JP2009004350A - 燃料電池用知能型電極膜 - Google Patents

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Abstract

【課題】電極膜の抵抗、温度および単位電池の電圧を容易に測定することができ、さらに、低温始動時、燃料電池スタックの温度を水が氷結しない温度に、すみやかに上昇させることができる燃料電池用知能型電極膜を提供する。
【解決手段】イオン交換膜の両面に触媒層が塗布され、その周囲がイオン交換膜支持フィルムで枠取りされた構造の電極膜と、電極膜の触媒層の外郭に沿って、イオン交換膜支持フィルムの一表面に貼り付けられたフレキシブル基板と、フレキシブル基板に設けられる基板回路端子と、基板回路端子に締結されコネクターと、を含んで構成され、フレキシブル基板には電気発熱体と、電気発熱体温度センサーと、電極膜温度センサーと、単位電池の抵抗を測定するための電気接点と、電圧測定のための電気接点と、が所定の配列をなして設けられ、基板回路端子 と接続されている。
【選択図】図６

Description

本発明は燃料電池用知能型電極膜に係り、より詳細には、単位電池の電圧を容易に測定することができる手段と、低温で始動する際、燃料電池スタックの温度を水が氷結しない温度まで早急に上昇させる手段が具備された燃料電池用知能型電極膜に関する。
燃料電池自動車のメインパワー供給源である燃料電池スタックは空気中の酸素と燃料である水素の供給を受けて電気を生産する装置であり、自動車に適用される燃料電池スタックは約４００個以上の単位電池で構成されており、各単位電池の電圧は約０．６〜１．０Ｖである。
図１は、従来の燃料電池スタック（３個の単位電池で構成）の模式図である。図１に示すように、単位電池は電極膜１００（Ｍｅｍｂｒａｎｅ Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ Ａｓｓｅｍｂｌｙ、ＭＥＡ）、ガス拡散層１０２（Ｇａｓ Ｄｉｆｆｕｓｉｏｎ Ｌａｙｅｒ、ＧＤＬ）、分離板１０３および気密を維持するためのガスケット１０１で構成される。燃料電池スタックを運転する際、一般的に各単位電池の状態を確認するために分離板１０３に測定端子として電気的接点１０４を作り、単位電池の電圧を観察する。このような単位電池の電圧測定装置（Ｃｅｌｌ Ｖｏｌｔａｇｅ Ｍｏｎｉｔｏｒ Ｓｙｓｔｅｍ、ＣＶＭＳ）は、分離板１０３との電気的接点１０４を作る測定端子と電圧を測定する制御装置とで構成される。
従来のやり方は、単位電池の電圧を測定するために分離板１０３の側面に、測定端子として電気的接点となる電気伝導性端子を挿入する溝を作り、順に端子を挿入するものであった。前述のとおり車両用燃料電池スタックは４００個以上の単位電池で構成されるので、スタックを組み立てた後、各単位電池に電圧端子を設置する作業は、多くの時間がかかり、燃料電池スタックを量産化する場合の生産性を低下させる。また、図３および図４の写真に示すように、車両走行時に発生する振動と衝撃により、分離板が割れる場合や、分離板との接触性が低下する場合や、端子が離脱する場合を誘発するおそれがあった。
これを克服するための接触端子設計技術として、米国特許登録第６，４１０，４７６号および米国特許公開第２００３００９２２９２号には、弾性材質の接触端子を利用して分離板の側面に圧着する方法が開示されており、米国特許公開第２００２００９０５４０号にはＰＣＢ（Ｐｒｉｎｔｅｄ Ｃｉｒｃｕｉｔ Ｂｏａｒｄ）に接触点を作り、分離板の側面に付着する方法が開示されている。その他に、スプリングを装着して弾性力を付加した電気接触端子を利用して電圧を測定する方法が公示されている。
しかし、このような先行技術の共通した問題点は、分離板の間隔が一定ではないため、燃料電池スタックを構成する単位電池数が少ない場合には直列に配列された弾性接触端子を有するコネクターをスタックの製作公差を勘案して設計した後、分離板に装着することができるが、２００セル以上の単位電池で構成される燃料電池スタックの場合、全体スタックの長さの製作公差により端子の設計自体が非常に難しいという問題点がある。
