JP2002536788A - 燃料セル・メンブレンを監視するための一体型センサおよび監視方法 - Google Patents

燃料セル・メンブレンを監視するための一体型センサおよび監視方法

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Abstract

(57)【要約】 メンブレン電極アセンブリは、各側に電極を有するポリマ電解質メンブレン（１００）からなる。ポリマ電解質メンブレンは、表面に設けられた一体型センサ（１１５）を有する。センサは、メンブレン電極アセンブリの物理状態，熱状態，化学状態または電気状態を監視する。センサから得られた情報は、不良メンブレン電極アセンブリを特定するために用いられ、燃料セルの動作は、特定された不良メンブレン電極アセンブリに基づいて変更される。

Description

【発明の詳細な説明】
（産業上の利用分野） 本発明は、一般に、燃料セル(fuel cell)に関し、さらに詳しくは、固体電解
質(solid electrolyte)と一体化した測定手段を有する燃料セルに関する。
【０００１】 （従来の技術） 燃料セルでは、触媒の存在下で燃料(fuel)を酸化剤(oxidant)と反応させるこ
とにより、電気エネルギが生成される。典型的な燃料セルは、イオン伝導電極(i
on-conducting electrode)によって分離された燃料電極（アノード）と酸化剤電
極（カソード）とによって構成される。これらの電極は、外部回路導体(externa
l circuit conductor)によって負荷（電子回路など）に接続される。回路導体で
は、電流は電子の流れによって運ばれ、一方、電解質では、電流は酸性電解質に
おける水素イオン（Ｈ+）またアルカリ性電解質におけるヒドロキシル・イオン
（ＯＨ-）などのイオンの流れによって運ばれる。アノードでは、流入水素ガス
はイオン化して、水素イオンおよび電子となる。電解質は電子導体ではないので
、電子は外部回路を介してアノードから逃げる。カソードでは、酸素ガスは、電
解質を介して移動する水素イオンと、外部回路からの流入電子と反応して、副産
物として水を生成し、次にこの水は一般に蒸気(vapor)として抽出される。燃料
セルの一つの周知の種類に、「メンブレン電極アセンブリ(membrane-electrode-
assembly)」（ＭＥＡ）があり、これはその一方の面にアノードを有し、対置す
る面にカソードを有する一般に薄くて、プロトン透過型の固体ポリマ・メンブレ
ン電解質である。ＭＥＡは、アノードおよびカソードの電流コレクタとして機能
する一対の導電性素子の間にはさまれ、各アノードおよびカソード触媒の表面上
で燃料セルのガス状反応体(gaseous reactants)を分散するための適切なチャネ
ルおよび／または開口部を含む。このような一つのＭＥＡおよび燃料セルについ
ては、米国特許第５，２７２，０１７号にて説明されている。実際には、多数の
これらユニット燃料セルは通常積層(stack)あるいは「連結(gang)」されて、燃
料セル・スタックまたはアセンブリを形成する。個別のセルは、一方のセルのア
ノード電流コレクタをスタック内の最寄りのセルのカソード電流コレクタと接触
させることにより、直列に電気接続される。スタック内のたった一つのユニット
・セルの劣化または不良は、燃料セル・アセンブリの全体的な性能を低下させ、
完全に動作不能にすることもある。燃料セルは、触媒の一酸化炭素による毒作用
(poisoning)，セルの浸水およびプロトン交換メンブレンの周りあるいはこれを
介したガス状水素の漏れなど、多数の理由によって不良になる。メンブレンのカ
ソード側へのガス状水素の移動により、無用な水素消費，セル／スタック効率の
損失およびセル電圧の低下が生じることがある。一酸化炭素毒作用および／また
は浸水により、ユニット・セルおよび／またはスタック電圧の低下が生じる。こ
