燃料電池、燃料電池スタックおよびこれらの検査方法
【課題】 劣化箇所を具体的に特定することができる燃料電池、燃料電池スタックおよびこれらの検査方法を提供する。
【解決手段】 本発明に係る燃料電池（１０）は、第１の同位体比率で所定の元素を含有する第１領域と、第１の同位体比率と異なる第２の同位体比率で所定の元素を含有する第２領域と、を備えることを特徴とするものである。本発明に係る燃料電池によれば、燃料電池の排出ガスまたは排出液に含まれる所定の元素の同位体比率を測定することによって、第１領域および第２領域の劣化に関する情報を取得することができる。したがって、本発明に係る燃料電池によれば、燃料電池における劣化箇所を具体的に特定することができる。
【解決手段】 本発明に係る燃料電池（１０）は、第１の同位体比率で所定の元素を含有する第１領域と、第１の同位体比率と異なる第２の同位体比率で所定の元素を含有する第２領域と、を備えることを特徴とするものである。本発明に係る燃料電池によれば、燃料電池の排出ガスまたは排出液に含まれる所定の元素の同位体比率を測定することによって、第１領域および第２領域の劣化に関する情報を取得することができる。したがって、本発明に係る燃料電池によれば、燃料電池における劣化箇所を具体的に特定することができる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池、燃料電池スタックおよびこれらの検査方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は、一般的には水素および酸素を燃料として電気エネルギを得る装置である。この燃料電池は、環境面において優れており、また高いエネルギ効率を実現できることから、今後のエネルギ供給システムとして広く開発が進められてきている。
【０００３】
燃料電池は、電解質膜、アノード触媒層、カソード触媒層等の複数の構成部材によって構成されている。燃料電池は、アノード側に水素ガスが供給され、カソード側に酸素が供給されて発電するとともに水を生成する。このような燃料電池において、構成部材は発電に伴って劣化する場合がある。
【０００４】
特許文献１には、燃料電池の構成部材の劣化によって排出される物質を採取する採取部を備え、その採取部が採取した物質を質量分析することによって燃料電池の劣化状態を分析する劣化状態分析方法が開示されている。この方法によれば、燃料電池内で劣化が生じている物質の化学構造に関する情報を取得することができる。
【０００５】
【特許文献１】特開２００３−２３２７２０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、特許文献１に係る技術では、劣化している領域と劣化していない領域とが同種類の元素を含む場合には、劣化箇所を具体的に特定することは困難である。
【０００７】
本発明は、劣化箇所を具体的に特定することができる燃料電池、燃料電池スタックおよびこれらの検査方法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】
【０００８】
本発明に係る燃料電池は、第１の同位体比率で所定の元素を含有する第１領域と、第１の同位体比率と異なる第２の同位体比率で所定の元素を含有する第２領域と、を備えることを特徴とするものである。本発明に係る燃料電池によれば、燃料電池の排出ガスまたは排出液に含まれる所定の元素の同位体比率を測定することによって、第１領域および第２領域の劣化に関する情報を取得することができる。したがって、本発明に係る燃料電池によれば、燃料電池における劣化箇所を具体的に特定することができる。
【０００９】
上記構成において、燃料電池は、複数の構成部材を含み、第１領域と第２領域とは、複数の構成部材のうち互いに異なる構成部材に含まれていてもよい。この構成によれば、劣化している構成部材を具体的に特定することができる。
【００１０】
上記構成において、第１領域および第２領域は、燃料電池を構成する同一の構成部材に含まれていてもよい。この構成によれば、同一の構成部材において劣化箇所を具体的に特定することができる。上記構成において、第１領域と第２領域とは、同一の構成部材において、厚み方向で互いに異なる位置に配置されていてもよい。この構成によれば、構成部材の厚み方向において、劣化箇所を具体的に特定することができる。
【００１１】
上記構成において、第１領域と第２領域とは、同一の構成部材において、面内方向で互いに異なる位置に配置されていてもよい。この構成によれば、構成部材の面内方向において、劣化箇所を具体的に特定することができる。
【００１２】
上記構成において、同一の構成部材は、電解質膜、触媒層、ガス拡散層およびセパレータのうちいずれかであってもよい。上記構成において、所定の元素は、炭素、鉄、ニッケル、硫黄、チタン、白金、錫およびホウ素のうち少なくともいずれか一つであってもよい。
【００１３】
上記構成において、複数の構成部材は、触媒層およびガス拡散層であり、所定の元素は、炭素であり、第１領域は、触媒層に含まれ、第２領域は、ガス拡散層に含まれていてもよい。上記構成において、同一の構成部材は、触媒層またはガス拡散層であり、所定の元素は、炭素であってもよい。
【００１４】
本発明に係る燃料電池スタックは、第１の同位体比率で所定の元素を含有する第１領域を備える第１の燃料電池と、第１の同位体比率と異なる第２の同位体比率で所定の元素を含有する第２領域を備える第２の燃料電池と、を備えることを特徴とするものである。本発明に係る燃料電池スタックによれば、燃料電池スタックの排出ガスまたは排出液に含まれる所定の元素の同位体比率を測定することによって、燃料電池スタックにおける劣化箇所を具体的に特定することができる。
【００１５】
本発明に係る燃料電池の検査方法は、請求項１〜９のいずれかに記載の燃料電池からの排出ガスまたは排出液に含まれる所定の元素の同位体比率を測定する測定工程を含むことを特徴とするものである。本発明に係る燃料電池の検査方法によれば、燃料電池における劣化箇所を具体的に特定することができる。
【００１６】
本発明に係る燃料電池スタックの検査方法は、請求項１０に記載の燃料電池スタックからの排出ガスまたは排出液に含まれる所定の元素の同位体比率を測定する測定工程を含むことを特徴とするものである。本発明に係る燃料電池スタックの検査方法によれば、燃料電池スタックにおける劣化箇所を具体的に特定することができる。
【発明の効果】
【００１７】
本発明によれば、劣化箇所を具体的に特定することができる燃料電池、燃料電池スタックおよびこれらの検査方法を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
以下、本発明を実施するための最良の形態を説明する。
【実施例１】
【００１９】
本発明の実施例１に係る燃料電池１０について説明する。図１（ａ）は、燃料電池１０の模式的断面図である。図１（ｂ）は、図１（ａ）のカソード触媒層付近の拡大図である。図１（ａ）に示すように、燃料電池１０は複数の構成部材からなる。例えば、燃料電池１０は、電解質膜２０、触媒層（カソード触媒層３０およびアノード触媒層４０）、ガス拡散層（ガス拡散層５０およびガス拡散層６０）およびセパレータ（セパレータ７０およびセパレータ８０）によって構成されている。電解質膜２０は、例えばプロトン伝導性を有する固体高分子電解質によって構成される。固体高分子電解質として、例えばナフィオン（登録商標）が用いられる。
【００２０】
カソード触媒層３０は、電解質膜２０の２つの面のうち一方の面に配置されている。アノード触媒層４０は、電解質膜２０の２つの面のうちカソード触媒層３０と反対側の面に配置されている。カソード触媒層３０は、プロトンと酸素との反応を促進する機能を有する。アノード触媒層４０は、水素のプロトン化を促進する機能を有する。図１（ｂ）に示すように、カソード触媒層３０は、白金３１を担持したカーボン（炭素）３２によって構成される。アノード触媒層４０もカソード触媒層３０と同様の構成を有する。
【００２１】
図１（ａ）に示すように、ガス拡散層５０は、カソード触媒層３０の電解質膜２０と反対側の面に配置されている。ガス拡散層６０は、アノード触媒層４０の電解質膜２０と反対側の面に配置されている。ガス拡散層５０およびガス拡散層６０は、導電性およびガス透過性を備えた材料から構成される。導電性およびガス透過性を備えた材料として、例えばカーボンペーパー、カーボンクロス等が用いられる。
【００２２】
