JP2021150046A - 水検出装置及び水検出方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】反応ガス流路内の液体の水の検出精度を向上させることが可能な水検出装置及び水検出方法を提供する。【解決手段】水検出装置10aの電圧印加部54は、一対の電極52に水Wの電気分解電圧よりも小さい第1電圧と、水Wの電気分解電圧より大きい第2電圧とを含む印加範囲で変化する電圧を印加する。判定部58は、一対の電極52に印加範囲で変化する電圧が印加されたときに電流計測部56で計測される電流の変化に基づいて水Wの有無を判定する。【選択図】図1
Description
本発明は、発電セルの反応ガス流路内の水を検出する水検出装置及び水検出方法に関する。
一般的に、固体高分子型の燃料電池は、固体高分子電解質膜をアノード電極とカソード電極とで挟んで構成された電解質膜・電極構造体(MEA)を備える。電解質膜・電極構造体を、さらにセパレータ(バイポーラ板)で挟むことで、発電セル(単位燃料電池)が構成される。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る。
発電セルのカソード電極とセパレータとの間には、カソード電極に沿って酸化剤ガスを流す酸化剤ガス流路が反応ガス流路として形成されている。発電セルのアノード電極とセパレータとの間には、アノード電極に沿って燃料ガスを流す燃料ガス流路が反応ガス流路として形成されている。これらの反応ガス流路を介して供給された酸化剤ガス及び燃料ガス(反応ガス)が電解質膜・電極構造体での電気化学反応(発電反応)により消費されて、発電が行われる。
この種の発電セルでは、発電反応に伴って生成される生成水や、反応ガス中の水蒸気が凝縮して生じる凝縮水等の液体の水が反応ガス流路に滞留することがある。反応ガス流路内に液体の水が存在すると、反応ガス流路内の反応ガスの流れが妨げられ、発電セルの発電安定性が低下する懸念がある。
そこで、例えば、特許文献1に示すように、反応ガス流路内の液体の水の有無を検出する水検出装置が提案されている。水検出装置によって反応ガス流路内の液体の水の有無を検出することで、適切なタイミングで必要に応じて液体の水を排出する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、この種の技術に関連してなされたものであり、反応ガス流路内の液体の水の検出精度を向上させることが可能な水検出装置及び水検出方法を提供することを目的とする。
本発明の一態様は、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、前記反応ガス流路に臨む位置に、互いに離間して設けられた一対の電極と、前記一対の電極に電圧を印加する電圧印加部と、前記一対の電極間に流れる電流を計測可能な電流計測部と、前記電流計測部の計測結果に基づいて前記反応ガス流路内の液体の水の有無を判定する判定部と、を備え、前記電圧印加部は、前記一対の電極に印加する電圧を、前記水の電気分解電圧よりも小さい第1電圧と、前記水の電気分解電圧より大きい第2電圧とを含む印加範囲で変化させることが可能であり、前記判定部は、前記一対の電極に印加する電圧を前記印加範囲で変化させたときに前記電流計測部で計測される電流の変化に基づいて前記水の有無を判定する。
本発明の別の一態様は、発電セルの電解質膜・電極構造体に沿って反応ガスを流す反応ガス流路内の液体の水の有無を検出する水検出方法であって、前記反応ガス流路に臨む位置に、互いに離間して設けられた一対の電極に、前記水の電気分解電圧よりも小さい第1電圧と、前記水の電気分解電圧より大きい第2電圧とを含む印加範囲で変化する電圧を印加する判定電圧印加工程と、前記一対の電極に前記印加範囲で変化する電圧を印加したときに、電流計測部で計測される前記一対の電極間に流れる電流の変化に基づいて前記反応ガス流路内の水の有無を判定する判定工程と、を有する。
電圧を印加した一対の電極間に電流が検出されない場合は、電極同士が電気的に絶縁された状態であり、電極間に液体の水が存在しないと判断することができる。一方、電圧を印加した電極間に電流が検出された場合は、その理由の1つとして、電極間に存在する液体の水を介して電流が流れていることが挙げられる。しかしながら、電流が検出される他の理由として、発電セルの構成要素と電極との電気的な接触等により短絡が生じている場合がある。つまり、電極間に液体の水が存在していない場合であっても、電極間に電流が流れることがある。このため、単純に電極間の電流を検出するのみでは、電極間の液体の水の有無を高精度に検出できない懸念があることが分かった。
本願発明では、一対の電極に水の電気分解電圧よりも小さい第1電圧と、水の電気分解電圧よりも大きい第2電圧とを含む印加範囲で変化する電圧を印加する。そして、一対の電極に印加範囲で変化する電圧を印加したときに、電流計測部で計測される電流の変化に基づいて液体の水の有無を判定する。電極間に液体の水が存在している場合、一対の電極に印加する電圧が水の電気分解電圧を超える前と超えた後とで電流の変化の仕方が異なる。一方、電極間に短絡が生じている場合、一対の電極に印加する電圧が水の電気分解電圧を超える前と超えた後とで電流の変化の仕方に特に変化はない。
このため、上記の電流の変化に基づくことで、電極の短絡等を、電極間に液体の水が存在していると誤検出することを回避できる。その結果、反応ガス流路内の液体の水の検出精度を向上させることが可能になる。
本発明に係る水検出装置及び水検出方法について好適な実施形態を挙げ、添付の図面を参照しながら詳細に説明する。なお、以下の図において、同一又は同様の機能及び効果を奏する構成要素に対しては同一の参照符号を付し、繰り返しの説明を省略する場合がある。
