特開 2022-156855 燃料電池

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2022156855

(43)【公開日】2022-10-14

(54)【発明の名称】燃料電池

(51)【国際特許分類】

   H01M 8/02 20160101AFI20221006BHJP

   H01M 8/0273 20160101ALI20221006BHJP

   H01M 8/0247 20160101ALI20221006BHJP

   H01M 8/0258 20160101ALI20221006BHJP

   H01M 8/04313 20160101ALI20221006BHJP

   H01M 8/10 20160101ALN20221006BHJP

   H01M 8/12 20160101ALN20221006BHJP

【ＦＩ】

H01M8/02

H01M8/0273

H01M8/0247

H01M8/0258

H01M8/04313

H01M8/10 101

H01M8/12 101

【審査請求】未請求

【請求項の数】10

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2021060750

(22)【出願日】2021-03-31

(71)【出願人】

【識別番号】000005326

【氏名又は名称】本田技研工業株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100077665

【弁理士】

【氏名又は名称】千葉 剛宏

(74)【代理人】

【識別番号】100116676

【弁理士】

【氏名又は名称】宮寺 利幸

(74)【代理人】

【識別番号】100191134

【弁理士】

【氏名又は名称】千馬 隆之

(74)【代理人】

【識別番号】100136548

【弁理士】

【氏名又は名称】仲宗根 康晴

(74)【代理人】

【識別番号】100136641

【弁理士】

【氏名又は名称】坂井 志郎

(74)【代理人】

【識別番号】100180448

【弁理士】

【氏名又は名称】関口 亨祐

(72)【発明者】

【氏名】小竹 智仁

(72)【発明者】

【氏名】寺田 江利

(72)【発明者】

【氏名】高橋 和幸

(72)【発明者】

【氏名】渡邉 真也

(72)【発明者】

【氏名】毛里 昌弘

(72)【発明者】

【氏名】倉満 秀文

【テーマコード（参考）】

5H126

5H127

【Ｆターム（参考）】

5H126AA02

5H126AA08

5H126AA12

5H126AA15

5H126BB06

5H126DD02

5H126DD05

5H126DD14

5H126EE03

5H126EE11

5H126EE22

5H126EE23

5H126JJ03

5H127AA06

5H127AA07

5H127AB04

5H127BA02

5H127BB02

5H127DB41

5H127EE27

(57)【要約】

【課題】簡便かつ精度よく燃料電池の内部の状態量を計測できる燃料電池を提供する。
【解決手段】燃料電池１０は、セパレータ１４、１６、枠部材２４及び電解質膜１８の少なくとも一つに設けられたセンサ部５０と、センサ部５０に接続され、セパレータ１４、１６又はＭＥＡ１２の外周部に延びる配線部５５と、を有するセンサ４０、４２、４４、４６、を備え、センサ４０、４２、４４、４６は、センサ配置領域４８、４８Ａ、４８Ｂ、４８Ｃを覆う下地絶縁膜５６と、下地絶縁膜５６の上に積層された配線パターン５２、５４と、配線パターン５２、５４及び配線パターン５２、５４に覆われていない部分の下地絶縁膜５６の上を覆う被覆絶縁膜５８と、を有する。
【選択図】図３

【特許請求の範囲】

【請求項1】

電解質膜と、前記電解質膜の一方の面に設けられたアノード電極と、前記電解質膜の他方の面に設けられたカソード電極と、を有する電解質膜・電極構造体と、
前記電解質膜・電極構造体の外周部を囲む枠部材と、
前記電解質膜・電極構造体を挟持する一対のセパレータと、
前記セパレータ、前記枠部材及び前記電解質膜の少なくとも１つに設けられたセンサ部と、前記センサ部に接続され、前記セパレータ又は前記電解質膜・電極構造体の外周部に延びる配線部と、を有するセンサと、を備え、前記センサは、
前記センサが配置されるセンサ配置領域の表面を覆う下地絶縁膜と、
前記下地絶縁膜の上に積層された配線パターンと、
前記配線パターンと、前記配線パターンに覆われていない部分の前記下地絶縁膜の上を覆う被覆絶縁膜と、
を有する、燃料電池。

【請求項2】

請求項１記載の燃料電池であって、前記セパレータは前記電解質膜・電極構造体に向けて突出して前記電解質膜・電極構造体を押圧する凸部を備え、前記センサ部は、前記セパレータの前記凸部に対応する位置に設けられている、燃料電池。

【請求項3】

請求項１又は２記載の燃料電池であって、前記センサ部は前記下地絶縁膜の上に形成されており、前記配線パターンとともに前記被覆絶縁膜によって覆われている、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であって、前記センサ部は、前記電解質膜の表面に設けられるとともに、前記配線部は、
前記電解質膜の表面に沿って延びて前記センサ部に接続される第１配線部と、
前記セパレータの表面に沿って延びる第２配線部と、を備え、
前記第１配線部と前記第２配線部とは、前記第１配線部の前記配線パターンが前記被覆絶縁膜から露出した第１端子部と、前記第２配線部の前記配線パターンが前記被覆絶縁膜から露出した第２端子部と、を向かい合わせで当接させることで電気的に接続される、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であって、前記セパレータは、前記電解質膜・電極構造体に向けて突出し、反応ガスの流動方向に沿って延びる複数の凸部と、前記凸部の間に形成される流路溝と、を有し、
前記配線部は、前記流路溝に沿って設けられる、燃料電池。

【請求項6】

請求項１～５のいずれか１項に記載の燃料電池であって、前記被覆絶縁膜は、前記配線パターンを覆う部分と、前記配線パターン以外の部分を覆う部分とが均等な高さに形成されている、燃料電池。

