(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
電解質膜の一方の面に一の触媒層が形成され、他方の面に前記一の触媒層と異なる触媒層が形成された膜触媒層接合体に対し、燃料ガスおよび酸化剤ガスを供給したときの発電の評価に用いられる燃料電池発電評価装置であって、
前記膜触媒層接合体を載置自在な載置面が設けられるとともに、当該載置面に連通する第１のガス流路が形成された支持台と、
前記載置面に対し相対的に近接離間自在で、前記載置面に対向する押圧面に連通する第２のガス流路が形成された押圧治具と、
前記第１のガス流路および前記第２のガス流路への加湿ガスの供給を制御する制御部と、を有し、
当該制御部は、前記支持台と前記押圧治具とが前記膜触媒層接合体を挟むことなく離間した発電前の状態において、前記膜触媒層接合体が前記加湿ガスに触れて平坦化するよう、前記第１のガス流路および前記第２のガス流路の少なくとも一方への前記加湿ガスの供給を開始させる、燃料電池発電評価装置。
【請求項２】
前記膜触媒層接合体を平坦化させる前記加湿ガスは、加湿された前記酸化剤ガスであり、前記押圧治具に形成された前記第２のガス流路から供給される、請求項１に記載の燃料電池発電評価装置。
【請求項３】
前記支持台に形成された前記第１のガス流路と連通し、前記膜触媒層接合体を前記支持台上に吸引固定するポンプを有する、請求項１または請求項２に記載の燃料電池発電評価装置。
【請求項４】
前記第１のガス流路および前記第２のガス流路の少なくとも一方と連通し、前記加湿ガスの露点を調整する加湿器を有する、請求項１〜請求項３のうちのいずれか１つに記載の燃料電池発電評価装置。
【請求項５】
前記第１のガス流路および前記第２のガス流路の少なくとも一方を加熱するヒータを有する、請求項１〜請求項４のうちのいずれか１つに記載の燃料電池発電評価装置。
【請求項６】
電解質膜の一方の面に一の触媒層が形成され、他方の面に前記一の触媒層と異なる触媒層が形成された膜触媒層接合体を、相対的に近接離間する支持台および押圧治具によって厚み方向から挟み、当該挟んだ膜触媒層接合体に対し、燃料ガスおよび酸化剤ガスを供給して発電の評価を行う燃料電池発電評価方法であって、
前記発電の前、前記支持台上に載置した前記膜触媒層接合体から前記押圧治具を離間させた状態で、前記膜触媒層接合体に対し、加湿された前記酸化剤ガスを前記押圧治具側から当て、前記膜触媒層接合体を平坦化させる、燃料電池発電評価方法。
【請求項７】
前記膜触媒層接合体を前記支持台上に吸引固定し、前記膜触媒層接合体をさらに平坦化させる、請求項６に記載の燃料電池発電評価方法。
【請求項８】
前記加湿された酸化剤ガスの露点を調整した後、当該加湿された酸化剤ガスを前記膜触媒層接合体に当てる、請求項６または請求項７に記載の燃料電池発電評価方法。
【請求項９】
加熱されたガス流路を通じて、前記加湿された酸化剤ガスを前記膜触媒層接合体へと案内する、請求項６〜請求項８のうちのいずれか１つに記載の燃料電池発電評価方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池発電評価装置および燃料電池発電評価方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池自動車等に利用される固体高分子形燃料電池は、電気化学反応を進行させる主たる構成として、電解質膜の両面に触媒層が形成された膜触媒層接合体（ＣＣＭ：Ｃａｔａｌｙｓｔ  Ｃｏａｔｅｄ  Ｍｅｍｂｒａｎｅ）を備える（特許文献１）。
【０００３】
ＣＣＭは、例えば、長尺な電解質膜からなるシート材をロールトゥロールによって搬送しつつ、シート材の面に触媒層を形成することによって大量生産される。その際に誤って大量の不良品が製造されないよう、製造途中でＣＣＭについて発電特性が評価される。発電特性の評価は、両面に触媒層が形成された前述のシート材から小片状のＣＣＭのサンプルを切り出し、これを発電評価装置にセットして行われる。ＣＣＭは、外周を厚み方向からシール材によって挟みこまれるようにして発電評価装置にセットされる。
【０００４】
ＣＣＭのサンプルは、しばしば、シート材から切り出されてから発電評価装置にセットされるまでの間に、カールするように変形するが、このような変形が生じると、発電評価装置へのセットの際、シール材に対してＣＣＭが定位置に設置されず、シール性が低下する虞がある。このため、ＣＣＭは平坦化されて発電評価装置にセットされるのが好ましい。
【０００５】
ＣＣＭに生じるそのような変形は、電解質膜の両面の各々に異なる触媒層が形成されていることに起因すると考えられる。より具体的には、ＣＣＭが作製される環境と、発電評価が行われる環境とで、環境中の相対湿度が変化し、ＣＣＭが吸湿した際、ＣＣＭの両面に形成された触媒層が、それぞれ異なることに起因して互いに異なる大きさに膨張するため、ＣＣＭが変形すると考えられる。
【０００６】
