(57)【要約】【課題】  燃料電池の単セルの耐久性を簡易に評価する。【解決手段】  単セルの耐久性評価方法は、情報処理装置において、高分子電解質膜等を含んで構成される燃料電池の単セルの耐久性を評価する方法であって、パラメータの入力を受け付ける受付ステップ（Ｓ０１）と、パラメータに基づいて単セルの有限要素モデルを生成するモデル生成ステップ（Ｓ０２，Ｓ０３）と、水分分布の境界条件に基づいて水分分布を有限要素法により計算する水分分布計算ステップ（Ｓ０４）と、水分分布と吸水線膨張係数と弾性率とから歪及び応力を有限要素法により計算する歪・応力計算ステップ（Ｓ０５）と、応力から相当応力を計算する相当応力計算ステップ（Ｓ０６）と、相当応力から単セルの耐久性を評価するための評価値を導出する評価値導出ステップ（Ｓ０７，Ｓ０８）と、評価値を出力する出力ステップ（Ｓ０９）とを含む。【選択図】  図６
2008091329.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
情報処理装置において、高分子電解質膜と、当該高分子電解質膜の両側に設けられる２つの板状の電極と、前記電極にガスを供給するための溝状のガス流路が形成された２つの板状のセパレータと、前記電極の側面をシールするシール材とを含んで構成される燃料電池の単セルの耐久性を評価する単セルの耐久性評価方法であって、
前記単セルに係るパラメータの入力を受け付ける受付ステップと、
前記受付ステップにおいて受け付けられたパラメータに基づいて、複数の要素に分割された前記単セルの有限要素モデルを生成するモデル生成ステップと、
前記受付ステップにおいて受け付けられたパラメータに含まれる水分分布の境界条件に基づいて、前記モデル生成ステップにおいて生成された有限要素モデルにおける前記高分子電解質膜の水分分布を、有限要素法により計算する水分分布計算ステップと、
前記水分分布計算ステップにおいて計算された水分分布と、前記受付ステップにおいて受け付けられたパラメータに含まれる前記高分子電解質膜の吸水線膨張係数及び弾性率とから、前記高分子電解質膜の前記各要素それぞれの歪及び応力を、有限要素法により計算する歪・応力計算ステップと、
前記歪・応力計算ステップにおいて計算された前記各要素それぞれにおける応力から、当該各要素それぞれにおける相当応力を計算する相当応力計算ステップと、
前記相当応力計算ステップにおいて計算された前記各要素それぞれにおける相当応力から、前記単セルの耐久性を評価するための評価値を導出する評価値導出ステップと、
前記評価値導出ステップにおいて導出された評価値を出力する出力ステップと、
を含む耐久性評価方法。
【請求項２】
前記評価値導出ステップにおいて、前記相当応力計算ステップにおいて相当応力が計算された要素のうち前記高分子電解質膜における電気反応に係る有効発電領域の要素の相当応力の平均値Ｓａｖを導出して、設定される１以上の係数ｃに対して、相当応力がｃ×Ｓａｖ以上となる前記高分子電解質膜における有効発電領域以外の非有効発電領域の前記要素を抽出して、当該抽出された要素の合計体積Ｖｚの値から予め設定された計算式により前記評価値を導出することを特徴とする請求項１に記載の単セルの耐久性評価方法。
【請求項３】
前記評価値導出ステップにおいて、前記合計体積Ｖｚ、前記高分子電解質膜の体積Ｖ０、前記高分子電解質膜における有効発電領域の体積Ｖｙ及び前記高分子電解質膜の厚さｄの値から、式１により導出されるα及び式２により導出されるβを前記評価値とすることを特徴とする請求項２に記載の単セルの耐久性評価方法。
【数１】
2008091329.tif 000009
【数２】
2008091329.tif 000010
【請求項４】
前記係数ｃは、１．２であることを特徴とする請求項２又は３に記載の単セルの耐久性評価方法。
【請求項５】
前記モデル生成ステップにおいて、前記セパレータに形成されたガス流路に節点を有する前記有限要素モデルを生成することを特徴とする請求項１〜４の何れか一項に記載の単セルの耐久性評価方法。
【請求項６】
前記相当応力計算ステップにおいて、ミゼスの相当応力の式を用いて、前記相当応力を計算することを特徴とする請求項１〜５の何れか一項に記載の単セルの耐久性評価方法。
【請求項７】
前記評価値導出ステップにおいて導出された評価値が収束しているか否か判断して、収束していると判断されたら当該評価値を出力ステップにおいて出力させ、収束してないと判断されたら、前記単セルの有限要素モデルの要素の節点数を変更して再度、当該有限要素モデルを生成させて、前記評価値を導出させる収束判断ステップを更に含む請求項１〜６の何れか一項に記載の単セルの耐久性評価方法。
【請求項８】
前記評価値導出ステップにおいて導出された評価値が予め設定した終了条件を満足するか否かを判断して、満足していると判断されたら当該評価値を出力ステップにおいて出力させ、満足してないと判断されたら、当該評価値導出に係るパラメータとは異なるパラメータに基づいて再度、当該有限要素モデルを生成させて、前記評価値を導出させる条件判断ステップを更に含む請求項１〜７の何れか一項に記載の単セルの耐久性評価方法。
【請求項９】
高分子電解質膜と、当該高分子電解質膜の両側に設けられる２つの板状の電極と、前記電極にガスを供給するための溝状のガス流路が形成された２つの板状のセパレータと、前記電極の側面をシールするシール材とを含んで構成される燃料電池の単セルの耐久性を評価する単セルの耐久性評価装置であって、
前記単セルに係るパラメータの入力を受け付ける受付手段と、
前記受付手段により受け付けられたパラメータに基づいて、複数の要素に分割された前記単セルの有限要素モデルを生成するモデル生成手段と、
前記受付手段により受け付けられたパラメータに含まれる水分分布の境界条件に基づいて、前記モデル生成手段により生成された有限要素モデルにおける前記高分子電解質膜の水分分布を、有限要素法により計算する水分分布計算手段と、
前記水分分布計算手段により計算された水分分布と、前記受付手段により受け付けられたパラメータに含まれる前記高分子電解質膜の吸水線膨張係数及び弾性率とから、前記高分子電解質膜の前記各要素それぞれの歪及び応力を、有限要素法により計算する歪・応力計算手段と、
前記歪・応力計算手段により計算された前記各要素それぞれにおける応力から、当該各要素それぞれにおける相当応力を計算する相当応力計算手段と、
前記相当応力計算手段により計算された前記各要素それぞれにおける相当応力から、前記単セルの耐久性を評価するための評価値を導出する評価値導出手段と、
前記評価値導出手段により導出された評価値を出力する出力手段と、
を備える耐久性評価装置。
【請求項１０】
情報処理装置に、高分子電解質膜と、当該高分子電解質膜の両側に設けられる２つの板状の電極と、前記電極にガスを供給するための溝状のガス流路が形成された２つの板状のセパレータと、前記電極の側面をシールするシール材とを含んで構成される燃料電池の単セルの耐久性を評価する処理をさせる単セルの耐久性評価プログラムであって、
前記情報処理装置に、
前記単セルに係るパラメータの入力を受け付ける受付処理と、
前記受付処理により受け付けられたパラメータに基づいて、複数の要素に分割された前記単セルの有限要素モデルを生成するモデル生成処理と、
前記受付処理により受け付けられたパラメータに含まれる水分分布の境界条件に基づいて、前記モデル生成処理により生成された有限要素モデルにおける前記高分子電解質膜の水分分布を、有限要素法により計算する水分分布計算処理と、
前記水分分布計算処理により計算された水分分布と、前記受付処理により受け付けられたパラメータに含まれる前記高分子電解質膜の吸水線膨張係数及び弾性率とから、前記高分子電解質膜の前記各要素それぞれの歪及び応力を、有限要素法により計算する歪・応力計算処理と、
前記歪・応力計算処理により計算された前記各要素それぞれにおける応力から、当該各要素それぞれにおける相当応力を計算する相当応力計算処理と、
前記相当応力計算処理により計算された前記各要素それぞれにおける相当応力から、前記単セルの耐久性を評価するための評価値を導出する評価値導出処理と、
前記評価値導出処理により導出された評価値を出力する出力処理と、
を実行させる耐久性評価プログラム。
