(57)【要約】【課題】  製造プロセス段階で電極シートを検査することにより作業ロス、材料ロスを削減する検査装置および方法を提供すること。【解決手段】  酸素を含む酸化剤が供給されたカソード極と、水素を含む燃料ガスが供給されたアノード極を有し、この両極の間に配置された電極シートを検査する燃料電池の検査装置であって、前記カソード極と前記アノード極の外側両面に平行に配置された１対の挟み込み板を有し、前記カソード極と前記アノード極に気体を供給する気体供給手段と、この両電極間に電圧を印加する電圧供給手段とを有し、電圧印加による電気的信号を計測する手段を備えることで解決できる。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
酸素を含む酸化剤が供給されたカソード極と、水素を含む燃料ガスが供給されたアノード極を有し、この両極の間に配置された電極シートを検査する燃料電池の検査装置であって、前記カソード極と前記アノード極の外側両面に平行に配置された１対の挟み込み板を有し、前記カソード極と前記アノード極に気体を供給する気体供給手段と、この両電極間に電圧を印加する電圧供給手段とを有し、電圧印加による電気的信号を計測する手段を備えたこと
を特徴とする燃料電池の検査装置。
【請求項２】
電圧供給手段により印加する電圧は正弦波状の増減であり、前記正弦波の周波数を逐次変化させる手段を備えることを特徴とする請求項１記載の燃料電池の検査装置。
【請求項３】
アノード極側に供給する気体は水素であることを特徴とする請求項１記載の燃料電池の検査装置。
【請求項４】
カソード極側に供給する気体は窒素であることを特徴とする請求項１記載の燃料電池の検査装置。
【請求項５】
挟み込み板の電極シートと接触する表面は炭素で製造された多孔質材であることを特徴とする請求項１記載の燃料電池の検査装置。
【請求項６】
挟み込み板により電極シートを挟みこむ圧力を測定し、前記圧力を所望の圧力に制御する制御装置を有することを特徴とする請求項１記載の燃料電池の検査装置。
【請求項７】
挟み込み板が電極シートを挟みこむ位置を、前記電極シートに付けられた印を画像認識することにより、前記挟み込み位置に一致するように前記挟み込み板の位置を制御する制御装置を有することを特徴とする請求項１記載の燃料電池の検査装置。
【請求項８】
挟み込み板は電極シートを挟みこむ位置を前記電極シートに付けられた印を画像認識することにより、電極シートの位置の少なくとも１つを制御する制御装置を有することを特徴とする請求項１記載の燃料電池の検査装置。
【請求項９】
カソード極に酸素を含む酸化剤を供給する一方、アノード極には水素を含む燃料ガスを供給することで発電する燃料電池を検査する燃料電池の検査方法において、この両極の間に配置された電極シートを検査する際、前記カソード極と前記アノード極とを１対の挟み込み板によって挟み込み、前記挟み込み板から前記カソード極と前記アノード極に気体を供給した後、この両電極間に電圧を印加することで電圧印加による電気的信号を計測することを特徴とする燃料電池検査方法。
【請求項１０】
電圧は正弦波状の増減であり、前記正弦波の周波数を逐次変化させることを特徴とする請求項９記載の燃料電池の検査方法。
【請求項１１】
アノード極側に供給する気体は水素であることを特徴とする請求項９記載の燃料電池の検査方法。
【請求項１２】
カソード極側に供給する気体は窒素であることを特徴とする請求項９記載の燃料電池の検査方法。
【請求項１３】
挟み込み板は電極シートを挟み込む圧力を測定し、前記圧力を所望の圧力に制御することを特徴とする請求項９記載の燃料電池の検査方法。
【請求項１４】
挟み込み板は前記電極シートを挟みこむ位置を前記電極シートに付けられた印を画像認識することにより、前記挟み込み位置に一致するように、前記挟み込み板の位置を制御することを特徴とする請求項９記載の燃料電池の検査方法。
【請求項１５】
挟み込み板は電極シートを挟みこむ位置を前記電極シートに付けられた印を画像認識することにより、前記電極シートの位置の少なくとも１つを制御することを特徴とする請求項９記載の燃料電池の検査方法。
【請求項１６】
