JP6090866B2 - 燃料電池用過酸化水素濃度検出センサ及びその製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、アノード電極とカソード電極との間に電解質膜を挟持する電解質膜・電極構造体と、セパレータとが積層される燃料電池に組み込まれる燃料電池用過酸化水素濃度検出センサ及びその製造方法に関する。

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）を備えている。電解質膜・電極構造体は、セパレータ（バイポーラ板）によって挟持されて発電セルが構成されている。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燃料電池電気自動車に搭載されている。

燃料電池では、燃料ガスがアノード側からカソード側に固体高分子電解質膜を透過する一方、酸化剤ガスが前記カソード側から前記アノード側に前記固体高分子電解質膜を透過する場合がある。

このため、アノード側及びカソード側では、水素と酸素とが反応して過酸化水素（Ｈ₂Ｏ₂）が発生し易い（Ｈ₂＋Ｏ₂→Ｈ₂Ｏ₂）。この過酸化水素は、電極中のカーボン担体や白金（Ｐｔ）上で分解し、例えば、ヒドロキシラジカル（・ＯＨ）等の活性物質が発生する。これにより、固体高分子電解質膜及び電極触媒を劣化させるという問題がある。

そこで、例えば、特許文献１に開示されている燃料電池の異状監視方法及びその装置が知られている。この特許文献１では、触媒層等の監視対象部位にルミノールが付着した燃料電池が用意され、前記燃料電池に発電を行わせている。その際、触媒層に異常電位が生じたり、過酸化水素が生成されたりすると、その異常電位発生部位や過酸化水素の生成部位は、ルミノール反応によって発光する。この発光を観測者が視認することで、観測者は、異常電位の発生や過酸化水素の生成を容易に特定することができる、としている。

特開２００５−３３２６８２号公報

しかしながら、上記の特許文献１では、電解質膜・電極構造体の複数箇所に対応して過酸化水素濃度を正確に検出することが困難である。しかも、特に微細な位置での過酸化水素濃度の検出作業が遂行されないという問題がある。

本発明は、この種の問題を解決するものであり、特に微細な位置での過酸化水素濃度の検出を良好且つ正確に遂行するとともに、経済的に製造することが可能な燃料電池用過酸化水素濃度検出センサ及びその製造方法を提供することを目的とする。

本発明に係る燃料電池用過酸化水素濃度検出センサは、アノード電極とカソード電極との間に電解質膜を挟持する電解質膜・電極構造体と、セパレータとが積層される燃料電池に用いられている。この燃料電池用過酸化水素濃度検出センサは、電解質膜・電極構造体中の過酸化水素濃度を検出するものである。

燃料電池用過酸化水素濃度検出センサは、イオン交換膜の表面に平板状の金属触媒が設けられるとともに、前記金属触媒の一端部と他端部とを外部に露呈して、該金属触媒が一対の絶縁被膜に挟持されている。そして、金属触媒の一端部には、イオン交換成分を含む塗布層が形成されている。

また、この燃料電池用過酸化水素濃度検出センサでは、一対の絶縁被膜を構成しイオン交換膜に積層される第１絶縁被膜は、金属触媒の一端部側を外部に露呈し、且つ、前記金属触媒の他端部側の表面を覆うことが好ましい。一方、一対の絶縁被膜を構成し金属触媒に積層される第２絶縁被膜は、金属触媒の一端部側及び前記金属触媒の他端部側を外部に露呈することが好ましい。

さらに、この燃料電池用過酸化水素濃度検出センサでは、一対の絶縁被膜を構成しイオン交換膜に積層される第１絶縁被膜は、金属触媒の一端部側から前記金属触媒の他端部側の表面を覆うことが好ましい。一方、一対の絶縁被膜を構成し金属触媒に積層される第２絶縁被膜は、金属触媒の一端部側及び前記金属触媒の他端部側を外部に露呈することが好ましい。

さらにまた、この燃料電池用過酸化水素濃度検出センサでは、一対の絶縁被膜を構成しイオン交換膜に積層される第１絶縁被膜は、金属触媒の一端部側を外部に露呈し、且つ、前記金属触媒の他端部側の表面を覆うことが好ましい。一方、一対の絶縁被膜を構成し金属触媒に積層される第２絶縁被膜は、金属触媒の一端部側の表面を覆い、且つ、前記金属触媒の他端部側を外部に露呈することが好ましい。

また、この燃料電池用過酸化水素濃度検出センサでは、一対の絶縁被膜を構成しイオン交換膜に積層される第１絶縁被膜は、金属触媒の一端部側から前記金属触媒の他端部側の表面を覆うことが好ましい。一方、一対の絶縁被膜を構成し金属触媒に積層される第２絶縁被膜は、金属触媒の一端部側の表面を覆い、且つ、前記金属触媒の他端部側を外部に露呈するとともに、少なくとも前記第２絶縁被膜には、塗布層を設けるための開口部が形成されることが好ましい。

