JP7096067B2 - 燃料電池観察装置 - Google Patents

Description

本発明は、燃料電池観察装置に関する。

中性子線を照射して物質内部の水分量を検知する技術が、特許文献１などにより知られている。燃料電池の研究開発において、この技術を、発電動作中での燃料電池の内部における生成水の分布の観察に適用する試みがなされている。

特開２００２－０１４１７１号公報

観察対象の燃料電池セルは、予め冷凍庫などで低温に冷やされ、低温状態から発電動作を行う。低温状態の燃料電池セルの表面には、周囲環境における飽和蒸気圧温度との差に応じた量の結露が生じる。燃料電池セルの表面に結露が生じると、燃料電池セル内部における生成水の観察精度が低下するという問題があった。

本発明は、以上の背景に鑑みなされたものであり、結露の発生に起因する燃料電池セル内部における生成水の観察精度の低下を防止することができる燃料電池観察装置を提供することを目的とする。

本発明は、中性子線を照射して燃料電池セルの内部に生成した水の分布を観察する燃料電池観察装置であって、前記燃料電池セルに対して中性子線を照射する中性子線照射装置と、表面結露防止用ガスを噴射するガス噴射機構と、を備え、前記ガス噴射機構が、前記燃料電池セルの内部に生成した水の分布の観察時に、前記燃料電池セルの表面に対して前記表面結露防止用ガスを噴射するものである。

観察対象の燃料電池セルは、予め冷凍庫などで低温に冷やされているが、表面結露防止用ガスの噴射により燃料電池セルの表面付近の水蒸気を持ち去るようにすることで、結露の発生を抑制することができる。これにより、結露の発生に起因する燃料電池セル内部における生成水の観察精度の低下を防止することができる。

前記燃料電池セルの表面の温度と前記燃料電池セルの周囲の露点温度とを測定する温湿度計をさらに備え、前記燃料電池セルの内部に生成した水の分布の観察中に、前記温湿度計で測定した前記燃料電池セルの表面の温度が、前記温湿度計で測定した前記露点温度より高くなった場合、前記ガス噴射機構が、前記燃料電池セルの表面に対する前記表面結露防止用ガスの噴射を停止するようにしてもよい。

前記ガス噴射機構におけるガス噴射ノズルの開口の長手方向における幅を、前記燃料電池セルの長手方向における幅よりも長くしてもよい。これにより、ガス噴射ノズルから噴射させた表面結露防止用ガスを、燃料電池セルの表面に対してより均等に吹き付けることができる。

燃料電池セルの内部に生成した水の分布の観察において、前記燃料電池セルの鉛直方向に対する傾斜角度を適宜変更することが可能な可動機構をさらに備えていてもよい。

本発明によれば、結露の発生に起因する燃料電池セル内部における生成水の観察精度の低下を防止することができる。

本実施の形態にかかる燃料電池観察装置の概略構成を示す模式図である。 本実施の形態にかかる燃料電池観察装置の支持部の可動機構を、図１における矢印Ａの方向から見た矢視図である。 本実施の形態にかかる燃料電池観察装置の噴射機構におけるガス噴射ノズルの形状を示す模式図である。 噴射機構から噴射される表面結露防止用気体の噴射制御方法における処理の流れについて示すフローチャートである。 中性子線照射による観察を開始してからの経過時間と燃料電池セルの観察表面の温度との関係を模式的に示すグラフである。

以下、発明の実施の形態を通じて本発明を説明するが、特許請求の範囲に係る発明を以下の実施形態に限定するものではない。また、実施形態で説明する構成の全てが課題を解決するための手段として必須であるとは限らない。説明の明確化のため、以下の記載及び図面は、適宜、省略、及び簡略化がなされている。各図面において、同一の要素には同一の符号が付されており、必要に応じて重複説明は省略されている。

まず、図１を参照して本実施の形態にかかる燃料電池観察装置１の概略構成について説明する。ここで、燃料電池観察装置１は、燃料電池セル２０の内部に生成した水の分布を可視化して観察するための装置である。図１は、本実施の形態にかかる燃料電池観察装置１の概略構成を示す模式図である。なお、図１は中性子線の発射位置の方から燃料電池セル２０の観察表面２０ａを見ている。図１に示すように、燃料電池観察装置１は、支持部２と、フード３と、ガス噴射機構４と、温湿度計５と、データロガー６と、制御部７と、中性子線照射装置８と、を備えている。

