(57)【要約】【課題】燃料電池の初期運転の際の性能向上をもたらす新たな発電検査手法を提供する。【解決手段】燃料電池１００が定常の規定電力で発電することを想定した発電検査（ステップＳ２０）を行った後、燃料電池１００の冷却（ステップＳ３０）を経て、窒素ガスパージを図る（ステップＳ４０〜４０）。こうすることで、単セル１１０のそれぞれにおいて、アノードおよびカソードのセル内流路の飽和水蒸気圧を低減させ、飽和水蒸気圧の低下状況下で、窒素ガスにてアノードおよびカソードをパージする（ステップＳ４０〜４０）。この窒素ガスパージ後は、カソードに乾燥空気を供給（パージ）して、アノードにおける残留水素を電気化学反応に供して消失する。【選択図】図２
2013134872.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
プロトン伝導性を有する電解質膜の膜面にアノード、カソードの両電極触媒層を接合した膜電極接合体と、それぞれの前記電極触媒層にガス導入を図るガス流路とを有する燃料電池の検査方法であって、
前記アノードの側の前記電極触媒層に燃料ガスを、前記カソードの側の前記電極触媒層に酸化剤ガスを、前記ガス流路を経てそれぞれ供給し、前記燃料電池の発電を検査した後に、
前記アノードの側の前記ガス流路と前記カソードの側の前記ガス流路の両ガス流路の飽和水蒸気圧を低減する第１工程と、
前記両ガス流路に不活性ガスを導入し、前記両ガス流路の前記燃料ガスと前記酸化剤ガスを前記不活性ガスにてパージする第２工程とを実行する
燃料電池の検査方法。
【請求項２】
前記第１工程は、前記両ガス流路における飽和水蒸気圧の低減を、前記燃料電池を冷却することで行う請求項１に記載の燃料電池の検査方法。
【請求項３】
請求項１または請求項２に記載の燃料電池の検査方法であって、
前記第２工程は、
前記両ガス流路に加湿状態の不活性ガスを導入する第１パージと、前記両ガス流路に乾燥状態の不活性ガスを導入する第２パージとをこの順に順次実行し、
前記第１パージを、前記電解質膜の湿潤が前記燃料電池の定常の発電状態における湿潤状態を超える状態となるまで継続し、前記第２パージを、前記電解質膜の湿潤が前記燃料電池の定常の発電状態における湿潤状態に近似するまで継続する
燃料電池の検査方法。
【請求項４】
請求項１ないし請求項３のいずれかに記載の燃料電池の検査方法であって、
前記第２工程に続いて、前記アノードの側の前記ガス流路に残存する前記燃料ガスの消失化を図る第３工程を実行する
燃料電池の検査方法。
【請求項５】
前記第３工程は、前記残存する前記燃料ガスの消失化を、前記アノードの側の前記ガス流路への不活性ガスの導入と、前記カソードの側の前記ガス流路への前記酸化剤ガスの導入とで行う請求項４に記載の燃料電池の検査方法。
【請求項６】
プロトン伝導性を有する電解質膜の膜面にアノード、カソードの両電極触媒層を接合した膜電極接合体と、それぞれの前記電極触媒層にガス導入を図るガス流路とを有する燃料電池の検査装置であって、
前記アノードの側の前記電極触媒層に燃料ガスを、前記カソードの側の前記電極触媒層に酸化剤ガスを、前記ガス流路を経てそれぞれ供給して、前記燃料電池の発電状況を検査する検査部と、
該検査部による検査を経た前記燃料電池を冷却することで、前記アノードの側の前記ガス流路と前記カソードの側の前記ガス流路の両ガス流路の飽和水蒸気圧を低減する冷却部と、
前記飽和水蒸気圧の低減後に、前記両ガス流路に加湿状態の不活性ガスを導入して、前記両ガス流路の前記燃料ガスと前記酸化剤ガスを前記不活性ガスにてパージし、該パージを前記電解質膜の湿潤が前記燃料電池の定常の発電状態における湿潤状態を超える状態となるまで継続する第１パージ部と、
該第１パージ部による不活性ガスパージの後に、前記両ガス流路に乾燥状態の不活性ガスを導入して、前記両ガス流路の前記燃料ガスと前記酸化剤ガスを前記不活性ガスにてパージし、該パージを前記電解質膜の湿潤が前記燃料電池の定常の発電状態における湿潤状態に近似するまで継続する第２パージ部と、
該第２パージ部による不活性ガスパージの後に、前記アノードの側の前記ガス流路に不活性ガスを導入し、前記カソードの側の前記ガス流路には前記酸化剤ガスを導入することで、前記アノードの側の前記ガス流路に残存する前記燃料ガスを前記導入した前記酸化剤ガスを介して消失させる第パージ部とを備える
燃料電池の検査装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池の検査手法に関する。
【背景技術】
【０００２】
プロトン伝導性を有する電解質膜を用いた燃料電池では、電解質膜の膜面にアノード、カソードの両電極触媒層を接合した膜電極接合体を備えたものが知られている。この燃料電池では、アノードの側の電極触媒層には燃料ガスが、カソードの側の電極触媒層には酸化剤ガスが供給される。こうしたガス供給を受けた燃料電池は、燃料ガス中の燃料と酸化剤ガス中の酸素との電気化学反応によって発電する。燃料電池を、例えば燃料電池搭載車両に搭載したり、発電システムに組み込むに当たり、通常は、その出荷前に発電性能の検査がなされている（例えば、特許文献１）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００５−２７６７２９号公報
【０００４】
