JP4337332B2

JP4337332B2 - Performance evaluation method and apparatus based on drainage performance of fuel cell diffusion layer

Info

Publication number: JP4337332B2
Application number: JP2002340478A
Authority: JP
Inventors: 信平阿部
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2002-11-25
Filing date: 2002-11-25
Publication date: 2009-09-30
Anticipated expiration: 2022-11-25
Also published as: JP2004178830A

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、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（ＭＥＡ:Membrane-Electrode Assembly）が用いられ、該電極は、拡散層を介して、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を形成するセパレータにより挟持されて単位セルとされる。電解質膜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る。電極触媒層は触媒物質（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）を混合したものが塗布形成される。拡散層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などの多孔質体が用いられる。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】
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、特許文献１（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、特許文献２（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。
【０００４】
【特許文献１】
特開２０００−２８３９５１号公報
【特許文献２】
特開平５−２０５７６２号公報
【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、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、湿潤状態にある拡散層の表面にガスを通過させたとき当該ガスにより持ち去られる水の状態（量の多寡）（本発明において、これを「排水性能」という）は、実際の燃料電池において拡散層の電極接触面から反対面への生成水の持ち去り状態にきわめて近似していること、また、拡散層の排水性能の良否は燃料電池の性能を大きく左右する因子であることを知覚した。従って、個々の拡散層の持つ排水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、評価すべき燃料電池拡散層を既知容量の水の中に一方の面が露出した姿勢で湿潤状態に収容しておき、該露出した面に既知の湿度のガスを流し、所定時間経過後に該ガスにより持ち去られることにより減衰した水の減水量を測定することにより当該拡散層の排水性能を評価することを特徴とする。
【０００９】
本発明による燃料電池拡散層の性能評価方法の他の態様は、評価すべき燃料電池拡散層の一方の面に既知の湿度のガスを流し、既知容量の水を収容した容器から微小圧力の水を該拡散層の他方の面から前記一方の面に向けて供給して拡散層全体を湿潤状態とし、所定時間経過後に該ガスにより持ち去られることにより減衰した水の減水量を測定することにより当該拡散層の排水性能を評価することを特徴とする。
【００１０】
拡散層には、カーボンクロスやカーボンペーパ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排水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。
【００１１】
同じ拡散層であっても、それが置かれる圧力条件や温湿度条件によって、その排水性能が変化することがある。また、実際の燃料電池において拡散層は加圧下に置かれており、また、運転時には所定の高温状態となっている。従って、本発明の好ましい態様では、燃料電池の運転時の環境を擬した圧力と温湿度条件下で上記の評価を行うようにする。それにより、実際の運転条件下での拡散層の排水性能に近似したデータを入手することができる。
【００１２】
実際の電池環境では、生成水は圧力を発生しない。従って、生成水が拡散層の表面から飛び出して水滴を形成するようなことはない。評価試験においても燃料電池の運転状態におけると同じ条件下に拡散層を置くことが望まれる。そのために、既知容量の水を収容した容器から微小圧力の水を該拡散層の他方の面から前記一方の面に向けて供給して拡散層全体を湿潤状態とするに際して、その圧力は、供給する水が拡散層の下面側から上面にまで到達できるだけの圧力、すなわち、水が上位の面（前記一方の面）まで上昇することができるが、そこから飛び出して水滴を構成することのないような圧力とされる。もし、表面に水滴が形成される場合には、表面を流れるガスにより水滴が持ち去られるようになり、正確な排水性能を評価することが困難となる。この圧力は、拡散層の種類や厚みなどによって多少は相違するものの、現在使用されている拡散層をベースとすると０．００１ｋｇ／ｃｍ²のレベルである。
【００１３】
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または空気流路が形成されている。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、拡散層の一方の面に燃料電池で用いるセパレータに形成される凹溝を擬したガス流路を有する部材を所定圧力下で当接させておき、該ガス流路を介して既知の湿度のガスを流して、減水量を測定することは好ましい態様であり、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排水性能を一層確実に評価することができる。
【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、評価すべき燃料電池拡散層を載置する載置手段、載置手段の上方に位置し載置手段と協働して該拡散層を挟持する挟持手段、載置手段の拡散層に接する領域に微小圧力の水を供給する水供給手段、挟持手段の拡散層に接する領域に既知の湿度のガスを供給するガス供給手段、および、水供給手段内の水量を測定する手段、とを少なくとも備え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、画一的な排水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、載置手段と挟持手段との間に挟持された拡散層に圧力を加えるための加圧手段が備えられる。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配置する。この形態では、適宜の圧力を付与した状態での拡散層の性能を評価することができるので、より実機に近い状態でのデータを入手することができる。
【００１６】
好ましい態様において、挟持手段は、載置手段に一体に固定される第１の部分と該第１の部分に対して気密を保った状態で上下方向に移動できるように第１の部分に支持された第２の部分とで構成される。この態様では、第２の部分に圧力付与手段からの圧力を付与することにより、挟持手段本体とは無関係に挟持した拡散層に制御された値の圧力を付与することができる。また、測定に必要となる気密性は、載置手段と前記第１の部分との間で確保し、圧力付与はそれとは独立した第２の部分によって行うことができるので、加重付与時での安定性が向上する。なお、第１の部分に対する第２の部分の支持と気密性の確保は、平板状のダイヤフラムなどを利用して容易に行うことができる。
【００１７】
好ましくは、載置手段は装置機枠に固定した状態で取り付けられるが、挟持手段は装置機枠に対してリジットでなく、ある程度姿勢を変えられる状態で上下方向に移動自在に取り付けられる。挟持手段は載置手段に対してねじ止めなどにより一体に固定され、結果として、挟持手段も装置機枠に対して不動の状態となる。このようにすることにより、載置手段の平行度と、載置手段と挟持手段の双方の衝接面の平面度とを確保するのみで、所要の評価試験を行うことが可能となり、装置全体の構成を簡素化することができる。
【００１８】
好ましい態様において、少なくとも載置手段と挟持手段には温水循環路が形成され、かつ、該温水循環路に温水を供給するための温水供給手段が備えられる。温水供給手段に供給する温水温度を調温できる調温手段を備えることはより好ましい。この態様では、所定温度の温水を挟持された拡散層の周囲に循環させることよって、実際の燃料電池の運転環境と同じような温度環境を拡散層に与えることができ、実用に近いデータを得ることができる。また、ガス供給管路に沿って所定温度の温水を循環させることにより、加湿ガスが結露することも回避できる。
【００１９】
実際の燃料電池では拡散層に０．６ＭＰａ程度の圧力がかかっている。本発明による装置においても、好ましくは、同じような圧力を付与した状態で拡散層の排水性能試験が行われる。その際に、載置手段は、その圧力に耐えるだけの剛性を備えながら、載置される拡散層の裏面にできるだけ均一にかつ連続して水を供給できる構成であることが必要となる。そのために、本発明の装置の好ましい態様では、載置手段の拡散層と接する領域表面には、縦横に走る多数の凹溝と該凹溝の底部に連通しかつ裏面側に開放した多数の孔とを備えた誘水プレートが備えられる。さらに好ましくは、誘水プレートの裏面側に上方に向けて次第に面積の広がった水供給ホーンが備えられ、そこを介して水供給手段からの水が誘水プレートの裏面に供給される。この態様の誘水プレートは上からの圧力に対して充分な耐性を備えると共に、微少ピッチで凹溝が縦横に走っていることにより、拡散層の裏面全面に実質的に均一に水を供給することも可能となる。また、上方に向けて次第に面積の広がった水供給ホーンを用いることにより、一層安定した水の供給が可能となる。
【００２０】
好ましい態様において、挟持手段の第２の部分下端には燃料電池で用いるセパレータに形成される凹溝を擬したガス流路を有する流路部材が備えられ、該流路部材のガス流路にガス供給手段が接続される。流路部材は実際に用いられているセパレータであってもよい。このような流路部材を用いることにより実際の燃料電池の運転状態に近似した条件下での拡散層の性能評価を行うことができる。その際に、挟持手段に形成されるガス供給手段からのガス出口から流路部材までのガス案内路は、流路部材に全面に等しい条件でガスを案内するために通常複数本形成されるが、各案内路の路長を等長とすることは好ましく、それにより、各案内路を流れるガスを均一化することができ、より正確な排水性能評価データを得ることができる。
【００２１】
本発明において、載置手段の拡散層に接する領域に微小圧力の水を供給する水供給手段は、任意の手段であってよく、特に制限はない。しかし、前記したように好ましい微少圧力は０．００１ｋｇ／ｃｍ²のレベルであり、このような微少圧力を圧力制御弁のような機械的な調圧手段によりコンスタントに管理することは容易でない。本発明の好ましい態様では、水供給手段は水容器を有し、水容器内の水はサイホンの原理により載置手段の拡散層に接する領域に供給されるようになっている。そして、拡散層の評価時には、該水容器内の水位が載置手段と挟持手段との間に挟持された拡散層の上表面のレベルよりもわずかに（ｍｍ単位で）高いレベルとなるように維持される。このようにすることにより、水容器内の水位を拡散層表面高さに対して数ｍｍ単位で容易に変えることができ、結果として、簡単な構成でありながら０．００１ｋｇ／ｃｍ²のレベルでの水供給圧力を管理することが可能となる。
【００２２】
水供給手段内の水量を測定する手段にも特に制限はないが、上記のような水容器を用いる場合には水容器内の水の重さを測定すること、例えば、水容器を電子天秤などの重量測定機器の上に置き、測定開始時から終了時までの重量減を測定することは好ましい態様であり、精度の高い水の持ち去り量を容易に測定することができる。
【００２３】
【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排水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正面図であり、図２は図１の装置の測定部本体を示す斜視図、図３はその側面図である。図４は測定部本体の要部を拡大して示す断面図である。
【００２４】
この例において、本発明による装置Ａは測定部本体Ｂと水供給手段Ｃとを備える。測定部本体Ｂは基台１とそこに立設した支柱２を有し、基台１には被評価物である拡散層Ｄ（図２に仮想線で示される）が載置される載置手段１０が固定的に配置され、支柱２には載置手段１０に載置された拡散層Ｄを液密的に挟持する挟持手段６０が加圧手段９０を介して上下方向に移動自在に取り付けられる。
【００２５】
載置手段１０を説明する。載置手段１０は、底盤１１、中間ブロック１２、上盤１３の３部材を有する。各部材の衝接面は平坦面であり、液密性が保たれるようされている。底盤１１の中央には第１の貫通孔１４が形成されており、該第１の貫通孔１４は横穴１５を介して外部の温水入力ポート１５ａに連通している。中間ブロック１２には該第１の貫通孔１４に連通する第２の貫通孔１６が形成されており、該第２の貫通孔１６の上方側は次第に拡径した漏斗状部分１７とされている。該漏斗状部分１７の上端側、すなわち中間ブロック１２の上面側部分はより大きな径となった切り込み部１８とされている。中間ブロック１２の下面、すなわち底盤１１に当接する面には、一条の連続する凹溝１９が好ましくは同心円状をなすように形成されており、凹溝１９の排水側は孔２０を介して排水ポート２０ａに接続している。該凹溝１９の流入側は垂直穴２１を介して中間ブロック１２の上面に開放しており、該垂直穴２１に連続する凹溝２１ａが切り込み部１８を囲むようにして形成されている。凹溝２１ａは図示しない流路を介して横穴１５に連通している。上盤１３は前記漏斗状部分１７の上端側の径よりも大きな径の第３の貫通孔２２が形成されている。
【００２６】
第１と第２の貫通孔１４、１６の中には水供給ホーン３０が配置される。水供給ホーン３０は第１の貫通孔１４に水密的に挿入される下端部３１と、下端部３１に連続し第２の貫通孔１６の漏斗状部分１７内にまで延びる径の細い中間部３２と、中間部３２の先端から上方側に向けて次第に拡径した漏斗状拡開部３３と、漏斗状拡開部３３の先端外周部に形成されたフランジ３４とからなる。下端部３１と中間部３２には漏斗状拡開部３３の内部空間３５に連通する貫通孔３６が形成される。フランジ３４は中間ブロック１２の上面に形成した切り込み部１８内に液密に入り込む形状であり、水供給ホーン３０を第１と第２の貫通孔１４、１６の中に挿入した後、フランジ３４に形成したネジ穴を通してネジ３４ａをネジ込むことにより、水供給ホーン３０は中間ブロック１２に対して固定される。その状態で、漏斗状拡開部３３の下面側と漏斗状部分１７との間には空間３７が形成され、該空間３７は第１の貫通孔１４および横穴１５とを介して外部の温水供給ポート１５ａに連通した状態となる。水供給ホーン３０に形成した貫通孔３６はポート３８を介して後記する水供給部Ｃに接続する。また、貫通孔３６内には熱電対３９が挿入されており、漏斗状拡開部３３の内部空間３５内の水の温度を計測する。
【００２７】
上盤１３の第３の貫通孔２２には、図１０、図１１に示す誘水プレート４０が液密的に挿入される。誘水プレート４０の上面側には所定深さの多数の凹溝４１ａ、４１ｂが互いに直交するようにして形成されており、該凹溝４１ａ、４１ｂの底部には裏面側に開放した多数の水導入用孔４２の先端部が開放している。なお、評価試験に際しては、この誘水プレート４０の上に被評価物である拡散層Ｄが載置される。上記のようであり、水供給部Ｃからポート３８および貫通孔３６を通して水供給ホーン３０内に水を供給すると、その水面は漏斗状拡開部３３の内部空間３５内を次第に上昇して誘水プレート４０の下面側に達し、さらに誘水プレート４０の水導入用孔４２から凹溝４１ａ、４１ｂ内を上昇して誘水プレート４０の上端面、すなわち、載置手段１０の上端面にまで達する。そして、そこから、被評価物である拡散層Ｄの中に侵入していく。
【００２８】
また、温水入力ポート１５ａから横穴１５を通って載置手段１０内に導入される温水は、前記空間３７に充満すると共に、凹溝２１ａ、垂直孔２１、凹溝１９などを循環した後、排水ポート２０ａから機外に排出される。温水の循環により、誘水プレート４０、水供給ホーン３０およびその内部空間、を含む載置手段１０全体がほぼ一定温度に保持される。
【００２９】
次に、挟持手段６０を説明する。挟持手段６０は、下プレート６１、中プレート６２、環状の第１中間体６３、第１中間体６３に内嵌合する部分を有する第２中間体６４、上プレート６５とが互いに気密的に一体に組み付けられてなる第１の部分６０Ａと、該第１の部分６０Ａに対して気密を保った状態で上下方向に移動できるように第１の部分に支持された第２の部分６０Ｂとで構成される。
【００３０】
