JP2019220414A - 水検出装置及び発電セル - Google Patents

Abstract

【課題】発電セルの反応ガス流路における液水の有無を検出することが可能な水検出装置及び発電セルを提供する。【解決手段】電解質膜・電極構造体２８ａに沿って反応ガスを流す反応ガス流路（酸化剤ガス流路４８）を有する発電セル１２には、水検出装置１００Ａが設けられる。水検出装置１００Ａは、導電部材１０２と支持部材１０４とを備える。支持部材１０４は、絶縁性を有し、導電部材１０２を覆って支持するとともに、導電部材１０２の一部を電極として露出させる開口部１１４が設けられている。開口部１１４は、反応ガス流路に対向する位置に配置されている。【選択図】図５

Description

本発明は、水検出装置及び発電セルに関する。

一般的に、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。燃料電池は、固体高分子電解質膜の一方の面にアノード電極が、前記固体高分子電解質膜の他方の面にカソード電極が、それぞれ配設された電解質膜・電極構造体（ＭＥＡ）を備える。電解質膜・電極構造体は、セパレータ（バイポーラ板）によって挟持されることにより、発電セル（単位燃料電池）が構成されている。

発電セルには、一方の反応ガス流路として、電解質膜・電極構造体に沿って酸化剤ガスを流す酸化剤ガス流路が形成されている。発電セルには、他方の反応ガス流路として、電解質膜・電極構造体に沿って燃料ガスを流す燃料ガス流路が形成されている。発電セルは、所定の数だけ積層されることにより、例えば、車載用燃料電池スタックとして使用されている。

特開２００７−９５５７３号公報

発電セルでは、発電反応に伴って水（液水）が生成され、また、反応ガス中の蒸気が凝縮して凝縮水（液水）が生成される。反応ガス流路での液水（水滴）の滞留は様々な問題を惹き起こす。例えば、このような液水は反応ガス流路のガス流れを悪化させ発電安定性を低下させる要因となり得る。また、氷点下では、反応ガス流路内で水が凍結し、燃料電池スタックの起動の障害となり得る。反応ガス流路に滞留する液水の有無を検出することができれば、適切なタイミングで必要に応じて液水排出のための何らかの措置を講じることが可能となる。

本発明は、発電セルの反応ガス流路における液水の有無を検出することが可能な水検出装置及び発電セルを提供することを目的とする。

上記の目的を達成するため、本発明の第１の態様は、電解質膜・電極構造体に沿って反応ガスを流す反応ガス流路を有する発電セルに設けられる水検出装置であって、導電部材と、絶縁性を有し、前記導電部材を覆って支持するとともに、前記導電部材の一部を電極として露出させる開口部が設けられた支持部材と、を備え、前記開口部は、前記反応ガス流路に対向する位置に配置されている、水検出装置である。

本発明の第２の態様は、電解質膜・電極構造体を備え、前記電解質膜・電極構造体に沿って反応ガスを流す反応ガス流路が形成された発電セルであって、前記反応ガス流路の液水を検出する水検出装置を備え、前記水検出装置は、導電部材と、絶縁性を有し、前記導電部材を覆って支持するとともに、前記導電部材の一部を電極として露出させる開口部が設けられた支持部材と、を備え、前記開口部は、前記反応ガス流路に対向する位置に配置されている、発電セルである。

本発明の水検出装置によれば、絶縁性の支持部材によって導電部材が覆われており、支持部材には、導電部材の一部を電極として露出する開口部が、反応ガス流路に対向する位置に配置されている。このため、反応ガス流路における液水の有無を電気的に検出することができる。

本発明の実施形態に係る発電セルの分解斜視図である。 水検出装置が配置された第１金属セパレータを酸化剤ガス流路側から見た図である。 水検出装置の要部拡大図である。 水検出装置の斜視図である。 水検出装置の断面を含む発電セルの図１中Ｖ−Ｖ線に沿った断面図である。 水検出装置が配置された第２金属セパレータを燃料ガス流路側から見た図である。 支持部材を覆う導電性膜が設けられた水検出装置の断面図である。 他の実施形態に係る水検出装置が配置された第１金属セパレータを酸化剤ガス流路側から見た図である。 さらに他の実施形態に係る水検出装置が配置された第１金属セパレータを酸化剤ガス流路側から見た図である。 他の実施形態に係る発電セルの、水検出装置を含む断面図である。

図１に示す本発明の一実施形態に係る発電セル１２は、樹脂フィルム付きＭＥＡ２８と、樹脂フィルム付きＭＥＡ２８の一方面側に配置された第１金属セパレータ３０と、樹脂フィルム付きＭＥＡ２８の他方面側に配置された第２金属セパレータ３２とを備える。複数の発電セル１２が、例えば、矢印Ａ方向（水平方向）又は矢印Ｃ方向（重力方向）に積層されるとともに、積層方向の締付荷重（圧縮荷重）が付与されて、燃料電池スタックが構成される。燃料電池スタックは、例えば、車載用燃料電池スタックとして燃料電池電気自動車（図示せず）に搭載される。

第１金属セパレータ３０及び第２金属セパレータ３２は、例えば、鋼板、ステンレス鋼板、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薄板の断面を波形にプレス成形して構成される。互いに隣接する発電セル１２における一方の発電セル１２の第１金属セパレータ３０と、他方の発電セル１２の第２金属セパレータ３２とは、外周を溶接、ろう付け、かしめ等により一体に接合され、接合セパレータ３３を構成する。

