(57)【要約】【課題】燃料電池を分解することなく、燃料電池の劣化の有無と劣化箇所とを判定することのできる技術を提供する。【解決手段】複数のセルが積層されたセル積層体と、前記セル積層体を積層方向に貫通し前記各セルに反応ガスを供給する供給マニホールドと、前記セル積層体を積層方向に貫通し前記各セルから排出される排出ガスを前記セル積層体の外部に排出する排出マニホールドを含む排出路と、を備える燃料電池の劣化判定方法は、（ａ）水回収部と、位置確認部と、を備えた検査装置を、前記排出マニホールドに挿入する工程と、（ｂ）前記水回収部によって、前記排出路内の水を回収する工程と、（ｃ）前記位置確認部によって、前記排出路内における前記水を回収する位置を確認する工程と、（ｄ）前記回収された水に含まれる特定成分の量を測定し、当該測定結果から前記燃料電池の劣化の有無を判定する工程と、を備える。【選択図】図５
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数のセルが積層されたセル積層体と、前記セル積層体を積層方向に貫通し前記各セルに反応ガスを供給する供給マニホールドと、前記セル積層体を積層方向に貫通し前記各セルから排出される排出ガスを前記セル積層体の外部に排出する排出マニホールドを含む排出路と、を備える燃料電池の劣化判定方法であって、
（ａ）水回収部と、位置確認部と、を備えた検査装置を、前記排出マニホールドに挿入する工程と、
（ｂ）前記水回収部によって、前記排出路内の水を回収する工程と、
（ｃ）前記位置確認部によって、前記排出路内における前記水を回収する位置を確認する工程と、
（ｄ）前記回収された水に含まれる特定成分の量を測定し、当該測定結果から前記燃料電池の劣化の有無を判定する工程と、
を備える、方法。
【請求項２】
請求項１記載の燃料電池の劣化判定方法であって、
前記工程（ｂ）は、前記セルから排出された水が前記排出マニホールドに達する前の位置で、前記水を回収する工程を含み、
前記工程（ｃ）は、前記回収する水が、前記複数のセルのうちのいずれのセルから排出された水であるかを確認する工程を含む、方法。
【請求項３】
請求項１記載の燃料電池の劣化判定方法であって、
前記工程（ｂ）は、前記排出マニホールド内の複数の位置から水を回収する工程を含む、方法。
【請求項４】
複数のセルが積層されたセル積層体と、前記セル積層体を積層方向に貫通し前記各セルに反応ガスを供給する供給マニホールドと、前記セル積層体を積層方向に貫通し前記各セルから排出される排出ガスを前記セル積層体の外部に排出する排出マニホールドを含む排出路と、を備える燃料電池の検査に用いる検査装置であって、
前記排出マニホールド内に挿入するための挿入機構と、
前記挿入機構に設けられ、水を回収する水回収部と、
前記水を回収した位置を確認する位置確認部と、
を備える、検査装置。
【請求項５】
請求項４記載の検査装置であって、
前記位置確認部は、前記挿入機構に設けられ、前記排出マニホールド内を撮像する撮像部を含む、検査装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池の劣化判定および検査に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、水素と酸素とを燃料として発電することができる燃料電池が注目を集めている。燃料電池は、一般に、電解質膜の両面に白金等の触媒層が形成された膜―電極接合体（以下、「ＭＥＡ」とも呼ぶ。ＭＥＡ：Membrane Electrode Assembly）と、その両側に配置された導電性多孔質体と、さらにその外側に設けられたセパレータと、を備える。
【０００３】
