(57)【要約】  【課題】  固体高分子型燃料電池は、高分子電解質膜の両面に触媒を担持し、その外面にガス拡散層を形成したＭＥＡと、両面にガス流路を形成したセパレータとを交互に数十枚積層したものである。ＭＥＡの触媒層とガス拡散層との接合不良等により、電圧異常のセルが存在する。その判定は、スタックに組んで発電状態で行なうため、セル電圧異常が発生した場合に、不良ＭＥＡの交換のための多大な工程ロスが発生する。  【解決手段】  所定の湿度管理下２０で、スタックに組んでいない状態の、検査対象であるＭＥＡ５の電極間に交流信号を印加し、交流インピーダンスと位相角を測定するステップと、測定した交流インピーダンスの値および位相角の値を、他の正常なＭＥＡの電極間に交流信号を印加して測定した交流インピーダンスの値および位相角の値とそれぞれ比較し、検査対象であるＭＥＡ５の良否を判定する。  【選択図】  図２ 
2005071882.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
所定の湿度管理下で、スタックに組んでいない状態の、検査対象である電極電解質膜接合体の電極間に交流信号を印加し、交流インピーダンスと位相角を測定するステップと、
測定した前記交流インピーダンスの値および前記位相角の値を、他の正常な電極電解質膜接合体の電極間に交流信号を印加して測定した交流インピーダンスの値および位相角の値とそれぞれ比較し、前記検査対象である電極電解質膜接合体の良否を判定するステップとを備えた、固体高分子型燃料電池の電極電解質膜接合体の検査方法。
【請求項２】
所定の湿度管理下で、スタックに組んでいない状態の、検査対象である単位セルの電極間に交流信号を印加し、交流インピーダンスと位相角を測定するステップと、
測定した前記交流インピーダンスの値および前記位相角の値を、他の正常な単位セルの電極間に交流信号を印加して測定した交流インピーダンスの値および位相角の値とそれぞれ比較し、前記検査対象である単位セルの良否を判定するステップとを備えた、固体高分子型燃料電池の単位セルの検査方法。
【請求項３】
スタックに組んでいない状態の、検査対象である単位セルを所定の締結力で加圧し、アノードガス流路とカソードガス流路に加湿されたガスを流した状態で、前記検査する単位セルの電極間に交流信号を印加し、交流インピーダンスと位相角を測定するステップと、
測定した前記交流インピーダンスの値および前記位相角の値を、他の正常な単位セルの電極間に交流信号を印加して測定した交流インピーダンスの値および位相角の値とそれぞれ比較し、前記検査対象である単位セルの良否を判定するステップとを備えた、固体高分子型燃料電池の単位セルの検査方法。
【請求項４】
前記交流信号は、周波数０．０１Ｈｚ〜１０ｋＨｚである、請求項１に記載の固体高分子型燃料電池の電極電解質膜接合体の検査方法。
【請求項５】
前記交流信号は、周波数０．０１Ｈｚ〜１０ｋＨｚである、請求項２または３に記載の固体高分子型燃料電池の単位セルの検査方法。
【請求項６】
電極電解質膜接合体を作製するステップと、
所定の湿度管理下で、スタックに組んでいない状態の前記電極電解質膜接合体の電極間に交流信号を印加し、交流インピーダンスと位相角を測定し、測定した前記交流インピーダンスの値および前記位相角の値を、他の正常な電極電解質膜接合体の電極間に交流信号を印加して測定した交流インピーダンスの値および位相角の値とそれぞれ比較し、前記電極電解質膜接合体の良否を判定するステップと、
前記電極電解質膜接合体の両面にセパレータを配置した単位セルを構成させ、前記単位セルを複数積層し、前記複数積層した単位セルの両側に、集電板、絶縁板、端板を順に配置し、所定の荷重で締結してスタックを作製するステップと、
前記スタックをエージングするステップと、
前記スタックのセル電圧を測定するステップとを備えた、固体高分子燃料電池の製造方法。
【請求項７】
電極電解質膜接合体を作製するステップと、
前記電極電解質膜接合体の両面にセパレータを配置して単位セルを作製するステップと、
所定の湿度管理下で、スタックに組んでいない状態の前記単位セルの電極間に交流信号を印加し、交流インピーダンスと位相角を測定し、測定した前記交流インピーダンスの値および前記位相角の値を、他の正常な単位セルの電極間に交流信号を印加して測定した交流インピーダンスの値および位相角の値とそれぞれ比較し、前記単位セルの良否を判定するステップと、
