(57)【要約】【課題】構成が簡易であり、複数設置が可能な、燃料電池における電極の局部電位測定装置を提供する。【解決手段】燃料電池酸素極２１の一部を周囲の酸素極２１から絶縁された検出片４１とし、酸素極に接触する集電部材３２の電位を基準電位として、検出片４１の電位との電位差を計測する電圧計５を設ける。検出片４１を、酸素極２１の表面に複数設け、各検出片４１毎に、集電部材３２を標準電位とした時の電位差を計測する電圧計５を設けて、計測回路をそれぞれ構成する。各部の電位を検出することにより、異常電位の発生を正確に検出することができる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
酸素極と燃料極とで固体高分子電解質を挟持した燃料電池単位セルの酸素極に設けられ、測定位置の酸素極の一部を周囲の酸素極から絶縁状態として構成された検出片と、該検出片に通電可能に接続された検出端子とを備えている検出部と、
酸素極と前記検出部との間に接続され、酸素極を基準電位とし酸素極の電位と検出部の電位との電位差を検出する電位測定手段とを有する燃料電池の電極電位測定装置。
【請求項２】
酸素極と燃料極とで固体高分子電解質を挟持した燃料電池単位セルと導電性を有するセパレータとを交互に積層して構成された燃料電池スタックの酸素極に設けられ、測定位置の酸素極の一部を周囲の酸素極から絶縁状態として構成された検出片と、該検出片に通電可能に接続され、セパレータと絶縁されている検出端子とを備えた検出部と、
酸素極と前記検出部との間に接続され、酸素極を基準電位とし酸素極の電位と検出部の電位との電位差を検出する電位測定手段とを有する燃料電池の電極電位測定装置。
【請求項３】
酸素極の複数箇所に配置されている請求項１又は２に記載の燃料電池の電極電位測定装置。
【請求項４】
検出端子は絶縁材料で構成された保持部材を介して、セパレータに固定されている請求項２又は３に記載の燃料電池の電極電位測定装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は燃料電池における電極電位測定装置にかかり、詳しくは電極内の特定の位置（局部）における電位を測定する電極電位測定装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、高分子電解質膜を使用した燃料電池では、電解質膜を挟んだ両側で燃料ガス或いは酸化ガスがイオン化し、そのイオンが電解質膜を透過して電気化学的な反応を生じるものであるから、電解質膜を挟んで燃料ガスと酸化ガスが存在していれば、両者の電気化学的な反応が継続する。従来では、燃料電池の運転を停止するために、燃料電池への燃料ガスおよび酸化ガスの供給を停止している。この場合、燃料電池内には、燃料ガスと酸化ガスが残存しているから、一方の残存ガスがなくなるまで両者の電気化学的な反応が継続することとなる。
【０００３】
燃料ガスや酸化ガスの供給を止めた後、残存ガスが燃料電池の内部で反応すると、その体積が減少し、燃料室（燃料ガス流路）側の圧力が次第に低下する。燃料室内の内部圧力が低下すると、酸化ガス流路から電解質膜を透過して燃料ガス流路内に酸化ガスが侵入する。その結果、燃料室内では、燃料ガスの濃度が他の領域より特に濃い領域と、酸化ガスの濃度が他の領域により特に濃い領域が併存する状態、即ち、同一の燃料室内で、燃料ガスと酸化ガスが偏在した状態が発生することとなる。このガスの偏在が増大していくと、燃料ガスが偏在した部分が局部電池を形成し、酸化ガスが偏在した部分に正常発電時と逆向きの電流を流すように働くため、特に酸素極を腐食させることなり、劣化が速くなる。
このような異常反応を回避するためには、燃料室側の電極面のどこで、いつ局部電池が構成されているかを監視する必要がある。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
