(57)【要約】【課題】  水分量の計測感度の向上が可能で作成が容易な燃料電池及び水分量計測装置を実現する。【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、第１及び第２のセパレータ内に形成され表面を絶縁膜で覆われた静電容量を計測するための複数の電極とを設ける。【選択図】                    図１
2007207583.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、
前記第１及び第２のセパレータ内に形成され表面を絶縁膜で覆われた静電容量を計測するための複数の電極と
を備えたことを特徴とする燃料電池。
【請求項２】
前記第１及び第２のセパレータ内であって、前記複数の電極の外側にそれぞれ冷却水流路を備えたことを特徴とする
請求項１記載の燃料電池。
【請求項３】
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、
前記第１及び第２のセパレータ上にそれぞれ配置され静電容量を計測するための複数の電極が形成されると共に前記第１及び第２のセパレータの境界面に絶縁膜が形成された第１及び第２のプリント基板と、
前記第１及び第２のプリント基板上にそれぞれ形成される第３及び第４のセパレータと
を備えたことを特徴とする燃料電池。
【請求項４】
前記第３及び第４のセパレータ内にそれぞれ冷却水流路を備えたことを特徴とする
請求項３記載の燃料電池。
【請求項５】
前記絶縁膜の静電容量値が、
前記電解質膜、前記第１及び第２の触媒層・拡散層の静電容量値と同程度、若しくは、大きな値であることを特徴とする
請求項１若しくは請求項３記載の燃料電池。
【請求項６】
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計測装置において、
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、
前記第１及び第２のセパレータ内に形成され表面を絶縁膜で覆われた静電容量を計測するための複数の電極と、
前記複数の電極により静電容量を計測し水分量を計算する計測手段と
を備えたことを特徴とする水分量計測装置。
【請求項７】
前記第１及び第２のセパレータ内であって、前記複数の電極の外側にそれぞれ冷却水流路を備えたことを特徴とする
請求項６記載の水分量計測装置。
【請求項８】
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計測装置において、
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、
前記第１及び第２のセパレータ上にそれぞれ配置され静電容量を計測するための複数の電極が形成されると共に前記第１及び第２のセパレータの境界面に絶縁膜が形成された第１及び第２のプリント基板と、
前記第１及び第２のプリント基板上にそれぞれ形成される第３及び第４のセパレータと、
前記複数の電極により静電容量を計測し水分量を計算する計測手段と
を備えたことを特徴とする水分量計測装置。
【請求項９】
前記第３及び第４のセパレータ内にそれぞれ冷却水流路を備えたことを特徴とする
請求項８記載の水分量計測装置。
【請求項１０】
前記絶縁膜の静電容量値が、
前記電解質膜、前記第１及び第２の触媒層・拡散層の静電容量値と同程度、若しくは、大きな値であることを特徴とする
請求項６若しくは請求項８記載の水分量計測装置。
【請求項１１】
前記計測手段が、
前記複数の電極間の静電容量値を計測することを特徴とする
請求項６若しくは請求項８記載の水分量計測装置。
【請求項１２】
前記計測手段が、
前記複数の電極間の初期値からの静電容量値の変化量を計測することを特徴とする
請求項６若しくは請求項８記載の水分量計測装置。
【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、特に水分量の計測感度の向上が可能で作成が容易な燃料電池及び水分量計測装置に関する。
【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２００３−２９７４０１号公報
【特許文献３】特開２００３−２９７４０８号公報
【特許文献４】特開２００４−１４６２３６号公報
【特許文献５】特開２００４−１４６２６７号公報
【特許文献６】特開２００５−０７９０７６号公報
【特許文献７】特開２００５−２２２８５４号公報
【０００４】
図７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７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７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７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７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８及び図９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８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９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８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９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８及び図９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９中”ＩＮ１１”に示す供給口から各ガスが供給され、図９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】