変形したＣＣＭのサンプルを平坦化する方法としては、例えば、補強材をサンプルの外周に取り付けて平坦にし、その状態を保持することが挙げられる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２０１３−１８２６８２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、その場合、補強材を準備したり補強材をサンプルに取り付けたりしなければならず、サンプル作成に時間を要するため、発電評価に迅速に取り掛かることができない。
【０００９】
本発明は、このような課題に鑑みてなされたものであり、サンプル作成が短時間で済み、発電評価を迅速に行うことができる燃料電池発電評価装置および燃料電池発電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】
【００１０】
上記目的を達成するための本発明の燃料電池発電評価装置は、電解質膜の一方の面に一の触媒層が形成され、他方の面にそれと異なる他の触媒層が形成された膜触媒層接合体に対し、燃料ガスおよび酸化剤ガスを供給したときの発電の評価に用いられる。本発明の燃料電池発電評価装置は、支持台と、押圧治具と、制御部と、を有する。ここで、支持台には、上記膜触媒層接合体を載置自在な載置面が設けられるとともに、この載置面に連通する第１のガス流路が形成されている。上記押圧治具は、上記載置面に対して相対的に近接離間自在である。上記押圧治具には、上記載置面に対向する押圧面が設けられており、また、この押圧面に連通する第２のガス流路が形成されている。上記制御部は、上記第１のガス流路および上記第２のガス流路への加湿ガスの供給を制御する。特に、上記制御部は、上記支持台と上記押圧治具とが上記膜触媒層接合体を挟むことなく離間した発電前の状態において、上記膜触媒層接合体が上記加湿ガスに触れて平坦化するよう、上記第１のガス流路および上記第２のガス流路の少なくとも一方への上記加湿ガスの供給を開始させる。
【００１１】
上記目的を達成するための本発明の燃料電池発電評価方法は、相対的に近接離間する支持台および押圧治具によって膜触媒層接合体を厚み方向から挟み、挟んだ膜触媒層接合体に対し、燃料ガスおよび酸化剤ガスを供給して発電の評価を行う。ここで、上記膜触媒層接合体は、電解質膜の一方の面に一の触媒層が形成され、他方の面にそれと異なる他の触媒層が形成された構成を有する。本発明の燃料電池発電評価方法は、上記発電の前、上記支持台上に載置した上記膜触媒層接合体に加湿ガスを当て、上記膜触媒層接合体を平坦化させる。このとき、上記押圧治具を上記膜触媒層接合体から離間させておく。
【発明の効果】
【００１２】
上記構成を有する燃料電池発電評価装置および燃料電池発電評価方法では、加湿ガスを用いてサンプルの平坦化が図られるため、平坦化のために例えば補強材のような部材を準備したり、そのような部材をサンプルに取り付けたりする手間がかからない。従って、本発明によれば、サンプル作成が短時間で済み、発電評価を迅速に行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】第１実施形態の燃料電池発電評価装置の概略構成を示す図である。
【図２】実施形態の膜触媒層接合体の構成を模式的に示す図である。
【図３】実施形態の膜触媒層接合体のサンプル作製を示す斜視図である。
【図４】実施形態の膜触媒層接合体が触媒層の膨張によってカールする様子を示す図である。
【図５】第１実施形態の燃料電池発電評価方法のフローチャートである。
【図６】支持台上にシール材およびガス拡散層が設置される様子を示す斜視図である。
【図７】カールした膜触媒層接合体に加湿ガスを当てて平坦化させる様子を示す図である。
【図８】平坦化された膜触媒層接合体の上にシール材およびガス拡散層が設置される様子を示す図である。
【図９】シール材、膜触媒層接合体、およびガス拡散層の大小関係を示す平面図である。
【図１０】膜触媒層接合体の上にシール材およびガス拡散層を設置し終わった状態を示す図である。
【図１１】シール材、膜触媒層接合体、およびガス拡散層が押圧治具によって押圧され、押圧治具と支持台との間に挟持される様子を示す図である。
【図１２】第１実施形態の燃料電池発電評価装置の発電時の状態を示す図である。
【図１３】第２実施形態の燃料電池発電評価装置の概略構成を示す図である。
【図１４】第２実施形態の燃料電池発電評価方法のフローチャートである。
【図１５】支持台の載置面に連通する流路内の空気をポンプによって吸引する様子を示す図である。
【図１６】カールした膜触媒層接合体が支持台上に吸引固定されて平坦化する様子を示す図である。
【図１７】支持台上に吸引固定された膜触媒層接合体に加湿ガスを当てる様子を示す図である。
【図１８】支持台上に吸引固定された膜触媒層接合体が加湿ガスによって平坦化した状態を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、添付した図面を参照しながら、本発明の実施形態を説明する。なお、図面の寸法比率は、説明の都合上誇張されており、実際の比率と異なる。
【００１５】