燃料電池を長期間使用していると、やがて電解質膜は劣化して欠損し、反応ガスのクロスリークが発生することがある。クロスリークが発生すると、燃料ガスが酸化ガスと直接反応して消費される。そのため、発電のための燃料ガスが不足し、正常な発電が困難となり、発電効率が低下するという問題がある。燃料電池の構成部材の劣化を調査するには、燃料電池を分解すればよいが、この手法では、燃池電池の分解工程に時間と手間がかかるため、分解をせずに燃料電池の劣化具合を調査したいという要望があった。
【０００４】
従来、燃料電池を分解せずに、燃料電池の劣化を判定する方法としては、燃料電池から排出される排出水を、酸化ガスの出口通路から回収し、その水の中に含まれる劣化を示す成分、例えばフッ素やアルミニウム等の量を測定するという方法があった（例えば、特許文献１参照。）。
【０００５】
【特許文献１】特開２００５−１７４８２２号公報
【特許文献２】実公平０３−３１０１０号公報
【特許文献３】特開２００２−３４３３７２号公報
【０００６】
しかし、この技術では、判定対象となる燃料電池の中に、劣化しているセルが含まれているか否かを判定することはできても、劣化している箇所を特定することはできないという問題があった。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明は、上述した従来の課題を解決するためになされたものであり、燃料電池を分解することなく、燃料電池の劣化の有無と劣化箇所とを判定することのできる技術を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記目的を達成するために、本発明の一形態による方法は、複数のセルが積層されたセル積層体と、前記セル積層体を積層方向に貫通し前記各セルに反応ガスを供給する供給マニホールドと、前記セル積層体を積層方向に貫通し前記各セルから排出される排出ガスを前記セル積層体の外部に排出する排出マニホールドを含む排出路と、を備える燃料電池の劣化判定方法であって、
（ａ）水回収部と、位置確認部と、を備えた検査装置を、前記排出マニホールドに挿入する工程と、
（ｂ）前記水回収部によって、前記排出路内の水を回収する工程と、
（ｃ）前記位置確認部によって、前記排出路内における前記水を回収する位置を確認する工程と、
（ｄ）前記回収された水に含まれる特定成分の量を測定し、当該測定結果から前記燃料電池の劣化の有無を判定する工程と、を備えることを特徴とする。
【０００９】
このような方法によれば、排出路内のどの箇所から水を回収したのかを確認し、回収した水に含まれる特定成分の量を測定するので、燃料電池を分解することなく、燃料電池の劣化の有無と劣化箇所とを判定することができる。
【００１０】
前記工程（ｂ）は、前記セルから排出された水が前記排出マニホールドに達する前の位置で、前記水を回収する工程を含み、前記工程（ｃ）は、前記回収する水が、前記複数のセルのうちのいずれのセルから排出された水であるかを確認する工程を含む、こととしてもよい。
【００１１】
このような方法によれば、他のセルから排出される水を回収することなく、一個のセルから排出される水のみを回収することができるので、燃料電池を分解することなく、燃料電池の劣化の有無の判定と、劣化しているセルの特定をすることができる。
【００１２】
前記工程（ｂ）は、前記排出マニホールド内の複数の位置から水を回収する工程を含む、こととしてもよい。
【００１３】
このような方法とすれば、容易に水の回収をすることができ、燃料電池を分解することなく、燃料電池の劣化の有無と劣化箇所とを判定することができる。
【００１４】
本発明の一形態による検査装置は、複数のセルが積層されたセル積層体と、前記セル積層体を積層方向に貫通し前記各セルに反応ガスを供給する供給マニホールドと、前記セル積層体を積層方向に貫通し前記各セルから排出される排出ガスを前記セル積層体の外部に排出する排出マニホールドを含む排出路と、を備える燃料電池の検査に用いる検査装置であって、前記排出マニホールド内に挿入するための挿入機構と、前記挿入機構に設けられ、水を回収する水回収部と、前記水を回収した位置を確認する位置確認部と、を備えることを特徴とする。
