JP2006202735A - 燃料電池の電池特性評価 - Google Patents

Abstract

【課題】燃料電池の電池特性と熱伝導特性との対応関係に新たに着目して、燃料電池の特性評価の簡便化を図る。
【解決手段】燃料電池を構成する単セル２０や、この単セル２０を構成するＭＥＡ２１やガス拡散部材３３等の構成部材個々について、電池製造過程において熱拡散率を測定する。この測定には、加熱プローブ２１２で角周波数ωの周期発熱（ｔ）を起こした熱の伝搬を検出プローブ２１４にてセンシングし、その際の位相差に基づいて熱拡散率を測定する。そして、測定した単セル２０の熱拡散率を、記憶部２２４が記憶した単セル２０の熱伝導特性と単セル２０の電池特性の熱伝導・電池特性対応マップに対比させて、単セル２０の電池特性を評価する。
【選択図】図３

Description

本発明は、電解質を一対の電極で挟持した層構成体を有する燃料電池の電池特性の評価に関する。

燃料電池の特性評価は、評価対象となる燃料電池を発電システム、或いは車両等に搭載した状態で運転し、その運転状態に基づいて行われていた（例えば、特許文献１）。

特開２００４−１７９００３号公報

一般に燃料電池は、電解質を一対の電極で挟持した層構成体を備え、この層構成体を含む電池構成を一単位として複数積層させている。従って、上記の特許文献で示された燃料電池の特性評価は、電解質を一対の電極で挟持した層構成体を含む電池構成が複数積層された電池全体の評価に留まり、層構成体を含む個々の電池構成についての評価を下すことが難しかった。

また、燃料電池を搭載したシステムにおいて、当該燃料電池を実際に運転させなければならず、評価を下すうえでも煩雑であった。

本発明は、上記問題点を解決するためになされ、燃料電池の特性評価の簡便化を図ることをその目的とし、燃料電池の電池特性と熱伝導特性との対応関係に新たに着目して本発明をなした。

かかる課題の少なくとも一部を解決するため、本発明の燃料電池の評価方法では、工程（１）にて、層構成体の層方向における燃料電池の熱伝導特性を測定する。この層構成体の層方向における燃料電池の熱伝導特性は、燃料電池の電池特性と高い相関があるので、工程（２）にて、この熱伝導特性を電池特性に対応付けた特性対応と、測定した熱伝導特性とに基づいて、燃料電池の電池特性を評価する。このため、本発明の評価方法によれば、特性評価の際に燃料電池を運転状態とする必要がないので、簡便である。また、燃料電池が有する層構成体を含む一つの電池構成単位としての性能評価も行うことができる。更には、こうした評価を燃料電池の製造の過程で行うことができるので、この評価に基づいた良否判定も可能となり、品質向上に寄与できる。

以上説明した本発明の燃料電池の評価に際し、熱伝導特性を測定する工程（１）を、熱伝導特性の測定対象に、所定周波数の温度変調を起こしつつ熱を加える工程（１ａ）と、前記測定対象をその厚み方向に伝わった熱の温度変調を測定する工程（１ｂ）と、該測定した温度変調と前記加えた温度変調との位相差に基づいて、前記熱伝導特性を求める工程（１ｃ）とを有するようにすることができる。こうすれば、薄葉状の測定対象、本発明にあっては燃料電池が有する層構成体を含む一つの電池構成単位の熱伝導特性を容易に測定できる。

この場合、前記測定対象を、前記層構成体における前記電解質の伝導種の燃料ガスの供給を受け該ガスを一方の前記電極に送る燃料ガス供給層と、前記伝導種の酸化に寄与する物質を含有する酸化ガスの供給を受け該ガスを他方の前記電極に送る酸化ガス供給層とで前記層構成体を接合・挟持したガス供給層含有構造体とすることもできる。こうすれば、電解質を一対の電極で挟持した層構成体に燃料ガス供給層と酸化ガス供給層を接合・挟持した構成を単位に、その熱伝導特性を容易に測定できる。

かかる課題の少なくとも一部を解決するため、本発明の他の燃料電池の評価方法は、
電解質を一対の電極で挟持した層構成体を有する燃料電池の評価方法であって、
前記層構成体と、前記電解質の伝導種の燃料ガスの供給を受け該ガスを一方の前記電極に送る燃料ガス供給層と、前記伝導種の酸化に寄与する物質を含有する酸化ガスの供給を受け該ガスを他方の前記電極に送る酸化ガス供給層とを含む電池構成部材のそれぞれについて、その厚さ方向における熱伝導特性を測定する工程と、
前記電池構成部材のそれぞれの熱伝導特性を前記燃料ガス供給層と前記酸化ガス供給層とで前記層構成体を接合・挟持したガス供給層含有構造体の熱伝導特性に対応付けた第１特性対応と、前記測定した前記電池構成部材それぞれについての前記熱伝導特性とに基づいて、前記ガス供給層含有構造体の熱伝導特性を推定する工程と、
前記ガス供給層含有構造体の熱伝導特性を前記燃料電池の電池特性とを対応付けた第２特性対応と、前記推定した前記ガス供給層含有構造体の熱伝導特性とに基づいて、前記燃料電池の電池特性を評価する工程とを有する。

