JP4222008B2 - Performance evaluation method and apparatus based on air permeability of fuel cell diffusion layer - Google Patents
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Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、種々の形態の燃料電池において、電極とセパレータとの間に挟持される拡散層の性能を評価するための性能評価方法と装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
例えば固体高分子電解質型燃料電池では、図8に示すように、電解質膜1とその表裏面に塗布された電極触媒層2、2からなる電極(MEA:Membrane-Electrode Assembly)3が用いられ、該電極3は、拡散層4、4を介して、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流路5を形成するセパレータ6により挟持されて単位セルAとされる。電解質膜1にはパーフルオロスルフォン酸膜や炭化水素系膜などのイオン交換膜が用いられ、そこに、触媒物質(例えば、Pt)を担持したカーボン粉末と電解質粉末(フッ素形機能樹脂、パーフルオロスルフォン酸アミドなど)を混合したものが電極触媒層2として塗布形成される。拡散層4は燃料ガスや酸化ガスを効率よく拡散させるためのものでありカーボンクロスやカーボンペーパーなどが用いられる。固体高分子電解質型燃料電池に限らず、他の形態の燃料電池においても、同様な拡散層が形成される。
【0003】
流体流路5に供給された燃料ガスあるいは酸素ガスが拡散層4を透過する態様は、大別して、拡散層4のセパレータ6で押圧されていない領域を透過して電極触媒層2に達する態様(図8でF1として示す)、拡散層4のセパレータ6で押圧されている領域を透過して電極触媒層2に達する態様(図8でF2として示す)、および、拡散層4のセパレータ6で押圧されている領域を面方向に透過して隣接する流体通路5に流出してしまう態様(図8でF3として示す)、の3つの態様に分けられる。
【0004】
ところで、燃料電池の発電効率を高めるために、電極などの性能を客観的に評価することが必要とされる。例えば、特開2000−283951号公報には、ガス拡散電極の評価試験方法として、電極試験片を電解質溶液に一部浸漬した状態で保持し、経時的に当該電極試験片の浸漬部分を変えることにより、気相部と液層部との境界において電極が3相界面を形成するようにしてガス拡散電極疑似環境を実現する方法が記載されている。また、特開平5−205762号公報には、リン酸型燃料電池の単位セルを加圧挟持できる特性評価装置が記載されており、該装置を用いて単位セルの発電特性およびガスシール特性を評価して、不良単位セルを早期に弁別するようにしている。
【0005】
【発明が解決すべき問題点】
燃料電池あるいはその単位セルは、前記のように、電解質膜、電極触媒層、拡散層、セパレータなどの複数の部材が有機的に組み合わされて構成されており、その放電(発電)性能の良否は、それらの組み合わせ状態に起因する場合もあり、個々の構成部材それ自身に起因する場合もあると考えられる。従来行われている燃料電池性能評価は、前記した各公報にも記載されるように、組み立て後の単位セルを基準として行われるのが普通であり、テスト結果として得られた性能の善し悪しが、どの構成部材に起因して生じているのかを明確に把握することはできていない。個々の構成部材について、個々に客観的な性能評価を行うことができれば、得られたデータは効率の良い燃料電池(単位セル)を設計するのにきわめて有効なものとなる。
【0006】
本発明は、上記のような事情に鑑みてなされたものであり、燃料電池を構成する個々の部材のうち、特に拡散層に注目し、当該拡散層の性能評価を拡散層単独で行い得るようにした性能評価方法とそのための装置を提供することを目的とする。
【0007】
【課題を解決するための手段】
上記の課題を解決すべく多くの実験と研究を行うことにより、本発明者らは、燃料電池拡散層の持つ通気性能が、燃料電池(単位セル)の放電性の良否に大きな影響を持つことを知覚した。個々の拡散層の持つ通気性能を客観的に把握しておけば、そのデータは効率のよい燃料電池(単位セル)の組み立てるのにきわめて有効となる。
【0008】
本発明はそのような知覚に基づくものであり、本発明による燃料電池拡散層の性能評価方法は、燃料電池拡散層を一部に脱気孔を備えた測定治具により気密的に挟持し、挟持した拡散層に一定流量のガスを供給し、供給したガスの一部が当該拡散層を透過して脱気孔から大気に抜け出ることにより生じる背圧の変化を測定することにより当該拡散層の通気性能を評価することを特徴とする。
【0009】
拡散層には、カーボンクロスやカーボンペーパーなど種々の材料が用いられ、また、発電容量などに応じてその厚みも変化する。多くの種類の拡散層について、上記の方法によりその通気性能を同一条件下での客観的なデータとして揃えておけば、実際の単位セルの組み立て時にそのデータをきわめて有効に利用することができる。
【0010】