れらの状況のいずれかでも現れると、不可逆性のセル／スタック劣化を阻止する
ために、是正措置が必要になる。スタック内のメンブレンの一つが劣化あるいは
誤動作すると、セルを修復するために、スタック全体を取り外して、分解しなけ
ればならない。アセンブリのために溶接および／または接着剤が用いられるスタ
ック設計の場合、スタック全体を破棄する必要があることもある。さらに、外部
層と内部層との間の温度および湿度の相違により、スタックの内部セルはスタッ
クの外部セルと同じ効率で動作しない。
【０００２】 燃料セル・アセンブリの動作中に個別セルの性能を監視し、それからさまざま
な環境状態に応答して最適化するか、あるいは劣化したユニット・セルを補償す
るために、燃料セル・スタックの動作を調整するの手段があれば、非常に望まし
い。従来技術におけるいくつかは、数ミリ秒の間セルを動作から電気的に中断し
て、ある固定ポイントにてセルの電流および電圧を測定することによって、この
問題を解決することを試みていた。この方法は、複雑な切り換え方式が必要にな
るという欠点がある。セルはテスト負荷に切り換え、測定を行い、それから元に
切り換える必要がある。さらに、情報は電流電圧（ＩＶ）曲線上の一つのポイン
ト、もしくはせいぜい数ポイントに制限され、これでは実際のセルの状態に関し
てほとんどわからない。
【０００３】 （好適な実施例の説明） 従来技術の欠点から、我々は性能の悪いセルを識別するために、燃料セル・ス
タックの動作中に個別の燃料セルの状態を監視することが有利であるという結論
に至った。この情報は、セルを遮断したり、あるいはメンブレンを再調整するか
、あるいは燃料を再配分するために、セルへの燃料および酸化剤の入力を調整し
て、最も効率的な利用を達成し、そして燃料セル・システムの最適性能を実現す
るために利用できる。誘電率，抵抗，電気インピーダンスまたはキャパシタンス
を含む（がそれらに制限されない）要因の変化を検出する、燃料セル・スタック
の個別ＭＥＡセル上またはその付近に配置されたセンサは、この個別セルの温度
，含水量，流量などを推測するために利用できる。このデータを利用してフィー
ドバックループを設定でき、セルに対するパラメータ（燃料または酸化剤流量な
ど）もしくはシステム全体に対するパラメータ（電気負荷バランス）を調節して
、最適性能を実現できる。本発明では、燃料セル・スタック内の個別燃料セルの
性能を監視して、また任意で、性能が許容できないレベルまで劣化すると、是正
措置（例えば、オペレータに報知する，予防措置あるいは是正措置を開始する）
を自動的に発動するための方法および装置を想定する。さらに具体的には、本発
明では、ＭＥＡ上に一体的に配置されたセンサを介して、各個別燃料セル内のＭ
ＥＡの物理状態，熱状態，電気状態または化学状態を測定し；被測定状態を所定
の基準と比較することにより、個別燃料セルのいずれかが許容できないかどうか
を判定し；個別燃料セルの一つまたはそれ以上が許容できないことを被測定状態
が示す場合に、燃料セル・スタックの動作を変更することを想定する。個別燃料
セル内の各ＭＥＡは、ＭＥＡの物理状態，熱状態，化学状態または電気状態を監
視するために、固体ポリマ電解質上に一体型センサ(integral sensor)を有する
。
【０００４】 一般に、スタックは複数の個別燃料セルからなる。各個別燃料セルは、（１）
メンブレンの対置する第１面および第２面に固定されたアノードおよびカソード
を有するプロトン交換メンブレン(proton exchange membrane)と、（２）燃料（
一般に、水素）をアノードと接触させるための、アノードに隣接した第１フロー
・チャネルと、（３）酸素担体ガス(oxygen-bearing gas)（好ましくは、空気）
をカソードと接触させるための、カソードに隣接した第２フロー・チャネルとに
よって構成される。各ＭＥＡ上のセンサは、セル電圧だけでなく、個別セル電圧
も監視する。スタックの状態を判定するために、多数の測定，計算および所定の
