JP6860391B2 - 電解質膜の短絡検査方法及びその装置 - Google Patents

Description

本発明は、燃料電池用接合体を構成する電解質膜に短絡部位が存在するか否かを検査する電解質膜の短絡検査方法及びその装置に関する。

固体高分子形燃料電池は、プロトン伝導性を示す固体高分子からなる電解質膜をアノード電極とカソード電極で挟んで構成される電解質膜・電極構造体を有する。特許文献１に記載されるように、近時、電解質膜を、高分子溶液から作製することが行われつつあり、この場合、電解質膜の薄膜化を図ることができるという利点がある。

しかしながら、電解質膜を薄膜化すると、ピンホールが形成されることがある。このような部位では電子が移動可能となるので、アノード電極とカソード電極の間で短絡が起こる懸念がある。

燃料電池を組み立てた後にこのような事態が生じることを回避するべく、電解質膜に対して通電することで短絡部位があるか否かを予め検査することが想起される。電解質膜に対して通電を行う技術としては、特許文献２、３に開示されたものが知られている。なお、特許文献２、３に記載されるように、実際には、電解質膜をアノード電極及びカソード電極で挟持した電解質膜・電極構造体に対して通電がなされている。

特開２０１４−７０２１３号公報 特開２００３−１５１６０３号公報 特開２０１３−２１８８５９号公報

従来公知の測定方法では、局所的に生じている短絡を検出することが容易ではない。このため、電解質膜・電極構造体の全体につき電流を測定し、異常電流が認められた場合に電解質膜に短絡が生じていると判断される場合、当該電解質膜・電極構造体を廃棄せざるを得ない。このため、燃料電池の製作コストを低廉化することが容易ではない。

本発明は上記した問題を解決するためになされたもので、電解質膜・電極構造体の局所的な短絡を検出することが容易であり、このために健全部位を活用することが可能となることから、燃料電池の製作コストの低廉化を図り得る電解質膜の短絡検査方法及びその装置を提供することを目的とする。

前記の目的を達成するために、本発明は、固体高分子からなる電解質膜を、少なくともアノード用電極触媒層及びカソード用電極触媒層で挟んで構成される燃料電池用接合体中の前記電解質膜に短絡部位が存在するか否かを検査する電解質膜の短絡検査方法であって、
前記アノード用電極触媒層及び前記カソード用電極触媒層の各々に第１電極及び第２電極を電気的に接続する工程と、
前記第１電極及び前記第２電極を介して前記燃料電池用接合体の複数部位に同時に通電し、該複数部位において前記第１電極と前記第２電極の間に流れる電流を同時に測定するとともに、前記燃料電池用接合体の面方向の電流分布を求め、
異常電流が流れている部位を短絡部位であると判断する工程と、
を有し、
前記第１電極又は前記第２電極の少なくとも一方を複数個の分割片から構成し、且つ前記分割片を前記燃料電池用接合体の一端面の複数部位に同時に当接させることを特徴とする。

このように、本発明においては、燃料電池用接合体の複数部位につき同時に通電を行い、その際の電流値を同時に測定することができる。そして、電流値が正常範囲内にある（正常電流が流れている）部位は短絡が生じておらず、一方、電流値が異常である（異常電流が流れている）部位は短絡が生じていると判断することで、局所的な短絡部位を検出することが容易となる。

短絡が生じている部位は、例えば、燃料電池用接合体から切除すればよい。これにより、短絡が生じていない健全な部位が残留した燃料電池用接合体となる。この燃料電池用接合体を所定の形状・寸法に分割すれば、健全な分割片が得られる。燃料電池用接合体にガス拡散層が含まれていないときには、分割片に対してガス拡散層を設けて電解質膜・電極構造体を構成し、さらに、該電解質膜・電極構造体をセパレータで挟持して単セルを構成すればよい。

このように、局所的に短絡が生じている部位を検出し、且つ当該部位を除去して健全な部位を残留させることで、一部に短絡が生じた燃料電池用接合体の全体を廃棄する必要がなくなる。従って、健全部位を活用することが可能となる。このため、燃料電池の作製コストの低廉化を図ることができる。

