(57)【要約】【課題】スタックケースを開閉することなく、燃料電池スタック内の部材の位置を精度良く検知する。【解決手段】テラヘルツ波の偏光方向を単セル２ａの積層方向に垂直に入射すれば、セルの導電部分からの反射強度は大きくなる。一方、テラヘルツ波の偏光方向を単セル２ａの積層方向に平行に入射すれば、セルの導電部分からの反射強度は小さくなる。本実施形態では、テラヘルツ波の入射時の偏光方向を単セル２ａの積層方向と垂直及び平行とし、それぞれの反射波の強度の差分をとって最も大きい位置をセル積層体２の表面として検出する。【選択図】図７
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の単セルを積層したセル積層体と、前記セル積層体を収容し、非金属部位を有するスタックケースとを備えた燃料電池スタックの検査方法において、
偏光方向を前記セル積層体の積層方向と垂直に制御して、前記非金属部位からテラヘルツ波を入射する第１入射ステップと、
垂直方向の前記テラヘルツ波の反射強度を示す第１反射強度波形を検出する第１検出ステップと、
偏光方向を前記セル積層体の積層方向と平行に制御して、前記非金属部位からテラヘルツ波を入射する第２入射ステップと、
平行方向の前記テラヘルツ波の反射強度を示す第２反射強度波形を検出する第２検出ステップと、
前記第１及び前記第２反射強度波形に基づき、前記テラヘルツ波の反射強度の差分を算出する算出ステップと、
求めた前記差分から、前記スタックケース内における前記セル積層体の位置を導出する導出ステップと
を含む燃料電池スタックの検査方法。
【請求項２】
前記スタックケースと前記セル積層体との間には、衝撃保護体が設けられ、
導出された前記セル積層体の位置と、検出された前記第１反射強度波形に基づき、前記衝撃保護体の厚みを検出する第３検出ステップをさらに含む、請求項１に記載の燃料電池スタックの検査方法。
【請求項３】
前記セル積層体の位置が正常であるか否かを判別するための閾値範囲が設定され、
前記導出ステップにおいて導出した前記セル積層体の位置が、前記閾値範囲を超えた場合に、前記セル積層体の位置に異常であると判断する判断ステップと、
前記異常が生じたことを外部に報知する報知ステップと
をさらに含む、請求項１または２に記載の燃料電池スタックの検査方法。
【請求項４】
複数の単セルを積層したセル積層体と、前記セル積層体を収容し、非金属部位を有するスタックケースとを備えた燃料電池スタックの検査装置であって、
テラヘルツ波を発生させるテラヘルツパルス発生部と、
偏光方向を前記セル積層体の積層方向と垂直に制御して、前記非金属部位から前記テラヘルツ波を入射する第１振動コントロール部と、
偏光方向を前記セル積層体の積層方向と平行に制御して、前記非金属部位からテラヘルツ波を入射する第２振動コントロール部と、
垂直方向の前記テラヘルツ波の反射強度を示す第１反射強度波形を検出する一方、平行方向の前記テラヘルツ波の反射強度を示す第２反射強度波形を検出し、前記第１及び前記第２反射強度波形に基づき、前記テラヘルツ波の反射強度の差分を算出する算出部と、
求めた前記差分から、前記スタックケース内における前記セル積層体の位置を導出する位置検出部と
を含む燃料電池スタックの検査装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池スタックの検査方法及び検査装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池スタックは、複数の単位電池が積層されたセル積層体などをスタックケースに収容して構成されている。燃料電池スタックは、例えば車両等に搭載される車載発電システムとして利用されている。また、燃料電池スタックのスタックケースとセル積層体の間には、衝突等による衝撃がセル積層体に直接伝達されるのを防ぐことを目的とした衝撃保護体が設けられている（例えば特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１５−０８２３７０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、車両等に搭載される燃料電池スタックにおいては、製造時や定期検査時などに、スタックケース内の主要な部材（セル積層体など）の位置が正常であるか否かの確認が行われる。これまで、スタックケース内の部材の位置を確認するためには、その都度、スタックケースを開閉する必要があり、検査効率が悪化してしまうという問題が指摘されていた。
