燃料電池
【課題】コンパクト且つ簡単な構成で、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、それぞれの一方の面が電解質膜・電極構造体１４に接触す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、各導電性セグメント３４の他方の面に、それぞれ個別に電気的に接続される第１フレキシブル基板５０とを備える。
【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、それぞれの一方の面が電解質膜・電極構造体１４に接触す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、各導電性セグメント３４の他方の面に、それぞれ個別に電気的に接続される第１フレキシブル基板５０とを備える。
【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、コンパクトな構成で、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、それぞれの一方の面が電解質・電極構造体に接触す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、各計測用電極部材の他方の面に、それぞれ個別に電気的に接続されるフレキシブル基板とを備えている。
【００１８】
また、この燃料電池では、フレキシブル基板は、互いに接合される一対のセパレータ間に固着されることが好ましい。
【００１９】
さらに、この燃料電池では、フレキシブル基板は、計測用電極部材よりも外形寸法が小さく且つ各計測用電極部材の外形形状の内方に配置されて電気的に接続される複数個の電極セグメントを備えることが好ましい。
【００２０】
さらにまた、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。
【００２１】
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】
【００２２】
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。
【００２３】
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。
【００２４】
しかも、セパレータは、各計測用電極部材の他方の面に、それぞれ個別に電気的に接続されるフレキシブル基板を備えている。これにより、例えば、電極反応面から垂直にターミナルを突出させる構造に比べ、構成が有効に簡素化されるとともに、積層方向の寸法を短尺化させることが可能になる。このため、コンパクト且つ簡単な構成で、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できる。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【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】面内環境計測装置の概略説明図である。
【図１１】他の面内環境計測装置の概略説明図である。
【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】
【００２６】
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。
【００２７】
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。
【００２８】
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。
【００２９】
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一対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一対の冷却媒体排出連通孔２４ｂが設けられる。
【００３０】
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。
【００３１】
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。
【００３２】
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。
【００３３】
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。
【００３４】
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。
【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、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】
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。
【００４０】
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。
【００４１】
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。