【請求項１１】
高分子電解質膜と、当該高分子電解質膜の両側に設けられる２つの板状の電極と、前記電極にガスを供給するための溝状のガス流路が形成された２つの板状のセパレータと、前記電極の側面をシールするシール材とを含んで構成される燃料電池の単セルであって、前記係数ｃを、１．２とした請求項３に記載の単セルの耐久性評価方法による評価値として、αが０［ｍｍ２］以上で５０．０［ｍｍ２］以下の範囲にあり、かつβが０以上で０．０１以下の範囲にある燃料電池の単セル。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池の単セルの耐久性を評価する単セルの耐久性評価方法、耐久性評価装置及び耐久性評価プログラム並びに燃料電池の単セルに関する。
【背景技術】
【０００２】
固体高分子型燃料電池は、水素を含有する燃料ガスと、空気等の酸素を含有する酸化剤ガスとが電気化学反応することで、水のみを副生物とするクリーンな次世代発電用燃料電池として活発に研究開発が行われているものである。この固体高分子型燃料電池は、円筒型、モノリス型及び平板型の３種の構造が提案されている。これらの構造のうち、低温作動型の固体高分子型燃料電池には平板型が多く採用されている。
【０００３】
ここで、図１に一般的な平板型固体高分子型燃料電池の単セルの構成を示す。高分子型燃料電池の単セル１は、プロトン伝導性の高分子電解質膜１０を備え、当該高分子電解質膜１０の両側にこれを挟むように板状の電極１１ａ，１１ｂと、板状の導電性セパレータ１２ａ，１２ｂと、環状ガスシール材１３ａ，１３ｂとが設けられて構成される。
【０００４】
このような固体高分子型燃料電池では、電池動作時に、特に長時間にわたり作動・停止を繰り返して動作させる時に、高分子電解質膜１０が燃料電池の作動時には副生する水を吸水して膨張し、停止時には乾燥して収縮するといった膨張・収縮に伴い、応力（以下、吸水応力と呼ぶ）が発生する。この応力は、電極１１ａ，１１ｂと高分子電解質膜１０との接合部分に作用する。当該応力より起こる機械的劣化が、高分子電解質膜１０の損傷を引き起こすと推測されている（例えば、下記特許文献１参照）。
【０００５】
上記の推定機械的劣化を回避するため、例えば下記特許文献２では、高分子電解質膜を中心部と外周部とで異なる性質をもつように加工する方法が提案されている。また、下記特許文献３では、ガス流路のリブ形状を変更する方法が提案されている。更には、下記特許文献４では、弾性をもつ補強材を電極外周部に設置する方法が提案されている。
【特許文献１】特開平８−２５９７１０号公報
【特許文献２】特開２０００−２１５９０３号公報
【特許文献３】特開２００５−１０８７７７号公報
【特許文献４】特開２００３−６８３１８号公報
【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、上記の従来技術はいずれも製造工数、又は部品点数の増加による製造費用の増加につながるという問題点がある。更に、このように燃料電池を構成する部材の改良を燃料電池の耐久性につなげる手法は、実際に燃料電池の単セルを試作し、更に長期の試験を経て耐久性を判定するものであり、多大な試行錯誤を必要とする。そのため、燃料電池の構成に関して、耐久性を評価する方法が望まれていた。しかしながら、上述したような燃料電池の稼動・停止に伴う高分子電解質膜が受ける応力、とりわけ吸水応力を推定して、耐久性を評価する方法はほとんど検討されていなかった。
【０００７】
本発明は、上記の問題点を解決するためになされたものであり、燃料電池の単セルの耐久性を簡易に評価することができる単セルの耐久性評価方法、耐久性評価装置及び耐久性評価プログラムを提供することを目的とする。更には、当該耐久性評価方法で求められる評価値を特定の範囲にすることにより、高耐久性を有する燃料電池の単セル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】
【０００８】
上記目的を達成するために、本発明に係る単セルの耐久性評価方法は、情報処理装置において、高分子電解質膜と、当該高分子電解質膜の両側に設けられる２つの板状の電極と、電極にガスを供給するための溝状のガス流路が形成された２つの板状のセパレータと、電極の側面をシールするシール材とを含んで構成される燃料電池の単セルの耐久性を評価する単セルの耐久性評価方法であって、単セルに係るパラメータの入力を受け付ける受付ステップと、受付ステップにおいて受け付けられたパラメータに基づいて、複数の要素に分割された単セルの有限要素モデルを生成するモデル生成ステップと、受付ステップにおいて受け付けられたパラメータに含まれる水分分布の境界条件に基づいて、モデル生成ステップにおいて生成された有限要素モデルにおける高分子電解質膜の水分分布を、有限要素法により計算する水分分布計算ステップと、水分分布計算ステップにおいて計算された水分分布と、受付ステップにおいて受け付けられたパラメータに含まれる高分子電解質膜の吸水線膨張係数及び弾性率とから、高分子電解質膜の各要素それぞれの歪及び応力を、有限要素法により計算する歪・応力計算ステップと、歪・応力計算ステップにおいて計算された各要素それぞれにおける応力から、当該各要素それぞれにおける相当応力を計算する相当応力計算ステップと、相当応力計算ステップにおいて計算された各要素それぞれにおける相当応力から、単セルの耐久性を評価するための評価値を導出する評価値導出ステップと、評価値導出ステップにおいて導出された評価値を出力する出力ステップと、を含むことを特徴とする。
【０００９】
本発明に係る単セルの耐久性評価方法は、入力された情報から評価対象の単セルに係る有限要素モデルを生成する。耐久性評価方法は、生成された有限要素モデルにおける水分分布を計算して、当該水分分布に基づいて高分子電解質膜に発生する相当応力を計算する。耐久性評価方法は、計算された相当応力から評価値を導出する。即ち、本発明に係る単セルの耐久性評価方法によれば、単セルの水分分布に応じた応力、即ち吸水応力を考慮して燃料電池の単セルの耐久性を評価することができる。また、本発明に係る単セルの耐久性評価方法によれば、情報処理装置において評価を行うことができ、実際に単セルを作成して評価を行う必要がないので、簡易に単セルの耐久性を評価することができる。
【００１０】
また、本願発明者は、鋭意研究の末、非有効発電領域における、一定以上の応力が発生する範囲により単セルの耐久性を評価できることを見出し、上記の評価方法において、適切に単セルの耐久性を評価しうる評価値を創出した。即ち、評価値導出ステップにおいて、相当応力計算ステップにおいて相当応力が計算された要素のうち高分子電解質膜における電気反応に係る有効発電領域の要素の相当応力の平均値Ｓａｖを導出して、設定される１以上の係数ｃに対して、相当応力がｃ×Ｓａｖ以上となる高分子電解質膜における有効発電領域以外の非有効発電領域の要素を抽出して、当該抽出された要素の合計体積Ｖｚの値から予め設定された計算式により評価値を導出することが望ましい。より具体的には、評価値導出ステップにおいて、合計体積Ｖｚ、高分子電解質膜の体積Ｖ０、高分子電解質膜における有効発電領域の体積Ｖｙ及び高分子電解質膜の厚さｄの値から、式１により導出されるα及び式２により導出されるβを評価値とすることを特徴とする請求項２に記載の単セルの耐久性評価方法。
【数１】
2008091329.tif 000003
【数２】
2008091329.tif 000004
【００１１】
係数ｃは、１．２であることが望ましい。この構成によれば、より適切な耐久性の評価が可能になる。なお、上記の数値は、本願発明者により経験的に得られた値である。
【００１２】
モデル生成ステップにおいて、セパレータに形成されたガス流路に節点を有する有限要素モデルを生成することが望ましい。この構成によれば、溝に接する高分子電解質膜の要素の歪を高精度に計算できるので、より高精度な耐久性の評価が可能になる。
【００１３】
相当応力計算ステップにおいて、ミゼスの相当応力の式を用いて、相当応力を計算することが望ましい。この構成によれば、簡便に耐久性を評価することができる。
【００１４】
