燃料電池
【課題】発電効率の低下を抑制するとともに、燃料電池の電極反応面のインピーダンス分布を容易且つ正確に計測することを可能にする。
【解決手段】燃料電池１０は、電解質膜・電極構造体１４と、前記電解質膜・電極構造体１４を挟持する第１セパレータ１６及び第２セパレータ１８とを備える。第１セパレータ１６は、電極反応面の領域内に設けられる複数個の導電性セグメント３４と、各導電性セグメント３４同士を互いに絶縁状態に分離して保持する非導電性樹脂３６とを備えている。そして、導電性セグメント３４は、非導電性樹脂３６の厚さ方向に延在する外周部に、段差部３４ａが設けられる。
【解決手段】燃料電池１０は、電解質膜・電極構造体１４と、前記電解質膜・電極構造体１４を挟持する第１セパレータ１６及び第２セパレータ１８とを備える。第１セパレータ１６は、電極反応面の領域内に設けられる複数個の導電性セグメント３４と、各導電性セグメント３４同士を互いに絶縁状態に分離して保持する非導電性樹脂３６とを備えている。そして、導電性セグメント３４は、非導電性樹脂３６の厚さ方向に延在する外周部に、段差部３４ａが設けられる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、アノード側電極及びカソード側電極が電解質の両側に設けられた電解質・電極構造体とセパレータとが積層される燃料電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
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電解質膜（電解質）を採用している。この電解質膜の両側にアノード側電極及びカソード側電極を配設した電解質膜・電極構造体（ＭＥＡ）を、セパレータによって挟持することにより、燃料電池が構成されている。
【０００３】
上記の燃料電池では、所望の発電を確実に行うために、発電状況を正確に把握することが必要である。例えば、電解質膜は、発電性能を維持するために所望の湿潤状態に加湿しなければならず、この電解質膜が乾燥状態になると、発電性能が低下してしまう。
【０００４】
一方、発電による生成水量が多く、水過剰状態になると、フラッディングが惹起され易い。このため、反応ガスを流通させる通路等が詰まり、発電性能が低下してしまう。また、燃料ガスの不足に起因して性能低下が発生する場合がある。
【０００５】
そこで、例えば、特許文献１に開示されている燃料電池の駆動装置が知られている。この燃料電池は、図１２に示すように、固体高分子電解質膜１ａを挟むようにしてアノード２ａとカソード３ａが接合されるとともに、その外側にそれぞれ燃料ガス流路５ａと酸化ガス流路６ａとを、予め形成したセパレータ４ａが、これらを両端から挟むようにして配置されている。
【０００６】
燃料電池のアノード２ａ側には、白金線７ａの一方端が前記アノード２ａに接触しない位置で、固体高分子電解質膜１ａに接触するように保持されている。この接触部分は、基準電極のアノードとなっている。また、固体高分子電解質膜１ａに触れると同時に、燃料ガスである水素ガスにも触れるように、白金線７ａが配置されている。すなわち、この白金線７ａは、基準電極の１つである標準水素電極のアノードとして機能する。
【０００７】
さらに、標準水素電極の他端は、燃料電池のアノード２ａ側のセパレータ４ａとカソード側のセパレータ４ａとに、それぞれ接続され、各セパレータ４ａは、カソード８ａ、９ａとなっている。また、燃料電池のアノード２ａ側とカソード側との間の電圧Ｖ3 を計測するために、前記燃料電池の各電極のセパレータ４ａは、それぞれ電圧計を介して導線により接続されている。
【０００８】
上記の構成により、燃料電池のアノード２ａ側が正常な（電気化学的にみて理想的挙動）状態における運転の場合、前記アノード２ａの電位と白金線７ａの電位は一致し、該アノード２ａと白金線７ａとの間の電圧Ｖ1 はゼロとなり、電圧Ｖ2 が電圧Ｖ3 と等しくなっている。
【０００９】
また、特許文献２に開示されている燃料電池は、図１３に示すように、電解質膜１ｂと、４分割されたアノード側触媒層・拡散層２ｂと、４分割されたカソード側触媒層・拡散層３ｂと、４分割されたアノード側セパレータ４ｂと、４分割されたカソード側セパレータ５ｂとを備えている。
【００１０】
各アノード側セパレータ４ｂと各アノード側触媒層・拡散層２ｂとの間には、アノードガス流路６ｂが形成される一方、各カソード側セパレータ５ｂと各カソード側触媒層・拡散層３ｂとの間には、カソードガス流路７ｂが形成されている。各アノード側セパレータ４ｂ間には、絶縁部材８ｂが介装されるとともに、各カソード側セパレータ５ｂ間には、絶縁部材９ｂが介装されている。
【００１１】
このため、燃料電池は、独立した４つの分割電池として動作することができるとともに、各分割電池のインピーダンスを測定することにより、燃料電池のインピーダンス分布を測定することが可能になる、としている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１２】
【特許文献１】特開平７−２８２８３２号公報
【特許文献２】特開２００８−２７８０８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
しかしながら、上記の特許文献１では、燃料電池全体のインピーダンスの計測が可能であるものの、前記燃料電池内部の電極面内環境分布（インピーダンス分布）を精度よく計測することが困難になる。このため、燃料電池を効率的に運転制御することができないという問題がある。
【００１４】
また、上記の特許文献２の燃料電池では、４分割されたアノード側触媒層・拡散層２ｂと、４分割されたカソード側触媒層・拡散層３ｂとが設けられている。従って、この燃料電池を通常発電に使用すると、前記燃料電池全体の発電面積が小さくなってしまう。これにより、燃料電池全体の発電効率が低下し、前記燃料電池の小型化が容易に遂行されないという問題がある。
【００１５】
本発明は、この種の問題を解決するものであり、発電効率の低下を抑制するとともに、燃料電池の電極反応面のインピーダンス分布を容易且つ正確に計測することが可能な燃料電池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】
【００１６】
本発明は、アノード側電極及びカソード側電極が電解質の両側に設けられた電解質・電極構造体とセパレータとが積層される燃料電池に関するものである。
【００１７】
この燃料電池では、セパレータは、電極反応面の領域内に設けられる複数個の計測用電極部材と、各計測用電極部材同士を互いに絶縁状態に分離して保持する絶縁性樹脂部材とを備えている。そして、計測用電極部材は、絶縁性樹脂部材の厚さ方向に延在する外周部に、凹凸形状部が設けられている。
【００１８】
また、この燃料電池では、計測用電極部材は、絶縁性樹脂部材内に格子状に配列されることが好ましい。
【００１９】
さらに、この燃料電池では、絶縁性樹脂部材の外周部には、セパレータの積層方向に貫通して燃料ガス連通孔、酸化剤ガス連通孔及び冷却媒体連通孔が形成されることが好ましい。
【００２０】
さらにまた、この燃料電池では、計測用電極部材には、燃料ガス又は酸化剤ガスを連通させるガス流路が電極反応面に沿って形成されることが好ましい。
【発明の効果】
【００２１】
本発明によれば、電解質・電極構造体の電極反応面の領域を複数の領域に分割して複数個の計測用電極部材が設けられるため、前記電極反応面内における各領域のインピーダンス分布を容易且つ正確に計測することができる。このため、電極面内の環境分布を精度よく計測することが可能になり、所望の発電状態を確実に維持することができる。
【００２２】
