(57)【要約】【課題】  簡単な構成で発電中の燃料電池の水分量の測定が可能な燃料電池の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、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、入力端子が第１及び第２の絶縁部材を介して第１及び第２のセパレータにそれぞれ接続される静電容量測定手段とを設ける。【選択図】                    図１
2008027809.tif 000002
【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、
入力端子が第１及び第２の絶縁部材を介して前記第１及び第２のセパレータにそれぞれ接続され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２】
前記第１及び第２の絶縁部材が、
前記静電容量測定手段のプローブの先端、若しくは、前記第１及び第２のセパレータに取り付けられたことを特徴とする
請求項１記載の水分量測定装置。
【請求項３】
前記第１及び第２のセパレータに第１及び第２の取り付け穴をそれぞれ形成し、前記静電容量測定手段のプローブを前記第１及び第２の取り付け穴に挿入し、前記第１及び第２の取り付け穴にと前記プローブとの間に絶縁部材を充填して固定したことを特徴とする
請求項１記載の水分量測定装置。
【請求項４】
前記第１若しくは第２のセパレータの温度を測定する温度測定手段を備え、
前記静電容量測定手段が前記温度測定手段で測定された温度に基づき前記絶縁部材に起因する静電容量値の補償を行うことを特徴とする
請求項１乃至請求項３のいずれかに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の水分量測定装置に関し、特に簡単な構成で発電中の燃料電池の水分量の測定が可能な燃料電池の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２００４−１４６２６７号公報
【０００４】
図３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３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３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３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３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】
但し、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、燃料電池内部の水分量を測定する必要性がある。
【０００９】
水分量の測定方法として、具体的には、燃料電池内部に対向した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、触媒層・拡散層、或いは、電解質膜に対向した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する。
【００１０】
図４、図５及び図６はこのような従来の水分量を測定が可能な燃料電池の一例を示す断面図である。図４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５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（Ａ−Ａ’断面図）、図６は燃料電池における静電容量を計測するための電極に平行な面における断面図（Ｂ−Ｂ’断面図）である。
【００１１】
図４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）のガス流路である。
【００１２】
また、９，１０，１１，１２，１３及び１４は表面を図４中”ＩＬ１１”に示すような絶縁膜で覆われ静電容量を測定するための電極である。さらに、１５はアノード側に形成された導電性を有するセパレータ、１６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。
【００１３】
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。
【００１４】
例えば、ガス流路７及びガス流路８は図５中”ＧＴ２１”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。
【００１５】
また、触媒層・拡散層５及びガス流路７上には、セパレータ１５が形成され、セパレータ１５内には図４中”ＩＬ１１”に示すような絶縁膜で覆われ静電容量を測定するための電極９，１１及び電極１３が形成される。
【００１６】
例えば、電極９，１１及び電極１３は図６中”ＥＤ３１”、”ＥＤ３２”，”ＥＤ３３”、”ＥＤ３４”、”ＥＤ３５”、”ＥＤ３６”、”ＥＤ３７”、”ＥＤ３８”及び”ＥＤ３９”に示すようにセパレータ１５内に大きな面積で均等に形成されている。
