(57)【要約】【課題】発電時における燃料電池に組み込まれた電解質膜の生成水吸収能を評価する。【解決手段】燃料電池内における電解質膜の生成水吸収性能の評価方法は、アノードに水素を供給すると共にカソードに水素または不活性ガスを供給しつつ（ステップＳ１００）、予め定めた値の電流を印加して（ステップＳ１１０）、電解質膜における抵抗値を求める（ステップＳ１２０）第１の工程を備える。また、アノードに水素を供給すると共にカソードに酸素を供給しつつ（ステップＳ１３０）、予め定めた値の電流が出力されるように燃料電池に負荷を接続して（ステップＳ１４０）、電解質膜の抵抗値を求める（ステップＳ１５０）第２の工程を備える。また、第１の工程で求めた抵抗値と、第２の工程で求めた抵抗値とに基づいて、燃料電池内における電解質膜の生成水吸収性能を評価するための評価値を求め、評価を行なう（ステップＳ１６０）第３の工程を備える。【選択図】図２
2009205988.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池内における電解質膜の生成水吸収性能の評価方法であって、
燃料電池に対して、アノードに水素を供給すると共にカソードに水素または不活性ガスを供給しつつ、予め定めた値の電流を印加して、前記電解質膜における抵抗値を求める第１の工程と、
前記燃料電池に対して、アノードに水素を供給すると共にカソードに酸素を供給しつつ、前記予め定めた値の電流が出力されるように前記燃料電池に負荷を接続して、前記燃料電池が発電する際の前記電解質膜における抵抗値を求める第２の工程と、
前記第１の工程で求めた抵抗値と、前記第２の工程で求めた抵抗値とに基づいて、燃料電池内における電解質膜の生成水吸収性能を評価するための評価値を求め、前記評価を行なう第３の工程と
を備える評価方法。
【請求項２】
請求項１記載の燃料電池内における電解質膜の生成水吸収性能の評価方法であって、
前記評価値は、前記第１の工程で求めた抵抗値と、前記第２の工程で求めた抵抗値との差であり、
前記第３の工程は、前記差が大きいほど、燃料電池内における電解質膜の生成水吸収性能が高いと評価する工程である
燃料電池内における電解質膜の生成水吸収性能の評価方法。
【請求項３】
請求項２記載の燃料電池内における電解質膜の生成水吸収性能の評価方法であって、
前記第１および第２の工程は、複数の燃料電池の各々について行なわれ、
前記第３の工程は、前記複数の燃料電池毎に、前記評価値として前記差を求め、前記差が大きい燃料電池ほど、燃料電池内における電解質膜の生成水吸収性能が高いと評価する工程である
燃料電池内における電解質膜の生成水吸収性能の評価方法。
【請求項４】
請求項１ないし３いずれか記載の燃料電池内における電解質膜の生成水吸収性能の評価方法であって、
前記第１の工程と前記第２の工程との間で、アノードに供給するガス中の湿度同士、および、カソードに供給するガス中の湿度同士は、それぞれ等しい
燃料電池内における電解質膜の生成水吸収性能の評価方法。
【請求項５】
請求項４記載の燃料電池内における電解質膜の生成水吸収性能の評価方法であって、
前記第１および第２の工程においてカソードに供給するガス中の湿度は、前記第１および第２の工程においてアノードに供給するガス中の湿度よりも低いことを特徴とする
燃料電池内における電解質膜の生成水吸収性能の評価方法。
【請求項６】
請求項５記載の燃料電池内における電解質膜の生成水吸収性能の評価方法であって、
前記第１および第２の工程においてカソードに供給するガス中の湿度は０％である
燃料電池内における電解質膜の生成水吸収性能の評価方法。
【請求項７】
請求項５または６記載の燃料電池内における電解質膜の生成水吸収性能の評価方法であって、
前記第１および第２の工程においてアノードに供給するガス中の湿度は、前記燃料電池を用いて実際に発電を行なう際に前記燃料電池に供給されるガスの条件下における前記電解質膜の抵抗値と等しい抵抗値を前記電解質膜が示すときの湿度として決定される値である
燃料電池内における電解質膜の生成水吸収性能の評価方法。
【請求項８】
請求項１ないし７いずれか記載の燃料電池内における電解質膜の生成水吸収性能の評価方法であって、
前記第１の工程におけるアノードおよび／またはカソードに供給するガスの流量、ガス圧、前記燃料電池の温度の少なくとも一つを含む燃料電池パラメータは、前記第２の工程における前記燃料電池パラメータと等しい値に設定されている
燃料電池内における電解質膜の生成水吸収性能の評価方法。
【請求項９】
請求項８記載の燃料電池内における電解質膜の生成水吸収性能の評価方法であって、
前記第１と第２の工程との間で等しい値に設定されている前記燃料電池パラメータは、さらに、前記燃料電池を用いて実際に発電を行なう際の前記燃料電池パラメータと等しい値に設定されている
燃料電池内における電解質膜の生成水吸収性能の評価方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、燃料電池内における電解質膜の生成水吸収性能の評価方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
