JP5954036B2 - 燃料電池の電気化学的特性評価装置 - Google Patents

Description

本発明は、燃料電池の電気化学的特性評価装置に関する。詳細には、評価対象となるセルの両面側にかかる圧力を均等に維持することで、最適な燃料電池の電気化学的特性評価環境を提供し、正確で信頼性の高い評価データを得ることができる燃料電池の電気化学的特性評価装置に関する。

近年、地球環境問題への関心の高まりから、各種の燃料電池が検討されている。例えば効率の高い固体酸化物型燃料電池の場合、水素や一酸化炭素等が多く含まれるガスを燃料ガスとし、空気（酸素）を酸化ガスとして、電気化学的反応によって高温で発電を行う。

燃料電池の電気化学的特性評価においては、セル周囲の温度を高温に維持する必要があるが、高温型燃料電池の評価のための適切な評価装置が提供されていない。その理由を簡単に説明する。

第１に、電気化学的特性評価装置は、熱膨張率の異なる複数の各種部材で組み立てられており、評価対象となるセルの熱膨張率も前記各種部材と異なる。従って、高温の評価温度において、電気化学的特性評価を行うための電気化学測定部材（例えば、集電部材）をセルの両面側に均等かつ一定の圧力で押し付けることが困難であるからである。第２に、セルの両面側に収容される燃料ガスと酸化ガスとを確実に分離する高いシール性能を維持することが困難であるからである。

ここで、特許文献１（特開２００９−１２９９１３号公報）に係る電気化学的特性評価装置は、電気炉の内部に収容された燃料電池に所定の圧力を付与する加圧手段を有しており、セルを片面側から押し付ける。

特開２００９−１２９９１３号公報

しかしながら、前述した特許文献１では、電気化学的特性評価装置を構成する各種部材の熱膨張率が異なる。従って、セルを設置した後、高温の測定温度まで昇温させると、各種部材の熱膨張量に差が生じてセルの位置が変化し、押付力が初期設定値から変わってしまう。そこで、加圧手段を用いて押付力を調整するが、セルを片面側から加圧する方法を取っているため、セルの押付力は設定値に調整できるものの、セルの位置は初期の取付位置からずれてしまう。

以上より、セルには望ましくない荷重がかかり、セルの破損やセルの両面側を隔てるシール材によるシール不良などが生じるおそれがあり、正確でかつ信頼性の高い評価データを得ることが難しいという問題があった。

そこで、本発明は、セルに対して望ましくない荷重がかかることがなく、正確で信頼性が高い評価データを得ることができる燃料電池の電気化学的特性評価装置を提供することを目的としている。

本発明に係る燃料電池の電気化学的特性評価装置においては、評価対象となるセルを内部に収納するハウジングを設け、該ハウジングに、前記セルを表側および裏側の両面側から押し付ける押付手段を設け、該押付手段によるセルの両面側からの押付力を均等に調整する押付力均等化手段を設けている。前記押付手段は、前記セルの表側および裏側に配置されている。また、前記押付力均等化手段は、前記押付手段をセルの両面側から押し付ける流体を有すると共に、前記セルの表側を押し付ける流体の加圧源と前記セルの裏側を押し付ける流体の加圧源とが同一である。

本発明に係る燃料電池の電気化学的特性評価装置によれば、押付力均等化手段を設けたため、セルを押し付ける押付力がセルの表側と裏側とで均等（同等）になる。従って、セルに対して望ましくない荷重がかかることが抑制されるため、セルの破損等が減少し、正確で信頼性が高い評価データを得ることができる。

本発明による燃料電池の電気化学的特性評価装置の全体概要を示す概略断面図である。 本発明の第１実施形態による燃料電池の電気化学的特性評価装置の全体概要を示す概略断面図である。 本発明の第２実施形態による燃料電池の電気化学的特性評価装置の全体概要を示す概略断面図である。 本発明の第３実施形態による燃料電池の電気化学的特性評価装置の全体概要を示す概略断面図である。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づき説明する。