前記したように、拡散層を単位セルに組み込んだときに、燃料ガスあるいは酸化剤ガスは、当該拡散層を一方面から他方面に抜け出る態様(図8におけるF1とF2)と、一方の面から入り込み面方向に移動して同じ面から出ていく態様(図8におけるF3)とが起こり得る。前者の態様は発電に関与するものであり、後者の態様は発電に直接関与せずロスとして計上される。各拡散層について3態様のデータを得ることは、発電効率の改善と共に、拡散層そのものの材質の改善にきわめて有効である。
【0011】
従って、本発明による燃料電池拡散層の性能評価方法において、供給したガスが測定治具で挟持された拡散層の一方の面から他方の面へ透過して大気に抜け出ることによる背圧の変化を測定して、当該拡散層の厚み方向での通気性能の評価を行うこと(前記F1およびF2の態様での評価)、および、供給したガスが測定治具で挟持された拡散層において面方向に透過して大気に抜け出ることによるによる背圧の変化を測定して、当該拡散層の面方向での通気性能の評価を行うこと(前記F3の態様での評価)、はそれぞれ有効性の高い性能評価方法となる。
【0012】
実際の単位セルにおいて、拡散層は電極触媒層を備えた電解質層とセパレータとの間で所定に加圧された状態で挟持される。そして、セパレータの拡散層に接する面には通常多数の燃料(空気)流路が形成されている。従って、そのような実際の単位セル内の状態に近似した条件下での拡散層の通気性能を把握しておくこともまた効率のよい燃料電池を構築するに有効となる。
【0013】
従って、本発明による燃料電池拡散層の性能評価方法において、測定治具により挟持した拡散層の一部または全部に所定圧力を付与した状態で、当該拡散層の通気性能の評価を行うことは、有効性の高い性能評価方法となる。測定治具の表面にセパレータに形成されるガス流路に相当する凹溝を形成しておき、測定治具を介して、挟持した拡散層を加圧することにより、拡散層の一部の部位に所定圧力を付与し、他の部位(凹溝の部分)には圧力を付与しない状態を容易に作り出すことができ、上記各種の通気性能試験を行うことができる。
【0014】
本発明は、また、上記の方法を実施するための装置として、性能を評価すべき燃料電池拡散層を載置する載置手段と、載置手段と協働して該拡散層を挟持する挟持手段と、挟持された拡散層を気密的に保持する気密保持手段と、気密的に挟持された拡散層に向けて所定圧のガスを供給するガス供給手段と、供給されたガスの一部が挟持された拡散層を透過して大気に抜け出ることを許容する脱気手段と、さらに、供給されたガスの背圧を測定する手段とを少なくとも備えていることを特徴とする燃料電池拡散層の性能評価装置をも開示する。
上記装置を用いることにより、種々の異なった物性値を持つ拡散層の試験サンプルに対して、画一的な通気性能試験を行うことが可能となる。
【0015】
好ましくは、上記の装置において、挟持された拡散層を気密的に保持する手段に対して、載置手段および挟持手段のいずれか一方または双方が着脱かつ交換自在とされる。この態様では、複数個の異なった形態の載置手段およびまたは挟持手段を用意しておき、それらを適宜組み合わせて拡散層の挟持に用いることができるので、同一の装置を用いてより多くの通気試験パターンを実施することができる。
【0016】
上記の装置において、載置手段および挟持手段のいずれか一方にガス供給手段を備え、他方に脱気手段を備えるようにしてもよく、あるいは、載置手段および挟持手段のいずれか一方に、ガス供給手段と脱気手段との双方を備えるようにしてもよい。前者の形態では、挟持した拡散層の一方の面から他方の面へ抜ける方向の通気性能を評価することができ、後者の態様では、挟持された拡散層における面方向での通気性能を評価することができる。いずれの態様を採用するかは、前記した挟持された拡散層を気密的に保持する手段に対してどの形態の載置手段およびまたは挟持手段を取り付けることによって、容易に選択することができる。
【0017】
上記の装置において、好ましくは、載置手段と挟持手段とで挟持された拡散層の一部または全部に所定圧力を付与する圧力付与手段がさらに備えられる。さらに好ましくは、付与圧力を計測するためにロードセルを設置する。挟持された拡散層の一部に所定圧力を付与するには、例えば、拡散層に接する面にセパレータに形成されるガス流路に相当する凹溝を形成した載置手段または挟持手段を用いることにより、それを実施することができる。適宜の加圧手段により載置手段または挟持手段を押圧することにより、挟持された拡散層の一部の部位には所定圧力が付与され、他の部位(凹溝の部分)には圧力が付与されない状態が創出される。
【0018】
なお、本発明において、背圧の変化は、ガスを連続的に定量供給しながら経時的にそれを測定してもよく、最初に一定流量のガスを供給して加圧状態とし、そこでガスの供給を停止して、以降の背圧変化を経時的に測定するようにしてもよい。
【0019】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照しながら本発明を説明する。図1は、本発明による燃料電池拡散層の通気性能による性能評価方法を実施するための装置の一実施の形態を示す斜視図であり、図2は図1の装置の断面図である。また、図3は本発明の主要部である載置手段や挟持手段などの各部材の一例を分解して示す図であり、図4は図3に示す各部材を組み付けた後の状態を断面で示している。
【0020】
この例において、本発明による装置10は、基台11とそこに立設した支柱12を有し、基台11には測定部である載置手段20などの部材が組み立て分解自在に取り付けられ、支柱12には加圧手段70が上下方向に移動自在に取り付けられる。
