(57)【要約】【課題】  電解質膜の含水状態を精度よく得ることができ、かつ、良好な応答性を得ることができる含水状態検出計および含水状態検出方法を提供する。【解決手段】  含水状態検出計（１００）は、固体高分子型燃料電池の電解質膜（２２１）の含水状態を検出する含水状態検出計であって、凹凸が形成され固体高分子型燃料電池の電解質膜（２２１）の含水状態と相関して含水状態が変化する検出用電解質膜（１１）と、検出用電解質膜（１１）にかかる荷重を検出する荷重計（２０）と、を備える。【選択図】        図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
固体高分子型燃料電池の電解質膜の含水状態を検出する含水状態検出計であって、
凹凸が形成され、前記固体高分子型燃料電池の電解質膜の含水状態と相関して含水状態が変化する検出用電解質膜と、
前記検出用電解質膜にかかる荷重変化を検出する荷重計と、を備えることを特徴とする含水状態検出計。
【請求項２】
前記検出用電解質膜の厚みは、前記固体高分子型燃料電池の電解質膜の厚みよりも大きいことを特徴とする請求項１記載の含水状態検出計。
【請求項３】
前記検出用電解質膜は、前記固体高分子型燃料電池の電解質膜と同じ材料から構成されることを特徴とする請求項１または２記載の含水状態検出計。
【請求項４】
前記検出用電解質膜は、前記固体高分子型燃料電池の反応ガス流路の途中に配置されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の含水状態検出計。
【請求項５】
前記検出用電解質膜は、前記固体高分子型燃料電池の反応ガス入口よりも上流側に配置されていることを特徴とする請求項４記載の含水状態検出計。
【請求項６】
前記凹凸は、前記検出用電解質膜に形成されたシワであることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の含水状態検出計。
【請求項７】
前記凹凸は、前記検出用電解質膜に形成された折目であることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の含水状態検出計。
【請求項８】
固体高分子型燃料電池の電解質膜の含水状態を検出する含水状態検出方法であって、
凹凸が形成され前記固体高分子型燃料電池の電解質膜の含水状態と相関して含水状態が変化する検出用電解質膜にかかる荷重変化を検出するステップを含むことを特徴とする含水状態検出方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池の電解質膜の含水状態検出計および含水状態検出方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は、一般的には水素及び酸素を燃料として電気エネルギーを得る装置である。この燃料電池は、環境面において優れかつ高いエネルギー効率が実現できることから、今後のエネルギー供給システムとして広く開発が進められてきている。
【０００３】
例えば、固体高分子型燃料電池は、プロトン伝導性を有する固体高分子型電解質からなる電解質膜の両側に、それぞれアノードおよびカソードが設けられた膜−電極接合体（ＭＥＡ：Ｍｅｍｂｒａｎｅ  Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ  Ａｓｓｅｍｂｌｙ）が、セパレータによって挟持された構造を有している。
【０００４】
この固体高分子型燃料電池においては、アノードに供給された燃料ガスに含まれる水素が触媒を介してプロトンと電子とに解離する。このプロトンは、電解質膜を介してカソード側へと移動する。水素の解離によって生じた電子は、外部回路に取り出されて直流の電気エネルギとして利用される。カソードには、酸素を含有する酸化剤ガスが供給される。カソードにおいては、触媒を介してプロトン、電子および酸素が反応して水が生成される。
【０００５】
ところで、電解質膜の含水量が低下すると、電解質膜のイオン伝導性が低下する。したがって、電解質膜は適度に含水している必要がある。そこで、電解質膜の湿潤に伴う物理量を計測して、電解質膜の乾燥または濡れを検出する技術が開示されている（例えば、特許文献１参照）。
【０００６】
【特許文献１】特開２００３−１７３８０５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、特許文献１の技術では、電解質膜の含水状態を精度よく得ることができない。また、良好な応答性を得ることもできない。
【０００８】
