(57)【要約】【課題】  ガス流路内のセパレータ近傍、中央及び触媒層・拡散層近傍の水分量を個別に測定することが可能な燃料電池及び水分量測定装置を実現する。【解決手段】  水素と酸素とを化学反応させることにより発電を行う燃料電池において、電解質膜と、この電解質膜の両面に形成される第１及び第２の触媒層・拡散層と、第１の触媒層・拡散層に形成される燃料ガスのガス流路と、第２の触媒層・拡散層に形成される酸化ガスのガス流路と、第１及び第２の触媒層・拡散層、各ガス流路上にそれぞれ形成される第１及び第２のセパレータと、セパレータ内であってガス流路の短手方向の両端に表面を絶縁部材で覆われそれぞれ互いに対向するように形成された複数の電極から構成される複数の電極群とを設ける。【選択図】                    図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
水素と酸素とを化学反応させることにより発電を行う燃料電池において、
電解質膜と、
この電解質膜の両面に形成される第１及び第２の触媒層・拡散層と、
前記第１の触媒層・拡散層に形成される燃料ガスのガス流路と、
前記第２の触媒層・拡散層に形成される酸化ガスのガス流路と、
前記第１及び第２の触媒層・拡散層、前記各ガス流路上にそれぞれ形成される第１及び第２のセパレータと、
前記セパレータ内であって前記ガス流路の短手方向の両端に表面を絶縁部材で覆われそれぞれ互いに対向するように形成された複数の電極から構成される複数の電極群と
を備えたことを特徴とする燃料電池。
【請求項２】
前記電極群が、
表面を前記絶縁部材で覆われた３つの電極から構成されたことを特徴とする
請求項１記載の燃料電池。
【請求項３】
前記電極群が、
前記ガス流路の長手方向に複数に分割されたことを特徴とする
請求項１若しくは請求項２記載の燃料電池。
【請求項４】
前記絶縁部材に起因する静電容量値が測定対象の静電容量値に近づくように前記絶縁部材の前記ガス流路側の厚さを決定したことを特徴とする
請求項１若しくは請求項２記載の燃料電池。
【請求項５】
水素と酸素とを化学反応させることにより発電を行う燃料電池の水分量測定装置において、
電解質膜と、
この電解質膜の両面に形成される第１及び第２の触媒層・拡散層と、
前記第１の触媒層・拡散層に形成される燃料ガスのガス流路と、
前記第２の触媒層・拡散層に形成される酸化ガスのガス流路と、
前記第１及び第２の触媒層・拡散層、前記各ガス流路上にそれぞれ形成される第１及び第２のセパレータと、
前記セパレータ内であって前記ガス流路の短手方向の両端に表面を絶縁部材で覆われそれぞれ互いに対向するように形成された複数の電極から構成される複数の電極群と、
それぞれ対向する前記電極間の静電容量を測定する静電容量測定手段と
を備えたことを特徴とする水分量測定装置。
【請求項６】
前記電極群が、
表面を前記絶縁部材で覆われた３つの電極から構成されたことを特徴とする
請求項５記載の水分量測定装置。
【請求項７】
前記電極群が、
前記ガス流路の長手方向に複数に分割されたことを特徴とする
請求項５若しくは請求項６記載の水分量測定装置。
【請求項８】
前記絶縁部材に起因する静電容量値が測定対象の静電容量値に近づくように前記絶縁部材の前記ガス流路側の厚さを決定したことを特徴とする
請求項５若しくは請求項６記載の水分量測定装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、水素と酸素とを化学反応させることにより発電を行う燃料電池に関し、特にガス流路内のセパレータ近傍、中央及び触媒層・拡散層近傍の水分量を個別に測定することが可能な燃料電池及び水分量測定装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来の水素と酸素とを化学反応させることにより発電を行う燃料電池に関連する先行技術文献としては次のようなものがある。
