JPH0456074A - 燃料電池の計測用センサー取付装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 【産業上の利用分野】

この発明はリン酸型燃料電池のセルの温度及び電圧を測
定する計測用センサーを取付ける燃料電池の計測用セン
サー取付装置に関する。

【従来の技術】

燃料電池の電池積層体は、反応ガスの流路を有する一対
の燃料電極と酸化剤電極との間に電解質としてのリン酸
を含浸保持させたマトリックスを挟持してなる単位セル
を多数積層して形成される。 これらの電極に一方側からは燃料ガスを、他方側からは
酸化剤ガスを供給して電気化学的反応に基づく電気エネ
ルギーを両極より取り出すよう構成されている。 第４図は、リン酸型燃料電池発電プラントの系統図であ
る。第４図において、リン酸型燃料電池発電プラント１
は、燃料電池本体２と、天然ガスに水蒸気を加えて必要
な水素ガスを作る改質装置３と、燃料電池本体２から発
生する直流を商用周波の交流に変換する直交変換装置４
と、燃料電池を所定条件で安定させて運転できるように
するために、負荷電流、温度、圧力ガス流量、冷却水等
を制御し、異常を監視する制御装置５とから構成されて
いる。 第５図は燃料電池本体の断面図である。燃料電池本体２
ば、一般にカーボン粉末に白金等の貴金属を担持した電
極触媒と、フッ素系樹脂粉末で構成される触媒層６と、
カーボン製多孔質のリブ付電極基材７とからなる一対の
電極（陽極及び陰極）に挟持され、電解質であるリン酸
を保持したマトリックス８及びリブ付電極基材７の触媒
層設置面と相対する側に接触するセパレータ板１０とか
ら単位セルを構成し、この単位セルを図示されない冷却
板を介して４〜８セル積層してなるユニットセルを所要
数量積層することにより構成される。リブ付電極基材７
は突出するリブ部７ａとリブ部７ａの間に凹んだ溝７ｂ
とを備え、満７ｂとセパレータ板１０との間に区画室９
を形成し、区画室９は燃料ガスを流す燃料ガス区画室９
ａ、酸化剤ガスを流す酸化剤ガス区画室９ｂがある。 このように構成された燃料電池本体を上下に設けた締付
板を介して皿ばね、タイロッド等の締付金具により締付
は固定している。さらに燃料電池本体の４方の側面には
燃料ガスおよび酸化剤ガスを互いに直行する方向に給排
気するためマニホールドが取付けられている。 この燃料電池本体を所定条件にて安定させて運転するに
は、■電池に供給する空気及び燃料ガスを負荷電流に見
合った量にコントロールすること、■供給する空気及び
燃料ガスを所定の圧力にてコントロールし、空気側と燃
料側であまり圧力差がつかないようにすること、■所定
作動温度異常に電池の温度が上昇しないように、電池の
温度を監視し、冷却水量をコントロールすること、■プ
ラント保護のため、電圧定価をおこしたセル及び異常に
温度の上昇したセルを検出し、安全で速やかに停止動作
がとれるようにすること等の制御がおこなわれる必要が
あり、反応ガスの流量及び圧力のコントロールは反応ガ
スの供給、排出用配管及び電池に取付けられたマニホー
ルドに設けられたセンサーにより行われ、温度及び電圧
の検出は電池本体の燃料ガス区画室９ａに挿入された計
測用センサー１３により行われていた。