通常、出荷前の発電検査は、燃料電池の定常の発電状態を想定することから、発電検査の際の燃料電池温度も定常の発電状態と同じとされ、固体高分子の電解質膜を用いた燃料電池では、その温度は約６０〜８５℃となる。そして、出荷前検査のための燃料ガス・酸化剤ガスの供給に続いて、ガス流路が不活性ガスでパージされている。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、上記の検査手法では、その発電検査の際に燃料電池に供給していた燃料ガスと酸化剤ガスを、そのパージのために不活性ガスに切り換えるに過ぎないことから、不活性ガスは、燃料電池が定常の発電状態にある場合の燃料温度（約６０〜８５℃）の状況下で供給される。その一方、パージのための不活性ガス供給は、所定の期間、例えば、アノードのガス流路の残留水素が消失して燃料電池の正負端子間の電圧がゼロとなるまでの期間に亘って、通常、継続される。そうすると、燃料電池温度がある程度高い状態での不活性ガスの継続供給により、ガス流路中の水分（水蒸気）ばかりか電解質膜を湿潤させている水分までも持ち去れてしまい、電解質膜の湿潤が損なわれてしまうことが危惧される。そして、電解質膜が湿潤不足のままであると、不活性ガスによるパージを含む発電検査後における燃料電池の初期運転の際に、所望の発電出力を得られない可能性がある。
【０００６】
本発明は、上記した課題を踏まえ、燃料電池の初期運転の際の性能向上をもたらす新たな発電検査手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】
【０００７】
上記した目的の少なくとも一部を達成するために、本発明は、以下の適用例として実施することができる。
【０００８】
[適用例１：燃料電池の検査方法]
プロトン伝導性を有する電解質膜の膜面にアノード、カソードの両電極触媒層を接合した膜電極接合体と、それぞれの前記電極触媒層にガス導入を図るガス流路とを有する燃料電池の検査方法であって、
前記アノードの側の前記電極触媒層に燃料ガスを、前記カソードの側の前記電極触媒層に酸化剤ガスを、前記ガス流路を経てそれぞれ供給し、前記燃料電池の発電を検査した後に、
前記アノードの側の前記ガス流路と前記カソードの側の前記ガス流路の両ガス流路の飽和水蒸気圧を低減する第１工程と、
前記両ガス流路に不活性ガスを導入し、前記両ガス流路の前記燃料ガスと前記酸化剤ガスを前記不活性ガスにてパージする第２工程とを実行する
ことを要旨とする。
【０００９】
この適用例１の燃料電池の検査方法では、燃料ガスと酸化剤ガスの供給を行う発電検査の後に不活性ガスによるパージを行うに当たり、その不活性ガスパージの前に、アノードとカソードの両ガス流路の飽和水蒸気圧を低減しておく。飽和水蒸気圧の低下は、ガス流路の水分（水蒸気）が少なくなることと、電解質膜を湿潤させている水分が流路中に蒸発しがたい状況をもたらす。このため、上記の適用例１の燃料電池の検査方法では、両ガス流路の飽和水蒸気圧が低い状態で不活性ガスパージを行うので、不活性ガスによる水分の持ち去りを抑制でき、電解質膜の湿潤を大きく損なわないようにできる。この結果、適用例１の燃料電池の検査方法によれば、燃料電池の初期運転に際しては、所望の発電出力を得られない事態を招きがたくでき、初期運転の性能向上をもたらすことが可能となる。
【００１０】
上記した適用例１の燃料電池は、次のような態様とすることができる。例えば、前記第１工程においては、前記両ガス流路における飽和水蒸気圧の低減を、前記燃料電池を冷却することで行うようにでき、こうすれば、ガス流路の飽和水蒸気圧を簡便に低減できる。
【００１１】
また、前記第２工程については、これを、前記両ガス流路に加湿状態の不活性ガスを導入する第１パージと、前記両ガス流路に乾燥状態の不活性ガスを導入する第２パージとをこの順に順次実行し、その際に、前記第１パージを、前記電解質膜の湿潤が前記燃料電池の定常の発電状態における湿潤状態を超える状態となるまで継続し、前記第２パージを、前記電解質膜の湿潤が前記燃料電池の定常の発電状態における湿潤状態に近似するまで継続するようにできる。こうすれば、電解質膜の湿潤は、加湿不活性ガスによる第１パージにて、一旦、湿潤過多となるものの、乾燥不活性ガスによる第２パージにて、燃料電池の定常の発電状態における湿潤状態に近似する。つまり、この態様では、電解質膜の乾燥をもたらさないので、膜乾燥に伴う損傷等の不具合を回避できる。この場合、第２パージ工程は、両ガス流路の燃料ガス・酸化剤ガスを不活性ガスにてパージするものであることから、第１パージにて乾燥不活性ガスでパージし、第２パージでは加湿不活性ガスでパージすることも可能であるが、上記の態様では、既述したように電解質膜の乾燥に伴う損傷等の不具合を回避できる点で、有益となる。なお、第１パージを乾燥不活性ガスでのパージとし、第２パージを加湿不活性ガスでのパージとする際には、第１パージにおいて電解質膜の過度の乾燥を招かないようにすればよい。
【００１２】
また、前記第２工程に続いて、前記アノードの側の前記ガス流路に残存する前記燃料ガスの消失化を図る第３工程を実行するようにできる。こうすれば、アノードの側のガス流路における残存燃料ガスを消失させるので、燃料電池の初期運転の際に残存していた燃料ガスがその残存箇所において電気化学反応に供されてしまうことを抑制できる。よって、この態様によれば、燃料電池の初期運転に際しては、所望の発電出力を得られない事態をより招きがたくでき、初期運転の性能向上の上から有益である。
【００１３】
そして、前記第３工程における前記残存する前記燃料ガスの消失化については、これを、前記アノードの側の前記ガス流路への不活性ガスの導入と、前記カソードの側の前記ガス流路への前記酸化剤ガスの導入とで行うようにできる。こうすれば、アノードの側のガス流路に仮に燃料ガスが残留していても、その残留ガス中の燃料をカソードの側のガス流路に導入した酸化剤ガスにて、電気化学反応に供して消失できる。そして、この燃料消失は短時間で起きることから、検査時間の短縮化を図ることができる。
【００１４】
[適用例２：燃料電池の検査装置]
プロトン伝導性を有する電解質膜の膜面にアノード、カソードの両電極触媒層を接合した膜電極接合体と、それぞれの前記電極触媒層にガス導入を図るガス流路とを有する燃料電池の検査装置であって、
前記アノードの側の前記電極触媒層に燃料ガスを、前記カソードの側の前記電極触媒層に酸化剤ガスを、前記ガス流路を経てそれぞれ供給して、前記燃料電池の発電状況を検査する検査部と、
該検査部による検査を経た前記燃料電池を冷却することで、前記アノードの側の前記ガス流路と前記カソードの側の前記ガス流路の両ガス流路の飽和水蒸気圧を低減する冷却部と、
