JP5694123B2 - Fuel cell - Google Patents

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Description

本発明は、電解質の両側に電極が設けられた電解質・電極構造体と、セパレータとが積層される燃料電池に関する。   The present invention relates to a fuel cell in which an electrolyte / electrode structure in which electrodes are provided on both sides of an electrolyte and a separator are laminated.

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固体高分子電解質膜を採用している。この燃料電池は、固体高分子電解質膜の両側に、それぞれ電極触媒(電極触媒層)と多孔質カーボン(ガス拡散層)からなるアノード電極及びカソード電極を配設した電解質膜・電極構造体(MEA)を、セパレータ(バイポーラ板)によって挟持する発電セルを構成している。通常、燃料電池では、発電セルを所定の数だけ積層した燃料電池スタックが、例えば、車載用燃料電池スタックとして使用されている。   For example, a solid polymer fuel cell employs a solid polymer electrolyte membrane made of a polymer ion exchange membrane. This fuel cell has an electrolyte membrane / electrode structure (MEA) in which an anode electrode and a cathode electrode each made of an electrode catalyst (electrode catalyst layer) and porous carbon (gas diffusion layer) are disposed on both sides of a solid polymer electrolyte membrane. ) Is constituted by a separator (bipolar plate). Normally, in a fuel cell, a fuel cell stack in which a predetermined number of power generation cells are stacked is used as, for example, an in-vehicle fuel cell stack.

この種の燃料電池では、燃料ガスがアノード側からカソード側に固体高分子電解質膜を透過する一方、酸化剤ガスが前記カソード側から前記アノード側に前記固体高分子電解質膜を透過する場合がある。   In this type of fuel cell, fuel gas may pass through the solid polymer electrolyte membrane from the anode side to the cathode side, while oxidant gas may pass through the solid polymer electrolyte membrane from the cathode side to the anode side. .

このため、アノード側及びカソード側では、水素と酸素とが反応して過酸化水素(H)が発生し易い(H+O→H)。この過酸化水素は、電極中のカーボン担体や白金(Pt)上で分解し、例えば、ヒドロキシラジカル(・OH)が発生する。これにより、固体高分子電解質膜及び電極触媒を劣化させるという問題がある。 For this reason, hydrogen and oxygen react with each other on the anode side and the cathode side to easily generate hydrogen peroxide (H 2 O 2 ) (H 2 + O 2 → H 2 O 2 ). This hydrogen peroxide is decomposed on the carbon support or platinum (Pt) in the electrode, and for example, a hydroxy radical (.OH) is generated. Thereby, there exists a problem of deteriorating a solid polymer electrolyte membrane and an electrode catalyst.

そこで、例えば、特許文献1に開示されている燃料電池の電極電位測定装置が知られている。この従来技術では、図15に示すように、単位セル1を一対のセパレータ2で挟持する燃料電池スタックに電極電位測定装置3が組み込まれている。単位セル1は、固体高分子電解質1aを酸素極1bと燃料極1cとにより挟持して構成されている。   Thus, for example, a fuel cell electrode potential measuring device disclosed in Patent Document 1 is known. In this prior art, as shown in FIG. 15, an electrode potential measuring device 3 is incorporated in a fuel cell stack in which a unit cell 1 is sandwiched between a pair of separators 2. The unit cell 1 is configured by sandwiching a solid polymer electrolyte 1a between an oxygen electrode 1b and a fuel electrode 1c.

電極電位測定装置3は、検出部4と、電圧計5と、導線6a、6bとを備えている。検出部4は、酸素極1b内に設けられた検出片4aと、前記検出片4aの表面に接続された検出端子4bと、前記検出端子4bを保護する保護部材4cとを備えている。検出片4aは、酸素極1bの一部を切り出して、絶縁部4dを介して前記酸素極1bから絶縁状態に設けられている。   The electrode potential measuring device 3 includes a detection unit 4, a voltmeter 5, and conducting wires 6a and 6b. The detection unit 4 includes a detection piece 4a provided in the oxygen electrode 1b, a detection terminal 4b connected to the surface of the detection piece 4a, and a protection member 4c that protects the detection terminal 4b. The detection piece 4a is cut out from a part of the oxygen electrode 1b and is provided in an insulated state from the oxygen electrode 1b via an insulating part 4d.

検出片4aは、固体高分子電解質1aに接触し、この固体高分子電解質1aとの間で、イオン導電可能に構成されている。これにより、燃料極1c側に空気(酸素)が偏在した場所での異常電位を検出することができる、としている。   The detection piece 4a is in contact with the solid polymer electrolyte 1a, and is configured to be capable of ionic conduction with the solid polymer electrolyte 1a. Thus, it is possible to detect an abnormal potential at a location where air (oxygen) is unevenly distributed on the fuel electrode 1c side.

特許第4269599号公報Japanese Patent No. 4269599

上記の特許文献1では、検出端子4bが絶縁部4dに周回されて酸素極1bのガス拡散層1bg上に設けられている。このため、ガス拡散層1bgでは、絶縁部4dが配置されている領域内におけるガス拡散性が低下するおそれがある。従って、各セパレータ2のガス流路に対しそれぞれ所望のガスを供給して各種の測定を行う際に、良好な測定精度が得られないという問題がある。   In Patent Document 1, the detection terminal 4b is circulated around the insulating portion 4d and provided on the gas diffusion layer 1bg of the oxygen electrode 1b. For this reason, in the gas diffusion layer 1bg, the gas diffusibility in the region where the insulating portion 4d is disposed may be reduced. Therefore, there is a problem that good measurement accuracy cannot be obtained when various kinds of measurements are performed by supplying a desired gas to the gas flow paths of the respective separators 2.

本発明は、この種の問題を解決するものであり、簡単な構成で、電解質・電極構造体の各種の特性を良好且つ高精度に測定することが可能な燃料電池を提供することを目的とする。   An object of the present invention is to solve this type of problem, and to provide a fuel cell capable of measuring various characteristics of an electrolyte / electrode structure with high accuracy with a simple configuration. To do.

