(57)【要約】【課題】過渡的な条件における出力の検査を実現すること。【解決手段】０．５Ａ／（ｃｍ2・ｓｅｃ）の上昇速度で、電流密度を所定値Ｊ１から最大値Ｊ２まで上昇させる（ステップＳ１２０）。前記上昇が完了してから５秒後のセル電圧Ｖ３を取得する（ステップＳ１３０）。セル電圧Ｖ３が低い場合（ステップＳ１５０、ＮＯ）、カチオン汚染が発生していると判定する（ステップＳ１６０）。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池を検査する方法であって、
電流密度を所定速度以上の速度で上昇させる上昇工程と、
前記上昇工程によって電流密度が所定電流密度以上に達した時の電圧値である第１電圧値を、判定基準となる第２電圧値と比較することによって、前記燃料電池が正常か異常かを判定する判定工程と
を含む検査方法。
【請求項２】
前記第２電圧値は、前記上昇工程が完了してから所定時間経過後のセル電圧であり、
前記判定工程では、前記第２電圧値と前記第１電圧値との差である電圧差が基準値以上の場合に、異常であると判定する
請求項１に記載の検査方法。
【請求項３】
前記判定工程では、前記電圧差が前記基準値以上の場合は第１の異常であると判定し、前記第２電圧値が所定値未満の場合は前記第１の異常とは異なる第２の異常であると判定する
請求項２に記載の検査方法。
【請求項４】
前記第２電圧値は、予め定められた固定値であり、
前記判定工程では、前記第１電圧値が前記第２電圧値未満の場合に、異常であると判定する
請求項１に記載の検査方法。
【請求項５】
前記所定速度は、０．５Ａ／（ｃｍ2・ｓｅｃ）である
請求項１から請求項４までの何れか一項に記載の検査方法。
【請求項６】
前記上昇工程が完了した時の電流密度は、当該燃料電池の使用範囲における最大出力時での電流密度である
請求項１から請求項５までの何れか一項に記載の検査方法。
【請求項７】
前記上昇工程が始まる前の電流密度は、０．２Ａ／ｃｍ2以下である
請求項１から請求項６までの何れか一項に記載の検査方法。
【請求項８】
燃料電池の製造方法であって、
製造したセルを請求項１から請求項７までの何れか一項に記載の検査方法で検査し、
前記検査に合格したセルを用いて燃料電池を製造する
製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
アイオノマを含む燃料電池の検査方法として、次の手法が知られている。まず、定期点検時に燃料電池の最大出力を測定する。測定した値が規定値の６０％以下である場合、燃料電池に対して熱処理を施す。熱処理後、最大出力が規定値の６０％よりも大きくなっていれば継続使用して問題ないと判断する。このように判断するのは、熱処理前に最大出力値が規定値の６０％以下だった理由が、アイオノマの膨潤であると推定されるからである。このように推定できるのは、アイオノマの膨潤は、熱処理によって回復するからである。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１３−１２２８１５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上記先行技術の場合、過渡的な運転条件における出力の検査について考慮されていない。本願発明は、上記先行技術を踏まえ、過渡的な運転条件における出力の検査の実現を解決課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明は、上記課題を解決するためのものであり、以下の形態として実現できる。
【０００６】
（１）本発明の一形態によれば、燃料電池を検査する方法が提供される。この方法は、電流密度を所定速度以上の速度で上昇させる上昇工程と；電流密度が所定電流密度以上に達した時の電圧値である第１電圧値を、判定基準となる第２電圧値と比較することによって、前記燃料電池が正常か異常かを判定する判定工程とを含む。この形態によれば、過渡的な運転条件について検査ができる。第１電圧値に基づく判定は、過渡的な運転条件を反映しているからである。過渡的な運転条件が反映されるのは、第１電圧値が、電流密度を所定速度以上の速度で上昇させ、所定電流密度以上に達した時の電圧値だからである。
【０００７】