本発明は、電解質膜の含水状態を精度よく得ることができ、かつ、良好な応答性を得ることができる含水状態検出計および含水状態検出方法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】
【０００９】
本発明に係る含水状態検出計は、固体高分子型燃料電池の電解質膜の含水状態を検出する含水状態検出計であって、凹凸が形成され固体高分子型燃料電池の電解質膜の含水状態と相関して含水状態が変化する検出用電解質膜と、検出用電解質膜にかかる荷重変化を検出する荷重計と、を備えることを特徴とするものである。
【００１０】
本発明に係る含水状態検出計においては、検出用電解質膜の含水状態が固体高分子型燃料電池の電解質膜の含水状態と相関して変化することから、検出用電解質膜にかかる荷重の変化に基づいて固体高分子型燃料電池の電解質膜の含水状態を検出することができる。また、検出用電解質膜に凹凸が形成されていることから、検出用電解質膜にかかる荷重の変化幅が大きくなる。それにより、固体高分子型燃料電池の電解質膜の含水状態を精度よく得ることができる。ここで、厚みの大きい平坦な固体高分子電解質膜を用いることも考えられる。この場合においても、荷重の変化幅が大きくなる。しかしながら、この場合、荷重の変化時間が長くなってしまう。検出用電解質膜の体積が大きくなって、含水または乾燥時間が長くなるからである。したがって、本発明に係る含水状態検出計を用いれば、良好な応答性も得られる。
【００１１】
検出用電解質膜の厚みは、固体高分子型燃料電池の電解質膜の厚みよりも大きくてもよい。この場合、検出用電解質膜にかかる荷重変化幅が大きくなる。それにより、固体高分子型燃料電池の電解質膜の含水状態を精度よく得ることができる。
【００１２】
検出用電解質膜は、固体高分子型燃料電池の電解質膜と同じ材料から構成されていてもよい。この場合、固体高分子型燃料電池の電解質膜の含水状態と検出用電解質膜にかかる荷重とがより高い相関関係を有するようになる。それにより、固体高分子型燃料電池の電解質膜の含水状態を精度よく得ることができる。
【００１３】
検出用電解質膜は、固体高分子型燃料電池の反応ガス流路の途中に配置されていてもよい。また、検出用電解質膜は、固体高分子型燃料電池の反応ガス入口よりも上流側に配置されていてもよい。この場合、反応ガスの相対湿度の変化に対する検出用電解質膜に係る荷重変化の応答性が高くなる。
【００１４】
凹凸は、検出用電解質膜に形成されたシワであってもよい。また、凹凸は、検出用電解質膜に形成された折目であってもよい。
【００１５】
本発明に係る含水状態検出方法は、固体高分子型燃料電池の電解質膜の含水状態を検出する含水状態検出方法であって、凹凸が形成され固体高分子型燃料電池の電解質膜の含水状態と相関して含水状態が変化する検出用電解質膜にかかる荷重変化を検出するステップを含むことを特徴とするものである。本発明に係る含水状態検出方法においては、検出用電解質膜の含水状態が固体高分子型燃料電池の電解質膜の含水状態と相関して変化することから、検出用電解質膜にかかる荷重の変化に基づいて固体高分子型燃料電池の電解質膜の含水状態を検出することができる。また、検出用電解質膜に凹凸が形成されていることから、検出用電解質膜の荷重変化幅が大きくなる。それにより、固体高分子型燃料電池の電解質膜の含水状態を精度よく得ることができる。ここで、厚みの大きい平坦な固体高分子電解質膜を用いることも考えられる。この場合においても、荷重変化幅が大きくなる。しかしながら、この場合、荷重の変化時間が長くなってしまう。検出用電解質膜の体積が大きくなって、含水または乾燥時間が長くなるからである。したがって、本発明に係る含水状態検出方法を用いれば、良好な応答性も得られる。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、電解質膜の含水状態を精度よく得ることができ、かつ、良好な応答性を得ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
以下、本発明を実施するための最良の形態を説明する。
【実施例１】
【００１８】
図１（ａ）は、本発明の第１実施例に係る含水状態検出計１００の模式図である。図１（ａ）に示すように、含水状態検出計１００は、検出用セル１０、荷重計２０および含水状態検出手段３０を含む。検出用セル１０は、燃料電池スタック２００に用いられる燃料ガスおよび酸化剤ガス（以下、反応ガスと総称する）の流路の途中に配置されている。本実施例においては、検出用セル１０は、燃料電池スタック２００の反応ガス入口よりも上流側に配置されている。
【００１９】
