(57)【要約】【課題】固体高分子形燃料電池の膜−電極接合体の面内温度分布を把握するにはシミュレーションによる計算や、ガス流路に熱電対を設置したり、サーモグラフィーを用いた温度計測が用いられており、実際に反応が起こる膜−電極接合体内部の温度を正確に把握することができない課題があった。【解決手段】電解質膜を介して互いに対向配置された、アノード極及びカソード極と、前記アノード極及びカソード極にそれぞれ設けられ電解質を含む触媒層を備えた1対のガス拡散電極と、を配置した固体高分子形燃料電池の膜−電極接合体であって、膜−電極接合体内部に温度を計測するセンサーが埋め込まれていることを特徴とする膜−電極接合体を提供する。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電解質膜を介して互いに対向配置された、アノード極及びカソード極と、前記アノード極及びカソード極にそれぞれ設けられ電解質を含む触媒層を備えた1対のガス拡散電極と、を配置した固体高分子形燃料電池の膜−電極接合体であって、膜−電極接合体内部に温度計測センサーが埋め込まれていることを特徴とする膜−電極接合体。
【請求項２】
前記温度計測センサーが、電解質膜内部に埋め込まれていることを特徴とする請求項１記載の膜−電極接合体。
【請求項３】
前記温度計測センサーが、触媒層、ガス拡散層、触媒層と電解質膜との間、触媒層と拡散層との間、からなる群より選ばれる少なくとも一の箇所に埋め込まれていることを特徴とする請求項１記載の膜−電極接合体。
【請求項４】
前記温度計測センサーが、熱電対、温度測定素子、測温体からなる群より選ばれる少なくとも１種の検出器であることを特徴とする請求項1〜3のいずれか1項記載の膜−電極接合体。
【請求項５】
前記温度計測センサーの径及び厚みの少なくとも一方が、電解質膜厚よりも小さいことを特徴とする請求項1〜4のいずれか1項記載の膜−電極接合体。
【請求項６】
前記温度計測センサーの表面が、耐食性絶縁被覆されていることを特徴とする請求項1〜5のいずれか1項記載の膜−電極接合体。
【請求項７】
請求項1〜6記載のいずれか1項記載の膜−電極接合体を備えたことを特徴とする固体高分子形燃料電池。
【請求項８】
請求項１〜６のいずれか１項記載の膜−電極接合体を用いたことを特徴とする燃料電池評価方法。
【請求項９】
請求項１〜６のいずれか1項記載の膜−電極接合体を用いて燃料電池の温度分布を検知し、セル温度、ガス流量、ガス圧、冷却水流量、電流からなる群より選ばれる少なくとも１種のパラメータの調節を行うことを特徴とする燃料電池システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は温度計測センサーを設置した固体高分子形燃料電池等に特に好適に用いられる膜−電極接合体及びこれを用いた固体高分子形燃料電池、それを用いた燃料電池評価方法、並びにそれを用いた燃料電池システムに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は燃料が有するエネルギーを直接電気に変換する発電システムとして注目されており、国内外で急速に開発が進められている。燃料電池は、発電による生成物が水のみであることから、環境を汚染することがない利点を有し、例えば、家庭用コジェネレーション用、自動車の駆動電源用として使用する試みが行われている。
【０００３】
燃料電池の電極反応は、例えば固体高分子形燃料電池の場合、アノード極でH2→2H+＋2e−、カソード極では1/2O2＋2H+＋2e−→H2Oとなる。水の生成反応のギブス自由エネルギーから求められる標準電位E0は1.23Vであるが、実際に発電させる電圧は、電流が増加するにつれ低下し、この電圧低下分を分極と称している。電気エネルギーに変換されない分極分は熱エネルギーとなる。
【０００４】
上述のように、燃料電池は運転中に発熱するので、燃料電池を良好な運転状態に維持するために冷却する必要がある。燃料電池スタックにおいては数セル毎に冷却媒体を流通させる冷却板を挿入する方法が一般的である。
【０００５】
冷却媒体の流れ方向によりセル面内には高温部(約８５℃) 及び低温部(約７５℃)が生じる課題に対しては、酸化ガス流れ方向をセル面内分布の高温側より低温側へ向かう方向に設置するなどの手段を用いる例が開示されている（特許文献１参照）。
【０００６】
また、面内の温度分布を課題に挙げ、酸化剤ガス供給溝で発生する面方向での温度分布と冷却媒体流通溝で発生する面方向の温度分布が直交する構造の燃料電池も開示されている。これらの先行文献からも燃料電池のセル面内温度分布を正確に把握することは大変重要であると考えられる（特許文献２参照）。
【特許文献１】特開２００２−４２８４４号公報
【特許文献２】特開２００２−２８９２１９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
セル内部の温度分布を把握するために、ガス流量、ガス流路、電流値などをパラメータにしてシミュレーションを行うことが一般的である。また、ガス流路に熱電対を挿入したり、外部からサーモグラフィーなどで計測する手法も用いられている。
