(57)【要約】【課題】燃料電池の電池特性と熱伝導特性との対応関係に新たに着目して、燃料電池の特性評価の簡便化を図る。【解決手段】燃料電池を構成する単セル２０や、この単セル２０を構成するＭＥＡ２１やガス拡散部材３３等の構成部材個々について、電池製造過程において熱拡散率を測定する。この測定には、発熱体２１２で角周波数ωの周期発熱を起こした熱の伝搬を温度検出器２１４が内蔵する赤外線検出装置にて検出し、加熱の際の温度変調と検出温度の温度変調との位相差を求め、これに基づいて熱拡散率を複数の測定箇所について求める。そして、求めた熱拡散率に基づいた構成材の接合判定や、熱拡散率の偏差に基づいた単セル２０の電池特性を評価する。この際、記憶部２２４が記憶したマップを用いる。【選択図】図３
2008027902.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電解質を一対の電極で挟持した層構成体を有する燃料電池の検査方法であって、
前記層構成体の表裏の一方の面の側から前記層構成体を加熱するに際し、所定周波数の温度変調を起こしつつ前記層構成体を加熱して、前記一方の面における加熱領域に亘って前記層構成体の前記一方の面の側において温度変調を誘起し、
前記層構成体をその厚み方向に伝わった熱の温度変調を、前記加熱領域と対向する前記層構成体の他方の面の側の測定領域に含まれる複数の測定箇所で測定し、
該測定した温度変調と前記層構成体を前記一方の面の側から加熱する際の前記温度変調との位相差を前記複数の測定箇所ごとに求め、
前記測定箇所ごとに求めた前記位相差に基づいて、前記層構成体の前記測定箇所ごとの層方向における前記燃料電池の熱伝導特性を求め、
前記測定箇所ごとに求めた前記熱伝導特性に基づいて、前記層構成体の構成材の接合状況を判定する
燃料電池の検査方法。
【請求項２】
電解質を一対の電極で挟持した層構成体を有する燃料電池の検査方法であって、
前記層構成体の表裏の一方の面の側から前記層構成体を加熱するに際し、所定周波数の温度変調を起こしつつ前記層構成体を加熱して、該加熱箇所において前記層構成体の前記一方の面の側に温度変調を誘起し、
前記層構成体をその厚み方向に伝わった熱の温度変調を、前記加熱箇所と対向する前記層構成体の他方の面の側の測定箇所で測定し、
該測定した温度変調と前記層構成体を前記一方の面の前記加熱箇所で加熱する際の前記温度変調との位相差を求め、
該求めた位相差に基づいて、前記層構成体の前記測定箇所での層方向における前記燃料電池の熱伝導特性を求め、
前記加熱箇所と前記測定箇所を前記層構成体において変更して、前記位相差を前記層構成体の複数箇所で求めつつ、前記位相差に基づいた前記熱伝導特性を複数箇所で求め、
該複数箇所で求めた前記熱伝導特性に基づいて、前記層構成体の構成材の接合状況を判定する
燃料電池の検査方法。
【請求項３】
請求項１または請求項２に記載の燃料電池の検査方法であって、
前記温度変調を誘起するに際しては、
前記層構成体における前記電解質の伝導種の燃料ガスの供給を受け該ガスを一方の前記電極に送る燃料ガス供給層と、前記伝導種の酸化に寄与する物質を含有する酸化ガスの供給を受け該ガスを他方の前記電極に送る酸化ガス供給層とで前記層構成体を接合・挟持したガス供給層含有構造体について、該ガス供給層含有構造体の表裏の一方の面の側から前記温度変調を起こしつつ前記ガス供給層含有構造体を加熱して前記温度変調を誘起し、
前記温度変調を測定するに際しては、
前記ガス供給層含有構造体をその厚み方向に伝わった熱の温度変調を前記ガス供給層含有構造体の他方の面の側で測定する
燃料電池の検査方法。
【請求項４】
請求項１ないし請求項３いずれかに記載の燃料電池の検査方法であって、
前記求めた前記熱伝導特性の偏差と該偏差を前記燃料電池の電池特性に対応付けた特性対応とに基づいて、または、前記判定した前記接合状況と該判定状況を前記燃料電池の電池特性に対応付けた特性対応とに基づいて、前記燃料電池の電池特性を評価する
燃料電池の検査方法。
【請求項５】
請求項１ないし請求項４いずれかに記載の燃料電池の検査方法であって、
前記温度変調を測定するに際しては、
赤外線を受光する赤外線カメラを備え、該カメラの焦点位置における測定対象物が放射する赤外線を前記赤外線カメラで受光して、前記焦点位置における前記測定対象物の温度を非接触に計測する温度計測機器を用い、
該温度計測機器の前記赤外線カメラの焦点位置を、前記測定対象物である前記層構成体または前記ガス供給層含有構造体の厚み方向で変えつつ、前記焦点位置に合致した位置での温度変調を測定する
燃料電池の検査方法。
【請求項６】
電解質を一対の電極で挟持した層構成体を有する燃料電池の検査装置であって、
発熱部を有し、該発熱部を所定周波数の温度変調を起こしつつ発熱させ、前記発熱部により前記層構成体をその表裏の一方の面の側から加熱して、前記層構成体の前記一方の面の側において温度変調を誘起する加熱手段と、
前記層構成体をその厚み方向に伝わった熱の温度変調を、前記層構成体の他方の面の側の複数の測定箇所で測定する測定手段と、
前記測定した温度変調と前記層構成体を前記一方の面の側から加熱する際の前記温度変調との位相差を前記測定箇所ごとに求めて、前記測定箇所ごとの前記位相差に基づいて、前記層構成体の前記測定箇所ごとの層方向における前記燃料電池の熱伝導特性を求める熱伝導特性算出手段と、
前記測定箇所ごとに求めた前記熱伝導特性に基づいて、前記層構成体の構成材の接合状況を判定する接合判定手段とを備え、
前記加熱手段は、前記複数の測定箇所のそれぞれに対向する複数の加熱箇所において前記温度変調を誘起するよう、前記発熱部により前記層構成体を前記一方の面の側で加熱する
燃料電池の検査装置。
【請求項７】
請求項６に記載の燃料電池の検査装置であって、
前記加熱手段は、
前記発熱部として、前記複数の加熱箇所を含む加熱領域に亘って前記層構成体を加熱する面状の発熱部と、前記複数の加熱箇所において前記層構成体を加熱する複数の発熱源を有する発熱部のいずれかを有する
燃料電池の検査装置。
【請求項８】
電解質を一対の電極で挟持した層構成体を有する燃料電池の検査装置であって、
発熱部を有し、該発熱部を所定周波数の温度変調を起こしつつ発熱させ、前記発熱部により前記層構成体をその表裏の一方の面の側から加熱して、前記層構成体の前記一方の面の側において温度変調を誘起する加熱手段と、
前記層構成体をその厚み方向に伝わった熱の温度変調を、前記発熱部による前記層構成体の加熱箇所に対向する前記層構成体の他方の面の側の測定箇所で測定する測定手段と、
前記測定した温度変調と前記層構成体を前記一方の面の側から加熱する際の前記温度変調との位相差を算出しつつ、前記加熱手段の前記発熱部による前記層構成体の前記加熱箇所と前記測定手段の前記測定箇所とを前記層構成体において変更して、前記位相差を前記層構成体の複数箇所で算出する位相差算出手段と、
前記複数箇所で算出した前記位相差に基づいて、前記層構成体の前記複数箇所ごとの層方向における前記燃料電池の熱伝導特性を求める熱伝導特性算出手段と、
前記測定箇所ごとに求めた前記熱伝導特性に基づいて、前記層構成体の構成材の接合状況を判定する接合判定手段とを備える
燃料電池の検査装置。
【請求項９】
請求項６ないし請求項８いずれかに記載の燃料電池の検査装置であって、
前記求めた前記熱伝導特性の偏差を算出する偏差算出手段と、
前記熱伝導特性の偏差と前記燃料電池の電池特性とを対応付けた特性対応を記憶する偏差対応特性記憶手段と、
前記層構成体の構成材の接合状況と前記燃料電池の電池特性とを対応付けた特性対応を記憶する接合対応特性記憶手段と、
前記算出した前記偏差と前記偏差対応特性記憶手段が記憶した特性対応とに基づいた燃料電池の電池特性評価と、前記判定した判定状況と前記接合対応特性記憶手段が記憶した特性対応とに基づいた燃料電池の電池特性評価の少なくともいずれかの電池特性評価を行う評価手段とを有する
燃料電池の検査装置。
【請求項１０】
請求項６ないし請求項９いずれかに記載の燃料電池の検査装置であって、
前記測定手段は、
赤外線を受光する赤外線カメラを備える温度計測機器であって、前記赤外線カメラの焦点位置における測定対象物が放射する赤外線を前記赤外線カメラで受光して、前記焦点位置における前記測定対象物の温度を非接触に計測する温度計測機器を有し、
該温度計測機器の前記赤外線カメラの焦点位置を、前記測定対象物である前記層構成体または前記ガス供給層含有構造体の厚み方向で変えつつ、前記焦点位置に合致した位置での温度変調を測定する