【発明が解決しようとする課題】

従来技術では、電池本体の温度の計測には耐熱製樹脂（
例えばフッ素系樹脂）にて絶縁被覆したクロメルアルメ
ル（ＣＡ）熱電対を計測すべきセルの燃料ガス区画室９
ａに複数個挿入してリブ付電極基材７の温度を測定する
ことにより行ってきた。また、セルの電圧の計測には先
端部以外は耐熱性樹脂（フッ素系樹脂）にて絶縁被覆を
施された白金細線を温度の計測と同様に所期計測セルの
燃料ガス区画室９ａに挿入し、先端をリブ付電極基材７
に接触させることにより行ってきた。 リン酸型燃料電池は、水素電極（燃料電極）と空気電極
（酸化剤電極）及びその間に挾まれた電解質で構成され
、水素電極では（１）式のように外部から供給される水
素が電子を放出して水素イイオンとなる。 Ｈ，−＋２Ｈ−＋２ｅ−・旧−・・・（１））水素イオ
ンは電解質中を空気電極へ移動し、−力覚解質中を通る
ことができない電子は、電気負荷を通って空気電極に達
する。空気電極では（２）式のように酸素が電子を受は
取り、水素イオンと反応して水になり、外部に排出され
る。 １／２０ｘ　＋　２　Ｈ”　＋　２　ｅ　−−ＨｚＯ”
・・・・（２）この反応を効率よく迅速に行うために、
電極はカーボンに白金触媒を担持させた多孔質構造とし
て反応面積を大きくし、電極と電解質の界面にガスが拡
散しやすくしている。また、リン酸はマトリックスと呼
ぶ多孔質体に含浸されている。 ところがりブ付電極基月のリブ部７ａとセパレータ板１
０との間に形成される燃料ガス区画室９ａ、または酸化
剤ガス区画室９ｂの断面はせいぜい２ＩｌｌＩ１１角の
ため、温度計測用センサー及び電圧計測用センサーを、
燃料ガス区画室９ａに挿入した場合、センサーを挿入し
た燃料ガス区画室９ａはセンサーによって流路を閉塞さ
れ、この燃料ガス区画室９ａには燃料ガスが充分に供給
されないため、この燃料ガス区画室９ａに接触する触媒
層６では水素のイオン化反応が起こらなくなる。 このために、燃料電極の触媒層６に対向する酸化剤電極
の触媒層６では、酸化剤である空気が供給されているに
も関わらず酸素のイオン化反応が起こらないため、電子
の移動がなく、はぼ開回路電圧に近い高電位に晒されて
しまい、触媒層６の腐食及び電極を構成する白金の溶解
等により電極性能の低下が起こるという問題があった。 この発明は、燃料電池本体の温度及び電圧を測定しよう
とするセルの触媒層で、燃料ガスまたは酸化剤ガスの流
通を妨げることなく、セルの温度及び電圧を測定できる
計測用センサー取付装置を提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

上記目的は、請求項１の発明によれば、マトリックス層
、燃料電極、酸化剤電極、リブ付電極基材及びセパレー
タ板よりなる単位セルを多数積層して形成される燃料電
池本体に、セルの温度及び電圧を測定する計測用センサ
ーを取付ける燃料電池の計測用センサー取付装置におい
て、突出するリブ部とこのリブ部の間の溝とを有する前
記リフ付電極基材の前記リブ部に、前記溝と平行に刻ま
れた計測溝を備え、この計測溝と前記セパレータ扱きの
間に形成された計測区画室に、計測用センサーを取付け
ることによって達成される。 上記目的は、請求項２の発明によれば、マトリックス層
、燃料極、酸化剤穫、リブ付電極基＋４及びセパレータ
板よりなる単位セルを多数積層して形成される燃料電池
本体に、セルの温度及び電圧を測定する計測用センサー
を取付ける燃料電池の計測用センサー取付装置において
、突出するりフ部とこのリブ部の間の溝とを有する前記
リブ付電極基材の前記リブ部に対向し、前記セパレータ
の面に前記溝と平行に刻まれた計測溝を備え、この計測
溝と前記リブとの間に形成された計測区画室に計測用セ
ンサーを取付けることによって達成される。 上記目的は、請求項３の発明によれば、マトリックス層
、燃料極、酸化剤極、リブ付電極基材及びセパレータ板
よりなる単位セルを多数積層して形成される電池積層体
に、セルの温度及び電圧を測定する計測用センサーを取
付ける燃料電池の計測用センサー取付装置において、高
電気伝導性及び耐食性を有する一対のＷｉＷｉ平板の間
に絶縁被覆された熱電対を挟んで圧着してセンサーシー
トを構成し、このセンサーシートを前記リブ付電極基材
と前記セパレータ板との間に挿入することによって達成
される。