基準値との比較が行われ、それに基づいて、切迫したあるいは予想される望まし
くない状態をスタックのオペレータに報知したり、および／あるいはこのような
状態を緩和するために予防措置を自動的に開始するなど、是正措置が講じられる
。ＭＥＡの不可欠な一部であるセンサを形成するために、材料を固体電解質上に
直接被着できる。例えば、キャパシタまたは熱電対(thermocouple)を形成するた
めに導電性材料を被着でき、温度センサ用の抵抗器を形成するために抵抗性材料
を被着でき、また音響センサ(acoustical sensor)を作るために圧電材料を被着
できる。他の材料およびセンサには、形状記憶合金，磁気抵抗体(magnetoresist
ive)，磁気収縮体(magnetoconstrictive)，磁気体(magnetic)および強誘電体(fe
rroelectric)が含まれるが、それらに限定されない。
【０００５】 本発明は、特定の形状に制限されるものではない。実際、セルが個別に制御さ
れる限り、スタック内の個別セル上あるいは管状セル上で利用できる。検出動作
を実施するための一つの方法は、燃料セル・メンブレンの複素誘電率(complex d
ielectric constant)を測定する。被検出応答を利用して、セル性能は最適化さ
れる（温度，給湿(humidification)，酸化剤フロー，酸化剤圧力，燃料フロー，
燃料圧力，燃料化学量(fuel stoichiometry)，電気負荷を制御する）。複素誘電
測定値を利用することには、多数の利点がある： １．複雑なハイパワー切り換えなしに、セルが動作している際中に、性能
を測定・最適化できる。
【０００６】 ２．最適化は、セル性能の高速および低速な変化の両方に対して応答でき
る。
【０００７】 ３．最適化ルーチンは、ＭＥＡのカソードおよびアノード側の給湿の程度
を判定して、給湿の良好な制御，長期のメンブレン寿命および良好な燃料セル性
能を可能にする。
【０００８】 ４．複素誘電テストの結果は、性能を最適化できるかどうか、あるいは材
料不良が存在するかどうかを示す。
【０００９】 ５．不良セルはシステムによって特定され、交換できる。
【００１０】 ここで図１を参照して、ＭＥＡ１００は、メンブレンと密接に接触した櫛形キ
ャパシタ(interdigital capacitor)１１０を有する。これは、スクリーン印刷，
薄膜被着，無電解メッキなど、多数の方法で実現できる。これを実現する最も迅
速な方法は、電極材料を作製するために採用した同じプロセスを利用してキャパ
シタを形成することである。例えば、ＭＥＡの電極がスクリーン印刷される場合
、櫛形キャパシタ１１０もスクリーン印刷して、それにより製造工程数を節減す
べきである。例えば、導電性インクはポリマ電解質メンブレン（ＰＥＭ）のメン
ブレン基板上に被着できる。これは、櫛形トレース１１５を有する回路として、
あるいは固体形状としてパターン化してもよい。被着は、用途に応じて、基板の
片面または両面に施すことができる。例えば、メンブレンのいずれかの面に２つ
の固体パターンを被着して、ＡＣ信号を印加できる容量性デバイスの並列プレー
トを形成する場合には、ＭＥＡの厚さにおけるＡＣインピーダンスを測定できる
。センサをパターン化する際に、センサは電極から絶縁すべきであり、これを実
現する簡単な方法は、センサの周りにブランク枠(blank border)を形成すること
である。図１には具体的に示されていないが、当業者であれば、ＭＥＡ１００の
残りの面には一般に電極があることが理解されよう。センサが開口部内のＭＥＡ
に密接かつ直接に装着，接合あるいは被着できるように、電極内の開口部を形成
すべきである。ポリマ・メンブレンの一部を露出するブランク領域は、センサお
よび関連インタコネクトを取り囲んで、これを電極から絶縁する。センサ部分は
ＰＥＭのエッジ付近に配置でき、また回路ランナ(circuit runner)１２０は、（