第１の部分６０Ａについて説明する。前記下プレート６１は、誘水プレート４０の上面側に形成した多数の凹溝４１ａ、４１ｂが交叉している領域とほぼ等しい形状の矩形状の貫通孔６６を有する（図８参照）。下プレート６１の下面側は載置手段１０の上端面に密接できる平坦面とされており、一方、上面側における貫通孔６６の一方側にガス案内溝６７ａが形成され、対向する側にもガス案内溝６７ｂが形成される。ガス案内溝６７ａは、ガス導入口６８から複数本の流路（図では４本の流路）として形成されており、各流路の放出端側は貫通孔６６の１つの辺に沿って均等に分布している。また、ガス導入口６８から放出端までの路長はすべて等しくされている。他辺側のガス案内溝６７ｂも同様にされており、４本流路を流れるガスはガス排出口６９で１つにまとめられる。下プレート６１の周辺には孔７０が形成されており、ネジ７１により中プレート６２の裏面に固定される。
【００３１】
中プレート６２も下プレート６１に形成した貫通孔６６と同じ形状の貫通孔７２が形成されるとともに、下プレート６１に設けたガス導入口６８およびガス排出口６９に連通する縦孔７３、７４が形成される。さらに、中プレート６２の上面側には貫通孔７２を囲むようにして所定幅と深さの凹陥部７５が形成されている。
【００３２】
第１中間体６３は環状をなしており、中央部に中プレート６２に形成した凹陥部７５と同じ内径である貫通孔７６を有している。また、一方が中プレート６２に形成した縦孔７３に連通し、他方がガス導入ポート７７に連通するガス導入孔７８と、一方が中プレート６２に形成した縦孔７４に連通し、他方がガス排出ポート７９に連通するガス排出孔８０が形成されている。第１中間体６３と中プレート６２とは、間にステンレス鋼などで作られる第１の平板状のダイヤフラム８１を挟んで一体に組み付けられる。
【００３３】
第２中間体６４は第１中間体６３に形成した貫通孔７６に内嵌合する突出部８２を備え、該突出部８２には貫通孔８４が形成されている。該突出部８２の上端は平坦なフランジ８３となっており、フランジ８３を第１中間体６３の上端面に載置したときに、下端が第１中間体６３の下端面には達しないように突出部８２の長さが調整されている。第２中間体６４の上面には貫通孔８４を囲むようにして所定幅と深さの凹陥部８５が形成されている。
【００３４】
上プレート６５は第２中間体６４に形成した貫通孔８４と同じような貫通孔８６を有し、該貫通孔８６の上端側は拡径部８８とされている。下面には第２中間体６４の上面に形成したと同じような所定幅と深さの凹陥部８９が形成されている。後記するように、第２中間体６４と上プレート６５とは、間にステンレス鋼などで作られる第２の平板状のダイヤフラム８７を挟んで一体に組み付けられている。
【００３５】
第２の部分６０Ｂについて説明する。第２の部分６０Ｂは、内部が空洞となった適宜の支柱１０１を有し、その下端に、下プレート６１に形成した貫通孔６６に気密的に内嵌合する形状と大きさである押圧板１００を着脱自在にを備えている。また、第２の部分６０Ｂは、前記した第１の平板状のダイヤフラム８１および第２の平板状のダイヤフラム８７を介して、全体が挟持手段６０に形成した上下方向の貫通孔内で上下方向に移動できるようにして挟持手段６０の第１の部分６０Ａに対して取り付けられる。押圧板１００は裏面が平坦面であってもよいが、実際の燃料電池でのセパレータが備える凹溝を擬したガス流路を形成しておくことが好ましい。評価試験に際しては、押圧板１００の裏面が載置手段１０の上端面に載置された拡散層Ｄに当接する。
【００３６】
図１２、図１３に示すように第１の平板状のダイヤフラム８１は中央部に大開孔８１ａとその左右位置に２個の小開孔８１ｂ，８１ｂを備える。第２の平板状のダイヤフラム８７は中央部に大開孔８１ａと同じ大きさの大開孔８７ａを備える。一方、前記支柱１０１の直径は第１および第２の平板状のダイヤフラム８１、８７に形成した大開孔８１ａ、８７ａを通過する大きさとされ、下端側は大径部１０２とされていて、その上端面は平坦面である。支柱１０１には筒体１０３が外嵌合状態で取り付けられ、該筒体１０３の上下方向の長さは、第１の平板状のダイヤフラム８１と第２の平板状のダイヤフラム８７の間の距離と同じである。また、筒体１０３の周囲には複数個の開孔１０４が形成されており、支柱１０１には多数の凹凸１０５が形成されている。さらに、支柱１０１の筒体１０３より上位の位置には留め付けリング１０６が外嵌合されている。支柱１０１の内部には押圧板１００の温度を測定するために熱電対１１０が取り付けられている。
【００３７】
挟持手段６０を組み立てるときに、下プレート６１を留め付けた中プレート６２を置き、貫通孔内に、裏面に押圧板１００を取り付けた支柱１０１の大径部１０２を挿入する。その上から、第１の平板状のダイヤフラム８１を、中央部の大開孔８１ａ内に支柱１０１を通しながら、中プレート６２と支柱１０１の大径部１０２の上面まで下降させる。そして、中プレート６２に形成した縦孔７３、７４の位置と、第１の平板状のダイヤフラム８１に形成した小開孔８１ｂ，８１ｂを一致させる。
【００３８】
その上に、第１中間体６３をガス導入孔７８とガス排出孔８０が縦孔７３、７４と一致するようにして取り付け、さらに、第１中間体６３に対して第２中間体６４を取り付ける。また、筒体１０３を支柱１０１に外嵌合状態で挿入する。次に、第２の平板状のダイヤフラム８７をその大開孔８７ａ内に支柱１０１を通過させなが下降させ、第２中間体６４の上面と筒体１０３の上面に乗るようにする。その上に、上プレート６５を置き、また、留め付けリング１０６を配置する。その状態で、全体を適宜配置したネジ１１１や締め付けナット１１１ａなどを利用して、一体に締め付ける。それにより、第２の部分６０Ｂは、第１と第２の平板状のダイヤフラム８１、８７により、第１の部分６０Ａに対して宙づりの状態で取り付けられることとなり、かつ、全体が第１の部分６０Ａとは独立して上下方向に移動できるようなる。
【００３９】
挟持手段６０側にも、温水流入ポート１１２と排水ポート１１３が設けられ、流入した温水は内部に形成された温水流路を通って、ガス導入孔７８とガス排出孔８０の周囲を流れ、また、筒体１０３の内部やその周辺、また、第１と第２の平板状のダイヤフラム８１、８７の周囲をも循環するようになっている。支柱１０１には溝１０５が形成され、循環する温水との接触面積（受熱面積）を大きくしている。
【００４０】
挟持手段６０は、支柱２に沿って上下方向に移動する支持プレート４に対して取り付けてある。挟持手段６０は載置手段１０と一体化するのに用いるネジ棒５を備えており、該ネジ棒５を載置手段１０の適所に固定することにより、挟持手段６０と載置手段１０とは一体化する。すなわち、挟持手段６０は基台１に固定される載置手段１０の上端面に対して、ネジ棒５のような固定手段を用いることにより所定の位置決めがなされ、その状態で、所要の評価テストを行うことができる。このことは、支持プレート４に対する挟持手段６０の留め付けは上下動ができるだけの簡易な留め付け態様でよいことを意味しており、構成的に簡素化できる利点がもたらされる。
【００４１】
支柱２に取り付けられる加圧手段９０は、試験時に挟持手段６０の第２の部分６０Ｂである支柱１０１の先端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９１の回転に同期して上下動する第１の機枠９２と、ハンドル９１の回転とは無関係に上下動できる第２の機枠９３との間にコイルばね９４を介装すると共に、第１の機枠９２に対して第２の機枠９３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９３の下端にはロードセル９５を取り付けている。
【００４２】
次に、水供給手段Ｃを説明する。水供給手段Ｃは、電子天秤２０１とその上に配置された水容器２０２を備え、水容器２０２の水の量を電子天秤２０１により測定できるようになっている。水容器２０２は蓋２０３により密閉されており、蒸散により水量が変化するのを防止している。水容器２０２には水供給管２０４がその重量を水容器２０２側に影響を与えないようにして適宜の保持手段２０５により支持されており、水供給管２０４の一方の先端は水容器２０２の底部近傍にまで達しており、他端側は、前記した水供給ホーン３０に形成した貫通孔３６に連通するポート３８に接続している。水供給管２０４の途中にはエア抜きのために適宜のピストン２０６が取り付けてある。
【００４３】
この構成であり、水容器２０２の水はサイホンの原理で水供給管２０４を通して水供給ホーン３０内に導かれ、自然の状態では、水供給ホーン３０内の水面のレベルは水容器２０２の水面のレベルと同じレベルとなる。適宜の手段により、水供給ホーン３０内の水面レベルを所定の高さ以上に上昇しないようにしておくと、水容器２０２の水面のレベルが前記所定高さよりも高い位置にある場合には、その差分の圧力が水供給ホーン３０内の水に生じる。水容器２０２内の水位レベルを数ｍｍ単位で変えることは容易であり、結果として、水供給ホーン３０内での水供給圧力を０．００１ｋｇ／ｃｍ²のレベルで管理することが可能となる。
【００４４】
上記の装置の作動を説明する。図１、図３に示すように、支柱２に沿って挟持手段６０を揚上させておき、載置手段１０の誘水プレート４０の上に、評価すべき拡散層Ｄをセットする。次に、図１および図３に仮想線で示すように、挟持手段６０を下降させ、ネジ棒５を利用して挟持手段６０を載置手段１０に対して一体的に固定する。必要に応じて、加圧手段９０を操作して、挟持手段６０の支柱１０１に所要の荷重をかける。その荷重はロードセル９５により検出される。それにより、評価すべき拡散層Ｄは、裏面側は誘水プレート４０に支持され、上面側は押圧板１００の裏面により加圧された状態で支持される。押圧板１００の裏面に実際の燃料電池でのセパレータと同じようなガス流路を形成しておくことにより、実際の燃料電池と同じ環境を作り出すことができる。本発明の装置において、拡散層Ｄの加圧は、上記した第２の部分６０Ｂを法線方向に若干量（１ｍｍ程度）動かすことにより、挟持手段６０を構成する第１の部粉６０Ａとは独立して行うことが可能であり、拡散層Ｄへの荷重とシール性の軸率性も確保されるので、荷重によりリーク量が変動するのも回避できる。
【００４５】
水容器２０２の上下方向の位置を調整し、挟持された拡散層Ｄの上面の位置よりも数ｍｍ程度だけ水容器２０２内の水面の位置が高いとなるようにする。それにより、水は徐々に水供給ホーン３０の空間３５内を上昇し、誘水プレート４０の裏面から水導入用孔４２を通過し、凹溝４１ａ、４１ｂ内を上昇して、誘水プレート４０の上端面に達する。そしてそこから、誘水プレート４０の上に配置された被評価物である拡散層Ｄの中に侵入していく。そのときの水の圧力は拡散層Ｄの上表面から水が漏れ出ない程度の微少圧力（例えば、０．００１ｋｇ／ｃｍ²程度）とすることが必要であり、そのような圧力が得られるように、水容器２０２内の水面レベルを制御する。燃料電池の実際の電池環境では生成水は圧力を発生しないため、この圧力は低ければ低いほど、実態に即したものとなる。
【００４６】
温水入力ポート１５ａ、１１２から所定温度の温水を導入する。温水は、載置手段１０および挟持手段６０内の温水流路を循環して、装置全体、特に挟持された拡散層Ｄの近傍を燃料電池の運転状態に疑似した温度環境とする。ガス導入ポート７７からガス排出ポート７９に至るガス流路に沿って温水流路を配置することにより、流路内部でのガス結露も防止できる。
【００４７】
ガス導入ポート７７から既知の湿度のガスを導入する。ガスはガス導入孔７８から下プレート６１の上面側におけるガス導入口６８に至り、そこから等しい長さとされた４本のガス案内溝６７ａを通過して貫通孔６６の１つの辺に達する。貫通孔６６には押圧板１００が位置しており、ガスは押圧板１００の裏面を通過して、貫通孔６６の対向する他方の辺に達する。そこから、ガス案内溝６７ｂを通過しガス排出口６９で１つにまとめられ、ガス排出孔８０から排出される。
【００４８】
押圧板１００の裏面を通過するときに、評価すべき拡散層Ｄの表面と接触する。押圧板１００の裏面に実際のセパレータと同じようにガス流路が形成されている場合には、該ガス流路に沿ってガスは流れる。ガスが拡散層Ｄの表面と接触しながら流下するときに、拡散層Ｄの水を持ち去る。この持ち去り量は拡散層Ｄの物性に依存して変化する。排出ガスの湿度を計測し、導入時での湿度との差を求めることにより、当該拡散層Ｄの排水性能を評価することができる。複数の拡散層について、同じ条件下で水の持ち去り量を評価することにより、客観的なデータを揃えることができ、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。
【００４９】
【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、特に排水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行うことができる。このような評価結果は、実際の燃料電池の組み立て時にきわめて有効に利用することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による燃料電池拡散層の排水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正面図。
【図２】図１の装置の測定部本体を示す斜視図。
【図３】図２に示す装置の側面図。
【図４】測定部本体の要部を拡大して示す断面図。
【図５】図４のＶ−Ｖ線による水平方向の断面図。
【図６】図４のＶＩ−ＶＩ線による水平方向の断面図。
【図７】図４のＶＩＩ−ＶＩＩ線による水平方向の断面図。
【図８】図８ａは図４のＶＩＩＩ−ＶＩＩＩ線による水平方向の断面図であり、図８ｂは図８ａのｂ−ｂ線による断面図である。
【図９】図４のＩＶ−ＩＶ線による断面図。
【図１０】誘水プレートを示す図であり、図１０ａは平面図、図１０ｂは図１０ａのｂ−ｂ線による断面図、図１０ｃは底面図である。
【図１１】誘水プレートの要部を拡大して示す図であり、図１１ａは平面図、図１１ｂは図１１ａのｂ−ｂ線による断面図、図１１ｃは一部断面による斜視図である。
【図１２】第１の平板状のダイヤフラムを示す図であり、図１２ａは平面図、図１２ｂは図１２ａのｂ−ｂ線による断面図。
【図１３】第２の平板状のダイヤフラムを示す図であり、図１３ａは平面図、図１３ｂは図１３ａのｂ−ｂ線による断面図。
【符号の説明】
Ａ…燃料電池拡散層の排水性能による性能評価をするための装置、Ｂ…測定部本体、Ｃ…水供給手段、Ｄ…評価すべき拡散層、１０…載置手段、６０…挟持手段、９０…加圧手段、１１…底盤、１２…中間ブロック、１３…上盤、１２ａ…温水入力ポート、１７…漏斗状部分、１９…温水流路としての凹溝、２０ａ…温水排水ポート、３０…水供給ホーン、３３…漏斗状拡開部、３５…漏斗状拡開部の内部空間、３７…漏斗状拡開部の下面側と漏斗状部分との間には空間、４０…誘水プレート、４１ａ、４１ｂ…多数の凹溝、４２…多数の水導入用孔、６０Ａ…挟持手段を形成する第１の手段、６０Ｂ…挟持手段を形成する第２の手段、６１…下プレート、６２…中プレート、６３…環状の第１中間体、６４…第２中間体、６６…下プレートに形成した貫通孔、６７ａ、６７ｂ…ガス案内溝、６８…ガス導入口、６９…ガス排出口、７７…ガス導入ポート、７９…ガス排出ポート、８１…第１の平板状のダイヤフラム、８７…第２の平板状のダイヤフラム、９１…ハンドル、９２…第１の機枠、９３…第２の機枠、９４…コイルばね、９５…ロードセル、１００…押圧板（セパレータ相当体）、１０１…支柱、１１０…熱電対、１１２…温水流入ポート、１１３…温水排水ポート、２０１…電子天秤、２０２…水容器、２０３…蓋、２０４…水供給管[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 polymer electrolyte fuel cell, an electrode (MEA: Membrane-Electrode Assembly) composed of an electrolyte membrane and an electrode catalyst layer applied to the front and back surfaces of the electrolyte membrane is used. The electrode is connected to a fuel gas via a diffusion layer. A unit cell is sandwiched between separators that form fluid flow paths for supplying (hydrogen) and oxidizing gas (oxygen, usually air). As the electrolyte membrane, an ion exchange membrane such as a perfluorosulfonic acid membrane or a hydrocarbon-based membrane is used. The electrode catalyst layer is formed by applying a mixture of a carbon powder carrying a catalyst substance (for example, Pt) and an electrolyte powder (fluorine functional resin, perfluorosulfonic acid amide, etc.). The diffusion layer is for efficiently diffusing the fuel gas and the oxidizing gas, and a porous body such as carbon cloth or carbon paper is used. Similar diffusion layers are formed not only in solid polymer electrolyte fuel cells but also in other forms of fuel cells.
[0003]
