(57)【要約】      （修正有）【課題】固体高分子形燃料電池をＸ線ラミノグラフィーにより計測する方法の提供。【解決手段】膜／電極膜接合体１２と、膜／電極膜接合体１２の第１の側に設けられた第１の流路板１７と、膜／電極膜接合体１２の第２の側に設けられた第２の流路板１８と、第１の流路板１７の第１の側に設けられ、第１の透過窓１９ａを有する第１のセパレーター１９と、第２の流路板１８の第２の側に設けられ、第２の透過窓２０ａを有する第２のセパレーター２０とを含み、第１及び第２の透過窓１９ａ、２０ａは、その一方を通って入射されたＸ線であって、膜／電極膜接合体１２の主面に対して所定角度以上を有するものについて、膜／電極膜接合体１２及び第１及び第２の流路板１７、１８を介してその他方を通って出射させるように構成されている固体高分子形燃料電池。【選択図】図２
2016207556.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
Ｘ線ラミノグラフィー法による計測を可能とする固体高分子形燃料電池であって、
膜／電極膜接合体と、
前記膜／電極膜接合体の第１の側に設けられた第１の流路板と、
前記膜／電極膜接合体の第２の側に設けられた第２の流路板と、
前記第１の流路板の第１の側に設けられ、第１の透過窓を有する第１のセパレーターと、
前記第２の流路板の第２の側に設けられ、第２の透過窓を有する第２のセパレーターと
を含み、
前記第１及び第２の透過窓は、その一方を通って入射されたＸ線であって、前記膜／電極膜接合体の主面に対して所定角度以上を有するものについて、前記膜／電極膜接合体及び前記第１及び第２の流路板を介してその他方を通って出射させるように構成された固体高分子形燃料電池。
【請求項２】
前記第１及び第２の透過窓は、これら第１及び第２の透過窓を通り、前記膜／電極膜接合体の主面に垂直な一つの軸について、前記一つの軸を対称軸とし、前記膜／電極膜接合体の主面と前記所定角度をなす母線を有する円錐により形成された傾斜面を有する請求項１に記載の固体高分子形燃料電池。
【請求項３】
前記第１及び第２の流路板は、非晶質な素材を含む請求項２に記載の固体高分子形燃料電池。
【請求項４】
前記素材は、放射線耐性を有する請求項３に記載の固体高分子形燃料電池。
【請求項５】
前記素材は、ガラス状炭素を含む請求項３又は４に記載の固体高分子形燃料電池。
【請求項６】
前記第１及び第２のセパレーターは、軽量かつ耐食性に優れた素材を含む請求項２から５のいずれかに記載の固体高分子形燃料電池。
【請求項７】
前記第１及び第２のセパレーターは、金メッキ処理アルミニウムを含む請求項６に記載の固体高分子形燃料電池。
【請求項８】
前記膜／電極膜接合体と前記第１の流路板との間に設けられた第１のガスケットと、前記膜／電極膜接合体と前記第２の流路板との間に設けられた第２のガスケットとをさらに含む請求項２から７のいずれかに記載の固体高分子形燃料電池。
【請求項９】
前記膜／電極膜接合体に熱風を供給する加熱する熱風ヒーターをさらに含む請求項２から７のいずれかに記載の固体高分子形燃料電池。
【請求項１０】
前記第１及び第２の透過窓を通して前記膜／電極膜接合体に赤外線を照射して加熱するハロゲンヒーターをさらに含む請求項２から９のいずれかに記載の固体高分子形燃料電池。
【請求項１１】
前記第１及び第２のセパレーターは、前記一つの軸について略回転対称な外周部を有する請求項２から１０のいずれかに記載の固体高分子形燃料電池。
【請求項１２】
前記膜／電極膜接合体並びに前記第１及び第２の流路板は、前記略回転対称な外周部から内側にある請求項１１に記載の固体高分子形燃料電池。
【請求項１３】
前記第１及び第２のセパレーターは、前記略回転対称な外周部にケーブルの接続部位を有する請求項１１又は１２に記載の固体高分子形燃料電池。
【請求項１４】
前記ケーブルは、電線及びガス配管を含む請求項１３に記載の固体高分子形燃料電池。
【請求項１５】
所定の光軸に沿って入射したＸ線が前記第１及び第２の透過窓を透過するように、前記固体高分子形燃料電池を前記一つの軸について回転可能に支持する支持台を含み、
前記支持台において、前記Ｘ線の光路上に位置することがある部材は、非晶質な素材を含む請求項１１から１４のいずれかに記載の固体高分子形燃料電池。
【請求項１６】
前記素材は、放射線耐性を有する請求項１５に記載の固体高分子形燃料電池。
【請求項１７】
前記素材は、ポリエーテルエーテルケトン樹脂を含む請求項１５又は１６に記載の固体高分子形燃料電池。
【請求項１８】
前記支持台は、前記一つの軸について３６０°回転することができる請求項１５から１７のいずれかに記載の固体高分子形燃料電池。
【請求項１９】
前記支持台を回転駆動するモータをさらに含む請求項１６から１８のいずれかに記載の固体高分子形燃料電池。
【請求項２０】
請求項１５から１９のいずれかに記載の前記固体高分子形燃料電池にケーブルを接続するケーブル供給機構であって、
前記略回転対称な外周部の周囲に、前記略回転対称な外周部に対向して設けられ、前記固体高分子形燃料電池の回転に連動して前記ケーブルを巻回して保持することができるケーブル巻回部をさらに含む記載のケーブル供給機構。
【請求項２１】
前記ケーブル巻回部は、前記固体高分子形燃料電池とともに前記支持台によって回転可能に支持された請求項２０に記載のケーブル供給機構。
【請求項２２】
前記ケーブル巻回部は、軽量の素材を含む請求項２０又は２１に記載のケーブル供給機構。