前記単位セルを複数積層し、前記複数積層した単位セルの両側に、集電板、絶縁板、端板を順に配置し、所定の荷重で締結してスタックを作製するステップと、
前記スタックをエージングするステップと、
前記スタックのセル電圧を測定するステップとを備えた、固体高分子燃料電池の製造方法。
【請求項８】
電極電解質膜接合体を作製するステップと、
前記電極電解質膜接合体の両面にセパレータを配置して単位セルを作製するステップと、
スタックに組んでいない状態の前記単位セルを所定の締結力で加圧し、アノードガス流路とカソードガス流路に加湿されたガスを流した状態で、前記単位セルの電極間に交流信号を印加し、交流インピーダンスと位相角を測定し、測定した前記交流インピーダンスの値および前記位相角の値を、他の正常な単位セルの電極間に交流信号を印加して測定した交流インピーダンスの値および位相角の値とそれぞれ比較し、前記単位セルの良否を判定するステップと、
前記単位セルを複数積層し、前記複数積層した単位セルの両側に、集電板、絶縁板、端板を順に配置し、所定の荷重で締結してスタックを作製するステップと、
前記スタックをエージングするステップと、
前記スタックのセル電圧を測定するステップとを備えた、固体高分子燃料電池の製造方法。
【請求項９】
所定の湿度にする湿度調整手段と、
スタックに組んでいない状態の電極電解質膜接合体を挟んで支持する保持手段と、
前記電極電解質膜接合体の電極間に交流信号を印加する交流信号印加手段と、
前記交流信号を印加した際の、交流インピーダンスと位相角を測定する測定手段とを備えた、固体高分子燃料電池の電極電解質膜接合体の検査装置。
【請求項１０】
所定の湿度にする湿度調整手段と、
スタックに組んでいない状態の単位セルを挟んで支持する保持手段と、
前記単位セルの電極間に交流信号を印加する交流信号印加手段と、
前記交流信号を印加した際の、交流インピーダンスと位相角を測定する測定手段とを備えた、固体高分子燃料電池の単位セルの検査装置。
【請求項１１】
スタックに組んでいない状態の単位セルを挟み込み、所定の圧力を加える加圧手段と、
前記単位セルのアノードガス流路とカソードガス流路に加湿されたガスを供給する加湿ガス供給手段と、
前記単位セルの電極間に交流信号を印加する交流信号印加手段と、
前記交流信号を印加した際の、交流インピーダンスと位相角を測定する測定手段とを備えた、固体高分子燃料電池の単位セルの検査装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、固体高分子型燃料電池の発電異常を検出するための、電極電解質膜接合体の検査方法とその検査装置、単位セルの検査方法とその検査装置、および固体高分子型燃料電池の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
固体高分子型燃料電池は、水素を含有する燃料ガスと、酸素を含有する空気などの燃料ガスとを、電気化学的に反応させることで、電力と熱とを同時に発生させるものである。その構造は、図９に示すように、水素イオンを選択的に輸送する高分子電解質膜１のアノード面側に、白金−ルテニウム合金触媒を担持したカーボン粉末を主成分とする触媒層２が形成され、カソード面側には、白金触媒を担持したカーボン粉末を主成分とする触媒層３が形成されている。そして、この触媒層２、３の外面には、燃料ガスの通気性と電子導電性を併せ持つガス拡散層４が形成されている。このガス拡散層４と触媒層２、３とを合わせて電極となる。高分子電解質膜１とこれらの電極を合わせて、電極電解質膜接合体（ＭＥＡ）５と呼ぶ。
【０００３】
ＭＥＡ５の外側には、これを機械的に固定するとともに、隣接したＭＥＡ５を互いに電気的に直列に接続するための導電性のセパレータ６が配置されている。セパレータ６のＭＥＡ５と接触する部分には、電極面に反応ガスを供給し、生成ガスや余剰ガスを運び去るためのガス流路が形成されている。このＭＥＡ５と１対のセパレータ６を単位セル１０と呼ぶ。この単位セル１０を複数枚積層し、その両側に、集電板１１、絶縁板１２、端板１３の順に配置して、所定の荷重で締結させたものがスタックである。
【０００４】
図１０に、従来の固体高分子型燃料電池の製造プロセスフローを示す。従来の固体高分子型燃料電池の製造方法は、主に、ＭＥＡ作製工程（Ｓ１０１）、セパレータ作製工程（Ｓ１０２）、積層・組立工程（Ｓ１０３）、エージング工程（Ｓ１０４）、セル電圧検査工程（Ｓ１０５）で構成される。
