(57)【要約】【課題】複数の単位電池が積層された燃料電池において、簡易な構成で燃料電池の積層状態を検査することのできる燃料電池の検査装置を提供する。【解決手段】複数の単位電池１２が積層されてなる燃料電池１０と、隣接する各単位電池１２間の距離（セル間距離）をそれぞれ検出するセル間距離検出手段と、セル間距離が所定の基準範囲にない場合に、当該単位電池１２の異常を判定する判定手段と、を備える。好ましくは、集電板１６の積層面に配置されたマーカ１８を画像解析することにより、各単位電池１２のセル間距離を検出する。また、セル間距離が基準範囲の上限値ｔｍａｘよりも大きい場合に、該単位電池１２へ加えられる圧縮荷重が低いことに起因する異常を判定する。また、セル間距離が基準範囲の下限値ｔｍｉｎよりも小さい場合に、該単位電池１２へ加えられる圧縮荷重が高いことに起因する異常を判定する。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の単位電池が積層されてなる燃料電池と、
隣接する各単位電池間の距離（以下、セル間距離）をそれぞれ検出するセル間距離検出手段と、
前記セル間距離が所定の基準範囲にない場合に、当該単位電池の異常を判定する判定手段と、
を備えることを特徴とする燃料電池の異常検査装置。
【請求項２】
前記判定手段は、前記セル間距離が前記基準範囲の上限値よりも大きい場合に、該単位電池へ加えられる圧縮荷重が低いことに起因する異常を判定することを特徴とする請求項１記載の燃料電池の異常検査装置。
【請求項３】
前記判定手段は、前記セル間距離が前記基準範囲の下限値よりも小さい場合に、該単位電池へ加えられる圧縮荷重が高いことに起因する異常を判定することを特徴とする請求項１記載の燃料電池の異常検査装置。
【請求項４】
前記セル間距離検出手段は、前記燃料電池における積層方向に沿った面（以下、積層面）の画像を解析することにより、前記セル間距離を検出することを特徴とする請求項１乃至３の何れか１項記載の燃料電池の異常検査装置。
【請求項５】
前記単位電池は、隣接する単位電池との間を隔てるためのセパレータを含み、
前記セパレータの積層面には、画像解析用のマーカが配置されていることを特徴とする請求項４記載の燃料電池の異常検査装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、燃料電池の検査装置に関し、特に、複数の単位電池が積層された燃料電池において、燃料電池の積層状態を検査するための燃料電池の検査装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池に対して衝撃が加えられた場合に発生する異常として、積層ズレによる異常が考えられる。積層ズレが発生すると、反応ガス漏れや短絡等が発生して燃料電池の性能が低下するおそれがある。このため、積層ズレによる異常が発生した場合には、早期に発見されることが好ましい。
【０００３】
そこで、従来、例えば、特開２００７−３１１０５２号公報に開示されるように、燃料電池に発生する不良を早期に検知することのできる燃料電池システムが知られている。このシステムでは、燃料電池スタックの起動時における電圧挙動に基づいて、ガス拡散層の不良の有無が判断される。これにより、固体高分子膜の穴や薄肉化に伴うガス漏れ発生の前段階で、燃料電池に発生する不具合を検知することができる。
【０００４】
【特許文献１】特開２００７−３１１０５２号公報
【特許文献２】特開２００７−１５７４１９号公報
【特許文献３】特開２００５−３３２７０２号公報
【特許文献４】特開２００４−２２０８２３号公報
【特許文献５】特開２００６−３３９０１４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、上記従来の燃料電池システムでは、積層された各単位電池の電圧を全て検出して処理するため、制御が複雑になってしまう。このため、簡易な構成で燃料電池の積層状態を検査することのできる装置が望まれていた。
【０００６】
この発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、複数の単位電池が積層された燃料電池において、簡易な構成で燃料電池の積層状態を検査することのできる燃料電池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】
【０００７】
第１の発明は、上記の目的を達成するため、燃料電池の異常検査装置であって、
