JP6174544B2 - 燃料電池用含水量計測装置 - Google Patents

Description

本発明は、電解質膜の両側に電極が設けられた電解質膜・電極構造体とセパレータとが積層される燃料電池に組み込まれ、前記電解質膜の含水量を計測する燃料電池用含水量計測装置に関する。

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電解質膜を採用している。この燃料電池は、電解質膜の一方側にアノード電極が、前記電解質膜の他方側にカソード電極が、それぞれ配設された電解質膜・電極構造体（ＭＥＡ）を、セパレータによって挟持することにより構成されている。

燃料電池では、所望の発電を確実に行うために、発電状況を正確に把握することが必要である。例えば、電解質膜は、発電性能を維持するために所望の湿潤状態に加湿しなければならず、この電解質膜が乾燥状態になると、発電性能が低下してしまう。

一方、発電による生成水量が多く、水過剰状態になると、フラッディングが惹起され易い。このため、反応ガスを流通させる通路等が詰まり、発電性能が低下するおそれがある。また、燃料ガスの不足に起因して性能低下が発生する場合がある。

ここで、燃料電池の内部水分量は、前記燃料電池のインピーダンスを測定することにより測定することができる。例えば、印加する正弦波の周波数を変化させながら、多数の点でインピーダンスを計測する交流インピーダンス法が採用されている。

この種の技術として、例えば、特許文献１に開示されている燃料電池のインピーダンス分布測定装置が知られている。このインピーダンス分布測定装置では、燃料電池は、アノード側及びカソード側のガス流路の一方の口から他方の口に向かって、複数の領域に分割され、分割された個々の前記領域間で、セパレータは互いに絶縁された状態で分割されている。

そして、インピーダンス分布測定装置は、アノード側のガス流路の一方の口から他方の口に向かって燃料ガスを供給するとともに、カソード側のガス流路の一方の口から他方の口に向かって酸化ガスを供給するガス供給手段を備えている。さらに、インピーダンス分布測定装置は、ガス供給手段により燃料ガス及び酸化ガスが供給された状態で、電解質膜を挟んで対向する、個々の分割されたセパレータ間のインピーダンスを独立して測定する測定手段を備えている。

特許第５１０３８１３号公報

上記のインピーダンス分布測定装置では、燃料電池が複数の領域に分割されるとともに、分割された個々の前記領域間で、セパレータが互いに絶縁された状態で分割されている。このため、構成が複雑化するとともに、製造コストが高騰するという問題がある。

本発明は、この種の問題を解決するものであり、簡単な構成で、インピーダンスを確実に計測することができ、電解質膜・電極構造体の任意の部分の含水量を正確且つ容易に計測することが可能な燃料電池用含水量計測装置を提供することを目的とする。

本発明は、電解質膜の両側に電極が設けられた電解質膜・電極構造体とセパレータとが積層される燃料電池に組み込まれ、前記電解質膜の含水量を計測する燃料電池用含水量計測装置に関するものである。燃料電池用含水量計測装置は、電解質膜・電極構造体の一方の面に、電極の一部を切り欠いて設けられる第１切り欠き部を備えている。燃料電池用含水量計測装置は、電解質膜・電極構造体の他方の面に、電極の一部を切り欠いて設けられる第２切り欠き部を備えている。

燃料電池用含水量計測装置は、さらに第１切り欠き部に配置される第１電極部、第２切り欠き部に配置される第２電極部、第１シート部材及び第２シート部材を備えている。第１シート部材は、一端部が第１電極部に電気的に接続されるとともに、他端部が電解質膜・電極構造体の外方に延在されている。第２シート部材は、一端部が第２電極部に電気的に接続されるとともに、他端部が電解質膜・電極構造体の外方に延在されている。そして、第１シート部材の他端部と第２シート部材の他端部とには、交流印加部が接続されている。

また、この燃料電池用含水量計測装置では、第１電極部及び第２電極部は、それぞれ単一又は複数箇所に設けられるとともに、電解質膜・電極構造体の電解質膜範囲内に配置されることが好ましい。

