JP5693948B2 - 燃料電池の検査方法、および、燃料電池の検査装置 - Google Patents

燃料電池の検査方法、および、燃料電池の検査装置 Download PDF

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Description

本発明は、燃料電池の検査方法、および、燃料電池の検査装置に関する。
従来、液体燃料を使用する燃料電池として、例えば、直接メタノール形燃料電池、直接ジメチルエーテル形燃料電池、ヒドラジン形燃料電池などが知られている。
液体燃料を使用する燃料電池は、具体的には、電解質層と、その電解質層を挟んで対向配置される燃料側電極および酸素側電極とを備える膜・電極接合体と、燃料側電極に対向配置される燃料側セパレータと、酸素側電極に対向配置される酸素側セパレータとを備える単位セルが、複数積層されることにより、形成されている。
このような燃料電池では、各単位セルに、液体燃料が通過される燃料ラインと、空気が通過される空気ラインと、水が通過される水ラインとが、複数の単位セルを連通するようにそれぞれ備えられており、また、各単位セルには、それら燃料ライン、空気ラインおよび水ラインを互いに隔てるシール部材が、設けられている。
そして、このような燃料電池では、燃料ラインを介して液体燃料のアノードに液体燃料が供給されるとともに、空気ラインを介して燃料電池のカソードに空気が供給されることによって、電気化学反応が生じ、起電力が発生する。例えば、直接メタノール形燃料電池では、下記式(1)および(2)の通りとなる。
(1)CHOH+6OH→CO+5HO+6e (アノードでの反応)
(2)O+HO+4e→4OH (カソードでの反応)
また、このような燃料電池には、水ラインに冷却水が供給され、これにより、燃料電池が冷却される。
しかるに、このような燃料電池では、単位セルを構成する各部材の不具合、例えば、シール部材の破損や、さらには、組み付け精度のばらつきなどにより、燃料電池から液体燃料、空気、冷却水などが、漏出する場合がある。
そのような場合には、漏出を生じさせる箇所の単位セルを取り替える必要があるため、漏出を生じさせる箇所を特定することが要求されている。そのような方法としては、例えば、燃料電池スタックを湿度反応材料により構成された被覆手段で覆うとともに、その燃料電池スタックに湿度を含むガスを供給し、被覆手段に変色が生じる場所を燃料電池スタックに対応させて、燃料電池スタックの漏出箇所を特定する方法が、提案されている(例えば、特許文献1参照。)。
このような方法では、液体燃料、空気、冷却水などが、燃料電池スタックの外部に漏出する場合には、湿度反応材料により構成された被覆手段によって、漏出箇所を特定することができる。
特開2010−165466号公報
しかるに、上記した方法では、例えば、シール部材の破損などにより、燃料ライン、空気ライン、水ラインなどが連通し、単位セルの内部において、液体燃料、空気、冷却水などが漏出する場合には、漏出箇所に被覆手段を備えることができないため、漏出箇所を特定することができないという不具合がある。
また、燃料電池を分解し、漏出箇所を特定することも検討されるが、このような方法では、手間およびコストがかかるという不具合がある。
本発明の目的は、燃料電池を分解することなく、低コストで燃料電池の内部における液体燃料、空気および/または水の漏出を検査することができる燃料電池の検査方法、および、そのような燃料電池の検査方法が採用される燃料電池の検査装置を、提供することにある。
上記目的を達成するために、本発明の燃料電池の検査方法は、液体燃料が通過される燃料ライン、空気が通過される空気ライン、および、水が通過される水ラインと、前記燃料ライン、前記空気ラインおよび前記水ラインを互いに隔てるシール部材とを備える単位セルが複数積層されてなる燃料電池において、前記液体燃料、前記空気および/または前記水の漏出を検査するための燃料電池の検査方法であって、前記単位セルの積層方向が鉛直方向に沿うように、前記燃料電池を載置する工程、前記燃料ライン、前記空気ラインおよび前記水ラインのいずれか1つに、ガスを充填する工程、前記燃料ライン、前記空気ラインおよび前記水ラインの、前記ガスが充填されるラインを除くいずれか1つに、液体を注入する工程、および、漏出を生じさせる前記単位セルを特定する工程を備えることを特徴としている。