本発明は、電解質の両側に電極が設けられた電解質・電極構造体と、セパレータとが積層される燃料電池に関するものである。この燃料電池は、電解質・電極構造体の側面方向から挿入されて前記電解質・電極構造体の両面に配置される一対の計測用端子部材を備え、少なくとも一方の前記計測用端子部材は、前記電解質・電極構造体の電極面に接触する計測用電極層の一部にガス通過部位を設けている。 The present invention relates to a fuel cell in which an electrolyte / electrode structure in which electrodes are provided on both sides of an electrolyte and a separator are laminated. The fuel cell includes a pair of measurement terminal members that are inserted from the side surface direction of the electrolyte / electrode structure and are disposed on both surfaces of the electrolyte / electrode structure, and at least one of the measurement terminal members includes the electrolyte A gas passage portion is provided in a part of the measurement electrode layer that contacts the electrode surface of the electrode structure.

また、この燃料電池では、計測用電極層は、計測用電極部と絶縁部とを有し、ガス通過部位は、前記計測用電極部及び前記絶縁部に形成された複数本のスリット状切り欠き部位により構成されることが好ましい。   Further, in this fuel cell, the measurement electrode layer has a measurement electrode portion and an insulating portion, and the gas passage portion has a plurality of slit-shaped notches formed in the measurement electrode portion and the insulating portion. It is preferable that the region is constituted.

さらに、この燃料電池では、計測用電極層は、計測用電極部と多孔質絶縁部とを有し、ガス通過部位は、前記計測用電極部に形成された複数の孔部及び前記多孔質絶縁部により構成されることが好ましい。   Further, in this fuel cell, the measurement electrode layer has a measurement electrode portion and a porous insulating portion, and the gas passage portion includes a plurality of holes formed in the measurement electrode portion and the porous insulating portion. It is preferable that it is comprised by a part.

さらにまた、この燃料電池では、電極は、電極触媒層及びガス拡散層を有し、前記電極触媒層は、複数のセグメントに分割されるとともに、計測用端子部材の計測用電極層は、分割された前記電極触媒層と前記ガス拡散層との間に介装されることが好ましい。   Furthermore, in this fuel cell, the electrode has an electrode catalyst layer and a gas diffusion layer, the electrode catalyst layer is divided into a plurality of segments, and the measurement electrode layer of the measurement terminal member is divided. It is preferable that the electrode catalyst layer is interposed between the gas diffusion layer.

本発明によれば、電解質・電極構造体の両面に計測用端子部材が配置されるとともに、少なくとも一方の前記計測用端子部材は、前記電解質・電極構造体の電極面に接触する計測用電極層の一部にガス通過部位を設けている。このため、計測用端子部材の設置部位におけるガス拡散性が有効に向上し、簡単な構成で、電解質・電極構造体の各種の特性を良好且つ高精度に測定することが可能になる。   According to the present invention, the measurement terminal members are arranged on both surfaces of the electrolyte / electrode structure, and at least one of the measurement terminal members is in contact with the electrode surface of the electrolyte / electrode structure. A gas passage region is provided in a part of the gas passage. For this reason, the gas diffusibility at the installation site of the measurement terminal member is effectively improved, and various characteristics of the electrolyte / electrode structure can be measured with good and high accuracy with a simple configuration.

本発明の第1の実施形態に係る燃料電池の要部分解斜視説明図である。It is a principal part disassembled perspective explanatory drawing of the fuel cell which concerns on the 1st Embodiment of this invention. 前記燃料電池を構成する電解質膜・電極構造体の正面説明図である。It is front explanatory drawing of the electrolyte membrane and electrode structure which comprises the said fuel cell. 前記燃料電池の、図1中、III−III線断面図である。It is the III-III sectional view taken on the line of the said fuel cell in FIG. 前記燃料電池を構成する計測用端子部材の斜視説明図である。It is a perspective explanatory view of the measurement terminal member which constitutes the fuel cell. 膜抵抗の算出処理の説明図である。It is explanatory drawing of the calculation process of film | membrane resistance. 前記膜抵抗の算出処理の等価回路の説明図である。It is explanatory drawing of the equivalent circuit of the calculation process of the said film resistance. 水素透過量の算出処理及び有効白金表面積の算出処理の説明図である。It is explanatory drawing of the calculation process of a hydrogen permeation amount, and the calculation process of an effective platinum surface area. 前記水素透過量の算出処理の等価回路の説明図である。It is explanatory drawing of the equivalent circuit of the calculation process of the said hydrogen permeation | transmission amount. 前記有効白金表面積の算出処理の等価回路の説明図である。It is explanatory drawing of the equivalent circuit of the calculation process of the said effective platinum surface area. 過酸化水素の算出処理の説明図である。It is explanatory drawing of the calculation process of hydrogen peroxide. 前記過酸化水素の算出処理の等価回路の説明図である。It is explanatory drawing of the equivalent circuit of the calculation process of the said hydrogen peroxide. 本発明の第2の実施形態に係る燃料電池を構成する計測用端子部材の要部斜視説明図である。It is a principal part perspective explanatory view of the terminal member for measurement which constitutes the fuel cell concerning a 2nd embodiment of the present invention. 本発明の第3の実施形態に係る燃料電池を構成する計測用端子部材の要部斜視説明図である。It is a principal part perspective view of the measurement terminal member 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を構成する計測用端子部材の要部斜視説明図である。It is principal part perspective explanatory drawing of the terminal member for measurement which comprises the fuel cell which concerns on the 4th Embodiment of this invention. 特許文献1の電極電位測定装置を備えた燃料電池スタックの断面説明図である。FIG. 4 is a cross-sectional explanatory diagram of a fuel cell stack including the electrode potential measuring device of Patent Document 1.

図1に示すように、本発明の第1の実施形態に係る燃料電池10は、複数積層されることにより、例えば、燃料電池電気自動車等の燃料電池車両に搭載される車載用燃料電池スタックを構成する。   As shown in FIG. 1, a plurality of fuel cells 10 according to the first embodiment of the present invention are stacked to form an in-vehicle fuel cell stack mounted on a fuel cell vehicle such as a fuel cell electric vehicle. Configure.