図1に示す本実施形態に係る水検出装置10a、10bが設けられる発電セルの一例として、図2に示す発電セル12が挙げられる。そこで、先ず、図1〜図3を主に参照しつつ発電セル12の構成について簡単に説明する。なお、水検出装置10a、10bを設けることが可能な発電セルは、図2の発電セル12に限定されるものではなく、後述するように反応ガス流路内に液体の水が滞留し得る種々の発電セルに対して同様に適用することができる。
発電セル12は、例えば、図2の矢印A1、A2方向(水平方向)又は矢印C1、C2方向(重力方向)に複数積層されるとともに、積層方向に締付荷重(圧縮荷重)が付与されることで、不図示の燃料電池スタックを構成可能である。燃料電池スタックは、例えば、不図示の燃料電池電気自動車に搭載して用いることや、定置型として用いること等が可能である。
図2に示すように、発電セル12は、第1セパレータ14と、樹脂枠付きMEA16aと、第2セパレータ18と、樹脂枠付きMEA16bと、第3セパレータ20とがこの順に積層されて構成される。第1セパレータ14、第2セパレータ18及び第3セパレータ20のそれぞれは、例えば、鋼板、ステンレス鋼板、アルミニウム板、めっき処理鋼板等からなる金属セパレータである。以下、第1セパレータ14、第2セパレータ18、第3セパレータ20を特に区別しない場合等には、これらを総称して単に「セパレータ」ともいう。セパレータは、矢印A1、A2方向視で矩形状であるとともに、プレス加工等により、断面凹凸形状に成形されている。なお、セパレータは、カーボンセパレータであってもよい。
樹脂枠付きMEA16a、16bのそれぞれは、電解質膜・電極構造体(MEA)22の外周に樹脂枠部材24が接合されて構成される。図3に示すように、電解質膜・電極構造体22は、電解質膜26と、該電解質膜26を挟むアノード電極28及びカソード電極30とを有する。電解質膜26としては、例えば、水分を含んだパーフルオロスルホン酸の薄膜等の固体高分子電解質膜(陽イオン交換膜)や、HC(炭化水素)系電解質膜を使用することができる。
カソード電極30は、電解質膜26の矢印A1側の面に接合されるカソード電極触媒層30aと、カソード電極触媒層30aに積層されるカソードガス拡散層30bとを有する。アノード電極28は、電解質膜26の矢印A2側の面に接合されるアノード電極触媒層28aと、アノード電極触媒層28aに積層されるアノードガス拡散層28bとを有する。
カソード電極触媒層30a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が、イオン導電性高分子バインダとともにカソードガス拡散層30bの表面に一様に塗布されて形成される。アノード電極触媒層28a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が、イオン導電性高分子バインダとともにアノードガス拡散層28bの表面に一様に塗布されて形成される。
カソードガス拡散層30b及びアノードガス拡散層28bは、カーボンペーパ又はカーボンクロス等の導電性多孔質シートから形成される。図2の樹脂枠部材24は、額縁状のフィルムからなり、例えば、その内周端縁部が、図3のカソードガス拡散層30bの外周端縁部とアノードガス拡散層28bの外周端縁部との間に挟まれている。なお、樹脂枠部材24を用いることなく、電解質膜26を外方に突出させてもよい。また、外方に突出した電解質膜26の両側に枠形状のフィルムを設けてもよい。
図2に示すように、矩形状の発電セル12の長手方向の一端縁部(矢印B2側端部)には、積層方向(矢印A1、A2方向)に互いに連通して、酸化剤ガス入口連通孔32a、冷却媒体入口連通孔34a及び燃料ガス出口連通孔36bが、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32aには、酸化剤ガスとして、例えば、酸素含有ガスが供給される。冷却媒体入口連通孔34aは、冷却媒体として、例えば、純水、エチレングリコール、オイル等の少なくとも何れかが供給される。燃料ガス出口連通孔36bからは、燃料ガスとして、例えば、水素含有ガスが排出される。なお、以下では、酸化剤ガス及び燃料ガスを総称して「反応ガス」ともいう。
発電セル12の長手方向の他端縁部(矢印B1側端部)には、積層方向に互いに連通して、燃料ガスが供給される燃料ガス入口連通孔36a、冷却媒体を排出する冷却媒体出口連通孔34b及び酸化剤ガスを排出する酸化剤ガス出口連通孔32bが、鉛直方向(矢印C方向)に配列して設けられる。
以下では、酸化剤ガス入口連通孔32a、冷却媒体入口連通孔34a、燃料ガス出口連通孔36b、燃料ガス入口連通孔36a、冷却媒体出口連通孔34b、酸化剤ガス出口連通孔32bを総称して単に「連通孔」ともいう。
図2の第1セパレータ14と、樹脂枠付きMEA16aのカソードガス拡散層30bとの間には、図1の酸化剤ガス入口連通孔32aと酸化剤ガス出口連通孔32bとに連通する酸化剤ガス流路38が設けられている。
図2の第2セパレータ18と、樹脂枠付きMEA16aのアノードガス拡散層28bとの間には、燃料ガス入口連通孔36aと燃料ガス出口連通孔36bとに連通する燃料ガス流路40が設けられている。図2の第2セパレータ18と、樹脂枠付きMEA16bのカソードガス拡散層30bとの間には、図1の酸化剤ガス入口連通孔32aと酸化剤ガス出口連通孔32bとに連通する酸化剤ガス流路38が設けられている。
図2の第3セパレータ20と、樹脂枠付きMEA16bのアノードガス拡散層28bとの間には、燃料ガス入口連通孔36aと燃料ガス出口連通孔36bとに連通する燃料ガス流路40が設けられている。
以下では、酸化剤ガス流路38及び燃料ガス流路40を総称して「反応ガス流路」ともいう。各セパレータには、矢印C1、C2方向に並列する複数本の波状流路溝42(又は直線状流路溝)が形成され、これらの波状流路溝42内に反応ガス流路が形成される。各波状流路溝42は、矢印B1、B2方向に対して波状に蛇行している。
