(57)【要約】      （修正有）【課題】燃料電池に用いられる膜電極接合体において、電解質膜全体に作用する内部応力の検知を可能とする燃料電池を提供する。【解決手段】燃料電池モジュールは、膜電極接合体１０の周縁部をフレーム部材２０によって固定することによって構成される。そして、フレーム部材２０の角部には、不連続部２２が形成されており、この不連続部２２には、圧力センサ４０が介装される。膜電極接合体１０が備える電解質膜が収縮すると、フレーム部材２０が電解質膜に作用する内部応力よって電解質膜側に引っ張られてたわむことにより、例えば、電解質膜における上下、左右、２方向の内部応力が、斜め方向の力に変換される。そして、この斜め方向の力は、不連続部２２に介装された圧力センサ４０によって検出される。【選択図】図２
2010114004.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池であって、
電解質膜の両面に電極を接合した膜電極接合体と、
前記電解質膜の周縁部を保持するフレーム部材と、
前記フレーム部材に設けられ、前記電解質膜が膨張または収縮したときに前記フレーム部材に作用する応力を検出する応力検出部と、
を備える燃料電池。
【請求項２】
請求項１記載の燃料電池であって、
フレーム部材は、一部が不連続な不連続部を有しており、
前記応力検出部は、前記不連続部に介装されている、
燃料電池。
【請求項３】
請求項２記載の燃料電池であって、
前記電解質膜、および、前記フレーム部材の外周は、ほぼ矩形形状を有しており、
前記不連続部は、前記フレーム部材の角部に配置されている、
燃料電池。
【請求項４】
請求項２または３記載の燃料電池であって、
前記フレーム部材は、てこの原理を利用して、前記フレーム部材に作用する応力を増幅して前記応力検出部に伝達する増幅機構を備える、
燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
燃料ガスと酸化剤ガスとの電気化学反応によって発電する燃料電池がエネルギ源として注目されている。そして、この燃料電池では、発電体として、電解質膜の両面に電極を接合した膜電極接合体が用いられる。
【０００３】
膜電極接合体では、例えば、電解質膜の加湿・乾燥によって、電解質膜が膨張・収縮するため、電解質膜は疲労によって脆化し、電解質膜に亀裂が生じる場合がある。そして、電解質膜に亀裂が生じると、燃料ガス、および、酸化剤ガスのクロスリークが発生し、電池出力の低下を招く。そこで、電解質膜の脆化の進行の程度を検知する技術が求められている。例えば、下記特許文献１には、電解質膜に加えられる圧力を直接的に検出する技術が記載されている。電解質膜は、脆化すると伸びが減少し、応力が増加することが知られており、膨張・収縮時に電解質膜に作用する内部応力の経時的な変化を検出することによって、電解質膜の脆化の進行の程度を検知することができる。
【０００４】
【特許文献１】特開２００６−２６０９０７号公報
【特許文献２】特開２００８−１８０６９３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかし、上記特許文献１に記載された技術では、圧力検知手段が電解質膜に直接設けられているため、圧力検知手段が設けられた部位の圧力変化を検知することはできるが、電解質膜全体の圧力変化を十分に検知することができなかった。
【０００６】
本発明は、上述の課題を解決するためになされたものであり、燃料電池に用いられる膜電極接合体において、電解質膜全体に作用する内部応力を検知することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明は、上述の課題の少なくとも一部を解決するために以下の形態又は適用例として実現することが可能である。
【０００８】
［適用例１］燃料電池であって、電解質膜の両面に電極を接合した膜電極接合体と、前記電解質膜の周縁部を保持するフレーム部材と、前記フレーム部材に設けられ、前記電解質膜が膨張または収縮したときに前記フレーム部材に作用する応力を検出する応力検出部と、を備える燃料電池。
【０００９】
適用例１の燃料電池において、電解質膜が膨張または収縮したときにフレーム部材に作用する応力は、電解質膜全体に作用する内部応力と対応する。適用例１の燃料電池では、応力検出部によって、フレーム部材に作用する応力を検出することができるので、膜電極接合体が備える電解質膜全体に作用する内部応力を検知することができる。
【００１０】
［適用例２］適用例１記載の燃料電池であって、フレーム部材は、一部が不連続な不連続部を有しており、前記応力検出部は、前記不連続部に介装されている、燃料電池。
【００１１】