[本発明の全体概要]
まず、本発明による燃料電池の電気化学的特性評価装置１の全体概要について説明する。

図１に示すように、本発明による電気化学的特性評価装置１は、評価対象となるセル３を内部に収納するハウジング５と、前記セル３を表側および裏側の両面側から押し付ける一対の押付手段７と、該押付手段７によるセル３の表側の押付力と裏側の押付力とを均等に調整する押付力均等化手段９と、を備えている。前記電気化学的特性評価装置１は、図示しない加熱装置内に収容され、セル３の評価温度まで昇温される。

前記ハウジング５は、上側に配置された上側ハウジング１１と、下側に配置された下側ハウジング１３とから構成される。前記ハウジング５の内部空間は、セル３および後述する図外の保持部材によって、表側空間部１５と裏側空間部１７とに隙間なく分け隔たられている。前記表側空間部１５は、前記上側ハウジング１１、セル３および後述する図外の保持部材によって画成されている。前記裏側空間部１７は、前記下側ハウジング１３、セル３および後述する図外の保持部材によって画成されている。

前記セル３の表面側には、表側集電部材１９が配設され、セル３の裏面側には、裏側集電部材２１が配設されている。これらの表側集電部材１９および裏側集電部材２１は、セル３で発電した電力を集電する。また、表側集電部材１９および裏側集電部材２１には、図外の配線が接続されており、該配線を通して発電による電流を取り出し、ハウジング５の外部の電気化学測定機器で測定を行う。

前記押付手段７は、表側ガス通過部材２３と裏側ガス通過部材２５とを備えている。このように、前記押付手段７は、セル３の表側および裏側に配置されている。

前記押付力均等化手段９は、加圧源３１と、該加圧源３１から配索されて途中部分で２つに分岐する第１流体配管３３および第２流体配管３５と、を備える。加圧源３１からは、例えば窒素ガス等の流体Ｆが送られ、第１流体配管３３および第２流体配管３５の内部を流通し、表側ガス通過部材２３と裏側ガス通過部材２５とを均等な荷重で押し付ける。この荷重は、表側集電部材１９と裏側集電部材２１とを介してセル３の両面に伝わり、これらの両面を均等な荷重で押し付ける。ここで、前記セル３の表側を押し付ける流体Ｆの加圧源３１と前記セル３の裏側を押し付ける流体Ｆの加圧源３１とが同一であり、共通している。

なお、セル３の表面側（図１の上部）が空気極に設定され、裏面側（図１の下部）が燃料極に設定されている。従って、表側ガス通過部材２３には、空気（酸化ガス）Ｇ１が流通し、裏側ガス通過部材２５には、水素や一酸化炭素などの燃料ガスＧ２が流通する。また、表側集電部材１９および裏側集電部材２１は、ガスが通過可能な部材から形成されている。このため、空気Ｇ１は、表側ガス通過部材２３から表側集電部材１９を介してセル３の表面に到達する一方、燃料ガスＧ２は、裏側ガス通過部材２５から裏側集電部材２１を介してセル３の裏面に到達する。これによって、セル３の発電部において電気化学的反応による発電が行われる。

以下に、効果を説明する。

（１）評価対象となるセル３を内部に収納するハウジング５と、前記セル３を表側および裏側の両面側から押し付ける押付手段７と、該押付手段７によるセル３の表側の押付力と裏側の押付力とを均等に調整する押付力均等化手段９と、を備えている。

このように、押付力均等化手段９を設けたため、セル３を押し付ける押付力がセル３の表側と裏側とで均等（同等）になる。従って、セル３に対して望ましくない荷重がかかることがなくなるため、セル３の破損等が減少し、セル３の両側の電極面に集電部材１９，２１を均等に押し付けることができるので、正確で信頼性が高い評価データを得ることができる。

[第１実施形態]
次に、本発明の第１実施形態による燃料電池の電気化学的特性評価装置１０１について説明するが、前述した本発明の全体概要と同一構造の部位には同一符号を付けて説明を省略する。

図２に示すように、第１実施形態による電気化学的特性評価装置１０１は、評価対象となるセル３を内部に収納するハウジング１０５と、前記セル３を表側および裏側の両面側から押し付ける押付手段７と、該押付手段７によるセル３の表側の押付力と裏側の押付力とを均等に調整する押付力均等化手段９と、を備えている。