前記飽和水蒸気圧の低減後に、前記両ガス流路に加湿状態の不活性ガスを導入して、前記両ガス流路の前記燃料ガスと前記酸化剤ガスを前記不活性ガスにてパージし、該パージを前記電解質膜の湿潤が前記燃料電池の定常の発電状態における湿潤状態を超える状態となるまで継続する第１パージ部と、
該第１パージ部による不活性ガスパージの後に、前記両ガス流路に乾燥状態の不活性ガスを導入して、前記両ガス流路の前記燃料ガスと前記酸化剤ガスを前記不活性ガスにてパージし、該パージを前記電解質膜の湿潤が前記燃料電池の定常の発電状態における湿潤状態に近似するまで継続する第２パージ部と、
該第２パージ部による不活性ガスパージの後に、前記アノードの側の前記ガス流路に不活性ガスを導入し、前記カソードの側の前記ガス流路には前記酸化剤ガスを導入することで、前記アノードの側の前記ガス流路に残存する前記燃料ガスを前記導入した前記酸化剤ガスを介して消失させる第パージ部とを備える
ことを要旨とする。
【００１５】
上記した適用例２の燃料電池の検査装置によれば、燃料電池の初期運転の性能向上をもたらし得る発電検査を短時間の内に簡便に行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明の一実施例としての燃料電池検査システムの構成を示す概略図である。
【図２】燃料電池検査システム１０００を用いて行う出荷前検査の手順を示すフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下、本発明の実施の形態について、その実施例を図面に基づき説明する。図１は本発明の一実施例としての燃料電池検査システムの構成を示す概略図である。この燃料電池検査システム１０００は、燃料電池１００の出荷に先立ちその発電性能を検査するシステムである。
【００１８】
燃料電池検査システム１０００は、燃料電池１００と、制御部２００と、燃料ガス供給部３１０と、酸化剤ガス供給部３２０と、冷媒供給部３３０と、不活性ガス供給部３４０と、発電検査部４００と、測定用短絡抵抗４３０と、背圧制御部４５０とを備える。燃料ガス供給部３１０を始めとする上記機器は、燃料電池検査システム１０００における燃料電池１００のセット架台５００の周囲に配設され、このセット架台５００にセットされた燃料電池１００に接続される。例えば、燃料ガス供給部３１０と酸化剤ガス供給部３２０、不活性ガス供給部３４０にあっては、セット架台５００の側の第２水素配管３１２や第２酸素配管３２２を燃料電池１００の図示しないガスマニホールドにカプラ等の接続機器にて接続する。背圧制御部４５０は、セット架台５００の側にて、アノード排ガス配管３１８やカソード排ガス配管３２８を燃料電池１００の図示しないガスマニホールドにカプラ等の接続機器にて接続する。発電検査部４００や測定用短絡抵抗４３０にあっては、その配線を燃料電池１００の図示しない接続ターミナルにて電気的に接続する。
【００１９】
燃料電池１００は、反応ガスとして水素と酸素の供給を受けて発電する固体高分子型燃料電池であり、発電体である単セル１１０を複数積層されたスタック構造を有する。単セル１１０は、図１の拡大模式図に示すように、電解質膜１１１の両膜面にアノード１１２とカソード１１３の両電極触媒層を接合させた膜電極接合体（Membrane Electrode Assembly／ＭＥＡ）を備える。また、単セル１１０は、電極形成済みの電解質膜１１１を両側から挟持するアノード側ガス拡散層１１４とカソード側ガス拡散層１１５とを備え、両ガス拡散層は、対応する電極に接合されている。この両ガス拡散層の外側には、それぞれガスセパレーターが位置し、このガスセパレーターは、該当するガス拡散層に対して水素を含有する燃料ガス、酸素を含有する酸化剤ガス（本実施例では、空気）を供給すると共に、セルからの集電の機能も果たす。
【００２０】
電解質膜１１１は、固体高分子材料、例えばフッ素系樹脂により形成されたプロトン伝導性のイオン交換膜であり、湿潤状態で良好なプロトン伝導性を示す。アノード１１２およびカソード１１３は、触媒（例えば白金、あるいは白金合金）を備えており、これらの触媒を、導電性を有する担体（例えば、カーボン粒子）上に担持させることによって形成されている。アノード側ガス拡散層１１４とカソード側ガス拡散層１１５は、ガス透過性を有する導電性で多孔質な部材、例えば、カーボンペーパやカーボンクロスを多孔質基材として形成される。そして、この単セル１１０は、アノード１１２に水素を、カソード１１３に酸素含有の空気の供給を受けて発電する。単セル１１０は、アノード１１２およびカソード１１３においてセル内のガス流路を、上記のアノード側ガス拡散層１１４やカソード側ガス拡散層１１５の細孔、或いはこれらガス拡散層に接合した導電性の多孔質体にて構成する。
【００２１】
制御部２００は、ＣＰＵやＲＯＭ、ＲＡＭを備えマイクロコンピュータとして構成され、後述の圧力センサー３６１等の各種センサーから入力したセンサー信号に基づいて、第１切換バルブ３１３等のバルブを始めとする制御機器を駆動制御する。制御部２００は、こうした機器制御を後述の手順に従って実行することで、燃料ガス供給部３１０からの水素ガス供給や、酸化剤ガス供給部３２０からの空気供給、不活性ガス供給部３４０からの不活性ガス（本実施例では、窒素ガス）の供給、冷媒供給部３３０による冷媒循環等を行う。
【００２２】
燃料ガス供給部３１０は、水素の供給源として、例えば、水素タンクや、原料を改質して水素リッチなガスを生成する改質器を備えるよう構成され、下流側に水素ガスを圧送する。燃料ガス供給部３１０から燃料電池１００のアノード側には、第１水素配管３１１と第２水素配管３１２とで構成される流路と、第１水素配管３１１から分岐して第２水素配管３１２に合流するバイパス配管３１４の流路のいずれかを経て、水素ガスが供給される。
【００２３】
