(57)【要約】【課題】燃料電池の排水性についての評価試験の精度を向上させる技術を提供する。【解決手段】燃料電池評価装置１００は、複数の単セル１０が積層されている試験積層体ＴＳに反応ガスを供給して、各単セル１０に発電を開始させる。燃料電池評価装置１００は、試験積層体ＴＳの運転温度を低温ＴLに保持しつつ、試験積層体ＴＳの電流の低下と上昇とを繰り返させる評価用運転制御を実行する。燃料電池評価装置１００は、評価用運転制御が実行されている間の各単セル１０の出力電力を取得し、その出力電力の変化に基づいて、単セル１０の排水性の良否を判定する。【選択図】図３
2014222618.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池の製造方法であって、
（ａ）発電体に反応ガスを供給して発電させ、前記発電体に出力させる電流の増加と減少とを繰り返させる電流変動処理を実行する工程と、
（ｂ）前記電流変動処理の実行中に前記発電体の出力を計測する工程と、
（ｃ）前記電流変動処理の実行中における前記発電体の出力の変化に基づいて前記発電体の良否を判定する工程と、
（ｄ）前記工程（ｃ）において良判定であった発電体を用いて燃料電池を構成する工程と、
を備える、燃料電池の製造方法。
【請求項２】
請求項１記載の製造方法であって、
前記工程（ａ）は、前記発電体の温度を、燃料電池の通常の運転温度よりも低い所定の温度に制御しつつ、前記電流変動処理を実行する工程である、製造方法。
【請求項３】
請求項１または２記載の製造方法であって、
前記工程（ａ）の前記電流変動処理は、前記発電体に出力させる電流を減少させるときに、前記発電体に供給する前記反応ガスの流量を減少させ、前記発電体に出力させる電流を増加させるときに前記発電体に供給する前記反応ガスの流量を増加させる処理を含む、製造方法。
【請求項４】
請求項１から３のいずれか一項に記載の製造方法であって、
前記電流変動処理は、前記発電体に出力させる電流値を、周期的に、所定の第１の値と、前記第１の値より小さい所定の第２の値と、に交互に変化させる工程である、製造方法。
【請求項５】
請求項１から４のいずれか一項に記載の製造方法であって、
前記工程（ｃ）は、前記電流変動処理において、前記発電体に出力させる電流を、ｎ（ｎは任意の自然数）回目に増加させたときの前記発電体の出力と、前記発電体に出力させる電流を、ｍ（ｍはｎより大きい自然数）回目に増加させたときの前記発電体の出力との間の差に基づいて前記発電体の良否を判定する工程である、製造方法。
【請求項６】
燃料電池を構成する発電体の評価方法であって、
（ａ）前記発電体に反応ガスを供給して発電させ、前記発電体に出力させる電流の増加と減少とを繰り返させる電流変動処理を実行する工程と、
（ｂ）前記電流変動処理の実行中に前記発電体の出力を計測する工程と、
（ｃ）前記電流変動処理の実行中における前記発電体の出力の変化に基づいて前記発電体の良否を判定する工程と、
を備える、評価方法。
【請求項７】
燃料電池を構成する発電体の評価装置であって、
前記発電体に反応ガスを供給する反応ガス供給部と、
前記発電体に出力させる電流を制御する電流制御部と、
前記発電体の出力を計測する計測部と、
前記反応ガス供給部を制御して前記発電体に反応ガスを供給しつつ、前記電流制御部を制御して前記発電体に出力させる電流の増加と減少とを繰り返させる電流変動処理を実行し、前記電流変動処理の実行中に前記計測部が計測した前記発電体の出力の変化に基づいて前記発電体の良否を判定する評価制御部と、
を備える、評価装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
固体高分子形燃料電池（以下、単に「燃料電池」とも呼ぶ）では、発電反応によって、その内部において多量の水分が生成される。しかし、燃料電池では、内部の水分量が過多になると、反応ガスの流路に水分が滞留して反応ガスの流れが阻害されて発電性能が低下してしまう、いわゆるフラッディングが発生する可能性が生じる。そのため、燃料電池の反応ガスの流路には、フラッディングの発生を抑制するために、適切な排水性が確保されていることが要求されている。
【０００３】
従来から、燃料電池の排水性を含む性能を評価するための技術が提案されてきた（下記特許文献１，２等）。特許文献１に記載された燃料電池システムでは、フラッディングを発生しているセルを検出するために、燃料電池スタックを通常運転時の温度よりも低い温度に冷却した上でセル電圧を計測する。また、特許文献２に記載された燃料電池評価システムでは、燃料電池内に生成水を滞留させて発電に不利な状況を再現した上で、通常よりも低い濃度の水素で燃料電池に発電させて、燃料電池の性能を評価する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００８−０７１６３７号公報
