JP2001167780A

JP2001167780A - 燃料電池用セル

Info

Publication number: JP2001167780A
Application number: JP34720599A
Authority: JP
Inventors: Eiki Ito; 栄基伊藤; Toshiro Kobayashi; 敏郎小林; Takuya Moriga; 卓也森賀
Original assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Current assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Priority date: 1999-12-07
Filing date: 1999-12-07
Publication date: 2001-06-22

Abstract

(57)【要約】【課題】燃料電池において電極を破損させる原因とな
る水素濃度の低減を精度良く検知できるとともに、小型
で簡略化された装置によって水素濃度をモニタして安全
な燃料電池の運転を可能とするセルを提供する。【解決手段】高分子膜と、該高分子膜両側の電極カ
ーボン部材およびセパレータと、からなるセルであっ
て、該セル内にガス入口側からガス出口側に向かって反
応ガス流路が設けられており、該反応ガス流路のガス出
口直前に水素濃度検出部を有することを特徴とする燃料
電池用セル。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、水素濃度検知器を
備えた燃料電池用セルに関し、さらに詳しくは、固体高
分子型燃料電池の各セル内における水素濃度を測定でき
る燃料電池用セルに関する。

【０００２】

【従来の技術】固体高分子型燃料電池本体では、セルが
多数積層されてスタックを構成しており、各セルには反
応ガスが供給される構造になっている。それぞれのセル
は通常水素側セパレータと、高分子膜と、酸素側セパレ
ータとからなっており、水素ガスや酸素ガスを各セル内
に均一に分布させることが必要であり、これらガスの量
によって発電の能力（性能）が決まる。このようにガス
系統としては２系統が存在しており、一方は、水素ガス
が供給されて排出される系統であり、他方は、酸素ガス
が供給されて排出される系統である。それらのセパーレ
ータの中央には高分子膜が設けられている。

【０００３】図３は、セル／セパレータ面上での反応ガ
スの流路を示す図であり、図４は、セル内での入口側か
ら出口側までの水素濃度変化の概略を示す図である。通
常、セパレーターの面上を、ガス入口側からガス出口側
へ向かって、反応ガスを流す際には、供給マニホールド
９から反応ガスが入ってくる。ここで、ガスが均一に流
れずに十分な流速が得られない場合には、絶対的な水素
の流量が不足してしまう。ガス入口側から出口側への水
素の濃度は、図４において、正常の場合は（ａ）のよう
に減少していく。これに対して、異常時には水素濃度の
減少の仕方が急激になって、（ｂ）のような状況にな
る。そして、セパレータの水素側では、反応ガスについ
ての水素ガス濃度供給下限界がある。燃料電池が発電し
ていて電流が流れている際に、水素が不足してしまう
と、水素を消費する代わりに、水（Ｈ₂Ｏ）が電気分解
されて酸素（Ｏ₂）を発生する。その発生した酸素と、
セル自体を形成している炭素材料とが反応（結合）し
て、燃焼してしまい二酸化炭素や一酸化炭素になること
が起こり得る。このような水素不足状態である水素濃度
下限界以下で、燃料電池の使用を継続した場合には、セ
ルが破損して使用できなくなる問題が生じかねない。

【０００４】一方、セル内での水素濃度測定は、通常、
計測器が一定の容積を有するため、装置自体が大型化あ
るいは極めて複雑化してしまうという問題がある。ま
た、これらの装置を組み込む場合には、コスト的にも高
価になりやすい。他方、上述したように水素濃度測定を
全く行わない場合、水素濃度が低下している際にも発電
してしまうため、電極基材の主材料である炭素が水素の
代わりに消費されてしまい、電極基材自体の破壊が生じ
うる。さらに、この水素濃度検出は各セル毎に測定する
ことが望ましいが、計測器のコンパクト化および軽量化
の面から、通常の測定器を設置することは困難である。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】本発明者らは、上記問
題点に鑑み、燃料電池において電極を破損させる原因と
なる水素濃度の低減を精度良く検知できるとともに、小
型で簡略化された装置によって水素濃度をモニタして安
全な燃料電池の運転を可能とするセルを開発すべく、鋭
意検討した。その結果、本発明者らは、セルの反応ガス
溝の水素濃度を常にモニターできるように、水素ガス出
口直前に水素濃度モニターを設けることによって、かか
る問題点が解決されることを見い出した。本発明は、か
かる見地より完成されたものである。

