(57)【要約】【課題】燃料電池の水分量の分布を把握し得る燃料電池、燃料電池に与えられる供給ガスの状態を適切に制御できる供給ガス制御システムおよび供給ガス制御方法を提供する。【解決手段】静電容量を測定することにより燃料電池１００各部の水分量の分布が計測可能な部位に電極４１〜４６、および電極５１〜５６を設ける。この燃料電池１００によれば、燃料電池１００各部の水分量の分布が計測可能な部位に電極４１〜４６、および電極５１〜５６を設けたので、燃料電池１００各部の水分量を適切に制御できる。電極４１〜４６、および電極５１〜５６はセパレータ３１，３２と触媒・拡散層２１，２２の間に形成されている。電極４１〜４６、および電極５１〜５６とセパレータ３１，３２との間には絶縁層４１ａ〜４６ａ、および絶縁層５１ａ〜５６ａが設けられている。セパレータ３１，３２に形成されたガス流路３３，３４の内部に電極を設けてもよい。【選択図】図１
2007095573.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電解質層、触媒層、拡散層およびセパレータを備える燃料電池において、
静電容量を測定することにより燃料電池各部の水分量の分布が計測可能な部位に電極を設けたことを特徴とする燃料電池。
【請求項２】
前記電極は前記セパレータと前記拡散層の間に形成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。
【請求項３】
前記電極は前記セパレータと前記触媒層の間に形成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。
【請求項４】
前記セパレータにはガス流路が形成され、前記電極は前記ガス流路に設けられていることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池。
【請求項５】
前記セパレータにはガス流路が形成され、前記電極は前記ガス流路に対向して設けられていることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池。
【請求項６】
前記電極と前記セパレータ、触媒層、拡散層との間に絶縁層を設けたことを特徴とする請求項２〜５のいずれか１項に記載の燃料電池。
【請求項７】
燃料電池に与えられる供給ガスの状態を制御する供給ガス制御システムにおいて、
前記燃料電池には、静電容量を測定することにより燃料電池各部の水分量の分布が計測可能な部位に配置された電極が設けられ、
前記システムは、
前記電極間の静電容量を測定して前記燃料電池各部の水分量の分布を計測する計測手段と、
前記計測手段による計測結果に基づいて燃料電池に与えられる供給ガスの状態を制御する制御手段と、
を備えることを特徴とする供給ガス制御システム。
【請求項８】
燃料電池に与えられる供給ガスの状態を制御する供給ガス制御方法において、
前記燃料電池には、静電容量を測定することにより燃料電池各部の水分量の分布が計測可能な部位に配置された電極が設けられ、
前記電極間の静電容量を測定して前記燃料電池各部の水分量の分布を計測するステップと、
前記計測するステップによる計測結果に基づいて燃料電池に与えられる供給ガスの状態を制御するステップと、
を備えることを特徴とする供給ガス制御方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、水素と酸素とを化学反応させて発電する燃料電池、燃料電池に与えられる供給ガスの状態を制御する供給ガス制御方法および供給ガス制御方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
水素と酸素とを化学反応させて発電する燃料電池が知られている。燃料電池での発電に必要な量の燃料ガスおよび酸化ガスを供給ガスとして与えることで、燃料電池での持続的な発電を行っている。燃料電池内部の状態は、燃料電池の発電効率等に大きな影響を与えるため、燃料電池での安定した発電動作のためには燃料電池内部の状態を適切に制御する必要がある。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
燃料電池内部の状態を示す重要なパラメータの１つに燃料電池内部における水分量の分布状態が挙げられる。しかし、従来の燃料電池では、燃料電池全体での水分量の分布状態を把握できず、燃料電池を安定的に動作させることが困難な場合がある。
【０００４】
本発明の目的は、燃料電池の水分量の分布を把握し得る燃料電池、燃料電池に与えられる供給ガスの状態を適切に制御できる供給ガス制御システムおよび供給ガス制御方法を提供することにある。
【０００５】
【特許文献１】特開２００４−１４６２３６号公報