【特許文献２】特開２００７−１４９４４３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、燃料電池の低排水性を原因とする燃料電池の発電性能の低下は、燃料電池を長時間（例えば数百時間程度）運転させた後に検出される場合もある。そのため、従来から、燃料電池の低排水性の検出精度を確保しつつ、燃料電池の排水性の検証のための燃料電池の運転時間を短縮することが要求されてきた。
【０００６】
特許文献１や特許文献２の技術によれば、フラッディングが発生しやすい運転条件下で燃料電池の排水性が検証されるため、燃料電池の低排水性の検出精度は向上する。しかし、特許文献１，２のいずれにおいても、燃料電池の低排水性が検出されるまでに要する燃料電池の運転時間を短縮することについては考慮されていない。
【０００７】
このように、燃料電池の排水性を検証し評価する技術については、依然として改良の余地があった。また、従来から、燃料電池の排水性を検証し評価する技術においては、その装置小型化や使い勝手の向上、製造の容易化が要求されきた。加えて、燃料電池の排水性の評価方法については、その簡易化や容易化、それら装置・方法の低コスト化や省資源化等が要求されており、依然として改良の余地があった。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明は、上述の課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、以下の形態として実現することが可能である。
【０００９】
［１］本発明の一形態によれば、燃料電池の製造方法が提供される。この製造方法は、（ａ）発電体に反応ガスを供給して発電させ、前記発電体に出力させる電流の増加と減少とを繰り返させる電流変動処理を実行する工程と；（ｂ）前記電流変動処理の実行中に前記発電体の出力を計測する工程と；（ｃ）前記電流変動処理の実行中における前記発電体の出力の変化に基づいて前記発電体の良否を判定する工程と；（ｄ）前記工程（ｃ）において良判定であった発電体を用いて燃料電池を構成する工程と；を備える。この形態の製造方法によれば、排水性が低い発電体の検出時間を短縮することができる。従って、排水性が確保されている発電体や、それを用いた燃料電池を効率的に製造することができる。
【００１０】
［２］上記形態の製造方法において、前記工程（ａ）は、前記発電体の温度を、燃料電池の通常の運転温度よりも低い所定の温度に制御しつつ、前記電流変動処理を実行する工程であっても良い。この形態の製造方法によれば、排水性が低い発電体を精度良く検出することができるため、高い排水性が確保された燃料電池を製造することができる。
【００１１】
［３］上記形態の製造方法において、前記工程（ａ）の前記電流変動処理には、前記発電体に出力させる電流を減少させるときに、前記発電体に供給する前記反応ガスの流量を減少させ、前記発電体に出力させる電流を増加させるときに前記発電体に供給する前記反応ガスの流量を増加させる処理が含まれていても良い。この形態の製造方法によれば、電流変動処理の間の反応ガスの流量が発電体の出力電流を増減させる周期に合わせて変動するため、電流変動処理の間の発電体における反応ガスの流れによる水分の流れが不連続的になる。従って、電流変動処理の間に発電体の排水性の低下が顕著に現れ、発電体の排水性の評価精度が向上する。
【００１２】
［４］上記形態の製造方法において、前記電流変動処理は、前記発電体の電流値を周期的に、所定の第１の値と、前記第１の値より小さい所定の第２の値と、に交互に変化させる工程であっても良い。この形態の製造方法によれば、電流変動処理の実行中における燃料電池の出力の変化の傾向を精度良く検出でき、排水性が低い発電体の検出精度を向上させることができる。
【００１３】
［５］上記形態の製造方法において、前記工程（ｃ）は、前記電流変動処理において、前記発電体に出力させる電流を、ｎ（ｎは任意の自然数）回目に上昇させたときの前記発電体の出力と、前記発電体に出力させる電流を、ｍ（ｍはｎより大きい自然数）回目に上昇させたときの前記発電体の出力との間の差に基づいて前記発電体の良否を判定する工程であっても良い。この形態の製造方法によれば、電流変動処理の間における発電体の出力の変化を簡易に検証できるため、排水性が低い発電体の検出性が向上する。
【００１４】