こうすれば、電解質を一対の電極で挟持した層構成体と、燃料ガス供給層と、酸化ガス供給層とを含む電池構成部材のそれぞれについて熱伝導特性を測定することで、燃料電池の電池特性評価を行うことができる。この場合であっても、特性評価の際に燃料電池を運転状態とする必要がなく簡便である等の上記効果を奏することができる。しかも、電池構成部材のそれぞれについての熱伝導特性の測定は、これら部材の製造の過程で行うことができるので、電池構成部材についての良否判定も可能となり、品質向上に寄与できる。

この場合、既述した第１特性対応と、第２特性対応は、次のように求めておくことが簡便である。ガス供給層含有構造体は、電解質を一対の電極で挟持した層構成体を、更に燃料ガス供給層と前記酸化ガス供給層とで接合・挟持したものであることから、その熱伝導特性は、個々の電池構成部材が有する熱伝導特性で規定される他、これら部材の接合・挟持の様子にも影響を受ける。例えば、接合が不十分であれば、接合が十分なものに比して、熱伝導特性は低下すると予想される。よって、熱伝導特性を測定した電池構成部材を用いて上記のように接合・挟持を経て構成したガス供給層含有構造体についても、その熱伝導特性を測定する。こうした電池構成部材の熱伝導特性測定、ガス供給層含有構造体の熱伝導特性測定を、電池構成部材の接合の様子を変えつつ繰り返し、電池構成部材のそれぞれの熱伝導特性をガス供給層含有構造体の熱伝導特性に対応付けた第１特性対応を、求める。

第２特性対応についても同様である。つまり、ガス供給層含有構造体の熱伝導特性を測定し、その熱伝導特性のガス供給層含有構造体を有する燃料電池の電池特性を測定する。そして、複数のガス供給層含有構造体について、その熱伝導特性測定と、そのガス供給層含有構造体を有する燃料電池の電池特性測定を実行することで、ガス供給層含有構造体の熱伝導特性を燃料電池の電池特性とを対応付けた第２特性対応を求める。こうして求めた第１特性対応、第２特性対応を、既述したガス供給層含有構造体の熱伝導特性推定や、燃料電池の電池特性評価に用いる。

本発明は、上記した燃料電池の評価方法の他、燃料電池の評価装置としても適用できる。また、本発明における燃料電池には、その電解質が有する性質により種々に区分され、水素イオンを伝導種とする固体高分子型燃料電池、リン酸形燃料電池、アルカリ形燃料電池や、炭酸イオンを伝導種とする溶融炭酸塩形燃料電池、酸素イオンを伝導種とする固体酸化物形燃料電池等が含まれる。

以下、本発明の実施の形態について、その実施例を図面に基づき説明する。図１は実施例での評価対象となる燃料電池の概略構成を説明する説明図である。本実施例における燃料電池は、固体高分子型燃料電池であり、その一つのセル（単セル２０）を複数積層したスタック構造を有している。単セル２０は、電解質を含むＭＥＡ（膜−電極接合体、Membrane Electrode Assembly）２１と、ＭＥＡ２１を両側から挟持してサンドイッチ構造を形成するガス拡散層２２、２３とを備え、このサンドイッチ構造をさらに両側からセパレータ２４、２５にて挟持されている。

ＭＥＡ２１は、電解質層３０と、電解質層３０を間に挟んでその両面に形成された一対の電極３１、３２とを備えている。電解質層３０は、固体高分子材料、例えば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。本実施例では、ナフィオン膜（デュポン社製）を使用した。電極３１、３２は、電気化学反応を促進する触媒、例えば、白金、或いは白金と他の金属から成る合金を備えた多孔質体であり、ガス透過性を備えている。ＭＥＡ２１は、こうした構成を取ることから、電解質層３０を一対の電極３１、３２で挟持した本願における層構成体に相当する構成となる。

ガス拡散層２２、２３は、ガス透過性および電子伝導性を有する部材によって構成されており、例えば、カーボンペーパーなどの炭素材料や、発泡金属、金属メッシュなどの金属部材によって形成することができる。このようなガス拡散層２２、２３は、電気化学反応に供されるガスの流路となると共に、集電を行なう。ここで、ガス拡散層２２は、セパレータ２４に接するガス拡散部材３３と、ＭＥＡ２１に接する電極側ガス拡散部材３４とを備えている。このようなガス拡散層２２は、ＭＥＡ２１とセパレータ２４との間で、水素を含有する燃料ガスが通過する単セル内燃料ガス流路を形成する。ガス拡散層２３は、セパレータ２５に接するガス拡散部材３５と、ＭＥＡ２１に接する電極側ガス拡散部材３６とを備えている。このようなガス拡散層２３は、ＭＥＡ２１とセパレータ２５との間で、酸素を含有する酸化ガスが通過する単セル内酸化ガス流路を形成する。

単セル２０は、こうしたガス拡散層の構成を有することから、ＭＥＡ２１（層構成体）をガス拡散層２２、２３で挟持・接合した本発明におけるガス供給層含有構造体に相当する構成となる。この場合、本実施例では、ガス拡散層２２、２３をセパレータ側のガス拡散部材と電極側ガス拡散部材の接合構成としたが、単一のガス拡散層とすることもできる。