さらに、この燃料電池用過酸化水素濃度検出センサでは、イオン交換膜の表面には、複数本の金属触媒が互いに並列して設けられるとともに、一対の絶縁被膜を構成しイオン交換膜に積層される第１絶縁被膜は、前記金属触媒の一端部側から前記金属触媒の他端部側の表面を覆うことが好ましい。一方、一対の絶縁被膜を構成し金属触媒に積層される第２絶縁被膜は、金属触媒の一端部側の表面を覆い、且つ、前記金属触媒の他端部側を外部に露呈し、少なくとも前記第２絶縁被膜には、塗布層を設けるための複数の開口部が、前記金属触媒の並列方向に沿って段差状に形成されることが好ましい。

さらにまた、本発明に係る燃料電池用過酸化水素濃度検出センサの製造方法は、イオン交換膜の表面に平板状の金属触媒を設ける工程を有している。この製造方法は、さらに金属触媒の一端部と他端部とを外部に露呈して、該金属触媒を一対の絶縁被膜で挟持する工程と、前記金属触媒の前記一端部に、イオン交換成分を含む塗布層を形成する工程と、を有している。

本発明によれば、過酸化水素濃度検出センサが、イオン交換膜の表面に平板状の金属触媒が設けられるとともに、前記金属触媒の一端部に、イオン交換成分を含む塗布層が設けられている。このため、過酸化水素濃度を検出するセンサ部は、良好に微小化されるとともに、前記金属触媒の使用量が可及的に低減される。従って、電解質膜・電極構造体の微小領域における過酸化水素濃度の測定を良好且つ正確に遂行するとともに、経済的に製造することが可能になる。

本発明の第１の実施形態に係る燃料電池用過酸化水素濃度検出センサが組み込まれる燃料電池システムの概略構成説明図である。 燃料電池の要部分解斜視説明図である。 前記燃料電池を構成する電解質膜・電極構造体の要部断面説明図である。 前記電解質膜・電極構造体に組み込まれる過酸化水素濃度検出センサの一部断面斜視説明図である。 前記過酸化水素濃度検出センサの側面説明図である。 イオン交換膜に金属触媒が塗布される際の説明図である。 前記イオン交換膜に第１絶縁被膜を設ける際の説明図である。 前記イオン交換膜に第２絶縁被膜を設ける際の説明図である。 前記金属触媒の一端部に塗布層を設ける際の説明図である。 電位と過酸化水素濃度との関係説明図である。 本発明の第２の実施形態に係る燃料電池用過酸化水素濃度検出センサの一部断面斜視説明図である。 前記過酸化水素濃度検出センサの側面説明図である。 本発明の第３の実施形態に係る燃料電池用過酸化水素濃度検出センサの一部断面斜視説明図である。 前記過酸化水素濃度検出センサの側面説明図である。 本発明の第４の実施形態に係る燃料電池用過酸化水素濃度検出センサの一部断面斜視説明図である。 前記過酸化水素濃度検出センサの側面説明図である。 本発明の第５の実施形態に係る燃料電池用過酸化水素濃度検出センサの一部断面斜視説明図である。 前記過酸化水素濃度検出センサの側面説明図である。 イオン交換膜に金属触媒が塗布される際の説明図である。 前記イオン交換膜に第１絶縁被膜を設ける際の説明図である。 前記イオン交換膜に第２絶縁被膜を設ける際の説明図である。 前記金属触媒の一端部に塗布層を設ける際の説明図である。 本発明の第６の実施形態に係る燃料電池用過酸化水素濃度検出センサの要部斜視説明図である。 前記過酸化水素濃度検出センサの側面説明図である。

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用過酸化水素濃度検出センサが組み込まれる燃料電池システム１０は、例えば、燃料電池電気自動車等の燃料電池車両に搭載される車載用燃料電池システムを構成する。

燃料電池システム１０は、複数の燃料電池１２が積層される燃料電池スタック１４を備える。燃料電池システム１０は、燃料電池スタック１４に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給装置１６と、前記燃料電池スタック１４に燃料ガスを供給する燃料ガス供給装置１８と、前記燃料電池スタック１４に冷却媒体を供給する冷却媒体供給装置２０とを備える。燃料電池システム１０全体の制御は、制御装置（ＥＣＵ）２２により行われる。

図２に示すように、燃料電池１２は、電解質膜・電極構造体２４を第１セパレータ２６及び第２セパレータ２８で挟持する。第１セパレータ２６及び第２セパレータ２８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、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ている。

図２及び図３に示すように、電解質膜・電極構造体２４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３０と、前記固体高分子電解質膜３０を挟持するアノード電極３２及びカソード電極３４とを備える。固体高分子電解質膜３０は、フッ素系電解質の他、ＨＣ（炭化水素）系電解質が使用される。