【００４２】
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。
【００４３】
図２及び図３に示すように、第１セパレータ１６の面１６ｂには、第１フレキシブル基板５０が溶着等により固定されるとともに、第２セパレータ１８の面１８ｂには、第２フレキシブル基板５２が溶着等により固定される。
【００４４】
第１フレキシブル基板５０は、絶縁シート５４ａと、第１セパレータ１６の各導電性セグメント３４にそれぞれ電気的に接続される複数個の電極セグメント５６ａとを備える。絶縁シート５４ａは、例えば、ポリイミド層により構成される一方、電極セグメント５６ａは、銅膜層に金めっき層を形成して構成される。
【００４５】
絶縁シート５４ａの一方の長辺側には、外方に突出する膨出部５８ａが設けられ、この膨出部５８ａには、端子取り出し部５９ａが形成される（図２参照）。各端子取り出し部５９ａは、それぞれ独立して電極セグメント５６ａに電気的に接続される。
【００４６】
電極セグメント５６ａは、導電性セグメント３４よりも外形寸法が小さく且つ各導電性セグメント３４の外形形状の内方に配置される（図３参照）。導電性セグメント３４は、一方の面が電解質膜・電極構造体１４に接触するとともに、他方の面が電極セグメント５６ａに電気的に接続される。
【００４７】
第２フレキシブル基板５２は、同様に絶縁シート５４ｂと、第２セパレータ１８の各導電性セグメント４２にそれぞれ電気的に接続される複数個の電極セグメント５６ｂとを備える。絶縁シート５４ｂの一方の長辺側には、外方に突出する膨出部５８ｂが設けられ、この膨出部５８ｂには、端子取り出し部５９ｂが形成される。各端子取り出し部５９ｂは、それぞれ独立して電極セグメント５６ｂに電気的に接続される。
【００４８】
電極セグメント５６ｂは、導電性セグメント４２よりも外形寸法が小さく且つ各導電性セグメント４２の外形形状の内方に配置される。導電性セグメント４２は、一方の面が電解質膜・電極構造体１４に接触するとともに、他方の面が電極セグメント５６ｂに電気的に接続される。
【００４９】
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６０及び第２セパレータ６２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。
【００５０】
第１セパレータ６０及び第２セパレータ６２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６０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６４が設けられる。第２セパレータ６２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６４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６４を形成してもよい。
【００５１】
図５に示すように、燃料電池１０の電極セグメント５６ａと燃料電池１０ａを構成する第２セパレータ６２とは、電気的に接続されるとともに、前記燃料電池１０の電極セグメント５６ｂと前記燃料電池１０ａを構成する第１セパレータ６０とは、電気的に接続される。電気的接続は、燃料電池スタック１２の内部に構成してもよく、又は、前記燃料電池スタック１２の外部に構成してもよい。例えば、各端子取り出し部５９ａと第２セパレータ６２とを、被覆部材の一部を切り欠いて接触させてもよい。
【００５２】
燃料電池スタック１２は、面内環境計測装置７０に接続される。面内環境計測装置７０は、端部が第１フレキシブル基板５０の端子取り出し部５９ａに接続される配線７２ａ、７２ｂ、７２ｃ、７２ｄ及び７２ｅと、暗部が第２フレキシブル基板５２の端子取り出し部５９ｂに接続される配線７３ａ、７３ｂ、７３ｃ、７２ｄ及び７３ｅとを備える。
【００５３】
配線７２ａ〜７２ｅと配線７３ａ〜７３ｅとは、第１セパレータ１６の各導電性セグメント３４と第２セパレータ１８の各導電性セグメント４２とに電気的に接続される。配線７２ａ〜７２ｅ及び配線７３ａ〜７３ｅ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７４ａ、７４ｂ、７４ｃ、７４ｄ及び７４ｅ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。
【００５４】
燃料電池スタック１２の積層方向両端には、配線７６の両端が電気的に接続される。配線７６には、外部負荷７８と交流電流を検出するための交流電流測定器７９とが配設される。外部負荷７８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７８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。
【００５５】
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。
【００５６】
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。
【００５７】
酸化剤ガスは、第１セパレータ１６、６０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、６２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。
