JP5829580B2 - 燃料電池用電位測定装置 - Google Patents

Description

本発明は、電解質膜の両側に、それぞれ電極が設けられた電解質膜・電極構造体と、セパレータとが積層される燃料電池の電位を測定する燃料電池用電位測定装置に関する。

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。

この種の燃料電池において、アノード電極には、燃料ガス、例えば、主に水素を含有するガスが供給される一方、カソード電極には、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が供給されている。アノード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ーとして利用されている。

その際、燃料電池に対して、発電に必要な燃料ガス量（及び酸化剤ガス量）が供給されているか否かを検出する必要がある。このため、例えば、特許文献１に開示されている燃料電池が知られている。

この燃料電池は、図９に示すように、セパレータ１における電流貫通方向（Ｘ）の両側面１ａ、１ｂに配置された一対の電位測定電極２と、前記一対の電位測定電極２間の電位差を測定する電位差測定手段３とを備えている。電位差測定手段３は、一対の電位測定電極２に各導線４を介して接続された電位センサ５を備えている。

そして、セパレータ１における一対の電位測定電極２間の電位差を測定することにより、電流密度を求めることができ、従って、燃料電池の局所電流を検出することが可能になる、としている。

特許第４４２８０４６号公報

ところで、上記の燃料電池では、緻密な局所電位分布を計測しようとすると、それぞれ一対の電位測定電極２を互いに近接して配置する必要がある。しかしながら、狭小な範囲内に複数の電位測定電極２を配置することができず、緻密な局所電位分布を計測することが困難になるという問題がある。

本発明は、この種の問題を解決するものであり、緻密な局所電位分布を、簡単且つ容易に計測するとともに、経済的に製造することが可能な燃料電池用電位測定装置を提供することを目的とする。

本発明は、電解質膜の両側に、それぞれ電極が設けられた電解質膜・電極構造体と、セパレータとが積層される燃料電池の電位を測定する燃料電池用電位測定装置に関するものである。

この燃料電池用電位測定装置では、参照電極との電位差を検出するとともに、一方の側部側に突出する計測部を有する複数の導電性端子と、前記複数の導電性端子を挟んで前記一方の側部側と他方の側部側とに配置され、該複数の導電性端子を互いに絶縁するように覆って一体化させ、且つ前記計測部のみを外部に露呈させたユニットを形成する第１絶縁シート及び第２絶縁シートとを備えている。そして、第２絶縁シートには、計測部に他方の側部側から接する凸部が設けられている。ここで、参照電極は、専用の電極を使用することができる他、アノード電極の中央部分に端子を繋いで該参照電極として使用することも可能である。

また、この燃料電池用電位測定装置では、複数の導電性端子の各計測部は、ユニット内で、第１絶縁シートを平面視する視点から見て、順次、段差状に配置されることが好ましい。

本発明によれば、複数の導電性端子が一体化されたユニットを形成するため、前記ユニットを電位計測部に配置するだけで、複数の測定点を同時に計測することができる。

しかも、第２絶縁シートには、計測部に他方の側部側から接する凸部が設けられている。このため、各導電性端子は、突出する計測部の裏面側に肉盛りをする必要がなく、全体として使用される材料を良好に削減することが可能になる。従って、材料費が有効に低減され、電位測定装置全体の製造コストの削減が容易に図られる。

本発明の第１の実施形態に係る電位測定装置が組み込まれる燃料電池の要部分解斜視図である。 前記電位測定装置の概略説明図である。 前記電位測定装置を構成する電極ユニットの斜視説明図である。 前記電極ユニットの、図３中、ＩＶ−ＩＶ線断面図である。 前記電極ユニットの正面説明図である。 本発明の第２の実施形態に係る電位測定装置を構成する電極ユニットの断面説明図である。 前記電極ユニットを製造する際の説明図である。 前記電極ユニットを製造する際の説明図である。 特許文献１に開示されている燃料電池の斜視説明図である。

図１に示すように、本発明の第１の実施形態に係る電位測定装置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）（ＭＥＡ）１４が、カソード側セパレータ１６及びアノード側セパレータ１８に挟持されて矢印Ａ方向（例えば、水平方向）に積層される。

