JP4691786B2 - 燃料電池電解質膜の高温挙動解析治具および方法 - Google Patents

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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料電池電解質膜の高温挙動解析治具とそれを用いた燃料電池電解質膜の高温挙動解析方法に関する。
【0002】
【従来の技術】
固体高分子電解質型燃料電池は、図4、図5に示すように、イオン交換膜からなる電解質膜11とこの電解質膜の一面に配置された触媒層12および拡散層13からなる電極14(アノード、燃料極)および電解質膜の他面に配置された触媒層15および拡散層16からなる電極17(カソード、空気極)とからなる膜−電極アッセンブリ(MEA:Membrane-Electrode Assembly )と、アノード、カソードに燃料ガス(水素)および酸化ガス(酸素、通常は空気)を供給するための流体通路を形成するセパレータ18とからセルを構成し、複数のセルを積層してモジュール19とし、モジュールを積層してモジュール群を構成し、モジュール群のセル積層方向両端に、ターミナル20、インシュレータ21、エンドプレート22を配置してスタック23を構成し、スタックをスタックの外側でセル積層体積層方向に延びる締結部材(たとえば、テンションプレート24)にて締め付け、ボルト25で固定したものからなる。セパレータ18には、反応ガス流路27(燃料ガス流路27a、酸化ガス流路27b)が形成される。
固体高分子電解質型燃料電池では、アノード側では、水素を水素イオンと電子にする反応が行われ、水素イオンは電解質膜中をカソード側に移動し、カソード側では酸素と水素イオンおよび電子(隣りのMEAのアノードで生成した電子がセパレータを通してくる)から水を生成する反応が行われる。
アノード側:H2 →2H+ +2e-
カソード側:2H+ +2e- +(1/2)O2 →H2
プロトンが電解質膜11中を移動し上記反応が円滑に行われるには、電解質膜11が適度に湿潤していることが必要である。
また、燃料電池ではジュール熱が発生しカソードでの水生成反応では熱が出るので、セパレータ間には、各セル毎にあるいは複数個のセル毎に、冷却媒体(通常は冷却水)が流れる流路26が形成されており、燃料電池を冷却している。これによって、燃料電池の運転中、電解質膜11は約90℃の温度にある。
従来、特開2000−193593は、電池セル内の電解液中の電極をオンサイトでラマン光により測定する技術を開示している。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、従来方法は、電極の測定であり、電解質膜は電極に挟まれているので測定できない。
また、約90℃での高温での測定ではなく、高温挙動については解析できない。また、電解質膜にはスタック締結時に締結荷重がかかるが、荷重がかかった状態での電解質膜の測定についても開示がない。
本発明の目的は、燃料電池電解質膜の高温挙動を測定できる燃料電池電解質膜の高温挙動解析治具および方法を提供することにある。
【0004】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成する本発明はつぎの通りである。
(1) 液体中の燃料電池用電解質膜を固定する固定手段と、
前記液体中の燃料電池用電解質膜の温度を変化させる温度変化手段と、
前記燃料電池用電解質膜を測定するラマン分光装置と、
を備える燃料電池電解質膜の高温挙動解析治具であって、
前記固定手段が試料を挟む容器および押し具からなり、前記液体と前記固定手段とが透明または半透明である燃料電池電解質膜の高温挙動解析治具。
(2) 試料に圧力を付与する圧力付与手段を設けた(1)記載の燃料電池電解質膜の高温挙動解析治具。
) 液体中の燃料電池用電解質膜を固定手段で固定し、該液体中の燃料電池用電解質膜の温度を温度変化手段によって使用温度に調整し、燃料電池用電解質膜の高温挙動をラマン分光装置によって解析する、燃料電池電解質膜の高温挙動解析方法であって、前記固定手段が試料を挟む容器および押し具からなり、前記液体と前記固定手段とが透明または半透明である燃料電池電解質膜の高温挙動解析方法。
【0005】
