(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
電解質膜と、
前記電解質膜を挟んでアノード側およびカソード側に設けられ、それぞれ一方の口から他方の口まで連続するガス流路が形成された触媒・拡散層と、
アノード側およびカソード側の前記触媒・拡散層の上にそれぞれ形成されたセパレータと、
を備える燃料電池のインピーダンス分布を測定するインピーダンス分布測定装置において、
前記燃料電池は、
アノード側およびカソード側の前記ガス流路の一方の口から他方の口に向かって、複数の領域に分割され、
分割された個々の前記領域間で、前記セパレータは互いに絶縁された状態で分割され、
前記インピーダンス分布測定装置は、
アノード側の前記ガス流路の一方の口から他方の口に向かって燃料ガスを供給するとともに、カソード側の前記ガス流路の一方の口から他方の口に向かって酸化ガスを供給するガス供給手段と、
前記ガス供給手段により燃料ガスおよび酸化ガスが供給された状態で、前記電解質膜を挟んで対向する、個々の分割された前記セパレータ間のインピーダンスを独立して測定する測定手段と、
を備えることを特徴とするインピーダンス分布測定装置。
【請求項２】
前記測定手段は、電流掃引法によりインピーダンスを測定することを特徴とする請求項１に記載のインピーダンス分布測定装置。
【請求項３】
前記測定手段は、電圧掃引法によりインピーダンスを測定することを特徴とする請求項１に記載のインピーダンス分布測定装置。
【請求項４】
前記測定手段は、個々の分割された前記セパレータ間に重畳させる交流成分を、前記領域間で同期させてインピーダンスを測定することを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載のインピーダンス分布測定装置。
【請求項５】
前記測定手段は、個々の分割された前記セパレータ間に重畳させる交流成分の周波数を、前記領域間でずらしてインピーダンスを測定することを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載のインピーダンス分布測定装置。
【請求項６】
電解質膜と、
前記電解質膜を挟んでアノード側およびカソード側に設けられ、それぞれ一方の口から他方の口まで連続するガス流路が形成された触媒・拡散層と、
アノード側およびカソード側の前記触媒・拡散層の上にそれぞれ形成されたセパレータと、
を備える燃料電池において、
前記燃料電池は、
アノード側およびカソード側の前記ガス流路の一方の口から他方の口に向かって、複数の領域に分割され、
分割された個々の前記領域間で、前記セパレータは互いに絶縁された状態で分割され、
前記個々の分割された前記セパレータを、
アノード側の前記ガス流路の一方の口から他方の口に向かって燃料ガスが供給されるとともに、カソード側の前記ガス流路の一方の口から他方の口に向かって酸化ガスが供給された状態で、前記電解質膜を挟んで対向する、個々の分割された前記セパレータ間のインピーダンスを独立して測定するための電極として機能させることを特徴とする燃料電池。
【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ることにより発電を行う燃料電池に関し、特に燃料電池のインピーダンス分布測定することが可能な燃料電池及びインピーダンス分布測定装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来の水素と酸素とを化学反応させることにより発電を行う燃料電池に関連する先行技術文献としては次のようなものがある。
【０００３】
【特許文献１】特開２００３−０５１３１８号公報
【特許文献２】特開２００３−０８６２２０号公報
【０００４】
図３は従来の燃料電池システムの一例を示す構成ブロック図である。図３において１は電解質膜、２及び３は触媒層・拡散層である。電解質膜１の両面には触媒層・拡散層２及び触媒層・拡散層３がそれぞれ形成される。
【０００５】
