JP2009014395A5

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Publication number: JP2009014395A5
Application number: JP2007174168A
Authority: JP
Filing date: 2007-07-02
Publication date: 2010-04-15
Anticipated expiration: 2027-07-02

Description

燃料電池用熱電対

本発明は、燃料電池用熱電対に関するものである。

燃料電池は、セルと呼ばれる発電単位が多層に重ねられた構成をしている。燃料電池の試験機の電解質膜温度測定や実用機の温度監視、温度制御などのために、セル内に挿入して温度測定ができる極めて細い熱電対が求められている。本発明は、この熱電対に関するものである。

従来の細径熱電対としては、特許文献１、２に示されるものがある。特許文献１に示されるものは、断面が楕円状で短径が約０．３ｍｍであり、特許文献２に示されるものは、円形断面型の直径が約０．１ｍｍ、楕円状断面型の短径も約０．１ｍｍである。

セル内に挿入して温度測定を行うための熱電対は、燃料電池内の場所による電位の違いにより熱電対素線を通って電流が流れることがないよう表面が絶縁されていることが必要であり、また、電解質膜の水分や燃料の使用後に生ずる水分に素線が浸されると、素線の水分に浸された部分が同一電位に近くなり、熱電対の熱起電力が変化して測定温度に誤差が生じるため、水分に対して素線が保護されている事が必要である。

燃料電池用熱電対は、これらの条件を満たしたものであって、燃料電池の構成物への影響を小さくするために、できるだけ細径であることが望ましく、上記０．１ｍｍよりさらに細い熱電対が求められている。
特開２００７−０７８４２０号公報特開２００７−０７８４３３号公報

本発明は、燃料電池のセル内に挿入して温度を測定するための、表面が絶縁及び防水された径が０．０１４ｍｍ以下の熱電対を提供することを目的とする。対象とする燃料電池は、セル１枚当たりの電圧上昇が５Ｖ程度以下のもので、例えば、電気自動車の固体高分子型燃料電池はセル１枚当たりの電圧上昇は最大でも１．２Ｖ程度で、本発明による熱電対の使用対象に含まれる。

そこで、本発明は、上記の事情に鑑み、燃料電池のセル内に挿入して温度を測定するための、表面が絶縁及び防水された径が０．０１４ｍｍ以下の熱電対を提供し、セル１枚当たりの電圧上昇が５Ｖ程度以下の燃料電池を測定対象とすべく、熱電対のプラス側素線（以下「＋側熱電対素線」という）とマイナス側素線（以下、「−側熱電対素線」という）を一直線に配置し、向き合った＋側熱電対素線の先端と−側熱電対素線の先端が当接する部分を溶接により接合して測温接点とし、＋側熱電対素線と−側熱電対素線の表面にポリイミドをコーティングした燃料電池用熱電対であって、＋側熱電対素線と−側熱電対素線との素線径を１３μｍ以下、ポリイミドコーティングの厚さを０．５μｍ以下とし、外径を１４μｍ以下とした燃料電池用熱電対とした。

さらに、本発明は、ポリイミドの刷毛による塗布と、加熱による固化を繰り返すことに
より、＋側熱電対素線と−側熱電対素線との熱電対素線表面にポリイミドコーティングを形成した燃料電池用熱電対とした。

本発明は、熱電対の＋側熱電対素線と−側熱電対素線を一直線に配置し、向き合った＋側熱電対素線の先端と−側熱電対素線の先端が当接する部分を溶接により接合して測温接点とし、＋側熱電対素線と−側熱電対素線の表面にポリイミドをコーティングした燃料電池用熱電対であって、＋側熱電対素線と−側熱電対素線との素線径を１３μｍ以下、ポリイミドコーティングの厚さを０．５μｍ以下とし、外径を１４μｍ以下とした燃料電池用熱電対であるので、燃料電池のセル内に挿入して温度を測定するための、表面が絶縁及び防水された径が０．０１４ｍｍ以下の熱電対を提供でき、セル１枚当たりの電圧上昇が５Ｖ程度以下の燃料電池を測定対象とすることができる。