発電セル１２の長辺方向である水平方向の一端縁部（矢印Ｂ１方向側の端縁部）には、積層方向（矢印Ａ方向）に互いに連通して、酸化剤ガス入口連通孔３４ａ、冷却媒体入口連通孔３６ａ及び燃料ガス出口連通孔３８ｂが設けられる。酸化剤ガス入口連通孔３４ａ、冷却媒体入口連通孔３６ａ及び燃料ガス出口連通孔３８ｂは、鉛直方向（矢印Ｃ方向）に配列して設けられる。酸化剤ガス入口連通孔３４ａは、酸化剤ガス、例えば、酸素含有ガスを供給する。冷却媒体入口連通孔３６ａは、冷却媒体、例えば、水を供給する。燃料ガス出口連通孔３８ｂは、燃料ガス、例えば、水素含有ガスを排出する。

発電セル１２の長辺方向である水平方向の他端縁部（矢印Ｂ２方向側の端縁部）には、積層方向に互いに連通して、燃料ガス入口連通孔３８ａ、冷却媒体出口連通孔３６ｂ及び酸化剤ガス出口連通孔３４ｂが設けられる。燃料ガス入口連通孔３８ａ、冷却媒体出口連通孔３６ｂ及び酸化剤ガス出口連通孔３４ｂは、鉛直方向に配列して設けられる。燃料ガス入口連通孔３８ａは、燃料ガスを供給する。冷却媒体出口連通孔３６ｂは、冷却媒体を排出する。酸化剤ガス出口連通孔３４ｂは、酸化剤ガスを排出する。酸化剤ガス入口連通孔３４ａ及び酸化剤ガス出口連通孔３４ｂと燃料ガス入口連通孔３８ａ及び燃料ガス出口連通孔３８ｂの配置は、本実施形態に限定されるものではなく、要求される仕様に応じて、適宜設定すればよい。

樹脂フィルム付きＭＥＡ２８は、電解質膜・電極構造体２８ａと、電解質膜・電極構造体２８ａの外周部に設けられた枠形状の樹脂フィルム４６とを備える。電解質膜・電極構造体２８ａは、電解質膜４０と、電解質膜４０を挟持するカソード電極４４及びアノード電極４２とを有する。

電解質膜４０は、例えば、固体高分子電解質膜（陽イオン交換膜）である。固体高分子電解質膜は、例えば、水分を含んだパーフルオロスルホン酸の薄膜である。電解質膜４０は、カソード電極４４及びアノード電極４２に挟持される。電解質膜４０は、フッ素系電解質の他、ＨＣ（炭化水素）系電解質を使用することができる。

図５に示すように、カソード電極４４は、電解質膜４０の一方の面に接合される第１電極触媒層４４ａと、第１電極触媒層４４ａに積層される第１ガス拡散層４４ｂとを有する。アノード電極４２は、電解質膜４０の他方の面に接合される第２電極触媒層４２ａと、第２電極触媒層４２ａに積層される第２ガス拡散層４２ｂとを有する。第１ガス拡散層４４ｂ及び第２ガス拡散層４２ｂは、導電性を有する。

図１に示すように、樹脂フィルム４６の矢印Ｂ１方向側の端縁部には、酸化剤ガス入口連通孔３４ａ、冷却媒体入口連通孔３６ａ及び燃料ガス出口連通孔３８ｂが設けられる。樹脂フィルム４６の矢印Ｂ２方向側の端縁部には、燃料ガス入口連通孔３８ａ、冷却媒体出口連通孔３６ｂ及び酸化剤ガス出口連通孔３４ｂが設けられる。

図２に示すように、第１金属セパレータ３０の樹脂フィルム付きＭＥＡ２８に向かう面３０ａ（以下、「表面３０ａ」という）には、例えば、矢印Ｂ方向に延在する酸化剤ガス流路４８が設けられる。酸化剤ガス流路４８は、酸化剤ガス入口連通孔３４ａ及び酸化剤ガス出口連通孔３４ｂに流体的に連通する。酸化剤ガス流路４８は、矢印Ｂ方向に延在する複数本の流路形成用凸部４８ａ間に形成された複数本の流路溝４８ｂを有する。流路形成用凸部４８ａは、プレス成形により樹脂フィルム付きＭＥＡ２８に向かって膨出成形される。図示例の流路溝４８ｂは、矢印Ｂ方向に延在する波形状に形成されている。流路溝４８ｂは、矢印Ｂ方向に延在する直線状溝であってもよい。

第１金属セパレータ３０の表面３０ａにおいて、酸化剤ガス入口連通孔３４ａと酸化剤ガス流路４８との間には、複数個のエンボス５０ａを有する入口バッファ部５０Ａが設けられる。第１金属セパレータ３０の表面３０ａにおいて、酸化剤ガス出口連通孔３４ｂと酸化剤ガス流路４８との間には、複数個のエンボス５０ｂを有する出口バッファ部５０Ｂが設けられる。エンボス５０ａ、５０ｂは、平面視（積層方向視）で、円形に形成されている。エンボス５０ａ、５０ｂは、平面視（積層方向視）で、長円形あるいはライン状に形成されてもよい。

第１金属セパレータ３０の表面３０ａには、プレス成形により第１シールライン５１が樹脂フィルム付きＭＥＡ２８（図１）に向かって膨出成形される。第１シールライン５１の凸部先端面には、樹脂材が印刷又は塗布等により固着されてもよい。樹脂材は、例えば、ポリエステル繊維が使用される。樹脂材は、樹脂フィルム４６側に設けられてもよい。

