(57)【要約】【課題】１つの測定装置でもって拡散層の２つ以上の物性値を連続するプロセスで測定することを可能とする拡散層物性値測定装置を得る。【解決手段】拡散層物性値測定装Ａは、拡散層Ｐを気密的に挟持することができかつ拡散層Ｐと接する領域は非導電性とされている下盤１０と上盤３０とを備え、さらに、下盤１０に載置した拡散層Ｐの重量を測定する秤量手段と、下盤１０と上盤３０の間の隙間を測定する隙間測定手段と、挟持した拡散層Ｐに対して測定用ガスを供給し供給し供給したガスの背圧を測定して拡散層Ｐの透気度を測定する透気度測定手段と、挟持した拡散層Ｐの表面に電圧をかけて拡散層表面の接触抵抗を測定する接触抵抗測定手段とを備える。【選択図】図１
2008192571.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
拡散層の２以上の物性値を測定する装置であって、
被測定体である拡散層を気密的に挟持することができかつ少なくとも前記拡散層と接する領域は非導電性とされている下盤と上盤とを備えており、さらに、
前記下盤に載置した拡散層の重量を測定する秤量手段と、
前記下盤と前記上盤との間の隙間を測定する隙間測定手段と、
前記下盤と前記上盤の間に挟持した拡散層に対して測定用ガスを供給し、供給したガスの背圧を測定して該拡散層の透気度を測定する透気度測定手段と、
前記下盤と前記上盤の間に挟持した拡散層の表面に電圧をかけて該拡散層表面の接触抵抗を測定する接触抵抗測定手段と、
を少なくとも備えることを特徴とする拡散層物性値測定装置。
【請求項２】
前記透気度測定手段は、前記下盤と前記上盤の間に挟持した拡散層の面内透気度と法線透気度の双方を測定できるように、前記下盤と前記上盤のいずれか一方に測定ガスの供給部を備え、前記下盤と前記上盤の双方に排気部とを備えることを特徴とする請求項１に記載の拡散層物性値測定装置。
【請求項３】
前記接触抵抗測定手段は、前記下盤と前記上盤の間に挟持した拡散層の上面側と下面側の接触抵抗を同時に測定できるように、前記下盤と前記上盤のそれぞれに一対の電極を備えることを特徴とする請求項１または２に記載の拡散層物性値測定装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池を構成する膜電極接合体で用いられる拡散層の諸物性を測定するための装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
例えば固体高分子電解質型燃料電池では、図３に示すように、電解質膜１とその表裏面に塗布された電極触媒層２、２からなる電極（ＭＥＡ:Membrane-Electrode Assembly）３が用いられ、該電極３は、拡散層４、４を介して、燃料ガス（水素）および酸化ガス（酸素、通常は空気）を供給するための流体流路５を形成しかつ集電体として機能するセレータ６により挟持されて単位セルＡとされる。拡散層４は燃料ガスや酸化ガスを効率よく拡散させるためのものでありカーボンクロスやカーボンペーパーなどが用いられる。
【０００３】
燃料電池あるいはその単位セルは、前記のように、電解質膜１、電極触媒層２、拡散層４、セパレータ６などの複数の部材が有機的に組み合わされて構成されており、その放電（発電）性能の良否は、それらの組み合わせ状態に起因する場合もあり、個々の構成部材それ自身に起因する場合もある。個々の構成部材について、個々に客観的な性能評価を行うことができれば、得られたデータは効率の良い燃料電池（単位セル）を設計するのにきわめて有効なものとなる。
【０００４】
そのような観点から、特許文献１、２には、燃料電池を構成する個々の部材のうち、特に拡散層に注目し、当該拡散層の透気度（通気性能）についての性能評価を拡散層単独で行い得るようにした性能評価装置が記載されている。
【０００５】
【特許文献１】特開２００４−３６３０４１号公報
【特許文献２】特開２００４−１７８８８１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