電気的信号を正常時の電気的信号と比較することにより電極シートの欠陥を検出することを特徴とする請求項９記載の燃料電池の検査方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池を構成する電極シートを製造工程中で検査する燃料電池の検査装置および方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
固体高分子型燃料電池の構成は、固体電解質膜の両面に触媒層を塗布した電極シートを１枚単位に裁断し、その電極シートの両面からＧＤＬ（Ｇａｓ  Ｄｉｆｕｓｉｏｎ  ＬａｙｅＲ）と呼ばれるガス拡散材を貼り付けたＭＥＡ（ＭｅｍｂＲａｎｅ  ＥｌｅＣｔＲｏｄｅ  Ａｓｓｅｍｂｌｙ）呼ばれる積層膜を、ガスを供給する為のセパレータにより挟み込んだセルを多数積層したスタックが基本となっている。
【０００３】
この中で、電極シートの品質は燃料電池の性能に影響することが知られている。
【０００４】
従来の電極シートの検査方法としては、固体電解質型燃料電池で用いるセラミックシートを１枚毎に裁断した後に、直流電圧を印加し、電極間に流れる微小電柱を測定し、電流量の大小でピンホールを検査する方法があった（例えば、特許文献１参照）。
【０００５】
この技術は、図６に示すように、燃料電池で使用するシート６０１に裁断した後にセラミックシートに直流高圧電源６０３からにより、電極板６０２ａ、６０２ｂから電圧を印加し放電電流検知器６０４により微小電流を測定することにより、セラミックシートの検査を実施している。
【特許文献１】特開２００２−９０３４６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、前記従来の構成では、固体高分子型燃料電池では前記電極シートを裁断した後、電極シートの段階での欠陥の有無にかかわらず樹脂粘着材などによりＧＤＬを貼り付けた後のＭＥＡとしての検査となる為、不良品へのＧＤＬ貼り付け作業によるロスや、ＧＤＬを貼り付けると再利用不可能な為、ＧＤＬそのものの材料ロスがあるという課題を有していた。また、電気的リークのみの検知となる為、屈曲した細孔によるガスリークを検知することが困難であるという課題も有していた。
【０００７】
本発明は、前記従来の課題を解決するもので、電極シート製造プロセス段階で、ＧＤＬを取り付けることなく、電気的リークおよびガスリークを検査することが可能な燃料電池の検査装置および方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記の目的を達成するために、本願第１の発明に係る燃料電池の検査装置は、酸素を含む酸化剤が供給されたカソード極と、水素を含む燃料ガスが供給されたアノード極を有し、この両極の間に配置された電極シートを検査する燃料電池の検査装置であって、前記カソード極と前記アノード極の外側両面に平行に配置された１対の挟み込み板を有し、前記カソード極と前記アノード極に気体を供給する気体供給手段と、この両電極間に電圧を印加する電圧供給手段とを有し、電圧印加による電気的信号を計測する手段を備えたことを特徴とする。
【０００９】
このとき、電圧供給手段により印加する電圧は正弦波状の増減であり、前記正弦波の周波数を逐次変化させる手段を備えると好適である。
【００１０】
また、アノード極側に供給する気体は水素であると好適である。
【００１１】
また、カソード極側に供給する気体は窒素であると好適である。
【００１２】
また、挟み込み板の電極シートと接触する表面は炭素で製造された多孔質材であると好適である。
【００１３】
また、挟み込み板により電極シートを挟みこむ圧力を測定し、前記圧力を所望の圧力に制御する制御装置を有すると好適である。
【００１４】
また、挟み込み板が電極シートを挟みこむ位置を、前記電極シートに付けられた印を画像認識することにより、前記挟み込み位置に一致するように前記挟み込み板の位置を制御する制御装置を有すると好適である。
【００１５】
また、挟み込み板は電極シートを挟みこむ位置を前記電極シートに付けられた印を画像認識することにより、電極シートの位置の少なくとも１つを制御する制御装置を有すると好適である。
【００１６】
