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JP4363069B2 - Fuel cell gas flow path evaluation device - Google Patents
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JP4363069B2 - Fuel cell gas flow path evaluation device - Google Patents

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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料電池におけるセパレータ(集電体)に形成される燃料ガスあるいは酸化剤ガスのガス流路を評価するための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7に示すように、電解質膜1Zと、その表裏面に塗布された触媒層2Z、2Zと、必要な場合には積層される拡散層4Z、4Zからなる電極(MEA:Membrane-Electrode Assembly)3Zが用いられ、該電極3Zは、燃料ガス(水素)および酸化剤ガス(酸素、通常は空気)を供給するためのガス流路5Zを有するセパレータ(集電体)6Zにより挟持されて単位モジュールとされる。
【0003】
燃料電池の発電効率を高めるために、電極やセパレータ(集電体)などの性能を客観的に評価することが必要とされる。特に、セパレータのガス流路形状は、電極(電解質膜)への反応ガスの供給態様や発電の結果として生成される水の排出態様などに影響を与えるので、性能のよい単位モジュールを得るためにセパレータのガス流路形状を評価することは重要な課題となる。
【0004】
ところで、従来のこの種の評価装置は、特許文献1(特開平5−205762号公報)に記載のように、電極と製品として製造されたセパレータとを一体に組み込んだ単位モジュールに対して反応ガスを流通させ、ガス流路も含めた単位モジュール全体としての発電性能を評価するのが一般的である。セパレータ単独の評価装置が特許文献2(特開平9−283168号公報)に記載されるが、これは製品としてのセパレータのガスリーク性を試験するにすぎない。
【0005】
【特許文献1】
特開平5−205762号公報
【特許文献2】
特開平9−283168号公報
【0006】
【発明が解決すべき問題点】
現在、セパレータの製造には、所望のガス流路形状を設定し、その形状データに基づくガス流路を含むようにしてセパレータ型を設計する。その設計に基づき実際に型を製作してセパレータを試作し、所望の形状どおりにガス流路が形成されていない場合には型修正を行う。通常、この型修正が数回繰り返されて、所望のガス流路を持つセパレータが完成する。このような経緯を取るために、セパレータの完成までに数ヶ月にわたる長い日数を要している。さらに、このようにして製造されたセパレータが電極と共に組み込まれて単位モジュールとされ、それが、例えば特許文献1に記載したような試験装置にセットされて、そのガス流路も含めた単位モジュールとしての評価が行われる。このような工程を踏んで行われるために、1つのガス流路に対する評価結果を得るまでに半年〜1年の期間を要しているのが現状であり、当該電極に応じた最善の流路形状を決定するにはさらに長い期間を必要とし、そのことが製品開発スピードを遅くする一因となっている。このことは、特許文献2に記載のセパレータのガス透過性試験装置での評価にも当てはまる。
【0007】
また、従来の評価は、上記のように、単位モジュールとして組み込んだ状態での評価であり、評価結果がガス流路形状そのものに起因するものであるかどうか判別するのは容易でない。なぜなら、同じ電極に対し、異なったガス流路形状を持つ複数種のセパレータを交換して配置し、同じ条件で運転することにより、はじめてガス流路そのものの良否を評価することが可能となるが、完成した単位モジュールでは電極とセパレータは周囲に配置した接着剤により一体化が行われており、電極に損傷を与えることなくセパレータを分離することが困難であると共に、評価結果はセパレータ精度や、接着方法、接着構造などの影響をも受けることによる。
【0008】
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、燃料電池で用いられるセパレータのガス流路の評価を迅速に行えるようにして製品開発スピードを大幅に向上させること、および、ガス流路そのものの評価を容易にかつ確実に行うこと、のできる燃料電池ガス流路評価方法と装置を提供することを目的とする。
【0009】
【課題を解決するための手段】
本発明による評価方法は、燃料電池のセパレータに成形されるガス流路を評価する方法であって、流路形状データに基づき流路を形成した疑似集電体を作り、該疑似集電体を電極と組み合わせて疑似モジュールとし、該疑似モジュールを実際のモジュールの運転状態に近似した環境におき、疑似集電体のガス流路に所要のガスを流して運転を行い、運転から得られるデータにより疑似集電体に形成したガス流路の評価を行うことを特徴とする。
【0010】
本発明によれば、例えば適宜の工作機械を用いて、実際のセパレータに形成しようとする流路形状と同じ形状のガス流路を、流路形状データに基づき、所要の材料表面に形成し、それが疑似集電体とされる。この工程は成形型を必要としないので短時間で行うことができる。流路を形成する疑似集電体の材料は、所要の導電性を有していれば実際のセパレータに用いる材料と同じである必要はない。材料の違いに起因する入手データの校正は計算により容易に行うとができる。
【0011】
そのようにして得た疑似集電体を、電極(MEA:Membrane-Electrode Assembly)と組み合わせて疑似モジュールとし、その疑似モジュールを実際のモジュールの運転状態に近似した環境において燃料電池としての運転を行い、所要のデータを得る。入手データは任意であるが、燃料電池の運転時にガス流路形状の影響を受けやすいデータであることが望ましく、例えば、初期・耐久後放電性能変化、流路圧損、集電体温度分布、電極ダメージ変化などに関するデータの全部またはそのいずれかであるのが実際的である。得られたデータが不都合なものであるときには、異なった流路形状を持つ疑似集電体に置き換えて、同じ条件で運転しデータを得る。以下、最適値が得られるまでこれを繰り返す。
【0012】
上記のように異なった流路形状を持つ疑似集電体を調製するのに長い時間を要しないので、短い時間で最適な流路形状を評価することが可能となる。以下、ここで決定した流路データに基づき型を起こし、製品としてのセパレータ本体を製造する。製造されたセパレータ本体に対してモジュールに組み込んでの評価試験を行う必要がないことはもちろんである。
【0013】
評価に際して、疑似集電体と電極とを非接着状態で圧接して疑似モジュール化することはきわめて望ましい。もちろん、その際に、疑似モジュール全体は他の密封手段により密封された環境下におかれる。この態様では、1つの疑似集電体についての評価を行った後に当該疑似集電体を取り外すときに、使用した電極に何の損傷も与えない。従って、同じ電極を用いてかつ同じ条件の下で、異なったガス流路形状を持つ複数の疑似集電体について評価を行うことが容易となり、流路形状そのものの評価を容易かつ迅速に行うことができる。
【0014】
本発明は上記の方法を効果的に実施するための装置も開示する。すなわち、本発明による燃料電池のセパレータに成形されるガス流路を評価する装置は、流路形状データに基づき流路を形成した第1疑似集電体を交換自在に支持する第1支持体と、流路形状データに基づき流路を形成した第2疑似集電体を交換自在に支持する第2支持体と、第1支持体と第2支持体を第1疑似集電体と第2疑似集電体とが電極を挟んで対向しかつ密接状態となる第1姿勢と互いに離間した状態となる第2姿勢とを選択的に取りうるようにする第1移動手段と、第2姿勢のときに第1支持体と第2支持体のいずれか一方をほぼ水平な姿勢とし、第1姿勢のとき第1支持体と第2支持体の双方を垂直な姿勢とする第2の移動手段と、第1姿勢にあるときに第1疑似集電体と第2疑似集電体の少なくとも一方を他方に対して加圧する加圧手段と、第1姿勢にあるときに第1疑似集電体と第2疑似集電体とその間に挟持した電極とで構成される疑似モジュールを密封状態とする密封手段と、第1姿勢にあるときに第1疑似集電体と第2疑似集電体に形成したガス流路に疑似モジュールの運転に必要なガスを供給する手段と、疑似モジュールの運転結果のデータを収集するデータ収集手段と、を少なくとも備えることを特徴とする。
【0015】
上記装置の使用に当たっては、最初に第1支持体と第2支持体に上記方法の発明で説明した疑似集電体に相当する第1と第2の疑似集電体を取り付ける。そして、第1支持体と第2支持体を互いに離間した状態である第2姿勢とする。その際に、少なくとも一方の支持体は第1移動手段によりほぼ水平な姿勢とされる。水平姿勢にある支持体に取り付けた疑似集電体の上に電極(MEA:Membrane-Electrode Assembly)をおく。電極は薄く曲がり易いが、セットしようとする疑似集電体は水平姿勢にあるのでセッティングは容易である。
【0016】
