(57)【要約】【課題】高精度で安定な燃料電池の電位測定を可能とする。【解決手段】電極触媒層およびガス拡散層が積層された電極が電解質膜のアノード側およびカソード側の両面に設けられた膜電極接合体を備える燃料電池の電極の電位を測定するための電位測定装置である。少なくとも一方の電極には、電極触媒層とガス拡散層との間に一方端が挟みこまれるとともに、他方端が燃料電池の外部に導出された電位測定部材を備える。電位測定部材は、ガス拡散層側に配置された絶縁性のシート状基材と、シート状基材の電極触媒層側の面上において、一方端側の部分に設けられた電位測定電極、および、電位測定電極に接続されるとともに他方端側に向かって延びるように設けられた導電ラインと、を備える。シート状基材には、ガス拡散層側の面と電極触媒層側の面との間を連通する孔が設けられている。【選択図】図１
2015153545.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電極触媒層およびガス拡散層が積層された電極が電解質膜のアノード側およびカソード側の両面に設けられた膜電極接合体を備える燃料電池の電極の電位を測定するための電位測定装置であって、
少なくとも一方の前記電極には、前記電極触媒層と前記ガス拡散層との間に一方端が挟みこまれるとともに、他方端が前記燃料電池の外部に導出された電位測定部材を備え、
前記電位測定部材は、
前記ガス拡散層側に配置された絶縁性のシート状基材と、
前記シート状基材の前記電極触媒層側の面上において、前記一方端側の部分に設けられた電位測定電極、および、前記電位測定電極に接続されるとともに前記他方端側に向かって延びるように設けられた導電ラインと、
を備え、
前記シート状基材には、前記ガス拡散層側の面と前記電極触媒層側の面との間を連通する孔が設けられている
ことを特徴とする電位測定装置。
【請求項２】
電極触媒層およびガス拡散層が積層された電極が電解質膜のアノード側およびカソード側の両面に設けられた膜電極接合体を備える燃料電池のカソード側の電極に供給される酸素量を測定するための酸素量測定装置であって、
前記カソード側の電極の前記電極触媒層と前記ガス拡散層との間に挟み込まれた電位測定部材を備える請求項１に記載の電位測定装置と、
前記アノード側の電極と、前記導電ラインとの間に接続され、前記アノード側の電極と前記電位測定電極に接触する前記カソード側の電極触媒層との間を流れる電流を測定するとともに、前記アノード側の電極と前記電位測定電極に接触する前記カソード側の電極触媒層との間に発生する電位差を測定する発電状態測定部と、
前記発電状態測定部の測定値に基づいて、前記カソード側の電極に供給される酸素量を算出する酸素量算出部と、
を備える、酸素量測定装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、燃料電池の電極の電位を測定するための電位測定装置、および、燃料電池への供給酸素量を測定するための酸素量測定装置として、燃料電池の電位測定装置を適用した酸素量測定装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は、電解質膜の一方の面にアノード側電極が設けられ、他方の面にカソード側電極が設けられた膜電極接合体（ＭＥＡ：Ｍｅｍｂｒａｎｅ  Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ  Ａｓｓｅｍｂｌｙ）をセパレータにより挟持したユニット（「セル」と呼ばれる）を、複数積層したスタック（「燃料電池スタック」と呼ばれる）の構造で用いられる。なお、セルを単に「燃料電池」と呼ぶ場合もある。
【０００３】
セルの動作状態は電極の電位を測定することにより検知することが可能であり、そのための電位測定装置として、例えば、特許文献１，２の電位測定装置が知られている。特許文献１には、酸素極の一部を周囲の酸素極から絶縁された検出片とし、酸素極に接触する集電部材の電位を基準として、検出片の電位との電位差を電圧計で検出し、検出した電位差から異常電圧の検出を可能とする電位測定装置について開示されている。特許文献２には、シート状基材上に電位測定電極および導電ラインが設けられたシート部材であって、電位測定電極が電極触媒層側でシート状基材がガス拡散層側となるように配置されたシート部材を備える電位測定装置について開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００４−９５３０１号公報
【特許文献２】特表２０１０−２７５４４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、特許文献１に記載の電位測定装置では、酸素電極の電位の異常は検出可能であるが、電位以外の酸素極の状態、例えば、発電性能を左右する供給酸素量（酸素濃度）の状態等、に関する知見を得ることはできない、という課題がある。また、特許文献２に記載の電位測定装置では、セルをスタック構造とする際の締結荷重により、ガス拡散層と電極触媒層との間に配置されたシート部材は、荷重に応じた高い面圧で電極触媒層に押し付けられる。電位測定電極とガス拡散層との間にはシート状基材が介在するため、シート状基材が、電位測定電極に接触する電極触媒層を含む近傍領域へのガス拡散層からのガスの拡散供給を遮蔽する、もしくは、ガスの拡散供給の速度を低下させて、ガス拡散性を低下させる可能性があり、高精度で安定な測定が困難となる、という課題ある。そのほか、従来の電位測定装置では、その小型化や、低コスト化等が望まれていた。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
