JP6962202B2 - Fuel cell separator inspection method - Google Patents
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Description
本発明は、ピンホールの有無を検査する燃料電池セパレータの検査方法に関する。 The present invention relates to a method for inspecting a fuel cell separator for inspecting the presence or absence of pinholes.
この種の燃料電池セパレータとして、基材の表面全体に耐食性を付与する炭素層を形成したものが開示されている(特許文献1参照)。この燃料電池セパレータは、燃料電池スタックを構成しており、燃料電池スタックは、図10(a)に示すように、表面にチタン(Ti)薄膜が形成された金属板のTiロールをプレス加工して洗浄し、カーボン系表面処理(PAC:Pi-conjugated Amorphous Carbon処理、以下PAC処理という。)で炭素層を形成し、外観検査後に燃料電池セパレータおよび他の構成要素と一体化するセル化を行うなどの各工程を経て完成し、出荷される。 As a fuel cell separator of this type, one in which a carbon layer that imparts corrosion resistance is formed on the entire surface of the base material is disclosed (see Patent Document 1). This fuel cell separator constitutes a fuel cell stack, and the fuel cell stack is formed by pressing a Ti roll of a metal plate having a titanium (Ti) thin film formed on its surface, as shown in FIG. 10 (a). After cleaning, a carbon layer is formed by carbon-based surface treatment (PAC: Pi-conjugated Amorphous Carbon treatment, hereinafter referred to as PAC treatment), and after visual inspection, cells are formed to be integrated with the fuel cell separator and other components. It is completed and shipped through each process such as.
このPAC処理に替えて、図10(b)に示すように、ナノカーボン処理(以下NC化処理という。)が施される燃料電池スタックがある。この燃料電池スタックは、TiロールにNC化処理で炭素層を形成し、プレス加工してセパレータ材料を成形して洗浄し、セル化を行うなどの各工程を経て完成し、出荷される。NC化処理が施される燃料電池スタックは、洗浄の工程において、セパレータ材料を洗浄槽の液体に浸漬して洗浄し、乾燥させた後にピンホールの有無を検知するガスリーク検査を行うようにしている。 Instead of this PAC treatment, as shown in FIG. 10B, there is a fuel cell stack that is subjected to nanocarbon treatment (hereinafter referred to as NC treatment). This fuel cell stack is completed and shipped through various steps such as forming a carbon layer on a Ti roll by NC treatment, pressing to form a separator material, cleaning, and cell formation. In the cleaning process, the fuel cell stack to be NC-treated is cleaned by immersing the separator material in the liquid in the cleaning tank, dried, and then subjected to a gas leak inspection to detect the presence or absence of pinholes. ..
しかしながら、NC化処理が施される燃料電池スタックにおけるガスリーク検査は、セパレータ材料が乾燥した後に行われている。このセパレータ材料にピンホールがあると、セパレータ材料の洗浄中に炭素層から脱落した炭素が入り込み、ピンホールが閉塞されてしまい、さらに、乾燥によりピンホール内の炭素が凝集しピンホールが詰まってしまう。その結果、ガスリーク検査において、ピンホールが有るにも拘らず無いとして検知してしまう誤検知が発生する可能性があるという問題がある。 However, the gas leak inspection in the fuel cell stack subjected to the NC treatment is performed after the separator material has dried. If there are pinholes in this separator material, carbon that has fallen off from the carbon layer will enter during cleaning of the separator material, and the pinholes will be blocked. Furthermore, the carbon in the pinholes will aggregate and clog the pinholes due to drying. It ends up. As a result, there is a problem that in the gas leak inspection, erroneous detection may occur in which the pinhole is detected even though it is present.
本発明は、このような問題を解決するためになされたもので、セパレータ材料に出来たピンホールの有無を誤検知することを未然に防止し、ピンホールの有無を精確に検知することができる燃料電池セパレータの検査方法を提供することを課題とする。 The present invention has been made to solve such a problem, and it is possible to prevent erroneous detection of the presence or absence of pinholes formed in the separator material and accurately detect the presence or absence of pinholes. An object of the present invention is to provide a method for inspecting a fuel cell separator.
本発明に係る燃料電池セパレータの検査方法は、基材に炭素層を設けたセパレータ材料を液体で洗浄する第1工程と、洗浄された前記セパレータ材料を乾燥させる前に、前記セパレータ材料の表面に外力を加える第2工程と、前記第2工程により後の工程において、前記セパレータ材料のピンホール検査をする第3工程と、を備えることを特徴とする。 The method for inspecting a fuel cell separator according to the present invention includes a first step of cleaning a separator material having a carbon layer on a base material with a liquid, and a surface of the separator material before the washed separator material is dried. It is characterized by including a second step of applying an external force and a third step of inspecting a pinhole of the separator material in a step after the second step.
