JP7050027B2 - ガス漏れ検査方法及びガス漏れ検査装置 - Google Patents

Description

本発明は、ガス漏れ検査方法及びガス漏れ検査装置に関する。

従来より、例えば、固体高分子型燃料電池の単位セルにおいては、固体高分子電解質膜の両側に触媒層を密着させた膜電極接合体（ＭＥＡ）に対して、その外側に設けられたガス拡散層を介して、各セパレータの反応ガス流路から、燃料ガスと、酸化剤である酸素または空気とが導入される。燃料ガスはアノードに導入され、酸素または空気はカソードに導入される。燃料ガスとしては、例えば、水素が用いられる（例えば、特許文献１参照）。また、水素の漏れを抑えるために、シール材が用いられる。

特開２００５－２７６７２９号公報

上述のように、固体高分子型燃料電池の単位セルのアノードには、燃料ガスとして例えば水素を導入するため、燃料ガスの漏れを圧力検査により測定しておく必要がある。水素分子はサイズが小さいため、僅かな量ではあるがシール材を透過する。このため、燃料ガスの漏れとしては、シール材の透過によるものと、シール材と他の部材との間に生じている隙間によるものとがある。また、燃料電池、補器等にそれぞれ用いられるシール材は、水素の透過率がそれぞれ異なる。

しかし、水素の漏れを検査する圧力検査においては、水素の透過やリークの総量で評価を行っており、どこの部位から透過やリークが発生しているかの特定ができなかった。部位（材料、材質、形状）毎に分けて評価を行いたいときは、それぞれ異なった回路となる様デザインを行う必要があった。

本発明は、複数のシール材のうちのいずれから透過しているかを特定することが可能なガス漏れ検査方法及びガス漏れ検査装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため本発明は、被検査対象部材（例えば、後述の燃料電池１０、気液分離装置１３、インジェクタ３３）の内側に検査対象ガスを導入し、前記被検査対象部材をシールする透過係数が異なる第１シール材（例えば、後述の第１のシール材（部位Ａ）及び第２シール材（例えば、後述の第２のシール材（部位Ｂ））の外側への検査対象ガスを測定して、前記第１シール材及び第２シール材の外側へのガス漏れを検査するガス漏れ検査方法であって、前記測定する工程は、時系列で前記第１シール材及び前記第２シール材の外側へのガス量を測定するガス量測定工程と、前記検査対象ガスを導入してから第１の所定時間経過後に、単位時間当たりの前記外側へのガス量の傾きの第１の変曲点を検出したときに、前記検査対象ガスが前記第１シール材を透過した第１の透過状態と判定し、単位時間当たりの前記外側へのガス量の傾きの第２の変曲点を検出したときに、前記検査対象ガスが前記第２シール材を透過した第２の透過状態と判定する判定工程と、を有するガス漏れ検査方法を提供する。

本発明によれば、第１の変曲点、第２の変曲点を検出し、第１シール材、第２シール材の個々の検査対象ガスの透過量を比較することにより、変曲点に基づき検査対象ガスが透過しているシール材の箇所の差別化を行い、いずれのシール材において透過のみならず、漏れが生じていることを特定することが可能となる。
また、全体の検査対象ガスの漏れ量を得ることにより判定を行うため、製品設計で部位を切り分けて検査を行う必要性が無く、透過要件と高い製品設計の自由度を両立させることが可能となる。この結果、デザイン性の高い自由度を実現できる。

そして、前記ガス量測定工程では、前記第１シール材及び前記第２シール材を備える前記被検査対象部材を気密に取り囲むようにして前記第１シール材及び前記第２シール材の外側の前記検査対象ガスの圧力を測定して、前記第１シール材及び前記第２シール材の外側のガス漏れを検査する。

このため、第１シール材、第２シール材を備える被検査対象部材を気密に取り囲むようにして、第１シール材、第２シール材の外側の圧力を測定することにより、被検査対象部材における検査対象ガスの透過や漏れを検出することが可能となる。

