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JP5945466B2 - Potential measurement device for fuel cell - Google Patents

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JP5945466B2
JP5945466B2 JP2012154826A JP2012154826A JP5945466B2 JP 5945466 B2 JP5945466 B2 JP 5945466B2 JP 2012154826 A JP2012154826 A JP 2012154826A JP 2012154826 A JP2012154826 A JP 2012154826A JP 5945466 B2 JP5945466 B2 JP 5945466B2
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山崎  恵子
雅孝 古山
雅孝 古山
吉田 弘道
弘道 吉田
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Description

本発明は、電解質膜の両側に、それぞれ電極が設けられた電解質膜・電極構造体と、セパレータとが積層される燃料電池の電位を測定する燃料電池用電位測定装置に関する。   The present invention relates to a fuel cell potential measuring device for measuring a potential of a fuel cell in which an electrolyte membrane / electrode structure having electrodes provided on both sides of an electrolyte membrane and a separator are stacked.

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固体高分子電解質膜を採用している。この燃料電池は、固体高分子電解質膜の両側に、それぞれ電極触媒(電極触媒層)と多孔質カーボン(ガス拡散層)からなるアノード電極及びカソード電極を配設した電解質膜・電極構造体(MEA)を、セパレータ(バイポーラ板)によって挟持する発電セルを構成している。通常、燃料電池では、発電セルを所定の数だけ積層した燃料電池スタックが、例えば、車載用燃料電池スタックとして使用されている。   For example, a solid polymer fuel cell employs a solid polymer electrolyte membrane made of a polymer ion exchange membrane. This fuel cell has an electrolyte membrane / electrode structure (MEA) in which an anode electrode and a cathode electrode each made of an electrode catalyst (electrode catalyst layer) and porous carbon (gas diffusion layer) are disposed on both sides of a solid polymer electrolyte membrane. ) Is constituted by a separator (bipolar plate). Normally, in a fuel cell, a fuel cell stack in which a predetermined number of power generation cells are stacked is used as, for example, an in-vehicle fuel cell stack.

この種の燃料電池において、アノード電極には、燃料ガス、例えば、主に水素を含有するガスが供給される一方、カソード電極には、酸化剤ガス、例えば、主に酸素を含有するガスあるいは空気が供給されている。アノード電極に供給された燃料ガスは、電極触媒上で水素がイオン化され、電解質膜を介してカソード電極側へと移動する。その間に生じた電子は、外部回路に取り出され、直流の電気エネルギーとして利用されている。   In this type of fuel cell, the anode electrode is supplied with a fuel gas, for example, a gas mainly containing hydrogen, while the cathode electrode is supplied with an oxidant gas, for example, a gas mainly containing oxygen or air. Is supplied. In the fuel gas supplied to the anode electrode, hydrogen is ionized on the electrode catalyst and moves to the cathode electrode side through the electrolyte membrane. The electrons generated during that time are taken out to an external circuit and used as direct current electric energy.

その際、燃料電池に対して、発電に必要な燃料ガス量(及び酸化剤ガス量)が供給されているか否かを検出する必要がある。このため、例えば、特許文献1に開示されている燃料電池が知られている。   At this time, it is necessary to detect whether or not the fuel gas amount (and oxidant gas amount) necessary for power generation is supplied to the fuel cell. For this reason, for example, a fuel cell disclosed in Patent Document 1 is known.

この燃料電池は、図10に示すように、セパレータ1における電流貫通方向(X)の両側面1a、1bに配置された一対の電位測定電極2と、前記一対の電位測定電極2間の電位差を測定する電位差測定手段3とを備えている。電位差測定手段3は、一対の電位測定電極2に各導線4を介して接続された電位センサ5を備えている。   As shown in FIG. 10, this fuel cell has a potential difference between a pair of potential measurement electrodes 2 disposed on both side surfaces 1a and 1b in the current penetration direction (X) of the separator 1 and the pair of potential measurement electrodes 2. And a potential difference measuring means 3 for measuring. The potential difference measuring means 3 includes a potential sensor 5 connected to a pair of potential measuring electrodes 2 via respective conductive wires 4.

そして、セパレータ1における一対の電位測定電極2間の電位差を測定することにより、電流密度を求めることができ、従って、燃料電池の局所電流を検出することが可能になる、としている。   Then, by measuring the potential difference between the pair of potential measuring electrodes 2 in the separator 1, the current density can be obtained, and therefore the local current of the fuel cell can be detected.

特許第4428046号公報Japanese Patent No. 4428046

ところで、上記の燃料電池では、緻密な局所電位分布を計測しようとすると、それぞれ一対の電位測定電極2を互いに近接して配置する必要がある。しかしながら、狭小な範囲内に複数の電位測定電極2を配置することができず、緻密な局所電位分布を計測することが困難になるという問題がある。   By the way, in the fuel cell described above, in order to measure a precise local potential distribution, it is necessary to arrange a pair of potential measuring electrodes 2 close to each other. However, a plurality of potential measurement electrodes 2 cannot be arranged within a narrow range, and there is a problem that it is difficult to measure a precise local potential distribution.

本発明は、この種の問題を解決するものであり、緻密な局所電位分布を、簡単且つ容易に計測することが可能な燃料電池用電位測定装置を提供することを目的とする。   The present invention solves this type of problem, and an object thereof is to provide a fuel cell potential measuring device capable of easily and easily measuring a dense local potential distribution.

本発明は、電解質膜の両側に、それぞれ電極が設けられた電解質膜・電極構造体と、セパレータとが積層される燃料電池の電位を測定する燃料電池用電位測定装置に関するものである。   The present invention relates to a fuel cell potential measuring device for measuring the potential of a fuel cell in which an electrolyte membrane / electrode structure having electrodes provided on both sides of an electrolyte membrane and a separator are laminated.

この燃料電池用電位測定装置では、参照電極との電位差を検出するとともに、一方の側部側に突出する計測部を有する複数の導電性端子と、前記複数の導電性端子を挟んで前記一方の側部側と他方の側部側とに配置され、該複数の導電性端子を互いに離間した状態で覆って一体化させたユニットを形成する第1絶縁シート及び第2絶縁シートとを備えている。 In this fuel cell potential measuring device, a potential difference from a reference electrode is detected, and a plurality of conductive terminals having measuring portions protruding to one side and a side of the plurality of conductive terminals A first insulating sheet and a second insulating sheet that are disposed on the side portion side and the other side portion side and that form a unit that covers and integrates the plurality of conductive terminals in a state of being separated from each other . .

