(57)【要約】【課題】発電時に近い条件で燃料電池に用いられる拡散層の通気性を評価することが可能な拡散層評価装置および拡散層評価方法を提供する。【解決手段】試料である拡散層を配置する容器である試料室を、試料によって試料前室と試料後室とに隔て、試料前室に水分および霧状の水滴を含んだ気体を送出し、試料前室内の気圧と試料後室内の気圧との差の時間変化を測定する。試料の拡散層には通過する気体から水分が付着し、燃料電池の発電時と同様に拡散層の内部が湿潤な状態での拡散層の気体透過特性を調べることができる。差圧の時間変化が小さい拡散層を燃料電池に用いたほうが、燃料電池の出力が向上する。【選択図】図１
2004363041.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
拡散層構造体によって試料前室と試料後室とに隔てられる試料室と、
前記試料前室に水分を含んだ気体を送出する気体供給部と、
前記試料前室内の気圧と前記試料後室内の気圧との差を測定する差圧計と
を有することを特徴とする拡散層評価装置。
【請求項２】
前記気体供給部から前記試料前室に送出される気体に霧状の水滴を含ませる噴霧部を有することを特徴とする請求項１記載の拡散層評価装置。
【請求項３】
前記噴霧部が、加熱装置に水分を供給することで水蒸気による水滴を発生することを特徴とする請求項２記載の拡散層評価装置。
【請求項４】
前記噴霧部が、超音波振動子を振動させて前記超音波振動子に水分を供給することで霧状の水滴を発生することを特徴とする請求項２記載の拡散層評価装置。
【請求項５】
前記試料前室と前記噴霧部との間に、前記試料前室に流入する気体を冷却する気体冷却部が備えられていることを特徴とする請求項２記載の拡散層評価装置。
【請求項６】
前記気体冷却部が前記噴霧器の鉛直上方に配置され、前記気体冷却部で結露した水分が前記噴霧器に供給されることを特徴とする請求項５記載の拡散層評価装置。
【請求項７】
前記差圧計を複数有し、前記試料前室内の気圧と前記試料後室内の気圧との差によって、計測に用いる差圧計を変更することを特徴とする請求項１記載の拡散層評価装置。
【請求項８】
前記試料後室が大気圧に開放されていることを特徴とする請求項１記載の拡散層評価装置。
【請求項９】
拡散層構造体を配置する試料室を、前記拡散層構造体によって試料前室と試料後室とに隔て、
前記試料前室に水分を含んだ気体を送出し、
前記試料前室内の気圧と前記試料後室内の気圧との差の時間変化を測定する
ことを特徴とする拡散層評価方法。
【請求項１０】
前記試料前室に送出される気体に霧状の水滴を含ませることを特徴とする請求項９記載の拡散層評価方法。
【請求項１１】
加熱装置に水分を供給することで水蒸気による水滴を発生すること、または、超音波振動子に水分を供給して前記超音波振動子を振動させることで霧状の水滴を発生することを特徴とする請求項１０記載の拡散層評価方法。
【請求項１２】
前記試料前室に流入する気体を冷却して、結露した水分を再び霧状の水滴にして前記試料前室に送出される気体に含ませることを特徴とする請求項９記載の拡散層評価方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料電池等に用いられる拡散層評価装置および評価方法に関し、特に拡散層の気体透過特性および発電効率を評価するための拡散層評価装置および評価方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
燃料電池は、燃料と酸素（酸化剤ガス）を電気化学的に反応させることにより発電を行う発電素子である。燃料電池は、発電により生成される生成物が水であることから環境を汚染することがない発電素子として近年注目されており、例えば自動車を駆動するための駆動電源や家庭用コジェネレーションシステムとして使用する試みが行われている。さらに、上述の自動車駆動用の駆動電源等に止まらず、例えばノート型パソコン、携帯電話及びＰＤＡ（Ｐｅｒｓｏｎａｌ  Ｄｉｇｉｔａｌ  Ａｓｓｉｓｔａｎｃｅ）などの携帯型電子機器の駆動電源としての燃料電池の開発も活発に行われている。このような燃料電池においては、所要の電力を安定して出力できるとともに、携帯可能なサイズ及び重量とされることが重要となり、このような要求に対応するべく各種技術開発が盛んに行われている。
【０００３】
