(57)【要約】【課題】短時間に極低温域から中温域の所定の温度に変化させることが容易なだけでなく、昇降温から定常温度に温度の運転モードを、速やかに、あるいは、温度変動なく切り替えることが出来る特性試験装置を提供する。【解決手段】試験片２を収容し、かつ、水素ガス、水素含有ガスまたは水素模擬ガスが流通または貯留した容器３と、容器３の内部に水素ガス、水素含有ガスまたは水素模擬ガスを供給する水素ガス供給手段４と、容器３の肉厚部に設けた少なくとも１本の冷却流路７に冷媒体を供給する冷却媒体供給手段８と、容器３の肉厚部に設けた少なくとも１本の加熱流路９に加熱媒体を供給する加熱媒体供給手段１０とを備えた。【選択図】図１
2018028520.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
圧縮ガス雰囲気下に晒された試験片もしくは供試体の特性を試験する特性試験装置であって、
前記試験片もしくは供試体を収納し、かつ、圧縮ガスが流通もしくは貯留する容器と、
該容器の肉厚部に設けられている媒体流路と、
該媒体流路に冷媒体を供給する冷却媒体供給手段と
を備えていることを特徴とする特性試験装置。
【請求項２】
前記容器もしくは前記容器の内部の温度を検出する温度センサを備えており、
前記温度センサの検出温度に基づき、前記冷却媒体供給手段を制御することを特徴とする請求項１記載の特性試験装置。
【請求項３】
前記供試体が燃料電池の単セル又はセル積層体であり、
前記容器の内部に水素ガス、水素含有ガス又は水素模擬ガスを供給するガス供給手段を備えており、
該ガス供給手段は、前記単セル又はセル積層体の燃料極側に前記水素ガス、水素含有ガス又は水素模擬ガスを流すことを特徴とする請求項１又は２に記載の特性試験装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、圧縮ガス雰囲気下で試験片もしくは供試体の疲労試験などの特性試験を行う特性試験装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
下記特許文献１には、高圧ガス雰囲気下で試験片の機械特性試験を行う機械特性試験装置が開示されている。この機械特性試験装置は、高圧容器内に水素ガスを含む高圧ガスが導入された状態で、高圧容器内に配置された試験片に荷重が負荷され、その負荷された荷重を歪ゲージにて測定する装置である。
【０００３】
他方で、水素雰囲気下で試験片の引張強度や曲げ強度などの特性試験を行う特性試験装置が出願されている（特許文献２）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００６−３４９４８７号公報
【特許文献２】特願２０１６−０９３８２４号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところが、この従来の特許文献１の機械特性試験装置においては、高圧容器の外面にヒータや冷却手段を設けることにより、高圧容器内の温度を変化させようとするため、試験の際に多大の時間を要するという問題があった。このため、例えば−８０℃といった極低温域の試験を行うことは困難であった。
【０００６】
また、特許文献２の特性試験装置においては、容器の厚み内に設けた流路へ熱水もしくは冷水を供給することで、容器内の温度を変化させようとするため、極低温域の試験を行うことは困難であった。
【０００７】
本発明は、上記のような従来技術に存在する問題点に着目してなされたものである。その目的とするところは、極低温域の試験を行うことができる特性試験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】
上記目的を達成するために、本発明に係る特性試験装置は、圧縮ガス雰囲気下に晒された試験片もしくは供試体の特性を試験する特性試験装置であって、前記試験片もしくは供試体を収納し、かつ、圧縮ガスが流通もしくは貯留する容器と、該容器の肉厚部に設けられている媒体流路と、該媒体流路に冷媒体を供給する冷却媒体供給手段とを備えていることを特徴としている。
【０００９】
ここで、特性試験装置は、機械的特性、物理的特性、電気化学的特性などの特性を評価するものである。また、圧縮ガスは、常温で液化しない程度に圧縮して、大気圧より圧力を高めたガスをいい、高圧ガスを含む。高圧ガスは、常用の温度において圧力（ゲージ圧力）が１ＭＰａ以上となる圧縮ガスをいう。圧縮ガスには、水素ガス、水素ガスを含有したガス、水素ガスを模擬したガスが含まれる。
【００１０】
媒体流路は、容器（容器を構成する容器本体、蓋体等を含む。）の肉厚部に設けられており、単数もしくは複数の流路から構成される。媒体流路は、反応ガス、水素ガスを流さない意味では、加熱・冷却専用である。媒体流路に、冷却用の冷媒体を流すことによって容器もしくは容器の内部を冷却する。
【００１１】
ここで、冷媒体は、特性試験装置において、温度・熱量の測定や燃料電池（システム）などの試験に使用する冷却のための媒体をいう。例えば、液化窒素、液化ヘリウムなどが挙げられる。冷媒体は、媒体流路に外部から仕事（圧縮）を与えられることにより、低温部（被冷却物）である容器もしくは容器の内部から連続的に熱を吸収し、この熱を運んで高温部（外部）へ放出する。
【００１２】