さらに、アノード側電極及びカソード側電極は、分割されることがなく、電解質の両側に連続して設けられている。従って、発電効率の低下を抑制するとともに、良好な発電を確実に行うことが可能になり、燃料電池として好適に使用することができる。
【００２３】
しかも、計測用電極部材の厚さ方向に延在する外周部には、凹凸形状部が設けられている。これにより、計測用電極部材は、絶縁性樹脂部材との接触面積を増加させることが可能になり、前記計測用電極部材と前記絶縁性樹脂部材との結合強度が良好に向上する。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る燃料電池が組み込まれる燃料電池スタックの要部分解斜視図である。
【図２】前記燃料電池の要部分解斜視図である。
【図３】前記燃料電池の要部断面説明図である。
【図４】前記燃料電池を構成する第２セパレータの正面説明図である。
【図５】面内環境計測装置の概略説明図である。
【図６】本発明の第２の実施形態に係る燃料電池の要部分解斜視図である。
【図７】前記燃料電池の要部断面説明図である。
【図８】本発明の第３の実施形態に係る燃料電池の要部分解斜視図である。
【図９】前記燃料電池の要部断面説明図である。
【図１０】本発明の第４の実施形態に係る燃料電池の要部分解斜視図である。
【図１１】前記燃料電池の要部断面説明図である。
【図１２】特許文献１に開示されている駆動装置の一部断面説明図である。
【図１３】特許文献２に開示されている燃料電池の断面説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００２５】
図１に示すように、本発明の第１の実施形態に係る燃料電池１０は、燃料電池スタック１２に組み込まれる。燃料電池スタック１２は、少なくとも１つの燃料電池１０と、複数の燃料電池１０ａとが積層されるとともに、例えば、車載用燃料電池スタックとして構成される。燃料電池１０と燃料電池１０ａとは、後述する連通孔の位置及び寸法が同一であり、且つ、電極位置及び寸法も同一である。
【００２６】
図１及び図２に示すように、燃料電池１０は、電解質膜・電極構造体（電解質・電極構造体）１４と、前記電解質膜・電極構造体１４を挟持する第１セパレータ１６及び第２セパレータ１８とを備える。燃料電池１０の矢印Ｃ方向（図１中、鉛直方向）の一端縁部（上端縁部）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供給連通孔２０ａと、燃料ガス、例えば、水素含有ガスを供給するための燃料ガス供給連通孔２２ａとが、矢印Ｂ方向（水平方向）に配列して設けられる。
【００２７】
燃料電池１０の矢印Ｃ方向の他端縁部（下端縁部）には、矢印Ａ方向に互いに連通して、燃料ガスを排出するための燃料ガス排出連通孔２２ｂと、酸化剤ガスを排出するための酸化剤ガス排出連通孔２０ｂとが、矢印Ｂ方向に配列して設けられる。
【００２８】
燃料電池１０の矢印Ｂ方向の一端縁部には、冷却媒体を供給するための冷却媒体供給連通孔２４ａが設けられるとともに、前記燃料電池１０の矢印Ｂ方向の他端縁部には、冷却媒体を排出するための冷却媒体排出連通孔２４ｂが設けられる。
【００２９】
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２６と、前記固体高分子電解質膜２６を挟持するカソード側電極２８及びアノード側電極３０とを備える。
【００３０】
図３に示すように、カソード側電極２８及びアノード側電極３０は、固体高分子電解質膜２６の両面に接合される電極触媒層２８ａ、３０ａと、前記電極触媒層２８ａ、３０ａに配設されるカーボンペーパ等からなるガス拡散層２８ｂ、３０ｂとを有する。電極触媒層２８ａ、３０ａは、白金合金が表面に担持された多孔質カーボン粒子を固体高分子電解質膜２６の両面に一様に塗布して形成される。
【００３１】
図２に示すように、第１セパレータ１６は、外周部に積層方向（矢印Ａ方向）に貫通して酸化剤ガス供給連通孔２０ａ、燃料ガス供給連通孔２２ａ、冷却媒体供給連通孔２４ａ、酸化剤ガス排出連通孔２０ｂ、燃料ガス排出連通孔２２ｂ及び冷却媒体排出連通孔２４ｂが形成される絶縁性樹脂枠部材（絶縁性樹脂部材）３２を備える。
【００３２】
絶縁性樹脂枠部材３２は、ＰＰ（ポリプロピレン）やＡＢＳ樹脂（アクリロニトリル、ブタジエン及びスチレンの共重合樹脂）等の非導電性樹脂で形成される。
【００３３】
絶縁性樹脂枠部材３２内には、電極反応面の領域内に互いに絶縁状態に維持されて複数個の導電性セグメント（計測用電極部材）３４が設けられる。導電性セグメント３４は、直方体や立方体形状を有するとともに、カーボン等を含んだ導電性樹脂により形成される。絶縁性樹脂枠部材３２は、熱可逆性樹脂又は熱硬化性樹脂であってもよい。使用される樹脂は、分子量、分子構造により融点と調整することができる。
【００３４】
図２及び図３に示すように、導電性セグメント３４は、絶縁性樹脂枠部材３２の厚さ方向（矢印Ａ方向）に延在する外周部に、段差部（凹凸形状部）３４ａが設けられる。段差部３４ａは、導電性セグメント３４の外周部を所定の深さまで切り欠くことにより形成されるとともに、電解質膜・電極構造体１４とは反対側の端部から厚さ方向に所定の長さにわたって形成される。
【００３５】
各導電性セグメント３４は、絶縁性樹脂枠部材３２の中央領域にＰＰやＡＢＳ樹脂等の熱可逆性の非導電性樹脂（絶縁性樹脂部材）３６を介装して格子状に配列される。非導電性樹脂３６と絶縁性樹脂枠部材３２とは、同種の樹脂が好ましい。界面が接合し易いからである。非導電性樹脂３６は、各導電性セグメント３４間に充填されて前記導電性セグメント３４同士を一体に固定する。
【００３６】
第１セパレータ１６には、図２に示すように、電解質膜・電極構造体１４に向かう面１６ａに酸化剤ガス流路３８が設けられる。酸化剤ガス流路３８は、導電性セグメント３４及び非導電性樹脂３６に形成されて矢印Ｃ方向に延在する複数の流路溝３８ａを有しており、酸化剤ガス供給連通孔２０ａと酸化剤ガス排出連通孔２０ｂとに連通する。流路溝３８ａは、各導電性セグメント３４の面内に設けられており、非導電性樹脂３６の矢印Ｃ方向に延在する部分を避けて形成されることが好ましい。
【００３７】
図４に示すように、第２セパレータ１８は、外周部に積層方向（矢印Ａ方向）に貫通して酸化剤ガス供給連通孔２０ａ、燃料ガス供給連通孔２２ａ、冷却媒体供給連通孔２４ａ、酸化剤ガス排出連通孔２０ｂ、燃料ガス排出連通孔２２ｂ及び冷却媒体排出連通孔２４ｂが形成される絶縁性樹脂枠部材（絶縁性樹脂部材）４０を備える。
【００３８】
絶縁性樹脂枠部材４０は、ＰＰやＡＢＳ樹脂等の非導電性樹脂で形成され、前記絶縁性樹脂枠部材４０内には、電極反応面の領域内に互いに絶縁状態に維持されて複数個の導電性セグメント（計測用電極部材）４２が設けられる。
【００３９】
図２及び図３に示すように、導電性セグメント４２は、絶縁性樹脂枠部材４０の厚さ方向（矢印Ａ方向）に延在する外周部に、段差部（凹凸形状部）４２ａが設けられる。段差部４２ａは、導電性セグメント４２の外周部を所定の深さまで切り欠くことにより形成されるとともに、電解質膜・電極構造体１４とは反対側の端部から厚さ方向に所定の長さにわたって形成される。
【００４０】
各導電性セグメント４２は、絶縁性樹脂枠部材４０の中央領域にＰＰやＡＢＳ樹脂等の非導電性樹脂（絶縁性樹脂部材）４４を介装して格子状に配列される。非導電性樹脂４４は、各導電性セグメント４２間に充填されて前記導電性セグメント４２同士を一体に固定する（図３及び図４参照）。
【００４１】
