(57)【要約】  本発明は、燃料電池スタックの不透過性を試験するための方法に関する。前記方法は、規定のガス供給速度で燃料電池スタックを動作させるステップと、少なくとも１つのガス供給速度を規定の様式で修正するステップと、少なくとも１つの電池または電池グループ電圧を求めるステップと、少なくとも１つの電池または電池グループ電圧の時間プロファイルを評価するステップとを含む。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池スタックの気密性を試験するための方法であって、
規定のガス供給速度を使用して燃料電池スタックを動作させるステップと、
少なくとも１つのガス供給速度の規定の修正を行うステップと、
少なくとも１つの電池または電池グループ電圧を検出するステップと、
前記少なくとも１つの電池または電池グループ電圧の時間変化を分析するステップと
を含む方法。
【請求項２】
電圧の時間変化の分析において、電圧の時間変化自体が考慮されることを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項３】
電圧の時間変化の分析において、時間に関する電圧の１次微分が考慮されることを特徴とする請求項１または２に記載の方法。
【請求項４】
電圧の時間変化の分析において、時間に関する電圧の２次微分が考慮されることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の方法。
【請求項５】
電圧の時間変化の分析が、異なる電池または電池グループの電圧の時間変化の比較を含むことを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載の方法。
【請求項６】
電圧の時間変化の分析が、電圧の時間変化と、十分な気密性の場合に予想される電圧の時間変化との比較を含むことを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載の方法。
【請求項７】
少なくとも１つの電池または電池グループ電圧が、ガス供給速度の規定の変化の前に検出され、前記少なくとも１つの電池または電池グループ電圧が実質的に一定となった後に、前記少なくとも１つのガス供給速度の規定の変化が引き起こされることを特徴とする請求項１〜６のいずれか一項に記載の方法。
【請求項８】
前記少なくとも１つのガス供給速度の規定の変化が、少なくとも１つのガス供給を完全に遮断することによって引き起こされることを特徴とする請求項１〜７のいずれか一項に記載の方法。
【請求項９】
前記少なくとも１つのガス供給速度の規定の変化が、前記ガス供給を維持しながら前記少なくとも１つのガス供給の圧力を変えることによって引き起こされることを特徴とする請求項１〜８のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１０】
アノード空間およびカソード空間に供給されるガスの供給速度が、規定の様式で変化されることを特徴とする請求項１〜９のいずれか一項に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池スタックの気密性を試験するための方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池を動作させるために、動作ガス、すなわち特に、酸化剤として酸素を含む空気と、水素リッチの改質物とを供給する必要がある。これに関連して、様々なガス・ダクトが、燃料電池スタックからのガスの望ましくない漏れ、または燃料電池のアノード空間とカソード空間との間のガスの望ましくない移送を回避するために、気密であることを要求される。燃料電池スタックの気密性を保証することができるように、気密性試験が必要である。気密性試験は、特に、製造および発売段階中、ならびにシステムの動作中に行われる。また、気密性試験は、燃料電池スタックの耐久性試験に関しても有用である。燃料電池スタックの気密性が不十分である場合、発火することがあり、これは、燃料電池スタックのより急速な腐食、最終的には破壊をもたらすことがある。さらに、小さな濃度でさえ健康に非常に有害である関与ガス、例えば改質物中に含まれる一酸化炭素などに関するしきい値を超える危険性がある。圧力および体積フロー測定を用いた燃料電池スタックの気密性の試験が知られている。さらに、電気化学試験方法が知られており、これらの試験方法は、燃料電池スタックに反応ガスを連続供給しながらアイドル電圧またはネルンスト電圧を検出することに基づく。
【０００３】
