(57)【要約】【課題】燃料電池の運転状況を正確に検知するとともに、所望のシール性を確保することを可能にする。【解決手段】発電セル２０を構成する第１及び第２金属セパレータ３４、３６間には、シール空間部６８が形成され、このシール空間部６８に装置本体７０が配設される。この装置本体７０は、発電セル２０の運転時に発生する電圧を測定する電圧測定センサ７２と、前記電圧測定センサ７２により測定された電圧を無線送信する送信機構７４とを備える。電圧測定センサ７２及び送信機構７４は、磁気・耐熱シールド部材７６に埋設されて第２金属セパレータ３６の面３６ａに固着される。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電解質の両側に電極が配設される電解質・電極構造体を、セパレータにより挟持する燃料電池の運転状況を監視するための燃料電池の監視装置であって、
前記燃料電池の内部情報を検知する内部情報検知機構と、
前記検知された内部情報を無線送信する送信機構と、
前記燃料電池の外部に配設され、前記無線送信された内部情報を受信する受信機構と、
を備えるとともに、
前記内部情報検知機構及び前記送信機構は、前記セパレータに設けられるシール部材の内側に配設されることを特徴とする燃料電池の監視装置。
【請求項２】
請求項１記載の監視装置において、前記セパレータには、前記シール部材により囲繞されて不純物の進入を阻止可能なシール空間部が形成されるとともに、
前記シール空間部には、少なくとも前記内部情報検知機構又は前記送信機構の一方が収容されることを特徴とする燃料電池の監視装置。
【請求項３】
請求項１又は２記載の監視装置において、前記内部情報検知機構は、前記燃料電池のセル電圧を測定する電圧測定センサを備えることを特徴とする燃料電池の監視装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電解質の両側に電極が配設される電解質・電極構造体を、セパレータにより挟持する燃料電池の運転状況を監視するための燃料電池の監視装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
例えば、固体高分子型燃料電池は、高分子イオン交換膜からなる固体高分子電解質膜を採用している。この燃料電池は、固体高分子電解質膜の両側に、それぞれ電極触媒と多孔質カーボンからなるアノード側電極及びカソード側電極を対設して構成される電解質膜・電極構造体を、セパレータ（バイポーラ板）によって挟持している。
【０００３】
この燃料電池において、アノード側電極には、燃料ガス、例えば、主に水素を含有するガス（以下、水素含有ガスともいう）が供給される一方、カソード側電極には、酸化剤ガス、例えば、主に酸素を含有するガス（以下、酸素含有ガスともいう）が供給される。アノード側電極に供給された水素含有ガスは、電極触媒上で水素がイオン化され、電解質膜を介してカソード側電極側へと移動する。その間に生じた電子は外部回路に取り出され、直流の電気エネルギとして利用される。
【０００４】
この種の燃料電池は、運転状況、例えば、所望の発電性能を有しているか否かを検出するために、通常、電圧検出装置を用いてセル電圧を検出することが行われている。例えば、特許文献１には、セル電圧測定端子付き燃料電池スタックが開示されている。
【０００５】
この特許文献１では、図５に示すように、電極ユニット１とセパレータ２とが積層されて燃料電池スタック３が構成されている。電極ユニット１は、水素極４ａと空気極４ｂとで高分子イオン交換膜５を挟んで構成されるとともに、セパレータ２と前記水素極４ａとの間に水素通路６ａが形成される一方、前記セパレータ２と前記空気極４ｂとの間に空気通路６ｂが形成されている。各セパレータ２間には、冷却水を流すための冷却水通路６ｃが形成されている。
【０００６】
セパレータ２の端部には、電圧測定端子７が外方に突出して設けられている。この電圧測定端子７にソケット（図示せず）が接続されることにより、運転中の燃料電池スタック３において、各電極ユニット１のセル電圧が測定されている。
【０００７】