図２は、従来の一般的な電極膜１００（ＭＥＡ）の模式図である。図２に示すように、電極膜１００は、水素陽イオンを移動させることのできるイオン交換膜（または電解質膜）２００の両面に水素と酸素が反応し得るように触媒層２０１を塗布したもので、イオン交換膜の補強およびハンドリング容易化のためにイオン交換膜支持フィルム２０２を両面に貼り付けた構造を有する。
燃料電池スタックが量産化されるために克服しなければならない最も大きな問題点は氷点下での始動性である。低温状態ではイオン交換膜２００のイオン伝導度が急激に落ちるので、燃料電池スタックの性能も落ちる。特に、氷点下では水素と酸素が反応した後に発生する水蒸気が触媒層２０１で凍り付くため、反応自体が行われない状態となり得る。従って、氷点下で燃料電池を始動させることは、現在燃料電池関連業界および研究機関での重要な研究課題となっている。
そこで、燃料電池スタックの低温始動性を向上させるためには、燃料電池スタックの温度を早い内に正常状態まで上昇させなければならない。これを具現するために使用されている方法として、
１．燃料電池スタックの両終端にある燃料電池スタックの締結装置や集電板部位に電気的発熱装置を設置する方法、
２．燃料電池から発生する熱をスタック自体の温度を高めるために利用することができないため、熱が放出されるのを防止するために断熱材を利用して燃料電池スタック全体を包む方法、および
３．初期燃料電池スタックから発生する電気エネルギーで冷却水を加熱し、燃料電池スタックに供給する方法、などが適用されている。
燃料電池スタックを氷点下で始動し、スタックの温度を早い内に氷点以上まで上昇させなければならないが、燃料電池スタックは、水素と酸素が反応して水、熱、電気を発生するが、それ自体ではスタックの温度を氷点下以上まで上昇させる発熱エネルギーとしては少ない。
特に、反応生成水が触媒層の表面で氷結される前、すなわち、スタックで電気化学反応が起きなくなる状態に到達する前に、燃料電池スタックの温度を氷点以上まで上昇させなければならない。これを具現するための先行技術として、米国特許公開第２００６０２４０３００号には最外郭の単位電池（Ｅｎｄ Ｃｅｌｌ）の隣に燃焼室を設置し、スタックを解凍する技術が開示されている。また、米国特許公開第２００５０２７７００３号には電気ヒーターを利用して燃料電池の冷却板を加熱する方式が開示されており、米国特許登録第６，９１６，５６６号には熱交換器を利用して燃料電池の空気供給コンプレッサーの廃熱を利用して解凍する方法が開示されている。
しかし、このような先行技術は、燃料電池の外側から単位電池を加熱するものであり、冷気に最も露出される単位電池の温度を高める方法であるが、これはスタックを構成する全体を内部から加熱させることはできない。また、始動初期にスタックから発生する電気エネルギーで冷却水を加熱してスタックに供給する方法や熱交換器などを使用する方法は、媒介物質を加熱するのに時間が非常にかかるので、熱交換器の効率などを考慮した場合には効果的でない。さらに、断熱材でスタックを包む方法は、低温で運転する際、スタックの温度が低下することを防止し、始動時にスタックから発生した熱を外気に奪われないようにし、スタックの温度が氷点以上まで上昇する時間を短縮させる効果はあるが、能動的にスタックの温度を上昇させることはできない。
米国特許登録第６，４１０，４７６号 米国特許公開第２００３００９２２９２号 米国特許公開第２００２００９０５４０号 米国特許公開第２００６０２４０３００号 米国特許公開第２００５０２７７００３号 米国特許登録第６，９１６，５６６号
本発明は前述の従来技術の問題点を解決するためになされたものであり、本発明の目的は、電極膜の抵抗、温度および単位電池の電圧を容易に測定することができ、さらに、燃料電池スタックを低温で始動する際、燃料電池スタックの温度を水が氷結しない温度に、すみやかに上昇させることができる燃料電池用知能型電極膜を提供することにある。