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なされたものであり、以下の形態として実現することが可能である。
【０００７】
（１）本発明の一形態によれば、電極触媒層およびガス拡散層が積層された電極が電解質膜のアノード側およびカソード側の両面に設けられた膜電極接合体を備える燃料電池の電極の電位を測定するための電位測定装置が提供される。この電位測定装置は、少なくとも一方の前記電極には、前記電極触媒層と前記ガス拡散層との間に一方端が挟みこまれるとともに、他方端が前記燃料電池の外部に導出された電位測定部材を備える。前記電位測定部材は、前記ガス拡散層側に配置された絶縁性のシート状基材と；前記シート状基材の前記電極触媒層側の面上において、前記一方端側の部分に設けられた電位測定電極、および、前記電位測定電極に接続されるとともに前記他方端側に向かって延びるように設けられた導電ラインと；を備える。前記シート状基材には、前記ガス拡散層側の面と前記電極触媒層側の面との間を連通する孔が設けられている。この形態の電位測定装置によれば、電位測定電極に接触させている電極触媒層へのガス供給をシート状基材に設けられた孔を介して行うことができるので、ガス供給量不足を改善して、良好な電位測定性能を得ることができ、高精度で安定な測定が可能となる。
【０００８】
（２）本発明の他の一形態によれば、電極触媒層およびガス拡散層が積層された電極が電解質膜のアノード側およびカソード側の両面に設けられた膜電極接合体を備える燃料電池のカソード側の電極に供給される酸素量を測定するための酸素量測定装置が提供される。この酸素量測定装置は、前記カソード側の電極の前記電極触媒層と前記ガス拡散層との間に挟み込まれた電位測定部材を備える請求項１に記載の電位測定装置と；前記アノード側の電極と、前記導電ラインとの間に接続され、前記アノード側の電極と前記電位測定電極に接触する前記カソード側の電極触媒層との間を流れる電流を測定するとともに、前記アノード側の電極と前記電位測定電極に接触する前記カソード側の電極触媒層との間に発生する電位差を測定する発電状態測定部と、；前記発電状態測定部の測定値に基づいて、前記カソード側の電極に供給される酸素量を算出する酸素量算出部と；を備える。この形態の酸素量測定装置によれば、電位測定電極に接触させているカソード側の電極触媒層へのカソード側の電極への酸素のガス供給をシート状基材に設けられた孔を介して行うことができるので、ガス供給量不足を改善して、良好なカソード側の電極触媒層の電位の測定、および、カソード側の電極触媒層からアノード側の電極へ流れる電流の測定が可能となり、高精度で安定にカソード側の電極に供給される酸素量の測定が可能となる。
【０００９】
本発明は、種々の形態で実現することが可能であり、例えば、燃料電池の電位測定装置、電位測定装置を適用した燃料電池の酸素量測定装置、酸素量測定装置を適用した燃料電池の制御システム等の様々な形態で実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】燃料電池の電位を測定するための第１実施形態としての電位測定装置を示す説明図である。
【図２】電位測定部材に含まれるシート状基材に貫通孔が設けられていない場合の問題点を示す説明図である。
【図３】第１実施形態の電位測定装置を構成する電位測定部材の変形例を示す説明図である。
【図４】第１実施形態の電位測定装置を構成する電位測定部材の他の変形例を示す説明図である。
【図５】燃料電池の電位を測定するための第２実施形態としての電位測定装置を示す説明図である。
【図６】第２実施形態の電位測定装置を構成する電位測定部材の変形例を示す説明図である。
【図７】第３実施形態として燃料電池に供給される酸素量を測定するための酸素量測定装置を示す説明図である。
【図８】燃料電池の発電によって発生するカソード側電極の電位と電流との関係を示すグラフである。
【図９】燃料電池の発電動作においてカソード側ガス拡散層の含水量と酸素量の経時変化の様子の一例を示すグラフである。
【図１０】第３実施形態としての酸素量測定装置の変形例を示す説明図である。
【図１１】第４実施形態として酸素力測定装置を適用して燃料電池に供給される酸素量を制御する燃料電池システムを模式的に示す説明図である。
【図１２】酸素供給量を制御する処理の一例を示すフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
Ａ．第１実施形態：
