(57)【要約】【課題】コンパクト且つ簡単な構成で、燃料電池の電極反応面のインピーダンスを容易且つ正確に計測することを可能にする。【解決手段】燃料電池用インピーダンス計測装置１０は、アノード電極４０側に配置される第１電極部５０と、カソード電極３８側に前記第１電極部５０と対向して配置される第２電極部５２とを備える。第１電極部５０は、電極触媒層４０ａの外方に配置され、第２電極部５２は、電極触媒層３８ａの外方に配置される。第１電極部５０は、第１シート部材５４に設けられる一方、第２電極部５２は、第２シート部材５６に設けられる。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電解質の両側に電極が設けられた電解質・電極構造体とセパレータとが積層される燃料電池に組み込まれる燃料電池用インピーダンス計測装置であって、
前記電解質・電極構造体の一方の電極側に配置される第１電極部、及び前記電解質・電極構造体の他方の電極側に前記第１電極部と対向して配置される第２電極部と、
一端部に前記第１電極部が設けられるとともに、他端部が前記電解質・電極構造体の外方に延在される第１シート部材と、
一端部に前記第２電極部が設けられるとともに、他端部が前記電解質・電極構造体の外方に延在される第２シート部材と、
を備え、
前記電解質・電極構造体には、外部から交流が印加されることを特徴とする燃料電池用インピーダンス計測装置。
【請求項２】
請求項１記載の燃料電池用インピーダンス計測装置において、少なくとも前記第１電極部に隣接して設けられる抵抗体及び第３電極部と、
一端部に前記抵抗体及び前記第３電極部が設けられるとともに、他端部が前記電解質・電極構造体の外方に延在される第３シート部材と、
を備えることを特徴とする燃料電池用インピーダンス計測装置。
【請求項３】
請求項２記載の燃料電池用インピーダンス計測装置において、前記第１シート部材、前記第２シート部材及び前記第３シート部材の各他端部は、互いに一体化されることを特徴とする燃料電池用インピーダンス計測装置。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれか１項に記載の燃料電池用インピーダンス計測装置において、前記第１電極部及び前記第２電極部は、前記電極を構成する各触媒層の外側又は各拡散層の外側に当接することを特徴とする燃料電池用インピーダンス計測装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電解質の両側に電極が設けられた電解質・電極構造体とセパレータとが積層される燃料電池に組み込まれる燃料電池用インピーダンス計測装置に関する。
【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。この燃料電池は、電解質膜の一方側にアノード電極が、前記電解質膜の他方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構成されている。
【０００３】
燃料電池では、所望の発電を確実に行うために、発電状況を正確に把握することが必要である。例えば、電解質膜は、発電性能を維持するために所望の湿潤状態に加湿しなければならず、この電解質膜が乾燥状態になると、発電性能が低下してしまう。
【０００４】
一方、発電による生成水量が多く、水過剰状態になると、フラッディングが惹起され易い。このため、反応ガスを流通させる通路等が詰まり、発電性能が低下するおそれがある。また、燃料ガスの不足に起因して性能低下が発生する場合がある。
【０００５】
そこで、例えば、特許文献１に開示されている燃料電池が知られている。この燃料電池では、セパレータは、電極反応面の領域内に設けられ、それぞれの一方の面が電解質・電極構造体に接触する複数個の計測用電極部材と、各計測用電極部材同士を互いに絶縁状態に分離して保持する絶縁性樹脂部材と、各計測用電極部材の他方の面に、それぞれ個別に電気的に接続されるフレキシブル基板とを備えている。
【０００６】
特許文献１では、電解質・電極構造体の電極反応面の領域を複数の領域に分割して複数個の計測用電極部材が設けられるため、前記電極反応面内における各領域のインピーダンス分布を容易且つ正確に計測することができる、としている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２０１３−４４９６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、コンパクト且つ簡単な構成で、燃料電池の電極反応面のインピーダンスを容易且つ正確に計測することが可能な燃料電池用インピーダンス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、電解質の両側に電極が設けられた電解質・電極構造体とセパレータとが積層される燃料電池に組み込まれる燃料電池用インピーダンス計測装置に関するものである。