【作　用】

この発明は、請求項１によれば、突出するリブ部とこの
リブ部の間の溝とを有する前記リブ付電極基材の前記リ
ブ部に、前記溝と平行に刻まれた計測溝を備え、この計
測溝と前記セパレータ板との間に形成された計測区画室
に、計測用センサーを取付け、燃料ガスまたは酸化剤ガ
スはリブ付電極基Ｈの溝を流れ、計測用センサーによっ
て流れを妨げることがないので、電極反応を損なうこと
がない。従って燃料電池の性能を保ったままセル温度及
び電圧を測定することができる。 この発明は、請求項２によれば、突出するリブ部とこの
リブ部の間の溝とを有する前記リブ付電極基材の前記リ
ブ部に対向し、前記セパレータの面に前記溝と平行に刻
まれた計測溝を備え、二の計測溝と前記リブとの間に形
成された計測区画室に計測用センサーを取付け、燃料ガ
スまたは酸化剤ガスはリブ付電極基材の溝を流れ、計測
用センサーによって流れを妨げることがないので、電極
反応を損なうことがない。従って燃料電池の性能を保っ
たままセルの温度及び電圧を測定することができる。 この発明は、請求項３によれば、高電気伝導性及び耐食
性を有する一対の薄膜平板の間に絶縁被覆された熱電対
を挟んで圧着してセンサーシートを構成し、このセンサ
ーシートを前記リブ付電極基材と前記セパレータ板との
間に挿入し、燃料ガスまたは酸化剤ガスばリブ付電極基
剤の溝を流れ、計測用センサーによって流れを妨げるこ
とがないので、電極反応を損なうことがない。従って燃
料電池の性能を保ったままセルの温度及び電圧を測定す
ることができる。

