特開 2023-75528 カーボンペーパーの状態検知方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2023075528

(43)【公開日】2023-05-31

(54)【発明の名称】カーボンペーパーの状態検知方法

(51)【国際特許分類】

   G01N 29/14 20060101AFI20230524BHJP

   G01N 29/04 20060101ALI20230524BHJP

   G01N 29/44 20060101ALI20230524BHJP

【ＦＩ】

G01N29/14

G01N29/04

G01N29/44

【審査請求】未請求

【請求項の数】1

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2021188485

(22)【出願日】2021-11-19

(71)【出願人】

【識別番号】000004695

【氏名又は名称】株式会社ＳＯＫＥＮ

(71)【出願人】

【識別番号】000003207

【氏名又は名称】トヨタ自動車株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100071216

【弁理士】

【氏名又は名称】明石 昌毅

(74)【代理人】

【識別番号】100130395

【弁理士】

【氏名又は名称】明石 憲一郎

(72)【発明者】

【氏名】堺 昭治

(72)【発明者】

【氏名】田中 秀明

【テーマコード（参考）】

2G047

【Ｆターム（参考）】

2G047AA08

2G047AB05

2G047BA05

2G047BC02

2G047BC03

2G047BC04

2G047BC07

2G047GG10

2G047GG12

2G047GG28

2G047GG30

2G047GG32

(57)【要約】

【課題】 カーボンペーパーに於いて内部の樹脂や繊維の破壊若しくは損傷の発生時に発生するアコースティックエミッションの特徴を捉えて、その特徴に基づいてカーボンペーパーの状態を検知することのできる構成を提供する。
【解決手段】 カーボンペーパーの状態を検知する方法は、カーボンペーパーに発生するアコースティックエミッションを計測する過程と、アコースティックエミッションの特徴に基づいて、カーボンペーパーの状態を判定する過程とを含む。
【選択図】 図２

【特許請求の範囲】

【請求項1】

カーボンペーパーの状態を検知する方法であって、
前記カーボンペーパーに発生するアコースティックエミッションを計測する過程と、
前記アコースティックエミッションの特徴に基づいて、前記カーボンペーパーの状態を判定する過程と
を含む方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、燃料電池セル等に用いられるカーボンペーパーの状態を検知する技術に係り、より詳細には、カーボンペーパーに於ける樹脂の破壊や繊維の破断の際に発生するアコースティックエミッション（ＡＥ）に基づいてカーボンペーパーの状態の判定或いはカーボンペーパーの強度の判定を可能にする技術に係る。

【背景技術】

【0002】

材料の変形又は破壊の際に放出されるＡＥを検出することにより、燃料電池や二次電池などの電池の内部の状態を検査し、或いは、内部構成の損傷を検知するし技術が種々提案されている。例えば、特許文献１に於いては、電池内部から発生するＡＥ信号を検出する手段を備え、検出されたＡＥ信号の内で、５０から１５０ｋＨｚの周波数の信号は、ガス発生に因るものであり、１５０ｋＨｚ以上の周波数の信号は、内部構成物の破壊に因るものであると判定することが記載されている。特許文献２では、電池内部から発生するＡＥ信号に於いて、電池が充電されているか又は放電されているかによって違いが生じる現象を利用して、ＡＥ信号の違いから電池が充電状態および放電状態のいずれであるかを判断する構成が提案されている。また、特許文献３に於いては、二次電池に於いてその動作の安定性に影響を与えるガスが電池内部で発生するとＡＥ信号が発生し、そのＡＥ信号の累積エネルギーがガスの発生量に対応する知見を利用して、閾値を超えるレベルのＡＥ信号の発生を検出し、その程度に基づいて内部ガスの発生量を検出する構成が開示されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】特開平７－６７９５

