(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池を構成する要素のうち少なくとも電解質を含む評価対象要素の性能を評価する性能評価装置であって、所定の材料により形成され、前記評価対象要素の電解質に接して配置されるゲル層と、前記評価対象要素に前記燃料電池に用いる燃料を供給する燃料供給手段と、前記ゲル層と前記評価対象要素とに接続され、前記評価対象要素が燃料電池として機能する際の電気的なパスを構成する電気的パス構成手段と、前記ゲル層のプロトン分布を検出するプロトン分布検出手段とを備える燃料電池構成要素の性能評価装置。
【請求項２】
前記評価対象要素は、前記電解質の前記ゲル層が配置された面の裏面に接合された触媒層を備える要素である請求項１記載の燃料電池構成要素の性能評価装置。
【請求項３】
前記評価対象要素は、前記触媒層に接して配置され該触媒層に燃料を供給可能なセパレータを備える要素である請求項２記載の燃料電池構成要素の性能評価装置。
【請求項４】
請求項１記載の燃料電池構成要素の性能評価装置であって、前記評価対象要素は、前記電解質と、該電解質の前記ゲル層が配置された面の裏面の一部に配置された第１の触媒層と、前記電解質の前記第１の触媒層が配置された面の他部に配置された第２の触媒層とを備える要素であり、前記電気的パス構成手段は、前記ゲル層と前記評価対象要素に代えて前記第１の触媒層と前記第２の触媒層とに接続されてなる手段であり、前記燃料供給手段は、前記第１の触媒層に水素を含有する水素含有ガスを供給すると共に前記第２の触媒層に酸素を含有する酸素含有ガスを供給する手段である燃料電池構成要素の性能評価装置。
【請求項５】
前記ゲル層は、塩化カリウムが所定濃度となるよう調製された寒天ゲルにより所定厚さに形成されてなる請求項１ないし４のいずれかに記載の燃料電池構成要素の性能評価装置。
【請求項６】
前記プロトン分布検出手段は、前記ゲル層に一面が接するよう配置される窒化ケイ素により形成された窒化ケイ素層と、酸化シリコンにより前記窒化ケイ素層の他面に一面が接するよう形成された酸化シリコン層と、シリコンにより前記酸化シリコン層の他面に一面が接するように形成されたシリコン層と、前記シリコン層の他面に所定の光を走査しながら照射する光照射手段と、前記ゲル層と前記シリコン層との間に所定の電圧を印加する電圧印加手段と、該印加された電圧に基づいて前記所定の光が照射された部位のプロトンの濃度を検出するプロトン濃度検出手段とを備える請求項１ないし５のいずれかに記載の燃料電池構成要素の性能評価装置。
【請求項７】
前記プロトン分布検出手段により検出されたプロトンの分布を画像処理して出力する画像処理出力手段を備える請求項１ないし６のいずれかに記載の燃料電池構成要素の性能評価装置。
【請求項８】
燃料電池を構成する要素のうち少なくとも電解質を含む評価対象要素の性能を評価する性能評価方法であって、所定のゲル層に前記評価対象要素の電解質が接するよう配置し、前記評価対象要素に前記燃料電池に用いる燃料を供給し、前記所定のゲル層のプロトン分布を検出し、該検出されたプロトン分布に基づいて前記評価対象要素の性能を評価する燃料電池構成要素の性能評価方法。
【請求項９】
前記プロトン分布の検出ステップは、前記所定のゲル層に一面が接するよう配置された窒化ケイ素により形成された窒化ケイ素層と酸化シリコンにより該窒化ケイ素層の他面に一面が接するよう形成された酸化シリコン層とシリコンにより該酸化シリコン層の他面に一面が接するように形成されたシリコン層からなる検出層の該シリコン層の他面に所定の光を走査しながら照射し、該シリコン層と前記所定のゲル層との間に所定の電圧を印加し、該印加された電圧に基づいて前記所定の光が照射された部位のプロトンの濃度を検出することにより前記所定のゲル層のプロトン分布を検出するステップである請求項８記載の燃料電池構成要素の性能評価方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料電池構成要素の性能評価装置および性能評価方法に関し、詳しくは、燃料電池を構成する要素のうち少なくとも電解質を含む評価対象要素の性能を評価する性能評価装置および性能評価方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、燃料電池を評価する手法としては、カソードおよびアノードに対して基準となる参照電極を用いて行なう手法が提案されている（例えば、特開平２−５１８６６号公報など）。