【特許文献２】特開２００４−２２０７８６号公報
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の燃料電池は、電解質層、触媒層、拡散層およびセパレータを備える燃料電池において、静電容量を測定することにより燃料電池各部の水分量の分布が計測可能な部位に電極を設けたことを特徴とする。
この燃料電池によれば、燃料電池各部の水分量の分布が計測可能な部位に電極を設けたので、燃料電池各部の水分量を適切に制御できる。
【０００７】
前記電極は前記セパレータと前記拡散層の間に形成されていてもよい。
【０００８】
前記電極は前記セパレータと前記触媒層の間に形成されていてもよい。
【０００９】
前記セパレータにはガス流路が形成され、前記電極は前記ガス流路に設けられていてもよい。
【００１０】
前記セパレータにはガス流路が形成され、前記電極は前記ガス流路に対向して設けられていてもよい。
【００１１】
前記電極と前記セパレータ、触媒層、拡散層との間に絶縁層を設けてもよい。
【００１２】
本発明の供給ガス制御システムは、燃料電池に与えられる供給ガスの状態を制御する供給ガス制御システムにおいて、前記燃料電池には、静電容量を測定することにより燃料電池各部の水分量の分布が計測可能な部位に配置された電極が設けられ、前記システムは、前記電極間の静電容量を測定して前記燃料電池各部の水分量の分布を計測する計測手段と、前記計測手段による計測結果に基づいて燃料電池に与えられる供給ガスの状態を制御する制御手段と、を備えることを特徴とする。
この供給ガス制御システムによれば、燃料電池に設けられた電極間の静電容量を測定して燃料電池各部の水分量の分布を計測するので、燃料電池各部の水分量を適切に制御できる。
【００１３】
本発明の供給ガス制御方法は、燃料電池に与えられる供給ガスの状態を制御する供給ガス制御方法において、前記燃料電池には、静電容量を測定することにより燃料電池各部の水分量の分布が計測可能な部位に配置された電極が設けられ、前記電極間の静電容量を測定して前記燃料電池各部の水分量の分布を計測するステップと、前記計測するステップによる計測結果に基づいて燃料電池に与えられる供給ガスの状態を制御するステップと、を備えることを特徴とする。
この供給ガス制御方法によれば、燃料電池に設けられた電極間の静電容量を測定して燃料電池各部の水分量の分布を計測するので、燃料電池各部の水分量を適切に制御できる。
【発明の効果】
【００１４】
本発明の燃料電池によれば、燃料電池各部の水分量の分布が計測可能な部位に電極を設けたので、燃料電池各部の水分量を適切に制御できる。
【００１５】
本発明の供給ガス制御システムによれば、燃料電池に設けられた電極間の静電容量を測定して燃料電池各部の水分量の分布を計測するので、燃料電池各部の水分量を適切に制御できる。
【００１６】
本発明の供給ガス制御方法によれば、燃料電池に設けられた電極間の静電容量を測定して燃料電池各部の水分量の分布を計測するので、燃料電池各部の水分量を適切に制御できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
以下、本発明による燃料電池の実施例について説明する。
【実施例１】
【００１８】
以下、図１〜図４を参照して実施例１の燃料電池について説明する。
【００１９】
図１は実施例１の燃料電池の構成を示す断面図、図２は平面図である。
【００２０】
図１および図２に示すように、本実施例の燃料電池１００は、固体電解質層１と、固体電解質層１の外側に配置された触媒・拡散層２１，２２と、触媒・拡散層２１，２２の外側に配置されたセパレータ３１，３２とが積層されて構成される。燃料電池１００での発電電流はセパレータ３１，３２を介して取り出される。
【００２１】
セパレータ３１，３２には、燃料電池１００に燃料ガスおよび酸化剤ガスを供給するためのガス流路３３，３４が形成されている。図２に示すように、ガス流路３３，３４は燃料電池１００の全体に供給ガスが行き渡るよう、屈曲した形状に形成されている。
【００２２】
また、図１に示すように、セパレータ３１と触媒・拡散層２１の間には電極４１〜４６が、セパレータ３２と触媒・拡散層２２の間には電極５１〜５６が、それぞれ設けられている。電極４１〜４６は絶縁層４１ａ〜４６ａによりセパレータ３１、触媒・拡散層２１から電気的に絶縁されている。また、電極５１〜５６は絶縁層５１ａ〜５６ａによりセパレータ３２、触媒・拡散層２２から電気的に絶縁されている。
【００２３】
図１および図２に示すように、電極４１〜４６は屈曲されたガス流路３３を挟みこむ位置に、互いに分離して配置されている。また、電極５１〜５６は屈曲されたガス流路３４を挟みこむ位置に、互いに分離して配置されている。
【００２４】