【請求項２３】
前記素材は、ポリプロピレンを含む請求項２２に記載のケーブル供給機構。
【請求項２４】
前記固体高分子形燃料電池の回転に連動し、所定方向にケーブルを送るケーブルスライダーを含む請求項２１から２３のいずれかに記載のケーブル供給機構。
【請求項２５】
前記ケーブルスライダーは、前記ケーブルを保持する可動柱と、前記可動柱を所定方向に移動可能に支持するボールねじと、前記ボールねじを回転駆動して前記可動柱の位置を制御するモータとを含む請求項２４に記載のケーブル供給機構。
【請求項２６】
前記ケーブル巻回部と前記ケーブルスライダーとの間にあって、前記固体高分子形燃料電池の回転に連動し、前記ケーブルスライダーから供給されたケーブルを巻回してから前記ケーブル巻回部に供給する緩衝部をさらに含む請求項２４又は２５に記載のケーブル供給機構。
【請求項２７】
前記緩衝部は、前記ケーブルを一周にわたり巻回する巻回部と、前記巻回部を回転駆動して前記巻回部の回転角度を制御するモータとを含む請求項２６に記載のケーブル供給機構。
【請求項２８】
前記緩衝部は、軽量の素材を含む請求項２６又は２７に記載のケーブル供給機構。
【請求項２９】
前記素材は、ポリプロピレンを含む請求項２８に記載のケーブル供給機構。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、固体高分子形燃料電池及びこの固体高分子形燃料電池にケーブルを送るケーブル供給機構に関し、詳しくは、発電状態下でその場３次元イメージ計測を行うことが可能な固体高分子形燃料電池及びケーブル供給機構に関する。
【背景技術】
【０００２】
固体高分子形燃料電池（ＰＦＦＣ：Polymer Electrolyte Fuel Cell）の基本単位である単セルは、空気極（正極）、燃料極（負極）、固体高分子電解質膜およびガス拡散層（ＧＤＬ：Gas Diffusion Layer）からなる膜／電極膜接合体（ＭＥＡ：Membrane Electrode Assembly）とセパレーターから構成される。空気極および燃料極には一般にカーボンブラックなどの担体に触媒を担持したものが用いられる。ガス拡散層には一般に黒鉛繊維による多孔質基材が用いられる。セパレーターにはガスに対して不透過な導電材料が用いられ、表面に反応ガスを流す細かい溝が形成されている。また、固体高分子形燃料電池の単セルには、ガスを供給あるいは排出する配管、発電された電流を取り出す電線、温度計およびヒーターに接続する電線が接続されることがある。
【０００３】
図１は、先行技術に属する固体電解質燃料電池である一般財団法人日本自動車研究所が開発したＪＡＲＩ（ＪＡＲＩ： Japan Automobile Research Institute）標準セルを示す分解図である（非特許文献１）。水平面内にＸＹ軸、鉛直方向にＺ軸を設定すると、この固体高分子形燃料電池は、固体高分子電解質膜１１１を挟んでＹ軸の正と負の方向に、順に、第１及び第２の電極触媒／ガス拡散層１１３、１１４、第１及び第２のガスケット１１５、１１６、第１及び第２の流路板１１７、１１８、第１及び第２の集電板１２１、１２２、第１及び第２の絶縁シート１２３、１２４、第１及び第２のセパレーター１２５、１２６、第１及び第２のラバーヒーター１２７、１２８を備えている。固体高分子電解質膜１１１と第１及び第２の電極触媒／ガス拡散層１１３、１１４は、膜／電極膜接合体１２０を構成している。
【０００４】
固体高分子形燃料電池の発電能力や耐久性などの性能向上を図る上で必要な情報を得るために、固体高分子形燃料電池の内部にある膜／電極膜接合体の内部構造を発電状態下で非破壊３次元可視化することが求められており、それに対する計測技術の開発が行われてきている。膜／電極膜接合体のような撮像視野よりも大きな板形状の試料に対する３次元イメージを、ガス雰囲気・試料温度などについてその場環境で計測できる最も有効な手法は、透過性の高いＸ線を用いた３次元イメージング技術の一つ、Ｘ線ラミノグラフィー法である（非特許文献２）。
【０００５】
Ｘ線ラミノグラフィー法では、試料を試料板面に垂直な回転軸の周りに３６０°回転し、色々な回転角度で計測した２次元Ｘ線透過画像群をもとに、計算機によって３次元イメージを再構成する。その際、試料回転軸はＸ線に対して、２０°から４０°程度傾斜させる。Ｘ線ラミノグラフィー法により高解像度の３次元イメージを得るには、十分な強度を持つＸ線がＸ線イメージ検出器に入射し、散乱によるバックグランドの少ない高画質な２次元Ｘ線透過画像群を計測する必要がある。また、アーティファクトの少ない３次元イメージを再構成するには、試料回転時に回転軸の振れを最小限に抑える必要がある。従来の固体高分子形燃料電池に対するＸ線ラミノグラフィー計測は、固体高分子形燃料電池の単セルから取り外した膜／電極膜接合体単体に対する計測がされている（非特許文献３）。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００６】
【非特許文献１】“Study of fuel cell structure and heating method: Development of JARI’s standard single cell”, Y. Hashimasa, T. Numata, K. Moriya, S. Watanabe, J. Power Sources, 155 (2006) 182-189.
