JP2020061295A - 燃料電池単セル用評価装置 - Google Patents

Abstract

【課題】燃料電池単セル用評価装置において、評価用の燃料電池単セル１のセパレータ６に厚みのバラツキつきが存在していても、それに起因して膜電極ガス拡散層積層体２のガス拡散層５にダメージを生じさせないようにし、燃料電池単セル１の適正な評価を可能とする。【解決手段】燃料電池単セル用評価装置５０は、剛性を備えた導電性材料からなる第１の挟持用冶具６０と第２挟持用冶具７０とを備える。第１の挟持用冶具６０と第２の挟持用冶具７０の燃料電池単セル１の発電面と当接する当接領域の表面は平坦面である。第１の挟持用冶具６０の当接領域の下方には空洞部（凹陥部６２）が形成されており、そこには導電性を備えた弾性材料６３が充填されている。空洞部（凹陥部６２）の上面には金属薄板６４が位置している。【選択図】図３

Description

本発明は、燃料電池単セル用評価装置に関する。

燃料電池の単セルについて、その発電性能等を評価するための燃料電池単セル用評価装置は知られており、その一例が、特許文献１に記載されている。その評価装置は、燃料電池単セルの発電性能等を評価するものであり、評価対象である燃料電池単セルを、スタックとして組み付けたときの加圧状態で挟持することのできる、一対の挟持用冶具を少なくとも備えている。一対の挟持用冶具の間に挟持された燃料電池単セルには酸化剤ガスおよび燃料ガスが供給可能であり、酸化剤ガスおよび燃料ガスが供給されていることで、燃料電池単セルは発電反応を奏する。燃料電池単セルは、挟持用冶具を介して発電評価装置に接続しており、発電評価装置は、発電反応により生じる燃料電池単セルの電圧や電流等を取得して、当該燃料電池単セルの性能評価を行う。

燃料電池単セル用評価装置は、燃料電池単セルの短絡耐電圧性能やリークの有無、さらには圧損の程度等を評価するのにも用いられる。この場合にも、評価対象である燃料電池単セルは、評価時に、一対の挟持用冶具によって、スタックとして組み付けたときの加圧状態あるいはそれ以上の加圧状態で挟持されている。通常、一対の挟持用冶具は、剛性を備えた導電性材料からなっている。

特開２０１４−２８５９号公報

上記のような従来公知の燃料電池単セル用評価装置では、評価用の燃料電池単セルを挟持する一対の挟持用冶具として、剛性の高い金属材（例えば、ステンレスのような材料）が用いられ、挟持用冶具が評価用の燃料電池単セルと接する面は平坦面である。

評価用の燃料電池単セルには多くの形態が存在するが、評価用の燃料電池単セルが、膜電極接合体と、その膜電極接合体の両面に配置したガス拡散層とからなる膜電極ガス拡散層積層体と、その膜電極ガス拡散層積層体の両面に配置したセパレータとからなる構成であり、かつ、セパレータが、ステンレス、アルミニウム、冷間圧延鋼板等のような材料で作られている場合に、本発明者らは、評価時に、次のような不都合が生じうることを知見した。

すなわち、前記構成の燃料電池単セルを前記したような剛性の高い金属材からなる一対の挟持用冶具で圧力をかけた状態で挟持すると、セパレータ構成材が持つ厚みのバラツキ等に起因して、膜電極ガス拡散層積層体に局所的な±２０μｍ程度の厚みのバラツキが生じることがあること。

この厚みのバラツキにより、膜電極ガス拡散層積層体に局所的に面圧の高い箇所が発生し、それが一因となって、ガス拡散層に破損を生じさせる虞があること。

ガス拡散層に破損が生じると、例えば、事後の圧損評価時に、圧損のバラツキが大きくなり、燃料電池単セルの適正な評価ができなくなる虞があること。

そのために、セパレータが持つ厚みのバラつきを極力少なくすることが必要となっていること。

本発明は、上記のような知見に鑑みてなされたものであり、評価用の燃料電池単セルのセパレータに多少の厚みのバラツキつきが存在していても、それに起因して膜電極ガス拡散層積層体のガス拡散層にダメージを生じさせないようにし、燃料電池単セルの適正な評価を可能とした燃料電池単セル用評価装置を提供することを課題とする。

