JP4505315B2 - Fuel cell - Google Patents

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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、セパレータとを積層するとともに、前記アノード側電極に沿って燃料ガスを供給する燃料ガス流路と、前記カソード側電極に沿って酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス流路が形成される燃料電池に関する。   The present invention comprises a fuel gas flow path for laminating an electrolyte / electrode structure in which an anode side electrode and a cathode side electrode are provided on both sides of an electrolyte, and a separator, and supplying fuel gas along the anode side electrode, The present invention also relates to a fuel cell in which an oxidant gas flow path for supplying an oxidant gas along the cathode side electrode is formed.

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)の両側に、それぞれアノード側電極及びカソード側電極を対設した電解質膜・電極構造体(電解質・電極構造体)を、セパレータによって挟持した単位セルを備えている。この種の燃料電池は、通常、所定の数の単位セルを積層することにより、燃料電池スタックとして使用されている。   For example, a polymer electrolyte fuel cell has an electrolyte membrane / electrode structure (electrolyte / electrode structure) in which an anode side electrode and a cathode side electrode are respectively provided on both sides of an electrolyte membrane (electrolyte) made of a polymer ion exchange membrane. ) Is held by a separator. This type of fuel cell is normally used as a fuel cell stack by stacking a predetermined number of unit cells.

この燃料電池において、アノード側電極には、燃料ガス、例えば、主に水素を含有するガス(以下、水素含有ガスともいう)が供給される一方、カソード側電極には、酸化剤ガス、例えば、主に酸素を含有するガスあるいは空気(以下、酸素含有ガスともいう)が供給されている。アノード側電極に供給された燃料ガスは、電極触媒上で水素がイオン化され、電解質膜を介してカソード側電極側へと移動する。その間に生じた電子は外部回路に取り出され、直流の電気エネルギとして利用される。   In this fuel cell, a fuel gas, for example, a gas mainly containing hydrogen (hereinafter also referred to as hydrogen-containing gas) is supplied to the anode side electrode, while an oxidant gas, for example, A gas or air mainly containing oxygen (hereinafter also referred to as oxygen-containing gas) is supplied. In the fuel gas supplied to the anode side electrode, hydrogen is ionized on the electrode catalyst and moves to the cathode side electrode side through the electrolyte membrane. Electrons generated during that time are taken out to an external circuit and used as direct current electric energy.

ところで、上記の燃料電池に供給される燃料ガス量は、通常、気体用流量計で計測され、前記燃料電池の運転時における負荷に対応した燃料ガス量が、常時、該燃料電池に供給されるように制御されている。   Incidentally, the amount of fuel gas supplied to the fuel cell is usually measured by a gas flow meter, and the amount of fuel gas corresponding to the load during operation of the fuel cell is always supplied to the fuel cell. So that it is controlled.

この場合、燃料電池を車載用として使用するためには、コストの削減や小型化を図るべく、前記燃料電池に供給される燃料ガス量を計測するための機器類(気体用流量計等)を省略する必要がある。   In this case, in order to use the fuel cell for in-vehicle use, in order to reduce the cost and reduce the size, equipment (such as a gas flow meter) for measuring the amount of fuel gas supplied to the fuel cell is used. Must be omitted.

しかしながら、燃料電池に対して発電に必要な燃料ガス量が供給されているか否かを検出する手段がないため、特に、高負荷運転時にはストイキ不足(燃料ガス不足)が発生し易い。これにより、燃料電池の発電性能が著しく低下してしまうというおそれがある。   However, since there is no means for detecting whether or not the fuel gas amount required for power generation is supplied to the fuel cell, a stoichiometric shortage (fuel gas shortage) is likely to occur particularly during high-load operation. Thereby, there exists a possibility that the electric power generation performance of a fuel cell may fall remarkably.

そこで、例えば、特許文献1の燃料電池制御システムが知られている。図12に示すように、このシステムを用いて制御が行われる燃料電池1は、電解質2と、この電解質2の一方の面に接合される燃料極3と、前記電解質2の他方の面に接合される図示しない空気極と、集電体4とを備えている。   Therefore, for example, a fuel cell control system disclosed in Patent Document 1 is known. As shown in FIG. 12, the fuel cell 1 controlled using this system includes an electrolyte 2, a fuel electrode 3 joined to one surface of the electrolyte 2, and a joint to the other surface of the electrolyte 2. An air electrode (not shown) and a current collector 4 are provided.

電解質2と集電体4との間に絶縁体5aが介装されるとともに、前記集電体4の他方の面には、絶縁体5bを介装してフランジ6が配設されている。燃料極3の端部近傍には、フランジ6から電解質2の表面まで貫通孔7が形成され、この貫通孔7を介して前記電解質2の表面に参照極(参照電極)8が設けられている。   An insulator 5a is interposed between the electrolyte 2 and the current collector 4, and a flange 6 is disposed on the other surface of the current collector 4 with an insulator 5b interposed. A through hole 7 is formed near the end of the fuel electrode 3 from the flange 6 to the surface of the electrolyte 2, and a reference electrode (reference electrode) 8 is provided on the surface of the electrolyte 2 through the through hole 7. .

参照極8には、導線8aが接続されており、この導線8aは、貫通孔7に配設されている内管9a内に挿入されるとともに、前記内管9aと同軸的に外管9bが配設されている。この内管9aの内部には、水素が導入される一方、外管9bの内部と前記内管9aの外部との間に水素が排出されている。   A conductive wire 8a is connected to the reference electrode 8. The conductive wire 8a is inserted into an inner tube 9a disposed in the through hole 7, and an outer tube 9b is coaxially connected to the inner tube 9a. It is arranged. While hydrogen is introduced into the inner tube 9a, hydrogen is discharged between the inside of the outer tube 9b and the outside of the inner tube 9a.