固体高分子型燃料電池においては、電解質膜が充分に湿潤状態になることによって、電解質膜が高いプロトン伝導性を示すため、電解質膜の湿潤状態を維持することが、電池性能を維持する上で重要となる。燃料電池が発電する際には、カソードにおいて生成水が生じるため、電解質膜の湿潤状態を維持する方法の一つとして、生成水を用いて電解質膜の湿潤状態を保つ方法が考えられる。例えば、電解質膜として、吸水速度が充分に速い膜を用いることにより、生成水を速やかに電解質膜に吸収させて、電解質膜の湿潤状態を維持する方法が提案されている（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
【特許文献１】特開２００５−２６８１１４
【特許文献２】特開２００７−１５７４１４
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、吸水速度が充分に速い電解質膜を用いても、このような電解質膜を燃料電池の中に組み込んで発電を行なったときに、電解質膜の湿潤状態が不十分となって、電池性能を充分に高められない場合があった。これは、例えば、燃料電池に供給するガス中の水蒸気量が少ない場合や、燃料電池の構造上、生成水が電解質膜に吸収されるよりも排水され易い場合に、電解質膜の吸水速度よりも生成水の排出速度の方が速くなり、電解質膜が充分に湿潤状態を維持できない場合があるためと考えられる。このように、電解質膜の湿潤状態が良好に維持されるか否かは、電解質膜そのものの吸水速度だけでなく、燃料電池に組み込んだときの、燃料電池全体の構造上の特性や運転条件によっても大きく左右される。
【０００５】
ここで、燃料電池の性能を比較する方法としては、所定の出力電流値に対する出力電圧値を比較する方法もある。しかしながら出力電圧値は、電解質膜の湿潤状態だけでなく、湿潤状態に関わらない部材の接触抵抗や、燃料電池内に存在する液水に起因するガス拡散の阻害など、種々の要因の影響を受ける。そのため、電解質膜の生成水吸収性能を高めることによって電池性能の向上を図るために、他の要因の影響をできる限り抑えて、電解質膜を燃料電池に組み込んたときの燃料電池内部における電解質膜の生成水吸収性能を評価できる方法が望まれていた。
【０００６】
本発明は、上述した従来の課題を解決するためになされたものであり、燃料電池に組み込まれた電解質膜の発電時における生成水吸収能を評価することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
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、以下の形態または適用例として実施することが可能である。
【０００８】
［適用例１］
燃料電池内における電解質膜の生成水吸収性能の評価方法であって、
燃料電池に対して、アノードに水素を供給すると共にカソードに水素または不活性ガスを供給しつつ、予め定めた値の電流を印加して、前記電解質膜における抵抗値を求める第１の工程と、
前記燃料電池に対して、アノードに水素を供給すると共にカソードに酸素を供給しつつ、前記予め定めた値の電流が出力されるように前記燃料電池に負荷を接続して、前記燃料電池が発電する際の前記電解質膜における抵抗値を求める第２の工程と、
前記第１の工程で求めた抵抗値と、前記第２の工程で求めた抵抗値とに基づいて、燃料電池内における電解質膜の生成水吸収性能を評価するための評価値を求め、前記評価を行なう第３の工程と
を備える評価方法。
【０００９】
適用例１に記載の燃料電池内における電解質膜の生成水吸収性能の評価方法によれば、電解質膜における抵抗値は吸水状態の影響を受けるため、生成水が生じない第１の工程で求めた抵抗値と、生成水を生じる第２の工程で求めた抵抗値と、に基づいて求めた評価値を用いることにより、燃料電池内における電解質膜の生成水吸収性能を評価することが可能になる。
【００１０】
［適用例２］
適用例１記載の燃料電池内における電解質膜の生成水吸収性能の評価方法であって、前記評価値は、前記第１の工程で求めた抵抗値と、前記第２の工程で求めた抵抗値との差であり、前記第３の工程は、前記差が大きいほど、燃料電池内における電解質膜の生成水吸収性能が高いと評価する工程である燃料電池内における電解質膜の生成水吸収性能の評価方法。適用例２に記載の燃料電池内における電解質膜の生成水吸収性能の評価方法によれば、前記第１の工程で求めた抵抗値と、前記第２の工程で求めた抵抗値との差を用いることで、燃料電池内における電解質膜の生成水吸収性能を、精度良く評価することができる。
【００１１】
［適用例３］
適用例２記載の燃料電池内における電解質膜の生成水吸収性能の評価方法であって、前記第１および第２の工程は、複数の燃料電池の各々について行なわれ、前記第３の工程は、前記複数の燃料電池毎に、前記評価値として前記差を求め、前記差が大きい燃料電池ほど、燃料電池内における電解質膜の生成水吸収性能が高いと評価する工程である燃料電池内における電解質膜の生成水吸収性能の評価方法。適用例３に記載の燃料電池内における電解質膜の生成水吸収性能の評価方法によれば、前記第１の工程で求めた抵抗値と前記第２の工程で求めた抵抗値との差を、燃料電池毎に求めるという簡便な方法により、複数の燃料電池間で、電解質膜の生成水吸収性能を評価することができる。
【００１２】
［適用例４］
