JP2009146637A

JP2009146637A - 燃料電池

Info

Publication number: JP2009146637A
Application number: JP2007320521A
Authority: JP
Inventors: Chikashige Konno; 周重紺野
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2007-12-12
Filing date: 2007-12-12
Publication date: 2009-07-02

Abstract

【課題】セパレータのガス流路にセンサを設けた際にデッドスペースを低減させた燃料電池を提供する。
【解決手段】水素含有ガス又は酸素含有ガスの少なくとも一方をＭＥＡへ供給するための流路３０ａが形成されると共に、流路３０ａを区切るリブよりも幅広の分割リブ３０ｂが形成されたセパレータを備え、分割リブ３０ｂにセンサ４０が設けられている。分割リブは、前記セパレータの前記流路が設けられた反対側の面に空洞部を有し、前記センサは、前記空洞部内に配設され樹脂によって固定される。
【選択図】図２

Description

本発明は、センサ内蔵に適したセパレータを有する燃料電池に関する。

水素等の燃料ガスと酸素等の酸化剤ガスとを電解質膜に供給することによって電気エネルギーを得る燃料電池システムでは、電解質膜に高いイオン伝導性を発揮させるために通常の運転時には電解質膜の水分量を適切に調整しておく必要がある。

特許文献１には、燃料電池システムにおいて、セル内の水分過多状態が検出された場合に短時間で水分状態を適正化する技術が開示されている。この技術では、図８に示すように、セパレータ１０内の空気流路１２に対向して配置された２本の導線１４と、２本の導線１４間を開閉するスイッチ１６と、スイッチ１６を制御する制御部１８と、２本の導線１４間が開放状態のときに導線１４間の静電容量を検出する検出回路２０と、２本の導線１４間が短絡状態のときに導線１４に電力を供給して発熱させる加熱制御回路２２とを備える。

このような構成において、２本の導線１４間が開放状態のときにセル内の水分過多状態が検出された場合には、２本の導線１４間を短絡状態として発熱させてセル内を速やかに乾燥させる。

特開２００５−１４１９７２号公報

導線１４のようなセンサをセパレータの流体路に沿わせて配置した場合、流路の有効断面積が減らされ、流体に対するコンダクタンスが低下するという問題がある。そこで、燃料電池のセパレータにおいて流路をできるだけ無駄にしないようにセンサを配置することが望まれている。

本発明は、水素含有ガスと酸素含有ガスとを電解質膜へ供給することによって電気エネルギーを発生させる燃料電池であって、前記水素含有ガス又は前記酸素含有ガスの少なくとも一方を前記電解質膜へ供給するための流路が形成されると共に、前記流路を区切る分割リブが形成されたセパレータを備え、前記分割リブにセンサが設けられていることを特徴とする。

例えば、前記分割リブは、前記セパレータの前記流路が設けられた反対側の面に空洞部を有し、前記センサは、前記空洞部内に配設されていることが好適である。この場合、前記センサは、前記空洞内において樹脂によって固定されていることが好適である。

また、前記分割リブは、前記セパレータの前記流路が設けられている面において樹脂によって構成されていてもよい。この場合、前記センサは、前記分割リブを構成する前記樹脂内に配設される。

前記センサは、例えば、前記流路内の水分を検出するための水分センサとすることができる。前記水分センサは、前記流路内を流れる前記水素含有ガス又は前記酸素含有ガスとは非接触にガス内の水分を検出することができる磁気センサとすることができる。また、前記水分センサは、前記流路内を流れる前記水素含有ガス又は前記酸素含有ガスに接触して直接的にガス内の水分を検出することができるファイバ型センサ、容量センサとすることができる。

本発明によれば、従来デッドスペースとなっていたセパレータの分割リブ内にセンサを配置することによって流路のデッドスペースを低減することかできる。

本発明の実施の形態における燃料電池１００は、図１に示すように、複数のセルが積層されたセル積層構造を有する。各セルは、酸素含有ガス（空気等）の供給のために用いられるカソード側セパレータ３０と、水素含有ガス（水素ガス等）の供給のために用いられるアノード側セパレータ３２と、カソード側セパレータ３０とアノード側セパレータ３２とに挟まれた膜・電極接合体（ＭＥＡ）３４と、を含んで構成される。ＭＥＡ３４は、ガス拡散層、カソード側電極触媒層、水素イオン交換膜、アノード側電極触媒層、ガス拡散層を順に積層した構造を有する。