気密性を試験するための既知の方法では、様々な問題が生じている。小さな気密不良も検出すべきであるので、そのような問題は、特に方法の感度に関係する。したがって、既知の電気化学方法の場合でさえ、感度は十分でない。これは、大きな電池スタックにおいて各個別電池が監視されない場合に特に当てはまる。しかし、各個別電池が監視される場合、白金接点を介して各個別電池を接続しなければならないので大きな動作コストが必要となることが問題である。さらに、電気化学気密性試験では、好ましくは純粋な水素が使用される。純粋な水素の酸化によって高温の炎が発生され、燃料電池スタックを損壊する可能性があるので、これは欠点である。それゆえ、気密性試験は、漏れを引き起こす、または強めることさえありえる。したがって、気密不良が検出された場合の事後封止のオプションがなくなることがある。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
本発明の目的は、低コストで燃料電池スタックの気密性を高感度で試験するための方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
前記目的は、独立請求項の特徴によって解決される。
【０００６】
本発明の有利な実施形態は、従属請求項に記載される。
【０００７】
本発明は、燃料電池スタックの気密性を試験するための方法であって、
−規定のガス供給速度を使用して燃料電池スタックを動作させるステップと、
−少なくとも１つのガス供給速度の規定の修正を行うステップと、
−少なくとも１つの電池または電池グループ電圧を検出するステップと、
−少なくとも１つの電池または電池グループ電圧の時間変化を分析するステップと
を含む方法からなる。
【０００８】
本発明の方法の枠内では、燃料電池スタックは、好ましくは、ある特定の期間にわたって動作温度で動作ガスを流入される。このために、特に、カソード空間用の空気と、改質ガス、すなわち窒素９５％および水素５％のガスとが適切である。少なくとも１つのガス供給速度を変えることによって、電池または電池グループ電圧も変わる。燃料電池スタックが気密である場合には、電圧変化が再現可能または予測可能に生じる。したがって、電池または電池グループ電圧の監視により、実際に電池スタックが気密であるかどうか、またはどの電池または電池グループに漏れがあるかに関する情報を得ることができる。
【０００９】
特に、電圧の時間変化の分析において、電圧の時間変化自体が考慮されることが想定されうる。
【００１０】
また、電圧の時間変化の分析において、時間に関する電圧の１次微分が考慮されることも想定されうる。
【００１１】
本発明による方法の別の実施形態によれば、電圧の時間変化の分析において、時間に関する電圧の２次微分が考慮されることが想定される。原理的には、電圧の時間変化の分析において、より高次の微分を考慮することもできるが、一般には、電圧の時間変化自体、電圧の１次微分、場合によってはさらに電圧の２次微分の分析で十分である。
【００１２】
好適には、電圧の時間変化の分析が、異なる電池または電池グループの電圧の時間変化の比較を含むことが想定されうる。特定の電池または電池グループの電圧が、他の電池または電池グループの電圧から特に強く逸脱する場合、これは漏れを示す。したがって、時間に関する電池電圧または電池グループ電圧の標準偏差が、気密性試験に関して有用な基準である。
【００１３】
さらに、電圧の時間変化の分析が、電圧の時間変化と、十分な気密性の場合に予想される電圧の時間変化との比較を含むことが想定されうる。既知のタイプの燃料電池スタックでは、ガス供給速度の規定の変化の後に、電圧プロファイルの特有の時間変化が予想されうる。したがって、電池電圧または電池グループ電圧とそのような経験値との比較は、顕著な特徴を検出するための、したがって電池の気密性を試験するための有用なオプションとなる。
【００１４】
有利には、本発明は、ガス供給速度の規定の変化の前に少なくとも１つの電池または電池グループ電圧を検出し、少なくとも１つの電池または電池グループ電圧が実質的に一定となった後に、少なくとも１つのガス供給速度の規定の変化を引き起こすことによって、さらに改良される。例えば、燃料電池スタックが動作温度で１０分にわたってガスを供給された後にそのようにすることがあり、実質的に一定とみなすことができるかどうか判定する際、電池電圧の通常の変化が考慮される。
【００１５】
好ましくは、少なくとも１つのガス供給速度の規定の変化が、少なくとも１つのガス供給を完全に遮断することによって引き起こされる。このようにすると、観察されるガス供給に関して最大可能変化が得られ、それにより、電圧の時間変化に対する大きな影響が予想されうる。したがって、このようにすると、この方法は特に高感度になる。
【００１６】
しかし、少なくとも１つのガス供給速度の規定の変化が、ガス供給を維持しながら少なくとも１つのガス供給の圧力を変えることによって引き起こされるようにすることもできる。
【００１７】
本発明による方法の別の特に好ましい実施形態では、アノード空間およびカソード空間に供給されるガスの供給速度が、規定の様式で変化されることが想定される。両方のガス供給を完全に遮断した場合、電池電圧は連続的に降下し、最終的に、ニッケル・アノードを利用する場合には約６８０ｍＶの電圧値が実現され、６８０ｍＶの前記値は、Ｎｉ／ＮｉＯの酸化電位である。いずれにせよ、両方のガス供給を完全に遮断した場合、電圧の時間変化に対する最大の影響が予想されうる。
