JP6809193B2 - 燃料電池の検査装置 - Google Patents

Description

本明細書において開示する技術は、燃料電池の検査装置に関する。

従来、冷却水を用いて燃料電池を冷却する構成が提案されている（例えば、特許文献１参照）。

実開平２−５６３５１号公報

冷却水を用いて燃料電池の温度制御を行う場合に、燃料電池内部の冷却水流路、および燃料電池の外部に設けられた外部配管を含んで構成される冷却水循環流路を、冷却水が循環する構成を採用することがある。

ところで、燃料電池の出荷前には、燃料電池の発電検査が行われる。検査項目の一つとして、冷却水流路の閉塞の度合いの検査が行われる。冷却水流路の閉塞の度合いは、燃料電池における冷却水圧損（冷却水入口と冷却水出口の圧力差）を用いて判断される場合がある。燃料電池の発電検査において、検査対象の燃料電池を交換する際には、外部配管内に空気が巻き込まれる。そのため、燃料電池の発電検査中に、冷却水の循環に伴い、冷却水循環流路内に存在する気体（酸素、二酸化炭素等）が冷却水に溶融し、冷却水に溶融した気体が、燃料電池の発電に伴う温度上昇により気泡となる可能性がある。そうすると、冷却水入口圧力が上昇し、冷却水圧損が大きくなり、冷却水流路が閉塞していないにも関わらず、冷却水流路が閉塞していると誤判定されるおそれがある。

本明細書では、燃料電池の検査装置において、冷却液に溶融された気体を除去する技術を開示する。

本開示技術は、上述の課題を解決するためになされたものであり、以下の形態として実現することが可能である。本開示の一形態である燃料電池の検査装置は、前記燃料電池に接続され、前記燃料電池から排出される排ガスが流れる排気管であって、縮径する縮径部を備える排気管と、前記燃料電池を冷却するための冷却液を収容する冷却液タンクと、前記排気管と前記冷却液タンクとを、前記冷却液タンク内の気体が前記排気管側に排出可能に接続する接続管であって、前記排気管の前記縮径部に接続される接続管と、を備える。

（１）本開示技術の一形態によれば、燃料電池の検査装置が提供される。この燃料電池の検査装置は、前記燃料電池に接続され、前記燃料電池から排出される排ガスが流れる排気管であって、縮径する縮径部を備える排気管と、前記燃料電池を冷却するための冷却液を収容する冷却液タンクと、前記排気管と前記冷却液タンクとを接続する接続管であって、前記縮径部に接続される接続管と、を備える。

ここで、排気管は、アノード排ガス、カソード排ガス、およびアノード排ガスとカソード排ガスとを燃焼させた後の排ガスのいずれかが流れる配管である。

この形態の燃料電池の検査装置によれば、排気管が縮径部を備えると共に、冷却液タンクが接続管を介して排気管の縮径部に接続されるため、燃料電池からの排ガスの排気に伴い、ベンチュリー効果により冷却液タンクの内圧が低下し、冷却液に内包されている気泡の少なくとも一部を除去することができる（脱泡することができる）。

なお、本開示技術は、上述の燃料電池の検査装置の態様の他、種々の態様で実現することが可能である。例えば、燃料電池の検査方法等の形態で実現することができる。

本開示技術の一実施形態としての燃料電池の検査装置の概略構成を説明するための説明図である。 排気管および接続管の構成を概念的に示す説明図である。 本実施形態の検査装置を用いて実施される燃料電池の発電検査の流れを示す説明図である。

Ａ．実施形態：
図１は本開示技術の一実施形態としての燃料電池の検査装置１００の概略構成を説明するための説明図である。以下、燃料電池の検査装置１００を、単に「検査装置１００」とも称する。本実施形態の検査装置１００は、燃料電池の出荷前に、燃料電池の発電検査を行う装置である。本実施形態の検査装置１００の検査対象たる燃料電池２００は、固体高分子型燃料電池であり、アノードガスとしての純水素と、カソードガスとしての空気中の酸素が、各電極において電気化学反応を起こすことによって起電力を得るものである。燃料電池２００は、単位電池（不図示）を、複数積層して成るスタック構造を有する。本実施形態では、発電検査として、燃料電池の出力、反応ガス流路（アノードガス流路、カソードガス流路）および冷却水流路の圧損等を検査する。

