(57)【要約】【課題】  セパレータ面内におけるガスの定量的な、挙動、流量分布を把握することを可能とする燃料電池内の反応ガスの流動の評価方法、評価装置、評価用燃料電池の提供。【解決手段】（１）正規の反応ガスの入口５１と出口５２との間に設けた検査ガス入口５３から検査ガスを導入する工程と、正規の反応ガスの入口と出口との間に設けた検出部５４にて検査ガスを検出する工程とを、有する燃料電池内の反応ガスの流動の評価方法。（２）正規の反応ガスの入口と出口との間に設けた検査ガス入口５３と、正規の反応ガスの入口と出口との間に設けた検査ガス検出部５４とそれに接続された検査ガス測定手段５６とを、有する燃料電池内の反応ガスの流動の評価装置５０。（３）正規の反応ガスの入口と出口との間に設けた検査ガス入口５３と、正規の反応ガスの入口と出口との間に設けた検査ガス検出部５４とを、有する燃料電池内の反応ガスの流動の評価用燃料電池１０Ｔ。【選択図】        図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池のガス流路に正規の反応ガスを供給する工程と、ガス流路の正規の反応ガスの入口と出口との間に設けた検査ガス入口から検査ガスを導入する工程と、ガス流路の正規の反応ガスの入口と出口との間に設けた検出部にて検査ガスを検出する工程とを、有する燃料電池内の反応ガスの流動の評価方法。
【請求項２】
検査ガスを、検査ガス入口での燃料電池のガス流路のガス圧力と等しい圧力で、燃料電池のガス流路に導入する請求項１記載の燃料電池内の反応ガスの流動の評価方法。
【請求項３】
検査ガスは、反応ガスと異なる種類のガスを含む請求項１記載の燃料電池内の反応ガスの流動の評価方法。
【請求項４】
反応ガスが水素である場合に、前記反応ガスと異なる種類のガスが重水素である請求項３記載の燃料電池内の反応ガスの流動の評価方法。
【請求項５】
燃料電池のガス流路に正規の反応ガスを供給する手段と、ガス流路の正規の反応ガスの入口と出口との間に設けた検査ガス入口と、ガス流路の正規の反応ガスの入口と出口との間に設けた検査ガス検出用の検出部および該検出部に接続された検査ガス測定手段とを、有する燃料電池内の反応ガスの流動の評価装置。
【請求項６】
正規の反応ガスの入口と出口を有するガス流路と、ガス流路の正規の反応ガスの入口と出口との間に設けた検査ガス入口と、ガス流路の正規の反応ガスの入口と出口との間に設けた検査ガス検出用の検出部とを、有する燃料電池内の反応ガスの流動の評価用燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池内の反応ガスの流動の評価方法と、該評価方法の実施に直接使用する評価装置および評価用燃料電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池（セル）は電解質膜の一面にアノードを設け多面にカソードを設けた膜−電極アッセンブリ（ＭＥＡ）を、拡散層を介して、ＭＥＡ対向面側に反応ガス流路を形成した一対のセパレータで挟んだものから構成される。ＭＥＡと反応ガスを流れるガスとの接触面積が大になるほど発電電流が大となるため、反応ガスはセパレータ面内を偏らずに流れることが重要となる。燃料電池内のガス流れ状態を把握することは、適正流路パターンの決定を含む燃料電池を開発する上で重要である。
特開平８−２９３３１８号公報は、セパレータ流路内でのガス流れを計測するために、供給ガスに白煙を混合してガスの流れを可視化する燃料電池内の反応ガスの流動の評価方法を開示している。
【特許文献１】特開平８−２９３３１８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
従来の燃料電池の反応ガスの流動の評価方法にはつぎの課題がある。
白煙を供給ガスマニホールドから反応ガスと一緒に供給しているため、ガスの流れを目視にて観察できるが、セパレータ面内におけるガスの定量的な、ガス挙動、ガス流量分布はわからず、反応ガスがセパレータ面内を偏らずに流れているか否か、反応ガス流路がセパレータ面内に均一にガスを流す適正流路パターンになっているか否か、等はわからない。
【０００４】
本発明の目的は、セパレータ面内におけるガスの定量的な、挙動、流量分布を把握することを可能とする燃料電池内の反応ガスの流動の評価方法、評価装置、評価用燃料電池を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
