(57)【要約】【課題】燃料電池の劣化を早期に検出し劣化の生じたセルを特定可能な燃料電池の劣化検出装置を提供する。【解決手段】膜電極接合体を有するセルを複数積層して構成され、各セルの面内に設けられた反応ガス流路に反応ガスをそれぞれ供給して発電を行う燃料電池の劣化検出装置であって、上記反応ガス流路に設けられ、膜電極接合体の少なくとも一部から生じる分解生成物の量が所定量より多くなった場合に反応する劣化検出手段（３０）を備える。【選択図】図２
2009026494.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
膜電極接合体を有するセルを複数積層して構成され、各セルの面内に設けられた反応ガス流路に反応ガスをそれぞれ供給して発電を行う燃料電池の劣化検出装置であって、
前記反応ガス流路に設けられ、前記膜電極接合体の少なくとも一部から生じる分解生成物の量が所定量より多くなった場合に反応する劣化検出手段、
を備えることを特徴とする燃料電池の劣化検出装置。
【請求項２】
前記劣化検出手段は、
透明な材質で形成される容器形状の容器部材と、
前記容器部材の少なくとも一部に設けられた開口部を塞ぎ、前記膜電極接合体の少なくとも一部から生じる分解生成物の量が所定量より多くなった場合に前記セルの面内に存在する物質の流入を許す溶解部材と、
前記容器部材の内部に収容され、前記流入してくるセルの面内に存在する物質と反応して発色又は発光する反応部材と、
を有することを特徴とする請求項１に記載の燃料電池の劣化検出装置。
【請求項３】
前記劣化検出手段は、前記反応ガス流路のうちカソードオフガス流路下流の前記セルの面内で生成される液体の貯まり易い所定箇所に前記溶解部材が露出するように設けられることを特徴とする請求項２に記載の燃料電池の劣化検出装置。
【請求項４】
前記劣化検出手段の反応状態を検出する状態検出手段を更に備えることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の燃料電池の劣化検出装置。
【請求項５】
前記劣化検出手段は、前記セルの積層方向に貫通する貫通孔に少なくとも一部が突出するように配置され、
前記状態検出手段は、前記セルの積層方向に相互に対向するように、前記貫通孔の一端に設けられた発光部と他端に設けられた受光部とを有する、
ことを特徴とする請求項４に記載の燃料電池の劣化検出装置。
【請求項６】
前記劣化検出手段の容器部材の内壁の少なくとも一表面が鏡面加工されており、
前記状態検出手段は、前記セルの積層方向に動作し、その位置に応じた劣化検出手段からの反射光を受光する光センサを有する、
ことを特徴とする請求項４に記載の燃料電池の劣化検出装置。
【請求項７】
前記状態検出手段は、前記劣化検出手段の少なくとも一部を撮像可能な撮像手段であることを特徴とする請求項４に記載の燃料電池の劣化検出装置。
【請求項８】
前記分解生成物は、フッ素又はフッ素を含む化合物であり、
前記溶解部材は、シリコン又はポリイミドで形成される、
ことを特徴とする請求項２から７のいずれか１項に記載の燃料電池の劣化検出装置。
【請求項９】
前記セルの面内に存在する物質はフッ素又はフッ素を含む化合物であり、
前記反応部材は、アリザリンコンプレキソンを含む物質で形成される、
ことを特徴とする請求項２から８のいずれか１項に記載の燃料電池の劣化検出装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池の劣化を早期に検出する燃料電池の劣化検出装置に関し、特に、劣化の生じたセルを特定可能とする技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池には、固体高分子電解質膜を燃料ガス電極（アノード）と酸化剤ガス電極（カソード）とで挟み更にそれら電極の両側をガス供給路の設けられたセパレータで挟むように形成されるセルが所定数積層されたセルスタックを備える固体高分子電解質型燃料電池(ＰＥＦＣ)がある。このＰＥＦＣは、固体高分子電解質膜として水素イオン導電性の高いフッ素樹脂系高分子膜を用いる。各セルでは、アノードに接合されるセパレータのガス流路に燃料ガスが供給され、カソードに接合されるセパレータのガス流路に酸化剤ガスが供給される。ＰＥＦＣは、このように供給される燃料ガスと酸化剤ガスとを固体高分子電解質膜を介して反応させることにより発電を行う。
【０００３】