中性子線照射装置８は、燃料電池セル２０に対して中性子線を照射するための装置である。燃料電池セル２０の観察表面２０ａに向けて中性子線を発射し、内部の生成水を透過した中性子線や内部の生成水によって散乱された中性子線を計測することにより燃料電池セル２０の内部における生成水の分布を可視化することができる。

支持部２は、燃料電池セル２０を自立させ、支持するものである。支持部２によって、燃料電池セル２０の観察表面２０ａの姿勢を維持することができる。また、支持部２は、燃料電池セル２０を傾斜させるための可動機構を備えている。

図２は、支持部２の可動機構を、図１における矢印Ａの方向から見た矢視図である。図２中の矢印Ｂは中性子線の照射方向を示している。図２に示すように、支持部２は、支持具２ａと、台座部２ｂと、を有する。

支持具２ａは、燃料電池セル２０を固定支持し、燃料電池セル２０を固定支持している側と反対側には断面視で半円弧状の凸部２ａＡを有する。台座部２ｂは、支持部２における接地部分で、接地面の反対側には断面視で半円状の凹部２ｂＡが形成されている。凸部２ａＡは、凹部２ｂＡと摺動可能に嵌め合う。

図２の上段には、燃料電池セル２０の観察表面２０ａが鉛直方向に対して平行になっている状態を示されている。図２の中段には、燃料電池セル２０を、中性子線を照射する側にθ傾斜させた状態を示されている（θ＞０）。図２の下段には、燃料電池セル２０を、中性子線を照射する側にθ傾斜させた状態を示されている（θ＜０）。支持部２の可動機構によって燃料電池セル２０を傾斜させると、燃料電池セル２０の観察表面２０ａの結露水が流れ落ちるのを促進することができる。

なお、傾斜角度θは、鉛直方向を基準として±４５°未満に設定する。傾斜角度θをこのように設定するのは、燃料電池セル２０をこれ以上傾けても燃料電池セル２０の観察表面２０ａの結露水が流れ落ちる効果が促進されない上、かえって、中性子線照射による燃料電池セル２０内部の観察の妨げになるというデメリットが生じるためである。

再び図１を参照し、フード３は、燃料電池セル２０の周囲を覆うもので、燃料電池セル２０が破損等したときに破片の飛散を防止する役割を果たす。フード３は、半減期の比較的短い材質、例えば、アルミニウム材やチタン材により形成されている。ここで、半減期が比較的短い、とは、半減期が、数分オーダーまたは数時間オーダー（例えば２時間）であることを意味する。フード３の鉛直方向下方にはドレンパン１２が配置されている。ドレンパン１２には排水ポンプ１１が設けられており、排水ポンプ１１によりドレンパン１２内に溜まった排水を建屋排水管へと排出させる。

燃料電池セル２０には、燃料空気入口３ａ、燃料空気出口３ｂ、冷却ガス入口３ｃと、冷却ガス出口３ｄ、燃料水素入口３ｅ及び燃料水素出口３ｆが設けられている。このため、フード３には、燃料空気入口３ａ、燃料空気出口３ｂ、冷却ガス入口３ｃと、冷却ガス出口３ｄ、燃料水素入口３ｅ及び燃料水素出口３ｆをそれぞれ通すための貫通穴が形成されている。燃料空気入口３ａ、燃料空気出口３ｂには、それぞれ、燃料水素の供給配管、排気配管が接続される。燃料空気入口３ａ、燃料空気出口３ｂには、それぞれ、燃料空気の供給配管、排気配管が接続される。冷却ガス入口３ｃ、冷却ガス出口３ｄには、それぞれ、冷却ガスの供給配管、排気配管が接続される。燃料電池セル２０の冷却に用いる冷却ガスは、中性子線による観察の妨げとならないガス、例えば空気を用いる。

