(57)【要約】【課題】ガス漏れの発生を引き起こすことなく燃料電池に備えられた電解質膜の状態を測定可能とする。【解決手段】ガラス板７０を、ガラス板差し込み用の孔部４４ｈ，４５ｈと、シール部材７２，７４と、セパレータ４４，４５の間の外周部に設けた接着剤４６とにより、シール性を確保した状態で単セル４０の側面４０ａに配設する。ラマン分光装置に使用されるプローブ６４を、プローブ位置決め用のガイド部８０，８２により、ガラス板７０の単セル４０とは反対側に配設して、プローブ６４による被検出部である電解質膜４１に対する光の授受をガラス板７０を介して行なう構成とする。【選択図】図３
2008123943.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電解質膜と、前記電解質膜に積層された電極と、を有する単セルを備える燃料電池と、
前記電解質膜または電極を被検出部として、プローブから前記被検出部に光の授受を行なうことにより前記被検出部の状態を検出するラマン分光装置と、
を備える燃料電池システムにおいて、
前記ラマン分光装置により授受される光に対して透過性を有する材質で形成されたガス遮蔽部材を、シール性を確保した状態で前記単セルの側面側に配設し、
前記プローブによる前記被検出部に対する光の授受を、前記ガス遮蔽部材を介して行なうこと、
を特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
請求項１に記載の燃料電池システムであって、
前記燃料電池は、
前記単セルを、セパレータを介在させて複数積層したスタック構造を有し、
前記ガス遮蔽部材は、
前記隣接するセパレータに設けられたガイド部によって位置決め固定された構成である、
燃料電池システム。
【請求項３】
請求項１または２に記載の燃料電池システムであって、
前記ガス遮蔽部材は、石英ガラス製のものである、
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、ラマン分光装置を用いた燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、燃料電池用電解質膜をラマン分光装置で測定する技術が提案されている（特許文献１参照）。ラマン分光装置はラマンスペクトルを測定する装置であり、そのラマンスペクトルから燃料電池用電解質膜の劣化の状態を判定することができる。
【０００３】
【特許文献１】特開２００２−２１６７９３号公報
【０００４】
上記特許文献１は燃料電池用電解質膜を単体で測定するものであるが、完成した燃料電池において電解質膜の状態を測定することも必要である。この場合には、燃料電池の単セルの側面にラマン分光装置のプローブを挿入することになるが、燃料ガスや酸素ガスがその挿入部から外部に漏れ出す虞があった。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明は、上述した従来の課題を解決するためになされたものであり、ガス漏れの発生を引き起こすことなく燃料電池に備えられた電解質膜の状態を測定可能とすることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記目的を達成するために、本発明の燃料電池システムは、電解質膜と、前記電解質膜に積層された電極と、を有する単セルを備える燃料電池と、前記電解質膜または電極を被検出部として、プローブから前記被検出部に光の授受を行なうことにより前記被検出部の状態を検出するラマン分光装置と、を備える燃料電池システムにおいて、前記ラマン分光装置により授受される光に対して透過性を有する材質で形成されたガス遮蔽部材を、シール性を確保した状態で前記単セルの側面側に配設し、前記プローブによる前記被検出部に対する光の授受を、前記ガス遮蔽部材を介して行なうこと、を特徴としている。
【０００７】
上記構成の燃料電池システムによれば、プローブによる被検出部に対する光の授受をガス遮蔽部材を介して行なうことから、プローブを単セルの側面に対して離間して配置することができる。このため、プローブが単セルの側面に挿入されることがないので、単セルで使用される燃料ガスや酸化ガスが外部に漏れ出すことを防止することができる。したがって、ガス漏れの発生を引き起こすことなく、ラマン分光装置による電解質膜または電極の状態検出を行なうことができる。
【０００８】