（２）上記形態において、前記第２電圧値は、前記上昇工程が完了してから所定時間経過後のセル電圧であり；前記判定工程では、前記第２電圧値と前記第１電圧値との差である電圧差が基準値以上の場合に、異常であると判定してもよい。この形態によれば、燃料電池の個体差によるばらつきを考慮しなくても判定ができる。
【０００８】
（３）上記形態において、前記判定工程では、前記電圧差が前記基準値以上の場合は、第１の異常であると判定し、前記第２電圧値が所定値未満の場合は、前記第１の異常とは異なる第２の異常であると判定してもよい。この形態によれば、第１の異常と第２の異常とを区別できる。
【０００９】
（４）上記形態において、前記第２電圧値は、予め定められた固定値であり、前記判定工程では、前記第１電圧値が前記第２電圧値未満の場合に、異常であると判定してもよい。この形態によれば、検査時間が短くなる。
【００１０】
（５）上記形態において、前記所定速度は、０．５Ａ／（ｃｍ2・ｓｅｃ）でもよい。
【００１１】
（６）上記形態において、前記上昇が完了した時の電流密度は、当該燃料電池の使用範囲における最大出力時での電流密度でもよい。この形態によれば、最大出力になる場合について検査ができる。
【００１２】
（７）上記形態において、前記上昇が始まる前の電流密度は、０．２Ａ／ｃｍ2以下でもよい。この形態によれば、０．２Ａ／ｃｍ2以下から電流密度が上昇する場合について検査ができる。
【００１３】
本発明は、上記以外の種々の形態で実現できる。例えば、上記の検査方法を含む燃料電池の製造方法、上記の検査方法を実現するためのコンピュータプログラム、このコンピュータプログラムを記憶した一時的でない記憶媒体等の形態で実現できる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】発電検査システムの概略構成図。
【図２】検査処理の工程図。
【図３】検査処理によってセル電圧と電流密度とが変化する様子を示すグラフ。
【図４】出力と単位面積当たりのカチオン汚染量との関係を示すグラフ。
【図５】燃料電池の電圧−電流特性を示すグラフ。
【図６】電流密度を上下させる様子を示すグラフ。
【図７】セル電圧と電流密度とが変化する様子を示すグラフ（比較例）。
【図８】セル電圧と電流密度とが変化する様子を示すグラフ（比較例）。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
図１は、発電検査システム１００の概略構成を示す。発電検査システム１００は、自動車用の燃料電池スタックを検査するシステムである。発電検査システム１００は、中間プレート１０と、セルモニタ２０と、データ収集システム３０とを備える。燃料電池スタックは、複数のセルＦＣを積層させたスタック構造を有する。セルＦＣは、発電体と、この発電体を挟み込むセパレータとを有する。発電体は、ＭＥＡ（膜電極接合体）を含む。ＭＥＡは、カソード電極と、電解質膜と、アノード電極とが接合して構成されている。
【００１６】
中間プレート１０は、セルＦＣ同士の間に配置される。複数のセルＦＣと複数の中間プレート１０とによる積層体は、図１に白抜き矢印で示した方向に荷重が加えられて締結される。
【００１７】
セルモニタ２０は、各セルＦＣのセル電圧を測定する装置である。セルモニタ２０は、セルモニタケーブル２２を介して、複数の中間プレート１０のそれぞれに接続されている。
【００１８】
データ収集システム３０は、パワーケーブル２４を介してセルモニタ２０と接続されている。データ収集システム３０は、セルモニタ２０によって測定された各セルＦＣのセル電圧を取得する。データ収集システム３０は、上記の積層体と閉回路４０を形成する。データ収集システム３０は、内蔵する回路によって、閉回路４０を流れる電流値を制御する。
【００１９】
発電検査システム１００は、複数のセルＦＣに水素を供給するための燃料ガス供給系（図示なし）、複数のセルＦＣに空気を供給するための酸化剤ガス供給系（図示なし）、及び、複数の中間プレート１０に冷却水を流すための冷却水供給系（図示なし）を備える。供給される空気の相対湿度は、所定値に制御される。所定値とは、空気を加湿せずにカソードに供給する運転（無加湿運転）を再現するための値である。
【００２０】
図２は、検査処理の工程図である。検査処理は、燃料電池の製造工程の一環として実行される。検査処理は、各セルＦＣを検査するために、データ収集システム３０によって実行される。検査処理に際して、必要量の水素、空気、冷却水が供給される。