従来から提案されている燃料電池の構成例を図６に示す。燃料電池では、プロトンを伝導する固体高分子電解質からなる伝導体膜１と、この伝導体膜１を挟持するように伝導体膜の両面に配設される二つの燃料極２と酸化剤極３とにより接合体４（Ｍｅｍｂｒａｎｅ  Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ  Ａｓｓｅｍｂｌｙ：ＭＥＡ）が構成される。ここで、伝導体膜１には、高エネルギー密度化、低コスト化、軽量化等の要求を考慮して、例えばパーフルオロスルホン酸系の固体高分子電解質膜が用いられる。
【０００４】
上記接合体４を挟み込むようにセパレータ５が配置されるが、セパレータ５の燃料極２，酸化剤極３と接する面には、それぞれ燃料である水素を流すための燃料流路６、及び空気を流すための空気流路７が形成されている。この燃料流路６に水素ガスを供給することで、接合体４の燃料極２のほぼ全面に水素ガスが供給されることになり、空気流路７に酸素を含んだ空気を供給することで、接合体４の酸化剤極３に酸素ガスが供給される。
【０００５】
燃料極２には、燃料流路６から燃料である水素が供給され、供給された水素が水素イオンと電子とに解離され、水素イオンは伝導体膜１を通り、電子は外部回路を通って電力を発生させ、酸化剤極３にそれぞれ移動する。酸化剤極３には、空気流路７から酸化剤である酸素（空気）が供給され、供給された空気中の酸素と上記水素イオン及び電子が反応して水が生成する。
【０００６】
燃料極２および酸化剤極３は、電気伝導性と通気性を有するカーボンペーパー８上に拡散層９および触媒層１０が形成された構造を有しており、それぞれ触媒層１０側が伝導体膜１と接触して配置されている。触媒層１０は伝導体膜１と接触する界面での発電反応を促進する材質であり、例えば白金が用いられる。
【０００７】
カーボンペーパー８と拡散層９とは、燃料ガスや酸素ガスを触媒層１０に対して供給するために通気性を有している必要があり、発電によって生じた電子を伝導するために導電性を有する必要がある。このためカーボンファイバーや、各種カーボン粒子などの導電性材料を、多孔質状に組み合わせた部材が使用される。
【０００８】
燃料電池では、カーボンペーパー８と拡散層９および触媒層１０での燃料ガスや酸素ガスのイオン化によって発電反応が起こるため、カーボンペーパー８と拡散層９での通気性が発電効率に影響を与えることになる。カーボンペーパー８と拡散層９の多孔質構造において、導電性を重視して多孔質の空隙を少なくすると、燃料ガスや酸素ガスを触媒層１０に供給することが困難になり発電効率が低下してしまう。逆に、通気性を重視してカーボンペーパー８と拡散層９の多孔質の空隙を多くすると、導電性やイオン化の効率が悪化してしまう。
【０００９】
そこで、燃料電池に用いられる拡散層の通気性を測定して、拡散層の評価を行うという要求が出てくるようになった。従来から、拡散層である炭素繊維織布にガスを透過させて、透過量と差圧を測定することで拡散層単体の性能評価を行う方法が提案されている（例えば特許文献１および特許文献２参照）。
【００１０】
【特許文献１】特開２０００−５９９９３２号公報
【００１１】
【特許文献２】特開２０００−５８３１０４号公報
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】
燃料電池が発電を行うためには燃料ガスや酸素ガスが触媒層に到達しなければならないため、拡散層のガス透過量とガス透過前後の差圧を測定することは重要である。しかしながら、上述した特許文献１および特許文献２に記載されている拡散層の評価方法においては、拡散層を透過させるガスとして乾燥空気を用いている。実際の燃料電池の発電においては、発電反応に寄与するプロトンを伝導体膜が伝導するためには伝導体膜は適度な湿潤状態である必要がある。
【００１３】
また、燃料電池の発電反応によって水分が発生するために、拡散層には水分が付着している状態となるはずである。特に酸化剤極側においては、生成した水分が多孔質の目につまって通気性が悪化し、酸素ガスが触媒層に到達するのを阻害してしまう。したがって、乾燥空気を用いて拡散層のガス透過量と差圧を測定したとしても、発電時の燃料電池の環境条件とは異なるために生成水が発生している状態を摸擬しているとは言えず、評価方法としての信頼性に疑問が残る。
【００１４】
また、拡散層やカーボンペーパーは多孔質であり、撥水性を有している場合も多いため、ガス透過量の測定時に外部から水を滴下したとしても、拡散層およびカーボンペーパー内部にまで水が浸透しにくい。そのため、外部から水を滴下した場合には、カーボンペーパーや拡散層の表面に水分が膜を張って通気性を阻害する上に、内部には水分が浸透せずに発電時の湿潤状態とは異なる環境条件となってしまう。