互いに隣接する発電セル12では、一方の発電セル12を構成する第1セパレータ14の矢印A1側の面と、他方の発電セル12を構成する第3セパレータ20の矢印A2側の面とが対向する。これらの第1セパレータ14と第3セパレータ20との間には、冷却媒体入口連通孔34aと冷却媒体出口連通孔34bとを連通する冷却媒体流路44が設けられる。
各セパレータの両面には、その外周縁部に沿ってシール部材46がそれぞれ設けられている。シール部材46は、該シール部材46で囲まれたセパレータの面方向の内部と外部とをシールする。図1及び図2に示すように、各セパレータの外周縁部における短辺方向(矢印C1、C2方向)の両端側、且つ長辺方向(矢印B1、B2方向)の両側であって各連通孔よりも中心側には、フロッパー48がそれぞれ設けられている。フロッパー48は、セパレータからの突出高さが、シール部材46のセパレータからの突出高さよりも高く設定されている。このようなフロッパー48は、例えば、セパレータや樹脂枠付きMEA16a、16bを積層する際の位置決め等に用いることができる。
図1及び図2に示すように、第1セパレータ14の矢印A2側の面及び第2セパレータ18の矢印A2側の面のそれぞれには、酸化剤ガス入口連通孔32a、酸化剤ガス出口連通孔32b、酸化剤ガス流路38を一体に囲んでその内部を面方向の外部とシールするシール部材50aが設けられている。
図2に示すように、第2セパレータ18の矢印A1側の面及び第3セパレータ20の矢印A1側の面のそれぞれには、燃料ガス入口連通孔36a、燃料ガス出口連通孔36b、燃料ガス流路40を一体に囲んで、その内部を面方向の外部とシールするシール部材50bが設けられている。
図2の第1セパレータ14の矢印A1側の面、及び不図示の第3セパレータ20の矢印A2側の面のそれぞれには、冷却媒体入口連通孔34a、冷却媒体出口連通孔34b、冷却媒体流路44を一体に囲んで、その内部を面方向の外部とシールするシール部材50cが設けられている。シール部材46、50a、50b、50cのそれぞれは、例えば、弾性を有するゴムや樹脂等のエラストマから形成されている。
上記のように構成される発電セル12を複数積層した燃料電池スタックで発電動作を行う場合、図2の燃料ガス入口連通孔36aに燃料ガスが供給され、酸化剤ガス入口連通孔32aに酸化剤ガスが供給され、冷却媒体入口連通孔34aに冷却媒体が供給される。燃料ガス入口連通孔36aに供給された燃料ガスは、燃料ガス流路40に導入され、アノード電極28に沿って流通する。酸化剤ガス入口連通孔32aに供給された酸化剤ガスは、酸化剤ガス流路38に導入され、カソード電極30に沿って流通する。
電解質膜・電極構造体22では、アノード電極28に供給される燃料ガスと、カソード電極30に供給される酸化剤ガスとが、アノード電極触媒層28a及びカソード電極触媒層30aでの電気化学反応(発電反応)により消費され、発電が行われる。発電反応で消費されなかった残余の燃料ガスは、燃料ガス出口連通孔36bから排出され、残余の酸化剤ガスは、酸化剤ガス出口連通孔32bから排出される。一方、冷却媒体入口連通孔34aに供給された冷却媒体は、冷却媒体流路44を流通することで、電解質膜・電極構造体22を冷却した後、冷却媒体出口連通孔34bから排出される。
上記の発電反応では、燃料ガス中の水素ガスが電離して生成されたプロトンと、外部負荷を付勢した後の電子と、酸化剤ガス中の酸素ガスとが結合することで、液体の水(生成水)が生じる。
また、電解質膜26に良好なプロトン伝導性を発現させるためには、電解質膜26を湿潤状態に維持する必要があること等から、反応ガスは、一般的に水蒸気を含有している。この水蒸気が凝縮することによっても液体の水(凝縮水)が生じる。これらの生成水や凝縮水等の液体の水は、反応ガス流路内に滞留することがある。
図1の本実施形態に係る水検出装置10a、10bは、反応ガス流路内の液体の水Wの有無を検出するべく発電セル12に設けられる。なお、以下では、特に説明しない限り、「水W」は液体の水であることとする。図4〜図6も併せて参照しつつ、水検出装置10a、10bについて説明する。
この水検出装置10a、10bは、第2セパレータ18と、樹脂枠付きMEA16bのカソードガス拡散層30bとの間の酸化剤ガス流路38内における水Wの有無を検出する。しかしながら、水検出装置10a、10bは、第1セパレータ14と、樹脂枠付きMEA16aのカソードガス拡散層30bとの間の酸化剤ガス流路38内における水Wの有無も同様にして検出することができる。
また、水検出装置10a、10bは、第2セパレータ18と、樹脂枠付きMEA16aのアノードガス拡散層28bとの間の燃料ガス流路40内、及び第3セパレータ20と、樹脂枠付きMEA16bのアノードガス拡散層28bとの間の燃料ガス流路40内のそれぞれにおける水Wの有無も同様にして検出することができる。
図1には、第2セパレータ18と図3のカソードガス拡散層30bとの間の酸化剤ガス流路38内に設けられた2個の水検出装置10a、10bが図示されている。しかしながら、反応ガス流路に設けられる水検出装置10a、10bの個数は特に限定されるものではない。また、水検出装置10aを備えずに、水検出装置10bのみを1個又は複数個備えてもよいし、水検出装置10bを備えずに水検出装置10aのみを1個又は複数個備えてもよい。
水検出装置10a、10bのそれぞれは、一対の電極52と、電圧印加部54と、電流計測部56と、判定部58とを備える。図3及び図4に示すように、一対の電極52は、2本の導電性部材60の先端部に設けられる。各導電性部材60は、例えば金属製の導線等からなる略円柱状であり、その先端部を除く外周が略円筒状の絶縁被膜62によって覆われている。
