(57)【要約】【課題】一端近傍に配置された中間板の温度と他端近傍に配置された中間板の温度との温度勾配を低減することが可能な燃料電池セルの検査装置を提供すること。【解決手段】本発明は、所定方向Ｄｒ１に並んで配置された３以上の中間板であって、所定方向Ｄｒ１における一端に配置された第１中間板１２ａと、第１中間板１２ａを除く複数の第２中間板１２ｂ〜１２ｈとを含む３以上の中間板と、複数の第２中間板１２ｂ〜１２ｈを所定方向Ｄｒ１に貫いて設けられた第１流路Ｒ１と、複数の第２中間板１２ｂ〜１２ｈを所定方向Ｄｒ１に貫いて設けられた第２流路Ｒ２と、３以上の中間板のうち、所定方向Ｄｒ１における一端近傍に配置された中間板と、他端近傍に配置された中間板とを接続する複数の熱伝導材１３ａ〜１３ｄと、を備え、複数の熱伝導材１３ａ〜１３ｄは、絶縁体であることを特徴とする燃料電池セルの検査装置である。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
所定方向に並んで配置された３以上の中間板であって、前記所定方向における一端に配置された第１中間板と、前記第１中間板を除く複数の第２中間板とを含む前記３以上の中間板と、
複数の前記第２中間板を前記所定方向に貫いて設けられた第１流路と、
複数の前記第２中間板を前記所定方向に貫いて設けられた第２流路と、
前記３以上の中間板のうち、前記所定方向における一端近傍に配置された中間板と、他端近傍に配置された中間板とを接続する複数の熱伝導材と、を備え、
前記複数の熱伝導材は、絶縁体である燃料電池セルの検査装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池セルの検査装置に関するものであり、特に、一端近傍に配置された中間板の温度と他端近傍に配置された中間板の温度との温度勾配を低減することが可能な燃料電池セルの検査装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
複数の燃料電池セルの発電検査を行う場合、それぞれの燃料電池セルの発電条件を均一にすることが必要である。このため、特許文献１には、検査用の高温の反応ガスを燃料電池セルに流すと共に、燃料電池セルを中間板で挟み、中間板内に一定の温度の低温の冷却水を流すことにより、燃料電池セルの温度を均一にすることが記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１４−２２９５７８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
特許文献１に記載された方法では、高温の反応ガスが複数の中間板を通過する際に、中間板内を流れる冷却水によって冷やされる。このため、反応ガスが奥側へ移動する程、冷却されてガス供給口側と奥側とで温度勾配が発生するという問題があった。
【０００５】
本発明は、このような問題点を解決するためになされたものであり、一端近傍に配置された中間板の温度と他端近傍に配置された中間板の温度との温度勾配を低減することが可能な燃料電池セルの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】
本発明は、
所定方向に並んで配置された３以上の中間板であって、前記所定方向における一端に配置された第１中間板と、前記第１中間板を除く複数の第２中間板とを含む前記３以上の中間板と、
複数の前記第２中間板を前記所定方向に貫いて設けられた第１流路と、
複数の前記第２中間板を前記所定方向に貫いて設けられた第２流路と、
前記３以上の中間板のうち、前記所定方向における一端近傍に配置された中間板と、他端近傍に配置された中間板とを接続する複数の熱伝導材と、を備え、