なお、燃料電池用接合体は、電解質膜にアノード用電極触媒層とカソード用電極触媒層が設けられた膜・触媒層接合体（いわゆるＣＣＭ）であってもよいし、ＣＣＭの前記アノード用電極触媒層及び前記カソード用電極触媒層のそれぞれに対してガス拡散層が設けられた電解質膜・電極構造体（いわゆるＭＥＡ）であってもよい。

また、本発明は、固体高分子からなる電解質膜を、少なくともアノード用電極触媒層及びカソード用電極触媒層で挟んで構成される燃料電池用接合体中の前記電解質膜に短絡部位が存在するか否かを検査する電解質膜の短絡検査装置であって、
前記アノード用電極触媒層及び前記カソード用電極触媒層の各々に電気的に接続される第１電極及び第２電極と、
前記第１電極と前記第２電極の間に通電を行うための電源と、
前記第１電極と前記第２電極の間に流れる電流を測定する測定部と、
前記測定部において測定された電流値が正常であるか否かを判断する判断部と、
を備え、
前記第１電極又は前記第２電極の少なくとも一方が複数個の分割片に分割され、前記分割片が前記燃料電池用接合体の一端面の複数部位に同時に当接することを特徴とする。

このような構成においては、第１電極又は第２電極の個々の分割片（分割電極）がアノード用電極触媒層又はカソード用電極触媒層に電気的に接続される。従って、電流は、個々の分割電極と他方の電極との間に流れる。このため、燃料電池用接合体（電解質膜）の複数部位に対して同時に電流値を測定することが可能となる。従って、電流値が正常範囲内にある（正常電流が流れている）か否かに基づき、局所的な短絡部位を容易に検出することができる。このため、上記した理由から、健全部位を活用することが可能となる。従って、燃料電池の作製コストの低廉化を図ることができる。

第１電極又は第２電極を、例えば、平板形状とすることができる。この場合、分割電極を得るには、第１電極又は第２電極の少なくとも一方を格子状に分割すればよい。

第１電極又は第２電極を、ロール形状とすることもできる。この場合、分割電極を得るには、第１電極又は第２電極の少なくとも一方を複数の円柱形状に分割すればよい。

本発明によれば、第１電極又は第２電極の少なくとも一方を分割電極として構成するようにしているので、燃料電池用接合体（電解質膜）の複数部位に対して同時に電流値を測定することが可能である。このため、各部位における電流値が正常範囲内にある（正常電流が流れている）か、それとも異常である（異常電流が流れている）かに基づき、局所的な短絡部位を容易に検出することができる。

従って、短絡が生じている部位を除去し、残留した健全な部位で電解質膜・電極構造体を作製することが可能である。このため、電解質膜・電極構造体の製作コスト、ひいては燃料電池の製作コストの低廉化を図ることができる。

本発明の第１実施形態に係る短絡検査装置の要部概略斜視図である。 図１の短絡検査装置の要部概略側面図である。 図１中の接合体中の分割電極が当接した部位と、当該部位における電流値との関係を示したグラフである。 本発明の第２実施形態に係る短絡検査装置の要部概略斜視図である。

以下、本発明に係る電解質膜の短絡検査方法につき、それを実施する短絡検査装置との関係で好適な実施の形態を挙げ、添付の図面を参照して詳細に説明する。

図１及び図２は、それぞれ、第１実施形態に係る短絡検査装置１０の要部概略斜視図、要部概略側面図である。この短絡検査装置１０は、電解質膜・電極構造体を構成する膜・触媒層接合体（燃料電池用接合体）１２における固体高分子電解質膜１４の膜厚を評価するためのものである。なお、以下では、膜・触媒層接合体１２、固体高分子電解質膜１４を、単に「接合体１２」、「電解質膜１４」とも表記する。

接合体１２につき概略説明する。該接合体１２は、電解質膜１４をアノード用電極触媒層１６とカソード用電極触媒層１８で挟んで構成される。電解質膜１４は、プロトン伝導性を示す固体高分子からなる。この種の固体高分子の好適な例としてはパーフルオロスルホン酸が挙げられるが、特にこれに限定されるものではない。また、電解質膜１４は、例えば、イオン伝導性を有する高分子溶液を原材料として膜状に成形することで得られる。

