燃料電池用多孔体のガス拡散性の評価方法及び燃料電池の製造方法
【課題】燃料電池に用いられる多孔体のガス拡散性を客観的に且つ高い信頼性を持って評価することのできる評価方法を提供する。
【解決手段】多孔体の背面側に白金を均一に配置する。例えば、多孔体と白金を含む触媒層とを一体化するのでもよい。そして、多孔体の背面側は気密にして、多孔体の表面に沿って一酸化炭素を含む試験ガスを通過させる。そして、多孔体の表面を通過した試験ガス中の一酸化炭素濃度を計測し、その計測結果によって多孔体のガス拡散性を評価する。
【解決手段】多孔体の背面側に白金を均一に配置する。例えば、多孔体と白金を含む触媒層とを一体化するのでもよい。そして、多孔体の背面側は気密にして、多孔体の表面に沿って一酸化炭素を含む試験ガスを通過させる。そして、多孔体の表面を通過した試験ガス中の一酸化炭素濃度を計測し、その計測結果によって多孔体のガス拡散性を評価する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池用多孔体のガス拡散性の評価方法とそれを利用した燃料電池の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は、電解質膜の両面に電極を接合したＭＥＡ（膜電極接合体）を備えている。ＭＥＡを構成する電極は白金が担持された触媒層として構成され、触媒層の表面には撥水層、ガス拡散層といった多孔体の層が積層されている。また、触媒層自体も多孔体である。これら多孔体のガス拡散性を向上させることは、燃料電池の発電性能を向上させるための条件の１つである。このため、かねてより多孔体のガス拡散性の評価に関する様々な技術が提案されている。例えば、特開２００６−２９２７１４号公報には、ガルバニ型酸素濃度センサを利用して多孔体の酸素拡散係数を測定することが開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００６−２９２７１４号公報
【特許文献２】特開平５−２８３０９１号公報
【特許文献３】特開２００３−３４６８５５号公報
【特許文献４】特開２００８−００８６３２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
多孔体のガス拡散性を評価する上で重要なことは、当然のことながら、客観的に且つ高い信頼性を持って評価することである。しかしながら、従来提案されている評価方法は必ずしも十分なものとはいえなかった。例えば、ガルバニ型酸素濃度センサを利用する場合には、センサのカソードで起こる発熱反応によって局所的に温度分布が生じ、その影響で酸素拡散係数の測定値が変化してしまう可能性がある。
【０００５】
本発明は、上述のような課題に鑑みてなされたもので、その１つ目の目的は、燃料電池に用いられる多孔体のガス拡散性を客観的に且つ高い信頼性を持って評価することのできる評価方法を提供することである。
【０００６】
また、本発明の２つ目の目的は、ガス拡散性のばらつきを抑えて安定した品質で燃料電池を製造することのできる製造方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
第１の発明は、上記１つ目の目的を達成するため、燃料電池に用いられる多孔体のガス拡散性を評価する評価方法であって、
前記多孔体の背面側或いは前記多孔体の内部に特定のガス成分の吸着性が高い金属材料を均一に配置する準備工程と、
前記多孔体の背面側は気密にして、前記多孔体の表面に沿って前記金属材料に吸着される成分を含む試験ガスを通過させる試験工程と、
前記多孔体の表面を通過した試験ガス中の吸着成分の濃度の時間変化を計測し、その計測結果によって前記多孔体のガス拡散性を評価する評価工程と、
を実行することを特徴としている。
【０００８】
第２の発明は、前記第１の発明において、
前記試験工程は、前記多孔体にその背面側から水圧を印加する工程を含むことを特徴としている。
【０００９】
第３の発明は、前記第１又は第２の発明において、
前記準備工程では配置する金属材料として白金を用い、
前記試験工程では吸着成分として一酸化炭素を用いることを特徴としている。
【００１０】
第４の発明は、前記第１乃至第３の何れか１つの発明において、
前記準備工程は、前記多孔体と触媒層とを一体化する工程を含むことを特徴としている。
【００１１】
第５の発明は、前記第１乃至第３の何れか１つの発明において、
前記準備工程は、触媒インクから前記多孔体を製造する工程を含むことを特徴としている。
【００１２】
第６の発明は、前記第１乃至第３の何れか１つの発明において、
前記準備工程は、前記多孔体と膜電極接合体（ＭＥＡ）とを一体化する工程を含むことを特徴としている。
【００１３】
第７の発明は、前記第１乃至第３の何れか１つの発明において、
前記準備工程は、前記多孔体を支持する支持プレートの表面に特定のガス成分の吸着性が高い金属材料を配置する工程を含むことを特徴としている。
【００１４】
第８の発明は、上記２つ目の目的を達成するため、燃料電池の製造方法であって、
ガス拡散層を作製するガス拡散層作製工程と、
前記ガス拡散層の背面側に白金を均一に配置する準備工程と、
前記ガス拡散層の背面側は気密にして、前記ガス拡散層の表面に沿って一酸化炭素を含む試験ガスを通過させる試験工程と、
前記ガス拡散層の表面を通過した試験ガス中の一酸化炭素濃度の時間変化を計測し、その計測結果によって前記ガス拡散層のガス拡散性を検査する検査工程と、
前記ガス拡散層のガス拡散性の検査結果に基づいて前記ガス拡散層作製工程における作製条件を補正する作製条件補正工程と、
を実行することを特徴としている。
【００１５】
第９の発明は、上記２つ目の目的を達成するため、燃料電池の製造方法であって、
膜電極接合体（ＭＥＡ）を作製するＭＥＡ作製工程と、
前記ＭＥＡの表面に沿って一酸化炭素を含む試験ガスを通過させる試験工程と、
前記ＭＥＡの表面を通過した試験ガス中の一酸化炭素濃度の時間変化を計測し、その計測結果によって前記ＭＥＡのガス拡散性を検査する検査工程と、
前記ＭＥＡのガス拡散性の検査結果に基づいて前記ＭＥＡ作製工程における作製条件を補正する作製条件補正工程と、
を実行することを特徴としている。
【００１６】
第１０の発明は、上記２つ目の目的を達成するため、燃料電池の製造方法であって、
ガス拡散層と膜電極接合体（ＭＥＡ）とを一体化してアセンブリとするアセンブル工程と、
前記アセンブリの表面に沿って一酸化炭素を含む試験ガスを通過させる試験工程と、
前記アセンブリの表面を通過した試験ガス中の一酸化炭素濃度の時間変化を計測し、その計測結果によって前記アセンブリのガス拡散性を検査する検査工程と、
前記アセンブリのガス拡散性の検査結果に基づいて前記アセンブル工程におけるアセンブル条件を補正するアセンブル条件補正工程と、
を実行することを特徴としている。
【発明の効果】
【００１７】
第１の発明によれば、多孔体の表面に沿って試験ガスを通過させると、試験ガスは多孔体の内部に拡散していく。そして、多孔体の背面側まで試験ガスが拡散したとき、試験ガスに含まれる吸着成分は多孔体の背面側に配置されている金属材料に吸着する。吸着成分の金属材料への吸着量や吸着速度は、試験ガスが多孔体内を拡散するときの拡散性によって左右される。吸着成分が金属材料に吸着すれば、その分、多孔体の表面を通過した試験ガス中の吸着成分は減少するので、試験ガス中の吸着成分の濃度の時間変化を計測することでガスが多孔体内を拡散するときの拡散性を客観的に評価することができる。また、吸着成分が金属材料に吸着する際には熱が発生するが、その熱は試験ガスによって外部に持ち去さられるので、吸着成分の金属材料への吸着量や吸着速度が熱の影響で変化する可能性は少ない。したがって、第１の発明の方法によれば、高い信頼性を持って多孔体のガス拡散性を評価することができる。
【００１８】
第２の発明によれば、多孔体にその背面側から水圧を印加することで、発電時の燃料電池の内部状態を模擬することができる。この状態で多孔体の表面に沿って試験ガスを通過させ、通過した試験ガス中の吸着成分の濃度の時間変化を計測することで、発電時における多孔体のガス拡散性を客観的に評価することが可能になる。
【００１９】
第３の発明によれば、一酸化炭素と白金との間には強い吸着作用が働くので、多孔体のガス拡散性に応じて試験ガス中の一酸化炭素の濃度の時間変化は明確に変化する。よって、金属材料として白金を用い吸着成分として一酸化炭素を用いることで、多孔体のガス拡散性をより客観的に且つより高い信頼性を持って評価することが可能になる。