前記ハウジング１０５は、上側に配置された上側ハウジング１１１と、下側に配置された下側ハウジング１１３とから構成される。上側ハウジング１１１と下側ハウジング１１３との間には、シール材１２５が挟持されている。このシール材１２５および後述するシール材１２４，１２７は、カーボンやマイカなどの鉱物系の素材から形成されている。前記ハウジング１０５の内部空間は、セル３および保持部材１０７によって、表側空間部１５と裏側空間部１７とに隙間なく分け隔たられている。具体的には、下側ハウジング１１３の内周側の上面には、段差部１２１が形成され、該段差部１２１の上には、環状で薄い保持部材１０７が載置されている。この保持部材１０７は、前記段差部１２１とシール材１２５とで挟持されており、保持部材１０７の内周側の上にセル３が取り付けられている。このように、セル３は、上側ハウジング１１１および下側ハウジング１１３には接触しない。

前記表側空間部１５は、前記上側ハウジング１１１、セル３、保持部材１０７および上側薄板５５（板状部材）によって画成されている。前記裏側空間部１７は、前記下側ハウジング１１３、セル３、保持部材１０７および下側薄板５７（板状部材）によって画成されている。

前記ハウジング１０５の内周側には、開口部６０が形成され、該開口部６０内に押付手段７が上下方向に移動可能に設けられている。前記押付手段７は、セル３の上側に配設された表側ガス通過部材４１（ガス通過部材）および表側押付部材４３と、セル３の下側に配設された裏側ガス通過部材４５（ガス通過部材）および裏側押付部材４７とを備える。表側ガス通過部材４１は、空気Ｇ１が通過可能な多孔質体からなり、裏側ガス通過部材４５は、燃料ガスＧ２が通過可能な多孔質体からなる。また、表側押付部材４３および裏側押付部材４７は、絶縁性を有する。また、表側ガス通過部材４１の側方には、ガス通路１１５，１１７が対向配置されており、裏側ガス通過部材４５の側方には、ガス通路１１９，１２３が対向配置されている。従って、空気Ｇ１は、上側ハウジング１１１に形成されたガス通路１１５から表側ガス通過部材４１を介してガス通路１１７に至るように流通する。燃料ガスＧ２は、下側ハウジング１１３に形成されたガス通路１１９から裏側ガス通過部材４５を介してガス通路１２３に至るように流通する。

前記押付力均等化手段９は、加圧源３１と、該加圧源３１から配索されて途中部分で２つに分岐する第１流体配管３３および第２流体配管３５と、第１流体配管３３に接続された上側圧力室５１および第２流体配管３５に接続された下側圧力室５３と、上側薄板５５（板状部材）および下側薄板５７（板状部材）と、を備える。

前記上側薄板５５と上側ハウジング１１１の上面との間には、シール材１２４が挟持されており、下側薄板５７と下側ハウジング１１３の下面との間には、シール材１２７が挟持されている。

前記上側圧力室５１と下側圧力室５３には、図外の押圧部が設けられている。この押圧部は、圧力室５１，５３の内部に送られてきた流体Ｆによって膨張し、上側薄板５５（板状部材）および下側薄板５７（板状部材）を上下から押し付ける。これらの上側薄板５５および下側薄板５７に伝わった押付力は、押付手段７、表側集電部材１９、空気極２０および裏側集電部材２１を介して、セル３の両面を均等な荷重で押し付ける。ここで、上側薄板５５および下側薄板５７は、流体の押し付けによって弾性変形が可能に形成されている。

具体的には、セル３の表側においては、上側圧力室５１に設けられた押圧部が膨張し、上側薄板５５を下方に押し付ける。この押付力は、表側押付部材４３と表側ガス通過部材４１とからなる上側の押付手段７を介して、表側集電部材１９および空気極２０を下方に押し付ける。そして、空気極２０は、セル３を表面側から押し付ける。

一方、セル３の裏側においては、下側圧力室５３に設けられた押圧部が膨張し、下側薄板５７を上方に押し付ける。この押付力は、裏側押付部材４７と裏側ガス通過部材４５とからなる下側の押付手段７を介して、裏側集電部材２１を上方に押し付ける。そして、裏側集電部材２１は、セル３を裏面側から押し付ける。ここで、セル３を表面側から押し付ける押付力と裏面側から押し付ける押付力は均等（同等）となる。