前記燃料電池は、前記単セルを、セパレータを介在させて複数積層したスタック構造を有し、前記ガス遮蔽部材は、前記隣接するセパレータに設けられたガイド部によって位置決め固定された構成としてもよい。この構成によれば、ラマン分光装置による状態検出の部位を電解質膜または電極に容易に定めることができる。
【０００９】
前記ガス遮蔽部材は、石英ガラス製のものとしてもよい。この構成によれば、ガス遮蔽部材として透明なものを容易に得ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
次に、本発明の実施の形態を実施例に基づいて以下の順序で説明する。
Ａ．燃料電池スタックの構成：
Ｂ．プローブの装着の構成：
Ｃ．作用・効果：
Ｄ．他の実施形態：
【００１１】
Ａ．燃料電池スタックの構成：
図１は、本発明の一実施例である燃料電池システムの構成の概略を示す説明図である。図示するように、この実施例の燃料電池システム１０は、水素を含有する燃料ガスを供給する燃料ガス供給装置１２と、酸素を含有する酸化ガス（例えば、空気）を供給する酸化ガス供給装置１４と、燃料ガスと酸化ガスの供給を受けて発電する燃料電池スタック３０と、燃料電池スタック３０の運転をコントロールする電子制御装置５０と、燃料電池スタック３０の状態を検出するラマン分光装置６０と、を備える。
【００１２】
燃料ガス供給装置１２と燃料電池スタック３０との間は、燃料ガス供給管１６により接続されており、酸化ガス供給装置１４と燃料電池スタック３０との間は、酸化ガス供給管１８により接続されている。
【００１３】
燃料ガス供給装置１２は、水素を含有する燃料ガスを供給する装置であり、例えば、メタノールやメタンなどの炭化水素系の燃料を改質して水素リッチな燃料ガスを供給する改質器としてもよく、水素を含有する燃料ガスを貯蔵する燃料ガス貯蔵タンクとしてもよい。酸化ガス供給装置１４は、酸素を含有する酸化ガスを供給する装置であり、単に空気を供給するエアポンプとしてもよく、空気以外の酸化ガスを貯蔵する酸化ガス貯蔵タンクとしてもよい。なお、燃料ガス供給装置１２および酸化ガス供給装置１４は、信号ラインで電子制御装置５０に接続されており、電子制御装置５０によって燃料ガスの供給量や酸化ガスの供給量が制御されるようになっている。
【００１４】
燃料電池スタック３０は、固体高分子電解質型の燃料電池であり、単セルを複数積層したスタック構造を有している。
【００１５】
図２は、燃料電池スタック３０を構成する単セル４０とセパレータ４４，４５を示す断面図である。単セル４０は、電解質膜４１と、アノード４２およびカソード４３とから構成されている。アノード４２およびカソード４３は、電解質膜４１を両側から挟んでサンドイッチ構造を成すガス拡散電極である。セパレータ４４，４５は、このサンドイッチ構造をさらに両側から挟みつつ、アノード４２およびカソード４３との間に、燃料ガスおよび酸化ガスの流路を形成する。アノード４２とセパレータ４４との間には燃料ガス流路４４Ｐが形成されており、カソード４３とセパレータ４５との間には酸化ガス流路４５Ｐが形成されている。
【００１６】
セパレータ４４，４５は、図２ではそれぞれ片面にのみ流路を形成しているが、実際にはその両面にリブが形成されており、片面はアノード４２との間で燃料ガス流路４４Ｐを形成し、他面は隣接する単セルが備えるカソード４３との間で酸化ガス流路４５Ｐを形成する。このように、セパレータ４４，４５は、ガス拡散電極との間でガス流路を形成するとともに、隣接する単セル４８間で燃料ガスと酸化ガスの流れを分離する役割を果たしている。もとより、単セル４８とセパレータ４４，４５を積層してスタック構造を形成する際、スタック構造の両端に位置する２枚のセパレータは、ガス拡散電極と接する片面にだけリブを形成することができる。
【００１７】
電解質膜４１は、固体高分子材料、例えばフッ素系樹脂により形成されたプロトン伝導性のイオン交換膜であり、湿潤状態で良好な電気伝導性を示す。本実施例では、ナフィオン膜（デュポン社製）を使用した。電解質膜４１の表面には、触媒としての白金または白金と他の金属からなる合金が塗布されている。アノード４２およびカソード４３は、共に炭素繊維からなる糸で織成したカーボンクロスにより形成されている。セパレータ４４，４５は、ガス不透過の導電性部材、例えば、カーボンを圧縮してガス不透過とした緻密質カーボンにより形成されている。
【００１８】
