(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
アノード側電極及びカソード側電極が電解質の両側に設けられた電解質・電極構造体とセパレータとが積層された燃料電池の電流密度分布計測装置であって、
前記電解質・電極構造体の発電面領域に対応する領域を複数の領域に分割するとともに、それぞれ対をなす平面矩形状の複数の電極セグメントと、
一方の極である複数の前記電極セグメントと他方の極である複数の前記電極セグメントとの間に配置される一対の絶縁シートと、
一対の前記絶縁シート間に各電極セグメントに対応して配置される複数の薄膜状抵抗体と、
を備え、
前記薄膜状抵抗体の一方の面には、一方の前記絶縁シートを貫通して一方の前記電極セグメントに接続される第１の電極部が設けられるとともに、
前記薄膜状抵抗体の他方の面には、他方の前記絶縁シートを貫通して他方の前記電極セグメントに接続される第２の電極部が設けられ、
前記第１の電極部と前記第２の電極部とは、前記電極セグメントの対辺位置又は対角位置に配置されており、
前記薄膜状抵抗体には、電圧取得用の第１配線パターン及び第２配線パターンの各一端が接続される一方、前記第１配線パターン及び前記第２配線パターンの各他端がそれぞれコネクタに接続されるとともに、
各薄膜状抵抗体に接続された前記第１配線パターン及び前記第２配線パターンの合計長さは、それぞれ同一長さに設定されることを特徴とする燃料電池の電流密度分布計測装置。
【請求項２】
請求項１記載の電流密度分布計測装置において、一対の前記絶縁シート間には、前記薄膜状抵抗体に隣接して該薄膜状抵抗体と同一厚さを有するスペーサ部材が介装されることを特徴とする燃料電池の電流密度分布計測装置。
【請求項３】
請求項１又は２記載の電流密度分布計測装置において、前記第１配線パターンと前記第２配線パターンとは、同一の断面積に設定されることを特徴とする燃料電池の電流密度分布計測装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、アノード側電極及びカソード側電極が電解質の両側に設けられた電解質・電極構造体とセパレータとが積層された燃料電池の電流密度分布計測装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
例えば、固体高分子型燃料電池は、高分子イオン交換膜からなる電解質膜（電解質）を採用している。この電解質膜の両側にアノード側電極及びカソード側電極を配設した電解質膜・電極構造体（ＭＥＡ）を、セパレータによって挟持することにより、燃料電池が構成されている。
【０００３】
上記の燃料電池では、故障の検知や品質検査、又はフラッディングの検出等を行うために、電流密度分布を計測する方式が採用されている。例えば、特許文献１に開示されている燃料電池システムの制御装置が知られている。
【０００４】
この燃料電池システムは、複数の燃料電池セルが積層されるとともに、積層された前記燃料電池セルの間に積層方向に垂直な面における電流密度分布を計測する少なくとも１つの電流密度センサを有する燃料電池スタックを備えている。
【０００５】
そして、制御装置は、計測された電流密度分布に基づいて燃料電池スタックの内部状態を観測するとともに、前記観測された内部状態に応じて前記燃料電池スタックに供給される流体を操作して前記燃料電池スタックにおける出力電流分布を均一化するように制御し、前記流体の操作は、燃料ガスの流量と酸化剤ガスの流量と冷却媒体の流量と前記酸化剤ガスの加湿量とのうちの少なくとも１つの操作を含むことを特徴としている。
【０００６】