本発明に係る燃料電池セパレータの検査方法においては、第1工程で洗浄されたセパレータ材料を乾燥させる前に、セパレータ材料の表面に外力を加える第2工程が設けられている。この構成により、洗浄中に炭素層から脱落した炭素がピンホールに入り込んでも、乾燥によりピンホール内の炭素が凝集しピンホールが詰まってしまう前に、セパレータ材料の表面に外力が加えられるので、外力により確実にピンホール内の炭素が除去される。そして、セパレータ材料のピンホール検査をする第3工程が、第2工程において、外力によりピンホール内の炭素が確実に除去された後に行われるので、第3工程においてピンホールの有無が精確に検知される。 In the fuel cell separator inspection method according to the present invention, a second step of applying an external force to the surface of the separator material is provided before the separator material washed in the first step is dried. With this configuration, even if carbon that has fallen off from the carbon layer during cleaning enters the pinhole, an external force is applied to the surface of the separator material before the carbon in the pinhole aggregates due to drying and the pinhole is clogged. The carbon in the pinhole is surely removed by the external force. Then, the third step of inspecting the pinhole of the separator material is performed after the carbon in the pinhole is surely removed by an external force in the second step, so that the presence or absence of the pinhole is accurately detected in the third step. Will be done.
本発明によれば、セパレータ材料に出来たピンホールの有無を誤検知することを未然に防止し、ピンホールの有無を精確に検知することができる燃料電池セパレータの検査方法を提供することができる。 According to the present invention, it is possible to provide a fuel cell separator inspection method capable of preventing erroneous detection of the presence or absence of pinholes formed in a separator material and accurately detecting the presence or absence of pinholes. ..
本発明に係る燃料電池セパレータの検査方法を適用した実施形態に係る燃料電池セパレータ40の検査方法について、燃料電池セパレータ40を備えた燃料電池セル10により構成される燃料電池スタックの作製を含めて図面を参照して説明する。
The drawing of the method for inspecting the
まず、燃料電池セル10の構成について説明する。燃料電池セル10は、図1に示すように、膜電極ガス拡散層接合体(MEGA:Membrane Electrode & Gas Diffusion Layer Assembly、以下MEGAという。)20と、シール部材30と、燃料電池セパレータ40とにより構成されている。
First, the configuration of the
MEGA20は、膜電極接合体(MEA:Membrane Electrode Assembly、以下MEAという。)21と、アノード側ガス拡散層(GDL:Gas Diffusion Layer、以下GDLという。)22と、カソード側GDL23とにより構成されている。
The
MEA21は、図示しない電解質膜、アノード触媒層およびカソード触媒層の接合体で構成されている。電解質膜は、パーフルオロスルホン酸(PFSA)アイオノマーなどの固体高分子材料である高分子電解質樹脂で形成されており、イオン伝導性を有する高分子膜を電解質とするイオン交換膜からなる。電解質膜は、電子および気体の流通を阻止するとともに、プロトンをアノード触媒層からカソード触媒層に移動させる機能を有している。
The
アノード触媒層は、白金や白金合金などの触媒を担持した導電性の担体からなり、例えば、触媒担持カーボン粒子などのカーボン粒子を、プロトン伝導性を有するアイオノマーで被覆して形成された電極触媒層からなる。なお、アイオノマーは、電解質膜と同質のフッ素系樹脂などの固体高分子材料である高分子電解質樹脂からなり、その有するイオン交換基によりプロトン伝導性を有する。アノード触媒層は、水素ガス(H2)をプロトンと電子に分解する機能を有している。カソード触媒層は、アノード触媒層と同様の材料で形成されているが、アノード触媒層と異なり、プロトンと電子と酸素から水を生成する機能を有している。 The anode catalyst layer is made of a conductive carrier carrying a catalyst such as platinum or a platinum alloy. For example, an electrode catalyst layer formed by coating carbon particles such as catalyst-supported carbon particles with an ionomer having proton conductivity. Consists of. The ionomer is made of a polyelectrolyte resin which is a solid polymer material such as a fluororesin having the same quality as the electrolyte membrane, and has proton conductivity due to its ion exchange group. The anode catalyst layer has a function of decomposing hydrogen gas (H 2 ) into protons and electrons. The cathode catalyst layer is made of the same material as the anode catalyst layer, but unlike the anode catalyst layer, it has a function of generating water from protons, electrons, and oxygen.
