JP2014225406A - 燃料電池用湿度計測装置 - Google Patents

Abstract

【課題】簡単且つ経済的な構成で、電解質膜の湿度を高精度に計測することができ、前記電解質膜の含水量を適正な範囲に維持してフラッディングを可及的に抑制することを可能にする。【解決手段】燃料電池用湿度計測装置１０は、電解質膜・電極構造体１４に設けられる。湿度計測装置１０は、アノード電極２２及びカソード電極２４に設置される一対の対向するアノード側電極５０及びカソード側電極５２と、前記アノード電極２２に接続され、前記アノード側電極５０との電位差から固体高分子電解質膜２０の湿度を計測する湿度センサ５４とを備えるとともに、前記アノード側電極５０は、基材５６を介して前記湿度センサ５４と一体に設けられる。【選択図】図２

Description

本発明は、アノード電極とカソード電極との間に電解質膜を挟持する電解質膜・電極構造体に設けられ、電極湿度を計測する燃料電池用湿度計測装置に関する。

例えば、固体高分子型燃料電池は、高分子イオン交換膜からなる固体高分子電解質膜を採用している。この燃料電池は、固体高分子電解質膜の両側に、それぞれ電極触媒（電極触媒層）と多孔質カーボン（ガス拡散層）とを有するアノード電極及びカソード電極を配設した電解質膜・電極構造体（ＭＥＡ）を、セパレータ（バイポーラ板）によって挟持する発電セルを構成している。通常、燃料電池では、発電セルを所定の数だけ積層することにより、例えば、車載用燃料電池スタックとして使用されている。

この種の燃料電池では、良好な発電反応を発揮させるために、固体高分子電解質膜を所望の湿潤状態に維持する必要がある。電極含水量が多いと、電極触媒と多孔質カーボンに水詰まり（フラッディング）が惹起される一方、電極含水量が少ないと、前記固体高分子電解質膜の性能低下が惹起されるからである。従って、燃料電池を構成するカソード電極及びアノード電極の含水量を良好に制御することが重要である。

そこで、例えば、特許文献１に開示されている燃料電池システムが知られている。この燃料電池システムは、図２０に示すように、燃料電池のインピーダンスを測定するインピーダンス演算手段１と、インピーダンスに対する前記燃料電池の推定含水量の関係に基づいて、該燃料電池の含水量を推定する含水量推定手段２とを備えている。そして、測定されたインピーダンス又は推定された含水量は、燃料電池の環境温度に基づいて、インピーダンス温度補正手段３により補正されている。

これにより、燃料電池本体の周囲条件（例えば、環境温度、ガス圧力）がインピーダンスの測定値に与える影響を補正した上で、燃料電池の含水量を推定することができる、としている。

特開２００８−８４６０１号公報

しかしながら、上記の特許文献１では、インピーダンス計測と含水量計測との相関性に基づいて、燃料電池の運転制御を行うものである。このため、装置全体が相当に複雑化するとともに、コストが高騰して経済的ではないという問題がある。

本発明は、この種の問題を解決するものであり、簡単且つ経済的な構成で、電解質膜の湿度を高精度に計測することができ、前記電解質膜の含水量を適正な範囲に維持してフラッディングを可及的に抑制することが可能な燃料電池用湿度計測装置を提供することを目的とする。

本発明は、アノード電極とカソード電極との間に電解質膜を挟持する電解質膜・電極構造体に設けられ、前記電解質膜の湿度を計測する燃料電池用湿度計測装置に関するものである。

この燃料電池用湿度計測装置では、アノード電極及びカソード電極に設置され、直流電圧が印加される参照電極と、前記アノード電極又は前記カソード電極と前記参照電極とに接続され、アノード電位又はカソード電位から電解質膜の湿度を計測する湿度センサと、を備えるとともに、前記参照電極は、絶縁性基材を介して前記湿度センサと一体に設けられている。

また、この燃料電池用湿度計測装置では、湿度センサは、複数個の導電性端子を設けることが好ましい。

さらに、この燃料電池用湿度計測装置では、複数個の導電性端子は、段階的に端部位置をずらして配置されることが好ましい。

本発明によれば、電解質膜・電極構造体に設けられている湿度センサからの出力（アノード電位又はカソード電位）を検出するだけで、前記電解質膜・電極構造体の含水量を容易且つ確実に検出することができる。しかも、参照電極は、絶縁性基材を介して湿度センサと一体に設けられており、前記参照電極と前記湿度センサとを可及的に近接して配置することが可能になる。このため、正確なアノード電位又はカソード電位を安定して計測することができる。

これにより、簡単且つ経済的な構成で、電解質膜の湿度を高精度に計測することが可能になり、前記電解質膜の含水量を適正な範囲に維持してフラッディングを可及的に抑制することができる。

