JP2008027806A

JP2008027806A - 燃料電池及び燃料電池の水分量測定装置

Info

Publication number: JP2008027806A
Application number: JP2006200925A
Authority: JP
Inventors: Daisuke Yamazaki; 大輔山崎; Nobuhiro Tomosada; 伸浩友定; Atsushi Kimura; 篤史木村; Yukihiro Shintani; 幸弘新谷
Original assignee: Yokogawa Electric Corp
Current assignee: Yokogawa Electric Corp
Priority date: 2006-07-24
Filing date: 2006-07-24
Publication date: 2008-02-07

Abstract

【課題】ガス流路の水分量や電解質膜の水分量を分離して測定することが可能な燃料電池及び水分量測定装置を実現する。
【解決手段】水素と酸素とを化学反応させることにより発電を行う燃料電池において、電解質膜と、この電解質膜の両面に形成される第１及び第２の触媒層・拡散層と、この第１の触媒層・拡散層に形成される燃料ガスのガス流路と、第２の触媒層・拡散層に形成される酸化ガスのガス流路と、各ガス流路上に形成され表面を絶縁膜で覆われた静電容量を測定するための複数の電極と、第１及び第２の触媒層・拡散層、各ガス流路、電極上にそれぞれ形成される第１及び第２のセパレータとを設ける。
【選択図】図１

Description

本発明は、水素と酸素とを化学反応させることにより発電を行う燃料電池に関し、特に燃料電池の特性に大きく影響を及ぼす水分量をガス流路の水分量や電解質膜の水分量に分離して測定することが可能な燃料電池スタック及び水分量測定装置に関する。

従来の水素と酸素とを化学反応させることにより発電を行う燃料電池に関連する先行技術文献としては次のようなものがある。

特開２００３−０５１３１８号公報特開２００３−２９７４０８号公報特開２００４−１４６２３６号公報特開２００４−２２０７８６号公報

図６は従来の燃料電池システムの一例を示す構成ブロック図である。図６において１は電解質膜、２及び３は触媒層・拡散層である。電解質膜１の両面には触媒層・拡散層２及び触媒層・拡散層３がそれぞれ形成される。

図６中”ＦＧ０１”に示すように燃料ガス（例えば、水素等）が触媒層・拡散層２に供給され、図６中”ＯＧ０１”に示すように酸化ガス（例えば、酸素や空気等）が触媒層・拡散層３に供給される。

ここで、図６に示す従来例の動作を説明する。触媒層・拡散層２側（アノード側）では水素が水素イオン（Ｈ^＋）になり電子（ｅ⁻ ）を放出し、一方、触媒層・拡散層３側（カソード側）では電解質膜１を伝播してきた水素イオン（Ｈ^＋）と酸素原子が電子（ｅ⁻ ）と反応して水（Ｈ_２Ｏ）が生成される。

この時、触媒層・拡散層２（アノード側）及び触媒層・拡散層３（カソード側）間の外部負荷を接続することにより、触媒層・拡散層２側（アノード側）で発生した電子（ｅ⁻ ）を取り出す、言い換えれば、直流電流を取り出すことが可能になる。

また、図７及び図８はより具体的な従来の燃料電池の一例を示す断面図である。図７は燃料電池の電解質膜に対して垂直な面における断面図、図８は燃料電池におけるガス流路に平行な面における断面図である。

図７において４は電解質膜、５はアノード側の触媒層・拡散層、６はカソード側の触媒層・拡散層、７はアノード側に形成された燃料ガス（例えば、水素等）のガス流路、８はカソード側に形成された酸化ガス（酸素や空気等）のガス流路、９はアノード側に形成された導電性を有するセパレータ、１０はカソード側に形成された導電性を有するセパレータである。

電解質膜４の両面には触媒層・拡散層５及び触媒層・拡散層６がそれぞれ形成される。また、触媒層・拡散層５の上には燃料ガス（例えば、水素等）のガス流路７が形成され、触媒層・拡散層６の上には酸化ガス（例えば、酸素や空気等）のガス流路８が形成される。