【請求項7】

請求項１～６のいずれか１項に記載の燃料電池であって、前記配線部は、前記セパレータが突出して前記電解質膜・電極構造体を押圧する凸部を横断する凸部横断部を有し、前記凸部横断部の前記被覆絶縁膜が他の部分の前記被覆絶縁膜よりも厚く形成されている、燃料電池。

【請求項8】

請求項７記載の燃料電池であって、前記セパレータの前記凸部は少なくとも前記凸部横断部に対応する部分が平坦面よりなる、燃料電池。

【請求項9】

請求項１～３のいずれか１項に記載の燃料電池であって、前記センサは前記枠部材の上に形成されており、前記枠部材が前記下地絶縁膜を兼ねる、燃料電池。

【請求項10】

請求項１又は２記載の燃料電池であって、前記配線部は、一方の前記セパレータの表面に形成され第１配線パターンを含む第１配線部と、他方の前記セパレータの表面に形成され第２配線パターンを含む第２配線部と、を有し、
前記センサ部は、前記第１配線部の端部において前記第１配線パターンが露出してなる第１センサ部と、前記第２配線部の端部において前記第２配線パターンが露出してなる第２センサ部と、を有し、
前記第１センサ部と前記第２センサ部とが、前記電解質膜・電極構造体を挟んで対向配置されるとともに、前記電解質膜・電極構造体と電気的に接続されている、燃料電池。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、内部の状態量を検出するセンサを備えた燃料電池に関する。

【背景技術】

【0002】

燃料電池は、電解質膜・電極構造体と、電解質膜・電極構造体を挟持する一対のセパレータとを有している。電解質膜・電極構造体は、水素イオンや酸素イオン等のイオンを伝導させる電解質膜と、その電解質膜の一方の面と他方の面とにそれぞれアノード電極及びカソード電極を積層した構成物である。一方のセパレータはアノード電極に対向配置され、セパレータとアノード電極との間に燃料ガスが流通する燃料ガス流路が形成される。また、他方のセパレータとカソード電極との間には酸化剤ガスが流通する酸化剤ガス流路が形成される。このような燃料電池は、厚さ方向に複数積層されて燃料電池スタックが構成され、例えば燃料電池電気自動車等に搭載される。

【0003】

燃料電池において、電解質膜や電極等の各種構成部材の発電状態における温度や導電性等といった内部環境の計測を行うことは、燃料電池の動作の把握に有益である。そのため、熱電対等の温度センサをセパレータと電解質膜・電極構造体との間に配置する等の手法で、燃料電池の内部環境の計測が行われている。

【0004】

例えば、特許文献１には、アノード電極とカソード電極との間に電解質膜を挟んだ電解質膜・電極構造体のカソード電極側にセンサ配置用の溝が設けられたカバー体を配置して、燃料電池の内部の温度を計測する技術が開示されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0005】

【特許文献1】特開２０１０－１３５２７０号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0006】

一般には、通常の構造の燃料電池に、熱電対等のセンサをセパレータと電解質膜・電極構造体との間に配置して計測が行われる。そのため、センサを燃料電池の内部に配置する作業が必要であり、煩雑な作業が必要となる。その際に、作業中に細い熱電対用の金属線が損傷したり、組立の際にセンサの位置がずれたりして、目的部位の状態を正確に計測できない場合もある。

【0007】

また、特許文献１の技術の場合には、カバー体等の配置スペースを設ける必要があり、燃料電池の構造に大幅な変更を行う必要があるとともに、燃料電池の厚さが増大してしまうという問題がある。

【0008】

そこで、本発明は、簡便かつ精度よく燃料電池の内部の状態量を計測できる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】

【0009】

以下の開示の一観点は、電解質膜と、前記電解質膜の一方の面に設けられたアノード電極と、前記電解質膜の他方の面に設けられたカソード電極と、を有する電解質膜・電極構造体と、前記電解質膜・電極構造体の外周部を囲む枠部材と、前記電解質膜・電極構造体を挟持する一対のセパレータと、前記セパレータ、前記枠部材及び前記電解質膜の少なくとも１つに設けられたセンサ部と、前記センサ部に接続され、前記セパレータ又は前記電解質膜・電極構造体の外周部に延びる配線部と、を有するセンサと、を備え、前記センサは、前記センサが配置されるセンサ配置領域の表面を覆う下地絶縁膜と、前記下地絶縁膜の上に積層された配線パターンと、前記配線パターンと、前記配線パターンに覆われていない部分の前記下地絶縁膜の上を覆う被覆絶縁膜と、を有する、燃料電池にある。

【発明の効果】

【0010】

上記観点の燃料電池によれば、簡便かつ精度よく燃料電池の内部の状態量を計測できる。

【図面の簡単な説明】

【0011】

【図1】実施形態に係る燃料電池の分解斜視図である。

【図2】図１の第２セパレータの第１面の平面図である。

【図3】図２のＩＩＩ－ＩＩＩ線に対応する部分の燃料電池の断面図である。

【図4】図１の電解質膜・電極構造体の平面図である。

【図5】図２のＶ－Ｖ線に対応する部分の燃料電池の断面図である。

【図6】図４のＶＩ－ＶＩ線における断面図である。

【図7】図２のＶＩＩ－ＶＩＩ線に対応する部分の燃料電池の断面図である。

【発明を実施するための形態】

【0012】

以下、本発明について好適な実施形態を挙げ、添付の図面を参照して詳細に説明する。

【0013】

図１に示すように、燃料電池１０（発電セル）は、枠付き電解質膜・電極構造体１２（以下、「枠付きＭＥＡ１２」という）と、枠付きＭＥＡ１２の両側に配置された第１セパレータ１４及び第２セパレータ１６とを備える。燃料電池１０は、例えば、横長（又は縦長）の長方形状に形成されている。複数個の燃料電池１０が、例えば、矢印Ａ方向に積層されて燃料電池スタック（図示せず）を構成する。燃料電池スタックは、例えば、積層方向を水平方向又は上下方向に向けた状態で車載用燃料電池スタックとして燃料電池電気自動車（図示せず）に搭載される。

