JP2006294463A - 燃料電池の性能評価装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 集電体が偏当たりを起こしにくい燃料電池の性能評価装置の提供。
【解決手段】（１）同一軸芯上に配置された、出力端子を兼ねる、第１、第２の集電軸１３０と、第１、第２の集電軸に集電軸軸方向に当接されて着脱可能に固定された、評価対象品を挟む第１、第２の集電体（挟持部）１１１と、を備えた燃料電池の性能評価装置１００。
（２）第１、第２の集電体１１１を、第１、第２の集電軸を貫通する第１、第２のボルト１３１により、第１、第２の集電軸１３０に固定した。
（３）第１、第２の集電軸１３０はカーボン製で、第１、第２の集電体１１１は金属製であり、第１、第２の集電軸は第１、第２の集電体のほぼ全面で当たる当接面１３３を有する。
【選択図】 図５

Description

本発明は、燃料電池、とくに固体高分子電解質型燃料電池の性能評価装置に関する。

特開２００３−２０３６６７号公報は、燃料電池の性能評価装置を開示している。特開２００３−２０３６６７号公報の燃料電池の性能評価装置は、集電体を有する一対の放電治具部と、該一対の放電治具部の間に設けられＭＥＡを保持する電極保持部とを備え、集電体のＭＥＡへの押し付け荷重と、放電治具部と電極保持部間のガスシール荷重とが、互いに独立に設定可能となっている性能評価装置である。そこでは、出力電気配線は集電体に直接取付けられている。
特開２００３−２０３６６７号公報

しかし、従来の燃料電池の性能評価装置にはつぎの課題がある。
（イ）集電体に取付けられている各配線の姿勢により、両極の集電体が面当たりの不均一（偏当たり）を起こす場合がある。
（ロ）集電体は様々な流路形状、パターンを評価するニーズがあるが、配線がとりついているため、集電体の着脱が容易でない。
（ハ）集電体を含み本体の耐腐食性が充分でない。
（ニ）評価対象品の一部であるＭＥＧＡの厚みが変わると電解質膜のセンタ位置がずれ、電解質膜の余分なストレスが加わり電解質膜の耐久性を劣化させる。これが正当な評価の妨げとなる。

本発明の目的は、集電体が偏当たりを起こしにくい燃料電池の性能評価装置を提供することにある。
本発明のもう一つの目的は、集電体が偏当たりを起こしにくい、かつ、集電体の着脱が容易な燃料電池の性能評価装置を提供することにある。
本発明のもう一つの目的は、集電体が偏当たりを起こしにくい、かつ、耐腐食性に優れた燃料電池の性能評価装置を提供することにある。
本発明のもう一つの目的は、集電体が偏当たりを起こしにくい、かつ、評価対象品の一部であるＭＥＧＡの厚みが変わっても容易に対応できる燃料電池の性能評価装置を提供することにある。

上記課題を解決する、そして上記目的を達成する、本発明は、つぎのとおりである。
（１） 第１、第２の治具部本体に支持され、同一軸芯上に配置された、出力端子を兼ねる、第１、第２の集電軸と、
第１、第２の集電軸の一端に着脱可能に配置され、燃料電池の評価対象品を挟む第１、第２の挟持部と、
を備えた燃料電池の性能評価装置。
（２） 第１、第２の挟持部が第１、第２の集電体であり、該第１、第２の集電体を、固定部品により第１、第２の集電軸に固定した（１）記載の燃料電池の性能評価装置。
（３） 第１、第２の集電体を、第１、第２の集電軸を貫通する第１、第２のボルトからなる固定部品により、第１、第２の集電軸に固定した（２）記載の燃料電池の性能評価装置。
（４） 第１、第２の集電軸はカーボン製で、第１、第２の集電体は金属製であり、第１、第２の集電軸は第１、第２の集電体のほぼ全面で当たる当接面を有する（２）または（３）記載の燃料電池の性能評価装置。
（５） 第１、第２の集電体に、外形が四辺形の四辺形部と外形が円形の円形部とを設け、該円形部と第１、第２の治具部本体との間をＯリングにてシールした（２）ないし（４）記載の燃料電池の性能評価装置。
（６） 第１の集電軸は集電軸軸方向位置が調整可能な固定側集電軸であり、第２の集電軸は第１の集電軸に対して軸方向に可動な可動側集電軸である（２）ないし（５）記載の燃料電池の性能評価装置。
（７） 第１の集電軸にねじを切り、該ねじに、集電軸軸方向動きをストッパにより拘束された固定側集電軸位置調整ねじを螺合した（６）記載の燃料電池の性能評価装置。
（８） 第１の集電軸の第１の治具部本体に対する集電軸軸方向の距離の変化を測定するマイクロメータを備えた（２）ないし（７）記載の燃料電池の性能評価装置。
（９） 前記マイクロメータをブラケットを介して第１の集電軸から支持し、前記ブラケットを回り止めして第１の集電軸の回転を防止する集電軸の回り止め機構を前記ブラケットと前記第１の治具部本体との間に設けた（８）記載の燃料電池の性能評価装置。
（１０） 第１の集電体と第１の集電軸との組の評価対象品中心から固定側集電軸位置調整ねじ中心までの集電軸軸方向の熱膨張と、第１、第２の治具部本体間に設けた電極保持部と第１の治具部本体との組の評価対象品中心から固定側集電軸位置調整ねじ中心までの集電軸軸方向の熱膨張とが、ほぼ等しくなるように、それぞれの組の材質を選定した（７）記載の燃料電池の性能評価装置。
（１１） 第１、第２の治具部本体内に冷却水が流通する冷却水流通空間を形成し、該冷却水流通空間を、第１、第２の治具部本体に形成されたガス経路の回りに延ばした請求項２ないし（１０）記載の燃料電池の性能評価装置。

