(57)【要約】  【課題】燃料電池の監視対象部位に生じる異状を容易に特定することができる燃料電池の異状監視方法を提供する。  【解決手段】触媒層４のような監視対象部位にルミノールが付着した燃料電池１が用意され、燃料電池１に発電を行わせる。このとき、触媒層４にて異常電位が生じたり、過酸化水素が生成されたりすると、その異常電位発生部位や過酸化水素の生成部位は、ルミノール反応によって発光する。このような発光を観測者が視認することで、観測者は、異常電位の発生や過酸化水素の生成を容易に特定することができる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
監視対象部位に酸化発光剤が付着した燃料電池を用意し、
前記燃料電池に発電を行わせ、
前記監視対象部位を視認する
ことを含むことを特徴とする燃料電池の異状監視方法。
【請求項２】
前記酸化発光剤は、ルミノール，ルシフェラーゼ，ルシフェリンのうちの少なくとも一つである
ことを特徴とする請求項１記載の燃料電池の異状監視方法。
【請求項３】
前記監視対象部位は、前記燃料電池を構成する触媒又は触媒と接触する部位である
ことを特徴とする請求項１または２記載の燃料電池の異状監視方法。
【請求項４】
監視対象部位に酸化発光剤が付着した燃料電池と、
前記燃料電池に発電を行わせる手段と
を備えることを特徴とする燃料電池の異状監視装置。
【請求項５】
前記監視対象部位が前記燃料電池の内部にある場合に、この監視対象部位を前記燃料電池の外部から視認するための手段をさらに備える
ことを特徴とする請求項４記載の燃料電池の異状監視装置。
【請求項６】
前記監視対象部位を視認するための手段は、透明な材料で形成されたセパレータを含むことを特徴とする請求項５記載の燃料電池の異状監視装置。
【請求項７】
前記監視対象部位を視認するための手段は、前記監視対象部位を撮像する撮像手段と、前記撮像手段によって撮像された前記監視対象部位の画像を表示する表示手段とを含むことを特徴とする請求項５記載の燃料電池の異状監視装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池の異状監視方法及びその装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、燃料電池の面内での電流密度分布を得るため、各流路からの排気内水素濃度を測定する技術がある(例えば、特許文献１)。
【０００３】
また、本願発明に関連する先行技術文献として、特許文献２や特許文献３に開示された技術がある。
【特許文献１】特開平８−２２２２６０号公報
【特許文献２】特開平９−２２３５１２号公報
【特許文献３】特開平１０−２２８９１５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、特許文献１記載の技術では、各流路毎に水素濃度を測定しなければならなかった。したがって、電流密度分布の分解能は、水素濃度を測定する流路の数に依存するので、高い分解能を得ることができなかった。また、流路内での電圧分布を監視することはできなかった。
【０００５】
本発明の目的は、燃料電池の監視対象部位に生じる異状を容易に特定することができる燃料電池の異状監視方法及びその装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明は、上記課題を解決するため以下の構成を採用する。
【０００７】
即ち、本発明は、監視対象部位に酸化発光剤が付着した燃料電池を用意し、前記燃料電池に発電を行わせ、前記監視対象部位を視認する
ことを含むことを特徴とする燃料電池の異常監視方法である。
【０００８】
本発明によれば、燃料電池に発電を行わせることによって、監視対象部位に高電位部或いは過酸化水素生成などの異状が生じると、異状によって酸化発光剤が酸化して発光する。このため、観測者は、監視対象部位に生じた発光部位を視認することで、燃料電池の異状として特定することができる。