アノード用電極触媒層１６及びカソード用電極触媒層１８は、それぞれ、Ｐｔ等の貴金属からなる触媒粒子が単独で、又はカーボンブラック等に担持されて膜状に形成されたものである。なお、第１実施形態では、ガス拡散層は設けていない。

図１及び図２では、アノード用電極触媒層１６が下方に臨み且つカソード用電極触媒層１８が上方に臨む場合を示しているが、これとは逆に、カソード用電極触媒層１８が下方に臨み且つアノード用電極触媒層１６が上方に臨むようにしてもよいことは勿論である。

短絡検査装置１０は、下型２０と上型２２を備える。下型２０は位置決め固定され、一方、上型２２は下型２０に対して接近又は離間するように変位すること、換言すれば、昇降することが可能である。

下型２０の、上型２２に臨む上端面には、絶縁膜２４を介して平板形状の第１電極２６が設けられる。第１電極２６は、前記絶縁膜２４によって格子状に分割されている。すなわち、第１電極２６は、平板形状をなす複数個の分割電極２８からなる。このため、アノード用電極触媒層１６に対しては個々の分割電極２８が当接する。

一方、上型２２の、下型２０に臨む下端面には、絶縁膜３０を介して第２電極３２が設けられる。第２電極３２は、分割されることなく一体の平板形状として構成される。また、上型２２は、その上端面に設けられたロッド３４を介して図示しない昇降機構（例えば、シリンダ等）に付設されており、該昇降機構の作用下に昇降する。上型２２に、昇降をガイドする複数本のガイドロッドを設けるようにしてもよい。

図１及び図２に模式的に示すように、第１電極２６（個々の分割電極２８）及び第２電極３２には、導線３６ａ、３６ｂを介して電源３８（この場合、直流電源）が電気的に接続される。第１電極２６は電源３８の負極に接続され、一方、第２電極３２は正極に接続されている。

導線３６ｂは、個々の分割電極２８に接続可能となるように分離している。各導線３６ｂには、電流計４０が介挿される。従って、第２電極３２と個々の分割電極２８の間に流れる電流の値を個別に測定することが可能である。

各電流計４０は、ケーブル４２を介してコンピュータ４４に接続される。コンピュータ４４は、各電流計４０で測定された電流値を記録するとともに、該電流値に基づいて正常電流又は異常電流のいずれが流れているかを判断するソフトウェア（演算部）、すなわち、判断部を備えた記憶媒体であるハードディスクドライブ４６と、電流値を部位毎に表示するディスプレイ４８（表示部）とを有する。なお、図１及び図２では、コンピュータを「ＰＣ」、ハードディスクドライブを「ＨＤＤ」と表している。

第１実施形態に係る短絡検査装置１０は、基本的には以上のように構成されるものであり、次に、その作用効果につき、第１実施形態に係る短絡検査方法との関係で説明する。

はじめに、固体高分子からなる電解質膜１４の一方の端面にアノード用電極触媒層１６を形成し、他方の端面にカソード用電極触媒層１８を形成して接合体１２を作製する。なお、アノード用電極触媒層１６及びカソード用電極触媒層１８を形成するには、デカール法等の公知の手法を用いればよい。又は、カソード用電極触媒層１８に電解質溶液を塗布して電解質膜１４を形成し、その上にアノード用電極触媒層１６を形成するようにしてもよい。

このようにして作製した接合体１２の、例えば、アノード用電極触媒層１６を下型２０に載置し、カソード用電極触媒層１８を上型２２に対向させる。この際、図２に示すように、アノード用電極触媒層１６に対して分割電極２８の各々が当接する。

次に、前記昇降機構を付勢してロッド３４を前進動作させることにより、上型２２を下型２０に指向して下降させる。その結果、第２電極３２がカソード用電極触媒層１８に当接し押圧される。また、第１電極２６がアノード用電極触媒層１６に当接し押圧される。

この状態で、電源３８から直流電流が供給されて第１電極２６と第２電極３２の間に通電がなされる。なお、第１電極２６と下型２０との間には絶縁膜２４が介在し、一方、第２電極３２と上型２２との間に絶縁膜３０が介在するので、下型２０及び上型２２に電流が流れることはない。