この手法では、参照電極とカソードとの電位差および参照電極とアノードとの電位差を検出し、検出した電位差から電池特性を解析している。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、こうした評価手法では、燃料電池を構成する要素の評価、特に要素の部位毎の評価を適切に行なうことができない。燃料電池は、燃料と電解質と触媒との接触点に生じる電気化学反応に基づいて発電するが、電解質と触媒は共に層状に形成されることが多いから、一般的には、電解質と触媒との接触点は面的な広がりを持っている。従来例の評価手法では、全体としての電池特性は解析できるが、面的な広がりを持つ電解質と触媒との各接触点における特性評価は行なうことができない。
【０００４】
本発明の燃料電池構成要素の性能評価装置および性能評価方法は、燃料電池を構成する要素の平面的な部位の性能を評価することを目的の一つとする。また、燃料電池構成要素の性能評価装置および性能評価方法は、燃料電池を構成する要素の形状が燃料電池に及ぼす影響を評価することを目的の一つとする。
【０００５】
【課題を解決するための手段およびその作用・効果】
本発明の燃料電池構成要素の性能評価装置および性能評価方法は、上述の目的の少なくとも一部を達成するために以下の手段を採った。
【０００６】
本発明の燃料電池構成要素の性能評価装置は、
燃料電池を構成する要素のうち少なくとも電解質を含む評価対象要素の性能を評価する性能評価装置であって、
所定の材料により形成され、前記評価対象要素の電解質に接して配置されるゲル層と、
前記評価対象要素に前記燃料電池に用いる燃料を供給する燃料供給手段と、
前記ゲル層と前記評価対象要素とに接続され、前記評価対象要素が燃料電池として機能する際の電気的なパスを構成する電気的パス構成手段と、
前記ゲル層のプロトン分布を検出するプロトン分布検出手段と
を備えることを要旨とする。
【０００７】
この本発明の燃料電池構成要素の性能評価装置では、ゲル層と評価対象要素とに接続された電気的パス構成手段により電気的なパスが構成されることにより、燃料供給手段によって評価対象要素へ燃料が供給されると、供給された燃料に基づいて評価対象要素は電気化学反応を生じてプロトンをゲル層に放出する。このゲル層に放出されたプロトンがプロトン分布検出手段によりその分布として検出されるから、そのプロトン分布に基づいて評価対象要素の性能を評価、即ち評価対象要素の面的な各部の性能の評価を行なうことができる。もとより、評価対象要素の各要素の全体的な評価および面的な各部の評価を行なうことができる。
【０００８】
こうした本発明の燃料電池構成要素の性能評価装置において、前記評価対象要素は、前記電解質の前記ゲル層が配置された面の裏面に接合された触媒層を備える要素であるものとすることができる。こうすれば、電解質の全体的な評価および面的な各部の評価や、触媒層の全体的な評価および面的な各部の評価を行なうことができる。この態様の本発明の燃料電池構成要素の性能評価装置において、前記評価対象要素は、前記触媒層に接して配置され該触媒層に燃料を供給可能なセパレータを備える要素であるものとすることもできる。こうすれば、セパレータの全体としての評価および面的な各部の評価，セパレータの形状が及ぼす影響の評価を行なうことができる。
【０００９】
また、本発明の燃料電池構成要素の性能評価装置において、前記評価対象要素は前記電解質と該電解質の前記ゲル層が配置された面の裏面の一部に配置された第１の触媒層と前記電解質の前記第１の触媒層が配置された面の他部に配置された第２の触媒層とを備える要素であり、前記電気的パス構成手段は、前記ゲル層と前記評価対象要素に代えて前記第１の触媒層と前記第２の触媒層とに接続されてなる手段であり、前記燃料供給手段は前記第１の触媒層に水素を含有する水素含有ガスを供給すると共に前記第２の触媒層に酸素を含有する酸素含有ガスを供給する手段であるものとすることもできる。こうすれば、電解質の評価、特に電解質内のプロトンの移動に関する評価を行なうことができる。
【００１０】
さらに、本発明の燃料電池構成要素の性能評価装置において、前記ゲル層は、塩化カリウムが所定濃度となるよう調製された寒天ゲルにより所定厚さに形成されてなるものとすることもできる。
