JP2007048647A

JP2007048647A - 燃料電池

Info

Publication number: JP2007048647A
Application number: JP2005233010A
Authority: JP
Inventors: Nobuhiro Tomosada; 伸浩友定; Atsushi Kimura; 篤史木村; Daisuke Yamazaki; 大輔山崎
Original assignee: Yokogawa Electric Corp
Current assignee: Yokogawa Electric Corp
Priority date: 2005-08-11
Filing date: 2005-08-11
Publication date: 2007-02-22
Anticipated expiration: 2025-08-11
Also published as: JP4867233B2

Abstract

【課題】電気的特性を詳細に測定可能とすることで、性能に対する効果的な管理が行える燃料電池を提供する。
【解決手段】カソード電極２はカソード本電極２Ａと、カソード分割電極２Ｂとに分割され、両者は電気的に分離されている。また、アノード電極３はアノード本電極３Ａと、アノード分割電極３Ｂとに分割され、両者は電気的に分離されている。カソード分割電極２Ｂおよびアノード分割電極３Ｂは、カソード電極２およびアノード電極３の端部に相当する同一領域に設けられ、互いに対向して配置されている。端子２４、２５、３４及び３５が、それぞれ接続され、ケース４の外部に引き出されている。この燃料電池１００によれば、カソード分割電極２Ｂおよびアノード分割電極３Ｂを用いて燃料電池の電気的特性を測定できるので、電圧損失をカソード側とアノード側に分離して把握でき、性能の管理に必要な情報を得ることができる。
【選択図】図１

Description

本発明は燃料電池に関し、とくに、その電気的特性を測定、管理可能な燃料電池に関する。

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。燃料電池はエネルギー問題や環境問題に対する１つの解答を与え得るものとして期待されている。

燃料電池は、その発電原理上、あるいはその構造上の理由から種々の電圧損失を発生させる。しかし、燃料電池から取り出される出力電圧を測定するのみでは、個々の電圧損失の寄与がどの程度であるかを特定できず、製造後の検査や経時的な劣化の検査のための充分な情報が得られないという問題がある。例えば、出力電圧のみでは電圧損失がカソード側で発生したものなのか、アノード側で発生したものなのか区別できず、燃料電池の性能に対する管理に限界を生じさせる。

特開平１０−１１６６２２号公報

本発明の目的は、電気的特性を詳細に測定可能とすることで、性能に対する効果的な管理が行える燃料電池を提供することにある。

本発明の燃料電池は、カソード電極およびアノード電極を、互いに対向させた燃料電池において、前記カソード電極の一部を分割して形成されたカソード分割電極と、前記アノード電極の一部を分割して形成されたアノード分割電極と、を同一領域で互いに対向させて配置したことを特徴とする。
この燃料電池によれば、カソード分割電極およびアノード分割電極とカソード電極及びアノード電極の電位差を用いて燃料電池の電気的特性を測定できるので、電圧損失をカソード側とアノード側に分離して把握でき、性能の管理に必要な情報を得ることができる。

前記カソード電極および前記アノード電極の間に固体高分子膜が設けられていてもよい。

前記カソード分割電極には、前記カソード分割電極の電位を測定するための端子が接続されていてもよい。
この場合には、この端子を用いてカソード分割電極の電位を測定できる。実使用時には、この端子を電流取り出しのために使用してもよい。

前記アノード分割電極には、前記アノード分割電極の電位を測定するための端子が接続されていてもよい。
この場合には、この端子を用いてアノード分割電極の電位を測定できる。実使用時には、この端子を電流取り出しのために使用してもよい。

本発明の燃料電池によれば、カソード分割電極およびアノード分割電極とカソード電極及びアノード電極の電位差を用いて燃料電池の電気的特性を測定できるので、電圧損失をカソード側とアノード側に分離して把握でき、性能の管理に必要な情報を得ることができる。

以下、図１〜図４を参照して、本発明による燃料電池の一実施形態について説明する。

図１（ａ）は本実施形態の燃料電池の構成を示す断面図、図１（ｂ）は図１（ａ）の左方から見た平面図である。

図１（ａ）に示すように、本実施形態の燃料電池１００は、燃料電池１００をカソード側とアノード側に区画する固体高分子膜１を備える固体高分子型燃料電池である。カソード側には、固体高分子膜１の側から左方に向けて、カソード触媒層２１Ａ及び２１Ｂ、カソード拡散層２２Ａ及び２２Ｂ、およびカソード電極２が、順次積層されている。また、アノード側には、固体高分子膜１の側から右方に向けて、アノード触媒層３１Ａ及び３１Ｂ、アノード拡散層３２Ａ及び３２Ｂ、およびアノード電極３が、順次積層されている。これらの層は、カソード電極２およびアノード電極３が形成された領域において実質的に均一に形成されており、カソード電極２およびアノード電極３は均一な距離を介して互いに対向して配置されている。