【0021】
載置手段20は、ベースブロック21と下部測定ブロック30と中空筒体40とを備える。ベースブロック21は、中央部に所定深さの有底穴22を有し、該有底孔22にはガス導入孔として機能する透孔23と背圧を測定する機器(不図示)を取り付けるための透孔24のそれぞれの一方端が開放している。有底孔22を囲うようにして同心壁25が一体形成されており、その内周壁にはO−リング26が装着され、外周面にはねじ27が切られている。また、底部には、基台11に設けた孔12に入り込む位置決め用の突起28が形成してある。
【0022】
下部測定ブロック30は全体として円筒形のものであり、内部に下端側を開放した円筒穴31が形成される。円筒穴31の天井面32と下部測定ブロック30の上端面33とは、複数の孔34と該孔34の上方端を繋ぐ環状の凹溝35により連通している。下部測定ブロック30の外周径はベースブロック21の有底穴22の内周径とほぼ同じであり、その下端近傍には、ベースブロック21に形成した同心壁25の頂面に載置する膨出部36が形成されている。
【0023】
中空筒体40は上方側を開放した有底孔41を備え、底部にはベースブロック21の内底面に形成した孔29に入り込む位置決め用の突起42が形成されている。中空筒体40の外径寸法は下部測定ブロック30の円筒穴31の内径寸法よりも小さく、また、上端縁に沿って多数の切り欠き43が形成されている。
【0024】
組み立てに当たっては、最初に、基台11にベースブロック21を載置し、ベースブロック21の中に中空筒体40を取り付ける。その上から、下部測定ブロック30をかぶせるようにして配置する。それにより、下部測定ブロック30はその膨出部36の下面がベースブロック21に形成した同心壁25の上端面に載った状態で位置決めがされる。その状態で、中空筒体40の上端面は、下部測定ブロック30の天井面32における複数の孔34の外側において、接するようにされる。
【0025】
その状態を安定的に保持するために取り付けリング45を用いる。取り付けリング45は、ベースブロック21に形成した同心壁25の外周面に成形したねじ27に噛み合う内ねじ46を形成した円筒壁47と、該円筒壁47の上部に一体形成された内向きフランジ48とからなり、ねじ27と内ねじ46とを螺合して取り付けリング45をねじ込むことにより、内向きフランジ48に前記膨出部36の上面が押し付けられた状態となり、下部測定ブロック30の安定的に位置決めが行われる。ねじ係合を解くことにより、各部材を容易に分解することができる。
【0026】
下部測定ブロック30の上端面33の上には、上部測定ブロック50が載置される。上部測定ブロック50は下部測定ブロック30と同じ外径寸法の円筒体であり、図1〜図4に示す例においては、上部測定ブロック50の底面には円環状の凹溝51(51a)が形成されている。該凹溝51(51a)は、上部測定ブロック50を下部測定ブロック30の上に載せたときに、下部測定ブロック30の上端面33に形成した円環状の凹溝35と同心円状ではあるが相互に重なり合う部分がないようにして形成されている。図示の例では、凹溝51(51a)は、凹溝35の外側に位置するようにされている。凹溝51(51a)と凹溝35との隔離距離、すなわち、凹溝35の外周線と凹溝51(51a)の内周線との間の距離hは任意に設定され、図2および図4に示す例では、距離hがh1である場合(凹溝51)と、h2(>h1)である場合(凹溝51a)の2つの態様が、同じ図面に示してある。
【0027】
円環状の凹溝51(51a)に連通するようにして複数本の縦孔52(52a)が形成されており、該縦孔52(52a)の上端は水平孔53(53a)を介して大気に開放している。さらに、図示の例では、上部測定ブロック50の底面に、下部測定ブロック30に載置したときに凹溝35の領域に外周縁が位置する大きさの凹陥部55が形成されており、ガスの均一な循環を確保している。なお、このような凹陥部55は省略してもよい。
【0028】
上下に配置した下部測定ブロック30と上部測定ブロック50との衝接面からガスが流出するのを防ぐために、気密保持手段60が用いられる。気密保持手段60は円筒体状のものであり、その内周径は下部測定ブロック30と上部測定ブロック50の外周径とほぼ同じとされる。そして、内周面には上下2段に凹溝61、61が形成され、その中にO−リング62、62が挿入されている。円筒体の下端面が取り付けリング45の内向きフランジ48上に乗ることにより気密保持手段60は位置決めがされ、その状態で、上下のO−リング62、62の間に下部測定ブロック30と上部測定ブロック50との衝接面が位置するようにされる。なお、結果的に、円筒体状の気密保持手段60により上部測定ブロック50は下部測定ブロック30に対して位置決めされるので、上部測定ブロック50に対する外部からのガイドなどは不要となり、構成的にも簡素化できる利点がもたらされる。また、組み立て分解も容易となる。
【0029】
支柱12に取り付けられる加圧手段70は、試験時に上部測定ブロック50に対して圧力を付与できるものであればどのような手段であってもよいが、ここでは、ハンドル70aの回転に同期して上下動する第1の機枠71と、ハンドル70aの回転とは無関係に上下動できる第2の機枠72との間にコイルばね73を介装すると共に、第1の機枠71に対して第2の機枠72が自由に移動できるようにされている。そして、第2の機枠72の下端にはロードセル74を取り付けている。