前記複数の熱伝導材は、絶縁体である燃料電池セルの検査装置である。
このような燃料電池セルの検査装置によれば、他端近傍に配置された中間板の熱を、一端近傍に配置された中間板へ伝熱させることができるので、これらの中間板の温度勾配を低減することができる。温度勾配を低減することにより、第１流路内の結露の量が均一となり検査精度が向上する。
【発明の効果】
【０００７】
本発明によれば、一端近傍に配置された中間板の温度と他端近傍に配置された中間板の温度との温度勾配を低減することが可能な燃料電池セルの検査装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】実施の形態１に係る検査装置を例示する断面図である。
【図２】実施の形態１の比較例に係る検査装置を例示する断面図である。
【図３】実施の形態２に係る検査装置を例示する断面図である。
【図４】（Ａ）は、シミュレーションモデルを例示する模式図である。（Ｂ）は、シミュレーションモデルを例示する断面図である。
【図５】（Ａ）は、流路断面におけるガスの平均温度のシミュレーション結果を例示するグラフである。（Ｂ）は、図４（Ａ）に示す位置Ｐ１の流路断面における温度分布を例示するシミュレーション結果である。
【図６】（Ａ）及び（Ｂ）は、図３に示す部分Ｂを例示する断面図である。
【図７】熱伝導材を例示する模式図である。
【図８】図３に示すＡ１−Ａ２線による模式断面図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
以下、図面を参照して本発明の実施形態について説明する。各図面において、同一又は対応する要素には同一の符号が付されており、説明の明確化のため、必要に応じて重複説明を省略する。
【００１０】
［実施の形態１］
実施の形態１に係る検査装置の構成について説明する。
図１は、実施の形態１に係る検査装置を例示する断面図である。
【００１１】
図１に示すように、実施の形態１に係る燃料電池セルの検査装置１０は、複数の中間板１２ａ〜１２ｈと第１流路Ｒ１と第２流路Ｒ２と複数の熱伝導材１３ａ〜１３ｄとを備える。熱伝導材１３ａ〜１３ｄは絶縁体である。複数の中間板１２ａ〜１２ｈは、所定方向Ｄｒ１に並んで配列される。尚、燃料電池セルの検査装置を単に検査装置と称することもある。また、所定方向Ｄｒ１は、中間板の厚さ方向である。
【００１２】
所定方向Ｄｒ１における一端に配置された中間板を第１中間板１２ａと称する。第１中間板１２ａを除く複数の中間板１２ｂ〜１２ｈを第２中間板と称する。所定方向Ｄｒ１における他端に配置された中間板を中間板１２ｈと称する。第１流路Ｒ１は、第２中間板１２ｂ〜１２ｈを所定方向Ｄｒ１に貫いて設けられる。第２流路Ｒ２は、第２中間板１２ｂ〜１２ｈを所定方向Ｄｒ１に貫いて設けられる。尚、第１流路Ｒ１又は第２流路Ｒ２をエアマニホールドと称することもある。
【００１３】
複数の熱伝導材１３ａ〜１３ｄは、第１中間板１２ａの近傍に配置された中間板と、中間板１２ｈの近傍に配置された中間板と、接続する。具体的には、熱伝導材１３ａは、中間板１２ａと中間板１２ｈとを接続する。熱伝導材１３ｂは、中間板１２ｂと中間板１２ｇとを接続する。熱伝導材１３ｃは、中間板１２ｃと中間板１２ｆとを接続する。熱伝導材１３ｄは、中間板１２ｄと中間板１２ｅとを接続する。また、熱伝導材は、例えば、Ｕ字型の形状をした熱伝導棒である。熱伝導材１３ａのＵ字型の一端が中間板１２ａに接続され、Ｕ字型の他端が中間板１２ｈに接続される。
【００１４】