第１シールライン５１は、酸化剤ガス流路４８、入口バッファ部５０Ａ及び出口バッファ部５０Ｂを囲むビードシール５１ａ（以下、「内側ビード部５１ａ」という）と、内側ビード部５１ａよりも外側に設けられるとともに第１金属セパレータ３０の外周に沿って延在するビードシール５２（以下、「外側ビード部５２」という）と、複数の連通孔（酸化剤ガス入口連通孔３４ａ等）を個別に囲む複数のビードシール５３（以下、「連通孔ビード部５３」という）とを有する。外側ビード部５２は、第１金属セパレータ３０の表面３０ａから樹脂フィルム付きＭＥＡ２８に向かって突出するとともに当該表面３０ａの外周縁部を周回する。

複数の連通孔ビード部５３は、第１金属セパレータ３０の表面３０ａから樹脂フィルム付きＭＥＡ２８に向かって突出するとともに、酸化剤ガス入口連通孔３４ａ、酸化剤ガス出口連通孔３４ｂ、燃料ガス入口連通孔３８ａ、燃料ガス出口連通孔３８ｂ、冷却媒体入口連通孔３６ａ及び冷却媒体出口連通孔３６ｂの周囲をそれぞれ個別に周回する。

以下、複数の連通孔ビード部５３のうち、酸化剤ガス入口連通孔３４ａを囲むものを「連通孔ビード部５３ａ」と表記し、酸化剤ガス出口連通孔３４ｂを囲むものを「連通孔ビード部５３ｂ」と表記する。連通孔ビード部５３ａと酸化剤ガス流路４８との間に、上述した入口バッファ部５０Ａ（複数個のエンボス５０ａ）が配置されている。連通孔ビード部５３ｂと酸化剤ガス流路４８との間に、上述した出口バッファ部５０Ｂ（複数個のエンボス５０ｂ）が配置されている。第１金属セパレータ３０には、連通孔ビード部５３ａ、５３ｂの内側（連通孔３４ａ、３４ｂ側）及び外側（酸化剤ガス流路４８側）を連通するブリッジ部８０、８２が設けられる。

酸化剤ガス入口連通孔３４ａを囲む連通孔ビード部５３ａに、ブリッジ部８０が設けられる。ブリッジ部８０は、互いに間隔を置いて配置された複数のトンネル８０ａを有する。複数のトンネル８０ａは、連通孔ビード部５３ａと交差するように、プレス成形により樹脂フィルム付きＭＥＡ２８（図１）に向かって膨出成形される。各トンネル８０ａの一端部は、酸化剤ガス入口連通孔３４ａに開口している。各トンネル８０ａの他端部には、開口部８０ｂが設けられている。これにより、酸化剤ガス入口連通孔３４ａと、酸化剤ガス流路４８とは、ブリッジ部８０を介して連通している。

酸化剤ガス出口連通孔３４ｂを囲む連通孔ビード部５３ｂに、ブリッジ部８２が設けられる。ブリッジ部８２は、互いに間隔を置いて配置された複数のトンネル８２ａを有する。複数のトンネル８２ａは、連通孔ビード部５３ｂと交差するように、プレス成形により樹脂フィルム付きＭＥＡ２８（図１）に向かって膨出成形される。各トンネル８２ａの一端部は、酸化剤ガス出口連通孔３４ｂに開口している。各トンネル８２ａの他端部には、開口部８２ｂが設けられている。これにより、酸化剤ガス出口連通孔３４ｂと、酸化剤ガス流路４８とは、ブリッジ部８２を介して連通している。

図１及び図６に示すように、第２金属セパレータ３２の樹脂フィルム付きＭＥＡ２８に向かう面３２ａ（以下、「表面３２ａ」という）には、例えば、矢印Ｂ方向に延在する燃料ガス流路５８が形成される。図６に示すように、燃料ガス流路５８は、燃料ガス入口連通孔３８ａ及び燃料ガス出口連通孔３８ｂに流体的に連通する。燃料ガス流路５８は、矢印Ｂ方向に延在する複数本の流路形成用凸部５８ａ間に形成された複数本の流路溝５８ｂを有する。流路形成用凸部５８ａは、プレス成形により樹脂フィルム付きＭＥＡ２８に向かって膨出成形される。図示例の流路溝５８ｂは、矢印Ｂ方向に延在する波形状に形成されている。流路溝５８ｂは、矢印Ｂ方向に延在する直線状溝であってもよい。

第２金属セパレータ３２の表面３２ａにおいて、燃料ガス入口連通孔３８ａと燃料ガス流路５８との間には、複数個のエンボス６０ａを有する入口バッファ部６０Ａが設けられる。また、第２金属セパレータ３２の表面３２ａにおいて、燃料ガス出口連通孔３８ｂと燃料ガス流路５８との間には、複数個のエンボス６０ｂを有する出口バッファ部６０Ｂが設けられる。エンボス６０ａ、６０ｂは、平面視（積層方向視）で、円形に形成されている。エンボス６０ａ、６０ｂは、平面視（積層方向視）で、長円形あるいはライン状に形成されてもよい。