燃料電池10は、電解質膜・電極構造体(電解質・電極構造体)12を第1セパレータ14及び第2セパレータ16で挟持する。第1セパレータ14及び第2セパレータ16は、例えば、鋼板、ステンレス鋼板、アルミニウム板、めっき処理鋼板、あるいはその金属表面に防食用の表面処理を施した金属板や、カーボン部材等で構成されている。   In the fuel cell 10, an electrolyte membrane / electrode structure (electrolyte / electrode structure) 12 is sandwiched between a first separator 14 and a second separator 16. The first separator 14 and the second separator 16 are made of, for example, a steel plate, a stainless steel plate, an aluminum plate, a plated steel plate, a metal plate whose surface is subjected to anticorrosion treatment, a carbon member, or the like. .

燃料電池10の矢印C方向(図1中、鉛直方向)の上端縁部には、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入口連通孔18aと、燃料ガス、例えば、水素含有ガスを供給するための燃料ガス入口連通孔20aとが、矢印B方向(水平方向)に配列して設けられる。   An oxidation for supplying an oxidant gas, for example, an oxygen-containing gas, to the upper edge of the fuel cell 10 in the direction of arrow C (vertical direction in FIG. 1) communicates with the direction of arrow A, which is the stacking direction. The agent gas inlet communication hole 18a and the fuel gas inlet communication hole 20a for supplying a fuel gas, for example, a hydrogen-containing gas, are arranged in the arrow B direction (horizontal direction).

燃料電池10の矢印C方向の下端縁部には、矢印A方向に互いに連通して、燃料ガスを排出するための燃料ガス出口連通孔20bと、酸化剤ガスを排出するための酸化剤ガス出口連通孔18bとが、矢印B方向に配列して設けられる。   The lower end edge of the fuel cell 10 in the direction of arrow C communicates with each other in the direction of arrow A, a fuel gas outlet communication hole 20b for discharging fuel gas, and an oxidant gas outlet for discharging oxidant gas The communication holes 18b are arranged in the arrow B direction.

燃料電池10の矢印B方向の一端縁部には、冷却媒体を供給するための一対の冷却媒体入口連通孔22aが設けられるとともに、前記燃料電池10の矢印B方向の他端縁部には、前記冷却媒体を排出するため一対の冷却媒体出口連通孔22bが設けられる。   A pair of cooling medium inlet communication holes 22a for supplying a cooling medium is provided at one end edge of the fuel cell 10 in the arrow B direction, and at the other end edge of the fuel cell 10 in the arrow B direction, A pair of cooling medium outlet communication holes 22b is provided for discharging the cooling medium.

第1セパレータ14の電解質膜・電極構造体12に向かう面14aには、酸化剤ガス入口連通孔18aと酸化剤ガス出口連通孔18bとに連通する酸化剤ガス流路26が設けられる。第2セパレータ16の電解質膜・電極構造体12に向かう面16aには、燃料ガス入口連通孔20aと燃料ガス出口連通孔20bとに連通する燃料ガス流路28が形成される。酸化剤ガス流路26及び燃料ガス流路28は、鉛直方向に向かって酸化剤ガス及び燃料ガスを流通させる。   An oxidant gas flow path 26 communicating with the oxidant gas inlet communication hole 18a and the oxidant gas outlet communication hole 18b is provided on the surface 14a of the first separator 14 facing the electrolyte membrane / electrode structure 12. A fuel gas passage 28 communicating with the fuel gas inlet communication hole 20a and the fuel gas outlet communication hole 20b is formed on the surface 16a of the second separator 16 facing the electrolyte membrane / electrode structure 12. The oxidant gas channel 26 and the fuel gas channel 28 circulate the oxidant gas and the fuel gas in the vertical direction.

第1セパレータ14の面14aとは反対の面14bと、第2セパレータ16の面16aとは反対の面16bとの間には、冷却媒体入口連通孔22aと冷却媒体出口連通孔22bとに連通する冷却媒体流路30が形成される。冷却媒体流路30は、水平方向に向かって冷却媒体を流通させる。   The cooling medium inlet communication hole 22a and the cooling medium outlet communication hole 22b communicate with the surface 14b opposite to the surface 14a of the first separator 14 and the surface 16b opposite to the surface 16a of the second separator 16. A cooling medium flow path 30 is formed. The cooling medium channel 30 circulates the cooling medium in the horizontal direction.

第1セパレータ14の面14a、14bには、この第1セパレータ14の外周端部を周回して、第1シール部材32が一体化されるとともに、第2セパレータ16の面16a、16bには、この第2セパレータ16の外周端部を周回して、第2シール部材34が一体化される。   The first seal member 32 is integrated with the surfaces 14a and 14b of the first separator 14 around the outer peripheral end of the first separator 14, and the surfaces 16a and 16b of the second separator 16 are integrated with each other. The second seal member 34 is integrated around the outer peripheral end of the second separator 16.

第1シール部材32及び第2シール部材34は、例えば、EPDM、NBR、フッ素ゴム、シリコーンゴム、フロロシリコーンゴム、ブチルゴム、天然ゴム、スチレンゴム、クロロプレーン又はアクリルゴム等のシール材、クッション材、あるいはパッキン材が用いられる。   The first seal member 32 and the second seal member 34 are, for example, EPDM, NBR, fluororubber, silicone rubber, fluorosilicone rubber, butyl rubber, natural rubber, styrene rubber, chloroprene or acrylic rubber or the like, cushion material, Alternatively, a packing material is used.

図1及び図2に示すように、電解質膜・電極構造体12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36と、前記固体高分子電解質膜36を挟持するアノード電極38及びカソード電極40とを備える。固体高分子電解質膜36は、フッ素系電解質の他、HC(炭化水素)系電解質が使用されるとともに、アノード電極38及びカソード電極40よりも大きな表面積に設定される。   As shown in FIGS. 1 and 2, the electrolyte membrane / electrode structure 12 includes, for example, a solid polymer electrolyte membrane 36 in which a perfluorosulfonic acid thin film is impregnated with water, and the solid polymer electrolyte membrane 36 sandwiched therebetween. An anode electrode 38 and a cathode electrode 40 are provided. The solid polymer electrolyte membrane 36 uses a HC (hydrocarbon) electrolyte in addition to a fluorine electrolyte, and has a larger surface area than the anode electrode 38 and the cathode electrode 40.

