JP6645263B2 - 燃料電池用測定装置及び燃料電池内可視化用セル - Google Patents

Description

本発明は、固体高分子型燃料電池（PEFC: Polymer Electrolyte Fuel Cell）内の例えば酸素濃度や温度などの物理量を、電極に垂直な方向（奥行方向）に測定するための燃料電池用測定装置、及びそのような装置を組み込んだ燃料電池内可視化用セルに関する。

固体高分子型燃料電池の一般的な基本構造を図３に示す。高分子電解質膜５１の両側をカソード側触媒層５２及びアノード側触媒層５３で挟み、その両側をカソード側ガス拡散層５４及びアノード側ガス拡散層５５で更に挟む。これらを一体化したものを一般的に膜／電極接合体（MEA: Membrane Electrode Assembly）と呼ぶ。MEAの両側にガスを流す流路を形成したカソード側セパレータ５６とアノード側セパレータ５７を設け、カソード側セパレータ５６には空気或いは酸素ガスＯＧを流し、アノード側セパレータ５７には水素ガスＨＧを流す。これらカソード側セパレータ５６及びアノード側セパレータ５７はそれぞれカソード電極、アノード電極としての役割も担う。

このような構造を持つ固体高分子型燃料電池（以下、単に「燃料電池」と呼ぶ。）５０では、各セパレータ５６、５７の通路にそれぞれ空気（或いは酸素ガス）と水素ガスを流すことにより、各ガスが各拡散層５４、５５を経由して高分子電解質膜５１において以下の反応が起こり、電流を発生する。
カソード側では
O₂ + 4H⁺ + 4e^- → H₂O
アノード側では
H₂ → 2H⁺ + 2e^-
この反応で生成したH₂Oはカソード側セパレータから排出される。

上記のような燃料電池内部で起こる反応に起因する現象を詳しく観測することは、燃料電池の劣化の検出や、使用される各部品の素材や構造の最適化などに有効である。そのため従来より、燃料電池内部の状態を観測する装置が各種提案されている。例えば特許文献１は、セパレータに観察用の窓を設けることでガス流を可視化するとともに、組成分析を行う装置を開示している。また、特許文献２は、セパレータの一面に酸素消光性塗料を塗布して励起光を照射し、塗料の発光の強度が酸素により減衰する現象を利用して酸素分圧を測定する装置を開示している。これらはいずれもセパレータに平行な面内において燃料電池内の状態を2次元的に観測するものである。

一方、特許文献３は、燃料電池のイオン透過膜の劣化状態を評価するため、該イオン透過膜のアノード（水素＝燃料極）側に当接するように光伝送が可能なプローブを埋設させ、該イオン透過膜を透過した酸素を検出し、イオン透過膜の劣化を評価する装置を開示している。光源からの光を光ファイバ又は光ファイバの束を介して前記イオン透過膜に当接したプローブ先端まで導入し、該先端に取り付けられた蛍光体に照射することにより蛍光を発光させる。イオン透過膜を透過してくる酸素の量が増えるに従い、その蛍光の強度が減衰することから、イオン透過膜の劣化を判断することができる。

特開2006-310152号公報 特開2006-331733号公報 特開2004-265667号公報

特許文献１や特許文献２に開示されている装置は燃料電池内の物理量の電極面内における2次元的な情報を得るものであり、奥行方向の情報を得ることはできない。また、いずれも観測できるのはセパレータの状態であり、それよりも深い位置の情報を得ることはできない。

一方、特許文献３の装置ではイオン透過膜に関する情報を得ることができるが、その位置における燃料電池の状態を観測するにとどまり、セパレータやガス拡散層などを含めた燃料電池全体の動作を観測することができない。

本発明が解決しようとする課題は、燃料電池内部の状態を全体として観測することのできる測定装置を提供することである。

上記課題を解決するために成された本発明に係る燃料電池用測定装置は、
a) 燃料電池のカソード側セパレータ又はアノード側セパレータの外側に当接された、被当接側のセパレータを貫きガス拡散層に達する貫通孔と同位置に孔を有する位置決め板と、
b) 前記位置決め板と他方のセパレータを両側から挟み固定する固定具と、
c) 前記位置決め板の孔に固定されるスリーブと、
d) 前記スリーブ内部に、移動可能に挿通されるフェルールと
e) 前記フェルールの内部に挿通されるプローブと
を備えることを特徴とする。

本発明に係る燃料電池用測定装置のプローブとしては、前記のような、先端に酸素消光性塗料（蛍光体）を塗布した光ファイバ又は光ファイバ束であってもよいし、先端に熱電対やサーミスタ等を設けた温度センサであってもよい。或いは、水（H₂O）、二酸化炭素（CO₂）、一酸化炭素（CO）等の濃度を測定するセンサであってもよい。