単セルの耐久性評価方法は、評価値導出ステップにおいて導出された評価値が収束しているか否か判断して、収束していると判断されたら当該評価値を出力ステップにおいて出力させ、収束してないと判断されたら、単セルの有限要素モデルの要素の節点数を変更して再度、当該有限要素モデルを生成させて、評価値を導出させる収束判断ステップを更に含むことが望ましい。この構成によれば、単セルの有限要素モデルの節点数が適切な値で、評価のための計算が行われるので、更に適切な耐久性の評価が可能になる。
【００１５】
単セルの耐久性評価方法は、評価値導出ステップにおいて導出された評価値が予め設定した終了条件を満足するか否かを判断して、満足していると判断されたら当該評価値を出力ステップにおいて出力させ、満足してないと判断されたら、当該評価値導出に係るパラメータとは異なるパラメータに基づいて再度、当該有限要素モデルを生成させて、評価値を導出させる条件判断ステップを更に含むことが望ましい。この構成によれば、所定の耐久性を有する単セルのパラメータを知ることができるので、単セルの設計により役立てることができる。
【００１６】
ところで、本発明は、上記のように単セルの耐久性評価方法の発明として記述できる他に、以下のように単セルの耐久性評価装置及び耐久性評価プログラムの発明としても記述することができる。これはカテゴリ等が異なるだけで、実質的に同一の発明であり、同様の作用及び効果を奏する。
【００１７】
即ち、本発明に係る単セルの耐久性評価装置は、高分子電解質膜と、当該高分子電解質膜の両側に設けられる２つの板状の電極と、電極にガスを供給するための溝状のガス流路が形成された２つの板状のセパレータと、電極の側面をシールするシール材とを含んで構成される燃料電池の単セルの耐久性を評価する単セルの耐久性評価装置であって、単セルに係るパラメータの入力を受け付ける受付手段と、受付手段により受け付けられたパラメータに基づいて、複数の要素に分割された単セルの有限要素モデルを生成するモデル生成手段と、受付手段により受け付けられたパラメータに含まれる水分分布の境界条件に基づいて、モデル生成手段により生成された有限要素モデルにおける高分子電解質膜の水分分布を、有限要素法により計算する水分分布計算手段と、水分分布計算手段により計算された水分分布と、受付手段により受け付けられたパラメータに含まれる高分子電解質膜の吸水線膨張係数及び弾性率とから、高分子電解質膜の各要素それぞれの歪及び応力を、有限要素法により計算する歪・応力計算手段と、歪・応力計算手段により計算された各要素それぞれにおける応力から、当該各要素それぞれにおける相当応力を計算する相当応力計算手段と、相当応力計算手段により計算された各要素それぞれにおける相当応力から、単セルの耐久性を評価するための評価値を導出する評価値導出手段と、評価値導出手段により導出された評価値を出力する出力手段と、を備えることを特徴とする。
【００１８】
また、情報処理装置に、高分子電解質膜と、当該高分子電解質膜の両側に設けられる２つの板状の電極と、電極にガスを供給するための溝状のガス流路が形成された２つの板状のセパレータと、電極の側面をシールするシール材とを含んで構成される燃料電池の単セルの耐久性を評価する処理をさせる単セルの耐久性評価プログラムであって、情報処理装置に、単セルに係るパラメータの入力を受け付ける受付処理と、受付処理により受け付けられたパラメータに基づいて、複数の要素に分割された単セルの有限要素モデルを生成するモデル生成処理と、受付処理により受け付けられたパラメータに含まれる水分分布の境界条件に基づいて、モデル生成処理により生成された有限要素モデルにおける高分子電解質膜の水分分布を、有限要素法により計算する水分分布計算処理と、水分分布計算処理により計算された水分分布と、受付処理により受け付けられたパラメータに含まれる高分子電解質膜の吸水線膨張係数及び弾性率とから、高分子電解質膜の各要素それぞれの歪及び応力を、有限要素法により計算する歪・応力計算処理と、歪・応力計算処理により計算された各要素それぞれにおける応力から、当該各要素それぞれにおける相当応力を計算する相当応力計算処理と、相当応力計算処理により計算された各要素それぞれにおける相当応力から、単セルの耐久性を評価するための評価値を導出する評価値導出処理と、評価値導出処理により導出された評価値を出力する出力処理と、を実行させることを特徴とする。
【００１９】
本発明に係る燃料電池の単セルは、高分子電解質膜と、当該高分子電解質膜の両側に設けられる２つの板状の電極と、電極にガスを供給するための溝状のガス流路が形成された２つの板状のセパレータと、電極の側面をシールするシール材とを含んで構成される燃料電池の単セルであって、係数ｃを、１．２とした上記の単セルの耐久性評価方法による評価値として、αが０［ｍｍ２］以上で５０．０［ｍｍ２］以下の範囲にあり、かつβが０以上で０．０１以下の範囲にあることを特徴とする。上記の単セルは吸水応力に伴う機械劣化を著しく抑制することを可能とできるため、高耐久性の単セルとなり得る。
【発明の効果】
【００２０】
本発明によれば、高分子電解質膜の水分分布に応じた応力、即ち吸水応力を考慮して燃料電池の単セルの耐久性を評価することができる。また、本発明によれば、情報処理装置において評価を行うことができ、実際に単セルを作成して評価を行う必要がないので、簡易に単セルの耐久性を評価することができる。更には、本発明によれば、高耐久性を有する燃料電池の単セルを提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
以下、図面とともに本発明に係る単セルの耐久性評価方法、耐久性評価システム及び耐久性評価プログラムの好適な実施形態について詳細に説明する。なお、図面の説明においては同一要素には同一符号を付し、重複する説明を省略する。
【００２２】
まず、本実施形態に係る耐久性評価方法の評価対象となる単セルについて説明する。なお、本実施形態に係る耐久性評価方法は、情報処理装置における方法であるので、実際に単セルを用いる必要はない。図１に本実施形態に係る評価方法の対象となる、平板型固体高分子型燃料電池の単セル１の構成を示す。上述したように、単セル１は、高分子電解質膜１０と、電極１１ａ，１１ｂと、導電性セパレータ１２ａ，１２ｂと、環状ガスシール材１３ａ，１３ｂとを含んで構成されている。
【００２３】
高分子電解質膜１０は、イオン交換基を有する高分子を主成分として有するものである。このようなイオン交換基を有する高分子としては、ナフィオン（登録商標、デュポン製）に例示されるスルホン酸基を有するフルオロカーボンポリマー、あるいは耐熱性に優れる芳香族ポリマーにスルホン酸基を導入したポリマー等がある。このような高分子は、通常、イオン交換容量は、０．２〜４ｍｅｑ／ｇである。
【００２４】
電極１１ａ，１１ｂの一方は燃料極（アノード）であり、もう一方は空気極（カソード）である。電極１１ａ，１１ｂは、通常、ガス拡散層と触媒反応層とが積層するように構成される。触媒反応層は、高分子電解質膜１０の主面に密着するように形成されている。ガス拡散層としては、多孔性のカーボン不織布やカーボンペーパー等が用いられる。触媒反応層は通常、白金微粒子等の触媒成分が活性炭や黒鉛等の粒子状又は繊維状のカーボンに担持されたものと、高分子電解質とを主成分とする層である。
【００２５】
高分子電解質膜１０とそれを挟んだ一対の電極１１ａ，１１ｂとを予め一体化させたものは、通常、ＭＥＧＡと呼ばれる。環状ガスシール材１３ａ，１３ｂは、電池組立後に供給される燃料ガス及び酸化剤ガスが外部に漏れ出したり、２種類のガスが互いに混合したりしないように、ＭＥＧＡの周囲に配設されＭＥＧＡをシールする。環状ガスシール材１３ａ，１３ｂは、通常、ゴム弾性体からなり、シリコンゴムやフッ素樹脂ゴム等が使用される。
【００２６】