絶縁被膜62は、導電性部材60の先端部を除く部分を、該導電性部材60の外部と電気的に絶縁可能な絶縁性材料からなる。絶縁被膜62の軸方向の先端には開口62aが設けられている。このため、導電性部材60の先端部は、絶縁被膜62の開口62aを介して該絶縁被膜62の外部に臨む。このようにして絶縁被膜62の外部に臨む導電性部材60の先端部により電極52が構成される。なお、導電性部材60及び絶縁被膜62は帯状(フィルム状)であってもよい。
本実施形態では、導電性部材60の先端側における軸方向長さ(延在方向長さ)よりも、絶縁被膜62の先端側における軸方向長さ(延在方向長さ)が僅かに長くなるように設定されている。このため、導電性部材60の電極52を構成する先端部は、絶縁被膜62の先端から基端側に向かって僅かに陥没した位置で、開口62aを介して絶縁被膜62の外部に臨む。このため、図3に示すように、絶縁被膜62の先端の開口62aから絶縁被膜62の内側に水Wが浸入することで、電極52と水Wとが接触可能となっている。この場合、絶縁被膜62の内側に電極52が配置される分、例えば、発電セル12の構成要素(水W以外の構成)が電極52に接触することを抑制できる。その結果、電極52による水Wの検出精度を向上させることが可能になる。
図1及び図4に示すように、一対の電極52は、酸化剤ガス流路38(反応ガス流路)に臨む位置に、互いに離間して設けられる。本実施形態のように複数本の波状流路溝42内のそれぞれに反応ガス流路が形成される場合、一対の電極52は同じ波状流路溝42内に、該波状流路溝42の延在方向に間隔を置いて配置される。
また、図1に示すように、一対の電極52は、酸化剤ガス流路38の生成水が溜まり易い下流領域(酸化剤ガス流路38のうち酸化剤ガス出口連通孔32bに近い側)に配置されることが好ましい。しかしながら、特にこれには限定されず、一対の電極52は、酸化剤ガス流路38の上流領域(酸化剤ガス流路38のうち酸化剤ガス入口連通孔32a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。
絶縁被膜62で覆われた導電性部材60(以下、配線部63ともいう)は、発電セル12の第2セパレータ18と樹脂枠付きMEA16bとの間に配設される。本実施形態に係る水検出装置10aでは、2本の配線部63が、発電セル12の1つの長辺を介して、発電セル12の外部から第2セパレータ18と樹脂枠付きMEA16bとの間に挿入されている。
また、本実施形態に係る水検出装置10bでは、2本の配線部63のうちの一方が、発電セル12の矢印C1側の長辺を介して、発電セル12の外部から第2セパレータ18と樹脂枠付きMEA16bとの間に挿入されている。また、2本の配線部63のうちの他方が、発電セル12の矢印C2側の長辺を介して、発電セル12の外部から第2セパレータ18と樹脂枠付きMEA16bとの間に挿入されている。
水検出装置10aと水検出装置10bとは、上記のように発電セル12に対する配線部63の挿入向きが異なることを除いて、略同様に構成されている。なお、2本の配線部63は、どのような方向から第2セパレータ18と樹脂枠付きMEA16bとの間に挿入されてもよい。また、各配線部63は、不図示の接着剤により、第2セパレータ18及び樹脂枠付きMEA16bの少なくとも何れか一方と接着されることで位置決め固定されていてもよい。
上記の通り、燃料電池スタックでは、積層方向に締付荷重が付与されている。このため、図3に示すように、第2セパレータ18と樹脂枠付きMEA16bとの間に配線部63が挿入された発電セル12は、配線部63の厚み分だけ撓む。その結果、第2セパレータ18及び樹脂枠付きMEA16bの配線部63が配置されていない箇所は積層方向に互いに接触している。
図1に示すように、配線部63の電極52側と反対側の端部は、発電セル12から露出する。つまり、配線部63は、発電セル12の外周縁部を横切るように配設される。このように、セパレータの外周縁部に設けられたシール部材46上を、該シール部材46の延在方向と交差して配線部63が配置される場合、配線部63とシール部材46との間には不図示の接着剤が設けられることが好ましい。これによって、発電セル12に配線部63が挿入されても、発電セル12の外周縁部より内側と外側とを良好にシールした状態で維持することが可能になる。
また、セパレータのフロッパー48が設けられた部分を配線部63が横切る場合、図5に示すように、フロッパー48に切欠部48aを形成することが好ましい。切欠部48aは、フロッパー48の突出方向の一部を、配線部63が横切る方向に切り欠いて形成される。切欠部48aの内部に配線部63の一部が収容される。本実施形態では、2本の配線部63に対応して、フロッパー48に2個の切欠部48aが形成されている。これらの2個の切欠部48aのそれぞれに配線部63が収容されている。また、切欠部48aの内壁と配線部63との間には、接着剤64が充填されていることが好ましい。このように切欠部48a及び接着剤64を設けることによっても、発電セル12の外周縁部より内側と外側とを良好にシールした状態で維持することが可能になる。
なお、一対の電極52間には、短絡が生じる場合がある。その理由の一例としては、配線部63における導電性部材60に絶縁被膜62から露出した露出部分が生じ、該露出部分がセパレータや、電解質膜・電極構造体22等と接触することが挙げられる。
上記の通り、配線部63は、第2セパレータ18と樹脂枠付きMEA16bとの間に挿入される。この際、配線部63は、樹脂枠付きMEA16bのカソードガス拡散層30bに当接する。カソードガス拡散層30bはカーボンペーパ等の繊維を備える構成からなる。このため、カソードガス拡散層30bの繊維と配線部63の絶縁被膜62とが接触することにより絶縁被膜62が損傷し導電性部材60から剥離して露出部分が生じる懸念がある。
また電解質膜26は、その含水率が上昇すると膨潤し、その含水率が低下すると収縮する。燃料電池スタックの発電動作に伴い、電解質膜26が膨潤・収縮を繰り返すと、第2セパレータ18と樹脂枠付きMEA16bとの間に挿入された配線部63にも繰り返し荷重が加えられることになる。これによっても、絶縁被膜62が導電性部材60から剥離して露出部分が生じる懸念がある。