例えば、カソード電極３４の外周端部は、アノード電極３２の外周端部よりも外側に突出するとともに、前記アノード電極３２は、固体高分子電解質膜３０の一方の面３０ａに配置される。アノード電極３２は、固体高分子電解質膜３０の外周を額縁状に露呈させる。なお、アノード電極３２は、固体高分子電解質膜３０と同一の平面寸法に設定されてもよい。カソード電極３４は、固体高分子電解質膜３０の他方の面３０ｂに配置され、前記固体高分子電解質膜３０の外周端部は、前記カソード電極３４の外周端部よりも外方に突出する。なお、固体高分子電解質膜３０は、カソード電極３４と同一の平面寸法に設定されてもよい。

アノード電極３２は、図示しないが、固体高分子電解質膜３０の一方の面３０ａに接合される電極触媒層と、前記電極触媒層に積層されるガス拡散層とを設ける。カソード電極３４は、図示しないが、固体高分子電解質膜３０の他方の面３０ｂに接合される電極触媒層と、前記電極触媒層に積層されるガス拡散層とを設ける。

電解質膜・電極構造体２４は、固体高分子電解質膜３０の外周を周回する樹脂製枠部材３６を備える。樹脂製枠部材３６は、例えば、ＰＰＳ（ポリフェニレンサルファイド）、ＰＰＡ（ポリフタルアミド）、ＬＣＰ、ＰＥＳ、ＰＥＥＫ、ＰＦＡ等で構成される。なお、樹脂製枠部材３６は、必ずしも使用しなくてもよい。

図２に示すように、燃料電池１２の矢印Ｃ方向（図２中、鉛直方向）の上端縁部には、矢印Ａ方向に互いに連通して、酸化剤ガス入口連通孔３８ａ及び燃料ガス入口連通孔４０ａが設けられる。酸化剤ガス入口連通孔３８ａは、酸化剤ガス、例えば、酸素含有ガスを供給する。燃料ガス入口連通孔４０ａは、燃料ガス、例えば、水素含有ガスを供給する。酸化剤ガス入口連通孔３８ａと燃料ガス入口連通孔４０ａとは、矢印Ｂ方向（水平方向）に配列して設けられる。

燃料電池１２の矢印Ｃ方向の下端縁部には、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出口連通孔４０ｂと、酸化剤ガスを排出するための酸化剤ガス出口連通孔３８ｂとが、矢印Ｂ方向に配列して設けられる。

燃料電池１２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（又は単一）の冷却媒体入口連通孔４２ａが設けられる。燃料電池１２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（又は単一）の冷却媒体出口連通孔４２ｂが設けられる。

第１セパレータ２６の電解質膜・電極構造体２４に向かう面２６ａには、酸化剤ガス入口連通孔３８ａと酸化剤ガス出口連通孔３８ｂとに連通する酸化剤ガス流路４６が設けられる。第２セパレータ２８の電解質膜・電極構造体２４に向かう面２８ａには、燃料ガス入口連通孔４０ａと燃料ガス出口連通孔４０ｂとに連通する燃料ガス流路４８が形成される。酸化剤ガス流路４６と燃料ガス流路４８とは、鉛直方向に向かって酸化剤ガスと燃料ガスとを流通させる。

第１セパレータ２６の面２６ａとは反対の面２６ｂと、第２セパレータ２８の面２８ａとは反対の面２８ｂとの間には、冷却媒体入口連通孔４２ａと冷却媒体出口連通孔４２ｂとに連通する冷却媒体流路５０が形成される。冷却媒体流路５０は、水平方向に向かって冷却媒体を流通させる。

第１セパレータ２６の面２６ａ、２６ｂには、この第１セパレータ２６の外周端部を周回して、第１シール部材５２が一体化される。第２セパレータ２８の面２８ａ、２８ｂには、この第２セパレータ２８の外周端部を周回して、第２シール部材５４が一体化される。

第１シール部材５２及び第２シール部材５４は、例えば、ＥＰＤＭ、ＮＢＲ、フッ素ゴム、シリコーンゴム、フロロシリコーンゴム、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等の弾性を有するシール部材が用いられる。

第２セパレータ２８には、燃料ガス入口連通孔４０ａを燃料ガス流路４８に連通する複数の供給孔部５６と、前記燃料ガス流路４８を燃料ガス出口連通孔４０ｂに連通する複数の排出孔部５８とが形成される。

図３に示すように、電解質膜・電極構造体２４には、複数の過酸化水素濃度検出センサ６０が直接設けられる。過酸化水素濃度検出センサ６０は、例えば、アノード電極３２の電極面内に、前記アノード電極３２と固体高分子電解質膜３０との間に介装されるとともに、該アノード電極３２の外周縁部に位置して、複数、設けられてもよい。