本発明の第１の実施形態に係る燃料電池用湿度計測装置が組み込まれる燃料電池の要部分解斜視図である。 前記燃料電池を構成する電解質膜・電極構造体の要部断面説明図である。 前記湿度計測装置の斜視説明図である。 前記湿度計測装置の正面説明図である。 前記湿度計測装置の、図４中、Ｖ−Ｖ線断面図である。 前記湿度計測装置の回路説明図である。 アノード電位と湿度との関係説明図である。 カソード電位と湿度との関係説明図である。 本発明の第２の実施形態に係る燃料電池用湿度計測装置が組み込まれる電解質膜・電極構造体の要部断面説明図である。 前記湿度計測装置の斜視説明図である。 前記湿度計測装置の回路説明図である。 本発明の第３の実施形態に係る燃料電池用湿度計測装置が組み込まれる電解質膜・電極構造体の要部断面説明図である。 前記湿度計測装置の斜視説明図である。 本発明の第４の実施形態に係る燃料電池用湿度計測装置の概略斜視説明図である。 本発明の第５の実施形態に係る燃料電池用湿度計測装置の概略斜視説明図である。 本発明の第６の実施形態に係る燃料電池用湿度計測装置の概略斜視説明図である。 本発明の第７の実施形態に係る燃料電池用湿度計測装置の概略斜視説明図である。 本発明の第８の実施形態に係る燃料電池用湿度計測装置の概略斜視説明図である。 本発明の第９の実施形態に係る燃料電池用湿度計測装置が組み込まれる電解質膜・電極構造体の要部断面説明図である。 特許文献１に開示されている燃料電池システムの制御部の構成図である。

図１に示すように、本発明の第１の実施形態に係る燃料電池用湿度計測装置１０が組み込まれる燃料電池１２では、電解質膜・電極構造体１４が、カソード側セパレータ１６及びアノード側セパレータ１８に挟持されて矢印Ａ方向（例えば、水平方向）又は矢印Ｃ方向（鉛直方向）に積層される。

複数の燃料電池１２は、矢印Ａ方向に積層することにより、例えば、車載用燃料電池スタックを構成する。なお、複数の燃料電池１２は、矢印Ｃ方向に積層してもよい。

カソード側セパレータ１６及びアノード側セパレータ１８は、例えば、鋼板、ステンレス鋼板、チタニウム（Ｔｉ）板、アルミニウム板、めっき処理鋼板、あるいはその金属表面に防食用の表面処理を施した金属板や、カーボン部材等で構成されている。

図１及び図２に示すように、電解質膜・電極構造体１４は、例えば、パーフルオロスルホン酸の薄膜に水が含浸された固体高分子電解質膜２０と、前記固体高分子電解質膜２０を挟持するアノード電極２２及びカソード電極２４とを備える。固体高分子電解質膜２０としては、例えば、フッ素系電解質、又は、ＨＣ（炭化水素）系電解質が使用される。

図２に示すように、アノード電極２２は、固体高分子電解質膜２０の一方の面２０ａに接合されるアノード電極触媒層２２ａと、前記アノード電極触媒層２２ａに積層されるアノードガス拡散層２２ｂとを有する。カソード電極２４は、固体高分子電解質膜２０の他方の面２０ｂに接合されるカソード電極触媒層２４ａと、前記カソード電極触媒層２４ａに積層されるカソードガス拡散層２４ｂとを有する。

アノード電極触媒層２２ａは、カソード電極触媒層２４ａよりも小さな（又は大きな）平面寸法に設定されるとともに、カソードガス拡散層２４ｂの外周端部は、アノードガス拡散層２２ｂの外周端部よりも外側に突出する。なお、アノード電極触媒層２２ａとカソード電極触媒層２４ａとは、同一の平面寸法を有していてもよい。また、アノードガス拡散層２２ｂは、カソードガス拡散層２４ｂよりも大きな平面寸法を有していてもよく、あるいは、同一の平面寸法を有していてもよい。

アノード電極触媒層２２ａ及びカソード電極触媒層２４ａは、カーボンブラックに白金粒子を担持した触媒粒子を形成し、イオン導伝性バインダーとして高分子電解質を使用し、この高分子電解質の溶液中に前記触媒粒子を均一に混合して作製された触媒ペーストを、固体高分子電解質膜２０の両面２０ａ、２０ｂに印刷、塗布又は転写することによって構成される。なお、アノード電極触媒層２２ａとカソード電極触媒層２４ａとは、アノードガス拡散層２２ｂとカソードガス拡散層２４ｂとに印刷、塗布又は転写することによって構成してもよく、その他、種々の公知の構成を採用することができる。

電解質膜・電極構造体１４は、固体高分子電解質膜２０の外周を周回する樹脂製枠部材２６を備える。樹脂製枠部材２６は、例えば、ＰＰＳ（ポリフェニレンサルファイド）やＰＰＡ（ポリフタルアミド）、ＬＣＰ、ＰＥＳ、ＰＥＥＫ、ＰＦＡ等のスーパーエンプラ、若しくは、２種以上のポリマーアロイやＰＰ（ポリプロピレン）等の汎用エンプラ、若しくは、２種以上のポリマーアロイ等で構成され、必要に応じて設けられる。