第１水素配管３１１には、第１切換バルブ３１３と第２切換バルブ３１５が配設され、第２切換バルブ３１５より下流の第２水素配管３１２にはヒーター３１６が、バイパス配管３１４には加湿器３１７が配設されている。ヒーター３１６は、通過するガスを加熱して乾燥させて乾燥後のガスを下流に通過させ、その際のガス温度については、これを、単セル１１０の電解質膜１１１の乾燥を不用意に招かない温度、例えば、約２０〜３０℃程度の常温とする。加湿器３１７は、通過するガスを加湿するよう構成され、その加湿程度は制御部２００からの制御信号により調整可能である。本実施例では、後述するように、加湿器３１７にて約１２％の加湿程度とするよう、設定されている。
【００２４】
第１切換バルブ３１３は、制御部２００からの制御信号を受けて駆動し、燃料ガス供給部３１０からの第１水素配管３１１と不活性ガス供給部３４０からのアノード側接続配管３４１のいずれか一方を、バルブ下流の流路に繋げる。第２切換バルブ３１５は、制御部２００からの制御信号を受けて駆動し、ヒーター３１６をバイパスしたバイパス配管３１４へのガスの分岐流入と、第２水素配管３１２へのガス流入とを切り換える。このため、第１切換バルブ３１３と第２切換バルブ３１５の制御状況によって、燃料電池１００のアノード側には、ヒーター３１６にて乾燥された水素ガス或いは加湿器３１７にて加湿された水素ガスのいずれか、または、ヒーター３１６にて乾燥された窒素ガス或いは加湿器３１７にて加湿された窒素ガスのいずれかのガスが供給可能となる。上記両バルブの制御の様子と燃料電池１００に供給されるガスについては、後述する。
【００２５】
この他、第１水素配管３１１には、水素の供給量・供給圧力を制御するためのレギュレータや逆止弁、インジェクタが設けられているが、その図示および説明は省略する。第２水素配管３１２には、圧力センサー３６１が設けられており、その計測結果（アノード入口側圧力）は制御部２００へと送信される。
【００２６】
酸化剤ガス供給部３２０は、酸素の供給源として、例えば、高圧空気を出力するエアコンプレッサを備える構成、或いは高圧酸素を貯蔵するタンクを備える構成とされ、下流側に空気を圧送する。この酸化剤ガス供給部３２０にあっても、既述した燃料ガス供給部３１０と同様の流路構成を備え、燃料電池１００のカソード側に到る第１酸素配管３２１と第２酸素配管３２２とで構成される流路と、第１酸素配管３２１から分岐して第２酸素配管３２２に合流するバイパス配管３２４の流路とを有する。
【００２７】
第１酸素配管３２１には、第１切換バルブ３２３と第２切換バルブ３２５が配設され、第２切換バルブ３２５より下流の第２酸素配管３２２には通過するガスを加熱して乾燥するヒーター３２６が、バイパス配管３２４には通過するガスを加湿する加湿器３２７が配設されている。この場合、ヒーター３２６は、既述したヒーター３１６と同様の構成であり、加湿器３２７にあっても加湿器３１７と同様である。
【００２８】
第１切換バルブ３２３は、制御部２００からの制御信号を受けて駆動し、酸化剤ガス供給部３２０からの第１酸素配管３２１と不活性ガス供給部３４０からのアノード側接続配管３４１のいずれか一方を、バルブ下流の流路に繋げる。第２切換バルブ３２５は、制御部２００からの制御信号を受けて駆動し、ヒーター３２６をバイパスしたバイパス配管３２４へのガスの分岐流入と、第２酸素配管３２２へのガス流入とを切り換える。このため、第１切換バルブ３２３と第２切換バルブ３２５の制御状況によって、燃料電池１００のカソード側には、ヒーター３２６にて乾燥された空気或いは加湿器３２７にて加湿された空気のいずれか、または、ヒーター３２６にて乾燥された窒素ガス或いは加湿器３２７にて加湿された窒素ガスのいずれかのガスが供給可能となる。上記両バルブの制御の様子と燃料電池１００に供給されるガスについては、後述する。
【００２９】
この他、第１酸素配管３２１には、燃料電池１００への酸素含有の空気の供給を制御するための開閉バルブが設けられているが、その図示および説明は省略する。第２酸素配管３２２には、圧力センサー３６２が設けられており、その計測結果（カソード入口側圧力）を制御部２００へと送信される。
【００３０】
燃料電池１００のアノードおよびカソードの排気側では、図示しない排出用マニホールドにアノード排ガス配管３１８とカソード排ガス配管３２８とが接続される。アノード、カソードの両排ガス配管は、各単セル１１０を通過したガス、詳しくはセル内流路を通過したガスを流路途中の背圧制御部４５０を経て外部に排出する。背圧制御部４５０は、アノード排ガス配管３１８とカソード排ガス配管３２８の各排ガス配管ごとの圧力調整バルブ３１９、３２９や背圧計測のための図示しない圧力センサー等を備え、上記排ガス配管ごとにその背圧を調整する。
【００３１】
不活性ガス供給部３４０は、不活性ガスとしての窒素ガスを貯蔵するタンクと、ガス圧送用のポンプとを備え、下流側に窒素ガスを圧送する。また、この不活性ガス供給部３４０は、アノード側接続配管３４１を介して、第１水素配管３１１の第１切換バルブ３１３に接続されるとともに、カソード側接続配管３４２を介して、第１酸素配管３２１の第１切換バルブ３２３に接続されている。よって、不活性ガス供給部３４０から燃料電池１００には、上記の切換バルブ操作を経て窒素ガスが供給される。
【００３２】
冷媒供給部３３０は、冷媒供給用配管３３１と冷媒排出用配管３３２とを有し、両配管を燃料電池１００の図示しない冷媒マニホールドに接続させて、燃料電池１００を含む冷媒循環系を構成する。冷媒供給部３３０は、冷媒と外気とを熱交換させるための図示しない熱交換器と、燃料電池１００を含む冷媒循環系において冷媒を循環させるための図示しない駆動ポンプとを備える。
【００３３】
冷媒供給用配管３３１および冷媒排出用配管３３２には、冷媒の温度を計測するイン側温度センサー３６５とアウト側温度センサー３６６が設けられている。制御部２００は、２つのセンサー計測値の差から燃料電池１００の運転温度を計測する。そして、制御部２００は、冷媒供給部３３０における駆動ポンプの回転数を制御することにより、燃料電池１００への冷媒循環量を制御し、燃料電池１００の温度を制御する。
