形態に係る発電検査方法による、窒素ガス供給時間に対する燃料電池セル２０の電解質膜の抵抗値の変化を示し、符号５０２は、従来の発電検査方法による、窒素ガス供給時間に対する燃料電池セル２０の電解質膜の抵抗値の変化を示している。但し、従来の発電検査方法では、Ｓ４０１〜Ｓ４０６に示す一連のステップにおいて、中間板３０の温度は、ラジエータ７７により、ほぼ一定温度（例えば、約４８℃）に維持されている。同図から、本実施形態に係る発電検査方法によれば、燃料電池セル２０の電解質膜の抵抗値が目標抵抗値に一致するまでの時間を約１０秒短縮できることが解る。これにより、燃料電池セル２０の発電検査に要する時間を短縮し、作業効率を向上させることができる。

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。本発明は、その趣旨を逸脱することなく、変更／改良され得るととともに、本発明にはその等価物も含まれる。即ち、実施形態に当業者が適宜設計変更を加えたものも、本発明の特徴を備えている限り、本発明の範囲に包含される。例えば、実施形態が備える各要素およびその配置、材料、条件、形状、サイズなどは、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、上下左右等の位置関係は、特に断らない限り、図示の比率に限定されるものではない。また、実施形態が備える各要素は、技術的に可能な限りにおいて組み合わせることができ、これらを組み合わせたものも本発明の特徴を含む限り本発明の範囲に包含される。

１０…検査装置
２０…セル
３０…中間板
３１，３２，３３，３４…貫通孔
３５…冷却水路
４１…発電評価装置
４２…ケーブル
５１，５２…絶縁インシュレータ
６１，６２…エンドプレート
７１…燃料ガス供給マニホールド
７２…酸化ガス供給マニホールド
７３…燃料ガス排出マニホールド
７４…酸化ガス排出マニホールド
７５…冷却水循環路
７６…ポンプ
７７…ラジエータ
８１…燃料ガス供給装置
８２…酸化ガス供給装置
８３…窒素ガス供給装置
９０…ガスケット

Claims

燃料電池セルと中間板とを、ガスケットを間に介在させて、交互に積層した状態で前記燃料電池セルのアノード極及びカソード極にそれぞれ燃料ガス及び酸化ガスを供給しながら前記燃料電池セルの発電を検査した後に、前記中間板の少なくとも前記ガスケットと接する部分の温度を前記検査時における当該部分の温度よりも昇温させて前記燃料電池セルのアノード極に窒素ガスを供給する工程と、
前記燃料電池セルのアノード極に窒素ガスが供給されているときの前記中間板の前記部分の温度を維持しながら、隣接する中間板の間から前記燃料電池セルを取り出す工程と、
を備える、燃料電池セルの発電検査方法。