なお、セル３に当接する表側集電部材１９および裏側集電部材２１は、電気的にハウジング１０５や加圧源３１と絶縁していることが必要である。従って、表側においては、表側ガス通過部材４１、表側押付部材４３、上側薄板５５の少なくとも一つを絶縁体にすることが必要である。裏側においては、裏側ガス通過部材４５、裏側押付部材４７、下側薄板５７の少なくとも一つを絶縁体にすることが必要である。

以下に、本実施形態による効果について説明する。

（１）押付手段７は、前記セル３の表側および裏側に配置されており、前記押付力均等化手段９は、前記押付手段７をセル３の両面側から押し付ける流体Ｆを有すると共に、前記セル３の表側を押し付ける流体Ｆの加圧源３１と前記セル３の裏側を押し付ける流体Ｆの加圧源３１とが同一に設定されている。

押付力均等化手段９においては、セル３の表側を押し付ける流体Ｆの加圧源３１とセル３の裏側を押し付ける流体Ｆの加圧源３１とが同一である。従って、簡単な構造で押付力均等化手段９を構成することができる。

（２）前記ハウジング１０５に固定された保持部材１０７に前記セル３が取り付けられ、これらのセル３と保持部材１０７とによって、前記ハウジング１０５の内部空間は、前記セル３の表側の表側空間部１５と前記セル３の裏側の裏側空間部１７とに隙間なく分け隔てられている。

このように、セル３と保持部材１０７とよって、ハウジング１０５の内部に形成された表側空間部１５と裏側空間部１７とを確実に分離してシールすることができる。また、セル３には表裏の両面側からの押付力しか掛からない構造のため、セル３の破損を防止すると共に、正確で信頼性が高い評価データを得ることができる。

（３）前記押付力均等化手段９は、前記セル３を両面側から押し付ける流体Ｆと前記押付手段７との間に介在すると共に前記流体Ｆの押し付けによって弾性変形が可能な上側薄板５５（板状部材）および下側薄板５７（板状部材）を有する。

このように、押付力均等化手段９が板状部材を有するため、流体Ｆと空気Ｇ１および燃料ガスＧ２とが混合することなく、かつ、セル３の両面側に均等な押付圧をかけることが簡単な構造で出来る。特に、表側ガス通過部材４１、表側押付部材４３、裏側ガス通過部材４５、裏側押付部材４７、表側集電部材１９および裏側集電部材２１の表面に凹凸や傾きがあったり高温による膨張・収縮があったりしても、上側薄板５５および下側薄板５７の作用によりセル３の両面を均等に押し付けることができる。従って、セル３には押付力以外の荷重はかからないため、セル３の破損を抑制することができる。

（４）前記押付手段７は、前記セル３の表側および裏側に配置されると共に燃料ガスＧ２と空気Ｇ１（酸化ガス）が通過可能な多孔質体からなる表側ガス通過部材４１および裏側ガス通過部材４５（ガス通過部材）を有し、該表側ガス通過部材４１および裏側ガス通過部材４５の側方には、前記ハウジング１０５に設けられて前記燃料ガスＧ２および空気Ｇ１が流通するガス通路１１５，１１７，１１９，１２３が対向して配置されている。

このように、押付手段７はガス通過部材４１，４５を有し、ガス通過部材４１，４５の側方にはガス通路１１５，１１７，１１９，１２３が対向配置されている。従って、セル３の電極部に空気Ｇ１および燃料ガスＧ２を離れた位置から供給することが可能なため、ガスの出入り口のレイアウトの自由度が増し、電極部の小さなセル３の評価装置であっても装置の構造自由度を大きく設定することができる。

[第２実施形態]
次いで、本発明の第２実施形態による燃料電池の電気化学的特性評価装置２０１について説明するが、前述した本発明の全体概要および第１実施形態と同一構造の部位には同一符号を付けて説明を省略する。

図３に示すように、第２実施形態による電気化学的特性評価装置２０１は、大まかには、第１実施形態による電気化学的特性評価装置１０１と同じ構成である。ただし、表側押付部材４３および裏側押付部材４７は設けておらず、表側支持板２５５と裏側支持板２５７が配設されている。

前記表側支持板２５５は、シール材１２４の表側に取り付けられた保持部２５５ａと、表側ガス通過部材４１の表側に取り付けられた支持部２５５ｃと、これらの保持部２５５ａおよび支持部２５５ｃを連結する蛇腹部２５５ｂとから一体形成されている。