本発明によれば、電解質膜・電極構造体の両面に、電極の一部を切り欠いて第１切り欠き部と第２切り欠き部とが設けられ、前記第１切り欠き部に第１電極部が配置される一方、前記第２切り欠き部に第２電極部が配置されている。このため、第１切り欠き部及び第２切り欠き部の位置を設定するだけで、電解質膜・電極構造体の必要な部分におけるインピーダンスの計測を行うことが可能になる。

また、本発明によれば、電解質膜・電極構造体の両面に、第１電極部と第２電極部とが配置されている。従って、電解質膜・電極構造体の必要な部分におけるインピーダンスの計測を行うことが可能になる。

これにより、簡単な構成で、インピーダンスを確実に計測することができ、電解質膜・電極構造体の任意の部分の含水量を正確且つ容易に計測することが可能になる。

本発明の第１の実施形態に係るインピーダンス計測装置が組み込まれた燃料電池スタックの概略側面説明図である。 前記燃料電池スタックを構成する計測用燃料電池の要部分解斜視図である。 前記燃料電池の、図２中、ＩＩＩ−ＩＩＩ線断面図である。 前記燃料電池を構成する電解質膜・電極構造体の一方の面の正面説明図である。 前記電解質膜・電極構造体の他方の面の正面説明図である。 前記インピーダンス計測装置の一部斜視説明図である。 交流インピーダンスの直流抵抗成分と含水量との関係説明図である。 本発明の第２の実施形態に係るインピーダンス計測装置が組み込まれた電解質膜・電極構造体の要部断面説明図である。 本発明の第３の実施形態に係るインピーダンス計測装置が組み込まれた電解質膜・電極構造体の正面説明図である。 前記インピーダンス計測装置の概略斜視説明図である。 本発明の第４の実施形態に係るインピーダンス計測装置が組み込まれた電解質膜・電極構造体の正面説明図である。 本発明の第５の実施形態に係るインピーダンス計測装置の概略斜視説明図である。

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含水量計測装置であるインピーダンス計測装置１０は、燃料電池スタック１２に組み込まれる。

燃料電池スタック１２は、少なくとも１つの計測用燃料電池１４Ｓと、複数の燃料電池１４とが積層されるとともに、例えば、車載用燃料電池スタックとして構成される。燃料電池スタック１２は、燃料電池１４の積層方向（矢印Ａ方向）一端にターミナルプレート１６ａ、絶縁プレート１８ａ及びエンドプレート２０ａが配設される。燃料電池スタック１２は、積層方向他端にターミナルプレート１６ｂ、絶縁プレート１８ｂ及びエンドプレート２０ｂが配設される。

ターミナルプレート１６ａは、絶縁プレート１８ａ内に収容されるとともに、積層方向一端側に端子部１６ａｔが突出する。ターミナルプレート１６ｂは、絶縁プレート１８ｂ内に収容されるとともに、積層方向他端側に端子部１６ｂｔが突出する。端子部１６ａｔ、１６ｂｔには、外部負荷２２が接続される。

図２に示すように、燃料電池１４Ｓは、電解質膜・電極構造体２４と、前記電解質膜・電極構造体２４を挟持する第１セパレータ２６及び第２セパレータ２８とを備える。第１セパレータ２６及び第２セパレータ２８は、例えば、金属セパレータ又はカーボンセパレータにより構成される。

燃料電池１４Ｓの矢印Ｂ方向（矢印Ａ方向に交差する水平方向）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、酸化剤ガス供給連通孔３０ａ、冷却媒体供給連通孔３２ａ及び燃料ガス排出連通孔３４ｂが設けられる。酸化剤ガス供給連通孔３０ａは、酸化剤ガス、例えば、酸素含有ガスを供給し、冷却媒体供給連通孔３２ａは、冷却媒体を供給し、燃料ガス排出連通孔３４ｂは、燃料ガス、例えば、水素含有ガスを排出する。酸化剤ガス供給連通孔３０ａ、冷却媒体供給連通孔３２ａ及び燃料ガス排出連通孔３４ｂは、矢印Ｃ方向（鉛直方向）に配列して設けられる。

