CN113406706B - 水检测装置及水检测方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种水检测装置及水检测方法。水检测装置(10a)的电压施加部(54)对一对电极(52)施加在包含第1电压和第2电压的施加范围内变化的电压，其中，第1电压是比水(W)的电解电压小的电压，第2电压是比水(W)的电解电压大的电压。判定部(58)根据当对一对电极(52)施加在施加范围内变化的电压时由电流测量部(56)测量出的电流的变化来判定有无水(W)。据此，能够提高反应气体流路内的液态的水的检测精度。

Description

水检测装置及水检测方法
技术领域
本发明涉及一种检测发电单元的反应气体流路内的水的水检测装置及水检测方法。
背景技术
一般而言，固体高分子型的燃料电池具有由阳极电极和阴极电极夹持固体高分子电解质膜而构成的膜电极组件(MEA)。通过进一步用分隔部件(双极板)夹持膜电极组件而构成发电单元(单体燃料电池)。发电单元通过层叠规定数量而例如作为车载用燃料电池堆来使用。
在发电单元的阴极电极与分隔部件之间，形成有使氧化剂气体沿着阴极电极流动的氧化剂气体流路作为反应气体流路。在发电单元的阳极电极与分隔部件之间，形成有使燃料气体沿着阳极电极流动的燃料气体流路作为反应气体流路。经由这些反应气体流路供给的氧化剂气体及燃料气体(反应气体)被膜电极组件中的电化学反应(发电反应)消耗，从而进行发电。
在这种发电单元中，伴随发电反应而生成的生成水、反应气体中的水蒸气冷凝而产生的冷凝水等液态的水有时滞留于反应气体流路中。如果反应气体流路中存在液态的水，则担忧反应气体流路中的反应气体的流动可能受到阻碍从而降低发电单元的发电稳定性。
因此，例如，如日本发明专利公开公报特开2019-220414号所示，提出了检测反应气体流路内有无液态的水的水检测装置。通过由水检测装置检测反应气体流路内有无液态的水，能够在适当的时机根据需要采取用于排出液态的水的某些措施。
发明内容
本发明是与这种技术相关联而完成的，其目的在于提供一种能够提高反应气体流路内的液态的水的检测精度的水检测装置及水检测方法。
本发明一方式是一种水检测装置，其设置于发电单元，该发电单元具有使反应气体沿着膜电极组件流动的反应气体流路，所述水检测装置具有一对电极、电压施加部、电流测量部和判定部，其中，所述一对电极在面向所述反应气体流路的位置相互分离设置，所述电压施加部向所述一对电极施加电压，所述电流测量部能够测量在所述一对电极间流动的电流，所述判定部根据所述电流测量部的测量结果来判定所述反应气体流路内有无液态的水，所述电压施加部能够使向所述一对电极施加的电压在包括第1电压和第2电压的施加范围内变化，其中，所述第1电压为比所述水的电解电压小的电压，所述第2电压为比所述水的电解电压大的电压，所述判定部根据使施加于所述一对电极的电压在所述施加范围内变化时由所述电流测量部测量出的电流的变化来判定有无所述水。
本发明另一方式是一种水检测方法，检测使反应气体沿着发电单元的膜电极组件流动的反应气体流路内有无液态的水，该水检测方法包括：判定电压施加工序，在面向所述反应气体流路的位置，对相互分离设置的一对电极施加在包含第1电压和第2电压的施加范围内变化的电压，其中，所述第1电压为比所述水的电解电压小的电压，所述第2电压为比所述水的电解电压大的电压；和判定工序，当向所述一对电极施加在所述施加范围内变化的电压时，根据由电流测量部测量出的在所述一对电极间流动的电流的变化来判定所述反应气体流路内有无水。
在被施加电压的一对电极间未检测出电流的情况下，电极彼此处于电绝缘的状态，能够判断为在电极间没有液态的水。另一方面，在被施加电压的电极间检测出电流的情况下，作为其理由之一，可举出电流经由存在于电极间的液态的水而流动。然而，作为检测出电流的其他理由，有时由于发电单元的构成要素与电极的电接触等而发生短路。即，即使在电极间没有液态的水的情况下，有时在电极间也会流过电流。因此可知，仅通过单纯地检测电极间的电流，有可能无法高精度地检测电极间有无液态的水。
在本发明中，对一对电极施加在包含比水的电解电压小的第1电压和比水的电解电压大的第2电压的施加范围内变化的电压。而且，当对一对电极施加在施加范围内变化的电压时，根据由电流测量部测量出的电流的变化来判定有无液态的水。在电极间存在液态的水的情况下，在施加于一对电极的电压超过水的电解电压之前和超过水的电解电压之后，电流的变化方式不同。另一方面，在电极间产生短路的情况下，在施加于一对电极的电压超过水的电解电压之前和超过水的电解电压之后，电流的变化方式没有特别变化。
因此，通过根据上述电流的变化，能够避免将电极的短路等误检测为在电极间有液态的水。其结果是，能够提高反应气体流路内的液态的水的检测精度。
通过参照附图对以下实施方式所做的说明，上述的目的、特征及优点应易于被理解。
附图说明
图1是从氧化剂气体流路侧观察配置有本发明实施方式所涉及的水检测装置的第2分隔部件的图。
图2是具有图1的第1分隔部件的发电单元的立体分解图。
图3是包括图1的水检测装置的剖面的图2中的发电单元的III-III向视剖视图。
图4是图1的水检测装置的主要部分放大图。
图5是图1的V-V向视放大剖视图。
图6是表示分别在电极间有水的情况、电极间有短路的情况、电极间无水及无短路的情况下施加于电极间的电压与在电极间流动的电流的关系的曲线图。