その後、第1移動手段により他方の支持体を移動して、第1支持体と第2支持体とを、第1疑似集電体と第2疑似集電体とが電極を挟んで対向しかつ密接した状態となる第1姿勢とする。第1姿勢になったときに、加圧手段により一方の疑似集電体を他方の疑似集電体に向けて押し付ける。このときの圧力は、当該電極が実際に燃料電池として組み込まれたときに電極に作用する圧力とされる。また、第1姿勢になったときには、第1疑似集電体と第2疑似集電体とその間に挟持した電極とで構成される疑似モジュールは、適宜の密封手段により外部から密封された状態におかれる。
【0017】
その状態で(第1姿勢を保持した状態で)、第2移動手段を作動して、水平状態にある第1支持体と第2支持体の双方を垂直な姿勢とする。この垂直姿勢は実際の燃料電池が運転されるときの姿勢である。この姿勢になったときに評価試験を開始する。すなわち、ガス供給手段を作動して、第1疑似集電体と第2疑似集電体のいずれか一方のガス流路に燃料ガスを、他方のガス流路に酸化剤ガスを流し込む。このときのガス供給条件は実際のモジュールの運転時と同じとされる。疑似モジュールの運転に必要なガスの供給を継続して行い、その間に評価に必要なデータを収集する。所要のデータの収集と分析を行い、当該疑似集電体の評価試験は終了する。
【0018】
データ収集後、第2移動手段を操作して第1支持体と第2支持体を水平な姿勢に戻し、第1移動手段を作動して第1支持体と第2支持体を第1姿勢から双方が隔離した第2姿勢とする。その後、第1支持体と第2支持体から第1疑似集電体と第2疑似集電体を取り外し、次に評価しようとする別の第1疑似集電体と第2疑似集電体を取り付け、好ましくは同じ電極をいずれかの疑似集電体の上にセッティングする。以下、同じ操作を繰り返し行う。この装置を用いることにより、セパレータの流路形状を短い時間で評価することができることは、上記方法の発明の説明で記載したとおりである。
【0019】
前記した密封手段は任意である。しかし、第1疑似集電体と第2疑似集電体とその間に挟持した電極との間での接着による封止を含まないことは好ましい。この態様とすることにより、評価試験後に、第1支持体と第2支持体を第1姿勢から第2姿勢とするときに、電極に何の損傷を与えることなく、第1疑似集電体と第2疑似集電体と電極とをそれぞれ分離することができ、それらの再使用が容易となる。また、同じ電極を繰り返し使用できるので、より客観的に流路評価が可能となる。
【0020】
好ましくは、第1支持体と第1疑似集電体の間および第2支持体と第2疑似集電体の間には絶縁材が配置される。絶縁材は樹脂材料が好ましいが、セラミックなどであってもよい。絶縁材を配置することにより、外乱のない状態で、疑似モジュールからより正確でデータを得ることができる。
【0021】
本発明の装置において、加圧手段は第1あるいは第2支持体を直接加圧しそれにより疑似集電体同士が圧接されるような形態でもよい。しかし、疑似モジュールに対する密封の確実性や操作のし易さを考慮すると、加圧手段が配置される側の支持体は、そこに支持する疑似集電体と加圧手段との間に樹脂材料で作られたピストンを備えるようにし、加圧手段は該ピストンを介して疑似集電体を加圧する形態とすることは望ましい。該ピストンは絶縁材を兼ねると共に、ピストン周壁と支持体との間の密封を確実にするために、ピストンの周壁と支持体との間には密封パッキンが備えられる。
【0022】
第1支持体と第2支持体が離間した状態である第2姿勢は、互いに平行な姿勢を維持して上下方向に離間した状態であってもよい。しかし、この態様の場合には、一方の支持体を上下方向に移動するための移動手段(第1移動手段)や加圧手段との関係で、装置の高さが高くなり、第1支持体と第2支持体を垂直な姿勢としたときに、広いスペースを必要とする。それを回避するために、好ましくは、第1支持体と第2支持体とをヒンジ結合とし、第1移動手段により第1支持体と第2支持体のいずれか一方がヒンジ点を中心に回動移動して前記第2姿勢となるように構成する。その際に、装置の使いやすさから、加圧手段を回動移動する側の支持体に装着することが望ましい。
【0023】
また、第1支持体と第2支持体をヒンジ結合した場合、両者を第1姿勢としたときに、機械加工精度の問題から、第1支持体と第2支持体の対向する表面同士の平行度を高く維持することが困難となる場合がある。そのために、第1姿勢のときに、第1支持体と第2支持体のいずれか一方を他方に向けてわずかに移動させ得る手段をさらに備えることは望ましい。
【0024】
実際の単位モジュールでは外周に帯状に塗布した接着剤により電極とセパレータは密封と一体化が図られる。そして、接着剤がガス流路に侵入するのを阻止するために、土手がガス導入流口を除く全周に配置される。このような土手に相当するものとして第1疑似集電体と第2疑似集電体のいずれか一方または双方の外周に閉ループ状に凸条のパッキング材が取り付け、ガス入口、ガス流路、ガス出口をすべてその内部領域に形成することは好ましい。それにより、製品形状に近似しながら、両極(第1と第2の疑似集電体)のガスバイパスを効果的に阻止することが可能となり、より実機に近い諸データを入手することができる。
【0025】
【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ガス流路評価方法を実施するための装置Aの一例の要部を示す断面図であり、図2でのa−a線位置での断面を示している。図2は、図1でのL−L線での上方から見た分割面を示している。図1において、L−L線よりも上に位置するものが本発明でいう第1支持体および第2支持体の一方(ここでは第1支持体50とする)に相当し、その下に位置するものが他方(第2支持体10とする)に相当する。第1支持体50と第2支持体10はともに全体として平面視ほぼ円形であり、両者は周縁部をねじ1で締め付けることにより、図1に示すように互いに密接した状態(本発明でいう「第1姿勢」)となり、ねじ1を取り外すことにより互いに離間した状態(本発明でいう「第2姿勢」)を取りうるようになっている。
【0026】
最初に第2支持体10を説明する。第2支持体10は、支持フレームである下部ブロック11と、その上面に位置する絶縁材として機能する樹脂板12と、さらにその上に位置する保持部材13とを備える。後記するように保持部材13は本発明でいう「第2疑似集電体20」を保持するためのものであり、ねじ14により樹脂板12とともに下部ブロック11に着脱自在に装着されている。樹脂板12と保持部材13はともに表裏面が平行かつ平坦面とされた薄板状部材である。保持部材13は第2疑似集電体20を収容する開口を有しており、該開口を囲むようにして密封材料としてのO−リング15が取り付けてある。また、保持部材13の外周縁近傍の表裏面にも密封材料としてのO−リング15aが取り付けてある(図2も参照)。
【0027】
第2疑似集電体20は表裏面が平行な薄板状部材であり、銅のような高い導電性を持つ材料で作られる。好ましくは、実際の燃料電池で使用されるセパレータ(集電体)と同じ厚みとされるが、異なっていても差し支えない。その表面には、図2に示すように、評価しようとするセパレータのガス流路と同じ形状のガス流路21が削り出しなど適宜の工作法により形成され、さらに、ガス流路21に接続するガス入口22、ガス出口23も形成される。その外周には閉ループ状に凸条のパッキン材24も取り付けられている。さらに、第2疑似集電体20の裏面には冷却水が循環するための水路25も形成される。第2疑似集電体20はねじ16により樹脂板12と一体化され、その状態でねじ14により下部ブロック11に装着される。
【0028】
図1に示すように、第2支持体10は装着した第2疑似集電体20の水路25に冷却するを供給する冷却水導入ポート17および冷却水排出ポート18を有しており、さらに、評価運転中での第2疑似集電体20の温度を測定する熱電対2、運転中の電力を取り出す出力端子3などのデータ収集手段も備えている。また、図示されないが、装着した第2疑似集電体20のガス入口22に反応ガスを供給するガス供給ポートおよびガス排出ポートも備えている。
【0029】
第1支持体50の構成は基本的に前記した第2支持体10と同じである。すなわち、前記保持部材13に相当する保持部材53を有し、そこに形成した開口内に本発明でいう「第1疑似集電体70」を収容するようになっている。保持部材53と第1疑似集電体70との位置的関係は、保持部材13と第2疑似集電体20の場合と同じであり、また、第1疑似集電体70はガス流路やガス入口、ガス出口あるいは水路71が鏡面対象に形成されている点を除いて第2疑似集電体20と同じである。ただし、保持部材53の厚みは第1疑似集電体70の厚みよりもわずかに(数mm程度)薄くされている。
【0030】
また、第1支持体50において、前記下部ブロック11に相当する上部ブロック51の形状は、第2支持体10と異なる。すなわち、上部ブロック51は筒状体であり、内部に形成される円筒状の空間には樹脂製のピストン52が気密にかつ上下方向に摺動できるようにして挿入されている。ピストン52の外周壁にはO−リング55が設けてあり、上部ブロック51の内周面とピストン52の外周壁との密封性を確保している。また、樹脂製ピストン52の上には剛性の高い背面材56が位置している。該背面材56も、外周面に取り付けた表面が平滑な滑り材57を介して、上部ブロック51の円筒状空間内を気密を保持した状態で上下に摺動できるようになっている。
【0031】