この場合、応力検出部としては、例えば、圧電素子を備える圧力センサを用いることができる。なお、フレーム部材が有する不連続部の数は、１箇所であってもよいし、複数箇所であってもよい。不連続部の数が１箇所である場合には、フレーム部材としては、電解質膜の膨張・収縮に応じてたわむ程度の剛性を有する部材が用いられる。また、不連続部は、シールを確保するため、軟質ゴム等のシール部材によって連結される。
【００１２】
［適用例３］適用例２記載の燃料電池であって、前記電解質膜、および、前記フレーム部材の外周は、ほぼ矩形形状を有しており、前記不連続部は、前記フレーム部材の角部に配置されている、燃料電池。
【００１３】
適用例３の燃料電池によって、応力検出部からの配線を容易に行うことができる。
【００１４】
［適用例４］適用例２または３記載の燃料電池であって、前記フレーム部材は、てこの原理を利用して、前記フレーム部材に作用する応力を増幅して前記応力検出部に伝達する増幅機構を備える、燃料電池。
【００１５】
適用例５の燃料電池によって、フレーム部材に作用する応力、換言すれば、電解質膜全体に作用する内部応力の検出感度を向上させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
以下、本発明の実施の形態について、実施例に基づき説明する。
Ａ．第１実施例：
図１は、本発明の第１実施例としての燃料電池モジュール１００の概略構成を示す説明図である。図１（ａ）に、燃料電池モジュール１００の平面図を示した。また、図１（ｂ）に、図１（ａ）におけるＡ−Ａ断面図を示した。また、図１（ｃ）に、燃料電池モジュール１００を外部固定枠１１０によって固定したときの断面図を示した。この燃料電池モジュール１００は、外部固定枠１１０によって周縁部を固定し、セパレータを介在させて複数積層することによって、燃料電池スタックを構成する。
【００１７】
図１（ａ）に示したように、燃料電池モジュール１００は、矩形形状を有する膜電極接合体１０の周縁部をフレーム部材２０によって固定することによって構成されている。膜電極接合体１０は、図１（ｂ）に示したように、電解質膜１２の両面に、それぞれ、アノード側触媒電極１４、および、カソード側触媒電極１６を接合したものである。また、本実施例では、フレーム部材２０として、膜電極接合体１０の膨張・収縮に応じてたわむ程度の剛性を有する硬質樹脂を用いるものとした。フレーム部材２０として、他の部材を用いるものとしてもよい。
【００１８】
図２は、燃料電池モジュール１００の角部を示す説明図である。この図は、図１（ａ）において、丸で囲った領域を拡大して示している。図示するように、フレーム部材２０の角部には、不連続部２２が形成されており、この不連続部２２には、圧電素子を備える圧力センサ４０が介装されている。そして、この圧力センサ４０、および、圧力センサ４０に接続された配線５０を包み込むとともに、不連続部２２を連結してシールするように、シール部材３０が充填されている。本実施例では、シール部材３０として、ラテックスゴムを用いるものとした。シール部材３０として、ラテックスゴムの代わりに、フレーム部材２０のたわみをなるべく阻害しない、他の軟質ゴム等を用いるものとしてもよい。
【００１９】
ところで、膜電極接合体１０では、電解質膜１２の加湿・乾燥によって、電解質膜１２が膨張・収縮するため、電解質膜１２は疲労によって脆化し、電解質膜１２に亀裂が生じる場合がある。
【００２０】
図３は、電解質膜１２の伸び率と応力との関係を示す説明図である。実線で描かれたカーブは、電解質膜１２が脆化していない初期状態の伸び率と応力との関係を表している。また、一点鎖線で描かれたカーブは、脆化した電解質膜１２の伸びと応力との関係を表している。例えば、脆化していない電解質膜１２では、電解質膜１２の伸び率がαである場合、応力はＳ０であるのに対し、脆化した電解質膜１２では、応力はＳ１（＞Ｓ０）である。この図から、電解質膜１２が脆化すると伸び率が減少するとともに、応力が増加することが分かる。本実施例では、このような電解質膜１２の性質を考慮して、膨張・収縮時に電解質膜に作用する内部応力の経時的な変化を検出することによって、電解質膜の脆化の進行の程度を検知可能とする。
【００２１】
図２に戻り、本実施例の燃料電池モジュール１００について説明する。本実施例の燃料電池モジュール１００では、発電時に加湿された電解質膜１２が、乾燥によって収縮する。この電解質膜１２の収縮は、例えば、図２における左右方向の内部応力と、上下方向の内部応力とによって表すことができる。そして、電解質膜１２が収縮すると、フレーム部材２０が電解質膜１２に作用する内部応力によって膜電極接合体１０側に引っ張られてたわむことにより、電解質膜１２に作用する上述した２方向の内部応力が、図２における斜め方向の力に変換される。そして、この斜め方向の力は、不連続部２２に介装された圧力センサ４０によって検出される。圧力センサ４０によって検出される力は、フレーム部材２０に作用する応力に対応し、また、フレーム部材２０に作用する応力は、電解質膜１２全体に作用する内部応力に対応する。したがって、圧力センサ４０によって検出される力は、電解質膜１２全体に作用する内部応力に対応する。