適用例１ないし３いずれか記載の燃料電池内における電解質膜の生成水吸収性能の評価方法であって、前記第１の工程と前記第２の工程との間で、アノードに供給するガス中の湿度同士、および、カソードに供給するガス中の湿度同士は、それぞれ等しい燃料電池内における電解質膜の生成水吸収性能の評価方法。適用例４に記載の燃料電池内における電解質膜の生成水吸収性能の評価方法によれば、アノードあるいはカソードに供給するガス中の湿度を、それぞれ、第１の工程と第２の工程とで等しくしているため、第１の工程と第２の工程との間で、電解質膜の吸水性能に影響する条件であって、生成水が関与しない条件を揃えることができる。そのため、第１の工程で求めた抵抗値と第２の工程で求めた抵抗値との差を比較することによる生成水吸収性能の評価の精度を、より高めることができる。
【００１３】
［適用例５］
適用例２記載の燃料電池内における電解質膜の生成水吸収性能の評価方法であって、前記第１および第２の工程においてカソードに供給するガス中の湿度は、前記第１および第２の工程においてアノードに供給するガス中の湿度よりも低いことを特徴とする燃料電池内における電解質膜の生成水吸収性能の評価方法。適用例５に記載の燃料電池内における電解質膜の生成水吸収性能の評価方法によれば、カソードに供給するガス中の湿度を、アノードに供給するガス中の湿度よりも低くすることにより、ガス中の水分がカソード側から電解質膜に吸収される働きを抑えて、電解質膜の生成水吸収性能を評価する精度を向上させることができる。
【００１４】
［適用例６］
適用例５記載の燃料電池内における電解質膜の生成水吸収性能の評価方法であって、前記第１および第２の工程においてカソードに供給するガス中の湿度は０％である燃料電池内における電解質膜の生成水吸収性能の評価方法。適用例６記載の燃料電池内における電解質膜の生成水吸収性能の評価方法では、カソードに供給されるガス中の水分の電解質膜への吸収を、より効果的に抑えることができる。そのため、第１の工程で求めた抵抗値と第２の工程で求めた抵抗値との差として、電解質膜の生成水吸収性能を、より正確に反映する値を得ることができる。
【００１５】
［適用例７］
適用例５または６記載の燃料電池内における電解質膜の生成水吸収性能の評価方法であって、前記第１および第２の工程においてアノードに供給するガス中の湿度は、前記燃料電池を用いて実際に発電を行なう際に前記燃料電池に供給されるガスの条件下における前記電解質膜の抵抗値と等しい抵抗値を前記電解質膜が示すときの湿度として決定される値である燃料電池内における電解質膜の生成水吸収性能の評価方法。適用例７記載の燃料電池内における電解質膜の生成水吸収性能の評価方法では、カソードに供給されるガス中の湿度を抑える場合であっても、アノードに供給されるガス中の湿度によって、電解質膜の含水量が、燃料電池を用いて実際に発電を行なう際の条件下に近づけられている。そのため、燃料電池を用いて実際に発電を行なう際の条件下により近い状態で、電解質膜の生成水吸収性能を評価することができる。
【００１６】
［適用例８］
適用例１ないし７いずれか記載の燃料電池内における電解質膜の生成水吸収性能の評価方法であって、前記第１の工程におけるアノードおよび／またはカソードに供給するガスの流量、ガス圧、前記燃料電池の温度の少なくとも一つを含む燃料電池パラメータは、前記第２の工程における前記燃料電池パラメータと等しい値に設定されている燃料電池内における電解質膜の生成水吸収性能の評価方法。適用例８記載の燃料電池内における電解質膜の生成水吸収性能の評価方法では、第１の工程では電解質膜に電流を印加し、第２の工程では燃料電池としての発電状態にして、異なる運転状態としているが、電解質膜の環境である燃料電池パラメータを揃えることにより、生成水の吸収の有無以外の条件を近づけて、より精度良く電解質膜の生成水吸水性能を評価することが可能になる。
【００１７】
［適用例９］
適用例８記載の燃料電池内における電解質膜の生成水吸収性能の評価方法であって、前記第１と第２の工程との間で等しい値に設定されている前記燃料電池パラメータは、さらに、前記燃料電池を用いて実際に発電を行なう際の前記燃料電池パラメータと等しい値に設定されている燃料電池内における電解質膜の生成水吸収性能の評価方法。適用例９記載の燃料電池内における電解質膜の生成水吸収性能の評価方法では、燃料電池パラメータを、評価のための抵抗の測定時と、実際の発電時とで等しい値に設定することで、実際の発電時において電解質膜が生成水を吸収する状態により近い状態における電解質膜の吸水性能を評価することができる。
【００１８】
本発明は、上記以外の種々の形態で実現可能であり、例えば、本発明の燃料電池内における電解質膜の生成水吸収性能の評価方法を実現する評価装置などの形態で実現することが可能である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
Ａ．電解質膜の生成水吸収性能の評価方法：
図１は、本実施例の燃料電池内における電解質膜の生成水吸収性能の評価方法により評価を行なう対象となる燃料電池の一例として、燃料電池１０の断面を模式的に示す説明図である。また、図２は、本実施例の燃料電池内における電解質膜の生成水吸収性能の評価方法を示す工程図である。
【００２０】
