(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池の外部から該燃料電池の内部の測定対象部位に達するように形成された孔に挿入して用いる温度計測用プローブであって、
a) 電気絶縁性及び剛性を有する筒状体と、
b) 導電性を有する先端部を有し、前記筒状体の一端部から該先端部が突出するように該筒状体に内挿されたシース熱電対と、
c) 前記筒状体の両端をそれぞれ封鎖するシール部と
を備えることを特徴とする温度計測用プローブ。
【請求項２】
前記筒状体と前記シース熱電対が同軸に形成されていることを特徴とする請求項１に記載の温度計測用プローブ。
【請求項３】
前記先端部の端面が平坦であることを特徴とする請求項１又は２に記載の温度計測用プローブ
【請求項４】
請求項１から３のいずれかに記載の温度計測用プローブと、前記測定対象部位と前記先端部の距離に応じて変化する抵抗値を測定する抵抗測定部を備えることを特徴とする温度計測システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、温度計測用プローブに関し、特に固体高分子型燃料電池（ＰＥＦＣ: Polymer Electrolyte Fuel Cell）の内部の温度を測定する際に好適に用いることができる温度計測用プローブに関する。
【背景技術】
【０００２】
固体高分子型燃料電池の一般的な基本構造を図１に示す。固体高分子型燃料電池（以下、単に「燃料電池」と呼ぶ。）５０は、中央に位置する高分子電解質膜５１の一方の側にカソード側触媒層５２、カソード側ガス拡散層５４が順に積層され、高分子電解質膜５１の他方の側にアノード側触媒層５３、アノード側ガス拡散層５５が順に積層された構造を有している。これらを一体化したものは、一般に、膜／電極接合体（ＭＥＡ: Membrane Electrode Assembly）と呼ばれる。
【０００３】
ＭＥＡのカソード側には空気あるいは酸素ガスＯＧを流す流路が形成されたカソード側セパレータ５６が設けられ、ＭＥＡのアノード側には水素ガスＨＧを流す流路が形成されたアノード側セパレータ５７が設けられる。これらカソード側セパレータ５６及びアノード側セパレータ５７はそれぞれカソード電極、アノード電極としての役割も担う。ＭＥＡにカソード側セパレータ５６及びアノード側セパレータ５７を配置したものはセル（単セル）と呼ばれる。
【０００４】
燃料電池５０において、各セパレータ５６、５７の内部に形成された流路にそれぞれ酸素ガスＯＧと水素ガスＨＧを流すと、以下に示すように、アノード側で水素ガスＨＧがイオン化され、電子を放出する。これが電気として取り出される。また、アノード側で生じた水素イオンは高分子電解質膜５１を通ってカソード側に移動し、カソード側で生成された酸素イオンと反応し、H2Oとなる。
アノード側：H2 → 2H+ + 2e-
カソード側：O2 + 4e- + 4H+ → H2O
この反応で生成したH2Oはカソード側セパレータ５６から排出される。
【０００５】
上記のような反応に起因して燃料電池内部で発生する現象を詳しく観測することは、燃料電池の劣化の検出や、使用される各部品の素材や構造の最適化などに有効である。そのため従来より、燃料電池内部で発生する現象を観測するために各種の物理量を測定する装置が提案されている。
【０００６】
上記目的のために測定される物理量の１つに温度がある。
特許文献１には、セパレータに冷却水の流路を形成した燃料電池において、燃料電池内部の温度を測定し、その温度に応じて冷却水の流量を変化させることが記載されている。
特許文献２には、燃料電池の内部の複数の位置にそれぞれ熱電対を配置して各位置の温度を測定し、その温度変化から求めた熱量に基づき電流密度分布を求めることが記載されている。
特許文献３には、酸素感応物質を先端に塗布したプローブと熱電対を高分子電解質膜のアノード側に固定し、酸素濃度と温度によって変化する酸素感応物質の蛍光寿命を測定することにより、高分子電解質膜の劣化に起因して生じる孔を介してカソード側から流れ込む酸素濃度を測定する装置が記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００３−３６８７４号公報
【特許文献２】特開平０９−２２３５１２号公報
【特許文献３】特開２０１３−２１７７３７号公報
【特許文献４】特開２００７−７８４３３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
上記特許文献１−３に記載の発明は、燃料電池内部に熱電対を固定し、該固定位置の温度を測定するものである。