【特許文献１】特開平１１−３３９８２８号公報（図２）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、上記の特許文献１では、セパレータ２の端部から外方に突出して電圧測定端子７が設けられているため、この電圧測定端子７の金属露出部のシール性を確保することが困難であり、前記電圧測定端子７の近傍から燃料電池スタック３内に不純物が進入するおそれがある。
【０００９】
しかも、電圧測定端子７にソケットが接続されるため、接触抵抗が発生して電圧が降下してしまう。これにより、セル電圧を正確に測定することができないという問題がある。
【００１０】
また、燃料電池スタック３では、通常、セル電圧の他、内部湿度、内部圧力又は内部温度等の種々の運転状況を検出する必要があるが、いずれの場合にも、上記の電圧検出装置と同様の問題が指摘されている。
【００１１】
本発明はこの種の問題を解決するものであり、燃料電池の運転状況を正確に検知するとともに、所望のシール性を確保することが可能な燃料電池の監視装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明は、電解質の両側に電極が配設される電解質・電極構造体を、セパレータにより挟持する燃料電池の運転状況を監視するための燃料電池の監視装置である。この監視装置は、燃料電池の内部情報を検知する内部情報検知機構と、前記検知された内部情報を無線送信する送信機構と、前記燃料電池の外部に配設され、前記無線送信された内部情報を受信する受信機構とを備えるとともに、前記内部情報検知機構及び前記送信機構は、前記セパレータに設けられるシール部材の内側に配設されている。
【００１３】
また、セパレータには、シール部材により囲繞されて不純物の進入を阻止可能なシール空間部が形成されるとともに、前記シール空間部には、少なくとも内部情報検知機構又は送信機構の一方が収容されることが好ましい。
【００１４】
さらに、内部情報検知機構は、燃料電池のセル電圧を測定する電圧測定センサを備えることが好ましい。
【発明の効果】
【００１５】
本発明では、内部情報検知機構及び送信機構がセパレータに設けられるとともに、受信機構が燃料電池の外部に設けられ、前記送信機構から前記受信機構に無線送信が行われている。このため、セパレータには、外部に突出する端子やリード線等が不要になる。従って、シール構造が一挙に簡素化するとともに、非接触でリアルタイムにセル電圧、内部圧力、内部湿度又は内部温度等の運転状況を確実に検知することができる。しかも、燃料電池内に内部情報検知機構が組み込まれるため、接触抵抗等のよる電圧降下が阻止され、セル電圧を正確に測定することが可能になる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
図１は、本発明に係る燃料電池の監視装置１０が車両１２に搭載された状態の概略構成図である。車両１２の床部１２ａには、燃料電池スタック１４が配置されるとともに、前記車両１２の前部（ボンネット内部）１２ｂには、監視装置１０を構成するコントローラ１６が配置される。コントローラ１６に接続される受信アンテナ（受信機構）１８は、前記燃料電池スタック１４に近接して配置される。
【００１７】
燃料電池スタック１４は、複数の発電セル（燃料電池）２０を矢印Ａ方向（車長方向）に積層しており、前記発電セル２０の積層方向両端部には、ターミナルプレート２２ａ、２２ｂと、絶縁プレート２４ａ、２４ｂと、エンドプレート２６ａ、２６ｂとが、順次、設けられる。エンドプレート２６ａ、２６ｂが図示しないタイロッド等によって締め付けられることにより、燃料電池スタック１４が組み付けられる。
【００１８】
図２及び図３に示すように、発電セル２０は、電解質膜・電極構造体（電解質・電極構造体）３２が、第１及び第２金属セパレータ３４、３６に挟持されて構成される。第１及び第２金属セパレータ３４、３６は、例えば、鋼板、ステンレス鋼板、アルミニウム板、めっき処理鋼板、あるいはその金属表面に防食用の表面処理を施した金属板により構成されている。
【００１９】