検査装置１００は、検査対象の燃料電池２００に対して水素を供給し、アノード排ガスを排出するアノードガス給排系３０と、燃料電池２００に対して空気を供給し、カソード排ガスを排出するカソードガス給排系４０と、燃料電池２００を冷却する冷却系５０と、検査装置１００を制御する制御部６０と、を主に備える。

アノードガス給排系３０は、水素タンク３１と、インジェクタ３２と、配管３３と、配管３４と、配管３７と、水素ポンプ３６と、配管３５と、シャット弁３９と、を備える。高圧水素が貯蔵された水素タンク３１から水素が放出され、インジェクタ３２によって流量が制御され、配管３３を介して、燃料電池２００のアノードガス流路を流れつつ、アノードに水素が供給される。アノード排ガスは、配管３４に導入され、気液分離器（不図示）において水分が分離された後、配管３７を介して配管３３へ戻される。気液分離器によって分離されたアノード排ガス中の水分は、配管３５を介して大気中に排出される。配管３５上には、シャット弁３９が設けられており、アノード排ガス中の水分は、シャット弁３９が開弁された際に排出される。配管３７上には、水素ポンプ３６が設けられており、上記したアノード排ガス中の水素の循環流量を調整する。また、配管３３および配管３４上には、それぞれ、圧力計（不図示）が設けられ、圧力検出値が、制御部６０に出力される。

カソードガス給排系４０は、エアフロメータ４３と、エアコンプレッサ４４と、配管４１と、排気管４２と、調圧弁４６と、を備える。エアコンプレッサ４４によって圧縮された圧縮空気が、配管４１を介して、燃料電池２００のカソードガス流路を流れつつ、カソードに供給される。カソード排ガスは排気管４２を介して、大気中に放出される。配管４１上には、エアコンプレッサ４４の上流側にエアフロメータ４３が設けられており、エアコンプレッサ４４が取り込む外気の量を計測している。エアコンプレッサ４４による空気の供給量は、エアフロメータ４３による計測値に基づいて制御されている。排気管４２上には、圧力計（不図示）と調圧弁４６とが設けられており、圧力計によるカソード排ガスの圧力検出値に基づいて、調圧弁４６の開度が調整される。また、配管４１上にも圧力計（不図示）が設けられている。配管４１および排気管４２上に設けられた圧力計による圧力検出値は、制御部６０に出力される。排気管４２の構成について、後に詳述する。

冷却系５０は、冷却水タンク５１と、冷却水ポンプ５２と、熱交換器５３と、配管５４と、配管５５と、圧力計５６と、圧力計５７と、接続管５８と、開閉弁５９と、を備える。本実施形態では、燃料電池２００を冷却するための冷却液として、冷却水を用いている。冷却水タンク５１は、冷却水を気体（空気）と共に収容する。

冷却水タンク５１から冷却水が放出され、冷却水ポンプ５２によって配管５４を流れ、燃料電池２００内の冷却水流路を流れて燃料電池２００を冷却する。その後、配管５５を流れ、熱交換器５３によって冷却され、冷却水タンク５１に戻る。すなわち、冷却水は、燃料電池２００内部の冷却水流路と、配管５４および配管５５を含む外部流路とで構成される冷却水循環流路内を循環する。冷却水循環流路内に気体（空気）が存在すると、冷却水が冷却水循環流路内を循環するうちに、次第に、気体（例えば、酸素、二酸化炭素等）が冷却水に溶融される。燃料電池の発電検査において、燃料電池２００の発電による発熱に伴い、冷却水の温度が上昇すると、冷却水に溶融された気体が気泡となり、冷却水に内在する可能性がある。

配管５４上には、圧力計５６が設けられており、圧力計５６による検出値が、制御部６０に出力される。圧力計５６による検出値が燃料電池２００の冷却水入口圧力に相当する。また、配管５５上には、圧力計５７が設けられており、圧力計５７による検出値が、制御部６０に出力される。圧力計５７による検出値が燃料電池２００の冷却水出口圧力に相当する。制御部６０が、圧力計５６による検出値および圧力計５７による検出値を用いて、燃料電池２００内部の冷却水流路の圧損を算出する。