図１は、燃料電池の電位を測定するための第１実施形態としての電位測定装置を示す説明図である。図１（Ａ）は電位測定装置を構成する電位測定部材４０を備える燃料電池のセル１００の要部の断面を模式的に示しており、図１（Ｂ）は図１（Ａ）のＡ−Ａ切断面における電位測定部材４０を模式的に示している。燃料電池は、通常、複数のセル１００を積層したスタック構造（燃料電池スタック）で利用される。セル１００は、膜電極接合体（ＭＥＡ）１０と、ＭＥＡ１０を挟持するアノード側セパレータ２０Ａおよびカソード側セパレータ２０Ｃと、を備える。ＭＥＡ１０は、電解質膜１４と、電解質膜１４のアノード側の面およびカソード側の面に接合されたアノード側電極触媒層１６Ａおよびカソード側電極触媒層１６Ｃと、アノード側電極触媒層１６Ａ上に設けられたアノード側ガス拡散層１８Ａと、カソード側電極触媒層１６Ｃ上に設けられたカソード側ガス拡散層１８Ｃと、を備える。アノード側セパレータ２０Ａおよびカソード側セパレータ２０Ｃで挟持されたＭＥＡ１０の外周空間は、シール部３０によってシールされている。なお、以下では、アノード側とカソード側とを特に区別しない場合には、単に「電極触媒層」、「ガス拡散層」、「セパレータ」と略す場合もある。
【００１２】
電極触媒層１６Ａ，１６Ｃが形成された電解質膜１４は、「触媒層形成膜（ＣＣＭ：ｃａｔａｌｙｓｔ  ｃｏａｔｅｄ  ｍｅｍｂｒａｎｅ）１２」と呼ばれる。アノード側電極触媒層１６Ａおよびアノード側ガス拡散層１８Ａは「アノード側電極」あるいは単に「アノード」とも呼ばれ、カソード側電極触媒層１６Ｃおよびカソード側ガス拡散層１８Ｃは「カソード側電極」あるいは単に「カソード」とも呼ばれる。なお、ＣＣＭ１２はＭＥＡと呼ばれる場合もあり、この場合、ガス拡散層１８Ａ，１８Ｃが設けられたＭＥＡ１０は「膜電極ガス拡散層接合体（ＭＥＧＡ：Ｍｅｍｂｒａｎｅ  Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ  ＆  Ｇａｓ  Ｄｉｆｆｕｓｉｏｎ  Ｌａｙｅｒ  Ａｓｓｅｍｂｌｙ）」とも呼ばれる。
【００１３】
電解質膜１４は、固体高分子材料、例えば、フッ素系樹脂や炭素系樹脂等により形成されたプロトン伝導性のイオン交換膜である。この電解質膜１４としては、例えば、フッ素系樹脂の一つであるナフィオン（登録商標）により形成されたナフィオン膜（デュポン社製）が多く利用されている。電極触媒層１６Ａ，１６Ｃは、導電性を有する担体上に触媒金属を担持させた触媒担持体と、電解質膜１４を構成する電解質と同質の電解質と、を備える。触媒金属としては、例えば、白金（Ｐｔ）、パラジウム、ルテニウム、イリジウム、ロジウム、オスミウム等の触媒や、これらの触媒と他の金属とから成る合金（例えばコバルトやニッケルを混合したＰｔ合金）等、を用いることができる。担体としては、電子伝導性を有するカーボン粒子を用いることができる。なお、ＣＣＭ１２は、例えば、触媒担体および電解質を含む触媒インクを、電解質膜１４の面に塗工することにより作製することができる。
【００１４】
ガス拡散層１８Ａ，１８Ｃは、ガス流路から供給されて電気化学反応に供されるガス（以下、「反応ガス」とも呼ぶ）を電極触媒層１６Ａ，１６Ｃへ拡散供給するための拡散流路となると共に、集電を行なう部位である。ガス拡散層１８Ａ，１８Ｃは、ガス透過性を有する導電性部材、例えば、カーボンペーパやカーボンクロス等のカーボン多孔質体、あるいは金属メッシュや発泡金属などの金属多孔質体によって構成することができる。
【００１５】
セパレータ２０Ａ，２０Ｃは、ガス不透過な導電性部材、例えば圧縮カーボンやステンレス鋼から成る部材によって形成される。アノード側セパレータ２０Ａのアノード側ガス拡散層１８Ａ側の表面には、セル１００に供給される反応ガスのうちの燃料ガスとしての水素（Ｈ2）の流路となる溝形状（凹凸形状）のアノードガス流路２２Ａが形成されている。また、カソード側セパレータ２０Ｃのカソード側ガス拡散層１８Ｃ側の表面には、反応ガスのうちの酸化ガスとしての酸素（Ｏ2）の流路となる溝形状のカソードガス流路２２Ｃが形成されている。これらの反応ガス流路は、図示は省略するが、セル１００の外周端内側部に設けられたセルの積層方向に沿って貫通するガス供給孔とガス排出孔とを、サーペンタイン状流路やストレート状流路等で結ぶように形成されている。また、セパレータ２０Ａ，２０Ｃの反応ガス流路が形成されている面とは反対側の面には、複数のセル１００を積層した際に重ね合さって冷媒（例えば、冷却水）の流路となる溝形状の冷媒流路２４が形成されている。冷媒流路も、図示は省略するが、反応ガス流路と同様に、セルの外周端内側部に設けられた冷媒供給孔と冷媒排出孔とを、ストレート状流路やサーペンタイン状流路等で結ぶように形成されている。また、セパレータ２０Ａ，２０Ｃは、集電部材として機能し、電力を出力するための不図示の端子を有している。
【００１６】
ＭＥＡ１０の外周縁の内側部には、カソード側電極触媒層１６Ｃとカソード側ガス拡散層１８Ｃとの間に電位測定装置を構成する電位測定部材４０の一部が介挿されるように配置されている。
【００１７】
