JP2007311156A - 電位測定装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 燃料電池構成材の表面の電位を測定できる電位測定装置の提供。
【解決手段】（１）複数の電位測定用プローブ５０を有し、プローブ５０が燃料電池構成材１８の表面７０に接触している電位測定装置４０。（２）複数の電位測定用プローブ５０を用いて燃料電池セパレータ面７０の電位を測定する電位測定装置４０であって、複数のプローブ５０のセパレータ面７０への接触位置がセパレータ１８に形成される溝部１８ａの底面１８ｃとリブ部１８ｂの頂面１８ｄのいずれか一方に揃えられている。（３）プローブ５０のセパレータ面７０への接触位置は、ブロック６０の挿通孔６１を、ブロック６０の溝部１８ａに対応する部位とリブ部１８ｂに対応する部位のいずれか一方の部位に形成することで、溝部１８ａの底面１８ｃとリブ部１８ｂの頂面１８ｄのいずれか一方に揃えられている電位測定装置４０。
【選択図】 図１

Description

本発明は、燃料電池（セル）を構成する燃料電池構成部材の表面の電位を測る電位測定装置に関する。

特開２００２−３１３３９８号公報は、燃料電池スタックのセパレータ間隔に応じた間隔で並設されて各セパレータの側面に各々接触する複数のプローブを有する、電位測定装置を開示している。

燃料電池を構成する構成材の表面の電位を測定して該表面の電位分布を得ることができれば、電流計を用いて前記表面の電流分布を得ておくことにより、前記表面の抵抗分布を得ることができる。
しかし、上記公報開示の電位測定装置では、プローブをセパレータの側面に接触させているため、燃料電池構成材の表面の電位を測定することができない。
特開２００２−３１３３９８号公報

本発明の目的は、燃料電池構成材の表面の電位を測定できる電位測定装置を提供することにある。

上記目的を達成する本発明はつぎの通りである。
（１） 複数の電位測定用プローブを有し、
前記複数のプローブは、燃料電池構成材の表面に接触している電位測定装置。
（２） 前記燃料電池構成材はＭＥＡの少なくとも片側に配置されるセパレータであり、
前記複数のプローブは、前記燃料電池構成材の表面のうち、前記セパレータの前記ＭＥＡ側と反対側の面に形成される溝部の底面とリブ部の頂面のいずれか一方に接触している（１）記載の電位測定装置。
（３） 前記プローブが挿通される挿通孔を備えるブロックを有し、
前記プローブは前記ブロックの挿通孔を挿通して前記燃料電池構成材の表面に接触している（１）記載の電位測定装置。
（４） 複数の電位測定用プローブを用いて燃料電池セパレータ面の電位を測定する電位測定装置であって、
前記複数のプローブの前記セパレータ面への接触位置がセパレータに形成される溝部の底面とリブ部の頂面のいずれか一方に揃えられている電位測定装置。
（５） 前記プローブが挿通される挿通孔を備えるブロックを有し、
前記プローブの前記セパレータ面への接触位置は、前記ブロックの挿通孔を、前記ブロックの前記溝部に対応する部位と前記リブ部に対応する部位のいずれか一方の部位に形成することで、前記溝部の底面と前記リブ部の頂面のいずれか一方に揃えられている、（４）記載の電位測定装置。