＜第１実施形態＞
図１に示すように、第１実施形態の燃料電池発電評価装置１００は、支持台１１０Ａ、押圧治具１１０Ｂ、駆動源１２０、ヒータ１３０Ａ、１３０Ｂ、マスフローコントローラー１４０Ａ、１４０Ｂ、加湿器１５０Ａ、１５０Ｂ、露点計１６０Ａ、１６０Ｂ、および、圧力調整弁１７０Ａ、１７０Ｂを有する。また、燃料電池発電評価装置１００は、計測機器１８０、および制御部１９０を有する。
【００１６】
支持台１１０Ａは、発電評価のサンプルが載置される載置面１１１Ａを有する。支持台１１０Ａには、載置面１１１Ａに連通する流路１１２Ａ（第１のガス流路）が形成されている。流路１１２Ａには、燃料ガスの供給路１０１、１０２、および排出路１０３が連通している。支持台１１０Ａは、載置面１１１Ａから突出する位置決めピン１１３Ａを有する。
【００１７】
ヒータ１３０Ａは、支持台１１０Ａの内部で載置面１１１Ａに沿って設けられている。ヒータ１３０Ａは、流路１１２Ａのうち、特に、載置面１１１Ａに沿って延在する箇所を加熱する。
【００１８】
マスフローコントローラー１４０Ａは、燃料ガスの供給路１０１に設けられている。マスフローコントローラー１４０Ａは、燃料ガスの流量調整を行う。燃料ガスは、例えば、水素であり、高圧タンクから供給される。
【００１９】
加湿器１５０Ａは、燃料ガスを加湿し、露点調整を行う。加湿器１５０Ａは、ガスを水中にくぐらせるバブラー式の加湿器である。加湿器１５０Ａは、水温をヒータ１５１Ａによって調整することによって、燃料ガスの露点を調整する。加湿器１５０Ａは、バブラー式の加湿器に限定されず、例えば、インジェクション式、シャワー式、分流式等であってもよい。加湿器１５０Ａは、燃料ガスの供給路１０２を通じ、流路１１２Ａに連通する。
【００２０】
露点計１６０Ａは、燃料ガスの露点を計測する。露点計１６０Ａは、加湿器１５０Ａよりも燃料ガスの供給方向下流側で、燃料ガスの供給路１０２に設けられている。露点計１６０Ａは、流路１１２Ａの入口に設けられてもよい。
【００２１】
圧力調整弁１７０Ａは、排出路１０３に設けられている。圧力調整弁１７０Ａは、流路１１２Ａの出口に設けられてもよい。圧力調整弁１７０Ａは、流路１１２Ａを流れる燃料ガスの圧力を調整する。
【００２２】
押圧治具１１０Ｂは、載置面１１１Ａに対し近接離間自在である。押圧治具１１０Ｂは、載置面１１１Ａに対向する押圧面１１１Ｂを有する。押圧治具１１０Ｂには、流路１１２Ｂ（第２のガス流路）が形成されている。流路１１２Ｂには、酸化剤ガスの供給路１０４、１０５、および排出路１０６が連通している。
【００２３】
駆動源１２０は、押圧治具１１０Ｂと接続し、支持台１１０Ａに対して近接離間させる駆動力を押圧治具１１０Ｂに付与する。駆動源１２０は、例えば、空圧シリンダ、サーボモータであるが、これらに限定されない。
【００２４】
ヒータ１３０Ｂは、押圧治具１１０Ｂの内部で押圧面１１１Ｂに沿って設けられている。ヒータ１３０Ｂは、流路１１２Ｂのうち、特に、押圧面１１１Ｂに沿って延在する箇所を加熱する。
【００２５】
マスフローコントローラー１４０Ｂは、酸化剤ガスの供給路１０４に設けられている。マスフローコントローラー１４０Ｂは、酸化剤ガスの流量調整を行う。酸化剤ガスは、例えば空気であり、コンプレッサによって圧縮されて供給されるが、これに限定されず、高圧タンクから供給される酸素であってもよい。
【００２６】
加湿器１５０Ｂは、酸化剤ガスを加湿し、露点調整を行う。加湿器１５０Ｂは、バブラー式の加湿器である。加湿器１５０Ｂは、水温をヒータ１５１Ｂによって調整することによって、酸化剤ガスの露点を調整する。加湿器１５０Ｂは、バブラー式の加湿器に限定されず、例えば、インジェクション式、シャワー式、分流式等であってもよい。加湿器１５０Ｂは、酸化剤ガスの供給路１０５を通じ、流路１１２Ｂに連通する。
【００２７】
露点計１６０Ｂは、酸化剤ガスの露点を計測する。露点計１６０Ｂは、加湿器１５０Ｂよりも酸化剤ガスの供給方向下流側で、酸化剤ガスの供給路１０５に設けられている。露点計１６０Ｂは、流路１１２Ｂの入口に設けられてもよい。
【００２８】
圧力調整弁１７０Ｂは、排出路１０６に設けられている。圧力調整弁１７０Ｂは、流路１１２Ｂの出口に設けられてもよい。圧力調整弁１７０Ｂは、流路１１２Ｂを流れる酸化剤ガスの圧力を調整する。
【００２９】
計測機器１８０は、載置面１１１Ａおよび押圧面１１１Ｂのそれぞれと電気的に接続している。計測機器１８０は、電子負荷を含み、電流および電圧を測定可能である。
【００３０】
制御部１９０は、中央演算装置（ＣＰＵ）、読み出し専用メモリ（ＲＯＭ）、ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）、及び入出力インタフェース（Ｉ／Ｏインタフェース）を備えるコンピュータシステムであり、燃料電池発電評価装置１００の各部を制御する。
【００３１】
次に、発電評価に用いられる膜触媒層接合体について述べる。
【００３２】