アノード側GDL22は、ガス透過性および導電性を有する材料、例えば、カーボンペーパーなどの炭素繊維や黒鉛繊維などの多孔質の繊維基材で形成されている。アノード側GDL22は、アノード触媒層の外側に接合されており、燃料ガスとしての水素ガスを拡散させて均一にし、アノード触媒層に行き渡らせる機能を有している。
The anode-side GDL22 is formed of a gas-permeable and conductive material, for example, a carbon fiber such as carbon paper or a porous fiber base material such as graphite fiber. The anode-
カソード側GDL23は、アノード側GDL22と同様に、ガス透過性および導電性を有する材料、例えば、カーボンペーパーなどの炭素繊維や黒鉛繊維などの多孔質の繊維基材で形成されている。カソード側GDL23は、カソノード触媒層の外側に接合されており、酸化剤ガスとしての空気を拡散させて均一にし、カソード触媒層に行き渡らせる機能を有している。
Like the anode-side GDL22, the cathode-side GDL23 is formed of a gas-permeable and conductive material, for example, a carbon fiber such as carbon paper or a porous fiber base material such as graphite fiber. The
シール部材30は、合成樹脂からなり、枠状に形成され、MEGA20が接合されている。シール部材30は、燃料極の水素ガス(H2)や空気極の酸素ガス(O2)が、微量ながら電解質膜を通過してしまうという、いわゆるクロスリークや触媒電極同士の電気的短絡を防ぐための機能を有している。
The
燃料電池セパレータ40は、アノード側セパレータ41と、カソード側セパレータ42とにより構成される。アノード側セパレータ41は、鉄鋼板、ステンレス鋼板およびアルミニウム板などの金属板で形成されており、後述する検査工程を経て作製される。なお、本実施形態のアノード側セパレータ41およびカソード側セパレータ42と、燃料電池セパレータ40は、本発明に係る燃料電池セパレータの検査方法におけるセパレータ材料に対応する。
The
アノード側セパレータ41は、MEGA20のアノード側GDL22に接合されており、アノード側GDL22の表面に沿って燃料ガスとしての水素を流す燃料ガス流路41aが形成されている。アノード側セパレータ41の表面には、後述するTiロールの工程で表面にチタン(Ti)薄膜が形成され、NC化処理の工程でチタン薄膜に炭素層が形成される。
The anode-
カソード側セパレータ42は、アノード側セパレータ41と同様、金属板で形成されており、後述する検査工程を経て作製される。カソード側セパレータ42は、MEGA20のカソード側GDL23に接合されており、カソード側GDL23の表面に沿って酸化剤ガスとしての空気を流す酸化剤ガス流路42aが形成されている。カソード側セパレータ42の表面も、アノード側セパレータ41と同様、後述するTiロールの工程で表面にチタン(Ti)薄膜が形成され、NC化処理の工程でチタン薄膜に炭素層が形成される。
Like the anode-
次いで、燃料電池セル10により構成される燃料電池スタックの作製について、燃料電池セパレータ40の検査方法を含めて説明する。なお、燃料電池セパレータ40は、アノード側セパレータ41およびカソード側セパレータ42により構成されているが、アノード側セパレータ41およびカソード側セパレータ42は同様に構成されているので、以下、主にアノード側セパレータ41について説明する。
Next, the production of the fuel cell stack composed of the
本実施形態に係る燃料電池セル10により構成される燃料電池スタックの作製は、図2に示すように、Tiロールの工程と、NC化処理の工程と、プレスの工程と、洗浄の工程と、セル化の工程と、スタック出荷の工程とを含んで構成されている。各工程は、順に行われる。なお、本実施形態のTiロールの工程と、NC化処理の工程と、洗浄の工程は、本発明に係る燃料電池セパレータの検査方法に含まれる。
As shown in FIG. 2, the production of the fuel cell stack composed of the
Tiロールの工程においては、鉄鋼板、ステンレス鋼板およびアルミニウム板などの金属板からなるアノード側セパレータ41の基材の表面にチタン(Ti)薄膜が形成されるとともに、ロール状に形成される(ステップS1)。チタン薄膜の形成により金属板の表面に不動態酸化皮膜が形成され、アノード側セパレータ41の基材の耐食性が向上する。
In the Ti roll process, a titanium (Ti) thin film is formed on the surface of the base material of the
NC化処理の工程においては、ロール状のアノード側セパレータ41の基材が巻き出されて、アノード側セパレータ41の基材のチタン薄膜の表面にカーボンブラック(CB:Carbon Black)と酸化チタン(TiO2)の混合層からなる炭素層が形成される(ステップS2)。カーボンブラックは、直径3〜500nm程度の炭素の微粒子で、いわゆるナノカーボンからなる。NC化処理によりアノード側セパレータ41の基材の導電性が確保される。
In the NC treatment process, the base material of the roll-shaped
プレスの工程においては、アノード側セパレータ41の形状に適合するようアノード側セパレータ41の基材のカットが行われ、カットされた基材に対してプレス成形がなされる。このプレス成形により、図1に示す燃料ガス流路41aを有する凹凸形状のアノード側セパレータ41が形成される(ステップS3)。
In the pressing process, the base material of the
洗浄の工程は、図2に示すように、洗浄槽に入れる工程と、第1工程と、第2工程と、乾燥の工程と、ガスリーク検査の工程とを含んで構成されている。各工程は、順に行われる。本実施形態のガスリーク検査の工程は、本発明に係る燃料電池セパレータの検査方法においてピンホール検査をする第3工程に対応する。また、本実施形態の第1工程、第2工程、乾燥の工程およびガスリーク検査の工程も、本発明に係る燃料電池セパレータの検査方法に含まれる。 As shown in FIG. 2, the cleaning step includes a step of putting it in a washing tank, a first step, a second step, a drying step, and a gas leak inspection step. Each step is performed in sequence. The gas leak inspection step of the present embodiment corresponds to the third step of performing a pinhole inspection in the fuel cell separator inspection method according to the present invention. Further, the first step, the second step, the drying step, and the gas leak inspection step of the present embodiment are also included in the fuel cell separator inspection method according to the present invention.