【0014】

燃料電池１０は、枠付きＭＥＡ１２が第１セパレータ１４及び第２セパレータ１６により挟持される。第１セパレータ１４及び第２セパレータ１６は、横長（又は縦長）の長方形状を有する。第１セパレータ１４及び第２セパレータ１６は、例えば、鋼板、ステンレス鋼板、アルミニウム板、めっき処理鋼板、チタン板、あるいはその金属表面に防食用の表面処理を施した金属板や、カーボン部材等で構成される。

【0015】

長方形状の枠付きＭＥＡ１２は、電解質膜・電極構造体１２ａ（以下、「ＭＥＡ１２ａ」という）を備える。ＭＥＡ１２ａは、電解質膜１８と、電解質膜１８の第１面１８ａ（図の紙面手前側の面）に設けられたアノード電極２０（第１電極）と、電解質膜１８の第２面１８ｂ（図の紙面奥側の面）に設けられたカソード電極２２（第２電極）とを備える。

【0016】

電解質膜１８は、例えば、固体高分子電解質膜（陽イオン交換膜）である。固体高分子電解質膜は、例えば、水分を含んだパーフルオロスルホン酸の薄膜であり、水素イオンを通過させる材料よりなる。電解質膜１８の材料には、フッ素系電解質の他、ＨＣ（炭化水素）系電解質を使用することができる。電解質膜１８は、アノード電極２０及びカソード電極２２に挟持される。

【0017】

尚、電解質膜１８は、固体高分子電解質膜に限定されるものではなく、酸素イオン伝導性を有する酸化物セラミックや、プロトン又は炭酸イオンの伝導性を有する各種溶融塩を含浸させた多孔質材で構成されてもよい。

【0018】

枠付きＭＥＡ１２は、電解質膜１８の外周を全周に亘って周回するとともに、アノード電極２０及びカソード電極２２に接合される枠部材２４をさらに備える。枠部材２４は、アノード電極２０の外周部とカソード電極２２の外周部との間に挟まれるように配置され、接着剤等でアノード電極２０及びカソード電極２２に接合されている。枠部材２４を構成する枠状シートは、特に限定されるものではないが、例えば樹脂材料により構成してもよい。燃料電池１０の設計によっては、枠部材２４を設けずにＭＥＡ１２ａのみで構成してもよい。

【0019】

図１に示すように、燃料電池１０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、酸化剤ガス入口連通孔３０ａ及び燃料ガス出口連通孔３２ｂが設けられる。酸化剤ガス入口連通孔３０ａは、酸化剤ガスとして、例えば空気を供給する。燃料ガス出口連通孔３２ｂは、燃料ガスとして、例えば水素含有ガスを排出する。酸化剤ガス入口連通孔３０ａ及び燃料ガス出口連通孔３２ｂは、矢印Ｃ方向に配列して設けられる。

【0020】

燃料電池１０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燃料ガス入口連通孔３２ａ及び酸化剤ガスを排出する酸化剤ガス出口連通孔３０ｂが設けられる。燃料ガス入口連通孔３２ａ、及び酸化剤ガス出口連通孔３０ｂは、矢印Ｃ方向に配列して設けられる。

【0021】

第１セパレータ１４の枠付きＭＥＡ１２に向かう内面１４ａには、燃料ガス入口連通孔３２ａと燃料ガス出口連通孔３２ｂとに連通する燃料ガス流路３４が設けられる。燃料ガス流路３４は、第１セパレータ１４と枠付きＭＥＡ１２との間に形成される。燃料ガス流路３４は、複数の凸部３４ａと、凸部３４ａの間に形成された流路溝３４ｂとを有する。凸部３４ａは、アノード電極２０側に向かって膨出するとともにアノード電極２０に当接する。凸部３４ａは直線状又は波線状に形成され、矢印Ｂ方向に延在している。複数本の凸部３４ａの間に流路溝３４ｂが形成される。凸部３４ａと流路溝３４ｂは、流路幅方向（矢印Ｃ方向）に交互に配置される。

【0022】

第２セパレータ１６の枠付きＭＥＡ１２に向かう内面１６ａには、酸化剤ガス入口連通孔３０ａと酸化剤ガス出口連通孔３０ｂとに連通する酸化剤ガス流路３８が設けられる。酸化剤ガス流路３８は、第２セパレータ１６と枠付きＭＥＡ１２との間に形成される。酸化剤ガス流路３８は、複数の凸部３８ａと、凸部３８ａの間に形成された流路溝３８ｂとを有する。凸部３８ａは、カソード電極２２側に向かって膨出するとともにカソード電極２２に当接する。凸部３８ａは直線状又は波線状に形成され、矢印Ｂ方向に延在している。複数本の凸部３８ａの間に流路溝３８ｂが形成される。凸部３８ａと流路溝３８ｂは、流路幅方向（矢印Ｃ方向）に交互に配置される。

【0023】

第１セパレータ１４の凸部３４ａと、第２セパレータ１６の凸部３８ａとは、互いに対向する位置に形成されており、ＭＥＡ１２ａは凸部３４ａと凸部３８ａとに挟まれて保持される。

