(57)【要約】【課題】  流路詰まりがなく、流れ先端の判別が可能な、燃料電池の（セル面内方向のガス流路内および／または拡散層内の）ガス流れ計測方法とその装置の提供。【解決手段】  （１）電解質とセパレータと集電体を有しセパレータ１８Ｍが透明板からなりセパレータと集電体の少なくとも一方にｐＨ指示薬が塗布された燃料電池モデル１９Ｍに、アルカリ性または酸性の物質を含ませたガスを流し、カメラ２によりガスを流した時のｐＨ指示薬の色の変化を燃料電池モデルの外部から透明板１８Ｍを通して撮像し、カメラ２で撮像された画像をコンピュータ３に取込んで画像処理しガスの流れを解析する、燃料電池内ガス流れ計測方法とその装置。（２）コンピュータによる画像解析が、画像取込み、背景減算、輪郭抽出、背景加算を含む。【選択図】        図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電解質とセパレータと集電体を有し前記セパレータが透明板からなり前記セパレータと前記集電体の少なくとも一方にｐＨ指示薬が塗布された燃料電池モデルに、アルカリ性または酸性の物質を含ませたガスを流し、
カメラにより前記ガスを流した時の前記ｐＨ指示薬の色の変化を燃料電池モデルの外部から前記透明板を通して撮像し、
前記カメラで撮像された画像をコンピュータに取込んで画像処理しガスの流れを解析する、
燃料電池内ガス流れ計測方法。
【請求項２】
前記コンピュータによる画像解析が、画像取込み、背景減算、輪郭抽出、背景加算を含む請求項１記載の燃料電池内ガス流れ計測方法。
【請求項３】
電解質とセパレータと集電体を有し前記セパレータが透明板からなり前記セパレータと前記集電体の少なくとも一方にｐＨ指示薬が塗布された燃料電池モデルと、
アルカリ性または酸性の物質を含ませたガスを流した時の前記ｐＨ指示薬の色の変化を燃料電池モデルの外部から前記透明板を通して撮像するカメラと、
前記カメラで撮像された画像を取込み画像処理しガスの流れを解析するコンピュータと、
を備えた燃料電池内ガス流れ計測装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は燃料電池内のガス流れ計測方法とその装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池、とくに固体高分子電解質型燃料電池は、膜−電極アッセンブリ（ＭＥＡ：Membrane-Electrode Assembly ）とセパレータとの積層体（ただし、積層方向は任意でよい）からなる。膜−電極アッセンブリは、イオン交換膜からなる電解質膜とこの電解質膜の一面に配置された触媒層からなる電極（アノード、燃料極）および電解質膜の他面に配置された触媒層からなる電極（カソード、空気極）とからなる。膜−電極アッセンブリとセパレータとの間には、アノード側、カソード側にそれぞれ拡散層が設けられる。セパレータには、アノードに燃料ガス（水素）を供給するための燃料ガス流路が形成され、カソードに酸化ガス（酸素、通常は空気）を供給するための酸化ガス流路が形成されている。膜−電極アッセンブリとセパレータを重ねてセルを構成し、少なくとも１つのセルからモジュールを構成し、モジュールを積層してセル積層体とし、セル積層体のセル積層方向両端に、ターミナル、インシュレータ、エンドプレートを配置し、セル積層体をセル積層方向に締め付け、セル積層方向に延びる締結部材（たとえば、テンションプレート）、ボルト・ナットにて固定して、スタックを構成する。
各セルの、アノード側では、水素を水素イオン（プロトン）と電子にする反応が行われ、水素イオンは電解質膜中をカソード側に移動し、カソード側では酸素と水素イオンおよび電子（隣りのＭＥＡのアノードで生成した電子がセパレータを通してくる、またはセル積層方向一端のセルのアノードで生成した電子が外部回路を通して他端のセルのカソードにくる）から水を生成するつぎの反応が行われ、かくして発電が行われる。
【０００３】
アノード側：Ｈ2 →２Ｈ+ ＋２ｅ- 
カソード側：２Ｈ+ ＋２ｅ- ＋（１／２）Ｏ2 →Ｈ2 Ｏ