燃料電池の検査装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電解質を一対の電極で挟持した層構成体を有する燃料電池の検査方法と装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は、電解質を一対の電極で挟持した層構成体を備え、この層構成体を含む電池構成を一単位として複数積層させている。従って、燃料電池の発電能力等の特性は、個々の電池構成単位が有する特性に依存するので、この電池構成単位での特性評価が望まれている。
【０００３】
個々の電池は、電解質をその両側で電極に接合させ、更には、電極へのガスの拡散・供給のためのガス供給層をも電極に接合させている。そして、個々の電池の特性はこうした部材同士の接合状況（例えば、接合性の良否、接合性を規定する剥離強度等）に依存することから、何らかの物理現象を測定することで部材同士の接合状況を判定できれば、電池特性についても評価を下すことが可能となり得る。
【０００４】
こうした部材同士の接合状況の判定を行う技術としては、下記の特許文献がある。この特許文献によれば、シリンダヘッドとバルブシートの接合性の良否を非破壊で判定するに当たり、所定温度で接合対象部材の一方を加熱して他方の接合対象部材に伝わる透過熱を測定する。そして、その測定温度の値や昇温推移の様子から接合対象部材であるシリンダヘッドとバルブシートの接合状況（接合性の良否）を判定している。
【０００５】
【特許文献１】特開平９−９６２０４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
上記した特許文献による接合状況の判定手法は、電池構成への応用が期待されていたが、次のような問題点が指摘されるに至り、実用の域に達していないのが現状である。電池の接合対象部材である電解質や電極、或いはガス供給層は、その組成や構造においてシリンダヘッドやバルブシートの材料である金属や合金と相違するため、熱伝導特性が悪く均一性にも欠けており、周囲への放熱の影響が大きいので、熱量絶対値での評価が困難である。よって、特許文献１の手法に習って燃料電池における接合対象部材の接合状況を判定したとしても、同一の電池でありながら測定温度値が測定箇所で相違する現象が起きるため、電池における上記接合対象部材の接合状況の判定には信頼性に欠けていた。このため、電解質や電極、或いはガス供給層といった部材の接合を経て形成される電池構成単位、延いてはその積層体である燃料電池全体の特性評価の信頼性も低かった。また、電極面積に亘って電解質と電極とが接合し、電極とガス供給層とが接合することから、接合箇所ごとの接合状況も不均一となる可能性がある。特に、高出力電池では広い電極面積が必要となるので、電解質、電極、ガス供給層の接合範囲も広くなる。よって、接合対象部材における熱伝導特性の不均一性と接合状況の不均一性とが相俟って、測定箇所ごとの測定温度値も大きな相違が起き得るので、測定温度値に基づく接合状況の判定の信頼性や、この判定に基づく燃料電池の特性評価の信頼性において改善の余地が残されていた。
【０００７】
本発明は、上記問題点を解決するためになされ、燃料電池の構成部材の接合状況の判定の信頼性、延いては特性評価の信頼性を高め得る新たな手法を提供することをその目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記した目的の少なくとも一部を達成するために、本発明では、以下の構成を採用した。
【０００９】
[適用１：燃料電池の検査方法]
電解質を一対の電極で挟持した層構成体を有する燃料電池の検査方法であって、
前記層構成体の表裏の一方の面の側から前記層構成体を加熱するに際し、所定周波数の温度変調を起こしつつ前記層構成体を加熱して、前記一方の面における加熱領域に亘って前記層構成体の前記一方の面の側において温度変調を誘起し、
前記層構成体をその厚み方向に伝わった熱の温度変調を、前記加熱領域と対向する前記層構成体の他方の面の側の測定領域に含まれる複数の測定箇所で測定し、
該測定した温度変調と前記層構成体を前記一方の面の側から加熱する際の前記温度変調との位相差を前記複数の測定箇所ごとに求め、
前記測定箇所ごとに求めた前記位相差に基づいて、前記層構成体の前記測定箇所ごとの層方向における前記燃料電池の熱伝導特性を求め、
前記測定箇所ごとに求めた前記熱伝導特性に基づいて、前記層構成体の構成材の接合状況を判定する
ことを要旨とする。
【００１０】
上記した燃料電池の検査方法では、電解質を一対の電極で挟持した層構成体を有する燃料電池を検査するに当たり、前記層構成体の表裏の一方の面の側から前記層構成体を加熱するに際し、所定周波数の温度変調を起こしつつ前記層構成体を加熱して、前記一方の面における加熱領域に亘って前記層構成体の前記一方の面の側において温度変調を誘起する。層構成体に一方の面の側で与えられた熱は、層構成体厚み方向の熱伝搬の過程でその熱量が減衰するものの、層構成体の一方の面の側において誘起した温度変調に対して位相の遅れを持って層構成体の他方の面側に伝搬する。この位相の遅れは、測定対象である層構成体の熱伝搬箇所の熱伝導特性に依存して定まり、この熱伝導特性は、層構成体の個々の材料の特性、材料同士の接合の状況、延いては燃料電池の電池特性と高い相関がある。
【００１１】
こうした知見に立ち、層構成体の一方の面の側において温度変調を誘起させつつ加熱し、前記層構成体をその厚み方向に伝わった熱の温度変調を、前記加熱領域と対向する前記層構成体の他方の面の側の測定領域に含まれる複数の測定箇所で測定し、該測定した温度変調と前記層構成体を前記一方の面の側から加熱する際の前記温度変調との位相差を前記複数の測定箇所ごとに求める。こうした温度変調の位相差は、既述したように、その位相差をもたらす箇所（それぞれの測定箇所）たる熱伝搬箇所の熱伝導特性に依存することから、この位相差に基づいて、それぞれの測定箇所についての熱伝導特性を求める。そして、前記測定箇所ごとに求めた前記熱伝導特性に基づいて、前記層構成体の構成材の接合状況を判定する。
【００１２】
上記構成を有する燃料電池の検査方法では、燃料電池が有する層構成体を構成する構成材の接合状況を判定するに当たって、測定箇所ごとの測定温度値を用いるのではなく、測定箇所ごとの温度変調の位相差に基づく熱伝導特性を用いる。この場合、温度変調の位相差は測定箇所の熱伝導特性に依存して定まり、この熱伝導特性は、層構成体の個々の構成材料同士の接合の状況、延いては燃料電池の電池特性と高い相関があることから、上記の燃料電池の検査方法によれば、燃料電池の構成部材の接合状況の判定の信頼性を高めることができる。しかも、接合状況判定の際に燃料電池を運転状態とする必要がないので、簡便である。また、こうした接合状況判定を燃料電池の製造の過程で行うことができるので、この評価に基づいた層構成体や燃料電池（セル）の良否判定も可能となり、品質向上に寄与できる。
【００１３】
更に、熱伝導特性は、既述したように、層構成体の構成材同士の接合の状況のみならず燃料電池の電池特性と高い相関があることから、前記測定箇所ごとに求めた前記熱伝導特性の偏差と、該偏差を前記燃料電池の電池特性に対応付けた特性対応とに基づいて、前記燃料電池の電池特性を評価することもできる。また、前記判定した前記接合状況と、該判定状況を前記燃料電池の電池特性に対応付けた特性対応とに基づいて、前記燃料電池の電池特性を評価することもできる。こうすれば、燃料電池の特性評価についての信頼性も高めることができる他、特性評価に際しては燃料電池を運転状態とする必要がないので簡便である。
【００１４】
[適用２：燃料電池の他の検査方法]
電解質を一対の電極で挟持した層構成体を有する燃料電池の検査方法であって、
前記層構成体の表裏の一方の面の側から前記層構成体を加熱するに際し、所定周波数の温度変調を起こしつつ前記層構成体を加熱して、該加熱箇所において前記層構成体の前記一方の面の側に温度変調を誘起し、
前記層構成体をその厚み方向に伝わった熱の温度変調を、前記加熱箇所と対向する前記層構成体の他方の面の側の測定箇所で測定し、
該測定した温度変調と前記層構成体を前記一方の面の前記加熱箇所で加熱する際の前記温度変調との位相差を求め、
該求めた位相差に基づいて、前記層構成体の前記測定箇所での層方向における前記燃料電池の熱伝導特性を求め、
前記加熱箇所と前記測定箇所を前記層構成体において変更して、前記位相差を前記層構成体の複数箇所で求めつつ、前記位相差に基づいた前記熱伝導特性を複数箇所で求め、
該複数箇所で求めた前記熱伝導特性に基づいて、前記層構成体の構成材の接合状況を判定する
ことを要旨とする。
【００１５】