【非特許文献２】“X-ray computed laminography: an approach of computed tomography for applications with limited access”, S. Gondrom, J. Zhou, M. Maisl, H. Reiter, M. Kroning, W. Arnol, Nucl. Eng. Des., 190, (1999) 141.
【非特許文献３】“4D Visualization of a Cathode Catalyst Layer in a Polymer Electrolyte Fuel Cell by 3D Laminography-XAFS”, T. Saida, O. Sekizawa, N. Ishiguro, M. Hoshino, K. Uesugi, T. Uruga, S. Ohkoshi, T. Yokoyama, M. Tada, Angew, Chem. Int. Ed., 51, (2012) 10311.
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
従来のＸ線計測用の固体高分子形燃料電池の単セルは、前記ＪＡＲＩ標準セルのセパレーターおよび集電板に対して、Ｘ線が垂直に透過する位置にＸ線透過窓が設けられているため、回転軸をＸ線に対して傾斜した配置ではＸ線が固体高分子形燃料電池の単セルを透過することは困難であった。
【０００８】
また従来のセパレーターの材質は、樹脂を含浸した黒鉛や金属が用いられており、これによるＸ線の散乱や吸収が大きく、高画質な２次元Ｘ線透過画像を得ることが困難であった。
【０００９】
また従来の固体高分子形燃料電池の単セルは、ガス供給・排出用の配管が据え付け板の上流側および下流側の側面上に接続されていたため、回転軸をＸ線に対して傾斜した配置で、これらの配管類がＸ線光路を遮ることなく固体高分子形燃料電池の単セルを３６０°回転することが困難であった。
【００１０】
また従来の固体高分子形燃料電池の単セルはステンレス製据え付け板などから構成される高重量物であり、また配管・ケーブル類の振動や重量負荷のため、固体高分子形燃料電池の単セルを３６０°回転する際に回転軸の振れを抑え高精度に行うことが困難であった。
【００１１】
この発明は上記の課題を解決すべく、発電状態下でその場３次元イメージ計測を行うことが可能な固体高分子形燃料電池とこの固体高分子形燃料電池にケーブルを供給するケーブル供給機構を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
上述の課題を解決するために、この出願に係る固体高分子形燃料電池は、Ｘ線ラミノグラフィー法による計測を可能とする固体高分子形燃料電池であって、膜／電極膜接合体と、前記膜／電極膜接合体の第１の側に設けられた第１の流路板と、前記膜／電極膜接合体の第２の側に設けられた第２の流路板と、前記第１の流路板の第１の側に設けられ、第１の透過窓を有する第１のセパレーターと、前記第２の流路板の第２の側に設けられ、第２の透過窓を有する第２のセパレーターとを含み、前記第１及び第２の透過窓は、その一方を通って入射されたＸ線であって、前記膜／電極膜接合体の主面に対して所定角度以上を有するものについて、前記膜／電極膜接合体及び前記第１及び第２の流路板を介してその他方を通って出射させるように構成されたものである。
【００１３】
前記第１及び第２の透過窓は、これら第１及び第２の透過窓を通り、前記膜／電極膜接合体の主面に垂直な一つの軸について、前記一つの軸を対称軸とし、前記膜／電極膜接合体の主面と前記所定角度をなす母線を有する円錐により形成された傾斜面を有してもよい。
【００１４】
前記第１及び第２の流路板は、非晶質な素材を含んでもよい。前記素材は、放射線耐性を有してもよい。前記素材は、ガラス状炭素を含んでもよい。
【００１５】
前記第１及び第２のセパレーターは、軽量かつ耐食性に優れた素材を含んでもよい。前記第１及び第２のセパレーターは、金メッキ処理アルミニウムを含んでもよい。
【００１６】
前記膜／電極膜接合体と前記第１の流路板との間に設けられた第１のガスケットと、前記膜／電極膜接合体と前記第２の流路板との間に設けられた第２のガスケットとをさらに含んでもよい。前記膜／電極膜接合体に熱風を供給する加熱する熱風ヒーターをさらに含んでもよい。前記第１及び第２の透過窓を通して前記膜／電極膜接合体に赤外線を照射して加熱するハロゲンヒーターをさらに含んでもよい。
【００１７】
前記第１及び第２のセパレーターは、前記一つの軸について略回転対称な外周部を有してもよい。前記膜／電極膜接合体並びに前記第１及び第２の流路板は、前記略回転対称な外周部から内側にあってもよい。前記第１及び第２のセパレーターは、前記略回転対称な外周部にケーブルの接続部位を有してもよい。前記ケーブルは、電線及びガス配管を含んでもよい。
【００１８】
所定の光軸に沿って入射したＸ線が前記第１及び第２の透過窓を透過するように、前記固体高分子形燃料電池を前記一つの軸について回転可能に支持する支持台を含み、前記支持台において、前記Ｘ線の光路上に位置することがある部材は、非晶質な素材を含んでもよい。
【００１９】