本願第２の発明に係る燃料電池の検査方法は、カソード極に酸素を含む酸化剤を供給する一方、アノード極には水素を含む燃料ガスを供給することで発電する燃料電池を検査する燃料電池の検査方法において、この両極の間に配置された電極シートを検査する際、前記カソード極と前記アノード極とを１対の挟み込み板によって挟み込み、前記挟み込み板から前記カソード極と前記アノード極に気体を供給した後、この両電極間に電圧を印加することで電圧印加による電気的信号を計測することを特徴とする。
【００１７】
このとき、電圧は正弦波状の増減であり、前記正弦波の周波数を逐次変化させると好適である。
【００１８】
また、アノード極側に供給する気体は水素であると好適である。
【００１９】
また、カソード極側に供給する気体は窒素であると好適である。
【００２０】
また、挟み込み板は電極シートを挟み込む圧力を測定し、前記圧力を所望の圧力に制御すると好適である。
【００２１】
また、挟み込み板は前記電極シートを挟みこむ位置を前記電極シートに付けられた印を画像認識することにより、前記挟み込み位置に一致するように、前記挟み込み板の位置を制御すると好適である。
【００２２】
また、挟み込み板は電極シートを挟みこむ位置を前記電極シートに付けられた印を画像認識することにより、前記電極シートの位置の少なくとも１つを制御すると好適である。
【００２３】
更に、電気的信号を正常時の電気的信号と比較することにより電極シートの欠陥を検出すると好適である。
【００２４】
以上のような構成及び方法によると、電極シート製造プロセス内においてインラインで前記電極シートの欠陥検査を実施すること可能となる。
【発明の効果】
【００２５】
本発明の燃料電池検査装置および方法によれば、不要な組立工数、組立部材ロスの削減によりコストの削減をすることが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２６】
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。
【００２７】
（実施の形態）
図１は、本発明の実施の形態における燃料電池検査装置の概略図である。
【００２８】
図１において、電極シート１０１に平行に配置された挟み込み板１０２ａ，１０２ｂにより製造プロセス中の電極シート１０１は挟みこまれる。挟み込まれた後、アノードガス供給ライン１０５ａより水素、カソードガス供給ライン１０６ａより窒素が供給され、交流電源１０３により交流電圧が印加される。このアノードガス供給ライン１０５ｂとカソードガス供給ライン１０６ｂはそれぞれアノードガス、カソードガスの排出ラインである。交流電源１０３は、低周波から高周波まで周波数を変化させることが可能なものを用いる。電圧印加により電流計測計１０４で電流値が計測される。この計測値より、良否判定判断装置１０９により電極シートの良否が決定される。
【００２９】
図２は、挟み込み板１０２ａの断面図である。電極シート１０１と接する部分は、炭素多孔質材２０１を用いている。この炭素多孔質膜は、ＧＤＬと同様の材質を用いればよい。この多孔質材２０１を通してガスを供給するために、導電性のガス供給路形成材２０２を配置し、ガスはガス供給路２０４を通り多孔質材２０１を拡散して電極シート１０１へ到達する。このガス供給路形成材２０２は、燃料電池で実際に用いるセパレータと同様の材質を用いればよい。また、供給されたガスがリークしないようにシール材２０３を配置している。
【００３０】
本実施形態において、挟み込み板１０２ａ，１０２ｂによる電極シート１０１を挟み込む圧力を圧力計１０７により計測し、挟み込み圧力を例えばサーボ制御器（図示せず）による挟み込み板間の距離により制御している。
【００３１】
挟み込み板１０２ａ，１０２ｂにより、電極シート１０１を挟み込む位置は図３に図示するような電極３０１の形成の際に印３０２を付けておくことで、認識装置１０８により印３０２から認識し、認識した位置に合わせ、挟み込み板１０２ａ，１０２ｂの位置を制御する。
【００３２】
本実施形態では、印３０２を電極３０１間に丸で付けているが、挟み込む位置を認識できるものであればどのような印を電極シート１０１のどの場所に付けても良い。また、本実施形態では、挟み込み板１０２ａ，１０２ｂの位置を制御したが、電極シート１０１の位置を制御してもよい。
【００３３】
交流電流計で計測された値による電極シート良否判定装置１０９での判定方法を、本実施形態では、インピーダンスを用いて良否判定を行っている。インピーダンスは、アノードのインピーダンスとカソードのインピーダンスとＭＥＡのインピーダンスおよび接触抵抗からなる。
