(57)【要約】【課題】燃料電池ユニット内の水を検知する。【解決手段】燃料電池ユニット用水検知装置１は、ＭＥＡと、酸化ガス流路を有する酸化ガス流路部材４Ａと、該部材４Ａ上に配置するカソード側閉止板５Ａとを有するカソード側セパレータと、燃料ガス流路を有する燃料ガス流路部材４Ｂと、該部材４Ｂ上に配置するアノード側閉止板５Ｂとを有するアノード側セパレータとを含み、酸化ガス流路部材４Ａおよび燃料ガス流路部材４Ｂで挟んだＭＥＡの両面をカソード側閉止板５Ａおよびアノード側閉止板５Ｂで閉止した燃料電池ユニット２のＭＥＡ内部の水を検知する。該装置１は、総水量情報取得手段８と、ガス流路内水量情報取得手段９と、総水量情報と、ガス流路内水量情報との水量差分情報を取得する水量差分情報取得手段１０とを備え、水量差分情報よりＭＥＡ内部の水を検知する。【選択図】図１
2007149407.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電解質膜の一方の面にカソードを、他方の面にアノードを有するＭＥＡと、
カソード上に配置し、カソードへ酸化ガスを供給する酸化ガス流路を有する酸化ガス流路部材と、酸化ガス流路部材上に配置するカソード側閉止板とを有するカソード側セパレータと、
アノード上に配置し、アノードへ燃料ガスを供給する燃料ガス流路を有する燃料ガス流路部材と、燃料ガス流路部材上に配置するアノード側閉止板とを有するアノード側セパレータと、
を含み、
カソード上に酸化ガス流路部材を配置し、アノード上に燃料ガス流路部材を配置したＭＥＡの両面を、カソード側閉止板およびアノード側閉止板で閉止した燃料電池ユニットのＭＥＡ内部の水を検知する装置であって、
燃料電池ユニット内の総水量情報を取得する総水量情報取得手段と、
ガス流路内の水量情報を取得するガス流路内水量情報取得手段と、
総水量情報と、ガス流路内水量情報との水量差分情報を取得する水量差分情報取得手段と、
を備え、
水量差分情報よりＭＥＡ内部の水を検知することを特徴とする燃料電池ユニット用水検知装置。
【請求項２】
請求項１記載の燃料電池ユニット用水検知装置であって、
更に、カソード側閉止板およびアノード側閉止板の少なくとも一方が、可視光透過材からなり、
燃料電池ユニットに中性子線を照射する中性子線照射源を備え、
前記総水量情報取得手段は、燃料電池ユニットを透過した中性子線の線量より中性子線透過領域上の総水量情報を取得し、
前記ガス流路内水量情報取得手段は、燃料電池ユニットのガス流路内に存在する水量情報を可視光透過材からなる閉止板を通して取得することを特徴とする燃料電池ユニット用水検知装置。
【請求項３】
請求項１記載の燃料電池ユニット用水検知装置であって、
更に、カソード側閉止板およびアノード側閉止板の双方が、可視光透過部材からなり、
燃料電池ユニットに中性子線を照射する中性子線照射源を備え、
前記総水量情報取得手段は、燃料電池ユニットを透過した中性子線の線量より中性子線透過領域上の総水量情報を取得し、
前記ガス流路内水量情報取得手段は、酸化ガス流路内の水量情報を取得する酸化ガス流路内水量情報取得手段と、燃料ガス流路内の水量情報を取得する燃料ガス流路内水量情報取得手段とを有し、
酸化ガス流路内水量情報取得手段は、酸化ガス流路内に存在する水量情報をカソード側の閉止板を通して取得し、
燃料ガス流路内水量情報取得手段は、燃料ガス流路内に存在する水量情報をアノード側の閉止板を通して取得する、
ことを特徴とする燃料電池ユニット用水検知装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池ユニット用水検知装置に関し、特に、燃料電池ユニットのＭＥＡ内部の水を検知する装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池として、イオン交換膜からなる電解質膜の表面に電極を有する膜−電極アッセンブリ（ＭＥＡ：Membrane-Electrode Assembly）を備える固体高分子電解質型燃料電池（以下、単に燃料電池と称する）が知られている。ＭＥＡは、一方の面に、燃料ガス（水素）の反応する電極である燃料極（アノード）を、他方の面に、酸化ガス（酸素）の反応する電極である酸化極（カソード）を備える。燃料電池の発電中、ＭＥＡのアノードでは、燃料ガスの水素から電子が取り出されプロトンが生じ、プロトンが電解質膜を通ってカソードへ到達する。一方、カソードでは、電解質膜を通過してきたプロトンが電子を受容し、酸素と反応して水を生成する。
【０００３】