発電セル２０の矢印Ｂ方向（図２中、水平方向）の一端縁部には、積層方向である矢印Ａ方向に互いに連通して、酸化剤ガス、例えば、酸素含有ガスを供給するための酸化剤ガス入口連通孔４０ａ、冷却媒体を排出するための冷却媒体出口連通孔４２ｂ、及び燃料ガス、例えば、水素含有ガスを排出するための燃料ガス出口連通孔４４ｂが、矢印Ｃ方向（鉛直方向）に配列して設けられる。
【００２０】
発電セル２０の矢印Ｂ方向の他端縁部には、矢印Ａ方向に互いに連通して、燃料ガスを供給するための燃料ガス入口連通孔４４ａ、冷却媒体を供給するための冷却媒体入口連通孔４２ａ、及び酸化剤ガスを排出するための酸化剤ガス出口連通孔４０ｂが、矢印Ｃ方向に配列して設けられる。
【００２１】
電解質膜・電極構造体３２は、例えば、パーフルオロスルホン酸の薄膜に水が含浸された固体高分子電解質膜４６と、前記固体高分子電解質膜４６を挟持するアノード側電極４８及びカソード側電極５０とを備える。アノード側電極４８は、カソード側電極５０よりも大きな表面積を有している。
【００２２】
アノード側電極４８及びカソード側電極５０は、カーボンペーパ等からなるガス拡散層と、白金合金が表面に担持された多孔質カーボン粒子が前記ガス拡散層の表面に一様に塗布された電極触媒層とを有する。電極触媒層は、固体高分子電解質膜４６の両面に接合されている。
【００２３】
図２に示すように、第１金属セパレータ３４のカソード側電極５０に向かう面３４ａには、酸化剤ガス入口連通孔４０ａと酸化剤ガス出口連通孔４０ｂとに連通し、例えば、矢印Ｂ方向に延在する直線状の酸化剤ガス流路５２が設けられる。第２金属セパレータ３６のアノード側電極４８に向かう面３６ａには、燃料ガス入口連通孔４４ａと燃料ガス出口連通孔４４ｂとに連通し、矢印Ｂ方向に延在する直線状の燃料ガス流路５４が形成される。
【００２４】
第１金属セパレータ３４の面３４ｂと第２金属セパレータ３６の面３６ｂとの間には、冷却媒体入口連通孔４２ａと冷却媒体出口連通孔４２ｂとに連通する冷却媒体流路５６が形成される。この冷却媒体流路５６は、矢印Ｂ方向に直線状に延在する。
【００２５】
第１金属セパレータ３４の面３４ａ、３４ｂには、この第１金属セパレータ３４の外周端部を周回して第１シール部材６０が、例えば、焼き付け等により一体化される。第１シール部材６０は、例えば、ＥＰＤＭ、ＮＢＲ、フッ素ゴム、シリコンゴム、フロロシリコンゴム、ブチルゴム、天然ゴム、スチレンゴム、クロロプレーン、又はアクリルゴム等のシール材、クッション材、あるいはパッキン材を使用する。
【００２６】
図２及び図３に示すように、第１金属セパレータ３４の面３４ａには、この第１金属セパレータ３４の外周端部から内方にそれぞれ所定の距離だけ離間して第１シール部材６０を構成する複数の第１突部６２ａが一体化される。第１突部６２ａは、酸化剤ガス流路５２を囲繞するとともに、前記酸化剤ガス流路５２と酸化剤ガス入口連通孔４０ａ及び酸化剤ガス出口連通孔４０ｂとを連通する。
【００２７】
第１金属セパレータ３４の面３４ｂには、この第１金属セパレータ３４の外周端部から内方にそれぞれ所定の距離だけ離間して第１シール部材６０を構成する複数の第２突部６２ｂが一体化される。第２突部６２ｂは、冷却媒体流路５６を囲繞するとともに、前記冷却媒体流路５６と冷却媒体入口連通孔４２ａ及び冷却媒体出口連通孔４２ｂとを連通する。
【００２８】
図２〜図４に示すように、第２金属セパレータ３６の面３６ａ、３６ｂには、この第２金属セパレータ３６の外周端部を周回して第２シール部材６４が一体化される。この第２シール部材６４は、上記の第１シール部材６０と同一の材料で構成される。第２金属セパレータ３６の面３６ａには、この第２金属セパレータ３６の外周端部に近接して第２シール部材６４を構成する第１平面部６６ａが一体化される。第２金属セパレータ３６の面３６ｂには、第１平面部６６ａよりも長尺な第２平面部６６ｂが一体化される。
【００２９】
図３に示すように、第１平面部６６ａは、第１シール部材６０の第１突部６２ａと密着するとともに、第２平面部６６ｂは、第１シール部材６０の第２突部６２ｂと密着可能である。第１平面部６６ａは、電解質膜・電極構造体３２の外周端部に摺接する位置を周回する一方、第２平面部６６ｂは、アノード側電極４８に所定の範囲にわたって重合する位置を周回する。