例えば、ガス流路７及びガス流路８は図８中”ＧＴ１１”に示すように触媒層・拡散層５及び触媒層・拡散層６上を蛇行するように形成されている。

さらに、ガス流路７が形成されていない触媒層・拡散層５及びガス流路７の上にはセパレータ９が形成され、ガス流路８が形成されていない触媒層・拡散層６及びガス流路８の上にはセパレータ１０が形成される。

ここで、図７及び図８に示す従来例の動作を説明する。ガス流路７には燃料ガス（例えば、水素等）が供給され、ガス流路８には酸化ガス（例えば、酸素や空気等）が供給される。例えば、図８中”ＩＮ１１”に示す供給口から各ガスが供給され、図８中”ＯＴ１１”に示す排気口から反応しなかったガス等が放出される。

アノード側の触媒層・拡散層５では水素が水素イオン（Ｈ^＋）になり電子（ｅ⁻ ）を放出し、一方、カソード側の触媒層・拡散層６側では電解質膜４を伝播してきた水素イオン（Ｈ^＋）と酸素原子が電子（ｅ⁻ ）と反応して水（Ｈ_２Ｏ）が生成される。

この時、アノード側の触媒層・拡散層５及びカソード側の触媒層・拡散層６（具体的には、セパレータ９とセパレータ１０）と間の外部負荷を接続することにより、アノード側の触媒層・拡散層５で発生した電子（ｅ⁻ ）を取り出す、言い換えれば、直流電流を取り出すことが可能になる。

但し、電解質膜４を伝播してきた水素イオン（Ｈ^＋）と酸素原子が電子（ｅ⁻ ）と反応して生成される水（Ｈ_２Ｏ）の水分量は燃料電池の特性に大きく影響を及ぼすものであり、「特許文献３」には燃料電池内部の水分量を測定する手段を設けた燃料電池が記載されている。

具体的には、ガス流路に対向した２つの電極を配置して、２つの電極の静電容量を測定して水分量を算出したり、拡散層部分、或いは、電解質部分に対向した２つの電極を配置して、２つの電極の静電容量を測定して水分量を算出したりする例が記載されている。

しかし、「特許文献３」に記載された従来例では対向する電極が配置された部分の水分量しか測定することができず、また、ガス流路の水分量や電解質膜の水分量を分離して測定することができないと言った問題点があった。
従って本発明が解決しようとする課題は、ガス流路の水分量や電解質膜の水分量を分離して測定することが可能な燃料電池及び水分量測定装置を実現することにある。

このような課題を達成するために、本発明のうち請求項１記載の発明は、
水素と酸素とを化学反応させることにより発電を行う燃料電池において、
電解質膜と、この電解質膜の両面に形成される第１及び第２の触媒層・拡散層と、この第１の触媒層・拡散層に形成される燃料ガスのガス流路と、前記第２の触媒層・拡散層に形成される酸化ガスのガス流路と、前記各ガス流路上に形成され表面を絶縁膜で覆われた静電容量を測定するための複数の電極と、前記第１及び第２の触媒層・拡散層、前記各ガス流路、前記電極上にそれぞれ形成される第１及び第２のセパレータとを備えたことにより、ガス流路の水分量や電解質膜の水分量を分離して測定することが可能になる。

請求項２記載の発明は、
請求項１記載の発明である燃料電池において、
前記ガス流路が、
前記第１及び第２の触媒層・拡散層上を直線状若しくは蛇行するように形成されたことにより、ガス流路の水分量や電解質膜の水分量を分離して測定することが可能になる。