【特許文献2】特開２０１３－１１３８３１

【特許文献2】特開２０１４－４４９２９

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

ところで、燃料電池の単セルの構成物（セパレータや電極）等に用いられるカーボンペーパーに於いて、その内部の樹脂や繊維の破壊若しくは損傷が起きると、ＡＥが発生するところ、本発明の発明者等の研究によれば、カーボンペーパーに於いて生じた樹脂や繊維の損傷の状況に応じて、発生するＡＥの波形に於ける特徴、例えば、周波数特性、ピーク周波数、ゲインＡｄＢ（ＡＥの振幅強度）、継続時間（ＡＥが持続する時間）など、に違いがあることが見出された（ＡＥ振幅Ａ（ｍＶ）とゲインＡｄＢの変換式は、ＡｄＢ＝ｌｎ（Ａ（ｍＶ）／1（μＶ））で表すことが出来る。）。従って、カーボンペーパーに於いて検出されるＡＥの前記の如き特徴に基づいて、カーボンペーパーの内部の状態を検知することが可能である。そして、カーボンペーパーから検出されるＡＥの特徴からカーボンペーパーの内部状態を検知する方法を用いれば、カーボンペーパーの定格強度（耐用可能な機械的な負荷力の限界）のより的確な検査や電池内部のカーボンペーパーの状態の検知が可能となる。本発明に於いては、この知見が利用される。

【0005】

かくして、本発明の一つの課題は、カーボンペーパーに於いて内部の樹脂や繊維の破壊若しくは損傷の発生時に発生するＡＥを計測し、その特徴に基づいてカーボンペーパーの状態を検知することのできる構成を提供することである。

【課題を解決するための手段】

【0006】

本発明によれば、上記の課題は、カーボンペーパーの状態を検知する方法であって、
前記カーボンペーパーに発生するアコースティックエミッションを計測する過程と、
前記アコースティックエミッションの特徴に基づいて、前記カーボンペーパーの状態を判定する過程と
を含む方法によって達成される。

【0007】

上記の構成に於いて、「カーボンペーパー」は、燃料電池セルのセパレータ、電極層、ガス拡散層などの構成材として用いられる炭素繊維と樹脂とから形成される膜状乃至板状の部材である。「アコースティックエミッション」とは、本発明に於いては、カーボンペーパーに於ける樹脂の破壊又は繊維の破断が起きた際に生ずる弾性波であり、アコースティックエミッションセンサ（ＡＥセンサ）により検出される。上記の「アコースティックエミッションの特徴」には、弾性波であるＡＥの波形に於けるピーク周波数だけでなく、ピーク周波数に於けるパワー（ゲイン）などの周波数特性や弾性波の持続する時間である継続時間などが含まれる。（具体的に、波形のどのような特徴を選択するかは、適宜選択されてよく、上記に限定されない。）

【0008】

本発明の方法に於いては、上記の如く、カーボンペーパーに於いて発生した樹脂の破壊又は繊維の破断の態様によって、カーボンペーパーから検出されるＡＥの特徴が異なるとの知見により、カーボンペーパーに於いて発生するＡＥを計測し、その計測されたＡＥの特徴に基づいて、カーボンペーパーがどのような状態にあるか、即ち、樹脂の破壊が発生したのか、炭素繊維の破断が発生したのかなどが判定される。

【0009】

上記の本発明の方法の構成に於けるＡＥの特徴に基づくカーボンペーパーの状態の判定に於いては、カーボンペーパーの状態について複数のクラスを設定して、ＡＥの特徴に基づいて、カーボンペーパーの状態の属するクラスが決定されてよい（カーボンペーパーの状態のクラス分け）。より具体的には、ＡＥの特徴に基づいて、カーボンペーパーの状態が、例えば、
［クラス１］樹脂が破壊した状態
［クラス２］樹脂－繊維間に於いて小さい破壊が生じた状態
［クラス３］樹脂－繊維間に於いて大きい破壊が生じた状態
［クラス４］繊維が破断した状態
などのいずれかであると判定されてよい。なお、具体的なクラスの設定は、これに限定されない。そして、かかるクラス分けに於いては、各クラスに属するＡＥの波形に於けるピーク周波数の範囲、ゲインの範囲、継続時間の範囲等が設定され、或るカーボンペーパーにてＡＥが計測されると、そのＡＥの波形のピーク周波数、ゲイン、継続時間等の属する範囲に対応するクラスが、そのカーボンペーパーの状態のクラスであると判定されてよい。

【0010】

なお、上記のカーボンペーパーの状態のクラス分け処理は、好適には、機械学習を用いて構成された識別器を用いて実行されてよい。その場合、識別器は、或るカーボンペーパーにて計測されたＡＥの波形が入力されると、そのカーボンペーパーの状態のクラスを出力するように構成されてよい。識別器の学習に於いては、各クラスに属すると判定されるＡＥ波形、即ち、各クラスについて設定されたＡＥの特徴を有するＡＥ波形が複数準備され、それらの準備されたＡＥ波形を教師用データとして用い、各ＡＥ波形のクラスを正解ラベルとして用いて、任意のアルゴリズムにて、教師用データのＡＥ波形が入力されると、対応する正解ラベルのラベルを出力するように、識別器が構成されてよい。かかる機械学習により構成された識別器を用いる構成によれば、カーボンペーパーに於いてＡＥが計測されると、迅速に、ＡＥの波形の特徴に対応したクラスの判定が可能となり、カーボンペーパーの状態が把握できることとなる。