上記（１）の燃料電池の性能評価装置によれば、従来（特開２００３−２０３６６７号公報の装置）の集電体に直接出力配線を取付けるものに代えて、本発明では、第１、第２の治具部本体に支持された第１、第２の集電軸そのものを出力端子として機能させ、第１、第２の集電体の電気出力を第１、第２の集電軸を介して取り出すようにしたので、集電軸は配線の反力を受けても傾かないため、従来装置にあった配線の姿勢による第１、第２の集電体の面当たりの不均一（偏当たり）を、本発明では、回避することができる。
上記（２）、（３）の燃料電池の性能評価装置によれば、集電体には配線が取り付けられておらず、かつ、第１、第２の集電体を、第１、第２の集電軸を貫通する第１、第２のボルトにより、第１、第２の集電軸に固定したので、集電体をボルト１本で着脱でき、集電体の着脱、交換を容易である。また、ボルトを締めることにより集電体の集電軸への当接軸力を上げることができ、集電体と集電軸との当接面の接触抵抗を、従来（特開２００３−２０３６６７号公報の装置）の押し付けによる場合に比べて、低減することができる。
上記（４）の燃料電池の性能評価装置によれば、第１、第２の集電軸はカーボン製で、第１、第２の集電体は金属製であるため、金属と金属との接触に比べて接触抵抗が高くなるという弊害があるが、本発明では、第１、第２の集電軸は第１、第２の集電体のほぼ全面で当たる当接面を有するので、接触面積が大となって接触抵抗を低減できる他、カーボン製集電体内の電気の流れが軸方向（集電軸軸方向と平行）となり、内部抵抗も低減できる。
上記（５）の燃料電池の性能評価装置によれば、第１、第２の集電体に、外形が四辺形の四辺形部と外形が円形の円形部とを設け、該円形部と第１、第２の治具部本体との間をＯリングにてシールしたので、ガスシール性が向上する。それによって、ガスインポートからアウトポートへのバイパスガス量を削減することができる。また、集電軸を腐食性雰囲気から隔離でき、かつ、集電体と集電軸の接触面への加湿ガスの侵入を防止できるため、電食等の懸念が無くなり、耐久運転に耐えることができる。
上記（６）の燃料電池の性能評価装置によれば、第１の集電軸は集電軸軸方向位置が調整可能な固定側集電軸であり、第２の集電軸は第１の集電軸に対して軸方向に可動な可動側集電軸であるので、拡散層の厚さが狙い値から変わっても第１の集電軸の集電軸軸方向位置を調整することによって、電解質膜のセンタ位置を正規の位置に維持することができる。その結果、電解質膜に余分なストレスが加わることがなくなり、電解質膜の耐久性を良好に保つことができる。
上記（７）の燃料電池の性能評価装置によれば、第１の集電軸にねじを切り、該ねじに、集電軸軸方向動きをストッパにより拘束された固定側集電軸位置調整ねじを螺合したので、固定側集電軸位置調整ねじを軸芯まわりにまわすことにより、第１の集電軸を軸方向に移動させて第１の集電軸の軸方向位置を調整することができる。
上記（８）の燃料電池の性能評価装置によれば、第１の集電軸の第１の治具部本体に対する集電軸軸方向の距離の変化を測定するマイクロメータを備えているので、集電軸の変位、すなわち拡散層の厚みをモニタすることができる。
上記（９）の燃料電池の性能評価装置によれば、マイクロメータをブラケットを介して第１の集電軸から支持し、集電軸の回り止め機構をブラケットと第１の治具部本体との間に設けたので、第１の集電軸の軸方向動きを妨げることなく、第１の集電軸の回転を防止することができる。
上記（１０）の燃料電池の性能評価装置によれば、第１の集電体と第１の集電軸との組の評価対象品中心から固定側集電軸位置調整ねじ中心までの集電軸軸方向の熱膨張と、第１、第２の治具部本体間に設けた電極保持部と第１の治具部本体との組の評価対象品中心から固定側集電軸位置調整ねじ中心までの集電軸軸方向の熱膨張とが、ほぼ等しくなるように、それぞれの組の材質を選定したので、第１の集電軸の軸方向位置を調整した後の、集電軸、集電体、治具部本体の温度変化による電解質膜の中心位置の位置ずれを無くすことができる。
上記（１１）の燃料電池の性能評価装置によれば、冷却水流通空間を、第１、第２の治具部本体に形成されたガス経路の回りに延ばしたので、ガスがインポートから集電体に至るまでに温度が下がり結露することを回避することができる。