【0024】

次に、本実施形態の燃料電池１０のセンサ４０、４２、４４、４６について説明する。図２及び図４に示すように、燃料電池１０は、第２セパレータ１６の温度を検出する第１センサ４０と、電解質膜１８の温度を検出する第２センサ４２と、枠部材２４の温度を検出する第３センサ４４と、ＭＥＡ１２ａのインピーダンスを検出する第４センサ４６とを備える。

【0025】

図２に示すように、第１センサ４０は、第２セパレータ１６の内面１６ａに設けられたセンサ配置領域４８に形成された温度センサである。第１センサ４０は、第２セパレータ１６の測定対象部位１６ｃに対応する部分に設けられたセンサ部５０と、センサ部５０に接続された第１配線パターン５２及び第２配線パターン５４を含む配線部５５とを有している。センサ部５０、第１配線パターン５２及び第２配線パターン５４は、薄膜状に形成された導体によって形成されている。

【0026】

このうち、センサ部５０は、金属又は半導体等の温度によって抵抗値が変化する導電性材料によって形成されており、平面視して図示のようにジグザグパターンに形成されている。センサ部５０の一端には第１配線パターン５２が接続され、センサ部５０の他端には第２配線パターン５４が接続されている。第１配線パターン５２及び第２配線パターン５４は直線状に形成されており、第２セパレータ１６の外周部に向けて互いに平行に延びている。

【0027】

センサ部５０、第１配線パターン５２及び第２配線パターン５４は、金属等の導電性材料で形成された第２セパレータ１６との短絡や、ＭＥＡ１２ａの発電電位等の影響を防ぐために、絶縁膜によって被覆されている。

【0028】

図３に示すように、第１センサ４０の絶縁膜は、下地絶縁膜５６と、被覆絶縁膜５８とを含む。下地絶縁膜５６は、第２セパレータ１６の内面１６ａの上に形成された絶縁膜であり、例えば、ポリイミド樹脂やパリレン樹脂等の絶縁性樹脂によって構成されている。尚、燃料電池１０を固体酸化物燃料電池として構成する場合には、下地絶縁膜５６は酸化物等の耐熱性を有する絶縁体で構成してもよい。下地絶縁膜５６は、図２のセンサ配置領域４８の全域を覆うように形成されている。

【0029】

図３に示すように、第１センサ４０の第１配線パターン５２及び第２配線パターン５４は、第２セパレータ１６の凸部３８ａを横断する凸部横断部６０を有している。下地絶縁膜５６は、凸部横断部６０において、凸部３８ａの側壁３８ａ１及び上端部３８ａ２を被覆して形成されている。

【0030】

下地絶縁膜５６の上には、上記したセンサ部５０、第１配線パターン５２及び第２配線パターン５４を構成する導体膜が形成される。導体膜の形成方法は後述する。

【0031】

被覆絶縁膜５８は、センサ部５０、第１配線パターン５２及び第２配線パターン５４と、センサ部５０、第１配線パターン５２及び第２配線パターン５４に覆われていない部分の下地絶縁膜５６を覆うように形成されている。被覆絶縁膜５８は、例えば、ポリイミド樹脂やパリレン樹脂等の絶縁性の樹脂材料を用いて形成できる。本実施形態においては、被覆絶縁膜５８は、第１配線パターン５２と第２配線パターン５４（図２参照）との隙間を埋める部分の厚さが、第１配線パターン５２及び第２配線パターン５４を覆う部分の厚さよりも厚く形成されており、第１配線パターン５２及び第２配線パターン５４とそれ以外の部分とで段差が生じないように均一な高さで形成されている。これにより、凸部横断部６０において、より広い部分に面圧を分散させることができ、荷重の集中による配線パターン５２、５４のダメージを抑制できる。

【0032】

また、被覆絶縁膜５８は、凸部横断部６０の上の部分の厚さが、他の部分の厚さよりも厚く形成されてもよい。このように形成することで、振動や熱サイクルによって、第２セパレータ１６と枠付きＭＥＡ１２とが面方向に位置ずれが生じる場合であっても、被覆絶縁膜５８の摩耗による劣化を抑制できる。

【0033】

尚、図３においては、説明の便宜のために、下地絶縁膜５６、第１配線パターン５２及び被覆絶縁膜５８の厚さを誇張して図示しているが、これらの部材は実際には、ＭＥＡ１２ａのカソード電極２２の厚さよりも薄くなっている。また、凸部横断部６０においては、下地絶縁膜５６、第１配線パターン５２及び被覆絶縁膜５８の厚さを、ＭＥＡ１２ａを構成する各部材が変形して受け持つことができる。

【0034】

図２に示すように、第１配線パターン５２及び第２配線パターン５４の外周側の端部には、第１接続パッド５２ａ及び第２接続パッド５４ａがそれぞれ形成されている。第１接続パッド５２ａは、図３の右端に示すように、第１配線パターン５２を覆う被覆絶縁膜５８の開口部５８ａに設けられている。第１接続パッド５２ａでは、第１配線パターン５２が被覆絶縁膜５８から露出している。第２接続パッド５４ａ（図２参照）も第１接続パッド５２ａと同様の構造となっており、第２配線パターン５４が露出している。

【0035】

第１センサ４０は、以上のように構成されるが、本実施形態はこれに限定されるものではなく、第１センサ４０を第１セパレータ１４側に設けてもよい。

【0036】

また、第１センサ４０は、抵抗温度計に限定されるものではなく、例えば、熱電対として構成してもよい。この場合には、第１配線パターン５２と第２配線パターン５４とを異なる種類の金属によって形成する。また、センサ部５０は、第１配線パターン５２と第２配線パターン５４との接点として構成することができる。

【0037】

また、第１配線パターン５２及び第２配線パターン５４を、流路溝３８ｂに沿わせて配置してもよい。この場合には、凸部横断部６０の数を減らすことができ、センサ４０の劣化をさらに効果的に抑制できる。

