JP6803004B2 - 燃料電池の検査装置 - Google Patents

Description

本発明は、燃料電池の検査装置に関する。

燃料電池は、水素および酸素を燃料として電気エネルギを得る装置である。燃料電池は、一般に、複数の燃料電池セル（以下、セルとも称する）が積層された積層体と、積層体を積層方向に加圧して締結する締結装置等を具備する燃料電池スタックとして使用される。この燃料電池スタックは、締結の終了後にスタックケース（以下、ケースとも称する）内に収納される。

上記燃料電池スタックの製造工程において、通常、燃料電池スタックを構成する各セルの発電性能を検査するための発電検査が行われる。この発電検査を行う装置として、例えば特許文献１に提案されている。下記特許文献１では、燃料電池を構成する各燃料電池セルの間に電圧測定用の中間板を挟み、当該中間板及びセルを積層した積層体に対して締結装置により積層方向に荷重を加えて発電検査を行う。

特開２０１４−２２９５７８号公報

ところで、燃料電池スタックは、通常数百枚程度のセルが積層されるものであるので、数十枚程度のセルを積層した状態（小ロット）で発電検査を実施する場合には、発電検査装置等を含む設備数が増加し、コスト増を招いてしまう。この問題を解決することを意図して、小ロットではなくセルを数百枚程度積層した燃料電池スタックとして発電検査を行うという考え方もあるが、燃料電池スタックをケースに納める前の状態では発電検査を行うことができない。なぜなら、発電を実施するために、セルを積層した積層体に均一に荷重を付与し、それを保持しておく強固な構造が必要であるが、この強固な構造を保持するためには燃料電池スタックをケースに納めることが従来では必要となっているからである。このように燃料電池スタックをケースに納めてから発電検査を行う場合には、検査結果の異常が発生したときに、戻り工数として手直し作業（例えばケース抜き取り等）に時間がかかり、工数の増加を招いてしまう。

そこで、本発明は、発電検査を行う際の工数の増加を抑えながら、コストの低減を図ることができる燃料電池の検査装置を提供することを目的とする。

本発明の一態様に係る燃料電池の検査装置は、燃料電池の発電検査を行う検査装置であって、燃料電池セルを複数積層した積層体の外側に設けられ、積層方向に内部を貫通する切欠部が形成されたエンドプレートと、切欠部に挿通させた締結シャフトによって積層体を加圧した状態を保持するための荷重保持機構と、積層体に反応ガス又は冷却水を導入する導入管とを備え、導入管は、前記切欠部に挿通されている。

この態様によれば、エンドプレートに形成された切欠部を通して積層体を加圧する締結シャフト及び締結シャフトによって加圧した状態を保持するための荷重保持機構が設けられているので、積層体としてのスタック構造を保持することができる。更に、エンドプレートに形成された切欠部に、発電検査を行うために必要な反応ガス又は冷却水を積層体に導入する導入管が挿通されているので、積層体をスタックケースに納める前の状態で反応ガス又は冷却水を供給して発電検査を実施することができる。このように、荷重保持機構により積層体として締結状態を保持して発電検査を行うことができるので、例えば小ロット（数十枚程度のセルを積層した状態）で発電検査を行う場合と比較して設備数を低減でき、コストの低減を図ることができる。また、スタックケースに納める前の状態で発電検査を行うことができるので、検査結果の異常が発生した場合に、戻り工数としての手直し作業（例えばスタックケース抜き取り等を含む）を減らすことができ、工数の増加を抑えることができる。

本発明によれば、発電検査を行う際の工数の増加を抑えながら、コストの低減を図ることができる燃料電池の検査装置を提供することができる。

燃料電池の発電検査に用いられるセルパレット構造の締結前の状態を説明するための図である。 図１のＡ方向からみたセルパレット構造の説明図である。 図１のＢ方向からみたセルパレット構造の説明図である。

