JP2006156038A - 燃料電池スタックのガス漏れ検出装置及び燃料電池スタックのガス漏れ検出方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 複数個の燃料電池単セルを積層したスタック状態でガス漏れ位置を特定することのできる燃料電池スタックのガス漏れ検出装置を提供する。
【解決手段】 膜電極接合体の両面に燃料ガス、酸化剤ガス及び冷媒を流通させる流路が形成されたセパレータを設けてなる燃料電池単セルを所定数積層して形成された燃料電池スタック１に、試験ガスを導入する高温ガス供給装置５２と、その試験ガスの温度及び導入量を調整するガス温度流量制御部５３と、試験ガスが供給された燃料電池スタック１の表面温度を、温度分布として捉えてモニター５４に可視化して表示する赤外線サーモグラフィ装置５５とを備える。
【選択図】 図５

Description

本発明は、燃料電池スタックのガス漏れ検出装置及び燃料電池スタックのガス漏れ検出方法に関し、詳細には、スタック状態でガス漏れ位置を特定することのできる燃料電池スタックのガス漏れ検出装置及び燃料電池スタックのガス漏れ検出方法に関する。

燃料電池は、その内部に燃料ガス、酸化剤ガス及び冷却水などの各種媒体が流れるため、これら媒体が外部に漏れる（リーク）ようなことがあってはならない。そのため、燃料電池を製造するに際しては、十分なガス漏れ検査がなさている。

例えば、ガス不透過処理をしたカーボンからなるセパレータを、ガス供給路を形成したダミープレートとガス排出路を形成したダミープレートで挟み込み、これらを所定の圧力で加圧させた状態でＮ２ガスを前記ダミープレートのガス供給路に供給し、セパレータの板厚方向から透過して他方のダミープレートに形成されたガス排出路を通って流れたＮ２ガスの流量を計測し、その流量の大小で良品及び不良品の判断をするようにした、セパレータのガス透過試験装置が提案されている（例えば、特許文献１など参照）。
特開平９−２８３１６８号公報（第３頁、第１図〜第３図）

しかしながら、前記装置では、セパレータを一枚一枚検査しなければならないため、ガス透過検査が面倒である。この一方、セパレータの複数枚を一度に試験装置にセットして検査を行った場合、どのセパレータがガス漏れを起こしており、どのセパレータが良品であるかの検出ができない。

そこで、本発明は、複数個の燃料電池単セルを積層したスタック状態でガス漏れ位置を特定することのできる燃料電池スタックのガス漏れ検出装置及び燃料電池スタックのガス漏れ検出方法を提供することを目的とする。

本発明に係る燃料電池スタックのガス漏れ検出装置は、膜電極接合体の両面に燃料ガス、酸化剤ガス及び冷媒を流通させる流路が形成されたセパレータを設けてなる燃料電池単セルを所定数積層して形成された燃料電池スタックに、試験ガスを導入するガス供給装置と、試験ガスが供給された燃料電池スタックの表面温度を、温度分布として捉えてモニターに可視化して表示する赤外線サーモグラフィ装置とを備える。

本発明によれば、セパレータを一枚一枚検査するのではなく燃料電池スタックの状態（完成状態）で試験ガスを該燃料電池スタックに導入し、その試験ガスが導入された燃料電池スタックの表面温度を、赤外線サーモグラフィ装置で温度分布として捉えてモニターに可視化して表示するため、雰囲気との温度差のある部分がガス漏れを起こしている箇所であると判断でき、そのガス漏れ箇所を目視によって特定することができる。

また、本発明によれば、所定枚数の構成部品（燃料電池単セル）を全てスタッキングして一括検査するので、一回の検査でガス漏れ検査を完了させることができると共に、ガス漏れ箇所も特定でき、さらにシール部分に抜圧及び加圧の繰り返し荷重を掛けることがなく燃料電池スタックに不要な負荷を与えない。

以下、本発明を適用した具体的な実施の形態について図面を参照しながら詳細に説明する。

「燃料電池スタックの構成」
先ず、燃料電池スタックの構造について簡単に説明する。図１は燃料電池スタックの全体構成を示す斜視図である。図１に示す燃料電池スタック１の構成は一例であり、この構成に本発明が制限されることはない。

燃料電池スタック１は、図１に示すように、起電力を生じる単位電池としての燃料電池単セル２を所定数だけ積層した積層体３とし、その積層体３の両端に集電板４、絶縁板５およびエンドプレート６を配置し、積層体３の内部に貫通した貫通孔（図示は省略する）にタイロッド７を貫通させ、そのタイロッド７の端部にナット（図示は省略する）を螺合させることで構成されている。