過酸化水素濃度検出センサ６０は、図３に示すように、発電領域（電極触媒層が塗布された領域）のアノード電極３２と固体高分子電解質膜３０との間の他、発電領域のカソード電極３４と前記固体高分子電解質膜３０との間、及びアノード電極３２の端部やカソード電極３４の端部又は露出した前記固体高分子電解質膜３０の表面に設置してもよい。

図４及び図５に示すように、過酸化水素濃度検出センサ６０は、長方形状のイオン交換膜６２の表面に平板状の金属触媒６４を設ける。イオン交換膜６２には、例えば、フッ素樹脂の共重合体からなるフッ素系膜成分（又はＨＣ膜成分）にスルホン酸イオンを含浸した膜が使用されるとともに、金属触媒６４には、Ｐｔ等の電極触媒が使用される。

過酸化水素濃度検出センサ６０は、金属触媒６４の一端部６４ａと他端部６４ｂとを外部に露呈して、前記金属触媒６４の両面側を挟持する第１絶縁被膜６６ａ及び第２絶縁被膜６６ｂを設ける。ここで、第１絶縁被膜６６ａは、イオン交換膜６２に積層される一方、第２絶縁被膜６６ｂは、金属触媒６４に積層される。この関係は、第２以降の実施形態においても、同様である。

第１絶縁被膜６６ａは、金属触媒６４の一端部６４ａ側をイオン交換膜６２を介して外部に露呈し、且つ、前記金属触媒６４の他端部６４ｂ側の表面を覆う。第２絶縁被膜６６ｂは、金属触媒６４の一端部６４ａ及び前記金属触媒６４の他端部６４ｂ側を外部に露呈する。金属触媒６４の一端部６４ａには、イオン交換成分を含む塗布層６８が形成される。イオン交換成分には、例えば、フッ素系膜成分（又はＨＣ膜成分）にスルホン酸イオンを含浸した膜が使用される。金属触媒６４の一端部６４ａと塗布層６８とによりセンサ部が構成される。

図４に示すように、第２絶縁被膜６６ｂと塗布層６８とは、段差なく、面一に滑らかに連続するとともに、前記塗布層６８の先端は、イオン交換膜６２に当接する。イオン交換膜６２と塗布層６８との間には、金属触媒６４の一端部６４ａが覆われ、前記一端部６４ａが外部に露出することがない。金属触媒６４の幅Ｗは、第１絶縁被膜６６ａ及び第２絶縁被膜６６ｂの幅Ｗａよりも小さく、前記第１絶縁被膜６６ａ及び前記第２絶縁被膜６６ｂの幅方向両端は、直接接触する。

第１絶縁被膜６６ａ及び第２絶縁被膜６６ｂ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シート部材である。第１絶縁被膜６６ａ及び第２絶縁被膜６６ｂは、例えば、ポリイミド被膜又は絶縁被膜（ポリテトラフルオロエチレン）、ＰＰＳ（ポリフェニレンサルファイド樹脂）、ＰＥＴ（ポリエチレンナフタレート樹脂）、ＬＣＰ（液晶ポリマー）、ＰＦＡ（フッ素樹脂）、ＰＰＡ（ポリフタルアミド樹脂）、ＰＥＳ（ポリエーテルサルホン樹脂）により構成されることが好ましい。

図３に示すように、電解質膜・電極構造体２４には、必要に応じて、電位センサ６９が設けられる。電位センサ６９は、過酸化水素濃度検出センサ６０と同様に、複数箇所に設定され、各部位における電位を検出する。電位センサ６９は、外周に絶縁被覆を施した白金線の先端を露出させ、電位を測定する箇所に当接させる。アノードの参照電極を基準とした電位を測定する。

図１に示すように、酸化剤ガス供給装置１６は、大気からの空気（酸化剤ガス）を圧縮して燃料電池スタック１４の酸化剤ガス入口連通孔３８ａに供給するとともに、酸化剤ガス出口連通孔３８ｂに連通して使用後の酸化剤ガスを排出する。燃料ガス供給装置１８は、高圧水素（燃料ガス）を貯留する高圧水素タンク（図示せず）を備え、前記燃料ガスを燃料電池スタック１４の燃料ガス入口連通孔４０ａに供給する。使用後の燃料ガスは、燃料ガス出口連通孔４０ｂから回収する。冷却媒体供給装置２０は、燃料電池スタック１４の冷却媒体入口連通孔４２ａと冷却媒体出口連通孔４２ｂとに連通し、冷却媒体を循環供給する。

次いで、このように構成される過酸化水素濃度検出センサ６０を製造するための製造方法について、説明する。

先ず、図６に示すように、幅広なイオン交換膜６２の上面には、複数本の金属触媒６４が、例えば、スクリーン印刷等により塗布される。各金属触媒６４は、イオン交換膜６２上に並列されるとともに、一端部６４ａ側が前記イオン交換膜６２の一端部から内方に離間するとともに、他端部６４ｂ側が前記イオン交換膜６２の他端部と同一位置に配置される。