また、本発明は、被検査対象部材（例えば、後述の燃料電池１０、気液分離装置１３、インジェクタ３３）の内側に検査対象ガスを導入するガス導入部（例えば、後述の水素ガス供給装置３０）と、前記被検査対象部材をシールする透過係数が異なる第１シール材（例えば、後述の第１のシール材（部位Ａ）及び第２シール材（例えば、後述の第２のシール材（部位Ｂ）の外側への検査対象ガスを測定するガス測定部（例えば、後述の圧力計２２）と、を備えるガス漏れ検査装置（例えば、後述のガス漏れ検査装置１）であって、前記ガス測定部は、時系列で前記第１シール材及び前記第２シール材の外側へのガス量を測定し、前記検査対象ガスを導入してから第１の所定時間（例えば、後述の第１の所定時間
ｔ１）経過後に、単位時間当たりの前記外側へのガス量の傾きの第１の変曲点を検出したときに、前記検査対象ガスが前記第１シール材を透過した第１の透過状態と判定し、単位時間当たりの前記外側へのガス量の傾きの第２の変曲点を検出したときに、前記検査対象ガスが前記第２シール材を透過した第２の透過状態と判定する判定部（例えば、後述の判定部５１）を備えるガス漏れ検査装置を提供する。

本発明によれば、第１の変曲点、第２の変曲点を検出し、第１シール材、第２シール材の個々の検査対象ガスの透過量を比較することにより、変曲点に基づき検査対象ガスが透過しているシール材の箇所の差別化を行い、いずれのシール材において透過のみならず、漏れが生じていることを特定することが可能となる。
また、全体の検査対象ガスの漏れ量を得ることにより判定を行うため、製品設計で部位を切り分けて検査を行う必要性が無くなり、透過要件と高い製品設計の自由度を両立させることが可能となる。この結果、デザインの高い自由度を実現できる。

そして、前記ガス測定部は、前記被検査対象部材を気密に取り囲み、前記第１シール材及び前記第２シール材の外側の前記検査対象ガスの圧力を測定して、前記第１シール材及び前記第２シール材の外側のガス漏れを検査するシール材外側検査部（例えば、後述のシール材外側検査部１１）を備える。

このため、第１シール材、第２シール材を備える被検査対象部材を気密に取り囲むようにしてシール材外側検査部を設けて、第１シール材、第２シール材の外側であって、シール材外側検査部の内部の圧力を測定することにより、被検査対象部材における検査対象ガスの透過や漏れを検出することが可能となる。

本発明によれば、複数のシール材のうちのいずれから透過しているかを特定することが可能なガス漏れ検査方法及びガス漏れ検査装置を提供することができる。

本発明の一実施形態によるガス漏れ検査装置を示す概略図である。 本発明の一実施形態によるガス漏れ検査装置を示すブロック図である。 本発明の一実施形態によるガス漏れ検査装置により燃料電池における複数のシール材が検査される様子を説明する図である。 本発明の一実施形態によるガス漏れ検査装置によりいずれのシール材から透過しているかの判断を説明するグラフである。

以下、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。図１は、ガス漏れ検査装置１を示す概略図である。図２は、ガス漏れ検査装置１を示すブロック図である。図３は、ガス漏れ検査装置１により燃料電池１０における複数のシール材が検査される様子を説明する図である。図４は、ガス漏れ検査装置１によりいずれのシール材から透過しているかの判断を説明するグラフである。
ガス漏れ検査装置１は、燃料電池システムにおける水素ガスの漏れを検出するための装置である。以下、ガス漏れ検査装置１、及び、ガス漏れ検査装置１により検査が行われる燃料電池システムについて説明する。

燃料電池システムは、アノードガスとしての水素ガスおよびカソードガスとしてのエア（空気）を反応させて発電する燃料電池１０と、燃料電池１０に水素ガスを供給する水素ガス供給装置３０と、燃料電池１０にエアを供給する図示しないエア供給装置と、これらを制御する制御装置５０とを有する。
また、ガス漏れ検査装置１は、水素ガス供給装置３０により構成されるガス導入部と、圧力計２１、２２、２３により構成されるガス測定部と、制御装置５０により構成される判定部５１と、シール材外側検査部１１とを有している。

