JPH06236767A

JPH06236767A - 燃料電池構成部材の電位監視方法

Info

Publication number: JPH06236767A
Application number: JP5265194A
Authority: JP
Inventors: Aaru Kuntsu Harorudo; ハロルド、アール、クンツ; Dee Buroo Richiyaado; リチャード、デー、ブロー
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1992-10-23
Filing date: 1993-10-22
Publication date: 1994-08-23
Also published as: US5262034A

Abstract

(57)【要約】【目的】電池内の電解質の電位を基準に、燃料電池構
成部材の電位を捕えることのできる燃料電池構成部材の
電位監視方法を提供する。【構成】複数のワイヤ、シース、及び溝カバーでなる
電気化学センサを、運転停止中又は定常状態にある燃料
電池の構成部材の電位を監視するために利用することが
できる。この電気化学センサを電解質リザバプレートに
接触させると、毛管作用によって電解質が溝カバーに浸
透し、ワイヤ間に電気分解反応に必要な水が供給され
る。水素基準電極となる一方のワイヤの表面から水素ガ
スが発生するまで電気化学センサのワイヤ間に電圧を印
加する。燃料電池構成部材の電圧が水素基準電極に関係
付けられて決定される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、電気化学センサに係
り、特に、燃料電池構成部材の電位を監視する方法に関
する。

【０００２】

【従来の技術】発電用の多くの燃料電池は、アノード電
解質リザーバプレート、アノード流路、アノード電極、
電解質層、カソード電極、カソード流路、カソード電解
質リザーバ及びセパレータ板を有している。これらの燃
料電池を複数枚、直列となるように積層して、発電用の
電力を生み出すことのできる燃料電池スタックが形成さ
れる。

【０００３】燃料電池スタックの発電中、電位差が、個
々の燃料電池で発生し、さらにそれを重ねて、スタック
の電圧として得られる。電池スタック内の電位の関係を
第１図に示す。ここで、電位は、電池１のアノードＡ₁
から電池１の電解質へかけて上昇し、アノードとカソー
ドの間にある電池１の電解質Ｅ₁内では下がり、そして
再び、電池１のカソードＣ₁へ向けて上昇する。更に、
電位は、電池１と電池２の間のセパレータ板Ｓ₁では一
定である。この繰返しが積み重ねられた最後の電池まで
続く。Ｅ₁，Ｅ₂及びＥ₃に見られるとおり、各々の電
池の電解質において、電位が僅かに下がるが、全体とし
て、個々の電池はアノードからカソードにかけて電位は
上がる。燃料電池停止中でも各々の燃料電池間に同様の
電位差がある。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】水素標準電極電位に対
し０．９Ｖ以上になるような高い電位は、電極の腐食を
引き起こす。一方、０．１Ｖ以下の低電位は、カソード
触媒を損傷する。電位に関するこういった観点から、電
極の腐食防止、損傷防止のために、定められた方法で、
電極は安全な電位帯となるようにしている。従って、必
要とされるのは、いろいろな燃料電池において、構成部
材の電位を捕らえておくことである。

【０００５】本発明は、電極の腐食、損傷を未然に防止
するために、電池内の電解質の電位を基準に、燃料電池
構成部材の電位を捕えることのできる燃料電池構成部材
の電位監視方法を提供することを目的とする。

【０００６】

【課題を解決するための手段】本発明は、燃料電池を構
成する材料の電位を監視する方法に関する。本方法に使
用される電気化学センサは、第１の電気伝導性ワイヤと
第２の電気伝導性ワイヤが、互いに直接接触することが
無いように、十分間隔を置いており、そして電気伝導性
が無く、多孔質体からなる溝カバーを前記第１の電気伝
導性ワイヤと第２の電気伝導性ワイヤに接触するように
配置している。溝カバーは、溝カバーに浸透していく電
解質と接触している。電圧を、第１の電気伝導性ワイヤ
と第２の電気伝導性ワイヤの間に印加し、第２のワイヤ
から水素が発生するまで電圧を上げる。その後、燃料電
池の構成部材と第２のワイヤの電位差を得る。