セパレータ７０は、ガス拡散層５０のカソード触媒層３０と反対側の面に配置されている。セパレータ８０は、ガス拡散層６０のアノード触媒層４０と反対側の面に配置されている。セパレータ７０には、酸素が流動するためのガス流路７１が形成されている。セパレータ８０には、水素ガスが流動するためのガス流路８１が形成されている。セパレータ７０およびセパレータ８０は、例えばＳＵＳ等の金属材料によって構成される。
【００２３】
燃料電池１０は、以下の作用によって発電する。まず、水素ガスはガス流路８１を通って、ガス拡散層６０に供給される。ガス拡散層６０に供給された水素ガスは、ガス拡散層６０を拡散して、アノード触媒層４０に到達する。アノード触媒層４０において、水素ガスは電子を放出してプロトンになる。放出された電子は、外部電気回路（図示せず）によって外部に取り出される。外部に取り出された電子は、電気的な仕事をした後に、カソード触媒層３０に供給される。プロトンは、電解質膜２０を伝導してカソード触媒層３０側に移動する。
【００２４】
酸素はガス流路７１を通って、ガス拡散層５０に供給される。ガス拡散層５０に供給された酸素は、ガス拡散層５０を拡散して、カソード触媒層３０に到達する。カソード触媒層３０においては、酸素と外部電気回路を通ってカソード触媒層３０に到達した電子とプロトンとが反応する。それにより、発電が行われるとともに、水が生成される。
【００２５】
カソード触媒層３０からの排出ガス（カソードオフガスと称する）およびアノード触媒層４０からの排出ガス（アノードオフガスと称する）は、それぞれセパレータ７０およびセパレータ８０に形成された排出ガス流路（図示せず）を通って燃料電池１０の外部に排出される。生成水は、カソードオフガスまたはアノードオフガスと共に燃料電池１０の外部に排出される。なお、外部に排出された生成水を排出液と称する。
【００２６】
ここで、燃料電池１０の各構成部材に含まれる各種の元素は、燃料電池１０の使用条件によっては、腐食等により燃料電池１０の外部へ排出される。例えば、カソード触媒層３０およびアノード触媒層４０は、炭素（Ｃ）を含んでいる。この炭素は、燃料電池１０の使用条件によっては、例えば反応式（１）または反応式（２）に従って二酸化炭素（ＣＯ２）になる。二酸化炭素は、排出ガスに含まれて外部へ排出される。
【００２７】
Ｃ＋２Ｈ２Ｏ→ＣＯ２＋４Ｈ＋＋４ｅ− （１）
Ｃ＋Ｏ２→ＣＯ２ （２）
【００２８】
また、ガス拡散層５０およびガス拡散層６０も、カーボンペーパー等からなる場合には、炭素を含んでいる。この場合、ガス拡散層５０およびガス拡散層６０の炭素も反応式（１）および反応式（２）に従って二酸化炭素になり、外部に排出される。したがって、排出ガスに含まれる元素の種類を分析しただけでは、触媒層およびガス拡散層のいずれが劣化しているのかを判断することは困難である。
【００２９】
そこで、本実施例に係る燃料電池１０においては、各構成部材が、所定の元素について互いに異なる同位体比率を有している。例えば、カソード触媒層３０およびアノード触媒層４０の炭素の同位体比率がガス拡散層５０およびガス拡散層６０の同位体比率と異なるように制御されている。ここで、自然界の炭素の同位体比率は、何らの制御がされていない場合には略一定の値を有する。その同位体比率は、１２Ｃ：９８．９％，１３Ｃ：１．１％，１４Ｃ：微量である。そこで、燃料電池１０においては、カソード触媒層３０およびアノード触媒層４０の１３Ｃの比率が上記の比率と異なるように制御されている。
【００３０】
例えば、燃料電池１０においては、カソード触媒層３０およびアノード触媒層４０に含まれる炭素中の１３Ｃの比率がガス拡散層５０およびガス拡散層６０に含まれる炭素中の１３Ｃの比率よりも多くなるように制御されている。すなわち、燃料電池１０は、第１の同位体比率で１３Ｃを含有する第１領域と、第１の同位体比率と異なる第２の同位体比率で１３Ｃを含有する第２領域と、を有し、第１領域はカソード触媒層３０およびアノード触媒層４０に含まれ、第２領域はガス拡散層５０およびガス拡散層６０に含まれている。
【００３１】
この場合、排出ガスに含まれる炭素中の１３Ｃの比率を測定することによって、ガス拡散層および触媒層のうち、劣化している構成部材に関する情報を取得することができる。したがって、本実施例に係る燃料電池１０によれば、燃料電池１０の劣化箇所を具体的に特定することができる。
【００３２】
なお、排出ガスに含まれる炭素の同位体比率は、例えば、排出ガスを同位体比率測定可能な分析計に導入することによって取得することができる。図２（ａ）は、燃料電池１０の検査方法を示す模式図である。燃料電池１０の排出ガス（アノードオフガスおよびカソードオフガス）の炭素の同位体比率は、分析計９０によって測定することができる。分析計９０としては、元素の同位体比率を測定できる計器であれば限定されず、例えば質量分析計（ＭＳ）、ガスクロマトグラフ質量分析計（ＧＳ／ＭＳ）等が用いられる。
【００３３】
なお、分析計９０による測定の時期については特に限定されず、燃料電池１０の起動時、通常発電時等、いずれの時期に行ってもよい。また、分析計９０による同位体比率の測定は、本発明に係る検査方法の測定工程に相当する。
【００３４】
燃料電池１０は複数積層されていてもよい。図２（ｂ）は、燃料電池スタック１００の検査方法を示す模式図である。燃料電池スタック１００は、燃料電池１０が複数積層されたものである。図２（ｂ）の構成においても、燃料電池スタック１００の劣化箇所を具体的に特定することができる。
【００３５】
なお、カソード触媒層３０およびアノード触媒層４０における炭素の同位体比率は、例えば製造過程で制御することができる。例えば、カソード触媒層３０およびアノード触媒層４０をインク塗布によって製造する場合には、塗布されるインクに含まれる炭素の同位体比率をあらかじめ制御しておけばよい。
【００３６】
また、燃料電池１０において異なる同位体比率を有する構成部材は、上記に限られない。さらに、燃料電池１０において同位体比率を制御可能な元素は、炭素に限られない。例えば、鉄（Ｆｅ）、ニッケル（Ｎｉ）、硫黄（Ｓ）、チタン（Ｔｉ）、白金（Ｐｔ）、錫（Ｓｎ）、ホウ素（Ｂ）等であってもよい。
【００３７】
鉄およびニッケルは、セパレータが金属の場合（特に、ＳＵＳの場合）に、セパレータに含まれている。硫黄は、電解質膜２０、カソード触媒層３０およびアノード触媒層４０に、にスルホン基（ＳＯ３Ｈ）の形で含まれている。チタンは、金属部材に含まれ、例えば、多孔体流路に用いる発泡焼結金属として燃料電池１０に含まれる。白金は、カソード触媒層３０およびアノード触媒層４０に含まれている。錫は、部材の表面を親水化する際に酸化錫の形で用いられる場合がある。ホウ素は、炭素の親水性を制御するために用いられる場合がある。例えばホウ素は、触媒層および拡散層に含有されている場合がある。
【００３８】
鉄、ニッケル、硫黄、チタン、白金、錫およびホウ素は、それぞれ燃料電池１０の使用条件によって、イオン化して生成水中に溶出して、外部に排出される。したがって、これらの元素の同位体比率は、排出液の同位体比率を分析計９０で測定することによって、取得することができる。例えば、鉄は、反応式（３）および反応式（４）に従って鉄イオンになって、生成水中に溶出する。
Ｆｅ→Ｆｅ２＋＋２ｅ− （３）
Ｆｅ２＋→Ｆｅ３＋＋ｅ− （４）
【００３９】
ニッケルは、反応式（５）に従ってニッケルイオンになって生成水中に溶出する。
Ｎｉ→Ｎｉ２＋＋２ｅ− （５）
【００４０】
硫黄は、下記式（６）に従って硫酸イオンになって生成水中に溶出する。なお、プロトン伝導性の固体高分子電解質が分解した場合には、硫黄は、有機基に結合された状態（Ｒ’−ＳＯ３Ｈ）で生成水に溶出することもある。
Ｒ−ＳＯ３Ｈ＋Ｈ２Ｏ→Ｒ−Ｈ＋２Ｈ＋＋ＳＯ４２− （６）
【００４１】
チタンは、反応式（７）に従ってチタンイオンになって生成水中に溶出する。
Ｔｉ→Ｔｉ４＋＋４ｅ− （７）
【００４２】
白金は、反応式（８）に従って白金イオンになって生成水中に溶出する。
Ｐｔ→Ｐｔ２＋＋２ｅ− （８）
【００４３】
錫は、反応式（９）および反応式（１０）に従って錫イオンになって生成水中に溶出する。
Ｓｎ→Ｓｎ２＋＋２ｅ− （９）
Ｓｎ２＋→Ｓｎ４＋＋２ｅ− （１０）
【００４４】
ホウ素は、ホウ酸イオン（Ｈ４ＢＯ４−）になって生成水中に溶出する。
【００４５】
