JP2008282622A - 燃料電池の検査装置 - Google Patents

Abstract

【課題】燃料電池を分解することなく、流路内に異物が存在しているか否かを判定することのできる技術を提供する。
【解決手段】複数のセルが積層されたセル積層体と、セル積層体を積層方向に貫通し反応ガスまたは熱媒体を流通させるマニホールドと、マニホールドと各セル内に設けられた流路とを連通させマニホールドよりも小径である複数の連通流路と、を備える燃料電池の検査装置１００は、マニホールド内に挿入するための挿入機構（検査ロッド１１０）に設けられ、連通流路内に異物が存在しているか否かを判定するための異物判定部１２１（挿入棒１２１）と、判定を行う連通流路の位置を確認する位置確認部（ファイバースコープ１３０とモニタ１５０）と、を備える。
【選択図】図６

Description

本発明は、燃料電池の検査に関するものである。

近年、水素と酸素とを燃料として発電することができる燃料電池が注目を集めている。燃料電池は、一般に、電解質膜の両面に白金等の触媒層が形成された膜―電極接合体（以下、「ＭＥＡ」とも呼ぶ。ＭＥＡ：Membrane Electrode Assembly）と、その両側に配置された導電性多孔質体と、さらにその外側に設けられたセパレータと、を備えたセルを積層することによって構成されている。積層されたセルには、燃料ガス、酸化ガス、冷却水等の流路であるマニホールドが、積層方向に貫通するように設けられている。

発電を長期間行うと、セル内部からの排出物により、マニホールドとセル内流路との間に設けられた連通流路が閉塞することがある。ガス流路の連通流路が閉塞すると、セル内のガス分圧が悪化し、電圧安定性・発電性能が低下するという問題があった。また、冷却水流路の場合は、導電率の変化により導電物が析出して、短絡に至るという問題があった。

従来、燃料電池を分解せずに、冷却水や加湿水の流路の詰まりを除去する技術としては、冷却水等の流量・圧力を上げて、詰まっている物を押し流すという方法があった（例えば、特許文献１参照。）。

特開２００６−１４７２４０号公報 実公平０３−３１０１０号公報 特開２００２−３４３３７２号公報

しかし、この技術では、ガス流路には適用することができないといった問題や、冷却水流路等に適用させても、確実性が低く、周辺機器や閉塞のないセルに不必要に高圧をかけてしまうといった問題があった。

本発明は、上述した従来の課題を解決するためになされたものであり、燃料電池を分解することなく、流路内に異物が存在しているか否かを判定することのできる技術を提供する。

上記目的を達成するために、本発明の一形態による検査装置は、
複数のセルが積層されたセル積層体と、前記セル積層体を積層方向に貫通し反応ガスまたは熱媒体を流通させるマニホールドと、前記マニホールドと前記各セル内に設けられた流路とを連通させ前記マニホールドよりも小径である複数の連通流路と、を備える燃料電池の検査装置であって、前記マニホールド内に挿入するための挿入機構に設けられ、前記連通流路内に異物が存在しているか否かを判定するための異物判定部と、前記判定を行う連通流路の位置を確認する位置確認部と、を備えることを特徴とする。

以上のように構成された検査装置によれば、位置確認部が連通流路の位置を確認し、異物判定部が連通流路内に異物が存在しているか否かを判定するので、燃料電池を分解することなく、流路内に異物が存在しているか否かを判定することができる。