また、熱伝導材１３ａ〜１３ｄは、熱伝導率の高い材料を用いる。熱伝導材１３ａ〜１３ｄは、熱伝導率がチタン（Ｔｉ）よりも高く、例えば、窒化アルミや炭化ケイ素等を用いてもよい。また、熱伝導材１３ａ〜１３ｄは、セラミックスなど伝熱性能の高い絶縁体を用いてもよい。熱伝導材１３ａ〜１３ｄを絶縁体とすることで、電位の異なる中間板同士の短絡を防止することができる。
【００１５】
また、中間板１２ａは、第１流路Ｒ１周辺の部分１２１ａを有する。複数の中間板１２ｂ〜１２ｈは、第１流路Ｒ１周辺の部分１２１ｂ〜１２１ｈを有する。中間板の部分１２１ａ〜部分１２１ｈを、熱伝導率が、その他の部分よりも高い材料とすることで、熱伝導材１３が伝熱する効果をさらに向上することができる。中間板１２ａ〜１２の材料は、例えば、チタンである。よって、中間板の部分１２１ａ〜部分１２１ｈの材料を、熱伝導率が、チタンよりも高い窒化アルミや炭化ケイ素等とすることで、伝熱する効果をさらに向上することができる。
【００１６】
燃料電池セルの発電検査について説明する。
燃料電池セルの発電検査を行う場合、燃料電池セルを中間板で挟み、燃料電池セルに高温の反応ガスを流し、中間板に低温の冷却水を流して行う。
【００１７】
すなわち、複数の中間板１２ａ〜１２ｈのそれぞれの間に、検査対象となる燃料電池セル１９ａ〜１９ｇを入れる。具体的には、中間板１２ａと中間板１２ｂとの間に燃料電池セル１９ａを入れる。中間板１２ｂと中間板１２ｃとの間に燃料電池セル１９ｂを入れる。同様にして、燃料電池セル１９ｃ〜１９ｇのそれぞれを、２つの中間板の間に入れる。尚、燃料電池セルを単にセルと称したり、ＦＣ(Fuel Cell)セルと称することもある。
【００１８】
中間板１２ｈにおいて、第１流路Ｒ１には、ガス供給口Ｍ１が設けられる。中間板１２ｈにおいて、第２流路Ｒ２には、ガス排出口Ｍ２が設けられる。第１流路Ｒ１と第２流路Ｒ２とは、複数の第２中間板１２ｂ〜１２ｈを介して繋がっている。
【００１９】
そして、温度の高い反応ガスＧ１を、ガス供給口Ｍ１から供給する。供給した反応ガスＧ１は、第１流路Ｒ１、燃料電池セル１９ａ〜１９ｇ及び第２流路Ｒ２を経由してガス排出口Ｍ２から排出する。尚、反応ガスをエアーと称したり、加湿ガスと称したり、単に、ガスと称することもある。
【００２０】
また、複数の第２中間板１２ｂ〜１２ｈのそれぞれの内部には、冷却水Ｗを流すための水流路を有する。燃料電池セル１９ａ〜１９ｇを検査する場合、複数の第２中間板１２ｂ〜１２ｈのそれぞれの水流路に冷却水Ｗを流す。冷却水Ｗの温度は、例えば、約５０度である。
【００２１】
冷却水Ｗの温度は、反応ガスＧ１の温度よりも低いので、反応ガスＧ１が第１流路Ｒ１内を進行して複数の第２中間板１２ｂ〜１２ｈを通過する際に、反応ガスＧ１は冷やされる。このため、奥側の中間板や燃料電池セルに、ガス供給口Ｍ１付近の温度を保ったままの反応ガスＧ１を供給できない。その結果、ガス供給口Ｍ１付近の中間板と奥側付近の中間板との間で温度勾配ができる。
【００２２】
反応ガスＧ１の露点は、例えば、約８５度である。反応ガスＧ１は、その温度が露点よりも低くなると結露を生じる。反応ガスＧ１が結露すると、反応ガスＧ１の水分濃度（反応ガスＧ１内の水分量）は低下する。ガス供給口Ｍ１付近と奥側付近では温度勾配があるので、奥側付近の反応ガスＧ１の温度は、ガス供給口Ｍ１付近の反応ガスＧ１の温度よりも低い。これにより、奥側付近に生じる結露の量は、ガス供給口Ｍ１付近に生じる結露の量よりも多くなる。
【００２３】
その結果、第１流路（エアマニホールド）Ｒ１の奥側程、反応ガスＧ１の水分濃度が低くなり、燃料電池セルに対して充分に加湿することができない。奥側に配置された、例えば、燃料電池セル１９ａの水分量が不足して発電性能が低下する。そして、燃料電池セルの検査時と実際の動作時との間で、発電性能に誤差が生じ検査精度が低下する。
【００２４】