上記した各部材（電解質層３０、電極３１、３２、ガス拡散部材３３、３５、電極側ガス拡散部材３４、３６）は、図中上段に示すようにそれぞれ個別に用意され、後述する製造工程における接合処理にて、図中下段に示すように接合され、単セル２０を構成する。

上記のガス拡散層２２、２３において、セパレータ側のガス拡散部材３３、３５を電極側ガス拡散部材３４、３６に比べて、より硬い多孔質体によって形成することができる。ここでいう硬さとは、ガス拡散部材を構成する材料の硬さではなく、部材全体としての硬さであり、例えば圧縮弾性率によって表わすことができる。こうすることで、単セル２０としての形状維持にとって望ましい。

セパレータ２４、２５は、電子伝導性を有する材料で形成されたガス不透過な部材であり、例えば、ステンレス鋼等の金属部材や炭素材料によって形成することができる。本実施例のセパレータ２４、２５は、薄板状に形成されており、ガス拡散層２２、２３と接する面は、凹凸のない平坦面となっているが、燃料ガス流路や酸化ガス流路を有するセパレータとすることもできる。この場合は、ガス拡散層は、単セル内燃料ガス流路や単セル内酸化ガス流路の役割は有さず、拡散の役割を少なくとも有するだけでよい。

なお、単セル２０の外周部には、単セル内燃料ガス流路および単セル内酸化ガス流路におけるガスシール性を確保するために、ガスケット等のシール部材が配設されている。また、単セル２０の外周部には、単セル２０の積層方向と平行であって燃料ガス或いは酸化ガスが流通する複数のガスマニホールドが設けられている（図示せず）。これら複数のガスマニホールドのうちの燃料ガス供給マニホールドを流れる燃料ガスは、各単セル２０に分配され、電気化学反応に供されつつ各単セル内燃料ガス流路（ガス拡散層２２）内を通過し、その後、燃料ガス排出マニホールドに集合する。同様に、酸化ガス供給マニホールドを流れる酸化ガスは、各単セル２０に分配され、電気化学反応に供されつつ各単セル内酸化ガス流路（ガス拡散層２３）内を通過し、その後、酸化ガス排出マニホールドに集合する。図１では、単セル内燃料ガス流路における燃料ガス（Ｈ₂）と単セル内酸化ガス流路における酸化ガス（Ｏ₂）とは並行に流れるように記載しているが、これらのガスの流れは、ガスマニホールドの配置によって、上記した並行の他、対向、直交など異なる向きに流れることとしても良い。

燃料電池に供給される燃料ガスとしては、炭化水素系燃料を改質して得られる水素リッチガスを用いても良いし、純度の高い水素ガスを用いても良い。また、燃料電池に供給される酸化ガスとしては、例えば空気を用いることができる。

なお、図示は省略しているが、スタック構造の内部温度を調節するために、各単セル間に、或いは所定数の単セルを積層する毎に、冷媒の通過する冷媒流路を設けても良い。冷媒流路は、隣り合う単セル間において、一方の単セルが備えるセパレータ２４と、他方の単セルが備えるセパレータ２５との間に設ければよい。

次に、上記した構成を有する燃料電池、詳しくは単セル２０の製造工程について説明する。図２は、本実施例の燃料電池の製造方法を表わす工程図、図３は電池製造の際に各構成部材の熱伝導特性に基づいて特性評価を行う評価装置の概略図である。

図２に示すように、燃料電池を製造する際には、まず、単セル２０を構成する既述した各部材、即ち、電解質層３０、ガス拡散部材３３〜３６、セパレータ２４、２５を準備する（ステップＳ１００）。その後、電解質層３０上に電極３１、３２を形成して、ＭＥＡ２１を作製する（ステップＳ１１０）。電極３１、３２を形成するには、例えば、白金または白金と他の金属からなる合金を担持したカーボン粉を作製し、この触媒を担持したカーボン粉を適当な有機溶剤に分散させ、電解質溶液（例えば、Ａｌｄｒｉｃｈ Ｃｈｅｍｉｃａｌ社、Ｎａｆｉｏｎ Ｓｏｌｕｔｉｏｎ）を適量添加することで、ペーストを作製すればよい。このペーストを、電解質層３０上にスクリーン印刷等の方法により塗布することで、電極３１、３２を形成することができる。或いは、上記触媒を担持したカーボン粉を含有するペーストを膜成形してシートを作製し、このシートを電解質層３０上にプレスすることによって電極３１、３２を形成しても良い。

本実施例では、こうして作製したＭＥＡ２１と、ガス拡散部材３３〜３６について、これらが有する熱伝導特性を測定する（ステップＳ１２０）。このＭＥＡ２１等の熱伝導特性は、後述するように、単セル２０、引いては燃料電池の電池特性評価に用いる。熱伝導測定は、図３に示す電池性能評価装置２００にて行う。電池性能評価装置２００は、熱伝導特性の測定サンプルがセットされる測定ブース２１０と、装置本体２２０と、表示部２３０と、入力部２４０とを備える。

測定ブース２１０は、薄葉状の測定サンプルに熱を加えるための加熱プローブ２１２と、測定サンプルをその厚み方向に伝わった熱を検出する検出プローブ２１４とを対向させて備え、測定サンプル（ＭＥＡ２１や単セル２０、ガス拡散部材３３等）は、両プローブ間にセットされる。

