JP7202948B2

JP7202948B2 - ガス漏れ検査方法及びガス漏れ検査装置

Info

Publication number: JP7202948B2
Application number: JP2019061014A
Authority: JP
Inventors: 健原田; 洋下村
Original assignee: Honda Motor Co Ltd
Current assignee: Honda Motor Co Ltd
Priority date: 2019-03-27
Filing date: 2019-03-27
Publication date: 2023-01-12
Anticipated expiration: 2039-03-27
Also published as: JP2020159935A

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が、圧力検査においては、水素がシール材を透過しているのか、シール材と他の部材との間の隙間から漏れているのかの切り分けができず、漏れ量（リーク量）の総和での評価を行わざるを得なかった。

このため、透過量規定とリーク量規定に対する評価ができず、固体高分子型燃料電池を備える製品の出荷段階で、当該製品において水素が漏れておらずシール材の透過のみがある、という要件の設定ができない。この結果、耐久試験による透過量の経年変化試験が必要となり、多大な工数が必要となる。

本発明は、燃料ガスの漏れが、シール材の透過によるものか、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かの切り分け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）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シール材（例えば、後述のシール材１０１）の外側への検査対象ガスを測定して、前記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所定時間経過後の単位時間当たりの外側へのガス量が、所定値よりも大きいときに、前記被検査対象部材と前記シール材との間に隙間があるリーク状態と判定し、前記所定値以下のときに、前記シール材から前記検査対象ガスが透過している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、所定の時間を経過した後に、リークが生じているのか、透過のみであるのかの切り分けが可能となる。このため、一度の検査を行うことで、透過量規定とリーク量規定とのそれぞれに対する良否判定が可能となり、被検査対象部材を備える製品の出荷段階で、当該製品において検査対象ガスが漏れておらずシール材の透過のみがある、という要件の設定が可能となる。この結果、耐久試験による透過量の経年変化試験が緩和でき、耐久試験の工数の低減を図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）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シール材（例えば、後述のシール材１０１）の外側への検査対象ガスを測定して、前記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所定時間の近傍の時間帯に、単位時間当たりの外側へのガス量の傾きに変曲点を検出した場合には、前記被検査対象部材と前記シール材との間に隙間があるリーク状態、かつ前記シール材から前記検査対象ガスが透過している透過状態の両方の状態にある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、所定の時間の近傍の時間帯に、リーク状態と透過状態との両方の状態にあることを判定することができる。この結果、より確実にリーク状態と透過状態を判定することができ、燃料ガスの漏れが、シール材の透過によるものか、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かの切り分けが可能となる。

そして、前記ガス量測定工程では、前記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、前記シール材の外側のガス漏れを検査する。

このため、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、シール材の外側の検査対象ガス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について、簡易な方法で透過量規定とリーク量規定とのそれぞれに対する良否判定が可能となる。

また、本発明は、被検査対象部材（例えば、後述の燃料電池１０）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シール材（例えば、後述のシール材１０１）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所定時間経過後の単位時間当たりの外側へのガス量が、所定値よりも大きいときに、前記被検査対象部材と前記シール材との間に隙間があるリーク状態と判定し、前記所定値以下のときに、前記シール材から前記検査対象ガスが透過している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。

また、本発明は、被検査対象部材（例えば、後述の燃料電池１０）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シール（例えば、後述のシール材１０１）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（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所定時間の近傍の時間帯に、単位時間当たりの外側へのガス量の傾きに変曲点を検出した場合には、前記被検査対象部材と前記シール材との間に隙間があるリーク状態、かつ前記シール材から前記検査対象ガスが透過している透過状態の両方の状態にある判定すると判定部（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。

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、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、シール材の外側であって、シール材外側検査部の被検査対象ガス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について、簡易な方法で透過量規定とリーク量規定とのそれぞれに対する良否判定が可能となる。