【００３４】
測定用短絡抵抗４３０は、スイッチ４３２を介して燃料電池１００の図示しない正負極の出力ターミナルと電気的に接続され、制御部２００からの制御信号に基づいたスイッチ４３２の回路閉動作にて、燃料電池１００の発電電力を消費する。測定用短絡抵抗４３０の抵抗値は、後述の発電検査の際の発電電力に合わせて予め調整されており、燃料電池１００の出力規格に応じてその抵抗値は種々設定可能である。
【００３５】
発電検査部４００は、後述の発電検査の際の単セル１１０のそれぞれの発電電力（出力）を制御部２００からの制御信号を経て検査すると共に、単セル１１０のそれぞれの湿潤状態を、セルごとのインピーダンス（ｍΩ／セル）として計測するよう構成されている。
【００３６】
次に、燃料電池１００についてその出荷前に行う検査手順について説明する。図２は燃料電池検査システム１０００を用いて行う出荷前検査の手順を示すフローチャートである。
【００３７】
図示するように、まず、燃料電池１００が図１に示した燃料電池検査システム１０００のセット架台５００にセットされる（ステップＳ１０）。このステップＳ１０では、作業員にて燃料電池１００の全てのマニホールドに既述した第２水素配管３１２等が接続される。この配管接続については、これを、配管接続治具により行うようにすることもできる。
【００３８】
燃料電池１００のセットに続き、燃料電池１００についての発電検査を実行する（ステップＳ２０）。このステップＳ２０では、制御部２００は、水素ガスおよび空気を供給すべく、次の機器制御を行う。ガス供給側では、制御部２００は、水素ガス側の第１切換バルブ３１３と空気側の第１切換バルブ３２３とを切換制御して、第１水素配管３１１と第１酸素配管３２１とをバルブ下流流路に繋ぎ、不活性ガス供給部３４０からのアノード側接続配管３４１およびカソード側接続配管３４２とについては、流路を閉鎖する。制御部２００は、このバルブ制御と同時に、第２切換バルブ３１５と第２切換バルブ３２５とについて、ガスの通過流路をバイパス配管３１４、３２４に切換制御する。ガス排出側では、制御部２００は、背圧制御部４５０の圧力調整バルブ３１９、３２９のバルブ調整を介して、排出ガスの背圧を調整する。加えて、制御部２００は、スイッチ４３２を回路閉鎖制御して、測定用短絡抵抗４３０を燃料電池１００に接続する。この場合、制御部２００は、ステップＳ２０の発電検査の終了と共に、スイッチ４３２を回路開放制御して、測定用短絡抵抗４３０の接続を絶つ。なお、上記したバルブ位置がイニシャルバルブ位置である。
【００３９】
上記したバルブ制御により、燃料電池１００を構成するそれぞれの単セル１１０のアノード１１２には、燃料ガス供給部３１０からの水素ガスが加湿状態で供給され、カソード１１３には、冷媒供給部３３０からの空気が加湿状態で供給され、燃料電池１００は、こうしたガス供給を受けて発電する。この発電電力は、測定用短絡抵抗４３０にて消費される。制御部２００は、水素と空気のそれぞれのガス供給量を、燃料電池１００が定常の規定電力で発電することを想定した場合の供給量（規定供給量）に調整する。また、制御部２００は、イン側温度センサー３６５やアウト側温度センサー３６６のセンサー信号を入力しつつ冷媒供給部３３０を制御して冷媒循環を調整し、燃料電池１００が定常の規定電力で発電することを想定した場合の運転温度、例えば、６５〜８０℃の温度に制御する。なお、燃料電池１００が定常の規定電力で発電する状況を、以下、単に燃料電池１００の通常運転とも称する。
【００４０】
発電検査部４００は、上記したステップＳ２０において、制御部２００からの制御信号を受けて、燃料電池１００に含まれる単セル１１０のそれぞれの発電電力（出力）を検査する。この検査結果は、制御部２００に送信され、制御部２００は、この検査結果を記憶する。なお、制御部２００にて発電適否を判定するようにして、仮に、発電不適であれば、その発電不適の燃料電池１００をセル交換に回すようにできる。つまり、単セル１１０ごとの検査が可能なため、発電不適のセルを特定できるので、そのセルを交換すればよい。
【００４１】
上記した発電検査に続き、燃料電池１００の冷却を図る（ステップＳ３０）。このステップＳ３０では、制御部２００は、ステップＳ２０で制御したガス供給側および排出側のバルブを流路閉鎖側に切り換えてガス供給を停止する。その上で、制御部２００は、イン側温度センサー３６５やアウト側温度センサー３６６のセンサー信号を入力しつつ冷媒供給部３３０を電池冷却側に制御して、燃料電池１００を室温まで冷却し、燃料電池１００の温度を室温に維持制御する。この冷却制御により、燃料電池１００の単セル１１０では、セル内流路の飽和水蒸気圧が下がることになる。なお、燃料電池１００の室温維持は、後述する全てのガスパージ工程においても継続される。
【００４２】
燃料電池１００の冷却に続き、加湿不活性ガスでのバージを図る（ステップＳ４０）。このステップ３０で、制御部２００は、次の機器制御を行う。ガス供給側では、制御部２００は、水素ガス供給側の第１切換バルブ３１３と空気供給側の第１切換バルブ３２３とを切換制御して、不活性ガス供給部３４０からのアノード側接続配管３４１およびカソード側接続配管３４２とをバルブ下流流路に繋ぎ、燃料ガス供給部３１０からの第１水素配管３１１および酸化剤ガス供給部３２０からの第１酸素配管３２１とについては、流路を閉鎖する。制御部２００は、このバルブ制御と同時に、第２切換バルブ３１５、３２５について、ガスの通過流路をバイパス配管３１４、３２４に切換制御する。ガス排出側では、制御部２００は、背圧制御部４５０の圧力調整バルブ３１９、３２９のバルブ調整を介して、排出ガスの背圧調整を継続する。なお、第２切換バルブ３１５と第２切換バルブ３２５およびガス排出側のバルブ操作は、ステップＳ２０と同じであることから、これらバルブについては、ステップＳ２０でのバルブ制御が継続されることになる。
【００４３】