【００５８】
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。
【００５９】
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。
【００６０】
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６０及び第２セパレータ６２の各冷却媒体流路６４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。
【００６１】
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７０では、外部負荷７８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。
【００６２】
このため、各交流電圧測定器７４ａ〜７４ｅ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７９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。
【００６３】
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。
【００６４】
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。
【００６５】
しかも、第１セパレータ１６は、各導電性セグメント３４にそれぞれ電気的に接続される複数個の電極セグメント５６ａを備える第１フレキシブル基板５０を設ける一方、第２セパレータ１８は、各導電性セグメント４２にそれぞれ電気的に接続される複数個の電極セグメント５６ｂとを備える第２フレキシブル基板５２を設けている。
【００６６】
このため、例えば、電極反応面から垂直にターミナルを突出させる構造に比べ、構成が有効に簡素化されるとともに、積層方向の寸法を短尺化させることが可能になる。従って、燃料電池１０は、コンパクト且つ簡単な構成で、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できるという効果が得られる。
【００６７】
また、電極セグメント５６ａは、導電性セグメント３４よりも外形寸法が小さく且つ各導電性セグメント３４の外形形状の内方に配置されている。同様に、電極セグメント５６ｂは、導電性セグメント４２よりも外形寸法が小さく且つ各導電性セグメント４２の外形形状の内方に配置されている。電極セグメント５６ａ、５６ｂは、導電性セグメント３４、４２よりも寸法精度が高いため、上記の構成によれば、前記導電性セグメント３４、４２の寸法が不揃いであっても、前記電極セグメント５６ａ、５６ｂに流れる正確な電流計測が可能になる。
【００６８】
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。
【００６９】
図６は、本発明の第２の実施形態に係る燃料電池８０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。
【００７０】
燃料電池８０は、それぞれ第１セパレータ１６及び第２セパレータ１８が一体に溶着された第１セパレータユニット８２ａと第２セパレータユニット８２ｂとを備える。第１セパレータユニット８２ａと第２セパレータユニット８２とが交互に配設されるとともに、これらの間には、電解質膜・電極構造体１４が介装されて複数セル積層型の燃料電池８０が構成される。
【００７１】
図６及び図７に示すように、第１セパレータユニット８２ａは、第１セパレータ１６と第２セパレータ１８との間に第１フレキシブル基板５０を接着又は溶着して挟持する。第２セパレータユニット８２ｂは、第１セパレータ１６と第２セパレータ１８との間に第２フレキシブル基板５２を接着又は溶着して挟持する。
【００７２】
図７に示すように、絶縁シート５４ａに複数の貫通孔を設けるとともに、各貫通孔に電極セグメント５６ａが配設される。同様に、絶縁シート５４ｂに複数の貫通孔を設けるとともに、各貫通孔に電極セグメント５６ｂが配設される。
【００７３】
このように構成される第２の実施形態では、第１セパレータユニット８２ａ内に第１フレキシブル基板５０が設けられる一方、第２セパレータユニット８２ｂ内に第２フレキシブル基板５２が設けられている。このため、燃料電池８０は、コンパクト且つ簡単な構成で、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できる等、上記の第１の実施形態と同様の効果が得られる。
【００７４】
図８は、本発明の第３の実施形態に係る燃料電池９０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及び第２の実施形態に係る燃料電池８０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。
【００７５】
燃料電池９０は、第１セパレータユニット８２ａと第２セパレータユニット８２ｂとを備え、前記第１セパレータユニット８２ａには、第１フレキシブル基板５０が設けられるとともに、前記第２セパレータユニット８２ｂには、第２フレキシブル基板９２が設けられる。
【００７６】
