JP4428046B2

JP4428046B2 - 燃料電池

Info

Publication number: JP4428046B2
Application number: JP2003425175A
Authority: JP
Inventors: 朋範今村; 秀樹柏木
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2003-12-22
Filing date: 2003-12-22
Publication date: 2010-03-10
Anticipated expiration: 2023-12-22
Also published as: JP2005183296A

Description

本発明は、水素と酸素との電気化学反応により電気エネルギーを発生する燃料電池に関するものである。

従来、水素と酸素との電気化学反応により電気エネルギーを発生する燃料電池において、燃料電池運転中に燃料電池の局所電流を測定し、その検出結果に基づいて水素や酸素の供給不足を検出するものが提案されている（例えば、特許文献１参照）。
特開平９−２５９９１３号公報

しかしながら、特許文献１には、燃料電池の局所電流を測定するセンサの具体的構成は示されておらず、現実には燃料電池の局所電流を検出することが困難であった。

本発明は上記点に鑑みて、燃料電池の局所電流を検出可能にすることを目的とする。

上記目的を達成するため、請求項１に記載の発明では、電解質膜の両側に一対の電極が配置されたＭＥＡ（１０）と、水素または酸素が流れる流路が形成されるとともに、ＭＥＡ（１０）の外側に配置された導電性のセパレータ（１１、１２）とを備え、水素と酸素との電気化学反応により電気エネルギーを発生する燃料電池において、セパレータ（１１、１２）における電流貫通方向（Ｘ）の両側面（１１１）に配置された一対の電位測定電極（２０）と、一対の電位測定電極（２０）間の電位差を測定する電位差測定手段（２２）とを備えることを特徴とする。

ここで、セパレータの比抵抗をＲ（Ω・ｃｍ）、一対の電位測定電極間の距離をｔ（ｃｍ）、セパレータにおける一対の電位測定電極に挟まれた部位を流れる電流の密度をＩ（Ａ／ｃｍ^２）とすると、電位測定電極間の電位差Ｖ（ｖ）は、Ｖ＝Ｉ＊Ｒ＊ｔ、で表される。そして、比抵抗Ｒおよび距離ｔは定数値であるので、電位測定電極間の電位差Ｖを測定すれば電流密度Ｉを求めることができる。したがって、請求項１に記載の発明によると、燃料電池の局所電流を検出することができる。

請求項２に記載の発明では、一対の電位測定電極（２０）のうちの一方の電位測定電極は、対向するＭＥＡ（１０）の面の一部に接触していることを特徴とする。これによると、ＭＥＡにおける電位測定電極と接触している部位を流れる局所電流が検出される。

なお、上記各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示すものである。

本発明の一実施形態に係る燃料電池について説明する。図１は一実施形態に係る燃料電池の斜視図、図２は図１の燃料電池におけるセパレータの斜視図、図３は図１の燃料電池におけるセパレータの側面図、図４は図３のＡ−Ａ線に沿う断面図である。

燃料電池１は、水素と酸素との電気化学反応を利用して電力を発生するものである。本実施形態では、燃料電池１として固体高分子電解質型燃料電池を用いており、基本単位となるセルが複数個積層され、且つ電気的に直列接続されている。燃料電池１では、以下の水素と酸素の電気化学反応が起こり電気エネルギが発生する。

（負極側）Ｈ_２→２Ｈ^＋＋２ｅ⁻
（正極側）２Ｈ^＋＋１／２Ｏ_２＋２ｅ⁻→Ｈ_２Ｏ
図１に示すように、燃料電池１の単セルは、電解質膜の両側面に電極が配置されたＭＥＡ（ＭｅｍｂｒａｎｅＥｌｅｃｔｒｏｄｅＡｓｓｅｍｂｌｙ）１０と、このＭＥＡ１０を挟持する空気側セパレータ１１および水素側セパレータ１２で構成されている。

空気側セパレータ１１および水素側セパレータ１２は、カーボン等の導電性部材よりなり、空気側セパレータ１１におけるＭＥＡ１０と対向する面には、空気（酸素）が流れる空気流路が形成され、水素側セパレータ１２におけるＭＥＡ１０と対向する面には、水素が流れる水素流路が形成されている。