第２セパレータ１８には、電解質膜・電極構造体１４に向かう面１８ａに燃料ガス流路４６が設けられる。燃料ガス流路４６は、導電性セグメント４２及び非導電性樹脂４４に形成されて矢印Ｃ方向に延在する複数の流路溝４６ａを有しており、燃料ガス供給連通孔２２ａと燃料ガス排出連通孔２２ｂとに連通する。流路溝４６ａは、各導電性セグメント４２の面内に設けられており、非導電性樹脂４４の矢印Ｃ方向に延在する部分を避けて形成されることが好ましい。
【００４２】
図３に示すように、各導電性セグメント３４は、第１セパレータ１６の両面に露出するとともに、各導電性セグメント４２は、第２セパレータ１８の両面に露出する。導電性セグメント３４と導電性セグメント４２とは、電解質膜・電極構造体１４に対して互いに対向して（対称に）配置される。互いにずれると、検出精度が低下するからである。
【００４３】
第１セパレータ１６及び第２セパレータ１８には、それぞれ燃料ガス、酸化剤ガス及び冷却媒体をシールするために、第１シール部材４８及び第２シール部材４９が、一体的又は個別に設けられる。第１シール部材４８及び第２シール部材４９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。
【００４４】
図１に示すように、燃料電池１０ａは、電解質膜・電極構造体１４と、前記電解質膜・電極構造体１４を挟持する第１セパレータ５０及び第２セパレータ５２とを備える。なお、燃料電池１０ａでは、燃料電池１０と同一の構成要素には、同一の参照符号を付して、その詳細な説明は省略する。
【００４５】
第１セパレータ５０及び第２セパレータ５２は、金属セパレータ又はカーボンセパレータが使用される。第１セパレータ５０の電解質膜・電極構造体１４とは反対側の面には、電極反応面の領域に沿って冷却媒体を矢印Ｂ方向に流通させる冷却媒体流路５４が設けられる。第２セパレータ５２の電解質膜・電極構造体１４とは反対側の面には、同様に冷却媒体流路５４が形成される。なお、第１セパレータ１６の面１６ｂ及び第２セパレータ１８の面１８ｂにも、冷却媒体流路５４を形成してもよい。
【００４６】
図５に示すように、燃料電池スタック１２は、面内環境計測装置６０に接続される。面内環境計測装置６０は、端部が第１セパレータ１６の各導電性セグメント３４に接続される配線６２ａ、６２ｂ、６２ｃ、６２ｄ及び６２ｅと、端部が第２セパレータ１８の各導電性セグメント４２に電気的に接続される配線６３ａ、６３ｂ、６３ｃ、６３ｄ及び６３ｅとを備える。配線６２ａ〜６２ｅ及び配線６３ａ〜６３ｅには、それぞれ交流電圧を検出するための交流電圧測定器６４ａ、６４ｂ、６４ｃ、６４ｄ及び６４ｅが配設される。なお、配線数は、導電性セグメント３４、４２の分割数に応じて種々変更可能である。
【００４７】
燃料電池スタック１２の積層方向両端には、配線６６の両端が電気的に接続される。配線６６には、外部負荷６８と交流電流を検出するための交流電流測定器６９とが配設される。外部負荷６８は、燃料電池スタック１２から直流電流を出力させるとともに、この直流電流に交流電流を重畳させる機能を有する。外部負荷６８としては、例えば、電子負荷装置が使用されるが、これに代えて、例えば、電流アンプ等を流用することもできる。
【００４８】
このように構成される燃料電池スタック１２の動作について、以下に説明する。
【００４９】
図１に示すように、酸化剤ガス供給連通孔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、燃料ガス供給連通孔２２ａに水素含有ガス等の燃料ガスが供給される。さらに、冷却媒体供給連通孔２４ａ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。
【００５０】
酸化剤ガスは、第１セパレータ１６、５０に設けられている各酸化剤ガス流路３８に導入され、電解質膜・電極構造体１４を構成するカソード側電極２８に沿って移動する。一方、燃料ガス供給連通孔２２ａに供給された燃料ガスは、第２セパレータ１８、５２の各燃料ガス流路４６に導入され、電解質膜・電極構造体１４を構成するアノード側電極３０に沿って移動する。
【００５１】
従って、各電解質膜・電極構造体１４では、カソード側電極２８に供給される酸化剤ガスと、アノード側電極３０に供給される燃料ガスとが、電極触媒層２８ａ、３０ａ内で電気化学反応により消費され、発電が行われる。
【００５２】
次いで、カソード側電極２８に供給されて消費された酸化剤ガスは、酸化剤ガス排出連通孔２０ｂに排出される。同様に、アノード側電極３０に供給されて消費された燃料ガスは、燃料ガス排出連通孔２２ｂに排出される。
【００５３】
また、冷却媒体供給連通孔２４ａに供給された冷却媒体は、第１セパレータ５０及び第２セパレータ５２の各冷却媒体流路５４に導入される。この冷却媒体は、電解質膜・電極構造体１４を冷却した後、冷却媒体排出連通孔２４ｂに排出される。
【００５４】
上記の発電時において、図５に示すように、面内環境計測装置６０では、外部負荷６８により燃料電池スタック１２から直流電流を出力させるとともに、この直流電流に交流電流を重畳させている。
【００５５】
このため、各交流電圧測定器６４ａ〜６４ｅは、交流電流に対する交流応答電圧を測定する一方、交流電流測定器６９により交流電流が測定されている。従って、測定された交流電圧及び交流電流から、各導電性セグメント３４、４２間の交流インピーダンスが算出される。これにより、燃料電池１０全体のインピーダンス分布が検出され、前記燃料電池１０の電極面内の発電状況を検出することが可能になる。
【００５６】
この場合、第１の実施形態では、燃料電池１０を構成する電解質膜・電極構造体１４の電極反応面の領域を複数の領域に分割して複数個の導電性セグメント３４、４２が設けられている。このため、電極反応面内における各領域の交流インピーダンスを計測することができ、インピーダンス分布を容易且つ正確に検出することが可能になる。従って、燃料電池１０の電極面内の環境分布を精度よく計測することができ、所望の発電状態を確実に維持することが可能になるという効果が得られる。
【００５７】
さらに、燃料電池１０では、カソード側電極２８及びアノード側電極３０は、分割されることがなく一体で、固体高分子電解質膜２６の両面に連続して設けられている。これにより、燃料電池１０は、発電効率の低下を抑制するとともに、良好な発電を確実に行うことが可能になり、燃料電池スタック１２を構成する燃料電池１０として、他の燃料電池１０ａと同様に好適に使用することができるという利点がある。
【００５８】
しかも、導電性セグメント３４、４２の厚さ方向に延在する外周部には、凹凸形状部である段差部３４ａ、４２ａが設けられている。このため、導電性セグメント３４、４２は、非導電性樹脂３６、４４との接触面積を増加させることが可能になる。従って、導電性セグメント３４、４２と非導電性樹脂３６、４４との結合強度が良好に向上するとともに、燃料ガス及び酸化剤ガス等の気密性の向上が図られる。
【００５９】
なお、第１の本実施形態では、燃料電池１０の内部抵抗を測定するために、交流インピーダンス法を採用しているが、これに限定されるものではない。例えば、燃料電池１０に一定電流を通電させておき、瞬間的に電流を遮断する際の電圧変化から内部抵抗を測定する電流遮断法を適用してもよい。また、燃料電池１０に一定電流を通電させておき、ステップ状に電流を変化させる際の電圧変化から内部抵抗を測定するステップ法を適用することもできる。
【００６０】
図６は、本発明の第２の実施形態に係る燃料電池７０の要部分解斜視図である。なお、第１の実施形態に係る燃料電池１０と同一の構成要素には、同一の参照符号を付して、その詳細な説明は省略する。また、以下に説明する第３以降の実施形態においても同様に、その詳細な説明は省略する。
【００６１】