燃料電池内のセル面内のガス流路（燃料ガス流路および／または酸化ガス流路）の設計においては、どのように燃料ガス、酸化ガスを流すと効率のよい発電ができるかを知ることが必要である。
従来一般的に知られている流れ計測の方法に、流れ場にトレーサを混入して流れを計測する方法があるが、狭く入り組んだセル面内流路をもつ燃料電池ではトレーサがセル面内流路に詰まるので、適用することができない。
【０００４】
この他の従来ガス流れ計測として、特開平８−２９３３１８号公報は、セル面内流路ではないが、入口側、出口側マニホールドの一部を切断し、透明板を貼り付け、供給ガスに白煙を混入して供給ガスの流れを可視化したものを提案している。しかし、白煙の場合は白煙粒子の密度が濃くないと視認することが難しいし、流れ先端の白煙の密度が下流にいくほど薄まって小さくなっていくので下流側では白煙先端を視認することが難しい。したがって、白煙法もセル面内流れ計測に適用することが困難である。
また、拡散層内のガス流れについては、拡散層が透明でないため、可視化が困難であり、白煙法による流れ計測は不可能に近い。
【特許文献１】特開平８−２９３３１８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明が解決しようとする問題点は、トレーサ法や白煙法などの従来計測法を燃料電池のセル面内方向のガス流路内および／または拡散層内のガス流れ計測に適用することが困難であるという問題（詰まり発生や、流れ先端判別不可の問題）である。
【０００６】
本発明の目的は、流路詰まりがなく、流れ先端の判別が可能な、燃料電池の（セル面内方向のガス流路内および／または拡散層内の）ガス流れ計測方法とその装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記課題を解決する、そして上記目的を達成する、本発明はつぎの通りである。
（１）  電解質とセパレータと集電体を有し前記セパレータが透明板からなり前記セパレータと前記集電体の少なくとも一方にｐＨ指示薬が塗布された燃料電池モデルに、アルカリ性または酸性の物質を含ませたガスを流し、
カメラにより前記ガスを流した時の前記ｐＨ指示薬の色の変化を燃料電池モデルの外部から前記透明板を通して撮像し、
前記カメラで撮像された画像をコンピュータに取込んで画像処理しガスの流れを解析する、
燃料電池内ガス流れ計測方法。
（２）  前記コンピュータによる画像解析が、画像取込み、背景減算、輪郭抽出、背景加算を含む（１）記載の燃料電池内ガス流れ計測方法。
（３）  電解質とセパレータと集電体を有し前記セパレータが透明板からなり前記セパレータと前記集電体の少なくとも一方にｐＨ指示薬が塗布された燃料電池モデルと、
アルカリ性または酸性の物質を含ませたガスを流した時の前記ｐＨ指示薬の色の変化を燃料電池モデルの外部から前記透明板を通して撮像するカメラと、
前記カメラで撮像された画像を取込み画像処理しガスの流れを解析するコンピュータと、
を備えた燃料電池内ガス流れ計測装置。
【発明の効果】
【０００８】
上記（１）、（２）の燃料電池内ガス流れ計測方法および上記（３）の燃料電池内ガス流れ計測装置によれば、セパレータが透明板からなるので、燃料電池モデル内のガスの流れを可視化できる。また、ガスを流した時のｐＨ指示薬の色の変化でガス流れを計測するようにしたので、流れ先端をｐＨ指示薬の色の変化で輪郭として明瞭にとらえることができ、かつ、流路の詰まりなどを生じさせることもない。また、時々刻々、カメラで撮像し画像処理してガス流れを解析するので、流れの方向、流れのベクトル（流れ先端の位置から判断可能）、流速（流れ先端の移動の速さから判断可能）、流量（ｐＨ指示薬の色の変化の度合いから判断可能）および流れ淀み部の有無の判断（ｐＨ指示薬の色の時間的変化がないかまたは少ないことより判断可能）、まで定量的に計測することが可能である。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
以下に、本発明の燃料電池内ガス流れ計測方法とその装置を図１〜図４を参照して説明する。ただし、図６は比較例で、本発明に含まれない。