このような燃料電池は、例えば、電気自動車やハイブリッド自動車のような車両走行用の電動モータの電源として用いることができる。

カソード側セパレータ３０及びアノード側セパレータ３２は、ガスが透過しない材料（例えばカーボン材）にて形成されており、隣接セル間で酸素含有ガスと水素含有ガスの流路を分離すると共に、セル間の電気的な接続を確保する。

図２に、酸素含有ガスの流路側（表面）からみたカソード側セパレータ３０の平面図を示す。また、図３に、図２のＡ−Ａ間の断面図を示す。なお、図２において、カソード側セパレータ３０を流れる酸素含有ガスの流れの方向を破線矢印で示した。また、図示の都合上、図３におけるカソード側セパレータ３０の肉厚は実際とは異なる厚さで示した。

カソード側セパレータ３０は、例えばプレス加工等で成形され、図２及び図３に示すように、ＭＥＡ３４に対向するカソード側セパレータ３０の面内（表面）において酸素含有ガスができるだけ均等に流れるように、ＭＥＡ３４に対向する面において凹状の複数の流路３０ａが設けられている。さらに、酸素含有ガスの流れの大きな方向付けを行うために、複数の流路３０ａ毎に流路３０ａを仕切る分割リブ３０ｂが設けられる。

図４に、図３の領域Ｂの拡大図を示す。本実施の形態では、図４に示すように、酸素含有ガスの流路の反対の面（裏面）において分割リブ３０ｂの部分にできる空洞部に、カソード側セパレータ３０を流れる酸素含有ガスの水分を測定するためのセンサ４０が埋め込まれる。ここで、センサ４０を分割リブ３０ｂの空洞部に埋め込んだ後、樹脂４２によって固定してもよい。

センサ４０は、例えば、カソード側セパレータ３０を流れる酸素含有ガスの水分を測定できる水分センサとすることができる。例えば、センサ４０は、カソード側セパレータ３０の表面の流路３０ａを流れる酸素含有ガスの水分を非接触に測定することができる磁気センサとすることが好適である。また、例えば、センサ４０は、カソード側セパレータ３０の表面の流路３０ａを流れる酸素含有ガスに直接触れることによってその水分を測定することができる容量センサとすることが好適である。また、例えば、センサ４０は、カソード側セパレータ３０の流路３０ａ内を直接観察するためのファイバ式センサとすることが好適である。

なお、流路３０ａ内を直接測定又は観察するセンサ４０を用いる場合、カソード側セパレータ３０の裏面から表面へと繋がる孔を開け、センサ４０を流路３０ａ内に露出させる構成とする。この場合、樹脂４２によって、カソード側セパレータ３０の表面から裏面へと酸素含有ガスが漏れないように封止することが好適である。

また、図２に示すように、センサの端部はカソード側セパレータ３０の外部に引き出され、酸素含有ガスの水分を測定するための測定装置（図示しない）に接続される。測定装置では、酸素含有ガスの水分を測定し、その測定値に基づいて燃料電池システムにおける加熱装置等を制御して酸素含有ガスの水分の調整を行う。このような水分制御方法については既存の技術を適用することができるので詳しい説明は省略する。

なお、アノード側セパレータ３２についてもカソード側セパレータ３０と同様にデッドスペースを利用してセンサを設ける構成とすることができる。

また、樹脂４２は、カソード側セパレータ３０又はアノード側セパレータ３２をＭＥＡ３４等に接着するために用いられる樹脂と同じ材質のものを流用してもよい。このように、接着用樹脂と同等の樹脂を用いることにより燃料電池システムの製造コストを抑えることができる。

以上のように、本実施の形態における燃料電池によれば、セパレータにおいて従来デッドスペースとなっていた分割リブの空洞部を利用することによって、セパレータにおける流体の流路の有効領域を狭めることなくセンサを配置することができる。

＜変形例＞
本発明の実施の形態における変形例について以下に説明する。変形例における燃料電池１０２は、上記実施の形態における燃料電池１００とほぼ同様の構成を有するが、カソード側セパレータ３０（又は、アノード側セパレータ３２）の酸素含有ガス（又は、水素含有ガス）が流れる流路３０ａが設けられた面と同じ面に分割リブ３０ｂが樹脂で形成されている点で異なる。