特開2001−338667号公報(図1)JP 2001-338667 A (FIG. 1)

しかしながら、上記の従来技術では、アノード電位が約0.3Vとかなり高圧になっているため、性能が相当に低下している。通常の発電状態では、アノード反応が理想的に行われていれば、アノード電位は略0Vになるからである。従って、アノード電位が低レベルな通常の発電時には、参照極8により精度よく測定することが困難になるという問題がある。   However, in the above prior art, since the anode potential is as high as about 0.3 V, the performance is considerably lowered. This is because, in a normal power generation state, if the anode reaction is ideally performed, the anode potential is approximately 0V. Therefore, there is a problem that it is difficult to measure accurately with the reference electrode 8 during normal power generation with a low anode potential.

しかも、フランジ6から電解質2の表面まで貫通孔7が形成されるとともに、この貫通孔7に内管9a及び外管9bが配設され、前記電解質2の表面に設けられた参照極8の導線8aが前記内管9a内に挿入されている。このため、従来技術では、単位セルである燃料電池1のみに採用されるものであり、前記燃料電池1が複数積層された燃料電池スタックには適用することができないという問題がある。   In addition, a through hole 7 is formed from the flange 6 to the surface of the electrolyte 2, and an inner tube 9 a and an outer tube 9 b are disposed in the through hole 7, and the lead wire of the reference electrode 8 provided on the surface of the electrolyte 2. 8a is inserted into the inner tube 9a. For this reason, the conventional technology is employed only for the fuel cell 1 that is a unit cell, and cannot be applied to a fuel cell stack in which a plurality of the fuel cells 1 are stacked.

本発明はこの種の問題を解決するものであり、簡単且つ経済的な構成で、参照電極による検出精度を有効に向上させることが可能な燃料電池を提供することを目的とする。   The present invention solves this type of problem, and an object thereof is to provide a fuel cell capable of effectively improving detection accuracy by a reference electrode with a simple and economical configuration.

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、セパレータとを積層するとともに、前記アノード側電極に沿って燃料ガスを供給する燃料ガス流路と、前記カソード側電極に沿って酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス流路が形成される燃料電池である。   The present invention provides a fuel gas flow path for laminating an electrolyte / electrode structure in which an anode side electrode and a cathode side electrode are provided on both sides of an electrolyte, and a separator, and supplying fuel gas along the anode side electrode, The fuel cell is formed with an oxidant gas flow path for supplying an oxidant gas along the cathode side electrode.

そして、少なくとも燃料ガス流路の入口近傍又は出口近傍には、アノード側電極が除去された第1領域及びカソード側電極が除去された第2領域が、電解質を挟んで互いに対向して設けられ、前記第1領域には、電解質に接触して参照電極が配設されるとともに、前記第1領域は、前記第2領域よりも小さな表面積に設定され且つ積層方向に対して該第2領域内に配置されている。   Then, at least in the vicinity of the inlet or outlet of the fuel gas flow path, a first region from which the anode-side electrode has been removed and a second region from which the cathode-side electrode has been removed are provided facing each other across the electrolyte, In the first region, a reference electrode is disposed in contact with the electrolyte, and the first region is set to have a smaller surface area than the second region and is in the second region with respect to the stacking direction. Has been placed.

また、第2領域には、多孔質状の補強部材が設けられることが好ましい。カソード側電極が除去されて剛性が低下した第2領域に対応し、電解質を良好に補強することができるからである。   Moreover, it is preferable that a porous reinforcing member is provided in the second region. This is because the electrolyte can be reinforced favorably in response to the second region where the cathode side electrode is removed and the rigidity is lowered.

さらに、アノード側電極側に配置されるセパレータには、第1領域を覆って絶縁部材が設けられるとともに、カソード側電極側に配置されるセパレータには、第2領域を覆って絶縁部材が設けられることが好ましい。測定に影響し易い不要な電位が発生することを阻止するためである。   Further, the separator disposed on the anode side electrode side is provided with an insulating member so as to cover the first region, and the separator disposed on the cathode side electrode side is provided with an insulating member so as to cover the second region. It is preferable. This is to prevent an unnecessary potential that easily affects measurement.

さらにまた、参照電極と外部測定器とを連結する導電部材を設けるとともに、前記導電部材は、少なくとも前記参照電極との接合部位が平板状に構成されることが好ましい。積層方向に締め付け荷重が作用する際に、線状導電部材のように圧力が集中することがなく、抵抗が有効に低減されるとともに、電解質・電極構造体を保護することが可能になる。   Furthermore, it is preferable that a conductive member for connecting the reference electrode and the external measuring device is provided, and that at least a joint portion of the conductive member with the reference electrode is formed in a flat plate shape. When a tightening load is applied in the stacking direction, pressure does not concentrate unlike the linear conductive member, resistance is effectively reduced, and the electrolyte / electrode structure can be protected.

また、導電部材は、電解質・電極構造体に平行して外部に延在するとともに、前記導電部材の一部又は全部を覆ってシール部材が設けられることが好ましい。シール性の向上を図るためである。   The conductive member preferably extends to the outside in parallel with the electrolyte / electrode structure, and a seal member is provided to cover a part or all of the conductive member. This is to improve the sealing performance.

さらに、参照電極の端面とアノード側電極の端面との間隙には、絶縁部材が介装されることが好ましい。参照電極とアノード側電極との間隙に、水溜まり部が発生することを阻止するためである。   Furthermore, an insulating member is preferably interposed in the gap between the end face of the reference electrode and the end face of the anode side electrode. This is to prevent a water pool from occurring in the gap between the reference electrode and the anode side electrode.