【０００７】

【作用】この発明においては、間隔をおいて配置された
第１及び第２の電気伝導性ワイヤに多孔質体からなる溝
カバーを接触せしめ、この溝カバーを電解質に接触させ
てその気孔に電解質を浸透させた状態で第１及び第２の
ワイヤとの間に電圧を印加すると共に、第２のワイヤか
ら水素が発生するまで電圧を増大させ燃料電池構成部材
と第２のワイヤとの間の電位差を測定する。本発明の前
記に示した点と、他の特徴及び利点を以下に図面と合わ
せて明確にする。

【０００８】

【実施例】図２及び図３に示したように、本発明の電気
化学センサ４０は、電気伝導性を持たないシース２０内
に完全に埋め込まれた一対の電気伝導性ワイヤ１０、及
びそのシース２０には、電解質リザーバプレート７０か
らワイヤ１０へ電解質を導くための媒体を入れるための
開口部３０を設け、その上に多孔質で、電気伝導性の無
い溝カバーを配置することからなる。この電解質リザー
バプレートは、従来の電解質を保持する場所と見なせ
る。

【０００９】ワイヤ１０は、通常の電気伝導性ワイヤ
で、燃料電池の運転環境下に対応できるものである。電
気化学センサ４０は、ワイヤ１０上の電気分解で一方の
ワイヤに水素を発生させ、水素基準電極として機能させ
なければならないので、これらのワイヤ１０は、触媒活
性を持つか、またはワイヤの表面に白金を被覆すると
か、触媒の付いたスクリーンを巻いてワイヤに付けると
言うような従来からある方法で触媒機能を持たせる。ワ
イヤ１０に使える材料は、貴金属、またはそれをベース
とした合金で、金、インジウム、白金、ルテニウム、ル
ビジウム、ロジウム等である。ワイヤ１０のサイズは、
製造技術から自ずと決まってしまうのだが、互いに接触
すること無く、所定の場所に十分に収まる大きさが必要
で、特別な仕様となることもある。例えば、リン酸型燃
料電池において、本発明の電気化学センサは、電解質を
保持させる板に具備された１．６ｍｍ幅の溝に収まる大
きさでなければならない。よって、望ましくは、直径お
よそ０．２ｍｍからおよそ０．５ｍｍのワイヤが良く、
特に望ましくは、０．３５ｍｍから０．４ｍｍが良い。

【００１０】ワイヤ１０を水素基準電極として機能させ
るために、たとえば、直流電流を第１のワイヤから電解
質を通して第２のワイヤへ流すように電圧が印加され
る。これによって、電解質中の水から水素、電子、酸素
を生成しながら電流が流れるのに必要な電子が提供され
る。実際は、第１のワイヤで水が酸化されて酸素ガス、
水素イオン及び自由電子に分解される。水素イオンは第
２のワイヤまで移動し、そこで、水素イオンは第１のワ
イヤを通過して、直流電圧発生装置を通して、第２のワ
イヤへ供給される自由電子と反応して水素ガスを生成す
る。この電気分解に必要とされる直流電流を流すための
電圧は、センサの第２のワイヤと燃料電池のアノード電
極との電位差を、電子を第２のワイヤから電解質を通し
て第１のワイヤへ流す電気化学センサの２本のワイヤ間
へ印加する電圧に対してプロットして求める。電気化学
センサが水を電気分解して、水素ガスを発生させるため
の電気化学センサに印加される電圧を徐々に上げると、
センサの第２のワイヤと、燃料電池のアノード電極との
電圧差が上昇し、やがて一定に近付く。水素基準電極の
開回路電位に近いような水素基準電極を提供するため
に、電気化学センサの第２のワイヤで十分な水素が発生
し続けられることを示す上記の電圧が、電気化学センサ
に印加される電圧の基本となる。一般に、この値は約
０．８Ｖを越えるもので、しばしば１．３５Ｖから２．
１Ｖの範囲となる。