容器もしくは容器を構成する容器本体、蓋体等は、鉄、ニッケル、クロム、マンガン、モリブデン、鉄よりも熱伝導性に優れた銅、アルミニウムの少なくとも１種類の元素を含む金属製、もしくはシリコン製、カーボン製、これらに対して、複数の金属元素あるいは金属元素と非金属元素からなる合金製、又はそれら複数の材質からなる構造の組合せに係るものが挙げられる。
【００１３】
また、本発明に係る特性試験装置は、前記媒体流路に加熱媒体を供給する加熱媒体供給手段を備えていてもよい。この場合に、媒体流路は、加熱用の加熱媒体又は／及び冷却用の冷媒体を流すものであってもよい。例えば、単数の媒体流路に、加熱媒体を流したり、冷媒体を流したりすることができる。媒体流路の流路構成は、例えば、円形状溝と円形状リブを形成した単数もしくは複数の流路、多数のエンボスによって構成される単数もしくは複数の流路、マニホールドによって複数本の直線溝に分岐合流される構成の単数もしくは複数の流路、又は単数もしくは複数の直線流路が挙げられる。
【００１４】
さらに、本発明に係る特性試験装置は、前記容器もしくは前記容器の内部の温度を検出する温度センサを備えており、前記温度センサの検出温度に基づき、前記冷却媒体供給手段を制御することを特徴としている。
【００１５】
本発明に係る特性試験装置は、前記供試体が燃料電池の単セル又はセル積層体であり、前記容器の内部に水素ガス、水素含有ガス又は水素模擬ガスを供給するガス供給手段を備えており、該ガス供給手段は、前記単セル又はセル積層体の燃料極側に前記水素ガス、水素含有ガス又は水素模擬ガスを流すことを特徴としている。
【発明の効果】
【００１６】
本発明の請求項１記載の特性試験装置によれば、冷却媒体供給手段を備えているので、媒体流路へ冷媒体が供給されることで、極低温域の試験を行うことができるという効果を奏する。
【００１７】
請求項２記載の特性試験装置によれば、請求項１記載の特性試験装置の奏する効果に加えて、温度センサの検出温度に基づき、冷却媒体供給手段を制御することで、所定の温度に静定することができるという効果を奏する。
【００１８】
請求項３記載の特性試験装置によれば、請求項１又は２に記載の特性試験装置の奏する効果に加えて、水素ガス、水素含有ガス又は水素模擬ガスの流量が変化したり、ガス組成が変化したりした場合の試験を行うことができるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】本発明の特性試験装置の一例を示す第１実施形態の概略構成図である。
【図２】第１実施形態の媒体流路の一例を示す要部拡大概略図であり、一部を省略して示す。
【図３】第２実施形態の媒体流路を示す要部拡大概略図である。
【図４】本発明の特性試験装置の第３実施形態を示す概略構成図である。
【図５】第３実施形態の媒体流路の一例を示す要部拡大概略図である。
【図６】容器の外表面に外部ヒータを貼付した場合の比較例であって容器の温度変動の実測値を示すグラフである。
【図７】第３実施形態の容器の温度変動の実測値を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
以下、本発明を実施するための第１実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。
（第１実施形態）
【００２１】
図１及び図２は、本発明の特性試験装置の一例を示す図である。図１は、特性試験装置の全体を示す概略構成図であり、図２は一部を省略して示す媒体流路の要部拡大概略図である。本実施形態の特性試験装置１は、略全面が水素ガスに晒された試験片２の特性を試験する装置である。特性試験装置１は、試験片２が収容される容器３と、容器３内へ供給される水素ガスを供給する水素ガス供給手段４と、容器３に供給される水素ガスを加圧する加圧手段５と、容器３内の圧力を検出する圧力センサ６と、容器３の肉厚部に設けられた冷却流路７へ冷媒体を供給する冷却媒体供給手段８と、容器３の肉厚部に設けられた加熱流路９へ加熱媒体を供給する加熱媒体供給手段１０と、容器３内の温度を検出する温度センサ１１と、試験片２の試験を行う試験具１２と、冷媒体、加熱媒体の温度や流量を制御する制御手段（図示せず）とを備えている。なお、水素ガス供給手段４の圧力が高い場合には、加圧手段５を備えることなく、水素ガス供給手段４からの水素ガスを減圧して容器３に供給することもある。
【００２２】
容器３は、新日鐵住金株式会社製のステンレス鋼「ＨＲＸ１９」（登録商標）を用い、中空部１３を有し、容器本体１４に蓋体１５が開閉可能に設けられて構成されている。容器本体１４は、上方に開口した有底略円筒状であり、容器本体１４と蓋体１５には、少なくとも１本の冷却流路７と少なくとも１本の加熱流路９が形成されている。
【００２３】
冷却流路７は、図２に示すように、容器本体１４及び蓋体１５の肉厚部に円形状溝１６と円形状リブ１７とが形成されており、冷却のための冷媒体１８を、円形状リブ１７によって形成された円形状溝１６に沿って流すことができる。その結果、容器３を効率良く冷却することができる。
【００２４】
加熱流路９は、図示しないが、冷却流路７より外表面側の容器本体１４及び蓋体１５の肉厚部に、試験片２からの距離が冷却流路７より遠方となる位置となるように設けられている。加熱流路９は、冷却流路７と略同様の構造である。この加熱流路９に、加熱のための加熱媒体を供給することで、円形状リブによって形成された円形状溝に沿って流すことができる。その結果、容器３を効率良く加熱することができる。
