(57)【要約】      （修正有）【課題】燃料電池の発電面における電流密度の分布を、容易且つ正確に計測するとともに、特に薄膜状抵抗体の破損による影響を可及的に抑制することを可能にする。【解決手段】計測装置１０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を備えるとともに、各電極セグメントに対応して薄膜状抵抗体５０が配置される。薄膜状抵抗体５０は、複数個の抵抗片５０ａと、各抵抗片５０ａの一端部同士を一体に連結する第１連結片５０ｂ１と、各抵抗片５０ａの他端部同士を一体に連結する第２連結片５０ｂ２とを有する。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
アノード電極及びカソード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薄膜状抵抗体と、
を備え、
前記薄膜状抵抗体は、平面形状が矩形状の複数個の抵抗片と、
各抵抗片の一端部同士を一体に連結する第１連結片と、
各抵抗片の他端部同士を一体に連結する第２連結片と、
を有し、
前記薄膜状抵抗体の前記第１連結片には、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前記第２連結片には、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、前記薄膜状抵抗体は、前記第１の電極部及び前記第２の電極部が中央に配置されるとともに、
前記第１の電極部及び前記第２の電極部を結ぶ中央線に対して、前記抵抗片、前記第１連結片及び前記第２連結片が左右対称に構成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、アノード電極及びカソード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。この電解質膜の一方の面側にアノード電極が、他方の面側にカソード電極が、それぞれ配設された電解質膜・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。この種の技術として、例えば、燃料電池の発電面における電流密度の分布を、容易且つ正確に計測することを可能にするために、特許文献１に開示されている燃料電池の電流密度分布計測装置が提案されている。
【０００４】
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薄膜状抵抗体とを備えている。
【０００５】
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いる。
【０００６】
これにより、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、しかも抵抗長さを長尺化することが可能になり、限定された面積内で抵抗値を最大限に上げることができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２０１２−１４６５２５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本発明は、この種の技術に関連してなされたものであり、燃料電池の発電面における電流密度の分布を、容易且つ正確に計測するとともに、特に薄膜状抵抗体の破損による影響を可及的に抑制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】
【０００９】
本発明は、アノード電極及びカソード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。
【００１０】
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薄膜状抵抗体と、を備えている。
【００１１】
薄膜状抵抗体は、平面形状が矩形状の複数個の抵抗片と、各抵抗片の一端部同士を一体に連結する第１連結片と、各抵抗片の他端部同士を一体に連結する第２連結片と、を有している。そして、薄膜状抵抗体の第１連結片には、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第２連結片には、他方の絶縁シートを貫通して他方の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。
【００１２】
また、この電流密度分布計測装置では、薄膜状抵抗体は、第１の電極部及び第２の電極部が中央に配置されるとともに、前記第１の電極部及び前記第２の電極部を結ぶ中央線に対して、抵抗片、第１連結片及び第２連結片が左右対称に構成されることが好ましい。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、薄膜状抵抗体は、平面形状が矩形状の複数個の抵抗片を有するとともに、各抵抗片の一端部同士が第１連結片により一体に連結され、且つ、各抵抗片の他端部同士が第２連結片により一体に連結されている。このため、複数個の抵抗片の中、例えば、１個の抵抗片が溶損しても、残余の抵抗片により電流を流すことができる。
【００１４】
すなわち、電極セグメントの一部の抵抗片に不具合が発生した際に、該電極セグメントの抵抗値が上がるものの、他の電極セグメントに流れる電流が大きく変化することがない。従って、１つの電極セグメントの機能が停止した際に、隣接する他の電極セグメントに過剰な電流が流れて該隣接する他の電極セグメントの機能が停止することを確実に抑制することが可能になる。
【００１５】
しかも、薄膜状抵抗体は、複数個の抵抗片を備えるため、測定される抵抗値の精度を向上させることができる。これにより、発電面内における各領域の電流密度の分布を効率的に計測することが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明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、図１中、ＩＩ−ＩＩ線断面説明図である。