上記した燃料電池の他の検査方法では、電解質を一対の電極で挟持した層構成体を有する燃料電池を検査するに当たり、前記層構成体の表裏の一方の面の側から前記層構成体を加熱するに際し、所定周波数の温度変調を起こしつつ前記層構成体を加熱して、該加熱箇所において前記層構成体の前記一方の面の側に温度変調を誘起し、前記層構成体をその厚み方向に伝わった熱の温度変調を、前記加熱箇所と対向する前記層構成体の他方の面の側の測定箇所で測定し、該測定した温度変調と前記層構成体を前記一方の面の前記加熱箇所で加熱する際の前記温度変調との位相差を求め、この位相差に基づいて、前記層構成体の前記測定箇所での層方向における前記燃料電池の熱伝導特性を求める。その上で、前記加熱箇所と前記測定箇所を前記層構成体において変更して、前記位相差を前記層構成体の複数箇所で求めつつ、前記位相差に基づいた前記熱伝導特性を複数箇所で求める。そして、前記測定箇所ごとに求めた前記熱伝導特性に基づいて、前記層構成体の構成材の接合状況を判定する。この検査方法によっても、燃料電池の構成部材の接合状況の判定の信頼性向上等、既述した効果を奏することができる。そして、複数箇所で求めた前記熱伝導特性の偏差と、該偏差を前記燃料電池の電池特性に対応付けた特性対応とに基づいて、或いは、前記判定した前記接合状況と、該判定状況を前記燃料電池の電池特性に対応付けた特性対応とに基づいて、前記燃料電池の電池特性を評価すれば、その特性評価の信頼性の向上等も図ることができる。
【００１６】
以上説明した燃料電池の接合検査において、前記温度変調を誘起するに際しては、前記層構成体における前記電解質の伝導種の燃料ガスの供給を受け該ガスを一方の前記電極に送る燃料ガス供給層と、前記伝導種の酸化に寄与する物質を含有する酸化ガスの供給を受け該ガスを他方の前記電極に送る酸化ガス供給層とで前記層構成体を接合・挟持したガス供給層含有構造体について、該ガス供給層含有構造体の表裏の一方の面の側から前記温度変調を起こしつつ前記ガス供給層含有構造体を加熱して前記温度変調を誘起することとし、前記温度変調を測定するに際しては、前記ガス供給層含有構造体をその厚み方向に伝わった熱の温度変調を前記ガス供給層含有構造体の他方の面の側で測定するようにもできる。こうすれば、電解質を一対の電極で挟持した層構成体に燃料ガス供給層と酸化ガス供給層を接合・挟持した構成を単位に、その熱伝導特性を容易に測定でき、延いては、ガス供給層を有する構成単位での構成材の接合状況判定、燃料電池の電池特性評価を高い信頼性で行うことができる。
【００１７】
また、前記温度変調を測定するに際しては、測定対象物の温度を非接触に計測する温度計測機器を用いることができる。この温度計測機器は、赤外線を受光する赤外線カメラを備え、該カメラの焦点位置における測定対象物が放射する赤外線を前記赤外線カメラで受光して、前記焦点位置における前記測定対象物の温度を非接触に計測する。そして、この温度計測機器を用いて温度変調を測定するに当たって、温度計測機器の前記赤外線カメラの焦点位置を、前記測定対象物である前記層構成体または前記ガス供給層含有構造体の厚み方向で変えつつ、前記焦点位置に合致した位置での温度変調を測定するようにもできる。
【００１８】
こうすれば、電解質を一対の電極で挟持した層構成体、もしくは、この層構成体に燃料ガス供給層と酸化ガス供給層を接合・挟持したガス供給層含有構造体について、その厚み方向における異なる位置での熱伝導特性を容易に測定できる。この場合、電解質を一対の電極で挟持した層構成体とガス供給層含有構造体は、それぞれその構成部材の接合体であることから、焦点位置をそれぞれの構成部材の厚み方向で変えることで、当該構成部材の厚み方向に亘る熱電動特性を得ることができる。また、焦点位置を構成部材の接合位置にすれば、接合箇所での熱伝導特性を得ることができる。つまり、構成部材の接合体である層構成体やガス供給層含有構造体について、その構成部材の厚み方向の熱伝導特性の推移のみならず、構成部材の接合箇所での熱伝導特性をも含めて把握できるので、これら熱伝導特性に基づいた上記した接合状況判定や燃料電池の電池特性評価の信頼性をより高めることができる。
【００１９】
本発明は、上記した燃料電池の検査方法の他、燃料電池の検査装置としても適用できる。また、本発明における燃料電池には、その電解質が有する性質により種々に区分され、水素イオンを伝導種とする固体高分子型燃料電池、リン酸形燃料電池、アルカリ形燃料電池や、炭酸イオンを伝導種とする溶融炭酸塩形燃料電池、酸素イオンを伝導種とする固体酸化物形燃料電池等が含まれる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
以下、本発明の実施の形態について、その実施例を図面に基づき説明する。図１は実施例での評価対象となる燃料電池の概略構成を説明する説明図である。本実施例における燃料電池は、固体高分子型燃料電池であり、その一つのセル（単セル２０）を複数積層したスタック構造を有している。単セル２０は、電解質を含むＭＥＡ（膜−電極接合体、Membrane Electrode Assembly）２１と、ＭＥＡ２１を両側から挟持してサンドイッチ構造を形成するガス供給層２２、２３とを備え、このサンドイッチ構造をさらに両側からセパレータ２４、２５にて挟持されている。
【００２１】
ＭＥＡ２１は、電解質層３０と、電解質層３０を間に挟んでその両面に形成された一対の電極３１、３２とを備えている。電解質層３０は、固体高分子材料、例えばフッ素系樹脂により形成されたプロトン伝導性のイオン交換膜であり、湿潤状態で良好な電気伝導性を示す。本実施例では、ナフィオン膜（デュポン社製）を使用した。電極３１、３２は、電気化学反応を促進する触媒、例えば、白金、或いは白金と他の金属から成る合金を備えた多孔質体であり、ガス透過性を備えている。ＭＥＡ２１は、こうした構成を取ることから、電解質層３０を一対の電極３１、３２で挟持した本願における層構成体に相当する構成となる。
【００２２】
ガス供給層２２、２３は、ガス透過性および電子伝導性を有する部材によって構成されており、例えば、カーボンペーパーなどの炭素材料や、発泡金属、金属メッシュなどの金属部材によって形成することができる。このようなガス供給層２２、２３は、電気化学反応に供されるガスの流路となってガスを供給すると共に、集電を行なう。ここで、ガス供給層２２は、セパレータ２４に接するガス拡散部材３３と、ＭＥＡ２１に接する電極側ガス拡散部材３４とを備えている。このようなガス供給層２２は、ＭＥＡ２１とセパレータ２４との間で、水素を含有する燃料ガスが通過する単セル内燃料ガス流路を形成してガスを供給する。ガス供給層２３は、セパレータ２５に接するガス拡散部材３５と、ＭＥＡ２１に接する電極側ガス拡散部材３６とを備えている。このようなガス供給層２３は、ＭＥＡ２１とセパレータ２５との間で、酸素を含有する酸化ガスが通過する単セル内酸化ガス流路を形成してガスを供給する。
【００２３】
単セル２０は、こうしたガス供給層の構成を有することから、ＭＥＡ２１（層構成体）をガス供給層２２、２３で挟持・接合した本発明におけるガス供給層含有構造体に相当する構成となる。この場合、本実施例では、ガス供給層２２、２３をセパレータ側のガス拡散部材と電極側ガス拡散部材の接合構成としたが、単一のガス供給層とすることもできる。
【００２４】
上記した各部材（電解質層３０、電極３１、３２、ガス拡散部材３３、３５、電極側ガス拡散部材３４、３６）は、図中上段に示すようにそれぞれ個別に用意され、後述する製造工程における接合処理にて、図中下段に示すように接合され、単セル２０を構成する。
【００２５】
上記のガス供給層２２、２３において、セパレータ側のガス拡散部材３３、３５を電極側ガス拡散部材３４、３６に比べて、より硬い多孔質体によって形成することができる。ここでいう硬さとは、ガス拡散部材を構成する材料の硬さではなく、部材全体としての硬さであり、例えば圧縮弾性率によって表わすことができる。こうすることで、単セル２０としての形状維持にとって望ましい。
【００２６】
セパレータ２４、２５は、電子伝導性を有する材料で形成されたガス不透過な部材であり、例えば、ステンレス鋼等の金属部材や炭素材料によって形成することができる。本実施例のセパレータ２４、２５は、薄板状に形成されており、ガス供給層２２、２３と接する面は、凹凸のない平坦面となっているが、燃料ガス流路や酸化ガス流路を有するセパレータとすることもできる。この場合は、ガス供給層は、単セル内燃料ガス流路や単セル内酸化ガス流路の役割は有さず、拡散の役割を少なくとも有するだけでよい。
【００２７】