また、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４」には燃料電池内部の水分量を計測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計測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計測して水分量を算出したりする例が記載されている。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１８】
しかし、「特許文献４」に記載された水分量の計測では、ガス流路の形状によって電極の配置位置に制約を受けてしまい、大面積の電極を設けることができないので、水分量の計測感度の向上が難しいといった問題点があった。
【００１９】
また、配置した電極自体の腐食対策が必要であり、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必要性があり、配線（ワイヤリング）が煩雑になるといった問題点があった。
【００２０】
さらに、電極の絶縁対策、電極間距離の調整の必要性、電極配置のための微細加工の必要性等の問題点があった。
従って本発明が解決しようとする課題は、水分量の計測感度の向上が可能で作成が容易な燃料電池及び水分量計測装置を実現することにある。
【課題を解決するための手段】
【００２１】
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、前記第１及び第２のセパレータ内に形成され表面を絶縁膜で覆われた静電容量を計測するための複数の電極とを備えたことにより、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、水分量の計測の感度を向上させることが可能になる。また、ガス流路と静電容量を計測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。
【００２２】
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、
前記第１及び第２のセパレータ内であって、前記複数の電極の外側にそれぞれ冷却水流路を備えたことにより、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、水分量の計測の感度を向上させることが可能になる。また、ガス流路と静電容量を計測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。
【００２３】
請求項３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、前記第１及び第２のセパレータ上にそれぞれ配置され静電容量を計測するための複数の電極が形成されると共に前記第１及び第２のセパレータの境界面に絶縁膜が形成された第１及び第２のプリント基板と、前記第１及び第２のプリント基板上にそれぞれ形成される第３及び第４のセパレータとを備えたことにより、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、水分量の計測の感度を向上させることが可能になる。また、ガス流路と静電容量を計測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。さらに、各電極に対する配線をプリント基板において容易に実現できるので、より高密度の電極の配置が可能になり、高密度で詳細な水分量の計測が可能になる。
【００２４】
請求項４記載の発明は、
請求項３記載の発明である燃料電池において、
前記第３及び第４のセパレータ内にそれぞれ冷却水流路を備えたことにより、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、水分量の計測の感度を向上させることが可能になる。また、ガス流路と静電容量を計測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。さらに、各電極に対する配線をプリント基板において容易に実現できるので、より高密度の電極の配置が可能になり、高密度で詳細な水分量の計測が可能になる。
【００２５】
請求項５記載の発明は、
請求項１若しくは請求項３記載の発明である燃料電池において、
前記絶縁膜の静電容量値が、
前記電解質膜、前記第１及び第２の触媒層・拡散層の静電容量値と同程度、若しくは、大きな値であることにより、水分量の計測の感度を向上させることが可能になる。
【００２６】
請求項６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計測装置において、
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、前記第１及び第２のセパレータ内に形成され表面を絶縁膜で覆われた静電容量を計測するための複数の電極と、前記複数の電極により静電容量を計測し水分量を計算する計測手段とを備えたことにより、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、水分量の計測の感度を向上させることが可能になる。また、ガス流路と静電容量を計測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】