【0038】

次に、第１センサ４０を有する燃料電池１０の製造方法について説明する。

【0039】

まず、図１に示すように、第２セパレータ１６を用意する。次に、図２に示す第２セパレータ１６の内面１６ａのセンサ配置領域４８の全域に、下地絶縁膜５６（図３参照）を形成する。下地絶縁膜５６は、ポリイミド樹脂をインクジェット法により塗布して形成することができる。また、下地絶縁膜５６は、パリレン樹脂を真空蒸着法により成膜して形成してもよい。

【0040】

次に、図３に示すように、下地絶縁膜５６の上に、所定形状の開口孔を有するマスクを配置し、そのマスクの開口孔に露出した下地絶縁膜５６の上に、蒸着法、スパッタ法、又はめっき法等の各種成膜手法により、導体膜を形成する。これにより、下地絶縁膜５６の上にセンサ部５０、第１配線パターン５２及び第２配線パターン５４が形成される。

【0041】

次に、マスクを取り除いた後、センサ部５０、第１配線パターン５２、第２配線パターン５４及び露出している下地絶縁膜５６の上に被覆絶縁膜５８を形成する。被覆絶縁膜５８は、下地絶縁膜５６と同様の手法で形成される。以上の工程により、第１センサ４０が形成された第２セパレータ１６が完成する。

【0042】

その後、通常の燃料電池１０の製造と同様に、枠付きＭＥＡ１２のカソード電極２２側に第２セパレータ１６を当接させ、枠付きＭＥＡ１２のアノード電極２０側に第１セパレータ１４を当接させることで、図３に示す断面構造が得られる。

【0043】

次に、図２、図４及び図５を参照して、第２センサ４２について説明する。

【0044】

図４に示すように、第２センサ４２は、ＭＥＡ１２ａの電解質膜１８の表面に設けられ、電解質膜１８の温度を検出する温度センサである。第２センサ４２は、電解質膜１８の正確な温度を図るべく、図５に示すように、電解質膜１８の第２面１８ｂとカソード電極２２との間に形成されている。尚、特に図示はしないが、第２センサ４２は、電解質膜１８の第１面１８ａ側に設けてもよく、この場合には第１面１８ａとアノード電極２０との間に第２センサ４２を配置してもよい。

【0045】

第２センサ４２は、電解質膜１８の温度をより正確に測定するべく、センサ部５０は、第１セパレータ１４の凸部３４ａ及び第２セパレータ１６の凸部３８ａに対応する部分に設けられている。この構成によれば、センサ部５０が凸部３４ａ、３８ａによって押圧されており、センサ部５０と電解質膜１８との熱的な接続状態が向上する。

【0046】

第２センサ４２は、電解質膜１８の上に形成されている点を除けば、基本的には図２及び図３を参照しつつ説明した第１センサ４０と同様の構造であり、同様なセンサ部５０、第１配線パターン５２及び第２配線パターン５４を有している。従って、図４及び図５に示す第２センサ４２において、図２及び図３の第１センサ４０と同様の構成には、同一の符号を付してその詳細な説明は省略する。ただし、枠付きＭＥＡ１２の外周部は、外部に突出しておらず、外部の配線と接続するための接続端子を設けることが困難となっている。

【0047】

そこで、第２センサ４２は、第１配線パターン５２と第２配線パターン５４を含む配線部５５を、図４に示す電解質膜１８の第２面１８ｂの上のセンサ配置領域４８Ａ１に形成された第１配線部６２と、図２に示す第２セパレータ１６の内面１６ａのセンサ配置領域４８Ａ２に形成された第２配線部６４とに分けて構成する。そして、第２配線部６４に形成された第１配線パターン５２と第２配線パターン５４とを第２セパレータ１６の外周部に引き伸ばして、その外周側の端部に第１接続パッド５２ａ及び第２接続パッド５４ａを設けている。

【0048】

第１配線部６２と第２配線部６４とは、第１配線部６２側に設けられた第１端子部６２ａ（図４）と、第２配線部６４に設けられた第２端子部６４ａ（図２）とを介して電気的に接続される。すなわち、図４に示すように第１配線部６２の第１配線パターン５２と第２配線パターン５４とには、それぞれ第１端子部６２ａが設けられている。図５に示すように、第１端子部６２ａには、被覆絶縁膜５８の開口部５８ｂが形成されており、開口部５８ｂから第１配線パターン５２（又は第２配線パターン５４）が露出している。第１端子部６２ａは、第１セパレータ１４の凸部３４ａ及び第２セパレータ１６の凸部３８ａに対応する部分に設けられている。

【0049】

第２端子部６４ａは、第１端子部６２ａに対向する部分の第２セパレータ１６の内面１６ａに形成されている。第２端子部６４ａは、第２セパレータ１６の凸部３８ａの上に乗り上げた部分に形成されている。第２端子部６４ａでは、第２配線部６４を覆う被覆絶縁膜５８に開口部５８ｃが形成されており、第２配線部６４の第１配線パターン５２（又は第２配線パターン５４）が露出している。

【0050】

第１端子部６２ａ及び第２端子部６４ａが形成された部分のカソード電極２２には開口孔２２ｃが形成されている。第１配線部６２の第１配線パターン５２と第２配線部６４の第１配線パターン５２は、凸部３４ａ、３８ａによって押圧されることにより、開口孔２２ｃ及び開口部５８ｂ、５８ｃを介して互いに当接し、第１配線部６２の第１配線パターン５２と第２配線部６４の第１配線パターン５２とが互いに電気的に接続される。第２配線パターン５４についても同様に、第１端子部６２ａ及び第２端子部６４ａを介して第１配線部６２及び第２配線部６４が互いに接続される。