図１に示すように、燃料電池１２の矢印Ｂ方向（水平方向）の一端縁部には、積層方向である矢印Ａ方向に互いに連通して、酸化剤ガス、例えば、酸素含有ガスを供給するための酸化剤ガス入口連通孔２８ａと、燃料ガス、例えば、水素含有ガスを排出するための燃料ガス出口連通孔３０ｂとが、矢印Ｃ方向（鉛直方向）に配列して設けられる。

燃料電池１２の矢印Ｂ方向の他端縁部には、矢印Ａ方向に互いに連通して、燃料ガスを供給するための燃料ガス入口連通孔３０ａと、酸化剤ガスを排出するための酸化剤ガス出口連通孔２８ｂとが、矢印Ｃ方向に配列して設けられる。

燃料電池１２の矢印Ｃ方向の上端縁部には、冷却媒体を供給するための一対の冷却媒体入口連通孔３２ａが設けられるとともに、前記燃料電池１２の矢印Ｃ方向の下端縁部には、前記冷却媒体を排出するための一対の冷却媒体出口連通孔３２ｂが設けられる。なお、冷却媒体入口連通孔３２ａ及び冷却媒体出口連通孔３２ｂは、それぞれ１つであってもよい。

カソード側セパレータ１６の電解質膜・電極構造体１４に向かう面１６ａには、酸化剤ガス入口連通孔２８ａと酸化剤ガス出口連通孔２８ｂとに連通する酸化剤ガス流路３６が設けられる。アノード側セパレータ１８の電解質膜・電極構造体１４に向かう面１８ａには、燃料ガス入口連通孔３０ａと燃料ガス出口連通孔３０ｂとに連通する燃料ガス流路３８が形成される。酸化剤ガス流路３６及び燃料ガス流路３８は、水平方向に向かって酸化剤ガス及び燃料ガスを流通させる。

カソード側セパレータ１６の面１６ａとは反対の面１６ｂと、アノード側セパレータ１８の面１８ａとは反対の面１８ｂとの間には、冷却媒体入口連通孔３２ａと冷却媒体出口連通孔３２ｂとに連通する冷却媒体流路４０が形成される。冷却媒体流路４０は、鉛直方向下方（鉛直方向上方でもよい）に向かって冷却媒体を流通させる。

カソード側セパレータ１６の面１６ａ、１６ｂには、このカソード側セパレータ１６の外周端部を周回して、第１シール部材４２が一体化されるとともに、アノード側セパレータ１８の面１８ａ、１８ｂには、このアノード側セパレータ１８の外周端部を周回して、第２シール部材４４が一体化される。

第１シール部材４２及び第２シール部材４４は、例えば、ＥＰＤＭ、ＮＢＲ、フッ素ゴム、シリコーンゴム、フロロシリコーンゴム、ブチルゴム、天然ゴム、スチレンゴム、クロロプレーン又はアクリルゴム等のシール材、クッション材、あるいはパッキン材等の弾性を有するシール部材が用いられる。

湿度計測装置１０は、例えば、電解質膜・電極構造体１４の水分量が最も多い領域及び最も少ない領域に配置される。具体的には、湿度計測装置１０は、水分量が最も多い領域である重力方向下方で且つ燃料ガス出口連通孔３０ｂの近傍、及び、酸化剤ガス出口連通孔２８ｂの近傍と、水分量が最も少ない領域である重力方向上方で且つ燃料ガス入口連通孔３０ａの近傍、及び、酸化剤ガス入口連通孔２８ａの近傍に配置される。なお、湿度計測装置１０は、電解質膜・電極構造体１４の水分含有量が最も多い領域又は最も少ない領域にのみ配置してもよい。なお、湿度計測装置１０の設定部位は、上記の領域に限定されるものではなく、電解質膜・電極構造体１４の湿度測定が必要な任意の位置に設置することができる。

図２に示すように、湿度計測装置１０は、電解質膜・電極構造体１４を構成する固体高分子電解質膜２０のアノード側の面２０ａ上のアノード側参照電極用電極触媒２２ａｓと、導電体で構成されるアノード側電極５０とにより構成されるアノード側参照電極５１、前記固体高分子電解質膜２０のカソード側の面２０ｂ上のカソード側参照電極用電極触媒２４ａｓと、導電体で構成されるカソード側電極５２とにより構成されるカソード側参照電極５３、及びアノード電極触媒層２２ａ上に配置される湿度センサ（電位センサ）５４を備える。アノード側電極５０とカソード側電極５２とは、固体高分子電解質膜２０を挟んで互いに対向して配置される。

第１の実施形態では、アノード側参照電極用電極触媒２２ａｓ及びカソード側参照電極用電極触媒２４ａｓは、固体高分子電解質膜２０に一体に設けられている、後述する基材５６ａ、５６ｂに設けてもよい。また、湿度センサ５４は、固体高分子電解質膜２０のアノード側の面２０ａ上に配置してもよい。