装置本体２２０は、測定サンプルの熱伝導特性算出やＭＥＡ２１、単セル２０の電池特性評価等を行うため、測定プローブ制御部２２２、記憶部２２４、熱伝導特性算出部２２６、評価部２２８を備える。測定プローブ制御部２２２は、加熱プローブ２１２により測定サンプルに伝わる温度が周期的に変動（温度変調）するよう、具体的には所定の角周波数の周期発熱が加熱プローブ２１２により測定サンプル表面で起きるよう、加熱プローブ２１２を温度制御する。記憶部２２４は、単セル２０の各構成部材の熱伝導特性と単セル２０の熱伝導特性とを対応付けた熱伝導・熱伝導対応マップや、単セル２０の熱伝導特性と単セル２０の電池特性とを対応付けた熱伝導・電池特性対応マップ等を記憶する。熱伝導特性算出部２２６は、測定サンプルをその厚み方向に伝わった熱の温度変調を測定サンプル裏面の検出プローブ２１４からのセンサ出力から求め、その温度変調と加熱プローブ２１２による温度変調の位相差に基づいて、測定サンプルの熱伝導特性を算出する。評価部２２８は、測定サンプルとしてのＭＥＡ２１やガス拡散部材３３等の部材が有する熱伝導特性と記憶部２２４が記憶した種々のマップとを対比して、その部材を用いた単セル２０、延いては単セル積層後の燃料電池の電池特性を評価する。

この装置本体２２０は、論理演算回路として構成されたＣＰＵやＲＯＭ、ＲＡＭ、メモリと入出力インターフェイス（Ｉ／Ｏ）を用いて構成され、これらＣＰＵがＲＯＭに書き込まれたプログラムを実行することで、既述した測定プローブ制御部２２２等を構成する。

表示部２３０は、熱伝導特性算出部２２６で求めた熱伝導特性や評価部２２８での評価結果等を表示する。入力部２４０は、測定サンプルとしてのＭＥＡ２１やガス拡散部材３３等の熱伝導特性算出のためのサンプル厚みデータや、これら部材を用いて作製した燃料電池の電池特性等のデータを装置本体２２０に入力する。

ステップＳ１２０における電池性能評価装置２００を用いた熱伝導特性測定の原理について、説明する。加熱プローブ２１２と検出プローブ２１４が表裏に当接された測定サンプル、例えば、ＭＥＡ２１では、加熱プローブ２１２側のＭＥＡ表面で、角周波数ωの周期発熱（ｔ）が起き、この周期発熱を起こした熱は、ＭＥＡ２１を裏面に向けて伝搬し、検出プローブ２１４にてセンシングされる。今、ＭＥＡ２１の厚みをｄとすると、この厚みｄのＭＥＡ２１における熱伝搬の過程で、熱は、温度変調を起こしてＭＥＡ裏面まで伝わり、その際に位相に遅れを起こす。この位相差Δθは、厚みｄのＭＥＡ２１の熱拡散率をαＭＥＡとすると、次の式で与えられる。

Δθ＝√（ω／２αＭＥＡ）・ｄ−（π／４）

位相差Δθは、加熱プローブ２１２で起こした角周波数ωと検出プローブ２１４でセンシングした角周波数ωとから求まるので、ＭＥＡ２１の厚みｄを入力部２４０から与えれば、ＭＥＡ２１の熱拡散率αＭＥＡが算出される。ガス拡散部材３３〜３６についても同様であり、これら各拡散部材の厚みｄを、その測定の際に与えることで、ガス拡散部材３３〜３６のそれぞれについての熱拡散率が求まる。こうして求めた各部材についての熱拡散率αは、記憶部２２４に記憶され、後述の電池特性評価の他、記憶部２２４が記憶した上記の対応マップの補充データとしても用いられる。つまり、記憶部２２４は上記した対応マップデータを予め記憶するが、電池製造過程の上で得られたデータをマップに補充することで、データ数を増やしてマップの信頼性を高めるようにすることができる。記憶部２２４が予め記憶したマップのデータが十分であれば、こうしたデータ補充は省略できる。

この場合、ＭＥＡ２１やガス拡散部材等の測定サンプルの面積に対して、加熱プローブ２１２や検出プローブ２１４が測定サンプルに接触する面積は格段に狭い。よって、本実施例では次のような測定手法を用いてＭＥＡ２１等の熱拡散率αとした。図４は本実施例における熱拡散率αの測定の様子を説明する説明図である。

この図４に示すように、測定サンプルの複数の測定ポイントＳＰで上記したようにその測定サンプル（例えば、ＭＥＡ２１）の熱拡散率αＭＥＡｉｊ（ｉｊは測定ポイントＳＰを行列表示した際の添え字）を求める。そして、その加重平均値等を、測定サンプルたるＭＥＡ２１の熱拡散率αＭＥＡとする。なお、各測定ポイントＳＰでの熱拡散率αＭＥＡｉｊを熱拡散率分布として記憶部２２４に記憶するようにし、この熱拡散率分布を電池性能評価に用いるようにすることもできる。

