(57)【要約】  膜電極接合体は、カソード空間とアノード空間との間のイオン透過性膜から構築された反応器を含む。この膜は、カソード空間及びアノード空間の領域の外側まで延在する膜延在領域を含む。担持層が、この膜延在領域に取り付けられ、その膜延在領域を支持し、この担持層に、集積回路が燃料電池に近接して配置される。
2014510367.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
カソード空間（２６、２７）とアノード空間（２９、２８）との間のイオン透過性膜（３０）から構築された燃料電池反応器（２）を備え、前記膜が、前記カソード空間及びアノード空間の領域の外側まで延在する膜延在領域を備え、
担持層（３）が、前記膜延在領域に取り付けられ、前記膜延在領域を支持し、
前記担持層（３）に、集積回路（１０）が前記燃料電池反応器（２）に近接して配置される、膜電極接合体（１）。
【請求項２】
膜延在領域に取り付けられ、前記膜延在領域を支持するさらなる担持層を備え、前記膜延在領域が担持層の一部分と前記さらなる担持層の一部分との間に挟まれるように構成されている、請求項１に記載の膜電極接合体。
【請求項３】
集積回路（１０）が、電子信号用、及び外部デバイスとのデータ通信用の少なくとも１つの通信ポートを備える、請求項１に記載の膜電極接合体。
【請求項４】
集積回路（１０）が、膜電極接合体の上面及び下面のそれぞれに上側コネクタ及び下側コネクタを備え、１つの膜電極接合体上にある前記集積回路の前記上側コネクタが、前記ＭＥＡの頂部担持層にあるコネクタと結合され、前記集積回路の下側コネクタが、前記ＭＥＡの底部担持層と結合されるようにそれぞれ構成される、請求項３に記載の膜電極接合体。
【請求項５】
集積回路（１０）が、膜電極接合体の上面及び下面のそれぞれに上側コネクタ及び下側コネクタを備え、１つの膜電極接合体上にある前記集積回路の前記上側コネクタが、少なくとも１つの通信ポートを、直接隣り合う膜電極接合体の集積回路の下側コネクタと結合させ、またその逆も同様となるように構成される、請求項３に記載の膜電極接合体。
【請求項６】
担持層（３）が、上面及び下面のそれぞれに、集積回路の通信ポートに結合される上側コネクタ及び下側コネクタを備え、１つの担持層上にある前記上側コネクタが、直接隣り合う膜電極接合体の担持層にある下側コネクタと結合され、またその逆も同様となるように構成される、請求項３に記載の膜電極接合体。
【請求項７】
集積回路（１０）が、担持層の１又は２以上の表面にある複数の導電線（１２、１４）を介して、反応器（２）内の各領域における１又は２以上の動作パラメータを感知するために前記領域に結合された１又は２以上のセンサ（１６、１８、２０、２２）に接続される、請求項１〜６のいずれかに記載の膜電極接合体。
【請求項８】
集積回路（１０）が、その機能を変更するように、１又は２以上のセンサの配線を内部的に再構成するための制御可能な切替えユニットを備える、請求項１に記載の膜電極接合体。
【請求項９】
担持層（３）が、紙若しくは不織様の材料、又はポリマー層からなる、請求項１〜８のいずれかに記載の膜電極接合体。
【請求項１０】
担持層が、反応器領域内にガスを封止するガスケット層を備える、請求項１に記載の膜電極接合体。
【請求項１１】
担持層が、ポリイミド、ポリエステルポリエーテル、ポリスルフィド、ポリアクリレート、ポリアルカン、及びエラストマー／ゴムを含む群から選択される材料を含む、請求項１又は９に記載の膜電極接合体。
【請求項１２】
１又は２以上のセンサが、電圧センサ、電流センサ、導電率センサ、湿度センサ、誘電センサ、化学センサ、温度センサ、圧力センサ、ｐＨセンサ、及びホールセンサを含む群の１又は２以上から選択される、請求項７に記載の膜電極接合体。
【請求項１３】
センサが、反応器（２）への燃料の入力レベル、前記反応器への酸素の入力レベル、前記反応器（２）からの燃料の出力レベル、及び前記反応器からの酸素の出力レベルを測定するように構成される、請求項７又は１２に記載の膜電極接合体。
【請求項１４】
センサが、電圧、生成電流、触媒被毒剤の濃度、導電率、イオン導電率、湿度、温度、及び動作圧力を含む群から選択される動作パラメータを測定するために、反応器（２）のある領域に結合される、請求項１２に記載の膜電極接合体。
【請求項１５】
集積回路が、複数のセンサから選択される２つのセンサの組合せを、前記少なくとも２つのセンサ間の差動モードで監視するように構成される、請求項１２〜１４のいずれかに記載の膜電極接合体。
【請求項１６】
少なくとも２つのセンサが、膜の同一面に配置される、請求項１５に記載の膜電極接合体。
【請求項１７】
２つのセンサの一方が、膜の片面に配置され、前記２つのセンサの他方が、前記膜の反対面に配置される、請求項１５に記載の膜電極接合体。
【請求項１８】
