(57)【要約】【課題】  燃料電池用ガス拡散基材の面内、対抗面内及び対峙面間のガス透気度を測定できる燃料電池用ガス拡散基材のガス透気度評価装置を提供する。【解決手段】  ガス拡散基材を挟持する第１部材、第２部材および挟持されたガス拡散基材の周囲からの気体の流出を防ぐガスケットからなり、前記第１部材のガス拡散基材の挟持面には、弁を介してガス源に連通する通路と、弁を介して差圧計接続口に連通する通路とを有する第１空間部が開口しており、さらに、弁を介してガス源またはガス排出口に連通する通路と弁を介して差圧計接続口に連通する通路とを有する第２空間部が開口しており、前記第２部材のガス拡散基材の挟持面には、ガス拡散基材を挟持したときに第１部材の第２空間部の開口に対峙する位置に開口しており、弁を介して差圧計に連通する通路と、弁を介してガス排出口に連通する通路とを有する第３空間部を有する、ガス拡散基材のガス透気度評価装置である。【選択図】  図1
2006073263.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池用ガス拡散基材を挟持する第１部材、第２部材および挟持された燃料電池用ガス拡散基材の周囲からの気体の流出を防ぐガスケットとからなり、
前記第１部材の燃料電池用ガス拡散基材の挟持面には、
弁を介してガス源に連通する通路と、
弁を介して差圧計接続口に連通する通路とを有する第１空間部が開口しており、さらに、
弁を介してガス源またはガス排出口に連通する通路と弁を介して差圧計接続口に連通する通路とを有する第２空間部が開口しており、
前記第２部材の燃料電池用ガス拡散基材の挟持面には、燃料電池用ガス拡散基材を挟持したときに第１部材の第２空間部の開口に対峙する位置に開口しており、
弁を介して差圧計に連通する通路と、
弁を介してガス排出口に連通する通路とを有する第３空間部を有する、燃料電池用ガス拡散基材のガス透気度評価装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池に用いられるガス拡散基材のガス透気度評価装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池中で、加湿された燃料ガスおよび酸化ガスは、それぞれ、セパレーターに形成されたガス流路溝よりガス拡散基材を通って、触媒層を有する電極へ供給される。その電極上（陽極側）で、酸化ガスは、プロトンと反応して水となる。加湿に用いられた水と反応により生成する水は、触媒層からガス拡散基材を通じて外部に排出される必要がある。
【０００３】
この排水を効率的に行うために、ガス拡散基材のガス透気度は非常に重要である。従来、ガス拡散基材のガス透気度の評価として、一定流量の乾燥空気を透過させたときの圧力損失を測定する手法（例えば、特許文献１など）やガーレー試験法（非特許文献１）等の評価が行われてきた。
【特許文献１】特開平９-１５７０５２号公報
【非特許文献１】ＪＩＳ  Ｐ  ８１１７
【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、従来技術では、
１）ガス拡散基材の面に垂直な方向のガス透気度の評価は行えるが、面内方向のガス透気度についての評価は行うことができない。
２）乾燥ガスを用いたガス透気度の評価は行えるが、陽極で生成した水が水蒸気となってガス拡散基材を流れるときのガス透気度の評価や、燃料ガスおよび酸化ガスが加湿されている条件でのガス透気度の評価が行えない
という問題があった。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明の要旨は、
燃料電池用ガス拡散基材を挟持する第１部材、第２部材および挟持された燃料電池用ガス拡散基材の周囲からの気体の流出を防ぐガスケットとからなり、
前記第１部材の燃料電池用ガス拡散基材の挟持面には、
弁を介してガス源に連通する通路と、
弁を介して差圧計接続口に連通する通路とを有する第１空間部が開口しており、さらに、
弁を介してガス源またはガス排出口に連通する通路と弁を介して差圧計接続口に連通する通路とを有する第２空間部が開口しており、
前記第２部材の燃料電池用ガス拡散基材の挟持面には、燃料電池用ガス拡散基材を挟持したときに第１部材の第２空間部の開口に対峙する位置に開口しており、