【０００８】
しかしながら、シミュレーションではセル内に起こる副反応や劣化現象などの影響により、計算で算出した熱量や温度は必ずしも実態と一致していない課題があった。また、ガス流路に挿入した熱電対やサーモグラフィーなどの外部からの温度計測方法は、電極そのものは損傷しないという利点はあるが、セル及びスタックを構成する部材による影響が大きく、セル内部の温度を計測するに至らないという課題があった。本発明は上記のような課題を解決すべくなされたものであり、その目的は、固体高分子形燃料電池の膜−電極接合体の面内温度分布を、実際に反応が起こる膜−電極接合体内部の温度として正確に把握することのできる膜−電極接合体およびそれを用いた燃料電池評価方法並びに燃料電池システムを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
このような課題を解決するために、本発明の固体高分子形燃料電池は、電解質膜を介して互いに対向配置された、アノード極及びカソード極と、前記アノード極及びカソード極にそれぞれ設けられ電解質を含む触媒層を備えた1対のガス拡散電極と、を配置した固体高分子形燃料電池の膜−電極接合体であって、膜−電極接合体内部に温度計測センサーが埋め込まれていることを特徴としている。
【００１０】
請求項２の膜−電極接合体は、前記温度計測センサーが、電解質膜内部に埋め込まれていることを特徴としている。
【００１１】
請求項３の膜−電極接合体は、上記の課題を解決するために、前記温度計測センサーが、触媒層、ガス拡散層、触媒層と電解質膜との間、触媒層と拡散層との間、からなる群より選ばれる少なくとも一の箇所に埋め込まれていることを特徴としている。
【００１２】
上記の構成によれば、例えば触媒層に温度計測センサーを埋め込むことにより、触媒層内部で起こる反応による温度変化をより正確に検知することができる。
【００１３】
請求項４の膜−電極接合体は、前記温度計測センサーが、熱電対、温度測定素子、測温体からなる群より選ばれる少なくとも１種の検出器であることを特徴としている。
【００１４】
上記の構成によれば、この群から選ばれることにより、温度計測を膜−電極接合体外部からではなく、膜−電極接合体内部の温度を直接計測することが可能となる。
【００１５】
請求項５の膜−電極接合体は、上記の課題を解決するために、前記温度計測センサーの径及び厚みの少なくとも一方が、電解質膜厚よりも小さいことを特徴としている。
【００１６】
上記の構成において、温度計測センサーの径ないしは厚みは特に限定されないが、一般的に用いられる電解質膜厚を勘案した場合は、0を超え100μm以下、好ましくは0を超え50μm以下、更に好ましくは0を超え25μm以下である。
【００１７】
請求項６の膜−電解質接合体は、上記の課題を解決するために、温度計測センサーの表面が耐食性絶縁被覆されていることを特徴としている。
【００１８】
燃料電池の発電中に温度分布を計測するためには、温度計測センサーは電気的に絶縁されている必要がある。また、固体電解質形燃料電池の電解質はプロトン導電性を有することから酸強度が強く、腐食することが懸念される。以上の理由により、温度計測センサーは耐食性絶縁被覆されていることが望ましい。また、温度計測の精度を損なわないために耐食性絶縁被覆は極力薄く施されていることが望ましい。その耐食性絶縁被覆材料としては、具体的には、例えば、ポリイミド、PTFE(ポリテトラフルオロエチレン)、PFA(テトラフルオロエチレン−パーフルオロアルキルビニルエーテル共重合体)、PVdF(ポリビニリデンフルオライド)、FEP(テトラフルオロエチレン−ヘキサフルオロプロピレン共重合体)、ETFE(テトラフルオロエチレン−エチレン共重合体)などが挙げられる。
【００１９】
請求項７の固体高分子形燃料電池は、上記の課題を解決するために、請求項１〜６のいずれか1項記載の膜−電極接合体を有することを特徴としている。固体高分子形燃料電池がスタックとして構成される場合は、本発明の温度計測センサーが埋め込まれた膜−電極接合体を少なくとも1枚有することが好ましい。
【００２０】
請求項８の燃料電池評価方法は、上記の課題を解決するために、請求項７記載の膜−電極接合体を用いたことを特徴としている。
【００２１】
上記の構成によれば、初期の温度分布、耐久試験後の温度分布の変化、クロスリークなどの劣化現象による温度上昇箇所などの評価に適用可能である。
【００２２】
請求項９の燃料電池システムは、上記の課題を解決するために、前記温度計測センサーにより燃料電池の温度分布を検知し、セル温度、ガス流量、ガス圧、冷却水流量、電流からなる群より選ばれる少なくとも1種のパラメータの調節を行うことを特徴としている。
【００２３】
上記の構成によれば、燃料電池システムの運転制御を行うだけでなく、セル内の急激な温度上昇を検知することにより、燃料電池システムを緊急停止させることが可能である。
【発明の効果】
【００２４】
