(57)【要約】【課題】応力分布のある拡散層に対し、過去に発生した最大応力を推定することが可能な応力推定方法を提供すること。【解決手段】  本発明に係る応力推定方法は、平板２０１を用いて拡散層１０１ａ、１０１ｂを加圧し、該加圧した際に生じるＡＥ波をＡＥセンサ２１０によって測定する工程と、拡散層１０１ａ、１０１ｂにかかる圧力の増加に伴い変動する単位時間当たりのＡＥ波発生数を算出する工程と、単位時間当たりのＡＥ波発生数が、算出されたＡＥ波発生数の最大値よりも低く設定された所定値以上となった時の最小圧力と、該最小圧力に対応する過去の最大印加応力とのマップに基づいて、過去の最大応力を推定する工程と、を備える。【選択図】図５
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池用セパレータの凹凸流路で加圧された拡散層に対して、過去にかかった最大応力を推定する応力推定方法であって、
ＡＥセンサを取り付けた平板を用いて前記拡散層を加圧し、該加圧した際に生じるＡＥ波を前記ＡＥセンサによって測定する工程と、
前記拡散層にかかる圧力の増加に伴い変動する単位時間当たりのＡＥ波発生数を算出する工程と、
前記単位時間当たりのＡＥ波発生数が、前記算出されたＡＥ波発生数の最大値よりも低く設定された所定値以上となった時の最小圧力と、該最小圧力に対応する過去の最大印加応力とのマップに基づいて、過去の最大応力を推定する工程とを備える応力推定方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池の拡散層に過去にかかった最大応力を推定する応力推定方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、環境問題及びエネルギー資源の有効利用の観点から、燃料電池に注目が集まっている。特に、電解質膜として高分子固体電解質膜を用いた固体高分子型燃料電池が、車載用に検討されている。
【０００３】
固体高分子型燃料電池は、電解質膜の一方の面に燃料極（アノード）触媒層が設けられると共に、他方の面に空気極（カソード）触媒層が設けられ、その燃料極（アノード）触媒層と空気極（カソード）触媒層とが対向するように設けた構造を有する。この構造体、またはこれにガス拡散性かつ導電性の拡散層を両面につけたものが、膜電極接合体と呼ばれる。この膜電極接合体は、板状部材からなる一対のセパレータで挟持され、これを積層して燃料電池スタックが構成される。
【０００４】
ところで、上記燃料電池自動車に搭載される部品（燃料電池スタックを含む自動車用部品）にあっては、高い耐久信頼性を保証するために、車両衝突などによる衝撃或いは耐久試験を行う必要がある。特に燃料電池スタックは高コストであることから、近年、車両衝突による衝撃を定量化する手法が望まれている。
【０００５】
上記車両衝突による衝撃を定量化する方法として、例えば下記特許文献１に記載された、アコースティックエミッション法（ＡＥ法）を利用することが考えられる。ＡＥとは材料に微小な破壊が生じる際に蓄積された歪エネルギーが弾性波として放出される現象のことであり、金属をはじめとする多くの材料にて計測できる。このＡＥ法を適用するに際しては、カイザー効果（過去に負荷を受けた材料からはその材料が過去に受けたものより大きな負荷を受けないとＡＥが発生しない現象）を利用する。このカイザー効果を利用して、車両衝突によって燃料電池スタックにかかった衝撃を定量化できることが望ましい。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開平１０−０９０２３５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、燃料電池スタックに上記ＡＥ法を適用する場合、燃料電池スタックには電解質膜などＡＥを減衰する要素が含まれるため、ＡＥを測定することが困難であった。そこで、燃料電池スタックから拡散層を取り出し、この拡散層に対してＡＥ法を利用すれば、過去最大の応力を推定することができるという知見を本発明者らは見出した。
【０００８】