图7是说明本发明实施方式所涉及的水检测方法的流程图。
图8是从氧化剂气体流路侧观察组装有变形例所涉及的水检测装置的电极的第2分隔部件的图。
图9是具有图8的第2分隔部件的发电单元的立体分解图。
图10是图8的第2分隔部件的X-X向视剖视图。
具体实施方式
下面列举优选的实施方式，一边参照附图一边对本发明所涉及的水检测装置及水检测方法详细进行说明。此外，在以下图中，有时对相同或者发挥同样的功能及效果的结构要素标注相同的参照标记而省略重复的说明。
作为设置有图1所示的本实施方式涉及的水检测装置10a、10b的发电单元的一例，可举出图2所示的发电单元12。因此，首先，主要参照图1～图3对发电单元12的结构进行简单说明。另外，能够设置水检测装置10a、10b的发电单元不限于图2的发电单元12，如后述那样，能够同样适用于液态的水可能滞留在反应气体流路内的各种发电单元。
发电单元12例如在图2的箭头A1、A2方向(水平方向)或箭头C1、C2方向(重力方向)上层叠多个，并且在层叠方向上被施加紧固载荷(压缩载荷)，由此能够构成未图示的燃料电池堆。燃料电池堆例如可以搭载在未图示的燃料电池电动汽车上使用，或者作为固定式使用等。
如图2所示，发电单元12依次层叠第1分隔部件14、带树脂框的MEA16a、第2分隔部件18、带树脂框的MEA16b、第3分隔部件20而构成。第1分隔部件14、第2分隔部件18和第3分隔部件20分别是例如由钢板、不锈钢板、铝板、镀膜处理钢板等构成的金属分隔部件。下面，在不特别区分第1分隔部件14、第2分隔部件18、第3分隔部件20的情况下等，也将它们仅统称为“分隔部件”。分隔部件在箭头A1、A2方向观察时为矩形形状，并且通过加压加工等成型为截面呈凹凸形状。此外，分隔部件也可以是碳分隔部件。
带树脂框的MEA16a、16b分别通过在膜电极组件(MEA)22的外周接合树脂框部件24而构成。如图3所示，膜电极组件22具有电解质膜26、夹持该电解质膜26的阳极电极28和阴极电极30。作为电解质膜26，例如可以使用含有水分的全氟磺酸的薄膜等固体高分子电解质膜(阳离子交换膜)、HC(烃)类电解质膜。
阴极电极30具有：阴极电极催化剂层30a，其与电解质膜26的箭头A1侧的表面相接合；和阴极气体扩散层30b，其层叠于阴极电极催化剂层30a。阳极电极28具有：阳极电极催化剂层28a，其与电解质膜26的箭头A2侧的表面相接合；和阳极气体扩散层28b，其层叠于阳极电极催化剂层28a。
阴极电极催化剂层30a例如通过将表面担载有铂合金的多孔质碳粒子与离子导电性高分子粘合剂一起均匀地涂布于阴极气体扩散层30b的表面而形成。阳极电极催化剂层28a例如通过将表面担载有铂合金的多孔质碳粒子与离子导电性高分子粘合剂一起均匀地涂布在阳极气体扩散层28b的表面而形成。
阴极气体扩散层30b和阳极气体扩散层28b由碳纸或碳布等导电性多孔质片材形成。图2的树脂框部件24由装饰框状的薄膜构成，例如，其内周端缘部被夹在图3的阴极气体扩散层30b的外周端缘部与阳极气体扩散层28b的外周端缘部之间。此外，也可以不使用树脂框部件24而使电解质膜26向外侧突出。另外，也可以在向外侧突出的电解质膜26的两侧设置框形状的薄膜。
如图2所示，在矩形的发电单元12的长度方向的一端缘部(箭头B2侧端部)，沿铅垂方向(箭头C方向)排列设置有沿层叠方向(箭头A1、A2方向)相互连通的氧化剂气体入口连通孔32a、冷却介质入口连通孔34a和燃料气体出口连通孔36b。向氧化剂气体入口连通孔32a供给例如含氧气体作为氧化剂气体。冷却介质入口连通孔34a例如被供给纯水、乙二醇、油等中的至少一种作为冷却介质。从燃料气体出口连通孔36b例如排出含氢气体作为燃料气体。此外，下面还将氧化剂气体和燃料气体统称为“反应气体”。
在发电单元12的长度方向的另一端缘部(箭头B1侧端部)，沿铅垂方向(箭头C方向)排列设置有沿层叠方向相互连通而供给燃料气体的燃料气体入口连通孔36a、排出冷却介质的冷却介质出口连通孔34b和排出氧化剂气体的氧化剂气体出口连通孔32b。
下面也将氧化剂气体入口连通孔32a、冷却介质入口连通孔34a、燃料气体出口连通孔36b、燃料气体入口连通孔36a、冷却介质出口连通孔34b和氧化剂气体出口连通孔32b仅统称为“连通孔”。
在图2的第1分隔部件14与带树脂框的MEA16a的阴极气体扩散层30b之间设有与图1的氧化剂气体入口连通孔32a和氧化剂气体出口连通孔32b连通的氧化剂气体流路38。
在图2的第2分隔部件18与带树脂框的MEA16a的阳极气体扩散层28b之间设有燃料气体流路40，该燃料气体流路40与燃料气体入口连通孔36a和燃料气体出口连通孔36b连通。在图2的第2分隔部件18与带树脂框的MEA16b的阴极气体扩散层30b之间设有氧化剂气体流路38，该氧化剂气体流路38与图1的氧化剂气体入口连通孔32a和氧化剂气体出口连通孔32b连通。
在图2的第3分隔部件20与带树脂框的MEA16b的阳极气体扩散层28b之间设有燃料气体流路40，该燃料气体流路40与燃料气体入口连通孔36a和燃料气体出口连通孔36b连通。
下面也将氧化剂气体流路38和燃料气体流路40统称为“反应气体流路”。在各分隔部件上形成有沿箭头C1、C2方向并列的多条波状流路槽42(或直线状流路槽)，在这些波状流路槽42内形成反应气体流路。各波状流路槽42相对于箭头B1、B2方向呈波形延伸。