【００１５】
このような構成とすれば、排出マニホールド内の水を回収し、どの箇所から水を回収したのかを確認することができるので、燃料電池を分解することなく、燃料電池の劣化の有無と劣化箇所とを判定することができる。
【００１６】
前記位置確認部は、前記挿入機構に設けられ、前記排出マニホールド内を撮像する撮像部を含む、こととしてもよい。
【００１７】
このような構成とすれば、排出マニホールド内からセルを確認することができるので、水を回収した位置を特定することが容易となる。
【００１８】
なお、本発明は、種々の態様で実現することが可能である。例えば、燃料電池、燃料電池システム、それらを搭載した自動車、またはそれらの製造方法等の形態で実現することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
Ａ．燃料電池の構成：
図１は、本発明の一実施例としての燃料電池スタック１０の断面を示す説明図である。本実施例の燃料電池スタック１０は、固体高分子型燃料電池であり、燃料ガスと酸化ガスの供給を受け、電気化学反応によって発電する。具体的には、燃料ガスとして水素が供給され、酸化ガスとして酸素を含有する圧縮空気が供給される。燃料電池スタック１０は、積層体２０と、エンドプレート２１、２２と、締結部材２３，２４とを備える。積層体２０は、セルアセンブリ７０と、セパレータＳＰと、を交互に複数積層することによって構成される。締結部材２３，２４は、エンドプレート２１と、エンドプレート２２とに締結されており、積層体２０に対して積層方向に荷重を掛けた状態で構成されている。積層体２０と、エンドプレート２２には、水素、圧縮空気、冷媒などの供給および排出を行うための貫通孔であるマニホールドが設けられている。図１では、空気供給用マニホールドＭ３と、空気排出用マニホールドＭ４が図示されている。
【００２０】
図２は、燃料電池の詳細な構成を示す説明図である。セルアセンブリ７０は、発電体７１と、シール部７２と、によって構成されており、１つの電池として機能する。発電体７１は、ＭＥＡ７３（膜―電極接合体、Membrane Electrode Assembly）と、ＭＥＡ７３を挟持するガス拡散層７６，７７と、ガス拡散層７６，７７をさらに挟持するガス流路形成部７８，７９と、によって構成されている。ＭＥＡ７３は、電解質膜７４と、電解質膜７４の両面に形成された電極層触媒７５（アノード電極層７５ａおよびカソード電極層７５ｃ）と、を備える。セパレータＳＰは、アノード側プレートＳＰａと、カソード側プレートＳＰｃと、それら２枚のプレートに挟持された中間プレートＳＰｉと、を備える三層構造のセパレータである。なお、図１に示す燃料電池全体の構造は単なる一例であり、本発明は他の構造の燃料電池にも適用可能である。
【００２１】
酸化ガスとして用いられる圧縮空気は、空気供給用マニホールドＭ３、ガス流路形成部７８、ガス拡散層７６を通過してＭＥＡ７３まで運ばれ、電気化学反応に供される。電気化学反応に供されなかった空気と、電気化学反応によってカソード側に生成した水（以下、「生成水」と呼ぶ。）は、各セルアセンブリ７０の排出口８２から排出され、セパレータＳＰによって構成された排出流路８０を通過し、空気排出用マニホールドＭ４から燃料電池の外へと流通する。
【００２２】
燃料電池を長期間運転すると、排出口８２から排出される生成水には、ＭＥＡ７３を構成する材料の成分（例えば、フッ素成分）が含有されるようになる。また、燃料電池の金属製の構成部材が劣化した場合には、生成水中に含まれる金属の量（例えば、アルミニウム）が増加する。したがって、各セルアセンブリ７０から排出される生成水中に含まれるフッ素成分等（以下、「特定成分」と呼ぶ。）の量や濃度を計測すれば、各セルアセンブリの劣化具合を判定することができる。また生成水のｐＨ値を計測することによっても、セルアセンブリ７０の劣化具合を判定することができる。
【００２３】
Ｂ．第１実施例：