一方、燃料電池の高分子電解質膜における上記反応時に発生する熱の伝達を測定するために、燃料電池の外部から高分子電解質膜に達する孔を形成し、その孔に熱電対を挿入して深さ方向の温度を測定するという方法もある。特許文献４には、燃料電池内部に不所望の電流が流れることを防止するために絶縁性を有するポリイミドでコーティングしたシース熱電対が記載されている。そこで、これを燃料電池に形成した孔に挿入して温度を測定すれば高分子電解質膜の温度を測定することができる。
【０００９】
シース熱電対は金属の素線を絶縁材で覆い、さらにその外側を金属コーティングすることにより製造される部材である。特許文献４には、外径が0.1mm乃至0.2mmであるシース熱電対に、厚さ1μm乃至10μmでポリイミドをコーティングしたものを用いることが記載されているが、このような細線であるシース熱電対を孔の内部に挿入しようとすると、その先端部が孔の内壁に接触して簡単に折れ曲がってしまう。そのため、シース熱電対の先端部を測定対象部位まで到達させることが難しい。また、孔に挿入できても、その先端部が測定対象部位まで達しているかどうかを確認することができない、という問題もあった。
【００１０】
本発明が解決しようとする課題は、燃料電池の外部から内部の測定対象部位に達する孔に挿入して温度を計測する治具であって、孔への挿入が容易であり、またその先端部が測定対象部位に到達していることを確実に把握することができる温度計測用プローブを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記課題を解決するために成された本発明は、燃料電池の外部から該燃料電池の内部の測定対象部位に達するように形成された孔に挿入して用いる温度計測用プローブであって、
a) 電気絶縁性及び剛性を有する筒状体と、
b) 導電性を有する先端部を有し、前記筒状体の一端部から該先端部が突出するように該筒状体に内挿されたシース熱電対と、
c) 前記筒状体の両端をそれぞれ封鎖するシール部と
を備えることを特徴とする。
【００１２】
前記電気絶縁性及び剛性を有する筒状体としては、例えばガラス製、セラミックス製、あるいは樹脂製のものを用いることができる。
【００１３】
本発明に係る温度計測用プローブは、燃料電池の内部の測定対象部位に達する孔に挿入して用いる。この温度計測用プローブでは、剛性を有する筒状体にシース熱電対を内挿しているため、燃料電池に形成された孔に剛性を有する筒状体を挿入することで、容易にシース熱電対の先端を測定対象部位まで挿入することができる。また、筒状体は絶縁性も有するため、燃料電池内部に不所望の電流が流れることもない。
【００１４】
また、本発明に係る温度計測用プローブでは、燃料電池に設けられた孔の径に応じた外径を有する筒状体を適宜に選択して用いることができる。つまり、孔の径に近い外径を有する筒状体を適宜に用いることができる。このとき、内径が大きい筒状体を用いたとしても、筒状態の両端がシール部により封鎖されているため、測定対象部位やその近傍から筒状体の内部を通じて酸素ガスや水素ガスなどが燃料電池の外部に流れ出す量は極めて少量であり、燃料電池を正常に動作させつつ温度を測定することができる。
【００１５】
さらに、本発明に係る温度計測用プローブの先端部は筒状体から突出し、かつ導電性を有している。従って、例えばマルチメータの両端をシース熱電対の基部と測定対象部位やその隣接層に接続してこれらの間の電気抵抗の値の変化を測定し、その値の変化を確認することにより、温度計測用プローブの先端部が測定対象部位に到達したことを確認することができる。一般に、燃料電池の内部にある高分子電解質膜等の各層は導電性を有する。シース熱電対の基部と測定対象部位にマルチメータを接続してそれらの間の抵抗値を測定しつつ、本発明に係る温度計測用プローブを測定対象部位に達する孔に挿入していくと、最初のうちは温度計測用プローブの先端部と孔の内壁の距離に応じた抵抗値が維持される。上述のとおり、本発明に係る温度計測用プローブでは、孔の径に合った外径の筒状体を用いることができるため、温度計測用プローブを挿入する間、この距離はほぼ一定に保たれ、抵抗値もほぼ一定に保たれる。そして、温度計測用プローブの先端部が測定対象部位に接触する直前（先端部と測定対象部位の間の距離が、先端部と孔の内壁の間の距離よりも短くなった時点）で抵抗値が急激に低下する。従って、この抵抗値の急激な変化を確認することで、温度計測用プローブの先端部が測定対象部位に到達したことを確認することができる。
【発明の効果】
【００１６】