在彼此相邻的发电单元12中，构成一方的发电单元12的第1分隔部件14的箭头A1侧的表面和构成另一方的发电单元12的第3分隔部件20的箭头A2侧的表面相向。在这些第1分隔部件14与第3分隔部件20之间设有将冷却介质入口连通孔34a与冷却介质出口连通孔34b连通的冷却介质流路44。
在各分隔部件的两表面，沿着其外周缘部分别设置有密封部件46。密封部件46将由该密封部件46包围的分隔部件的面方向的内部和外部密封。如图1和图2所示，在各分隔部件的外周缘部中的短边方向(箭头C1、C2方向)的两端侧、且长边方向(箭头B1、B2方向)的两侧，在比各连通孔更靠中心侧的位置分别设有波形边(flopper)48。波形边48被设定为从分隔部件突出的高度高于密封部件46从分隔部件突出的高度。这样的波形边48例如可以用于层叠分隔部件或带树脂框的MEA16a、16b时的定位等。
如图1和图2所示，在第1分隔部件14的箭头A2侧的表面和第2分隔部件18的箭头A2侧的表面上分别设有密封部件50a，该密封部件50a一体地包围氧化剂气体入口连通孔32a、氧化剂气体出口连通孔32b、氧化剂气体流路38而将其内部相对于面方向的外部密封。
如图2所示，在第2分隔部件18的箭头A1侧的表面和第3分隔部件20的箭头A1侧的表面上分别设有密封部件50b，该密封部件50b一体地包围燃料气体入口连通孔36a、燃料气体出口连通孔36b、燃料气体流路40而将其内部相对于面方向的外部密封。
在图2的第1分隔部件14的箭头A1侧的表面和未图示的第3分隔部件20的箭头A2侧的表面上分别设有密封部件50c，该密封部件50c一体地包围冷却介质入口连通孔34a、冷却介质出口连通孔34b、冷却介质流路44而将其内部相对于面方向的外部密封。密封部件46、50a、50b、50c例如分别由具有弹性的橡胶或树脂等弹性体形成。
在通过层叠多个如上述那样构成的发电单元12而成的燃料电池堆进行发电动作的情况下，向图2的燃料气体入口连通孔36a供给燃料气体，向氧化剂气体入口连通孔32a供给氧化剂气体，向冷却介质入口连通孔34a供给冷却介质。供给到燃料气体入口连通孔36a的燃料气体被导入燃料气体流路40，沿阳极电极28流通。供给到氧化剂气体入口连通孔32a的氧化剂气体被导入氧化剂气体流路38，沿着阴极电极30流通。
在膜电极组件22中，向阳极电极28供给的燃料气体和向阴极电极30供给的氧化剂气体通过阳极电极催化剂层28a和阴极电极催化剂层30a中的电化学反应(发电反应)而被消耗，从而进行发电。发电反应中未被消耗的剩余的燃料气体被从燃料气体出口连通孔36b排出，剩余的氧化剂气体被从氧化剂气体出口连通孔32b排出。另一方面，向冷却介质入口连通孔34a供给的冷却介质在冷却介质流路44中流通，由此在对膜电极组件22进行冷却后，从冷却介质出口连通孔34b排出。
在上述发电反应中，通过燃料气体中的氢气电离而产生的质子、在对外部负载通电之后的电子和氧化剂气体中的氧气彼此结合，从而产生液态的水(生成水)。
另外，为了使电解质膜26表现出良好的质子导电性，需要将电解质膜26维持在湿润状态等，因此反应气体通常含有水蒸气。通过该水蒸气的冷凝也产生液态的水(冷凝水)。这些生成水或冷凝水等液态的水有时滞留在反应气体流路内。
图1的本实施方式所涉及的水检测装置10a、10b为了检测反应气体流路内有无液态的水W而设置在发电单元12上。此外，下面，只要没有特别说明，“水W”是液态的水。一并参照图4～图6，对水检测装置10a、10b进行说明。
该水检测装置10a、10b检测在第2分隔部件18与带树脂框的MEA16b的阴极气体扩散层30b之间的氧化剂气体流路38内有无水W。但是，水检测装置10a、10b也同样能够检测在第1分隔部件14与带树脂框的MEA16a的阴极气体扩散层30b之间的氧化剂气体流路38内有无水W。
另外，水检测装置10a、10b也同样能够检测在第2分隔部件18与带树脂框的MEA16a的阳极气体扩散层28b之间的燃料气体流路40内、以及第3分隔部件20与带树脂框的MEA16b的阳极气体扩散层28b之间的燃料气体流路40内的各流路中有无水W。
图1中图示在第2分隔部件18与图3的阴极气体扩散层30b之间的氧化剂气体流路38内设置的两个水检测装置10a、10b。但是，设置在反应气体流路上的水检测装置10a、10b的个数没有特别限定。另外，可以不具有水检测装置10a而仅具有一个或多个水检测装置10b，也可以不具有水检测装置10b而仅具有一个或多个水检测装置10a。
水检测装置10a、10b分别具有一对电极52、电压施加部54、电流测量部56和判定部58。如图3和图4所示，一对电极52被设置在两个导电部件60的顶端部。各导电部件60例如是由金属制的导线等构成的大致圆柱状，除了其顶端部以外的外周被大致圆筒状的绝缘覆膜62覆盖。
绝缘覆膜62由绝缘材料制成，该绝缘材料能够使导电部件60的除了其顶端部之外的部分相对于导电部件60的外部电绝缘。在绝缘覆膜62的轴向的顶端设有开口62a。因此，导电部件60的顶端部经由绝缘覆膜62的开口62a而面向该绝缘覆膜62的外部。如此一来，由导电部件60的面向绝缘覆膜62外部的顶端部构成电极52。此外，导电部件60和绝缘覆膜62可以是带状(片(film)状)。