【００２１】
図３は、検査処理によって、セルＦＣのセル電圧と電流密度とが変化する様子を示すグラフである。以下、図３を参照しながら、検査処理を説明する。
【００２２】
まず、各セルＦＣの電流密度を所定値Ｊ１に制御する（ステップＳ１１０）。所定値Ｊ１は、生成水が少ない運転を実現するための電流密度であり、本実施形態では０．０５Ａ／ｃｍ2以上０．２Ａ／ｃｍ2以下の任意の値のことである。電流密度の制御は、閉回路４０を流れる電流値を制御することで実現する。電流密度の算出は、閉回路４０を流れる電流値を、各セルＦＣの発電領域の面積値で除算することによって実現される。この面積値は、予めデータ収集システム３０に入力されている。
【００２３】
次に、電流密度を最大値Ｊ２まで上昇させる（ステップＳ１２０）。最大値Ｊ２は、燃料電池の最大出力時における電流密度であり、本実施形態では２．０Ａ／ｃｍ2以上３．０Ａ／ｃｍ2以下である。上昇速度は、０．５Ａ／（ｃｍ2・ｓｅｃ）に設定する。図３は、時刻ｔ１から電流密度の上昇が始まり、時刻ｔ２で電流密度の上昇が終わる様子を示す。電流密度が上昇すると、セルＦＣの電圧−電流特性に従って、図３に示すようにセル電圧が降下する。
【００２４】
続いて、電流密度が最大値Ｊ２に達してから所定時間経過後（時刻ｔ３）に、各セルＦＣのセル電圧Ｖ３を取得する（ステップＳ１３０）。所定時間は、０秒から１０秒の任意の時間であり、本実施形態では５秒が採用されている。
【００２５】
図３は、正常の場合は電圧Ｖ３ａ、カチオン汚染の場合は電圧Ｖ３ｂ、他の異常の場合はＶ３ｃが取得される様子を示す。
【００２６】
カチオン汚染とは、電解質膜に含まれるスルホン酸基が、カチオンによって被毒する現象のことである。カチオンとは、例えば、鉄、アルミニウム、ニッケル、セリウム、コバルト等の陽イオンのことである。これらのカチオンが電解質膜に混入する原因は様々である。例えば、製造工程で異物として混入したり、発電時に他の部材から溶出して混入したりする。鉄、アルミニウム、ニッケルは、製造工程で混入したり、補機部品やセパレータから溶出して混入したりする場合がある。セリウム、コバルトは、酸化防止剤（ラジカルクエンチャ）から溶出して混入する場合がある。スルホン酸基がカチオンによって被毒すると、プロトン伝導の抵抗が増大し、特に乾燥時に出力が低下する。
【００２７】
ステップＳ１３０の後、電流密度を最大値Ｊ２に維持して所定時間経過した後に（時刻ｔ４）、各セルＦＣのセル電圧Ｖ４を取得する（ステップＳ１４０）。所定時間として、本実施形態では１０分が採用されている。図３は、正常の場合およびカチオン汚染の場合は電圧Ｖ４ａ、他の異常の場合はＶ４ｃが取得される様子を示す。
【００２８】
次に、各セルＦＣについて、セル電圧Ｖ４とセル電圧Ｖ３との差（以下「電圧差ΔＶ」という）が、閾値Ｖｔ１未満であるかを判定する（ステップＳ１５０）。電圧差ΔＶが閾値Ｖｔ１以上のセルＦＣがある場合（ステップＳ１５０、ＮＯ）、そのセルＦＣはカチオン汚染が発生した不良品であると判定する（ステップＳ１６０）。
【００２９】
先述したカチオン汚染の場合、電圧差ΔＶは、（電圧Ｖ４ａ−電圧Ｖ３ｂ）であり、閾値Ｖｔ１以上である。これに対し、正常の場合、電圧差ΔＶは（電圧Ｖ４ａ−電圧Ｖ３ａ）、他の異常の場合、電圧差ΔＶは（電圧Ｖ４ｃ−電圧Ｖ３ｃ）であり、何れも閾値Ｖｔ１未満である。
【００３０】
図４は、燃料電池の出力（Ｗ）と、ＭＥＡの単位面積あたりのカチオン汚染量（μｇ／ｃｍ2）との関係を示すグラフである。図５は、燃料電池の電圧−電流特性を示すグラフである。以下、これら２つのグラフを用いて、カチオン汚染の影響について説明する。
【００３１】
図４に示されたグラフは、定常時の場合の特性と、過渡時の場合の特性とを示す。定常時とは、電流密度が一定に制御された期間のことである。過渡時とは、検査処理のステップＳ１２０として説明したように電流密度が上昇した直後のことである。これらの特性は、電流密度が高い場合（１．２Ａ／ｃｍ2以上の所定値）におけるものである。
【００３２】
図４に示すように、定常時の場合、カチオン汚染量が増大しても、出力はあまり低下しない。これに対し、過渡時の場合、カチオン汚染量が増大すると、出力が大幅に低下する。
【００３３】