本発明に係る温度計測用プローブを用いると、燃料電池の内部の測定対象部位に達する孔に容易に挿入することができ、また、その先端部が測定対象部位に到達していることを確実に把握することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】固体高分子型燃料電池の一般的な基本構造。
【図２】本発明に係る温度計測用プローブの一実施形態の外観図。
【図３】本実施例の温度計測用プローブを燃料電池の内部に挿入した状態を説明する図。
【図４】温度計測用プローブの先端部が測定対象部位に到達したことを確認する方法を説明する図及びグラフ。
【図５】測定対象部位からの距離と温度の関係を説明するグラフ。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
本発明に係る温度計測用プローブの一実施例について、以下、図面を参照して説明する。
【００１９】
図２は、本実施例の温度計測用プローブ１０の外観図である。この温度計測用プローブ１０は、シース熱電対１を、その先端部１aがガラス管２から数mm程度（本実施例では2mm）突出するように内挿し、ガラス管２の両端を樹脂３a、３bでシールしたものである。ガラス管２には、燃料電池に形成された孔（後述）の内径よりもわずかに小さい外径（本実施例では外径0.5mm）を有するものを用いている。シース熱電対１の先端部１aの端面１bは平坦に研磨加工されるとともに導電性を有している。また、シース熱電対１の中心軸と、ガラス管２の中心軸が一致するように、即ち同軸となるように、シース熱電対１とガラス管２が固定されている。ここでいう中心軸の一致とは、その軸位置のずれが外径の約5%以下（即ち、本実施例では約0.03mm以下）であることを意味するものであり、中心軸の位置が完全一致することのみには限定されない。
【００２０】
次に、本実施例の温度計測用プローブを用いて固体高分子型燃料電池（以下、単に「燃料電池」と呼ぶ。）内部の温度を測定する方法について、図３を参照して説明する。
【００２１】
図３(a)は燃料電池のカソード側に温度計測用プローブを挿入した状態の断面図であり、後述する触媒層付き膜（ＣＣＭ：Catalyst Coated Membrane）２７３のカソード側の温度を測定する一例を示すものである。図３(a)に示す燃料電池はカソード側集電極２５とアノード側集電極２６の間に膜／電極接合体（ＭＥＡ：Membrane Electrode Assembly）２７を挟んだ構造を有している。また、カソード側集電極２５とアノード側集電極２６には、それぞれガス流路２９が形成されている。本実施例ではカソード側集電極２５の外側に温度計測用プローブ１０を挿入するための補助プレートとしてインシュレータ２４を配置している。インシュレータ２４の外側にはカソード側エンドプレート２３が、アノード側集電極２６の外側にはアノード側エンドプレート２８が配置され、これらのプレートを締結することにより上記各構成要素が固定されている。また、燃料電池を温めるために、カソード側エンドプレート２３とアノード側エンドプレート２８の外側には、必要に応じてヒータ２２が貼り付けられる。
【００２２】
図３(b)は、図３(a)の破線で囲まれた領域の拡大図である。図３(a)に図示したＭＥＡ２７は、高分子電解質膜と触媒層（いずれも図示略）を重ねた構造を有するＣＣＭ２７３のカソード側にカソード側ガス拡散層２７１を、アノード側にアノード側ガス拡散層２７３をそれぞれ配置した構成を有している。カソード側集電極２５とカソード側ガス拡散層２７１には、それぞれ温度計測用プローブ１０を挿入するため孔が形成されている。カソード側集電極２５に形成される孔の径は温度計測用プローブ１０のガラス管２の外径よりもわずかに大きく（言い換えると、カソード側集電極２５に形成されている孔の内径よりもわずかに小さい外径のガラス管２を使用する）、この孔に温度計測用プローブ１０を挿入した状態で、該プローブ１０の外周とカソード側集電極２５の間の空間をできるだけ小さくして燃料電池内部からのガス漏れが極めて少なくなるように設計されている。
【００２３】
カソード側ガス拡散層２７１に形成される孔は、温度計測用プローブ１０の先端部（シース熱電対１のガラス管２から突出した先端部１aよりもわずかに大きい。また、カソード側集電極２５に形成される孔の中心軸とカソード側ガス拡散層２７１に形成される孔の中心軸が一致している。本実施例の温度計測用プローブ１０は、上述のとおりガラス管２シース熱電対１が同軸であるため、温度計測用プローブ１０の挿入時にガラス管２をカソード側集電極２５の孔に併せて差し込んでいくと、シース熱電対１の先端部１aがカソード側ガス拡散層２７１に形成された孔に確実に挿入される。
【００２４】