実際に燃料電池スタック３０として組み立てるときには、セパレータ４４、アノード４２、電解質膜４１、カソード４３、セパレータ４５の順序で構成される単位を複数組積層し（本実施例では１００組）、その両端に緻密質カーボンや銅板などにより形成される集電板を配置することによって、スタック構造を構成する。なお、アノード４２、電解質膜４１、カソード４３から構成される単セル４０の側面４０ａ、すなわち積層方向に平行な面には接着剤４６が設けられており、単セル４０をセパレータ４４，４５で挟み込んだときにセパレータ４４，４５の間の外周部を接着剤４６によって封止する構成となっている。接着剤４６は、例えば、エポキシ変性シリコーン系樹脂、エチレンプロピレンジエンゴム（ＥＰＤＭ）、エポキシ樹脂、酢酸ビニル樹脂等である。この構成により、アノード４２の側面から燃料ガスが、カソード４３の側面から酸化ガスがそれぞれリークすることを防止することができる。なお、接着剤４６に換えて、ガスケット等のシール材とすることもできる。
【００１９】
図１に示すように、電子制御装置５０は、ＣＰＵ５２を中心として構成されたワンチップマイクロプロセッサとして構成されており、処理用のコンピュータプログラムを記憶したＲＯＭ５４と、一時的にデータを記憶するＲＡＭ５６と、入出力ポート（図示せず）とを備える。この電子制御装置５０には、図示しない電圧センサや流量センサや温度センサなどの出力およびラマン分光装置６０の出力が入力ポートを介して入力される。また、電子制御装置５０からは、燃料ガス供給装置１２や酸化ガス供給装置１４への駆動信号などが出力ポートを介して出力される。
【００２０】
ラマン分光装置６０は、反射光を分光し、照射光の波数から一定波数だけずれた波数のスペクトルを観察して、被検出部の構成原子特有の格子振動等の情報を得るラマン分光分析法を実現する装置である。ラマン分光装置６０では、光源（図示せず）から出た光をチョッパ（図示せず）、カプラ（図示せず）を経て光ファイバ６２に導いている。光ファイバ６２の先端には、被検出部に対して光の授受を行なうプローブ（いわゆる探針）６４が設けられており、各プローブ６４は、燃料電池スタック３０の各単セルに装着されている。
【００２１】
プローブ６４から出射した光は、各単セルの被検出部の表面に照射され、反射を受ける。被検出部は、この実施例では単セル４０の有する電解質膜４１である。被検出部の表面からの反射光は、光ファイバ６２に導入され、ラマン分光装置６０内に送られる。なお、光ファイバ６２は、実際は入射光を導く経路と反射光を導く経路の２経路によって構成されており、別経路にて入射光と反射光を導く。ラマン分光装置６０では、光ファイバ６２により送られてきた反射光を分光器（図示せず）で受ける。分光器によって得られる反射光のスペクトルを得るために、コントローラ（図示せず）により波長駆動しながら、光電子倍増管（図示せず）によって増幅する。
【００２２】
光電子倍増管によって得られた信号は、ラマン分光装置６０の出力として電子制御装置５０に送られる。ラマン分光装置６０の出力は、物質の同定が可能な情報であることから、その出力を受けた電子制御装置５０は、その出力に基づいて被検出部である電解質膜４１の劣化の程度を判定する処理を行なう。詳細には、実験によって得られた劣化時の出力が電子制御装置５０のＲＯＭ５４に予め記憶されており、この実験によって得られた劣化時の出力と上記実測のラマン分光装置６０の出力とを比較することで、電解質膜４１が劣化しているか否かを判定する。なお、実験によって得られた劣化時の出力は劣化の程度によって複数用意するようにすれば、電解質膜４１の劣化の程度を段階的に判定することも可能である。
【００２３】
Ｂ．プローブの装着の構成：
図３は、単セル４０に対するプローブ６４の装着の様子を示す断面図である。図４は、プローブ６４の装着の様子をアノード４２側のセパレータ４４を省略して示す部分斜視図である。図３は、図４におけるＡ−Ａ線破断面を表わしたものである。なお、先に説明した図２は、図４における破断面、すなわちＢ−Ｂ線破断面を表したものである。なお、燃料電池スタック３０は積層方向が水平方向となる横置きであるものとする。
【００２４】
前述したように、セパレータ４４，４５の間の外周部は接着剤４６によって封止されているが、これに対して、図４に示すように、この全周のうちの一箇所だけ接着剤４６が無い部分が存在し、この無い部分にガラス板７０が配設されている。ガラス板７０は、直方体形状で比較的厚さの薄い平板であり、石英ガラス製のものである。ここでは、特に透明な石英ガラスが用いられている。セパレータ４４，４５の積層方向に垂直な面にガラス板差し込み用の孔部４４ｈ，４５ｈがそれぞれ設けられており、ガラス板７０の対向する１対の側面７０ｃ，７０ｄが孔部４４ｈ，４５ｈにそれぞれ差し込まれている。これにより、隣り合うセパレータ４４，４５の間の空間に、ガラス板７０が上下面７０ａ，７０ｂを上下方向に向けて橋渡しされている。
