燃料電池的檢査方法及制造方法
【專利說明】燃料電池的檢査方法及制造方法
[0001]本申請主張基于在2014年10月27日提出申請的申請編號2014-218182號的日本專利申請的優先權，并將其公開的全部通過參照而援引于本申請。
技術領域
[0002]本發明涉及燃料電池。
【背景技術】
[0003]作為包含離聚物的燃料電池的檢查方法，已知有如下的手法。首先，在定期檢修時測定燃料電池的最大輸出。在測定的值為規定值的60%以下的情況下，對燃料電池實施熱處理(加熱處理)。在熱處理后，若最大輸出變得大于規定值的60%，則判斷為繼續使用沒有問題。這樣判斷是因為推定出在熱處理前最大輸出值為規定值的60%以下的理由是離聚物的膨潤。能夠這樣推定是因為離聚物的膨潤通過熱處理會恢復(JP2013-122815)。
【發明內容】
[0004]在上述在先技術的情況下，并未考慮過渡性的運轉條件下的輸出的檢查。本發明立足于上述在先技術，以實現過渡性的運轉條件下的輸出的檢查為解決課題。
[0005]本發明用于解決上述課題，能夠作為以下的方式實現。
[0006]根據本發明的一方式，提供一種檢查燃料電池的方法。該方法包括:上升工序，使電流密度以規定速度以上的速度上升；及判定工序，將電流密度達到規定電流密度以上時的電壓值即第一電壓值與作為判定基準的第二電壓值進行比較，從而判定所述燃料電池是正常還是異常。根據該方式，能夠檢查過渡性的運轉條件。這是因為，基于第一電壓值的判定反映了過渡性的運轉條件。反映過渡性的運轉條件是因為，第一電壓值是使電流密度以規定速度以上的速度上升且到達了規定電流密度以上時的電壓值。
[0007]在上述方式中，可以的是，所述第二電壓值是從所述上升工序完成起經過規定時間后的單電池電壓，在所述判定工序中，在所述第二電壓值與所述第一電壓值之差即電壓差為基準值以上的情況下，判定為異常。根據該方式，即使不考慮由燃料電池的個體差引起的變動也能夠判定。
[0008]在上述方式中，可以的是，在所述判定工序中，在所述電壓差為所述基準值以上的情況下判定為第一異常，在所述第二電壓值小于規定值的情況下判定為與所述第一異常不同的第二異常。根據該方式，能夠區別第一異常與第二異常。
[0009]在上述方式中，可以的是，所述第二電壓值是預先確定的固定值，在所述判定工序中，在所述第一電壓值小于所述第二電壓值的情況下，判定為異常。根據該方式，檢查時間縮短。
[0010]在上述方式中，可以的是，所述規定速度為0.5A/(cm2.sec)。
[0011]在上述方式中，可以的是，所述上升完成時的電流密度是該燃料電池的使用范圍內的最大輸出時的電流密度。根據該方式，能夠檢查成為最大輸出的情況。
[0012]在上述方式中，可以的是，所述上升開始前的電流密度為0.2A/cm2以下。根據該方式，能夠檢查從0.2A/cm2以下起電流密度上升的情況。
[0013]本發明能夠以上述以外的各種方式實現。例如，在所述判定工序中，在所述電壓差小于所述基準值的情況下所述第二電壓值為閾值以上時判定為正常。或者，能夠以包含上述的檢查方法的燃料電池的制造方法、用于實現上述的檢查方法的計算機程序、存儲有該計算機程序的非暫時性的存儲介質等方式實現。
【附圖說明】
[0014]圖1是發電檢查系統的概略結構圖。
[0015]圖2是檢查處理的工序圖。
[0016]圖3是表示通過檢查處理而單電池電壓和電流密度變化的情況的坐標圖。
[0017]圖4是表示輸出與每單位面積的陽離子污染量之間的關系的坐標圖。
[0018]圖5是表示燃料電池的電壓-電流特性的坐標圖。
[0019]圖6是表示使電流密度上升下降的情況的坐標圖。
[0020]圖7是表示單電池電壓和電流密度變化的情況的坐標圖(比較例)。
[0021 ]圖8是表示單電池電壓和電流密度變化的情況的坐標圖(比較例)。
[0022]圖9是表示燃料電池的制造方法的工序圖。
【具體實施方式】
[0023]圖1示出了發電檢查系統100的概略結構。發電檢查系統100是檢查機動車用的燃料電池組的系統。發電檢查系統100具備中間板10、單電池監測器20、數據收集系統30。燃料電池組具有將多個單電池FC層疊的堆疊結構。單電池FC具有發電體和夾住該發電體的隔板。發電體包括MEA (膜電極接合體)。MEA通過陰極電極、電解質膜、陽極電極接合而構成。
[0024]中間板10配置在單電池FC彼此之間。由多個單電池FC和多個中間板10構成的層疊體被沿圖1的空心箭頭所示的方向施加載荷而緊固。
[0025]單電池監測器20是測定各單電池FC的單電池電壓的裝置。單電池監測器20經由單電池監測器線纜22而與多個中間板10分別連接。
[0026]數據收集系統30經由動力線纜(power cable) 24而與單電池監測器20連接。數據收集系統30取得通過單電池監測器20測定到的各單電池FC的單電池電壓。數據收集系統30與上述的層疊體形成閉回路40。數據收集系統30通過內置的回路，控制在閉回路40中流動的電流值。