前記素材は、放射線耐性を有してもよい。前記素材は、ポリエーテルエーテルケトン樹脂を含んでもよい。前記支持台は、前記一つの軸について３６０°回転することができる請求項１５から１７のいずれかに記載の固体高分子形燃料電池。前記支持台を回転駆動するモータをさらに含んでもよい。
【００２０】
この出願に係るケーブル供給機構は、前記固体高分子形燃料電池にケーブルを接続するケーブル供給機構であって、前記略回転対称な外周部の周囲に、前記略回転対称な外周部に対向して設けられ、前記固体高分子形燃料電池の回転に連動して前記ケーブルを巻回して保持することができるケーブル巻回部をさらに含むものである。
【００２１】
前記ケーブル巻回部は、前記固体高分子形燃料電池とともに前記支持台によって回転可能に支持されてもよい。前記ケーブル巻回部は、軽量の素材を含んでもよい。前記素材は、ポリプロピレンを含んでもよい。
【００２２】
前記固体高分子形燃料電池の回転に連動し、所定方向にケーブルを送るケーブルスライダーを含んでもよい。前記ケーブルスライダーは、前記ケーブルを保持する可動柱と、前記可動柱を所定方向に移動可能に支持するボールねじと、前記ボールねじを回転駆動して前記保持部の位置を制御するモータとを含んでもよい。
【００２３】
前記ケーブル巻回部と前記ケーブルスライダーとの間にあって、前記固体高分子形燃料電池の回転に連動し、前記ケーブルスライダーから供給されたケーブルを巻回してから前記ケーブル巻回部に供給する緩衝部をさらに含んでもよい。前記緩衝部は、前記ケーブルを一周にわたり巻回する巻回部と、前記巻回部を回転駆動して前記巻回部の回転角度を制御するモータとを含んでもよい。前記緩衝部は、軽量の素材を含んでもよい。前記素材は、ポリプロピレンを含んでもよい。
【発明の効果】
【００２４】
この発明によると、Ｘ線ラミノグラフィー法により発電状態下にある固体高分子形燃料電池のその場３次元イメージ計測をすることができる。また、セパレーターや流路板によるＸ線の散乱や吸収が小さく、Ｘ線の光路が配管類で遮られることなく、重量を低減して回転を高精度で行うことができ、ひいては高画質のＸ線透過画像を得ることができる。さらに、また、ケーブル供給装置によって、固体高分子形燃料電池にケーブルを送る際の振動及び負荷変動を低減し、Ｘ線ラミノグラフィー法により固体高分子形燃料電池を計測させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】先行技術の固体高分子形燃料電池の概略的な構成を示す分解図である。
【図２】固体高分子形燃料電池の概略的な構成を示す分解図である。
【図３】流路板のＸ線透過像である。
【図４】固体高分子形燃料電池をＸ線の光路上に配置した図である。
【図５】図４の固体高分子形燃料電池を軸Ａの上側から見た図である。
【図６】固体高分子形燃料電池及びケーブル供給機構の全体の構成を撮影した写真である。
【図７】ケーブル供給機構の動作を説明する図である。
【図８】ケーブルスライダーの概略的な構成を示す正面図である。
【図９】膜／電極膜接合体の立体図である。
【図１０】膜／電極膜接合体の水平断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２６】
以下、この発明に係る固体高分子形燃料電池及びケーブル供給機構について、図面を参照して詳細に説明する。
【００２７】
図２は、固体高分子形燃料電池の概略的な構成を示す分解図である。図２において、水平面内にＸＹ軸、鉛直方向にＺ軸を設定し、Ｚ軸の正方向と負方向の側をそれぞれ第１の側１の側と第２の側、又は上と下と称することにする。
【００２８】
本実施の形態の固体高分子形燃料電池１０は、固体高分子電解質膜を構成する固体高分子電解質膜１１を含んでいる。固体高分子電解質膜１１の第１の側には、固体高分子電解質膜１１の表面における略矩形状の所定の領域に電極触媒層及びガス拡散層が順に積層された第１の電極触媒／ガス拡散層１３が形成されている。また、固体高分子電解質膜１１の第２の側には、第１の電極触媒／ガス拡散層１３と同様に、第２の電極触媒／ガス拡散層１４が形成されている。これら固体高分子電解質膜１１、第１の電極触媒／ガス拡散層１３及び第２の電極触媒／ガス拡散層１４は、膜／電極膜接合体１２を構成している。
【００２９】
また、固体高分子形燃料電池１０は、固体高分子電解質膜１１の第１の側に設けられた第１の流路板１７と、固体高分子電解質膜１１の第２の側に設けられた第２の流路板１８とを含んでいる。これら第１の流路板１７及び第２の流路板１８は、ガラス状炭素（グラッシーカーボン）を素材として、対向する固体高分子電解質膜１１において第１の電極触媒／ガス拡散層１３及び第２の電極触媒／ガス拡散層１４が形成された領域にそれぞれ対応する略矩形の領域に流路が形成されている。例えば、第１の流路板１７においては略矩形の第１の領域１７ａに流路が形成されている。
【００３０】
図３（ａ）は、第１の流路板１７及び第２の流路板１８のＸ線透過像である。第１の流路板１７及び第２の流路板１８の素材であるガラス状炭素は、構造及び組成が均一な非晶質であり、Ｘ線の散乱及び吸収が少なく、耐放射能性能が高いという性質を有していている。このため、第１の流路板１７及び第２の流路板１８のＸ線透過像に特定の回折像は現れていない。比較のため、図３（ｂ）には、従来の流路板に使用されている成形黒鉛によるＸ線透過像を示すが、黒鉛の結晶構造に由来する回折像が見られる。
【００３１】
