(57)【要約】【課題】燃料電池の膜電極接合体の密着性を簡易的に短時間に評価する。【解決手段】（ａ）燃料電池に備えられる膜電極接合体に存在する水が燃料電池に供給される反応ガスによって排出可能な状態で燃料電池を運転した後、燃料電池の出力端子間に接続された負荷装置の負荷に応じた発電を実行しつつ、燃料電池に供給する冷媒の温度を膜電極接合体に存在する水が反応ガスによって排出不可な状態となる評価温度とした際の評価温度における燃料電池の出力端子間に発生するセル出力である第１の出力値を測定し、（ｂ）負荷装置の負荷に応じた発電を継続しつつ、冷媒の温度を評価温度からセル出力が垂下する氷点下温度まで低下させた後、再び評価温度まで上昇させた際の評価温度におけるセル出力である第２の出力値を測定し、（ｃ）第１の出力値と第２の出力値との差分に基づいて、膜電極接合体の触媒層とガス拡散層との密着の良否を評価する。【選択図】図１
2016062809.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電解質膜の面上に触媒層が形成された触媒層形成膜の前記触媒層の面上にガス拡散層が接合された膜電極接合体を備える燃料電池の評価装置であって、
前記燃料電池の環境温度を管理する環境温度管理装置と、
前記燃料電池に発電のための反応ガスを供給する反応ガス供給装置と、
前記燃料電池に冷媒を供給する冷媒供給装置と、
前記燃料電池の出力端子間に負荷を与える負荷装置と、
前記燃料電池の出力端子間に発生するセル出力を測定する出力測定装置と、
前記燃料電池に供給される冷媒の温度を測定する温度測定装置と、
制御装置と、を備え、
前記制御装置は、
（ａ）前記膜電極接合体に存在する水が前記反応ガスによって排出可能な状態で前記燃料電池を運転した後、前記負荷装置の負荷に応じた発電を実行しつつ、前記冷媒の温度を前記膜電極接合体に存在する水が前記反応ガスによって排出不可な状態となる評価温度とした際の前記評価温度における前記セル出力である第１の出力値を測定し、
（ｂ）前記負荷装置の負荷に応じた発電を継続しつつ、前記冷媒の温度を前記評価温度から前記セル出力が垂下する氷点下温度まで低下させた後、再び前記評価温度まで上昇させた際の前記評価温度における前記セル出力である第２の出力値を測定し、
（ｃ）前記第１の出力値と前記第２の出力値との差分に基づいて、前記膜電極接合体の前記触媒層と前記ガス拡散層との密着の良否を評価する
ことを特徴とする燃料電池の評価装置。
【請求項２】
請求項１に記載の燃料電池の評価装置であって、
前記密着の良否の評価は、基準とする燃料電池における前記第１の出力値と前記第２の出力値の差分＋α（αは０以上の値）で表される閾値との比較により行うことを特徴とする燃料電池の評価装置。
【請求項３】
請求項１または請求項２に記載の燃料電池の評価装置であって、
前記評価温度は５℃〜２０℃の範囲内の温度であることを特徴とする燃料電池の評価装置。
【請求項４】
請求項１から請求項３までのいずれか一項に記載の燃料電池の評価装置であって、
前記膜電極接合体に存在する水が前記反応ガスによって排出可能な状態で前記燃料電池を運転することは、前記膜電極接合体に存在する水が前記反応ガスによって排出可能となる温度で前記負荷装置の負荷に応じた発電を実行することである
ことを特徴とする燃料電池の評価装置。
【請求項５】
請求項４に記載の燃料電池の評価装置であって、
前記膜電極接合体に存在する水が前記反応ガスによって排出可能となる温度は６０℃以上の温度であることを特徴とする燃料電池の評価装置。
【請求項６】
電解質膜の面上に触媒層が形成された触媒層形成膜の前記触媒層の面上にガス拡散層が接合された膜電極接合体を備える燃料電池の評価方法であって、
（ａ）前記膜電極接合体に存在する水が前記燃料電池に供給される反応ガスによって排出可能な状態で前記燃料電池を運転した後、前記燃料電池の出力端子間に接続された負荷装置の負荷に応じた発電を実行しつつ、前記燃料電池に供給する冷媒の温度を前記膜電極接合体に存在する水が前記反応ガスによって排出不可な状態となる評価温度とした際の前記評価温度における前記燃料電池の出力端子間に発生するセル出力である第１の出力値を測定し、
（ｂ）前記負荷装置の負荷に応じた発電を継続しつつ、前記冷媒の温度を前記評価温度から前記セル出力が垂下する氷点下温度まで低下させた後、再び前記評価温度まで上昇させた際の前記評価温度における前記セル出力である第２の出力値を測定し、
（ｃ）前記第１の出力値と前記第２の出力値との差分に基づいて、前記膜電極接合体の前記触媒層と前記ガス拡散層との密着の良否を評価する
ことを特徴とする燃料電池の評価方法。
【請求項７】
請求項６に記載の燃料電池の評価方法であって、
前記密着の良否の評価は、基準とする燃料電池における前記第１の出力値と前記第２の出力値の差分＋α（αは０以上の値）で表される閾値との比較により行うことを特徴とする燃料電池の評価方法。