電解質膜の生成水吸収性能を評価する対象となる燃料電池１０は、固体高分子電解質型燃料電池であり、本実施例では、燃料電池１０を単セルとして示している。図１に示すように、燃料電池１０は、電解質膜２０と、電解質膜２０の各々の面上に形成された電極であるカソード２１およびアノード２２と、電極を形成した上記電解質膜２０を両側から挟持するガス拡散層２３，２４と、ガス拡散層２３，２４のさらに外側に配設されたガスセパレータ２５，２６と、を備えている。
【００２１】
電解質膜２０は、固体高分子材料、例えばパーフルオロカーボンスルホン酸を備えるフッ素系樹脂により形成されたプロトン伝導性のイオン交換膜であり、湿潤状態で良好な電気伝導性を示す。カソード２１およびアノード２２は、触媒として、例えば白金、あるいは白金合金を備えている。より具体的には、カソード２１およびアノード２２は、上記触媒を担持したカーボン粒子と、電解質膜２０を構成する高分子電解質と同様の電解質と、を備えている。
【００２２】
ガス拡散層２３，２４は、ガス透過性を有する導電性部材、例えば、カーボンペーパやカーボンクロス、あるいは金属メッシュや発泡金属によって形成することができる。本実施例のガス拡散層２３，２４は、いずれも、平坦な板状部材として形成されている。このようなガス拡散層２３，２４は、電気化学反応に供されるガスの流路になると共に、集電を行なう。なお、ガス拡散層２３，２４のうち、少なくともカソード側のガス拡散層２３において、電極と接する面に、撥水性物質を備える撥水層を設けても良い。撥水層を設けることにより、電極等で生じた液水を電解質膜２０側へと押し戻される作用を高め、電解質膜２０の吸水性能を向上させることができる。撥水層は、例えば、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）等の撥水性物質と、カーボン粒子等の導電性物質と、水やアルコール等を含有する溶媒と、を混合して成る撥水性ペーストを、ガス拡散層上に塗布することによって形成することができる。
【００２３】
ガスセパレータ２５，２６は、ガス不透過な導電性部材、例えば圧縮カーボンやステンレス鋼から成る部材によって形成される。ガスセパレータ２５，２６は、それぞれ所定の凹凸形状を有している。この凹凸形状によって、ガスセパレータ２５とガス拡散層２３との間には、燃料電池の発電時には酸素を含有する酸化ガスが流れる単セル内酸化ガス流路４７が形成される。また、上記凹凸形状によって、ガスセパレータ２６とガス拡散層２４との間には、燃料電池の発電時には水素を含有する燃料ガスが流れる単セル内燃料ガス流路４８が形成される。単セル内酸化ガス流路４７にはカソード側ガス供給装置３１が接続されており、カソード側ガス供給装置３１が備えるガス供給源を変更することにより、所望のガスを単セル内酸化ガス流路４７へと供給可能になっている。また、同様に、単セル内燃料ガス流路４８にはアノード側ガス供給装置３２が接続されており、所望のガスを単セル内燃料ガス流路４８へと供給可能になっている。なお、図１では、単セル内酸化ガス流路４７に酸化ガスが供給され、単セル内燃料ガス流路４８に燃料ガスが供給される様子が表わされている。
【００２４】
本実施例の燃料電池内における電解質膜の生成水吸収性能の評価方法は、上記した構造を有する燃料電池であって、何らかの条件の異なる複数種類の燃料電池を評価対象として、それぞれの燃料電池における電解質膜の生成水吸収性能を比較するためのものである。複数の燃料電池を比較して評価する際には、個々の燃料電池１０に対して、図２のステップＳ１００〜Ｓ１５０の処理を各々同じ条件で行なって、所定の抵抗値を求めた上で、ステップＳ１６０の工程において、得られた抵抗値に基づく比較によって評価を行なう。以下、具体的に評価方法を説明する。
【００２５】
図２に示すように、複数の燃料電池１０の各々における電解質膜２０の生成水吸収性能を評価する際には、まず、各々の燃料電池１０において、アノード側に対して、アノード側ガス供給装置３２から水素を供給すると共に、カソード側に対して、カソード側ガス供給装置３１から水素または不活性ガス（例えば、窒素、アルゴン、ヘリウム）を供給する（ステップＳ１００）。そして、各燃料電池１０に対して、予め定めた電流値を印加する（ステップＳ１１０）。図３は、電解質膜の生成水吸収性能を評価するための動作を模式的に表わす説明図である。ここでは、燃料電池１０を、電解質膜２０と電極２１，２２のみに簡略化して表わしている。上記ステップＳ１００およびＳ１１０を実行したときの様子を、図３（Ａ）に示す。図３（Ａ）に示すように、燃料電池１０のアノード２２を電源の正極に接続すると共にカソード２１を電源の負極に接続して、燃料電池１０に対して所定の値の電流を印加すると、燃料電池１０では、アノード２２において供給された水素からプロトンが生じると共に、生じたプロトンが電解質膜２０内を移動してカソード２１に到り、カソード２１において再び水素を生じる。すなわち、ステップＳ１００およびＳ１１０の動作によって、燃料電池１０は、水素ポンプとして働く。
【００２６】