本発明の計測が適用される燃料電池は、たとえば固体高分子電解質型燃料電池１０である。該燃料電池１０は、たとえば燃料電池自動車に搭載される。ただし、自動車以外に用いられてもよい。
【００１０】
固体高分子電解質型燃料電池１０は、膜−電極アッセンブリ（ＭＥＡ：Membrane-Electrode Assembly ）とセパレータ１８との積層体からなる。積層方向は任意である。膜−電極アッセンブリは、イオン交換膜からなる電解質膜１１と、この電解質膜の一面に配置された触媒層１２を有する電極（アノード、燃料極）１４および電解質膜１１の他面に配置された触媒層１５を有する電極（カソード、空気極）１７とからなる。膜−電極アッセンブリとセパレータ１８との間には、アノード側、カソード側に、それぞれ、ガスを拡散する拡散層１３、１６が設けられる。
膜−電極アッセンブリとセパレータ１８を重ねてセル１９を構成し、少なくとも１つのセルからモジュールを構成し、モジュールを積層してセル積層体とし、セル積層体のセル積層方向両端に、ターミナル２０、インシュレータ２１、エンドプレート２２を配置し、セル積層体をセル積層方向に締め付け、セル積層体の外側でセル積層方向に延びる締結部材（たとえば、テンションプレート２４）、ボルト・ナット２５にて固定して、スタック２３を構成する。
【００１１】
セパレータ１８は、カーボン、または金属、または金属と樹脂、または導電性を付与された樹脂、の何れか、またはその組み合わせ、からなる。
セパレータ１８には、アノード１４に燃料ガス（水素）を供給するための燃料ガス流路２７が形成され、カソード１７に酸化ガス（酸素、通常は空気）を供給するための酸化ガス流路２８が形成されている。また、セパレータ１８のガス流路２７、２８と反対側の面には冷媒（通常、冷却水）を流すための冷媒流路２６が形成される。
【００１２】
本発明の、燃料電池内のガス（燃料ガスおよび／または酸化ガス）の流れを計測するための燃料電池内ガス流れ計測装置１は、図１に示すように、単セル１９を計測装置用にモデル化した燃料電池モデル１９Ｍ（「Ｍ」は”Model ”の筆頭文字の「Ｍ」、以下同じ）と、カメラ２（たとえば、高速度カメラやＣＣＤカメラ）と、カメラ２に電気的に接続されたコンピュータ３（たとえば、パソコン）とを、備えている。図１中、４はライト（投光器）である。
【００１３】
燃料電池モデル１９Ｍは、セル面内方向に単セル１９と同じサイズに形成され、同じ形状、サイズのセル面内ガス流路２７Ａ、２８Ａを有する。
燃料電池モデル１９Ｍは、単セル１９の電解質膜１１と同じ材料、サイズの電解質膜１１Ａと、単セル１９の拡散層１３、１６と同じ材料、サイズの拡散層１３Ｍ、１６Ｍと、単セル１９の電極１４、１７を模擬した、通気性をもつ（たとえば、メッシュの）集電体１４Ｍ、１７Ｍと、単セル１９のセパレータ１８を模擬した透明板（たとえば、透明樹脂板）からなるセパレータ１８Ｍとを、有する。燃料電池モデル１９Ｍでは、厚さ方向に、セパレータ１８Ｍ、集電体１４Ｍ、拡散層１３Ｍ、電解質膜１１、拡散層１６Ｍ、集電体１７Ｍ、セパレータ１８Ｍの順で並んでいる。ただし、集電体１４Ｍ、拡散層１３Ｍの順序は逆でもよく、また、拡散層１６Ｍ、集電体１７Ｍの順序は逆でもよい。集電体１４Ｍ側のセパレータ１８Ｍには、単セル１９の燃料ガス流路２７と同形状の燃料ガス（たとえば、水素）流路２７Ｍが形成されており、集電体１６Ｍ側のセパレータ１８Ｍには、単セル１９の酸化ガス流路２８と同形状の酸化ガス（たとえば、エア）流路２８Ｍが形成されている。
セパレータ１８Ｍを透明板とするのは、セパレータ１８Ｍを通して燃料電池モデル１９Ｍ内部を可視化するためである。
【００１４】
セパレータ１８Ｍと集電体１４Ｍ、１７Ｍとの少なくとも一方には、ｐＨ指示薬が塗布されている。ガス流路２７Ｍ、２８Ｍ内のガスの流れを計測する場合は、ｐＨ指示薬をセパレータ１８Ｍの内面（集電体１４Ｍ、１７Ｍ側の面）に塗布することが望ましく、拡散層１３Ｍ、１６Ｍ内のガスの流れを計測する場合は、ｐＨ指示薬を集電体１４Ｍ、１７Ｍに塗布することが望ましい。
【００１５】