【００１１】
あるいは、本発明の燃料電池構成要素の性能評価装置において、前記プロトン分布検出手段は、前記ゲル層に一面が接するよう配置される窒化ケイ素により形成された窒化ケイ素層と、酸化シリコンにより前記窒化ケイ素層の他面に一面が接するよう形成された酸化シリコン層と、シリコンにより前記酸化シリコン層の他面に一面が接するように形成されたシリコン層と、前記シリコン層の他面に所定の光を走査しながら照射する光照射手段と、前記ゲル層と前記シリコン層との間に所定の電圧を印加する電圧印加手段と、該印加された電圧に基づいて前記所定の光が照射された部位のプロトンの濃度を検出するプロトン濃度検出手段とを備えるものとすることもできる。
【００１２】
また、本発明の燃料電池構成要素の性能評価装置において、前記プロトン分布検出手段により検出されたプロトンの分布を画像処理して出力する画像処理出力手段を備えるものとすることもできる。こうすれば、プロトン分布およびプロトン分布が示す評価対象要素の性能を画像として出力することができる。
【００１３】
本発明の燃料電池構成要素の性能評価方法は、
燃料電池を構成する要素のうち少なくとも電解質を含む評価対象要素の性能を評価する性能評価方法であって、
所定のゲル層に前記評価対象要素の電解質が接するよう配置し、
前記評価対象要素に前記燃料電池に用いる燃料を供給し、
前記所定のゲル層のプロトン分布を検出し、
該検出されたプロトン分布に基づいて前記評価対象要素の性能を評価する
ことを要旨とする。
【００１４】
この本発明の燃料電池構成要素の性能評価方法によれば、評価対象要素へ燃料を供給することにより評価対象要素が電気化学反応を生じてゲル層に放出するプロトンの分布を検出し、そのプロトン分布に基づいて評価対象要素の性能を評価することができる。プロトン分布に基づくから評価対象要素の面的な各部の性能の評価を行なうことができる。もとより、評価対象要素の各要素の全体的な評価および面的な各部の評価も行なうことができる。
【００１５】
こうした本発明の燃料電池構成要素の性能評価方法において、前記プロトン分布の検出ステップは、前記所定のゲル層に一面が接するよう配置された窒化ケイ素により形成された窒化ケイ素層と酸化シリコンにより該窒化ケイ素の他面に一面が接するよう形成された酸化シリコン層とシリコンにより該酸化シリコン層の他面に一面が接するように形成されたシリコン層からなる検出層の該シリコン層の他面に所定の光を走査しながら照射し、該シリコン層と前記所定のゲル層との間に所定の電圧を印加し、該印加された電圧に基づいて前記所定の光が照射された部位のプロトンの濃度を検出することにより前記所定のゲル層のプロトン分布を検出するステップであるものとすることもできる。
【００１６】
【発明の実施の形態】
次に、本発明の実施の形態を実施例を用いて説明する。図１は、本発明の一実施例である燃料電池構成要素の性能評価装置２０の構成の概略を示す構成図である。実施例の燃料電池構成要素の性能評価装置２０は、評価対象としての燃料電池構成要素１０に面して配置されたゲル層２２と、このゲル層２２のプロトン分布を検出するプロトン分布センサ４０と、燃料電池構成要素１０に燃料としての水素を水素タンク３０から供給する水素供給ダクト３２と、燃料電池構成要素１０が燃料電池として作用したときに電気的なパスを構成する電気的パス構成機構２３と、プロトン分布センサ４０のコントローラとして機能すると共に装置全体をコントロールするコンピュータ６０とを備える。
【００１７】
実施例の燃料電池構成要素の性能評価装置２０に評価対象として用いた燃料電池構成要素１０は、例えば固体高分子型燃料電池を構成する要素としての電解質膜１２とこの電解質膜１２に印刷された触媒層１４とから構成されている。電解質膜１２としては、例えばフッ素系樹脂などのプロトン導電性の高分子材料を用いることができ、触媒層１４としては、例えばカーボン粉末を担体として白金または白金と他の金属からなる合金を担持させたものを用いることができる。なお、燃料電池構成要素１０は、電解質膜１２がゲル層２２に接するように取り付けられている。
【００１８】
ゲル層２２としては、実施例では０．１ｍｏｌの塩化カリウムを含む寒天ゲルを厚さ１ｍｍに調製したものを用いた。
【００１９】