【実施例】

以下図面に基づいてこの発明の詳細な説明する。第１図
はこの発明の請求項１の実施例による計測用センサー取
付装置を備えた燃料電池本体の一部拡大断面図である。 第１図において、第５図と同じ部位は同じ符号を付して
いる。燃料電池本体の構成は第５図と同しなので説明を
省略する。 第１図において燃料電池本体を構成する単位セルは、カ
ーボン繊維からなる厚さ１．６　ａｕｎ、　７５０　［
１１＋１１４方で、−面に深さ１．２鴫、輻２ｆｌＩＩ
１１の溝７ｂを２■間隔に加工し、凹部を燃料ガス区画
室９ａに、凸部をリブ部７ａとしたリブ付電極基材７を
備える。温度及び電圧を測定すべきセルのリブ付電極基
材７に、このリブ付電極基材７の中央リブ部７ａ及び中
央から１００　ｙａ、　２００　ｍ、　３００　ｍ離れ
た位置に幅ｆａｎ、深さ１．２ｍ、長さ７５０の計測溝
１１を溝７ｂと平行に設け、この計測溝１１とセパレー
タ板１０との間に計測区画室１２を形成し、この計測区
画室１２に電気的に絶縁被覆された計測用センサー１３
（熱電対または電圧測定用白金線）を取付ける。 このように従来の燃料ガス区画室９ａとは別に計測区画
室１２を設けたので、燃料ガスまたは酸化剤ガスは、計
測用センサー１３によって燃料ガスの流れを妨げられる
ことはない。 第２図はこの発明の請求項２の実施例による計測用セン
サー取付装置を備えた燃料電池本体の一部拡大断面図で
ある。 ｆｉ＄４電池本体を構成する単位セルは、カーボン繊維
からなる厚さ１．６卸、７５０Ｍ４方で、−面に深さ１
．２ｍ＋＋、幅２ＩＩＩＩｌの満７ｂを２ＩＱＩ１１間
隔に加工し、凹部を燃料ガス区画室９ａに、凸部をリブ
部７ａとしたリブ付電極基材７を備える。このリブ付電
極基材７の上にガス不透過性で高電気伝導性を有する厚
さ２ｍｍ、　７５０　ｍ４方のグラシックカーボンから
なるセパレータ板１０がある。温度及び電圧を測定すべ
きセルのセパレータ板１０がリブ付電極基材７と対向す
る面に、セパレータ板ＩＯのリブ部７ａと対向する部位
に、中央部、中央部から左右に１００　ｍｍ、　２００
　ｏｎａ、　３００　ｍ離れた位置に、幅２ＩＩ１１１
、深さ１．２　ｔａｎ、長さ７５０鵬のＵ型の計測溝１
１を溝７ｂと平行に設け、この計測溝１１とリブ部７ａ
との間に計測区画室１２を形成し、この計測区画室１２
に電気的に絶縁被覆された計測用センサー（熱電対また
は電圧計測用白金線）を取付ける。 このように従来の燃料ガス区画室９ａとは別に計測区画
室１２を設けたので、燃料ガスまたは酸化剤ガスは、計
測用センサー１３によって燃料ガスの流れを妨げられる
ことはない。 第３図はこの発明の請求項３の実施例による計測用セン
サー取付装置を備えた燃料電池本体の一部拡大断面図で
ある。 燃料電池本体を構成する単位セルは、カーボン繊維から
なる厚さ１．６　ａｍ、７５０ｍＩＩ＋４方で、−面に
深さ１．２ａ＋ｍ、輻２■の＃４７ｂを２層間隔に加工
し、凹部をガス区画室９に、凸部をリブ部７ａとしたリ
ブ付電極基材７を備える。温度及び電圧を測定すべきセ
ルのリブ付電極基材７の上に、ガス不透過性で高電気伝
導性を有する厚さ２　ｆｆ１ｌ、　７５０　Ｍ　４方の
グラシックカーボンからなるセパレート板１０がある。 リブ付電極基材７とセパレート板１０との間にセンサー
シート１５を挿入した。 センサーシート１５は、電気伝導性及びリン酸に対する
耐食性を有する１対の薄膜部月１４　（例えば厚さ０．
５　ｍｍ、　７５０　＋ｎ＋ｎ　４方のカーボン繊維布
ｉＥたはグラフオイル）の間に絶縁被覆された太さ０２
ＭのＣＡ熱電対または先端部以外絶縁された太さ０．２
　ａｍの白金線を中央部、中央部より左右１．００ｍｍ
、　２００　ｔｒａ、　３００　ｍｍ１ｉｌれた位置に
設置し、互いにプレス圧着して構成した。 このように従来の燃料ガス区画室９ａとは別に、計測用
センサー１３を挟んだセンサーシート】５を設けたので
、計測用センサー１３は、ガスの流れを妨げることはな
い。また、センサーシート１５は高電気伝導性を有する
ので、電極温度及び電極電位を正確に測定することがで
きる。 実施例は、燃料ガスを流通させる側を例にして説明した
が、酸化剤ガスを流通させる側にこの発明の計測用セン
サー取付装置を通用しても、燃ネ４ガス側と同様にセル
の温度及び電圧を測定できる。