図２に示すように、本実施形態の膜触媒層接合体１（以下、単にＣＣＭ１と称す）は、電解質膜２と、アノード触媒層３と、カソード触媒層４と、を有する。アノード触媒層３は、電解質膜２の一方の面に形成され、カソード触媒層４は、電解質膜２の他方の面に形成される。
【００３３】
電解質膜２は、アノード触媒層３側に供給される燃料ガスとカソード触媒層４側に供給される酸化剤ガスとを混合させないための隔壁としての機能を有する。また、電解質膜２は、アノード触媒層３側で生成するプロトンをカソード触媒層４側に透過させる機能を有する。電解質膜２の厚みは、特に限定されないが、例えば５〜３００μｍ、好ましくは１０〜２００μｍである。
【００３４】
電解質膜２は、特に限定されず従来公知の知見が適宜参照され得るが、イオン伝導性の高分子電解質膜であることが好ましい。
【００３５】
ここで、イオン伝導性の高分子電解質膜は、構成材料であるイオン交換樹脂の種類によって、フッ素系高分子電解質膜と炭化水素系高分子電解質膜とに大別される。
【００３６】
フッ素系高分子電解質膜を構成するイオン交換樹脂としては、例えば、ナフィオン（登録商標、デュポン社製）、アシプレックス（登録商標、旭化成株式会社製）、フレミオン（登録商標、旭硝子株式会社製）等のパーフルオロカーボンスルホン酸系ポリマー、パーフルオロカーボンホスホン酸系ポリマー、トリフルオロスチレンスルホン酸系ポリマー、エチレンテトラフルオロエチレン−ｇ−スチレンスルホン酸系ポリマー、エチレン−テトラフルオロエチレン共重合体、ポリビニリデンフルオリド−パーフルオロカーボンスルホン酸系ポリマー等が挙げられる。
【００３７】
炭化水素系高分子電解質膜としては、例えば、スルホン化ポリエーテルスルホン（Ｓ−ＰＥＳ）、スルホン化ポリアリールエーテルケトン、スルホン化ポリベンズイミダゾールアルキル、ホスホン化ポリベンズイミダゾールアルキル、スルホン化ポリスチレン、スルホン化ポリエーテルエーテルケトン（Ｓ−ＰＥＥＫ）、スルホン化ポリフェニレン（Ｓ−ＰＰＰ）等が挙げられる。
【００３８】
アノード触媒層３およびカソード触媒層４のそれぞれは、触媒成分と、触媒成分を担持する導電性の触媒担体と、高分子電解質と、を含む。アノード触媒層３およびカソード触媒層４の厚みは特に限定されないが、例えば１〜１０μｍである。
【００３９】
アノード触媒層３に含まれる触媒成分は、水素の酸化反応に触媒作用を有するものであれば、特に限定されない。カソード触媒層４に用いられる触媒成分は、酸素の還元反応に触媒作用を有するものであれば、特に限定されない。
【００４０】
具体的な触媒成分は、例えば、白金、ルテニウム、イリジウム、ロジウム、パラジウム、オスミウム、タングステン、鉛、鉄、クロム、コバルト、ニッケル、マンガン、バナジウム、モリブデン、ガリウム、アルミニウム等の金属、およびそれらの合金等から選択される。
【００４１】
触媒の導電性担体は、触媒成分を所望の分散状態で担持するための比表面積および集電体として十分な電子導電性を有していれば、特に限定されないが、主成分がカーボン粒子であるのが好ましい。カーボン粒子は、例えば、カーボンブラック、活性炭、コークス、天然黒鉛、人造黒鉛から構成される。
【００４２】
アノード触媒層３およびカソード触媒層４のそれぞれに含まれる高分子電解質は、少なくとも高いプロトン伝導性を有する材料であれば、特に限定されず、例えば、ポリマー骨格の全部または一部にフッ素原子を含むフッ素系電解質や、ポリマー骨格にフッ素原子を含まない炭化水素系電解質が適用可能である。
【００４３】
最終製品となる膜触媒層接合体は、図３に示すように、例えば、長尺なシート状の電解質膜２０の一方の面にアノード触媒層３０を形成し、他方の面にカソード触媒層４０を形成した長尺体１０を、所定の形状に切り分けて大量生産される。このとき不良品が大量に製造されるのを防止するため、発電評価が行われる。発電評価のサンプルとして、長尺体１０から小片状のＣＣＭ１が切り出され、燃料電池発電評価装置１００にセットされる。
【００４４】
その際、図４に示すように、サンプルとなるＣＣＭ１は、しばしばカールするように変形する。
【００４５】
これは、電解質膜２の一方の面に形成されたアノード触媒層３と、他方の面に形成されたカソード触媒層４とが、同一ではなく、互いに異なることに起因すると考えられる。
【００４６】
より具体的には、サンプルとなる小片状のＣＣＭ１が形成される環境と、燃料電池発電評価装置１００が置かれている（ＣＣＭ１がセットされる）環境とで、環境中の相対湿度が変化し、ＣＣＭ１が吸湿した際、アノード触媒層３とカソード触媒層４とが、それぞれ異なることに起因して互いに異なる大きさに膨張するため、ＣＣＭ１が変形すると考えられる。
【００４７】
ＣＣＭ１が形成される環境は高温で相対湿度が低く、一方、燃料電池発電評価装置１００が置かれている（ＣＣＭ１がセットされる）環境は、大気中であり、相対湿度が高い。
【００４８】
アノード触媒層３およびカソード触媒層４のそれぞれの膨張率は、例えば、イオン伝導性材料（Ｉ）と導電性材料（Ｃ）との混合比（Ｉ／Ｃ）、およびＥＷ（Ｅｑｕｉｖａｌｅｎｔ  Ｗｅｉｇｈｔ）によって変化する。