【００１０】
この燃料電池用インピーダンス計測装置では、電解質・電極構造体の一方の電極側に配置される第１電極部、及び前記電解質・電極構造体の他方の電極側に前記第１電極部と対向して配置される第２電極部と、一端部に前記第１電極部が設けられるとともに、他端部が前記電解質・電極構造体の外方に延在される第１シート部材と、一端部に前記第２電極部が設けられるとともに、他端部が前記電解質・電極構造体の外方に延在される第２シート部材と、を備えている。そして、電解質・電極構造体には、外部から交流が印加されている。
【００１１】
また、この燃料電池用インピーダンス計測装置では、少なくとも第１電極部に隣接して設けられる抵抗体及び第３電極部と、一端部に前記抵抗体及び前記第３電極部が設けられるとともに、他端部が電解質・電極構造体の外方に延在される第３シート部材と、を備えることが好ましい。抵抗体は、直流抵抗のみではなく、交流抵抗も含んでもよい。
【００１２】
さらに、この燃料電池用インピーダンス計測装置では、第１シート部材、第２シート部材及び第３シート部材の各他端部は、互いに一体化されることが好ましい。
【００１３】
さらにまた、この燃料電池用インピーダンス計測装置では、第１電極部及び第２電極部は、電極を構成する各触媒層の外側又は各拡散層の外側に当接することが好ましい。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、電解質・電極構造体の電極反応面内の局所部位に対応して第１電極部及び第２電極部が互いに対向して配設されている。そして、第１電極部は、第１シート部材の一端部に設けられる一方、第２電極部は、第２シート部材の一端部に設けられている。
【００１５】
このため、電極反応面内における局所部位のインピーダンスを容易且つ正確に計測することができる。しかも、構成が一挙に簡素化し、経済的に製造することが可能になる。これにより、コンパクト且つ簡単な構成で、燃料電池の電極反応面のインピーダンスを容易且つ正確に計測することが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る燃料電池用インピーダンス計測装置が組み込まれた燃料電池スタックの概略側面説明図である。
【図２】前記燃料電池スタックを構成する計測用燃料電池の要部分解斜視図である。
【図３】前記燃料電池の、図２中、ＩＩＩ−ＩＩＩ線断面図である。
【図４】前記燃料電池用インピーダンス計測装置の一部斜視説明図である。
【図５】本発明の第２の実施形態に係る燃料電池用インピーダンス計測装置が組み込まれた電解質膜・電極構造体の要部断面説明図である。
【図６】本発明の第３の実施形態に係る燃料電池用インピーダンス計測装置が組み込まれた燃料電池スタックの概略側面説明図である。
【図７】前記燃料電池スタックを構成する計測用燃料電池の要部分解斜視図である。
【図８】前記燃料電池の、図７中、ＶＩＩＩ−ＶＩＩＩ線断面図である。
【図９】前記燃料電池用インピーダンス計測装置の一部斜視説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
図１に示すように、本発明の第１の実施形態に係る燃料電池用インピーダンス計測装置１０は、燃料電池スタック１２に組み込まれる。
【００１８】
燃料電池スタック１２は、少なくとも１つの計測用燃料電池１４Ｓと、複数の燃料電池１４とが積層されるとともに、例えば、車載用燃料電池スタックとして構成される。燃料電池スタック１２は、燃料電池１４の積層方向（矢印Ａ方向）一端にターミナルプレート１６ａ、絶縁プレート１８ａ及びエンドプレート２０ａが配設される。燃料電池スタック１２は、積層方向他端にターミナルプレート１６ｂ、絶縁プレート１８ｂ及びエンドプレート２０ｂが配設される。
【００１９】
ターミナルプレート１６ａは、絶縁プレート１８ａ内に収容されるとともに、積層方向一端側に端子部１６ａｔが突出する。ターミナルプレート１６ｂは、絶縁プレート１８ｂ内に収容されるとともに、積層方向他端側に端子部１６ｂｔが突出する。端子部１６ａｔ、１６ｂｔには、外部負荷２２が接続される。
【００２０】
図２に示すように、燃料電池１４Ｓは、電解質膜・電極構造体（電解質・電極構造体）２４と、前記電解質膜・電極構造体２４を挟持する第１セパレータ２６及び第２セパレータ２８とを備える。第１セパレータ２６及び第２セパレータ２８は、例えば、金属セパレータ又はカーボンセパレータにより構成される。
【００２１】