本発明によれば、参照電極が配設される第1領域は、積層方向に対して第2領域内に配置されるため、前記参照電極は、カソード側電極から離間してアノード側電極に近接している。従って、参照電極は、カソード側電極の電位による影響を有効に低減することができ、参照アノード電位を高精度且つ安定して検出することが可能になる。   According to the present invention, since the first region in which the reference electrode is disposed is disposed in the second region with respect to the stacking direction, the reference electrode is spaced apart from the cathode side electrode and close to the anode side electrode. is doing. Therefore, the reference electrode can effectively reduce the influence of the potential of the cathode side electrode, and the reference anode potential can be detected with high accuracy and stability.

これにより、電解質・電極構造体の劣化の要因となるアノード側電極の異常を瞬時に検出することができ、燃料電池の耐久性を大幅に向上させることが可能になる。   As a result, it is possible to instantaneously detect an abnormality of the anode side electrode that causes deterioration of the electrolyte / electrode structure, and it is possible to greatly improve the durability of the fuel cell.

図1は、本発明の第1の実施形態に係る燃料電池10の要部分解斜視図であり、図2は、前記燃料電池10の、図1中、II−II線断面説明図である。   FIG. 1 is an exploded perspective view of main parts of a fuel cell 10 according to a first embodiment of the present invention, and FIG. 2 is a cross-sectional explanatory view taken along the line II-II in FIG.

燃料電池10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金属セパレータ16、18とを備える。第1及び第2金属セパレータ16、18は、例えば、鋼板、ステンレス鋼板、アルミニウム板、あるいはめっき処理鋼板や表面に防食処理を施した金属薄板等を用い、プレス成形により所望の薄板形状に成形されている。なお、第1及び第2金属セパレータ16、18に代替して、例えば、カーボンセパレータを使用してもよい。   The fuel cell 10 includes an electrolyte membrane / electrode structure (electrolyte / electrode structure) 14, and first and second metal separators 16 and 18 that sandwich the electrolyte membrane / electrode structure 14. The first and second metal separators 16 and 18 are formed into a desired thin plate shape by press molding using, for example, a steel plate, a stainless steel plate, an aluminum plate, a plated steel plate or a metal thin plate having a surface subjected to anticorrosion treatment. ing. For example, a carbon separator may be used instead of the first and second metal separators 16 and 18.

燃料電池10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。   One end edge of the fuel cell 10 in the direction of arrow B (horizontal direction in FIG. 1) communicates with each other in the direction of arrow A, which is the stacking direction, and oxidant for supplying an oxidant gas, for example, an oxygen-containing gas An agent gas supply communication hole 20a, a cooling medium supply communication hole 22a for supplying a cooling medium, and a fuel gas discharge communication hole 24b for discharging a fuel gas, for example, a hydrogen-containing gas, are provided in the direction of arrow C (vertical). Direction).

燃料電池10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。   The other end edge of the fuel cell 10 in the direction of arrow B communicates with each other in the direction of arrow A, and a fuel gas supply communication hole 24a for supplying fuel gas, and a cooling medium discharge communication for discharging the cooling medium. The holes 22b and the oxidant gas discharge communication holes 20b for discharging the oxidant gas are arranged in the direction of the arrow C.

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、該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。   The electrolyte membrane / electrode structure 14 includes, for example, a solid polymer electrolyte membrane 26 in which a perfluorosulfonic acid thin film is impregnated with water, and a cathode side electrode 28 and an anode side electrode 30 that sandwich the solid polymer electrolyte membrane 26. With.

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ー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ガス拡散層34a、34bの表面に一様に塗布して形成される。   As shown in FIG. 2, the cathode side electrode 28 and the anode side electrode 30 are disposed on the electrode catalyst layers 32a and 32b bonded to both surfaces of the solid polymer electrolyte membrane 26 and the electrode catalyst layers 32a and 32b. Gas diffusion layers 34a and 34b made of carbon paper or the like. The electrode catalyst layers 32a and 32b are formed by uniformly applying porous carbon particles carrying a platinum alloy on the surface thereof to the surfaces of the gas diffusion layers 34a and 34b.

電解質膜・電極構造体14のアノード側には、燃料ガス供給連通孔24aの近傍に位置してアノード側電極30が部分的に除去された第1領域36aが設けられる。電解質膜・電極構造体14のカソード側には、燃料ガス供給連通孔24aの近傍に位置してカソード側電極28が部分的に除去された第2領域36bが設けられる。   On the anode side of the electrolyte membrane / electrode structure 14, a first region 36 a is provided in the vicinity of the fuel gas supply communication hole 24 a where the anode side electrode 30 is partially removed. On the cathode side of the electrolyte membrane / electrode structure 14, a second region 36 b is provided in the vicinity of the fuel gas supply communication hole 24 a where the cathode side electrode 28 is partially removed.

第1領域36aは、第2領域36bよりも小さな表面積に設定され且つ積層方向(矢印A方向)に対して前記第2領域36b内に配置される。具体的には、図3に示すように、第1及び第2領域36a、36bは、例えば、矩形状を有している。第1領域36aの矢印B方向の寸法H1及び矢印C方向の寸法H2は、第2領域36bの矢印B方向の寸法H3及び矢印C方向の寸法H4に対して、寸法H1<寸法H3及び寸法H2<寸法H4の関係に設定される。   The first region 36a is set to have a smaller surface area than the second region 36b and is disposed in the second region 36b with respect to the stacking direction (the direction of arrow A). Specifically, as shown in FIG. 3, the first and second regions 36a and 36b have, for example, a rectangular shape. The dimension H1 in the arrow B direction and the dimension H2 in the arrow C direction of the first area 36a are dimension H1 <dimension H3 and dimension H2 with respect to the dimension H3 in the arrow B direction and the dimension H4 in the arrow C direction of the second area 36b. <The relationship of dimension H4 is set.