【０００５】
スタックには、複数枚のＭＥＡが使用されるが、ＭＥＡの中には、高分子電解質膜の微小短絡や触媒層とガス拡散層との接着不良等により、電圧の低いＭＥＡが存在する場合がある。
【０００６】
固体高分子型燃料電池の異常検知方法として、正常発電時のセルの交流インピーダンスを予め測定し、発電中のセルの交流インピーダンスと比較することにより、セルの異常を検知する方法が知られている（例えば、特許文献１参照）。
【特許文献１】特開２００２−３６７６５０号公報（例えば、第１頁〜第５頁）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、従来の固体高分子型燃料電池の製造方法の場合には、電圧の低いＭＥＡが存在した場合、セル電圧検査工程（Ｓ１０５）で初めてその存在とその位置が特定される。これは、エージング（Ｓ１０４）を行って発電状態を安定させた後でなければ、電圧異常を判断できないからである。このように、セル電圧異常が発生した場合には、運転停止、スタックばらし、異常セルの交換（Ｓ１０３）、再度のエージング（Ｓ１０４）、発電状態でのセル電圧検査（Ｓ１０５）という一連の作業が必要となり、非常に工程ロスが大きかった。
【０００８】
本発明は、上記従来の課題を考慮し、発電状態にしないで電極電解質膜接合体の良否を判断できる、電極電解質膜接合体の検査方法とその検査装置、単位セルの検査方法とその検査装置、および固体高分子型燃料電池の製造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】
【０００９】
上述した課題を解決するために、第１の本発明は、
所定の湿度管理下で、スタックに組んでいない状態の、検査対象である電極電解質膜接合体の電極間に交流信号を印加し、交流インピーダンスと位相角を測定するステップと、
測定した前記交流インピーダンスの値および前記位相角の値を、他の正常な電極電解質膜接合体の電極間に交流信号を印加して測定した交流インピーダンスの値および位相角の値とそれぞれ比較し、前記検査対象である電極電解質膜接合体の良否を判定するステップとを備えた、固体高分子型燃料電池の電極電解質膜接合体の検査方法である。
【００１０】
第２の本発明は、
所定の湿度管理下で、スタックに組んでいない状態の、検査対象である単位セルの電極間に交流信号を印加し、交流インピーダンスと位相角を測定するステップと、
測定した前記交流インピーダンスの値および前記位相角の値を、他の正常な単位セルの電極間に交流信号を印加して測定した交流インピーダンスの値および位相角の値とそれぞれ比較し、前記検査対象である単位セルの良否を判定するステップとを備えた、固体高分子型燃料電池の単位セルの検査方法である。
【００１１】
第３の本発明は、
スタックに組んでいない状態の、検査対象である単位セルを所定の締結力で加圧し、アノードガス流路とカソードガス流路に加湿されたガスを流した状態で、前記検査する単位セルの電極間に交流信号を印加し、交流インピーダンスと位相角を測定するステップと、
測定した前記交流インピーダンスの値および前記位相角の値を、他の正常な単位セルの電極間に交流信号を印加して測定した交流インピーダンスの値および位相角の値とそれぞれ比較し、前記検査対象である単位セルの良否を判定するステップとを備えた、固体高分子型燃料電池の単位セルの検査方法である。
【００１２】
第４の本発明は、
前記交流信号は、周波数０．０１Ｈｚ〜１０ｋＨｚである、第１の本発明の固体高分子型燃料電池の電極電解質膜接合体の検査方法である。
【００１３】
第５の本発明は、
前記交流信号は、周波数０．０１Ｈｚ〜１０ｋＨｚである、第２または第３の本発明の固体高分子型燃料電池の単位セルの検査方法である。
【００１４】
第６の本発明は、
電極電解質膜接合体を作製するステップと、
所定の湿度管理下で、スタックに組んでいない状態の前記電極電解質膜接合体の電極間に交流信号を印加し、交流インピーダンスと位相角を測定し、測定した前記交流インピーダンスの値および前記位相角の値を、他の正常な電極電解質膜接合体の電極間に交流信号を印加して測定した交流インピーダンスの値および位相角の値とそれぞれ比較し、前記電極電解質膜接合体の良否を判定するステップと、
前記電極電解質膜接合体の両面にセパレータを配置した単位セルを構成させ、前記単位セルを複数積層し、前記複数積層した単位セルの両側に、集電板、絶縁板、端板を順に配置し、所定の荷重で締結してスタックを作製するステップと、