在本实施方式中，绝缘覆膜62的顶端侧的轴向长度(延伸方向的长度)被设定为比导电部件60的顶端侧的轴向长度(延伸方向的长度)稍长。因此，导电部件60的构成电极52的顶端部在从绝缘覆膜62的顶端向基端侧略微下陷的位置经由开口62a面向绝缘覆膜62的外部。因此，如图3所示，水W从绝缘覆膜62的顶端的开口62a浸入绝缘覆膜62的内侧，从而电极52和水W能够接触。在这种情况下，例如，由于电极52配置在绝缘覆膜62的内侧，因此，能够抑制发电单元12的构成要素(水W以外的结构)与电极52接触。其结果，能够提高电极52对水W的检测精度。
如图1和图4所示，一对电极52在面向氧化剂气体流路38(反应气体流路)的位置相互分离设置。如本实施方式那样，在多条波状流路槽42内分别形成有反应气体流路的情况下，一对电极52在相同的波状流路槽42内沿该波状流路槽42的延伸方向隔开间隔地配置。
另外，如图1所示，一对电极52优选配置在氧化剂气体流路38的生成水容易积存的下游区域(氧化剂气体流路38中的靠近氧化剂气体出口连通孔32b的一侧)。但是，并不特别限定于此，一对电极52也可以配置在氧化剂气体流路38的上游区域(氧化剂气体流路38中的靠近氧化剂气体入口连通孔32a的一侧)、或者上游区域与下游区域之间。
被绝缘覆膜62覆盖的导电部件60(下面也称为配线部63)配设在发电单元12的第2分隔部件18与带树脂框的MEA16b之间。在本实施方式所涉及的水检测装置10a中，两根配线部63经由发电单元12的一个长边从发电单元12的外部插入到第2分隔部件18与带树脂框的MEA16b之间。
另外，在本实施方式所涉及的水检测装置10b中，两根配线部63中的一方经由发电单元12的箭头C1侧的长边从发电单元12的外部插入到第2分隔部件18与带树脂框的MEA16b之间。另外，两根配线部63中的另一方经由发电单元12的箭头C2侧的长边，从发电单元12的外部插入第2分隔部件18与带树脂框的MEA16b之间。
水检测装置10a和水检测装置10b除了如上述那样配线部63相对于发电单元12的插入方向不同之外，大致同样地构成。此外，两根配线部63可以从任意方向插入第2分隔部件18与带树脂框的MEA16b之间。另外，各配线部63也可以通过利用未图示的粘结剂与第2分隔部件18和带树脂框的MEA16b中的至少任意一方粘接而被定位固定。
如上所述，在燃料电池堆中，在层叠方向上施加紧固载荷。因此，如图3所示，在第2分隔部件18与带树脂框的MEA16b之间插入有配线部63的发电单元12弯曲与配线部63的厚度相应的量。其结果是，第2分隔部件18和带树脂框的MEA16b的未配置配线部63的部位在层叠方向上相互接触。
如图1所示，配线部63的与电极52侧相反的一侧的端部从发电单元12露出。即，配线部63以横穿发电单元12的外周缘部的方式配设。如此，在设置于分隔部件的外周缘部的密封部件46上与该密封部件46的延伸方向交叉而配置配线部63的情况下，优选在配线部63与密封部件46之间设置未图示的粘结剂。由此，即使在发电单元12中插入配线部63，也能够维持在良好地密封发电单元12的外周缘部的内侧和外侧的状态。
另外，当配线部63横穿分隔部件的设置有波形边48的部分时，如图5所示，优选在波形边48上形成缺口部48a。缺口部48a通过将波形边48的突出方向的一部分沿配线部63横穿的方向切除而形成。配线部63的一部分被收容在缺口部48a的内部。在本实施方式中，与两根配线部63相对应，在波形边48上形成有两个缺口部48a。在这两个缺口部48a中分别收容有配线部63。另外，优选在缺口部48a的内壁与配线部63之间填充有粘结剂64。通过这样设置缺口部48a和粘结剂64，也能够维持在良好地密封发电单元12的外周缘部的内侧和外侧的状态。
此外，在一对电极52间有时会发生短路。作为其理由一例，可举出在配线部63中的导电部件60上产生从绝缘覆膜62露出的露出部分，该露出部分与分隔部件、膜电极组件22等接触。
如上所述，配线部63被插入第2分隔部件18与带树脂框的MEA16b之间。此时，配线部63与带树脂框的MEA16b的阴极气体扩散层30b抵接。阴极气体扩散层30b由具有碳纸等纤维的结构构成。因此，阴极气体扩散层30b的纤维与配线部63的绝缘覆膜62接触，从而可能损坏绝缘覆膜62，并且绝缘覆膜62可能从导电部件60剥离而产生露出部分。
另外，电解质膜26在其含水率上升时膨胀，而在其含水率下降时收缩。若伴随燃料电池堆的发电动作，电解质膜26反复膨胀、收缩，则在插入第2分隔部件18与带树脂框的MEA16b之间的配线部63上也反复施加载荷。由此会担忧绝缘覆膜62从导电部件60剥离而产生露出部分。
如图1所示，在配置于发电单元12的外侧的配线部63的端部，经由连接端子66电连接有电压施加部54和电流测量部56。电压施加部54由能够向一对电极52施加电压的电源等构成。另外，电压施加部54能够对一对电极52施加在施加范围内变化的电压，该施加范围包含比水W的电解电压小的第1电压和比水W的电解电压大的第2电压。
如图4所示，水W的电解电压是在反应气体流路内跨一对电极52间而介于其间的水W实际上产生电解的电压。该水W的电解电压可以通过实验等预先求出，没有特别限定，例如可以根据1.23～1.5V的范围来设定。此外，1.23V是水W的电解电压的理论值，1.5V是考虑到水W中含有的离子和过电压的影响的值。因此，例如，优选第1电压为小于1.23V的电压，第2电压为大于1.5V的电压。在本实施方式中，将第1电压设为0.5V，将第2电压设为2.0V，但并不特别限定于此。
