(57)【要約】【課題】燃料電池を構成する拡散層の排水性能に基づく性能評価を拡散層単独で行うことができる装置を得る。【解決手段】燃料電池拡散層Ｄを載置手段１０に備えた誘水プレート４０と挟持手段６０の下面に備えた押圧板（セパレータ相当体）１００の間で加圧挟持する。拡散層Ｄには誘水プレート４０から微少圧の水を供給して浸透させる。微少圧の水は水供給手段Ｃから供給する。押圧板１００の裏面には規定湿度のガスを通過させる。通過による水の持ち去り量により、当該拡散層Ｄの排水性能を評価する。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
評価すべき燃料電池拡散層を既知容量の水の中に一方の面が露出した姿勢で湿潤状態に収容しておき、該露出した面に既知の湿度のガスを流し、所定時間経過後の水の減水量を測定することにより当該拡散層の排水性能を評価することを特徴とする燃料電池拡散層の性能評価方法。
【請求項２】
評価すべき燃料電池拡散層の一方の面に既知の湿度のガスを流し、既知容量の水を収容した容器から微小圧力の水を該拡散層の他方の面から前記一方の面に向けて供給して拡散層全体を湿潤状態とし、所定時間経過後の水の減水量を測定することにより当該拡散層の排水性能を評価することを特徴とする燃料電池拡散層の性能評価方法。
【請求項３】
燃料電池の運転時の環境を擬した圧力と温湿度条件下で評価を行うことを特徴とする請求項１または２に記載の燃料電池拡散層の性能評価方法。
【請求項４】
微小圧力が、拡散層の他方の面から供給する水が前記一方の面にまで到達できるだけの圧力であることを特徴とする請求項２または３に記載の燃料電池拡散層の性能評価方法。
【請求項５】
燃料電池拡散層の一方の面に燃料電池で用いるセパレータに形成される凹溝を擬したガス流路を有する部材を所定圧力下で当接させておき、該ガス流路を介して既知の湿度のガスを流すことを特徴とする請求項２ないし４のいずれかに記載の燃料電池拡散層の性能評価方法。
【請求項６】
評価すべき燃料電池拡散層を載置する載置手段、載置手段の上方に位置し載置手段と協働して該拡散層を挟持する挟持手段、載置手段の拡散層に接する領域に微小圧力の水を供給する水供給手段、挟持手段の拡散層に接する領域に既知の湿度のガスを供給するガス供給手段、および、水供給手段内の水量を測定する手段、とを少なくとも備えることを特徴とする燃料電池拡散層の性能評価装置。
【請求項７】
載置手段と挟持手段との間に挟持された拡散層に圧力を加えるための加圧手段をさらに備えることを特徴とする請求項６に記載の燃料電池拡散層の性能評価装置。
【請求項８】
挟持手段は、載置手段に一体に固定される第１の部分と該第１の部分に対して気密を保った状態で上下方向に移動できるように第１の部分に支持された第２の部分とで構成されることを特徴とする請求項６または７に記載の燃料電池拡散層の性能評価装置。
【請求項９】
少なくとも載置手段と挟持手段には温水循環路が形成されており、かつ、該温水循環路に温水を供給するための温水供給手段が備えられていることを特徴とする請求項６ないし８のいずれかに記載の燃料電池拡散層の性能評価装置。
【請求項１０】
載置手段の拡散層と接する領域表面には、縦横に走る多数の凹溝と該凹溝の底部に連通しかつ裏面側に開放した多数の孔とを備えた誘水プレートが備えられており、該誘水プレートの裏面側が水供給手段に連通していることを特徴とする請求項６ないし９のいずれかに記載の燃料電池拡散層の性能評価装置。
【請求項１１】
挟持手段の第２の部分下端には燃料電池で用いるセパレータに形成される凹溝を擬したガス流路を有する流路部材が備えられており、該流路部材のガス流路にガス供給手段が接続していることを特徴とする請求項６ないし１０のいずれかに記載の燃料電池拡散層の性能評価装置。
【請求項１２】
水供給手段は水容器を有し、水容器内の水は載置手段の拡散層に接する領域に供給されるようになっており、かつ、評価時に、該水容器内の水位が載置手段と挟持手段との間に挟持された拡散層の上表面のレベルよりもわずかに高いレベルとされることを特徴とする請求項６ないし１１のいずれかに記載の燃料電池拡散層の性能評価装置。
【請求項１３】
水供給手段内の水量を測定する手段は、水容器内の水の重さを計測する手段であることを特徴とする請求項１２に記載の燃料電池拡散層の性能評価装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、種々の形態の燃料電池において、電極とセパレータとの間に挟持される拡散層の性能を評価するための性能評価方法と装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