【０００３】
【特許文献１】特開２００３−０５１３１８号公報
【特許文献２】特開２００４−１４６２３６号公報
【特許文献３】特開２００４−１４６２６７号公報
【０００４】
図５は従来の燃料電池システムの一例を示す構成ブロック図である。図５において１は電解質膜、２及び３は触媒層・拡散層である。電解質膜１の両面には触媒層・拡散層２及び触媒層・拡散層３がそれぞれ形成される。
【０００５】
図５中”ＦＧ０１”に示すように燃料ガス（例えば、水素等）が触媒層・拡散層２に供給され、図５中”ＯＧ０１”に示すように酸化ガス（例えば、酸素や空気等）が触媒層・拡散層３に供給される。
【０００６】
ここで、図５に示す従来例の動作を説明する。触媒層・拡散層２側（アノード側）では水素が水素イオン（Ｈ＋ ）になり電子（ｅ− ）を放出し、一方、触媒層・拡散層３側（カソード側）では電解質膜１を伝播してきた水素イオン（Ｈ＋ ）と酸素原子が電子（ｅ− ）と反応して水（Ｈ２Ｏ ）が生成される。
【０００７】
この時、触媒層・拡散層２（アノード側）及び触媒層・拡散層３（カソード側）間の外部負荷を接続することにより、触媒層・拡散層２側（アノード側）で発生した電子（ｅ− ）を取り出す、言い換えれば、直流電流を取り出すことが可能になる。
【０００８】
また、図６及び図７はより具体的な従来の燃料電池の一例を示す断面図である。図６は燃料電池の電解質膜に対して垂直な面における断面図、図７は燃料電池におけるガス流路に平行な面における断面図である。
【０００９】
図６において４は電解質膜、５はアノード側の触媒層・拡散層、６はカソード側の触媒層・拡散層、７はアノード側に形成された燃料ガス（例えば、水素等）のガス流路、８はカソード側に形成された酸化ガス（酸素や空気等）のガス流路、９はアノード側に形成された導電性を有するセパレータ、１０はカソード側に形成された導電性を有するセパレータである。
【００１０】
電解質膜４の両面には触媒層・拡散層５及び触媒層・拡散層６がそれぞれ形成される。また、触媒層・拡散層５の上には燃料ガス（例えば、水素等）のガス流路７が形成され、触媒層・拡散層６の上には酸化ガス（例えば、酸素や空気等）のガス流路８が形成される。
【００１１】
例えば、ガス流路７及びガス流路８は図７中”ＧＴ１１”に示すように触媒層・拡散層５及び触媒層・拡散層６上を蛇行するように形成されている。
【００１２】
さらに、ガス流路７が形成されていない触媒層・拡散層５及びガス流路７の上にはセパレータ９が形成され、ガス流路８が形成されていない触媒層・拡散層６及びガス流路８の上にはセパレータ１０が形成される。
【００１３】
ここで、図６及び図７に示す従来例の動作を説明する。ガス流路７には燃料ガス（例えば、水素等）が供給され、ガス流路８には酸化ガス（例えば、酸素や空気等）が供給される。例えば、図７中”ＩＮ１１”に示す供給口から各ガスが供給され、図７中”ＯＴ１１”に示す排気口から反応しなかったガス等が放出される。
【００１４】
アノード側の触媒層・拡散層５では水素が水素イオン（Ｈ＋ ）になり電子（ｅ− ）を放出し、一方、カソード側の触媒層・拡散層６側では電解質膜４を伝播してきた水素イオン（Ｈ＋ ）と酸素原子が電子（ｅ− ）と反応して水（Ｈ２Ｏ ）が生成される。
【００１５】
この時、アノード側の触媒層・拡散層５及びカソード側の触媒層・拡散層６（具体的には、セパレータ９とセパレータ１０）と間の外部負荷を接続することにより、アノード側の触媒層・拡散層５で発生した電子（ｅ− ）を取り出す、言い換えれば、直流電流を取り出すことが可能になる。
【００１６】