請求項１に記載の複数の膜電極接合体のスタックと、燃料電池スタック通信バスとを備え、各集積回路（１０、１０１、１０２、１０３、１０４）が、前記燃料電池スタック通信バス（２００）に結合される通信ポートを有する、燃料電池スタック（５００）。
【請求項１９】
請求項１８に記載の複数の膜電極接合体のスタックと、燃料電池スタック通信バスとを備え、各集積回路（１０、１０１、１０２、１０３、１０４）が、
近接する集積回路の検出、
前記スタックの全寸法の推定、
その後の前記燃料電池スタックにおける前記集積回路の相対位置の認識、及び
前記燃料電池スタックにおける前記位置に関する前記集積回路のバスアドレスの割当て
を実施するように構成される、燃料電池スタック（５００）。
【請求項２０】
請求項１８又は１９に記載の燃料電池スタックと、制御システムとを備え、前記制御システムが、前記燃料電池スタックの動作を制御するように構成され、前記制御システムが、燃料電池スタック通信バスに結合される通信ポートを備える、発電システム。
【請求項２１】
センサの１又は２以上が、センサの１又は２以上からの測定値によって規定された有害な動作状態を検出した場合に、１又は２以上の膜電極接合体に対する損傷を防止するように、制御システムが能動的な「反射」制御を行うように構成される、請求項２０に記載の発電システム。
【請求項２２】
センサの１又は２以上が、センサの１又は２以上からの測定値によって規定された動作状態からの逸脱を検出した場合に、電池内で、又は両電極上で特定の動作状態、すなわち温度、湿度、又はシステムのアノード若しくはカソード上のガスの濃度若しくは圧力を維持するように、制御システムが能動的な「反射」制御を行うように構成される、請求項２０又は２１に記載の発電システム。
【請求項２３】
１又は２以上の膜電極接合体の集積回路が、動作をオフセットするために、前記それぞれの集積回路に結合されたセンサの１又は２以上に沿って、それぞれの燃料電池の活性領域の方に、又はそこから小電流を送るように構成される、請求項２１に記載の発電システム。
【請求項２４】
１又は２以上の膜電極接合体の集積回路が、動作中、又は中間の特性決定中に、及びシステムの始動又は停止シーケンス中に、ＭＥＡの境界上にある導電経路の１又は２以上に沿って大量の電流を送って前記システムに熱を導入し、したがってスタックを熱的に制御する手段として機能するように構成される、請求項２０に記載の発電システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、膜電極接合体に関する。さらに、本発明は、複数のかかる膜電極接合体を備える燃料電池スタックに関する。また、本発明は、発電システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池システムは、電解質の存在下での燃料と酸化剤との制御された反応に基づいて、電気エネルギーを供給するものである。燃料電池では、カソード電極とアノード電極とが、膜を備える電解質によって互いに分離されている。制御された反応には、２つの部分反応が含まれ、一方の部分反応（還元反応）はアノード電極で生じ、他方の部分反応（酸化反応）はカソード電極で生じる。アノード電極は、燃料を収容した１つの反応器空間（アノード空間）内に配置され、カソードは、酸化剤を収容した別の反応器空間（カソード空間）内に配置される。電解質又は膜は、燃料を収容したアノード空間を、酸化剤を収容したカソード空間から分離し、イオンがこれらの反応器空間の間で通る一方向経路をもたらすように働く。イオンが膜を介して進む方向は、生じている特定の部分反応に依存する。
【０００３】
燃料電池では、アノード電極及びカソード電極、並びに膜は通常、膜電極接合体（ＭＥＡ，Membrane Electrode Assembly）として示される単一の構造体内に配置される。燃料電池の特定の用途は、燃料及び酸化剤として、どのガス又は化学物質が燃料電池に供給されるかによって厳密に決まることになり、例えばそれぞれ水素、及び酸素又は空気がある。しかし、記載の燃料電池の概念は逆にも作用し、その場合、電流を燃料電池に供給すると、水が電気分解され、又は水素が電気化学的に圧縮されることになる。本発明は、ＭＥＡ構造体を利用するあらゆる用途に関する。
【０００４】
従来技術による燃料電池によって、市場での実現可能性が実証されてきたが、こうした燃料電池は「制御されない」状態に陥り、その結果、最終的には動作しなくなることがある。こうした状態には、システム障害、周辺機器（Balance-of-Plant）の異常、「仕様にない（off-specification）」動作状態、又は単なる「ユーザによる」誤用が含まれる。
【０００５】