前記位置確認部は、前記挿入機構に設けられ、前記マニホールド内を撮像する撮像部と、前記撮像部からの信号を撮影像として表示する表示部と、を含むこととしてもよい。

このような構成とすれば、マニホールド内からの撮影像により連通流路を確認することができるので、容易に連通流路の位置を確認することができる。

前記異物判定部は、前記連通流路に挿入される挿入棒を含む、こととしてもよい。

このような構成とすれば、連通流路に挿入棒を挿入することによって、燃料電池を分解することなく、流路内に異物が存在しているか否かを判定することが可能となる。

前記挿入棒は、複数の連通流路を判定することができるように複数配置されている、こととしてもよい。

このような構成とすれば、挿入棒が複数配置されているため、複数の連通流路を同時に判定することが可能となる。

前記異物判定部は、前記連通流路内に存在する異物を除去する除去機能を備える、こととしてもよい。

このような構成とすれば、燃料電池を分解することなく、流路内に異物が存在しているか否かを判定し、その異物を除去することが可能となる。

なお、本発明は、種々の態様で実現することが可能である。例えば、燃料電池、燃料電池システム、それらを搭載した自動車、またはそれらの検査方法等の形態で実現することができる。

Ａ．燃料電池の構成：
図１は、本発明の一実施例としての燃料電池スタック１０の断面を示す説明図である。本実施例の燃料電池スタック１０は、固体高分子型燃料電池であり、燃料ガスと酸化ガスの供給を受け、電気化学反応によって発電する。具体的には、燃料ガスとして水素が供給され、酸化ガスとして酸素を含有する圧縮空気が供給される。燃料電池スタック１０は、積層体２０と、エンドプレート２１、２２と、締結部材２３，２４とを備える。積層体２０は、セルアセンブリ７０と、セパレータＳＰと、を交互に複数積層することによって構成される。締結部材２３，２４は、エンドプレート２１と、エンドプレート２２とに締結されており、積層体２０に対して積層方向に荷重を掛けた状態で構成されている。積層体２０と、エンドプレート２２には、水素、圧縮空気、冷媒などの供給および排出を行うための貫通孔であるマニホールドが設けられている。図１では、空気供給用マニホールドＭ３と、空気排出用マニホールドＭ４が図示されている。

図２は、燃料電池の詳細な構成を示す説明図である。セルアセンブリ７０は、発電体７１と、シール部７２と、によって構成されており、１つの電池として機能する。発電体７１は、ＭＥＡ７３（膜―電極接合体、Membrane Electrode Assembly）と、ＭＥＡ７３を挟持するガス拡散層７６，７７と、ガス拡散層７６，７７をさらに挟持するガス流路形成部７８，７９と、によって構成されている。ＭＥＡ７３は、電解質膜７４と、電解質膜７４の両面に形成された電極層触媒７５（アノード電極層７５ａおよびカソード電極層７５ｃ）と、を備える。セパレータＳＰは、アノード側プレートＳＰａと、カソード側プレートＳＰｃと、それら２枚のプレートに挟持された中間プレートＳＰｉと、を備える三層構造のセパレータである。

図３は、カソード側プレートＳＰｃの構成を示す平面図である。カソード側プレートＳＰｃは、貫通孔であるマニホールドＭ１ないしＭ６と、空気供給口Ｐ３と、空気排出口Ｐ４と、を有している。空気供給口Ｐ３および空気排出口Ｐ４は、カソード側のガス流路形成部７８と接している（図２）。

図４は、中間プレートＳＰｉの構成を示す平面図である。中間プレートＳＰｉは、貫通孔であるマニホールドＭ１ないしＭ６と、各マニホールドに連通している連通流路Ｃ１ないしＣ４と、冷却流路ＣＰと、を有している。連通流路Ｃ１ないしＣ４は、カソード側プレートＳＰｃと、中間プレートＳＰｉと、アノード側プレートＳＰａと、を積層させた場合に、それぞれ供給口又は排出口Ｐ１ないしＰ４に連通する構成となっている（図２）。なお、水素供給口Ｐ１および水素排出口Ｐ２については、後述する。

図５は、アノード側プレートＳＰａの構成を示す平面図である。アノード側プレートＳＰａは、貫通孔であるマニホールドＭ１ないしＭ６と、水素供給口Ｐ１と、水素排出口Ｐ２と、を有している。水素供給口Ｐ１および水素排出口Ｐ２は、アノード側のガス流路形成部７９と接している（図示せず）。