エッジ・カード・コネクタまたは圧縮弾性コネクタ(compressive elastomeric c
onnector)と同様に）電気接続ができるように、基板のエッジまで延在するよう
にパターン化できる。別の構成では、メンブレンの電気特性を一括して測定する
ように、ＭＥＡの各側にプレート状のセンサを利用する。小さな「キープアウト
」領域は両方のセンサの周りにパターン化され、センサを電極から絶縁する。こ
れにより、残りの面をＭＥＡの活性領域として利用できる。さらに、メンブレン
の異なる部分を監視できるように、複数のセンサを表面上に分散できる。キャパ
シタ構造は、利用可能な表面積のほんのわずかしか占有してはならない。櫛形キ
ャパシタを図１に示しているが、キャパシタの他の構成も利用でき、請求特許の
範囲内であるとみなされるものとする。
【００１１】 キャパシタの櫛歯(interdigitated fingers)は、材料の表面における誘電率に
対して極めて敏感な形状を与える。図２の断面図からわかるように、電気フィー
ルド線２１０はキャパシタの櫛歯２１５の間に集中している。フィールド２１０
は、材料の本体内ではドロップオフしている。上部櫛型フィルタ２１８は、メン
ブレン２００の上部（アノード側）の誘電率を主に測定し、一方、底部キャパシ
タ２１９はカソード側の誘電率を測定する。これは、動作中のメンブレンの給湿
の程度は両側で同じでないので、極めて重要である。一般に、アノード側は最初
に乾燥する傾向があり、これはイオン伝導率(ionic conductivity)を低減する。
同時に、カソードは過剰水和(over hydrated)して、その間隙率(porosity)を低
減し、カソードへの酸化剤フローを阻止する。動作時に、セルはカソード側で過
剰水和し、アノード側で水和不足(under hydrated)になることがある。メンブレ
ンの両側に櫛型キャパシタを配置することにより、アノードおよびカソード・メ
ンブレン界面は独立して監視できる。
【００１２】 ここで図３を参照して、ＭＥＡの複素誘電率は、キャパシタとともに信号発生
器を利用して判定できる。信号発生器３５０は交流（ＡＣ）電圧を生成し、この
交流電圧はキャパシタ３２６のプレート３２５，３３０に印加される。なお、図
面ではプレート３２５，３３０を櫛型キャパシタの櫛歯として示されていること
を留意されたい。キャパシタ両端の電流および電圧は、（相対位相とともに）測
定され、信号発生器３５０内のＩＶ測定ユニットは、電圧および電流測定値を格
納済み値と比較することにより、誘電率（ｅr）および損失タンジェント（ｔａ
ｎ ｄ）を計算する。さらに、これらの測定値は差動比較器(differential comp
arator)３６０において比較され、被測定値の差に比例する信号を取得できる。
損失タンジェントから、ＭＥＡの水和(hydration)の程度を判定できる。（メン
ブレン内の水分が多いほど、損失タンジェントは大きくなる。）差分信号は、カ
ソードとアノードとの間の水和の差の程度に比例する。異なる周波数における誘
電率の値は、メンブレンの状態および水和の量を判定するために利用できる。こ
れは、誘電応答は周波数の関数であるためである。異なる誘電メカニズムが異な
る時間スケールで生じる。例えば、イオン伝導率はダイポール応答よりも応答が
遅い。イオン移動(ion transport)からの信号は、水のダイポール応答よりも長
いＲ−Ｃ時定数でモデル化できる。このことは、メンブレンの水和を判定できる
ことを意味する。同様に、アノードにおけるより高速な化学反応は、カソードに
おける遅い酸化反応から区別できる。従って、電極の状態を判定できる。
【００１３】 メンブレンの表面における誘電率を測定するだけでなく、「バルク」誘電率も
測定できる。図４は、そのような構成を示す。メンブレン４００は、並列プレー
ト・キャパシタ４２６の２つのプレート４２５の間にはさまれる。信号発生器４
５０はＡＣ信号をプレート４２５に印加し、電流および電圧は（２つの信号の位