次に、図７に示すように、イオン交換膜６２の下面（金属触媒６４とは反対の面）には、第１絶縁被膜６６ａが設けられる。第１絶縁被膜６６ａは、イオン交換膜６２を介して金属触媒６４の一端部６４ａ側を外部に露呈し（なお、直接露出してもよい）、且つ、前記金属触媒６４の他端部６４ｂ側の表面を覆う。さらに、図８に示すように、イオン交換膜６２の上面（金属触媒６４側の面）には、金属触媒６４の一端部６４ａ及び前記金属触媒６４の他端部６４ｂ側を外部に露呈して第２絶縁被膜６６ｂが設けられる。

そして、図９に示すように、イオン交換膜６２の上面には、金属触媒６４の一端部６４ａを覆って、すなわち、センサ部を覆って、塗布層６８が形成される。このため、複数本の過酸化水素濃度検出センサ６０が一体に製造され、その後、各過酸化水素濃度検出センサ６０は、切断により分離される。

このように構成される燃料電池システム１０の動作について、以下に説明する。

図１に示すように、酸化剤ガス供給装置１６から燃料電池スタック１４の酸化剤ガス入口連通孔３８ａに酸化剤ガス（空気）が供給される。一方、燃料ガス供給装置１８から燃料電池スタック１４の燃料ガス入口連通孔４０ａに燃料ガス（水素ガス）が供給される。また、冷却媒体供給装置２０では、燃料電池スタック１４の冷却媒体入口連通孔４２ａに純水やエチレングリコール、オイル等の冷却媒体が供給される。

図２に示すように、酸化剤ガスは、酸化剤ガス入口連通孔３８ａから第１セパレータ２６の酸化剤ガス流路４６に導入され、矢印Ｃ方向に移動して電解質膜・電極構造体２４のカソード電極３４に供給される。一方、燃料ガスは、燃料ガス入口連通孔４０ａから供給孔部５６を通って第２セパレータ２８の燃料ガス流路４８に導入される。燃料ガスは、燃料ガス流路４８に沿って矢印Ｃ方向に移動し、電解質膜・電極構造体２４のアノード電極３２に供給される。

従って、各電解質膜・電極構造体２４では、カソード電極３４に供給される酸化剤ガスと、アノード電極３２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て発電が行われる。

次いで、カソード電極３４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３８ｂに沿って矢印Ａ方向に排出される。同様に、アノード電極３２に供給されて消費された燃料ガスは、排出孔部５８を通り燃料ガス出口連通孔４０ｂに沿って矢印Ａ方向に排出される。

また、冷却媒体入口連通孔４２ａに供給された冷却媒体は、第１セパレータ２６と第２セパレータ２８との間に形成された冷却媒体流路５０に導入された後、矢印Ｂ方向に流通する。この冷却媒体は、電解質膜・電極構造体２４を冷却した後、冷却媒体出口連通孔４２ｂから排出される。

上記のように、燃料電池システム１０の発電運転が行われている際、制御装置２２では、電解質膜・電極構造体２４に直接装着された各過酸化水素濃度検出センサ６０による検出電流から算出される過酸化水素濃度を計測及び把握している。過酸化水素濃度検出センサ６０は、過酸化水素濃度を計測する面に当接させており、金属触媒６４の他端部６４ｂの電位を計測することにより、過酸化水素濃度を計測する。

過酸化水素濃度検出センサ６０は、１つのＭＥＡに１個又は複数個を配置しており、その中、検出された最も変化の大きい過酸化水素濃度が採用される。発電条件によって、最も変化の大きい電解質膜・電極構造体２４の場所が異なる。また、経験的に、過酸化水素濃度を最も効率よく検出できる場所の一カ所にのみ、過酸化水素濃度検出センサ６０を配置してもよい。なお、最も高濃度の値を用いてもよい。

ここで、過酸化水素濃度（Ｈ₂Ｏ₂％）と電位（燃料電池電圧）とは、図１０に示す関係を有している。例えば、低電位域では、過酸化水素の生成が増加する。制御装置２２では、検出された過酸化水素濃度に基づいて、燃料電池システム１０の制御が行われる。

この場合、第１の実施形態では、図４及び図５に示すように、過酸化水素濃度検出センサ６０は、長尺な微小薄膜からなる金属触媒６４が、第１絶縁被膜６６ａ及び第２絶縁被膜６６ｂにより被膜されている。そして、金属触媒６４の一端部６４ａには、イオン交換成分を含む塗布層６８が形成されている。

このため、過酸化水素濃度検出センサ６０では、過酸化水素濃度を検出するセンサ部は、良好に微小化されている。従って、特に電解質膜・電極構造体２４の微小領域における過酸化水素濃度の測定を良好且つ正確に遂行することが可能になるという効果が得られる。これにより、過酸化水素濃度検出センサ６０全体の小型化が容易に遂行できる。