この種の燃料電池は、発電に伴いＭＥＡのカソードにおいて水を生成するが、生成した水（以下、生成水と称する）は、そのままＭＥＡ上に滞留すると、カソードへの酸化ガスの供給の妨げとなる等の不都合を発生させる為、生成水はカソードから速やかに排除されることが望ましい。
【０００４】
上記のように、燃料電池の発電に、水の存在が影響を与えていることが理解されるが、燃料電池内の水の挙動を把握することは、燃料電池の発電効率の改善等、更なる燃料電池の開発に繋がる重要な技術である。しかし、通常、この種の燃料電池は、外部よりＭＥＡ上の水の生成状況等を確認することができない。その為、燃料電池の一部を可視光透過材で構成し、ＭＥＡ上の生成水を確認出来る燃料電池が提供されている（例えば、特許文献１参照）。
【０００５】
またＭＥＡのアノードにおいては、通常、燃料ガスが加湿された状態で供給される。アノードにおいて燃料ガスより生じたプロトンは、水和した状態で電解質膜中を移動し、ＭＥＡの反対側のカソードへ到達する。この移動を連続的に進行させるためには、アノードに所定量の水を存在させなければならない。その為、アノードには加湿された燃料ガスが供給されている。
【０００６】
【特許文献１】特開２００４−７１２９９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかし、特許文献１における燃料電池は、ＭＥＡの表面上の水の存在状況を確認することはできるものの、ＭＥＡの内部における水の状況を確認することが出来なかった。
【０００８】
本発明の目的は、発電中の燃料電池ユニットのＭＥＡ内部の水を検知出来る燃料電池ユニット用水検知装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明に係る燃料電池ユニット用水検知装置は、電解質膜の一方の面にカソードを、他方の面にアノードを有するＭＥＡと、カソード上に配置し、カソードへ酸化ガスを供給する酸化ガス流路を有する酸化ガス流路部材と、酸化ガス流路部材上に配置するカソード側閉止板とを有するカソード側セパレータと、アノード上に配置し、アノードへ燃料ガスを供給する燃料ガス流路を有する燃料ガス流路部材と、燃料ガス流路部材上に配置するアノード側閉止板とを有するアノード側セパレータと、を含み、カソード上に酸化ガス流路部材を配置し、アノード上に燃料ガス流路部材を配置したＭＥＡの両面を、カソード側閉止板およびアノード側閉止板で閉止した燃料電池ユニットのＭＥＡ内部の水を検知する装置であって、燃料電池ユニット内の総水量情報を取得する総水量情報取得手段と、ガス流路内の水量情報を取得するガス流路内水量情報取得手段と、総水量情報と、ガス流路内水量情報との水量差分情報を取得する水量差分情報取得手段と、を備え、水量差分情報よりＭＥＡ内部の水を検知することを特徴とする。
【００１０】
また本発明に係る燃料電池ユニット用水検知装置は、更に、カソード側閉止板およびアノード側閉止板の少なくとも一方が、可視光透過材からなり、燃料電池ユニットに中性子線を照射する中性子線照射源を備え、前記総水量情報取得手段は、燃料電池ユニットを透過した中性子線の線量より中性子線透過領域上の総水量情報を取得し、前記ガス流路内水量情報取得手段は、燃料電池ユニットのガス流路内に存在する水量情報を可視光透過材からなる閉止板を通して取得することを特徴とする。
【００１１】
更に、本発明に係る燃料電池ユニット用水検知装置は、更に、カソード側閉止板およびアノード側閉止板の双方が、可視光透過部材からなり、燃料電池ユニットに中性子線を照射する中性子線照射源を備え、前記総水量情報取得手段は、燃料電池ユニットを透過した中性子線の線量より中性子線透過領域上の総水量情報を取得し、前記ガス流路内水量情報取得手段は、酸化ガス流路内の水量情報を取得する酸化ガス流路内水量情報取得手段と、燃料ガス流路内の水量情報を取得する燃料ガス流路内水量情報取得手段とを有し、酸化ガス流路内水量情報取得手段は、酸化ガス流路内に存在する水量情報をカソード側の閉止板を通して取得し、燃料ガス流路内水量情報取得手段は、燃料ガス流路内に存在する水量情報をアノード側の閉止板を通して取得する、ことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、燃料電池ユニットのＭＥＡ内部の水を検知することが出来る。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