前記スタックをエージングするステップと、
前記スタックのセル電圧を測定するステップとを備えた、固体高分子燃料電池の製造方法である。
【００１５】
第７の本発明は、
電極電解質膜接合体を作製するステップと、
前記電極電解質膜接合体の両面にセパレータを配置して単位セルを作製するステップと、
所定の湿度管理下で、スタックに組んでいない状態の前記単位セルの電極間に交流信号を印加し、交流インピーダンスと位相角を測定し、測定した前記交流インピーダンスの値および前記位相角の値を、他の正常な単位セルの電極間に交流信号を印加して測定した交流インピーダンスの値および位相角の値とそれぞれ比較し、前記単位セルの良否を判定するステップと、
前記単位セルを複数積層し、前記複数積層した単位セルの両側に、集電板、絶縁板、端板を順に配置し、所定の荷重で締結してスタックを作製するステップと、
前記スタックをエージングするステップと、
前記スタックのセル電圧を測定するステップとを備えた、固体高分子燃料電池の製造方法である。
【００１６】
第８の本発明は、
電極電解質膜接合体を作製するステップと、
前記電極電解質膜接合体の両面にセパレータを配置して単位セルを作製するステップと、
スタックに組んでいない状態の前記単位セルを所定の締結力で加圧し、アノードガス流路とカソードガス流路に加湿されたガスを流した状態で、前記単位セルの電極間に交流信号を印加し、交流インピーダンスと位相角を測定し、測定した前記交流インピーダンスの値および前記位相角の値を、他の正常な単位セルの電極間に交流信号を印加して測定した交流インピーダンスの値および位相角の値とそれぞれ比較し、前記単位セルの良否を判定するステップと、
前記単位セルを複数積層し、前記複数積層した単位セルの両側に、集電板、絶縁板、端板を順に配置し、所定の荷重で締結してスタックを作製するステップと、
前記スタックをエージングするステップと、
前記スタックのセル電圧を測定するステップとを備えた、固体高分子燃料電池の製造方法である。
【００１７】
第９の本発明は、
所定の湿度にする湿度調整手段と、
スタックに組んでいない状態の電極電解質膜接合体を挟んで支持する保持手段と、
前記電極電解質膜接合体の電極間に交流信号を印加する交流信号印加手段と、
前記交流信号を印加した際の、交流インピーダンスと位相角を測定する測定手段とを備えた、固体高分子燃料電池の電極電解質膜接合体の検査装置である。
【００１８】
第１０の本発明は、
所定の湿度にする湿度調整手段と、
スタックに組んでいない状態の単位セルを挟んで支持する保持手段と、
前記単位セルの電極間に交流信号を印加する交流信号印加手段と、
前記交流信号を印加した際の、交流インピーダンスと位相角を測定する測定手段とを備えた、固体高分子燃料電池の単位セルの検査装置である。
【００１９】
第１１の本発明は、
スタックに組んでいない状態の単位セルを挟み込み、所定の圧力を加える加圧手段と、
前記単位セルのアノードガス流路とカソードガス流路に加湿されたガスを供給する加湿ガス供給手段と、
前記単位セルの電極間に交流信号を印加する交流信号印加手段と、
前記交流信号を印加した際の、交流インピーダンスと位相角を測定する測定手段とを備えた、固体高分子燃料電池の単位セルの検査装置である。
【発明の効果】
【００２０】
本発明により、発電状態にしないで電極電解質膜接合体の良否を判断できる、電極電解質膜接合体の検査方法とその検査装置、単位セルの検査方法とその検査装置、および固体高分子型燃料電池の製造方法を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
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。
【００２２】
（実施の形態１）
図１に、本発明の実施の形態１の固体高分子型燃料電池の製造プロセスのフロー図を示す。本実施の形態１の固体高分子型燃料電池の製造方法について、図１を用いて説明する。
【００２３】
図１に示すＭＥＡ作製工程（Ｓ１１）でＭＥＡを作製後、ＭＥＡ検査工程（Ｓ１３）でＭＥＡの検査を行い、ＭＥＡの良否を判別する。このＭＥＡ検査工程（Ｓ１３）でＯＫと判断されたＭＥＡのみ、次工程の積層・組立工程（Ｓ１４）に流し、ＮＧと判断されたＭＥＡは廃棄する。
【００２４】