燃料電池７０は、電解質膜・電極構造体１４と、前記電解質膜・電極構造体１４を挟持する第１セパレータ７２及び第２セパレータ７４とを備える。第１セパレータ７２は、絶縁性樹脂枠部材３２内に複数個の導電性セグメント（計測用電極部材）７６を設ける一方、第２セパレータ７４は、絶縁性樹脂枠部材４０内に複数個の導電性セグメント（計測用電極部材）７８を設ける。
【００６２】
図６及び図７に示すように、導電性セグメント７６は、絶縁性樹脂枠部材３２の厚さ方向（矢印Ａ方向）に延在する外周部に、溝部（凹凸形状部）７６ａが設けられる。溝部７６ａは、導電性セグメント７６の外周部の厚さ方向略中央位置に所定の深さまで形成される。各導電性セグメント７６は、絶縁性樹脂枠部材３２の中央領域に非導電性樹脂３６を介装して格子状に配列される。
【００６３】
導電性セグメント７８は、絶縁性樹脂枠部材４０の厚さ方向（矢印Ａ方向）に延在する外周部に、溝部（凹凸形状部）７８ａが設けられる。溝部７８ａは、導電性セグメント７８の外周部の厚さ方向略中央位置に所定の深さまで形成される。各導電性セグメント７８は、絶縁性樹脂枠部材４０の中央領域に非導電性樹脂４４を介装して格子状に配列される。
【００６４】
このように構成される第２の実施形態では、導電性セグメント７６、７８の厚さ方向に延在する外周部には、凹凸形状部である溝部７６ａ、７８ａが設けられている。このため、導電性セグメント７６、７８は、非導電性樹脂３６、４４との接触面積を増加させることが可能になる。従って、導電性セグメント７６、７８と非導電性樹脂３６、４４との結合強度が良好に向上するとともに、燃料ガス及び酸化剤ガス等の確実な気密性の向上が図られる等、上記の第１の実施形態と同様の効果が得られる。
【００６５】
図８は、本発明の第３の実施形態に係る燃料電池８０の要部分解斜視図である。
【００６６】
燃料電池８０は、電解質膜・電極構造体１４と、前記電解質膜・電極構造体１４を挟持する第１セパレータ８２及び第２セパレータ８４とを備える。第１セパレータ８２は、絶縁性樹脂枠部材３２内に複数個の導電性セグメント（計測用電極部材）８６を設ける一方、第２セパレータ８４は、絶縁性樹脂枠部材４０内に複数個の導電性セグメント（計測用電極部材）８８を設ける。
【００６７】
図８及び図９に示すように、導電性セグメント８６は、絶縁性樹脂枠部材３２の厚さ方向（矢印Ａ方向）に延在する外周部に、段差部（凹凸形状部）８６ａが設けられる。段差部８６ａは、導電性セグメント８６の外周部を所定の深さまで切り欠くことにより形成されるとともに、電解質膜・電極構造体１４側の端部から厚さ方向に所定の長さにわたって形成される。各導電性セグメント８６は、絶縁性樹脂枠部材３２の中央領域に非導電性樹脂３６を介装して格子状に配列される。
【００６８】
導電性セグメント８８は、絶縁性樹脂枠部材４０の厚さ方向（矢印Ａ方向）に延在する外周部に、段差部（凹凸形状部）８８ａが設けられる。段差部８８ａは、導電性セグメント８８の外周部を所定の深さまで切り欠くことにより形成されるとともに、電解質膜・電極構造体１４側の端部から厚さ方向に所定の長さにわたって形成される。各導電性セグメント８８は、絶縁性樹脂枠部材４０の中央領域に非導電性樹脂４４を介装して格子状に配列される。
【００６９】
このように構成される第３の実施形態では、導電性セグメント８６、８８の厚さ方向に延在する外周部には、段差部８６ａ、８８ａが設けられている。このため、導電性セグメント８６、８８は、非導電性樹脂３６、４４との接触面積を増加させることが可能になる。従って、導電性セグメント８６、８８と非導電性樹脂３６、４４との結合強度が良好に向上するとともに、燃料ガス及び酸化剤ガス等の確実な気密性の向上が図られる等、上記の第１及び第２の実施形態と同様の効果が得られる。
【００７０】
図１０は、本発明の第４の実施形態に係る燃料電池９０の要部分解斜視図である。
【００７１】
燃料電池９０は、電解質膜・電極構造体１４と、前記電解質膜・電極構造体１４を挟持する第１セパレータ９２及び第２セパレータ９４とを備える。第１セパレータ９２は、絶縁性樹脂枠部材３２内に複数個の導電性セグメント（計測用電極部材）９６を設ける一方、第２セパレータ９４は、絶縁性樹脂枠部材４０内に複数個の導電性セグメント（計測用電極部材）９８を設ける。
【００７２】
図１０及び図１１に示すように、導電性セグメント９６は、絶縁性樹脂枠部材３２の厚さ方向（矢印Ａ方向）に延在する外周部に、凸部（凹凸形状部）９６ａが設けられる。凸部９６ａは、導電性セグメント９６の外周部の厚さ方向略中央位置に外方に突出して形成される。各導電性セグメント９６は、絶縁性樹脂枠部材３２の中央領域に非導電性樹脂３６を介装して格子状に配列される。
【００７３】
導電性セグメント９８は、絶縁性樹脂枠部材４０の厚さ方向（矢印Ａ方向）に延在する外周部に、凸部（凹凸形状部）９８ａが設けられる。凸部９８ａは、導電性セグメント９８の外周部の厚さ方向略中央位置に外方に突出して形成される。各導電性セグメント９８は、絶縁性樹脂枠部材４０の中央領域に非導電性樹脂４４を介装して格子状に配列される。
【００７４】
このように構成される第４の実施形態では、導電性セグメント９６、９８の厚さ方向に延在する外周部には、凹凸形状部である凸部９６ａ、９８ａが設けられている。このため、導電性セグメント９６、９８は、非導電性樹脂３６、４４との接触面積を増加させることが可能になる。従って、導電性セグメント９６、９８と非導電性樹脂３６、４４との結合強度が良好に向上するとともに、燃料ガス及び酸化剤ガス等の確実な気密性の向上が図られる等、上記の第１〜第３の実施形態と同様の効果が得られる。
【符号の説明】
【００７５】
１０、１０ａ、７０、８０、９０…燃料電池
１２…燃料電池スタック １４…電解質膜・電極構造体
１６、１８、５０、５２、７２、７４、８２、８４、９２、９４…セパレータ
２０ａ…酸化剤ガス供給連通孔 ２０ｂ…酸化剤ガス排出連通孔
２２ａ…燃料ガス供給連通孔 ２２ｂ…燃料ガス排出連通孔
２４ａ…冷却媒体供給連通孔 ２４ｂ…冷却媒体排出連通孔
２６…固体高分子電解質膜 ２８…カソード側電極
２８ａ、３０ａ…電極触媒層 ２８ｂ、３０ｂ…ガス拡散層
３０…アノード側電極 ３２、４０…絶縁性樹脂枠部材
３４、４２、７６、７８、８６、８８、９６、９８…導電性セグメント
３４ａ、４２ａ、８６ａ、８８ａ…段差部
３６、４４…非導電性樹脂 ３８…酸化剤ガス流路
３８ａ、４６ａ…流路溝 ４６…燃料ガス流路
４８、４９…シール部材 ５４…冷却媒体流路
６０…面内環境計測装置
６２ａ〜６２ｅ、６３ａ〜６３ｅ、６６…配線
６４ａ〜６４ｅ…交流電圧測定器 ６８…外部負荷
６９…交流電流測定器 ７６ａ、７８ａ…溝部
９６ａ、９８ａ…凸部
【技術分野】
【０００１】
本発明は、アノード側電極及びカソード側電極が電解質の両側に設けられた電解質・電極構造体とセパレータとが積層される燃料電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
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電解質膜（電解質）を採用している。この電解質膜の両側にアノード側電極及びカソード側電極を配設した電解質膜・電極構造体（ＭＥＡ）を、セパレータによって挟持することにより、燃料電池が構成されている。
【０００３】
上記の燃料電池では、所望の発電を確実に行うために、発電状況を正確に把握することが必要である。例えば、電解質膜は、発電性能を維持するために所望の湿潤状態に加湿しなければならず、この電解質膜が乾燥状態になると、発電性能が低下してしまう。
【０００４】
一方、発電による生成水量が多く、水過剰状態になると、フラッディングが惹起され易い。このため、反応ガスを流通させる通路等が詰まり、発電性能が低下してしまう。また、燃料ガスの不足に起因して性能低下が発生する場合がある。