図３は燃料電池各部の水分量の計測方法を示す図である。
【００２５】
本実施例の燃料電池１００では、電極４１〜４６および電極５１〜５６を用いて、燃料電池１００各部の水分量を計測できる。
【００２６】
例えば、図３（ａ）に示すように、電極５１と電極５２の間の静電容量を測定することで、電極５１と電極５２の間に位置するガス流路３４、触媒・拡散層２２、固体電解質層１の領域の水分量を計測できる。同様に、電極５２と電極５３の間の静電容量を測定することで、電極５２と電極５３の間に位置するガス流路３４、触媒・拡散層２２、固体電解質層１の領域の水分量を計測できる。
【００２７】
また、図３（ｂ）に示すように、電極４１と電極５１の間の静電容量を測定することで、電極４１と電極５１の間に位置する触媒・拡散層２１及び２２、固体電解質層１の領域の水分量を計測できる。同様に、電極５１と電極４２の間の静電容量を測定することで、電極５１と電極４２の間に位置する触媒・拡散層２１及び２２、固体電解質層１の領域の水分量を計測できる。
【００２８】
このように本実施例の燃料電池１００では、燃料電池１００の各部に電極を設けているので、測定対象となる電極を選択することで燃料電池１００における任意の領域の水分量を計測し、燃料電池１００における水分量の分布を計測できる。
【００２９】
図４は燃料電池１００へ供給されるガスの状態を制御するシステムの構成を示すブロック図である。
【００３０】
図４に示すように、このシステムは、電極４１〜４６、電極５１〜５６に接続される計測部３と、燃料電池１００への供給ガスの状態を制御するガス供給制御装置５と、を備える。ガス供給制御装置５は、例えばガス供給経路に設けた不図示のセンサーからの情報に基づき、燃料電池１００への供給ガスの状態を制御する装置である。
【００３１】
計測部３は電極４１〜４６、電極５１〜５６の中から測定対象となる一対の電極を選択し、電極間の静電容量に基づいて対応する領域の水分量を計測する。計測部３における計測結果はガス供給制御装置５に送られ、ガス供給制御装置５はその計測結果に応じて燃料電池１００に供給するガスの状態を制御する。ガス供給制御装置５は、例えば、燃料電池１００に与えられる供給ガスの相対湿度を制御する。また、ガス流路３３，３４を通過した供給ガスの排出側に圧力調整弁６を設け、計測部３における計測結果に応じてガス供給制御装置５により圧力調整弁６を制御してもよい。
【００３２】
このようなシステムを構成することで、燃料電池１００の水分量の分布に応じた適切な制御が可能となり、燃料電池１００の安定な発電制御を実現できる。
【実施例２】
【００３３】
以下、図５および図６を参照して実施例２の燃料電池について説明する。
【００３４】
図５は実施例２の燃料電池の構成を示す断面図、図６は平面図である。
【００３５】
図５および図６に示すように、本実施例の燃料電池２００は、固体電解質層１０１と、固体電解質層１０１の外側に配置された触媒・拡散層１２１，１２２と、触媒・拡散層１２１，１２２の外側に配置されたセパレータ１３１，１３２とが積層されて構成される。燃料電池２００での発電電流はセパレータ１３１，１３２を介して取り出される。
【００３６】
セパレータ１３１，１３２には、燃料電池２００に燃料ガスおよび酸化剤ガスを供給するためのガス流路１３３，１３４が形成されている。図６に示すように、ガス流路１３３，１３４は燃料電池２００の全体に供給ガスが行き渡るよう、屈曲した形状に形成されている。
【００３７】
また、図５に示すように、ガス流路１３３内部に電極６１〜６５が、ガス流路１３４内部に電極７１〜７５が、それぞれ設けられている。電極６１〜６５は絶縁層６１ａ〜６５ａによりセパレータ１３１から電気的に絶縁されている。また、電極７１〜７５は絶縁層７１ａ〜７５ａによりセパレータ１３２から電気的に絶縁されている。本実施例では、電極８１〜８５および電極９１〜９５をガス流路１３３およびガス流路１３４の外側に設けることで、電極の作成を容易なものとしている。
【００３８】
図６に示すように、電極６１〜６５はガス流路１３３の直線部分に沿って、電極７１〜７５はガス流路１３４の直線部分に沿って、それぞれ分離して形成されている。
【００３９】
本実施例の燃料電池２００においても、実施例１と同様、燃料電池２００の各部に電極を設けているので、測定対象となる電極を選択することで燃料電池２００における任意の領域の水分量を計測し、燃料電池２００における水分量の分布を計測できる。とくに、本実施例の燃料電池２００では、ガス流路１３３，１３４内に電極を設けているので、例えば、互いに対向する電極６１と電極７１の間で静電容量を測定することで、ガス流路１３３，１３４を流れるガスの水分量（相対湿度）を正確に計測することができる。このため、供給ガスの水分量を効果的に制御できる。また、実発電時にＭＥＡとセパレータ（集伝板）の接触面積が、通常と同じように確保できるため、電池の発電特性に影響を与えないで計測が可能となる。