以下に、本発明の燃料電池の性能評価装置を、図１〜図９を参照して説明する。
図１〜図６は本発明の燃料電池の性能評価装置を示し、図７〜図９は本発明の燃料電池の性能評価装置によって性能が評価される燃料電池を示す。

まず、本発明の燃料電池の性能評価装置によって性能が評価される燃料電池を図７〜図９を参照して説明する。
性能評価対象となる燃料電池（セル）１０は、固体高分子電解質型燃料電池である。燃料電池１０は、たとえば燃料電池自動車に搭載される。ただし、燃料電池１０は、自動車以外に用いられる燃料電池、たとえば家庭用の定置型燃料電池であってもよい。

図７〜図９に示すように、固体高分子電解質型燃料電池１０は、膜−電極アッセンブリ（ＭＥＡ：Membrane-Electrode Assembly ）とセパレータ１８とからなるセル（ただし、ＭＥＡとセパレータとの間に拡散層が介装されていてもよい）を１つ以上（図示例は１つの場合を示す）重ねてモジュール１９とし、モジュール１９を積層したセル積層体から構成される。

ＭＥＡは、イオン交換膜からなる電解質膜１１とこの電解質膜１１の一面に配置された触媒層１２からなる電極（アノード）１４および電解質膜１１の他面に配置された触媒層１５からなる電極（カソード）１７とからなる。ＭＥＡとセパレータ１８との間には、通常、拡散層１３、１６（アノード側拡散層１３、カソード側拡散層１６）が設けられる。この拡散層１３、１６は、触媒層１２、１５への反応ガスの拡散をよくするためのものである。ここでは、拡散層１３、１６を含めてＭＥＡということにする。

セパレータ１８には、ＭＥＡ対向面側に、発電領域に、アノード１４に燃料ガス（水素）を供給する燃料ガス流路２７およびカソード１７に酸化ガス（酸素、通常は空気）を供給するための酸化ガス流路２８が形成されるとともに、ＭＥＡ対向面と反対の面側に、冷媒（通常は冷却水）が流れる流路２６が形成されている。セパレータ１８は、隣接するセル間の電子の通路を構成している。
セパレータ１８には、発電領域のまわりの非発電領域に、燃料ガスマニホールド３０、酸化ガスマニホールド３１、冷媒マニホールド２９が、セパレータ１８を貫通するように形成されている。燃料ガス流路２７は燃料ガスマニホールド３０に連通し、酸化ガス流路２８は酸化ガスマニホールド３１に連通し、冷媒流路２６は冷媒マニホールド２９に連通する。
セパレータ１８の材料は、カーボン、導電性樹脂、メタルの何れであってもよい。

セル積層体のセル積層方向両端に、ターミナル（電極板）２０、インシュレータ２１、エンドプレート２２を配置し、エンドプレート２２を、セル積層体の外側でセル積層方向に延びる締結部材２４（たとえば、テンションプレート）と２５ボルトにて固定して、スタック２３が形成される。スタック２３の一端側には、エンドプレート２２とインシュレータ２１との間にプレッシャプレート３２が設けられ、プレッシャプレート３２とエンドプレート２２との間にばね機構３３が設けられる。セル積層体は、プレッシャプレート３２とエンドプレート２２との間に設けられたばね機構３３の付勢により、セル積層方向に締め付ける。

電解質膜１１および電極１４、１７からなるＭＥＡとその両側の拡散層１３、１６は、セパレータ１８と積層されてスタック２３とされる前に、ＭＥＡ単体の段階で、燃料電池の性能評価装置により、その発電性能が評価される。ただし、性能評価対象品であるＭＥＡは燃料電池１０の全面積のサイズのものであってもよいし、あるいは燃料電池１０の一部の面積の、全面積のサイズに比べて小型の、サイズのものであってもよい。
燃料電池の性能評価装置１００は、ＭＥＡを実際の発電状態と同じ荷重、温度状態におき、ＭＥＡに実際と同じ反応ガスを供給して、ＭＥＡの性能、セパレータの流路性能などを評価する。

燃料電池の性能評価装置１００は、図１〜図６に示すように、集電体１１１を有する一対の放電治具部１１０と、該一対の放電治具部１１０の間に設けられＭＥＡを保持するための電極保持部１５０とを備えている。電極保持部はＭＥＡ保持部といってもよい。
集電体１１１（セル１０のセパレータ１８に対応するもの）はＭＥＡ側にではなく性能評価装置１００側に、とくに放電治具部１１０に、設けられる。
そして、集電体１１１のＭＥＡへの押し付け荷重と、放電治具部１１０と電極保持部１５０間のガスシール荷重とは、互いに独立に設定可能となっている。