アノード電極38及びカソード電極40は、図3に示すように、固体高分子電解質膜36の両面に接合される電極触媒層38a、40aと、前記電極触媒層38a、40aに配設されるカーボンペーパ等からなるガス拡散層38b、40bとを有する。電極触媒層38a、40aは、固体高分子電解質膜36を挟んで対称な平面形状を有する。電極触媒層38a、40aは、白金合金が表面に担持された多孔質カーボン粒子及びイオン交換成分を固体高分子電解質膜36の両面に一様に塗布して形成される。電極触媒層38a、40aは、それぞれ複数のセグメントに分割形成される(図1及び図2参照)。   As shown in FIG. 3, the anode electrode 38 and the cathode electrode 40 include electrode catalyst layers 38a and 40a bonded to both surfaces of the solid polymer electrolyte membrane 36, and carbon paper disposed on the electrode catalyst layers 38a and 40a. Gas diffusion layers 38b and 40b made of the like. The electrode catalyst layers 38 a and 40 a have a symmetrical planar shape with the solid polymer electrolyte membrane 36 interposed therebetween. The electrode catalyst layers 38 a and 40 a are formed by uniformly applying porous carbon particles having a platinum alloy supported on the surface and an ion exchange component on both surfaces of the solid polymer electrolyte membrane 36. The electrode catalyst layers 38a and 40a are each divided into a plurality of segments (see FIGS. 1 and 2).

電解質膜・電極構造体12の両面には、それぞれ複数の計測用端子部材42、44が、互いに積層方向(矢印A方向)に重なり合って配置される。計測用端子部材42は、アノード電極38側の電極面内に、前記アノード電極38を構成する電極触媒層38aとガス拡散層38bとの間に介装される。図1に示すように、計測用端子部材42は、分割された各電極触媒層38aの中、例えば、矢印B方向外方に配置されるそれぞれ3つずつの前記電極触媒層38aに対応して設けられる。   A plurality of measurement terminal members 42 and 44 are arranged on both surfaces of the electrolyte membrane / electrode structure 12 so as to overlap each other in the stacking direction (arrow A direction). The measurement terminal member 42 is interposed between the electrode catalyst layer 38a and the gas diffusion layer 38b constituting the anode electrode 38 in the electrode surface on the anode electrode 38 side. As shown in FIG. 1, the measurement terminal member 42 corresponds to each of the three electrode catalyst layers 38 a arranged on the outer side in the arrow B direction, for example, among the divided electrode catalyst layers 38 a. Provided.

図3に示すように、計測用端子部材44は、カソード電極40側の電極面内に、前記カソード電極40を構成する電極触媒層40aとガス拡散層40bとの間に介装される。図2に示すように、計測用端子部材44は、分割された各電極触媒層40aの中、例えば、矢印B方向外方に配置されるそれぞれ3つずつの前記電極触媒層40aに対応して設けられる。   As shown in FIG. 3, the measurement terminal member 44 is interposed between the electrode catalyst layer 40a and the gas diffusion layer 40b constituting the cathode electrode 40 in the electrode surface on the cathode electrode 40 side. As shown in FIG. 2, the measurement terminal member 44 corresponds to each of the three electrode catalyst layers 40a, for example, each of the three electrode catalyst layers 40a arranged outward in the direction of the arrow B among the divided electrode catalyst layers 40a. Provided.

図3及び図4に示すように、計測用端子部材42は、アノード電極38の電極触媒層38aに接触する計測用電極部46を備える。計測用電極部46は、矩形状を有し、例えば、金(Au)で形成されるとともに、2本の導電ライン48a、48bに接続される。計測用電極部46及び導電ライン48a、48bを覆って絶縁部50が設けられる。絶縁部50は、例えば、PEM膜やポリスチレン及び耐食性の液晶ポリマー等で形成される。   As shown in FIGS. 3 and 4, the measurement terminal member 42 includes a measurement electrode portion 46 that contacts the electrode catalyst layer 38 a of the anode electrode 38. The measurement electrode portion 46 has a rectangular shape, and is formed of, for example, gold (Au) and connected to the two conductive lines 48a and 48b. An insulating portion 50 is provided so as to cover the measurement electrode portion 46 and the conductive lines 48a and 48b. The insulating unit 50 is formed of, for example, a PEM film, polystyrene, a corrosion-resistant liquid crystal polymer, or the like.

計測用電極部46及び絶縁部50には、積層方向に対して電極触媒層38aに重なる範囲内にガス通過部位、例えば、それぞれ複数本のスリット状切り欠き部位52a、52bが前記積層方向の同一位置に形成される。すなわち、計測用電極部46及び絶縁部50により構成される計測用電極層には、それぞれ複数本のスリット状切り欠き部位52a、52bを介して積層方向(矢印A方向)に貫通するガス通過部位が形成される。スリット状切り欠き部位52a、52bは、燃料ガス流路28での燃料ガスの流れ方向(矢印C1方向)に交差する矢印B方向に長尺である。   In the measurement electrode part 46 and the insulating part 50, gas passage parts, for example, a plurality of slit-like notch parts 52a and 52b, respectively, in the range overlapping the electrode catalyst layer 38a with respect to the stacking direction are the same in the stacking direction. Formed in position. That is, the measurement electrode layer constituted by the measurement electrode unit 46 and the insulating unit 50 has a gas passage site penetrating in the stacking direction (arrow A direction) via a plurality of slit-like cutout sites 52a and 52b. Is formed. The slit-shaped notches 52a and 52b are long in the direction of arrow B intersecting the fuel gas flow direction (arrow C1 direction) in the fuel gas flow path 28.

計測用端子部材44は、カソード電極40の電極触媒層40aに接触する計測用電極部54を備える。計測用電極部54は、矩形状を有し、例えば、金(Au)で形成されるとともに、2本の導電ライン56a、56bに接続される。計測用電極部54及び導電ライン56a、56bを覆って絶縁部58が設けられる。絶縁部58は、例えば、PEM膜やポリスチレン及び耐食性の液晶ポリマー等で形成される。   The measurement terminal member 44 includes a measurement electrode portion 54 that contacts the electrode catalyst layer 40 a of the cathode electrode 40. The measurement electrode unit 54 has a rectangular shape, and is formed of, for example, gold (Au) and is connected to the two conductive lines 56a and 56b. An insulating portion 58 is provided so as to cover the measurement electrode portion 54 and the conductive lines 56a and 56b. The insulating part 58 is formed of, for example, a PEM film, polystyrene, a corrosion-resistant liquid crystal polymer, or the like.