電気的パス構成機構２３は、ゲル層２２に埋め込まれたメッシュ状の陽極２４と、燃料電池構成要素１０の触媒層１４に接するように配置されたメッシュ状の陰極２６と、この陽極２４と陰極２６とに接続された負荷２８とから構成されており、燃料電池構成要素１０に燃料としての水素を供給し電気化学反応を生じさせたときの電気的なパスを形成している。即ち、電気的パス構成機構２３は、燃料電池構成要素１０の陰極反応としての水素の電離の際に生じる電子を陰極２６，負荷２８を介して陽極２４からゲル層２２に供給するパスを構成するのである。
【００２０】
プロトン分布センサ４０は、ケイ素により形成されたシリコン層４２と、酸化ケイ素によりシリコン層４２の表面に形成された酸化シリコン層４４と、窒化ケイ素により酸化シリコン層４４の表面に形成されゲル層２２を載置する窒化ケイ素層４６と、シリコン層４２の裏面から所定の波長のレーザ光を、例えば二次元方向に走査しながら照射するレーザ光照射装置４８と、ゲル層２２とシリコン層４２とにバイアス電圧を印加させるポテンシオスタット５０と、シリコン層４２に流れる電流を、シリコン層４２に形成されたオーミック電極ＯＣから電流信号として取り出して検出する電流センサ５２と、この検出された電流信号を電圧信号に変換する電流−電圧変換器５３と、この電流−電圧変換器５３からの信号が入力される演算増幅回路５４などを備える。
【００２１】
プロトン分布センサ４０は、次のように機能してプロトンの分布を検出する。シリコン層４２に所定の波長のレーザ光を照射すると、レーザ光の照射された部位のシリコン内に光励起された交流電流が流れる。この光電流は、図２のグラフに示すように、バイアス電圧に対してＳ字の特性を示すと共にゲル層２２のプロトン濃度に応じてバイアス電圧方向にシフトする。このため、ゲル層２２とシリコン層４２に所定のバイアス電圧を作用させておけば、レーザ光照射装置４８によりレーザ光を照射した部位のゲル層２２においてプロトン濃度に応じた電流信号が発生する。この電流信号を電流センサ５２で検出し、前記電流−電圧変換器５３、演算増幅回路５４を経てコンピュータ６０に入力し、プロトン濃度に変換することでゲル層２２のプロトン分布を検出することができる。
【００２２】
コンピュータ６０は、ＣＰＵを中心とする汎用のマイクロコンピュータとして構成されており、図示しないが処理プログラムを記憶したＲＯＭや一時的にデータを記憶するＲＡＭ，入出力ポートなどを備える。コンピュータ６０の入力ポートには、レーザ光照射装置４８からの走査位置や電流センサ５２からの電流値などが入力されており、出力ポートからは、水素タンク３０から水素供給ダクト３２への水素の供給を司る水素供給弁３４のアクチュエータ３６への駆動信号やレーザ光照射装置４８への駆動信号などが出力されている。
【００２３】
コンピュータ６０は、前述したように、プロトン分布センサ４０のコントローラとして機能すると共に装置全体のコントローラとしても機能する。そして、レーザ光照射装置４８からの走査位置に対応して入力される電流センサ５２からの電流値を画像処理してゲル層２２のプロトン分布を色、例えばプロトン濃度の高低により赤系から青系へ変化する複数段の色に変換して２次元平面的に出力する。したがって、ゲル層２２のプロトン分布を色の変化として視覚的に迅速に把握することができる。
【００２４】
以上説明した実施例の燃料電池構成要素の性能評価装置２０によれば、燃料電池構成要素１０の性能をゲル層２２のプロトン分布として評価することができる。また、ゲル層２２の２次元平面のプロトン分布により評価するから、燃料電池構成要素１０の２次元平面の各部における性能を評価することができる。しかも、ゲル層２２のプロトン分布を画像処理により色の変化として出力するから、ゲル層２２のプロトン分布を視覚的に迅速に把握することができる。
【００２５】
実施例の燃料電池構成要素の性能評価装置２０によれば、電解質膜１２に対して異なる触媒層１４を異なる位置に印刷してなる燃料電池構成要素１０を用いて性能評価処理したり、同一の電解質膜１２に異なる触媒層１４を印刷した燃料電池構成要素１０を複数回に分けて性能評価処理することにより、異なる触媒層１４の評価および触媒層１４の２次元平面の各部の評価を行なうことができる。逆に、異なる材質の電解質膜１２に対して同一の触媒層１４を印刷した燃料電池構成要素１０を複数回に分けて性能評価処理することにより、異なる材質の電解質膜１２の評価および電解質膜１２の２次元平面の各部の評価を行なうことができる。