【０００９】
本発明における酸化発光剤は、例えば、ルミノール，ルシフェラーゼ，ルシフェリンのうちの少なくとも一つを用いて構成されるようにすることができる。
【００１０】
また、本発明における監視対象部位は、例えば、前記燃料電池を構成する触媒又は触媒と接触する部位である。触媒と接触する部位は、例えば、燃料や酸化剤の拡散層や触媒層に挟まれる電解質である。監視対象部位が触媒又は触媒と接触する部位とされる場合では、これらで過酸化水素の発生が認められると、過酸化水素がルミノール、ルシフェラーゼ、ルシフェリンの少なくとも一つと反応し、この反応を契機として発光現象が起こる。このような過酸化水素による発光現象を燃料電池の異状として視認することができ、発光分布を視認することで、過酸化水素の生成分布を容易に把握することができる。
【００１１】
異常電位の発生を視認する場合には、監視対象部位は、燃料電池の外部と内部とのいず
れであっても良い。即ち、燃料電池において、異常電位が発生する可能性のある部位に酸化発光剤を付着させておくことで、その部位が発光すれば、異常電位の発生としてとらえることができる。
【００１２】
また、本発明は、監視対象部位に酸化発光剤が付着した燃料電池と、前記燃料電池に発電を行わせる手段とを備えることを特徴とする燃料電池の異状監視装置である。
【００１３】
本発明による異状監視装置は、前記監視対象部位が前記燃料電池の内部にある場合に、この監視対象部位を前記燃料電池の外部から視認するための手段をさらに備えるように構成される。
【００１４】
監視対象部位を視認するための手段は、透明な材料で形成されたセパレータを含むように構成することができる。或いは、監視対象部位を撮像する撮像手段と、前記撮像手段によって撮像された前記監視対象部位の画像を表示する表示手段とを含むように構成することもできる。撮像手段は、例えば、その一部が燃料電池内部に挿入される内視鏡カメラを用いることができる。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、燃料電池の監視対象部位に生じる異状を容易に特定することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
以下、図面を参照して本発明の実施形態を説明する。実施形態の構成は例示であり、本発明は実施形態の構成に限定されない。
【００１７】
〔第１実施形態〕
本発明による燃料電池の異状監視方法の第１実施形態として、燃料電池内での過酸化水素生成の検出方法について説明する。
【００１８】
図１は、本発明の第１実施形態としての、燃料電池内の過酸化水素生成を検出する装置の構成を示す図である。図１には、当該方法に適用される燃料電池１が示されている。燃料電池１は、電解質膜２の各面に燃料極(水素極)側の触媒層３と酸化剤極(空気極)側の触媒層４とが接合されてなるＭＥＡ(膜・電極接合体)５と、ＭＥＡ５の両側に配置される燃料極側の拡散層６及び酸化剤極側の拡散層７とが燃料極側のセパレータ８と酸化剤極側のセパレータ９とで挟まれることによって燃料電池セルを構成している。
【００１９】
そして、触媒層３及び拡散層６が燃料極１０を構成し、触媒層４及び拡散層７が酸化剤極１１を構成している。各触媒層３及び４は、炭素粉末に白金を担持したもの(Ｐｔ／Ｃ)と電解質とによって形成されており、各拡散層６及び７は、白金や金(Ａｕ)などの貴金属類によるメッシュを用いて構成されている。但し、拡散層６及び７としてカーボンクロスやカーボンペーパーを適用することもできる。また、燃料極１０及び酸化剤極１１には、それぞれに端子が設けられており、両端子は、負荷１２が接続された外部回路に接続されている。
【００２０】