燃料電池１４Ｓ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、燃料ガス供給連通孔３４ａ、冷却媒体排出連通孔３２ｂ及び酸化剤ガス排出連通孔３０ｂが矢印Ｃ方向に配列して設けられる。燃料ガス供給連通孔３４ａは、燃料ガスを供給し、冷却媒体排出連通孔３２ｂは、冷却媒体を排出し、酸化剤ガス排出連通孔３０ｂは、酸化剤ガスを排出する。

電解質膜・電極構造体２４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３６と、該固体高分子電解質膜３６を挟持するカソード電極３８及びアノード電極４０とを備える。

カソード電極３８は、図３に示すように、固体高分子電解質膜３６の一方の面に接合される電極触媒層３８ａと、前記電極触媒層３８ａに配設されるカーボンペーパ等からなる多孔性且つ導電性を有するガス拡散層３８ｂとを設ける。アノード電極４０は、固体高分子電解質膜３６の他方の面に接合される電極触媒層４０ａと、前記電極触媒層４０ａに配設されるカーボンペーパ等からなる多孔性且つ導電性を有するガス拡散層４０ｂとを設ける。電極触媒層３８ａ、４０ａは、例えば、白金合金が表面に担持された多孔質カーボン粒子を固体高分子電解質膜３６の両面に一様に塗布して形成される。なお、電極触媒層３８ａ、４０ａは、多層で構成されてもよい。

図２に示すように、第１セパレータ２６の電解質膜・電極構造体２４に向かう面２６ａには、酸化剤ガス流路４２が設けられる。酸化剤ガス流路４２は、矢印Ｂ方向に延在する複数の流路溝を有しており、酸化剤ガス供給連通孔３０ａと酸化剤ガス排出連通孔３０ｂとに連通する。第１セパレータ２６の面２６ｂには、第２セパレータ２８の面２８ｂとの間に冷却媒体流路４４が設けられる。

第２セパレータ２８の電解質膜・電極構造体２４に向かう面２８ａには、燃料ガス流路４６が設けられる。燃料ガス流路４６は、酸化剤ガス流路４２と同様に、矢印Ｂ方向に延在する複数の流路溝を有し、燃料ガス供給連通孔３４ａと燃料ガス排出連通孔３４ｂとに連通する。第１セパレータ２６には、第１シール部材４８ａが設けられる一方、第２セパレータ２８には、第２シール部材４８ｂが設けられる。

図３及び図４に示すように、インピーダンス計測装置１０は、電解質膜・電極構造体２４の一方の面に、すなわち、アノード電極４０側の面に、前記アノード電極４０の一部を切り欠いて設けられる第１切り欠き部５０ａを備える。第１切り欠き部５０ａは、電極触媒層４０ａ及びガス拡散層４０ｂの一部を切り欠いて単一又は複数個設けられるとともに、固体高分子電解質膜３６の範囲内に配置される。

第１切り欠き部５０ａは、例えば、燃料ガス供給連通孔３４ａの近傍及び燃料ガス排出連通孔３４ｂの近傍に設けられるとともに、好ましくは、アノード電極４０の外周端部に近接する位置に配置される。燃料ガスの流れに影響を及ぼすことがないからである。

第１切り欠き部５０ａは、閉塞された又は一辺が開放された矩形状を有するが、これに限定されるものではなく、多角形や円形、楕円形等、種々の形状に設定することができる。第１切り欠き部５０ａの個数及び設置位置は、種々変更可能であり、例えば、酸化剤ガス供給連通孔３０ａの近傍及び酸化剤ガス排出連通孔３０ｂの近傍に設けてもよい。

第１切り欠き部５０ａには、アノード電極４０と接触しない状態で、隙間を有して第１電極部５２ａが固体高分子電解質膜３６と一体に配置される。すなわち、第１電極部５２ａは、アノード電極４０から独立して島状に構成される。第１電極部５２ａ同士を互いに絶縁させるためである。第１電極部５２ａは、例えば、触媒層を構成する白金又は白金合金が表面に担持された多孔質カーボン粒子を用いている。