上記（１）の電位測定装置では、電位測定用プローブが燃料電池構成材の表面に接触しているため、燃料電池構成材の表面の電位を測定することができる。
上記（２）の電位測定装置では、複数のプローブが、セパレータのＭＥＡ側と反対側の面に形成される溝部の底面とリブ部の頂面のいずれか一方に接触しているため、複数のプローブのセパレータへの接触位置が、溝部の底面とリブ部の頂面のいずれか一方に揃えられている。そのため、各プローブの、ＭＥＡ面からの距離と電流経路を一定またはほぼ一定にすることができ、セパレータ面の電位を測った場合でも、ＭＥＡ面の電位分布に近い電位分布（同じかまたはほぼ同じパターンの電位分布）を得ることができる。したがって、別にセパレータ面の電流分布を得ておくことにより、ＭＥＡ面の抵抗分布に近い、セパレータ面の抵抗分布を得ることができる（同じかまたはほぼ同じパターンの分布を得ることができる）。
上記（３）の電位測定装置では、プローブがブロックの挿通孔を挿通して燃料電池構成材の表面に接触しているため、ブロックのどの位置に挿通孔を設けるかによってプローブが燃料電池構成材の表面のどの位置に接触するかを定めることができる。
上記（４）の電位測定装置では、プローブがセパレータ面に接触するため、燃料電池構成材（セパレータ）の表面の電位を測定することができる。
また、プローブのセパレータ面への接触位置がセパレータに形成される溝部の底面とリブ部の頂面のいずれか一方に揃えられているため、各プローブの、ＭＥＡ面からの距離と電流経路を一定またはほぼ一定にすることができ、セパレータ面の電位を測った場合でも、ＭＥＡ面の電位分布に近い電位分布（同じかまたはほぼ同じパターンの電位分布）を得ることができる。したがって、別にセパレータ面の電流分布を得ておくことにより、ＭＥＡ面の抵抗分布に近い、セパレータ面の抵抗分布を得ることができる（同じかまたはほぼ同じパターンの分布を得ることができる）。
上記（５）の電位測定装置では、ブロックの挿通孔を、ブロックの溝部に対応する部位とリブ部に対応する部位のいずれか一方の部位に形成することで、プローブのセパレータ面への接触位置を溝部の底面とリブ部の頂面のいずれか一方に揃えることができる。

図１〜図４は、本発明実施例の電位測定装置と、本発明実施例の電位測定装置により表面の電位が測定される燃料電池構成材を備える燃料電池を示している。
まず、本発明実施例の電位測定装置により表面の電位が測定される燃料電池構成材を備える燃料電池を説明する。
燃料電池１０は、たとえば固体高分子電解質型燃料電池である。燃料電池１０は、たとえば燃料電池自動車に搭載される。ただし、自動車以外に用いられていてもよい。
固定高分子電解質型燃料電池（セル）１０は、図１に示すように、膜―電極アッセンブリ（ＭＥＡ：Membrane-Electrode Assembly）１０ａとセパレータ１８との積層体を有する。積層方向は上下方向に限るものではなく、任意の方向でよい。
ＭＥＡ１０ａは、イオン交換膜からなる電解質膜１１とこの電解質膜の一面に配置された触媒層からなる電極（アノード、燃料極）１４および電解質膜１１の他面に配置された触媒層からなる電極（カソード、空気極）１７とからなる。ＭＥＡ１０ａとセパレータ１８との間には、アノード側、カソード側にそれぞれ拡散層１３が設けられる。
燃料電池１０は、構成材として、ＭＥＡ１０ａとセパレータ１８と拡散層１３を有する。

セパレータ１８は、カーボンセパレータ、メタルセパレータ、導電性樹脂セパレータ等からなる。メタルセパレータからなる場合、メタルセパレータとＭＥＡとの間に樹脂フレームを介装してもよい。
セパレータ１８には、発電領域において、アノード１４に燃料ガス（水素）を供給するための図示略の燃料ガス流路が形成され、カソード１７に酸化ガス（酸素、通常は空気）を供給するための酸化ガス流路２８が形成されている。また、セパレータ１８には冷媒（ＬＬＣ、水等）を流すための冷媒流路２６も形成されている。冷媒流路２６、燃料ガス流路、酸化ガス流路２８は、セパレータ面に流路部分である溝部１８ａと流路間の部分であるリブ部１８ｂを形成することで、セパレータ１８に形成される。
また、セパレータ１８には、図３に示すように、非発電領域において、燃料ガス流路に燃料ガスを供給、排出するための燃料ガスマニホールド３０、酸化ガス流路２８に酸化ガスを供給、排出するための酸化ガスマニホールド３１、冷媒流路２６に冷媒を供給、排出するための冷媒マニホールド２９が形成されている。
燃料ガス、酸化ガス、冷媒は、接着剤またはガスケット等のシール材で互いにシールされている。