また、ＭＥＧＡの両面には、ＭＥＧＡを機械的に固定すると共に隣接したＭＥＧＡ同士を互いに電気的に直列接続するための、導電性を有するセパレータ１２ａ，１２ｂが配置される。導電性セパレータ１２ａ，１２ｂのＭＥＧＡと接触する部分には、電極面に燃料ガス及び酸化剤ガスを供給し、生成ガスや余剰ガスを運び去るための溝状のガス流路が形成されている。ガス流路は導電性セパレータ１２ａ，１２ｂとは別部品として設けることもできるが、導電性セパレータ１２ａ，１２ｂの材料に応じて表面を切削、あるいはプレス加工する等して、当該導電性セパレータ１２ａ，１２ｂの表面に溝やリブを設けてガス流路とする方法が一般的である。セパレータ１２ａ，１２ｂには、それぞれに形成された溝にガスを供給して排気するためにマニホールド１４ａ，１４ｂが設けられている。また、セパレータ１２ａ，１２ｂ及びガスシール材１３ａ，１３ｂには、ＭＥＧＡを挟持するために、ボルトで締結できるような貫通口が設けられることもある。セパレータ１２ａ，１２ｂは、カーボン材料又は金属材料等、導電性材料を形成して得られる。
【００２７】
図２にセパレータ１２ａ，１２ｂの電極１１ａ，１１ｂに接する面を示す。図２（Ａ）は、ガス流路２１が蛇行しているタイプ、図２（Ｂ）は、ガス流路２１が並行に延びているタイプである。図２においてガス流路２１の外周縁２２に囲まれた部分は、電極１１ａ，１１ｂに接しており、この部分において燃料ガス又は酸化剤ガスが提供される。また、外周縁２２に囲まれた部分のガス流路２１には、ガスを提供するためにマニホールド１４から溝２３が設けられている。
【００２８】
本発明では、平面型燃料電池の単セル１の構成要素の中で主に吸水応力が発生する高分子電解質膜１０において、電気反応に係る有効発電領域と、有効発電領域以外の非有効発電領域とを設定する。図３に、高分子電解質膜１０の主面を示す。高分子電解質膜１０において、外周縁２４で囲まれた部分は、電極１１に接する領域である。この領域を有効発電領域とする。また、高分子電解質膜１０において、外周縁２４で囲まれた部分の外側の部分は、電極１１に接していない領域であり、この領域を非有効発電領域とする。通常の平面型燃料電池では、高分子電解質膜１０の面において、２つの電極１１ａ，１１ｂが接する領域は、それぞれ同様の領域となる。しかし、同様の領域とならない場合は、空気極が接する領域を優先させて用いる。なお、有効発電領域の内側の外周縁２５で囲まれた部分は、上述したガス流路２１に囲まれた部分を投影した領域である。
【００２９】
引き続いて本実施形態に係る単セル１の耐久性評価装置について説明する。図４に本実施形態に係る単セル１の耐久性評価装置３０を示す。単セル１の耐久性の評価は、耐久性評価装置３０において、単セル１の耐久性評価方法が実行されることにより行われる。耐久性評価装置３０たる情報処理装置は、具体的には、ワークステーションやＰＣ（Personal Computer）等が相当する。耐久性評価装置３０は、例えばＣＰＵ（Central Processing Unit）やメモリ等のハードウェアにより構成されており、これらの構成要素がプログラム等により動作することにより後述する耐久性評価装置３０としての機能が発揮される。
【００３０】
本発明では、単セル１の有限要素モデルの生成と、有限要素法による計算とを行う必要があるが、本実施形態においてこれらは既存の方法及びプログラムを用いることができる。例えば、有限要素モデルの生成には、汎用有限要素作成ソフトであるＳＤＲＣ／ＦＥＭＡＰを用いることができる。また、有限要素法による計算は、有限要素法プログラムであるＮＥ／Ｎａｓｔｒａｎ  Ｖｅｒｓｉｏｎ７．０（Ｎｏｒａｎ  Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ  Ｉｎｃ．製）を用いることができる。
【００３１】
図４に示すように、単セル１の耐久性評価装置３０は、受付部３１と、モデル生成部３２と、水分分布計算部３３と、歪・応力計算部３４と、相当応力計算部３５と、評価値導出部３６と、出力部３７と、判断部３８とを備えて構成される。また、耐久性評価装置３０は、入力装置４０と接続されており、入力装置４０から情報が入力される。
【００３２】
受付部３１は、単セル１に係るパラメータの入力を受け付ける受付手段である。パラメータの入力は入力装置４０から行われる。但し、パラメータの入力は外部の装置から行われる必要はなく、耐久性評価装置３０が予め記憶している情報を入力とすることとしてもよい。単セル１に係るパラメータは、単セル１を構成する部材のサイズ及び形状の情報、高分子電解質膜１０の吸水線膨張係数及び弾性率等の部材の材料に係る情報、並びに各部材が結合（ねじ止め）される荷重を含む。また、パラメータは、水分分布の境界条件を含む。境界条件は、例えば、吸水率に対する水分濃度が高分子電解質膜１０の端部で０．０、高分子電解質膜１０のガス流路２１を投影した部分で１．０とするものである。なお、ここでの吸水率は、飽和吸水状態、即ち、高分子電解質膜１０を水に含浸させて吸水させた状態でのものを指す。また、パラメータは、単セル１の有限要素モデルを生成するために必要な情報、例えば、節点の数や要素の辺の長さの情報を含む。受付部３１により受け付けられた各パラメータは、モデル生成部３２等に送られ必要に応じて用いられる。
【００３３】
モデル生成部３２は、受付部３１において受け付けられたパラメータに基づいて、複数の要素に分割された単セル１の有限要素モデルを生成するモデル生成手段である。モデルの生成は、上述したように既存の方法で行うこととしてよい。
【００３４】
この有限要素モデルは、セパレータ１２ａ，１２ｂに形成されたガス流路２１に節点を有することが望ましい。ガス流路２１は空隙になるのでガス流路２１の部分とそれ以外の部分とで圧力差が生じ、電極１１ａ，１１ｂには、型押しされたような力がかかる。従って、有限要素モデルにおいて、図５（Ａ）に示すように、ガス流路２１を含む要素の一辺が大きく、流路部分に節点２６を持たなければ、流路部分で歪む効果をモデル上表現できないことになるので、高精度な応力の計算ができない。
【００３５】
よって例えば、図５（Ｂ）に示すように、要素の一辺を流路の幅の少なくとも１／２になるようにし、ガス流路２１の部分に節点２６を持たせるようにするのが好ましい。また、図５（Ｃ）に示したように、要素の一辺は大きいが中間節点２６をガス流路２１の部分に持たせるようにしてもよい。但し、ガス流路２１が十分に細かく大きな影響がない場合は、必ずしも節点２６をガス流路２１の部分に設けなくてもよい。
【００３６】
有限要素モデルの節点及び要素については、例えば、高分子電解質膜１０の部分は領域を区切り、電極１１ａ，１１ｂのガス流路２１に接する部分は上記の条件で設定するのがよい。生成された有限要素モデルは、下記の各構成要素による計算に用いられる。
【００３７】
水分分布計算部３３は、受付部３１により受け付けられたパラメータに含まれる水分分布の境界条件に基づいて、モデル生成部３２において生成された有限要素モデルにおける水分分布を、有限要素法により計算する水分分布計算手段である。計算についてより具体的には後述する。計算された水分分布の情報は歪・応力計算部３４に送信される。
【００３８】
歪・応力計算部３４は、水分分布計算部３３により計算された水分分布と、受付部３１により受け付けられたパラメータに含まれる高分子電解質膜１０の吸水線膨張係数及び弾性率とから、高分子電解質膜１０の各要素それぞれの歪及び応力を、有限要素法により計算する歪・応力計算手段である。計算についてより具体的には後述する。計算された各要素それぞれの応力は相当応力計算部３５に送信される。
【００３９】
相当応力計算部３５は、歪・応力計算部３４により計算された各要素それぞれにおける応力から、当該各要素それぞれにおける相当応力を計算する相当応力計算手段である。相当応力とは、テンソル量である応力から計算される方向性をもたないスカラー量を指す。相当応力の計算は、歪・応力計算部３４により計算された応力が通常、テンソル量であることから、後段の応力の値を用いる評価値の導出のための計算を容易にするためにするものである。計算された各要素それぞれの相当応力は評価値導出部３６に送信される。
【００４０】
評価値導出部３６は、相当応力計算部３５により計算された各要素それぞれにおける相当応力から、単セル１の耐久性を評価するための評価値を導出する評価値導出手段である。評価値は、高分子電解質膜１０の非有効発電領域における一定以上の応力が発生する範囲を示す値から予め設定された計算式により導出される。評価値及びその導出についてより具体的には後述する。導出された評価値は、出力部３７又は判断部３８に送信される。
【００４１】