さらに詳しくは、図１〜図３に示すように、一対の放電治具部１１０は、ガイド１６１が架台（フレーム）１６０にスライドすることにより、架台１６０に可動に支持されている。電極保持部１５０を一対の放電治具部１１０の間に挟んだ後、締結ボルト１６３により一対の放電治具部１１０、電極保持部１５０を締結し、放電治具部１１０と電極保持部１５０間のガスシール荷重をガスシール上最適荷重に調整する。
ついで、一方（可動側）の放電治具部１１０に設けられているハンドル１６２をまわして台形ネジ１６５を介して、放電治具部１１０の集電軸１３０に取り付けられた集電体１１１を押し、集電体１１１が電極保持部１５０を締め付ける荷重を、他方（固定側、ただし固定側であっても軸方向位置は調整可能）の放電治具部１１１０に対向して設けたロードセル１６４を見ながら、接触抵抗上（集電体１１１とＭＥＡの拡散層との接触抵抗上）最適荷重に調整する。
両極の放電治具部１１０を締結ボルト１６３により締結し固定する構造としたため、架台およびハウジングの支持構造に、剛性や平行度などの精度が不要となる。

電極保持部１５０は、ＭＥＡの外周部を挟持する、中抜きの、一対のフレーム１５１を有しており、ＭＥＡはこの一対のフレーム１５１間に着脱可能に保持される。一対のフレーム１５１は、その間に挟んだＭＥＡの、電気絶縁体である電解質膜１１により、互いに絶縁されており、（あるいはフレーム１５１を電気絶縁材で構成することにより互いに絶縁されており、）反応ガスがＭＥＡに供給された時にＭＥＡのアノード、カソード間に電位が生じる。
フレーム１５１には、拡散層１３、１６も着脱可能に保持される。拡散層１３、１６は、図６（Ｂ）に示すように、フレーム１５１に形成された浅い凹部からなる拡散層挟持部１５２に保持される。拡散層１３、１６のサイズを電極１４、１７より大きくし、電極１４、１７より大きい部分をフレーム１５１の拡散層挟持部１５２で挟持することにより、拡散層１３、１６の脱落を回避することができる。
ＭＥＡを挟持した一対のフレーム１５１は、図６（Ａ）、（Ｃ）に示すように、電極保持部締結ボルト１５３により締結される。この状態で電極保持部１５０は、一対の放電治具部１１０間に着脱可能に挟持され、締結ボルト１６３によって放電治具部１１０と締結される。両極電極保持部をボルト１５３により締結した状態でアッセンブリとして評価装置に装着し評価装置から外す構造のため、装着工数が大きく削減できる。

一対の放電治具部１１０は、それぞれ、集電軸１３０と、集電軸１３０に着脱可能に取り付けられて固定され、ＭＥＡに押し付けられる集電体（燃料電池の評価対象品を挟む挟持部）１１１と、１以上のハウジング１１３、１１４のアッセンブリからなる治具部本体１１２を有している。治具部本体１１２は集電軸１３０を支持している。第１、第２の集電体１１１は、第１、第２の集電体１１１の間に、評価対象品である燃料電池（のＭＥＡ、またはＭＥＡをセパレータで挟んだもの）を挟む。
一対の放電治具部１１０は、固定側（ただし軸方向位置調整は可能）の第１の放電治具部と可動側の第２の放電治具部を含む。同様に、集電軸１３０は、固定側（ただし軸方向位置調整は可能）の第１の集電軸と可動側の第２の集電軸を含む。また、集電体１１１は、固定側（ただし軸方向位置調整は可能）の第１の集電体と可動側の第２の集電体を含む。また、治具部本体１１２は、固定側（ただし軸方向位置調整は可能）の第１の治具部本体と可動側の第２の治具部本体を含む。
ハウジング１１３、１１４は、ハウジング１１３、１１４の順に、電極保持部１５０に近い側から遠い側へと並んでいる。ハウジング１１３、１１４は、放電治具部締結ボルト１２６により互いに固定されている。

第１、第２の集電軸１３０は、第１、第２の集電軸１３０の中央部で、所定の軸方向移動を許容して、軸方向から傾かないように軸方向に互いに離れた２ケ所以上の位置で、第１、第２の治具部本体１１２によって支持される。第１、第２の集電軸１３０は、同一軸芯上に配置され、一対の放電治具部１１０からの出力端子を兼ねる。第１、第２の集電軸１３０への配線取付け部は、第１、第２の集電軸１３０の、集電体１１１取付け側端と反対側端に設けられる。
第１、第２の集電体１１１は、それぞれ、第１、第２の集電軸１３０に集電軸軸方向に当接されて着脱可能にボルト１３１（集電体固定ボルト）により固定される。ボルト１１３１は第１、第２の集電軸１３０を貫通し、集電体１１１の中心に設けたねじ穴１３２にねじ込まれている。ボルト１３１をボルト軸芯まわりに強く回転させることにより、第１、第２の集電体１１１の第１、第２の集電軸１３０への当接力、圧接力を増大させることができる。この圧接力の増大によって、第１、第２の集電体１１１と第１、第２の集電軸１３１との当接面１３３の接触電気抵抗が低減される。