アノード用電極触媒層１６及びカソード用電極触媒層１８は導電体であるが、電解質膜１４が誘電体であるので、電流値は、通電開始直後は大きく、時間の経過とともに一定値に飽和する。ハードディスクドライブ４６の演算部には、このような通電時間と電流値との相関関係が記録されている。ハードディスクドライブ４６の演算部は、この相関関係に基づき、電流値が一定値に飽和する時間が経過したと認識してから、電流の測定を開始する。

ここで、第１電極２６は、絶縁膜２４によって互いに絶縁された複数個の分割電極２８からなる。従って、電流は、個々の分割電極２８と、第２電極３２との間に流れる。換言すれば、電流は、アノード用電極触媒層１６の、分割電極２８が当接した部位のみに流れる。上記したように、導線３６ｂ及び電流計４０は分割電極２８の各々に電気的に接続されており、このため、個々の分割電極２８に当接した部位における電流値を、個々の電流計４０によって読み取ることが可能である。

次に、コンピュータ４４の前記演算部によって短絡部位が存在するか否かが判断される。すなわち、電流計４０にて個別に測定された電流値は、ケーブル４２を介して、情報信号としてコンピュータ４４に送信される。コンピュータ４４のハードディスクドライブ４６に記憶された演算部は、各電流計４０に示された電流値を、各分割電極２８が当接した部位毎に記録する。すなわち、電流分布が求められる。

ディスプレイ４８には、上記のようにして求められた電流分布が、各分割電極２８が当接した部位と、当該部位における電流値とのグラフとして表示される。必要であれば、ハードディスクドライブ４６に電流値の平均値や標準偏差等を算出させ、その結果を併せてディスプレイ４８に表示するようにしてもよい。

図３に、電解質膜１４に短絡が生じていない部位と短絡が生じている部位とが混在している場合のグラフを誇張して示す。ピンホール等の欠陥が生じていない場合、電流値は、電解質膜１４の膜厚の相違に対応して若干相違するが、平均値からの差異は許容範囲内である。換言すれば、概ね同等である。この場合、演算部は、図３中に示すように「正常電流」として認識し、「短絡が生じていない」と判断する。

これに対し、何らかの欠陥が生じているために電子が局所的に容易に移動可能である場合、電流値は、平均値を大きく上回り許容範囲外となる。すなわち、図３中に示すように異常電流が流れる。この場合、演算部は、異常電流が流れた部位につき「短絡が生じている」と判断する。

このように、第１実施形態によれば、複数部位につき同時に通電を行い、各部位の電流値を同時に測定し得る。換言すれば、電解質膜１４の面内方向の電流分布を容易に求めることができる。しかも、各部位につき、正常電流又は異常電流のいずれが流れているかを同時に判断することが可能である。そして、その結果に基づき、電解質膜１４に局所的な短絡が生じている部位が存在するか否かを容易に判断することができる。

以上の検査が終了した接合体１２は、複数個の分割片に分割されるとともに、各分割片のアノード用電極触媒層１６、カソード用電極触媒層１８のそれぞれに、カーボンペーパやカーボンクロス等からなるガス拡散層が接合される。これにより、電解質膜・電極構造体が得られる。さらに、この電解質膜・電極構造体が１組のセパレータで挟持されることで単セルが構成され、該単セルが複数個積層されることで、燃料電池スタックが組み立てられる。

ここで、短絡が生じている部位は、分割片を作製する際に切除される。すなわち、電解質膜・電極構造体は、短絡が生じた部位を含まない健全な接合体１２を用いて作製される。このように、第１実施形態では、短絡が生じている部位を特定し、当該部位と、短絡が生じていない健全な部位とを分離した上で、健全な部位（分割片）を用いて電解質膜・電極構造体を作製することができる。従って、電解質膜・電極構造体、ひいては燃料電池の製作コストの低廉化を図ることができる。

しかも、上記の短絡検査は非破壊検査であるので、短絡が生じていないと判断された分割片を用いて単位セルを構成し、さらに、該単位セルを積層することで燃料電池スタックを構成して発電に供することができる。従って、燃料電池スタックを組み立てた後、電解質膜１４の欠陥に起因して短絡が生じることを回避することが可能である。