电压施加部54可以施加例如0V、0.1V、0.2V、0.3V、0.4V、0.5V、1.0V、1.5V、2.0V、3.0V、4.0V的阶跃电压作为在施加范围内变化的电压。
电压施加部54也可以能够向一对电极52施加第1选择电压和第2选择电压。第1选择电压是从比水W的电解电压小的第1电压范围中选择的多个电压。第1电压包含在第1选择电压中。第2选择电压是从比水W的电解电压大的第2电压范围中选择的多个电压。第2电压包含在第2选择电压中。
例如，在将水W的电解电压设为1.5V并通过电压施加部54施加上述的阶跃电压的情况下，第1选择电压可以是从0.1V、0.2V、0.3V、0.4V、0.5V、1.0V中选择的至少两个。此外，在这种情况下，第2选择电压可以是从2.0V、3.0V、4.0V中选择的至少两个。
并且，电压施加部54也可以对一对电极52能够施加比水W的电解电压大的检测电压。作为检测电压，例如优选为2.0V。此外，检测电压和第2电压的电压值也可以相同。
电流测量部56由在被电压施加部54施加电压的一对电极52间有通电的情况下能够检测电极52间的电流且能够测量电流值的电流计等构成。
判定部58构成为具有未图示的CPU、存储器等的计算机。另外，判定部58接收来自电流测量部56的信号，并根据电流测量部56的测量结果来判定反应气体流路内有无水W。
在此，当一对电极52间有水W时，如图6中实线L1所示，在施加于一对电极52的电压(施加电压)与在一对电极52间流动的电流(电极52间电流)之间至少一部分上指数函数关系成立。在这种情况下，在施加电压超过水W的电解电压之前和超过水W的电解电压之后，电极52间电流的变化方式不同。即，通过增加施加电压，在施加电压达到水W的电解电压之后电极52间电流增加的比例比在其达到水W的电解电压之前大。
另一方面，在一对电极52间发生短路的情况下，在施加电压与电极52间电流之间，根据欧姆定律，正比例函数的关系成立。在该电极52间短路时，这些电极52间的电阻变小，相应地电极52间电流增大。在本实施方式中，如图6中的虚线L2所示，当一对电极52短路时，在施加第1电压和第2电压时电极52间的电流超过电流测量部56的测量极限。换言之，电流测量部56的测量极限被设定为小于当一对电极52短路时在施加第1电压和第2电压的一对电极52间流动的电流。
下面也将在通过电压施加部54对一对电极52施加第1电压时由电流测量部56测量出的电流称为第1电流。另外，也将在通过电压施加部54对一对电极52施加第2电压时由电流测量部56测量出的电流称为第2电流。即，当一对电极52短路时，第1电流和第2电流是电流测量部56的测量极限。
由此，在电极52间发生短路的情况下，在施加电压与电极52间电流之间，指数函数的关系不成立。在这种情况下，在施加电压超过水W的电解电压之前和超过过水W的电解电压之后，电极52间的电流的变化方式没有特别的变化。因此，通过增加施加电压而使电极52间电流增加的比例在施加电压达到水W的电解电压之前和施加电压达到水W的电解电压之后没有特别变化。
因此，判定部58根据在使施加于一对电极52的电压在施加范围内变化时由电流测量部56测量出的电流的变化来判定有无水W。具体而言，如图6中单点划线L3所示，在通过电流测量部56未检测出电极52间的电流的情况下，判定部58判定为反应气体流路内的一对电极52间没有水W，且也未发生电极52间的短路。
如上所述，在电流测量部56的测量极限被设定为小于短路时的电极52间的电流的情况下，当第2电流比第1电流大时，判定部58可以判定为在反应气体流路中的一对电极52间有水W。另一方面，判定部58也可以在第1电流和第2电流两者达到电流测量部56的测定极限时，判定为一对电极52发生短路。
另外，在施加于一对电极52的施加范围内的电压和由电流测量部56测量出的电流至少一部分如图6中实线L1所示那样处于指数函数关系的情况下，判定部58也可以判定为在反应气体流路内的一对电极52间有水W。另一方面，在施加于一对电极52的施加范围内的电压与由电流测量部56测量出的电流如图6中虚线L2所示那样没有处于指数函数关系的情况下，判定部58也可以判定为在一对电极52发生短路。
如上所述，在通过电压施加部54对一对电极52施加第1选择电压和第2选择电压的情况下，判定部58也可以比较第1比例和第2比例。第1比例是在施加第1选择电压时在一对电极52间流动的电流发生变化的比例。第2比例是在施加第2选择电压时在一对电极52间流动的电流发生变化的比例。
在一对电极52间有水W的情况下，第2比例大于第1比例。因此，在第2比例大于第1比例的情况下，判定部58可以判定为在一对电极52间有水W。
另一方面，在施加电流与电极52间电流之间正比例函数的关系成立时，或者电极52间电流在电流测量部56的测定极限内为恒定时，第1比例与第2比例为相同大小。因此，当第2比例不大于第1比例时，判定部58可以判定在一对电极52间发生短路。
判定部58也可以按以下条件进行上述那样的有无水W的判定。即，在对一对电极52施加在施加范围内变化的电压之前，电压施加部54施加检测电压。在电流测量部56检测出在施加该检测电压时在一对电极52间流动的检测电流的情况下，电压施加部54代替检测电压而对一对电极52施加在施加范围内变化的电压。然后，判定部58根据由电流测量部56测量出的电流的变化来判定反应气体流路内有无水W。