第１、第２の集電軸１１１Ａは金属製（たとえば、銅、ただし、表面に金メッキをしてもよい）で、第１、第２の集電体はカーボン製である。カーボンは電気抵抗が金属に比べて高いので、抵抗を低減するために、第１、第２の集電軸１３０の集電体側の端部は半径方向に拡大された拡径部１３４を形成しており、第１、第２の集電軸１３０の集電体側の端面は第１、第２の集電体１１１のほぼ全面で当たる当接面１３３を形成している。これによって、集電体１１１から集電軸１３０に、集電軸軸方向と平行方向に電気が流れ、電気流れ線の長さが短縮して内部抵抗が低減される他、当接面１３３の面積の増大により接触抵抗も低減される。

第１、第２の集電体１１１は、外形が四辺形の四辺形部１１１ａと、四辺形部１１１ａの集電軸１１１Ａ側に外形が円形の円形部１１１ｂとを有している。第１、第２の集電体１１１は、円形部１１１ｂで、第１、第２の治具部本体１１２との間をＯリング１３５にてガスシールされている。このガスシールにより当接面１３３への加湿ガスの侵入と当接面１３３の腐食が抑制され、精度の高い性能テストを行うことができ、装置は耐久運転に耐えることができる。

一対の放電治具部１１０の各放電治具部１１０の集電軸１３０は、放電治具部１１０にダイヤフラム１１６、１１７を介して支持されている。ダイヤフラム１１６は電極保持部１５０に近い側のハウジング１１３に固定されており、ダイヤフラム１１７は電極保持部１５０から遠い側のハウジング１１４に固定されている。
このダイヤフラム１１６、１１７を介しての支持により、集電軸１３０および集電体１１１は、治具部本体１１２に対して、電極保持部１５０に接近・離叛する方向に（集電軸１３０の軸方向に）、若干量（約１ｍｍ程度）可動に支持されている。これによって、放電治具部１１０で電極保持部１５０を挟持した後、ハンドル１６２で集電軸１３０と集電体１１１を治具部本体１１２に対して集電軸軸方向に動かし、集電体１１１のＭＥＡへの押し付け力が調整可能となっている。これにより、電極への荷重とシール性が互いに独立し、荷重によりリーク量が変動することを回避できる。ただし、ダイヤフラム１１６、１１７が過大に変形しないように、集電軸１３０の軸方向移動量を所定量（約１ｍｍ程度）に規制するストッパ１２７が設けられている。ストッパ１２７は、集電軸１１１Ａに固定されたストローク規制ストッパ１２７ａと、該ストローク規制ストッパ１２７ａを受け入れる凹部を形成するストローク規制ブロック１２７ｂとを備えている。

一対の放電治具部１１０のうちの第１の放電治具部１１０の集電体１１１は、第１の放電治具部１１０の治具部本体１１２に対して軸方向位置を調整可能に固定されている。
第１の集電軸１３０の、ＭＥＡから遠い側の端部に、ねじが切られており、このねじに、治具部本体１１２に対する集電軸軸方向動きをストッパ１３７により拘束された固定側集電軸位置調整ねじ１３６が螺合している。

また、第１の集電軸１３０の第１の治具部本体１１２に対する集電軸軸方向の距離の変化を測定するマイクロメータ１３８が備えられている。マイクロメータ１３８は、第１の集電軸１３０に固定されたブラケット１３９に支持されており、治具部本体１１２との距離の変化を測定することにより、第１の集電軸１３０の変位、すなわち拡散層１３、１６の厚みをモニタすることができる。

マイクロメータ１３８を第１の集電軸１３０から支持するブラケット１３９を回り止めして第１の集電軸１３０の回転を防止する集電軸の回り止め機構１４０が、ブラケット１３９と第１の治具部本体１１２との間に設けられている。
回り止め機構１４０は、治具部本体１１２からブラケット１３９に向かって延びるアーム１４１と、そこに設けられたボールプランジャ１４２（先端が回転自在なボールを埋め込んだねじ状のストッパ）とからなり、ボールプランジャ１４２により両側からブラケット１３９を挟むことにより、第１の集電軸１３０の軸方向動きを許容したまま、第１の集電軸１３０を回り止めする。

