(57)【要約】PEM燃料電池（２）のアノードガス領域とカソードガス領域との間のガス漏れを検出するため、次の手順が実施される。a）燃料電池（２）の直流による充電、b）燃料電池（２）における電圧の時間的経過の測定。それによって、器具に関する僅かな費用で燃料電池スタック（１）の漏れ試験が可能であり、この漏れ試験は極めて小さな漏れにも極めて鋭敏に反応し、同時に大きな漏れにも適用することができ、また燃料電池スタック（１）内の損傷した電池（２）の正確な位置を表示する。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
PEM燃料電池（２）のアノードガス領域とカソードガス領域との間のガス漏れを検出するための方法において、
a）燃料電池（２）の直流による充電
b）燃料電池（２）における電圧の時間的経過の測定
の手順を含むことを特徴とするPEM燃料電池のガス漏れ検出方法。
【請求項２】
充電過程の電流密度が燃料電池（２）における１平方センチメートル当たり１〜10mAであることを特徴とする請求項１記載の方法。
【請求項３】
充電過程の際のPEM燃料電池（２）にかかる電圧が0.5〜2Vであることを特徴とする請求項１又は２記載の方法。
【請求項４】
さらに、
c）直流による充電の終了
d）PEM燃料電池（２）の放電抵抗（７）を介しての放電
e）PEM燃料電池（２）における電圧降下の時間的経過の測定
の別の手段を含むことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１つに記載の方法。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれか１つに記載の方法を実施するための装置であって、PEM燃料電池（２）に接続可能な直流電圧源（５）及びPEM燃料電池（２）に接続可能な電圧測定器（８）を有する装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、PEM燃料電池のアノードガス領域とカソードガス領域との間のガス漏れを検出するための方法に関する。
【０００２】
PEM燃料電池（PEM＝Polymer-Electrolyt-Membran高分子電解質膜）は電解質としてイオン伝導性の高分子膜を有する。膜の両側には、アノード側及びカソード側においてそれぞれガス透過性、多孔性、導電性の集電体が配置され、集電体と膜との間にそれぞれ触媒が微細に分布された形で存在する。燃料電池の運転においては、アノード側は燃料ガス、特に水素又は水素を含むガス、またカソード側は酸化剤、特に酸素又は空気のような酸素を含むガスが供給される。水素は膜のアノードにおいて酸化され、その際生じたプロトンは膜を通して酸素側に拡散する。このプロトンはカソードで還元する酸素と再結合して水になる。
【０００３】
PEM燃料電池の膜における漏れはいわゆるガス短絡に導き、その際水素や酸素はそれぞれ対向するガス領域に達し、そこで触媒において発熱性の反応を生ずる。このような漏れによって、一方では燃料電池の電気出力が減少し、他方では、特に比較的大きな漏れがある場合には燃料電池内で燃焼が起きる危険がある。それ故燃料電池膜の気密性の試験は極めて重要になる。簡単な漏れ試験方法として、圧力維持試験がしばしば行われる。この試験によって比較的大きな漏れは識別することができる。通常複数の燃料電池が１つの燃料電池装置又は燃料電池スタックにまとめられている。圧力維持試験は、この試験によって確認された燃料電池スタック中の漏れをスタックの個々の燃料電池に少なくとも簡単には対応させ得ないという欠点を持っている。さらに、圧力維持試験の感度は比較的大きな漏れに限定される。
【０００４】
燃料電池のガス漏れを検出するための他の方法は、例えば独国特許第19649434 C1号明細書により公知である。その方法においては、PEM燃料電池の両ガス領域において異なる水素分圧が調節され、電池電圧の時間的経過が測定される。アノードガス領域及びカソードガス領域における絶対圧力はその際できるだけ異なる大きさでなければならず、約１barの差が好ましいとされている。損傷のない膜はそれによって引き起こされる負荷に危険なく耐えることになる。それに対して損傷のある膜にこの試験を使用することは危険である。この理由で、この試験には従来の圧力維持試験が前置されなければならない。
【０００５】
本発明の課題は、PEM燃料電池のアノードガス領域とカソードガス領域との間のガス漏れを検出するための簡単で信頼性のある方法を示すことにある。