第２金属セパレータ３２の表面３２ａには、プレス成形により第２シールライン６１が樹脂フィルム付きＭＥＡ２８に向かって膨出成形される。第２シールライン６１の凸部先端面には、樹脂材が印刷又は塗布等により固着されてもよい。当該樹脂材は、例えば、ポリエステル繊維が使用される。当該樹脂材は、樹脂フィルム４６側に設けられてもよい。

第２シールライン６１は、燃料ガス流路５８、入口バッファ部６０Ａ及び出口バッファ部６０Ｂを囲むビードシール（以下、「内側ビード部６１ａ」という）と、内側ビード部６１ａよりも外側に設けられるとともに第２金属セパレータ３２の外周に沿って延在するビードシール（以下、「外側ビード部６２」という）と、複数の連通孔（連通孔３８ａ等）を個別に囲む複数のビードシール（以下、「連通孔ビード部６３」という）とを有する。外側ビード部６２は、第２金属セパレータ３２の表面３２ａから突出するとともに当該表面３２ａの外周縁部を周回する。

複数の連通孔ビード部６３は、第２金属セパレータ３２の表面３２ａから突出するとともに、酸化剤ガス入口連通孔３４ａ、酸化剤ガス出口連通孔３４ｂ、燃料ガス入口連通孔３８ａ、燃料ガス出口連通孔３８ｂ、冷却媒体入口連通孔３６ａ及び冷却媒体出口連通孔３６ｂの周囲をそれぞれ個別に周回する。

以下、複数の連通孔ビード部６３のうち、燃料ガス入口連通孔３８ａを囲むものを「連通孔ビード部６３ａ」と表記し、燃料ガス出口連通孔３８ｂを囲むものを「連通孔ビード部６３ｂ」と表記する。連通孔ビード部６３ａと燃料ガス流路５８との間に、上述した入口バッファ部６０Ａ（複数個のエンボス６０ａ）が配置されている。連通孔ビード部６３ｂと燃料ガス流路５８との間に、上述した出口バッファ部６０Ｂ（複数個のエンボス６０ｂ）が配置されている。第２金属セパレータ３２には、連通孔ビード部６３ａ、６３ｂの内側（連通孔３８ａ、３８ｂ側）及び外側（燃料ガス流路５８側）を連通するブリッジ部９０、９２が設けられる。

燃料ガス入口連通孔３８ａを囲む連通孔ビード部６３ａに、ブリッジ部９０が設けられる。ブリッジ部９０は、互いに間隔を置いて配置された複数のトンネル９０ａを有する。複数のトンネル９０ａは、連通孔ビード部６３ａと交差するように、プレス成形により樹脂フィルム付きＭＥＡ２８（図１）に向かって膨出成形される。各トンネル９０ａの一端部は、燃料ガス入口連通孔３８ａに開口している。各トンネル９０ａの他端部には、開口部９０ｂが設けられている。これにより、燃料ガス入口連通孔３８ａと、燃料ガス流路５８とは、ブリッジ部９０を介して連通している。

燃料ガス出口連通孔３８ｂを囲む連通孔ビード部６３ｂに、ブリッジ部９２が設けられる。ブリッジ部９２は、互いに間隔を置いて配置された複数のトンネル９２ａを有する。複数のトンネル９２ａは、連通孔ビード部６３ｂと交差するように、プレス成形により樹脂フィルム付きＭＥＡ２８（図１）に向かって膨出成形される。各トンネル９２ａの一端部は、燃料ガス出口連通孔３８ｂに開口している。各トンネル９２ａの他端部には、開口部９２ｂが設けられている。これにより、燃料ガス出口連通孔３８ｂと、燃料ガス流路５８とは、ブリッジ部９２を介して連通している。

図１に示すように、互いに接合される第１金属セパレータ３０の面３０ｂと第２金属セパレータ３２の面３２ｂとの間には、冷却媒体入口連通孔３６ａと冷却媒体出口連通孔３６ｂとに流体的に連通する冷却媒体流路６６が形成される。冷却媒体流路６６は、酸化剤ガス流路４８が形成された第１金属セパレータ３０の裏面形状と、燃料ガス流路５８が形成された第２金属セパレータ３２の裏面形状とが重なり合って形成される。第１金属セパレータ３０と第２金属セパレータ３２は外周及び連通孔の周囲を溶接することにより接合される。溶接に代えて、ろう付けによって接合されてもよい。

発電セル１２は、さらに、水検出装置１００Ａ、１００Ｂを備える。本実施形態に係る発電セル１２では、酸化剤ガス流路４８における液水Ｗの有無を検出する水検出装置１００Ａと、燃料ガス流路５８における液水Ｗの有無を検出する水検出装置１００Ｂとが設けられている。水検出装置１００Ａは、電解質膜・電極構造体２８ａと第１金属セパレータ３０との間に挟持されている。水検出装置１００Ｂは、電解質膜・電極構造体２８ａと第２金属セパレータ３２との間に挟持されている。水検出装置１００Ａと水検出装置１００Ｂとは、反応ガスの流れ方向（矢印Ｂ方向）に互いにずれた位置に配置されている。水検出装置１００Ａと水検出装置１００Ｂは、いずれか一方のみが設けられてもよい。

水検出装置１００Ａは、薄肉のフィルム状に構成されている。このため、第１金属セパレータ３０又は電解質膜・電極構造体２８ａは、水検出装置１００Ａの厚み分だけ撓んでおり、水検出装置１００Ａが配置されていない箇所では、電解質膜・電極構造体２８ａと第１金属セパレータ３０とは互いに接触している。同様に、第２金属セパレータ３２又は電解質膜・電極構造体２８ａは、水検出装置１００Ｂの厚み分だけ撓んでおり、水検出装置１００Ｂが配置されていない箇所では、電解質膜・電極構造体２８ａと第２金属セパレータ３２とは互いに接触している。