また、本発明の燃料電池の検査装置は、液体燃料が通過される燃料ライン、空気が通過される空気ライン、および、水が通過される水ラインと、前記燃料ライン、前記空気ラインおよび前記水ラインを互いに隔てるシール部材とを備える単位セルが複数積層されてなる燃料電池において、前記液体燃料、前記空気および/または前記水の漏出を検査するための燃料電池の検査装置であって、前記単位セルの積層方向が鉛直方向に沿うように、前記燃料電池を載置する手段、前記燃料ライン、前記空気ラインおよび前記水ラインのいずれか1つに、ガスを充填する手段、前記燃料ライン、前記空気ラインおよび前記水ラインの、前記ガスが充填されるラインを除くいずれか1つに、液体を注入する手段、および、漏出を生じさせる前記単位セルを特定する手段を備えることを特徴としている。
本発明の燃料電池の検査方法、および、燃料電池の検査装置では、単位セルの積層方向が鉛直方向に沿うように、燃料電池を載置するとともに、燃料ライン、空気ラインおよび水ラインのいずれか1つにガスを充填し、そのラインを除くいずれか1つに液体を注入する。
このような燃料電池の検査方法、および、燃料電池の検査装置では、液体燃料、空気、水などが、単位セルの内部において漏出する場合に、その漏出箇所において、充填されたガスが液体に噴出および供給され、ガスの漏れ音や、ガス噴出による視覚的変化が生じる。
そのため、このような燃料電池の検査方法、および、燃料電池の検査装置では、上記したガスの漏れ音や、ガス噴出による視覚的変化を確認し、漏出を生じさせる単位セルを特定することにより、燃料電池を分解することなく、単位セルの内部における液体燃料、空気および/または水の漏出を、簡易に検査することができ、燃料電池の低コスト化を図ることができる。
本発明の一実施形態に係る燃料電池を示す概略構成図である。 図1に示す燃料電池の概略斜視図である。 本発明の燃料電池の検査装置の一実施形態を示す概略構成図である。
1.燃料電池
(1−1)燃料電池の構成
図1は、本発明の一実施形態に係る燃料電池を示す概略構成図、図2は、図1に示す燃料電池の概略斜視図である。
図1および図2において、燃料電池1は、液体の燃料成分が直接供給されるアニオン交換型燃料電池である。
燃料電池1に供給される燃料成分としては、例えば、メタノール、ジメチルエーテル、ヒドラジン(水加ヒドラジン、無水ヒドラジンなどを含む)などが挙げられる。
燃料電池1は、図1に示すように、膜・電極接合体2、膜・電極接合体2の一方側(アノード側)に積層されたガス拡散層としてのアノード側拡散層8、アノード側拡散層8における膜・電極接合体2の他方側に積層された燃料供給部材3、膜・電極接合体2の他方側(カソード側)に積層されたガス拡散層としてのカソード側拡散層9、および、カソード側拡散層9における膜・電極接合体2の他方側に積層された空気供給部材4を有する単位セル16(燃料電池セル)が、複数積層されたスタック構造に形成されている。
なお、図1では、複数の単位セル16のうち1つだけを取り出してその断面図を示し、その他の単位セル16については省略している。また、図2では、複数の単位セル16のうち1つだけを取り出して分解して表し、その他の単位セル16については積層状態を示している。
膜・電極接合体2は、図1に示されるように、アニオン成分が移動可能なアニオン交換膜などから形成される電解質膜5と、その厚み方向一方側の面に形成されるアノード電極6と、厚み方向他方側の面に形成されるカソード電極7とを備えている。
アノード側拡散層8としては、例えば、カーボンペーパーあるいはカーボンクロスなどが、必要によりフッ素処理されているガス透過性材料が挙げられる。また、アノード側拡散層8は、集電体としても作用する。
燃料供給部材3は、ガス不透過性の導電性部材からなり、アノード側拡散層8を介して、アノード電極6に液体燃料を供給する。また、燃料供給部材3には、その表面から凹む、例えば、葛折状などの溝が形成されている。そして、燃料供給部材3は、溝の形成された表面がアノード電極6に対向接触されている。
これにより、詳しくは後述するが、アノード電極6の一方面と燃料供給部材3の他方面(溝の形成された表面)との間には、アノード電極6全体に燃料成分を接触させるための燃料ラインとしての燃料供給路10が形成される。