但し、電解質膜４を伝播してきた水素イオン（Ｈ＋ ）と酸素原子が電子（ｅ− ）と反応して生成される水（Ｈ２Ｏ ）の水分量は燃料電池の特性に大きく影響を及ぼすものであり、「特許文献２」には燃料電池内部の水分量を測定する手段を設けた燃料電池が記載されている。
【００１７】
具体的には、ガス流路に対向した２つの電極を配置して、２つの電極の静電容量を測定して水分量を算出したり、拡散層部分、或いは、電解質部分に対向した２つの電極を配置して、２つの電極の静電容量を測定して水分量を算出したりする例が記載されている。
【００１８】
また、燃料電池ではガス流路内のセパレータ近傍、中央及び触媒層・拡散層近傍のそれぞれの部分に個々に水滴が発生する可能性があり、燃料電池の水分量の測定においては、ガス流路内のセパレータ近傍、中央及び触媒層・拡散層近傍の水分量を個別に測定する必要性がある。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１９】
しかし、「特許文献２」に記載された従来例では、対向した電極が形成されている部分の水分量しか測定することができず、ガス流路内のセパレータ近傍、中央及び触媒層・拡散層近傍の水分量を個別に測定することができないと言った問題点があった。
従って本発明が解決しようとする課題は、ガス流路内のセパレータ近傍、中央及び触媒層・拡散層近傍の水分量を個別に測定することが可能な燃料電池及び水分量測定装置を実現することにある。
【課題を解決するための手段】
【００２０】
このような課題を達成するために、本発明のうち請求項１記載の発明は、
水素と酸素とを化学反応させることにより発電を行う燃料電池において、
電解質膜と、この電解質膜の両面に形成される第１及び第２の触媒層・拡散層と、前記第１の触媒層・拡散層に形成される燃料ガスのガス流路と、前記第２の触媒層・拡散層に形成される酸化ガスのガス流路と、前記第１及び第２の触媒層・拡散層、前記各ガス流路上にそれぞれ形成される第１及び第２のセパレータと、前記セパレータ内であって前記ガス流路の短手方向の両端に表面を絶縁部材で覆われそれぞれ互いに対向するように形成された複数の電極から構成される複数の電極群とを備えたことにより、ガス流路内のセパレータ近傍、中央及び触媒層・拡散層近傍の水分量を個別に測定することが可能になる。
【００２１】
請求項２記載の発明は、
請求項１記載の発明である燃料電池において、
前記電極群が、
表面を前記絶縁部材で覆われた３つの電極から構成されたことにより、ガス流路内のセパレータ近傍、中央及び触媒層・拡散層近傍の水分量を個別に測定することが可能になる。
【００２２】
請求項３記載の発明は、
請求項１若しくは請求項２記載の発明である燃料電池において、
前記電極群が、
前記ガス流路の長手方向に複数に分割されたことにより、ガス流路内のセパレータ近傍、中央及び触媒層・拡散層近傍の水分量をガス流路の長手方向に沿って分割して測定することが可能になる。
【００２３】
請求項４記載の発明は、
請求項１若しくは請求項２記載の発明である燃料電池において、
前記絶縁部材に起因する静電容量値が測定対象の静電容量値に近づくように前記絶縁部材の前記ガス流路側の厚さを決定したことにより、ガス流路内のセパレータ近傍、中央及び触媒層・拡散層近傍の水分量を高感度に測定することが可能になる。
【００２４】
請求項５記載の発明は、
水素と酸素とを化学反応させることにより発電を行う燃料電池の水分量測定装置において、
