JP2010251016A - 燃料電池の計測装置 - Google Patents

Abstract

【課題】燃料電池の電位測定及び電流測定を、確実且つ良好に行うことができ、前記燃料電池内部の反応状態を、詳細に把握することを可能にする。
【解決手段】燃料電池１２の計測装置１０は、電解質膜・電極構造体１４の電極反応面に設けられる複数の電位測定センサ５０と、前記電極反応面に隣接して配置される導電性プレート５４とを備える。導電性プレート５４は、電極反応面に対応する導電部を、電位測定センサ５０と同数のセグメント７６ａ〜７６ｆに分割するとともに、各セグメント７６ａ〜７６ｆ毎に、電流検出センサ５２が配設される。
【選択図】図１

Description

本発明は、アノード側電極及びカソード側電極が電解質の両側に設けられた電解質・電極構造体とセパレータとが積層された燃料電池の計測装置に関する。

例えば、固体高分子型燃料電池は、高分子イオン交換膜からなる電解質膜（電解質）を採用している。この電解質膜の両側にアノード側電極及びカソード側電極を配設した電解質膜・電極構造体（ＭＥＡ）を、セパレータによって挟持することにより、燃料電池が構成されている。

上記の燃料電池では、故障の検知や品質検査、又はフラッディングの検出等を行うために、電流密度分布を計測する方式が採用されている。例えば、特許文献１に開示されている燃料電池システムの制御装置が知られている。

この燃料電池システムは、複数の燃料電池セルが積層されるとともに、前記積層された燃料電池セルの間に積層方向に垂直な面における電流密度分布を計測する少なくとも１つの電流密度センサを有する燃料電池スタックを備えている。

そして、制御装置は、計測された電流密度分布に基づいて燃料電池スタックの内部状態を観測するとともに、前記観測された内部状態に応じて前記燃料電池スタックに供給される流体を操作して前記燃料電池スタックにおける出力電流分布を均一化するように制御し、前記流体の操作は、燃料ガスの流量と酸化剤ガスの流量と冷却媒体の流量と前記酸化剤ガスの加湿量とのうちの少なくとも１つの操作を含むことを特徴としている。

また、燃料電池システムでは、運転時に各燃料電池の発電状況を監視し、前記燃料電池が正常に発電しているか否かを検出する必要がある。このため、モニタ装置として、例えば、電位センサを燃料電池システムに組み込んで、各燃料電池のアノード又はカソードの電位を検出する方式が採用されている。

特開２００６−３１８７８４号公報

しかしながら、上記の特許文献１では、電流密度分布を計測するだけであり、燃料電池の電極電位を測定することができない。従って、燃料電池内部の反応状態を、詳細に把握することが困難になり、前記燃料電池を効率的に運転制御することができないという問題がある。

本発明はこの種の問題を解決するものであり、燃料電池の電位測定及び電流測定を、確実且つ良好に行うことができ、前記燃料電池内部の反応状態を、詳細に把握することが可能な燃料電池の計測装置を提供することを目的とする。

本発明は、アノード側電極及びカソード側電極が電解質の両側に設けられた電解質・電極構造体とセパレータとが積層された燃料電池の計測装置に関するものである。

この計測装置は、電解質・電極構造体の電極反応面に設けられる複数の電位測定センサと、前記電極反応面に隣接して配置される導電性プレートとを備えている。そして、導電性プレートは、電極反応面に対応する導電部を電位測定センサと同数のセグメントに分割するとともに、各セグメント毎に電流検出センサが配設されている。

本発明によれば、電解質・電極構造体の電極反応面に複数の電位測定センサが設けられるとともに、前記電位測定センサと同数に分割されたセグメント毎に、電流検出センサが配設されている。このため、同一の電解質・電極構造体に対し、電流密度と電位との双方の挙動を同時に測定することができる。

従って、測定された電流密度及び電位の挙動から、例えば、フラッディングの範囲とその際の電位とを測定することが可能になり、これらの情報に基づいて、劣化の予測等を正確に行うことができる。

さらに、電位測定センサの測定値と、局部毎に測定される電流検出センサの電流密度とに基づいて、劣化状態を示すＩ−Ｖ曲線を局部毎に作成することが可能になる。これにより、電解質・電極構造体の電極反応面において、局所的な劣化を確実に検出することができ、燃料電池の寿命の延長や寿命の予測が良好に行われる。

本発明の実施形態に係る計測装置が組み込まれる燃料電池の要部分解斜視図である。 前記燃料電池の、図１中、ＩＩ−ＩＩ線断面図である。 前記計測装置を構成する電位測定センサの概略説明図である。 前記計測装置を構成する電流検出センサの概略説明図である。 電解質膜・電極構造体の電極反応面において、局所的なＩ−Ｖ曲線の説明図である。