そして、計測部は、電解質膜・電極構造体のカソード側の平面又はアノード側の平面に配置されており、一方の側部側に配置される第1絶縁シートは、計測部を外部に露呈させるとともに、前記計測部は、前記第1絶縁シートの端面から該第1絶縁シートの厚さ方向に沿って外部に突出し、且つ、導電性端子の他の部位よりも、前記第1絶縁シート及び第2絶縁シートの厚さ方向に沿い、且つ、前記導電性端子の延伸方向と直交する断面において、大きな断面積に設定されている。ここで、参照電極は、専用の電極を使用することができる他、アノード電極の中央部分に端子を繋いで該参照電極として使用することも可能である。 The measurement unit is arranged on the cathode side plane or the anode side plane of the electrolyte membrane / electrode structure, and the first insulating sheet arranged on one side side exposes the measurement unit to the outside. In addition, the measuring unit protrudes outward from the end surface of the first insulating sheet along the thickness direction of the first insulating sheet, and the first insulating sheet and the first portion are located at other portions than the other portions of the conductive terminal. There along the thickness direction of the second insulating sheet, and, in a cross section perpendicular to the stretching direction of the conductive pin, is set to a larger cross-sectional area. Here, as the reference electrode, a dedicated electrode can be used, or a terminal can be connected to the central portion of the anode electrode and used as the reference electrode.

また、この燃料電池用電位測定装置では、複数の導電性端子の各計測部は、第1絶縁シートを平面視する視点から見て、ユニット内で、順次、段差状に配置されることが好ましい。 Further, in this fuel cell potential measuring device, it is preferable that the measuring units of the plurality of conductive terminals are sequentially arranged in steps in the unit as seen from the perspective of the first insulating sheet in plan view. .

さらに、この燃料電池用電位測定装置では、複数の導電性端子は、計測部同士が接触しない間隔で離間して延在するとともに、途上で前記間隔よりも大きく離間した後、それぞれ配線されることが好ましい。 Furthermore, the fuel cell potential measuring apparatus, the plurality of conductive terminals, with extending spaced at intervals measuring portions are not in contact, after spaced greater than before Symbol interval in developing, are respectively wire It is preferable.

本発明によれば、複数の導電性端子が一体化されたユニットを形成するため、前記ユニットを電位計測部に配置するだけで、複数の測定点を同時に計測することができる。しかも、各導電性端子同士を可及的に近接して設けることが可能になり、緻密な局所電位分布を、簡単且つ容易に計測することができる。これにより、燃料電池の電位検出処理が高精度に遂行可能になる。   According to the present invention, since a unit in which a plurality of conductive terminals are integrated is formed, a plurality of measurement points can be simultaneously measured by simply placing the unit in the potential measurement unit. In addition, the conductive terminals can be provided as close as possible to each other, and a precise local potential distribution can be measured easily and easily. Thereby, the potential detection process of the fuel cell can be performed with high accuracy.

本発明の第1の実施形態に係る電位測定装置が組み込まれる燃料電池の要部分解斜視図である。1 is an exploded perspective view of a main part of a fuel cell in which a potential measuring device according to a first embodiment of the present invention is incorporated. 前記電位測定装置の概略説明図である。It is a schematic explanatory drawing of the said electric potential measurement apparatus. 前記電位測定装置を構成する電極ユニットの斜視説明図である。It is a perspective explanatory view of the electrode unit which constitutes the potential measuring device. 前記電極ユニットの、図3中、IV−IV線断面図である。It is the IV-IV sectional view taken on the line of the said electrode unit in FIG. 前記電極ユニットの正面説明図である。It is front explanatory drawing of the said electrode unit. 本発明の第2の実施形態に係る電位測定装置を構成する電極ユニットの正面説明図である。It is front explanatory drawing of the electrode unit which comprises the electric potential measurement apparatus which concerns on the 2nd Embodiment of this invention. 前記電極ユニットの断面説明図である。It is sectional explanatory drawing of the said electrode unit. 本発明の第3の実施形態に係る電位測定装置を構成する電極ユニットの正面説明図である。It is front explanatory drawing of the electrode unit which comprises the electric potential measuring apparatus which concerns on the 3rd Embodiment of this invention. 前記電極ユニットの断面説明図である。It is sectional explanatory drawing of the said electrode unit. 特許文献1に開示されている燃料電池の斜視説明図である。2 is a perspective explanatory view of a fuel cell disclosed in Patent Document 1. FIG.

図1に示すように、本発明の第1の実施形態に係る電位測定装置10が組み込まれる燃料電池12は、電解質膜・電極構造体(電解質・電極構造体)14が、カソード側セパレータ16及びアノード側セパレータ18に挟持されて矢印A方向(例えば、水平方向)に積層される。   As shown in FIG. 1, a fuel cell 12 incorporating the potential measuring device 10 according to the first embodiment of the present invention includes an electrolyte membrane / electrode structure (electrolyte / electrode structure) 14, a cathode-side separator 16, and It is sandwiched between the anode separators 18 and stacked in the direction of arrow A (for example, the horizontal direction).

複数の燃料電池12が矢印A方向に積層されることにより、例えば、車載用燃料電池スタックが構成される。なお、燃料電池12は、電解質膜・電極構造体14とアノード側セパレータ18及びカソード側セパレータ16とが、矢印A方向に積層されるとともに、複数の前記燃料電池12が矢印A方向に積層されている。なお、燃料電池12は、矢印C方向(鉛直方向)に積層してもよい。   By stacking the plurality of fuel cells 12 in the direction of arrow A, for example, an in-vehicle fuel cell stack is configured. The fuel cell 12 includes an electrolyte membrane / electrode structure 14, an anode side separator 18, and a cathode side separator 16 stacked in the direction of arrow A, and a plurality of the fuel cells 12 stacked in the direction of arrow A. Yes. The fuel cell 12 may be stacked in the direction of arrow C (vertical direction).