請求項３記載の発明は、
水素と酸素とを化学反応させることにより発電を行う燃料電池の水分量測定装置において、
電解質膜と、この電解質膜の両面に形成される第１及び第２の触媒層・拡散層と、この第１の触媒層・拡散層に形成される燃料ガスのガス流路と、前記第２の触媒層・拡散層に形成される酸化ガスのガス流路と、前記各ガス流路上に形成され表面を絶縁膜で覆われた静電容量を測定するための複数の電極と、前記第１及び第２の触媒層・拡散層、前記各ガス流路、前記電極上にそれぞれ形成される第１及び第２のセパレータと、複数の前記電極を選択して対向する電極間の静電容量値若しくは並列する電極間の静電容量値を複数測定し、複数箇所で測定されたそれぞれの静電容量値から演算によりガス流路の水分量及び電解質膜の水分量を求める静電容量測定装置とを備えたことにより、ガス流路の水分量や電解質膜の水分量を分離して測定することが可能になる。

請求項４記載の発明は、
請求項３記載の発明である水分量測定装置において、
前記ガス流路が、
前記第１及び第２の触媒層・拡散層上を直線状若しくは蛇行するように形成されたことにより、ガス流路の水分量や電解質膜の水分量を分離して測定することが可能になる。

本発明によれば次のような効果がある。
請求項１，２，３及び請求項４の発明によれば、カソード側及びアノード側の触媒層・拡散層上のガス流路に複数の電極を設け、電極を適宜選択して対向する電極間の静電容量値若しくは並列する電極間の静電容量値を複数測定し、複数箇所で測定されたそれぞれの静電容量値を組み合わせることにより、ガス流路の水分量や電解質膜の水分量を分離して測定することが可能になる。

以下本発明を図面を用いて詳細に説明する。図１及び図２は本発明に係る燃料電池の一実施例を示す断面図である。図１は燃料電池の電解質膜に対して垂直な面における断面図、図２は燃料電池におけるガス流路に平行な面における断面図である。

図１において、１１は電解質膜、１２はカソード側の触媒層・拡散層、１３はアノード側の触媒層・拡散層、１４はカソード側に形成された酸化ガス（酸素や空気等）のガス流路、１５はアノード側に形成された燃料ガス（例えば、水素等）のガス流路、１６及び１７は導電性を有するセパレータ、１８，１９，２０，２１，２２，２３，２４，２５，２６及び２７は電極、２８，２９，３０，３１，３２，３３，３４，３５，３６及び３７は絶縁膜である。

電解質膜１１の両面には触媒層・拡散層１２及び触媒層・拡散層１３が形成され、触媒層・拡散層１２の上には酸化ガス（例えば、酸素や空気等）のガス流路１４が形成され、触媒層・拡散層１３の上には燃料ガス（例えば、水素等）のガス流路１５が形成される。

例えば、ガス流路１４及びガス流路１５は図２中”ＧＴ２１”に示すように各々の触媒層・拡散層上を蛇行するように形成されている。

また、触媒層・拡散層１２上であって、ガス流路１４には静電容量を計測するための電極１８，２０，２２，２４及び電極２６がそれぞれ形成され、電極１８，２０，２２，２４及び電極２６であってガス流量１４に接しない部分には絶縁膜２８，３０，３２，３４及び絶縁膜３６がそれぞれ形成される。

例えば、電極１８，２０，２２，２４及び電極２６は図２中”ＥＤ２１”、”ＥＤ２２”、”ＥＤ２３”、”ＥＤ２４”及び”ＥＤ２５”に示すように各ガス流路の長手方向に直線状に形成される。

同様に、触媒層・拡散層１３上であって、ガス流路１５には静電容量を計測するための電極１９，２１，２３，２５及び電極２７がそれぞれ形成され、電極１９，２１，２３，２５及び電極２７であってガス流量１５に接しない部分には絶縁膜２９，３１，３３，３５及び絶縁膜３７がそれぞれ形成される。