そこで、従来では、燃料室内の水素濃度を測定する代わりに、燃料極の電位分布を測る方法として、塩橋を用いてＲＨＥ（Ｒｅｖｅｒｓｉｂｌｅ　Ｈｙｄｒｏｇｅｎ　Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ）基準で燃料極電位を測る方法が知られている。しかし、この方法を用いると、電極面に対する測定部位のそれぞれに塩橋を設けなければならず、構成が大型化してしまうという問題があった。
【０００５】
また、燃料室内の水素とそれ以外のガスの偏在を確認するには、燃料極面に対して複数箇所の検出部を設置し、それらの電位を比較しなければならないが、複数の検出部にそれぞれ塩橋を設けるには、さらに構成が大型化してしまうという問題があった。特に、燃料電池単位セルをセパレータを介して積層し、スタックを構成した燃料電池では、検出対象となる燃料極が、小さな間隔を空けて多数配置されるので、塩橋を利用する検出部を設けることは、さらに構成が大掛かりとなり、事実上取り付けは不可能である。
さらに、水素と水素以外の気体が混在する雰囲気下では、ＲＨＥの電位自体も正確ではなく、異常電位の現象が起きているか否かは検出できるが、異常電位の程度や具体的な数値までは検出することは難しいといった問題もあった。
【０００６】
この発明は、構成が簡易であり、複数設置が可能な、燃料電池における電極電位測定装置を提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
以上のような目的を達成する本発明は以下の構成を有する。
（１）　酸素極と燃料極とで固体高分子電解質を挟持した燃料電池単位セルの酸素極に設けられ、測定位置の酸素極の一部を周囲の酸素極から絶縁状態として構成された検出片と、該検出片に通電可能に接続された検出端子とを備えている検出部と、
酸素極と前記検出部との間に接続され、酸素極を基準電位とし酸素極の電位と検出部の電位との電位差を検出する電位測定手段とを有する燃料電池の電極電位測定装置。
【０００８】
（２）　酸素極と燃料極とで固体高分子電解質を挟持した燃料電池単位セルと導電性を有するセパレータとを交互に積層して構成された燃料電池スタックの酸素極に設けられ、測定位置の酸素極の一部を周囲の酸素極から絶縁状態として構成された検出片と、該検出片に通電可能に接続され、セパレータと絶縁されている検出端子とを備えた検出部と、
酸素極と前記検出部との間に接続され、酸素極を基準電位とし酸素極の電位と検出部の電位との電位差を検出する電位測定手段とを有する燃料電池の電極電位測定装置。
【０００９】
（３）　酸素極の複数箇所に配置されている上記（１）又は（２）に記載の燃料電池の電極電位測定装置。
【００１０】
（４）　検出端子は絶縁材料で構成された保持部材を介して、セパレータに固定されている請求項２又は３に記載の燃料電池の電極電位測定装置。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の燃料電池の電極電位測定装置１について、添付図面に基づき詳細に説明する。図１は、本発明の燃料電池の電極電位測定装置１を備えた燃料電池スタック１０の構成を示す模式図である。
燃料電池スタック１０は、単位セル２と、セパレータ３とを備えている。単位セル２は、酸素極２１と燃料極２２とで固体高分子電解質２３を挟持した構成となっている。酸素極２１と燃料極２２は、それぞれ固体高分子電解質２３に接触する反応層２１１、２２１と、セパレータ３に接触するガス拡散層２１２、２２２とを備えている。
【００１２】
セパレータ３は、酸素極２１と燃料極２２にそれぞれ接触して電流を外部に取り出すための集電部材３１、３２とを有している。
集電部材３１、３２は、導電性と耐蝕性を備えた材料で構成されている。集電部材３１、３２としては、例えば、緻密質カーボン、金属等の材料で構成されている。金属で構成した場合には、例えば、ステンレス、ニッケル合金、チタン合金等の材料に耐蝕導電処理を施したものを用いることができる。ここで、耐蝕導電処理とは、例えば、金メッキ等が挙げられる。
【００１３】