燃料極１０には、タンクのような貯留手段に貯留された水素ガスや水素リッチガスのような燃料がポンプなどの燃料供給手段によって供給される。また、酸化剤極１１には、空気のような酸化剤ガスがポンプやブロワやエアコンプレッサのような図示しない酸化剤供給手段により供給される。
【００２１】
燃料極１０に供給される燃料は、セパレータ８に設けられた溝から拡散層６に供給され
、拡散層６で拡散しつつ触媒層３に到達する。触媒層３では、酸化反応により、燃料中の水素がプロトン(水素イオン)と電子とに分離され、プロトンは電解質膜２を通って酸化剤極１１に移動し、電子は外部回路を通って酸化剤極１１に移動する。
【００２２】
一方、酸化剤極１１に供給される酸化剤ガスは、セパレータ９に設けられた溝から拡散層７に供給され、拡散層７で拡散しつつ触媒層４に到達する。触媒層４では、酸化剤ガスに含まれる酸素と、電解質膜２から移動してきた水素イオンと、外部回路を通って酸化剤極１１に到達した電子とによる還元反応により水が生成される。このような燃料極１０及び酸化剤極１１における反応の際に外部回路を通る電子(電荷)が、負荷１２に対する電力として消費される。
【００２３】
上述した燃料電池１は、外部から燃料電池１内部の過酸化水素の生成を視認できるように、次のような構成を備えている。即ち、酸化剤極１１の触媒層４には、酸化発光剤としてのルミノールが含浸により全体に亘って一様に添加された(付着した)状態となっている。また、酸化剤極１１側のセパレータ９は、アクリル等の合成樹脂やガラスのような透明な材料により構成されており、外部から酸化剤極１１を視認可能となっている。
【００２４】
図２は、過酸化水素によるルミノール反応を示す図である。図２に示すように、ルミノールは、過酸化水素と接触すると酸化して蛍光励起状態となった後に触媒と接触して基底状態物質となる。このとき、４６０ｎｍ程度の波長の光(蛍光)を発する。一方、燃料電池１の発電時における酸化剤極１１での反応により副生成物として過酸化水素(Ｈ２Ｏ２)が生成されることが知られている。
【００２５】
第１実施形態では、燃料電池内部での過酸化水素生成を異状として検出するために、以下のようにする。観測者は、触媒層４のような監視対象部位にルミノールが付着した燃料電池１を用意し、燃料電池１に発電を行わせる。即ち、燃料電池１の両電極間を外部回路で接続し、燃料供給手段により燃料極６に燃料を供給し、酸化剤供給手段により酸化剤極１１に酸化剤を供給する。すると、燃料極６及び酸化剤極１１での反応により発電が行われる。このように、燃料供給手段及び酸化剤供給手段を燃料電池１に発電を行わせる手段として用いて燃料電池１に発電を行わせる。このとき、酸化剤極１１において、過酸化水素が生成されることがある。
【００２６】
すると、触媒層４に付着しているルミノールが生成された過酸化水素と反応し、蛍光を発する。このようなルミノールによる蛍光は、拡散層７越しに視認が可能であり、その分解能は、分子一個分を最小として、任意の大きさで観測することができる。例えば、面内を数ｍｍ単位でマトリクス状に分割して、各分割面で過酸化水素が分布しているか否かを判断することができる。
【００２７】
酸化剤極１１側のセパレータ９は、透明材料で構成されている。このため、観測者は、ルミノールによる発光部位をセパレータ９越しに燃料電池１の外側から視認することができる。観測者は、例えば、酸化剤極１１の面に対向する方向(例えば直交する方向Ｄ１)からルミノールが発光する様子を観察することで、どの部位で過酸化水素が生成されたかを把握することができる。また、観測者は、酸化剤極１１の面内においてどの部位が発光しているかを観察することで、酸化剤極１１における過酸化水素の面内分布を容易に把握することができる。さらに、ルミノールの発光強度は、過酸化水素の濃度に依存するので、観測者は、発光強度を視認することで、過酸化水素濃度の面内分布も観測することができる。
【００２８】
図３は、ルミノール反応により酸化剤極１１にあらわれた過酸化水素生成面内分布(ル
