(57)【要約】【課題】本発明は、燃料ガス流路内への凝縮水の滞留を抑制するとともに、発電検査時に、精度よく発電検査することができる発電検査装置を提供する【解決手段】  本発明の発電検査装置は、電解質膜の両側に一対の電極を設けた電解質膜・電極構造体とセパレータとが積層され、一方の電極と一方のセパレータとの間には、電極面に沿って燃料ガスを流通させる燃料ガス流路が形成され、前記燃料ガス流路の入口側が、前記燃料ガス流路の出口側より水平面に対して上方に配置された燃料電池を複数積層した燃料電池スタックの発電検査を行い、前記燃料電池スタックは、前記燃料電池セルの積層方向から見たときに、前記出口側を下にして水平面に対して０．５度から３度傾斜していることを特徴とする。【選択図】  図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電解質膜の両側に一対の電極を設けた電解質膜・電極構造体とセパレータとが積層され、一方の電極と一方のセパレータとの間には、電極面に沿って燃料ガスを流通させる燃料ガス流路が形成され、前記燃料ガス流路の入口側が、前記燃料ガス流路の出口側より水平面に対して上方に配置された燃料電池セルを複数積層した燃料電池スタックの発電検査装置であって、
前記燃料電池スタックは、前記燃料電池セルの積層方向から見たときに、前記出口側を下にして水平面に対して０．５度から３度傾斜していることを特徴とする、発電検査装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、燃料電池スタックの発電検査を行う発電検査装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池を車両に設置するにあたり、燃料電池の燃料ガス流路内に凝縮水が滞留しないように、燃料ガス流路の入口側を、燃料ガス流路の出口側よりも水平面に対して上方に配置するとともに、燃料電池を水平基準線に対し２０°〜９０°の範囲内で傾斜させることが提案されている（例えば、特許文献１参照）。これにより、燃料ガス流路内の凝縮水は、滞留することなく、入口側から出口側に確実に排水される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１１−１５０９４１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、上記と同様に燃料電池を水平基準線に対し２０°〜９０°の範囲内で傾斜させて発電検査装置により発電検査をした場合、凝縮水が燃料ガス流路内へ滞留し、発電分布が悪化してしまい、精度よく発電検査できないという問題があった。
【０００５】
そこで、本発明は、燃料ガス流路内への凝縮水の滞留を抑制するとともに、発電検査時に、精度よく発電検査することができる発電検査装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の発電検査装置は、電解質膜の両側に一対の電極を設けた電解質膜・電極構造体とセパレータとが積層され、一方の電極と一方のセパレータとの間には、電極面に沿って燃料ガスを流通させる燃料ガス流路が形成され、前記燃料ガス流路の入口側が、前記燃料ガス流路の出口側より水平面に対して上方に配置された燃料電池セルを複数積層した燃料電池スタックの発電検査を行い、前記燃料電池スタックは、前記燃料電池セルの積層方向から見たときに、前記出口側を下にして水平面に対して０．５度から３度傾斜していることを特徴とする。
【０００７】
以上のような構成によれば、燃料ガス流路の入口側が、燃料ガス流路の出口側より水平面に対して上方に配置され、さらに、燃料電池スタックが水平面に対して出口側が下になるように傾斜しているため、燃料ガス流路内への凝縮水を確実に排出することができる。また、燃料電池セルの積層方向から見たときの燃料電池スタックの水平面に対する傾斜角は、０．５度から３度の範囲内であるため、発電検査時に精度よく発電検査することができる。
【発明の効果】