燃料電池１０は、例えば、数十個から数百個のセルが積層されたスタック構造である。各セルは、膜電極構造体（ＭＥＡ）を一対のセパレータで挟持して構成される。膜電極構造体は、アノード電極およびカソード電極の２つの電極と、これら電極に挟持された固体高分子電解質膜とで構成される。通常、両電極は、固体高分子電解質膜に接して酸化・還元反応を行う触媒層と、この触媒層に接するガス拡散層とから形成される。

このような燃料電池１０は、アノード電極側に形成された図示しないアノード流路に水素ガスが供給され、カソード電極側に形成された図示しないカソード流路に酸素を含むエアが供給されると、これらの電気化学反応により発電する。

ボンベにより構成される水素タンク３２は、アノードガス供給路としての水素供給路３５を介して、燃料電池１０のアノード流路に水素ガスを供給する。水素供給路３５には、インジェクタ３３が設けられている。インジェクタ３３は、水素還流路３６を流通する水素オフガスを回収し、水素供給路３５に還流する。水素タンク３２とインジェクタ３３との間の水素供給路３５の部分には、水素タンク３２から供給される水素ガスを減圧するレギュレータ３１と、圧力計２１とが、この順で水素ガスの流れにおける上流側から下流側に向かって設けられている。

燃料電池１０のアノード流路の他端側には、燃料電池１０から排出される水素オフガスが流通するアノードオフガス還流路としての水素還流路３６が接続される。この水素還流路３６の入口側には気液分離装置１３が設けられている。水素還流路３６の先端側は、インジェクタ３３に接続されている。インジェクタ３３は、水素還流路３６を流通する水素オフガスを回収し、水素供給路３５に還流する。

気液分離装置１３には、水素排出路３７及び図示しない掃気ガス排出路が、それぞれ分岐している。水素排出路３７と掃気ガス排出路の先端側は、図示しない希釈器に接続される。

水素排出路３７には、この水素排出路３７を開閉する背圧弁１２が設けられている。この背圧弁１２を開状態とすることにより、水素還流路３６を流通するガスを中流量で図示しない希釈器に排出可能である。なお、図示しない掃気ガス排出路にも掃気ガス排出路を開閉する図示しない掃気ガス排気弁が設けられている。

図示しない希釈器は、水素排出路３７および図示しない掃気ガス排出路を介して導入された水素オフガスを希釈して、燃料電池システムの外部に放出する。

シール材外側検査部１１は、燃料電池１０、気液分離装置１３、及び、インジェクタ３３を気密に取り囲む容器により構成されている。

圧力計２１は、レギュレータ３１によって減圧された水素ガスの圧力を時系列に測定する。圧力計２１は、制御装置５０に電気的に接続されており、制御装置５０によって、圧力計２１により測定された圧力の値に基づいて、レギュレータ３１からインジェクタ３３へ流れる水素ガスの量が算出される。

圧力計２２は、シール材外側検査部１１の内部の水素ガスの圧力を測定する。圧力計２２は、制御装置５０に電気的に接続されており、制御装置５０によって、圧力計２２により測定された圧力の値に基づいて、シール材外側検査部１１の内部の水素ガスの量が算出される。

圧力計２３は、背圧弁１２からの水素ガスの圧力を測定する。圧力計２３は、制御装置５０に電気的に接続されており、制御装置５０によって、圧力計２３により測定された圧力の値に基づいて、背圧弁１２からの水素ガスの量が算出される。

制御装置５０は、判定部５１を有している。判定部５１は、圧力計２２により時系列に測定された圧力の値に基づくシール材外側検査部１１の内部の水素ガスの量に基づいて、検査対象ガスである水素ガスを導入してから第１の所定時間ｔ１（図４参照）経過後に、単位時間当たりの外側へのガス量のグラフの第１の変曲点を検出したときに、検査対象ガスが第１シール材を透過した第１の透過状態と判定し、第２の所定時間ｔ２経過後に、単位時間当たりの外側へのガス量のグラフの第２の変曲点を検出したときに、検査対象ガスが第２シール材を透過した第２の透過状態と判定する。この判定の詳細については後述する。