【００２０】
第４の発明によれば、触媒層に含まれる白金等の金属材料を一酸化炭素等の吸着成分の吸着に利用しつつ、多孔体と触媒層とが一体化されたアセンブリ全体としてのガス拡散性を評価することができる。
【００２１】
第５の発明によれば、触媒インクに含まれる白金等の金属材料を一酸化炭素等の吸着成分の吸着に利用しつつ、多孔体自体のガス拡散性を評価することができる。
【００２２】
第６の発明によれば、ＭＥＡの電極に含まれる白金等の金属材料を一酸化炭素等の吸着成分の吸着に利用しつつ、多孔体とＭＥＡとが一体化されたアセンブリ全体としてのガス拡散性を評価することができる。
【００２３】
第７の発明によれば、支持プレートによって多孔体を支持しながら、多孔体の背面側に金属原子を配置し、且つ、支持プレートによって多孔体の背面側を気密にすることができる。
【００２４】
第８の発明によれば、ガス拡散層のガス拡散性を客観的に且つ高い信頼性を持って検査し、その検査結果をガス拡散層の作製条件に反映させることができる。これにより、ガス拡散層のガス拡散性のばらつきを抑えて、安定した品質で燃料電池を製造することが可能となる。
【００２５】
第９の発明によれば、ＭＥＡのガス拡散性を客観的に且つ高い信頼性を持って検査し、その検査結果をＭＥＡの作製条件に反映させることができる。これにより、ＭＥＡのガス拡散性のばらつきを抑えて、安定した品質で燃料電池を製造することが可能となる。
【００２６】
第１０の発明によれば、ガス拡散層とＭＥＡとが一体化されたアセンブリのガス拡散性を客観的に且つ高い信頼性を持って検査し、その検査結果をガス拡散層とＭＥＡとのアセンブル条件に反映させることができる。これにより、ガス拡散層とＭＥＡとが一体化されたアセンブリのガス拡散性のばらつきを抑えて、安定した品質で燃料電池を製造することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】本発明の実施の形態１のガス拡散性評価システムの概要を示す図である。
【図２】図１に示すガス拡散電極セット部の詳細な構成を示す図である。
【図３】ガス拡散電極の詳細な構成を示す図である。
【図４】図１に示すガス拡散電極セット部が有するシール構造を示す図である。
【図５】ガス拡散電極のガス拡散性と排ガス中のＣＯ濃度の時間変化との関係について説明するための図である。
【図６】本発明の実施の形態２のガス拡散性評価システムの概要を示す図である。
【図７】図６に示すガス拡散電極セット部の詳細な構成を示す図である。
【図８】ガス拡散電極を図７に示すガス拡散電極セット部にセットしたときの各部材の詳細な配列を示す図である。
【図９】本発明の実施の形態３に係るＭＥＡ作製工程の工程フローを示す図である。
【図１０】本発明の実施の形態３に係るガス拡散層作製工程の工程フローを示す図である。
【図１１】本発明の実施の形態３に係るモジュール化工程の工程フローを示す図である。
【図１２】触媒インクの固形分比率とガス拡散性との関係について示す図である。
【図１３】触媒インクの水比率とガス拡散性との関係について示す図である。
【図１４】ガス拡散層に塗布する撥水ペーストの目付とガス拡散性との関係について示す図である。
【図１５】撥水ペースト中のＰＴＦＥ比率とガス拡散性との関係について示す図である。
【図１６】ガス拡散層へのプレス圧とガス拡散性との関係について示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２８】
実施の形態１．
以下、本発明の実施の形態１について図１乃至図５の各図を参照して説明する。
【００２９】
本実施の形態では、燃料電池に用いられるガス拡散電極を試験対象とし、そのガス拡散性について評価する。試験では、ガス拡散電極の表面に沿って一酸化炭素（ＣＯ）を含む試験ガスを通過させ、ガス拡散電極の表面を通過した試験ガス中のＣＯを計測することが行われる。ガス拡散性の評価はＣＯの計測結果に基づいて行われる。本実施の形態では、このような評価方法を図１に示すガス拡散性評価システムを用いて実行する。
【００３０】
本実施の形態のガス拡散性評価システムは、ガス拡散電極セット部２とＣＯ定量部４とによって構成されている。試験対象であるガス拡散電極はガス拡散電極セット部２にセットされる。また、試験ガスはガス拡散電極セット部２に導入され、ガス拡散電極セット部２から排出されたガスがＣＯ定量部４に導入される。ガス拡散電極セット部２に導入される試験ガスは、キャリアガスに一定濃度のＣＯを含ませたガスである。キャリアガスとしては窒素などの不活性ガスが用いられる。ＣＯはキャリアガス中に連続的に供給してもよいしパルス状に供給してもよい。ＣＯ定量部４はガス中に含まれるＣＯを定量する装置であって、具体的には、ガスクロマトグラフィー（ＧＣ）や質量分析機（ＭＳ）等が用いられる。
【００３１】
ガス拡散電極セット部２の詳細な構成は図２に示される。ガス拡散電極セット部２は、ガス拡散電極２０を表面側から挟む流路プレート１０と、ガス拡散電極２０を背面側から挟むバックプレート１２とを備えている。
【００３２】
ここで、ガス拡散電極２０について図３を用いて説明する。ガス拡散電極２０はガス拡散層２２と撥水層２４と触媒層２６とからなる。ガス拡散層２２は、カーボンペーパーや金属メッシュ等のガス拡散層シートによって形成されている。撥水層２４は、撥水ペーストをガス拡散層２２の上に塗布し乾燥することによって形成される。撥水ペーストは炭素粒子等の導電性粒子と撥水性樹脂であるポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）とを混ぜ合わせて作られている。そして、触媒層２６は、触媒粒子を含有する触媒インクを撥水層２４の上に塗布し乾燥することによって形成される。触媒粒子は、触媒となるＰｔ粒子を炭素粒子等の導電性粒子に担持させたものが用いられる。前述のガス拡散電極２０の表面側とはガス拡散層２２の側を指し、前述のガス拡散電極２０の背面側とは触媒層２６の側を指す。
【００３３】
再び図２に戻ってガス拡散電極セット部２を構成する各要素について説明する。流路プレート１０のガス拡散電極２０に接する面には、ガス流路が形成されている。このガス流路は、燃料電池のセパレータに形成されている実際のガス流路を模擬したものである。バックプレート１２は平板であって、流路プレート１０との間でガス拡散電極２０を挟んだ状態で流路プレート１０に締結される。そのときの締結圧は、燃料電池スタックの実際の締結圧に等しい大きさに調整される。つまり、ガス拡散電極セット部２では、実際の燃料電池の内部の状態が模擬されている。
【００３４】
試験ガスは流路プレート１０のガス流路に導入される。ガス流路の入口に導入された試験ガスは、ガス拡散電極２０の表面に沿って流れ、ガス流路の出口から排出される。その際、試験ガスに含まれるＣＯは濃度差を駆動力としてガス拡散電極２０中を拡散していく。そして、触媒層２６（図３参照）に到達したＣＯは、触媒層２６に存在するＰｔ原子に吸着する。すなわち、本実施の形態では吸着成分としてＣＯが用いられ、吸着する金属材料としてＰｔが用いられている。
【００３５】
ガス拡散電極セット部２から排出される排ガスには、Ｐｔに吸着しなかったＣＯが含まれる。このＣＯをＣＯ定量部４（図１参照）において定量することによって、ＣＯがガス拡散電極２０中を拡散しやすいかしにくいか評価することができる。図５には、ＣＯ定量部４で定量される排ガス中のＣＯ濃度の時間変化に関して、ＡとＢの２つの異なるガス拡散電極による試験結果が示されている。この試験結果からは、ガス拡散電極Ａのほうが触媒層中のＰｔ原子にＣＯが速やかに吸着している、すなわち、ガス拡散電極Ａのほうがガス拡散電極Ｂに比較してガス拡散性が高いという評価を下すことができる。また、全ＣＯ吸着量は触媒層２６中のＰｔ粒子の表面に存在するＰｔ原子数と等しいので、ガス拡散電極セット部２から排出される排ガス中のＣＯをＣＯ定量部４で定量することによってガス拡散電極２０の金属分散度の測定も同時に行うこともできる。
【００３６】
なお、各プレート１０，１２の少なくとも試験ガスに触れる部分は、ＣＯが吸着しない材料、例えば、ガラス、ＰＴＦＥ等で作られている。触媒層中のＰｔ原子以外の部分にＣＯが吸着してしまうと、ＣＯ定量部４による測定値が変化してしまうためである。また、バックプレート１０は、熱伝導性に優れた材料で作られているか、若しくは、熱媒を流すための流路が内部に形成されている。これは、ＣＯがＰｔ原子に吸着する際に発生する熱を効率よく排熱するためである。