【００２５】
一方、蓋体１５は、下方にのみ開口した略円筒状に形成されている。このような蓋体１５で容器本体１４の上部開口を閉じた際には、容器本体１４の上端部と蓋体１５の下端部とが金属製または樹脂製のパッキン２２を介して重ね合される。これにより容器３を密閉することができ、容器３内に気密状態を保つ中空部１３を形成することができる。
【００２６】
水素ガス供給手段４は、中空部１３へ水素を供給する手段であり、本実施形態では水素ボンベと、水素ガス供給路２３とから構成される。水素ガス供給路２３は、水素ボンベから中空部１３へのガス供給路であり、蓋体１５に接続されている。これにより、水素ボンベからの水素ガスが容器３の上部から中空部１３へ供給される。
【００２７】
加圧手段５は、中空部１３へ供給する水素ガスを加圧する手段であり、本実施形態では圧縮機から構成される。この圧縮機５は、水素ボンベからの水素を圧縮するものであり、容器３に設けられた圧力センサ６の検出圧力に基づき制御される。なお、圧力センサ６は水素ガス供給路２３に設けられていてもよい。
【００２８】
容器３の蓋体１５に、中空部１３の水素ガスを外部へ排除する水素ガス排気路２４が接続されている。水素ガス排気路２４には、排気弁が設けられており、この排気弁を開閉することで、中空部１３の内外を連通可能とすることができる。
【００２９】
冷却媒体供給手段８は、冷却流路７へ冷媒体１８（図２参照）を供給する手段であり、本実施形態では、冷媒体１８が貯留される冷却媒体タンク２５と、冷却媒体タンク２５の冷媒体１８を冷却流路７へ供給する冷却媒体ポンプ２６と、冷却媒体タンク２５から冷却媒体ポンプ２６を介して冷却流路７への冷媒体１８の供給路である冷却媒体供給路２７とを備えて構成される。
【００３０】
冷却媒体タンク２５には、内部に貯留された冷媒体１８を冷却するシステムが設けられており、これにより冷却媒体タンク２５に冷媒体１８を貯留することができる。本実施形態では、冷媒体１８として、液体窒素等の流体が用いられている。冷却媒体ポンプ２６は、容器３に設けられた温度センサ１１の検出温度に基づいて制御される。
【００３１】
冷却媒体タンク２５は、冷却媒体供給路２７を介して冷却流路７の一端部に接続されている。冷却媒体供給路２７は、容器本体１４内または蓋体１５内に供給されてから分岐されている。冷却媒体供給路２７には、分岐部より上流側に前述した冷却媒体ポンプ２６が設けられており、この冷却媒体ポンプ２６によって、冷却媒体タンク２５から冷却媒体供給路２７を介して冷却流路７へ冷媒体１８が供給される。冷却流路７へ供給された冷媒体１８は、冷却流路７の他端部に接続された冷却媒体戻し道２８を介して、冷却媒体タンク２５内に戻される。
【００３２】
加熱媒体供給手段１０は、加熱流路９へ加熱媒体を供給する手段であり、本実施形態では、容器３および中空部１３を加熱する加熱媒体が貯留される加熱媒体タンク２９と、加熱媒体タンク２９の加熱媒体を加熱流路９へ供給する加熱媒体ポンプ３０と、加熱媒体タンク２９から加熱媒体ポンプ３０を介して加熱流路９への加熱媒体の供給路である加熱媒体供給路３１とを備えて構成される。
【００３３】
加熱媒体タンク２９には、内部に貯留された加熱媒体を加熱するヒータが設けられており、これにより加熱媒体タンク２９に加熱媒体を貯留することができる。本実施形態では、加熱媒体として、シリコーン油等の流体が用いられている。加熱媒体ポンプ３０は、温度センサ１１の検出温度に基づいて制御される。
【００３４】
加熱媒体タンク２９は、加熱媒体供給路３１を介して加熱流路９の一端部に接続されている。加熱媒体供給路３１は、容器本体１４内または蓋体１５内に供給されてから分岐されている。加熱媒体供給路３１には、分岐部より上流側に加熱媒体ポンプ３０が設けられており、この加熱媒体ポンプ３０によって、加熱媒体タンク２９から加熱媒体供給路３１を介して加熱流路９へ加熱媒体が供給される。加熱流路９へ供給された加熱媒体は、加熱流路９の他端部に接続された加熱媒体戻し道３２を介して、加熱媒体タンク２９内に戻される。
【００３５】
試験具１２は、試験片２の機械的特性、物理的特性または電気化学的特性などを評価するためのものであり、本実施形態では、試験片２の疲労試験具とされる。この疲労試験具１２は公知のものが用いられる。たとえば、疲労試験具１２は、容器３が設けられる台座３３から上方に延長された一対の支持軸３４，３４と、支持軸３４に上下動可能に設けられた可動部材３５と、可動部材３５に設けられる上側つかみ材３６と、上側つかみ材３６の下方に配置される下側つかみ材３７とを備えている。
【００３６】
台座３３には、左右に隔離して支持軸３４が設けられており、この支持軸３４，３４間に前述した容器３が設けられる。可動部材３５は、支持軸３４，３４間に架け渡すように設けられており、油圧シリンダにより支持軸３４，３４に沿って上下に移動可能とされる。上側つかみ材３６は、可動部材３５に下方に延出して設けられている。台座３３に容器３が設置された場合、上側つかみ材３６は、蓋体１５を上下に貫通して配置されている。下側つかみ材３７は、容器３の底部に上方へ延出して設けられて、中空部１３に配置されている。台座３３に容器３が設置された場合、上側つかみ材３６と下側つかみ材３７とは、上下に互いに対応するよう配置されている。