電位測定部材４０は、ＭＥＡ１０内に介挿されている側の一端からセル１００の外部へ向かって延びるシート状基材４１を有している。シート状基材４１は、絶縁性、耐熱性、耐酸性に優れておれば良く、種々の樹脂材料シートを用いて構成される。シート状基材４１上には、ＭＥＡ１０内に介挿されている側の一端部に配置されたカソード側の電位測定電極４２および電位印加電極４５と、カソード側の電位測定電極４２に接続された導電ライン４３と、カソード側の電位印加電極４５に接続された導電ライン４６と、が一体形成されている。導電ライン４３，４６は、シート状基材４１がＭＥＡ１０内からセル１００の外部へ向かって延びる長手方向に沿ってシート状基材４１の他端部の外側まで延在するように形成されている。
【００１８】
電位測定電極４２および電位印加電極４５は、カソード側電極触媒層１６Ｃの外周縁の内側部において、周囲の電極触媒層から局部的に絶縁されるように独立形成されたモニター用カソード側電極触媒層１６ＣＳに接触するように配置される。モニター用カソード側電極触媒層１６ＣＳは、例えば、カソード側電極触媒層１６Ｃの一部を切り出すことによって形成することができる。なお、モニター用カソード側電極触媒層１６ＣＳと周囲のカソード側電極触媒層１６Ｃとの間の分離空間は、絶縁性の多孔質部材で埋められていてもよい。また、導電ライン４３，４６は、絶縁層４４で覆われており、セル１００内で他の導電性部材、例えば、カソード側電極触媒層１６Ｃに対して絶縁されている。
【００１９】
不図示の燃料ガス供給装置および酸化ガス供給装置からセル１００に燃料ガスとしての水素および酸化ガスとしての酸素が供給された状態において、アノード側電極触媒層１６Ａとカソード側電極触媒層１６Ｃとの間、および、アノード側電極触媒層１６Ａとモニター用カソード側電極触媒層１６ＣＳとの間で、電気化学反応、すなわち、水の電気分解反応が行われる。これにより、セル１００のアノード側セパレータ２０Ａからカソード側セパレータ２０Ｃまでの各層に応じた電位が発生する。
【００２０】
そこで、例えば、電位測定部材４０の導電ライン４３とカソード側セパレータ２０Ｃの端子との間に電圧計１２２を接続すれば、カソード側セパレータ２０Ｃを基準電位とするモニター用カソード側電極触媒層１６ＣＳの電位（電位差）を、カソード側電極触媒層１６Ｃの電位に対応する電位として測定することができる。そして、検出した電位に基づいて、反応ガスの水素が酸素に比べて低い状態（「水素欠状態」と呼ばれる）を検出することができる。また、電位測定部材４０の導電ライン４３とアノード側セパレータ２０Ａの端子との間に電圧計１２２を接続すれば、アノード側セパレータ２０Ａを基準電位とするモニター用カソード側電極触媒層１６ＣＳの電位（電位差）を、カソード側電極触媒層１６Ｃの電位に対応する電位として測定することができる。そして、検出した電位に基づいて、セル１００の発電電圧を検知することができる。また、後述するように、セル１００への供給酸素量の状態を検知することができる。
【００２１】
なお、不図示の電圧印加装置の負極をアノード側セパレータ２０Ａの端子に接続し、電位測定部材４０の電位印加電極４５に接続された導電ライン４６に電圧印加装置の正極を接続することにより、モニター用カソード側電極触媒層１６ＣＳに所定の電位を付与することができる。これにより、電圧計１２２では、モニター用カソード側電極触媒層１６ＣＳに所定の電位が付与された状態において、アノード側セパレータ２０Ａを基準電位とするモニター用カソード側電極触媒層１６ＣＳの電位（電位差）を、カソード側電極触媒層１６Ｃの電位として測定することができる。
【００２２】
なお、電位測定部材４０において、電位印加電極４５およびこれに接続される導電ライン４６は必須の構成要素ではなく、省略することも可能である。
【００２３】
ここで、電位測定部材４０のシート状基材４１は、図１（Ｂ）に示すように、少なくとも電位測定電極４２の周囲（図の例では、電位印加電極４５の周囲を含む）に複数の貫通孔４７が設けられている点を特徴としてしる。これら複数の貫通孔４７を有することにより、以下で説明する効果を得ることができる。
【００２４】
図２は、電位測定部材に含まれるシート状基材に貫通孔が設けられていない場合の問題点を示す説明図である。上記したように、燃料電池は複数のセルを積層した燃料電池スタックとして用いられる。この際、積層される部材間の接触抵抗の低減や、供給反応ガスのシール性の確保等のため、スタック方向に大きな荷重を掛けて締結することにより燃料電池スタックを作製する。この締結の結果、セル内の積層方向の各部材間に加わる面圧が高くなり、電位測定部材４０のシート状基材４１とこれに接触するカソード側電極触媒層１６Ｃとの密着性が増す。シート状基材４１に用いられる部材は一般にガス透過性が無いものや透過性が低いものが多い。このため、図２（Ａ）に示すように、面圧の増加に応じて、カソード側ガス拡散層１８Ｃからシート状基材４１下の電位測定電極４２に接触するモニター用カソード側電極触媒層１６ＣＳへのガス拡散の度合いを示すガス拡散定数が低下する。この結果、電位測定電極４２で測定されたモニター用カソード側電極触媒層１６ＣＳの電位は、その周囲のカソード側電極触媒層１６Ｃの電位とは異なった電位となる。このため、モニター用カソード側電極触媒層１６Ｃに対応する局部的なセルによる測定では、セル全体の代わりの高精度な測定は困難である。また、シート状基材４１として、仮にガス透過性を有する部材を用いたとしても、面圧の増加に応じてガスが透過するパスが減少するため、図２（Ｂ）に示すように、電気化学反応の応答遅れが発生し、電位測定電極４２で測定される電位が真の電位に至るまでの応答の遅れが増加する、という問題がある。