図２〜図４に示すように、アノード側電極５０及び湿度センサ５４は、絶縁性の基材５６ａに一体に設けられるとともに、カソード側電極５２は、絶縁性の基材５６ｂに一体に設けられる。基材５６ｂは、カソード側電極５２側とは反対側の端部が基材５６ａに固定（接着）又は溶着され、アノード側電極５０及びカソード側電極５２が互いに離間して配置される。基材５６ａは、アノード側電極５０と湿度センサ５４との間で所定の長さに亘って切り込みを形成してもよい。なお、基材５６ａ、５６ｂは、互いに分離して構成されていてもよく、また、単一の基材を使用してアノード側電極５０とカソード側電極５２との間に位置して折り曲げて構成することも可能である。

アノード側電極５０には、２本の導線ライン５８ａ、５８ｂが接続されるとともに、カソード側電極５２には、１本の導線ライン６０が接続される。導線ライン５８ａ、５８ｂ及び６０は、絶縁性カバー６１により覆われており、先端の電極部のみが外部に露呈する。なお、以下に説明する他の実施形態でも、同様である。湿度センサ５４は、図５に示すように、一方の端部側に厚さ方向に突出する計測部５４ａを有する導電性端子（例えば、薄膜状又は細線状の金）により構成される。湿度センサ５４は、基材５６ａと絶縁シート６２とに覆われており、前記絶縁シート６２に形成された開口部６２ａから計測部５４ａが外部に長さＬ（数μｍ〜数十μｍ）だけ突出する。湿度センサ５４の下端部に導線ライン６４が接続される。

基材５６ａ、５６ｂ及び絶縁シート６２は、絶縁性を有し、耐熱水性、耐酸性及び耐熱性に優れるとともに、フレキシブルな材料で形成される。例えば、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）や液晶ポリマー（ＬＣＰ）、ポリイミド等が好適である。

図６に示すように、湿度計測装置１０は、アノード側参照電極５１の導線ライン５８ｂとカソード側参照電極５３の導線ライン６０とに接続される直流電源６６を備える。アノード側参照電極５１の導線ライン５８ａと湿度センサ５４の導線ライン６４とは、図示しない計測器に接続されており、前記アノード側参照電極５１と前記湿度センサ５４との電位差からアノード電位が検出される。

なお、後述するように、カソード電極２４側にも、カソード電極触媒層２４ａ上に位置して湿度センサ５４ｃａを設けることができる。その際、湿度センサ５４ｃａの導線ライン６４ａとアノード側参照電極５１の導線ライン５８ａとは、図示しない計測器に接続されるとともに、前記アノード側参照電極５１と前記湿度センサ５４ｃａとの電位差からカソード電位が検出される。

湿度センサ５４と湿度センサ５４ｃａとは、アノード電極触媒層２２ａ上とカソード電極触媒層２４ａ上とに設けられているが、固体高分子電解質膜２０と前記アノード電極触媒層２２ａとの間及び前記固体高分子電解質膜２０と前記カソード電極触媒層２４ａとの間に設けられてもよい。又は、湿度センサ５４、５４ｃａは、それぞれ複数個ずつ配置されてもよく、一部が固体高分子電解質膜２０上に配置されてもよい。

このように構成される燃料電池１２の動作について、以下に説明する。

図１に示すように、酸化剤ガス入口連通孔２８ａに酸素含有ガス等の酸化剤ガスが供給されるとともに、燃料ガス入口連通孔３０ａに水素含有ガス等の燃料ガスが供給される。さらに、冷却媒体入口連通孔３２ａに純水やエチレングリコール等の冷却媒体が供給される。

酸化剤ガスは、酸化剤ガス入口連通孔２８ａからカソード側セパレータ１６の酸化剤ガス流路３６に導入される。このため、酸化剤ガスは、酸化剤ガス流路３６に沿って矢印Ｂ方向に流通し、電解質膜・電極構造体１４のカソード電極２４に供給される。

一方、燃料ガスは、燃料ガス入口連通孔３０ａからアノード側セパレータ１８の燃料ガス流路３８に導入される。この燃料ガス流路３８では、燃料ガスが矢印Ｂ方向に流通することにより、電解質膜・電極構造体１４のアノード電極２２に供給される。

従って、各電解質膜・電極構造体１４では、カソード電極２４に供給される酸化剤ガスと、アノード電極２２に供給される燃料ガスとが、カソード電極触媒層２４ａ及びアノード電極触媒層２２ａ内で電気化学反応により消費されて発電が行われる。

次いで、カソード電極２４に供給されて消費された酸化剤ガスは、酸化剤ガス出口連通孔２８ｂに沿って矢印Ａ方向に排出される。同様に、アノード電極２２に供給されて消費された燃料ガスは、燃料ガス出口連通孔３０ｂに沿って矢印Ａ方向に排出される。

また、冷却媒体入口連通孔３２ａに供給された冷却媒体は、カソード側セパレータ１６とアノード側セパレータ１８との間の冷却媒体流路４０に導入された後、矢印Ｃ方向に流通する。この冷却媒体は、電解質膜・電極構造体１４を冷却した後、冷却媒体出口連通孔３２ｂから排出される。

