(57)【要約】【課題】実際の燃料電池の構造を維持したまま、燃料電池の２次元的膜評価を可能とすることである。【解決手段】燃料電池の膜評価装置２０は、燃料電池の単電池１０の一方側のセパレータ７の全体に接触する共通電極体２２と、他方側のセパレータ６の全体を複数に区分した各測定領域に面接触する測定端子３１の集合体である測定端子群３０と、測定端子群３０から検出される電流と電圧とに基づいて、単電池１０の膜特性を評価する評価部６０とを含んで構成される。電流検出素子と、電圧検出素子とは、各測定端子３１ごとに設けられ、評価部６０は、各測定端子３１ごとに膜抵抗を算出し、これらの結果から膜抵抗面内分布評価を行う。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電解質膜の両側に拡散電極層を配置した膜電極構造体をセパレータで挟持して構成される燃料電池の膜評価装置であって、
セパレータの異なる部位に着脱自在に接触し、それぞれの部位における抵抗を測定する複数の測定端子を有することを特徴とする燃料電池の膜評価装置。
【請求項２】
請求項１に記載の燃料電池の膜評価装置において、
一方側のセパレータの全体に接触する共通電極体と、
他方側のセパレータの全体を複数に区分した各測定領域に面接触する複数の測定端子と、
を備え、
各測定端子は、それぞれ、
共通電極体と当該測定端子との間に流れる電流を検出する電流検出素子と、
電流検出素子とは独立に設けられ、当該測定領域の広さより狭い範囲で接触して当該測定領域の電圧を検出する電圧検出素子と、
を有することを特徴とする燃料電池の膜評価装置。
【請求項３】
請求項１又は請求項２に記載の燃料電池の膜評価装置において、
複数の測定端子は、発電中の燃料電池のセパレータに接触し、発電中における膜抵抗の２次元分布に基づき、当該燃料電池の膜状態を評価することを特徴とする燃料電池の膜評価装置。
【請求項４】
請求項２に記載の燃料電池の膜評価装置において、
各測定端子が対応する測定領域に接触する面接触の面積は、各測定端子と対応する測定領域との間の接触抵抗が、評価対象の膜抵抗の５分の１以下となることができる広さに設定されることを特徴とする燃料電池の膜評価装置。
【請求項５】
請求項２に記載の燃料電池の膜評価装置において、
電圧検出素子は、各測定端子にそれぞれ複数個設けられることを特徴とする燃料電池の膜評価装置。
【請求項６】
請求項５に記載の燃料電池の膜評価装置において、
複数の電圧検出素子は、セパレータの流路配置に応じた配置で設けられることを特徴とする燃料電池の膜評価装置。
【請求項７】
電解質膜の両側に拡散電極層を配置した電解質・電極構造体をセパレータで挟持して構成される燃料電池の膜評価のために、セパレータの異なる部位に着脱自在に面接触し、それぞれの部位における抵抗を測定する複数の測定端子を有する燃料電池膜評価装置の製造方法であって、
複数の測定端子を共通の支持部材で支持する工程と、
各測定端子の測定面について、複数の測定面を一体として平面度を揃える平坦化加工を行う工程と、
を含むことを特徴とする燃料電池膜評価装置の製造方法。
【請求項８】
請求項７に記載の燃料電池膜評価装置の製造方法において、
平坦化加工後の各測定端子の測定面について、導電性皮膜処理を施す工程を含むことを特徴とする燃料電池膜評価装置の製造方法。
【請求項９】
電解質膜の両側に拡散電極層を配置した電解質・電極構造体をセパレータで挟持して構成される燃料電池の動作を制御する制御装置であって、
燃料電池の膜抵抗の面内分布に応じて加湿制御又はガス流量制御又は温度制御の少なくとも１つを実行することを特徴とする燃料電池の制御装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池膜評価装置、燃料電池膜評価装置の製造方法及び燃料電池膜評価装置を用いた燃料電池の制御装置に係り、特に、電解質膜の両側に拡散電極層を配置した電解質・電極構造体をセパレータで挟持して構成される燃料電池の膜評価装置、燃料電池膜評価装置の製造方法及び燃料電池膜評価装置を用いた燃料電池の制御装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
電気化学反応による発電方式を用いた燃料電池は、高効率と優れた環境特性を有することから近年脚光を浴びている。その中で、水素イオン導電性のイオン交換膜を電解質とする固体高分子型燃料電池が、常温で起動し、起動時間が速い等の利点を有しており、実用化が進められている。
【０００３】
この固体高分子型燃料電池は、固体高分子電解質膜を、触媒層を介して２枚のガス拡散電極層で挟み、これらを一体として接合して膜電極構造体（Ｍｅｍｂｒａｎｅ  Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ  Ａｓｓｅｍｂｌｙ：ＭＥＡ）とし、これを両側からセパレータで挟持したセルを複数個積層して構成される。このガス拡散層の一方を燃料ガス極あるいは水素極（アノード）としてその表面に燃料ガスである水素を供給し、他方のガス拡散層を酸化ガス極あるいは酸素極（カソード）としてその表面に酸化ガスを供給することによって、電気化学反応を起こし、起電力を得る。そのとき、カソード側に電気化学反応により水が生成される。
【０００４】
この水がカソードに滞留し、あるいは電解質膜を透してアノード側に滞留すると、ガス拡散層等の電極基材の細孔を閉塞し、ガスの拡散を阻害し、燃料電池の出力が低下する。一方で、固体高分子電解質膜の中をプロトン（Ｈ＋）が移動する際は、水を随伴して水和状態で移動するので、アノード等の電極基材が乾きすぎると、随伴する水分子が不足し、固体高分子電解質膜の抵抗が高くなり、燃料電池の出力が低下する。
【０００５】