洗浄槽に入れる工程においては、プレスの工程の後にアノード側セパレータ41が、洗浄槽に入れられる(ステップS11)。洗浄槽には、公知の洗浄液、例えば、常温または加熱された洗浄水やアルカリ溶液が満たされている。
In the step of putting in the washing tank, the
第1工程においては、基材に炭素層が設けられたアノード側セパレータ41の表面に付着している異物や汚れが、公知の洗浄方法により除去される(ステップS12)。公知の洗浄方法としては、例えば、常温または加熱された洗浄水による洗浄や、アルカリ溶液による洗浄や超音波による洗浄などの洗浄方法が挙げられる。
In the first step, foreign matter and dirt adhering to the surface of the anode-
第2工程においては、洗浄されたアノード側セパレータ41の表面に外力が加えられる(ステップS13)。具体的には、図3(a)、図3(b)に示すように、外力は、加圧装置50によって、アノード側セパレータ41に加えられる。加圧装置50は、圧力容器51と、配管52、53と、ポンプPiと、バルブVと、図示しない複数の圧力センサと、各構成要素を制御する図示しないコントローラにより構成されている。圧力容器51は、中央にアノード側セパレータ41を装着可能に構成され、アノード側セパレータ41を装着することにより、圧力容器51の内部がin側の室51aと、out側の室51bとにより区画されるように構成されている。
In the second step, an external force is applied to the surface of the cleaned anode-side separator 41 (step S13). Specifically, as shown in FIGS. 3A and 3B, an external force is applied to the
配管52は、一端がin側の室51aに接続されるとともに、他端が、窒素ガス(N2)などの圧力供給媒体を貯留する図示しない貯留容器に接続されている。また、配管52は、ポンプPiと接続されており、ポンプPiにより、圧力(kPa)がin側の室51aに供給されるように構成されている。配管53は、一端がout側の室51bに接続されるとともに、他端が、大気に開放されるように構成されている。
One end of the
バルブVは、配管52に設けられており、配管52の圧力供給媒体の通路を開閉するように構成されている。圧力センサは、in側の室51aおよびout側の室51bにそれぞれ設けられており、in側の室51a内の圧力およびout側の室51b内の圧力を検知し、検知情報をコントローラに送るように構成されている。
The valve V is provided in the
第2工程においては、アノード側セパレータ41の表面に外力を加えることにより、アノード側セパレータ41に存在するピンホール内に入り込んだ洗浄液および炭素をピンホールの外に排出させるように構成されている。ピンホール内に炭素を含む洗浄液が満たされている場合には、図3(a)に示すように、ピンホールの半径r=2.5μm、ピンホール内の洗浄液の接触角θ=40°として、ピンホール中の液体表面張力を算出すると、56kPaとなった。この液体表面張力よりも大きな圧力、即ち外力をピンホールに加えれば、ピンホール内を満たす洗浄液および炭素を排出させることができる。
In the second step, by applying an external force to the surface of the anode-
例えば、図3(b)に示すように、ポンプPiにより、最大354kPaの圧力を供給しin側の室51a内の圧力を常圧から徐々に上昇させる。これに対し、out側の室51b内の圧力は、しばらくは、常圧のままで維持される。そして、in側の室51a内の圧力が、前述の56kPaを超える圧力になると、ピンホール内を満たす洗浄液および炭素が、ピンホール内からout側の室51b内に排出される。これにより、out側の室51b内の圧力が上昇する。
For example, as shown in FIG. 3B, the pump Pi supplies a maximum pressure of 354 kPa to gradually increase the pressure in the
具体的には、図3(c)に示すように、ピンホールのあるアノード側セパレータ41に対して、洗浄後1時間以内、かつ乾燥前に加圧装置50で圧力を加えた。その結果、入口側、即ちin側の室51a内の圧力が、加圧のスタートから約80min経過時に75kPaになり、この時に出口側、即ちout側の室51b内の圧力が上昇を開始した。これにより、in側の室51a内の圧力が75kPaで、ピンホール内を満たす洗浄液および炭素の排出が実現できることが確認された。
Specifically, as shown in FIG. 3C, pressure was applied to the anode-
また、図4(a)に示すように、ピンホールのあるアノード側セパレータ41に対して、ピンホールの有無の誤検知を防止できるか否かについて、加圧装置50により、乾燥前のガスリークの試験を行った。この試験は、図4(b)のグラフで示すように、所定の入口圧力(kPa)、即ち、in側の室51a内に所定の圧力を加えた場合に、入口圧力の時間(min)に対する変化により、ピンホールの有無が判断される。グラフ中の破線で示す曲線は、ピンホールがあるために、in側の室51a内からout側の室51b内に圧力がリークし、入口圧力が低下することを表し、太い実線で示す直線は、ピンホールが無いためにin側の室51a内からout側の室51b内に圧力のリークが無く、入口圧力がほとんど低下しないことを表している。
Further, as shown in FIG. 4A, the pressurizing
太い実線で示す直線は、乾燥後にガスリークの試験を行った結果を示し、細い実線で示す曲線は、乾燥前にガスリークの試験を行った結果を示している。破線で示す曲線と、細い実線で示す曲線は、リーク量の差が無く、未検知のピンホールが無いことを表している。破線で示す曲線と、太い実線で示す曲線は、リーク量の差が有り、未検知のピンホールが有ることを表している。 The straight line shown by the thick solid line shows the result of the gas leak test after drying, and the curve shown by the thin solid line shows the result of the gas leak test before drying. The curve shown by the broken line and the curve shown by the thin solid line indicate that there is no difference in the amount of leakage and there is no undetected pinhole. The curve shown by the broken line and the curve shown by the thick solid line indicate that there is a difference in the amount of leakage and that there is an undetected pinhole.