［６］本発明の他の形態によれば、燃料電池を構成する発電体の評価方法が提供される。この評価方法は、（ａ）前記発電体に反応ガスを供給して発電させ、前記発電体に出力させる電流の増加と減少とを繰り返させる電流変動処理を実行する工程と；（ｂ）前記電流変動処理の実行中に前記発電体の出力を計測する工程と；（ｃ）前記電流変動処理の実行中における前記発電体の出力の変化に基づいて前記発電体の良否を判定する工程と；を備える。この形態の評価方法によれば、排水性が低い発電体を比較的短時間で検出することができる。
【００１５】
［７］本発明の他の形態によれば、燃料電池を構成する発電体の評価装置が提供される。この評価装置は、前記発電体に反応ガスを供給する反応ガス供給部と；前記発電体に出力させる電流を制御する電流制御部と；前記発電体の出力を計測する計測部と；前記反応ガス供給部を制御して前記発電体に反応ガスを供給しつつ、前記電流制御部を制御して前記発電体に出力させる電流の増加と減少とを繰り返させる電流変動処理を実行し、前記電流変動処理の実行中に前記計測部が計測した前記発電体の出力の変化に基づいて前記発電体の良否を判定する評価制御部と；を備える。
【００１６】
上述した本発明の各形態の有する複数の構成要素はすべてが必須のものではなく、上述の課題の一部又は全部を解決するため、あるいは、本明細書に記載された効果の一部又は全部を達成するために、適宜、前記複数の構成要素の一部の構成要素について、その変更、削除、新たな他の構成要素との差し替え、限定内容の一部削除を行うことが可能である。また、上述の課題の一部又は全部を解決するため、あるいは、本明細書に記載された効果の一部又は全部を達成するために、上述した本発明の一形態に含まれる技術的特徴の一部又は全部を上述した本発明の他の形態に含まれる技術的特徴の一部又は全部と組み合わせて、本発明の独立した一形態とすることも可能である。
【００１７】
本発明は、上記以外の種々の形態で実現することも可能である。例えば、燃料電池またはその発電体の製造方法、製造装置、評価方法、評価装置、それらの方法を実現するコンピュータプログラム、それらの装置を制御するためのコンピュータプログラム、それらのコンピュータプログラムを記録した一時的でない記録媒体等の形態で実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】燃料電池の製造工程の手順を示す工程図。
【図２】単セルの構成を示す概略図。
【図３】燃料電池評価装置の構成を示す概略図。
【図４】燃料電池評価装置における単セルの評価試験の手順を示す説明図。
【図５】単セルの排水性を評価するための運転制御を説明するための説明図。
【図６】評価用運転制御中における単セルの出力電圧の計測値の時間変化を示す説明図。
【図７】評価用運転制御による排水性の低下の検出時間の短縮を示す説明図。
【図８】単セルの良否判定の方法を説明するための説明図。
【図９】変形例としての評価用運転制御を説明するための説明図。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
A．実施形態：
図１は、本発明の第１実施形態としての燃料電池の製造工程の手順を示す工程図である。本実施形態では、反応ガスとして酸素と水素の供給を受けて発電する複数の単セルが積層して締結されたスタック構造を有する固体高分子形燃料電池（以下、「燃料電池スタック」とも呼ぶ）が製造される。ステップＳ１０では、複数の単セルが準備される。単セルの構成については後述する。
【００２０】
ステップＳ２０では、ステップＳ１０で準備された各単セルの性能についての評価試験を実行する。なお、本実施形態では、特に、各単セルの排水性能についての良否を判定する評価試験を実行する（詳細は後述）。ステップＳ３０では、ステップＳ２０の評価試験において、否判定がなされた単セルを除外し、良判定がなされた単セルのみを積層する。そして、その単セルの積層体をエンドプレートで挟みつつ、締結部材によって締結し、燃料電池スタックを構成する。
【００２１】
図２は、燃料電池スタックを構成する単セルの構成を示す概略断面図である。単セル１０は、発電体である膜電極接合体５と、２枚のセパレータ６と、シール部７と、を備える。膜電極接合体５は、電解質膜１と、その両側に配置された電極２と、を備える。電解質膜１は湿潤状態で良好なプロトン伝導性を示すフッ素樹脂系のイオン交換膜であり、例えば、ナフィオン（登録商標）によって構成される。
【００２２】
各電極２は、触媒層２ｃと、ガス拡散層２ｇと、を備える。触媒層２ｃは、電解質膜１の表面に配置されている。触媒層２ｃは、燃料電池反応を促進する触媒を担持した導電性粒子（例えば、白金担持カーボン）と、電解質膜１と同様な電解質樹脂と、を含む薄膜として構成され、ガス拡散性およびプロトン伝導性とを有する。
【００２３】