図３中”ＦＧ０１”に示すように燃料ガス（例えば、水素等）が触媒層・拡散層２に供給され、図３中”ＯＧ０１”に示すように酸化ガス（例えば、酸素や空気等）が触媒層・拡散層３に供給される。
【０００６】
ここで、図３に示す従来例の動作を説明する。触媒層・拡散層２側（アノード側）では水素が水素イオン（Ｈ＋ ）になり電子（ｅ− ）を放出し、一方、触媒層・拡散層３側（カソード側）では電解質膜１を伝播してきた水素イオン（Ｈ＋ ）と酸素原子が電子（ｅ− ）と反応して水（Ｈ２Ｏ ）が生成される。
【０００７】
この時、触媒層・拡散層２（アノード側）及び触媒層・拡散層３（カソード側）間の外部負荷を接続することにより、触媒層・拡散層２側（アノード側）で発生した電子（ｅ− ）を取り出す、言い換えれば、直流電流を取り出すことが可能になる。
【０００８】
また、図４及び図５は従来の過電圧の測定が可能な燃料電池の一例を示す断面図である。図４は燃料電池の電解質膜に対して垂直な面における断面図、図５は燃料電池におけるガス流路に平行な面における断面図である。
【０００９】
図４において４は電解質膜、５及び７はアノード側の触媒層・拡散層、６及び８はカソード側の触媒層・拡散層、９はアノード側に形成された燃料ガス（例えば、水素等）のガス流路、１０はカソード側に形成された酸化ガス（酸素や空気等）のガス流路、１１及び１３はアノード側に形成された導電性を有するセパレータ、１２及び１４はカソード側に形成された導電性を有するセパレータ、１５及び１６は絶縁部材である。
【００１０】
電解質膜４のアノード側には触媒層・拡散層５及び触媒層・拡散層７が互いに接することなくそれぞれ形成され、電解質膜４のカソード側には触媒層・拡散層６及び触媒層・拡散層８が互いに接することなくそれぞれ形成される。
【００１１】
また、触媒層・拡散層５及び触媒層・拡散層７の上、並びに、触媒層・拡散層５及び触媒層・拡散層７が形成されていないアノード側の電解質膜４の上（触媒層・拡散層５及び触媒層・拡散層７の境界部分）には燃料ガス（例えば、水素等）のガス流路９が形成される。
【００１２】
同様に、触媒層・拡散層６及び触媒層・拡散層８の上、並びに、触媒層・拡散層６及び触媒層・拡散層８が形成されていないカソード側の電解質膜４の上（触媒層・拡散層６及び触媒層・拡散層８の境界部分）には酸化ガス（例えば、酸素や空気等）のガス流路１０が形成される。
【００１３】
例えば、ガス流路９は図５中”ＧＴ１１”に示すように触媒層・拡散層５及び触媒層・拡散層７上、並びに、触媒層・拡散層５及び触媒層・拡散層７が形成されていないアノード側の電解質膜４の上（触媒層・拡散層５及び触媒層・拡散層７の境界部分）を蛇行するように形成されている。
【００１４】
また、例えば、ガス流路１０は図５中”ＧＴ１１”に示すように触媒層・拡散層６及び触媒層・拡散層８上、並びに、触媒層・拡散層６及び触媒層・拡散層８が形成されていないカソード側の電解質膜４の上（触媒層・拡散層６及び触媒層・拡散層８の境界部分）を蛇行するように形成されている。
【００１５】
さらに、ガス流路９が形成されていない触媒層・拡散層５及びガス流路９の上にはセパレータ１１が形成され、ガス流路９が形成されていない触媒層・拡散層７及びガス流路９の上にはセパレータ１３が形成されると共にセパレータ１１及びセパレータ１３の境界部分には絶縁部材１５が設けられる。
【００１６】
同様に、ガス流路１０が形成されていない触媒層・拡散層６及びガス流路１０の上にはセパレータ１２が形成され、ガス流路１０が形成されていない触媒層・拡散層８及びガス流路１０の上にはセパレータ１４が形成されると共にセパレータ１２及びセパレータ１４の境界部分には絶縁部材１６が設けられる。
【００１７】
ここで、図４及び図５に示す従来例の動作を説明する。ガス流路９には燃料ガス（例えば、水素等）が供給され、ガス流路１０には酸化ガス（例えば、酸素や空気等）が供給される。例えば、図５中”ＩＮ１１”に示す供給口から各ガスが供給され、図５中”ＯＴ１１”に示す排気口から反応しなかったガス等が放出される。
【００１８】