例えば固体高分子電解質型燃料電池では、電解質膜とその表裏面に塗布された電極触媒層からなる電極（ＭＥＡ：Ｍｅｍｂｒａｎｅ−Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ  Ａｓｓｅｍｂｌｙ）が用いられ、該電極は、拡散層を介して、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を形成するセパレータにより挟持されて単位セルとされる。電解質膜にはパーフルオロスルフォン酸膜や炭化水素系膜などのイオン交換膜が用いられる。電極触媒層は触媒物質（例えば、Ｐｔ）を担持したカーボン粉末と電解質粉末（フッ素形機能樹脂、パーフルオロスルフォン酸アミドなど）を混合したものが塗布形成される。拡散層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などの多孔質体が用いられる。固体高分子電解質型燃料電池に限らず、他の形態の燃料電池においても、同様な拡散層が形成される。
【０００３】
燃料電池の発電効率を高めるために、電極などの性能を客観的に評価することが必要とされる。例えば、特許文献１（特開２０００−２８３９５１号公報）には、ガス拡散電極の評価試験方法として、電極試験片を電解質溶液に一部浸漬した状態で保持し、経時的に当該電極試験片の浸漬部分を変えることにより、気相部と液層部との境界において電極が３相界面を形成するようにしてガス拡散電極疑似環境を実現する方法が記載されている。また、特許文献２（特開平５−２０５７６２号公報）には、リン酸型燃料電池の単位セルを加圧挟持できる特性評価装置が記載されており、該装置を用いて単位セルの発電特性およびガスシール特性を評価して、不良単位セルを早期に弁別するようにしている。
【０００４】
【特許文献１】
特開２０００−２８３９５１号公報
【特許文献２】
特開平５−２０５７６２号公報
【０００５】
【発明が解決すべき問題点】
燃料電池あるいはその単位セルは、電解質膜、電極触媒層、拡散層、セパレータ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と考えられる。従来行われている燃料電池性能評価は、前記した各公報にも記載されるように、組み立て後の単位セルを基準として行われるのが普通であり、テスト結果として得られた性能の善し悪しが、どの構成部材に起因して生じているのかを明確に把握することはできていない。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。
【０００６】
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、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、当該拡散層の性能評価を拡散層単独で行い得るようにした性能評価方法とそのための装置を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記の課題を解決すべく多くの実験と研究を行うことにより、本発明者らは、湿潤状態にある拡散層の表面にガスを通過させたとき当該ガスにより持ち去られる水の状態（量の多寡）（本発明において、これを「排水性能」という）は、実際の燃料電池において拡散層の電極接触面から反対面への生成水の持ち去り状態にきわめて近似していること、また、拡散層の排水性能の良否は燃料電池の性能を大きく左右する因子であることを知覚した。従って、個々の拡散層の持つ排水性能を客観的に把握しておけば、そのデータは効率のよい燃料電池（単位セル）の組み立てるのにきわめて有効となる。
【０００８】
本発明はそのような知覚に基づくものであり、本発明による燃料電池拡散層の性能評価方法は、評価すべき燃料電池拡散層を既知容量の水の中に一方の面が露出した姿勢で湿潤状態に収容しておき、該露出した面に既知の湿度のガスを流し、所定時間経過後に該ガスにより持ち去られることにより減衰した水の減水量を測定することにより当該拡散層の排水性能を評価することを特徴とする。
【０００９】
本発明による燃料電池拡散層の性能評価方法の他の態様は、評価すべき燃料電池拡散層の一方の面に既知の湿度のガスを流し、既知容量の水を収容した容器から微小圧力の水を該拡散層の他方の面から前記一方の面に向けて供給して拡散層全体を湿潤状態とし、所定時間経過後に該ガスにより持ち去られることにより減衰した水の減水量を測定することにより当該拡散層の排水性能を評価することを特徴とする。
【００１０】
拡散層には、カーボンクロスやカーボンペーパなど種々の材料が用いられ、また、発電容量などに応じてその厚みも変化する。多くの種類の拡散層について、上記の方法によりその排水性能を同一条件下での客観的なデータとして揃えておけば、実際の単位セルの組み立て時にそのデータをきわめて有効に利用することができる。
【００１１】