ガス拡散層２ｇは、各触媒層２ｃの上に積層されており、反応ガスを触媒層２ｃの全体に拡散させる。ガス拡散層２ｇは、例えば、カーボン繊維や黒鉛繊維など、導電性およびガス拡散性を有する多孔質な基材によって構成される。なお、ガス拡散層２ｇの触媒層２ｃと接する側の面には、マイクロポーラス層（ＭＰＬ）などの撥水層が設けられていても良い。
【００２４】
セパレータ６は、金属板などの導電性を有する緻密な板状基材によって構成され、各ガス拡散層２ｇの外側から膜電極接合体５を狭むように配置される。セパレータ６のガス拡散層２ｇ側の面には、反応ガスの流路を構成する流路溝６ｐが形成されている。セパレータ６は膜電極接合体５において発電された電気を集電する集電板として機能するとともに、反応ガスの流路を構成するための流路部材としても機能する。なお、セパレータ６の外側の面には、冷媒のための流路が形成されても良い。
【００２５】
シール部７は、膜電極接合体５の外周に配置されており、膜電極接合体５とともにセパレータ６によって狭まれる。シール部７は、膜電極接合体５の各電極からの反応ガスの漏洩を防止するとともに、セパレータ６同士の短絡を防止する。シール部７は、例えば、膜電極接合体５の外周縁部に対する樹脂部材の射出成形によって形成される。
【００２６】
単セル１０には、膜電極接合体５の外周の領域に、セパレータ６とシール部７とを厚み方向に貫通する複数の貫通孔８（破線で図示）が形成されている。各単セル１０の貫通孔８は燃料電池スタックにおいて接続され、各単セル１０の膜電極接合体５に対する反応ガスの供給、または、各単セル１０の膜電極接合体５からの排ガスの排出を行うためのマニホールドとして機能する。以下では、貫通孔８を「マニホールド孔８」と呼ぶ。なお、単セル１０には、マニホールド孔８とセパレータ６の流路溝６ｐとを連通し、反応ガスまたは排ガスの流路として機能する連通路が形成されている（図示および詳細な説明は省略）。
【００２７】
図３は、ステップＳ２０における単セルの評価試験を実行するための燃料電池評価装置１００の構成を示す概略図である。なお、図３では、便宜上、単セル１０を、燃料ガスが供給されるアノード側１１と、酸化剤ガスが供給されるカソード側１２とに区分けて図示してある。また、図３には、単セル１０および中間プレート２０の積層体の内部における水素と酸素の流れをそれぞれ、一点鎖線の矢印と二点鎖線の矢印とで模式的に図示してある。さらに、中間プレート２０の内部における冷媒の流れを破線矢印によって模式的に図示してある。
【００２８】
この燃料電池評価装置１００は、複数の単セル１０を積層することによって模擬的に構成された燃料電池スタックに発電させ、そのときの各単セル１０の出力に基づいて各単セル１０の排水性を評価する。燃料電池評価装置１００は、複数の中間プレート２０と、第１と第２のエンドプレート３１，３２と、主制御部１１０と、燃料ガス供給部１２０と、酸化剤ガス供給部１２２と、冷媒供給部１２４と、電圧計測部１３０と、電流制御部１３２と、出力部１３４と、を備える。
【００２９】
中間プレート２０は導電性部材によって構成された板状部材である。中間プレート２０は、試験対象である複数の単セル１０を積層してセッティングする際に、各単セル１０の間と積層方向の両端に配置される。以下では、燃料電池評価装置１００において、単セル１０と中間プレート２０とで構成される積層体を「試験積層体ＴＳ」と呼ぶ。
【００３０】
中間プレート２０は、電圧計測部１３０が接続される端子２１を、その端部に有している。また、中間プレート２０は、各単セル１０のマニホールド孔８と連結して反応ガスが流通するマニホールドを構成する貫通孔を有している（図示は省略）。さらに、中間プレート２０は、各単セル１０の温度を制御するための冷媒が流れる冷媒流路を内部に有している。
【００３１】
第１と第２のエンドプレート３１，３２はそれぞれ、導電性部材によって構成された板状部材であり、試験積層体ＴＳの積層方向における両端部に配置される。第１と第２のエンドプレート３１，３２は、電流制御部１３２が接続される端子３３を有している。第１のエンドプレート３１は、反応ガスや排ガスが流通する配管が接続される接続部を有している（図示は省略）。なお、第１と第２のエンドプレート３１，３２には、単セル１０と中間プレート２０の試験積層体に、積層方向の締結力を付与するための締結部材が取り付けられるが、その図示および詳細な説明は省略する。
【００３２】
主制御部１１０は、中央処理装置と主記憶装置とを備えるマイクロコンピュータによって構成される。主制御部１１０は、各構成部１２０，１２２，１２４，１３０，１３２，１３４を制御して、単セル１０の排水性を評価する評価試験処理を実行する。評価試験処理の内容については後述する。なお、本明細書において、「単セル１０の排水性」とは、発電中における単セル１０の反応ガス流路からの排水のされやすさを意味する。また、「単セル１０の反応ガス流路」とは、単セル１０内の電解質膜１とセパレータ６との間において反応ガスが流れる経路全体を意味しており、セパレータ６の流路溝６ｐや、ガス拡散層２ｇおよび触媒層２ｃにおける細孔を含む。