しかも、金属触媒６４は、イオン交換膜６２の表面に塗布されている。このため、金属触媒６４の使用量が可及的に低減され、過酸化水素濃度検出センサ６０を経済的に製造することが可能になるという利点がある。

図１１及び図１２に示すように、本発明の第２の実施形態に係る燃料電池用過酸化水素濃度検出センサ７０は、図示しない燃料電池システムに組み込まれる。なお、第１の実施形態に係る過酸化水素濃度検出センサ６０と同一の構成要素には、同一の参照符号を付して、その詳細な説明は省略する。また、以下に説明する第３以降の実施形態においても同様に、その詳細な説明は、省略する。

過酸化水素濃度検出センサ７０は、金属触媒６４の一端部６４ａと他端部６４ｂとを第２絶縁被膜６６ｂから外部に露呈して、前記金属触媒６４を挟持する第１絶縁被膜６６ｃ及び前記第２絶縁被膜６６ｂを設ける。第１絶縁被膜６６ｃは、金属触媒６４の一端部６４ａ側から前記金属触媒６４の他端部６４ｂ側の全面を覆う。具体的には、第１絶縁被膜６６ｃは、イオン交換膜６２と略同一の大きさ（外形寸法）に設定される。金属触媒６４の一端部６４ａと塗布層６８とにより、センサ部が構成される。

図１３及び図１４に示すように、本発明の第３の実施形態に係る燃料電池用過酸化水素濃度検出センサ８０は、図示しない燃料電池システムに組み込まれる。

過酸化水素濃度検出センサ８０は、金属触媒６４の他端部６４ｂを外部に露呈して、前記金属触媒６４を挟持する第１絶縁被膜６６ａ及び第２絶縁被膜６６ｄを設ける。第２絶縁被膜６６ｄは、金属触媒６４の一端部６４ａ側の表面を覆い、且つ、前記金属触媒６４の他端部６４ｂ側を外部に露呈する。金属触媒６４の一端部６４ａとイオン交換膜６２の一端部とにより、センサ部が構成される。

図１５及び図１６に示すように、本発明の第４の実施形態に係る燃料電池用過酸化水素濃度検出センサ９０は、図示しない燃料電池システムに組み込まれる。

過酸化水素濃度検出センサ９０は、金属触媒６４の他端部６４ｂを外部に露呈して、前記金属触媒６４を挟持する第１絶縁被膜６６ｅ及び第２絶縁被膜６６ｆを設ける。

第１絶縁被膜６６ｅは、金属触媒６４の一端部６４ａ側から前記金属触媒６４の他端部６４ｂ側の全面を覆うとともに、前記一端部６４ａ側に孔部９２ａを設ける。孔部９２ａには、イオン交換成分を含む塗布層６８ａが形成される。第２絶縁被膜６６ｆは、金属触媒６４の一端部６４ａ側の表面を覆い、且つ、前記金属触媒６４の他端部６４ｂ側を外部に露呈するとともに、前記一端部６４ａ側に孔部９２ｂを設ける。孔部９２ｂには、イオン交換成分を含む塗布層６８ｂが形成される。孔部形状は、四角に限定されるものではなく、例えば、丸形や楕円等の種々の形状でもよい。

塗布層６８ｂは、塗布層６８ａと積層方向に同一位置に配置される。塗布層６８ａ、６８ｂと金属触媒６４の一端部６４ａとにより、センサ部が構成される。

図１７及び図１８に示すように、本発明の第５の実施形態に係る燃料電池用過酸化水素濃度検出センサ１００は、図示しない燃料電池システムに組み込まれる。

過酸化水素濃度検出センサ１００は、金属触媒６４の他端部６４ｂを外部に露呈して、前記金属触媒６４を挟持する第１絶縁被膜６６ｃ及び第２絶縁被膜６６ｆを設ける。

過酸化水素濃度検出センサ１００では、第２絶縁被膜６６ｆが形成された孔部９２ｂにイオン交換成分を含む塗布層６８ｂが形成される。塗布層６８ｂと金属触媒６４の一端部６４ａとにより、センサ部が構成される。

このように構成される過酸化水素濃度検出センサ１００を製造する製造方法について、以下に説明する。

先ず、図１９に示すように、イオン交換膜６２の上面には、複数本の金属触媒６４が、例えば、スクリーン印刷等により塗布される。各金属触媒６４は、イオン交換膜６２上に並列されるとともに、一端部６４ａ側が前記イオン交換膜６２の一端部と同一位置に配置されるとともに、他端部６４ｂ側が前記イオン交換膜６２の他端部と同一位置に配置される。

