(57)【要約】【課題】セパレータのカーボン系表面処理（ＰＡＣ処理）に剥離部分があるかどうかの検査を簡易にかつ短時間で行う。【解決手段】燃料電池を、スタック化する前の状態で温水に所定時間以上浸水させ、当該燃料電池の表面の剥離を検出する。当該燃料電池を構成するセパレータと樹脂フレームの間の接着層に剥離が生じているかどうか検出することが好ましい。また、当該燃料電池を温水に浸水させている時間を通じ、または一時的に、アノードとカソードの両電力にガスを流通させることが好ましい。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池の表面処理検査方法であって、
当該燃料電池を、スタック化する前の状態で温水に所定時間以上浸水させ、当該燃料電池の表面の剥離を検出する、燃料電池の検査方法。
【請求項２】
当該燃料電池を構成するセパレータと樹脂フレームの間の接着層に剥離が生じているかどうか検出する、請求項１に記載の燃料電池の検査方法。
【請求項３】
当該燃料電池を温水に浸水させている時間を通じ、または一時的に、アノードとカソードの両電力にガスを流通させる、請求項１または２に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、燃料電池の検査方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、燃料電池のセパレータとフレームの間の接着層に剥離部分があるかどうかを検出する手段の一つとして、超音波探傷機を用いた検査技術が利用されている。これは、例えば、セパレータが載置される作業台に超音波探傷機を設けてなるセパレータ保持具に、セパレータの少なくともフレームが接着されている接着部位を密着させながら、超音波探傷機によりフレームとセパレータの間に接着層の剥離部分が有るか否かの剥離検査を行うというものである（例えば特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００９−１５８１６０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、上述のごとき従来技術によると、セパレータのカーボン系表面処理（ＰＡＣ(Pi-conjugated Amorphous Carbon)処理）に剥離部分があるかどうか検査するのに時間がかかる。また、検出するのに高額な超音波探傷機が必要になる。
【０００５】
そこで、本発明は、セパレータのカーボン系表面処理（ＰＡＣ処理）に剥離部分があるかどうかの検査を簡易にかつ短時間で行うことができる燃料電池の検査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】
【０００６】
かかる課題を解決するべく本発明者は種々の検討を行った。従来の検査方法は、セルをスタック化した後、性能が低下した場合にスタックを分解して表面処理に剥離部分があるかどうか検出するというように、あくまでもスタック化後に実施する検査でしかなく、現状、スタック化前のセル状態において表面処理に剥離部分があるかどうか検出する手法がない。この理由としては、剥離はセパレータが冷却水や高温水と接触することによって生じることから、スタック化後、長時間の性能評価を行わないと剥離が生じないことにあると考えられる。この点に着目してさらに検討した本発明者は、かかる課題の解決に結び付く新たな知見を得るに至った。
【０００７】
本発明はかかる知見に基づくもので、燃料電池の表面処理検査方法であって、燃料電池を、スタック化する前の状態で温水に所定時間以上浸水させ、当該燃料電池の表面の剥離を検出する、というものである。
【０００８】
この検査方法においては、セルのスタック化以降にではなく、スタック化する前に表面処理の剥離があるかどうかを検出する。こうした場合、セパレータのカーボン系表面処理（ＰＡＣ処理）に剥離部分があるかどうかを簡易にかつ短時間で検出することが可能となる。
【０００９】
該検査方法において、当該燃料電池を構成するセパレータと樹脂フレームの間の接着層に剥離が生じているかどうか検出することが好ましい。
【００１０】
また、当該燃料電池を温水に浸水させている時間を通じ、または一時的に、アノードとカソードの両電力にガスを流通させることも好ましい。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、セパレータのカーボン系表面処理（ＰＡＣ処理）に剥離部分があるかどうかの検査を簡易にかつ短時間で行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】燃料電池用セパレータの一例を模式的に示す図である。