燃料電池１４Ｓの矢印Ｂ方向（図１中、矢印Ａ方向に交差する水平方向）の一端縁部には、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３０ａと、冷却媒体を供給するための冷却媒体供給連通孔３２ａと、燃料ガス、例えば、水素含有ガスを排出するための燃料ガス排出連通孔３４ｂとが、矢印Ｃ方向（鉛直方向）に配列して設けられる。
【００２２】
燃料電池１４Ｓ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、燃料ガスを供給するための燃料ガス供給連通孔３４ａと、冷却媒体を排出するための冷却媒体排出連通孔３２ｂと、酸化剤ガスを排出するための酸化剤ガス排出連通孔３０ｂとが、矢印Ｃ方向に配列して設けられる。
【００２３】
電解質膜・電極構造体２４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３６と、該固体高分子電解質膜３６を挟持するカソード電極３８及びアノード電極４０とを備える。
【００２４】
カソード電極３８は、図３に示すように、固体高分子電解質膜３６の一方の面に接合される電極触媒層３８ａと、前記電極触媒層３８ａに配設されるカーボンペーパ等からなるガス拡散層３８ｂとを有する。アノード電極４０は、固体高分子電解質膜３６の他方の面に接合される電極触媒層４０ａと、前記電極触媒層４０ａに配設されるカーボンペーパ等からなるガス拡散層４０ｂとを有する。電極触媒層３８ａ、４０ａは、例えば、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３６の両面に一様に塗布して形成される。
【００２５】
図２に示すように、第１セパレータ２６の電解質膜・電極構造体２４に向かう面２６ａには、酸化剤ガス流路４２が設けられる。酸化剤ガス流路４２は、矢印Ｂ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３０ａと酸化剤ガス排出連通孔３０ｂとに連通する。第１セパレータ２６の面２６ｂには、第２セパレータ２８の面２８ｂとの間に冷却媒体流路４４が設けられる。第１セパレータ２６には、第１シール部材４６ａが設けられる。
【００２６】
第２セパレータ２８の電解質膜・電極構造体２４に向かう面２８ａには、燃料ガス流路４８が設けられる。燃料ガス流路４８は、酸化剤ガス流路４２と同様に、矢印Ｂ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３４ａと燃料ガス排出連通孔３４ｂとに連通する。第２セパレータ２８には、第２シール部材４６ｂが設けられる。
【００２７】
図３及び図４に示すように、インピーダンス計測装置１０は、電解質膜・電極構造体２４のアノード電極（一方の電極）４０側に配置される第１電極部５０と、前記電解質膜・電極構造体２４のカソード電極（他方の電極）３８側に前記第１電極部５０と対向して配置される第２電極部５２とを備える。第１電極部５０は、電極触媒層４０ａの外方に、すなわち、前記電極触媒層４０ａとガス拡散層４０ｂとの間に配置される。第２電極部５２は、電極触媒層３８ａの外方に、すなわち、前記電極触媒層３８ａとガス拡散層３８ｂとの間に配置される。
【００２８】
インピーダンス計測装置１０は、さらに一端部に第１電極部５０が設けられるとともに、他端部が電解質膜・電極構造体２４の外方に延在される第１シート部材５４と、一端部に第２電極部５２が設けられるとともに、他端部が前記電解質膜・電極構造体２４の外方に延在される第２シート部材５６とを備える。第２電極部５２は、固体高分子電解質膜３６と電極触媒層３８ａ、４０ａを挟んで第１電極部５０と略対称位置に設けられる。第１シート部材５４及び第２シート部材５６は、電気的絶縁性を有し、例えば、液晶ポリマ（ＬＣＰ）で形成される。
【００２９】
図４に示すように、第１電極部５０には、交流印加用配線５８ａと測定用配線５８ｂとが接続される。第２電極部５２には、交流印加用配線６０ａと測定用配線６０ｂとが接続される。第１シート部材５４の一端部側及び第２シート部材５６の一端部側は、第１電極部５０及び第２電極部５２のみが外部に露呈する一方、それぞれの他端部は、互いに熱圧着等により一体化（溶着）される。
【００３０】
第１シート部材５４及び第２シート部材５６の他端部には、コネクタ６２が接続される。コネクタ６２は、ケーブル６４を介してコントローラ６６に接続される。コントローラ６６は、交流電圧印加部６８、電圧測定部７０及び電流測定部７２を備える。図１に示すように、交流印加用配線５８ａ、６０ａは、交流電圧印加部６８に接続される一方、測定用配線５８ｂ、６０ｂは、電圧測定部７０及び電流測定部７２に接続される。
【００３１】
インピーダンス計測装置１０は、特に入口連通孔や出口連通孔の近傍、例えば、酸化剤ガス供給連通孔３０ａの近傍や燃料ガス供給連通孔３４ａの近傍に設けることが好ましい。一方、酸化剤ガス排出連通孔３０ｂの近傍や燃料ガス排出連通孔３４ｂの近傍に設けることができる。