【００２２】
なお、圧力センサ４０によって検出された力は、配線５０を介して、図示しない信号処理装置に送信される。そして、この信号処理装置は、圧力センサ４０によって検出された、電解質膜１２に作用する内部応力に対応する力に基づいて、電解質膜１２の脆化の進行の程度を判断する。そして、信号処理装置は、電解質膜１２の脆化の進行、すなわち、圧力センサ４０によって検出された力が所定値以上になった場合には、電解質膜１２の脆化を報知するためのアラームを発する等の処理を行う。
【００２３】
以上説明した第１実施例の燃料電池モジュール１００によれば、膜電極接合体１０が備える電解質膜１２全体に作用する内部応力を、電解質膜１２の外部で検知することができる。また、電解質膜１２に作用する内部応力を検出する手段が、電解質膜１２に直接設けられておらず、フレーム部材２０の角部に設けられた不連続部２２に介装されているので、配線を容易にすることができる。また、電解質膜１２に作用する内部応力を検出する検出手段を電解質膜１２に直接設けた場合に生じる電解質膜１２と検出手段との剥離を解消することができる。
【００２４】
Ｂ．第２実施例：
図４は、本発明の第２実施例としての燃料電池モジュール１００Ａの角部を示す説明図である。この図は、先に示した図２と対応しており、燃料電池モジュール１００Ａは、第１実施例の燃料電池モジュール１００と同様に、矩形形状を有する膜電極接合体１０の周縁部をフレーム部材２０Ａによって固定することによって構成されている。そして、図示するように、本実施例の燃料電池モジュール１００Ａでは、フレーム部材２０Ａの不連続部２２Ａの最外周部に、不連続部２２Ａを連結する支点２４が設けられており、この支点２４の近傍の不連続部２２Ａに圧力センサ４０が介装されている。これ以外は、第１実施例の燃料電池モジュール１００と同じである。
【００２５】
本実施例の燃料電池モジュール１００Ａでは、発電時に加湿された電解質膜１２が、乾燥によって収縮すると、フレーム部材２０Ａが電解質膜１２に作用する内部応力によって膜電極接合体１０側に引っ張られてたわむことにより、電解質膜１２に作用する先述した上下、左右の２方向の内部応力が、図４における斜め方向の力に変換されるとともに、てこの原理によって増幅される。そして、この斜め方向の力は、不連続部２２に介装された圧力センサ４０によって検出される。圧力センサ４０によって検出される力は、フレーム部材２０Ａに作用する応力に対応し、また、フレーム部材２０Ａに作用する応力は、電解質膜１２全体に作用する内部応力に対応する。したがって、圧力センサ４０によって検出される力は、電解質膜１２全体に作用する内部応力に対応する。
【００２６】
以上説明した第２実施例の燃料電池モジュール１００Ａによっても、第１実施例の燃料電池モジュール１００と同様に、膜電極接合体１０が備える電解質膜１２全体に作用する内部応力を、電解質膜１２の外部で検知することができる。また、第２実施例の燃料電池モジュール１００Ａでは、てこの原理を利用してフレーム部材２０Ａに作用する応力を検出することができるので、電解質膜１２全体に作用する内部応力の検出感度を向上させることができる。
【００２７】
Ｃ．第３実施例：
図５は、本発明の第３実施例としての燃料電池モジュール１００Ｂの角部を示す説明図である。この図は、先に示した図２と対応しており、燃料電池モジュール１００Ｂは、第１実施例の燃料電池モジュール１００と同様に、矩形形状を有する膜電極接合体１０の周縁部をフレーム部材２０Ｂによって固定することによって構成されている。そして、図示するように、本実施例の燃料電池モジュール１００Ｂでは、フレーム部材２０Ｂの不連続部２２Ｂの最外周部に、不連続部２２Ｂを連結する支点２４が設けられている。そして、この支点２４近傍には、フレーム部材２０Ｂの一部として、フレーム部材２０Ｂの外側に向かって、フレーム部材２０Ｂ本体のたわみに連動して開閉する一対の嘴部２６が延設されており、この嘴部２６の間に圧力センサ４０が介装されている。これ以外は、第１実施例の燃料電池モジュール１００と同じである。
【００２８】
本実施例の燃料電池モジュール１００Ｂでは、発電時に加湿された電解質膜１２が、乾燥によって収縮すると、フレーム部材２０Ｂが電解質膜１２に作用する内部応力によって１０側に引っ張られてたわむことにより、電解質膜１２に作用する先述した上下、左右の２方向の内部応力が、図５における斜め方向の力に変換されるとともに、てこの原理によって増幅される。そして、この斜め方向の力は、一対の嘴部２６の間に介装された圧力センサ４０によって検出される。圧力センサ４０によって検出される力は、フレーム部材２０Ｂに作用する応力に対応し、また、フレーム部材２０Ｂに作用する応力は、電解質膜１２全体に作用する内部応力に対応する。したがって、圧力センサ４０によって検出される力は、電解質膜１２全体に作用する内部応力に対応する。