こうした熱拡散率の測定に続いては、ガス拡散部材３３と電極側ガス拡散部材３４とを接合させ、ガス拡散部材３５と電極側ガス拡散部材３６とを接合させて、ガス拡散層２２およびガス拡散層２３を作成する（ステップＳ１３０）。ガス拡散部材同士の接合は、適宜な接合手法、例えばプレス手法により、ガスの拡散機能を損なわないように行えばよい。

こうして作製されたガス拡散層２２、２３にあっても、ＭＥＡ２１や単セル２０の構成部材である。よって、構成部材の熱伝導特性（熱拡散率）から電池性能評価を行うために、ステップＳ１２０で説明した電池性能評価装置２００を用いてそれぞれのガス拡散層２２、２３の熱拡散率を測定する（ステップＳ１４０）。ところで、ガス拡散層２２、２３は、上記したガス拡散部材の接合体であることから、ガス拡散部材３３〜３６個々について求めた熱拡散率と、これら部材から作製したガス拡散層２２、２３の熱拡散率を対比することで、接合による熱拡散率の推移を得ることができる。よって、ガス拡散部材の接合状態を変えつつ、上記した各ガス拡散部材とその接合体であるガス拡散層２２、２３の熱拡散率測定・対比を行うことで、ガス拡散部材を接合してガス拡散層２２、２３を作製する上での最適な接合状態を求めることができる。

こうして求めたガス拡散層２２、２３の熱拡散率αは、記憶部２２４に記憶され、後述の電池特性評価の他、記憶部２２４が記憶した上記の対応マップの補充データとしても用いられる。この場合であっても、記憶部２２４が予め記憶したマップのデータが十分であれば、こうしたデータ補充は省略できる。

なお、ガス拡散層２２、２３を単一のガス拡散部材から形成する場合には、その単一のガス拡散部材の熱拡散率はステップＳ１２０で実施済みとなるので、ステップＳ１３０、１４０は不要となる。

次に、単セル２０を作製する（ステップＳ１５０）。ここで、接合とは、単に２つの部材を積層する場合よりも接触面積が増加するように、２つの部材を積極的に固着させることをいう。ＭＥＡ２１とその両側のガス拡散層２２、２３における電極側ガス拡散部材３４、３６との接合は、例えばホットプレスにより行なうことができる。このように、熱および圧力を加えることで、電極３１、３２を構成する既述したペーストが熱により軟化し、軟化したペーストが電極側ガス拡散部材３４、３６の多孔質な表面全体に馴染んで接触面積が増加しつつ、両者が圧着される。

次に、単セル２０の熱拡散率を、ステップＳ１２０で説明した電池性能評価装置２００を用いて測定する（ステップＳ１６０）。単セル２０は、既述した各構成部材の接合体であることから、その熱拡散率には、各構成部材が備えた熱拡散率と接合による影響が表れる。このステップＳ１６０で求めた単セル２０の熱拡散率と既述したステップで求めた各構成部材の熱拡散率を対比することで、接合による熱拡散率の推移を得ることができる。よって、単セル２０作製の際のホットプレスによる接合状態（例えば、温度や押圧力）を変えつつ、単セル２０とその各構成部材の熱拡散率測定・対比を行うことで、ＭＥＡ２１にガス拡散層２２、２３を接合して単セル２０を作製する上での最適な接合状態を求めることができる。

ステップＳ１６０により、上記した各構成部材の接合体全体としての単セル２０の熱拡散率が求まるので、この単セル２０の熱拡散率αは、記憶部２２４に記憶された後述の電池特性評価に用いられる他、既述した単セル２０の熱伝導特性と単セル２０の電池特性とを対応付けた熱伝導・電池特性対応マップや、単セル２０の各構成部材の熱伝導特性と単セル２０の熱伝導特性とを対応付けた熱伝導・熱伝導対応マップの補充データとしても用いられる。この単セル２０の熱拡散率にあっても、記憶部２２４が予め記憶したマップのデータが十分であれば、こうしたデータ補充は省略できる。

次に、単セル２０の各構成部材個々の熱拡散率と単セル２０としての熱拡散率に基づいて、この単セル２０が呈する電池特性の評価を行う（ステップＳ１７０）。熱拡散率を介した電池特性評価は、熱拡散率と電池特性とが高い相関にあることに基づく。こうした電池特性評価は次の手法で行うことができる。

第１の評価手法では、ステップＳ１６０で測定した単セル２０の熱拡散率を、記憶部２２４が記憶した単セル２０の熱伝導特性と単セル２０の電池特性の熱伝導・電池特性対応マップに対比させて、単セル２０の電池特性を評価する。第２の評価手法では、ステップＳ１２０、１４０で測定した単セル２０の各構成部材の熱拡散率を、記憶部２２４が記憶した各構成部材の熱伝導特性と単セル２０の熱伝導特性の熱伝導・熱伝導特性対応マップに対比させて、単セル２０の熱拡散率を算出する。そして、算出した単セル２０の熱拡散率を、記憶部２２４が記憶した単セル２０の熱伝導特性と単セル２０の電池特性との熱伝導・電池特性対応マップに対比させて、単セル２０の電池特性を評価する。