上記したバルブ制御により、燃料電池１００を構成するそれぞれの単セル１１０のアノード１１２には、不活性ガス供給部３４０からの窒素ガスが加湿状態で供給され、カソード１１３には、同じく不活性ガス供給部３４０からの窒素ガスが加湿状態で供給される。こうして供給される窒素ガスは、発電に関与しないことから、ステップＳ４０の以前に単セル１１０のそれぞれに残留していた水素ガスおよび空気を電池外に排出するので、燃料電池１００、詳しくは単セル１１０のそれぞれのアノード１１２およびカソード１１３は、加湿窒素ガスでパージされる。こうしたバージは、既述したガス拡散層や多孔質体にて構成されたセル内ガス流路にて行われるが、単にアノード或いはカソードがパージされるとして、以下説明する。
【００４４】
本実施例では、ステップＳ４０にて加湿状態の窒素ガスをアノードおよびカソードに供給するに当たり、不活性ガス供給部３４０および加湿器３１７、３２７の制御を経て、水蒸気を１２％以上含む加湿窒素ガスを、単セル１１０の各セル単位で３００ｍｌ／ｍｉｎの流量でアノードおよびカソードに供給する。このような加湿窒素ガスでのパージを図ることで、燃料電池１００の単セル１１０では、その有する電解質膜１１１を湿潤させつつ、残留水素ガスおよび残留空気を電解質膜１１１の乾燥を抑制した上で電池外に排出できる。また、パージガスが不活性な窒素ガスであるため、アノードにおいては水素の燃焼を起こさないので、パージ過程での水分生成を回避できる。
【００４５】
制御部２００は、上記した加湿窒素ガスでのパージの間において、発電検査部４００の計測した単セル１１０のセルごとのインピーダンス（ｍΩ／セル）を入力する。その一方、制御部２００は、単セル１１０の湿潤状態とインピーダンス（ｍΩ／セル）との相関関係を予め記憶しており、計測したセルごとのインピーダンス（ｍΩ／セル）を、記憶した上記の相関関係に照合する。そして、制御部２００は、こうした照合を経て、上記した加湿窒素ガスでのパージを、それぞれの単セル１１０の電解質膜１１１の湿潤が燃料電池１００の通常運転時の湿潤状態を超える程度まで継続する。本実施例では、それぞれの単セル１１０における電解質膜１１１の湿潤が約０．１ｍΩ／セルのインピーダンスに対応する湿潤状態となるまで、加湿窒素ガスでのパージを継続することとした。このように湿潤化を図ることでも、単セル１１０の電解質膜１１１の乾燥を抑制できる。なお、燃料電池１００の通常運転時の電解質膜１１１の湿潤状態は、通常、０．１４〜０．５４ｍΩ／セルである。
【００４６】
加湿窒素ガスによるパージに続き、乾燥不活性ガスでのバージを図る（ステップＳ５０）。このステップ４０で、制御部２００は、第１切換バルブ３１３、３２３についてはバルブ位置を維持した上で、第２切換バルブ３１５、３２５については、ガスの通過流路をバイパス配管３１４、３２４から第２水素配管３１２、第２酸素配管３２２に切り換える。ガス排出側では、バルブ制御が継続される。
【００４７】
上記したバルブ制御により、燃料電池１００のアノードには、不活性ガス供給部３４０からの窒素ガスが乾燥状態で供給され、カソードには、同じく不活性ガス供給部３４０からの窒素ガスが乾燥状態で供給される。こうして供給される乾燥窒素ガスは、ステップＳ４０で供給された加湿窒素ガスを電池外に排出するので、燃料電池１００、詳しくは単セル１１０のそれぞれのアノードおよびカソードは、乾燥窒素ガスでパージされる。
【００４８】
本実施例では、ステップＳ５０にて乾燥状態の窒素ガスをアノードおよびカソードに供給するに当たり、不活性ガス供給部３４０およびヒーター３１６、３２６の制御を経て、水蒸気をほぼ含まずその温度も約２０〜３０℃程度の乾燥窒素ガスを、単セル１１０の各セル単位で３００ｍｌ／ｍｉｎの流量でアノードおよびカソードに供給する。このような乾燥窒素ガスでのパージを図ることで、燃料電池１００の単セル１１０では、電解質膜の湿潤を後述するように徐々に緩和しつつ、それ以前に残留していた加湿窒素ガスを電池外に排出する。
【００４９】
制御部２００は、上記した乾燥窒素ガスでのパージの間においても、発電検査部４００の計測した単セル１１０のセルごとのインピーダンス（ｍΩ／セル）を入力して、既述した相関関係に照合する。そして、制御部２００は、こうした照合を経て、上記した乾燥窒素ガスでのパージをそれぞれの単セル１１０の電解質膜１１１の湿潤状態が燃料電池１００の通常運転時の湿潤状態に近づくまで継続する。一般に、燃料電池１００の通常運転時には、単セル１１０の電解質膜１１１の湿潤状態は、０．１４〜０．５４ｍΩ／セルのインピーダンスに対応する湿潤状態であることが望ましいとされている。つまり、ステップＳ４０では、電解質膜１１１の乾燥を抑制しつつ残留水素ガスおよび残留空気を電池外に排出するものの、約０．１ｍΩ／セルのインピーダンスに対応する湿潤状態では湿潤過多となる。よって、これを解消すべく、本実施例では、ステップＳ５０にて、それぞれの単セル１１０における電解質膜１１１の湿潤状態が約０．３ｍΩ／セルのインピーダンスに対応する湿潤状態となるまで、乾燥窒素ガスでのパージを継続することとし、それぞれの単セル１１０の電解質膜１１１の湿潤状態を徐々に緩和して燃料電池１００の通常運転時の湿潤状態に近づける。このことは、ステップＳ４０で湿潤過多とした単セル１１０の電解質膜１１１を、燃料電池１００の通常運転時の湿潤状態に近づくよう乾燥窒素ガスパージにより徐々に乾燥させることを意味する。
【００５０】
その後、アノードについては乾燥窒素ガスでのパージを継続した上で、カソードについては乾燥状態の空気でのパージを図る（ステップＳ６０）。このステップ５０で、制御部２００は、水素ガス供給側の第１切換バルブ３１３と第２切換バルブ３１５、および空気供給側の第２切換バルブ３２５についてはバルブ位置を維持する。その上で、制御部２００は、空気供給側の第１切換バルブ３２３を切換制御して、酸化剤ガス供給部３２０からの第１酸素配管３２１をバルブ下流流路に繋ぎ、不活性ガス供給部３４０からのカソード側接続配管３４２については、流路を閉鎖する。ガス排出側では、制御部２００は、背圧制御部４５０の圧力調整バルブ３１９、３２９のバルブ調整を介して、排出ガスの背圧調整を継続する。