【００１７】
一方、触媒層・拡散層６及びガス流路８上には、セパレータ１６が形成され、セパレータ１６内には図４中”ＩＬ１１”に示すような絶縁膜で覆われ静電容量を測定するための電極１０，１２及び電極１４が形成される。
【００１８】
例えば、電極１０，１２及び電極１４は図６中”ＥＤ３１”、”ＥＤ３２”，”ＥＤ３３”、”ＥＤ３４”、”ＥＤ３５”、”ＥＤ３６”、”ＥＤ３７”、”ＥＤ３８”及び”ＥＤ３９”に示すようにセパレータ１６内に大きな面積で均等に形成されている。
【００１９】
ここで、図４乃至図６に示す実施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。
【００２０】
例えば、図５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５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。
【００２１】
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。
【００２２】
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１５とセパレータ１６）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。
【００２３】
同様に、電極９と電極１０との間の静電容量を静電容量測定手段（図示せず。）で測定することにより、電極９と電極１０との間の電解質膜４の水分量を測定することができる。
【００２４】
この時、電極９及び電極１０は、ガス流路７やガス流路８の形状によって電極の配置位置に制約を受けないので、大面積の電極を設けることが可能になる。
【００２５】
この結果、絶縁膜で覆われ静電容量を測定するための電極をセパレータ内に形成することにより、ガス流路の形状によって電極の配置位置に制約を受けず大きな面積の電極を設けることができるので、水分量の測定の感度を向上させることが可能になる。
【００２６】
また、ガス流路と静電容量を測定するための電極が分離されているので、配置した電極自体の腐食対策が不要であり、さらに、電極からの配線（ワイヤリング）に際してガスシールを施すことが不要であり、配線（ワイヤリング）が容易になる。すなわち、燃料電池の作成が容易になる。
【００２７】
なお、電極９〜電極１４は、図４中”ＩＬ１１”に示すように絶縁膜で覆われているが、電極間の静電容量を測定手段（図示せず。）で測定する際には、絶縁膜の静電容量も同時に測定されることになる。
【００２８】
図７はこのような絶縁膜と、電解質膜４、触媒層・拡散層５及び触媒層・拡散層６（電極接合体（ＭＥＡ（Membrane and Electrode Assembly））、以下説明の簡単のために単に電極接合体と呼ぶ。）との静電容量に関する等価回路である。
【００２９】
図７中”ＣＰ４１”は電極接合体の静電容量値”Ｃ２”を有するコンデンサ、図７中”ＣＰ４２”及び”ＣＰ４３”は電極の絶縁膜の静電容量値”Ｃ１”を有するコンデンサである。
【００３０】
図７から分かるように、電極間で測定される静電容量値”Ｃ”は、各絶縁膜に起因する静電容量値”Ｃ１”を有するコンデンサ（図７中”ＣＰ４２”及び”ＣＰ４３”）と、電極接合体の静電容量値”Ｃ２”を有するコンデンサ（図７中”ＣＰ４１”）の直列接続となるので、
１／Ｃ＝１／Ｃ１＋１／Ｃ２＋１／Ｃ１      （１）
なる式を満足する。
【００３１】
この時、各絶縁膜に起因する静電容量値”Ｃ１”は既知であるので、電極接合体内部の水分量変化を静電容量値”Ｃ２”として測定することができる。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００３２】
しかし、図４等に示す従来例では、燃料電池はアノード側及びカソード側の各セパレータ内部に絶縁膜で覆われ静電容量を測定するための複数の電極を形成すると言う複雑な構成であるため、作製が容易ではなく、製造コストが増大してしまう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、簡単な構成で発電中の燃料電池の水分量の測定が可能な燃料電池の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】
【００３３】
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、入力端子が第１及び第２の絶縁部材を介して前記第１及び第２のセパレータにそれぞれ接続される静電容量測定手段とを備えたことにより、簡単な構成で発電中の燃料電池の水分量の測定が可能になる。
【００３４】
請求項２記載の発明は、
請求項１記載の発明である水分量測定装置において、
前記第１及び第２の絶縁部材が、
前記静電容量測定手段のプローブの先端、若しくは、前記第１及び第２のセパレータに取り付けられたことにより、簡単な構成で発電中の燃料電池の水分量の測定が可能になる。