なお、単セル２０の外周部には、単セル内燃料ガス流路および単セル内酸化ガス流路におけるガスシール性を確保するために、ガスケット等のシール部材が配設されている。また、単セル２０の外周部には、単セル２０の積層方向と平行であって燃料ガス或いは酸化ガスが流通する複数のガスマニホールドが設けられている（図示せず）。これら複数のガスマニホールドのうちの燃料ガス供給マニホールドを流れる燃料ガスは、各単セル２０に分配され、電気化学反応に供されつつ各単セル内燃料ガス流路（ガス供給層２２）内を通過し、その後、燃料ガス排出マニホールドに集合する。同様に、酸化ガス供給マニホールドを流れる酸化ガスは、各単セル２０に分配され、電気化学反応に供されつつ各単セル内酸化ガス流路（ガス供給層２３）内を通過し、その後、酸化ガス排出マニホールドに集合する。図１では、単セル内燃料ガス流路における燃料ガス（Ｈ2）と単セル内酸化ガス流路における酸化ガス（Ｏ2）とは並行に流れるように記載しているが、これらのガスの流れは、ガスマニホールドの配置によって、上記した並行の他、対向、直交など異なる向きに流れることとしても良い。
【００２８】
燃料電池に供給される燃料ガスとしては、炭化水素系燃料を改質して得られる水素リッチガスを用いても良いし、純度の高い水素ガスを用いても良い。また、燃料電池に供給される酸化ガスとしては、例えば空気を用いることができる。
【００２９】
なお、図示は省略しているが、スタック構造の内部温度を調節するために、各単セル間に、或いは所定数の単セルを積層する毎に、冷媒の通過する冷媒流路を設けても良い。冷媒流路は、隣り合う単セル間において、一方の単セルが備えるセパレータ２４と、他方の単セルが備えるセパレータ２５との間に設ければよい。
【００３０】
単セル２０は、図１に示した層構成に限られるものではなく、ＭＥＡ２１をその両側のセパレータで挟持し、このセパレータにおけるＭＥＡ２１の側の面に、水素ガス或いは空気の供給流路を設けた構成とすることもできる。
【００３１】
次に、上記した構成を有する燃料電池、詳しくは単セル２０の製造工程について説明する。図２は、本実施例の燃料電池の製造方法を表わす工程図、図３は電池製造の際に各構成部材の熱伝導特性に基づいて特性評価を行う検査装置の概略図である。
【００３２】
図２に示すように、燃料電池を製造する際には、まず、単セル２０を構成する既述した各部材、即ち、電解質層３０、ガス拡散部材３３〜３６、セパレータ２４、２５を準備する（ステップＳ１００）。その後、電解質層３０上に電極３１、３２を形成して、ＭＥＡ２１を作製する（ステップＳ１１０）。電極３１、３２を形成するには、例えば、白金または白金と他の金属からなる合金を担持したカーボン粉を作製し、この触媒を担持したカーボン粉を適当な有機溶剤に分散させ、電解質溶液（例えば、Ａｌｄｒｉｃｈ  Ｃｈｅｍｉｃａｌ社、Ｎａｆｉｏｎ  Ｓｏｌｕｔｉｏｎ）を適量添加することで、ペーストを作製すればよい。このペーストを、電解質層３０上にスクリーン印刷等の方法により塗布することで、電極３１、３２を形成することができる。或いは、上記触媒を担持したカーボン粉を含有するペーストを膜成形してシートを作製し、このシートを電解質層３０上にプレスすることによって電極３１、３２を電解質層３０に接合して形成しても良い。また、上記のペーストを剥離性を有するシート（例えば、テフロンシート：テフロンは登録商標）に塗布して乾燥させ、ペーストから電極転写シートを作製する。そして、この２枚のテフロンシートで、電極転写シートが電解質層３０の両側に接合するよう、電解質層３０を挟み、所定温度・圧力で熱プレスした後にテフロンシートを剥離させ、電極転写シートを電解質層３０の両側に転写して接合するようにすることもできる。
【００３３】
本実施例では、こうして作製したＭＥＡ２１と、ガス拡散部材３３〜３６について、これらが有する熱伝導特性を測定する（ステップＳ１２０）。このＭＥＡ２１等の熱伝導特性は、後述するように、ＭＥＡ２１や単セル２０における構成材の接合状況（電解質層３０と電極３１、３２の接合状況、ＭＥＡ２１とガス拡散部材３３〜３６の接合状況）の判定、或いは、単セル２０、延いては燃料電池の電池特性評価に用いる。熱伝導測定は、図３に示す電池性能検査装置２００にて行う。電池性能検査装置２００は、熱伝導特性の測定サンプルがセットされる測定ブース２１０と、制御装置２２０と、表示部２３０と、入力部２４０とを備える。
【００３４】
測定ブース２１０は、ＭＥＡ２１等の測定サンプルを挟んで発熱体２１２と温度検出器２１４とを備える。発熱体２１２は、薄葉状のＭＥＡ２１等の測定サンプルのほぼ全面に亘って当該測定サンプルを加熱する面状のヒータを内蔵する。発熱体２１２による測定サンプル加熱に際しては、発熱体２１２を測定サンプルの一方の面、本実施例では上面に接触若しくは近接配置し、この状態で測定サンプルを上面の側からサンプル上面全域に亘って加熱する。
【００３５】
温度検出器２１４は、赤外線検出装置としての赤外線カメラを内蔵し、測定サンプルをその厚み方向に伝わった熱を測定サンプルの全面の複数箇所において測定する。赤外線カメラによるこうした測定は、カメラの焦点を測定面に合わせせた後、具体的にはカメラの焦点を測定サンプル下面に合わせた後に実行される。この測定箇所での測定結果は、間接的ではあるものの後述するように接合状況判定や電池特性評価に用いられるので、測定箇所の数やその分布は、接合状況判定や特性評価の精度を考慮して定めればよい。図４はＭＥＡ２１等の測定サンプルをその厚み方向に伝わった熱の測定の様子の一例を示す説明図である。この図４（ａ）は、後述の熱伝導特性（熱拡散率）の統計的処理を行うに必要な最低限の測定箇所での測定を行う様子を示しており、図４（ｂ）は、測定箇所をｍ行×ｎ列（ｍ、ｎは自然数）のマトリックス状に定めてそれぞれの測定箇所ＳＰｍ，ｎで測定を様子を示している。
【００３６】
温度検出器２１４は、内蔵する赤外線検出装置（赤外線カメラ）により、測定サンプルの下面全域における放出赤外線量を検出して、測定サンプル下面全域について検出した赤外線量に対応する検出信号を出力する。上記した測定箇所ＳＰ１〜ＳＰ３の各箇所（図４（ａ）参照）についての温度、或いは、マトリックス状の測定箇所ＳＰｍ，ｎの各箇所（図４（ｂ）参照）についての温度は、温度検出器２１４の検出信号を入力する制御装置２２０の温度変調解析部２２２にて後述のように算出される。
【００３７】
制御装置２２０は、測定サンプルの熱伝導特性算出やＭＥＡ２１、単セル２０の接合状況判定や電池特性評価等を行うため、発熱体制御部２２１、温度変調解析部２２２、位相差算出部２２３、記憶部２２４、熱伝導特性算出部２２５、偏差算出部２２６、接合判定部２２７、特性評価部２２８を備える。発熱体制御部２２１は、発熱体２１２をその加熱温度が周期的に変動（温度変調）するよう、具体的には所定の角周波数ωでの周期発熱を起こすよう発熱体２１２を温度制御する。この発熱体２１２により上面の側から加熱される測定サンプルでは、サンプル上面において上記角周波数ωの温度変調が誘起され、その熱は、測定サンプルを厚み方向に伝搬する。この場合、熱は、測定サンプル厚み方向の熱伝搬の過程でその熱量が減衰するものの、測定サンプル上面の側において誘起した温度変調に対して位相の遅れを持って測定サンプルの他方の面、即ち下面に伝搬し、その下面側において伝搬温度として温度検出器２１４により検出される。
【００３８】
温度変調解析部２２２は、温度検出器２１４からの赤外線量の検出信号を受け取り、その赤外線量検出信号からの温度換算を、図４で示した測定箇所ＳＰ１〜ＳＰ３或いはマトリックス状の測定箇所ＳＰｍ，ｎについてそれぞれ行う。そして、温度変調解析部２２２は、各測定箇所で起きる温度を経過時間推移と共に求め、その温度推移によりサンプル下面における温度変調を測定箇所ＳＰ１〜ＳＰ３ごとに、或いはマトリックス状の測定箇所ＳＰｍ，ｎごとに解析する。図５は発熱体２１２を加熱制御した際の温度変調の様子と測定温度から解析した検出温度の温度変調の様子とを示す説明図である。
【００３９】
位相差算出部２２３は、温度変調解析部２２２から得られた測定箇所のそれぞれについてのサンプル下面における温度変調と、発熱体２１２を発熱制御する際の温度変調との位相差を算出する（図５参照）。記憶部２２４は、特性評価に用いる種々のマップを記憶する。例えば、後述するように、算出熱伝導特性からＭＥＡ２１としての接合状況判定やＭＥＡ２１をガス供給層で挟持した状態の単セル２０での接合状況判定を行う際に用いる熱伝導特性・接合マップや、算出位相差から熱伝導特性を算出する際に用いる位相差・熱伝導特性マップ、単セル２０のＭＥＡ２１等の各構成部材を上記測定サンプルとした場合の熱伝導特性と単セル２０の熱伝導特性とを対応付けた構成部材ごとの熱伝導・熱伝導対応マップ、単セル２０の各構成部材を上記測定サンプルとした場合の熱伝導特性の偏差と単セル２０の電池特性とを対応付けた構成部材ごとの偏差・電池特性対応マップ、ＭＥＡ２１をその両側でガス供給層で挟持した状態の単セル２０を上記測定サンプルとした場合の熱伝導特性の偏差と単セル２０の電池特性とを対応付けた偏差・電池特性対応マップ、各構成部材ごとの熱伝導特性の偏差とＭＥＡ２１をその両側でガス供給層で挟持した状態の単セル２０の熱伝導特性の偏差とを対応付けた偏差・偏差対応マップ、ＭＥＡ２１としての接合状況判定結果と単セル２０の電池特性とを対応付けた接合状況・電池特性対応マップ、ＭＥＡ２１をガス供給層で挟持した状態の単セル２０での接合状況判定結果と単セル２０の電池特性とを対応付けたセル接合状況・電池特性対応マップ等を記憶する。