ＰＥＦＣは、長期間稼働すると、電解質膜が劣化しクロスリークを生じる場合がある。クロスリークは、電解質膜に微少な孔が空き、アノードに供給された燃料ガスがカソード側のガス流路に流れ込む現象である。このようなクロスリーク現象は、カソード側で燃料ガスと酸化剤ガスとが直接燃焼することから発電効率の低下や燃焼熱によるセルの加速的劣化に繋がる。
【０００４】
そこで、反応ガス（酸化剤ガス及び燃料ガス）の出口通路を介して排出される液体中に含有される特定成分量を測定することにより、クロスリークが発生する前に燃料電池の劣化の進行状態を診断する手法が提案されている（下記特許文献１参照）。この手法では、特定成分として燃料電池の劣化の進行に伴って膜電極接合体（ＭＥＡ：Membrane-Electrode Assembly）から溶出される成分が検出される。
【０００５】
同様に、燃料電池からの排出ガス中の水素イオン濃度、フッ素イオン濃度等を測定することにより燃料電池の劣化状態を検出する手法が提案されている（下記特許文献２参照）。その他、燃料電池の監視対象部位に酸化発光剤を塗布し、この酸化発光剤が酸化して発光するのを検知することにより過酸化水素生成等の異状を特定する手法が提案されている（下記特許文献３参照）。
【特許文献１】特開２００５−１７４８２２号公報
【特許文献２】特開２００６−４９１４６号公報
【特許文献３】特開２００５−３３２６８２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、上述のような従来の燃料電池の劣化検出手法では、複数セルのうち劣化が進んでいるセルを特定することができないという問題点がある。これは、例えば上記特許文献１及び２で提案されている手法によれば燃料電池から排出されるガス若しくは液体中の特定成分を検出することにより燃料電池の劣化の進行が判断されるからである。
【０００７】
なお、上記特許文献３で提案されている手法では、燃料電池内部若しくは外部の所定の監視対象部位に塗布された酸化発光剤により過酸化水素及び異常電位が検知されるが、過酸化水素及び異常電位はセルの劣化に直接的に結びつくものではない。
【０００８】
本発明の目的は、燃料電池の劣化を早期に検出し劣化の生じたセルを特定可能な燃料電
池の劣化検出装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明は、上述した課題を解決するために以下の手段を採用する。即ち、本発明は、膜電極接合体を有するセルを複数積層して構成され、各セルの面内に設けられた反応ガス流路に反応ガスをそれぞれ供給して発電を行う燃料電池の劣化検出装置であって、上記反応ガス流路に設けられ、膜電極接合体の少なくとも一部から生じる分解生成物の量が所定量より多くなった場合に反応する劣化検出手段を備えるというものである。
【００１０】
本発明では、各セルの面内の反応ガス流路に設けられた劣化検出手段が、各セルの膜電極接合体の少なくとも一部から生じる分解生成物の量が所定量より多くなった場合にそれぞれ反応する。ここで、膜電極接合体の少なくとも一部とは、例えば電解質膜や触媒等である。分解生成物とは、長期間稼働等に伴う劣化により膜電極接合体を構成するいずれかの部材から溶出される物質であり、例えば、フッ素又はフッ素を含む化合物である。その他、当該分解生成物として、構成部材の劣化の進行を示す所定の成分を膜電極接合体の構成部材の所定箇所に塗る等した場合にこの所定の成分であってもよい。
【００１１】
本発明によれば、このような劣化検出手段をセルに備えることにより、反応している劣化検出手段の有無を検出すれば燃料電池の劣化を検出することができ、更にその反応している劣化検出手段の存在するセルを劣化の生じたセルとして特定することができる。
【００１２】
更に、当該劣化検出手段を分解生成物の量が所定量より多くなった場合に反応するものとすることにより、この所定量を例えば電解質膜がクロスリーク前の劣化状態で溶出される分解生成物の量とすれば、燃料電池の劣化を早期に検出することが可能となる。
【００１３】
また、好ましくは、上記劣化検出手段が、透明な材質で形成される容器形状の容器部材と、この容器部材の少なくとも一部に設けられた開口部を塞ぎ、膜電極接合体の少なくとも一部から生じる分解生成物の量が所定量より多くなった場合にセルの面内に存在する物質の流入を許す溶解部材と、上記容器部材の内部に収容され、流入してくるセルの面内に存在する物質と反応して発色又は発光する反応部材とを有するように構成する。