【００３７】
また、ガス拡散電極２０の周囲にはシールが施されている。図４にはガス拡散電極セット部２が有するシール構造を示している。図４の右側が好ましい状態を示し、左側が好ましくない状態を示している。シールが不十分な場合は図４の左側に示すように、シール部１４とガス拡散電極２０の空隙を通ってＣＯがＰｔに吸着される。この場合には、全ＣＯ吸着量が狙いよりも多くなってしまい、ＣＯ定量部４による測定値は不正確なものになる。したがって、図４の右側に示すように確実なシールを行うには、ガス拡散電極２０に樹脂やゲル等を含浸させてシールすることが望ましい。
【００３８】
以上のように、本実施の形態で採ったガス拡散電極２０のガス拡散性の評価方法によれば、試験ガス中のＣＯの濃度の時間変化を計測することでガスが多孔体内を拡散するときの拡散性を客観的に評価することができる。また、ＣＯがＰｔ原子に吸着する際には熱が発生するが、その熱の一部はバックプレート１２から排熱され、別の一部は試験ガスによって外部に持ち去さられるので、ＣＯのＰｔ原子への吸着量や吸着速度が熱の影響で変化する可能性は少ない。したがって、本実施の形態の評価方法によれば、高い信頼性を持って多孔体のガス拡散性を評価することができる。
【００３９】
なお、本実施の形態のガス拡散性評価システムによれば、撥水層を有しないガス拡散電極も試験対象とすることができる。さらに、電解質膜の両面に触媒層や拡散層を接合したＭＥＡ（膜電極接合体）も試験対象とすることができる。何れもガス拡散性の評価の対象となる多孔体を有しており、且つ、多孔体の内部或いは背面側にＰｔ原子を含んでいるからである。
【００４０】
さらに、本実施の形態のガス拡散性評価システムによれば、ガス拡散層と撥水層の積層体、或いは、ガス拡散層のみを試験対象とすることもできる。この場合は、触媒層の代わりにバックプレート１２の表面にＰｔもしくは白金黒を塗布したり、或いは、白金箔（白金黒）を固定化することによって試験を行うことができる。つまり、多孔体の内部にＰｔ原子が存在しなくとも、何らかの手段によって多孔体の背面側にＰｔ原子が均等に配置することができればＣＯの吸着を利用したガス拡散性の評価を行うことができる。
【００４１】
実施の形態２．
次に、本発明の実施の形態２について図６乃至図８の各図を参照して説明する。
【００４２】
本実施の形態では、実施の形態１と同じく、燃料電池に用いられるガス拡散電極を試験対象とし、そのガス拡散性について評価する。試験では、まず、ガス拡散電極にその背面側から水圧を印加してガス拡散電極の細孔中に水が入り込んだ状態を予め作り出しておく。つまり、発電時の燃料電池の内部状態をよりリアルに模擬した試験環境を作り出しておくことが行われる。そして、この状態で、ガス拡散電極の表面に沿ってＣＯを含む試験ガスを通過させ、ガス拡散電極の表面を通過した試験ガス中のＣＯを計測することが行われる。ガス拡散性の評価はＣＯの計測結果に基づいて行われる。本実施の形態では、このような評価方法を図６に示すガス拡散性評価システムを用いて実行する。
【００４３】
本実施の形態のガス拡散性評価システムは、ガス拡散電極セット部６とＣＯ定量部４とによって構成されている。本実施の形態に係るガス拡散電極セット部６と実施の形態１に係るガス拡散電極セット部２（図１参照）との相違点は、発電時の燃料電池の内部状態を模擬するための水が導入される点にある。ガス拡散電極セット部６に導入される試験ガスの成分やＣＯ定量部４の機能に関しては実施の形態１と共通している。
【００４４】
ガス拡散電極セット部６の詳細な構成は図７に示される。ガス拡散電極セット部６は、ガス拡散電極２０を表面側から挟む流路プレート１０と、ガス拡散電極２０を背面側から挟むバックプレート１２とを備えている。さらに、ガス拡散電極２０の背面側に重ねられる透水性膜１６と親水性多孔体１８とを備えている。
【００４５】
図８はガス拡散電極２０をガス拡散電極セット部６にセットしたときの各部材の詳細な配列を示す図である。触媒層２６に透水性膜１６が重ねられ、さらに、透水性膜１６に親水性多孔体１８が重ねられた状態でバックプレート１２上に載置されている。外部から供給される水は親水性多孔体１８に導入され、その水圧によって透水性膜１６を介してガス拡散電極２０内に圧入される。本実施の形態では、このようにガス拡散電極２０内に水が圧入された状態で試験ガスの供給が行われる。
【００４６】
本実施の形態で採ったガス拡散電極２０のガス拡散性の評価方法によれば、ガス拡散電極２０にその背面側（触媒層２６の側）から水圧を印加することで、発電時の燃料電池の内部状態をリアルに模擬することができる。この状態でガス拡散電極２０の表面に沿って試験ガスを通過させ、通過した試験ガス中のＣＯ濃度の時間変化をＣＯ定量部４で計測することで、発電時におけるガス拡散電極２０のガス拡散性を客観的に評価することが可能になる。
【００４７】
なお、水圧の印加時には、ガス拡散電極２０を通過した水がガス流路まで到達する。その水は試験ガスとともにガス流路から排出されるようにしてもよいし、そのまま排出されないようにしてもよい。前者の場合には、ガス拡散電極セット部６の出口にヒータを配置して水を気化させ、露点計等で露点を計測することで、発電時の燃料電池の状態をより精度良く模擬することが可能となる。一方、後者の場合であれば、ガス拡散電極セット部６を電子天秤に載せることで、ガス拡散電極２０の飽和度（全細孔空隙のうち液体水が占める割合）を測定することが可能となる。或いは、水圧印加部にマノメータを設置すれば、圧入された水の体積からガス拡散電極２０の飽和度を測定することが可能となる。
【００４８】
実施の形態３．
次に、本発明の実施の形態３について図９乃至図１６の各図を参照して説明する。
【００４９】
本実施の形態では、実施の形態１或いは２で説明したガス拡散性の評価方法を燃料電池の製造に利用する。燃料電池を製造する際には、まず、ＭＥＡとガス拡散層とをそれぞれ作製し、その後にＭＥＡとガス拡散層とをアッセンブリ化してセルを完成させている。そして、セルを積層して締結することで燃料電池スタックとしている。このような製造工程の中で特にＭＥＡやガス拡散層の作製品質は燃料電池の発電性能にかかわる重要な品質である。そこで、本実施の形態で採る燃料電池の製造方法では、ＭＥＡやガス拡散層の品質を左右するガス拡散性を製造工程の途中で検査し、その検査結果を工程条件にフィードバックすることで品質の安定化を図ることにした。実施の形態１或いは２で説明したガス拡散性の評価方法はガス拡散層の検査に用いられる。
【００５０】
本実施の形態では、具体的には、ＭＥＡの作製工程、ガス拡散層の作製工程、そして、それらをモジュール化するモジュール化工程においてガス拡散性の検査を行う。以下、各工程の工程フローと、各工程でのガス拡散性検査の利用方法とについて説明する。
【００５１】
図９は本実施の形態に係るＭＥＡ作製工程の工程フローを示す図である。図９に示す工程フローによれば、ＭＥＡは、触媒インクの作製、触媒層の塗工、触媒層の乾燥、ＭＥＡ化という工程を踏んで作製される。本実施の形態では、作製したＭＥＡの全部或いは一部のサンプルについてガス拡散性を検査する。そして、検査結果が良（ＯＫ）であればモジュール化工程に進み、検査結果が不良（ＮＧ）であれば不良品として廃棄処分とする。
【００５２】
また、ＭＥＡのガス拡散性の検査結果は、触媒インクの作製条件にフィードバックされる。フィードバック可能な作製条件の一例が、触媒インクの固形比率である。固形比率とは、触媒インクの重量に対する触媒インク中の乾燥後の重量の比率を指す。図１２には触媒インクの固形分比率とガス拡散性との関係について示している。この図に示すように、固形分比率が高いほうがガス拡散性は高くなるので、触媒インクの固形分比率へのフィードバックは有効である。ただし、固形分比率を高くしすぎると粘度が高くなって塗布不良が増えるので、固形分比率は２０％以下に止めるのが望ましい。
【００５３】
また、触媒インクの水比率もフィードバック可能な作製条件の一つである。水比率とは、触媒インクに加えた全溶媒の量に対する触媒インクに加えた水の量の比率を指す。図１３には触媒インクの水比率とガス拡散性との関係について示している。この図に示すように、水比率が高いほうがガス拡散性は高くなるので、触媒インクの水比率へのフィードバックは有効である。ただし、水比率を高くしすぎると、撥水性シートに触媒インクを塗布してデカールを作る際にはじかれやすくなって不良率が増え、また、相対的に他の溶剤の量が減って粘度調整に難が生じるので、水比率は７０％以下に止めるのが望ましい。