上記(1)の燃料電池電解質膜の高温挙動解析治具では、液体中の燃料電池用電解質膜の温度を変化させる温度変化手段が設けられているので、試料の電解質膜の温度を燃料電池使用温度に近づけることができ、温度上、実使用状態に近い条件下で電解質膜の測定を行うことができるようになった。
上記(1)の燃料電池電解質膜の高温挙動解析治具では、液体と固定手段とが透明または半透明であるので、容易に、試料の電解質膜にラマン光の焦点を合わせることができる。
上記(2)の燃料電池電解質膜の高温挙動解析治具では、試料に圧力を付与する圧力付与手段が設けられているので、試料の電解質膜の圧力を燃料電池スタック締結圧力に近づけることができ、圧力上、実使用状態に近い条件下で電解質膜の測定を行うことができるようになった。
上記()の燃料電池電解質膜の高温挙動解析方法では、液体中の燃料電池用電解質膜の温度を温度変化手段によって使用温度に調整するようにしたので、温度上、実使用状態に近い条件下で電解質膜の測定を行うことができるようになった。
上記(3)の燃料電池電解質膜の高温挙動解析治具方法では、液体と固定手段とが透明または半透明であるので、容易に、試料の電解質膜にラマン光の焦点を合わせることができる。
【0006】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明実施例の燃料電池電解質膜の高温挙動解析治具および方法を、図1〜図3を参照して、説明する。
まず、装置を説明する。
燃料電池10の構造は、図4、図5で説明したものに準じる。
本発明実施例の燃料電池電解質膜の高温挙動解析治具1は、液体中の燃料電池用電解質膜11を固定する固定手段2と、液体中の燃料電池用電解質膜11の温度を変化させる温度変化手段3と、燃料電池用電解質膜11を測定するラマン分光装置4と、を備えている。ラマン分光装置4自体は市販品のものでよく、公知のものであり、試料にラマン光の焦点を合わせて、試料の分子構造などを解析する装置である。
【0007】
固定手段2は、容器5と押し具6とからなり、容器5の底と押し具6の底との間に試料である燃料電池用電解質膜11が挟まれる。容器5は、底と底から立ち上がる側壁と側壁の上端から互いに反対方向に延びる一対のフランジ部とを有する。押し具6は底と底の両端から立ち上がる一対の側壁と一対の側壁の上端から互いに反対方向に延びる一対のフランジ部とを有する。容器5と押し具6とはフランジ部で圧力付与手段7(たとえば、ボルト・ナット、以下、ボルト・ナットの場合で説明するが、電解質膜11に圧力を付与できればボルト・ナット以外でもよい)にて締結され、このボルト・ナット7(圧力付与手段と同じであるため、符号を7とする)の締め具合を調整することによって、試料に付与される圧力が調整できるようになっている。圧力は、容器5と押し具6との間に介在された圧力センサ9などによって、測定される。
【0008】
押し具6には、底に孔8があけられており、押し具6に電解液が入れられと、電解液は孔8を通して容器5と押し具6との間のスペースに流れ、電解質膜11は液中に位置するようになる。電解液には燃料電池10の実際の生成水を用いることが望ましい。
液体である電解液および固定手段2である容器5、押し具6は、透明または半透明である。固定手段2である容器5、押し具6は、たとえば、ガラスまたはプラスチックからなる。温度変化手段3は容器5の下側に配置されたヒーター(たとえば、電気ヒーター)からなる。
【0009】
上記装置を用いて実行される本発明実施例の燃料電池電解質膜の高温挙動解析治具方法は、液体中の燃料電池用電解質膜11を固定手段2で固定する工程と、液体中の燃料電池用電解質膜11の温度を温度変化手段3によって使用温度に調整する工程と、燃料電池用電解質膜の高温挙動をラマン分光装置4によって解析する工程と、からなる。
【0010】
固定手段2による固定工程では、容器5、押し具6間に電解質膜11を挟んで固定し、ボルト・ナット7の締め付け度合いによって、電解質膜11に付与される圧力を、燃料電池スタックの締め付け力に調整する。
温度変化手段3による温度調整工程では、ヒーター3によって電解質膜11の温度を燃料電池運転温度下における電解質膜11の温度(約90℃)に近づける。
ラマン分光装置4による解析工程では、電解質膜11の分子構造、分子の種類等をコンピュータにてスペクトル解析する。
【0011】
つぎに、本発明実施例の燃料電池電解質膜の高温挙動解析治具と方法の作用を説明する。