【0011】

上記の本発明によるカーボンペーパーの状態を検知する方法は、一つの態様に於いては、カーボンペーパーの強度評価試験或いは定格強度の検査に利用されてよい。カーボンペーパーの強度評価試験又は定格強度の検査は、例えば、ＪＩＳ Ｋ７０７４に記載されている如き、ＣＦＲＰの３点曲げ試験により実行されてよい（図３（Ａ）参照）。かかる３点曲げ試験に於いては、端的に述べれば、典型的には、試験片が２ヶ所の支点にて支持され、それらの支点の間にて、試験片に圧子を押し当てて試験片を曲げ、その際の試験片に於ける変位量（ストローク）と力若しくは応力とが計測され、試験片に於ける力若しくは応力が限界に達して試験片が破壊又は降伏した時点での力若しくは応力が定格の強度として計測される。かかる曲げ試験によるカーボンペーパーの強度評価又は定格強度の検査に於いて、本発明の方法が適用されてよく、その場合、試験片であるカーボンペーパーに於いてＡＥセンサが取り付けられ、圧子によりカーボンペーパーに曲げ変位を与える間にカーボンペーパーに於いて生じた樹脂の破壊や繊維の破断などにより発生するＡＥが計測されてよい。そして、ここで計測されたＡＥの波形の特徴に基づいて、上記の如く、カーボンペーパーの状態が検知され、或いは、カーボンペーパーの状態のクラス分けが実行されてよい。その際、前記の如く機械学習により構成された識別器が用いられてよい。

【0012】

なお、カーボンペーパーの定格強度の検査に於いて、従前では、試験片に於ける力若しくは応力が限界に達して降伏したときの力若しくは応力をカーボンペーパーの定格強度として特定しているが、カーボンペーパーに於いては、降伏が生ずる前に、樹脂の破壊や樹脂－繊維間の破壊が生じている場合があるので、そのような樹脂の破壊や樹脂－繊維間の破壊が生じた時点を、カーボンペーパーの定格強度としては採用することが好ましい場合がある。この点に関し、本発明の発明者等の実験によれば、上記の如きカーボンペーパーを試験片とした３点曲げ試験に於いて、試験片の降伏前に、計測されたＡＥの特徴に基づいて、樹脂の破壊や樹脂－繊維間の破壊が検出された。かくして、本発明の方法によれば、計測されたＡＥの特徴に基づいて、試験片の降伏前に、試験片内で発生した樹脂の破壊や樹脂－繊維間の破壊などの状態の変化を検知することが可能となる点で有利である。

【0013】

上記の本発明によるカーボンペーパーの状態を検知する方法は、別の態様に於いては、カーボンペーパーを構成要素として用いた燃料電池セル又は燃料電池スタックに於けるカーボンペーパーの状態の検知に用いられてよい。その場合には、より具体的には、カーボンペーパーがセパレータ又はガス拡散層や電極層に用いられている燃料電池セル又はスタックにＡＥセンサが配置され、カーボンペーパーから発せられるＡＥが検出される。そして、燃料電池セル又はスタックの使用中に、カーボンペーパーからのＡＥが計測されると、上記の如く、そのＡＥの波形の特徴に基づいて、カーボンペーパーの状態が検知され、或いは、カーボンペーパーの状態のクラス分けが実行されてよい。その際、前記の如く機械学習により構成された識別器が用いられてよい。なお、燃料電池セル又はスタックに於いて、ＡＥセンサを複数設け、ＡＥを検出したときのそれらのセンサに於ける検出時期の時間差からカーボンペーパーのどこで樹脂の破壊や繊維の破断などの損傷が発生したかを検知することも可能である。