図３は、第１実施例における燃料電池の検査装置１００を示す説明図である。検査装置１００は、検査ロッド１１０と、取水用スポイト１２０と、ファイバースコープ１３０と、モニタ１４０と、液体分析装置１５０と、を備える。検査ロッド１１０は、空気排出用マニホールドＭ４の中に挿入しやすいように、細長い形状を有している。また、検査ロッド１１０の先端部分は、取水用スポイト１２０と、ファイバースコープ１３０と、を備えるため、それらを支持できる程度の剛性を有することが好ましい。取水用スポイト１２０は、各セルの排出流路８０内に存在する生成水を回収することができる。排出流路８０は、空気排出用マニホールドＭ４から略直角に曲がった構成となっている。そのため、取水用スポイト１２０の先端は、検査装置１００の挿入方向に対して略垂直方向を向いていることが好ましい。しかし、空気排出用マニホールドＭ４は狭いため、略垂直方向を向いた取水用スポイト１２０は、検査装置１００の挿入時に障害となる可能性がある。したがって、取水用スポイト１２０の先端部分は、挿入時には短く縮んでおり、排出流路８０から生成水を回収する場合には伸びるような伸縮機構を備えていることが好ましい。モニタ１４０は、ファイバースコープ１３０と接続されており、ファイバースコープ１３０が捕らえた空気排出用マニホールドＭ４の中の映像を映し出すことができる。また、ファイバースコープ１３０が捕らえた映像は、ファイバースコープ１３０の接眼レンズ（図示せず）によって確認することもできる。後者の場合にはモニタ１４０は省略可能である。なお、図３では、ファイバースコープ１３０や取水用スポイト１２０は、モニタ１４０と同程度の大きさで描かれているが、これは説明のために描かれたものであり、実際のファイバースコープ１３０や取水用スポイト１２０は、モニタ１４０に対して小さい。後述する図５以降においても同様である。液体分析装置１５０は、回収された生成水に含まれている特定成分、例えばフッ素成分の量を測定することができ、セルアセンブリ７０の劣化具合を判定することができる。
【００２４】
図４は、燃料電池の検査の手順を示すフローチャートである。図５は、その検査の様子を示す説明図である。なお実際の燃料電池スタック１０は、スタックケース（図示せず）に収納されているが、説明のため、スタックケースは省略している。以下で述べる検査方法は、燃料電池スタック１０がスタックケースに収納されている状態でも実施可能である。
【００２５】
ステップＳ１０では、空気排出用マニホールドＭ４から検査装置１００を挿入する。このとき、空気排出用マニホールドは狭いため、取水用スポイト１２０の先端は短くしておくことが好ましい。ステップＳ２０では、空気排出用マニホールドＭ４の中の映像をモニタ１４０で確認しながら、検査対象とするセルアセンブリ７０と、そのセルアセンブリ７０の生成水が流出する排出流路８０とを特定する。本実施例では、セルアセンブリ７０を特定する方法として、ファイバースコープ１３０の視野に目盛りを付けておき、この目盛りを補助として用いて、視野に映ったセルアセンブリ７０を数える方法を採用している。また、ある特定番号の排出流路８０に特定の形状を有する位置確認部材を設ける方法も採用可能である。ステップＳ３０では、取水用スポイト１２０を用いて、排出流路８０から生成水を回収する。このとき、取水用スポイト１２０の先端を伸ばすと、排出流路８０から生成水を回収しやすくなる。ステップＳ４０では、回収した生成水に含まれる特定成分の濃度を液体分析装置１５０で測定することにより、生成水を回収したセルアセンブリ７０の劣化具合を判定する。
【００２６】