【００４９】
例えば、Ｉ／Ｃが大きくなると、一般的に、触媒層の膨張率は大きくなる。また、例えば、ＥＷが大きくなると、一般的に、触媒層の膨張率は小さくなる。ＥＷは、プロトン伝導性を有する交換基の当量重量を表している。当量重量は、イオン交換基１当量あたりのイオン交換膜の乾燥重量であり、「ｇ／ｅｑ」の単位で表される。
【００５０】
アノード触媒層３とカソード触媒層４とが異なるとは、例えば、それらに含まれる成分が異なる、または、同一の成分が含まれるが混合比が異なる等、組成が異なる場合に限定されない。例えば、アノード触媒層３およびカソード触媒層４のそれぞれの厚みもしくは面方向の面積、またはそれらの両方が異なる等、アノード触媒層３とカソード触媒層４との形状が異なる場合も含む。
【００５１】
次に、本実施形態の燃料電池発電評価方法について述べる。
【００５２】
図５に示すように、本実施形態の燃料電池発電評価方法は、下シール材設置工程Ｓ１００、下ＧＤＬ設置工程Ｓ１０１、ガス流路加熱工程Ｓ１０２、加湿ガス供給工程Ｓ１０３、ＣＣＭ設置工程Ｓ１０４、上シール材設置工程Ｓ１０５、上ＧＤＬ設置工程Ｓ１０６、加熱／加湿ガス停止工程Ｓ１０７、およびＣＣＭ挟持工程Ｓ１０８を有する。
【００５３】
また、本実施形態の燃料電池発電評価方法は、発電工程Ｓ１０９と、発電測定工程Ｓ１１０と、発電評価工程Ｓ１１１と、を有する。
【００５４】
図６に示すように、下シール材設置工程Ｓ１００では、シール材１１４Ａが支持台１１０Ａの載置面１１１Ａに設置され、下ＧＤＬ設置工程Ｓ１０１では、シール材１１４Ａに形成された孔１１６Ａに、ガス拡散層１１５Ａが配置される。
【００５５】
シール材１１４Ａは、位置決めピン１１３Ａによって、孔１１６Ａから流路１１２Ａが露出するよう位置決めされて設置される。流路１１２Ａは、直線状の複数の溝が平行に形成された構成を有する。ガス拡散層１１５Ａは、孔１１６Ａに配置され、流路１１２Ａを覆う。
【００５６】
作業者は、ガス拡散層１１５Ａを孔１１６Ａに配置した後、制御部１９０にガス流路加熱工程Ｓ１０２および加湿ガス供給工程Ｓ１０３を実行させる。
【００５７】
図７に示すように、ガス流路加熱工程Ｓ１０２では、制御部１９０は、ヒータ１３０Ｂに制御信号を送り、流路１１２Ｂを加熱させる。流路１１２Ｂは、好ましくは５０℃程度になるまで加熱されるが、これに限定されない。
【００５８】
加湿ガス供給工程Ｓ１０３では、制御部１９０は、マスフローコントローラー１４０Ｂに制御信号を送り、酸化剤ガスの供給を開始させる。また、このとき、制御部１９０は、加湿器１５０Ｂを動作させ、酸化剤ガスが加湿されて所望の露点となるよう調整させる。ここで、所望の露点は、好ましくは４０〜５０℃であるが、これに限定されない。制御部１９０は、露点計１６０Ｂで計測される酸化剤ガスの露点に基づき、加湿器１５０Ｂを制御する。
【００５９】
加湿された酸化剤ガスは、流路１１２Ｂを通じ、押圧面１１１Ｂへと流れる。流路１１２Ｂは、押圧面１１１Ｂにおいて、流路１１２Ａと同様に直線状の複数の溝が平行に形成された構成（図６参照）を有し、露出している。このため、加湿された酸化剤ガスは、流路１１２Ｂを流れて押圧面１１１Ｂに達すると、押圧治具１１０Ｂの外部に流れ出て、支持台１１０Ａの方へ向かう。その状態が維持されたまま、ＣＣＭ設置工程Ｓ１０４が行われる。
【００６０】
ＣＣＭ設置工程Ｓ１０４では、ＣＣＭ１が支持台１１０Ａの上に載置され、押圧治具１１０Ｂ側から供給される加湿された酸化剤ガスが、ＣＣＭ１に当たる。このとき、押圧治具１１０Ｂは、ＣＣＭ１から離間したままである。
【００６１】
ＣＣＭ１は、アノード触媒層３が支持台１１０Ａに向けられ、カソード触媒層４が押圧治具１１０Ｂに向けられて支持台１１０Ａに載置される。
【００６２】
ＣＣＭ１は、サンプルとして切り出されてから支持台１１０Ａの上に載置されるまでの間に、相対湿度の変化によってカールしているが、加湿された酸化剤ガス（加湿ガス）が当てられることによって、平坦な形状へと変形していく。
【００６３】
このような平坦化は、ＣＣＭ１が加湿ガスに触れた際、アノード触媒層３とカソード触媒層４とが吸湿し、それらの膨張量が略同等になるため生じると考えられる。平坦化されたＣＣＭ１は、必ずしも真っ平らになる必要はなく、僅かな湾曲、反り等の変形が残っていてもよい。
【００６４】
ＣＣＭ１が平坦になったところで、作業者は、上シール材設置工程Ｓ１０５、および上ＧＤＬ設置工程Ｓ１０６を行う。
【００６５】
図８に示すように、上シール材設置工程Ｓ１０５において、作業者は、シール材１１４Ｂを、位置決めピン１１３Ａによって位置決めしつつ、ＣＣＭ１の外周部に配置する。その後、上ＧＤＬ設置工程Ｓ１０６において、作業者は、シール材１１４Ｂに形成された孔１１６Ｂに、ガス拡散層１１５Ｂを配置する。
【００６６】
ガス拡散層１１５Ａ、１１５Ｂは、ガス拡散性および導電性を有する。ガス拡散層１１５Ａ、１１５Ｂは、例えば、炭素繊維からなる糸で織成したカーボンクロス、カーボンペーパー、またはカーボンフェルトから成形されるが、これらに限定されない。