図３及び図５に示すように、インピーダンス計測装置１０は、電解質膜・電極構造体２４の他方の面に、すなわち、カソード電極３８側の面に、前記カソード電極３８の一部を切り欠いて単一又は複数個設けられる第２切り欠き部５０ｂを備える。第２切り欠き部５０ｂは、電極触媒層３８ａ及びガス拡散層３８ｂの一部を切り欠いて複数個設けられるとともに、固体高分子電解質膜３６の範囲内であって、好ましくは、第１切り欠き部５０ａと積層方向から見て重なり合う位置に配置される。なお、第１切り欠き部５０ａと第２切り欠き部５０ｂとは、固体高分子電解質膜３６を挟んで同一の位置に配置されていなくてもよく、少なくとも一部が重なっていればよい。

第２切り欠き部５０ｂは、第１切り欠き部５０ａと同様に構成されており、矩形状を有するが、これに限定されるものではなく、多角形や円形、楕円形等、種々の形状に設定することができる。第２切り欠き部５０ｂの個数及び設置位置は、種々変更可能である。

第２切り欠き部５０ｂには、カソード電極３８と接触しない状態で、隙間を有して第２電極部５２ｂが固体高分子電解質膜３６と一体に配置される。すなわち、第２電極部５２ｂは、カソード電極３８から独立して島状に構成される。第２電極部５２ｂ同士を互いに絶縁させるためである。第２電極部５２ｂは、例えば、触媒層を構成する白金又は白金合金が表面に担持された多孔質カーボン粒子を用いている。

インピーダンス計測装置１０は、一端部が第１電極部５２ａに電気的に接続されるとともに、他端部が電解質膜・電極構造体２４の外方に延在される第１シート部材５４を備える。インピーダンス計測装置１０は、さらに一端部が第２電極部５２ｂに電気的に接続されるとともに、他端部が電解質膜・電極構造体２４の外方に延在される第２シート部材５６を備える。

図３及び図６に示すように、第１シート部材５４は、短冊状の絶縁フィルム５４ａ、５４ｂ間に交流印加用配線５８ａ及び測定用配線５８ｂを配置する。絶縁フィルム５４ａ、５４ｂは、電気的絶縁性を有し、ガスや水蒸気を通す一方、液水を通さないものが好ましい。絶縁フィルム５４ａ、５４ｂは、例えば、ポリイミド（ＰＩ）、ポリエチレンナフタレート、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）、液晶ポリマ（ＬＣＰ）、ポリフェニレンサルファイド（ＰＰＳ）、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）、フッ素系電解質膜又は炭化水素系電解質膜等で形成される。

図３に示すように、絶縁フィルム５４ａは、絶縁フィルム５４ｂよりも短尺に構成され、前記絶縁フィルム５４ａの先端から前方に交流印加用配線５８ａ及び測定用配線５８ｂが延在し、第１電極部５２ａに接続（接触）される。絶縁フィルム５４ａの先端と固体高分子電解質膜３６の先端との間には、液状電解質又は液状樹脂である充填材５９ａが設けられる。絶縁フィルム５４ｂは、交流印加用配線５８ａ及び測定用配線５８ｂよりも外方に突出することが好ましい。また、測定精度を向上させるために、交流印加用配線５８ａと測定用配線５８ｂとを分離させることが好ましい。

図３及び図６に示すように、第２シート部材５６は、短冊状の絶縁フィルム５６ａ、５６ｂ間に交流印加用配線６０ａ及び測定用配線６０ｂを配置する。絶縁フィルム５６ａ、５６ｂは、電気的絶縁性を有し、ガスや水蒸気を通す一方、液水を通さないものが好ましい。絶縁フィルム５６ａ、５６ｂは、例えば、ポリイミド（ＰＩ）、ポリエチレンナフタレート、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）、液晶ポリマ（ＬＣＰ）、ポリフェニレンサルファイド（ＰＰＳ）、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）、フッ素系電解質膜又は炭化水素系電解質膜等で形成される。

