(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
水素と酸素の電気化学反応によって電気を生成する電気発生部を有する燃料電池システムにおいて、
前記電気発生部は、
両面にそれぞれ提供されているアノード電極層とカソード電極層とを有する水素イオン導電性高分子膜を有する電極膜組立体と、
前記電極膜組立体のアノード電極層とカソード電極層にそれぞれ対面して前記電極層に提供する水素含有燃料または酸素含有気体が流動する流動チャネルを有する一対の分離板と、
前記水素イオン導電性高分子膜と分離板との間に介在されて流体漏れを防止する一対のガスケットと、を含み、
前記ガスケットのうち少なくとも１つは、弾性材質の第１フレームと導電性材質の第２フレームとからなる電圧検出ガスケットであり、前記第２フレームに電圧検出端子が提供されており、
前記第１フレーム及び前記第２フレームが、前記アノード電極層または前記カソード電極層を囲んで前記水素イオン導電性高分子膜と前記分離板との間に配置されることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
前記第２フレームは、前記水素イオン導電性高分子膜に接触し、前記第１フレームは、前記分離板に接触することを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項３】
前記電圧検出ガスケットは、前記アノード電極層に隣接して提供されることを特徴とする請求項２に記載の燃料電池システム。
【請求項４】
前記電圧検出ガスケットは、前記カソード電極層に隣接して提供されることを特徴とする請求項２に記載の燃料電池システム。
【請求項５】
前記分離板には、冷媒が流動することができる冷媒流動チャネルが提供されていることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項６】
前記電圧検出ガスケットに接触する分離板は、非導電性物質で製作されていることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池の開発過程や、最適化チューニング過程または実際の動作中に電気発生部の電圧を測定することができる電圧測定手段に関し、より詳しくは、電気発生部における流体流出を防止しつつ電圧を測定できるように電圧測定端子を有するガスケットを備えた燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
一般的に、燃料電池システムは、電気を生成する発電システムであって、水素と酸素の電気化学反応によって電気を生成する電気発生部を有する。前記電気発生部は、選択的なイオン透過特性を有する導電性高分子膜と、前記高分子膜の両側に提供されたカソード電極及びアノード電極からなる単位電池が複数個積層された構造からなる。このとき、隣接する単位電池の間には水素と酸素を前記アノード電極とカソード電極にそれぞれ供給するためのバイポーラプレートが提供される。
【０００３】
前述の水素と酸素の電気化学反応によって電気が生成されるとき、電気発生部における電圧を測定するための手段は、従来からよく知られている。
【０００４】
例えば、特開２００５−１８３３０８号公報（特許文献１）には、図４に示されるように、電圧検出部の電圧検出用端子をセパレータの端子接続部に接触させた構造の燃料電池が示されている。このような特許文献１において、アノード側電極に不活性ガスを供給する一方、カソード側電極に空気を供給しながら、電圧検出部によって発電セルの回路電圧を検出する。
【０００５】
特開２００５−０１９０４２号公報（特許文献２）には、図５に示されるように、燃料電池単セルが有するセパレータには、冷却水用流路が形成され、電圧評価部は、セパレータに形成された冷却水用流路の付近に配置されている燃料電池スタックが開示されている。
【０００６】