図９に示すように、第２フレキシブル基板９２は、絶縁シート９４ａ、９４ｂと、第２セパレータ１８の導電性セグメント４２及び各第１セパレータ１６の各導電性セグメント３４に、それぞれ電気的に接続される複数個の電極セグメント９６ａ、９６ｂとを備える。絶縁シート９４ａ、９４ｂ間には、各電極セグメント９６ａ、９６ｂに対応して複数個の薄膜状抵抗体９８が配置される。各薄膜状抵抗体９８は、電極部９８ａ、９８ｂを介して各電極セグメント９６ａ、９６ｂに電気的に接続される。
【００７７】
図８に示すように、絶縁シート９４ａ、９４ｂの１つの側部（一方の長辺側）には、外方に突出する膨出部１００ａ、１００ｂが設けられるとともに、前記膨出部１００ａ、１００ｂには、端子取り出し部１０２ａ、１０２ｂが形成される。
【００７８】
図１０に示すように、燃料電池９０及び燃料電池１０ａが積層された燃料電池スタック１０８は、面内環境計測装置１１０に接続される。面内環境計測装置１１０は、交流電圧測定器７４ａ〜７４ｅが配設された配線７２ａ〜７２ｅ及び配線７３ａ〜７３ｅを備える。配線７２ａ〜７２ｅの端部は、第１セパレータユニット８２ａの各電極セグメント５６ａに電気的に接続されるとともに、配線７３ａ〜７３ｅの端部は、第２セパレータユニット８２ｂの各電極セグメント９６ｂに電気的に接続される。
【００７９】
第２セパレータユニット８２ｂの各電極セグメント９６ａには、配線１１２ａ、１１２ｂ、１１２ｃ、１１２ｄ及び１１２ｅが接続される。配線７３ａ〜７３ｅの各端部は、各電極セグメント９６ｂに電気的に接続される。配線１１２ａ〜１１２ｅは、それぞれ電圧を検出するための電圧測定器１１４ａ、１１４ｂ、１１４ｃ、１１４ｄ及び１１４ｅが配設されるとともに、前記電圧測定器１１４ａ〜１１４ｅには、配線１１３ａ〜１１３ｅが接続される。配線１１３ａ〜１１３ｅは、それぞれ配線７３ａ〜７３ｅを介して各電極セグメント９６ｂに電気的に接続される。
【００８０】
このように構成される第３の実施形態では、上記の第１及び第２の実施形態と同様に機能する他、各電極セグメント９６ａ、９６ｂに対応する発電面領域の電流密度（電流密度分布）を検出することができる。
【００８１】
各電極セグメント９６ａ、９６ｂの電流密度ｉｎは、ｉｎ＝Ｖｎ／（Ｒｎ×Ａｎ）から求められる。なお、Ｖｎ（Ｖ）は抵抗間電圧、Ｒｎ（Ω）は抵抗値、Ａｎ（ｃｍ２）はセグメント電極面積である。
【００８２】
そこで、燃料電池９０、１０ａが発電されることにより、各薄膜状抵抗体９８に電流が流れる。このため、電圧測定器１１４ａ〜１１４ｅを介して電圧降下が計測されると、この電圧降下から各電極セグメント９６ａ、９６ｂに対応する各発電面領域毎の電流密度分布が計測される。
【００８３】
従って、測定される電流密度及び電位の挙動から、例えば、フラッディングの範囲とその際の電位とを測定することが可能になり、これらの情報に基づいて、電解質膜・電極構造体１４の劣化の予測等を正確に行うことができる。
【００８４】
図１１には、燃料電池９０及び燃料電池１０ａが積層された燃料電池スタック１０８が接続される他の面内環境計測装置１２０が示されている。
【００８５】
面内環境計測装置１２０は、交流電圧測定器７４ａ〜７４ｅが配設された配線７２ａ〜７２ｅ及び配線７３ａ〜７３ｅを備える。配線７３ａ〜７３ｅは、配線１１２ａ〜１１２ｅを介して第２セパレータユニット８２ｂの各電極セグメント９６ａに接続される。
【００８６】
このため、交流電圧測定器７４ａ〜７４ｅでは、各薄膜状抵抗体９８を除いてインピーダンスの測定を行うことができる。従って、各電極セグメント９６ａに流れる電流を一層正確に測定することが可能になる。
【符号の説明】
【００８７】
１０、１０ａ、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、６０、６２…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…導電性セグメント ３６、４４…非導電性樹脂
３８…酸化剤ガス流路 ４６…燃料ガス流路
４８、４９…シール部材 ５０、５２、９２…フレキシブル基板
５４ａ、５４ｂ、９４ａ、９４ｂ…絶縁シート
５６ａ、５６ｂ、９６ａ、９６ｂ…電極セグメント
５９ａ、５９ｂ、１０２ａ、１０２ｂ…端子取り出し部
６４…冷却媒体流路 ７０、１１０、１２０…面内環境計測装置
７２ａ〜７２ｅ、７３ａ〜７３ｅ、７６、１１２ａ〜１１２ｅ、１１３ａ〜１１３ｅ…配線
７４ａ〜７４ｅ…交流電圧測定器 ７８…外部負荷
７９…交流電流測定器 ８２ａ、８２ｂ…セパレータユニット
９８…薄膜状抵抗体 ９８ａ、９８ｂ…電極部
１１４ａ〜１１４ｅ…電圧測定器
【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、コンパクトな構成で、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、それぞれの一方の面が電解質・電極構造体に接触す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、各計測用電極部材の他方の面に、それぞれ個別に電気的に接続されるフレキシブル基板とを備えている。
【００１８】
また、この燃料電池では、フレキシブル基板は、互いに接合される一対のセパレータ間に固着されることが好ましい。
【００１９】
さらに、この燃料電池では、フレキシブル基板は、計測用電極部材よりも外形寸法が小さく且つ各計測用電極部材の外形形状の内方に配置されて電気的に接続される複数個の電極セグメントを備えることが好ましい。