図３に示すように、絶縁フィルム５６ａは、絶縁フィルム５６ｂよりも短尺に構成され、前記絶縁フィルム５６ａの先端から前方に交流印加用配線６０ａ及び測定用配線６０ｂが延在し、第２電極部５２ｂに接続（接触）される。絶縁フィルム５６ａの先端と固体高分子電解質膜３６の先端との間には、液状電解質又は液状樹脂である充填材５９ｂが設けられる。絶縁フィルム５６ｂは、交流印加用配線６０ａ及び測定用配線６０ｂよりも外方に突出することが好ましい。また、測定精度を向上させるために、交流印加用配線６０ａと測定用配線６０ｂとを分離させることが好ましい。

図６に示すように、第１シート部材５４の一端部側及び第２シート部材５６の一端部側は、第１電極部５２ａ及び第２電極部５２ｂが固体高分子電解質膜３６を挟持し得るように互いに分離して外部に露呈する一方、それぞれの他端部は、互いに熱圧着等により一体化（溶着）される。

第１シート部材５４及び第２シート部材５６の他端部は、互いに熱圧着等により一体化（溶着）されるとともに、コネクタ６２に接続される。コネクタ６２は、ケーブル６４を介してコントローラ６６に接続される。コントローラ６６は、交流電圧・電流印加部６８、電圧測定部７０及び電流測定部７２を備える。図１に示すように、交流印加用配線５８ａ、６０ａは、交流電圧・電流印加部６８に接続される一方、測定用配線５８ｂ、６０ｂは、電圧測定部７０及び電流測定部７２に接続される。コントローラ６６では、交流の印加方法は電圧や電流に限定されず、測定方法により電流をコントロールするか、電圧をコントロールするかの選択が行われる。

図１に示すように、燃料電池１４は、電解質膜・電極構造体２４と、前記電解質膜・電極構造体２４を挟持する第１セパレータ２６及び第２セパレータ２８とを備える。なお、燃料電池１４では、上記の燃料電池１４Ｓ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。実質的には、燃料電池１４は、インピーダンス計測装置１０が組み込まれていない他、燃料電池１４Ｓと同一に構成される。

このように構成される燃料電池スタック１２の動作について、以下に説明する。

図２に示すように、酸化剤ガス供給連通孔３０ａに酸素含有ガス等の酸化剤ガスが供給されるとともに、燃料ガス供給連通孔３４ａに水素含有ガス等の燃料ガスが供給される。さらに、冷却媒体供給連通孔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、第１セパレータ２６に設けられている酸化剤ガス流路４２に導入され、電解質膜・電極構造体２４を構成するカソード電極３８に沿って移動する。一方、燃料ガス供給連通孔３４ａに供給された燃料ガスは、第２セパレータ２８の燃料ガス流路４６に導入され、電解質膜・電極構造体２４を構成するアノード電極４０に沿って移動する。

従って、各電解質膜・電極構造体２４では、カソード電極３８に供給される酸化剤ガスと、アノード電極４０に供給される燃料ガスとが、電極触媒層３８ａ、４０ａ内で電気化学反応により消費され、発電が行われる。

次いで、カソード電極３８に供給されて消費された酸化剤ガスは、酸化剤ガス排出連通孔３０ｂに排出される。同様に、アノード電極４０に供給されて消費された燃料ガスは、燃料ガス排出連通孔３４ｂに排出される。

また、冷却媒体供給連通孔３２ａに供給された冷却媒体は、第１セパレータ２６及び第２セパレータ２８間の冷却媒体流路４４に導入される。この冷却媒体は、電解質膜・電極構造体２４を冷却した後、冷却媒体排出連通孔３２ｂに排出される。

上記の発電時において、図１に示すように、コントローラ６６では、外部負荷２２により燃料電池スタック１２から直流電流（インピーダンス計測では、交流又は電圧でもよい）を出力させる。コントローラ６６から外部負荷２２とは別の負荷（図示せず）によって、交流電流又は電圧を第１電極部５２ａ及び第２電極部５２ｂに重畳させている。