図２は、セパレータ３と単位セル２の位置関係を示す分解斜視図である。集電部材３１の燃料極２２に接触する面には、直交方向に等間隔で配置された凸部３１１が複数形成され、該凸部３１１の間には、溝３１２が格子状に形成されている。各凸部３１１先端の平面部が燃料極２２にそれぞれ接触する接触部３１３となっており、この接触部３１３を介して燃料極２２と通電可能となる。溝３１２と、燃料極２２の表面とによって、水素ガスが流通する燃料室３０が形成される。この燃料室３０において、水素ガスが燃料極２２へ供給される。
【００１４】
燃料室３０には、燃料ガス供給孔３１８と燃料ガス排出孔３１７とが形成され、水素ガスは燃料ガス供給孔３１８から燃料室３０内に流入し、燃料極２２に水素を供給しつつ、燃料ガス排出孔３１７から流出する。この実施形態では、集電部材３１は、矩形であり、燃料ガス供給孔３１８と燃料ガス排出孔３１７は、集電部材３１の平面視における図心を中心として点対称の位置に（対角線方向）に、それぞれ配置されている。以上のように、燃料室３０は、各セパレータ３と単位セル２の間にそれぞれ形成されている。
【００１５】
各燃料室３０の燃料ガス供給孔３１８は、燃料電池スタック１０内において、集電部材３１の積層方向に形成されている燃料ガス供給通路３１９ａにそれぞれ連通しており、燃料ガス排出孔３１７は、燃料電池スタック１０内において、集電部材３１の積層方向に形成されている燃料ガス排出通路３１９ｂにそれぞれ連通している。燃料ガス供給通路３１９ａと各燃料ガス供給孔３１８によって、燃料ガスを各燃料室３０に分配する燃料ガスマニホールドが構成される。
【００１６】
図３は、集電部材３２の全体斜視図である。集電部材３２の、酸素極２１に接触する面には、直線状に連続して隆起した凸部３２１が等間隔で複数形成され、該凸部３２１の間には、溝３２２がそれぞれ形成される。つまり、凸部３２１と溝３２２は、交互に配置された形状となっている。凸部３２１は、最も突出した峰の平面部が酸素極２１に接触する接触部３２３となっており、この接触部３２３を介して酸素極２１と通電可能となる。溝３２２と、酸素極２１の表面とによって、空気が流通する空気流通路３２５が形成される。
【００１７】
溝３２２は、集電部材３１の両端部に達しており、空気流通路３２５の上下端は、燃料電池スタック１０の外側に連通する開口部となっている。両端の開口部の一方は、空気が流入する空気流入部３２６を形成し、他方の開口部は、空気が流出する空気流出部３２７を形成している。空気流入部３２６から流入した空気は、空気流通路３２５において、酸素極２２と接触し、酸素極に酸素を供給しつつ、空気流出部３２７へ導かれる。なお、集電部材３２の両端部には、積層時に、燃料ガス供給通路３１９ａと燃料ガス排出通路３１９ｂをそれぞれ構成する孔３２８、３２７を有している。
【００１８】
以上のような構成を有する単位セル２と集電部材３２について設けられている電極電位測定装置１について説明する。図１に示されているように、電極電位測定装置１は、検出部４と、電位測定手段である電圧計５と、検出部４と電圧計５、および電圧計５と集電部材３２とを接続する導線６１、６２とを備えている。
【００１９】
検出部４は、酸素極２１内に設けられた検出片４１と、検出片４１の表面に接続された検出端子４２と、検出端子４２を保持する保持部材４３とを備えている。検出片４１は、酸素極２１の一部を切り出して、周囲の酸素極２１から絶縁状態としたものであり、検出片４１と周囲の酸素極２１との間には、絶縁部４１１が設けられている。この絶縁部４１１は、絶縁材料を充填することにより構成し、あるいは単に隙間を空けることにより構成することができる。検出片４１は、固体高分子電解質２３に接触し、高分子電解質２３との間でイオン伝導可能に構成されている。このような構成とすることによって、燃料極２２側に空気（酸素）が偏在した場所での異常電位を検出することができる。
【００２０】