In order to increase the power generation efficiency of the fuel cell, it is necessary to objectively evaluate the performance of electrodes and the like. For example, in Patent Document 1 (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, A method for realizing a gas diffusion electrode simulated environment by changing the immersion part so that the electrode forms a three-phase interface at the boundary between the gas phase part and the liquid layer part is described. Patent Document 2 (Japanese Patent Application Laid-Open No. 5-205762) describes a characteristic evaluation device that can press-clamp a unit cell of a phosphoric acid fuel cell. Gas seal characteristics are evaluated so that defective unit cells are discriminated early.
[0004]
[Patent Document 1]
JP 2000-283951 A
[Patent Document 2]
Japanese Patent Laid-Open No. 5-205762
[0005]
[Problems to be solved by the invention]
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 the quality of the discharge (power generation) performance is determined by the combination state. In some cases, it may be caused by the 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 state of water carried away by the gas when the gas is passed through the surface of the diffusion layer in a wet state (a large amount of water). ) (In the present invention, this is called “drainage performance”) in an actual fuel cell is very close to the state in which the generated water is removed from the electrode contact surface to the opposite surface of the diffusion layer, and the diffusion layer It was perceived that the quality of drainage performance was a factor that greatly influenced the performance of fuel cells. Therefore, if the drainage performance 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 wets the fuel cell diffusion layer to be evaluated in a posture where one surface is exposed in a known volume of water. Evaluate the drainage performance of the diffusion layer by measuring the amount of water that has been attenuated by passing a gas of known humidity over the exposed surface and removing it after a predetermined time. It is characterized by doing.
[0009]
Another aspect of the method for evaluating the performance of a fuel cell diffusion layer according to the present invention is that a gas having a known humidity is caused to flow on one surface of the fuel cell diffusion layer to be evaluated, and water at a minute pressure is supplied from a container containing a known volume of water. To the one surface from the other surface of the diffusion layer to make the entire diffusion layer wet, and measure the amount of water attenuated by being taken away by the gas after a predetermined time has elapsed. It is characterized by evaluating the drainage performance of the diffusion layer.
[0010]
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 drainage performance is prepared as objective data under the same conditions by the above-described method, the data can be used very effectively when an actual unit cell is assembled.
[0011]
Even in the same diffusion layer, the drainage performance may change depending on the pressure condition and temperature / humidity condition. In an actual fuel cell, the diffusion layer is placed under pressure, and is in a predetermined high temperature state during operation. Therefore, in a preferred embodiment of the present invention, the above evaluation is performed under pressure and temperature / humidity conditions that simulate the environment during operation of the fuel cell. Thereby, data approximate to the drainage performance of the diffusion layer under actual operating conditions can be obtained.
[0012]
In the actual battery environment, the generated water does not generate pressure. Therefore, the generated water does not jump out from the surface of the diffusion layer to form water droplets. In the evaluation test, it is desirable to place the diffusion layer under the same conditions as in the operating state of the fuel cell. For this purpose, when water of a minute pressure is supplied from the other surface of the diffusion layer toward the one surface from a container containing a known volume of water to make the entire diffusion layer wet, the pressure is The pressure that allows water to reach the upper surface from the lower surface side of the diffusion layer, that is, the water can rise to the upper surface (the one surface), but it does not jump out of it and form water droplets Pressure. If water droplets are formed on the surface, the water droplets are carried away by the gas flowing on the surface, making it difficult to evaluate accurate drainage performance. This pressure is somewhat different depending on the type and thickness of the diffusion layer, but is 0.001 kg / cm based on the currently used diffusion layer. ² Level.
[0013]
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 or air passages are usually formed on the surface of the separator in contact with the diffusion layer. Therefore, in the fuel cell diffusion layer performance evaluation method according to the present invention, a member having a gas channel imitating a concave groove formed in a separator used in a fuel cell is brought into contact with one surface of the diffusion layer under a predetermined pressure. In addition, it is a preferable aspect to measure the amount of water reduction by flowing a gas with a known humidity through the gas flow path, and the drainage performance of the diffusion layer under conditions that approximate the state in the actual unit cell. Can be more reliably evaluated.
[0014]
The present invention also provides, as an apparatus for carrying out the above-described method, a mounting means for mounting the fuel cell diffusion layer to be evaluated, and the diffusion located above the mounting means in cooperation with the mounting means. Sandwiching means for sandwiching the layers, water supply means for supplying micro-pressure water to a region in contact with the diffusion layer of the mounting means, gas supply means for supplying gas of known humidity to the region in contact with the diffusion layer of the sandwiching means, and And a means for measuring the amount of water in the water supply means, and a device for evaluating the performance of the fuel cell diffusion layer.
By using the above apparatus, it is possible to perform a uniform drainage performance test on a diffusion layer test sample having various different physical property values.
[0015]
Preferably, in the above apparatus, a pressurizing unit for applying pressure to the diffusion layer sandwiched between the placing unit and the sandwiching unit is provided. More preferably, a load cell is arranged to measure the applied pressure. In this form, since the performance of the diffusion layer in a state where an appropriate pressure is applied can be evaluated, data in a state closer to an actual machine can be obtained.
[0016]
In a preferred embodiment, the clamping means is supported by the first part so as to be movable in the vertical direction while maintaining airtightness with respect to the first part integrally fixed to the mounting means. And a second part. In this aspect, by applying the pressure from the pressure applying means to the second portion, it is possible to apply a controlled value of pressure to the sandwiched diffusion layer regardless of the sandwiching means main body. In addition, the airtightness required for the measurement is ensured between the placing means and the first part, and the pressure application can be performed by the second part independent of the first part, so that the weight can be applied at the time of weight application. Stability is improved. Note that the support of the second portion with respect to the first portion and the securing of airtightness can be easily performed using a flat diaphragm or the like.
[0017]