図２に示すように、水検出装置１００Ａは、酸化剤ガス流路４８の反応生成水が蓄積しやすい下流領域（酸化剤ガス流路４８のうち酸化剤ガス出口連通孔３４ｂに近い側）に配置されている。なお、水検出装置１００Ａは、酸化剤ガス流路４８の上流領域（酸化剤ガス流路４８のうち酸化剤ガス入口連通孔３４ａに近い側）、又は上流領域と下流領域の間に配置されてもよい。

図２及び図４に示すように、水検出装置１００Ａは、配線材である導電部材１０２と、カバー材である支持部材１０４とを備える。導電部材１０２と支持部材１０４とは、水検出装置１００Ａの本体部１０１を構成する。本体部１０１は、薄肉の帯状（フィルム状）に構成されている。本体部１０１の一端部は、第１金属セパレータ３０に重ならない位置に配置されており、当該一端部に接続端子１０６が設けられている。水検出装置１００Ａは、接続端子１０６を介して、電圧印加装置１０８及び電流計測装置１０９に接続される。

導電部材１０２は、帯状（線状）に形成されており、金属（例えば、銅、銀、金、白金、アルミ等）により構成されている。導電部材１０２は、他の導電材（例えば、カーボン）により構成されてもよい。水検出装置１００Ａには、２本の導電部材１０２が設けられている。以下、一方の導電部材１０２を「第１導電部材１０２ａ」とも呼び、他方の導電部材１０２を「第２導電部材１０２ｂ」とも呼ぶ。第１導電部材１０２ａと第２導電部材１０２ｂとは、互いに平行に延在している。導電部材１０２は、例えば、印刷、メッキ、塗布被膜、スパッタ等により形成される。水検出装置１００Ａにより液水Ｗの有無を検出する際、電圧印加装置１０８により、第１導電部材１０２ａと第２導電部材１０２ｂとの間に電圧が印加される。

支持部材１０４は、絶縁性を有する材料により構成されている。支持部材１０４の構成材料としては、例えば、ポリイミド、ＰＰＳ（ポリフェニレンサルファイド）、ＰＰＡ（ポリフタルアミド）、ＰＥＮ（ポリエチレンナフタレート）、ＰＥＳ（ポリエーテルサルフォン）、ＬＣＰ（リキッドクリスタルポリマー）、ＰＶＤＦ（ポリフッ化ビニリデン）、シリコーン樹脂、フッ素樹脂、又はｍ−ＰＰＥ（変性ポリフェニレンエーテル樹脂）、ＰＥＴ（ポリエチレンテレフタレート）、ＰＢＴ（ポリブチレンテレフタレート）又は変性ポリオレフィン等が挙げられる。

支持部材１０４は、酸化剤ガス流路４８の延在方向に対して交差する方向（矢印Ｃ方向）（鉛直方向）に延在する帯状に構成されている。支持部材１０４は、本実施形態では酸化剤ガス流路４８の延在方向に対して直交する方向に延在しているが、他の態様においては、酸化剤ガス流路４８の延在方向に対して傾斜する方向に延在してもよい。支持部材１０４は、厚さ方向から見て直線状に限らず、延在方向のいずれかの箇所で屈曲した形状を有していてもよい。支持部材１０４は、導電部材１０２を覆って支持する。図４及び図５に示すように、支持部材１０４は、一対の絶縁性シート（ベースシート１１０及びカバーシート１１２）を有する。ベースシート１１０とカバーシート１１２とは、厚さ方向に重なり、接着剤又は融着により互いに接合されている。ベースシート１１０とカバーシート１１２との間に、導電部材１０２が挟持されている。ベースシート１１０とカバーシート１１２とは、一体成形されたものであってもよい。

支持部材１０４には、導電部材１０２の一部を電極として露出させる開口部１１４が設けられている。具体的に、支持部材１０４は、第１導電部材１０２ａの一部を第１電極Ｅ１として露出させる第１開口部１１４ａと、第２導電部材１０２ｂの一部を第２電極Ｅ２として露出させる第２開口部１１４ｂとを有する。開口部１１４は、カバーシート１１２に設けられている。開口部１１４は、カバーシート１１２を厚さ方向に貫通している。開口部１１４の形状は、図４に示すように例えば円形である。開口部１１４の形状は、楕円形や、三角形、四角形等の多角形状であってもよい。

図３及び図５に示すように、開口部１１４は、酸化剤ガス流路４８（流路溝４８ｂ）に対向する位置に配置されている。開口部１１４の位置は、流路溝４８ｂの幅方向（矢印Ｃ方向）中央よりも鉛直下方であってもよい。

図５に示すように、開口部１１４において、導電部材１０２の表面は、耐腐食性を有する保護層１１８により被覆されている。保護層１１８は、貴金属（例えば、金、白金等）からなり、例えば、メッキ、スパッタにより形成される。保護層１１８は、導電部材１０２と同様に導電性を有する部材であるため、導電部材１０２の一部とみなすことができる。支持部材１０４のうち開口部１１４の両側（支持部材１０４の延在方向で、開口部１１４の両側）は、流路形成用凸部４８ａと電解質膜・電極構造体２８ａとの間に挟持されている。本体部１０１を介して酸化剤ガス流路４８（流路溝４８ｂ）と対向する位置で、本体部１０１と電解質膜・電極構造体２８ａとは接着剤１２０により互いに接合されている。接着剤１２０は、設けられなくてもよい。

