(57)【要約】【課題】より適切に電解質膜を評価することが可能な技術を提供する。【解決手段】電解質膜１１０の両側に異なる湿度のガスを流した状態で、前記電解質膜１１０の伝導度を測定する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池用の電解質膜の評価方法であって、
電解質膜の両側に異なる湿度のガスを流した状態で、前記電解質膜の伝導度を測定する、電解質膜の評価方法。
【請求項２】
請求項１に記載の電解質膜の評価方法において、
前記電解質膜の両側に同一種類のガスを流す、電解質膜の評価方法。
【請求項３】
請求項２に記載の電解質膜の評価方法において、
前記ガスは、不活性ガス又は水素である、電解質膜の膜評価方法。
【請求項４】
請求項１から請求項３のいずれかに記載の電解質膜の評価方法において、
前記電解質膜はプロトン伝導性の電解質膜である、電解質膜の評価方法。
【請求項５】
請求項４に記載の電解質膜の評価方法において、
前記電解質膜は、側鎖にスルホン酸基を有する、電解質膜の評価方法。
【請求項６】
請求項１から請求項５のいずれかに記載に電解質膜の評価方法において、
前記湿度の一方は０％である、電解質膜の評価方法。
【請求項７】
燃料電池の評価方法であって、
請求項１から請求項６のいずれかに記載の方法によって取得した伝導度の値を用いて燃料電池の発電特性を評価する、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方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から燃料電池の電解質膜のプロトン伝導度を評価する方法が知られている（特許文献１）。
【０００３】
【特許文献１】特開２００３−２６４００１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
従来技術では、電解質膜の雰囲気が平衡である条件下で伝導度を測定するのが一般的である。しかし、実際の燃料電池では膜内に湿度分布があり平衡状態ではない。そのため、平衡雰囲気下で測定した伝導度と実際の燃料電池の発電特性との相関がとれず、平衡雰囲気下で測定した伝導度を用いて実際の燃料電池の発電特性を評価することが困難であるという問題があった。
【０００５】
本発明は上記課題の少なくとも１つを解決し、より適切に電解質膜を評価することが可能な技術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】
【０００６】
上記課題の少なくとも一部を解決するために、本発明は以下の態様をとる。
【０００７】
本発明の第１の態様は、燃料電池用の電解質膜の評価方法であって、電解質膜の両側に異なる湿度のガスを流した状態で、前記電解質膜の伝導度を測定する。この態様によれば、電解質膜の両側に異なった湿度のガスを流して伝導度を測定することにより、実際の使用状態に近い状態における電解質膜の良否を評価することができる。
【０００８】
本発明の第１の態様において、前記電解質膜の両側に同一種類のガスを流してもよい。この態様によれば、発電が起こらないので、電解質膜を評価し易い。
【０００９】
本発明の第１の態様において、前記ガスは、不活性ガス又は水素であってもよい。不活性ガスは電気的に反応せず、水素ガスは燃料電池に用いられるものであるので、電解質膜を評価し易い。
【００１０】
本発明の第１の態様において、前記電解質膜はプロトン伝導性の電解質膜であってもよい。また、本発明の第１の態様において、前記電解質膜は、側鎖にスルホン酸基を有してもよい。
【００１１】
本発明の第１の態様において、前記湿度の一方を０％にしてもよい。この態様によれば、一方の湿度を０％にするので、湿度差を大きくできる。
【００１２】
本発明の第２の態様は、燃料電池の評価方法であって、本発明の第１の態様のいずれかに記載の方法によって取得した伝導度の値を用いて燃料電池の発電特性を評価する。この態様によれば、燃料電池の発電特性を容易に評価できる。
【００１３】
なお、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、燃料電池の評価方法の他、電解質膜の評価方法、電解質膜の評価装置、燃料電池の評価装置等、様々な形態で実現することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
図１は、本実施例に係る電解質膜評価装置を模式的に示す説明図である。電解質膜評価装置１０は、被測定セル１００と、ガス供給部２００、２０５と、ＬＣＲメータ３００とを備える。