なお、第１の流路板１７及び第２の流路板１８の素材はガラス状炭素に限られない。Ｘ線の散乱及び吸収が少なく、放射線耐性能が高く、構造及び組成が均質な性質を有する適切な性質を有する他の素材を使用することもできる。
【００３２】
固体高分子電解質膜１１と第１の流路板１７の間には、第１のガスケット１５が設けられている。第１のガスケット１５には、第１の電極触媒／ガス拡散層１３に対応する略矩形の第１の開口１５ａが形成されている。また、固体高分子電解質膜１１と第２の流路板１８の間には、第２のガスケット１６が設けられている。第２のガスケット１６には、第２の電極触媒／ガス拡散層１４に対応する略矩形の第２の開口１６ａが形成されている。第１のガスケット１５と第２のガスケット１６は、第１の流路板１７と第２の流路板１８の間に膜／電極膜接合体１２を封止している。
【００３３】
固体高分子形燃料電池１０は、第１の流路板１７の第１の側に設けられた第１のセパレーター１９と、第２の流路板１８の第２の側に設けられた第２のセパレーター２０とを含んでいる。第１のセパレーター１９及び第２のセパレーター２０は、軽量で耐食性に優れた金メッキ処理アルミニウムで作成され、第１の透過窓１９ａ及び第２の透過窓２０ａがそれぞれ設けられている。なお、第１のセパレーター１９及び第２のセパレーター２０は、金メッキ処理アルミニウムに限られない。軽量で耐食性に優れた他の素材を使用してもよい。
【００３４】
第１のセパレーター１９及び第２のセパレーター２０は、膜／電極膜接合体１２に含まれる電極膜から電気を収集する集電板を兼ねている。第１のセパレーター１９及び第２のセパレーター２０の極性は、膜／電極膜接合体１２に含まれる電極膜の極性に対応して、いずれか一方がカソードに、他方がアノードに定められる。
【００３５】
第１の透過窓１９ａ及び第２の透過窓２０ａは、この固体高分子形燃料電池１０に第１の透過窓１９ａ及び第２の透過窓２０ａの一方を通って入射したＸ線であって、膜／電極膜接合体１２の主面となす角度が３０°以上のものが、第１の流路板１７、膜／電極膜接合体１２及び第２の流路板１８を介して、第１の透過窓１９ａ及び第２の透過窓２０ａの他方を通って出射するように形成されている。ここで、膜／電極膜接合体１２の主面とは、膜／電極膜接合体１２においてＸＹ面に平行に形成された主要な面であり、上側であっても下側であってもよい。なお、Ｘ線の角度は、膜／電極膜接合体１２の主面に限らず、固体高分子電解質膜１１の主面や、あるいは後述する対称軸である軸Ａなどの他の適切なものを基準としてもよい。
【００３６】
第１の透過窓１９ａは、膜／電極膜接合体１２等の主面に垂直なＺ軸方向に延びる一つの軸Ａについて、この軸Ａを対称軸とし、膜／電極膜接合体１２の主面と３０°の角度をなす母線を有し、下向きの頂点を有する円錐によって形成された第１の傾斜面１９ｂを有している。第２の透過窓２０ａは、上向きの頂角を有する同様の円錐によって形成された第２の傾斜面２０ｂを有している。第１の傾斜面１９ｂ及び第２の傾斜面２０ｂは、膜／電極膜接合体１２の主面に対して３０°の傾斜角をなし、第１の透過窓１９ａ及び第２の透過窓２０ａは、それぞれ１２０°の開口角を有している。
【００３７】
なお、第１の傾斜面１９ｂ及び第２の傾斜面２０ｂの傾斜角は３０°に限られず、例えば２０°から４０°の範囲にある他の角度としてもよい。この場合、第１の透過窓１９ａ及び第２の透過窓２０ａの開口角は、それぞれ第１の傾斜面１９ｂ及び第２の傾斜面２０ｂの傾斜角に対応したものになる。
【００３８】
第１のセパレーター１９及び第２のセパレーター２０は、それぞれ軸Ａについて略回転対称な第１の外周部１９ｃ及び第２の外周部２０ｃを有している。第１の外周部１９ｃ及び第２の外周部２０ｃには、それぞれケーブルの接続部位が設けられている。ケーブルは、固体高分子形燃料電池１０への複数のガス配管、電線などを含んでいる。固体高分子形燃料電池１０に接続する複数のガス配管、電線などは、一本のケーブルに束ねられて後述するケーブル供給機構から供給されている。図中には、ガス配管の接続部位として、第１の外周部１９ｃに設けられた第１のガス入口２１及び第２のガス出口２３、第２の外周部２０ｃに設けられたガス入口２２及びガス出口２４が示されている。
【００３９】
第１の外周部１９ｃ及び第２の外周部２０ｃには、それぞれヒーターを挿入するための第１のヒーター挿入口１９ｄ及び第２のヒーター挿入口２０ｄが設けられている。また、それぞれ所定のセンサーを取り付ける第１のセンサー取り付けネジ穴１９ｅ及び第２のセンサー取り付けネジ穴２０ｅが設けられている。
【００４０】
第１のセパレーター１９及び第２のセパレーター２０に挟んで固定される固体高分子電解質膜１１、第１のガスケット１５及び第２のガスケット１６、第１の流路板１７及び第２の流路板１８は、第１の外周部１９ｃ及び第２の外周部２０ｃの内側にあり、第１の外周部１９ｃ及び第２の外周部２０ｃから突き出すことはない。固体高分子電解質膜１１、第１のガスケット１５及び第２のガスケット１６、第１の流路板１７及び第２の流路板１８は、第１のセパレーター１９及び第２のセパレーター２０と同じ径を有していてもよい。
【００４１】
固体高分子形燃料電池１０は、第１の外周部１９ｃ及び第２の外周部２０ｃを含む略回転対称な外周部を有している。したがって、固体高分子形燃料電池１０を軸Ａについて回転させることにより、第１の外周部１９ｃ及び第２の外周部２０ｃを接続部位として固体高分子形燃料電池１０に接続されたケーブルを外周部に供給して周囲に円滑に巻回することができる。