また、鉄、ニッケル、硫黄、チタン、白金、錫およびホウ素の自然界における同位体比率は、それぞれ以下のとおりである。鉄の同位体比率は、５４Ｆｅ：５．８％，５６Ｆｅ：９１．７２％，５７Ｆｅ：２．２％，５８Ｆｅ：０．２８％である。ニッケルの同位体比率は、５８Ｎｉ：６８．０７７％，６０Ｎｉ：２６．２３３％，６１Ｎｉ：１．１４％，６２Ｎｉ：３．６３４％，６４Ｎｉ：０．９２６％である。硫黄の同位体比率は、３２Ｓ：９５．０２％，３３Ｓ：０．７５％，３４Ｓ：４．２１％，３６Ｓ：０．０２％である。
【００４６】
チタンの同位体比率は、４６Ｔｉ：８．０％，４７Ｔｉ：７．３％，４８Ｔｉ：７３．８％，４９Ｔｉ：５．５％，５０Ｔｉ：５．４％である。白金の同位体比率は、１９０Ｐｔ：０．１％，１９２Ｐｔ：０．７９％，１９４Ｐｔ：３２．９％，１９５Ｐｔ：３３．８％：，１９６Ｐｔ：２５．３％，１９８Ｐｔ：７．２％である。錫の同位体比率は、１１２Ｓｎ：０．９７％，１１４Ｓｎ：０．６５％，１１５Ｓｎ：０．３４％，１１６Ｓｎ：１４．５４％，１１７Ｓｎ：７．６８％，１１８Ｓｎ：２４．２３％，１１９Ｓｎ：８．５９％，１２０Ｓｎ：３２．５９％，１２２Ｓｎ：４．６３％，１２４Ｓｎ：５．７９％である。ホウ素の同位体比率は、１０Ｂ：１９．９％，１１Ｂ：８０．１％である。
【００４７】
本実施例において、カソード触媒層３０とアノード触媒層４０との間で、同位体比率を制御した元素の種類を異なるものにしてもよい。例えば、カソード触媒層３０およびアノード触媒層４０のいずれか一方の炭素の同位体比率を制御し、他方の白金、ホウ素等の同位体比率を制御してもよい。この場合、カソード触媒層３０およびアノード触媒層４０のいずれが劣化しているか特定することができる。
【００４８】
また、カソード触媒層３０およびアノード触媒層４０の同位体比率は制御せずに、ガス拡散層５０およびガス拡散層６０に含まれる炭素またはホウ素の同位体比率を制御してもよい。また、ガス拡散層５０とガス拡散層６０との間で炭素またはホウ素の同位体比率を異ならせてもよい。ガス拡散層５０およびガス拡散層６０に含まれる炭素またはホウ素の同位体比率は、製造過程で制御することができる。例えば、コーターを用いてガス拡散層５０およびガス拡散層６０を製造する場合には、原材料に含まれる炭素またはホウ素の同位体比率をあらかじめ制御しておけばよい。また、スプレー塗布によって製造する場合には、塗布されるインクに含まれる炭素またはホウ素の同位体比率をあらかじめ制御しておけばよい。
【００４９】
また、電解質膜２０とカソード触媒層３０およびアノード触媒層４０との間で、硫黄の同位体比率を制御してもよい。電解質膜２０またはカソード触媒層３０およびアノード触媒層４０に含まれる硫黄の同位体比率は製造過程で制御することができる。例えば、電解質膜２０をコーターを用いて製造する場合には、原材料に含まれる硫黄の同位体比率をあらかじめ制御しておけばよい。
【００５０】
セパレータ７０とセパレータ８０との間で、鉄、ニッケルまたは錫の同位体比率を制御してもよい。鉄、ニッケルおよび錫の同位体比率は、製造過程で制御することができる。例えば、セパレータ７０およびセパレータ８０の原材料に含まれる鉄、ニッケルおよび錫の同位体比率をあらかじめ制御しておけばよい。
【００５１】
以上のように、各構成部材間において所定の元素の同位体比率を異ならせることによって、いずれの構成部材が劣化しているか具体的に特定することができる。
【実施例２】
【００５２】
続いて、本発明の実施例２に係る燃料電池１０ａについて説明する。図３（ａ）は、燃料電池１０ａの模式図である。燃料電池１０ａは、カソード触媒層３０およびアノード触媒層４０の代わりにカソード触媒層３０ａおよびアノード触媒層４０ａを備える点で、図１（ａ）の燃料電池１０と異なる。その他の構成は、燃料電池１０と同様のため説明を省略する。
【００５３】
図３（ｂ）は、図３（ａ）のカソード触媒層３０ａ付近の模式的拡大図である。本実施例においては、カソード触媒層３０ａにおいて炭素、ホウ素または白金の同位体比率が、カソード触媒層３０ａの厚み方向において変化するように制御されている。図３（ａ）においては、ガス拡散層５０に近いほど、１３Ｃの比率が小さく制御されている。この場合、カソード触媒層３０ａにおいて第１領域（例えば１３Ｃの比率の小さい領域）と第２領域（例えば１３Ｃの比率の大きい領域）とは、厚み方向で互いに異なる位置に配置されている。なお、アノード触媒層４０ａにおいても、炭素、ホウ素または白金の同位体比率が、アノード触媒層４０ａの厚み方向において変化するように制御されている。
【００５４】
本実施例に係る燃料電池１０ａによれば、排出ガスまたは排出液に含まれる所定の元素の同位体比率を分析計９０で測定することによって、カソード触媒層３０ａおよびアノード触媒層４０ａの厚み方向において、劣化箇所を具体的に特定することができる。
【００５５】
なお、カソード触媒層３０ａおよびアノード触媒層４０ａは、例えばインクをスプレー塗布する際に、インクの同位体比率を制御することによって製造することができる。具体的には、あらかじめ１３Ｃ等の同位体比率を制御したインクを準備しておき、スプレー塗布の途中で塗布されるインクを交換すればよい。
【００５６】
なお、本実施例においてはカソード触媒層３０ａおよびアノード触媒層４０ａのいずれにおいても同位体比率が制御されているが、いずれか一方のみの同位体比率が制御されていてもよい。この場合、カソード触媒層３０ａおよびアノード触媒層４０ａのいずれの厚み方向において劣化が生じているかを特定することができる。
【００５７】
本実施例においては、触媒層の厚み方向において同位体比率が制御されているが、同一の構成部材において厚み方向で同位体比率が制御されていればよい。例えば、電解質膜２０の厚み方向において硫黄の同位体比率が制御されていてもよい。電解質膜２０の厚み方向の硫黄の同位体比率を制御するには、例えば以下の方法を用いることができる。図４は、電解質膜２０の厚み方向の同位体比率を制御する方法の一例を示す模式図である。図４に示すように、電解質膜２０の製造には、コーター１１０およびベースフィルム１２０が用いられる。コーター１１０は電解質膜２０の構成材料を噴出する機器であり、ベースフィルム１２０はコーター１１０から噴出された構成材料が塗布されるフィルムである。
【００５８】
ベースフィルム１２０は、コーター１１０に対して矢印の方向に相対移動している。コーター１１０には、電解質膜２０の構成材料２１が流れるための流路１１１および電解質膜２０の構成材料２２が流れるための流路１１２が形成されている。流路１１１は、流路１１２のベースフィルム１２０の移動方向側に形成されている。この場合、流路１１１を流れる構成材料２１の硫黄の同位体比率を流路１１２を流れる構成材料２２の硫黄の同位体比率と異ならせることによって、電解質膜２０の厚み方向の硫黄の同位体比率を制御することができる。
【００５９】
また、ガス拡散層５０およびガス拡散層６０の厚み方向において炭素またはホウ素の同位体比率が制御されていてもよい。ガス拡散層５０およびガス拡散層６０の厚み方向の同位体比率は、例えば、ガス拡散層５０およびガス拡散層６０をコーター１１０を用いて製造する場合には、電解質膜２０と同様の方法で製造することができる。あるいは、スプレー塗布方法でガス拡散層５０およびガス拡散層６０を製造する場合には、カソード触媒層３０ａおよびアノード触媒層４０ａと同様の方法で製造することができる。
【００６０】
また、セパレータ７０およびセパレータ８０の厚み方向において鉄、ニッケルまたは錫の同位体比率が制御されていてもよい。まず、スパッタ等によってセパレータ７０およびセパレータ８０の表面に所定の元素（例えば５４Ｆｅ等）を付着させる。その後、熱処理を施すことによって、付着させた元素をセパレータ７０およびセパレータ８０の内部に拡散させて、セパレータ７０およびセパレータ８０の厚み方向の同位体比率にグラデーションを形成する。以上の方法で、厚み方向において鉄、ニッケルまたは錫の同位体比率を制御することができる。
【実施例３】
【００６１】
続いて、本発明の実施例３に係る燃料電池１０ｂについて説明する。図５（ａ）は、燃料電池１０ｂの模式的断面図である。燃料電池１０ｂは、ガス拡散層５０およびガス拡散層６０の代わりにガス拡散層５０ｂおよびガス拡散層６０ｂを備える点で、図１（ａ）の燃料電池１０と異なる。その他の構成は、燃料電池１０と同様のため説明を省略する。
【００６２】