計測用電極部54及び絶縁部58には、積層方向に対して電極触媒層40aに重なる範囲内にガス通過部位、例えば、それぞれ複数本のスリット状切り欠き部位60a、60bが前記積層方向の同一位置に形成される。すなわち、計測用電極部54及び絶縁部58により構成される計測用電極層には、それぞれ複数本のスリット状切り欠き部位60a、60bを介して積層方向(矢印A方向)に貫通するガス通過部位が形成される。スリット状切り欠き部位60a、60bは、酸化剤ガス流路26での酸化剤ガスの流れ方向(矢印C1方向)に交差する矢印B方向に長尺である。   In the measurement electrode portion 54 and the insulating portion 58, gas passage portions, for example, a plurality of slit-shaped notch portions 60a and 60b, respectively, in the range overlapping the electrode catalyst layer 40a with respect to the stacking direction are the same in the stacking direction. Formed in position. That is, in the measurement electrode layer constituted by the measurement electrode portion 54 and the insulating portion 58, the gas passage portion penetrating in the stacking direction (arrow A direction) through the plurality of slit-like cutout portions 60a and 60b, respectively. Is formed. The slit-shaped notches 60a and 60b are long in the direction of arrow B intersecting with the flow direction of the oxidant gas in the oxidant gas flow path 26 (the direction of arrow C1).

なお、第1の実施形態では、計測用端子部材42、44の両方に、ガス通過部位が形成されているが、これに限定されるものではない。例えば、計測用端子部材44のみに、又は計測用端子部材44のみに、ガス通過部位を設けてもよい。また、以下に説明する第2以降の実施形態においても同様である。   In the first embodiment, although the gas passage portions are formed in both of the measurement terminal members 42 and 44, the present invention is not limited to this. For example, the gas passage portion may be provided only on the measurement terminal member 44 or only on the measurement terminal member 44. The same applies to the second and subsequent embodiments described below.

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、酸化剤ガス入口連通孔18aには、酸素含有ガス等の酸化剤ガス(例えば、空気)が供給されるとともに、燃料ガス入口連通孔20aには、水素含有ガス等の燃料ガス(例えば、水素ガス)が供給される。また、冷却媒体入口連通孔22aには、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 (for example, air) such as an oxygen-containing gas is supplied to the oxidant gas inlet communication hole 18a, and a hydrogen-containing gas or the like is supplied to the fuel gas inlet communication hole 20a. Fuel gas (for example, hydrogen gas) is supplied. A cooling medium such as pure water or ethylene glycol is supplied to the cooling medium inlet communication hole 22a.

酸化剤ガスは、酸化剤ガス入口連通孔18aから第1セパレータ14の酸化剤ガス流路26に導入され、矢印C方向に移動して電解質膜・電極構造体12のカソード電極40に供給される。一方、燃料ガスは、燃料ガス入口連通孔20aから第2セパレータ16の燃料ガス流路28に導入される。燃料ガスは、燃料ガス流路28に沿って矢印C方向に移動し、電解質膜・電極構造体12のアノード電極38に供給される。   The oxidant gas is introduced from the oxidant gas inlet communication hole 18 a into the oxidant gas flow path 26 of the first separator 14, moves in the direction of arrow C, and is supplied to the cathode electrode 40 of the electrolyte membrane / electrode structure 12. . On the other hand, the fuel gas is introduced into the fuel gas flow path 28 of the second separator 16 from the fuel gas inlet communication hole 20a. The fuel gas moves in the direction of arrow C along the fuel gas flow path 28 and is supplied to the anode electrode 38 of the electrolyte membrane / electrode structure 12.

従って、各電解質膜・電極構造体12では、カソード電極40に供給される酸化剤ガスと、アノード電極38に供給される燃料ガスとが、電極触媒層40a、38a内で電気化学反応により消費されて発電が行われる。   Therefore, in each electrolyte membrane / electrode structure 12, the oxidant gas supplied to the cathode electrode 40 and the fuel gas supplied to the anode electrode 38 are consumed by an electrochemical reaction in the electrode catalyst layers 40a and 38a. Power generation.

次いで、カソード電極40に供給されて少なくとも一部が消費された酸化剤ガスは、酸化剤ガス出口連通孔18bに沿って矢印A方向に排出される。同様に、アノード電極38に供給されて少なくとも一部が消費された燃料ガスは、燃料ガス出口連通孔20bに沿って矢印A方向に排出される。   Next, the oxidant gas that has been supplied to the cathode electrode 40 and at least partially consumed is discharged in the direction of arrow A along the oxidant gas outlet communication hole 18b. Similarly, the fuel gas that is supplied to the anode electrode 38 and is at least partially consumed is discharged in the direction of arrow A along the fuel gas outlet communication hole 20b.

また、冷却媒体入口連通孔22aに供給された冷却媒体は、第1セパレータ14と第2セパレータ16との間の冷却媒体流路30に導入された後、矢印B方向に流通する。この冷却媒体は、電解質膜・電極構造体12を冷却した後、冷却媒体出口連通孔22bから排出される。   The cooling medium supplied to the cooling medium inlet communication hole 22 a is introduced into the cooling medium flow path 30 between the first separator 14 and the second separator 16 and then flows in the direction of arrow B. This cooling medium is discharged from the cooling medium outlet communication hole 22b after the electrolyte membrane / electrode structure 12 is cooled.

次いで、電解質膜・電極構造体12の膜抵抗(膜厚方向の抵抗値)を検出する方法について、以下に説明する。   Next, a method for detecting the membrane resistance (resistance value in the film thickness direction) of the electrolyte membrane / electrode structure 12 will be described below.

先ず、図5に示すように、アノード電極38には、加湿された水素ガス(燃料ガス)が供給されるとともに、カソード電極40には、加湿された空気(酸化剤ガス)が供給されて、発電が行われている。   First, as shown in FIG. 5, humidified hydrogen gas (fuel gas) is supplied to the anode electrode 38, and humidified air (oxidant gas) is supplied to the cathode electrode 40. Power generation is taking place.