Preferably, the placing means is attached in a state of being fixed to the apparatus machine frame, but the holding means is not rigidly attached to the apparatus machine frame, but is movably attached in the vertical direction with the posture being changed to some extent. The clamping means is integrally fixed to the mounting means by screwing or the like, and as a result, the clamping means is also immovable with respect to the apparatus frame. By doing so, it becomes possible to perform a required evaluation test only by ensuring the parallelism of the mounting means and the flatness of the contact surfaces of both the mounting means and the clamping means. The configuration can be simplified.
[0018]
In a preferred embodiment, a warm water circulation path is formed at least on the placing means and the clamping means, and a warm water supply means for supplying warm water to the warm water circulation path is provided. It is more preferable to provide temperature control means that can adjust the temperature of the hot water supplied to the hot water supply means. In this aspect, by circulating hot water of a predetermined temperature around the sandwiched diffusion layer, a temperature environment similar to the actual operating environment of the fuel cell can be given to the diffusion layer, and practical data is obtained. be able to. In addition, it is possible to prevent the humidified gas from condensing by circulating hot water having a predetermined temperature along the gas supply pipe.
[0019]
In an actual fuel cell, a pressure of about 0.6 MPa is applied to the diffusion layer. Also in the apparatus according to the present invention, preferably, the drainage performance test of the diffusion layer is performed under the same pressure. At that time, the mounting means needs to be configured to be able to supply water as uniformly and continuously as possible to the back surface of the diffusion layer to be mounted while having rigidity sufficient to withstand the pressure. Therefore, in a preferred embodiment of the apparatus of the present invention, the surface of the region contacting the diffusion layer of the mounting means has a large number of concave grooves running vertically and horizontally and a large number of holes open to the back surface side in communication with the bottom of the concave grooves. And a water intake plate with More preferably, a water supply horn having an area gradually widening upward is provided on the back surface side of the water intake plate, and water from the water supply means is supplied to the back surface of the water intake plate via the water supply horn. The water-reducing plate of this aspect has sufficient resistance to pressure from above, and the grooves are running vertically and horizontally at a minute pitch, thereby supplying water substantially uniformly to the entire back surface of the diffusion layer. It is also possible. Further, by using a water supply horn having an area that gradually expands upward, it becomes possible to supply water more stably.
[0020]
In a preferred embodiment, the lower end of the second portion of the clamping means is provided with a flow path member having a gas flow path that simulates a concave groove formed in a separator used in a fuel cell, and a gas flow path is provided in the gas flow path of the flow path member. A supply means is connected. The channel member may be a separator that is actually used. By using such a flow path member, it is possible to evaluate the performance of the diffusion layer under conditions approximating the actual operating state of the fuel cell. At that time, a plurality of gas guide paths from the gas outlet from the gas supply means formed in the clamping means to the flow path member are usually formed in order to guide the gas to the flow path member under the same condition over the entire surface. In addition, it is preferable that the lengths of the respective guide paths are equal, whereby the gas flowing through each guide path can be made uniform, and more accurate drainage performance evaluation data can be obtained.
[0021]
In the present invention, the water supply means for supplying water at a minute pressure to the region in contact with the diffusion layer of the mounting means may be any means, and is not particularly limited. However, as described above, the preferable micro pressure is 0.001 kg / cm. ² It is not easy to constantly manage such a minute pressure by a mechanical pressure adjusting means such as a pressure control valve. In a preferred aspect of the present invention, the water supply means has a water container, and the water in the water container is supplied to a region in contact with the diffusion layer of the placing means by the principle of siphon. At the time of evaluating the diffusion layer, the water level in the water container is slightly higher (in mm) than the level of the upper surface of the diffusion layer sandwiched between the placing means and the sandwiching means. Maintained. By doing so, the water level in the water container can be easily changed in units of several mm with respect to the surface height of the diffusion layer, and as a result, 0.001 kg / cm while having a simple configuration. ² It becomes possible to manage the water supply pressure at the level of 5.
[0022]
The means for measuring the amount of water in the water supply means is not particularly limited, but when using the water container as described above, the weight of the water in the water container is measured, for example, the water container is an electronic balance, etc. It is a preferable aspect to measure the weight loss from the start to the end of the measurement, and the amount of water taken away can be easily measured.
[0023]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
The present invention will be described below with reference to the drawings. FIG. 1 is a front view showing an embodiment of an apparatus for carrying out a performance evaluation method based on drainage performance of a fuel cell diffusion layer according to the present invention, and FIG. 2 is a perspective view showing a measurement unit main body of the apparatus of FIG. FIG. 3 and FIG. 3 are side views thereof. FIG. 4 is an enlarged cross-sectional view showing a main part of the measurement unit main body.
[0024]
In this example, the device A according to the present invention comprises a measuring part main body B and a water supply means C. The measurement unit main body B has a base 1 and a support column 2 erected on the base 1, and the base 1 is placed with a diffusion layer D (shown in phantom lines in FIG. 2) as an object to be evaluated. The means 10 is fixedly arranged, and the holding means 60 for holding the diffusion layer D placed on the placing means 10 in a liquid-tight manner is attached to the support column 2 via the pressurizing means 90 so as to be movable in the vertical direction. It is done.
[0025]
The mounting means 10 will be described. The mounting means 10 has three members: a bottom board 11, an intermediate block 12, and an upper board 13. The abutting surface of each member is a flat surface so that liquid tightness is maintained. A first through hole 14 is formed at the center of the bottom plate 11, and the first through hole 14 communicates with an external hot water input port 15 a through a lateral hole 15. A second through hole 16 communicating with the first through hole 14 is formed in the intermediate block 12, and the upper side of the second through hole 16 is a funnel-shaped portion 17 that is gradually enlarged in diameter. . The upper end side of the funnel-shaped portion 17, that is, the upper surface side portion of the intermediate block 12, is a cut portion 18 having a larger diameter. On the lower surface of the intermediate block 12, that is, the surface in contact with the bottom plate 11, a single continuous groove 19 is preferably formed concentrically, and the drain side of the groove 19 is drained through the hole 20. It is connected to the port 20a. The inflow side of the concave groove 19 is open to the upper surface of the intermediate block 12 through a vertical hole 21, and a concave groove 21 a continuous to the vertical hole 21 is formed so as to surround the cut portion 18. The concave groove 21a communicates with the lateral hole 15 through a flow path (not shown). The upper board 13 is formed with a third through hole 22 having a diameter larger than that of the upper end side of the funnel-shaped portion 17.
