(57)【要約】      （修正有）【課題】  薄膜化されたセルであっても、損傷を与えることなく容易に設置できるとともに、セルに対する均一かつ一定の挟み込み力を確保することができ、安定した評価結果を得ることができる燃料電池セルの特性評価装置を提供する。【解決手段】  セルの特性評価装置は、セルの両面に対してそれぞれ対応するガスを導入するための一対の管状のガス導入管９ａ，９ｂと、ガス導入管９ａ，９ｂを囲んで外側に配置される一対の管状のセル支持管８ａ，８ｂと、セル支持管８ａ，８ｂのセルに対する押圧力を調整するための押圧力調整部とを有する。また好ましくは、ガス導入管９ａ，９ｂのセルに対する圧接力を調整するための圧接力調整部が設けられる。【選択図】            図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電解質の両面に少なくとも一対の電極が形成されてなるセルの特性評価装置であって、
前記セルの両面に対してそれぞれ対応するガスを導入するための一対の管状のガス導入管と、
前記ガス導入管を囲んで外側に配置される一対の管状のセル支持管と、
前記セル支持管の前記セルに対する押圧力を調整するための押圧力調整手段と、
を有することを特徴とするセルの特性評価装置。
【請求項２】
前記ガス導入管の前記セルに対する圧接力を調整するための圧接力調整手段をさらに有することを特徴とする請求項１に記載のセルの特性評価装置。
【請求項３】
前記押圧力調整手段は、ばね部材と、当該ばね部材の作動長を変化させる可変機構とを有することを特徴とする請求項１に記載のセルの特性評価装置。
【請求項４】
前記圧接力調整手段は、ばね部材と、当該ばね部材の作動長を変化させる可変機構とを有することを特徴とする請求項２に記載のセルの特性評価装置。
【請求項５】
前記可変機構は、ねじの送り動作に利用されるねじ部を有することを特徴とする請求項３または４に記載のセルの特性評価装置。
【請求項６】
前記セル支持管は、前記セル側の端部に着脱可能な支持治具を有することを特徴とする請求項１〜５のいずれか１つに記載のセルの特性評価装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電解質の両面に少なくとも一対の電極が形成されてなるセルの特性評価装置に関し、特に、燃料電池のセルの発電出力特性等の性能を評価するための特性評価装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
固体電解質燃料電池のセルの特性の向上、もしくはセルを構成する、燃料極、空気極、固体電解質、インターコネクタ等の部材の特性向上のための基礎研究において、イオン輸率、電圧−電流特性、過電圧、インピーダンス、およびガス透過性などの特性が測定される（特許文献１参照）。
【０００３】
通常これらの特性の評価を行う場合、固体電解質の焼結基板の片面に空気極、その反対面に燃料極が形成されたセルが使用される。続いて、ガラスリング、金属パッキンリング等のシール材を介して一対の気密管をセルの両面にそれぞれ密着させることにより、燃料極が位置される燃料極室と空気極が位置される空気極室とが、相互に隔離した構造として形成される。
【０００４】
そして、両電極の酸素イオン濃度に差を設けることにより、下記のような燃料電池反応を進行させながら、各種特性の評価が行われる。
【０００５】
アノード側：  Ｏ２−＋Ｈ２→Ｈ２Ｏ＋２ｅ−
カソード側：  Ｏ２＋４ｅ−→２Ｏ２−
一方、セルの出力の向上およびセルの稼動温度の低減のために、固体電解質を薄膜手法で作成して固体電解質抵抗を低減する試みが活発に行われている。たとえば、固体電解質の厚さを数μｍ〜数十μｍ程度に薄膜化して、固体電解質抵抗を低減する試みが行われている（非特許文献１参照）。
【特許文献１】特開平４−１０４４７３号公報