【００３２】
図１に示すように、燃料電池１４は、電解質膜・電極構造体２４と、前記電解質膜・電極構造体２４を挟持する第１セパレータ２６及び第２セパレータ２８とを備える。なお、燃料電池１４では、上記の燃料電池１４Ｓ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。実質的には、燃料電池１４は、燃料電池用インピーダンス計測装置１０が組み込まれていない他、燃料電池１４Ｓと同一に構成される。
【００３３】
このように構成される燃料電池スタック１２の動作について、以下に説明する。
【００３４】
図２に示すように、酸化剤ガス供給連通孔３０ａ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３４ａ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３２ａ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。
【００３５】
酸化剤ガスは、第１セパレータ２６に設けられている酸化剤ガス流路４２に導入され、電解質膜・電極構造体２４を構成するカソード電極３８に沿って移動する。一方、燃料ガス供給連通孔３４ａに供給された燃料ガスは、第２セパレータ２８の燃料ガス流路４８に導入され、電解質膜・電極構造体２４を構成するアノード電極４０に沿って移動する。
【００３６】
従って、各電解質膜・電極構造体２４では、カソード電極３８に供給される酸化剤ガスと、アノード電極４０に供給される燃料ガスとが、電極触媒層３８ａ、４０ａ内で電気化学反応により消費され、発電が行われる。
【００３７】
次いで、カソード電極３８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３０ｂに排出される。同様に、アノード電極４０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３４ｂに排出される。
【００３８】
また、冷却媒体供給連通孔３２ａに供給された冷却媒体は、第１セパレータ２６及び第２セパレータ２８間の冷却媒体流路４４に導入される。この冷却媒体は、電解質膜・電極構造体２４を冷却した後、冷却媒体排出連通孔３２ｂに排出される。
【００３９】
上記の発電時において、図１に示すように、コントローラ６６では、外部負荷２２により燃料電池スタック１２から直流電流を出力させるとともに、この直流電流に交流電流を重畳させている。
【００４０】
このため、電圧測定部７０は、交流電流に対する交流応答電圧を測定する一方、電流測定部７２により交流電流が測定されている。従って、測定された交流電圧及び交流電流から、第１電極部５０及び第２電極部５２間の交流インピーダンスが算出される。これにより、燃料電池１４Ｓの電極面内の局所部位の交流インピーダンスを検出することが可能になる。
【００４１】
この場合、第１の実施形態では、電解質膜・電極構造体２４の電極反応面内の局所部位に対応して第１電極部５０及び第２電極部５２が互いに対向して配設されている。そして、第１電極部５０は、第１シート部材５４の一端部に設けられる一方、第２電極部５２は、第２シート部材５６の一端部に設けられている。さらに、第１シート部材５４の他端部と第２シート部材５６の他端部とは、一体化されており、第１電極部５０と第２電極部５２とは、所望の設置位置に正確に対向配置することが可能になる。
【００４２】
このため、インピーダンス計測装置１０は、電極反応面内における局所部位のインピーダンスを容易且つ正確に計測することができる。しかも、構成が一挙に簡素化し、経済的に製造することが可能になる。これにより、コンパクト且つ簡単な構成で、燃料電池１４Ｓの電極反応面のインピーダンスを容易且つ正確に計測することができるという効果が得られる。
【００４３】
図５は、本発明の第２の実施形態に係る燃料電池用インピーダンス計測装置８０が組み込まれた電解質膜・電極構造体８２の要部断面説明図である。なお、第１の実施形態に係るインピーダンス計測装置１０を構成する電解質膜・電極構造体２４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。
【００４４】
インピーダンス計測装置８０では、第１電極部５０は、アノード電極４０を構成するガス拡散層４０ｂの外方に配置される。第２電極部５２は、カソード電極３８を構成するガス拡散層３８ｂの外方に配置される。このように構成される第２の実施形態では、上記の第１の実施形態と同様の効果が得られる。
【００４５】
図６は、本発明の第３の実施形態に係る燃料電池用インピーダンス計測装置１００が組み込まれた燃料電池スタック１０２の概略側面説明図である。なお、第１の実施形態に係る燃料電池スタック１２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。