下面同时参照图7，以使用上述的水检测装置10a进行本实施方式所涉及的水检测方法的各工序的情况为例，对本实施方式所涉及的水检测方法进行说明。在水检测方法中，进行通过电压施加部54对一对电极52施加检测电压的检测电压施加工序(图7的步骤S1)。接着，进入步骤S2，通过判定部58判定电流测量部56是否检测出检测电流。
在步骤S2中判定为未检测出检测电流的情况下(步骤S2：否)，判定部58判定为在反应气体流路内的一对电极52间没有水W，也未发生电极52间的短路。然后，重复步骤S2的处理，直到检测到检测电流为止。
在步骤S2中判定为检测出检测电流的情况下(图7的步骤S2：是)，判定部58进行步骤S3的判定电压施加工序。在判定电压施加工序中，通过电压施加部54对一对电极52施加在施加范围内变化的电压。
接着，进行步骤S4的判定工序。在判定工序中，如上所述，根据由电流测量部56测量出的电流的变化，来判定反应气体流路内有无水W。在步骤S4的处理之后，本实施方式所涉及的流程结束。
综上所述，在本实施方式所涉及的水检测装置10a、10b和水检测方法中，在对一对电极52施加在施加范围内变化的电压时，根据由电流测量部56测量出的电流的变化来判定有无水W。据此，能够避免将电极52的短路等误检测为在电极52间有水W。其结果，能够提高反应气体流路内的水W的检测精度。
在上述的实施方式所涉及的水检测装置10a、10b中，电流测量部56的测量极限被设定为小于当一对电极52短路时在施加第1电压和第2电压的一对电极52间流动的电流，在对一对电极52施加第2电压时由电流测量部56测量出的第2电流比对一对电极52施加第1电压时由电流测量部56测量出的第1电流大的情况下，判定部58可以判定为在一对电极52间有水W。
另外，在上述实施方式所涉及的水检测方法中，将电流测量部56的测量极限设定为小于当一对电极52短路时在施加第1电压和第2电压的一对电极52间流动的电流，在判定工序中，在对一对电极52施加第2电压时由电流测量部56测量出的第2电流比对一对电极52施加第1电压时由电流测量部56测量出的第1电流大的情况下，可以判定为在一对电极52间有水W。
在这些情况下，通过比较第1电流和第2电流并确认第2电流是否大于第1电流，能够容易且有效地判定反应气体流路内有无水W。
在上述的实施方式所涉及的水检测装置10a、10b中，也可以为，在施加于一对电极52的施加范围内的电压与由电流测量部56测量出的电流至少一部分处于指数函数关系的情况下，判定部58判定为在一对电极52间有水W。另外，在上述实施方式所涉及的水检测方法的判定工序中，也可以为，在施加于一对电极52的施加范围内的电压与由电流测量部56测量出的电流至少一部分处于指数函数关系的情况下，判定为在一对电极52间有水W。
在这些情况下，通过确认施加范围内的电压和由电流测量部56测量出的电流至少一部分是否处于指数函数关系，能够高精度地判定反应气体流路内有无水W。此外，也可以为，施加范围内的电压和由电流测量部56测量出的电流整体处于指数函数的关系。
在上述实施方式所涉及的水检测装置10a、10b中，也可以为，电压施加部54能够对一对电极52施加从比水W的电解电压小的第1电压范围中选择出的多个电压(第1选择电压)以及施加从比水W的电解电压大的第2电压范围中选择出的多个电压(第2选择电压)，判定部58比较施加第1选择电压时在一对电极52间流动的电流发生变化的第1比例和施加第2选择电压时在一对电极52间流动的电流发生变化的第2比例，在第2比例比第1比例大的情况下，判定为在一对电极52间有水W。
另外，在上述实施方式所涉及的水检测方法的判定电压施加工序中，也可以为，对一对电极52施加从比水W的电解电压小的第1电压范围中选择出的多个电压(第1选择电压)，并且施加从比水W的电解电压大的第2电压范围中选择出的多个电压(第2选择电压)，在判定工序中，比较施加第1选择电压时在一对电极52间流动的电流发生变化的第1比例和施加第2选择电压时在一对电极52间流动的电流发生变化的第2比例，在第2比例比第1比例大的情况下，判定为在一对电极52间有水W。
在这些情况下，通过比较第1比例和第2比例来确认第2比例是否大于第1比例，能够容易且高精度地判定反应气体流路内有无水W。
在上述实施方式所涉及的水检测装置10a、10b中，电压施加部54能够对一对电极52施加比水W的电解电压大的检测电压，电流测量部56能够检测在施加检测电压时在一对电极52间流动的检测电流，在由电流测量部56检测出检测电流的情况下，电压施加部54使施加于一对电极52的电压在施加范围内变化，判定部58判定有无水W。
另外，在上述实施方式所涉及的水检测方法中，在判定电压施加工序之前，具有对一对电极52施加比水W的电解电压大的检测电压的检测电压施加工序，在施加检测电压时，在检测出在一对电极52间流动的检测电流的情况下，进行判定电压施加工序和判定工序。
在这些情况下，仅在一对电极52间通电的情况下，判定该通电是由于介于电极52间的水W引起的，还是由于电极52间的短路引起的即可。因此，能够容易且有效地检测反应气体流路内有无水W。
此外，在本实施方式所涉及的水检测装置10a、10b中，通过电压施加部54施加检测电压不是必须的构成要素。另外，在本实施方式的水检测方法中，在判定电压施加工序之前进行检测电压施加工序不是必须的构成要素。
本发明不限于上述实施方式，在不脱离本发明的主旨的范围内可以进行各种改变。