【請求項８】
請求項６または請求項７に記載の燃料電池の評価方法であって、
前記評価温度は５℃〜２０℃の範囲内の温度であることを特徴とする燃料電池の評価方法。
【請求項９】
請求項６から請求項８までのいずれか一項に記載の燃料電池の評価方法であって、
前記膜電極接合体に存在する水が前記反応ガスによって排出可能な状態で前記燃料電池を運転することは、前記膜電極接合体に存在する水が前記反応ガスによって排出可能となる温度で前記負荷装置の負荷に応じた発電を実行することである
ことを特徴とする燃料電池の評価方法。
【請求項１０】
請求項９に記載の燃料電池の評価方法であって、
前記膜電極接合体に存在する水が前記反応ガスによって排出可能となる温度は６０℃以上の温度であることを特徴とする燃料電池の評価方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池の評価装置及び評価方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は、通常、複数の単位セルを積層したスタック構造を有している。単位セルは、膜電極接合体（ＭＥＡ：Membrane Electrode Assembly ）と、膜電極接合体を挟持する一対のセパレーターと、を備える一つの発電体ユニットである。膜電極接合体は、電解質膜の両面に触媒層が形成された触媒層形成膜（ＣＣＭ：Catalyst Coated Membrane ）と、触媒層形成膜の両面に接合されたガス拡散層（ＧＤＬ：Gas Diffusion Layer ）と、を備える発電体である。なお、電解質膜の両面に形成された触媒層及びガス拡散層が膜電極接合体の電極を構成する。
【０００３】
接合された触媒層とガス拡散層との間の密着性は、単位セルの発電性能（「出力性能」とも呼ぶ）に寄与し、密着性が不十分な場合、その単位セルの発電性能は低下する。そこで、従来から、触媒層形成膜とガス拡散層との間の密着性（接合性）を評価するための種々の技術が知られている（特許文献１，２参照）。特許文献１では、単位セルの電極間に交流信号を印加し、測定された交流インピーダンス及び位相角に基づいて単位セルの異常（触媒層とガス拡散層との接合不良等による異常）を評価している。特許文献２では、膜電極接合体を液体に浸し、液体に浸した膜電極接合体の含水量を変化させて、膜電極接合体の抵抗値（インピーダンス）を測定し、測定した抵抗値に基づいて触媒層とガス拡散層との密着の良否を評価している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００５−７１８８２号公報
【特許文献２】特開２００９−２７７６１３号公報
【特許文献３】特開平５−２０５７６２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ここで、常温環境（例えば２０℃〜６０℃）における発電の場合には、密着性が不良な単位セルであっても密着性が良好な単位セルと同等の発電性能（出力性能等）が得られるにも関わらす、氷点に近い冷温環境(例えば−５℃〜＋５℃)で発電を始動する発電の場合には、密着性が不良な単位セルは密着性が良好な単位セルに比べて低い発電性能となる場合がある。なお、以下では、常温環境における発電及びその場合の発電性能を「常温発電」及び「常温発電性能」とも呼び、点下環境で発電を開始する発電及びその場合の発電性能を「冷温発電」及び「冷温発電性能」とも呼ぶ。
【０００６】
従って、単位セルの密着性の良否を発電性能に基づいて評価するためには、常温発電性能の評価及び冷温発電性能の評価の両方を行なうことが好ましい。しかしながら、常温発電性能の評価及び冷温発電性能の評価の両方を行なうため、評価結果を得るために要する時間が長くなり、評価時間や評価コスト等の点で不十分である。このため、簡易的に短時間に密着性を評価することが望まれている。
【０００７】
なお、上記特許文献１の場合、発電性能の測定とは別に、交流インピーダンス及び位相角の測定を行なう設備を用いて密着性を評価するものであるため、評価設備や評価コストの点、簡易的な評価の実現の点で不十分である。同様に、上記特許文献２の場合も、発電性能の測定とは別に、膜電極接合体を液体に浸し、液体に浸した膜電極接合体の含水量を変化させて、膜電極接合体の抵抗値（インピーダンス）を測定するための設備を用いて密着性を評価するものであるため、設備コストや評価コストの点、簡易的な評価の実現の点で不十分である。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明は、上述の課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、以下の形態として実現することが可能である。
【０００９】