第1領域36aには、固体高分子電解質膜26に接触して参照電極38が配設される。参照電極38は、拡散層40を有する可逆水素電極を構成しており、この参照電極38には、図示しない外部測定器に連結された導電部材42が接続される。導電部材42は、少なくとも参照電極38との接合部位が平板状に構成され、例えば、リボン状の白金が採用される。参照電極38の端面とアノード側電極30の端面との間隙には、絶縁部材、例えば、液状シール(シール部材)44aが充填される。導電部材42は、電解質膜・電極構造体14に平行して外部に延在するとともに、前記導電部材42の一部を覆って液状シール(シール部材)44bが設けられる。   In the first region 36a, a reference electrode 38 is disposed in contact with the solid polymer electrolyte membrane 26. The reference electrode 38 constitutes a reversible hydrogen electrode having a diffusion layer 40, and a conductive member 42 connected to an external measuring device (not shown) is connected to the reference electrode 38. The conductive member 42 has at least a joining portion with the reference electrode 38 formed in a flat plate shape, and, for example, ribbon-shaped platinum is adopted. The gap between the end face of the reference electrode 38 and the end face of the anode side electrode 30 is filled with an insulating member, for example, a liquid seal (seal member) 44a. The conductive member 42 extends to the outside in parallel with the electrolyte membrane / electrode structure 14, and a liquid seal (seal member) 44 b is provided to cover a part of the conductive member 42.

図2に示すように、第2領域36bには、多孔質状の補強部材46が設けられる。この補強部材46は、例えば、網状のポリテトラフルオロエチレン(PTFE)製シートにより構成される。補強部材46の端面とカソード側電極28の端面との間隙には、絶縁部材として液状シール(シール部材)44cが充填される。   As shown in FIG. 2, a porous reinforcing member 46 is provided in the second region 36b. The reinforcing member 46 is made of, for example, a net-like polytetrafluoroethylene (PTFE) sheet. The gap between the end face of the reinforcing member 46 and the end face of the cathode side electrode 28 is filled with a liquid seal (seal member) 44c as an insulating member.

第2金属セパレータ18には、第1領域36aを覆って参照電極38を絶縁する絶縁テープ(絶縁部材)48aが設けられるとともに、第1金属セパレータ16には、第2領域36bを覆って補強部材46を絶縁する絶縁テープ(絶縁部材)48bが設けられる。   The second metal separator 18 is provided with an insulating tape (insulating member) 48a that covers the first region 36a and insulates the reference electrode 38, and the first metal separator 16 covers the second region 36b and is a reinforcing member. An insulating tape (insulating member) 48b for insulating 46 is provided.

このように構成される燃料電池10の動作について、以下に説明する。   The operation of the fuel cell 10 configured as described above will be described below.

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。   As shown in FIG. 1, an oxidant gas such as an oxygen-containing gas is supplied to the oxidant gas supply communication hole 20a, and a fuel gas such as a hydrogen-containing gas is supplied to the fuel gas supply communication hole 24a. Further, a coolant such as pure water or ethylene glycol is supplied to the coolant supply passage 22a.

酸化剤ガスは、第1金属セパレータ16に設けられている酸化剤ガス流路50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金属セパレータ18の燃料ガス流路56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。   The oxidant gas is introduced into the oxidant gas flow path 50 provided in the first metal separator 16 and moves along the cathode side electrode 28 constituting the electrolyte membrane / electrode structure 14. On the other hand, the fuel gas supplied to the fuel gas supply communication hole 24 a is introduced into the fuel gas flow path 56 of the second metal separator 18 and moves along the anode side electrode 30 constituting the electrolyte membrane / electrode structure 14. .

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。   Accordingly, in each electrolyte membrane / electrode structure 14, the oxidant gas supplied to the cathode side electrode 28 and the fuel gas supplied to the anode side electrode 30 are subjected to an electrochemical reaction in the electrode catalyst layers 32 a and 32 b. It is consumed and power is generated.

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。   Next, the oxidant gas consumed by being supplied to the cathode side electrode 28 is discharged to the oxidant gas discharge communication hole 20b. Similarly, the fuel gas supplied to and consumed by the anode side electrode 30 is discharged to the fuel gas discharge communication hole 24b.

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金属セパレータ16、18間の冷却媒体流路52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。   The cooling medium supplied to the cooling medium supply communication hole 22 a is introduced into the cooling medium flow path 52 between the first and second metal separators 16 and 18. The cooling medium cools the electrolyte membrane / electrode structure 14 and then is discharged into the cooling medium discharge communication hole 22b.

この場合、第1の実施形態では、図示しない外部測定器により導電部材42を介して参照電極38の参照アノード電位と、アノード側電極30のアノード電位とが入力され、その電位差が計測される。その際、参照電極38が配置される第1領域36aに対して、カソード側電極28の第2領域36bが相対的に大きな表面積に設定されている。このため、参照電極38とアノード側電極30との電極距離に対して、前記参照電極38とカソード側電極28との電極距離が相当に大きな値となっている。   In this case, in the first embodiment, the reference anode potential of the reference electrode 38 and the anode potential of the anode side electrode 30 are input via the conductive member 42 by an external measuring device (not shown), and the potential difference is measured. At this time, the second region 36b of the cathode side electrode 28 is set to have a relatively large surface area with respect to the first region 36a where the reference electrode 38 is disposed. For this reason, the electrode distance between the reference electrode 38 and the cathode side electrode 28 is considerably larger than the electrode distance between the reference electrode 38 and the anode side electrode 30.

ここで、参照電極38とアノード側電極30及びカソード側電極28との位置関係と、前記参照電極38による測定参照アノード電位との関係が、図4及び図5に模式的に例示されている。   Here, the positional relationship between the reference electrode 38, the anode side electrode 30, and the cathode side electrode 28 and the relationship between the measured reference anode potential by the reference electrode 38 are schematically illustrated in FIGS.