【００１１】燃料電池内の種々の部材の電位は、前記セ
ンサに印加した定常となった電圧と第２のワイヤ（電気
化学センサのカソード）を使って、電圧計または電圧を
測定するための機器があれば分かる。ここでは示さない
が、電圧計は、第２のワイヤと測定したい燃料電池の部
材とに接続され、電圧は水素ガスを安定に発生できる前
記一定電圧を第１のワイヤと第２のワイヤ間に印加し、
そして部材と第２のワイヤ間の電圧を測定する。この電
圧は、水素電極に対する相対的な部材の電位を示す。例
えば、運転停止の際のアノード電極電位が、本発明の電
気化学センサを使うことによって得られる情報から、図
４に示したようになる。アノード電極電位は、基準電極
に対しておよそ０．０１２Ｖである。従って、アノード
電極電位は、電極に損傷を引き起こす０．９Ｖより十分
小さい電圧であった。

【００１２】水素電極電位の確立は、水の電気分解と電
子の流れは信頼性のあるものでなければならない。ワイ
ヤ１０間の回路を確保するために、ワイヤ１０は、お互
いの直接接触を防止しなければならない。従って、電流
が流れ、かつ短絡電流が流れないようにするために、ワ
イヤ１０間に十分な間隔を維持させなければならない。
言い換えると、ワイヤ１０間に十分な抵抗が維持され、
一般的にそれは凡そ１オームである。電気化学センサ４
０を組み立て易くするために、その電池への組み込み、
使い勝手を考慮して、図２及び図３に示すように、互い
のワイヤを実質上、平行にするのが好ましい。これらの
ワイヤの一端は、第２のワイヤから電解質を通し第１の
ワイヤへ直流電流を流すようにワイヤ１０間に電圧を印
加するための電源８０に接続する。

【００１３】水をワイヤで電気分解し、前述したよう
に、水素イオンを移動させるために、十分な電解質が必
要である。これらのワイヤ１０は、シース２０と共に、
電気伝導性の溝カバー５０と物理的に接触するように配
置される。溝カバーは、電解質リザーバプレート７０か
ら電解質を浸透させるための媒体となるため、溝カバー
は多孔質体でなければならない。溝カバー５０は、電解
質リザーバプレート７０と同等またはより大きな気孔寸
法分布が採用できるが、より小さい気孔寸法分布は、毛
管力によって、溝カバー５０に電解質が浸透し、電解質
リザーバプレート７０からの電解質を維持する。それに
よって、十分な電解質がワイヤ１０に供給される。溝カ
バーとしては、シリコンカーバイドの様なカーバイド
系、カリウムタイタネートの様なタイタネート系、アル
ミネート及びそれらの混合物がある。特に、リン酸型燃
料電池で有効なシリコンカーバイドは、ロンザ社で製造
されているＬＯＮＺＡＦ−３６０である。ＬＯＮＺＡ
Ｆ−３６０は、約２０から２５ミクロンの粒径を持っ
ており、約５ミクロンから１５ミクロンの平均気孔径か
らなる多孔体を形成することができる、一方、リン酸型
燃料電池の電解質リザーバプレート７０は、約１０ミク
ロンから２０ミクロンの平均気孔径を持っている。

【００１４】ワイヤと接触している十分な電解質を上手
に保持するには、溝カバー５０とワイヤ１０間の直接接
触が必要である。たとえば、ワイヤと溝カバー５０間の
境界において、気孔寸法分布がワイヤ１０と接触してい
る電解質の量に支障を来さないことである。もしワイヤ
と溝カバーの境界における気孔寸法分布が、溝カバー５
０の気孔寸法分布より大きな孔で構成されていたり、ワ
イヤ１０と溝カバー５０の間に空隙があったりすると、
溝カバー５０は、ワイヤ１０から電解質を奪い取ってし
まう。それによって、電気分解反応が妨げられ、電気化
学センサの機能が失われる。ワイヤ１０と溝カバー５０
間及び電解質リザーバプレート７０と溝カバー５０間の
理想的な接触を得るために、溝カバー５０が、電解質リ
ザーバプレートとワイヤ１０の形で成型できるような融
通性のあるペーストを用いることが好ましい。融通のき
くペーストは、電気化学センサ４０および燃料電池の運
転環境下で使える液体を溝カバー５０に加えることによ
ってできる。製作は、電解質リザーバプレートの溝６０
に溝カバー５０を置き、お互いに接触しない様に溝カバ
ー５０上にワイヤ１０を配置し、そして、ワイヤ１０の
上に更に溝カバー５０を追加することによってできる。
ペーストよりむしろ堅い溝カバーが使われるけれども、
そのような電気化学センサは製作が困難で、ワイヤ１０
と溝カバー５０間、もしくは、電解質リザーバプレート
７０と溝カバー５０間の接触ロスを招く。従って、堅い
溝カバーの使用は好ましく無いが、その使用は、本発明
によって類推できることである。