【００４６】
図７〜図９に示すように、インピーダンス計測装置１００は、電解質膜・電極構造体１０４に組み込まれる。インピーダンス計測装置１００は、図８に示すように、少なくとも第１電極部５０に隣接して設けられる抵抗体１０６及び第３電極部１０８を備える。第１電極部５０、抵抗体１０６及び第３電極部１０８は、導電性連結部１０９ａ、１０９ｂにろう付けやスポット溶接等を介して互いに電気的に接続される。導電性連結部１０９ａ、１０９ｂは、所定の距離だけ抵抗体１０６の平面方向に離間して配置される。抵抗体１０６は、蛇行形状や渦巻き形状等により長さが長尺化されることが好ましく、また、直流抵抗のみではなく、交流抵抗も含んでもよい。
【００４７】
抵抗体１０６及び第３電極部１０８は、第３シート部材１１０の一端部に設けられるとともに、前記第３シート部材１１０は、電解質膜・電極構造体１０４の外方に延在する。図９に示すように、第１シート部材５４、第２シート部材５６及び第３シート部材１１０の各他端部は、溶着等により互いに一体化される。
【００４８】
第３電極部１０８には、交流印加用配線１１２ａと測定用配線１１２ｂとが接続される。交流印加用配線１１２ａは、交流電圧印加部６８に接続される。なお、交流電圧印加部６８は、用いなくてもよい。
【００４９】
図６に示すように、測定用配線１１２ｂと第１電極部５０の測定用配線５８ｂとは、電流測定部７２に接続される。第１電極部５０では、交流印加用配線５８ａを測定用配線として電圧測定部７０に接続することができる。交流電圧印加部６８は、交流印加用配線１１４ａ、１１４ｂが端子部１６ａｔ、１６ｂｔに接続される。
【００５０】
このように構成される第３の実施形態では、燃料電池スタック１０２の発電時に、交流電圧印加部６８を介して端子部１６ａｔ、１６ｂｔ間に交流電圧が印加される。交流電圧印加部６８は、インピーダンス計測装置１００が設けられた複数の燃料電池１４Ｓに跨って交流を印加できればよく、両端に限定されない。
【００５１】
このため、第１電極部５０と第３電極部１０８との間で電圧降下が起こり、電流（交流電流）が流れる。従って、電流測定部７２により電圧降下に基づいて交流電流が測定される。一方、電圧測定部７０では、第１電極部５０と第２電極部５２との電位差から交流電圧が測定される。
【００５２】
これにより、燃料電池１４Ｓの電極面内の局所部位の交流インピーダンスを検出することが可能になる等、上記の第１及び第２の実施形態と同様の効果が得られる。さらに、燃料電池スタック１０２全体に交流電圧を印加すればよいので、個別のインピーダンス計測装置１００毎に交流電圧を印加するのに比べて、計測装置が簡略化される。なお、第３の実施形態では、第２の実施形態と同様の構成を採用することができる。
【符号の説明】
【００５３】
１０、８０、１００…インピーダンス計測装置
１２、１０２…燃料電池スタック      １４、１４Ｓ…燃料電池
２４、８２、１０４…電解質膜・電極構造体  ２６、２８…セパレータ
３０ａ…酸化剤ガス供給連通孔        ３０ｂ…酸化剤ガス排出連通孔
３２ａ…冷却媒体供給連通孔          ３２ｂ…冷却媒体排出連通孔
３４ａ…燃料ガス供給連通孔          ３４ｂ…燃料ガス排出連通孔
３６…固体高分子電解質膜            ３８…カソード電極
３８ａ、４０ａ…電極触媒層          ３８ｂ、４０ｂ…ガス拡散層
４０…アノード電極                  ４２…酸化剤ガス流路
４４…冷却媒体流路                  ４８…燃料ガス流路
５０、５２、１０８…電極部          ５４、５６、１１０…シート部材
５８ａ、５８ｂ、６０ａ、６０ｂ、１１２ａ、１１２ｂ、１１４ａ、１１４ｂ…配線
６６…コントローラ                  ６８…交流電圧印加部
７０…電圧測定部                    ７２…電流測定部
１０６…抵抗体
【図１】
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【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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【図７】
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【図８】
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【図９】
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