図1に示すように、発電セル12の外側に配置される配線部63の端部には、接続端子66を介して電圧印加部54と、電流計測部56とが電気的に接続されている。電圧印加部54は、一対の電極52に電圧を印加することが可能な電源等からなる。また、電圧印加部54は、一対の電極52に水Wの電気分解電圧よりも小さい第1電圧と、水Wの電気分解電圧より大きい第2電圧とを含む印加範囲で変化する電圧を印加することが可能である。
水Wの電気分解電圧は、図4に示すように、反応ガス流路内において一対の電極52間に跨がって介在する水Wに実際に電気分解が生じる電圧である。この水Wの電気分解電圧は、実験等によって予め求めることができ、特に限定されるものではないが、例えば1.23〜1.5Vの範囲から設定可能である。なお、1.23Vは水Wの電気分解電圧の理論値であり、1.5Vは水Wに含まれるイオンや過電圧の影響を考慮した値である。このため、例えば、第1電圧は1.23Vよりも小さい電圧であり、第2電圧は1.5Vよりも大きい電圧であることが好ましい。本実施形態では、第1電圧を0.5Vとし、第2電圧を2.0Vとするが、特にこれらに限定されるものではない。
電圧印加部54は、印加範囲で変化する電圧として、例えば、0V、0.1V、0.2V、0.3V、0.4V、0.5V、1.0V、1.5V、2.0V、3.0V、4.0Vのステップ電圧を印加可能であってもよい。
電圧印加部54は、一対の電極52に、第1選択電圧及び第2選択電圧を印加することが可能であってもよい。第1選択電圧は、水Wの電気分解電圧よりも小さい第1電圧範囲から選択された複数の電圧である。第1電圧は、第1選択電圧に含まれる。第2選択電圧は、水Wの電気分解電圧よりも大きい第2電圧範囲から選択された複数の電圧である。第2電圧は、第2選択電圧に含まれる。
例えば、水Wの電気分解電圧を1.5Vとし、電圧印加部54により、上記のステップ電圧を印加する場合、第1選択電圧は、0.1V、0.2V、0.3V、0.4V、0.5V、1.0Vから選択される少なくとも2つとすることができる。また、この場合、第2選択電圧は、2.0V、3.0V、4.0Vから選択される少なくとも2つとすることができる。
さらに、電圧印加部54は、一対の電極52に水Wの電気分解電圧より大きい検出電圧を印加可能であってもよい。検出電圧としては、例えば、2.0Vとすることが好ましい。なお、検出電圧と第2電圧との電圧値は同じであってもよい。
電流計測部56は、電圧印加部54により電圧が印加された一対の電極52間に通電があった場合に、電極52間の電流を検出するとともに、電流値を計測することが可能な電流計等からなる。
判定部58は、不図示のCPUやメモリ等を備えたコンピュータとして構成されている。また、判定部58は、電流計測部56からの信号を受信し、電流計測部56の計測結果に基づいて反応ガス流路内の水Wの有無を判定する。
ここで、一対の電極52間に水Wが存在している場合、図6に実線L1で示すように、一対の電極52に印加する電圧(印加電圧)と、一対の電極52間に流れる電流(電極52間電流)との間の少なくとも一部には、指数関数的な関係が成り立つ。この場合、印加電圧が水Wの電気分解電圧を超える前と超えた後とで電極52間電流の変化の仕方が異なる。つまり、印加電圧を増加させることにより電極52間電流が増加する割合は、印加電圧が水Wの電気分解電圧に達する前よりも達した後の方が大きくなる。
一方、一対の電極52間に短絡が生じている場合、印加電圧と電極52間電流との間には、オームの法則に従って比例関数の関係が成り立つ。この電極52間の短絡時には、これらの電極52間の抵抗が小さくなる分、電極52間電流が増大する。本実施形態では、図6に破線L2で示すように、一対の電極52が短絡したときに、第1電圧及び第2電圧を印加した際の電極52間電流は、電流計測部56による測定限界を超える。換言すると、電流計測部56の測定限界は、一対の電極52が短絡したときに、第1電圧及び第2電圧を印加した一対の電極52間に流れる電流より小さく設定されている。
以下では、電圧印加部54により一対の電極52に第1電圧が印加されたときに、電流計測部56により計測される電流を第1電流ともいう。また、電圧印加部54により一対の電極52に第2電圧が印加されたときに、電流計測部56により計測される電流を第2電流ともいう。つまり、一対の電極52が短絡したとき、第1電流及び第2電流は、電流計測部56の測定限界となる。
これらから電極52間に短絡が生じている場合、印加電圧と、電極52間電流との間には、指数関数的な関係は成り立たない。この場合、印加電圧が水Wの電気分解電圧を超える前と超えた後とで電極52間電流の変化の仕方に特に変化はない。このため、印加電圧を増加させることにより電極52間電流が増加する割合は、印加電圧が水Wの電気分解電圧に達する前と後とで特に変化しない。
そこで、判定部58は、一対の電極52に印加する電圧を印加範囲で変化させたときに電流計測部56で計測される電流の変化に基づいて水Wの有無を判定する。具体的には、判定部58は、図6に一点鎖線L3で示すように、電流計測部56によって電極52間の電流が検出されない場合は、反応ガス流路内の一対の電極52間に水Wは存在しておらず、且つ電極52間の短絡も生じていないと判定する。
上記の通り、電流計測部56の測定限界が、短絡時の電極52間電流より小さく設定されている場合、判定部58は、第1電流よりも第2電流が大きいときに、反応ガス流路内の一対の電極52間に水Wが存在すると判定してもよい。一方、判定部58は、第1電流及び第2電流の両方が、電流計測部56の測定限界となっているとき、一対の電極52に短絡が生じていると判定してもよい。