【００３３】
燃料ガス供給部１２０は、水素タンクや、レギュレータ、インジェクタなどを備え（図示は省略）、主制御部１１０の指令に応じた圧力および流量の水素（燃料ガス）を試験積層体ＴＳに供給する。酸化剤ガス供給部１２２は、エアフロメータや、エアコンプレッサ、開閉弁などを備え（図示は省略）、主制御部１１０の指令に応じた圧力および流量の高圧空気（酸化剤ガス）を試験積層体ＴＳに供給する。冷媒供給部１２４は、ラジエータや循環ポンプを備え（図示は省略）、主制御部１１０の指令に応じて冷媒の温度を調整しつつ、試験積層体ＴＳの各中間プレート２０に冷媒を循環供給し、試験積層体ＴＳの各単セル１０の温度を制御する。
【００３４】
電圧計測部１３０は、各中間プレート２０の端子２１に接続されており、中間プレート２０の間に介挿されている各単セル１０の電圧を計測し、主制御部１１０に出力する。電流制御部１３２は、端子３３を介して試験積層体ＴＳを狭持する第１と第２のエンドプレート３１，３２に接続されている。電流制御部１３２は、試験積層体ＴＳの出力電圧を制御するＤＣ／ＤＣコンバータを備えており、試験積層体ＴＳに、主制御部１１０の指令に応じた電流を出力させる。
【００３５】
ここで、燃料電池が出力する電流は、いわゆる電流−電圧曲線（Ｉ−Ｖ曲線）によって表される、そのときの燃料電池の発電特性に応じて、燃料電池が出力する電圧に対して一意に決まる。従って、電流制御部１３２は、ＤＣ／ＤＣコンバータによって試験積層体ＴＳの出力電圧を制御することによって、試験積層体ＴＳに出力させる電流を調整することができる。出力部１３４は、ディスプレイやプリンタによって構成され、各単セル１０の出力に関する計測結果や、単セル１０の評価試験における判定結果を出力する。
【００３６】
図４は、燃料電池評価装置１００における単セル１０の評価試験の手順を示すフローチャートである。ステップＳ１１０では、主制御部１１０は、燃料ガス供給部１２０と、酸化剤ガス供給部１２２と、冷媒供給部１２４のそれぞれに、試験積層体ＴＳに対する反応ガスまたは冷媒の供給を開始させて、試験積層体ＴＳの各単セル１０に発電を開始させる。ステップＳ１２０では、主制御部１１０は、各単セル１０の排水性を評価するための運転制御（以下、「評価用運転制御」と呼ぶ）を開始する。評価用運転制御の詳細については後述する。
【００３７】
ステップＳ１３０では、主制御部１１０は、電圧計測部１３０によって評価用運転制御の実行中における各単セル１０の出力電圧の計測値を取得し記録する。ステップＳ１４０では、主制御部１１０は、各単セル１０の出力電力の変化に基づいて、単セル１０の排水性についての良否を判定し、その結果を出力部１３４に出力させる。ステップＳ１４０における単セル１０の良否判定の具体的な方法については後述する。
【００３８】
図５（Ａ）〜（Ｃ）は、ステップＳ１２０の評価用運転制御を説明するための説明図である。図５（Ａ）、評価用運転制御中における各単セル１０の制御温度の時間変化を示すグラフである。図５（Ｂ）は、ステップＳ１２０の評価用運転制御中に試験積層体ＴＳに出力させる電流値の時間変化を示すグラフである。図５（Ｃ）は、評価用運転制御中における試験積層体ＴＳに対する反応ガスの供給の開始（ＯＮ）と停止（ＯＦＦ）のタイミングを示すグラフである。なお、図５（Ａ）〜（Ｃ）の各グラフの時間軸は互いに対応している。
【００３９】
ステップＳ１２０の評価用運転制御では、主制御部１１０は、冷媒供給部１２４を制御して、各単セル１０の運転温度を、燃料電池の通常の運転温度ＴSよりも低く、フラッディングが発生する可能性が高い低温ＴLに保持する（図５（Ａ））。ここで、「燃料電池の通常の運転温度ＴS」とは、燃料電池に通常の負荷（例えば、燃料電池に著しい劣化を生じさせない程度の負荷）をかけて、所定の時間運転（例えば数時間程度）を継続させたときの平均運転温度である。より具体的には、燃料電池スタックの通常の運転温度ＴSは、例えば、６０〜９０℃程度の温度であるとしても良い。また、低温ＴLは、例えば、２０〜４０℃程度であるとしても良い。
【００４０】