ミノールの発光状態)の例を示す図である。図３では、セパレータ９に設けられた酸化剤
ガスの流路に沿って過酸化水素が分布し、ルミノールが発光している様子が示されている（網がけ部分が発光部位を示す）。観測者は、このような過酸化水素の面内分布を検出することができる。
【００２９】
また、観測者は、燃料電池１の断面方向(酸化剤極１１の面と平行な方向：例えば図中
の方向Ｄ２参照)で、燃料電池１の内部を観察することもできる。図１に示すように、燃
料電池１の高さ方向の一方の端面は、アクリル等の合成樹脂やガラス製の板状部材１３で閉じられている。観測者は、板状部材１３で閉じられた面から燃料電池１の内部を観察することで、触媒層４の厚さ方向において、どの部位で盛んに過酸化水素が生成されているかを測定することができる。
【００３０】
さらに、観測者は、例えば、図４に示すような撮像手段としてのカメラ１４と、カメラ１４が接続された情報処理装置(コンピュータ)１５とを過酸化水素濃度測定装置として用いて、触媒層４の面上に可視的にあらわれた過酸化水素濃度を測定することができる。
【００３１】
カメラ１４は、監視対象部位の画像(ルミノールの発光状態を示す画像)を撮像する。このとき、ルミノールによる発光部位が浮かび上がるような状態で撮像が行われる。情報処理装置１５は、ＣＰＵ，メモリ，入出力インタフェース等を備えており、メモリに格納されたプログラムを実行することによって、撮像された画像を用いた過酸化水素濃度の測定処理を行う。プログラムは、実験等によって求められたルミノールの発光強度(画像中の
発光部位の輝度)と過酸化水素濃度との相関関係を示す関数を用いて過酸化水素濃度を求
める。
【００３２】
即ち、ＣＰＵは、カメラ１４で撮像された画像データがカメラ１４から入力される(例
えばグレースケール画像としてキャプチャされる)と、画像の各画素の輝度を算出し、所
定の閾値以上の輝度を持つ画素のみを抽出する。これによって、発光部位(過酸化水素が
分布している部位)の画素が抽出される。
【００３３】
次に、ＣＰＵは、抽出された各画素の輝度に対する過酸化水素濃度値を上記関数を用いてそれぞれ求める。そして、画素毎の濃度値を情報処理装置１５に接続された表示手段としてのディスプレイ１６に表示する。例えば、ＣＰＵは、撮像された画像をディスプレイ１６に表示するとともに、濃度を求めた各画素の色を、所定の濃度値の範囲に応じて異なる色で表示する。これによって、発光部位が濃度の高さに応じて色分けされた状態で表示される。
【００３４】
したがって、観測者は、ディスプレイ１６に表示される画素の色と濃度値との関係を把握すれば、過酸化水素の面内における濃度分布を明確に把握することができる。この場合、面内分布の分解能は、撮像される画像の解像度や情報処理装置１４で処理可能な解像度に依存するので、高い分解能と細かい測定結果とを得ることができる。
【００３５】
第１実施形態によれば、過酸化水素の生成の検出部位にルミノールが付着された燃料電池１を用意し、燃料電池１に発電を行わせ、ルミノールの発光状態を観察することで、燃料電池１内のどこで過酸化水素が生成され、どのように分布しているかを容易に把握することができる。
【００３６】
なお、第１実施形態では、酸化発光剤としてルミノールが適用された例を示したが、酸化発光剤としては、ルミノール、ルシフェラーゼ(例えばホタルルシフェラーゼ)、ルシフェリンのうちの少なくとも一つを適用することができる。
【００３７】
また、第１実施形態では、ルミノールを酸化剤極１１の触媒層４に付着させた例を示し
たが、電解質膜２，触媒層３，各拡散層６及び７，セパレータ８及び９の少なくとも一つに付着させて、ルミノールが付着した部位における過酸化水素の分布を観測するようにしても良い。燃料極１０での過酸化水素の分布が観測される場合には、セパレータ８も透明材料で構成することができる。
【００３８】
〔第２実施形態〕