【０００５】
そこで、例えば、特許文献１に開示されている燃料電池の駆動装置が知られている。この燃料電池は、図１２に示すように、固体高分子電解質膜１ａを挟むようにしてアノード２ａとカソード３ａが接合されるとともに、その外側にそれぞれ燃料ガス流路５ａと酸化ガス流路６ａとを、予め形成したセパレータ４ａが、これらを両端から挟むようにして配置されている。
【０００６】
燃料電池のアノード２ａ側には、白金線７ａの一方端が前記アノード２ａに接触しない位置で、固体高分子電解質膜１ａに接触するように保持されている。この接触部分は、基準電極のアノードとなっている。また、固体高分子電解質膜１ａに触れると同時に、燃料ガスである水素ガスにも触れるように、白金線７ａが配置されている。すなわち、この白金線７ａは、基準電極の１つである標準水素電極のアノードとして機能する。
【０００７】
さらに、標準水素電極の他端は、燃料電池のアノード２ａ側のセパレータ４ａとカソード側のセパレータ４ａとに、それぞれ接続され、各セパレータ４ａは、カソード８ａ、９ａとなっている。また、燃料電池のアノード２ａ側とカソード側との間の電圧Ｖ3 を計測するために、前記燃料電池の各電極のセパレータ４ａは、それぞれ電圧計を介して導線により接続されている。
【０００８】
上記の構成により、燃料電池のアノード２ａ側が正常な（電気化学的にみて理想的挙動）状態における運転の場合、前記アノード２ａの電位と白金線７ａの電位は一致し、該アノード２ａと白金線７ａとの間の電圧Ｖ1 はゼロとなり、電圧Ｖ2 が電圧Ｖ3 と等しくなっている。
【０００９】
また、特許文献２に開示されている燃料電池は、図１３に示すように、電解質膜１ｂと、４分割されたアノード側触媒層・拡散層２ｂと、４分割されたカソード側触媒層・拡散層３ｂと、４分割されたアノード側セパレータ４ｂと、４分割されたカソード側セパレータ５ｂとを備えている。
【００１０】
各アノード側セパレータ４ｂと各アノード側触媒層・拡散層２ｂとの間には、アノードガス流路６ｂが形成される一方、各カソード側セパレータ５ｂと各カソード側触媒層・拡散層３ｂとの間には、カソードガス流路７ｂが形成されている。各アノード側セパレータ４ｂ間には、絶縁部材８ｂが介装されるとともに、各カソード側セパレータ５ｂ間には、絶縁部材９ｂが介装されている。
【００１１】
このため、燃料電池は、独立した４つの分割電池として動作することができるとともに、各分割電池のインピーダンスを測定することにより、燃料電池のインピーダンス分布を測定することが可能になる、としている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１２】
【特許文献１】特開平７−２８２８３２号公報
【特許文献２】特開２００８−２７８０８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
しかしながら、上記の特許文献１では、燃料電池全体のインピーダンスの計測が可能であるものの、前記燃料電池内部の電極面内環境分布（インピーダンス分布）を精度よく計測することが困難になる。このため、燃料電池を効率的に運転制御することができないという問題がある。
【００１４】
また、上記の特許文献２の燃料電池では、４分割されたアノード側触媒層・拡散層２ｂと、４分割されたカソード側触媒層・拡散層３ｂとが設けられている。従って、この燃料電池を通常発電に使用すると、前記燃料電池全体の発電面積が小さくなってしまう。これにより、燃料電池全体の発電効率が低下し、前記燃料電池の小型化が容易に遂行されないという問題がある。
【００１５】
本発明は、この種の問題を解決するものであり、発電効率の低下を抑制するとともに、燃料電池の電極反応面のインピーダンス分布を容易且つ正確に計測することが可能な燃料電池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】
【００１６】
本発明は、アノード側電極及びカソード側電極が電解質の両側に設けられた電解質・電極構造体とセパレータとが積層される燃料電池に関するものである。
【００１７】
この燃料電池では、セパレータは、電極反応面の領域内に設けられる複数個の計測用電極部材と、各計測用電極部材同士を互いに絶縁状態に分離して保持する絶縁性樹脂部材とを備えている。そして、計測用電極部材は、絶縁性樹脂部材の厚さ方向に延在する外周部に、凹凸形状部が設けられている。
【００１８】
また、この燃料電池では、計測用電極部材は、絶縁性樹脂部材内に格子状に配列されることが好ましい。
【００１９】
さらに、この燃料電池では、絶縁性樹脂部材の外周部には、セパレータの積層方向に貫通して燃料ガス連通孔、酸化剤ガス連通孔及び冷却媒体連通孔が形成されることが好ましい。
【００２０】
さらにまた、この燃料電池では、計測用電極部材には、燃料ガス又は酸化剤ガスを連通させるガス流路が電極反応面に沿って形成されることが好ましい。
【発明の効果】
【００２１】
本発明によれば、電解質・電極構造体の電極反応面の領域を複数の領域に分割して複数個の計測用電極部材が設けられるため、前記電極反応面内における各領域のインピーダンス分布を容易且つ正確に計測することができる。このため、電極面内の環境分布を精度よく計測することが可能になり、所望の発電状態を確実に維持することができる。
【００２２】
さらに、アノード側電極及びカソード側電極は、分割されることがなく、電解質の両側に連続して設けられている。従って、発電効率の低下を抑制するとともに、良好な発電を確実に行うことが可能になり、燃料電池として好適に使用することができる。
【００２３】
しかも、計測用電極部材の厚さ方向に延在する外周部には、凹凸形状部が設けられている。これにより、計測用電極部材は、絶縁性樹脂部材との接触面積を増加させることが可能になり、前記計測用電極部材と前記絶縁性樹脂部材との結合強度が良好に向上する。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る燃料電池が組み込まれる燃料電池スタックの要部分解斜視図である。
【図２】前記燃料電池の要部分解斜視図である。
【図３】前記燃料電池の要部断面説明図である。
【図４】前記燃料電池を構成する第２セパレータの正面説明図である。
【図５】面内環境計測装置の概略説明図である。
【図６】本発明の第２の実施形態に係る燃料電池の要部分解斜視図である。
【図７】前記燃料電池の要部断面説明図である。
【図８】本発明の第３の実施形態に係る燃料電池の要部分解斜視図である。
【図９】前記燃料電池の要部断面説明図である。
【図１０】本発明の第４の実施形態に係る燃料電池の要部分解斜視図である。
【図１１】前記燃料電池の要部断面説明図である。
【図１２】特許文献１に開示されている駆動装置の一部断面説明図である。
【図１３】特許文献２に開示されている燃料電池の断面説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００２５】
図１に示すように、本発明の第１の実施形態に係る燃料電池１０は、燃料電池スタック１２に組み込まれる。燃料電池スタック１２は、少なくとも１つの燃料電池１０と、複数の燃料電池１０ａとが積層されるとともに、例えば、車載用燃料電池スタックとして構成される。燃料電池１０と燃料電池１０ａとは、後述する連通孔の位置及び寸法が同一であり、且つ、電極位置及び寸法も同一である。
【００２６】
図１及び図２に示すように、燃料電池１０は、電解質膜・電極構造体（電解質・電極構造体）１４と、前記電解質膜・電極構造体１４を挟持する第１セパレータ１６及び第２セパレータ１８とを備える。燃料電池１０の矢印Ｃ方向（図１中、鉛直方向）の一端縁部（上端縁部）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供給連通孔２０ａと、燃料ガス、例えば、水素含有ガスを供給するための燃料ガス供給連通孔２２ａとが、矢印Ｂ方向（水平方向）に配列して設けられる。