【００４２】
固体高分子形燃料電池１０は、この固体高分子形燃料電池１０の特に膜／電極膜接合体１２に熱風を供給することにより加熱して所定の温度に維持するようにする熱風ヒーターを含んでもよい。また、第１の透過窓１９ａ及び第２の透過窓２０ａを通して赤外線を照射することにより膜／電極膜接合体１２を加熱するハロゲンヒーターを含んでもよい。熱風ヒーター及びハロゲンヒーターは、第１の透過窓１９ａ及び第２の透過窓２０ａを通じた放熱にもかかわらず、膜／電極膜接合体１２の温度を一定に保つことを可能にしている。
【００４３】
図４は、固体高分子形燃料電池をＸ線の光路上に配置した図である。図５は、図４の固体高分子形燃料電池を軸Ａの上側から見た図である。
【００４４】
固体高分子形燃料電池１０は、この固体高分子形燃料電池１０を軸Ａについて回転可能に支持する支持台３０をさらに含んでいる。支持台３０は、底板３１と、底板３１に固定される基部３２と、基部３２から立ち上がり所定の高さを確保する第１の支持部３３と、第１の支持部３３の内周側に第１のセパレーター１９を固定する第２の支持部３４とを含んでいる。また、支持台３０は、底板３１から立ち上がり後述するケーブル巻回部５０を支持するケーブル巻回部支持部３５も含んでいる。
【００４５】
支持台３０は、これらの各部材によって、固体高分子形燃料電池１０に所定の光軸に沿った第１の光路Ｌ１により略水平に入射される入射Ｘ線が第１のセパレーター１９の第１の透過窓１９ａを通って膜／電極膜接合体１２に入射し、膜／電極膜接合体１２を透過した透過Ｘ線が第２のセパレーター２０の第２の透過窓２０ａを通り、第１の光路Ｌ１の延長上にある第２の光路Ｌ２に進み、Ｘ線検出器９０に向けて出射されるように固体高分子形燃料電池１０を軸Ａについて回転可能に位置合わせしている。
【００４６】
詳しくは、第１の光路Ｌ１は第１の透過窓１９ａを通って膜／電極膜接合体１２の主面に対して３０°の角度をなし、第２の光路Ｌ２は膜／電極膜接合体１２の主面に対して３０°の角度をなして第２の透過窓２０ａを通っている。第１の透過窓１９ａ及び第２の透過窓２０ａの開口角はいずれも１２０°であり、図中に示す軸Ａと第２の光路Ｌ２のなす角θは開口角の半分の６０°である。なお、この角θは６０°に限られず第１の透過窓１９ａ及び第２の透過窓２０ａの開口角に適合するような適切な角度に設定することができる。
【００４７】
支持台３０において、第１の光路Ｌ１上にある第１の支持部３３及びケーブル巻回部支持部３５は、ポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）樹脂によって作成されている。ＰＥＥＫ樹脂は、耐放射線性能が高く、構造及び組成が均質な非晶質の素材であり、第１の光路Ｌ１に沿って入射する入射Ｘ線の散乱及び吸収を低減している。なお、第１の支持部３３及びケーブル巻回部支持部３５には、ＰＥＥＫ樹脂に限られず、Ｘ線の散乱及び吸収が少なく、耐放射線性質が高く、構造及び組成が均質な性質を有する適切な性質を有する他の素材を使用することもできる。
【００４８】
また、支持台３０において、第１の光路Ｌ１上にない底板３１、基部３２及び第２の支持部３４は、軽量のアルミニウムで作成されている。なお、これらの部材は、アルミニウムに限られず、軽量の他の素材で構成するようにしてもよい。第２の支持部３４には、第１の光路Ｌ１を妨げないように第１の光路Ｌ１に沿った切り欠けが設けられている。
【００４９】
第１のセパレーター１９及び第２のセパレーター２０において、第１のガス入口２１及び第２のガス出口２３を含むケーブルの接続部位は、第１の外周部１９ｃ及び第２の外周部２０ｃを含む外周部に設けられているため、第１の光路Ｌ１及び第２の光路Ｌ２を遮ることがない。外周部を囲んで対向するように設けられた後述するケーブル巻回部５０についても同様である。
【００５０】
固体高分子形燃料電池１０は、支持台３０の底板３１に結合され、軸Ａについて支持台３０を回転駆動するモータ４０をさらに含んでいる。モータ４０は、軸Ａと同軸上に設けられ、支持台３０の回転角度を制御している。モータ４０は、膜／電極膜接合体１２をラミニグラフィー法により計測する際には、支持台３０を軸Ａについて所定の向きに３６０°回転させる。
【００５１】
図６は、固体高分子形燃料電池及びケーブル供給機構の全体の構成を撮影した写真である。図７は、ケーブル供給機構の動作を説明する図である。
【００５２】
図６において、下左にある固体高分子形燃料電池１０には、実線の矢印で示すように、第１の光路Ｌ１に沿って入射Ｘ線が入射し、第２の光路Ｌ２に沿って透過Ｘ線が出射している。固体高分子形燃料電池１０の膜／電極膜接合体１２をラミノグラフィー法による計測する際には、固体高分子形燃料電池１０は図示しない軸Ａについて３６０°にわたり回転される。このとき、ケーブル供給機構によって、図中の破線で示す経路に沿って、固体高分子形燃料電池１０に接続する一本のケーブル８０が、固体高分子形燃料電池１０の回転に連動して、固体高分子形燃料電池１０に振動を与えたり重量負荷を変動させたりしないように供給される。
【００５３】