このように燃料電池１０を水素ポンプとして動作させつつ、このときの電解質膜２０の抵抗値である抵抗値Ｒ１を、各々の燃料電池について求める（ステップＳ１２０）。具体的には、抵抗値Ｒ１は、図３（Ａ）のように水素ポンプとして動作する際の燃料電池１０の端子間電圧を測定し、測定した電圧値と印加電流値とから、オームの法則に基づいて算出することができる。ここで、燃料電池１０が水素ポンプとして動作するときには、各電極における過電圧は、無視できるほどに小さい。そのため、ステップＳ１２０では、印加電流値と測定した端子間電圧値とから算出した抵抗値を、電解質膜２０の抵抗値Ｒ１としている。なお、燃料電池１０が水素ポンプとして動作する際の電解質膜２０の抵抗値Ｒ１は、後述するステップＳ１５０と同様に交流インピーダンス法や電流遮断法によって求めることも可能である。
【００２７】
次に、上記各々の燃料電池１０において、アノード側に対して、アノード側ガス供給装置３２から水素を供給すると共に、カソード側に対して、カソード側ガス供給装置３１から酸素含有ガス（例えば空気）を供給する（ステップＳ１３０）。そして、上記ステップＳ１１０で印加した電流の値と等しい電流値を燃料電池１０が出力するように、燃料電池１０に接続する負荷を調整する（ステップＳ１４０）。すなわち、燃料電池１０を、燃料電池として動作させて発電を行なわせる。上記ステップＳ１３０およびＳ１４０を実行したときの様子を、図３（Ｂ）に示す。図３（Ｂ）に示すように、燃料電池１０のアノード２２に水素を供給すると共にカソード２１に酸素を供給しつつ燃料電池１０を負荷に接続すると、電気化学反応の進行に伴ってカソード２１では生成水が生じる。生じた生成水の一部は、電解質膜２０に吸収されて、電解質膜２０の湿潤状態の維持に寄与する。
【００２８】
このように燃料電池１０を発電させつつ、このときの電解質膜２０の抵抗値である抵抗値Ｒ２を、各々の燃料電池について求める（ステップＳ１５０）。具体的には、抵抗値Ｒ２は、図３（Ｂ）に示すように燃料電池１０が発電している状態で、周知の交流インピーダンス法（コールコールプロット）あるいは電流遮断法によって求めることができる。
【００２９】
その後、ステップＳ１２０で求めた抵抗値Ｒ１と、ステップＳ１５０で求めた抵抗値Ｒ２と、に基づく評価値として、両者の差である「Ｒ１-Ｒ２」を各燃料電池毎に求めて、電解質膜の生成水吸収性能を評価する（ステップＳ１６０）。具体的には、上記「Ｒ１-Ｒ２」の値が大きい燃料電池ほど、燃料電池内での電解質膜の生成水吸収性能が高いと評価することができる。
【００３０】
ここで、評価の対象となる電解質膜の生成水吸収性能は、各々の燃料電池が実際に発電を行なっている時の電解質膜の生成水吸収性能に近いことが望ましい。そのため、上記のような水素ポンプ状態（図３（Ａ）の状態）および燃料電池状態（図３（Ｂ）の状態）における抵抗値Ｒ１，Ｒ２は、燃料電池１０が実際に発電を行なう際の条件にできるだけ近い状態で求めることが望ましい。したがって、ステップＳ１１０で燃料電池１０に印加する電流値、および、ステップＳ１４０で設定する燃料電池１０の出力電流値は、実際に燃料電池１０を用いて発電を行なう際に、主要な発電ポイントとして設定されると考えられる値を選択すれば良い。さらに、図３（Ａ）の状態および図３（Ｂ）の状態において、カソード２１およびアノード２２のそれぞれに供給するガスの流量、ガス圧、および燃料電池１０の温度の少なくとも一つを含む条件（燃料電池パラメータ）も、評価対象となっているそれぞれの燃料電池において、燃料電池を実際に電源として用いる場合の発電条件と同じにすることが望ましい。
【００３１】
このように、燃料電池１０が実際に発電を行なう際の条件に近づけることにより、図３（Ａ）の状態で求める抵抗値Ｒ１（生成水を生じない水素ポンプとしての動作時の抵抗値）は、燃料電池１０が実際に発電を行なう際に、電解質膜２０が生成水を吸収して湿潤状態が高まることによる影響を排除したときの、電解質膜２０の抵抗値を反映する値とみなすことが可能になる。また、図３（Ｂ）の状態で求める抵抗値Ｒ２は、燃料電池１０が実際に発電を行なう際に、電解質膜２０が生成水を吸収して湿潤状態を高めた影響を含んだ電解質膜２０の抵抗値を反映する値とみなすことが可能になる。したがって、上記した両抵抗値の差である「Ｒ１-Ｒ２」を求めることにより、各々の燃料電池における電解質膜２０が生成水を吸収して湿潤状態を高めたことによる影響を評価することが可能になる。ここで、燃料電池１０内において電解質膜２０が生成水を吸収した量が多いほど、抵抗値Ｒ２の値は、抵抗値Ｒ１に比べて小さくなる。そのため、ステップＳ１６０において求めた「Ｒ１-Ｒ２」の値が大きいほど、燃料電池内における電解質膜の生成水吸収性能が高いと評価することができる。なお、本実施例では、抵抗値Ｒ１とＲ２の間に差が生じる要因として、生成水が電解質膜２０に吸収されること以外の要因を抑えるために、供給ガスや燃料電池温度を含む動作条件は、図３（Ａ）の状態と図３（Ｂ）の状態とで同じにしている。
【００３２】