【００１４】
本発明によれば、劣化検出手段を透明な材質の容器形状とすることにより、内部に収容される反応部材の発色又は発光を外部から視認することが可能となるため、劣化の生じたセルを容易に特定することができる。なお、透明な材質とは、検出に利用される特定の波長の光が透過し得るものであればよく、必ずしもあらゆる波長の光を透過し得るものである必要はない。
【００１５】
更に、劣化検出手段の容器部材の少なくとも一部に開口部を設けその開口部を塞ぐ溶解部材を設けることにより、内部の反応部材を反応させるタイミングすなわちセルの劣化を検出するタイミングに自由度を持たせることができる。これは、当該溶解部材が、セルの劣化の生じていない通常時には開口部を塞ぎ他の物質の流入を防いでおり、当該分解生成物の量が所定量より多くなった場合に溶解、分解等することによりセルの面内に存在する物質の流入を許すように構成されるからである。劣化検出手段の配置される位置等に応じて物質の流入を許す所定量を調整するようにすればよい。
【００１６】
言い換えれば、この溶解部材を設けることにより、内部に収容された反応部材が反応するものを分解生成物のみによらずセルの面内に存在する物質とすることができる。
【００１７】
例えば、上記分解生成物がフッ素又はフッ素を含む化合物である場合には、この溶解部材はシリコン又はポリイミドで形成されるのが好ましい。また、例えば、上記セルの面内
に存在する物質がフッ素又はフッ素を含む化合物である場合には、上記反応部材はアリザリンコンプレキソンを含む物質で形成されるのが好ましい。
【００１８】
また、好ましくは、上記劣化検出手段が反応ガス流路のうちセルの面内で生成される液体の貯まり易いカソードオフガス流路下流の所定箇所に当該溶解部材が露出するように設けられるように構成する。
【００１９】
これにより、溶出された分解生成物を確実に溶解部材で捕らえることができるため、劣化の生じたセルを確実に早期に検出することができる。
【００２０】
また、好ましくは、上記劣化検出手段の反応状態を検出する状態検出手段を更に備えるように構成する。
【００２１】
この状態検出手段の第一態様としては、劣化検出手段をセルの積層方向に貫通する貫通孔に少なくとも一部が突出するように配置し、この貫通孔の一端に発光部を他端に受光部をセルの積層方向に相互に対向するように設けるように構成する。
【００２２】
この状態検出手段の第二態様としては、劣化検出手段の容器部材の内壁の少なくとも一表面を鏡面加工し、セルの積層方向に動作しその位置に応じた劣化検出手段からの反射光を受光する光センサを有するように構成する。
【００２３】
この状態検出手段の第三態様としては、劣化検出手段の少なくとも一部を撮像可能な撮像手段として構成する。
【００２４】
このような状態検出手段を備えることにより、上述のような燃料電池の劣化の早期検出及び劣化の生じたセルの特定を自動化することができる。
【発明の効果】
【００２５】
本発明によれば、燃料電池の劣化を早期に検出し劣化の生じたセルを特定可能な燃料電池の劣化検出装置を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２６】
以下、図面を参照して、本発明の実施形態における固体高分子電解質型燃料電池（以下、単に燃料電池と表記する）について説明する。なお、以下に述べる実施形態の構成は例示であり、本発明は以下の実施形態の構成に限定されない。
【００２７】
［実施形態］
本発明の実施形態における燃料電池について、以下に説明する。
【００２８】
〔燃料電池構成〕
本発明の実施形態における燃料電池の構成について、図１、２、３Ａ及び３Ｂを用いて説明する。図１は、実施形態としての燃料電池の構成例を示す側面模式図である。図２は、実施形態としての燃料電池の単セルの構成例を示す分解斜視図である。図３Ａは、図２に示すセパレータ１５を正面から見た場合のガス流路の構成例を示す図である。図３Ｂは、図２に示すセパレータ１５を背面から見た場合のガス流路の構成例を示す図である。
【００２９】
本実施形態における燃料電池１は、積層された複数のセル１０、両端部で複数のセル１０を挟むように配置されるエンドプレート２及び３、エンドプレート２及び３と複数のセル１０との間にそれぞれ配置されるインシュレータ６及び７、テンションプレート４及び５、発光部８、受光部９等を備える。
【００３０】