【００３５】
請求項３記載の発明は、
請求項１記載の発明である水分量測定装置において、
前記第１及び第２のセパレータに第１及び第２の取り付け穴をそれぞれ形成し、前記静電容量測定手段のプローブを前記第１及び第２の取り付け穴に挿入し、前記第１及び第２の取り付け穴にと前記プローブとの間に絶縁部材を充填して固定したことにより、簡単な構成で発電中の燃料電池の水分量の測定が可能になる。
【００３６】
請求項４記載の発明は、
請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の発明である水分量測定装置において、
前記第１若しくは第２のセパレータの温度を測定する温度測定手段を備え、
前記静電容量測定手段が前記温度測定手段で測定された温度に基づき前記絶縁部材に起因する静電容量値の補償を行うことにより、縁部材に起因する静電容量値の温度の影響を低減することが可能になる。
【発明の効果】
【００３７】
本発明によれば次のような効果がある。
請求項１，２及び請求項３の発明によれば、静電容量測定手段の入力端子を絶縁部材を介して各セパレータに接続することにより、簡単な構成で発電中の燃料電池の水分量の測定が可能になる。
【００３８】
また、従来例のように各セパレータ内部に絶縁膜で覆われ静電容量を測定するための複数の電極を形成する必要性がなくなるので、製造コストの低減が可能になる。また、既存の稼働中の燃料電池や、静電容量を測定のための構成を有しない一般的な燃料電池の水分量の測定も可能になる。
【００３９】
さらに、燃料電池スタック（前述の燃料電池（以下、燃料電池セルと呼ぶ。）を複数枚積層（電気的に直列接続）したもの）であっても、任意のセパレータ、或いは、全てのセパレータに絶縁部材を介して静電容量測定手段の入力端子を接続することにより、任意の燃料電池セル、或いは、全ての燃料電池セルの水分量の測定が可能になる。
【００４０】
また、請求項４の発明によれば、セパレータの温度を測定する温度測定手段を備え、静電容量測定手段が温度測定手段で測定された温度に基づき絶縁部材に起因する静電容量値の補償を行うことにより、絶縁部材に起因する静電容量値の温度の影響を低減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】
【００４１】
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水分量測定装置の一実施例を示す構成ブロック図及び断面図である。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。
【００４２】
図１において、１７は電解質膜、１８はアノード側の触媒層・拡散層、１９はカソード側の触媒層・拡散層、２０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、２１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、２２はアノード側に形成された導電性を有するセパレータ、２３はカソード側に形成された導電性を有するセパレータ、２４は静電容量測定手段である。
【００４３】
電解質膜１７の両面には触媒層・拡散層１８及び触媒層・拡散層１９がそれぞれ形成される。また、触媒層・拡散層１８の上には燃料ガス（例えば、水素等）のガス流路２０が形成され、触媒層・拡散層１９の上には酸化ガス（例えば、酸素や空気等）のガス流路２１が形成される。
【００４４】
例えば、ガス流路２０及びガス流路２１は図２中”ＧＴ５１”に示すように触媒層・拡散層１８及び触媒層・拡散層１９上を蛇行するように形成されている。
【００４５】
また、触媒層・拡散層１８及びガス流路２０上にはセパレータ２２が形成され、触媒層・拡散層１９及びガス流路２１上にはセパレータ２３が形成される。
【００４６】
さらに、セパレータ２２及びセパレータ２３には静電容量測定手段２４の入力端子が接続される。但し、静電容量測定手段２４の入力端子は図１中”ＩＳ４１”及び”ＩＳ４２”に示す絶縁部材を介してセパレータ２２及びセパレータ２３に接続される。
【００４７】
ここで、図１及び図２に示す実施例の動作を説明する。ガス流路２０には燃料ガス（例えば、水素等）が供給され、ガス流路２１には酸化ガス（例えば、酸素や空気等）が供給される。
【００４８】
例えば、図２中”ＩＮ５１”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”ＯＴ５１”に示す排気口から反応しなかったガス等が放出される。
【００４９】
アノード側の触媒層・拡散層１８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１９側では電解質膜１７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。
【００５０】