主制御部１１０は、電流制御部１３２を制御して、試験積層体ＴＳの出力電流の増減を所定の周期で繰り返させる（図５（Ｂ））。具体的には、主制御部１１０は、試験積層体ＴＳに、第１と第２の電流値Ｉhigh，Ｉlow（Ｉhigh＞Ｉlow）の電流を一定の周期（例えば数分程度）で交互に出力させる。同時に、主制御部１１０は、燃料ガス供給部１２０および酸化剤ガス供給部１２２を制御して、試験積層体ＴＳの電流の変動周期に合わせて、試験積層体ＴＳに対する反応ガスの流量を変動させる。本実施形態では、主制御部１１０は、試験積層体ＴＳの電流を減少させるときに反応ガスの供給を停止させ、試験積層体ＴＳの電流を増加させるときに反応ガスの供給を再開させる。ステップＳ１２０の評価用運転制御は、例えば、数時間〜数十時間程度継続される。
【００４１】
図６は、上述の評価用運転制御を行ったときの単セルの出力電圧の計測値の時間変化の一例を示すグラフである。図６では、第１と第２の実験用単セルについての計測結果をそれぞれ実線グラフＧ１と一点鎖線グラフＧ２とで示してある。本発明の発明者は、以下に説明する実験結果に基づいて、評価用運転制御によれば、単セルの排水性の低下に起因する発電性能の低下を容易に検出できることを見出した。
【００４２】
この実験では、排水性が高い第１の実験用単セルと、排水性が低い第２の実験用単セルとを用いた。ここで、単セルにおけるフラッディングの発生原因（排水性の低下の原因）は、主に、生成水によるガス拡散層の細孔の目詰まりや、触媒層におけるアイオノマーの膨潤による反応ガス流路の閉塞である。第２の実験用単セルの排水性は、ガス拡散層の撥水性や通気性を低くするとともに、触媒層に含まれるアイオノマーの比率を大きくすることによって、第１の実験用単セルの排水性よりも低くなるように調整された。
【００４３】
第１と第２の実験用単セルのそれぞれについて、所定の時間だけ、図５（Ａ）〜（Ｃ）で説明したのと同様な評価用運転制御が行われ、評価用運転制御中の各実験用単セルの電圧の時間変化が計測された。この結果、第１の実験用単セルについては、電圧の変動幅がほぼ一定の範囲内に収まり、発電性能は一定の水準に保持された（グラフＧ１）。これに対して、第２の実験用単セルについては、電圧の変動範囲が次第に低下していき、発電性能が緩やかに低下する傾向を示した（グラフＧ２）。
【００４４】
上記の評価用運転制御の後に、さらに、第２の実験用単セルの内部を一旦乾燥させた上で、第２の実験用単セルに通常の発電を開始させたところ、第２の実験用単セルの発電性能は回復されていた。このことは、評価用運転制御中における第２の実験用単セルの発電性能の低下の原因は、反応ガスの流路における低排水性に起因する一時的な水分の滞留であることを示している。
【００４５】
このように、評価用運転制御によれば、単セルの低排水性に起因する発電性能の低下を容易に検出することができる。この理由は以下のためである。評価用運転制御では、単セルに電流の低下と上昇とが繰り返させるが、電流の上昇の際には単セル内において生成水が著しく増加する。そのため、評価用運転制御の実行中には単セル内における生成水の増加が間欠的に繰り返され、単セルの反応ガス流路における水の流れが不連続的となる。すると、単セルにおける水の流れが断続的になり、単セル内において水分が連続的に生成されて水の流路が継続的に形成されている状態に比較して、排水性の変化が顕著に現れやすくなる。従って、評価用運転制御によれば、単セルにおける排水性の変化を容易に検出することができる。
【００４６】
図７は、評価用運転制御による排水性の低下の検出時間の短縮を示す説明図である。図７（Ａ），（Ｂ）はそれぞれ、単セルの出力電力の時間変化を示すグラフであり、本発明の発明者の実験結果に基づくものである。本発明の発明者は、さらに、以下の実験結果に基づいて、評価用運転制御であれば排水性の低下に起因する単セルの発電性の低下が検出されるまでの時間を短縮できるとの知見を得た。
【００４７】
この実験では、同じ単セルについて、評価用運転制御を実行したときの出力電力の時間変化（図７（Ａ））と、一定の電流を出力させる定電流制御を継続させたときの出力電力の時間変化（図７（Ｂ））とを計測した。そして、初期の出力電力Ｗ0を良好な排水性を示しているときの基準値とし、単セルの出力電力が当該出力電力Ｗ0から所定の電力α（α＝０．７ＫＷ）だけ低下するまでの所要時間ｔ1，ｔ2をそれぞれ計測した。なお、定電流制御では、単セルに、評価用運転制御における第１の電流値Ｉhighとほぼ同じ電流値の電流を継続的に出力させた。
【００４８】
評価用運転制御を行ったときに計測された所要時間ｔ1は５時間であった。一方、定電流運転制御を行ったときに計測された所要時間ｔ2は３００時間であった。このように、評価用運転制御によれば、定電流制御に比較して、著しく早い段階で単セルの発電性能の低下を検出することができる。
【００４９】