組み付けに当たり、第1疑似集電体70を内嵌合的に支持した状態で、保持部材53をねじ54により上部ブロック51の下面に取り付ける。保持部材53の上面にはO−リング55aが取り付けてあり、取り付け面の気密性は確保される。ねじ58によりピストン52と背面材56とを一体化しておき、それを上部ブロック51の円筒状空間内に挿入する。そして、ねじ59により第1疑似集電体70をピストン52の下面に一体化する。それにより、第1疑似集電体70およびピストン52は外部から密封された状態で、上部ブロック51に対して上下方向に摺動できるようにして組み付けられる。
【0032】
図1に示すように、第1支持体50にも、背面材56とピストン52を通過するようにして、第1疑似集電体70の水路71に冷却水を供給する冷却水導入ポート17および冷却水排出ポート18が形成されており、さらに、評価運転中での第1疑似集電体70の温度を測定する熱電対2、運転中の電力を取り出す出力端子3などのデータ収集手段も備えている。また、装着した第1疑似集電体70のガス入口72に反応ガスを供給するガス供給ポート4およびガス排出ポートも備えている。
【0033】
図1において、60は加圧手段であり、61はロードセルである。図1には示されない上部ブロック51側に連続するフレームに対して加圧手段60を取り付けて、背面材56の中央部から背面材56に荷重をかける。それにより、ピストン52は背面材56とともに下方に押し下げられ、対向して密接している第1と第2の疑似集電体70,20とを圧接状態とする。なお、ピストン52の下方への摺動は、保持部材53の厚みが第1疑似集電体70の厚みよりもわずかに薄くされていることにより、担保される。
【0034】
評価試験に当たっては、第2支持体10と第1支持体50を互いに離間した第2姿勢とし、例えば第2支持体10側の第2疑似集電体20の上に電極(不図示)を置く。その状態で、第1支持体50を、その第1疑似集電体70が第2疑似集電体20と対向するようにして、第2支持体10に密接した状態、すなわち本発明でいう「第2の姿勢」とする。そして、ねじ1を締め付けて一体化し、加圧手段60での加圧量をロードセル61で検出しながら、実際の燃料電池での運転状態での圧力状態が得られるようにする。
【0035】
上記の構成であり、荷重は支持フレームである上部ブロック51とは分離した状態で疑似集電体に付加されるので、荷重の調整は容易にかつ自由に行うことができる。また、この装置では、第1疑似集電体70と第2疑似集電体20と電極とで構成される疑似モジュールへの加圧と該疑似モジュールの外気との封止は完全に独立しており、密封手段とは無関係に疑似モジュールのみへ荷重を加えることができるので、評価にもっとも適した荷重付与が可能となり、ガス流路に対する正しい評価を得ることができる。また、密封も図示のようにO−リングのみで行うことが可能であり、構成が簡素化される。
【0036】
そのために、疑似モジュールの封止に、実際のモジュールでのように接着による封止を用いる必要がなく、評価試験後に、第1支持体50と第2支持体10を第1姿勢から第2姿勢とするときに、電極に何の損傷を与えることなく、第1疑似集電体70と第2疑似集電体20と電極とをそれぞれ分離することができる。そのために、同じ電極を繰り返し使用することが可能となり、より客観的に流路評価が得られる。必要なねじ止めを解除することにより、疑似集電体を他の疑似集電体と交換することも容易に行うことができる。
【0037】
本発明の装置において、第1支持体50と第2支持体10とを平行に密接した第1姿勢から互いに隔離した第2姿勢とする態様は任意であり、図1に示す第1姿勢から第1支持体50を図示しない適宜の移動手段(第1移動手段)により垂直方向上方に移動して第2姿勢としてもよい。しかし、実際にガス流路の評価を行うときには、平行に密接した第1支持体50と第2支持体10とをその姿勢を支持したまま垂直姿勢とすることとなるが、そのときのスペースを小さくすることができるように、第1支持体50と第2支持体10とをヒンジ結合とし、第1移動手段により第1支持体50と第2支持体10のいずれか一方がヒンジ点を中心に回動移動して前記第2姿勢となるように構成することが好ましい。
【0038】
図3は、そのための機構を組み込んだ本発明による評価装置の一例を示す側面図であり、この中には図1、2に基づき説明した要部構成が組み込まれている。なお、図3において同じ部材には同じ符号を付している。図3に示す装置において、第1支持体50は第1支持機枠81を備え、第2支持体10は第2支持機枠82を備える。そして、第1支持機枠81と第2支持機枠82とはヒンジ点83により回動自在に枢着されている。また、第1支持体50と第2支持体10の間には本発明にいう「第1移動手段」を構成するハンドル84を備えたねじ移動手段85と油圧アクチュエータ86とにより連結されており、それらを操作することにより、第1支持体50と第2支持体10とは、図1に示す前記第1姿勢と図2に示す互いに離間した第2姿勢とを任意に取ることができるようにされている。
【0039】
さらに、第2支持体10側の第2支持機枠82の下方端は、装置全体の支持台5に対して、第2支持体10の中心線から偏位した位置(前記ヒンジ点83に近い位置)87において、回動自在に枢支されている。そして、第2支持体10と支持台5とは、本発明でいう「第2移動手段」を構成する、2つの油圧アクチュエータ88、89を介して接続されており、アクチュエータ88、89を適宜操作することによって、図5に仮想線で示すように、第1姿勢にある第1支持体50と第2支持体10の全体をその姿勢を維持したままで垂直な姿勢に移動できるようになっている。
【0040】
図3の例では、加圧手段60は上部ブロック51側に連続するフレーム63に対して、ハンドル64、台形ねじ(不図示)を介し、背面材56の中央部に電極法線方向に加圧できるようにして取り付けてあり、ハンドル64を操作することにより背面材56に上部ブロック51とは独立して荷重がかかり、ピストン52は背面材56とともに下方に押し下げられる。荷重は、ロードセル61により計測される。
【0041】
評価に当たっては、第1、第2の支持手段50、10に評価しようとする第1、第2疑似電極70、20を取り付けて、第2移動手段(アクチュエータ88、89)を操作して第2支持手段10を水平姿勢とする。次に、第1移動手段(ねじ移動手段85、アクチュエータ86)を操作して、第1支持手段50を図2に示す上方に回動した位置(第2姿勢)とし、その状態で、第2疑似電極20の上に電極をセットする。第2疑似電極20は水平姿勢であり、このセッティングは容易である。次に、再度第1移動手段を操作して、第1支持体50を第2支持体10に向けて回動し、図3に示す両者を密接した第1姿勢とする。それにより、第1支持体50を第2支持体10の間には疑似モジュールが形成されるので、加圧手段60を操作して該疑似モジュールに所要の圧力を付与し、評価試験を行いうる状態とする。
【0042】
その状態で、第2移動手段を操作して全体を図5に仮想線で示す垂直姿勢とする。この姿勢は実際の燃料電池が運転される姿勢である。その状態で、第1と第2の疑似集電体70、20に形成したガス流路に反応ガスを流し、必要に応じて冷却水路に冷却水を流して、実際の運転環境に近似した環境を作り上げる。そのようにして疑似モジュールの運転を行いながら、所要のデータを得、ガス流路の評価を行う。
【0043】
図3〜図5に示した装置のように、第1支持体50と第2支持体10とをヒンジ点を介して回動自在に支持した構造体では、機械加工精度によっては、対向する面同士が完全に平行面となりがたく、第1姿勢としたときに密封性が不十分となることが起こりうる。図6はそれを回避しようとするものであり、第2支持体10側の第2支持機枠82に形成したヒンジ部をわずかに上下方向に移動可能とし、バネ90の力で第1支持機枠81と第2支持機枠82との間に隙間ができる構造としている。なお、図6で91はバネ90の力を調節するためのネジ手段である。このような調製手段を介在させることにより、機械加工精度に影響を受けることなく第1支持体50と第2支持体10の平行度、すなわち、第1疑似集電体70と第2疑似集電他20との平行度を確実に維持することが可能となり、より正確なガス流目評価試験を行うことができる。
【0044】
【発明の効果】
上記のように本発明による燃料電池ガス流路評価方法と装置によれば、燃料電池で用いられるセパレータのガス流路の評価を迅速に行うことが可能となり、製品開発スピードを大幅に向上させることができる。また、同じ電極(MEA:Membrane-Electrode Assembly)を用いて多種類のガス流路試験を行うことができるので、外乱を排除した状態でガス流路そのものの評価を容易かつ確実に行うことが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明による燃料電池ガス流路評価方法を実施するための装置の一例の要部を示す断面図であり、図2でのa−a線位置での断面を示している。
【図2】図1のL−L線による分割面を上方から見た部分図。
【図3】本発明による燃料電池ガス流路評価装置の全体を示す側面図。
【図4】図1の装置において、第1支持体と第2支持体とが分離した姿勢となった状態を示す図。
【図5】図1の装置において、第1支持体と第2支持体とが垂直姿勢となった状態を示す図。
【図6】ヒンジ部の一例を拡大して示す図。
【図7】単位モジュールの一例を示す図。
【符号の説明】