図２に示すように、酸化ガスとして用いられる圧縮空気は、空気供給用マニホールドＭ３と、連通流路Ｃ３と、空気供給口Ｐ３と、ガス流路形成部７８と、ガス拡散層７６とを通過してＭＥＡ７３まで運ばれ、電気化学反応に供される。電気化学反応に供されなかった空気は、各カソード側セパレータＳＰｃに設けられた空気排出口Ｐ４から排出され、連通流路Ｃ４を通過し、空気排出用マニホールドＭ４から燃料電池の外へと流通する。

一方、燃料ガスとして用いられる水素は、図４に示す水素供給用マニホールドＭ１と、連通流路Ｃ１と、図５に示す水素供給口Ｐ１と、図２に示すガス流路形成部７９と、ガス拡散層７７とを通過してＭＥＡ７３まで運ばれ、電気化学反応に供される。電気化学反応に供されなかった水素は、図５に示す各アノード側セパレータＳＰａに設けられた水素排出口Ｐ２から排出され、図４に示す連通流路Ｃ２を通過し、水素排出用マニホールドＭ２から燃料電池の外へと流通する。

また、燃料電池の冷却に用いられる冷却水は、図３に示す冷却水供給用マニホールドＭ５と、図４に示す冷却流路ＣＰを通過することによって燃料電池を冷却する。冷却に用いられ温度が上昇した冷却水は、図３に示す冷却水排出用マニホールドＭ６を通過し、燃料電池の外へと流通する。燃料電池の外へと流通した冷却水は冷却装置等（図示せず）によって冷却された後、再び冷却水供給用マニホールドＭ５から流通し、燃料電池の冷却に供される。

図４に示すように、連通流路Ｃ１ないしＣ４および冷却流路ＣＰは、マニホールドＭ１ないしＭ６に比べて流路幅が狭い。したがって、連通流路Ｃ１ないしＣ４および冷却流路ＣＰは、流路内に異物が混入すると、閉塞しやすい傾向にある。流路内に混入する異物としては、例えば燃料電池の劣化によってセルの内部から排出される排出物等がある。また、導電率の変化により導電物が析出し、流路内に析出物が堆積することもある（以下、排出物等や析出物を「異物等」とも呼ぶ。）。以下では、一例としての、連通流路Ｃ４内の異物等の有無の判定と、異物等の除去をすることのできる検査装置について説明する。なお、図１ないし図５に示す燃料電池の構造は単なる一例であり、本発明は他の構造の燃料電池にも適用可能である。

Ｂ．第１実施例：
図６は、第１実施例における検査装置１００の構成を示す説明図である。図６（Ａ）ないし（Ｃ）は、検査装置１００をそれぞれＺ方向（鉛直方向）、Ｘ方向、Ｙ方向から見た平面図である。検査装置１００は、検査ロッド１１０と、挿入棒支持板１２０と、ファイバースコープ１３０と、挿入棒支持板１２０の下側に設けられた脚部１４０と、挿入支持板１２０の上側に設けられた伸縮部１４５と、モニタ１５０と、を備えている。挿入棒支持板１２０の上面には、複数の挿入棒１２１が設けられている。なお、図６（Ｂ）以下では、モニタ１５０は省略している。

検査ロッド１１０は、空気排出用マニホールドＭ４の中に挿入しやすいように、細長い形状を有している。また、検査ロッド１１０の先端部分は、挿入棒支持板１２０と、ファイバースコープ１３０とを備えるため、それらを支持できる程度の剛性を有することが好ましい。

挿入棒１２１は、所定の径を有する棒であり、連通流路Ｃ４内の異物等が許容範囲を超えているか否かを判定するためのものである。具体的には、挿入棒１２１を連通流路Ｃ４内の所定の位置まで挿入することができるか否かにより判定する。連通流路Ｃ４内に挿入棒１２１を所定の位置まで挿入することができれば、その連通流路Ｃ４内の異物等は許容範囲であると判定する。逆に、連通流路Ｃ４内に挿入棒１２１を所定の位置まで挿入することができなければ、その連通流路Ｃ４内の異物等は許容範囲を超えていると判定する。挿入棒１２１を連通流路Ｃ４内の所定の位置まで挿入することができたか否かは、例えばファイバースコープ１３０で確認することができる。