このように、固体高分子型燃料電池においては、電解質膜を含む膜が適当に濡れていることが必要であるので、その膜状態について、例えば膜抵抗測定あるいは膜インピーダンス測定を行って管理することが行われる。
【０００６】
例えば、特許文献１には、燃料電池システムにおける様々な加湿制御が開示されている。第１実施形態では、固体高分子電解質膜の電気抵抗値と、燃料電池の出力電圧とに基づき、電気抵抗値が高いと固体高分子電解質膜が乾燥気味で、電気抵抗値が低くかつ出力電圧が低いと固体電解質膜がフラッディング気味で濡れすぎの状態にあると判断し、水蒸気発生装置と流量制御弁とを用いて加湿制御を行うことが述べられている。また、加湿の要否の検出には、湿度センサ、電池スタックの電流を測定する電流センサ、燃料ガスの流量センサを用いること等が述べられている。また、加湿方法として、噴射ノズル、超音波ノズル、高速噴流による霧吹き効果、円板回転による霧化、冷却水で加湿、電池反応生成水で加湿、複数スタックの上流側で加湿、ガスを加熱後加湿等が述べられている。
【０００７】
また、特許文献２には、燃料電池内の電圧降下を、１）電気化学反応の活性化エネルギに起因する活性化過電圧の成分、２）燃料電池の内部抵抗に起因する抵抗過電圧、３）水素、酸素の拡散が阻害されることに起因する拡散過電圧に分け、水不足の場合は２）が増加し、水過剰の場合は３）が増加することが述べられている。そして燃料電池の等価回路において、２）の成分をＲ１、３）の成分をＲ２とすると、交流インピーダンス法を用い、周波数が∞のときのインピーダンスの実成分がＲ１となり、周波数が０のときのインピーダンスの実成分がＲ１＋Ｒ２となることが示され、これによってＲ１とＲ２を分離できることが述べられている。
【０００８】
特許文献３には、燃料電池の電極における電流分布を測定するために、基板にマトリックス状に多数の測定セルが配置・実装されることが開示されている。ここで、各測定セルは、互いに直交するように配置された２つの単一指向性磁気センサより構成され、具体的には、直線状の磁性コアにコイルを巻回したものを、互いに直交する方向に配置することが述べられている。
【０００９】
特許文献４には、燃料電池の電極反応分布を測定するために、電解質の両側の一対の電極のさらに両側に設けられ、セパレータに対応する一対の集電体の一方を、互いに絶縁された複数の部分領域に区分し、それぞれについて反応電流と電解質抵抗とを測定することが開示されている。ここでは、各部分領域が集電端子に接続され、各集電端子には抵抗体を介して直流電流、又は交流電流が流され、抵抗体の端子間直流電圧、端子間交流電圧からそれぞれ電流密度と電解質抵抗とが測定されることが述べられている。なお、電解質のイオン伝導度は、電解質抵抗の値の逆数を部分領域の面積で除して求めている。
【００１０】
特許文献５と６には、燃料電池の面内電流密度分布を計測し、その結果に基づいて調整するために、発電セルと、その両側に設けられるターミナルプレートの一方側との間に、電流密度測定装置が設けられることが開示されている。電流密度測定装置は、センサマウントプレートに、複数のポールが設けられ、各ポールに略円筒状のフェライトコアが外装され、フェライトコアに形成されたスリットにホール素子が取り付けられている。特許文献９は、ポールが１列６個配列され、特許文献１０には４列６行の合計２４個が配列されている。
【００１１】
【特許文献１】特開平１１−１６２４９０号公報
【特許文献２】特開２００３−８６２２０号公報
【特許文献３】特開２００５−３４５２４９号公報
【特許文献４】特開２００３−７７５１５号公報
【特許文献５】特開２００４−３５５８４３号公報
【特許文献６】特開２００４−１５２５０１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
上記のように、従来技術において、燃料電池の膜抵抗、膜インピーダンス、電極における電流分布、電極反応分布、電流密度分布等の測定が行われる。燃料電池は水の生成を伴う電池化学反応を利用するものであるから、例えば、ＭＥＡの２次元の面内において膜の濡れ具合が不均一になることが生じえる。上記特許文献３、４、５、６によれば、ＭＥＡにおいて電極電流分布、電極反応分布、電流密度分布等の２次元的測定を行うことができるが、いずれも燃料電池内部の構造を測定に適するように変更することを要し、実際に稼動している燃料電池の状態とは異なる。また、上記特許文献１、２においては、膜の電気抵抗、膜インピーダンスについて、燃料電池セルについて単に測定を行っているのみで、面内分布を考慮していない。
【００１３】
このように、従来技術において、燃料電池の膜評価は、面内均一と仮定し、あるいは実際の燃料電池構造から離れて複雑な内部構造を設けて面内分布を求めている。
【００１４】
本発明の目的は、実際の燃料電池の構造を維持したまま、２次元的膜評価を可能とする燃料電池膜評価装置、燃料電池膜評価装置の製造方法及び燃料電池膜評価装置を用いた燃料電池の制御装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
本発明に係る燃料電池の膜評価装置は、電解質膜の両側に拡散電極層を配置した膜電極構造体をセパレータで挟持して構成される燃料電池の膜評価装置であって、セパレータの異なる部位に着脱自在に接触し、それぞれの部位における抵抗を測定する複数の測定端子を有することを特徴とする。
【００１６】
また、本発明に係る燃料電池の膜評価装置において、一方側のセパレータの全体に接触する共通電極体と、他方側のセパレータの全体を複数に区分した各測定領域に面接触する複数の測定端子と、を備え、各測定端子は、それぞれ、共通電極体と当該測定端子との間に流れる電流を検出する電流検出素子と、電流検出素子とは独立に設けられ、当該測定領域の広さより狭い範囲で接触して当該測定領域の電圧を検出する電圧検出素子と、を有することが好ましい。
【００１７】
