JP2008108519A - 燃料電池用膜電極接合体評価装置 - Google Patents

Abstract

【課題】燃料電池用膜電極接合体の製造工程におけるＭＥＡを構成する各部材の表面状態を検出し、各部材の良否を選別できる燃料電池用膜電極接合体評価装置を提供することを課題とする。
【解決手段】本発明の燃料電池用膜電極接合体評価装置は、イオン伝導性をもつ電解質膜３１と該電解質膜３１を厚み方向に挟むアノード電極３２Ａ及びカソード電極３２Ｂとを備える膜電極接合体ＭＥＡを評価する燃料電池用膜電極接合体評価装置であって、膜電極接合体ＭＥＡ、電解質膜３１、アノード電極３２Ａ、カソード電極３２Ｂのうちの少なくとも一つを被検体Ｔとし、被検体Ｔの厚み方向に被検体Ｔを挟む２個の支持部１１、１２と、支持部１１、１２と被検体Ｔとの間に設けられ、被検体Ｔの表面の圧力分布に基づいて被検体Ｔの平面状態を検出する平面状態検出手段２とを具備することを特徴とする。これにより、電解質膜３１、アノード電極３２Ａ、カソード電極３２Ｂまたは膜電極接合体ＭＥＡからなる被検体Ｔの表面状態を検出することができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、燃料電池を構成する膜電極接合体を評価する評価装置に関するものである。

近年、世界の経済成長と共にエネルギーの消費が急激に大きくなり、環境の悪化が懸念されている。そのような状況下、環境問題やエネルギー問題などの解決策として、酸素や空気などの酸化剤ガスと、水素やメタンなどの還元剤ガス（燃料ガス）を原料として電気化学反応により化学エネルギーを電気エネルギーに変換して発電する燃料電池の開発が注目されている。

燃料電池は、使用される電解質の種類によって分類される。例えば、溶融炭酸塩形、リン酸形、固体高分子形、固体酸化物形などが挙げられる。固体高分子形燃料電池は、基本的に水素イオンを選択的に輸送する高分子電解質膜、電解質膜の両面に形成された白金族金属を担持したカーボン粉末を主成分とする触媒層及び触媒層の外面に形成され、通気性及び導電性を併せ持つ拡散層から構成される。拡散層と触媒層とを合わせて触媒電極とする。

高分子膜の両面に触媒電極をそれぞれ取り付けたものが膜電極接合体（Ｍｅｍｂｒａｎｅ Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ Ａｓｓｅｍｂｌｙ：ＭＥＡ）と呼ばれる。ＭＥＡは電気化学反応が起こる場所であり、燃料電池の性能を大きく左右する要因である。

実際に、ＭＥＡはイオン伝導性を有する高分子電解質膜の両面にプレス工法により触媒電極を接合して構成される場合が多い。また、ＭＥＡにより組み立てられた燃料電池スタックに締付力を付与することで、ＭＥＡを構成する触媒層とガス拡散層との密着性が高められる。すなわち、密着性により接触抵抗が低減され、燃料電池の発電性が向上する。

しかしながら、燃料電池スタックに締付力を付与する際、燃料電池を構成する各層を形成する膜構造には、貫通孔（穴状欠陥）の存在や膜構造の表面の凹凸状態などにより、ＭＥＡにおいて微小な短絡が発生する。この微小短絡は、わずかであればあるほど通常の燃料電池の使用状態や発電状態では発見されにくい。つまり、大きな短絡でない限り、初期の発電特性にほとんど影響を及ぼさないため、ＭＥＡの性能上の潜在的な問題を発見することが難しい。しかしながら、この通常の使用状態では発見し難い微小短絡は、燃料電池の発電特性の耐久性に大きな影響を与える。即ち、ごくわずかでも微小短絡が発生すると、微小短絡した箇所に過大な電流が流れるようになる。この結果、電流による発熱がＭＥＡを構成する高分子膜や触媒電極に含まれる高分子電解質などの熱劣化を引き起こす。時間の経過と共に、徐々に短絡が大きくなり、結果的にＭＥＡ内部のクロスリーク現象を増長させ、燃料電池の耐久性を左右する要因となる。従って、ＭＥＡを構成する各部材の表面状態から微小短絡を把握することが必要である。