（１）本発明の一形態によれば、電解質膜の面上に触媒層が形成された触媒層形成膜の前記触媒層の面上にガス拡散層が接合された膜電極接合体を備える単位セルを評価対象とする燃料電池の評価装置が提供される。この燃料電池の評価装置は、前記燃料電池の環境温度を管理する環境温度管理装置と；前記燃料電池に発電のための反応ガスを供給する反応ガス供給装置と；前記燃料電池に冷媒を供給する冷媒供給装置と、前記燃料電池の出力端子間に負荷を与える負荷装置と；前記燃料電池の出力端子間に発生するセル出力を測定する出力測定装置と；前記燃料電池に供給される冷媒の温度を測定する温度測定装置と；制御装置と；を備える。前記制御装置は、（ａ）前記膜電極接合体に存在する水が前記反応ガスによって排出可能な状態で前記燃料電池を運転した後、前記負荷装置の負荷に応じた発電を実行しつつ、前記冷媒の温度を前記膜電極接合体に存在する水が前記反応ガスによって排出不可な状態となる評価温度とした際の前記評価温度における前記セル出力である第１の出力値を測定し、（ｂ）前記負荷装置の負荷に応じた発電を継続しつつ、前記冷媒の温度を前記評価温度から前記セル出力が垂下する氷点下温度まで低下させた後、再び前記評価温度まで上昇させた際の前記評価温度における前記セル出力である第２の出力値を測定し、（ｃ）前記第１の出力値と前記第２の出力値との差分に基づいて、前記膜電極接合体の前記触媒層と前記ガス拡散層との密着の良否を評価する。
この形態の燃料電池の評価装置によれば、簡易的で短時間に、燃料電池の膜電極接合体の触媒層とガス拡散層との密着性を良好に評価することができる。
【００１０】
（２）上記形態の燃料電池の評価装置において、前記密着の良否の評価は、基準とする燃料電池における前記第１の出力値と前記第２の出力値の差分＋α（αは０以上の値）で表される閾値との比較により行うようにしてもよい。
この場合、基準とする燃料電池における前記第１の出力値と前記第２の出力値の差分＋α（αは０以上の値）で表される閾値との比較により、燃料電池の膜電極接合体の触媒層とガス拡散層との密着性を良好に評価することができる。
【００１１】
（３）上記形態の燃料電池の評価装置において、前記評価温度は５℃〜２０℃の範囲内の温度としてもよい。
この場合、密着の良好な場合の差分と密着が良好でない場合の差分の相違を顕著に検出することが可能であり、良否の評価が容易となる。
【００１２】
（４）上記形態の燃料電池の評価装置において、前記膜電極接合体に存在する水が前記反応ガスによって排出可能な状態で前記燃料電池を運転することは、前記膜電極接合体に存在する水が前記反応ガスによって排出可能となる温度で前記負荷装置の負荷に応じた発電を実行することとしてもよい。
この場合、容易に、膜電極接合体に存在する水が反応ガスによって排出可能な状態で燃料電池を運転可能である。
【００１３】
（５）上記形態の燃料電池の評価装置において、前記膜電極接合体に存在する水が前記反応ガスによって排出可能となる温度は６０℃以上の温度としてもよい。
【００１４】
本発明は、種々の形態で実現することが可能であり、例えば、燃料電池の評価装置の他、燃料電池の評価方法、燃料電池の評価装置を備える燃料電池の製造装置等の各主の装置および方法等、様々な形態で実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】一実施形態としての燃料電池の評価装置の概略構成を示した説明図である。
【図２】評価装置を用いて実行される評価方法を説明するためのフローチャートである。
【図３】図２に示した評価方法により実行される評価を説明するためのグラフである。
【図４】第３の温度から第２の温度まで昇温した単位セルの膜電極接合体を凍結して分解した様子を示す説明図である。
【図５】単位セル内から反応ガスによって持ち去りが可能な水の量について示す説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
Ａ．実施形態：
Ａ１．評価装置の構成：
図１は、一実施形態としての燃料電池の評価装置１０の概略構成を示した説明図である。評価装置１０は、反応ガス供給装置である燃料ガス供給装置５００及び酸化ガス供給装置６００と、冷媒供給装置７００と、環境温度管理装置である恒温槽８００と、制御装置９００と、負荷装置９１０と、出力測定装置である電圧計９２０及び電流計９３０と、温度測定装置である温度計９４０とを備える。
【００１７】
評価対象の燃料電池の単位セル１００は、両側にダミーセル１００Ｄが積層され、押圧装置４００によって所定の圧力で押圧された状態で、恒温槽８００内に配置される。所定の圧力は、複数の単位セル１００を積層してスタック構造の燃料電池を構成する際に加えられる圧力と同じに設定される。環境温度感知装置は恒温槽８００に限定されるものではなく、評価対象の燃料電池の単位セル１００の環境温度を、所望の温度に調整し管理することが可能であれば良い。