図4(a)に示す乾燥前のガスリークの試験は、具体的には、図5(a)、図5(b)、図5(c)に示すように、アノード側セパレータ41の中央部分にピンホールが存在するものに対して行われた。また、図6は、in側の室51a内に前述の液体表面張力の56kPaを超える圧力が加えられる前のピンホールの状態と、昇圧によりin側の室51a内に液体表面張力の56kPaを超える圧力が加えられた後のピンホールの状態、即ち、昇圧によりピンホール内をガスが抜ける状態を示している。図6は、in側の室51a内を昇圧することで、ピンホール内の液体および炭素が除去されることを示している。
The gas leak test before drying shown in FIG. 4 (a) was specifically performed on the central portion of the
図4(a)に示す乾燥前のガスリークの試験は、ピンホールが存在する乾燥前のアノード側セパレータ41に対して、ピンホールの貫通している初期の場合と、ピンホールに水を滴下した場合と、ピンホールにアクアブラック0.014wt%の液体を滴下した場合とに分けて行った。図4(a)は、in側の室51aに約355kPaの圧力を供給した際の、時間(min)の経過による圧力の変化を表しており、圧力は、in側の室51aに設けられた圧力センサで測定された。
In the test of gas leak before drying shown in FIG. 4A, water was dropped into the pinholes in the initial case where the pinholes penetrated the
なお、アクアブラック(登録商標)は、カーボンブラック(CB:Carbon Black)からなり、直径3〜500nm程度の水と親和性がある炭素の微粒子で構成される。アクアブラック0.014wt%は、アノード側セパレータ41を洗浄した際の洗浄液中に存在する炭素層から脱落した炭素の量、即ち実際の洗浄液の炭素濃度を想定している。
Aqua Black (registered trademark) is made of carbon black (CB: Carbon Black), and is composed of carbon fine particles having a diameter of about 3 to 500 nm and having an affinity for water. Aqua Black 0.014 wt% assumes the amount of carbon that has fallen off from the carbon layer present in the cleaning liquid when the
図4(a)に示す乾燥前のガスリークの試験の結果、初期の場合、水を滴下した場合、アクアブラック0.014wt%の液体を滴下した場合のいずれの場合も、入口圧力が、スタートから約60min経過に約355kPaから約250kPaまで徐々に低下しており、アノード側セパレータ41にピンホールが有ることが分かり、乾燥前にアノード側セパレータ41に圧力を加えることで、ピンホール内の液体および炭素が除去され、誤検知の発生を未然に防止できることが確認された。
As a result of the gas leak test before drying shown in FIG. 4A, the inlet pressure was changed from the start in both the initial case, when water was dropped and when a liquid of 0.014 wt% of aqua black was dropped. It gradually decreased from about 355 kPa to about 250 kPa after about 60 minutes, and it was found that the
図4(a)に示す乾燥前のガスリークの試験に対して、図7(a)に示す乾燥後のガスリークの試験を行い、両者の結果を比較した。図7(a)に示す乾燥後のガスリークの試験は、図4(a)に示す乾燥前のガスリークの試験と同様、ピンホールが存在する乾燥後のアノード側セパレータ41に対して、ピンホールの貫通している初期の場合と、ピンホールにアクアブラック0.014wt%の液体を滴下した場合とに分けて行った。図7(a)は、in側の室51aに約355kPaの圧力を供給した際の、時間(min)の経過による圧力の変化を表しており、圧力は、in側の室51aに設けられた圧力センサで測定された。
In contrast to the pre-drying gas leak test shown in FIG. 4 (a), the post-drying gas leak test shown in FIG. 7 (a) was performed, and the results of both were compared. The test for the gas leak after drying shown in FIG. 7 (a) is the same as the test for the gas leak before drying shown in FIG. 4 (a). The initial case of penetrating and the case of dropping 0.014 wt% of aqua black liquid into the pinhole were performed separately. FIG. 7A shows a change in pressure with the passage of time (min) when a pressure of about 355 kPa is supplied to the
なお、図7(b)に示すように、ピンホールの半径が2.5μmで、ピンホール内に約500nmの炭素が堆積した場合、この炭素を除去するには、除去する圧力Pは、摩擦係数(μ)に、分子間力(Fw)と液架橋力(Fc)とを加えたものを乗算し、断面積(S)で除算することにより得られる。この計算式から、除去する圧力Pは、約974kPaであることが分かる。即ち、約355kPaの圧力では、ガスが抜けないことが分かる。 As shown in FIG. 7B, when the radius of the pinhole is 2.5 μm and carbon of about 500 nm is deposited in the pinhole, in order to remove the carbon, the pressure P to be removed is friction. It is obtained by multiplying the coefficient (μ) by the sum of the intermolecular force (Fw) and the liquid cross-linking force (Fc) and dividing by the cross-sectional area (S). From this calculation formula, it can be seen that the pressure P to be removed is about 974 kPa. That is, it can be seen that the gas does not escape at a pressure of about 355 kPa.