[0026]
A water supply horn 30 is disposed in the first and second through holes 14 and 16. The water supply horn 30 has a lower end 31 inserted in a watertight manner into the first through-hole 14 and an intermediate portion 32 with a small diameter that extends to the funnel-shaped portion 17 of the second through-hole 16 and continues to the lower end 31. And a funnel-shaped widened portion 33 that gradually increases in diameter from the tip of the intermediate portion 32 upward, and a flange 34 that is formed on the outer periphery of the tip of the funnel-shaped widened portion 33. A through hole 36 communicating with the internal space 35 of the funnel-shaped widened portion 33 is formed in the lower end portion 31 and the intermediate portion 32. The flange 34 is shaped to be liquid-tightly inserted into the cut portion 18 formed on the upper surface of the intermediate block 12, and after inserting the water supply horn 30 into the first and second through holes 14, 16, The water supply horn 30 is fixed to the intermediate block 12 by screwing the screw 34a through the formed screw hole. In this state, a space 37 is formed between the lower surface side of the funnel-shaped widened portion 33 and the funnel-shaped portion 17, and the space 37 is supplied with external hot water via the first through hole 14 and the lateral hole 15. It will be in the state connected to the port 15a. A through hole 36 formed in the water supply horn 30 is connected to a water supply unit C described later via a port 38. In addition, a thermocouple 39 is inserted into the through hole 36 and measures the temperature of water in the internal space 35 of the funnel-shaped spread portion 33.
[0027]
The water pulling plate 40 shown in FIGS. 10 and 11 is liquid-tightly inserted into the third through hole 22 of the upper board 13. A large number of concave grooves 41a and 41b having a predetermined depth are formed on the upper surface side of the water pulling plate 40 so as to be orthogonal to each other. The leading end of the introduction hole 42 is open. In the evaluation test, the diffusion layer D, which is an object to be evaluated, is placed on the water attracting plate 40. As described above, when water is supplied from the water supply part C into the water supply horn 30 through the port 38 and the through hole 36, the water surface gradually rises in the internal space 35 of the funnel-shaped widening part 33 and attracts water. It reaches the lower surface side of the plate 40 and further rises from the water introduction hole 42 of the water intake plate 40 in the concave grooves 41 a and 41 b to reach the upper end surface of the water intake plate 40, that is, the upper end surface of the mounting means 10. . From there, the light penetrates into the diffusion layer D, which is an object to be evaluated.
[0028]
Further, the hot water introduced into the mounting means 10 from the hot water input port 15a through the horizontal hole 15 fills the space 37 and circulates through the concave groove 21a, the vertical hole 21, the concave groove 19 and the like, and then drains. It is discharged out of the machine from the port 20a. Due to the circulation of the hot water, the entire mounting means 10 including the water intake plate 40, the water supply horn 30 and its internal space is maintained at a substantially constant temperature.
[0029]
Next, the clamping means 60 will be described. The clamping means 60 includes a lower plate 61, an intermediate plate 62, an annular first intermediate body 63, a second intermediate body 64 having a portion fitted inside the first intermediate body 63, and an upper plate 65 that are integrated with each other in an airtight manner. The first portion 60A assembled to the first portion 60A and the second portion 60B supported by the first portion so as to be movable in the vertical direction while being airtight with respect to the first portion 60A. Is done.
[0030]
The first portion 60A will be described. The lower plate 61 has a rectangular through hole 66 having a shape substantially equal to a region where a large number of concave grooves 41a and 41b formed on the upper surface side of the water intake plate 40 intersect (see FIG. 8). The lower surface of the lower plate 61 is a flat surface that can be in close contact with the upper end surface of the mounting means 10. On the other hand, a gas guide groove 67 a is formed on one side of the through hole 66 on the upper surface side, and gas is also formed on the opposite side. A guide groove 67b is formed. The gas guide groove 67 a is formed as a plurality of flow paths (four flow paths in the figure) from the gas inlet 68, and the discharge end side of each flow path is even along one side of the through hole 66. Is distributed. Further, the path lengths from the gas inlet 68 to the discharge end are all equal. The gas guide groove 67b on the other side is also the same, and the gases flowing through the four flow paths are combined into one at the gas discharge port 69. A hole 70 is formed around the lower plate 61 and is fixed to the back surface of the middle plate 62 by screws 71.
[0031]
A through hole 72 having the same shape as the through hole 66 formed in the lower plate 61 is formed in the middle plate 62, and vertical holes 73 and 74 communicating with the gas inlet port 68 and the gas outlet port 69 provided in the lower plate 61 are formed. It is formed. Further, a concave portion 75 having a predetermined width and depth is formed on the upper surface side of the middle plate 62 so as to surround the through hole 72.
[0032]
The first intermediate body 63 has an annular shape, and has a through hole 76 having the same inner diameter as the recessed portion 75 formed in the middle plate 62 at the center. One communicates with a vertical hole 73 formed in the middle plate 62, the other communicates with a gas introduction port 78 communicated with the gas introduction port 77, one communicates with a vertical hole 74 formed in the middle plate 62, and the other communicates with a gas. A gas discharge hole 80 communicating with the discharge port 79 is formed. The first intermediate body 63 and the middle plate 62 are assembled together with a first flat plate-shaped diaphragm 81 made of stainless steel or the like interposed therebetween.
[0033]
The second intermediate body 64 includes a projecting portion 82 that fits into a through hole 76 formed in the first intermediate body 63, and a through hole 84 is formed in the projecting portion 82. The upper end of the projecting portion 82 is a flat flange 83 so that the lower end does not reach the lower end surface of the first intermediate body 63 when the flange 83 is placed on the upper end surface of the first intermediate body 63. The length of the protrusion 82 is adjusted. A concave portion 85 having a predetermined width and depth is formed on the upper surface of the second intermediate body 64 so as to surround the through hole 84.
[0034]
The upper plate 65 has a through hole 86 similar to the through hole 84 formed in the second intermediate body 64, and the upper end side of the through hole 86 is an enlarged diameter portion 88. A recess 89 having a predetermined width and depth similar to that formed on the upper surface of the second intermediate body 64 is formed on the lower surface. As will be described later, the second intermediate body 64 and the upper plate 65 are integrally assembled with a second flat plate diaphragm 87 made of stainless steel or the like interposed therebetween.