【０００５】
本発明は、以上説明した事情を鑑みてなされたものであり、スタックケースを開閉することなく、燃料電池スタック内の部材の位置を精度良く検知することが可能な燃料電池スタックの検査方法等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】
上記課題を解決するために、本発明の一実施形態に係る燃料電池スタックの検査方法は、複数の単セルを積層したセル積層体と、セル積層体を収容し、非金属部位を有するスタックケースとを備えた燃料電池スタックの検査方法において、偏光方向をセル積層体の積層方向と垂直に制御して、非金属部位からテラヘルツ波を入射する第１入射ステップと、垂直方向のテラヘルツ波の反射強度を示す第１反射強度波形を検出する第１検出ステップと、偏光方向をセル積層体の積層方向と平行に制御して、非金属部位からテラヘルツ波を入射する第２入射ステップと、平行方向の前記テラヘルツ波の反射強度を示す第２反射強度波形を検出する第２検出ステップと、第１及び第２反射強度波形に基づき、テラヘルツ波の反射強度の差分を算出する算出ステップと、求めた前記差分から、スタックケース内におけるセル積層体の位置を導出する導出ステップとを含むことを特徴とする。
【０００７】
ここで、上記構成にあっては、スタックケースとセル積層体との間には、衝撃保護体が設けられ、導出されたセル積層体の位置と、検出された第１反射強度波形に基づき、衝撃保護体の厚みを検出する第３検出ステップをさらに含む態様であっても良い。
【０００８】
さらにまた、セル積層体の位置が正常であるか否かを判別するための閾値範囲が設定され、導出ステップにおいて導出したセル積層体の位置が、閾値範囲を超えた場合に、セル積層体の位置に異常であると判断する判断ステップと、異常が生じたことを外部に報知する報知ステップとをさらに含む態様も好ましい。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、スタックケースを開閉することなく、燃料電池スタック内の部材の位置を精度良く検知することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明の実施形態に係る燃料電池スタックの断面図である。
【図２】図１に示す燃料電池スタックのＡ−Ａ線視断面図である。
【図３】燃料電池スタックの側面図である。
【図４】検査装置の概略構成を示す機能ブロック図である。
【図５】テラヘルツ波の偏光方向を単セルの積層方向に垂直に制御した場合を説明するための図である。
【図６】テラヘルツ波の偏光方向を単セルの積層方向に平行に制御した場合を説明するための図である。
【図７】第１反射強度波形と第２反射強度波形との差分を示す差分波形を示す図である。
【図８】第２検出部による検出動作を説明するための図である。
【図９】第１検査処理を示すフローチャートである。
【図１０】第２検査処理を示すフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下、添付の図面を参照しながら、本発明の好適な実施の形態に係る検査方法について説明する。なお、本実施形態においては、車両に搭載される燃料電池を検査する方法を例に説明するが、本発明の検査方法は、車両のみならず、例えば、ロボット、船舶、航空機等といった自走式の移動体に搭載された燃料電池や、建物（住宅、ビル等）用の発電設備として用いられる定置用燃料電池の検査方法としても用いることが可能である。
【００１２】
Ａ．本実施形態
＜燃料電池の概略構成＞
図１〜図３は、燃料電池スタック１の概略構成を示す図であり、図１は、燃料電池スタック１の断面図、図２は、図１に示す燃料電池スタック１のＡ−Ａ線視断面図、図３は、燃料電池スタック１の側面図である。
【００１３】
図１〜図３に示すように、燃料電池スタック１は、セル積層体２と、スタックケース３と、衝撃保護体４とを備えている。また、図１に示すように、燃料電池スタック１のスタックケース３には、非金属部位５が設けられ、検査装置６によって発生されるテラヘルツ波は、非金属部位５を介して燃料電池スタック１に入射される。
【００１４】