図５に、酸素含有ガスの流路側（表面）からみたカソード側セパレータ３０の平面図を示す。また、図６に、図５のＣ−Ｃ間の断面図を示す。なお、図５において、カソード側セパレータ３０を流れる酸素含有ガスの流れの方向を破線矢印で示した。また、図示の都合上、図６におけるカソード側セパレータ３０の肉厚は実際とは異なる厚さで示した。

カソード側セパレータ３０は、例えばプレス加工等で成形され、図５及び図６に示すように、ＭＥＡ３４に対向するカソード側セパレータ３０の面内（表面）において酸素含有ガスができるだけ均等に流れるように、ＭＥＡ３４に対向する面において凹状の複数の流路３０ａが設けられている。さらに、酸素含有ガスの流れの大きな方向付けを行うために、複数の流路３０ａ毎に流路３０ａを仕切る分割リブ３０ｂ，３０ｃが設けられる。

図７に、図６の領域Ｄの拡大図を示す。本実施の形態では、図７に示すように、酸素含有ガスの流路と同じ面（表面）において分割リブ３０ｃが樹脂によって構成されている。この分割リブ３０ｃ内に、カソード側セパレータ３０を流れる酸素含有ガスの水分を測定するためのセンサ４０が埋め込まれる。センサ４０は、樹脂４２によって固定することができる。

本変形例において、センサ４０は、上記実施の形態における燃料電池１００と同様のものとすることができる。なお、流路３０ａ内を直接測定又は観察するセンサ４０を用いる場合、分割リブ３０ｃを構成する樹脂からセンサ４０を流路３０ａ内に露出させる構成とする。

また、図５に示すように、センサの端部はカソード側セパレータ３０の外部に引き出され、酸素含有ガスの水分を測定するための測定装置（図示しない）に接続される。測定装置では、酸素含有ガスの水分を測定し、その測定値に基づいて燃料電池システムにおける加熱装置等を制御して酸素含有ガスの水分の調整を行う。このような水分制御方法については既存の技術を適用することができるので詳しい説明は省略する。

なお、本変形例においても、アノード側セパレータ３２についてもカソード側セパレータ３０と同様にデッドスペースを利用してセンサを設ける構成とすることができる。

以上のように、本変形例における燃料電池によっても、セパレータにおいて従来デッドスペースとなっていた分割リブの空洞部を利用することによって、セパレータにおける流体の流路の有効領域を狭めることなくセンサを配置することができる。

本発明の実施の形態における燃料電池の構成を示す図である。本発明の実施の形態におけるカソード側セパレータの構成を示す平面図である。本発明の実施の形態におけるカソード側セパレータの構成を示す断面図である。本発明の実施の形態におけるカソード側セパレータの構成を示す拡大断面図である。本発明の変形例におけるカソード側セパレータの構成を示す平面図である。本発明の変形例におけるカソード側セパレータの構成を示す断面図である。本発明の変形例におけるカソード側セパレータの構成を示す拡大断面図である。従来の燃料電池システムの構成を示す図である。

符号の説明

１０セパレータ、１２空気流路、１４導線、１６スイッチ、１８制御部、２０検出回路、２２加熱制御回路、３０カソード側セパレータ、３０ａ流路、３０ｂ，３０ｃ分割リブ、３２アノード側セパレータ、４０センサ、４２樹脂、１００，１０２燃料電池。

Claims

水素含有ガスと酸素含有ガスとを電解質膜へ供給することによって電気エネルギーを発生させる燃料電池であって、
前記水素含有ガス又は前記酸素含有ガスの少なくとも一方を前記電解質膜へ供給するための流路が形成されると共に、前記流路を区切る分割リブが形成されたセパレータを備え、
前記分割リブにセンサが設けられていることを特徴とする燃料電池。
請求項１に記載の燃料電池であって、
前記分割リブは、前記セパレータの前記流路が設けられた反対側の面に空洞部を有し、
前記センサは、前記空洞部内に配設されていることを特徴とする燃料電池。
請求項２に記載の燃料電池であって、
前記センサは、前記空洞内において樹脂によって固定されていることを特徴とする燃料電池。
請求項１に記載の燃料電池であって、
前記分割リブは、前記セパレータの前記流路が設けられている面において樹脂によって構成されていることを特徴とする燃料電池。