[0035]
The second portion 60B will be described. The second portion 60B has an appropriate support column 101 having a hollow inside, and a press plate having a shape and a size that fits hermetically into a through hole 66 formed in the lower plate 61 at the lower end thereof. 100 is detachable. Further, the second portion 60B extends vertically in the vertical through-hole formed in the clamping means 60 through the first flat diaphragm 81 and the second flat diaphragm 87 described above. It is attached to the first portion 60A of the clamping means 60 so as to be movable. The pressing plate 100 may have a flat rear surface, but it is preferable to form a gas flow path that simulates a concave groove provided in a separator in an actual fuel cell. In the evaluation test, the back surface of the pressing plate 100 comes into contact with the diffusion layer D placed on the upper end surface of the placing means 10.
[0036]
As shown in FIGS. 12 and 13, the first flat diaphragm 81 is provided with a large opening 81a at the center and two small openings 81b and 81b at the left and right positions thereof. The second flat diaphragm 87 includes a large aperture 87a having the same size as the large aperture 81a at the center. On the other hand, the diameter of the column 101 is such that it passes through the large apertures 81a and 87a formed in the first and second flat diaphragms 81 and 87, and the lower end side is the large diameter portion 102. The end surface is a flat surface. A cylindrical body 103 is attached to the support column 101 in an externally fitted state, and the vertical length of the cylindrical body 103 is the distance between the first flat plate-shaped diaphragm 81 and the second flat plate-shaped diaphragm 87. The same. In addition, a plurality of apertures 104 are formed around the cylinder 103, and a large number of projections and depressions 105 are formed on the support column 101. Further, a fastening ring 106 is externally fitted at a position above the cylindrical body 103 of the support column 101. A thermocouple 110 is attached to the inside of the support column 101 in order to measure the temperature of the pressing plate 100.
[0037]
When assembling the clamping means 60, the middle plate 62 with the lower plate 61 fastened is placed, and the large-diameter portion 102 of the column 101 with the pressing plate 100 attached to the back surface is inserted into the through hole. From there, the first flat diaphragm 81 is lowered to the upper surface of the middle plate 62 and the large diameter portion 102 of the column 101 while passing the column 101 through the large opening 81a in the center. Then, the positions of the vertical holes 73 and 74 formed in the middle plate 62 and the small openings 81b and 81b formed in the first flat diaphragm 81 are made to coincide.
[0038]
Further, the first intermediate body 63 is attached so that the gas introduction hole 78 and the gas discharge hole 80 coincide with the vertical holes 73 and 74, and the second intermediate body 64 is attached to the first intermediate body 63. . Further, the cylindrical body 103 is inserted into the support column 101 in an externally fitted state. Next, the second flat plate-shaped diaphragm 87 is lowered while passing the support column 101 through the large opening 87 a so as to get on the upper surface of the second intermediate body 64 and the upper surface of the cylindrical body 103. The upper plate 65 is placed thereon, and the fastening ring 106 is disposed. In this state, the whole body is tightened integrally using a screw 111, a tightening nut 111a, or the like appropriately disposed. Thereby, the second portion 60B is attached in a suspended state to the first portion 60A by the first and second flat diaphragms 81 and 87, and the whole is the first portion. It can move up and down independently of 60A.
[0039]
A hot water inflow port 112 and a drainage port 113 are also provided on the clamping means 60 side, and the inflowing hot water flows around the gas introduction hole 78 and the gas discharge hole 80 through the hot water flow passage formed inside. The inside of the cylinder 103 and its periphery, and the periphery of the first and second flat diaphragms 81 and 87 are also circulated. A groove 105 is formed in the support column 101 to increase the contact area (heat receiving area) with circulating hot water.
[0040]
The clamping means 60 is attached to the support plate 4 that moves in the vertical direction along the support column 2. The clamping means 60 includes a screw rod 5 used to be integrated with the mounting means 10, and the clamping means 60 and the mounting means 10 are fixed by fixing the screw rod 5 at an appropriate position of the mounting means 10. Integrate. That is, the clamping means 60 is positioned with respect to the upper end surface of the mounting means 10 fixed to the base 1 by using a fixing means such as the screw rod 5, and in that state, the required evaluation test is performed. It can be performed. This means that the clamping means 60 can be fastened to the support plate 4 with a simple fastening mode that allows the vertical movement, and the advantage that the construction can be simplified is brought about.
[0041]
The pressurizing unit 90 attached to the column 2 may be any unit as long as it can apply pressure to the tip of the column 101 that is the second portion 60B of the clamping unit 60 during the test. Here, a coil spring 94 is interposed between a first machine casing 92 that moves up and down in synchronization with the rotation of the handle 91 and a second machine casing 93 that can move up and down independently of the rotation of the handle 91. At the same time, the second machine casing 93 can be freely moved with respect to the first machine casing 92. A load cell 95 is attached to the lower end of the second machine casing 93.
[0042]
Next, the water supply means C will be described. The water supply means C includes an electronic balance 201 and a water container 202 disposed thereon, and the amount of water in the water container 202 can be measured by the electronic balance 201. The water container 202 is sealed with a lid 203 to prevent the amount of water from changing due to transpiration. A water supply pipe 204 is supported on the water container 202 by appropriate holding means 205 so that the weight of the water supply pipe 204 does not affect the water container 202 side. The other end is connected to a port 38 communicating with the through hole 36 formed in the water supply horn 30. An appropriate piston 206 is attached in the middle of the water supply pipe 204 for air bleeding.
[0043]
With this configuration, the water in the water container 202 is guided into the water supply horn 30 through the water supply pipe 204 by the principle of siphon, and in the natural state, the water level in the water supply horn 30 is the level of the water surface of the water container 202. The same level as the level. If the water surface level in the water supply horn 30 is not raised above a predetermined height by appropriate means, if the water surface level of the water container 202 is higher than the predetermined height, A differential pressure is generated in the water in the water supply horn 30. It is easy to change the water level in the water container 202 by several mm, and as a result, the water supply pressure in the water supply horn 30 is 0.001 kg / cm. ² It becomes possible to manage at the level.
[0044]