【００４０】
熱伝導特性算出部２２５は、複数の測定箇所ＳＰのそれぞれについて算出した位相差に基づいて、測定箇所ＳＰごとの熱伝導特性を算出する。偏差算出部２２６は、測定箇所ＳＰごとに求めた熱伝導特性の偏差を算出する。この偏差は、測定箇所ＳＰごとに求めた熱伝導特性のバラツキに相当するので、その算出に当たっては、単純な数値計算を用いて熱伝導特性の差分の最大値や差分の平均値を求めこれらを偏差とできるほか、統計的手法を用いて算出した分散を偏差とすることもできる。接合判定部２２７は、測定箇所ＳＰごとに算出した熱伝導特性に基づいて、ＭＥＡ２１での接合状況を判定したり、ＭＥＡ２１をガス供給層で挟持した状態の単セル２０での接合状況を判定する。
【００４１】
特性評価部２２８は、測定サンプルとしてのＭＥＡ２１やガス拡散部材３３等の部材について実際に求めた熱伝導特性の偏差や、ＭＥＡ２１をその両側でガス供給層で挟持した状態の単セル２０について実際に求めた熱伝導特性の偏差を、記憶部２２４が記憶した上記マップと対比して、その部材を用いた単セル２０、延いては単セル積層後の燃料電池の電池特性を評価する。また、特性評価部２２８は、測定サンプルとしてのＭＥＡ２１について得た構成材の接合状況の判定結果やＭＥＡ２１をその両側でガス供給層で挟持した状態の単セル２０について得た構成材の接合状況の判定結果を、記憶部２２４が記憶した上記マップと対比して、ＭＥＡ２１を用いた単セル２０、延いては単セル積層後の燃料電池の電池特性を評価する。
【００４２】
この制御装置２２０は、論理演算回路として構成されたＣＰＵやＲＯＭ、ＲＡＭ、メモリと入出力インターフェイス（Ｉ／Ｏ）を用いて構成され、ＣＰＵがＲＯＭに書き込まれたプログラムを実行することで、既述した発熱体制御部２２１等を構成する。
【００４３】
表示部２３０は、偏差算出部２２６で求めた測定領域ごとの熱伝導特性やその偏差、接合判定部２２７で得た接合状況の判定結果、特性評価部２２８での評価結果等を表示する。入力部２４０は、測定サンプルとしてのＭＥＡ２１やガス拡散部材３３等の熱伝導特性算出のためのサンプル厚みデータや、これら部材を用いて作製した燃料電池の電池特性等のデータを制御装置２２０に入力する。
【００４４】
ステップＳ１２０における電池性能検査装置２００を用いた熱伝導特性測定の原理について、説明する。発熱体２１２が上面に当接或いは近接配置された測定サンプル、例えば、ＭＥＡ２１では、発熱体２１２側のＭＥＡ上面のほぼ全域において角周波数ωの周期発熱が起き、この周期発熱を起こした熱は、ＭＥＡ２１を下面に向けて伝搬し、その伝搬熱は既述したように温度検出器２１４と温度変調解析部２２２により温度として検出される。今、ＭＥＡ２１の厚みをｄとすると、この厚みｄのＭＥＡ２１における熱伝搬の過程で、熱は、その熱量が減衰するものの温度変調を起こしてＭＥＡ下面まで伝わり、その際に位相に遅れを起こす。そして、この熱（伝搬熱）は、温度検出器２１４と温度変調解析部２２２により測定箇所ＳＰごとの温度変調として求められる。上記した温度変調の位相の遅れは、位相差算出部２２３にて測定箇所ＳＰのそれぞれについて位相差として算出され、この位相差に基づいて、測定箇所ＳＰごとの熱伝導特性が熱伝導特性算出部２２５により算出される。
【００４５】
ここで、ＭＥＡ２１の熱拡散率をαＭＥＡ、上記した位相差をΔθとすると、位相差Δθと熱拡散率αＭＥＡには次の関係が成り立つ。
【００４６】
Δθ＝（√（ω／２αＭＥＡ））・ｄ−（π／４）      …（１）
【００４７】
この式（１）において、ωは発熱体２１２で起こした角周波数であって定数であり、厚みｄは測定に際して与えられる数値であり、位相差Δθは位相差算出部２２３により求めたものである。よって、式（１）から、ＭＥＡ２１の熱拡散率αＭＥＡが算出される。この熱拡散率αＭＥＡの算出には、記憶部２２４が位相差と熱伝導特性（熱拡散率）を対応付けて記憶した既述した位相差・熱伝導特性マップを用いることが簡便である。ガス拡散部材３３〜３６についても同様であり、これら各拡散部材の厚みｄを、その測定の際に与えることで、ガス拡散部材３３〜３６のそれぞれについての熱拡散率が求まる。こうして求めた各部材についての熱拡散率αは、記憶部２２４に記憶され、後述の電池特性評価の他、記憶部２２４が記憶した上記の対応マップの補充データとしても用いられる。つまり、記憶部２２４は上記した対応マップデータを予め記憶するが、電池製造過程の上で得られたデータをマップに補充することで、データ数を増やしてマップの信頼性を高めるようにすることができる。記憶部２２４が予め記憶したマップのデータが十分であれば、こうしたデータ補充は省略できる。
【００４８】
この熱拡散率は、測定箇所ＳＰごとに求められ、各測定箇所でのＭＥＡ２１、或いはガス拡散部材３３〜３６の熱伝導特性に他ならず、熱拡散率はその測定対象物であるＭＥＡ２１等での各構成材の接合状況や、このＭＥＡ２１等がもたらす電池性能と高い相関関係にある。よって、以下の説明に際しては、熱拡散率を接合状況判定や電池性能評価の評価指標と称することとする。
【００４９】
こうした熱拡散率測定（即ち、温度変調の位相差解析・熱拡散率算出）に続いては、ＭＥＡ２１について測定箇所ＳＰごとに求めた算出熱拡散率に基づいて、ＭＥＡ２１におけるその構成材、即ち電解質層３０とその両側の電極３１、３２同士の接合状況を判定する（ステップＳ１２５）。この判定に際しては、熱拡散率とＭＥＡ２１における上記構成材同士の接合状況（例えば、接合性の良否）とを対応付けて記憶部２２４が記憶した熱伝導特性・接合マップが参照される。この接合状況判定において、接合不良とされたＭＥＡ２１は、再度の接合処理等を行って接合状況の改善が図られ、接合良好とされたＭＥＡ２１は、続く工程に運ばれる。この場合、評価指標たる算出熱拡散率は、接合状況判定の結果と対応付けて記憶部２２６に記憶され、次回以降の接合状況判定の際の対応マップの補充データとしても用いられる。この場合、記憶部２２６が予め記憶したマップのデータが十分であれば、こうしたデータ補充は省略できる。
【００５０】
ＭＥＡ２１の接合判定に続いては、ガス拡散部材３３と電極側ガス拡散部材３４とを接合させ、ガス拡散部材３５と電極側ガス拡散部材３６とを接合させて、ガス供給層２２およびガス供給層２３を作製する（ステップＳ１３０）。ガス拡散部材同士の接合は、適宜な接合手法、例えばプレス手法により、ガスの拡散機能を損なわないように行えばよい。
【００５１】
こうして作製されたガス供給層２２、２３にあっても、ＭＥＡ２１や単セル２０の構成部材である。よって、この構成部材についても、ステップＳ１２０で説明した電池性能検査装置２００を用いてそれぞれのガス供給層２２、２３の既述した電池性能の評価指標（熱拡散率）の算出とその評価指標のバラツキ（偏差）を求める（ステップＳ１４０）。ところで、ガス供給層２２、２３は、上記したガス拡散部材の接合体であることから、ガス拡散部材３３〜３６個々について求めた評価指標のバラツキ（熱拡散率の偏差）と、これら部材から作製したガス供給層２２、２３について求めた評価指標のバラツキ（熱拡散率の偏差）を対比することで、接合による評価指標のバラツキ（熱拡散率の偏差）の推移を得ることができる。よって、ガス拡散部材の接合状況を変えつつ、上記した各ガス拡散部材とその接合体であるガス供給層２２、２３の評価指標のバラツキ（熱拡散率の偏差）の算出・対比を行うことで、ガス拡散部材を接合してガス供給層２２、２３を作製する上での最適な接合状況を求めることができる。また、ＭＥＡ２１の接合判定と同様に、ガス供給層２２、２３について求めた評価指標（熱拡散率）に基づいて、ガス供給層２２、２３の構成材同士の接合状況（ガス拡散部材３３と電極側ガス拡散部材３４の接合状況、ガス拡散部材３５と電極側ガス拡散部材３６の接合状況）の判定を行うようにすることもできる。
【００５２】
こうして求めたガス供給層２２、２３の評価指標のバラツキ（熱拡散率の偏差）は、記憶部２２６に記憶され、後述の電池特性評価の他、記憶部２２６が記憶した上記の対応マップの補充データとしても用いられる。この場合、記憶部２２６が予め記憶したマップのデータが十分であれば、こうしたデータ補充は省略できる。
【００５３】
なお、ガス供給層２２、２３を単一のガス拡散部材から形成する場合には、その単一のガス拡散部材の評価指標のバラツキ（熱拡散率の偏差）の算出はステップＳ１２０で実施済みとなるので、ステップＳ１３０、１４０は不要となる。
【００５４】