本発明によれば、燃料ガスの漏れが、シール材の透過によるものか、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かの切り分け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検出されるリーク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検出される透過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検出されるリークと透過との違い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により検出されるリークを説明する図である。図４は、ガス漏れ検査装置１により検出される透過を説明する図である。図５は、ガス漏れ検査装置１により検出されるリークと透過との違いを説明するグラフである。
ガス漏れ検査装置は、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。水素タンク３２と燃料電池１０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は、アノード流路を開閉する背圧弁１２を介して図示しない希釈器に接続されている。この背圧弁１２を開状態とすることにより、アノード流路の他端側を流通するガスを中流量で希釈器に排出可能である。

図示しない希釈器は、希釈器に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から燃料電池１０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。

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、検査対象ガスとしての水素ガスを導入してから所定時間ｔ１経過後の、単位時間当たりの燃料電池１０及び燃料電池１０のシール材１０１の外側、且つ、シール材外側検査部１１の内側への水素ガスの量が、所定値よりも大きいときに、被検査対象部材である燃料電池１０を構成する部材１０２及び部材１０３と、シール材１０１との間に、図３のように隙間があるリーク状態であると判定し、所定値以下のときに、図４のように隙間がなくシール材１０１から水素ガスが透過している透過状態であると判定する。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燃料電池１０に設けられているシール材１０１において、図４に示すようにシール材１０１と燃料電池１００を構成している部材１０２、１０３との間に隙間がない状態で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を予め取得する。具体的には、図５における「透過」の直線のグラフを予め取得する。

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、シール材１０１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燃料電池１０の外側、且つ、シール材外側検査部１１の内側の圧力を時系列に測定することにより、単位時間当たりの、シール材１０１の外側への水素ガスの量を測定する。

即ち、シール材外側検査部１１により気密に収容された燃料電池１０に設けられているシール材１０１においては、前述のように、水素ガスの透過量の直線の傾き（図５中の「透過要件」の破線の傾き）は一定である。また、図４に示すように、シール材１０１と燃料電池１００を構成している部材１０３との間に隙間が生じておらず、このため水素ガスがリークしておらず、シール材１０１を透過しているのみの場合には、水素タンク３２から水素ガスを導入し始めてから所定の時間ｔ１が経過するまでの間、図５の「透過」のグラフに示すように、水素ガスの透過は生じない。

これに対して図３に示すように、例えば、シール材１０１と燃料電池１００を構成している部材１０３との間に隙間が生じている場合には、図５の「リーク」のグラフに示すように、水素タンク３２から水素ガスを導入し始めると同時に、水素ガスが、シール材１０１の外側、且つ、シール材外側検査部１１に漏れ始める。従って、図３に示すように、シール材１０１と燃料電池１００を構成している部材１０３との間に隙間が生じている場合には、水素ガスの漏れ量のグラフは、図５の「リーク＋透過」のグラフに示すように、変曲点が存在することになる。

次に、描かれたグラフに基づく判定工程を行う。判定工程では、水素ガスを導入してから所定時間ｔ１経過後の単位時間当たりの外側へのガス量が、所定値（単位時間当たりの水素ガスのシール材１０１の透過量）よりも大きいとき、即ち、所定の時間ｔ１以降において、得られた水素ガスの漏れ量のグラフの傾きが、図５の「透過要件（透過）」のグラフの傾きよりも大きいときに、部材１０３とシール材１０１との間に隙間があるリーク状態であると判定する。一方、水素ガスを導入してから所定時間ｔ１経過後の単位時間当たりの外側へのガス量が、所定値（単位時間当たりの水素ガスのシール材１０１の透過量）以下のとき、即ち、所定の時間ｔ１以降において、得られた水素ガスの漏れ量のグラフの傾きが、図５の「透過要件（透過）」のグラフの傾き以下のときに、部材１０３や部材１０２とシール材１０１との間に隙間がなくシール材１０１のみから水素ガスが透過している透過状態であると判定する。
なお、燃料電池やシール材の設計誤差を考慮して、上述した「リーク＋透過」のグラフに示される変曲点を検出することでリーク状態または透過状態を判定してもよい。具体的には、判定工程では、水素ガスを導入してから所定時間ｔ１経過後の単位時間当たりの外側へのガス量を時系列で取得し、所定の時間ｔ１近傍の時間帯において、得られた水素ガスの漏れ量のグラフの傾きが、図５の「透過要件（透過）」のグラフの傾きよりも大きく、かつ「リーク＋透過」のグラフに示される変曲点が検出されたときに、部材１０３とシール材１０１との間に隙間があるリーク状態かつ透過状態の両方の状態であると判定する。このようにすることで、より確実にリーク状態と透過状態を判定することができる。