【００３７】
制御手段は、中央演算装置（ＣＰＵ）と、記憶手段と、入出力手段と、通信手段と、表示手段とを備えている。記憶手段には、予め極低温域の所定の温度を設定するための第一設定温度の値を示すデータと、予め中温域の所定の温度を設定するための第二設定温度の値を示すデータとが記憶されている。制御手段は、試験片２の評価試験の開始前は、加熱媒体ポンプ３０を閉じる一方、冷却媒体ポンプ２６を開くことにより、冷却媒体ポンプ２６から冷却媒体供給路２７を経て冷却流路７に至る冷媒体流を生じさせる。
【００３８】
この際に、制御手段は、中空部１３の温度が予め設定された第一設定温度の値になるように、温度センサ１１の検出信号に基づいて冷却媒体ポンプ２６を制御し、同時に、冷却媒体供給路２７を流れる冷媒体１８の流量を調節する。この冷媒体１８の流量の調節は、例えば、冷却媒体供給路２７に設けた流量計の計測値に基づいて冷却媒体ポンプ２６の開度を調節することによってなされる。なお、容器３の各部及び中空部１３の温度の値と、温度センサ１１の検出値とは所定誤差内となるように事前に測定され、校正されている。
【００３９】
そして、中空部１３の温度を示す温度センタ１１の検出温度が第一設定温度近くになった時点で、評価試験が開始され、制御手段は、冷却媒体ポンプ２６を制御し、温度センサ１１の検出信号に基づいて中空部１３の温度が第一設定温度付近の値を維持するように冷媒体１８の供給を制御する。その後、中空部１３の温度を示す温度センサ１１の検出温度が第二設定温度になるまで加熱する場合、制御手段は、加熱媒体ポンプ３０を開くことにより、加熱媒体ポンプ３０から加熱媒体供給路３１を経て加熱流路９に至る加熱媒体流を生じさせる。この際に、制御手段は、温度センサ１１の検出信号に基づいて加熱媒体ポンプ３０を制御し、加熱媒体の流量を調節する。加熱媒体の流量の調節は、例えば、加熱媒体供給路３１に設けた流量計の計測値に基づいて加熱媒体ポンプ３０の開度を調節することによってなされる。
【００４０】
次に、本実施形態の特性試験装置１の動作について説明する。まず、試験片２が容器３の中空部１３に収容される。収容状態では、試験片２は、上端部が上側つかみ材３６に固定される一方、下端部が下側つかみ材３７に固定される。試験片２を収容後、水素ボンベから水素ガス供給路２３を介して中空部１３へ水素ガスが供給される。中空部１３へ供給される水素ガスは、圧縮機５によって圧縮される。この際、圧縮機５は、中空部１３の検出圧力を一定に維持するように制御する。なお、水素ボンベの圧力が高い場合には、圧縮機５に換えて、減圧弁を用いることも可能である。
【００４１】
そして、検出圧力を一定に維持した状態で、油圧シリンダにより可動部材３５が上方へ移動することで、両つかみ材３６，３７に固定した試験片２に、油圧シリンダによって、引張り−圧縮、または、引張り−引張り、または、圧縮−圧縮の繰り返し応力が加えられる。試験片２に加えられる繰り返し応力は、次のように測定されて制御される。
【００４２】
本実施形態の試験具１２は、油圧シリンダからの力を検出する作動力検出手段と、作動力検出手段からの検出信号に基づいて繰り返し応力を演算する測定手段とをさらに備えている。作動力検出手段としては、予め、断面積と縦弾性係数を測定した材料に歪ゲージを貼付したロードセルなどが有効である。この繰り返し応力は、測定手段に記録されたり、測定手段のディスプレイに表示されたりする。
【００４３】
このような疲労試験は、中空部１３の温度を変化させつつ行われる。たとえば、制御手段により、中空部１３の温度を第一設定温度から第二設定温度へ変化させ、または、第一設定温度と第二設定温度との間を繰り返し変動させつつ行うことができる。これは、制御手段が、温度センサ１１の検出温度に基づき冷却媒体ポンプ２６と加熱媒体供給ポンプ３０の少なくとも一方又は両方を制御することでなされる。
【００４４】
例えば、制御手段は、中空部１３を第一設定温度になるまで冷却する場合、温度センサ１１の検出信号により入力される実測値が第一設定温度の値になるまで、冷却媒体ポンプ２６を作動させて冷媒体１８を冷却流路７へ供給させる。ここで、温度センサ１１の検出値が第一設定温度近くになったら、冷却媒体ポンプ２６を制御してもよいし、もしくは加熱媒体供給ポンプ３０を作動させて加熱媒体を加熱流路９へ供給させてもよい。
【００４５】
また、中空部１３を第二設定温度になるまで加熱する場合、温度センサ１１の検出信号により入力される実測値が第二設定温度の値になるまで加熱媒体供給ポンプ３０を作動させて加熱媒体を加熱流路９へ供給させる。第二設定温度近くになったら、加熱媒体供給ポンプ３０を制御してもよいし、もしくは冷却媒体ポンプ２６を作動させて冷媒体１８を冷却流路７へ供給させてもよい。
【００４６】
以上詳述した第１実施形態の特性試験装置１によれば、容器３の肉厚部に冷却流路７と加熱流路９を設けているので、冷却流路７の少なくとも１本には容器３を冷却する冷媒体１８を供給し、加熱流路９の少なくとも１本には容器３を加熱する加熱媒体を供給することができる。従って、容器３および容器内の温度を変化させつつ、試験片２に水素ガスを供給した状態で試験片２の特性を試験する際、容器の外面に設けられたヒータや冷却手段により容器を冷却または加熱する場合と比較して、容器３および容器内の温度を迅速に変化させることができる。