燃料電池の性能評価装置は、治具部本体１１２に形成されたガス流路１１８、１１９および温度調整流体用流路１２０を有している。一方の治具部本体１１２のガス流路１１８が燃料ガス流路、他方の治具部本体１１２のガス流路１１９が酸化ガス流路であり、燃料ガスは水素、酸化ガスは空気である。
ガス流路１１８、１１９は、ＭＥＡに反応ガスを供給しＭＥＡからの反応ガスを排出する。ガス流路１１８、１１９は、図６の（Ａ）に示すように、流路長および曲がり部の数を互いに合わされて等長ガス流路となっており、これにより均一圧損に形成されており、発電部にガスを均一に流すことができる。

温度調整流体（たとえば、温水）用流路１２０はガス流路１１８、１１９の導入部近傍にも取り廻されており、取り回し部１２０ａが形成されている。これによって、供給されるガスが加湿ガスであっても、導入分配部で水分が凝縮し結露することが防止される。
また、温度調整流体（たとえば、温水）は集電軸１３０のまわりにも流され、集電体１１１を速やかに温度調整できるように、集電軸１３０の外周には多数の溝またはフィン１４３が形成されていて熱伝達面積を大きくしてある。集電体１１１および集電軸１３０に直接温水が接触する構造のため、温度レスポンスが向上されており、性能試験時間サイクルが短縮される。

集電軸１３０は軸方向に延びる穴１４４を有し、この穴１４４に温度センサ１２１が設けられている。温度センサ１２１は、発電性能に影響する集電体１１１の温度を検出するものであり、温度センサ１２１の配線は穴１４４を通して外部に取り出される。この構造により、集電体１１１そのものの温度をモニタすることができる。
集電軸１３０はそれ自体が端子であり、集電軸１３０の集電体１１１と反対側の端部が、電圧出力端子１２２に接続される配線１２３の取付け部であ。

図５に示すように、性能評価装置１００は、ガスシール１２４、水シール１２５を有している。ガスシール１２４は、電極保持部１５０のフレーム１５１間、および放電治具部１１０の電極保持部１５０との接触面などに設けられ、水シール１２５はハウジング間、ハウジングのダイヤフラムとの接触面、などに設けられる。

第１の集電体１１１と第１の集電軸１３０との組の評価対象品中心（膜位置）から固定側集電軸位置調整ねじ１３６中心までの集電軸軸方向の熱膨張と、第１、第２の治具部本体１１２間に設けた電極保持部１５０と第１の治具部本体１１２との組の評価対象品中心から固定側集電軸位置調整ねじ１３６中心までの集電軸軸方向の熱膨張とが、ほぼ等しくなるように、それぞれの組の材質が選定されている。

つぎに、性能評価装置１００の作用・効果を説明する。
拡散層をフレーム１５１で保持しＭＥＡを一対のフレーム１５１で挟み電極保持部締結ボルト１５３で締結して、電極保持部１５０をアッセンブリとする。
ついで、電極保持部１５０を一対の放電治具部１１０の間に配置し、一方の放電治具部１１０でガイド１６１部位でスライドさせて他方の放電治具部１１０側に移動させ、電極保持部１５０を一対の放電治具部１１０で挟持する。ついで、締結ボルト１６３で電極保持部１５０を挟んだ一対の放電治具部１１０を締結する。この時、電極保持部１５０と放電治具部１１０間のガスシール荷重が出るが、締結ボルト１６３の締め付け力を調整してシール荷重をガスシール上最適値としておく。

ついで、一方の放電治具部１１０に設けられたハンドル１６２をまわして、集電軸１３０にかかる軸方向荷重を、集電体１１１とＭＥＡの接触抵抗上最適値にする。集電体１１１を取り付けた集電軸１３０がダイヤフラム１１６、１１７を介して治具部本体１１２に支持されていて集電体１１１と集電軸１３０が治具部本体１１２に対して軸方向に可動のため、シール荷重と独立に集電体荷重を調整・設定できる。

ついで、温度調整流体（たとえば、温水、ただし温水以外でもよい）を温度調整流体用流路１２０に流して性能評価装置１００の温度を実際の燃料電池の運転温度にし、水素、空気をそれぞれのガス流路１１８、１１９に流して、その時のＭＥＡの発電を、集電体１１１の電位を電圧出力端子１２２から取り出して測定する。その時、集電体１１１の温度を温度センサ１２１により測定し、フィードバック制御をかけて、集電体１１１の温度を適温に維持する。

本発明の性能評価では、従来（特開２００３−２０３６６７号公報の装置）の集電体に直接出力配線を取付けるものに代えて、第１、第２の治具部本体１１２に支持された第１、第２の集電軸１３０そのものを出力端子として機能させ、第１、第２の集電体１１１の電気出力を第１、第２の集電軸１３０を介して取り出すようにしたので、集電軸１３０は２ケ所以上で治具部本体１１２から支持されて配線の反力を受けても軸方向から傾かないため、従来装置にあった配線（太い）の姿勢による第１、第２の集電体の面当たりの不均一（偏当たり）を、本発明では回避することができ、精度の高い測定を行うことができる。