燃料電池12の矢印B方向(水平方向)の一端縁部には、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入口連通孔20a、冷却媒体を供給するための冷却媒体入口連通孔22a、及び燃料ガス、例えば、水素含有ガスを排出するための燃料ガス出口連通孔24bが、矢印C方向(鉛直方向)に配列して設けられる。   One end edge of the fuel cell 12 in the direction of arrow B (horizontal direction) communicates with each other in the direction of arrow A, which is the stacking direction, and communicates with an oxidant gas inlet for supplying an oxidant gas, for example, an oxygen-containing gas. A hole 20a, a cooling medium inlet communication hole 22a for supplying a cooling medium, and a fuel gas outlet communication hole 24b for discharging a fuel gas, for example, a hydrogen-containing gas, are arranged in an arrow C direction (vertical direction). Provided.

燃料電池12の矢印B方向の他端縁部には、矢印A方向に互いに連通して、燃料ガスを供給するための燃料ガス入口連通孔24a、冷却媒体を排出するための冷却媒体出口連通孔22b、及び酸化剤ガスを排出するための酸化剤ガス出口連通孔20bが、矢印C方向に配列して設けられる。   The other end edge of the fuel cell 12 in the direction of arrow B communicates with each other in the direction of arrow A, the fuel gas inlet communication hole 24a for supplying fuel gas, and the cooling medium outlet communication hole for discharging the cooling medium. 22b and an oxidant gas outlet communication hole 20b for discharging the oxidant gas are arranged in the direction of arrow C.

カソード側セパレータ16及びアノード側セパレータ18としては、例えば、カーボンセパレータが使用されるが、金属セパレータを用いてもよい。カソード側セパレータ16の電解質膜・電極構造体14に向かう面16aには、酸化剤ガス入口連通孔20aと酸化剤ガス出口連通孔20bとに連通する酸化剤ガス流路26が設けられる。酸化剤ガス流路26は、矢印B方向に延在する複数の酸化剤ガス流路溝を有する。酸化剤ガス流路26と酸化剤ガス入口連通孔20a及び酸化剤ガス出口連通孔20bとは、連結通路部28a、28bを介して連通する。   As the cathode side separator 16 and the anode side separator 18, for example, a carbon separator is used, but a metal separator may be used. An oxidant gas flow path 26 communicating with the oxidant gas inlet communication hole 20a and the oxidant gas outlet communication hole 20b is provided on the surface 16a of the cathode separator 16 facing the electrolyte membrane / electrode structure 14. The oxidant gas flow channel 26 has a plurality of oxidant gas flow channel grooves extending in the arrow B direction. The oxidant gas flow path 26 communicates with the oxidant gas inlet communication hole 20a and the oxidant gas outlet communication hole 20b through connection passage portions 28a and 28b.

アノード側セパレータ18の電解質膜・電極構造体14に向かう面18aには、燃料ガス入口連通孔24aと燃料ガス出口連通孔24bとに連通する燃料ガス流路30が設けられる。燃料ガス流路30は、酸化剤ガス流路26と同様に、矢印B方向に延在する複数の燃料ガス流路溝を有する。燃料ガス流路30と燃料ガス入口連通孔24a及び燃料ガス出口連通孔24bとは、連結通路部32a、32bを介して連通する。   A fuel gas flow path 30 communicating with the fuel gas inlet communication hole 24a and the fuel gas outlet communication hole 24b is provided on a surface 18a of the anode separator 18 facing the electrolyte membrane / electrode structure 14. Like the oxidant gas flow channel 26, the fuel gas flow channel 30 has a plurality of fuel gas flow channel grooves extending in the arrow B direction. The fuel gas flow path 30, the fuel gas inlet communication hole 24a, and the fuel gas outlet communication hole 24b communicate with each other through connection passage portions 32a and 32b.

カソード側セパレータ16とアノード側セパレータ18とは、互いに対向する面16b、18b間に冷却媒体流路34を一体的に形成する。冷却媒体流路34と冷却媒体入口連通孔22a及び冷却媒体出口連通孔22bとは、連結通路部34a、34bを介して連通する。   The cathode side separator 16 and the anode side separator 18 integrally form a cooling medium flow path 34 between the surfaces 16b, 18b facing each other. The cooling medium flow path 34, the cooling medium inlet communication hole 22a, and the cooling medium outlet communication hole 22b communicate with each other through connection passage portions 34a and 34b.

カソード側セパレータ16の面16a、16bには、このカソード側セパレータ16の外周縁部を周回して第1シール部材36が一体的又は個別に設けられる。アノード側セパレータ18の面18a、18bには、このアノード側セパレータ18の外周縁部を周回して第2シール部材38が一体的又は個別に設けられる。第1シール部材36及び第2シール部材38は、それぞれ平面シール部を有するとともに、凸状シール部36a、38aが所望の部位に設けられる。   A first seal member 36 is integrally or individually provided on the surfaces 16 a and 16 b of the cathode separator 16 so as to go around the outer peripheral edge of the cathode separator 16. On the surfaces 18a and 18b of the anode side separator 18, a second seal member 38 is integrally or individually provided around the outer peripheral edge of the anode side separator 18. Each of the first seal member 36 and the second seal member 38 has a flat seal portion, and convex seal portions 36a and 38a are provided at desired portions.

第1シール部材36及び第2シール部材38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。   The first seal member 36 and the second seal member 38 are, for example, EPDM, NBR, fluororubber, silicon rubber, fluorosilicone rubber, butyl rubber, natural rubber, styrene rubber, chloroprene, or acrylic rubber, or a cushioning material. Or use packing material.