【００２５】
これに対して、本実施形態のようにシート状基材４１に複数の貫通孔４７を有することにより、カソード側ガス拡散層１８Ｃから貫通孔４７を介してモニター用カソード側電極触媒層１６ＣＳへのガス供給が行われるので、モニター用カソード側電極触媒層１６ＣＳへの良好なガス拡散性を得ることができる。これにより、電位測定部材４０の電位測定電極４２によるモニター用カソード側電極触媒層１６ＣＳの電位の測定によって、カソード側電極触媒層１６Ｃの良好な電位測定性能を得ることができる。
【００２６】
なお、電位測定電極４２および電位印加電極４５が、電極触媒層と同様に多孔質性部材で構成されている場合には、これらの電極の周囲だけでなく、これらの電極を覆うシート状基材４１上にも貫通孔４７を設けることが好ましい。このようにすれば、より効果的にガス拡散性を高めることができる。
【００２７】
図３は、第１実施形態の電位測定装置を構成する電位測定部材の変形例を示す説明図である。図３（Ａ）は、図１（Ｂ）と同様に変形例の電位測定部材４０ａを模式的に示しており、図３（Ｂ）は、電位測定電極４２を含む周辺領域を電位印加電極４５とは反対側から見た状態で示している。変形例の電位測定部材４０ａは、電位測定電極４２および電位印加電極４５の周囲の貫通孔４７が設けられた領域に、フィルム状部材４８が熱圧着あるいは接着されて、貫通孔４７がフィルム状部材４８で覆われている点を除いて、第１実施形態の電位測定部材４０（図１）と同じである。
【００２８】
フィルム状部材４８は、ガス透過性を有するが、液水を透過させない特性を有する種々の一般的なフィルム状部材を用いることが好ましい。セル１００内に存在する水は酸性度が高い。フィルム状部材４８は、この水が貫通孔４７を透過する際に、シート状基材の絶縁性の欠落を促進することを抑制し、絶縁性の欠落に対する耐性を高めることが可能である。
【００２９】
図４は、第１実施形態の電位測定装置を構成する電位測定部材の他の変形例を示す説明図である。図４は図１（Ｂ）と同様に他の変形例の電位測定部材４０ｂを模式的に示している。他の変形例の電位測定部材４０ｂは、貫通孔４７が設けられたシート状基材４１の代わりに、多孔質性を有する多孔質性シート状基材４１ｂが用いられている点を除いて、第１実施形態の電位測定部材４０（図１）と同じである。なお、この場合において、電位測定電極４２および電位印加電極４５が、電極触媒層と同様に多孔質性部材で構成されていることが好ましい。
【００３０】
多孔質性シート状基材４１ｂは、複数の孔が連結して一方の面から他方の面まで連通して貫通した孔（「連通孔」とも呼ばれる）を形成するので、効果的にガス拡散性を高めることができる。なお、多孔質性シート状基材４１ｂは、絶縁性、耐熱性、耐酸性に優れているとともに、多孔質性を有しておれば良く、種々の多孔質性樹脂材料シートを用いて構成される。
【００３１】
なお、第１実施形態および変形例では、電位測定装置として、カソード側ガス拡散層１８Ｃとカソード側電極触媒層１６Ｃとの間の１箇所に電位測定部材４０，４０ｂ，４０ｃを介挿した構成を例に説明したが、複数の箇所に電位測定部材４０，４０ｖ，４０ｃを介挿して、複数の箇所の電位測定が可能な構成としてもよい。また、電位測定部材を配置する位置は、カソード側電極触媒層１６Ｃの周辺に限定されるものではなく、任意の箇所に配置することができる。
【００３２】
Ｂ．第２実施形態：
図５は、燃料電池の電位を測定するための第２実施形態としての電位測定装置を示す説明図である。図５は、図１（Ａ）と同様に電位測定装置を構成する電位測定部材５０を備える燃料電池のセル１００ｃの要部の断面を模式的に示している。なお、第２実施形態のセル１００ｃの構成は、以下で説明する電位測定部材５０の構成及び配置位置等の電位測定部材の違いに応じた変更点を除いて、基本的に同じであり、同じ構成要素については同じ符号が付されている。
【００３３】
電位測定装置を構成する電位測定部材５０は、カソード側電極触媒層１６Ｃ内に電解質膜１４に接するように配置された電位測定電極（「電位検出片」とも呼ぶ）５２と、電位測定電極５２の電解質膜１４に接する面以外の面を覆う絶縁性多孔質部材５４と、電位測定電極５２に接続された導電ライン５３と、から構成される。電位測定電極５２は、例えば、電解質膜１４のカソード側の面に、電位測定電極５２を塗工し、絶縁性多孔質部材５４を形成した後に、カソード側電極触媒層１６Ｃを塗工することによって形成することができる。導電ライン５３は絶縁材で被覆されており、セル１００ｃの外側に導出されている。
【００３４】
電位測定電極５２は、絶縁性多孔質部材５４により電気的にはカソード側電極触媒層１６Ｃと絶縁されるが、絶縁性多孔質部材５４内の連結された多孔によって形成される連通孔を介してカソード側の反応ガスである酸素が供給される。これにより、電位測定電極５２とアノード側電極触媒層１６Ａとの間でも、電解質膜１４を介して水素イオンのやり取りが可能となって、電気化学反応が可能となり、電位測定電極５２においてもカソード側電極触媒層１６Ｃで発生する電位に対応する電位が発生する。従って、電位測定電極５２の電位を測定することによって、カソード側電極触媒層１６Ｃの良好な電位測定を行なうことができる。なお、絶縁性多孔質部材５４は、絶縁性、耐熱性、耐酸性に優れているとともに、多孔質性を有しておれば良く、種々の多孔質性樹脂部材を用いて構成される。