燃料不足、水の蓄積、ホットスポットなど、燃料電池内で、局所レベルで生じた有害事象は正確に検出することができず、手遅れになるまで検出されずにいると、破壊的な影響を及ぼすことがある。特にＭＥＡがより大型であり、ガス流が（準化学量論的に）低く、供給されるガス流の相対湿度が低い場合、局所的な動作状態において、また膜電極接合体の活性領域全体にわたる電流密度の分布にばらつきが存在し得ることが知られている。
【０００６】
局所的に極端な状態は、対策が講じられないとＭＥＡの早期故障に至る恐れがある。
【０００７】
こうした問題を克服するための一傾向として、ＭＥＡがいかなる有害事象をとにかく切り抜けられるように、耐久性のより高い材料を用いてより堅牢なＭＥＡを設計することがある。
【０００８】
これまでに顕著な技術的進歩が達成されてはいるものの、最も有望な解決策は、非常に費用がかかるように思われ（例えば、白金をより多く使用する）、したがって経済的実現可能性を達成することが困難となり得る。また、耐久性の高い材料が燃料電池に応用されても、燃料電池は、動作中の「制御されない」状態、又は「誤用」には依然として脆弱なままである。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
本発明の目的は、従来技術の欠点の１又は２以上を克服することである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記目的は、カソード空間とアノード空間との間のイオン透過性膜から構築された燃料電池反応器を備え、この膜が、カソード空間及びアノード空間の領域の外側まで延在する膜延在領域を備え、担持層が、この膜延在領域に取り付けられ、その膜延在領域を支持し、この担持層に、集積回路が燃料電池反応器に近接して（adjacent to the fuel cell reactor）配置される、膜電極接合体によって達成される。
【００１１】
有利には、本発明によって、燃料電池が単一セルとして動作しているかどうかにかかわらず、又はスタックとして組み合わされている場合、活性（反応器）領域の鍵となる位置における、ＭＥＡの健全性状態に関する正確な実時間データを得ることが可能となり、また、システム全体、又はその一部が、スイッチオフ、又は待機モードにあるときに、要求に応じて情報の読出しを行うことが可能となる。
【００１２】
本発明の一態様によれば、膜電極接合体が、膜延在領域に取り付けられ、その膜延在領域を支持するさらなる担持層を備え、膜延在領域が、担持層の一部分と、さらなる担持層の一部分との間に挟み込まれることになる、上述の膜電極接合体が提供される。
【００１３】
有利には、上記によって、より堅牢なＭＥＡの構成が得られ、かつ膜の利用が節減され、したがって費用削減が実現される。
【００１４】
本発明の一態様によれば、集積回路が、電子信号用、及び外部デバイスとのデータ通信用の少なくとも１つの通信ポート（communications port）を備える、上述の膜電極接合体が提供される。
【００１５】
本発明の一態様によれば、集積回路が、膜電極接合体の上面及び下面のそれぞれに上側コネクタ及び下側コネクタを備え、１つの膜電極接合体上にある集積回路の上側コネクタが、そのＭＥＡの頂部担持層にあるコネクタと結合され、集積回路の下側コネクタが、そのＭＥＡの底部担持層と結合されるようにそれぞれ構成される、上述の膜電極接合体が提供される。
【００１６】
有利には、こうした結合によって、ＭＥＡ上のある鍵となる位置にある少なくとも１つのセンサと、集積回路との間の恒久的な電気接続が実現され、それによって燃料電池スタック内でデータを内部的に読み取り、解釈し、通信することができ、ＭＥＡ間でいかなる外部配線も必要でなくなる。
【００１７】
本発明の一態様によれば、集積回路が、膜電極接合体の上面及び下面のそれぞれに上側コネクタ及び下側コネクタを備え、１つの膜電極接合体上にある集積回路の上側コネクタが、少なくとも１つの通信ポートを、直接隣り合う膜電極接合体（directly adjacent membrane electrode assembly）の集積回路の下側コネクタと結合させ、またその逆も同様となるように構成される、上述の膜電極接合体が提供される。
【００１８】
本発明の一態様によれば、担持層が、上面及び下面のそれぞれに集積回路の通信ポートに結合される上側コネクタ及び下側コネクタを備え、１つの担持層にある上側コネクタが、直接隣り合う膜電極接合体の担持層にある下側コネクタと結合され、またその逆も同様となるように構成される、上述の膜電極接合体が提供される。
【００１９】
本発明の一態様によれば、集積回路が、担持層の１又は２以上の表面にある複数の導電線を介して反応器の諸領域に結合され、それぞれの領域における１又は２以上の動作パラメータを感知するための１又は２以上のセンサに接続される、上述の膜電極接合体が提供される。
【００２０】