また、判定部58は、一対の電極52に印加する印加範囲の電圧と、電流計測部56で計測される電流との少なくとも一部が、図6に実線L1で示すように、指数関数的な関係にある場合、反応ガス流路内の一対の電極52間に水Wが存在すると判定してもよい。一方、判定部58は、一対の電極52に印加する印加範囲の電圧と、電流計測部56で計測される電流とが、図6に破線L2で示すように、指数関数的な関係にない場合、一対の電極52に短絡が生じていると判定してもよい。
上記のように、電圧印加部54により一対の電極52に第1選択電圧及び第2選択電圧を印加する場合、判定部58は、第1割合と第2割合とを比較してもよい。第1割合は、第1選択電圧を印加したときに一対の電極52間に流れる電流が変化する割合である。第2割合は、第2選択電圧を印加したときに一対の電極52間に流れる電流が変化する割合である。
一対の電極52間に水Wが存在している場合、第1割合よりも第2割合が大きくなる。このため、判定部58は、第1割合よりも第2割合が大きい場合に、一対の電極52間に水Wが存在すると判定してもよい。
一方、印加電流と電極52間電流との間に比例関数の関係が成り立つとき、又は、電極52間電流が電流計測部56の測定限界で一定となるとき、第1割合と第2割合とは同じ大きさとなる。このため、判定部58は、第1割合よりも第2割合が大きくならない場合に、一対の電極52間に短絡が生じていると判定してもよい。
判定部58は、上記のような水Wの有無の判定を、以下の条件で行うこととしてもよい。すなわち、電圧印加部54は、一対の電極52に印加範囲で変化する電圧を印加する前に検出電圧を印加する。この検出電圧の印加時に一対の電極52間に流れる検出電流を電流計測部56が検出した場合、電圧印加部54は、検出電圧に代えて、印加範囲で変化する電圧を一対の電極52に印加する。そして、電流計測部56によって計測される電流の変化に基づいて、判定部58は、反応ガス流路内の水Wの有無を判定する。
以下、図7を併せて参照しつつ、本実施形態に係る水検出方法について、その各工程を上記の水検出装置10aを用いて行う場合を例に挙げて説明する。水検出方法では、電圧印加部54により、一対の電極52に検出電圧を印加する検出電圧印加工程(図7のステップS1)を行う。次に、ステップS2に進み、判定部58によって、電流計測部56が検出電流を検出しているか否かを判定する。
判定部58は、ステップS2で、検出電流を検出していないと判定した場合(ステップS2:NO)、反応ガス流路内の一対の電極52間に水Wが存在しておらず、電極52間の短絡も生じていないと判定する。そして、検出電流が検出されるまでステップS2の処理を繰り返す。
判定部58は、ステップS2で、検出電流を検出していると判定した場合(図7のステップS2:YES)、ステップS3の判定電圧印加工程を行う。判定電圧印加工程では、電圧印加部54により一対の電極52に、印加範囲で変化する電圧を印加する。
次に、ステップS4の判定工程を行う。判定工程では、上記の通り、電流計測部56によって計測される電流の変化に基づいて、反応ガス流路内の水Wの有無を判定する。このステップS4の処理の後、本実施形態に係るフローチャートは終了する。
以上から、本実施形態に係る水検出装置10a、10b及び水検出方法では、一対の電極52に印加範囲で変化する電圧を印加したときに、電流計測部56で計測される電流の変化に基づいて水Wの有無を判定する。これによって、電極52の短絡等を、電極52間に水Wが存在していると誤検出することを回避できる。その結果、反応ガス流路内の水Wの検出精度を向上させることが可能になる。
上記の実施形態に係る水検出装置10a、10bでは、電流計測部56の測定限界は、一対の電極52が短絡したときに、第1電圧及び第2電圧を印加した一対の電極52間に流れる電流よりも小さく設定され、判定部58は、一対の電極52に第1電圧が印加されたときに電流計測部56で計測される第1電流よりも、一対の電極52に第2電圧が印加されたときに電流計測部56で計測される第2電流が大きい場合に、一対の電極52間に水Wが存在すると判定してもよいこととした。
また、上記の実施形態に係る水検出方法では、電流計測部56の測定限界は、一対の電極52が短絡したときに、第1電圧及び第2電圧を印加した一対の電極52間に流れる電流よりも小さく設定され、判定工程では、一対の電極52に第1電圧が印加されたときに電流計測部56で計測される第1電流よりも、一対の電極52に第2電圧が印加されたときに電流計測部56で計測される第2電流が大きい場合に、一対の電極52間に水Wが存在すると判定してもよいこととした。
これらの場合、第1電流と第2電流とを比較し、第1電流よりも第2電流が大きいか否かを確認することで、反応ガス流路内の水Wの有無を容易且つ効率的に判定することが可能となる。
上記の実施形態に係る水検出装置10a、10bでは、判定部58は、一対の電極52に印加する印加範囲の電圧と、電流計測部56で計測される電流との少なくとも一部が指数関数的な関係にある場合に、一対の電極52間に水Wが存在すると判定してもよいこととした。また、上記の実施形態に係る水検出方法の判定工程では、一対の電極52に印加する印加範囲の電圧と、電流計測部56で計測される電流との少なくとも一部が指数関数的な関係にある場合に、一対の電極52間に水Wが存在すると判定してもよいこととした。
これらの場合、印加範囲の電圧と、電流計測部56で計測される電流との少なくとも一部が指数関数的な関係にあるか否かを確認することで、反応ガス流路内の水Wの有無を高精度に判定することが可能となる。なお、印加範囲の電圧と、電流計測部56で計測される電流との全体が指数関数の関係にあってもよい。
上記の実施形態に係る水検出装置10a、10bでは、電圧印加部54は、一対の電極52に、水Wの電気分解電圧よりも小さい第1電圧範囲から選択された複数の電圧(第1選択電圧)を印加すること、及び水Wの電気分解電圧よりも大きい第2電圧範囲から選択された複数の電圧(第2選択電圧)を印加することが可能であり、判定部58は、第1選択電圧を印加したときに一対の電極52間に流れる電流が変化する第1割合と、第2選択電圧を印加したときに一対の電極52間に流れる電流が変化する第2割合とを比較し、第1割合よりも第2割合が大きい場合に、一対の電極52間に水Wが存在すると判定してもよいこととした。