例えば、電極１９，２１，２３，２５及び電極２７は図２中”ＥＤ２１”、”ＥＤ２２”、”ＥＤ２３”、”ＥＤ２４”及び”ＥＤ２５”に示すように各ガス流路の長手方向に直線状に形成される。

そして、ガス流路１４、電極１８，２０，２２，２４及び電極２６（具体的には、絶縁膜２８，３０，３２，３４及び絶縁膜３６）、並びに、ガス流路１４が形成されていない触媒層・拡散層１２の上にはセパレータ１６が形成され、ガス流路１５、電極１９，２１，２３，２５及び電極２７（具体的には、絶縁膜２９，３１，３３，３５及び絶縁膜３７）、並びに、ガス流路１５が形成されていない触媒層・拡散層１３の上にはセパレータ１７が形成される。

ここで、図１に示す実施例の動作を図３、図４及び図５を用いて説明する。図３は電極１８〜電極２７から見た電気的な等価回路を示す回路図、図４及び図５は電極１８〜電極２７を用いた静電容量の測定方法を説明する説明図である。

ガス流路１４には酸化ガス（例えば、酸素や空気等）が供給され、ガス流路１５には燃料ガス（例えば、水素等）が供給される。例えば、図２中”ＩＮ２１”に示す供給口から各ガスが供給され、図２中”ＯＴ２１”に示す排気口から反応しなかったガス等が放出される。

アノード側の触媒層・拡散層１３では水素が水素イオン（Ｈ^＋）になり電子（ｅ⁻ ）を放出し、一方、カソード側の触媒層・拡散層１２側では電解質膜１１を伝播してきた水素イオン（Ｈ^＋）と酸素原子が電子（ｅ⁻ ）と反応して水（Ｈ_２Ｏ）が生成される。

この時、アノード側の触媒層・拡散層１３及びカソード側の触媒層・拡散層１２（具体的には、セパレータ１７とセパレータ１６）と間の外部負荷を接続することにより、アノード側の触媒層・拡散層１３で発生した電子（ｅ⁻ ）を取り出す、言い換えれば、直流電流を取り出すことが可能になる。

このような燃料電池の動作状態において、電極１８〜電極２７を用いて静電容量を静電容量測定装置で測定することにより、電極１８〜電極２７間の電解質膜、触媒層・拡散層及びガス流路の水分量を静電容量として測定することができる。

すなわち、電極１８〜電極２７からそれぞれ見た電気的な等価回路は図３に示すようになる。

図３中”ＣＰ３１”は電解質膜１１の静電容量であり、図３中”ＣＰ４１”、”ＣＰ４２”、”ＣＰ４３”、”ＣＰ４４”及び”ＣＰ４５”はカソード側のガス流路１４の静電容量（厳密には、ガス流路１４の内で電極１８，２０，２２，２４及び電極３６のそれぞれと触媒層・拡散層１２の間の静電容量）である。

また、図３中”ＣＰ５１”、”ＣＰ５２”、”ＣＰ５３”、”ＣＰ５４”及び”ＣＰ５５”はアノード側のガス流路１５の静電容量（厳密には、ガス流路１５の内で電極１９，２１，２３，２５及び電極２７のそれぞれと触媒層・拡散層１３の間の静電容量）である。

さらに、図３中”ＣＰ３１”に示す静電容量の静電容量値は”ｍ”、図３中”ＣＰ４１”、”ＣＰ４２”、”ＣＰ４３”、”ＣＰ４４”及び”ＣＰ４５”に示す静電容量の静電容量値はそれぞれ”Ｃ１”、”Ｃ２”、”Ｃ３”、”Ｃ４”及び”Ｃ５”、図３中”ＣＰ５１”、”ＣＰ５２”、”ＣＰ５３”、”ＣＰ５４”及び”ＣＰ５５”に示す静電容量の静電容量値はそれぞれ”Ａ１”、”Ａ２”、”Ａ３”、”Ａ４”及び”Ａ５”であるとする。