弁を介して差圧計に連通する通路と、
弁を介してガス排出口に連通する通路とを有する第３空間部を有する、燃料電池用ガス拡散基材のガス透気度評価装置
にある。
【発明の効果】
【０００６】
本発明は、燃料電池用ガス拡散基材の面内、対抗面内及び対峙面間のガス透気度を測定できる。さらに、加湿ガスを供給することにより、実際の運転条件に近い状態での燃料電池用ガス拡散基材の面内、対抗面内及び対峙面間のガス透気度を測定できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００７】
「燃料電池用ガス拡散基材」
本発明の評価装置で評価可能な燃料電池用ガス拡散基材は、特に限定されないが、固体高分子型燃料電池用ガス拡散基材の評価に特に有効に用いることができる。
【０００８】
以下、図を用いて、本発明を具体的に説明する。
図１は、本発明の評価装置の断面図である。
【０００９】
「評価装置」
本発明の評価装置は、第１部材、第２部材およびガスケットとから構成される。
「第１部材」
第１部材の燃料電池用ガス拡散基材の挟持面には、弁を介してガス源に連通する通路と、弁を介して差圧計接続口に連通する通路とを有する第１空間部が開口し、さらに、弁を介してガス源またはガス排出口に連通する通路と弁を介して差圧計接続口に連通する通路とを有する第２空間部が開口していることが必要である。
第１部材の材質は、気密性という観点よりステンレス板、鉄板、カーボン板、銅版、ポリマー板等を用いることが好ましい。機械的強度、高温、高加湿下での測定状態での耐熱性、加工性という観点よりステンレスを用いることがより好ましい。
第１部材の挟持面は、直接ガス拡散基材と接触するため、ガス拡散基材と接触面は研磨し鏡面加工することが好ましい。
それぞれの弁とガス源、差圧計とを繋ぐ配管は、ステンレス管、ポリマー管等を用いることが好ましく、高温、高加湿下での測定状態での耐熱性という観点より、ステンレス管を用いることがより好ましい。
上記の配管や通路は、圧力損失の低減という観点より、４mm以上であることが好ましい。
【００１０】
「第２部材」
第２部材の燃料電池用ガス拡散基材の挟持面には、燃料電池用ガス拡散基材を挟持したときに第１部材の第２空間部に対峙する開口し、弁を介して差圧計に連通する通路と、弁を介してガス排出口に連通する通路とを有する第３空間部を有することが必要である。
第２部材の材質も、第１部材同様、気密性という観点よりステンレス板、鉄板、カーボン板、銅版、ポリマー板等を用いることが好ましい。機械的強度、高温、高加湿下での測定状態での耐熱性、加工性という観点よりステンレスを用いることがより好ましい。
第２部材の挟持面も第１部材の挟持面と同様に、直接ガス拡散基材と接触するため、ガス拡散基材と接触面は研磨し鏡面加工することが好ましい。
第２部材においても、それぞれの弁とガス源、差圧計とを繋ぐ配管は、ステンレス管、ポリマー管等を用いることが好ましく、高温、高加湿下での測定状態での耐熱性という観点より、ステンレス管を用いることがより好ましい。
上記の配管や通路は、圧力損失の低減という観点より、４mm以上であることが好ましい。
【００１１】
「空間部の大きさ・位置」
第１〜３空間部の開口部形状は、同じであることが好ましく、形状も正方形とすることが好ましい。また正方形の空間部とした第１空間部と第２空間部は、両正方形開口の近接する辺同士が平行となることが好ましい。第１空間部と第２空間部の距離（L）と開口部の一辺の長さ（a）の関係は、ガス拡散基材の厚みをtとすると、L＞１０t2/aであることが好ましく、L＞２０t2/aであることがより好ましい。
また、挟持したとき、第２空間部の開口面と第３空間部の対峙する位置にあることが必要である。
第１〜３空間部の開口面積は1mm2以上とすることが好ましく、1cm2とすることがより好ましい。第１空間部と第２空間部を有する第１部材および第３空間部を持つ第２部材の面積は、ガス排出部となる第２空間部または第３空間部以外からのガスの排出が起こらないようにするため、第１空間部と第２空間部とその間の面積より十分大きくすることが好ましい。
【００１２】
「ガスケット」