図５（ｂ）は、図５（ａ）のガス拡散層５０ｂをセパレータ７０側から見た平面図である。なお、図５（ａ）の寸法と図５（ｂ）の寸法とは一致させていない。ガス拡散層５０ｂの所定の元素の同位体比率は、面内方向において一方の側（図５（ｂ）の左側）から他方の側（図５（ｂ）の右側）にかけて変化するように制御されている。所定の元素として、例えば炭素、ホウ素等が用いられる。本実施例においては、所定の元素として炭素が用いられる。具体的には、ガス拡散層５０ｂにおいて第１領域（例えば１３Ｃの比率の小さい領域）と第２領域（例えば１３Ｃの比率の大きい領域）とは、面内方向で互いに異なる位置に配置されている。なお、ガス拡散層６０ｂもガス拡散層５０ｂと同様の構成を有している。
【００６３】
本実施例に係る燃料電池１０ｂによれば、排出ガスまたは排出液に含まれる所定の元素の同位体比率を分析計９０で測定することによって、ガス拡散層５０ｂおよびガス拡散層６０ｂの面内方向における劣化箇所を具体的に特定することができる。
【００６４】
なお、ガス拡散層５０ｂおよびガス拡散層６０ｂの面内方向の同位体比率を制御するには、例えば以下の方法を用いることができる。図６は、ガス拡散層５０ｂの面内方向の同位体比率を制御する方法の一例を示す模式図である。図６は、コーター１１０の代わりにコーター１１０ｂが用いられている点で、図４と異なる。
【００６５】
コーター１１０ｂは、流路１１１および流路１１２の代わりに流路１１３および流路１１４を備える点で、コーター１１０と異なる。流路１１３はガス拡散層５０ｂの構成材料５１が流れるための流路であり、流路１１４はガス拡散層５０ｂの構成材料５２が流れるための流路である。構成材料５２の所定の元素の同位体比率が、構成材料５１の所定の元素の同位体比率と異なるように制御されている。また、流路１１３および流路１１４は、ベースフィルム１２０の移動方向と垂直な方向であってベースフィルム１２０の面の方向に並んで形成されている。このようなコーター１１０ｂを用いてベースフィルム１２０上にガス拡散層５０ｂの構成材料を塗布することによって、ガス拡散層５０ｂの面内方向の同位体比率を制御することができる。なお、ガス拡散層６０ｂについても同様の方法が用いられる。
【００６６】
また、ガス拡散層５０ｂおよびガス拡散層６０ｂは、スプレー塗布による方法で製造することもできる。この場合、スプレーされるインクの同位体比率を制御することによって、ガス拡散層５０ｂおよびガス拡散層６０ｂの面内方向の同位体比率を制御することができる。具体的には、あらかじめ同位体比率の異なるインクを準備しておき、これらのインクを、面内方向にかけて同位体比率が異なるようにカソード触媒層３０およびアノード触媒層４０の面上に塗布していけばよい。
【００６７】
なお、ガス拡散層以外の構成部材の面内方向において同位体比率が制御されていてもよい。例えば、電解質膜２０の面内方向の同位体比率が制御されていてもよい。電解質膜２０の面内方向の同位体比率は、例えば図６の方法と同様の方法で制御することができる。
【００６８】
また、カソード触媒層３０およびアノード触媒層４０の面内方向の同位体比率が制御されていてもよい。カソード触媒層３０およびアノード触媒層４０の面内方向の同位体比率は、例えば、ガス拡散層５０ｂおよびガス拡散層６０ｂのスプレー塗布による方法と同様の方法で、制御することができる。
【００６９】
また、セパレータ７０およびセパレータ８０の面内方向の同位体比率が制御されていてもよい。セパレータ７０およびセパレータ８０の面内方向の同位体比率は、例えば、同位体比率の異なる元素をスパッタ等によってセパレータ７０およびセパレータ８０の面内方向にグラデーションが形成されるように塗布することによって、制御することができる。
【実施例４】
【００７０】
続いて、本発明の実施例４に係る燃料電池スタック１００ｃについて説明する。図７は、燃料電池スタック１００ｃの模式図である。燃料電池スタック１００ｃにおいては、所定の元素の同位体比率が積層方向において変化するように燃料電池１０が積層されている。図７においては、燃料電池スタック１００ｃの所定の元素の同位体（例えば１３Ｃ）の比率が積層方向にかけて順次大きくなるように、燃料電池１０が積層されている。
【００７１】
燃料電池スタック１００ｃは、例えば各燃料電池１０のカソード触媒層３０およびアノード触媒層４０における所定の同位体（例えば１３Ｃ）の含有比率を積層方向にかけて順に増やしていくことによって、製造することができる。
【００７２】
本実施例に係る燃料電池スタック１００ｃによれば、排出ガスまたは排出液に含まれる所定の元素の同位体比率を測定することによって、燃料電池スタック１００ｃにおける劣化箇所を具体的に特定することができる。
【００７３】
本実施例において、燃料電池スタック１００ｃを構成する各燃料電池１０のうちいずれか１個の燃料電池１０が第１の燃料電池に相当し、他の燃料電池１０が第２の燃料電池に相当する。
【図面の簡単な説明】
【００７４】
【図１】図１（ａ）は、燃料電池の模式的断面図である。図１（ｂ）は、図１（ａ）のカソード触媒層付近の拡大図である。
【図２】図２（ａ）は、燃料電池の検査方法を示す模式図である。図２（ｂ）は、燃料電池スタックの検査方法を示す模式図である。
【図３】図３（ａ）は、実施例２に係る燃料電池の模式図である。図３（ｂ）は、図３（ａ）のカソード触媒層付近の模式的拡大図である。
【図４】図４は、電解質膜の厚み方向の同位体比率を制御する方法の一例を示す模式図である。
【図５】図５（ａ）は、実施例３に係る燃料電池の模式的断面図である。図５（ｂ）は、図５（ａ）のガス拡散層をセパレータ側から見た平面図である。
【図６】図６は、実施例３に係るガス拡散層の面内方向の同位体比率を制御する方法の一例を示す模式図である。
【図７】図７は、実施例４に係る燃料電池スタックの模式図である。
【符号の説明】
【００７５】
１０ 燃料電池
２０ 電解質膜
２１，２２ 構成材料
３０ カソード触媒層
３１ 白金
３２ カーボン
４０ アノード触媒層
５０，６０ ガス拡散層
５１，５２ 構成材料
７０，８０ セパレータ
７１，８１ ガス流路
９０ 分析計
１００ 燃料電池スタック
１１０ コーター
１１１，１１２，１１３，１１４ 流路
１２０ ベースフィルム
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池、燃料電池スタックおよびこれらの検査方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は、一般的には水素および酸素を燃料として電気エネルギを得る装置である。この燃料電池は、環境面において優れており、また高いエネルギ効率を実現できることから、今後のエネルギ供給システムとして広く開発が進められてきている。
【０００３】
燃料電池は、電解質膜、アノード触媒層、カソード触媒層等の複数の構成部材によって構成されている。燃料電池は、アノード側に水素ガスが供給され、カソード側に酸素が供給されて発電するとともに水を生成する。このような燃料電池において、構成部材は発電に伴って劣化する場合がある。
【０００４】
特許文献１には、燃料電池の構成部材の劣化によって排出される物質を採取する採取部を備え、その採取部が採取した物質を質量分析することによって燃料電池の劣化状態を分析する劣化状態分析方法が開示されている。この方法によれば、燃料電池内で劣化が生じている物質の化学構造に関する情報を取得することができる。
【０００５】
【特許文献１】特開２００３−２３２７２０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、特許文献１に係る技術では、劣化している領域と劣化していない領域とが同種類の元素を含む場合には、劣化箇所を具体的に特定することは困難である。
【０００７】
本発明は、劣化箇所を具体的に特定することができる燃料電池、燃料電池スタックおよびこれらの検査方法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】
【０００８】
本発明に係る燃料電池は、第１の同位体比率で所定の元素を含有する第１領域と、第１の同位体比率と異なる第２の同位体比率で所定の元素を含有する第２領域と、を備えることを特徴とするものである。本発明に係る燃料電池によれば、燃料電池の排出ガスまたは排出液に含まれる所定の元素の同位体比率を測定することによって、第１領域および第２領域の劣化に関する情報を取得することができる。したがって、本発明に係る燃料電池によれば、燃料電池における劣化箇所を具体的に特定することができる。
【０００９】