通常の運転時において、アノード側電極30とカソード側電極28との間には、固体高分子電解質膜26を介して電位差Vが発生している。このため、図4の実施例に示すように、参照電極38がアノード側電極30に近接するに従って、この参照電極38により測定される参照アノード電位とカソード電位との電位差V1は、電位差Vに近似することになる。   During normal operation, a potential difference V is generated between the anode side electrode 30 and the cathode side electrode 28 via the solid polymer electrolyte membrane 26. Therefore, as shown in the embodiment of FIG. 4, the potential difference V1 between the reference anode potential and the cathode potential measured by the reference electrode 38 approximates the potential difference V as the reference electrode 38 approaches the anode side electrode 30. Will do.

これに対して、図5の比較例に示すように、参照電極38がアノード側電極30とカソード側電極28との略中央に配置されていると、この参照電極38による測定電位である参照アノード電位とカソード電位の電位差V2が相当に小さくなる。すなわち、参照電極38は、カソード側電極28の電位による影響を受け易い。これにより、参照電極38は、カソード側電極28の電位によって変動してしまい、アノード側電極30の微妙な電位上昇を検出することができない。   On the other hand, as shown in the comparative example of FIG. 5, when the reference electrode 38 is arranged at substantially the center of the anode side electrode 30 and the cathode side electrode 28, the reference anode is a potential measured by the reference electrode 38. The potential difference V2 between the potential and the cathode potential is considerably reduced. That is, the reference electrode 38 is easily affected by the potential of the cathode side electrode 28. As a result, the reference electrode 38 varies depending on the potential of the cathode side electrode 28, and a subtle increase in potential of the anode side electrode 30 cannot be detected.

従って、第1の実施形態では、参照電極38をカソード側電極28から離間させてアノード側電極30に近接して配置することにより、前記カソード側電極28の電位による影響を有効に低減することができ、前記アノード側電極30の微妙な電位変化を高精度且つ安定して検出することが可能になる。   Therefore, in the first embodiment, the influence of the potential of the cathode side electrode 28 can be effectively reduced by disposing the reference electrode 38 away from the cathode side electrode 28 and in proximity to the anode side electrode 30. In addition, a subtle potential change of the anode side electrode 30 can be detected with high accuracy and stability.

このため、第1の実施形態では、電解質膜・電極構造体14の劣化の要因となるアノード側電極30の異常を瞬時に検出することができ、燃料電池10の耐久性を大幅に向上させることが可能になるという効果が得られる。   For this reason, in the first embodiment, it is possible to instantaneously detect an abnormality of the anode side electrode 30 that causes the deterioration of the electrolyte membrane / electrode structure 14 and to greatly improve the durability of the fuel cell 10. Can be obtained.

ここで、燃料電池10を用いて、電流密度の増加と参照アノード電位との関係を検出する実験を行った。その結果が、図6に示されている。その際、燃料電池10の温度は70℃であって、通常の運転条件下で性能を測定した。これにより、電流密度が増加するのに従って、参照アノード電位も増加した。この場合、電位レベルは僅かであって、電流に対する電位の傾向も測定することができた。   Here, using the fuel cell 10, an experiment was performed to detect the relationship between the increase in current density and the reference anode potential. The result is shown in FIG. At that time, the temperature of the fuel cell 10 was 70 ° C., and the performance was measured under normal operating conditions. This increased the reference anode potential as the current density increased. In this case, the potential level was slight, and the tendency of the potential with respect to the current could be measured.

さらに、水素のストイキを減少させ、アノードストイキ不足(燃料ガス不足)の状態で、参照アノード電位を測定する実験を行った。その結果、図7に示すように、ストイキ不足が起こり始めると、参照アノード電位が急激に上昇し、燃料電池10における異常反応を、高精度且つ迅速に検出することができた。   Further, an experiment was conducted in which the reference anode potential was measured in a state where the stoichiometry of hydrogen was reduced and the anode stoichiometry was insufficient (fuel gas was insufficient). As a result, as shown in FIG. 7, when the stoichiometric shortage began to occur, the reference anode potential increased rapidly, and an abnormal reaction in the fuel cell 10 could be detected with high accuracy and speed.

また、第1の実施形態では、図3に示すように、参照電極38から延在する導電部材42が平板状(リボン状)に構成されており、この導電部材42に積層方向の締め付け荷重が作用する際、線状導電部材のように圧力が集中することがない。このため、抵抗が有効に低減されるとともに、電解質膜・電極構造体14を保護することが可能になる。   In the first embodiment, as shown in FIG. 3, the conductive member 42 extending from the reference electrode 38 is configured in a flat plate shape (ribbon shape), and a tightening load in the stacking direction is applied to the conductive member 42. When acting, the pressure does not concentrate unlike the linear conductive member. Therefore, the resistance is effectively reduced and the electrolyte membrane / electrode structure 14 can be protected.

さらに、導電部材42は、電解質膜・電極構造体14に平行して外部に延在するとともに、この導電部材42を覆って液状シール44bが設けられている。従って、導電部材42のシール性を確実に向上させることができる。   Further, the conductive member 42 extends to the outside in parallel with the electrolyte membrane / electrode structure 14, and a liquid seal 44 b is provided to cover the conductive member 42. Therefore, the sealing performance of the conductive member 42 can be reliably improved.

さらにまた、参照電極38の端面とアノード側電極30の端面との隙間には、液状シール44aが介装されており、この隙間に水溜まり部が発生することを阻止することが可能になる。   Furthermore, a liquid seal 44 a is interposed in the gap between the end face of the reference electrode 38 and the end face of the anode side electrode 30, and it is possible to prevent a water pool from occurring in this gap.