カソード側拡散層9としては、例えば、アノード側拡散層8として例示した、ガス透過性材料などが挙げられる。また、アノード側拡散層8と同様に、カソード側拡散層9も、集電体としても作用する。
空気供給部材4は、ガス不透過性の導電性部材からなり、カソード側拡散層9を介して、カソード電極7に空気を供給する。また、空気供給部材4には、その表面から凹む、例えば、葛折状などの溝が形成されている。そして、空気供給部材4は、溝の形成された表面がカソード電極7に対向接触されている。
これにより、詳しくは後述するが、カソード電極7の他方面と空気供給部材4の一方面(溝の形成された表面)との間には、カソード電極7全体に空気を接触させるための空気ラインとしての空気供給路13が形成される。
このような単位セル16において、複数の単位セル16をそれぞれ区分する1つのセパレータ33が、上記燃料供給部材3および上記空気供給部材4を兼ね備える。換言すると、セパレータ33は、その一方側面において、燃料供給部材3として作用するとともに、他方側面において、空気供給部材4として作用する。
そして、このような単位セル16は、図1および図2に示すように、液体燃料が通過される燃料ラインとしての燃料供給路10、空気が通過される空気ラインとしての空気供給路13、および、水が通過される水ラインとしての水供給路17と、燃料供給路10、空気供給路13および水供給路17を互いに隔てるシール部材20とを備えている。
燃料供給路10は、上記した図1に示されるように、アノード電極6と、燃料供給部材3(詳しくは、溝の形成された表面)との間に形成されている。
このような燃料供給路10は、液体燃料を燃料供給部材3に流入させるための燃料供給口11を、単位セル16のセパレータ33における一隅(図2における紙面下側、かつ、紙面右側)に備えるとともに、液体燃料を燃料供給部材3から排出するための燃料排出口12を、上記の燃料供給口11が備えられる隅の対角隅(図2における紙面上側、かつ、紙面左側)に備えている。
空気供給路13は、上記した図1に示されるように、カソード電極7と、空気供給部材4(詳しくは、溝の形成された表面)との間に形成されている。
このような空気供給路13は、空気を空気供給部材4に流入させるための空気供給口14を、単位セル16のセパレータ33における上記一隅と隣り合う他隅(図2における紙面上側、かつ、紙面右側)に備えるとともに、空気を空気供給部材4から排出するための空気排出口15を、上記の空気供給口14が備えられる隅の対角隅(図2における紙面下側、かつ、紙面左側)に備えている。
水供給路17は、図示しないが、例えば、各単位セル16のセパレータ33において、燃料供給路10および空気供給路13を取り囲むように、形成されている。
このような水供給路17は、燃料電池1を冷却するための冷却水を単位セル16に流入させるための水供給口19を、単位セル16のセパレータ33における、燃料排出口12および空気排出口15の間に備えるとともに、冷却水を単位セル16から排出するための水排出口18を、燃料供給口11および空気供給口14の間に備えている。
すなわち、単位セル16のセパレータ33には、その積層方向から見た平面視において、外周に沿うように、燃料供給口11、空気排出口15、水供給口19、燃料排出口12、空気供給口14および水排出口18を備えている。
より具体的には、単位セル16のセパレータ33は、積層方向から見た平面視において略矩形状をなし、一辺に燃料排出口12および空気供給口14を、その一辺に対向する他辺に空気排出口15および燃料供給口11を備えるとともに、その対向方向と直交する一辺に水排出口18を、その一辺に対向する他辺に水供給口19を、備えている。
シール部材20は、柔軟性を有する樹脂などから形成されており、各単位セル16のセパレータ33において、燃料供給路10、空気供給路13および水供給路17を隔てるように、より具体的には、燃料供給口11、空気排出口15、水供給口19、燃料排出口12、空気供給口14および水排出口18をそれぞれ隔てるように、備えられている。
つまり、シール部材20は、各口(燃料供給口11、空気排出口15、水供給口19、燃料排出口12、空気供給口14および水排出口18)の周りに設けられている。
これにより、燃料電池1の運転中において、燃料供給路10に供給される液体燃料と、空気供給路13に供給される空気と、水供給路17に供給される冷却水とが、互いに混入しないよう、流路が制限されている。