【００２６】
実施例の燃料電池構成要素の性能評価装置２０では、電解質膜１２と触媒層１４とからなる燃料電池構成要素１０の性能を評価するものとして説明したが、図３の変形例の燃料電池構成要素１０Ｂに示すように、電解質膜１２と、触媒層１４と、触媒層１４に水素を供給すると共に燃料電池を構成したときに単電池間の隔壁をなすセパレータ１６とにより評価対象としての燃料電池構成要素を構成するものとしてもよい。こうすれば、セパレータ１６の触媒層１４への水素の平面的な供給に対する評価を行なうことができる。即ち、水素の供給流路の形状の異なる複数のセパレータ１６を用いた燃料電池構成要素１０Ｂを複数回に分けて性能評価することにより異なるセパレータ１６間の性能評価および各セパレータ１６における２次元平面の各部の評価を行なうことができる。なお、この変形例の燃料電池構成要素１０Ｂを用いる場合、水素の供給はセパレータ１６の水素の供給流路に行なうものとし、電気的パス構成機構２３の陰極としてセパレータ１６をそのまま用いるものとすることができる。
【００２７】
また、図４の変形例の燃料電池構成要素１０Ｃに示すように、電解質膜１２を隔壁１８により二つの領域に分け、一方の領域には実施例の燃料電池構成要素１０と同一の構成となるよう触媒層１４を印刷すると共に陰極２６を配置し、他方の領域には燃料電池の陽極側の構成と同一の触媒層１５を印刷すると共に陰極２６と同様のメッシュ状の陽極２４Ｃを配置し、性能評価の際に、陰極２６が配置された一方の領域には水素を供給すると共に陽極２４Ｃが配置された他方の領域には酸素を含有する酸素含有ガス（例えば、空気）を供給するものとすることもできる。こうすれば、燃料電池構成要素１０Ｃが燃料電池を構成し、電解質膜１２におけるプロトン移動の性能を評価することができる。
【００２８】
以上説明したように、実施例の燃料電池構成要素の性能評価装置２０に用いる燃料電池構成要素１０は、燃料電池を構成する要素の種々の組み合わせとすることができる。なお、実施例やその変形例では、燃料電池構成要素１０を固体高分子型燃料電池を構成する要素としたが、固体高分子型燃料電池に限られず、ゲル層２２に載置可能な電解質を有する燃料電池、例えば固体電解質型燃料電池など種々のタイプの燃料電池を構成する要素に適用することができる。
【００２９】
実施例の燃料電池構成要素の性能評価装置２０では、ゲル層２２のプロトン分布を画像処理により色の変化として出力するものとしたが、プロトン分布を出力できれば如何なる手法を用いてもよく、例えばプロトン濃度を数値のまま出力するものとしても差し支えない。
【００３０】
以上、本発明の実施の形態について実施例を用いて説明したが、本発明はこうした実施例に何等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内において、種々なる形態で実施し得ることは勿論である。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明の一実施例である燃料電池構成要素の性能評価装置２０の構成の概略を示す構成図である。
【図２】  プロトン分布センサ４０におけるバイアス電圧とプロトン濃度と光電流値との関係の一例を示すグラフである。
【図３】  変形例の燃料電池構成要素１０Ｂの構成を例示する構成図である。
【図４】  変形例の燃料電池構成要素１０Ｃの構成を例示する構成図である。
【符号の説明】
１０  燃料電池構成要素、１２  電解質膜、１４，１５  触媒層、１６  セパレータ、１８  隔壁、２０  燃料電池構成要素の性能評価装置、２２  ゲル層、２３  電気的パス構成機構、２４，２４Ｃ  陽極、２６  陰極、３０  水素タンク、３２  水素供給ダクト、３４  水素供給弁、３６  アクチュエータ、４０  プロトン分布センサ、４２  シリコン層、４４  酸化シリコン層、４６  窒化ケイ素層、４８  レーザ光照射装置、５０  ポテンシオスタット、５２  電流センサ、５３  電流−電圧変換器、５４  演算増幅回路、６０  コンピュータ、ＯＣオーミック電極。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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