また、本発明に係る燃料電池の膜評価装置において、複数の測定端子は、発電中の燃料電池のセパレータに接触し、発電中における膜抵抗の２次元分布に基づき、当該燃料電池の膜状態を評価することが好ましい。
【００１８】
また、本発明に係る燃料電池の膜評価装置において、各測定端子が対応する測定領域に接触する面接触の面積は、各測定端子と対応する測定領域との間の接触抵抗が、評価対象の膜抵抗の５分の１以下となることができる広さに設定されることが好ましい。
【００１９】
また、本発明に係る燃料電池の膜評価装置において、電圧検出素子は、各測定端子にそれぞれ複数個設けられることが好ましい。
【００２０】
また、本発明に係る燃料電池の膜評価装置において、複数の電圧検出素子は、セパレータの流路配置に応じた配置で設けられることが好ましい。
【００２１】
また、本発明に係る燃料電池膜評価装置の製造方法は、電解質膜の両側に拡散電極層を配置した電解質・電極構造体をセパレータで挟持して構成される燃料電池の膜評価のために、セパレータの異なる部位に着脱自在に面接触し、それぞれの部位における抵抗を測定する複数の測定端子を有する燃料電池膜評価装置の製造方法であって、複数の測定端子を共通の支持部材で支持する工程と、各測定端子の測定面について、複数の測定面を一体として平面度を揃える平坦化加工を行う工程と、を含むことを特徴とする。
【００２２】
また、本発明に係る燃料電池膜評価装置の製造方法において、平坦化加工後の各測定端子の測定面について、導電性皮膜処理を施す工程を含むことが好ましい。
【００２３】
また、本発明に係る燃料電池の制御装置は、電解質膜の両側に拡散電極層を配置した電解質・電極構造体をセパレータで挟持して構成される燃料電池の動作を制御する制御装置であって、燃料電池の膜抵抗の面内分布に応じて加湿制御又はガス流量制御又は温度制御の少なくとも１つを実行することを特徴とする。
【発明の効果】
【００２４】
上記構成の少なくとも１つにより、燃料電池の膜評価装置は、燃料電池のセパレータの異なる部位に着脱自在に接触する複数の測定端子を有し、それぞれの部位における抵抗を測定する。したがって、実際の燃料電池の構造を維持したまま、２次元的な膜評価が可能となる。
【００２５】
また、燃料電池の膜評価装置は、一方側のセパレータの全体に接触する共通電極体と、他方側のセパレータの全体を複数に区分した各測定領域に面接触する複数の測定端子との間に流れる電流を検出する電流検出素子と、電流検出素子とは独立に設けられ、当該測定領域の広さより狭い範囲で接触して当該測定領域の電圧を検出する電圧検出素子とを有する。これにより、実際の燃料電池の構造を維持したまま、２次元的な膜抵抗評価が可能となる。
【００２６】
また、複数の測定端子は、発電中の燃料電池のセパレータに接触し、発電中における膜抵抗の２次元分布に基づき、当該燃料電池の膜状態を評価する。これにより、実験的な評価のみならず、実際に稼動中の燃料電池の構造を維持したまま、２次元的な膜抵抗評価が可能となる。
【００２７】
また、各測定端子が対応する測定領域に接触する面接触の面積は、各測定端子と対応する測定領域との間の接触抵抗が、評価対象の膜抵抗の５分の１以下となることができる広さに設定される。したがって、膜抵抗測定における接触抵抗の影響を抑制することができる。
【００２８】
また、燃料電池の膜評価装置における電圧検出素子は、各測定端子にそれぞれ複数個設けられる。電圧端子はセパレータに接触して測定を行うが、セパレータは単純な平板ではなく、内部構造を有しており、電圧端子の接触場所によっては、測定がセパレータ内部構造の影響を受けることがありえる。複数個の電圧検出端子は相互に接触位置が異なるので、セパレータの内部構造の影響の少ない電圧検出端子の測定結果を選択することができる。
【００２９】
また、燃料電池の膜評価装置における複数の電圧検出素子は、セパレータの流路配置に応じた配置で設けられる。これにより、セパレータの内部構造である流路配置の影響の少ない電圧検出端子の測定結果を選択することができる。
【００３０】
上記構成の少なくとも１つにより、燃料電池膜評価装置の製造方法は、複数の測定端子を共通の支持部材で支持する工程と、各測定端子の測定面について、複数の測定面を一体として平面度を揃える平坦化加工を行う工程と、を含む。これにより、各測定端子についてその測定面を１つ１つ平坦化加工する方法に比較し、燃料電池に対する各測定端子の測定面の接触具合が面接触的となり、接触抵抗を抑制できる。
【００３１】
また、燃料電池膜評価装置の製造方法において、平坦化加工後の各測定端子の測定面について、導電性皮膜処理を施す工程を含む。例えば、金メッキ等のメッキを施すことで、各測定端子と燃料電池との間の接触抵抗を低減することができる。
【００３２】
上記構成の少なくとも１つにより、燃料電池の制御装置は、燃料電池の膜抵抗の面内分布に応じて加湿制御又はガス流量制御又は温度制御の少なくとも１つを実行する。これにより、実際に稼動中の燃料電池の膜の２次元的含水状態に応じて、燃料電池の運転制御を行うことができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３３】
以下に図面を用いて本発明に係る実施の形態につき詳細に説明する。以下では、評価対象とする燃料電池を、固体高分子電解質膜について触媒層を介して２枚のガス拡散電極層で挟み、これらを一体として接合して膜電極構造体（ＭＥＡ）とし、これを両側からセパレータで挟持したセルを複数個積層して構成される固体高分子型燃料電池として説明するが、これ以外の構成の燃料電池であっても、燃料電池の膜抵抗が特性に影響するものであれば、本発明が適用できる。また、以下で説明する材料、寸法、個数等は、説明のための１例であって、これらは、燃料電池の目的、用途に応じ、適宜変更することができる。
【実施例１】
【００３４】