本発明実施例の燃料電池電解質膜の高温挙動解析治具1およびそれを用いた燃料電池電解質膜の高温挙動解析方法では、液体中の燃料電池用電解質膜11の温度を変化させる温度変化手段3(ヒーター)が設けられているので、試料の電解質膜11の温度を実際の燃料電池使用温度(約90℃)に近づけることができ、温度上、実使用状態に近い条件下で電解質膜11の高温挙動(約90℃での挙動)測定することができるようになった。
【0012】
また、試料の電解質膜11に圧力を付与する圧力付与手段7(ボルト・ナット)が設けられているので、試料の電解質膜11の圧力を燃料電池スタック締結圧力に近づけることができ、圧力上、実使用状態に近い条件下で電解質膜11の測定を行うことができるようになった。ヒーター3による温度調整とボルト・ナット7による圧力調整を行うことによって、温度、圧力上、実使用状態に近い条件下で電解質膜11の測定を行うことができるようになった。
また、液体(電解液)と固定手段2(上下の容器5、6)とが透明または半透明であるので、容易に、試料の電解質膜11にラマン光の焦点を合わせることができる。
【0013】
【発明の効果】
請求項1の燃料電池電解質膜の高温挙動解析治具によれば、液体中の燃料電池用電解質膜の温度を変化させる温度変化手段を設けたので、試料の電解質膜の温度を燃料電池使用温度に近づけることができ、温度上、実使用状態に近い条件下で電解質膜の測定を行うことができる。
請求項1の燃料電池電解質膜の高温挙動解析治具によれば、液体と固定手段とが透明または半透明であるので、容易に、試料の電解質膜にラマン光の焦点を合わせることができる。
請求項2の燃料電池電解質膜の高温挙動解析治具によれば、試料に圧力を付与する圧力付与手段を設けたので、試料の電解質膜の圧力を燃料電池スタック締結圧力に近づけることができ、圧力上、実使用状態に近い条件下で電解質膜の測定を行うことができる。
請求項の燃料電池電解質膜の高温挙動解析方法によれば、液体中の燃料電池用電解質膜の温度を温度変化手段によって使用温度に調整するようにしたので、温度上、実使用状態に近い条件下で電解質膜の測定を行うことができる。
請求項3の燃料電池電解質膜の高温挙動解析治具方法によれば、液体と固定手段とが透明または半透明であるので、容易に、試料の電解質膜にラマン光の焦点を合わせることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明実施例の燃料電池電解質膜の高温挙動解析治具の断面図である。
【図2】 本発明実施例の燃料電池電解質膜の高温挙動解析治具の平面図である。
【図3】 本発明実施例の燃料電池電解質膜の高温挙動解析治具の分解斜視図である。
【図4】 燃料電池の全体側面図である。
【図5】 図4の燃料電池の一部拡大断面図である。
【符号の説明】
1 燃料電池電解質膜の高温挙動解析治具
2 固定手段
3 温度変化手段(ヒーター)
4 ラマン分光装置
5 容器
6 押し具
7 圧力付与手段(たとえば、ボルト・ナット)
8 孔
9 圧力センサ
10 (固体高分子電解質型)燃料電池
11 電解質膜
12 触媒層
13 拡散層
14 電極(アノード、燃料極)
15 触媒層
16 拡散層
17 電極(カソード、空気極)
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 反応ガス流路

Claims (3)

  1. 液体中の燃料電池用電解質膜を固定する固定手段と、
    前記液体中の燃料電池用電解質膜の温度を変化させる温度変化手段と、
    前記燃料電池用電解質膜を測定するラマン分光装置と、
    を備える燃料電池電解質膜の高温挙動解析治具であって、
    前記固定手段が試料を挟む容器および押し具からなり、前記液体と前記固定手段とが透明または半透明である燃料電池電解質膜の高温挙動解析治具。
  2. 試料に圧力を付与する圧力付与手段を設けた請求項1記載の燃料電池電解質膜の高温挙動解析治具。
  3. 液体中の燃料電池用電解質膜を固定手段で固定し、該液体中の燃料電池用電解質膜の温度を温度変化手段によって使用温度に調整し、燃料電池用電解質膜の高温挙動をラマン分光装置によって解析する、燃料電池電解質膜の高温挙動解析方法であって、前記固定手段が試料を挟む容器および押し具からなり、前記液体と前記固定手段とが透明または半透明である燃料電池電解質膜の高温挙動解析方法。
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