本発明に係る燃料電池用測定装置では、プローブを挿通したフェルールをスリーブ内で移動させることにより、その先端の位置を燃料電池の奥行方向（セパレータ及びガス拡散層の面に平行でない方向）に変えることができ、各位置における物理量（酸素量、温度等）を測定することができる。これにより、燃料電池内部の状態を奥行方向に観測することができる。

本発明に係る燃料電池用測定装置において、前記位置決め板が有する前記孔は、燃料電池のセパレータ及びガス拡散層に面内の位置を変えて設けられた複数の貫通孔と同位置に1個ずつ設けられており、該位置決め板の各孔にスリーブを固定しプローブを挿通したフェルールを移動させそれぞれの位置での物理量を測定するようにしてもよい。これにより、燃料電池内部の状態を全体として（3次元的に）観測することができる。

なお、本発明は燃料電池内可視化用セルとしても実現することができる。その場合、本発明に係る燃料電池内可視化用セルは、
a) 電解質膜の両側に設けられた1対の触媒層と、
b) 前記1対の触媒層の両側に設けられた1対のガス拡散層と、
c) 前記1対のガス拡散層の両側に設けられた1対のセパレータと、
d) 前記1対のガス拡散層のいずれか一方と、同じ側のセパレータに設けられた、該セパレータを貫き該一方のガス拡散層に達する貫通孔と、
e) 前記貫通孔を有する側のセパレータの外側に当接された、前記貫通孔と同位置に孔を有する位置決め板と、
f) 前記位置決め板と他方のセパレータを両側から挟み固定する固定具と、
g) 前記位置決め板の孔に固定されるスリーブと、
h) 前記スリーブの内部孔に，移動可能に挿通されるフェルールと、
i) 前記フェルールの内部に挿通されるプローブと
を備えるものとなる。

本発明に係る燃料電池用測定装置では、プローブを挿通したフェルールをスリーブ内で移動させ、その先端の位置を燃料電池の奥行方向に変えることにより、各位置において酸素量、温度等の、プローブで測定可能な物理量を測定することができる。また、燃料電池のセパレータ、ガス拡散層及び位置決め板に、面内の位置を変えて複数の貫通孔を設け、各貫通孔にスリーブを固定しプローブを挿通したフェルールを移動させ、それぞれの位置での物理量を測定することにより、燃料電池内部の状態を全体として（3次元的に）観測することができ、また、可視化も可能となる。

本発明に係る燃料電池用測定装置の一実施形態を示す斜視図(a)及び縦断面図(b)。 本発明に係る燃料電池用測定装置の他の実施形態を示す縦断面図。 固体高分子型燃料電池の一般的な基本構造を示す斜視図。

図１及び図２を用いて、本発明に係る燃料電池用測定装置及び燃料電池内可視化用セルの実施形態を説明する。

本実施形態の燃料電池用測定装置１０は、図１に示すように、上述の一般的な構造を有する燃料電池５０のカソード側セパレータ５６に当接される位置決め板１１を有する。燃料電池５０の被当接側のセパレータであるカソード側セパレータ５６と、該カソード側セパレータ５６に接するカソード側ガス拡散層５４には、それら両層に対して垂直に貫通孔５８が設けられている。貫通孔５８のうち、カソード側セパレータ５６の部分をセパレータ貫通孔５８Ｓと呼び、カソード側ガス拡散層５４の部分をガス拡散層貫通孔５８Ｄと呼ぶ。貫通孔５８は、燃料電池の本来の動作のために設けられているものではなく、本発明に係る燃料電池用測定装置による測定のために設けられている。セパレータ貫通孔５８Ｓは、カソード側セパレータ５６内のガスの流路を避けるように設けられている。一方、位置決め板１１には、貫通孔５８と同じ方向に延びる位置決め孔１４が設けられている。位置決め板１１は、位置決め孔１４と貫通孔５８が同位置になるように配置されている。

本実施形態では、セパレータ貫通孔５８Ｓの径は300μm、ガス拡散層貫通孔５８Ｄの径は100μmとした。この程度の小さい径であれば、計測中に貫通孔５８が燃料電池の動作に与える影響はほとんどない。なお、セパレータ貫通孔５８Ｓよりもガス拡散層貫通孔５８Ｄの方が燃料電池５０の動作に与える影響が相対的には大きいため、本実施形態のように、ガス拡散層貫通孔５８Ｄの径はセパレータ貫通孔５８Ｓの径よりも小さくすることが望ましい。位置決め孔１４の径は、計測中にスリーブ及びフェルールによりほぼ塞がれた状態になり燃料電池５０の動作に影響を与えないため、後述のフェルール１２の径に応じて適宜定めればよい。