【発明の効果】

【0014】

かくして、上記の本発明の方法によれば、カーボンペーパーから発せられるＡＥのピーク周波数だけでなく、ＡＥの波形に於けるゲインや継続時間などの、（ピーク周波数以外の）その他の特徴をも参照して、カーボンペーパーに於いて発生した状態を識別して検知することが可能となる。かかる構成によれば、例えば、カーボンペーパーの強度評価又は定格強度の検査の場合には、単に、カーボンペーパーの降伏点に於ける力又は応力を検知するだけでなく、カーボンペーパーに於いて力の負荷により生ずる種々の現象を捉えることが可能となる。また、本発明の方法を燃料電池セル又はスタックに適用する態様によれば、燃料電池に組み込まれているカーボンペーパーの状態を監視するヘルスモニターとして用いることができ、ＡＥを検出したときには、その波形の特徴からカーボンペーパーに於いてどのような損傷が発生したかを推定することが可能となる。

【0015】

本発明のその他の目的及び利点は、以下の本発明の好ましい実施形態の説明により明らかになるであろう。

【図面の簡単な説明】

【0016】

【図1】図１（Ａ）は、本実施形態のカーボンペーパーの状態検知方法を実行するシステムの模式図である。図１（Ｂ）は、カーボンペーパーにて発生するＡＥの計測について説明する模式図である。

【図2】図２（Ａ）～（Ｄ）は、本実施形態のカーボンペーパーの状態検知方法に於いて計測されるＡＥの波形とパワースペクトルの例を示している。（Ａ）は、カーボンペーパーに於いて樹脂破壊が起きたときに観測されるＡＥ波形とパワースペクトルの例であり、（Ｂ）は、カーボンペーパーに於いて樹脂－繊維間に小さい破壊が起きたときに観測されるＡＥ波形とパワースペクトルの例であり、（Ｃ）は、カーボンペーパーに於いて樹脂－繊維間に大きい破壊が起きたときに観測されるＡＥ波形とパワースペクトルの例であり、（Ｄ）は、カーボンペーパーに於いて繊維破断が起きたときに観測されるＡＥ波形とパワースペクトルの例である。本実施形態に於いては、例えば、（Ａ）、（Ｂ）、（Ｃ）、（Ｄ）のＡＥ波形は、それぞれ、クラス１、２、３、４に分類される。

【図3】図３（Ａ）は、本実施形態の方法をカーボンペーパーの強度評価又は定格強度検査に適用する場合に採用されるカーボンペーパーの曲げ試験の構成の模式図である。図３（Ｂ）は、カーボンペーパーの曲げ試験に於いて観測されるカーボンペーパーに発生する曲げ変位量（ストローク）に対する応力（試験力）の変化の例を示すグラフ図であり、図３（Ｃ）は、カーボンペーパーの曲げ試験に於いてカーボンペーパーに曲げ変位量（ストローク）を与えたときに発生するＡＥの発生頻度の累積数（ＡＥ累積ヒット数）を示すグラフ図である。

【図4】図４（Ａ）、（Ｂ）は、本実施形態の方法を図３（Ａ）のカーボンペーパーの曲げ試験に適用した際に発生したＡＥのピークゲインを、クラス別に、カーボンペーパーに発生する曲げ変位量（ストローク）に対してプロットした図である。図４（Ａ）は、クラス１に分類されるＡＥのプロットであり、図４（Ｂ）は、クラス２に分類されるＡＥのプロットである。各ＡＥのクラス分類は、機械学習により構成された識別器を用いて実行した。

【図5】図５（Ａ）、（Ｂ）は、図４（Ａ）、（Ｂ）と同様に、本実施形態の方法を図３（Ａ）のカーボンペーパーの曲げ試験に適用した際に発生したＡＥのピークゲインを、クラス別に、カーボンペーパーに発生する曲げ変位量（ストローク）に対してプロットした図である。図５（Ａ）は、クラス３に分類されるＡＥのプロットであり、図５（Ｂ）は、クラス４に分類されるＡＥのプロットである。各ＡＥのクラス分類は、機械学習により構成された識別器を用いて実行した。

【図6】図６は、本実施形態の方法を用いて提案されるカーボンペーパーの定格強度を説明するカーボンペーパーに発生する曲げ変位量（ストローク）に対する応力（試験力）の変化を説明する図である。

【図7】図７（Ａ）、（Ｂ）は、本実施形態のカーボンペーパーの状態検知方法が適用される燃料電池スタックの模式図である。（Ａ）は、ＡＥセンサを一つ設けた場合であり、（Ｂ）は、ＡＥセンサを二つ設けた場合である。