図７（ｂ）の模式図に示すように、ケーブル供給機構は、固体高分子形燃料電池１０にケーブル８０を送り、固体高分子形燃料電池１０の周囲に設けられ、固体高分子形燃料電池１０とともに回転してケーブル８０を巻き取るケーブル巻回部５０と、ケーブル８０を一回巻きしてからケーブル巻回部５０に送る緩衝部６０と、ケーブルが並進するように緩衝部６０に送るケーブルスライダー７０とを含んでいる。
【００５４】
図７（ａ）に示すように、ケーブル巻回部５０は、ポリプロピレンを素材として作成され、固体高分子形燃料電池１０の周囲に、固体高分子形燃料電池１０に所定距離おいて対向するように、支持台３０によって支持されている。図４に示すように、ケーブル巻回部５０は、略円筒状の底部５１と、底部５１の一端近くから立ち上がる第１のフランジ５２と、底部５１の他端から立ち上がる第２のフランジ５３とを含み、これら底部５１、第１のフランジ５２及び第２のフランジ５３によって形成されるくぼみにケーブル８０を一周以下にわたり巻回して収容できるように、軸Ａについて略回転対称な略ボビン形状を有している。なお、ケーブル巻回部５０の素材はポリプロピレンに限られず、軽量な他の適切な素材で作成することもできる。
【００５５】
ケーブル巻回部５０の底部５１は、一部で開口し、ケーブル８０がこの開口を通じて固体高分子形燃料電池１０の接続部位に接続できるようにしている。開口を通ったケーブルは複数のガス配管及び電線に分岐して第１のセパレーター１９及び第２のセパレーター２０の所定の部位に接続されている。
【００５６】
図５に示すように、固体高分子形燃料電池１０が軸Ａについて回転されると、ケーブル巻回部５０は、固体高分子形燃料電池１０の支持台３０によって、固体高分子形燃料電池１０と同じ角度にわたって回転される。これに応じて、ケーブル巻回部５０には、緩衝部６０から供給されたケーブル８０が次第に巻回されて収容され、固体高分子形燃料電池１０が３６０°にわたり回転されると一周分のケーブル８０が巻き付けられる。ケーブル巻回部５０においてケーブル８０を巻回する底部５１の径が例えば１５０ｍｍであると、ケーブル８０は例えば５００ｍｍ程度巻き付けられる。
【００５７】
図６及び図７（ａ）に示すようにケーブル供給機構の緩衝部６０は、ポリプロピレンを素材として作成され、ケーブル巻回部５０に隣接して、それぞれの回転軸が略平行になるように設置されている。緩衝部６０は、ケーブル８０の振動等が固体高分子形燃料電池１０に直接伝播しないように、個別の支持台によって支えられている。緩衝部６０は、ケーブルスライダー７０から送られたケーブル８０に由来する振動及び負荷変動を低減し、このケーブルをケーブル巻回部５０にさらに送っている。
【００５８】
緩衝部６０は、底部と、底部の両端から立ち上がる対向するフランジを有し、これら底部及びフランジで形成されるくぼみにケーブルを巻回して収容できるように、ケーブル巻回部５０と同様に略回転対称な略ボビン形状の巻回部を含んでいる。また、緩衝部６０は、巻回部を回転駆動する図示しないモータを含んでいる。
【００５９】
緩衝部６０は、巻回部の所定の範囲の角度にわたってフランジを欠き、このフランジを欠いた部分を通じて、緩衝部６０に送られたケーブル８０が収容され、巻回部に一回巻き付いた後でこの部分を通じて外部に送られるようにしている。巻回部は、図示しないモータによって、固体高分子形燃料電池１０の回転に連動して、ケーブル８０の移動に対応する角度だけ回転するように制御されている。
【００６０】
なお、緩衝部６０の巻回部の径は、ケーブル巻回部５０の径よりも大きくても小さくてもよいが、ケーブル巻回部５０の径より大きくしてもよい。緩衝部６０の巻回部が大径であると、ケーブル８０の振動や負荷変動を低減することができる。また、緩衝部６０の巻回部の素材はポリプロピレンに限られず、他の適切な軽量な素材で作成することもできる。
【００６１】
図６及び図８に示すように、ケーブル供給機構のケーブルスライダー７０は、ステンレス鋼を素材として作成され、緩衝部６０に隣接して設置されている。ケーブルスライダー７０は、ケーブル８０の延びる方向を長手方向とし、第１の脚部７１及び第２の脚部７２によって支持された基板７３を有している。基板７３は、その一端にケーブル８０をローラーで移動可能に支持する第１の固定柱７４を備え、その他端にケーブル８０を固定して保持する第２の固定柱７５を備えている。基板７３の第１の固定柱７４と第２の固定柱７５との間には、ケーブル８０を固定して保持し、ケーブル８０とともに長手方向に移動可能な可動柱７６が設けられている。可動柱７６は、ケーブル８０の移動距離である例えば５００ｍｍにわたって移動することができる。
【００６２】
可動柱７６は、水平に伸びるねじ軸７７およびねじ軸に沿って設けられたナット７８によって構成されたボールねじよって支持され、モータ７９によって長手方向の位置の移動を制御されている。第１の固定柱７４、第２の固定柱７５及び可動柱７６によって支持されたケーブル８０は、可動柱７６と第２の固定柱７５との間において、固体高分子形燃料電池１０の３６０°の回転に相当する長さのケーブル８０が緩んだ状態で格納されている格納領域８１を有している。
【００６３】
ケーブルスライダー７０において、可動柱７６は、固体高分子形燃料電池１０の回転に連動して移動し、ケーブル８０の移動に対応する位置にあるように制御されている。このとき、可動柱７６と第２の固定柱７５との間では、格納領域８１に緩んだ状態で格納されているケーブル８０が可動柱７６の移動とともに引き出されて伸長され、第１の固定柱７４と可動柱７６との間のケーブル８０が、第１の固定柱７４のローラーを介して並進されて送られる。可動柱７６は、固体高分子形燃料電池１０が３６０°回転すると、固体高分子形燃料電池１０の３６０°の回転に相当する例えば５００ｍｍの長さにわたり移動する。