【００１５】
被測定セル１００は、電解質膜１１０と、電極１２０、１２５と、多孔体１３０、１３５と、集電板１４０、１４５と、シール絶縁体１５０とを備える。本実施例では、電解質膜１１０として、例えばパーフルオロカーボンスルホン酸ポリマなどのフッ素系樹脂から成るプロトン伝導性のイオン交換膜を用いている。パーフルオロカーボンスルホン酸ポリマは、側鎖にスルホン酸基を有する。電極１２０、１２５は、電解質膜の両面の対角位置に配置されている。本実施例では、電極１２０、１２５として、例えば白金や金、又は白金と他の貴金属との合金のいずれかを用いた金属電極を採用することが可能である。あるいは、白金や金、又は白金と他の貴金属との合金のいずれかをカーボンに担持させた電極触媒層を用いてもよい。多孔体１３０、１３５は、電極１２０、１２５に接するように配置されている。本実施例では、多孔体１３０、１３５として、例えば、チタン製、ステンレス製などの金属製の多孔体を用いている。なお、多孔体１３０、１３５は、チタン製、ステンレス製でなくても、導電性、耐腐食性があれば、他の金属材料、金属以外の他の材料で構成されていてもよい。集電板１４０、１４５は、多孔体１３０、１３５の外側に配置されている。集電板１４０、１４５は、被測定セル１００の外部へのガスの漏れを抑制する。また、集電板１４０、１４５は、電解質膜に電圧を印加するために用いられる。シール絶縁体１５０は、電解質膜１１０の外縁部に配置される。シール絶縁体１５０は、集電板１４０、１４５のショートを抑制するとともに、電解質膜１１０の面と平行な方向へのガスの漏れを抑制する。集電板１４０、１４５には、ＬＣＲメータ３００が接続されている。これにより、電解質膜１１０に電圧を印可しながら電流を測定することができる。
【００１６】
第１のガス供給部２００は、ガスボンベ２１０と、ガス流量制御部２２０と、加湿器２３０と、これらを接続する配管２４０を備える。配管２４０は、被測定セル１００の第１の多孔体１３０側の流路に接続されている。加湿器２３０は、２つの３方バルブ２５０により配管２４０に接続されている。これらの２つの３方バルブ２５０を切り替えることによって、多孔体１３０側に加湿したガスＧ１を供給したり、あるいは、加湿せずに湿度０％のガスＧ１を供給することが可能である。第２のガス供給部２０５は、被測定セル１００の第２の多孔体１３５側の流路に接続されており、ここに第２のガスＧ２を供給する。なお、第２のガス供給部２０５の構成は第１のガス供給部２００の構成と同じであるため、ガス供給部２００の各構成を示す符号に５を加えた符号を各構成に付して説明を省略する。
【００１７】
実験例１：
（１）電解質膜の伝導度の測定
含まれるスルホン酸の密度が異なる３つの電解質膜サンプルＡ、Ｂ、Ｃを準備した。サンプルＡ、Ｂ、Ｃのスルホン酸密度はそれぞれ、サンプルＡを１００とすると、サンプルＢは９１、サンプルＣは５５であった。サンプルＡ、Ｂ、Ｃをそれぞれ電解質膜評価装置１０の電解質膜１１０としてセットして伝導度を測定した。まず、第１のガスＧ１として、温度８０℃、相対湿度９５％の水素ガスを流し、第２のガスＧ２として、温度８０℃、相対湿度０％の乾燥した水素ガスを流した。なお、相対湿度の値は、被測定セル１００にガスが導入される前の配管２４０で測定した値である。次いで、ＬＣＲメータにより１．５ｋＨｚ、±２００ｍＶの電圧を印可して電解質膜の伝導度を測定した。
【００１８】
（２）起電力の測定
次に、サンプルＡ、Ｂ、Ｃと同じ電解質膜を用いて燃料電池を構成して、それらの起電力を測定した。まず、サンプルＡ、Ｂ、Ｃにスプレー法にて触媒層を塗工して膜電極接合体を作成した。次いで、作成した膜電極接合体を燃料電池に組み込んで起電力を測定した。具体的には、膜電極接合体の一方の側には温度８０℃、相対湿度４２％、ゲージ圧０．１ＭＰａ、５００×１０-6ｍ3／分で水素を流し、他方の側には温度８０℃、相対湿度４２％、ゲージ圧０．１ＭＰａ、２０００×１０-6ｍ3／分で空気を流して、電流密度１．６Ａ／ｃｍ2時の起電力を測定した。
【００１９】
（３）測定結果
図２は、実験例１の測定結果を示す表である。図３は、実験例１の測定結果をグラフにしたものである。なお、伝導度は、抵抗［ Ω ］の値で示されている。図３に示すように、サンプルＡ、Ｂ、Ｃの測定結果によれば、各サンプルの抵抗とセル電圧との関係が、ほぼ直線上に載っている。したがって、電解質膜の両側に異なる湿度の水素ガスを流して測定された電解質膜の抵抗値を用いて、その電解質膜を燃料電池に組み込んだ時の起電力を見積もることが可能である。