よって、燃料電池セル１９ａ〜１９ｇのそれぞれの発電条件を均一にするため、ガス供給口Ｍ１付近の中間板と奥側付近の中間板との間で温度勾配を低減する必要がある。
【００２５】
そこで、実施の形態１においては、この温度勾配を低減（温度低下を防止）するため、ガス供給口Ｍ１付近の中間板と奥側付近の中間板とを複数の熱伝導材１３ａ〜１３ｄで接続する。
【００２６】
ガス供給口Ｍ１付近の中間板と奥側付近の中間板とを複数の熱伝導材１３ａ〜１３ｄで接続することにより、ガス供給口Ｍ１付近の中間板の熱を、奥側付近の中間板へ伝熱させることができる。その結果、一端近傍に配置された中間板の温度と他端近傍に配置された中間板の温度との温度勾配を低減することが可能な燃料電池セルの検査装置を提供することができる。
【００２７】
温度勾配を低減することにより、第１流路Ｒ１の奥側付近の結露の量とガス供給口Ｍ１付近の結露の量とが均一となり、奥側に配置された燃料電池セルに対しても充分な加湿をすることができ、検査精度が向上する。
【００２８】
また、複数の熱伝導材１３ａ〜１３ｄのそれぞれを絶縁体とすることで、接続した中間板同士の短絡を防止することができる。具体的には、熱伝導材１３ｄを絶縁体とすることで、中間板１２ｄと中間板１２ｅとの間の短絡を防止することができる。
【００２９】
また、中間板１２ａ〜１２ｈの第１流路（エアマニホールド）Ｒ１周辺の部分１２１ａ〜部分１２１ｈを、熱伝導率が、例えば、チタンよりも高い材料とすることで、熱伝導材１３が伝熱する効果をさらに向上することができる。
【００３０】
また、熱伝導材１３ａは、温度の最も高い中間板と温度の最も低い中間板とを接続してもよい。温度の最も高い中間板の熱が温度の最も低い中間板に伝わり、中間板内の温度勾配をさらに低減することができる。
【００３１】
ここで、実施の形態１に係る燃料電池セルの検査装置の特徴を以下に示す。
・熱伝導率の高い材料の熱伝導材を用いて、温度の高いガス供給口付近の中間板と温度の低い奥側付近の中間板とを接続し、ガス供給口付近の中間板の熱を奥側付近の中間板へ伝熱させる。
・電位の異なる中間板同士を熱伝導材で接続する際、熱伝導材を絶縁体にすることで、中間板同士の短絡を防止する。
・エアマニホールド周辺（部分１２１ａ〜１２１ｈ）を、熱伝導率が、例えば、チタンよりも高い材料にすることで、熱伝導材からの伝熱をさらに向上することができる。
【００３２】
［比較例］
次に、実施の形態１の比較例について説明する。
図２は、実施の形態１の比較例に係る検査装置を例示する断面図である。
【００３３】
図２に示すように、比較例に係る検査装置５０においては、実施の形態１と比べて、中間板１２ａ近傍の複数の中間板と、中間板１２ｈ近傍の複数の中間板と、をそれぞれ接続する熱伝導材１３ａ〜１３ｄが設けられていない点が異なる。
【００３４】
このため、ガス供給口Ｍ１付近の中間板の熱を、奥側付近の中間板へ伝熱させることができない。よって、ガス供給口Ｍ１付近の中間板と奥側付近の中間板との間で温度勾配を低減することが難しい。その結果、一端に配置された中間板の温度と他端に配置された中間板の温度との温度勾配を低減することが可能な燃料電池セルの検査装置を提供することは難しい。
【００３５】
また、温度勾配があるため、第１流路Ｒ１の奥側付近の結露水Ｗｄの量が、ガス供給口Ｍ１付近の結露水Ｗｄの量よりも多くなり、奥側に配置された燃料電池セルに対して充分な加湿をすることができない。
【００３６】
［実施の形態２］
図３は、実施の形態２に係る検査装置を例示する断面図である。