【００２７】
燃料電池１０の矢印Ｃ方向の他端縁部（下端縁部）には、矢印Ａ方向に互いに連通して、燃料ガスを排出するための燃料ガス排出連通孔２２ｂと、酸化剤ガスを排出するための酸化剤ガス排出連通孔２０ｂとが、矢印Ｂ方向に配列して設けられる。
【００２８】
燃料電池１０の矢印Ｂ方向の一端縁部には、冷却媒体を供給するための冷却媒体供給連通孔２４ａが設けられるとともに、前記燃料電池１０の矢印Ｂ方向の他端縁部には、冷却媒体を排出するための冷却媒体排出連通孔２４ｂが設けられる。
【００２９】
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２６と、前記固体高分子電解質膜２６を挟持するカソード側電極２８及びアノード側電極３０とを備える。
【００３０】
図３に示すように、カソード側電極２８及びアノード側電極３０は、固体高分子電解質膜２６の両面に接合される電極触媒層２８ａ、３０ａと、前記電極触媒層２８ａ、３０ａに配設されるカーボンペーパ等からなるガス拡散層２８ｂ、３０ｂとを有する。電極触媒層２８ａ、３０ａは、白金合金が表面に担持された多孔質カーボン粒子を固体高分子電解質膜２６の両面に一様に塗布して形成される。
【００３１】
図２に示すように、第１セパレータ１６は、外周部に積層方向（矢印Ａ方向）に貫通して酸化剤ガス供給連通孔２０ａ、燃料ガス供給連通孔２２ａ、冷却媒体供給連通孔２４ａ、酸化剤ガス排出連通孔２０ｂ、燃料ガス排出連通孔２２ｂ及び冷却媒体排出連通孔２４ｂが形成される絶縁性樹脂枠部材（絶縁性樹脂部材）３２を備える。
【００３２】
絶縁性樹脂枠部材３２は、ＰＰ（ポリプロピレン）やＡＢＳ樹脂（アクリロニトリル、ブタジエン及びスチレンの共重合樹脂）等の非導電性樹脂で形成される。
【００３３】
絶縁性樹脂枠部材３２内には、電極反応面の領域内に互いに絶縁状態に維持されて複数個の導電性セグメント（計測用電極部材）３４が設けられる。導電性セグメント３４は、直方体や立方体形状を有するとともに、カーボン等を含んだ導電性樹脂により形成される。絶縁性樹脂枠部材３２は、熱可逆性樹脂又は熱硬化性樹脂であってもよい。使用される樹脂は、分子量、分子構造により融点と調整することができる。
【００３４】
図２及び図３に示すように、導電性セグメント３４は、絶縁性樹脂枠部材３２の厚さ方向（矢印Ａ方向）に延在する外周部に、段差部（凹凸形状部）３４ａが設けられる。段差部３４ａは、導電性セグメント３４の外周部を所定の深さまで切り欠くことにより形成されるとともに、電解質膜・電極構造体１４とは反対側の端部から厚さ方向に所定の長さにわたって形成される。
【００３５】
各導電性セグメント３４は、絶縁性樹脂枠部材３２の中央領域にＰＰやＡＢＳ樹脂等の熱可逆性の非導電性樹脂（絶縁性樹脂部材）３６を介装して格子状に配列される。非導電性樹脂３６と絶縁性樹脂枠部材３２とは、同種の樹脂が好ましい。界面が接合し易いからである。非導電性樹脂３６は、各導電性セグメント３４間に充填されて前記導電性セグメント３４同士を一体に固定する。
【００３６】
第１セパレータ１６には、図２に示すように、電解質膜・電極構造体１４に向かう面１６ａに酸化剤ガス流路３８が設けられる。酸化剤ガス流路３８は、導電性セグメント３４及び非導電性樹脂３６に形成されて矢印Ｃ方向に延在する複数の流路溝３８ａを有しており、酸化剤ガス供給連通孔２０ａと酸化剤ガス排出連通孔２０ｂとに連通する。流路溝３８ａは、各導電性セグメント３４の面内に設けられており、非導電性樹脂３６の矢印Ｃ方向に延在する部分を避けて形成されることが好ましい。
【００３７】
図４に示すように、第２セパレータ１８は、外周部に積層方向（矢印Ａ方向）に貫通して酸化剤ガス供給連通孔２０ａ、燃料ガス供給連通孔２２ａ、冷却媒体供給連通孔２４ａ、酸化剤ガス排出連通孔２０ｂ、燃料ガス排出連通孔２２ｂ及び冷却媒体排出連通孔２４ｂが形成される絶縁性樹脂枠部材（絶縁性樹脂部材）４０を備える。
【００３８】
絶縁性樹脂枠部材４０は、ＰＰやＡＢＳ樹脂等の非導電性樹脂で形成され、前記絶縁性樹脂枠部材４０内には、電極反応面の領域内に互いに絶縁状態に維持されて複数個の導電性セグメント（計測用電極部材）４２が設けられる。
【００３９】
図２及び図３に示すように、導電性セグメント４２は、絶縁性樹脂枠部材４０の厚さ方向（矢印Ａ方向）に延在する外周部に、段差部（凹凸形状部）４２ａが設けられる。段差部４２ａは、導電性セグメント４２の外周部を所定の深さまで切り欠くことにより形成されるとともに、電解質膜・電極構造体１４とは反対側の端部から厚さ方向に所定の長さにわたって形成される。
【００４０】
各導電性セグメント４２は、絶縁性樹脂枠部材４０の中央領域にＰＰやＡＢＳ樹脂等の非導電性樹脂（絶縁性樹脂部材）４４を介装して格子状に配列される。非導電性樹脂４４は、各導電性セグメント４２間に充填されて前記導電性セグメント４２同士を一体に固定する（図３及び図４参照）。
【００４１】
第２セパレータ１８には、電解質膜・電極構造体１４に向かう面１８ａに燃料ガス流路４６が設けられる。燃料ガス流路４６は、導電性セグメント４２及び非導電性樹脂４４に形成されて矢印Ｃ方向に延在する複数の流路溝４６ａを有しており、燃料ガス供給連通孔２２ａと燃料ガス排出連通孔２２ｂとに連通する。流路溝４６ａは、各導電性セグメント４２の面内に設けられており、非導電性樹脂４４の矢印Ｃ方向に延在する部分を避けて形成されることが好ましい。
【００４２】
図３に示すように、各導電性セグメント３４は、第１セパレータ１６の両面に露出するとともに、各導電性セグメント４２は、第２セパレータ１８の両面に露出する。導電性セグメント３４と導電性セグメント４２とは、電解質膜・電極構造体１４に対して互いに対向して（対称に）配置される。互いにずれると、検出精度が低下するからである。
【００４３】
第１セパレータ１６及び第２セパレータ１８には、それぞれ燃料ガス、酸化剤ガス及び冷却媒体をシールするために、第１シール部材４８及び第２シール部材４９が、一体的又は個別に設けられる。第１シール部材４８及び第２シール部材４９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。
【００４４】
図１に示すように、燃料電池１０ａは、電解質膜・電極構造体１４と、前記電解質膜・電極構造体１４を挟持する第１セパレータ５０及び第２セパレータ５２とを備える。なお、燃料電池１０ａでは、燃料電池１０と同一の構成要素には、同一の参照符号を付して、その詳細な説明は省略する。
【００４５】
第１セパレータ５０及び第２セパレータ５２は、金属セパレータ又はカーボンセパレータが使用される。第１セパレータ５０の電解質膜・電極構造体１４とは反対側の面には、電極反応面の領域に沿って冷却媒体を矢印Ｂ方向に流通させる冷却媒体流路５４が設けられる。第２セパレータ５２の電解質膜・電極構造体１４とは反対側の面には、同様に冷却媒体流路５４が形成される。なお、第１セパレータ１６の面１６ｂ及び第２セパレータ１８の面１８ｂにも、冷却媒体流路５４を形成してもよい。
【００４６】
図５に示すように、燃料電池スタック１２は、面内環境計測装置６０に接続される。面内環境計測装置６０は、端部が第１セパレータ１６の各導電性セグメント３４に接続される配線６２ａ、６２ｂ、６２ｃ、６２ｄ及び６２ｅと、端部が第２セパレータ１８の各導電性セグメント４２に電気的に接続される配線６３ａ、６３ｂ、６３ｃ、６３ｄ及び６３ｅとを備える。配線６２ａ〜６２ｅ及び配線６３ａ〜６３ｅには、それぞれ交流電圧を検出するための交流電圧測定器６４ａ、６４ｂ、６４ｃ、６４ｄ及び６４ｅが配設される。なお、配線数は、導電性セグメント３４、４２の分割数に応じて種々変更可能である。