このような評価を行なう際には、ステップＳ１００およびステップＳ１３０において、カソード側に対して、アノード側に供給するガスよりも湿度の低いガス（以下、低湿度ガスと呼ぶ）を供給することが望ましい。ここで、電解質膜２０の両面で水蒸気分圧差が存在する場合には、水蒸気分圧の高い側から低い側へと電解質膜２０内を水分が移動しようとする力が働く。そのため、カソード側のガス中の湿度がアノード側よりも高い場合には、電解質膜２０がカソード側からガス中の水蒸気を取り込もうとする作用が強まる。上記のようにカソード側に供給するガス中の湿度をアノード側よりも低くすることで、図３（Ｂ）の状態においてガス中の水蒸気がカソード側から電解質膜２０に取り込まれる影響を抑制して、生成水がカソード側から電解質膜２０に取り込まれることによる抵抗値の低下を、より正確に評価可能になる。特に、カソード側に供給するガス中の湿度を０％とするならば、ガス中の水蒸気がカソード側から電解質膜２０へと取り込まれる影響を排除して、電解質膜２０への生成水の取り込み量を、さらに正確に評価可能になる。
【００３３】
ただし、高分子電解質からなる電解質膜２０は、含水量が低下するとプロトン伝導性が低下して抵抗が増大する。そのため、電解質膜２０の湿潤状態は、カソード側からの生成水の吸収による影響を抑えつつ、実際に燃料電池１０を用いて発電を行なう際の電解質膜２０の湿潤状態とできる限り同じにして評価する必要がある。そこで本実施例では、電解質膜２０の湿潤状態は、アノード側に供給するガス中の湿度によって調節している。すなわち、生成水が生じない（発電を行なわない）条件下において、燃料電池の評価時に対応するガス供給条件での電解質膜の湿潤状態が、燃料電池の実際の発電時に対応するガス供給条件での電解質膜の湿潤状態に近づくように、アノード側に供給するガス中の湿度を調節している。具体的には、発電を行なわない状態で、燃料電池の実際の発電時に対応するガス供給条件（発電量とガス中の水蒸気量以外の条件であって、燃料電池温度を含む条件、以下、実際の発電時条件と呼ぶ）下における電解質膜の抵抗値に、図３に示した評価時に対応するガス供給条件（同じく発電量およびガス中の水蒸気量以外の発電時条件）下における電解質膜の抵抗値が、より近づくように、ステップＳ１００およびＳ１３０でアノード側に供給するガス中の水蒸気量を設定している。実際の発電時条件下で発電を行なわないときの電解質膜２０の抵抗値（以下、抵抗値Ｒ３と呼ぶ）は、燃料電池に負荷を接続しない状態で、交流インピーダンス法を用いることにより測定できる。そして、燃料電池の評価時にアノード側に供給するガス中の湿度は、カソード側に対してステップＳ１００およびＳ１３０で用いるべき充分に湿度が低いガスを供給するときに、交流インピーダンス法によって測定される電解質膜２０の抵抗値が、上記抵抗値Ｒ３に近づくように、望ましくは同じ値となるように、設定すれば良い。
【００３４】
以上のように構成された本実施例の燃料電池内における電解質膜の生成水吸収性能の評価方法によれば、水素ポンプ状態における抵抗値Ｒ１と燃料電池状態における抵抗値Ｒ２との差である「Ｒ１−Ｒ２」を用いることで、燃料電池内における電解質膜の生成水吸収性能を、精度良く判定することが可能になる。すなわち、生成水を生じない運転状態である水素ポンプ状態における抵抗値Ｒ１と、生成水を生じる運転状態である燃料電池状態における抵抗値Ｒ２と、に基づく評価値を用いることにより、電解質膜が生成水を吸収することが抵抗値に与える影響に基づいて、電解質膜の生成水吸収性能を評価することができる。
【００３５】
ここで、燃料電池の性能を評価する方法としては、所定の出力電流値に対応する出力電圧値を比較することによって、出力電圧値が高い燃料電池ほど性能が優れていると判断する方法も考えられる。しかしながら、このような方法では、電解質膜における生成水の吸水性能以外の要因、例えば、燃料電池を構成する部材に起因する内部抵抗や、各部材間の接触抵抗を含む、燃料電池全体としての性能が評価されることになり、生成水の吸水性能に起因する性能の違いを正確に評価することができない。また、電解質膜の吸水性能を評価する方法としては、電解質膜を燃料電池に組み込まない状態で、電解質膜の吸水速度を測定する方法も考えられる。しかしながら、このような方法では、燃料電池内に実際に組み込んだ状態での、電解質膜の生成水吸収性能を評価することができない。本実施例によれば、実際の発電条件に合わせた条件下で、燃料電池を水素ポンプ状態および燃料電池状態で動作させ、各々の状態で求めた電解質膜の抵抗値の差を求めることにより、各部材の内部抵抗や接触抵抗などの他の要因を排除しつつ、燃料電池内に組み込まれたときの電解質膜の生成水吸収性能を評価することが可能になる。
【００３６】
特に、本実施例では、燃料電池を水素ポンプ状態あるいは燃料電池状態として動作させて評価する際に、カソード側に対して低湿度ガスを供給している。このように、カソード側に低湿度ガスを供給することにより、既述したように、電解質膜におけるカソード側からのガス中の水蒸気の取り込みを抑制する効果が得られると共に、フラッディングに起因する電圧低下を抑制して、より正確に評価可能になるという効果が得られる。すなわち、燃料電池が発電する際には、カソードで生じた水が凝縮して液水になると、カソードが備える触媒へのガス流れを抑制して出力電圧を低下させる場合が考えられるが、本実施例のようにカソード側には低湿度ガスを供給して、カソード側をよりドライな状態にすることで、生成水の凝縮を抑制して、フラッディングを抑えることができる。そのため、フラッディングに起因する電圧低下を抑え、このような電圧低下に起因する抵抗の上昇を抑制して、生成水の吸収量による電解質膜の抵抗値の変化に基づいて、より精度良く評価を行なうことができる。
【００３７】