上記課題を解決する、そして上記目的を達成する、本発明は、つぎのとおりである。
（１）  燃料電池のガス流路に正規の反応ガスを供給する工程と、ガス流路の正規の反応ガスの入口と出口との間に設けた検査ガス入口から検査ガスを導入する工程と、ガス流路の正規の反応ガスの入口と出口との間に設けた検出部にて検査ガスを検出する工程とを、有する燃料電池内の反応ガスの流動の評価方法。
（２）  検査ガスを、検査ガス入口での燃料電池のガス流路のガス圧力と等しい圧力で、燃料電池のガス流路に導入する（１）記載の燃料電池内の反応ガスの流動の評価方法。
（３）  検査ガスは、反応ガスと異なる種類のガスを含む（１）記載の燃料電池内の反応ガスの流動の評価方法。
（４）  反応ガスが水素である場合に、前記反応ガスと異なる種類のガスが重水素である（３）記載の燃料電池内の反応ガスの流動の評価方法。
（５）  燃料電池のガス流路に正規の反応ガスを供給する手段と、ガス流路の正規の反応ガスの入口と出口との間に設けた検査ガス入口と、ガス流路の正規の反応ガスの入口と出口との間に設けた検査ガス検出用の検出部および該検出部に接続された検査ガス測定手段とを、有する燃料電池内の反応ガスの流動の評価装置。
（６）  正規の反応ガスの入口と出口を有するガス流路と、ガス流路の正規の反応ガスの入口と出口との間に設けた検査ガス入口と、ガス流路の正規の反応ガスの入口と出口との間に設けた検査ガス検出用の検出部とを、有する燃料電池内の反応ガスの流動の評価用燃料電池。
【発明の効果】
【０００６】
上記（１）の燃料電池内の反応ガスの流動の評価方法、上記（５）の燃料電池内の反応ガスの流動の評価装置、上記（６）の評価用燃料電池によれば、ガス流路の正規の反応ガスの入口と出口との間に検査ガス入口とガス検出部を設けたので、任意の２点（検査ガス入口と検出部）間のガスの挙動、流量分布を求めることができる。
上記（２）の燃料電池内の反応ガスの流動の評価方法によれば、検査ガスを、検査ガス入口での燃料電池のガス流路のガス圧力と等しい圧力で、燃料電池のガス流路に導入するので、正規の反応ガスの流れを乱すことが抑制される。
上記（３）の燃料電池内の反応ガスの流動の評価方法によれば、検査ガスは、反応ガスと異なる種類のガスを含むので、検査ガスと反応ガスの区別がつき、検出、測定の精度が上がる。
上記（４）の燃料電池内の反応ガスの流動の評価方法によれば、検査ガスが重水素を含むので、重水素も電極上で反応するため、水生成を含む、発電中のガス流路内の状態を正確に再現することができ、実際に近い状態で試験することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００７】
以下に、本発明の燃料電池内の反応ガスの流動の評価方法、評価装置、評価用燃料電池を、図１〜図５を参照して説明する。
本発明の反応ガスの流動の評価対象は、たとえば固体高分子電解質型燃料電池（セル）１０である。燃料電池１０は、たとえば燃料電池自動車に搭載される。ただし、自動車以外に用いられてもよい。
また、評価試験で用いられる評価用燃料電池１０Ｔ（Ｔは評価テスト用を示す）は、実際の燃料電池１０のセパレータ１８に検査用ガスの入口、出口（検査用ガスの入口、出口がセパレータに設けた中間マニホールドであってもよい）を設けたセパレータ１８Ｔをもつ燃料電池であり、ガス流路、膜−電極アッセンブリの構造は実際の燃料電池１０のガス流路、膜−電極アッセンブリの構造と同じである。
【０００８】
固体高分子電解質型燃料電池（セル）１０は、図３〜図５に示すように、膜−電極アッセンブリ（ＭＥＡ：Membrane-Electrode Assembly ）とセパレータ１８との積層体、たとえば、ＭＥＡを一対のセパレータ１８で挟んだものからなる。
膜−電極アッセンブリは、イオン交換膜からなる電解質膜１１とこの電解質膜の一面に配置された触媒層からなる電極（アノード、燃料極）１４および電解質膜の他面に配置された触媒層からなる電極（カソード、空気極）１７とからなる。膜−電極アッセンブリとセパレータ１８との間には、アノード側、カソード側にそれぞれガス拡散層（以下、単に、拡散層という）１３、１６が設けられる。