ｐＨ指示薬は、ｐＨが７以外で色が変色する試薬でありであり、該ｐＨ指示薬がｐＨが７以外のガス雰囲気に触れると変色する。たとえば、ｐＨ指示薬がリトマス試験紙に含浸されているような試薬であると、アンモニアのようなアルカリ性ガスに触れると青色に変色する。試験では、ｐＨ指示薬としてＢＴＢ液を使った。ＢＴＢ液は、リトマス試験紙に含浸されている試薬より鋭敏に速やかに変色する。
【００１６】
ガス流れの計測時のうち、燃料ガスの流れの計測時には、燃料ガス流路２７Ｍに燃料ガス（たとえば、水素）にアルカリ性（たとえば、アンモニア）または酸性の（望ましくは、ガス状の）物質が混入されたガスが供給されて流れ、また、酸化ガスの流れの計測時には、酸化ガス流路２８Ｍに酸化ガス（たとえば、エア）にアルカリ性（たとえば、アンモニア）または酸性の（望ましくは、ガス状の）物質が混入されたガスが供給されて流れる。燃料電池の発電中のガス流れの計測時には、燃料ガス流路２７Ｍに燃料ガス（たとえば、水素）が供給されて流れ、酸化ガス流路２８Ｍに酸化ガス（たとえば、エア）が供給されて流れ、燃料ガスと酸化ガスのうちガス流れを計測したい方のガスにはアルカリ性（たとえば、アンモニア）または酸性の物質が混入される。
また、アルカリ性または酸性の物質のうち、燃料電池モデル１９Ｍとその接続管の腐食防止をはかりたい場合は、アルカリ性物質の方が望ましい。アルカリ性物質としては、たとえば、アンモニアガスがある。
【００１７】
カメラ２は、燃料電池モデル１９Ｍにガスを流した時の、ｐＨ指示薬の色の変化を燃料電池モデル１９Ｍの外部から透明板からなるセパレータ１８Ｍを通して撮像し、その像がコンピュータ３に入力される。カメラ２は、計測中、連続的に撮像している。
【００１８】
コンピュータ３は、カメラ２で撮像された画像を取込み、画像解析手段３０により、画像処理し、ガスの流れを解析する。
コンピュータ３の画像解析手段３０は、画像取込み手段３２（図２の画像取込み工程１０２を実行する手段）、背景減算手段３３（図２の背景減算工程１０３を実行する手段）、輪郭抽出手段３４（図２の輪郭抽出工程１０４を実行する手段）、背景加算手段３５（図２の背景加算工程１０５を実行する手段）を含む。また、コンピュータ３の画像解析手段３０は、ガスを燃料電池モデル１９Ｍに流す前の段階の、燃料電池モデル１９Ｍの画像を背景として確定し記憶する背景確定手段３１（図２の背景確定工程１０１を実行する手段）を有する。
ガスを燃料電池モデル１９Ｍに流し始めた後、アルカリ性または酸性の物質が混入されたガスの流れに触れて燃料電池モデル１９Ｍに塗布したｐＨ指示薬の色の領域と色の濃さが時々刻々変化していく。
【００１９】
画像取込み手段３２は、カメラ２からの、時々刻々変化する流れの画像を、一定時間間隔で、コンピュータ３に繰り返し取り込む手段である。
背景減算手段３３は、カメラ２からコンピュータ３に取り込んだ画像から背景確定手段３１に記憶された背景を取り除いてノイズを除去し、流れの画像だけにする手段３３である。
輪郭抽出手段３４は流れ領域（流れに触れてｐＨ指示薬の色が変化した領域）の外形を抽出する手段である。
背景加算手段３５は、流れの輪郭に背景を加えて、セル面内のどの部分に流れの先端が来ているかがわかるようにする手段である。
この画像解析を一定時間間隔毎に繰り返し行い、流れの時間変化から、流れの方向、流れのベクトル（流れ先端の位置から判断可能）、流速（流れ先端の移動の速さから判断可能）、流量（ｐＨ指示薬の色の変化の度合いから判断可能）および流れ淀み部の有無の判断（ｐＨ指示薬の色の時間的変化がないかまたは少ないことより判断可能）、まで定量的に計測することができる。
【００２０】
上記燃料電池内ガス流れ計測装置を用いて実行される本発明の燃料電池内ガス流れ計測方法（上記燃料電池内ガス流れ計測装置の作用でもある）は、電解質１１Ｍとセパレータ１８Ｍと集電体１４Ｍ、１７Ｍを有しセパレータ１８Ｍが透明板からなりセパレータ１８Ｍと集電体１４Ｍ、１７Ｍの少なくとも一方にｐＨ指示薬が塗布された燃料電池モデル１９Ｍに、アルカリ性または酸性の物質を含ませたガスを流す第１の工程と、カメラ２により、ガスを流した時のｐＨ指示薬の色の変化を燃料電池モデル１９Ｍの外部から透明板１８Ｍを通して撮像する第２の工程と、カメラ２で撮像された画像をコンピュータ３に取込んで画像処理しガスの流れを解析し計測する第３の工程を含む。第１、第２、第３の工程は、第１、第２、第３の工程の順で実行される。