【0030】
上記の装置10の使用態様を説明する。前記したようにして、基台11にベースブロック21を載置し、ベースブロック21の中に中空筒体40を取り付け、その上から、下部測定ブロック30をかぶせた後、取り付けリング45を用いて全体を一体化する。そして、ベースブロック21に形成した透孔23に図示しない加圧ガス供給源を接続し、もう一つの透孔24には図示しない背圧測定機器を取り付ける。組み付けた下部測定ブロック30の上端面33の上に、性能を評価しようとする拡散層100を配置する。好ましくは、拡散層100は下部測定ブロック30の上端面33の形状に一致するように裁断しておく。
【0031】
拡散層100の配置と前後して、下部測定ブロック30の上方から気密保持手段60を外嵌合状態で圧入し、さらに、該気密保持手段60に内嵌合する状態で上部測定ブロック50を配置した拡散層100に衝接するまで圧入する。その後、ハンドル70aを操作して加圧手段70を下降させ、ロードセル74の先端を上部測定ブロック50の上面に衝接させる。さらにハンドル70aを操作して上部測定ブロック50を次第に押し下げる。それにより、拡散層100の前記した凹溝35の外周線と凹溝51(51a)の内周線との間の距離(幅)h(h1あるいはh2)である環状平面部分には所要の負荷がかけられた状態となる。図示しないが、拡散層100に係る荷重を適宜の外部モニターに表示させておくことにより、所望の面圧を拡散層100の前記環状平面部分(評価領域)に与えることができる。
【0032】
加圧ガス供給源から所定圧のガスを下部測定ブロック30と上部測定ブロック50とで囲まれた空間Sに供給する。空間Sは、O−リング26とO−リング62、62と気密に閉鎖されており、上部測定ブロック50に形成した環状凹溝51(51a)、縦孔52(52a)および水平孔53(53a)からなる連通部が脱気孔として外気に連通しているにすぎない。そして、環状凹溝51(51a)と空間Sとの間には、評価しようとする拡散層100の前記した幅h(h1あるいはh2)である環状平面部分が存在しており、該環状平面部分は所定の抵抗を持っている。該抵抗に抗して環状平面部分を透過したガスのみが大気に放出される。
【0033】
従って、加圧ガス供給源から所定圧のガスを一定量供給することにより、空間S内には所定圧が立ち、その圧は前記した背圧測定機器により測定される。そして、供給したガスの一部は拡散層100の前記環状平面部分を透過して大気に放出されるので、透過量に応じて背圧は変化する。この背圧の変化を測定することにより、当該拡散層100の通気性能を画一的に評価することができる。なお、図2、図4に示したものにおいて、下部測定ブロック30側の円環状凹溝35を実際のセルにおけるセパレータ6の流体通路5に比定することができ、拡散層100を押圧する上部測定ブロック50の前記幅hの領域部分を流体通路5、5の間の圧接部と比定することができる。従って、図2、図4に示した実施の形態では、図8に示したF2に相当する領域のガス透過性能を評価しているのと等価となる。また、幅h1は幅h2と比較してきわめて狭くなっており、この場合に、流体通路5と押圧部との境界領域(図8で○が囲んで示している)での通気性能に近似したものを評価することができる。
【0034】
なお、上記の装置および評価方法において、中空筒体40は必ずしも必要なものではない。省略して評価を行うこともできる。しかし、拡散層100はクロスや紙などを材質としている場合が多く、評価の過程で微少な糸くずが発生しやすい。糸くずなどがガス流路内に堆積すると背圧測定機器の測定結果に悪影響を及ぼす。上記のようにして中空筒体40を配置することにより、糸くずなどはその中に収納されるようになり、ガス流路に影響を与えるのを回避することができる。
【0035】
図5は本発明の他の実施の形態を示す図4に相当する断面図である。ここでは上部測定ブロック50Aが図2、図4に示したものと相違している。すなわち、この上部測定ブロック50Aでは、底面に形成した円環状の凹溝51Aが、上部測定ブロック50Aを下部測定ブロック30の上に載せたときに、下部測定ブロック30の上端面33に形成した円環状の凹溝35と重なり合うようにして形成されている。円環状の凹溝51Aは縦孔52Aおよび水平孔53Aを介して大気に開放しており、この態様は図2、図4に示したものと同様である。
【0036】
この形態では、下部測定ブロック30側の円環状凹溝35内のガスは、上部測定ブロック50Aにより圧力を受けていない部分を透過して反対側に位置する円環状凹溝51Aに流入し、大気に放出される。このガス透過性能は、図8に示したF1に相当する領域のガス透過性能を評価しているのと等価となる。また、幅h1は幅h2と比較してきわめて狭くなっており、この場合に、流体通路5と押圧部との境界領域(図8で○が囲んで示している)での通気性能に近似したものを評価することができる。
【0037】
図6は本発明のさらに他の実施の形態を示す図4に相当する断面図である。ここでは、下部測定ブロック30Bと上部測定ブロック50Bの双方が部分的に図2、図4に示したものと相違している。すなわち、複数の孔34と該孔34の上方端を繋ぐ環状の凹溝35が形成される点では、図2、図4に示したものと同様であるが、さらに、円環状の凹溝35の外側に同心円状に第2の環状の凹溝37が形成されており、該第2の環状の凹溝37は孔38を介して大気に開放している。この第2の環状の凹溝37と孔38とが本発明でいう脱気孔を形成する。なお、図で、69は孔38を大気に開放するために気密保持手段60に形成された切り欠き部である。上部測定ブロック50Bは図2、図4に示した上部測定ブロック50における凹陥部55が形成されるのみで、外部に連通する孔は形成されない。