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、検査対象ガスとして水素ガスを導入してから所定時間ｔ１経過後の単位時間当たりの外側へのガス量が、所定値よりも大きいときに、被検査対象部材である部材１０３とシール材１０１との間に隙間があるリーク状態と判定し、所定値以下のときに、シール材１０１から水素ガスが透過している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は、検査対象ガスとしての水素ガスを導入してから所定時間ｔ１経過後の単位時間当たりの外側へのガス量が、所定値よりも大きいときに、被検査対象部材としての部材１０３とシール材１０１との間に隙間があるリーク状態と判定し、所定値以下のときに、シール材１０１から水素ガスが透過している透過状態と判定する判定部を備える。

これにより、所定の時間ｔ１を経過した後に、リークが生じているのか、透過のみであるのかの切り分けが可能となる。このため、一度の検査を行うことで、透過量規定とリーク量規定とのそれぞれに対する良否判定が可能となり、固体高分子型燃料電池を備える製品の出荷段階で、当該製品において水素が漏れておらずシール材１０１の透過のみがある、という要件の設定が可能となる。この結果、耐久試験による透過量の経年変化試験が緩和でき、耐久試験の工数の低減を図ることが可能となる。さらに、図５に示されるように透過状態の漏れ量よりも微量なリーク量（傾きａ＜傾きｃ）の場合でも部材１０３とシール材１０１との間に隙間があるリーク状態を判定することができる。

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、シール材１０１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、シール材１０１の外側のガス漏れを検査する。また、前記被検査対象部材を気密に取り囲むシール材外側検査部を備え、本実施形態によるガス漏れ検査装置のガス測定部は、シール材１０１の外側の水素ガスの圧力を測定して、シール材１０１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。

これにより、シール材１０１を備える燃料電池１０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、シール材１０１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における水素ガスについて、簡易な方法で透過量規定とリーク量規定とのそれぞれに対する良否判定が可能となる。

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。
例えば被検査対象として固体高分子型燃料電池以外の燃料電池や、それ以外のガス利用装置にも好適に利用できる。同様に検査対象ガスとして水素ガス以外のガスの漏れ検査にも好適に利用できる。
例えば、本実施形態によるガス漏れ検査方法では、シール材１０１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、シール材１０１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、シール材１０１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、水素ガスが透過した又はリークしたことを判定してもよく、圧力以外の手法でガス量を測定するようにしてもよい。
また、上述した実施形態では、判定工程では、水素ガスの漏れ量のグラフの傾きが、所定値以上、かつ変曲点が検出されたときに、リーク状態かつ透過状態の両方の状態であると判定したが、被検査対象部材としての燃料電池１０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した後、所定時間ｔ１の近傍の時間帯において、上述した「リーク＋透過」のグラフに示される変曲点を検出することだけによりリーク状態かつ透過状態の両方の状態と判定してもよい。

１…ガス漏れ検査装置
１０…燃料電池
１１…シール材外側検査部
２１…圧力計
２２…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
５１…判定部
１０１…シール材

Claims

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シール材の外側への検査対象ガスを測定して、前記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所定時間の近傍の時間帯に、単位時間当たりの外側へのガス量の傾きに変曲点を検出した場合には、前記被検査対象部材と前記シール材との間に隙間があるリーク状態、かつ前記シール材から前記検査対象ガスが透過している透過状態の両方の状態にあると判定する判定工程と、を有するガス漏れ検査方法。
前記ガス量測定工程では、前記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。
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所定時間の近傍の時間帯に、単位時間当たりの外側へのガス量の傾きに変曲点を検出した場合には、前記被検査対象部材と前記シール材との間に隙間があるリーク状態、かつ前記シール材から前記検査対象ガスが透過している透過状態の両方の状態にある判定すると判定部を備えるガス漏れ検査装置。
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。