(57)【要約】【課題】  実運転に即して燃料電池の内部現象を容易に再現できる燃料電池の性能評価装置及び性能評価方法を提供する。【解決手段】  集電電極１０とともに第１、第２模擬セパレータ３ａ，３ｂを構成する第１、第２セパレータ本体９ａ、９ｂを透明材料で形成し、第１、第２セパレータ本体９ａ、９ｂの一面６側に設ける集電電極１０は第１、第２セパレータ本体側ガス流路８ａ、８ｂに対応する部分を空けて配置される。第１、第２セパレータ本体９ａ、９ｂの各他面７側にＩＴＯ膜（透明材料）からなるヒータ１６を配置した。ヒータ１６により保温した状態で、ガス流路８ａ、８ｂを流れる水等の状況をヒータ１６及び第１、第２セパレータ本体９ａ、９ｂを通して観察できる。内部で生じている現象を保温した状態で観察でき、燃料電池（単位セル）の性能評価を精度高くかつ容易に行うことができる。【選択図】        図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ガス流路が形成されたセパレータで、膜−電極アッセンブリを挟むようにして構成される燃料電池の単位セルにおける前記セパレータに代えて模擬セパレータを設け、
該模擬セパレータは、前記膜−電極アッセンブリ側に臨む一面側に前記ガス流路を形成した透明材料からなるセパレータ本体と、該セパレータ本体の前記一面側に、前記ガス流路に対応する部分を空けるように配置された集電電極とを備え、
前記セパレータ本体の前記一面側と反対の他面側における前記ガス流路形成領域に対向する部分には、通電されて温度調整可能な透明材料からなるヒータを配置したことを特徴とする燃料電池の性能評価装置。
【請求項２】
前記集電電極は、透明材料からなることを特徴とする請求項１記載の燃料電池の性能評価装置。
【請求項３】
請求項１又は２に記載の燃料電池の性能評価装置を用い、ヒータによる温度調整を行いつつ、前記セパレータ本体及び前記ヒータを通して、ガス流路を流れる流体を観察し、観察結果に基づいて燃料電池の性能を評価することを特徴とする燃料電池の性能評価方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池におけるセパレータ（集電体）に形成されるガス流路ひいては燃料電池の性能を評価するための燃料電池の性能評価装置及び性能評価方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は、一般に、セパレータ（集電体）で膜−電極アッセンブリを挟んで構成される単位セルを多数枚（例えば数十から数百枚）積層した構造となっている。そして、単位セルに設けられたガス流路を通して単位セルに燃料ガス（水素）及び酸化ガス（酸素、通常は空気）が供給され、これらが反応することにより電力を発生する。この電力発生（発電）過程で水が発生し、かつ発熱する。また、発電過程において、単位セル内では、水の流れや熱の移動等が相互に影響し、燃料ガス及び酸化ガスの流れの変化を招き、発電効率（性能）等に影響することになる。
このため、燃料電池の開発などを進める上で、上述した発電効率などに影響を及ぼす燃料ガス及び酸化ガスの流れ状況を容易に把握することが望まれている。
【０００３】
なお、燃料電池の性能評価に関連して、特許文献１には固体高分子形燃料電池の電極性能評価装置が示されている。
特許文献１の固体高分子形燃料電池の電極性能評価装置は、膜−電極接合体（ＭＥＡ）の両面を挟持する１対の集電体と、膜−電極接合体に印加する電圧の波形と掃引速度を制御する波形関数発生部と、集電体間に流れる電流を測定する電流測定部と、を備え、集電体に挟持された膜−電極接合体の静電容量を測定し、測定値に基づいて電極性能を評価するようにしている。
【特許文献１】特開２００４−２２０７８６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、特許文献１の従来技術では、発電性能などに直接影響を及ぼす燃料ガス、酸化ガス及び水などの流体の流れ状況を把握するものではなく、上記要望に応えるものになっていないというのが実情であった。