また、上記の実施形態に係る水検出方法の判定電圧印加工程では、一対の電極52に、水Wの電気分解電圧よりも小さい第1電圧範囲から選択した複数の電圧(第1選択電圧)を印加し、且つ水Wの電気分解電圧よりも大きい第2電圧範囲から選択した複数の電圧(第2選択電圧)を印加し、判定工程では、第1選択電圧を印加したときに一対の電極52間に流れる電流が変化する第1割合と、第2選択電圧を印加したときに一対の電極52間に流れる電流が変化する第2割合とを比較し、第1割合よりも第2割合が大きい場合に、一対の電極52間に水Wが存在すると判定してもよいこととした。
これらの場合、第1割合と第2割合とを比較し、第1割合よりも第2割合が大きいか否かを確認することで、反応ガス流路内の水Wの有無を容易且つ高精度に判定することが可能となる。
上記の実施形態に係る水検出装置10a、10bでは、電圧印加部54は、一対の電極52に水Wの電気分解電圧より大きい検出電圧を印加可能であり、電流計測部56は、検出電圧の印加時に一対の電極52間に流れる検出電流を検出可能であり、電流計測部56により検出電流が検出された場合に、電圧印加部54は、一対の電極52に印加する電圧を印加範囲で変化させ、判定部58は、水Wの有無を判定することとした。
また、上記の実施形態に係る水検出方法では、判定電圧印加工程の前に、一対の電極52に水Wの電気分解電圧より大きい検出電圧を印加する検出電圧印加工程を有し、検出電圧の印加時に、一対の電極52間に流れる検出電流を検出した場合に、判定電圧印加工程及び判定工程を行うこととした。
これらの場合、一対の電極52間が通電した場合にのみ、該通電が電極52間に介在する水Wに由来するものであるのか、電極52間の短絡に由来するものであるのかを判定すればよくなる。このため、反応ガス流路内の水Wの有無を容易且つ効率的に検出することが可能になる。
なお、本実施形態に係る水検出装置10a、10bにおいて、電圧印加部54によって検出電圧を印加することは必須の構成要素ではない。また、本実施形態に係る水検出方法において、判定電圧印加工程の前に検出電圧印加工程を行うことは必須の構成要素ではない。
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。
例えば、図8及び図10の変形例に係る水検出装置70のように、図1、図3、図4に示す電極52に代えて、図8及び図10に示す電極72を備えてもよい。図8及び図10の電極72は、図9に示す発電セル74の第2セパレータ76に一体に組み込まれている。なお、図9の第2セパレータ76は、燃料電池スタックの性能試験等の際にのみ、図2の第2セパレータ18の代わりに、発電セル74を構成するものとして用いられてもよい。また、図9の第2セパレータ76は、燃料電池スタックの実際の使用時に発電セル74を構成するものとして用いられてもよい。
図10に示すように、第2セパレータ76は、アノード側プレート78と、カソード側プレート80と、これらのアノード側プレート78及びカソード側プレート80に挟まれた中間プレート82とを有している。アノード側プレート78と中間プレート82との間、及び中間プレート82とカソード側プレート80との間には、それぞれ銀ペースト84が設けられている。この銀ペースト84により、アノード側プレート78と、中間プレート82と、カソード側プレート80とは一体に接着されている。アノード側プレート78及びカソード側プレート80は、図2の第2セパレータ18と同じ材料から構成することができる。中間プレート82は、金属等の導電性材料から構成することができる。
アノード側プレート78の矢印A1側の面には、図2の第2セパレータ18の矢印A1側の面と同様に燃料ガス流路40が設けられている。カソード側プレート80の矢印A2側の面には、図2の第2セパレータ18の矢印A2側の面と同様に酸化剤ガス流路38が設けられている。
図8及び図10に示すように、アノード側プレート78の燃料ガス流路40に臨む位置には、互いに離間して設けられた一対の電極72が複数組設けられている。カソード側プレート80の酸化剤ガス流路38に臨む位置には、互いに離間して設けられた一対の電極72が複数組設けられている。各電極72は、アノード側プレート78及びカソード側プレート80を厚さ方向(矢印A1、A2方向)に貫通する貫通孔86を介して反応ガス流路に臨む。なお、これらの電極72の個数(組数)や配置は特に限定されるものではない。また、電極72は、燃料ガス流路40及び酸化剤ガス流路38の何れか一方にのみ設けられていてもよい。
中間プレート82内には、酸化剤ガス流路38に臨む電極72に接続される導電部材88aと、燃料ガス流路40に臨む電極72に接続される導電部材88b、とが配線されている。発電セル74の外部に設けられた図1の電圧印加部54及び電流計測部56と、一対の電極72とは、導電性材料を介して電気的に接続されている。これらの導電部材88a、88bは、複数組の電極72のそれぞれが別々に導通可能となるように配線されている。これによって、燃料ガス流路40及び酸化剤ガス流路38のどの箇所に液体の水Wが存在するかが分かるようになっている。
上記のように構成される電極72を備える水検出装置70においても、図1の水検出装置10a、10bと同様にして反応ガス流路内の電極72間の水Wの有無を検出することができ、図1の水検出装置10a、10bと同様の作用効果を得ることができる。すなわち、一対の電極72に印加範囲で変化する電圧を印加したときに、電流計測部56で計測される電流の変化に基づいて液体の水Wの有無を判定する。