A…燃料電池ガス流路評価方法装置、2…熱電対、3…出力端子、4…ガス供給ポート、5…装置全体の支持台、15、15a…O−リング、17…冷却水導入ポート、18…冷却水排出ポート、10…第2支持体、11…下部ブロック、12…樹脂板、13…保持部材、20…第2疑似集電体、21…ガス流路、22…ガス入口、23…ガス出口、24…パッキン材、25…冷却水路、50…第1支持体、51…上部ブロック、52…樹脂製のピストン、53…保持部材、55…O−リング、56…背面材、70…第1疑似集電体、72…ガス入口、71…冷却水路、60…加圧手段、61…ロードセル、81…第1支持機枠、82…第2支持機枠、83…ヒンジ点、87…枢支点
[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a method and an apparatus for evaluating a gas flow path of a fuel gas or an oxidant gas formed on a separator (current collector) in a fuel cell.
[0002]
[Prior art]
For example, in a solid polymer electrolyte fuel cell, as shown in FIG. 7, from an electrolyte membrane 1Z, catalyst layers 2Z and 2Z applied to the front and back surfaces, and diffusion layers 4Z and 4Z that are laminated if necessary. An electrode (MEA: Membrane-Electrode Assembly) 3Z is used. The electrode 3Z is a separator (collector) having a gas flow path 5Z for supplying a fuel gas (hydrogen) and an oxidant gas (oxygen, usually air). An electric body) is sandwiched by 6Z to form a unit module.
[0003]
In order to increase the power generation efficiency of the fuel cell, it is necessary to objectively evaluate the performance of electrodes, separators (current collectors) and the like. In particular, the shape of the gas flow path of the separator affects the supply mode of the reaction gas to the electrode (electrolyte membrane) and the discharge mode of water generated as a result of power generation. Evaluating the shape of the gas flow path of the separator is an important issue.
[0004]
By the way, this type of conventional evaluation apparatus, as described in Patent Document 1 (Japanese Patent Application Laid-Open No. 5-205762), reacts with a unit module in which an electrode and a separator manufactured as a product are integrated. In general, the power generation performance of the entire unit module including the gas flow path is evaluated. A separator-only evaluation apparatus is described in Patent Document 2 (Japanese Patent Laid-Open No. 9-283168), but this is merely a test of the gas leakage of the separator as a product.
[0005]
[Patent Document 1]
Japanese Patent Laid-Open No. 5-205762
[Patent Document 2]
JP-A-9-283168
[0006]
[Problems to be solved by the invention]
Currently, in manufacturing a separator, a desired gas flow path shape is set, and a separator mold is designed so as to include a gas flow path based on the shape data. Based on the design, a mold is actually manufactured to make a prototype of the separator. If the gas flow path is not formed according to the desired shape, the mold is corrected. Usually, this mold correction is repeated several times to complete a separator having a desired gas flow path. In order to take such circumstances, it takes a long period of several months to complete the separator. Furthermore, the separator manufactured in this way is assembled with the electrode into a unit module, which is set in a test apparatus as described in Patent Document 1, for example, as a unit module including its gas flow path. Is evaluated. In order to carry out such a process, it takes a period of six months to one year to obtain an evaluation result for one gas flow path, and the best flow path corresponding to the electrode. A longer period is required to determine the shape, which contributes to the slowdown in product development. This also applies to the evaluation with the gas permeability tester of the separator described in Patent Document 2.
[0007]
Moreover, the conventional evaluation is an evaluation in a state where it is incorporated as a unit module as described above, and it is not easy to determine whether the evaluation result is caused by the gas flow path shape itself. This is because it is possible to evaluate the quality of the gas flow path for the first time by exchanging and arranging a plurality of types of separators having different gas flow path shapes for the same electrode and operating under the same conditions. In the completed unit module, the electrode and the separator are integrated by an adhesive disposed around the electrode, and it is difficult to separate the separator without damaging the electrode. By being affected by the bonding method and bonding structure.