本発明により、燃料電池内部で起こる反応の面内分布を、温度をパラメータとしてin-situで把握することが可能である。例えば、クロスリークや副生成物の生成、混入不純物の反応など、本来の燃料電池反応以外の現象による温度の変化がセル内部のどの箇所で起こっているかを検知することができ、劣化解析としても適用できる。また、温度計測センサーを触媒層、拡散層、触媒層と電解質膜との界面、触媒層と拡散層の界面などの部位に埋め込むことにより、より詳細な部位の温度計測が可能となり、燃料電池で起こる現象解明の推測が可能となる。更には、計測された温度を用いて燃料電池システムそのものを制御することができ、燃料電池システムの信頼性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】
【００２５】
以下、本発明の温度計測センサーを埋め込んだ膜−電極接合体及びそれを用いた燃料電池評価方法について図面を参照しながら説明する。なお、本発明は以下の記述に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において適宜変更可能である。
【００２６】
図１は本実施の形態に用いた膜−電極接合体を示す説明図である。膜−電極接合体4は、触媒層が塗布されたガス拡散電極2と、電解質膜3と、電解質膜3に埋め込まれた温度センサー1（温度計測センサー）で構成されている。本実施の形態で用いたガス拡散電極は50mm角のサイズの略正方形を用い、電解質膜としては、Du Pont社製のNafion（商品名）を使用した。温度センサー1は、径あるいは厚さ10〜40μmのものを用い、表面にはポリイミドの絶縁被覆が施されている。
【００２７】
図2は本実施の形態に用いた膜−電極接合体の温度測定点（計測点）を示す。図２中、（１）〜（９）の数字で示すように9点の温度計測点5を設けた。
【００２８】
図3には温度センサー１を埋め込んだ膜−電極接合体をセルホルダーに組み込んだときの外観図を示す。セルホルダー10は、表面にガス流路を設けたカーボン板6、締付け板7、ガス導入口8、ガス排出口9などから構成されている。温度センサー１を埋め込んだ膜−電極接合体4を、表面にガス流路を設けたカーボン板6で挟みこみ、更に締付け板7で挟持した構成となっている。ガス導入口８から反応ガスを導入し、ガス排出口９からガスを排出することでセル内にガスを流し、電流を取り出すことにより発電が可能となる。
【００２９】
本実施の形態では、表1にセル温度約60℃、H2利用率70％、Air利用率40％、200mA/cm2で発電試験を実施した時の温度測定結果を示す。9点の温度を計測することができた。
【００３０】
【表１】
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【００３１】
図4に同条件で発電試験を実施したときの面内温度分布を示す。セル平面内の温度分布を可視化することができた。
【００３２】
図5に、セル温度約60℃、H2利用率70％、Air利用率40％でのIV特性試験結果とその時の温度変化を示す。温度計測点はガス入口(計測点（２）)、中央(計測点（５）)、空気出口(計測点（８）)の3点とした。電流密度の増加とともに中央及び空気入口の温度上昇が顕著で、空気出口との差が大きくなっていることがわかる。計測点の数や配置位置は特に限定されず、用いられる燃料電池の規模により適宜定めればよく、１個であっても複数であってもよいが、計測対象となる電極表面積当たりの計測点数は、より好ましくは、０．０１個／ｃｍ２〜１個／ｃｍ２であり、さらに好ましくは、０．０４個／ｃｍ２〜１個／ｃｍ２である。
【００３３】
以上のように、温度計測センサーを膜−電極接合体内に埋め込みことにより、セル面内の温度分布及び、電流密度などの燃料電池運転パラメータによる温度の変化を計測することが可能となった。
【図面の簡単な説明】
【００３４】
【図１】本実施の形態に用いた膜−接合体を示す説明図である。
【図２】本実施の形態に用いた膜−電極接合体の温度測定点を示す図である。
【図３】温度計測センサーを埋め込んだ膜−電極接合体をセルホルダーに組み込んだときの外観図である。
【図４】セル温度約60℃、H2利用率70％、Air利用率40％、200mA/cm2で発電試験を実施した時のセル面内温度分布を示す図である。
【図５】セル温度約60℃、H2利用率70％、Air利用率40％でのIV特性試験結果とその時の温度変化を示すグラフである。
【符号の説明】
【００３５】
１     温度センサー
２     ガス拡散電極
３     電解質膜
４     膜−電極接合体
５     温度計測点
６     カーボン板（表面にガス流路を設けたカーボン板）
７     締付け板
８     ガス導入口
９     ガス排出口
１０   セルホルダー
【図１】
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【図２】
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【図３】
2006331731.tif 000006
【図４】
2006331731.tif 000007
【図５】
2006331731.tif 000008