ガス噴射機構４は、表面結露防止用気体の噴射を行うためのもので、表面結露防止用ガスが高圧で封入されたガスボンベ４０、ガス噴射ノズル４１を含む。表面結露防止用気体は、例えば、窒素やアルゴンなどの不活性ガスや乾燥空気である。ガスボンベ４０とガス噴射ノズル４１とは接続配管４２によって接続されており、接続配管４２の途中には供給圧を調節するためのレギュレータ４３が設けられている。なお、表面結露防止用気体として乾燥空気を用いる場合にも、表面結露防止用気体と冷却ガスとは共通のラインにせず、それぞれ別ラインにする。これは、結露防止用気体と冷却ガスとを共通ラインにした場合、エアコンプレッサが過大になるためである。

図３は、ガス噴射機構４におけるガス噴射ノズル４１の形状を示す模式図である。図３の左側が中性子線の発射位置から燃料電池セル２０の観察表面２０ａを見た図（図１と同じ）、図３の右側が図１における矢印Ａの方向から見た図である。図３に示すように、ガス噴射ノズル４１の開口４１ａの長手方向における幅Ｗ１は、燃料電池セル２０の観察表面２０ａの長手方向における幅Ｗ２より長く設定する（Ｗ１＞Ｗ２）。これにより、ガス噴射ノズル４１の燃料電池セル２０の観察表面２０ａに対して、表面結露防止用ガスを均等に吹き付けることができる。

ガス噴射ノズル４１の開口４１ａの厚みｔは所定の風量Ｑ以上が確保できるように設定する。開口４１ａの、表面結露防止用ガスの噴出方向に垂直な面への投影の面積Ｓ（Ｓ＝Ｗ×ｔ）をあまり大きくすると、表面結露防止用ガスの風速が低下し、燃料電池セル２０の観察表面２０ａに発生した結露水を表面結露防止用ガスで吹き飛ばす効果が低減する。よって、開口４１ａの寸法（幅Ｗ、厚みｔ）は実験などによって最適な値になるように設定する。また、図３の右側に示すように、ガス噴射ノズル４１は、先端部分の角度αを鋭角（９０°未満）にするのが望ましい。これにより、ガス噴射ノズル４１から噴射させた表面結露防止用ガスの流れにおいて、燃料電池セル２０の観察表面２０ａに向かう速度成分を増やすことができるので、燃料電池セル２０の観察表面２０ａに表面結露防止用ガスを効率的に当てることができる。

再び図１を参照し、温湿度計５は、燃料電池セル２０の観察表面２０ａの温度と、燃料電池セル２０の周囲の露点温度を測定するものである。温湿度計５は、燃料電池セル２０の観察表面２０ａの温度を測定する温度計５ａ、フード３内（燃料電池セル２０の周囲）の温度を測定する温度計５ｂ、フード３内の湿度を測定する湿度計５ｃからなる。露点温度は、温度計５ｂにより測定したフード３内の温度及び湿度計５ｃにより測定したフード３内の湿度から算出される。温湿度計５で測定したデータはデータロガー６に記憶される。制御部７は、表面結露防止用ガスの噴射制御を行う。なお、噴射制御方法の詳細は後述する。

次に、表面結露防止用ガスの風量の制御について説明する。以下の説明では、適宜図３を参照する。
燃料電池セル２０の観察表面２０ａの温度が露点温度より低い領域、すなわち燃料電池セル２０の観察表面２０ａに結露が生じうる状態では、表面結露防止用ガス（以下、乾燥空気として説明する）の風量Ｑが、Ｑ＝Ｗ２／Ｗ０［ｍ^３／ｍｉｎ］となるようにする。

ここで、Ｗ０は、乾燥空気が含むことができる水蒸気量［ｋｇ／ｍ^３］である。なお、Ｗ０は温度によって変化する。このため、供給する乾燥空気の温度が温湿度計５で測定したフード３内の空気温度に等しいと仮定し、Ｗ０を、温湿度計５で測定したフード３内の空気温度で乾燥空気が含むことのできる水蒸気量とした。乾燥空気と飽和水蒸気量との関係は理科年表に記載の値を用いる。