前記目的を達成するため、本発明による燃料電池用知能型電極膜は、イオン交換膜の両面に触媒層が塗布され、前記触媒層の周囲がイオン交換膜支持フィルムで枠取りされた構造の電極膜と、前記電極膜の触媒層の外郭に沿って、前記イオン交換膜支持フィルムの一表面に貼り付けられたフレキシブル基板と、前記フレキシブル基板の一終端部に設けられる基板回路端子と、前記基板回路端子に締結され、外部制御装置とシグナル交換が可能となるように連結されるコネクターと、を含んで構成され、前記フレキシブル基板には電気発熱体と、この電気発熱体の温度を測定するための電気発熱体温度センサーと、前記電極膜の温度を測定するための電極膜温度センサーと、単位電池の抵抗を測定するための電気接点と、電圧測定のための電気接点と、が所定の配列をなして設けられ、前記基板回路端子とシグナル交換が可能となるように接続されていることを特徴とする。
好ましくは、前記フレキシブル基板は、ポリイミド材質のポリマー絶縁フィルムで作られ、前記電極膜の触媒層の外郭ラインに沿って設けられる長方形枠部と、この長方形枠部の下端から外部側に延長される延長端部とで構成されることを特徴とする。
好ましくは、前記電気発熱体は、基板回路端子と電気的に接続されるとともに、前記フレキシブル基板上の長方形枠部と延長端部の外郭ラインに沿って設けられることを特徴とする。
好ましくは、前記電気発熱体温度センサーと電極膜温度センサーと抵抗を測定するための電気接点および電圧を測定するための電気接点とは、前記フレキシブル基板の延長端部が始まる部分に、これと平行に設けられることを特徴とする。
好ましくは、前記フレキシブル基板の延長端部に、抵抗を測定するための電気接点および電圧を測定するための電気接点を有する分岐栓が一体に追加形成され、前記延長端部は前記電極膜の一側面に位置させるとともに、前記分岐栓は前記電極膜の反対側の他側面に差し込むように設けられることを特徴とする。
好ましくは、前記フレキシブル基板の延長端部に形成された基板回路端子が、延長端部の側端部に形成され、コネクターがスライドして装着されることを特徴とする。
好ましくは、前記フレキシブル基板と前記電極膜のイオン交換膜支持フィルム間の接合力補強のため、前記フレキシブル基板を含むイオン交換膜支持フィルムの表面が、フレキシブル基板固定フィルムで被覆されることを特徴とする。
好ましくは、前記イオン交換膜支持フィルムとの接着力を補強するため、前記フレキシブル基板のサイズが、イオン交換膜支持フィルムと同一面積に製作されることを特徴とする。
本発明による燃料電池用知能型電極膜によれば、電気発熱体および温度センサー、そして単位電池の抵抗および電圧を測定するための電気接点が集約されたフレキシブル基板を電極膜に貼り付けることで、電気膜の抵抗、温度および燃料電池スタックを構成する単位電池の電圧を容易に測定することができる。また、電気発熱体に供給される電流量は、電気発熱体温度センサーと電極膜温度センサーで検出した温度差を外部の制御装置で感知して調整することができる。これに合わせて燃料電池スタックの断熱材の使用量を減らすことができる。さらに、燃料電池スタックの低温始動時、電気発熱体により能動的でかつすみやかに、燃料電池スタックの温度を水が氷結しない温度に上昇させることができる。
以下、添付図面を参照して、本発明の好ましい実施例を詳しく説明する。
図５は本発明によるフレキシブル基板の平面図である。図６は、図５のフレキシブル基板を取り付けた知能型電極膜の平面図および断面図である。
本発明による知能型電極膜は、イオン交換膜（または電解質膜）２００の両面に触媒層２０１が塗布された通常の電極膜１００に、フレキシブル基板４００を貼り付けたものであり、フレキシブル基板４００に、電気発熱体３０１、電気発熱体温度センサー３０２、電極膜温度センサー３０３、抵抗測定のための電気接点３０４および電圧測定のための電気接点３０５を具備した点に特徴がある。
このような構成によれば、電極膜１００の抵抗、温度および燃料電池スタックを構成する単位電池の電圧を容易に測定することができ、また、燃料電池スタックを低温で始動する際、燃料電池スタックを効率よく暖めて、電極膜１００の触媒層２０１に伝達される外気による低温の影響を遮断することができる。