【0051】

次に、第２センサ４２を含む燃料電池１０の製造方法について説明する。

【0052】

まず、第２センサ４２の第２配線部６４を、第１センサ４０の製造方法と同様の工程で、第２セパレータ１６の内面１６ａに形成する。第２配線部６４は、第１センサ４０の製造工程と同一であるため、第１センサ４０と同時に形成できる。

【0053】

次に、第２センサ４２の第１配線部６２を有する枠付きＭＥＡ１２を形成する。まず、図５に示す電解質膜１８の上に、下地絶縁膜５６と、センサ部５０、第１配線パターン５２及び第２配線パターン５４と、被覆絶縁膜５８とを、順に形成する。これらの工程は、第１センサ４０の製造工程と同様であるので詳細な説明は省略する。

【0054】

次に、第１端子部６２ａ及び第２端子部６４ａに対応する部分に開口孔２２ｃが形成されたカソード電極２２を、第２センサ４２の第１部分が形成された電解質膜１８の第２面１８ｂの上に接合する。また、電解質膜１８の第１面１８ａの上には、アノード電極２０を接合する。

【0055】

その後、電解質膜１８、アノード電極２０及びカソード電極２２の外周部に枠部材２４を接合する。枠部材２４は、電解質膜１８及びカソード電極２２と、アノード電極２０との間に挟み込むようにして接合される。以上の工程により、第２センサ４２の第１配線部６２が形成された枠付きＭＥＡ１２が完成する。

【0056】

その後、図１に示すように、枠付きＭＥＡ１２のカソード電極２２側に第２セパレータ１６を当接させ、枠付きＭＥＡ１２のアノード電極２０側に第１セパレータ１４を当接させる。これにより、図５に示すように、第１端子部６２ａと第２端子部６４ａとが凸部３４ａ、３８ａにより押圧されて電気的に接続され、第２センサ４２が形成された燃料電池１０が完成する。

【0057】

次に、第３センサ４４について説明する。

【0058】

図４に示すように、第３センサ４４は、枠部材２４の温度を検出する温度センサであり、枠部材２４に設けられたセンサ配置領域４８Ｂに全域が形成されている。第３センサ４４は、第１センサ４０と同様のセンサ部５０と、第１配線パターン５２及び第２配線パターン５４を有する配線部５５を備えて構成されている。

【0059】

ただし、図６に示すように、枠部材２４が絶縁性の樹脂材料で構成した場合には、センサ部５０、第１配線パターン５２及び第２配線パターン５４の下に下地絶縁膜５６を設けなくてもよい。この場合には、枠部材２４が下地絶縁膜５６を兼ねる。センサ部５０と、第１配線パターン５２及び第２配線パターン５４及びその周辺のセンサ配置領域４８Ｂは、第２セパレータ１６との短絡を防ぐために、被覆絶縁膜５８で覆われている。第３センサ４４の外周部には、被覆絶縁膜５８の開口部５８ｄが形成されており、開口部５８ｄからは第１配線パターン５２及び第２配線パターン５４が露出した第１接続パッド５２ａ及び第２接続パッド５４ａ（図４参照）がそれぞれ形成されている。

【0060】

第３センサ４４は、枠部材２４を用意し、その表面にセンサ部５０、第１配線パターン５２及び第２配線パターン５４と、被覆絶縁膜５８とを順に形成することで作製できる。これらの工程は、第１センサ４０の製造工程と同様である。

【0061】

次に、第４センサ４６について説明する。

【0062】

図７に示すように、第４センサ４６は、第１セパレータ１４の凸部３４ａの上端部３４ａ２に沿って形成された第１配線パターン５２Ａと、第２セパレータ１６の凸部３８ａの上端部３８ａ２に沿って形成された第２配線パターン５４Ａとを有する。第１配線パターン５２Ａと第２配線パターン５４Ａとは互いに対向する部分に設けられており、平面視（図２参照）して同一形状に形成されている。

【0063】

第１配線パターン５２Ａは、下地絶縁膜５６の上に形成されており、下地絶縁膜５６を介して第１セパレータ１４から絶縁されている。第２配線パターン５４Ａも下地絶縁膜５６の上に形成されており、下地絶縁膜５６を介して第２セパレータ１６から絶縁されている。第２セパレータ１６の下地絶縁膜５６は、図２に示す細長く延びて形成されたセンサ配置領域４８Ｃの全域に形成されている。第１セパレータ１４のセンサ配置領域４８Ｃ及び下地絶縁膜５６も同様の形状に形成されている。第１配線パターン５２Ａ及び第２配線パターン５４Ａは、それぞれ被覆絶縁膜５８に覆われて、アノード電極２０又はカソード電極２２から絶縁される。

【0064】

図６に示すように、第１配線パターン５２Ａの先端には、被覆絶縁膜５８から第１配線パターン５２Ａが露出した第１センサ部５０Ａが形成されている。また、第２配線パターン５４Ａの先端には、被覆絶縁膜５８から第２配線パターン５４Ａが露出した第２センサ部５０Ｂが形成されている。第１センサ部５０Ａ及び第２センサ部５０Ｂは、平面視して互いに重なる位置に設けられており、ＭＥＡ１２ａを介して互いに対向する。

【0065】

第１センサ部５０Ａと第２センサ部５０Ｂとは、凸部３４ａ、３８ａを介してＭＥＡ１２ａに向けて押圧されており、第１センサ部５０Ａは、アノード電極２０にめり込むようにして当接している。また、第２センサ部５０Ｂは、カソード電極２２にめり込むようにして当接している。第４センサ４６は、第１センサ部５０Ａ及び第２センサ部５０Ｂとの間に、交流電圧を印加することにより局所的なＭＥＡ１２ａのインピーダンスを検出できる。