また、燃料電池システムでは、運転時に各燃料電池の発電状況を監視し、前記燃料電池が正常に発電しているか否かを検出する必要がある。このため、モニタ装置として、例えば、電位センサを燃料電池システムに組み込んで、各燃料電池のアノード又はカソードの電位を検出する方式が採用されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００６−３１８７８４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、上記の特許文献１では、電流密度分布を計測するだけであり、燃料電池の電極電位を測定することができない。従って、燃料電池内部の反応状態を、詳細に把握することが困難になり、前記燃料電池を効率的に運転制御することができないという問題がある。
【０００９】
本発明はこの種の問題を解決するものであり、燃料電池の発電面の電流密度の分布を容易且つ正確に計測することが可能な燃料電池の電流密度分布計測装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明は、アノード側電極及びカソード側電極が電解質の両側に設けられた電解質・電極構造体とセパレータとが積層された燃料電池の電流密度分布計測装置に関するものである。
【００１１】
この電流密度分布計測装置では、電解質・電極構造体の発電面領域に対応する領域を複数の領域に分割するとともに、それぞれ対をなす平面矩形状の複数の電極セグメントと、一方の極である複数の前記電極セグメントと他方の極である複数の前記電極セグメントとの間に配置される一対の絶縁シートと、一対の前記絶縁シート間に各電極セグメントに対応して配置される複数の薄膜状抵抗体とを備えている。
【００１２】
薄膜状抵抗体の一方の面には、一方の絶縁シートを貫通して一方の電極セグメントに接続される第１の電極部が設けられるとともに、前記薄膜状抵抗体の他方の面には、他方の前記絶縁シートを貫通して他方の前記電極セグメントに接続される第２の電極部が設けられている。そして、第１の電極部と第２の電極部とは、電極セグメントの対辺位置又は対角位置に配置されており、薄膜状抵抗体には、電圧取得用の第１配線パターン及び第２配線パターンの各一端が接続される一方、前記第１配線パターン及び前記第２配線パターンの各他端がそれぞれコネクタに接続されるとともに、各薄膜状抵抗体に接続された前記第１配線パターン及び前記第２配線パターンの合計長さは、それぞれ同一長さに設定されている。
【００１３】
また、この電流密度分布計測装置では、一対の絶縁シート間には、薄膜状抵抗体に隣接して前記薄膜状抵抗体と同一厚さを有するスペーサ部材が介装されることが好ましい。
【００１５】
さらにまた、この電流密度分布計測装置では、第１配線パターンと第２配線パターンとは、同一の断面積に設定されることが好ましい。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、電解質・電極構造体の発電面領域を複数の領域に分割した複数の電極セグメントが設けられるとともに、各電極セグメントに対応して複数の薄膜状抵抗体が配設されている。このため、薄膜状抵抗体の両端に発生する電圧を計測するだけで、発電面内における各領域の電流密度の分布を計測することができる。
【００１７】
しかも、薄膜状抵抗体の両面に設けられた第１の電極部と第２の電極部とは、電極セグメントの対辺位置又は対角位置に配置されている。従って、抵抗長さを長尺化することができ、限定された面積内で抵抗値を最大限に上げることが可能になり、効率的である。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る計測装置が組み込まれる燃料電池の要部分解斜視図である。
【図２】前記計測装置の要部断面説明図である。
【図３】シャント抵抗の概略説明図である。
【図４】他のシャント抵抗の概略説明図である。
【図５】別のシャント抵抗の概略説明図である。
【図６】さらに別のシャント抵抗の概略説明図である。
【図７】前記計測装置の一部正面説明図である。
【図８】燃料電池間に配置された前記計測装置の原理説明図である。
【図９】本発明の第２の実施形態に係る計測装置の要部断面説明図である。