次に、単セル２０を作製する（ステップＳ１５０）。ここで、接合とは、単に２つの部材を積層する場合よりも接触面積が増加するように、２つの部材を積極的に固着させることをいう。ＭＥＡ２１とその両側のガス供給層２２、２３における電極側ガス拡散部材３４、３６との接合は、例えばホットプレスにより行なうことができる。このように、熱および圧力を加えることで、電極３１、３２を構成する既述したペーストが熱により軟化し、軟化したペーストが電極側ガス拡散部材３４、３６の多孔質な表面全体に馴染んで接触面積が増加しつつ、両者が圧着される。
【００５５】
次に、単セル２０について、ステップＳ１２０で説明したように測定箇所ＳＰごとの評価指標（熱拡散率）の算出、並びにそのバラツキ（熱拡散率の偏差）を、電池性能検査装置２００を用いて算出する（ステップＳ１６０）。単セル２０は、既述した各構成部材の接合体であることから、その評価指標のバラツキ（熱拡散率の偏差）には、各構成部材が備えた評価指標のバラツキ（熱拡散率の偏差）に接合による影響が加わる。このステップＳ１６０で求めた単セル２０の評価指標のバラツキ（熱拡散率の偏差）と既述したステップで求めた各構成部材の評価指標のバラツキ（熱拡散率の偏差）を対比することで、接合による評価指標のバラツキ（熱拡散率の偏差）の推移を得ることができる。よって、単セル２０作製の際のホットプレスによる接合状況（例えば、温度や押圧力）を変えつつ、単セル２０とその各構成部材の評価指標のバラツキ（熱拡散率の偏差）の算出・対比を行うことで、ＭＥＡ２１にガス供給層２２、２３を接合して単セル２０を作製する上での最適な接合状況を求めることができる。
【００５６】
なお、単セル２０について求めた評価指標のバラツキ（熱拡散率の偏差）は、記憶部２２６に記憶された後述の電池特性評価に用いられる他、単セル２０の評価指標のバラツキ（熱拡散率の偏差）を単セル２０の電池特性に対応付けた偏差・電池特性対応マップや、単セル２０の各構成部材の評価指標のバラツキ（熱拡散率の偏差）と単セル２０の評価指標のバラツキ（熱拡散率の偏差）とを対応付けた偏差・偏差対応マップの補充データとしても用いられる。この単セル２０の評価指標のバラツキ（熱拡散率の偏差）にあっても、記憶部２２６が予め記憶したマップのデータが十分であれば、こうしたデータ補充は省略できる。
【００５７】
ステップＳ１６０での単セル２０についての熱拡散率測定（温度変調の位相差解析・熱拡散率および偏差算出）に続いては、単セル２０について測定箇所ＳＰごとに求めた算出熱拡散率に基づいて、単セル２０におけるその構成材、即ちＭＥＡ２１とその両側のガス供給層２２、２３同士の接合状況を判定する（ステップＳ１６５）。この判定に際しても、ＭＥＡ２１の場合と同様、熱拡散率と単セル２０における上記構成材同士の接合状況（例えば、接合性の良否）とを対応付けて記憶部２２４が記憶した熱伝導特性・接合マップが参照される。この接合状況判定において、接合不良とされた単セル２０は、再度の接合処理等を行って接合状況の改善が図られ、接合良好とされた単セル２０は、続く工程に運ばれる。この場合、評価指標たる算出熱拡散率は、接合状況判定の結果と対応付けて記憶部２２６に記憶され、次回以降の接合状況判定の際の対応マップの補充データとしても用いられる。この場合、記憶部２２６が予め記憶したマップのデータが十分であれば、こうしたデータ補充は省略できる。
【００５８】
ＭＥＡ２１の接合判定に続いては、単セル２０の各構成部材個々の評価指標のバラツキ（熱拡散率の偏差）と単セル２０としての評価指標のバラツキ（熱拡散率の偏差）に基づいて、この単セル２０が呈する電池特性の評価を行う（ステップＳ１７０）。評価指標のバラツキ（熱拡散率の偏差）を介した電池特性評価は、評価指標である熱拡散率が電池特性と高い相関にあることに基づく。こうした電池特性評価は次の手法で行うことができる。本実施例では、評価指標である熱拡散率を温度変調の位相差に基づいて求め、その偏差を電池特性評価に用いる。
【００５９】
第１の評価手法では、ステップＳ１６０で測定した単セル２０の評価指標のバラツキ（熱拡散率の偏差）を、記憶部２２６が記憶した単セル２０の評価指標のバラツキ（熱拡散率の偏差）と単セル２０の電池特性の偏差・電池特性対応マップに対比させて、単セル２０の電池特性を評価する。第２の評価手法では、ステップＳ１２０、１４０で測定した単セル２０の各構成部材の評価指標のバラツキ（熱拡散率の偏差）を、記憶部２２６が記憶した各構成部材の評価指標のバラツキ（熱拡散率の偏差）と単セル２０の評価指標のバラツキ（熱拡散率の偏差）の偏差・偏差対応マップに対比させて、単セル２０の熱拡散率を算出する。そして、算出した単セル２０の評価指標のバラツキ（熱拡散率の偏差）を、記憶部２２６が記憶した単セル２０の評価指標のバラツキ（熱拡散率の偏差）と単セル２０の電池特性との偏差・電池特性対応マップに対比させて、単セル２０の電池特性を評価する。
【００６０】
本実施例では、単セル２０の評価指標のバラツキ（熱拡散率の偏差）を実際に測定・算出しているので、上記の第１の評価手法が簡便である。この手法では、ステップＳ１２０、１４０の構成部材の評価指標のバラツキ（熱拡散率の偏差）を省略することもできる。しかし、構成部材個々の評価指標のバラツキ（熱拡散率の偏差）とこの構成部材の接合を経て作製した単セル２０の評価指標のバラツキ（熱拡散率の偏差）との対比を通して、部材の接合による評価指標のバラツキ（熱拡散率の偏差）への影響を推考できるので、製造管理や品質管理の点から有益である。その一方、第２の評価手法では、ステップＳ１６０の単セル２０の評価指標のバラツキ（熱拡散率の偏差）を省略することもできるが、第１の手法と同様、単セル２０の評価指標のバラツキ（熱拡散率の偏差）を行うことは、製造管理や品質管理の点から有益である。
【００６１】
こうした電池特性評価に用いる偏差・電池特性対応マップと、偏差・偏差特性対応マップは、次のようにして構築できる。まず、本実施例のようにして単セル２０の評価指標のバラツキ（熱拡散率の偏差）を取得し、その取得した単セル２０を有する燃料電池をシステムに搭載して運転させ、その電池特性（例えば、出力電流・電圧特性、内部抵抗等）を求める。こうしたことを繰り返し、単セル２０の評価指標のバラツキ（熱拡散率の偏差）と単セル２０の電池特性を対応付けた偏差・電池特性対応マップを構築し、記憶部２２６に格納する。偏差・偏差対応マップについては、本実施例のステップＳ１２０、１４０での構成部材の評価指標のバラツキ（熱拡散率の偏差）算出とステップＳ１６０での単セル２０の評価指標のバラツキ（熱拡散率の偏差）算出とを、燃料電池製造の度に行って、両熱拡散率を対応付けた偏差・偏差対応マップを構築し、記憶部２２６に格納する。
【００６２】
こうして単セル２０の電池特性評価が済むと、その評価により適切とされた単セル２０の両側にセパレータ２４、２５を接合する（ステップＳ１８０）。セパレータ２４、２５の接合対象は、ガス供給層２２、２３におけるガス拡散部材３３、３５であることから、こうしたガス拡散部材との接合は、例えば溶接等の適宜な手法で行なえばよい。溶接は、ガス拡散部材３３、３５とセパレータ２４、２５のうちの少なくとも一方の溶融した母材により、および／または溶融した溶加材により、接触面積を増加させつつ両者を接合することを可能にする。
【００６３】
続いて、セパレータ２４、２５で挟持した単セル２０を単位に、これらを所定の順序で（図１の単セル２０が繰り返し形成されるように）所定数積層してスタック構造を組み立て、積層方向に所定の押圧力を加えて全体構造を保持することによって、燃料電池を完成させる（ステップＳ１９０）。なお、ステップＳ１９０の組み立ての工程は、既述したガスケットなどのシール部材を積層体の外周部に配設したり、隣り合う単セル間に冷媒流路を形成するなどの工程を含む。
【００６４】
ここで、隣り合う単セル間に冷媒流路等を形成しない場合には、セパレータの両面にガス供給層２２、２３のガス拡散部材３３、３４を接合するようにすることもできる。つまり、一つのセパレータをその両側の単セル２０で共有するよう積層・接合すればよい。
【００６５】