【００１８】
評価対象となる単位セル１００は、膜電極接合体（ＭＥＡ）２００を一対のセパレーター３００ａ，３００ｃで挟持した一つの発電体ユニットである。膜電極接合体２００は、電解質膜２１０の両面に触媒層２２０ａ，２２０ｃが形成された触媒層形成膜（ＣＣＭ）２１５と、触媒層形成膜２１５の両面に接合されたガス拡散層（ＧＤＬ）２３０ａ，２３０ｃと、を備える発電体である。一対のセパレーター３００ａ，３００ｃの間の膜電極接合体２００の外周には、シリコーンゴム等による枠状のシール部材２５０が形成されている。なお、各符号の末尾に付されている「ａ」はアノード側の部材であることを示し、「ｃ」はカソード側の部材であることを示している。また、以下の説明において、いずれ側の部材かを特に区別しない場合には、符号「ａ」，「ｂ」を省略する場合もある。
【００１９】
電解質膜２１０は、フッ素系樹脂により形成されたプロトン伝導性を有する高分子電解質膜により形成されている。触媒層２２０は、白金や白金合金等の触媒金属を担持したカーボン担体や、プロトン伝導性を有する高分子電解質（「アイオノマー」と呼ばれる）等により形成されている。ガス拡散層２３０は、撥水処理が施されたカーボンペーパーにより形成されている。この撥水処理が施されたカーボンペーパーは、例えば、カーボンとテフロン（登録商標）を混合させた混合液を、カーボンペーパーに含浸させることにより作製することができる。なお、カーボンペーパーの代わりに、例えば、カーボンフェルト、カーボンクロス等のガス透過性及び導電性を有する部材を用いてもよい。また、ガス拡散層２３０の触媒層側には、不図示のＭＰＬ（微細多孔質層，Micro porous Layer）が形成されている。ＭＰＬは、例えば、ガス拡散層の一方の面にＭＰＬ形成用部材を塗工することにより形成される。なお、ＭＰＬを備えなくてもよい。
【００２０】
セパレーター３００は、カーボン製部材や金属製部材等のガス不透過な導電性部材により形成されている。アノード側のセパレーター３００ａの膜電極接合体２００と接触する面には、燃料ガスが流れる溝状の燃料ガス流路３１０ａが形成されており、カソード側のセパレーター３００ｃの膜電極接合体２００と接触する面には、酸化ガスが流れる溝状の酸化ガス流路３１０ｃが形成されている。そして、複数の単位セル１００を積層した場合に接触するアノード側のセパレーター３００ａとカソード側のセパレーター３００ｃとが接触する面には、冷媒としての冷却水が流れる溝状の冷媒流路３２０を構成する冷媒流路溝３２０ａ，３２０ｃが形成されている。
【００２１】
ダミーセル１００Ｄは、膜電極接合体２００のダミー部材２００Ｄを一対のセパレーター３００ａ，３００ｃで挟持したダミーユニットである。
【００２２】
燃料ガス供給装置５００は、燃料ガス供給管５１０により燃料ガス流路３１０ａと接続され、制御装置９００からの指示に応じた流量および圧力の燃料ガス（水素）を、燃料ガス流路３１０ａに流通させる。なお、燃料ガス供給装置５００は、燃料タンクや、減圧弁、圧力調整弁等を備える一般的な構成の燃料ガス供給装置である。
【００２３】
酸化ガス供給装置６００は、酸化ガス供給配管６１０により酸化ガス流路３１０ｃと接続され、制御装置９００からの指示に応じた流量および圧力の酸化ガス（空気）を、酸化ガス流路３１０ｃに流通させる。なお、酸化ガス供給装置６００は、エアーコンプレッサー等を備える一般的な構成の酸化ガス供給装置である。
【００２４】
冷媒供給装置７００は、冷媒供給配管７１０により冷媒流路３２０と接続され、制御装置９００からの指示に応じて、冷媒（冷却水）の温度および流量を管理しつつ、冷媒流路３２０に流通させる。なお、冷媒供給装置７００は、送出ポンプや、冷却用のラジエーター等を備える一般的な構成の冷却装置である。冷媒供給装置７００から単位セル１００に供給される冷却水の温度は、冷媒供給配管７１０に設けられた温度計９４０によって測定される。温度計９４０によって測定された温度は、単位セル１００の温度とされる。
【００２５】
負荷装置９１０は、単位セル１００の正極の出力端子に対応するカソード側のセパレーター３００ｃと、単位セル１００の負極の出力端子に対応するアノード側のセパレーター３００ａとの間に接続されている。負荷装置９１０は、制御装置９００からの指示に応じた負荷を単位セル１００の出力端子間に与える。単位セル１００は、負荷装置９１０の負荷に応じた出力（電流及び電圧）を発生するように発電する。出力端子間に発生した電圧及び電流は、出力測定装置の電圧計９２０及び電流計９３０によって測定される。
【００２６】
制御装置９００は、温度計９４０で測定された冷却水の温度に基づいて、冷媒供給装置７００による冷却水の温度及び流量の管理動作を制御する。また、制御装置９００は、電圧計９２０及び電流計９３０で測定された電圧及び電流（以下、単に「セル出力」とも呼ぶ）に基づいて、負荷装置９１０の負荷の制御や、後述する評価対象としての単位セル１００の評価を実行する。