図４に示すように、膜−電極アッセンブリ（ＭＥＡ）１０ａとセパレータ１８を重ねてセルモジュール１９（１セルモジュールの場合は、セル１０はセルモジュールと同じになる）を構成し、セルモジュール１９を積層してセル積層体とし、セル積層体のセル積層方向両端に、ターミナル２０、インシュレータ２１、エンドプレート２２を配置し、両端のエンドプレート２２をセル積層体の外側でセル積層方向に延びる締結部材（たとえば、テンションプレート２４）にボルト・ナット２５にて固定し、燃料電池スタック２３を構成する。一端のエンドプレート２２に設けた調整ネジにてその内側に設けたバネを介してセル積層体にセル積層方向の締結荷重をかける。

各セル１０の、アノード１４側では、水素を水素イオン（プロトン）と電子に変換する電離反応が行われ、水素イオンは電解質膜１１中をカソード１７側に移動し、カソード１７側では酸素と水素イオンおよび電子（隣りのＭＥＡのアノードで生成した電子がセパレータを通してくる、またはセル積層方向一端のセルのアノードで生成した電子が外部回路を通して他端のセルのカソードにくる）から水を生成する反応が行われ、次式にしたがって発電が行われる。
アノード側：Ｈ_２→２Ｈ^＋＋２ｅ⁻
カソード側：２Ｈ^＋＋２ｅ⁻＋（１／２）Ｏ_２→Ｈ_２Ｏ

つぎに、本発明実施例の電位測定装置４０を説明する。
電位測定装置４０は、図１、図２に示すように、複数の電位測定用プローブ５０と、プローブ５０が挿通される挿通孔６１を備えるブロック６０と、を有する。
プローブ５０は、燃料電池１０の構成材である、セパレータ１８の表面（セル積層方向と直交する方向に延びるセパレータ面）７０、ＭＥＡ１０ａの表面（セル積層方向と直交する方向に延びるＭＥＡ面）、拡散層１３の表面（セル積層方向と直交する方向に延びる拡散層面）のいずれか１つに接触する（図示例では、セパレータ１８の表面７０に接触する場合を示している）。以下、本発明実施例では、プローブ５０がセパレータ１８の表面７０に接触する場合を例にとって説明する。

プローブ５０は、セルモジュール１９を積層してセル積層体としたときにセル積層方向両端に位置するセル１０の、セパレータ１８の外表面７０（ＭＥＡ１０ａ側と反対側の面）に接触する。ただし、プローブ５０は、積層する前の単セルのセパレータ１８の外表面７０に接触していてもよい。
プローブ５０は、ピン形状であり、先端でセパレータ１８の表面７０に接触する。プローブ５０は、挿通孔６１からセパレータ１８側に突出する方向に、ブロック６０に対して図示略の付勢部材により付勢されている。
プローブ５０は、導線５１で図示略の電位測定器に接続されている。

ブロック６０は、樹脂製であってもよいが、金属製であることが望ましい。機械加工することができるからである。ブロック６０は、セパレータ１８の表面７０（リブ部１８ｂの頂面１８ｄ）に接触して配置されている。ブロック６０は、複数のプローブ５０と同数設けられている。
挿通孔６１は、各ブロック６０に１個設けられている。１個の挿通孔６１に１個のプローブ５０が入り込んでいる。挿通孔６１は、ブロック６０の、セパレータ１８の溝部１８ａに対応する部位とリブ部１８ｂに対応する部位のいずれか一方の部位に形成される。そのため、プローブ５０のセパレータ表面７０への接触位置は、セパレータ１８の溝部１８ａの底面１８ｃとリブ部１８ｂの頂面１８ｄのいずれか一方に揃えられる。

ブロック６０は、セル発電領域の全域に配置されている。各ブロック６０は、セル発電領域を複数部分に分割した際に、その分割された各部分に配置される（１個の分割された部分に１個のブロック６０が配置される）。したがって、セル発電領域の分割数によって得られる電位分布の詳細さを変えることができる。
各ブロック６０は、互いに非接触である。各ブロック６０が互いに非接触である理由は、各ブロック６０が互いに接触し合っていると、ブロック６０が金属製である場合、ブロック６０毎（分割された発電領域部分毎）で電位を測定することが困難になるからである。