以下、本発明に係る実施の形態を詳細に説明する。まず図１〜図６を用いて、本発明の第一実施形態について説明する。図１は、本発明の第一実施形態に係る燃料電池ユニット用水検知装置１（以下、単に水検知装置と称する場合がある）の概略構成図を示す。水検知装置１は、燃料電池ユニット２と、燃料電池ユニット２に中性子線を照射する中性子線照射源６と、燃料電池ユニット２と中性子線照射源６とを相対走査させる相対走査手段７と、中性子線透過領域上の総水量情報を取得する総水量情報取得手段８と、ガス流路内水量情報取得手段９と、総水量情報と酸化ガス流路内水量情報との水量差分情報を取得する水量差分情報取得手段１０とを備える。
【００１４】
図２は、燃料電池ユニット２の分解斜視図を示す。燃料電池ユニット２は、ＭＥＡ３と、ＭＥＡ３の両面に配置されるセパレータ３０であって、ＭＥＡ３の一方の面上に配置されるカソード側セパレータ３０Ａと、ＭＥＡ３の他方の面上に配置されるアノード側セパレータ３０Ｂとを備える。カソード側セパレータ３０Ａは、ＭＥＡ３のカソード上に配置し、カソードへ酸化ガスを供給する酸化ガス流路を有する酸化ガス流路部材４Ａと、酸化ガス流路部材４Ａ上に配置するカソード側閉止板５Ａとからなる。アノード側セパレータ３０Ｂは、ＭＥＡ３のアノード上に配置し、アノードへ燃料ガスを供給する燃料ガス流路を有する燃料ガス流路部材４Ｂと、燃料ガス流路部材４Ｂ上に配置するカソード側閉止板５Ｂとからなる。
【００１５】
図３は、ＭＥＡ３の部分断面図を示す。本実施形態においてＭＥＡ３とは、電解質材と電極とを含む電解質アッセンブリのことである。ＭＥＡ３は、電解質材からなる膜（電解質膜）１１と、触媒層１２および拡散層１３からなる電極１４を有する。電解質膜１１の一方の面に形成される電極１４は、酸素等の酸化ガス（空気）が供給されるカソード（空気極）１４Ａであり、電解質膜１１の他方の面に形成される電極１４は、水素等の燃料ガスが供給されるアノード（燃料極）１４Ｂである。特に、カソード１４Ａの触媒層１２を触媒層１２Ａ、アノード１４Ｂの触媒層１２を触媒層１２Ｂとし、カソード１４Ａの拡散層１３を拡散層１３Ａ、アノード１４Ｂの拡散層１３を拡散層１３Ｂとする。
【００１６】
電解質膜１１は、固体高分子材料からなり、高分子鎖中にスルホン酸基等の電解質基を有する。電解質膜１１は、特定のイオンと強固に結合したり、陽イオンまたは陰イオンを選択的に透過する性質を有する。電解質膜１１として、パーフルオロスルホン酸膜等のフッ素系電解質膜を使用することが出来る。触媒層１２は、白金、金、パラジウム、ルテニウム、イリジウム等の貴金属触媒を、カーボンで担持した触媒担持カーボンと、触媒担持カーボンを電解質膜１１と接着等する樹脂を含む。カーボンとしては、例えば、オイルファーネスブラック、チャンネルブラック、サーマルブラック、アセチレンブラック等が使用される。触媒層１２で使用される樹脂としては、ポリフッ化ビニル（ＰＶＦ）、ポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）、ポリヘキサフルオロプロピレン（ＦＥＰ）等のフッ素原子を含むポリマー、あるいはこれらの共重合体、これらのモノマー単位とエチレンやスチレン等の他のモノマーとの共重合体、さらには、これらのブレンド等を用いることが出来る。
【００１７】
カソード側セパレータ３０Ａの酸化ガス流路部材４Ａは、外枠部１５と、外枠部１５の内側に配置し、ＭＥＡ３のカソード１４Ａに酸化ガスを供給するための流路を形成する流路壁１６Ａおよび酸化ガス流路１７Ａを備える。図４（Ａ）は、ＭＥＡ３のカソード側から見た（図２における矢印aの向き）カソード側セパレータ３０Ａの酸化ガス流路部材４Ａの平面図である。本実施形態において、酸化ガス流路１７Ａは一本の流路からなり、途中、交互に折り返されながら、水平方向に対し並列に配置される。酸化ガス流路１７Ａの始端は、酸化ガス供給口１８と接続し、酸化ガス流路１７Ａの終端は、酸化ガス排出口１９と接続する。本実施形態において、酸化ガス供給口１８は、酸化ガス排出口１９の上側に配置している。外部より供給される酸化ガスは、酸化ガス供給口１８より酸化ガス流路１７Ａ内へ供給される。供給された酸化ガスは、酸化ガス流路１７Ａ内を、図４（Ａ）に示される矢印の向きに沿って上側から下側へ向けて流れ、カソード１４Ａにおいて徐々に消費される。未反応の酸化ガス等は、酸化ガス排出口１９より外部へ排出される。
【００１８】