図１は、燃料電池の膜評価装置２０の構成を示す図である。ここでは、燃料電池の膜評価装置２０の構成要素ではないが、燃料電池の単電池１０が図示されている。また、この評価装置を用いて燃料電池の運転制御を行う燃料電池制御部７０が図示されている。燃料電池の運転制御の内容については、燃料電池の制御装置として、後に詳述する。
【００３５】
燃料電池の単電池１０は、固体高分子電解質膜を、触媒層を介して２枚のガス拡散電極層で挟み、これらを一体として接合して膜電極構造体（ＭＥＡ）８とし、これを両側からセパレータ６，７で挟持したものである。実際の燃料電池は、この単電池１０を複数個組み合わせて燃料電池スタックとして構成される。この構成の燃料電池は、ガス拡散電極層の一方を燃料ガス極あるいは水素極（アノード）としてその表面に燃料ガスである水素を供給し、他方のガス拡散電極層を酸化ガス極あるいは酸素極（カソード）としてその表面に酸化ガスを供給することによって、電気化学反応を起こし、電気エネルギを生じる。なお、そのとき、カソード側に電気化学反応により水が生成される。生じた電気エネルギは、両側のセパレータ６，７を用いて外部に取り出すことができる。
【００３６】
燃料電池の膜評価装置２０は、単電池１０に着脱自在に接触して、単電池１０の膜特性、ここでは特に電気抵抗特性の２次元分布を評価する機能を有する装置である。燃料電池の膜評価装置２０は、燃料電池の単電池１０の一方側のセパレータ７の全体に接触する共通電極体２２と、他方側のセパレータ６の全体を複数に区分した各測定領域に面接触する測定端子３１の集合体である測定端子群３０と、測定端子群３０から検出される電流と電圧とに基づいて、単電池１０の膜特性を評価する評価部６０とを含んで構成される。
【００３７】
単電池１０の膜特性測定を行うには、共通電極体２２の上に単電池１０をその一方側のセパレータ７の外部表面が接触する向きに配置し、単電池１０の他方側セパレータ６の外部表面に複数の測定端子３１を接触させるように配置する。このようにして、共通電極体２２と測定端子群３０とで単電池１０を挟み込んで、適当な押付力Ｆで両側から保持する。なお、図１において、共通電極体２２と測定端子群３０との間に適当な負荷１２と測定用スイッチ１４が示されている。
【００３８】
各測定端子３１から検出される電流と電圧とは評価部６０に伝送される。評価部６０は、上記のように、燃料電池の膜特性を評価する機能を有し、具体的には、各測定端子３１に対応する測定領域の膜抵抗を測定する膜抵抗測定モジュール６２と、複数の測定端子３１の膜抵抗測定結果から膜抵抗の２次元分布、すなわち面内分布を評価する膜抵抗面内分布評価モジュール６４を含んで構成される。かかる評価部６０は、電流値と電圧値等の測定データをディジタルデータに変換する適当なインタフェースと、変換後のデータを処理するデータ処理部とを有するコンピュータ等で構成することができる。もちろんその一部をハードウェアで構成することができる。  
【００３９】
図２は、測定端子群３０について、１つの測定端子３１の周辺部を拡大して示す断面図である。図２では、測定端子群３０に対応する共通電極体２２も示されているが、評価対象の単電池の図示は省略されている。
【００４０】
測定端子３１は、評価対象に接触する平坦接触面３３を有する集電電極３２と、集電電極３２と一体化して接続される電極軸３４とを含んで構成される。電極軸３４には、底に流れる電流を検出するための電流センサ４０が取り付けられる。集電電極３２には、平坦接触面３３から先端が突き出して評価対象に接触し、接触位置における電圧を検出するための電圧センサ５０が設けられる。電流センサ４０と電圧センサ５０は、各測定端子３１ごとに設けられる。
【００４１】
また、各測定端子３１に共通のものとして、電極軸３４と電気的に接続される共通集電板２４と、押付力Ｆを受け止める共通押付板２８と、共通集電板２４と共通押付板２８との間に配置され、両者を電気的に絶縁する絶縁板２６とがある。これらは機能的に各測定端子３１の一部を構成すると共に、測定端子群３０の構成要素でもある。
【００４２】
共通集電板２４と絶縁板２６と共通押付板２８の積層体には、各測定端子３１の電極軸３４がそれぞれ通る複数の穴が設けられる。この穴に電極軸３４が通され、電極軸３４に適当に刻まれたネジと、ナット３８，３９とによって、共通集電板２４等の積層体と、電極軸３４及び集電電極３２とが一体的に接続される。ここで一体的に接続とは、機械的に一体化することと共に、共通集電板２４に対し各電極軸３４が電気的に接続されることを指している。なお、絶縁ブッシュ３６が、共通押付板２８と、共通集電板２４及び電極軸３４との間の電気的絶縁を確保するために用いられる。
【００４３】
このような構成のもとで、共通電極体２２と複数の測定端子３１の平坦接触面３３との間に評価対象の単電池を挟み、図１で説明したように、適当な押付力Ｆで保持すると、単電池を駆動して生じる電気エネルギの状態を測定することができる。すなわち、単電池を挟み込み、単電池を駆動すると、両側のセパレータの間に起電力が生じる。そこで、共通電極体２２を接地し、接地と共通集電板２４との間に適当な負荷１２を接続し、測定用スイッチ１４を閉じると、単電池の一方側セパレータが共通電極体２２によって接地され、その接地に対する他方側セパレータの電圧によって、集電電極３２−電極軸３４−共通集電板２４−負荷１２−スイッチ１４−接地の方向に電流が流れる。
【００４４】
この電流は、複数の測定端子３１のそれぞれの平坦接触面３３を通って分岐して流れる。電流センサ４０はそれぞれの電極軸３４に設けられるので、各平坦接触面３３に対応する単電池の各測定領域を流れる電流は、それぞれに対応する電極軸３４に設けられた電流センサ４０によって検出できる。また、電圧センサ５０も各平坦接触面３３に対応して設けられるので、各平坦接触面３３に対応する単電池の各測定領域の電圧は、それぞれに対応する電圧センサ５０によって検出される。