【００４７】
従来は恒温室で１日２４時間をかけて冷却をしていた。これに対し、本実施形態の特性試験装置１によれば、約数分間で行うことができる。そして、たとえば、燃料電池車等のタンク内温度−４０℃、０ＭＰａから９０℃、７０ＭＰａまでの水素ガス充填時間約３分間の温度の上げ下ろしの耐久性試験を約１週間足らずで模擬することができる。
【００４８】
また、制御手段が、温度センサ１１の検出温度に基づき、冷却媒体供給手段８を制御することで、速やかに極低温域に温度変化させることができ、所定の温度に静定することができる。さらに、加熱媒体供給手段１０を備えており、加熱流路９へ加熱媒体が供給されることで、短時間に極低温域から中温域の所定の温度に変化させることができる。このとき、制御手段は、冷却媒体供給手段８もしくは加熱媒体供給手段１０のいずれか一方又は両方を制御する。そして、温度センサ１１の検出温度に基づき、冷却流路７の冷媒体１８および加熱流路９の加熱媒体の供給の有無、量または温度を制御することができる。中温域から極低温域へ温度を変化させる場合も同様である。
【００４９】
そして、容器３の肉厚部に設けられた冷却流路７へ冷媒体１８を供給し、加熱流路９に加熱媒体を供給する構成であるので、冷媒体１８の流量を増して、加熱媒体の流量を減らすことで、容器３および中空部１３の昇温速度を下げたり、降温速度を上げたりすることが可能となる。また、冷媒体１８の流量を減らして、加熱媒体の流量を増やすことで、容器３および中空部１３の降温速度を下げたり、昇温速度を上げたりすることが可能となる。このようにして、昇温と降温の速度を任意に制御することが可能となる。
【００５０】
すなわち、極低温域と中温域との間で速やかに中空部１３の温度を任意に変化させることができる。また、容器３および中空部１３の温度を、極低温域もしくは中温域の所定温度一定に保つことができる。このようにして、本実施形態の特性試験装置１によれば、速やかに、もしくは、温度変動なく、温度モードを切り替えることができる。
【００５１】
（第２実施形態）
次に、第２実施形態について図３を参照して説明する。
第２実施形態は、上記実施形態の媒体流路の変形例である。本実施形態の媒体流路は、多数のエンボスによって構成される複数の流路からなる。媒体流路は、冷却流路７と，加熱流路９とを備えている。図３に、冷却流路７の一例を示す。なお、第１実施形態と異なる部分のみ説明する。
【００５２】
冷却流路７は、図３に示すように、多数のエンボス１９によって構成され、冷媒体１８は、多数のエンボス１９にぶつかりながら縦横無尽に冷却流路７内を流れる。容器本体１４と蓋体１５とからなる容器３は、冷媒体１８とエンボスとの対流熱伝達とエンボスの熱伝導によって速やかに冷却される。
【００５３】
加熱流路９は、図示しないが、冷却流路７と同様の構成である。このため、加熱媒体は、多数のエンボス１９にぶつかりながら縦横無尽に加熱流路９内を流れる。容器３は、加熱媒体とエンボスとの対流熱伝達とエンボスの熱伝導によって速やかに加熱される。
【００５４】
第２実施形態の特性試験装置１によれば、これまで１昼夜＝２４時間×６０分＝１４４０時間かけていた冷却を、本実施形態の流路構成を用いることで、およそ約３分間程度で冷却することができる。
【００５５】
（第３実施形態）
第３実施形態について図４乃至図７を参照して説明する。
図４は、本発明の特性試験装置の供試体を燃料電池の単電池とした他の実施形態を示す概略構成図である。本第３実施形態の特性試験装置１は、基本的には前述の実施形態１，２の特性試験装置１と同様である。そこで、以下では、両者の異なる点を中心に説明し、対応する箇所には同一の符号を付して説明する。また、前述の実施形態との共通の事項については、説明を省略する。
【００５６】
本第３実施例の特性試験装置１は、供試体である燃料電池の単電池３８の一方の面（片面）に水素ガスを供給し、単電池３８の他方の面（片面）に空気を含む酸化剤ガスを供給して単電池３８の特性を試験する装置である。本第３実施形態の特性試験装置１は、容器３と、水素ガス供給手段４と、圧力調整手段４０と、酸化剤ガス供給手段４２と、冷却媒体供給手段８と、加熱媒体供給手段１０と、温度センサ１１と、外部ヒータと、制御手段とを備えている。
【００５７】
容器３は、複数の材質からなる構造の組合せに係るものであり、全体として略矩形状に形成されている。容器３は、上部中空部３９と下部中空部４１を有し、パッキン２２を介して重ね合わされる一対の収納板と、収納板の両外側面に配設される導電材製の一対の集電板と、一対の集電板の両外側面に配設されるステンレス鋼製の一対の端板との組み合わせに係るものであり、この一対の端板にその両外側面側から複数の締付けボルトにより適度の加圧力を与えるようにして構成されている。これら一対のうち、一方側が容器本体１４を、他方側が蓋体１５を構成する。
【００５８】
一対の収納板は、ともに所定の肉厚を有する略矩形状のカーボン製で、一方に上部中空部３９を有し、他方に下部中空部４１を有している。ここに単電池３８が収容される。一対の収納板には、それぞれ、単電池３８に反応ガスを供給する手段としてのガス通流用の溝と突状の隔壁とが形成されている。本実施形態では、上部中空部３９が燃料ガスを通流させるための機能を発揮し、下部中空部４１が酸化剤ガスを通流させるための機能を発揮する。
