(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
液体中の燃料電池用電解質膜を固定する固定手段と、
前記液体中の燃料電池用電解質膜の温度を変化させる温度変化手段と、
前記燃料電池用電解質膜を測定するラマン分光装置と、
を備える燃料電池電解質膜の高温挙動解析治具であって、
前記固定手段が試料を挟む容器および押し具からなり、前記液体と前記固定手段とが透明または半透明である燃料電池電解質膜の高温挙動解析治具。
【請求項２】
試料に圧力を付与する圧力付与手段を設けた請求項１記載の燃料電池電解質膜の高温挙動解析治具。
【請求項３】
液体中の燃料電池用電解質膜を固定手段で固定し、該液体中の燃料電池用電解質膜の温度を温度変化手段によって使用温度に調整し、燃料電池用電解質膜の高温挙動をラマン分光装置によって解析する、燃料電池電解質膜の高温挙動解析方法であって、前記固定手段が試料を挟む容器および押し具からなり、前記液体と前記固定手段とが透明または半透明である燃料電池電解質膜の高温挙動解析方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料電池電解質膜の高温挙動解析治具とそれを用いた燃料電池電解質膜の高温挙動解析方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
固体高分子電解質型燃料電池は、図４、図５に示すように、イオン交換膜からなる電解質膜１１とこの電解質膜の一面に配置された触媒層１２および拡散層１３からなる電極１４（アノード、燃料極）および電解質膜の他面に配置された触媒層１５および拡散層１６からなる電極１７（カソード、空気極）とからなる膜−電極アッセンブリ（ＭＥＡ：Membrane-Electrode Assembly ）と、アノード、カソードに燃料ガス（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通路を形成するセパレータ１８とからセルを構成し、複数のセルを積層してモジュール１９とし、モジュールを積層してモジュール群を構成し、モジュール群のセル積層方向両端に、ターミナル２０、インシュレータ２１、エンドプレート２２を配置してスタック２３を構成し、スタックをスタックの外側でセル積層体積層方向に延びる締結部材（たとえば、テンションプレート２４）にて締め付け、ボルト２５で固定したものからなる。セパレータ１８には、反応ガス流路２７（燃料ガス流路２７ａ、酸化ガス流路２７ｂ）が形成される。
固体高分子電解質型燃料電池では、アノード側では、水素を水素イオンと電子にする反応が行われ、水素イオンは電解質膜中をカソード側に移動し、カソード側では酸素と水素イオンおよび電子（隣りのＭＥＡのアノードで生成した電子がセパレータを通してくる）から水を生成する反応が行われる。
アノード側：Ｈ2 →２Ｈ+ ＋２ｅ- 
カソード側：２Ｈ+ ＋２ｅ- ＋（１／２）Ｏ2 →Ｈ2 Ｏ
プロトンが電解質膜１１中を移動し上記反応が円滑に行われるには、電解質膜１１が適度に湿潤していることが必要である。
また、燃料電池ではジュール熱が発生しカソードでの水生成反応では熱が出るので、セパレータ間には、各セル毎にあるいは複数個のセル毎に、冷却媒体（通常は冷却水）が流れる流路２６が形成されており、燃料電池を冷却している。これによって、燃料電池の運転中、電解質膜１１は約９０℃の温度にある。
従来、特開２０００−１９３５９３は、電池セル内の電解液中の電極をオンサイトでラマン光により測定する技術を開示している。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、従来方法は、電極の測定であり、電解質膜は電極に挟まれているので測定できない。
また、約９０℃での高温での測定ではなく、高温挙動については解析できない。また、電解質膜にはスタック締結時に締結荷重がかかるが、荷重がかかった状態での電解質膜の測定についても開示がない。
本発明の目的は、燃料電池電解質膜の高温挙動を測定できる燃料電池電解質膜の高温挙動解析治具および方法を提供することにある。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成する本発明はつぎの通りである。
（１）  液体中の燃料電池用電解質膜を固定する固定手段と、
前記液体中の燃料電池用電解質膜の温度を変化させる温度変化手段と、
前記燃料電池用電解質膜を測定するラマン分光装置と、