さらに、本発明は、ポリイミドの刷毛による塗布と、加熱による固化を繰り返すことにより、＋側熱電対素線と−側熱電対素線との熱電対素線表面にポリイミドコーティングを形成した燃料電池用熱電対とした。

本発明の具体的な実施例を、添付する図面に示し、以下詳細に説明する。

１．本発明の細径熱電対の構造
本発明による熱電対の構造を図１に示す。

＋側熱電対素線１と−側熱電対素線２を直線状に配置して、＋側熱電対素線の細径部３の先端と−側熱電対素線の細径部４の先端が当接する部分を溶接で接続し、それぞれの素線の他端に通常の太さの＋側熱電対素線１と−側熱電対素線２が接続されている。この通常の太さの素線１、２は、リード線として熱電対受信計器まで配線される。＋側熱電対素線の細径部３と−側熱電対素線の細径部４の溶接部が測温接点５となり、この位置の温度が熱電対の出力温度となる。

細径の熱電対素線には、ポリイミドがコーティングされており、ポリイミドコーティング６は温度測定対象であるセルの幅Ｂより長い範囲に塗布されている。

２．熱電対の径
熱電対素線の細径部３、４として、外径がφ０．０１３ｍｍ（１３μｍ）以下の素線を用い、これに、以下の工程を数回繰り返して、ポリイミドコーティング６を形成する。

(1) ポリイミドの刷毛による塗布
(2) 加熱による塗布したポリイミドの固化
この工程により、ピンホールが無く水分の浸入を防ぎ、かつ、絶縁材としての耐電圧がＤＣ５Ｖである厚さ０．０００５ｍｍ（０．５μｍ）以下のポリイミドコーティング６が得られる。熱電対の外径は、素線３、４とポリイミドコーティング６を合わせてφ１４μｍ以下である。

３．使用状態の説明
図２に本発明による熱電対の使用状態を示す。本発明による熱電対は、燃料電池セル７内の例えば電解質膜の温度を測定するために挿入されて、図１に示す測温接点５の位置の温度を測定する。図示のセルは１つであるが、実際にはセルは多層に重ねられている。ま
た、セルはアノード、カソード、電解質膜、セパレータなどから構成されるが、図２にはこれらの個別表示はしていない。

熱電対素線の細径部３、４に接続された通常太さの熱電対素線１、２は、リード線としてフローティング入力型の熱電対受信器８に配線される。熱電対受信器において、熱電対の起電力が計測され、これが温度に換算されて、熱電対受信器より測定温度として出力される。

ポリイミドコーティング部はセル幅Ｂより長いので、熱電対のセル内の部分はポリイミドコーティング６によりセルと電気的に絶縁されており、水分の素線側への浸入も防いでいる。また、図示していないが、細径部のポリイミドコーティングの施されていない部分及び通常太さの熱電対素線には、通常の絶縁被覆が施されている。これらの部分は径の制約が無いので、通常の絶縁被覆を用いることでよい。

４．特徴
本発明の特徴をまとめると次の通りである。

(1) 以下により、外径がφ１４μｍ以下の表面が絶縁された熱電対を実現した。

i. 従来の熱電対は、図３のように＋側素線１０１と−側素線１０２を図３のように
平行配置し、これを束ねていたものを、本発明では＋側素線及び−側素線を直線状に
配置して接合し、かつ、素線径をφ１３μｍ以下の細いものとした。

ii. 熱電対の表面に、ポリイミドの刷毛による塗布と、加熱による固化を、数回繰り
返す事により、厚さ０．５μｍ以下の電気絶縁のあるポリイミドコーティングを施し
た。

この実現により、燃料電池のセル内の温度を、セル構造物への取付け等による影響
を従来より抑えた状態で測定することが可能となった。また、コーティングをしてい
る部分をセル間に設置すれば、燃料電池の２つのセル間の温度を、セル間のスペーサ
に設けられている燃料や燃料の使用後に生ずる水などの生成物の通路を妨げることが
従来に比べて少ない状態で測定することも可能となった。