同じ拡散層であっても、それが置かれる圧力条件や温湿度条件によって、その排水性能が変化することがある。また、実際の燃料電池において拡散層は加圧下に置かれており、また、運転時には所定の高温状態となっている。従って、本発明の好ましい態様では、燃料電池の運転時の環境を擬した圧力と温湿度条件下で上記の評価を行うようにする。それにより、実際の運転条件下での拡散層の排水性能に近似したデータを入手することができる。
【００１２】
実際の電池環境では、生成水は圧力を発生しない。従って、生成水が拡散層の表面から飛び出して水滴を形成するようなことはない。評価試験においても燃料電池の運転状態におけると同じ条件下に拡散層を置くことが望まれる。そのために、既知容量の水を収容した容器から微小圧力の水を該拡散層の他方の面から前記一方の面に向けて供給して拡散層全体を湿潤状態とするに際して、その圧力は、供給する水が拡散層の下面側から上面にまで到達できるだけの圧力、すなわち、水が上位の面（前記一方の面）まで上昇することができるが、そこから飛び出して水滴を構成することのないような圧力とされる。もし、表面に水滴が形成される場合には、表面を流れるガスにより水滴が持ち去られるようになり、正確な排水性能を評価することが困難となる。この圧力は、拡散層の種類や厚みなどによって多少は相違するものの、現在使用されている拡散層をベースとすると０．００１ｋｇ／ｃｍ２のレベルである。
【００１３】
実際の単位セルにおいて、拡散層は電極触媒層を備えた電解質層とセパレータとの間で所定に加圧された状態で挟持される。そして、セパレータの拡散層に接する面には通常多数の燃料または空気流路が形成されている。従って、本発明による燃料電池拡散層の性能評価方法において、拡散層の一方の面に燃料電池で用いるセパレータに形成される凹溝を擬したガス流路を有する部材を所定圧力下で当接させておき、該ガス流路を介して既知の湿度のガスを流して、減水量を測定することは好ましい態様であり、実際の単位セル内の状態に近似した条件下での拡散層の排水性能を一層確実に評価することができる。
【００１４】
本発明は、また、上記の方法を実施するための装置として、評価すべき燃料電池拡散層を載置する載置手段、載置手段の上方に位置し載置手段と協働して該拡散層を挟持する挟持手段、載置手段の拡散層に接する領域に微小圧力の水を供給する水供給手段、挟持手段の拡散層に接する領域に既知の湿度のガスを供給するガス供給手段、および、水供給手段内の水量を測定する手段、とを少なくとも備えることを特徴とする燃料電池拡散層の性能評価装置をも開示する。
上記装置を用いることにより、種々の異なった物性値を持つ拡散層の試験サンプルに対して、画一的な排水性能試験を行うことが可能となる。
【００１５】
好ましくは、上記の装置において、載置手段と挟持手段との間に挟持された拡散層に圧力を加えるための加圧手段が備えられる。さらに好ましくは、付与圧力を計測するためにロードセルを配置する。この形態では、適宜の圧力を付与した状態での拡散層の性能を評価することができるので、より実機に近い状態でのデータを入手することができる。
【００１６】
好ましい態様において、挟持手段は、載置手段に一体に固定される第１の部分と該第１の部分に対して気密を保った状態で上下方向に移動できるように第１の部分に支持された第２の部分とで構成される。この態様では、第２の部分に圧力付与手段からの圧力を付与することにより、挟持手段本体とは無関係に挟持した拡散層に制御された値の圧力を付与することができる。また、測定に必要となる気密性は、載置手段と前記第１の部分との間で確保し、圧力付与はそれとは独立した第２の部分によって行うことができるので、加重付与時での安定性が向上する。なお、第１の部分に対する第２の部分の支持と気密性の確保は、平板状のダイヤフラムなどを利用して容易に行うことができる。
【００１７】
好ましくは、載置手段は装置機枠に固定した状態で取り付けられるが、挟持手段は装置機枠に対してリジットでなく、ある程度姿勢を変えられる状態で上下方向に移動自在に取り付けられる。挟持手段は載置手段に対してねじ止めなどにより一体に固定され、結果として、挟持手段も装置機枠に対して不動の状態となる。このようにすることにより、載置手段の平行度と、載置手段と挟持手段の双方の衝接面の平面度とを確保するのみで、所要の評価試験を行うことが可能となり、装置全体の構成を簡素化することができる。
【００１８】
好ましい態様において、少なくとも載置手段と挟持手段には温水循環路が形成され、かつ、該温水循環路に温水を供給するための温水供給手段が備えられる。温水供給手段に供給する温水温度を調温できる調温手段を備えることはより好ましい。この態様では、所定温度の温水を挟持された拡散層の周囲に循環させることよって、実際の燃料電池の運転環境と同じような温度環境を拡散層に与えることができ、実用に近いデータを得ることができる。また、ガス供給管路に沿って所定温度の温水を循環させることにより、加湿ガスが結露することも回避できる。