次に、積層・組立工程（Ｓ１４）で、セパレータ作製工程（Ｓ１２）で作製されたセパレータ、ＭＥＡ検査工程（Ｓ１３）でＯＫと判断されたＭＥＡ、集電板、絶縁板、端板とを積層してスタックを組み立てる。そして、エージング工程（Ｓ１５）で、組み立てたスタックのエージングを行う。そして、スタックの発電状態が安定した後に、セル電圧検査工程（Ｓ１６）で、各セルの発電電圧を測定してセル電圧の検査を行う。ＭＥＡ検査工程（Ｓ１３）で良品とされたＭＥＡでスタックを組んでいるので、セル電圧検査工程（Ｓ１６）では、ＭＥＡ不良によるセル電圧異常は発生しない。
【００２５】
図２に、図１に示すＭＥＡ検査工程（Ｓ１３）における、本実施の形態１のＭＥＡ検査方法の概略図を示す。図２を用いて、本実施の形態１のＭＥＡの検査装置と共に検査方法について説明する。
【００２６】
図２に示すように、恒湿槽２０の中で所定の湿度管理下で、まず、ＭＥＡ５を導電板２１で挟み込む。そして、油圧プレス機２３で所定の締結圧力をかけた後、ＭＥＡ５の両電極間に、交流信号印加手段３０で交流信号を印加する。そして、このときの電気抵抗とリアクタンス成分を測定手段３１で測定する。その際、導電板２１は、絶縁板２２で装置本体から絶縁されている。
【００２７】
なお、恒湿槽２０は、本発明の湿度調整手段としての一例である。また、油圧プレス機２３によってＭＥＡ５を挟み込む導電板２１が、本発明の保持手段としての一例である。
【００２８】
ＭＥＡの検査時の所定の湿度は、室温において３０％以上７０％以下で、好ましくは、４０％以上６０％以下である。湿度幅は、±５％以内に制御する。湿度が３０％より低くなると、高分子電解質膜の含水率が低下し、イオン伝導性が著しく低下する。そのため、高分子電解質膜の抵抗成分が高くなり、ＭＥＡの異常を検査することができなくなる。一方、湿度が７０％より高くなると、高分子電解質膜が伸びることにより、ＭＥＡが反り、組立が困難となる。また、湿度幅が±５％以上となると、高分子電解質膜の含水率の変化により、イオン導電性が変化し、測定データの比較が困難となる。
【００２９】
また、ＭＥＡの検査の前に、ＭＥＡは検査環境と同じ湿度管理下で２４時間以上保管していることが好ましい。ＭＥＡを検査する際の湿度と保管環境の湿度が異なると、高分子電解質膜の含水率が変化するためである。
【００３０】
ＭＥＡ５を挟み込む締結圧力は、スタックでの締結圧力と同じにするのが好ましいが、必ずしも、スタックでの締結圧力と同じにする必要はない。ＭＥＡ５と導電板２１との接触抵抗が、スタックでの締結圧力で挟み込む場合の接触抵抗と変わらない締結圧力であればよい。
【００３１】
ＭＥＡ５の電極間に印加する交流信号は、０．０１Ｈｚ〜１０ｋＨｚの範囲が好ましい。１０ｋＨｚよりも高い周波数を用いた場合は、配線部や電池の構造上から生じるインダクタンス成分の影響が大きくなる。また、０．０１Ｈｚよりも低い周波数を用いた場合、測定時間が長くなる。
【００３２】
ＭＥＡ５は、図９に示したように、アノード電極、及びカソード電極が薄い高分子電解質膜１を介して対向する構造を有しているため、両電極間に交流信号を印加した場合には、電気抵抗Ｒと同時に、コンデンサ成分に起因するリアクタンス成分１／（２πｆｃ）が測定される。この結果をコールコールプロット（複素平面表示）し、ＭＥＡ毎にその波形を比較することにより、ＭＥＡの不良を判別できる。なお、電気抵抗Ｒおよびリアクタンス成分１／（２πｆｃ）は、それぞれ、本発明の交流インピーダンスおよび位相角のことである。
【００３３】
（実施の形態２）
図３に、本発明の実施の形態２の固体高分子型燃料電池の製造プロセスのフロー図を示す。本実施の形態２の固体高分子型燃料電池の製造方法について、図３を用いて説明する。
【００３４】
ＭＥＡ作製工程（Ｓ２１）で図９に示すＭＥＡ５を作製後、単位セル組立工程（Ｓ２３）で、図９に示すように、セパレータ作製工程（Ｓ２２）で作製した１対のセパレータ６とＭＥＡ５を組み合わせ、単位セル１０を作製する。その単位セル１０を単位セル検査工程（Ｓ２４）で検査することより、ＭＥＡ５の良否を判断する。単位セル検査工程（Ｓ２４）でＮＧと判断された単位セルは、ＭＥＡのみ交換されて、再度単位セルとして単位セル検査工程（Ｓ２４）で検査される。
【００３５】
次に、単位セル積層工程（Ｓ２５）で、単位セル検査工程（Ｓ２４）で良品と判断された複数の単位セル、集電板、絶縁板、端板を積層してスタックを組み立てる。そして、エージング工程（Ｓ２６）で、組み立てたスタックのエージングを行う。そして、スタックの発電状態が安定した後に、セル電圧検査工程（Ｓ２７）で、各セルの発電電圧を測定してセル電圧の検査を行う。単位セル検査工程（Ｓ２４）で良品と判断された単位セルでスタックを組んでいるので、セル電圧検査工程（Ｓ２７）では、ＭＥＡ不良によるセル電圧異常は発生しない。