本実施例では、単セル２０の熱拡散率を実際に測定しているので、上記の第１の評価手法が簡便である。この手法では、ステップＳ１２０、１４０の構成部材の熱拡散率測定を省略することもできる。しかし、構成部材個々の熱拡散率とこの構成部材の接合を経て作製した単セル２０の熱拡散率との対比を通して、部材の接合による熱拡散率の影響を推考できるので、製造管理や品質管理の点から有益である。その一方、第２の評価手法では、ステップＳ１６０の単セル２０の熱拡散率測定を省略することもできるが、第１の手法と同様、単セル２０の熱拡散率測定を行うことは、製造管理や品質管理の点から有益である。

こうした電池特性評価に用いる熱伝導・電池特性対応マップと、熱伝導・熱伝導特性対応マップは、次のようにして構築できる。まず、本実施例のようにして単セル２０の熱拡散率を取得し、その取得した単セル２０を有する燃料電池をシステムに搭載して運転させ、その電池特性（例えば、出力電流・電圧特性、内部抵抗等）を求める。こうしたことを繰り返し、単セル２０の熱伝導特性と単セル２０の電池特性を対応付けた熱伝導・電池特性対応マップを構築し、記憶部２２４に格納する。熱伝導・熱伝導特性対応マップについては、本実施例のステップＳ１２０、１４０での構成部材の熱拡散率測定とステップＳ１６０での単セル２０の熱拡散率測定とを、燃料電池製造の度に行って、両熱拡散率を対応付けた熱伝導・熱伝導特性対応マップを構築し、記憶部２２４に格納する。

こうして単セル２０の電池特性評価が済むと、その評価により適切とされた単セル２０の両側にセパレータ２４、２５を接合する（ステップＳ１８０）。セパレータ２４、２５の接合対象は、ガス拡散層２２、２３におけるガス拡散部材３３、３５であることから、こうしたガス拡散部材との接合は、例えば溶接等の適宜な手法で行なえばよい。溶接は、ガス拡散部材３３、３５とセパレータ２４、２５のうちの少なくとも一方の溶融した母材により、および／または溶融した溶加材により、接触面積を増加させつつ両者を接合することを可能にする。

続いて、セパレータ２４、２５で挟持した単セル２０を単位に、これらを所定の順序で（図１の単セル２０が繰り返し形成されるように）所定数積層してスタック構造を組み立て、積層方向に所定の押圧力を加えて全体構造を保持することによって、燃料電池を完成する（ステップＳ１９０）。なお、ステップＳ１９０の組み立ての工程は、既述したガスケットなどのシール部材を積層体の外周部に配設したり、隣り合う単セル間に冷媒流路を形成するなどの工程を含む。

ここで、隣り合う単セル間に冷媒流路等を形成しない場合には、セパレータの両面にガス拡散層２２、２３のガス拡散部材３３、３４を接合するようにすることもできる。つまり、一つのセパレータをその両側の単セル２０で共有るよう積層・接合すればよい。

以上説明したように、電池性能評価装置２００を用いた電池特性評価を行う本実施例によれば、燃料電池製造の過程で測定した単セル２０やその構成部材個々の熱拡散率と予め記憶した上記の熱伝導・熱伝導対応マップや、熱伝導・電池特性対応マップとに基づいて、製造後の燃料電池の電池特性を評価できる。この結果、本実施例によれば、燃料電池の電池特性評価に際して燃料電池を運転状態とする必要がないので、簡便である。また、燃料電池の一つの電池構成単位である単セル２０としての電池性能評価も製造過程において行うことができるので、この評価に基づいた単セル２０の良否判定も可能となり、品質向上に寄与できる。

しかも、本実施例では、単セル２０自体の熱拡散率測定と、単セル２０を作製する上で接合されるセル構成部材個々の熱拡散率測定とを行うので、両熱拡散率の対比から、部材接合に基づく熱拡散率推移（変化）に基づいて、部材接合の接合条件の最適化を図ることができる。このため、製造管理や品質向上の上からも好ましい。

また、本実施例では、単セル２０およびその構成部材個々の熱拡散率を求めるに当たり、図４に示すように、多数の測定ポイントＳＰで熱拡散率を求め、その分布をも把握することができる。熱拡散率分布は電池特性の分布と相関することから、ガス拡散層２２、２３によるガス供給を、熱拡散率分布に応じて供給量が変わるようにすることもできる。こうすれば、ＭＥＡ２１で進行する電気化学反応は、ＭＥＡ膜面で均一となるので、電池特性の向上を図ることも可能となる。

更に、熱伝率測定に際しては、加熱プローブ２１２にて測定サンプル表面で周期発熱を起こし、測定サンプル裏面において検出プローブ２１４にて温度変調を測定し、その位相差に基づいて熱拡散率を測定した。こうした測定手法は、単セル２０やその構成部材のような薄葉状の測定サンプルの高精度の熱拡散率測定が可能となる。よって、単セル２０やその構成部材の熱拡散率を正確に測定できるので、この測定熱拡散率に基づいた電池特性評価の信頼性を高めることができる。