【００１９】
実際の燃料電池では拡散層に０．６ＭＰａ程度の圧力がかかっている。本発明による装置においても、好ましくは、同じような圧力を付与した状態で拡散層の排水性能試験が行われる。その際に、載置手段は、その圧力に耐えるだけの剛性を備えながら、載置される拡散層の裏面にできるだけ均一にかつ連続して水を供給できる構成であることが必要となる。そのために、本発明の装置の好ましい態様では、載置手段の拡散層と接する領域表面には、縦横に走る多数の凹溝と該凹溝の底部に連通しかつ裏面側に開放した多数の孔とを備えた誘水プレートが備えられる。さらに好ましくは、誘水プレートの裏面側に上方に向けて次第に面積の広がった水供給ホーンが備えられ、そこを介して水供給手段からの水が誘水プレートの裏面に供給される。この態様の誘水プレートは上からの圧力に対して充分な耐性を備えると共に、微少ピッチで凹溝が縦横に走っていることにより、拡散層の裏面全面に実質的に均一に水を供給することも可能となる。また、上方に向けて次第に面積の広がった水供給ホーンを用いることにより、一層安定した水の供給が可能となる。
【００２０】
好ましい態様において、挟持手段の第２の部分下端には燃料電池で用いるセパレータに形成される凹溝を擬したガス流路を有する流路部材が備えられ、該流路部材のガス流路にガス供給手段が接続される。流路部材は実際に用いられているセパレータであってもよい。このような流路部材を用いることにより実際の燃料電池の運転状態に近似した条件下での拡散層の性能評価を行うことができる。その際に、挟持手段に形成されるガス供給手段からのガス出口から流路部材までのガス案内路は、流路部材に全面に等しい条件でガスを案内するために通常複数本形成されるが、各案内路の路長を等長とすることは好ましく、それにより、各案内路を流れるガスを均一化することができ、より正確な排水性能評価データを得ることができる。
【００２１】
本発明において、載置手段の拡散層に接する領域に微小圧力の水を供給する水供給手段は、任意の手段であってよく、特に制限はない。しかし、前記したように好ましい微少圧力は０．００１ｋｇ／ｃｍ２のレベルであり、このような微少圧力を圧力制御弁のような機械的な調圧手段によりコンスタントに管理することは容易でない。本発明の好ましい態様では、水供給手段は水容器を有し、水容器内の水はサイホンの原理により載置手段の拡散層に接する領域に供給されるようになっている。そして、拡散層の評価時には、該水容器内の水位が載置手段と挟持手段との間に挟持された拡散層の上表面のレベルよりもわずかに（ｍｍ単位で）高いレベルとなるように維持される。このようにすることにより、水容器内の水位を拡散層表面高さに対して数ｍｍ単位で容易に変えることができ、結果として、簡単な構成でありながら０．００１ｋｇ／ｃｍ２のレベルでの水供給圧力を管理することが可能となる。
【００２２】
水供給手段内の水量を測定する手段にも特に制限はないが、上記のような水容器を用いる場合には水容器内の水の重さを測定すること、例えば、水容器を電子天秤などの重量測定機器の上に置き、測定開始時から終了時までの重量減を測定することは好ましい態様であり、精度の高い水の持ち去り量を容易に測定することができる。
【００２３】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照しながら本発明を説明する。図１は、本発明による燃料電池拡散層の排水性能による性能評価方法を実施するための装置の一実施の形態を示す正面図であり、図２は図１の装置の測定部本体を示す斜視図、図３はその側面図である。図４は測定部本体の要部を拡大して示す断面図である。
【００２４】
この例において、本発明による装置Ａは測定部本体Ｂと水供給手段Ｃとを備える。測定部本体Ｂは基台１とそこに立設した支柱２を有し、基台１には被評価物である拡散層Ｄ（図２に仮想線で示される）が載置される載置手段１０が固定的に配置され、支柱２には載置手段１０に載置された拡散層Ｄを液密的に挟持する挟持手段６０が加圧手段９０を介して上下方向に移動自在に取り付けられる。
【００２５】
載置手段１０を説明する。載置手段１０は、底盤１１、中間ブロック１２、上盤１３の３部材を有する。各部材の衝接面は平坦面であり、液密性が保たれるようされている。底盤１１の中央には第１の貫通孔１４が形成されており、該第１の貫通孔１４は横穴１５を介して外部の温水入力ポート１５ａに連通している。中間ブロック１２には該第１の貫通孔１４に連通する第２の貫通孔１６が形成されており、該第２の貫通孔１６の上方側は次第に拡径した漏斗状部分１７とされている。該漏斗状部分１７の上端側、すなわち中間ブロック１２の上面側部分はより大きな径となった切り込み部１８とされている。中間ブロック１２の下面、すなわち底盤１１に当接する面には、一条の連続する凹溝１９が好ましくは同心円状をなすように形成されており、凹溝１９の排水側は孔２０を介して排水ポート２０ａに接続している。該凹溝１９の流入側は垂直穴２１を介して中間ブロック１２の上面に開放しており、該垂直穴２１に連続する凹溝２１ａが切り込み部１８を囲むようにして形成されている。凹溝２１ａは図示しない流路を介して横穴１５に連通している。上盤１３は前記漏斗状部分１７の上端側の径よりも大きな径の第３の貫通孔２２が形成されている。