複数の単位電池が積層されてなる燃料電池と、
隣接する各単位電池間の距離（以下、セル間距離）をそれぞれ検出するセル間距離検出手段と、
前記セル間距離が所定の基準範囲にない場合に、当該単位電池の異常を判定する判定手段と、
を備えることを特徴とする。
【０００８】
第２の発明は、第１の発明において、
前記判定手段は、前記セル間距離が前記基準範囲の上限値よりも大きい場合に、該単位電池へ加えられる圧縮荷重が低いことに起因する異常を判定することを特徴とする。
【０００９】
第３の発明は、第１の発明において、
前記判定手段は、前記セル間距離が前記基準範囲の下限値よりも小さい場合に、該単位電池へ加えられる圧縮荷重が高いことに起因する異常を判定することを特徴とする。
【００１０】
第４の発明は、第１乃至第３のいずれか１つの発明において、
前記セル間距離検出手段は、前記燃料電池における積層方向に沿った面（以下、積層面）の画像を解析することにより、前記セル間距離を検出することを特徴とする。
【００１１】
第５の発明は、第４の発明において、
前記単位電池は、隣接する単位電池との間を隔てるためのセパレータを含み、
前記セパレータの積層面には、画像解析用のマーカが配置されていることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１２】
単位電池に異常が発生していると、該単位電池において、セル間距離が所定の基準範囲から外れてしまう。第１の発明によれば、各単位電池のセル間距離が検出され、当該セル間距離が所定の基準範囲にない場合に、該単位電池の異常が判定される。このため、本発明によれば、燃料電池を構成する各単位電池に異常が発生しているか否かを簡易な構成で検査することができる。
【００１３】
第２の発明によれば、セル間距離が所定の基準範囲の上限値よりも大きい場合に、該単位電池に対する低圧縮荷重に起因する異常が判定される。セル間距離が上限値よりも大きい場合には、圧縮荷重が許容限界を超えて小さいことを示している。このため、本発明によれば、各単位電池のセル間距離に基づいて、圧縮荷重が小さいことに起因する異常、すなわちガス漏れや発電不良等による異常の有無を検査することができる。
【００１４】
第３の発明によれば、セル間距離が所定の基準範囲の下限値よりも小さい場合に、該単位電池における高圧縮荷重に起因する異常が判定される。セル間距離が下限値よりも小さい場合には、圧縮荷重が許容限界を超えて大きいことを示している。このため、本発明によれば、各単位電池のセル間距離に基づいて、圧縮荷重が大きいことに起因する異常、すなわち電極等の圧縮破壊や短絡などによる異常の有無を検査することができる。
【００１５】
第４の発明によれば、燃料電池における積層方向に沿った面（積層面）の画像を解析することにより、各単位電池のセル間距離が検出される。このため、本発明によれば、簡易な構成でセル間距離を検出することができる。
【００１６】
第５の発明によれば、隣接する単位電池を隔てるセパレータには、画像解析処理用のマーカが配置されている。このため、本発明によれば、隣接するマーカ間の距離を検出することにより、各単位電池のセル間距離を精度よく検出することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
以下、図面に基づいてこの発明の実施の形態について説明する。尚、各図において共通する要素には、同一の符号を付して重複する説明を省略する。また、以下の実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。
【００１８】
実施の形態．
［実施の形態の構成］
図１は、本実施の形態の燃料電池の構成を模式的に示す図である。燃料電池１０は、発電反応により発生した電力をモータ等の負荷装置に供給する燃料電池システムとして使用される。燃料電池１０は、複数の単位電池１２を積層し、その積層方向の両端を一対のエンドプレート（図示せず）で挟んで構成されている。単位電池１２は、膜電極接合体（ＭＥＡ）１４を一対の集電板１６で挟んだ構成になっている。ＭＥＡ１４は、固体高分子電解質膜の両面に触媒が一体化されたものであり、さらにその各面には、カーボンシート等で作られたガス拡散層が一体化されている。集電板１６は、隣接するＭＥＡ１４の間を仕切るセパレータとしても機能している。各単位電池１２は、アノードに燃料ガス(例えば、水素ガス)の供給を受け、カソードに空気の供給を受けて発電する。尚、本実施の形態において、燃料ガスの供給／排気系の構成、および空気の供給／排気系の構成に限定はないので、それについての説明は省略する。