また、カソード電極２とケース４の間にはカソードガス流路２６が、アノード電極３とケース４の間にはカソードガス流路３６が、それぞれ形成されている。カソード電極２には酸化剤（空気、若しくは、酸素）、アノード電極３には燃料ガスが与えられる。カソードガス流路２６およびカソードガス流路３６の形状は図示されていないが、これらの流路は燃料ガスの供給量（濃度）を制御するための形状に適宜形成される。

図１（ａ）および図１（ｂ）に示すように、カソード電極２はカソード本電極２Ａと、カソード分割電極２Ｂとに分割され、両者は電気的に分離されている。また、アノード電極３はアノード本電極３Ａと、アノード分割電極３Ｂとに分割され、両者は電気的に分離されている。図１（ａ）および図１（ｂ）に示すように、カソード分割電極２Ｂおよびアノード分割電極３Ｂは、カソード電極２およびアノード電極３の比較的小さな同一領域に設けられ、互いに対向して配置されている。

図１（ａ）に示すように、カソード本電極２Ａには端子２４が、カソード分割電極２Ｂには端子２５が、それぞれ接続され、ケース４の外部に引き出されている。また、アノード本電極３Ａには端子３４が、アノード分割電極３Ｂには端子３５が、それぞれ接続され、ケース４の外部に引き出されている。

図２は燃料電池の電気的特性を測定する方法を示す図である。

図２に示すように、端子２４および端子３４を介して、カソード本電極２Ａおよびアノード本電極３Ａの間に電子負荷５が接続される。また、端子２４、端子２５、端子３４および端子３５を介して、カソード本電極２Ａ、カソード分割電極２Ｂ、アノード本電極３Ａおよびアノード分割電極３Ｂの電位が測定される。カソード分割電極２Ｂおよびアノード分割電極３Ｂには負荷が接続されず、これらの電極から電流は取り出されない。

図２に示すように、燃料電池１００の発電時に、カソード本電極２Ａとアノード本電極３Ａ間のセル電圧Ｖ、カソード分割電極２Ｂとアノード分割電極３Ｂ間の電圧Ｖ１、アノード分割電極３Ｂとアノード本電極３Ａ間の電圧Ｖ２、カソード分割電極２Ｂとカソード本電極２Ａ間の電圧Ｖ３が、それぞれ測定される。

図３は燃料電池の電圧特性を説明する図である。図３に示すように、セル電圧Ｖは理論開回路電圧Ｖｏｃから、各種の過電圧あるいは損失電圧を減算したものとして示される。燃料電池１００の性能の点で、これらの過電圧あるいは損失電圧を抑制することが望まれる。

一般に、カソード側の過電圧としては、カソード活性化過電圧Ｖｃａ１と、カソード濃度過電圧Ｖｃａ２とが存在すると考えられる。カソード活性化過電圧Ｖｃａ１はカソード側での化学反応に要するエネルギーに、カソード濃度過電圧Ｖｃａ２はカソード側のガス濃度に、それぞれ依存する過電圧である。また、アノード側の過電圧としては、アノード活性化過電圧Ｖａｎ１と、アノード濃度過電圧Ｖａｎ２とが存在すると考えられる。アノード活性化過電圧Ｖａｎ１はアノード側での化学反応に要するエネルギーに、アノード濃度過電圧Ｖａｎ２はアノード側のガス濃度に、それぞれ依存する過電圧である。なお、図３において、理論開回路電圧Ｖｏｃは発電条件、すなわち、温度、供給ガス圧による補正がなされている。また、燃料電池１００各部の膜抵抗を含む抵抗過電圧Ｖｒをカソード側に集約して示している。

カソード分割電極２Ｂとアノード分割電極３Ｂ間の電圧Ｖ１と、理論開回路電圧Ｖｏｃとの差は、固体高分子膜１を介しての燃料クロスオーバーに起因する損失電圧Ｖｃｏに対応すると考えられる。