(1−2)燃料電池による発電
上記した燃料電池1では、冷却水が、水供給口19から供給され、単位セル16を冷却しながら水排出口18から排出されるとともに、燃料成分が燃料供給口11からアノード電極6に供給され、一方、空気が空気供給口14からカソード電極7に供給される。
アノード側では、液体燃料が、アノード電極6と接触しながら燃料供給路10を通過し、燃料排出口12から排出される。一方、カソード側では、空気が、カソード電極7と接触しながら空気供給路13を通過し、空気排出口15から排出される。
そして、各電極(アノード電極6およびカソード電極7)において電気化学反応が生じ、起電力が発生する。例えば、液体燃料がメタノールである場合には、下記式(1)〜(3)の通りとなる。
(1) CHOH+6OH→CO+5HO+6e(アノード電極6での反応)
(2) O+2HO+4e→4OH (カソード電極7での反応)
(3) CHOH+3/2O→CO+2HO (燃料電池1全体での反応)
すなわち、メタノールが供給されたアノード電極6では、メタノール(CHOH)とカソード電極7での反応で生成した水酸化物イオン(OH)とが反応して、二酸化炭素(CO)および水(HO)が生成するとともに、電子(e)が発生する(上記式(1)参照)。
アノード電極6で発生した電子(e)は、図示しない外部回路を経由してカソード電極7に到達する。つまり、この外部回路を通過する電子(e)が、電流となる。
一方、カソード電極7では、電子(e)と、外部からの供給もしくは燃料電池1での反応で生成した水(HO)と、空気供給路13を流れる空気中の酸素(O)とが反応して、水酸化物イオン(OH)が生成する(上記式(2)参照)。
そして、生成した水酸化物イオン(OH)が、電解質膜5を通過してアノード電極6に到達し、上記と同様の反応(上記式(1)参照)が生じる。
このようなアノード電極6およびカソード電極7での電気化学的反応が連続的に生じることによって、燃料電池1全体として上記式(3)で表わされる反応が生じて、燃料電池1に起電力が発生する。すなわち、燃料電池1は、燃料成分を消費して発電する。
また、例えば、燃料成分がヒドラジンである場合には、電気化学反応は、下記式(4)〜(6)の通りとなる。
(4) N+4OH→N+4HO+4e (アノード電極6での反応)
(5) O+2HO+4e→4OH (カソード電極7での反応)
(6) N+O→N+2HO (燃料電池1全体での反応)
しかるに、このような発電において、例えば、シール部材20の破損などにより、燃料供給路10、空気供給路13および水供給路17、より具体的には、燃料供給口11、空気排出口15、水供給口19、燃料排出口12、空気供給口14および水排出口18の少なくとも2つが互いに連通し、単位セル16の内部において、液体燃料、空気、冷却水などが漏出する場合には、発電効率の低下を惹起する場合がある。
そのような場合には、漏出を生じさせる箇所の単位セル16を取り替える必要があるため、燃料電池1の内部において、液体燃料、空気および/または水の漏出を検査し、漏出箇所を特定することが、要求されている。
2.燃料電池の検査
(2−1)検査装置
図3は、本発明の燃料電池の検査装置の一実施形態を示す概略構成図である。
次に、本発明の燃料電池の検査装置、および、燃料電池の検査方法について、図3を参照して説明する。
図3において、燃料電池1の検査装置21は、単位セル16の積層方向が鉛直方向に沿うように、燃料電池1を載置する手段としての載置台25と、燃料供給路10、空気供給路13および水供給路17のいずれか1つに、ガスを充填する手段としての、第1装置22と、燃料供給路10、空気供給路13および水供給路17の、ガスが充填されるラインを除くいずれか1つに、液体を注入する手段としての、第2装置23と、漏出を生じさせる単位セル16を特定する手段としての、第3装置24とを備えている。
載置台25は、水平方向に沿う載置スペースを有する台座として備えられており、単位セル16の積層方向が鉛直方向に沿うように、燃料電池1を載置可能としている。
第1装置22は、燃料電池1にガスを供給するためのガス供給装置26を備えている。
ガス供給装置26は、ガスを貯留するためのガスタンク27と、ガスタンク27から燃料電池1にガスを供給するためのガス供給管28とを備えている。
ガスタンク27は、例えば、耐熱耐圧容器などから形成されている。