この燃料電池スタック１においては、燃料ガス、酸化剤ガスおよび冷却水をそれぞれ各燃料電池単セル２のセパレータに形成された流路溝に流通させるための燃料ガス導入口１５、燃料ガス排出口１６、酸化剤ガス導入口１７、酸化剤ガス排出口１８、冷却水導入口１９および冷却水排出口２０を、一方のエンドプレート６に形成している。

燃料ガスは、燃料ガス導入口１５より導入されてセパレータに形成された燃料ガス流路を流れ、燃料ガス排出口１６より排出される。酸化剤ガスは、酸化剤ガス導入口１７より導入されてセパレータに形成された酸化剤ガス流路を流れ、酸化剤ガス排出口１８より排出される。冷却水は、冷却水導入口１９より導入されてセパレータに形成された冷却水流路を流れ、冷却水排出口２０より排出される。

燃料電池単セル２（２Ａ、２Ｂ、２Ｃ・・・）は、図２に示すように、膜電極接合体２１（MEA:membrane electrode assembly）と、この膜電極接合体２１の両面にそれぞれ配置される第１のセパレータ２２（アノードセパレータ）と第２のセパレータ２３（カソードセパレータ）とから構成される。なお、図２の中央に位置する燃料電池単セル２Ａを挟んで上下に設けられる燃料電池単セル２Ｂ、２Ｃは、第１のセパレータ２２または第２のセパレータ２３の何れかのみを示しており、図示は省略するが膜電極接合体２１と他方の第１のセパレータ２２または第２のセパレータ２３を有しているものとする。

膜電極接合体２１は、水素イオンを通す例えば固体高分子電解質膜２４と、アノード触媒とガス拡散層からなるアノード電極２５と、カソード触媒とガス拡散層からなるカソード電極２６とからなる。かかる膜電極接合体２１は、アノード電極２５とカソード電極２６によって、固体高分子電解質膜２４をその両側から挟み込んだ積層構造とされている。固体高分子電解質膜２４の外周縁部は、アノード電極２５およびカソード電極２６から突出しており、第１のセパレータ２２および第２のセパレータ２３と積層する際のシール部分として機能する。

第１のセパレータ２２には、膜電極接合体２１と接する面に水素ガスなどの燃料ガスを流通させるための燃料ガス流路溝２７が形成されている。また、この第１のセパレータ２２には、燃料ガス流路溝２７から燃料ガスが漏れ出ないようにシールするための燃料ガスシール溝２８が形成されている。この燃料ガスシール溝２８は、アノード電極２５およびカソード電極２６から突出した固体高分子電解質膜２７と対向する位置に形成されている。

第２のセパレータ２３には、膜電極接合体２１と接する面に酸素などの酸化剤ガスを流通させるための酸化剤ガス流路溝２９が形成されている。また、この第２のセパレータ２３には、膜電極接合体２１との接合面とは反対側の面には、冷却水を流通させるための冷却水流路溝３０が形成されている。さらに、この第２のセパレータ２３には、酸化剤ガス流路溝２９から酸化剤ガスが、または冷却水流路溝３０から冷却水が漏れ出ないようにシールするための酸化剤ガスシール溝３１と冷却水シール溝３２がそれぞれの面に形成されている。

次に、本発明に係る燃料電池スタックの製造方法について簡単に説明する。先ず、図２に示すように、燃料電池単セル２Ａ、２Ｂ、２Ｃ・・・のうち、隣接して積層される各燃料電池単セル２Ａ、２Ｂ、２Ｃを構成する第１および第２のセパレータ２２、２３同士を接合一体化するために、セパレータ２２、２３の接合面に接着剤を塗布すると共にガスケットまたは接着剤などの第１シール部材（漏れ防止部材）３３を冷却水シール溝３２内に設ける。

具体的には、図２において中央の燃料電池単セル２Ａの第１のセパレータ２２と、その上に配置される燃料電池単セル２Ｂの第２のセパレータ２３とを接合するために、何れかのセパレータ２２、２３の接合面に接着剤を塗布し、さらに第２のセパレータ２３に形成された冷却水シール溝３２内に第１シール部材３３を設ける。同様に、図２において中央の燃料電池単セル２Ａの第２のセパレータ２３と、その下に配置される燃料電池単セル２Ｃの第１のセパレータ２２とを接合するために、何れかのセパレータ２２、２３の接合面に接着剤を塗布し、第２のセパレータ２３に形成された冷却水シール溝３２内に第１シール部材３３を設ける。