【００２５】
上記のように配設されたガラス板７０の直下には、単セル４０のサンドイッチ構造が位置する。単セルの上側の側面４０ａが、ガラス板７０の下面７０ｂと近接している。両者の間は微小な距離だけ離間している。なお、離間している構成に換えて、両者の間を接触する構成としてもよい。また、離間する距離は必ずしも微小でなくてもよい。すなわち、ガラス板７０は、単セルの側面４０ａの側に配設されていればよく、接触、非接触を問わない。
【００２６】
なお、ガラス板差し込み用の孔部４４ｈ，４５ｈの内側にはシール部材７２，７４が設けられており、ガラス板７０の差し込み部分のシール性が高められている。シール部材７２，７４の材質は、例えば、エポキシ変性シリコーン樹脂、エチレンプロピレンジエンゴム等である。また、ガラス板７０の上記孔部４４ｈ，４５ｈに差し込まれていない側の一対の側面７０ｅには、上述した接着剤４６，すなわちセパレータ４４，４５の間の外周部に設けた接着剤４６が接着されている。シール部材７２，７４および接着剤４６により、ガラス板７０はシール性を確保した状態でセパレータ４４，４５の間に配設されることになる。なお、シール部材７２，７４についても接着剤に換える構成としてもよい。
【００２７】
セパレータ４４，４５における孔部４４ｈ，４５ｈの上方には、プローブ位置決め用のガイド部８０，８２が突出している。ガイド部８０，８２は、立方体形状の板材であり、セパレータ４４，４５を組み立てたときに互いに当接する。図４には、この当接した状態が示されている。ガイド部８０，８２の当接する側の面には、半円形状の切欠部が形成されており、両ガイド部８０，８２が当接されたときにその切欠部は孔部８４を形成する。この孔部８４は、プローブ６４の装着のためのものである。
【００２８】
プローブ６４は、基部６４ａと挿入部６４ｂとによって構成される。基部６４ａには、入射光を導く経路６２ａと反射光を導く経路６２ｂとを有する光ファイバ６２が接続されている。挿入部６４ｂは、円柱形の棒状のもので、上記孔部８４に挿入されている。挿入部６４ｂの先端は、ガラス板７０の上面７０ａから所定の距離だけ上方に離間した位置となっている。ガイド部８０，８２の孔部８４の位置によって、プローブ６４の挿入部６４ｂの図中の左右方向の位置が定まり、これにより、挿入部６４ｂからの光の照射位置および反射位置が電解質膜４１となるように定められている。
【００２９】
なお、ガイド部８０，８２の下方には、プローブ６４の挿入部６４ｂが挿入された状態でシール部材８６が接着剤等により付着されている。シール部材８６の材質は、例えば、エポキシ変性シリコ−ン樹脂、エチレンプロピレンジエンゴム等である。なお、シール部材８６を接着剤に換えることもできる。
【００３０】
上述してきたプローブ６４の装着の構成によって、プローブ６４から電解質膜４１に対してガラス板７０を介して光の授受を行なうことができる。したがって、ラマン分光装置６０により電解質膜４１の劣化の程度を検出することができる。
【００３１】
Ｃ．作用・効果：
以上説明したように、本実施例の燃料電池システム１０によれば、ガラス板７０は、ガラス板差し込み用の孔部４４ｈ，４５ｈとシール部材７２，７４とセパレータ４４，４５の間の外周部に設けた接着剤４６とにより、シール性を確保した状態で単セル４０の側面４０ａの側に配設され、ラマン分光装置６０に使用されるプローブ６４は、プローブ位置決め用のガイド部８０，８２により、ガラス板７０の単セル４０とは反対側に配設されている。すなわち、プローブ６４による電解質膜４１に対する光の授受は、シール性を確保した状態で配設されたガラス板７０を介して行なっている。このため、プローブ６４は単セル４０の側面４０ａに対して離間して配置することができ、プローブ６４は単セル４０の側面４０ａに挿入されることがない。したがって、単セル４０の側面４０ａから燃料ガスや酸化ガスがリークすることを防止しつつ、ラマン分光装置６０による電解質膜４１の状態検出を行なうことができる。
【００３２】
Ｄ．他の実施形態：
なお、この発明は上記の実施例に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の態様において実施することが可能であり、例えば次のような変形も可能である。