ところで、湿度計測装置１０では、図６に示すように、直流電源６６が駆動されてアノード側参照電極５１とカソード側参照電極５３とに電圧が印加されている。従って、固体高分子電解質膜２０に含まれている水が電気分解され、水素が発生するため、これを基準にしてアノード側参照電極５１と湿度センサ５４との電位差が検出される。

この場合、第１の実施形態では、電解質膜・電極構造体１４に設けられている湿度センサ５４からの出力（アノードやカソードに設置した電位）を容易且つ確実に検出することができる。アノード電位と湿度とは、図７に示す関係を有する一方、カソード電位と湿度とは、図８に示す関係を有している。そして、検出されたアノード電位又はカソード電位から湿度が検出される。

しかも、少なくともアノード側電極５０は、湿度センサ５４と一体に基材５６ａに設けられている。このため、アノード側電極５０と湿度センサ５４とを可及的に近接して配置することが可能になり、正確なアノード電位を安定して計測することができる。

これにより、簡単且つ経済的な構成で、固体高分子電解質膜２０の湿度を高精度に計測することが可能になり、前記固体高分子電解質膜２０の含水量を適正な範囲に維持してフラッディングを可及的に抑制するように、燃料電池１２を運転するのに利用することができるという効果が得られる。

図９は、本発明の第２の実施形態に係る燃料電池用湿度計測装置７０が組み込まれる電解質膜・電極構造体７２の要部断面説明図である。なお、第１の実施形態に係る湿度計測装置１０と同一の構成要素には、同一の参照符号を付して、その詳細な説明は省略する。また、以下に説明する第３以降の実施形態においても同様に、その詳細な説明は省略する。

湿度計測装置７０は、電解質膜・電極構造体７２を構成する固体高分子電解質膜２０のアノード側の面２０ａ上のアノード側参照電極用電極触媒２２ａｓと、導電体で構成されるアノード側電極５０とにより構成されるアノード側参照電極５１、前記固体高分子電解質膜２０のカソード側の面２０ｂ上のカソード側参照電極用電極触媒２４ａｓと、導電体で構成されるカソード側電極５２とにより構成されるカソード側参照電極５３、及びカソード電極触媒層２４ａ上に配置される湿度センサ７４を備える。第２の実施形態では、アノード側参照電極用電極触媒２２ａｓ及びカソード側参照電極用電極触媒２４ａｓは、固体高分子電解質膜２０に一体に設けられている。また、湿度センサ７４は、固体高分子電解質膜２０のカソード側の面２０ｂ上に配置してもよい。

図９及び図１０に示すように、アノード側電極５０は、絶縁性の基材７５ａに一体に設けられるとともに、カソード側電極５２及び湿度センサ７４は、絶縁性の基材７５ｂに一体に設けられる。基材７５ａは、アノード側電極５０側とは反対側の端部が基材７５ｂに固定（接着）され、前記アノード側電極５０及びカソード側電極５２が互いに離間して配置される。なお、基材７５ａ、７５ｂは、互いに分離して構成されていてもよく、また、単一の基材を使用してもよい。湿度センサ７４は、一方の端部側に厚さ方向に突出する計測部７４ａを有する導電性端子（例えば、薄膜状又は細線状の金）により構成される。湿度センサ７４の下端部には、導線ライン７６が接続される。

図１１に示すように、湿度計測装置７０では、湿度センサ７４の導線ライン７６とアノード側電極５０の導線ライン５８ａとは、図示しない計測器に接続されている。アノード側参照電極５１と湿度センサ７４との電位差からカソード電位が検出される。なお、アノード電極２２側にも、アノード電極触媒層２２ａ上に位置して湿度センサ７４ａｎを設けることができる。その際、湿度センサ７４ａｎの導線ライン７６ａとアノード側電極５０の導線ライン５８ａとは、図示しない計測器に接続されるとともに、アノード側参照電極５１と前記湿度センサ７４ａｎとの電位差からアノード電位が検出される。湿度センサ７４、７４ａｎは、上記の湿度センサ５４、５４ｃａと同様に、それぞれの設定位置が変更可能であるとともに、それぞれ複数個ずつ配置することができる。

このように構成される第２の実施形態では、湿度計測装置７０は、カソード電極触媒層２４ａ上に配置される湿度センサ７４を介してカソードやアノードに設置した電位を検出するだけで、電解質膜・電極構造体１４の含水量を容易且つ確実に検出することができる。これにより、簡単且つ経済的な構成で、固体高分子電解質膜２０の湿度を高精度に計測することが可能になる等、上記の第１の実施形態と同様の効果が得られる。