次に、ガス漏れ検査方法について説明する。
先ず、シール材外側検査部１１により気密に収容されたインジェクタ３３、燃料電池１０、気液分離装置１３にそれぞれ設けられている、水素ガスの透過量が異なる第１のシール材（部位Ａ）、第２のシール材（部位Ｂ）、第３のシール材（部位Ｃ）のそれぞれにおいて、水素ガスが透過している場合の水素ガスの透過量のグラフ（傾き）を予め取得する。具体的には、図４における部位Ａ、部位Ｂ、部位Ｃのそれぞれの直線のグラフ（傾き）を予め取得する。

次に、被検査対象部材としての燃料電池１０、及び補器であるインジェクタ３３及び気液分離装置１３の内側（内部）に、水素タンク３２から検査対象ガスである水素ガスを導入する。そして、ガス量測定工程を行う。ガス量測定工程では、第１シール材、第２シール材、及び、第３シール材の外側、即ち、シール材外側検査部１１により気密に収容されたインジェクタ３３、燃料電池１０、気液分離装置１３の外側、且つ、シール材外側検査部１１の内側の圧力を圧力計２２によって測定することにより、単位時間当たりの、第１のシール材（部位Ａ）、第２のシール材（部位Ｂ）、第３のシール材（部位Ｃ）の外側への水素ガスの量（全体の水素ガスの漏れ量）を測定する。

即ち、シール材外側検査部１１により気密に収容されたインジェクタ３３、燃料電池１０、気液分離装置１３にそれぞれ設けられている第１のシール材（部位Ａ）、第２のシール材（部位Ｂ）、第３のシール材（部位Ｃ）においては、前述のように、それぞれ水素ガスの透過量が異なる。また水素ガスの透過タイミングが各部位Ａ、Ｂ，Ｃにおいて異なる。このため、水素ガスがリークしておらず、透過しているのみの場合には、図４において「全体」のグラフとして示すように、左側の変曲点（第１の変曲点）に至るまでの間には、第１のシール材（部位Ａ）のみにおいて水素ガスが透過している量のみが検出されて第１の所定の傾きを有する直線のグラフを描く。

そして、描かれたグラフに基づく判定工程を行う。判定工程では、第１の所定時間ｔ１経過後に左側の変曲点（第１の変曲点）を過ぎると、第１のシール材（部位Ａ）及び第２のシール材（部位Ｂ）において水素ガスが透過している量が検出されて、第１のシール材（部位Ａ）のみにおいて水素ガスが透過している量のみが検出されて描かれる第１の所定の傾きと、第２のシール材（部位Ａ）のみにおいて水素ガスが透過している量のみが検出されて描かれる第２の所定の傾きと、の和の傾きを有する直線のグラフを描く。これにより、判定部５１は、水素ガスが第１のシール材を透過して第２のシール材を透過し始めたと判定する。

そして、右側の変曲点（第２の変曲点）を過ぎると、第１のシール材（部位Ａ）、第２のシール材（部位Ｂ）、及び、第３のシール材（部位Ｃ）において水素ガスが透過している量が検出されて、第１のシール材（部位Ａ）のみにおいて水素ガスが透過している量のみが検出されて描かれる第１の所定の傾きと、第２のシール材（部位Ｂ）のみにおいて水素ガスが透過している量のみが検出されて描かれる第２の所定の傾きと、第３のシール材（部位Ｃ）のみにおいて水素ガスが透過している量のみが検出されて描かれる第３の所定の傾きと、の和の傾きを有する直線のグラフを描く。これにより、判定部５１は、水素ガスが第２のシール材を透過して第３のシール材を透過し始めたと判定する。

そして、判定部５１は、以上のようにして得られた、第１のシール材（部位Ａ）、第２のシール材（部位Ｂ）、及び、第３のシール材（部位Ｃ）の外側の水素ガスの量を検出した全体のグラフと、ガス漏れ検査方法による検査開始前に予め得た第１のシール材（部位Ａ）、第２のシール材（部位Ｂ）、第３のシール材（部位Ｃ）のそれぞれにおける水素ガスの透過のグラフと比較することにより、第１のシール材（部位Ａ）、第２のシール材（部位Ｂ）、第３のシール材（部位Ｃ）のそれぞれにおける水素ガスの透過量を比較する。これにより、判定部５１は、第１のシール材（部位Ａ）、第２のシール材（部位Ｂ）、及び、第３のシール材（部位Ｃ）においては、透過のみが生じており、漏れ（リーク）が生じていないことを判定する。