【0038】
この形態において、上部測定ブロック50Bを載置して押し下げたとき、円環状の凹溝35とその外側に同心円状に形成された第2の環状の凹溝37との間の幅h3の領域において、評価しようとする拡散層100は所定の荷重を受けた状態となる。そして、空間S内の加圧ガスは凹溝35から該拡散層100の凹圧された領域を面方向に透過して第2の凹溝37に至り、孔38を通って外気に放出される。このガス透過性能は、図8に示したF3に相当する領域のガス透過性能を評価しているのと等価であり、隣接流路へのガスの漏れ性を評価できる。
【0039】
本発明の装置において、気密保持手段60の2つのO−リング62、62による気密性が破壊した場合には、空間S内のガスが下部測定ブロック30と上部測定ブロック50との衝接面から大気に放出されることとなり、適正な評価を行うことができない。図7は気密保持手段60の気密性をチェックする場合の使用態様を示している。ここでは、下部測定ブロック30と上部測定ブロック50に代わるものとして、下部測定ブロック30と上部測定ブロック50と同じ外径寸法であり、背の高いテスト用筒体90を用いている。この筒体90は底部近傍に膨出部91を持ち、かつ、内部に下端を開放した空所92を有している。周壁部には前記空所92を外気に連通する多数の貫通孔93が形成されている。このテスト用筒体90を上記した下部測定ブロック30と同様にして取り付けリング45を用いてベースブロック21に取り付ける。そして、気密保持手段60をその2つのO−リング62、62の間に前記貫通孔93が位置するようにして装着する。その状態が図7に示されており、この状態で空所92内に拡散膜の評価時と同様にして加圧ガスを流し込み、背圧の変化を見ることにより、2つのO−リング62、62の気密性能を確認することができる。
【0040】
【発明の効果】
上記のように、本発明によれば、燃料電池を構成する拡散層の性能評価、特に通気性能に基づく性能評価を拡散層単独で行うことができる。また、性能評価を実際の燃料電池の運転状態に疑似した状態で、かつ、実際の拡散層で生じている異なった態様のガス透過性について、それぞれ性能評価を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明による燃料電池拡散層の通気性能による性能評価方法を実施するための装置の一実施の形態を示す斜視図。
【図2】図1の装置の断面図。
【図3】本発明の主要部である載置手段や挟持手段などの各部材の一例を分解して示す図。
【図4】図3に示す各部材を組み付けた後の状態を断面で示す図。
【図5】本発明の他の実施の形態を示す図4に相当する断面図。
【図6】本発明のさらに他の実施の形態を示す図4に相当する断面図。
【図7】気密保持手段の気密性をチェックする場合の使用態様を示す断面図。
【図8】電解質膜とその表裏面に塗布された電極触媒層からなる電極を説明する図。
【符号の説明】
10…本発明による燃料電池拡散層の通気性能による性能評価方法を実施するための装置、11…基台、12…支柱、20…測定部である載置手段、70…加圧手段、21…ベースブロック、22…有底穴、23…ガス導入孔として機能する透孔、24…背圧を測定する機器を取り付けるための透孔、25…同心壁、26…O−リング、27…ねじ、28…位置決め用の突起、30…下部測定ブロック、31…円筒穴、32…天井面、33…下部測定ブロックの上端面、34…複数の孔、35…環状の凹溝、36…同心壁の頂面に載置する膨出部、40…中空筒体、41…有底孔、42…位置決め用の突起、43…切り欠き、45…取り付けリング、46…内ねじ、47…円筒壁、48…内向きフランジ、50…上部測定ブロック、51…円環状の凹溝、52…複数本の縦孔、53…水平孔、55…凹陥部、60…気密保持手段、61…凹溝、62…O−リング、70…加圧手段、70a…ハンドル、71…第1の機枠、72…第2の機枠、73…コイルばね、74…ロードセル[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a performance evaluation method and apparatus for evaluating the performance of a diffusion layer sandwiched between an electrode and a separator in various types of fuel cells.
[0002]
[Prior art]
For example, in a solid polymer electrolyte fuel cell, as shown in FIG. 8, an electrode (MEA: Membrane-Electrode Assembly) 3 comprising an electrolyte membrane 1 and
[0003]
The mode in which the fuel gas or oxygen gas supplied to the
[0004]