一方、計測用端子部材42及び44では、図6の等価回路に示すように、交流4端子法によるインピーダンス測定が行われる。計測用端子部材42は、一方の導電ライン48aが電圧計測用とし、他方の導電ライン48bが交流電流源として使用される。計測用端子部材44は、一方の導電ライン56aが電圧計測用とし、他方の導電ライン56bが交流電流源として使用される。そして、固体高分子電解質膜36の膜抵抗値(R)が算出され、電解質膜・電極構造体12の発電面全面の膜抵抗値が得られるとともに、前記膜抵抗値から発電面全面の含水分布が測定される。   On the other hand, as shown in the equivalent circuit of FIG. 6, the measurement terminal members 42 and 44 perform impedance measurement by the AC four-terminal method. In the measurement terminal member 42, one conductive line 48a is used for voltage measurement, and the other conductive line 48b is used as an alternating current source. In the measurement terminal member 44, one conductive line 56a is used for voltage measurement, and the other conductive line 56b is used as an alternating current source. Then, the membrane resistance value (R) of the solid polymer electrolyte membrane 36 is calculated to obtain the membrane resistance value over the entire power generation surface of the electrolyte membrane / electrode structure 12, and the moisture content distribution over the entire power generation surface from the membrane resistance value. Is measured.

この場合、第1の実施形態では、図4に示すように、計測用電極部46及び絶縁部50により構成される計測用電極層には、それぞれ複数本のスリット状切り欠き部位52a、52bを介して積層方向(矢印A方向)に貫通するガス通過部位が形成されている。同様に、計測用電極部54及び絶縁部58により構成される計測用電極層には、それぞれ複数本のスリット状切り欠き部位60a、60bを介して積層方向(矢印A方向)に貫通するガス通過部位が形成されている。   In this case, in the first embodiment, as shown in FIG. 4, a plurality of slit-shaped notch portions 52 a and 52 b are provided on the measurement electrode layer constituted by the measurement electrode portion 46 and the insulating portion 50, respectively. A gas passage portion penetrating in the stacking direction (arrow A direction) is formed. Similarly, the measurement electrode layer composed of the measurement electrode portion 54 and the insulating portion 58 passes through the gas passing through in the stacking direction (arrow A direction) via a plurality of slit-shaped cutout portions 60a and 60b, respectively. A site is formed.

このため、電解質膜・電極構造体12では、計測用電極部46が配置されている領域内にも、スリット状切り欠き部位52a、52bを介して水素ガスを良好に供給することができるとともに、計測用電極部54が配置されている領域内にも、スリット状切り欠き部位60a、60bを介して空気を供給することが可能になる。従って、計測用端子部材42、44の設置部位におけるガス拡散性が有効に向上し、簡単な構成で、電解質膜・電極構造体12の発電面全面の膜抵抗値を良好且つ高精度に測定することが可能になるという効果が得られる。   For this reason, in the electrolyte membrane / electrode structure 12, hydrogen gas can be satisfactorily supplied to the region where the measurement electrode portion 46 is disposed via the slit-shaped cutout portions 52a and 52b, It is possible to supply air also into the region where the measurement electrode unit 54 is disposed through the slit-shaped cutout portions 60a and 60b. Therefore, the gas diffusibility at the installation site of the measurement terminal members 42 and 44 is effectively improved, and the membrane resistance value on the entire power generation surface of the electrolyte membrane / electrode structure 12 can be measured with good and high accuracy with a simple configuration. The effect that it becomes possible is acquired.

しかも、金属線等とは異なり、計測対象の面積を規定できるため、単位面積当たりの電気的情報を正確に得ることができる。その上、電解質膜・電極構造体12のMEA面方向に広がるセンサ構造であるため、前記電解質膜・電極構造体12が積層された状態で、測定が可能であり、該電解質膜・電極構造体12の解析を良好に遂行することができる。   Moreover, unlike a metal wire or the like, the area to be measured can be defined, so that electrical information per unit area can be obtained accurately. In addition, since the sensor structure extends in the MEA surface direction of the electrolyte membrane / electrode structure 12, measurement can be performed in a state where the electrolyte membrane / electrode structure 12 is laminated. Twelve analyzes can be performed satisfactorily.

また、第1の実施形態では、サイクリックボルタンメトリ(CV)による電気化学測定を用いて、電流−電位曲線を取得することができる。   In the first embodiment, a current-potential curve can be obtained using electrochemical measurement by cyclic voltammetry (CV).

さらに、図7に示すように、アノード電極38には、加湿された水素ガス(燃料ガス)が供給されるとともに、カソード電極40には、加湿された窒素ガスが供給されて、前記アノード電極38側への水素透過量の算出や、有効白金表面積の算出が行われる。具体的には、図8には、水素透過量を算出する際に等価回路が示される一方、図9には、有効白金表面積を算出する際の等価回路が示されている。その際、計測された電流値から、水素透過量や有効白金表面積が算出される。   Further, as shown in FIG. 7, humidified hydrogen gas (fuel gas) is supplied to the anode electrode 38, and humidified nitrogen gas is supplied to the cathode electrode 40. The amount of hydrogen permeation to the side and the effective platinum surface area are calculated. Specifically, FIG. 8 shows an equivalent circuit when calculating the hydrogen permeation amount, while FIG. 9 shows an equivalent circuit when calculating the effective platinum surface area. At that time, the hydrogen permeation amount and the effective platinum surface area are calculated from the measured current value.

さらにまた、図10には、過酸化水素の算出を行う際のガス供給方法が示されるとともに、図11には、前記過酸化水素の算出を行う際の等価回路が示されている。過酸化水素の算出を行う際には、図10に示すように、アノード電極38には、加湿された水素ガス(燃料ガス)が供給される一方、カソード電極40には、先ず、加湿された窒素ガスが供給されている。次に、カソード電極40には、加湿された空気(酸化剤ガス)が供給されている。このため、図11に示すように、計測された電流値から過酸化水素量が算出される。   Furthermore, FIG. 10 shows a gas supply method when calculating hydrogen peroxide, and FIG. 11 shows an equivalent circuit when calculating hydrogen peroxide. When calculating the hydrogen peroxide, as shown in FIG. 10, humidified hydrogen gas (fuel gas) is supplied to the anode electrode 38, while the cathode electrode 40 is first humidified. Nitrogen gas is supplied. Next, humidified air (oxidant gas) is supplied to the cathode electrode 40. For this reason, as shown in FIG. 11, the hydrogen peroxide amount is calculated from the measured current value.