ところが、本発明者らが見出した、拡散層にＡＥ法を適用して過去最大の応力を推定する方法では以下の課題を解決する必要があった。具体的には、ＡＥを測定するために、通常、ＡＥセンサを取り付けた平板を備えた加圧装置（ＡＥ試験装置）を用いて、当該平板で拡散層を加圧する必要がある。一方で、拡散層は、燃料電池スタックの状態（拡散層を取り出す前の状態）ではセパレータに形成された凹凸形状をなす流路によって応力を受けるため、拡散層面内で圧力分布が存在している。このため、ＡＥ測定において一般的に使用される加圧装置の平板によって拡散層を加圧しても、拡散層に対して過去にかかった応力分布と同一の分布を再現できない。その結果、カイザー効果の有無だけでは、拡散層に対して過去にかかった最大応力を推定することができないという解決すべき課題があった。
【０００９】
本発明はこのような課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、応力分布のある拡散層に対し、過去に発生した最大応力を推定することが可能な応力推定方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記課題を解決するために本発明に係る応力推定方法は、燃料電池用セパレータの凹凸流路で加圧された拡散層に対して、過去にかかった最大応力を推定する応力推定方法であって、ＡＥセンサを取り付けた平板を用いて前記拡散層を加圧し、該加圧した際に生じるＡＥ波を前記ＡＥセンサによって測定する工程と、前記拡散層にかかる圧力の増加に伴い変動する単位時間当たりのＡＥ波発生数を算出する工程と、前記単位時間当たりのＡＥ波発生数が、前記算出されたＡＥ波発生数の最大値よりも低く設定された所定値以上となった時の最小圧力と、該最小圧力に対応する過去の最大印加応力とのマップに基づいて、過去の最大応力を推定する工程とを備える。
【００１１】
セパレータの凹凸流路によって加圧され、応力分布が生じた拡散層に対しては、平板で加圧してＡＥ波発生数を測定しても、過去に付与された応力と同一の応力を再現できないため、カイザー効果の有無だけでは拡散層にかかった過去の最大応力を推定することができない。そこで、本発明に係る応力推定方法によれば、予め測定された、ＡＥ波発生数が所定値以上となったときの最小応力と、当該最小応力に対応する過去の最大印加応力とのマップを参照することで、応力分布のある拡散層に対しても過去にかかった最大応力を推定することができる。また、上記所定値が、算出されたＡＥ波発生数の最大値よりも低く設定されているため、比較的低い応力を付与した場合のＡＥ波発生数を閾値としたマップから、拡散層に過去にかかった最大応力を推定することができる。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、応力分布のある拡散層に対しても、過去に発生した最大応力を推定することが可能な応力推定方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】燃料電池の構成を説明するための拡大断面図である。
【図２】ＡＥ試験装置の概略構成を示す図である。
【図３】応力推定工程の一例を示すフローチャートである。
【図４】図２に示すＡＥ試験装置を用いて拡散層を加圧した際の、応力の経時変化と、ＡＥヒット数の経時変化とを説明するためのグラフである。
【図５】ＡＥヒット数が所定値以上となったときの応力と、過去最大の印加応力との関係を説明するためのグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下添付図面を参照しながら本発明の実施形態について説明する。なお、以下の実施形態はあくまでも好適な適用例であって、本発明の適用範囲がこれに限定されるものではない。
【００１５】
まず、図１を参照しながら、燃料電池の構成について説明する。図１は、燃料電池の構成を説明するための拡大断面図である。
【００１６】
燃料電池１は、膜電極接合体ＭＥＡを主要な構成要素とし、それを燃料（水素）ガス流路及び空気ガス流路を備えたセパレータ１００ａ、１００ｂで挟持した単セルを複数備える。膜電極接合体ＭＥＡは、イオン交換膜である高分子電解質膜１０２の一方側にアノード側のアノード触媒層１０２ａを積層し、他方の側にカソード側のカソード触媒層１０２ｂを積層した構造であり、アノード触媒層１０２ａとカソード触媒層１０２ｂには、それぞれ拡散層１０１ａ、１０１ｂが配置されている。