相とともに）測定される。バルク材料の損失タンジェントおよび誘電率は、電流
，電圧および相対位相角から判定される。この場合、ＡＣ信号は、表面ではなく
、メンブレンの両端に印加される。バルク損失タンジェントおよび誘電率は、バ
ルク材料の平均的な状態を示すという点を除いて、上記の場合と同じ情報を与え
る。
【００１４】 図５は、最適化ルーチンの高レベルな制御図である。誘電測定５７５からの信
号５７０（損失タンジェントおよび誘電率）は、信号プロセッサ５８０に送られ
る。信号プロセッサ５８０は応答をルックアップ・テーブルまたはモデルと比較
して、上記で説明した概念に基づいてセル性能を判定する。次に、信号プロセッ
サ５８０は、燃料セル５９５の動作パラメータを変更するために、適切なコマン
ドをコントローラ５９０に送る。例えば、信号プロセッサがシステムの複素応答
をモデルと比較したときに、アノードにおいてダイポール応答が低下したことが
判明すると、メンブレンがアノードにおいて脱水(dehydrate)しつつあることを
意味する。セルの温度は、所望の範囲内であることを示し、カソード誘電応答は
、カソードが適切に水和していることを示す。このとき、コントローラは、アノ
ードに向かう燃料を給湿しようとする。他の状態も、同様にして処理される。
【００１５】 一体型センサを介して燃料セル性能を最適化する別の方法は、印加されるパル
スまたは方形波に対するセルの過渡応答(transient response)に基づく。図６を
参照して、パルス発生器は方形波パルスまたは波列(wave train)６５１を燃料セ
ル６９５の電極のうちの一つに印加し、出力パルス６５２は検出器６６０によっ
て受信される。出力波形は複素信号であり、そのフーリエ成分はシステムの応答
を表す。この波形は、フーリエ変換され、基準信号６５３のフーリエ成分と比較
される。複素応答は、セルの直列および並列ＲＣ網モデルと比較できる。この解
析は、デジタル信号解析で実行される過渡解析と同一である。この種の解析は当
技術分野で周知であり、ここではさらに詳しく説明しない。電極／イオノマー界
面(electrode/ionomer interface)は、メンブレンにおけるイオン移動とは異な
る特性応答を与えるので、イオン移動は直列抵抗としてモデル化でき、一方、界
面はメンブレンと直列の並列ＲＣ合成としてモデル化できる。イオン移動からの
信号は、水のダイポール応答よりも長いＲＣ時定数でモデル化でき、メンブレン
の水和をこのモデルから判定できるようにする。同様に、アノードにおけるより
高速な化学反応は、カソードにおける遅い酸化反応から区別できる。従って、電
極の状態を判定できる。
【００１６】 検出器６６０からの信号は信号プロセッサ６７０に進み、ここで信号は、セル
性能を測定するためルックアップ・テーブルまたはモデルと比較される。次に、
信号プロセッサ６７０は、システムの動作パラメータを変更するために、コマン
ドをインテリジェント・コントローラ６９０に送る。例えば、信号プロセッサは
システムの複素応答をモデルと比較して、ダイポール応答が低下したことが判明
するかもしれない。これは、メンブレンが脱水しつつあることを意味する。また
、セルの温度を測定して、温度が所望の範囲内であることが判明する。次に、信
号はコントローラに送信され、コントローラは、水和が増加するように、カソー
ドへの空気フローを低減する。空気フローを低減することにより、燃料セルの出
力パワーが低減しすぎると、コントローラは、空気がセルに入る前に、空気を給
湿する。他の状態も、同様にして処理される。
【００１７】 過渡応答手法は、他の手法について列挙した利点のほかに、多数の利点を提供
する： １．テストは、セル電気性能のほかに、材料の状態を判定できる。
【００１８】 ２．過渡応答テストの結果は、多くの入力パラメータのうちどれが性能を
最適化するために最良に変更されるのかを示す。
【００１９】 ３．テストは、材料のどの不良モードかを判定でき、そのため根本原因(r