【００２０】
さらにまた、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。
【００２１】
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】
【００２２】
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。
【００２３】
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。
【００２４】
しかも、セパレータは、各計測用電極部材の他方の面に、それぞれ個別に電気的に接続されるフレキシブル基板を備えている。これにより、例えば、電極反応面から垂直にターミナルを突出させる構造に比べ、構成が有効に簡素化されるとともに、積層方向の寸法を短尺化させることが可能になる。このため、コンパクト且つ簡単な構成で、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できる。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【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】面内環境計測装置の概略説明図である。
【図１１】他の面内環境計測装置の概略説明図である。
【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】
【００２６】
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。
【００２７】
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。
【００２８】
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。
【００２９】
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一対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一対の冷却媒体排出連通孔２４ｂが設けられる。
【００３０】
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。
【００３１】
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。
【００３２】
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。
【００３３】
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。
【００３４】
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。
【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、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】
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。
【００４０】
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。
【００４１】
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。
【００４２】
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。
【００４３】
図２及び図３に示すように、第１セパレータ１６の面１６ｂには、第１フレキシブル基板５０が溶着等により固定されるとともに、第２セパレータ１８の面１８ｂには、第２フレキシブル基板５２が溶着等により固定される。
【００４４】
第１フレキシブル基板５０は、絶縁シート５４ａと、第１セパレータ１６の各導電性セグメント３４にそれぞれ電気的に接続される複数個の電極セグメント５６ａとを備える。絶縁シート５４ａは、例えば、ポリイミド層により構成される一方、電極セグメント５６ａは、銅膜層に金めっき層を形成して構成される。
【００４５】
絶縁シート５４ａの一方の長辺側には、外方に突出する膨出部５８ａが設けられ、この膨出部５８ａには、端子取り出し部５９ａが形成される（図２参照）。各端子取り出し部５９ａは、それぞれ独立して電極セグメント５６ａに電気的に接続される。
【００４６】
電極セグメント５６ａは、導電性セグメント３４よりも外形寸法が小さく且つ各導電性セグメント３４の外形形状の内方に配置される（図３参照）。導電性セグメント３４は、一方の面が電解質膜・電極構造体１４に接触するとともに、他方の面が電極セグメント５６ａに電気的に接続される。
【００４７】
第２フレキシブル基板５２は、同様に絶縁シート５４ｂと、第２セパレータ１８の各導電性セグメント４２にそれぞれ電気的に接続される複数個の電極セグメント５６ｂとを備える。絶縁シート５４ｂの一方の長辺側には、外方に突出する膨出部５８ｂが設けられ、この膨出部５８ｂには、端子取り出し部５９ｂが形成される。各端子取り出し部５９ｂは、それぞれ独立して電極セグメント５６ｂに電気的に接続される。