図7(a)に示す乾燥後のガスリークの試験の結果、ピンホールの貫通している初期の場合は、破線で示すように、入口圧力が、スタートから約60min経過に約355kPaから約250kPaまで徐々に低下しているのに対して、アクアブラック0.014wt%の液体を滴下した場合は、太い実線で示すように、入口圧力の変化が無い。このことは、乾燥後にアノード側セパレータ41に圧力を加えても、ピンホール内の液体および炭素が除去されず、誤検知の発生を未然に防止することができないことを示している。
As a result of the gas leak test after drying shown in FIG. 7 (a), in the initial case where the pinhole penetrates, the inlet pressure increases from about 355 kPa to about 250 kPa about 60 minutes after the start, as shown by the broken line. On the other hand, when the liquid of 0.014 wt% of Aqua Black was dropped, there was no change in the inlet pressure as shown by the thick solid line. This indicates that even if pressure is applied to the
乾燥の工程においては、第1工程において、表面に付着している異物や汚れが除去され、第2工程において、外力が加えられピンホール内の液体および炭素が除去されたアノード側セパレータ41に対して、比較的に高温の乾燥炉、例えば、100℃〜300℃程度の真空乾燥炉内でアノード側セパレータ41が乾燥される(ステップS14)。
In the drying step, the foreign matter and dirt adhering to the surface are removed in the first step, and the
ガスリーク検査の工程においては、前述のガスリークの試験と同様の方法で、加圧装置50により乾燥したアノード側セパレータ41のピンホールの有無を検知し、合否が判定される(ステップS15)。ガスリーク検査において合格と判定されたアノード側セパレータ41は、図2に示すように、セル化の工程に送られ、不合格と判定されたアノード側セパレータ41は、不良品処理(ステップS16)に送られる。
In the gas leak inspection step, the presence or absence of pinholes in the dried anode-
セル化の工程においては、図1に示すように、ガスリーク検査の工程において、ピンホールが検知されなかったアノード側セパレータ41およびカソード側セパレータ42と、他の工程で作製されたMEGA20と、シール部材30とが一体化、即ちセル化され、燃料電池セル10が完成する(ステップS5)。
In the cell formation step, as shown in FIG. 1, in the gas leak inspection step, the
スタック出荷の工程においては、セル化の工程において完成した燃料電池セル10が複数積層されて燃料電池スタックが作製され、燃料電池スタックの確認および出荷数の確認が行われる。燃料電池スタックは、所定の行き先に送られる(ステップS6)。
In the stack shipping process, a plurality of
以上のように構成された実施形態に係る燃料電池セパレータ40の検査方法の効果について説明する。
The effect of the inspection method of the
本実施形態に係る燃料電池セパレータ40の検査方法においては、第1工程(ステップS12)で洗浄された燃料電池セパレータ40を乾燥の工程(ステップS14)で乾燥させる前に、燃料電池セパレータ40の表面に加圧装置50により外力としての圧力を加える第2工程(ステップS13)が設けられている。この構成により、燃料電池セパレータ40の洗浄中に炭素層から脱落した炭素がピンホールに入り込んでも、乾燥によりピンホール内の炭素が凝集しピンホールが詰まってしまう前に、燃料電池セパレータ40の表面に圧力が加えられるので、圧力により確実にピンホール内の炭素が除去され、誤検知を未然に防ぐことができるという効果が得られる。
In the method for inspecting the
また、本実施形態に係る燃料電池セパレータ40の検査方法においては、燃料電池セパレータ40のガスリーク検査の工程(ステップS15)が、第2工程において、圧力によりピンホール内の炭素が確実に除去された後に行われるので、ガスリーク検査の工程においてピンホールの有無を精確に検知することができるという効果が得られる。
Further, in the
<実施形態の変形例>
なお、本実施形態に係る燃料電池セパレータ40の検査方法においては、第2工程で、加圧装置50により、アノード側セパレータ41の表面に外力を加えるように構成した。しかしながら、第2工程で、加圧装置50以外の他の装置により、アノード側セパレータ41の表面に外力を加えるように構成してもよい。
<Modified example of the embodiment>
In the method for inspecting the
以下、第2工程で、他の装置により、アノード側セパレータ41の表面に外力を加えるように構成した実施形態の変形例に係る燃料電池セパレータ40の検査方法について、図面を参照して説明する。
Hereinafter, a method for inspecting the
実施形態の変形例に係る燃料電池セパレータ40の検査方法において、まず、ピンホールの存在するアノード側セパレータ41に対して、純水浸漬するだけでピンホール内の炭素を除去することができるか否かを検討した。図8(a)、図8(b)に示すように、純水浸漬は、60℃の純水中に浸漬し、15時間放置することにより行った。
In the method for inspecting the
具体的には、アノード側セパレータ41をアクアブラック0.014wt%の炭素液に浸漬し、前述の純水浸漬をした後、アノード側セパレータ41を乾燥する前に、実施形態に係る燃料電池セパレータ40の検査方法における第2工程において、加圧装置50により圧力を加えた方法と同じ方法により、純水浸漬をしたアノード側セパレータ41のガスリークの試験を行った。
Specifically, the anode-
ガスリークの試験の結果は、図8(a)のグラフで示されるように、アクアブラック0.014wt%に浸漬していない初期のものは、太い実線で示されるように、ピンホールが検知された。これに対して、アクアブラック0.014wt%に浸漬し、前述の純水浸漬をした後のものは、細い実線で示されるように、ピンホールを検知することができなかった。したがって、ピンホールの存在するアノード側セパレータ41を純水浸漬するだけではピンホール内の炭素を除去することができないことが確認された。
As for the result of the gas leak test, as shown in the graph of FIG. 8 (a), pinholes were detected in the early ones not immersed in 0.014 wt% of aqua black, as shown by the thick solid line. .. On the other hand, after immersing in 0.014 wt% of Aqua Black and immersing in pure water as described above, pinholes could not be detected as shown by a thin solid line. Therefore, it was confirmed that the carbon in the pinhole cannot be removed only by immersing the anode-
また、濃度勾配および濃度拡散式に基づいて算出した結果からも、ピンホールの存在するアノード側セパレータ41を純水浸漬するだけではピンホール内の炭素を除去することができないことが分かった。以下、濃度換算式による算出結果について説明する。
Further, from the results calculated based on the concentration gradient and the concentration diffusion formula, it was found that the carbon in the pinhole cannot be removed only by immersing the
アノード側セパレータ41は、アクアブラック0.014wt%に浸漬されるが、一般に液体中の炭素などの物質は、濃度の高いほうから低いほうへ流れる傾向がある。濃度に高低があることは、各位置に対して濃度に傾斜があることを示しており、この傾斜が濃度勾配とされる。濃度が傾斜している方向にx軸をとると、濃度勾配は簡易には、ΔC/Δxで表される。濃度勾配の存在下で実際に、物質中の原子のミクロな移動を表す拡散が起こっているときに、どれくらいの流れが起きているかを考慮する。
The anode-
この流れの量は、単位面積を単位時間に流れる物質の量で表現し、流速と称し記号Jで記述される。単位は、通常molで表される。Jは、次式で表される。なお、比例係数Dは、拡散係数と称される。
J=−D×(ΔC/Δx)
この式に基づいて、ピンホールから炭素を除去するのに必要な、前述した外力、ΔP=56kPa相当の濃度勾配を算出することができる。
The amount of this flow is expressed by the amount of a substance flowing in a unit time in a unit area, and is referred to as a flow velocity and is represented by the symbol J. The unit is usually expressed in mol. J is expressed by the following equation. The proportional coefficient D is referred to as a diffusion coefficient.