【００２７】
Ａ２．評価方法：
評価装置１０を用いて実行される評価方法について説明する。この評価方法により評価される評価対象としての単位セル１００の良否、具体的には、膜電極接合体２００の良否は、膜電極接合体２００の触媒層２２０とガス拡散層２３０との接合不良が原因として生じる触媒層２２０とガス拡散層２３０との間の隙間の有無の度合いを示している。この隙間が存在しない、もしくは、存在しても少ない状態は、密着が良好とされ、隙間が所定以上存在する状態は密着が不良とされる。具体的には、以下で説明するように評価が行われる。
【００２８】
図２は、評価装置１０を用いて実行される評価方法を説明するためのフローチャートである。価対象の単位セル１００（以下、単に「評価対象」とも呼ぶ）を、図１に示したように評価装置１０に評配置した後、図２に示した評価方法による評価を実行する。具体的には、以下で説明するように、ステップＳ１０〜Ｓ７０で温度サイクル測定（温度サイクル試験）による評価対象のセル出力の測定を実行し、ステップＳ８０，Ｓ９０で評価対象の良否を評価する。
【００２９】
まず、ステップＳ１０では、評価対象の温度が温度サイクル測定の開始温度である第１の温度Ｔ１となるまで昇温（上昇）させつつ、第１の発電条件での評価対象の発電を実行する。第１の発電条件としては、出力電流は例えば定格規定値（５００Ａ）に設定される。第１の温度Ｔ１（本例では６０℃）は、出力電流の設定値に対応する動作温度に設定される。負荷装置９１０の負荷は出力電流の設定値に応じた値に設定される。燃料ガス供給装置５００の燃料ガス流量、及び、酸化ガス供給装置６００の酸化ガス流量は、出力電流の設定値での発電が十分に可能な値に設定される。ただし、これに限定されるものではなく、可能な出力電流の設定範囲のうち種々の値及び動作温度を任意に設定可能である。なお、評価対象の温度の上昇および低下は、冷媒供給装置７００の冷却水の温度及び供給する流量の制御、並びに、恒温槽８００の環境温度の制御によって実行される。また、評価対象の温度としては、温度計９４０で測定される冷却水の温度が用いられる。但し、評価対象の内部に温度センサーを備える等、評価対象の温度を直接的に測定できる場合には、その温度が用いられるようにしてもよい。
【００３０】
次に、ステップＳ２０では、評価対象の温度を第１の温度Ｔ１から第２の温度Ｔ２へ向けて冷却（低下）させつつ、第１の発電条件での評価対象の発電を実行（継続）する。この際、温度の変化に応じた評価対象のセル出力の出力値（電圧値および電流値）を測定する。なお、第２の温度Ｔ２は、本例では５℃に設定されている。この第２の温度Ｔ２については後述する。そして、ステップＳ３０では、評価対象の温度が第２の温度Ｔ２まで冷却した時点で、第２の温度Ｔ２における評価対象のセル出力の出力値（本例では、電流値）を測定し、第１の出力値Ｉｄを取得する。
【００３１】
ステップＳ４０では、さらに、評価対象の温度を第２の温度Ｔ２から第３の温度Ｔ３となるまで冷却（低下）させつつ、第２の発電条件での評価対象の発電を実行（継続）する。第３の温度Ｔ３は、氷点下になって発電による生成水が凍結して発電不可となり、出力値（電流値および電圧値）が垂下してしまう温度（以下、「発電不可温度」とも呼ぶ）である。従って、第３の温度Ｔ３は、評価対象の温度を低下させつつ、セル出力の出力値を測定し、セル出力の出力値の垂下を観測することにより決定される。第２の発電条件としては、出力電圧が一定の電圧、例えば、０．５Ｖに設定される。負荷装置９１０の負荷は出力電圧が一定の電圧を維持するように常時制御される。燃料ガス供給装置５００の燃料ガス流量、及び、酸化ガス供給装置６００の酸化ガス流量は、一定の出力電圧での発電が十分に可能な値に設定される。ここで、第２の温度Ｔ２から第３の温度Ｔ３での発電の条件を第２の発電条件とするのは、第１の発電条件での発電の場合、発電による発熱によって十分な冷却が困難となる場合があるため、第２の温度Ｔ２から第３の温度Ｔ３への冷却を効果的に短時間で行うためである。なお、第１の発電条件を第２の発電条件と同じに設定して、全て同一の発電条件で温度サイクル測定（温度サイクル試験）を行なっても良い。また、第３の温度は、上記したセル出力の垂下を観測することにより決定される温度だけでなく、評価対象の温度が低下してセル出力の低下が顕著、すなわち、発電性能の低下が顕著となる温度であればよい。例えば、出力（電流）の低下する傾斜の変化が顕著となる温度や、出力の変化が縦軸に接する温度等、種々の温度に設定することができる。
【００３２】