【００４８】
電極セグメント５６ｂは、導電性セグメント４２よりも外形寸法が小さく且つ各導電性セグメント４２の外形形状の内方に配置される。導電性セグメント４２は、一方の面が電解質膜・電極構造体１４に接触するとともに、他方の面が電極セグメント５６ｂに電気的に接続される。
【００４９】
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６０及び第２セパレータ６２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。
【００５０】
第１セパレータ６０及び第２セパレータ６２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６０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６４が設けられる。第２セパレータ６２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６４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６４を形成してもよい。
【００５１】
図５に示すように、燃料電池１０の電極セグメント５６ａと燃料電池１０ａを構成する第２セパレータ６２とは、電気的に接続されるとともに、前記燃料電池１０の電極セグメント５６ｂと前記燃料電池１０ａを構成する第１セパレータ６０とは、電気的に接続される。電気的接続は、燃料電池スタック１２の内部に構成してもよく、又は、前記燃料電池スタック１２の外部に構成してもよい。例えば、各端子取り出し部５９ａと第２セパレータ６２とを、被覆部材の一部を切り欠いて接触させてもよい。
【００５２】
燃料電池スタック１２は、面内環境計測装置７０に接続される。面内環境計測装置７０は、端部が第１フレキシブル基板５０の端子取り出し部５９ａに接続される配線７２ａ、７２ｂ、７２ｃ、７２ｄ及び７２ｅと、暗部が第２フレキシブル基板５２の端子取り出し部５９ｂに接続される配線７３ａ、７３ｂ、７３ｃ、７２ｄ及び７３ｅとを備える。
【００５３】
配線７２ａ〜７２ｅと配線７３ａ〜７３ｅとは、第１セパレータ１６の各導電性セグメント３４と第２セパレータ１８の各導電性セグメント４２とに電気的に接続される。配線７２ａ〜７２ｅ及び配線７３ａ〜７３ｅ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７４ａ、７４ｂ、７４ｃ、７４ｄ及び７４ｅ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。
【００５４】
燃料電池スタック１２の積層方向両端には、配線７６の両端が電気的に接続される。配線７６には、外部負荷７８と交流電流を検出するための交流電流測定器７９とが配設される。外部負荷７８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７８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。
【００５５】
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。
【００５６】
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。
【００５７】
酸化剤ガスは、第１セパレータ１６、６０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、６２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。
【００５８】
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。
【００５９】
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。
【００６０】
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６０及び第２セパレータ６２の各冷却媒体流路６４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。
【００６１】
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７０では、外部負荷７８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。
【００６２】
このため、各交流電圧測定器７４ａ〜７４ｅ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７９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。
【００６３】
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。
【００６４】
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。
【００６５】
しかも、第１セパレータ１６は、各導電性セグメント３４にそれぞれ電気的に接続される複数個の電極セグメント５６ａを備える第１フレキシブル基板５０を設ける一方、第２セパレータ１８は、各導電性セグメント４２にそれぞれ電気的に接続される複数個の電極セグメント５６ｂとを備える第２フレキシブル基板５２を設けている。