次に、図２０に示すように、イオン交換膜６２の下面（金属触媒６４とは反対の面）には、第１絶縁被膜６６ｃが設けられる。第１絶縁被膜６６ｃは、金属触媒６４の一端部６４ａ側から前記金属触媒６４の他端部６４ｂ側の全面を覆う。なお、第１絶縁被膜６６ｃは、一端部６４ａの先端から外方に突出することが好ましい。

さらに、図２１に示すように、イオン交換膜６２の上面には、金属触媒６４の一端部６４ａ側の表面を覆い、且つ、前記金属触媒６４の他端部６４ｂ側を外部に露呈して第２絶縁被膜６６ｆが設けられる。そして、図２２に示すように、第２絶縁被膜６６ｆには、金属触媒６４の一端部６４ａに対応して複数個の孔部９２ｂが形成される。孔部９２ｂは、組み立て前に予め開口しており、各孔部９２ｂには、塗布層６８ｂが形成されることにより、それぞれセンサ部を構成している。このため、複数本の過酸化水素濃度検出センサ１００が一体に製造され、その後、各過酸化水素濃度検出センサ１００は、切断により分離される。なお、孔部９２ｂの形状は、四角に限定されるものではなく、例えば、丸形や楕円等の種々の形状でもよい。

このように構成される第２〜第５の実施形態では、上記の第１の実施形態と同様の効果が得られる。

図２３及び図２４に示すように、本発明の第６の実施形態に係る燃料電池用過酸化水素濃度検出センサ１１０は、図示しない燃料電池システムに組み込まれる。

過酸化水素濃度検出センサ１１０は、幅広なイオン交換膜６２ｗの表面に、平板状の複数個の金属触媒６４Ａ〜６４Ｅが互いに並列して設けられる。金属触媒６４Ａ〜６４Ｅは、幅広な第１絶縁被膜６６Ａ及び第２絶縁被膜６６Ｂにより一体的に挟持される。第１絶縁被膜６６Ａは、金属触媒６４Ａ〜６４Ｅの各一端部６４ａ側から前記金属触媒６４Ａ〜６４Ｅの各他端部６４ｂ側の表面を覆う。

第２絶縁被膜６６Ｂは、金属触媒６４Ａ〜６４Ｅの各一端部６４ａ側の表面を覆い、且つ、前記金属触媒６４Ａ〜６４Ｅの各他端部６４ｂ側を外部に露呈し、イオン交換膜６２ｗの表面に設けられる。第２絶縁被膜６６Ｂには、複数の開口部１１２ａ、１１２ｂ、１１２ｃ、１１２ｄ及び１１２ｅが、金属触媒６４Ａ〜６４Ｅの並列方向（長さ方向Ｌに交差する幅方向Ｔ）に沿って段差状に形成される。

開口部１１２ａ〜１１２ｅは、開口形状矩形の他、開口形状円形等、種々の形状を用いることができる。開口部１１２ａ、１１２ｂ、１１２ｃ、１１２ｄ及び１１２ｅには、イオン交換成分の塗布層６８Ａ、６８Ｂ、６８Ｃ、６８Ｄ及び６８Ｅが形成されることにより、複数個のセンサ部が構成される。なお、第１絶縁被膜６６Ａにも、開口部を設けて塗布層を形成してもよい。

このように構成される第６の実施形態では、各センサ部である塗布層６８Ａ、６８Ｂ、６８Ｃ、６８Ｄ及び６８Ｅ同士を可及的に近接して配置することが可能になる。これにより、複数個のセンサ部を用いて、電解質膜・電極構造体２４の微小箇所の過酸化水素濃度及び濃度分布を詳細且つ正確に分析することができるという効果が得られる。しかも、塗布層６８Ａ、６８Ｂ、６８Ｃ、６８Ｄ及び６８Ｅは、段差状に配置されているため、隣り合う前記塗布層６８Ａ、６８Ｂ、６８Ｃ、６８Ｄ及び６８Ｅの幅を十分に確保することが可能になる。

１０…燃料電池システム １２…燃料電池
１４…燃料電池スタック １６…酸化剤ガス供給装置
１８…燃料ガス供給装置 ２０…冷却媒体供給装置
２２…制御装置 ２４…電解質膜・電極構造体
２６、２８…セパレータ ３０…固体高分子電解質膜
３２…アノード電極 ３４…カソード電極
３８ａ…酸化剤ガス入口連通孔 ３８ｂ…酸化剤ガス出口連通孔
４０ａ…燃料ガス入口連通孔 ４０ｂ…燃料ガス出口連通孔
４２ａ…冷却媒体入口連通孔 ４２ｂ…冷却媒体出口連通孔
４６…酸化剤ガス流路 ４８…燃料ガス流路
５０…冷却媒体流路 ６０、７０、８０、９０、１００、１１０…過酸化水素濃度検出センサ
６２…イオン交換膜 ６４、６４Ａ〜６４Ｅ…金属触媒
６４ａ…一端部 ６４ｂ…他端部
６６ａ〜６６ｆ、６６Ａ、６６Ｂ…絶縁被膜
６８、６８ａ、６８ｂ…塗布層 ９２ａ、９２ｂ…孔部
１１２ａ〜１１２ｅ…開口部