複数の燃料電池１２が矢印Ａ方向に積層されることにより、例えば、車載用燃料電池スタックが構成される。なお、燃料電池１２は、電解質膜・電極構造体１４とアノード側セパレータ１８及びカソード側セパレータ１６とが、矢印Ａ方向に積層されるとともに、複数の前記燃料電池１２が矢印Ａ方向に積層されている。なお、燃料電池１２は、矢印Ｃ方向（鉛直方向）に積層してもよい。

燃料電池１２の矢印Ｂ方向（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入口連通孔２０ａ、冷却媒体を供給するための冷却媒体入口連通孔２２ａ、及び燃料ガス、例えば、水素含有ガスを排出するための燃料ガス出口連通孔２４ｂ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入口連通孔２４ａ、冷却媒体を排出するための冷却媒体出口連通孔２２ｂ、及び酸化剤ガスを排出するための酸化剤ガス出口連通孔２０ｂが、矢印Ｃ方向に配列して設けられる。

カソード側セパレータ１６及びアノード側セパレータ１８としては、例えば、カーボンセパレータが使用されるが、金属セパレータを用いてもよい。カソード側セパレータ１６の電解質膜・電極構造体１４に向かう面１６ａには、酸化剤ガス入口連通孔２０ａと酸化剤ガス出口連通孔２０ｂとに連通する酸化剤ガス流路２６が設けられる。酸化剤ガス流路２６は、矢印Ｂ方向に延在する複数の酸化剤ガス流路溝を有する。酸化剤ガス流路２６と酸化剤ガス入口連通孔２０ａ及び酸化剤ガス出口連通孔２０ｂとは、連結通路部２８ａ、２８ｂを介して連通する。

アノード側セパレータ１８の電解質膜・電極構造体１４に向かう面１８ａには、燃料ガス入口連通孔２４ａと燃料ガス出口連通孔２４ｂとに連通する燃料ガス流路３０が設けられる。燃料ガス流路３０は、酸化剤ガス流路２６と同様に、矢印Ｂ方向に延在する複数の燃料ガス流路溝を有する。燃料ガス流路３０と燃料ガス入口連通孔２４ａ及び燃料ガス出口連通孔２４ｂとは、連結通路部３２ａ、３２ｂを介して連通する。

カソード側セパレータ１６とアノード側セパレータ１８とは、互いに対向する面１６ｂ、１８ｂ間に冷却媒体流路３４を一体的に形成する。冷却媒体流路３４と冷却媒体入口連通孔２２ａ及び冷却媒体出口連通孔２２ｂとは、連結通路部３４ａ、３４ｂを介して連通する。

カソード側セパレータ１６の面１６ａ、１６ｂには、このカソード側セパレータ１６の外周縁部を周回して第１シール部材３６が一体的又は個別に設けられる。アノード側セパレータ１８の面１８ａ、１８ｂには、このアノード側セパレータ１８の外周縁部を周回して第２シール部材３８が一体的又は個別に設けられる。第１シール部材３６及び第２シール部材３８は、それぞれ平面シール部を有するとともに、凸状シール部３６ａ、３８ａが所望の部位に設けられる。

第１シール部材３６及び第２シール部材３８は、例えば、ＥＰＤＭ、ＮＢＲ、フッ素ゴム、シリコンゴム、フロロシリコンゴム、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を使用する。

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４０と、前記固体高分子電解質膜４０を挟持するカソード電極４２及びアノード電極４４とを備える。固体高分子電解質膜４０は、カソード電極４２及びアノード電極４４の外周端部よりも外方に突出するとともに、酸化剤ガス入口連通孔２０ａ、酸化剤ガス出口連通孔２０ｂ、燃料ガス入口連通孔２４ａ、燃料ガス出口連通孔２４ｂ、冷却媒体入口連通孔２２ａ及び冷却媒体出口連通孔２２ｂが形成される。

カソード電極４２及びアノード電極４４は、カーボンペーパ等からなるガス拡散層と、白金合金が表面に担持された多孔質カーボン粒子が前記ガス拡散層の表面に一様に塗布された電極触媒層とを有する。電極触媒層は、互いに固体高分子電解質膜４０を介装して対向するように、前記固体高分子電解質膜４０の両面に接合される。