また、第1金属セパレータ16の第2領域36bには、多孔質状の補強部材46が設けられている。このため、カソード側電極28が部分的に除去されて剛性が低下した第2領域36bに対応し、固体高分子電解質膜26を良好に補強することができる。   In addition, a porous reinforcing member 46 is provided in the second region 36 b of the first metal separator 16. Therefore, the solid polymer electrolyte membrane 26 can be favorably reinforced corresponding to the second region 36b in which the cathode side electrode 28 is partially removed and the rigidity is lowered.

さらに、第1及び第2金属セパレータ16、18には、補強部材46及び参照電極38を絶縁するための絶縁テープ48b、48aが設けられている。これにより、測定に影響し易い不要な電位が発生することを、確実に阻止することが可能になる。   Furthermore, the first and second metal separators 16 and 18 are provided with insulating tapes 48b and 48a for insulating the reinforcing member 46 and the reference electrode 38, respectively. As a result, it is possible to reliably prevent the generation of an unnecessary potential that easily affects measurement.

図8は、本発明の第2の実施形態に係る燃料電池を構成する電解質膜・電極構造体70の要部拡大説明図である。なお、第1の実施形態に係る燃料電池10と同一の構成要素には同一の参照符号を付して、その詳細な説明は省略する。また、以下に説明する第3〜第5の実施形態においても同様に、その詳細な説明は省略する。   FIG. 8 is an enlarged explanatory view of a main part of an electrolyte membrane / electrode structure 70 constituting a fuel cell according to the second embodiment of the present invention. The same components as those of the fuel cell 10 according to the first embodiment are denoted by the same reference numerals, and detailed description thereof is omitted. Similarly, in the third to fifth embodiments described below, detailed description thereof is omitted.

電解質膜・電極構造体70では、アノード側電極30を部分的に矩形状に切り抜いて第1領域72aが形成される一方、カソード側電極28を部分的に矩形状に切り抜いて第2領域72bが形成される。第1領域72aには、参照電極38が配設されるとともに、前記第1領域72aは、第2領域72bよりも小さな表面積に設定され且つ積層方向に対して前記第2領域72b内に配置される。   In the electrolyte membrane / electrode structure 70, the anode-side electrode 30 is partially cut out in a rectangular shape to form a first region 72a, while the cathode-side electrode 28 is partially cut out in a rectangular shape to form a second region 72b. It is formed. The reference electrode 38 is disposed in the first region 72a, and the first region 72a is set to have a smaller surface area than the second region 72b and is disposed in the second region 72b with respect to the stacking direction. The

図9は、本発明の第3の実施形態に係る燃料電池を構成する電解質膜・電極構造体80の要部拡大説明図である。   FIG. 9 is an enlarged explanatory view of a main part of an electrolyte membrane / electrode structure 80 constituting a fuel cell according to the third embodiment of the present invention.

この電解質膜・電極構造体80は、アノード側電極30に円形状の第1領域82aが設けられる一方、カソード側電極28に円形状の第2領域82bが設けられる。第1領域82aには、円盤上の参照電極38aが配設されるとともに、前記第1領域82aは、第2領域82bよりも小さな表面積に設定され且つ積層方向に対して前記第2領域82b内に配置される。   In the electrolyte membrane / electrode structure 80, the anode-side electrode 30 is provided with a circular first region 82 a, while the cathode-side electrode 28 is provided with a circular second region 82 b. A reference electrode 38a on a disk is disposed in the first region 82a, and the first region 82a is set to have a smaller surface area than the second region 82b and is in the second region 82b with respect to the stacking direction. Placed in.

このように構成される第2及び第3の実施形態では、参照電極38、38aがカソード側電極28から離間しており、参照アノード電位を高精度且つ安定して検出することができる等、第1の実施形態と同様の効果が得られる。   In the second and third embodiments configured as described above, the reference electrodes 38 and 38a are separated from the cathode side electrode 28, and the reference anode potential can be detected with high accuracy and stability. The same effect as that of the first embodiment can be obtained.

図10は、本発明の第4の実施形態に係る燃料電池90の分解斜視説明図である。   FIG. 10 is an exploded perspective view of a fuel cell 90 according to the fourth embodiment of the present invention.

この燃料電池90を構成する電解質膜・電極構造体92は、アノード側に燃料ガス供給連通孔24aの近傍及び燃料ガス排出連通孔24bの近傍に位置して第1領域36aが設けられる。各第1領域36aには、参照電極38がそれぞれ配設される。カソード側には、燃料ガス供給連通孔24aの近傍及び燃料ガス排出連通孔24bの近傍に位置して第2領域36bが設けられる。   The electrolyte membrane / electrode structure 92 constituting the fuel cell 90 is provided with a first region 36a on the anode side in the vicinity of the fuel gas supply communication hole 24a and in the vicinity of the fuel gas discharge communication hole 24b. A reference electrode 38 is disposed in each first region 36a. On the cathode side, a second region 36b is provided in the vicinity of the fuel gas supply communication hole 24a and in the vicinity of the fuel gas discharge communication hole 24b.

このように構成される第4の実施形態では、燃料ガス供給連通孔24aの近傍及び燃料ガス排出連通孔24bの近傍に、それぞれ参照電極38が設けられるため、電極面内の状態差も検出することが可能になる。これにより、電極面積が大きい燃料電池90に対しても、一層耐久性の向上を図ることが可能になるという効果が得られる。   In the fourth embodiment configured as described above, since the reference electrode 38 is provided in the vicinity of the fuel gas supply communication hole 24a and in the vicinity of the fuel gas discharge communication hole 24b, a state difference in the electrode plane is also detected. It becomes possible. As a result, the effect of further improving the durability of the fuel cell 90 having a large electrode area can be obtained.