ガスタンク27に貯留されるガスとしては、特に制限されないが、取り扱い性の観点から、例えば、窒素ガス、アルゴンガスなどの不活性ガスなどが挙げられる。
ガス供給管28は、一方側端部が、ガスタンク27に接続されるとともに、他方側端部が、燃料電池1の鉛直方向上方において可動的に支持されており、ガスタンク27から供給されるガスを、燃料供給路10、空気供給路13および水供給路17のいずれにも選択的に供給可能としている。
なお、図示しないが、ガス供給管28には、ガスタンク27からのガスの供給を開始および停止するためのガス供給弁などが介在されている。
第2装置23は、燃料電池1に液体を供給するための液体供給装置30を備えている。
液体供給装置30は、液体を貯留するための液体タンク31と、液体タンク31から燃料電池1に液体を供給するための液体供給管32とを備えている。
液体タンク31は、例えば、耐熱耐圧容器などから形成されている。
液体タンク31に貯留される液体としては、特に制限されず、例えば、酸性液、アルカリ性液、中性液などのいずれを用いることもできるが、取り扱い性の観点から、例えば、中性液、好ましくは、水が挙げられる。
液体供給管32は、一方側端部が、液体タンク31に接続されるとともに、他方側端部が、燃料電池1の鉛直方向上方において可動的に支持されており、液体タンク31から供給される液体を、燃料供給路10、空気供給路13および水供給路17のいずれにも選択的に供給可能としている。
なお、図示しないが、液体供給管32には、液体タンク31からの液体の供給を開始および停止するための液体供給弁などが介在されている。
第3装置24は、特に制限されないが、例えば、燃料電池1から生じる音を捉える音響装置(例えば、集音マイク)や、例えば、燃料電池1の視覚的変化を捉える光学装置(例えば、カメラ)などからなり、燃料電池1の近傍に配置されている。
(2−2)検査方法
次いで、本発明の燃料電池の検査方法の一実施形態について、図3を参照して、説明する。
この方法では、まず、単位セル16の積層方向が鉛直方向に沿うように、燃料電池1を載置台25に載置する。
次いで、この方法では、第1装置22において、燃料供給路10、空気供給路13および水供給路17のいずれか1つ(例えば、空気供給路13)に、ガスを充填する。
次いで、この方法では、第2装置23において、燃料供給路10、空気供給路13および水供給路17の、ガスが充填されるライン(例えば、空気供給路13)を除くいずれか1つ(例えば、燃料供給路10)に、液体を注入する。
液体の充填方法は、特に制限されないが、例えば、液体供給管32から最上層の単位セル16に水を注入して、最下層の単位セル16から順に、鉛直方向上方に向かって水位を上昇させる。
次いで、この方法では、第3装置24により、燃料電池1を観察し、漏出を生じさせる単位セル16を特定する。
すなわち、例えば、シール部材20の破損などにより、燃料供給口11または燃料排出口12(燃料供給路10)と、空気供給口14または空気排出口15(空気供給路13)とが互いに連通する場合には、空気供給路13に充填されたガスが、燃料供給路10に充填された液体側に噴出および供給され、気泡を生じさせる。
このとき、第3装置24として音響装置などを用いて、気泡の発生音などを捉え、その発生箇所を特定すれば、漏出を生じさせている単位セル16を特定することができる。
つまり、鉛直方向上方に向かって水位が上昇するにように、徐々に液体を充填すれば、気泡の発生音を捉えたときの水位と、燃料電池1における単位セル16とを対応させることができるので、単位セル16の内部における液体燃料、空気および/または水の漏出を、簡易に検査することができる。
また、例えば、シール部材20やセパレータ33などとして、透明または半透明な部材を用いれば、上記の気泡の発生を、視覚的に確認することができる。
そのため、第3装置24として光学装置などを用いて、気泡の発生の様子を捉え、その発生箇所を特定すれば、漏出を生じさせる単位セル16を特定することができ、単位セルの内部における液体燃料、空気および/または水の漏出を、簡易に検査することができる。
3.作用効果
この燃料電池1の検査方法および検査装置21では、単位セル16の積層方向が鉛直方向に沿うように、燃料電池1を載置するとともに、燃料供給路10、空気供給路13および水供給路17のいずれか1つにガスを充填し、そのラインを除くいずれか1つに液体を注入する。