一方、アノード側セパレータ３０Ｂの燃料ガス流路部材４Ｂは、外枠部１５Ｂと、ＭＥＡ３のアノード１４Ｂに燃料ガスを供給するための流路を形成する流路壁１６Ｂおよび燃料ガス流路１７Ｂを備える。図４（Ｂ）は、図２における矢印aの向きから見たアノード側セパレータ３０Ｂの燃料ガス流路部材４Ｂの平面図である。本実施形態において、燃料ガス流路１７Ｂは一本の流路からなり、途中、交互に折り返されながら、水平方向に対し並列に配置される。燃料ガス流路１７Ｂの始端は、燃料ガス供給口２０と接続し、燃料ガス流路１７Ｂの終端は、燃料ガス排出口２１と接続する。本実施形態において、燃料ガス供給口２０は、燃料ガス排出口２１の下側に配置している。外部より供給される燃料ガスは、燃料ガス供給口２０より燃料ガス流路１７Ｂ内へ供給される。供給された燃料ガスは、燃料ガス流路１７Ｂ内を、図４（Ｂ）に示される矢印の向きに沿って下側から上側へ流れ、アノード１４Ｂにおいて徐々に消費される。未反応の燃料ガス等は、燃料ガス排出口２１より外部へ排出される。
【００１９】
カソード側セパレータ３０Ａおよびアノード側セパレータ３０Ｂは、ＭＥＡ３のカソード１４Ａおよびアノード１４Ｂへ酸化ガスおよび燃料ガスを供給すること以外に、燃料電池ユニット２から電気を取り出す集電部として機能する。本実施形態においては、カソード側セパレータ３０Ａの酸化ガス流路部材４Ａ、アノード側セパレータ３０Ｂの燃料ガス流路部材４Ｂが集電部の機能を備える。該酸化ガス流路部材４Ａおよび燃料ガス流路部材４Ｂは、アルミ、ステンレス等の導電性材料からなる。本実施形態では、特に、アルミを用いることが望ましい。アルミに含まれる放射性同位体は、短半減期であり、放射性同位体による放射能汚染を極少量に留めることが出来るからである。
【００２０】
本実施形態において、燃料電池ユニット２を構成するカソード側セパレータ３０Ａの酸化ガス流路部材４Ａの有する酸化ガス流路１７Ａの位置と、アノード側セパレータ３０Ｂの燃料ガス流路部材４Ｂの有する燃料ガス流路１７Ｂとは、同じ位置に重なるように設定される。即ち、酸化ガス流路１７Ａと燃料ガス流路１７Ｂとは、ＭＥＡ３を挟んで対向し、重なるように配置されている。
【００２１】
図２に示されるように、カソード側閉止板５Ａおよびアノード側閉止板５Ｂにより、カソード上に酸化ガス流路部材４Ａを配置し、アノード上に燃料ガス流路部材４Ｂを配置したＭＥＡの両面を閉止する。カソード側閉止板５Ａおよびアノード側閉止板５Ｂの少なくとも一方は、可視光透過材からなる。本実施形態においては、カソード側閉止板５Ａが可視光透過材からなる。可視光透過部材としては、中性子線の透過性に優れる石英ガラス（ＳｉＯ2）を用いることが望ましい。カソード側閉止板５Ａが可視光透過材からなるので、図２における矢印aの向きより、燃料電池ユニット２の酸化ガス流路１７Ａを可視光により観察することができる。本実施形態においてアノード側閉止板５Ｂはアルミ板からなる。
【００２２】
ここで、本実施形態に係る燃料電池ユニット２の発電中の動作について説明する。燃料電池ユニット２の外部より酸化ガス（酸素）が、酸化ガス供給口１８へ供給される。供給された酸化ガスは、カソード側セパレータ３０Ａの酸化ガス流路部材４Ａの酸化ガス流路１７Ａに入り、図４（Ａ）の酸化ガス流路１７Ａ内に示される矢印の向きに沿って酸化ガス流路１７Ａを通過する。酸化ガスは、酸化ガス流路１７Ａを通過する際、ＭＥＡ３のカソード１４Ａに徐々に供給される。カソード１４Ａに供給された酸化ガスは、カソード１４Ａの拡散層１３Ａから触媒層１２Ａへ侵入し、触媒層１２Ａにおいて所定の化学反応に供される。所定の化学反応に供された酸化ガスは、水へと変わる。触媒層１２Ａで生成した水（生成水）は、触媒層１２Ａから拡散層１３Ａへ移動する。生成水は、更に拡散層１３ＡからＭＥＡ３の表面（カソード１４Ａの表面）上へ滲出する。カソード１４Ａの表面上に滲出した生成水は、酸化ガスの流れに追従して、酸化ガス流路１７Ａを移動し、酸化ガス排出口１９より燃料電池ユニット２外部へ排出される。
【００２３】
一方、燃料ガス（水素）は、燃料電池ユニット２の外部より、燃料ガス供給口２０へ供給される。供給された燃料ガスは、アノード側セパレータ３０Ｂの燃料ガス流路部材４Ｂの燃料ガス流路１７Ｂに入り、図４（Ｂ）の燃料ガス流路１７Ｂ内に示される矢印の向きに沿って、燃料ガス流路１７Ｂを通過する。なお燃料ガスは、通常、加湿された状態で供給される。燃料ガスは、燃料ガス流路１７Ｂを通過する際、ＭＥＡ３のアノード１４Ｂに徐々に供給される。アノード１４Ｂに供給された燃料ガスは、アノード１４Ｂの拡散層１３Ｂから触媒層１２Ｂへ侵入し、触媒層１２Ｂにおいて所定の化学反応に供される。所定の化学反応に供された燃料ガスからプロトンと電子が生成される。プロトンは、水和して電解質膜１１を通過し、アノード１４Ｂと反対側のカソード１４Ａへ到達する。カソード１４Ａへ到達したプロトンは、カソード１４Ａの触媒層１２Ａにおいて、酸素を水に変える所定の反応に供される。またアノード１４Ｂで生成した電子は、アノード１４Ｂと当接するアノード側セパレータ３０Ｂの燃料ガス流路部材４Ｂを通り、燃料電池ユニット２外部へ取り出され、その後、カソード側セパレータ３０Ａの酸化ガス流路部材４Ａを通り、酸化ガス流路部材４Ａと当接するカソード１４Ａへ到達する。カソード１４Ａへ到達した電子は、カソード１４Ａの触媒層１２Ａにおいて、酸素を水に変える所定の反応に供される。