図２及び図４に示すように、水検出装置１００Ａはさらに、第１金属セパレータ３０に対する位置決め部１２４を備える。位置決め部１２４は、支持部材１０４に固定されている。位置決め部１２４は、第１金属セパレータ３０（及び第２金属セパレータ３２）の外周縁部に当接する。図４に示すように、位置決め部１２４は、支持部材１０４から、支持部材１０４の厚さ方向（矢印Ａ方向）の両側に突出している。位置決め部１２４は、支持部材１０４に一体成形されていてもよい。位置決め部１２４は、支持部材１０４と別体の構成であり、支持部材１０４に接合された部材であってもよい。位置決め部１２４の形状は、本実施形態の形状に限定されない。

図６において、第２金属セパレータ３２に配置された水検出装置１００Ｂは、第１金属セパレータ３０に配置された水検出装置１００Ａ（図２〜図５）と同様に構成されている。すなわち、水検出装置１００Ｂは、導電部材１０２（第１導電部材１０２ａ及び第２導電部材１０２ｂ）と、支持部材１０４と、接続端子１０６と、位置決め部１２４とを備える。水検出装置１００Ｂにおいて、支持部材１０４に設けられた第１開口部１１４ａ及び第２開口部１１４ｂは、燃料ガス流路５８（流路溝５８ｂ）に対向する位置に配置されている。

水検出装置１００Ｂは、燃料ガス流路５８の反応生成水が蓄積しやすい下流領域（燃料ガス流路５８のうち燃料ガス出口連通孔３８ｂに近い側）に配置されている。なお、水検出装置１００Ｂは、燃料ガス流路５８の上流領域（燃料ガス流路５８のうち燃料ガス入口連通孔３８ａに近い側）、又は上流領域と下流領域の間に配置されてもよい。

このように構成される発電セル１２は、以下のように動作する。

まず、図１に示すように、酸素含有ガス等の酸化剤ガス、例えば、空気は、酸化剤ガス入口連通孔３４ａに供給される。水素含有ガス等の燃料ガスは、燃料ガス入口連通孔３８ａに供給される。純水やエチレングリコール、オイル等の冷却媒体は、冷却媒体入口連通孔３６ａに供給される。

図２に示すように、酸化剤ガスは、酸化剤ガス入口連通孔３４ａからブリッジ部８０及び入口バッファ部５０Ａを介して第１金属セパレータ３０の酸化剤ガス流路４８に導入される。そして、図１に示すように、酸化剤ガスは、酸化剤ガス流路４８に沿って矢印Ｂ方向に移動し、電解質膜・電極構造体２８ａのカソード電極４４に供給される。

一方、図６に示すように、燃料ガスは、燃料ガス入口連通孔３８ａからブリッジ部９０及び入口バッファ部６０Ａを介して第２金属セパレータ３２の燃料ガス流路５８に導入される。そして、図１に示すように、燃料ガスは、燃料ガス流路５８に沿って矢印Ｂ方向に移動し、電解質膜・電極構造体２８ａのアノード電極４２に供給される。

従って、各電解質膜・電極構造体２８ａでは、カソード電極４４に供給される酸化剤ガスと、アノード電極４２に供給される燃料ガスとが、第１電極触媒層４４ａ及び第２電極触媒層４２ａ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、図２に示すように、カソード電極４４に供給されて消費された酸化剤ガスは、酸化剤ガス流路４８からブリッジ部８２を介して酸化剤ガス出口連通孔３４ｂへと流動する。そして、図１に示すように、酸化剤ガスは、酸化剤ガス出口連通孔３４ｂに沿って矢印Ａ方向に排出される。同様に、図６に示すように、アノード電極４２に供給されて消費された燃料ガスは、燃料ガス流路５８からブリッジ部９２を介して燃料ガス出口連通孔３８ｂへと流動する。そして、図１に示すように、燃料ガス出口連通孔３８ｂ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３６ａに供給された冷却媒体は、第１金属セパレータ３０と第２金属セパレータ３２との間に形成された冷却媒体流路６６に導入された後、矢印Ｂ方向に流れる。この冷却媒体は、電解質膜・電極構造体２８ａを冷却した後、冷却媒体出口連通孔３６ｂから排出される。

図３に示すように、酸化剤ガス流路４８に液水Ｗが存在する場合、第１開口部１１４ａ及び第２開口部１１４ｂにてそれぞれ露出する第１電極Ｅ１と第２電極Ｅ２とが、液水Ｗを介して電気的に導通する。このため、第１導電部材１０２ａと第２導電部材１０２ｂとの間に電圧を印加すると、電極Ｅ１、Ｅ２間に微小な電流が流れる。微小な電流は、電流計測装置１０９により計測される。このときの電流値に基づいて、酸化剤ガス流路４８における液水Ｗの有無を検出することができる。

印加電圧は、直流電圧、交流電圧のいずれでもよい。印加電圧は、パルス電圧であってもよい。印加電圧は、例えば、０．１〜１．０Ｖである。印加電圧を比較的小さく設定することにより、カソード電極４４の第１電極触媒層４４ａへの電圧の影響を最小限に抑え、第１電極触媒層４４ａの劣化を防止することができる。なお、図６に示した水検出装置１００Ｂによっても上記と同様に、燃料ガス流路５８における液水Ｗの有無を検出することができる。