ここで、フレキシブル基板４００の構成を詳しく説明すると次の通りである。まず、フレキシブル基板４００の母材となるポリイミドのようなポリマー絶縁体からなるポリマー絶縁フィルム３００を長方形の枠形状に形成する。この時、ポリマー絶縁フィルム３００の下端部にはセンサーおよび電気接点そして基板回路端子などが設置されるようにその面積が外側に延長された延長端部３０７が一体に形成される。
また、ポリマー電熱フィルム３００の長方形枠部３１０およびその延長端部３０７の外郭ラインに沿って電気的に加熱される電気発熱体３０１が設けられる。さらに、ポリマー絶縁フィルム３００の延長端部３０７の下端の終端部には、コネクター（図示せず）により外部制御装置（図示せず）とシグナル交換が可能となるように連結される基板回路端子３０６が設けられる。
特に、電気発熱体３０１の温度を測定するための電気発熱体温度センサー３０２と、電極膜１００の温度を測定するための電極膜温度センサー３０３と、単位電池の抵抗を測定するための電気接点３０４および電圧測定のための電気接点３０５が所定の配列をなし、基板回路端子３０６（構成例１）とシグナル交換が可能となるように設けられる。これらの温度センサーと電気接点は、フレキシブル基板４００の延長端部３０７が始まる部分に、これと平行して設けられる。
図５に示すようなフレキシブル基板４００を電極膜１００に貼り付けると、図６に示すような本発明の知能型電極膜が製作される。前述のとおり、電極膜１００はイオン交換膜２００の両面に触媒層２０１を塗布した形態である。また、イオン交換膜の補強およびハンドリング容易化のため、両面にイオン交換膜支持フィルム２０２が枠形状に取り付けられた構造である。この電極膜１００にフレキシブル基板４００を貼り付け、ポリマー絶縁フィルム３００の長方形枠部３１０が電極膜１００の触媒層２０１の外郭ラインに隣接するように構成する。
図７に示すように、このような構造を有する本発明の知能型電極膜５００は、ガス拡散層１０２、分離板１０３、気密維持用ガスケット１０１と共に燃料電池スタックを構成する単位電池で構成される。すなわち、知能型電極膜５００を中心にその両側にガス拡散層１０２が位置し、ガス拡散層１０２の両側に分離板１０３が位置し、特に、知能型電極膜５００を構成しているフレキシブル基板４００のポリマー絶縁フィルム３００の延長端部３０７が外部に露出される。そのため、基板回路端子３０６も外部に露出された状態となる。
このため、従来のように、分離板１０３に別途の測定端子を準備せずとも、基板回路端子３０６を利用してガス拡散層（ＧＤＬ）１０２と接触する電圧測定用電気接点３０５を通して単位電池の電圧を容易に測定することができる。また、抵抗測定のための電気接点３０４は、電極膜１００とガス拡散層１０２の劣化程度を把握するために使用され、その抵抗は外部制御装置で測定し、電極膜１００とガス拡散層１０２の損傷程度を予測することができる。
本発明によれば、基板回路端子３０６を有するフレキシブル基板４００を内蔵したので、分離板が黒鉛材質であっても、端子連結に起因する破損の危険がない。また、分離板が薄膜の金属板であっても、端子を溶接などで連結する必要がない。また、分離板の厚さが変更される場合や燃料電池スタックの締結圧力が変更される場合あるいは組立公差などで単位電池間の間隔が変わっても、本発明によるフレキシブル基板４００によれば、基板回路端子３０６にコネクターを確実に接続できる。
一方、フレキシブル基板４００の電気発熱体３０１は、低温始動時、知能型電極膜５００を効率よく暖めて、外気による低温の影響を遮断することができる。すなわち、電気発熱体３０１に供給される電流量は、電気発熱体温度センサー３０２と電極膜温度センサー３０３で検出した温度差を外部の制御装置で感知して調整し、電極膜が損傷しない温度範囲内で加熱を行なうように制御する。