請求項７記載の発明は、
請求項６記載の発明である水分量計測装置において、
前記第１及び第２のセパレータ内であって、前記複数の電極の外側にそれぞれ冷却水流路を備えたことにより、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、水分量の計測の感度を向上させることが可能になる。また、ガス流路と静電容量を計測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。
【００２８】
請求項８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計測装置において、
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、前記第１及び第２のセパレータ上にそれぞれ配置され静電容量を計測するための複数の電極が形成されると共に前記第１及び第２のセパレータの境界面に絶縁膜が形成された第１及び第２のプリント基板と、前記第１及び第２のプリント基板上にそれぞれ形成される第３及び第４のセパレータと、前記複数の電極により静電容量を計測し水分量を計算する計測手段とを備えたことにより、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、水分量の計測の感度を向上させることが可能になる。また、ガス流路と静電容量を計測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。さらに、各電極に対する配線をプリント基板において容易に実現できるので、より高密度の電極の配置が可能になり、高密度で詳細な水分量の計測が可能になる。
【００２９】
請求項９記載の発明は、
請求項８記載の発明である水分量計測装置において、
前記第３及び第４のセパレータ内にそれぞれ冷却水流路を備えたことにより、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、水分量の計測の感度を向上させることが可能になる。また、ガス流路と静電容量を計測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。さらに、各電極に対する配線をプリント基板において容易に実現できるので、より高密度の電極の配置が可能になり、高密度で詳細な水分量の計測が可能になる。
【００３０】
請求項１０記載の発明は、
請求項６若しくは請求項８記載の発明である水分量計測装置において、
前記絶縁膜の静電容量値が、
前記電解質膜、前記第１及び第２の触媒層・拡散層の静電容量値と同程度、若しくは、大きな値であることにより、水分量の計測の感度を向上させることが可能になる。
【００３１】
請求項１１記載の発明は、
請求項６若しくは請求項８記載の発明である水分量計測装置において、
前記計測手段が、
前記複数の電極間の静電容量値を計測することにより、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、水分量の計測の感度を向上させることが可能になる。また、ガス流路と静電容量を計測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。さらに、各電極に対する配線をプリント基板において容易に実現できるので、より高密度の電極の配置が可能になり、高密度で詳細な水分量の計測が可能になる。
【００３２】
請求項１２記載の発明は、
請求項６若しくは請求項８記載の発明である水分量計測装置において、
前記計測手段が、
前記複数の電極間の初期値からの静電容量値の変化量を計測することにより、電極間の距離、平行度、面積や位置等の差異によって生じる理論値との違いを相殺することができる、また、各電極間の静電容量値が異なっていてもその違いを相殺することができるので、燃料電池の製作時の精度要求を低くすることが可能になり、燃料電池の作成が容易になる。
【発明の効果】
【００３３】
本発明によれば次のような効果がある。
請求項１，２，３，６，７及び請求項１１の発明によれば、絶縁膜で覆われ静電容量を計測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、水分量の計測の感度を向上させることが可能になる。また、ガス流路と静電容量を計測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。
【００３４】
また、請求項３，４，８，９及び請求項１１の発明によれば、静電容量を計測するための電極を形成し、各電極に対する配線を施したプリント基板を触媒層・拡散層及びガス流路上に形成されたセパレータ上に配置することにより、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、水分量の計測の感度を向上させることが可能になる。また、ガス流路と静電容量を計測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。さらに、各電極に対する配線をプリント基板において容易に実現できるので、より高密度の電極の配置が可能になり、高密度で詳細な水分量の計測が可能になる。
【００３５】
また、請求項５及び請求項１０の発明によれば、絶縁膜の静電容量値が、電解質膜、第１及び第２の触媒層・拡散層の静電容量値と同程度、若しくは、大きな値であることにより、水分量の計測の感度を向上させることが可能になる。
【００３６】