この微小短絡を引き起こす原因となる膜構造内の貫通孔や膜構造の表面の凹凸状態などを発見するのに多数の方法が提案されてきた。例えば、特開２００５−２９２０５０号公報（以下、特許文献１と称する）は、燃料電池を構成する膜内部の貫通孔の存在を検出し、貫通孔による微小短絡を発見する方法を開示している。具体的には、視覚的変化を引き起こす化学反応系を構成する二種の成分をそれぞれ膜の両側に配置し、ある一定の圧力を印加して二種の成分を膜の貫通孔を通じて浸透させ、ニ種の成分が互いに接触して化学反応を行う。このとき、視覚的変化が現れる。視覚的変化の発生状況を観察することによって貫通孔（穴状欠陥）が検出される。
特開２００５−２９２０５０号公報 特開２００６−０３８６１１号公報 特開平１１−７９７５号公報

特許文献１は燃料電池を構成する膜に存在する貫通孔（穴状欠陥）を検出することはできるが、膜の表面凹凸状態により発生する微小短絡は検出することができていない。つまり、貫通孔（穴状欠陥）以外の微小短絡を生じる原因となる膜の表面状態を検出する方法は開示されていない。

本発明は上記実状に鑑みてなされたものであり、燃料電池用膜電極接合体の製造工程におけるＭＥＡを構成する各部材の表面状態を検出し、各部材の良否を選別できる燃料電池用膜電極接合体評価装置を提供することを課題とする。

本発明の燃料電池用膜電極接合体評価装置は、イオン伝導性をもつ電解質膜と該電解質膜を厚み方向に挟むアノード電極及びカソード電極とを備える膜電極接合体を評価する燃料電池用膜電極接合体評価装置であって、膜電極接合体、電解質膜、アノード電極、カソード電極のうちの少なくとも一つを被検体とし、被検体の厚み方向に被検体を挟む２個の支持部と、支持部と被検体との間に設けられ、被検体の表面の圧力分布に基づいて被検体の平面状態を検出する平面状態検出手段とを具備することを特徴とする。これにより、電解質膜、アノード電極、カソード電極または膜電極接合体からなる被検体の表面状態を検出することができる。つまり、被検体の表面状態により、良品選別ができ、燃料電池の製造段階において完成品の信頼性を高めることができる。また、被検体となる電解質膜、アノード電極、カソード電極または膜電極接合体のいずれかを選別することできるため、製造工程において不良品部材の発生によるその他の部材の無駄を回避することができる。つまり、燃料電池の各製造段階で不良品を選別できるため、製造コストを抑えることができる。

本発明の燃料電池用膜電極接合体評価装置は、イオン伝導性をもつ電解質膜と該電解質膜を厚み方向に挟むアノード電極及びカソード電極とを備える膜電極接合体を評価する燃料電池用膜電極接合体評価装置であって、アノード電極はアノード触媒層とアノード拡散層とを備え、カソード電極はカソード触媒層とカソード拡散層とを備え、膜電極接合体、電解質膜、アノード電極、アノード触媒層、アノード拡散層、カソード電極、カソード触媒層、カソード拡散層のうちの少なくとも一つを被検体とし、被検体の厚み方向に被検体を挟む２個の支持部と、支持部と被検体との間に設けられ、被検体の表面の圧力分布に基づいて被検体の平面状態を検出する平面状態検出手段と、を具備することを特徴とする。これにより、アノード電極はアノード触媒層とアノード拡散層とを備えるため、アノード電極をひとつの被検体として評価することができる。また、同様に、カソード電極はカソード触媒層とカソード拡散層とを備えるため、カソード電極をひとつの被検体として評価することができる。さらに、膜電極接合体、電解質膜、アノード電極、アノード触媒層、アノード拡散層、カソード電極、カソード触媒層、カソード拡散層をそれぞれ個別に被検体として評価することもできる。