集電体１１１には配線が取り付けられておらず、かつ、第１、第２の集電体１１１を、第１、第２の集電軸１３０を貫通する第１、第２のボルト１３１により、第１、第２の集電軸１３０に固定したので、集電体１１１をボルト１本で着脱でき、集電体１１１の着脱、交換を容易である。また、ボルト１３１を締めることにより集電体１１１の集電軸１３０への当接軸力を上げることができ、集電体１１１と集電軸１３０との当接面１３３の接触抵抗を、従来（特開２００３−２０３６６７号公報の装置）の押し付けによる場合に比べて、低減することができる。

また、第１、第２の集電軸１３０はカーボン製であるため、腐食に対して有利である。第１、第２の集電軸１３０はカーボン製で、第１、第２の集電体１１１は金属製であるため、カーボンと金属の接触は金属と金属との接触に比べて接触抵抗が高くなるという弊害があるが、本発明では、第１、第２の集電軸１３０は第１、第２の集電体１１１のほぼ全面で当たる当接面１３３を有するので、接触面積が大となって接触抵抗を低減できる他、カーボン製集電体１１１内の電気の流れが軸方向（集電軸軸方向と平行）となり、電気流れ長が短縮し、内部抵抗も低減できる。

第１、第２の集電体１１１に、外形が四辺形の四辺形部１１１ａと外形が円形の円形部１１１ｂとを設け、該円形部１１１ｂと第１、第２の治具部本体１１２との間をＯリング１３５にてシールしたので、ガスシール性が向上する。それによって、ガスインポートからアウトポートへのバイパスガス量（集電体１１１に形成した、セルのガス流路２７、２８に対応するガス流路を通らずにガスインポートからアウトポートへと流れるガス量）を削減することができる。また、集電軸１３０を腐食性雰囲気（温度を上げられた加湿ガス）から隔離でき、かつ、集電体１１１と集電軸１３０の接触面１３３への加湿ガスの侵入を防止できるため、電食等の懸念が無くなり、耐久運転に耐えることができる。

第１の集電軸１３０は集電軸軸方向位置が調整可能な固定側集電軸であり、第２の集電軸１３０は第１の集電軸に対して軸方向に可動な可動側集電軸であるので、拡散層１３、１６の厚さが狙い値から変わっても、第１の集電軸１３０の集電軸軸方向位置を調整することによって、電解質膜１１のセンタ位置を正規の位置に維持することができる。その結果、評価対象品の電解質膜１１に余分なストレス（曲げ応力）が加わることがなくなり、電解質膜１１の耐久性を良好に保つことができる。

また、第１の集電軸１３０にねじを切り、このねじに、集電軸軸方向動きをストッパ１３７により拘束された固定側集電軸位置調整ねじ１３６を螺合したので、固定側集電軸位置調整ねじ１３６を軸芯まわりにまわすことにより、第１の集電軸１３０を軸方向に移動させて第１の集電軸１３０の軸方向位置を調整することができる。

また、第１の集電軸１３０の第１の治具部本体１１２に対する集電軸軸方向の距離の変化を測定するマイクロメータ１３８を備えているので、集電軸１３０の変位、すなわち拡散層１３、１６の厚みをモニタすることができる。
マイクロメータ１３８をブラケット１３９を介して第１の集電軸１３０から支持し、集電軸１３０の回り止め機構１４０をブラケット１３９と第１の治具部本体１１２との間に設けたので、第１の集電軸１３０の軸方向動きを妨げることなく、第１の集電軸１３０の回転を防止することができる。

第１の集電体１１１と第１の集電軸１３０との組の評価対象品中心（電解質膜中心）から固定側集電軸位置調整ねじ１３６中心までの集電軸軸方向の熱膨張と、第１、第２の治具部本体１１２間に設けた電極保持部１５０と第１の治具部本体１１２との組の評価対象品中心から固定側集電軸位置調整ねじ１３６中心までの集電軸軸方向の熱膨張とが、ほぼ等しくなるように、それぞれの組の材質を選定したので、第１の集電軸１３０の軸方向位置を調整した後の、集電軸１３０、集電体１１１、治具部本体１１２の温度変化による電解質膜の中心位置の位置ずれを無くすことができる。

冷却水流通空間１２０を、第１、第２の治具部本体１１２に形成されたガス経路１１８、１１９の回りに延ばしたので、供給ガスがインポートから集電体１１１に至るまでに温度が下がり結露することを回避することができる。

本発明の燃料電池の性能評価装置の正面図である。 図１の燃料電池の性能評価装置の平面図である。 図１の燃料電池の性能評価装置の側面図である。 本発明の燃料電池の性能評価装置の、電極保持部と放電治具部と集電軸位置調整機構の締結状態の断面図である。 本発明の燃料電池の性能評価装置の、電極保持部と放電治具部の締結状態の断面図である。 （Ａ）が図５の燃料電池の性能評価装置の、放電治具部の横断面図、（Ｂ）が（Ａ）の上半分の断面図、（Ｃ）が（Ａ）のうち電極保持部締結ボルト部位の断面図である。 燃料電池スタックの側面図である。 図７の燃料電池の一部拡大断面図である。 図７の燃料電池の単セルの正面図である。