J = −D × (ΔC / Δx)
Based on this equation, the concentration gradient corresponding to the above-mentioned external force, ΔP = 56 kPa, required for removing carbon from the pinhole can be calculated.
なお、一般に物質が移動する拡散駆動力は、濃度勾配によって与えられ、濃度勾配と拡散駆動力とは比例関係にある。濃度の拡散で、ΔP=56kPa相当の濃度は、9.87×102wt%(炭素濃度100%以上)となる。この結果から、想定される洗浄槽濃度の拡散駆動力では、ピンホール内の炭素を取り除くのに必要なΔP=56kPa相当以上の外力に足りないことが分かる。
In general, the diffusion driving force for moving a substance is given by a concentration gradient, and the concentration gradient and the diffusion driving force are in a proportional relationship. By diffusion of the concentration, the concentration corresponding to ΔP = 56 kPa becomes 9.87 × 10 2 wt% (
以上の検討結果により、実施形態の変形例に係る燃料電池セパレータ40の検査方法は、乾燥前に超音波による振動を加えてピンホール内の炭素を除去するように構成されている。
Based on the above examination results, the inspection method of the
実施形態の変形例に係る燃料電池セパレータ40の検査方法における超音波洗浄は、図9(a)に示すように、アノード側セパレータ41を洗浄槽に入れて、超音波振動をアノード側セパレータ41に加え、アノード側セパレータ41のピンホール内の炭素濃度を低下させることで行われる。この炭素濃度が低くなれば、洗浄槽内の洗浄液によりピンホール内の炭素を除去することが可能となる。具体的には、図9(c)の表の〇印で示すように、ピンホール内の炭素濃度が5.0×10−4wt%以下になれば、洗浄液によりピンホール内の炭素を除去することが可能となる。なお、アノード側セパレータ41を洗浄する洗浄槽は複数で構成されているが、第一槽の濃度でピンホールに詰まった炭素を除去することが好ましい。
In the ultrasonic cleaning in the inspection method of the
超音波洗浄を最適に行うための因子には、図9(b)のグラフで示すように、(1)洗浄時間(min)、(2)超音波の周波数(Hz)、(3)洗浄第一槽の炭素濃度(wt%)、(4)最終洗浄槽の炭素濃度の各要素がある。特に(1)洗浄時間(min)および(2)超音波の周波数(Hz)を適宜変化させて、ピンホールに加える外力を制御し、洗浄第一槽の炭素濃度を、求められる最終洗浄槽以下に低減することにより、ピンホール内の炭素を除去することができる。 Factors for optimal ultrasonic cleaning include (1) cleaning time (min), (2) ultrasonic frequency (Hz), and (3) cleaning first, as shown in the graph of FIG. 9B. There are elements of carbon concentration (wt%) in one tank and (4) carbon concentration in the final cleaning tank. In particular, (1) cleaning time (min) and (2) ultrasonic frequency (Hz) are appropriately changed to control the external force applied to the pinhole, and the carbon concentration of the first cleaning tank is less than or equal to the required final cleaning tank. By reducing the frequency to, the carbon in the pinhole can be removed.