このため、電圧測定部７０は、交流電流に対する交流応答電圧を測定する一方、電流測定部７２により交流電流が測定されている。従って、測定された交流電圧及び交流電流から、第１電極部５２ａ及び第２電極部５２ｂ間の交流インピーダンスが算出される。これにより、燃料電池１４Ｓの電極面内の局所部位の交流インピーダンスを検出することが可能になる。

検出された交流インピーダンスに基づいて、該交流インピーダンスの直流抵抗成分が算出される。ここで、交流インピーダンスは、固体高分子電解質膜３６の含水率に依存している。図７に示すように、高湿度（高ＲＨ）（多含水量）になる程、小さな抵抗値となるとともに、低湿度（低ＲＨ）（少含水量）になる程、大きな抵抗値となる。このため、直流抵抗成分から固体高分子電解質膜３６の含水状態を把握することができる。

この場合、第１の実施形態では、電解質膜・電極構造体２４の一方の面に、アノード電極４０の一部を切り欠いて第１切り欠き部５０ａが設けられている。電解質膜・電極構造体２４の他方の面に、カソード電極３８の一部を切り欠いて第２切り欠き部５０ｂが設けられている。そして、第１切り欠き部５０ａには、第１電極部５２ａが配置される一方、第２切り欠き部５０ｂには、第２電極部５２ｂが配置されている。

このため、第１切り欠き部５０ａ及び第２切り欠き部５０ｂの位置を設定するだけで、電解質膜・電極構造体２４の必要な部分における交流インピーダンスの計測を行うことが可能になる。

従って、簡単な構成で、交流インピーダンスを確実に計測することができ、電解質膜・電極構造体２４の任意の部分の含水量を正確且つ容易に計測することが可能になるという効果が得られる。

図８は、本発明の第２の実施形態に係る燃料電池用含水量計測装置であるインピーダンス計測装置８０が組み込まれた電解質膜・電極構造体８２の要部断面説明図である。なお、第１の実施形態に係るインピーダンス計測装置１０を構成する電解質膜・電極構造体２４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。

インピーダンス計測装置８０は、固体高分子電解質膜３６の一方の面側（アノード電極４０側）に配置される第１シート部材８４と、前記固体高分子電解質膜３６の他方の面側（カソード電極３８側）に配置される第２シート部材８６とを備える。

第１シート部材８４は、絶縁フィルム８４ａ、８４ｂ間に交流印加用配線５８ａ及び測定用配線５８ｂを配置するとともに、前記交流印加用配線５８ａ及び測定用配線５８ｂには、第１電極部５２ａが設けられる。第２シート部材８６は、絶縁フィルム８６ａ、８６ｂ間に交流印加用配線６０ａ及び測定用配線６０ｂを配置するとともに、前記交流印加用配線６０ａ及び測定用配線６０ｂには、第２電極部５２ｂが設けられる。

絶縁フィルム８４ａは、絶縁フィルム８４ｂよりも短尺に形成され、前記絶縁フィルム８４ａの先端部は、固体高分子電解質膜３６の先端部に重なり合っており、第１電極部５２ａに隣接していることが好ましい。絶縁フィルム８４ａの先端部は、固体高分子電解質膜３６と接着していることが好ましく、また、前記絶縁フィルム８４ａは、第１電極部５２ａよりも厚さが薄い方が好ましい。

絶縁フィルム８６ａは、絶縁フィルム８６ｂよりも短尺に形成され、前記絶縁フィルム８６ａの先端部は、固体高分子電解質膜３６の先端部に重なり合っており、第２電極部５２ｂに隣接していることが好ましい。絶縁フィルム８６ａの先端部は、固体高分子電解質膜３６と接着していることが好ましく、また、前記絶縁フィルム８６ａは、第２電極部５２ｂよりも厚さが薄い方が好ましい。固体高分子電解質膜３６の一方の面には、第１電極部５２ａが当接するとともに、前記固体高分子電解質膜３６の他方の面には、第２電極部５２ｂが当接する。絶縁フィルム８４ａと絶縁フィルム８６ａの外延部は、接着されていることが好ましい。