【００５１】
上記したバルブ制御により、燃料電池１００を構成するそれぞれの単セル１１０のアノードには、乾燥窒素ガスの供給が継続され、カソードには、酸化剤ガス供給部３２０からの空気が乾燥状態で供給される。こうしてアノードでは、乾燥窒素ガスによるパージが継続され、カソードでは、ステップＳ５０で供給された乾燥窒素ガスが電池外に排出されて、単セル１１０のそれぞれのカソードは、乾燥空気でパージされる。
【００５２】
本実施例では、ステップＳ６０にてアノードに乾燥窒素ガスを、カソードに乾燥空気を供給するに当たり、燃料ガス供給部３１０と不活性ガス供給部３４０、およびヒーター３１６、３２６の制御を経て、水蒸気をほぼ含まずその温度も約２０〜３０℃程度の乾燥窒素ガスと乾燥空気を、単セル１１０の各セル単位で３００ｍｌ／ｍｉｎの流量でアノードおよびカソードに供給する。このような乾燥窒素ガス或いは乾燥空気でのパージを図ることで、燃料電池１００の単セル１１０では、電解質膜１１１の湿潤を既述したように徐々に緩和しつつ、アノードでは乾燥窒素ガスのパージが、カソードでは、それ以前に残留していた乾燥窒素ガスを電池外に排出して乾燥空気によるパージがなされる。
【００５３】
制御部２００は、上記した乾燥窒素ガスおよび乾燥空気でのパージの間においても、発電検査部４００の計測した単セル１１０のセルごとのインピーダンス（ｍΩ／セル）を入力して、既述した相関関係に照合する。そして、制御部２００は、こうした照合を経て、上記した乾燥窒素ガスおよび乾燥空気でのパージをそれぞれの単セル１１０における電解質膜１１１の湿潤状態が燃料電池１００の通常運転時の湿潤状態にほぼ一致するまで継続する。つまり、ステップＳ６０では、それぞれの単セル１１０の電解質膜１１１の湿潤状態が約０．４ｍΩ／セルのインピーダンスに対応する湿潤状態となるまで、乾燥窒素ガスおよび乾燥空気でのパージを継続することとし、それぞれの単セル１１０における電解質膜１１１の湿潤状態を燃料電池１００の通常運転時の湿潤状態により近づける。
【００５４】
乾燥空気によりパージが完了すると、燃料電池１００の取り外しがなされ（ステップＳ７０）、出荷前検査が全て終了する。このステップＳ７０では、制御部２００は、次回の出荷前検査に備えて、燃料ガス供給部３１０、酸化剤ガス供給部３２０および不活性ガス供給部３４０について、ガス圧送を停止した上で、既述した各バルブをイニシャルバルブ位置に復帰させる。その後、作業員にて燃料電池１００の全てのマニホールドにおける配管接続が解かれ、燃料電池１００がセット架台５００から取り外される。配管接続の解除については、これを、配管接続治具により行うようにすることもできる。この配管接続の解除に続き、作業員の手作業もしくはキャップ装着治具の自動装着動作にて、取り外し済みの燃料電池１００の供給側および排出側のマニホールドにキャップが装着される。キャップ装着済みの燃料電池１００は、燃料電池１００を用いたシステム、例えば、燃料電池相殺車両に搭載すべく、或いは、燃料電池発電システムに組み込むべく出荷される。
【００５５】
以上説明したように、本実施例の燃料電池検査システム１０００では、燃料電池１００が定常の規定電力で発電することを想定した発電検査（ステップＳ２０）を行った後に不活性ガス（窒素ガス）によるアノードおよびカソードのパージを行うに当たり、窒素ガスパージの前に、冷媒供給部３３０を制御して燃料電池１００を室温まで冷却し、燃料電池１００を室温に維持する（ステップＳ３０）。こうすることで、燃料電池検査システム１０００は、窒素ガスパージに先立ち、燃料電池１００を構成する単セル１１０のそれぞれにおいて、アノードおよびカソードのセル内流路の飽和水蒸気圧を低減させ、飽和水蒸気圧の低下状況下で、窒素ガスにてアノードおよびカソードをパージする（ステップＳ４０〜４０）。このため、飽和水蒸気圧の低下により単セル１１０のアノードおよびカソードのセル内流路の水分（水蒸気）が少なく、電解質膜１１１を湿潤させている水分についてもセル内流路中に蒸発しがたい状況において、窒素ガスはパージされることになる。このため、本実施例の燃料電池検査システム１０００では、窒素ガスパージによる水分の持ち去りを抑制でき、電解質膜１１１の湿潤を大きく損なわないようにできる。
【００５６】
しかも、本実施例の燃料電池検査システム１０００では、電池冷却後の窒素ガスパージを、加湿窒素ガスによるパージ（加湿パージ：ステップＳ４０）と、乾燥窒素ガスによるパージ（乾燥パージ：ステップＳ５０）に分けてこの順に実行する。加湿パージでは、水蒸気を１２％以上含む加湿窒素ガスをパージすることから、この加湿パージの間において、単セル１１０の電解質膜１１１を湿潤させつつ、アノードの残留水素ガスおよびカソードの残留空気を、電解質膜１１１の乾燥を抑制した上で電池外に排出できる。この加湿パージに続く乾燥パージでは、乾燥窒素ガスをパージするものの、その窒素ガスは水蒸気をほぼ含まず約２０〜３０℃程度の温度であるため、パージによる電解質膜１１１の乾燥過多を招かない。
【００５７】
そして、本実施例の燃料電池検査システム１０００では、上記した加湿パージを、それぞれの単セル１１０の電解質膜１１１の湿潤が燃料電池１００の通常運転時の湿潤状態を超える程度まで継続し、これに続く乾燥パージの際の乾燥窒素ガスにて、電解質膜１１１の湿潤を徐々に緩和する。この乾燥パージは、電解質膜１１１の湿潤が燃料電池１００の通常運転時の湿潤状態に近似するまで継続されるので、電解質膜１１１の湿潤を、加湿パージにて、一旦、湿潤過多とするものの、加湿パージに続く乾燥パージにて、燃料電池１００の通常運転の湿潤状態に近似させる。このため、本実施例の燃料電池検査システム１０００によれば、発電検査の後に行う窒素ガスパージ（加湿パージおよび乾燥パージ）において電解質膜１１１の乾燥をもたらさないので、膜乾燥に伴う損傷等の不具合を高い実効性で回避できる。