図11は、本発明の第5の実施形態に係る燃料電池100を矢印A方向に積層した燃料電池スタック102の斜視説明図である。   FIG. 11 is a perspective explanatory view of a fuel cell stack 102 in which fuel cells 100 according to the fifth embodiment of the present invention are stacked in the direction of arrow A. FIG.

この燃料電池スタック102は、複数の燃料電池100の積層方向両端にターミナルプレート104a、104b、絶縁プレート106a、106b及びエンドプレート108a、108bが積層されて、矢印A方向に締め付け保持されている。燃料電池スタック102では、例えば、積層方向中央側の燃料電池100と、積層方向両端部の燃料電池100とに、前述した第1〜第4の実施形態のいずれかが採用される。   In the fuel cell stack 102, terminal plates 104a and 104b, insulating plates 106a and 106b, and end plates 108a and 108b are stacked at both ends in the stacking direction of the plurality of fuel cells 100, and are clamped and held in the direction of arrow A. In the fuel cell stack 102, for example, any of the first to fourth embodiments described above is employed for the fuel cell 100 at the center in the stacking direction and the fuel cells 100 at both ends in the stacking direction.

これにより、燃料電池スタック102において、積層方向に沿った状態差異も把握することができ、前記燃料電池スタック102全体を最適な運転状態に維持することが可能になる。しかも、各燃料電池100の電圧をモニタする必要がなく、部品点数を大幅に削減することができ、経済的であるという効果が得られる。   Thereby, in the fuel cell stack 102, the state difference along the stacking direction can also be grasped, and the entire fuel cell stack 102 can be maintained in an optimum operation state. In addition, there is no need to monitor the voltage of each fuel cell 100, the number of parts can be greatly reduced, and the effect of being economical can be obtained.

本発明の第1の実施形態に係る燃料電池の分解斜視説明図である。1 is an exploded perspective view of a fuel cell according to a first embodiment of the present invention. 前記燃料電池の、図1中、II−II線断面図である。It is the II-II sectional view taken on the line of the said fuel cell in FIG. 前記燃料電池を構成する電解質膜・電極構造体の要部拡大説明図である。FIG. 2 is an enlarged explanatory view of a main part of an electrolyte membrane / electrode structure constituting the fuel cell. 参照電極がアノード側電極に近接した状態の電位模式図である。It is a potential schematic diagram in a state where the reference electrode is close to the anode side electrode. 前記参照電極がカソード側電極と前記アノード側電極との中央に配置された状態の電位模式図である。It is an electric potential schematic diagram in the state where the reference electrode is arranged at the center of the cathode side electrode and the anode side electrode. 電流密度と参照アノード電位との関係説明図である。FIG. 6 is a diagram illustrating the relationship between current density and reference anode potential. アノードストイキと参照アノード電位との説明図である。It is explanatory drawing of an anode stoichiometry and a reference anode electric potential. 本発明の第2の実施形態に係る燃料電池を構成する電解質膜・電極構造体の要部拡大説明図である。It is a principal part expansion explanatory drawing of the electrolyte membrane and electrode structure which comprises the fuel cell which concerns on the 2nd Embodiment of this invention. 本発明の第3の実施形態に係る燃料電池を構成する電解質膜・電極構造体の要部拡大説明図である。It is a principal part expansion explanatory drawing of the electrolyte membrane and electrode structure which comprises the fuel cell which concerns on the 3rd Embodiment of this invention. 本発明の第4の実施形態に係る燃料電池の分解斜視説明図である。It is a disassembled perspective explanatory drawing of the fuel cell which concerns on the 4th Embodiment of this invention. 本発明の第5の実施形態に係る燃料電池が積層された燃料電池スタックの斜視説明図である。FIG. 10 is a perspective explanatory view of a fuel cell stack in which fuel cells according to a fifth embodiment of the present invention are stacked. 特許文献1の燃料電池専用システムが適用される燃料電池の概略説明図である。It is a schematic explanatory drawing of the fuel cell to which the fuel cell exclusive system of patent document 1 is applied.

符号の説明Explanation of symbols

10、90、100…燃料電池
14、70、80、92…電解質膜・電極構造体
16、18…金属セパレータ 20a…酸化剤ガス供給連通孔
20b…酸化剤ガス排出連通孔 22a…冷却媒体供給連通孔
22b…冷却媒体排出連通孔 24a…燃料ガス供給連通孔
24b…燃料ガス排出連通孔 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
36a、36b、72a、72b、82a、82b…領域
38、38a…参照電極 40…拡散層
42…導電部材 44a〜44c…液状シール
46…補強部材 48a、48b…絶縁テープ
102…燃料電池スタック

DESCRIPTION OF SYMBOLS 10, 90, 100 ... Fuel cell 14, 70, 80, 92 ... Electrolyte membrane electrode assembly 16, 18 ... Metal separator 20a ... Oxidant gas supply communication hole 20b ... Oxidant gas discharge communication hole 22a ... Cooling medium supply communication Hole 22b ... Cooling medium discharge communication hole 24a ... Fuel gas supply communication hole 24b ... Fuel gas discharge communication hole 26 ... Solid polymer electrolyte membrane 28 ... Cathode side electrode 30 ... Anode side electrodes 32a, 32b ... Electrode catalyst layers 34a, 34b ... Gas diffusion layers 36a, 36b, 72a, 72b, 82a, 82b ... regions 38, 38a ... reference electrode 40 ... diffusion layer 42 ... conductive member 44a-44c ... liquid seal 46 ... reinforcing member 48a, 48b ... insulating tape 102 ... fuel cell stack

Claims (9)