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40と、前記固体高分子電解質膜40を挟持するカソード電極42及びアノード電極44とを備える。固体高分子電解質膜40は、カソード電極42及びアノード電極44の外周端部よりも外方に突出するとともに、酸化剤ガス入口連通孔20a、酸化剤ガス出口連通孔20b、燃料ガス入口連通孔24a、燃料ガス出口連通孔24b、冷却媒体入口連通孔22a及び冷却媒体出口連通孔22bが形成される。   The electrolyte membrane / electrode structure 14 includes, for example, a solid polymer electrolyte membrane 40 in which a perfluorosulfonic acid thin film is impregnated with water, and a cathode electrode 42 and an anode electrode 44 that sandwich the solid polymer electrolyte membrane 40. Prepare. The solid polymer electrolyte membrane 40 protrudes outward from the outer peripheral ends of the cathode electrode 42 and the anode electrode 44, and the oxidant gas inlet communication hole 20a, the oxidant gas outlet communication hole 20b, and the fuel gas inlet communication hole 24a. The fuel gas outlet communication hole 24b, the cooling medium inlet communication hole 22a, and the cooling medium outlet communication hole 22b are formed.

カソード電極42及びアノード電極44は、カーボンペーパ等からなるガス拡散層と、白金合金が表面に担持された多孔質カーボン粒子が前記ガス拡散層の表面に一様に塗布された電極触媒層とを有する。電極触媒層は、互いに固体高分子電解質膜40を介装して対向するように、前記固体高分子電解質膜40の両面に接合される。   The cathode electrode 42 and the anode electrode 44 include a gas diffusion layer made of carbon paper or the like, and an electrode catalyst layer in which porous carbon particles having a platinum alloy supported on the surface are uniformly applied to the surface of the gas diffusion layer. Have. The electrode catalyst layers are bonded to both surfaces of the solid polymer electrolyte membrane 40 so as to face each other with the solid polymer electrolyte membrane 40 interposed therebetween.

電位測定装置10は、図1及び図2に示すように、電解質膜・電極構造体14のアノード側の電解質膜上に配置される参照電極50と、カソード側に配置される電極ユニット52とを備える。なお、電極ユニット52は、測定部位に対応して複数設けることができるが、第1の実施形態では、MEAの外周に配置された単一の電極ユニット52を用いて説明する。ここで、参照電極50は、専用の電極を使用することができる他、アノード電極44の中央部分に端子を繋いで該参照電極として使用することも可能である。以下、単に、参照電極50という。   As shown in FIGS. 1 and 2, the potential measuring device 10 includes a reference electrode 50 disposed on the electrolyte membrane on the anode side of the electrolyte membrane / electrode structure 14 and an electrode unit 52 disposed on the cathode side. Prepare. Although a plurality of electrode units 52 can be provided corresponding to the measurement site, the first embodiment will be described using a single electrode unit 52 disposed on the outer periphery of the MEA. Here, as the reference electrode 50, a dedicated electrode can be used, or a terminal can be connected to the central portion of the anode electrode 44 and used as the reference electrode. Hereinafter, it is simply referred to as a reference electrode 50.

図3及び図4に示すように、電極ユニット52は、参照電極50との電位差を検出するとともに、一方の側部側に突出する計測部54a、56a、58a及び60aを有する複数の導電性端子(電位測定電極)54、56、58及び60と、前記導電性端子54、56、58及び60を挟んで前記一方の側部側と他方の側部側とに配置され、該導電性端子54、56、58及び60を覆って一体化させる第1絶縁シート62及び第2絶縁シート64とを備える。なお、導電性端子54、56、58及び60は、例えば、シート状、円柱状、細線状、角柱状等の種々の形状から選択されるとともに、複数設けていればよく、個数は種々変更可能である。   As shown in FIGS. 3 and 4, the electrode unit 52 detects a potential difference from the reference electrode 50 and has a plurality of conductive terminals having measuring portions 54 a, 56 a, 58 a, and 60 a protruding to one side. (Electric potential measuring electrodes) 54, 56, 58 and 60 and the one side and the other side of the conductive terminals 54, 56, 58 and 60, and the conductive terminals 54 , 56, 58 and 60 are provided with a first insulating sheet 62 and a second insulating sheet 64 which are integrated. The conductive terminals 54, 56, 58 and 60 may be selected from various shapes such as a sheet shape, a column shape, a thin wire shape, and a prism shape, and a plurality of conductive terminals may be provided. It is.

導電性端子54、56、58及び60は、例えば、薄膜状又は細線状の金(Au)により形成されるとともに、前記導電性端子54から前記導電性端子60に向かって、順次、短尺に構成される。各計測部54a、56a、58a及び60aは、第1絶縁シート62に形成された開口部62a、62b、62c及び62dから外部に長さL(数μm〜数十μm)だけ突出する(図4参照)。計測部54a、56a、58a及び60aは、他の部位54b、56b、58b及び60b上にめっき処理によって厚く構成し、又は、先端を折り曲げて厚くしてもよい。   The conductive terminals 54, 56, 58, and 60 are formed of, for example, thin film or thin wire gold (Au), and are configured to be sequentially short from the conductive terminal 54 toward the conductive terminal 60. Is done. Each measurement part 54a, 56a, 58a and 60a protrudes from the opening parts 62a, 62b, 62c and 62d formed in the first insulating sheet 62 to the outside by a length L (several micrometers to several tens of micrometers) (FIG. 4). reference). The measurement parts 54a, 56a, 58a and 60a may be formed thick by plating on the other parts 54b, 56b, 58b and 60b, or may be thickened by bending the tip.

計測部54a、56a、58a及び60aは、導電性端子54、56、58及び60の他の部位54b、56b、58b及び60bよりも第1絶縁シート62及び第2絶縁シート64の厚さ方向に対して大きな断面積に設定される。具体的には、計測部54a、56a、58a及び60aは、他の部位54b、56b、58b及び60bと同一の幅寸法を有し且つ前記他の部位54b、56b、58b及び60bよりも大きな肉厚に設定される。図3に示すように、各計測部54a、56a、58a及び60aは、電極ユニット52内で、順次、段差状に高さ方向(矢印C方向)に低くなるように配置される。   The measurement parts 54a, 56a, 58a and 60a are arranged in the thickness direction of the first insulating sheet 62 and the second insulating sheet 64 rather than the other parts 54b, 56b, 58b and 60b of the conductive terminals 54, 56, 58 and 60. In contrast, a large cross-sectional area is set. Specifically, the measurement parts 54a, 56a, 58a and 60a have the same width as the other parts 54b, 56b, 58b and 60b and are larger than the other parts 54b, 56b, 58b and 60b. Set to thickness. As shown in FIG. 3, the measurement units 54 a, 56 a, 58 a, and 60 a are sequentially arranged in steps so as to be lowered in the height direction (arrow C direction) in the electrode unit 52.