【００２６】
第１と第２の貫通孔１４、１６の中には水供給ホーン３０が配置される。水供給ホーン３０は第１の貫通孔１４に水密的に挿入される下端部３１と、下端部３１に連続し第２の貫通孔１６の漏斗状部分１７内にまで延びる径の細い中間部３２と、中間部３２の先端から上方側に向けて次第に拡径した漏斗状拡開部３３と、漏斗状拡開部３３の先端外周部に形成されたフランジ３４とからなる。下端部３１と中間部３２には漏斗状拡開部３３の内部空間３５に連通する貫通孔３６が形成される。フランジ３４は中間ブロック１２の上面に形成した切り込み部１８内に液密に入り込む形状であり、水供給ホーン３０を第１と第２の貫通孔１４、１６の中に挿入した後、フランジ３４に形成したネジ穴を通してネジ３４ａをネジ込むことにより、水供給ホーン３０は中間ブロック１２に対して固定される。その状態で、漏斗状拡開部３３の下面側と漏斗状部分１７との間には空間３７が形成され、該空間３７は第１の貫通孔１４および横穴１５とを介して外部の温水供給ポート１５ａに連通した状態となる。水供給ホーン３０に形成した貫通孔３６はポート３８を介して後記する水供給部Ｃに接続する。また、貫通孔３６内には熱電対３９が挿入されており、漏斗状拡開部３３の内部空間３５内の水の温度を計測する。
【００２７】
上盤１３の第３の貫通孔２２には、図１０、図１１に示す誘水プレート４０が液密的に挿入される。誘水プレート４０の上面側には所定深さの多数の凹溝４１ａ、４１ｂが互いに直交するようにして形成されており、該凹溝４１ａ、４１ｂの底部には裏面側に開放した多数の水導入用孔４２の先端部が開放している。なお、評価試験に際しては、この誘水プレート４０の上に被評価物である拡散層Ｄが載置される。上記のようであり、水供給部Ｃからポート３８および貫通孔３６を通して水供給ホーン３０内に水を供給すると、その水面は漏斗状拡開部３３の内部空間３５内を次第に上昇して誘水プレート４０の下面側に達し、さらに誘水プレート４０の水導入用孔４２から凹溝４１ａ、４１ｂ内を上昇して誘水プレート４０の上端面、すなわち、載置手段１０の上端面にまで達する。そして、そこから、被評価物である拡散層Ｄの中に侵入していく。
【００２８】
また、温水入力ポート１５ａから横穴１５を通って載置手段１０内に導入される温水は、前記空間３７に充満すると共に、凹溝２１ａ、垂直孔２１、凹溝１９などを循環した後、排水ポート２０ａから機外に排出される。温水の循環により、誘水プレート４０、水供給ホーン３０およびその内部空間、を含む載置手段１０全体がほぼ一定温度に保持される。
【００２９】
次に、挟持手段６０を説明する。挟持手段６０は、下プレート６１、中プレート６２、環状の第１中間体６３、第１中間体６３に内嵌合する部分を有する第２中間体６４、上プレート６５とが互いに気密的に一体に組み付けられてなる第１の部分６０Ａと、該第１の部分６０Ａに対して気密を保った状態で上下方向に移動できるように第１の部分に支持された第２の部分６０Ｂとで構成される。
【００３０】
第１の部分６０Ａについて説明する。前記下プレート６１は、誘水プレート４０の上面側に形成した多数の凹溝４１ａ、４１ｂが交叉している領域とほぼ等しい形状の矩形状の貫通孔６６を有する（図８参照）。下プレート６１の下面側は載置手段１０の上端面に密接できる平坦面とされており、一方、上面側における貫通孔６６の一方側にガス案内溝６７ａが形成され、対向する側にもガス案内溝６７ｂが形成される。ガス案内溝６７ａは、ガス導入口６８から複数本の流路（図では４本の流路）として形成されており、各流路の放出端側は貫通孔６６の１つの辺に沿って均等に分布している。また、ガス導入口６８から放出端までの路長はすべて等しくされている。他辺側のガス案内溝６７ｂも同様にされており、４本流路を流れるガスはガス排出口６９で１つにまとめられる。下プレート６１の周辺には孔７０が形成されており、ネジ７１により中プレート６２の裏面に固定される。
【００３１】
中プレート６２も下プレート６１に形成した貫通孔６６と同じ形状の貫通孔７２が形成されるとともに、下プレート６１に設けたガス導入口６８およびガス排出口６９に連通する縦孔７３、７４が形成される。さらに、中プレート６２の上面側には貫通孔７２を囲むようにして所定幅と深さの凹陥部７５が形成されている。
【００３２】