【非特許文献１】ジャーナル  オブ  ジ  エレクトロケミカル  ソサイエティ（Ｊｏｕｒｎａｌ  ｏｆ  ｔｈｅ  Ｅｌｅｃｔｒｏｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｓｏｃｉｅｔｙ）、１４４、３、Ｌ３５（１９９７）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、固体電解質を薄膜化すると、機械的強度が大きく低下し、このため非常に割れ易いセルを扱わなければならない。したがって、従来のセルの特性評価装置においては、薄膜化されたセルを評価する場合に、装置への装着時にセルを支持し得る気密管によってセルが過度に強く挟み込まれたり、あるいはセル面を均一に挟み込むことができなかったりして、セルを破損する虞があった。また、逆に、セルの破損を避けようとしてセルを挟み込む力が弱過ぎると、シール部分に空隙が発生して、燃料極室および空気極室の各ガスが相互に混入してしまう虞があった。この結果、安定した評価結果が得られないという問題があった。
【０００７】
本発明は、上記した課題を解決するためになされたものであり、本発明の目的は、薄膜化されたセルであっても、損傷を与えることなく容易に設置できるとともに、セルに対する均一かつ一定の挟み込み力を確保することができ、安定した評価結果を得ることができるセルの特性評価装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の目的は、下記の手段により達成される。
【０００９】
（１）電解質の両面に少なくとも一対の電極が形成されてなるセルの特性評価装置であって、前記セルの両面に対してそれぞれ対応するガスを導入するための一対の管状のガス導入管と、前記ガス導入管を囲んで外側に配置される一対の管状のセル支持管と、前記セル支持管の前記セルに対する押圧力を調整するための押圧力調整手段と、を有することを特徴とするセルの特性評価装置。
【００１０】
（２）前記ガス導入管の前記セルに対する圧接力を調整するための圧接力調整手段をさらに有することを特徴とする上記（１）に記載のセルの特性評価装置。
【００１１】
（３）前記押圧力調整手段は、ばね部材と、当該ばね部材の作動長を変化させる可変機構とを有することを特徴とする上記（１）に記載のセルの特性評価装置。
【００１２】
（４）前記圧接力調整手段は、ばね部材と、当該ばね部材の作動長を変化させる可変機構とを有することを特徴とする上記（２）に記載のセルの特性評価装置。
【００１３】
（５）前記可変機構は、ねじの送り動作に利用されるねじ部を有することを特徴とする上記（３）または（４）に記載のセルの特性評価装置。
【００１４】
（６）前記セル支持管は、前記セル側の端部に着脱可能な支持治具を有することを特徴とする上記（１）〜（５）のいずれか１つに記載のセルの特性評価装置。
【発明の効果】
【００１５】
本発明のセルの特性評価装置によれば、薄膜化されたセルであっても、損傷を与えることなく容易に設置できるとともに、セルに対する均一かつ一定の挟み込み力を確保することができ、安定した評価結果を得ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
以下、本発明の実施の形態を、図面を参照して詳細に説明する。
【００１７】
図１は、本発明の一実施形態にかかるセルの特性評価装置の全体構成を示す図、図２は、セルを支持する部分の拡大断面図、図３は、セルを支持する際の当該セルに対する押圧力ないし圧接力を調整するための調整機構部付近の拡大断面図である。
【００１８】
図１に示すように、セルの特性評価装置１００は、たとえば固体電解質燃料電池のセル４の特性評価装置であって、空気極側セル保持部１１０と、燃料極側セル保持部１２０とを有している。このセルの特性評価装置１００は、セル４についての、イオン輸率、電圧−電流特性、過電圧、インピーダンス、およびガス透過性などの特性を評価することができる。
【００１９】
図２に示すように、セル４は、電解質１の両面に少なくとも一対の電極が形成されて構成されている。電解質１は、たとえば固体電解質の焼結基板であり、一方の面に空気極２、他方の面に燃料極３が印刷法などによって形成されている。