従って、燃料電池スタックを外気の低温から保護するための断熱材の使用量を低減できる。また、直接的に電極膜を加熱するから、従来のスタックの電気エネルギーを熱エネルギーに変え、スタックを再び加熱する方法に比べて効率が非常によい。さらに、電気発熱体３０１で消費されずに残った電力は冷却水を温めることに使用できる。
ここで、本発明のフレキシブル基板に具備される基板回路端子の他の構成例を説明する。図８は、本発明のフレキシブル基板に具備される基板回路端子（構成例２）の平面図である。
前述のとおり、ポリマー絶縁フィルム３００の延長端部３０７の下端の終端部には、コネクター（図示せず）により外部制御装置（図示せず）とシグナル交換が可能となるように連結される基板回路端子３０６が設けられる。基板回路端子３０６は、所定の配列をなした単位電池の抵抗を測定するための電気接点３０４および電圧測定のための電気接点３０５と接続される。
構成例２の基板回路端子３０６は、延長端部３０７に分岐栓３０８が一体に追加形成され、延長端部３０７は電極膜１００の一側面に位置され、分岐栓３０８は、電極膜１００の反対側の他側面に差し込むように構成する。この時、分岐栓３０８にも単位電池の抵抗測定のための電気接点３０４ａおよび電圧測定のための電気接点３０５ａが基板回路端子３０６とシグナル交換が可能となるように設けられる。従って、図９に示すように、電極膜の両面で直接電圧を測定し、分離板の抵抗成分を排除し、電圧および抵抗を測定することができるという利便性を提供することができる。
ここで、本発明のフレキシブル基板に具備される基板回路端子のさらに他の構成例を説明する。図１０は本発明のフレキシブル基板に具備される基板回路端子（構成例３）の平面図である。
図１０に示すように、構成例３の基板回路端子３０６は、延長端部３０７の下端部ではなく、９０°回転した位置、すなわち側端部に形成される。より詳しくは、図１０に示すフレキシブル基板４００の基板回路端子３０６は、外部制御装置から連結されるコネクターをスライドして装着することができる。サイド装着型基板回路端子３０９として形成されたものである。従って、多数の単位電子が短い間隔で直列に連結された燃料電池スタックにおいて、垂直方向を向いた基板端子をコネクターに挿入することは困難であるが、図１０に示すように、サイド装着型基板回路端子３０９とすると、基板端子をコネクターに容易に挿入することができる。
一方、本発明のフレキシブル基板を電極膜に接着、固定させる方法として、図１１に示すような形態でフレキシブル基板４００を電極膜１００のイオン交換膜支持フィルム２０２上に接合させることが望ましい。すなわち、フレキシブル基板４００とイオン交換膜支持フィルム２０２の接合が容易でない場合、イオン交換膜支持フィルム２０２と圧着が可能なフレキシブル基板固定フィルム２０３を利用して、フレキシブル基板４００を電極膜１００に固定する。フレキシブル基板４００を含むイオン交換膜支持フィルム２０２の表面にわたってフレキシブル基板固定フィルム２０３を被覆することにより、フレキシブル基板４００と電極膜１００のイオン交換膜支持フィルム２０２間の接合力を補強する。
本発明は、単位電池の電圧を容易に測定することができ、低温で始動時の温度をすみやかに上昇させることができる燃料電池用の電極膜として好適である。
従来の燃料電池スタックの模式図（３個の単位電池で構成）である。 従来の一般的な電極膜（ＭＥＡ）の模式図である。 従来の燃料電池スタックで分離板が割れた場合の写真である。 従来の燃料電池スタックで分離板が割れた場合の写真である。 本発明によるフレキシブル基板の平面図である。 本発明による図５のフレキシブル基板が取り付けられた知能型電極膜の平面図および断面図である。 図６の知能型電極膜を使用した燃料電池スタックの概略図である。 本発明による基板回路端子（構成例２）の平面図である。 図８の基板回路端子を使用した燃料電池スタックの概略図である。 本発明による基板回路端子（構成例３）の平面図である。 本発明によるフレキシブル基板固定フィルムで補強した知能型電極膜の断面図である。
符号の説明
１００ 電極膜
１０１ ガスケット
１０２ ガス拡散層
１０３ 分離板
１０４ 電気的接点
２００ イオン交換膜
２０１ 触媒層