oot cause)を判定できる。例えば、触媒不良かイオノマー不良かを識別できる。
【００２０】 ここで図７を参照して、印加されるＡＣ信号に対するセルのＡＣ応答に基づい
て燃料セル性能を最適化する別の方法を示す。ＡＣ信号７５１は、ＡＣ源７５０
によって燃料セル７９５の電極のうちの一方に印加され、応答７５２は他方の電
極上の位相検出器(phase sensitive detector)７６０によって検出される。上記
のように、検出器またはセンサは固体電解質メンブレン上で一体的に配置される
。位相検出器７６０は、応答信号７５２を基準信号７５３と比較する。２つの信
号７６１，７６２は、一方は入力信号７５１と同相して、また一方は位相ずれし
て、出力される。これらの信号は、セルの複素応答を表す。複素応答は、前述の
過渡検出解析とほぼ同じように、セルの直列および並列ＲＣ網モデルと比較でき
る。位相検出器７６０からの信号は信号プロセッサ７７０に進み、この信号プロ
セッサ７７０はコマンドをインテリジェント・コントローラ７９０に送る。
【００２１】 センサおよびその動作を説明したところで、今度はセンサを利用して燃料セル
を動作する方法について説明する。メンブレン電極アセンブリの物理状態，熱状
態，化学状態または電気状態は、適切なセンサおよび方法を利用して監視される
。燃料セル内の状態が、異常信号がコントローラによって検出されるような状態
である場合、コントローラは、被監視信号に基づいて不良メンブレン電極アセン
ブリを特定する。コントローラは、センサの動作，センサ信号の獲得，燃料セル
の監視，データ処理および通信アルゴリズムのための必要な命令を収容している
。センサは、適切な通信プロトコルの手段を介してコントローラと通信し、これ
ら通信プロトコルの多くは当技術分野で周知である。コントローラの機能を実行
する特定のプログラムは、従来の情報処理言語を利用して当業者によって実現で
きる。電子コントローラは、システムに課せられたパワー要求に対して燃料セル
・スタック・システムの動作パラメータを制御し、スタックの状態を診断するよ
うにプログラムされた従来の汎用デジタル・コンピュータに基づくコントローラ
の形式である。多数の好適なコントローラはMotorola Inc.によって製造されて
おり、当業者に周知である。
【００２２】 次に、コントローラは、特定された不良メンブレンに応答して、あるいは燃料
セル・アセンブリの動作を最適化するために、燃料セルの動作を変更する。例え
ば、燃料セル・アセンブリ内の個別ユニットは不良ではないかもしれないが、例
えば、局所的な浸水または脱水のために単に最適以下で動作しているかもしれな
い。この場合、これらのユニット・セルはコントローラによって稼動(in servic
e)または稼動停止(out of service)に電気的に切り換えることができ、また後に
これらのセルが最適状態に戻ると、稼動状態に戻すことができる。あるいは、コ
ントローラは、特定されたメンブレン・アセンブリに対する燃料または酸化剤の
フローを変更するために是正措置を開始でき、もしくは燃料セル・アセンブリの
電気出力を低減できる。このような措置には、適切な措置を講じるようにスタッ
ク・オペレータに視覚報知または可聴報知を発動したり、あるいは閉ループ・フ
ィードバック・シーケンスにおいて予防措置を自動的に開始することを含んでも
よい。
【００２３】 本発明の好適な実施例に従って、スタックの予測される状態の特定の表示器(t
elltales)または事前インジケータ(advance indicators)もセンサによって与え
られ、これらは事態が悪化する前に、事態を是正するために余裕の時間内でこの
ような状態を緩和するための適切な措置を自動的に発動できる。これらの状態の
いくつかの例として、一酸化炭素毒作用，ポリマ電解質メンブレンの脱水，水素
漏れ，燃料低下およびメンブレンの穿孔(perforation)がある。
【００２４】 要するに、ＭＥＡメンブレン上でセンサを一体化することは、複雑さおよび部