アノード側の触媒層・拡散層７では水素が水素イオン（Ｈ＋ ）になり電子（ｅ− ）を放出し、一方、カソード側の触媒層・拡散層８側では電解質膜４を伝播してきた水素イオン（Ｈ＋ ）と酸素原子が電子（ｅ− ）と反応して水（Ｈ２Ｏ ）が生成される。
【００１９】
この時、アノード側の触媒層・拡散層７及びカソード側の触媒層・拡散層８（具体的には、セパレータ１３とセパレータ１４）と間の外部負荷を接続することにより、アノード側の触媒層・拡散層７で発生した電子（ｅ− ）を取り出す、言い換えれば、直流電流を取り出すことが可能になる。
【００２０】
一方、セパレータ１１及びセパレータ１２には外部負荷を接続せず、アノード側のセパレータ１１とセパレータ１３との間の電位差を測定することにより、アノード側の過電圧を測定することができる。
【００２１】
同様に、カソード側のセパレータ１２とセパレータ１４との間の電位差を測定することにより、カソード側の過電圧を測定することができる。
【００２２】
また、セパレータ１３とセパレータ１４との間から取り出される負荷電流に交流成分を重畳してセパレータ１３とセパレータ１４との間の電圧の応答性を測定することにより、燃料電池（具体的には、セパレータ１３とセパレータ１４との間の燃料電池）のインピーダンスを測定することができる。
【００２３】
また、同時に、セパレータ１３とセパレータ１４との間の負荷電流に対するアノード側の過電圧及びカソード側の過電圧の応答性を測定することにより、アノード側の過電圧及びカソード側の過電圧のインピーダンスを測定することができる。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００２４】
しかし、図４及び図５に示す従来例では、セパレータ１３とセパレータ１４との間の燃料電池のインピーダンスを測定することができるものの、燃料電池におけるインピーダンス分布を測定することができないと言った問題点があった。
従って本発明が解決しようとする課題は、燃料電池のインピーダンス分布測定することが可能な燃料電池及びインピーダンス分布測定装置を実現することにある。
【課題を解決するための手段】
【００２５】
本発明のインピーダンス分布測定装置は、
電解質膜と、
前記電解質膜を挟んでアノード側およびカソード側に設けられ、それぞれ一方の口から他方の口まで連続するガス流路が形成された触媒・拡散層と、
アノード側およびカソード側の前記触媒・拡散層の上にそれぞれ形成されたセパレータと、
を備える燃料電池のインピーダンス分布を測定するインピーダンス分布測定装置において、
前記燃料電池は、
アノード側およびカソード側の前記ガス流路の一方の口から他方の口に向かって、複数の領域に分割され、
分割された個々の前記領域間で、前記セパレータは互いに絶縁された状態で分割され、
前記インピーダンス分布測定装置は、
アノード側の前記ガス流路の一方の口から他方の口に向かって燃料ガスを供給するとともに、カソード側の前記ガス流路の一方の口から他方の口に向かって酸化ガスを供給するガス供給手段と、
前記ガス供給手段により燃料ガスおよび酸化ガスが供給された状態で、前記電解質膜を挟んで対向する、個々の分割された前記セパレータ間のインピーダンスを独立して測定する測定手段と、
を備えることを特徴とする。
【００２６】
前記測定手段は、電流掃引法によりインピーダンスを測定してもよい。
【００２７】
前記測定手段は、電圧掃引法によりインピーダンスを測定してもよい。
【００２８】
前記測定手段は、個々の分割された前記セパレータ間に重畳させる交流成分を、前記領域間で同期させてインピーダンスを測定してもよい。
【００２９】
前記測定手段は、個々の分割された前記セパレータ間に重畳させる交流成分の周波数を、前記領域間でずらしてインピーダンスを測定してもよい。
【００３０】
本発明の燃料電池は、
電解質膜と、
前記電解質膜を挟んでアノード側およびカソード側に設けられ、それぞれ一方の口から他方の口まで連続するガス流路が形成された触媒・拡散層と、
アノード側およびカソード側の前記触媒・拡散層の上にそれぞれ形成されたセパレータと、
を備える燃料電池において、
前記燃料電池は、
アノード側およびカソード側の前記ガス流路の一方の口から他方の口に向かって、複数の領域に分割され、