【０００６】
この課題は本発明によれば、請求項１の特徴を持った方法により解決される。その方法においては、燃料電池が直流により充電される。その際燃料電池にかかる電圧の時間的経過が測定される。充電過程中、PEM燃料電池は湿分を持っているから、電解現象が起きる。その際電池電圧は徐々に最大値に上昇する。電池が漏れを持っている限り、水素と酸素はガス短絡の経路で反応し、従って電池電圧の上昇を妨害する。燃料電池の充電による漏れ試験方法は、新しいPEM燃料電池の使用開始前にも、また燃料電池運転の停止時期においても使用可能である。いかなる場合にも、電池はこの方法を開始する前に十分湿らされた状態でなければならない。この方法を使用して、燃料電池スタック内の欠陥のある燃料電池の位置を問題なく確認することができる。そのために、ただスタック内の個々の電池の電圧を個別に測定することが必要なだけである。
【０００７】
充電過程中の電流密度は、燃料電池膜に関して、１平方センチメートル当たり１〜10mAの範囲が好ましい。このやり方でこの方法の迅速な実行が可能である。同時に、試験中の燃料電池の損傷が排除され、十分に高い測定感度を得ることができる。
【０００８】
充電過程中燃料電池にかけられる電圧は、0.5Ｖ〜2Ｖの範囲が有利であり、特に少なくとも0.8Ｖ、最大1.5Ｖが好ましい。従って充電電圧はほぼ燃料電池電圧、即ち正規のエネルギー供給運転において欠陥のない燃料電池が供給する電圧に相当する。
【０００９】
本発明の有利な発展形態においては、PEM燃料電池のガス漏れ検出のための方法は、以下の手順によって補足される。即ち、
・燃料電池の直流による充電が終わらせられる。
・燃料電池が放電抵抗を介して放電される。
・放電過程中の燃料電池における電圧降下の時間的経過が測定される。
【００１０】
放電過程中の電池電圧の測定によって、起こり得る漏れを高められた精度で再度立証することができる。放電過程における電池電圧の測定による損傷電池の検出は、電池の損傷が小さい場合に特に有利である。
【００１１】
本発明の利点は、器具に関する僅かな費用で燃料電池スタックの漏れ試験が可能なことであり、この漏れ試験は極めて小さな漏れにも極めて鋭敏に反応し、同時に大きな漏れにも適用することができ、また燃料電池スタック内の損傷した電池の正確な位置を表示する。
【００１２】
以下に本発明の実施例を図面について詳細に説明する。各図において互いに対応する部分及びパラメータは同符号で示されている。
【００１３】
図１は燃料電池スタックないし燃料電池装置１を示し、ある数の個々のPEM燃料電池２を有する。燃料電池スタック１には、リード線３及び２つのスイッチ４を介して可調整の電源又は直流電源５が接続されている。さらに、燃料電池スタック１にはスイッチ６を介してスイッチング可能な放電抵抗７が接続されている。電池電圧測定を実施するために、全PEM燃料電池２と個々に結ばれている電圧測定器８が設けられている。
【００１４】
漏れ試験方法の実施を特に図２a、bについて説明する。個々の燃料電池２のガス領域は漏れ試験方法の開始前に、アノード側もカソード側も湿分即ち水分を有する。しかしこの場合燃料電池２は水で満たされることはない。漏れ試験方法の開始に際して、燃料電池スタック１には、燃料電池膜に関して１平方センチメートル当たりほぼ１〜10mAの電流密度になるように直流電流が導かれる。全PEM燃料電池２が無傷であるという前提のもとでは、これらの電池の各々には充電過程中同じ電圧がかかっている。充電電圧は、個々の燃料電池２が無傷である限り充電過程の終了後各電池に１Vの電圧がかかるように選ばれる。充電過程によってPEM燃料電池２には電解現象が引き起こされる、即ち少なくとも水の僅かな量から電池２内に水素と酸素が形成される。従って充電過程中は、正規の燃料電池運転中即ち燃料電池２による電圧供給中に進行する化学反応の逆の反応が進行する。
【００１５】
充電過程中、燃料電池スタック１にはガスは供給されない。充電過程中の電解現象は、結果として充電過程後燃料電池スタック１が少なくとも短時間エネルギー源として動作し得ることを引き起こす。それについて個々のPEM燃料電池２のアノードガス領域及びカソードガス領域に形成される水素ガス及び酸素ガスの僅かな量は十分である。それに関して生じる利用できる電圧は無傷のPEM燃料電池２においては充電過程中に１Vに上昇する。しかしながらPEM燃料電池２が漏れを持っていると、この電池に形成された水素及び酸素は直接、即ちガス短絡を形成して互いに反応し、その結果PEM燃料電池２における利用可能な電圧の発生は遅らされる。ガス短絡の進行によって最後に、無傷の電池の場合には測定可能であった１Vの電圧に達せず、PEM燃料電池２の膜における漏れの大きさに関係する高さの小さな電圧に達するだけである。