本発明の燃料電池用膜電極接合体評価装置の平面状態検出手段は、圧力を受けて接触する表面の平面状態に応じて圧力分布を示す感圧シートとすることができる。平面状態検出手段を感圧シートで構成することにより、容易に被検体の表面状態を検出することができる。感圧シートは、例えば圧力測定フィルムで構成することができる。圧力測定フィルムは、対向する二つのベース部を備え、一方のベース部の表面に発色剤からなる発色剤層を備え、他方のベース部の対向する表面に顕色剤からなる顕色剤層を備えることができる。厚み方向に圧力を印加すると発色剤が顕色剤と混合して反応を引き起こし、圧力分布に応じて色により識別することができる。このように、感圧シートで平面状態検出手段を構成することにより、被検体の平面状態を圧力に応じた色分布として示すことができる。つまり被検体の平面状態を視覚的に観察することができる。

本発明の燃料電池用膜電極接合体評価装置によれば、電解質膜、アノード電極、カソード電極または膜電極接合体といった被検体の表面状態を検出することができる。つまり、被検体の表面状態を測定することにより、燃料電池の製造段階において燃料電池の性能を評価することができ、完成品の信頼性を高めることができる。また、被検体となる電解質膜、アノード電極、カソード電極、または膜電極接合体の良否を選別することできるため、製造工程において不良品部材の発生によるその他の部材の無駄を回避することができる。つまり、燃料電池の各製造段階で不良品を選別することができ、製造コストを抑えることができる。

以下、図面を参照しながら、各実施形態について説明する。

（実施形態１）
本実施形態の燃料電池用膜電極接合体評価装置は、図１に示すように、主に支持部１と、圧力印加手段としての第１加圧部１０１及び第２加圧部１０２と、平面状態検出手段２とからなる。

支持部１は、２個の対向する支持板１１、１２からなり、支持板１１、１２の対向する平坦状の表面１１１、１２１には保護膜１３が設けられている。被検体Ｔは支持板１１、１２の間に挟持されるように配置されている。また、被検体Ｔと支持板１１との間には、シート状の平面状態検出手段２が設けられている。支持板１１、１２は対向する表面が平面である板状部材で構成される。支持板１１、１２の部材として、硬度を有する部材を使用でき、熱プレスする場合には耐熱性も必要である。例えば金属などの部材で構成することができる。保護膜１３は、被検体Ｔを保護するための膜層であり、樹脂系のもので構成することができる。例えば、ＰＴＦＥシートで保護膜１３を構成することができる。なお、本実施形態では、保護膜１３はナフロンテープ１００μのＰＴＦＥシート（ニチアス株式会社製）から構成される。

次に、膜電極接合体ＭＥＡの構成について説明する。図２は膜電極接合体ＭＥＡの断面概念図を示したものである。図２に示すように、膜電極接合体ＭＥＡは主に電解質膜３１と、電解質膜３１の厚み方向の両側に配置されたアノード電極３２Ａとカソード電極３２Ｂとからなる。また、アノード電極３２Ａはアノード触媒層３２１Ａとアノードガス拡散層３２２Ａとからなり、カソード電極３２Ｂはカソード触媒層３２１Ｂとカソードガス拡散層３２２Ｂとからなる。なお、アノード触媒層３２１Ａ、カソード触媒層３２１Ｂは電解質膜３１に接触して配置され、さらに、アノード触媒層３２１Ａの外側にはアノードガス拡散層３２２Ａが配置され、カソード触媒層３２１Ｂの外側にはカソードガス拡散層３２２Ｂが配置されている。なお、アノードガス拡散層３２２Ａは本発明のアノード拡散層を構成するものであり、カソードガス拡散層３２２Ｂは本発明のカソード拡散層を構成するものである。

本実施形態では、被検体Ｔは膜電極接合体MEAを構成するガス拡散層３２２（アノードガス拡散層３２２Ａまたはカソードガス拡散層３２２Ｂ）からなる。平面状態検出手段２は圧力測定フィルム２１（富士プレスケール、富士フィルム株式会社製）からなる。また、本実施形態に用いた電解質膜３１はイオン交換膜ＧＯＲＥ−ＳＥＬＥＣＴ ３０−III−Ｂ（ジャパンゴアテックス株式会社製）である。
このように、ガス拡散層３２２が支持板１２に設置された保護膜１３と圧力測定フィルム２１との間に挟持されている。支持板１１、１２の外側から厚み方向に圧力を印加し、ガス拡散層３２２の表面状態を検出することができる。