【００３５】
第２実施形態においても第１実施形態の場合と同様に、電位測定部材５０の導電ライン５３とカソード側セパレータ２０Ｃの端子との間に電圧計１２２を接続すれば、カソード側セパレータ２０Ｃを基準電位とする電位測定電極５２の電位（電位差）を、カソード側電極触媒層１６Ｃの電位に対応する電位として測定することができる。そして、検出した電位に基づいて、水素欠状態を検出することができる。また、電位測定部材５０の導電ライン５３とアノード側セパレータ２０Ａの端子との間に電圧計１２２を接続すれば、アノード側セパレータ２０Ａを基準電位とする電位測定電極５２の電位（電位差）を、カソード側電極触媒層１６Ｃの電位に対応する電位として測定することができる。そして、検出した電位に基づいて、セル１００ｃの発電電圧を検知することができる。また、後述するように、セル１００ｃへの供給酸素量の状態を検知することができる。
【００３６】
図６は、第２実施形態の電位測定装置を構成する電位測定部材の変形例を示す説明図である。図６は図５と同様に変形例の電位測定部材５０ｄを備える燃料電池のセル１００ｄの要部の断面を模式的に示している。変形例の電位測定部材５０ｄは、電位測定部材５０（図５）同様に、電位測定電極５２ｄと、電位測定電極５２の電解質膜１４に接する面以外の面を覆う絶縁性多孔質部材５４と、電位測定電極５２ｄに接続された導電ライン５３と、から構成される。第２実施形態の電位測定部材５０と変形例の電位測定部材５０ｄとの違いは、第２実施形態の電位測定部材５０の電位測定電極５２（図５）は、カソード側ガス拡散層１８Ｃ側の面が絶縁性多孔質部材５４を介してカソード側電極触媒層１６Ｃで覆われているのに対して、変形例の電位測定部材５０ｄの電位測定電極５２ｄは、絶縁性多孔質部材５４を介してカソード側ガス拡散層１８Ｃに覆われている点にある。すなわち、変形例の電位測定電極５２ｄは、カソード側電極触媒層１６Ｃに対して分離独立した構成となっている。なお、この場合における電位測定電極５２ｄは、例えば、カソード側電極触媒層１６Ｃから切り出すことにより形成することができる。
【００３７】
この変形例の電位測定電極５２ｄは、例えば、カソード側電極触媒層１６Ｃの一部を切り出すことにより、容易に形成することができる。また、この電位測定電極５２ｄに対しても、カソード側の反応ガスである酸素は、カソード側ガス拡散層１８Ｃから絶縁性多孔質部材５４内の複数の孔が連結した連通孔を介して供給されるので、電位測定電極５２ｄの電位の測定によって、カソード側電極触媒層１６Ｃの良好な電位測定を行なうことができる。
【００３８】
なお、第２実施形態および変形例においても、第１実施形態と同様に、複数の箇所に電位測定部材５０，５０ｄを配置して、複数の箇所の電位測定が可能な構成としてもよい。
【００３９】
Ｃ．第３実施形態：
図７は、第３実施形態として、燃料電池に供給される酸素量を測定するための酸素量測定装置を示す説明図である。図７は図１に示した第１実施形態としての電位測定装置を構成する電位測定部材４０を用いた酸素量測定装置を例に示している。酸素量測定装置は、燃料電池のセル１００に内挿された電位測定装置を構成する電位測定部材４０と、電位測定部材４０の導電ライン４３とアノード側セパレータ２０Ａの端子との間に電流を流すために接続された可変抵抗１３４と、可変抵抗１３４に直列に接続された電流計１３２と、導電ライン４３とアノード側セパレータ２０Ａの端子との間で、直列の電流計１３２および可変抵抗１３４に対して並列に接続された電圧計１２２と、コンピュータ１４０と、を備える。コンピュータ１４０は、可変抵抗１３４の抵抗値を制御して流れる電流を制御するとともに、電圧計１２２および電流計１３２の示す電圧値および電流値をデータとして取得し、取得したデータに基づいて供給酸素量を算出する。導電ライン４３と電流計１３２と可変抵抗１３４とアノード側セパレータ２０Ａの端子とは、燃料電池のセル１００から出力される負荷電流の流れる電流経路に相当し、電流計１３２および可変抵抗１３４と電圧計１２２とは燃料電池のセル１００の発電状態測定部に相当し、コンピュータ１４０は酸素量算出部に相当する。
【００４０】
図８は、燃料電池の発電によって発生するカソード側電極の電位と電流との関係を示すグラフである。なお、カソード側電極の電位はアノード側電極に対する電位差を示している。図に示すように、カソード側電極の電位は、供給される酸素の量によって変化する。
【００４１】
そこで、本実施形態の酸素量測定装置では、コンピュータ１４０において、電圧計１２２により測定される電位値（電圧値）、および、電流計１３２により測定される電流値から、モニター用カソード側電極触媒層１６ＣＳに対応する局部的なセルの領域における発電状態の一つとして供給酸素量や酸素濃度等が求められ、カソード側電極触媒層１６Ｃへの供給酸素量や酸素濃度等に対応する値として利用することが可能である。