含水状態検出計１００の説明に先立ち、まず燃料電池スタック２００の詳細を説明する。燃料電池スタック２００は、複数のセル２１０が積層された構造を有する。図１（ｂ）は、セル２１０の模式的断面図である。図１（ｂ）に示すように、セル２１０は、膜−電極接合体２２０がセパレータ２３０およびセパレータ２４０によって挟持された構造を有する。
【００２０】
セパレータ２３０，２４０は、ステンレス等の導電性材料から構成される。セパレータ２３０の膜−電極接合体２２０側の面には、燃料ガスが流動するための燃料ガス流路２３１が形成されている。セパレータ２４０の膜−電極接合体２２０側の面には、酸化剤ガスが流動するための酸化剤ガス流路２４１が形成されている。例えば、燃料ガス流路２３１および酸化剤ガス流路２４１は、それぞれセパレータ２３０，２４０の表面に形成された凹部からなる。
【００２１】
膜−電極接合体２２０は、電解質膜２２１のセパレータ２３０側にアノード触媒層２２２およびガス拡散層２２３が順に接合され、電解質膜２２１のセパレータ２４０側にカソード触媒層２２４およびガス拡散層２２５が順に接合された構造を有する。電解質膜２２１は、プロトン伝導性を有するパーフルオロスルフォン酸型ポリマー等の固体高分子電解質からなる。電解質膜２２１の厚みは、例えば、１０μｍ〜５０μｍ程度である。
【００２２】
アノード触媒層２２２は、触媒を担持する導電性材料等から構成される。アノード触媒層２２２における触媒は、水素のプロトン化を促進するための触媒である。例えば、アノード触媒層２２２は白金担持カーボンからなる。ガス拡散層２２３は、カーボンペーパ、カーボンクロス等の導電性材料からなる。
【００２３】
カソード触媒層２２４は、触媒を担持する導電性材料等から構成される。カソード触媒層２２４は、プロトンと酸素との反応を促進するための触媒である。例えば、カソード触媒層２２４は、白金担持カーボンからなり、ガス拡散層２２３は、カーボンペーパ、カーボンクロス等の導電性材料からなる。
【００２４】
燃料ガス流路２３１に燃料ガスが供給されかつ酸化剤ガス流路２４１に酸化剤ガスが供給されることによって、セル２１０において発電が行われる。この際、反応ガスの湿度に応じて、電解質膜２２１の含水状態が変化する。反応ガスの湿度が高くなると、電解質膜２２１の含水量が多くなる。一方、反応ガスの湿度が低くなると、電解質膜２２１の含水量が少なくなる。
【００２５】
含水状態検出計１００は、この電解質膜２２１の含水状態を検出する装置である。以下、含水状態検出計１００の各部の説明を行う。図１（ｃ）に示すように、検出用セル１０は、検出用電解質膜１１の一面にガス拡散層１２およびセパレータ１３が順に積層され、検出用電解質膜１１の他面にガス拡散層１４およびセパレータ１５が順に積層された構造を有する。
【００２６】
ガス拡散層１２およびガス拡散層１４は、水蒸気透過性材料からなり、例えばカーボンペーパ、カーボンクロス等からなる。セパレータ１３のガス拡散層１２側の面には、燃料ガスが流動するための燃料ガス流路１６が形成されている。セパレータ１５のガス拡散層１４側の面には、酸化剤ガスが流動するための酸化剤ガス流路１７が形成されている。例えば、燃料ガス流路１６および酸化剤ガス流路１７は、それぞれセパレータ１３，１５の表面に形成された凹部からなる。
【００２７】
検出用電解質膜１１は、プロトン伝導性を有する固体高分子電解質からなり、例えばパーフルオロスルフォン酸型ポリマーからなる。検出用電解質膜１１には、凹凸が形成されている。この凹凸は、型を使って成形されてもよい。検出用電解質膜１１の含水状態は、反応ガスの湿度に応じて変化する。反応ガスの相対湿度が高くなると、検出用電解質膜１１の含水量が多くなり、検出用電解質膜１１にかかる荷重が大きくなる。一方、反応ガスの相対湿度が低くなると、検出用電解質膜１１の含水量が少なくなり、検出用電解質膜１１にかかる荷重が小さくなる。
【００２８】
上述したように反応ガスの湿度に応じて電解質膜２２１の含水状態が変化することから、検出用電解質膜１１にかかる荷重は、燃料電池スタック２００の電解質膜２２１の含水状態と相関して変化する。その結果、検出用電解質膜１１にかかる荷重から電解質膜２２１の含水状態を検出することが可能となる。荷重計２０は、セパレータ１３からセパレータ１５までにかかる荷重を検出することによって、検出用電解質膜１１にかかる荷重を検出する。すなわち、荷重計２０は、検出用セル１０の各部材の積層方向における荷重を検出することによって、検出用電解質膜１１にかかる荷重を検出する。荷重計２０は、特に限定されるものではない。
【００２９】
含水状態検出手段３０は、ＣＰＵ（中央演算処理装置）、ＲＯＭ（リードオンリメモリ）、ＲＡＭ（ランダムアクセスメモリ）等から構成される。含水状態検出手段３０は、荷重計２０の検出値に応じて検出用電解質膜１１の含水状態を検出する。