以下添付図面を参照しながら本発明の実施形態について説明する。尚、以下の好ましい実施形態の説明は、例示に過ぎず、本発明、その適用物或いはその用途を制限することを意図するものではない。

図１〜図３を参照しながら、本実施形態に係る燃料電池の検査装置として用いられるセルパレット構造について説明する。図１は、セルパレット構造の締結前の状態（締結シャフトにより積層体を加圧する前）を説明するための図である。図１では図面が複雑になるため発電用検査装置として一般的に用いられる周辺機器（発電評価装置等）の図示を省略している。図２は、図１のＡ方向からみたセルパレット構造の説明図である。図３は、図１のＢ方向からみたセルパレット構造の説明図である。なお、図３では、説明の便宜上、図１に示した支持治具１３１やスタックマニホールド１５０等の図示を省略している。

図１に示すセルパレット構造１００は、積層体１０の締結状態を保持しながら反応ガス（水素ガス、空気）及び冷却水の供給を可能にする構造を備えたものである。図１に示すように、セルパレット構造１００は、積層体１０と、エンドプレート１１０ａ、１１０ｂと、締結シャフト１３０と、配管（図３に示すガス供給配管１４０ａ、ガス排出配管１４０ｂ、冷却水配管１４０ｃ）とを備える。なお、図１では、図３に示す配管（ガス供給配管１４０ａ、ガス排出配管１４０ｂ、冷却水配管１４０ｃ）の図示を省略している。

積層体１０は、燃料電池を構成する各燃料電池セル（以下、セル）を複数積層したものである。なお、本実施形態では、各々のセル間に中間板を挟み、この中間板を利用した発電検査は行わない。セル間に中間板を挟んで発電検査を実施する場合、発電検査工程終了後、締結を解除、中間板を取り出すことが必要となるが、このような中間板を配置して発電検査を実施する構成と比較して、本実施形態では、発電検査後に締結を解除せずにケーシングができる（検査結果に異常がある場合には、分解することができる）という利点がある。

なお、積層体１０に含まれる各セルは電解質膜、アノード及びカソードを備える。電解質膜は、固体高分子電解質樹脂、例えばフッ素系樹脂を用いて形成されてプロトン伝導性を備え、湿潤状態で良好な電気伝導性を示す。アノードおよびカソードは、例えば白金、あるいは白金合金等の触媒を担持した導電性粒子、例えばカーボン粒子を、プロトン伝導性を有するアイオノマーで被覆して形成された電極触媒層である。電解質膜は、その両側に接合されたアノードとカソードと共に膜電極接合体（ＭＥＡ）を構成する。セルは、このＭＥＡを一対のセパレータで挟持した構成を備える。アノード側セパレータは、アノードに供給すべき燃料ガスとしての水素の流路と冷却水流路とを備え、カソード側セパレータは、カソードに供給すべき酸化剤ガスとしての空気の流路と図示しない冷却水流路とを備える。なお、本実施形態におけるセルパレット構造１００におけるセルの積層数は、任意に設定可能である。

積層体１０の積層方向（セルを積層する方向）外側には、エンドプレート１１０ａ、１１０ｂが配置されている。図１では、符号１１０ｂがガス導入側のエンドプレート（図３参照）を示し、符号１１０ａが加圧側のエンドプレート（図２参照）を示す。エンドプレート１１０ａ、１１０ｂは、剛性を確保するため、例えば鋼等の金属によって形成されている。本実施形態では、エンドプレート１１０ａ、１１０ｂには、締結シャフト用の切欠き１１２が形成されている。切欠き１１２は、図２及び図３に示すように、エンドプレート１１０ａ、１１０ｂの内部を積層方向に貫通して形成されている。なお、略矩形状のエンドプレート１１０ａ、１１０ｂの四隅近傍には、締結シャフト１３０によって積層体１０に荷重を付与した状態を保持するための拘束ロッド１２０が配置されている。