ガス拡散層３２２は、まず市販のカーボンペーパーＴＧＰ−Ｈ−６０（東レ株式会社、１９０μ）にＶＸＣ−７２Ｒ（キャボット、３８０ｍ^２／ｇ）１００ｇとポリフロンＤ−１（ダイキン工業、ＰＴＦＥディスパージョン、固形分６０ｗｔ％）１６６．７ｇ、分散剤、純水を混練したペーストを含浸したものを、８０℃で１時間予備乾燥した後、３８０℃で１時間焼成したものである。

ガス拡散層３２２を作製後、ガス拡散層３２２の電解質膜３１（図１に示す）を接着する側に測定フィルム２１を設置する。ガス拡散層３２２が支持板１１、１２に挟持されるように配置し、支持板１１、１２から層厚方向に実際のプレス圧力が印加されガス拡散層３２２の平面度が測定される。なお、本実施形態では、プレス圧力は８ＭＰａで、温度は室温度で、プレス時間は３分間である。

図３は平面状態検出手段２を構成する圧力測定フィルム２１の断面概念図を示したものである。図３に示すように、圧力測定フィルム２１は、第１フィルム２１０と第２フィルム２２０とからなり、第１フィルム２１０は、ベース部２００とベース部２００に塗布されている発色剤層（マイクロカプセル状単体２１１１からなる）２１１とからなり、第２フィルム２２０はベース部２００とベース部２００に塗布されている顕色剤層２２１とからなる。発色剤層２１１と顕色剤層２２１とは表面上接触するように使用される。圧力測定フィルム２１の測定原理は、発色原理に基づくものである。発色原理は、発色剤層２１１のマイクロカプセル単体２１１１が層厚方向に印加される圧力によって破壊され、その中の発色剤が顕色剤に吸着し、化学反応によって赤く発色する。したがって、ガス拡散層３２２の表面に接触した圧力測定フィルム２１は支持板１１、１２から印加された圧力により、ガス拡散層３２２の表面圧力分布に応じて変色を示すことができる。つまり、変色の程度および分布からガス拡散層３２２の表面の凹凸状態が分かる。図４は、圧力測定フィルム２１で記録された圧力分布結果を示す概念図である。図４から分かるように、ガス拡散層３２２（図１に示す）に面的に接触された圧力測定フィルム２１には、圧力の変化は色（赤色）の濃さで示されている。圧力変化が生じた箇所Ｐでは色の濃さ分布により圧力の分布を示している。圧力測定フィルム２１に面的に接触されたガス拡散層３２２に対応した箇所（圧力変化が記録された箇所Ｐに対応する箇所）に圧力の分布が存在することが予想できる。つまり、膜電極接合体ＭＥＡ内部の微小短絡に繋がる原因となる拡散層（ガス拡散層３２２）表面の凹凸状態が予想でき、ガス拡散層３２２の選別ができる。なお、被検体Ｔの表面が平滑の状態では、圧力測定時において圧力測定フィルムの変色差が抑えられる。

このように、圧力測定フィルム２１で平面状態検出手段２を構成することにより、被検体Ｔとなるガス拡散層３２２の平面状態が圧力に応じた色分布として示すことができ、被検体Ｔの平面状態を視覚的に観察することができる。

（実施形態２）
本実施形態は、実施形態１の構成とは基本的に同じである。以下、実施形態１と異なる部分について説明する。なお、実施形態１と同様の部分に関しては、同じ符号を用いて説明する。

本実施形態では、被検体Ｔは電極３２（アノード電極３２Ａまたはカソード電極３２Ｂ）（図５に示す）から構成される。図５は本実施形態の燃料電池用膜電極接合体評価装置の断面図を示したものである。図５に示すように、対向する支持板１１、１２の間に、圧力測定フィルム２１と被検体Ｔを構成する電極３２が設置されている。なお、電極３２は触媒層３２１とガス拡散層３２２とからなる。また、電極３２の触媒層３２１が圧力測定フィルム２１に対面した側に配置され、ガス拡散層３２２が支持板１２に対面した側に配置されている。支持板１１、１２の対向する表面１１１、１２１には、それぞれ保護膜１３が設けられている。