上記構成において、燃料電池は、複数の構成部材を含み、第１領域と第２領域とは、複数の構成部材のうち互いに異なる構成部材に含まれていてもよい。この構成によれば、劣化している構成部材を具体的に特定することができる。
【００１０】
上記構成において、第１領域および第２領域は、燃料電池を構成する同一の構成部材に含まれていてもよい。この構成によれば、同一の構成部材において劣化箇所を具体的に特定することができる。上記構成において、第１領域と第２領域とは、同一の構成部材において、厚み方向で互いに異なる位置に配置されていてもよい。この構成によれば、構成部材の厚み方向において、劣化箇所を具体的に特定することができる。
【００１１】
上記構成において、第１領域と第２領域とは、同一の構成部材において、面内方向で互いに異なる位置に配置されていてもよい。この構成によれば、構成部材の面内方向において、劣化箇所を具体的に特定することができる。
【００１２】
上記構成において、同一の構成部材は、電解質膜、触媒層、ガス拡散層およびセパレータのうちいずれかであってもよい。上記構成において、所定の元素は、炭素、鉄、ニッケル、硫黄、チタン、白金、錫およびホウ素のうち少なくともいずれか一つであってもよい。
【００１３】
上記構成において、複数の構成部材は、触媒層およびガス拡散層であり、所定の元素は、炭素であり、第１領域は、触媒層に含まれ、第２領域は、ガス拡散層に含まれていてもよい。上記構成において、同一の構成部材は、触媒層またはガス拡散層であり、所定の元素は、炭素であってもよい。
【００１４】
本発明に係る燃料電池スタックは、第１の同位体比率で所定の元素を含有する第１領域を備える第１の燃料電池と、第１の同位体比率と異なる第２の同位体比率で所定の元素を含有する第２領域を備える第２の燃料電池と、を備えることを特徴とするものである。本発明に係る燃料電池スタックによれば、燃料電池スタックの排出ガスまたは排出液に含まれる所定の元素の同位体比率を測定することによって、燃料電池スタックにおける劣化箇所を具体的に特定することができる。
【００１５】
本発明に係る燃料電池の検査方法は、請求項１〜９のいずれかに記載の燃料電池からの排出ガスまたは排出液に含まれる所定の元素の同位体比率を測定する測定工程を含むことを特徴とするものである。本発明に係る燃料電池の検査方法によれば、燃料電池における劣化箇所を具体的に特定することができる。
【００１６】
本発明に係る燃料電池スタックの検査方法は、請求項１０に記載の燃料電池スタックからの排出ガスまたは排出液に含まれる所定の元素の同位体比率を測定する測定工程を含むことを特徴とするものである。本発明に係る燃料電池スタックの検査方法によれば、燃料電池スタックにおける劣化箇所を具体的に特定することができる。
【発明の効果】
【００１７】
本発明によれば、劣化箇所を具体的に特定することができる燃料電池、燃料電池スタックおよびこれらの検査方法を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
以下、本発明を実施するための最良の形態を説明する。
【実施例１】
【００１９】
本発明の実施例１に係る燃料電池１０について説明する。図１（ａ）は、燃料電池１０の模式的断面図である。図１（ｂ）は、図１（ａ）のカソード触媒層付近の拡大図である。図１（ａ）に示すように、燃料電池１０は複数の構成部材からなる。例えば、燃料電池１０は、電解質膜２０、触媒層（カソード触媒層３０およびアノード触媒層４０）、ガス拡散層（ガス拡散層５０およびガス拡散層６０）およびセパレータ（セパレータ７０およびセパレータ８０）によって構成されている。電解質膜２０は、例えばプロトン伝導性を有する固体高分子電解質によって構成される。固体高分子電解質として、例えばナフィオン（登録商標）が用いられる。
【００２０】
カソード触媒層３０は、電解質膜２０の２つの面のうち一方の面に配置されている。アノード触媒層４０は、電解質膜２０の２つの面のうちカソード触媒層３０と反対側の面に配置されている。カソード触媒層３０は、プロトンと酸素との反応を促進する機能を有する。アノード触媒層４０は、水素のプロトン化を促進する機能を有する。図１（ｂ）に示すように、カソード触媒層３０は、白金３１を担持したカーボン（炭素）３２によって構成される。アノード触媒層４０もカソード触媒層３０と同様の構成を有する。
【００２１】
図１（ａ）に示すように、ガス拡散層５０は、カソード触媒層３０の電解質膜２０と反対側の面に配置されている。ガス拡散層６０は、アノード触媒層４０の電解質膜２０と反対側の面に配置されている。ガス拡散層５０およびガス拡散層６０は、導電性およびガス透過性を備えた材料から構成される。導電性およびガス透過性を備えた材料として、例えばカーボンペーパー、カーボンクロス等が用いられる。
【００２２】
セパレータ７０は、ガス拡散層５０のカソード触媒層３０と反対側の面に配置されている。セパレータ８０は、ガス拡散層６０のアノード触媒層４０と反対側の面に配置されている。セパレータ７０には、酸素が流動するためのガス流路７１が形成されている。セパレータ８０には、水素ガスが流動するためのガス流路８１が形成されている。セパレータ７０およびセパレータ８０は、例えばＳＵＳ等の金属材料によって構成される。
【００２３】
燃料電池１０は、以下の作用によって発電する。まず、水素ガスはガス流路８１を通って、ガス拡散層６０に供給される。ガス拡散層６０に供給された水素ガスは、ガス拡散層６０を拡散して、アノード触媒層４０に到達する。アノード触媒層４０において、水素ガスは電子を放出してプロトンになる。放出された電子は、外部電気回路（図示せず）によって外部に取り出される。外部に取り出された電子は、電気的な仕事をした後に、カソード触媒層３０に供給される。プロトンは、電解質膜２０を伝導してカソード触媒層３０側に移動する。
【００２４】
酸素はガス流路７１を通って、ガス拡散層５０に供給される。ガス拡散層５０に供給された酸素は、ガス拡散層５０を拡散して、カソード触媒層３０に到達する。カソード触媒層３０においては、酸素と外部電気回路を通ってカソード触媒層３０に到達した電子とプロトンとが反応する。それにより、発電が行われるとともに、水が生成される。
【００２５】
カソード触媒層３０からの排出ガス（カソードオフガスと称する）およびアノード触媒層４０からの排出ガス（アノードオフガスと称する）は、それぞれセパレータ７０およびセパレータ８０に形成された排出ガス流路（図示せず）を通って燃料電池１０の外部に排出される。生成水は、カソードオフガスまたはアノードオフガスと共に燃料電池１０の外部に排出される。なお、外部に排出された生成水を排出液と称する。
【００２６】
ここで、燃料電池１０の各構成部材に含まれる各種の元素は、燃料電池１０の使用条件によっては、腐食等により燃料電池１０の外部へ排出される。例えば、カソード触媒層３０およびアノード触媒層４０は、炭素（Ｃ）を含んでいる。この炭素は、燃料電池１０の使用条件によっては、例えば反応式（１）または反応式（２）に従って二酸化炭素（ＣＯ２）になる。二酸化炭素は、排出ガスに含まれて外部へ排出される。
【００２７】
Ｃ＋２Ｈ２Ｏ→ＣＯ２＋４Ｈ＋＋４ｅ− （１）
Ｃ＋Ｏ２→ＣＯ２ （２）
【００２８】
また、ガス拡散層５０およびガス拡散層６０も、カーボンペーパー等からなる場合には、炭素を含んでいる。この場合、ガス拡散層５０およびガス拡散層６０の炭素も反応式（１）および反応式（２）に従って二酸化炭素になり、外部に排出される。したがって、排出ガスに含まれる元素の種類を分析しただけでは、触媒層およびガス拡散層のいずれが劣化しているのかを判断することは困難である。
【００２９】
そこで、本実施例に係る燃料電池１０においては、各構成部材が、所定の元素について互いに異なる同位体比率を有している。例えば、カソード触媒層３０およびアノード触媒層４０の炭素の同位体比率がガス拡散層５０およびガス拡散層６０の同位体比率と異なるように制御されている。ここで、自然界の炭素の同位体比率は、何らの制御がされていない場合には略一定の値を有する。その同位体比率は、１２Ｃ：９８．９％，１３Ｃ：１．１％，１４Ｃ：微量である。そこで、燃料電池１０においては、カソード触媒層３０およびアノード触媒層４０の１３Ｃの比率が上記の比率と異なるように制御されている。
【００３０】