例如，如图8和图10的变形例所涉及的水检测装置70那样，也可以代替图1、图3、图4所示的电极52而具有图8和图10所示的电极72。图8和图10的电极72一体地组装在图9所示的发电单元74的第2分隔部件76上。此外，图9的第2分隔部件76也可以仅在燃料电池堆的性能试验等时，代替图2的第2分隔部件18而作为构成发电单元74的部件使用。另外，图9的第2分隔部件76也可以在燃料电池堆的实际使用时作为构成发电单元74的部件使用。
如图10所示，第2分隔部件76具有阳极侧板78、阴极侧板80、被这些阳极侧板78和阴极侧板80夹持的中间板82。银浆料84分别被设置在阳极侧板78与中间板82之间、以及中间板82与阴极侧板80之间。通过该银浆料84，阳极侧板78、中间板82和阴极侧板80被粘接成一体。阳极侧板78和阴极侧板80可以由与图2的第2分隔部件18相同的材料构成。中间板82可以由金属等导电材料构成。
在阳极侧板78的箭头A1侧的表面上，与图2的第2分隔部件18的箭头A1侧的表面同样而设有燃料气体流路40。在阴极侧板80的箭头A2侧的表面上，与图2的第2分隔部件18的箭头A2侧的表面同样而设有氧化剂气体流路38。
如图8和图10所示，在阳极侧板78的面向燃料气体流路40的位置设有多组相互分离设置的一对电极72。在阴极侧板80的面向氧化剂气体流路38的位置设有多组相互分离设置的一对电极72。各电极72经由沿厚度方向(箭头A1、A2方向)贯穿阳极侧板78和阴极侧板80的通孔86而面向反应气体流路。此外，这些电极72的个数(组数)和配置没有特别限定。另外，电极72也可以仅设置在燃料气体流路40和氧化剂气体流路38中的任一方。
在中间板82内配置有导电部件88a和导电部件88b，其中，所述导电部件88a与面向氧化剂气体流路38的电极72连接；所述导电部件88b与面向燃料气体流路40的电极72连接。设置在发电单元74的外部的图1的电压施加部54及电流测量部56和一对电极72经由导电材料电连接。这些导电部件88a、88b被布线成多组电极72中的每一组电极能够分别导通。据此，可知在燃料气体流路40及氧化剂气体流路38的哪个部位有液态的水W。
在具有上述那样构成的电极72的水检测装置70中，也能够与图1的水检测装置10a、10b同样而检测反应气体流路内的电极72间有无水W，从而能够得到与图1的水检测装置10a、10b同样的作用效果。即，当对一对电极72施加在施加范围内变化的电压时，根据由电流测量部56测量出的电流的变化来判定有无液态的水W。
据此，避免将电极72的短路等误检测为在电极72间有液态的水W的情况。其结果，能够提高反应气体流路内的液态的水W的检测精度。

Claims (8)

1.一种水检测装置(10a、10b、70)，其设置于发电单元(12、74)，该发电单元(12、74)具有使反应气体沿着膜电极组件(22)流动的反应气体流路(38、40)，
所述水检测装置的特征在于，
具有一对电极(52、72)、电压施加部(54)、电流测量部(56)和判定部(58)，其中，
所述一对电极(52、72)在面向所述反应气体流路的位置相互分离设置，
所述电压施加部(54)向所述一对电极施加电压，
所述电流测量部(56)能够测量在所述一对电极间流动的电流，
所述判定部(58)根据所述电流测量部的测量结果来判定所述反应气体流路内有无液态的水(W)，
所述电压施加部能够使向所述一对电极施加的电压在包括第1电压和第2电压的施加范围内变化，其中，所述第1电压为比所述水的电解电压小的电压，所述第2电压为比所述水的电解电压大的电压，
所述判定部根据使施加于所述一对电极的电压在所述施加范围内变化时由所述电流测量部测量出的电流的变化来判定有无所述水，
所述电流测量部的测定极限被设定为比在所述一对电极短路时在施加所述第1电压及所述第2电压的所述一对电极间流动的电流小，
在对所述一对电极施加所述第2电压时由所述电流测量部测量出的第2电流比对所述一对电极施加所述第1电压时由所述电流测量部测量出的第1电流大的情况下，所述判定部判定为在所述一对电极间有所述水。
2.一种水检测装置(10a、10b、70)，其设置于发电单元(12、74)，该发电单元(12、74)具有使反应气体沿着膜电极组件(22)流动的反应气体流路(38、40)，
所述水检测装置的特征在于，
具有一对电极(52、72)、电压施加部(54)、电流测量部(56)和判定部(58)，其中，
所述一对电极(52、72)在面向所述反应气体流路的位置相互分离设置，
所述电压施加部(54)向所述一对电极施加电压，
所述电流测量部(56)能够测量在所述一对电极间流动的电流，
所述判定部(58)根据所述电流测量部的测量结果来判定所述反应气体流路内有无液态的水(W)，
所述电压施加部能够使向所述一对电极施加的电压在包括第1电压和第2电压的施加范围内变化，其中，所述第1电压为比所述水的电解电压小的电压，所述第2电压为比所述水的电解电压大的电压，
所述判定部根据使施加于所述一对电极的电压在所述施加范围内变化时由所述电流测量部测量出的电流的变化来判定有无所述水，
在施加于所述一对电极的所述施加范围内的电压与由所述电流测量部测量出的电流的至少一部分处于指数函数关系的情况下，所述判定部判定为在所述一对电极间有所述水。
3.一种水检测装置(10a、10b、70)，其设置于发电单元(12、74)，该发电单元(12、74)具有使反应气体沿着膜电极组件(22)流动的反应气体流路(38、40)，