【００３０】
図２及び図４に示すように、第１平面部６６ａは、燃料ガス入口連通孔４４ａ及び燃料ガス出口連通孔４４ｂを燃料ガス流路５４に連通する。第２平面部６６ｂは、冷却媒体入口連通孔４２ａ及び冷却媒体出口連通孔４２ｂを冷却媒体流路５６に連通する。
【００３１】
第１金属セパレータ３４には、図２及び図３に示すように、冷却媒体入口連通孔４２ａと燃料ガス出口連通孔４４ｂとの間に、面３４ａが露呈し且つ第１突部６２ａに囲繞されるシール空間部６８が形成される。第２金属セパレータ３６には、図２〜図４に示すように、第１金属セパレータ３４の第１突部６２ａが第１平面部６６ａに密着する際、前記第１金属セパレータ３４との間にシール空間部６８を形成し且つ面３６ａが露呈する部位に、監視装置１０を構成する装置本体７０が装着される。
【００３２】
図３に示すように、装置本体７０は、内部情報検知機構、例えば、発電セル２０に発生する電圧を測定するための電圧測定センサ７２と、前記電圧測定センサ７２により測定された電圧を無線によって受信アンテナ１８に送信する送信機構７４とを備える。電圧測定センサ７２及び送信機構７４は、磁気・耐熱シールド部材７６に埋設されて第２金属セパレータ３６の面３６ａに固着される。
【００３３】
電圧測定センサ７２は、第１金属セパレータ３４の面３４ａに電気的に接続される正極側端子７８ａと、第２金属セパレータ３６の面３６ａに電気的に接続される負極側端子７８ｂとを設ける。この電圧測定センサ７２は、導線８０を介して送信機構７４に接続されるとともに、この送信機構７４には、導線８２を介して電源部８４が接続される。
【００３４】
電源部８４は、発電セル２０の運転時に発生する電力又は磁界による発電によって、送信機構７４及び電圧測定センサ７２に電力を供給する。電源部８４は、第２金属セパレータ３６の面３６ａに接続された状態で、第１平面部６６ａに埋設される。
【００３５】
なお、装置本体７０は、各発電セル２０毎に設ける必要はなく、複数の発電セル２０毎に、あるいは、電圧測定が特に望まれる発電セル２０のみに、前記装置本体７０を組み込めばよい。
【００３６】
このように構成される燃料電池スタック１４の動作について、監視装置１０との関連で以下に説明する。
【００３７】
先ず、図２に示すように、酸化剤ガス入口連通孔４０ａに酸素含有ガス等の酸化剤ガスが供給されるとともに、燃料ガス入口連通孔４４ａに水素含有ガス等の燃料ガスが供給される。さらに、冷却媒体入口連通孔４２ａに純水やエチレングリコール、オイル等の冷却媒体が供給される。
【００３８】
このため、酸化剤ガスは、酸化剤ガス入口連通孔４０ａから第１金属セパレータ３４の酸化剤ガス流路５２に導入され、矢印Ｂ方向に移動しながら電解質膜・電極構造体３２を構成するカソード側電極５０に供給される。一方、燃料ガスは、燃料ガス入口連通孔４４ａから第２金属セパレータ３６の燃料ガス流路５４に導入され、矢印Ｂ方向に移動しながら電解質膜・電極構造体３２を構成するアノード側電極４８に供給される。
【００３９】
従って、電解質膜・電極構造体３２では、カソード側電極５０に供給される酸化剤ガスと、アノード側電極４８に供給される燃料ガスとが、電極触媒層内で電気化学反応により消費され、発電が行われる。
【００４０】
カソード側電極５０に供給されて消費された酸化剤ガスは、酸化剤ガス出口連通孔４０ｂに沿って矢印Ａ方向に排出される。同様に、アノード側電極４８に供給されて消費された燃料ガスは、燃料ガス出口連通孔４４ｂに沿って矢印Ａ方向に排出される。
【００４１】
また、冷却媒体入口連通孔４２ａに供給された冷却媒体は、第１及び第２金属セパレータ３４、３６間の冷却媒体流路５６に導入された後、矢印Ｂ方向に流通する。この冷却媒体は、電解質膜・電極構造体３２を冷却した後、冷却媒体出口連通孔４２ｂから排出される。
【００４２】