[0008]
The present invention has been made in view of the above circumstances, and can greatly improve the product development speed by enabling rapid evaluation of the gas flow path of a separator used in a fuel cell. It is an object of the present invention to provide a fuel cell gas flow path evaluation method and apparatus capable of easily and reliably evaluating a path itself.
[0009]
[Means for Solving the Problems]
An evaluation method according to the present invention is a method for evaluating a gas flow path formed in a separator of a fuel cell, creating a pseudo current collector in which a flow path is formed based on flow path shape data. Combined with the electrode to make a pseudo module, put the pseudo module in an environment that approximates the operating state of the actual module, run the required gas through the gas flow path of the pseudo current collector, and according to the data obtained from the operation The gas flow path formed in the pseudo current collector is evaluated.
[0010]
According to the present invention, for example, using an appropriate machine tool, a gas flow path having the same shape as the flow path shape to be formed in an actual separator is formed on the required material surface based on the flow path shape data, This is a pseudo current collector. Since this step does not require a mold, it can be performed in a short time. The material of the pseudo current collector that forms the channel does not need to be the same as the material used for the actual separator as long as it has the required conductivity. Calibration of obtained data due to material differences can be easily performed by calculation.
[0011]
The pseudo current collector thus obtained is combined with an electrode (MEA: Membrane-Electrode Assembly) to form a pseudo module, and the pseudo module is operated as a fuel cell in an environment approximating the operating state of the actual module. Get the required data. Obtained data is arbitrary, but it is desirable that the data be easily influenced by the gas flow path shape during operation of the fuel cell. For example, the discharge performance change after initial and endurance, flow path pressure loss, current collector temperature distribution, electrode It is practical to use all or one of the data related to damage changes. When the obtained data is inconvenient, it is replaced with a pseudo current collector having a different flow path shape, and data is obtained by operating under the same conditions. Thereafter, this is repeated until an optimum value is obtained.
[0012]
Since a long time is not required for preparing pseudo current collectors having different flow channel shapes as described above, an optimal flow channel shape can be evaluated in a short time. Hereinafter, a mold is generated based on the flow path data determined here, and a separator body as a product is manufactured. Of course, it is not necessary to perform an evaluation test by incorporating the manufactured separator body into a module.
[0013]
In the evaluation, it is highly desirable to form a pseudo module by pressing the pseudo current collector and the electrode in a non-adhered state. Of course, in that case, the entire pseudo module is placed in an environment sealed by other sealing means. In this aspect, when the pseudo current collector is removed after the evaluation of one pseudo current collector, the used electrode is not damaged. Therefore, it becomes easy to evaluate a plurality of pseudo current collectors having different gas flow path shapes using the same electrode and under the same conditions, and the flow path shape itself can be easily and quickly evaluated. Can do.
[0014]
The present invention also discloses an apparatus for effectively performing the above method. That is, an apparatus for evaluating a gas flow path formed in a separator of a fuel cell according to the present invention includes a first support body that replaceably supports a first pseudo current collector having a flow path formed based on flow path shape data. , A second support that exchangeably supports the second pseudo current collector that forms the flow path based on the flow path shape data, and the first pseudo current collector and the second pseudo current support. A first moving means for allowing the current collector to selectively take a first position in which the current collector is opposed to and in close contact with the electrode and a second position in a state of being separated from each other; and in the second position A second moving means for setting one of the first support and the second support to a substantially horizontal posture, and setting both the first support and the second support to a vertical posture in the first posture; When in the first position, pressurize at least one of the first pseudo-current collector and the second pseudo-current collector against the other Sealing means for sealing a pseudo module comprising a first pseudo current collector, a second pseudo current collector and an electrode sandwiched between the first pseudo current collector and the first pseudo current collector when in the first posture; Means for supplying gas necessary for operation of the pseudo module to the gas flow paths formed in the first pseudo current collector and the second pseudo current collector when in the posture, and data for collecting data on the operation result of the pseudo module And at least collecting means.
[0015]
In using the apparatus, first and second pseudo current collectors corresponding to the pseudo current collector described in the method invention are first attached to the first support and the second support. And let it be the 2nd attitude | position which is the state which mutually separated the 1st support body and the 2nd support body. At that time, at least one of the supports is brought into a substantially horizontal posture by the first moving means. An electrode (MEA: Membrane-Electrode Assembly) is placed on a pseudo current collector attached to a support in a horizontal posture. Although the electrodes are thin and easy to bend, the setting is easy because the pseudo current collector to be set is in a horizontal position.
[0016]
Thereafter, the other support body is moved by the first moving means, the first support body and the second support body are opposed to each other with the first pseudo current collector and the second pseudo current collector sandwiching the electrodes, and The first posture is a close state. When the first posture is reached, one pseudo current collector is pressed against the other pseudo current collector by the pressurizing means. The pressure at this time is a pressure acting on the electrode when the electrode is actually incorporated as a fuel cell. When the first posture is reached, the pseudo module composed of the first pseudo current collector, the second pseudo current collector, and the electrode sandwiched therebetween is sealed from the outside by appropriate sealing means. I'm left.
[0017]
In this state (while maintaining the first posture), the second moving means is operated to bring both the first support body and the second support body in the horizontal state into a vertical posture. This vertical attitude is an attitude when the actual fuel cell is operated. The evaluation test starts when this posture is reached. That is, the gas supply means is operated to flow the fuel gas into one of the first pseudo current collector and the second pseudo current collector and the oxidant gas into the other gas flow path. The gas supply conditions at this time are the same as those during the actual operation of the module. The gas necessary for operation of the pseudo module is continuously supplied, and data necessary for evaluation is collected during that time. The required data is collected and analyzed, and the evaluation test of the pseudo current collector is completed.
[0018]
After collecting the data, the second moving means is operated to return the first support and the second support to the horizontal posture, and the first moving means is operated to move the first support and the second support from the first posture. The second posture is isolated from both sides. Thereafter, the first pseudo current collector and the second pseudo current collector are removed from the first support body and the second support body, and another first pseudo current collector and second pseudo current collector to be evaluated next are removed. An attachment, preferably the same electrode, is set on any pseudo current collector. Thereafter, the same operation is repeated. By using this apparatus, it is possible to evaluate the flow path shape of the separator in a short time, as described in the description of the invention of the above method.
[0019]
The sealing means described above is optional. However, it is preferable not to include sealing by adhesion between the first pseudo current collector, the second pseudo current collector, and the electrode sandwiched therebetween. By adopting this aspect, when the first support body and the second support body are changed from the first posture to the second posture after the evaluation test, the first pseudo current collector is not damaged without causing any damage to the electrodes. The second pseudo current collector and the electrode can be separated from each other, and they can be easily reused. Further, since the same electrode can be used repeatedly, the flow path can be evaluated more objectively.
[0020]
Preferably, an insulating material is disposed between the first support and the first pseudo current collector and between the second support and the second pseudo current collector. The insulating material is preferably a resin material, but may be ceramic or the like. By arranging the insulating material, it is possible to obtain data more accurately from the pseudo module without any disturbance.
[0021]
In the apparatus of the present invention, the pressurizing means may be configured to pressurize the first or second support directly so that the pseudo current collectors are pressed against each other. However, in consideration of the reliability of sealing with respect to the pseudo module and the ease of operation, the support on the side where the pressurizing means is disposed is a resin material between the pseudo current collector that supports the pressurizing means and the pressurizing means. It is desirable to provide a piston made of the above, and the pressurizing means pressurizes the pseudo current collector through the piston. The piston also serves as an insulating material, and a sealing packing is provided between the peripheral wall of the piston and the support in order to ensure a seal between the piston peripheral wall and the support.