次に、本発明実施例の作用を説明する。
本発明実施例では、電位測定用プローブ５０がセパレータ１８の表面７０に接触しているため、セパレータ１８の表面７０の電位を測定することができる。
ブロック６０の挿通孔６１を、ブロック６０の、溝部１８ａに対応する部位とリブ部１８ｂに対応する部位のいずれか一方の部位に形成することで、プローブ５０のセパレータ面７０への接触位置を溝部１８ａの底面１８ｃとリブ部１８ｂの頂面１８ｄのいずれか一方に揃えることができる。
プローブ５０が接触するセパレータ１８の表面７０が溝部１８ａの底面１８ｃとリブ部１８ｂの頂面１８ｄのいずれか一方に揃えられているため、各プローブ５０の、ＭＥＡ１０ａ面からの距離と電流経路を一定またはほぼ一定にすることができる。そのため、セパレータ面７０の電位を測った場合でも、ＭＥＡ１０ａ面の電位分布に近い電位分布（同じかまたはほぼ同じパターンの電位分布）を得ることができる。したがって、別にセパレータ面７０の電流分布を得ておくことにより、ＭＥＡ１０ａ面の抵抗分布に近い、セパレータ面７０の抵抗分布を得ることができる（同じかまたはほぼ同じパターンの抵抗分布を得ることができる）。したがって、セパレータ面７０の抵抗分布を見ることで、セル発電領域の全域で効率よく発電できているか否かがわかる。

本発明実施例の電位測定装置と該電位測定装置により表面の電位が測定される燃料電池構成材を備える燃料電池の、プローブがセパレータ面に接触する位置が溝部に揃えられている場合の、電位測定装置とその近傍を示す断面図である。 本発明実施例の電位測定装置と該電位測定装置により表面の電位が測定される燃料電池構成材を備える燃料電池の、プローブがセパレータ面に接触する位置がリブ部に揃えられている場合の、電位測定装置とその近傍を示す断面図である。 本発明実施例の電位測定装置により表面の電位が測定される燃料電池構成材を備える燃料電池の、セパレータの正面図である。 本発明実施例の電位測定装置により表面の電位が測定される燃料電池構成材を備える燃料電池をスタック化した場合の、スタックの側面図である。

符号の説明

１０ （固定高分子電解質型）燃料電池
１０ａ ＭＥＡ
１１ 電解質膜
１３ 拡散層
１４ 触媒層（アノード、燃料極）
１７ 触媒層（カソード、空気極）
１８ セパレータ
１８ａ 溝部
１８ｂ リブ部
１８ｃ 溝部の底面
１８ｄ リブ部の頂面
１９ セルモジュール
２０ ターミナル
２１ インシュレータ
２２ エンドプレート
２３ 燃料電池スタック
２４ 締結部材（テンションプレート）
２５ ボルト
２６ 冷媒流路
２８ 酸化ガス流路
２９ 冷媒マニホールド
３０ 燃料ガスマニホールド
３１ 酸化ガスマニホールド
４０ 電位測定装置
５０ 電位測定用プローブ
６０ ブロック
６１ 挿通孔
７０ セパレータの表面（セパレータ面）

Claims (5)

1. 複数の電位測定用プローブを有し、
   前記複数のプローブは、燃料電池構成材の表面に接触している電位測定装置。
2. 前記燃料電池構成材はＭＥＡの少なくとも片側に配置されるセパレータであり、
   前記複数のプローブは、前記燃料電池構成材の表面のうち、前記セパレータの前記ＭＥＡ側と反対側の面に形成される溝部の底面とリブ部の頂面のいずれか一方に接触している請求項１記載の電位測定装置。
3. 前記プローブが挿通される挿通孔を備えるブロックを有し、
   前記プローブは前記ブロックの挿通孔を挿通して前記燃料電池構成材の表面に接触している請求項１記載の電位測定装置。
4. 複数の電位測定用プローブを用いて燃料電池セパレータ面の電位を測定する電位測定装置であって、
   前記複数のプローブの前記セパレータ面への接触位置がセパレータに形成される溝部の底面とリブ部の頂面のいずれか一方に揃えられている電位測定装置。
5. 前記プローブが挿通される挿通孔を備えるブロックを有し、
   前記プローブの前記セパレータ面への接触位置は、前記ブロックの挿通孔を、前記ブロックの前記溝部に対応する部位と前記リブ部に対応する部位のいずれか一方の部位に形成することで、前記溝部の底面と前記リブ部の頂面のいずれか一方に揃えられている、請求項４記載の電位測定装置。

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