具体的には、図9(a)のグラフで示すように、ピンホールの貫通している初期のものと、超音波洗浄後のものとは、いずれも、入口圧力が、スタートから約60min経過までに約355kPaから約250kPaまで徐々に低下しており、グラフ上では互いに完全に重なっている。したがって、アノード側セパレータ41にピンホールが有ることが分かり、乾燥前にアノード側セパレータ41に超音波振動で外力を加えることで、ピンホール内の炭素が除去され、誤検知の発生を未然に防止できることが確認された。
Specifically, as shown in the graph of FIG. 9A, the inlet pressure of both the initial one through which the pinhole penetrates and the one after ultrasonic cleaning has passed about 60 minutes from the start. By then, it gradually decreased from about 355 kPa to about 250 kPa, and on the graph, they completely overlap each other. Therefore, it is found that the
また、図9(d)に示すように、孔径が8.67μmのピンホールを有するサンプルを作製し、ピンホール内の炭素濃度が1.0×10−2wt%の洗浄液に10分間浸漬し、40kHzの超音波で振動を加え5分間洗浄した。そして、光透過によりサンプルのピンホールを検査したところ、ピンホールに炭素などの異物の詰まりは確認されなかった。これにより、ピンホール内の炭素濃度が1.0×10−2wt%であっても、超音波振動によりピンホール内の炭素が除去されることが確認された。 Further, as shown in FIG. 9 (d), pore size to prepare a sample having pinholes 8.67Myuemu, carbon concentration in the pinholes immersed for 10 minutes in a 1.0 × 10 -2 wt% of the cleaning solution , 40 kHz ultrasonic waves were vibrated and washed for 5 minutes. Then, when the pinhole of the sample was inspected by light transmission, no clogging of foreign matter such as carbon was confirmed in the pinhole. As a result, it was confirmed that the carbon in the pinhole was removed by ultrasonic vibration even when the carbon concentration in the pinhole was 1.0 × 10-2 wt%.
本実施形態の変形例に係る燃料電池セパレータ40の検査方法においても、実施形態に係る燃料電池セパレータ40の検査方法と同様の効果が得られる。即ち、第1工程(ステップS12)で洗浄された燃料電池セパレータ40を乾燥の工程(ステップS14)で乾燥させる前に、燃料電池セパレータ40の表面に超音波振動により外力を加える第2工程(ステップS13)が設けられている。この構成により、燃料電池セパレータ40の洗浄中に炭素層から脱落した炭素がピンホールに入り込んでも、乾燥によりピンホール内の炭素が凝集しピンホールが詰まってしまう前に、燃料電池セパレータ40の表面に外力が加えられるので、外力により確実にピンホール内の炭素が除去され、誤検知を未然に防止することができるという効果が得られる。
In the method for inspecting the
また、本実施形態の変形例に係る燃料電池セパレータ40の検査方法においては、燃料電池セパレータ40のガスリーク検査の工程(ステップS15)が、第2工程において、外力によりピンホール内の炭素が確実に除去された後に行われるので、ガスリーク検査の工程においてピンホールの有無を精確に検知することができるという効果が得られる。
Further, in the method for inspecting the
以上、本発明の実施形態およびその変形例について詳述したが、本発明は、前記の実施形態およびその変形例に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の精神を逸脱しない範囲で、種々の設計変更を行うことができるものである。 Although the embodiments of the present invention and variations thereof have been described in detail above, the present invention is not limited to the above-described embodiments and variations thereof, and the spirit of the present invention described in the claims is expressed. Various design changes can be made without deviation.
10・・・燃料電池セル、20・・・MEGA、21・・・MEA、22・・・アノード側GDL、23・・・カソード側GDL、30・・・シール部材、40・・・燃料電池セパレータ(セパレータ材料)、41・・・アノード側セパレータ(セパレータ材料)、41a・・・燃料ガス流路、42・・・カソード側セパレータ(セパレータ材料)、42a・・・酸化剤ガス流路、50・・・加圧装置、51・・・圧力容器、52,53・・・配管、51a・・・in側の室、51b・・・out側の室 10 ... Fuel cell, 20 ... MEGA, 21 ... MEA, 22 ... Anode side GDL, 23 ... Cathode side GDL, 30 ... Seal member, 40 ... Fuel cell separator (Separator material), 41 ... Anode side separator (separator material), 41a ... Fuel gas flow path, 42 ... Cathode side separator (separator material), 42a ... Oxidizer gas flow path, 50.・ ・ Pressurizing device, 51 ・ ・ ・ Pressure vessel, 52, 53 ・ ・ ・ Piping, 51a ・ ・ ・ In side chamber, 51b ・ ・ ・ Out side chamber
Claims (1)
基材に炭素層を設けたセパレータ材料を液体で洗浄する第1工程と、
洗浄された前記セパレータ材料を乾燥させる前に、前記セパレータ材料の表面に外力を加える第2工程と、
前記第2工程により後の工程において、前記セパレータ材料のピンホール検査をする第3工程と、を備え、
前記第2工程では、圧力容器内に前記セパレータ材料を配置して前記セパレータ材料によって前記圧力容器内を一方側の室と他方側の室に区画し、前記一方側の室に圧力供給媒体を供給して該一方側の室を加圧し、前記セパレータ材料の一方側の面にピンホール中の液体表面張力よりも大きな圧力を加えることを特徴とする燃料電池セパレータの検査方法。 It is an inspection method for fuel cell separators.
The first step of cleaning the separator material with the carbon layer on the base material with a liquid, and
A second step of applying an external force to the surface of the separator material before drying the washed separator material,
A third step of inspecting the pinhole of the separator material in a subsequent step according to the second step is provided .
In the second step, the separator material is arranged in the pressure vessel, the pressure vessel is divided into one chamber and the other chamber by the separator material, and the pressure supply medium is supplied to the one chamber. A method for inspecting a fuel cell separator , which comprises pressurizing the chamber on one side and applying a pressure larger than the surface tension of the liquid in the pinhole to the surface on one side of the separator material.
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