【００４５】
このようにして、評価対象の単電池の他方側のセパレータの全体を複数に区分した各測定領域に面接触する複数の測定端子３１を用いることで、単電池が稼動するときの出力電流と出力電圧の２次元分布、すなわち面内分布が測定でき、これらから、膜抵抗の２次元分布、すなわち面内分布が測定できる。
【００４６】
図３は、膜抵抗を測定するときに問題となる接触抵抗について説明する模式図である。なお、図１、図２と共通の要素には同一の符号を付してある。図３において、Ｒ１は、各集電電極３２が接触する測定領域の膜抵抗である。Ｒ３は、共通集電板２４から電極軸３４を介し集電電極３２までの抵抗である。集電電極３２の平坦接触面と、単電池１０の他方側セパレータとの間の接触抵抗がＲ２で示されている。
【００４７】
接触抵抗Ｒ２は、集電電極３２の平坦接触面が単電池１０の他方側セパレータに接触する面積が大きいほど小さいので、集電電極の平坦接触面の面積を適当に大きくし、また平坦に加工することで、膜抵抗Ｒ１に比べて小さくすることができる。一例を上げると、集電電極３２の平坦接触面の大きさを１５ｍｍ角とすることで、接触抵抗Ｒ３を１５ｍΩから２０ｍΩとできる。これは、この寸法の下における膜抵抗Ｒ１を７５ｍΩから１００ｍΩとして、膜抵抗Ｒ１の約１／５の接触抵抗Ｒ３となる。さらに、接触面積を大きくすれば接触抵抗はさらに小さくなるが、単電池１０の膜抵抗面内分布測定の分解能が低下する。したがって、バランスをとって、接触抵抗Ｒ３は膜抵抗Ｒ１の約１／５以下とすることが好ましい。接触抵抗Ｒ３をさらに小さくする他の方策は、平坦接触面の平坦度を向上させること、金属メッキ等の適当な導電性皮膜処理を施すことである。これらについては、後に、燃料電池の膜評価装置の製造方法のところで詳述する。
【００４８】
電流センサ４０は、各電極軸３４を流れる電流を検出する機能を有する電流検出素子である。図４は、電流センサ４０の様子を示す図である。ここでは図２に対応するように、電流センサ４０の平面図が示されている。電流センサ４０は、電極軸３４の外周を取り囲むように配置され、一部に切り欠きを有する環状のフェライトコア４４を筐体４２の内部に含んでいる。フェライトコア４４は、電極軸３４に軸方向に電流が流れるとき、電極軸３４を中心として円環状に生じる磁束密度Ｂを導く作用を有する。そして、フェライトコア４４の切り欠きの間にホール素子４６が配置される。電極軸３４に流れる電流の大きさは、このホール素子４６によって検出される磁束密度Ｂの大きさに基づいて測定される。
【００４９】
その様子を図５に示す。図５は、電極軸３４を横方向に配置し、手前側にフェライトコア４４の切り欠きとホール素子４６が見えるように示した図である。電極軸３４に軸方向の電流Ｉが流れると、電極軸３４を中心として円環状に生じる磁束密度Ｂが生じ、この磁束密度Ｂはフェライトコア４４の作用により、ほとんどフェライトコア４４の中を通り、フェライトコア４４の切り欠きのところでホール素子４６の平板面に対し垂直に入射する。ホール素子４６に測定用の電流ｉを磁束密度Ｂに垂直方向に流すと、公知のホール効果により、電流ｉに垂直、磁束Ｂに垂直な方向に、ホール出力電圧ＶＨが現れる。このホール出力電圧ＶＨの大きさは磁束密度Ｂの大きさに比例し、磁束密度Ｂの大きさは電極軸３４を流れる電流Ｉに比例するので、その結果、ホール出力電圧ＶＨの大きさは、電極軸３４を流れる電流Ｉに比例する。このようにして、電極軸３４を流れる電流Ｉを電流センサ４０により検出することができる。
【００５０】
上記のように、フェライトコア４４は、電極軸３４に軸方向に電流が流れるとき、電極軸３４を中心として円環状に生じる磁束密度Ｂを導く作用を有する。したがって、フェライトコア４４の外側に漏れる磁束密度が小さくなり、隣接する電流センサ４０の間での干渉が少なくなる。これによって、各電極軸３４を流れる電流の検出精度が向上する。
【００５１】
図６は、隣接する電流センサ４０の間での干渉をさらに少なくする方法を説明する図である。ここでは、電極軸３４に電流センサ４０を取り付ける位置について、隣接する電極軸３４の間で異ならせている。このように、隣接する電流センサ４０の間における空間を大きくとることで、磁束密度Ｂの干渉を低減し、各電極軸３４を流れる電流の検出精度を向上させることができる。
【００５２】
再び図２に戻り、電圧センサ５０は、上記のように、先端５２が評価対象に接触するプローブを有する電圧検出素子である。電圧の検出は、電極軸３４を流れる電流に影響を与えないほうが好ましい。例えば、入力抵抗が大きな電圧計を用いてプローブの先端５２の電圧を検出する方法をとることができる。あるいは、プローブの太さを電極軸３４に比べ細くすることでも、電極軸３４を流れる電流に与える影響をある程度小さくすることができる。このように、電圧センサ５０は電流センサ４０と独立に設けられ、集電電極３２に対応する測定領域の広さに比べ、狭い領域で評価対象に接触する。すなわち集電電極３２は接触面積が大きいほうが好ましいが、電圧センサ５０の先端５２の接触面積はむしろ小さくてよい。
【００５３】
電圧センサ５０の先端５２の接触面積が小さいことで、検出する電圧が、接触する対象のセパレータの内部構造の影響を受けることがある。極端な場合、セパレータの表面に機能的な凹凸がある場合、その凹部に電圧センサ５０の先端がはまり込むと、正しい電圧の検出ができなくなる。そこで、１つの集電電極に対し、電圧センサは複数配置され、場合によって、適当な位置の電圧センサの測定を選択することが好ましい。
【００５４】