【図２】燃料電池の検査方法の一例を示すフローチャートである。
【図３】検査方法における温水エージング過程の具体的処理例を示すフローチャートである。
【図４】従来の検査方法の一例を参考として示すフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
図１〜図３に本発明の実施形態を示す。以下に説明する実施形態においては、まず、燃料電池１を構成するセル（発電セル）２および複数のセル２が積層されてなる燃料電池スタックの概略構成について説明し、その後、セパレータ２０のカーボン系表面処理（ＰＡＣ処理）に剥離部分があるかどうかを検出するための検査方法について説明する。
【００１４】
図１に本実施形態における燃料電池１のセル２の概略構成を示す。図示するように構成されるセル２は、順次積層されてセル積層体を構成する。また、セル積層体等で構成される燃料電池スタックは、例えばスタック両端を一対のエンドプレート（図示省略）で挟まれ、さらにこれらエンドプレートどうしを繋ぐようにテンションプレート（図示省略）からなる拘束部材が配置された状態で積層方向への荷重がかけられて締結される。
【００１５】
なお、このような燃料電池スタック等で構成される燃料電池１は、例えば燃料電池車両（ＦＣＨＶ；Fuel Cell Hybrid Vehicle）の車載発電システムにおいて利用可能なものであるがこれに限られることはなく、各種移動体（例えば船舶や飛行機など）やロボットなどといった自走可能なものに搭載される発電システム、さらには定置の発電システムにおいても利用することが可能である。
【００１６】
セル２は、電解質、具体例として膜−電極アッセンブリ（以下ＭＥＡ；Membrane Electrode Assemblyと呼ぶ）３０、該ＭＥＡ３０を挟持する一対のセパレータ２０（図１においてはそれぞれ符号２０ａ，２０ｂを併記している）等で構成されている（図１参照）。ＭＥＡ３０および各セパレータ２０（２０ａ，２０ｂ）はおよそ矩形の板状に形成されている。また、ＭＥＡ３０はその外形が各セパレータ２０（２０ａ，２０ｂ）の外形よりも小さくなるように形成されている。
【００１７】
ＭＥＡ３０は、高分子材料のイオン交換膜からなる高分子電解質膜（以下、単に電解質膜ともいう）３１と、電解質膜３１を両面から挟んだ一対の電極（アノード側拡散電極およびカソード側拡散電極）３２ａ，３２ｂとで構成されている（図１参照）。電解質膜３１は、各電極３２ａ，３２ｂよりも大きく形成されている。この電解質膜３１には、その周縁部３３を残した状態で各電極３２ａ，３２ｂが接合されている。
【００１８】
ＭＥＡ３０を構成する電極３２ａ，３２ｂは、その表面に付着された白金などの触媒を担持した例えば多孔質のカーボン素材（拡散層）で構成されている。一方の電極（アノード）３２ａには燃料ガス（反応ガス）としての水素ガス、他方の電極（カソード）３２ｂには空気や酸化剤などの酸化ガス（反応ガス）が供給され、これら２種類の反応ガスによりＭＥＡ３０内で電気化学反応が生じてセル２の起電力が得られるようになっている。
【００１９】
セパレータ２０（２０ａ，２０ｂ）はガス不透過性の導電性材料で構成されている。導電性材料としては、例えばカーボンや導電性を有する硬質樹脂のほか、アルミニウムやステンレス等の金属（メタル）が挙げられる。本実施形態のセパレータ２０（２０ａ，２０ｂ）の基材は板状のメタルで形成されているものであり（メタルセパレータ）、この基材の電極３２ａ，３２ｂ側の面にはカーボン系の表面処理（ＰＡＣ処理）がなされて耐食性に優れた膜が形成されている。
【００２０】
また、セパレータ２０（２０ａ，２０ｂ）の両面には、複数の凹部によって構成される溝状の流路が形成されている。これら流路は、例えば板状のメタルによって基材が形成されている本実施形態のセパレータ２０（２０ａ，２０ｂ）の場合であればプレス成形によって形成することができる。このようにして形成される溝状の流路は、酸化ガスのガス流路３４や水素ガスのガス流路３５、あるいは冷却水流路３６を構成している。より具体的に説明すると、セパレータ２０ａの電極３２ａ側となる内側の面には水素ガスのガス流路３５が形成され、その裏面（外側の面）には冷却水流路３６が形成されている（図１参照）。同様に、セパレータ２０ｂの電極３２ｂ側となる内側の面には酸化ガスのガス流路３４が形成され、その裏面（外側の面）には冷却水流路３６が形成されている（図１参照）。例えば本実施形態の場合、隣接する２つのセル２，２に関し、一方のセル２のセパレータ２０ａの外面と、これに隣接するセル２のセパレータ２０ｂの外面とを付き合わせた場合に両者の冷却水流路３６が一体となり断面が例えば矩形あるいはハニカム形の流路が形成される構造となっている。