【００２０】
実験例２：
（１）電解質膜の伝導度の測定
実験例２では、実験例１で用いたサンプルＡ、Ｂを用い、実験例１とは異なる条件下で電解質膜の伝導度を測定した。すなわち、第１のガスＧ１として、温度８０℃、相対湿度４２％の水素ガスを流し、第２のガスＧ２として、温度８０℃、相対湿度０％の乾燥した水素ガスを流した。電解質膜の伝導度の測定条件は実験例１と同じである。なお、比較例として、電解質膜１１０の両方の面に温度８０℃、相対湿度４２％の水素ガスを流して、電解質膜の伝導度を測定した。
【００２１】
（２）測定結果
図４は、実験例２と比較例の測定結果を示す表である。図５は、実験例２の測定結果をグラフにしたものである。なお、伝導度は電気伝導率[ Ｓ／ｍ ]の値で示されている。比較例では、電解質膜の両面に同じ湿度の水素ガスを流しており、このときの伝導度は、サンプルＡとサンプルＢで同じである。一方、実験例２では、電解質膜の各面に異なる湿度の水素ガスを流しており、このときの伝導度は、サンプルＡとサンプルＢで異なる。したがって、電解質膜の両側に異なる湿度の水素ガスを流して測定した伝導度を用いて、その電解質膜を燃料電池に組み込んだ時の起電力を見積もることができる。なお、一般的に、比抵抗と電気伝導率とは逆数の関係にある。したがって、電解質膜を燃料電池に組み込んだ時の起電力は、抵抗と電気伝導率いずれを用いても見積もることが出来る。
【００２２】
以上、本実施例によれば、電解質膜１１０の両側に異なる湿度の水素ガスを流した状態で、前記電解質膜の伝導度を測定し、その測定結果を用いて、電解質膜１１０を燃料電池に組み込んだときの起電力を見積もることが出来る。特に、本実施例では、電解質膜の一方に流す水素ガスの湿度を０％にしているため、湿度の差が大きい。その結果、電解質膜の違いが抵抗、伝導度の値に現れやすい。また、本実施例では、電解質膜の両側に水素ガスを流して、伝導度を測定しているので。発電の影響を受けることなく伝導度を測定することができる。
【００２３】
変形例：
本実施例では、電解質膜の両側に水素ガスを流して抵抗または伝導度を測定しているが、同じ種類のガスであれば他のガスを用いてもよい。例えば、酸素、窒素、ヘリウム、アルゴンなどを用いてもよい。ヘリウム、アルゴンなどの不活性ガスは、化学的に安定で、電解質膜で発電反応を起こさないという利点がある。
【００２４】
本実施例では、電解質膜の一方に流す水素ガスの湿度を０％にしたが、電解質膜の他方に流す湿度と異なっていればよい。なお、電解質膜の両面に流す水素の湿度は、実際の燃料電池の電解質膜の両面の湿度とそれぞれ同じであることが好ましい。
【００２５】
本実施例では、電解質膜として、側鎖にスルホン酸基を有するパーフルオロカーボンスルホン酸ポリマを用いたが、電解質膜としては、これ以外の各種の膜を採用することが可能である。ただし、プロトン伝導性を有することが好ましい。
【００２６】
本実施例では、ＬＣＲメータで１．５ｋＨｚ、±２００ｍＶの電圧を印可しているが、周波数、電位差は、異なる値を用いてもよい。また、所定の周波数で、所定の電位差を印加して電流を測定できるならば、ＬＣＲメータ以外の測定装置であってもよい。
【００２７】
以上、いくつかの実施例に基づいて本発明の実施の形態について説明してきたが、上記した発明の実施の形態は、本発明の理解を容易にするためのものであり、本発明を限定するものではない。本発明は、その趣旨並びに特許請求の範囲を逸脱することなく、変更、改良され得るとともに、本発明にはその等価物が含まれることはもちろんである。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】本実施例に係る電解質膜評価装置を模式的に示す説明図である。
【図２】実験例１の測定結果を示す表である。
【図３】実験例１の測定結果をグラフにしたものである。
【図４】実験例２と比較例の測定結果を示す表である。
【図５】実験例２の測定結果をグラフにしたものである。
【符号の説明】
【００２９】
１０…電解質膜評価装置
１００…被測定セル
１１０…電解質膜
１２０、１２５…電極
１３０、１３５…多孔体
１４０、１４５…集電板
１５０…絶縁体
２００、２０５…ガス供給部
２１０、２１５…ガスボンベ
２２０、２２５…ガス流量制御部
２３０、２３５…加湿器
２４０、２４５…配管
２５０、２５５…３方バルブ
【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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