分割された個々の前記領域間で、前記セパレータは互いに絶縁された状態で分割され、
前記個々の分割された前記セパレータを、
アノード側の前記ガス流路の一方の口から他方の口に向かって燃料ガスが供給されるとともに、カソード側の前記ガス流路の一方の口から他方の口に向かって酸化ガスが供給された状態で、前記電解質膜を挟んで対向する、個々の分割された前記セパレータ間のインピーダンスを独立して測定するための電極として機能させることを特徴とする。
【発明の効果】
【００３１】
本発明によれば次のような効果がある。
請求項１，２，３，４，５及び請求項６の発明によれば、燃料電池を絶縁部材等によって電気的に複数に分割して各分割電池の共有のガス流路に燃料ガスと酸化ガスを供給し各分割電池のインピーダンスを測定することにより、燃料電池のインピーダンス分布を測定することが可能になる。
【００３２】
また、請求項４の発明によれば、電圧挿引法を用いることにより、インピーダンス測定中のセパレータ間の電圧が等しくなり、通常の燃料電池により近いインピーダンスの測定が可能になる。
【００３３】
また、請求項５の発明によれば、分割電池のインピーダンスを測定する際に重畳させる交流成分を同期させることにより、通常の燃料電池のインピーダンス測定を同じ条件で各分割電池のインピーダンス測定を行うことが可能になる。
【００３４】
また、請求項６の発明によれば、分割電池のインピーダンス測定の際に各分割電池に重畳する交流成分の周波数をずらして、各分割電池のインピーダンスを測定する装置に周波数フィルタを設けて交流成分を分離して測定することにより、インピーダンス測定時に周波数干渉を生じることなく、各分割電池のインピーダンスを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】
【００３５】
以下本発明を図面を用いて詳細に説明する。図１及び図２は本発明に係る燃料電池の一実施例を示す断面図である。図１は燃料電池の電解質膜に対して垂直な面における断面図、図２は燃料電池におけるガス流路に平行な面における断面図である。
【００３６】
図１において、１７は電解質膜、１８，２０，２２及び２４は４分割されたアノード側の触媒層・拡散層、１９，２１，２３及び２５は４分割されたカソード側の触媒層・拡散層、２６はアノード側に形成された燃料ガス（例えば、水素等）のガス流路、２７はカソード側に形成された酸化ガス（酸素や空気等）のガス流路、２８，３０，３２及び３４はアノード側に形成された導電性を有するセパレータ、２９，３１，３３及び３５はカソード側に形成された導電性を有するセパレータ、３６，３７，３８，３９，４０及び４１は絶縁部材である。
【００３７】
電解質膜１７のアノード側には触媒層・拡散層１８，２０，２２及び触媒層・拡散層２４が互いに接することなくそれぞれ形成され、電解質膜１７のカソード側には触媒層・拡散層１９，２１，２３及び触媒層・拡散層２５が互いに接することなくそれぞれ形成される。
【００３８】
また、触媒層・拡散層１８，２０，２２及び触媒層・拡散層２４の上、並びに、触媒層・拡散層１８，２０，２２及び触媒層・拡散層２４が形成されていないアノード側の電解質膜１７の上（触媒層・拡散層１８，２０，２２及び触媒層・拡散層２４のそれぞれの境界部分）には燃料ガス（例えば、水素等）のガス流路２６が形成される。
【００３９】
同様に、触媒層・拡散層１９，２１，２３及び触媒層・拡散層２５の上、並びに、触媒層・拡散層１９，２１，２３及び触媒層・拡散層２５が形成されていないカソード側の電解質膜１７の上（触媒層・拡散層１９，２１，２３及び触媒層・拡散層２５のそれぞれの境界部分）には酸化ガス（例えば、酸素や空気等）のガス流路２７が形成される。
【００４０】
例えば、ガス流路２６は図２中”ＧＴ２１”に示すように触媒層・拡散層１８，２０，２２及び触媒層・拡散層２４上、並びに、触媒層・拡散層１８，２０，２２及び触媒層・拡散層２４が形成されていないアノード側の電解質膜１７の上（触媒層・拡散層１８，２０，２２及び触媒層・拡散層２４のそれぞれの境界部分）を蛇行するように形成されている。
