(57)【要約】【課題】本発明は、発電下におけるセパレータの腐食により生じる酸化電流を測定し、耐食性を評価することを目的とする。【解決手段】燃料電池１０は、膜電極接合体３０と、前記膜電極接合体に隣接して配置されるセパレータ２００と、前記セパレータが酸化されることにより生じる酸化電流を前記燃料電池の電気化学反応により生じる発電電流と分離する酸化電流分離手段と、前記酸化電流を測定する電流測定手段４００とを備える。酸化電流分離手段は、例えば、前記セパレータ２００の一部を分離セパレータ部２００ａとして前記セパレータの他の部分２００ｂから電気的に分離するシール部材２３０と、前記分離セパレータ２００ａ部と前記膜電極接合体３０との間に設けられる透水性絶縁膜２４０とを備える。【選択図】  図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池であって、
膜電極接合体と、
前記膜電極接合体に隣接して配置されるセパレータと、
前記セパレータが酸化されることにより生じる酸化電流を前記燃料電池の電気化学反応により生じる発電電流と分離する酸化電流分離手段と、
前記酸化電流を測定する電流測定手段と、
を備える、燃料電池。
【請求項２】
請求項１に記載の燃料電池において、
前記酸化電流分離手段は、
前記セパレータの一部を分離セパレータ部として前記セパレータの他の部分から電気的に分離するシール部材と、
前記分離セパレータ部と前記膜電極接合体との間に設けられる透水性絶縁膜と、
を備える、燃料電池。
【請求項３】
請求項１または請求項２に記載の燃料電池において、
前記電流測定手段は、無抵抗電流計である、燃料電池。
【請求項４】
請求項１に記載の燃料電池において、
前記酸化電流分離手段は、
シール部材であって、前記セパレータを貫通して前記膜電極接合体に接し電位と電流が測定される第１の電極を前記セパレータと電気的に分離するシール部材と、
透水性絶縁膜であって、前記第１の電極と前記膜電極接合体との接触部、及び、前記セパレータを貫通して前記膜電極接合体に接する、第１の電極とは異なる第２の電極であって基準電位を発生する第２の電極と前記膜電極接合体との接触部に設けられる透水性絶縁膜と、
を備える、燃料電池。
【請求項５】
請求項４に記載の燃料電池において、
前記電流測定手段は、測定電極用端子が前記第１の電極に接続され、参照電極用端子が前記第２の電極に接続され、対極電極用端子が前記セパレータに接続される分極測定装置である、燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池に関するものであり、特に燃料電池のセパレータの腐食により生じる酸化電流の測定に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池の膜電極接合体に使われる電解質膜には、一般的にプロトンを伝導させるため、例えばスルホン酸基を含む強酸性の電解質膜が用いられる。したがって、セパレータの材料として金属材料を用いた場合、金属は酸により腐食するため、セパレータの耐食性を評価する必要がある。従来の燃料電池において、セパレータをセルに組み付ける前の耐食性については、分極抵抗法、ガルバニックカップル法、電位差計測法、定電位法の評価方法により評価できることが知られている（特許文献１）。
【０００３】
【特許文献１】特開２００４−３１２５６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
燃料電池を運転し発電を行っている状況下（以下、「発電下」という。）では、例えば、セパレータの電位により、セパレータの腐食速度が変わる恐れがある。しかし、セパレータの腐食により生じる酸化電流は、燃料電池の電気化学反応による発電により生じる発電電流よりも小さいため、セパレータをセルに組み付けた後、発電下におけるセパレータの耐食性を評価することは難しかった。
【０００５】
本発明は、上記課題の少なくとも一部を解決し、発電下における腐食によるセパレータの酸化電流を測定し耐食性を評価することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記課題を解決するために、本発明に係る燃料電池は、膜電極接合体と、前記膜電極接合体に隣接して配置されるセパレータと、前記セパレータが酸化されることにより生じる酸化電流を前記燃料電池の電気化学反応により生じる発電電流と分離する酸化電流分離手段と、前記酸化電流を測定する電流測定手段とを備える。本発明に係る燃料電池によれば、酸化電流分離手段によりセパレータの腐食により生じる酸化電流を燃料電池の電気化学反応により生じる発電電流から分離できるので、発電下でもセパレータの腐食速度、耐食性を評価できる。