ステップＳ５０では、さらに、発電不可となった第３の温度Ｔ３から第２の温度Ｔ２へ向けて昇温（上昇）させつつ、引き続き、第２の発電条件での評価対象の発電を実行（継続）する。第２の温度Ｔ２は、発電不可状態が解消されて発電が可能な状態（出力が得られる状態）となった後の温度、本例では５℃に設定されている。この第２の温度Ｔ２については後述する。そして、ステップＳ６０では、評価対象の温度が第２の温度Ｔ２まで昇温した時点で、第２の温度Ｔ２における評価対象のセル出力の出力値（本例では、電流値）を測定し、第２の出力値Ｉｕを取得する。
【００３３】
ステップＳ７０では、さらに、評価対象の温度を第２の温度Ｔ２から温度サイクル測定の終了温度である第１の温度Ｔ１となるまで昇温（上昇）させつつ、第１の発電条件での評価対象の発電を実行（継続）し、温度サイクル測定を終了する。なお、ステップＳ２０〜Ｓ７０までの動作を複数回繰り返して測定し、第１の出力値Ｉｄおよび第２の出力値Ｉｕについて、それぞれ、最大値、最小値、平均値のいずれかを採用するようにしてもよい。
【００３４】
ここで、温度サイクル測定により得られる単位セルの出力特性について説明する。図３は、密着が良好な単位セルＰ１及び密着が不良な単位セルＰ２の温度サイクル測定の例を示すグラフである。どちらも、上記ステップＳ２０〜Ｓ７０による温度サイクル測定を行った結果を示している。
【００３５】
図から分かるように、第１の温度Ｔ１（６０℃）から第３の温度Ｔ３（発電不可温度）まで冷却する過程では、密着が不良な単位セルＰ２であっても、密着が良好な単位セルＰ１と同等以上の出力特性が得られている。例えば、第２の温度Ｔ２（５℃）において、密着が良好な単位セルＰ１の第１の出力値ＩｄはＩｄ（Ｐ１）であり、密着が不良な単位セルＰ２の第１の出力値ＩｄはＩｄ（Ｐ１）よりも高いＩｄ（Ｐ２）となっている。これに対して、第３の温度Ｔ３（発電不可温度）から第１の温度Ｔ１（６０℃）まで昇温する過程では、密着が不良な単位セルＰ２において発電不可状態が解消されて発電が可能になって発生する出力特性は、第１の温度Ｔ１（６０℃）に近い温度（図の例では、５０℃以上）となるまで、密着が良好な単位セルＰ１の出力特性に比べて低くなる。例えば、氷点下から０℃よりも高く発電可能な状態となった温度の近傍の第２の温度Ｔ２（５℃）において、密着が良好な単位セルＰ１の第２の出力値ＩｕはＩｕ（Ｐ１）であるのに対して、密着が不良な単位セルＰ２の第２の出力値ＩｕはＩｕ（Ｐ１）よりも低いＩｕ（Ｐ２）となっている。
【００３６】
図４は、第３の温度Ｔ３から第２の温度Ｔ２まで昇温した単位セルＰ１，Ｐ２の膜電極接合体２００を凍結して分解した様子を示す説明図である。図４（Ａ）は密着が良好な単位セルＰ１の膜電極接合体２００のカソード側をマイクロスコープで観察した結果を示しており、図４（Ｂ）は密着が不良な単位セルＰ２の膜電極接合体２００のカソード側をマイクロスコープで観察した結果を示している。凍結して膜電極接合体２００を分解した場合、触媒層２２０とガス拡散層（ＧＤＬ）との間の隙間に存在する水は凍結して残留している。そして、水が凍結して残留している箇所は、ＧＤＬ剥離が容易となる。図４（Ａ）に示すように、密着良好な場合には、触媒層２２０とガス拡散層２３０との間に設けられた溝状の流路の部分では水が凍結してＧＤＬが剥離されているが、それ以外の部分では全体的にＧＤＬが剥離されずに付着している。これに対して、図４（Ｂ）に示すように、密着不良な場合には、全体的に複数の箇所に亘って水が凍結してＧＤＬが剥離されており、密着が良好な場合に比べて、水が凍結してＧＤＬが剥離されている部分が多くなっている。このことから、密着性が低いものは膜電極接合体２００の全体の領域にわたって触媒層２２０とガス拡散層２３０との間の隙間に水が多く存在することになるため、氷点下発電において、凍結によって多く残留する水によってプロトン伝導性が低下し、出力性能が低くなる、と考えられる。
【００３７】
以上のことから、冷却過程での第２の温度Ｔ２における第１の出力値Ｉｄと、昇温過程での第２の温度Ｔ２における第２の出力値Ｉｕとの差分ΔＩは、密着が良好な場合に比べて密着が不良な場合は大きくなる、と言える。具体的には、図３に示すように冷却過程における第２の温度Ｔ２における第１の出力値Ｉｄは、密着が良好な単位セルＰ１はＩｄ（Ｐ１）であるのに対して、密着が不良な単位セルＰ２はＩｄ（Ｐ１）よりも高いＩｄ（Ｐ２）となっている。また、昇温過程における第２の温度Ｔ２における第２の出力値Ｉｕは、密着が良好な単位セルＰ１はＩｕ（Ｐ１）であるのに対して、密着が不良な単位セルＰ２はＩｕ（Ｐ１）よりも低いＩｕ（Ｐ２）となっている。従って、密着が不良な単位セルＰ２の差分ΔＩ（Ｐ２）は、密着が良好な単位セルＰ１の差分ΔＩ（Ｐ１）に比べて大きくなっている。
【００３８】
そこで、第２の温度Ｔ２における冷却過程での第１の出力値Ｉｄと昇温過程での第２の出力値Ｉｕとの差分ΔＩ（＝Ｉｄ−Ｉｕ）の大きさが分かれば、膜電極接合体の密着の良否を評価することが可能である。
【００３９】