[0022]
The second posture, in which the first support and the second support are separated from each other, may be a state in which they are separated in the vertical direction while maintaining a mutually parallel posture. However, in the case of this aspect, the height of the apparatus becomes high due to the relationship with the moving means (first moving means) and the pressurizing means for moving one of the supports in the vertical direction, and the first support When the second support is in a vertical posture, a large space is required. In order to avoid this, preferably, the first support and the second support are hingedly connected, and one of the first support and the second support is rotated around the hinge point by the first moving means. It is configured to move and move to the second posture. In that case, it is desirable to attach the pressurizing means to the support on the side to be rotated for the ease of use of the apparatus.
[0023]
Further, when the first support and the second support are hinge-coupled, when the two are in the first posture, the opposing surfaces of the first support and the second support are parallel to each other due to the problem of machining accuracy. It may be difficult to maintain a high degree. Therefore, it is desirable to further include means that can slightly move one of the first support and the second support toward the other in the first posture.
[0024]
In an actual unit module, the electrode and the separator are hermetically sealed and integrated by an adhesive applied in a strip shape on the outer periphery. And in order to prevent that an adhesive agent penetrate | invades into a gas flow path, a bank is arrange | positioned in the perimeter except a gas introduction flow port. Corresponding to such a bank, a protruding packing material is attached in a closed loop shape on the outer circumference of one or both of the first pseudo current collector and the second pseudo current collector, and the gas inlet, gas flow path, gas It is preferable to form all the outlets in the interior region. Thereby, it is possible to effectively prevent the gas bypass of both electrodes (first and second pseudo current collectors) while approximating the product shape, and it is possible to obtain various data closer to the actual machine.
[0025]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
The present invention will be described below with reference to the drawings. FIG. 1 is a cross-sectional view showing a main part of an example of an apparatus A for carrying out the fuel cell gas flow path evaluation method according to the present invention, and shows a cross section taken along the line aa in FIG. FIG. 2 shows a divided surface viewed from above along the line LL in FIG. In FIG. 1, what is positioned above the line LL corresponds to one of the first support and the second support (referred to here as the first support 50) in the present invention, and is positioned below that. What to do corresponds to the other (referred to as the second support 10). The first support 50 and the second support 10 are generally circular in plan view as a whole, and both are in close contact with each other as shown in FIG. 1st posture "), and by removing the screws 1, they can be separated from each other (a" second posture "in the present invention).
[0026]
First, the second support 10 will be described. The second support 10 includes a lower block 11 that is a support frame, a resin plate 12 that functions as an insulating material located on an upper surface thereof, and a holding member 13 that is further located on the resin plate 12. As will be described later, the holding member 13 is for holding the “second pseudo current collector 20” referred to in the present invention, and is detachably attached to the lower block 11 together with the resin plate 12 by screws 14. Both the resin plate 12 and the holding member 13 are thin plate members whose front and back surfaces are parallel and flat. The holding member 13 has an opening for accommodating the second pseudo current collector 20, and an O-ring 15 as a sealing material is attached so as to surround the opening. Further, O-rings 15a as sealing materials are also attached to the front and back surfaces in the vicinity of the outer peripheral edge of the holding member 13 (see also FIG. 2).
[0027]
The second pseudo current collector 20 is a thin plate member whose front and back surfaces are parallel, and is made of a material having high conductivity such as copper. Preferably, the thickness is the same as that of a separator (current collector) used in an actual fuel cell, but it may be different. As shown in FIG. 2, a gas flow path 21 having the same shape as the gas flow path of the separator to be evaluated is formed on the surface by an appropriate working method such as cutting, and further connected to the gas flow path 21. A gas inlet 22 and a gas outlet 23 are also formed. A convex packing material 24 is also attached to the outer periphery in a closed loop shape. Further, a water channel 25 for circulating cooling water is also formed on the back surface of the second pseudo current collector 20. The second pseudo current collector 20 is integrated with the resin plate 12 by screws 16 and is attached to the lower block 11 by screws 14 in this state.
[0028]
As shown in FIG. 1, the second support 10 has a cooling water introduction port 17 and a cooling water discharge port 18 for supplying cooling to the water passage 25 of the mounted second pseudo current collector 20, Data collection means such as a thermocouple 2 for measuring the temperature of the second pseudo current collector 20 during the evaluation operation and an output terminal 3 for taking out the electric power during operation are also provided. Although not shown, a gas supply port and a gas discharge port for supplying a reaction gas to the gas inlet 22 of the mounted second pseudo current collector 20 are also provided.
[0029]
The configuration of the first support 50 is basically the same as that of the second support 10 described above. That is, the holding member 53 corresponding to the holding member 13 is provided, and the “first pseudo current collector 70” in the present invention is accommodated in an opening formed therein. The positional relationship between the holding member 53 and the first pseudo current collector 70 is the same as in the case of the holding member 13 and the second pseudo current collector 20, and the first pseudo current collector 70 has gas flow paths and The second pseudo current collector 20 is the same as the second pseudo current collector 20 except that a gas inlet, a gas outlet or a water channel 71 is formed on a mirror surface. However, the thickness of the holding member 53 is slightly (approximately several mm) thinner than the thickness of the first pseudo current collector 70.
[0030]
In the first support 50, the shape of the upper block 51 corresponding to the lower block 11 is different from that of the second support 10. That is, the upper block 51 is a cylindrical body, and a resin-made piston 52 is inserted into a cylindrical space formed therein so as to be airtight and slidable in the vertical direction. An O-ring 55 is provided on the outer peripheral wall of the piston 52 to ensure sealing between the inner peripheral surface of the upper block 51 and the outer peripheral wall of the piston 52. Further, a highly rigid back material 56 is positioned on the resin piston 52. The back material 56 can also be slid up and down in a cylindrical space of the upper block 51 through a sliding material 57 with a smooth surface attached to the outer peripheral surface while maintaining airtightness.
[0031]
In assembling, the holding member 53 is attached to the lower surface of the upper block 51 with a screw 54 in a state where the first pseudo current collector 70 is supported in an internal manner. An O-ring 55a is attached to the upper surface of the holding member 53, and the airtightness of the attachment surface is ensured. The piston 52 and the back member 56 are integrated with the screw 58 and inserted into the cylindrical space of the upper block 51. Then, the first pseudo current collector 70 is integrated with the lower surface of the piston 52 by the screw 59. Thus, the first pseudo current collector 70 and the piston 52 are assembled so as to be slidable in the vertical direction with respect to the upper block 51 in a state of being sealed from the outside.
[0032]
As shown in FIG. 1, the cooling water introduction port 17 for supplying cooling water to the water channel 71 of the first pseudo current collector 70 so as to pass through the back material 56 and the piston 52 also to the first support 50. A cooling water discharge port 18 is formed, and further includes data collecting means such as a thermocouple 2 for measuring the temperature of the first pseudo current collector 70 during the evaluation operation and an output terminal 3 for taking out the electric power during operation. ing. Further, a gas supply port 4 and a gas discharge port for supplying a reaction gas to the gas inlet 72 of the first pseudo current collector 70 attached are also provided.