２０２ イオン交換膜支持フィルム
２０３ フレキシブル基板固定フィルム
３００ ポリマー絶縁フィルム
３０１ 電気発熱体
３０２ 電気発熱体温度センサー
３０３ 電極膜温度センサー
３０４、３０４ａ 抵抗測定のための電気接点
３０５、３０５ａ 電圧測定のための電気接点
３０６ 基板回路端子
３０７ 延長端部
３０８ 分岐栓
３０９ サイド装着型基板回路端子
３１０ 長方形枠部
４００ フレキシブル基板
５００ 知能型電極膜

Claims (8)

  1. イオン交換膜の両面に触媒層が塗布され、両面の前記触媒層の周囲がイオン交換膜支持フィルムで枠取りされた構造の電極膜と、
    前記電極膜の触媒層の外郭に沿って、前記イオン交換膜支持フィルムの一表面に貼り付けられたフレキシブル基板と、
    前記フレキシブル基板の一終端部に設けられる基板回路端子と、
    前記基板回路端子に締結され、外部制御装置とシグナル交換が可能となるように連結されるコネクターと、を含んで構成され、
    前記フレキシブル基板には電気発熱体と、この電気発熱体の温度を測定するための電気発熱体温度センサーと、前記電極膜の温度を測定するための電極膜温度センサーと、単位電池の抵抗を測定するための電気接点と、電圧測定のための電気接点と、が所定の配列をなして設けられ、前記基板回路端子とシグナル交換が可能となるように接続されていることを特徴とする燃料電池用知能型電極膜。
  2. 前記フレキシブル基板は、ポリイミド材質のポリマー絶縁フィルムで作られ、前記電極膜の触媒層の外郭ラインに沿って設けられる長方形枠部と、この長方形枠部の下端から外部側に延長される延長端部とで構成されることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池用知能型電極膜。
  3. 前記電気発熱体は、基板回路端子と電気的に接続されるとともに、前記フレキシブル基板上の長方形枠部と延長端部の外郭ラインに沿って設けられることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の燃料電池用知能型電極膜。
  4. 前記電気発熱体温度センサーと電極膜温度センサーと抵抗を測定するための電気接点および電圧を測定するための電気接点とは、前記フレキシブル基板の延長端部が始まる部分に、これと平行に設けられることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の燃料電池用知能型電極膜。
  5. 前記フレキシブル基板の延長端部に、抵抗を測定するための電気接点および電圧を測定するための電気接点を有する分岐栓が一体に追加形成され、前記延長端部は前記電極膜の一側面に位置させるとともに、前記分岐栓は前記電極膜の反対側の他側面に差し込むように設けられることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の燃料電池用知能型電極膜。
  6. 前記フレキシブル基板の延長端部に形成された基板回路端子が、延長端部の側端部に形成され、コネクターがスライドして装着されることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の燃料電池用知能型電極膜。
  7. 前記フレキシブル基板と前記電極膜のイオン交換膜支持フィルム間の接合力補強のため、前記フレキシブル基板を含むイオン交換膜支持フィルムの表面が、フレキシブル基板固定フィルムで被覆されることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池用知能型電極膜。
  8. 前記イオン交換膜支持フィルムとの接着力を補強するため、前記フレキシブル基板のサイズが、イオン交換膜支持フィルムと同一面積に製作されることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池用知能型電極膜。
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