図１に示すように、本発明の実施形態に係る計測装置１０が組み込まれる燃料電池１２は、電解質膜・電極構造体（電解質・電極構造体）１４と、前記電解質膜・電極構造体１４を挟持する第１及び第２セパレータ１６、１８とを備える。第１及び第２セパレータ１６、１８は、例えば、金属セパレータ又はカーボンセパレータで構成される。

燃料電池１２の矢印Ｂ方向（図１中、水平方向）の一端縁部には、積層方向である矢印Ａ方向に互いに連通して、酸化剤ガス、例えば、酸素含有ガスを供給するための酸化剤ガス供給連通孔２０ａと、冷却媒体を供給するための冷却媒体供給連通孔２２ａと、燃料ガス、例えば、水素含有ガスを排出するための燃料ガス排出連通孔２４ｂとが、矢印Ｃ方向（鉛直方向）に配列して設けられる。

燃料電池１２の矢印Ｂ方向の他端縁部には、矢印Ａ方向に互いに連通して、燃料ガスを供給するための燃料ガス供給連通孔２４ａと、冷却媒体を排出するための冷却媒体排出連通孔２２ｂと、酸化剤ガスを排出するための酸化剤ガス排出連通孔２０ｂとが、矢印Ｃ方向に配列して設けられる。

電解質膜・電極構造体１４は、例えば、パーフルオロスルホン酸の薄膜に水が含浸された固体高分子電解質膜２６と、前記固体高分子電解質膜２６を挟持するカソード側電極２８及びアノード側電極３０とを備える。

カソード側電極２８及びアノード側電極３０は、図２に示すように、固体高分子電解質膜２６の両面に接合される電極触媒層３２ａ、３２ｂと、前記電極触媒層３２ａ、３２ｂに配設されるカーボンペーパ等からなるガス拡散層３４ａ、３４ｂとを有する。電極触媒層３２ａ、３２ｂは、白金合金が表面に担持された多孔質カーボン粒子を固体高分子電解質膜２６の両面に一様に塗布して形成される。

図１に示すように、第１セパレータ１６の電解質膜・電極構造体１４に向かう面１６ａには、酸化剤ガス流路４０が設けられる。酸化剤ガス流路４０は、矢印Ｂ方向に延在する複数の流路溝を有しており、酸化剤ガス供給連通孔２０ａと酸化剤ガス排出連通孔２０ｂとに連通する。第１セパレータ１６の面１６ｂには、第２セパレータ１８の面１８ｂとの間に冷却媒体流路４２が設けられる。第１セパレータ１６の外周縁部には、第１シール部材４４ａが設けられる。

第２セパレータ１８の電解質膜・電極構造体１４に向かう面１８ａには、燃料ガス流路４６が設けられる。燃料ガス流路４６は、酸化剤ガス流路４０と同様に、矢印Ｂ方向に延在する複数の流路溝を有し、燃料ガス供給連通孔２４ａと燃料ガス排出連通孔２４ｂとに連通する。この第２セパレータ１８の外周縁部には、第２シール部材４４ｂが設けられる。

計測装置１０は、電解質膜・電極構造体１４の電極反応面に設けられる複数の電位測定センサ５０と、前記電極反応面に隣接して配置され、後述する複数の電流検出センサ５２を内装した導電性プレート５４とを備える。電位測定センサ５０は、電解質膜・電極構造体１４に対して、複数箇所、例えば、６箇所に配設される。

図２に示すように、電位測定センサ５０は、アノード側電極３０に配置される第１シート部材５６と、カソード側電極２８に配置される第２シート部材５８とを備える。第１及び第２シート部材５６、５８は、例えば、液晶ポリマ（ＬＣＰ）で形成されるシート状基材６０ａ、６０ｂを有する。

シート状基材６０ａのアノード側電極３０側の一端側には、アノード側の電圧印加電極（参照電極）６２ａと、アノード側の電位測定電極（電位測定プローブ）６４ａとが一体に設けられる。シート状基材６０ｂのカソード側電極２８側の一端部には、カソード側の電圧印加電極（参照電極）６２ｂと、カソード側の電位測定電極（電位測定プローブ）６４ｂとが一体に設けられる（図１及び図２参照）。それぞれの電圧印加電極６２ａ、６２ｂ及びそれぞれの電位測定電極６４ａ、６４ｂは、互いに対向して配置される。

図３に示すように、アノード側の電圧印加電極６２ａには、２本の導電ライン６６ａが接続される一方、カソード側の電圧印加電極６２ｂには、１本の導電ライン６６ｂが接続される。２本の導電ライン６６ａを用いることにより、測定電位が印加電圧に影響されることを阻止することができる。電位測定電極６４ａ、６４ｂには、それぞれ１本の導電ライン６８ａ、６８ｂが接続される。