なお、挿入棒１２１は、挿入棒支持板１２０上に櫛歯状に構成されていることが好ましい（図６（Ｃ））。連通流路Ｃ４は、櫛歯状に構成されているため（図４）、このような構成とすれば、複数の連通流路Ｃ４を同時に判定することが可能となる。

また、挿入棒１２１は、異物等を除去することのできる機能を有していることが好ましい。本実施例では、挿入棒１２１の表面はヤスリ状になっている。したがって、連通流路Ｃ４内に異物等が存在している場合には、後述する脚部１４０と伸縮部１４５とを交互に伸縮させることによって、連通流路Ｃ４内に挿入棒１２１を出し入れし、そのヤスリ状の部分によって異物等を除去することが可能である。なお、挿入棒１２１としては、金属製や樹脂製のものを採用することができる。

モニタ１５０は、ファイバースコープ１３０と接続されており、ファイバースコープ１３０が捕らえた空気排出用マニホールドＭ４の中の映像を映し出すことができる。また、ファイバースコープ１３０が捕らえた映像は、ファイバースコープ１３０の接眼レンズ（図示せず）によって確認することもできる。後者の場合にはモニタ１５０は省略可能である。

図６（Ｄ）は、検査装置１００に設けられた脚部１４０を伸長させた図である。脚部１４０は、伸縮機構を備え、後述するように、伸長することによって、挿入棒１２１が連通流路Ｃ４内に挿入されるのを補助する働きを有する。なお、検査ロッド１１０によって挿入棒支持板１２０を支持し、挿入棒１２１を連通流路Ｃ４内に挿入することが可能である場合には、脚部１４０は省略可能である。

伸縮部１４５は、脚部１４０と同様に伸縮機構を備え、伸長することによって、挿入棒１２１が連通流路Ｃ４から引き抜かれるのを補助する働きを有する。なお、検査ロッド１１０を操作することによって、挿入棒１２１を連通流路Ｃ４から引き抜くことができる場合には、伸縮部１４５は省略可能である。

図７は、第１実施例における検査の手順を示すフローチャートである。図８は、その検査の様子をＸ方向から示した断面図である。なお実際の燃料電池スタック１０は、スタックケース（図示せず）に収納されているが、説明のため、スタックケースは省略している。以下で述べる検査方法は、燃料電池スタック１０がスタックケースに収納されている状態でも実施可能である。

ステップＳ１０では、空気排出用マニホールドＭ４から検査装置１００を挿入する。空気排出用マニホールドＭ４内は狭いため、検査装置１００を挿入する場合には、脚部１４０および伸縮部１４５は、縮めておくことが好ましい。ステップＳ２０では、空気排出用マニホールドＭ４の中の映像をモニタ１５０で確認しながら、挿入棒１２１の位置や、連通流路Ｃ４の位置を確認する。本実施例では、連通流路Ｃ４がエンドプレート２１から数えて何番目のセパレータＳＰに属するのかを確認する方法として、ファイバースコープ１３０の視野に目盛りを付けておき、この目盛りを補助として用いて、視野に映った連通流路Ｃ４を数える方法を採用している。

ステップＳ３０では、脚部１４０を伸長することによって、挿入棒１２１を連通流路Ｃ４に挿入する（図８）。連通流路Ｃ４内に許容範囲を超えた異物等があると、その異物等の分だけ流路幅が狭くなり、挿入棒１２１を所定の位置まで挿入することができない。この場合、その連通流路Ｃ４には許容範囲を超えた異物等があり、所定の流路幅を有していないと判定する。逆に挿入棒１２１を所定の位置まで挿入することができた場合は、その連通流路Ｃ４内の異物等は許容範囲内であると判定する。連通流路Ｃ４内の異物等が許容範囲内であると判定された場合は、伸縮部１４５を伸長することによって挿入棒１２１を連通流路Ｃ４から引き抜く。