【０００７】
本発明に係る燃料電池において、前記酸化電流分離手段は、前記セパレータの一部を分離セパレータ部として前記セパレータの他の部分から電気的に分離するシール部材と、前記分離セパレータ部と前記膜電極接合体との間に設けられる透水性絶縁膜とを備える。本発明に係る燃料電池によれば、シール部材と透水性絶縁膜により、燃料電池の発電により生じた電子の分離セパレータ部への移動が抑制される。一方、分離セパレータ部から移動する電子は、腐食により生じる電子である。したがって、燃料電池の発電下でも、分離セパレータ部から移動する電子の量、すなわち分離セパレータ部への酸化電流を測定すれば、腐食速度を評価することができる。
【０００８】
本発明に係る燃料電池において、前記電流測定手段は、無抵抗電流計である。本発明の係る燃料電池によれば、無抵抗電流計を使用することにより、分離セパレータ部とセパレータの他の部分の電位を同じにできる。分離セパレータ部とセパレータの他の部分の腐食速度は同じになるので、分離セパレータ部の腐食速度を求めれば、セパレータ全体の腐食速度を求めることができる。
【０００９】
本発明に係る燃料電池において、前記酸化電流分離手段は、シール部材であって、前記セパレータを貫通して前記膜電極接合体に接し電位と電流が測定される第１の電極を前記セパレータと電気的に分離するシール部材と、透水性絶縁膜であって、前記第１の電極と前記膜電極接合体との接触部、及び、前記セパレータを貫通して前記膜電極接合体に接する、第１の電極とは異なる第２の電極であって基準電位を発生する第２の電極と前記膜電極接合体との接触部に設けられる透水性絶縁膜とを備える。本発明に係る燃料電池によれば、シール部材と透水性絶縁膜により、燃料電池の発電により生じた電子の第１の電極への移動が抑制される。よって、第１の電極に流れる電流は、第１の電極の腐食により生じる電子による酸化電流である。さらに、基準電位を発生する第２の電極を備えているので、第１の電極と第２の電極の電位差も同時に測定できる。したがって、より正確に腐食速度を求めることができる。
【００１０】
本発明に係る燃料電池において、前記電流測定手段は、測定電極用端子が前記第１の電極に接続され、参照電極用端子が前記第２の電極に接続され、対極電極用端子が前記セパレータに接続される分極測定装置である。本発明に係る燃料電池によれば、例えば、ポテンショスタットのような分極測定装置を備えているので、第１の電極と第２の電極との間に所定の電位差を与え、第１の電極に流れる電流を測定できるので、正確かつ容易に酸化電流、腐食速度を求めることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
本発明の第１の実施例について、図面を用いて説明する。第１の実施例に係る燃料電池の概要について、図１を用いて説明する。図１は、本発明の第１の実施例に係る燃料電池１０の外観を模式的に示す斜視図である。燃料電池１０は、複数の単セル１００が積層されて構成される。本実施例では、燃料電池１０は、図１に示す単セル１００において上方側（ｚ軸プラス側）に酸化ガスを供給するための酸化ガス供給マニホールド１０２、単セル１００の下方側（ｚ軸マイナス側）に未反応の酸化ガスを排出するための酸化ガス排出マニホールド１０４、単セル１００の左方側（ｘ軸マイナス側）に燃料ガスを供給するための燃料ガス供給マニホールド１０６と燃料電池１０を冷却するための冷却水を供給する冷却水供給マニホールド１１０、単セル１００の右方側（ｘ軸プラス側）に未反応の燃料ガスを排出するための燃料ガス排出マニホールド１０８と冷却水を排出するための冷却水排出マニホールド１１２を備える。これらのマニホールド１０２〜１１２は、燃料電池１０の内部を積層方向（ｙ軸方向）に貫通する。
【００１２】
図２を用いて、第１の実施例に係る燃料電池１０の単セル１００の構造について説明する。図２は、本実施例に係る燃料電池１０の単セル１００の断面を模式的に示す説明図である。単セル１００は、膜電極接合部３０と、膜電極接合部３０を挟持するセパレータ部２０とを備える。
【００１３】