【００３０】
続いて、含水状態検出手段３０の含水状態検出過程について説明する。図２は、反応ガスの湿度と荷重計２０によって検出された荷重との関係を示す図である。図２（ａ）は、上記の検出用電解質膜１１の代わりに平坦な固体高分子電解質膜を用いた場合の図である。図２（ｂ）は、検出用電解質膜１１を用いた場合の図である。
【００３１】
図２（ａ）に示すように、反応ガスの相対湿度が１００％である場合、固体高分子電解質膜の含水量の増加に伴って固体高分子電解質膜にかかる荷重が大きくなる。反応ガスの相対湿度が０％となった場合、固体高分子電解質膜の含水量の低下に伴って固体高分子電解質膜にかかる荷重が小さくなる。燃料電池スタック２００の電解質膜２２１の含水状態も反応ガスの相対湿度に応じて変化することから、荷重計２０の検出値に応じて電解質膜２２１の含水状態を検出することができる。ただし、平坦な固体高分子電解質膜を用いると、荷重の変動幅が小さい。したがって、電解質膜２２１の含水状態を精度よく検出することは困難である。
【００３２】
これに対して、図２（ｂ）に示すように、検出用電解質膜１１を用いた場合には、荷重変動幅が大きくなる。これは、検出用電解質膜１１に凹凸が形成されていることによって、検出用電解質膜１１の厚みの変動幅が大きくなったからである。したがって、検出用電解質膜１１を用いることによって、荷重変化の感度が向上する。
【００３３】
ここで、厚みの大きい平坦な固体高分子電解質膜を用いることも考えられる。この場合においても、反応ガスの相対湿度の変化に伴って固体高分子電解質膜にかかる荷重の変動幅が大きくなる。しかしながら、この場合、荷重の変動時間が長くなってしまう。固体高分子電解質膜の体積が大きくなって、含水または乾燥時間が長くなるからである。これに比較して、本実施例に係る検出用電解質膜１１は、体積を大きくすることなく厚みが大きくなっている。したがって、荷重変化の応答性が高くなる。
【００３４】
含水状態検出手段３０は、図２（ｂ）のようなマップを用いて、荷重計２０の検出値から電解質膜２２１の含水状態を検出する。なお、含水状態検出手段３０は、必須の構成要素ではない。含水状態検出手段３０が設けられていなくても、荷重計２０の検出値が得られれば、図２（ｂ）のマップに照らし合わせて電解質膜２２１の含水状態を得ることができるからである。
【００３５】
なお、検出用電解質膜１１の構成材料は、電解質膜２２１の構成材料と同じであることが好ましい。電解質膜２２１の含水量と検出用電解質膜１１にかかる荷重との関係が高い相関を有するようになるからである。
【００３６】
また、検出用電解質膜１１の凹凸は、特に限定されるものではない。検出用電解質膜１１の凹凸は、例えば図３（ａ）に示すように検出用電解質膜１１に形成されたシワであってもよく、図３（ｂ）に示すように検出用電解質膜１１に形成された折目であってもよい。この場合、検出用電解質膜１１全体の厚みが、検出用電解質膜１１の肉厚の１．５倍〜３倍程度であることが好ましい。また、検出用電解質膜１１の表面のラフネスは、１．１〜２．２程度であることが好ましい。ここで、ラフネスとは、単位面積あたりの表面積のことをいい、図３（ｃ）に示す凹凸においては２ｂ／ａのことをいう。
【００３７】
また、燃料電池スタック２００の反応ガス流路における検出用電解質膜１１の配置箇所は、特に限定されるものではない。ただし、検出用電解質膜１１は、燃料電池スタック２００の反応ガス入口よりも上流側に配置されることが好ましい。反応ガスの相対湿度の変化に対する検出用電解質膜１１にかかる荷重変化の応答性が高くなるからである。また、検出用セル１０にアノード触媒層およびカソード触媒層が設けられていてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００３８】
【図１】本発明の第１実施例に係る含水状態検出計を示す図である。
【図２】反応ガスの湿度と荷重計によって検出された荷重との関係を示す図である。
【図３】検出用電解質膜の例を示す図である。
【符号の説明】
【００３９】
１０  検出用セル
１１  検出用電解質膜
２０  荷重計
３０  含水状態検出手段
１００  含水状態検出計
２００  燃料電池スタック
２２１  電解質膜
【図１】
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【図２】
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【図３】
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