【００２４】
中性子線照射源６は、燃料電池ユニット２に中性子線を照射する手段である。中性子線は、燃料電池ユニット２のカソード側から照射される。中性子線照射源６より照射された中性子線は直進し、燃料電池ユニット２をカソード側から透過する（図１における破線矢印xの向きを参照）。本実施形態において、燃料電池ユニット２は、相対走査手段７と接続している。相対走査手段７は、上下、左右方向に移動可能であり、相対走査手段７と接続する燃料電池ユニット２を上下、左右に移動させることができる。燃料電池ユニット２を上下、および左右方向に移動させることにより、中性子線の走査を行うことが出来る。中性子線としては、種々のエネルギー状態を有するものが使用されるが、本実施形態においては、例えば、熱中性子線を使用することが出来る。
【００２５】
総水量情報取得手段８は、燃料電池ユニット２を透過した中性子線の線量を測定し、燃料電池ユニット２内の水の総量に関する情報を取得する手段である。具体的には、中性子線が透過した領域上（中性子線透過領域上）のＭＥＡ３内部と、ＭＥＡ３のカソード側の表面の酸化ガス流路１７Ａと、アノード側の表面の燃料ガス流路１７Ｂに存在する総水量の情報を、上記線量を測定することにより取得する手段である。中性子線は水に吸収され減衰する為、燃料電池ユニット２を透過した中性子線の減衰を把握すれば、中性子線透過領域上に存在する燃料電池ユニット２内の水量情報を把握することができる。
【００２６】
本実施形態においては、特に、中性子線透過領域上のＭＥＡ３内部、酸化ガス流路１７Ａおよび燃料ガス流路１７Ｂに存在する水量の総和（総水量）の情報を取得する。ここで、ＭＥＡ３内部に存在する水とは、電解質膜１１と電解質膜１１上のカソード１４Ａおよびアノード１４Ｂに存在する水のことであるが、本実施形態においては、電解質膜１１およびアノード１４Ｂに存在するする水は、カソード１４Ａに存在する水と比較して極少量であるため、実質的にカソード１４Ａに存在する水として把握することができる。
【００２７】
本実施形態において、総水量情報取得手段１０は、燃料電池ユニット２を透過した中性子線の線量を測定する線量計を備える。あるいは、燃料電池ユニット２を透過した中性子線を光に変換するシンチレーターと接続し、シンチレーターより得られた光を増幅し、電気信号を出力する光電子増倍管とを備える。本実施形態において総水量情報は、例えば、光電子増倍管より出力された電気信号として取得することが出来る。なお該電気信号を基にし、コンピュータを用いて総水量情報を画像情報として把握することも可能である。
【００２８】
ガス流路内水量情報取得手段９は、燃料電池ユニット２の酸化ガス流路１７Ａ内または燃料ガス流路１７Ｂ内に存在する水量情報を、可視光透過材からなるカソード側閉止板５Ａあるいはアノード側閉止板５Ｂを通して取得する手段である。本実施形態において、ガス流路内水量情報取得手段９は、酸化ガス流路１７Ａ内の水量情報を取得する酸化ガス流路内水量情報手段９Ａからなる。酸化ガス流路内水量情報取得手段９Ａは、燃料電池ユニット２の酸化ガス流路１７Ａ内に存在する水量情報を、カソード側閉止板５Ａを通して取得する手段である。本実施形態において、酸化ガス流路内水量情報取得手段９Ａは、ビデオカメラからなり、酸化ガス流路内水量情報を画像情報として取得出来る。図１において、酸化ガス流路内水量情報取得手段９Ａは、燃料電池ユニット２と、中性子線照射源６との間であって、燃料電池ユニット２および中性子線照射源６の側方に配置される。燃料電池ユニット２と中性子線照射源６との間には、反射板２２が備えられる。可視光で得られる燃料電池ユニット２のカソード側セパレータ３０Ａの酸化ガス流路１７Ａ内の水量情報は、反射板２２により反射され、酸化ガス流路内水量情報取得手段９Ａに取得される。なお本実施形態において、酸化ガス流路内情報取得手段９Ａにより取得される酸化ガス流路内水量情報は鏡像である。その為、取得した情報を反転させる等の処理を行うことが望ましい。ここで、反射板２２としては、可視光のみを反射し、中性子線の透過率の高い部材が用いられる。例えば、アルミ板の表面に銀メッキを施した反射板２２を用いることが出来る。
【００２９】