ところで、長時間（例えば数百時間程度）にわたる運転の後の単セルの発電性能の低下は、単セルの低排水性以外に、触媒がイオン化して溶出してしまう触媒層の劣化によっても生じる可能性がある。逆に、短時間（例えば数時間程度）の運転であれば、上記のような触媒層の劣化による単セルの発電性能の低下が生じる可能性は低い。従って、評価用運転制御であれば、低排水性による単セルの発電性能の低下と、触媒層の劣化による発電性能の低下とを、その検出までに要する時間によって区別して検出することが可能である。
【００５０】
図８（Ａ），（Ｂ）は、ステップＳ１４０における、出力電力の変化に基づく単セル１０の排水性の良否判定の方法を説明するための説明図である。図８（Ａ），（Ｂ）にはそれぞれ、単セル１０の出力電力の時間変化を示すグラフの一例を図示してある。ステップＳ１４０（図４）では、燃料電池評価装置１００の主制御部１１０は、ステップＳ１３０で取得した各単セル１０の電圧の計測値に基づいて、評価用運転制御の実行中における各単セル１０の出力電力の時間変化を取得する。
【００５１】
そして、各単セル１０について、１回目に試験積層体ＴＳの電流を第１の電流値Ｉhighまで上昇させたときの出力電力Ｐ1と、Ｎ回目（Ｎは１より大きい任意の自然数）に試験積層体ＴＳの電流を第１の電流値Ｉhighまで上昇させたときの出力電力ＰNとの差ΔＰを算出する（ΔＰ＝Ｐ1−ＰN）。
【００５２】
主制御部１１０は、ΔＰが所定の閾値以下である単セル１０については、発電性能の著しい低下がなく、反応ガスの流路における排水性が基準を満たしているとして良判定を下す（図８（Ａ））。一方、ΔＰが所定の閾値より大きい単セル１０については、発電性能が著しく低下しており、反応ガスの流路における排水性が基準を満たしていないとして否判定を下す（図８（Ｂ））。この方法であれば、評価用運転制御実行中における単セル１０の発電性能の低下を簡易に検出することができ、単セル１０の排水性の評価を容易に実行することができる。
【００５３】
以上のように、本実施形態の燃料電池評価装置１００による単セル１０の評価試験であれば、評価用運転制御によって、単セル１０の排水性の低下を比較的短時間で検出することができ、排水性の低い単セル１０を容易かつ効率的に検出できる。本実施形態の燃料電池の製造工程であれば、燃料電池評価装置１００による評価試験の基準を満たすと判定された単セル１０によって燃料電池スタックが構成されるため、高い排水性能を有する燃料電池スタックを効率的に製造することができる。
【００５４】
B．変形例：
B1．変形例１：
図９（Ａ），（Ｂ）は、上記実施形態の変形例としての評価用運転制御を説明するための説明図である。上記実施形態の評価運転用制御では、試験積層体ＴＳに出力させる電流値を、一定の周期で、第１と第２の電流値Ｉhig，Ｉlowに交互に変化させて、方形波状に変動させていた（図５（Ｂ））。しかし、評価運転用制御では、試験積層体ＴＳに出力させる電流は、方形波状に変動させなくても良い。評価運転用制御では、試験積層体ＴＳに出力させる電流は、図９（Ａ）のグラフに示されているように、上昇又は下降する際に任意の変化率で台形波状に変化させても良い。また、評価運転用制御では、試験積層体ＴＳに出力させる電流値を、一定の周期で、第１と第２の電流値Ｉhig，Ｉlowに交互に変化させなくても良い。評価運転用制御では、試験積層体ＴＳに出力させる電流を、図９（Ｂ）のグラフに示されているように、所定の周期の変動パターンで増減を繰り返させても良い。
【００５５】
B2．変形例２：
上記実施形態では、１回目に試験積層体ＴＳに出力させる電流値を第１の電流値Ｉhighまで上昇させたときの出力電力Ｐ1と、Ｎ回目に試験積層体ＴＳに出力させる電流値を第１の電流値Ｉhighまで上昇させたときの出力電力ＰNとの差ΔＰを用いて、単セル１０の良否判定を行っていた（図８）。しかし、単セル１０の良否判定は、他の方法によって実行されても良い。例えば、ｎ回目（ｎは任意の自然数）に試験積層体ＴＳに出力させる電流値を第１の電流値Ｉhighまで上昇させたときの出力電力Ｐnと、ｍ回目（ｍはｎより大きい自然数）に試験積層体ＴＳに出力させる電流値を第１の電流値Ｉhighまで上昇させたときの出力電力Ｐmとの差ΔＰを用いて、単セル１０の良否判定を行っても良い。あるいは、単セル１０の良否判定では、単セル１０の出力電力が所定の閾値より低くなったときに否判定を下しても良い。また、単セル１０の良否判定では、単セル１０の出力電力の時間平均が所定の閾値より低下したときに否判定がされても良い。単セル１０の良否判定は、単セル１０の出力電力の変化に基づいて実行されなくても良く、例えば、単セル１０の出力電圧の変化に基づいて実行されても良い。
【００５６】
B3．変形例３：