第１中間体６３は環状をなしており、中央部に中プレート６２に形成した凹陥部７５と同じ内径である貫通孔７６を有している。また、一方が中プレート６２に形成した縦孔７３に連通し、他方がガス導入ポート７７に連通するガス導入孔７８と、一方が中プレート６２に形成した縦孔７４に連通し、他方がガス排出ポート７９に連通するガス排出孔８０が形成されている。第１中間体６３と中プレート６２とは、間にステンレス鋼などで作られる第１の平板状のダイヤフラム８１を挟んで一体に組み付けられる。
【００３３】
第２中間体６４は第１中間体６３に形成した貫通孔７６に内嵌合する突出部８２を備え、該突出部８２には貫通孔８４が形成されている。該突出部８２の上端は平坦なフランジ８３となっており、フランジ８３を第１中間体６３の上端面に載置したときに、下端が第１中間体６３の下端面には達しないように突出部８２の長さが調整されている。第２中間体６４の上面には貫通孔８４を囲むようにして所定幅と深さの凹陥部８５が形成されている。
【００３４】
上プレート６５は第２中間体６４に形成した貫通孔８４と同じような貫通孔８６を有し、該貫通孔８６の上端側は拡径部８８とされている。下面には第２中間体６４の上面に形成したと同じような所定幅と深さの凹陥部８９が形成されている。後記するように、第２中間体６４と上プレート６５とは、間にステンレス鋼などで作られる第２の平板状のダイヤフラム８７を挟んで一体に組み付けられている。
【００３５】
第２の部分６０Ｂについて説明する。第２の部分６０Ｂは、内部が空洞となった適宜の支柱１０１を有し、その下端に、下プレート６１に形成した貫通孔６６に気密的に内嵌合する形状と大きさである押圧板１００を着脱自在にを備えている。また、第２の部分６０Ｂは、前記した第１の平板状のダイヤフラム８１および第２の平板状のダイヤフラム８７を介して、全体が挟持手段６０に形成した上下方向の貫通孔内で上下方向に移動できるようにして挟持手段６０の第１の部分６０Ａに対して取り付けられる。押圧板１００は裏面が平坦面であってもよいが、実際の燃料電池でのセパレータが備える凹溝を擬したガス流路を形成しておくことが好ましい。評価試験に際しては、押圧板１００の裏面が載置手段１０の上端面に載置された拡散層Ｄに当接する。
【００３６】
図１２、図１３に示すように第１の平板状のダイヤフラム８１は中央部に大開孔８１ａとその左右位置に２個の小開孔８１ｂ，８１ｂを備える。第２の平板状のダイヤフラム８７は中央部に大開孔８１ａと同じ大きさの大開孔８７ａを備える。一方、前記支柱１０１の直径は第１および第２の平板状のダイヤフラム８１、８７に形成した大開孔８１ａ、８７ａを通過する大きさとされ、下端側は大径部１０２とされていて、その上端面は平坦面である。支柱１０１には筒体１０３が外嵌合状態で取り付けられ、該筒体１０３の上下方向の長さは、第１の平板状のダイヤフラム８１と第２の平板状のダイヤフラム８７の間の距離と同じである。また、筒体１０３の周囲には複数個の開孔１０４が形成されており、支柱１０１には多数の凹凸１０５が形成されている。さらに、支柱１０１の筒体１０３より上位の位置には留め付けリング１０６が外嵌合されている。支柱１０１の内部には押圧板１００の温度を測定するために熱電対１１０が取り付けられている。
【００３７】
挟持手段６０を組み立てるときに、下プレート６１を留め付けた中プレート６２を置き、貫通孔内に、裏面に押圧板１００を取り付けた支柱１０１の大径部１０２を挿入する。その上から、第１の平板状のダイヤフラム８１を、中央部の大開孔８１ａ内に支柱１０１を通しながら、中プレート６２と支柱１０１の大径部１０２の上面まで下降させる。そして、中プレート６２に形成した縦孔７３、７４の位置と、第１の平板状のダイヤフラム８１に形成した小開孔８１ｂ，８１ｂを一致させる。
【００３８】
その上に、第１中間体６３をガス導入孔７８とガス排出孔８０が縦孔７３、７４と一致するようにして取り付け、さらに、第１中間体６３に対して第２中間体６４を取り付ける。また、筒体１０３を支柱１０１に外嵌合状態で挿入する。次に、第２の平板状のダイヤフラム８７をその大開孔８７ａ内に支柱１０１を通過させなが下降させ、第２中間体６４の上面と筒体１０３の上面に乗るようにする。その上に、上プレート６５を置き、また、留め付けリング１０６を配置する。その状態で、全体を適宜配置したネジ１１１や締め付けナット１１１ａなどを利用して、一体に締め付ける。それにより、第２の部分６０Ｂは、第１と第２の平板状のダイヤフラム８１、８７により、第１の部分６０Ａに対して宙づりの状態で取り付けられることとなり、かつ、全体が第１の部分６０Ａとは独立して上下方向に移動できるようなる。
【００３９】
挟持手段６０側にも、温水流入ポート１１２と排水ポート１１３が設けられ、流入した温水は内部に形成された温水流路を通って、ガス導入孔７８とガス排出孔８０の周囲を流れ、また、筒体１０３の内部やその周辺、また、第１と第２の平板状のダイヤフラム８１、８７の周囲をも循環するようになっている。支柱１０１には溝１０５が形成され、循環する温水との接触面積（受熱面積）を大きくしている。