【００３３】
（１）上記実施例では、ガス遮蔽部材として石英ガラス製のガラス板７０を用いていたが、これに換えて、アクリル樹脂、全フッ素光学樹脂等の樹脂製としてもよい。また、石英ガラスは透明なものとしたが、必ずしも完全に透明である必要もなく半透明なガラス製としてもよい。また、半透明な樹脂製としてもよい。
【００３４】
（２）上記実施例では、プローブ６４の位置決めが容易となるようにガイド部８０，８２を設けているが、これに換えて、ガイド部８０，８２を無くしてプローブ６４をシール部材８６だけで固定された構成としてもよい。また、ガイド部８０，８２は、上記実施例の形状に限る必要はなく、プローブを位置決め固定できるものであればどのような形状とすることもできる。さらに、ガイド部８０，８２は、必ずしもセパレータ４４，４５に設ける必要はなく、燃料電池スタックのシャーシ等に設ける構成としてもよい。
【００３５】
（３）上記実施例では、燃料電池スタック３０は積層方向が水平方向となる横置きとして、上側の方向からプローブ６４が挿入される構成としていたが、これに換えて、横方向からプローブが挿入される構成としてもよい。また、燃料電池スタック３０は縦置きとしてもよく、この場合には、横方向からプローブが挿入される。すなわち、燃料電池スタック３０の載置の方向は横方向でも縦方向でもよく、要は、燃料電池スタックの積層方向に対して垂直な方向からプローブが挿入される構成とすればよい。
【００３６】
（４）上記実施例では、プローブ６４は、投光系と受光系とを一つの部材に詰めた一体型のものであるが、これに換えて、投光系と受光系とが分かれた別体型のものとしてもよい。
【００３７】
（５）上記実施例では、電解質膜４１の状態を検出する構成としていたが、これに換えて、電極としてのアノード４２またはカソード４３の状態を検出する構成としてもよい。この場合には、ガイド部８０，８２によるプローブ６４の位置決めの位置は、被検出部をアノード４２またはカソード４３とする位置とすればよい。
【００３８】
（６）上記実施例では、セパレータに燃料ガスおよび酸化ガスの流路が形成されるタイプの燃料電池であったが、このタイプの燃料電池に限る必要はなく、セパレータを平板にして、セパレータと電極との間に孔質体層を設けることで、燃料ガスおよび酸化ガスの流路を形成するタイプの燃料電池としてもよい。
【００３９】
（７）また、上記実施例とは異なる種類の燃料電池に本発明を適用することとしてもよい。例えば、ダイレクトメタノール型燃料電池に適用することができる。あるいは、固体高分子以外の電解質層を有する燃料電池であってもよく、本発明を適用することで同様の効果が得られる。また、上記実施例では、上述した構造を有する燃料電池スタック１００が利用されているが、他の種々の構造を有する燃料電池スタックが利用されてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００４０】
【図１】本発明の一実施例である燃料電池システムの構成の概略を示す説明図である。
【図２】燃料電池スタック３０を構成する単セル４０とセパレータ４４，４５を示す断面図である。
【図３】単セル４０に対するプローブ６４の装着の様子を示す断面図である。
【図４】プローブ６４の装着の様子をアノード４２側のセパレータ４４を省略して示す部分斜視図である。
【符号の説明】
【００４１】
１０...燃料電池システム
１２...燃料ガス供給装置
１４...酸化ガス供給装置
１６...燃料ガス供給管
１８...酸化ガス供給管
３０...燃料電池スタック
４０...単セル
４０ａ...側面
４１...電解質膜
４２...アノード
４３...カソード
４４...セパレータ
４４Ｐ...燃料ガス流路
４４ｈ...孔部
４５...セパレータ
４５Ｐ...酸化ガス流路
４５ｈ...孔部
４６...接着剤
４８...単セル
５０...電子制御装置
５２...ＣＰＵ
６０...ラマン分光装置
６２...光ファイバ
６４...プローブ
６４ａ...基部
６４ｂ...挿入部
７０...ガラス板
７０ａ...上面
７０ｂ...下面
７０ｃ、７０ｄ、７０ｅ...側面
７２...シール部材
８０...ガイド部
８４...孔部
８６...シール部材
１００...燃料電池スタック
【図１】
2008123943.tif 000003
【図２】
2008123943.tif 000004
【図３】
2008123943.tif 000005
【図４】
2008123943.tif 000006