【００５９】
集電板は、鋼板に金メッキが施された金属製であり、収納板の肉厚より薄く形成されている一対のものからなる。一対の集電板は、一方には正極端子が設けられており、他方には負極端子が設けられている。
【００６０】
端板は、ＳＵＳ３１６をベースにしてニッケル（Ｎｉ）を１２重量％以上１３重量％以下の範囲内で含有し、窒素（Ｎ）を０．０５重量％以上０．２重量％以下の範囲内で添加したステンレス鋼製である。端板は、ともに収納板の肉厚より厚く形成されて略矩形状に形成され、一対の構成とされている。容器３は、一対の端板を備えていることで、両内側に配設される収納板、集電板の曲げ、反りを防止する。
【００６１】
パッキン２２は、単電池３８の肉厚と同程度の肉厚を有するテフロン（登録商標）シートからなる。単電池３８が容器内に収納されたときに、テフロン（登録商標）シートからなるパッキン２２があることで、単電池３８が収納される容器内を気密状態に保つ。
【００６２】
容器３を構成する一対の収納板には、それぞれ、少なくとも１本の冷却流路７と少なくとも１本の加熱流路９が形成されている。さらに、一対の端板には、図示しないが、それぞれ、外表面に外部ヒータが設けられている。
【００６３】
水素ガス供給手段４は、上部中空部３９へ水素ガスを供給する手段であり、本第３実施形態では水素ボンベと水素ガス供給路２３とから構成され、水素ガスを、圧力調整手段４０を介して供給する構成である。水素ガス供給路２３は、蓋体１５を構成する端板、集電板、収納板を介して上部中空部３９に接続されており、これにより、水素ボンベからの水素ガスが容器３の上部から上部中空部３９へ供給される。
【００６４】
圧力調整手段４０は、上部中空部３９へ供給する水素ガスの圧力を所定圧力の範囲内に調節する手段であり、本第３実施形態では減圧弁から構成される。この圧力調整手段４０は、水素ボンベからの水素を減圧するものであり、容器３または水素ガス供給路２３に設けられた圧力センサ６の検出圧力に基づき制御されたりする。本実施形態では、圧力調整手段４０の出口側には水素ガスを加湿する水素ガス加湿器４３が設けられている。また、容器３の蓋体１５を構成する端板、集電板、収納板には、上部中空部３９の水素ガスを外部へ排除する水素ガス排気路２４が接続されている。水素ガス排気路２４には、排気弁が設けられており、この排気弁を開閉することで、上部中空部３９の内外を連通可能とすることができる。
【００６５】
酸化剤ガス供給手段４２は、下部中空部４１へ、酸素を含有する酸化剤ガスを供給する手段であり、本実施形態では空気を圧縮供給するコンプレッサーと、コンプレッサーから下部中空部４１への酸化剤ガスの供給路である酸化剤ガス供給路４５とから構成される。酸化剤ガス供給手段４２の出口側には酸化剤ガスを加湿する酸化剤ガス加湿器４４が設けられている。酸化剤ガス供給路４５は、コンプレッサーから酸化剤ガス加湿器４４を経由し、容器本体１４を構成する端板、集電板、収納板を介して下部中空部４１に接続されている。また、容器本体１４を構成する端板、集電板、収納板には、酸化剤ガスを外部へ排除する酸化剤ガス排気路４６が接続している。酸化剤ガス排気路４６には、排気弁が設けられており、この排気弁を開閉することで、下部中空部４１の内外を連通可能とすることができる。
【００６６】
冷却媒体供給手段８は、一対の収納板内に設けられている冷却流路７に冷媒体１８を供給するためのものである。冷却媒体供給路２７は、一端が容器内の収納板の冷却流路７に接続され、他端が容器外の冷却媒体タンク２５に接続されている。冷却媒体供給路２７に、冷却媒体ポンプ２６を介して冷媒体１８が供給されることで、冷却流路７に至る冷媒体流が生じる。
【００６７】
加熱媒体供給手段１０は、、一対の収納板内に設けられている加熱流路９に加熱媒体を供給するためのものである。加熱媒体供給路３１は、一端が容器内の加熱流路９に接続され、他端が容器外の加熱媒体タンク２９に接続されている。
【００６８】
容器３には、温度センサ１１が設けてあり、容器３、上部中空部３９または下部中空部４１の温度を検出する。冷却媒体ポンプ２６、加熱媒体ポンプ３０及び外部ヒータは、温度センサ１１の検出温度に基づき、制御手段により制御される。
【００６９】
図５に示すように、冷却流路７は、容器３を構成する一対の収納板内に設けられたマニホールド２０によって複数本の直線溝２１に分岐合流される構成である。複数本の直線溝２１に分岐することで、容器本体１４や蓋体１５の隅々にまで冷媒体１８を流すことが可能となる。なお、直線溝２１は単数であっても、Ｕターンしたサーペンタイン形状であっても効果は同様である。また、マニホールド２０は、容器本体１４または蓋体１５の外部に設けても効果は同様である。
【００７０】
加熱流路９は、図示しないが、冷却流路７と同様の構成としてある。複数本の直線溝２１に分岐することで、容器本体１４や蓋体１５の隅々にまで加熱媒体を流すことが可能となる。媒体流路７、９に、冷媒体１８及び加熱媒体を流すことが可能となり、容器３の全体に亘る温度分布を速やかに一様にすることが可能となる。
【００７１】
本第３実施形態の特性試験装置１を用い、集電板の正極端子と負極端子を導電性の材料で接続することで、起電することが可能となる。また、水素ガス加湿器４３および酸化剤ガス加湿器４４の加湿温度を、高温と低温の間で変動させることで、単電池３８を構成する部材が破損する。こうした部材の破損までの乾湿のサイクル数を試験することで、単電池３８の構成材料の乾湿サイクル耐性を評価することが可能となる。