品数を低減する。センサをセンサの測定対象のデバイスに内蔵することは、近接
性による電気損失の軽減および正確な測定を実現する。センサおよびメンブレン
の活性領域の両方として導電性電極材料を利用することは、製造をさらに簡単に
する。本発明の好適な実施例について図説してきたが、本発明はそれらに制限さ
れないことは明白である。多数の修正，変更，変形，代替および同等は、特許請
求の範囲に定められる本発明の精神および範囲から逸脱せずに、当業者に想起さ
れよう。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明による、一体型センサを具備する固体状態電解質の等角図
である。
【図２】 キャパシタのフィールド線を示す、断面２−２からみた図１のセ
ンサの断面図である。
【図３】 櫛形キャパシタを用いた、複素誘電率の測定を示す概略的フロー
チャートである。
【図４】 並列プレート方法を用いた、複素誘電率の測定を示す概略的フロ
ーチャートである。
【図５】 図３および図４に示す方法の高レベルな制御図である。
【図６】 本発明による、燃料セルの被測定過渡応答を利用する燃料セル最
適化方法のブロック図である。
【図７】 本発明による、ＡＣインピーダンスおよび位相検出を利用する燃
料セル最適化方法のブロック図である。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (81)指定国 ＥＰ(ＡＴ，ＢＥ，ＣＨ，ＣＹ， ＤＥ，ＤＫ，ＥＳ，ＦＩ，ＦＲ，ＧＢ，ＧＲ，ＩＥ，Ｉ Ｔ，ＬＵ，ＭＣ，ＮＬ，ＰＴ，ＳＥ)，ＯＡ(ＢＦ，ＢＪ ，ＣＦ，ＣＧ，ＣＩ，ＣＭ，ＧＡ，ＧＮ，ＧＷ，ＭＬ， ＭＲ，ＮＥ，ＳＮ，ＴＤ，ＴＧ)，ＡＰ(ＧＨ，ＧＭ，Ｋ Ｅ，ＬＳ，ＭＷ，ＳＤ，ＳＬ，ＳＺ，ＴＺ，ＵＧ，ＺＷ )，ＥＡ(ＡＭ，ＡＺ，ＢＹ，ＫＧ，ＫＺ，ＭＤ，ＲＵ， ＴＪ，ＴＭ)，ＡＬ，ＡＭ，ＡＴ，ＡＵ，ＡＺ，ＢＡ， ＢＢ，ＢＧ，ＢＲ，ＢＹ，ＣＡ，ＣＨ，ＣＮ，ＣＵ，Ｃ Ｚ，ＤＥ，ＤＫ，ＥＥ，ＥＳ，ＦＩ，ＧＢ，ＧＤ，ＧＥ ，ＧＨ，ＧＭ，ＨＲ，ＨＵ，ＩＤ，ＩＬ，ＩＮ，ＩＳ， ＪＰ，ＫＥ，ＫＧ，ＫＰ，ＫＲ，ＫＺ，ＬＣ，ＬＫ，Ｌ Ｒ，ＬＳ，ＬＴ，ＬＵ，ＬＶ，ＭＤ，ＭＧ，ＭＫ，ＭＮ ，ＭＷ，ＭＸ，ＮＯ，ＮＺ，ＰＬ，ＰＴ，ＲＯ，ＲＵ， ＳＤ，ＳＥ，ＳＧ，ＳＩ，ＳＫ，ＳＬ，ＴＪ，ＴＭ，Ｔ Ｒ，ＴＴ，ＵＡ，ＵＧ，ＵＺ，ＶＮ，ＹＵ，ＺＷ (72)発明者 ロバート・ジェイ・マリガン アメリカ合衆国フロリダ州ローダーヒル、 ナンバー112、ノース・ファルス・サーク ル5961 (72)発明者 スティーブン・ディー・プラット アメリカ合衆国フロリダ州プランテーショ ン、ノース・ウエスト・７ス・サークル 9718、アパートメント９−23 (72)発明者 シバクマー・ムチューズワミー アメリカ合衆国フロリダ州プランテーショ ン、ノース・ウエスト・７ス・サークル 9656、アパートメント18−33 (72)発明者 ボビー・ディーン・ランドレス アメリカ合衆国フロリダ州フォート・ロー ダーデール、サウス・ウエスト・18ス・ス トリート614 (72)発明者 ロバート・ダブリュー・ペンニシ アメリカ合衆国フロリダ州ボカ・ラトン、 ノース・イースト・７ス・ストリート498 Ｆターム(参考） 2G016 CA03 CB05 CF00 2G028 BC04 CG08 HM05 HN03 2G060 AA20 AE40 AF06 AF07 AF08 AF10 AF11 5H026 AA06 CX05 HH06 HH08 5H027 AA06 KK00 KK31 KK51 MM01

Claims (5)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 一体型センサを有するメンブレン電極アセンブリであって： ２つの主面と、２つの主面のそれぞれに電極とを有するポリマ電解質メンブレ
    ン；および 前記メンブレン電極アセンブリの一つまたはそれ以上のパラメータを監視する