【００４０】
図４に示したようなシステムを構成すれば、燃料電池２００の水分量の分布に応じた適切な制御が可能となり、燃料電池２００の安定な発電制御を実現できる。
【００４１】
また、実施例２において、電極６１〜６５及び電極７１〜７５を絶縁層６１ａ〜６５ａ及び絶縁層７１ａ〜７５ａで囲む構造であっても良い。この場合には、流路内のガスによる電極の腐食を低減できることになる。
【実施例３】
【００４２】
以下、図７を参照して実施例３の燃料電池について説明する。
【００４３】
図７は実施例３の燃料電池の構成を示す断面図である。実施例２の燃料電池と同一構成要素には同一符号を付し、その説明は省略する。
【００４４】
図７に示すように、本実施例の燃料電池３００では、ガス流路１３３内部ではなく、ガス流路１３３の外側に電極８１〜８５を設けている。また、ガス流路１３４の外側に電極９１〜９５を設けている。電極８１〜８５は絶縁層８１ａ〜８５ａによりセパレータ１３１から電気的に絶縁されている。また、電極９１〜９５は絶縁層９１ａ〜９５ａによりセパレータ１３２から電気的に絶縁されている。
【００４５】
図８に示すように、実施例２と同様、電極８１〜８５はガス流路１３３の直線部分に沿って、電極９１〜９５はガス流路１３４の直線部分に沿って、それぞれ分離して形成されている。
【００４６】
本実施例の燃料電池３００においても、実施例１と同様、燃料電池３００の各部に電極を設けているので、測定対象となる電極を選択することで燃料電池３００における任意の領域の水分量を計測し、燃料電池３００における水分量の分布を計測できる。また、本実施例の燃料電池３００では、ガス流路１３３，１３４に対向して電極を設けているので、実施例２と同様、例えば、互いに対向する電極８１と電極９１の間で静電容量を測定することで、ガス流路１３３，１３４を流れるガスの水分量（相対湿度）を正確に計測することができる。このため、供給ガスの水分量を効果的に制御できる。また、実発電時にＭＥＡとセパレータ（集伝板）の接触面積が、通常と同じように確保できるため、電池の発電特性に影響を与えないで計測が可能となる。
【００４７】
図４に示したようなシステムを構成すれば、燃料電池３００の水分量の分布に応じた適切な制御が可能となり、燃料電池３００の安定な発電制御を実現できる。
【００４８】
また、実施例３において、電極８１〜８５及び電極９１〜９５を絶縁層８１ａ〜８５ａ及び絶縁層９１ａ〜９５ａで囲む構造であっても良い。この場合には、流路内のガスによる電極の腐食を低減できることになる。
【００４９】
上記実施例１〜３では、触媒層および拡散層を共通層として形成しているが、触媒層および拡散層を区別して形成してもよい。また、電解質層は固体電解質層に限定されない。
【００５０】
本発明の適用範囲は上記実施形態に限定されることはない。本発明は、水素と酸素とを化学反応させて発電する燃料電池、燃料電池に与えられる供給ガスの状態を制御する供給ガス制御方法および供給ガス制御方法に対し、広く適用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００５１】
【図１】実施例１の燃料電池の構成を示す断面図。
【図２】実施例１の燃料電池の構成を示す平面図。
【図３】燃料電池各部の水分量の計測方法を示す図。
【図４】燃料電池へ供給されるガスの状態を制御するシステムの構成を示すブロック図。
【図５】実施例２の燃料電池の構成を示す断面図。
【図６】実施例２の燃料電池の構成を示す平面図。
【図７】実施例３の燃料電池の構成を示す断面図。
【図８】実施例３の燃料電池の構成を示す平面図。
【符号の説明】
【００５２】
１      固体電解質層（電解質層）
３      計測部（計測手段）
５      ガス供給制御装置（制御手段）
２１，１２１    触媒・拡散層（触媒層、拡散層）
２２，１２２    触媒・拡散層（触媒層、拡散層）
３１，１３１    セパレータ
３２，１３２    セパレータ
４１〜４６  電極
５１〜５６  電極
６１〜６５  電極
７１〜７５  電極
８１〜８５  電極
９１〜９５  電極
４１ａ〜４６ａ  絶縁層
５１ａ〜５６ａ  絶縁層
６１ａ〜６５ａ  絶縁層
７１ａ〜７５ａ  絶縁層
８１ａ〜８５ａ  絶縁層
９１ａ〜９５ａ  絶縁層
１００，２００，３００  燃料電池
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
2007095573.tif 000009
【図８】
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