【０００６】

【課題を解決するための手段】すなわち、本発明は、高
分子膜と、該高分子膜両側の電極カーボン部材およびセ
パレータと、からなるセルであって、該セル内にガス入
口側からガス出口側に向かって反応ガス流路が設けられ
ており、該反応ガス流路のガス出口直前に水素濃度検出
部を有することを特徴とする燃料電池用セルを提供する
ものである。上記水素濃度検出部としては、高分子膜両
側の電極カーボン部材の一部にそれぞれ設けられた絶縁
体(Ｂ)と、該絶縁体(Ｂ)に積層して両側のセパレータの
一部にそれぞれ設けられた絶縁体(Ａ)と、高分子膜両側
で該絶縁体により絶縁されたセパレータ部分を接続する
リード線と、を有する態様が好適である。そして、セル
の面方向における上記絶縁体の幅は、１００μｍ以上１
０００μｍ以下であることが好ましい。また、上記電極
カーボン部材は、カーボンペーパー又はカーボンクロス
であることが望ましい。また、本発明は、上記いずれか
の燃料電池用セルを積層したことを特徴とする燃料電池
スタックをも提供するものであり、通常１０〜５００枚
のセルを積層する。

【０００７】本発明では、水素濃度不足による電極破壊
事故を未然に防止すべく、セルの反応ガス溝の水素濃度
を常にモニターできるように、ガス出口側の直前に水素
濃度検出部を設ける。ここで、水素濃度モニターとして
は、通常の水素濃度検知装置や半導体による検出器等も
挙げられるが、本発明においては、装置の軽量化・簡略
化、さらにはコスト低減の観点から、コンパクトであっ
て、簡単な付随装置として、セル内に水素濃度検出部を
設けるものである。本発明では、発電量をモニターする
ことによって、各セル内のガス流路における実際の水素
濃度を把握することができる。

【０００８】本発明の好ましい態様として、セルの一部
分について周囲を絶縁（孤立）して、その絶縁部に電気
を流して計測モニターする。絶縁部は、セパレータ内の
ガス流路の出口側に設け、排出マニホールドの直前であ
る。そして、積層されたスタックの各セルには、全て水
素濃度検出部（モニター）を設けてあることが好まし
い。なお、必要に応じて、例えばコスト面から、水素濃
度検出部を有さないセルと組み合わせて、本発明のセル
を使用して燃料電池スタックを構成する態様も可能であ
り、さらに加えてマニホールドから排出されたガスにつ
いて、システム全体として水素濃度を測定する装置を別
途設けても良い。

【０００９】

【発明の実施の形態】本発明の燃料電池用セルは、ＰＥ
ＦＣ水素濃度モニタを当該セルのガス流路における出口
側の最後に部分に有するものである。燃料電池スタック
においては、モニタ（濃度検出部）は各セル毎に必要で
あり、複数積層されたセルから流れたものを全体として
測定したのでは、各セルに異常が生じたか否か、判断で
きない。つまり、他のセルから流れてきたガスと混合し
てしまった後では、各セル内での水素濃度の低下が検出
できない。例えば、反応ガス流路にゴミが詰まってしま
い流路が塞がれているセルがある場合、各セル毎の測定
によってのみ異常を検出できる。一方、各セル毎に通常
の水素検知器を設けていたのでは構造が複雑、かつ高価
になってしまう。