なお、図３に示すように、昇温過程において、密着が不良な単位セルＰ２も、ある程度の温度（図３では約３０℃）以上に昇温されると、密着が良好な単位セルＰ１の出力に近くなり、十分な温度（図３では約５０℃）以上に昇温されると、密着が良好な単位セルＰ１の出力と同等となる。これは、以下の理由による。
【００４０】
図５は、単位セル内から反応ガスによって持ち去りが可能な水の量について示す説明図である。図５に示すように、単位セル（膜電極接合体）内に供給される反応ガス（特に、酸化ガス）によって持ち去られる水の量（持ち去り量）は、単位セルの温度に応じて変化する。また、図５に示すように、単位セルの出力電流に応じて生成される水の量（生成水量）は、電流値に比例して増加する。従って、出力電流に応じた生成水量を排出するためには、生成水量以上の持ち去り量であることが要求される。例えば、１００Ａの出力電流の発電時の生成水量は、図５に示すように約０．５６ｇである。この生成水量を排出させるための温度は、図５に示すように４０℃以上であることが要求される。すなわち、第３の温度Ｔ３において発電不可となった際に、単位セル内で凍結した水のうちの余剰な水は発電性能の低下を招くため、これらの余剰水が排出されて発電性能が向上するまで、出力が低下することになる。そして、昇温により単位セルの温度が上昇し、その温度に応じた持ち去り量が生成水量よりも多くなることにより、単位セル内の水が排出され、これに応じて出力性能が向上し、単位セルの温度が十分な温度以上まで上昇することにより、密着が良好なセルと同等の出力性能となる。すなわち、図３において、密着が不良な単位セルＰ２が十分な昇温により密着が良好な単位セルＰ１と同等の性能が得られているのは、以上の理由による。
【００４１】
なお、本例では、第２の温度Ｔ２を５℃としているが、これに限定されるものではなく、氷点（０℃）よりも高く、出力電流の設定値に対応する動作温度に応じた第１の温度（本例では６０℃）未満の範囲のいずれかの温度とするようにしてもよい。具体的には、第３の温度Ｔ３において水が凍結した際に、密着の良好な場合よりも密着の不良によって多く含まれた水が温度上昇によって排出されて、出力性能が密着の良好なものと同等となるまでのいずれかの温度とするようにしてもよい。すなわち、第２の温度Ｔ２は、単位セル内の水が反応ガスによって排出不可な状態となる温度とすればよい。例えば、上記した１００Ａの出力電流の発電時の生成水量の約０．５６ｇが密着の不良によって多く含んだ生成水量であるとすると、第２の温度Ｔ２は０℃＜Ｔ２＜４０℃の範囲で設定するようにすればよい。ただし、５℃≦Ｔ２≦２０℃の範囲のいずれかの温度であることが好ましい。Ｔ２が５℃以上の場合、単位セル内で融けた水が再度凍結して出力が得られなくなる心配が無い点で好ましい。また、Ｔ２が２０℃以下の場合、密着の良好な場合の差分と密着が不良な場合の差分との差が顕著になり易い点で好ましい。
【００４２】
また、本例では、第１の温度Ｔ１は、出力電流の設定値に対応する動作温度に応じた温度（本例では６０℃）とされているが、これに限定されるものではなく、単位セル（膜電極接合体）内の水が反応ガスによって排出可能な状態の温度に設定すればよい。通常は、第２の温度Ｔ２よりも高く、かつ、出力電流の設定値に対応する動作温度に応じた温度（例えば６０℃）以上の温度に設定すればよい。
【００４３】
図２に戻って、温度サイクル測定の終了後、ステップＳ８０では、第１の出力値Ｉｄと第２の出力値Ｉｕの差分ΔＩ（＝Ｉｄ−Ｉｕ）を求めて、閾値Ｉｔｈとの比較を行なう。そして、差分ΔＩが閾値Ｉｔｈより小さい場合には、評価対象の単位セル１００の膜電極接合体２００において触媒層２２０とガス拡散層２３０との密着は良好（密着性ＯＫ）と評価し（ステップＳ９０ａ)、差分ΔＩが閾値Ｉｔｈ以上の場合には、触媒層２２０とガス拡散層２３０との密着は不良（密着性ＮＧ）と評価する(ステップＳ９０ｂ)。なお、閾値Ｉｔｈは、予め、触媒層２２０とガス拡散層２３０との密着が良好な膜電極接合体２００を有する単位セル１００について、ステップＳ１０〜Ｓ７０の温度サイクル測定を行って求めた差分ΔＩにマージン分α（αは０以上の値）を加えた値で表される。すなわち、予め実験によって定めた値である。本例では、閾値Ｉｔｈは１５０Ａ〜２００Ａのいずれかの値に設定されている。但し、これに限定されるものではなく、膜電極接合体を構成する材料や製造条件等に依存するものであるため、評価対象の単位セルの膜電極接合体に応じて異なった値に設定される。
【００４４】
以上説明した実施形態の評価装置及び評価方法によれば、温度サイクル測定（温度サイクル試験）において、評価対象の単位セル１００の温度を、第１の温度Ｔ１から発電不可となる第３の温度Ｔ３まで冷却させる途中の第２の温度Ｔ２における第１の出力値と、第３の温度Ｔ３から第１の温度まで昇温させる途中の第２の温度Ｔ２における第２の出力値との差分に基づいて、単位セル１００の膜電極接合体２００の触媒層２２０とガス拡散層２３０との密着の良否を評価することができる。触媒層２２０とガス拡散層２３０との密着の良否は、具体的には、基準とする膜電極接合体の差分に基づいて決められた閾値との比較により行うため、触媒層２２０とガス拡散層２３０との密着の良否以外を要因とする差分の変化の影響を抑制でき、単位セル１００の膜電極接合体２００における触媒層２２０とガス拡散層２３０との密着性を良好に評価することができる。