触媒層３２１はアノード触媒層３２１Ａ（図２に示す）またはカソード触媒層３２１Ｂ（図２に示す）である。ガス拡散層３２２はアノードガス拡散層３２２Ａ（図２に示す）またはカソードガス拡散層３２２Ｂ（図２に示す）である。

カソード触媒層３２１Ｂは、Ｐｔ担持カーボンＴＥＣ１０Ｅ７０ＴＰＭ（田中貴金属製Ｐｔ６７ｗｔ％）１０ｇ、ＳＳ−１１００／０５イオン交換樹脂５ｗｔ％、旭化成製）８２．５ｇ、イオン交換水３８ｇをサンドミル（ジルコニアボール直径２ｍｍ、周速１５ｍ／ｓ）にて、一時間分散したもの（イオン交換樹脂／Ｐｔ−Ｃ中のＣ＝１．２５）を、ペースト状にし、ガス拡散層３２２Ａにドクターブレードにてギャップ２５０μ（約１ｍｇＰｔ／ｃｍ^２）で塗布したものである。

アノード触媒層３２１Ａは、白金ルテニウム担持カーボンＴＥＣ６２Ｅ５８（田中貴金属製Ｐｔ２７．８ｗｔ％、Ｒｕ２８．８ｗｔ％、Ｐｔ：Ｒｕ原子比＝１：２）１０ｇ、ＳＳ−１１００／０５（イオン交換樹脂５ｗｔ％、旭化成製）１０８．５ｇ、イオン交換水３８ｇをサンドミル（ジルコニアボール直径２ｍｍ、周速１５ｍ／ｓ）にて、一時間分散したもの（イオン交換樹脂／Ｐｔ−Ｃ中のＣ＝１．２５）を、ペースト状にし、ガス拡散層３２２Ｂにドクターブレードにてギャップ２００μ（約０．２５ｍｇＰｔ／ｃｍ^２）で塗布したものである。

電極３２を作製後、ガス拡散層３２２が支持板１２に対面するように配置され、触媒層３２１（Ａ，Ｂ）が圧力測定フィルム２１を隔てて支持板１１に対面するように配置される。このように、電極３２は支持板１１、１２に挟持されるように配置され、支持板１１、１２から層厚方向に実際のプレス圧力が印加され電極３２の平面度が測定される。なお、本実施形態では、プレス圧力は８ＭＰａで、温度は室温度で、プレス時間は３分間である。

このように、圧力測定フィルム２１で平面状態検出手段２を構成することにより、被検体Ｔとなる電極３２の平面状態が圧力に応じた色分布として示すことができ、電極３２の平面状態を視覚的に観察することができる。

（実施形態３）
本実施形態は、実施形態１の構成とは基本的に同じである。以下、実施形態１と異なる部分について説明する。なお、実施形態１と同様の部分に関しては、同じ符号を用いて説明する。

本実施形態では、被検体Ｔは電解質膜３１をアノード触媒層３２１Ａとカソード触媒層３２１Ｂとで挟んで構成される（図６に示す）。図６は本実施形態の燃料電池用膜電極接合体評価装置の断面図を示したものである。図６に示すように、対向する支持板１１、１２の間に、二枚の圧力測定フィルム２１Ａ、２１Ｂが設置され、圧力測定フィルム２１Ａ，２１Ｂの間には、被検体Ｔとなる電解質膜３１と電解質膜３１の一方の側にあるアノード触媒層３２１Ａと他方の側にあるカソード触媒層Ｂが設置されている。なお、触媒層３２１（アノード触媒層３２１Ａまたはカソード触媒層Ｂ）は支持膜１３１において形成される。触媒層３２１のある側面が電解質膜３１に対面して配置され、支持膜１３１のある側面が圧力測定フィルム２１Ａ，２１Ｂに対面して配置されている。なお、本実施形態に用いた電解質膜３１はイオン交換膜ＧＯＲＥ−ＳＥＬＥＣＴ ３０−III−Ｂ（ジャパンゴアテックス株式会社製）である。