By the way, in order to increase the power generation efficiency of the fuel cell, it is necessary to objectively evaluate the performance of the electrodes and the like. For example, in Japanese Patent Laid-Open No. 2000-283951, as an evaluation test method for a gas diffusion electrode, an electrode test piece is held in a partially immersed state in an electrolyte solution, and the immersion part of the electrode test piece is changed over time. Describes a method for realizing a gas diffusion electrode simulated environment in such a manner that the electrode forms a three-phase interface at the boundary between the gas phase portion and the liquid layer portion. Japanese Patent Application Laid-Open No. 5-205762 discloses a characteristic evaluation apparatus that can press-clamp a unit cell of a phosphoric acid fuel cell, and evaluates the power generation characteristics and gas seal characteristics of the unit cell using the apparatus. Thus, defective unit cells are discriminated early.
[0005]
[Problems to be solved by the invention]
As described above, a fuel cell or a unit cell thereof is configured by organically combining a plurality of members such as an electrolyte membrane, an electrode catalyst layer, a diffusion layer, and a separator, and whether the discharge (power generation) performance is good or bad. In some cases, it may be caused by a combination state thereof, or may be caused by individual component members themselves. Conventionally performed fuel cell performance evaluation, as described in each of the above-mentioned publications, is usually performed on the basis of the unit cell after assembly, and whether the performance obtained as a test result is good or bad, It is not possible to clearly grasp which component causes the problem. If objective performance evaluation can be performed individually for each component member, the obtained data will be extremely effective for designing an efficient fuel cell (unit cell).
[0006]
The present invention has been made in view of the circumstances as described above, and attention is paid particularly to the diffusion layer among the individual members constituting the fuel cell so that the performance evaluation of the diffusion layer can be performed by the diffusion layer alone. An object of the present invention is to provide a performance evaluation method and an apparatus therefor.