ガス拡散基材を挟持した第１部材と第２部材とは、ボルト、ナットにより締結する。ガス拡散基材の周囲からガス透気度評価装置外部へリークするガスを抑制するため、ガス拡散基材よりわずかに大きな切り抜きを有するガスケットを設置することが必要である。ガスケットの厚みは、ガス拡散基材と同程度とする。ガスケットにより、ガス排出部となる第２空間部または第３空間部以外からのガスの排出はおこらないようになっている。ガスケットの基材としては、シリコンゴムシート等のゴム材料や、耐熱性を持つテフロン（登録商標）（登録商標）シート等が好ましい。ガス拡散基材との厚みを同程度にするという観点からは、厚みが異なるシートの入手が容易なテフロン（登録商標）（登録商標）シートがより好ましい。締結圧はトルクレンチによって制御することが好ましい。
【００１３】
「評価方法」
評価を行う際に使用するガスは、実際に使用する雰囲気と同様に加湿されていることが好ましい。ガス温度及び湿度は条件によって異なるが、ガス温度６０℃〜８５℃、相対湿度５０％〜１００％が好ましい範囲である。
評価は以下の手順で行う。
まず、第１空間部、第２空間部、第３空間部及びガス拡散基材を図１のように配置する。このような配置を実現する方法はどのような方法であっても構わないが、第１空間部及び第２空間部を有する第１部材と、第３空間部を有する第２部材の第３空間部が第１空間部に対峙するように挟持するとともにガス拡散基材の端面から外部へリークするガスを抑制するため、ガスケットを使用して第１部材、ガス拡散基材及び第２部材を締結する。
【００１４】
「第１空間部→ガス拡散基材→第２空間部」
１）第３空間部から通じる通路にある弁を閉じる。
２）第１空間部のガス源に連通する弁と差圧計接続口に連通する弁とを開く。
３）第２空間部のガス排出口に連通する弁と差圧計接続口に連通する弁とを開く。
４）第１と第２空間部の差圧計接続口に差圧計を接続する。
【００１５】
「第１空間部→ガス拡散基材→第３空間部」
１）第２空間部から通じる通路にある弁を閉じる。
２）第１空間部のガス源に連通する弁と差圧計接続口に連通する弁とを開く。
３）第３空間部のガス排出口に連通する弁と差圧計接続口に連通する弁とを開く。
４）第１と第３空間部の差圧計接続口に差圧計を接続する。
【００１６】
「第２空間部→ガス拡散基材→第３空間部」
１）第１空間部から通じる通路にある弁を閉じる。
２）第２空間部のガス源に連通する弁と差圧計接続口に連通する弁とを開く。
３）第３空間部のガス排出口に連通する弁と差圧計接続口に連通する弁とを開く。
４）第２と第３空間部の差圧計接続口に差圧計を接続する。
【００１７】
＜ガス源＞
ガス源としては、マスフローコントローラまたはフローメータを介して供給ガスボンベを使用する。供給ガスとしては、燃料電池の発電に用いられる酸素、水素、空気等が好ましい。
マスフローコントローラまたはフローメータとしては、ガス流量が１０ml〜１０ｌの範囲で制御でき、その制御精度は、ガス透気度の測定精度という観点より±１０％以下であることが好ましく、また、±５％以下であることがより好ましい。
必要に応じてガスとして加湿ガスを供給することができる。ガスを加湿する際は、マスフローコントローラまたはフローメータを出たガスを加湿器に導き加湿する方法を採用する。
加湿器としては、どのようなものでも構わないが、バブリングすることによって加湿する加湿器が好ましい。加湿ガスを供給した際には、ガス透気度評価装置内での結露を抑制するため、第１部材と第２部材表面にラバーヒータを設置することが好ましい。また、このときの第１部材と第２部材およびガス拡散基材の温度を制御するため、熱電対を設置してもよい。供給ガスのガス温度と加湿度の範囲は、固体高分子型燃料電池内部でのガス温度と相対湿度として想定される、ガス温度６０℃〜８５℃、相対湿度５０％〜１００％の範囲で制御できることが好ましい。相対湿度は露点計によって制御することが好ましい。
【００１８】
＜差圧計＞
差圧計接続口には差圧計を接続する。上で示した種々の方向でガス拡散基材を透過するガスの圧力損失を差圧計より読み取り、単位面積あたりのガス透気度を求める。
【００１９】
（実施例1）