このように、電解質膜３１および支持膜１３１に形成された触媒層３２１は支持板１１、１２に挟持されるように配置され、支持板１１、１２から層厚方向にプレス圧力が印加される。即ち、電解質膜３１と触媒層３２１との膜触媒層接合体を形成するときの温度及び圧力が加えられ、評価と同時に膜触媒層接合体が形成される。このように、電解質膜３１及び触媒層３２1の平面度が測定される。なお、形成するときのプレス圧力は８ＭＰａであり、温度は１４０℃であり、プレス時間は３分間である。また、膜触媒層接合体は膜電極接合体のひとつである。

このように、圧力測定フィルム２１で平面状態検出手段２を構成することにより、被検体Ｔとなる電解質膜３１およびその両側にあるアノード触媒層３２１Ａとカソード触媒層３２１Ｂの平面状態が圧力に応じた色分布として示すことができ、触媒層３２１が接着された電解質膜３１の平面状態を視覚的に観察することができる。

次に、本実施形態の膜電極接合体ＭＥＡの製造方法について説明する。この製造方法は二つのプロセスから構成される。
図７は、本実施形態の膜電極接合体ＭＥＡの製造プロセス１を示すものである。図７に示すように、対向する二枚の支持板１１，１２の間に、電解質膜３１と電解質膜３１の一方の側にあるアノード触媒層３２１Ａと他方の側にあるカソード触媒層３２１Ｂが設置されている。なお、触媒層３２１（アノード触媒層３２１Ａまたはカソード触媒層３２１Ｂ）は支持膜１３１において形成されている。触媒層３２１のある側面が電解質膜３１に対面して配置されている。

反応面積１００ｃｍ^２に打ち抜いた触媒層３２１−支持膜１３１（Ａ，Ｂ）シートを１２ｃｍ角に切り抜いた電解質膜３１の両側に配置し、１４０℃、８ＭＰａの気圧の状態下３ｍｉｎでホットプレスして電解質膜３１−触媒層３２１シート（膜触媒層接合体）が形成される。

図８は本実施形態の膜電極接合体ＭＥＡの製造プロセス２を示すものである。図８に示すように、電解質膜３１−触媒層３２１シートが形成された後、その両面に反応面積１００cm^２に打ち抜いたガス拡散層３２２が配置され、再び支持板１１、１２の間に設置して熱プレスされる。このように、膜電極接合体ＭＥＡが形成される。なお、熱プレスは温度１４０℃で、８ＭＰａ気圧で、３分間で行った。

（実施形態４）
本実施形態は、実施形態１の構成とは基本的に同じである。以下、実施形態１と異なる部分について説明する。なお、実施形態１と同様の部分に関しては、同じ符号を用いて説明する。

本実施形態では、被検体Ｔは膜電極接合体ＭＥＡを構成する電解質膜３１をアノード電極３２Ａとカソード電極３２Ｂとで挟んで構成される（図９に示す）。図９は本実施形態の燃料電池用膜電極接合体評価装置の断面図を示したものである。図９に示すように、対向する支持板１１、１２の間に、二枚の圧力測定フィルム２１Ａ、２１Ｂが設置され、圧力測定フィルム２１Ａ，２１Ｂの間には、被検体Ｔとなる電解質膜３１と電解質膜３１の一方の側にあるアノード電極３２Ａと他方の側にあるカソード電極３２Ｂが設置されている。なお、電極３２は触媒層３２１（アノード触媒層３２１Ａまたはカソード触媒層３２１Ｂ）とガス拡散層３２２（アノードガス拡散層３２２Ａまたはカソードガス拡散層３２２Ｂ）とからなる。触媒層３２１のある側面が電解質膜３１に対面して配置され、ガス拡散層３２２のある側面が圧力測定フィルム２１Ａ，２１Ｂに対面して配置されている。

このように、電解質膜３１および電極３２は支持板１１、１２に挟持されるように配置され、支持板１１、１２から層厚方向にプレス圧力が印加される。即ち、電解質膜３１と電極３２との膜電極接合体ＭＥＡを形成するときの温度と圧力が加えられ、評価と同時に膜電極接合体ＭＥＡが形成される。このように電解質膜３１及び電極３２の平面度が測定される。なお、形成するときのプレス圧力は８ＭＰａであり、温度は１４０℃であり、プレス時間は３分間である。