図７は、１つの測定端子３１に対し、２つの電圧センサ５０，５１を配置する例を示すもので、ここでは単電池１０のセパレータの内部構造である流路配置と、電圧センサ５０，５１の選択の様子を示してある。この例では、単電池１０の表面を１２個の測定領域に区分してある。そして、単電池１０のセパレータ内部構造として、蛇行する流路１６、いわゆるサーペンタイン流路が設けられる例が示されている。このようにセパレータの内部構造が一様でなく、蛇行する流路１６によってセパレータの板厚が局部的に蛇行して薄くなっていると、測定する位置によってセパレータの電圧が異なる場合がある。図７では、２つの電圧センサ５０，５１を流路配置に応じて配置されるように使い分ける様子を、使用する電圧センサを黒丸で示してある。
【００５５】
例えば、図７の紙面において、左下隅の測定領域においては、測定端子３１の電圧センサ５１を使用し、その右側の測定領域においては、測定端子３１の電圧センサ５０を使用する。このように、１つの測定端子３１に複数の電圧センサ５０，５１を配置し、流路配置に応じて使い分けることで、電圧測定をより正確に行うことができる。
【００５６】
図７では、１つの測定端子３１に２つの電圧センサ５０，５１を配置するものとしたが、これ以上の個数の電圧センサを配置してもよい。また、可能であれば、１つの電圧センサの配置を、予めセパレータの内部構造である流路配置に応じた配置とし、複数の測定領域の間で流路配置の影響を少なくするような電圧センサの配置としてもよい。
【００５７】
再び図１、図２に戻り、押付力Ｆの印加方法について説明する。共通電極体２２と、測定端子群３０の間に単電池１０を挟みこんで適当な押付力Ｆを与えるには、適当なクランプ等の挟み込み手段を用いることができる。ところで、共通電極体２２、測定端子群３０は、電気的測定を行うためのものであるから、これらの構成要素は、絶縁板２６、絶縁ブッシュ３６を除いて、金属材料で構成することが好ましい。したがって、測定環境温度が変化すると、これらの金属要素が伸縮し、クランプによる押付力Ｆが変化する。例えば、図２の例で、共通押付板２８と共通電極体２２との間の間隔を考えると、集電電極３２、電極軸３４、共通集電板２４、共通押付板２８の熱膨張によってその間隔が変化し、一般的なクランプで挟み込むときはこの間隔の変化で押付力Ｆが変化する。また、押付力Ｆは、単電池１０におけるガス圧による膨張等によっても変化することがある。
【００５８】
押付力Ｆの変化は、図３で説明した接触抵抗Ｒ３に影響を与えるほか、両セパレータを介してＭＥＡに印加されるので、拡散電極層の排水性に影響を与える。
【００５９】
そこで、共通押付板２８を多層構造とし、適当な弾性体をその間に配置することで、押付力Ｆに対する温度膨張または収縮の影響、ガス圧による膨張または収縮の影響を抑制することができる。適当な弾性体としては、ばね等の弾性要素のほか、油、水等の流体を用いることができる。
【００６０】
上記構成の作用を説明する。まず、共通電極体２２と複数の測定端子３１の平坦接触面３３との間に評価対象の単電池１０を挟み、適当な押付力Ｆで保持する。そして、単電池１０を運転する。すなわち、燃料ガスとして水素をアノード側に供給し、適当に圧縮された空気を酸化ガスとしてカソード側に供給して電池化学反応を生じさせる。そこで、共通電極体２２と共通集電板２４との間に適当な負荷１２を接続し、測定用スイッチ１４を閉じる。これによって、上記のように、集電電極３２−電極軸３４−共通集電板２４−負荷１２−スイッチ１４−接地の方向に電流が流れる。
【００６１】
複数の集電電極３２は、セパレータ６の表面領域を複数に区分した各測定領域にそれぞれ接触するので、流れる電流も、各測定領域ごとに対応する集電電極３２を通って各電極軸３４に流れる。各電極軸３４を流れる電流はそれぞれの電流センサ４０によって検出され、各測定領域を流れる電流データとして、評価部６０に入力される。
【００６２】
各集電電極３２には、電流センサ４０とは独立に電圧センサ５０が設けられ、対応する測定領域の電圧が検出される。検出されたデータは、各測定領域における電圧データとして評価部６０に入力される。
【００６３】
評価部６０では、膜抵抗測定モジュール６２の機能によって、各測定領域を流れる電流データと、各測定領域における電圧データとから、各測定領域の膜抵抗を算出する。算出は、測定領域を特定し、その測定領域における電圧データを、その測定領域を流れる電流データで除することで行われる。
【００６４】
各測定領域における膜抵抗が求められると、膜抵抗面内分布評価モジュール６４の機能により、単電池１０の膜抵抗の面内分布が評価される。具体的には、単電池１０の表面領域を区分した各測定領域に各膜抵抗をそれぞれ割り当てて、２次元的膜抵抗分布を求める。
【００６５】
このようにして、評価対象の単電池１０の他方側のセパレータ６の全体を複数に区分した各測定領域に面接触する複数の測定端子３１を用いることで、単電池１０が稼動するときの出力電流と出力電圧の２次元分布、すなわち面内分布が測定でき、これらから、膜抵抗の２次元分布、すなわち面内分布が測定できる。
【実施例２】
【００６６】
次に、燃料電池の膜評価装置を製造する方法、特に、測定端子群の製造方法について、図８のフローチャートと、図９から図１１を用いて説明する。図８は、測定端子群の製造の各手順を示すフローチャートで、図９、図１０は、手順の内容を説明する図である。図１１は、集電電極３２の平坦接触面３３について、この方法と従来技術の方法との比較を説明する図である。
【００６７】
測定端子群を製造するには、図８に示すように、まず測定端子群を構成する各部品を作成する（Ｓ１０）。具体的には、図２に関連して説明したように、複数の集電電極、複数の電極軸、共通集電板、絶縁板、共通押付板、絶縁ブッシュ、ナット等を作成あるいは準備する。次に、共通押付板、絶縁板、共通集電板を積層する（Ｓ１２）。そして、各測定端子を加工用のために、共通押付板、絶縁板、共通集電板の積層体に取り付ける（Ｓ１４）。加工用のために、とは、複数の測定端子を一体として平面度を揃える加工を行うために、である。
【００６８】