電位測定装置１０は、図１及び図２に示すように、電解質膜・電極構造体１４のアノード側の電解質膜上に配置される参照電極５０と、カソード側に配置される電極ユニット５２とを備える。なお、電極ユニット５２は、測定部位に対応して複数設けることができるが、第１の実施形態では、ＭＥＡの外周に配置された単一の電極ユニット５２を用いて説明する。ここで、参照電極５０は、専用の電極を使用することができる他、アノード電極４４の中央部分に端子を繋いで該参照電極として使用することも可能である。以下、単に、参照電極５０という。

図３及び図４に示すように、電極ユニット５２は、参照電極５０との電位差を検出するとともに、一方の側部側に突出する計測部５４ａ、５６ａ、５８ａ及び６０ａを有する複数の導電性端子（電位測定電極）５４、５６、５８及び６０と、前記導電性端子５４、５６、５８及び６０を挟んで前記一方の側部側と他方の側部側とに配置され、該導電性端子５４、５６、５８及び６０を覆って一体化させ、且つ前記計測部５４ａ、５６ａ、５８ａ及び６０ａのみを外部に露呈させる第１絶縁シート６２及び第２絶縁シート６４とを備える。なお、導電性端子５４、５６、５８及び６０は、例えば、シート状、円柱状、細線状、角柱状等の種々の形状から選択されるとともに、複数設けていればよく、個数は種々変更可能である。

導電性端子５４、５６、５８及び６０は、例えば、薄膜状又は細線状の金（Ａｕ）により形成されるとともに、前記導電性端子５４から前記導電性端子６０に向かって、順次、短尺に構成される。各計測部５４ａ、５６ａ、５８ａ及び６０ａは、第１絶縁シート６２に形成された開口部６２ａ、６２ｂ、６２ｃ及び６２ｄから外部に長さＬ（数μｍ〜数十μｍ）だけ突出する（図４参照）。計測部５４ａ、５６ａ、５８ａ及び６０ａは、他の部位５４ｂ、５６ｂ、５８ｂ及び６０ｂ上にめっき処理によって厚く構成し、又は、先端を折り曲げて厚くしてもよい。

第２絶縁シート６４には、各計測部５４ａ、５６ａ、５８ａ及び６０ａに他方の側部側から接する凸部６４ａ、６４ｂ、６４ｃ及び６４ｄが設けられる。凸部６４ａ、６４ｂ、６４ｃ及び６４ｄは、断面略球面形状を有し、第１絶縁シート６２の各開口部６２ａ、６２ｂ、６２ｃ及び６２ｄに対応して設けられる。なお、凸部６４ａ〜６４ｄは、種々の形状に選択可能である。

図３に示すように、各計測部５４ａ、５６ａ、５８ａ及び６０ａは、電極ユニット５２内で、順次、段差状に高さ方向（矢印Ｃ方向）に低くなるように配置される。

第２絶縁シート６４は、基材を構成する一方、第１絶縁シート６２は、前記第２絶縁シート６４と同等又は該第２絶縁シート６４よりも小さな寸法に設定される。第１絶縁シート６２及び第２絶縁シート６４は、絶縁性を有し、耐熱水性、耐酸性及び耐熱性に優れるとともに、フレキシブルな材料で形成される。例えば、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）や液晶ポリマー（ＬＣＰ）、ポリイミド等が好適である。

図５に示すように、電極ユニット５２は、縦方向及び横方向の寸法が、数μｍ〜数十ｃｍ、各導電性端子５４、５６、５８及び６０同士の矢印Ｂ方向（横方向）の間隔が、数μｍ〜数ｃｍに設定される。各導電性端子５４、５６、５８及び６０の幅寸法が、数μｍ〜数十μｍ、各計測部５４ａ、５６ａ、５８ａ及び６０ａ同士の矢印Ｃ方向（高さ方向）の間隔が、数μｍ〜数十μｍ、前記計測部５４ａ、５６ａ、５８ａ及び６０ａの厚さが、数μｍ〜数十μｍに設定される。各計測部５４ａ、５６ａ、５８ａ及び６０ａは、実際の発電状態に影響を及ぼさない程度に小さな寸法に設定されることが好ましい。

図２に示すように、電位測定装置１０は、電位検出部７０を備えるとともに、前記電位検出部７０には、参照電極５０が導線ライン７２を介して接続される。各導電性端子５４、５６、５８及び６０には、他の部位５４ｂ、５６ｂ、５８ｂ及び６０ｂの下端部に導電ライン７４ａ、７４ｂ、７４ｃ及び７４ｄが接続される。