【００１５】
したがって本願発明は、発電時に近い条件で燃料電池に用いられる拡散層の通気性を評価することが可能な拡散層評価装置および拡散層評価方法を提供することを課題とする。
【００１６】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために本願発明の拡散層評価装置は、拡散層構造体によって試料前室と試料後室とに隔てられる試料室と、前記試料前室に水分を含んだ気体を送出する気体供給部と、前記試料前室内の気圧と前記試料後室内の気圧との差を測定する差圧計とを有することを特徴とする。
【００１７】
試料前室に水分を含んだ気体を送出することで、拡散層構造体の内部にも水分を浸透させた状態とすることができる。燃料電池の発電反応時には生成した水分によって拡散層構造体が湿潤状態になるため、拡散層構造体の内部に水分が浸透した状態で試料前室と試料後室との気圧差を測定することで、燃料電池を使用した状況に近い環境で拡散層構造体の気体透過特性および発電効率を調べることが可能となる。気圧差の時間変化と拡散層構造体を燃料電池に用いた場合の出力を比較すると、気圧差の時間変化が小さい拡散層構造体のほうが燃料電池の出力が大きくなることがわかる。このため、気圧差の時間変化である差圧上昇率を測定することで、拡散層構造体を燃料電池に用いたときの気体透過特性を評価することができる。
【００１８】
また、噴霧部で気体供給部から試料前室に送出される気体に霧状の水滴を含ませることで、拡散層構造体の湿潤状態をより一層燃料電池の発電時状況に近づけることができる。このとき噴霧部が、加熱装置に水分を供給することで水蒸気による水滴を発生させてもよく、超音波振動子を振動させて超音波振動子に水分を供給することで霧状の水滴を発生させるとしてもよい。加熱装置や超音波振動子などの既存の技術によって霧状の水滴を発生させることができるため、簡便に拡散層評価装置を設計することが可能となる。
【００１９】
また、試料前室と前記噴霧部との間に、試料前室に流入する気体を冷却する気体冷却部を備え、気体冷却部が噴霧器の鉛直上方に配置され、気体冷却部で結露した水分が噴霧器に供給される。噴霧部に供給される水分が試料前室に流入する前に冷却されることで、試料である拡散層構造体に到達する気体の温度を一定にすることができる。また、冷却されて結露した水分を再度噴霧器に供給することで、一定期間内に気体に含まれる水滴量の変動を少なくし、拡散層構造体に一定量の水分を供給し続けることが可能となる。
【００２０】
また、差圧計を複数有し、試料前室内の気圧と試料後室内の気圧との差によって、計測に用いる差圧計を変更することで、資料の差圧に対応したレンジの差圧計を用いて正確な気圧差を測定することができ、拡散層構造体の評価を正確に行うことが可能となる。さらに、試料後室を大気圧に開放することによって、試料前室内へ水分を含んだ気体を流入させたことによって生じる試料前室と試料後室の気圧差は、拡散層構造体の気体透過特性が主たる要因となり、拡散層構造体の特性評価精度を向上させることが可能となる。
【００２１】
また、上記課題を解決するために本願発明の拡散層評価方法は、拡散層構造体を配置する試料室を、前記拡散層構造体によって試料前室と試料後室とに隔て、前記試料前室に水分を含んだ気体を送出し、前記試料前室内の気圧と前記試料後室内の気圧との差の時間変化を測定することを特徴とする。
【００２２】
試料前室に水分を含んだ気体を送出することで、拡散層構造体の内部にも水分を浸透させた状態とすることができる。燃料電池の発電反応時には生成した水分によって拡散層構造体が湿潤状態になるため、拡散層構造体の内部に水分が浸透した状態で試料前室と試料後室との気圧差を測定し、気圧差の時間変化を計算することで、燃料電池を使用した状況に近い環境で拡散層構造体の気体透過特性および発電効率を調べることが可能となる。気圧差の時間変化と拡散層構造体を燃料電池に用いた場合の出力を比較すると、気圧差の時間変化が小さい拡散層構造体のほうが燃料電池の出力が大きくなることがわかる。このため、気圧差の時間変化である差圧上昇率を測定することで、拡散層構造体を燃料電池に用いたときの気体透過特性を評価することができる。
【００２３】
【発明の実施の形態】
以下、本願発明を適用した拡散層評価装置および拡散層評価方法について、図面を参照しながら詳細に説明する。なお本願発明は、以下の記述に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適宜変更可能である。