そして、これら第１のセパレータ２２と第２のセパレータ２３を加熱（加温）してこれらを接合させると共に、前記第１シール部材３３を前記冷却水シール溝３２内に融着させる。加熱が終了すると、図３に示すように、第１のセパレータ２２と第２のセパレータ２３は、接合一体化されてセパレータ接合体３４Ａ、３４Ｂを形成する。

次に、接合一体化してなるセパレータ接合体３４Ａ、３４Ｂと膜電極接合体２１とを交互に積層して接合する。すなわち、図３に示すように、膜電極接合体２１と接合するセパレータ接合体３４Ａ、３４Ｂの接合面に接着剤を塗布すると共に、膜電極接合体２１を挟んで下に配置されるセパレータ接合体３４Ａの酸化剤ガスシール溝３１と、膜電極接合体２１を挟んで上に配置されるセパレータ接合体３４Ｂの燃料ガスシール溝２８に、それぞれガスケットまたは接着剤などの第２シール部材３５を設ける。

そして、これらセパレータ接合体３４Ａ、３４Ｂと膜電極接合体２１とを積層した状態で加熱すると、図４に示すように、接合一体化された燃料電池単セル２Ａ、２Ｂ、２Ｃが形成されると共に、燃料ガスシール溝２８および酸化剤ガスシール溝３１にそれぞれ設けられた第２シール部材３５がそれぞれの接合面に対して融着する。したがって、この第２シール部材３５によって、膜電極接合体２１とセパレータ接合体３４Ａ、３４Ｂ間の接合面がシールされ、燃料ガス流路溝２７からの燃料ガスの流出および酸化剤ガス流路溝２９からの酸化剤ガスの流出がそれぞれ防止される。

「ガス漏れ検出装置の構成」
次に、本実施の形態の燃料電池スタックのガス漏れ検出装置について説明する。図５は、本実施の形態の燃料電池スタックのガス漏れ検出装置の概略図である。

ガス漏れ検出装置５１は、図５に示すように、燃料電池スタック１に試験ガスを導入するガス供給装置である高温ガス供給装置５２と、試験ガスの温度及び導入量を調整するガス温度流量制御部５３と、試験ガスが供給された燃料電池スタック１の表面温度を、温度分布として捉えてモニター５４に可視化して表示する赤外線サーモグラフィ装置５５と、燃料電池スタック１に恒温の風を吹き付けるブロー手段であるブロー装置５６とを備えている。

高温ガス供給装置５２は、試験ガスを燃料電池スタック１内に導入させるための装置である。この高温ガス供給装置５２は、複数本の配管５７を有しており、前記燃料電池スタック１に形成された各マニホルド（燃料ガス導入口１５、燃料ガス排出口１６、酸化剤ガス導入口１７、酸化剤ガス排出口１８、冷却水導入口１９および冷却水排出口２０）にそれぞれ接続される。

試験ガスには、分子の大きさが小さいヘリウムガスを使用する。試験ガスの温度としては、ガス漏れ試験を行う雰囲気温度よりも高温とする。かかる温度としては、後述する赤外線サーモグラフィ装置５５でモニター５４に映し出された燃料電池スタック１の表面温度分布から目視によって判断し得る程度の温度とする。

ガス温度流量制御部５３は、前記高温ガス供給装置５２に接続され、試験ガスの温度と流量を、試験するのに最適な温度及び流量に制御する。試験ガスの温度と流量を制御するのは、ガス漏れを検出する分解能を上げるためである。

赤外線サーモグラフィ装置５５は、燃料電池スタック１から出ている赤外線放射エネルギーを検出し、その赤外線放射エネルギーを見かけの温度に変換し、その変換した温度の分布（赤外線熱画像）をモニター５４に映し出す装置である。この赤外線サーモグラフィ装置５５は、面の温度分布として捉え、その温度分布を可視化情報として表示する。また、赤外線サーモグラフィ装置５５は、燃料電池スタック１から離れたところから非接触で温度測定ができると共に、リアルタイムで温度計測が行える。

モニター５４は、赤外線サーモグラフィ装置５５に接続されており、この赤外線サーモグラフィ装置５５で撮影された赤外線熱画像を映し出す。ガス漏れの位置を特定するには、モニター５４に映し出された温度分布からどの部位にガス漏れが生じているかを判断する。例えば、モニター５４には、温度の高い部位が赤色に表示され、温度の低い部位が緑色に表示される。したがって、ガス漏れが発生している箇所は、他の部位よりも温度が高く赤色で表示されることから、目視によってガス漏れ箇所を簡単に特定することができる。図５では、赤色と緑色を分けて表示することができないため、ガス漏れ部位にはガスが漏れ出た煙りを表示してある。