Claims (7)

1. アノード電極とカソード電極との間に電解質膜を挟持する電解質膜・電極構造体と、セパレータとが積層される燃料電池において、前記電解質膜・電極構造体中の過酸化水素濃度を検出する燃料電池用過酸化水素濃度検出センサであって、
   前記燃料電池用過酸化水素濃度検出センサは、イオン交換膜の表面に平板状の金属触媒が設けられるとともに、前記金属触媒の一端部と他端部とを外部に露呈して、該金属触媒が一対の絶縁被膜により挟持され、
   前記金属触媒の前記一端部には、イオン交換成分を含む塗布層が形成されることを特徴とする燃料電池用過酸化水素濃度検出センサ。
2. 請求項１記載の燃料電池用過酸化水素濃度検出センサにおいて、前記一対の絶縁被膜を構成し前記イオン交換膜に積層される第１絶縁被膜は、前記金属触媒の前記一端部側を外部に露呈し、且つ、前記金属触媒の前記他端部側の表面を覆う一方、
   前記一対の絶縁被膜を構成し前記金属触媒に積層される第２絶縁被膜は、前記金属触媒の前記一端部側及び前記金属触媒の前記他端部側を外部に露呈することを特徴とする燃料電池用過酸化水素濃度検出センサ。
3. 請求項１記載の燃料電池用過酸化水素濃度検出センサにおいて、前記一対の絶縁被膜を構成し前記イオン交換膜に積層される第１絶縁被膜は、前記金属触媒の前記一端部側から前記金属触媒の前記他端部側の表面を覆う一方、
   前記一対の絶縁被膜を構成し前記金属触媒に積層される第２絶縁被膜は、前記金属触媒の前記一端部側及び前記金属触媒の前記他端部側を外部に露呈することを特徴とする燃料電池用過酸化水素濃度検出センサ。
4. 請求項１記載の燃料電池用過酸化水素濃度検出センサにおいて、前記一対の絶縁被膜を構成し前記イオン交換膜に積層される第１絶縁被膜は、前記金属触媒の前記一端部側を外部に露呈し、且つ、前記金属触媒の前記他端部側の表面を覆う一方、
   前記一対の絶縁被膜を構成し前記金属触媒に積層される第２絶縁被膜は、前記金属触媒の前記一端部側の表面を覆い、且つ、前記金属触媒の前記他端部側を外部に露呈することを特徴とする燃料電池用過酸化水素濃度検出センサ。
5. 請求項１記載の燃料電池用過酸化水素濃度検出センサにおいて、前記一対の絶縁被膜を構成し前記イオン交換膜に積層される第１絶縁被膜は、前記金属触媒の前記一端部側から前記金属触媒の前記他端部側の表面を覆う一方、
   前記一対の絶縁被膜を構成し前記金属触媒に積層される第２絶縁被膜は、前記金属触媒の前記一端部側の表面を覆い、且つ、前記金属触媒の前記他端部側を外部に露呈するとともに、
   少なくとも前記第２絶縁被膜には、前記塗布層を設けるための開口部が形成されることを特徴とする燃料電池用過酸化水素濃度検出センサ。
6. 請求項１記載の燃料電池用過酸化水素濃度検出センサにおいて、前記イオン交換膜の表面には、複数本の前記金属触媒が互いに並列して設けられるとともに、
   前記一対の絶縁被膜を構成し前記イオン交換膜に積層される第１絶縁被膜は、前記金属触媒の前記一端部側から前記金属触媒の前記他端部側の表面を覆う一方、
   前記一対の絶縁被膜を構成し前記金属触媒に積層される第２絶縁被膜は、前記金属触媒の前記一端部側の表面を覆い、且つ、前記金属触媒の前記他端部側を外部に露呈し、
   少なくとも前記第２絶縁被膜には、前記塗布層を設けるための複数の開口部が、前記金属触媒の並列方向に沿って段差状に形成されることを特徴とする燃料電池用過酸化水素濃度検出センサ。
7. アノード電極とカソード電極との間に電解質膜を挟持する電解質膜・電極構造体と、セパレータとが積層される燃料電池において、前記電解質膜・電極構造体中の過酸化水素濃度を検出する燃料電池用過酸化水素濃度検出センサの製造方法であって、
   イオン交換膜の表面に平板状の金属触媒を設ける工程と、
   前記金属触媒の一端部と他端部とを外部に露呈して、該金属触媒を一対の絶縁被膜で挟持する工程と、
   前記金属触媒の前記一端部に、イオン交換成分を含む塗布層を形成する工程と、
   を有することを特徴とする燃料電池用過酸化水素濃度検出センサの製造方法。

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