本実施例の燃料電池内における電解質膜の生成水吸収性能の評価の対象となる複数の燃料電池において互いに異ならせる条件の一つとしては、電解質膜における生成水の吸収の程度に影響し得る燃料電池内の構造の違いを挙げることができる。例えば、電解質膜２０と電極２１，２２とガス拡散層２３，２４とから成る積層構造を作製する際に、作製方法を異ならせることによって、上記積層構造の微細な構造を異ならせることができる。このような場合に、いずれの作製方法が望ましいかを、電解質膜における生成水吸収性能の観点から評価することが可能になる。
【００３８】
また、評価の対象となる複数の燃料電池において互いに異ならせる他の条件の一つとして、電解質膜の種類を挙げることができる。あるいは、電解質膜の膜厚など、さらに他の条件を異ならせることとしても良い。このような場合にも、水素ポンプ状態における抵抗値Ｒ１と、燃料電池状態における抵抗値Ｒ２との差を求めることにより、電解質膜が生成水を吸収すること以外の要因に起因する性能変化の影響を抑えて、燃料電池内における電解質膜における生成水吸収性能を評価することができる。
【００３９】
上記のように、評価対象となる複数種類の燃料電池を用意した場合に、ステップＳ１００およびＳ１３０において設定する評価時のガス供給条件を、燃料電池における所望の運転条件に応じて設定することにより、所望の運転条件下における電池性能を、電解質膜における生成水吸収性能の観点から評価することが可能になる。例えば、評価時のガス供給条件を、従来の燃料電池におけるガス供給条件に比べて低加湿な状態に対応する条件に設定するならば、より低加湿な条件で充分な性能が得られる燃料電池を、電解質膜における生成水吸収性能の観点から評価可能になる。このように、本実施例の評価方法によれば、どのような電解質膜を用いるか、所定の運転状態に適した燃料電池はどれか、どのような製造方法が望ましいか、を含む種々の条件について、燃料電池内における電解質膜の吸水性能の観点から評価することができる。
【００４０】
なお、燃料電池内における電解質膜の生成水吸収性能の評価の対象となる燃料電池は、実施例に示した構造以外の構造を有していても良い。例えば、実施例では燃料電池１０を単セルとしたが、単セルを積層したスタック構造全体を、評価の対象としても良い。また、燃料電池１０が備える電解質膜２０は、実施例に示したフッ素系の高分子電解質膜の他、炭化水素系の高分子電解質膜としても良い。電極やガス拡散層、あるいはセパレータ構造について、種々の変形が可能であり、広く、固体高分子型燃料電池の評価に適用することができる。
【００４１】
また、実施例では、複数の燃料電池の各々について、水素ポンプ状態における抵抗値Ｒ１と燃料電池状態における抵抗値Ｒ２との差である「Ｒ１−Ｒ２」を求め、求めた値を比較することで、複数の燃料電池を評価しているが、異なる構成としても良い。例えば、一定のガス供給条件下で、予め複数の燃料電池について上記差の値を求める等により、所望の生成水吸収性能の基準値としての上記差の値を設定しておくこともできる。この場合には、評価したい燃料電池について、上記「Ｒ１−Ｒ２」の値を求め、求めた差の値と上記基準値とを比較することによって、電解質膜の生成水吸収性能が所望の性能を満たすか否かを評価すればよい。
【００４２】
Ｂ．評価結果の例
製造方法の異なる２種類の燃料電池を実際に作製し、本願の燃料電池内における電解質膜の生成水吸収性能の評価を行なった結果を以下に示す。ここでは、サンプルＡとサンプルＢの２種類の燃料電池（単セル）を作製して比較した。
【００４３】
サンプルＡの燃料電池は、以下のように作製した。電解質膜２０としては、パーフルオロカーボンスルホン酸を備えるフッ素系の高分子電解質膜を用い、ガス拡散層２３，２４としては、カーボンペーパを用いた。電極２１，２２を形成するためには、触媒である白金の担持率が６０ｗｔ％である白金担持カーボン粒子と、フッ素系高分子電解質と、水とエタノールから成る溶媒とを混合した触媒インクを用いた。この触媒インクを、上記電解質膜２０およびガス拡散層２３，２４上にスプレー塗布し、塗布面同士を重ね合わせて加熱プレスすることにより、膜−電極−拡散層接合体を得た。得られた膜−電極−拡散層接合体を、一組のセパレータ２５，２６で挟持して、サンプルＡを完成させた。このように、サンプルＡでは、電極２１，２２は、電解質膜２０とガス拡散層２３，２４の双方に、触媒インクを約等量ずつ塗布して、両者を重ね合わせることによって形成した。
【００４４】
サンプルＢの燃料電池は、電極２１，２２の形成方法以外は、サンプルＡの燃料電池と同様にして作製した。サンプルＢにおける電極２１，２２は、サンプルＡと同様の触媒インクを、電解質膜２０上のみにスプレー塗布し、電解質膜２０における塗布面と、塗布していないガス拡散層とを重ね合わせて、サンプルＡと同様の条件で加熱プレスして、膜−電極−拡散層接合体を作製した。なお、サンプルＢにおける電解質膜２０への触媒インクの塗布量は、サンプルＡにおける電解質膜２０への触媒インクの塗布量とガス拡散層２３，２４への塗布量との合計に等しい量とした。
【００４５】