一方、図５に示されたグラフは、カチオン汚染量が基準値未満である合格品の場合の特性と、カチオン汚染量が基準値以上である不合格品の場合の特性とを示す。不合格品の場合は、湿潤状態および乾燥状態のときが示されている。湿潤状態とは、ＭＥＡを構成する電解質膜に含まれる水分量が、良好なプロトン伝導のための量に達している状態のことである。逆に乾燥状態とは、その水分量が、良好なプロトン伝導のための量よりも少ない状態のことである。
【００３４】
図５に示すように、電流密度が低い場合は、何れの場合でも殆ど差が無い。一方、電流密度が大きくなると、１．２Ａ／ｃｍ2を超えた辺りから徐々に、差がつき始める。つまり、同じ電流密度でも、合格品に比べて不合格品の方が、セル電圧が低くなる。そして、その差は、電流密度が大きければ大きいほど拡大する。但し、湿潤状態の場合は、乾燥状態の場合に比べ、出力の低下が緩和される。
【００３５】
このように、湿潤状態か乾燥状態かでカチオン汚染の影響が変化するのは、乾燥とカチオン汚染との両方が、プロトン伝導の抵抗を増大させるからである。つまり、湿潤状態の場合、カチオン汚染が発生していても、プロトン伝導性は大幅には悪化しないのに対し、乾燥状態の場合、カチオン汚染と電解質膜の乾燥との両方の影響を受けてプロトン伝導性が大幅に悪化する。
【００３６】
図４及び図５と共に説明した上記内容から導かれるのは、電流密度が高く且つ乾燥状態においてセル電圧を測定すると、カチオン汚染を検出しやすいということである。しかし、電流密度が高いと、生成水の量が多くなって湿潤状態になる。よって、単に電流密度を高くするだけでは、上記の測定条件は実現できない。そこで本実施形態では、ステップＳ１２０のように電流密度を急激に上昇させることによって、上記の測定条件を実現した。つまり、低い電流密度の場合は生成水の量が少ないので、その状態から急激に電流密度を上昇させることによって、高電流密度と乾燥状態とを同時に実現した。
【００３７】
検査処理において、電圧差ΔＶが閾値Ｖｔ１未満の場合（ステップＳ１５０、ＹＥＳ）、各セルＦＣについて、セル電圧Ｖ４が閾値Ｖｔ４以上であるかを判定する（ステップＳ１７０）。セル電圧Ｖ４が閾値Ｖｔ４未満のセルＦＣがある場合（ステップＳ１７０、ＮＯ）、そのセルＦＣはカチオン汚染以外の異常による不良品であると判定する（ステップＳ１８０）。閾値Ｖｔ４は、最大出力時に満たすべき電圧値として実験的に定められた閾値である。
【００３８】
このように、高電流密度を維持する定常運転を続けた後、セル電圧が回復しなければ、カチオン汚染以外による不良品であると判定できるのは、先述したように、カチオン汚染の影響は、電解質膜が湿潤状態の場合に潜在化するからである。
【００３９】
セル電圧Ｖ４が閾値Ｖｔ４以上のセルＦＣがある場合（ステップＳ１７０、ＹＥＳ）、過渡出力が安定するまで、図６と共に後述するように、電流密度を上下させる（ステップＳ１９０）。ステップＳ１９０は、正常と判定されたセルＦＣの出荷の準備のために実行される。ステップＳ１９０の後、正常と判定されたセルＦＣは、燃料電池の構成部品として組み立てられる。
【００４０】
一方、ステップＳ１６０，Ｓ１８０で異常と判定されたセルＦＣは、廃棄またはリサイクルに回される。
【００４１】
図６は、ステップＳ１９０における電流密度の変化の様子を示すグラフである。図６に示すように、所定値Ｊ１に維持、０．５Ａ／（ｃｍ2・ｓｅｃ）で上昇、最大値Ｊ２に維持、−０．５Ａ／（ｃｍ2・ｓｅｃ）で降下を繰り返す。過渡出力とは、電流密度が最大値Ｊ２になった直後のセル電圧のことである。
【００４２】
図７、図８は、比較例について説明するためのグラフである。図７，図８は、検査処理におけるステップＳ１２０を変更した場合におけるセル電圧の挙動を示す。
【００４３】
図７は、ステップＳ１２０において、電流密度を線形に上昇させ、上昇速度を０．０３Ａ／（ｃｍ2・ｓｅｃ）に設定した場合を示す。図８は、ステップＳ１２０において、電流密度を階段状に上昇させ、平均上昇速度を０．０３Ａ／（ｃｍ2・ｓｅｃ）に設定した場合を示す。つまり、何れの場合も、実施形態に比べて、緩やかに電流密度を上昇させる。
【００４４】