温度計測用プローブ１０をカソード側集電極２５の孔に差し込んだ状態で、シース熱電対１の先端部１aの位置を視認することは不可能である。そこで、本実施例では、図４(a)に示すように、マルチメータ３２を温度計測用プローブ１０の基部と、カソード側ガス拡散層２７１に接続して、温度計測用プローブ１０、ＣＣＭ２７３、カソード側ガス拡散層２７１、及びマルチメータ３２から構成される回路の抵抗値を測定する。
【００２５】
上述のとおり、温度計測用プローブ１０の先端（シース熱電対１の先端部１a）は導電性を有している。このため、シース熱電対１の先端部１aとＣＣＭ２７３の距離が小さいほど前記回路の電気抵抗値は小さくなり、該距離が所定値を超えると電気抵抗値は急激に大きくなる。
【００２６】
図４(b)に、本実施例におけるシース熱電対１の先端部１aとＣＣＭ２７３の距離（横軸）と電気抵抗値（縦軸）の関係を示す。本実施例では、測定対象部位であるＣＣＭ２７３が膜でありシース熱電対１を差し込みすぎると膜が破れたり孔があいたりする可能性がある。そこで、図４(b)に示すように、マルチメータ３２で測定される抵抗値がＲ２から低下し、（Ｒ１＋Ｒ２）／２を下回った時点で、シース熱電対１の先端部１aがＣＣＭ２７３に到達した（ＣＣＭ２７３からの距離０）と判断する。図４(b)には、距離がマイナスのときの抵抗値Ｒ１も示しているが、実際には抵抗値がＲ１になるところまで温度計測用プローブ１０を差し込むことはない。なお、測定対象部位が十分な硬さを有する部材である場合には、抵抗値がＲ１まで低下した時点で、シース熱電対１の先端部１aが測定対象部位に到達したと判断するようにしてもよい。また、測定対象部位であるＣＣＭ２７３が膜でありマルチメータ３２を接続することが難しいため、その隣接層であるカソード側ガス拡散層２７１にマルチメータを接続したが、当然、測定対象部位自体にマルチメータを接続してもよい。
【００２７】
図５に、ＣＣＭ２７３からシース熱電対１の先端部１aまでの距離とＣＣＭ２７３の温度の関係を示す。ＣＣＭ２７３からの距離が０（即ち先端部１aがＣＣＭに接している）のときに測定される温度がＣＣＭ２７３の正確な温度であるが、ＣＣＭ２７３から先端部１aまでの距離が大きくなるにつれて測定される温度が低下する。
【００２８】
従来の温度計測方法では、熱電対の先端がＣＣＭ２７３に達しているかを確認する方法がなく、ＣＣＭ２７３に達していない状態で温度を測定してしまう可能性があり、実際の温度よりも低い測定結果になってしまう場合があった。これに対し、本実施例の温度計測用プローブ１０を用い、該プローブ１０の先端とカソード側ガス拡散層２７１の間の抵抗値を測定し、プローブ１０の先端がＣＣＭ２７３に達していることを確認することができるため、ＣＣＭ２７３の正確な温度を測定することができる。また、本実施例の温度計測用プローブ１０は、シース熱電対１の先端部１aの端面１bが平坦に研磨加工されている。そのため、該端面１bとＣＣＭ２７３の間の距離が一定になるとともに、該端面１bとＣＣＭ２７３の接触面積を広くすることができるため、ばらつきのない正確な温度計測を行うことができる。
【００２９】
本実施例は一例であって、本発明の趣旨に沿って適宜に変更することができる。
上記実施例に挙げた温度計測用プローブのガラス管２の径等の値は一例に過ぎず、測定対象物や測定対象部位、該対象物に形成される孔の大きさを考慮して適宜に変更することができる。また、上記実施例では円筒状のガラス管２を用いたが、この部材に必要な特性は電気絶縁性と剛性であり、これらの要件を満たす材料（例えばセラミックスや樹脂）からなる筒状体を用いることができる。また、筒状体は必ずしも円筒状である必要はなく、孔の断面形状に合わせて多角形状や楕円形状等、適宜に断面形状を有する筒状体を用いることができる。
【符号の説明】
【００３０】
１…シース熱電対
２…ガラス管
３a…樹脂
１０…温度計測用プローブ
２２…ヒータ
２３…カソード側エンドプレート
２４…インシュレータ
２５…カソード側集電極
２６…アノード側集電極
２８…アノード側エンドプレート
２７１…カソード側ガス拡散層
２７３…触媒層付き膜
３２…マルチメータ
【図１】
0006667844.tif 000002
【図２】
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【図３】
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【図４】
0006667844.tif 000005
【図５】
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