インシュレータ６及び７は、エンドプレート２及び３と複数のセル１０との間の絶縁を目的として設置されるものであり、例えばガラスエポキシ等の非金属製の材質で形成される。エンドプレート２及び３は、テンションプレート４及び５から付与される締結力により、複数のセル１０の積層体（以降、セルスタックと表記する）、インシュレータ６及び７を両側からセル積層方向に締め付け固定する。
【００３１】
単セル１０は、図２の例に示すように、固体高分子電解質膜（以降、単に電解質膜とも表記する）１１の両面を触媒層からなる燃料ガス電極（アノード）１２及び酸化剤ガス電極（カソード）１３で挟み、更にそれら電極の両側をガス供給路の設けられたセパレータ１４及び１５で挟むように形成される。なお、電解質膜１１とアノード１２とカソード１３とが接合されたものを膜電極接合体（ＭＥＡ：Membrane-Electrode Assembly）（以降
、単にＭＥＡと表記する）とも呼ぶ。
【００３２】
各セル１０は、正面に、図２に示すような矩形状の端面をそれぞれ有し、各端面にはそれぞれ左右両端に縦に並ぶ３つずつの貫通孔（以降、マニホールドと表記する）が開いている。各マニホールドは、セル１０の積層方向に互いに繋がることによりそれぞれ通路を形成する。これら通路のうち、各端面の右上部のマニホールド２１が繋がった通路には、燃料ガスが図２の右方向に向かって流れる。以降、この通路を燃料ガス供給通路と表記する。一方、この燃料ガス供給通路を形成するマニホールド２１の対角線上（端面左下）に位置するマニホールド２２が繋がることで形成される通路には、燃料ガスのうち発電に供しなかったもの（以降、アノードオフガスと表記する）が燃料ガスとは逆方向（図２の左方向）に流れる。以降、この通路をアノードオフガス排出通路と表記する。また、各端面の左上部のマニホールド２５が繋がった通路には、酸化剤ガスが図２の右方向に向かって流れる。以降、この通路を酸化剤ガス供給通路と表記する。この酸化剤ガス供給通路を形成するマニホールド２５の対角線上（端面右下）に位置するマニホールド２６が繋がることで形成される通路には、酸化剤ガスのうち発電に供しなかったもの（以降、カソードオフガスと表記する）が酸化剤ガスとは逆方向（図２の左方向）に流れる。以降、この通路をカソードオフガス排出通路と表記する。
【００３３】
〈セパレータ〉
セパレータ１４及び１５は、アノード１２に接合される面に燃料ガス流路を有し、カソード１３に接合される面に酸化剤ガス流路を有する。図２には示されていないが、セパレータ１４の正面には他のセルのカソードが接合されるためその正面に酸化剤ガス流路が設けられ、セパレータ１５の背面には他のセルのアノードが接合されるためその背面に燃料ガス流路が設けられている。
【００３４】
ここで、セル１０を構成するセパレータの構成について図２に示されるセパレータ１５を元に図３Ａ及び３Ｂを用いて説明する。セパレータ１５は、図３Ａ及び３Ｂの構成例に示されるように、正面に酸化剤ガス流路２８が設けられ背面に燃料ガス流路２９が設けられている。酸化剤ガス供給通路を通り供給される酸化剤ガスは、マニホールド２５からセパレータ１５の酸化剤ガス流路２８に流れ込むことでカソード１３に供給される。発電に利用されなかったカソードオフガスは、セパレータ１５のマニホールド２６からカソードオフガス排出通路を通り燃料電池１の外へ送出される。一方、燃料ガス供給通路を通り供給される燃料ガスは、マニホールド２１からセパレータ１５の燃料ガス流路２９に流れ込むことで図２に示されていない他のセルのアノードに供給される。発電に利用されなかったアノードオフガスは、セパレータ１５のマニホールド２２からアノードオフガス排出通路を通り燃料電池１の外へ送出される。
【００３５】
セル１０は、このような構造により供給される燃料ガスと酸化剤ガスとを電解質膜１１
を介して反応させることにより発電を行う。この発電時には化学反応により、カソード１３の触媒層では生成水が生じる。
【００３６】
ところで、セル１０を構成する部材が長期間稼働等に伴って劣化し始めると、生成水、カソードオフガス、アノードオフガス等には、セル１０の構成部材から溶出される物質（以降、分解生成物と表記する）が含有する。例えば電解質膜１１が水素イオン導電性の高いフッ素樹脂系高分子膜で生成されている場合には、このフッ素樹脂系高分子膜から溶出するフッ素若しくはフッ素化合物が分解生成物となる。フッ素化合物としては例えばフッ酸が溶出する。本実施形態では、電解質膜１１の劣化を検出対象とする例を示し、分解生成物としてフッ酸を検出する。