このように構成される第２の実施形態では、簡単な構成で、交流インピーダンスを確実に計測することができ、電解質膜・電極構造体８２の任意の部分の含水量を正確且つ容易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。

なお、第２の実施形態では、絶縁フィルム８６ａ、８６ｂの各先端部は、固体高分子電解質膜３６の先端部に重なり合っているがこれに限定されるものではない。例えば、第１の実施形態と同様に、絶縁フィルム８６ａ、８６ｂの各先端部と固体高分子電解質膜３６の先端部との間に間隙を設け、この間隙に充填材を設けてもよい。一方、上記の第２の実施形態の構造を、第１の実施形態に採用してもよい。

図９は、本発明の第３の実施形態に係る燃料電池用含水量計測装置であるインピーダンス計測装置９０が組み込まれた電解質膜・電極構造体９２の正面説明図である。なお、第１の実施形態に係るインピーダンス計測装置１０を構成する電解質膜・電極構造体２４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。

図１０に示すように、インピーダンス計測装置９０は、固体高分子電解質膜３６の一方の面側（アノード電極４０側）に配置される第１シート部材９４と、前記固体高分子電解質膜３６の他方の面側（カソード電極３８側）に配置される第２シート部材９６とを備える。

第１シート部材９４は、絶縁フィルム９４ａ、９４ｂ間に交流印加用配線５８ａを配置するとともに、前記交流印加用配線５８ａの先端には、第１電極部９８ａが前記絶縁フィルム９４ａに固定されて設けられる。第２シート部材９６は、絶縁フィルム９６ａ、９６ｂ間に交流印加用配線６０ａを配置するとともに、前記交流印加用配線６０ａの先端には、第２電極部９８ｂが前記絶縁フィルム９６ｂに固定されて設けられる。

第１電極部９８ａ及び第２電極部９８ｂは、白金（Ｐｔ）、白金又は白金合金が担持されているカーボンを用いた電極等により構成される。なお、第１シート部材９４と第２シート部材９６とは、端部が一体化されているが、それぞれ別体で構成してもよい。

図９に示すように、電解質膜・電極構造体９２には、切り欠き部が設けられておらず、例えば、インピーダンス計測装置９０を構成する第１電極部９８ａと第２電極部９８ｂとは、固体高分子電解質膜３６の両面の任意の位置（発電領域外）に直接配置される。図９では、２個のインピーダンス計測装置９０が配置されているが、１個又は３個以上であってもよい。

従って、第３の実施形態では、電解質膜・電極構造体９２に切り欠き部を設けなくてもよく、任意の位置にインピーダンス計測装置９０を容易に配置することができる。これにより、インピーダンス計測が一層簡易に遂行可能になる。

図１１は、本発明の第４の実施形態に係る燃料電池用含水量計測装置であるインピーダンス計測装置９０が組み込まれた電解質膜・電極構造体１００の正面説明図である。なお、第３の実施形態に係るインピーダンス計測装置９０及び電解質膜・電極構造体９２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。

電解質膜・電極構造体１００では、インピーダンス計測装置９０を構成する第１電極部９８ａと第２電極部９８ｂとは、アノード電極４０とカソード電極３８の任意の位置（発電領域内）に直接配置される。図１１では、２個のインピーダンス計測装置９０が配置されているが、１個又は３個以上であってもよい。

従って、第４の実施形態では、電解質膜・電極構造体１００に切り欠き部を設けなくてもよく、任意の位置にインピーダンス計測装置９０を容易に配置することができる。これにより、インピーダンス計測が一層簡易に遂行可能になる等、第３の実施形態と同様の効果が得られる。

図１２は、本発明の第５の実施形態に係る燃料電池用含水量計測装置であるインピーダンス計測装置１１０の概略斜視説明図である。なお、第１の実施形態に係るインピーダンス計測装置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。