【００４１】
また、例えば、ガス流路２７は図２中”ＧＴ２１”に示すように触媒層・拡散層１９，２１，２３及び触媒層・拡散層２５上、並びに、触媒層・拡散層１９，２１，２３及び触媒層・拡散層２５が形成されていないカソード側の電解質膜１７の上（触媒層・拡散層１９，２１，２３及び触媒層・拡散層２５のそれぞれの境界部分）を蛇行するように形成されている。
【００４２】
さらに、ガス流路２６が形成されていない触媒層・拡散層１８及びガス流路２６の上にはセパレータ２８が形成され、ガス流路２６が形成されていない触媒層・拡散層２０及びガス流路２６の上にはセパレータ３０が形成される。
【００４３】
ガス流路２６が形成されていない触媒層・拡散層２２及びガス流路２６の上にはセパレータ３２が形成され、ガス流路２６が形成されていない触媒層・拡散層２４及びガス流路２６の上にはセパレータ３４が形成される。
【００４４】
セパレータ２８及びセパレータ３０の境界部分には絶縁部材３６が、セパレータ３０及びセパレータ３２の境界部分には絶縁部材３８が、セパレータ３２及びセパレータ３４の境界部分には絶縁部材４０がそれぞれ設けられる。
【００４５】
一方、ガス流路２７が形成されていない触媒層・拡散層１９及びガス流路２７の上にはセパレータ２９が形成され、ガス流路２７が形成されていない触媒層・拡散層２１及びガス流路２７の上にはセパレータ３１が形成される。
【００４６】
ガス流路２７が形成されていない触媒層・拡散層２３及びガス流路２７の上にはセパレータ３３が形成され、ガス流路２７が形成されていない触媒層・拡散層２５及びガス流路２７の上にはセパレータ３５が形成される。
【００４７】
セパレータ２９及びセパレータ３１の境界部分には絶縁部材３７が、セパレータ３１及びセパレータ３３の境界部分には絶縁部材３９が、セパレータ３３及びセパレータ３５の境界部分には絶縁部材４１がそれぞれ設けられる。
【００４８】
ここで、図１に示す実施例の動作を説明する。燃料電池は各絶縁部材等によって電気的に４分割されており、１７，１８，１９，２６，２７，２８及び２９から構成される第１の分割された燃料電池（以下、単に分割電池と呼ぶ。）、１７，２０，２１，２６，２７，３０及び３１から構成される第２の分割電池、１７，２２，２３，２６，２７，３２及び３３から構成される第３の分割電池、１７，２４，２５，２６，２７，３４及び３５から構成される第４の分割電池に分かれる。
【００４９】
ガス流路２６には燃料ガス（例えば、水素等）が供給され、ガス流路２７には酸化ガス（例えば、酸素や空気等）が供給される。例えば、図２中”ＩＮ２１”に示す供給口から各ガスが供給され、図２中”ＯＴ２１”に示す排気口から反応しなかったガス等が放出される。
【００５０】
アノード側の触媒層・拡散層１８，２０，２２及び触媒層・拡散層２４では水素が水素イオン（Ｈ＋ ）になり電子（ｅ− ）を放出し、一方、カソード側の触媒層・拡散層１９，２１，２３及び触媒層・拡散層２５側では電解質膜１７を伝播してきた水素イオン（Ｈ＋ ）と酸素原子が電子（ｅ− ）と反応して水（Ｈ２Ｏ ）が生成される。
【００５１】
この時、アノード側の触媒層・拡散層１８，２０，２２及び触媒層・拡散層２４とカソード側の触媒層・拡散層１９，２１，２３及び触媒層・拡散層２５（具体的には、互いに対向するセパレータ２８とセパレータ２９、セパレータ３０とセパレータ３１、セパレータ３２とセパレータ３３、並びに、セパレータ３４とセパレータ３５）と間の外部負荷を接続することにより、アノード側の触媒層・拡散層１８，２０，２２及び触媒層・拡散層２４で発生した電子（ｅ− ）を取り出す、言い換えれば、直流電流を取り出すことが可能になる。
【００５２】
すなわち、第１、第２、第３及び第４の分割電池はそれぞれ独立した燃料電池として動作することになる。
【００５３】
また、第１の分割電池のインピーダンスを測定する場合、第１の分割電池に外部負荷を接続し、負荷電流に交流成分を重畳して互いに対向するセパレータ２８とセパレータ２９との間の電圧の応答性を測定することにより、第１の分割電池のインピーダンスを測定することができる。