Ｗ２は、燃料電池セル２０の観察表面２０ａに結露しうる水分量［ｋｇ］で、Ｗ２＝Ｗ１（Ｘ２－Ｘ１）ある。Ｘ２は、燃料電池セル２０の観察表面２０ａに接触したフード３内の空気（フード３の出口付近の空気）の絶対湿度［ｋｇ／ｋｇ（ＤＡ）］であり、Ｘ２＝Ｘｆｃ＋（Ｘ１－Ｘｆｃ）×ＢＦである。ここで、単位［ｋｇ／ｋｇ（ＤＡ）］は、１ｋｇの乾燥空気（ＤＡ：Ｄｒｙ Ａｉｒ）が含むことができる水分量［ｋｇ］である。Ｘ１は、燃料電池セル２０の観察表面２０ａに接触していないフード３内の空気（フード３の入口付近の空気）の絶対湿度［ｋｇ／ｋｇ（ＤＡ）］であり、温湿度計５により測定した湿度の値を用いる。Ｘｆｃは、燃料電池セル２０の観察表面２０ａの温度に相当する飽和空気の絶対湿度［ｋｇ／ｋｇ（ＤＡ）］であり、温湿度計５にて測定した温度の値を用いて算出する。ＢＦは、燃料電池セル２０の観察表面２０ａに接触しない空気の割合（バイパスファクター）［％］である。ＢＦの正確な値は不明であるため、ここでは１～２０［％］と仮定した。Ｗ１は、フード３内の空気の質量［ｋｇ］である。Ｗ１は、フード３内の空気の体積Ｖ［ｍ^３］と湿り空気の比容積ｖ［ｋｇ／ｍ^３］を用いて、Ｗ１＝Ｖ×ｖより算出される。Ｖはフード３の設計値により定まる値を用い、ｖは１．２ｋｇ／ｍ^３を用いる。

次に、表面結露防止用気体の噴射制御方法について説明する。なお、以下の説明では、図１についても適宜参照する。

図４は、表面結露防止用気体の噴射制御方法における処理の流れについて示すフローチャートである。図４に示すように、まず、燃料電池セル２０を冷凍庫内で予め冷却する（ステップＳ１）。冷凍庫内は所望の温度に設定されている。続いて、燃料電池セル２０を冷凍庫内より取り出し、フード３内にセットする（ステップＳ２）。具体的には、燃料空気入口３ａと燃料空気出口３ｂに燃料空気の供給配管と排気配管を取り付け、冷却ガス入口３ｃと冷却ガス出口３ｄに冷却ガスの供給配管と排気配管を取り付け、燃料水素入口３ｅと燃料水素出口３ｆに燃料水素の供給配管と排気配管を取り付ける。また、燃料電池セル２０の観察表面２０ａ及びフード３内に温湿度計５をセットする。

続いて、中性子線照射により燃料電池セル２０の内部の観察を開始する（ステップＳ３）。続いて、燃料電池セル２０の観察表面２０ａに表面結露防止用ガスの噴射を開始または継続する（ステップＳ４）。続いて、燃料電池セル２０に燃料ガス及び冷却ガスを供給して発電を開始または継続する（ステップＳ５）。

続いて、温湿度計５により測定した燃料電池セル２０の観察表面２０ａの温度が露点温度より高くなったか否かを判定する（ステップＳ６）。ステップＳ６において、燃料電池セル２０の観察表面２０ａの温度が露点温度より高くなった場合（ＹＥＳの場合）、表面結露防止用ガスの噴射を停止する（ステップＳ７）。ステップＳ６において、燃料電池セル２０の観察表面２０ａの温度が露点温度以下の場合（ＮＯの場合）、処理をＳ４に戻す。

ステップＳ７に続き、所定時間が経過したか否か判断する（ステップＳ８）。ここで、所定時間とは、燃料電池セル２０の内部で発生する生成水の観察に必要な時間である。ステップＳ８で所定時間が経過したと判断された場合（ＹＥＳの場合）、燃料電池セル２０の発電を停止し（ステップＳ９）、中性子線照射を停止して燃料電池セル２０の内部の観察を終了する（ステップＳ１０）。