ガス漏れ検査方法による検査を開始して、水素ガスを燃料電池１０及び補器（インジェクタ３３、気液分離装置１３）の内部に導入し始めてから、第１の所定の時間ｔ１から外れて第１の変曲点が検出されたり、第２の所定の時間ｔ２から外れて第２の変曲点が検出されたりした場合には、シール材における透過のみならず、漏れ（リーク）等が発生していることを、判定部５１は判定する。
同様に、全体のグラフにおける第１の所定の時間ｔ１よりも前の時刻の部分が、第１のシール材（部位Ａ）のみにおいて水素ガスが透過している量のみが検出されて描かれる第１の所定の傾きとは異なる傾きを有する場合や、全体のグラフにおける第１の所定の時間ｔ１と第２の所定の時間ｔ２との間の時刻の部分が、第１のシール材（部位Ａ）のみにおいて水素ガスが透過している量のみが検出されて描かれる第１の所定の傾きと、第２のシール材（部位Ｂ）のみにおいて水素ガスが透過している量のみが検出されて描かれる第２の所定の傾きと、の和の傾きとは異なる傾きを有する場合や、全体のグラフにおける第２の所定の時間ｔ２よりも後の時刻の部分が、第１のシール材（部位Ａ）のみにおいて水素ガスが透過している量のみが検出されて描かれる第１の所定の傾きと、第２のシール材（部位Ｂ）のみにおいて水素ガスが透過している量のみが検出されて描かれる第２の所定の傾きと、第３のシール材（部位Ｃ）のみにおいて水素ガスが透過している量のみが検出されて描かれる第３の所定の傾きと、の和の傾きとは異なる傾きを有する場合には、シール材における透過のみならず、漏れ（リーク）等が発生していることを、判定部５１は判定する。

本実施形態によれば、以下の効果が奏される。
本実施形態によるガス漏れ検査方法は、検査対象ガスを導入してから第１の所定時間ｔ１経過後に、単位時間当たりの外側へのガス量のグラフ（傾き）の第１の変曲点を検出したときに、検査対象ガスが第１シール材（部位Ａ）を透過した第１の透過状態と判定し、単位時間当たりの外側へのガス量のグラフ（傾き）の第２の変曲点を検出したときに、検査対象ガスが第２シール材（部位Ｂ）を透過した第２の透過状態と判定する判定工程と、を有する。
また、本実施形態によるガス漏れ検査装置１は、検査対象ガスを導入してから第１の所定時間ｔ１経過後に、単位時間当たりの外側へのガス量のグラフの第１の変曲点を検出したときに、検査対象ガスが第１シール材（部位Ａ）を透過した第１の透過状態と判定し、単位時間当たりの外側へのガス量のグラフの第２の変曲点を検出したときに、検査対象ガスが第２シール材（部位Ｂ）を透過した第２の透過状態と判定する判定部５１を備える。

これにより、第１の変曲点、第２の変曲点を有する全体のグラフ（傾き）と、第１シール材、第２シール材、第３シール材の個々の水素ガスの透過量のグラフ（傾き）とを比較することにより、変曲点の位置に基づき水素ガスが透過しているシール材の箇所の差別化を行い、いずれのシール材において透過のみならず、漏れが生じていることを特定することが可能となる。
また、全体の水素ガスの漏れ量を得ることにより判定を行うため、製品設計で部位を切り分けて検査を行う必要性が無くなり、透過要件と高い製品設計の自由度を両立させることが可能となる。この結果、デザイン性の高い自由度を実現できる。

また、本実施形態によるガス漏れ検査方法のガス量測定工程では、第１シール材（部位Ａ）及び第２シール材（部位Ｂ）を備える、燃料電池１０、気液分離装置１３、及びインジェクタ３３を気密に取り囲むようにして第１シール材（部位Ａ）及び第２シール材（部位Ｂ）の外側の検査対象ガスとしての水素ガスの圧力を測定して、第１シール材及び第２シール材の外側のガス漏れを検査する。また、本実施形態によるガス漏れ検査装置１のガス測定部としての圧力計２２は、燃料電池１０、気液分離装置１３、及びインジェクタ３３を気密に取り囲み、第１シール材及び第２シール材の外側の水素ガスの圧力を測定して、第１シール材、第２シール材、及び、第３シール材の外側のガス漏れを検査する。