膜−電極アッセンブリとセパレータ１８を重ねてセルモジュール１９（１セルで１モジュールを構成する場合は、セル１０とモジュール１９は同じ）を構成し、セルモジュール１９を積層してセル積層体とし、セル積層体のセル積層方向両端に、ターミナル２０、インシュレータ２１、エンドプレート２２を配置し、両端のエンドプレート２２をセル積層体の外側でセル積層方向に延びる締結部材（たとえば、テンションプレート２４）にボルト・ナット２５にて固定し、一端のエンドプレートに設けた調整ネジにてその内側に設けたバネを介してセル積層体にセル積層方向の締結荷重をかけ、燃料電池スタック２３を構成する。
【０００９】
セパレータ１８のＭＥＡ対向面には、発電領域において、アノード１４に燃料ガス（水素）を供給するための燃料ガス流路２７が形成され、カソード１７に酸化ガス（酸素、通常は空気）を供給するための酸化ガス流路２８が形成されている。また、セパレータ１８のＭＥＡ対向面と反対側面には冷媒（通常、冷却水）を流すための冷媒流路２６も形成されている。セパレータ１８には、非発電領域において、燃料ガスマニホールド３０、酸化ガスマニホールド３１、冷媒マニホールド２９が形成されている。燃料ガスマニホールド３０は燃料ガス流路２７と連通しており、酸化ガスマニホールド３１は酸化ガス流路２８と連通しており、冷媒マニホールド２９は冷媒流路２６と連通している。
セパレータ１８は、カーボンセパレータ、メタルセパレータ、メタルセパレータと樹脂フレームとの組合せ、等からなる。
燃料ガス、酸化ガス、冷媒は、セル内において互いにシールされている。各セルモジュール１９のＭＥＡを挟む２つのセパレータ１８間は、第１のシール部材３２によってシールされており、隣接するセルモジュール１９同士の間は、第２のシール部材３３によってシールされている。
【００１０】
各セル１０（１セルモジュールの場合は、セル１０はセルモジュール１９と同じになる）の、アノード１４側では、水素を水素イオン（プロトン）と電子に変換する電離反応が行われ、水素イオンは電解質膜１１中をカソード１７側に移動し、カソード１７側では酸素と水素イオンおよび電子（隣りのＭＥＡのアノードで生成した電子がセパレータを通してくる、またはセル積層方向一端のセルのアノードで生成した電子が外部回路を通して他端のセルのカソードにくる）から水が生成され、次式にしたがって発電が行われる。
アノード側：Ｈ2 →２Ｈ+ ＋２ｅ- 
カソード側：２Ｈ+ ＋２ｅ- ＋（１／２）Ｏ2 →Ｈ2 Ｏ
【００１１】
発電領域の全領域で発電が行われるためには、セパレータ１８の面内で反応ガス（燃料ガス、酸化ガス）が偏らずに均一に流れることが重要であり、そのために、実際のセル１０のセパレータ１８と同じ構造のガス流路２７、２８をもつテスト用セパレータ１８Ｔを具備した評価用燃料電池１０Ｔを用いてガスの挙動、流量分布を把握することは、燃料電池の開発にとって重要なことである。
【００１２】
この試験を行うための燃料電池内の反応ガスの流動の評価装置５０と評価用燃料電池１０Ｔを、図１、図２を参照して説明する。
本発明の評価用燃料電池１０Ｔは、正規の反応ガス（燃料ガスおよび／または酸化ガス）の入口（入り側ガスマニホールドへの連通路）５１と出口（出側ガスマニホールドへの連通路）５２を有するガス流路２７、２８と、ガス流路２７、２８（燃料ガス流路２７と酸化ガス流路２８の両方でもよいし、何れか一方でもよい）の正規の反応ガスの入口５１と出口５２との間に設けた検査ガス入口５３と、ガス流路２７、２８（燃料ガス流路２７と酸化ガス流路２８の両方でもよいし、何れか一方でもよい）の正規の反応ガスの入口５１と出口５２との間に設けた検査ガス検出用の検出部５４とを、有する。検出部５４から燃料電池内ガス流路を流れるガスを必要量取り出し分析する。その他の燃料電池構成は、図３〜図５の燃料電池構成に準じる。
【００１３】
本発明の燃料電池内の反応ガスの流動の評価装置５０は、評価用燃料電池１０Ｔのガス流路２７、２８（燃料ガス流路２７と酸化ガス流路２８の両方でもよいし、何れか一方でもよい）に正規の反応ガスを供給する手段５５と、ガス流路２７、２８の正規の反応ガスの入口５１と出口５２との間に設けた検査ガス入口５３および該検査ガス入口５３に接続された検査ガスの供給手段５６と、ガス流路２７、２８の正規の反応ガスの入口５１と出口５２との間に設けた検査ガス検出用の検出部５４および該検出部５４に接続された検査ガス測定手段５７とを、有する。