上記したサンプルＡとサンプルＢの各々について、図２に示した評価方法に従って、水素ポンプ状態での抵抗値Ｒ１と、燃料電池状態での抵抗値Ｒ２とを求めた。各々のサンプルについて、第１の抵抗値Ｒ１は、印加した電流値および測定した電圧値を用いてオームの法則に基づき算出しており、第２の抵抗値Ｒ２は、交流インピーダンス法により測定した。各々のサンプルについて抵抗値Ｒ１およびＲ２を求めた結果を、図４に示す。また、各々の抵抗値Ｒ１，Ｒ２を求める際の、燃料電池における測定条件を、以下に示す。
【００４６】
第１の抵抗Ｒ１を求める際には、燃料電池温度（雰囲気温度）は、８０℃とした。ステップＳ１００でアノード側に供給開始したガスは、水素であって、相対湿度は４２％、流量は４０ｍＬ／ｍｉｎ／ｃｍ2、背圧（燃料電池出口部でのガス圧、大気圧基準）は０ＭＰａ（Ｇ）とした。カソード側に供給したガスは窒素であって、相対湿度０％、流量４０ｍＬ／ｍｉｎ／ｃｍ2、背圧０ＭＰａ（Ｇ）とした。ステップＳ１１０で燃料電池に印加した電流値（電流密度）は、０．５Ａ／ｃｍ2とした。
【００４７】
第２の抵抗Ｒ２を求める際には、燃料電池温度は、８０℃とした。ステップＳ１３０でアノード側に供給開始したガスは、水素であって、相対湿度４２％、流量４０ｍＬ／ｍｉｎ／ｃｍ2、背圧０ＭＰａ（Ｇ）とした。カソード側に供給したガスは空気であって、相対湿度０％、流量４０ｍＬ／ｍｉｎ／ｃｍ2、背圧０ＭＰａ（Ｇ）とした。ステップＳ１４０で燃料電池から出力させた電流値（電流密度）は、０．５Ａ／ｃｍ2とした。
【００４８】
図４に示すように、水素ポンプ状態で求めた第１の抵抗Ｒ１は、サンプルＡとサンプルＢとで差がなく、ほぼ同じ値であった。これに対して、燃料電池状態で求めた第２の抵抗Ｒ２は、サンプルＡの方が小さかった。したがって、「Ｒ１−Ｒ２」の値は、サンプルＡの方が大きく、サンプルＡの方が、燃料電池内における電解質膜の生成水吸収性能が高いと評価された。
【００４９】
さらに、上記したサンプルＡおよびＢの各燃料電池について、上記抵抗値Ｒ１およびＲ２を求める条件の基として予め定めた「実際の発電時条件」下において、上記燃料電池状態における出力電流値と同じ電流値（０．５Ａ／ｃｍ2）を出力する際の出力電圧値を測定した。「実際の発電時条件」は、以下の通りである。燃料電池温度は、８５℃とした。アノード側に供給したガスは。水素であって、相対湿度３４％、流量４０ｍＬ／ｍｉｎ／ｃｍ2、背圧０．１ＭＰａ（Ｇ）とした。カソード側に供給したガスは。空気であって、相対湿度３４％、流量１６０ｍＬ／ｍｉｎ／ｃｍ2、背圧０．１ＭＰａ（Ｇ）とした。このような条件で発電を行なったときの出力電圧値は、サンプルＡは０．５５Ｖであり、サンプルＢは０．４９５Ｖであった。すなわち、サンプルＡの方が、電池性能が優れていると評価された。
【００５０】
図４に示したように、水素ポンプ状態で求めた第１の抵抗Ｒ１は、サンプルＡとサンプルＢとの間に差がないことから、電極２１，２２の製造方法の違いは、電極と電解質膜２０、あるいは、電極とガス拡散層２３，２４との間の接触抵抗にはほとんど影響していないと考えられる。さらに、「Ｒ１−Ｒ２」の値から、サンプルＡの方が、燃料電池内における電解質膜の生成水吸収性能が高いと考えられる。したがって、実際の発電時条件において、サンプルＡの方が電池性能が優れていた要因としては、電極の製造方法が異なることによって、接触抵抗が低減されたのではなく、電解質膜の生成水吸収性能が向上したことによるものと評価することができた。
【００５１】
なお、サンプルＡの方が、電解質膜の生成水吸収性能が向上した理由の一つとしては、触媒インクを、ガス拡散層２３，２４側にも塗布することによって、接触抵抗には影響しない程度に、電極とガス拡散層２３，２４との密着性が向上したことが考えられる。具体的には、触媒インクをガス拡散層側にも塗布したサンプルＡでは、電極とガス拡散層との間が隙間無く密着しているのに対して、電解質膜側に触媒インクを塗布して形成した電極とガス拡散層とを圧着させるサンプルＢでは、電極とガス拡散層との間には、接触抵抗には影響しない程度の微少な空間が形成されると考えられる。微少な空間がほとんど形成されないサンプルＡにおいては、電極で生じた生成水は、電極とガス拡散層との界面近傍において効率よく電解質膜側へと押し戻されて、電解質膜の生成水吸収性能が向上すると考えられる。これに対して、電極とガス拡散層との間に微少な空間が形成されたサンプルＢでは、この隙間に生成水が液水の状態で滞留しやすくなり、電解質膜の生成水吸収性能が抑えられると考えられる。
【図面の簡単な説明】
【００５２】
【図１】燃料電池１０の断面を模式的に示す説明図である。
【図２】電解質膜の生成水吸収性能の評価方法を示す工程図である。
【図３】電解質膜の生成水吸収性能を評価する動作を模式的に表わす説明図である。
【図４】各々のサンプルについて抵抗値を求めた結果を示す説明図である。
【符号の説明】
【００５３】
１０…燃料電池
２０…電解質膜
２１…カソード
２２…アノード
２３，２４…ガス拡散層
２５，２６…ガスセパレータ
３１…カソード側ガス供給装置
３２…アノード側ガス供給装置
４７…単セル内酸化ガス流路
４８…単セル内燃料ガス流路
【図１】
2009205988.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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