図６は、回収した生成水に含まれる特定成分の濃度変化の一例を示すグラフである。横軸は、生成水を回収したセルアセンブリ７０の番号を意味する。セルアセンブリ７０の番号は、エンドプレート２１に最も近いセルアセンブリ７０を「１」として数えている。以下、小さい番号を「上流側」と、大きい番号を「下流側」と呼ぶ。図４のフローチャートに従って、各セルアセンブリ７０の生成水に含まれる特定成分の濃度を順次調べていく。すると、あるセルアセンブリ７０の特定成分の濃度が予め設定しておいた許容値ＰＲを超える場合がある。この場合、そのセルアセンブリ７０の劣化具合は、許容範囲を超えていると判定することができる。なお、図５では、セルアセンブリ７０の番号は１５番まで記載されているが、これは説明のために記載したものであり、実際に検査するセルアセンブリ７０の数は１５より多くても、逆に少なくてもよく、任意である。
【００２７】
このように、第１実施例では、各セルアセンブリ７０の排出流路８０から生成水を回収し、生成水に含まれる特定成分の濃度を調べるので、燃料電池を分解することなく、どのセルアセンブリ７０が劣化しているのかを判定することが可能である。特に、各セルアセンブリ７０の排出流路８０は、空気排出用マニホールドＭ４よりもＭＥＡ７３により近い位置にあるので、他のセルアセンブリ７０からの生成水を回収することなく、一個のセルアセンブリ７０からの生成水のみを回収することができる。したがって、劣化しているセルアセンブリ７０の位置を確実に特定することができる。
【００２８】
Ｃ．第２実施例：
図７は、第２実施例における燃料電池の検査の様子を示す説明図である。図５に示した第１実施例との違いは、排出流路８０から生成水を回収するのではなく、空気排出用マニホールドＭ４内の複数の位置から生成水を回収するという点だけであり、他の構成は第１実施例と同じである。
【００２９】
図８は、回収した生成水に含まれる特定成分の濃度を示すグラフである。第２実施例では、空気排出用マニホールドＭ４内において上流側から生成水を順次回収し、特定成分の濃度を調べる。各セルアセンブリ７０で発生する生成水は、それぞれの排出流路８０を通って、空気排出用マニホールドＭ４で合流し、他のセルアセンブリ７０で発生した生成水と混ざることになる。したがって、生成水を回収した箇所から上流側にあるセルアセンブリ７０のうち、少なくとも１つのセルアセンブリ７０が劣化していると、その劣化したセルアセンブリ７０より下流側の箇所における生成水に含まれる特定成分の濃度は大きくなる。このことにより、特定成分の濃度が大きくなった箇所の上流側近傍に、劣化したセルアセンブリ７０が少なくとも１つ以上含まれていると判定することができる。なお、燃料電池スタック１０のうち、劣化したセルアセンブリ７０が１つである場合には、その特定成分の濃度が大きい生成水は、下流側に流れるほど他のセルアセンブリ７０からの生成水と混ざることになる。そのため、下流側ほど特定成分の濃度は小さくなっていく。
【００３０】
このように、空気排出用マニホールドＭ４の複数の位置から生成水を回収しても、第１実施例と同様に、燃料電池の劣化を調べることが可能である。第２実施例は、生成水の回収が第１実施例よりも容易であるという利点がある。ただし、第２実施例では、劣化したセルアセンブリ７０を第１実施例ほど正確には特定することができない可能性がある。従って、この点では第１実施例の方が好ましい。
【００３１】
Ｄ．第３実施例：
図９は、第３実施例で利用する水回収テープ２００を示す説明図である。図９（Ａ）は、水回収テープ２００を上から見た図であり、図９（Ｂ）は、図９（Ａ）のＢ−Ｂ断面である。図３に示した第１実施例との違いは、取水用スポイト１２０の代わりに、水回収テープ２００が検査ロッド１１０（図３）の先端に設けられているという点だけであり、他の構成は第１実施例と同じである。空気排出用マニホールドＭ４内の生成水は、開口部２０５から取り込まれ、テープ部２１０によって吸収される。生成水を吸収したテープ部２１０は、巻取り部２２０によって巻き取られる。したがって、検査装置１００の一度の挿入で、複数個所の生成水を回収することが可能である。また、空気排出用マニホールドＭ４内における検査ロッド１１０の移動速度と、巻取り部２２０の巻き取り速度とを調節すれば、空気排出用マニホールドＭ４内の生成水の回収と同時に、その生成水を回収した位置をテープ部２１０の長さによって特定することも可能となる。このように、水回収テープ２００を設けても、第１実施例と同様に、燃料電池の劣化を調べることが可能である。
