(57)【要約】【課題】発電を行わずにセル性能を簡便に評価可能な固体高分子型燃料電池セルの性能検査方法を提供する。【解決手段】  下記の工程により性能検査を行う。１）前記両電極のガス導入空間に不活性ガスを導入して、セル外部へのガスリークを測定する工程。２）前記両電極のいずれか一方のみのガス導入空間に不活性ガスを導入して、両電極間のクロスリークを測定する工程。３）前記アノード電極側のガス導入空間には燃料ガスを導入し、前記カソード電極側のガス導入空間には酸化剤ガスを導入して、開回路電圧を測定する工程。４）前記開回路電圧の測定結果と、開回路電圧と低負荷電圧との相関に基づき、セル性能を判定する工程。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
固体高分子電解質膜の一側にアノード電極、他側にカソード電極を形成し、前記アノード電極側には燃料ガスを導入し、カソード電極側には酸化剤ガスを導入するためのガス導入空間を設けてなる燃料電池セルのセル性能を検査する方法において、下記の工程を含むことを特徴とする固体高分子型燃料電池セルの性能検査方法。
１）前記両電極のガス導入空間に不活性ガスを導入して、セル外部へのガスリークを測定する工程。
２）前記両電極のいずれか一方のみのガス導入空間に不活性ガスを導入して、両電極間のクロスリークを測定する工程。
３）前記アノード電極側のガス導入空間には燃料ガスを導入し、前記カソード電極側のガス導入空間には酸化剤ガスを導入して、開回路電圧を測定する工程。
４）前記開回路電圧の測定結果と、開回路電圧と低負荷電圧との相関に基づき、セル性能を判定する工程。
【請求項２】
前記開回路電圧の測定は、前記両電極のガス導入空間にそれぞれ連通するガス室に各ガスを充填し、ガスを通流させずに行うことを特徴とする請求項１に記載の固体高分子型燃料電池セルの性能検査方法。
【請求項３】
前記開回路電圧の測定は、前記両電極の主面全体に接触する集電板を設けずに、電極面積に比べて小さい面積を有する電極端子を、前記両電極にそれぞれ電気的に接続することにより行うことを特徴とする請求項１または２に記載の固体高分子型燃料電池セルの性能検査方法。
【請求項４】
前記開回路電圧の測定後、前記両電極のガス導入空間にそれぞれ、再度、不活性ガスを導入して、前記燃料ガスおよび酸化剤ガスをパージすることを特徴とする請求項１に記載の固体高分子型燃料電池セルの性能検査方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、固体高分子電解質膜の一側にアノード電極、他側にカソード電極を形成し、前記アノード電極側には燃料ガスを導入し、カソード電極側には酸化剤ガスを導入するためのガス導入空間を設けてなる燃料電池セルのセル性能検査方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
固体高分子型燃料電池は、図３のような構成となっている。固体高分子電解質膜１の両側に触媒層２を密着させた膜電極接合体（MEA）に、さらに外側に配したガス拡散層３を介して、各セパレータ４の反応ガス流路から、アノードには燃料ガスを、カソードには酸化剤である酸素または空気を導入する。
【０００３】
固体高分子型燃料電池では、固体高分子電解質膜を飽和に含水させることにより、前記膜の比抵抗が小さくなり、膜はプロトン導電性電解質膜として機能する．従って固体高分子型燃料電池の発電効率を高く維持するためには、膜に十分な水を含ませることが必要である．このため、従来よりアノード、カソードそれぞれに供給するガスを、外部またはセル内部に備えた加湿器によって加湿し、適度な水分を保持した反応ガスをセルに供給することで、電解質膜の導電性を維持している。
こうしたMEAは単セルでは理論上1.2V以上の電圧を得ることはできない。必要な電圧を得るために、単セルを複数枚直列に積層したスタック構造をとる。一方、このスタック中に1セルでも特性が悪いセルを含むと、そのセルが耐えうる電流値以上には負荷を取ることができず、スタック全体が低特性となるため、積層前に低特性セルを選別し、スタック内に積層しないようにする必要がある。
【０００４】
こうした燃料電池セルの性能評価装置としては、例えば、特許文献１に記載のものが知られている。特許文献１に開示された装置は、同公報の記載によれば、「押し付け荷重とシール性を最適化した燃料電池の評価装置の提供」を課題とし、下記のような解決手段を有する。即ち、「（１）ＭＥＡと集電体１１１との押し付け荷重とガスシール荷重を別に設定可能とした。（２）ガスシール荷重をダイヤフラム１１６、１１７で発生させた。（３）集電体１１１が評価装置１００に設けられる。（４）ガス導入分配部にも温度調整流体を供給する。（５）集電体取付け軸１１１ａが中空であり、そこに温度センサ１２１を設けた。（６）中空部に電圧出力端子１２２を設けた。（７）ＭＥＡはフレーム１５１に固定される。（８）拡散層もフレーム１５１に固定される。（９）ガス導入分配部が均一抵抗に形成される。」ことを特徴とする装置である。
【０００５】
前記特許文献１に開示された装置の場合、（１）MEAと集電体の押し付け荷重とガスシール荷重を独立に設定可能なため、各荷重を最適条件にして電池の性能評価ができる、（２）温度調整流体がガス流路導入部近傍まで配されているので、入口近傍での水分の凝縮が防止できる、（３）集電体を検査装置側に配しているので、集電体によるノイズを軽減できる、などの特徴がある。
【特許文献１】特開２００３−２０３６６７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、前述の特許文献１に開示された装置の場合、発電を行うことによって評価を行うため、次のような問題があった。
１）電極表面へのガス等配と、生成水排出のためのガス流路を必要とする。