【００６７】
ガス拡散層１１５Ａ、１１５Ｂは、撥水剤を含ませることで、撥水性をより高めてフラッディング現象などを防ぐことが好ましい。撥水剤は、特に限定されないが、例えば、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）、ポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）、ポリヘキサフルオロプロピレン、テトラフルオロエチレン−ヘキサフルオロプロピレン共重合体（ＦＥＰ）などのフッ素系の高分子材料、ポリプロピレン、ポリエチレンである。
【００６８】
図９に示すように、シール材１１４Ａ、１１４Ｂの外周のサイズは、ＣＣＭ１の外周のサイズよりも大きく、ＣＣＭ１の外周のサイズは、ガス拡散層１１５Ａ、１１５Ｂの外周のサイズよりも大きい。
【００６９】
図１０に示すように、上ＧＤＬ設置工程Ｓ１０６の後、作業者は制御部１９０に加熱／加湿ガス停止工程Ｓ１０７を実行させ、ヒータ１３０Ｂによる流路１１２Ｂの加熱、マスフローコントローラー１４０Ｂによる酸化剤ガスの供給、および加湿器１５０Ｂによるガスの加湿を停止させる。制御部１９０は、加熱／加湿ガス停止工程Ｓ１０７の後、ＣＣＭ挟持工程Ｓ１０８を実行する。
【００７０】
図１１に示すように、ＣＣＭ挟持工程Ｓ１０８では、制御部１９０は、駆動源１２０に制御信号を送り、押圧治具１１０Ｂを支持台１１０Ａに近接するよう移動させる。制御部１９０は、ＣＣＭ１、ガス拡散層１１５Ａ、１１５Ｂ、およびシール材１１４Ａ、１１４Ｂが、支持台１１０Ａおよび押圧治具１１０Ｂによって所定の力で挟持されたところで、押圧治具１１０Ｂを停止させる。
【００７１】
その後、図１２に示すように、発電工程Ｓ１０９において、制御部１９０は、マスフローコントローラー１４０Ａ、１４０Ｂを動作させて酸化剤ガスおよび燃料ガスの供給を開始させるとともに、ヒータ１３０Ａ、１３０Ｂを発熱させる。また、このとき、制御部１９０は、加湿器１５０Ａ、１５０Ｂを動作させ、燃料ガスおよび酸化剤ガスの露点を調整する。
【００７２】
発電工程Ｓ１０９において、流路１１２Ａ、１１２Ｂは、ヒータ１３０Ａ、１３０Ｂによって例えば６０℃程度に加熱され、燃料ガスおよび酸化剤ガスは、加湿器１５０Ａ、１５０Ｂによって、例えば露点が６０℃程度になるよう加湿される。流路１１２Ａ、１１２Ｂの温度および加湿ガスの露点は、これらに限定されない。
【００７３】
加湿器１５０Ａを通過して所定の露点に加湿された燃料ガスは、流路１１２Ａを通ってガス拡散層１１５Ａに達する。加湿された燃料ガスは、ガス拡散層１１５Ａを拡散し、ＣＣＭ１のアノード側に供給される。
【００７４】
加湿器１５０Ｂを通過して所定の露点に加湿された酸化剤ガスは、流路１１２Ｂを通ってガス拡散層１１５Ｂに達する。加湿された酸化剤ガスは、ガス拡散層１１５Ｂを拡散し、ＣＣＭ１のカソード側に供給される。
【００７５】
ＣＣＭ１は、燃料ガスおよび酸化剤ガスが供給されると、アノード側で水素の酸化反応を進行させ、カソード側で酸素の還元反応を進行させることによって、電気を生じさせる。計測機器１８０は、発電測定工程Ｓ１１０において、そのときの電流および電圧を測定する。載置面１１１Ａおよび押圧面１１１Ｂは、それぞれ導電性を有しており、計測機器１８０は、それらを介してＣＣＭ１と電気的に接続する。
【００７６】
また、計測機器１８０は、制御部１９０と電気的に接続している。制御部１９０は、計測機器１８０に電流および電圧の測定を実行させる。また、制御部１９０は、計測機器１８０から測定結果を受け取り、それに基づいてＣＣＭ１の電流電圧特性を作成する。制御部１９０は、液晶ディスプレイ等の表示装置（不図示）に、作成した電流電圧特性を表示する。
【００７７】
発電評価工程Ｓ１１１では、ＣＣＭ１の発電特性が評価され、その結果に基づいてＣＣＭ１の良否が判定される。例えば、発電測定工程Ｓ１１０で得られた電流電圧特性について、所定の電流値のときの電圧値が基準値以上か否か評価され、基準値以上であれば、作製したＣＣＭ１が良好な発電性能を有すると判定される。
【００７８】
ＣＣＭ１の発電特性の評価および良否判定は、制御部１９０が行ってもよいし、表示装置に表示される測定結果に基づいて作業者が行うようにしてもよい。
【００７９】
次に、本実施形態の作用効果について述べる。
【００８０】
ＣＣＭ１を燃料電池発電評価装置１００にセットする際、図４で示したようにＣＣＭ１がカールしたままであると、図１０で示したようにシール材１１４Ａ、１１４ＢによってＣＣＭ１の端部を平坦な状態に挟み込むことが難しい。
【００８１】
カールしたＣＣＭ１を無理にシール材１１４Ａ、１１４Ｂによって挟み込もうとすると、例えばＣＣＭ１の端部が折れ曲がって挟み込まれ、シール材１１４Ａ、１１４ＢとＣＣＭ１との間に隙間が生じる等、シール性の低下を招く虞がある。シール材１１４Ａ、１１４Ｂのシール性が低下してガス漏れが生じると、ＣＣＭ１の正確な発電評価を行うことができないため、好ましくない。
【００８２】