【００３７】
なお、本発明は、このような劣化検出対象を電解質膜１１に限定するものではないため、触媒等その他の構成部材についても併せて検出対象としてもよい。その場合には、検出対象の構成部材から溶出される物質を分解生成物として検出するようにする。更に、構成部材の劣化の進行を示す所定の成分をセルの構成部材の所定箇所に塗る等して、この所定の成分を検出するようにしてもよい。
【００３８】
〈劣化検出部〉
本実施形態における燃料電池は、このような分解生成物を検出するために、各セル１０を構成するセパレータに劣化検出部３０（本発明の劣化検出手段に相当する）をそれぞれ設ける。図４は、図３Ａ及び３Ｂに示されるセパレータ１５をＸ−Ｘ線で切断した場合の断面図である。図４に示されるように、劣化検出部３０は、容器形状の容器部材３３と、容器部材３３の少なくとも一部に設けられた開口部を塞ぐ溶解部材３１と、内部に収容される発色部材３２（本発明の反応部材に相当する）とから構成される。
【００３９】
発色部材３２は、分解生成物と反応して発色（変色）若しくは発光する物質で形成される。分解生成物としてフッ酸を検出する場合には、発色部材３２は例えばアリザリンコンプレキソン試薬で形成される。発色部材３２は、劣化検出部３０の内部に所定量収容され、分解生成物の流入により発色又は変色若しくは発光する。
【００４０】
発色部材３２は、当該分解生成物と反応せず、当該分解生成物を運ぶ水、カソードオフガス（例えば酸素）若しくはアノードオフガス（例えば水素）と反応して発色等する物質で形成されるようにしてもよい。これは、後述する溶解部材３１において分解生成物の所定量を検出することができるからである。
【００４１】
容器部材３３は、光透過性の物質で形成される。光透過性の物質には例えばアクリル樹脂が利用される。これにより、劣化検出部３０内に収容される発色部材３２の発色等を外部から視認することができる。また、セル外部に発光部８が設けられている場合にはこの発光部８から発せられた光が劣化検出部３０の容器部材３３を透過する。なお、光透過性の物質とは、検出に利用される特定の波長の光が透過し得るものであればよく、必ずしもあらゆる波長の光を透過し得るものである必要はない。
【００４２】
溶解部材３１は、検出対象となる分解生成物と反応して溶解する（分解する）材料で形成される。分解生成物としてフッ酸を検出する場合には、溶解部材３１はシリコン、ポリイミド等で形成される。溶解部材３１は、通常時、当該分解生成物が劣化検出部３０内部へ流入するのを防いでいるが、電解質膜１１の劣化進行により接する分解生成物の量が多くなると、溶解が進み当該分解生成物の劣化検出部３０内部への流入を許すことになる。劣化検出部３０内部へ流入した分解生成物、水、カソードオフガス若しくはアノードオフガスは、発色部材３２と反応し発色等する。
【００４３】
溶解部材３１の材質、厚み等は、劣化検出対象となる電解質膜１１の劣化進行に応じた所定のタイミングで分解生成物が劣化検出部３０内部に流入するように決められる。例えば、電解質膜１１がクロスリークする前の時点において溶出されこの溶解部材３１に接する分解生成物の量を決定し、分解生成物の量がその決定された量となった場合に当該分解生成物が劣化検出部３０内部に流入するように溶解部材３１の材質、厚み等を決定する。これにより、電解質膜１１がクロスリークする前に劣化検出できるようになる。
【００４４】
以上のような構造を持つことから、劣化検出部３０は、その溶解部材３１が分解生成物と接し易い位置となるように配置されることが好ましい。本実施形態では、劣化検出部３０の配置は、図３Ａ及び図４に示すように、溶解部材３１がセパレータの酸化剤ガス流路２８に露出されるように決められる。更に、図３Ａの構成例では、酸化剤ガス流路２８に生成水が貯まり易い部位を設けており、劣化検出部３０はこの生成水が貯まり易い部位に配置される。図３Ａの構成例では、生成水が貯まり易い部位として、酸化剤ガス流路２８の下面に傾斜を設け更に酸化剤ガス流路２８のマニホールド２６への流入口に壁面２７を設けている。これにより、本実施形態の燃料電池は、水に含有して運ばれる分解生成物を劣化検出部３０で確実に検出できるようになる。
【００４５】