【００１７】
続いて、拡散層１０１ａ、１０１ｂに過去にかかった最大応力を推定する試験を行う際に使用するＡＥ試験装置について説明する。図２は、ＡＥ試験装置の概略構成を示す図である。
【００１８】
ＡＥ試験装置２は、ＡＥセンサ２１０を取り付けた平板２０１で拡散層（図２では図示省略）を加圧しながら、ＡＥ波を測定する装置である。ＡＥ試験装置２は、土台２００と、平板２０１と、加圧治具２０２、２０３と、ＡＥセンサ２１０とを備える。測定対象物である拡散層は土台２００と平板２０１との間に配置され、図示しない制御装置（記憶装置や演算装置を備えたコンピュータ）による加圧治具２０２、２０３の駆動に伴い当該加圧治具２０２、２０３に連結された平板２０１によって拡散層が加圧される。
【００１９】
ＡＥセンサ２１０は、材料が変形する際、材料中に微小な亀裂などの損傷が生成する際、或いは、亀裂が成長して材料が破壊される際などに発生するＡＥ（アコースティックエミッション）を検出するセンサである。ＡＥセンサ２１０には、図示しない制御装置が接続されており、当該制御装置によって、ＡＥセンサ２１０で検出されたＡＥ信号のヒット発生頻度等から拡散層に過去に発生した応力履歴が算出される。
【００２０】
なお、図２ではＡＥセンサ２１０が平板２０１上に設けられているが、その設置個所は図２に示す例に限定されない。また平板２０１は、拡散層に圧接する側の面が略平面形状を有していればよく、その全体の形状や大きさは図２に示す例に限定されない。またＡＥ試験装置２としては、ＡＥを測定可能な機能を有していれば、図２に示す構成以外にも様々な構成を選択可能である。
【００２１】
上述したＡＥ試験装置２を用いて、平板２０１で拡散層を加圧し、拡散層に過去に発生した最大応力の推定を行った。以下では、図３〜図５を参照しながら、拡散層に過去に発生した最大応力の推定方法について説明する。
【００２２】
図３は、図２に示したＡＥ試験装置を用いた応力推定工程の一例を示すフローチャートである。図４は、図２に示すＡＥ試験装置を用いて拡散層を加圧した際の、応力の経時変化と、ＡＥヒット数の経時変化とを説明するためのグラフである。図４に示すグラフＧ１、Ｇ２、Ｇ３、Ｇ４、Ｇ５、Ｇ６は、それぞれ過去に最大応力１ＭＰａ、２ＭＰａ、３ＭＰａ、４ＭＰａ、５ＭＰａ、６ＭＰａがかかった拡散層を、平板で１ＭＰａ〜６ＭＰａの範囲で加圧したときのＡＥヒット数（ＡＥ波発生数）の経時変化を示している。セパレータの凹凸流路で加圧された拡散層にあっては、応力を受ける部分と応力を受けない部分が生じているため、平板で拡散層を加圧した場合には、拡散層面内における応力を受けていない部分が先に押圧され、図４のＧ１〜Ｇ６に示すようにＡＥ波が測定される。なお、図４に示すグラフＧ０は、応力分布がない拡散層（新品の拡散層）に対して、１ＭＰａ〜６ＭＰａの範囲で平板によって加圧したときのＡＥ波発生数（ＡＥヒット数）を示している。
【００２３】
（ステップＳ１１）
まず、図３に示すように、ＡＥセンサ２１０を取り付けた平板２０１（図２参照）を用いて拡散層を加圧し、当該加圧した際に発生するＡＥ波をＡＥセンサ２１０によって測定する。
【００２４】
（ステップＳ１２）
次いで、拡散層にかかる圧力の増加に伴い変動するＡＥ波発生数（ＡＥヒット数）を算出する。
【００２５】
（ステップＳ１３）
次いで、ステップＳ１２において算出されたＡＥ波発生数（ＡＥヒット数）が所定値（本実験では１００、３００、５００）以上となったときの応力（実測値）を制御部（図示略）に記憶しておく。そして、制御部に予め格納されたマップ（後述）に基づいて、実測値に対応する過去最大の印加応力の算出をする。
【００２６】