特開平９−１９９１４７号公報（特許文献３）には、図６に示されるように、基板に触媒を塗布して形成された燃料極及び酸化剤極の間に電解質層を挟んで形成された単位電池とガス分離板とを交互に複数個ずつ積層して形成するサブスタックにおいて、少なくとも２個の単位電池の燃料極または酸化剤極の少なくとも一方の電位を測定する電位測定手段が開示されている。
【０００７】
そして、特開平８−００７９１１号公報（特許文献４）には、図７に示されるように、サブスタックＴｓにおける両端のセルＣのそれぞれに電圧測定用端子１４を電気的に接続させた構造が開示されている。電圧測定用端子１４は、サブスタックの端部のセルと冷却部７とによって狭持され、かつサブスタックの端部のセルと集電板８とによって狭持されている。
【０００８】
燃料電池単位セルの電圧を測定するための従来技術において、ピンのような形状の検針器を単位セルを構成するバイポーラプレートに挟む方式は、安定した接触を保障することができず、正確な電圧測定が難しかった。また、開発過程やチューニング過程で電圧検出回数が多くなるほど単位セルのバイポーラプレートが損傷するか、または接触が不良になるという問題があった。
【特許文献１】特開２００５−１８３３０８号公報
【特許文献２】特開２００５−０１９０４２号公報
【特許文献３】特開平９−１９９１４７号公報
【特許文献４】特開平８−００７９１１号公報
【特許文献５】特開２００３−１２３８０１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
したがって、本発明の目的は、水素と酸素の電気化学反応によって電気を生成する電気発生部を有する燃料電池システムを提供することをその目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
前記目的を達成するために、本発明による前記電気発生部は、両面にそれぞれ提供されているアノード電極層とカソード電極層とを有する導電性高分子膜を有する電極膜組立体と、前記電極膜組立体のアノード電極層とカソード電極層にそれぞれ対面して前記電極層に提供する水素含有燃料または酸素含有気体が流動する流動チャネルを有する一対の分離板と、前記電極膜組立体と分離板との間に介在されて流体漏れを防止する一対のガスケットと、を含み、前記ガスケットのうち少なくとも１つは、弾性材質の第１フレームと導電性材質の第２フレームとからなる電圧検出ガスケットであることを特徴とする。
【００１１】
前記電圧検出ガスケットに接触する分離板は、非導電性物質からなることを特徴とする。
【００１２】
前記第１フレームは、分離板に接触し、前記第２フレームは、導電性高分子膜に接触することを特徴とする。
【００１３】
前記第２フレームには、電圧検出端子が提供されることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１４】
上述したように、本発明によれば、伝導性材質のフレームを持つ電圧検出ガスケットを用いて単位電池から発生される電圧を測定することによってバイポーラプレートによる電圧検出のときにバイポーラプレートが損傷される現象を防止しつつ電圧を正確に検出することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
以下、添付図面を参照して本発明の好ましい実施例を説明する。
図１は、本発明による燃料電池システムの概略図であり、図２は、本発明による電圧検出ガスケットを有する電気発生部の一部を示す断面図であり、図３は、本発明による電圧検出ガスケットの斜視図である。
【００１６】
図１を参照すると、本発明による燃料電池システムは、１個以上の単位電池が提供されており、水素と酸素の電気化学反応によって電気を生成する電気発生部１００と、電気発生部１００に水素含有燃料を供給する燃料供給部２００と、電気発生部１００に酸素含有気体を供給する酸素供給部３００とを有する。
【００１７】
ここで、水素含有燃料は、メタノール、エタノールなどのアルコール系燃料、メタン、プロパン、ブタンなどの炭化水素系燃料、液化天然ガスなどの天然ガス系燃料といった液体原燃料または水素といった気体原燃料を意味し、前記水素は、好ましくは、前記液体原燃料から得ることができる。