【図１０】シャント抵抗及びスペーサの概略説明図である。
【図１１】他のシャント抵抗及び他のスペーサの概略説明図である。
【図１２】別のシャント抵抗及び別のスペーサの概略説明図である。
【図１３】さらに別のシャント抵抗及びさらに別のスペーサの概略説明図である。
【図１４】セパレータ間に配置された別の計測装置の原理説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
図１に示すように、本発明の実施形態に係る計測装置１０が組み込まれる燃料電池１２は、電解質膜・電極構造体（電解質・電極構造体）１４と、前記電解質膜・電極構造体１４を挟持する第１及び第２セパレータ１６、１８とを備える。第１及び第２セパレータ１６、１８は、例えば、金属セパレータ又はカーボンセパレータで構成される。
【００２０】
燃料電池１２の矢印Ｃ方向（図１中、鉛直方向）の一端縁部（上端縁部）には、積層方向である矢印Ａ方向に互いに連通して、酸化剤ガス、例えば、酸素含有ガスを供給するための酸化剤ガス供給連通孔２０ａと、燃料ガス、例えば、水素含有ガスを供給するための燃料ガス供給連通孔２２ａとが、矢印Ｂ方向（水平方向）に配列して設けられる。
【００２１】
燃料電池１２の矢印Ｃ方向の他端縁部（下端縁部）には、矢印Ａ方向に互いに連通して、燃料ガスを排出するための燃料ガス排出連通孔２２ｂと、酸化剤ガスを排出するための酸化剤ガス排出連通孔２０ｂとが、矢印Ｂ方向に配列して設けられる。
【００２２】
燃料電池１２の矢印Ｂ方向の一端縁部には、冷却媒体を供給するための冷却媒体供給連通孔２４ａが設けられるとともに、前記燃料電池１２の矢印Ｂ方向の他端縁部には、冷却媒体を排出するための冷却媒体排出連通孔２４ｂが設けられる。
【００２３】
電解質膜・電極構造体１４は、例えば、パーフルオロスルホン酸の薄膜に水が含浸された固体高分子電解質膜２６と、前記固体高分子電解質膜２６を挟持するカソード側電極２８及びアノード側電極３０とを備える。
【００２４】
カソード側電極２８及びアノード側電極３０は、固体高分子電解質膜２６の両面に接合される電極触媒層と、前記電極触媒層に配設されるカーボンペーパ等からなるガス拡散層とを有する。電極触媒層は、白金合金が表面に担持された多孔質カーボン粒子を固体高分子電解質膜２６の両面に一様に塗布して形成される。
【００２５】
第１セパレータ１６の電解質膜・電極構造体１４に向かう面１６ａには、酸化剤ガス流路３２が設けられる。酸化剤ガス流路３２は、矢印Ｃ方向に延在する複数の流路溝を有しており、酸化剤ガス供給連通孔２０ａと酸化剤ガス排出連通孔２０ｂとに連通する。第１セパレータ１６の面１６ｂには、第２セパレータ１８の面１８ｂとの間に冷却媒体流路３４が設けられる。
【００２６】
第２セパレータ１８の電解質膜・電極構造体１４に向かう面１８ａには、燃料ガス流路３６が設けられる。燃料ガス流路３６は、酸化剤ガス流路３２と同様に、矢印Ｃ方向に延在する複数の流路溝を有し、燃料ガス供給連通孔２２ａと燃料ガス排出連通孔２２ｂとに連通する。第２セパレータ１８の面１８ｂには、冷却媒体供給連通孔２４ａと冷却媒体排出連通孔２４ｂとに連通する冷却媒体流路３４が設けられる。
【００２７】
第１セパレータ１６の両方の面１６ａ、１６ｂ及び第２セパレータ１８の両方の面１８ａ、１８ｂには、第１シール部材３８及び第２シール部材４０が、一体的又は個別に設けられる。第１シール部材３８及び第２シール部材４０は、例えば、ＥＰＤＭ、ＮＢＲ、フッ素ゴム、シリコンゴム、フロロシリコンゴム、ブチルゴム、天然ゴム、スチレンゴム、クロロプレーン、又はアクリルゴム等のシール材、クッション材、あるいはパッキン材を使用する。
【００２８】
計測装置１０は、燃料電池１２間に配設される。図１及び図２に示すように、計測装置１０は、少なくとも電解質膜・電極構造体１４の発電面領域に対応する位置に略同一の表面積を有する電極セグメント４４ａ、４４ｂと一対の絶縁シート４２ａ、４２ｂとを備える。絶縁シート４２ａ、４２ｂの外周には、外周絶縁シート４３ａ、４３ｂが設けられる。