【００１０】その点、本発明のセルを用いれば、水素濃
度測定に特別の水素検出器を別途設ける必要がなく、電
池の機能をそのまま利用して水素濃度を測定できる。そ
して、本発明では、絶縁体を設けて、その絶縁した部分
にリード線を繋げれば、水素濃度検知が可能である。以
下、本発明に係る燃料電池用セルについて、添付図面を
参照しながら、その具体的な実施形態を詳細に説明す
る。

【００１１】実施の形態図１に、本発明に係る燃料電池用セルの一例を示す。本
実施の形態では、図１に示すように出口直前の電極の一
部を電気的に独立させて、その絶縁部を流れる電流を測
定することによって水素濃度を算出し、水素濃度が電極
の破損する下限界以下にならないように運転する。ここ
では高分子膜１（イオン交換膜）の両面に、電極となる
カーボンペーパー等が圧着プレスなどによって張り付け
てある。電極カーボン部材としては、カーボンペーパー
又はカーボンクロス等を用いるのが好ましい。その両側
に反応ガス溝１１を有するセパレータが設けられてお
り、これら一体でセルを構成する。このセルを積層した
ものがスタックであり、１つのセルで発生する起電力が
例えば０．７Ｖである場合、セルを１００枚積層すれば
約７０Ｖのスタックになる。高分子膜１の両側には、白
金触媒が塗布されており、これら触媒の外側に電極カー
ボン部材が設けられている。

【００１２】図２に、絶縁体により絶縁された部分（絶
縁部）に、リード線を配した水素濃度検出部の断面図を
示す。図２のセルでは、上面の水素側セパレータ２の下
にカーボンペーパー６、下面の酸素側セパレータ３の上
にカーボンペーパー６、その中央部に高分子膜１を設け
てある。本実施の形態では、この図２に示すように、水
素濃度検出部のセパレータでは、絶縁体Ａによって電気
的に絶縁されている。同様にカーボンペーパー６では、
絶縁体Ｂによって電気的に絶縁されている。この絶縁部
を外部から接続するリード線について電流を測定するこ
とにより、絶縁部での水素濃度を測定することができ
る。つまり、発電部分である反応ガス流路を有する面上
に絶縁部分を設けることによって、この部分だけを孤立
させてガス出口直前の水素濃度を測定できる。ガス出口
直前としたのは、当該部分が、セル内での反応によって
水素濃度が最も低下する箇所だからであり、この部分に
おける水素濃度検出によって水素濃度下限界を超えてい
ないか、判定することが必要である。

【００１３】ここで、セパレータおよびカーボンペーパ
ーは比較的容易に絶縁ができるが、高分子膜１を絶縁す
ることは、製造工程あるいはガスシール工程の面で困難
であるとともに、コスト的にも高価であるため、通常は
絶縁せずにそのまま使用する。そのため、周囲の絶縁さ
れていない部分からのプロトンが絶縁部分の水素濃度測
定時に回り込んできて、水素濃度を正確に測定・制御す
ることができなくなることが考えられる。そのため、絶
縁体の幅Ｗは、プロトンの回り込みの影響がない程度に
広くすることが必要である。すなわち、高分子膜１中に
は、電気の流れが起こって、プロトンの移動が発生す
る。その際、絶縁部の外部で発生するプロトンと、絶縁
部内部で発生するプロトンとがあるが、絶縁部外部で発
生するプロトンも内部に流れ込んでくる可能性がある
（図２のｒ₂）。このようなｒ₂ルートと、ｒ₁ルートと
を分離ができなくなると濃度測定に誤差が大きくなるの
で、絶縁体Ａ，Ｂの幅Ｗの距離を十分確保することが必
要である。一方、逆に幅Ｗがあまりに大きすぎると、セ
ル本来の役割を阻害するおそれもあるので好ましくな
い。