【００５４】
同様に、第２の分割電池のインピーダンスを測定する場合、第２の分割電池に外部負荷を接続し、負荷電流に交流成分を重畳して互いに対向するセパレータ３０とセパレータ３１との間の電圧の応答性を測定することにより、第２の分割電池のインピーダンスを測定することができる。
【００５５】
第３の分割電池のインピーダンスを測定する場合、第３の分割電池に外部負荷を接続し、負荷電流に交流成分を重畳して互いに対向するセパレータ３２とセパレータ３３との間の電圧の応答性を測定することにより、第３の分割電池のインピーダンスを測定することができる。
【００５６】
第４の分割電池のインピーダンスを測定する場合、第４の分割電池に外部負荷を接続し、負荷電流に交流成分を重畳して互いに対向するセパレータ３４とセパレータ３５との間の電圧の応答性を測定することにより、第４の分割電池のインピーダンスを測定することができる。
【００５７】
この結果、燃料電池を絶縁部材等によって電気的に複数に分割して各分割電池の共有のガス流路に燃料ガスと酸化ガスを供給し各分割電池のインピーダンスを測定することにより、燃料電池のインピーダンス分布を測定することが可能になる。
【００５８】
なお、図１及び図２に示す実施例では説明の簡単のために燃料電池を４分割した構成を例示しているが、勿論、分割数は４分割に限定されるものではなく、任意の数で燃料電池を分割して構わない。
【００５９】
また、インピーダンスの測定方法としては、汎用のインピーダンス測定装置を分割電池の互いに対向するセパレータ間に接続してインピーダンスを測定しても構わない。
【００６０】
また、インピーダンスの測定方法として、負荷電流に交流成分を重畳させる電流挿引法を用いているが、分割電池の電圧の直流成分及び交流成分を一致させ電流の応答性を測定する電圧挿引法を用いてインピーダンスを測定しても勿論構わない。電圧挿引法を用いた場合には、インピーダンス測定中のセパレータ間の電圧が等しくなり、通常の燃料電池により近いインピーダンスの測定が可能になる。
【００６１】
また、分割電池のインピーダンスを測定する際には重畳させる交流成分を同期させても構わない。この場合には、通常の燃料電池のインピーダンス測定を同じ条件で各分割電池のインピーダンス測定を行うことが可能になる。
【００６２】
また、分割電池のインピーダンス測定の際に各分割電池間で周波数干渉が生じた場合には、各分割電池に重畳する交流成分の周波数をずらして、各分割電池のインピーダンスを測定する装置に周波数フィルタを設けて交流成分を分離して測定すればよい。
【００６３】
この場合には、インピーダンス測定時に周波数干渉を生じることなく、各分割電池のインピーダンスを測定することが可能になる。
【００６４】
また、図１及び図２に示す実施例の説明に際しては、ガス流路２６及びガス流路２７は各々の触媒層・拡散層上を蛇行するように形成されている旨例示したが、勿論これに限定されるものではなく、ガス流路は直線状であってもその他の形状であっても構わない。
【図面の簡単な説明】
【００６５】
【図１】本発明に係る燃料電池の一実施例を示す断面図である。
【図２】本発明に係る燃料電池の一実施例を示す断面図である。
【図３】従来の燃料電池システムの一例を示す構成ブロック図である。
【図４】従来の過電圧の測定が可能な燃料電池の一例を示す断面図である。
【図５】従来の過電圧の測定が可能な燃料電池の一例を示す断面図である。
【符号の説明】
【００６６】
１，４，１７  電解質膜
２，３，５，６，７，８，１８，１９，２０，２１，２２，２３，２４，２５  触媒層・拡散層
９，１０，２６，２７  ガス流路
１１，１２，１３，１４，２８，２９，３０，３１，３２，３３，３４，３５  セパレータ
１５，１６，３６，３７，３８，３９，４０，４１  絶縁部材
【図１】
0005103813.tif 000002
【図２】
0005103813.tif 000003
【図３】
0005103813.tif 000004
【図４】
0005103813.tif 000005
【図５】
0005103813.tif 000006