【００１８】
次に、本発明を、添付図面を参照しながら、特に好ましい実施形態を用いて例として説明する。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】典型的な電池電圧曲線の時間変化を示す図である。
【図２】ガス供給を完全に遮断した場合の、時間に関する様々な電池電圧曲線を示す図である。
【図３】ガス供給を完全に遮断した場合の、電圧に対してプロットされた時間に関する電池電圧の１次微分の様々な曲線を示す図である。
【図４】ガス供給を完全に遮断した場合の、時間に対してプロットされた時間に関する電池電圧の１次微分の様々な曲線を示す図である。
【図５】ガス供給を完全に遮断した場合の、時間に対してプロットされた時間に関する電池電圧の１次微分の様々な曲線を示す図である。
【図６】ガス供給を完全に遮断した場合の、時間に関する様々な電池電圧曲線または電池グループ電圧曲線を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
図１は、典型的な電池電圧曲線の時間変化を示す。電池電圧曲線は、初めは一定であり、この段階では、動作ガスが一定の供給速度で供給される。時間ｔ１で、両方の動作ガスの供給が遮断され、それにより電池電圧が降下する。前記降下は、時間ｔ２で、約６８０ｍＶ、すなわちニッケル・アノードを有する燃料電池スタックの場合におけるＮｉ／ＮｉＯの酸化電位で止まる。電圧の降下は、典型的には約１時間かかることがある。その後、ニッケル・アノードの酸化が生じる。
【００２１】
図２は、ガス供給を完全に遮断した場合の様々な電池電圧曲線の時間変化を示す。これらの電池電圧曲線では、特に、破線によって示される曲線が目立つ。この電圧は、他の曲線よりもかなり早く約６８０ｍＶの最終一定値に達し、したがって、この電圧曲線に関連付けられた電池に漏れがある可能性がかなり高い。
【００２２】
図３は、ガス供給を完全に遮断した場合の、電圧に対してプロットされた時間に関する電池電圧の１次微分の様々な曲線を示す。時間に関する電池電圧の１次微分は、電圧降下の速度を表す。この降下は、特性曲線の形で生じ、顕著な極大値を有する２つの領域が特徴的である。最終の一定電圧値に達する直前の極大値が特に顕著である。
【００２３】
図４は、ガス供給を完全に遮断した場合の、時間に対してプロットされた時間に関する電池電圧の１次微分の様々な曲線を示す。いくつかの電池が、他の電池よりも早く最終極大値に達するのが見られ、これは、これらの電池での漏れを示す。
【００２４】
図５は、ガス供給を完全に遮断した場合の、時間に対してプロットされた時間に関する電池電圧の１次微分の様々な曲線を示す。これら２つの曲線はそれぞれ、３つの電池からなるグループに対応付けられる。実線は、特有の特徴を示さない過程を有する。特に、一定電池電圧値に達する前に最終極大値が存在する。対照的に、破線は、２つの極大値（Ｍ１、Ｍ２）を有し、すなわち、対応付けられた３つの電池からなるグループの少なくとも１つの電池が、より早くＮｉ／ＮｉＯの酸化電位に達する。したがって、おそらく、この電池グループの範囲内で漏れがある。
【００２５】
図６は、ガス供給を完全に遮断した場合の、時間に関する様々な電池電圧曲線または電池グループ電圧曲線を示す。ここで、実線は、個別電池の電圧を示し、破線は、３つの電池の平均値を示す。これらの電池の１つに漏れがある。時間に関する電池電圧の分析のみでは、グループを特異なものとみなすことはできず、一方、これは、図５に関連して説明したように微分法によれば確実に可能であることが分かる。
【００２６】
本発明による方法に関連して、結果が、テスト・スタンド内へのシステムの統合に強い依存を示すことに言及することができる。例えば、アノード空間の少なくとも片側が閉じられているかどうか観察される。さらに、アノード空間の開端部、すなわち燃焼ガス排出のパイプの長さを考慮しなければならない。さらに、燃料電池スタックとテスト・スタンドとの気密界面が重要視される。
【００２７】
上の説明、図面、および特許請求の範囲で開示される本発明の特徴は、個々に、さらには任意の組合せで本発明を実現するのに重要となりうる。
【図１】
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【図２】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図３】
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【国際調査報告】
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