【符号の説明】

【0017】

１…ＡＥセンサ
２…ＡＥ分析器
３…モニター
４…処理端末
１１…燃料電池スタック
１２…電池単セル
１３…セル積層体
１４…ターミナルプレート
１４ａ…出力端子
１５…インシュレータ
１６…エンドプレート
１７…テンションプレート
１８…プレッシャプレート
１８ａ…ばね機構
２０、２０ａ、２０ｂ…ＡＥセンサ
３０…圧子
３１…支点
ＣＰ…カーボンペーパー

【発明を実施するための最良の形態】

【0018】

カーボンペーパーの状態検知システムの基本構成
図１（Ａ）を参照して、本実施形態の方法を実施するシステムに於いては、検知の対象となるカーボンペーパーＣＰに対して、ＡＥを感知するＡＥセンサ１が配置され、その出力がＡＥ分析器２へ与えられ、ＡＥの発生の検知とＡＥ波形の解析（高速フーリエ変換（ＦＦＴ）などの周波数解析、ＡＥの特徴に基づくカーボンペーパーＣＰの状態のクラス分類処理等）とが実行され、その計測結果がコンピュータ端末装置４のモニター３等に表示され、或いは、印刷されてよい。なお、上記の構成に於いて、本実施形態の方法が後に説明される如きカーボンペーパーの曲げ試験に適用される場合などでは、ＡＥセンサ１は、図示の如く、カーボンペーパーに接触するように配置されてもよく、或いは、本実施形態の方法が燃料電池に組み込まれたカーボンペーパーの状態の監視に適用される場合などでは、カーボンペーパーからのＡＥが感知できる任意の部位に配置されてよい。ＡＥ分析器２は、任意のコンピュータ装置のプログラムに従った作動により実現されてよい。

【0019】

ＡＥの特徴からカーボンペーパーの状態を検知する方法について
図１（Ｂ）に模式的に描かれている如く、カーボンペーパーに於いて、内部の樹脂や繊維の一部（Ｏｒ）の破壊或いは破断などの損傷が生ずると、そこから弾性波、即ち、ＡＥが発生するので、本実施形態の方法では、そのＡＥをセンサ１で捉え、カーボンペーパーに於ける損傷が検知される。かかるＡＥに関して、本発明の発明者等の研究によれば、カーボンペーパーに於いて発生した損傷の態様によって、観測されるＡＥに於ける波形の特徴が異なることが見出された。より詳細には、後に詳細に説明される曲げ試験で実施される如く、カーボンペーパーの曲げを行うと、カーボンペーパーの降伏点に達する前に、曲げ変位量の増大と共に、種々の態様の波形のＡＥの発生が観測される。そして、カーボンペーパーに於いて発生した状況と、計測されたＡＥの波形の特徴、即ち、ピーク周波数、ピーク周波数に於けるゲイン、周波数分布、ＡＥ波の継続時間など、とを対比して観察すると、カーボンペーパーに於ける樹脂の破壊から樹脂と繊維との乖離や繊維の破断を経て降伏するまでに於いて、図２（Ａ）～（Ｄ）に例示されている如く、発生するＡＥの波形の特徴が変化していることが観察された。そこで、本実施形態の方法では、計測されたＡＥの特徴に基づいて、カーボンペーパーの状態、より具体的には、カーボンペーパーに於いて発生した樹脂や繊維の損傷の態様を検知（推定）することが試みられる。

【0020】

上記のＡＥの特徴に基づくカーボンペーパーの状態の検知に於いて、例えば、ＡＥの波形の特徴に基づいて、カーボンペーパーの状態がいくつかのクラスに分類されて検知されてよい。より具体的には、一つの態様として、カーボンペーパーの状態を、例えば、
［クラス１］樹脂の破壊：樹脂が破壊した状態
［クラス２］樹脂－繊維間破壊小：樹脂－繊維間に於いて小さい破壊（乖離）が生じた状態
［クラス３］樹脂－繊維間破壊大：樹脂－繊維間に於いて大きい破壊（乖離）が生じた状態
［クラス４］繊維の破断：繊維が破断した状態
などにクラス分けしたとき、各クラスの状態が発生したときに観測されるＡＥに於いて、それぞれ、ピーク周波数、ピーク周波数に於けるゲイン、ＡＥ波の継続時間についての範囲を画定することが可能となる。そこで、カーボンペーパーの状態の各クラスに対して、ＡＥの各特徴の範囲を対応づけし、或るＡＥが観測されたときには、その特徴が入る範囲に対応して、ＡＥを惹起したカーボンペーパーの状態のクラスが特定されるようになっていてよい。