燃料電池スタック１は、反応ガス（燃料ガス及び酸化ガス）の供給を受けて発電する単位電池（単セル）２ａを積層し、積層方向の両端を一対のエンドプレートで挟んで構成したスタック構造（セル積層体２）を有している。単セル２ａは、非導電性のイオン交換膜からなる電解質膜と、導電性のセパレータ、拡散層、触媒層を備えて構成されている（図示略）。ここで、導電部分の厚さは、例えば０．５ｍｍ程度、非導電部分の厚さは、例えば０．５ｍｍ程度であり、これが約１ｍｍピッチで積層されてセル積層体２が構成されている。燃料電池スタック１のカソードには、酸化ガスとしての空気が供給される一方、アノードには燃料ガスとしての水素が供給される（図示略）。この両ガス（水素及び酸素）の電気化学反応により各単位電池の起電力が得られる。
【００１５】
スタックケース３は、セル積層体２と衝撃保護体４を収容するケースである。図３に示すように、スタックケース３の側面下部には、非金属部位５が３箇所設けられている。非金属部位５は、例えば樹脂などにより形成され、検査装置６から出射されるテラヘルツ波を透過し、スタックケース内に導く役割を担っている。非金属部位５は、スタックケース３の側面であればいずれであっても良く、また、その設置数Ｎ（≧１）も任意に設定可能である。さらに、非金属部位５は、樹脂などによって形成する代わりに孔部（穴部）を形成しても良い。孔部を設けた場合には、孔部の内径を例えば２ｍｍ〜１０ｍｍに設定すれば良い。もちろん、孔部の内径はこれに限る趣旨ではなく、燃料電池スタック１の設計などに応じて適宜設定・変更可能である。
【００１６】
衝撃保護体４は、セル積層体２の位置ずれ（具体的には、単セル２ａが積層される第１方向に垂直な第２方向への位置ずれなど）を規制する部材であり、例えば、ケブラー（登録商標）やガラス繊維などによって形成されている。衝撃保護体４は、スタックケース３とセル積層体２との間に配置されている。なお、セル積層体２を構成するセル群の位置ずれは、特に、第１方向（積層方向）に垂直な第２方向（図２に示す矢印で示す衝撃加速度方向）で発生しやすい。本実施形態では、衝撃保護体４がセル積層体２の４つ端部に対応して設けられている場合を想定するが（図１及び図２参照）、セル積層体２の位置ずれを規制できるのであれば、いずれの箇所に衝撃保護体４を設けても良く、例えばセル積層体２の全周を囲むように衝撃保護体４を設けても良い。
【００１７】
＜検査装置の概略構成＞
図４は、検査装置６の概略構成を示す機能ブロック図である。
検査装置６は、コンピュータの一般的なハードウェア（ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、入力装置、通信装置など）を備え、これらハードウェアと実装されているソフトウェアが協働することにより、テラヘルツパルス発生部６１、振動コントロール部６２、反射波検出部６３、位置検出部６４を実現する。
【００１８】
テラヘルツパルス発生部６１は、レーザ光源、光伝導アンテナなどにより構成され、例えば波長３０μｍ〜３ｍｍのテラヘルツ波を発生する。
【００１９】
振動コントロール部（第１振動コントロール部、第２振動コントロール部）６２は、テラヘルツ波の偏光方向をコントロールする役割を担っており、セル積層体２の位置検出等を行う際、テラヘルツ波の偏光方向をセル積層方向と垂直、または、テラヘルツ波の偏光方向をセル積層方向と平行になるように制御する。
【００２０】
ここで、図５は、テラヘルツ波の偏光方向を単セル２ａの積層方向に垂直に制御した場合を説明するための図であり、図６は、テラヘルツ波の偏光方向を単セル２ａの積層方向に平行にした場合を説明するための図である。
【００２１】
本実施形態では、セル積層体２の位置検出（検査）等を行う際、テラヘルツ波の偏光方向を単セル２ａの積層方向に垂直に入射した場合に得られる反射波の波形（以下、「第１反射強度波形」という；図５参照）と、テラヘルツ波の偏光方向を単セル２ａの積層方向に平行に入射した場合に得られる反射波の波形（以下、「第２反射強度波形」という；図６参照）とを利用する。具体的には、テラヘルツ波の偏光方向を単セル２ａの積層方向に垂直に入射すれば、テラヘルツ波によって誘起される電子の動きは大きく、セルの導電部分からの反射強度は大きくなる。一方、テラヘルツ波の偏光方向を単セル２ａの積層方向に平行に入射すれば、テラヘルツ波によって誘起される電子の動きは小さく、セルの導電部分からの反射強度は小さくなる。
【００２２】