【図３】前記計測装置を構成する薄膜状抵抗体の概略説明図である。
【図４】他の薄膜状抵抗体の概略説明図である。
【図５】前記計測装置の一部正面説明図である。
【図６】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。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
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セパレータ１６及び第２セパレータ１８とを備える。第１セパレータ１６及び第２セパレータ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。
【００１８】
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。
【００１９】
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。
【００２０】
燃料電池１２の矢印Ｂ方向の一端縁部には、矢印Ａ方向に互いに連通して、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。燃料電池１２の矢印Ｂ方向の他端縁部には、矢印Ａ方向に互いに連通して、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。
【００２１】
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（又は炭化水素系膜）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電極２８及びアノード電極３０とを備える。
【００２２】
カソード電極２８及びアノード電極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とイオン交換樹脂成分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。
【００２３】
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、燃料電池１２が複数個積層された際、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。
【００２４】
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。
【００２５】
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、シリコーンゴム、フロロシリコーンゴム、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等の弾性を有するシール部材を使用する。
【００２６】
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（両極の電極触媒層塗布領域）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（図１参照）。
【００２７】
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。
【００２８】
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。複数の領域に配置された電極セグメント４４ａ、４４ｂそれぞれの間には、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。
【００２９】
絶縁シート４２ａ、４２ｂ間には、各電極セグメント４４ａ、４４ｂに対応してシャント抵抗である薄膜状抵抗体５０が配置される。薄膜状抵抗体５０は、図３に示すように、平面形状が長方形状（矩形状）の複数個、例えば、５個の抵抗片５０ａと、各抵抗片５０ａの一端部同士を一体に連結する第１連結片５０ｂ１と、各抵抗片５０ａの他端部同士を一体に連結する第２連結片５０ｂ２とを有する。
【００３０】
本実施形態では、５個の抵抗片５０ａの中、中央に配置された抵抗片５０ａ（center）の幅寸法ｈ１が、他の４個の抵抗片５０ａの幅寸法ｈ２よりも小さな寸法に設定される（ｈ１＜ｈ２）。なお、抵抗片５０ａ（center）の断面積が、各抵抗片５０ａの断面積よりも小さく設定されていればよく、例えば、深さ寸法を変更することも可能である。また、断面積を小さく設定する抵抗片５０ａは、中央の抵抗片５０ａ（center）に限定されるものではなく、任意の抵抗片５０ａに適用することができる。さらにまた、全ての抵抗片５０ａを同一の幅寸法（同一の断面積）に設定してもよい。
【００３１】
第１連結片５０ｂ１は、略長方形状を有し、長尺方向両端には、抵抗片５０ａ側の辺から反対側の辺に向かって内方に傾斜する傾斜面５１ａが形成される。すなわち、第１連結片５０ｂ１の両端は、先細り形状を有する。第２連結片５０ｂ２は、略長方形状を有し、長尺方向両端には、抵抗片５０ａ側の辺から反対側の辺に向かって内方に傾斜する傾斜面５１ｂが形成される。すなわち、第２連結片５０ｂ２の両端は、先細り形状を有する。第１連結片５０ｂ１及び第２連結片５０ｂ２では、各短尺方向の幅寸法ｈ３が、抵抗片５０ａの幅寸法ｈ２よりも大きな寸法に設定される（ｈ２＜ｈ３）。
【００３２】
図２及び図３に示すように、薄膜状抵抗体５０の第１連結片５０ｂ１の長手方向中央には、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。薄膜状抵抗体５０の第２連結片５０ｂ２の長手方向中央には、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。
【００３３】