出力部３７は、評価値導出部３６により導出された評価値を出力する出力手段である。出力は例えば、耐久性評価装置３０が備える表示装置（図示せず）に対して行われる。この出力により、単セル１の耐久性の評価結果がユーザにより参照される。また、評価結果をより分かりやすく示すために、評価値と共に応力のグラフ等の出力を行ってもよい。また、出力は必ずしも表示装置に対して行われる必要は無く、別の装置に対して行われてもよい。
【００４２】
判断部３８は、単セル１の耐久性の評価の一連の処理の繰り返しを行うか否かを判断する手段である。具体的には、判断部３８は、評価値導出部３６により導出された評価値が収束しているか否か判断して、収束してないと判断されたら有限要素モデルの要素の節点数を変更してモデル生成部３２に対して再度、有限要素モデルを生成させて、評価値を導出させる収束判断手段である。判断部３８は、収束していると判断している場合には、評価値を出力部３７に出力させる。
【００４３】
また、判断部３８は、評価値導出部３６により導出された評価値が予め設定した終了条件を満足するか否かを判断して、満足してないと判断されたら、当該評価値導出に係るパラメータとは異なるパラメータに基づいてモデル生成部３２に対して再度、有限要素モデルを生成させて、評価値を導出させる条件判断手段である。判断部３８は、満足していると判断している場合には、評価値を出力部３７に出力させる。判断部３８の処理については、より詳細に後述する。
【００４４】
入力装置４０は、ユーザにより用いられる、耐久性評価装置３０に情報を入力するための装置である。具体的には、キーボード等の装置が相当する。
【００４５】
引き続いて、図６〜図８のフローチャートを用いて、本実施形態に係る単セル１の耐久性評価方法（耐久性評価装置３０において実行される処理）を説明する。まず、当該耐久性評価方法の基本的な処理を第１実施形態の処理として説明して、続いて図７及び図８を用いて、より実際的な処理について、第２及び第３実施形態の処理として説明する。
【００４６】
［第１実施形態］
耐久性評価方法においてはまず、ユーザが入力装置４０を用いて、耐久性評価装置３０に対して評価対象の単セル１に係るパラメータの入力を行う。ここでは、パラメータがユーザにより直接入力されてもよいし、予めパラメータを耐久性評価装置３０に格納しておきそれをユーザが指定することにより行われてもよい。入力がなされると、耐久性評価装置３０では、受付部３１によりパラメータが受け付けられる（Ｓ０１、受付ステップ）。入力が受け付けられたパラメータは、モデル生成部３２に送信される。
【００４７】
続いて、モデル生成部３２により、上記パラメータに基づいて、複数の要素に分割された単セル１の有限要素モデルが生成される。有限要素モデルの生成は以下のように行われる。まず、単セル１を構成する部材のサイズ及び形状の情報等に基づき、単セル１の構造が設定される（Ｓ０２、モデル生成ステップ）。続いて、節点の数や要素の辺の長さの情報に基づき、上記設定された単セル１の構造が要素に分割される（Ｓ０３、モデル生成ステップ）。また、有限要素モデルの設定においては、高分子電解質膜１０において有効発電領域と非有効発電領域とが設定される。以降の処理では、このように生成された有限要素モデルを用いて計算が行われる。
【００４８】
続いて、水分分布計算部３３により、上記パラメータに含まれる水分分布の境界条件に基づいて、生成された有限要素モデルにおける水分分布が計算される（Ｓ０４、水分分布計算ステップ）。水分分布の計算は、具体的には以下のように行うことができる。有限要素モデルにおける、高分子電解質膜１０の有効発電領域を飽和吸水状態とし、高分子電解質膜１０の外縁部を絶乾状態と仮定する。続いて、非有効発電領域における水分分布を外力がない場合の拡散方程式であるＦｉｃｋの第２法則を用いて解く。水分分布の計算はモデル化した全ての領域（セパレータも含む）で行われている。従って、この計算は、系全体で行われている。Ｆｉｃｋの第２法則を用いて解く場合には水の拡散係数を用いる。上記の内容は、「岩波理化学辞典第５版，１１４９ページ，岩波書店，１９９８年」により詳細に記載されている。この計算により得られる水分分布は、具体的には例えば、各要素における水分が含まれる量（含水量）の情報である。計算された水分分布を示す情報は、歪・応力計算部３４に送信される。
【００４９】
続いて、歪・応力計算部３４により、計算された水分分布と、上記パラメータに含まれる高分子電解質膜１０の吸水線膨張係数及び弾性率とから、高分子電解質膜１０の各要素それぞれの歪及び応力が計算される（Ｓ０５、歪・応力計算ステップ）。ここで、吸水線膨張係数は、高分子電解質膜１０の主面に沿う方向と厚み方向とで同等であると仮定することとしてもよい。なお、入力ステップにおいて入力される（高分子電解質膜１０の主面に沿う方向の）吸水線膨張係数は、予め以下のような実験的手法により求めておくのがよい。８０℃の温水に高分子電解質膜１０を１時間程度浸漬して吸水膨潤させた後における、当該高分子電解質膜１０の一辺の長さＬｄを測定する。２３℃、相対湿度５０％において水の吸着が平衡に達したときの一辺の長さＬｗを測定する。それらの値から、１００×（Ｌｗ−Ｌｄ）／Ｌｄを求め、これを吸水線膨張係数とする。計算された各要素の歪の情報は、相当応力計算部３５に送信される。
【００５０】
なお、応力の計算に用いられる弾性率は、予め、高分子電解質膜を吸水膨潤させて引張試験等を行い実験的手法により求めておくのがよい。このとき、引張試験を行った高分子電解質膜１０の含水率は、絶乾重量計によって求められる。
【００５１】
続いて、相当応力計算部３５により、計算された各要素それぞれの応力から、高分子電解質膜１０の各要素それぞれにおける相当応力が計算される（Ｓ０６、応力計算ステップ）。ここで、相当応力の計算は、ミゼスの相当応力の式を用いて行われることが望ましい。応力は本来テンソル量であるので、以下のように９成分からなり、通常、有限要素法によりこれらの成分値として求められる。高分子電解質膜１０の主面に沿って互いに直交するｘ方向、ｙ方向を設定し、厚み方向にｘ方向、ｙ方向に直交するようにｚ方向を設定する。各要素において有限要素法による計算により求められるのは、ｘ方向、ｙ方向、ｚ方向それぞれの応力成分σｘ、σｙ、σｚ及びτｘｙ、τｙｚ、τｚｘである。本実施形態では、下記の（式３）で表されるミゼスの相当応力の式を用いて、スカラー量である相当応力τを求めて、当該相当応力を各要素における相当応力とする。
【数３】
2008091329.tif 000005
９成分それぞれを評価するよりも、スカラー量である応力τを用いて評価した方が、簡便かつ確実である。計算された各要素の相当応力の情報は、評価値導出部３６に送信される。
【００５２】
続いて、評価値導出部３６により、計算された各要素それぞれにおける相当応力から、単セル１の耐久性を評価するための評価値が導出される。評価値の導出は、具体的には以下のように行われる。まず、応力が計算された要素のうち、有効発電領域の要素の応力の平均値Ｓａｖが計算される。続いて、係数ｃに対して、ｃ×Ｓａｖ以上となる非有効発電領域の要素が抽出される（Ｓ０７、評価値導出ステップ）。ここで係数ｃは、予め定められる１以上の値である。具体的には、係数ｃは１．２とされるのが望ましい。なお、この具体的数値は、本願発明者により経験的に得られた値であり、より適切な耐久性の評価を可能にする。
【００５３】
続いて、抽出された非有効発電領域の要素の体積の総和Ｖｚが求められる。また、高分子電解質膜の体積Ｖ０、高分子電解質膜１０における有効発電領域の体積Ｖｙ及び高分子電解質膜の厚さｄの値が、単セルのパラメータ等から求められる。これらの値から、以下の（式１）及び（式２）により、評価としてα及びβが評価値として導出される（Ｓ０８、評価値導出ステップ）。
【数４】
2008091329.tif 000006
【数５】
2008091329.tif 000007
導出された評価値であるα及びβは出力部３７に送信される。
【００５４】
続いて、出力部３７により、単セル１の耐久性の評価値としてα及びβが出力される（Ｓ０９、出力ステップ）。
【００５５】