一方、前記裏側支持板２５７は、シール材１２７の裏側に取り付けられた保持部２５７ａと、裏側ガス通過部材４５の裏側に取り付けられた支持部２５７ｃと、これらの保持部２５７ａおよび支持部２５７ｃを連結する蛇腹部２５７ｂとから一体形成されている。

前記蛇腹部２５５ｂ、２５７ｂは、上下方向に変形可能であるため、支持部２５５ｃ、２５７ｃが上下に移動したときは蛇腹部２５５ｂ、２５７ｂも追従して変形する。従って、表側空間部１５および裏側空間部１７の密閉性も維持される。

なお、本実施形態によっても、セル３に対して望ましくない荷重がかかることがなくなり、セル３の破損等が減少し、セル３の両側の電極面に集電部材１９，２１を均等に押し付けることができるので、正確で信頼性が高い評価データを得ることができる。

また、第１実施形態と同様の効果を得ることができる。

[第３実施形態]
次いで、本発明の第３実施形態による燃料電池の電気化学的特性評価装置３０１について説明するが、前述した本発明の全体概要および第１および第２実施形態と同一構造の部位には同一符号を付けて説明を省略する。

図４に示すように、第３実施形態による電気化学的特性評価装置３０１は、大まかには、第１実施形態による電気化学的特性評価装置１０１と同じ構成である。ただし、多孔質体からなる表側ガス通過部材４１と裏側ガス通過部材４５に代えて、強度が高くてガスが流通可能な表側ガス通過部材３４１と裏側ガス通過部材３４５を適用しても良い。即ち、表側ガス通過部材３４１と裏側ガス通過部材３４５は、空気Ｇ１や燃料ガスＧ２が通過可能であれば良く、多孔質体に限定されない。

なお、本実施形態によっても、セル３に対して望ましくない荷重がかかることがなくなり、セル３の破損等が減少し、セル３の両側の電極面に集電部材１９，２１を均等に押し付けることができるので、正確で信頼性が高い評価データを得ることができる。

また、第１実施形態と同様の効果を得ることができる。

１，１０１，２０１，３０１ 電気化学的特性評価装置
３ セル
５，１０５ ハウジング
７ 押付手段
９ 押付力均等化手段
１５ 表側空間部
１７ 裏側空間部
２３，４１，３４１ 表側ガス通過部材（ガス通過部材）
２５，４５，３４５ 裏側ガス通過部材（ガス通過部材）
３１ 加圧源
５５ 上側薄板（板状部材）
５７ 下側薄板（板状部材）
１０７ 保持部材
１１５，１１７，１１９，１２３ ガス通路

Claims (4)

1. 評価対象となるセルを内部に収納するハウジングと、前記セルを表側および裏側の両面側から押し付ける押付手段と、該押付手段によるセルの表側の押付力と裏側の押付力とを均等に調整する押付力均等化手段と、を備え、
   前記押付手段は、前記セルの表側および裏側に配置されており、
   前記押付力均等化手段は、前記押付手段をセルの両面側から押し付ける流体を有すると共に、前記セルの表側を押し付ける流体の加圧源と前記セルの裏側を押し付ける流体の加圧源とが同一であることを特徴とする燃料電池の電気化学的特性評価装置。
2. 前記ハウジングに固定された保持部材に前記セルが取り付けられ、
   これらのセルと保持部材とによって、前記ハウジングの内部空間は、前記セルの表側の表側空間部と前記セルの裏側の裏側空間部とに隙間なく分け隔てられていることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池の電気化学的特性評価装置。
3. 前記押付力均等化手段は、前記セルを両面側から押し付ける流体と前記押付手段との間に介在すると共に前記流体の押し付けによって弾性変形する板状部材を有することを特徴とする請求項１または２に記載の燃料電池の電気化学的特性評価装置。
4. 前記押付手段は、前記セルの表側および裏側に配置されると共に燃料ガスと酸化ガスが通過可能な多孔質体からなるガス通過部材を有し、
   該ガス通過部材の側方には、前記ハウジングに設けられて前記燃料ガスおよび酸化ガスが流通するガス通路が対向して配置されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の燃料電池の電気化学的特性評価装置。

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