接続管５８は、冷却水タンク５１と排気管４２とを接続する。接続管５８上には、開閉弁５９が設けられている。開閉弁５９は、制御部６０に制御される。開閉弁５９が開弁されると、排気管４２内のガスの流れに伴い、冷却水タンク５１内の気体が接続管５８を流れて、排気管４２内のガスと共に外部に排出される。冷却水に気泡が内在する場合には、冷却水タンク５１内の気体が排出されるのに伴い、冷却水中の気泡が除去される（脱泡される）。接続管５８の構成および脱泡について、後に詳述する。

制御部６０は、中央処理装置と主記憶装置とを備えるマイクロコンピュータによって構成されている。制御部６０は、検査装置１００の各構成部を制御し、燃料電池２００の発電検査を実施する。制御部６０は、圧力計５６および圧力計５７からの検出値を用いて、燃料電池２００内部の冷却水流路の圧損を算出する。同様に、アノードガス給排系３０が備える圧力計の検出値を用いて、燃料電池２００内部のアノードガス流路の圧損を算出し、カソードガス給排系４０が備える圧力計の検出値を用いて、燃料電池２００内部のカソードガス流路の圧損を算出する。また、検査装置１００は、燃料電池２００の出力電流を検出する電流計（不図示）、出力電圧を検出する電圧計（不図示）を備え、それらの検出値が制御部６０に出力される。制御部６０は、上記の検出値を利用して、燃料電池２００の異常（出力電流、出力電圧の異常や、反応ガス流路、冷却水流路の閉塞）の有無を検査する。検査結果（異常の有無）は、例えば、検査装置１００が備える表示部に表示される。また、検査装置１００に接続された表示部に表示される構成にしてもよいし、音声、音により報知する構成にしてもよい。制御部６０は、冷却水流路の異常（閉塞）について、例えば、上記の通り算出された冷却水流路の圧損が閾値以上の場合に異常（閉塞）と、判定する。

図２は、排気管４２および接続管５８の構成を概念的に示す説明図である。排気管４２は、管径が縮径する縮径部４２１を備える。そして、接続管５８は、一端が冷却水タンク５１に接続され、他端が排気管４２の縮径部４２１に接続されている。接続管５８は、排気管４２に対して接続角度θで接続されている。本実施形態において、接続角度θは、約３０°〜６０°である。ここで、接続管５８において、冷却水タンク５１内の気体が排気管４２に流れ込む方向が、排気管４２内のカソード排ガスが流れる方向と一致する接続角度θを０°、冷却水タンク５１内の気体が排気管４２に流れ込む方向が、排気管４２内のカソード排ガスが流れる方向とが真逆になる接続角度θを１８０°として定義する。冷却水タンク５１には、冷却水と気体（空気）が収容されており、接続管５８は、気体側（図２において上側）に接続されている。

排気管４２は、縮径部４２１を備えるため、排気管４２を流れるガスの流量が一定の場合、縮径部４２１における圧力が低くなる（いわゆる、ベンチュリー効果）。接続管５８は、縮径部４２１に接続されているため、開閉弁５９が開弁されると、負圧により冷却水タンク５１内の気体が吸い上げられ、排気管４２を流れるガスと共に、排気管４２を介して外部に排出される（図２において、破線矢印で示す）。その結果、冷却水タンク５１内の圧力が低下し、冷却水が気泡を内包する場合には、冷却水中の気泡が放出される。

図３は、本実施形態の検査装置１００を用いて実施される燃料電池の発電検査の流れを示す説明図である。１つの燃料電池２００に対して、図３に示す工程１〜７が実施され、終了すると、別の燃料電池を検査装置１００に付け替えて、同様の工程が行われる。