【００４０】
挟持手段６０は、支柱２に沿って上下方向に移動する支持プレート４に対して取り付けてある。挟持手段６０は載置手段１０と一体化するのに用いるネジ棒５を備えており、該ネジ棒５を載置手段１０の適所に固定することにより、挟持手段６０と載置手段１０とは一体化する。すなわち、挟持手段６０は基台１に固定される載置手段１０の上端面に対して、ネジ棒５のような固定手段を用いることにより所定の位置決めがなされ、その状態で、所要の評価テストを行うことができる。このことは、支持プレート４に対する挟持手段６０の留め付けは上下動ができるだけの簡易な留め付け態様でよいことを意味しており、構成的に簡素化できる利点がもたらされる。
【００４１】
支柱２に取り付けられる加圧手段９０は、試験時に挟持手段６０の第２の部分６０Ｂである支柱１０１の先端に対して圧力を付与できるものであればどのような手段であってもよいが、ここでは、ハンドル９１の回転に同期して上下動する第１の機枠９２と、ハンドル９１の回転とは無関係に上下動できる第２の機枠９３との間にコイルばね９４を介装すると共に、第１の機枠９２に対して第２の機枠９３が自由に移動できるようにされている。そして、第２の機枠９３の下端にはロードセル９５を取り付けている。
【００４２】
次に、水供給手段Ｃを説明する。水供給手段Ｃは、電子天秤２０１とその上に配置された水容器２０２を備え、水容器２０２の水の量を電子天秤２０１により測定できるようになっている。水容器２０２は蓋２０３により密閉されており、蒸散により水量が変化するのを防止している。水容器２０２には水供給管２０４がその重量を水容器２０２側に影響を与えないようにして適宜の保持手段２０５により支持されており、水供給管２０４の一方の先端は水容器２０２の底部近傍にまで達しており、他端側は、前記した水供給ホーン３０に形成した貫通孔３６に連通するポート３８に接続している。水供給管２０４の途中にはエア抜きのために適宜のピストン２０６が取り付けてある。
【００４３】
この構成であり、水容器２０２の水はサイホンの原理で水供給管２０４を通して水供給ホーン３０内に導かれ、自然の状態では、水供給ホーン３０内の水面のレベルは水容器２０２の水面のレベルと同じレベルとなる。適宜の手段により、水供給ホーン３０内の水面レベルを所定の高さ以上に上昇しないようにしておくと、水容器２０２の水面のレベルが前記所定高さよりも高い位置にある場合には、その差分の圧力が水供給ホーン３０内の水に生じる。水容器２０２内の水位レベルを数ｍｍ単位で変えることは容易であり、結果として、水供給ホーン３０内での水供給圧力を０．００１ｋｇ／ｃｍ２のレベルで管理することが可能となる。
【００４４】
上記の装置の作動を説明する。図１、図３に示すように、支柱２に沿って挟持手段６０を揚上させておき、載置手段１０の誘水プレート４０の上に、評価すべき拡散層Ｄをセットする。次に、図１および図３に仮想線で示すように、挟持手段６０を下降させ、ネジ棒５を利用して挟持手段６０を載置手段１０に対して一体的に固定する。必要に応じて、加圧手段９０を操作して、挟持手段６０の支柱１０１に所要の荷重をかける。その荷重はロードセル９５により検出される。それにより、評価すべき拡散層Ｄは、裏面側は誘水プレート４０に支持され、上面側は押圧板１００の裏面により加圧された状態で支持される。押圧板１００の裏面に実際の燃料電池でのセパレータと同じようなガス流路を形成しておくことにより、実際の燃料電池と同じ環境を作り出すことができる。本発明の装置において、拡散層Ｄの加圧は、上記した第２の部分６０Ｂを法線方向に若干量（１ｍｍ程度）動かすことにより、挟持手段６０を構成する第１の部粉６０Ａとは独立して行うことが可能であり、拡散層Ｄへの荷重とシール性の軸率性も確保されるので、荷重によりリーク量が変動するのも回避できる。
【００４５】
水容器２０２の上下方向の位置を調整し、挟持された拡散層Ｄの上面の位置よりも数ｍｍ程度だけ水容器２０２内の水面の位置が高いとなるようにする。それにより、水は徐々に水供給ホーン３０の空間３５内を上昇し、誘水プレート４０の裏面から水導入用孔４２を通過し、凹溝４１ａ、４１ｂ内を上昇して、誘水プレート４０の上端面に達する。そしてそこから、誘水プレート４０の上に配置された被評価物である拡散層Ｄの中に侵入していく。そのときの水の圧力は拡散層Ｄの上表面から水が漏れ出ない程度の微少圧力（例えば、０．００１ｋｇ／ｃｍ２程度）とすることが必要であり、そのような圧力が得られるように、水容器２０２内の水面レベルを制御する。燃料電池の実際の電池環境では生成水は圧力を発生しないため、この圧力は低ければ低いほど、実態に即したものとなる。
【００４６】