【００３４】
図４に典型的な電極シートのインピーダンスの実数部に対する虚数部のプロットを示す。このインピーダンスの挙動は図５に示すような等価回路で表現できる。
【００３５】
インピーダンス特性の測定方法の一実施例を以下に記述する。
【００３６】
燃料電池に印加する電圧の交流成分およびセル電流の交流成分の振幅および位相からインピーダンスを演算する。具体的には、等価回路の複素インピーダンスをＺ、実数部ＺＲ、虚数部Ｚｉ、虚数ｊとすると
Ｚ＝ＺＲ＋ｊＺｉ
と記述される。
【００３７】
また、測定時のセル電圧交流成分を複素数Ｅ、実数部ＥＲ、虚数部Ｅｉ、セル電流交流成分を複素数Ｉ、実数部ＩＲ、虚数部Ｉｉとすると
Ｚ＝Ｅ／Ｉ＝（ＥＲ＋ｊＥｉ）／（ＩＲ＋ｊＩｉ）
として、周波数ｆの交流電流取出し時に測定されたＥ、Ｉから複素インピーダンスが演算できる。更に、取り出す交流電流の周波数ｆを０．１Ｈｚ程度から１０００Ｈｚ程度まで掃引し、各周波数における複素インピーダンスを上記同様の演算で演算し、その実数部ＺＲを横軸に、虚数部Ｚｉにマイナス符号を付けた−Ｚｉを縦軸にした複素平面にプロットし、一般に用いられるコールコールプロットを作成する。
【００３８】
等価回路が一対の抵抗、コンデンサ並列回路の場合のコールコールプロットは横軸上に中心点をもつ一定の半径の半円形状となるが、図５のような３組の抵抗、コンデンサの等価回路の場合、３つの半円の重ね合わせた形状になる。描画された形状に合致するように低周波数側から順に一つずつ半円の半径、中心位置を決定して行き、１番目〜３番目の中心座標を順にＸ１，Ｘ２，Ｘ３、直径をＤ１，Ｄ２，Ｄ３、半円上で虚数部の最も大きい点の周波数をｆとすると、
Ｒｓ＝Ｘ１−Ｄ１／２
Ｒ１＝Ｄ１
Ｒ２＝Ｄ２
Ｒ３＝Ｄ３
Ｃ１＝１／（２πｆＲ１）
Ｃ２＝１／（２πｆＲ２）
Ｃ３＝１／（２πｆＲ３）
となり、測定値Ｅ、Ｉにフィットする等価回路のコンポーネント（Ｃ、Ｒ）＝（Ｃ１、Ｒ１）、（Ｃ２、Ｒ２）、（Ｃ３、Ｒ３）の値を算出できる。
【００３９】
このことから、電極シート良否判定装置１０９においては、正常時のＣとＲの値から大きく外れた場合に、当該電極シート１０１が不良であると判定する。
【００４０】
以上のことから、電極シートが燃料電池で使用されるために裁断される以前の状態で両面から平行に配置された挟み込み板により挟み込み、前記挟み込み構造にはアノード極側とカソード極側に気体を供給できる機能および、両電極間に電圧を印加できる電気伝導機能とを有し、前期電気伝導機能での電圧印加による電気的信号を計測することにより、電極シートにＧＤＬを取り付けることなく製造プロセス内においてインラインで検査できるため、電極シート不良によるＧＤＬ貼り付け作業ロスおよび、ＧＤＬ材料ロスを削減することができる。
【産業上の利用可能性】
【００４１】
本発明の燃料電池検査装置および方法は、電極シート製造プロセス内においてインラインで電極シートの欠陥を検査する手段を有し、同様のイオン分離膜検査等の製造プロセス内におけるインライン検査の用途にも適用できる。
【図面の簡単な説明】
【００４２】
【図１】本発明の実施の形態における燃料電池検査装置の概略図
【図２】本発明の実施の形態における挟み込み板の断面図
【図３】本発明の実施の形態における挟み込み位置の認識ポイントを示す図
【図４】周波数をスイープさせて測定したインピーダンスをプロットした図
【図５】電極シートのインピーダンスを表す等価回路図
【図６】従来の燃料電池検査装置の概略図
【符号の説明】
【００４３】
１０１    製造プロセス内の電極シート
１０２ａ，１０２ｂ    挟み込み板
１０３    交流電源
１０４    交流電流計
１０５ａ    アノードガス供給ライン
１０５ｂ    アノードガス排出ライン
１０６ａ    カソードガス供給ライン
１０６ｂ    カソードガス排出ライン
１０７    挟み込み圧力測定器
１０８    挟み込み位置認識装置
１０９    電極シート良否判定装置
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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