有利には、集積回路をＭＥＡ上で局所的に配置し、反応器領域に取り付けられたセンサに結合させることによって、センサデータを局所的に監視し、処理することが可能となる。このようにすると、関連するデータだけを、外部計算デバイス、例えばサーバ／コンピュータに送信すればよくなる。
【００２１】
本発明の一態様によれば、集積回路が、その機能を変更するように、１又は２以上のセンサの配線を内部的に再構成するための制御可能な切替えユニットを備える、上述の膜電極接合体が提供される。
【００２２】
有利には、この特徴によって、燃料電池（スタック）を解体し、組み立て直すことなく、センサ及び監視システムの機能を変更することが可能となる。
【００２３】
本発明の一態様によれば、担持層が、紙若しくは不織様の材料、又はポリマー層若しくはフィルムからなる、上述の膜電極接合体が提供される。
【００２４】
本発明の一態様によれば、担持層が、燃料電池反応器の領域内にガスを封止するガスケット層を備える、上述の膜電極接合体が提供される。
【００２５】
本発明の一態様によれば、担持層が、ポリイミド、ポリエステルポリエーテル、ポリスルフィド、ポリアクリレート、ポリアルカン、及びエラストマー／ゴムを含む群から選択される材料を含む、上述の膜電極接合体が提供される。
【００２６】
本発明の一態様によれば、１又は２以上のセンサが、電圧センサ、電流センサ、導電率センサ、湿度センサ、誘電センサ、化学センサ、温度センサ、圧力センサ、ｐＨセンサ、及びホールセンサを含むセンサの群の１又は２以上から選択される、上述の膜電極接合体が提供される。
【００２７】
本発明の一態様によれば、センサが、燃料電池反応器への燃料の入力レベル、燃料電池反応器への酸素の入力レベル、燃料電池反応器からの燃料の出力レベル、及び燃料電池反応器からの酸素の出力レベルを測定するように構成される、上述の膜電極接合体が提供される。
【００２８】
本発明の一態様によれば、センサが、電圧、生成電流、触媒被毒剤の濃度、導電率、イオン導電率、湿度、温度、及び動作圧力を含むセンサの群から選択される動作パラメータを測定するために、燃料電池反応器のある領域に結合される、上述の膜電極接合体が提供される。
【００２９】
本発明の一態様によれば、集積回路が、センサの群から選択される２つのセンサの組合せを、前記２つのセンサ間の差動モードで監視するように構成される、上述の膜電極接合体が提供される。
【００３０】
本発明の一態様によれば、２つのセンサが、膜の同一面に配置される、上述の膜電極接合体が提供される。
【００３１】
本発明の一態様によれば、２つのセンサの一方が、膜の片面に配置され、２つのセンサの他方が、膜の反対面に配置される、上述の膜電極接合体が提供される。
【００３２】
本発明はさらに、上述の複数の膜電極接合体のスタックと、燃料電池スタック通信バス（communications bus）とを備え、各集積回路が、燃料電池スタック通信バスに結合される通信ポートを有する、燃料電池スタックに関する。
【００３３】
本発明の一態様によれば、上述の複数の膜電極接合体のスタックと、燃料電池スタック通信バスとを備え、各集積回路が、−  近接する集積回路の検出、−  スタックの全寸法の推定、−  その後の燃料電池スタックにおけるその集積回路の相対位置の識別、及び−  燃料電池スタックにおけるその位置に関する集積回路のバスアドレスの割当てを実施するように構成される、上述の燃料電池スタックが提供される。
【００３４】
有利には、本発明によって、集積回路が、燃料電池スタックにおけるＭＥＡの位置を認識することになるという意味で、集積回路を自己配置型とすることが可能となる。その結果、この集積回路は、燃料電池スタックにおける位置に依存してＭＥＡの反応器領域を監視するように配置することができる。この特徴によって、スタック内の個々の燃料電池それぞれの「インテリジェントな」制御が可能となる。
【００３５】
本発明はまた、上述の燃料電池スタックと、制御システムとを備え、この制御システムが、燃料電池スタックの動作を制御するように構成され、この制御システムが、燃料電池スタック通信バスに結合される通信ポートを備える、発電システムに関する。
【００３６】
本発明の一態様によれば、センサの１又は２以上が、センサの１又は２以上からの測定値によって規定された有害な動作状態を検出した場合に、１又は２以上の膜電極接合体に対する損傷を防止するように、制御システムが能動的な「反射」制御を行うように構成される、上述の発電システムが提供される。
【００３７】
本発明の一態様によれば、センサの１又は２以上が、センサの１又は２以上からの測定値によって規定された動作状態からの逸脱を検出した場合に、電池内で、又は両電極上で特定の動作状態、すなわち温度、湿度、又はシステムのアノード若しくはカソード上のガスの濃度若しくは圧力を維持するように、制御システムが能動的な「反射」制御を行うように構成される、上述の発電システムが提供される。
【００３８】