例えば、燃料電池１０においては、カソード触媒層３０およびアノード触媒層４０に含まれる炭素中の１３Ｃの比率がガス拡散層５０およびガス拡散層６０に含まれる炭素中の１３Ｃの比率よりも多くなるように制御されている。すなわち、燃料電池１０は、第１の同位体比率で１３Ｃを含有する第１領域と、第１の同位体比率と異なる第２の同位体比率で１３Ｃを含有する第２領域と、を有し、第１領域はカソード触媒層３０およびアノード触媒層４０に含まれ、第２領域はガス拡散層５０およびガス拡散層６０に含まれている。
【００３１】
この場合、排出ガスに含まれる炭素中の１３Ｃの比率を測定することによって、ガス拡散層および触媒層のうち、劣化している構成部材に関する情報を取得することができる。したがって、本実施例に係る燃料電池１０によれば、燃料電池１０の劣化箇所を具体的に特定することができる。
【００３２】
なお、排出ガスに含まれる炭素の同位体比率は、例えば、排出ガスを同位体比率測定可能な分析計に導入することによって取得することができる。図２（ａ）は、燃料電池１０の検査方法を示す模式図である。燃料電池１０の排出ガス（アノードオフガスおよびカソードオフガス）の炭素の同位体比率は、分析計９０によって測定することができる。分析計９０としては、元素の同位体比率を測定できる計器であれば限定されず、例えば質量分析計（ＭＳ）、ガスクロマトグラフ質量分析計（ＧＳ／ＭＳ）等が用いられる。
【００３３】
なお、分析計９０による測定の時期については特に限定されず、燃料電池１０の起動時、通常発電時等、いずれの時期に行ってもよい。また、分析計９０による同位体比率の測定は、本発明に係る検査方法の測定工程に相当する。
【００３４】
燃料電池１０は複数積層されていてもよい。図２（ｂ）は、燃料電池スタック１００の検査方法を示す模式図である。燃料電池スタック１００は、燃料電池１０が複数積層されたものである。図２（ｂ）の構成においても、燃料電池スタック１００の劣化箇所を具体的に特定することができる。
【００３５】
なお、カソード触媒層３０およびアノード触媒層４０における炭素の同位体比率は、例えば製造過程で制御することができる。例えば、カソード触媒層３０およびアノード触媒層４０をインク塗布によって製造する場合には、塗布されるインクに含まれる炭素の同位体比率をあらかじめ制御しておけばよい。
【００３６】
また、燃料電池１０において異なる同位体比率を有する構成部材は、上記に限られない。さらに、燃料電池１０において同位体比率を制御可能な元素は、炭素に限られない。例えば、鉄（Ｆｅ）、ニッケル（Ｎｉ）、硫黄（Ｓ）、チタン（Ｔｉ）、白金（Ｐｔ）、錫（Ｓｎ）、ホウ素（Ｂ）等であってもよい。
【００３７】
鉄およびニッケルは、セパレータが金属の場合（特に、ＳＵＳの場合）に、セパレータに含まれている。硫黄は、電解質膜２０、カソード触媒層３０およびアノード触媒層４０に、にスルホン基（ＳＯ３Ｈ）の形で含まれている。チタンは、金属部材に含まれ、例えば、多孔体流路に用いる発泡焼結金属として燃料電池１０に含まれる。白金は、カソード触媒層３０およびアノード触媒層４０に含まれている。錫は、部材の表面を親水化する際に酸化錫の形で用いられる場合がある。ホウ素は、炭素の親水性を制御するために用いられる場合がある。例えばホウ素は、触媒層および拡散層に含有されている場合がある。
【００３８】
鉄、ニッケル、硫黄、チタン、白金、錫およびホウ素は、それぞれ燃料電池１０の使用条件によって、イオン化して生成水中に溶出して、外部に排出される。したがって、これらの元素の同位体比率は、排出液の同位体比率を分析計９０で測定することによって、取得することができる。例えば、鉄は、反応式（３）および反応式（４）に従って鉄イオンになって、生成水中に溶出する。
Ｆｅ→Ｆｅ２＋＋２ｅ− （３）
Ｆｅ２＋→Ｆｅ３＋＋ｅ− （４）
【００３９】
ニッケルは、反応式（５）に従ってニッケルイオンになって生成水中に溶出する。
Ｎｉ→Ｎｉ２＋＋２ｅ− （５）
【００４０】
硫黄は、下記式（６）に従って硫酸イオンになって生成水中に溶出する。なお、プロトン伝導性の固体高分子電解質が分解した場合には、硫黄は、有機基に結合された状態（Ｒ’−ＳＯ３Ｈ）で生成水に溶出することもある。
Ｒ−ＳＯ３Ｈ＋Ｈ２Ｏ→Ｒ−Ｈ＋２Ｈ＋＋ＳＯ４２− （６）
【００４１】
チタンは、反応式（７）に従ってチタンイオンになって生成水中に溶出する。
Ｔｉ→Ｔｉ４＋＋４ｅ− （７）
【００４２】
白金は、反応式（８）に従って白金イオンになって生成水中に溶出する。
Ｐｔ→Ｐｔ２＋＋２ｅ− （８）
【００４３】
錫は、反応式（９）および反応式（１０）に従って錫イオンになって生成水中に溶出する。
Ｓｎ→Ｓｎ２＋＋２ｅ− （９）
Ｓｎ２＋→Ｓｎ４＋＋２ｅ− （１０）
【００４４】
ホウ素は、ホウ酸イオン（Ｈ４ＢＯ４−）になって生成水中に溶出する。
【００４５】
また、鉄、ニッケル、硫黄、チタン、白金、錫およびホウ素の自然界における同位体比率は、それぞれ以下のとおりである。鉄の同位体比率は、５４Ｆｅ：５．８％，５６Ｆｅ：９１．７２％，５７Ｆｅ：２．２％，５８Ｆｅ：０．２８％である。ニッケルの同位体比率は、５８Ｎｉ：６８．０７７％，６０Ｎｉ：２６．２３３％，６１Ｎｉ：１．１４％，６２Ｎｉ：３．６３４％，６４Ｎｉ：０．９２６％である。硫黄の同位体比率は、３２Ｓ：９５．０２％，３３Ｓ：０．７５％，３４Ｓ：４．２１％，３６Ｓ：０．０２％である。
【００４６】
チタンの同位体比率は、４６Ｔｉ：８．０％，４７Ｔｉ：７．３％，４８Ｔｉ：７３．８％，４９Ｔｉ：５．５％，５０Ｔｉ：５．４％である。白金の同位体比率は、１９０Ｐｔ：０．１％，１９２Ｐｔ：０．７９％，１９４Ｐｔ：３２．９％，１９５Ｐｔ：３３．８％：，１９６Ｐｔ：２５．３％，１９８Ｐｔ：７．２％である。錫の同位体比率は、１１２Ｓｎ：０．９７％，１１４Ｓｎ：０．６５％，１１５Ｓｎ：０．３４％，１１６Ｓｎ：１４．５４％，１１７Ｓｎ：７．６８％，１１８Ｓｎ：２４．２３％，１１９Ｓｎ：８．５９％，１２０Ｓｎ：３２．５９％，１２２Ｓｎ：４．６３％，１２４Ｓｎ：５．７９％である。ホウ素の同位体比率は、１０Ｂ：１９．９％，１１Ｂ：８０．１％である。
【００４７】
本実施例において、カソード触媒層３０とアノード触媒層４０との間で、同位体比率を制御した元素の種類を異なるものにしてもよい。例えば、カソード触媒層３０およびアノード触媒層４０のいずれか一方の炭素の同位体比率を制御し、他方の白金、ホウ素等の同位体比率を制御してもよい。この場合、カソード触媒層３０およびアノード触媒層４０のいずれが劣化しているか特定することができる。
【００４８】
また、カソード触媒層３０およびアノード触媒層４０の同位体比率は制御せずに、ガス拡散層５０およびガス拡散層６０に含まれる炭素またはホウ素の同位体比率を制御してもよい。また、ガス拡散層５０とガス拡散層６０との間で炭素またはホウ素の同位体比率を異ならせてもよい。ガス拡散層５０およびガス拡散層６０に含まれる炭素またはホウ素の同位体比率は、製造過程で制御することができる。例えば、コーターを用いてガス拡散層５０およびガス拡散層６０を製造する場合には、原材料に含まれる炭素またはホウ素の同位体比率をあらかじめ制御しておけばよい。また、スプレー塗布によって製造する場合には、塗布されるインクに含まれる炭素またはホウ素の同位体比率をあらかじめ制御しておけばよい。
【００４９】
また、電解質膜２０とカソード触媒層３０およびアノード触媒層４０との間で、硫黄の同位体比率を制御してもよい。電解質膜２０またはカソード触媒層３０およびアノード触媒層４０に含まれる硫黄の同位体比率は製造過程で制御することができる。例えば、電解質膜２０をコーターを用いて製造する場合には、原材料に含まれる硫黄の同位体比率をあらかじめ制御しておけばよい。
【００５０】
セパレータ７０とセパレータ８０との間で、鉄、ニッケルまたは錫の同位体比率を制御してもよい。鉄、ニッケルおよび錫の同位体比率は、製造過程で制御することができる。例えば、セパレータ７０およびセパレータ８０の原材料に含まれる鉄、ニッケルおよび錫の同位体比率をあらかじめ制御しておけばよい。
【００５１】
以上のように、各構成部材間において所定の元素の同位体比率を異ならせることによって、いずれの構成部材が劣化しているか具体的に特定することができる。
【実施例２】
【００５２】
続いて、本発明の実施例２に係る燃料電池１０ａについて説明する。図３（ａ）は、燃料電池１０ａの模式図である。燃料電池１０ａは、カソード触媒層３０およびアノード触媒層４０の代わりにカソード触媒層３０ａおよびアノード触媒層４０ａを備える点で、図１（ａ）の燃料電池１０と異なる。その他の構成は、燃料電池１０と同様のため説明を省略する。
【００５３】