本実施形態に係る発電セル１２は、以下の効果を奏する。なお、以下では、代表的に、第１金属セパレータ３０側に配置された水検出装置１００Ａについての効果を説明するが、第２金属セパレータ３２側に配置された水検出装置１００Ｂについても、水検出装置１００Ａと同様の効果が得られる。

この水検出装置１００Ａによれば、図３等に示したように、絶縁性の支持部材１０４によって導電部材１０２が覆われており、支持部材１０４には、導電部材１０２の一部を電極として露出する開口部１１４が、反応ガス流路（酸化剤ガス流路４８）に対向する位置に配置されている。このため、反応ガス流路（酸化剤ガス流路４８）における液水Ｗの有無を電気的に検出することができる。

導電部材１０２は、互いに独立した第１導電部材１０２ａと第２導電部材１０２ｂとを有し、開口部１１４は、第１導電部材１０２ａの一部を第１電極Ｅ１として露出させる第１開口部１１４ａと、第２導電部材１０２ｂの一部を第２電極Ｅ２として露出させる第２開口部１１４ｂとを有する。そして、第１導電部材１０２ａと第２導電部材１０２ｂとの間に電圧が印加される。この構成により、電極間距離を一定にすることができ、安定した検出精度が得られる。

図５に示すように、支持部材１０４のうち開口部１１４の両側は、セパレータ（第１金属セパレータ３０）において電解質膜・電極構造体２８ａに向かって突出するとともに反応ガス流路（酸化剤ガス流路４８）に沿って延在する流路形成用凸部４８ａと、電解質膜・電極構造体２８ａとの間に挟持されている。この構成により、開口部１１４を所定位置に安定して保持することができる。

図２に示したように、水検出装置１００Ａは、セパレータに対する位置決め部１２４を備える。これにより、発電セル１２の組立時に、水検出装置１００Ａの開口部１１４の位置を簡単且つ正確に所望位置（反応ガス流路に対向する位置）に位置決めすることができる。

図７に示すように、支持部材１０４は、導電性膜１２８によって覆われてもよい。導電性膜１２８は、支持部材１０４のうち、電解質膜・電極構造体２８ａと第１金属セパレータ３０（又は第２金属セパレータ３２）との間に挟持される部分において、支持部材１０４の全周（厚さ方向の両面及び幅方向の両側面）を覆っている。導電性膜１２８は、開口部１１４（図４等参照）を塞いでいない。このように支持部材１０４が導電性膜１２８により覆われることにより、水検出装置１００Ａが配置された箇所における、電解質膜・電極構造体２８ａと第１金属セパレータ３０（又は第２金属セパレータ３２）との間の導電性を確保することができる。

図８に示す水検出装置１００Ｃは、電解質膜・電極構造体２８ａ（図１）と第１金属セパレータ３０との間に挟持されており、帯状に構成された支持部材１３０の延在方向の両端部にそれぞれ接続端子１０６ａ、１０６ｂが設けられている。支持部材１３０の両端部は、第１金属セパレータ３０から鉛直下方及び鉛直上方にそれぞれ突出している。支持部材１３０の内部に配置された一対の導電部材１０２（１０２ａ、１０２ｂ）が、下方の接続端子１０６ａに接続されている。支持部材１３０の内部に配置された他の一対の導電部材１０２（１０２ｃ、１０２ｄ）が、上方の接続端子１０６ｂに接続されている。

支持部材１３０には、一対の導電部材１０２ａ、１０２ｂのそれぞれの一部を露出させる開口部１１４が設けられている。支持部材１３０には、他の一対の導電部材１０２ｃ、１０２ｄのそれぞれの一部を露出させる開口部１１４が設けられている。この水検出装置１００Ｃは、電解質膜・電極構造体２８ａと第２金属セパレータ３２（図１）との間に挟持されてもよい。

この水検出装置１００Ｃによれば、酸化剤ガス流路４８における別々の２箇所で、液水Ｗの有無を検出することができるため、液水Ｗの検出精度を向上させることができる。なお、図８において仮想線で示すように、下方側の導電部材１０２ａ、１０２ｂと、上方側の導電部材１０２ｃ、１０２ｄとは、導通部１３２により電気的に接続されていてもよい。これにより、導電部材１０２のいずれかが断線した場合であっても、断線していない側の導電部材１０２を用いて液水Ｗの有無を検出することができる。

図９に示す水検出装置１００Ｄは、電解質膜・電極構造体２８ａ（図１）と第１金属セパレータ３０との間に挟持されており、導電部材１０２が１本のみ設けられている。導電部材１０２を覆う支持部材１４０には、導電部材１０２の一部を電極として露出させる開口部１１４が設けられている。導電部材１０２の電極を第１電極Ｅ１とし、第１金属セパレータ３０を第２電極Ｅ２とし、第１電極Ｅ１と第２電極Ｅ２との間に電圧が印加される。この水検出装置１００Ｄによっても、図２等に示した水検出装置１００Ａと同様に、反応ガス流路における液水Ｗの有無を検出することができる。