【００２１】
本発明の燃料電池内ガス流れ計測方法において、コンピュータ３による画像解析工程は、図２に示すように、画像取込み工程１０２、背景減算工程１０３、輪郭抽出工程１０４、背景加算工程１０５を含む。コンピュータ３による画像解析工程は、さらに、ガスを燃料電池モデル１９Ｍに流す前の段階の、燃料電池モデル１９Ｍの画像を背景として確定し記憶する背景確定工程１０１を有する。
図２の工程１０１を実行して背景を確定してコンピュータ３のＲＡＭに記憶しておき、ついで、第１、第２、第３の工程を実行する。第３の工程では、図２の工程１０２、１０３、１０４、１０５を実行することを一定時間間隔で複数回繰り返す。
流れの時間変化から、流れの方向、流れのベクトル（流れ先端の位置から判断可能）、流速（流れ先端の移動の速さから判断可能）、流量（ｐＨ指示薬の色の変化の度合いから判断可能）および流れ淀み部の有無の判断（ｐＨ指示薬の色の時間的変化がないかまたは少ないことより判断可能）、まで定量的に計測する。
【００２２】
つぎに、上記燃料電池内ガス流れ計測装置とそれを用いて実行される本発明の燃料電池内ガス流れ計測方法の作用、効果を説明する。
セパレータ１８Ｍが透明板からなるので、燃料電池モデル１９Ｍ内のガスの流れを可視化できる。
また、ガスを流した時のｐＨ指示薬の色の変化でガス流れを計測するようにしたので、流れ先端をｐＨ指示薬の色の変化で輪郭として明瞭に抽出してとらえることができ、従来の白煙法のような、流れ下流での不明瞭さを無くすことができる。
また、ガスを流した時のｐＨ指示薬の色の変化でガス流れを計測するようにしたので、従来のトレーサ法のような流路２７Ｍ、２８Ｍのトレーサによる詰まりなどを生じさせることもない。
【００２３】
また、時々刻々、カメラ２で撮像し画像をコンピュータ３で画像処理してガス流れを解析し計測するので、流れの方向、流れのベクトル（流れ先端の位置から判断可能）、流速（流れ先端の移動の速さから判断可能）、流量（ｐＨ指示薬の色の変化の度合いから判断可能）および流れ淀み部の有無の判断（ｐＨ指示薬の色の時間的変化がないかまたは少ないことより判断可能）、まで定量的に計測することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】本発明の燃料電池内ガス流れ計測方法を実行する装置（本発明の燃料電池内ガス流れ計測装置）の構成図である。
【図２】本発明の燃料電池内ガス流れ計測方法の画像処理工程のフローチャートである。
【図３】一般の燃料電池スタックの全体側面図である。
【図４】図３の単セルの一部の断面図である。
【符号の説明】
【００２５】
１  燃料電池内ガス流れ計測装置
２  カメラ
３  コンピュータ
４  ライト
１１Ｍ  電解質膜
１３Ｍ、１６Ｍ  拡散層
１４Ｍ  集電体（アノード、燃料極）
１７Ｍ  集電体（カソード、空気極）
１８Ｍ  セパレータ（透明板）
１９Ｍ  燃料電池モデル
２７Ｍ  燃料ガス流路
２８Ｍ  酸化ガス流路
１０  （固体高分子電解質型）燃料電池
１１  電解質膜
１３、１６  拡散層
１４  電極（アノード、燃料極）
１７  電極（カソード、空気極）
１８  セパレータ
１９  セル
２０  ターミナル
２１  インシュレータ
２２  エンドプレート
２３  スタック
２４  締結部材（テンションプレート）
２５  ボルト
２６  冷媒流路
２７  燃料ガス流路
２８  酸化ガス流路
３０  画像解析手段
３１  背景確定手段
３２  画像取込み手段
３３  背景減算手段
３４  輪郭抽出手段
３５  背景加算手段
１０１  背景確定工程
１０２  画像取込み工程
１０３  背景減算工程
１０４  輪郭抽出工程
１０５  背景加算工程
【図１】
2005123101.tif 000003
【図２】
2005123101.tif 000004
【図３】
2005123101.tif 000005
【図４】
2005123101.tif 000006