図７に示すように、時刻ｔ３’における正常の場合のセル電圧Ｖ３ａ’と、カチオン汚染の場合のセル電圧Ｖ３ｂ’との差は、実施形態の場合と比べて小さい。よって、正常の場合とカチオン汚染の場合とで、電圧差ΔＶの差も小さくなる。図８の場合も同様に、正常の場合のセル電圧Ｖ３ａ’’と、カチオン汚染の場合のセル電圧Ｖ３ｂ’’との差は、実施形態の場合と比べて小さい。よって、これらの手法では、カチオン汚染の検出が実施形態に比べて難しい。
【００４５】
以上に説明した実施形態によれば、カチオン汚染による過渡時の出力低下を精度良く検出できる。過渡時の出力が低いと、運転者がアクセルペダルを踏み込んでも、あまり加速しなくなるので、運転者に不具合として認識されやすい。よって、過渡時の出力低下を製造工程において精度良く検出できることは有用である。
【００４６】
なお、過渡時の出力低下の原因は、本実施形態で例示したカチオン汚染に限られない。つまり、他の原因によって過渡時の出力が低下しても、本実施形態の検査処理によれば、その出力低下を精度良く検出できる。
【００４７】
本発明は、本明細書の実施形態や実施例、変形例に限られるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲において種々の構成で実現できる。例えば、発明の概要の欄に記載した各形態中の技術的特徴に対応する実施形態、実施例、変形例中の技術的特徴は、先述の課題の一部又は全部を解決するために、あるいは、先述の効果の一部又は全部を達成するために、適宜、差し替えや、組み合わせを行うことができる。その技術的特徴が本明細書中に必須なものとして説明されていなければ、適宜、削除できる。例えば、以下のものが例示される。
【００４８】
電流密度を上昇させる速度は、０．５Ａ／（ｃｍ2・ｓｅｃ）でなくてもよく、つまり０．５Ａ（ｃｍ2・ｓｅｃ）以下（例えば０．４Ａ／（ｃｍ2・ｓｅｃ））でもよいし、０．５Ａ（ｃｍ2・ｓｅｃ）以上（例えば０．６Ａ／（ｃｍ2・ｓｅｃ））でもよい。電流密度を上昇させる速度は、低電流密度での運転状態から、高電流密度、且つ電解質膜が乾燥状態になる運転状態への変化をもたらす速度であればよい。
電流密度の上昇は、線形でなくても、非線形でも階段状でもよい。この場合は、上昇速度は、平均で計算してもよい。
【００４９】
電流密度の上昇による過渡的な状態を測定する時刻は、電流密度の上昇が完了する前でもよい。例えば、上昇完了の１秒前であっても、合格品とカチオン汚染による不合格品との差は、検出できると考えられる。
【００５０】
電流密度を上昇させた直後としての時刻ｔ３は、定常運転状態になる前の時刻であれば、いつでもよい。例えば、電流密度が最大になった時点から任意の時間（例えば２０秒）の経過後でもよい。
【００５１】
電流密度を上昇させてから所定時間経過後としての時刻ｔ４は、セル電圧が安定した後の時刻であれば、いつでもよい。例えば、電流密度が最大になった時点から任意の時間（例えば５〜２０分）の経過後でもよい。
【００５２】
電流密度の上昇直後のセル電圧Ｖ３が、固定値として予め定められた基準値未満の場合に、異常と判定してもよい。このように判定すれば、検査時間が短くなる。なお、ここでいう固定値とは、検査においてセル電圧が変動しても、その影響を受けないように固定されている値という意味である。もちろん、検査の調整としてデータ収集システムに値の変更を指示できるようになっていてもよいし、変更できない値でもよい。
上記の判定手法の場合、カチオン汚染と、それ以外の異常とを区別しなくてもよい。
【００５３】
電圧差ΔＶの代わりに、セル電圧Ｖ４（定常時のセル電圧）をセル電圧Ｖ３で除算した値を基準値と比較し、その値が基準値以上の場合に異常と判定してもよい。
電流密度の所定値Ｊ１，最大値Ｊ２は、任意の値でよい。
【００５４】
検査対象となる燃料電池は、自動車用でなくても、使用時において急激に電流密度が上昇する場合があるものでもよい。例えば、他の輸送用機器（電車、船舶など）に搭載されるものでもよい。
本願の検査は、出荷した後の検査として実行してもよい。例えば、定期検査として実行してもよい。
【符号の説明】
【００５５】
１０…中間プレート
２０…セルモニタ
２２…セルモニタケーブル
２４…パワーケーブル
３０…データ収集システム
４０…閉回路
１００…発電検査システム
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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