２）電流を均等に与えるため電極全体を覆う集電板を必要とし、電極面への適切な押し付け圧に制御する必要がある。
３）良好な条件下で試験をするため、精密な温度、湿度制御を必要とし、複雑な装置構成および制御構成を要する。
【０００７】
本発明は、前記上記の点に鑑みてなされたもので、この発明の課題は、発電を行わずにセル性能を簡便に評価可能な固体高分子型燃料電池セルの性能検査方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記課題は、以下により達成される。即ち、固体高分子電解質膜の一側にアノード電極、他側にカソード電極を形成し、前記アノード電極側には燃料ガスを導入し、カソード電極側には酸化剤ガスを導入するためのガス導入空間を設けてなる燃料電池セルのセル性能を検査する方法において、下記の工程を含むことを特徴とする（請求項１）。
１）前記両電極のガス導入空間に不活性ガスを導入して、セル外部へのガスリークを測定する工程。
２）前記両電極のいずれか一方のみのガス導入空間に不活性ガスを導入して、両電極間のクロスリークを測定する工程。
３）前記アノード電極側のガス導入空間には燃料ガスを導入し、前記カソード電極側のガス導入空間には酸化剤ガスを導入して、開回路電圧を測定する工程。
４）前記開回路電圧の測定結果と、開回路電圧と低負荷電圧との相関に基づき、セル性能を判定する工程。
【０００９】
本発明者は、図４に示すように、開回路電圧と低負荷電圧には相関があることを見出した。この相関によれば、開回路電圧を測定することにより、運転時の負荷を予測することができる。開回路電圧測定では、燃料ガス（例えば水素）及び酸化剤ガス（例えば空気）を単位セルに導入することになるので、測定の前に空気極と燃料極間のガス漏れを測定しておく必要がある。このため、開回路測定の前に、不活性ガスによりガス漏れ検査を行う必要があるが、前述のように、ガス経路を酸化剤ガス−燃料ガスから不活性ガスに切り替えることにより実施することができる。また、上記検査方法によれば、開回路電圧で評価を行うため、電極上での反応を伴わず、したがって電極表面へのガス等配、生成水の排出に必要な、例えば蛇行溝型のガス流路形成を必要としない。
【００１０】
さらに、下記請求項２のように、より単純に、反応ガスを充填するのみで、開回路電圧が測定できる。即ち、前記請求項１の固体高分子型燃料電池セルの性能検査方法において、前記開回路電圧の測定は、前記両電極のガス導入空間にそれぞれ連通するガス室に各ガスを充填し、ガスを通流させずに行うことができる（請求項２）。
【００１１】
さらにまた、電圧のみを測定するため電流負荷を与えるときに必要であった大きな集電板を必要とせず、下記請求項３のように、微小な電圧端子を電極に接触させることにより、測定可能となる。即ち、前記開回路電圧の測定は、前記両電極の主面全体に接触する集電板を設けずに、電極面積に比べて小さい面積を有する電極端子を、前記両電極にそれぞれ電気的に接続することにより行うことを特徴とする（請求項３）。
【００１２】
また、前記開回路電圧の測定後に、反応ガスをパージすることが望ましい。この観点から、下記請求項４が好ましい。即ち、請求項１に記載の固体高分子型燃料電池セルの性能検査方法において、前記開回路電圧の測定後、前記両電極のガス導入空間にそれぞれ、再度、不活性ガスを導入して、前記燃料ガスおよび酸化剤ガスをパージすることを特徴とする（請求項４）。
【発明の効果】
【００１３】
この発明によれば、一つの検査装置で、セルのガスリークと開回路電圧の測定を順次、簡便に行うことができ、開回路電圧と低負荷電圧との相関（既知のデータ）に基づき、セル性能を評価し、不良セルをスタック積層前に取り除くことができる。本発明の検査方法によれば、発電を伴わないため、検査方法および測定装置を簡素にすることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
次に、この発明の実施形態に関して、図１および図２に基いて説明する。図１は本発明に係る検査フローを示す図、図２は各検査工程におけるガス種とガス経路を示す図である。
【００１５】
図１および図２に基づいて、この発明に係る検査手順を以下に述べる。
１）検査装置にMEAを設置する。MEA設置部は、ガス室を設けた1組の治具からなり、電極はこの治具に挟み込まれ、両極間のガスはシールされる。
２）不活性ガスを両極に導入し、外部へのガスリークを測定する。リーク量は検査区間を一定圧力に維持するために必要なガス量で定義する。
３）不活性ガスを一方の電極側だけに導入し、クロスリークを測定する。クロスリーク量は、一方の電極側を一定圧力に維持した際に、もう一方の電極側にリークしたガス流量と定義する。
ガスリーク、クロスリークが多い場合には不良セルとして取り除く。リーク量が基準以下であった場合にのみ、これ以降の検査を実施する。
４）ガスを水素、空気に切り替え、開回路電圧を測定する。開回路電圧が基準値以下のセルは不良セルとして取り除く。
５）不活性ガスに切り替え、パージを行う。
６）MEAを検査治具からはずして、検査は終了となる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明に係る検査フローを示す図
【図２】図１の各検査工程におけるガス種とガス経路を示す図
【図３】本発明に関わる固体高分子型燃料電池セルの模式的断面構成図
【図４】開回路電圧と低負荷電圧との相関を示す図
【符号の説明】
【００１７】
１    電解質膜
２    触媒層
３    ガス拡散層
４    セパレータ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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