【００７２】
本第３実施形態の特性試験装置１は、容器本体１４と蓋体１５とが上下に置く配置をとっているが、容器本体１４と蓋体１５が鉛直に配置されても効果は同様である。
【００７３】
［比較例］
上述した本第３実施形態において、冷却流路７に冷媒体を供給せず、かつ、加熱媒体９に加熱媒体を供給しないで容器３の外表面である端板に貼付した外部ヒータのみを用いて、容器３の温度を８０℃に設定し、水素ガス加湿器４３の加湿温度、および、酸化剤ガス加湿器４４の加湿温度を９０℃に設定して容器３の温度を実測した。その実測値のグラフを図６に示す。図６に示すように、温度センサ１１の検出値を基に容器３の温度を８０℃に設定したにも拘らず、容器３の温度の実測値（第二軸）は８０℃から８６℃の温度範囲で大きく変動していることが分かる。
【００７４】
［実施例］
一方、図４に示す本第３実施形態において、冷媒体１８を冷却流路７に供給制御し、加熱媒体を加熱流路９に供給制御し、下記条件にて容器３の温度を実測した。その実測値のグラフを図７に示す。
【００７５】
この実施例で用いた実測条件は、以下のとおりである。
温度センサ１１の検出値を基に容器３の温度を８０℃に設定し、水素ガス加湿器４３の加湿温度、および、酸化剤ガス加湿器４４の加湿温度を９０℃に設定して容器３の温度を実測した。
【００７６】
上記実施例の特性試験装置１によれば、温度センサ１１の検出値を基に容器３の温度を８０℃に設定した結果、容器３の温度の実測値は７９℃から８２℃の温度範囲で推移している。容器３の温度は、約±１℃程度の狭小変動幅に収まっている。
【００７７】
媒体流路に媒体を供給制御した場合の容器３の温度は、図７に示すように、設定温度である８０℃前後で変動しているのに対して、媒体流路に媒体を供給しない場合の容器３の温度は、図６に示すように、８０℃に設定したにも拘らず平均温度でおよそ８４℃程度であり、設定温度よりも４℃も高い。
【００７８】
また、媒体流路に媒体を供給制御とした場合の容器３の温度変動幅は、図７に示すように、７９℃から８２℃の程度であるのに対して、媒体流路に媒体を供給しない場合の容器３の温度変動幅は、図６に示すように、８０℃から８６℃と非常に大きい。
【００７９】
このように、冷媒体１８を冷却流路７に、加熱媒体を加熱流路９に流すことで、目標とする温度への静定が容易になる。そればかりでなく、実際の試験結果である図６と図７は、温度変動も小さく抑えられていることを示しており、本実施形態の特性試験装置１による効果を実際に検証している。
【００８０】
本第３実施形態の特性試験装置１によれば、供試体に燃料電池の単電池３８を用いて、燃料電池自動車の水素タンクへの水素の３分間での充填による温度上昇や、急減な水素の消費による温度低下といった水素タンクの材料が晒される昇降温を行いつつ材料の特性試験を行うことができる。
【００８１】
なお、特性試験装置１の構成は上記実施形態に限定されない。上記実施形態では、圧縮ガス雰囲気のガスは、水素ガス１００％のものを用いたが、何らこれに限定されるものではなく、水素ガスを含有するガス又は水度ガスを模擬したガスであってもよい。例えば、水素ガスに水蒸気を含有するもの、空気に水蒸気を含有するもの、これらに硫黄分（基準値は４ｐｐｂ）を含有するものが挙げられる。
【００８２】
また、第１実施形態から第３実施形態において媒体流路に供給される加熱媒体は、温水、蒸気、液水と蒸気の二層流であってもよい。また、ダウサムA、空気、アセトン、液体ヘリウム、二酸化炭素、フロン、アンモニア、アルコールなどでもよい。
【００８３】
さらに、容器３は上記実施形態１，２ではステンレス鋼製であり、また上記実施形態３では複数の材質からなる構造の組合せに係るものであるが、何らこれらに限定されるものではない。例えば、容器３は、鉄、ニッケル、クロムの少なくとも１種類の元素を含む金属製、鉄よりも熱伝導性に優れた銅製または銅合金製、アルミニウムまたはアルミニウム合金製、カーボン製、SUS３０４であってもよいし、耐水素脆性に優れ、水素ステーションに使用可能なステンレス鋼JISG4303 SUS31と同等のニッケル当量(質量％)＝12.6ｘC＋0.35ｘSi＋1.05ｘMn＋Ni＋0.65ｘCr＋0.98ｘMoが２８．５％以上の金属製であってもよい。容器３の形状は有底略円筒状や略矩形状のものを説明したが、何らこれに限定されるものではなく、例えば円板状であってもよい。
【００８４】
さらにまた、中空部１３の内表面には、耐水素脆性に優れた表面処理を施してもよい。表面処理としては、ダイヤモンドライクコーティング、グラフェンなどの炭素を含む被覆であってもよいし、炭化ケイ素、窒化カーボン、窒化チタン、窒化アルミなどの表面処理であってもよい。金属表面近くに窒素を含有させる窒化処理であってもよい。
【００８５】
上記第１実施形態では、試験具１２は、試験片２の疲労特性を試験するものを挙げたが、何らこれに限定されるものではなく、たとえば、引張り特性、曲げ特性、クリープ特性などの試験を行うものであってもよい。これらの試験具は、従来公知のものが用いられる。
【００８６】
さらに、上記実施形態では、水素ガス供給路２３を蓋体１５に設けたが、容器本体１４に設けてもよいし、容器本体１４と蓋体１５に複数設けることも出来る。