[0033]
In FIG. 1, 60 is a pressurizing means, and 61 is a load cell. A pressurizing means 60 is attached to a continuous frame on the upper block 51 side (not shown in FIG. 1), and a load is applied to the back material 56 from the center of the back material 56. As a result, the piston 52 is pushed down together with the back material 56 to bring the first and second pseudo current collectors 70 and 20 that are in close contact with each other into a pressure contact state. The downward sliding of the piston 52 is ensured by the thickness of the holding member 53 being slightly thinner than the thickness of the first pseudo current collector 70.
[0034]
In the evaluation test, the second support body 10 and the first support body 50 are set in a second posture separated from each other, and for example, an electrode (not shown) is placed on the second pseudo current collector 20 on the second support body 10 side. . In this state, the first support 50 is in close contact with the second support 10 such that the first pseudo current collector 70 faces the second pseudo current collector 20, that is, as referred to in the present invention. “Second posture”. Then, the screw 1 is tightened and integrated, and the pressure state in the actual operation state of the fuel cell is obtained while the amount of pressurization by the pressurizing means 60 is detected by the load cell 61.
[0035]
With the above-described configuration, the load is applied to the pseudo current collector in a state separated from the upper block 51 that is the support frame. Therefore, the load can be easily and freely adjusted. In this device, the pressure applied to the pseudo module composed of the first pseudo current collector 70, the second pseudo current collector 20, and the electrode and the sealing of the pseudo module outside air are completely independent. In addition, since a load can be applied only to the pseudo module regardless of the sealing means, it is possible to apply a load most suitable for the evaluation, and a correct evaluation for the gas flow path can be obtained. Further, sealing can be performed only by an O-ring as shown in the figure, and the configuration is simplified.
[0036]
Therefore, it is not necessary to use sealing by adhesion as in an actual module for sealing the pseudo module, and after the evaluation test, the first support 50 and the second support 10 are moved from the first position to the second position. In this case, the first pseudo current collector 70, the second pseudo current collector 20, and the electrodes can be separated from each other without causing any damage to the electrodes. Therefore, it becomes possible to repeatedly use the same electrode, and the flow path evaluation can be obtained more objectively. By releasing the necessary screwing, the pseudo current collector can be easily replaced with another pseudo current collector.
[0037]
In the apparatus of the present invention, the first support 50 and the second support 10 can be arbitrarily separated from the first posture in close contact with each other in the second posture, and the first posture shown in FIG. The first support 50 may be moved vertically upward by an appropriate moving means (first moving means) (not shown) to assume the second posture. However, when the gas flow path is actually evaluated, the first support 50 and the second support 10 that are in close contact with each other are set in a vertical posture while supporting the posture. The first support 50 and the second support 10 are hinge-coupled so that the first support 50 and the second support 10 can be reduced, and either the first support 50 or the second support 10 is centered on the hinge point by the first moving means. It is preferable that the second posture is configured by pivoting to the second position.
[0038]
FIG. 3 is a side view showing an example of an evaluation apparatus according to the present invention in which a mechanism therefor is incorporated, in which the main configuration described based on FIGS. 1 and 2 is incorporated. In FIG. 3, the same members are denoted by the same reference numerals. In the apparatus shown in FIG. 3, the first support 50 includes a first support machine frame 81, and the second support 10 includes a second support machine frame 82. The first support machine frame 81 and the second support machine frame 82 are pivotally attached to each other by a hinge point 83. Further, the first support 50 and the second support 10 are connected by a screw moving means 85 having a handle 84 constituting a “first moving means” according to the present invention and a hydraulic actuator 86. By operating them, the first support 50 and the second support 10 can arbitrarily take the first posture shown in FIG. 1 and the second posture separated from each other shown in FIG. Has been.
[0039]
Further, the lower end of the second support machine frame 82 on the second support body 10 side is displaced from the center line of the second support body 10 with respect to the support base 5 of the entire apparatus (close to the hinge point 83). At position 87, it is pivotally supported. The second support 10 and the support 5 are connected via two hydraulic actuators 88 and 89 that constitute the “second moving means” in the present invention, and the actuators 88 and 89 are appropriately operated. By doing so, as indicated by the phantom line in FIG. 5, the entire first support 50 and second support 10 in the first posture can be moved to a vertical posture while maintaining the posture. Yes.
[0040]
In the example of FIG. 3, the pressurizing means 60 pressurizes the frame 63 continuous on the upper block 51 side through the handle 64 and trapezoidal screws (not shown) in the center direction of the back material 56 in the normal direction of the electrode. When the handle 64 is operated, a load is applied to the back member 56 independently of the upper block 51, and the piston 52 is pushed down together with the back member 56. The load is measured by the load cell 61.
[0041]
In the evaluation, the first and second pseudo electrodes 70 and 20 to be evaluated are attached to the first and second support means 50 and 10, and the second moving means (actuators 88 and 89) are operated to perform the second operation. The support means 10 is in a horizontal posture. Next, the first moving means (screw moving means 85, actuator 86) is operated to bring the first support means 50 into the upwardly rotated position (second posture) shown in FIG. An electrode is set on the pseudo electrode 20. The second pseudo electrode 20 is in a horizontal posture, and this setting is easy. Next, the first moving unit is operated again to rotate the first support 50 toward the second support 10 to bring the two shown in FIG. 3 into a close first posture. As a result, a pseudo module is formed between the first support 50 and the second support 10, so that the pressure test unit 60 can be operated to apply a required pressure to the pseudo module and an evaluation test can be performed. State.
[0042]
In this state, the second moving means is operated to bring the whole into a vertical posture indicated by a virtual line in FIG. This posture is a posture in which an actual fuel cell is operated. In this state, the reaction gas is made to flow through the gas flow passages formed in the first and second pseudo current collectors 70 and 20, and the cooling water is made to flow through the cooling water passages as necessary to approximate an actual operating environment. Make up. In this way, while operating the pseudo module, necessary data is obtained and the gas flow path is evaluated.
[0043]
In the structure in which the first support 50 and the second support 10 are rotatably supported via the hinge points as in the apparatus shown in FIGS. 3 to 5, the opposing surfaces depend on the machining accuracy. It is difficult for the surfaces to be completely parallel to each other, and the sealing performance may be insufficient when the first posture is adopted. FIG. 6 is intended to avoid this. The hinge portion formed on the second support machine frame 82 on the second support 10 side can be slightly moved in the vertical direction, and the first support machine can be moved by the force of the spring 90. The structure is such that a gap is formed between the frame 81 and the second support machine frame 82. In FIG. 6, reference numeral 91 denotes a screw means for adjusting the force of the spring 90. By interposing such a preparation means, the parallelism between the first support 50 and the second support 10 without affecting the machining accuracy, that is, the first pseudo current collector 70 and the second pseudo current collector. The parallelism with the other 20 can be reliably maintained, and a more accurate gas flow evaluation test can be performed.
[0044]
【The invention's effect】
As described above, according to the fuel cell gas flow path evaluation method and apparatus according to the present invention, the gas flow path of the separator used in the fuel cell can be quickly evaluated, and the product development speed can be greatly improved. Can do. In addition, since various types of gas flow path tests can be performed using the same electrode (MEA: Membrane-Electrode Assembly), it is possible to easily and reliably evaluate the gas flow path itself without any disturbance. It becomes.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a cross-sectional view showing a main part of an example of an apparatus for carrying out a fuel cell gas flow path evaluation method according to the present invention, showing a cross section taken along the line aa in FIG.
FIG. 2 is a partial view of a dividing surface taken along line LL in FIG. 1 as viewed from above.
FIG. 3 is a side view showing the whole fuel cell gas flow path evaluation apparatus according to the present invention.
4 is a view showing a state in which the first support and the second support are separated from each other in the apparatus of FIG. 1;
5 is a view showing a state in which the first support body and the second support body are in a vertical posture in the apparatus of FIG. 1;
FIG. 6 is an enlarged view showing an example of a hinge portion.