本発明による燃料電池単セル用評価装置は、剛性を備えた導電性材料からなる第１の挟持用冶具と第２挟持用冶具との間に燃料電池単セルを加圧下で挟持した状態で前記燃料電池単セルの性能を評価する燃料電池単セル用評価装置であって、前記第１の挟持用冶具と第２の挟持用冶具の前記燃料電池単セルの発電面と当接する当接領域の表面は平坦面であり、前記第１の挟持用冶具と第２の挟持用冶具の双方またはいずれか一方は前記当接領域の下方に空洞部を有しており、前記空洞部には導電性を備えた弾性材料が充填されていることを特徴とする。

本発明による燃料電池単セル用評価装置では、当接領域の下方に形成された空洞部内に導電性を備えた弾性材料が存在することで、評価時に、燃料電池単セル用評価装置側に起因して、膜電極ガス拡散層積層体に、局所的に面圧の高い箇所が発生するのを回避することができる。それにより、特にそのガス拡散層に局所的な破損が生じるのを回避することができ、燃料電池単セルの適正な評価が可能となる。

評価用燃料電池単セルの平面図。 図１でのＩＩ−ＩＩ線での断面図。 燃料電池単セル用評価装置の要部を示す断面図。

以下、本発明を実施するための形態を、図面を参照して説明する。最初に、評価の対象となる燃料電池単セル１の一例を、図１および図２を参照して説明する。

図１は、燃料電池単セル１の平面図であり、図２は、図１のＩＩ−ＩＩ線に沿う断面図である。燃料電池単セル１は、図２に示すように、膜電極ガス拡散層積層体２と、膜電極ガス拡散層積層体２の両面に配置されたセパレータ６、６とを有する。膜電極ガス拡散層積層体２は、燃料電池単セル１の発電部を構成するものであり、電解質膜３と、その両面に配置された触媒層４、４と、触媒層４の電解質膜３に接する面とは反対の面に配置されたガス拡散層５、５とで構成されている。膜電極ガス拡散層積層体２は、ＭＥＧＡ(Membrane Electrode & Gas Diffusion Layer Assembly)と称される場合がある。また、電解質膜３と触媒層４、４との積層体は、ＭＡＥ(Membrane Electrode Assembly)と称される場合がある。セパレータ６は、膜電極ガス拡散層積層体２に、酸化剤ガスとしての空気と燃料ガスとしての水素を供給するためのガス流路７、７を有している。

図１の平面図に示すように、セパレータ６は、発電部である膜電極ガス拡散層積層体２の領域をカバーする第１の部分６ｘと、その両側側の第２の部分６ｙとを有しており、第１の部分６ｘには、図１では図示を省略しているが、前記したガス流路７が形成されている。第２の部分６ｙには、適数個のマニホールド８が形成されている。マニホールド８は、酸化剤ガスや燃料ガス、さらには冷却水の発電部への流入口や排出口として機能する。なお、これらの構成は、従来知られたものであってよく、詳細な説明は省略する。

図３は、本実施の形態の燃料電池単セル用評価装置５０の要部を断面で示している。燃料電池単セル用評価装置５０は、例えばステンレスのような材料である導電性剛性材料からなる第１の挟持用冶具６０と第２の挟持用冶具７０とを備える。

第１の挟持用冶具６０は土台８０に固定されている。土台８０に固定された第１の挟持用冶具６０に対面するようにして第２の挟持用冶具７０が位置している。第２の挟持用冶具７０は、固定機枠９０の一部である垂直方向のガイド部材９１、９１を案内として、第１の挟持用冶具６０に対して上下方向に移動自在である。

固定機枠９０と第２の挟持用冶具７０との間には、適宜のアクチュエータ９２が配置されており、アクチュエータ９２の作動により、第２の挟持用冶具７０は第１の挟持用冶具６０に対して上下方向に移動する。アクチュエータ９２は第２の挟持用冶具７０に対して第１の挟持用冶具６０に向けての押圧力を付与する。また、燃料電池単セル用評価装置５０は、第１の挟持用冶具６０と第２の挟持用冶具７０との間に所要の電圧を印加することのできる電圧印加手段１００を備える。