本願発明者らは、上記知見に基づき、テラヘルツ波の入射時の偏光方向を単セル２ａの積層方向と垂直及び平行とし、それぞれの反射波の強度の差分をとって最も大きい位置をセル積層体２の表面として検出することを可能とした（詳細は後述）。
【００２３】
なお、振動コントロール部６２によって偏光方向が制御されたテラヘルツ波は、図５や図６に示すように、スタックケース３の非金属部位５を介してスタックケース内に入射される。
【００２４】
反射波検出部６３は、スタックケース内のセル積層体２によって反射されたテラヘルツ波の反射強度波形（すなわち、第１及び第２反射強度波形；図５及び図６参照）を検出する。反射波検出部６３は、検出した第１及び第２反射強度波形を示すデータ（それぞれ、第１反射強度波形データ及び第２反射強度波形データ）を位置検出部６４に出力する。
【００２５】
位置検出部６４は、第１検出部６４ａ及び第２検出部６４ｂを備えて構成されている。
第１検出部６４ａは、セル積層体２の表面位置を検出する一方、第２検出部６４ｂは、衝撃保護体４の厚さや、非金属部位５の表面位置、さらには、衝撃保護体４とセル積層体２との間に介在する保護シートの位置やセル積層体２と保護シートの間の空気層の厚さなど（以下、これらを総称して「衝撃保護体４の厚さ等」という）を検出する。
【００２６】
図７は、第１検出部６４ａによる検出動作を説明するための図であり、第１反射強度波形と第２反射強度波形との差分を示す差分波形を示す図である。一方、図８は、第２検出部６４ｂによる検出動作を説明するための図であり、上部にはスタックケース内の部材の構成が示されており、下部には第１強度波形が示されている。
【００２７】
第１検出部（算出部）６４ａは、反射波検出部６３から、第１反射強度波形データ及び第２反射波形データを受け取ると、第１反射強度波形と第２反射強度波形との差分を示す差分波形を生成する（図７参照）。そして、第１検出部６４ａは、反射強度の差分が最も大きくなる反射時間Ｔを求め、下記式（１）に代入することでセル積層体表面位置Ｙを求める。
Ｙ＝Ｃ＊Ｔ            ・・・（１）
Ｃ；係数
【００２８】
一方、第２検出部６４ｂは、所定の解析アルゴリズムを実行することで、反射波検出部６３から第１反射強度波形データを受け取り、これを解析することで衝撃保護体４の厚さ等を求める。なお、一例として、第１検出部６４ａが求めたセル積層体２の表面位置Ｙを基準として、第１反射強度波形の振幅形状を解析することで衝撃保護体４の厚さ等を求める。
【００２９】
位置検出部６４は、このようにしてセル積層体２の表面位置Ｙや衝撃保護体４の厚さ等を求めると、これらを表示パネル（図示略）などに出力する。燃料電池スタック１を検査する検査者は、検査装置６の表示パネルに表示される結果を参照することで、スタックケース内のセル積層体２に位置ずれが生じていないか、さらにはスタックケース内の各部材（衝撃保護体４など）の位置を正確に把握することが可能となる。
【００３０】
＜セル積層体の表面位置を求める動作＞
図９は、検査装置６を用いてセル積層体２の表面位置を求める第１検査処理を示すフローチャートである。
まず、検査者は、燃料電池スタック１の非金属部位５からテラヘルツ波がスタックケース内に入射されるように（図５及び図６参照）、検査装置６を配置する。検査者は、検査装置６の操作パネル（図示略）等を適宜操作することで、テラヘルツパルス発生部６１から発生されるテラヘルツ波の偏光方向が、単セル２ａの積層方向と垂直になるように、振動コントロール部６２をコントロールする。
【００３１】
テラヘルツ波の偏光方向が、単セル２ａの積層方向に垂直な状態でスタックケース内に入射されると（ステップＳ１）、反射波検出部６３は、第１反射強度波形（すなわち、テラヘルツ波の偏光方向を単セル２ａの積層方向に垂直に入射した場合に得られる反射波の波形）を検出する（ステップＳ２）。反射波検出部５３は、第１反射強度波形を示す第１反射強度波形データを位置検出部６４に送る。
【００３２】
位置検出部６４によって第１反射強度波形データが受信されると、振動コントロール部６２は、テラヘルツパルス発生部６１から発生されるテラヘルツ波の偏光方向が、単セル２ａの積層方向と平行になるようにコントロールする（ステップＳ３）。
【００３３】