実施の形態２は、前述の実施の形態１と比べて中間板の数が異なる。すなわち、図３に示すように、検査装置２０は、中間板１２ａ〜１２ｕが設けられる。中間板の数は２１枚である。また、第１中間板１２ａには、熱伝導材は接続されない。また、複数の中間板１２ａ〜１２ｕは、第１流路Ｒ１周辺の部分１２１ａ〜１２１ｕを有する。
【００３７】
複数の熱伝導材１３ａ〜１３ｄは、１２ｂ近傍の複数の中間板と、中間板１２ｕ近傍の複数の中間板と、をそれぞれ接続する。具体的には、熱伝導材１３ａは、中間板１２ｂと中間板１２ｕとを接続する。熱伝導材１３ｂは、中間板１２ｃと中間板１２ｔとを接続する。熱伝導材１３ｃは、中間板１２ｄと中間板１２ｓとを接続する。熱伝導材１３ｄは、中間板１２ｅと中間板１２ｒとを接続する。
【００３８】
実施の形態２に係る検査装置２０は、その中間板の数が実施の形態１の検査装置１０と比べて多くなる。このため、全ての中間板を熱伝導材で接続した場合、熱伝導材の数が多くなり、検査装置２０を小型化することが難しくなる。そこで、熱伝導材の最適な数をシミュレーションにより求め、その結果に基づいて、検査装置２０の熱伝導材の数を決定する。以下に流路についてのシミュレーションについて説明する。
【００３９】
図４（Ａ）は、シミュレーションモデルを例示する模式図である。
図４（Ｂ）は、シミュレーションモデルを例示する断面図である。
【００４０】
図４（Ａ）及び図４（Ｂ）に示すように、シミュレーションモデルは、長さＬが４４６ｍｍ（ミリメートル）、高さＨが１７．２１ｍｍ、幅Ｄが３３．７ｍｍを有する流路を想定した。また、流路壁面の温度を４８度とした。このような流路に、入口（ガス供給口）Ｍ１から９０度のガスＧ１を供給した場合の流路断面でのガスＧ１の平均温度Ｔｇを求めた。
【００４１】
図５（Ａ）は、流路断面におけるガスの平均温度のシミュレーション結果を例示するグラフである。
図５（Ａ）の横軸は所定方向Ｄｒ１における入口Ｍ１からの距離Ｌｇを示し、縦軸は距離Ｌｇでの流路断面におけるガスＧ１の平均温度Ｔｇを示す。
【００４２】
図５（Ａ）に示すように、ガスの平均温度Ｔｇは、距離Ｌｇが大きくなるに従って低下する。すなわち、ガスの平均温度Ｔｇは、流路の奥側に行く程に低下する。距離Ｌｇが５ｍｍ（ミリメートル）の位置において、ガスの平均温度Ｔｇは８５度となる。ガスの露点は、例えば、約８５度である。よって、距離Ｌｇが５ｍｍよりも大きくなると、流路に少づつ結露が発生するようになる。
【００４３】
図５（Ｂ）は、流路の長手方向における温度分布を例示するシミュレーション結果である。
図５（Ｃ）は、図５（Ｂ）に示す位置Ｐ１の流路断面における温度分布を例示するシミュレーション結果である。
【００４４】
図５（Ｂ）及び図５（Ｃ）において、領域Ｓ１はガスの平均温度Ｔｇが８５度以下の領域を示し、領域Ｓ２はガスの平均温度Ｔｇが８５度よりも高い領域を示す。
【００４５】
図５（Ｂ）に示すように、ガスの平均温度Ｔｇが８５度以下の領域Ｓ１は、流路の奥側に行く程（距離Ｌｇが大きくなる程）、大きくなる。また、ガスの平均温度Ｔｇが８５度以下の領域Ｓ１は、流路壁面から中心に向かって拡がっている。
【００４６】
図５（Ｃ）に示すように、図５（Ｂ）に示す位置Ｐ１おいては、ガスの平均温度Ｔｇが８５度以下の領域Ｓ１は、流路断面積の９２．５％（パーセント）を占める。
【００４７】
結露は、ガス供給口からの距離Ｌｇが５ｍｍ（ミリメートル）よりも大きくなると徐々に発生する。発生した結露が、燃料電池セルの発電検査に影響を及ぼして発電性能に誤差が生じ、検査精度が低下する。そして、検査精度の低下が許容できない程度になるのは、位置Ｐ１付近である。この位置Ｐ１は、図２に示す検査装置２０においては、例えば、中間板１２ｅ付近である。
【００４８】