電解質膜と、この電解質膜の両面に形成される第１及び第２の触媒層・拡散層と、前記第１の触媒層・拡散層に形成される燃料ガスのガス流路と、前記第２の触媒層・拡散層に形成される酸化ガスのガス流路と、前記第１及び第２の触媒層・拡散層、前記各ガス流路上にそれぞれ形成される第１及び第２のセパレータと、前記セパレータ内であって前記ガス流路の短手方向の両端に表面を絶縁部材で覆われそれぞれ互いに対向するように形成された複数の電極から構成される複数の電極群と、それぞれ対向する前記電極間の静電容量を測定する静電容量測定手段とを備えたことにより、ガス流路内のセパレータ近傍、中央及び触媒層・拡散層近傍の水分量を個別に測定することが可能になる。
【００２５】
請求項６記載の発明は、
請求項５記載の発明である水分量測定装置において、
前記電極群が、
表面を前記絶縁部材で覆われた３つの電極から構成されたことにより、ガス流路内のセパレータ近傍、中央及び触媒層・拡散層近傍の水分量を個別に測定することが可能になる。
【００２６】
請求項７記載の発明は、
請求項５若しくは請求項６記載の発明である水分量測定装置において、
前記電極群が、
前記ガス流路の長手方向に複数に分割されたことにより、ガス流路内のセパレータ近傍、中央及び触媒層・拡散層近傍の水分量をガス流路の長手方向に沿って分割して測定することが可能になる。
【００２７】
請求項８記載の発明は、
請求項５若しくは請求項６記載の発明である水分量測定装置において、
前記絶縁部材に起因する静電容量値が測定対象の静電容量値に近づくように前記絶縁部材の前記ガス流路側の厚さを決定したことにより、ガス流路内のセパレータ近傍、中央及び触媒層・拡散層近傍の水分量を高感度に測定することが可能になる。
【発明の効果】
【００２８】
本発明によれば次のような効果がある。
請求項１，２，５及び請求項６の発明によれば、セパレータ内であってガス流路の短手方向の両端に、表面を絶縁部材で覆われた複数の電極から構成される電極群をそれぞれ互いに対向するように形成し、それぞれ対向する電極間の静電容量を測定することにより、ガス流路内のセパレータ近傍、中央及び触媒層・拡散層近傍の水分量を個別に測定することが可能になる。
【００２９】
また、請求項３及び請求項７の発明によれば、電極群を長手方向に複数に分割することにより、ガス流路内のセパレータ近傍、中央及び触媒層・拡散層近傍の水分量をガス流路の長手方向に沿って分割して測定することが可能になる。
【００３０】
また、請求項４及び請求項８の発明によれば、絶縁部材に起因する静電容量が測定対象の静電容量値に近づくようにガス流路側の絶縁部材の厚さを決定することにより、ガス流路内のセパレータ近傍、中央及び触媒層・拡散層近傍の水分量を高感度に測定することが可能になる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３１】
以下本発明を図面を用いて詳細に説明する。図１及び図２は本発明に係る燃料電池の一実施例を示す断面図である。図１は燃料電池の電解質膜に対して垂直な面における断面図、図２は燃料電池におけるガス流路に平行な面における断面図である。
【００３２】
図１において、１１は電解質膜、１２はアノード側の触媒層・拡散層、１３はカソード側の触媒層・拡散層、１４はアノード側に形成された燃料ガス（例えば、水素等）のガス流路、１５はカソード側に形成された酸化ガス（酸素や空気等）のガス流路である。また、１６はアノード側に形成された導電性を有するセパレータ、１７はカソード側に形成された導電性を有するセパレータである。
【００３３】
さらに、１８，１９，２０，２１，２２，２３，２４，２５，２６，２７，２８，２９，３０，３１，３２，３３，３４，３５，３６及び３７は表面を絶縁部材で覆われた複数の電極から構成される電極群である。
【００３４】
電解質膜１１の両面には触媒層・拡散層１２及び触媒層・拡散層１３がそれぞれ形成される。また、触媒層・拡散層１２の上には燃料ガス（例えば、水素等）のガス流路１４が形成され、触媒層・拡散層１３の上には酸化ガス（例えば、酸素や空気等）のガス流路１５が形成される。