【０００８】
本発明にかかる発電検査装置は、燃料ガス流路内への凝縮水の滞留を抑制するとともに、発電検査時に精度よく発電検査することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本発明の一実施形態にかかる発電検査装置を示す図である。
【図２】中間板および燃料電池セルの斜視図である。
【図３】燃料電池セルの正面図である。
【図４】燃料電池スタックを発電検査装置に配置した状態を示す図である。
【図５】従来の燃料電池セルの一例を参考として示す図である。
【図６】従来の燃料電池スタックの一例を参考として示す図である。
【図７】燃料電池スタックの水平面に対する角度とセル電圧の関係を示すグラフである。
【図８】燃料電池スタックの水平面に対する角度とばらつきの関係を示すグラフである。
【図９】燃料電池スタックの水平面に対する角度とセル電圧の関係を示すグラフである。
【図１０】燃料電池スタックの水平面に対する角度とばらつきの関係を示すグラフである。
【図１１】燃料電池スタックの一部を抜き出した図である。
【図１２】図１１の一部を拡大した拡大図である。
【図１３】他の実施形態にかかる発電検査装置を示す正面図である。
【図１４】他の実施形態にかかる発電検査装置の一部を示す図である。
【図１５】他の実施形態にかかる発電検査装置の一部を示す図である。
【図１６】従来の燃料電池検査装置の一例を参考として示す図である。
【図１７】従来の燃料電池検査装置の一例を参考として示す図である。
【図１８】従来の燃料電池検査装置における凝縮水と燃料電池セルの位置関係を表すグラフである。
【図１９】従来の燃料電池検査装置における燃料電池セルの電圧と燃料電池セルの位置関係を表すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
＜発電検査装置の構成＞
図１は、本実施形態にかかる発電検査装置１００を示している。発電検査装置１００は、燃料電池セル２００の発電検査を行う装置であり、第１のエンドプレート１１２と、第２のエンドプレート１１３と、複数の中間板１１１と、第１の絶縁プレート１１４と、第２の絶縁プレート１１５と、支持部材１５０（図３、図４参照）と、を備えている。
【００１１】
第１のエンドプレート１１２および第２のエンドプレート１１３は、発電検査装置１００の両端部に設けられたプレートである。第２のエンドプレート１１３には、外部の空気供給管１１７から供給される空気を燃料電池セル２００に供給するための貫通孔１８０と、燃料電池セル２００を通過してきた空気を排出するための貫通孔１９０と、を有している。
【００１２】
中間板１１１は、矩形状のプレートであり、金属などの導電性部材によって形成されている。中間板１１１は、第１のエンドプレート１１２と第２のエンドプレート１１３との間に複数設けられており、燃料電池セル２００の検査時には、燃料電池セル２００を挟んでいる。また、各中間板１１１は、内部に水等の冷却媒体を流通させるための流路を備えており、この流路に冷却媒体を流通させることによって、燃料電池セル２００を間接的に冷却している。中間板１１１の構造の詳細については後述する。
【００１３】
第１の絶縁プレート１１４および第２の絶縁プレート１１５は、発電検査時において、電流がリークするのを抑制するためのものであり、それぞれ、第１のエンドプレート１１２および第２のエンドプレート１１３の内側に配置されている。
【００１４】
支持部材１５０は、図３および図４に示すように、燃料電池スタック２１０を支持するためのものであり、燃料電池セル２００の積層方向から見たときに、水平面に対して０．５度から３度傾斜している状態で燃料電池スタック２１０を支持する。なお、本実施形態においては、燃料電池スタック２１０を傾斜させるために、厚みが漸増する例えば楔形状の支持部材１５０を用いたが、燃料電池スタック２１０を傾斜させる方法は、これに限られない。例えば、傾斜角度を変化させて燃料電池スタック２１０の傾きを変化させる台座などで傾斜させてもよい。