【００２９】
以上説明した第３実施例の燃料電池モジュール１００Ｂによっても、第１，２実施例の燃料電池モジュール１００，１００Ａと同様に、膜電極接合体１０が備える電解質膜１２全体に作用する内部応力を、電解質膜１２の外部で検知することができる。また、第３実施例の燃料電池モジュール１００Ｂでは、第２実施例の燃料電池モジュール１００Ａと同様に、てこの原理を利用してフレーム部材２０Ｂに作用する応力を検出することができるので、電解質膜１２全体に作用する内部応力の検出感度を向上させることができる。さらに、第３実施例の燃料電池モジュール１００Ｂでは、圧力センサ４０が、フレーム部材２０Ｂの外側に延設された一対の嘴部２６の間に介装されているので、第１，２実施例の１００，１００Ａと比較して、圧力センサ４０からの配線や、圧力センサ４０の取り付け・交換が容易である。
【００３０】
Ｄ．その他：
上述した第１ないし第３実施例の各燃料電池モジュール１００，１００Ａ，１００Ｂを、８０（℃）に保ち、８０（℃）の湿潤ガスと８０（℃）の乾燥ガスとを交互に流して乾湿サイクル試験を行った。この結果、試験時間の経過に伴って、圧力センサ４０のセンサ起電力が増加し、各燃料電池モジュール１００，１００Ａ，１００Ｂにおける電解質膜１２の脆化の進行の程度を検出できることが確認できた。また、第２，３実施例の燃料電池モジュール１００Ａ，１００Ｂにおいて、第１実施例の燃料電池モジュール１００よりも、電解質膜１２の内部応力の検出感度を向上させることができることも確認できた。
【００３１】
Ｅ．変形例：
以上、本発明のいくつかの実施の形態について説明したが、本発明はこのような実施の形態になんら限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲内において種々なる態様での実施が可能である。例えば、以下のような変形が可能である。
【００３２】
Ｅ１．変形例１：
上記第１実施例では、フレーム部材２０における不連続部２２は１箇所であるものとしたが、複数箇所としてもよい。この場合、複数の各不連続部２２に、それぞれ、圧力センサ４０を介装し、各圧力センサ４０の出力に基づいて、電解質膜１２の脆化の進行の程度を判断するようにしてもよい。これは、第２，３実施例においても同様である。
【００３３】
Ｅ２．変形例２：
上記第１実施例では、フレーム部材２０における不連続部２２は、フレーム部材２０の角部に配置されるものとしたが、本発明は、これに限られず、他の位置に配置されるものとしてもよい。これは、第２，３実施例においても同様である。
【００３４】
Ｅ３．変形例３：
上記第１実施例では、電解質膜１２、および、フレーム部材２０は、ほぼ矩形形状を有するものとしたが、本発明は、これに限られず、他の形状としてもよい。これは、第２，３実施例においても同様である。
【００３５】
Ｅ４．変形例４：
上記第１実施例では、フレーム部材２０は、不連続部２２を有し、この不連続部２２に、圧力センサ４０が介装されるものとしたが、本発明は、これに限られない。例えば、フレーム部材として、不連続部２２を有していない連続した部材を用い、このフレーム部材に歪ゲージを設けるようにしてもよい。こうすることによって、歪ゲージによって検出されたフレーム部材に作用する応力に基づいて、電解質膜１２全体に作用する内部応力を検知し、電解質膜１２の脆化の進行の程度を検知することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３６】
【図１】本発明の第１実施例としての燃料電池モジュール１００の概略構成を示す説明図である。
【図２】燃料電池モジュール１００の角部を示す説明図である。
【図３】電解質膜１２の伸び率と応力との関係を示す説明図である。
【図４】本発明の第２実施例としての燃料電池モジュール１００Ａの角部を示す説明図である。
【図５】本発明の第３実施例としての燃料電池モジュール１００Ｂの角部を示す説明図である。
【符号の説明】
【００３７】
１００，１００Ａ，１００Ｂ…燃料電池モジュール
１１０…外部固定枠
１０…膜電極接合体
１２…電解質膜
１４…アノード側触媒電極
１６…カソード側触媒電極
２０，２０Ａ，２０Ｂ…フレーム部材
２２，２２Ａ，２２Ｂ…不連続部
２４…支点
２６…嘴部
３０…シール部材
４０…圧力センサ
５０…配線
【図１】
2010114004.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
2010114004.tif 000006
【図５】
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