なお、本発明は、この劣化検出部３０の設置位置を限定するものではない。本実施形態では、劣化検出部３０の溶解部材３１が最も水が貯まり易い部位に配置されるように構成されるが、それ以外の部位に配置された場合であっても溶解部材３１の材質、厚み等を変更することにより対応可能である。更に、本実施形態では、劣化検出部３０の溶解部材３１が酸化剤ガス流路２８にのみ露出する例を示すが、セパレータの流路構成に応じて燃料ガス流路２９にも併せて露出されるように劣化検出部３０を配置するようにしてもよい。この場合には、燃料ガス流路２９に露出される位置に溶解部材３１を更に設けるようにしてもよい。また、当該溶解部材３１が燃料ガス流路２９にのみ露出するように配置されてもよい。すなわち、劣化検出部３０がどのような位置に配置された場合であっても、その位置において溶解部材３１が接する分解生成物の量に応じて溶解部材３１の材質、厚み等を変更するようにすればよい。
【００４６】
このような劣化検出部３０は、例えば、セパレータの所定箇所に設けられた貫通孔にはめ込むようにして取り付けられる。なお、劣化検出部３０のセパレータへの取付方法は、着脱可能に取り付けられるようにしてもよいし、セパレータと一体として形成されるようにしてもよい。
【００４７】
本実施形態における燃料電池１は、このような構成により、発色した劣化検出部３０を視認することにより、分解生成物が所定量溶出し電解質膜の劣化が進行したセルを特定することができる。
【００４８】
更に、本実施形態における燃料電池１は、以下に説明するように、複数のセル１０のうち劣化が進行したセルが少なくとも１つ存在するか否かを自動で判別するような構成を持つ。
【００４９】
すなわち、図２に示すようにセル１０内のセパレータ１４及び１５間で見た場合に、各劣化検出部３０が電解質膜１１の貫通孔４０を介してセル積層方向（図２の横方向）に連接するように構成する。更に、図１に示すようにセル間で見た場合には、当該各セルの劣化検出部３０が更に複数のセル１０の積層方向に連なるように構成する。以降、このような燃料電池スタックにおける劣化検出部３０の連接する構造を劣化検出部３０の連接構造４１と表記する。なお、電解質膜１１の貫通孔４０は、劣化検出部３０の端面より小さい孔であってもよく、各劣化検出部３０の少なくとも一部がこの貫通孔４０を介して相互に連接するようにすればよい。
【００５０】
〈発光部及び受光部〉
発光部８及び受光部９は、劣化検出部３０の連接構造４１、インシュレータ６及び７の貫通孔４２を介して相互に対向するように、エンドプレート２及び３のうちのいずれか一方に配置される。図１に示す構成例では、発光部８がエンドプレート２に配置され、受光部９がエンドプレート３に配置されている。
【００５１】
発光部８は、所定の波長を有する光を所定の強度で発する発光素子で形成される。発光部８は、劣化検出部３０の連接構造４１、インシュレータ６及び７の貫通孔４２を介して受光部９に光が当たるように発光する。
【００５２】
受光部９は、フォトダイオード等の受光素子で形成され、受けた光に関し所定の波長の光強度を検出する。発光部８により発せられた光は、劣化検出部３０の発色部材３２の発色状態に応じた光の吸収度に従って、所定の波長の強度が減衰して受光部９に届くことになる。図５は、本実施形態の燃料電池における自動劣化検出を示す概念図である。図５の例では、複数のセル１０の劣化検出部３０のうち発色している劣化検出部５１を示している。この場合には、発光部８により発せられた光は、劣化検出部５１により所定の波長の強度が吸収される。受光部９は、この所定波長の強度が減衰した状態で発光部８からの光を受ける。
【００５３】
受光部９は、検出された所定波長の光強度をＥＣＵ（Electric Control Unit）（図示
せず）等に通知するようにしてもよい。ＥＣＵは、この所定波長の光強度を予めメモリ等に保持されている所定の閾値と比較し、検出された光強度が所定の閾値より小さい場合に電解質膜１１の少なくとも１つが劣化したと判断し警報を出力するように構成する。この場合の所定の閾値は、劣化検出すべき時点の分解生成物等が劣化検出部３０内部に流入した際の当該発色部材３２の発色状態に基づき、この状態で減衰する波長及びその波長の減衰後の光強度に設定すればよい。
【００５４】
このように発光部８及び受光部９並びにＥＣＵ（図示せず）を更に備えることにより、電解質膜１１の劣化したセルの有無を自動で検出することができる。本実施形態における発行部８及び受光部９又はこれらにＥＣＵを加えた構成が本発明の状態検出手段に相当する。
【００５５】
〔本実施形態の作用及び効果〕
以下、上述した本実施形態における燃料電池１の作用及び効果について述べる。