【００２４】
図１に本発明の拡散層評価装置の断面図を示す。拡散層評価装置は、気体を一定流量で送出するマスフローメーター２１と、気体に水分を含ませる加湿器２２と、試料の通気性を測定する試料室である計測用配管２３と、計測用配管２３の中間位置で試料を保持する試料保持部２４と、試料を通過する前後での気体の気圧差を測定する差圧計２５ａ，２５ｂと、霧状の水滴を発生するヒーター２６と、ヒーター２６に水を供給するディスペンサー２７と、気体を冷却する冷却部２８と、冷却部２８に冷却水を供給する水冷ポンプ２９を有している。
【００２５】
マスフローメーター２１は、外部から供給される気体の流量が一定となるように流量の調整を行いながら、気体を加湿器２２に送出する装置である。加湿器２２は、マスフローメーター２１から送出される気体に水蒸気を含ませて加湿をおこなう装置であり、例えば、水を蓄えた水槽の水中に気体を導入してバブリングを行う水中通気装置が用いられる。マスフローメーター２１と加湿器２２とによって、測定対象に水分を含んだ気体を供給する気体供給部が構成されることになる。マスフローメーター２１と加湿器２２および後述する計測用配管２３の間は例えばウレタンチューブなどの気体流路で接続されており、気体供給部から送出される水分を含んだ気体は漏洩せずに計測用配管２３に流入する。
【００２６】
計測用配管２３は鉛直方向に立てられた管状の部材であり、試料保持部２４によって試料前室２３ａと試料後室２３ｂを構成する管状部材が連結されて計測用配管２３となっている。試料前室２３ａと試料後室２３ｂとの境界には、試料保持部２４によって多孔質試料３０が保持され、試料である多孔質試料３０によって試料前室２３ａと試料後室２３ｂとが隔てられている。試料保持部２４では、試料前室２３ａ、試料後室２３ｂおよび多孔質試料３０の各部での気密が確保されており、試料前室２３ａと試料後室２３ｂとの間では気体の授受は多孔質試料３０を介したものとなる。
【００２７】
試料前室２３ａは計測用配管２３の下部に位置し、試料前室２３ａ下端には流入口３２が形成されており、マスフローメーター２１と加湿器２２から一定流量で送出された水分を含んだ気体が、流入口３２から試料前室２３ａ内に流れ込む。試料後室２３ｂは計測用配管２３の上部に位置し、上端に外部との気体の授受が可能に開放された開放ノズル３１が取り付けられている。試料前室２３ａに導入された気体は多孔質試料３０を通過して試料後室２３ｂに流入し、試料後室２３ｂ内の気体が開放ノズル３１を通過して拡散層評価装置の外部に放出される。
【００２８】
ヒーター２６は、流入口３２の下部に接続された加熱装置であり、ディスペンサー２７から供給される水分を過熱して水蒸気にする。ディスペンサー２７は、ヒーター２６に対して一定量の水分を供給する装置であり、例えば水の流量を測定する流量計、水を貯蔵しておく水分タンク、流量の調整を行う流量バルブなどによって構成される。ヒーター２６に隣接して温度センサー３３が配置されており、ヒーター２６と温度センサー３３がヒーター制御部３４に接続されている。ヒーター制御部３４は温度センサー３３が測定した温度に基づいてヒーター２６に流す電流を制御する。
【００２９】
ディスペンサー２７から供給される水分はチューブを通って流入口３２に接続されたヒーター２６に滴下され、ヒーター２６の熱によって蒸発した水分は加湿器２２から試料前室２３ａに流入する気体と混合される。ディスペンサー２７が供給する水分量とヒーター２６の温度を制御することで、試料前室２３ａに流入する気体に混合される水分量を調整することが可能であり、蒸発した水分が水蒸気となるように霧状の粒子を含んだものとすることもできる。
【００３０】
ヒーター２６とディスペンサー２７とによって水分が霧状の粒子とされることで、試料前室２３ａに流入する気体に霧状の水滴が含まれることになる。したがって、ヒーター２６とディスペンサー２７とは気体に霧状の水滴を含ませる噴霧部として機能することになる。噴霧部としてはヒーターを用いるほかに、例えばディスペンサーから水分を超音波振動子に供給し、超音波振動子を振動させて水分を霧状の粒子にする構成を用いても良い。また、一般的な霧吹き装置のように微細な孔から圧力を加えた水分を放出することで霧状の水滴を発生するものを用いても良い。
【００３１】
一般的に霧状の水滴とは数μｍから数十μｍの直径の水滴のことを示すが、ここでは、霧状の水滴とは、空気中に微細な水滴が分散して空気の流動に応じて水滴の形状で移動する程度の直径の水滴であるとする。