【００６４】
ケーブルスライダー７０は、ケーブル８０を並進させて送り、予め緩んだ状態で格納領域８１に格納されたケーブル８０を伸長させているので、振動や負荷変動を低減することができる。なお、ケーブルスライダー７０の素材はステンレス鋼に限られず、金属など適切な強度を有する他の素材を使用することもできる。
【００６５】
図９は、膜／電極膜接合体１２の立体図である。図９（ａ）には、本実施の形態の固体高分子形燃料電池１０及びケーブル供給機構を使用して得られたＸ線ラミノグラフィー法による画像を示している。この画像は、図４に示すように、固体高分子形燃料電池１０を軸Ａについて３６０°にわたり所定の回転速度で回転させるとともに、固体高分子形燃料電池１０の膜／電極膜接合体１２を透過したＸ線をＸ線検出器９０にて測定し、図示しない処理装置によってこの測定結果を再構成して得られたものである。
【００６６】
試料の膜／電極膜接合体１２は、１５０００回のＡＤＴ（Accelerated Durability Test）サイクルにわたって劣化させたものである。観察領域の深さはＺ軸方向に２５０μｍであり、上側がカソードであり、下側がアノードである。アノード及びカソードには、温度が３２℃の水素及び空気をそれぞれ供給した。
【００６７】
図９（ａ）に示した膜／電極膜接合体１２の立体画像において、図９（ｂ）に示すように、固体高分子電解質膜１１の下側に第１の電極触媒／ガス拡散層１３が形成され、上側に第２の電極触媒／ガス拡散層１４が形成されている。第１の電極触媒／ガス拡散層１３においては、厚さ約５０μｍの固体高分子電解質膜１１に約３０μｍの第１の電極触媒層１３ａが隣接し、第１の電極触媒層１３ａの下側に約１７０μｍの第１のガス拡散層１３ｂが形成されている。第２の電極触媒／ガス拡散層１４においては、固体高分子電解質膜１１に約３０μｍの第２の電極触媒層１４ａがカソード触媒層として隣接し、第２の電極触媒層１４ａの上側には約３０μｍの微多孔質層１４ｂが形成され、微多孔質層１４ｂの上側には約１７０μｍの第２のガス拡散層１４ｃが形成されている。
【００６８】
図１０は、膜／電極膜接合体１２の水平断面図である。図１０（ａ）〜図１０（ｃ）に示す断面図は、図９（ａ）に示した膜／電極膜接合体１２を水平な面で切断したものであり、厚さは０．３１２５μｍである。具体的に、図１０（ａ）は、図９（ｂ）の第２のガス拡散層１４ｃで切断したものである。同様に、図（ｂ）は微多孔質層１４ｂ、図１０（ｃ）は第２の電極触媒層１４ａで切断したものである。なお、便宜上、画像は円形の視野に形成した。
【００６９】
以上のように、本実施の形態の固体高分子形燃料電池１０は、膜／電極膜接合体１２の主面に対し所定の角度以上で入射したＸ線を透過させ、固体高分子形燃料電池１０の稼働中におけるＸ線ラミノグラフィー法の３次元イメージ計測によるその場（in-situ）での観察を可能にしている。したがって、運転状態にある固体高分子形燃料電池１０の内部の動作に伴い時々刻々と変化する内部構造や、膜／電極膜接合体１２の劣化過程などを、非破壊その場での観察により、３次元可視化することが可能になる。
【００７０】
また、固体高分子形燃料電池１０の流路板やセパレーターによる散乱や吸収を低減することにより、高画質な透過Ｘ線画像を得ることを可能にしている。さらに、Ｘ線の光路を遮ることなく、固体高分子形燃料電池１０を所定軸について３６０°回転させることを可能にしている。固体高分子形燃料電池１０の部材は軽量であり、回転軸の揺れを抑えて回転を高精度に制御することができる。
【００７１】
本実施の形態のケーブル供給機構は、振動や負荷変動を低減したケーブルを送ることにより、固体高分子形燃料電池の回転軸ぶれを抑えて高精度の回転させることにより、高画質な３次元イメージ計測を可能にしている。
【産業上の利用可能性】
【００７２】
本発明は、自動車に搭載される固体高分子形燃料電池の研究や開発に利用することができる。
【符号の説明】
【００７３】
１０  固体高分子形燃料電池
１１  固体高分子電解質膜
１２  膜／電極膜接合体
１３  第１の電極触媒／ガス拡散層
１４  第２の電極触媒／ガス拡散層
１７  第１の流路板
１８  第２の流路板
１９  第１のセパレーター
１９ａ  第１の透過窓
２０  第２のセパレーター
２０ａ  第２の透過窓
３０  支持台
４０  モータ
５０  ケーブル巻回部
６０  緩衝部
７０  ケーブルスライダー
８０  ケーブル
９０  Ｘ線検出器
【図１】
2016207556.tif 000003
【図２】
2016207556.tif 000004
【図３】
2016207556.tif 000005
【図４】
2016207556.tif 000006
【図５】
2016207556.tif 000007
【図６】
2016207556.tif 000008
【図７】
2016207556.tif 000009
【図８】
2016207556.tif 000010
【図９】
2016207556.tif 000011
【図１０】
2016207556.tif 000012