を備える燃料電池電解質膜の高温挙動解析治具であって、
前記固定手段が試料を挟む容器および押し具からなり、前記液体と前記固定手段とが透明または半透明である燃料電池電解質膜の高温挙動解析治具。
（２）  試料に圧力を付与する圧力付与手段を設けた（１）記載の燃料電池電解質膜の高温挙動解析治具。
（３）  液体中の燃料電池用電解質膜を固定手段で固定し、該液体中の燃料電池用電解質膜の温度を温度変化手段によって使用温度に調整し、燃料電池用電解質膜の高温挙動をラマン分光装置によって解析する、燃料電池電解質膜の高温挙動解析方法であって、前記固定手段が試料を挟む容器および押し具からなり、前記液体と前記固定手段とが透明または半透明である燃料電池電解質膜の高温挙動解析方法。
【０００５】
上記（１）の燃料電池電解質膜の高温挙動解析治具では、液体中の燃料電池用電解質膜の温度を変化させる温度変化手段が設けられているので、試料の電解質膜の温度を燃料電池使用温度に近づけることができ、温度上、実使用状態に近い条件下で電解質膜の測定を行うことができるようになった。
上記（１）の燃料電池電解質膜の高温挙動解析治具では、液体と固定手段とが透明または半透明であるので、容易に、試料の電解質膜にラマン光の焦点を合わせることができる。
上記（２）の燃料電池電解質膜の高温挙動解析治具では、試料に圧力を付与する圧力付与手段が設けられているので、試料の電解質膜の圧力を燃料電池スタック締結圧力に近づけることができ、圧力上、実使用状態に近い条件下で電解質膜の測定を行うことができるようになった。
上記（３）の燃料電池電解質膜の高温挙動解析方法では、液体中の燃料電池用電解質膜の温度を温度変化手段によって使用温度に調整するようにしたので、温度上、実使用状態に近い条件下で電解質膜の測定を行うことができるようになった。
上記（３）の燃料電池電解質膜の高温挙動解析治具方法では、液体と固定手段とが透明または半透明であるので、容易に、試料の電解質膜にラマン光の焦点を合わせることができる。
【０００６】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明実施例の燃料電池電解質膜の高温挙動解析治具および方法を、図１〜図３を参照して、説明する。
まず、装置を説明する。
燃料電池１０の構造は、図４、図５で説明したものに準じる。
本発明実施例の燃料電池電解質膜の高温挙動解析治具１は、液体中の燃料電池用電解質膜１１を固定する固定手段２と、液体中の燃料電池用電解質膜１１の温度を変化させる温度変化手段３と、燃料電池用電解質膜１１を測定するラマン分光装置４と、を備えている。ラマン分光装置４自体は市販品のものでよく、公知のものであり、試料にラマン光の焦点を合わせて、試料の分子構造などを解析する装置である。
【０００７】
固定手段２は、容器５と押し具６とからなり、容器５の底と押し具６の底との間に試料である燃料電池用電解質膜１１が挟まれる。容器５は、底と底から立ち上がる側壁と側壁の上端から互いに反対方向に延びる一対のフランジ部とを有する。押し具６は底と底の両端から立ち上がる一対の側壁と一対の側壁の上端から互いに反対方向に延びる一対のフランジ部とを有する。容器５と押し具６とはフランジ部で圧力付与手段７（たとえば、ボルト・ナット、以下、ボルト・ナットの場合で説明するが、電解質膜１１に圧力を付与できればボルト・ナット以外でもよい）にて締結され、このボルト・ナット７（圧力付与手段と同じであるため、符号を７とする）の締め具合を調整することによって、試料に付与される圧力が調整できるようになっている。圧力は、容器５と押し具６との間に介在された圧力センサ９などによって、測定される。
【０００８】
押し具６には、底に孔８があけられており、押し具６に電解液が入れられと、電解液は孔８を通して容器５と押し具６との間のスペースに流れ、電解質膜１１は液中に位置するようになる。電解液には燃料電池１０の実際の生成水を用いることが望ましい。
液体である電解液および固定手段２である容器５、押し具６は、透明または半透明である。固定手段２である容器５、押し具６は、たとえば、ガラスまたはプラスチックからなる。温度変化手段３は容器５の下側に配置されたヒーター（たとえば、電気ヒーター）からなる。
【０００９】
上記装置を用いて実行される本発明実施例の燃料電池電解質膜の高温挙動解析治具方法は、液体中の燃料電池用電解質膜１１を固定手段２で固定する工程と、液体中の燃料電池用電解質膜１１の温度を温度変化手段３によって使用温度に調整する工程と、燃料電池用電解質膜の高温挙動をラマン分光装置４によって解析する工程と、からなる。