次に、図３に示した電池性能評価装置２００による測定例について説明する。その測定サンプルは、ＭＥＡ２１をその両側でガス拡散層２２とガス拡散層２３で挟持した膜・電極・拡散層接合体（ＭＥＧＡ）とした。このＭＥＧＡの作成に当たっては、多孔質のカーボンペーパーの表面に撥水性を呈する材料のパウダー、例えばテフロン（登録商標）のパウダーを懸濁させた懸濁液を塗布して、通常採択される温度環境下で熱処理して溶媒を除去し、カーボンペーパー表面に撥水性表面処理層を形成する。この撥水性表面処理層を有するカーボンペーパーが上記した実施例におけるガス拡散層２２、２３となる。

次に、白金または白金と他の金属からなる合金を担持したカーボン粉を準備し、この触媒担持カーボン粉を適当な有機溶剤（例えば、アルコール）と水に分散させ、電解質溶液（例えば、Ａｌｄｒｉｃｈ Ｃｈｅｍｉｃａｌ社、Ｎａｆｉｏｎ Ｓｏｌｕｔｉｏｎ）を適量添加してペースト化し、上記のカーボンペーパーにおける撥水性表面処理層側表面にスプレー塗布する。こうしたスプレー塗布部から有機溶剤・水を蒸発させると、カーボンペーパーの撥水性表面処理層側表面に本実施例の電極３１、３２が形成される。その後、このカーボンペーパーで、本実施例の電解質層３０となるナフィオン膜（デュポン社製）を挟持し、このナフィオン膜の性状から制約される所定条件（温度条件、圧力条件）でホットプレスし、ＭＥＧＡとする。そして、このＭＥＧＡについて、電池性能評価装置２００により、膜中央部分とその左右２箇所の三点について熱伝導率を測定し、その平均値をＭＥＧＡの熱伝導率とした。図５は比較例および実施例品の熱伝導率の測定結果と接合条件（プレス条件）および他の評価項目とを対比して説明する説明図である。

図５に示すように、プレス条件は、比較例が、ナフィオン膜の性状から制約されるホットプレス時の通常の温度（標準温度）より約２０℃低温の熱環境下で、ナフィオン膜の性状から制約されるホットプレス時の通常の圧力（標準圧力）でホットプレスしたＭＥＧＡである。実施例１は、図示するように標準温度・標準温度でホットプレスして作成したＭＥＧＡであり、実施例２および実施例３は、図中に示すように接合条件を高めにして作成したＭＥＧＡである。

こうした比較例・実施例１〜３について、既述したように電池性能評価装置２００により熱伝導率（熱拡散率）を測定すると共に、機械的な剥離試験、電気的特性試験を行った。

剥離試験については、二つの剥離強度を調べた。まず、それぞれのＭＥＧＡの一方の電極側（例えば、カソード側）の最外部にある拡散層をピンセットで挟んで剥離させ、その剥離状況を観察した。こうすると、最も接合強度が弱い部分で剥離するので、接合状態の評価を下すことができる。次に、引っ張り試験機を用いた層方向の剥離強度（垂直剥離強度）について測定した。引っ張り試験機の上下のサンプル固定シャフトの先端に、両面テープにて試験片（比較例および実施例１〜３のＭＥＧＡ）を接着固定し、それぞれのＭＥＧＡにおける層の剥がれが起きたときの引っ張り強度を垂直剥離強度として測定した。そして、それぞれのＭＥＧＡの垂直剥離強度を、実施例１を基準にして相対比較した。この場合、比較例のＭＥＧＡは、引っ張り試験機の最低荷重値で剥離が見られたため、測定不能とした。

電池的特性試験は、ＭＥＧＡが約８０℃となるようにして、両電極を１．５ｂａｒ程度に加圧し、両電極（拡散層）に低加湿のガス（水素ガス・空気）を通常運転時の１５０％のガス流量で供給し、１．０Ａ／ｃｍ^２の電流密度で１０分間の連続運転を行い、その際の出力電圧を測定して相対比較した（実施例１を基準）。この場合、比較例のＭＥＧＡは、電圧測定器の測定分解能に満たなかったので、掃引不能とした。これらの結果は、図の通りである。図示するように、ＭＥＧＡの構成材料が同じであっても、接合条件が異なると、熱伝導率・電気的特性・機械的特性が相違することが判った。

特に、熱伝導率と電気的特性とは、高い相関があることが確認できた。よって、既述したように、熱伝導率特性（熱伝導率）測定を介して、ＭＥＧＡの電気的特性を性格に評価できる。また、接合条件と熱伝導率・電気的特性についても相関を得ることができたので、熱伝導率測定を介して、接合の良否判定を下すこともできる。こうした判定は、簡便な熱伝導率測定で済み、実機での運転試験を必要としないので、簡便となる。換言すれば、接合条件を設定することで、所望する熱伝導率、延いては電気的特性を備えたＭＥＧＡを容易に製造できることになる。

また、接合条件が標準の実施例１の電気的特性であれば、そのＭＥＧＡ（実施例１）は実用上何の支障もないので、接合条件を温度・圧力とも高めれば、実施例１を超える好適な電気的特性を有するＭＥＧＡを得ることができた。このことから、熱伝導率が１．０ｘ１０^−７［ｍ^２／ｓ］以上、より好ましくは、１．５ｘ１０^−７［ｍ^２／ｓ］以上のＭＥＧＡであれば、高い電気的特性を備えた燃料電池を得ることができる。