【００２９】
第１セパレータ１６に対面する絶縁シート４２ａと第２セパレータ１８に対面する絶縁シート４２ｂとには、電解質膜・電極構造体１４の発電面領域を複数の領域に分割するとともに、それぞれ対をなす平面矩形状の複数の電極セグメント４４ａと４４ｂとが設けられる。
【００３０】
電極セグメント４４ａ、４４ｂは、好ましくは、略正方形を有し、同一の面積で且つ対称位置に設けられる。電極セグメント４４ａ、４４ｂは、それぞれ異なる極であり、絶縁シート４２ａ、４２ｂに形成される銅膜層４６ａ、４６ｂと、前記銅膜層４６ａ、４６ｂ上に形成される金めっき層４８ａ、４８ｂとを有する。電極セグメント４４ａ、４４ｂ間には、好ましくは、前記電極セグメント４４ａ、４４ｂと同一の厚さを有する絶縁材が充填される。
【００３１】
絶縁シート４２ａ、４２ｂ間には、各電極セグメント４４ａ、４４ｂに対応して複数の薄膜状抵抗体５０が配置される。薄膜状抵抗体５０は、例えば、図３〜図６に示すように、シャント抵抗５０ａ、５０ｂ、５０ｃ及び５０ｄの中、いずれか１つが選択的に採用される。
【００３２】
図３に示すように、シャント抵抗５０ａは、電極セグメント４４ａ、４４ｂの対辺位置まで延在する幅狭な長方形状を有する。シャント抵抗５０ａは、好ましくは、電極セグメント４４ａ、４４ｂの対辺の対称位置まで延在する。図４に示すように、シャント抵抗５０ｂは、電極セグメント４４ａ、４４ｂの対辺位置まで延在する幅広な多角形状を有する。
【００３３】
図５に示すように、シャント抵抗５０ｃは、電極セグメント４４ａ、４４ｂの対角位置まで延在する蛇行形状を有する。図６に示すように、シャント抵抗５０ｄは、電極セグメント４４ａ、４４ｂの対角位置まで延在する幅狭な長方形状を有する。シャント抵抗５０ａ〜５０ｄは、シャント抵抗値を大きくすることができればよく、種々の形状に設定可能である。
【００３４】
薄膜状抵抗体５０の一方の面には、一方の絶縁シート４２ａを貫通して一方の電極セグメント４４ａに接続される第１の電極部５２ａが設けられるとともに、前記薄膜状抵抗体５０の他方の面には、他方の絶縁シート４２ｂを貫通して他方の電極セグメント４４ｂに接続される第２の電極部５２ｂが設けられる。第１の電極部５２ａと第２の電極部５２ｂとは、絶縁シート４２ａ、４２ｂを貫通する孔部に銅めっきを施しており、電極セグメント４４ａ、４４ｂの対辺位置又は対角位置に配置される。
【００３５】
図７に示すように、計測装置１０において、正面最上位の右端に設けられた薄膜状抵抗体５０には、電圧取得用の導電性材料で構成された第１配線パターン５４ａ及び第２配線パターン５６ａの各一端が接続される。第１配線パターン５４ａ及び第２配線パターン５６ａの各他端は、それぞれコネクタ５８ａ、５８ｂに接続される。
【００３６】
正面最上位の右端から左側に２番目の薄膜状抵抗体５０には、電圧取得用の第１配線パターン５４ｂ及び第２配線パターン５６ｂの各一端が接続される。正面最上位の右端から左側に３番目の薄膜状抵抗体５０には、電圧取得用の第１配線パターン５４ｃ及び第２配線パターン５６ｃの各一端が接続される。正面最上位の右端から左側に４番目（左端）の薄膜状抵抗体５０には、電圧取得用の第１配線パターン５４ｄ及び第２配線パターン５６ｄの各一端が接続される。
【００３７】
各薄膜状抵抗体５０では、第１配線パターン５４ａ及び第２配線パターン５６ａの合計長さと、第１配線パターン５４ｂ及び第２配線パターン５６ｂの合計長さと、第１配線パターン５４ｃ及び第２配線パターン５６ｃの合計長さと、第１配線パターン５４ｄ及び第２配線パターン５６ｄの合計長さとは、それぞれ同一長さに設定される。第１配線パターン５４ａ〜５４ｄ及び第２配線パターン５６ａ〜５６ｄとは、同一の断面積に設定される。
【００３８】