膜電極接合部３０は、電解質膜３００と、電解質膜３００を挟持するカソード側の触媒層３１０及びアノード側の触媒層３２０とを備える。電解質膜３００として、固体高分子材料、例えば、パーフルオロカーボンスルホン酸ポリマなどのフッ素系樹脂からなるプロトン伝導性のイオン交換膜が用いられる。触媒層３１０、３２０として、電気化学反応を促進する触媒、例えば、白金触媒、あるいは白金と他の金属とからなる白金合金触媒を担持した触媒層が用いられる。ここで、電解質膜３００及び触媒層３１０、３２０は、例えば、水素イオン（プロトン）が移動、透過できるように、保水層となっている。
【００１４】
セパレータ部２０は、金属製のカソード側セパレータ２００と金属製のアノード側セパレータ２１０とを備える。カソード側セパレータ２００は、分離セパレータ部２００ａとカソード側セパレータ主部２００ｂから構成される。分離セパレータ部２００ａは、カソード側セパレータ２００から切り取った一部であり、カソード側セパレータ主部２００ｂは、カソード側セパレータ２００から分離セパレータ部２００ａを除いた残部である。分離セパレータ部２００ａとカソード側セパレータ主部２００ｂとの間には、絶縁性のシール部材２３０が備えられている。シール部材２３０は、分離セパレータ部２００ａとカソード側セパレータ主部２００ｂとの間を絶縁し、分離セパレータ部２００ａとカソード側セパレータ主部２００ｂとの間から酸化ガスあるいは水が漏れないようにシールするために用いられる。
【００１５】
分離セパレータ部２００ａとカソード側の触媒層３１０の間には、透水性絶縁膜２４０が備えられる。透水性絶縁膜２４０は、水素イオンのような水溶性のイオンは透過させることができるが、電子は透過させない膜である。したがって、電子は、カソード側セパレータ２００からカソード側の触媒層３１０に移動することができるが、分離セパレータ部２００ａからカソード側の触媒層３１０に移動することができない。透水性絶縁膜２４０として、本実施例では、例えば、紙を使用している。なお、透水性絶縁膜２４０として、例えば、親水処理を施した多孔質樹脂フィルムを用いてもよい。
【００１６】
カソード側セパレータ２００とカソード側の触媒層３１０の間には酸化ガス流路２０５が形成される。酸化ガス流路２０５は、図１に示す酸化ガス供給マニホールド１０２と酸化ガス排出マニホールド１０４に接続される。アノード側セパレータ２１０とアノード側の触媒層３２０の間には燃料ガス流路２１５が形成される。燃料ガス流路２１５は、図１に示す燃料ガス供給マニホールド１０６と燃料ガス排出マニホールド１０８に接続される。
【００１７】
分離セパレータ部２００ａとカソード側セパレータ主部２００ｂの間には、無抵抗電流計４００が接続される。第１の実施例では、無抵抗電流計４００は燃料電池の外部に配置される。また、カソード側セパレータ２００とアノード側セパレータ２１０の間には、負荷４１０が接続される。負荷４１０とは、燃料電池で発電した電力を利用して動作する装置である。負荷４１０には、例えば、モータなどが含まれる。
【００１８】
以下、本実施例の燃料電池１０における酸化電流の測定について説明する。まず、燃料電池１０の発電時における電気の流れについて説明する。燃料電池のアノード側の触媒層３２０では、
【００１９】
Ｈ2  →  ２Ｈ+  ＋  ２ｅ-         （１）
【００２０】
に示す酸化反応が起こり、カソード側の触媒層３１０では、
【００２１】
１／２Ｏ2  ＋  ２Ｈ+  ＋  ２ｅ-  →  Ｈ2Ｏ   （２）
【００２２】
に示す還元反応が起こる。（１）式の酸化反応によりアノード側の触媒層３２０で発生した水素イオンは、電解質膜３００を透過してカソード側の触媒層３１０に移動して、上記（２）式の還元反応を起こす。一方、アノード極で発生した電子は、アノード側セパレータ２１０、負荷４１０を通りカソード側セパレータ２００に移動し、さらにカソード側の触媒層３１０に移動して上記（２）式の還元反応を起こす。
【００２３】
腐食反応は、金属の酸化反応、すなわち電気化学反応であり、腐食する金属をＭとすると、腐食反応は、一般的に、
【００２４】
Ｍ  →  Ｍn+  ＋  ｎｅ-           （３）
【００２５】
で示される。したがって、（３）式の腐食反応で発生する電子がセパレータから移動することによる電流、すなわちセパレータに流れ込む酸化電流を測定すれば、腐食速度を測定することができる。
【００２６】
（３）式の腐食反応で発生する電子はセパレータ部２０で発生し、酸化電流を生じさせる。一方、発電下で（１）式の酸化反応により発生する電子は、発電電流を生じさせる。発電電流は、セパレータ部２０を通り、かつ、（３）式の腐食反応で発生する電子による酸化電流よりも非常に大きいため、セパレータ部２０を流れる電流を測定しても、（３）式の腐食反応で発生する電子による酸化電流は測定できない。したがって、（３）式の腐食反応で生じる酸化電流を測定するためには、（３）式の腐食反応により発生する電子による酸化電流を、（１）式の酸化反応により発生する電子による発電電流から分離しなければならない。