図５は、中性子線照射による観察を開始してからの経過時間と燃料電池セル２０の観察表面２０ａの温度との関係を模式的に示すグラフである。ここで、横軸は経過時間［ｓｅｃ］、縦軸は燃料電池セル２０の観察表面２０ａにおける温度［℃］である。図５に示すように、中性子線を照射して観察を開始し、続いて発電を開始する。発電を開始した後、燃料電池セル２０の観察表面２０ａの温度は上昇する。燃料電池セル２０の内部に生成した水の分布の観察中に、燃料電池セル２０の観察表面２０ａの温度が、露点温度（ここでは２０℃付近）より高くなった場合、表面結露防止用ガスの噴射を停止する。燃料電池セル２０の観察表面２０ａの温度は、ある程度の温度（６０℃前後）まで上昇したところでバランスし、ほぼ一定の温度を保ちながら推移する。そして、発電を停止すると燃料電池セル２０の観察表面２０ａの温度が低下する。所定の時間が経過したところで中性子線の照射を停止し、観察を終了する。

以上、本実施の形態にかかる燃料電池観察装置１は、燃料電池セル２０に対して中性子線を照射する中性子線照射装置８と、表面結露防止用ガスを噴射するガス噴射機構４と、を備える。そして、ガス噴射機構４が、燃料電池セル２０の内部に生成した水の分布の観察時に、燃料電池セル２０の表面に対して表面結露防止用ガスを噴射する。観察対象の燃料電池セル２０は、予め冷凍庫などで低温に冷やされているが、表面結露防止用ガスの噴射により燃料電池セル２０の表面付近の水蒸気を持ち去るようにすることで、結露の発生を抑制することができる。また、表面結露防止用ガスの気流により燃料電池セル２０の表面付近の空気温度が下がるが、この作用によっても結露の発生を抑制する効果が高まると考えられる。さらに、燃料電池セル２０の表面に対し表面結露防止用ガスを噴射すると、仮に、燃料電池セル２０の表面に結露水が生じても表面結露防止用ガスの気流によって当該結露水が吹き飛ばされると考えられる。これらにより、結露の発生に起因する燃料電池セル内部における生成水の観察精度の低下を防止することができる。

なお、本発明は上記実施の形態に限られたものではなく、趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更することが可能である。

１ 燃料電池観察装置
２ 支持部
２ａ 支持具
２ａＡ 凸部
２ｂ 台座部
２ｂＡ 凹部
３ フード
３ａ 燃料空気入口
３ｂ 燃料空気出口
３ｃ 冷却ガス入口
３ｄ 冷却ガス出口
３ｅ 燃料水素入口
３ｆ 燃料水素出口
４ ガス噴射機構
５ 温湿度計
５ａ、５ｂ 温度計
５ｃ 湿度計
６ データロガー
７ 制御部
８ 中性子線照射装置
１１ 排水ポンプ
１２ ドレンパン
２０ 燃料電池セル
２０ａ 観察表面
４０ ガスボンベ
４１ ガス噴射ノズル
４１ａ 開口
４２ 接続配管
４３ レギュレータ

Claims (3)

1. 中性子線を照射して燃料電池セルの内部に生成した水の分布を観察する燃料電池観察装置であって、
   前記燃料電池セルに対して中性子線を照射する中性子線照射装置と、
   表面結露防止用ガスを噴射するガス噴射機構と、を備え、
   前記ガス噴射機構が、前記燃料電池セルの内部に生成した水の分布の観察時に、前記燃料電池セルの表面に対して前記表面結露防止用ガスを噴射し、
   前記燃料電池セルの表面の温度と前記燃料電池セルの周囲の露点温度とを測定する温湿度計をさらに備え、前記燃料電池セルの内部に生成した水の分布の観察中に、前記温湿度計で測定した前記燃料電池セルの表面の温度が、前記温湿度計で測定した前記露点温度より高くなった場合、前記ガス噴射機構が、前記燃料電池セルの表面に対する前記表面結露防止用ガスの噴射を停止する、
   燃料電池観察装置。
2. 前記ガス噴射機構におけるガス噴射ノズルの開口の長手方向における幅を、前記燃料電池セルの長手方向における幅よりも長くする、請求項１に記載の燃料電池観察装置。
3. 燃料電池セルの内部に生成した水の分布の観察において、前記燃料電池セルの鉛直方向に対する傾斜角度を適宜変更することが可能な可動機構をさらに備える、請求項１又は２に記載の燃料電池観察装置。

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