本発明の一態様によれば、１又は２以上の膜電極接合体の集積回路が、その動作をオフセットするために、それぞれの集積回路に結合されたセンサの１又は２以上に沿って、前記集積回路に関連付けられたそれぞれの燃料電池の活性領域の方に、又はそこから小電流を送るように構成される、上述の発電システムが提供される。
【００３９】
本発明の一態様によれば、１又は２以上の膜電極接合体の集積回路が、動作中、又は中間の特性決定中に、及びシステムの始動又は停止シーケンス中に、ＭＥＡの境界にある導電経路の１又は２以上に沿って大量の電流を送ってシステムに熱を導入し、したがってスタックを熱的に制御する手段として機能するように構成される、上述の発電システムが提供される。このようにすると、温度を便宜的に制御することができる。
【００４０】
本発明の他の特徴、用途、及び利点が、本発明の以下の実施形態の説明から明白となるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００４１】
本発明の例示的な実施形態を示すいくつかの図面を参照しながら、本発明について以下でより詳細に説明する。これらの図面は、専ら例示の目的で示すものにすぎず、本発明の概念を限定するものではなく、本発明の概念は、特許請求の範囲によって規定されるものである。
以下の図では、同じ参照番号は、各図において類似の、又は同一の構成要素を指す。
【図１ａ】本発明の一実施形態による膜電極接合体の上面図である。
【図１ｂ】図１ａの膜電極接合体の線ｂ−ｂに沿った断面図である。
【図１ｃ】図１ａの膜電極接合体の代替構成の断面図である。
【図２】本発明の膜電極接合体に従った回路を示す概略図である。
【図３】本発明による複数の膜電極接合体の配置を示す概略図である。
【図４】監視デバイス／制御器に接続された燃料電池スタックを示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００４２】
図１ａには、本発明の一実施形態による膜電極接合体（ＭＥＡ）１の上面図が示されている。
【００４３】
膜電極接合体１は、カソード空間（図示せず）とアノード空間（図示せず）との間のイオン透過性界面として機能する膜（図示せず）から構築された反応器２を備える。
【００４４】
この膜は、燃料電池反応器２の活性領域の外側まで延在する膜延在領域を備える。
【００４５】
この膜延在領域には担持層３が取り付けられ、又は積層されており、この担持層３が膜延在領域を支持している。担持層３は、膜電極接合体２に近接した領域に、集積回路１０を備える。
【００４６】
集積回路１０は、担持層３の表面にある複数の導電線１２、１４を介して複数のセンサ１６、１８、２０、２２に接続され、これらのセンサは、膜電極接合体内の燃料電池反応器領域２の諸領域に結合され、それぞれの領域において１又は２以上の動作パラメータを感知するものであり、これについて以下でより詳細に説明する。
【００４７】
単一の反応器２上に多数のセンサを配置することによって、より多くの動作パラメータ、又はある動作パラメータの空間分解能を監視することができるようになる。
【００４８】
集積回路１０は、通信バス（図示せず）に連結され、外部制御器又は外部処理ユニットに連結され、また、電源などの他の外部リソースに連結される。外部制御器は、典型的には燃料電池反応器２の動作を制御するように構成される。
【００４９】
通信バスについて、図４を参照しながらさらに詳細に説明する。
【００５０】
燃料電池ハードウェアは、ガス状反応体が、それぞれのガス供給部から、反応器領域のアノード空間又はカソード空間のいずれかに入るガス拡散層（ＧＤＬ，Gas Diffusion Layer）を備える。さらに、ＧＤＬ付近に、又はＧＤＬ内に１又は２以上のセンサを配置することができる。当業者には理解されるように、各ガス供給部は、ガス流をＧＤＬの全領域にわたって分散させる流れ場プレート（溝パターンを備えたプレート）を備えることができる。流れ場プレートによって、新たな反応体がＧＤＬの背面のどこに当たるか、さらにこれらの反応体がＧＤＬの残りの表面領域全体にわたってどのように分散されるかが決まる。通常、ガスは、反応器の端部から、封止ガスケットの下にある空間を介して出入りする。
【００５１】
図１ａには、カソード空間及びアノード空間内にある、作用剤及び反応体の入口４と出口６とがそれぞれ概略的に示されている。
【００５２】
導電線１２、１４は、担持層３の少なくとも上面に配置されるが、担持層３の下面に配置することもできる。代替構成では、担持層３は、２以上の層のスタックである多層構造体からなり、その場合、導電線１２、１４は、より良好に保護されるようにスタックの少なくとも２つの層間に閉じ込められる。
【００５３】