【００５４】
以上のように、ＭＥＡのガス拡散性の検査結果を触媒インクの作製条件にフィードバックすることで、ＭＥＡのガス拡散性のばらつきを抑えて、安定した品質で燃料電池を製造することが可能となる。
【００５５】
図１０は本実施の形態に係るガス拡散層作製工程の工程フローを示す図である。図１０に示す工程フローによれば、ガス拡散層は、撥水ペーストの作製、撥水ペーストの塗工、ガス拡散層の乾燥、ガス拡散層の焼成という工程を踏んで作製される。本実施の形態では、作製したガス拡散層の全部或いは一部のサンプルについてガス拡散性を検査する。そして、検査結果が良（ＯＫ）であればモジュール化工程に進み、検査結果が不良（ＮＧ）であれば不良品として廃棄処分とする。
【００５６】
また、ガス拡散層のガス拡散性の検査結果は、撥水ペーストの塗工条件或いは撥水ペーストの作製条件にフィードバックされる。フィードバック可能な撥水ペーストの塗工条件の一例が、ガス拡散層に塗布する撥水ペーストの目付である。図１４にはガス拡散層に塗布する撥水ペーストの目付とガス拡散性との関係について示している。この図に示すように、目付が増えるにつれてガス拡散性は低くなるので、撥水ペーストの目付へのフィードバックは有効である。ただし、目付を減らしすぎると塗布ムラによる不良がおきやすくなる。
【００５７】
フィードバック可能な撥水ペーストの作製条件の一例は、撥水ペースト中のＰＴＦＥ比率である。ＰＴＦＥ比率とは、ＰＴＦＥ重量とカーボン重量の合計に対するＰＴＦＥ重量の比率を指す。図１５には撥水ペースト中のＰＴＦＥ比率とガス拡散性との関係について示している。この図に示すように、撥水ペースト中のＰＴＦＥ比率の変化に応じてガス拡散性は変化するので、撥水ペースト中のＰＴＦＥ比率へのフィードバックは有効である。
【００５８】
以上のように、ガス拡散層のガス拡散性の検査結果を撥水ペーストの塗工条件や撥水ペーストの作製条件にフィードバックすることで、ガス拡散層のガス拡散性のばらつきを抑えて、安定した品質で燃料電池を製造することが可能となる。
【００５９】
図１１は本実施の形態に係るモジュール化工程の工程フローを示す図である。図１１に示す工程フローによれば、ホットプレスや接着剤によってＭＥＡとガス拡散層をアッセンブリ化した後、そのアッセンブリの全部或いは一部のサンプルについてガス拡散性が検査される。検査結果が良（ＯＫ）であればセパレータ等とモジュール化されて最終的なセルモジュールが完成される。一方、検査結果が不良（ＮＧ）であれば不良品として廃棄処分とされる。
【００６０】
また、アッセンブリのガス拡散性の検査結果は、ＭＥＡとガス拡散層とのアセンブル条件にフィードバックされる。フィードバック可能なアセンブル条件の一例が、プレス圧である。図１６にはガス拡散層へのプレス圧とガス拡散性との関係について示している。この図に示すように、ガス拡散層へのプレス圧の変化に応じてガス拡散性は変化するので、プレス圧へのフィードバックは有効である。
【００６１】
以上のように、ガス拡散層とＭＥＡとが一体化されたアセンブリのガス拡散性の検査結果をアセンブル条件にフィードバックすることで、ガス拡散層とＭＥＡとが一体化されたアセンブリのガス拡散性のばらつきを抑えて、安定した品質で燃料電池を製造することが可能となる。
【００６２】
なお、本実施の形態では、ＭＥＡ作製工程、ガス拡散層作製工程、及びモジュール化工程のそれぞれにおいてガス拡散性検査を行っているが、それらのうちの一部工程でのみガス拡散性検査を行うのでもよい。
【００６３】
その他．
以上、本発明の実施の形態について説明したが、本発明は上述の実施の形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々変形して実施することができる。
【００６４】
また、本実施の形態では吸着成分としてＣＯを用いているが、Ｈ２、ＮＨ３、ＣＯ２、炭化水素ガス等を用いることもできる。キャリアガスとしてはＨ２の他、ＡｒやＨｅを用いることができ、吸着成分及び金属材料との関係によってはＨ２をキャリアガスとして用いることもできる。また、吸着成分を吸着させる金属材料は、Ｐｔの他にもＮｉ、Ｔｉ、Ｍｏ、Ｔａ等を用いることができる。
【符号の説明】
【００６５】
２ ガス拡散電極セット部
４ ＣＯ定量部
６ ガス拡散電極セット部
１０ 流路プレート
１２ バックプレート
１４ シール
１６ 透水性膜
１８ 親水性多孔体
２０ ガス拡散電極
２２ ガス拡散層
２４ 撥水層
２６ 触媒層
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池用多孔体のガス拡散性の評価方法とそれを利用した燃料電池の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は、電解質膜の両面に電極を接合したＭＥＡ（膜電極接合体）を備えている。ＭＥＡを構成する電極は白金が担持された触媒層として構成され、触媒層の表面には撥水層、ガス拡散層といった多孔体の層が積層されている。また、触媒層自体も多孔体である。これら多孔体のガス拡散性を向上させることは、燃料電池の発電性能を向上させるための条件の１つである。このため、かねてより多孔体のガス拡散性の評価に関する様々な技術が提案されている。例えば、特開２００６−２９２７１４号公報には、ガルバニ型酸素濃度センサを利用して多孔体の酸素拡散係数を測定することが開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００６−２９２７１４号公報
【特許文献２】特開平５−２８３０９１号公報
【特許文献３】特開２００３−３４６８５５号公報
【特許文献４】特開２００８−００８６３２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
多孔体のガス拡散性を評価する上で重要なことは、当然のことながら、客観的に且つ高い信頼性を持って評価することである。しかしながら、従来提案されている評価方法は必ずしも十分なものとはいえなかった。例えば、ガルバニ型酸素濃度センサを利用する場合には、センサのカソードで起こる発熱反応によって局所的に温度分布が生じ、その影響で酸素拡散係数の測定値が変化してしまう可能性がある。
【０００５】
本発明は、上述のような課題に鑑みてなされたもので、その１つ目の目的は、燃料電池に用いられる多孔体のガス拡散性を客観的に且つ高い信頼性を持って評価することのできる評価方法を提供することである。
【０００６】
また、本発明の２つ目の目的は、ガス拡散性のばらつきを抑えて安定した品質で燃料電池を製造することのできる製造方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
第１の発明は、上記１つ目の目的を達成するため、燃料電池に用いられる多孔体のガス拡散性を評価する評価方法であって、
前記多孔体の背面側或いは前記多孔体の内部に特定のガス成分の吸着性が高い金属材料を均一に配置する準備工程と、
前記多孔体の背面側は気密にして、前記多孔体の表面に沿って前記金属材料に吸着される成分を含む試験ガスを通過させる試験工程と、
前記多孔体の表面を通過した試験ガス中の吸着成分の濃度の時間変化を計測し、その計測結果によって前記多孔体のガス拡散性を評価する評価工程と、
を実行することを特徴としている。
【０００８】
第２の発明は、前記第１の発明において、
前記試験工程は、前記多孔体にその背面側から水圧を印加する工程を含むことを特徴としている。
【０００９】
第３の発明は、前記第１又は第２の発明において、
前記準備工程では配置する金属材料として白金を用い、
前記試験工程では吸着成分として一酸化炭素を用いることを特徴としている。
【００１０】
第４の発明は、前記第１乃至第３の何れか１つの発明において、
前記準備工程は、前記多孔体と触媒層とを一体化する工程を含むことを特徴としている。
【００１１】
第５の発明は、前記第１乃至第３の何れか１つの発明において、
前記準備工程は、触媒インクから前記多孔体を製造する工程を含むことを特徴としている。
【００１２】
第６の発明は、前記第１乃至第３の何れか１つの発明において、
前記準備工程は、前記多孔体と膜電極接合体（ＭＥＡ）とを一体化する工程を含むことを特徴としている。