【００３２】
Ｅ．変形例：
なお、この発明は上記の実施例や実施形態に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の態様において実施することが可能であり、例えば次のような変形も可能である。
【００３３】
Ｅ１．変形例１：
上記実施例では、位置確認部として、ファイバースコープ１３０を用いているが、これは一例であり、生成水を回収する位置を確認することのできるその他の種々の構成を採用することが可能である。例えば、ファイバースコープ１３０の代わりに、ファイバースコープ１３０以外の小型カメラ等を用いることも可能である。また、検査ロッド１１０に予め目印等をつけておけば、検査ロッド１１０の挿入長さから、どのセルアセンブリ７０から生成水を回収したのかを確認することも可能である。さらに、検査ロッド１１０の挿入長さを測定することにより、生成水を回収したセルアセンブリを特定することのできる装置を別途設けることも可能である。
【００３４】
Ｅ２．変形例２：
上記実施例では、水回収部として、取水用スポイト１２０や水回収テープ２００を用いていたが、これらは一例であり、生成水を回収することのできるその他の種々の構成を採用することが可能である。例えば、検査ロッド１１０の先端に、生成水を回収することのできる小型のスプーンを設けたり、また、検査ロッド１１０の先端に脱脂綿を付けて生成水を回収することも可能である。
【００３５】
Ｅ３．変形例３：
上記実施例では、特定成分として、フッ素やアルミニウム等を計測していたが、これらは一例であり、燃料電池の劣化を示す種々の成分を特定成分として計測の対象とすることができる。例えば、ＭＥＡ７３を構成する材料である白金等であってもよい。さらにＭＥＡの構成材料のいずれかに、銅や金等の所定の成分を別途塗りこむ等して、予め存在させておいたものであってもよい。また、燃料電池を構成するいずれかの部材の成分や、生成水のｐＨ値であってもよい。
【図面の簡単な説明】
【００３６】
【図１】本発明の一実施例としての燃料電池スタックの断面を示す説明図である。
【図２】燃料電池の詳細な構成を示す説明図である。
【図３】第１実施例における燃料電池の検査装置を示す説明図である。
【図４】燃料電池の検査の手順を示すフローチャートである。
【図５】燃料電池の検査の様子を示す説明図である。
【図６】回収した生成水に含まれる特定成分の濃度変化の一例を示すグラフである。
【図７】第２実施例における燃料電池の検査の様子を示す説明図である。
【図８】回収した生成水に含まれる特定成分の濃度を示すグラフである。
【図９】第３実施例で利用する水回収テープを示す説明図である。
【符号の説明】
【００３７】
１０…燃料電池スタック
２０…積層体
２１，２２…エンドプレート
２３，２４…締結部材
７０…セルアセンブリ
７１…発電体
７２…シール部
７３…ＭＥＡ
７４…電解質膜
７５…電極層触媒
７５ａ…アノード電極層
７５ｃ…カソード電極層
７６，７７…ガス拡散層
７８，７９…ガス流路形成部
８０…排出流路
８２…排出口
１００…検査装置
１１０…検査ロッド
１２０…取水用スポイト
１３０…ファイバースコープ
１４０…モニタ
１５０…液体分析装置
２００…水回収テープ
２０５…開口部
２１０…テープ部
２２０…巻取り部
Ｍ３…空気供給用マニホールド
Ｍ４…空気排出用マニホールド
ＳＰ…セパレータ
ＳＰａ…アノード側プレート
ＳＰｃ…カソード側プレート
ＳＰｉ…中間プレート
ＰＲ…許容値
【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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