The operation of the above apparatus will be described. As shown in FIGS. 1 and 3, the clamping means 60 is lifted along the support column 2, and the diffusion layer D to be evaluated is set on the water intake plate 40 of the placing means 10. Next, as indicated by phantom lines in FIGS. 1 and 3, the clamping means 60 is lowered, and the clamping means 60 is integrally fixed to the mounting means 10 using the screw rod 5. If necessary, the pressing unit 90 is operated to apply a required load to the support column 101 of the clamping unit 60. The load is detected by the load cell 95. Thereby, as for the diffusion layer D to be evaluated, the back surface side is supported by the water attracting plate 40, and the upper surface side is supported in a state of being pressed by the back surface of the pressing plate 100. By forming a gas flow path similar to a separator in an actual fuel cell on the back surface of the pressing plate 100, the same environment as in an actual fuel cell can be created. In the apparatus of the present invention, pressurization of the diffusion layer D is performed by moving the second part 60B described above by a slight amount (about 1 mm) in the normal direction, thereby defining the first partial powder 60A constituting the clamping means 60. It can be performed independently, and the load on the diffusion layer D and the axiality of the sealing performance are ensured, so that it is possible to avoid the leakage amount from fluctuating due to the load.
[0045]
The vertical position of the water container 202 is adjusted so that the position of the water surface in the water container 202 is higher than the position of the upper surface of the sandwiched diffusion layer D by a few millimeters. Accordingly, the water gradually rises in the space 35 of the water supply horn 30, passes through the water introduction hole 42 from the back surface of the water intake plate 40, rises in the concave grooves 41 a, 41 b, and the water intake plate 40. Reach the top edge of And it penetrate | invades into the diffused layer D which is the to-be-evaluated object arrange | positioned on the water attracting plate 40 from there. The pressure of the water at that time is a very small pressure (for example, 0.001 kg / cm so that water does not leak from the upper surface of the diffusion layer D). ² The water level in the water container 202 is controlled so that such a pressure is obtained. Since the generated water does not generate pressure in the actual cell environment of the fuel cell, the lower this pressure is, the more realistic it is.
[0046]
Hot water of a predetermined temperature is introduced from the hot water input ports 15a and 112. The hot water circulates through the hot water flow path in the mounting means 10 and the sandwiching means 60 to create a temperature environment that simulates the operation state of the fuel cell in the entire apparatus, particularly in the vicinity of the sandwiched diffusion layer D. By arranging the hot water flow path along the gas flow path from the gas introduction port 77 to the gas discharge port 79, gas condensation inside the flow path can also be prevented.
[0047]
A gas having a known humidity is introduced from the gas introduction port 77. The gas reaches the gas introduction port 68 on the upper surface side of the lower plate 61 from the gas introduction hole 78, passes through four gas guide grooves 67 a having the same length, and reaches one side of the through hole 66. The pressing plate 100 is located in the through hole 66, and the gas passes through the back surface of the pressing plate 100 and reaches the other side of the through hole 66 that faces the other. From there, the gas passes through the gas guide groove 67 b, is integrated into one at the gas discharge port 69, and is discharged from the gas discharge hole 80.
[0048]
When passing through the back surface of the pressing plate 100, it comes into contact with the surface of the diffusion layer D to be evaluated. When a gas channel is formed on the back surface of the pressing plate 100 in the same manner as an actual separator, the gas flows along the gas channel. When the gas flows down in contact with the surface of the diffusion layer D, the water in the diffusion layer D is taken away. The amount taken away varies depending on the physical properties of the diffusion layer D. By measuring the humidity of the exhaust gas and determining the difference from the humidity at the time of introduction, the drainage performance of the diffusion layer D can be evaluated. By evaluating the amount of water removed under the same conditions for a plurality of diffusion layers, objective data can be made uniform, and the data can be used very effectively when the unit cell is assembled.
[0049]
【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 drainage performance can be performed by the diffusion layer alone. Further, the performance evaluation can be performed in a state simulating the actual operation state of the fuel cell. Such evaluation results can be used very effectively when an actual fuel cell is assembled.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a front view showing an embodiment of an apparatus for carrying out a performance evaluation method based on drainage performance of a fuel cell diffusion layer according to the present invention.
2 is a perspective view showing a measurement unit main body of the apparatus of FIG. 1. FIG.
3 is a side view of the apparatus shown in FIG. 2. FIG.
FIG. 4 is an enlarged cross-sectional view showing a main part of a measurement unit main body.
5 is a horizontal sectional view taken along line VV in FIG. 4;
6 is a horizontal sectional view taken along line VI-VI in FIG. 4;
7 is a horizontal sectional view taken along line VII-VII in FIG. 4;
8A is a horizontal sectional view taken along line VIII-VIII in FIG. 4, and FIG. 8B is a sectional view taken along line bb in FIG. 8A.
9 is a cross-sectional view taken along line IV-IV in FIG.
10A is a plan view, FIG. 10B is a cross-sectional view taken along the line bb of FIG. 10A, and FIG. 10C is a bottom view.
11A and 11B are enlarged views of the main part of the water attracting plate, in which FIG. 11a is a plan view, FIG. 11b is a cross-sectional view taken along the line bb of FIG. 11a, and FIG. .
12A and 12B are diagrams showing a first flat diaphragm, in which FIG. 12a is a plan view and FIG. 12b is a cross-sectional view taken along line bb of FIG. 12a.
13A and 13B are diagrams showing a second flat diaphragm, in which FIG. 13a is a plan view, and FIG. 13b is a cross-sectional view taken along line bb of FIG. 13a.
[Explanation of symbols]
A: A device for evaluating the performance of the fuel cell diffusion layer based on drainage performance, B: Measuring unit main body, C: Water supply means, D ... Diffusion layer to be evaluated, 10 ... Mounting means, 60 ... Clamping means, 90 DESCRIPTION OF SYMBOLS ... Pressure means, 11 ... Bottom board, 12 ... Middle block, 13 ... Upper board, 12a ... Hot water input port, 17 ... Funnel-shaped part, 19 ... Concave groove as a hot water flow path, 20a ... Hot water drainage port, 30 ... Water Supply horn, 33 ... funnel-shaped widened portion, 35 ... inner space of funnel-shaped widened portion, 37 ... space between lower surface side of funnel-shaped widened portion and funnel-shaped portion, 40 ... water-inducing plate, 41a , 41b ... many concave grooves, 42 ... many water introduction holes, 60A ... first means for forming clamping means, 60B ... second means for forming clamping means, 61 ... lower plate, 62 ... middle plate 63 ... annular first intermediate body, 64 ... second intermediate body, 66 ... lower plate The formed through holes, 67a, 67b ... gas guide groove, 68 ... gas inlet, 69 ... gas outlet, 77 ... gas inlet port, 79 ... gas outlet port, 81 ... first flat diaphragm, 87 ... first 2 plate-shaped diaphragms, 91 ... handle, 92 ... first machine frame, 93 ... second machine frame, 94 ... coil spring, 95 ... load cell, 100 ... pressure plate (separator equivalent), 101 ... strut, DESCRIPTION OF SYMBOLS 110 ... Thermocouple, 112 ... Hot water inflow port, 113 ... Hot water drainage port, 201 ... Electronic balance, 202 ... Water container, 203 ... Lid, 204 ... Water supply pipe