【００１９】
図１に示すとおり、燃料電池１０の側面を形成している各集電板１６の端面には、画像解析用のマーカ１８が配置されている。マーカ１８は、後述する画像解析処理用の目印であり、集電板１６の端面中央部に配置されている。尚、マーカ１８は、画像解析処理において、集電板１６の積層方向の位置の目印として機能するのであれば、その形状、配置等は特に限定されない。
【００２０】
本実施の形態の燃料電池システムは、画像解析装置２０を備えている。画像解析装置２０は、取り込んだ画像内のマーカ１８間の距離を検出する。
【００２１】
[実施の形態の動作]
次に、図２および図３を参照して、本実施の形態の動作について説明する。上述したとおり、燃料電池１０は、複数の単位電池１２が積層されて締結された構造を有している。この締結荷重（圧縮荷重）が許容範囲を超えて小さいと、反応ガスのリークや発電不良が発生する原因となる。一方、圧縮荷重が許容範囲を超えて大きいと、電極等の圧縮破壊や短絡が発生する原因となる。したがって、各単位電池１２には、適切な圧縮荷重が加えられていることが好ましい。
【００２２】
ここで、隣接する各単位電池１２間の距離（以下、「セル間距離」と称する）は、各単位電池１２への圧縮荷重により変化する。図２は、単位電池１２のセル間距離と、圧縮荷重との関係を示す図である。この図に示すとおり、単位電池１２の圧縮荷重とセル間距離との間には、相関関係が存在する。つまり、単位電池１２への圧縮荷重が適切な範囲となるセル間距離の基準範囲が存在する。したがって、各単位電池１２のセル間距離が所定の基準範囲内か否かを判断することにより、各単位電池１２に加えられている圧縮荷重が正常な範囲か否かを判断することができる。
【００２３】
本実施の形態では、各単位電池１２のセル間距離に基づいて、異常が発生している単位電池１２の有無を判断することとする。より具体的には、先ず、燃料電池１０におけるマーカ１８面の画像を画像解析装置２０に取り込み、隣り合うマーカ１８間の距離をセル間距離として検出する。
【００２４】
図３は、各単位電池１２のセル間距離の分布を示す図である。この図において、セル間距離が所定の基準範囲内にある単位電池１２については、圧縮荷重が適切な範囲内であると判断することができる。一方、この図において、セル間距離が所定の基準範囲内にない単位電池１２は、当該単位電池１２に加えられている圧縮荷重が適切でないと判断することができる。より具体的には、セル間距離が基準範囲の上限値ｔｍａｘよりも大きい場合には、圧縮荷重が小さすぎると判断することができる。このため、当該単位電池１２におけるガス漏れや発電不良等の異常を判断することができる。一方、セル間距離が基準範囲の下限値ｔｍｉｎよりも小さい場合には、圧縮荷重が大きすぎると判断することができる。このため、当該単位電池１２における電極等の圧縮破壊や短絡等の異常を判断することができる。
【００２５】
このように、本実施の形態の燃料電池システムによれば、画像解析で検出されたセル間距離に基づいて、各単位電池１２の異常有無および異常の種類を検査することができる。
【００２６】
[実施の形態の具体的処理]
次に、図４を参照して、本実施の形態の燃料電池システムにおいて実行される具体的処理について説明する。図４は、本実施の形態の燃料電池システムが燃料電池１０の積層状態を検査するルーチンのフローチャートである。図４に示すルーチンでは、先ず、燃料電池１０の画像が画像解析装置２０に取り込まれる（ステップ１００）。ここでは、具体的には、先ず、燃料電池１０におけるマーカ１８が配置されている側面の画像が、ＣＣＤカメラ等で撮影される。次いで、当該撮影された画像が、画像解析装置２０に取り込まれる。
【００２７】
次に、画像解析処理が実行される（ステップ１０２）。ここでは、具体的には、画像解析装置２０に取り込まれた画像における、隣接するマーカ１８間の距離がセル間距離として検出される。
【００２８】
次に、上記ステップ１０２において検出された各単位電池１２のセル間距離が、所定の基準範囲内か否かが判定される（ステップ１０４）。セル間距離の基準範囲は、圧縮荷重が燃料電池１０の不良原因とならない範囲として、予め実験等により特定された値が使用される。その結果、セル間距離が所定の基準範囲内であると判定された単位電池１２は、圧縮荷重が適切な範囲内であると判断されて、積層状態が正常であると判断される（ステップ１０６）。