反応器／膜電極接合体の動作状態に耐え、かつ膜材料と適合性が得られるように、一実施形態では、担持層３は、紙若しくは不織タイプの材料、又はポリイミド（例えばKapton）、若しくはポリエステル（例えばＰＥＴ、ＰＥＮ）、若しくはポリエーテル（例えばＰＥＩ、ＰＥＥＫ）、若しくはポリスルフィド（例えばＰＰＳ）、若しくはポリアクリレート（例えばＰＡＮ）、若しくはポリアルカン（例えばＰＥ、ＰＰ）などポリマー材料からなる。担持層の材料は、製造及び動作状態を通して化学的に耐性があり、寸法が安定したものとすべきである。
【００５４】
複数の導電線１２、１４は、金属、炭素ベース、又は導電性のポリマー線を、印刷、スパッタリング、（（無）電解）蒸着などの工程を用いて担持層３の表面（複数可）に付着させることによって、又は予め堆積させたフィルムから構造体をエッチングすることによって形成することができる。
【００５５】
図１ｂは、図１ａの膜電極接合体１の線ｂ−ｂに沿った断面図を示す。
【００５６】
図１ｂでは、先の図で示した番号と同じ参照番号が付された実体物は、対応する実体物を指す。
【００５７】
この断面図では、反応器２が概略的に示されている。
【００５８】
反応器２は、膜３０、第１の電極２７、及び第２の電極２８を備える。
【００５９】
第１の電極２７は、膜３０の片面で支持され、使用中、第１の電極２７で生じる部分反応の構成要素である作用剤及び反応体を収容する第１の電極空間２６で囲まれる。
【００６０】
同様に、第２の電極２８は、膜３０の反対面で支持され、使用中、第２の電極２８で生じる他方の部分反応の構成要素である作用剤及び反応体を収容する第２の電極空間２９で囲まれる。
【００６１】
第１及び第２の電極空間の領域の外側にある膜延在領域は、担持層３に取り付けられている。担持層３は、膜材料の費用を節約し、第２には、同じＭＥＡにある両担持層フィルム間を直接接触させることができるようにしようとして、膜３０よりもさらに外側の境界領域まで延在させることができる。
【００６２】
図１ｂに示すように、担持層３の膜３０への取付けには、熱融着（ラミネーション）、又は架橋、又は機械圧力法を用いて、或いは粘着付与剤、感圧接着剤（ＰＳＡ，pressure sensitive adhesive）、若しくは膠剤を添加することによって行うことができる。
【００６３】
担持層３の一部分上に、集積回路１０が配置されている。集積回路の接続部１０Ａが、第２の電極空間２８内で、膜３０に接して配置されたセンサ１６に接続されている様子が示されている。さらに、集積回路１０の接続部１０Ｂが、第１の電極空間内に配置されたセンサ２４に接続されている様子が示されている。
【００６４】
図１ｃに示す代替構成では、膜３０は、片面が担持層３によって囲まれ、反対面がさらなる担持層３ａによって囲まれている（「サンドイッチ構成」）。
【００６５】
本発明は、有利には、膜電極接合体上／中に１又は２以上のセンサを精確に配設しやすくすることが可能な導電線のレイアウトを設けた担持層を用いることによって実現される。また、担持層上の導電線を使用することによって、これらのセンサ用の（外部）配線の量が低減する。
【００６６】
さらに、集積回路１０を反応器２と直接隣接して付着させることによって、反応器の動作を局所的に監視することが可能となる。集積回路は、センサによって測定された反応器２からの信号を監視するように構成することができる。（対向する）センサの組合せからの信号読取り値を局所レベルで（縦続で）処理して、ＭＥＡの健全性状態の包括的な画像を構築することができ、したがって「無意味な」（すなわち未処理の）データがシステム通信バスに大量に伝送されることを回避することができる。
【００６７】
こうした監視には、所定値との比較、又はデータの所定の傾向、又はデータの別の関係が含まれ得る。かかる所定値は、集積回路１０のメモリ領域内に記憶させることができる。これらの所定値によって、ＭＥＡの「正常」動作と「異常」動作とが区別されることになり、こうした所定値は、選択する（システム）動作モード及び対象となる用途、並びに固有の性能特性を備えた膜電極接合体の設計に従って変えることができる。
【００６８】
一実施形態では、集積回路１０は、所定値を特定の燃料電池用途に適合させることができるようにプログラムすることができる。
【００６９】
監視又は比較に基づいて、集積回路は、データを局所的に扱うことができ、又は誤動作若しくは非最適動作の場合には、外部システム（図示せず）に信号を供給することができる。上記について、図４を参照しながら以下でより詳細に説明する。
【００７０】
本発明による膜電極接合体では、有利には、反応器２の各鍵となる位置において、膜電極接合体の「健全性状態」に関する、個々の膜電極接合体ごとの実時間データを得ることが可能となる。特定の膜電極接合体について局所的に測定することによって、反応器の不安定性を、その膜電極接合体上のある位置に帰属させることができる。特に、始動時及び停止時などの過渡状態中、この特徴によって、有益な診断データを得ることができる。