【００２０】
セルの特性評価装置１００は、空気極２および燃料極３に対してそれぞれ対応するガスを導入するための一対の管状のガス導入管９ａ，９ｂと、ガス導入管９ａ，９ｂを囲んで外側に配置される一対の管状のセル支持管８ａ，８ｂとを有している。
【００２１】
燃料電池反応を生じさせる場合には、空気（酸素）ガスが空気極側セル保持部１１０の入口１１１から流入され、ガス導入管９ａを通ってセル４の空気極２に導かれた後、セル支持管８ａを通って出口１１２から流出される。また、燃料（水素）ガスが燃料極側セル保持部１２０の入口１２１から流入され、ガス導入管９ｂを通ってセル４の燃料極３に導かれた後、セル支持管８ｂを通って出口１２２から流出される。
【００２２】
セル支持管８ａ，８ｂは、セル４側の端部に、着脱可能な支持治具７ａ，７ｂを有している。これらの支持治具７ａおよび７ｂは、セル支持管８ａ，８ｂの端部に対して、たとえばねじ締結などの固定手段によって着脱可能とされる。そして、セル支持管８ａ，８ｂと支持治具７ａ，７ｂとの間は、シール材６ａ，６ｂによってシールされる。なお、図２のねじの螺合部において、雄ねじと雌ねじのクリアランスは実際より大きく描かれている（図３においても同様）。
【００２３】
このようにして、セル支持管８ａ，８ｂの支持治具７ａ，７ｂの先端面が、シール材５ａ，５ｂを介してセル４の表面に接触し得る。このシール材５ａ，５ｂによって、燃料極３が位置される燃料極室と空気極２が位置される空気極室とが、相互に隔離した構造として気密に保たれる。
【００２４】
ここで、支持治具７ａ，７ｂの先端面は、適切なシール性能を確保するために、評価の都度仕上げ調整される必要がある。本実施形態によれば、特性評価において使用中に支持治具７ａ，７ｂの先端面が損傷した場合であっても、支持治具７ａ，７ｂのみを交換するだけで済む。これにより、セル支持管８ａ，８ｂの取り替えをする必要が無く、作業性が向上するとともに、コストの低減も図られる。
【００２５】
セル支持管８ａ，８ｂ、および支持治具７ａ，７ｂの材料として、たとえばアルミナ（Ａｌ２Ｏ３）が使用されるが、石英（ガラス）、金属などが使用されてもよい。また、ガス導入管９ａ，９ｂの材料としては、たとえば石英（ガラス）が使用される。また、シール材５ａ，５ｂ、およびシール材６ａ，６ｂの材料として、たとえば白金、金などの金属が使用されるが、石英（ガラス）、ゴム、樹脂などが使用されてもよい。
【００２６】
ガス導入管９ａ，９ｂの内側には、電極管１０ａ，１０ｂが配置される。電極管１０ａ，１０ｂは、外径がたとえば４ｍｍであり、軸方向に伸延する４つの貫通孔が形成された絶縁管である。電極管１０ａ，１０ｂの材料として、たとえばアルミナ（Ａｌ２Ｏ３）が使用される。また、電極管１０ａ，１０ｂの貫通孔には、電極線１２ａ，１２ｂと、温度センサ１３ａ，１３ｂのリード線とが挿通される。温度センサ１３ａおよび１３ｂは、それぞれ空気極２および燃料極３近傍の温度を検出することができる。なお、電極管１０ａ，１０ｂの貫通孔の個数は４つに限定されるものではない。
【００２７】
ガス導入管９ａの端面とセル４の空気極２との間、およびガス導入管９ｂの端面とセル４の燃料極３との間に、それぞれ集電材１１ａ，１１ｂが配置される。電極線１２ａ，１２ｂは、集電材１１ａ，１１ｂを介して、それぞれセル４の電極２，３と接続されることができる。集電材１１ａ，１１ｂの材料として、たとえば銀などの金属の発泡体またはメッシュが使用される。
【００２８】
セルの特性評価装置１００におけるセル４を支持する部分は、雰囲気を保護するための保護管１４で覆われている。この保護管１４の内部では、安全を考慮して一定量の不活性ガスが流通される。
【００２９】
また、セルの特性評価装置１００には、セル４を所定の温度に加熱するための加熱炉１５が設けられている。加熱炉１５は、空気極２および燃料極３の近傍に設けられた温度センサ１３ａ，１３ｂによって均一な温度管理がなされている。