【発明の効果】

請求項１記載の発明によれば、温度及び電圧を測定すべ
きセルのリブ付電極基材の前記リブ部に、講と平行に刻
まれた計測溝を備え、この計測溝とセパレータ板との間
に形成された計測区画室に、計測用センサーを取付け、
燃料ガスまたは酸化剤ガスはリブ付電極基剤の溝を流れ
るので、温度及び電圧を測定しようとするセルにおける
触媒層での燃料ガスまたは酸化剤ガスの流れを妨げるこ
となく、電極の反応性を損なうことなく、効果的にセル
の温度及び電圧を計測できる。このため産月電池発電プ
ラントを約１万時間にわたって連続運転しても、その性
能低下を１０００時間当たり２ｍｖ以下とすることがで
きた。 請求項２記載の発明によれば、温度及び電圧を測定すべ
きセルのリブ付電極基材の前記リブ部に対向し、セパレ
ータの面に溝と平行に刻まれた８４測溝を備え、この計
測溝と前記リブとの間に形成された計測区画室に計測用
センサーを取付け、燃料ガスまたは酸化剤ガスはリブ付
電極基材の溝を流れるので、温度及び電圧を測定しよう
とするセルにおける触媒層での燃料ガスまたは酸化剤ガ
スの流れを妨げることなく、電極の反応性を損なうこと
なく、効果的にセルの温度及び電圧を計測できて、長時
間にわたり高性能を維持することができる。 請求項３記載の発明によれば、高電気伝導性及び耐食性
を有する一対の薄膜平板の間に絶縁被覆された熱電対を
挾んで圧着してセンサシートを構成し、このセンサーシ
ートを温度及び電圧を測定すべきセルのリブ付電極基材
と前記セパレータ板との間に挿入し、燃料ガスまたは酸
化剤ガスはリブ付電極基材の溝を流れるので、計測用セ
ンサによって流れを妨げることがないので、電極反応を
損なうことがない。従って効果的に反応ガスの温度及び
セルの電圧を計測できて、長時間にわたり高性能を維持
することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の実施例による計測用センサー取付装
置を備えた燃料電池本体の一部拡大断面図、第２図はこ
の発明の他の実施例による計測用センサー取付装置を備
えた燃料電池本体の一部拡大断面図、第３図はこの発明
の他の実施例による計測用センサー取付装置を備えた燃
料電池本体の一部拡大断面図、第４図はリン酸型燃料電
池発電プラントの系統図、第５図はリン酸型燃料電池本
体の断面図である。 １ニリン酸型燃料電池、２：燃料電池本体、６：触媒層
、７：リブ付電極基剤、７ａ：リブ部、７ｂ；溝、８：
マトリックス、９：区画室、９ａ：燃料ガス区画室、９
ｂ＝酸化剤ガス区画室、１０：セパレータ板、１】：計
測溝、１２：計測区画室、１３：計測用センサー　１５
；センサーシート。 １３１↑５１’ｌ用亡′ノフー 第 図 第 図 第 図 す 第 図 第 図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １）マトリックス層、燃料電極、酸化剤電極、リブ付電
   極基材及びセパレータ板よりなる単位セルを多数積層し
   て形成される燃料電池本体に、セルの温度及び電圧を測
   定する計測用センサーを取付ける燃料電池の計測用セン
   サー取付装置において、突出するリブ部とこのリブ部の
   間の溝とを有する前記リブ付電極基材の前記リブ部に、
   前記溝と平行に刻まれた計測溝を備え、この計測溝と前
   記セパレータ板との間に形成された計測区画室に、計測
   用センサーを取付けることを特徴とする燃料電池の計測
   用センサー取付装置。 ２）マトリックス層、燃料極、酸化剤極、リブ付電極基
   材及びセパレータ板よりなる単位セルを多数積層して形
   成される燃料電池本体に、セルの温度及び電圧を測定す
   る計測用センサーを取付ける燃料電池の計測用センサー
   取付装置において、突出するリブ部とこのリブ部の間の
   溝とを有する前記リブ付電極基材の前記リブ部に対向し
   、前記セパレータの面に前記溝と平行に刻まれた計測溝
   を備え、この計測溝と前記リブ部との間に形成された計
   測区画室に計測用センサーを取付けることを特徴とする
   燃料電池の計測用センサー取付装置。 ３）マトリックス層、燃料極、酸化剤極、リブ付電極基
   材及びセパレータ板よりなる単位セルを多数積層して形
   成される燃料電池本体に、セルの温度及び電圧を測定す
   る計測用センサーを取付ける燃料電池の計測用センサー
   取付装置において、高電気伝導性及び耐食性を有する一
   対の薄膜平板の間に絶縁被覆された熱電対を挟んで圧着
   してセンサーシートを構成し、このセンサーシートを前
   記リブ付電極基材と前記セパレータ板との間に挿入する
   ことを特徴とする燃料電池の計測用センサー取付装置。