図３（ｂ）は、図３（ａ）のカソード触媒層３０ａ付近の模式的拡大図である。本実施例においては、カソード触媒層３０ａにおいて炭素、ホウ素または白金の同位体比率が、カソード触媒層３０ａの厚み方向において変化するように制御されている。図３（ａ）においては、ガス拡散層５０に近いほど、１３Ｃの比率が小さく制御されている。この場合、カソード触媒層３０ａにおいて第１領域（例えば１３Ｃの比率の小さい領域）と第２領域（例えば１３Ｃの比率の大きい領域）とは、厚み方向で互いに異なる位置に配置されている。なお、アノード触媒層４０ａにおいても、炭素、ホウ素または白金の同位体比率が、アノード触媒層４０ａの厚み方向において変化するように制御されている。
【００５４】
本実施例に係る燃料電池１０ａによれば、排出ガスまたは排出液に含まれる所定の元素の同位体比率を分析計９０で測定することによって、カソード触媒層３０ａおよびアノード触媒層４０ａの厚み方向において、劣化箇所を具体的に特定することができる。
【００５５】
なお、カソード触媒層３０ａおよびアノード触媒層４０ａは、例えばインクをスプレー塗布する際に、インクの同位体比率を制御することによって製造することができる。具体的には、あらかじめ１３Ｃ等の同位体比率を制御したインクを準備しておき、スプレー塗布の途中で塗布されるインクを交換すればよい。
【００５６】
なお、本実施例においてはカソード触媒層３０ａおよびアノード触媒層４０ａのいずれにおいても同位体比率が制御されているが、いずれか一方のみの同位体比率が制御されていてもよい。この場合、カソード触媒層３０ａおよびアノード触媒層４０ａのいずれの厚み方向において劣化が生じているかを特定することができる。
【００５７】
本実施例においては、触媒層の厚み方向において同位体比率が制御されているが、同一の構成部材において厚み方向で同位体比率が制御されていればよい。例えば、電解質膜２０の厚み方向において硫黄の同位体比率が制御されていてもよい。電解質膜２０の厚み方向の硫黄の同位体比率を制御するには、例えば以下の方法を用いることができる。図４は、電解質膜２０の厚み方向の同位体比率を制御する方法の一例を示す模式図である。図４に示すように、電解質膜２０の製造には、コーター１１０およびベースフィルム１２０が用いられる。コーター１１０は電解質膜２０の構成材料を噴出する機器であり、ベースフィルム１２０はコーター１１０から噴出された構成材料が塗布されるフィルムである。
【００５８】
ベースフィルム１２０は、コーター１１０に対して矢印の方向に相対移動している。コーター１１０には、電解質膜２０の構成材料２１が流れるための流路１１１および電解質膜２０の構成材料２２が流れるための流路１１２が形成されている。流路１１１は、流路１１２のベースフィルム１２０の移動方向側に形成されている。この場合、流路１１１を流れる構成材料２１の硫黄の同位体比率を流路１１２を流れる構成材料２２の硫黄の同位体比率と異ならせることによって、電解質膜２０の厚み方向の硫黄の同位体比率を制御することができる。
【００５９】
また、ガス拡散層５０およびガス拡散層６０の厚み方向において炭素またはホウ素の同位体比率が制御されていてもよい。ガス拡散層５０およびガス拡散層６０の厚み方向の同位体比率は、例えば、ガス拡散層５０およびガス拡散層６０をコーター１１０を用いて製造する場合には、電解質膜２０と同様の方法で製造することができる。あるいは、スプレー塗布方法でガス拡散層５０およびガス拡散層６０を製造する場合には、カソード触媒層３０ａおよびアノード触媒層４０ａと同様の方法で製造することができる。
【００６０】
また、セパレータ７０およびセパレータ８０の厚み方向において鉄、ニッケルまたは錫の同位体比率が制御されていてもよい。まず、スパッタ等によってセパレータ７０およびセパレータ８０の表面に所定の元素（例えば５４Ｆｅ等）を付着させる。その後、熱処理を施すことによって、付着させた元素をセパレータ７０およびセパレータ８０の内部に拡散させて、セパレータ７０およびセパレータ８０の厚み方向の同位体比率にグラデーションを形成する。以上の方法で、厚み方向において鉄、ニッケルまたは錫の同位体比率を制御することができる。
【実施例３】
【００６１】
続いて、本発明の実施例３に係る燃料電池１０ｂについて説明する。図５（ａ）は、燃料電池１０ｂの模式的断面図である。燃料電池１０ｂは、ガス拡散層５０およびガス拡散層６０の代わりにガス拡散層５０ｂおよびガス拡散層６０ｂを備える点で、図１（ａ）の燃料電池１０と異なる。その他の構成は、燃料電池１０と同様のため説明を省略する。
【００６２】
図５（ｂ）は、図５（ａ）のガス拡散層５０ｂをセパレータ７０側から見た平面図である。なお、図５（ａ）の寸法と図５（ｂ）の寸法とは一致させていない。ガス拡散層５０ｂの所定の元素の同位体比率は、面内方向において一方の側（図５（ｂ）の左側）から他方の側（図５（ｂ）の右側）にかけて変化するように制御されている。所定の元素として、例えば炭素、ホウ素等が用いられる。本実施例においては、所定の元素として炭素が用いられる。具体的には、ガス拡散層５０ｂにおいて第１領域（例えば１３Ｃの比率の小さい領域）と第２領域（例えば１３Ｃの比率の大きい領域）とは、面内方向で互いに異なる位置に配置されている。なお、ガス拡散層６０ｂもガス拡散層５０ｂと同様の構成を有している。
【００６３】
本実施例に係る燃料電池１０ｂによれば、排出ガスまたは排出液に含まれる所定の元素の同位体比率を分析計９０で測定することによって、ガス拡散層５０ｂおよびガス拡散層６０ｂの面内方向における劣化箇所を具体的に特定することができる。
【００６４】
なお、ガス拡散層５０ｂおよびガス拡散層６０ｂの面内方向の同位体比率を制御するには、例えば以下の方法を用いることができる。図６は、ガス拡散層５０ｂの面内方向の同位体比率を制御する方法の一例を示す模式図である。図６は、コーター１１０の代わりにコーター１１０ｂが用いられている点で、図４と異なる。
【００６５】
コーター１１０ｂは、流路１１１および流路１１２の代わりに流路１１３および流路１１４を備える点で、コーター１１０と異なる。流路１１３はガス拡散層５０ｂの構成材料５１が流れるための流路であり、流路１１４はガス拡散層５０ｂの構成材料５２が流れるための流路である。構成材料５２の所定の元素の同位体比率が、構成材料５１の所定の元素の同位体比率と異なるように制御されている。また、流路１１３および流路１１４は、ベースフィルム１２０の移動方向と垂直な方向であってベースフィルム１２０の面の方向に並んで形成されている。このようなコーター１１０ｂを用いてベースフィルム１２０上にガス拡散層５０ｂの構成材料を塗布することによって、ガス拡散層５０ｂの面内方向の同位体比率を制御することができる。なお、ガス拡散層６０ｂについても同様の方法が用いられる。
【００６６】
また、ガス拡散層５０ｂおよびガス拡散層６０ｂは、スプレー塗布による方法で製造することもできる。この場合、スプレーされるインクの同位体比率を制御することによって、ガス拡散層５０ｂおよびガス拡散層６０ｂの面内方向の同位体比率を制御することができる。具体的には、あらかじめ同位体比率の異なるインクを準備しておき、これらのインクを、面内方向にかけて同位体比率が異なるようにカソード触媒層３０およびアノード触媒層４０の面上に塗布していけばよい。
【００６７】
なお、ガス拡散層以外の構成部材の面内方向において同位体比率が制御されていてもよい。例えば、電解質膜２０の面内方向の同位体比率が制御されていてもよい。電解質膜２０の面内方向の同位体比率は、例えば図６の方法と同様の方法で制御することができる。
【００６８】
また、カソード触媒層３０およびアノード触媒層４０の面内方向の同位体比率が制御されていてもよい。カソード触媒層３０およびアノード触媒層４０の面内方向の同位体比率は、例えば、ガス拡散層５０ｂおよびガス拡散層６０ｂのスプレー塗布による方法と同様の方法で、制御することができる。
【００６９】
また、セパレータ７０およびセパレータ８０の面内方向の同位体比率が制御されていてもよい。セパレータ７０およびセパレータ８０の面内方向の同位体比率は、例えば、同位体比率の異なる元素をスパッタ等によってセパレータ７０およびセパレータ８０の面内方向にグラデーションが形成されるように塗布することによって、制御することができる。
【実施例４】
【００７０】