【００１４】周囲の非絶縁部分から絶縁するために、絶
縁体の幅Ｗは高分子膜中のイオン導電性（電気抵抗）か
ら、下記のように算出される。すなわち、温度８０℃で
の高分子膜の面積抵抗［Ω・cm²］は、下式のように表
わせる。ｒ_N ＝｛１／σ(80℃)｝×ｔ_N［ｃｍ］式中、σはイオン導電性、ｔ_Nはプロトンが移動する距
離を示す。そして、水素検出部（モニタ部）と発電部と
のプロトンを分離するための絶縁体の幅をＷとすると、
プロトンが周囲から回り込む際の抵抗ｒ₂とｒ₁との比
は、次式のように表わせる。

【００１５】

【数１】ここで、10％の誤差まで認めるとすると、(1)式の解は
０．１以下であり、

【数２】となり、１％の誤差まで認めるとすると、(1)式の解は
０．０１以下であり、

【数３】となる。式中、ｒ₁はプロトンが高分子膜を直進する場
合の面積抵抗を示し、ｒ₂は絶縁部の外側から回り込む
プロトンの面積抵抗の最小値を示す。

【００１６】高分子膜１の厚さについては特に限定され
るものではないが、通常１０〜１００μｍ、好ましくは
３０〜８０μｍの範囲内にあり、よって、最も薄い場合
には約１０μｍ程度の厚さである。これを上記１０％の
誤差までを認める場合の式に当てはめると、約１００μ
ｍ以上の絶縁体の幅Ｗを有することが好ましいとわか
る。

【００１７】このような水素濃度検出部を有する各セル
でモニターした水素濃度は、燃料電池スタックの電流密
度との関係で、判定プロセッサにより判定されて、正常
濃度又は過剰状態、あるいは、水素不足状態であるかが
各セルについて決定される。この判定結果に基づいて燃
料電池本体では、非常停止手段や電気的負荷除去手段に
よって、非常停止あるいは水素供給ライン流量調節等の
運転制御が行われる。このように本発明のセルを用いて
燃料電池本体のスタックを製造する場合、運転中の燃料
電池での各セルにおける水素濃度をモニタすることがで
きるので、安全な燃料電池の運転を行うことができる。
以下、実施例により、本発明のセルを用いた場合の燃料
電池運転制御の例を具体的に説明するが、本発明はこれ
らの実施例によって何ら制限されるものではない。

【００１８】

【実施例】実施例１図６に、本実施例の運転制御方法をブロック図として示
し、図７に、本実施例における判定プロセッサ内の信号
をフローチャート図で示す。ここでは、上述した各セル
（Ｘn）における水素検出部の電圧値は、燃料電池スタ
ックの電流密度とともに、判定プロセッサＡに送られ
る。判定プロセッサＡにおいては、図５に示すような標
準Ｉ−Ｖ曲線に基づいて、各セルについて該曲線よりも
上(a)にあるのか、下(b)にあるのかが判定される。通
常、曲線よりも上(a) 又は曲線上（誤差範囲を含む）に
存在する場合には、当該セルにおける水素濃度が正常も
しくは過剰状態にあると判定される。一方、標準Ｉ−Ｖ
曲線より下(b)に存在する場合には、当該セルにおける
水素濃度が不足状態にあると判定される。このような不
足状態にあるとの判定結果が少なくとも１つのセルにつ
いてなされた場合、本実施例では当該セルにおける危険
を回避するため、燃料電池全体に対する電気的負荷除去
信号あるいは非常停止信号が発せられる。これによっ
て、燃料電池本体を制御して、安全な運転を可能にする
ことができる。