本実施形態では、電圧Ｖ２がアノード側の過電圧に、電圧Ｖ３がカソード側の過電圧に、それぞれ対応しており、アノード側の過電圧とカソード側の過電圧とを分離して測定できる。したがって、性能の管理に必要な情報として、より詳細で有用な情報を得ることができる。

これらの過電圧は、燃料電池１００の製造後の検査や出荷時検査における評価対象として利用できる。また、過電圧を測定することで、燃料電池の経時変化を調べることもできる。例えば、長期的には、膜劣化などで固体高分子膜１を介する燃料ガスの透過率が高くなり、上記過電圧が上昇する。このため、過電圧の値を、膜の劣化の程度を判断するための管理値として用いることができる。

また、図３に示すように、「Ｖ＝Ｖ１＋Ｖ２＋Ｖ３」の関係がある。このため、Ｖ，Ｖ１，Ｖ２，Ｖ３の電圧をすべて測定する場合には、測定値を用いた検算をすることができ、測定の信頼性を向上させることができる。

測定は直流成分のみならず、交流成分に対して行うこともできる。例えば、電子負荷５に流れる電流に交流を重畳させたときの電圧Ｖ２および電圧Ｖ３の周波数応答特性を介して、アノード側とカソード側の電気的インピーダンスをそれぞれ測定することができる。測定された電気的インピーダンスを用いて燃料電池１００の製造後の検査や出荷時検査を実施し、あるいは、燃料電池１００の劣化の程度を管理することができる。

上記実施形態では、カソード分割電極２Ｂおよびアノード分割電極３Ｂの面積を、カソード本電極２Ａおよびアノード本電極３Ａに比較してそれぞれ小さく形成したが、面積の関係は制限されない。

図４（ａ）はカソード電極およびアノード電極を、それぞれ同等の大きさに２分した燃料電池の例を示す平面図である。

図４（ａ）の例では、カソード電極およびアノード電極を、それぞれ同等の大きさのカソード電極１０２Ａ，１０２Ｂと、アノード電極１０３Ａ，１０３Ｂとに分離している。この場合、図４（ｂ）に示すように、カソード電極１０２Ｂとアノード電極１０３Ｂの間に電子負荷５を接続し、カソード電極１０２Ａを上記カソード本電極２Ａに、カソード１０２Ｂを上記カソード分割電極２Ｂに、アノード電極１０３Ｂを上記アノード本電極３Ａに、アノード電極１０３Ｂを上記アノード分割電極３Ｂに、それぞれ対応させて測定を行うことにより、上記実施形態と同様の測定値を得ることができる。

この場合、図４（ｃ）に示すように、燃料電池の実使用時には、カソード電極１０２Ａとカソード電極１０２Ｂ、およびアノード電極１０３Ａとアノード電極１０３Ｂを、それぞれ合わせて実負荷６に接続し、すべての電極を用いて電流を取り出すことができる。したがって、電極の分離に起因する発電効率の低下を防止できる。

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、固体高分子型燃料電池に限らず、すべての燃料電池に対し広く適用することができる。

なお、図１等に示す実施例ではカソード電極２に供給される燃料を「燃料ガス」として説明しているが、勿論、燃料は気体に限定されるものではなくメタノール等の液体であっても構わない。

本実施形態の燃料電池の構成を示す図であり、（ａ）は断面図、（ｂ）は平面図。燃料電池の電気的特性を測定する方法を示す図。燃料電池の電圧特性を説明する図。別の電極構造を示す図であり、（ａ）は平面図、（ｂ）は電気的特性を測定する方法を示す図、（ｃ）は燃料電池の実使用時の接続状態を示す図。

符号の説明

１固体高分子膜
２Ａカソード電極
２Ｂカソード分割電極
３Ｂアノード電極
３Ｂアノード分割電極
１００燃料電池

Claims

カソード電極およびアノード電極を、互いに対向させた燃料電池において、
前記カソード電極の一部を分割して形成されたカソード分割電極と、前記アノード電極の一部を分割して形成されたアノード分割電極と、を同一領域で互いに対向させて配置したことを特徴とする燃料電池。
前記カソード電極および前記アノード電極の間に固体高分子膜が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。
前記カソード分割電極には、前記カソード分割電極の電位を測定するための端子が接続されていることを特徴とする請求項１または２に記載の燃料電池。
前記アノード分割電極には、前記アノード分割電極の電位を測定するための端子が接続されていることを特徴とする請求項１または２に記載の燃料電池。