位置決め板１１のカソード側セパレータ５６への当接面と反対側の面から位置決め孔１４に、外径が位置決め孔１４より少し小さい筒状のスリーブ１７が挿入されており、そのスリーブ１７の筒内に柱状のフェルール１２が挿入されている。ここでスリーブ１７は、それを介してフェルール１２に挿通したプローブの先端を、ガス拡散層貫通孔５８Ｄの中心に位置するように誘導するために設けられている。従って、フェルール１２自体が位置決め孔１４の内面に密着可能である場合には、スリーブ１７を省略してもよい。

フェルール１２の内部の柱の軸には、該軸方向に移動可能にプローブ１３が挿通されている。プローブ１３は、本実施形態では酸素消光性を有する蛍光体を先端に塗布した光ファイバを用いた。プローブ１３の光ファイバの径は貫通孔５８の径よりも小さい。従って、フェルール１２が軸方向に移動することにより、プローブ１３の先端は、前記軸の延長上であって貫通孔５８内の（すなわち、カソード側セパレータ５６の部分の孔５８Ｓ及びカソード側ガス拡散層５４の部分の孔５８Ｄのいずれの孔内においても）奥行方向の任意の位置に配置される。カソード側ガス拡散層５４に垂直な断面におけるプローブ１３の先端の孔内の位置は、該断面の中心であることが望ましい。そのために、位置決め孔１４は貫通孔５８と同心になるように配置されていることが望ましい。

プローブ１３を構成する光ファイバは、フェルール１２を通して後述の第１固定板１５１の外まで延びており、該光ファイバの他端（プローブ１３の先端の反対側の端）は光源及び蛍光の検出器（共に図示せず）に接続されている。なお、この光ファイバには市販のものを用いることができるが、該光ファイバの径が貫通孔５８（特にガス拡散層貫通孔５８Ｄ）の径よりも大きい場合には、光ファイバのクラッドをエッチングすることにより該光ファイバの径を貫通孔５８の径よりも小さくする。また、光ファイバは1本のみ用いてもよいし、その代わりに複数本の光ファイバを束ねた光ファイバ束を用いてもよい。

位置決め板１１の前記当接面と反対側の面には第１固定板１５１が、アノード側セパレータ５７には第２固定板１５２がそれぞれ当接している。これら第１固定板１５１と第２固定板１５２が締結具（図示せず）で締結されることにより、両固定板の間にある固体高分子型燃料電池５０と位置決め板１１の位置関係が固定されている。第１固定板１５１には、位置決め孔１４の位置に合わせて、該位置決め孔１４よりも径が大きい孔が設けられている。

ここまでに述べた、位置決め孔１４が設けられた位置決め板１１、フェルール１２、プローブ１３、第１固定板１５１、第２固定板１５２及びスリーブ１７（前述の通りスリーブ１７は省略可）により、本実施形態の燃料電池用測定装置１０が構成される。また、本実施形態の燃料電池用測定装置１０と燃料電池５０を合わせて、燃料電池内可視化用セル２０が構成される。

本実施形態の燃料電池用測定装置１０の動作を説明する。
プローブ１３を挿通したフェルール１２を軸方向に移動させることにより、プローブ１３の先端を、測定対象とする奥行方向の位置（奥行位置）に移動させる。そのうえで、光源から光をプローブ１３の先端に向けて送出し、プローブ１３の先端に塗布された蛍光体に照射することにより該蛍光体を発光させる。この蛍光体が酸素消光性を有することから、蛍光は、測定対象の奥行位置における酸素の濃度に応じた光強度を示す。従って、光ファイバを通して蛍光の強度を検出器で検出し、予め取得した検量線と比較することにより、当該奥行位置における酸素の濃度の情報を得ることができる。

以上の操作により１つの奥行位置における測定を行った後、プローブ１３を挿通したフェルール１２を軸方向に移動させることにより、プローブ１３の先端の位置、すなわち測定対象の奥行位置を移動させる。そして、当該奥行位置において前記同様の測定を行う。以上の操作を繰り返し行うことにより、奥行位置による酸素の濃度の相違を測定することができる。

上記実施形態では位置決め孔１４、スリーブ１７、フェルール１２及びプローブ１３を1個のみ設けたが、図２に示す燃料電池用測定装置１０Ａのように、位置決め孔１４を複数個設け、各位置決め孔１４にスリーブ１７、フェルール１２及びプローブ１３を1個ずつ設けてもよい。なお、図２では位置決め孔１４を同図の縦方向に複数個配置したが、同図の奥行方向に複数個配置してもよい。さらには同図の縦方向、奥行方向共に位置決め孔１４を複数個配置してもよい。いずれの場合も、各位置決め孔１４に対応して、カソード側セパレータ５６及びカソード側ガス拡散層５４に貫通孔５８を設ける。この燃料電池用測定装置１０Ａによれば、各貫通孔５８内においてプローブ１３を挿通したフェルール１２を軸方向に移動させることによって深さ位置による物理量の相違を測定することができ、それら複数の貫通孔５８から得られたデータから、3次元の位置による物理量の相違を測定することができる。