工程１では、配管のリークチェックを行う。工程２では、制御部６０は、燃料電池２００のアノードガス流路およびカソードガス流路に窒素ガス（Ｎ_２ガス）を供給して、窒素ガス置換工程を実施する。窒素ガス置換工程を行うことにより、燃料電池残電圧を低減すると共に、反応ガス流路内に不活性ガスを満たすことにより、アノードガス（水素ガス）と空気との直接燃焼を低減する。本実施形態では、工程２において、制御部６０は、窒素ガスの供給前に、開閉弁５９（図１）を開弁し、窒素ガス供給停止直前に開閉弁５９を閉弁する。このようにすることにより、工程２において、冷却水タンク５１内の気体が排気管４２内を流れる窒素ガスと共に外部に排出され、冷却水タンク５１内の冷却水の脱泡を行うことができる。その後、制御部６０は、燃料電池２００に反応ガスを供給して燃料電池２００の慣らし運転をし（工程３）、続いて、燃料電池２００に反応ガスを供給すると共に、冷却水を供給して発電検査（出力）（工程４）、発電検査（圧損）（工程５）を実施して、反応ガスおよび冷却水の供給を停止する。工程６では、工程２と同様に、燃料電池２００のアノードガス流路およびカソードガス流路に窒素ガス（Ｎ_２ガス）を供給して、各流路をパージする。工程６では、配管の水抜きを行う。

燃料電池の発電検査では、検査対象の燃料電池２００に検査装置１００（図１）の配管３３，３４，４１，排気管４２，配管５４，５５（以下、これらの管を区別しないときには、単に「配管」と称する）を接続すると共に、電圧計、電流計等を取付けて、検査装置１００に燃料電池２００をセットした後、上記工程１〜７を実施し、終了すると、次の検査対象の燃料電池２００に交換する。具体的には、検査が終了した燃料電池２００から配管を取り外し、新たな検査対象の燃料電池２００に、配管を付け替える。このように、燃料電池２００を交換する場合には、配管を脱着するため、配管には空気が内在する。発電検査において、冷却水が循環されると、配管に内在する空気中の酸素、二酸化炭素等が次第に冷却水に溶融する。そして、冷却水中の気体の濃度が閾値を超えると、燃料電池２００の発電に伴う発熱による冷却水の温度上昇により、冷却水に溶融した気体が気泡となり、冷却水中に存在する。制御部６０は、冷却水の質量流量が一定になるように、流量計の検出値に基づいて冷却水の供給を制御しており、流量計は主に水のみを検知するため、冷却水が気泡を内包する場合には、燃料電池２００に供給される冷却水の体積流量が、気泡の分だけ上昇する。その結果、冷却水入口圧力が上昇し、冷却水流路圧損が大きくなる。

従来の燃料電池の検査装置では、冷却水の脱泡を行う構成を有していない。そのため、燃料電池の発電検査において、燃料電池２００の内部冷却水流路における圧損を用いて冷却水流路の閉塞を検出する場合に、上記のように冷却水流路圧損が大きくなると、制御部６０が、燃料電池の内部冷却水流路において閉塞が生じていないにもかかわらず、閉塞が生じていると判定する場合がある。すなわち、誤判定が行われる場合がある。

これに対し、本実施形態の検査装置１００では、接続管５８により冷却水タンク５１が４２に接続されているため、容易に、冷却水タンク５１内の冷却水の脱泡を行うことができる。そして、発電検査（圧損）工程（工程５）を実施する前に、冷却水タンク５１内の冷却水の脱泡を行っておくことにより、冷却水に溶融されて蓄積される気体の量を抑制することができ、冷却水における気泡の発生を抑制することができる。その結果、冷却水に内包される気泡による冷却水入口圧力の上昇を抑制することができ、冷却水流路の閉塞の誤判定を抑制することができる。比較例として、排気管４２が縮径部４２１を備えず、接続管５８および開閉弁５９を備えない構成の検査装置を用いて燃料電池の発電検査を実施した。比較例の検査装置を用いて燃料電池２００の発電検査を行った場合は、冷却水流路の閉塞の誤判定の発生頻度が１０％であったのに対し、本実施形態の検査装置１００を用いて燃料電池２００の発電検査を行った場合は、冷却水流路の閉塞の誤判定の発生頻度が０％であった。