【００４７】
燃料電池スタック１２の積層方向両端には、配線６６の両端が電気的に接続される。配線６６には、外部負荷６８と交流電流を検出するための交流電流測定器６９とが配設される。外部負荷６８は、燃料電池スタック１２から直流電流を出力させるとともに、この直流電流に交流電流を重畳させる機能を有する。外部負荷６８としては、例えば、電子負荷装置が使用されるが、これに代えて、例えば、電流アンプ等を流用することもできる。
【００４８】
このように構成される燃料電池スタック１２の動作について、以下に説明する。
【００４９】
図１に示すように、酸化剤ガス供給連通孔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、燃料ガス供給連通孔２２ａに水素含有ガス等の燃料ガスが供給される。さらに、冷却媒体供給連通孔２４ａ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。
【００５０】
酸化剤ガスは、第１セパレータ１６、５０に設けられている各酸化剤ガス流路３８に導入され、電解質膜・電極構造体１４を構成するカソード側電極２８に沿って移動する。一方、燃料ガス供給連通孔２２ａに供給された燃料ガスは、第２セパレータ１８、５２の各燃料ガス流路４６に導入され、電解質膜・電極構造体１４を構成するアノード側電極３０に沿って移動する。
【００５１】
従って、各電解質膜・電極構造体１４では、カソード側電極２８に供給される酸化剤ガスと、アノード側電極３０に供給される燃料ガスとが、電極触媒層２８ａ、３０ａ内で電気化学反応により消費され、発電が行われる。
【００５２】
次いで、カソード側電極２８に供給されて消費された酸化剤ガスは、酸化剤ガス排出連通孔２０ｂに排出される。同様に、アノード側電極３０に供給されて消費された燃料ガスは、燃料ガス排出連通孔２２ｂに排出される。
【００５３】
また、冷却媒体供給連通孔２４ａに供給された冷却媒体は、第１セパレータ５０及び第２セパレータ５２の各冷却媒体流路５４に導入される。この冷却媒体は、電解質膜・電極構造体１４を冷却した後、冷却媒体排出連通孔２４ｂに排出される。
【００５４】
上記の発電時において、図５に示すように、面内環境計測装置６０では、外部負荷６８により燃料電池スタック１２から直流電流を出力させるとともに、この直流電流に交流電流を重畳させている。
【００５５】
このため、各交流電圧測定器６４ａ〜６４ｅは、交流電流に対する交流応答電圧を測定する一方、交流電流測定器６９により交流電流が測定されている。従って、測定された交流電圧及び交流電流から、各導電性セグメント３４、４２間の交流インピーダンスが算出される。これにより、燃料電池１０全体のインピーダンス分布が検出され、前記燃料電池１０の電極面内の発電状況を検出することが可能になる。
【００５６】
この場合、第１の実施形態では、燃料電池１０を構成する電解質膜・電極構造体１４の電極反応面の領域を複数の領域に分割して複数個の導電性セグメント３４、４２が設けられている。このため、電極反応面内における各領域の交流インピーダンスを計測することができ、インピーダンス分布を容易且つ正確に検出することが可能になる。従って、燃料電池１０の電極面内の環境分布を精度よく計測することができ、所望の発電状態を確実に維持することが可能になるという効果が得られる。
【００５７】
さらに、燃料電池１０では、カソード側電極２８及びアノード側電極３０は、分割されることがなく一体で、固体高分子電解質膜２６の両面に連続して設けられている。これにより、燃料電池１０は、発電効率の低下を抑制するとともに、良好な発電を確実に行うことが可能になり、燃料電池スタック１２を構成する燃料電池１０として、他の燃料電池１０ａと同様に好適に使用することができるという利点がある。
【００５８】
しかも、導電性セグメント３４、４２の厚さ方向に延在する外周部には、凹凸形状部である段差部３４ａ、４２ａが設けられている。このため、導電性セグメント３４、４２は、非導電性樹脂３６、４４との接触面積を増加させることが可能になる。従って、導電性セグメント３４、４２と非導電性樹脂３６、４４との結合強度が良好に向上するとともに、燃料ガス及び酸化剤ガス等の気密性の向上が図られる。
【００５９】
なお、第１の本実施形態では、燃料電池１０の内部抵抗を測定するために、交流インピーダンス法を採用しているが、これに限定されるものではない。例えば、燃料電池１０に一定電流を通電させておき、瞬間的に電流を遮断する際の電圧変化から内部抵抗を測定する電流遮断法を適用してもよい。また、燃料電池１０に一定電流を通電させておき、ステップ状に電流を変化させる際の電圧変化から内部抵抗を測定するステップ法を適用することもできる。
【００６０】
図６は、本発明の第２の実施形態に係る燃料電池７０の要部分解斜視図である。なお、第１の実施形態に係る燃料電池１０と同一の構成要素には、同一の参照符号を付して、その詳細な説明は省略する。また、以下に説明する第３以降の実施形態においても同様に、その詳細な説明は省略する。
【００６１】
燃料電池７０は、電解質膜・電極構造体１４と、前記電解質膜・電極構造体１４を挟持する第１セパレータ７２及び第２セパレータ７４とを備える。第１セパレータ７２は、絶縁性樹脂枠部材３２内に複数個の導電性セグメント（計測用電極部材）７６を設ける一方、第２セパレータ７４は、絶縁性樹脂枠部材４０内に複数個の導電性セグメント（計測用電極部材）７８を設ける。
【００６２】
図６及び図７に示すように、導電性セグメント７６は、絶縁性樹脂枠部材３２の厚さ方向（矢印Ａ方向）に延在する外周部に、溝部（凹凸形状部）７６ａが設けられる。溝部７６ａは、導電性セグメント７６の外周部の厚さ方向略中央位置に所定の深さまで形成される。各導電性セグメント７６は、絶縁性樹脂枠部材３２の中央領域に非導電性樹脂３６を介装して格子状に配列される。
【００６３】
導電性セグメント７８は、絶縁性樹脂枠部材４０の厚さ方向（矢印Ａ方向）に延在する外周部に、溝部（凹凸形状部）７８ａが設けられる。溝部７８ａは、導電性セグメント７８の外周部の厚さ方向略中央位置に所定の深さまで形成される。各導電性セグメント７８は、絶縁性樹脂枠部材４０の中央領域に非導電性樹脂４４を介装して格子状に配列される。
【００６４】
このように構成される第２の実施形態では、導電性セグメント７６、７８の厚さ方向に延在する外周部には、凹凸形状部である溝部７６ａ、７８ａが設けられている。このため、導電性セグメント７６、７８は、非導電性樹脂３６、４４との接触面積を増加させることが可能になる。従って、導電性セグメント７６、７８と非導電性樹脂３６、４４との結合強度が良好に向上するとともに、燃料ガス及び酸化剤ガス等の確実な気密性の向上が図られる等、上記の第１の実施形態と同様の効果が得られる。
【００６５】
図８は、本発明の第３の実施形態に係る燃料電池８０の要部分解斜視図である。
【００６６】
燃料電池８０は、電解質膜・電極構造体１４と、前記電解質膜・電極構造体１４を挟持する第１セパレータ８２及び第２セパレータ８４とを備える。第１セパレータ８２は、絶縁性樹脂枠部材３２内に複数個の導電性セグメント（計測用電極部材）８６を設ける一方、第２セパレータ８４は、絶縁性樹脂枠部材４０内に複数個の導電性セグメント（計測用電極部材）８８を設ける。
【００６７】