ブロー装置５６は、燃料電池スタック１に恒温の風を吹き付ける多翼ファンなどからなり、当該燃料電池スタック１に向けて設けられている。かかるブロー装置５６は、燃料電池スタック１から漏れ出た（リーク）した高温の試験ガスが雰囲気に滞留しないように当該燃料電池スタック１の検査領域から追いやる役目をする。

「ガス漏れ検出方法」
次に、前記したガス漏れ検出装置５１を利用した燃料電池スタックのガス漏れ検出方法について説明する。図６は、本実施の形態の燃料電池スタックのガス漏れ検出方法を示すフローチャートである。

先ず、図６に示すフローチャートのステップＳ１の処理において、所定枚数の燃料電池単セル２を積層（スタッキング）して燃料電池スタック１を完成させる。次に、ステップＳ２の処理で、ガス漏れテストを行い、ガス漏れが発生している部位があるか否かの判断を行う。

すなわち、完成した燃料電池スタック１の各マニホルド（燃料ガス導入口１５、燃料ガス排出口１６、酸化剤ガス導入口１７、酸化剤ガス排出口１８、冷却水導入口１９および冷却水排出口２０）に配管５７をそれぞれ接続する。次いで、高温ガス供給装置５２から各配管５７に、雰囲気温度に比較して高温の試験ガスを導入する。すると、各配管５７を通して高温の試験ガスが各マニホルドからそれぞれの燃料電池単セル２に流れ、最終的に燃料電池スタック１内全体に試験ガスが行き渡る。

そして、燃料電池スタック１の観察箇所には、ブロー装置５６によってリークガスが燃料電池スタック１の周囲に滞留しないように恒温の風をブローする。この状態で、赤外線サーモグラフィ装置５５で撮影された燃料電池スタック１の温度分布をモニター５４で観察する。モニター５４に映し出された燃料電池スタック１のうち、赤色に表示された部位は、他の部位（燃料電池スタックを含めた検査領域（雰囲気））よりも高温であるから外部に試験ガスが漏れ出ている部位であると判定できる。ガス漏れが認められた場合は、温度が雰囲気に比較して高温になっている面積を評価し、ＯＫまたはＮＧの判定を行う。

ステップＳ２の処理において、ガス漏れが無い場合は、本実施の形態のガス漏れ検査は終了する。一方、ガス漏れが有る場合は、ステップＳ３の処理でガス漏れが発生した部位（ガス漏れが発生した燃料電池単セル２）を特定する。そして、ステップＳ４の処理で、そのガス漏れが生じた部位の燃料電池単セル２を別の新たな燃料電池単セル２と取り替える修理作業を行う。

その後、修理した燃料電池スタック１に対してステップＳ５でガス漏れ検査を行い、ガス漏れが無い場合は、検査を終了し、ガス漏れが有る場合は、ステップＳ３の処理を繰り返す。

以上のように、本実施の形態によれば、燃料電池単セルの複数個を積層して形成した燃料電池スタックの状態で、赤外線サーモグラフィ装置５５を使用して高温の試験ガスを導入した燃料電池スタック１の表面温度を、温度分布として捉えてモニター５４に可視化して表示させているので、一括してガス漏れ検査を行うことができ、しかもガス漏れが発生している部位を目視により（視覚的に）特定することができる。したがって、検査工数を大幅に低減させることができると共に、燃料電池スタック１に設けたシール部材に抜圧及び加圧の繰り返し荷重がかからない。

なお、従来のガス漏れ検査では、図７のフローチャートに示すように、燃料電池スタック１を１０個づつスタッキングしてガス漏れ検査（リークテスト）を行い、ガス漏れが発生していた場合（ＮＧ）は、燃料電池スタック全体に掛ける荷重を大気圧に戻す抜圧処理を行った後、ガス漏れが発生している燃料電池単セル２を別のものに取り替える修理を行い、再度ガス漏れ検査を行う。これを所定セル数まで繰り返して行う。このように、１０枚づつスタッキングしてガス漏れ検査を行う方法を採用した場合は、相当数の検査工数がかかり、ガス漏れ検査が面倒になる。

また、本実施の形態によれば、燃料電池スタック１に導入する試験ガスを、試験を行う雰囲気温度よりも高温のガスを使用しているので、赤外線サーモグラフィ装置５５によりモニター５４に映し出された温度分布にはっきりした温度差を生じた部位を映し出すことができ、ガス漏れ箇所を特定し易くできる。