【０００５】
また、燃料電池ではガス（酸素、水素）の流れのみならず、温度も性能に大きく影響する。すなわち、仮に、燃料電池の開発などを進めるために燃料ガス及び酸化ガス等の流体の流れ状況を把握するべく燃料電池を模擬するように性能評価装置（模擬燃料電池）を構成したとしても、この性能評価装置では、露点温度が下がり、模擬燃料電池のセルへ供給する加湿ガス〔バブラー等を通して水蒸気を含ませたガス〕中の水分が結露し、みかけの水量が増える。このため、この性能評価装置では、実際の燃料電池（単位セル）を適切には模擬し得るものではなく、上記要望（燃料ガス及び酸化ガスの流れ状況を容易に把握すること）に適切には応えられないというのが実情である。
【０００６】
本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、実運転に即して燃料電池の内部現象を容易に再現できる燃料電池の性能評価装置及び性能評価方法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】
請求項１記載の燃料電池の性能評価装置に係る発明は、ガス流路が形成されたセパレータで、膜−電極アッセンブリを挟むようにして構成される燃料電池の単位セルにおける前記セパレータに代えて模擬セパレータを設け、該模擬セパレータは、前記膜−電極アッセンブリ側に臨む一面側に前記ガス流路を形成した透明材料からなるセパレータ本体と、該セパレータ本体の前記一面側に、前記ガス流路に対応する部分を空けるように配置された集電電極とを備え、前記セパレータ本体の前記一面側と反対の他面側における前記ガス流路形成領域に対向する部分には、通電されて温度調整可能な透明材料からなるヒータを配置したことを特徴とする。
【０００８】
請求項２記載の発明は、請求項１記載の燃料電池の性能評価装置において、前記集電電極は、透明材料からなることを特徴とする。
請求項３記載の燃料電池の性能評価方法に係る発明は、請求項１又は２に記載の燃料電池の性能評価装置を用い、ヒータによる温度調整を行いつつ、前記セパレータ本体及び前記ヒータを通して、ガス流路を流れる流体を観察し、観察結果に基づいて燃料電池の性能を評価することを特徴とする。
【発明の効果】
【０００９】
請求項１から３に記載の発明によれば、ヒータで保温した状態で、ガス流路において生じている現象を、ヒータ及びセパレータ本体を通して観察できる。
請求項２に記載の発明によれば、ヒータで保温した状態で、ガス流路を含むガス流路形成領域及び膜−電極アッセンブリにおいて生じている現象を、ヒータ、セパレータ本体及び透明材料からなる集電電極を通して観察できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
以下、本発明の第１実施の形態に係る燃料電池の性能評価装置を図１及び図２に基づいて説明する。
図１において、１は、燃料電池自動車に搭載される燃料電池（以下、便宜上、適宜、実燃料電池という。）の単位セル（以下、便宜上、適宜、実セルという。）を模擬して構成される性能評価装置であり、実セルひいては実燃料電池の性能評価を行うために用いられ、この性能評価を通じて燃料電池の現象解明・設計・シミュレーション開発に利用し得るようになっている。性能評価装置１は、実燃料電池に用いられている膜−電極アッセンブリ２（ＭＥＡ：Membrane-Electrode Assembly ）を、実燃料電池のセパレータに相当する模擬セパレータ３で挟み、かつ、膜−電極アッセンブリ２及び両模擬セパレータ３間に実燃料電池に用いられている拡散層４を介在させて構成され、実燃料電池における単位セルに相当したものになっている。
【００１１】
図１上側、下側の模擬セパレータ３、３を、以下、それぞれ第１、第２模擬セパレータ３ａ，３ｂという。性能評価装置１は、第１、第２模擬セパレータ３ａ，３ｂ側について略同等に構成されている。まず、第１模擬セパレータ３ａ側の構成を説明する。