Claims

The fuel cell diffusion layer to be evaluated is housed in a wet state in a posture where one surface is exposed in a known volume of water, and a gas having a known humidity is passed through the exposed surface, and water after a predetermined time has passed. A method for evaluating the performance of a fuel cell diffusion layer, wherein the drainage performance of the diffusion layer is evaluated by measuring the amount of reduced water.

A gas having a known humidity is flowed to one surface of the fuel cell diffusion layer to be evaluated, and water at a minute pressure is supplied from the other surface of the diffusion layer toward the one surface from a container containing a known volume of water. A method for evaluating the performance of a fuel cell diffusion layer, wherein the entire diffusion layer is in a wet state and the drainage performance of the diffusion layer is evaluated by measuring the amount of water reduced after a predetermined time.

3. The method for evaluating the performance of a fuel cell diffusion layer according to claim 1, wherein the evaluation is performed under conditions of pressure and temperature / humidity that simulate an environment during operation of the fuel cell.

3. The fuel cell diffusion layer performance evaluation method according to claim 2, wherein the minute pressure is a pressure that allows water supplied from the other surface of the diffusion layer to reach the one surface.

A member having a gas channel imitating a concave groove formed in the separator used in the fuel cell is brought into contact with one surface of the fuel cell diffusion layer under a predetermined pressure, and a known humidity is passed through the gas channel. The method for evaluating the performance of a fuel cell diffusion layer according to any one of claims 2 to 4, wherein the gas is allowed to flow.

A mounting means for mounting the fuel cell diffusion layer to be evaluated, a clamping means for positioning the fuel cell diffusion layer in cooperation with the mounting means, and a region of the mounting means in contact with the diffusion layer Water supply means for supplying water at a minute pressure, gas supply means for supplying gas of known humidity to a region in contact with the diffusion layer of the clamping means, and means for measuring the amount of water in the water supply means An apparatus for evaluating the performance of a fuel cell diffusion layer.

7. The fuel cell diffusion layer performance evaluation apparatus according to claim 6, further comprising a pressurizing unit for applying pressure to the diffusion layer sandwiched between the mounting unit and the sandwiching unit.

The sandwiching means includes a first portion that is integrally fixed to the placing means, and a second portion that is supported by the first portion so as to be movable in an up-down direction while maintaining airtightness with respect to the first portion. 8. The fuel cell diffusion layer performance evaluation apparatus according to claim 6, wherein the performance evaluation apparatus comprises a portion.

The hot water circulation path is formed in at least the mounting means and the clamping means, and the hot water supply means for supplying warm water to the hot water circulation path is provided. The fuel cell diffusion layer performance evaluation apparatus according to any one of the above.

On the surface of the area that contacts the diffusion layer of the mounting means, there is provided a water suction plate having a large number of concave grooves running vertically and horizontally and a large number of holes communicating with the bottom of the concave grooves and opened to the back side. The fuel cell diffusion layer performance evaluation apparatus according to any one of claims 6 to 9, wherein a back surface side of the water attracting plate communicates with water supply means.

A flow path member having a gas flow path simulating a concave groove formed in a separator used in a fuel cell is provided at the lower end of the second portion of the clamping means, and a gas supply means is provided in the gas flow path of the flow path member. 11. The fuel cell diffusion layer performance evaluation apparatus according to claim 6, wherein the fuel cell diffusion layer is connected.

The water supply means has a water container, and the water in the water container is supplied to a region in contact with the diffusion layer of the mounting means, and the water level in the water container at the time of evaluation is the mounting means. The performance evaluation device for a fuel cell diffusion layer according to any one of claims 6 to 11, wherein the level is slightly higher than the level of the upper surface of the diffusion layer sandwiched between the fuel cell and the sandwiching means. .

13. The fuel cell diffusion layer performance evaluation apparatus according to claim 12, wherein the means for measuring the amount of water in the water supply means is means for measuring the weight of water in the water container.