【００４２】
ここで、燃料電池の発電動作（電気化学反応）において生成された水が、カソード側ガス拡散層１８Ｃ内に蓄積されることによって、カソード側電極触媒層１６Ｃへ供給される酸素量が減少することがある。
【００４３】
図９は、燃料電池の発電動作において、カソード側ガス拡散層の含水量と酸素量の経時変化の様子の一例を示すグラフである。図からわかるように、乾燥によってカソード側ガス拡散層の含水量が減少するととともに、酸素量が増加することが分かる。逆に言えば、上記したように、カソード側ガス拡散層１８Ｃ内に水が蓄積されることによって、カソード側の反応ガスである酸素の拡散が阻害され、カソード側電極触媒層１６Ｃへ供給される酸素量が減少する要因となることが分かる。
【００４４】
従って、供給酸素量が少ない場合にはカソード側ガス拡散層１８Ｃ内の含水量が多いと想定することができる。そして、カソード側ガス拡散層１８Ｃの酸素量が減少した状態では、カソード側電極触媒層への酸素の供給量も減少することになるため、図８に示したように発電性能が低下する。
【００４５】
そこで、測定した発電状態に基づいて求めた供給酸素量が少なく、カソード側ガス拡散層１８Ｃの含水量が多いと想定される場合には、外部から供給する酸素量を増加させることが考えられる。これにより、カソード側ガス拡散層１８Ｃ内の水の蒸散を促進させて、カソード側電極触媒層１６Ｃへ供給される酸素量を増加させることができ、発電性能を向上させることが可能である。
【００４６】
なお、上記説明は、可変抵抗１３４によって電流計１３２で測定される電流を一定に制御し、モニター用カソード側電極触媒層１６ＣＳに発生する電位を電圧計１２２で測定し、これに基づいて酸素量を算出する場合を例に説明している。これに対して、第１実施形態で説明したように、導電ライン４６（図１）とアノード側セパレータ２０Ａの端子間に印加する電圧を一定に制御し、可変抵抗１３４に流れる電流を電流計１３２で測定し、これに基づいて酸素量を算出するようにしてもよい。
【００４７】
なお、モニター用カソード側電極触媒層１６ＣＳの位置は、酸素濃度が低下し易いガス排出孔付近に配置されるようにしても良い。また、スタックされたセル間の酸素量の比較を行なう場合には、モニター用カソード側電極触媒層１６ＣＳの位置は、セルの中央部付近に配置されるようにしても良い。
【００４８】
図１０は、第３実施形態としての酸素量測定装置の変形例を示す説明図である。図１０は図５に示した第２実施形態としての電位測定装置を構成する電位測定部材５０を用いた酸素量測定装置を例に示している。この酸素量測定装置も、発電状態測定部に相当する電流計１３２および可変抵抗１３４と電圧計１２２と、酸素量算出部に相当するコンピュータ１４０により、電位測定電極５２に対応する局部的なセルの領域における発電状態の一つとして供給酸素量や酸素濃度等が求められ、カソード側電極触媒層１６Ｃへの供給酸素量や酸素濃度等に対応する値として利用することが可能である。
【００４９】
なお、この変形例においても、電位測定電極５２とアノード側セパレータ２０Ａの端子間に印加する電圧を一定に制御し、可変抵抗１３４に流れる電流を測定し、これに基づいて酸素量を算出するようにしてもよい。また、電位測定電極５２は、酸素濃度が低下し易いガス排出孔付近に配置されるようにしても良い。また、スタックされたセル間の酸素量の比較を行なう場合には、電位測定電極５２は、セルの中央部付近に配置されるようにしても良い。
【００５０】
Ｄ．第４実施形態：
図１１は、第４実施形態として、酸素量測定装置を適用して燃料電池に供給される酸素量を制御する燃料電池システムを模式的に示す説明図である。燃料電池システムは、燃料電池２００と、水素供給装置３００と、酸素供給装置４００と、発電状態測定部５００と、ＥＣＵ（電子制御ユニット）６００と、を備える。
【００５１】
燃料電池２００は、第１実施形態の電位測定装置を構成する電位測定部材４０を備えるセル１００（図１参照）がスタックされた燃料電池である。水素供給装置３００は、反応ガスの一つである燃料ガスとしての水素を燃料電池２００へ供給する。酸素供給装置４００は、反応ガスの他の一つである酸化ガスとしての酸素を燃料電池２００へ供給する。
【００５２】
発電状態測定部５００は、第３実施形態の酸素量測定装置（図７参照）で示したように、電位測定部材４０が接続されたモニター用カソード側電極触媒層１６ＣＳとアノード側セパレータ２０Ａとの間に電流を流すために接続された可変抵抗と、可変抵抗に流れる電流を計測するための電流計と、モニター用カソード側電極触媒層１６ＣＳとアノード側セパレータ２０Ａとの間の電位差を測定する電圧計と、を備えている。なお、電位測定部材４０の電位印加電極４５を介してモニター用カソード側電極触媒層１６ＣＳに電圧を印加して、可変抵抗に流れる電流を測定する場合には、可変抵抗と電流計と電圧計に加えて電圧印加装置を備える。
【００５３】
発電状態測定部５００は、ＥＣＵ６００から与えられた測定条件、例えば、第３実施形態で説明した定電流制御による測定の場合には定電流に対応する抵抗値、定電圧制御による測定の場合には電圧値、に応じて、発電により発生した電圧値および電流値を測定する。