【００２１】
さらに、上述したように各セパレータ２０（２０ａ，２０ｂ）は、少なくとも流体の流路をなすための凹凸形状が表面と裏面とで反転した関係になっている。より具体的に説明すると、セパレータ２０ａにおいては、水素ガスのガス流路３５を形成する凸形状（凸リブ）の裏面が冷却水流路３６を形成する凹形状（凹溝）であり、ガス流路３５を形成する凹形状（凹溝）の裏面が冷却水流路３６を形成する凸形状（凸リブ）である。さらに、セパレータ２０ｂにおいては、酸化ガスのガス流路３４を形成する凸形状（凸リブ）の裏面が冷却水流路３６を形成する凹形状（凹溝）であり、ガス流路３４を形成する凹形状（凹溝）の裏面が冷却水流路３６を形成する凸形状（凸リブ）である。
【００２２】
また、セパレータ２０（２０ａ，２０ｂ）の長手方向の端部付近（本実施形態の場合であれば、図１中向かって左側に示す一端部の近傍）には、酸化ガスの入口側のマニホールド１５ａ、水素ガスの出口側のマニホールド１６ｂ、および冷却水の入口側のマニホールド１７ａが形成されている。例えば本実施形態の場合、これらマニホールド１５ａ，１６ｂ，１７ａは各セパレータ２０（２０ａ，２０ｂ）に設けられた略矩形ないしは台形、あるいは両端が半円形状の長細矩形の透孔によって形成されている（図１参照）。さらに、セパレータ２０（２０ａ，２０ｂ）のうち反対側の端部には、酸化ガスの出口側のマニホールド１５ｂ、水素ガスの入口側のマニホールド１６ａ、および冷却水の出口側のマニホールド１７ｂが形成されている。本実施形態の場合、これらマニホールド１５ｂ，１６ａ，１７ｂも略矩形ないしは台形、あるいは両端が半円形状の長細矩形の透孔によって形成されている（図１参照）。
【００２３】
上述のような各マニホールドのうち、セパレータ２０ａにおける水素ガス用の入口側マニホールド１６ａと出口側マニホールド１６ｂは、セパレータ２０ａに形成されている入口側の連絡通路６１および出口側の連絡通路６２を介してそれぞれが水素ガスのガス流路３５に連通している。同様に、セパレータ２０ｂにおける酸化ガス用の入口側マニホールド１５ａと出口側マニホールド１５ｂは、セパレータ２０ｂに形成されている入口側の連絡通路６３および出口側の連絡通路６４を介してそれぞれが酸化ガスのガス流路３４に連通している（図１参照）。さらに、各セパレータ２０（２０ａ，２０ｂ）における冷却水の入口側マニホールド１７ａと出口側マニホールド１７ｂは、各セパレータ２０（２０ａ，２０ｂ）に形成されている入口側の連絡通路６５および出口側の連絡通路６６を介してそれぞれが冷却水流路３６に連通している。ここまで説明したような各セパレータ２０（２０ａ，２０ｂ）の構成により、セル２には、酸化ガス、水素ガスおよび冷却水が供給されるようになっている。ここで具体例を挙げておくと、セル２が積層された場合、例えば水素ガスは、セパレータ２０ａの入口側マニホールド１６ａから連絡通路６１を通り抜けてガス流路３５に流入し、ＭＥＡ３０の発電に供された後、連絡通路６２を通り抜けて出口側マニホールド１６ｂに流出することになる。
【００２４】
なお、本実施形態においては、冷却水の入口側マニホールド１７ａと出口側マニホールド１７ｂとをそれぞれセパレータ２０の冷却水流れ方向両側の一方寄りおよび他方寄りに配置している（図１参照）。すなわち、本実施形態においては冷却水の入口側マニホールド１７ａと出口側マニホールド１７ｂをセパレータ２０の対角線上に配置することとし、これによってセパレータ２０に対し冷却水が全面的に行き渡りやすくなるようにしている。
【００２５】
第１シール部材１３ａ、第２シール部材１３ｂは、ともに複数の部材（例えば独立した小型の４つの矩形枠体と、流体流路を形成するための大きな枠体）で形成されているものである（図１参照）。これらのうち、第１シール部材１３ａはＭＥＡ３０とセパレータ２０ａとの間に設けられるもので、より詳細には、その一部が、電解質膜３１の周縁部３３と、セパレータ２０ａのうちガス流路３５の周囲の部分との間に介在するように設けられる。また、第２シール部材１３ｂは、ＭＥＡ３０とセパレータ２０ｂとの間に設けられるもので、より詳細には、その一部が、電解質膜３１の周縁部３３と、セパレータ２０ｂのうちガス流路３４の周囲の部分との間に介在するように設けられる。
【００２６】
さらに、隣接するセル２，２のセパレータ２０ｂとセパレータ２０ａとの間には、複数の部材（例えば独立した小型の４つの矩形枠体と、流体流路を形成するための大きな枠体）で形成された第３シール部材１３ｃが設けられている（図１参照）。この第３シール部材１３ｃは、セパレータ２０ｂにおける冷却水流路３６の周囲の部分と、セパレータ２０ａにおける冷却水流路３６の周囲の部分との間に介在するように設けられてこれらの間をシールする部材である。