【0021】

例えば、後に詳細に説明するカーボンペーパーの曲げ試験実験に於いて、上記の例の如く、カーボンペーパーの状態をクラス分けした場合、図２（Ａ）～（Ｄ）に例示されている如く、観測されるＡＥの各特徴の範囲は、以下の如く、画定することが可能であった。

【表1】

従って、或るＡＥが計測されたときには、そのＡＥの特徴が入る範囲によって、カーボンペーパーの状態のクラスを特定することが可能となる。なお、カーボンペーパーの状態のクラス分けは、上記の例以外であってもよく、各クラスに対応するＡＥの各特徴の範囲は、上記の例に限定されず、実験等を通じて、適宜設定されてよい。

【0022】

ところで、上記のＡＥの特徴に基づくカーボンペーパーの状態のクラス分けの処理は、機械学習により構成された識別器を用いて実行されてよい。そのような識別器としては、ニューラルネットワーク、畳み込みニューラルネットワーク、サポートベクターマシンなどの任意の機械学習のアルゴリズムに従って、ＡＥ波形を入力すると、そのＡＥを惹起したカーボンペーパーの状態のクラスを出力する識別器が採用されてよい。その場合、識別器の学習段階に於いては、学習用データとして、図２（Ａ）～（Ｄ）に例示されている如き各クラスに分類される特徴（ピーク周波数、ピーク周波数に於けるゲイン、ＡＥ波の継続時間等）を有するＡＥが、それぞれ、いくつか（数個～数十個）準備され、教師用データとしてＡＥの波形を用い、正解ラベルとして各教師用データの波形の属するクラスを用いて、教師用データのＡＥ波形を入力すると、正解ラベルのクラスを出力するように識別器に於ける演算パラメータの設定が任意の態様にて実行されてよい。なお、学習用データのＡＥの波形は、後に説明される曲げ試験により得られるデータであってよい。かくして、上記の如き識別器を用いることにより、カーボンペーパーからＡＥが得られると、そのＡＥの特徴に基づき、そのＡＥを惹起したカーボンペーパーで起きた状態を自動的に検知することが可能となる。

【0023】

カーボンペーパーの曲げ試験による定格強度の検査
上記の本実施形態によるカーボンペーパーの状態を検知する方法は、カーボンペーパーの強度評価又は定格強度の検査を行う曲げ試験に於いて適用されてよい。カーボンペーパーの曲げ試験は、典型的には、ＪＩＳ Ｋ７０７４に記載されている如きＣＦＲＰの３点曲げ試験と同様に実行されてよい。かかる３点曲げ試験に於いては、図３（Ａ）に模式的に描かれている如く、カーボンペーパーＣＰが、２ヶ所の支点３１にて下方より支持され、かかる支点３１の間の上方から圧子３０により押されて曲げ変位させられ、その間に於ける曲げ変位量（ストローク）とカーボンペーパーに於いて発生する応力（圧子が与える試験力として観測）とが、カーボンペーパーが降伏するまで計測される（図３（Ｂ）参照）。そして、典型的には、カーボンペーパーが降伏した時点（降伏点）の試験力がカーボンペーパーの定格強度として記録される。本実施形態の方法は、上記の如きカーボンペーパーの３点曲げ試験を実行する場合に、カーボンペーパーＣＰにＡＥセンサ１を配置し、カーボンペーパーＣＰを曲げる過程に於いて発生するＡＥが計測され、その計測されたＡＥの特徴に基づき、ＡＥの発生時のカーボンペーパーの状態が検知される。なお、カーボンペーパーの状態は、上記の如く、クラス分けされて検知されてよい。

【0024】

図３（Ｂ）は、或るカーボンペーパーＣＰについて上記の３点曲げ試験を実行した際に観測されたストロークに対する試験力（応力に対応）の変化の例を示しており、図３（Ｃ）は、かかるカーボンペーパーの曲げ過程に於いて観測されたＡＥの発生頻度の累積数を示している。なお、図示の結果の計測に於いては、燃料電池のセパレータとしてセル先端部のガスケットに於けるシールとして用いられるカーボンペーパー（長さ４０ｍｍ以上、幅２０ｍｍ、厚さ０．３ｍｍ）を試験片として用い、ＪＩＳ Ｋ７０７４に規定されているのと同様に、支点３１（半径２ｍｍ）にて試験片を支持し、圧子（半径５ｍｍ）により試験片を湾曲した。その際、支点間距離Ｌは、２０ｍｍに設定し、圧子は、降下速度１ｍｍ／分にて、３ｍｍ降下させた。［ＪＩＳ Ｋ７０７４の規定では、試験片の標準寸法は、長さ＝100±1mm、幅＝15±0.2mm、厚さ＝2±0.4mmに定められ、支点間距離Ｌは80±0.2mmに定められている。］