ステップＳ３０で許容範囲を超えた異物等があると判定された場合には、ステップＳ４０において、脚部１４０と伸縮部１４５とを交互に伸縮させることによって挿入棒１２１を連通流路Ｃ４に出し入れし、挿入棒１２１のヤスリ状の部分によって、その流路内の異物等を削る等して除去する。

図９は、ステップＳ３０における検査の様子をＹ方向から示した図である。挿入棒１２１は、連通流路Ｃ４と同様の櫛歯状に設けられているため、同時に複数の連通流路Ｃ４に検査棒１２１を挿入することが可能となっている。

このように、第１実施例では、検査装置１００を空気排出用マニホールドＭ４から挿入し、挿入棒１２１を連通流路Ｃ４内に挿入するので、連通流路Ｃ４内に許容範囲を超える異物等が存在しているか否かを判定し、その異物等を除去すること（以下、「検査等」ともいう。）が可能である。

Ｃ．第２実施例：
図１０は、第２実施例における検査装置２００の構成を示す説明図である。図６に示した第１実施例との違いは、挿入棒１２１が２列に設けられているという点だけであり、他の構成は第１実施例と同じである。

図１１は、第２実施例における検査の様子をＸ方向から示した断面図である。このように、第２実施例では、挿入棒１２１が２列に設けられているため、異なるセパレータＳＰに属する連通流路Ｃ４の検査等を同時にすることが可能である。

Ｄ．変形例：
なお、この発明は上記の実施例や実施形態に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の態様において実施することが可能であり、例えば次のような変形も可能である。

Ｄ１．変形例１：
上記実施例では、挿入棒１２１の挿入深さをファイバースコープ１３０で確認することによって、連通流路Ｃ４内の異物等が許容範囲であるか否かを判定しているが、この代わりに、脚部１４０を伸縮させるためのモーターにトルク計測器を設けることとしてもよい。連通流路Ｃ４内に許容範囲を超える異物等が存在すると、挿入棒１２１を連通流路Ｃ４内へ挿入する際に大きな挿入力が必要となる。あるいは、一定の挿入力を与えても挿入棒１２１を連通流路Ｃ４内へ挿入することができなくなる。したがって、挿入棒１２１を連通流路Ｃ４内へ挿入させる場合における脚部１４０のモーターのトルク値を計測することによって、連通流路Ｃ４内の異物等が許容範囲であるか否かを判定することが可能となる。

Ｄ２．変形例２：
上記実施例では、複数の挿入棒１２１を用いているが、１つの挿入棒１２１のみによって検査装置１００を構成することも可能である。また、第２実施例では、挿入棒１２１を２列に配置しているが、この代わりに挿入棒１２１を３列以上に配置することも可能である。

Ｄ３．変形例３：
上記実施例では、異物判定部として挿入棒１２１を用いているが、この代わりに、連通流路Ｃ４内に異物が存在しているか否かを判定することのできるその他の種々の構成を採用することが可能である。例えば、連通流路Ｃ４内に超音波を発し、その反射波によって、連通流路内に異物が存在しているか否かを判定する装置によっても実現することができる。

Ｄ４．変形例４：
上記実施例では、位置確認部としてファイバースコープ１３０とモニタ１５０を用いているが、この代わりに、判定を行う連通流路Ｃ４の位置を確認することのできるその他の種々の構成を採用することが可能である。例えば、ファイバースコープ１３０の代わりに、ファイバースコープ１３０以外の小型カメラ等を用いることも可能である。また、検査ロッド１１０に予め目印等をつけておけば、検査ロッド１１０の挿入長さから、どの連通流路Ｃ４に挿入棒１２１を挿入しているのかを確認することも可能である。さらに、検査ロッド１１０の挿入長さを測定することにより、挿入棒１２１を挿入した連通流路Ｃ４を特定することのできる装置を別途設けることも可能である。