【００８７】
さらにまた、冷却媒体供給路２７は、容器本体１４または蓋体１５に接続する前に分岐される場合もある。加熱媒体供給路３１は、容器本体１４または蓋体１５に接続する前に分岐される場合もある。
【００８８】
図２、図３および図５には、冷却流路７の構成の一例を示し、媒体流路の構成の一例を説明したが、その媒体流路の構成は、供給される媒体との伝熱面積が増大して、対流熱伝達を上げる構成であれば、図２、図３および図５の構成にこだわるものではない。
【００８９】
上記実施形態３では、一対の収納板に、それぞれ、少なくとも１本の冷却流路７と少なくとも１本の加熱流路９が形成されているが、何らこれに限定されるものではなく、例えば、一対の端板にそれぞれ形成されているものであってもよいし、一対の収納板及び端板双方に形成されていてもよい。本実施形態から把握できる技術的思想を下記に示す。
【００９０】
上記実施形態から次の技術的思想が把握できる。
（１）前記容器は、ニッケル当量(質量％)＝12.6ｘC＋0.35ｘSi＋1.05ｘMn＋Ni＋0.65ｘCr＋0.98ｘMoが２８．５％以上の金属製材料を含有することを特徴とする特性試験装置。
【００９１】
この（１）に記載の発明によれば、耐水素脆性に優れる。
【００９２】
（２）前記容器は、燃料極側中空部と空気極側中空部とを有する一対の収納板と、該収納板の両外側面に配設される導電材製の一対の集電板と、該一対の集電板の両外側面に配設されるステンレス鋼製の一対の端板とを備えていることを特徴とする特性試験装置。
【００９３】
この（２）において、次の組合せを含む特性試験装置。
（ａ）前記一対の収納板の何れか又は両方に設けられている冷却流路に冷媒体を供給する冷媒体供給手段と、
前記一対の収納板の何れか又は両方に設けられている加熱流路に加熱媒体を供給する加熱媒体供給手段とを備えていることを特徴とする特性試験装置。
（ｂ）前記一対の端板の何れか又は両方に設けられている冷却流路に冷媒体を供給する冷媒体供給手段と、
前記一対の端板の何れか又は両方に設けられている加熱流路に加熱媒体を供給する加熱媒体供給手段とを備えていることを特徴とする特性試験装置。
（ｃ）前記一対の収納板の何れか又は両方に設けられている冷却流路に冷媒体を供給する冷媒体供給手段と、
前記一対の端板の何れか又は両方に設けられている加熱流路に加熱媒体を供給する加熱媒体供給手段とを備えていることを特徴とする特性試験装置。
（ｄ）前記一対の端板の何れか又は両方に設けられている冷却流路に冷媒体を供給する冷媒体供給手段と、
前記一対の収納板の何れか又は両方に設けられている加熱流路に加熱媒体を供給する加熱媒体供給手段とを備えていることを特徴とする特性試験装置。
（ｅ）前記一対の端板の何れか又は両方に設けられている外部ヒータからなる加熱手段を備えていることを特徴とする前記（ａ）から（ｄ）の何れかに記載の特性試験装置。
【００９４】
これら（２）に記載の発明によれば、燃料電池の特性を試験することができる。
【００９５】
（３）前記冷却媒体供給手段と前記加熱媒体供給手段と前記加熱手段とを、温度センサの検出信号に基づき制御する制御手段とを備えていることを特徴とする特性試験装置。
【００９６】
この（３）に記載の発明によれば、冷却媒体供給手段と加熱媒体供給手段と加熱手段との組合せにより、正確に、迅速に、適切な制御を行うことができる。
【産業上の利用可能性】
【００９７】
本発明は、水素環境に晒される試験片もしくは供試体の機械的特性および電気化学的特性を評価する特性試験装置に好適に適用されるものである。
【符号の説明】
【００９８】
１  特性試験装置
２  試験片（試験片もしくは供試体）
３  容器
４  水素ガス供給手段
５  加圧手段
６  圧力センサ
７  冷却流路（媒体流路）
８  冷却媒体供給手段
９  加熱流路（媒体流路）
１０  加熱媒体供給手段
１１  温度センサ
１２  試験具
１３  中空部
１４  容器本体
１５  蓋体
１６  円形状溝
１７  円形状リブ
１８  冷媒体
１９  エンボス
２０  マニホールド
２１  直線溝
２２  パッキン
２３  水素ガス供給路
２４  水素ガス排気路
２５  冷却媒体タンク（冷却媒体供給手段）
２６  冷却媒体ポンプ（冷却媒体供給手段）
２７  冷却媒体供給路（冷却媒体供給手段）
２８  冷却媒体戻し道
２９  加熱媒体タンク（加熱媒体供給手段）
３０  加熱媒体ポンプ（加熱媒体供給手段）
３１  加熱媒体供給路（加熱媒体供給手段）
３２  加熱媒体戻し道
３３  台座
３４  支持軸
３５  可動部材
３６  上側つかみ材
３７  下側つかみ材
３８  単電池（試験片もしくは供試体）
３９  上部中空部
４０  圧力調整手段
４１  下部中空部
４２  酸化剤ガス供給手段
４３  水素ガス加湿器
４４  酸化剤ガス加湿器
４５  酸化剤ガス供給路
４６  酸化剤ガス排気路
【図１】
2018028520.tif 000003
【図２】
2018028520.tif 000004
【図３】
2018028520.tif 000005
【図４】
2018028520.tif 000006
【図５】
2018028520.tif 000007
【図６】
2018028520.tif 000008
【図７】
2018028520.tif 000009