これにより、第1の実施形態では、計測用端子部材42、44の設置部位におけるガス拡散性が有効に向上し、簡単な構成で、電解質膜・電極構造体12の各種の特性を良好且つ高精度に測定することが可能になる。   Thereby, in the first embodiment, the gas diffusibility at the installation site of the measurement terminal members 42 and 44 is effectively improved, and various characteristics of the electrolyte membrane / electrode structure 12 are excellent and high with a simple configuration. It becomes possible to measure with high accuracy.

図12は、本発明の第2の実施形態に係る燃料電池70を構成する計測用端子部材72、74の要部斜視説明図である。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以降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. 12 is a perspective explanatory view of main parts of the measurement terminal members 72 and 74 constituting the fuel cell 70 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 and subsequent embodiments described below, detailed description thereof is omitted.

計測用端子部材72は、アノード電極38の電極触媒層38aに接触する計測用電極部76を備えるとともに、前記計測用電極部76及び絶縁部50には、それぞれ複数本のスリット状切り欠き部位78a、78bが積層方向の同一位置に形成される。スリット状切り欠き部位78a、78bの先端側は、外部に開放される。   The measurement terminal member 72 includes a measurement electrode portion 76 that is in contact with the electrode catalyst layer 38a of the anode electrode 38. The measurement electrode portion 76 and the insulating portion 50 each have a plurality of slit-shaped cutout portions 78a. 78b are formed at the same position in the stacking direction. The leading ends of the slit-shaped notches 78a and 78b are opened to the outside.

計測用端子部材74は、カソード電極40の電極触媒層40aに接触する計測用電極部80を備えるとともに、前記計測用電極部80及び絶縁部58には、それぞれ複数本のスリット状切り欠き部位82a、82bが積層方向の同一位置に形成される。スリット状切り欠き部位82a、82bの先端側は、外部に開放される。   The measurement terminal member 74 includes a measurement electrode portion 80 that contacts the electrode catalyst layer 40a of the cathode electrode 40, and the measurement electrode portion 80 and the insulating portion 58 each include a plurality of slit-shaped cutout portions 82a. , 82b are formed at the same position in the stacking direction. The leading end sides of the slit-shaped cutout portions 82a and 82b are opened to the outside.

このため、第2の実施形態では、計測用端子部材72、74のガス通過部位の先端が外部に開放されており、特に水滴が排出され易くなる。従って、滞留水による短絡の発生を可及的に抑制することが可能になるという効果が得られる。   For this reason, in 2nd Embodiment, the front-end | tip of the gas passage part of the measurement terminal members 72 and 74 is open | released outside, and it becomes easy to discharge | emit especially a water droplet. Therefore, the effect that it becomes possible to suppress the generation | occurrence | production of the short circuit by stagnant water as much as possible is acquired.

図13は、本発明の第3の実施形態に係る燃料電池90を構成する計測用端子部材92、94の要部斜視説明図である。   FIG. 13 is an explanatory perspective view of main parts of the measurement terminal members 92 and 94 constituting the fuel cell 90 according to the third embodiment of the present invention.

計測用端子部材92は、アノード電極38の電極触媒層38aに接触する計測用電極部96を備えるとともに、前記計測用電極部96及び絶縁部50には、それぞれ複数本のスリット状切り欠き部位98a、98bが積層方向の同一位置に形成される。スリット状切り欠き部位98a、98bは、燃料ガス流れ方向に平行な矢印C方向に延在する。   The measurement terminal member 92 includes a measurement electrode portion 96 that contacts the electrode catalyst layer 38a of the anode electrode 38. The measurement electrode portion 96 and the insulating portion 50 each include a plurality of slit-shaped cutout portions 98a. 98b are formed at the same position in the stacking direction. The slit-shaped notches 98a and 98b extend in the direction of arrow C parallel to the fuel gas flow direction.

計測用端子部材94は、カソード電極40の電極触媒層40aに接触する計測用電極部100を備えるとともに、前記計測用電極部100及び絶縁部58には、それぞれ複数本のスリット状切り欠き部位102a、102bが積層方向の同一位置に形成される。スリット状切り欠き部位102a、102bは、酸化剤ガス流れ方向に平行な矢印C方向に延在する。   The measurement terminal member 94 includes a measurement electrode portion 100 that contacts the electrode catalyst layer 40a of the cathode electrode 40, and the measurement electrode portion 100 and the insulating portion 58 each have a plurality of slit-shaped cutout portions 102a. , 102b are formed at the same position in the stacking direction. The slit-shaped notches 102a and 102b extend in the direction of arrow C parallel to the oxidant gas flow direction.

このように構成される第3の実施形態では、計測用端子部材92、94の設置部位におけるガス拡散性が有効に向上し、簡単な構成で、電解質膜・電極構造体12の各種の特性を良好且つ高精度に測定することが可能になる等、上記の第1の実施形態と同様の効果が得られる。   In the third embodiment configured as described above, the gas diffusibility at the installation site of the measurement terminal members 92 and 94 is effectively improved, and various characteristics of the electrolyte membrane / electrode structure 12 can be obtained with a simple configuration. The same effects as those of the first embodiment can be obtained, for example, it is possible to perform measurement with good accuracy.

図14は、本発明の第4の実施形態に係る燃料電池110を構成する計測用端子部材112、114の要部斜視説明図である。   FIG. 14 is an explanatory perspective view of the main part of the measurement terminal members 112 and 114 constituting the fuel cell 110 according to the fourth embodiment of the present invention.