図８に示すように、コネクタ５８ａ、５８ｂには、電圧計６０が接続され、各薄膜状抵抗体５０により電圧が検出される。計測装置１０は、各薄膜状抵抗体５０毎に検出された電圧降下に基づいて、各電極セグメント４４ａ、４４ｂに対応する発電面領域の電流密度を検出する。各電極セグメント４４ａ、４４ｂの電流密度ｉｎは、ｉｎ＝Ｖｎ／（Ｒｎ×Ａｎ）から求められる。なお、Ｖｎ（Ｖ）は抵抗間電圧、Ｒｎ（Ω）は抵抗値、Ａｎ（ｃｍ２）はセグメント電極面積である。
【００３９】
このように構成される計測装置１０の動作について、燃料電池１２との関連で、以下に説明する。
【００４０】
図１に示すように、酸化剤ガス供給連通孔２０ａに酸素含有ガス等の酸化剤ガスが供給されるとともに、燃料ガス供給連通孔２２ａに水素含有ガス等の燃料ガスが供給される。さらに、冷却媒体供給連通孔２４ａに純水やエチレングリコール等の冷却媒体が供給される。
【００４１】
酸化剤ガスは、第１セパレータ１６に設けられている酸化剤ガス流路３２に導入され、電解質膜・電極構造体１４を構成するカソード側電極２８に沿って移動する。一方、燃料ガス供給連通孔２２ａに供給された燃料ガスは、第２セパレータ１８の燃料ガス流路３６に導入され、電解質膜・電極構造体１４を構成するアノード側電極３０に沿って移動する。
【００４２】
従って、各電解質膜・電極構造体１４では、カソード側電極２８に供給される酸化剤ガスと、アノード側電極３０に供給される燃料ガスとが、電極触媒層内で電気化学反応により消費され、発電が行われる。
【００４３】
次いで、カソード側電極２８に供給されて消費された酸化剤ガスは、酸化剤ガス排出連通孔２０ｂに排出される。同様に、アノード側電極３０に供給されて消費された燃料ガスは、燃料ガス排出連通孔２２ｂに排出される。
【００４４】
また、冷却媒体供給連通孔２４ａに供給された冷却媒体は、第１及び第２セパレータ１６、１８間の冷却媒体流路３４に導入される。この冷却媒体は、電解質膜・電極構造体１４を冷却した後、冷却媒体排出連通孔２４ｂに排出される。
【００４５】
ところで、計測装置１０では、図２に示すように、各電極セグメント４４ａ、４４ｂ間に薄膜状抵抗体５０が設けられており、燃料電池１２が発電されることによって前記薄膜状抵抗体５０に電流が流れる。このため、電圧計６０を介して電圧降下が計測されると、この電圧降下から電解質膜・電極構造体１４の各電極セグメント４４ａ、４４ｂに対応する各発電面領域毎の電流密度分布が計測される。
【００４６】
この場合、第１の実施形態では、電解質膜・電極構造体１４の発電面領域を複数の領域に分割した複数の電極セグメント４４ａ、４４ｂが設けられるとともに、各電極セグメント４４ａ、４４ｂに対応して複数の薄膜状抵抗体５０が配設されている。従って、薄膜状抵抗体５０の両端に発生する電圧を計測するだけで、発電面内における各領域の電流密度の分布を計測することができるという効果が得られる。
【００４７】
しかも、薄膜状抵抗体５０の両面に設けられた第１の電極部５２ａと第２の電極部５２ｂとは、電極セグメント４４ａ、４４ｂの対辺位置又は対角位置に配置されている。具体的には、図３〜図６に示すように、薄膜状抵抗体５０は、シャント抵抗５０ａ、５０ｂ、５０ｃ及び５０ｄのいずれかを使用することができる。これにより、薄膜状抵抗体５０は、抵抗長さを長尺化することができ、限定された面積内で抵抗値を最大限に上げることが可能になり、電流密度を高精度に計測することができるという利点が得られる。
【００４８】
このため、測定される電流密度及び電位の挙動から、例えば、フラッディングの範囲とその際の電位とを測定することが可能になり、これらの情報に基づいて、電解質膜・電極構造体１４の劣化の予測等を正確に行うことができる。
【００４９】
さらに、各薄膜状抵抗体５０では、第１配線パターン５４ａ及び第２配線パターン５６ａの合計長さと、第１配線パターン５４ｂ及び第２配線パターン５６ｂの合計長さと、第１配線パターン５４ｃ及び第２配線パターン５６ｃの合計長さと、第１配線パターン５４ｄ及び第２配線パターン５６ｄの合計長さとは、それぞれ同一長さに設定される。