このように、圧力測定フィルム２１で平面状態検出手段２を構成することにより、被検体Ｔとなる電解質膜３１およびその両側にある電極３２Ａ、３２Ｂの平面状態が圧力に応じた色分布として示すことができ、電極３２と電解質膜３１とからなる膜電極接合体ＭＥＡの平面状態を視覚的に観察することができる。

次に、本実施形態の膜電極接合体ＭＥＡの製造方法について説明する。
図１０は、本実施形態の膜電極接合体ＭＥＡの製造プロセスを示すものである。図１０に示すように、対向する二枚の支持板１１，１２の間に、電解質膜３１と電解質膜３１の一方の側にあるアノード電極３２Ａと他方の側にあるカソード電極３２Ｂが設置されている。

反応面積１００ｃｍ^２に打ち抜いた電極３２（アノード電極３２Ａまたはカソード電極３２Ｂ）を１２ｃｍ角に切り抜いた電解質膜３１の両側に配置し、１４０℃、８ＭＰａの気圧の状態下３ｍｉｎでホットプレスしてＭＥＡが形成される。

（実施形態５）
本実施形態は、実施形態３に説明したように、選別されたＭＥＡを実際に測定して評価を行った。

実施形態３で明らかなように、圧力測定フィルム２１（図６に示す）での測定結果から高圧点が発見されたものがあった。つまり微小短絡が存在する可能性の高いものが発見され、それを膜電極接合体ＭＥＡ化し、リーク電流を測定した。一方、異常が見られないものも膜電極接合体ＭＥＡ化してリーク電流を測定した。表１はそのリーク電流の比較結果を示すものである。

表１に示すように、測定条件は定電圧０．２Ｖ，定圧力０．８ＭＰａ，１分後，電極面積１００ｃｍ^２であり、異常が見られたＭＥＡのリーク電流は７．７ｍＡに対して、異常が見られなかったＭＥＡのリーク電流は９．０ｍＡであった。

また、この二つのＭＥＡを燃料電池単セル化し、サイクル実験を行った。サイクル実験は電流値を０．４Ａ／ｃｍ^２と０Ａ／ｃｍ^２とし、各１分間交互に繰り返して行ったものである。単セルの温度は８０℃であり、水素空気露点温度は８０℃である。また、水素／空気利用率は７０％（０．４Ａ／ｃｍ^２時の流量で０Ａ／ｃｍ^２まで）で２０００時間評価を行った。その結果、リーク電流に関係なく、実際の耐久性実験後のリーク量は、図１１に示すようになる。なお、リーク量測定方法は、荷重６ｋＮ、２０ｋＰａ封入（窒素）条件で、圧力減少量から計算したものである。図１１では、実線で示したものは、圧力異常はあるが、リーク電流異常はない場合であり、点線で示したものは、圧力とリーク電流共に異常なしの場合である。図１１から分かるように、耐久時間が５００時間を経過した時点で、圧力異常ありの単セルは顕著なリーク量増を示している。すなわち、圧力分布検査により、ＭＥＡにおける微小短絡を発見したものが運転時間５００時間以上になると性能の低下が見られる。

（その他）
上記した記載から次の技術思想が図れる。

つまり、イオン伝導性をもつ電解質膜と該電解質膜を厚み方向に挟むアノード電極及びカソード電極とを備える膜電極接合体を評価する燃料電池用膜電極接合体評価方法であって、
前記膜電極接合体、前記電解質膜、前記アノード電極、前記カソード電極のいずれか一つを被検体とし、
前記被検体の厚み方向に挟む２個の支持部を準備する準備工程と、
前記被検体の表面の圧力分布に基づいて前記被検体の平面状態を検出する平面状態検出手段を前記支持部と前記被検体との間に設け、前記被検体の平面状態を検出する検出工程と、を順に実施することを特徴とする燃料電池用膜電極接合体評価方法。この燃料電池用膜電極接合体評価方法によれば、電解質膜、アノード電極、カソード電極または膜電極接合体からなる被検体の表面状態を検出することができる。つまり、被検体の表面状態により、良品選別ができ、燃料電池の製造段階において完成品の信頼性を高めることができる。また、被検体となる電解質膜、アノード電極、カソード電極または膜電極接合体のいずれかを選別することできるため、製造工程において不良品部材の発生によるその他の部材の無駄を回避することができる。つまり、燃料電池の各製造段階で不良品を選別できるため、製造コストを抑えることができる。