【００２９】
一方、上記ステップ１０４において、セル間距離が所定の基準範囲内にないと判定された場合には、圧縮荷重が適切な範囲内にないと判断されて、次のステップに移行し、セル間距離が基準範囲の上限値ｔｍａｘよりも大きいか否かが判断される(ステップ１０８）。その結果、セル間距離が基準範囲の上限値ｔｍａｘよりも大きいと判定された場合には、当該単位電池１２の圧縮荷重が適切な範囲よりも小さすぎると判断されて、反応ガスのリークや発電不良等による異常が判断される（ステップ１１０）。
【００３０】
一方、上記ステップ１０８において、セル間距離が基準範囲の上限値ｔｍａｘよりも小さいと判定された場合には、セル間距離が基準範囲の下限値ｔｍｉｎよりも小さいと判断されて、当該単位電池１２の圧縮荷重が適切な範囲よりも大きいことに起因する短絡や電極等の圧縮破壊による異常が判断される（ステップ１１２）。
【００３１】
以上説明したとおり、本実施の形態の燃料電池システムによれば、画像解析によって求めた各単位電池１２のセル間距離に基づいて、各単位電池１２の積層状態が検査される。このため、異常が発生している単位電池１２を逸早く特定することができるので、不具合が生じる事態を未然に防止することができる。
【００３２】
また、本実施の形態の燃料電池システムによれば、単位電池１２に発生している異常が、圧縮荷重が大きいことに起因する異常であるか、反対に圧縮荷重が小さいことに起因する異常であるかを判別することができるので、異常の種類に適した措置を施すことができる。
【００３３】
また、本実施の形態の燃料電池システムによれば、画像解析処理によって、集電板１６に設けられたマーカ１８間の距離を検出するため、簡易な構成で各単位電池１２のセル間距離を検出することができる。
【００３４】
ところで、上述した実施の形態の燃料電池システムにおいては、マーカ１８を集電板１６の中央部に配置することとしているが、マーカ１８の配置はこれに限られない。すなわち、集電板１６における曲げ合成の低い部位、例えば、集電板１６におけるガスマニホールドの近傍や意図的に厚みを薄くした部位にマーカ１８を配置することとしてもよい。
【００３５】
図５は、本実施の形態の燃料電池システムの変形例を説明するための図である。この図に示す集電板１６は、マーカ１８が配置されている部位の厚さが他の部位に比して薄く形成されている。このような集電板を用いることで、圧縮荷重によって最も厚みが変化する部位のセル間距離を検出することができるので、異常判断の精度を効果的に向上させることができる。
【００３６】
尚、上述した実施の形態においては、システムが、上記ステップ１０２の処理を実行することにより、前記第１の発明における「セル間距離検出手段」が、上記ステップ１１０または１１２の処理を実行することにより、前記第１の発明における「判定手段」が、それぞれ実現されている。
【００３７】
また、上述した実施の形態においては、システムが、上記ステップ１１０の処理を実行することにより、前記第２の発明における「判定手段」が、実現されている。
【００３８】
また、上述した実施の形態においては、システムが、上記ステップ１１２の処理を実行することにより、前記第３の発明における「判定手段」が、実現されている。
【００３９】
また、上述した実施の形態においては、システムが、上記ステップ１０２の処理を実行することにより、前記第４の発明における「セル間距離検出手段」が、実現されている。
【００４０】
また、上述した実施の形態においては、集電板１６が前記第５の発明における「セパレータ」に相当している。
【図面の簡単な説明】
【００４１】
【図１】本実施の形態の燃料電池システムの構成を模式的に示す図である。
【図２】単位電池１２のセル間距離と、圧縮荷重との関係を示す図である。
【図３】各単位電池１２のセル間距離の分布を示す図である。
【図４】本実施の形態で実行されるルーチンのフローチャートである。
【図５】本実施の形態の変形例を説明するための図である。
【符号の説明】
【００４２】
１０  燃料電池
１２  単位電池
１４  ＭＥＡ
１６  集電板
１８  マーカ
２０  画像解析装置
【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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