以上説明したように、電池性能検査装置２００を用いた接合状況判定（ステップＳ１２５、１６５）を行う本実施例によれば、燃料電池製造の過程で測定した単セル２０やその構成部材個々の評価指標（熱拡散率）と予め記憶した上記の熱伝導特性・接合マップに基づいて、燃料電池が有する層構成体としてのＭＥＡ２１や単セル２０での上記各構成材同士の接合状況の判定、例えば良否判定を下すことができる。つまり、本実施例の接合状況検査では、燃料電池が有する層構成体としてのＭＥＡ２１や単セル２０の構成材同士接合状況の判定を行うに当たって、測定箇所ごとの温度を測定するものの、測定した温度の値を用いるのではなく、測定箇所ごとの温度変調の位相差に基づいた熱拡散率を既述したように評価指標として求め、この評価指標を接合状況の判定に用いる。測定・算出した温度変調の位相差に基づいた熱拡散率は測定箇所ＳＰの熱伝導特性に他ならず、この熱伝導特性は、層構成体である単セル２０の個々の材料の特性、材料同士の接合の状況と高い相関がある。この結果、本実施例の電池性能検査装置２００を用いた構成材同士の接合状況の検査手法によれば、燃料電池の構成材同士の接合状況判定の信頼性を高めることができる。しかも、燃料電池の接合状況判定に際して燃料電池を運転状態とする必要がないので、簡便である。また、燃料電池の一つの電池構成単位である単セル２０としてのみならず、その構成材であるＭＥＡ２１としても、構成材同士の接合状況判定を製造過程において行うことができるので、この判定に基づいた単セル２０としての接合良否判定並びにＭＥＡ２１としての接合良否判定も可能となり、品質向上に寄与できる。
【００６６】
また、本実施例では、電池性能検査装置２００を用いて燃料電池製造の過程で単セル２０やその構成部材個々の評価指標のバラツキ（熱拡散率の偏差）を求め、これらと予め記憶した上記の偏差・偏差対応マップや、偏差・電池特性対応マップとに基づいて、製造後の燃料電池の電池特性を評価できる。つまり、本実施例の性能評価では、燃料電池（詳しくは単セル２０）の電池特性を評価するに当たって、測定箇所ごとの温度を測定するものの、測定した温度の値を用いるのではなく、測定箇所ごとの温度変調の位相差に基づいた熱拡散率を既述したように評価指標として求め、この評価指標のバラツキである熱拡散率の偏差を用いる。測定・算出した温度変調の位相差に基づいた熱拡散率は測定箇所ＳＰの熱伝導特性に他ならず、この熱伝導特性は、層構成体である単セル２０の個々の材料の特性、材料同士の接合の状況、延いては燃料電池の電池特性と高い相関がある。この結果、本実施例の電池性能検査装置２００を用いた電池特性の評価手法によれば、燃料電池の特性評価の信頼性を高めることができる。しかも、燃料電池の電池特性評価に際して燃料電池を運転状態とする必要がないので、簡便である。また、燃料電池の一つの電池構成単位である単セル２０としての電池性能評価も製造過程において行うことができるので、この評価に基づいた単セル２０の良否判定も可能となり、品質向上に寄与できる。
【００６７】
しかも、本実施例では、単セル２０自体の評価指標のバラツキ（熱拡散率の偏差）の算出と、単セル２０を作製する上で接合されるセル構成部材個々の評価指標のバラツキ（熱拡散率の偏差）の算出とを行うので、両バラツキの対比から、部材接合に基づく評価指標のバラツキ（熱拡散率の偏差）の変化に基づいて、部材接合の接合条件の最適化を図ることができる。このため、製造管理や品質向上の上からも好ましい。
【００６８】
また、本実施例では、単セル２０およびその構成部材個々の評価指標である熱拡散率を、図４に示す測定箇所ＳＰ１〜ＳＰ３、或いは測定箇所ＳＰｍ，ｎにおける分布としても把握することができる。この評価指標（熱拡散率）の分布は電池特性の分布と相関することから、ガス供給層２２、２３によるガス供給を、評価指標（熱拡散率）の分布に応じて供給量が変わるようにすることもできる。こうすれば、ＭＥＡ２１で進行する電気化学反応は、ＭＥＡ膜面で均一となるので、電池特性の向上を図ることも可能となる。
【００６９】
次に、図３に示した電池性能検査装置２００による測定例について説明する。その測定サンプルは、電解質層３０をその両側の電極３１、３２で挟持したＭＥＡ２１とした。このＭＥＡ２１の作製に当たっては、既述した手法のうち、電極転写シートによる転写手法を採用した。即ち、白金等の触媒担持カーボン粉のペーストをテフロンシートに塗布して乾燥させた２枚の電極転写シートで電解質層３０を挟み、所定温度・圧力で熱プレスした後にテフロンシートを剥離させ、電極転写シートを電解質層３０の両側に転写してＭＥＡ２１とした。そして、このＭＥＡ２１について、電池性能検査装置２００により、図４（ａ）に示す測定箇所ＳＰ１〜ＳＰ３について求めた熱拡散率の平均値をＭＥＡ２１の熱拡散率とし、その偏差も求めた。この場合、測定箇所ＳＰ１〜ＳＰ３ごとの熱拡散率の分散を偏差とした。つまり、測定箇所ＳＰ１〜ＳＰ３の熱拡散率をαＳＰ１〜αＳＰ３とし、熱拡散率サンプル数をｎとした場合、分散（偏差）を次の式により求めた。
【００７０】
分散＝（（αＳＰ１2＋αＳＰ２2＋αＳＰ３2）−（αＳＰ１＋αＳＰ２＋αＳＰ３）2／ｎ）／（ｎ−１）
【００７１】
上記の式で求めた分散は、測定箇所ＳＰ１〜ＳＰ３の熱拡散率αＳＰ１〜αＳＰ３の平方和を、熱拡散率サンプル数より１少ない数（ｎ−１）で除算した値であり、その値が小さいほど測定箇所ＳＰ１〜ＳＰ３の熱拡散率αＳＰ１〜αＳＰ３のバラツキが小さいことを意味する。図６は比較例および実施例品の熱拡散率の測定結果と評価項目とを対比して説明する説明図である。
【００７２】
図６に示すように、比較例と実施例１、実施例２について評価した。比較例と実施例とは、ＭＥＡ２１作製の際の接合手法が相違し、比較例は標準的な接合手法、例えば、ＭＥＡ２１を構成するナフィオン膜の性状から制約されるホットプレス時の通常の温度（標準温度）の熱環境下で、ナフィオン膜の性状から制約されるホットプレス時の通常の圧力（標準圧力）でホットプレスしたＭＥＡ２１である。実施例１は、この標準温度・標準圧力でのＭＥＡ２１作製時の電極ホットプレスの際に、可塑剤を膜表面にスプレー塗布し、当該可塑剤溶液にて１０ｗｔ％程度で電極が含浸した状態でホットプレスした。実施例２は、この標準温度・標準圧力でのＭＥＡ２１作製時の電極ホットプレスの際に、電極転写シートにて転写した済みの電極の電極面に圧力が集中するようにしてホットプレスした。
【００７３】
こうした比較例・実施例１〜２について、既述したように電池性能検査装置２００により熱拡散率を測定すると共に、電気的特性試験を行った。
【００７４】
電池的特性試験は、ＭＥＡ２１が約８０℃となるようにして、両電極を１．５ｂａｒ程度に加圧し、両電極（供給層）に低加湿のガス（水素ガス・空気）を通常運転時の１５０％のガス流量で供給し、１．０Ａ／ｃｍ2の電流密度で１０分間の連続運転を行い、その際の出力電圧を測定して相対比較した（比較例を基準）。この結果は、図の通りである。図示するように、ＭＥＡ２１の構成材料が同じであっても、接合条件が異なると、熱拡散率・電気的特性が相違することが判った。このことは、熱拡散率によりＭＥＡ２１における構成材同士の接合状態を判定できることを意味する。
【００７５】
特に、熱拡散率と電気的特性とは、高い相関があり、熱拡散率が大きくその偏差（分散）が小さいほど電池特性が向上することが確認できた。つまり、実施例１と実施例２は、ほぼ同じような熱伝導率を有するが、その偏差が小さい実施例２の方が、高い電池特性を有することが判った。よって、既述したように、熱伝導特性（熱拡散率）測定を介して、ＭＥＡ２１の電気的特性を正確に評価できる。また、接合条件と熱拡散率・電気的特性についても相関を得ることができたので、熱拡散率測定を介して、接合の良否判定を下すこともできる。こうした判定は、簡便な熱拡散率測定で済み、実機での運転試験を必要としないので、簡便となる。換言すれば、接合条件を設定することで、所望する熱拡散率とそのバラツキ範囲、延いては電気的特性を備えたＭＥＡ２１を容易に製造できることになる。具体的には、可塑剤添加、加圧時の電極面への圧力集中と言った簡便な手法で、熱拡散率の向上、延いては電池特性の向上を図ることができる。
【００７６】
また、実施例１の電気的特性であれば、そのＭＥＡ２１（実施例１）は実用上何の支障もないので、熱拡散率の分散が０．２以下のＭＥＡ２１であれば、高い電気的特性を備えた燃料電池を得ることができると言える
【００７７】
このように、接合条件を変えると熱拡散率・電気的特性が向上するのは、ＭＥＡ２１における各材料の接合性が改善したために、接合境界面での抵抗増大の回避や、フラッディングが解消したことによると予想される。上記した接合状況判定・特性評は、測定サンプルをＭＥＡ２１とした場合に限られるものではなく、ＭＥＡ２１をその両側のガス供給層２２、２３で挟持したＭＥＧＡについても行うことができる。
【００７８】
次に、電池性能検査装置２００の変形例について説明する。図７は第１変形例の電池性能検査装置２００の概略図である。この変形例は、ＭＥＡ２１等の測定サンプルの上面における加熱箇所を、温度検出器２１４による測定箇所ＳＰｍ，ｎに対応して複数設けた点に特徴がある。
【００７９】
図示するように、この変形例の電池性能検査装置２００は、測定サンプルの上面に接触するよう凸状に形成された加熱突起Ｈｔをマトリックス状に備える発熱体２１２を有する。この加熱突起Ｈｔは、図４に示す測定箇所ＳＰｍ，ｎに対応して形成されており、加熱突起それぞれが温度変調を起こしつつ測定サンプルを測定箇所ＳＰｍ，ｎごとにサンプル上面から加熱する。この変形例にあっても、上記した実施例と同様の効果を奏することができる。