図３中”ＣＰ４１”に示す静電容量の一端は電極１８（図示せず。）に接続され、図３中”ＣＰ４１”に示す静電容量の他端は図３中”ＣＰ３１”に示す静電容量の一端に接続される。

同様に。図３中”ＣＰ４２”、”ＣＰ４３”、”ＣＰ４４”及び”ＣＰ４５”に示す静電容量の一端は電極２０，２２，２４及び電極２６（図示せず。）にそれぞれ接続され、図３中”ＣＰ４２”、”ＣＰ４３”、”ＣＰ４４”及び”ＣＰ４５”に示す静電容量の他端は図３中”ＣＰ３１”に示す静電容量の一端にそれぞれ接続される。

一方、図３中”ＣＰ５１”に示す静電容量の一端は電極１９（図示せず。）に接続され、図３中”ＣＰ５１”に示す静電容量の他端は図３中”ＣＰ３１”に示す静電容量の他端に接続される。

同様に。図３中”ＣＰ５２”、”ＣＰ５３”、”ＣＰ５４”及び”ＣＰ５５”に示す静電容量の一端は電極２１，２３，２５及び電極２７（図示せず。）にそれぞれ接続され、図３中”ＣＰ５２”、”ＣＰ５３”、”ＣＰ５４”及び”ＣＰ５５”に示す静電容量の他端は図３中”ＣＰ３１”に示す静電容量の他端にそれぞれ接続される。

図４及び図５において３８は電極１８〜電極２７を適宜選択して静電容量を測定する静電容量測定装置である。

また、カソード側のガス流路１４に設けられた電極１８，２０，２２，２４及び電極２６をそれぞれ並列した電極と定義し、同様に、アノード側のガス流路１５に設けられた電極１９，２１，２３，２５及び電極２７をそれぞれ並列した電極と定義する。

さらに、カソード側のガス流路１４に設けられた電極１８，２０，２２，２４及び電極２６と、アノード側のガス流路１５に設けられた電極１９，２１，２３，２５及び電極２７との関係を対向する電極と定義する。

図４に示すように静電容量測定装置３８を対向した電極である電極１８と電極１９との間に接続した場合、測定される静電容量値を”α”とした場合、

となる。

また、図５に示すように静電容量測定装置３８を並列した電極である電極１８と電極２０との間に接続した場合、測定される静電容量値を”β”とした場合、

となる。

さらに、静電容量測定装置３８を対向した電極である電極２０と電極１９との間に接続した場合、測定される静電容量値を”γ”とした場合、

となる。

ここで、式（１）と式（２）の和を取り、式（３）を減算すると、

となり、

となる。

すなわち、対向する電極間の静電容量値と並列する電極間の静電容量値を複数測定し、測定されたそれぞれの静電容量値を組み合わせることにより、図３中”ＣＰ４１”に示すカソード側のガス流路１４の静電容量”Ｃ１”を求めることができる。

一方、静電容量測定装置３８を対向した電極である電極１８と電極１９との間に接続して静電容量値を測定し、静電容量測定装置３８を並列した電極である電極１９と電極２１との間に接続して静電容量値を測定し、さらに、静電容量測定装置３８を対向した電極である電極１８と電極２１との間に接続して静電容量値を測定し、式（４）と同様に計算を行うことにより、図３中”ＣＰ５１”に示すアノード側のガス流路１５の静電容量”Ａ１”を求めることができる。

同様にして、対向する電極間の静電容量値と並列する電極間の静電容量値を複数測定し、測定されたそれぞれの静電容量値を組み合わせることにより、各ガス流路の静電容量値”Ｃ２”、”Ｃ３”、”Ｃ４”、”Ｃ５”、”Ａ２”、”Ａ３”、”Ａ４”及び”Ａ５”を求めることができる。また、図３中”ＣＰ３１”に示す電解質膜１１の静電容量値”ｍ”も求めることができる。