水量差分情報取得手段１０は、総水量情報取得手段より得られた総水量情報と、ガス流路内水量情報取得手段９より得られたガス流路内水量情報との差分情報である、水量差分情報を取得する手段である。本実施形態において、水量差分情報取得手段１０は、総水量情報取得手段より得られた総水量情報と、酸化ガス流路内水量情報取得手段９Ａより得られた酸化ガス流路内水量情報との差分情報である、水量差分情報を取得する手段である。水量差分情報取得手段１０は、例えば、コンピュータからなり、コンピュータの処理により、総水量情報と酸化ガス流路内水量情報との差分を取る。
【００３０】
ここで、本実施形態に係る水検知装置１の動作について説明する。図１に示されるように、燃料電池ユニット２のカソード側に、所定間隔をおいて中性子線照射源６が配置され、一方、アノード側に、所定間隔をおいて総水量情報取得手段８が配置される。燃料電池ユニット２と、中性子線照射源６と、総水量情報取得手段８とは、ほぼ一直線上に配置されている。中性子線照射源６より照射された中性子線は、燃料電池ユニット２を透過する（図１における破線矢印ｘ参照）。燃料電池ユニット２内に水が存在すると、中性子線は減衰しながら燃料電池ユニット２を透過する。本実施形態においては、燃料電池ユニット２は、相対走査手段７により上下方向および左右方向に移動される。移動する燃料電池ユニット２に中性子線を透過させることにより、燃料電池ユニット２の所定領域（中性子線透過領域）の水量情報を取得出来る。なお中性子線は、燃料電池ユニット２と中性子線照射源６との間に配置される反射板２２を透過する。
【００３１】
本実施形態において総水量情報取得手段８は、シンチレーターと光電子増倍管とを備え、燃料電池ユニット２を透過した中性子線は、シンチレーターに補足され光に変換される。その後、シンチレーターからの光は光電子増倍管により増幅され、電気信号として出力される。ここで、図５（Ａ）に、出力された電気信号を基にして、所定のコンピュータを利用して画像処理を行った総水量情報の説明図を示す。該説明図は、中性子線透過領域上の水量を色彩の濃淡により表現したものである。水量と色彩の濃淡の関係は、予め水量と、中性子線の減衰の関係を調べておくことにより、決定することができる。図５（Ａ）において、カソード側セパレータ３０Ａの酸化ガス流路部材４Ａの流路壁１６Ａの位置および流路壁１６Ａの近傍に生成水が多く存在していることが解る。集電部としても機能するカソード側セパレータ３０Ａの酸化ガス流路部材４Ａの流路壁１６Ａの位置において、酸化ガスが水に変化する反応が進行していることを確認できる。またカソード１４Ａ表面上に滲出し、酸化ガス流路１７Ａ内に生成水が滞留している為、酸化ガス流路１７Ａの存在する位置においても生成水が存在していることが総水量情報の説明図より、把握出来る。
【００３２】
一方、酸化ガス流路内水量情報取得手段９Ａは、ビデオカメラ以外に、反射板２２を備える。燃料電池ユニット２のカソード側は、可視光透過材からなるカソード側閉止板５Ａで閉止されている為、燃料電池ユニット２の外部より、酸化ガス流路１７Ａ内の水を可視光により把握出来る。本実施形態においては、ビデオカメラによりカソード側閉止板５Ａを通して酸化ガス流路内水量情報を、画像情報として取得できる。なお本実施形態において、ビデオカメラは、燃料電池ユニット２と中性子線照射源６との間であって、それらの側方に配置される為、燃料電池ユニット２のカソード側を、直接、ビデオカメラによって酸化ガス流路内水量情報を取得することが出来ない。その為、燃料電池ユニット２と、中性子線照射源６との間に反射板２２を設置し、反射板２２により反射された可視光による酸化ガス流路内水量情報を、画像情報としてビデオカメラで取得する（図１中の破線矢印ｘ参照）。なおビデオカメラで取得された可視光は鏡像である為、所定の反転操作を行うことが望ましい。
【００３３】
ここで、酸化ガス流路内水量情報取得手段９Ａであるビデオカメラにより取得された酸化ガス流路内水量情報（画像情報）を、所定の変換装置により電気信号に変換し、更にその電気信号を基にし、所定のコンピュータで処理を行い、酸化ガス流路内水量情報を、水量を色彩の濃淡で表現した他の画像情報としても良い。図５（Ｂ）に、水量を色彩の濃淡で表現した画像情報の説明図を示す。図５（Ｂ）において、ＭＥＡ３の内部より滲出した生成水が酸化ガス流路１７Ａ内に存在していることを確認出来る。なお、燃料電池ユニット２は、酸化ガス供給口１８が上側、酸化ガス排出口１９が下側になるように設置されている為、図５（Ｂ）に示されるように、カソード側セパレータ４Ａの流路壁１６Ａの上側に水が多く溜まることを確認出来る。水量と色彩の濃淡の関係は、予め水量と、可視光より得られた画像との関係を調べることにより、決定出来る。