この時、アノード側の触媒層・拡散層１８及びカソード側の触媒層・拡散層１９（具体的には、セパレータ２２とセパレータ２３）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１８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。
【００５１】
このような燃料電池の動作状態において、静電容量測定手段２４で入力端子間の静電容量を測定する際には、図１中”ＩＳ４１”及び”ＩＳ４２”に示す絶縁部材の静電容量も同時に測定されることになる。
【００５２】
この場合、静電容量測定手段２４で入力端子から見た等価回路は図７に示す従来例と同様になり、図７中”ＣＰ４１”は電極接合体の静電容量値”Ｃ２”を有するコンデンサ、図７中”ＣＰ４２”及び”ＣＰ４３”は図１中”ＩＳ４１”及び”ＩＳ４２”に示す絶縁部材の静電容量値”Ｃ１”を有するコンデンサである。
【００５３】
図７から分かるように、静電容量測定手段２４で測定される静電容量値”Ｃ”は、図１中”ＩＳ４１”及び”ＩＳ４２”に示す絶縁部材に起因する静電容量値”Ｃ１”を有するコンデンサ（図７中”ＣＰ４２”及び”ＣＰ４３”）と、電極接合体の静電容量値”Ｃ２”を有するコンデンサ（図７中”ＣＰ４１”）の直列接続となるので、前述の式（１）を満足する。
【００５４】
この時、図１中”ＩＳ４１”及び”ＩＳ４２”に示す絶縁部材に起因する静電容量値”Ｃ１”は既知であるので、電極接合体内部の水分量変化を静電容量値”Ｃ２”として測定することができる。
【００５５】
この結果、静電容量測定手段２４の入力端子を図１中”ＩＳ４１”及び”ＩＳ４２”に示す絶縁部材を介してセパレータ２２及びセパレータ２３に接続することにより、簡単な構成で発電中の燃料電池の水分量の測定が可能になる。
【００５６】
また、従来例のように各セパレータ内部に絶縁膜で覆われ静電容量を測定するための複数の電極を形成する必要性がなくなるので、製造コストの低減が可能になる。また、既存の稼働中の燃料電池や、静電容量を測定のための構成を有しない一般的な燃料電池の水分量の測定も可能になる。
【００５７】
さらに、燃料電池スタック（前述の燃料電池（以下、燃料電池セルと呼ぶ。）を複数枚積層（電気的に直列接続）したもの）であっても、任意のセパレータ、或いは、全てのセパレータに絶縁部材を介して静電容量測定手段の入力端子を接続することにより、任意の燃料電池セル、或いは、全ての燃料電池セルの水分量の測定が可能になる。
【００５８】
なお、静電容量測定手段の入力端子と各セパレータとの間の絶縁部材に関しては、静電容量測定手段のプローブ（静電容量測定手段の入力端子を接続されたケーブル等。）の先端に取り付けても、各セパレータに直接取り付けてもどちらであっても構わない。
【００５９】
また、絶縁部材に起因する静電容量値”Ｃ１”をセパレータの温度、或いは、燃料電池スタックの冷却水温度によって補償しても構わない。さらに、絶縁部材が接する雰囲気中の温度の影響を併せて補償しても構わない。
【００６０】
具体的には、セパレータ等の温度を測定する温度測定手段をセパレータ内やセパレータ近傍等に設け、静電容量測定手段が温度測定手段で測定された温度に基づき絶縁部材に起因する静電容量値”Ｃ１”の補償を行う。
【００６１】
この場合には、絶縁部材に起因する静電容量値”Ｃ１”の温度の影響を低減することが可能になる。
【００６２】
また、各セパレータに取り付け穴を形成し、静電容量測定手段のプローブ（静電容量測定手段の入力端子を接続されたケーブル等。）を取り付け穴に挿入し、各取り付け穴にとプローブとの間に絶縁部材を充填してプローブを固定しても構わない。この場合には、絶縁部材を各セパレータへの取り付け作業を省略することが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【００６３】
【図１】本発明に係る燃料電池の水分量測定装置の一実施例を示す構成ブロック図である。
【図２】本発明に係る燃料電池の水分量測定装置の一実施例を示す断面図である。
【図３】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４】従来の水分量を測定が可能な燃料電池の一例を示す断面図である。
【図５】従来の水分量を測定が可能な燃料電池の一例を示す断面図である。
【図６】従来の水分量を測定が可能な燃料電池の一例を示す断面図である。
【図７】絶縁膜と電極接合体との静電容量に関する等価回路である。
【符号の説明】
【００６４】
１，４，１７  電解質膜
２，３，５，６，１８，１９  触媒層・拡散層
７，８，２０，２１  ガス流路
９，１０，１１，１２，１３，１４  電極
１５，１６，２２，２３  セパレータ
２４  静電容量測定手段
【図１】
2008027809.tif 000003
【図２】
2008027809.tif 000004
【図３】
2008027809.tif 000005
【図４】
2008027809.tif 000006
【図５】
2008027809.tif 000007
【図６】
2008027809.tif 000008
【図７】
2008027809.tif 000009