この結果、カソード側及びアノード側の触媒層・拡散層上のガス流路に複数の電極を設け、電極を適宜選択して対向する電極間の静電容量値若しくは並列する電極間の静電容量値を複数測定し、複数箇所で測定されたそれぞれの静電容量値を組み合わせることにより、ガス流路の水分量や電解質膜の水分量を分離して測定することが可能になる。

なお、図１に示す実施例の説明に際しては、ガス流路１４及びガス流路１５は各々の触媒層・拡散層上を蛇行するように形成されている旨例示したが、勿論これに限定されるものではなく、ガス流路は直線状であってもその他の形状であっても構わない。

また、図１に示す実施例の説明に際しては、電極を適宜選択して対向する電極間の静電容量値若しくは並列する電極間の静電容量値を複数測定し、複数箇所で測定されたそれぞれの静電容量値を組み合わせる旨記載しているが、勿論、静電容量測定装置が電極を適宜選択して対向する電極間の静電容量値若しくは並列する電極間の静電容量値を複数測定し、複数箇所で測定されたそれぞれの静電容量値から演算によりガス流路の水分量や電解質膜の水分量を求めても構わない。

燃料電池の電解質膜に対して垂直な面における断面図である。燃料電池におけるガス流路に平行な面における断面図である。電極から見た電気的な等価回路を示す回路図である。電極を用いた静電容量の測定方法を説明する説明図である。電極を用いた静電容量の測定方法を説明する説明図である。従来の燃料電池システムの一例を示す構成ブロック図である。燃料電池の電解質膜に対して垂直な面における断面図である。燃料電池におけるガス流路に平行な面における断面図である。

符号の説明

１，４，１１電解質膜
２，３，５，６，１２，１３触媒層・拡散層
７，８，１４，１５ガス流路
９，１０，１６，１７セパレータ
１８，１９，２０，２１，２２，２３，２４，２５，２６，２７電極
２８，２９，３０，３１，３２，３３，３４，３５，３６，３７絶縁膜

Claims

水素と酸素とを化学反応させることにより発電を行う燃料電池において、
電解質膜と、
この電解質膜の両面に形成される第１及び第２の触媒層・拡散層と、
この第１の触媒層・拡散層に形成される燃料ガスのガス流路と、
前記第２の触媒層・拡散層に形成される酸化ガスのガス流路と、
前記各ガス流路上に形成され表面を絶縁膜で覆われた静電容量を測定するための複数の電極と、
前記第１及び第２の触媒層・拡散層、前記各ガス流路、前記電極上にそれぞれ形成される第１及び第２のセパレータと
を備えたことを特徴とする燃料電池。
前記ガス流路が、
前記第１及び第２の触媒層・拡散層上を直線状若しくは蛇行するように形成されたことを特徴とする
請求項１記載の燃料電池。
水素と酸素とを化学反応させることにより発電を行う燃料電池の水分量測定装置において、
電解質膜と、
この電解質膜の両面に形成される第１及び第２の触媒層・拡散層と、
この第１の触媒層・拡散層に形成される燃料ガスのガス流路と、
前記第２の触媒層・拡散層に形成される酸化ガスのガス流路と、
前記各ガス流路上に形成され表面を絶縁膜で覆われた静電容量を測定するための複数の電極と、
前記第１及び第２の触媒層・拡散層、前記各ガス流路、前記電極上にそれぞれ形成される第１及び第２のセパレータと、
複数の前記電極を選択して対向する電極間の静電容量値若しくは並列する電極間の静電容量値を複数測定し、複数箇所で測定されたそれぞれの静電容量値から演算によりガス流路の水分量及び電解質膜の水分量を求める静電容量測定装置と
を備えたことを特徴とする水分量測定装置。
前記ガス流路が、
前記第１及び第２の触媒層・拡散層上を直線状若しくは蛇行するように形成されたことを特徴とする
請求項３記載の水分量測定装置。