【００１０】
固定手段２による固定工程では、容器５、押し具６間に電解質膜１１を挟んで固定し、ボルト・ナット７の締め付け度合いによって、電解質膜１１に付与される圧力を、燃料電池スタックの締め付け力に調整する。
温度変化手段３による温度調整工程では、ヒーター３によって電解質膜１１の温度を燃料電池運転温度下における電解質膜１１の温度（約９０℃）に近づける。
ラマン分光装置４による解析工程では、電解質膜１１の分子構造、分子の種類等をコンピュータにてスペクトル解析する。
【００１１】
つぎに、本発明実施例の燃料電池電解質膜の高温挙動解析治具と方法の作用を説明する。
本発明実施例の燃料電池電解質膜の高温挙動解析治具１およびそれを用いた燃料電池電解質膜の高温挙動解析方法では、液体中の燃料電池用電解質膜１１の温度を変化させる温度変化手段３（ヒーター）が設けられているので、試料の電解質膜１１の温度を実際の燃料電池使用温度（約９０℃）に近づけることができ、温度上、実使用状態に近い条件下で電解質膜１１の高温挙動（約９０℃での挙動）測定することができるようになった。
【００１２】
また、試料の電解質膜１１に圧力を付与する圧力付与手段７（ボルト・ナット）が設けられているので、試料の電解質膜１１の圧力を燃料電池スタック締結圧力に近づけることができ、圧力上、実使用状態に近い条件下で電解質膜１１の測定を行うことができるようになった。ヒーター３による温度調整とボルト・ナット７による圧力調整を行うことによって、温度、圧力上、実使用状態に近い条件下で電解質膜１１の測定を行うことができるようになった。
また、液体（電解液）と固定手段２（上下の容器５、６）とが透明または半透明であるので、容易に、試料の電解質膜１１にラマン光の焦点を合わせることができる。
【００１３】
【発明の効果】
請求項１の燃料電池電解質膜の高温挙動解析治具によれば、液体中の燃料電池用電解質膜の温度を変化させる温度変化手段を設けたので、試料の電解質膜の温度を燃料電池使用温度に近づけることができ、温度上、実使用状態に近い条件下で電解質膜の測定を行うことができる。
請求項１の燃料電池電解質膜の高温挙動解析治具によれば、液体と固定手段とが透明または半透明であるので、容易に、試料の電解質膜にラマン光の焦点を合わせることができる。
請求項２の燃料電池電解質膜の高温挙動解析治具によれば、試料に圧力を付与する圧力付与手段を設けたので、試料の電解質膜の圧力を燃料電池スタック締結圧力に近づけることができ、圧力上、実使用状態に近い条件下で電解質膜の測定を行うことができる。
請求項３の燃料電池電解質膜の高温挙動解析方法によれば、液体中の燃料電池用電解質膜の温度を温度変化手段によって使用温度に調整するようにしたので、温度上、実使用状態に近い条件下で電解質膜の測定を行うことができる。
請求項３の燃料電池電解質膜の高温挙動解析治具方法によれば、液体と固定手段とが透明または半透明であるので、容易に、試料の電解質膜にラマン光の焦点を合わせることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明実施例の燃料電池電解質膜の高温挙動解析治具の断面図である。
【図２】  本発明実施例の燃料電池電解質膜の高温挙動解析治具の平面図である。
【図３】  本発明実施例の燃料電池電解質膜の高温挙動解析治具の分解斜視図である。
【図４】  燃料電池の全体側面図である。
【図５】  図４の燃料電池の一部拡大断面図である。
【符号の説明】
１  燃料電池電解質膜の高温挙動解析治具
２  固定手段
３  温度変化手段（ヒーター）
４  ラマン分光装置
５  容器
６  押し具
７  圧力付与手段（たとえば、ボルト・ナット）
８  孔
９  圧力センサ
１０  （固体高分子電解質型）燃料電池
１１  電解質膜
１２  触媒層
１３  拡散層
１４  電極（アノード、燃料極）
１５  触媒層
１６  拡散層
１７  電極（カソード、空気極）
１８  セパレータ
１９  モジュール
２０  ターミナル
２１  インシュレータ
２２  エンドプレート
２３  スタック
２４  テンションプレート
２５  ボルト
２６  冷媒流路
２７  反応ガス流路
【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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