【0025】

図３（Ｂ）を参照して理解される如く、カーボンペーパーの曲げ試験を行った場合、上記の如く、ストロークの増大と共に、カーボンペーパーに発生する応力は、初めは、単調に増大し、しかる後、概ね飽和し、降伏点に達する。その間にＡＥを計測すると、図３（Ｃ）を参照して理解される如く、カーボンペーパーが降伏点に達する前から、ＡＥが発生することが観測された。例えば、図示の例では、ストロークが１ｍｍを超えた時点でＡＥの発生が始まり、応力が降伏点に達するストロークが２．２５ｍｍ付近を超えると、ＡＥの発生数が急上昇することが理解される。また、任意のＡＥを上記の表１に例示のクラスに分類するよう学習された識別器（Vallen社のAE解析用アプリケーションを使用した。）を用いて、上記の一つの試験片の曲げ過程の間に計測されたＡＥによりカーボンペーパーの状態のクラス分けを実行したところ、ストロークに対する発生したＡＥの各クラスの分布は、図４（Ａ）、（Ｂ）、図５（Ａ）、（Ｂ）に示されているようになった。なお、図４～５に於いて、各プロットは、一つのＡＥの発生を示しており、横軸は、各プロットのＡＥの発生したストロークであり、縦軸は、各プロットのＡＥのピークゲイン（ｄＢ）である。これらの図からも理解される如く、樹脂破壊（クラス１）乃至繊維破断（クラス４）によるＡＥの発生は、カーボンペーパーが降伏する前に観測され、従って、カーボンペーパーの内部に於いて、応力が降伏点に達する前に、樹脂や繊維の損傷が発生していることが理解される。

【0026】

更に、複数の試験片について、上記の曲げ試験を行ったところ、図６に模式的に描かれている如く、降伏が生ずる応力が相対的に高い試験片であっても、樹脂－繊維間の破壊小（クラス２）が生ずる応力が相対的に低い場合が観察された（例えば、試験片Ａ、Ｂに於いて、それぞれの降伏応力ＦｍａｘＡ、ＦｍａｘＢについて、ＦｍａｘＡ＞ＦｍａｘＢであっても、クラス２の生ずる応力Ｆ_ＡＥ２Ａ、Ｆ_ＡＥ２Ｂについて、Ｆ_ＡＥ２Ａ＜Ｆ_ＡＥ２Ｂとなる場合があった。）。その場合、クラス２がより低い応力で発生する試験片の方が試験片の定格強度はより低く決定されるべきであるので、試験片の定格強度は、降伏応力ではなく、樹脂－繊維間の破壊小又は樹脂破壊の生ずる応力を基準に決定されることが好ましい。

【0027】

かくして、本実施形態の方法をカーボンペーパーの強度評価又は定格強度の検査を行う曲げ試験に適用することにより、カーボンペーパーの降伏が起きる前に、内部に樹脂や繊維の損傷が発生していること、そして、降伏応力が相対的に高い試験片でも、樹脂や繊維の損傷の生ずる応力が相対的に低くなる場合があることが見出された。また、これらの観察結果から、カーボンペーパーに於いては、降伏前に、樹脂や繊維の損傷が発生しているので、カーボンペーパーの定格強度は、降伏応力で特定するのではなく、クラス２或いはクラス１の発生した下限の応力により特定する方が好ましいことが言える（例えば、図３（Ｂ）の例では、定格強度は、クラス２のＡＥの発生した下限の試験力５．１７Ｎと特定されるか、クラス１のＡＥの発生した下限の試験力３．５３Ｎと特定されることが好ましい。）。従って、本実施形態の方法に於いては、樹脂や繊維の損傷により生じたＡＥが観測された試験力又は応力がカーボンペーパーの定格強度として特定されてよい。

【0028】

燃料電池に於けるカーボンペーパーの監視
上記の本実施形態によるカーボンペーパーの状態を検知する方法は、カーボンペーパーを構成要素として用いた燃料電池セル又は燃料電池スタックに於けるカーボンペーパーの状態の検知（カーボンペーパーの監視、ヘルスモニター）に用いられてよい。