【００１５】
＜中間板の構成＞
次に、図２を用いて、中間板１１１の詳細について説明する。図２は、中間板１１１および燃料電池セル２００の斜視図である。
【００１６】
中間板１１１は、図２に示すように、水供給口１３０と、水排出口１２０と、空気供給口１２２と、空気排出口１２４と、水素供給口１２６と、水素排出口１２８と、モニタ用端子１４０と、を有している。水供給口１３０は、図示しない冷媒供給管に接続され、中間板１１１の内部の流路に冷却媒体を流入させる。水排出口１２０は、図示しない冷媒排出管に接続され、流路を通過した冷却媒体を中間板１１１から排出する。空気供給口１２２は、第２のエンドプレートの貫通孔１９０を通過してきた燃料電池セル２００へ空気を取り込むための開口であり、空気排出口１２４は、燃料電池セル２００を通過してきた空気を第２のエンドプレートの貫通孔１８０を通って排出するための開口である。水素供給口１２６は、外部から燃料電池セル２００へ水素を取り込むための開口であり、水素排出口１２８は、燃料電池セル２００を通過してきた水素を排出するための開口である。また、空気供給口１２２、空気排出口１２４、水素供給口１２６、水素排出口１２８は、中間板１１１を貫通しており、燃料電池セル２００が中間板１１１の間に配置されたときに、図３に示す燃料電池セル２００の貫通孔１３２、１３４、１３６、１３８と連通するように構成されている。この結果、水素供給口１２６は、燃料ガス供給のための燃料ガスマニホールド２１２の一部として機能し、空気供給口１２２は、酸化剤ガス供給のための酸化剤ガスマニホールドの一部として機能し、水素排出口１２８は、燃料ガス排出のための燃料ガスマニホールド２１４の一部として機能し、空気排出口１２４は、酸化剤ガス排出のための酸化剤ガスマニホールドの一部として機能する。
【００１７】
モニタ用端子１４０は、セルモニタケーブルが取り付けられて接続される接続部材である。
【００１８】
＜燃料電池セルの構成＞
次に、図３を用いて、燃料電池セル２００について説明する。図３は、燃料電池セルの正面図である。
【００１９】
燃料電池セル２００は、電解質膜・電極構造体と、電解質膜・電極構造体の両側にそれぞれ、配置されるアノード側セパレータとカソード側セパレータと、を備える。
【００２０】
電解質膜・電極構造体は、電解質膜と、電解質膜の各々の面に形成された電極であるアノードおよびカソードによって構成されている。
【００２１】
アノード側セパレータおよびカソード側セパレータは、電解質膜・電極構造体との間に反応ガスの流路を形成する部材である。アノード側セパレータと電解質膜・電極構造体との間には、燃料ガスの流路である燃料ガス流路１８２が形成される。また、カソード側セパレータと電解質膜・電極構造体との間には、酸化剤ガスの流路である酸化剤ガス流路が形成される。
【００２２】
また、燃料電池セル２００は、図２に示すように、水素供給口１２６と連通する第１の貫通孔１３２と、水素排出口１２８と連通する第２の貫通孔１３４と、空気排出口１２４と連通する第３の貫通孔１３６と、空気供給口１２２と連通する第４の貫通孔１３８と、を有している。
【００２３】
第１の貫通孔１３２は、外部から供給された燃料ガスとしての水素を燃料電池セル２００のアノード側に分配供給する。第１の貫通孔１３２は、燃料ガスの燃料ガスマニホールド２１２から燃料ガス流路１８２への入口１３２ａを有している。第２の貫通孔１３４は、燃料電池セル２００のアノード側から排出されるアノードオフガスを集めて燃料電池セル２００の外側に排出する。第２の貫通孔１３４は、燃料ガスの燃料ガス流路１８２から燃料ガスマニホールド２１４への出口１３４ａを有している。また、第１の貫通孔１３２は、第２の貫通孔１３４より水平面に対して上方に設けられて、第２の貫通孔１３４よりも高い位置に配置されている。
【００２４】
第４の貫通孔１３８は、外部から供給された酸化剤ガスとしての空気を燃料電池セル２００のカソード側に分配供給する。第３の貫通孔１３６は、燃料電池セル２００のカソード側から排出されるカソードオフガスを集めて燃料電池セル２００の外側に排出する。