図１２は、本発明の第３の実施形態に係る燃料電池用湿度計測装置７７が組み込まれる電解質膜・電極構造体７８の要部断面説明図である。

湿度計測装置７７は、固体高分子電解質膜２０のアノード側の面２０ａ上のアノード側参照電極用電極触媒２２ａｓと、導電体で構成されるアノード側電極５０とにより構成されるアノード側参照電極５１、前記固体高分子電解質膜２０のカソード側の面２０ｂ上のカソード側参照電極用電極触媒２４ａｓと、導電体で構成されるカソード側電極５２とにより構成されるカソード側参照電極５３、アノード電極触媒層２２ａ上に配置される湿度センサ５４及びカソード電極触媒層２４ａに配置される湿度センサ７４を備える。

図１２及び図１３に示すように、アノード側電極５０及び湿度センサ５４は、絶縁性の基材７９ａに一体に設けられるとともに、カソード側電極５２及び湿度センサ７４は、絶縁性の基材７９ｂに一体に設けられる。基材７９ａは、アノード側電極５０側とは反対側の端部が基材７９ｂに固定（接着又は溶着）され、アノード側電極５０及びカソード側電極５２が互いに離間して配置される。なお、基材７９ａ、７９ｂは、互いに分離して構成されていてもよく、また、単一の基材を使用してもよい。

このように構成される第３の実施形態では、湿度計測装置７７は、アノード電極触媒層２２ａ上に配置される湿度センサ５４及びカソード電極触媒層２４ａに配置される湿度センサ７４を介してアノード及びカソードに設置した電位を検出することができる。これにより、簡単且つ経済的な構成で、固体高分子電解質膜２０の湿度を高精度に計測することが可能になる等、上記の第１及び第２の実施形態と同様の効果が得られる。

図１４は、本発明の第４の実施形態に係る燃料電池用湿度計測装置８０の概略斜視説明図である。

湿度計測装置８０は、アノード側電極５０と一体に絶縁性の基材８１ａに配置される複数の湿度センサ８２、８４、８６及び８８を備える。カソード側電極５２は、絶縁性の基材８１ｂに配置されるとともに、前記基材８１ｂは、前記カソード側電極５２側とは反対側の端部が基材８１ａに固定（接着又は溶着）される。なお、基材８１ａ、８１ｂは、単一の基材により構成してもよい。また、カソード側も、上記のアノード側と同様に構成してもよい。

湿度センサ８２、８４、８６及び８８は、例えば、薄膜状又は細線状の金（Ａｕ）により形成されるとともに、前記湿度センサ８２から前記湿度センサ８８に向かって、順次、短尺に構成される。湿度センサ８２、８４、８６及び８８の各計測部８２ａ、８４ａ、８６ａ及び８８ａは、絶縁シート６２に形成された開口部６２ａ、６２ｂ、６２ｃ及び６２ｄから外部に数μｍ〜数十μｍだけ突出する。湿度センサ８２、８４、８６及び８８の端部には、導線ライン９０ａ、９０ｂ、９０ｃ及び９０ｄが接続され、これらが図示しない計測器に接続される。

このように構成される第４の実施形態では、基材８１ａにアノード側電極５０と湿度センサ８２、８４、８６及び８８とが一体に設けられている。従って、少なくともアノード側電極５０、湿度センサ８２、８４、８６及び８８の配置作業が一挙に簡素化されるとともに、アノード側の複数の測定点を同時に計測することができ、湿度分布を測定することが可能である。カソード側も、同時に測定してもよい。しかも、各計測部８２ａ、８４ａ、８６ａ及び８８ａ同士を可及的に隣接して設けることが可能になるとともに、上記の第１及び第２の実施形態と同様の効果が得られる。

図１５は、本発明の第５の実施形態に係る燃料電池用湿度計測装置１００の概略斜視説明図である。

湿度計測装置１００は、カソード側電極５２と一体に絶縁性の基材１０１ａに配置される複数の湿度センサ１０２、１０４、１０６及び１０８を備える。アノード側電極５０は、絶縁性の基材１０１ｂに配置されるとともに、前記基材１０１ｂは、アノード側電極５０側とは反対側の端部が基材１０１ａに固定（接着又は溶着）される。なお、基材１０１ａ、１０１ｂは、単一の基材により構成してもよい。

湿度センサ１０２、１０４、１０６及び１０８は、例えば、薄膜状又は細線状の金（Ａｕ）により形成されるとともに、前記湿度センサ１０２から前記湿度センサ１０８に向かって、順次、短尺に構成される。湿度センサ１０２、１０４、１０６及び１０８の各計測部１０２ａ、１０４ａ、１０６ａ及び１０８ａは、絶縁シート６２に形成された開口部６２ａ、６２ｂ、６２ｃ及び６２ｄから外部に数μｍ〜数十μｍだけ突出する。湿度センサ１０２、１０４、１０６及び１０８の端部には、導線ライン１１０ａ、１１０ｂ、１１０ｃ及び１１０ｄが接続され、これらが図示しない計測器に接続される。