【００１９】実施例２図８に、本実施例の運転制御方法をブロック図として示
し、図９に、本実施例における判定プロセッサ内の信号
をフローチャート図で示す。ここでは、上記実施例１と
同様の信号が、判定プロセッサＢに送られる。判定プロ
セッサＢにおいては、図５に示すような標準Ｉ−Ｖ曲線
に基づいて、先ず、各セルについて該曲線よりも下(b)
にあるかどうかが判定される。標準Ｉ−Ｖ曲線の下(b)
にない場合、燃料電池本体の前段に設けられる改質器の
水素流量が正常であるか否かを確認し、正常であればそ
の状態で運転を継続し、正常でない場合には水素流量過
剰であるので、水素製造量低下信号を改質器に送る。一
方、標準Ｉ−Ｖ曲線の下(b)にある場合、全セルが該曲
線よりも下(b)の状態であるか否か確認する。少なくと
も１つのセルが下(b)であるが全セルが下(b)状態という
わけではない場合、幾つかのセルで水素不足状態である
ので、電気的負荷除去信号、非常停止信号、又は改質器
からの燃料ガス供給ラインバイパスを開く信号、などが
発せられる。他方、全セルが該曲線よりも下(b)の状態
である場合、燃料電池全体が水素不足状態であるので、
先ず、前段の改質器の水素流量が正常か否かを確認す
る。そして、正常である場合には、電気的負荷除去信号
もしくは非常停止信号を発する。正常でない場合には、
水素製造量を増加する信号を発する。これらの信号制御
によって、燃料電池本体における各セルの水素濃度不足
状態を解消し、安全に効率よく燃料電池システムを運転
することができる。

【００２０】

【発明の効果】本発明によれば、燃料電池において電極
を破損させる原因となる水素濃度の低減を、極めて小型
で簡略化された装置によってモニタすることができる。
また、運転中の燃料電池での各セルにおける水素濃度を
モニタすることができるので、安全な燃料電池の運転を
実現させることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】図１は、本発明のセルを分解した構造の概略を
示す配置図である。

【図２】図２は、本実施の形態に係る水素濃度検出部分
の断面図である。

【図３】図３は、積層させた場合にセル／セパレータ内
部を流通するガス流路を表わす図である。

【図４】図４は、セル内での入口側から出口側までの水
素濃度変化の概略を示す図である。

【図５】図５は、各セル内での水素濃度に関する標準Ｉ
−Ｖ曲線を示す図である。

【図６】図６は、実施例１の運転制御方法をブロック図
として示すものである。

【図７】図７は、実施例１における判定プロセッサ内の
信号をフローチャート図で示すものである。

【図８】図８は、実施例２の運転制御方法をブロック図
として示すものである。

【図９】図９は、実施例２における判定プロセッサ内の
信号をフローチャート図で示すものである。

【符号の説明】

１高分子膜２水素側セパレータ３酸素側セパレータ４絶縁体Ａ５絶縁体Ｂ６電極カーボンペーパー７水素流路８酸素流路９供給マニホールド１０排出マニホールド１１ガス溝

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者森賀卓也広島県広島市西区観音新町四丁目６番22号三菱重工業株式会社広島研究所内Ｆターム(参考） 5H026 AA06 CC03 CC08 CX03 CX04 HH03 5H027 AA06 BA01 KK31 KK51 KK56

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】高分子膜と、該高分子膜両側の電極カー
ボン部材およびセパレータと、からなるセルであって、
該セル内にガス入口側からガス出口側に向かって反応ガ
ス流路が設けられており、該反応ガス流路のガス出口直
前に水素濃度検出部を有することを特徴とする燃料電池
用セル。
【請求項２】上記水素濃度検出部が、高分子膜両側の
電極カーボン部材の一部にそれぞれ設けられた絶縁体
(Ｂ)と、該絶縁体(Ｂ)に積層して両側のセパレータの一
部にそれぞれ設けられた絶縁体(Ａ)と、高分子膜両側で
該絶縁体により絶縁されたセパレータ部分を接続するリ
ード線と、を有することを特徴とする請求項１記載の燃
料電池用セル。
【請求項３】セルの面方向における上記絶縁体の幅
が、１００μｍ以上であることを特徴とする請求項２記
載の燃料電池用セル。
【請求項４】上記電極カーボン部材が、カーボンペー
パー又はカーボンクロスであることを特徴とする請求項
１〜３のいずれかに記載の燃料電池用セル。
【請求項５】請求項１〜４のいずれかに記載の燃料電
池用セルを積層したことを特徴とする燃料電池スタッ
ク。