また、本実施の形態によれば、試験ガスにヘリウムガスを使用したので、ガス漏れ箇所を特定するのに最適であり、また、ガスの取り扱い性にも優れる。

また、本実施の形態によれば、試験ガスの温度及び導入量を調整するガス温度流量制御部５３を備えたので、ガス漏れの程度を高分解能で判定することができる。

また、本実施の形態によれば、燃料電池スタック１に恒温の風を吹き付けるブロー装置５６を備えているので、燃料電池スタック１から漏れ出た高温の試験ガスが雰囲気に滞留して検出分解能を低下させたり、誤検知を起こすことが無くなり、信頼性（分解能、再現性、定量性）を確保することができる。また、本実施の形態によれば、雰囲気の温度を均一にする効果もある。

以上、本発明を適用した具体的な実施の形態について説明したが、本発明は、上述の実施の形態に制限されることなく種々の変更が可能である。

上述の実施の形態では、全てのマニホルドから試験ガスを燃料電池スタック１内に導入させたが、少なくとも燃料ガス導入口１５、酸化剤ガス導入口１７及び冷却水導入口１９に配管５７を接続し、これらのマニホルドから試験ガスを導入し、燃料ガス排出口１６、酸化剤ガス排出口１８及び冷却水排出口２０は塞いでおくようにしてもよい。

燃料電池スタックの全体構成を示す斜視図である。 燃料電池単セルを分解した状態の要部拡大断面図である。 セパレータ同士を接合一体化させて膜電極接合体に接合する前の状態を示す要部拡大断面図である。 膜電極接合体にセパレータを接合一体化させた状態を示す要部拡大断面図である。 本実施の形態の燃料電池スタックのガス漏れ検出装置の概略図である。 本実施の形態の燃料電池スタックのガス漏れ検出方法を示すフローチャートである。 従来のガス漏れ検出方法を示すフローチャートである。

符号の説明

１…燃料電池スタック
２（２Ａ、２Ｂ、２Ｃ）…燃料電池単セル
２１…膜電極接合体
２２…第１のセパレータ
２３…第２のセパレータ
２４…固体高分子電解質膜
２５…アノード電極
２６…カソード電極
５１…ガス漏れ検出装置
５２…高温ガス供給装置（ガス供給装置）
５３…ガス温度流量制御部
５４…モニター
５５…赤外線サーモグラフィ装置
５６…ブロー装置（ブロー手段）

Claims (6)

1. 膜電極接合体の両面に燃料ガス、酸化剤ガス及び冷媒を流通させる流路が形成されたセパレータを設けてなる燃料電池単セルを所定数積層して形成された燃料電池スタックに、試験ガスを導入するガス供給装置と、
   前記試験ガスが供給された燃料電池スタックの表面温度を、温度分布として捉えてモニターに可視化して表示する赤外線サーモグラフィ装置とを備えた
   ことを特徴とする燃料電池スタックのガス漏れ検出装置。
2. 請求項１に記載の燃料電池スタックのガス漏れ検出装置であって、
   前記試験ガスは、試験を行う雰囲気温度よりも高温のガスを用いる
   ことを特徴とする燃料電池スタックのガス漏れ検出装置。
3. 請求項２に記載の燃料電池スタックのガス漏れ検出装置であって、
   前記試験ガスにヘリウムガスを使用した
   ことを特徴とする燃料電池スタックのガス漏れ検出装置。
4. 少なくとも請求項１から請求項３の何れか一つに記載の燃料電池スタックのガス漏れ検出装置であって、
   前記試験ガスの温度及び導入量を調整するガス温度流量制御部を備えた
   ことを特徴とする燃料電池スタックのガス漏れ検出装置。
5. 少なくとも請求項１から請求項４の何れか一つに記載の燃料電池スタックのガス漏れ検出装置であって、
   前記燃料電池スタックに恒温の風を吹き付けるブロー手段を備えた
   ことを特徴とする燃料電池スタックのガス漏れ検出装置。
6. 燃料電池スタックのガス漏れを検出するガス漏れ検出方法において、
   試験を行う雰囲気温度よりも高温の試験ガスを燃料電池スタックに導入し、その試験ガスが導入された燃料電池スタックの表面温度を、赤外線サーモグラフィ装置で温度分布として捉え、モニターに可視化して表示し、そのモニターに映し出された温度分布状態からガス漏れ位置を特定する
   ことを特徴とする燃料電池スタックのガス漏れ検出方法。

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