【００１３】
第７の発明は、前記第１乃至第３の何れか１つの発明において、
前記準備工程は、前記多孔体を支持する支持プレートの表面に特定のガス成分の吸着性が高い金属材料を配置する工程を含むことを特徴としている。
【００１４】
第８の発明は、上記２つ目の目的を達成するため、燃料電池の製造方法であって、
ガス拡散層を作製するガス拡散層作製工程と、
前記ガス拡散層の背面側に白金を均一に配置する準備工程と、
前記ガス拡散層の背面側は気密にして、前記ガス拡散層の表面に沿って一酸化炭素を含む試験ガスを通過させる試験工程と、
前記ガス拡散層の表面を通過した試験ガス中の一酸化炭素濃度の時間変化を計測し、その計測結果によって前記ガス拡散層のガス拡散性を検査する検査工程と、
前記ガス拡散層のガス拡散性の検査結果に基づいて前記ガス拡散層作製工程における作製条件を補正する作製条件補正工程と、
を実行することを特徴としている。
【００１５】
第９の発明は、上記２つ目の目的を達成するため、燃料電池の製造方法であって、
膜電極接合体（ＭＥＡ）を作製するＭＥＡ作製工程と、
前記ＭＥＡの表面に沿って一酸化炭素を含む試験ガスを通過させる試験工程と、
前記ＭＥＡの表面を通過した試験ガス中の一酸化炭素濃度の時間変化を計測し、その計測結果によって前記ＭＥＡのガス拡散性を検査する検査工程と、
前記ＭＥＡのガス拡散性の検査結果に基づいて前記ＭＥＡ作製工程における作製条件を補正する作製条件補正工程と、
を実行することを特徴としている。
【００１６】
第１０の発明は、上記２つ目の目的を達成するため、燃料電池の製造方法であって、
ガス拡散層と膜電極接合体（ＭＥＡ）とを一体化してアセンブリとするアセンブル工程と、
前記アセンブリの表面に沿って一酸化炭素を含む試験ガスを通過させる試験工程と、
前記アセンブリの表面を通過した試験ガス中の一酸化炭素濃度の時間変化を計測し、その計測結果によって前記アセンブリのガス拡散性を検査する検査工程と、
前記アセンブリのガス拡散性の検査結果に基づいて前記アセンブル工程におけるアセンブル条件を補正するアセンブル条件補正工程と、
を実行することを特徴としている。
【発明の効果】
【００１７】
第１の発明によれば、多孔体の表面に沿って試験ガスを通過させると、試験ガスは多孔体の内部に拡散していく。そして、多孔体の背面側まで試験ガスが拡散したとき、試験ガスに含まれる吸着成分は多孔体の背面側に配置されている金属材料に吸着する。吸着成分の金属材料への吸着量や吸着速度は、試験ガスが多孔体内を拡散するときの拡散性によって左右される。吸着成分が金属材料に吸着すれば、その分、多孔体の表面を通過した試験ガス中の吸着成分は減少するので、試験ガス中の吸着成分の濃度の時間変化を計測することでガスが多孔体内を拡散するときの拡散性を客観的に評価することができる。また、吸着成分が金属材料に吸着する際には熱が発生するが、その熱は試験ガスによって外部に持ち去さられるので、吸着成分の金属材料への吸着量や吸着速度が熱の影響で変化する可能性は少ない。したがって、第１の発明の方法によれば、高い信頼性を持って多孔体のガス拡散性を評価することができる。
【００１８】
第２の発明によれば、多孔体にその背面側から水圧を印加することで、発電時の燃料電池の内部状態を模擬することができる。この状態で多孔体の表面に沿って試験ガスを通過させ、通過した試験ガス中の吸着成分の濃度の時間変化を計測することで、発電時における多孔体のガス拡散性を客観的に評価することが可能になる。
【００１９】
第３の発明によれば、一酸化炭素と白金との間には強い吸着作用が働くので、多孔体のガス拡散性に応じて試験ガス中の一酸化炭素の濃度の時間変化は明確に変化する。よって、金属材料として白金を用い吸着成分として一酸化炭素を用いることで、多孔体のガス拡散性をより客観的に且つより高い信頼性を持って評価することが可能になる。
【００２０】
第４の発明によれば、触媒層に含まれる白金等の金属材料を一酸化炭素等の吸着成分の吸着に利用しつつ、多孔体と触媒層とが一体化されたアセンブリ全体としてのガス拡散性を評価することができる。
【００２１】
第５の発明によれば、触媒インクに含まれる白金等の金属材料を一酸化炭素等の吸着成分の吸着に利用しつつ、多孔体自体のガス拡散性を評価することができる。
【００２２】
第６の発明によれば、ＭＥＡの電極に含まれる白金等の金属材料を一酸化炭素等の吸着成分の吸着に利用しつつ、多孔体とＭＥＡとが一体化されたアセンブリ全体としてのガス拡散性を評価することができる。
【００２３】
第７の発明によれば、支持プレートによって多孔体を支持しながら、多孔体の背面側に金属原子を配置し、且つ、支持プレートによって多孔体の背面側を気密にすることができる。
【００２４】
第８の発明によれば、ガス拡散層のガス拡散性を客観的に且つ高い信頼性を持って検査し、その検査結果をガス拡散層の作製条件に反映させることができる。これにより、ガス拡散層のガス拡散性のばらつきを抑えて、安定した品質で燃料電池を製造することが可能となる。
【００２５】
第９の発明によれば、ＭＥＡのガス拡散性を客観的に且つ高い信頼性を持って検査し、その検査結果をＭＥＡの作製条件に反映させることができる。これにより、ＭＥＡのガス拡散性のばらつきを抑えて、安定した品質で燃料電池を製造することが可能となる。
【００２６】
第１０の発明によれば、ガス拡散層とＭＥＡとが一体化されたアセンブリのガス拡散性を客観的に且つ高い信頼性を持って検査し、その検査結果をガス拡散層とＭＥＡとのアセンブル条件に反映させることができる。これにより、ガス拡散層とＭＥＡとが一体化されたアセンブリのガス拡散性のばらつきを抑えて、安定した品質で燃料電池を製造することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】本発明の実施の形態１のガス拡散性評価システムの概要を示す図である。
【図２】図１に示すガス拡散電極セット部の詳細な構成を示す図である。
【図３】ガス拡散電極の詳細な構成を示す図である。
【図４】図１に示すガス拡散電極セット部が有するシール構造を示す図である。
【図５】ガス拡散電極のガス拡散性と排ガス中のＣＯ濃度の時間変化との関係について説明するための図である。
【図６】本発明の実施の形態２のガス拡散性評価システムの概要を示す図である。
【図７】図６に示すガス拡散電極セット部の詳細な構成を示す図である。
【図８】ガス拡散電極を図７に示すガス拡散電極セット部にセットしたときの各部材の詳細な配列を示す図である。
【図９】本発明の実施の形態３に係るＭＥＡ作製工程の工程フローを示す図である。
【図１０】本発明の実施の形態３に係るガス拡散層作製工程の工程フローを示す図である。
【図１１】本発明の実施の形態３に係るモジュール化工程の工程フローを示す図である。
【図１２】触媒インクの固形分比率とガス拡散性との関係について示す図である。
【図１３】触媒インクの水比率とガス拡散性との関係について示す図である。
【図１４】ガス拡散層に塗布する撥水ペーストの目付とガス拡散性との関係について示す図である。
【図１５】撥水ペースト中のＰＴＦＥ比率とガス拡散性との関係について示す図である。
【図１６】ガス拡散層へのプレス圧とガス拡散性との関係について示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２８】
実施の形態１．
以下、本発明の実施の形態１について図１乃至図５の各図を参照して説明する。
【００２９】
本実施の形態では、燃料電池に用いられるガス拡散電極を試験対象とし、そのガス拡散性について評価する。試験では、ガス拡散電極の表面に沿って一酸化炭素（ＣＯ）を含む試験ガスを通過させ、ガス拡散電極の表面を通過した試験ガス中のＣＯを計測することが行われる。ガス拡散性の評価はＣＯの計測結果に基づいて行われる。本実施の形態では、このような評価方法を図１に示すガス拡散性評価システムを用いて実行する。
【００３０】
本実施の形態のガス拡散性評価システムは、ガス拡散電極セット部２とＣＯ定量部４とによって構成されている。試験対象であるガス拡散電極はガス拡散電極セット部２にセットされる。また、試験ガスはガス拡散電極セット部２に導入され、ガス拡散電極セット部２から排出されたガスがＣＯ定量部４に導入される。ガス拡散電極セット部２に導入される試験ガスは、キャリアガスに一定濃度のＣＯを含ませたガスである。キャリアガスとしては窒素などの不活性ガスが用いられる。ＣＯはキャリアガス中に連続的に供給してもよいしパルス状に供給してもよい。ＣＯ定量部４はガス中に含まれるＣＯを定量する装置であって、具体的には、ガスクロマトグラフィー（ＧＣ）や質量分析機（ＭＳ）等が用いられる。