【００３６】
図４に、図３に示す単位セル検査工程（Ｓ２４）における、本実施の形態２の単位セル検査方法の概略図を示す。図４を用いて、本実施の形態２の単位セルの検査装置と共に検査方法について説明する。
【００３７】
図４に示すように、恒湿槽２０の中で所定の湿度管理下で、まず、単位セル１０を導電板２１で挟み込む。そして、油圧プレス機２３で所定の締結圧力をかけた後、単位セル１０の両電極間に、交流信号印加手段３０で交流信号を印加する。そして、このときの電気抵抗とリアクタンス成分を測定手段３１で測定する。その際、導電板２１は、絶縁板２２で装置本体から絶縁されている。
【００３８】
なお、恒湿槽２０は、本発明の湿度調整手段としての一例である。また、油圧プレス機２３によって単位セル１０を挟み込む導電板２１が、本発明の保持手段としての一例である。
【００３９】
単位セルの検査時の所定の湿度は、室温において３０％以上、好ましくは、４０％以上６０％以下である。湿度幅は、±５％以内に制御する。湿度が３０％より低くなると、高分子電解質膜の含水率が低下し、イオン伝導性が著しく低下する。そのため、高分子電解質膜の抵抗成分が高くなり、ＭＥＡの異常を検査することができなくなる。一方、実施の形態１で示したＭＥＡ単体での検査と異なり、ＭＥＡは単位セルとして固定されているため、実施の形態１のように湿度が７０％以上であっても、次工程での組立性に問題は無い。また、湿度幅が±５％以上となると、高分子電解質膜の含水率の変化により、イオン導電性が変化し、測定データの比較が困難となる。
【００４０】
また、単位セルの検査の前に、ＭＥＡは検査環境と同じ湿度管理下で２４時間以上保管していることが好ましい。単位セルを検査する際の湿度とＭＥＡの保管環境の湿度が異なると、高分子電解質膜の含水率が変化するためである。
【００４１】
単位セル１０を挟み込む締結圧力は、スタックでの締結圧力と同じにするのが好ましいが、必ずしも、スタックでの締結圧力と同じにする必要はない。単位セル１０と導電板２１との接触抵抗が、スタックでの締結圧力で挟み込む場合の接触抵抗と変わらない締結圧力であればよい。
【００４２】
電極間に印加する交流信号は、０．０１Ｈｚ〜１０ｋＨｚの範囲が好ましい。１０ｋＨｚよりも高い周波数を用いた場合は、配線部や電池の構造上から生じるインダクタンス成分の影響が大きくなる。また、０．０１Ｈｚよりも低い周波数を用いた場合、測定時間が長くなる。
【００４３】
単位セル１０は、図９に示したように、セパレータ６とアノード電極、及びセパレータ６とカソード電極が薄い高分子電解質膜１を介して対向する構造を有しているため、両電極間に交流信号を印加した場合には、電気抵抗Ｒと同時にコンデンサ成分に起因するリアクタンス成分１／（２πｆｃ）が測定される。この結果をコールコールプロット（複素平面表示）し、単位セル毎にその波形を比較することにより、ＭＥＡの不良を判別できる。なお、電気抵抗Ｒおよびリアクタンス成分１／（２πｆｃ）は、それぞれ、本発明の交流インピーダンスおよび位相角のことである。
【００４４】
（実施の形態３）
本実施の形態３の固体高分子型燃料電池の製造プロセスフローは、図３に示した実施の形態２の製造プロセスフローと同じであるが、単位セル検査工程（Ｓ２４）における単位セルの検査方法が実施の形態２の場合とは異なる。
【００４５】
図５に、図３に示す単位セル検査工程（Ｓ２４）における、本実施の形態３の単位セル検査方法の概略図を示す。図５を用いて、本実施の形態３の単位セルの検査装置と共に検査方法について説明する。
【００４６】
図５に示すように、単位セル１０を導電板２１で挟み込み、油圧プレス機２３で所定の締結圧力をかける。次に、図示しない加湿ガス供給手段により加湿されたガス２６をガス導入口２４から、単位セル１０のアノード側、カソード側両方のセパレータ流路内に入れる。そして、高分子電解質膜を加湿した後、ガス排出ロ２５から外部に排出させる。高分子電解質膜が十分加湿された後に、単位セル１０の両電極間に、交流信号印加手段３０で交流信号を印加する。そして、このときの電気抵抗とリアクタンス成分を測定手段３１で測定する。その際、導電板２１は、絶縁板２２で装置本体から絶縁されている。