また、請求項１２の発明によれば、計測手段が、初期値（例えば、燃料電池の発電開始時等）からの静電容量値の変化量（差分）を計測することにより、電極間の距離、平行度、面積や位置等の差異によって生じる理論値との違いを相殺することができる、また、各電極間の静電容量値が異なっていてもその違いを相殺することができるので、燃料電池の製作時の精度要求を低くすることが可能になり、燃料電池の作成が容易になる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３７】
以下本発明を図面を用いて詳細に説明する。図１、図２及び図３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（Ａ−Ａ’断面図）、図３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。
【００３８】
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。
【００３９】
また、１６，１７，１８，１９，２０及び２１は表面を図１中”ＩＬ２１”に示すような絶縁膜で覆われ静電容量を計測するための電極である。さらに、２２はアノード側に形成された冷却水流路、２３はカソード側に形成された冷却水流路、２４はアノード側に形成された導電性を有するセパレータ、２５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。
【００４０】
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。
【００４１】
例えば、ガス流路１４及びガス流路１５は図２中”ＧＴ３１”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。
【００４２】
また、触媒層・拡散層１２及びガス流路１４上には、セパレータ２４が形成され、セパレータ２４内には図１中”ＩＬ２１”に示すような絶縁膜で覆われ静電容量を計測するための電極１６，１８，及び２０が形成され、さらに、その外側には冷却水流路２２が形成される。
【００４３】
例えば、電極１６，１８及び２０は図３中”ＥＬ４１”、”ＥＬ４２”，”ＥＬ４３”、”ＥＬ４４”、”ＥＬ４５”、”ＥＬ４６”、”ＥＬ４７”、”ＥＬ４８”及び”ＥＬ４９”に示すようにセパレータ２４内に大きな面積で均等に形成されている。また、例えば、冷却水流路２２は図２中”ＧＴ３１”に示すようにセパレータ２４内を蛇行するように形成されている。
【００４４】
一方、触媒層・拡散層１３及びガス流路１５上には、セパレータ２５が形成され、セパレータ２５内には図１中”ＩＬ２１”に示すような絶縁膜で覆われ静電容量を計測するための電極１７，１９及び２１が形成され、さらに、その外側には冷却水流路２３が形成される。
【００４５】
例えば、電極１７，１９及び２１は図３中”ＥＬ４１”、”ＥＬ４２”，”ＥＬ４３”、”ＥＬ４４”、”ＥＬ４５”、”ＥＬ４６”、”ＥＬ４７”、”ＥＬ４８”及び”ＥＬ４９”に示すようにセパレータ２５内に大きな面積で均等に形成されている。また、例えば、冷却水流路２３は図２中”ＧＴ３１”に示すようにセパレータ２５内を蛇行するように形成されている。
【００４６】
ここで、図１乃至図３に示す実施例の動作を説明する。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。
【００４７】
例えば、図２中”ＩＮ３１”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”ＯＴ３１”に示す排気口から反応しなかったガス等が放出される。
【００４８】
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。
【００４９】
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２４とセパレータ２５）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。
【００５０】
このような燃料電池の動作状態において、電極１６と電極１８との間の静電容量を計測手段（図示せず。）で計測することにより、電極１６と電極１８との間のガス流路１４、触媒層・拡散層１２及び電解質膜１１の水分量を計測することができる。
【００５１】
同様に、電極１６と電極１７との間の静電容量を計測手段（図示せず。）で計測することにより、電極１６と電極１７との間のガス流路１４、触媒層・拡散層１２、電解質膜１１、触媒層・拡散層１３及びガス流路１５の水分量を計測することができる。
【００５２】
この時、電極１６及び電極１８（或いは、電極１６及び電極１７）は、ガス流路１４やガス流路１５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。
【００５３】
この結果、絶縁膜で覆われ静電容量を計測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、水分量の計測の感度を向上させることが可能になる。
【００５４】
また、ガス流路と静電容量を計測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。
【００５５】
なお、電極１６〜電極２１は、図１中”ＩＬ２１”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計測手段（図示せず。）で計測する際には、絶縁膜の静電容量も同時に計測されることになる。
【００５６】
図４はこのような絶縁膜と、電解質膜１１、触媒層・拡散層１２及び触媒層・拡散層１３（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。