第１模擬セパレータ３ａは、膜−電極アッセンブリ２側に臨む一面６側に１条のガス流路（以下、第１セパレータ本体側ガス流路という。）８ａを形成した石英などの透明材料からなる略矩形のセパレータ本体（以下、第１セパレータ本体という。）９ａと、第１セパレータ本体９ａの前記一面６側に配置された集電電極１０とを備えている。集電電極１０は、薄膜の金属材料で構成されている。第１セパレータ本体９ａの４つの側面部のうち図１紙面手前側、紙面向う（図１では見えていない）側のものを第１、第２側面部１１ａ，１２ａといい、図１右側、左側のものを第３、第４側面部１３ａ，１４ａという。また、第１セパレータ本体９ａの前記一面６の反対側を他面７側という。
【００１２】
第１セパレータ本体側ガス流路８ａは、凹状とされて第１側面部１１ａから第２側面部１２ａに向けて延びて形成されており、酸素ガス（Ｏ2）を通すようになっている。
集電電極１０は、第１セパレータ本体側ガス流路８ａに対応する部分を空けるように第３、第４側面部１３ａ，１４ａ側にそれぞれ配置されており、第１セパレータ本体側ガス流路８ａを覆わないようにしている。
【００１３】
第１セパレータ本体９ａの他面７側における第１セパレータ本体側ガス流路８ａの形成領域に対向する部分には、通電されて温度調整可能な透明材料〔この例ではＩＴＯ（インジリウム・スズ酸化物）〕からなる薄膜のヒータ１６が配置されている。ヒータ１６の第３、第４側面部１３ａ，１４ａ側には、ヒータ１６に通電するための電極（以下、ヒータ用電極という。）１７が配置されている。
【００１４】
次に、性能評価装置１の第２模擬セパレータ３ｂ側の構成について、上述した第１模擬セパレータ３ａ側の構成を適宜参照して説明する。
第２模擬セパレータ３ｂは、膜−電極アッセンブリ２側に臨む一面６側に１条のガス流路（以下、第２セパレータ本体側ガス流路という。）８ｂを形成した石英などの透明材料からなる略矩形の第２セパレータ本体９ｂと、第２セパレータ本体９ｂの前記一面６側に配置され、第１模擬セパレータ３ａ側の前記集電電極１０と同等に構成される集電電極１０と、を備えている。第２セパレータ本体９ｂの４つの側面部について、第１セパレータ本体９ａに対応させて第１〜第４側面部11ｂ〜１４ｂといい、また、第２セパレータ本体９ｂの前記一面６の反対側を他面７側という。
【００１５】
第２セパレータ本体９ｂの一面６側における第３、第４側面部１３ｂ，１４ｂ間の中央部分には、水素ガス（Ｈ2）を通すための凹状のガス流路（以下、第２セパレータ本体側ガス流路という。）８ｂが形成されている。第２セパレータ本体側ガス流路８ｂは、第１側面部１１ｂから第２側面部１２ｂに向けて延びて形成されている。
集電電極１０は、第２セパレータ本体側ガス流路８ｂに対応する部分を空けるように第３、第４側面部１３ｂ，１４ｂ側にそれぞれ配置されており、第２セパレータ本体側ガス流路８ｂを覆わないようにしている。
【００１６】
第２セパレータ本体９ｂの他面７側における第２セパレータ本体側ガス流路８ｂの形成領域に対向する部分には、通電されて温度調整可能な透明材料〔この例ではＩＴＯ（インジリウム・スズ酸化物）〕からなる薄膜のヒータ１６が配置されている。ヒータ１６の第３、第４側面部１３ｂ，１４ｂ側には、ヒータ１６に通電するためのヒータ用電極１７が配置されている。
【００１７】
この性能評価装置１では、実燃料電池の場合と同様に、第１、第２セパレータ本体側ガス流路８ａ，８ｂを通して供給される酸素ガス及び水素ガスが反応して、電力を発生し、この電力発生（発電）過程で水を発生する。発電過程で発生した水並びに酸素ガス及び水素ガス中に含まれて凝固した水は第１、第２セパレータ本体側ガス流路８ａ，８ｂを通して排出される。
【００１８】
また、この性能評価装置１では、ヒータ１６ヘの通電を制御して温度管理し、発生する熱が外部に排出されないように保温するようにしている。そして、このように保温することにより、実際の燃料電池が発電時に生じる温度を維持し、実際の燃料電池で生じる酸素ガス、水素ガス及び水の流れ状況を含む内部現象に近づけて、精度高い性能評価を行えるようにしている。保温温度は、ヒータ１６の電気抵抗を変えて調整するようにしている。
【００１９】