導電ライン６６ａ、６６ｂ、６８ａ及び６８ｂは、外部電圧印加部７０と電位検出部７２とに接続される。外部電圧印加部７０は、導電ライン６６ａ、６６ｂを介して電圧印加電極６２ａ、６２ｂに所定の電位を付与するために、ＤＣ電源７０ａと、前記ＤＣ電源７０ａから供給される電圧を調整する電圧調整部７０ｂとを設ける。アノード側の電圧印加電極６２ａは、一方の導電ライン６６ａを介してマイナス極に接続されるとともに、カソード側の電圧印加電極６２ｂは、導電ライン６６ｂを介してプラス極に接続される。

電位検出部７２は、電位測定電極６４ａ、６４ｂにより検出される電位と電圧印加電極６２ａとの電位差を検出するために、導電ライン６８ａ、６８ｂに接続されるアノード側電圧計７２ａ及びカソード側電圧計７２ｂを設ける。アノード側電圧計７２ａには、アノード側の導電ライン６８ａが接続され、カソード側電圧計７２ｂには、カソード側の導電ライン６８ｂが接続される。アノード側電圧計７２ａ及びカソード側電圧計７２ｂには、アノード側の電圧印加電極６２ａの他方の導電ライン６６ａがグランドライン（Ｇ）として連結される。

図２に示すように、電圧印加電極６２ａは、アノード側電極３０の電極触媒層３２ｂを切り欠いた独立した電極触媒層（図示せず）に接触する一方、電圧印加電極６２ｂは、カソード側電極２８の電極触媒層３２ａを切り欠いた独立した電極触媒層（図示せず）に接触する。電位測定電極６４ａ、６４ｂは、電圧印加電極６２ａ、６２ｂに近接して電極触媒層３２ｂ、３２ａに接触配置される。独立した電極触媒層（図示せず）において、水の電気分解反応が行われる。なお、電圧印加電極６２ａ、６２ｂに、直接、触媒層を設けてもよい。

図１に示すように、導電性プレート５４は、一対のプレート部材７４ａ、７４ｂを備え、電解質膜・電極構造体１４の電極反応面に対応する導電部（平面部）を、電位測定センサ５０と同数の、例えば、６つのセグメント７６ａ〜７６ｆに分割する。各セグメント７６ａ〜７６ｆは、互いに電気的に絶縁されるとともに、それぞれ電流検出センサ５２が配設される。

図４に示すように、電流検出センサ５２は、例えば、フラックスゲート磁気センサを構成しており、プレート部材７４ａ、７４ｂ間に介装される軟磁性体のコア７８を備える。コア７８には、燃料電池１２からの電流により外部磁界を形成するための外部磁界用コイル８０が設けられるとともに、前記外部磁界用コイル８０は、プレート部材７４ａ、７４ｂに接続される。

コア７８には、励磁用コイル８２と検出用コイル８４とが設けられる。励磁用コイルは、交流電源８６に接続される一方、検出用コイル８４は、電流検出器８８に接続される。

なお、電流検出センサ５２は、上記のフラックスゲート磁気センサに代えて、ＭＩセンサ、ＭＲセンサ又はホール素子等を用いてもよい。

このように構成される計測装置１０の動作について、燃料電池１２との関連で、以下に説明する。

図１に示すように、酸化剤ガス供給連通孔２０ａに酸素含有ガス等の酸化剤ガスが供給されるとともに、燃料ガス供給連通孔２４ａに水素含有ガス等の燃料ガスが供給される。さらに、冷却媒体供給連通孔２２ａに純水やエチレングリコール等の冷却媒体が供給される。

酸化剤ガスは、第１セパレータ１６に設けられている酸化剤ガス流路４０に導入され、電解質膜・電極構造体１４を構成するカソード側電極２８に沿って移動する。一方、燃料ガス供給連通孔２４ａに供給された燃料ガスは、第２セパレータ１８の燃料ガス流路４６に導入され、電解質膜・電極構造体１４を構成するアノード側電極３０に沿って移動する。

従って、各電解質膜・電極構造体１４では、カソード側電極２８に供給される酸化剤ガスと、アノード側電極３０に供給される燃料ガスとが、電極触媒層３２ａ、３２ｂ内で電気化学反応により消費され、発電が行われる。

次いで、カソード側電極２８に供給されて消費された酸化剤ガスは、酸化剤ガス排出連通孔２０ｂに排出される。同様に、アノード側電極３０に供給されて消費された燃料ガスは、燃料ガス排出連通孔２４ｂに排出される。

また、冷却媒体供給連通孔２２ａに供給された冷却媒体は、第１及び第２セパレータ１６、１８間の冷却媒体流路４２に導入される。この冷却媒体は、電解質膜・電極構造体１４を冷却した後、冷却媒体排出連通孔２２ｂに排出される。