【００１４】
正規の反応ガスを供給する手段５５は、たとえば、正規の反応ガスのガス源５８、５９（燃料ガスガス源５８、酸化ガスガス源５９）と、ガス源５８、５９から反応ガスの入口５１までのガス供給配管６０の途中に設けた圧力調整弁６１、流量調整弁６２と、配管切り離し可能なフランジ６３の両側に設けられた電磁弁６４、６５等を含む。また、酸化ガスの供給配管には加湿装置６６を設けて酸化ガスを加湿するようにしてもよい。ただし、この系構成に限るものではない。
反応ガスの出口５２には、ガス排出配管６７が接続され、ガス排出配管６７の途中には電磁弁６８が設けられる。ただし、この系構成に限るものではない。
【００１５】
検査ガスの供給手段５６は、たとえば、正規の反応ガスのガスと異なる種類のガス（たとえば、燃料ガスの検査用には重水素、窒素、ヘリウム、炭酸ガスの何れかなど、酸化ガスの検査用には窒素、ヘリウム、炭酸ガスの何れかなど）からなる検査ガスのガス源７０と、ガス源を変えるときに検査用ガス供給配管７１を切り離し可能なフランジ７２の両側に設けられた電磁弁７３、７４と、検査用ガスの供給を燃料ガス流路２７、酸化ガス流路２８との間に切り替える切り替え弁７５と、検査用ガス供給配管７１の途中に設けられた圧力調整弁７６（供給される検査用ガスの圧力を、検査用ガスが供給されるガス流路２７、２８部位を流れるガス圧力に等しくするための圧力調整弁で、たとえば検査用ガスが供給されるガス流路２７、２８部位から導管７７を介してダイヤフラム室に圧力が導かれたダイヤフラム弁からなる）と、検査ガス供給用配管系と評価用燃料電池１０Ｔとを切り離し可能なフランジ７８の両側に設けられた電磁弁７９、８０と、導管７７と評価用燃料電池１０Ｔとを切り離し可能なフランジ８１の両側に設けられた電磁弁８２、８３とを、有する。ただし、この系構成に限るものではない。
【００１６】
検出部５４に接続された検査ガス測定手段５７は、検出部５４から取り出されたサンプルガスが導管８４を介して導かれるガスを定量分析する定量分析器８５（たとえば、質量分析計など）と、検出部５４から取り出されたサンプルガスが導管８４を介して導かれるガスを定性分析する定性分析器８６（たとえば、クロマトグラフ、発光分析計、吸光分析計など）と、導管８４を切り離し可能なフランジ８７の燃料電池１０Ｔ側に設けられた電磁弁８８と、検出対象を燃料ガスと酸化ガスとの間に切り替える切り替え弁８９と、分析器に接続されデータを処理するコンピュータ９０とを、含む。ただし、この系構成に限るものではない。また、分析器８５、８６は、燃料電池の生成水も分析可能なものであることが望ましい。
【００１７】
つぎに、上記の評価装置を用いて実施される本発明の燃料電池内の反応ガスの流動の評価方法を説明する。
本発明の燃料電池内の反応ガスの流動の評価方法は、評価用燃料電池１０Ｔのガス流路２７、２８に正規の反応ガス（燃料ガスおよび／または酸化ガス）を供給する工程と、正規の反応ガスをガス流路２７、２８に流しつつガス流路２７、２８の正規の反応ガスの入口５１と出口５２との間に設けた検査ガス入口５３からガス流路２７、２８に検査ガスを導入する工程と、ガス流路２７、２８の正規の反応ガスの入口５１と出口５２との間に設けた検出部５４にて検査ガスを検出し（検出部５４で取り出したガスを定量分析器８５、および／または定性分析器８６に送って検査ガスを検出する）、検出データを基にしてコンピュータ９０にて、検査ガスのセパレータ面内における流量分布、流速を演算し求める工程とを、有する。
【００１８】
検出ガス入口５３は、１個以上設けられ、複数個設けられてもよい。また、検出部５４も１個以上設けられ、複数個設けられてもよい。検出ガス入口５３と検出部５４との組を任意に選択することにより、任意の２以上の点（入口５１と出口５２を除く２以上の点であることが望ましいが、入口５１と出口５２を含む２以上の点であってもよい）での検査ガスの濃度を検知でき、それをコンピュータ等にて演算、解析することにより、セパレータ面内のガス流量分布（たとえば、あるガス導入点で検査ガスを入れ、複数の点で検査ガスの濃度を検知すればガス流量分布がわかる）、ガス流速（たとえば、ガス導入点から検出部まで検査ガスが流れるに要した時間からガス流速が検知可能）を求めることができる。
【００１９】