【００３２】
冷却部２８は、試料前室２３ａの下部に取り付けられて、流入口３２から試料前室２３ａに流入する気体を冷却する部分である。冷却部２８は例えば、試料前室２３ａの周囲に冷却水が流れる配管を配し、水冷ポンプ２９から供給される冷却水が配管を流れることで、冷却水と試料前室２３ａの内部との熱交換を行う構成を用いる。冷却部２８は試料前室２３ａに流入する気体を冷却することが可能であれば良いので、熱電効果等を利用して試料前室２３ａに流入する気体と熱交換を行う構成など、一般的に冷却を際に用いられる装置を利用することができる。試料前室２３ａの内壁で冷却部２８が取り付けられた領域は、撥水性を有するコーティングが施されており、結露によって冷却された気体から生じた水滴がヒーター２６に流れ落ちるようになっている。
【００３３】
差圧計２５ａ，２５ｂは、それぞれ試料前室２３ａと試料後室２３ｂとに接続されて、試料前室２３ａ内部と試料後室２３ｂ内部との気圧差を測定する装置である。差圧計２５ａは差圧計２５ｂと比較して低気圧の条件下において良好な精度の測定を行うことができ、差圧計２５ｂは差圧計２５ａと比較して高気圧の条件下において良好な精度の測定を行うことができるものを用いる。試料前室２３ａおよび試料後室２３ｂの内部の気圧は気体の流入に応じて変化するので、気圧に応じた差圧の測定を行うためには、異なる測定領域の差圧計を用意して、適宜測定に用いる差圧計２５ａと差圧計２５ｂとを選択することが望ましい。
【００３４】
上述した拡散層評価装置において、マスフローメーター２１が一定の流量で気体を加湿器２２に供給すると、加湿器２２を通過した気体は水分を含んだ気体となる。このとき、気体に含まれる水分量を飽和水蒸気量と同等とすることが望ましい。加湿器２２で水分が加えられた気体には、ディスペンサー２７から供給された水分をヒーター２６で加熱して霧状の水滴が混入され、霧状の水滴を含んだ気体が流入口３２から試料前室２３ａに流入する。
【００３５】
試料前室２３ａの下部には冷却部２８が取り付けられているため、ヒーター２６で加熱された水蒸気と霧状の水滴を含んだ気体は冷却され、ほぼ一定の温度で試料前室２３ａ内に流入することになる。試料前室２３ａに流入する気体は、加湿器２２で水分が加えられた上に霧状の水滴を含んでいるために、冷却部２８で冷却されて温度が低下することで水分の一部が結露し、相対湿度がほぼ１００％で霧状の水滴を含むものとなる。冷却部２８で結露した水分は、試料前室２３ａの内壁を伝って下方に流れていき、再度ヒーター２６で加熱されて水蒸気となる。
【００３６】
冷却部２８で結露した水分を再度ヒーター２６で水蒸気とすることにより、ディスペンサー２７がヒーター２６に供給する水分は、結露と蒸発を繰り返すうちにいずれは試料前室２３ａ内部に霧状の水滴として流入していくことになる。したがって、ディスペンサー２７がヒーター２６に供給する水分量と同等の水分量が、定常的に試料前室２３ａに流入していると考えることができる。
【００３７】
試料前室２３ａに流入した気体は試料である多孔質試料３０の空隙部分を通って試料後室２３ｂに流れていく。試料前室２３ａから試料後室２３ｂに気体が移動するためには、気体が多孔質試料３０の微細な空隙を通過する必要があるため、気体の流速は低下して試料前室２３ａ内部と試料後室２３ｂ内部との間に気圧差が生じていく。また、多孔質試料３０を通過する気体は、霧状の水滴を含んで相対湿度がほぼ１００％であり、多孔質試料３０の内部を通過する際に水滴の一部が多孔質試料３０に付着する。多孔質試料３０に水滴が付着することにより、多孔質試料３０の空隙部分を気体が通過しにくくなり、試料前室２３ａ内部と試料後室２３ｂ内部との気圧差が生じ易くなる。
【００３８】
試料後室２３ｂに到達した気体は、開放ノズル３１から拡散層評価装置の外部に排出されるため、試料後室２３ｂ内部の気圧は外部の気圧と同程度に保たれることになる。また、試料後室２３ｂ内部の気体は湿度が高いために、試料である多孔質試料３０の試料後室２３ｂ側の表面が乾燥してしまうことを防止することができる。
【００３９】
多孔質試料３０に付着する水分は多孔質試料３０内部を通過する気体に含まれる水滴が付着したものなので、多孔質試料３０の表面だけではなく多孔質試料３０内部にも付着することになる。したがって、燃料電池の発電素子として多孔質試料３０を用いて、燃料電池の発電によって水分が発生した状態と近い環境で多孔質試料３０の気体透過特性を調べることが可能となる。
【００４０】