第2絶縁シート64は、基材を構成する一方、第1絶縁シート62は、前記第2絶縁シート64と同等又は該第2絶縁シート64よりも小さな寸法に設定される。第1絶縁シート62及び第2絶縁シート64は、絶縁性を有し、耐熱水性、耐酸性及び耐熱性に優れるとともに、フレキシブルな材料で形成される。例えば、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)や液晶ポリマー(LCP)、ポリイミド等が好適である。   The second insulating sheet 64 constitutes a base material, while the first insulating sheet 62 is set to have the same size as the second insulating sheet 64 or smaller than the second insulating sheet 64. The first insulating sheet 62 and the second insulating sheet 64 have insulating properties, are excellent in hot water resistance, acid resistance, and heat resistance, and are formed of a flexible material. For example, polytetrafluoroethylene (PTFE), liquid crystal polymer (LCP), polyimide, and the like are suitable.

図5に示すように、電極ユニット52は、縦方向及び横方向の寸法が、数μm〜数十cm、各導電性端子54、56、58及び60同士の矢印B方向(横方向)の間隔が、数μm〜数cmに設定される。各導電性端子54、56、58及び60の幅寸法が、数μm〜数十μm、各計測部54a、56a、58a及び60a同士の矢印C方向(高さ方向)の間隔が、数μm〜数十μm、前記計測部54a、56a、58a及び60aの厚さが、数μm〜数十μmに設定される。各計測部54a、56a、58a及び60aは、実際の発電状態に影響を及ぼさない程度に小さな寸法に設定されることが好ましい。   As shown in FIG. 5, the electrode unit 52 has dimensions of several μm to several tens of centimeters in the vertical direction and the horizontal direction, and intervals between the conductive terminals 54, 56, 58, and 60 in the arrow B direction (lateral direction). Is set to several μm to several cm. The width dimension of each of the conductive terminals 54, 56, 58 and 60 is several μm to several tens of μm, and the distance between the measurement units 54a, 56a, 58a and 60a in the arrow C direction (height direction) is several μm to The thickness of the measurement units 54a, 56a, 58a and 60a is set to several tens μm to several tens μm. Each measurement unit 54a, 56a, 58a and 60a is preferably set to a small size so as not to affect the actual power generation state.

図2に示すように、電位測定装置10は、電位検出部70を備えるとともに、前記電位検出部70には、参照電極50に導線ライン72を介して接続される。各導電性端子54、56、58及び60には、他の部位54b、56b、58b及び60bの下端部に導電ライン74a、74b、74c及び74dが接続される。   As shown in FIG. 2, the potential measurement device 10 includes a potential detection unit 70, and is connected to the reference electrode 50 via a lead wire 72. Conductive lines 74a, 74b, 74c, and 74d are connected to the lower ends of the other portions 54b, 56b, 58b, and 60b to the respective conductive terminals 54, 56, 58, and 60.

電位検出部70は、各導電性端子54、56、58及び60により検出される電位と参照電極50との電位差を検出するために、導電ライン74a、74b、74c及び74dに接続される電圧計76a、76b、76c及び76dを設ける。   The potential detector 70 is a voltmeter connected to the conductive lines 74a, 74b, 74c and 74d in order to detect the potential difference between the potential detected by the conductive terminals 54, 56, 58 and 60 and the reference electrode 50. 76a, 76b, 76c and 76d are provided.

このように構成される燃料電池12の動作について、以下に説明する。   The operation of the fuel cell 12 configured as described above will be described below.

図1に示すように、酸化剤ガス入口連通孔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、燃料ガス入口連通孔24aに水素含有ガス等の燃料ガスが供給される。さらに、冷却媒体入口連通孔22a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。   As shown in FIG. 1, an oxidant gas such as an oxygen-containing gas is supplied to the oxidant gas inlet communication hole 20a, and a fuel gas such as a hydrogen-containing gas is supplied to the fuel gas inlet communication hole 24a. Further, a cooling medium such as pure water or ethylene glycol is supplied to the cooling medium inlet communication hole 22a.

酸化剤ガスは、酸化剤ガス入口連通孔20aからカソード側セパレータ16の酸化剤ガス流路26に導入される。このため、酸化剤ガスは、酸化剤ガス流路26に沿って矢印B方向に流通し、電解質膜・電極構造体14のカソード電極42に供給される。   The oxidant gas is introduced into the oxidant gas flow path 26 of the cathode-side separator 16 from the oxidant gas inlet communication hole 20a. For this reason, the oxidant gas flows in the direction of arrow B along the oxidant gas flow path 26 and is supplied to the cathode electrode 42 of the electrolyte membrane / electrode structure 14.

一方、燃料ガスは、燃料ガス入口連通孔24aからアノード側セパレータ18の燃料ガス流路30に導入される。この燃料ガス流路30では、燃料ガスが矢印B方向に流通することにより、電解質膜・電極構造体14のアノード電極44に供給される。   On the other hand, the fuel gas is introduced into the fuel gas passage 30 of the anode separator 18 from the fuel gas inlet communication hole 24a. In the fuel gas flow path 30, the fuel gas flows in the direction of arrow B and is supplied to the anode electrode 44 of the electrolyte membrane / electrode structure 14.

従って、電解質膜・電極構造体14では、カソード電極42に供給される酸化剤ガスと、アノード電極44に供給される燃料ガスとが、電極触媒層内で電気化学反応により消費され、発電が行われる。   Therefore, in the electrolyte membrane / electrode structure 14, the oxidant gas supplied to the cathode electrode 42 and the fuel gas supplied to the anode electrode 44 are consumed by an electrochemical reaction in the electrode catalyst layer to generate power. Is called.

次いで、カソード電極42に供給されて消費された酸化剤ガスは、酸化剤ガス出口連通孔20bに排出される。同様に、アノード電極44に供給されて消費された燃料ガスは、燃料ガス出口連通孔24bに排出される。   Next, the oxidant gas consumed by being supplied to the cathode electrode 42 is discharged to the oxidant gas outlet communication hole 20b. Similarly, the fuel gas consumed by being supplied to the anode electrode 44 is discharged to the fuel gas outlet communication hole 24b.