このように構成される第５の実施形態では、基材１０１ａにカソード側電極５２と湿度センサ１０２、１０４、１０６及び１０８とが一体に設けられている。これにより、少なくともカソード側電極５２、湿度センサ１０２、１０４、１０６及び１０８の配置作業が一挙に簡素化されるとともに、カソード側の複数の測定点を同時に計測することができる。アノード側も、同時に測定してもよい。さらに、各計測部１０２ａ、１０４ａ、１０６ａ及び１０８ａ同士を可及的に隣接して設けることが可能になるとともに、上記の第１〜第４の実施形態と同様の効果が得られる。

図１６は、本発明の第６の実施形態に係る燃料電池用湿度計測装置１２０の概略斜視説明図である。

湿度計測装置１２０は、アノード側電極５０と一体に一対の絶縁シート（絶縁基材）１２２、１２４間に被覆されてアノード側に配置される複数の湿度センサ１２６、１２８、１３０及び１３２を備える。カソード側電極５２は、絶縁性の基材１２５に配置されるとともに、前記基材１２５は、カソード側電極５２側とは反対側の端部が絶縁シート１２２に固定（接着又は溶着）される。なお、基材１２５は、絶縁シート１２２と一体に構成されてもよい。

絶縁シート１２２、１２４は、一端側に幅狭部１２２ａ、１２４ａを設けるとともに、前記幅狭部１２２ａ、１２４ａは、外方に広がる肩部を介して幅広部１２２ｂ、１２４ｂに一体に連なっている。

湿度センサ１２６、１２８、１３０及び１３２は、例えば、薄膜状又は細線状の金（Ａｕ）により形成される。湿度センサ１２６、１２８、１３０及び１３２の上部側には、それぞれ異なる高さ位置から計測部１２６ａ、１２８ａ、１３０ａ及び１３２ａが膨出形成される。計測部１２６ａ、１２８ａ、１３０ａ及び１３２ａは、絶縁シート１２２の表面と同一位置に配置されてもよく、測定点との接触を確保するために、前記絶縁シート１２２の表面から僅かに突出して構成してもよい。

湿度センサ１２６、１２８、１３０及び１３２は、互いに平行して幅狭部１２２ａ、１２４ａに沿って延在した後、互いの離間間隔を大きくし、幅広部１２２ｂ、１２４ｂに沿って互いに平行して延在する。湿度センサ１２６、１２８、１３０及び１３２の端部には、導線ライン１３６ａ、１３６ｂ、１３６ｃ及び１３６ｄが接続され、これらが図示しない計測器に接続される。

このように構成される第６の実施形態では、上記の第１〜第５の実施形態と同様の効果が得られる他、導線ライン１３６ａ、１３６ｂ、１３６ｃ及び１３６ｄにおける接続部位が幅広部１２２ｂ、１２４ｂを構成している。このため、各導線ライン１３６ａ、１３６ｂ、１３６ｃ及び１３６ｄの結線作業が、容易且つ良好に遂行可能になるという利点がある。

図１７は、本発明の第７の実施形態に係る燃料電池用湿度計測装置１４０の概略斜視説明図である。

湿度計測装置１４０は、カソード側電極５２と一体に一対の絶縁シート１４２、１４４間に被覆されてカソード側に配置される複数の湿度センサ１４６、１４８、１５０及び１５２を備える。アノード側電極５０は、絶縁性の基材１４５に配置されるとともに、前記基材１４５は、前記アノード側電極５０側とは反対側の端部が絶縁シート１４２に固定（接着又は溶着）される。なお、基材１４５は、絶縁シート１４２と一体に構成されてもよい。

絶縁シート１４２、１４４は、一端側に幅狭部１４２ａ、１４４ａを設けるとともに、前記幅狭部１４２ａ、１４４ａは、外方に広がる肩部を介して幅広部１４２ｂ、１４４ｂに一体に連なっている。

湿度センサ１４６、１４８、１５０及び１５２は、例えば、薄膜状又は細線状の金（Ａｕ）により形成される。湿度センサ１４６、１４８、１５０及び１５２の上部側には、それぞれ異なる高さ位置から計測部１４６ａ、１４８ａ、１５０ａ及び１５２ａが膨出形成される。計測部１４６ａ、１４８ａ、１５０ａ及び１５２ａは、絶縁シート１４２の表面と同一位置に配置されてもよく、測定点との接触を確保するために、前記絶縁シート１４２の表面から僅かに突出して構成してもよい。

湿度センサ１４６、１４８、１５０及び１５２は、互いに平行して幅狭部１４２ａ、１４４ａに沿って延在した後、互いの離間間隔を大きくし、幅広部１４２ｂ、１４４ｂに沿って互いに平行して延在する。湿度センサ１４６、１４８、１５０及び１５２の端部には、導線ライン１５６ａ、１５６ｂ、１５６ｃ及び１５６ｄが接続され、これらが図示しない計測器に接続される。

このように構成される第７の実施形態では、上記の第１〜第６の実施形態と同様の効果が得られる。

図１８は、本発明の第８の実施形態に係る燃料電池用湿度計測装置１６０の概略斜視説明図である。なお、湿度計測装置１６０は、図１４に示す第４の実施形態（湿度計測装置８０）と図１５に示す第５の実施形態（湿度計測装置１００）とを組み合わせて構成される。