多孔質試料３０の空隙率や材質、構造などによって多孔質試料３０を通過する単位時間当たりの気体の流量が決まるため、マスフローメーター２１から供給される気体の流量と多孔質試料３０を通過する気体の流量の差によって、試料前室２３ａ内部と試料後室２３ｂ内部で気圧差が大きくなっていく。そこで本発明の拡散層評価装置を用いて、試料前室２３ａ内部と試料後室２３ｂ内部との気圧差を差圧計２５ａおよび差圧計２５ｂで測定し、差圧の時間変化を計算して多孔質試料３０の気体透過特性を調べる。差圧計２５ａと差圧計２５ｂは上述したように、良好な精度で気圧差を測定できる領域が互いに異なるものとし、試料前室２３ａ内部と試料後室２３ｂ内部の気圧差に応じてどちらの差圧計を用いて測定を行うかを選択する。
【００４１】
次に、本発明の拡散層評価装置を用いて気体透過特性を測定する試料である多孔質試料３０の例を図２に示す。多孔質試料３０は、カーボンペーパー３５上に拡散層３６が形成されたものを拡散層構造体として用いる。カーボンペーパー３５は炭素繊維が絡み合って紙状に成形された膜であり、炭素による導電性と空隙による通気性を有している。拡散層３６は炭素粒子と樹脂の粒子を混合した多孔質構造を有している。本実施の形態では拡散層構造体である多孔質試料３０としてカーボンペーパー３５上に拡散層３６が形成されたものを用いるが、通気性を有する膜であれば図１に示した拡散層評価装置を用いて、試料の気体透過特性を測定することが可能である。
【００４２】
したがって、本発明の拡散層評価装置および拡散層評価方法で評価する拡散層としては、カーボンペーパー３５のみを試料である拡散層構造体としてもよく、拡散層３６上に触媒層などを形成したものを試料である拡散層構造体としても良い。また、図２では拡散層３６をカーボンペーパー３５上に形成された多孔質構造の層であるとしたが、カーボンペーパー３５と拡散層３６の組み合わせを拡散層構造体という場合もあり、いずれの場合でも拡散層構造体は本発明の拡散層評価装置および拡散層評価方法で気体透過特性を評価することができる。
【００４３】
図２に示した多孔質試料３０は、燃料電池の接合体として用いることを想定しているため、ディスペンサー２７から供給される水分量は多孔質試料３０を用いた燃料電池が発電によって生成する水分量と同等に設定する。
【００４４】
［実施例］
図２に示した多孔質試料３０の拡散層の気体透過特性を、図１に示した拡散層評価装置を用いて測定した例を以下に説明する。
【００４５】
図１に示した拡散層評価装置で気体透過特性を評価するための試料として、図２に示したようにカーボンペーパー３５上に拡散層３６を形成した多孔質試料３０の構造をもつ実施例Ａ、実施例Ｂ、実施例Ｃを用意した。
【００４６】
実施例Ａは、カーボンペーパー３５として東レ株式会社製のカーボンペーパーを用い、三井・デュポンフロロケミカル株式会社製のＰＴＦＥ（ｐｏｌｙ  ｔｅｔｒａ  ｆｌｕｏｒｏｅｔｈｙｌｅｎｅ）ディスパージョンと電気化学工業（株）製のアセチレンブラックを４対６の割合で混合および攪拌して製作したインクをカーボンペーパー３５上にバーコートで塗布し、３８０度で一時間焼成して拡散層３６を形成したものである。
【００４７】
実施例Ｂは、カーボンペーパー３５として東レ株式会社製のカーボンペーパーを用い、三井・デュポンフロロケミカル株式会社製のＰＴＦＥ（ｐｏｌｙ  ｔｅｔｒａ  ｆｌｕｏｒｏｅｔｈｙｌｅｎｅ）ディスパージョンと電気化学工業（株）製のアセチレンブラックを６対４の割合で混合および攪拌して製作したインクをカーボンペーパー３５上にバーコートで塗布し、３８０度で一時間焼成して拡散層３６を形成したものである。
【００４８】
実施例Ｃは、カーボンペーパー３５として東レ株式会社製のカーボンペーパーを用い、三井・デュポンフロロケミカル株式会社製のＰＴＦＥ（ｐｏｌｙ  ｔｅｔｒａ  ｆｌｕｏｒｏｅｔｈｙｌｅｎｅ）ディスパージョンと電気化学工業（株）製のアセチレンブラックを６対４の割合で混合および攪拌して製作したインクを、カーボンペーパー３５上にスクリーン印刷により３ｍｍピッチで千鳥状に塗布し、３８０度で一時間焼成して拡散層３６を形成したものである。
【００４９】
多孔質試料３０を燃料電池に用いた場合、燃料電池の発電反応によって電子一個あたりに１／２の水が生成されるので、電流Ｉ（Ａ）あたりの生成水は、Ｉ／ｅ＊Ｍ／Ｎ（ｇ／秒）となる。ここでｅは電気素量＝１．６×１０Ｅ−１９（Ｃ）、Ｍは水の分子量＝１８（ｇ／ｍｏｌ）、Ｎはアボガドロ数＝６．０２×１０Ｅ２３である。
【００５０】