【００７１】
図２は、本発明の膜電極接合体の一実施形態に従った回路を概略的に示す。
【００７２】
膜電極接合体１の担持層３上に配置された集積回路１０を様々なセンサ１６、１８、２０、２２、２４、及び２６に結合させて、膜電極接合体の動作状態を監視することができる。
【００７３】
センサはそれぞれ、例えば電位センサ、電流センサ、導電率センサ、湿度センサ、化学センサ、温度センサ、圧力センサ、ｐＨセンサ、及び（局所的な電流密度を測定する）ホールセンサを含む群から選択されるセンサに基づいた局所モニタを含む群の１又は２以上から選択することができる。他の種類のセンサも同様に使用できることが当業者には理解されよう。センサの位置及び配置は、センサが反応器領域２内の局所環境に触れるようなものであり、電極又は膜に隣接させることができるが、必ずしも電極又は膜に接続されている必要はない。一方、従来技術による燃料電池システム内の「電圧監視ボード」は、電極全体の平均電圧を読み取る傾向があることに留意されたい。
【００７４】
図２に示す実施形態では、センサは、例えば、センサ１６で燃料電池への（水素を含む）燃料の入力レベルを測定し、センサ１８で酸素の入力レベルを測定し、センサ２０で燃料電池からの燃料の出力レベルを測定し、センサ２２で酸素の出力を測定するように構成されている。いくつかの追加のセンサ２４、２６を燃料電池２に結合させて、これらの燃料及び酸素レベルについて、対応する反応器領域の途中で測定することもできる。これらのセンサは、多機能性のものとすることができ、生成電流、温度、動作圧力などの動作パラメータをさらに測定することができる。
【００７５】
一実施形態では、センサを異なる形でアドレッシングすることによって、多数の動作パラメータを測定するようにセンサを再構成することができ、すなわちこの実施形態では、集積回路１０には、要求を受けると、例えば電流を継続して流す、電位を印加する、電圧を読み取るために利用することが可能な機能にセンサの接続を内部的に配線し直すことができる「切替え」能力（制御可能な切替えユニット）がそのハードウェアに埋め込まれている。この制御可能な切替えユニットは、クロック信号によって自動的に、又は集積回路の処理ユニットによって必要とされるときに、起動させることができる。本明細書では、制御可能な切替えユニットを適用することによって、比較的単純なセンサ構成からより多くの情報を取り出すことが可能となる。
【００７６】
その監視機能に加えて、集積回路１０は、ＭＥＡに対する損傷を防止するために能動的な「反射」制御を行うように構成する（又は方法を実施するようにプログラムする）ことができる。例えば、センサの１又は２以上からの測定値によって規定された特定の状況における（開路電圧）動作状態をオフセットするために、この集積回路は、燃料電池の活性領域の方に、又はそこから小電流を送ることができ、上記状態はあらゆるケースにおいて有害とみなされるものである。したがって、外部システムに通知され、代替又は追加の対策を取るための選択肢が提示される間にも、予防的手段が講じられることになる。迅速かつ適切な応答によって、ＭＥＡ自体の寿命が増大する可能性が得られる。能動的な「反射」制御を用いると、センサ１６、１８、２０、２２、２４、又は２６の１又は２以上が、センサの１又は２以上からの測定値によって規定された動作状態からの逸脱を検出した場合に、電池２内で、又は両電極上で特定の動作状態、すなわち温度、湿度、又はシステムのアノード若しくはカソード上のガスの濃度若しくは圧力を維持することができる。
【００７７】
センサ、入力及び出力、並びに集積回路１０の各位置は、本明細書では単に概略的に示すものにすぎないことに留意されたい。いくつかの実施形態では、センサ、入力及び出力、並びに集積回路の実際の位置は異なることがある。
【００７８】
図３は、本発明による複数の膜電極接合体１、１’、１”を有する燃料電池スタックの構成を概略的に示す。
【００７９】
燃料電池スタックでは、複数の膜電極接合体１、１’、１”は、各膜電極接合体１にある集積回路１０が、他の膜電極接合体にある集積回路に、垂線２００によって示される燃料電池スタック通信バス２００を介して接続される形で、互いに積層されている。
【００８０】
一実施形態では、各集積回路は、膜電極接合体の上面及び下面のそれぞれに上側コネクタ及び下側コネクタを備え、１つの膜電極接合体にある集積回路の上側コネクタが、燃料電池スタック内で直接上に隣り合う膜電極接合体の集積回路の下側コネクタと結合されるように構成されている。１つの膜電極接合体にある集積回路の下側コネクタは、燃料電池スタック内で直接下に隣り合う膜電極接合体の集積回路の上側コネクタと結合されるように構成されている。このようにすると、燃料電池スタック内で隣り合う燃料電池の集積回路間を直接結合させることができる。
【００８１】