【００５６】
本実施形態の燃料電池１では、電解質膜１１の劣化を検出するために、各セル１０を構成するセパレータ１４及び１５に劣化検出部３０がそれぞれ備えられる。劣化検出部３０は、光透過性の物質で形成される容器形状の容器部材３３と、容器部材３３の少なくとも一部に設けられた開口部を塞ぐ溶解部材３１と、内部に収容される発色部材３２とから構成される。
【００５７】
これにより、セル１０が劣化していない通常状態では、各劣化検出部３０は発色部材３２を形成する物質の色でそれぞれ視認される。
【００５８】
各セル１０ではそれぞれ、セパレータの燃料ガス流路２９により供給される燃料ガスと他のセパレータの酸化剤ガス流路２８により供給される酸化剤ガスとが電解質膜１１を介して反応することにより発電が行われる。このような発電が長期間行われることによりセル１０が劣化し始めると、発電時の化学反応により生成された水、カソードオフガス、アノードオフガス等に電解質膜１１から溶出されるフッ酸等のフッ素化合物が分解生成物と
して含有し始める。
【００５９】
分解生成物を含有する生成水は、各セパレータの酸化剤ガス流路２８の生成水が貯まり易い箇所に露出するように設けられた劣化検出部３０の溶解部材３１上に貯まる。溶解部材３１は、その上に貯まった生成水に含まれる分解生成物と反応し溶解する。これにより、溶解部材３１に接する分解生成物が所定量となると、この分解生成物が劣化検出部３０内部に流入し始める。
【００６０】
結果として、内部に収容されている発色部材３２とこの流入された分解生成物とが反応することにより発色部材３２が発色等する。すなわち、セル１０の劣化が進行すると、劣化したセルに配置された劣化検出部３０は発色等する。
【００６１】
これにより、本実施形態によれば、発色した劣化検出部３０を視認することにより、分解生成物が所定量溶出し電解質膜の劣化が進行したセルを特定することができる。
【００６２】
更に、当該劣化検出部３０に溶解部材３１を設けることにより、劣化検出部３０の発色部材３２を発色させるタイミング（劣化検出タイミング）すなわち劣化検出すべき分解生成物の量を調整することができる。
【００６３】
これにより、本実施形態の燃料電池１では、セルの構成、セパレータの構成等に応じて、劣化検出部３０の配置位置に自由度を持たせることができる。
【００６４】
更に、各劣化検出部３０は、各セル１０において電解質膜１１の貫通孔４０を介して連接するようにそれぞれ配置され、燃料電池スタックとしても各劣化検出部３０がセル積層方向にそれぞれ連なるように配置される。その上、このような劣化検出部３０の連接構造４１を介して対向するように光センサとしての発光部８及び受光部９が設置される。
【００６５】
これにより、受光部９により検出された所定の波長の光強度がＥＣＵ等に通知され、ＥＣＵがこの通知された所定の波長の光強度を所定の閾値と比較することで、燃料電池スタックのなかのいずれかのセルに劣化が発生したことを自動で検出できるようになる。このようにＥＣＵの制御により劣化の生じたセルの存在を自動検出した場合には、例えばその後、各セルの劣化検出部３０をそれぞれ視認することにより劣化の生じたセルを特定する。
【００６６】
［第一変形例］
上述の実施形態における燃料電池１では、劣化検出部３０の連接構造４１が各セルでは電解質膜１１の貫通孔４０を介するように構成され、燃料電池１全体では更にインシュレータ６及び７にも貫通孔４２が設けられていたが、電解質膜１１の貫通孔４０やインシュレータの貫通孔４２を設けることなく劣化検出部３０の連接構造４１を形成するようにしてもよい。
【００６７】
図６は、図３Ａにおけるセパレータ１５のガス供給路の構成例の第一変形例を示す図である。図７は、第一変形例における燃料電池の単セルの構成例を示す分解斜視図である。
【００６８】
図６に示すように、第一変形例における劣化検出部３０は、その一部がカソードオフガス排出通路を形成するマニホールド２６に突出するように配置される。燃料電池１全体として見れば、第一変形例における劣化検出部３０は、カソードオフガス排出通路にその一部が突出するように配置される。
【００６９】
このような配置により、図７に示すように、セル１０では電解質膜１１に貫通孔４０を
設けることなく劣化検出部３０の一部に関し連接構造４１を形成することができる。更に、燃料電池１全体としても、インシュレータ６及び７の貫通孔４２を設けることなく、インシュレータ６及び７に既存の他のマニホールド（カソードオフガス排出通路を形成するマニホールド等）を利用することによって劣化検出部３０の一部に関し連接構造４１を形成することができる。