【００１８】
燃料供給部２００は、前述の液体原燃料を電気発生部１００に直接供給する直接メタノール燃料電池において原燃料供給タンク（図示せず）を含むことができる。一方、気体原燃料を電気発生部１００に供給する高分子電解質型燃料電池において、燃料供給部２００は、液体原燃料が貯蔵されている原燃料貯蔵部（図示せず）と、前記原燃料貯蔵部から供給される液体原燃料に対する改質過程を通じて得られる水素を主成分とする改質燃料、すなわち、気体原燃料を電気発生部１００に供給するための改質器（図示せず）とで構成されることができる。
【００１９】
以下では、直接メタノール燃料電池を基準として説明する。
【００２０】
図２を参照すると、電気発生部１００に提供された単位電池は、選択的なイオン透過性を有する導電性高分子膜１１２と、導電性高分子膜１１２の両側に提供されたアノード電極１１４及びカソード電極１１６とからなる電極膜組立体１１０（ＭＥＡ；Ｍｅｍｂｒａｎｅ  Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ  Ａｓｓｅｍｂｌｙ）と、アノード電極１１４とカソード電極１１６に水素含有燃料と酸素含有気体をそれぞれ供給する分離板１３０とを有する。
【００２１】
導電性高分子膜１１２は、アノード電極１１４の触媒層（図示せず）から発生した水素イオンをカソード電極１１６の触媒層に伝達するイオン交換の機能とともに水素含有燃料の透過を防止する機能を有する導電性高分子電解質膜であって、約５０〜２００μｍ程度の厚さを有する。前記導電性高分子膜１１２としては、例えば、ペルフルオロスルホネート樹脂（Ｎａｆｉｏｎ（登録商標））で製造された過フッ化フッ素酸樹脂膜、多孔性ポリテトラフルオロエチレン薄膜支持体に過フッ化スルホン酸（ｐｅｒｆｌｕｏｒｉｎａｔｅｄ  ｓｕｌｆｏｎｉｃ  ａｃｉｄ）などの樹脂溶液がコーティングされている膜、多孔性の非導電性高分子支持体に陽イオン交換樹脂及び無機シリケートが被覆されている膜などが使用される。
【００２２】
電極膜組立体１１０において、電極、例えば、カソード電極１１６は、カーボン紙のような第１多孔性支持層と、前記第１多孔性支持層に順次積層された触媒物質の第１拡散層と第１触媒層とからなる。前記第１多孔性支持層は、分離板１３０の一面に形成された酸素供給流路１３４を介して供給される酸素の流入経路だけでなく、下記に説明されるように、前記第１触媒層からなる電気化学反応の副産物である水（Ｈ２Ｏ）の流出経路を提供する。前記第１触媒層において、前記第１多孔性支持層と第１拡散層とを経由して提供される酸素は、下記反応式１の還元反応が行われる。
カソード反応：
（３／２）Ｏ２＋６Ｈ＋＋６ｅ−  →  ３Ｈ２Ｏ  ・・・  （１）
【００２３】
前記第１拡散層は、前記第１多孔性支持層と第１触媒層との間に介在されて酸素供給流路１３４を介して供給される酸素が前記第１触媒層に均一に分散されるように作用しながら、前記還元反応を通じて生成される水が前記第１多孔性支持層に排出されるように作用する。
【００２４】
同様に、アノード電極１１４は、カーボン紙のような第２多孔性支持層と、前記第２多孔性支持層に順次積層された触媒物質の第２拡散層と第２触媒層とからなる。前記第２多孔性支持層は、分離板１３０の一面に形成された燃料供給流路１３２を介して供給される水素含有燃料の流入経路だけでなく、下記に説明されるように、前記第２触媒層で行われる電気化学反応の副産物である二酸化炭素（ＣＯ２）の流出経路を提供する。前記第２触媒層において、前記第２多孔性支持層と第２拡散層とを経由して提供される水素含有燃料は、下記反応式２の酸化反応が行われる。
アノード反応：
ＣＨ３ＯＨ＋Ｈ２Ｏ  →  ＣＯ２＋６Ｈ＋＋６ｅ−  ・・・  （２）
【００２５】
前記第２拡散層は、前記第２多孔性支持層と第２触媒層との間に介在されて燃料供給流路１３２を介して供給される水素含有燃料が前記第２触媒層に均一に分散されるように作用しながら、前記酸化反応を通じて生成される二酸化炭素が前記第２多孔性支持層に排出されるように作用する。