効率の良い燃料電池（単位セル）を得るために、そこで使用する拡散層について透気度に関するデータを取得することは有効であるが、当該拡散層の厚みや秤量、さらにはセパレータあるいは触媒層と接する面での接触抵抗値等の他の物性値についての客観的データを入手することも、また有効かつ必要である。現在、拡散層の諸物性値を入手するのに、透気度については前記特許文献１あるいは２に記載するような装置が用いられ、また、厚みや秤量や接触抵抗等の測定には、それぞれ専用の測定値が用いられている。すなわち、一枚の拡散層について必要な諸物性値を入手するのに、他種類の測定装置を用い、かつ多くの作業時間を必要としている。
【０００７】
本発明は、上記のような事情に鑑みてなされたものであり、１つの測定装置でもって拡散層の２つ以上の物性値を連続するプロセスで測定することを可能とする拡散層物性値測定装置を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明による拡散層物性値測定装置は、拡散層の２以上の物性値を測定する装置であって、被測定体である拡散層を気密的に挟持することができかつ少なくとも前記拡散層と接する領域は非導電性とされている下盤と上盤とを備えており、さらに、前記下盤に載置した拡散層の重量を測定する秤量手段と、前記下盤と前記上盤との間の隙間を測定する隙間測定手段と、前記下盤と前記上盤の間に挟持した拡散層に対して測定用ガスを供給し供給したガスの背圧を測定して該拡散層の透気度を測定する透気度測定手段と、前記下盤と前記上盤の間に挟持した拡散層の表面に電圧をかけて該拡散層表面の接触抵抗を測定する接触抵抗測定手段とを少なくとも備えることを特徴とする。
【０００９】
上記の測定装置では、拡散層の２以上の物性値を一連のプロセスを踏むことにより測定することができる。測定に当たっては、下盤と上盤とを離間した状態におき、下盤の非導電性とされた領域に被測定体である拡散層をセットする。下盤には例えば電磁力平衡式秤量機のような秤量手段が備えられており、前記拡散層の秤量が行われる。次にあるいは秤量中に、下盤および上盤の双方あるいはいずれか一方を移動して、両盤の間に前記拡散層を気密的に挟持する。挟持状態が終了した時点で、下盤と上盤との間の隙間が隙間測定手段により測定される。この測定値は当該拡散層の厚さとなる。盤の移動距離を変えることにより、非圧縮状態での拡散層の厚さを測定することもでき、実際の燃料電池におけるようにある程度圧縮された状態の拡散層の厚さを測定することもできる。隙間測定手段としては、ダイヤルゲージのような手段を採用することができる。
【００１０】
拡散層の透気度を測定するには、透気度測定手段を用いる。すなわち、下盤と上盤との間に拡散層を気密状態に挟持した後、透気度測定手段により、挟持した拡散層に対して測定用ガスを供給し、供給したガスの背圧あるいは背圧の変化を測定する。より具体的には、前記透気度測定手段は、前記下盤と前記上盤の間に気密状態に挟持した拡散層の面内透気度と法線透気度の双方を測定できるように、前記下盤と前記上盤のいずれか一方に測定ガスの供給部を備え、前記下盤と前記上盤の双方に排気部とを備える。
【００１１】
測定ガスの供給部は加圧ガス供給源に接続しており、一定圧力の測定ガスが気密状態に挟持されている拡散層の一方の面から供給される。供給された測定ガスは拡散槽内を通って、好ましくは大気側に開放した排気部から排出される。拡散層のガス透気度に応じて供給するガスの背圧が変化するので、ガス背圧を測定することにより、当該拡散層の透気度を測定することができる。測定ガス供給部が設けてある側の排気部を閉鎖し、対向する盤に形成した排気部のみを開放することにより、法線方向の透気度が測定でき、測定ガス供給部が設けてある側の排気部を開放し、対向する盤に形成した排気部を閉鎖することにより、面内方向の透気度を測定することができる。
【００１２】
拡散層表面の接触抵抗を測定には、接触抵抗測定手段に用いる。すなわち、前記下盤と前記上盤の間に挟持した拡散層の表面に電圧をかけ、式：（電圧）／（電流）×（電極長さ）／（電極間隔）により、該拡散層表面の接触抵抗を測定する。より好ましい態様では、前記下盤と前記上盤の間に挟持した拡散層の上面側と下面側の接触抵抗を同時に測定できるように、前記下盤と前記上盤のそれぞれに一対の電極を備えるようにする。
【００１３】