【００２７】
第１の実施例では、シール部材２３０により、分離セパレータ部２００ａを、カソード側セパレータ主部２００ｂから絶縁している。また、分離セパレータ部２００ａとカソード側の触媒層３１０の間には、水溶性のイオンを通すが、電子を通さない透水性絶縁膜２４０を設けている。したがって、（１）式の酸化反応で生じた電子は、分離セパレータ部２００ａには移動せず、カソード側の触媒層３１０に移動し、（２）式に示す還元反応を起こす。すなわち、（１）式の酸化反応により生じた電子による発電電流は、分離セパレータ部２００ａを流れない。
【００２８】
一方、（３）式に示す腐食反応により分離セパレータ部２００ａが腐食して分離セパレータ部２００ａに電子が生じると、腐食反応により生じた電子は、分離セパレータ部２００ａから移動する。このとき分離セパレータ部２００ａとカソード側の触媒層３１０の間には、電子を通さない透水性絶縁膜２４０が設けられているため、腐食反応により生じた電子は、カソード側の触媒層３１０には移動できず、カソード側セパレータ主部２００ｂにしか移動できない。すなわち、腐食反応により生じた電子による酸化電流は、カソード側セパレータ主部２００ｂから分離セパレータ部２００ａに流れる。
【００２９】
以上のことから、シール部材２３０と透水性絶縁膜２４０とを備えることにより、分離セパレータ部２００ａにおいて、（３）式の腐食反応により生じた電子を（１）式により生じる電子から分離できる。すなわち、（３）式の腐食反応による酸化電流を（１）式の酸化反応による発電電流から分離できる。
【００３０】
したがって、分離セパレータ部２００ａとカソード側セパレータ主部２００ｂの間に、例えば、無抵抗電流計４００を備え、無抵抗電流計４００を流れる電流を測定することにより、分離セパレータ部２００ａの腐食により発生する電子による酸化電流を測定することができる。酸化電流の大きさは、腐食速度に比例するので、酸化電流の大きさがわかれば、分離セパレータ部の腐食速度を求めることができる。また、腐食量は、腐食速度を積分することにより求めることができる。
【００３１】
第１の実施例において、酸化電流を無抵抗電流計４００で測定しているので、分離セパレータ部２００ａとカソード側セパレータ主部の間には電位差が生じず、分離セパレータ部２００ａとカソード側セパレータ主部の腐食速度は同じになる。したがって、無抵抗電流計４００を用いることにより、カソード側セパレータ主部２００ｂあるいはカソード側セパレータ２００全体の腐食速度を容易に見積もることができる。
【００３２】
以上説明したように、第１の実施例によれば、シール部材２３０と透水性絶縁膜２４０により、燃料電池の発電下でも、カソード側の分離セパレータ部２００ａの腐食反応による酸化電流を測定することができる。その結果、発電下でも、燃料電池のセパレータの腐食速度を評価することができる。なお、第１の実施例では、分離セパレータ部２００ａとカソード側セパレータ主部２００ｂの間に流れる電流を測定するのに、無抵抗電流計４００を用いたが、通常の電流計で測定することは可能である。
【００３３】
第１の実施例によれば、発電下でも酸化電流を容易に測定できるので、例えば、測定した酸化電流の値が所定の値以上に大きくなった場合、あるいは、酸化電流から求めた腐食速度の積分値が一定の値を超えた場合には、その旨を警告し、あるいは、燃料ガスを止めて発電を抑制するなどの制御を実行することができる。
【００３４】
図３を用いて、本発明の第２の実施例について説明する。図３は、第２の実施例の構成を示す説明図である。第１の実施例と共通するところは説明を省略し、異なる点について説明する。
【００３５】
第２の実施例では、カソード側セパレータ２００に、基準電位を定めるための基準電極２７０と基準電位と所定の電位差を与えて電流を測定する測定電極２５０とが貫通している。測定電極２５０は、カソード側セパレータ２００と同じ材質の電極である。測定電極２５０とカソード側セパレータ２００の間には、シール部材２６０が設けられ、測定電極２５０とカソード側セパレータ２００の間を絶縁している。基準電極２７０として、例えば、標準水素電極（ＳＨＥ）、飽和カロメロ電極（飽和かんこう電極）、銀／塩化銀電極を用いることができる。ただし、標準水素電極は水素分圧の調整が難しく、飽和カロメロ電極では水銀を用いるため、銀／塩化銀電極を用いるのが好ましい。