【００２６】
したがって、電気発生部１００において、アノード電極１１４では、メタノールと水との反応によって二酸化炭素及び６個の水素イオンと電子が生成される（酸化反応）。前記水素イオンは、高分子膜１１２、例えば、水素イオン交換膜を経てカソード電極１１６に伝達され、電子は、電気集電体１４ｂの突起部２を介してカソード電極１１６に伝達される。カソード電極１１６では、水素イオンと電子、そして酸素が反応して水を生成する（還元反応）。全体としては、メタノールと酸素が反応して水と二酸化炭素を生成する。
【００２７】
一方、電気発生部１００の単位電池において、電極膜組立体１００と分離板１３０との間には、流体流出を防止するためのガスケット１２０Ａ、１２０Ｂが提供される。本発明によると、少なくとも１つのガスケット、流体流出を防止しつつ単位電池で生成される電圧を検出することができる電圧検出ガスケット１２０Ｂに作用する。図において、電圧検出ガスケット１２０Ｂは、電極膜組立体１００のアノード電極側に提供されているが、これに限らず、カソード電極側または両側に提供されることができる。
【００２８】
図３を参照すると、電圧検出ガスケット１２０Ｂは、弾性材質の第１フレーム１２２と、導電性材質の第２フレーム１２４とからなる。第１フレームと第２フレーム１２２、１２４は、アノード電極と分離板１３０の燃料供給流路１３２とが面接触できるように貫通している貫通窓１２２ａ、１２４ａと、貫通窓１２２ａ、１２４ａを取り囲む縁部１２２ｂ、１２４ｂとからなる。このとき、第２フレーム１２４には、縁部１２４ｂから外部に延長する電圧検出端子１２４ｃが提供される。第１フレーム１２２は、分離板１３０に接するように位置し、第２フレーム１２４は、導電性高分子膜１１２に接するように位置する。これは、電極膜組立体１１０で行われる電気化学反応の結果、生成される電流が第２フレーム１２４に流れるようにするためである。
【００２９】
上述したように、電圧検出ガスケット１２０Ｂが導電性高分子膜１１２の一側面に提供された状態で、一般的な弾性材質のガスケット１２０Ａは、導電性高分子膜１１２の他側面と他の分離板との間に提供される。しかし、導電性高分子膜１１２の両側面に本発明による電圧検出ガスケット１２０Ｂが提供されることもできる。
【００３０】
分離板１３０において、電極膜組立体１００のアノード電極１１４に対面している一側面には、水素含有燃料が流動することができる燃料供給流路１３２が提供され、カソード電極１１６に対面している他側面には、酸素含有気体が流動することができる酸素供給流路１３４が提供される。前記分離板１３０には、上述した電気化学反応の過程で発生する熱を除去するために冷媒が流動することができる冷媒流動チャネル１３６が提供される。
【００３１】
上述したように、電圧検出ガスケット１２０Ｂが分離板１３０と導電性高分子膜１１２との間に提供された状態で、分離板１３０は、非導電性物質で製作されることができる。これは、電極膜組立体１１０で生成される電流が電圧検出ガスケット１２０Ｂの第２フレーム１２４に流れることができるからである。すなわち、電圧検出ガスケット１２０Ｂが電極膜組立体１１０のアノード電極１１４側に提供されていれば、アノード電極１１４に接触する分離板１３０は、非導電性物質で製作されることができ、かつ電圧検出ガスケット１２０Ｂが電極膜組立体１１０のカソード電極１１６側に提供されていれば、カソード電極１１６に接触する分離板１３０は、非導電性物質で製作されることができる。
【００３２】
例えば、電圧検出ガスケット１２０Ｂが電極膜組立体１１０の両側面に提供されていれば、非導電性物質の分離板１３０に形成されている燃料供給流路１３２及び酸素供給流路１３４を介して水素含有燃料と酸素含有気体がアノード電極１１４とカソード電極１１６にそれぞれ供給される。そして、アノード電極１１４とカソード電極１１６からそれぞれなる電気化学反応の結果、アノード電極１１４とカソード電極１１６でそれぞれ生成される二酸化炭素と水は、非導電性物質の分離板１３０を介して外部に排出される。このように分離板１３０が非導電性物質で製作される場合に、その製作費用を節減することができる。