なお、前記透気度測定と接触抵抗測定は、どちらを先に行ってもよい。また、上記した測定項目のすべてを行う必要もなく、被測定体である拡散層の複数個の物性値のうち、そのときに必要となるいずれかの物性値のみを測定するように拡散層物性値測定装置の運転を行うようにしてもよい。
【発明の効果】
【００１４】
本発明による拡散層物性値測定装置を用いることにより、燃料電池で使用される拡散層の２つ以上の物性値を一連のプロセスないで測定することが可能となり、物性値測定の迅速化が可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
以下、図面を参照しながら、本発明による拡散層物性値測定装置の一実施の形態を説明する。図１はその概略的な側面図であり、図２は前記装置の下盤および上盤における電解質膜が接する領域の概略図である。
【００１６】
この例において、拡散層物性値測定装置Ａは、下盤１０と上盤３０を備える。下盤１０には鉛直方向の延びる支柱１１が取り付けられ、該支柱１１には下盤１０から所定高さの位置に箱体１２が固定されている。該箱体１２内には、作動方向が前記下盤１０に対して鉛直方向であるエアシリンダ装置１３と、エアシリンダ装置１３のピストン１４が移動する距離を計測することのできるダイヤルゲージのような距離計測手段（不図示）が内装されている。そして、前記上盤３０は前記ピストン１４の先端に装着されている。
【００１７】
下盤１０は、上面側に拡散層Ｐの載置プレート１５を有し、該載置プレート１５の少なくとも上面側は非導電性材料（例えば、テフロンコーティング）により作られている。図示しないが、下盤１０または載置プレート１５には、載置プレート１５に載置される拡散層Ｐの重さを秤量できる電磁力平衡式秤量機のような秤量手段が取り付けられる。
【００１８】
図２ａは前記載置プレート１５上から見た図であり、その外縁近傍にはＯリング１６が全周にわたって取り付けてある。その内側には、やはり全周にわたって、第１の測定ガス排出口１７が形成されており、さらにその内側には、やはり全周にわたって、測定ガス封入口１８が形成されている。図１に示すように、前記第１の測定ガス排出口１７は、大気に開放するガス出口１９に連通しており、前記測定ガス封入口１８は、所定圧の測定ガス源（不図示）に接続する加圧ガス入口２０に接続している。該加圧ガス入口２０から測定ガス封入口１８に至る管路２１にはガス圧力測定器２２が取り付けてある。また、第１の測定ガス排出口１７には図示しない制御機構で操作される開閉シャッタ（不図示）が取り付けてある。
【００１９】
載置プレート１５の前記測定ガス封入口１８で囲まれた領域内の表面には、対向するようにして陽極電極２３と陰極電極２４が取り付けてあり、図１に示すように、陽極電極２３と陰極電極２４は電源２５に接続している。
【００２０】
上盤３０は、下面側に、前記下盤１０の載置プレート１５上に置かれた拡散層Ｐに密着することのできる密着プレート３１を有する。該密着プレート３１の少なくとも上面側は、前記載置プレート１５と同様、非導電性材料（例えば、テフロンコーティング）により作られている。
【００２１】
図２ｂは前記密着プレート３１を下から見た図であり、その外縁近傍における前記載置プレート１５に形成した第１の測定ガス排出口１７に対向する位置には、第２の測定ガス排出口３２が形成されている。そして、図１に示すように、前記第２の測定ガス排出口３２は、大気に開放するガス出口３３に連通している。さらに、密着プレート３１の表面における前記載置プレート１５に取り付けた陽極電極２３と陰極電極２４に対向する位置には、陽極電極３４と陰極電極３５が取り付けてあり、２つの電極は電源３６に接続している。
【００２２】
上記拡散層物性値測定装置Ａの使用態様（拡散層の諸物性値の測定態様）の一例を説明する。測定開始に当たり、図示しない制御装置を操作してエアシリンダ装置１３を作動し、下盤１０と上盤３０との間隔を広げるとともに、下盤１０と上盤３０との間の距離を制御装置内のメモリーに記憶させる。その状態で、被測定体である拡散層Ｐを下盤１０の載置プレート１５の上に置く。前記した秤量手段は載置された拡散層Ｐの重さを秤量し、制御装置内のメモリーに記憶させる。
【００２３】