具体的には、図４に示したように、過去に応力１ＭＰａ〜６ＭＰａをかけた拡散層それぞれに対して平板２０１（図２参照）を用いて加圧し、ＡＥヒット数が所定値（本実験では１００、３００、５００）以上になったときの応力を予め測定しておき、制御部に記憶しておく。このようにして制御部に予め記憶された、ＡＥヒット数と応力との関係を図５に示す。図５は、ＡＥヒット数が所定値（本実験では１００、３００、５００）以上となったときの応力と、当該応力に対応する過去最大の印加応力との関係を示すマップ（過去最大応力導出マップ）である。この図５に示すマップに基づき、次のように過去最大の印加応力を導出する。すなわち、応力分布のある拡散層を、ＡＥ試験装置（図２）を用いて加圧していき、ＡＥヒット数が所定値以上となったときの最小応力が算出されると、制御部は、図５（Ａ）に示す過去最大応力導出マップを参照して、算出された最小応力に対応する過去最大の印加応力を導出する。なお、図５に示すように、応力分布がない拡散層（過去最大の印加応力が０ＭＰａ）のＡＥヒット数と応力との関係も制御部に格納されている。
【００２７】
本実施形態では、図５（Ａ）に示されるＡＥヒット数が１００、３００、５００となる応力を、６ＭＰａまで応力を印加した場合のＡＥヒット最大値（最大ＡＥヒット数）で補正したマップ（図５（Ｂ））も制御部に記憶されている。図５（Ｂ）は、最大ＡＥヒット数による正規化をした場合の、ＡＥヒット数が所定値（例えば１００、３００、５００）以上となったときの補正応力と、当該補正応力に対応する（拡散層にかかった）過去最大の印加応力との関係を示すマップである。このように最大ＡＥヒット数で補正したマップを用いることで、図５（Ａ）に示すマップに基づき過去最大の印加応力を算出する場合と比較して、過去最大の印加応力の推定値のばらつきを小さくすることができる。なお、図５（Ｂ）に示す補正応力は、以下の式で算出される。
補正応力＝ＡＥヒット数が所定値（１００、３００、５００）を超えたときの応力×最大ＡＥヒット数／２０００
【００２８】
以上のステップＳ１１〜Ｓ１３の工程を経て、燃料電池スタックから取り出した拡散層に対して、過去に発生した最大応力を推定することが可能となる。
【００２９】
なお、図４のグラフＧ０（応力分布がない拡散層でのＡＥヒット数）における点Ｐ及びグラフＧ６（応力分布のある拡散層（過去に最大応力６ＭＰａがかかった拡散層）でのＡＥヒット数）における点Ｑは、それぞれＡＥヒット数が５００（数／ｓｅｃ）に達した点を示している。点Ｐにおける応力と点Ｑにおける応力とを比較すると、点Ｐでは、ＡＥヒット数が５００（数／ｓｅｃ）のとき応力が約１．５ＭＰａであるのに対し、点Ｑでは、ＡＥヒット数が５００（数／ｓｅｃ）のとき応力が約０．６ＭＰａである。このように、応力分布のある拡散層の方が低い印加応力で所定のＡＥヒット数に達するのは、応力分布のある拡散層では平板２０１と接触する面積が減少し、当該接触する部分に、応力部分のない拡散層にかかる応力よりも大きい応力がかかるためである。
【００３０】
また、図５のマップにおけるＡＥヒット数の所定値（閾値）を１００、３００、５００と設定しているが、本実施形態ではこの値に限定されず、算出されたＡＥ波発生数の最大値よりも低く設定されていれば任意の値に設定することが可能である。
【００３１】
以上説明した、本実施形態における応力推定方法によれば、平板２０１を用いて拡散層１０１ａ、１０１ｂを加圧し、該加圧した際に生じるＡＥ波をＡＥセンサ２１０によって測定する工程と、拡散層１０１ａ、１０１ｂにかかる圧力の増加に伴い変動する単位時間当たりのＡＥ波発生数を算出する工程と、単位時間当たりのＡＥ波発生数が、算出されたＡＥ波発生数の最大値よりも低く設定された所定値以上となった時の最小圧力と、該最小圧力に対応する過去の最大印加応力とのマップに基づいて、過去の最大応力を推定する工程と、を備える。
【００３２】
以上、本発明の実施形態を説明したが、これは本発明の説明のための例示であって、本発明の範囲をこの実施形態にのみ限定する趣旨ではない。本発明は、他の種々の実施形態でも実施することが可能である。
【符号の説明】
【００３３】
１：燃料電池
２：ＡＥ試験装置
１００ａ、１００ｂ：セパレータ（燃料電池用セパレータ）
１０１ａ、１０１ｂ：拡散層
１０２ａ、１０２ｂ：触媒層
２００：土台
２０１：平板
２０２、２０３：加圧治具
２１０：ＡＥセンサ
ＭＥＡ：膜電極接合体
【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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