なお、上記とは逆に、第１電極２６を単なる平板形状とするとともに、第２電極３２を分割電極２８として構成するようにしてもよい。また、第１電極２６及び第２電極３２の双方を、双方の分割した部分が対向して配置される分割電極２８とするようにしてもよい。

次に、第２実施形態に係る短絡検査装置につき説明する。なお、図１〜図３に示される構成要素と同一の構成要素には同一の参照符号を付し、その詳細な説明は省略する。

図４は、第２実施形態に係る短絡検査装置６０の要部概略斜視図である。この短絡検査装置６０は、図４における下方に位置する第１ロール電極６２と、上方に位置する該第１ロール電極６２に比して若干大径な第２ロール電極６４を有する。これら第１ロール電極６２、第２ロール電極６４は、それぞれ、導電用芯材６６、６８を有し、第１ロール電極６２と導電用芯材６６、第２ロール電極６４と導電用芯材６８は、図示しないブラシ等によって互いに電気的に接続されている。そして、該導電用芯材６６、６８には、導線３６ａ、３６ｂを介して電源３８が電気的に接続される。

なお、第２実施形態では、第１ロール電極６２の導電用芯材６６が電源３８の正極に接続され、第２ロール電極６４の導電用芯材６８が負極に接続される。また、接合体１２は長尺な帯形状をなし、ロール状に巻回される（図示せず）とともに、巻回終わり側の端部が引き出されている。この端部は、アノード用電極触媒層１６が上方を臨むようにして第１ロール電極６２、第２ロール電極６４の間に通されている。

第１ロール電極６２は、導電用芯材６６に回転可能な状態で支持されている。一方、第２ロール電極６４は、軸方向に沿って複数個の円柱形状体に分割されている。この分割により、複数個の円柱形状分割電極７０が設けられている。すなわち、アノード用電極触媒層１６に対しては個々の円柱形状分割電極７０が当接する。各円柱形状分割電極７０は、導電用芯材６８に回転可能に支持される。

詳細な図示は省略するが、導線３６ｂは、第１実施形態と同様に分離しており、各導線３６ｂが個々の円柱形状分割電極７０に接続されている（図２参照）。また、各導線３６ｂには電流計４０が介挿される。各電流計４０により、第１ロール電極６２と個々の円柱形状分割電極７０の間に流れる電流の値を個別に測定することが可能である。

また、各電流計４０が、ハードディスクドライブ４６と、電流値を部位毎に表示するディスプレイ４８とを有するコンピュータ４４に対し、ケーブル４２を介して接続される点も第１実施形態と同様である。

この第２実施形態では、接合体１２の両面を第１ロール電極６２、第２ロール電極６４に接触させた状態で、該接合体１２を第１ロール電極６２、第２ロール電極６４の間に通す。これにより、第１ロール電極６２がカソード用電極触媒層１８に当接するとともに、第２ロール電極６４（個々の円柱形状分割電極７０）がアノード用電極触媒層１６に当接する。

次に、電源３８から直流電流を供給し、接合体１２を所定量移動させながら、第１ロール電極６２と個々の円柱形状分割電極７０の間に通電する。第１実施形態に準じ、所定時間が経過して電流値が飽和した後、ハードディスクドライブ４６は、電流計４０を介して各部位における電流値を読み取る。

読み取りが終了した後、第１ロール電極６２、第２ロール電極６４を再度回転させるとともに、接合体１２を図４中の矢印方向に指向して引き出す。これにより、接合体１２を構成するカソード用電極触媒層１８、アノード用電極触媒層１６の新たな部位が、第１ロール電極６２、個々の円柱形状分割電極７０にそれぞれ当接する。その後は上記と同様に、所定時間が経過して電流値が飽和した後に該電流値が読み取られる。

勿論、電流値を測定する毎に、ハードディスクドライブ４６に記憶された演算部により、正常電流又は異常電流のいずれが流れているかが判別される。その結果に基づき、短絡が生じている部位が存在するか否かが判断される。