図８及び図９に示すように、導電性セグメント８６は、絶縁性樹脂枠部材３２の厚さ方向（矢印Ａ方向）に延在する外周部に、段差部（凹凸形状部）８６ａが設けられる。段差部８６ａは、導電性セグメント８６の外周部を所定の深さまで切り欠くことにより形成されるとともに、電解質膜・電極構造体１４側の端部から厚さ方向に所定の長さにわたって形成される。各導電性セグメント８６は、絶縁性樹脂枠部材３２の中央領域に非導電性樹脂３６を介装して格子状に配列される。
【００６８】
導電性セグメント８８は、絶縁性樹脂枠部材４０の厚さ方向（矢印Ａ方向）に延在する外周部に、段差部（凹凸形状部）８８ａが設けられる。段差部８８ａは、導電性セグメント８８の外周部を所定の深さまで切り欠くことにより形成されるとともに、電解質膜・電極構造体１４側の端部から厚さ方向に所定の長さにわたって形成される。各導電性セグメント８８は、絶縁性樹脂枠部材４０の中央領域に非導電性樹脂４４を介装して格子状に配列される。
【００６９】
このように構成される第３の実施形態では、導電性セグメント８６、８８の厚さ方向に延在する外周部には、段差部８６ａ、８８ａが設けられている。このため、導電性セグメント８６、８８は、非導電性樹脂３６、４４との接触面積を増加させることが可能になる。従って、導電性セグメント８６、８８と非導電性樹脂３６、４４との結合強度が良好に向上するとともに、燃料ガス及び酸化剤ガス等の確実な気密性の向上が図られる等、上記の第１及び第２の実施形態と同様の効果が得られる。
【００７０】
図１０は、本発明の第４の実施形態に係る燃料電池９０の要部分解斜視図である。
【００７１】
燃料電池９０は、電解質膜・電極構造体１４と、前記電解質膜・電極構造体１４を挟持する第１セパレータ９２及び第２セパレータ９４とを備える。第１セパレータ９２は、絶縁性樹脂枠部材３２内に複数個の導電性セグメント（計測用電極部材）９６を設ける一方、第２セパレータ９４は、絶縁性樹脂枠部材４０内に複数個の導電性セグメント（計測用電極部材）９８を設ける。
【００７２】
図１０及び図１１に示すように、導電性セグメント９６は、絶縁性樹脂枠部材３２の厚さ方向（矢印Ａ方向）に延在する外周部に、凸部（凹凸形状部）９６ａが設けられる。凸部９６ａは、導電性セグメント９６の外周部の厚さ方向略中央位置に外方に突出して形成される。各導電性セグメント９６は、絶縁性樹脂枠部材３２の中央領域に非導電性樹脂３６を介装して格子状に配列される。
【００７３】
導電性セグメント９８は、絶縁性樹脂枠部材４０の厚さ方向（矢印Ａ方向）に延在する外周部に、凸部（凹凸形状部）９８ａが設けられる。凸部９８ａは、導電性セグメント９８の外周部の厚さ方向略中央位置に外方に突出して形成される。各導電性セグメント９８は、絶縁性樹脂枠部材４０の中央領域に非導電性樹脂４４を介装して格子状に配列される。
【００７４】
このように構成される第４の実施形態では、導電性セグメント９６、９８の厚さ方向に延在する外周部には、凹凸形状部である凸部９６ａ、９８ａが設けられている。このため、導電性セグメント９６、９８は、非導電性樹脂３６、４４との接触面積を増加させることが可能になる。従って、導電性セグメント９６、９８と非導電性樹脂３６、４４との結合強度が良好に向上するとともに、燃料ガス及び酸化剤ガス等の確実な気密性の向上が図られる等、上記の第１〜第３の実施形態と同様の効果が得られる。
【符号の説明】
【００７５】
１０、１０ａ、７０、８０、９０…燃料電池
１２…燃料電池スタック １４…電解質膜・電極構造体
１６、１８、５０、５２、７２、７４、８２、８４、９２、９４…セパレータ
２０ａ…酸化剤ガス供給連通孔 ２０ｂ…酸化剤ガス排出連通孔
２２ａ…燃料ガス供給連通孔 ２２ｂ…燃料ガス排出連通孔
２４ａ…冷却媒体供給連通孔 ２４ｂ…冷却媒体排出連通孔
２６…固体高分子電解質膜 ２８…カソード側電極
２８ａ、３０ａ…電極触媒層 ２８ｂ、３０ｂ…ガス拡散層
３０…アノード側電極 ３２、４０…絶縁性樹脂枠部材
３４、４２、７６、７８、８６、８８、９６、９８…導電性セグメント
３４ａ、４２ａ、８６ａ、８８ａ…段差部
３６、４４…非導電性樹脂 ３８…酸化剤ガス流路
３８ａ、４６ａ…流路溝 ４６…燃料ガス流路
４８、４９…シール部材 ５４…冷却媒体流路
６０…面内環境計測装置
６２ａ〜６２ｅ、６３ａ〜６３ｅ、６６…配線
６４ａ〜６４ｅ…交流電圧測定器 ６８…外部負荷
６９…交流電流測定器 ７６ａ、７８ａ…溝部
９６ａ、９８ａ…凸部
【特許請求の範囲】
【請求項１】
アノード側電極及びカソード側電極が電解質の両側に設けられた電解質・電極構造体とセパレータとが積層される燃料電池であって、
前記セパレータは、電極反応面の領域内に設けられる複数個の計測用電極部材と、
各計測用電極部材同士を互いに絶縁状態に分離して保持する絶縁性樹脂部材と、
を備えるとともに、
前記計測用電極部材は、前記絶縁性樹脂部材の厚さ方向に延在する外周部に、凹凸形状部が設けられることを特徴とする燃料電池。
【請求項２】
請求項１記載の燃料電池において、前記計測用電極部材は、前記絶縁性樹脂部材内に格子状に配列されることを特徴とする燃料電池。
【請求項３】
請求項１又は２記載の燃料電池において、前記絶縁性樹脂部材の外周部には、前記セパレータの積層方向に貫通して燃料ガス連通孔、酸化剤ガス連通孔及び冷却媒体連通孔が形成されることを特徴とする燃料電池。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれか１項に記載の燃料電池において、前記計測用電極部材には、燃料ガス又は酸化剤ガスを連通させるガス流路が前記電極反応面に沿って形成されることを特徴とする燃料電池。
【請求項１】
アノード側電極及びカソード側電極が電解質の両側に設けられた電解質・電極構造体とセパレータとが積層される燃料電池であって、
前記セパレータは、電極反応面の領域内に設けられる複数個の計測用電極部材と、
各計測用電極部材同士を互いに絶縁状態に分離して保持する絶縁性樹脂部材と、
を備えるとともに、
前記計測用電極部材は、前記絶縁性樹脂部材の厚さ方向に延在する外周部に、凹凸形状部が設けられることを特徴とする燃料電池。
【請求項２】
請求項１記載の燃料電池において、前記計測用電極部材は、前記絶縁性樹脂部材内に格子状に配列されることを特徴とする燃料電池。
【請求項３】
請求項１又は２記載の燃料電池において、前記絶縁性樹脂部材の外周部には、前記セパレータの積層方向に貫通して燃料ガス連通孔、酸化剤ガス連通孔及び冷却媒体連通孔が形成されることを特徴とする燃料電池。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれか１項に記載の燃料電池において、前記計測用電極部材には、燃料ガス又は酸化剤ガスを連通させるガス流路が前記電極反応面に沿って形成されることを特徴とする燃料電池。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【公開番号】特開２０１３−４４９５（Ｐ２０１３−４４９５Ａ）
【公開日】平成２５年１月７日（２０１３．１．７）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−１３８０９１（Ｐ２０１１−１３８０９１）
【出願日】平成２３年６月２２日（２０１１．６．２２）
【出願人】（０００００５３２６）本田技研工業株式会社 (23,863)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２５年１月７日（２０１３．１．７）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年６月２２日（２０１１．６．２２）
【出願人】（０００００５３２６）本田技研工業株式会社 (23,863)
【Ｆターム（参考）】
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