その様子を図９に示す。ここでは、積層される共通集電板２４、絶縁板２６、共通押付板２８について、理解しやすいように、わざとずらして図示してある。また、これらに取り付けられるものとしては、１組のみが図示されている。すなわち、集電電極３２、これと一体化している電極軸３４、絶縁ブッシュ３６、ナット３９が示される。電極軸３４にはナット３９に対応するネジが刻まれ、集電電極３２には、複数の測定端子を識別するための識別番号３５が付される。これらは、測定端子群を構成する組数だけ準備され、積層された共通集電板２４、絶縁板２６、共通押付板２８にそれぞれ取り付けられる。
【００６９】
共通集電板２４、絶縁板２６、共通押付板２８には、電極軸３４が通るための穴がそれぞれ示されている。共通集電板２４に設けられる複数の穴２５は、電極軸３４と電気的に一体化するように小さな穴径に設定される。あるいは適当なブッシュを用いて共通集電板２４と電極軸３４との電気的一体化を実現するものとしてもよい。絶縁板２６、共通押付板２８に設けられる複数の穴２７，２９は、絶縁ブッシュ３６が通る程度に大きい穴径に設定される。
【００７０】
各要素の取付は、次の手順で行うことができる。共通集電板２４、絶縁板２６、共通押付板２８は、穴２５，２７，２９の位置を合わせて積層され、合わせられた穴に、上方、つまり共通押付板２８の側から絶縁ブッシュ３６を挿入する。そして、その同じ穴に、下方、すなわち共通集電板２４の側から電極軸３４を通し、集電電極３２が共通集電板２４に突き当たるまで押し込む。この押し込みと、絶縁ブッシュ３６の挿入とは、順序を逆にしてもよい。そして、共通押付板２８から突き出した電極軸３４のネジにナット３９を合わせて回転させ、共通集電板２４、絶縁板２６、共通押付板２８を集電電極３２とナット３９とで挟み込むようにしてお互いの位置を固定する。これを全部の集電電極３２について行う。図９の例では、３×６＝１８の集電電極３２について行う。
【００７１】
再び図８に戻り、次に測定端子の平坦化加工を行う（Ｓ１６）。測定端子の平坦化加工とは、上記のように、複数の測定端子を一体として平面度を揃える加工である。その様子を図１０に示す。ここでは図９で説明したように、積層された共通集電板２４、絶縁板２６、共通押付板２８に複数の測定端子が加工用に取り付けられたものを、上下反転して示してある。すなわち、図１０では、集電電極３２の平坦接触面３３が上方を向いて配置される。この状態で、研削砥石４が回転しながら、複数の集電電極３２の平坦接触面３３を一体として加工する。もちろん、研削砥石を用いる方法以外の平坦化加工でもよい。
【００７２】
図１１は、集電電極３２の平坦接触面３３について、従来技術の方法によるものを（ａ）に、上記の一体された平坦化加工によるものを（ｂ）に示して比較したものである。ここでは、それぞれの方法で平坦化加工された複数の集電電極を用いて測定端子群３０を構成したときの平坦接触面３３の様子が示されている。ここで従来技術とは、最も一般的な方法として、集電電極３２を１つずつ、その平坦接触面３３を平坦化加工するものを取り上げた。従来技術の平坦化加工法と、上記一体化された平坦化加工法と、目標平坦度は同じΔｓとして図示してある。
【００７３】
従来技術によって平坦化加工された集電電極３２を用いて測定端子群３０を構成すると、各集電電極３２間で、平坦接触面３３の高低差がΔｓとなるような凹凸状態となる。一方、上記の一体化された平坦化加工による集電電極３２を用いて測定端子群３０を構成すると、複数の平坦接触面３３が一体化されて加工されることから、１つの平面上に各平坦接触面３３が並ぶ。したがって、その平面上においては、各集電電極３２間で、平坦接触面３３の凹凸は生じない。目標平坦度Δは、この１つの平坦化平面の傾きとして現れる。したがって、測定端子群３０として評価すると、同じ目標平坦度で加工しても、従来技術によるものより、上記一体化された平坦化加工によるものの方が、評価対象の表面に対する面当たりが良好になる。すなわち図１１（ａ）の場合は、評価対象が適当な弾性を有することでそれぞれの平坦接触面３３が評価対象に接触しえることになるのに対し、（ｂ）の場合は、評価対象に対し全体として僅かに傾斜して接触することで、全部の平坦接触面３３が評価対象に良好に面接触する。
【００７４】
再び図８に戻り、一体化された平坦化加工が終了すると、次に測定端子を分解し、メッキ処理が施される（Ｓ１８）。具体的には、Ｓ１４で説明した取付手順を逆に行って、図９に示されるように、各要素をばらばらに分解する。そして、集電電極３２、あるいは集電電極３２と電極軸３４とが一体化されたものについて、メッキ処理が行われる。このメッキ処理は、各集電電極３２の平坦接触面３３に導電性皮膜処理を行って、評価対象に接触した際の接触抵抗を低減するために行われる。メッキ処理としては、適当な厚さの金メッキ処理等を行うことができる。
【００７５】
そして、改めて、各要素を組み立て、図２で説明した構造の測定端子３１、図１で説明した測定端子群３０を組み立てる（Ｓ２０）。このようにして、評価対象に接触した際に、面当たりがよく、接触抵抗が少ない測定端子群３０を製造でき、これを燃料電池の膜評価装置に用いることができる。
【実施例３】
【００７６】
次に上記で説明した燃料電池の膜評価装置を用いた燃料電池の制御装置について説明する。上記では、燃料電池の膜評価装置の評価対象が単電池である。実際の燃料電池は、複数の単電池を組み合わせていわゆる燃料電池スタックとして構成される。したがって、上記の燃料電池の膜評価装置を燃料電池の運転制御に用いるには、単電池を複数組み合わせた燃料電池スタックに組み入れる必要がある。
【００７７】
図１２は、セパレータ６，７とＭＥＡ８とが交互に積層されて燃料電池スタックを構成するものに、燃料電池の膜評価装置の測定端子群３０を組み入れる様子を説明する図である。図１２（ａ）は、燃料電池の膜評価装置の測定端子群３０を組み入れない状態、（ｂ）は燃料電池の膜評価装置の測定端子群３０を組み入れた状態を示す図である。