このような燃料電池の検査方法、および、燃料電池の検査装置21では、液体燃料、空気、水などが、単位セル16の内部において漏出する場合に、その漏出箇所において、充填されたガスが液体に噴出および供給され、ガスの漏れ音や、ガス噴出による視覚的変化が生じる。
そのため、このような燃料電池の検査方法、および、燃料電池の検査装置21では、上記したガスの漏れ音や、ガス噴出による視覚的変化を確認し、漏出を生じさせる単位セル16を特定することにより、燃料電池1を分解することなく、単位セル16の内部における液体燃料、空気および/または水の漏出を、簡易に検査することができ、燃料電池1の低コスト化を図ることができる。
なお、上記した実施形態では、空気供給路13にガスを充填する一方、燃料供給路10に液体を注入し、空気供給路13および燃料供給路10の間における漏出を確認したが、例えば、空気供給路13にガスを充填する一方、水供給路17に液体を注入し、空気供給路13および水供給路17の間における漏出を確認することができる。
また、例えば、燃料供給路10にガスを充填する一方、水供給路17に液体を注入し、燃料供給路10および水供給路17の間における漏出を確認することができる。
さらには、ガスおよび液体を注入するラインは、上記の逆でもよく、例えば、空気供給路13に液体を注入する一方、燃料供給路10にガスを充填し、空気供給路13および燃料供給路10の間における漏出を確認することもできる。
また、上記した実施形態では、第1装置22によりガスを充填し、第2装置23により液体を注入したが、この燃料電池1の検査方法では、第1装置22および第2装置23を設けることなく、直接作業者が、ガスおよび液体を注入してもよい。
さらに、上記した実施形態では、漏出箇所を、第3装置24により確認したが、燃料電池1の検査方法では、第3装置24を用いることなく、例えば、目視により、漏出箇所を確認することもできる。
1 燃料電池
10 燃料供給路
11 燃料供給口
12 燃料排出口
13 空気供給路
14 空気供給口
15 空気排出口
16 単位セル
17 水供給路
18 水排出口
19 水供給口
20 シール部材
21 検査装置
22 第1装置
23 第2装置
24 第3装置

Claims (2)

  1. 液体燃料が通過される燃料ライン、空気が通過される空気ライン、および、水が通過される水ラインと、前記燃料ライン、前記空気ラインおよび前記水ラインを互いに隔てるシール部材とを備える単位セルが複数積層されてなる燃料電池において、前記液体燃料、前記空気および/または前記水の漏出を検査するための燃料電池の検査方法であって、
    前記単位セルの積層方向が鉛直方向に沿うように、前記燃料電池を載置する工程、
    前記燃料ライン、前記空気ラインおよび前記水ラインのいずれか1つに、ガスを充填する工程、
    前記燃料ライン、前記空気ラインおよび前記水ラインの、前記ガスが充填されるラインを除くいずれか1つに、液体を注入する工程、および、
    充填された前記ガスが、注入された前記液体に噴出および供給されることを確認することにより、漏出を生じさせる前記単位セルを特定する工程
    を備えることを特徴とする、燃料電池の検査方法。
  2. 液体燃料が通過される燃料ライン、空気が通過される空気ライン、および、水が通過される水ラインと、前記燃料ライン、前記空気ラインおよび前記水ラインを互いに隔てるシール部材とを備える単位セルが複数積層されてなる燃料電池において、前記液体燃料、前記空気および/または前記水の漏出を検査するための燃料電池の検査装置であって、
    前記単位セルの積層方向が鉛直方向に沿うように、前記燃料電池を載置する手段、
    前記燃料ライン、前記空気ラインおよび前記水ラインのいずれか1つに、ガスを充填する手段、
    前記燃料ライン、前記空気ラインおよび前記水ラインの、前記ガスが充填されるラインを除くいずれか1つに、液体を注入する手段、および、
    充填された前記ガスが、注入された前記液体に噴出および供給されることを確認することにより、漏出を生じさせる前記単位セルを特定する手段
    を備えることを特徴とする、燃料電池の検査装置。
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