【００７０】
従って、第一変形例における発光部８は、カソードオフガス通路に突出された劣化検出部３０を透過して受光部９で受けられるような光を発する。なお、劣化検出部３０は、カソードオフガス排出通路ではなく、アノードオフガス排出通路に突出されるように配置されてもよい。
【００７１】
［第二変形例］
上述の実施形態における燃料電池１では、劣化検出部３０の連接構造を介して相互に対向するように発光部８及び受光部９が設けられ、これら光センサとしての発光部８及び受光部９により劣化の生じたセルの有無が自動で判断されていた。しかしながら、この発光部８及び受光部９で形成されていた光センサを反射式光センサ６１として形成し、劣化の生じたセルを自動で特定可能に構成するようにしてもよい。
【００７２】
図８は、第二変形例としての燃料電池１の構成例を示す側面模式図である。図８に示すように、第二変形例としての燃料電池１は、エンドプレート２及び３に固定されセル積層方向に延びるレール６０を更に備え、このレール６０上をステッピングモータ等によりセル積層方向に動く反射式光センサ６１を備える。
【００７３】
反射式光センサ６１は、レール６０上をセル積層方向に動作しながら、各セル１０の劣化検出部３０に光を発し劣化検出部３０から反射された光を受ける。反射式光センサ６１は、反射光により所定波長の光強度を検出し、自身の位置情報と共にその検出された光強度をＥＣＵ（図示せず）等へ送る。この場合には、劣化検出部３０の容器部材３１はその内壁表面を鏡面加工する。
【００７４】
ＥＣＵは、反射式光センサ６１の位置を検知しその位置における光の強度の通知を受けることにより、発色している劣化検出部３０の存在するセルすなわち劣化の生じたセルを特定する。なお、ＥＣＵが反射式光センサ６１の動作を制御するようにしてもよい。また、この反射式光センサ６１が設置されるレール６０が、劣化検出部３０の連接構造４１を形成する貫通孔（カソードオフガス排出通路）に挿入する形で設けられるようにしてもよい。
【００７５】
また、第二変形例では光センサにより劣化の生じたセルを自動で特定しているが、光センサではなく内視鏡等の劣化検出部３０を撮像可能な撮像装置を用いるようにしてもよい。この場合には、ＥＣＵは、撮像装置により撮像された画像に対して所定の画像認識処理を実行することにより、劣化の生じたセルを特定する。
【図面の簡単な説明】
【００７６】
【図１】実施形態としての燃料電池の構成例を示す側面模式図である。
【図２】実施形態としての燃料電池の単セルの構成例を示す分解斜視図である。
【図３Ａ】図２に示すセパレータ１５を正面から見た場合のガス流路の構成例を示す図である。
【図３Ｂ】図２に示すセパレータ１５を背面から見た場合のガス流路の構成例を示す図である。
【図４】図３Ａ及び３Ｂに示されるセパレータ１５をＸ−Ｘ線で切断した場合の断面図である。
【図５】本実施形態の燃料電池における自動劣化検出を示す概念図である。
【図６】図３Ａにおけるセパレータ１５のガス供給路の構成例の第一変形例を示す図である。
【図７】第一変形例における燃料電池の単セルの構成例を示す分解斜視図である。
【図８】第二変形例としての燃料電池１の構成例を示す側面模式図である。
【符号の説明】
【００７７】
１  燃料電池
１０  セル
２、３  エンドプレート
４、５  テンションプレート
６、７  インシュレータ
８  発光部
９  受光部
１１  固体高分子電解質膜（電解質膜）
１２  燃料ガス電極（アノード）
１３  酸化剤ガス電極（カソード）
１４、１５  セパレータ
２１、２２、２５、２６  マニホールド
２７  酸化剤ガス流路の壁面
２８  酸化剤ガス流路
２９  燃料ガス流路
３０  劣化検出部
３１  溶解部材
３２  発色部材
３３  容器部材
４０  貫通孔
４１  劣化検出部の連接構造
５１  発色した劣化検出部
６０  レール
６１  反射式光センサ
【図１】
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【図２】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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