代替実施形態では、担持層３は、担持層にある集積回路の通信ポートに結合される上側コネクタ及び下側コネクタを備え、１つの担持層にある上側コネクタは、燃料電池スタック内で直接上に隣り合う膜電極接合体の担持層にある下側コネクタと結合されるように構成されている。１つの担持層にある下側コネクタは、燃料電池スタック内で直接下に隣り合う膜電極接合体の担持層にある上側コネクタと結合されるように構成されている。
【００８２】
有利には、燃料電池とそれらのそれぞれの集積回路とを燃料電池スタック内で結合させることによって、個々の燃料電池を燃料電池スタックの外側で外部的に配線する必要がなくなる。
【００８３】
他の態様では、燃料電池の積層は、従来技術による燃料電池スタックと同様となることが当業者には理解されよう。個々の燃料電池への／からの作用剤及び反応体の送達及び除去、電力の出力などは、従来技術と同様となる。
【００８４】
図４は、膜電極接合体の集積回路を監視デバイス／制御器に結合させる概略図を示す。
【００８５】
燃料電池スタック５００は、集積回路が配置された膜電極接合体１をそれぞれが備える複数の燃料電池を備える。各集積回路１０、１０１、１０２、１０３、１０４は、燃料電池スタック通信バス２００に結合される通信ポートを有する。さらに、燃料電池スタック通信バス２００は、外部制御器５０の通信ポートに結合される。
【００８６】
一実施形態では、燃料スタック通信バス２００は、各膜電極接合体にある集積回路を、燃料電池スタック内で直接隣り合う膜電極接合体にある集積回路に連結するリンクによって実施され、こうした連結は、結合させる集積回路のそれぞれのインターフェイス（interfaces）同士の接続によって、又は結合させる集積回路を保持するそれぞれの担持層にあるコネクタ同士の接続によって行われる。
【００８７】
燃料電池スタック通信バス２００は、考えられ得るいかなる種類のものでもよく、例えば制御器領域ネットワーク（ＣＡＮ，Controller Area Network）バスでよい。外部制御器５０は、燃料電池スタックの監視及び／又は制御が可能な、考えられ得るいかなる種類のものでもよい。
【００８８】
一実施形態では、外部制御器５０は、燃料電池スタック内の１又は２以上の個々の反応器から選択されたカソード電極空間又はアノード電極空間に作用剤及び反応体を入力するのを制御するインターフェイス５１、５２を備えることができる。
【００８９】
上述のように、各膜電極接合体の集積回路１０は、センサによって測定された膜電極接合体からの信号を監視するように配置される。集積回路１０は、測定された信号に関するデータを局所的に扱い、誤動作又は非最適動作など、外部制御による行為が必要となる動作事象の場合にのみ、燃料電池の動作に関連するメッセージ信号を外部システム５０に供給するようにさらに構成される。
【００９０】
有利には、燃料電池のデータを局所的に処理し、必須の動作事象のみを通信することによって、本発明では、通信バス、及び外部制御器が扱うべきデータ信号を低減させている。その結果、外部制御器による燃料電池スタックの実時間監視及び／又は制御がより効率的になる。
【００９１】
また、１又は２以上の膜電極接合体１、１’、１”の集積回路１０は、スタックを熱的に制御するために、動作中、又は中間の特性決定中に、かつシステムの始動又は停止シーケンス中に、ＭＥＡの境界にある導電経路の１又は２以上に沿って比較的大きい電流を送ってシステムに熱を供給するように構成することができる。
【００９２】
本発明はまた、燃料スタック通信バスが燃料電池スタック内の各膜電極接合体の集積回路に結合された上述の燃料電池スタックと、制御システムとを備え、この制御システムが、燃料電池スタックの動作を制御するように構成され、この制御システムが、燃料電池スタック通信バスに結合される通信ポートを備える、発電システムに関する。
【００９３】
本発明は、本発明の膜電極接合体を備えた燃料電池反応器構成、並びにレドックスフローバッテリ構成に関することが当業者には理解されよう。上述の膜電極接合体の設計及び構成はまた、レドックスフローバッテリ構成にも採用することができる。
【００９４】
好ましい実施形態を参照しながら、本発明について説明してきた。上述の詳細な説明を読み、理解すれば、明白な改変形態、及び変形形態が想起されよう。本発明は、添付の特許請求の範囲内に含まれる限り、かかる改変形態及び変形形態も全て含むものとして解釈すべきものとする。
【図１ａ−ｂ】
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【図１ｃ】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【国際調査報告】
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