[0027]發電檢查系統100具備用于向多個單電池FC供給氫的燃料氣體供給系統(未圖示)、用于向多個單電池FC供給空氣的氧化劑氣體供給系統(未圖示)、及用于使冷卻水向多個中間板10流動的冷卻水供給系統(未圖示)。供給的空氣的相對濕度被控制成規定值。規定值是用于再現不對空氣進行加濕地向陰極供給的運轉(無加濕運轉)的值。
[0028]圖9是表示燃料電池的制造方法的工序圖。首先，制造多個單電池FC(步驟S103)。接下來，實施檢查處理(S107)。接下來，使用在檢查處理中檢查合格的單電池FC來制造燃料電池組(S200)。然后，使用制造出的燃料電池組來制造燃料電池(S300)。圖2是檢查處理的工序圖。檢查處理為了檢查各單電池FC，由數據收集系統30執行。在檢查處理時，供給必要量的氫、空氣、冷卻水。
[0029]圖3是表示通過檢查處理而單電池FC的單電池電壓和電流密度變化的情況的坐標圖。以下，參照圖3，說明檢查處理。
[0030]首先，將各單電池FC的電流密度控制成規定值Jl (步驟S110)。規定值Jl是用于實現生成水少的運轉的電流密度，在本實施方式中為0.05A/cm2以上且0.2A/cm2以下的任意的值。電流密度的控制通過控制在閉回路40中流動的電流值來實現。電流密度的算出通過將在閉回路40中流動的電流值除以各單電池FC的發電區域的面積值來實現。該面積值預先向數據收集系統30輸入。
[0031]接下來，使電流密度上升至最大值J2(步驟S120)。最大值J2是燃料電池的最大輸出時的電流密度，在本實施方式中為2.0A/cm2以上且3.0A/cm2以下。上升速度設定為
0.5A/(cm2.sec)。圖3示出了從tl時刻起電流密度的上升開始且在t2時刻處電流密度的上升結束的情況。當電流密度上升時，根據單電池FC的電壓-電流特性，如圖3所示，單電池電壓下降。
[0032]接下來，在電流密度達到最大值J2起經過規定時間之后(t3時刻)，取得各單電池FC的單電池電壓V3 (步驟S130)。規定時間是O秒至10秒的任意的時間，在本實施方式中米用5秒。
[0033]圖3示出了在正常的情況下取得電壓V3a、在陽離子污染的情況下取得電壓V3b、在其他的異常的情況下取得V3c的情況。
[0034]陽離子污染是指電解質膜包含的磺酸基因陽離子而受毒的現象。陽離子是例如鐵、鋁、鎳、鈰、鈷等的陽離子。這些陽離子混入電解質膜的原因多種多樣。例如，在制造工序中作為異物而混入，或者在發電時從其他的構件溶出而混入。鐵、鋁、鎳有時在制造工序中混入或從輔機部件、隔板溶出而混入。鈰、鈷有時從防氧化劑(自由基淬滅劑)溶出而混入。磺酸基因陽離子而受毒后，質子傳導的阻力增大，尤其是干燥時輸出下降。
[0035]在步驟S130之后，將電流密度維持為最大值J2而經過了規定時間之后(t4時刻)，取得各單電池FC的單電池電壓V4(步驟S140)。作為規定時間，在本實施方式中采用10分鐘。圖3示出了在正常的情況及陽離子污染的情況下取得電壓V4a、在其他的異常的情況下取得V4c的情況。
[0036]接下來，針對各單電池FC，判定單電池電壓V4與單電池電壓V3之差(以下稱為“電壓差AV”)是否小于閾值Vtl (步驟S150)。在存在電壓差AV為閾值Vtl以上的單電池FC的情況下(步驟S150為“否”)，判定為該單電池FC是發生了陽離子污染的不合格品(步驟 S160)。
[0037]在前述的陽離子污染的情況下，電壓差AV是(電壓V4a_電壓V3b)，為閾值Vtl以上。相對于此，在正常的情況下，電壓差AV為(電壓V4a_電壓V3a)，在其他的異常的情況下，電壓差AV為(電壓V4c_電壓V3c)，都小于閾值Vt I。
[0038]圖4是表示燃料電池的輸出(W)與MEA的每單位面積的陽離子污染量(μ g/cm2)之間的關系的坐標圖。圖5是表示燃料電池的電壓-電流特性的坐標圖。以下，使用這兩個坐標圖，說明陽離子污染的影響。
[0039]圖4所示的坐標圖示出了穩態時的情況的特性和過渡時的情況的特性。穩態時是將電流密度控制為恒定的期間。過渡時是如作為檢查處理的步驟S120說明的那樣電流密度剛上升之后。這些特性是電流密度高的情況(1.2A/cm2以上的規定值)下的特性
[0040]如圖4所示，在穩態時的情況下，即使陽離子污染量增大，輸出也幾乎不下降。相對于此，在過渡時的情況下，當陽離子污染量增大時，輸出大幅下降。
[0041]另一方面，圖5所示的坐標圖示出了陽離子污染量小于基準值的合格品的情況的特性和陽離子污染量為基準值以上的不合格品的情況的特性。在不合格品的情況下，示出了濕潤狀態及干燥狀態時。濕潤狀態是構成MEA的電解質膜包含的水分量達到良好的質子傳導用的量的狀態。反之，干燥狀態是該水分量少于良好的質子傳導用的量的狀態。
[0042]如圖5所示，在電流密度低的情況下，無論是哪種情況幾乎都沒有差別。另一方面，當電流密