一方、冷却媒体入口連通孔22aに供給された冷却媒体は、カソード側セパレータ16とアノード側セパレータ18との間に形成された冷却媒体流路34に導入される。この冷却媒体流路34では、冷却媒体が水平方向(矢印B方向)に移動する。従って、冷却媒体は、電解質膜・電極構造体14の発電面全面にわたって冷却した後、冷却媒体出口連通孔22bに排出される。   On the other hand, the cooling medium supplied to the cooling medium inlet communication hole 22 a is introduced into a cooling medium flow path 34 formed between the cathode side separator 16 and the anode side separator 18. In the cooling medium flow path 34, the cooling medium moves in the horizontal direction (arrow B direction). Therefore, the cooling medium is cooled over the entire power generation surface of the electrolyte membrane / electrode structure 14 and then discharged to the cooling medium outlet communication hole 22b.

ところで、電位測定装置10では、図2に示すように、電位検出部70の作用下に、参照電極50及び各導電性端子54、56、58及び60を介してカソード電極42における複数の測定点での電位が検出される。   By the way, in the potential measuring device 10, as shown in FIG. 2, a plurality of measurement points on the cathode electrode 42 through the reference electrode 50 and the respective conductive terminals 54, 56, 58 and 60 under the action of the potential detection unit 70. The potential at is detected.

この場合、第1の実施形態では、複数の導電性端子54、56、58及び60は、第1絶縁シート62と第2絶縁シート64とにより一体化された電極ユニット52を構成している。従って、電極ユニット52を所望の電位計測部に配置するだけでよく、前記電極ユニット52の配置作業が一挙に簡素化されるとともに、複数の測定点を同時に計測することができる。   In this case, in the first embodiment, the plurality of conductive terminals 54, 56, 58, and 60 constitute an electrode unit 52 that is integrated by the first insulating sheet 62 and the second insulating sheet 64. Therefore, it is only necessary to arrange the electrode unit 52 in a desired potential measuring unit, and the arrangement work of the electrode unit 52 is simplified at a time, and a plurality of measurement points can be measured simultaneously.

しかも、各導電性端子54、56、58及び60同士を近接して設けることが可能になる。特に、導電性端子54、56、58及び60の各計測部54a、56a、58a及び60aは、電極面内の電位分布を計測可能にするために、電極ユニット52内で、順次、段差状に高さ方向(矢印C方向)に低くなるように配置されている。これにより、各導電性端子54、56、58及び60同士を可及的に隣接して設けることができる。   In addition, the conductive terminals 54, 56, 58 and 60 can be provided close to each other. In particular, the measuring portions 54a, 56a, 58a, and 60a of the conductive terminals 54, 56, 58, and 60 are sequentially stepped in the electrode unit 52 so that the potential distribution in the electrode surface can be measured. It arrange | positions so that it may become low in a height direction (arrow C direction). Thereby, each conductive terminal 54, 56, 58, and 60 can be provided adjacent as much as possible.

その上、各計測部54a、56a、58a及び60aは、第1絶縁シート62に形成された開口部62a、62b、62c及び62dから外部に長さL(数μm〜数十μm)だけ突出している(図4参照)。そして、各計測部54a、56a、58a及び60aは、導電性端子54、56、58及び60の他の部位54b、56b、58b及び60bよりも大きな断面積に設定されている。   In addition, each measurement unit 54a, 56a, 58a and 60a protrudes from the openings 62a, 62b, 62c and 62d formed in the first insulating sheet 62 to the outside by a length L (several μm to several tens μm). (See FIG. 4). And each measurement part 54a, 56a, 58a and 60a is set to the larger cross-sectional area than the other site | part 54b, 56b, 58b and 60b of the electroconductive terminals 54, 56, 58 and 60. FIG.

このため、各計測部54a、56a、58a及び60aは、所望の電位計測部に対して確実且つ良好な密着状態で配置されることができ、緻密な局所電位分布を、簡単且つ容易に、計測することが可能になる。従って、燃料電池12の電位検出処理が高精度に遂行可能になるという効果が得られる。   For this reason, each measurement part 54a, 56a, 58a and 60a can be arrange | positioned with a reliable and favorable contact | adherence state with respect to a desired electric potential measurement part, and it measures a precise local potential distribution simply and easily. It becomes possible to do. Therefore, an effect is obtained that the potential detection process of the fuel cell 12 can be performed with high accuracy.

なお、第1の実施形態では、参照電極50がアノード側に配置される一方、導電性端子54、56、58及び60がカソード側に配置されているが、これに限定されるものではない。例えば、電位計測部がアノード側であれば、導電性端子54、56、58及び60を前記アノード側に配置することができる。すなわち、導電性端子54、56、58及び60は、電位計測部に応じて、配置箇所が変更可能である。   In the first embodiment, the reference electrode 50 is disposed on the anode side, and the conductive terminals 54, 56, 58, and 60 are disposed on the cathode side. However, the present invention is not limited to this. For example, if the potential measuring unit is on the anode side, the conductive terminals 54, 56, 58 and 60 can be arranged on the anode side. That is, the locations of the conductive terminals 54, 56, 58, and 60 can be changed according to the potential measurement unit.

図6は、本発明の第2の実施形態に係る電位測定装置を構成する電極ユニット80の正面説明図である。なお、第1の実施形態に係る電位測定装置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。   FIG. 6 is an explanatory front view of an electrode unit 80 constituting the potential measuring device according to the second embodiment of the present invention. The same components as those of the potential measuring apparatus 10 according to the first embodiment are denoted by the same reference numerals, and detailed description thereof is omitted.