再度、エアシリンダ装置１３を作動して上盤３０を下盤１０に接近させ、載置プレート１５上に載置した拡散層Ｐの上面に上盤３０に設けた密着プレート３１が密着した状態とする。その状態では、Ｏリング１６が作用して、拡散層Ｐは上盤３０を下盤１０の間で気密的に挟持された状態となる。また、当初の状態から拡散層Ｐに密着するまでの距離が距離計測手段により計測され、その値が制御装置に送られる。制御装置は、メモリーが記憶している当初値と前記移動距離との差分を取ることにより、その状態での載置プレート１５と密着プレート３１との間の隙間、すなわち拡散層Ｐの厚さを演算し、その値をメモリーに記憶する。
【００２４】
通気度を測定するに当たっては、制御装置を操作して、加圧された測定ガスを加圧ガス入口２０から管路２１を通して載置プレート１５に形成した測定ガス封入口１８に送り込む。当初は、第１の測定ガス排出口１７および第２の測定ガス排出口３２に取り付けた開閉シャッタを双方とも閉じておく。その状態で、管路２１に取り付けたガス圧力測定器２２の読み取り値を制御装置のメモリーに記憶する。その後、第１の測定ガス排出口１７側の開閉シャッタのみを開くと、測定ガス封入口１８から供給される測定ガスは、拡散層Ｐ内を面内方向に移動して、第１の測定ガス排出口１７から大気に排出される。測定ガスが排出されているときのガス圧力測定器２２の読み取り値（すなわち、背圧）が制御装置に送られる。制御装置はメモリーに記憶した当初の読み取り値と送り込まれた読み取り値の差分を演算し、その値をベースとして、拡散層Ｐの面内方向の通気度を演算するとともに、メモリーに格納する。
【００２５】
次に、第１の測定ガス排出口１７側の開閉シャッタを閉じ、第２の測定ガス排出口３２側の開閉シャッタを開く。それにより、測定ガス封入口１８から供給される測定ガスは、拡散層Ｐ内を法線方向に移動して、第２の測定ガス排出口３２から大気に排出される。測定ガスが排出されているときのガス圧力測定器２２の読み取り値（すなわち、背圧）から、制御装置は、前記と同様にして、拡散層Ｐの法線方向の通気度を演算するとともにメモリーに格納する。
【００２６】
拡散層Ｐの接触抵抗を測定するに当たっては、前記電源２５から電極２３，２４に通電し、電源３６から電極３４，３５に通電する。拡散層Ｐのいずれか一方の面の接触抵抗のみを測定したい場合には、その面に対応する電極のみに電力を供給する。対向する電極間を流れる電流値と電源の電圧をベースとして、制御装置は拡散層Ｐのいずれか一方の面あるいは双方の面の接触抵抗を演算するとともに、その値をメモリーに格納する。
【００２７】
装置Ａの使用者は、メモリー内から所望の演算値を取り出すことにより、被測定体である拡散層Ｐの複数個の物性値を同時に入手することができる。測定後の拡散層Ｐを装置Ａから取り出し、新たな拡散層を再度セットして、同様な操作を行いメモリーに演算結果を格納することを繰り返すことにより、多くの拡散層の諸物性値を一つの群として認識しかつ分析することも可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】本発明による拡散層物性値測定装置の一実施の形態の概略的な側面図。
【図２】図１に示す装置での下盤および上盤における電解質膜が接する領域の概略図であり、図２ａは下盤側を、図２ｂは上盤側を示している。
【図３】燃料電池（単位セル）を説明するための概略図。
【符号の説明】
【００２９】
Ａ…拡散層物性値測定装置、Ｐ…拡散層、１０…下盤、１１…支柱、１２…箱体、１３…エアシリンダ装置、１４…ピストン、１５…載置プレート、１６…Ｏリング、１７…第１の測定ガス排出口、１８…測定ガス封入口、１９…大気に開放するガス出口、２０…加圧ガス入口、２１…管路、２２…ガス圧力測定器、２３…陽極電極、２４…陰極電極、２５…電源、３０…上盤、３１…密着プレート、３２…第２の測定ガス排出口、３３…大気に開放するガス出口、３４…陽極電極、３５…陰極電極、３６…電源
【図１】
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【図２】
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【図３】
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