【００３５】
例えば、ガス流路１４及びガス流路１５は図２中”ＧＴ２１”に示すように触媒層・拡散層１２及び触媒層・拡散層１３上を蛇行するように形成されている。
【００３６】
また、ガス流路１４が形成されていない触媒層・拡散層１２及びガス流路１４上にはセパレータ１６が形成され、ガス流路１５が形成されていない触媒層・拡散層１３及びガス流路１５上にはセパレータ１７が形成される。
【００３７】
さらに、セパレータ１６内であってガス流路１４の短手方向の両端には電極群１８及び電極群１９、電極群２０及び電極群２１、電極群２２及び電極群２３、電極群２４及び電極群２５、電極群２６及び電極群２７がそれぞれ互いに対向するように形成される。
【００３８】
同様に、セパレータ１７内であってガス流路１５の短手方向の両端には電極群２８及び電極群２９、電極群３０及び電極群３１、電極群３２及び電極群３３、電極群３４及び電極群３５、電極群３６及び電極群３７がそれぞれ互いに対向するように形成される。
【００３９】
例えば、ガス流路１４若しくはガス流路１５の短手方向の両端には図２中”ＥＤ２１”及び”ＥＤ２２”、”ＥＤ２３”及び”ＥＤ２４”、”ＥＤ２５”及び”ＥＤ２６”、”ＥＤ２７”及び”ＥＤ２８”、”ＥＤ２９”及び”ＥＤ２１０”に示すような電極群がそれぞれ互いに対向するように形成される。
【００４０】
ここで、図１及び図２に示す実施例の動作を図３及び図４を用いて説明する。図３及び図４は実施例における電極群の詳細を示すガス流路１５付近の拡大図である。
【００４１】
図３において互いに対向する一方の電極群は、表面を図３中”ＩＳ３１”に示す絶縁部材で覆われた図３中”ＥＤ３１”、”ＥＤ３３”及び”ＥＤ３５”に示す３つの電極から構成され、同様に、他方の電極群は、表面を図３中”ＩＳ３２”に示す絶縁部材で覆われた図３中”ＥＤ３２”、”ＥＤ３４”及び”ＥＤ３６”に示す３つの電極から構成される。
【００４２】
また、図３中”ＥＤ３１”及び”ＥＤ３２”はガス流路内の触媒層・拡散層近傍の静電容量を測定するための電極対、図３中”ＥＤ３３”及び”ＥＤ３４”はガス流路内の中央の静電容量を測定するための電極対、図３中”ＥＤ３５”及び”ＥＤ３６”はガス流路内のセパレータ近傍の静電容量を測定するための電極対である。
【００４３】
ガス流路１４には燃料ガス（例えば、水素等）が供給され、ガス流路１５には酸化ガス（例えば、酸素や空気等）が供給される。
【００４４】
例えば、図２中”ＩＮ２１”に示す供給口から燃料ガスや酸化ガスが供給され、図２中”ＯＴ２１”に示す排気口から反応しなかったガス等が放出される。
【００４５】
アノード側の触媒層・拡散層１２では水素が水素イオン（Ｈ＋ ）になり電子（ｅ− ）を放出し、一方、カソード側の触媒層・拡散層１３側では電解質膜１１を伝播してきた水素イオン（Ｈ＋ ）と酸素原子が電子（ｅ− ）と反応して水（Ｈ２Ｏ ）が生成される。
【００４６】
この時、アノード側の触媒層・拡散層１２及びカソード側の触媒層・拡散層１３（具体的には、セパレータ１６とセパレータ１７）と間の外部負荷（図示せず。）を接続することにより、アノード側の触媒層・拡散層１２で発生した電子（ｅ− ）を取り出す、言い換えれば、直流電流を取り出すことが可能になる。
【００４７】
このような燃料電池の動作状態（発電状態）において、第１の静電容量測定手段（図示せず。）で図４中”ＥＤ３１”に示す電極及び図４中”ＥＤ３２”に示す電極の間の静電容量を測定する。
【００４８】
例えば、このような第１の静電容量測定手段の測定によって、図４中”ＡＲ３１”に示すようなガス流路内の触媒層・拡散層近傍の静電容量が測定される。
【００４９】