Ｂ．変形例：
（１）上記実施形態において、排気管４２が縮径部４２１を備え、冷却水タンク５１が接続管５８を介して排気管４２に接続される例を示したが、配管３５が縮径部を備えると共に、接続管５８が配管３５の縮径部に接続され、冷却水タンク５１が接続管５８を介して配管３５に接続される構成にしてもよい。また、検査装置が、アノード排ガス中の残余の水素ガスを、カソード排ガスを用いて燃焼するための燃焼部を備え、燃焼部を介して排出される排ガスが流れる排気管（縮径部を備える）と、冷却水タンクとを接続管を介して接続する構成にしてもよい。このようにしても、冷却水タンク内の冷却水の脱泡を行うことができる。

（２）上記実施形態において、排気管４２と接続管５８との接続角度θを、３０°〜６０°とする例を示したが、これに限定されない。但し、０°＜接続角度θ＜９０°とすると、排気管４２から接続管５８へ、ガスが逆流するのを抑制することができるため、好ましい。１５°≦接続角度θ≦７５°とすると、さらに好ましい。３０°≦接続角度θ≦６０°とすると、さらに好ましい。

（３）上記実施形態では、燃料電池の発電検査において、窒素ガス置換工程において、冷却水の脱泡を行っているが、このタイミングに限定されない。例えば、発電検査工程において行ってもよいし、窒素ガスパージ工程において行ってもよい。また、上記実施形態に示した工程と別に、脱泡用の工程を設けてもよい。但し、窒素ガス置換工程において、脱泡工程を実施すると、脱泡専用の工程を設ける必要がなく、検査時間が増加しないため、好ましい。また、発電検査工程において脱泡を行う場合には、排気管４２へのカソード排ガスの量が変動する可能性があるのに対し、窒素ガス置換工程において脱泡を行えば、排気管４２を流れるガスの量が略一定であるため、脱泡をより安定して行うことができるため、好ましい。

（４）上記実施形態において、接続管５８上に開閉弁５９を備えない構成にしてもよい。このようにすると、燃料電池の発電検査の実施中に、排気管４２を流れる窒素ガス、カソード排ガスの流れに伴い、冷却水タンク５１内の冷却水の脱泡を行うことができる。但し、開閉弁５９を備え、排気管４２を流れるガスの量が略一定となる期間に、開弁することにより、より安定して冷却水の脱泡を行うことができるため、好ましい。

（５）上記実施形態において、燃料電池２００を冷却するための冷却液として冷却水を用いているが、エチレングリコール、プロピレングリコール等を主成分とする不凍液（いわゆる、ＬＬＣ）を用いてもよい。但し、燃料電池の発電検査において用いる冷却液としては、冷却性能が高い冷却水を用いるのが好ましい。

本開示技術は、上述の実施形態や変形例に限られるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲において種々の構成で実現することができる。例えば、発明の概要の欄に記載した各形態中の技術的特徴に対応する実施形態、変形例中の技術的特徴は、上述の課題の一部または全部を解決するために、あるいは、上述の効果の一部または全部を達成するために、適宜、差し替えや、組み合わせを行うことが可能である。また、その技術的特徴が本明細書中に必須なものとして説明されていなければ、適宜、削除することが可能である。

３０…アノードガス給排系
３１…水素タンク
３２…インジェクタ
３３…配管
３４…配管
３５…配管
３６…水素ポンプ
３７…配管
３９…シャット弁
４０…カソードガス給排系
４１…配管
４２…排気管
４３…エアフロメータ
４４…エアコンプレッサ
４６…調圧弁
５０…冷却系
５１…冷却水タンク
５２…冷却水ポンプ
５３…熱交換器
５４…配管
５５…配管
５６…圧力計
５７…圧力計
５８…接続管
５９…開閉弁
６０…制御部
１００…検査装置
２００…燃料電池
４２１…縮径部

Claims (1)

1. 燃料電池の検査装置であって、
   前記燃料電池に接続され、前記燃料電池から排出される排ガスが流れる排気管であって、縮径する縮径部を備える排気管と、
   前記燃料電池を冷却するための冷却液を収容する冷却液タンクと、
   前記排気管と前記冷却液タンクとを、前記冷却液タンク内の気体が前記排気管側に排出可能に接続する接続管であって、前記排気管の前記縮径部に接続される接続管と、
   を備える、燃料電池の検査装置。

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