【００３０】
セルの特性評価装置１００の空気極側セル保持部１１０および燃料極側セル保持部１２０は、セル４を支持する際の当該セル４に対する押圧力ないし圧接力を調整するための調整機構部１１３，１２３をそれぞれ有している（図１参照）。以下、空気極側セル保持部１１０の調整機構部１１３について説明する。燃料極側セル保持部１２０の調整機構部１２３は、空気極側セル保持部１１０の調整機構部１１３と同様の構成であるため説明を省略する。
【００３１】
図３に示すように、調整機構部１１３は、ガス導入管９ａのセル４に対する圧接力を調整するための圧接力調整部１１４と、ガス導入管９ａのセル４に対する圧接力とは独立してセル支持管８ａのセル４に対する押圧力を調整するための押圧力調整部１１５とから構成されている。本明細書において、圧接とは、押圧して接触抵抗が少なくなるように両者を接触させることをいう。なお、図３中の矢印はガスの流通方向を示す。
【００３２】
圧接力調整部１１４は、ガス導入管９ａをセル４の方へ付勢し得る第１ばね部材２６と、当該第１ばね部材２６の作動長を変化させる第１可変部２１とを有している。また、押圧力調整部１１５は、セル支持管８ａ，８ｂをセル４の方へ付勢し得る第２ばね部材２７と、当該第２ばね部材２７の作動長を変化させる第２可変部２４とを有している。
【００３３】
第１ばね部材２６は、ガス導入管９ａに設けられた当接面５１と供給用マニホールド２０に設けられた当接面５２との間に配置される。つまり第１ばね部材２６の作動長は、両当接面５１，５２間の距離によって決定される。また、第２ばね部材２７は、セル支持管８ａの後端部に位置する当接面５３と押圧用治具２５に設けられた当接面５４との間に配置される。つまり第２ばね部材２７の作動長は、両当接面５３，５４間の距離によって決定される。
【００３４】
そして、第１可変部２１および第２可変部２４はそれぞれ、ねじの送り動作に利用される雌ねじ部４１および４２を有している。第１可変部２１の雌ねじ部４１は、セルの特性評価装置１００に固定された排出用マニホールド２３に固着されている治具２２に形成された雄ねじ部４３に螺合される。また、第２可変部２４の雌ねじ部４２は、排出用マニホールド２３に形成された雄ねじ部４４に螺合される。また、第１可変部２１には、供給用マニホールド２０に形成された凹状部４５に係合する係合部４６が形成されており、第２可変部２４には、押圧用治具２５に形成された凹状部４７に係合する係合部４８が形成されている。
【００３５】
したがって、第１可変部２１を回転させることにより、供給用マニホールド２０を軸方向に微小移動させることができ、これにより第１ばね部材２６の作動長を精密に変化させることができる。また、第１可変部２１の外周面には、たとえば１０度刻みの溝からなる目盛りが形成されており（図１参照）、操作性の向上が図られている。雌ねじ部４１および雄ねじ部４３のピッチはたとえば１ｍｍに設定される。つまり第１可変部２１を１回転させると、第１可変部２１および供給用マニホールド２０は、１ｍｍ軸方向に移動する。なお、第１可変部２１を回転させると同時に、第１ばね部材２６も移動する。第１ばね部材２６による荷重は、ガス導入管９ａが集電材１１ａを介してセル４に接触した時点で初めて生じる構造とされている。また、第１可変部２１および供給用マニホールド２０の移動量に比例して、ガス導入管９ａのセル４に対する圧接力を増減できるため、セル４の機械的強度に応じて圧接力を設定することが可能である。
【００３６】
第１ばね部材２６は、最大荷重、つまり最小作動長におけるばね荷重がたとえば７ｋｇとなるように設定され、また、第１可変部２１の１回転による１ｍｍの軸方向移動量に対してばね荷重がたとえば１ｋｇ変化するように設定される。なお、セル４の種類によって、第１ばね部材２６の設定荷重またはばね定数が適宜変更され得る。
【００３７】
こうして圧接力調整部１１４は、ガス導入管９ａのセル４に対する圧接力を微小調整することができる。ここで、第１ばね部材２６によるガス導入管９ａの圧接力は、集電材１１ａを介してセル４の電極に作用する。