【００４７】
なお、恒湿槽２０および油圧プレス機２３は、それぞれ、本発明の湿度調整手段および加圧手段としての一例である。
【００４８】
加湿されたガス２６の露点は、室温〜室温＋２０℃、好ましくは、室温＋５℃〜室温＋１０℃である。加湿されたガス２６の露点が室温以下では、高分子電解質膜が十分加湿されず、イオン導電性が変化しやすい。そのため、測定データにばらつきが生じやすい。一方、加湿されたガス２６の露点が室温＋２０℃より高くなると、セパレータ内で多量の結露が生じる。
【００４９】
本実施の形態３の単位セルの検査方法では、検査時に高分子電解質膜の含水率を制御するため、実施の形態１および実施の形態２で述べたようなＭＥＡの検査環境や保管環境を、特に規定する必要がない。
【００５０】
単位セル１０を挟み込む締結圧力は、スタックでの締結圧力と同じにするのが好ましい。電極間に印加する交流信号は０．０１Ｈｚ〜１０ｋＨｚの範囲が好ましい。１０ｋＨｚよりも高い周波数を用いた場合は、配線部や電池の構造上から生じるインダクタンス成分の影響が大きくなる。また、０．０１Ｈｚよりも低い周波数を用いた場合、測定時間が長くなる。
【００５１】
単位セル１０は、図９に示したように、セパレータ６とアノード電極、及びセパレータ６とカソード電極が薄い高分子電解質膜１を介して対向する構造を有しているため、両電極間に交流信号を印加した場合には、電気抵抗Ｒと同時にコンデンサ成分に起因するリアクタンス成分１／（２πｆｃ）が測定される。この結果をコールコールプロット（複素平面表示）し、単位セル毎にその波形を比較することにより、ＭＥＡの不良を判別できる。なお、電気抵抗Ｒおよびリアクタンス成分１／（２πｆｃ）は、それぞれ、本発明の交流インピーダンスおよび位相角のことである。
【００５２】
以下に、実施例に基づいて本発明をより詳細に説明するが、本発明はこれらの実施例により限定されるものではない。
【００５３】
まず、正常なＭＥＡを作製した。
【００５４】
高分子電解質膜として、Ｎａｆｉｏｎ（デュポン社製）を使用し、アノード側に白金−ルテニウム合金を担持したカーボンブラックを主成分とする触媒層を形成させ、カソード側に白金を担持したカーボンブラックを主成分とする触媒層を形成させた。更にその外面に、ガス拡散層としてカーボンクロスを１００℃、０．５ＭＰａで１分間ホットプレスし、ＭＥＡを作製し、これを正常なＭＥＡとした。
【００５５】
次に、触媒層とガス拡散層接着不良のＭＥＡを作製した。
【００５６】
正常なＭＥＡに対して、カーボンクロスのホットプレス条件を７０℃、０．５ＭＰａで１分間として、ＭＥＡを作製した。このＭＥＡは、触媒層とガス拡散層との接着強度が正常なＭＥＡの約１／４であった。
【００５７】
上記で作製した、正常なＭＥＡおよび触媒層とガス拡散層接着不良のＭＥＡを用いてそれぞれの交流インピーダンスと位相角を測定し、その測定結果を比較することにより、以下のように本発明の検査方法の効果の確認を行った。
【００５８】
（実施例１）
ＭＥＡを温度２５℃、湿度５０％の恒湿槽内で、金メッキした真鍮板ではさみ、１ＭＰａの締結圧力の下で、ＭＥＡの両極間に５００Ｈｚ〜０．１Ｈｚ、振幅０．２Ｖの交流信号を印加した。その交流インピーダンスと位相角をインピーダンス測定装置（エヌエフ回路ブロック製）で測定し、コールコールプロットを作成した。
【００５９】
図６に、正常なＭＥＡおよび触媒層とガス拡散層接着不良のＭＥＡについて測定し、作成したコールコールプロットを示す。
【００６０】
図６に示すように、触媒層とガス拡散層接着不良のＭＥＡは、正常なＭＥＡと比較して、低周波側の波形が異なることが確認できた。よって、ＭＥＡの受入検査において、低周波側の波形を比較することにより、ＭＥＡ不良を非発電状態で判別することが可能であることが確認できた。つまり、本実施例１により、実施の形態１のＭＥＡの検査方法の効果を確認できた。
【００６１】
（実施例２）
ＭＥＡと１対のセパレータで単位セルを作製した。その単位セルを温度２５℃、湿度５０％の恒湿槽内で、金メッキした真鍮板ではさみ、１ＭＰａの締結圧力の下で、ＭＥＡの両極間に５００Ｈｚ〜０．１Ｈｚ、振幅０．２Ｖの交流信号を印加した。その交流インピーダンスと位相角をインピーダンス測定装置（エヌエフ回路ブロック製）で測定し、コールコールプロットを作成した。
【００６２】
図７に、正常なＭＥＡを組み込んだ単位セルおよび触媒層とガス拡散層接着不良のＭＥＡを組み込んだ単位セルについて測定し、作成したコールコールプロットを示す。