    センサであって、前記パラメータは、前記メンブレン電極アセンブリの温度，水
    和，イオン伝導率，ＡＣインピーダンス，抵抗，キャパシタンス，誘電率，複素
    誘電率，バルク誘電率および応答からなるグループから選択され、前記センサは
    前記２つの主面のうちの一方にあり、前記センサは前記メンブレン電極アセンブ
    リの不可欠な一部である、センサ； によって構成されることを特徴とするメンブレン電極アセンブリ。
  2. 【請求項２】 一体型センサを有するメンブレン電極アセンブリであって、
    電極を有するポリマ電解質メンブレンと、前記メンブレン電極アセンブリの一つ
    またはそれ以上のパラメータを測定するための前記ポリマ電解質メンブレンの一
    方の主面上のセンサとによって構成されるメンブレン電極アセンブリであって、
    前記パラメータは、前記メンブレン電極アセンブリの温度，水和，イオン伝導率
    ，ＡＣインピーダンス，抵抗，キャパシタンス，誘電率，複素誘電率，バルク誘
    電率および応答からなるグループから選択されることを特徴とするメンブレン電
    極アセンブリ。
  3. 【請求項３】 各メンブレン電極アセンブリがポリマ電解質メンブレンによ
    って構成される、センサを具備するメンブレン電極アセンブリを有する燃料セル
    ・アセンブリを動作する方法であって： 前記メンブレン電極アセンブリ内の前記ポリマ電解質メンブレン上で一体化し
    ている一つまたはそれ以上のセンサを介して、一つまたはそれ以上の前記メンブ
    レン電極アセンブリの一つまたはそれ以上のパラメータを監視する段階であって
    、前記パラメータは一つまたはそれ以上の前記メンブレン電極アセンブリの温度
    ，水和，イオン伝導率，ＡＣインピーダンス，抵抗，キャパシタンス，誘電率，
    複素誘電率，バルク誘電率および応答からなるグループから選択される、段階； 前記被監視パラメータを利用して、最適以下で動作しているメンブレン電極ア
    センブリを特定する段階；および 特定された最適以下のメンブレン電極アセンブリに基づいて、前記燃料セル・
    アセンブリの動作を変更する段階； によって構成されることを特徴とする方法。
  4. 【請求項４】 燃料セル・スタック内の個別燃料セルを監視し、前記監視に
    応答してスタックの動作を変更する方法であって： ａ．前記メンブレン電極アセンブリ上で一体化しているセンサを介して、前記
    個別燃料セルのそれぞれにおいてメンブレン電極アセンブリの一つまたはそれ以
    上のパラメータを測定する段階であって、前記パラメータは温度，水和，イオン
    伝導率，ＡＣインピーダンス，抵抗，キャパシタンス，誘電率，複素誘電率，バ
    ルク誘電率および応答からなるグループから選択される、段階； ｂ．前記被測定パラメータを所定の基準と比較する段階；および ｃ．前記被測定パラメータが前記所定の基準を満たさないことを段階（ｂ）で
    実行された比較が示す場合に、前記燃料セル・スタックの動作を変更する段階； によって構成されることを特徴とする方法。
  5. 【請求項５】 センサを具備するメンブレン電極アセンブリを有する燃料セ
    ル・アセンブリを動作する方法であって： 前記メンブレン電極アセンブリのそれぞれの上で一体化している一つまたはそ
    れ以上のセンサを介して、前記メンブレン電極アセンブリのＡＣインピーダンス
    を測定する段階； 前記被測定ＡＣインピーダンスを利用して、最適以下で動作しているメンブレ
    ン電極アセンブリを特定する段階；および 前記特定された最適以下のメンブレン電極アセンブリに基づいて、前記燃料セ
    ル・アセンブリの動作を変更する段階； によって構成されることを特徴とする方法。
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