計測用端子部材112は、アノード電極38の電極触媒層38aに接触する計測用電極部116を備えるとともに、前記計測用電極部116には、複数の孔部118が形成される。絶縁部50には、計測用電極部116に対応して多孔質絶縁部位120が設けられ、多孔質絶縁部位120及び複数の孔部118によりガス通過部位が構成される。   The measurement terminal member 112 includes a measurement electrode portion 116 that contacts the electrode catalyst layer 38 a of the anode electrode 38, and a plurality of holes 118 are formed in the measurement electrode portion 116. The insulating part 50 is provided with a porous insulating part 120 corresponding to the measurement electrode part 116, and the porous insulating part 120 and the plurality of holes 118 constitute a gas passage part.

計測用端子部材114は、アノード電極38の電極触媒層38aに接触する計測用電極部122を備えるとともに、前記計測用電極部122には、複数の孔部124が形成される。絶縁部58には、計測用電極部122に対応して多孔質絶縁部位126が設けられ、多孔質絶縁部位126及び複数の孔部124によりガス通過部位が構成される。   The measurement terminal member 114 includes a measurement electrode portion 122 that contacts the electrode catalyst layer 38 a of the anode electrode 38, and a plurality of hole portions 124 are formed in the measurement electrode portion 122. The insulating part 58 is provided with a porous insulating part 126 corresponding to the measurement electrode part 122, and the porous insulating part 126 and the plurality of hole parts 124 constitute a gas passage part.

このように構成される第4の実施形態では、通電距離が可及的に短尺化するとともに、空孔面積を最大化することができる。しかも、ガス透過性が良好になる等の効果が得られる。   In the fourth embodiment configured as described above, the energization distance can be shortened as much as possible and the hole area can be maximized. Moreover, effects such as good gas permeability can be obtained.

10、70、90、110…燃料電池 12…電解質膜・電極構造体
14、16…セパレータ 18a…酸化剤ガス入口連通孔
18b…酸化剤ガス出口連通孔 20a…燃料ガス入口連通孔
20b…燃料ガス出口連通孔 22a…冷却媒体入口連通孔
22b…冷却媒体出口連通孔 26…酸化剤ガス流路
28…燃料ガス流路 30…冷却媒体流路
36…固体高分子電解質膜 38…アノード電極
38a、40a…電極触媒層 38b、40b…ガス拡散層
40…カソード電極
42、44、72、74、92、94、112、114…計測用端子部材
46、54、76、80、96、100、116、122…計測用電極部
48a、48b、56a、56b…導電ライン
50、58…絶縁部
52a、52b、60a、60b、78a、78b、82a、82b、98a、98b、102a、102b…スリット状切り欠き部位
118、124…孔部
120、126…多孔質絶縁部位
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10, 70, 90, 110 ... Fuel cell 12 ... Electrolyte membrane electrode assembly 14, 16 ... Separator 18a ... Oxidant gas inlet communication hole 18b ... Oxidant gas outlet communication hole 20a ... Fuel gas inlet communication hole 20b ... Fuel gas Outlet communication hole 22a ... Cooling medium inlet communication hole 22b ... Cooling medium outlet communication hole 26 ... Oxidant gas flow path 28 ... Fuel gas flow path 30 ... Cooling medium flow path 36 ... Solid polymer electrolyte membrane 38 ... Anode electrodes 38a, 40a ... Electrode catalyst layer 38b, 40b ... Gas diffusion layer 40 ... Cathode electrode 42, 44, 72, 74, 92, 94, 112, 114 ... Measurement terminal members 46, 54, 76, 80, 96, 100, 116, 122 ... Measurement electrode parts 48a, 48b, 56a, 56b ... Conductive lines 50, 58 ... Insulating parts 52a, 52b, 60a, 60b, 78a, 78b, 82a, 8 b, 98a, 98b, 102a, 102b ... slit-shaped cutout portions 118, 124 ... holes 120, 126 ... porous insulating portion

Claims (4)

電解質の両側に電極が設けられた電解質・電極構造体と、セパレータとが積層される燃料電池であって、
前記電解質・電極構造体の側面方向から挿入されて前記電解質・電極構造体の両面に配置される一対の計測用端子部材を備え、
少なくとも一方の前記計測用端子部材は、前記電解質・電極構造体の電極面に接触する計測用電極層の一部にガス通過部位を設けることを特徴とする燃料電池。
A fuel cell in which an electrolyte / electrode structure in which electrodes are provided on both sides of an electrolyte and a separator are laminated,
A pair of measurement terminal members that are inserted from the side surface direction of the electrolyte / electrode structure and disposed on both surfaces of the electrolyte / electrode structure,
The fuel cell according to claim 1, wherein at least one of the measurement terminal members is provided with a gas passage portion in a part of the measurement electrode layer in contact with the electrode surface of the electrolyte / electrode structure.
請求項1記載の燃料電池において、前記計測用電極層は、計測用電極部と絶縁部とを有し、
前記ガス通過部位は、前記計測用電極部及び前記絶縁部に形成された複数本のスリット状切り欠き部位により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 measurement electrode layer has a measurement electrode portion and an insulating portion,
2. The fuel cell according to claim 1, wherein the gas passage part is constituted by a plurality of slit-shaped notch parts formed in the measurement electrode part and the insulating part.
請求項1記載の燃料電池において、前記計測用電極層は、計測用電極部と多孔質絶縁部とを有し、
前記ガス通過部位は、前記計測用電極部に形成された複数の孔部及び前記多孔質絶縁部により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 measurement electrode layer includes a measurement electrode portion and a porous insulating portion,
The fuel cell according to claim 1, wherein the gas passage portion includes a plurality of holes formed in the measurement electrode unit and the porous insulating unit.
請求項1〜3のいずれか1項に記載の燃料電池において、前記電極は、電極触媒層及びガス拡散層を有し、前記電極触媒層は、複数のセグメントに分割されるとともに、
前記計測用端子部材の前記計測用電極層は、分割された前記電極触媒層と前記ガス拡散層との間に介装されることを特徴とする燃料電池。
The fuel cell according to any one of claims 1 to 3, wherein the electrode includes an electrode catalyst layer and a gas diffusion layer, and the electrode catalyst layer is divided into a plurality of segments.
The fuel cell, wherein the measurement electrode layer of the measurement terminal member is interposed between the divided electrode catalyst layer and the gas diffusion layer.
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