【００１５】融通のきくペースト状溝カバーを採用する
とき、ペーストの中でワイヤを固定することが実質上困
難となる。そのため、ワイヤ１０をしっかりと包み込ん
でワイヤを隔てて支持する、化学的に不活性で、電気伝
導性の無いシース２０を使うことが望ましい。このシー
ス２０は、ワイヤとワイヤが直接接触すること及び、電
解質リザーバプレート７０とワイヤ１０が直接接触する
のを防止するために、ワイヤ１０のまわりを包むように
形成される。シース２０として、フッ素系樹脂をベース
としたもの、セラミックスをベースとしたもの、ポリエ
チルエチルケトン及びその混合物等がある。フッ素系樹
脂の例として、デュポン社から出ているテフロン（ポリ
テトラフルオロエチレン）、３Ｍ社から出ているフロー
レル、フルオリネートエチレンプロピレンなどがある。
一般的なセラミックス系シースとしてはアルミナがあ
る。望ましいシース２０の材料は、それが使われる分
野、環境によって、どれを使うかが決まる。例えば、溶
融炭酸塩型燃料電池では、その高温性から見て、セラミ
ックスシースを使うことが望ましく、水の電気分解が、
炭酸イオンの移動を含むより複雑なプロセスによって起
こる。一方、リン酸型燃料電池では、化学的安定性及び
使い易さから見て、テフロン系フッ素系樹脂を用いるの
が望ましい。

【００１６】シース２０のサイズ及び構造は、使われる
ワイヤのサイズ、電解質含有体の溝６０のサイズによ
る。シース２０は、ワイヤ１０を包み込み、支持し、電
解質含有体に形成された溝６０中に安定に保持されるの
に十分な大きさであることが望ましい。例えば、リン酸
型燃料電池では、シース２０は、真っ直ぐで自由度があ
り、長さがおよそ２０ｃｍから４０ｃｍで、幅はおよそ
１．５ｍｍから２．５ｍｍ、ワイヤ１０を入れるために
シース２０の長さだけ実質上平行な孔を有したものが良
い。電気化学センサ４０は、それをアクセスさせるため
の電池の電解質供給する燃料電池構成部材を囲むフレー
ム内に収めることができるが、それぞれの状況に応じ
て、電気化学センサ４０のサイズや構造は、大きく異な
る。より薄く、より短いシース２０、より細いワイヤ１
０が必要になることもある。

【００１７】シース２０は、シース２０の開口部３０に
溝カバー５０を配置するようにして使う。例えば、溝カ
バー５０はワイヤ１０と接触し、また使うときは、電解
質リザーバプレート７０とも接触させて、溝カバー５０
に電解質を浸透させる。シース２０の開口部３０は、ワ
イヤ１０が溝カバー５０に、ワイヤ１０の表面で起こる
水素生成の電気分解反応を鈍らせることが無いように、
十分電解質に晒される様な大きさであることが望まし
い。ワイヤ１０との接触が少なくなると、反応量が少な
くなり、電極部材の電位を測定する誤差は大きくなる。
従って、開口部３０は、ワイヤ１０間に電気回路を形成
するのと、電気分解反応を可能とするのに十分な水を保
持するために、溝カバー５０が十分な量を保持するため
に十分な大きさを持っていることが好ましい。通常、開
口部３０は、電解質含有体７０へ差し込むシース２０の
先端に近い所に配置する。場所は、シース２０の先端か
らおよそ０．６ｃｍから５ｃｍの辺りで、特におよそ
１．２ｃｍから４ｃｍが望ましい。