図１〜図３に示す各々の切欠き１１２は、略矩形状のエンドプレート１１０ａ、１１０ｂを平面視でみたときに、Ｕ字状に形成されている。図１〜図３では、Ｕ字状の切欠き１１２が３つ設けられた例が示されているが、これに限定されるわけではない。本実施形態における切欠き１１２は、以下で説明する締結シャフト１３０等を挿通可能な形状を有していれば、その形状や大きさ、個数等は適宜変更することができる。

締結シャフト１３０は、積層体１０を加圧するための部材である。締結シャフト１３０は、エンドプレート１１０ａに形成された切欠き１１２に挿通可能なように、例えば棒状に形成される。本実施形態では、一方のエンドプレート１１０ａ（図２に示す加圧側のエンドプレート）に形成された複数の切欠き１１２に締結シャフト１３０を通して（図１の矢印に示す方向（積層方向）へ締結シャフト１３０を動かして）積層体１０を加圧し、他方のエンドプレート１１０ｂ（図３に示すガス導入側のエンドプレート）側に配置された支持治具１３１により支持する。このように、支持治具１３１により積層体１０の一方側（エンドプレート１１０ｂ側）を支持し、この状態で、切欠き１１２を通した締結シャフト１３０によって積層体１０の他方側（エンドプレート１１０ａ側）から加圧する。積層体１０を積層方向に加圧してその加圧状態を良好に保持する観点から、支持治具１３１における荷重支持シャフト１３２は、切欠き１１２を通して導入される締結シャフト１３０と対応する位置（積層方向にみたときに実質的に同じ位置）に設けられていることが好ましい。

なお、図１及び図２の例では、棒状の締結シャフト１３０が３本設けられているが、切欠き１１２を通して積層体１０を積層方向に加圧する機能を有していれば、その形状や個数は図示の例に限定されるわけではなく、適宜変更可能である。

図３に示すガス供給配管１４０ａは、積層体１０に燃料（水素ガス、酸化剤ガス）を供給するための配管である。ガス供給配管１４０ａは、エンドプレート１１０ｂに形成された切欠き１１２を通して積層体１０に接続されている。より詳細には、ガス供給配管１４０ａは、スタックマニホールド１５０（図１参照）に形成された複数のマニホールド（燃料ガス、酸化剤ガスを供給するためのマニホールド）に接続されており、当該マニホールドを介して積層体１０（積層体１０を構成する各々のセル）に燃料ガス、酸化剤ガスを供給する。このように、図１に示す積層体１０の端部（ガス導入側の端部）に配置されるスタックマニホールド１５０は、積層体１０に、燃料ガス、酸化剤ガス、冷却水を供給及び排出するための複数のマニホールドを備えている。

なお、図３に示すガス供給配管１４０ａの配置はその一例であり、図示の例に限定されない。例えば、ガス供給配管１４０ａの一方を切欠き１１２に挿通させ、他方を、エンドプレート１１０ｂの外側を通すように、図３に破線で示す符号１４０ａの位置にガス供給配管を配置しても良い。以下で説明するガス排出配管１４０ｂについても同様に、図３に破線で示す符号１４０ｂの位置にガス供給配管を配置しても良い。

エンドプレート１１０ｂに形成された切欠き１１２には、積層体１０から排出されたガスを排出するためにガス排出配管１４０ｂを挿通させても良い。このガス排出配管１４０ｂは、スタックマニホールド１５０（図１参照）に形成された複数のマニホールド（図示は省略するが、燃料ガス、酸化剤ガスを排出するためのマニホールド）に接続されており、当該マニホールドを介して積層体１０から排出された燃料ガス、酸化剤ガスを排出する。ガス排出配管１４０ｂは、その設置箇所が特に限定されるものではないが、例えば、図３に示すように、ガス供給配管１４０ａを挿通させた切欠き１１２と同じ箇所に挿通させても良い。