よって、検査装置２０においては、全ての中間板同士を熱伝導材で接続するのではなく、奥側から５番目までの中間板に熱伝導材を接続する。これにより、熱伝導材の数を削減することができるので、検査装置２０を小型化、省スペース化することができる。
【００４９】
図６（Ａ）及び図６（Ｂ）は、図３に示す部分Ｂを例示する断面図である。
図６（Ａ）は、中間板に熱伝導材を浅く挿入した場合を例示する断面図である。
図６（Ｂ）は、中間板に熱伝導材を深く挿入した場合を例示する断面図である。
【００５０】
図６（Ａ）及び図６（Ｂ）に示すように、熱伝導材１３ａは挿入部分１３ｐを有する。中間板１２ｕの第１流路Ｒ１周辺の部分１２１ｕに対して、挿入部分１３ｐが挿入される。これにより、中間板１２ｕの可動範囲に合わせて、熱伝導材１３ａの挿入する深さを変えることができる。そして、中間板１２ｕに対して熱伝導材１３ａを深く挿入した場合と、中間板１２ｕに対して熱伝導材１３ａを浅く挿入した場合とで、熱の移動する量を変更することができる。
【００５１】
図７は、熱伝導材を例示する模式図である。
図７に示すように、熱伝導材１３は、複数の挿入部分１３ｐ１〜１３ｐ４を有する。これにより、挿入部分１３ｐ１〜１３ｐ４が無い場合と比べて、熱伝導材１３と中間板１２とが接続する表面積が大きくなり、熱の伝達をさらに向上することができる。
【００５２】
図８は、図３に示すＡ１−Ａ２線による模式断面図である。
図８においては、図を見やすくするため、熱伝導材１３ｃの断面を示さずに、熱伝導材１３ａが中間板１２ｓの手前にある様子を示す。
【００５３】
図８に示すように、検査装置２０は、第１流路Ｒ１と第２流路Ｒ２の他に、第３流路Ｒ３〜第１２流路Ｒ１２が設けられる。第３流路Ｒ３〜第１２流路Ｒ１２のそれぞれは、第１流路Ｒ１と同様に、複数の中間板１２ｂ〜１２ｕを所定方向Ｄｒ１に貫いて設けられる。
【００５４】
そして、第１流路Ｒ１、第３流路Ｒ３、第５流路Ｒ５、第７流路Ｒ７、第９流路Ｒ９及び第１１流路Ｒ１１のそれぞれの流路の近傍に熱伝導材が設けられる。具体的には、第１流路Ｒ１の近傍に熱伝導材１３ａ１が設けられる他に、第３流路Ｒ３の近傍に熱伝導材１３ａ２が設けられ、第５流路Ｒ５の近傍に熱伝導材１３ａ３が設けられる。また、第７流路Ｒ７の近傍に熱伝導材１３ａ４が設けられ、第９流路Ｒ９の近傍に熱伝導材１３ａ５が設けられ、第１１流路Ｒ１１の近傍に熱伝導材１３ａ６が設けられる。すなわち、中間板１２ｓには、流路の数に合わせて６本の熱伝導材が接続される。
【００５５】
尚、実施の形態１は中間板の数を８として説明し、実施の形態２は中間板の数を２１として説明したが、これには限定されない。中間板の数は、８及び２１に限定されずに、それら以外の数であっても良い。
【００５６】
尚、本発明は上記実施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。
【符号の説明】
【００５７】
１０、２０、５０…燃料電池セルの検査装置  １２、１２ａ〜１２ｕ…中間板  １２ａ…第１中間板  １３、１３ａ〜１３ｄ、１３ａ２〜１３ａ６…熱伝導材  １３ｐ、１３ｐ１〜１３ｐ４…挿入部分  １９、１９ａ〜１９ｇ…燃料電池セル  １２１ａ〜１２１ｕ…中間板の第１流路周辺部分  Ｂ…部分  Ｄ…幅  Ｄｒ１…所定方向  Ｈ…高さ  Ｌ…長さ  Ｇ１…反応ガス  Ｍ１…ガス供給口  Ｍ２…ガス排出口  Ｐ１…位置  Ｒ１…第１流路  Ｒ２…第２流路  Ｒ３…第３流路  Ｒ１２…第１２流路  Ｓ１、Ｓ２…領域  Ｔｇ…平均温度  Ｌｇ…距離  Ｗ…冷却水  Ｗｄ…結露水
【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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