【００２５】
また、複数の燃料電池セル２００を積層した燃料電池スタック２１０は、燃料電池セル２００の積層方向から見たときに、出口１３４ａ側を下にして水平面に対して０．５度から３度傾斜している。
【００２６】
＜作用効果＞
図４は、燃料電池スタック２１０を発電検査装置１００に配置した状態を示す図である。
【００２７】
まず、燃料電池スタック２１０を支持部材１５０上に配置する。そして、図示しない締結装置を用いて燃料電池セル２００と中間板１１１の締結を行い、この状態で、燃料ガス、酸化剤ガス、および冷却媒体を供給し、各燃料電池セル２００を冷却しつつ発電を行うことで、燃料電池セル２００の発電検査を行う。このとき、燃料ガスおよび酸化剤ガスの反応により、凝縮水が生成される。
【００２８】
ここで、図５および図６に示すように、燃料電池スタック２１０を水平に置いた状態で発電検査装置１００により発電検査をすると、燃料電池セル２００の燃料ガス流路１８２内に凝縮水が滞留してしまう場合があるので、本実施形態にかかる発電検査装置１００は、燃料ガス流路１８２の入口１３２ａ側を、燃料ガス流路１８２の出口１３４ａ側より水平面に対して上方に配置し、さらに、燃料電池スタック２１０を傾斜させている。これにより、燃料ガス流路１８２内の凝縮水を確実に排出することができる。また、燃料電池セル２００の積層方向から見たときの燃料電池スタック２１０の水平面に対する傾斜角は、０．５度から３度の範囲内とすれば、発電検査時により精度よく発電検査することができるため好適である。
【００２９】
より具体的には、図３に示すように、燃料ガス流路１８２内に滞留した凝縮水は、貫通孔１３２の燃料ガス入口１３２ａからアノード側に分配供給された燃料ガスによって、貫通孔１３４の燃料ガス出口１３４ａ側へ移動する。
【００３０】
ところで、燃料ガスにより凝縮水を燃料ガス出口１３４ａ側へと移動させる力は、発電による燃料ガスの消費により、燃料ガス入口１３２ａから燃料ガス出口１３４ａ側に向かうにつれて小さくなる。よって、凝縮水を外部に排出させるのには十分なものではない。
【００３１】
そこで、本実施形態にかかる発電検査装置１００は、燃料電池スタック２１０を傾斜させた状態で支持している。この傾斜により、燃料ガス流路１８２内に滞留した凝縮水は、燃料ガス出口１３４ａ側へと移動しやすくなる。
【００３２】
次に、燃料電池セル２００の積層方向から見たときの燃料電池スタック２１０の水平面に対する傾斜角の好適な範囲について説明する。
【００３３】
図７および図８に示すように、燃料電池セル２００の積層方向から見たときの燃料電池スタック２１０の水平面に対する傾斜角が０．５度以下の場合、燃料電池セル２００の電圧の値が一定でなく、また、発電分布のばらつきが大きい。そこで、本実施形態では、燃料電池セル２００の積層方向から見たときの燃料電池スタック２１０の水平面に対する傾斜角として０．５度を下限値としている。
【００３４】
また、図９、１０に示すように、傾斜角が大きくなるにつれて、燃料電池セル２００の電圧の低下や発電分布のばらつきが大きくなる。より詳細には、図１０に示すように、傾斜角が３度の場合は、発電分布のばらつきが０．０２５以内で収まっているが、さらに傾けて傾斜角を４度とすると、発電分布のばらつきが０．０２５以内に収まらなくなる。
【００３５】
以上のことを踏まえ、本実施形態では、燃料電池セル２００の積層方向から見たときの燃料電池スタック２１０の水平面に対する傾斜角として３度を上限値としている。
【００３６】
このように、燃料電池セル２００の積層方向から見たときの燃料電池スタック２１０の水平面に対する傾斜角を、０．５度から３度の範囲内にすると、発電検査時により精度よく発電検査することができる。
【００３７】