これに対し、例えば、カールしたＣＣＭ１の外周に補強材を取り付けることによって、ＣＣＭ１を平坦な形状に保持することも可能である。
【００８３】
しかしながら、その場合、補強材を準備したり、それをＣＣＭ１に取り付けたりするのに手間がかかり、サンプル作成の時間が長くなるため、発電評価に迅速に取り掛かることができない。
【００８４】
一方、本実施形態では、図７で示したように、加湿された酸化剤ガス（加湿ガス）をＣＣＭ１に当てることによって平坦化が図られるため、前述の補強材のようなＣＣＭ１を平坦化するための部材を準備したり、それをＣＣＭ１に取り付けたりする手間がかからない。従って、本実施形態によれば、サンプル作成が短時間で済み、発電評価を迅速に行うことができる。
【００８５】
図７で示したように、本実施形態では、ＣＣＭ１の平坦化の際、加湿ガスは押圧治具１１０Ｂ側から当てられるが、本発明はこの形態に限定されず、流路１１２Ａ（第１のガス流路）に加湿ガスを流して支持台１１０Ａ側から加湿ガスを当てる形態を含む。
【００８６】
しかしながら、その場合、支持台１１０Ａから押圧治具１１０Ｂ側へと流れ出る加湿ガスによって、支持台１１０Ａ上のシール材１１４Ａおよびガス拡散層１１５Ａが押されて不安定に浮くことがあるため、ＣＣＭ１が安定的に載置され難い。
【００８７】
一方、本実施形態では、平坦化の際、加湿ガスは流路１１２Ｂ（第２のガス流路）を通じて押圧治具１１０Ｂ側からＣＣＭ１に当てられ、シール材１１４Ａおよびガス拡散層１１５Ａの浮きが抑制されるため、ＣＣＭ１を安定的に載置できる。
【００８８】
また、平坦化の際にＣＣＭ１に当てる加湿ガスは、本実施形態と異なり、加湿された燃料ガスであってもよいが、本実施形態では加湿された酸化剤ガスをＣＣＭ１に当てるようにしており、燃料ガスが実験室内に出ないため、より安全性が高い。
【００８９】
酸化剤ガス（加湿ガス）は、加湿器１５０Ｂによって露点を調整され、平坦化に適した露点でＣＣＭ１に当たるため、ＣＣＭ１の平坦化効果が高い。
【００９０】
平坦化の際、流路１１２Ｂ（第２のガス流路）はヒータ１３０Ｂによって加熱され、加湿された酸化剤ガス（加湿ガス）は、加熱された流路１１２Ｂを通じてＣＣＭ１へと案内される。このため、流路１１２Ｂに結露が生じ難く、ＣＣＭ１への結露水の付着が防止される。
【００９１】
ＣＣＭ１は、結露水の付着によって膨潤して変形すると、シール材１１４Ａ、１１４Ｂの間、およびガス拡散層１１５Ａ、１１５Ｂの間に設置できなくなる虞があるが、本実施形態では結露水の付着が防止されるため、それらの間にＣＣＭ１を適切に設置できる。
【００９２】
＜第２実施形態＞
図１３に示すように、第２実施形態の燃料電池発電評価装置２００は、ポンプ２０１を有する点で第１実施形態と異なる。また、燃料電池発電評価装置２００は、排出路２０２と、三方弁２０３とを有する点で、第１実施形態と異なる。他の構成については、燃料電池発電評価装置２００は第１実施形態の燃料電池発電評価装置１００と略同様であり、図中で同一の符号を付し、重複する説明を省略する。
【００９３】
ポンプ２０１は、排出路２０２と連通している。三方弁２０３は、排出路２０２、および燃料ガスの供給路１０２に連通している。三方弁２０３は、流路１１２Ａと燃料ガスの供給路１０２との連通と、流路１１２Ａと排出路２０２との連通とを切り替える。
【００９４】
図１４に示すように、本実施形態の燃料電池発電評価方法は、吸引工程Ｓ２０２を有する点で、第１実施形態と異なる。
【００９５】
また、本実施形態の燃料電池発電評価方法は、ＣＣＭ設置工程Ｓ２０３が、第１実施形態のように加湿ガス供給工程Ｓ２０５と上シール材設置工程Ｓ２０６との間ではなく、ガス流路加熱工程Ｓ２０４の前に行われる点で、第１実施形態と異なる。吸引工程Ｓ２０２が追加された点、およびＣＣＭ設置工程Ｓ２０３の順番が異なる以外の他の点については、本実施形態は第１実施形態の燃料電池発電評価方法と略同様であり、図中で同一の名称を用い、ここでの重複する説明を省略する。
【００９６】
図１５に示すように、吸引工程Ｓ２０２では、三方弁２０３が流路１１２Ａと排出路２０２とを連通させるとともに、ポンプ２０１が流路１１２Ａ内を吸引する。このとき、圧力調整弁１７０Ａは閉じている。三方弁２０３、ポンプ２０１、および圧力調整弁１７０Ａは、制御部１９０からの信号を受けて動作する。
【００９７】
図１６に示すように、ＣＣＭ設置工程Ｓ２０３では、ＣＣＭ１が支持台１１０Ａの上に載置され、ポンプ２０１によって支持台１１０Ａの上に吸引固定される。
【００９８】
ＣＣＭ１は、ガス拡散層１１５Ａを介して支持台１１０Ａの上に載置されるが、ガス拡散層１１５Ａはガス透過性を有しており、ポンプ２０１が動作すると、ガス拡散層１１５Ａを通じて空気がガス流路１１２Ａ内へと引き込まれるため、ＣＣＭ１は支持台１１０Ａの上に吸引固定される。
【００９９】
ＣＣＭ１は、カールした状態で支持台１１０Ａの上に載置されるが、ポンプ２０１による吸引固定によって、平坦な形状を有するように変形する。
【０１００】