【0066】

第４センサ４６を有する燃料電池１０は、第１配線パターン５２Ａが設けられた第１セパレータ１４を作製する工程と、第２配線パターン５４Ａが設けられた第２セパレータ１６を作製する工程と、第１セパレータ１４と、枠付きＭＥＡ１２と、第２セパレータ１６とを積層する工程とにより作製される。

【0067】

このうち、第１配線パターン５２Ａが設けられた第１セパレータ１４は、その内面１４ａに、下地絶縁膜５６、第１配線パターン５２Ａ及び被覆絶縁膜５８を順に形成する工程によって作製される。また、第２配線パターン５４Ａが設けられた第２セパレータ１６は、その内面１６ａに、下地絶縁膜５６、第２配線パターン５４Ａ及び被覆絶縁膜５８を順に形成する工程によって作製される。第１配線パターン５２Ａ及び第２配線パターン５４Ａを作製する工程は、第１センサ４０を第２セパレータ１６に形成する工程と同様にして行うことができる。以上の工程により、第４センサ４６を有する燃料電池１０が得られる。

【0068】

本実施形態の燃料電池１０は、以下の効果を奏する。

【0069】

本実施形態の燃料電池１０は、電解質膜１８と、電解質膜１８の第１面１８ａに設けられたアノード電極２０と、電解質膜１８の第２面１８ｂに設けられたカソード電極２２と、を有するＭＥＡ１２ａ（電解質膜・電極構造体）と、ＭＥＡ１２ａの外周部を囲む枠部材２４と、ＭＥＡ１２ａを挟持する一対のセパレータ１４、１６と、セパレータ１４、１６、枠部材２４及び電解質膜１８の少なくとも一つに設けられたセンサ部５０、５０Ａ、５０Ｂと、センサ部５０、５０Ａ、５０Ｂに接続され、セパレータ１４、１６又はＭＥＡ１２ａの外周部に延びる配線部５５と、を有するセンサ４０、４２、４４、４６と、を備え、センサ４０、４２、４４、４６は、センサ４０、４２、４４、４６が配置されるセンサ配置領域４８、４８Ａ、４８Ｂ、４８Ｃを覆う下地絶縁膜５６と、下地絶縁膜５６の上に積層された配線パターン５２、５２Ａ、５４、５４Ａと、配線パターン５２、５２Ａ、５４、５４Ａと、配線パターン５２、５２Ａ、５４、５４Ａに覆われていない部分の下地絶縁膜５６の上を覆う被覆絶縁膜５８と、を有する。

【0070】

上記の構成によれば、センサ４０、４２、４４、４６を薄膜状にして燃料電池１０と一体的に作り込むことができるため、煩雑なセンサ４０、４２、４４、４６の配置作業が不要となり、簡便かつ正確に状態量を検出できる。また、センサ４０、４２、４４、４６の位置ずれを防ぐことができるため、所望の部位の局所的な状態量の検出に好適である。

【0071】

上記の燃料電池１０において、セパレータ１４、１６はＭＥＡ１２ａに向けて突出してＭＥＡ１２ａを押圧する凸部３４ａ、３８ａを備え、センサ部５０、５０Ａ、５０Ｂは、セパレータ１４、１６の凸部３４ａ、３８ａに対応する位置に設けられてもよい。この構成によれば、センサ部５０、５０Ａ、５０Ｂを測定対象物に密着させることができるため、より精度よく測定を行うことができる。

【0072】

上記の燃料電池１０において、センサ部５０は下地絶縁膜５６の上に形成されており、配線パターン５２、５４とともに被覆絶縁膜５８によって覆われてもよい。この構成により、セパレータ１４、１６やＭＥＡ１２ａ等とセンサ部５０とを電気的に絶縁することができるため、精度よく測定を行うことができる。

【0073】

上記の燃料電池１０において、センサ部５０は、電解質膜１８の表面に設けられるとともに、配線部５５は、電解質膜１８の表面に沿って延びてセンサ部５０に接続される第１配線部６２と、セパレータ１４、１６の表面に沿って延びる第２配線部６４と、を備え、第１配線部６２と第２配線部６４とは、第１配線部６２の配線パターン５２、５４が被覆絶縁膜５８から露出した第１端子部６２ａと、第２配線部６４の配線パターン５２、５４が被覆絶縁膜５８から露出した第２端子部６４ａと、を向かい合わせで当接させることで電気的に接続される。この構成によれば、センサ部５０の配線部５５を電解質膜１８とセパレータ１４、１６とに設けることができるため、センサ部５０の配置位置の自由度が高まる。

【0074】

上記の燃料電池１０において、セパレータ１４、１６は、ＭＥＡ１２ａに向けて突出し、反応ガスの流動方向に沿って延びる複数の凸部３４ａ、３８ａと、凸部３４ａ、３８ａの間に形成される流路溝３４ｂ、３８ｂと、を有し、配線部５５は、流路溝３４ｂ、３８ｂに沿って設けられてもよい。この構成によれば、凸部３４ａ、３８ａとの摩擦による配線部５５の摩耗を防止できる。

【0075】

上記の燃料電池１０において、被覆絶縁膜５８は、配線パターン５２、５４を覆う部分と、配線パターン５２、５４以外の部分を覆う部分とが均等な高さに形成されてもよい。

【0076】

上記の燃料電池１０において、配線部５５は、セパレータ１４、１６が突出してＭＥＡ１２ａを押圧する凸部３４ａ、３８ａを横断する凸部横断部６０を有し、凸部横断部６０の被覆絶縁膜５８が他の部分の被覆絶縁膜５８よりも厚く形成されてもよい。この構成によれば、凸部横断部６０における被覆絶縁膜５８の摩耗による損傷を抑制できる。