第２実施形態においても、第１実施形態と同様の効果が得られる。加えて、第２実施形態では、長尺な接合体１２に対して連続的に短絡検査を行うことが可能である。すなわち、短絡検査装置６０によれば、広面積である大型の接合体１２に対応することができるので、汎用性に優れるという利点が得られる。

なお、上記とは逆に、アノード用電極触媒層１６が下方、カソード用電極触媒層１８が上方を臨むようにしてもよい。また、第１ロール電極６２を円柱形状分割電極７０として構成するとともに第２ロール電極６４を単なるロール形状とすることも可能である。さらに、第１ロール電極６２及び第２ロール電極６４の双方を、双方の分割位置が対向する円柱形状分割電極７０とすることもできる。

本発明は、上記した実施の形態に特に限定されるものではなく、本発明の主旨を逸脱しない範囲で種々の変更が可能である。

例えば、第１実施形態及び第２実施形態のいずれにおいても、接合体１２に対してガス拡散層を予め設けて電解質膜・電極構造体を構成し、この電解質膜・電極構造体に通電を行うようにしてもよい。この場合、電解質膜・電極構造体が燃料電池用接合体となる。

なお、アノード用電極触媒層１６とガス拡散層の間、又はカソード用電極触媒層１８とガス拡散層の間の少なくともいずれかに中間層を介在させた電解質膜・電極構造体とすることも可能である。

１０、６０…短絡検査装置 １２…接合体
１４…固体高分子電解質膜 １６…アノード用電極触媒層
１８…カソード用電極触媒層 ２０…下型
２２…上型 ２６…第１電極
２８…分割電極 ３２…第２電極
３８…電源 ４０…電流計
４４…コンピュータ ４６…ハードディスクドライブ
４８…ディスプレイ ６２…第１ロール電極
６４…第２ロール電極 ６６、６８…導電用芯材
７０…円柱形状分割電極

Claims (4)

1. 固体高分子からなる電解質膜を、少なくともアノード用電極触媒層及びカソード用電極触媒層で挟んで構成される燃料電池用接合体中の前記電解質膜に短絡部位が存在するか否かを検査する電解質膜の短絡検査方法であって、
   前記アノード用電極触媒層及び前記カソード用電極触媒層の各々に第１電極及び第２電極を電気的に接続する工程と、
   前記第１電極及び前記第２電極を介して前記燃料電池用接合体の複数部位に同時に通電し、該複数部位において前記第１電極と前記第２電極の間に流れる電流を同時に測定するとともに、前記燃料電池用接合体の面方向の電流分布を求め、異常電流が流れている部位を短絡部位であると判断する工程と、
   を有し、
   前記第１電極又は前記第２電極の少なくとも一方を複数個の分割片から構成し、且つ前記分割片を前記燃料電池用接合体の一端面の複数部位に同時に当接させることを特徴とする電解質膜の短絡検査方法。
2. 固体高分子からなる電解質膜を、少なくともアノード用電極触媒層及びカソード用電極触媒層で挟んで構成される燃料電池用接合体中の前記電解質膜に短絡部位が存在するか否かを検査する電解質膜の短絡検査装置であって、
   前記アノード用電極触媒層及び前記カソード用電極触媒層の各々に電気的に接続される第１電極及び第２電極と、
   前記第１電極と前記第２電極の間に通電を行うための電源と、
   前記第１電極と前記第２電極の間に流れる電流を測定する測定部と、
   前記測定部において測定された電流値が正常であるか否かを判断する判断部と、
   を備え、
   前記第１電極又は前記第２電極の少なくとも一方が複数個の分割片に分割され、前記分割片が前記燃料電池用接合体の一端面の複数部位に同時に当接することを特徴とする電解質膜の短絡検査装置。
3. 請求項２記載の短絡検査装置において、前記第１電極又は前記第２電極が平板形状であり、且つ該第１電極又は該第２電極の少なくとも一方が格子状に分割されていることを特徴とする電解質膜の短絡検査装置。
4. 請求項２記載の短絡検査装置において、前記第１電極又は前記第２電極がロール形状であり、且つ該第１電極又は該第２電極の少なくとも一方が複数の円柱形状に分割されていることを特徴とする電解質膜の短絡検査装置。

Images