【００５４】
ＥＣＵ６００は、以下で説明するように、発電状態測定部５００で測定された電圧値および電流値のデータを取得し、これに基づいて供給されている酸素量を算出し、算出結果に基づいて、酸素供給装置４００へ酸素供給量を指示することにより、燃料電池２００への酸素供給量が発電に必要な供給量となるように制御する。
【００５５】
図１２は、酸素供給量を制御する処理の一例を示すフローチャートである。まず、ＥＣＵ６００は、発電状態測定部５００に発電状態の測定条件を設定し、発電状態測定部５００で測定された電圧値および電流値のデータを取得する（ステップＳ１０）。そして、取得した電圧値データと電流値データとの関係から、モニター用カソード側電極触媒層１６ＣＳに対応する局部的なセル領域における供給酸素量を算出する（ステップＳ２０）。算出した酸素量が燃料電池２００に対して要求される発電量（電力）に応じた十分な量であるか否か判断する（ステップＳ３０）。これは、あらかじめ用意されている、電力と酸素量との関係を示す情報、例えば、図８に示した関係の情報に基づいて判断することができる。酸素量が不十分であると判断した場合には、必要な酸素供給量を算出する（ステップＳ４０）。なお、必要な酸素供給量は、酸素量の判断の場合と同様に、電力と酸素量との関係を示す情報に基づいて算出することができる。そして、酸素量が十分であると判断した場合は、同じ酸素供給量を酸素供給装置４００へ指示し、新たな酸素供給量を算出した場合は、算出した酸素供給量を酸素供給装置４００へ指示する（ステップＳ５０）。これにより、燃料電池２００への酸素供給量が発電に必要な供給量となるように制御することができる。
【００５６】
なお、上記した燃料電池システムは、第１実施形態の電位測定装置を構成する電位測定部材４０を備えるセル１００がスタックされた燃料電池２００を例に説明したが、第１実施形態の変形例や第２実施形態、第２実施形態の変形例の電位測定装置を備えるセルがスタックされた燃料電池を備える燃料電池システムにおいても同様である。
【００５７】
Ｅ．変形例：
上記実施形態の電位測定装置は、燃料電池のセルのカソード側に電位測定装置を構成する電位測定部材を配置した構成を例に説明したが、アノード側に電位測定装置を構成する電位測定部材を配置した構成としてもよい。また、アノード側およびカソード側の両方に電位測定部材を配置した構成としてもよい。
【００５８】
上記実施形態では、燃料電池のセルとして、セパレータに溝状の反応ガスの流路が構成された構造のセルを例として説明したが、セパレータとガス拡散層との間に反応ガスの流路が別に構成された構造であってもよく、一方がセパレータの溝状の流路であり、他方がセパレータとは別の流路で構成された構造であってもよい。
【００５９】
本発明は、上述の実施形態や実施例、変形例に限られるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲において種々の構成で実現することができる。例えば、発明の概要の欄に記載した各形態中の技術的特徴に対応する実施形態、実施例、変形例中の技術的特徴は、上述の課題の一部又は全部を解決するために、あるいは、上述の効果の一部または全部を達成するために、適宜、差し替えや、組み合わせを行うことが可能である。また、その技術的特徴が本明細書中に必須なものとして説明されていなければ、適宜、削除することが可能である。
【符号の説明】
【００６０】
１０…ＭＥＡ（膜電極接合体）
１２…ＣＣＭ（触媒層形成膜）
１４…電解質膜
１６Ａ…アノード側電極触媒層
１６Ｃ…カソード側電極触媒層
１６ＣＳ…モニター用カソード側電極触媒層
１８Ａ…アノード側ガス拡散層
１８Ｃ…カソード側ガス拡散層
２０Ａ…アノード側セパレータ
２０Ｃ…カソード側セパレータ
２２Ａ…アノードガス流路
２２Ｃ…カソードガス流路
２４…冷媒流路
３０…シール部
４０，４０ａ，４０ｂ…電位測定部材
４１…シート状基材
４１ｂ…多孔質性シート状基材
４２…電位測定電極
４３…導電ライン
４４…絶縁層
４５…電位印加電極
４６…導電ライン
４７…貫通孔
４８…フィルム状部材
５０，５０ｄ…電位測定部材
５２，５２ｄ…電位測定電極
５３…導電ライン
５４…絶縁性多孔質部材
１００，１００ｃ，１００ｄ…セル
１２２…電圧計
１３２…電流計
１３４…可変抵抗
１４０…コンピュータ
２００…燃料電池スタック
３００…水素供給装置
４００…酸素供給装置
５００…発電状態測定部
６００…ＥＣＵ
【図１】
2015153545.tif 000003
【図２】
2015153545.tif 000004
【図３】
2015153545.tif 000005
【図４】
2015153545.tif 000006
【図５】
2015153545.tif 000007
【図６】
2015153545.tif 000008
【図７】
2015153545.tif 000009
【図８】
2015153545.tif 000010
【図９】
2015153545.tif 000011
【図１０】
2015153545.tif 000012
【図１１】
2015153545.tif 000013
【図１２】
2015153545.tif 000014