【００５８】
本実施例の燃料電池検査システム１０００は、発電検査後の窒素ガスパージ（加湿パージおよび乾燥パージ）に続いて、アノードでは乾燥窒素ガスでのパージを継続し、カソードでは乾燥空気でのパージを図る（ステップＳ６０）。よって、本実施例の燃料電池検査システム１０００によれば、アノードに仮に水素ガスが残存していても、その残存水素ガスの水素をカソードに供給（パージ）した空気の酸素との電気化学反応に供して消失させる。このため、燃料電池１００の初期運転の際にアノードに残存していた水素ガスの水素がその残存箇所においてのみ電気化学反応に供されてしまうような事態を回避できる。この結果、本実施例の燃料電池検査システム１０００による発電検査を受けた燃料電池１００は、既述した電解質膜１１１の湿潤維持と相まって、その初期運転に際して所望の発電出力を得られないといった事態を起こしがたい。よって、本実施例の燃料電池検査システム１０００によれば、燃料電池１００の初期運転の性能向上をもたらすことができる。
【００５９】
また、燃料電池１００を構成するそれぞれの単セル１１０は、ステップＳ６０でのパージを経た後において、それぞれの単セル１１０の電解質膜１１１を燃料電池１００の通常運転時の湿潤状態に近似した湿潤状態としている。よって、燃料電池１００のそれぞれの単セル１１０の発電性能が揃うことになるので、ある単セル１１０が出力低下となって燃料電池１００としての出力も低下するような事態を回避できる。
【００６０】
また、本実施例の燃料電池検査システム１０００では、アノードおよびカソードのセル内流路の飽和水蒸気圧低減を、冷媒供給部３３０の制御を経た冷媒循環量の調整で簡便に行うことができる。
【００６１】
また、本実施例の燃料電池検査システム１０００では、アノードにおける残留水素ガスの水素の消失を、カソードへの空気（乾燥空気）の供給（パージ）にて図るので、短時間のうちに水素消失を図ることができる。よって、検査時間の短縮化を図ることができる。この場合、乾燥空気パージを単セル１１０のそれぞれの電解質膜１１１の湿潤状態が燃料電池１００の通常運転時の湿潤状態にほぼ一致するまで継続するので、検査完了後の燃料電池１００を、その単セル１１０における電解質膜１１１の湿潤状態を燃料電池１００の通常運転時の湿潤状態により近づける。よって、この点からも初期運転の性能向上に有益となる。
【００６２】
また、本実施例の燃料電池検査システム１０００では、セット架台５００からの燃料電池１００の取り外しに際して、燃料電池１００の供給側および排出側のマニホールドにキャップを装着する。よって、それぞれの単セル１１０のセル内流路におけるパージの状況、即ちステップＳ６０の終了時点のパージ状況は、出荷の際の搬送期間、車両への搭載や発電システムへの組み込みがなされるまでの期間に亘って維持される。このため、燃料電池１００は残留水素が消失状態でガス供給を受けるので、初期性能の向上により有益となる。
【００６３】
以上、本発明の実施の形態について説明したが、本発明はこのような実施の形態になんら限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲内において種々なる態様での実施が可能である。例えば、上記の実施例では、燃料電池検査システム１０００は、背圧制御部４５０を含む背圧系機器と冷媒供給部３３０を含む冷却系機器とを有するが、これらを有しない構成とできる。燃料電池１００を用いるシステム、例えば燃料電池搭載車両では、燃料電池１００に加えて上記の背圧系機器および冷却系機器と同等の機器を車両に必然的に搭載する。よって、燃料電池１００と背圧系機器と冷却系機器とを車両搭載のサブアッシー品として構成し、このサブアッシー品を、燃料電池検査システム１０００が有する発電検査部４００や測定用短絡抵抗４３０、およびガス供給系の第２水素配管３１２等の配管に接続すればよい。
【００６４】
また、アノードにおける残留水素の消失をカソードへの乾燥空気パージにて図ったが（ステップＳ６０）、水素消失を次のようにすることもできる。既述した乾燥窒素ガスのパージ（ステップＳ５０）に続き、この乾燥窒素ガスパージを継続した上で燃料電池１００の正負の出力端子を測定用短絡抵抗４３０に接続する。そして、この乾燥窒素ガスパージを、正負端子間の電圧がゼロとなるまで継続する。こうしても、アノードにおける残留水素の消失を図ることができる。
【００６５】
また、本実施例では、窒素ガスパージを、加湿パージ（ステップＳ４０）、乾燥パージ（ステップＳ５０）の順に行ったが、乾燥パージ、加湿パージの順とすることもできる。この場合には、先に行う乾燥窒素ガスによるパージにて、電解質膜１１１を過度に乾燥させないようにすればよい。
【符号の説明】
【００６６】
１００…燃料電池
１１０…単セル
１１１…電解質膜
１１２…アノード
１１３…カソード
１１４…アノード側ガス拡散層
１１５…カソード側ガス拡散層
２００…制御部
３１０…燃料ガス供給部
３１１…第１水素配管
３１２…第２水素配管
３１３…第１切換バルブ
３１４…バイパス配管
３１５…第２切換バルブ
３１６…ヒーター
３１７…加湿器
３１８…アノード排ガス配管
３１９…圧力調整バルブ
３２０…酸化剤ガス供給部
３２１…第１酸素配管
３２２…第２酸素配管
３２３…第１切換バルブ
３２４…バイパス配管
３２５…第２切換バルブ
３２６…ヒーター
３２７…加湿器
３２８…カソード排ガス配管
３３０…冷媒供給部
３３１…冷媒供給用配管
３３２…冷媒排出用配管
３４０…不活性ガス供給部
３４１…アノード側接続配管
３４２…カソード側接続配管
３６１…圧力センサー
３６２…圧力センサー
３６５…イン側温度センサー
３６６…アウト側温度センサー
４００…発電検査部
４３０…測定用短絡抵抗
４３２…スイッチ
４５０…背圧制御部
５００…セット架台
１０００…燃料電池検査システム
【図１】
2013134872.tif 000003
【図２】
2013134872.tif 000004