上述したように構成した性能評価装置１では、第１セパレータ本体側ガス流路８ａを流れる水を、第１セパレータ本体９ａ及びヒータ１６を通して観察でき、かつ第２セパレータ本体側ガス流路８ｂを流れる水を、第２セパレータ本体９ｂ及びヒータ１６を通して観察できる。すなわち、性能評価装置１は、第１、第２セパレータ本体９ｂにおける水の流れを可視化するものになっていることにより、水の流れる状況、ひいては水の流れに対応したガス（酸素ガス及び水素ガス）の供給状況（流れ状況）の把握、さらには、水及びガスの流れに対応する燃料電池（単位セル）の性能評価を容易に行うことができる。
【００２０】
また、上述した水及びガスの流れ状況の把握は、保温された状態で行うので、実燃料電池における状況を略再現した状態で行える。このため、上述した可視化に伴う水及びガスの流れ状況の把握並びに燃料電池（単位セル）の性能評価の容易化に加えて、単位セルひいては燃料電池の性能評価をより精度高く行えることになる。
さらに、このように単位セルひいては燃料電池の性能評価を容易に、かつ精度高く行えることにより、第１、第２セパレータ本体側ガス流路８ａ，８ｂの最適形状や大きさ、酸素ガス及び水素ガスの供給量等の設定などに用いることができ、燃料電池の開発に活用することができる。
【００２１】
本発明者は、ヒータ１６を用いて温度調整を行い、異なる温度〔第１〜第４温度Ｔ１〜Ｔ４（Ｔ１＜Ｔ２＜Ｔ３＜Ｔ４）〕に設定して、性能評価装置１が発生する電圧Ｖ及び電流Ｉを測定し、図２に示すように、温度に対応した第１〜第４電圧−電流特性Ａ１〜Ａ４を得た。
図２で示されるように、温度によってこの性能評価装置１の電圧−電流特性（ひいては性能）は変化するが、このことは実燃料電池にも言えることである。そして、この性能評価装置１は、保温された状態で水及びガスの流れ状況を観察するので、単位セルひいては燃料電池の性能評価をより精度高く行えることになる。
【００２２】
次に、本発明の第２実施の形態に係る燃料電池の性能評価装置１Ａを、図３に基づき、図１を参照して説明する。
図３の性能評価装置１Ａ（第２実施の形態）は、図１の性能評価装置１（第１実施の形態）に比して、図１の集電電極１０に代えて、ＩＴＯ（透明材料）の薄膜からなる集電電極（以下、便宜上、透明集電電極という。）１０Ａを設けたこと、及びこれに伴い第１、第２模擬セパレータ３ａ，３ｂに代わる第１、第２模擬セパレータ３Ａａ，３Ａｂを設けたことが異なっている。
【００２３】
この性能評価装置１Ａによれば、透明集電電極１０Ａを通して、この透明集電電極１０Ａに対面した拡散層４表面の状況を観察することができる。第１実施の形態の性能評価装置１では、観察範囲は第１、第２セパレータ本体側ガス流路８ａ，８ｂ部分に制約され、集電電極１０に対面した拡散層４表面の状況を観察することができなかった。これに対し、この第２実施の形態の性能評価装置１Ａでは、その観察が可能となるので、より精度高く単位セル内の現象を把握することができる。
【００２４】
上記各実施の形態では、第１、第２セパレータ本体側ガス流路８ａ，８ｂが１条である場合を例にしたが、本発明はこれに限られず、複数条設けるようにしてもよい。また、第１、第２セパレータ本体側ガス流路８ａ，８ｂは、直線状に延びる形状を例にしたが、これに限らず、屈曲したり、湾曲した形状であってもよい。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】本発明の第１実施の形態に係る燃料電池の性能評価装置を模式的に示す斜視図である。
【図２】図１の性能評価装置が発生する電流−電圧特性を示す図である。
【図３】本発明の第２実施の形態に係る燃料電池の性能評価装置を模式的に示す斜視図である。
【符号の説明】
【００２６】
１、１Ａ…性能評価装置、２…膜−電極アッセンブリ、３ａ、３ｂ…第１、第２模擬セパレータ、８ａ、８ｂ…第１、第２セパレータ本体側ガス流路、９ａ、９ｂ…第１、第２セパレータ本体、１０…集電電極、１０Ａ…透明集電電極。
【図１】
2006228671.tif 000003
【図２】
2006228671.tif 000004
【図３】
2006228671.tif 000005