【００５７】
図４中”ＣＰ５１”は電極接合体の静電容量値”Ｃ２”を有するコンデンサ、図４中”ＣＰ５２”及び”ＣＰ５３”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。
【００５８】
図４から分かるように、電極間で計測される静電容量値”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４中”ＣＰ５２”及び”ＣＰ５３”）と、電極接合体の静電容量値”Ｃ２”を有するコンデンサ（図４中”ＣＰ５１”）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。
【００５９】
式（１）から静電容量値”Ｃ１”が静電容量値”Ｃ２”と比較して小さい場合には、静電容量値”Ｃ２”の変化に対する感度が小さくなり、逆に、静電容量値”Ｃ１”が静電容量値”Ｃ２”と比較して同程度、若しくは、大きくなれば静電容量値”Ｃ２”の変化に対する感度が大きくなる。
【００６０】
この結果、各電極を覆っている絶縁膜の静電容量値”Ｃ１”を電極接合体の静電容量値”Ｃ２”と同程度、若しくは、大きな値にすることにより、静電容量値”Ｃ２”の変化に対する感度、言い換えれば、水分量の計測の感度を向上させることが可能になる。
【００６１】
また、図５及び図６は本発明に係る燃料電池の他の実施例を示す断面図である。図５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６は燃料電池における静電容量を計測するための電極が形成されたプリント基板の具体例を示す平面図である。
【００６２】
図５において、２６は電解質膜、２７はアノード側の触媒層・拡散層、２８はカソード側の触媒層・拡散層、２９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、３０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。
【００６３】
また、３１，３２，３３，３４，３５及び３６は静電容量を計測するための電極、３９及び４０はこのような電極を形成し、各電極に対する配線を施したプリント基板である。また、形成された電極の表面及びプリント基板表面には図５中”ＩＬ６１”及び”ＩＬ６２”に示すような絶縁膜が形成されている。
【００６４】
さらに、４１はアノード側に形成された冷却水流路、４２はカソード側に形成された冷却水流路、３７及び４３はアノード側に形成された導電性を有するセパレータ、３８及び４４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。
【００６５】
電解質膜２６の両面には触媒層・拡散層２７及び触媒層・拡散層２８がそれぞれ形成される。また、触媒層・拡散層２７の上には燃料ガス（例えば、水素等）のガス流路２９が形成され、触媒層・拡散層２８の上には酸化ガス（例えば、酸素や空気等）のガス流路３０が形成される。
【００６６】
例えば、ガス流路２９及びガス流路３０は図２中”ＧＴ３１”に示すように触媒層・拡散層２７及び触媒層・拡散層２８上を蛇行するように形成されている。
【００６７】
また、触媒層・拡散層２７及びガス流路２９上にはセパレータ３７が形成され、セパレータ３７上には図５中”ＩＬ６１”に示すような絶縁膜が接するようにプリント基板３９が配置される。言い換えれば、プリント基板３９とセパレータ３７との境界面に図５中”ＩＬ６１”に示すような絶縁膜が形成される。
【００６８】
例えば、電極３１，３３及び３５は図６中”ＥＬ７１”、”ＥＬ７２”，”ＥＬ７３”、”ＥＬ７４”、”ＥＬ７５”、”ＥＬ７６”、”ＥＬ７７”、”ＥＬ７８”及び”ＥＬ７９”に示すようにプリント基板３９上に大きな面積で均等に形成される。
【００６９】
また、プリント基板３９において、図６中”ＥＬ７１”、”ＥＬ７２”，”ＥＬ７３”、”ＥＬ７４”、”ＥＬ７５”、”ＥＬ７６”、”ＥＬ７７”、”ＥＬ７８”及び”ＥＬ７９”に示す各電極からの配線は図６中”ＣＮ７１”に示すようなエッジコネクタ部分に接続され、図６中”ＣＮ７１”に示すようなエッジコネクタ部分を除く表面は図５中”ＩＬ６１”に示すような絶縁膜で覆われている。
【００７０】
さらに、プリント基板３９上にはセパレータ４３が形成され、セパレータ４３内には冷却水流路４１が形成される。例えば、冷却水流路４１は図２中”ＧＴ３１”に示すようにセパレータ４３内を蛇行するように形成されている。
【００７１】
一方、触媒層・拡散層２８及びガス流路３０上にはセパレータ３８が形成され、セパレータ３８上には図５中”ＩＬ６２”に示すような絶縁膜が接するようにプリント基板４０が配置される。言い換えれば、プリント基板４０とセパレータ３８との境界面に図５中”ＩＬ６２”に示すような絶縁膜が形成される。
【００７２】
例えば、電極３２，３４及び３６は図６中”ＥＬ７１”、”ＥＬ７２”，”ＥＬ７３”、”ＥＬ７４”、”ＥＬ７５”、”ＥＬ７６”、”ＥＬ７７”、”ＥＬ７８”及び”ＥＬ７９”に示すようにプリント基板４０上に大きな面積で均等に形成される。
【００７３】
また、プリント基板４０において、図６中”ＥＬ７１”、”ＥＬ７２”，”ＥＬ７３”、”ＥＬ７４”、”ＥＬ７５”、”ＥＬ７６”、”ＥＬ７７”、”ＥＬ７８”及び”ＥＬ７９”に示す各電極からの配線は図６中”ＣＮ７１”に示すようなエッジコネクタ部分に接続され、図６中”ＣＮ７１”に示すようなエッジコネクタ部分を除く表面は図５中”ＩＬ６２”に示すような絶縁膜で覆われている。
【００７４】
さらに、プリント基板４０上にはセパレータ４４が形成され、セパレータ４４内には冷却水流路４２が形成される。例えば、冷却水流路４２は図２中”ＧＴ３１”に示すようにセパレータ４４内を蛇行するように形成されている。