インピーダンス計測装置１１０は、第１シート部材１１２と第２シート部材１１４とを備える。第１シート部材１１２は、絶縁フィルム１１２ａ、１１２ｂ間に交流印加用配線５８ａ及び測定用配線５８ｂを配置する。交流印加用配線５８ａ及び測定用配線５８ｂの先端には、第１電極部１１６ａが絶縁フィルム１１２ａに固定されて設けられる。第２シート部材１１４は、絶縁フィルム１１４ａ、１１４ｂ間に交流印加用配線６０ａ及び測定用配線６０ｂを配置する。交流印加用配線６０ａ及び測定用配線６０ｂの先端には、第２電極部１１６ｂが絶縁フィルム１１４ｂに固定されて設けられる。

このように構成されるインピーダンス計測装置１１０は、上記のインピーダンス計測装置９０に代えて使用することができ、特に交流印加用配線５８ａ、６０ａと測定用配線５８ｂ、６０ｂとが分離して設けられている。従って、より正確なインピーダンス計測処理が遂行される。

１０、８０、９０、１１０…インピーダンス計測装置
１２…燃料電池スタック １４、１４Ｓ…燃料電池
２４、８２、９２、１００…電解質膜・電極構造体
２６、２８…セパレータ ３０ａ…酸化剤ガス供給連通孔
３０ｂ…酸化剤ガス排出連通孔 ３２ａ…冷却媒体供給連通孔
３２ｂ…冷却媒体排出連通孔 ３４ａ…燃料ガス供給連通孔
３４ｂ…燃料ガス排出連通孔 ３６…固体高分子電解質膜
３８…カソード電極 ３８ａ、４０ａ…電極触媒層
３８ｂ、４０ｂ…ガス拡散層 ４０…アノード電極
４２…酸化剤ガス流路 ４４…冷却媒体流路
４６…燃料ガス流路 ４８ａ、４８ｂ…シール部材
５０ａ、５０ｂ…切り欠き部
５２ａ、５２ｂ、９８ａ、９８ｂ、１１６ａ、１１６ｂ…電極部
５４、５６、８４、８６、９４、９６、１１２、１１４…シート部材
５４ａ、５４ｂ、５６ａ、５６ｂ、８４ａ、８４ｂ、８６ａ、８６ｂ、９４ａ、９４ｂ、９６ａ、９６ｂ、１１２ａ、１１２ｂ、１１４ａ、１１４ｂ…絶縁フィルム
５８ａ、６０ａ…交流印加用配線 ５８ｂ、６０ｂ…測定用配線
５９ａ、５９ｂ…充填材 ６６…コントローラ

Claims (2)

1. 電解質膜の両側に電極が設けられた電解質膜・電極構造体とセパレータとが積層される燃料電池に組み込まれ、前記電解質膜の含水量を計測する燃料電池用含水量計測装置であって、
   前記電解質膜・電極構造体の一方の面に、前記電極の一部を切り欠いて設けられる第１切り欠き部と、
   前記電解質膜・電極構造体の他方の面に、前記電極の一部を切り欠いて設けられる第２切り欠き部と、
   前記第１切り欠き部に配置される第１電極部と、
   前記第２切り欠き部に配置される第２電極部と、
   一端部が前記第１電極部に電気的に接続されるとともに、他端部が前記電解質膜・電極構造体の外方に延在される第１シート部材と、
   一端部が前記第２電極部に電気的に接続されるとともに、他端部が前記電解質膜・電極構造体の外方に延在される第２シート部材と、
   前記第１シート部材の前記他端部と前記第２シート部材の前記他端部とに接続される交流印加部と、
   を備えることを特徴とする燃料電池用含水量計測装置。
2. 請求項１記載の燃料電池用含水量計測装置において、前記第１電極部及び前記第２電極部は、それぞれ単一又は複数箇所に設けられるとともに、
   前記電解質膜・電極構造体の電解質膜範囲内に配置されることを特徴とする燃料電池用含水量計測装置。

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