図２〜図４に示すように、空気側セパレータ１１における電流貫通方向Ｘの両側面１１１に、カーボン等の導電性部材よりなる一対の電位測定電極２０が対向して配置されている。電位測定電極２０は、空気側セパレータ１１の側面１１１に埋設されており、１つの面２０１のみが空気側セパレータ１１の側面１１１に露出している。この電位測定電極２０の露出面２０１の面積は、空気側セパレータ１１の側面１１１の面積よりも小さく設定されており、ＭＥＡ１０と対向する側の電位測定電極２０の露出面２０１は、ＭＥＡ１０の正極側の面の一部に（すなわち、局所的に）接触し、水素側セパレータ１２と対向する側の電位測定電極２０の露出面２０１は、水素側セパレータ１２と接触するようになっている。

電位測定電極２０において、一対の電位測定電極２０同士が対向する側の面２０２、換言すると、空気側セパレータ１１に埋設された面２０２は、空気側セパレータ１１と電気的に導通している。また、電位測定電極２０の外周側面２０３は、図示しない絶縁部材にて空気側セパレータ１１と絶縁されている。

電位測定電極２０には、絶縁被覆された導線２１が接続されている。また、導線２１の他端側には、一対の電位測定電極２０間の電位差を測定する電圧センサ２２が接続されている。なお、電圧センサ２２は本発明の電位差測定手段に相当する。

上記構成において、燃料電池１への空気および水素の供給により、燃料電池１では電気化学反応により発電が起こり、発電した電力は図示しない負荷に供給される。

その発電電流が空気側セパレータ１１を通過する際、電流の一部は、一方の電位測定電極２０→空気側セパレータ１１における一対の電位測定電極２０に挟まれた部位→他方の電位測定電極２０、の経路を順に流れる。この経路を流れる電流は、ＭＥＡ１０における電位測定電極２０と接触している部位を流れる局所電流に相当する。

ここで、空気側セパレータ１１の比抵抗をＲ（Ω・ｃｍ）、一対の電位測定電極２０間の距離をｔ（ｃｍ）、空気側セパレータ１１における一対の電位測定電極２０に挟まれた部位を流れる電流の密度をＩ（Ａ／ｃｍ^２）とすると、電位測定電極２０間の電位差Ｖ（ｖ）は、Ｖ＝Ｉ＊Ｒ＊ｔ、で表される。そして、比抵抗Ｒおよび距離ｔは定数値であるので、電圧センサ２２により電位測定電極間の電位差Ｖを測定すれば、電流密度Ｉを求めることができ、ひいては、ＭＥＡ１０内の局所電流を検出することができる。
（他の実施形態）
上記実施形態では、空気側セパレータ１１に電位測定電極２０を配置したが、水素側セパレータ１２に電位測定電極２０を配置しても、ＭＥＡ１０内の局所電流を検出することができる。

本発明の一実施形態に係る燃料電池を示す斜視図である。図１の燃料電池におけるセパレータの斜視図である。図１の燃料電池におけるセパレータの側面図である。図３のＡ−Ａ線に沿う断面図である。

符号の説明

１…燃料電池、１０…ＭＥＡ、１１、１２…セパレータ、２０…電位測定電極、２２…電圧センサ（電位差測定手段）、Ｘ…電流貫通方向。

Claims

電解質膜の両側に一対の電極が配置されたＭＥＡ（１０）と、水素または酸素が流れる流路が形成されるとともに、前記ＭＥＡ（１０）の外側に配置された導電性のセパレータ（１１、１２）とを備え、前記水素と前記酸素との電気化学反応により電気エネルギーを発生する燃料電池において、
前記セパレータ（１１、１２）における電流貫通方向（Ｘ）の両側面（１１１）に配置された一対の電位測定電極（２０）と、
前記一対の電位測定電極（２０）間の電位差を測定する電位差測定手段（２２）とを備えることを特徴とする燃料電池。
前記一対の電位測定電極（２０）のうちの一方の電位測定電極は、対向する前記ＭＥＡ（１０）の面の一部に接触していることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池。