【００６６】
このため、例えば、電極反応面から垂直にターミナルを突出させる構造に比べ、構成が有効に簡素化されるとともに、積層方向の寸法を短尺化させることが可能になる。従って、燃料電池１０は、コンパクト且つ簡単な構成で、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できるという効果が得られる。
【００６７】
また、電極セグメント５６ａは、導電性セグメント３４よりも外形寸法が小さく且つ各導電性セグメント３４の外形形状の内方に配置されている。同様に、電極セグメント５６ｂは、導電性セグメント４２よりも外形寸法が小さく且つ各導電性セグメント４２の外形形状の内方に配置されている。電極セグメント５６ａ、５６ｂは、導電性セグメント３４、４２よりも寸法精度が高いため、上記の構成によれば、前記導電性セグメント３４、４２の寸法が不揃いであっても、前記電極セグメント５６ａ、５６ｂに流れる正確な電流計測が可能になる。
【００６８】
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。
【００６９】
図６は、本発明の第２の実施形態に係る燃料電池８０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。
【００７０】
燃料電池８０は、それぞれ第１セパレータ１６及び第２セパレータ１８が一体に溶着された第１セパレータユニット８２ａと第２セパレータユニット８２ｂとを備える。第１セパレータユニット８２ａと第２セパレータユニット８２とが交互に配設されるとともに、これらの間には、電解質膜・電極構造体１４が介装されて複数セル積層型の燃料電池８０が構成される。
【００７１】
図６及び図７に示すように、第１セパレータユニット８２ａは、第１セパレータ１６と第２セパレータ１８との間に第１フレキシブル基板５０を接着又は溶着して挟持する。第２セパレータユニット８２ｂは、第１セパレータ１６と第２セパレータ１８との間に第２フレキシブル基板５２を接着又は溶着して挟持する。
【００７２】
図７に示すように、絶縁シート５４ａに複数の貫通孔を設けるとともに、各貫通孔に電極セグメント５６ａが配設される。同様に、絶縁シート５４ｂに複数の貫通孔を設けるとともに、各貫通孔に電極セグメント５６ｂが配設される。
【００７３】
このように構成される第２の実施形態では、第１セパレータユニット８２ａ内に第１フレキシブル基板５０が設けられる一方、第２セパレータユニット８２ｂ内に第２フレキシブル基板５２が設けられている。このため、燃料電池８０は、コンパクト且つ簡単な構成で、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できる等、上記の第１の実施形態と同様の効果が得られる。
【００７４】
図８は、本発明の第３の実施形態に係る燃料電池９０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及び第２の実施形態に係る燃料電池８０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。
【００７５】
燃料電池９０は、第１セパレータユニット８２ａと第２セパレータユニット８２ｂとを備え、前記第１セパレータユニット８２ａには、第１フレキシブル基板５０が設けられるとともに、前記第２セパレータユニット８２ｂには、第２フレキシブル基板９２が設けられる。
【００７６】
図９に示すように、第２フレキシブル基板９２は、絶縁シート９４ａ、９４ｂと、第２セパレータ１８の導電性セグメント４２及び各第１セパレータ１６の各導電性セグメント３４に、それぞれ電気的に接続される複数個の電極セグメント９６ａ、９６ｂとを備える。絶縁シート９４ａ、９４ｂ間には、各電極セグメント９６ａ、９６ｂに対応して複数個の薄膜状抵抗体９８が配置される。各薄膜状抵抗体９８は、電極部９８ａ、９８ｂを介して各電極セグメント９６ａ、９６ｂに電気的に接続される。
【００７７】
図８に示すように、絶縁シート９４ａ、９４ｂの１つの側部（一方の長辺側）には、外方に突出する膨出部１００ａ、１００ｂが設けられるとともに、前記膨出部１００ａ、１００ｂには、端子取り出し部１０２ａ、１０２ｂが形成される。
【００７８】
図１０に示すように、燃料電池９０及び燃料電池１０ａが積層された燃料電池スタック１０８は、面内環境計測装置１１０に接続される。面内環境計測装置１１０は、交流電圧測定器７４ａ〜７４ｅが配設された配線７２ａ〜７２ｅ及び配線７３ａ〜７３ｅを備える。配線７２ａ〜７２ｅの端部は、第１セパレータユニット８２ａの各電極セグメント５６ａに電気的に接続されるとともに、配線７３ａ〜７３ｅの端部は、第２セパレータユニット８２ｂの各電極セグメント９６ｂに電気的に接続される。
【００７９】
第２セパレータユニット８２ｂの各電極セグメント９６ａには、配線１１２ａ、１１２ｂ、１１２ｃ、１１２ｄ及び１１２ｅが接続される。配線７３ａ〜７３ｅの各端部は、各電極セグメント９６ｂに電気的に接続される。配線１１２ａ〜１１２ｅは、それぞれ電圧を検出するための電圧測定器１１４ａ、１１４ｂ、１１４ｃ、１１４ｄ及び１１４ｅが配設されるとともに、前記電圧測定器１１４ａ〜１１４ｅには、配線１１３ａ〜１１３ｅが接続される。配線１１３ａ〜１１３ｅは、それぞれ配線７３ａ〜７３ｅを介して各電極セグメント９６ｂに電気的に接続される。