第１の挟持用冶具６０は、第２の挟持用冶具７０に向けて突出する凸部６１を有し、第２の挟持用冶具７０は第１の挟持用冶具６０に向けて突出する凸部７１を有する。凸部６１および凸部７１の平面視での形状は、燃料電池単セル１における発電部（膜電極ガス拡散層積層体２の領域）に相当する形状であり、その広さは発電部よりも少し広い。

第２の挟持用冶具７０の凸部７１の表面は平坦面である。第１の挟持用冶具６０の凸部６１は、前記発電部に相当する面積の凹陥部６２を有している。そして、凹陥部６２内には、導電性を備えた弾性材料６３が充填されている。導電性を備えた弾性材料６３としては、例として、導電性ゴムやメッシュ構造の金属材料などを挙げることができる。導電性を備えた弾性材料６３の上面には、望ましくは厚さ０．１〜０．２ｍｍ程度であり、凹陥部６２の内法寸法にほぼ等しい大きさと形状の金属薄板６４が配置されている。

すなわち、第１の挟持用冶具６０の凸部６１の上端面には、凸部６１に形成した凹陥部６２の上面を封鎖するようにして金属薄板６４が位置しており、その裏面側には凹陥部６２からなる空洞部が形成されており、該空洞部には導電性を備えた弾性材料６３が充填されている。

上記燃料電池単セル用評価装置５０の使用態様の一例を説明する。最初に、図示しない制御機構により、アクチュエータ９２を作動して、第２の挟持用冶具７０を上方に移動させる。移動することで形成された第１の挟持用冶具６０と第２の挟持用冶具７０との間の空間に、評価しようとする燃料電池単セル１を挿入する。そして、挿入した燃料電池単セル１の発電部が第１の挟持用冶具６０の凸部６１の上面に乗るようにして、具体的には、燃料電池単セル１の一方のセパレータ６ａの発電部に対応する領域が、第１の挟持用冶具６０の凸部６１の上面に配置されている金属薄板６４と接触するようにして、燃料電池単セル１を第１の挟持用冶具６０の凸部６１の上に載置する。

載置後に、アクチュエータ９２を作動して、第２の挟持用冶具７０を第１の挟持用冶具６０に向けて移動させる。そして、第２の挟持用冶具７０の凸部７１の表面が燃料電池単セル１の他方のセパレータ６ｂに当接した状態とする。その状態が、図３に示される。その状態で、アクチュエータ９２を作動して、第２の挟持用冶具７０をさらに下降させ、燃料電池単セル１内に、それを実際にスタックとして組み付けるときに予定されている加圧状態、あるいはそれよりもわずかに大きな加圧状態が形成されているように、燃料電池単セル１を押圧する。

その状態で電圧印加手段１００を操作して、第１の挟持用冶具６０と第２の挟持用冶具７０との間に所定の電圧を印加する。その電圧は、セパレータ６ａ、６ｂを介して、膜電極ガス拡散層積層体２に印加される。電圧の印加により、膜電極ガス拡散層積層体２の短絡耐電圧の検査を行うことができる。所定電圧以下で短絡が生じた場合には、膜電極ガス拡散層積層体２を構成する例えばガス拡散層５に毛羽立ちがあり、毛羽に起因して短絡が生じていることが推測でき、また、異物が存在することで、絶縁破壊が生じたことが推測できる。

上記の評価が適正であるためには、評価時に、評価対象である燃料電池単セル１に、燃料電池単セル用評価装置５０側に起因した損傷が生じていないことが前提となる。もし、燃料電池単セル用評価装置５０による燃料電池単セル１への圧力付与時に、それに起因して、膜電極ガス拡散層積層体２を構成するガス拡散層５等に損傷が生じた場合には、短絡耐電圧検査結果も不適切なものとなる。このような事態は、例えば、燃料電池単セル１で用いられるセパレータ６を構成する材料の均平度に限度があって、±２０μｍ程度の表面凹凸を有していることから起こり得る。