【００３１】
ガス拡散電極セット部２の詳細な構成は図２に示される。ガス拡散電極セット部２は、ガス拡散電極２０を表面側から挟む流路プレート１０と、ガス拡散電極２０を背面側から挟むバックプレート１２とを備えている。
【００３２】
ここで、ガス拡散電極２０について図３を用いて説明する。ガス拡散電極２０はガス拡散層２２と撥水層２４と触媒層２６とからなる。ガス拡散層２２は、カーボンペーパーや金属メッシュ等のガス拡散層シートによって形成されている。撥水層２４は、撥水ペーストをガス拡散層２２の上に塗布し乾燥することによって形成される。撥水ペーストは炭素粒子等の導電性粒子と撥水性樹脂であるポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）とを混ぜ合わせて作られている。そして、触媒層２６は、触媒粒子を含有する触媒インクを撥水層２４の上に塗布し乾燥することによって形成される。触媒粒子は、触媒となるＰｔ粒子を炭素粒子等の導電性粒子に担持させたものが用いられる。前述のガス拡散電極２０の表面側とはガス拡散層２２の側を指し、前述のガス拡散電極２０の背面側とは触媒層２６の側を指す。
【００３３】
再び図２に戻ってガス拡散電極セット部２を構成する各要素について説明する。流路プレート１０のガス拡散電極２０に接する面には、ガス流路が形成されている。このガス流路は、燃料電池のセパレータに形成されている実際のガス流路を模擬したものである。バックプレート１２は平板であって、流路プレート１０との間でガス拡散電極２０を挟んだ状態で流路プレート１０に締結される。そのときの締結圧は、燃料電池スタックの実際の締結圧に等しい大きさに調整される。つまり、ガス拡散電極セット部２では、実際の燃料電池の内部の状態が模擬されている。
【００３４】
試験ガスは流路プレート１０のガス流路に導入される。ガス流路の入口に導入された試験ガスは、ガス拡散電極２０の表面に沿って流れ、ガス流路の出口から排出される。その際、試験ガスに含まれるＣＯは濃度差を駆動力としてガス拡散電極２０中を拡散していく。そして、触媒層２６（図３参照）に到達したＣＯは、触媒層２６に存在するＰｔ原子に吸着する。すなわち、本実施の形態では吸着成分としてＣＯが用いられ、吸着する金属材料としてＰｔが用いられている。
【００３５】
ガス拡散電極セット部２から排出される排ガスには、Ｐｔに吸着しなかったＣＯが含まれる。このＣＯをＣＯ定量部４（図１参照）において定量することによって、ＣＯがガス拡散電極２０中を拡散しやすいかしにくいか評価することができる。図５には、ＣＯ定量部４で定量される排ガス中のＣＯ濃度の時間変化に関して、ＡとＢの２つの異なるガス拡散電極による試験結果が示されている。この試験結果からは、ガス拡散電極Ａのほうが触媒層中のＰｔ原子にＣＯが速やかに吸着している、すなわち、ガス拡散電極Ａのほうがガス拡散電極Ｂに比較してガス拡散性が高いという評価を下すことができる。また、全ＣＯ吸着量は触媒層２６中のＰｔ粒子の表面に存在するＰｔ原子数と等しいので、ガス拡散電極セット部２から排出される排ガス中のＣＯをＣＯ定量部４で定量することによってガス拡散電極２０の金属分散度の測定も同時に行うこともできる。
【００３６】
なお、各プレート１０，１２の少なくとも試験ガスに触れる部分は、ＣＯが吸着しない材料、例えば、ガラス、ＰＴＦＥ等で作られている。触媒層中のＰｔ原子以外の部分にＣＯが吸着してしまうと、ＣＯ定量部４による測定値が変化してしまうためである。また、バックプレート１０は、熱伝導性に優れた材料で作られているか、若しくは、熱媒を流すための流路が内部に形成されている。これは、ＣＯがＰｔ原子に吸着する際に発生する熱を効率よく排熱するためである。
【００３７】
また、ガス拡散電極２０の周囲にはシールが施されている。図４にはガス拡散電極セット部２が有するシール構造を示している。図４の右側が好ましい状態を示し、左側が好ましくない状態を示している。シールが不十分な場合は図４の左側に示すように、シール部１４とガス拡散電極２０の空隙を通ってＣＯがＰｔに吸着される。この場合には、全ＣＯ吸着量が狙いよりも多くなってしまい、ＣＯ定量部４による測定値は不正確なものになる。したがって、図４の右側に示すように確実なシールを行うには、ガス拡散電極２０に樹脂やゲル等を含浸させてシールすることが望ましい。
【００３８】
以上のように、本実施の形態で採ったガス拡散電極２０のガス拡散性の評価方法によれば、試験ガス中のＣＯの濃度の時間変化を計測することでガスが多孔体内を拡散するときの拡散性を客観的に評価することができる。また、ＣＯがＰｔ原子に吸着する際には熱が発生するが、その熱の一部はバックプレート１２から排熱され、別の一部は試験ガスによって外部に持ち去さられるので、ＣＯのＰｔ原子への吸着量や吸着速度が熱の影響で変化する可能性は少ない。したがって、本実施の形態の評価方法によれば、高い信頼性を持って多孔体のガス拡散性を評価することができる。
【００３９】
なお、本実施の形態のガス拡散性評価システムによれば、撥水層を有しないガス拡散電極も試験対象とすることができる。さらに、電解質膜の両面に触媒層や拡散層を接合したＭＥＡ（膜電極接合体）も試験対象とすることができる。何れもガス拡散性の評価の対象となる多孔体を有しており、且つ、多孔体の内部或いは背面側にＰｔ原子を含んでいるからである。
【００４０】
さらに、本実施の形態のガス拡散性評価システムによれば、ガス拡散層と撥水層の積層体、或いは、ガス拡散層のみを試験対象とすることもできる。この場合は、触媒層の代わりにバックプレート１２の表面にＰｔもしくは白金黒を塗布したり、或いは、白金箔（白金黒）を固定化することによって試験を行うことができる。つまり、多孔体の内部にＰｔ原子が存在しなくとも、何らかの手段によって多孔体の背面側にＰｔ原子が均等に配置することができればＣＯの吸着を利用したガス拡散性の評価を行うことができる。
【００４１】
実施の形態２．
次に、本発明の実施の形態２について図６乃至図８の各図を参照して説明する。
【００４２】
本実施の形態では、実施の形態１と同じく、燃料電池に用いられるガス拡散電極を試験対象とし、そのガス拡散性について評価する。試験では、まず、ガス拡散電極にその背面側から水圧を印加してガス拡散電極の細孔中に水が入り込んだ状態を予め作り出しておく。つまり、発電時の燃料電池の内部状態をよりリアルに模擬した試験環境を作り出しておくことが行われる。そして、この状態で、ガス拡散電極の表面に沿ってＣＯを含む試験ガスを通過させ、ガス拡散電極の表面を通過した試験ガス中のＣＯを計測することが行われる。ガス拡散性の評価はＣＯの計測結果に基づいて行われる。本実施の形態では、このような評価方法を図６に示すガス拡散性評価システムを用いて実行する。
【００４３】
本実施の形態のガス拡散性評価システムは、ガス拡散電極セット部６とＣＯ定量部４とによって構成されている。本実施の形態に係るガス拡散電極セット部６と実施の形態１に係るガス拡散電極セット部２（図１参照）との相違点は、発電時の燃料電池の内部状態を模擬するための水が導入される点にある。ガス拡散電極セット部６に導入される試験ガスの成分やＣＯ定量部４の機能に関しては実施の形態１と共通している。
【００４４】
ガス拡散電極セット部６の詳細な構成は図７に示される。ガス拡散電極セット部６は、ガス拡散電極２０を表面側から挟む流路プレート１０と、ガス拡散電極２０を背面側から挟むバックプレート１２とを備えている。さらに、ガス拡散電極２０の背面側に重ねられる透水性膜１６と親水性多孔体１８とを備えている。
【００４５】
図８はガス拡散電極２０をガス拡散電極セット部６にセットしたときの各部材の詳細な配列を示す図である。触媒層２６に透水性膜１６が重ねられ、さらに、透水性膜１６に親水性多孔体１８が重ねられた状態でバックプレート１２上に載置されている。外部から供給される水は親水性多孔体１８に導入され、その水圧によって透水性膜１６を介してガス拡散電極２０内に圧入される。本実施の形態では、このようにガス拡散電極２０内に水が圧入された状態で試験ガスの供給が行われる。
【００４６】