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。薄膜状抵抗体５０は、中央に配置された抵抗片５０ａ（center）の中心線に対して左右対称の形状に設定される（図３参照）。
【００３４】
具体的には、薄膜状抵抗体５０は、第１の電極部５２ａ及び第２の電極部５２ｂが中央に配置されるとともに、前記第１の電極部５２ａ及び前記第２の電極部５２ｂを結ぶ中央線に対して、抵抗片５０ａ、第１連結片５０ｂ１及び第２連結片５０ｂ２が左右対称に構成される。
【００３５】
図４には、薄膜状抵抗体５０の別の構成が示されている。図４の薄膜状抵抗体５０は、第１連結片５０ｂ１ａ及び第２連結片５０ｂ２ａを有する。第１連結片５０ｂ１ａは、各抵抗片５０ａとの接続部位とは反対側の辺が円弧状の湾曲面５１ａａを構成する。第２連結片５０ｂ２ａは、各抵抗片５０ａとの接続部位とは反対側の辺が円弧状の湾曲面５１ｂａを構成する。すなわち、第１連結片５０ｂ１ａ及び第２連結片５０ｂ２ａは、それぞれの両端が先細り形状を有する。
【００３６】
図５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。
【００３７】
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。
【００３８】
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。なお、薄膜状抵抗体５０の数は、図５に４列で示しているが、これに限定されるものではなく、電極サイズと測定精度に応じて最適な数に設定される。
【００３９】
図６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ｉn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）は薄膜状抵抗体５０の抵抗値、Ａn（ｃｍ2）はセグメント電極面積である。
【００４０】
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。
【００４１】
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。
【００４２】
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電極３０に沿って移動する。
【００４３】
従って、各電解質膜・電極構造体１４では、カソード電極２８に供給される酸化剤ガスと、アノード電極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。
【００４４】
次いで、カソード電極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。
【００４５】
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。
【００４６】
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。
【００４７】
この場合、本実施形態では、図３に示すように、薄膜状抵抗体５０は、平面形状が矩形状の複数個の抵抗片５０ａを有するとともに、各抵抗片５０ａの一端部同士が第１連結片５０ｂ１により一体に連結され、各抵抗片５０ａの他端部同士が第２連結片５０ｂ２により一体に連結されている。
【００４８】
このため、複数個の抵抗片５０ａの中、例えば、１個の抵抗片５０ａが溶損しても、残余の抵抗片５０ａにより電流を流すことができる。すなわち、電極セグメント４４ａ、４４ｂの一部の抵抗片５０ａに不具合が発生した際、該電極セグメント４４ａ、４４ｂの抵抗値が上がるものの、他の電極セグメント４４ａ、４４ｂに流れる電流が大きく変化することがない。
【００４９】
従って、１つの電極セグメント４４ａ、４４ｂの機能が停止した際に、隣接する他の電極セグメント４４ａ、４４ｂに過剰な電流が流れて該隣接する電極セグメント４４ａ、４４ｂの機能が停止することを確実に抑制することが可能になるという効果が得られる。
【００５０】
特に、本実施形態では、中央に配置された抵抗片５０ａ（center）の幅寸法ｈ１が、他の４個の抵抗片５０ａの幅寸法ｈ２よりも小さな寸法に設定されている。これにより、抵抗片５０ａ（center）を優先的に溶損させることができ、この抵抗片５０ａ（center）を含む薄膜状抵抗体５０の不具合を良好に検出することが可能になる。
【００５１】
しかも、薄膜状抵抗体５０は、複数個の抵抗片５０ａを備えるため、測定される抵抗値の精度を向上させることが可能になる。さらに、第１連結片５０ｂ１及び第２連結片５０ｂ２の両端は、それぞれ先細り形状を有している。また、薄膜状抵抗体５０は、中央に配置された抵抗片５０ａ（center）の中心線に対して左右対称の形状に設定されている。
【００５２】
このため、電解質膜・電極構造体１４の発電面内における各領域の電流密度の分布を効率的に計測することができる。従って、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る。これにより、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。
【符号の説明】
【００５３】
１０…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…カソード電極
３０…アノード電極                  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、５０ａ（center）…抵抗片
５０ｂ１、５０ｂ２、５０ｂ１ａ、５０ｂ２ａ…連結片
５１ａ、５１ｂ…傾斜面              ５１ａａ、５１ｂａ…湾曲面
５２ａ、５２ｂ…電極部
【図１】
2014150004.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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