この場合、本実施形態では、図３に示すように、各発電セル２０又は任意の発電セル２０に形成されたシール空間部６８に、監視装置１０を構成する装置本体７０が組み込まれている。この装置本体７０では、第１金属セパレータ３４の面３４ａと第２金属セパレータ３６の面３６ａとにそれぞれ端子７８ａ、７８ｂを介して電圧測定センサ７２が電気的に接続されており、発電セル２０の運転時に発生する電圧が前記電圧測定センサ７２により検出される。そして、電圧測定センサ７２により検出された電圧情報は、導線８０を介して送信機構７４に送られ、この送信機構７４から無線送信により受信アンテナ１８に送られる。
【００４３】
受信アンテナ１８は、コントローラ１６に接続されており、発電セル２０で発生する電圧がこのコントローラ１６によって検出される。このため、燃料電池スタック１４の運転時に発生する発電セル２０の電圧は、監視装置１０により、常時、検出可能である。
【００４４】
その際、本実施形態では、電圧測定センサ７２により検出された電圧信号は、送信機構７４を介して無線送信により受信アンテナ１８に送られるため、第１及び第２金属セパレータ３４、３６には、外部に突出する端子やリード線等が不要になる。無線送信による非接触型モニタリング方式を採用するからである。
【００４５】
これにより、第１及び第２シール部材６０、６４は、第１及び第２金属セパレータ３４、３６間で装置本体７０をシールするだけでよく、シール構造が一挙に簡素化するとともに、リアルタイムで発電セル２０のセル電圧を容易且つ高精度に検知することができるという効果が得られる。しかも、発電セル２０内に電圧測定センサ７２が組み込まれるため、接触抵抗等による電圧降下が阻止され、前記発電セル２０に発生するセル電圧を一層正確に測定することが可能になる。
【００４６】
さらにまた、装置本体７０は、第１金属セパレータ３４の第１突部６２ａが第２金属セパレータ３６の第１平面部６６ａに密着して外部から遮蔽されるシール空間部６８に配置されている。従って、シール空間部６８に不純物が進入することを確実に阻止することができ、電圧測定センサ７２や送信機構７４の劣化や故障を阻止することが可能になるという利点がある。
【００４７】
なお、電圧測定センサ７２又は送信機構７４のいずれかに、劣化や故障のおそれが少ない場合には、一方のみをシール空間部６８に収容してもよい。
【００４８】
また、本実施形態では、内部情報検知機構として電圧測定センサ７２を用いて説明したが、これに限定されるものではなく、発電セル２０の内部圧力、内部湿度又は内部温度等の種々の運転状況を検知するための各種のセンサを用いることができる。
【図面の簡単な説明】
【００４９】
【図１】本発明に係る燃料電池の監視装置が車両に搭載された状態の概略構成図である。
【図２】発電セルの要部分解斜視図である。
【図３】前記発電セルの断面説明図である。
【図４】前記燃料電池を構成する第２金属セパレータの正面説明図である。
【図５】特許文献１の燃料電池スタックの分解説明図である。
【符号の説明】
【００５０】
１０…監視装置                １２…車両
１４…燃料電池スタック        １６…コントローラ
１８…受信アンテナ            ２０…発電セル
３２…電解質膜・電極構造体    ３４、３６…金属セパレータ
４０ａ…酸化剤ガス入口連通孔  ４０ｂ…酸化剤ガス出口連通孔
４２ａ…冷却媒体入口連通孔    ４２ｂ…冷却媒体出口連通孔
４４ａ…燃料ガス入口連通孔    ４４ｂ…燃料ガス出口連通孔
４６…固体高分子電解質膜      ４８…アノード側電極
５０…カソード側電極          ５２…酸化剤ガス流路
５４…燃料ガス流路            ５６…冷却媒体流路
６０、６４…シール部材        ６２ａ、６２ｂ…突部
６６ａ、６６ｂ…平面部        ６８…シール空間部
７０…装置本体                ７２…電圧測定センサ
７４…送信機構                ８４…電源部
【図１】
2005203158.tif 000003
【図２】
2005203158.tif 000004
【図３】
2005203158.tif 000005
【図４】
2005203158.tif 000006
【図５】
2005203158.tif 000007