図6及び図7に示すように、電極ユニット80は、導電性端子54、56、58及び60を両側から覆って一体化させる第1絶縁シート82a〜82d及び第2絶縁シート84とを備える。第1絶縁シート82a〜82dは、それぞれ長さ(矢印C方向の寸法)が異なるとともに、それぞれ導電性端子54、56、58及び60を覆って第2絶縁シート84に固着される。   As shown in FIGS. 6 and 7, the electrode unit 80 includes first insulating sheets 82 a to 82 d and a second insulating sheet 84 that cover and integrate the conductive terminals 54, 56, 58, and 60 from both sides. The first insulating sheets 82 a to 82 d have different lengths (dimensions in the direction of arrow C), and are fixed to the second insulating sheet 84 so as to cover the conductive terminals 54, 56, 58 and 60, respectively.

導電性端子54、56、58及び60の計測部54a、56a、58a及び60aは、第1絶縁シート82a〜82dの上方から外部に突出する。計測部54a、56a、58a及び60aは、第1絶縁シート82a〜82dの側面から外部に長さLだけ突出する(図7参照)。   The measurement parts 54a, 56a, 58a, and 60a of the conductive terminals 54, 56, 58, and 60 protrude outward from the upper sides of the first insulating sheets 82a to 82d. The measurement parts 54a, 56a, 58a, and 60a protrude from the side surfaces of the first insulating sheets 82a to 82d to the outside by a length L (see FIG. 7).

このように構成される電極ユニット80では、複数の導電性端子54、56、58及び60を一体に取り扱うことができ、前記電極ユニット80の配置作業が一挙に簡素化されるとともに、緻密な局所電位分布を、簡単且つ容易に計測することが可能になる等、上記の第1の実施形態と同様の効果が得られる。   In the electrode unit 80 configured in this way, a plurality of conductive terminals 54, 56, 58 and 60 can be handled as one body, and the arrangement work of the electrode unit 80 is simplified at once, and a precise local area is obtained. The same effects as those of the first embodiment can be obtained, for example, the potential distribution can be measured easily and easily.

図8は、本発明の第3の実施形態に係る電位測定装置を構成する電極ユニット90の正面説明図である。   FIG. 8 is an explanatory front view of an electrode unit 90 constituting the potential measuring device according to the third embodiment of the present invention.

図8及び図9に示すように、電極ユニット90は、複数の導電性端子92、94、96及び98を両側から覆って一体化させる第1絶縁シート100及び第2絶縁シート102とを備える。導電性端子92、94、96及び98は、金製のリードにより構成されるとともに、それぞれ上端位置が計測に必要な長さで、例えば、同一位置に配置される。   As shown in FIGS. 8 and 9, the electrode unit 90 includes a first insulating sheet 100 and a second insulating sheet 102 that cover and integrate a plurality of conductive terminals 92, 94, 96, and 98 from both sides. The conductive terminals 92, 94, 96, and 98 are configured by gold leads, and the upper end positions of the conductive terminals 92, 94, 96, and 98 are lengths necessary for measurement, and are disposed at the same position, for example.

導電性端子92、94、96及び98の上部側には、それぞれ異なる高さ位置から計測部92a、94a、96a及び98aが膨出形成される。計測部92a、94a、96a及び98a以外の他の部位92b、94b、96b及び98bは、第1絶縁シート100及び第2絶縁シート102により一体に被覆される。第1絶縁シート100及び第2絶縁シート102は、例えば、液晶ポリマー、ポリイミド等の耐環境性フイルムで構成される。   On the upper side of the conductive terminals 92, 94, 96, and 98, measuring portions 92a, 94a, 96a, and 98a are formed to bulge from different height positions. The other portions 92b, 94b, 96b and 98b other than the measuring portions 92a, 94a, 96a and 98a are integrally covered with the first insulating sheet 100 and the second insulating sheet 102. The 1st insulating sheet 100 and the 2nd insulating sheet 102 are comprised with environmental-resistant films, such as a liquid crystal polymer and a polyimide, for example.

計測部92a、94a、96a及び98aは、順次、高さ方向(矢印C方向)に低くなるように配置される。計測部92a、94a、96a及び98aは、導電性端子92、94、96及び98の他の部位92b、94b、96b及び98bよりも大きな断面積に設定される。各計測部92a、94a、96a及び98aは、第1絶縁シート100の端面から外部に長さLだけ突出する(図9参照)。   The measuring units 92a, 94a, 96a, and 98a are sequentially arranged so as to be lower in the height direction (arrow C direction). The measuring portions 92a, 94a, 96a and 98a are set to have a larger cross-sectional area than the other portions 92b, 94b, 96b and 98b of the conductive terminals 92, 94, 96 and 98. Each measuring part 92a, 94a, 96a and 98a protrudes from the end surface of the first insulating sheet 100 to the outside by a length L (see FIG. 9).

各導電性端子92、94、96及び98は、計測部92a、94a、96a及び98a同士と同一の間隔(例えば、5μm)ずつ離間して並行に延在するとともに、途上で前記計測部92a、94a、96a及び98a同士の間隔よりも大きく離間(例えば、0.1mm〜5mm)する。なお、各導電性端子92、94、96及び98は、計測部92a、94a、96a及び98a同士が接触しない間隔で離間して延在すればよい。   Each of the conductive terminals 92, 94, 96, and 98 extends in parallel with the same interval (for example, 5 μm) as the measurement units 92a, 94a, 96a, and 98a, and the measurement unit 92a, The distance is larger than the distance between 94a, 96a and 98a (for example, 0.1 mm to 5 mm). The conductive terminals 92, 94, 96, and 98 only need to extend apart at intervals that do not allow the measuring portions 92 a, 94 a, 96 a, and 98 a to contact each other.

電極ユニット90は、幅狭部104a、矢印B方向に広がる肩部104b、及び再度互いに平行に延在する幅広部104cを有する。各導電性端子92、94、96及び98の他の部位92b、94b、96b及び98bの下端部には、導電ライン74a、74b、74c及び74dが接続される。   The electrode unit 90 includes a narrow portion 104a, a shoulder portion 104b extending in the direction of arrow B, and a wide portion 104c extending again in parallel with each other. Conductive lines 74a, 74b, 74c and 74d are connected to the lower ends of the other portions 92b, 94b, 96b and 98b of the respective conductive terminals 92, 94, 96 and 98.