すなわち、図３に示した形状の燃料電池単セル用評価装置５０において、第１の挟持用冶具６０と第２の挟持用冶具７０の双方に、剛性の高い金属材料をそのまま用いる場合には、形成される押圧力によって、セパレータ６の表面粗さがそのままガス拡散層５側に転写されて、ガス拡散層５の表面に局所的に面圧の高くなる箇所が形成されるのを避けられない。局所的に形成される高い面圧によって、ガス拡散層５に部分的な破壊が発生し、その破壊によって、例えば圧損テストにおいて圧損バラツキを大きくするなど、燃料電池単セル１の適正な評価が得られなくなる。

本実施の形態での燃料電池単セル用評価装置５０では、第１の挟持用冶具６０の凸部６１に形成した凹陥部６２内に導電性を備えた弾性材料６３が充填されており、導電性を備えた弾性材料６３に載るようにして金属薄板６４が位置している。そのため、第１の挟持用冶具６０と第２挟持用冶具７０とによって燃料電池単セル１を加圧下で挟持したときに、例えば、セパレータ６の表面粗さに起因して、膜電極ガス拡散層積層体２に局所的な高面圧部が形成される場合であっても、その局所的に高い面圧は、導電性を備えた弾性材料６３によって吸収され、結果として、膜電極ガス拡散層積層体２、特にそのガス拡散層５に部分的な破壊が生じるような事態を効果的に回避することができる。

なお、図３に示した実施の形態では、第１の挟持用冶具６０側のみに導電性を備えた弾性材料６３と金属薄板６４とを設けるようにしたが、第１の挟持用冶具６０側ではなく、第２の挟持用冶具７０側に設けるようにしてもよく、第１の挟持用冶具６０と第２の挟持用冶具７０の双方に設けるようにしてもよい。いずれであっても、所期の目的は達成可能であり、本発明の範囲内である。

上記の実施の形態では、燃料電池単セル用評価装置５０を、燃料電池単セル１の短絡耐電圧性能を評価する装置として説明したが、これは例示であって、本発明が適用される燃料電池単セル用評価装置の具体的評価内容は、これに限らない。剛性を備えた導電性材料からなる第１の挟持用冶具と第２挟持用冶具との間に燃料電池単セルを加圧下で挟持した状態で前記燃料電池単セルの性能を評価するすべての装置に対して、本発明の導電性を備えた弾性材料を充填する技術は適用可能である。

図３に示した燃料電池単セル用評価装置５０の構成は、本発明を実施可能な装置の一例であって、本発明がこの構成に限定されないことは当然である。２個以上の燃料電池単セルを同時に評価することができるように、第１の挟持用冶具６０と第２の挟持用冶具７０とからなる組を多段に配置するとともに、各段の第１の挟持用冶具６０と第２の挟持用冶具７０とを同時に移動可能にする構成であってもよい。

１…燃料電池単セル、
２…膜電極ガス拡散層積層体、
３…電解質膜、
４…触媒層、
５…ガス拡散層、
６…セパレータ、
７…ガス流路、
８…マニホールド、
５０…燃料電池単セル用評価装置、
６０…第１の挟持用冶具、
６１…第１の挟持用冶具の凸部、
６２…凹陥部、
６３…導電性を備えた弾性材料、
６４…金属薄板、
７０…第２の挟持用冶具、
７１…第２の挟持用冶具凸部、
８０…土台、
９０…固定機枠、
９１…ガイド部材、
９２…アクチュエータ、
１００…電圧印加手段。

Claims (1)

1. 剛性を備えた導電性材料からなる第１の挟持用冶具と第２挟持用冶具との間に燃料電池単セルを加圧下で挟持した状態で前記燃料電池単セルの性能を評価する燃料電池単セル用評価装置であって、
   前記第１の挟持用冶具と第２の挟持用冶具の前記燃料電池単セルの発電面と当接する当接領域の表面は平坦面であり、前記第１の挟持用冶具と第２の挟持用冶具の双方またはいずれか一方は前記当接領域の下方に空洞部を有しており、前記空洞部には導電性を備えた弾性材料が充填されていることを特徴とする燃料電池単セル用評価装置。

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