以下、本発明による燃料電池の異状監視方法の第２実施形態として、燃料電池内の異常電位を計測する方法について説明する。第２実施形態は、第１実施形態と同様の内容を有するので、同様の内容の説明を省略する。当該計測方法でも、第１実施形態と同様に、燃料電池の監視対象部位に酸化発光剤としてのルミノールを付着させ、燃料電池による発電を行わせ、監視対象部位を視認する。
【００３９】
第２実施形態における燃料電池内の異常電位を計測する装置としては、図１に示したような装置をそのまま使用することができる。
【００４０】
図４は、触媒層４に付着したルミノールの、触媒層４の電位による反応経路を示す図であり、図５は、ルミノールの白金電極上での発光現象(酸素雰囲気)を示すグラフである。図４に示すように、ルミノールは、触媒層４のようなＰt／Ｃ(白金／カーボン)触媒上に
おいて、１．０Ｖ以上の高い電位で酸化される。酸化反応により、ルミノールは、蛍光励起状態物質となる。しかし、すぐそばに活性が非常に高いＰt／Ｃ触媒が存在し、当該触
媒と接触することで基底状態物質になる。このような励起状態から基底状態になる際に、４６０ｎｍ程度の波長の光(蛍光)を放出する。このように、ルミノールは、１．０Ｖ以上の電位で発光する。図５に示す例では、１．０Ｖ程度からルミノールの発光が認められている。
【００４１】
一方、燃料電池１の内部で発生する１．０Ｖ以上の電位は異常電位と認められる。このため、ルミノールの発光が認められる部位は、異常電位が発生した部位と認定することができる。第２実施形態では、１．０Ｖ以上の電位の発生を異状とし、１．０Ｖ以上の電位によるルミノールの酸化・励起→基底(発光)への一連の反応を利用して燃料電池セル内で生じる異常部位を可視的に測定する。
【００４２】
具体的には、第１実施形態と同様に、監視対象部位(ここでは触媒層４)にルミノールが付着した燃料電池１を用意し、発電を行わせる。これによって、酸化剤極１１には、反応の状況に応じた電位分布があらわれる。
【００４３】
このとき、触媒層４に１．０Ｖ以上の異常電位が生じた部位が発生すると、ルミノールが酸化して励起状態から基底状態に遷移するとともに蛍光を発する。これによって、観測者が触媒層４における異常電位の発生部位を視認可能な状態となる。このようなルミノールによる蛍光は、拡散層７越しに視認が可能である。
【００４４】
酸化剤極１１側のセパレータ９は、透明材料で構成されている。このため、観測者は、ルミノールによる発光部位をセパレータ９越しに燃料電池１の外側から視認することができる。また、ルミノールの発光強度は、その部位の電位が高い程強くなる。したがって、観測者は、ルミノールの発光状態を触媒層４の面に向かう方向(例えば面に直交する方向
Ｄ１)からセパレータ９越しに観察することで、酸化剤極１１における異常電位の面内分
布を把握することができる。また、発光強度の分布から、異常電位の高低分布を把握することもできる。
【００４５】
さらに、観測者は、例えば、図１に示したような監視対象部位を撮像するカメラ１４及び情報処理装置(コンピュータ)１５を異常電位測定装置として用いて、触媒層４の面上に
あらわれた異常電位を測定することができる。情報処理装置１５のメモリには、プログラムの一つとして、実験等によって求められたルミノールの発光強度(画像中の発光部位の
輝度)と電位の値との相関関係を示す関数を用いて電位を求めるプログラムが格納される
。ＣＰＵは、当該プログラムの実行によって次のような処理を行う。
【００４６】
即ち、ＣＰＵは、カメラ１４で撮像された画像データがカメラ１４から入力される(例
えば、グレースケール画像としてキャプチャされる)と、画像の各画素の輝度を算出し、
所定の閾値以上の輝度を持つ画素のみを抽出する。これによって、発光部位(異常電位部
位)の画素が抽出される。
【００４７】