[0007]
[Means for Solving the Problems]
By conducting many experiments and researches to solve the above problems, the present inventors have found that the ventilation performance of the fuel cell diffusion layer has a great influence on the quality of the discharge performance of the fuel cell (unit cell). Perceived. If the air permeability of each diffusion layer is objectively grasped, the data is extremely effective for assembling an efficient fuel cell (unit cell).
[0008]
The present invention is based on such perception, and the fuel cell diffusion layer performance evaluation method according to the present invention is a method in which the fuel cell diffusion layer is airtightly sandwiched by a measurement jig partially equipped with a deaeration hole. The gas diffusion performance of the diffusion layer is measured by supplying a constant flow of gas to the diffusion layer and measuring the change in the back pressure that occurs when a part of the supplied gas passes through the diffusion layer and escapes from the deaeration holes to the atmosphere. It is characterized by evaluating.
[0009]
Various materials such as carbon cloth and carbon paper are used for the diffusion layer, and the thickness varies depending on the power generation capacity. For many types of diffusion layers, if the ventilation performance is prepared as objective data under the same conditions by the above method, the data can be used very effectively when an actual unit cell is assembled.
[0010]
As described above, when the diffusion layer is incorporated in the unit cell, the fuel gas or the oxidant gas escapes from the one surface to the other surface (F1 and F2 in FIG. 8) and from one surface. A mode (F3 in FIG. 8) of moving in the entrance surface direction and exiting from the same surface may occur. The former mode is related to power generation, and the latter mode is not directly related to power generation and is counted as a loss. Obtaining three types of data for each diffusion layer is extremely effective for improving the material efficiency of the diffusion layer itself as well as improving the power generation efficiency.
[0011]
Therefore, in the method for evaluating the performance of the fuel cell diffusion layer according to the present invention, the change in the back pressure caused by the supplied gas permeating from one surface of the diffusion layer sandwiched by the measuring jig to the other surface and exiting to the atmosphere. Measure and evaluate the ventilation performance in the thickness direction of the diffusion layer (evaluation in the embodiment of F1 and F2), and in the surface direction in the diffusion layer in which the supplied gas is sandwiched by the measurement jig Measuring the change in the back pressure due to permeating through the atmosphere and evaluating the ventilation performance in the surface direction of the diffusion layer (evaluation in the aspect of F3) is a highly effective performance. It becomes an evaluation method.
[0012]
In an actual unit cell, the diffusion layer is sandwiched between the electrolyte layer having the electrode catalyst layer and the separator in a predetermined pressure state. A large number of fuel (air) channels are usually formed on the surface of the separator in contact with the diffusion layer. Therefore, it is also effective to construct an efficient fuel cell by ascertaining the ventilation performance of the diffusion layer under conditions that approximate the actual state in the unit cell.
[0013]
Therefore, in the method for evaluating the performance of the fuel cell diffusion layer according to the present invention, it is possible to evaluate the ventilation performance of the diffusion layer in a state where a predetermined pressure is applied to a part or all of the diffusion layer sandwiched by the measurement jig. This is a highly effective performance evaluation method. A concave groove corresponding to the gas flow path formed in the separator is formed on the surface of the measurement jig, and the sandwiched diffusion layer is pressurized via the measurement jig, so that a part of the diffusion layer is formed. It is possible to easily create a state in which a predetermined pressure is applied and no pressure is applied to other parts (concave grooves), and the above-described various ventilation performance tests can be performed.
[0014]
The present invention also provides, as an apparatus for carrying out the above method, a mounting means for mounting a fuel cell diffusion layer whose performance is to be evaluated, and a sandwiching mechanism for sandwiching the diffusion layer in cooperation with the mounting means. Means, an airtight holding means for airtightly holding the sandwiched diffusion layer, a gas supply means for supplying a gas of a predetermined pressure toward the airtightly sandwiched diffusion layer, and a part of the supplied gas A fuel cell diffusion layer comprising at least deaeration means for allowing passage through the sandwiched diffusion layer and allowing escape to the atmosphere, and means for measuring the back pressure of the supplied gas A performance evaluation device is also disclosed.
By using the above apparatus, it is possible to perform a uniform ventilation performance test on a diffusion layer test sample having various different physical property values.
[0015]
Preferably, in the above apparatus, either one or both of the placing means and the sandwiching means is detachable and replaceable with respect to the means for hermetically holding the sandwiched diffusion layer. In this aspect, a plurality of different forms of mounting means and / or clamping means are prepared, and these can be combined as appropriate for use in clamping the diffusion layer, so that more ventilation can be achieved using the same device. A test pattern can be implemented.