基材８１ａには、アノード側電極５０と複数の湿度センサ８２、８４、８６及び８８とが一体に配置されるとともに、基材１０１ａには、カソード側電極５２と複数の湿度センサ１０２、１０４、１０６及び１０８とが一体に配置される。基材８１ａと基材１０１ａとは、アノード側電極５０側とは反対側の端部とカソード側電極５２側とは反対側の端部とが固定（接着される）。なお、基材８１ａと基材１０１ａとは、単一の基材により構成してもよい。

このように構成される第８の実施形態では、アノード側及びカソード側のそれぞれ複数の測定点を同時に計測することができるとともに、上記の第１〜第７の実施形態と同様の効果が得られる。なお、上記の第６の実施形態と第７の実施形態とを組み合わせて構成することも可能である。具体的には、アノード側に複数の湿度センサ１２６、１２８、１３０及び１３２を配置するとともに、カソード側に複数の湿度センサ１４６、１４８、１５０及び１５２を配置することができる。

図１９は、本発明の第９の実施形態に係る燃料電池用湿度計測装置１７０が組み込まれる電解質膜・電極構造体１７２の要部断面説明図である。

湿度計測装置１７０は、アノード側の基材５６ａ上に白金（Ｐｔ）等の導電体により、又は導電体上に白金（Ｐｔ）を一体で塗布することにより構成されるアノード側参照電極１７４、カソード側の基材５６ｂ上に白金（Ｐｔ）等の導電体により、又は導電体上に白金（Ｐｔ）を一体で塗布することにより構成されるカソード側参照電極１７６、及びアノード電極触媒層２２ａ上に配置される湿度センサ５４を備える。

このように構成される第９の実施形態では、アノード側参照電極１７４及びカソード側参照電極１７６は、基材５６ａ、５６ｂ上に白金（Ｐｔ）、又は導電体上に白金（Ｐｔ）を塗布することにより構成されている。このため、固体高分子電解質膜２０上でのアノード側参照電極用電極触媒２２ａｓとアノード側電極５０との位置合わせ、及びカソード側参照電極用電極触媒２４ａｓとカソード側電極５２との位置合わせが不要になる。従って、アノード側参照電極１７４及びカソード側参照電極１７６の設置作業が一層簡素化するという効果が得られる。

なお、第９の実施形態では、実質的に第１の実施形態と同様の構成を採用しているが、第２の実施形態〜第８の実施形態にも、適用することができる。

１０、７０、７７、８０、１００、１２０、１４０、１６０、１７０…湿度計測装置
１２…燃料電池 １４、７８、１７２…電解質膜・電極構造体
１６…カソード側セパレータ １８…アノード側セパレータ
２０…固体高分子電解質膜 ２２…アノード電極
２２ａ…アノード電極触媒層 ２２ｂ…アノードガス拡散層
２４…カソード電極 ２４ａ…カソード電極触媒層
２４ｂ…カソードガス拡散層 ２６…樹脂製枠部材
３６…酸化剤ガス流路 ３８…燃料ガス流路
４０…冷却媒体流路 ５１、１７４…アノード側参照電極
５３、１７６…カソード側参照電極
５４、５４ｃａ、７４、７４ａｎ、８２、８４、８６、８８、１０２、１０４、１０６、１０８、１２６、１２８、１３０、１３２、１４６、１４８、１５０、１５２…湿度センサ
５６ａ、５６ｂ、７５ａ、７５ｂ、８１ａ、８１ｂ、１０１ａ、１０１ｂ、１２５、１４５…基材
５８ａ、５８ｂ、６０、６４、７６、７６ａ、９０ａ〜９０ｄ、１１０ａ〜１１０ｄ、１３６ａ〜１３６ｄ、１５６ａ〜１５６ｄ…導線ライン
６２、１２２、１２４、１４２、１４４…絶縁シート

Claims (3)

1. アノード電極とカソード電極との間に電解質膜を挟持する電解質膜・電極構造体に設けられ、前記電解質膜の湿度を計測する燃料電池用湿度計測装置であって、
   前記アノード電極及び前記カソード電極に設置され、直流電圧が印加される参照電極と、
   前記アノード電極又は前記カソード電極と前記参照電極とに接続され、アノード電位又はカソード電位から前記電解質膜の湿度を計測する湿度センサと、
   を備えるとともに、
   前記参照電極は、絶縁性基材を介して前記湿度センサと一体に設けられることを特徴とする燃料電池用湿度計測装置。
2. 請求項１記載の燃料電池用湿度計測装置において、前記湿度センサは、複数個の導電性端子を設けることを特徴とする燃料電池用湿度計測装置。
3. 請求項２記載の燃料電池用湿度計測装置において、前記複数個の導電性端子は、段階的に端部位置をずらして配置されることを特徴とする燃料電池用湿度計測装置。

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