FIG. 7 is a diagram illustrating an example of a unit module.
[Explanation of symbols]
A ... Fuel cell gas flow path evaluation method apparatus, 2 ... Thermocouple, 3 ... Output terminal, 4 ... Gas supply port, 5 ... Support base for the entire apparatus, 15, 15a ... O-ring, 17 ... Cooling water introduction port, DESCRIPTION OF SYMBOLS 18 ... Cooling water discharge port, 10 ... Second support, 11 ... Lower block, 12 ... Resin plate, 13 ... Holding member, 20 ... Second pseudo current collector, 21 ... Gas flow path, 22 ... Gas inlet, 23 DESCRIPTION OF SYMBOLS ... Gas outlet, 24 ... Packing material, 25 ... Cooling water channel, 50 ... 1st support body, 51 ... Upper block, 52 ... Resin piston, 53 ... Holding member, 55 ... O-ring, 56 ... Back material, 70 DESCRIPTION OF SYMBOLS 1st pseudo electric power collector, 72 ... Gas inlet, 71 ... Cooling water channel, 60 ... Pressurizing means, 61 ... Load cell, 81 ... 1st support machine frame, 82 ... 2nd support machine frame, 83 ... Hinge point, 87 … Pivot point

Claims (9)

燃料電池のセパレータに成形されるガス流路を評価する装置であって、
流路形状データに基づき流路を形成した第1疑似集電体を交換自在に支持する第1支持体と、
流路形状データに基づき流路を形成した第2疑似集電体を交換自在に支持する第2支持体と、
第1支持体と第2支持体を第1疑似集電体と第2疑似集電体とが電極を挟んで対向しかつ密接状態となる第1姿勢と互いに離間した状態となる第2姿勢とを選択的に取りうるようにする第1移動手段と、
第2姿勢のときに第1支持体と第2支持体のいずれか一方を装置設置面に対して水平な姿勢とし、第1姿勢のとき第1支持体と第2支持体の双方を装置設置面に対して垂直な姿勢とする第2の移動手段と、
第1姿勢にあるときに第1疑似集電体と第2疑似集電体の少なくとも一方を他方に対して加圧する加圧手段と、
第1姿勢にあるときに第1疑似集電体と第2疑似集電体とその間に挟持した電極とで構成される疑似モジュールを密封状態とする密封手段と、
第1姿勢にあるときに第1疑似集電体と第2疑似集電体に形成したガス流路に疑似モジュールの運転に必要なガスを供給する手段と、
疑似モジュールの運転結果のデータを収集するデータ収集手段と、
を少なくとも備えることを特徴とする燃料電池ガス流路評価装置。
An apparatus for evaluating a gas flow path formed in a separator of a fuel cell,
A first support that exchangeably supports a first pseudo current collector that forms a flow path based on flow path shape data;
A second support that exchangeably supports a second pseudo current collector that forms a flow path based on flow path shape data;
A first posture in which the first pseudo-current collector and the second pseudo-current collector are opposed to each other with the first pseudo current collector and the second pseudo current collector in contact with each other with the electrodes therebetween, and a second posture in which the first pseudo-current collector and the second pseudo current collector are separated from each other. First moving means for selectively taking
In the second posture, either the first support body or the second support body is in a horizontal posture with respect to the device installation surface, and in the first posture, both the first support body and the second support body are installed in the device. A second moving means having a posture perpendicular to the surface;
Pressurizing means for pressurizing at least one of the first pseudo-current collector and the second pseudo-current collector against the other when in the first posture;
Sealing means for sealing a pseudo module composed of the first pseudo current collector, the second pseudo current collector, and an electrode sandwiched therebetween when in the first posture;
Means for supplying a gas required for operation of the pseudo module to a gas flow path formed in the first pseudo current collector and the second pseudo current collector when in the first posture;
Data collection means for collecting data of operation results of the pseudo module;
A fuel cell gas flow path evaluation apparatus comprising:
密封手段は、第1疑似集電体と第2疑似集電体とその間に挟持した電極との間での接着による封止を含まないことを特徴とする請求項に記載の燃料電池ガス流路評価装置。2. The fuel cell gas flow according to claim 1 , wherein the sealing means does not include sealing by adhesion between the first pseudo current collector, the second pseudo current collector, and the electrode sandwiched therebetween. Road evaluation device. 第1支持体と第1疑似集電体の間および第2支持体と第2疑似集電体の間には絶縁材が配置されていることを特徴とする請求項に記載の燃料電池ガス流路評価装置。2. The fuel cell gas according to claim 1 , wherein an insulating material is disposed between the first support and the first pseudo current collector and between the second support and the second pseudo current collector. Flow path evaluation device. 加圧手段が配置される側の支持体は、そこに支持する疑似集電体と加圧手段との間に樹脂材料で作られたピストンを備えており、該ピストンを加圧手段が押下するようにされており、かつ、該ピストンは絶縁材を兼ねると共に、該ピストンの周壁と支持体との間には密封パッキンが設けられていることを特徴とする請求項に記載の燃料電池ガス流路評価装置。The support on the side where the pressurizing means is disposed includes a piston made of a resin material between the pseudo current collector supported by the pressurizing means and the pressurizing means, and the pressurizing means presses the piston. by which, and as, together with the piston also serves as the insulating material, the fuel cell gas according to claim 1 which is between the peripheral wall and the support of the piston, characterized in that the sealing gasket is provided Flow path evaluation device. 第1支持体と第2支持体はヒンジ結合されており、第1移動手段により第1支持体と第2支持体のいずれか一方がヒンジ点を中心に回動移動することにより第2の姿勢を取るようにされていることを特徴とする請求項1から4のいずれかに記載の燃料電池ガス流路評価装置。The first support body and the second support body are hinge-coupled, and the second posture is obtained by rotating one of the first support body and the second support body about the hinge point by the first moving means. 5. The fuel cell gas flow path evaluation apparatus according to claim 1, wherein 加圧手段は回動移動する側の支持体に装着されていることを特徴とする請求項に記載の燃料電池ガス流路評価装置。6. The fuel cell gas flow path evaluation apparatus according to claim 5 , wherein the pressurizing means is attached to a support body on the side of rotational movement. 第1姿勢のときに、第1支持体と第2支持体のいずれか一方を他方に向けて移動させる手段をさらに備えることを特徴とする請求項5または6に記載の燃料電池ガス流路評価装置。The fuel cell gas flow path evaluation according to claim 5 or 6 , further comprising means for moving one of the first support and the second support toward the other when in the first posture. apparatus. 第1疑似集電体と第2疑似集電体の外周には閉ループ状に凸条のパッキン材が取り付けてあり、ガス入口、ガス流路、ガス出口はすべてその内部領域に形成されていることを特徴とする請求項1から7のいずれかに記載の燃料電池ガス流路評価装置。Convex packing material is attached to the outer circumference of the first pseudo current collector and the second pseudo current collector in a closed loop shape, and the gas inlet, the gas flow path, and the gas outlet are all formed in the inner region. The fuel cell gas flow path evaluation apparatus according to claim 1, wherein: データ収集手段による収集データは、初期・耐久後放電性能変化、流路圧損、集電体温度分布、電極ダメージ変化に関するデータのいずれかまたはすべてであることを特徴とする請求項1または2に記載の燃料電池ガス流路評価装置。Collecting data by the data collecting means, after initial and durability discharge performance changes, the passage pressure loss, the collector temperature distribution, according to claim 1 or 2, characterized in that any or all of the data for the electrode damage change Fuel cell gas flow path evaluation apparatus.
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