このように構成される電極ユニット90では、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他、導電ライン74a、74b、74c及び74dにおける接続部位が幅広部104cを構成している。このため、各導電性端子92、94、96及び98と導電ライン74a、74b、74c及び74dとの結線作業が、容易且つ良好に遂行可能になるという利点がある。   In the electrode unit 90 configured as described above, the same effects as those of the first and second embodiments described above can be obtained, and the connection portions in the conductive lines 74a, 74b, 74c, and 74d constitute the wide portion 104c. Yes. For this reason, there exists an advantage that the connection operation | work with each electroconductive terminal 92,94,96,98 and the electroconductive lines 74a, 74b, 74c, and 74d can be performed easily and satisfactorily.

なお、第1絶縁シート62及び第2絶縁シート64を一体として、各導電性端子92、94、96及び98を覆って成形してもよい。   Note that the first insulating sheet 62 and the second insulating sheet 64 may be integrally formed so as to cover the conductive terminals 92, 94, 96 and 98.

10…電位測定装置 12…燃料電池
14…電解質膜・電極構造体 16…カソード側セパレータ
18…アノード側セパレータ 20a…酸化剤ガス入口連通孔
20b…酸化剤ガス出口連通孔 22a…冷却媒体入口連通孔
22b…冷却媒体出口連通孔 24a…燃料ガス入口連通孔
24b…燃料ガス出口連通孔 26…酸化剤ガス流路
30…燃料ガス流路 34…冷却媒体流路
40…固体高分子電解質膜 42…カソード電極
44…アノード電極 50…参照電極
52、80、90…電極ユニット
54、56、58、60、92、94、96、98…導電性端子
54a、56a、58a、60a、92a、94a、96a、98a…計測部
54b、56b、58b、60b、92b、94b、96b、98b…他の部位
62、64、82a〜82d、84、100、102…絶縁シート
70…電位検出部 72…導線ライン
74a〜74d…導電ライン 76a〜76d…電圧計
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 ... Potential measuring device 12 ... Fuel cell 14 ... Electrolyte membrane and electrode structure 16 ... Cathode side separator 18 ... Anode side separator 20a ... Oxidant gas inlet communication hole 20b ... Oxidant gas outlet communication hole 22a ... Cooling medium inlet communication hole 22b ... cooling medium outlet communication hole 24a ... fuel gas inlet communication hole 24b ... fuel gas outlet communication hole 26 ... oxidant gas flow path 30 ... fuel gas flow path 34 ... cooling medium flow path 40 ... solid polymer electrolyte membrane 42 ... cathode Electrode 44 ... Anode electrode 50 ... Reference electrodes 52, 80, 90 ... Electrode units 54, 56, 58, 60, 92, 94, 96, 98 ... Conductive terminals 54a, 56a, 58a, 60a, 92a, 94a, 96a, 98a ... measurement parts 54b, 56b, 58b, 60b, 92b, 94b, 96b, 98b ... other parts 62, 64, 82a to 82d, 8 , 100, 102: insulating sheet 70 ... potential detecting section 72 ... conductor lines 74a-74d ... conductive lines 76a-76d ... Voltmeter

Claims (3)

電解質膜の両側に、それぞれ電極が設けられた電解質膜・電極構造体と、セパレータとが積層される燃料電池の電位を測定する燃料電池用電位測定装置であって、
参照電極との電位差を検出するとともに、一方の側部側に突出する計測部を有する複数の導電性端子と、
前記複数の導電性端子を挟んで前記一方の側部側と他方の側部側とに配置され、該複数の導電性端子を互いに離間した状態で覆って一体化させたユニットを形成する第1絶縁シート及び第2絶縁シートと、
を備え、
前記計測部は、前記電解質膜・電極構造体のカソード側の平面又はアノード側の平面に配置されており、
前記一方の側部側に配置される前記第1絶縁シートは、前記計測部を外部に露呈させるとともに、
前記計測部は、前記第1絶縁シートの端面から該第1絶縁シートの厚さ方向に沿って外部に突出し、且つ、前記導電性端子の他の部位よりも、前記第1絶縁シート及び前記第2絶縁シートの厚さ方向に沿い、且つ、前記導電性端子の延伸方向と直交する断面において、大きな断面積に設定されることを特徴とする燃料電池用電位測定装置。
A fuel cell potential measuring device for measuring a potential of a fuel cell in which an electrolyte membrane / electrode structure provided with electrodes on both sides of an electrolyte membrane and a separator are laminated,
A plurality of conductive terminals that detect a potential difference with the reference electrode and have a measurement unit protruding to one side,
A first unit that is disposed on the one side and the other side with the plurality of conductive terminals interposed therebetween and that covers and integrates the plurality of conductive terminals in a state of being separated from each other. An insulating sheet and a second insulating sheet;
With
The measurement unit is disposed on a cathode side plane or an anode side plane of the electrolyte membrane / electrode structure,
The first insulating sheet disposed on the one side portion side exposes the measurement unit to the outside,
The measuring unit protrudes outward from the end surface of the first insulating sheet along the thickness direction of the first insulating sheet, and more than the other part of the conductive terminal. 2 have along the thickness direction of the insulating sheet, and wherein in a cross section perpendicular to the stretching direction of the conductive pin, the fuel cell potential measuring apparatus characterized by being set to a larger cross-sectional area.
請求項1記載の燃料電池用電位測定装置において、前記複数の導電性端子の各計測部は、前記第1絶縁シートを平面視する視点から見て、前記ユニット内で、順次、段差状に配置されることを特徴とする燃料電池用電位測定装置。   2. The fuel cell potential measuring device according to claim 1, wherein each measurement unit of the plurality of conductive terminals is sequentially arranged in steps in the unit as viewed from a plan view of the first insulating sheet. A potential measuring device for a fuel cell. 請求項1又は2記載の燃料電池用電位測定装置において、前記複数の導電性端子は、前記計測部同士が接触しない間隔で離間して延在するとともに、
途上で前記間隔よりも大きく離間した後、それぞれ配線されることを特徴とする燃料電池用電位測定装置。
The fuel cell potential measuring device according to claim 1 or 2, wherein the plurality of conductive terminals extend apart from each other at an interval at which the measurement units do not contact each other.
A potential measuring device for a fuel cell, wherein the potential measuring device is wired after being separated by a distance greater than the interval.
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