【００８０】
図８はまた別の変形例の電池性能検査装置２００の概略図である。この変形例は、ＭＥＡ２１等の測定サンプルの上面における加熱箇所とこれに対向する測定箇所とを変更しつつ、図４に示すようなマトリックス状の複数の測定箇所で位相差・偏差を求める点に特徴がある。
【００８１】
図示するように、この変形例の電池性能検査装置２００は、薄葉状の測定サンプルに熱を加えるための加熱プローブ２１３と、測定サンプルをその厚み方向に伝わった熱を検出する検出プローブ２１５とを対向させて備え、両プローブをｘｙ駆動部２１７によりｘｙ平面において駆動する。加熱プローブ２１３は、測定サンプルの上面に接触し、その接触箇所において測定サンプル（ＭＥＡ２１や単セル２０、ガス拡散部材３３等）を温度変調を起こしつつ加熱する。検出プローブ２１５は、その接触箇所（即ち、測定箇所）での検出温度を制御装置２２０に出力する。これにより、制御装置２２０は、検出プローブ２１５による測定箇所における温度変調の位相差演算、これに基づく熱拡散率算出を行う。そして、この変形例では、制御装置２２０の側からｘｙ駆動部２１７を制御して、加熱プローブ２１３と検出プローブ２１５を移動させ、加熱箇所および測定箇所を変更し、変更後の箇所においても温度変調の位相差演算、これに基づく熱拡散率算出を行う。こうして、複数箇所、具体的には図４に示すマトリックス状の測定箇所に対応して熱拡散率を求め、その偏差を電池特性評価に用いる。この変形例にあっても、上記した実施例と同様の効果を奏することができる。
【００８２】
図９は測定サンプルの厚み方向においても測定を行う変形例の電池性能検査装置２００の概略図、図１０はサンプル厚み方向における測定の様子を模式的に示す説明図である。この変形例は、ＭＥＡ２１或いは単セル２０といった多層構造体を測定サンプルとし、図４に示すようなマトリックス状の複数の測定箇所での位相差・偏差算出を多層構造体の厚み方向の数カ所で実施することで、多層構造体の熱伝導特性（熱拡散率）を縦横と厚み方向の３次元的に求める点に特徴がある。
【００８３】
図９に示すように、この変形例の電池性能検査装置２００は、赤外線カメラを赤外線検出装置として内蔵する温度検出器２１４を、ｚ駆動部２１８によりｚ方向に沿って駆動する。この場合、ｚ方向は測定サンプル（例えば、単セル２０）における厚み方向であることから、温度検出器２１４は、ｚ駆動部２１８により測定サンプル（例えば、単セル２０）の厚み方向に沿って駆動する。この変形例における温度検出器２１４では、その有する赤外線カメラの焦点距離Ｓｓを一定としているので、図１０に示すように、ｚ駆動部２１８により温度検出器２１４を駆動することで、測定サンプルとしての単セル２０の厚み方向の各箇所において、測定箇所ＳＰｍ、ｎでの温度変調測定、およびこれに基づいた上記の位相差・偏差を求めることができる。なお、ｚ駆動部２１８により温度検出器２１４を駆動する際には、入力部２４０からの駆動量入力が行われるので、当該入力の様子を変えることで、厚み方向の測定箇所を種々設定できる。
【００８４】
この場合、温度検出器２１４での測定側となるガス拡散部材３３、３５は、既述したようにカーボンペーパーなどの炭素材料や、発泡金属、金属メッシュなどの金属部材によって形成されていることから、図１０に示すように焦点距離Ｓｓに合致する測定箇所（測定面）がガス拡散部材３３、３５の中であっても、当該測定箇所からの赤外線放出を温度検出器２１４により検出できる。
【００８５】
図１０で明らかなように、この変形例では、それぞれの部材の接合を経た半製品としての単セル２０の状態で、非破壊および非接触で、温度変調計測、その結果からの位相差算出・偏差算出と、既述したような特性評価を行うことができる。しかも、この変形例では、単体としてのガス拡散部材３３、３５を、半製品としての単セル２０の状態で厚み方向を含めて３次元的に温度変調測定並びに特性評価が可能であることから、半製品たる単セル２０での再加圧・接合によるガス拡散部材３３、３５の熱伝導特性調整等が可能となる。また、ガス拡散部材３３、３５とその下層の電極側ガス拡散部材３４、３６との接合面に温度検出器２１４の焦点距離Ｓｓを合致させることで、両部材の接合状態を、その接合面での温度変調測定並びに特性評価から良否判定することができ好ましい。
【００８６】
ところで、測定した温度変調から既述したように熱伝導特性が得られ、この熱伝導特性は、部材の接合状態や部材自体の性状（例えば、材料の不均一性、均一性等）に依存する。よって、この変形例の電池性能検査装置２００による計測を行えば、厚み方向を含めた３次元的な熱伝導特性分布により、ガス拡散部材３３、３５の材料バラツキの状況についても把握することができる。
【００８７】
なお、測定サンプルとして単セル２０を例に説明したが、ＭＥＡ２１を測定サンプルとしたり、ガス拡散部材３３と電極側ガス拡散部材３４とを接合したガス供給層２２を測定サンプルとすることもできる。
【００８８】
以上本発明の実施例について説明したが、本発明は上記の実施例や実施形態になんら限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々なる態様で実施し得ることは勿論である。例えば、上記の実施例では、温度検出器２１４の内蔵する赤外線検出装置により、マトリックス状の測定領域（測定箇所）ＳＰｍ，ｎで温度を検出するようにしたが、図８で示したような温度検出のための検出プローブをマトリックス状に設けても良い。
【００８９】
また、評価指標として熱拡散率を用いたが、既述した式（１）から明らかなように、熱拡散率は位相差Δθと対応関係にある。よって、電池性能検査装置２００で求めたこの位相差自体を、電池性能を評価する際の評価指標とし、この位相差の偏差を熱拡散率の偏差に代わって用いるようにすることもできる。
【００９０】
また、図９に示した電池性能検査装置２００では、温度検出器２１４を駆動するようにしたが、測定サンプルについてこれを温度検出器２１４に対して駆動するようにもできる。或いは、温度検出器２１４の内蔵する赤外線カメラを焦点位置可変タイプの構成とし、焦点位置を変えることで厚み方向の測定値を変えるようにすることもできる。
【図面の簡単な説明】
【００９１】
【図１】実施例での評価対象となる燃料電池の概略構成を説明する説明図である。
【図２】本実施例の燃料電池の製造方法を表わす工程図である。
【図３】電池製造の際に各構成部材の熱伝導特性に基づいて特性評価を行う検査装置の概略図である。
【図４】ＭＥＡ２１等の測定サンプルをその厚み方向に伝わった熱の測定の様子を示す説明図である。
【図５】発熱体２１２を加熱制御した際の温度変調の様子と測定温度から解析した検出温度の温度変調の様子とを示す説明図である。
【図６】比較例および実施例品の熱拡散率の測定結果と評価項目とを対比して説明する説明図である。
【図７】第１変形例の電池性能検査装置２００の概略図である。
【図８】また別の変形例の電池性能検査装置２００の概略図である。
【図９】測定サンプルの厚み方向においても測定を行う変形例の電池性能検査装置２００の概略図である。
【図１０】サンプル厚み方向における測定の様子を模式的に示す説明図である。
【符号の説明】
【００９２】
２０…単セル
２１…ＭＥＡ（膜−電極接合体、Membrane Electrode Assembly）
２２、２３…ガス供給層
２４、２５…セパレータ
３０…電解質層
３１、３２…電極
３３、３５…ガス拡散部材
３４、３６…電極側ガス拡散部材
２００…電池性能検査装置
２１０…測定ブース
２１２…発熱体
２１３…加熱プローブ
２１４…温度検出器
２１５…検出プローブ
２１７…ｘｙ駆動部
２１８…ｚ駆動部
２２０…制御装置
２２１…発熱体制御部
２２２…温度変調解析部
２２３…位相差算出部
２２４…記憶部
２２５…熱伝導特性算出部
２２６…記憶部
２２６…偏差算出部
２２７…接合判定部
２２８…特性評価部
２３０…表示部
２４０…入力部
ＳＰ１〜ＳＰ３、ＳＰｍ，ｎ…測定箇所
【図１】
2008027902.tif 000003
【図２】
2008027902.tif 000004
【図３】
2008027902.tif 000005
【図４】
2008027902.tif 000006
【図５】
2008027902.tif 000007
【図６】
2008027902.tif 000008
【図７】
2008027902.tif 000009
【図８】
2008027902.tif 000010
【図９】
2008027902.tif 000011
【図１０】
2008027902.tif 000012