【００７８】
図１２（ｂ）に示されるように、燃料電池スタックの一番端のセパレータ６に燃料電池の膜評価装置の測定端子群３０を組み入れるのは、単に、これをセパレータ６に押付けるだけでよい。燃料電池スタックの内部に燃料電池の膜評価装置の測定端子群３０を組み入れるときは、セパレータを１つ余分に挿入することがよい。このようにすることで、実際に運転中の燃料電池スタックについて、膜抵抗の面内分布を評価することができる。
【００７９】
図１３は、実際に運転中の燃料電池スタックについて得られた膜抵抗の面内分布の例を示す図である。ここでは、セパレータの平面について、膜抵抗の大小分布が、斜線の密度の多少で示されている。ここで、斜線の密度が密なほど、膜抵抗は低い。すなわちこの例では、セパレータの中央部分が膜抵抗の低い領域８４で、セパレータの周辺部分が膜抵抗の高い領域８２である。この例では、ガス出口がセパレータ中央部分に配置されているが、図１３の結果から、ガス出口に近いほど、膜抵抗が低く、したがって、膜が濡れ気味であることが分かる。そして、膜抵抗の傾向は、このガス出口の様子で左右されることが分かる。
【００８０】
図１４は、膜抵抗の面内分布を用いて、燃料電池の発電制御を行う場合のフローチャートを示す図である。なお、以下の処理は、図１で説明した燃料電池制御部７０の機能によって実行される。
【００８１】
最初に膜抵抗が予め定めた規定値上限を超えるか否かが判断される（Ｓ３０）。このときの膜抵抗の値は、図１３の結果を考慮して、膜抵抗の面内分布において、ガス出口近傍の膜抵抗を用いることがよい。Ｓ３０において、判断が肯定的であれば、膜中の湿度増加処理を行う（Ｓ３２）。否定的判断であればＳ３４に進む。
【００８２】
そして次に、膜抵抗が予め定めた規定値下限未満か否かが判断される（Ｓ３４）。このときの膜抵抗の値も、同様に、ガス出口近傍の膜抵抗を用いることがよい。Ｓ３４において、判断が肯定的であれば、次に発電電流が予め定めた規定値未満であるか否かが判断される（Ｓ３６）。Ｓ３６において、判断が肯定的であれば、膜中の湿度減少処理を行う（Ｓ３８）。Ｓ３４、Ｓ３６で判断が否定的であれば、Ｓ３０へ戻る。これを繰り返すことで、膜抵抗の面内分布に基づいて燃料電池の発電制御を行うことができる。
【００８３】
なお、上記では、膜抵抗の面内分布を用いて湿度の増減制御を行うものとしたが、そのほかに、ガス流量制御又は温度制御を実行するものとしてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００８４】
【図１】本発明に係る実施の形態の燃料電池の膜評価装置の構成を示す図である。
【図２】本発明に係る実施の形態において、測定端子群について、１つの測定端子の周辺部を拡大して示す断面図である。
【図３】本発明に係る実施の形態において、膜抵抗と接触抵抗について説明する模式図である。
【図４】本発明に係る実施の形態において、電流センサの様子を示す図である。
【図５】本発明に係る実施の形態において、電流センサの動作の様子を示す図である。
【図６】隣接する電流センサの間での干渉をさらに少なくする他の方法を説明する図である。
【図７】本発明に係る実施の形態において、１つの測定端子に対し、２つの電圧センサを配置する例を示す図である。
【図８】本発明に係る実施の形態において、測定端子群の製造の各手順を示すフローチャートである。
【図９】本発明に係る実施の形態において、測定端子群の製造の手順の内容を説明する図である。
【図１０】本発明に係る実施の形態において、測定端子群の製造の手順の内容を説明する図である。
【図１１】集電電極の平坦接触面について、本発明に係る実施の形態の方法と従来技術の方法との比較を説明する図である。
【図１２】燃料電池スタックを構成するものに、本発明に係る実施の形態の燃料電池の膜評価装置を組み入れる様子を説明する図である。
【図１３】実際に運転中の燃料電池スタックについて、本発明に係る実施の形態にしたがって得られた膜抵抗の面内分布の例を示す図である。
【図１４】本発明に係る実施の形態において得られる膜抵抗の面内分布を用いて、燃料電池の発電制御を行う場合のフローチャートを示す図である。
【符号の説明】
【００８５】
４  研削砥石、６，７  セパレータ、８  ＭＥＡ、１０  単電池、１２  負荷、１４  スイッチ、１６  流路、２０  燃料電池の膜評価装置、２２  共通電極体、２４  共通集電板、２５，２７，２９  穴、２６  絶縁板、２８  共通押付板、３０  測定端子群、３１  測定端子、３２  集電電極、３３  平坦接触面、３４  電極軸、３５  識別番号、３６  絶縁ブッシュ、３８，３９  ナット、４０  電流センサ、４２  筐体、４４  フェライトコア、４６  ホール素子、５０，５１  電圧センサ、５２  先端、６０  評価部、６２  膜抵抗測定モジュール、６４  膜抵抗面内分布評価モジュール、７０  燃料電池制御部、８２，８４  領域。
【図１】
2008027712.tif 000003
【図２】
2008027712.tif 000004
【図３】
2008027712.tif 000005
【図４】
2008027712.tif 000006
【図５】
2008027712.tif 000007
【図６】
2008027712.tif 000008
【図７】
2008027712.tif 000009
【図８】
2008027712.tif 000010
【図９】
2008027712.tif 000011
【図１０】
2008027712.tif 000012
【図１１】
2008027712.tif 000013
【図１２】
2008027712.tif 000014
【図１３】
2008027712.tif 000015
【図１４】
2008027712.tif 000016