[0016]
In the above apparatus, either the mounting means or the clamping means may be provided with a gas supply means, and the other may be provided with a deaeration means. Alternatively, either the mounting means or the clamping means may be provided with a gas. You may make it provide both a supply means and a deaeration means. In the former form, it is possible to evaluate the ventilation performance in the direction from one surface of the sandwiched diffusion layer to the other surface, and in the latter aspect, the breathing performance in the surface direction of the sandwiched diffusion layer is evaluated. be able to. Which mode is adopted can be easily selected by attaching any form of mounting means and / or clamping means to the means for hermetically holding the sandwiched diffusion layer.
[0017]
In the above apparatus, preferably, a pressure applying means for applying a predetermined pressure to a part or all of the diffusion layer held between the placing means and the holding means is further provided. More preferably, a load cell is installed to measure the applied pressure. In order to apply a predetermined pressure to a part of the sandwiched diffusion layer, for example, a mounting means or a sandwiching means in which a concave groove corresponding to a gas flow path formed in the separator is formed on a surface in contact with the diffusion layer is used. Can implement it. By pressing the mounting means or the clamping means with an appropriate pressurizing means, a predetermined pressure is applied to a part of the sandwiched diffusion layer, and a pressure is applied to the other part (concave groove part). A state that is not done is created.
[0018]
In the present invention, the change in the back pressure may be measured over time while continuously supplying the gas. First, a constant flow rate of gas is supplied to make the gas pressurized. The supply may be stopped and subsequent changes in back pressure may be measured over time.
[0019]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
The present invention will be described below with reference to the drawings. FIG. 1 is a perspective view showing an embodiment of an apparatus for carrying out a performance evaluation method based on the ventilation performance of a fuel cell diffusion layer according to the present invention, and FIG. 2 is a sectional view of the apparatus of FIG. FIG. 3 is an exploded view showing an example of each member such as mounting means and clamping means, which are the main parts of the present invention, and FIG. 4 is a cross-sectional view after the members shown in FIG. 3 are assembled. Is shown.
[0020]
In this example, an
[0021]
The mounting means 20 includes a
[0022]
The
[0023]
The
[0024]
In assembling, first, the
[0025]
A mounting
[0026]
The
[0027]
A plurality of vertical holes 52 (52a) are formed so as to communicate with the annular concave groove 51 (51a), and the upper ends of the vertical holes 52 (52a) are connected to the atmosphere via the horizontal holes 53 (53a). It is open to. Further, in the illustrated example, a
[0028]
In order to prevent gas from flowing out from the contact surface between the
[0029]
The pressurizing means 70 attached to the
[0030]
The usage mode of said
[0031]
Before and after the arrangement of the
[0032]
A gas having a predetermined pressure is supplied from a pressurized gas supply source to a space S surrounded by the
[0033]
Accordingly, by supplying a certain amount of gas having a predetermined pressure from the pressurized gas supply source, a predetermined pressure is established in the space S, and the pressure is measured by the back pressure measuring instrument described above. And since a part of supplied gas permeate | transmits the said annular plane part of the
[0034]
In the above apparatus and evaluation method, the
[0035]
FIG. 5 is a sectional view corresponding to FIG. 4 showing another embodiment of the present invention. Here, the
[0036]
In this embodiment, the gas in the
[0037]
FIG. 6 is a sectional view corresponding to FIG. 4 showing still another embodiment of the present invention. Here, both the
[0038]
In this embodiment, when the
[0039]
In the apparatus of the present invention, when the airtightness due to the two O-
[0040]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, the performance evaluation of the diffusion layer constituting the fuel cell, particularly the performance evaluation based on the ventilation performance can be performed by the diffusion layer alone. Further, the performance evaluation can be performed for the gas permeability in different modes generated in the actual diffusion layer in a state in which the performance evaluation is simulated in the actual operation state of the fuel cell.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a perspective view showing an embodiment of an apparatus for carrying out a performance evaluation method based on aeration performance of a fuel cell diffusion layer according to the present invention.
2 is a cross-sectional view of the apparatus of FIG.
FIG. 3 is an exploded view showing an example of each member such as mounting means and clamping means, which are the main part of the present invention.
4 is a cross-sectional view showing a state after the members shown in FIG. 3 are assembled. FIG.
FIG. 5 is a cross-sectional view corresponding to FIG. 4 showing another embodiment of the present invention.
6 is a cross-sectional view corresponding to FIG. 4, showing still another embodiment of the present invention.
FIG. 7 is a cross-sectional view showing a use mode when checking the airtightness of the airtight holding means.
FIG. 8 is a view for explaining an electrode composed of an electrolyte membrane and an electrode catalyst layer applied to the front and back surfaces thereof.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF
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