本実施の形態で採ったガス拡散電極２０のガス拡散性の評価方法によれば、ガス拡散電極２０にその背面側（触媒層２６の側）から水圧を印加することで、発電時の燃料電池の内部状態をリアルに模擬することができる。この状態でガス拡散電極２０の表面に沿って試験ガスを通過させ、通過した試験ガス中のＣＯ濃度の時間変化をＣＯ定量部４で計測することで、発電時におけるガス拡散電極２０のガス拡散性を客観的に評価することが可能になる。
【００４７】
なお、水圧の印加時には、ガス拡散電極２０を通過した水がガス流路まで到達する。その水は試験ガスとともにガス流路から排出されるようにしてもよいし、そのまま排出されないようにしてもよい。前者の場合には、ガス拡散電極セット部６の出口にヒータを配置して水を気化させ、露点計等で露点を計測することで、発電時の燃料電池の状態をより精度良く模擬することが可能となる。一方、後者の場合であれば、ガス拡散電極セット部６を電子天秤に載せることで、ガス拡散電極２０の飽和度（全細孔空隙のうち液体水が占める割合）を測定することが可能となる。或いは、水圧印加部にマノメータを設置すれば、圧入された水の体積からガス拡散電極２０の飽和度を測定することが可能となる。
【００４８】
実施の形態３．
次に、本発明の実施の形態３について図９乃至図１６の各図を参照して説明する。
【００４９】
本実施の形態では、実施の形態１或いは２で説明したガス拡散性の評価方法を燃料電池の製造に利用する。燃料電池を製造する際には、まず、ＭＥＡとガス拡散層とをそれぞれ作製し、その後にＭＥＡとガス拡散層とをアッセンブリ化してセルを完成させている。そして、セルを積層して締結することで燃料電池スタックとしている。このような製造工程の中で特にＭＥＡやガス拡散層の作製品質は燃料電池の発電性能にかかわる重要な品質である。そこで、本実施の形態で採る燃料電池の製造方法では、ＭＥＡやガス拡散層の品質を左右するガス拡散性を製造工程の途中で検査し、その検査結果を工程条件にフィードバックすることで品質の安定化を図ることにした。実施の形態１或いは２で説明したガス拡散性の評価方法はガス拡散層の検査に用いられる。
【００５０】
本実施の形態では、具体的には、ＭＥＡの作製工程、ガス拡散層の作製工程、そして、それらをモジュール化するモジュール化工程においてガス拡散性の検査を行う。以下、各工程の工程フローと、各工程でのガス拡散性検査の利用方法とについて説明する。
【００５１】
図９は本実施の形態に係るＭＥＡ作製工程の工程フローを示す図である。図９に示す工程フローによれば、ＭＥＡは、触媒インクの作製、触媒層の塗工、触媒層の乾燥、ＭＥＡ化という工程を踏んで作製される。本実施の形態では、作製したＭＥＡの全部或いは一部のサンプルについてガス拡散性を検査する。そして、検査結果が良（ＯＫ）であればモジュール化工程に進み、検査結果が不良（ＮＧ）であれば不良品として廃棄処分とする。
【００５２】
また、ＭＥＡのガス拡散性の検査結果は、触媒インクの作製条件にフィードバックされる。フィードバック可能な作製条件の一例が、触媒インクの固形比率である。固形比率とは、触媒インクの重量に対する触媒インク中の乾燥後の重量の比率を指す。図１２には触媒インクの固形分比率とガス拡散性との関係について示している。この図に示すように、固形分比率が高いほうがガス拡散性は高くなるので、触媒インクの固形分比率へのフィードバックは有効である。ただし、固形分比率を高くしすぎると粘度が高くなって塗布不良が増えるので、固形分比率は２０％以下に止めるのが望ましい。
【００５３】
また、触媒インクの水比率もフィードバック可能な作製条件の一つである。水比率とは、触媒インクに加えた全溶媒の量に対する触媒インクに加えた水の量の比率を指す。図１３には触媒インクの水比率とガス拡散性との関係について示している。この図に示すように、水比率が高いほうがガス拡散性は高くなるので、触媒インクの水比率へのフィードバックは有効である。ただし、水比率を高くしすぎると、撥水性シートに触媒インクを塗布してデカールを作る際にはじかれやすくなって不良率が増え、また、相対的に他の溶剤の量が減って粘度調整に難が生じるので、水比率は７０％以下に止めるのが望ましい。
【００５４】
以上のように、ＭＥＡのガス拡散性の検査結果を触媒インクの作製条件にフィードバックすることで、ＭＥＡのガス拡散性のばらつきを抑えて、安定した品質で燃料電池を製造することが可能となる。
【００５５】
図１０は本実施の形態に係るガス拡散層作製工程の工程フローを示す図である。図１０に示す工程フローによれば、ガス拡散層は、撥水ペーストの作製、撥水ペーストの塗工、ガス拡散層の乾燥、ガス拡散層の焼成という工程を踏んで作製される。本実施の形態では、作製したガス拡散層の全部或いは一部のサンプルについてガス拡散性を検査する。そして、検査結果が良（ＯＫ）であればモジュール化工程に進み、検査結果が不良（ＮＧ）であれば不良品として廃棄処分とする。
【００５６】
また、ガス拡散層のガス拡散性の検査結果は、撥水ペーストの塗工条件或いは撥水ペーストの作製条件にフィードバックされる。フィードバック可能な撥水ペーストの塗工条件の一例が、ガス拡散層に塗布する撥水ペーストの目付である。図１４にはガス拡散層に塗布する撥水ペーストの目付とガス拡散性との関係について示している。この図に示すように、目付が増えるにつれてガス拡散性は低くなるので、撥水ペーストの目付へのフィードバックは有効である。ただし、目付を減らしすぎると塗布ムラによる不良がおきやすくなる。
【００５７】
フィードバック可能な撥水ペーストの作製条件の一例は、撥水ペースト中のＰＴＦＥ比率である。ＰＴＦＥ比率とは、ＰＴＦＥ重量とカーボン重量の合計に対するＰＴＦＥ重量の比率を指す。図１５には撥水ペースト中のＰＴＦＥ比率とガス拡散性との関係について示している。この図に示すように、撥水ペースト中のＰＴＦＥ比率の変化に応じてガス拡散性は変化するので、撥水ペースト中のＰＴＦＥ比率へのフィードバックは有効である。
【００５８】
以上のように、ガス拡散層のガス拡散性の検査結果を撥水ペーストの塗工条件や撥水ペーストの作製条件にフィードバックすることで、ガス拡散層のガス拡散性のばらつきを抑えて、安定した品質で燃料電池を製造することが可能となる。
【００５９】
図１１は本実施の形態に係るモジュール化工程の工程フローを示す図である。図１１に示す工程フローによれば、ホットプレスや接着剤によってＭＥＡとガス拡散層をアッセンブリ化した後、そのアッセンブリの全部或いは一部のサンプルについてガス拡散性が検査される。検査結果が良（ＯＫ）であればセパレータ等とモジュール化されて最終的なセルモジュールが完成される。一方、検査結果が不良（ＮＧ）であれば不良品として廃棄処分とされる。
【００６０】
また、アッセンブリのガス拡散性の検査結果は、ＭＥＡとガス拡散層とのアセンブル条件にフィードバックされる。フィードバック可能なアセンブル条件の一例が、プレス圧である。図１６にはガス拡散層へのプレス圧とガス拡散性との関係について示している。この図に示すように、ガス拡散層へのプレス圧の変化に応じてガス拡散性は変化するので、プレス圧へのフィードバックは有効である。
【００６１】
以上のように、ガス拡散層とＭＥＡとが一体化されたアセンブリのガス拡散性の検査結果をアセンブル条件にフィードバックすることで、ガス拡散層とＭＥＡとが一体化されたアセンブリのガス拡散性のばらつきを抑えて、安定した品質で燃料電池を製造することが可能となる。
【００６２】
なお、本実施の形態では、ＭＥＡ作製工程、ガス拡散層作製工程、及びモジュール化工程のそれぞれにおいてガス拡散性検査を行っているが、それらのうちの一部工程でのみガス拡散性検査を行うのでもよい。
【００６３】
その他．
以上、本発明の実施の形態について説明したが、本発明は上述の実施の形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々変形して実施することができる。
【００６４】
また、本実施の形態では吸着成分としてＣＯを用いているが、Ｈ２、ＮＨ３、ＣＯ２、炭化水素ガス等を用いることもできる。キャリアガスとしてはＨ２の他、ＡｒやＨｅを用いることができ、吸着成分及び金属材料との関係によってはＨ２をキャリアガスとして用いることもできる。また、吸着成分を吸着させる金属材料は、Ｐｔの他にもＮｉ、Ｔｉ、Ｍｏ、Ｔａ等を用いることができる。
【符号の説明】
【００６５】
２ ガス拡散電極セット部
４ ＣＯ定量部
６ ガス拡散電極セット部
１０ 流路プレート
１２ バックプレート
１４ シール
１６ 透水性膜
１８ 親水性多孔体
２０ ガス拡散電極
２２ ガス拡散層