【００５０】
従って、各薄膜状抵抗体５０に接続された配線パターン全体の抵抗を同一にすることが可能になり、各領域の電流密度の分布を計測精度が良好に向上するという効果がある。
【００５１】
また、第１配線パターン５４ａ〜５４ｄ及び第２配線パターン５６ａ〜５６ｄとは、同一の断面積に設定される。これにより、各領域の電流密度の分布の計測精度の向上が図られる。
【００５２】
図９は、本発明の第２の実施形態に係る計測装置８０の要部断面説明図である。なお、第１の実施形態に係る計測装置１０と同一の構成要素には、同一の参照符号を付して、その詳細な説明は省略する。
【００５３】
計測装置８０は、一対の絶縁シート４２ａ、４２ｂ間には、薄膜状抵抗体５０に隣接して前記薄膜状抵抗体５０と同一厚さを有するスペーサ部材８２が介装される。図１０〜図１３に示すように、薄膜状抵抗体５０として採用されるシャント抵抗５０ａ、５０ｂ、５０ｃ及び５０ｄでは、スペーサ部材８２としてスペーサ８２ａ、８２ｂ、８２ｃ及び８２ｄが採用される。スペーサ８２ａ、８２ｂ、８２ｃ及び８２ｄは、ぞれぞれシャント抵抗５０ａ、５０ｂ、５０ｃ及び５０ｄの形状に対応する形状及び個数に設定され、各電極セグメント４４ａ、４４ｂの領域内に略矩形状に形成される。
【００５４】
このように構成される第２の実施形態では、一対の絶縁シート４２ａ、４２ｂ間には、薄膜状抵抗体５０と同一厚さを有するスペーサ部材８２が介装されている。このため、各電極セグメント４４ａ、４４ｂ間の接触状態を良好に確保することができ、燃料電池１２との接触抵抗を低減することが可能になるという効果が得られる。
【００５５】
なお、第１及び第２の実施形態では、計測装置１０及び８０は、燃料電池１２間に配設されているが、これに限定されるものではない。例えば、図１４に示すように、計測装置１０及び８０は、第１セパレータ１６と第２セパレータ１８との間に電解質膜・電極構造体１４に代えて配置することができる。また、計測装置１０及び８０は、複数の燃料電池１２が積層された燃料電池スタックの端部に配置してもよい。
【符号の説明】
【００５６】
１０、８０…計測装置                １２…燃料電池
１４…電解質膜・電極構造体          １６、１８…セパレータ
２６…固体高分子電解質膜            ２８…カソード側電極
３０…アノード側電極                ３２…酸化剤ガス流路
３４…冷却媒体流路                  ３６…燃料ガス流路
４２ａ、４２ｂ…絶縁シート          ４４ａ、４４ｂ…電極セグメント
４６ａ、４６ｂ…銅膜層              ４８ａ、４８ｂ…金めっき層
５０…薄膜状抵抗体                  ５０ａ〜５０ｄ…シャント抵抗
５２ａ、５２ｂ…電極部
５４ａ〜５４ｄ、５６ａ〜５６ｄ…配線パターン
５８ａ、５８ｂ…コネクタ            ６０…電圧計
８２…スペーサ部材                  ８２ａ〜８２ｄ…スペーサ
【図１】
0005474839.tif 000002
【図２】
0005474839.tif 000003
【図３】
0005474839.tif 000004
【図４】
0005474839.tif 000005
【図５】
0005474839.tif 000006
【図６】
0005474839.tif 000007
【図７】
0005474839.tif 000008
【図８】
0005474839.tif 000009
【図９】
0005474839.tif 000010
【図１０】
0005474839.tif 000011
【図１１】
0005474839.tif 000012
【図１２】
0005474839.tif 000013
【図１３】
0005474839.tif 000014
【図１４】
0005474839.tif 000015