(2) ポリイミドコーティング部は、５Ｖの電気絶縁耐力があることから、１つのセルの
電圧上昇が５Ｖ以下の燃料電池に適用可能である。

セルを多数枚重ねた場合、セルの対地電圧はセルの枚数に応じて高くなるが、受信計器としてフローティング入力型のものを用いて、熱電対素線の電位を固定しなければ、この対地高電圧の影響は受けない。熱電対に要求されるのは、熱電対の設置されるセル環境において場所により電圧の異なる部分がある場合に、この電位差によってポリイミドコーティングの電気絶縁が破壊されないことである。ポリイミドコーティングの絶縁が無くなると、熱電対素線を通して、電位差のある部分の間に電流が流れ、セルの性能が低下する。１つのセルの電圧上昇が５Ｖ以下の場合、セル内及び隣り合うセル間に生じる場所による電圧の違いは、この電圧を超えることはないので、本熱電対は１つのセルの電圧上昇が５Ｖ以下の燃料電池に使用することができる。

(3) ポリイミドは防水性のある材料である。熱電対表面に施したポリイミドコーティン
グは、表面検査及び水没状態での電気絶縁試験により、ピンホール等の開口が無く、水分の素線側への浸入を防止することを確認している。燃料電池には、電解質膜の水分や燃料の水素から生じた水の存在する場所があるが、水中においても熱電対表面の絶縁は保たれ、かつ防水性があるので、このような場所での測定も可能である。

また、ポリイミドは３５０℃の耐熱性があるので、作動温度がこれよりも低い固体高分子型、リン酸型、アルカリ型等の燃料電池に使用可能である。

(4) 温度測定位置の選択に関し、図２の前後方向については、熱電対を設置する前後方
向の位置により選択でき、図２の左右方向の位置は、熱電対を作る際に図１の測温接点を測定したい左右方向の位置に作ることにより可能である。したがって、燃料電池の構造上の制約が無ければ、希望する任意の位置の温度測定が可能である。

また、燃料電池の構造上の制約で熱電対の直線配置が不可能な場合でも、本熱電対は可撓性があるので、曲げた状態で設置することができる。

本発明の実施例を図４に示す。

熱電対タイプ：ＪＩＳＣ１６０２のタイプＫ
細径部熱電対素線径：φ１２．７μｍ
細径部熱電対＋側素線長さ：２１０ｍｍ
細径部熱電対−側素線長さ：２１０ｍｍ
細径部熱電対＋側素線と−側素線の接合：レーザー溶接
ポリイミドコーティングの形成：ポリイミドの刷毛による塗布と、加熱による固化を、４回繰り返して形成。

ポリイミドコーティング部長さ：４００ｍｍ
ポリイミドコーティング厚さ：０．１５μｍ
熱電対外径（素線及びポリイミドコーティング）：φ１３μｍ
ポリイミドコーティングの耐電圧：ＤＣ５Ｖ以上（検査により確認）
ポリイミドコーテンィグの孔：無し（表面拡大鏡検査及び水中で絶縁低下のことは無いことにより確認）
細径部熱電対素線とリード線部熱電対素線の接合：レーザー溶接

本発明は、燃料電池に使用される熱電対について述べたが、細径で設置場所を取らないので、水素ガスエンジン等への設置の可能性がある。

本発明の細径熱電対の全体構造を示す図である。本発明の使用状態を示す図である。従来の熱電対素線配置を示す図である。本発明の実施例の寸法を示す図である。

１…＋側熱電対素線（リード線部）
２…−側熱電対素線（リード線部）
３…＋側熱電対素線（細径部）
４…−側熱電対素線（細径部）
５…測温接点
６…ポリイミドコーティング

Claims

熱電対の＋側熱電対素線と−側熱電対素線を一直線に配置し、向き合った＋側熱電対素線の先端と−側熱電対素線の先端が当接する部分を溶接により接合して測温接点とし、＋側熱電対素線と−側熱電対素線の表面にポリイミドをコーティングした燃料電池用熱電対であって、＋側熱電対素線と−側熱電対素線との素線径を１３μｍ以下、ポリイミドコーティングの厚さを０．５μｍ以下とし、外径を１４μｍ以下とした燃料電池用熱電対。
ポリイミドの刷毛による塗布と、加熱による固化を繰り返すことにより、＋側熱電対素線と−側熱電対素線との熱電対素線表面にポリイミドコーティングを形成した請求項１記載の燃料電池用熱電対。