エンドプレート１１０ｂに形成された切欠き１１２には、積層体１０に冷却水を導入及び排出するための冷却水配管１４０ｃを挿通させても良い。この冷却水配管１４０ｃは、スタックマニホールド１５０（図１参照）に形成された複数のマニホールド（冷却水用のマニホールド）に接続されており、当該マニホールドを介して冷却水を供給又は排出する。

なお、エンドプレート１１０ｂに形成された切欠き１１２に、配管（ガス供給配管１４０ａ、ガス排出配管１４０ｂ、冷却水配管１４０ｃ）を挿通させて積層体１０に反応ガス又は冷却水を供給する場合、これら配管を急角度で曲げると圧力損失が発生するため、エンドプレート１１０ｂと、（積層体１０の一端側に配置された）スタックマニホールドとの間には、配管取り回しのための空間を確保することが好ましい。

また図３に示したガス供給配管１４０ａ、ガス排出配管１４０ｂ、冷却水配管１４０ｃの配置等は、その一例として示したものであり、図示の例に限定されない。図示した態様の他に、例えば、ガス供給配管１４０ａとガス排出配管１４０ｂの配置を入れ替えたり、冷却水配管１４０ｃとガス供給配管１４０ａとの配置を入れ替えたりしても良く、それぞれの配置や形状、大きさ等は、適宜変更することが可能である。

以上説明した、本実施形態によれば、エンドプレート１１０ａ、１１０ｂに形成された切欠部１１２を通して積層体１０を加圧する締結シャフト１３０が設けられているので、この締結シャフト１３０により積層体１０に対して積層方向に荷重を付与することができる。そして、この締結シャフト１３０で付与した荷重を、セルパレット構造の荷重保持機構（例えば４本の拘束ロッド１２０、エンドプレート１１０ａ、１１０ｂ、及び、台形ネジ（図示略）を含む荷重を保持するための部材）で保持し、締結シャフト１３０挿通箇所の切欠部１１２を、発電工程ではガス供給配管１４０ａ等の挿通箇所として利用している。このようにガス供給配管１４０ａ等を配置して発電を実施し、発電検査を行うことができるので、例えば小ロット（数十枚程度のセルを積層した状態）で発電検査を実施する構成と比較して設備数を低減でき、コストの低減を図ることができる。また、例えば燃料電池スタックをケースに納めることでその強固な構造を保持し、発電検査を実施する従来の構成と比較して、検査結果の異常が発生した場合に、戻り工数としての手直し作業（例えばスタックケース抜き取り等を含む）を減らすことができ、工数の低減を図ることができる。

以上説明した実施形態は、本発明の理解を容易にするためのものであり、本発明を限定して解釈するためのものではない。実施形態が備える各要素並びにその配置、材料、条件、形状及びサイズ等は、例示したものに限定されるわけではなく適宜変更することができる。また、異なる実施形態で示した構成同士を部分的に置換し又は組み合わせることが可能である。

１０…積層体
１００…セルパレット構造
１１０ａ、１１０ｂ…エンドプレート
１３０…締結シャフト
１３１…支持治具
１３２…荷重支持シャフト
１４０ａ…ガス供給配管
１４０ｂ…ガス排出配管
１４０ｃ…冷却水配管

Claims (1)

1. 燃料電池の発電検査を行う検査装置であって、
   燃料電池セルを複数積層した積層体の外側に設けられ、積層方向に内部を貫通する切欠部が形成されたエンドプレートと、
   前記切欠部に挿通させた締結シャフトによって前記積層体を加圧した状態を保持するための荷重保持機構と、
   前記積層体に反応ガス又は冷却水を導入する導入管とを備え、
   前記エンドプレートは、一対の長辺と、一対の短辺とを有した略矩形に形成され、
   前記切欠部は、前記エンドプレートの四隅ではなく前記長辺において複数設けられ、少なくとも一つの前記切欠部は、前記短辺の長さよりも深く形成され、
   前記導入管は、前記切欠部に挿通されている、燃料電池の検査装置。