次に、ＣＰＵは、抽出された各画素の輝度に対する電位の値を上記関数を用いてそれぞれ求める。そして、画素毎の電位の値を情報処理装置１５に接続されたディスプレイ１６に表示する。例えば、ＣＰＵは、撮像された画像をディスプレイ１６に表示するとともに、電位を求めた各画素の色を、所定の電位の値の範囲に応じて異なる色で表示する。これによって、発光部位が電位の高さに応じて色分けされた状態で表示される。
【００４８】
したがって、観測者は、ディスプレイ１６に表示される画素の色と電圧値との関係を把握すれば、触媒層４の電位の面内分布を明確に把握することができる。この場合、面内分布の分解能は、撮像される画像の解像度や情報処理装置１４で処理可能な解像度に依存するので、高い分解能を得ることができる。
【００４９】
このように、第２実施形態では、電位の面内分布を求めるためにセルを面分割して各分割面の電位を計測するような手法に比べて、面内分布の分解能を十分に高めることができ、且つ燃料電池に係る構成を簡易にすることができる。したがって、観測者は、細かな観測及び測定結果を得ることができる。
【００５０】
第２実施形態によれば、監視対象部位に酸化発光剤が付着した燃料電池１を用意し、燃料電池１に発電を行わせ、監視対象部位を視認する。このとき、監視対象部位に異常電位が発生すれば、その部位が発光する。したがって、観測者は、燃料電池１の触媒層４における異常電位の発生部位を容易に特定することができる。また、異常電位の発生部位の電極面内分布を高い分解能で把握することができる。
【００５１】
なお、第１及び第２の実施形態において、透明材料で形成されたセパレータ９や板状部材１３の代わりに、撮像手段として内視鏡カメラを用い、内視鏡カメラのプローブが燃料電池１に設けられた燃料や酸化剤の入口又は出口から燃料電池１の内部に挿入され、当該入口や出口と接続されているセパレータ８や９の溝に沿って燃料電池１の内部の様子が撮像され、その様子が例えば表示手段としてのディスプレイ１６に表示されるようにしても良い。
【００５２】
また、第１及び第２の実施形態において、ルミノールによる発光はすぐには消えないので、燃料電池１の発電を停止し、燃料電池１を分解することで、触媒層４の発光状態を視認するようにしても良い。
【００５３】
また、第２実施形態では、燃料電池１内部の異常電位の発生部位を特定する場合について説明したが、ルミノール等の酸化発光剤を燃料電池１の外部の監視対象部位に付着させて、当該部位での酸化発光剤の発光による異常電位の発生を視認するようにしても良い。上述した例では、ルミノールを励起状態から基底状態へ遷移させる活性の高い物質としてＰt／Ｃ触媒を示したが、これは例示であり、酸化発光剤を燃料電池１の外部に付着させ
た場合には、酸化発光剤は、その付着部位の近傍に存在する活性の高い物質により励起状態から基底状態に遷移することが可能である。
【００５４】
上述した第１及び第２の実施形態の構成は、本発明の目的を逸脱しない範囲で適宜組み合わせることが可能である。
【図面の簡単な説明】
【００５５】
【図１】図１は、本発明による燃料電池の異状監視方法の第１実施形態に適用される装置の構成例を模式的に示す図である。
【図２】図２は、過酸化水素によるルミノールの反応経路を示す図である。
【図３】図３は、ルミノールの発光により視認できる過酸化水素の面内分布の様子を示す図である。
【図４】図４は、高電位によるルミノールの反応経路を示す図である。
【図５】図５は、ルミノールの白金電極上での発光現象(酸素雰囲気)を示すグラフである。
【符号の説明】
【００５６】
１  燃料電池
２  電解質膜
３，４  触媒層
５  ＭＥＡ
６，７  拡散層
８，９  セパレータ
１０  燃料極
１１  酸化剤極
【図１】
2005332682.tif 000003
【図２】
2005332682.tif 000004
【図３】
2005332682.tif 000005
【図４】
2005332682.tif 000006
【図５】
2005332682.tif 000007