検出端子４２は、例えばＰｔ、Ａｕ、Ｔｉ、Ｔａなどの耐食性のある金属で構成することができる。検出端子４２を保持している保持部材４３は、集電部材３２側に固定されており、絶縁材料で構成されている。保持部材４３は、検出端子４２を集電部材３２側に保持するとともに、検出端子４２を集電部材３２と周囲の酸素極２１から電気的に絶縁する作用を有する。また、検出端子４２は、単位セル２と集電部材３２とを重ね合わせて燃料電池スタック１０を組み立てた際に、酸素極２１の検出片４１に接触する構成となっている。
【００２１】
検出端子４２には、導線６１の一端が接続されており、導線６１の他端は、電圧計５に接続されている。導線６１は、絶縁材で被覆されており、集電部材３２の空気流通路３２５内を挿通し、図３に示されているように、集電部材３２の端部（空気流通路３２５）から外側に導出されている。導線６１には絶縁材によって被覆されており、空気流通路３２５内で集電部材３２との接触により、集電部材３２と導線６１が通電しない構成となっている。
【００２２】
導線６１を集電部材３２の端部から外側に導出することによって、集電部材３２を積層することができ、燃料電池スタック１０に本発明の電極電位測定装置１を用いることが容易となる。
電圧計５の他方の端子には、導線６２の一端が接続され、導線６２の他端は、酸素極側の集電部材３２に接続されている。導線６２は絶縁材で被覆されている。
【００２３】
以上のように構成された電極電位測定装置は、酸素極２１に複数設けられている。例えば、図２に示されているように、上下方向に３段、左右方向に５列設けられ、それぞれの検出部４１について、それぞれ電圧計５が接続された独立した回路が構成される。
【００２４】
このような複数の位置の電位を検出することによって、例えば、図４に示されているように、電極の各位置における電位の変化をモニターすることができる。検出片４１ａの位置の曲線をａ、検出片４１ｂの位置の曲線をｂ、検出片４１ｃの位置の曲線をｃ、検出片４１ｄの位置の曲線をｄで表すと、経時変化する電位を知ることができる。燃料供給停止し、燃料電池の負荷をオフした後、時間の経過とともに、電位が高く変化している箇所（ａ，ｂ，ｃ）は、燃料室３０に水素と酸素が偏在している状態で空気が多く存在する箇所であり、電位がゼロ又は負となっている箇所（ｄ）は比較的水素で満たされている箇所である。
【００２５】
図４に示されている曲線では、検出片４１ｄの位置と、他の検出片４１ａ〜ｃの位置との間に電位差が生じており、この電位差が所定値以上となった場合に、異常電位が生じたものとすることができる。また、１箇所の電位を検出した場合には、電位値がゼロの位置から変化した量により、異常電位と判定することができる。
【００２６】
【発明の効果】
請求項１に記載の発明によれば、塩橋を用いる必要がなく、測定装置の構成を簡易にすることができる。また、酸素極を基準電位とすることによって、電位の程度をより正確に測定することができる。
請求項２に記載の発明によれば、塩橋を用いないので、セパレータを用いて多数の単位セルを積層した燃料電池スタックに用いることができる。
【００２７】
請求項３に記載の発明によれば、複数箇所の電位を測定し、これを比較することによって、異常電位の発生や、発生場所を正確かつ迅速に検出することができる。
請求項４に記載の発明によれば、保持部材を用いて検出端子を保持する構成とし、燃料電池単位セルにセパレータを積層することで検出端子と検出片とが接続される構成することによって、電極電位測定装置の組立が容易とすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の燃料電池の電極電位測定装置を備えた燃料電池スタックの構成を示す模式図である。
【図２】セパレータと単位セルの位置関係を示す分解斜視図である。
【図３】集電部材の全体斜視図である。
【図４】電極各部の電位の経時変化を示すグラフである。
【符号の説明】
１　電極電位測定装置
１０　燃料電池スタック
２　単位セル
３　セパレータ
３０　燃料室
４　検出部
４１　検出片
４２　検出端子
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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