【0077】

上記の燃料電池１０において、セパレータ１４、１６の凸部３４ａ、３８ａは少なくとも凸部横断部６０に対応する部分が平坦面よりなる。この構成によれば、凸部横断部６０内での荷重を分散することができ、荷重の集中による配線パターン５２、５４の破損を防止できる。

【0078】

上記の燃料電池１０において、配線パターン５２、５４は、第１金属によって形成された第１配線パターン５２と、第１金属とは異なる種類の第２金属によって形成された第２配線パターン５４と、を備え、センサ部５０は、第１配線パターン５２の先端部と第２配線パターン５４の先端部とが接触した熱電対の接点であってもよい。

【0079】

上記の燃料電池１０において、センサ４４は枠部材２４の上に形成されており、枠部材２４が下地絶縁膜５６を兼ねてもよい。この構成によれば、独立した下地絶縁膜５６を形成する工程が不要となるため、製造工程を簡略化できる。

【0080】

上記の燃料電池１０において、配線部５５は、一方のセパレータ１４の表面に形成され第１配線パターン５２Ａを含む第１配線部６２と、他方のセパレータ１６の表面に形成され第２配線パターン５４Ａを含む第２配線部６４と、を有し、センサ部５０は、第１配線部６２の端部において配線パターン５２が露出してなる第１センサ部５０Ａと、第２配線部６４の端部において配線パターン５４が露出してなる第２センサ部５０Ｂと、を有し、第１センサ部５０Ａと第２センサ部５０Ｂとが、ＭＥＡ１２ａを挟んで対向配置されるとともに、ＭＥＡ１２ａと電気的に接続されてもよい。この構成によれば、第１センサ部５０Ａ及び第２センサ部５０Ｂとの間に交流電圧を印加することにより、ＭＥＡ１２ａの局所的なインピーダンスを検出できる。

【0081】

上記において、本発明について好適な実施形態を挙げて説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において、種々の改変が可能なことは言うまでもない。

【符号の説明】

【0082】

１０…燃料電池 １２ａ…ＭＥＡ
１４、１６…セパレータ １８…電解質膜
２０…アノード電極 ２２…カソード電極
３４ａ、３８ａ…凸部 ３４ｂ、３８ｂ…流路溝
４０、４２、４４、４６…センサ
４８、４８Ａ、４８Ｂ、４８Ｃ…センサ配置領域
５０、５０Ａ、５０Ｂ…センサ部 ５２、５２Ａ…第１配線パターン
５４、５４Ａ…第２配線パターン ５５…配線部
５６…下地絶縁膜 ５８…被覆絶縁膜
６０…凸部横断部 ６２…第１配線部
６２ａ…第１端子部 ６４…第２配線部
６４ａ…第２端子部

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【手続補正書】

【提出日】2021-06-08

【手続補正1】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】００３７

【補正方法】変更

【補正の内容】

【0037】

また、第１配線パターン５２及び第２配線パターン５４を、流路溝３８ｂに沿わせて配置してもよい。この場合には、凸部横断部６０の数を減らすことができ、第１センサ４０の劣化をさらに効果的に抑制できる。

【手続補正2】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】００５９

【補正方法】変更

【補正の内容】

【0059】

ただし、図６に示すように、枠部材２４を絶縁性の樹脂材料で構成した場合には、センサ部５０、第１配線パターン５２及び第２配線パターン５４の下に下地絶縁膜５６を設けなくてもよい。この場合には、枠部材２４が下地絶縁膜５６を兼ねる。センサ部５０と、第１配線パターン５２及び第２配線パターン５４及びその周辺のセンサ配置領域４８Ｂは、第２セパレータ１６との短絡を防ぐために、被覆絶縁膜５８で覆われている。第３センサ４４の外周部には、被覆絶縁膜５８の開口部５８ｄが形成されており、開口部５８ｄからは第１配線パターン５２及び第２配線パターン５４が露出した第１接続パッド５２ａ及び第２接続パッド５４ａ（図４参照）がそれぞれ形成されている。

【手続補正3】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】００６４

【補正方法】変更

【補正の内容】

【0064】

図７に示すように、第１配線パターン５２Ａの先端には、被覆絶縁膜５８から第１配線パターン５２Ａが露出した第１センサ部５０Ａが形成されている。また、第２配線パターン５４Ａの先端には、被覆絶縁膜５８から第２配線パターン５４Ａが露出した第２センサ部５０Ｂが形成されている。第１センサ部５０Ａ及び第２センサ部５０Ｂは、平面視して互いに重なる位置に設けられており、ＭＥＡ１２ａを介して互いに対向する。

【手続補正4】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】００８０

【補正方法】変更

【補正の内容】

【0080】

上記の燃料電池１０において、配線部５５は、一方のセパレータ１４の表面に形成され第１配線パターン５２Ａを含む第１配線部６２と、他方のセパレータ１６の表面に形成され第２配線パターン５４Ａを含む第２配線部６４と、を有し、センサ部５０は、第１配線部の端部において第１配線パターン５２Ａが露出してなる第１センサ部５０Ａと、第２配線部の端部において第２配線パターン５４Ａが露出してなる第２センサ部５０Ｂと、を有し、第１センサ部５０Ａと第２センサ部５０Ｂとが、ＭＥＡ１２ａを挟んで対向配置されるとともに、ＭＥＡ１２ａと電気的に接続されてもよい。この構成によれば、第１センサ部５０Ａ及び第２センサ部５０Ｂとの間に交流電圧を印加することにより、ＭＥＡ１２ａの局所的なインピーダンスを検出できる。