上記実施形態の評価用運転制御では、各単セル１０の運転温度を燃料電池スタックの通常の運転温度Ｔｓよりも低く、フラッディングが発生する可能性が高い低温ＴLに保持されていた（図５（Ａ））。しかし、評価用運転制御では、各単セル１０の運転温度の制御は省略されても良い。ただし、評価用運転制御において、各単セル１０の運転温度が低温ＴLに制御されていれば、フラッディングによる単セル１０の発電性能の低下を検出しやすくなるため、単セル１０における反応ガスの流路の排水性の評価の精度が向上する。
【００５７】
B4．変形例４：
上記実施形態の評価用運転制御では、各単セル１０に対する反応ガスの供給が間欠的に実行され、各単セル１０に供給される反応ガスの流量を、試験積層体ＴＳの電流の変動周期に合わせて変動させていた（図５（Ｃ））。しかし、評価用運転制御では、各単セル１０に対する反応ガスの供給は間欠的に実行されなくても良く、各単セル１０に供給される反応ガスの流量が試験積層体ＴＳの電流の変動周期に合わせて変動されなくても良い。評価用運転制御では、試験積層体ＴＳに出力させる電流の変動に関わらず各単セル１０に対して反応ガスが継続的に供給されていても良い。ただし、評価用運転制御において、各単セル１０に供給される反応ガスの流量を試験積層体ＴＳの電流の変動周期に合わせて変動させることによって、単セル１０の内部における反応ガスによる水の流れをより不連続的にすることができる。従って、各単セル１０における反応ガス流路における排水性の影響が、単セル１０の出力の変化により顕著に反映されることになり、単セル１０の排水性の評価の精度を向上させることができる。
【００５８】
B5．変形例５：
上記実施形態では、複数の単セル１０を積層させた状態で単セル１０の評価試験を実行していた。しかし、単セル１０の評価試験は、複数の単セル１０を積層させた状態で実行されなくても良く、１つの単セル１０ごとに実行されても良い。
【００５９】
B6．変形例６：
上記実施形態の燃料電池評価装置１００は、積層される複数の単セル１０の間に配置される中間プレート２０を備えていた。しかし、中間プレート２０は省略されても良い。
【００６０】
B7．変形例７：
上記実施形態の燃料電池評価装置１００は、図２で説明した構成の単セル１０に対して評価試験を行っていた。しかし、燃料電池評価装置１００の評価試験対象となる単セルは、上記実施形態で説明した単セル１０の構成を有していなくても良く、他の構成を有していても良い。例えば、燃料電池評価装置１００の評価試験対象となる単セルは、ガス拡散層２ｇやセパレータ６の流路溝６ｐが省略されていても良い。また、燃料電池評価装置１００の評価試験対象となる単セルは、セパレータ６と膜電極接合体５との間に、エキスパンドメタルやパンチングメタルなど、反応ガスの流路として機能するガス流路部材が配置されていても良い。
【００６１】
B8．変形例８：
上記実施形態における燃料電池スタックの製造工程では、燃料電池評価装置１００による単セル１０の排水性の評価試験のみが実行されていた（図１）。しかし、燃料電池スタックの製造工程では、各単セル１０に対して、燃料電池評価装置１００による単セル１０の排水性の評価試験に加えて、他の評価試験が実行されても良い。例えば、図７で説明した従来の評価試験が実行された後に、燃料電池評価装置１００による単セル１０の排水性の評価試験が実行されても良い。
【００６２】
本発明は、上述の実施形態や実施例、変形例に限られるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲において種々の構成で実現することができる。例えば、発明の概要の欄に記載した各形態中の技術的特徴に対応する実施形態、実施例、変形例中の技術的特徴は、上述の課題の一部又は全部を解決するために、あるいは、上述の効果の一部又は全部を達成するために、適宜、差し替えや、組み合わせを行うことが可能である。また、その技術的特徴が本明細書中に必須なものとして説明されていなければ、適宜、削除することが可能である。
【符号の説明】
【００６３】
１…電解質膜
２…電極
２ｃ…触媒層
２ｇ…ガス拡散層
５…膜電極接合体
６…セパレータ
６ｐ…流路溝
７…シール部
８…マニホールド孔(貫通孔)
１０…単セル
１１…アノード側
１２…カソード側
２０…中間プレート
２１…端子
３１…第１のエンドプレート
３２…第２のエンドプレート
３３…端子
１００…燃料電池評価装置
１１０…主制御部
１２０…燃料ガス供給部
１２２…酸化剤ガス供給部
１２４…冷媒供給部
１３０…電圧計測部
１３２…電流制御部
１３４…出力部
【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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