同様に、第２の静電容量測定手段（図示せず。）で図４中”ＥＤ３３”に示す電極及び図４中”ＥＤ３４”に示す電極の間の静電容量を、第３の静電容量測定手段（図示せず。）で図４中”ＥＤ３５”に示す電極及び図４中”ＥＤ３６”に示す電極の間の静電容量をそれぞれ測定する。
【００５０】
また、例えば、このような第２及び第３の静電容量測定手段の測定によって、図４中”ＡＲ３２”及び”ＡＲ３３”に示すようなガス流路内の中央及びセパレータ近傍の静電容量がそれぞれ測定されることになる。
【００５１】
この結果、セパレータ内であってガス流路の短手方向の両端に、表面を絶縁部材で覆われた３つの電極から構成される電極群をそれぞれ互いに対向するように形成し、それぞれ対向する電極間の静電容量を測定することにより、ガス流路内のセパレータ近傍、中央及び触媒層・拡散層近傍の水分量を個別に測定することが可能になる。
【００５２】
なお、図１等に示す実施例では、電極群が表面を絶縁部材で覆われた３つの電極から構成されると例示してるが、勿論、表面を絶縁部材で覆われた複数の電極から電極群を構成しても構わない。
【００５３】
また、複数の電極の表面を覆っている絶縁部材としては、水分や湿度の影響を受けない絶縁部材を使用する。
【００５４】
また、対向する電極間距離を”Ｄ［ｍ］”、絶縁部材の誘電率を”ε１［Ｆ／ｍ］”、測定対象の誘電率を”ε２［Ｆ／ｍ］”とした場合、ガス流路側の絶縁部材の厚さ”ｄ［ｍ］”を、
ｄ＝Ｄ×（ε１／ε２）      （１）
としても構わない。
【００５５】
この場合には、ガス流路側の絶縁部材の厚さを式（１）を満足するように形成することにより、言い換えれば、絶縁部材に起因する静電容量値が測定対象の静電容量値に近づくようにガス流路側の絶縁部材の厚さを決定することにより、ガス流路内のセパレータ近傍、中央及び触媒層・拡散層近傍の水分量を高感度に測定することが可能になる。
【００５６】
また、図１及び図２に示す実施例では、電極群を図２中”ＥＤ２１”等に示すように１本の電極群として例示しているが、勿論、当該電極群をガス流路の長手方向に複数に分割しても構わない。
【００５７】
この場合には、ガス流路内のセパレータ近傍、中央及び触媒層・拡散層近傍の水分量をガス流路の長手方向に沿って分割して測定することが可能になる。
【００５８】
また、図１及び図２に示す実施例では、ガス流路を触媒層・拡散層上を蛇行するように形成されているが、勿論、この形状に限定されるものではなく、直線状のガス流路であっても複数のガス流路から構成されるものあっても構わない。
【図面の簡単な説明】
【００５９】
【図１】本発明に係る燃料電池の一実施例を示す断面図である。
【図２】本発明に係る燃料電池の一実施例を示す断面図である。
【図３】電極群の詳細を示すガス流路付近の拡大図である。
【図４】電極群の詳細を示すガス流路付近の拡大図である。
【図５】従来の燃料電池システムの一例を示す構成ブロック図である。
【図６】燃料電池の電解質膜に対して垂直な面における断面図である。
【図７】燃料電池におけるガス流路に平行な面における断面図である。
【符号の説明】
【００６０】
１，４，１１  電解質膜
２，３，５，６，１２，１３  触媒層・拡散層
７，８，１４，１５  ガス流路
９，１０，１６，１７  セパレータ
１８，１９，２０，２１，２２，２３，２４，２５，２６，２７，２８，２９，３０，３１，３２，３３，３４，３５，３６，３７  電極群
【図１】
2008123880.tif 000003
【図２】
2008123880.tif 000004
【図３】
2008123880.tif 000005
【図４】
2008123880.tif 000006
【図５】
2008123880.tif 000007
【図６】
2008123880.tif 000008
【図７】
2008123880.tif 000009