【0029】

図７（Ａ）を参照して、燃料電池スタック１１は、複数の単セル１２が積層されてなるセル積層体１３を含み、セル積層体１３の両側にて外方に順次出力端子１４ａ付のターミナルプレート１４、インシュレータ（絶縁板）１５及びエンドプレート１６が配置され、セル積層体１３の両縁には、両側のエンドプレート１６を連結するように架け渡されたテンションプレート１７によって積層方向への所定の圧縮力が加えられる。単セル１２の各々は、カーボンペーパーからなるセパレータにより膜電極接合体を挟んだ形で構成される。また、セル積層体１３の一端側のエンドプレート１６とインシュレータ１５との間にはプレッシャプレート１８とばね機構１８ａとが設けられ、単セル１２に作用する荷重の変動が吸収される。ターミナルプレート１４は集電板として機能する部材であり、例えば、鉄、ステンレス、銅、アルミニウム等の金属で板状に形成されてよく、ターミナルプレート１４の剛性が、単セル１２の剛性よりも高くなるように形成される。インシュレータ１５は、ターミナルプレート１４とエンドプレート１６等とを電気的に絶縁する機能を果たす部材であり、この機能を果たすため、インシュレータ１５は、例えば、ポリカーボネートなどの樹脂材料により板状に形成されてよい。エンドプレート１６は、ターミナルプレート１４と同様、各種金属（鉄、ステンレス、銅、アルミニウム等）で板状に形成されてよい。テンションプレート１７は、単セル１２の積層方向に所定の締結力（圧縮力）を作用させた状態を維持するように、各エンドプレート１６にボルト等で固定され、テンションプレート１７の内側面（セル積層体１３を向く面）には漏電やスパークが生じるのを防止すべく絶縁膜が形成されている。絶縁膜は、具体的には、例えば、テンションプレート１７の内側面に貼り付けられた絶縁テープや当該面を覆うように塗布された樹脂コーティングなどによって形成されてよい。

【0030】

上記の如き燃料電池スタック１１に於いて、本実施形態の方法を実施するためのＡＥセンサ２０が、図示の如く、エンドプレート１６に丸穴を設けて単セル１２のカーボンセパレータに接着剤を用いて設置されてよく、ＡＥセンサ２０から図示していないケーブルを介して、図１（Ａ）に記載されている如く、ＡＥ解析装置へＡＥ信号が送信されるようになっていてよい。かかる構成により、燃料電池の使用中などに、カーボンペーパーから成るセパレータ等に樹脂破壊乃至繊維破断が発生すると、それに伴って発生したＡＥ波が検出され、カーボンペーパーの内部で生じた損傷の状態が検知できることとなり、かくして、単セル１２の健全性が判断/表示されることとなる。

【0031】

なお、図７（Ｂ）に例示されている如く、燃料電池スタック１１に於いて、複数のＡＥセンサ２０ａ、２０ｂが設けられ、それぞれにてＡＥの検出がなされてよい。この場合、或るカーボンペーパーから成るセパレータの或る部位で樹脂破壊乃至繊維破断が発生し、ＡＥが発せられると、その発生部位と複数のＡＥセンサ２０ａ、２０ｂとの位置関係によって、ＡＥセンサ２０ａ、２０ｂのそれぞれへのＡＥ波の到達に時間差が生ずるので、その時間差から樹脂破壊乃至繊維破断の部位又は範囲が特定できることとなる。燃料電池スタック１１に設けられるＡＥセンサは、３つ以上であってもよい。

【0032】

かくして、本実施形態の方法によれば、カーボンペーパーから発せられるＡＥの特徴に基づき、カーボンペーパーに於いて発生した状態を識別して検知することが可能となる。かかる構成によれば、カーボンペーパーの強度評価に於いては、単に降伏点を検出するだけでなく、より詳細なカーボンペーパーの損傷状態を評価することが可能となり、より適切な定格強度の検査を実行できることが期待される。また、本実施形態の方法を燃料電池セル又はスタックに適用する態様によれば、カーボンペーパーに於ける損傷の検知とその態様を推定できることとなる。

【0033】

以上の説明は、本発明の実施の形態に関連してなされているが、当業者にとつて多くの修正及び変更が容易に可能であり、本発明は、上記に例示された実施形態のみに限定されるものではなく、本発明の概念から逸脱することなく種々の装置に適用されることは明らかであろう。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】