【００３６】
測定電極２５０の先端部はカソード側の触媒層３１０に接し、基準電極２７０の先端部はカソード側の触媒層３１０に接する。測定電極２５０とカソード側の触媒層３１０との接触部及び基準電極２７０とカソード側の触媒層３１０との接触部には、透水性絶縁膜２４０が備えられ、電子の移動を抑制する。
【００３７】
燃料電池１０の外部には、電位分極測定装置であるポテンショスタット４２０が設けられている。ポテンショスタット４２０を用いることにより、例えば、測定電極用端子ＷＥに参照電極用端子ＲＥと所定の電位差を与え、測定電極用端子ＷＥに流れる電流を測定することができる。第２の実施例では、ポテンショスタット４２０の測定電極用端子ＷＥには測定電極２５０が接続され、参照電極用端子ＲＥには基準電極２７０が接続され、対極電極用端子ＣＥにはカソード側セパレータ２００が接続される。
【００３８】
ポテンショスタット４２０による測定は、測定電極２５０と基準電極２７０との間の電位差を変化させながら、測定電極２５０に流れる電流を測定することにより行う。与えた電位差と測定した電流とから、測定電極２５０の分極抵抗Ｒを求める。腐食速度は分極抵抗の逆数１／Ｒに比例するので、分極抵抗Ｒがわかれば腐食速度を容易に測定することができる。なお、腐食量は、腐食速度を積分すれば、求めることができる。
【００３９】
第２の実施例によれば、測定電極２５０はシール部材２６０と透水性絶縁膜２４０によりカソード側セパレータ２００と絶縁されるので、測定電極２５０に燃料電池の発電により生じる電流が流入することはない。さらに、基準電極２７０と測定電極２５０を用いることにより、測定電極２５０の電位と電流を同時に測定することができる。その結果、第１の実施例と比較して、より正確に腐食速度を求めることができる。なお、ポテンショスタット４２０を使用しなくても、例えば、電流計で測定電極２５０に流れる電流を測定し、電圧計で基準電極２７０に対する測定電極２５０の電位を測定しても、酸化電流、腐食速度を求めることができるが、ポテンショスタット４２０を用いることにより、測定電極２５０と基準電極２７０の間に所定の電位差を与えることができるので、容易に酸化電流、腐食速度を求めることができる。
【００４０】
第２の実施例によれば、発電下でも酸化電流を容易に測定できるので、例えば、測定した酸化電流の値が所定の値以上に大きくなった場合に、あるいは、酸化電流の積分値が一定の値を超えた場合には、その旨を警告し、あるいは、燃料ガスを止めて発電を抑制するなどの制御を実行することができる。
【００４１】
以上、第１の実施例、第２の実施例では、カソード側セパレータの腐食による酸化電流の測定について説明したが、アノード側セパレータの腐食による酸化電流の測定についても、例えば、シール部材と絶縁性透水膜を備えることにより、腐食反応に基づく酸化電流を分離して測定することができるのはいうまでもない。
【００４２】
以上、いくつかの実施例に基づいて本発明の実施の形態について説明してきたが、上記した発明の実施の形態は、本発明の理解を容易にするためのものであり、本発明を限定するものではない。本発明は、その趣旨並びに特許請求の範囲を逸脱することなく、変更、改良され得るとともに、本発明にはその等価物が含まれることはもちろんである。
【図面の簡単な説明】
【００４３】
【図１】本発明の第１の実施例に係る燃料電池１０の外観を模式的に示す斜視図。
【図２】本実施例に係る燃料電池１０の単セル１００の断面を模式的に示す説明図。
【図３】第２の実施例の構成を示す説明図。
【符号の説明】
【００４４】
１０…燃料電池
２０…セパレータ部
３０…膜電極接合部
１００…単セル
１０２…酸化ガス供給マニホールド
１０４…酸化ガス排出マニホールド
１０６…燃料ガス供給マニホールド
１０８…燃料ガス排出マニホールド
１１０…冷却水供給マニホールド
１１２…冷却水排出マニホールド
２００…カソード側セパレータ
２００ａ…分離セパレータ部
２００ｂ…カソード側セパレータ主部
２０５…酸化ガス流路
２１０…アノード側セパレータ
２１５…燃料ガス流路
２３０…シール部材
２４０…透水性絶縁膜
２５０…測定電極
２６０…シール部材
２７０…基準電極
３００…電解質膜
３１０…触媒層
３２０…触媒層
４００…無抵抗電流計
４１０…負荷
４２０…ポテンショスタット
ＷＥ…測定電極用端子
ＲＥ…参照電極用端子
ＣＥ…対極電極用端子
【図１】
2008103133.tif 000003
【図２】
2008103133.tif 000004
【図３】
2008103133.tif 000005