これにより、第１シール材、第２シール材、及び、第３シール材を備える燃料電池１０、インジェクタ３３、及び、気液分離装置１３を気密に取り囲むようにしてシール材外側検査部１１を設けて、第１シール材、第２シール材、及び、第３シール材の外側であって、シール材外側検査部１１の内部の圧力を測定することにより、燃料電池１０、インジェクタ３３、及び、気液分離装置１３における水素ガスの透過や漏れを検出することが可能となる。

本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の目的を達成できる範囲での変形、改良等は本発明に含まれる。
例えば、本実施形態によるス漏れ検査方法では、第１シール材、第２シール材、及び、第３シール材の外側の検査対象ガスとしての水素ガスの圧力を測定し、また、本実施形態によるガス測定部では、第１シール材、第２シール材、及び、第３シール材の外側の検査対象ガスとしての水素ガスの圧力を測定して、第１シール材、第２シール材、及び、第３シール材の外側のガス漏れを検査したが、この構成に限定されない。例えば、水素タンク３２内の水素ガスが減った量を検出して、水素ガスが透過又は漏れた（リークした）ことを判定してもよい。

１…ガス漏れ検査装置
１０…燃料電池
１１…シール材外側検査部
１３…気液分離装置
２１…圧力計
２２…圧力計
２３…圧力計
３０…水素ガス供給装置
３１…レギュレータ
３２…水素タンク
３３…インジェクタ
５１…判定部
ｔ１…第１の所定時間
ｔ２…第２の所定時間

Claims (4)

1. 被検査対象部材の内側に検査対象ガスを導入し、
   前記被検査対象部材をシールする透過係数が異なる第１シール材及び第２シール材の外側への検査対象ガスを測定して、前記第１シール材及び第２シール材の外側へのガス漏れを検査するガス漏れ検査方法であって、
   前記測定する工程は、時系列で前記第１シール材及び前記第２シール材の外側へのガス量を測定するガス量測定工程と、
   前記検査対象ガスを導入してから第１の所定時間経過後に、単位時間当たりの前記外側へのガス量の傾きの第１の変曲点を検出したときに、前記検査対象ガスが前記第１シール材を透過した第１の透過状態と判定し、単位時間当たりの前記外側へのガス量の傾きの第２の変曲点を検出したときに、前記検査対象ガスが前記第２シール材を透過した第２の透過状態と判定する判定工程と、を有するガス漏れ検査方法。
2. 前記ガス量測定工程では、前記第１シール材及び前記第２シール材を備える前記被検査対象部材を気密に取り囲むようにして前記第１シール材及び前記第２シール材の外側の前記検査対象ガスの圧力を測定して、前記第１シール材及び前記第２シール材の外側のガス漏れを検査する請求項１に記載のガス漏れ検査方法。
3. 被検査対象部材の内側に検査対象ガスを導入するガス導入部と、
   前記被検査対象部材をシールする透過係数が異なる第１シール材及び第２シール材の外側への検査対象ガスを測定するガス測定部と、を備えるガス漏れ検査装置であって、
   前記ガス測定部は、時系列で前記第１シール材及び前記第２シール材の外側へのガス量を測定し、
   前記検査対象ガスを導入してから第１の所定時間経過後に、単位時間当たりの前記外側へのガス量の傾きの第１の変曲点を検出したときに、前記検査対象ガスが前記第１シール材を透過した第１の透過状態と判定し、単位時間当たりの前記外側へのガス量の傾きの第２の変曲点を検出したときに、前記検査対象ガスが前記第２シール材を透過した第２の透過状態と判定する判定部を備えるガス漏れ検査装置。
4. 前記ガス測定部は、前記被検査対象部材を気密に取り囲み、前記第１シール材及び前記第２シール材の外側の前記検査対象ガスの圧力を測定して、前記第１シール材及び前記第２シール材の外側のガス漏れを検査するシール材外側検査部を備える請求項３に記載のガス漏れ検査装置。
   

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