これによって、電極72の短絡等を、電極72間に液体の水Wが存在していると誤検出することが回避される。その結果、反応ガス流路内の液体の水Wの検出精度を向上させることが可能になる。
10a、10b、70…水検出装置 12、74…発電セル
22…電解質膜・電極構造体 38…酸化剤ガス流路
40…燃料ガス流路 52、72…電極
54…電圧印加部 56…電流計測部
58…判定部 W…水
22…電解質膜・電極構造体 38…酸化剤ガス流路
40…燃料ガス流路 52、72…電極
54…電圧印加部 56…電流計測部
58…判定部 W…水
Claims (10)
- 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、
前記反応ガス流路に臨む位置に、互いに離間して設けられた一対の電極と、
前記一対の電極に電圧を印加する電圧印加部と、
前記一対の電極間に流れる電流を計測可能な電流計測部と、
前記電流計測部の計測結果に基づいて前記反応ガス流路内の液体の水の有無を判定する判定部と、
を備え、
前記電圧印加部は、前記一対の電極に印加する電圧を、前記水の電気分解電圧よりも小さい第1電圧と、前記水の電気分解電圧より大きい第2電圧とを含む印加範囲で変化させることが可能であり、
前記判定部は、前記一対の電極に印加する電圧を前記印加範囲で変化させたときに前記電流計測部で計測される電流の変化に基づいて前記水の有無を判定する、水検出装置。 - 請求項1記載の水検出装置において、
前記電流計測部の測定限界は、前記一対の電極が短絡したときに、前記第1電圧及び前記第2電圧を印加した前記一対の電極間に流れる電流よりも小さく設定され、
前記判定部は、前記一対の電極に前記第1電圧が印加されたときに前記電流計測部で計測される第1電流よりも、前記一対の電極に前記第2電圧が印加されたときに前記電流計測部で計測される第2電流が大きい場合に、前記一対の電極間に前記水が存在すると判定する、水検出装置。 - 請求項1記載の水検出装置において、
前記判定部は、前記一対の電極に印加する前記印加範囲の電圧と、前記電流計測部で計測される電流との少なくとも一部が指数関数的な関係にある場合に、前記一対の電極間に前記水が存在すると判定する、水検出装置。 - 請求項1〜3の何れか1項に記載の水検出装置において、
前記電圧印加部は、前記一対の電極に、前記水の電気分解電圧よりも小さい第1電圧範囲から選択された複数の電圧を印加すること、及び前記水の電気分解電圧よりも大きい第2電圧範囲から選択された複数の電圧を印加することが可能であり、
前記判定部は、前記第1電圧範囲から選択された複数の電圧を印加したときに前記一対の電極間に流れる電流が変化する第1割合と、前記第2電圧範囲から選択された複数の電圧を印加したときに前記一対の電極間に流れる電流が変化する第2割合とを比較し、前記第1割合よりも前記第2割合が大きい場合に、前記一対の電極間に前記水が存在すると判定する、水検出装置。 - 請求項1〜4の何れか1項に記載の水検出装置において、
前記電圧印加部は、前記一対の電極に前記水の電気分解電圧より大きい検出電圧を印加可能であり、
前記電流計測部は、前記検出電圧の印加時に前記一対の電極間に流れる検出電流を検出可能であり、
前記電流計測部により前記検出電流が検出された場合に、
前記電圧印加部は、前記一対の電極に印加する電圧を前記印加範囲で変化させ、
前記判定部は、前記水の有無を判定する、水検出装置。 - 発電セルの電解質膜・電極構造体に沿って反応ガスを流す反応ガス流路内の液体の水の有無を検出する水検出方法であって、
前記反応ガス流路に臨む位置に、互いに離間して設けられた一対の電極に、前記水の電気分解電圧よりも小さい第1電圧と、前記水の電気分解電圧より大きい第2電圧とを含む印加範囲で変化する電圧を印加する判定電圧印加工程と、
前記一対の電極に前記印加範囲で変化する電圧を印加したときに、電流計測部で計測される前記一対の電極間に流れる電流の変化に基づいて前記反応ガス流路内の水の有無を判定する判定工程と、
を有する、水検出方法。 - 請求項6記載の水検出方法において、
前記電流計測部の測定限界は、前記一対の電極が短絡したときに、前記印加範囲の電圧を印加した前記一対の電極間に流れる電流よりも小さく設定され、
前記判定工程では、前記一対の電極に前記第1電圧が印加されたときに前記電流計測部で計測される第1電流よりも、前記一対の電極に前記第2電圧が印加されたときに前記電流計測部で計測される第2電流が大きい場合に、前記一対の電極間に前記水が存在すると判定する、水検出方法。 - 請求項6又は7記載の水検出方法において、
前記判定工程では、前記一対の電極に印加する前記印加範囲の電圧と、前記電流計測部で計測される電流との少なくとも一部が指数関数的な関係にある場合に、前記一対の電極間に前記水が存在すると判定する、水検出方法。 - 請求項6〜8の何れか1項に記載の水検出方法において、
前記判定電圧印加工程では、前記一対の電極に、前記水の電気分解電圧よりも小さい第1電圧範囲から選択した複数の電圧を印加し、且つ前記水の電気分解電圧よりも大きい第2電圧範囲から選択した複数の電圧を印加し、
前記判定工程では、前記第1電圧範囲から選択された複数の電圧を印加したときに前記一対の電極間に流れる電流が変化する第1割合と、前記第2電圧範囲から選択された複数の電圧を印加したときに前記一対の電極間に流れる電流が変化する第2割合とを比較し、前記第1割合よりも前記第2割合が大きい場合に、前記一対の電極間に前記水が存在すると判定する、水検出方法。 - 請求項6〜9の何れか1項に記載の水検出方法において、
前記判定電圧印加工程の前に、前記一対の電極に前記水の電気分解電圧より大きい検出電圧を印加する検出電圧印加工程を有し、
前記検出電圧の印加時に、前記一対の電極間に流れる検出電流を検出した場合に、前記判定電圧印加工程及び前記判定工程を行う、水検出方法。
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