【００８０】
このように構成される第３の実施形態では、上記の第１及び第２の実施形態と同様に機能する他、各電極セグメント９６ａ、９６ｂに対応する発電面領域の電流密度（電流密度分布）を検出することができる。
【００８１】
各電極セグメント９６ａ、９６ｂの電流密度ｉｎは、ｉｎ＝Ｖｎ／（Ｒｎ×Ａｎ）から求められる。なお、Ｖｎ（Ｖ）は抵抗間電圧、Ｒｎ（Ω）は抵抗値、Ａｎ（ｃｍ２）はセグメント電極面積である。
【００８２】
そこで、燃料電池９０、１０ａが発電されることにより、各薄膜状抵抗体９８に電流が流れる。このため、電圧測定器１１４ａ〜１１４ｅを介して電圧降下が計測されると、この電圧降下から各電極セグメント９６ａ、９６ｂに対応する各発電面領域毎の電流密度分布が計測される。
【００８３】
従って、測定される電流密度及び電位の挙動から、例えば、フラッディングの範囲とその際の電位とを測定することが可能になり、これらの情報に基づいて、電解質膜・電極構造体１４の劣化の予測等を正確に行うことができる。
【００８４】
図１１には、燃料電池９０及び燃料電池１０ａが積層された燃料電池スタック１０８が接続される他の面内環境計測装置１２０が示されている。
【００８５】
面内環境計測装置１２０は、交流電圧測定器７４ａ〜７４ｅが配設された配線７２ａ〜７２ｅ及び配線７３ａ〜７３ｅを備える。配線７３ａ〜７３ｅは、配線１１２ａ〜１１２ｅを介して第２セパレータユニット８２ｂの各電極セグメント９６ａに接続される。
【００８６】
このため、交流電圧測定器７４ａ〜７４ｅでは、各薄膜状抵抗体９８を除いてインピーダンスの測定を行うことができる。従って、各電極セグメント９６ａに流れる電流を一層正確に測定することが可能になる。
【符号の説明】
【００８７】
１０、１０ａ、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、６０、６２…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…導電性セグメント ３６、４４…非導電性樹脂
３８…酸化剤ガス流路 ４６…燃料ガス流路
４８、４９…シール部材 ５０、５２、９２…フレキシブル基板
５４ａ、５４ｂ、９４ａ、９４ｂ…絶縁シート
５６ａ、５６ｂ、９６ａ、９６ｂ…電極セグメント
５９ａ、５９ｂ、１０２ａ、１０２ｂ…端子取り出し部
６４…冷却媒体流路 ７０、１１０、１２０…面内環境計測装置
７２ａ〜７２ｅ、７３ａ〜７３ｅ、７６、１１２ａ〜１１２ｅ、１１３ａ〜１１３ｅ…配線
７４ａ〜７４ｅ…交流電圧測定器 ７８…外部負荷
７９…交流電流測定器 ８２ａ、８２ｂ…セパレータユニット
９８…薄膜状抵抗体 ９８ａ、９８ｂ…電極部
１１４ａ〜１１４ｅ…電圧測定器
【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、それぞれの一方の面が前記電解質・電極構造体に接触す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、
各計測用電極部材の他方の面に、それぞれ個別に電気的に接続されるフレキシブル基板と、
を備え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、前記フレキシブル基板は、互いに接合される一対の前記セパレータ間に固着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、前記フレキシブル基板は、前記計測用電極部材よりも外形寸法が小さく且つ各計測用電極部材の外形形状の内方に配置されて電気的に接続される複数個の電極セグメントを備え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５】
請求項１〜４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、それぞれの一方の面が前記電解質・電極構造体に接触す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、
各計測用電極部材の他方の面に、それぞれ個別に電気的に接続されるフレキシブル基板と、
を備え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、前記フレキシブル基板は、互いに接合される一対の前記セパレータ間に固着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、前記フレキシブル基板は、前記計測用電極部材よりも外形寸法が小さく且つ各計測用電極部材の外形形状の内方に配置されて電気的に接続される複数個の電極セグメントを備え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５】
請求項１〜４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２０１３−４４９６（Ｐ２０１３−４４９６Ａ）
【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２０１１−１３８０９２（Ｐ２０１１−１３８０９２）
【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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