なお、本実施形態では、空気又は酸素ガスを流すカソード側セパレータ５６及びカソード側ガス拡散層５４における酸素濃度を測定するために、貫通孔５８をそれらカソード側セパレータ５６及びカソード側ガス拡散層５４に設け、カソード側セパレータ５６に位置決め板１１を当接させた。一方、これら貫通孔５８及び位置決め板１１と共に、又はそれらの代わりに、アノード側セパレータ５７及びアノード側ガス拡散層５５に貫通孔を設け、アノード側セパレータ５７に位置決め板１１を当接させてもよい。これにより、高分子電解質膜５１を透過してアノード側に達する酸素の量を測定し、高分子電解質膜５１の劣化を判断することができる。

本発明はここまでに述べた実施形態には限定されない。例えば、上記実施形態ではセパレータ貫通穴５８Ｄをカソード側セパレータ５６内のガスの流路を避けるように設けたが、ガスの流路に設けても良い。また、貫通孔５８をセパレータ及びガス拡散層（カソード側セパレータ５６及びカソード側ガス拡散層５４並びに／又はアノード側セパレータ５７及びアノード側ガス拡散層５５）に垂直に形成したが、貫通孔の向きはそれには限定されず、セパレータ及びガス拡散層に対して非平行であれば垂直以外の向きであってもよい。貫通孔がセパレータ及びガス拡散層に非平行であれば、貫通孔内で奥行位置の異なる測定を行うことができる。また、上記実施形態では貫通孔５８がセパレータ及びガス拡散層を貫通しているとしたが、貫通孔がガス拡散層を貫通していることは必須ではない。また、上記実施形態ではプローブ１３には先端に酸素消光性塗料を塗布した光ファイバを用いたが、先端に熱電対やサーミスタ等を設けた温度センサや、H₂O、CO₂、CO等の濃度を測定するセンサを用いてもよい。さらに、上記実施形態では燃料電池５０と位置決め板１１を第１固定板１５１と第２固定板１５２で挟んで固定したが、これら固定板以外の物で燃料電池５０と位置決め板１１を挟んで固定してもよい。

１０、１０Ａ…燃料電池用測定装置
１１…位置決め板
１２…フェルール
１３…プローブ
１４…板側貫通孔
１５１…第１固定板
１５２…第２固定板
１７…スリーブ
２０…燃料電池内可視化用セル
５０…燃料電池（固体高分子型燃料電池）
５１…高分子電解質膜
５２…カソード側触媒層
５３…アノード側触媒層
５４…カソード側ガス拡散層
５５…アノード側ガス拡散層
５６…カソード側セパレータ
５７…アノード側セパレータ
５８…貫通孔
５８Ｄ…ガス拡散層貫通孔
５８Ｓ…セパレータ貫通孔
ＨＧ…水素ガス
ＯＧ…酸素ガス

Claims (4)

1. a) 燃料電池のカソード側セパレータ又はアノード側セパレータの外側に当接された、被当接側のセパレータを貫きガス拡散層に達する貫通孔と同位置に孔を有する位置決め板と、
   b) 前記位置決め板と他方のセパレータを両側から挟み固定する固定具と、
   c) 前記位置決め板の孔に固定されるスリーブと、
   d) 前記スリーブの内部に、移動可能に挿通されるフェルールと
   e) 前記フェルールの内部に挿通されるプローブと
   を備えることを特徴とする燃料電池用測定装置。
2. 前記位置決め板が有する前記孔が、燃料電池のセパレータ及びガス拡散層に面内の位置を変えて設けられた複数の貫通孔と同位置に1個ずつ設けられていることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池用測定装置。
3. 前記プローブが、先端に酸素消光性塗料を塗布した光ファイバ又は光ファイバ束であることを特徴とする請求項１又は２に記載の燃料電池用測定装置。
4. a) 電解質膜の両側に設けられた1対の触媒層と、
   b) 前記1対の触媒層の両側に設けられた1対のガス拡散層と、
   c) 前記1対のガス拡散層の両側に設けられた1対のセパレータと、
   d) 前記1対のガス拡散層のいずれか一方と、同じ側のセパレータに設けられた、該セパレータを貫き該一方のガス拡散層に達する貫通孔と、
   e) 前記貫通孔を有する側のセパレータの外側に当接された、前記貫通孔と同位置に孔を有する位置決め板と、
   f) 前記位置決め板と他方のセパレータを両側から挟み固定する固定具と、
   g) 前記位置決め板の孔に固定されるスリーブと、
   h) 前記スリーブの内部孔に，移動可能に挿通されるフェルールと、
   i) 前記フェルールの内部に挿通されるプローブと
   を備える燃料電池内可視化用セル。

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