その後、図１７に示すように、ガス流路加熱工程Ｓ２０４において、ヒータ１３０Ｂによって流路１１２Ｂが加熱され、加湿ガス供給工程Ｓ２０５において、加湿された酸化剤ガスが流路１１２Ｂに供給される。このとき、ＣＣＭ１は、ポンプ２０１によって吸引固定されたままである。加湿された酸化剤ガスは、流路１１２Ｂから流れ出てＣＣＭ１に当たる。
【０１０１】
図１８に示すように、加湿ガス供給工程Ｓ２０５で加湿ガスがＣＣＭ１に当てられることによって、ＣＣＭ１は平坦化する。
【０１０２】
次に、本実施形態の作用効果について述べる。
【０１０３】
本実施形態では、カールしたＣＣＭ１は、加湿ガスが当てられるだけでなく、ポンプ２０１によって支持台１１０Ａへ吸引固定されるため、平坦化効果が大きい。
【０１０４】
ＣＣＭ１の平坦化効果が小さく、ＣＣＭ１がゆがんでいると、ＣＣＭ１の上にシール材１１４Ｂおよびガス拡散層１１５Ｂを平坦な状態にセットし難くなる。
【０１０５】
シール材１１４Ｂおよびガス拡散層１１５Ｂが平坦な状態にセットされず、それらがＣＣＭ１のゆがみに合わせて厚み方向に位置ズレすれば、例えばガス拡散層１１５Ｂが誤ってシール材１１４Ｂの上に乗り上げる等のセッティング不良が生じ、その結果、シール性が低下する虞がある。
【０１０６】
一方、本実施形態ではＣＣＭ１の平坦化効果が大きく、ＣＣＭ１に対し、シール材１１４Ｂおよびガス拡散層１１５Ｂが適切にセットされ易くなる。
【０１０７】
従って、本実施形態によれば、第１実施形態の効果に加え、よりシール性を高められるという効果を得られる。
【０１０８】
本発明は、上述した実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲内で種々改変できる。
【０１０９】
例えば、上記実施形態では、加湿された酸化剤ガスを当てて膜触媒層接合体を平坦化しているが、これに限定されず、加湿された燃料ガスを当てて膜触媒層接合体を平坦化する形態を本発明は含む。
【０１１０】
また、例えば加湿された窒素ガス等、酸化剤ガスおよび燃料ガス以外の加湿ガスを用いて平坦化を行ってもよい。なお、上記実施形態のように発電で用いられる加湿ガスを平坦化に流用すれば、平坦化用の加湿ガスを別途に供給するための装置構成の追加が抑制されるため、簡単に平坦化を実施できる。
【０１１１】
また、本発明は、上記実施形態のように押圧治具側から加湿ガスを当てて膜触媒層接合体を平坦化する形態に限定されず、支持台側から加湿ガスを当てて平坦化する形態、ならびに、押圧治具側および支持台側の両方から加湿ガスを当てて平坦化する形態を含む。
【０１１２】
また、平坦化前の膜触媒層接合体の形状は、上記実施形態のようにカールした形状に限定されず、例えば円弧状に反った形状等、他の形状であってもよい。
【符号の説明】
【０１１３】
１    ＣＣＭ（膜触媒層接合体）、
２    電解質膜、
３    アノード触媒層、
４    カソード触媒層、
１０    長尺体、
２０    電解質膜、
３０    アノード触媒層、
４０    カソード触媒層、
１００、２００    燃料電池発電評価装置、
１０１、１０２    燃料ガスの供給路、
１０３    燃料ガスの排出路、
１０４、１０５    酸化剤ガスの供給路、
１０６    酸化剤ガスの排出路、
１１０Ａ    支持台、
１１０Ｂ    押圧治具、
１１１Ａ    載置面、
１１１Ｂ    押圧面、
１１２Ａ    流路（第１のガス流路）、
１１２Ｂ    流路（第２のガス流路）、
１１３Ａ    位置決めピン、
１２０    駆動源、
１３０Ａ、１３０Ｂ    ヒータ、
１４０Ａ、１４０Ｂ    マスフローコントローラー、
１５０Ａ、１５０Ｂ    加湿器、
１５１Ａ、１５１Ｂ    ヒータ、
１６０Ａ、１６０Ｂ    露点計、
１７０Ａ、１７０Ｂ    圧力調整弁、
１８０    計測機器、
１９０    制御部、
２０１    ポンプ、
２０２    排出路、
２０３    三方弁。
【図１】
0006520583.tif 000002
【図２】
0006520583.tif 000003
【図３】
0006520583.tif 000004
【図４】
0006520583.tif 000005
【図５】
0006520583.tif 000006
【図６】
0006520583.tif 000007
【図７】
0006520583.tif 000008
【図８】
0006520583.tif 000009
【図９】
0006520583.tif 000010
【図１０】
0006520583.tif 000011
【図１１】
0006520583.tif 000012
【図１２】
0006520583.tif 000013
【図１３】
0006520583.tif 000014
【図１４】
0006520583.tif 000015
【図１５】
0006520583.tif 000016
【図１６】
0006520583.tif 000017
【図１７】
0006520583.tif 000018
【図１８】
0006520583.tif 000019