【００６３】
図７に示すように、触媒層とガス拡散層接着不良のＭＥＡを組み込んだ単位セルは、正常なＭＥＡを組み込んだ単位セルと比較して、低周波側の波形が異なることが確認できた。よって、単位セルの交流インピーダンスを測定し、低周波側の波形を比較することにより、ＭＥＡ不良を非発電状態で判別することが可能であることが確認できた。つまり、本実施例２により、実施の形態２の単位セルの検査方法の効果を確認できた。
【００６４】
（実施例３）
ＭＥＡと１対のセパレータで単位セルを作製した。その単位セルを金メッキした真鍮板ではさみ、１ＭＰａの圧力で締結した。次に、室温２５℃で、露点３０℃の加湿水素をアノード側に０．５ｌ／ｍｉｎの流量で、室温２５℃で、露点３０℃の加湿空気をカソード側に１．５ｌ／ｍｉｎの流量で、それぞれのセパレータに導入し、３分後に単位セル間に５００Ｈｚ〜０．１Ｈｚ、振幅０．２Ｖの交流信号を印加した。その交流インピーダンスと位相角をインピーダンス測定装置（エヌエフ回路ブロック製）で測定し、コールコールプロットを作成した。
【００６５】
図８に、正常なＭＥＡを組み込んだ単位セルおよび触媒層とガス拡散層接着不良のＭＥＡを組み込んだ単位セルを加湿して測定し、作成したコールコールプロットを示す。
【００６６】
図８に示すように、触媒層とガス拡散層接着不良のＭＥＡを組み込んだ単位セルは、正常なＭＥＡを組み込んだ単位セルと比較して、低周波側の波形が異なることが確認できた。よって、単位セルの交流インピーダンスを測定し、低周波側の波形を比較することにより、ＭＥＡ不良を非発電状態で判別することが可能であることが確認できた。つまり、本実施例３により、実施の形態３の単位セルの検査方法の効果を確認できた。
【００６７】
以上から明らかなように、本発明の検査方法を用いることで、ＭＥＡ単体、あるいは単位セルごとに、一定湿度管理の下、非発電状態で電極間に交流信号を印加して、電極間の交流インピーダンスと位相角を測定し、これらの測定値を用いて、スタックに組む前に、ＭＥＡの不良を判定することができる。これにより、スタックに組んだ後のＭＥＡ不良によるセル交換を無くし、工程ロスを削減することが可能となる。
【産業上の利用可能性】
【００６８】
本発明にかかる、固体高分子型燃料電池の電極電解質膜接合体の検査方法とその検査装置、固体高分子型燃料電池の単位セルの検査方法とその検査装置、および固体高分子型燃料電池の製造方法は、発電状態にしないで電極電解質膜接合体の良否を判断できるという効果を有し、固体高分子型燃料電池の発電異常を検出するための、電極電解質膜接合体の検査方法とその検査装置、単位セルの検査方法とその検査装置、および固体高分子型燃料電池の製造方法等として有用である。
【図面の簡単な説明】
【００６９】
【図１】本発明の実施の形態１の固体高分子型燃料電池の製造プロセスフロー図
【図２】本発明の実施の形態１の固体高分子型燃料電池のＭＥＡ検査方法の概略図
【図３】本発明の実施の形態２の固体高分子型燃料電池の製造プロセスフロー図
【図４】本発明の実施の形態２の固体高分子型燃料電池の単位セルの検査方法の概略図
【図５】本発明の実施の形態３の固体高分子型燃料電池の単位セルの検査方法の概略図
【図６】本発明の実施例１の測定結果を示すコールコールプロット図
【図７】本発明の実施例２の測定結果を示すコールコールプロット図
【図８】本発明の実施例３の測定結果を示すコールコールプロット図
【図９】固体高分子型燃料電池の概略図
【図１０】従来の固体高分子型燃料電池の製造プロセスフロー図
【符号の説明】
【００７０】
１  高分子電解質膜
２、３  触媒層
４  ガス拡散層
５  ＭＥＡ
６  セパレータ
１０  単位セル
１１  集電板
１２  絶縁板
１３  端板
２０  恒湿槽
２１  導電板
２２  絶縁板
２３  油圧プレス機
２４  ガス導入口
２５  ガス排出口
２６  加湿されたガス
【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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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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