【００３８】
一方、第２可変部２４を回転させることにより、押圧用治具２５を軸方向に微小移動させることができ、これにより第２ばね部材２７の作動長を精密に変化させることができる。また、第２可変部２４の外周面にも、たとえば１０度刻みの溝からなる目盛りが形成されており（図１参照）、操作性の向上が図られている。雌ねじ部４２および雄ねじ部４４のピッチはたとえば２ｍｍに設定される。つまり第２可変部２４を１回転させると、第２可変部２４および押圧用治具２５は、２ｍｍ軸方向に移動する。なお、第２可変部２４を回転させると同時に、第２ばね部材２７も移動する。第２ばね部材２７による荷重は、セル支持管８ａがシール材５ａを介してセル４に接触した時点で初めて生じる構造とされている。また、第２可変部２４および押圧用治具２５の移動量に比例して、セル支持管８ａのセル４に対する押圧力を増減できるため、セル４の電解質１の機械的強度、およびシール材５ａの種類（材料）に応じて押圧力を設定することが可能である。
【００３９】
第２ばね部材２７は、最大荷重がたとえば７ｋｇとなるように設定され、また、第２可変部２４の１回転による２ｍｍの軸方向移動量に対してばね荷重がたとえば２ｋｇ変化するように設定される。なお、電解質１あるいはシール材５ａの種類によって、第２ばね部材２７の設定荷重またはばね定数が適宜変更され得る。
【００４０】
こうして押圧力調整部１１５は、セル支持管８ａのセル４に対する押圧力を微小調整することができる。ここで、第２ばね部材２７によるセル支持管８ａの押圧力は、シール材５ａを介してセル４の電解質１に作用する。
【００４１】
また、調整機構部１１３は、雰囲気をシールするためのシール材２８〜３２を使用することによって小型化が図られている。これにより、ガスの流通の際に生じる残留ガスの濃度の影響を小さくすることができ、評価結果の信頼性が向上する。なお、集電材１１ａの構造を選択することにより、イオン輸率の測定が可能である。
【００４２】
次に、図４〜図６を参照して、セルの特性評価装置１００に評価対象であるセル４をセットする方法について説明する。なお、空気極側セル保持部１１０の調整機構部１１３の操作を主として説明するが、燃料極側セル保持部１２０の調整機構部１２３も同様の操作が行われる。
【００４３】
まず、予め相互に離間された状態の一対のセル支持管８ａ，８ｂの間（同様に一対のガス導入管９ａ，９ｂの間）に、セル４、集電材１１ａ，１１ｂ、およびシール材５ａ，５ｂを図２に示すように重ねて位置させる（図４（Ａ）参照）。
【００４４】
そして、圧接力調整部１１４の第１可変部２１を回転させることにより、第１可変部２１および供給用マニホールド２０が図中下方に移動するとともに、第１ばね部材２６およびガス導入管９ａが図中下方に移動して、ガス導入管９ａの先端が集電材１１ａを介してセル４に丁度接触する（図４（Ｂ）参照）。この時点で、セル４の電極２，３が圧接力０ｋｇでガス導入管９ａ，９ｂにより挟み込まれて支持される。
【００４５】
続いて、第１可変部２１をさらに回転させると、セル４の電極２，３に対する圧接力が増大される。本実施形態では、圧接力は最大７ｋｇに設定可能であるが、所定の適切な圧接力が得られるまで第１可変部２１が回転させられる（図５（Ａ）参照）。
【００４６】
次に、押圧力調整部１１５の第２可変部２４を回転させることにより、第２可変部２４および押圧用治具２５が図中下方に移動するとともに、第２ばね部材２７およびセル支持管８ａが図中下方に移動して、セル支持管８ａの先端がシール材５ａを介してセル４に丁度接触する（図５（Ｂ）参照）。この時点で、セル４の電解質１が押圧力０ｋｇでセル支持管８ａ，８ｂにより挟み込まれて支持される。
【００４７】
続いて、第２可変部２４をさらに回転させると、セル４の電解質１に対する押圧力が増大される。本実施形態では、押圧力は最大７ｋｇに設定可能であるが、所定の適切な押圧力が得られるまで第２可変部２４が回転させられる（図６参照）。