なお、本願発明者は、α及びβで表される評価値において、αが０［ｍｍ２］以上で５０．０［ｍｍ２］以下の範囲にあり、かつβが０以上で０．０１以下の範囲にある単セルは吸水応力に伴う機械劣化を著しく抑制することを可能とできるため、高耐久性の単セルとなり得ることを見出した。なお、α、βを上記の範囲とするには、高分子電解質膜の吸水線膨張係数や弾性率に加え、高分子電解質膜と触媒層の接触面積（有効発電領域）の制御、セパレータのガス流路の形状を変更することでコントロールすることができ、本発明の評価方法によれば、実際に単セルを組み立てて耐久評価試験を行わなくとも、かかるパラメータを入力情報とすることで容易に高度の耐久性を有する単セルを設計できる。なお、α及びβはともに小さい値であるほど、耐久性に優れるため好ましく、特にαは４０．０［ｍｍ２］以下であるとより好ましく、３０．０［ｍｍ２］以下であるとさらに好ましく、２０．０［ｍｍ２］以下であると特に好ましい。また、βは０．００８以下であるとより好ましく、０．００６以下であるとさらに好ましい。
【００５６】
なお、上記の評価値導出部３６では、単セル１の耐久性の評価値だけでなく単セル１の発電機能の評価値を導出して、出力部３７による出力において耐久性の評価値と併せて出力してもよい。例えば、発電機能の評価値は有効発電領域比率＝（有効発電領域の面積）／（セパレータの主面の面積）により計算される。この評価値が高いほど、単セル１の発電性能が高いと評価される。
【００５７】
また、高分子電解質膜１０は面方向の寸法に対して厚み方向の寸法は著しく小さいことから、要素分割（Ｓ０３）の際に厚み方向は要素分割しないことで計算を簡便にすることもできる。即ち、高分子電解質膜１０に関しては３次元要素分割から２次元要素分割することで計算を簡便にできる。
【００５８】
上述したように、本実施形態によれば、高分子電解質膜１０の水分分布に応じた応力、即ち吸水応力を考慮して燃料電池の単セル１の耐久性を評価することができる。また、本実施形態によれば、情報処理装置である耐久性評価装置３０において評価を行うことができ、実際に単セル１を作成して評価を行う必要がないので、簡易に単セル１の耐久性を評価することができる。
【００５９】
また、本実施形態のようにα及びβを用いることとすれば、上記の評価方法において、適切に単セル１の耐久性を評価することができる。但し、耐久性の評価において、必ずしも評価値としてα及びβを用いなくてもよい。
【００６０】
［第２実施形態］
本実施形態の処理は、評価値の信頼度を高めるための処理を加えたものである。図７に本実施形態の処理のフローチャートを示す。有限要素法の計算を用いて導出される評価値の値は、要素分割（Ｓ０３）における節点数に応じて変化しうる。本実施形態では、ある一定の節点数を超えても、評価値が実質上変動しない値、即ち、評価値の収束値を求める。
【００６１】
図７に示すように、パラメータの入力受付（Ｓ０１）から、評価値の導出（Ｓ０８）までは、第１実施形態の処理と同様である。評価値が導出されると、判断部３８に当該評価値が送信される。判断部３８において、評価値が収束しているか否かが判断される（Ｓ１０、収束判断ステップ）。具体的には、導出された評価値と１つ前の繰り返しの処理で導出された評価値とを比較して、その差が所定の閾値内であれば収束しているとして判断される。
【００６２】
判断部３８により、評価値が収束していると判断された場合は、評価値は出力部３７に送信され、出力部３７により出力される（Ｓ０９、出力ステップ）。収束していないと判断された場合は、判断部３８によりモデル生成部３２に対して、単セル１の有限要素モデルの要素の節点数を増加させて（Ｓ１１、収束判断ステップ）、再度、要素分割を行う（Ｓ０３、モデル生成ステップ）ように制御がなされる。節点数の増加のさせ方は、例えば、要素の一辺の間隔を１／２にしていくように行われる。モデル生成部３２により、要素分割が行われた後は、再度、評価値の導出の一連の処理（Ｓ０４〜Ｓ０８）が行われる。
【００６３】
なお、上記の処理で用いられる閾値、節点数の増加のさせ方等の情報については、受付部３１により受け付けられるパラメータに含めておいてもよいし、予め耐久性評価装置３０により予め記憶されていてよい。上述したように本実施形態によれば、評価値の信頼度を高めることができる。
【００６４】
［第３実施形態］
本実施形態の処理は、所定の耐久性を有する単セル１のパラメータを知るための処理である。図８に本実施形態の処理のフローチャートを示す。
【００６５】
図７に示すように、パラメータの入力受付（Ｓ０１）から、評価値の収束の判断（Ｓ１０，Ｓ１１）までは、第２実施形態の処理と同様である。上記の処理が終了すると、判断部３８により評価値が予め設定された終了条件を満足しているか否かが判断される（Ｓ１２、条件判断ステップ）。予め設定された終了条件とは、具体的には例えば、評価値が設定される閾値を下回っているか否か等である。閾値は、燃料電池の稼動寿命等を考慮して例えば、αについては５０．０［ｍｍ２］、βについては０．０１とするのがよい。この値は、本願発明者により経験的に得られたものである。
【００６６】
判断部３８により、終了条件を満足していると判断された場合は、評価値は出力部３７に送信され、出力部３７により出力される（Ｓ０９、出力ステップ）。終了条件を満足していないと判断された場合は、判断部３８によりモデル生成部３２に対して、パラメータの値を変更させて（Ｓ１２、収束判断ステップ）単セル１の有限要素モデルの構成を再度設定させる（Ｓ０２、モデル生成ステップ）ように制御がなされる。この変更は、評価値を低減されるように行われることが好ましい。
【００６７】
変更されるパラメータの値は、例えば、弾性率や吸水線膨張係数等の材料の種類を決める定数である。パラメータの変更は、それぞれ上限値、下限値、刻み幅を設定して変更する等により行われる。パラメータの変更は、それ以外でも、ガス流路２１の形状を変化させたり、高分子電解質膜１０のプロトン伝導に係る高分子電解質のイオン交換基の導入量を低減させたり、高分子電解質膜１０を電子線架橋、熱架橋、過酸化物架橋等で架橋させたりするものに対応したものでもよい。また、単セル１を構成する部材の大きさ、形状を変更してもよい。モデル生成部３２により、有限要素モデルの設定が行われた後は、再度、評価値の導出の一連の処理（Ｓ０３〜Ｓ０８，Ｓ１０，Ｓ１１）が行われる。
【００６８】
なお、上記の処理で用いられる閾値、パラメータの変更のさせ方等の情報については、受付部３１により受け付けられるパラメータに含めておいてもよいし、予め耐久性評価装置３０により予め記憶されていてよい。
【００６９】
また、上記の処理においては、上述した発電機能の評価値である有効発電領域比率＝（有効発電領域の面積）／（セパレータの主面の面積）を所定値以上に保って行うことが好ましい。即ち、有効発電領域比率が所定値以上となる、パラメータを設定するのが好ましい。本実施形態によれば、所定の耐久性を有するパラメータを知ることができるので、単セル１の設計に役立てることができる。また、発電機能の評価値も考慮することとすれば、燃料電池の稼動寿命と発電効率とを、実用的に両立する単セル１を容易に設計することができる。
【００７０】
引き続いて、上述した一連の単セル１の耐久性を評価する処理を情報処理装置に実行させるための単セル１の耐久性評価プログラムを説明する。図８に示すように、単セル１の耐久性評価プログラム５１は、情報処理装置が備える記録媒体５０に形成されたプログラム格納領域５０ａ内に格納されている。
【００７１】
単セル１の耐久性評価プログラム５１は、単セル１の耐久性の評価処理を統括的に制御するメインモジュール５１ａと、受付モジュール５１ｂと、モデル生成モジュール５１ｃと、水分分布計算モジュール５１ｄと、歪・応力計算モジュール５１ｅと、相当応力計算モジュール５１ｆと、評価値導出モジュール５１ｇと、出力モジュール５１ｈとを備えて構成される。上記それぞれを実行させることにより実現される機能は、単セル１の耐久性評価装置３０が備える、それぞれのモジュール５１ｂ〜５１ｈに対応する各部３１〜３７の機能と同様である。
【００７２】
なお、単セル１の耐久性評価プログラム５１は、その一部若しくは全部が、通信回線等の伝送媒体を介して伝送され、他の機器により受信されて記録（インストールを含む）される構成としてもよい。
【実施例１】
【００７３】