この場合、計測装置１０では、各セグメント７６ａ〜７６ｆに配設されている電流検出センサ５２に、上記の燃料電池１２の発電反応による電流が供給されている。このため、図４に示すように、コア７８に巻回されている外部磁界用コイル８０に電流が流れ、コア７８の軸方向に外部磁界が発生する。

その際、励磁用コイル８２には、交流電源８６から励磁電流が供給されている。従って、外部磁界によるコア７８内部の磁束変化により、検出用コイル８４で検出される波形が変化し、電流検出器８８を介して燃料電池１２の電流密度が検出される。これにより、各電流検出センサ５２が配設されている各セグメント７６ａ〜７６ｆ毎に、電流密度の検出が行われる。

一方、電位測定センサ５０では、図３に示すように、外部電圧印加部７０の作用下に、電圧印加電極６２ａ、６２ｂに所定の電位が付与されるとともに、電位検出部７２の作用下に、電位測定電極６４ａ、６４ｂを介してアノード側電極３０の電位差及びカソード側電極２８の電位差が検出される。

具体的には、アノード側電圧計７２ａ及びカソード側電圧計７２ｂには、電圧印加電極６２ａの一方の導電ライン６６ａが、グランドラインとして連結されており、電位測定電極６４ａ、６４ｂの検出電圧が、前記アノード側電圧計７２ａ及び前記カソード側電圧計７２ｂに入力される。従って、アノード側電圧計７２ａでは、電圧印加電極６２ａとアノード側の電位測定電極６４ａとの電位差が検出される。同様に、カソード側電圧計７２ｂでは、電圧印加電極６２ａとカソード側の電位測定電極６４ｂとの電位差が検出される。

この場合、本実施形態では、図１に示すように、電解質膜・電極構造体１４の電極反応面に、例えば、６つの電位測定センサ５０が設けられるとともに、導電性プレート５４には、前記電位測定センサ５０と同数に分割されたセグメント７６ａ〜７６ｆ毎に、電流検出センサ５２が配設されている。このため、同一の電解質膜・電極構造体１４に対し、電流密度と電位との双方の挙動を同時に測定することができる。

従って、測定される電流密度及び電位の挙動から、例えば、フラッディングの範囲とその際の電位とを測定することが可能になり、これらの情報に基づいて、電解質膜・電極構造体１４の劣化の予測等を正確に行うことができる。

さらに、電位測定センサ５０の測定値と、セグメント７６ａ〜７６ｆ毎（局部毎）に測定される電流検出センサ５２の電流密度とに基づいて、劣化状態を示すＩ−Ｖ曲線を局部毎に作成することが可能になる。これにより、電解質膜・電極構造体１４の局所的な劣化を確実に検出することができ、燃料電池１２の寿命の延長や寿命の予測が良好に行われる。

具体的には、図５に示すように、セグメント７６ａ〜７６ｆ毎に、Ｉ−Ｖ曲線を作成することが可能になり、局所劣化、例えば、セグメント７６ｆの劣化を容易且つ確実に測定することができる。これにより、単一の電解質膜・電極構造体１４の電極反応面内において、局部的な劣化が良好に検出されるという利点が得られる。

１０…計測装置 １２…燃料電池
１４…電解質膜・電極構造体 １６、１８…セパレータ
２６…固体高分子電解質膜 ２８…カソード側電極
３０…アノード側電極 ３２ａ、３２ｂ…電極触媒層
３４ａ、３４ｂ…ガス拡散層 ４０…酸化剤ガス流路
４２…冷却媒体流路 ４６…燃料ガス流路
５０…電位測定センサ ５２…電流検出センサ
５４…導電性プレート ５６、５８…シート部材
６０ａ、６０ｂ…シート状基材 ６２ａ、６２ｂ…電圧印加電極
６４ａ、６４ｂ…電位測定電極
６６ａ、６６ｂ、６８ａ、６８ｂ…導電ライン
７０…外部電圧印加部 ７０ａ…ＤＣ電源
７０ｂ…電圧調整部 ７２…電位検出部
７２ａ…アノード側電圧計 ７２ｂ…カソード側電圧計
７４ａ、７４ｂ…プレート部材 ７８…コア
８０、８２、８４…コイル ８６…交流電源
８８…電流検出器

Claims (1)

1. アノード側電極及びカソード側電極が電解質の両側に設けられた電解質・電極構造体とセパレータとが積層された燃料電池の計測装置であって、
   前記電解質・電極構造体の電極反応面に設けられる複数の電位測定センサと、
   前記電極反応面に隣接して配置される導電性プレートと、
   を備え、
   前記導電性プレートは、前記電極反応面に対応する導電部を前記電位測定センサと同数のセグメントに分割するとともに、
   各セグメント毎に電流検出センサが配設されることを特徴とする燃料電池の計測装置。

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