【００７５】
ここで、図５及び図６に示す実施例の動作を説明する。ガス流路２９には燃料ガス（例えば、水素等）が供給され、ガス流路３０には酸化ガス（例えば、酸素や空気等）が供給される。
【００７６】
例えば、図２中”ＩＮ３１”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”ＯＴ３１”に示す排気口から反応しなかったガス等が放出される。
【００７７】
アノード側の触媒層・拡散層２７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２８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。
【００７８】
この時、アノード側の触媒層・拡散層２７及びカソード側の触媒層・拡散層２８（具体的には、セパレータ４３とセパレータ４４）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２７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。
【００７９】
このような燃料電池の動作状態において、電極３１と電極３３との間の静電容量を計測手段（図示せず。）で計測することにより、電極３１と電極３３との間のガス流路２９、触媒層・拡散層２７及び電解質膜２６の水分量を計測することができる。
【００８０】
同様に、電極３１と電極３２との間の静電容量を計測手段（図示せず。）で計測することにより、電極３１と電極３２との間のガス流路２９、触媒層・拡散層２７、電解質膜２６、触媒層・拡散層２８及びガス流路３０の水分量を計測することができる。
【００８１】
この時、電極３１及び電極３３（或いは、電極３１及び電極３２）は、ガス流路２９やガス流路３０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。
【００８２】
この結果、静電容量を計測するための電極を形成し、各電極に対する配線を施したプリント基板を触媒層・拡散層及びガス流路上に形成されたセパレータ上に配置することにより、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、水分量の計測の感度を向上させることが可能になる。
【００８３】
また、ガス流路と静電容量を計測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。
【００８４】
さらに、各電極に対する配線をプリント基板において容易に実現できるので、より高密度の電極の配置が可能になり、高密度で詳細な水分量の計測が可能になる。
【００８５】
さらに、図１乃至図３、並びに、図５及び図６の実施例の説明に際しては、電極間の静電容量値（絶対値）を計測しているが、電極間の静電容量値（絶対値）そのものを計測せず、初期値（例えば、燃料電池の発電開始時等）からの静電容量値の変化量（差分）を計測するものであっても構わない。
【００８６】
この場合、電極間の距離、平行度、面積や位置等の差異によって生じる理論値との違いを相殺することができる、また、各電極間の静電容量値が異なっていてもその違いを相殺することができるので、燃料電池の製作時の精度要求を低くすることが可能になり、燃料電池の作成が容易になる。
【００８７】
また、図１乃至図３、並びに、図５及び図６の実施例の説明に際しては、燃料電池に冷却水流路を設けているが、冷却水流路は必須の構成要素ではない。
【００８８】
また、図１等に示す単セルを積層したスタックを構成する場合には、冷却水路を静電容量を計測するための電極よりも外側に設けることにより、当該冷却水が静電容量を計測する際の障害になることを防止することが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【００８９】
【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】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４】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。
【図５】本発明に係る燃料電池の他の実施例を示す断面図である。
【図６】電極が形成されたプリント基板の具体例を示す平面図である。
【図７】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８】具体的な従来の燃料電池の一例を示す断面図である。
【図９】具体的な従来の燃料電池の一例を示す断面図である。
【符号の説明】
【００９０】
１，４，１１，２６  電解質膜
２，３，５，６，１２，１３，２７，２８  触媒層・拡散層
７，８，１４，１５，２９，３０  ガス流路
９，１０，２４，２５，３７，３８，４３，４４  セパレータ
１６，１７，１８，１９，２０，２１，３１，３２，３３，３４，３５，３６  電極
２２，２３，４１，４２  冷却水流路
３９，４０  プリント基板
【図１】
2007207583.tif 000003
【図２】
2007207583.tif 000004
【図３】
2007207583.tif 000005
【図４】
2007207583.tif 000006
【図５】
2007207583.tif 000007
【図６】
2007207583.tif 000008
【図７】
2007207583.tif 000009
【図８】
2007207583.tif 000010
【図９】
2007207583.tif 000011