多孔質試料３０を用いた燃料電池が発電によって０．８Ａ／ｃｍ２の電流密度を発生した場合の生成水に相当する水分量を、ディスペンサー２７からヒーター２６に供給した。また、マスフローメーター２１が加湿器２２を通して試料前室２３ａに送出する気体の流量は気圧０．０４Ｍｐａで１０００ｃｃ／分に設定した。
【００５１】
図３は、試料前室２３ａ内部と試料後室２３ｂ内部との気圧差と経過時間の関係を示すグラフである。試料である多孔質試料３０として実施例Ａ、Ｂ、Ｃをそれぞれ３枚ずつ作成し、それぞれの測定結果と実施例Ａ、Ｂ、Ｃの平均値をプロットしてある。また、実施例Ａ、Ｂ、Ｃの平均値に最小二乗法で近似直線を引いて、時間を変数ｘ（分）とし差圧を変数ｙ（Ｐａ）とした一次関数を算出した。
【００５２】
実施例Ａの近似直線はｙ＝４８．３３７ｘ＋８９０．４８であり、実施例Ｂの近似直線はｙ＝１３．６８２ｘ＋２８２．１９であり、実施例Ｃの近似直線はｙ＝０．４０８９ｘ＋２５．７５１であった。このことから実施例Ａ、実施例Ｂ、実施例Ｃの順に試料前室２３ａと試料後室２３ｂでの差圧の上昇率が大きいことがわかる。差圧の上昇率が大きいということは、マスフローメーター２１から試料前室２３ａに供給される気体の流量と、多孔質試料３０を透過して試料後室２３ｂに流れていく気体の流量との差が大きいことを意味し、多孔質試料３０が気体を透過し難いということを示している。
【００５３】
次に図１に示した拡散層評価装置を用いて測定した多孔質試料３０の気体透過特性と、多孔質試料３０を燃料電池に用いた場合の発電性能との関係を調べるために、多孔質試料３０を用いて発電体を作成する。多孔質試料３０である実施例Ａ、Ｂ、Ｃのそれぞれに、デュポン（株）製のナフィオン（登録商標）と田中貴金属工業株式会社製の白金担持カーボンを混合して、バーコーターで拡散層３６上に塗付して触媒層を作製し、伝導体膜としてのナフィオン（登録商標）に触媒層が形成された多孔質試料３０を組合わせて、加圧および過熱して燃料電池の発電素子である接合体を製作した。
【００５４】
上述した方法で作成した燃料電池に酸素と水素を供給して発電を行い、電流値と電圧値を測定した。図４は実施例Ａ、Ｂ、Ｃのそれぞれを用いた燃料電池の出力電流密度を横軸とし、出力電圧を縦軸として測定結果をプロットしたグラフである。図中に三角で示した点が実施例Ａを用いた燃料電池の電流電圧特性であり、図中に四角で示した点が実施例Ｂを用いた燃料電池の電流電圧特性であり、図中に丸で示した点が実施例Ｃを用いた燃料電池の電流電圧特性である。同一の電流密度を出力する際の出力電圧は、実施例Ａ、実施例Ｂ、実施例Ｃの順に低いことがわかる。
【００５５】
図３に示したグラフからは、実施例Ａ、実施例Ｂ、実施例Ｃの順に差圧の上昇率が大きいことがわかり、図４に示したグラフからは、実施例Ａ、実施例Ｂ、実施例Ｃの順に燃料電池の出力電力が小さいことがわかる。したがって、図１に示した本発明の拡散層評価装置を用いて、多孔質試料３０で隔てられた試料前室２３ａ内と試料後室２３ｂ内との気圧差の時間変化を調べることにより、差圧の上昇率が小さく気体透過特性の優れた拡散層を用いた燃料電池のほうが、発電効率が良いことがわかる。
【００５６】
また、差圧の上昇率が大きい実施例Ａ、実施例Ｂ、実施例Ｃの順に、出力電流密度が大きくなるにつれて出力電圧が低くなる傾向が強くなる。図５に出力電流密度が０．４Ａ／ｃｍ２と０．８Ａ／ｃｍ２での出力電圧を実施例Ａ、実施例Ｂ、実施例Ｃについて示した。横軸は図３で示した差圧上昇率を示し、縦軸は出力電圧を示す。図中左から実施例Ｃ、実施例Ｂ、実施例Ａを示している。
【００５７】
出力電流密度が０．４Ａ／ｃｍ２と０．８Ａ／ｃｍ２のいずれでも、差圧上昇率が小さい実施例Ｃ、実施例Ｂ、実施例Ａの順に出力電圧が大きくなっている。また、差圧上昇率が大きい実施例Ａ、実施例Ｃ、実施例Ｂの順に、電流密度が０．４Ａ／ｃｍ２から０．８Ａ／ｃｍ２に変化した場合の出力電力の低下が著しくなる。
【００５８】
これは、出力電流密度が０．８Ａ／ｃｍ２のほうが０．４Ａ／ｃｍ２のときよりも発電反応によって生成される水分量が多いために、多孔質試料３０の気体透過特性が優れているほうが発電に必要な酸素や水素を取り込み易いためと考えられる。したがって図５からも、図１に示した本発明の拡散層評価装置を用いて、多孔質試料３０で隔てられた試料前室２３ａ内と試料後室２３ｂ内との気圧差の時間変化を調べることにより、差圧の上昇率が小さく気体透過特性の優れた拡散層を用いた燃料電池のほうが、発電効率が良いことがわかり、差圧上昇率が拡散性能を現す一つのパラメータとして使えることを示している。