【００４５】
なお、第２の温度Ｔ２が本発明の「評価温度」に相当し、第３の温度Ｔ３が本発明の「氷点下温度」に相当する。また、第１の温度Ｔ１が本発明の「膜電極接合体に存在する水が反応ガスによって排出可能となる温度」に相当する。
【００４６】
Ｂ．変形例
なお、この発明は上記の実施例や実施形態に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の態様において実施することが可能であり、例えば以下のような実施も可能である。
【００４７】
・変形例１
上記実施形態では、単位セルの出力値として電流値を用いているが、電流と電圧の積である電力を用いてもよく、同様に、単位セルの膜電極接合体の触媒層とガス拡散層の密着性を良好に評価することができる。
【００４８】
・変形例２
上記実施形態では、単位セル（膜電極接合体）内の水が反応ガスによって排出可能な状態の温度として、出力電流の設定値に対応する動作温度に応じた温度（６０℃）を第１の温度として設定されているが、これに限定されるものではない。セル出力を測定する第２の温度（本発明の評価温度に相当する）とする前の燃料電池の運転状態が、単位セル(膜電極接合体)内の水が反応ガスによって排出可能な状態で運転可能であれば、第１の温度に特に限定はない。
【００４９】
・変形例３
上記実施形態では、膜電極接合体を挟持するセパレーターに溝状の反応ガスのガス流路が形成されている場合を例に説明しているが、これに限定されるものではなく、セパレーターと膜電極接合体との間に反応ガス流路、例えば、多孔体ガス流路を別に備える構成であってもよい。また、いずれか一方のセパレーターと膜電極接合体との間に反応ガス流路を別に備える構成であってもよい。
【００５０】
・変形例４
上記実施形態では、一つの単位セルを評価する場合を例に説明したがこれに限定されるものではなく、スタック状の複数の単位セルについて評価することも可能である。但し、複数の単位セルの出力をまとめて評価する場合には、密着不良の単位セルがいずれであるか特定するためには、それぞれの単位セルについて順に評価する必要があるため、複数の単位セルの全ての評価を終了するのに時間を要することになる。評価準備に要する時間を短縮することができる。すなわち、一つの単位セル毎に評価する場合には、短時間で１つの段位セルの評価を行なうことができる点で、スタック状の複数の単位セルのそれぞれを評価する場合に比べて有利である。また、スタック状の複数の単位セルのそれぞれについて評価する場合には、同じ数の複数の単位セルを、一つの単位セル毎に評価する場合に比べて、評価準備に要する時間を短縮することができる点で有利である。
【００５１】
本発明は、上述の実施形態や実施例、変形例に限られるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲において種々の構成で実現することができる。例えば、発明の概要の欄に記載した各形態中の技術的特徴に対応する実施形態、実施例、変形例中の技術的特徴は、上述の課題の一部または全部を解決するために、あるいは、上述の効果の一部または全部を達成するために、適宜、差し替えや組み合わせを行うことが可能である。また、その技術的特徴が本明細書中に必須なものとして説明されていなければ、適宜、削除することが可能である。
【符号の説明】
【００５２】
１０…評価装置
１００…単位セル
１００Ｄ…ダミーセル
２００…膜電極接合体
２００Ｄ…ダミー部材
２１０…電解質膜
２１５…触媒層形成膜
２２０，２２０ａ，２２０ｃ…触媒層
２３０，２３０ａ，２３０ｃ…ガス拡散層
３００ａ，３００ｃ…セパレーター
３１０ａ…燃料ガス流路
３１０ｃ…酸化ガス流路
３２０…冷媒流路
３２０ａ，３２０ｃ…冷媒流路溝
４００…押圧装置
５００…燃料ガス供給装置
５１０…燃料ガス供給管
６００…酸化ガス供給装置
６１０…酸化ガス供給配管
７００…冷媒供給装置
７１０…冷媒供給配管
８００…恒温槽（環境温度管理装置）
９００…制御装置
９１０…負荷装置
９２０…電圧計
９３０…電流計
９４０…温度計
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図５】
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【図４】
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