電位検出部７０は、各導電性端子５４、５６、５８及び６０により検出される電位と参照電極５０との電位差を検出するために、導電ライン７４ａ、７４ｂ、７４ｃ及び７４ｄに接続される電圧計７６ａ、７６ｂ、７６ｃ及び７６ｄを設ける。

このように構成される燃料電池１２の動作について、以下に説明する。

図１に示すように、酸化剤ガス入口連通孔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、燃料ガス入口連通孔２４ａに水素含有ガス等の燃料ガスが供給される。さらに、冷却媒体入口連通孔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、酸化剤ガス入口連通孔２０ａからカソード側セパレータ１６の酸化剤ガス流路２６に導入される。このため、酸化剤ガスは、酸化剤ガス流路２６に沿って矢印Ｂ方向に流通し、電解質膜・電極構造体１４のカソード電極４２に供給される。

一方、燃料ガスは、燃料ガス入口連通孔２４ａからアノード側セパレータ１８の燃料ガス流路３０に導入される。この燃料ガス流路３０では、燃料ガスが矢印Ｂ方向に流通することにより、電解質膜・電極構造体１４のアノード電極４４に供給される。

従って、電解質膜・電極構造体１４では、カソード電極４２に供給される酸化剤ガスと、アノード電極４４に供給される燃料ガスとが、電極触媒層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、カソード電極４２に供給されて消費された酸化剤ガスは、酸化剤ガス出口連通孔２０ｂに排出される。同様に、アノード電極４４に供給されて消費された燃料ガスは、燃料ガス出口連通孔２４ｂに排出される。

一方、冷却媒体入口連通孔２２ａに供給された冷却媒体は、カソード側セパレータ１６とアノード側セパレータ１８との間に形成された冷却媒体流路３４に導入される。この冷却媒体流路３４では、冷却媒体が水平方向（矢印Ｂ方向）に移動する。従って、冷却媒体は、電解質膜・電極構造体１４の発電面全面にわたって冷却した後、冷却媒体出口連通孔２２ｂに排出される。

ところで、電位測定装置１０では、図２に示すように、電位検出部７０の作用下に、参照電極５０及び各導電性端子５４、５６、５８及び６０を介してカソード電極４２における複数の測定点での電位が検出される。

この場合、第１の実施形態では、複数の導電性端子５４、５６、５８及び６０は、第１絶縁シート６２と第２絶縁シート６４とにより一体化された電極ユニット５２を構成している。従って、電極ユニット５２を所望の電位計測部に配置するだけでよく、前記電極ユニット５２の配置作業が一挙に簡素化されるとともに、複数の測定点を同時に計測することができる。

しかも、各導電性端子５４、５６、５８及び６０同士を近接して設けることが可能になる。特に、導電性端子５４、５６、５８及び６０の各計測部５４ａ、５６ａ、５８ａ及び６０ａは、電極面内の電位分布を計測可能にするために、電極ユニット５２内で、順次、段差状に高さ方向（矢印Ｃ方向）に低くなるように配置されている。これにより、各導電性端子５４、５６、５８及び６０同士を可及的に隣接して設けることができる。

その上、各計測部５４ａ、５６ａ、５８ａ及び６０ａは、第１絶縁シート６２に形成された開口部６２ａ、６２ｂ、６２ｃ及び６２ｄから外部に長さＬ（数μｍ〜数十μｍ）だけ突出している（図４参照）。そして、第２絶縁シート６４には、各計測部５４ａ、５６ａ、５８ａ及び６０ａに他方の側部側から接する凸部６４ａ、６４ｂ、６４ｃ及び６４ｄが設けられている。凸部６４ａ、６４ｂ、６４ｃ及び６４ｄは、断面略球面形状を有し、第１絶縁シート６２の各開口部６２ａ、６２ｂ、６２ｃ及び６２ｄに対応して設けられている。

このため、各導電性端子５４、５６、５８及び６０は、突出する計測部５４ａ、５６ａ、５８ａ及び６０ａの裏面側に肉盛りをする必要がなく、全体として使用される材料を良好に削減することが可能になる。従って、材料費が有効に低減されるとともに、電位測定装置１０全体の製造コストの削減が容易に図られるという効果が得られる。