第１空間部、第２空間部および第３空間部の開口面を１０ｍｍ×１０ｍｍ、第１空間部と第２空間部の間隔を１０ｍｍとした第１部材と第２部材の間に、ガス拡散基材として３０ｍｍ×５０ｍｍに切り取った厚さ１５０μｍのカーボンペーパー（三菱レイヨン（株）ガス拡散層ＭＦＧ０７０）をセットし、その周りにガスケットとして厚さ１５０μｍのテフロン（登録商標）シート（ニチアス（株）ナフロンテープ）をセットした。第１部材と第２部材をボルト、ナットによりトルク３N・mで締結した。
「第１空間部→ガス拡散基材→第２空間部」に記載した手順で、第１空間部に接続したフローメータを用い、空気の流速を０ｍｌから１００ｍｌまでの範囲で１０ｍｌ間隔で変化させ、差圧を差圧計を用いて測定した。得られた圧力損失の値よりガス拡散基材の面内方向、特に固体高分子型燃料電池におけるセパレーターの流路溝間を流れるガスに関するガス透気度の評価を行った。図２（ａ）にその結果をガス流速に対するグラフとして示した。
【００２０】
（実施例２）
第１空間部、第２空間部および第３空間部の開口面を１０ｍｍ×１０ｍｍ、第１空間部と第２空間部の間隔を１０ｍｍとした第１部材と第２部材の間に、ガス拡散基材として３０ｍｍ×５０ｍｍに切り取った厚さ１５０μｍのカーボンペーパー（三菱レイヨン（株）ガス拡散層ＭＦＧ０７０）をセットし、その周りにガスケットとして厚さ１５０μｍのテフロン（登録商標）シート（ニチアス（株）ナフロンテープ）をセットした。
第１部材と第２部材をボルト、ナットによりトルク圧３N・mで締結した。「第１空間部→ガス拡散基材→第３空間部」に記載した手順で、第１空間部に接続したフローメータを用い、空気の流速を０ｍｌから１００ｍｌまでの範囲を１０ｍｌ間隔で変化させ、差圧を差圧計を用いて測定した。
得られた圧力損失の値よりガス拡散基材の対抗面内方向、特に固体高分子型燃料電池におけるセパレーターの流路溝から流路溝間の位置に存在する触媒層へ流れるガスに関するガス透気度の評価を行った。図２（ｂ）にその結果をガス流速に対するグラフとして示した。
【００２１】
（実施例３）
第１空間部、第２空間部および第３空間部の開口面を１０ｍｍ×１０ｍｍ、第１空間部と第２空間部の間隔を１０ｍｍとした第１部材と第２部材の間に、ガス拡散基材として３０ｍｍ×５０ｍｍに切り取った厚さ１５０μｍのカーボンペーパー（三菱レイヨン（株）ガス拡散層ＭＦＧ０７０）をセットし、その周りにガスケットとして厚さ１５０μｍのテフロン（登録商標）シート（ニチアス（株）ナフロンテープ）をセットした。第１部材と第２部材をボルト、ナットによりトルク３N・mで締結した。
「第２空間部→ガス拡散基材→第３空間部」に記載した手順で、空気の流速を０ｍｌから１００ｍｌまでの範囲を１０ｍｌ間隔で変化させ、差圧を差圧計を用いて測定した。得られた圧力損失の値よりガス拡散基材の対峙面間方向、特に固体高分子型燃料電池におけるセパレーターの流路溝から流路溝の位置に存在する触媒層へ流れるガスに関するガス透気度の評価を行った。図３（ａ）にその結果をガス流速に対するグラフとして示した。
【００２２】
（比較例）
ＪＩＳ  Ｐ８１１７に準拠し、ガーレー式デンソメーターを使用し、２００ｍｌの空気が通過する時間を測定した。図３（ｂ）にその結果をプロットした。
以上説明したように、本発明は、燃料電池用ガス拡散基材の面内、対抗面内及び対峙面間のガス透気度を測定できる。さらに、加湿ガスを供給することにより、実際の運転条件に近い状態での燃料電池用ガス拡散基材の面内、対抗面内及び対峙面間のガス透気度を測定できる。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】本発明の燃料電池用ガス拡散基材のガス透気度評価装置の一例図である。
【図２】本発明の燃料電池用ガス拡散基材のガス透気度評価装置を用いた評価結果の一例図である。
【図３】本発明の燃料電池用ガス拡散基材のガス透気度評価装置を用いた評価結果の一例図である。
【符号の説明】
【００２４】
１          第１部材
２          第２部材
１１        第１空間部
１２        第２空間部
２１        第３空間部
３          ガスケット
４          燃料電池用ガス拡散基材
【図１】
2006073263.tif 000003
【図２】
2006073263.tif 000004
【図３】
2006073263.tif 000005