【００３３】
上述した構造の電気発生部を有する燃料電池システムにおいて、その開発過程、最適化チューニング過程または実際の動作中に各単位電池の電圧を測定して正常稼働の有無を判断するようになる。すなわち、電圧検出器（図示せず）を電圧検出ガスケット１２０Ｂの第２フレームに提供された電圧検出端子１２４ｃに接触させて単位電池別電圧を測定するようになる。前記電圧検出器は、一般的に、電圧検出端子１２４ｃに通電可能に接続される電圧検出部と、前記電圧検出部で検出される単位電池の電圧を測定する電圧表示部とを有する。
【００３４】
以下、本発明による燃料電池システムの動作について説明する。
【００３５】
燃料供給部２００から低濃度の水素含有燃料、例えば、水と混合して希釈されている所定濃度のメタノールが電気発生部１００に供給される。電気発生部１００において、分離板１３０の燃料供給流路１３２を介して単位電池、特に電極膜組立体１１０のアノード電極１１４に容易に供給される。酸素供給部３００から供給される酸素は、電気発生部１００から分離板１３０の酸素供給流路１３４を介して単位電池、特に電極膜組立体１１０のカソード電極１１６に供給される。
【００３６】
アノード電極１１４において、第２多孔性支持層と第２拡散層とを経由して提供された水素含有燃料は、第２触媒層で酸化され、その結果、水素イオンと電子及び二酸化炭素が生成される。このとき、水素イオンは、導電性高分子膜１１２を介してカソード電極１１６の第１触媒層に移動し、二酸化炭素は、第２多孔性支持層を経由して分離板１３０の燃料供給流路１３２を介して外部に排出される。
【００３７】
カソード電極１１６において、第１多孔性支持層と第１拡散層とを経由して提供された酸素は、第１触媒層で水素イオンと反応し、その結果、水が生成される。前記水は、第１多孔性支持層を経由して分離板１３０の酸素供給流路１３４を介して外部に排出される。
【００３８】
このとき、前記電圧測定器の電圧検出部を電圧検出端子１２４ｃに接触させて上述した電気化学反応の過程で単位電池で生成される電圧を測定する。前記電圧測定器によって測定される電圧の大きさによって各単位電池の正常稼働の有無を判断する。
【００３９】
このような内容は、単に本発明の好ましい実施例を例示したもので、本発明の属する技術分野における当業者は、添付された請求範囲に記載された本発明の思想及び要旨から逸脱しない範囲で本発明に対する修正及び変更を加えることができることを認識することができる。
【図面の簡単な説明】
【００４０】
【図１】本発明による燃料電池システムの概略図である。
【図２】本発明による電圧検出ガスケットを有する電気発生部の一部を示す断面図である。
【図３】本発明による電圧検出ガスケットの斜視図である。
【図４】従来技術による、セパレータに電圧検出端子が提供された状態を示す図である。
【図５】従来技術による燃料電池スタックの断面図である。
【図６】従来技術による燃料電池スタックの断面図である。
【図７】従来技術による燃料電池スタックの断面図である。
【符号の説明】
【００４１】
１００  電気発生部
２００  燃料供給部
３００  酸素供給部
１１２  導電性高分子膜
１１４  アノード電極
１１６  カソード電極
１２０Ａ、１２０Ｂ  ガスケット
１２２  第１フレーム
１２４  第２フレーム
１２２ａ、１２４ａ  貫通窓
１２２ｂ、１２４ｂ  縁部
１２４ｃ  電圧検出端子
１３０  分離板
１３４  酸素供給流路
１３６  冷媒流動チャネル
【図１】
0004607827.tif 000002
【図２】
0004607827.tif 000003
【図３】
0004607827.tif 000004
【図４】
0004607827.tif 000005
【図５】
0004607827.tif 000006
【図６】
0004607827.tif 000007
【図７】
0004607827.tif 000008