符号の説明

１０ （固体高分子電解質型）燃料電池
１１ 電解質膜
１３ 拡散層
１４ 電極（アノード）
１６ 拡散層
１７ 電極（カソード）
１８ セパレータ
１９ モジュール
２０ ターミナル
２１ インシュレータ
２２ エンドプレート
２３ スタック
２４ テンションプレート
２５ ボルト
２６ 冷媒流路
２７ 燃料ガス流路
２８ 酸化ガス流路
２９ 冷媒マニホールド
３０ 燃料ガスマニホールド
３１ 酸化ガスマニホールド
３２ プレッシャプレート
３３ ばね機構
１００ 性能評価装置
１１０ 第１、第２の放電治具部
１１１ 第１、第２の集電体
１１１ａ 四辺形部
１１１ｂ 円形部
１１２ 第１、第２の治具部本体
１１３、１１４ ハウジング
１１６、１１７ ダイヤフラム
１１８、１１９ （性能評価装置の）ガス流路
１２０ 温度調整流体用流路
１２１ 温度センサ
１２２ 電圧出力端子
１２３ 配線
１２４ ガスシール
１２５ 水シール
１３０ 第１、第２の集電軸
１３１ ボルト（集電体固定ボルト）
１３２ ねじ穴
１３３ 当接面
１３４ 拡径部
１３５ Ｏリング
１３６ 固定側集電軸位置調整ねじ
１３７ ストッパ
１３８ マイクロメータ
１３９ ブラケット
１４０ 回り止め機構
１４１ アーム
１４２ ボールプランジャ
１４３ 溝またはフィン
１４４ 穴
１５０ 電極保持部
１５１ フレーム
１５２ 拡散層挟持部
１５３ 電極保持部締結ボルト
１６０ 架台
１６１ ガイド
１６２ ハンドル
１６３ 締結ボルト
１６４ ロードセル

Claims (11)

1. 第１、第２の治具部本体に支持され、同一軸芯上に配置された、出力端子を兼ねる、第１、第２の集電軸と、
   第１、第２の集電軸の一端に着脱可能に配置され、燃料電池の評価対象品を挟む第１、第２の挟持部と、
   を備えた燃料電池の性能評価装置。
2. 第１、第２の挟持部が第１、第２の集電体であり、該第１、第２の集電体を、固定部品により第１、第２の集電軸に固定した請求項１記載の燃料電池の性能評価装置。
3. 第１、第２の集電体を、第１、第２の集電軸を貫通する第１、第２のボルトからなる固定部品により、第１、第２の集電軸に固定した請求項２記載の燃料電池の性能評価装置。
4. 第１、第２の集電軸はカーボン製で、第１、第２の集電体は金属製であり、第１、第２の集電軸は第１、第２の集電体のほぼ全面で当たる当接面を有する請求項２または請求項３記載の燃料電池の性能評価装置。
5. 第１、第２の集電体に、外形が四辺形の四辺形部と外形が円形の円形部とを設け、該円形部と第１、第２の治具部本体との間をＯリングにてシールした請求項２ないし請求項４記載の燃料電池の性能評価装置。
6. 第１の集電軸は集電軸軸方向位置が調整可能な固定側集電軸であり、第２の集電軸は第１の集電軸に対して軸方向に可動な可動側集電軸である請求項２ないし請求項５記載の燃料電池の性能評価装置。
7. 第１の集電軸にねじを切り、該ねじに、集電軸軸方向動きをストッパにより拘束された固定側集電軸位置調整ねじを螺合した請求項６記載の燃料電池の性能評価装置。
8. 第１の集電軸の第１の治具部本体に対する集電軸軸方向の距離の変化を測定するマイクロメータを備えた請求項２ないし請求項７記載の燃料電池の性能評価装置。
9. 前記マイクロメータをブラケットを介して第１の集電軸から支持し、前記ブラケットを回り止めして第１の集電軸の回転を防止する集電軸の回り止め機構を前記ブラケットと前記第１の治具部本体との間に設けた請求項８記載の燃料電池の性能評価装置。
10. 第１の集電体と第１の集電軸との組の評価対象品中心から固定側集電軸位置調整ねじ中心までの集電軸軸方向の熱膨張と、第１、第２の治具部本体間に設けた電極保持部と第１の治具部本体との組の評価対象品中心から固定側集電軸位置調整ねじ中心までの集電軸軸方向の熱膨張とが、ほぼ等しくなるように、それぞれの組の材質を選定した請求項７記載の燃料電池の性能評価装置。
11. 第１、第２の治具部本体内に冷却水が流通する冷却水流通空間を形成し、該冷却水流通空間を、第１、第２の治具部本体に形成されたガス経路の回りに延ばした請求項２ないし請求項１０記載の燃料電池の性能評価装置。

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