所述水检测装置的特征在于，
具有一对电极(52、72)、电压施加部(54)、电流测量部(56)和判定部(58)，其中，
所述一对电极(52、72)在面向所述反应气体流路的位置相互分离设置，
所述电压施加部(54)向所述一对电极施加电压，
所述电流测量部(56)能够测量在所述一对电极间流动的电流，
所述判定部(58)根据所述电流测量部的测量结果来判定所述反应气体流路内有无液态的水(W)，
所述电压施加部能够使向所述一对电极施加的电压在包括第1电压和第2电压的施加范围内变化，其中，所述第1电压为比所述水的电解电压小的电压，所述第2电压为比所述水的电解电压大的电压，
所述判定部根据使施加于所述一对电极的电压在所述施加范围内变化时由所述电流测量部测量出的电流的变化来判定有无所述水，
所述电压施加部能够对所述一对电极施加从比所述水的电解电压小的第1电压范围内选择出的多个电压、及从比所述水的电解电压大的第2电压范围内选择出的多个电压，
所述判定部对第1比例和第2比例进行比较，在所述第2比例大于所述第1比例的情况下，判定为在所述一对电极间有所述水，其中，所述第1比例是当施加从所述第1电压范围内选择出的多个电压时在所述一对电极间流动的电流发生变化的比例，所述第2比例是当施加从所述第2电压范围内选择出的多个电压时在所述一对电极间流动的电流发生变化的比例。
4.根据权利要求1～3中任一项所述的水检测装置，其特征在于，
所述电压施加部能够对所述一对电极施加比所述水的电解电压大的检测电压，
所述电流测量部能够检测当施加所述检测电压时在所述一对电极间流动的检测电流，
在由所述电流测量部检测出所述检测电流的情况下，所述电压施加部使施加于所述一对电极的电压在所述施加范围内变化，并且，所述判定部判定有无所述水。
5.一种水检测方法，检测使反应气体沿着发电单元(12、74)的膜电极组件(22)流动的反应气体流路(38、40)内有无液态的水(W)，
所述水检测方法的特征在于，包括：
判定电压施加工序，在面向所述反应气体流路的位置，对相互分离设置的一对电极(52、72)施加在包含第1电压和第2电压的施加范围内变化的电压，其中，所述第1电压为比所述水的电解电压小的电压，所述第2电压为比所述水的电解电压大的电压；和
判定工序，当向所述一对电极施加在所述施加范围内变化的电压时，根据由电流测量部(56)测量出的在所述一对电极间流动的电流的变化来判定所述反应气体流路内有无水，
所述电流测量部的测定极限被设定为比在所述一对电极短路时在施加所述施加范围内的电压的所述一对电极间流动的电流小，
在所述判定工序中，在对所述一对电极施加所述第2电压时由所述电流测量部测量出的第2电流比对所述一对电极施加所述第1电压时由所述电流测量部测量出的第1电流大的情况下，判定为在所述一对电极间有所述水。
6.一种水检测方法，检测使反应气体沿着发电单元(12、74)的膜电极组件(22)流动的反应气体流路(38、40)内有无液态的水(W)，
所述水检测方法的特征在于，包括：
判定电压施加工序，在面向所述反应气体流路的位置，对相互分离设置的一对电极(52、72)施加在包含第1电压和第2电压的施加范围内变化的电压，其中，所述第1电压为比所述水的电解电压小的电压，所述第2电压为比所述水的电解电压大的电压；和
判定工序，当向所述一对电极施加在所述施加范围内变化的电压时，根据由电流测量部(56)测量出的在所述一对电极间流动的电流的变化来判定所述反应气体流路内有无水，
在所述判定工序中，在施加于所述一对电极的所述施加范围内的电压与由所述电流测量部测量出的电流的至少一部分处于指数函数关系的情况下，判定为在所述一对电极间有所述水。
7.一种水检测方法，检测使反应气体沿着发电单元(12、74)的膜电极组件(22)流动的反应气体流路(38、40)内有无液态的水(W)，
所述水检测方法的特征在于，包括：
判定电压施加工序，在面向所述反应气体流路的位置，对相互分离设置的一对电极(52、72)施加在包含第1电压和第2电压的施加范围内变化的电压，其中，所述第1电压为比所述水的电解电压小的电压，所述第2电压为比所述水的电解电压大的电压；和
判定工序，当向所述一对电极施加在所述施加范围内变化的电压时，根据由电流测量部(56)测量出的在所述一对电极间流动的电流的变化来判定所述反应气体流路内有无水，
在所述判定电压施加工序中，对所述一对电极施加从比所述水的电解电压小的第1电压范围内选择出的多个电压，且施加从比所述水的电解电压大的第2电压范围内选择出的多个电压，
在所述判定工序中，对第1比例和第2比例进行比较，在所述第2比例大于所述第1比例的情况下，判定为在所述一对电极间有所述水，其中，所述第1比例是当施加从所述第1电压范围内选择出的多个电压时在所述一对电极间流动的电流发生变化的比例，所述第2比例是当施加从所述第2电压范围内选择出的多个电压时在所述一对电极间流动的电流发生变化的比例。
8.根据权利要求5～7中任一项所述的水检测方法，其特征在于，
包括在所述判定电压施加工序之前对所述一对电极施加比所述水的电解电压大的检测电压的检测电压施加工序，
在施加所述检测电压时，在检测出在所述一对电极间流动的检测电流的情况下，进行所述判定电压施加工序和所述判定工序。
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