２４ 撥水層
２６ 触媒層
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池に用いられる多孔体のガス拡散性を評価する評価方法であって、
前記多孔体の背面側或いは前記多孔体の内部に特定のガス成分の吸着性が高い金属材料を均一に配置する準備工程と、
前記多孔体の背面側は気密にして、前記多孔体の表面に沿って前記金属材料に吸着される成分を含む試験ガスを通過させる試験工程と、
前記多孔体の表面を通過した試験ガス中の吸着成分の濃度の時間変化を計測し、その計測結果によって前記多孔体のガス拡散性を評価する評価工程と、
を実行することを特徴とする燃料電池用多孔体のガス拡散性の評価方法。
【請求項２】
前記試験工程は、前記多孔体にその背面側から水圧を印加する工程を含むことを特徴とする請求項１記載の燃料電池用多孔体のガス拡散性の評価方法。
【請求項３】
前記準備工程では配置する金属材料として白金を用い、
前記試験工程では吸着成分として一酸化炭素を用いることを特徴とする請求項１又は２記載の燃料電池用多孔体のガス拡散性の評価方法。
【請求項４】
前記準備工程は、前記多孔体と触媒層とを一体化する工程を含むことを特徴とする請求項１乃至３の何れか１項に記載の燃料電池用多孔体のガス拡散性の評価方法。
【請求項５】
前記準備工程は、触媒インクから前記多孔体を製造する工程を含むことを特徴とする請求項１乃至３の何れか１項に記載の燃料電池用多孔体のガス拡散性の評価方法。
【請求項６】
前記準備工程は、前記多孔体と膜電極接合体（ＭＥＡ）とを一体化する工程を含むことを特徴とする請求項１乃至３の何れか１項に記載の燃料電池用多孔体のガス拡散性の評価方法。
【請求項７】
前記準備工程は、前記多孔体を支持する支持プレートの表面に特定のガス成分の吸着性が高い金属材料を配置する工程を含むことを特徴とする請求項１乃至３の何れか１項に記載の燃料電池用多孔体のガス拡散性の評価方法。
【請求項８】
燃料電池の製造方法であって、
ガス拡散層を作製するガス拡散層作製工程と、
前記ガス拡散層の背面側に白金を均一に配置する準備工程と、
前記ガス拡散層の背面側は気密にして、前記ガス拡散層の表面に沿って一酸化炭素を含む試験ガスを通過させる試験工程と、
前記ガス拡散層の表面を通過した試験ガス中の一酸化炭素濃度の時間変化を計測し、その計測結果によって前記ガス拡散層のガス拡散性を検査する検査工程と、
前記ガス拡散層のガス拡散性の検査結果に基づいて前記ガス拡散層作製工程における作製条件を補正する作製条件補正工程と、
を実行することを特徴とする燃料電池の製造方法。
【請求項９】
燃料電池の製造方法であって、
膜電極接合体（ＭＥＡ）を作製するＭＥＡ作製工程と、
前記ＭＥＡの表面に沿って一酸化炭素を含む試験ガスを通過させる試験工程と、
前記ＭＥＡの表面を通過した試験ガス中の一酸化炭素濃度の時間変化を計測し、その計測結果によって前記ＭＥＡのガス拡散性を検査する検査工程と、
前記ＭＥＡのガス拡散性の検査結果に基づいて前記ＭＥＡ成工程における作製条件を補正する作製条件補正工程と、
を実行することを特徴とする燃料電池の製造方法。
【請求項１０】
燃料電池の製造方法であって、
ガス拡散層と膜電極接合体（ＭＥＡ）とを一体化してアセンブリとするアセンブル工程と、
前記アセンブリの表面に沿って一酸化炭素を含む試験ガスを通過させる試験工程と、
前記アセンブリの表面を通過した試験ガス中の一酸化炭素濃度の時間変化を計測し、その計測結果によって前記アセンブリのガス拡散性を検査する検査工程と、
前記アセンブリのガス拡散性の検査結果に基づいて前記アセンブル工程におけるアセンブル条件を補正するアセンブル条件補正工程と、
を実行することを特徴とする燃料電池の製造方法。
【請求項１】
燃料電池に用いられる多孔体のガス拡散性を評価する評価方法であって、
前記多孔体の背面側或いは前記多孔体の内部に特定のガス成分の吸着性が高い金属材料を均一に配置する準備工程と、
前記多孔体の背面側は気密にして、前記多孔体の表面に沿って前記金属材料に吸着される成分を含む試験ガスを通過させる試験工程と、
前記多孔体の表面を通過した試験ガス中の吸着成分の濃度の時間変化を計測し、その計測結果によって前記多孔体のガス拡散性を評価する評価工程と、
を実行することを特徴とする燃料電池用多孔体のガス拡散性の評価方法。
【請求項２】
前記試験工程は、前記多孔体にその背面側から水圧を印加する工程を含むことを特徴とする請求項１記載の燃料電池用多孔体のガス拡散性の評価方法。
【請求項３】
前記準備工程では配置する金属材料として白金を用い、
前記試験工程では吸着成分として一酸化炭素を用いることを特徴とする請求項１又は２記載の燃料電池用多孔体のガス拡散性の評価方法。
【請求項４】
前記準備工程は、前記多孔体と触媒層とを一体化する工程を含むことを特徴とする請求項１乃至３の何れか１項に記載の燃料電池用多孔体のガス拡散性の評価方法。
【請求項５】
前記準備工程は、触媒インクから前記多孔体を製造する工程を含むことを特徴とする請求項１乃至３の何れか１項に記載の燃料電池用多孔体のガス拡散性の評価方法。
【請求項６】
前記準備工程は、前記多孔体と膜電極接合体（ＭＥＡ）とを一体化する工程を含むことを特徴とする請求項１乃至３の何れか１項に記載の燃料電池用多孔体のガス拡散性の評価方法。
【請求項７】
前記準備工程は、前記多孔体を支持する支持プレートの表面に特定のガス成分の吸着性が高い金属材料を配置する工程を含むことを特徴とする請求項１乃至３の何れか１項に記載の燃料電池用多孔体のガス拡散性の評価方法。
【請求項８】
燃料電池の製造方法であって、
ガス拡散層を作製するガス拡散層作製工程と、
前記ガス拡散層の背面側に白金を均一に配置する準備工程と、
前記ガス拡散層の背面側は気密にして、前記ガス拡散層の表面に沿って一酸化炭素を含む試験ガスを通過させる試験工程と、
前記ガス拡散層の表面を通過した試験ガス中の一酸化炭素濃度の時間変化を計測し、その計測結果によって前記ガス拡散層のガス拡散性を検査する検査工程と、
前記ガス拡散層のガス拡散性の検査結果に基づいて前記ガス拡散層作製工程における作製条件を補正する作製条件補正工程と、
を実行することを特徴とする燃料電池の製造方法。
【請求項９】
燃料電池の製造方法であって、
膜電極接合体（ＭＥＡ）を作製するＭＥＡ作製工程と、
前記ＭＥＡの表面に沿って一酸化炭素を含む試験ガスを通過させる試験工程と、
前記ＭＥＡの表面を通過した試験ガス中の一酸化炭素濃度の時間変化を計測し、その計測結果によって前記ＭＥＡのガス拡散性を検査する検査工程と、
前記ＭＥＡのガス拡散性の検査結果に基づいて前記ＭＥＡ成工程における作製条件を補正する作製条件補正工程と、
を実行することを特徴とする燃料電池の製造方法。
【請求項１０】
燃料電池の製造方法であって、
ガス拡散層と膜電極接合体（ＭＥＡ）とを一体化してアセンブリとするアセンブル工程と、
前記アセンブリの表面に沿って一酸化炭素を含む試験ガスを通過させる試験工程と、
前記アセンブリの表面を通過した試験ガス中の一酸化炭素濃度の時間変化を計測し、その計測結果によって前記アセンブリのガス拡散性を検査する検査工程と、
前記アセンブリのガス拡散性の検査結果に基づいて前記アセンブル工程におけるアセンブル条件を補正するアセンブル条件補正工程と、
を実行することを特徴とする燃料電池の製造方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【公開番号】特開２０１０−２５１１８８（Ｐ２０１０−２５１１８８Ａ）
【公開日】平成２２年１１月４日（２０１０．１１．４）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−１００９３４（Ｐ２００９−１００９３４）
【出願日】平成２１年４月１７日（２００９．４．１７）
【出願人】（０００００３２０７）トヨタ自動車株式会社 (59,920)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２２年１１月４日（２０１０．１１．４）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年４月１７日（２００９．４．１７）
【出願人】（０００００３２０７）トヨタ自動車株式会社 (59,920)
【Ｆターム（参考）】
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