なお、第１の実施形態では、参照電極５０がアノード側に配置される一方、導電性端子５４、５６、５８及び６０がカソード側に配置されているが、これに限定されるものではない。例えば、電位計測部がアノード側であれば、導電性端子５４、５６、５８及び６０を前記アノード側に配置することができる。すなわち、導電性端子５４、５６、５８及び６０は、電位計測部に応じて、配置箇所が変更可能である。

また、以下の第２の実施形態で説明するように、各導電性端子５４、５６、５８及び６０は、めっき処理やスパッタ処理により形成することができる。

図６は、本発明の第２の実施形態に係る電位測定装置を構成する電極ユニット８０の断面説明図である。

電極ユニット８０は、線状又はシート状の導電性端子８２を備え、前記導電性端子８２は、第１絶縁シート８４と第２絶縁シート８６とに挟持される。導電性端子８２は、第１絶縁シート８４の外部に突出する計測部８２ａを有する。

以下に、電極ユニット８０の製造工程を説明する。図７に示すように、第２絶縁シート８６が作製される。この第２絶縁シート８６は、計測位置に対応して凸部８６ａを有している。凸部８６ａは、円柱状や角柱状等の種々の形状に設定することができる。そこで、第２絶縁シート８６上には、導電性端子８２が貼り付けられることにより、前記導電性端子８２には、前記凸部８６ａの形状に沿って凸状部８２ｂが一体に設けられる。

次いで、図８に示すように、第２絶縁シート８６上には、導電性端子８２を覆うようにして、第１絶縁シート８４が設けられる。第１絶縁シート８４には、導電性端子８２の凸状部８２ｂの端面を外部に露呈させるため、開口部８４ａが形成されている。なお、第１絶縁シート８４は、溶融した絶縁シート材を塗工することにより、成膜してもよい。

さらに、図６に示すように、導電性端子８２の凸状部８２ｂには、導電性部材（導電性端子８２と同一の材料）がめっき処理又はスパッタ処理により形成される。これにより、第１絶縁シート８４の表面から外部に突出した計測部８２ａが形成される。

このように構成される電極ユニット８０では、第１の実施形態に係る電極ユニット５２と同様の効果を得ることが可能になる。

なお、第１絶縁シート８４及び第２絶縁シート８６を一体にして、導電性端子８２を覆って成形してもよい。

１０…電位測定装置 １２…燃料電池
１４…電解質膜・電極構造体 １６…カソード側セパレータ
１８…アノード側セパレータ ２０ａ…酸化剤ガス入口連通孔
２０ｂ…酸化剤ガス出口連通孔 ２２ａ…冷却媒体入口連通孔
２２ｂ…冷却媒体出口連通孔 ２４ａ…燃料ガス入口連通孔
２４ｂ…燃料ガス出口連通孔 ２６…酸化剤ガス流路
３０…燃料ガス流路 ３４…冷却媒体流路
４０…固体高分子電解質膜 ４２…カソード電極
４４…アノード電極 ５０…参照電極
５２、８０…電極ユニット
５４、５６、５８、６０、８２…導電性端子
５４ａ、５６ａ、５８ａ、６０ａ、８２ａ…計測部
５４ｂ、５６ｂ、５８ｂ、６０ｂ…他の部位
６２、６４、８４、８６…絶縁シート ６４ａ〜６４ｄ…凸部
７０…電位検出部 ７２…導線ライン
７４ａ〜７４ｄ…導電ライン ７６ａ〜７６ｄ…電圧計

Claims (2)

1. 電解質膜の両側に、それぞれ電極が設けられた電解質膜・電極構造体と、セパレータとが積層される燃料電池の電位を測定する燃料電池用電位測定装置であって、
   参照電極との電位差を検出するとともに、一方の側部側に突出する計測部を有する複数の導電性端子と、
   前記複数の導電性端子を挟んで前記一方の側部側と他方の側部側とに配置され、該複数の導電性端子を互いに絶縁するように覆って一体化させ、且つ前記計測部のみを外部に露呈させたユニットを形成する第１絶縁シート及び第２絶縁シートと、
   を備え、
   前記第２絶縁シートには、前記計測部に前記他方の側部側から接する凸部が設けられることを特徴とする燃料電池用電位測定装置。
2. 請求項１記載の燃料電池用電位測定装置において、前記複数の導電性端子の各計測部は、前記ユニット内で、前記第１絶縁シートを平面視する視点から見て、順次、段差状に配置されることを特徴とする燃料電池用電位測定装置。

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