なお、第１金属セパレータ３０に接触する電解質膜・電極構造体２８ａの第１ガス拡散層４４ｂ（図３参照）を第２電極Ｅ２としてもよい。水検出装置１００Ｄは、電解質膜・電極構造体２８ａと第２金属セパレータ３２との間に挟持されてもよい。この場合、第２金属セパレータ３２（又は第２ガス拡散層４２ｂ）が第２電極Ｅ２として用いられる。

図１０に示すように、水検出装置１００Ａは、ガス拡散層に設けた凹部を反応ガス流路とする発電セル１２Ａに適用してもよい。具体的に、カソード電極１４４の第１ガス拡散層１４４ａには、凹部によって形成された酸化剤ガス流路１４６が設けられている。アノード電極１４８の第２ガス拡散層１４８ａには、凹部によって形成された燃料ガス流路１５０が設けられている。電解質膜・電極構造体１５２は、平坦な一対のセパレータ（第１金属セパレータ１５４及び第２金属セパレータ１５６）により挟持されている。水検出装置１００Ａは、第１金属セパレータ１５４と電解質膜・電極構造体１５２との間に挟持されている。

支持部材１０４に設けられた開口部１１４は、酸化剤ガス流路１４６に対向する位置に配置されている。このような発電セル１２Ａに水検出装置１００Ａが適用された場合でも、反応ガス流路における液水Ｗの有無を検出することができる。なお、水検出装置１００Ａは、第２金属セパレータ１５６と電解質膜・電極構造体１５２との間に挟持され、支持部材１０４に設けられた開口部１１４は、燃料ガス流路１５０に対向する位置に配置されてもよい。

本発明は上述した実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において、種々の改変が可能である。

１２、１２Ａ…発電セル ２８ａ、１５２…電解質膜・電極構造体
３０、１５４…第１金属セパレータ ３２、１５６…第２金属セパレータ
１００Ａ〜１００Ｄ…水検出装置 １０２…導電部材
１０２ａ…第１導電部材 １０２ｂ…第２導電部材
１０４、１３０…支持部材 １０６、１０６ａ、１０６ｂ…接続端子
１１４…開口部 １１４ａ…第１開口部
１１４ｂ…第２開口部 １２８…導電性膜
Ｅ１…第１電極 Ｅ２…第２電極

Claims (12)

1. 電解質膜・電極構造体に沿って反応ガスを流す反応ガス流路を有する発電セルに設けられる水検出装置であって、
   導電部材と、
   絶縁性を有し、前記導電部材を覆って支持するとともに、前記導電部材の一部を電極として露出させる開口部が設けられた支持部材と、を備え、
   前記開口部は、前記反応ガス流路に対向する位置に配置されている、水検出装置。
2. 請求項１記載の水検出装置において、
   前記導電部材は、互いに独立した第１導電部材と第２導電部材とを有し、
   前記開口部は、前記第１導電部材の一部を第１電極として露出させる第１開口部と、前記第２導電部材の一部を第２電極として露出させる第２開口部とを有し、
   前記第１導電部材と前記第２導電部材との間に電圧が印加される、水検出装置。
3. 請求項１記載の水検出装置において、
   前記導電部材の前記電極を第１電極とし、前記電解質膜・電極構造体に当接するセパレータ、又は前記セパレータに当接する前記電解質膜・電極構造体のガス拡散層を第２電極とし、前記第１電極と前記第２電極との間に電圧が印加される、水検出装置。
4. 請求項１記載の水検出装置において、
   前記反応ガス流路は、前記電解質膜・電極構造体に当接するセパレータと、前記電解質膜・電極構造体との間に形成され、
   前記水検出装置は、前記電解質膜・電極構造体と前記セパレータとの間に挟持されている、水検出装置。
5. 請求項４記載の水検出装置において、
   前記支持部材のうち前記開口部の両側は、前記セパレータにおいて前記電解質膜・電極構造体に向かって突出するとともに前記反応ガス流路に沿って延在する流路形成用凸部と、前記電解質膜・電極構造体との間に挟持されている、水検出装置。
6. 請求項１〜５のいずれか１項に記載の水検出装置において、
   前記電解質膜・電極構造体に当接するセパレータに対する位置決め部を備える、水検出装置。
7. 請求項６記載の水検出装置において、
   前記位置決め部は、前記セパレータの外周縁部に当接する、水検出装置。
8. 請求項１〜７のいずれか１項に記載の水検出装置において、
   前記支持部材は、前記反応ガス流路の延在方向に対して交差する方向に延在する帯状に構成されている、水検出装置。
9. 請求項１〜７のいずれか１項に記載の水検出装置において、
   前記支持部材は、帯状に構成されており、
   前記支持部材の両端部にそれぞれ接続端子が設けられている、水検出装置。
10. 請求項１〜９のいずれか１項に記載の水検出装置において、
    前記電解質膜・電極構造体と前記支持部材とは、接着剤又は融着により互いに接合されている、水検出装置。
11. 請求項１〜１０のいずれか１項に記載の水検出装置において、
    前記支持部材は、導電性膜によって覆われている、水検出装置。
12. 電解質膜・電極構造体を備え、前記電解質膜・電極構造体に沿って反応ガスを流す反応ガス流路が形成された発電セルであって、
    前記反応ガス流路の液水を検出する水検出装置を備え、
    前記水検出装置は、
    導電部材と、
    絶縁性を有し、前記導電部材を覆って支持するとともに、前記導電部材の一部を電極として露出させる開口部が設けられた支持部材と、を備え、
    前記開口部は、前記反応ガス流路に対向する位置に配置されている、発電セル。

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