【００１８】開口部３０から最も遠いシース２０の端部
で、通常、電気化学センサ４０の端から引き出されてい
るワイヤ１０は、燃料電池のアノードマニホールドやカ
ソードマニホールドを貫通して通常の電源８０に接続さ
れる。電圧計には、電気化学センサ４０の第２のワイヤ
と第２のワイヤに対する電位の測定を行いたい燃料電池
部材が接続される。

【００１９】本発明の電気化学センサを使うことによっ
て、燃料電池部材の電位を測定できる。この電気化学セ
ンサは、電池運転中のアノード分極電位やカソード分極
電位を監視することができ、そして、アノード電極やカ
ソード電極電圧と停止中の電気抵抗の測定もできる。電
気化学センサから得られる情報は、燃料電池を制御する
ための信号として使うことができ、そして燃料電池のよ
り良い理解へ導き、問題点の発見と、さらに解決方法を
見出し、改良することを可能とする。

【００２０】

【発明の効果】アノード分極電位は、通常アノード電位
が酸素発生電位まで近付いて、腐食によって損傷を受け
るのを避けながら燃料電池が停止することを成し遂げら
れる。アノード電極やカソード電極電位は、運転の過渡
状態で、アノード内及びカソード内を低酸素濃度に保持
し、アノード電極とカソード電極の損傷を防止するため
の窒素パージを制御するのに使うことができる。

【００２１】本発明を説明し、その詳細な具体的な例も
示したが、形状やその詳細な部分において種々の変形
が、特許請求の範囲、本発明の考え方によってなされる
ことは、上記技術の説明によって明白である。

【図面の簡単な説明】

【図１】燃料電池のスタック、及び個々の電池の断面の
電気ポテンシャルの状態を示す図。

【図２】電解質リザーバプレートの溝に収められた本発
明の電気化学センサの一例を示す図。

【図３】図２の電気化学センサの断面を示す図。

【図４】本発明の電気化学センサを基準電極として使っ
て測定したアノード電極電位とセンサ電流との関係を示
す線図。

【符号の説明】

１０ワイヤ２０シース３０開口部４０電気化学センサ５０溝カバー６０溝７０電解質リザーバプレート８０電圧発生装置

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】燃料電池構成部材の電位を監視する方法で
あって、第１の電気伝導性ワイヤと第２の電気伝導性ワイヤが、
互いに直接接触することが無いように十分な間隔を置い
ており、電気伝導性が無く、多孔質体からなり前記第１
の電気伝導性ワイヤと第２の電気伝導性ワイヤとに接触
するような溝カバーを配置してなる電気化学センサを使
用し、前記溝カバーを電解質に接触させ、前記溝カバーの気孔に電解質を浸透させ、前記第１のワイヤと前記第２のワイヤとの間に電圧を印
加し、前記第２のワイヤから水素が発生するまで前記電圧を増
大させ、前記燃料電池構成部材と前記第２のワイヤとの間の電位
差を測定する、ステップを有し、前記第２のワイヤは水
素電極の開放回路電位に近似した基準電位を与える燃料
電池構成部材の電位監視方法。
【請求項２】前記多孔質体部がカーバイト、タイタネー
ト、アルミネートまたはその混合物からなる請求項１記
載の燃料電池構成部材の電位監視方法。
【請求項３】前記多孔質体部がシリコンカーバイド、カ
リウムタイタネート、またはその混合物からなる請求項
２記載の燃料電池構成部材の電位監視方法。
【請求項４】前記ワイヤに印加する電圧を１．２Ｖまで
増大させる請求項１記載の燃料電池構成部材の電位監視
方法。
【請求項５】前記燃料電池が酸を電解質とした燃料電池
である請求項１記載の燃料電池構成部材の電位監視方
法。