次に本発明を実施例によって更に詳しく説明するが、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。
【００７４】
［耐久性評価方法における実施例１、単セルにおける実施例１］
本実施例では、実際に単セル１を作成して耐久性を測定して、本発明に係る耐久性評価方法による評価と比較する。単セル１の作成は、以下のように行った。
【００７５】
合成例１（高分子電解質の合成）
（Ａ）ポリエーテルスルホン類の合成
窒素雰囲気下で水酸基末端のポリエーテルスルホン（住友化学工業社製スミカエクセルＰＥＳ４００３Ｐ）１０００ｇをＮ，Ｎ−ジメチルアセトアミド（以下ＤＭＡｃとよぶ）２５００ｍｌに溶解させた。更に炭酸カリウム１１．０ｇ、デカフルオロビフェニル５３．６ｇ、トルエン５０ｍｌを加えて８０℃で２時間、１００℃で１時間反応させた。その後、反応液をメタノールに投入して重合体を析出させて、ろ過、乾燥を行い、ポリエーテルスルホン類（ｄ）を得た。このｄは、末端にノナフルオロビフェニルオキシ基が置換したポリエーテルスルホンである。
【００７６】
（Ｂ）ポリ（２，６−ジフェニルフェニレンエーテル）の合成
無水塩化第一銅２．９４ｇ（３０．０ｍｍｏｌ）とＮ，Ｎ，Ｎ’，Ｎ’−テトラメチルエチレンジアミン３．５１ｇ（３０．０ｍｍｏｌ）とをクロロベンゼン１５００ｍｌ中で大気下４０℃で６０分攪拌した。これに２，２’，６，６’−テトラメチルビスフェノールＡ１７．１ｇ（６０．０ｍｍｏｌ）と２，６−ジフェニルフェノール１４８ｇ（６００ｍｍｏｌ）とを加え、大気下４０℃で７時間攪拌した。反応終了後、塩酸を含むメタノール中に注いでポリマーを析出させ、ろ過、乾燥して両末端水酸基のポリ（２，６−ジフェニルフェニレンエーテル）（ＰＥ３）を得た。
【００７７】
（Ｃ）ブロック共重合体の合成
共沸蒸留装置を備えたフラスコに、ＰＥ３を１６０ｇ、炭酸カリウム３２ｇ、ＤＭＡｃ３５００ｍｌ及びトルエン２００ｍｌを加え、加熱攪拌してトルエンと水の共沸条件下にて脱水後、トルエンを蒸留除去した。ここに上記ｄを６４０ｇ添加し、８０℃で５時間、１００℃で５時間、１２０℃で３時間加熱攪拌した。反応液を大量の塩酸酸性メタノールに滴下し、得られた沈殿物をろ過回収し、８０℃にて減圧乾燥してブロック共重合体を得た。得られたブロック共重合体６００ｇを９８％硫酸６０００ｍｌと共に室温下にて攪拌し、均一溶液とした後、更に２４時間攪拌を継続した。得られた溶液を大量の氷水中に滴下し、得られた沈殿物をろ過回収した。さらに洗液が中性になるまでイオン交換水によるミキサー洗浄を繰返した後、４０℃で減圧乾燥してスルホン化したブロック共重合体を得た。
【００７８】
合成例２（添加剤の合成）
特開２００３−２３８６７８号公報の実施例に記載された方法により、ホスホン酸が芳香族系高分子に導入された高分子電解質を合成し、添加剤とした。
【００７９】
電極の作成
Ｎａｆｉｏｎ溶液（５ｗｔ％、Ａｌｄｒｉｃｈ社製）５ｍｌに白金を３０ｗｔ％担持した白金担持カーボン５００ｍｇを加え、よく攪拌して触媒層溶液を調整した。この触媒層溶液をスクリーン印刷にてカーボンクロス（Ｅ−ＴＥＫ社製）上に、白金担持密度が０．６ｍｇ／ｃｍ２になるように塗布し、溶媒を除去してガス拡散層−触媒反応層接合体とした。
【００８０】
高分子電解質膜の製膜
合成例１で得られたブロック共重合体と、合成例２で得られた添加剤とを９５：５の量比になるように混合し、更にＮ−メチルピロリドンに固形分２７重量％の濃度になるように溶解し、高分子電解質溶液を得た。ガラス板状に固定したポリエチレン製多孔質膜に、当該高分子電解質溶液を滴下した。ワイヤーコーターを用いて高分子電解溶液を多孔質膜上に均一に塗り広げ、０．３ｍｍクリアランスのバーコーターを用いて塗工厚みをコントロールし、８０℃で常圧乾燥した。その後１ｍｏｌ／ｌの塩酸に浸漬し、更にイオン交換水で洗浄することによってポリエチレン複合高分子電解質膜（高分子電解質膜１０）を得た。
【００８１】
得られた高分子電解質膜１０を、８０℃の温水に１時間浸漬して吸水膨潤させた後における吸水飽和膜の一辺の長さをＬｄ１とし、２３℃、相対湿度５０％において水の吸着が平行に達したとき、上記一辺の長さＬｗ１を測定し、１００×（Ｌｗ１−Ｌｄ１）／Ｌｄ１という式から面方向の吸水線膨張係数を求めたところ、６．０％であった。
【００８２】
また、当該高分子電解質膜１０を上記と同様にして吸水飽和させ、ＪＩＳ  Ｋ７１２７（測定温度８０℃、相対湿度５０％、測定機；インストロン社製環境制御引張試験機）に基づく引張試験により、弾性率を求めたところ２８．９４ＭＰａであった。更に、K．D.Kreuer,Journal of Membrane Science,185，ｐ29-39，（2001）のスルホン化ポリエーテルケトン膜の拡散係数と、本実施例で用いた高分子電解質膜の拡散係数がほぼ同等であるとして、１．０×１０−９／ｍｍ２・ｓｅｃを拡散係数とした。これらの値は、本発明に係る単セル１の耐久性評価方法における、入力のパラメータとして用いられる。
【００８３】
平板型燃料電池の単セル１の作成
図９に本実施例で用いた単セル１の断面図を示す。市販のＪＡＲＩセル（販売：英和株式会社、以下セル１と呼ぶ）を用いた。ここでセル１において、セパレータ１２は、ＭＥＧＡと接する面のサイズが８０ｍｍ×８０ｍｍ（図１０におけるＬ１が８０ｍｍ）で、蛇行状ガス流路２１（流路溝１ｍｍ）を有するものである。ガス流路２１の外縁がなす面積は、５２ｍｍ×５２ｍｍ（図１０におけるＬ２が５２ｍｍ）である。ガスシール材１３はシリコーンゴム−ポリエチレンナフタレート−シリコーンゴムの積層体（厚み２３０μｍ、８．０ｃｍ×８．０ｃｍ）であり、中央の５８ｍｍ×５８ｍｍ（図１０におけるＬ３が５８ｍｍ）の領域が切り取られている。このセル１に７０ｍｍ×７０ｍｍ（図１０におけるＬ４が７０ｍｍ）に切り出した上記の固体高分子電解質膜１０と、ガスシール材１３の穴開き部と同一形状に切り出したガス拡散層−触媒反応層接合体である電極１１（上述した高分子電解質膜１０と同様の方法で求めた拡散係数は、１．０×１０−７／ｍｍ２・ｓｅｃであった）を組み込んで単セル１とした（即ち、有効発電領域のサイズを５８ｍｍ×５８ｍｍに設定した）。
【００８４】
耐久試験の実施
上記のように作成した単セル１に対して、耐久性の試験を行った。具体的には、一定電流を連続して発電する燃料電池連続発電を行った。試験条件は以下の通りである。セル温度：９５℃。ハブラー温度：９５℃（アノード）、９５℃（カソード）。ガス流量：７０ｍｌ／ｍｉｎ（アノード）、１６０ｍｌ／ｍｉｎ（カソード）。背圧：０．１ＭＰａＧ（アノード）、０．１ＭＰａＧ（カソード）。電流：２．５Ａ。耐久試験の結果、電圧は試験開始から１０００時間までほぼ一定値（０．８Ｖ）で推移し、低下は見られなかった。また、機械的劣化も発生していない。
【００８５】
本発明による評価
上記の単セル１に対して、本発明に係る単セル１の耐久性評価方法により評価を行った。αは１７．４［ｍｍ２］であり、βは０．００３６であり、有効発電領域比率は０．５３であった。αは５０．０［ｍｍ２］以下、βは０．０１以下であれば十分な耐久性を有していると判断することができるので、本発明に係る単セル１の耐久性評価方法により適切に耐久性の評価を行うことができている。また、有効発電領域比率は、概ね０．３以上であれば十分は発電機能を有していると判断することができるので、本方法においても上記の単セル１は十分な発電機能を有していると評価された。本発明に係る単セル１の耐久性評価方法により計算された、高分子電解質膜１０の応力のグラフを図１１に示す。図１１のグラフにおいて、横軸は高分子電解質膜１０の中心からの距離、縦軸は規格化した応力（有効発電領域の平均の応力を１とする）である。非有効発電領域において、有効発電領域の平均の応力の１．２倍の応力が発生している箇所は上記の非有効発電領域の要素の体積の総和Ｖｚに応じた大きさになっている。
【００８６】
［耐久性評価方法における実施例２、単セルにおける比較例１］