【００５９】
本発明の拡散層評価装置および拡散層評価方法では、気体に霧状の水滴を含ませて拡散層の気体透過特性を測定するので、拡散層を燃料電池に用いて発電によって水分が生成された状態と似た環境で拡散層の評価を行うことができる。
【００６０】
【発明の効果】
試料前室に水分を含んだ気体を送出することで、拡散層の内部にも水分を浸透させた状態とすることができる。燃料電池の発電反応時には生成した水分によって拡散層が湿潤状態になるため、拡散層の内部に水分が浸透した状態で試料前室と試料後室との気圧差を測定することで、燃料電池を使用した状況に近い環境で拡散層の気体透過特性および発電効率を調べることが可能となる。気圧差の時間変化と拡散層を燃料電池に用いた場合の出力を比較すると、気圧差の時間変化が小さい拡散層のほうが燃料電池の出力が大きくなることがわかる。このため、気圧差の時間変化である差圧上昇率を測定することで、拡散層を燃料電池に用いたときの気体透過特性を評価することができる。
【００６１】
また、噴霧部で気体供給部から試料前室に送出される気体に霧状の水滴を含ませることで、拡散層の湿潤状態をより一層燃料電池の発電時状況に近づけることができる。このとき噴霧部が、加熱装置に水分を供給することで水蒸気による水滴を発生させてもよく、超音波振動子を振動させて超音波振動子に水分を供給することで霧状の水滴を発生させることもできる。加熱装置や超音波振動子などの既存の技術によって霧状の水滴を発生させることができるため、簡便に拡散層評価装置を設計することが可能となる。
【００６２】
また、試料前室と前記噴霧部との間に、試料前室に流入する気体を冷却する気体冷却部を備え、気体冷却部が噴霧器の鉛直上方に配置され、気体冷却部で結露した水分が噴霧器に供給される。噴霧部に供給される水分が試料前室に流入する前に冷却されることで、試料である拡散層に到達する気体の温度を一定にすることができる。また、冷却されて結露した水分を再度噴霧器に供給することで、一定期間内に気体に含まれる水滴量の変動を少なくし、拡散層に一定量の水分を供給し続けることが可能となる。
【００６３】
また、差圧計を複数有し、試料前室内の気圧と試料後室内の気圧との差によって、計測に用いる差圧計を変更することで、試料前室内や資料後室内の気圧が変化した場合にもその気圧に適した差圧計を用いて正確な気圧差を測定することができ、多孔質膜の評価を正確に行うことが可能となる。さらに、試料後室を大気圧に開放することによって、試料前室内へ水分を含んだ気体を流入させたことによって生じる試料前室と試料後室の気圧差は、多孔室膜の気体透過特性が主たる要因となり、多孔室膜の特性評価精度を向上させることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の拡散層評価装置の構造を示す断面図である。
【図２】本発明で試料として測定する多孔質試料の構造を示す模式断面図である。
【図３】本発明の拡散層評価装置を用いて実施例Ａ、Ｂ、Ｃについて試料前室と試料後室との気圧差の時間変化を測定した結果を示すグラフである。
【図４】本発明の拡散層評価装置を用いて気体透過特性を評価した実施例Ａ、Ｂ、Ｃを用いて作成した燃料電池の電流電圧特性を示すグラフである。
【図５】本発明の拡散層評価装置を用いて気体透過特性を評価した実施例Ａ、Ｂ、Ｃを用いて作成した燃料電池で、出力電流が変化したときの出力電圧の変化を気体透過特性ごとに比較したグラフである。
【図６】従来から提案されている燃料電池の構造を示す模式断面図である。
【符号の説明】
１    伝導体膜
２    燃料極
３    酸化剤極
４    接合体
５    セパレータ
６    燃料流路
７    空気流路
８，３５    カーボンペーパー
９，３６    拡散層
１０    触媒層
２１    マスフローメーター
２２    加湿器
２３    計測用配管
２３ａ    試料前室
２３ｂ    試料後室
２４    試料保持部
２５ａ，２５ｂ    差圧計
２６    ヒーター
２７    ディスペンサー
２８    冷却部
２９    水冷ポンプ
３０    多孔質試料
３１    開放ノズル
３２    流入口
３３    温度センサー
３４    ヒーター制御部
【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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