【００３４】
上記総水量情報と、酸化ガス流路内水量情報とを基にして、水量差分情報取得手段１０により、水量差分情報を取得出来る。水量差分情報取得手段１０によって、図５（Ａ）に示される水量を色彩の濃淡で表現した総水量情報と、図５（Ｂ）に示される水量を色彩の濃淡で表現した酸化ガス流路内水量情報とを用い、両者の差分を取ると、図５（Ｃ）に示される水量差分情報を取得出来る。なお、図５（Ａ）に示される総水量情報と図５（Ｂ）に示される酸化ガス流路内水量情報における水量と色彩の濃淡との関係は、同じに設定しておくことが望ましい。
【００３５】
本実施形態に係る水検知装置より取得される水量差分情報によって、発電中の燃料電池ユニット２のＭＥＡ３内部の水を検知することが出来る。図６は、燃料電池ユニット２の部分断面図である。図６に示される部分断面図を用いて、水量差分情報として水検知装置１より検知出来るＭＥＡ３内部の水について説明する。
【００３６】
図６に示される燃料電池ユニット２は、図６中の上側より、カソード側セパレータ３０Ａの酸化ガス流路部材４Ａ、ＭＥＡ３、アノード側セパレータ３０Ｂの燃料ガス流路部材４Ｂの順に配置されている。なお図６において、カソード側セパレータ３０Ａの酸化ガス流路部材４Ａの上側およびアノード側セパレータ３０Ｂの燃料ガス流路部材４Ｂの下側には、それぞれカソード側閉止板５Ａ、アノード側閉止板５Ｂが配置している。本実施形態において、検知されるＭＥＡ３内部の水量情報は、図６に示される破線で挟まれた範囲Ｘにおけるものである。ここで図６において、酸化ガス流路１７Ａ、ＭＥＡ３のカソード１４Ａ、ＭＥＡ３のアノード１４Ｂ、燃料ガス流路１７Ｂを、領域Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３およびＳ４として示すと、本実施形態において取得される水量差分情報は、主として領域Ｓ１に存在する水に因るものである。ＭＥＡ３の電解質膜１１は、ＭＥＡ３のカソード１４Ａ、アノード１４Ｂと比較して薄い為、本実施形態においては、電解質膜１１に存在する水を考慮しない。なお、総水量情報取得手段８より取得される総水量情報は、領域Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３およびＳ４に存在する水に対応するものであり、一方、酸化ガス流路内水量取得手段９Ａより取得される酸化ガス流路内水量情報は、領域Ｓ１に存在する水に対応するものである。その為、総水量情報（領域Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３およびＳ４）と、酸化ガス流路内水量情報（領域Ｓ１）との差分をとると、水量差分情報（領域Ｓ２、Ｓ３およびＳ４）を得ることができる。ここで、ＭＥＡ３のアノード１４Ｂ（領域Ｓ３）および燃料ガス流路１７Ｂ（領域Ｓ４）に存在する水量は、ＭＥＡ３のカソード１４Ａ（領域Ｓ２）に存在する水量と比較して極僅かである。その為、本実施形態において得られる水量差分情報は、実質的にＭＥＡ３のカソード１４Ａ（領域Ｓ２）に存在する水に対応する水量差分情報と見なすことが出来る。この破線で示される範囲ＸのＭＥＡ３のカソード１４Ａ内（領域Ｓ２）に存在する水は、カソード１４Ａにおいて生成した水と、一旦、カソード１４Ａ表面（酸化ガス流路１７Ａ）へ滲出した水がカソード１４Ａ内へ侵入した水と併存した状態にあると推測される。本実施形態に係る水検知装置１は、発電中の燃料電池ユニット２のＭＥＡ３のカソード１４Ａ内（領域Ｓ２）に存在する水量情報を取得することが出来る。この水量情報は、燃料電池の発電効率等の性能の向上を図る上で、有益な情報となり、新たな燃料電池の改良、開発に貢献する有益な情報である。
【００３７】
次に、図７を用いて本発明の第二実施形態に係る水検知装置３１を説明する。なお上記実施形態に係る水検知装置１と同様の構成の個所については、同符号を用い説明を省略する場合がある。図７は、第二実施形態に係る水検知装置３１の概略構成図である。本実施形態に係る水検知装置３１と、上記実施形態に係る水検知装置１との相違点は、燃料電池ユニット２の両面を閉止するカソード側閉止板５Ａおよびアノード側閉止板５’Ｂの双方が可視光透過材からなる点と、燃料電池ユニット２と総水量情報取得手段８との間であって、燃料電池ユニット２と総水量情報取得手段８との側方に、更に、燃料電池ユニット２の燃料ガス流路１７Ｂ内に存在する水量情報をアノード側閉止板５’（５’Ｂ）を通して取得する燃料ガス流路内水量情報取得手段９Ｂを備える点である。
【００３８】