実施例１で用いた、セル１の有効発電領域を５２ｍｍ×５２ｍｍ（図１０におけるＬ３が５２ｍｍ）に変更した以外は、実施例１と同等のＪＡＲＩセル２（販売：英和株式会社、以下セル２と呼ぶ）を用いた。高分子電解質膜１０及びセパレータ１２は、実施例１と同じものを使用した。ガスシール材１３はシリコーンゴム−ポリエチレンナフタレート−シリコーンゴムの積層体（厚み２３０μｍ、８０ｍｍ×８０ｍｍ）であり、中央の５２ｍｍ×５２ｍｍ（図１０におけるＬ３が５２ｍｍ）の領域が切り取られている。このセル１に７０ｍｍ×７０ｍｍ（図１０におけるＬ４が７０ｍｍ）に切り出した上記の固体高分子電解質膜１０と、ガスシール材１３の穴開き部と同一形状に切り出したガス拡散層−触媒反応層接合体である電極１１を組み込んで単セル１とした（即ち、有効発電領域のサイズを５２ｍｍ×５２ｍｍに設定した）。耐久試験の結果、電圧は試験開始から約１２０時間まではほぼ一定値（０．７８Ｖ）で推移したが、約１２０時間経過後、ガスリークが発生してしまい、継続して発電させることが不可能になった。
【００８７】
上記の単セル１に対して、本発明に係る単セル１の耐久性評価方法により評価を行った。αは６０．８［ｍｍ２］であり、βは０．０１２であり、有効発電領域比率は０．４２であった。αは５０．０［ｍｍ２］以下、βは０．０１以下であれば十分な耐久性を有していると判断することができるので、本実施例においては十分な耐久性を有しているとはいえない。実験結果でも、単セルにおける実施例１と比較して耐久性が低いことを適切に示している。また、有効発電領域比率は、概ね０．３以上であれば十分は発電機能を有していると判断することができるので、本方法においても上記の単セル１は十分な発電機能を有していると評価された。本発明に係る単セル１の耐久性評価方法により計算された、高分子電解質膜１０の応力のグラフを図１１に示す。非有効発電領域において、有効発電領域の平均の応力の１．２倍の応力が発生している箇所は上記の非有効発電領域の要素の体積の総和Ｖｚに応じた大きさになっている。
【００８８】
［耐久性評価方法における比較例１，２］
耐久性評価方法における実施例１及び実施例２における、本発明に係る単セル１の耐久性評価方法では、水分分布の境界条件に基づき、水分分布を計算して、その水分分布に基づいて耐久性の評価を行った。水分分布を適切に考慮しない場合の結果を耐久性評価方法における比較例１，２（それぞれ耐久性評価方法における実施例１，２に対応する）として示す。本比較例では、水分分布が高分子電解質膜全体において飽和吸水状態であると仮定して、評価値を導出した。比較例１，２における高分子電解質膜１０の相当応力のグラフを図１１に示す。このグラフから非有効発電領域の位置が相違する以外は、対応する耐久性試験の結果と相関が無いことが判明した。また、非有効発電領域において、有効発電領域の平均の応力の１．２倍の応力が発生している箇所は実施例１，２と比較して大きくなっている。さらに、比較例１、２において評価値を導出したところ、比較例１においてはαは１３１［ｍｍ２］であり、βは０．０２７であり、比較例２においてはαは３０８［ｍｍ２］であり、βは０．０６３であった。これらの結果は対応する実施例１、２における評価結果に比べて単セル構造による耐久性の差異が低く評価されていることを示し、このように、本発明のように水分分布を計算せずに評価を行った場合は、適切な評価が行えないことがわかった。
【００８９】
［耐久性評価方法における実施例３、単セルにおける比較例２］
一般的に燃料電池用セルに使用されている、ElectroChem社製セル（以下、セル３と呼ぶ）について、本発明に係る単セル１の耐久性評価方法により評価を行った。セパレータ１２は、ＭＥＧＡと接する面の大きさが９５ｍｍ×９５ｍｍ（図１０におけるＬ１が９５ｍｍ）で、蛇行状ガス流路２１（流路幅１ｍｍ）を有するものであり、ガス流路２１の外側がなす面積は、５１ｍｍ×５１ｍｍ（図１０におけるＬ２が５１ｍｍ）であった。有効発電領域を５１ｍｍ×５１ｍｍ（図１０におけるＬ３が５１ｍｍ）とし、固体高分子電解質膜１０のサイズを８７ｍｍ×８７ｍｍ（図１０におけるＬ４が８７ｍｍ）とし、高分子電解質膜１０の吸水線膨張係数、及び水分分布の境界条件は実施例１と同じとした。αは２７２［ｍｍ２］であり、βは０．０３６であり、有効発電領域比率は０．２９であった。本発明に係る単セル１の耐久性評価方法によれば、この単セル１は、耐久性及び発電機能共に不十分である。本発明に係る単セル１の耐久性評価方法により計算された、高分子電解質膜１０の応力のグラフを図１２に示す。非有効発電領域において、有効発電領域の平均の応力の１．２倍の応力が発生している箇所は上記の非有効発電領域の要素の体積の総和Ｖｚに応じた大きさになっている。
【００９０】
［耐久性評価方法における実施例４、単セルにおける比較例３］
一般的に燃料電池用セルに使用されている、もう一つのElectroChem社製セル（以下、セル４と呼ぶ）について、本発明に係る単セル１の耐久性評価方法により評価を行った。セパレータ１２は、ＭＥＧＡと接する面の大きさが９５ｍｍ×９５ｍｍ（図１０におけるＬ１が９５ｍｍ）で、蛇行状ガス流路２１（流路幅１ｍｍ）を有するものであり、ガス流路２１の外側がなす面積は、２２ｍｍ×２２ｍｍ（図１０におけるＬ２が２２ｍｍ）であった。有効発電領域を２２ｍｍ×２２ｍｍ（図１０におけるＬ３が２２ｍｍ）とし、固体高分子電解質膜１０のサイズを８７ｍｍ×８７ｍｍ（図１０におけるＬ４が８７ｍｍ）とし、高分子電解質膜１０の吸水線膨張係数、及び水分分布の境界条件は実施例１と同じとした。αは６６２［ｍｍ２］であり、βは０．０８７であり、有効発電領域比率は０．０５４であった。本発明に係る単セル１の耐久性評価方法によれば、この単セル１は、耐久性及び発電機能共に不十分である。本発明に係る単セル１の耐久性評価方法により計算された、高分子電解質膜１０の応力のグラフを図１２に示す。非有効発電領域において、有効発電領域の平均の応力の１．２倍の応力が発生している箇所は上記の非有効発電領域の要素の体積の総和Ｖｚに応じた大きさになっている。
【００９１】
上記の単セルにおける実施例１及び比較例１〜３の評価結果を以下の表に示す。
【表１】
2008091329.tif 000008
【図面の簡単な説明】
【００９２】
【図１】本発明の実施形態に係る単セルの耐久性評価方法の評価対象である平板型固体高分子型燃料電池の単セルの構成模式図である。
【図２】単セルにおけるセパレータの電極に接する面を示した図である。
【図３】単セルにおける高分子電解質膜の主面を示した図である。
【図４】本発明の実施形態に係る単セルの耐久性評価装置の構成図である。
【図５】有限要素モデルにおける節点及び要素の設定例を示した図である。
【図６】本発明の実施形態に係る単セルの耐久性評価方法を示すフローチャートである。
【図７】本発明の実施形態に係る単セルの耐久性評価方法を示すフローチャートである。
【図８】本発明の実施形態に係る単セルの耐久性評価方法を示すフローチャートである。
【図９】本発明に係る単セルの耐久性評価プログラムの構成を示す図である。
【図１０】実施例で用いた単セルの断面図である。
【図１１】計算された高分子電解質膜の応力のグラフである。
【図１２】計算された高分子電解質膜の応力のグラフである。
【符号の説明】
【００９３】
１…単セル、１０…高分子電解質膜、１１…電極、１２…セパレータ、１３…ガスシール材、１４…マニホールド、２１…ガス流路、３０…単セルの耐久性評価装置、３１…受付部、３２…モデル生成部、３３…水分分布計算部、３４…歪・応力計算部、３５…相当応力計算部、３６…評価値導出部、３７…出力部、３８…判断部、４０…入力装置、５０…記録媒体、５０ａ…プログラム格納領域、５１…耐久性評価プログラム、５１ａ…メインモジュール、５１ｂ…受付モジュール、５１ｃ…モデル生成モジュール、５１ｄ…水分分布計算モジュール、５１ｅ…歪・応力計算モジュール、５１ｆ…相当応力計算モジュール、５１ｇ…評価値導出モジュール、５１ｈ…出力モジュール。
【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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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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