温水入力ポート１５ａ、１１２から所定温度の温水を導入する。温水は、載置手段１０および挟持手段６０内の温水流路を循環して、装置全体、特に挟持された拡散層Ｄの近傍を燃料電池の運転状態に疑似した温度環境とする。ガス導入ポート７７からガス排出ポート７９に至るガス流路に沿って温水流路を配置することにより、流路内部でのガス結露も防止できる。
【００４７】
ガス導入ポート７７から既知の湿度のガスを導入する。ガスはガス導入孔７８から下プレート６１の上面側におけるガス導入口６８に至り、そこから等しい長さとされた４本のガス案内溝６７ａを通過して貫通孔６６の１つの辺に達する。貫通孔６６には押圧板１００が位置しており、ガスは押圧板１００の裏面を通過して、貫通孔６６の対向する他方の辺に達する。そこから、ガス案内溝６７ｂを通過しガス排出口６９で１つにまとめられ、ガス排出孔８０から排出される。
【００４８】
押圧板１００の裏面を通過するときに、評価すべき拡散層Ｄの表面と接触する。押圧板１００の裏面に実際のセパレータと同じようにガス流路が形成されている場合には、該ガス流路に沿ってガスは流れる。ガスが拡散層Ｄの表面と接触しながら流下するときに、拡散層Ｄの水を持ち去る。この持ち去り量は拡散層Ｄの物性に依存して変化する。排出ガスの湿度を計測し、導入時での湿度との差を求めることにより、当該拡散層Ｄの排水性能を評価することができる。複数の拡散層について、同じ条件下で水の持ち去り量を評価することにより、客観的なデータを揃えることができ、単位セルの組み立て時にそのデータをきわめて有効に利用することができる。
【００４９】
【発明の効果】
上記のように、本発明によれば、燃料電池を構成する拡散層の性能評価、特に排水性能に基づく性能評価を拡散層単独で行うことができる。また、性能評価を実際の燃料電池の運転状態に疑似した状態で行うことができる。このような評価結果は、実際の燃料電池の組み立て時にきわめて有効に利用することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による燃料電池拡散層の排水性能による性能評価方法を実施するための装置の一実施の形態を示す正面図。
【図２】図１の装置の測定部本体を示す斜視図。
【図３】図２に示す装置の側面図。
【図４】測定部本体の要部を拡大して示す断面図。
【図５】図４のＶ−Ｖ線による水平方向の断面図。
【図６】図４のＶＩ−ＶＩ線による水平方向の断面図。
【図７】図４のＶＩＩ−ＶＩＩ線による水平方向の断面図。
【図８】図８ａは図４のＶＩＩＩ−ＶＩＩＩ線による水平方向の断面図であり、図８ｂは図８ａのｂ−ｂ線による断面図である。
【図９】図４のＩＶ−ＩＶ線による断面図。
【図１０】誘水プレートを示す図であり、図１０ａは平面図、図１０ｂは図１０ａのｂ−ｂ線による断面図、図１０ｃは底面図である。
【図１１】誘水プレートの要部を拡大して示す図であり、図１１ａは平面図、図１１ｂは図１１ａのｂ−ｂ線による断面図、図１１ｃは一部断面による斜視図である。
【図１２】第１の平板状のダイヤフラムを示す図であり、図１２ａは平面図、図１２ｂは図１２ａのｂ−ｂ線による断面図。
【図１３】第２の平板状のダイヤフラムを示す図であり、図１３ａは平面図、図１３ｂは図１３ａのｂ−ｂ線による断面図。
【符号の説明】
Ａ…燃料電池拡散層の排水性能による性能評価をするための装置、Ｂ…測定部本体、Ｃ…水供給手段、Ｄ…評価すべき拡散層、１０…載置手段、６０…挟持手段、９０…加圧手段、１１…底盤、１２…中間ブロック、１３…上盤、１２ａ…温水入力ポート、１７…漏斗状部分、１９…温水流路としての凹溝、２０ａ…温水排水ポート、３０…水供給ホーン、３３…漏斗状拡開部、３５…漏斗状拡開部の内部空間、３７…漏斗状拡開部の下面側と漏斗状部分との間には空間、４０…誘水プレート、４１ａ、４１ｂ…多数の凹溝、４２…多数の水導入用孔、６０Ａ…挟持手段を形成する第１の手段、６０Ｂ…挟持手段を形成する第２の手段、６１…下プレート、６２…中プレート、６３…環状の第１中間体、６４…第２中間体、６６…下プレートに形成した貫通孔、６７ａ、６７ｂ…ガス案内溝、６８…ガス導入口、６９…ガス排出口、７７…ガス導入ポート、７９…ガス排出ポート、８１…第１の平板状のダイヤフラム、８７…第２の平板状のダイヤフラム、９１…ハンドル、９２…第１の機枠、９３…第２の機枠、９４…コイルばね、９５…ロードセル、１００…押圧板（セパレータ相当体）、１０１…支柱、１１０…熱電対、１１２…温水流入ポート、１１３…温水排水ポート、２０１…電子天秤、２０２…水容器、２０３…蓋、２０４…水供給管
【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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【図１３】
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