アノード１４Ｂに供給される燃料ガスは、通常、加湿されている為、燃料ガス流路１７Ｂには主に気体状態（水蒸気）の水が存在している。気体状態の水に因る中性子線の減衰は、殆ど無視できる程度のものであり、上記実施形態に係る水検知装置１においては、燃料ガス流路１７Ｂ内の水の存在を考慮する必要が無かった。しかし、アノード１４Ｂに供給される燃料ガスの加湿条件によっては、水蒸気が燃料ガス流路１７Ｂ内で凝結して液体となると、水の存在を無視することが出来なくなる場合がある。また条件によっては、ＭＥＡのカソード側へ滲出した水がアノード側へ拡散する逆拡散現象が生じる場合がある。そこで、本実施形態に係る水検知装置３１は、更に、燃料ガス流路内水量情報取得手段９Ｂを備え、燃料ガス流路１７Ｂ内の水量情報を取得する。燃料ガス流路内水量情報を取得する際、可視光による該情報を、燃料電池ユニット２のアノード側を閉止するアノード側閉止板５’Ｂを通し、反射板３２による反射が行われる（図７中の破線矢印ｚ参照）。総水量情報取得手段８より得られる総水量情報と、燃料ガス流路内水量情報および酸化ガス流路内水量情報との水量差分情報により、ＭＥＡ３のカソード内に存在する水を検知出来る。なお燃料ガス流路内水量情報取得手段９Ｂは、基本的には、酸化ガス流路内水量情報取得手段９Ａと同様な手段から構成することが出来る。また燃料電池ユニット２と、総水量情報取得手段８との間に、配置される反射板３２も上記酸化ガス流路内水量情報取得手段９Ａにおいて用いられる反射板２２と同様のものを用いることが出来る。
【００３９】
上記実施形態において、総水量情報取得手段８、酸化ガス流路内水量情報取得手段９Ａ、燃料ガス流路内水量情報取得手段９Ｂ等において、これらを構成するビデオカメラ、コンピュータ等の装置の表面を、炭素水素系ラバー等の中性子を吸収し易い素材で被覆し、中性子線による装置の障害を防止することが望ましい。
【００４０】
上記実施形態に係る燃料電池ユニット用水検知装置１，３１は、発電中の燃料電池ユニット２内の水を経時的に検知出来る。また燃料電池ユニット用水検知装置１，３１は、発電中に限らず、発電前および発電後の燃料電池ユニット内の水の挙動を（継続的、経時的に）検知することが出来る。
【図面の簡単な説明】
【００４１】
【図１】本発明の第一実施形態に係る燃料電池ユニット用水検知装置の概略構成図を示す。
【図２】燃料電池ユニットの分解斜視図を示す。
【図３】ＭＥＡの部分断面図を示す。
【図４】（Ａ）カソード側セパレータの酸化ガス流路部材の平面図を示す。（Ｂ）アノード側セパレータの燃料ガス流路部材の平面図を示す。
【図５】（Ａ）水量を色彩の濃淡で表現した総水量情報の説明図を示す。（Ｂ）水量を色彩の濃淡で表現した酸化ガス流路内水量情報の説明図を示す。（Ｃ）水量を色彩の濃淡で表現した水量差分情報の説明図を示す。
【図６】燃料電池ユニットの部分断面図を示す。
【図７】本発明の第二実施形態に係る燃料電池ユニット用水検知装置の概略図を示す。
【符号の説明】
【００４２】
１，３１  燃料電池ユニット用水検知装置、２  燃料電池ユニット、３  ＭＥＡ、３０  セパレータ、３０Ａ  カソード側セパレータ、３０Ｂ  アノード側セパレータ、４Ａ  酸化ガス流路部材、４Ｂ  燃料ガス流路部材、５Ａ  カソード側閉止板、５Ｂ，５’Ｂ  アノード側閉止板、６  中性子線照射源、７  相対走査手段、８  総水量情報取得手段、９  ガス流路内水量情報取得手段、９Ａ  酸化ガス流路内水量情報取得手段、１０  水量差分情報取得手段、１１  電解質膜、１２，１２Ａ，１２Ｂ  触媒層（カソード側、アノード側）、１３，１３Ａ，１３Ｂ  拡散層（カソード側、アノード側）、１４  電極、１４Ａ  カソード、１４Ｂ  アノード、１５Ａ  外枠部（カソード側）、１５Ｂ  外枠部（アノード側）、１６Ａ  流壁部（カソード側）、１６Ｂ  流壁部（アノード側）、１７Ａ  酸化ガス流路、１７Ｂ  燃料ガス流路、１８  酸化ガス供給口、１９  酸化ガス排出口、２０  燃料ガス供給口、２１  燃料ガス排出口、２２，３２  反射板、９Ｂ  燃料ガス流路内水量情報取得手段。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図６】
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【図７】
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【図５】
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