本発明の燃料電池用膜電極接合体評価装置は、燃料電池の設計、製造、評価などに使用することができる。

第１実施形態に係わる燃料電池用膜電極接合体評価装置を示す断面概念図である。 燃料電池用膜電極接合体を示す断面概念図である。 燃料電池用膜電極接合体評価装置の平面状態検出手段を示す断面概念図である。 平面状態検出手段による圧力分布結果を示す概念図である。 第２実施形態に係わる燃料電池用膜電極接合体評価装置を示す断面概念図である。 第３実施形態に係わる燃料電池用膜電極接合体評価装置を示す断面概念図である。 第３実施形態に係わる燃料電池用膜電極接合体の製造プロセス１を示す概念図である。 第３実施形態に係わる燃料電池用膜電極接合体の製造プロセス２を示す概念図である。 第４実施形態に係わる燃料電池用膜電極接合体評価装置を示す断面概念図である。 第４実施形態に係わる燃料電池用膜電極接合体の製造方法を示す概念図である。 第５実施形態に係わる燃料電池用膜電極接合体評価装置における評価結果を示すものである。

符号の説明

１支持部 １１、１２支持板 １１１、１２１：対向する表面
１０１：第１加圧部 １０２：第２加圧部
１３：保護膜 １３１：支持膜
２：平面状態検出手段 ２１（Ａ、Ｂ）：圧力測定フィルム
２１０：第１フィルム ２２０：第２フィルム
２００：ベース部 ２１１：発色剤層 ２２１：顕色剤層
２１１１：マイクロカプセル状単体 Ｐ：圧力分布（高圧点）
Ｔ：被検体 ＭＥＡ：膜電極接合体
３１：電解質膜
３２、電極 ３２Ａ アノード電極 ３２Ｂ：カソード電極
３２１：触媒層 ３２１Ａ：アノード触媒層 ３２１Ｂ：カソード触媒層
３２２：拡散層 ３２２Ａ：アノード拡散層 ３２２Ｂ：カソード拡散層

Claims (3)

1. イオン伝導性をもつ電解質膜と該電解質膜を厚み方向に挟むアノード電極及びカソード電極とを備える膜電極接合体を評価する燃料電池用膜電極接合体評価装置であって、
   前記膜電極接合体、前記電解質膜、前記アノード電極、前記カソード電極のうちの少なくとも一つを被検体とし、
   前記被検体の厚み方向に前記被検体を挟む２個の支持部と、
   前記支持部と前記被検体との間に設けられ、前記被検体の表面の圧力分布に基づいて前記被検体の平面状態を検出する平面状態検出手段と、を具備することを特徴とする燃料電池用膜電極接合体評価装置。
2. イオン伝導性をもつ電解質膜と該電解質膜を厚み方向に挟むアノード電極及びカソード電極とを備える膜電極接合体を評価する燃料電池用膜電極接合体評価装置であって、
   前記アノード電極はアノード触媒層とアノード拡散層とを備え、前記カソード電極はカソード触媒層とカソード拡散層とを備え、
   前記膜電極接合体、前記電解質膜、前記アノード電極、前記アノード触媒層、前記アノード拡散層、前記カソード電極、前記カソード触媒層、前記カソード拡散層のうちの少なくとも一つを被検体とし、
   前記被検体の厚み方向に前記被検体を挟む２個の支持部と、
   前記支持部と前記被検体との間に設けられ、前記被検体の表面の圧力分布に基づいて前記被検体の平面状態を検出する平面状態検出手段と、を具備することを特徴とする燃料電池用膜電極接合体評価装置。
3. 請求項１または請求項２において、前記平面状態検出手段は、圧力を受けて接触する表面の平面状態に応じて圧力分布を示す感圧シートであることを特徴とする燃料電池用膜電極接合体評価装置。

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