Ｄ５．変形例５：
上記実施例では、異物除去機能として、挿入棒１２１の表面をヤスリ状にしていたが、この代わりに、連通流路内に存在する異物を除去することのできるその他の種々の構成を採用することが可能である。例えば、挿入棒１２１から水や空気を噴射させて、連通流路Ｃ４内の異物を除去することも可能である。なお、異物除去機能を設けずに、燃料電池スタック１０を分解し、許容範囲を超える異物があると判定された連通流路Ｃ４を含むセパレータＳＰやセルアセンブリ７０のみを取り替えることも可能である。

Ｄ６．変形例６．
上記実施例では、検査装置１００を連通流路Ｃ４へ適用させていたが、検査装置１００は、連通流路Ｃ４以外の連通流路等、例えば連通流路Ｃ１ないしＣ３や、冷却流路ＣＰに対しても適用可能である。

本発明の一実施例としての燃料電池スタックの断面を示す説明図である。 燃料電池の詳細な構成を示す説明図である。 カソード側プレートの構成を示す平面図である。 中間プレートの構成を示す平面図である。 アノード側プレートの構成を示す平面図である。 第１実施例における検査装置の構成を示す説明図である。 第１実施例における検査の手順を示すフローチャートである。 第１実施例における検査の様子をＸ方向から示した断面図である。 第１実施例における検査の様子をＹ方向から示した図である。 第２実施例における検査装置の構成を示す説明図である。 第２実施例における検査の様子をＸ方向から示した断面図である。

符号の説明

１０…燃料電池スタック
２０…積層体
２１…エンドプレート
２２…エンドプレート
２３…締結部材
２４…締結部材
７０…セルアセンブリ
７１…発電体
７２…シール部
７４…電解質膜
７５…電極層触媒
７５ａ…アノード電極層
７５ｃ…カソード電極層
７６…ガス拡散層
７７…ガス拡散層
７８…ガス流路形成部
７９…ガス流路形成部
ＳＰ…セパレータ
ＳＰａ…アノード側プレート
ＳＰｃ…カソード側プレート
ＳＰｉ…中間プレート
Ｍ１…水素供給用マニホールド
Ｍ２…水素排出用マニホールド
Ｍ３…空気供給用マニホールド
Ｍ４…空気排出用マニホールド
Ｍ５…冷却水供給用マニホールド
Ｍ６…冷却水排出用マニホールド
Ｃ１…連通流路
Ｃ２…連通流路
Ｃ３…連通流路
Ｃ４…連通流路
ＣＰ…冷却流路
Ｐ１…水素供給口
Ｐ２…水素排出口
Ｐ３…空気供給口
Ｐ４…空気排出口
１００…検査装置
１１０…検査ロッド
１２０…挿入棒支持板
１２１…挿入棒
１３０…ファイバースコープ
１４０…脚部
１４５…伸縮部
１５０…モニタ
２００…検査装置

Claims (5)

1. 複数のセルが積層されたセル積層体と、前記セル積層体を積層方向に貫通し反応ガスまたは熱媒体を流通させるマニホールドと、前記マニホールドと前記各セル内に設けられた流路とを連通させ前記マニホールドよりも小径である複数の連通流路と、を備える燃料電池の検査装置であって、
   前記マニホールド内に挿入するための挿入機構に設けられ、前記連通流路内に異物が存在しているか否かを判定するための異物判定部と、
   前記判定を行う連通流路の位置を確認する位置確認部と、
   を備える、検査装置。
2. 請求項１記載の検査装置であって、
   前記位置確認部は、前記挿入機構に設けられ、前記マニホールド内を撮像する撮像部と、
   前記撮像部からの信号を撮影像として表示する表示部と、
   を含む、検査装置。
3. 請求項１または２記載の検査装置であって、
   前記異物判定部は、前記連通流路に挿入される挿入棒を含む、検査装置。
4. 請求項３記載の検査装置であって、
   前記挿入棒は、複数の連通流路を判定することができるように複数配置されている、検査装置。
5. 請求項１ないし４記載の検査装置であって、
   前記異物判定部は、前記連通流路内に存在する異物を除去する除去機能を備える、検査装置。

Images