このように、接合条件を温度・圧力で高めると熱伝導率・電気的特性が向上するのは、ＭＥＧＡにおける各材料の接合性が改善したために、接合境界面での抵抗増大の回避や、フラッディングが解消したことによると予想される。

機械的特性から見ると、接合条件が温度・圧力で高まるほど、剥離強度が増していることが判る。実施例３では、最も強度が高いと思われる拡散層自体が破壊したことから、この実施例３では拡散層自体の材料強度以上の接合強度を得ることができたことになる。

実施例での評価対象となる燃料電池の概略構成を説明する説明図である。 本実施例の燃料電池の製造方法を表わす工程図である。 電池製造の際に各構成部材の熱伝導特性に基づいて特性評価を行う評価装置の概略図である。 実施例における熱拡散率αの測定の様子を説明する説明図である。 比較例および実施例品の熱伝導率の測定結果と接合条件（プレス条件）および他の評価項目とを対比して説明する説明図である。

符号の説明

２０...単セル
２１...ＭＥＡ（膜−電極接合体、Membrane Electrode Assembly）
２２、２３...ガス拡散層
２４、２５...セパレータ
３０...電解質層
３１、３２...電極
３３、３５...ガス拡散部材
３４、３６...電極側ガス拡散部材
２００...電池性能評価装置
２１０...測定ブース
２１２...加熱プローブ
２１４...検出プローブ
２２０...装置本体
２２２...測定プローブ制御部
２２４...記憶部
２２６...熱伝導特性算出部
２２８...評価部
２３０...表示部
２４０...入力部
ＳＰ...測定ポイント

Claims (6)

1. 電解質を一対の電極で挟持した層構成体を有する燃料電池の評価方法であって、
   前記層構成体の層方向における前記燃料電池の熱伝導特性を測定する工程（１）と、
   前記層構成体の層方向における前記燃料電池の熱伝導特性を前記燃料電池の電池特性に対応付けた特性対応と、前記測定した熱伝導特性とに基づいて、前記燃料電池の電池特性を評価する工程（２）とを有する
   燃料電池の評価方法。
2. 請求項１記載の燃料電池の評価方法であって、
   前記工程（１）は、
   熱伝導特性の測定対象に、所定周波数の温度変調を起こしつつ熱を加える工程（１ａ）と、
   前記測定対象をその厚み方向に伝わった熱の温度変調を測定する工程（１ｂ）と、
   該測定した温度変調と前記加えた温度変調との位相差に基づいて、前記熱伝導特性を求める工程（１ｃ）とを有する
   燃料電池の評価方法。
3. 請求項２記載の燃料電池の評価方法であって、
   前記工程（１ａ）と前記工程（１ｂ）は、
   前記測定対象を、前記層構成体における前記電解質の伝導種の燃料ガスの供給を受け該ガスを一方の前記電極に送る燃料ガス供給層と、前記伝導種の酸化に寄与する物質を含有する酸化ガスの供給を受け該ガスを他方の前記電極に送る酸化ガス供給層とで前記層構成体を接合・挟持したガス供給層含有構造体とする
   燃料電池の評価方法。
4. 電解質を一対の電極で挟持した層構成体を有する燃料電池の評価方法であって、
   前記層構成体と、前記電解質の伝導種の燃料ガスの供給を受け該ガスを一方の前記電極に送る燃料ガス供給層と、前記伝導種の酸化に寄与する物質を含有する酸化ガスの供給を受け該ガスを他方の前記電極に送る酸化ガス供給層とを含む電池構成部材のそれぞれについて、その厚さ方向における熱伝導特性を測定する工程と、
   前記電池構成部材のそれぞれの熱伝導特性を前記燃料ガス供給層と前記酸化ガス供給層とで前記層構成体を接合・挟持したガス供給層含有構造体の熱伝導特性に対応付けた第１特性対応と、前記測定した前記電池構成部材それぞれについての前記熱伝導特性とに基づいて、前記ガス供給層含有構造体の熱伝導特性を推定する工程と、
   前記ガス供給層含有構造体の熱伝導特性を前記燃料電池の電池特性に対応付けた第２特性対応と、前記推定した前記ガス供給層含有構造体の熱伝導特性とに基づいて、前記燃料電池の電池特性を評価する工程とを有する
   燃料電池の評価方法。
5. 電解質を一対の電極で挟持した層構成体を有する燃料電池の評価装置であって、
   前記層構成体の層方向における前記燃料電池の熱伝導特性を測定する測定手段と、
   前記層構成体の層方向における前記燃料電池の熱伝導特性を前記燃料電池の電池特性に対応付けた特性対応を記憶する特性対応記憶手段と、
   前記測定した熱伝導特性と前記記憶した特性対応とに基づいて、前記燃料電池の電池特性を評価する評価手段とを有する
   燃料電池の評価装置。
6. 電解質を一対の電極で挟持した層構成体を有する燃料電池であって、
   請求項１ないし請求項４いずれかの燃料電池の評価方法で求めた前記層構成体の層方向における前記燃料電池の熱伝導特性が、１．０ｘ１０^−７［ｍ^２／ｓ］以上の熱伝導率を有する燃料電池。

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