また、上記したように、発電検査装置１００が燃料電池スタック２１０を傾斜させた状態で支持していることにより、燃料ガス流路１８２から燃料ガスマニホールド２１４に排出された水が、図１２に示すように、燃料ガス出口１３４ａから離れた角部１６０に貯まる。また、隣接する角部１６２においても、同様に、角部１６２に水が貯まる。そして、角部１６０に貯まっている水と、角部１６０に隣接する角部１６２に貯まっている水と、が繋がることにより、誘因導水が生じる。これにより、燃料ガスによる水の排出力が小さい場合でも、効率よく水を外部へ排出することができる。
【００３８】
＜他の実施形態＞
図１３は、他の実施形態にかかる発電検査装置を示す正面図である。図１３に示す発電検査装置１００は、空気供給管１１７が設けられた側（一方側）よりも空気供給管１１７が設けられた側と反対側（他方側）が上になるように、水平面に対して０．５度から３度から傾くように配置されている。それ以外の構成は、図１と同じである。
【００３９】
なお、図１６から図１８に示すように、燃料電池スタック２１０を水平に置いた状態で発電検査装置１００により発電検査をすると、発電により生成した凝縮水が他方側に溜まり、図１９に示すように、他方側（最奥）のセル電圧が一方側（入口）のセル電圧に比べ低下する場合がある。
【００４０】
ここで、他方側（最奥）のセル電圧の低下について説明するために、まず、酸化剤ガスと凝縮水の排出について説明する。
【００４１】
図１３に示すように、酸化剤ガスは、空気供給管１１７より酸化剤ガスマニホールド内に入り、各燃料電池セル２００の入口より燃料電池セル２００内に入り込む。このとき、他方側に配置される燃料電池セル２００は、一方側に配置される燃料電池セル２００に比べ、空気供給管１１７から離れているため、酸化剤ガスを受け取りにくい。
【００４２】
また、発電により生成した凝縮水は、空気供給管１１７により供給された酸化剤ガスによって、一方側へ移動とすることで外部に排出される。
【００４３】
よって、酸化剤ガスによる凝縮水を一方側へと移動させる力は、一方側から他方側に向かうにつれて小さくなるため、他方側は、一方側に比べ、凝縮水を外部に排出する力が小さく、凝縮水が溜まりやすい。
【００４４】
そこで、本実施形態では、発電検査装置１００を、空気供給管１１７が設けられた側（一方側）よりも空気供給管１１７が設けられた側と反対側（他方側）が上になるように、傾斜させている。これにより、発電により生成した凝縮水は、一方側へとスムーズに移動することができ、燃料電池セル２００の発電検査時における発電の出力差を減らすことが可能になる。
【００４５】
より詳細には、図１４に示すように、酸化剤ガスの燃料電池セル２００への入口側に溜まった凝縮水は、一方側へと移動するように重力方向の駆動力が与えられ、スムーズに外部へ移動することができる。
【００４６】
また、図１５に示すように、酸化剤ガスの燃料電池セル２００への出口側に溜まった凝縮水は、隣接する凝縮水と繋がることで誘因導水を生じさせ、スムーズに外部へ移動することができる。
【符号の説明】
【００４７】
１００  発電検査装置
１１１  中間板
１１２  第１のエンドプレート
１１３  第２のエンドプレート
１１４  第１の絶縁プレート
１１５  第２の絶縁プレート
１１７  空気供給管
１２０  水排出口
１２２  空気供給口
１２４  空気排出口
１２６  水素供給口
１２８  水素排出口
１３０  水供給口
１３２  第１の貫通孔
１３２ａ  燃料ガス入口
１３４  第２の貫通孔
１３４ａ  燃料ガス出口
１３６  第３の貫通孔
１３８  第４の貫通孔
１４０  モニタ用端子
１５０  支持部材
１６０  角部
１６２  角部
１８０  貫通孔
１８２  燃料ガス流路
１９０  貫通孔
２００  燃料電池セル
２１０  燃料電池スタック
２１２  燃料ガスマニホールド
２１４  燃料ガスマニホールド
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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