続いて、本発明の実施例４に係る燃料電池スタック１００ｃについて説明する。図７は、燃料電池スタック１００ｃの模式図である。燃料電池スタック１００ｃにおいては、所定の元素の同位体比率が積層方向において変化するように燃料電池１０が積層されている。図７においては、燃料電池スタック１００ｃの所定の元素の同位体（例えば１３Ｃ）の比率が積層方向にかけて順次大きくなるように、燃料電池１０が積層されている。
【００７１】
燃料電池スタック１００ｃは、例えば各燃料電池１０のカソード触媒層３０およびアノード触媒層４０における所定の同位体（例えば１３Ｃ）の含有比率を積層方向にかけて順に増やしていくことによって、製造することができる。
【００７２】
本実施例に係る燃料電池スタック１００ｃによれば、排出ガスまたは排出液に含まれる所定の元素の同位体比率を測定することによって、燃料電池スタック１００ｃにおける劣化箇所を具体的に特定することができる。
【００７３】
本実施例において、燃料電池スタック１００ｃを構成する各燃料電池１０のうちいずれか１個の燃料電池１０が第１の燃料電池に相当し、他の燃料電池１０が第２の燃料電池に相当する。
【図面の簡単な説明】
【００７４】
【図１】図１（ａ）は、燃料電池の模式的断面図である。図１（ｂ）は、図１（ａ）のカソード触媒層付近の拡大図である。
【図２】図２（ａ）は、燃料電池の検査方法を示す模式図である。図２（ｂ）は、燃料電池スタックの検査方法を示す模式図である。
【図３】図３（ａ）は、実施例２に係る燃料電池の模式図である。図３（ｂ）は、図３（ａ）のカソード触媒層付近の模式的拡大図である。
【図４】図４は、電解質膜の厚み方向の同位体比率を制御する方法の一例を示す模式図である。
【図５】図５（ａ）は、実施例３に係る燃料電池の模式的断面図である。図５（ｂ）は、図５（ａ）のガス拡散層をセパレータ側から見た平面図である。
【図６】図６は、実施例３に係るガス拡散層の面内方向の同位体比率を制御する方法の一例を示す模式図である。
【図７】図７は、実施例４に係る燃料電池スタックの模式図である。
【符号の説明】
【００７５】
１０ 燃料電池
２０ 電解質膜
２１，２２ 構成材料
３０ カソード触媒層
３１ 白金
３２ カーボン
４０ アノード触媒層
５０，６０ ガス拡散層
５１，５２ 構成材料
７０，８０ セパレータ
７１，８１ ガス流路
９０ 分析計
１００ 燃料電池スタック
１１０ コーター
１１１，１１２，１１３，１１４ 流路
１２０ ベースフィルム
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の同位体比率で所定の元素を含有する第１領域と、
前記第１の同位体比率と異なる第２の同位体比率で前記所定の元素を含有する第２領域と、を備えることを特徴とする燃料電池。
【請求項２】
前記燃料電池は、複数の構成部材を含み、
前記第１領域と前記第２領域とは、前記複数の構成部材のうち互いに異なる構成部材に含まれることを特徴とする請求項１記載の燃料電池。
【請求項３】
前記第１領域および前記第２領域は、前記燃料電池を構成する同一の構成部材に含まれることを特徴とする請求項１記載の燃料電池。
【請求項４】
前記第１領域と前記第２領域とは、前記同一の構成部材において、厚み方向で互いに異なる位置に配置されていることを特徴とする請求項３記載の燃料電池。
【請求項５】
前記第１領域と前記第２領域とは、前記同一の構成部材において、面内方向で互いに異なる位置に配置されていることを特徴とする請求項３記載の燃料電池。
【請求項６】
前記同一の構成部材は、電解質膜、触媒層、ガス拡散層およびセパレータのうちいずれかであることを特徴とする請求項３〜５のいずれかに記載の燃料電池。
【請求項７】
前記所定の元素は、炭素、鉄、ニッケル、硫黄、チタン、白金、錫およびホウ素のうち少なくともいずれか一つであることを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載の燃料電池。
【請求項８】
前記複数の構成部材は、触媒層およびガス拡散層であり、
前記所定の元素は、炭素であり、
前記第１領域は、前記触媒層に含まれ、
前記第２領域は、前記ガス拡散層に含まれることを特徴とする請求項２記載の燃料電池。
【請求項９】
前記同一の構成部材は、触媒層またはガス拡散層であり、
前記所定の元素は、炭素であることを特徴とする請求項３〜５のいずれかに記載の燃料電池。
【請求項１０】
第１の同位体比率で所定の元素を含有する第１領域を備える第１の燃料電池と、
前記第１の同位体比率と異なる第２の同位体比率で前記所定の元素を含有する第２領域を備える第２の燃料電池と、を備えることを特徴とする燃料電池スタック。
【請求項１１】
請求項１〜９のいずれかに記載の燃料電池からの排出ガスまたは排出液に含まれる前記所定の元素の同位体比率を測定する測定工程を含むことを特徴とする燃料電池の検査方法。
【請求項１２】
請求項１０に記載の燃料電池スタックからの排出ガスまたは排出液に含まれる前記所定の元素の同位体比率を測定する測定工程を含むことを特徴とする燃料電池スタックの検査方法。
【請求項１】
第１の同位体比率で所定の元素を含有する第１領域と、
前記第１の同位体比率と異なる第２の同位体比率で前記所定の元素を含有する第２領域と、を備えることを特徴とする燃料電池。
【請求項２】
前記燃料電池は、複数の構成部材を含み、
前記第１領域と前記第２領域とは、前記複数の構成部材のうち互いに異なる構成部材に含まれることを特徴とする請求項１記載の燃料電池。
【請求項３】
前記第１領域および前記第２領域は、前記燃料電池を構成する同一の構成部材に含まれることを特徴とする請求項１記載の燃料電池。
【請求項４】
前記第１領域と前記第２領域とは、前記同一の構成部材において、厚み方向で互いに異なる位置に配置されていることを特徴とする請求項３記載の燃料電池。
【請求項５】
前記第１領域と前記第２領域とは、前記同一の構成部材において、面内方向で互いに異なる位置に配置されていることを特徴とする請求項３記載の燃料電池。
【請求項６】
前記同一の構成部材は、電解質膜、触媒層、ガス拡散層およびセパレータのうちいずれかであることを特徴とする請求項３〜５のいずれかに記載の燃料電池。
【請求項７】
前記所定の元素は、炭素、鉄、ニッケル、硫黄、チタン、白金、錫およびホウ素のうち少なくともいずれか一つであることを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載の燃料電池。
【請求項８】
前記複数の構成部材は、触媒層およびガス拡散層であり、
前記所定の元素は、炭素であり、
前記第１領域は、前記触媒層に含まれ、
前記第２領域は、前記ガス拡散層に含まれることを特徴とする請求項２記載の燃料電池。
【請求項９】
前記同一の構成部材は、触媒層またはガス拡散層であり、
前記所定の元素は、炭素であることを特徴とする請求項３〜５のいずれかに記載の燃料電池。
【請求項１０】
第１の同位体比率で所定の元素を含有する第１領域を備える第１の燃料電池と、
前記第１の同位体比率と異なる第２の同位体比率で前記所定の元素を含有する第２領域を備える第２の燃料電池と、を備えることを特徴とする燃料電池スタック。
【請求項１１】
請求項１〜９のいずれかに記載の燃料電池からの排出ガスまたは排出液に含まれる前記所定の元素の同位体比率を測定する測定工程を含むことを特徴とする燃料電池の検査方法。
【請求項１２】
請求項１０に記載の燃料電池スタックからの排出ガスまたは排出液に含まれる前記所定の元素の同位体比率を測定する測定工程を含むことを特徴とする燃料電池スタックの検査方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【公開番号】特開２００９−２７７５５５（Ｐ２００９−２７７５５５Ａ）
【公開日】平成２１年１１月２６日（２００９．１１．２６）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００８−１２８８３６（Ｐ２００８−１２８８３６）
【出願日】平成２０年５月１５日（２００８．５．１５）
【出願人】（０００００３２０７）トヨタ自動車株式会社 (59,920)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２１年１１月２６日（２００９．１１．２６）
【国際特許分類】
【出願日】平成２０年５月１５日（２００８．５．１５）
【出願人】（０００００３２０７）トヨタ自動車株式会社 (59,920)
【Ｆターム（参考）】
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