【００２７】
なお、第１〜第３シール部材１３ａ〜１３ｃとしては、隣接する部材との物理的な密着により流体を封止する弾性体（ガスケット）や、隣接する部材との化学的な結合により接着する接着剤などを用いることができる。例えば本実施形態では各シール部材１３ａ〜１３ｃとして弾性によって物理的にシールする部材を採用しているが、この代わりに上述した接着剤のような化学結合によってシールする部材を採用することもできる。
【００２８】
樹脂フレーム４０は、ＭＥＡ３０とともにセパレータ２０（２０ａ，２０ｂ）間に挟持される例えば樹脂からなる枠状の部材である。例えば本実施形態では、薄い枠形状の樹脂フレーム４０をセパレータ２０（２０ａ，２０ｂ）間に介在させ、当該樹脂フレーム４０によってＭＥＡ３０の少なくとも一部、例えば周縁部３３に沿った部分を表側と裏側から挟持するようにしている。このように設けられる樹脂フレーム４０は、締結力を支持するセパレータ２０（２０ａ，２０ｂ）間のスペーサとしての機能、絶縁部材としての機能、セパレータ２０（２０ａ，２０ｂ）の剛性を補強する補強部材としての機能を発揮する。
【００２９】
続いて、セパレータ２０のカーボン系表面処理（ＰＡＣ処理）に剥離部分があるかどうかを検出するための検査方法について説明する（図２等参照）。
【００３０】
本実施形態では、スタック化前（積層する前）に燃料電池１のセル２を温水に所定時間以上浸水させる温水エージングを行い（図２のステップＳＰ１）、カーボン系表面処理（ＰＡＣ処理）に剥離部分があるかどうか検査し（ステップＳＰ２）、その後、セル２をスタック化する（ステップＳＰ３）。従来は、セル２をスタック化した後の評価においてしか表面処理に剥離があるかどうかを検出することができなかったため（図４のステップＳＰ１０１〜１０４参照）、燃料電池１の分解や再組立に日数やコストを要しており、しかも剥離を検出するのに高額な超音波探傷機が必要になることもがあったが、本実施形態によれば、スタック化前に表面処理の剥離を検出することが可能となるため、スタックの品質を向上させることができ、尚かつ、分解や再組立に要する日数やコストを低減することができる。
【００３１】
ここで、上述した温水エージング（図２のステップＳＰ１）について、好適な条件例を挙げながら具体的処理例を説明する（図３参照）。
【００３２】
温水エージングの開始後、まずは冷却水を昇温する（ステップＳＰ１１）。このときの冷却水の温度は、６５℃〜１００℃であることが好ましい。冷却水の流通量は、50〜400L/min （毎分50〜400リットル）程度であることが好ましく、例えば本実施形態では100L/min とする。
【００３３】
ここで、アノード、カソードの両電極にガスを一時的にまたは全時間を通じて流通させる場合、ひとつのセル当たり、アノード（電極３２ａ）には0.1〜1NL/minの窒素ガス、カソード（電極３２ｂ）には0.1〜5NL/minの窒素ガスをそれぞれ流通させる。このときの窒素ガスの温度は６５℃〜１００℃とし、この時の露点は０℃〜８０℃（例えば６０℃）とする。
【００３４】
上記のごとき温水エージングを開始したら、セル２をその状態で長時間放置する（ステップＳＰ１２）。剥離を生じさせる観点からすれば放置時間を１５時間以上とすることが好ましい。
【００３５】
放置後、セル２を取り出し（ステップＳＰ１３）、水を拭き取る（ステップＳＰ１４）。水の拭き取りは、毛羽のでない布（たとえばベルクリンなどを利用して行うのがよい。
【００３６】
水を拭き取ったセル２を目視確認する（ステップＳＰ１５）。ここでは、実際に剥離が生じているサンプルと見比べることにより、あるいは水を拭き取った布に剥離カスのようなものが付着しているか確認することにより、セパレータのカーボン系表面処理（ＰＡＣ処理）に剥離部分があるかどうか確かめることができる。
【００３７】
なお、上述の実施形態は本発明の好適な実施の一例ではあるがこれに限定されるものではなく本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々変形実施可能である。
【産業上の利用可能性】
【００３８】
本発明は、ライナと、該ライナの外周に形成される補強繊維層と、ライナに取り付けられた口金とを有する高圧タンクに適用して好適なものである。
【符号の説明】
【００３９】
１…燃料電池、２０（２０ａ，２０ｂ）…セパレータ、３２ａ…電極（アノード）、３２ｂ…電極（カソード）、４０…樹脂フレーム
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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