テラヘルツ波の偏光方向が、単セル２ａの積層方向に平行な状態でスタックケース内に入射されると、反射波検出部５３は、第２反射強度波形（すなわち、テラヘルツ波の偏光方向を単セル２ａの積層方向に平行に入射した場合に得られる反射波の波形）を検出する（ステップＳ４）。反射波検出部５３は、第２反射強度波形を示す第２反射強度波形データを位置検出部６４に送る。なお、テラヘルツ波の偏光方向の切り換え（積層方向と垂直→積層方向と平行）は、例えば、所定時間経過後など、任意のタイミングで設定しても良い。
【００３４】
第１検出部６４ａは、反射波検出部６３から、第１反射強度波形データ及び第２反射波形データを受け取ると、第１反射強度波形と第２反射強度波形との差分を示す差分波形を生成する（ステップＳ５；図７参照）。そして、第１検出部６４ａは、反射強度の差分が最も大きくなる反射時間Ｔを求め（ステップＳ６）、下記式（１）に代入することでセル積層体表面位置Ｙを求める（ステップ７）。
Ｙ＝Ｃ＊Ｔ            ・・・（１）
Ｃ；係数
【００３５】
第１検出部６４ａは、このようにしてセル積層体２の表面位置Ｙを求めると、これを表示パネル（図示略）などに出力し、処理を終了する。
【００３６】
＜衝撃保護体の厚さ等を求める動作＞
図１０は、検査装置６を用いて衝撃保護体４の厚さ等を求める第２検査フローを示すフローチャートである。なお、図１０において、図９と対応するステップには同一符号を付し、詳細な説明を割愛する。
【００３７】
テラヘルツ波の偏光方向が、単セル２ａの積層方向に垂直な状態でスタックケース内に入射されると（ステップＳ１）、反射波検出部５３は、第１反射強度波形を検出する（ステップＳ２）。反射波検出部５３は、第１反射強度波形を示す第１反射強度波形データを位置検出部６４に送る。
【００３８】
第２検出部６４ｂは、所定の解析アルゴリズムを実行することで、反射波検出部６３から第１反射強度波形データを受け取り、これを解析することで衝撃保護体４の厚さ等を求める（ステップＳ３ａ；図８参照）。
【００３９】
位置検出部６４は、このようにして衝撃保護体４の厚さ等を求めると、これらを表示パネル（図示略）などに出力し、処理を終了する。
【００４０】
これらの検査が終了すると、検査者は、検査装置６の表示パネルに表示される結果を参照する。これにより、例えば、スタックケース内のセル積層体２に位置ずれが生じていないか、さらにはスタックケース内の各部材（衝撃保護体４など）に位置ずれが生じていないか、あるいは製造時であれば各部材の組み付けが適切にできたかを正確に把握することが可能となる。なお、衝撃保護体４を検出する第２検査フローは、上記第１検査フローに続けて行っても良い。具体的には、第１検査フローのステップＳ７においてセル積層体２の表面位置Ｙを求めた後、第２検査フローのステップ３ａに進み、第１反射強度波形データとセル積層体２の表面位置Ｙを利用して衝撃保護体４の厚さ等を求めるようにしても良い。
【００４１】
Ｂ．その他
なお、上記実施形態では、第１検査フローと第２検査フローを別々に説明したが、第１検査フローと第２検査フローを並行して実施しても良いのはもちろんである。さらに、第１検査フローにおけるステップＳ１及びＳ２と、ステップＳ３及びＳ４との順序を入れ替えて実行しても良いのはもちろんである。
【００４２】
また、セル積層体２の表面位置や衝撃保護体４の厚さ等を検知した後は、これらの位置や厚さに基づき、セルケース内に異常が生じているか否を検査装置６が自動判別しても良い。例えば、セル積層体２の表面位置Ｙが、下記（２）に示すように所定の閾値範囲に入っていない場合には、セル積層体２に看過できない位置ずれが発生し、異常が生じているとみなすようにしても良い。検査装置６は、異常が生じていると判断した場合には、警報アラーム（図示略）を鳴らす、あるいは、緊急メッセージをメールや音声で外部に出力（報知）しても良い。
Ｔmin＜Ｙ＜Ｔmax              ・・・（２）
Ｔmin；最小閾値
Ｔmax；最大閾値
【符号の説明】
【００４３】
１・・・燃料電池スタック、２・・・セル積層体、２ａ・・・単セル、３・・・スタックケース、４・・・衝撃保護体、５・・・非金属部位、６・・・検査装置、６１・・・テラヘルツパルス発生部、６２・・・振動コントロール部、６３・・・反射波検出部、６４・・・位置検出部、６４ａ・・・第１検出部、６４ｂ・・・第２検出部。
【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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