【００４８】
このように本実施形態のセルの特性評価装置１００は、セル４の両面に対してそれぞれ対応するガスを導入するための一対の管状のガス導入管９ａ，９ｂと、ガス導入管９ａ，９ｂを囲んで外側に配置される一対の管状のセル支持管８ａ，８ｂと、ガス導入管９ａ，９ｂのセル４に対する圧接力を調整するための圧接力調整部１１４と、セル支持管８ａ，８ｂのセル４に対する押圧力を調整するための押圧力調整部１１５とを有している。
【００４９】
したがって、薄膜化されたセル４であっても、損傷を与えることなく容易にセルの特性評価装置１００に設置することができる。
【００５０】
すなわち、圧接力調整部１１４により、集電材１１ａ，１１ｂと電極２，３との間の接触抵抗の低減、集電材１１ａ，１１ｂの集電性能の確保につながる電極に対する最適な圧接力を、セル４に損傷を与えることなく設定することができる。また、押圧力調整部１１５により、ガスのシール性能の確保につながる電解質１に対する最適な押圧力を、電解質１あるいはシール材５ａに損傷を与えることなく設定することができる。さらに、評価テスト中において、たとえばシール材５ａの変形によって押圧力が変動した場合であっても、押圧力調整部１１５により押圧力の調整が可能であるため、確実なシール性能を保持できる。
【００５１】
このようにしてセルに対する均一かつ一定の挟み込み力を確保することができ、安定した評価結果を得ることができる。
【００５２】
本発明は、上記した実施形態のみに限定されるものではなく、特許請求の範囲内において、種々改変することができる。
【００５３】
たとえば、上記実施形態では、セルの特性評価装置１００において、単一のセルが評価される場合について説明したが、本発明はこれに限定されるものではない。本発明のセルの特性評価装置は、スタック状のセルの評価にも適用可能である。
【図面の簡単な説明】
【００５４】
【図１】本発明の一実施形態にかかるセルの特性評価装置の全体構成を示す図である。
【図２】セルを支持する部分の拡大断面図である。
【図３】セルを支持する際の当該セルに対する押圧力ないし圧接力を調整するための調整機構部付近の拡大断面図である。
【図４】セルの特性評価装置にセルをセットする方法について説明するための図である。
【図５】図４から続く、セルの特性評価装置にセルをセットする方法について説明するための図である。
【図６】図５から続く、セルの特性評価装置にセルをセットする方法について説明するための図である。
【符号の説明】
【００５５】
１    電解質、
２    空気極（電極）、
３    燃料極（電極）、
４    セル、
５ａ，５ｂ    シール材、
６ａ，６ｂ    シール材、
７ａ，７ｂ    支持治具、
８ａ，８ｂ    セル支持管、
９ａ，９ｂ    ガス導入管、
１０ａ，１０ｂ    電極管、
１１ａ，１１ｂ    集電材、
１２ａ，１２ｂ    電極線、
１３ａ，１３ｂ    温度センサ、
１４    保護管、
１５    加熱炉、
２０    供給用マニホールド、
２１    第１可変部、
２２    治具、
２３    排出用マニホールド、
２４    第２可変部、
２５    押圧用治具、
２６    第１ばね部材、
２７    第２ばね部材、
２８〜３２    シール材、
４１，４２    雌ねじ部、
４３，４４    雄ねじ部、
１００    特性評価装置、
１１０    空気極側セル保持部、
１２０    燃料極側セル保持部、
１１１，１２１    入口、
１１２，１２２    出口、
１１３，１２３    調整機構部、
１１４    圧接力調整部、
１１５    押圧力調整部。
【図１】
2006085923.tif 000003
【図２】
2006085923.tif 000004
【図３】
2006085923.tif 000005
【図４】
2006085923.tif 000006
【図５】
2006085923.tif 000007
【図６】
2006085923.tif 000008