【００１６】
図２aに示されているダイヤグラムでは、以下の特性を持った種々の燃料電池２の種々の測定曲線A、B、Cを示している。
【００１７】
Ａ：３つの無傷の燃料電池２が対象である。個々の測定された燃料電池２間のほんの僅かな相違は、特に、燃料電池膜がほんの僅かガス拡散が可能で、その際拡散度がほんの僅かばらつくことに由来する。
【００１８】
Ｂ：燃料電池２は充電可能であるが、無傷の電池より明らかにゆっくりとしており、電池全電圧の１Vには充電し得ない。この電池は比較的小さな漏れを有する。アノードガス領域及びカソードガス領域又はそのいずれか一方には電解現象中に形成されるガスが部分的にそれぞれ他のガス領域に侵入する。
【００１９】
Ｃ：燃料電池２はほとんど充電することができない。このことから、燃料電池２は比較的大きな漏れを有することが推定される。燃料電池２に形成される水素及び酸素のほとんど全体が既に短時間に水の形成に向け反応する。しかし電解現象はゆっくりと進むから、この水の発熱性の生成は安全技術的に問題はない。
【００２０】
燃料電池スタック１内の欠陥のある燃料電池２の位置は、電池の充電の振舞に基づいて問題なく確認することができる。この漏れ試験方法は、既に燃料電池スタック１の組立中、その完成前でも実施することができる。
【００２１】
図２bは燃料電池２の放電の振舞を通しての漏れ試験を具体的に示す。その場合、この方法によって試験されるすべての燃料電池２が無傷か、又は１Vの電圧まで充電可能な少なくとも小さな漏れを有することから出発する。試験すべき燃料電池２の１Vへの充電後、これらの燃料電池２は放電抵抗７（図１）を介して放電される。放電の振舞は、４つの燃料電池２に対して曲線群A′に、またそれぞれ単一の燃料電池２に対して２つの測定曲線B′、C′に示されている。
【００２２】
Ａ′：電池電圧はゆっくりと０Vに降下する。その際、先行の充電中に燃料電池２内に蓄積されたエネルギー内容は消費される。測定曲線群A′に放電の振舞が示されている全燃料電池２が無傷であるにもかかわらず、曲線群A′は二重矢印で示されているように比較的大きなばらつき幅を有する。このことは、この試験が非常に高い感度であることを示す。
【００２３】
Ｂ′：燃料電池２の電圧は比較的速く０Vに降下する。その際電池はエネルギー供給者として働く。しかし燃料電池２のエネルギーの蓄えは無傷の電池の場合より速く使い果たされる。燃料電池２は極めて小さな漏れを持っている。燃料電池２のエネルギーの蓄えが使い尽くされるや否や、電池で測定された電圧は符号を変える、即ち燃料電池２はこの時点からオーム抵抗として働く。その際エネルギー供給は燃料電池スタック１内の無傷の電池によって行われる。
【００２４】
Ｃ′：燃料電池２の放電の振舞は測定曲線B′に示されるものと類似しているが、燃料電池２はいくらかより大きな漏れを有している。
【００２５】
実施例においては、燃料電池２の充電のための電圧は全燃料電池スタック１に加えられる。しかし同じように、充電電圧を燃料電池スタック１内の個々の燃料電池２にねらいを定めて印加することが可能である。また同じように、個々の燃料電池２が単独で放電抵抗を介して放電されることによって、個々の燃料電池２の放電の振舞を試験することもできる。この場合、損傷のある燃料電池２においても電圧降下は単に０Vまで測定可能である。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】燃料電池の漏れ試験方法を実施するための装置の概略図である。
【図２】図１に示す装置による燃料電池漏れ試験方法における電圧上昇ないし電圧降下の時間的経過を示す線図である。
【符号の説明】
【００２７】
１  燃料電池スタック
２  燃料電池
３  リード線
４  スイッチ
５  電源
６  スイッチ
７  放電抵抗
８  電圧測定器
Ａ、Ｂ、Ｃ、Ａ′、Ｂ′、Ｃ′測定曲線
【図１】
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2005524951.tif 000004
【国際調査報告】
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