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、セパレータとを積層するとともに、前記アノード側電極に沿って燃料ガスを供給する燃料ガス流路と、前記カソード側電極に沿って酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス流路が形成される燃料電池であって、
少なくとも前記燃料ガス流路の入口近傍又は出口近傍には、前記アノード側電極が部分的に除去された第1領域及び前記カソード側電極が部分的に除去された第2領域が、前記電解質を挟んで互いに対向して設けられ、
前記第1領域には、前記電解質に接触して参照電極が配設されるとともに、前記第1領域は、前記第2領域よりも小さな表面積に設定され且つ積層方向に対して該第2領域内に配置される一方、
前記第2領域には、多孔質状の補強部材が設けられることを特徴とする燃料電池。
An anode electrode and a cathode electrode provided on both sides of the electrolyte, a separator, and a fuel gas flow path for supplying a fuel gas along the anode electrode; and the cathode side A fuel cell in which an oxidant gas flow path for supplying an oxidant gas along an electrode is formed,
At least in the vicinity of the inlet or outlet of the fuel gas flow path, the first region from which the anode side electrode is partially removed and the second region from which the cathode side electrode is partially removed sandwich the electrolyte. Provided opposite to each other,
In the first region, a reference electrode is disposed in contact with the electrolyte, and the first region is set to have a surface area smaller than that of the second region and is within the second region with respect to the stacking direction. while disposed,
A fuel cell , wherein a porous reinforcing member is provided in the second region .
請求項1記載の燃料電池において、前記アノード側電極側に配置されるセパレータには、前記第1領域を覆って絶縁部材が設けられるとともに、
前記カソード側電極側に配置されるセパレータには、前記第2領域を覆って絶縁部材が設けられることを特徴とする燃料電池。
A fuel cell according to claim 1 Symbol placement, the separator arranged on the anode side, together with the insulating member is provided to cover the first region,
The fuel cell according to claim 1, wherein the separator disposed on the cathode side electrode side is provided with an insulating member so as to cover the second region.
請求項1又は2記載の燃料電池において、前記参照電極と外部測定器とを連結する導電部材が設けられるとともに、
前記導電部材は、少なくとも前記参照電極との接合部位が平板状に構成されることを特徴とする燃料電池。
The fuel cell according to claim 1 or 2 , wherein a conductive member that connects the reference electrode and an external measuring device is provided,
The fuel cell according to claim 1, wherein the conductive member is configured to have at least a joining portion with the reference electrode in a flat plate shape.
請求項記載の燃料電池において、前記導電部材は、前記電解質・電極構造体に平行して外部に延在するとともに、
前記導電部材の一部又は全部を覆ってシール部材が設けられることを特徴とする燃料電池。
4. The fuel cell according to claim 3 , wherein the conductive member extends to the outside in parallel with the electrolyte / electrode structure,
A fuel cell, wherein a seal member is provided to cover a part or all of the conductive member.
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、セパレータとを積層するとともに、前記アノード側電極に沿って燃料ガスを供給する燃料ガス流路と、前記カソード側電極に沿って酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス流路が形成される燃料電池であって、
少なくとも前記燃料ガス流路の入口近傍又は出口近傍には、前記アノード側電極が部分的に除去された第1領域及び前記カソード側電極が部分的に除去された第2領域が、前記電解質を挟んで互いに対向して設けられ、
前記第1領域には、前記電解質に接触して参照電極が配設されるとともに、前記第1領域は、前記第2領域よりも小さな表面積に設定され且つ積層方向に対して該第2領域内に配置される一方、
記参照電極の端面と前記アノード側電極の端面との間隙には、絶縁部材が介装されることを特徴とする燃料電池。
An anode electrode and a cathode electrode provided on both sides of the electrolyte, a separator, and a fuel gas flow path for supplying a fuel gas along the anode electrode; and the cathode side A fuel cell in which an oxidant gas flow path for supplying an oxidant gas along an electrode is formed,
At least in the vicinity of the inlet or outlet of the fuel gas flow path, the first region from which the anode side electrode is partially removed and the second region from which the cathode side electrode is partially removed sandwich the electrolyte. Provided opposite to each other,
In the first region, a reference electrode is disposed in contact with the electrolyte, and the first region is set to have a surface area smaller than that of the second region and is within the second region with respect to the stacking direction. While placed in
The gap between the end surface of the the end surface of the front Symbol reference electrode anode, a fuel cell, wherein an insulating member is interposed.
請求項5記載の燃料電池において、前記第2領域には、多孔質状の補強部材が設けられることを特徴とする燃料電池。6. The fuel cell according to claim 5, wherein a porous reinforcing member is provided in the second region. 請求項5又は6記載の燃料電池において、前記アノード側電極側に配置されるセパレータには、前記第1領域を覆って絶縁部材が設けられるとともに、The fuel cell according to claim 5 or 6, wherein the separator disposed on the anode side electrode side is provided with an insulating member so as to cover the first region,
前記カソード側電極側に配置されるセパレータには、前記第2領域を覆って絶縁部材が設けられることを特徴とする燃料電池。The fuel cell, wherein the separator disposed on the cathode side electrode side is provided with an insulating member so as to cover the second region.
請求項5乃至7のいずれか1項に記載の燃料電池において、前記参照電極と外部測定器とを連結する導電部材が設けられるとともに、The fuel cell according to any one of claims 5 to 7, wherein a conductive member that connects the reference electrode and an external measuring device is provided,
前記導電部材は、少なくとも前記参照電極との接合部位が平板状に構成されることを特徴とする燃料電池。The fuel cell according to claim 1, wherein the conductive member is configured to have a flat plate shape at least at a junction with the reference electrode.
請求項8記載の燃料電池において、前記導電部材は、前記電解質・電極構造体に平行して外部に延在するとともに、9. The fuel cell according to claim 8, wherein the conductive member extends to the outside in parallel with the electrolyte / electrode structure,
前記導電部材の一部又は全部を覆ってシール部材が設けられることを特徴とする燃料電池。A fuel cell, wherein a seal member is provided to cover part or all of the conductive member.
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