検査ガスは、検査ガス入口５３での燃料電池１０Ｔのガス流路２７、２８のガス圧力と等しい圧力で、燃料電池１０Ｔのガス流路２７、２８に導入される。ダイヤフラム型の圧力調整弁７６を用いると、容易に、検査ガスを、検査ガス入口５３での燃料電池１０Ｔのガス流路２７、２８のガス圧力と等しい圧力で、燃料電池１０Ｔのガス流路２７、２８に導入することができる。
【００２０】
検査ガスは、反応ガス（水素、および／または、空気）と異なる種類のガスを含む。検査ガスは、反応ガス（水素、および／または、空気）と異なる種類のガスが１００％のガスであってもよいし、反応ガス（水素、および／または、空気）と異なる種類のガスと反応ガスとの混合ガスであってもよい。
反応ガスと異なる種類のガスは、反応ガスと反応しないガスであることが望ましい。反応ガスが水素の場合は、検査ガスに重水素、ヘリウム、窒素、炭酸ガスなどを用いることができる。また、反応ガスが空気の場合は、検査ガスにヘリウム、窒素、炭酸ガスなどを用いることができる。
【００２１】
つぎに、本発明の燃料電池内の反応ガスの流動の評価方法、評価装置５０、評価用燃料電池１８Ｔの作用・効果を説明する。
まず、ガス流路２７、２８の正規の反応ガスの入口５１と出口５２との間に検査ガス入口５３と検出部５４を設けたので、任意の２点（検査ガス入口５３と検出部５４）間のガスの挙動、流量分布を定量的に求めることができる。
【００２２】
また、検査ガスを、検査ガス入口５３での燃料電池のガス流路２７、２８のガス圧力と等しい圧力で、燃料電池のガス流路２７、２８に導入するので、正規の反応ガスの流れを乱すことが抑制される。
また、検査ガスは、反応ガスと異なる種類のガスを含むので、検査ガスと反応ガスの区別がつき、検出、測定の精度が上がる。
また、検査ガスが重水素を含む場合は、重水素も電極上で反応するため、水生成を含む、発電中のガス流路２７、２８内の状態を正確に再現することができ、発電をしながら、実際に近い状態でガス流の流動の評価試験することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】本発明の燃料電池内の反応ガスの流動の評価用燃料電池の正面図である。
【図２】本発明の燃料電池内の反応ガスの流動の評価装置の系統図である。
【図３】本発明の評価方法が適用される燃料電池のスタックの側面図である。
【図４】図４の一部拡大断面図である。
【図５】図４のセルの正面図である。
【符号の説明】
【００２４】
１０  （固体高分子電解質型）燃料電池
１０Ｔ  評価用燃料電池
１１  電解質膜
１３、１６  拡散層
１４  アノード
１７  カソード
１８  セパレータ
１８Ａ  評価用燃料電池のセパレータ
１９  セル
２０  ターミナル
２１  インシュレータ
２２  エンドプレート
２３  燃料電池スタック
２４  締結部材（テンションプレート）
２５  ボルト・ナット
２６  冷媒流路（流体流路）
２７  燃料ガス流路（流体流路）
２８  酸化ガス流路（流体流路）
２９  冷媒マニホールド（流体マニホールド）
３０  燃料ガスマニホールド（流体マニホールド）
３１  酸化ガスマニホールド（流体マニホールド）
３２  ガスケット
３３  接着剤
５０  燃料電池内の反応ガスの流動の評価装置
５１  正規の反応ガスの入口
５２  正規の反応ガスの出口
５３  検査ガス入口
５４  検出部
５５  正規の反応ガスを供給する手段
５６  検査ガスの供給手段
５７  検査ガス測定手段
５８、５９  ガス源
６０  ガス供給配管
６１  圧力調整弁
６２  流量調整弁
６３  フランジ
６４、６５  電磁弁
６６  加湿装置
６７  ガス排出配管
６８  電磁弁
７０  検査ガスのガス源
７１  検査用ガス供給配管
７２  フランジ
７３、７４  電磁弁
７５  切り替え弁
７６  圧力調整弁
７７  導管
７８  フランジ
７９、８０  電磁弁
８１  フランジ
８２、８３  電磁弁
８４  導管
８５  定量分析器（たとえば、質量分析計など）
８６  定性分析器（たとえば、クロマトグラフ、発光分析計、吸光分析計など）
８７  フランジ
８８  電磁弁
８９  切り替え弁
９０  コンピュータ
【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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