7174680 セパレータ、発電セル、燃料電池スタック及び液体検出装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2022-11-09

(45)【発行日】2022-11-17

(54)【発明の名称】セパレータ、発電セル、燃料電池スタック及び液体検出装置

(51)【国際特許分類】

   H01M 8/0202 20160101AFI20221110BHJP

   H01M 8/0228 20160101ALI20221110BHJP

   H01M 8/04 20160101ALI20221110BHJP

   H01M 8/10 20160101ALN20221110BHJP

【ＦＩ】

H01M8/0202

H01M8/0228

H01M8/04 Z

H01M8/10 101

【請求項の数】 10

(21)【出願番号】P 2019153793

(22)【出願日】2019-08-26

(65)【公開番号】P2021034246

(43)【公開日】2021-03-01

【審査請求日】2021-03-29

(73)【特許権者】

【識別番号】000005326

【氏名又は名称】本田技研工業株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100077665

【弁理士】

【氏名又は名称】千葉 剛宏

(74)【代理人】

【識別番号】100116676

【弁理士】

【氏名又は名称】宮寺 利幸

(74)【代理人】

【識別番号】100191134

【弁理士】

【氏名又は名称】千馬 隆之

(74)【代理人】

【識別番号】100136548

【弁理士】

【氏名又は名称】仲宗根 康晴

(74)【代理人】

【識別番号】100136641

【弁理士】

【氏名又は名称】坂井 志郎

(74)【代理人】

【識別番号】100180448

【弁理士】

【氏名又は名称】関口 亨祐

(72)【発明者】

【氏名】内海 秀俊

(72)【発明者】

【氏名】福島 岳大

(72)【発明者】

【氏名】堀 裕一

(72)【発明者】

【氏名】小西 俊介

(72)【発明者】

【氏名】柘植 穂高

(72)【発明者】

【氏名】春木 達郎

(72)【発明者】

【氏名】山崎 恵子

(72)【発明者】

【氏名】鈴木 裕一

【審査官】小川 進

(56)【参考文献】

【文献】特開２００８－０２７８０７（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００４－１４６２６７（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００９－１４６６３７（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００５－１４１９３９（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００４－１４６２３６（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開平０７－２３０８１４（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｈ０１Ｍ ８／０２０２

Ｈ０１Ｍ ８／０２２８

Ｈ０１Ｍ ８／０４

Ｈ０１Ｍ ８／１０

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

第１のガスと第２のガスとを化学反応させることにより発電を行う発電セルにおいて電解質膜・電極構造体に積層されるセパレータであって、
前記第１のガスが流通する第１の流路を備える第１の面と、
前記第１の流路に備えられ、流路方向に離間して配置された２つを１つの組とする少なくとも１組の第１の電極部と、
前記第１の電極部に接続される導電性の第１の導電部材と、
前記第１の電極部が前記第１の流路に露出した状態となるように、前記第１の導電部材を支持する支持部材と、
を有する、セパレータ。

【請求項2】

第１のガスと第２のガスとを化学反応させることにより発電を行う発電セルにおいて電解質膜・電極構造体に積層されるセパレータであって、
前記第１のガスが流通する第１の流路を備える第１の面と、
前記第１の流路に備えられ、流路方向に離間して配置された２つを１つの組とする複数組の第１の電極部と、
を有し、
前記第１のガスと前記第２のガスとが化学反応している状態において、
前記第１の面上の温度が相対的に低い領域の前記第１の電極部の組数が、温度が相対的に高い領域の前記第１の電極部の組数よりも多くなるように、前記第１の電極部が配置される、セパレータ。

【請求項3】

請求項１に記載のセパレータであって、
前記第１の面及び前記支持部材は、導電材料から形成される、セパレータ。

【請求項4】

請求項１に記載のセパレータであって、
前記第１の流路に備えられ、前記第１の面の温度を検出する複数の温度センサと、
前記温度センサに接続される導電性の第２の導電部材と、
を有し、
前記支持部材は、前記温度センサが前記第１の流路に露出した状態となるように、前記第１の導電部材とともに前記第２の導電部材を支持する、セパレータ。

【請求項5】

請求項４に記載のセパレータであって、
前記第１のガスと前記第２のガスとが化学反応している状態において、
前記第１の面上の温度が相対的に高い領域の前記温度センサの密度が、温度が相対的に低い領域の前記温度センサの密度よりも高くなるように、前記温度が配置される、セパレータ。

【請求項6】

請求項１～５のいずれか１項に記載のセパレータであって、
前記第１の面の背面であって、前記第２のガスが流通する第２の流路を備える第２の面と、
前記第２の流路に備えられ、流路方向に離間して配置された２つを１つの組とする複数組の第２の電極部と、
を有する、セパレータ。

【請求項7】

電解質膜・電極構造体と、
前記電解質膜・電極構造体に積層された請求項１～６のいずれか１項に記載のセパレータと、
を有する、発電セル。

【請求項8】

電解質膜・電極構造体と、
前記電解質膜・電極構造体に積層された請求項１～６のいずれか１項に記載のセパレータと、
を有する、燃料電池スタック。

【請求項9】

請求項１～６のいずれか１項に記載のセパレータを有する液体検出装置であって、
前記少なくとも１組の第１の電極部の間が通電したときに、前記第１の流路内に液体状の水があると判定する液体判定部を有する、液体検出装置。

【請求項10】

請求項６に記載のセパレータを有する液体検出装置であって、
前記少なくとも１組の第１の電極部の間が通電したときに、前記第１の流路内に液体状の水があると判定し、且つ、前記少なくとも１組の第２の電極部の間が通電したときに、前記第２の流路内に液体状の水があると判定する液体判定部を有する、液体検出装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、第１のガスと第２のガスとを化学反応させることにより発電を行う発電セルにおいて電解質膜・電極構造体に積層されるセパレータ、該セパレータを有する発電セル、該セパレータを有する燃料電池スタック、及び、該セパレータを有する液体検出装置に関する。

【背景技術】

【0002】

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。発電セルは、所定の数だけ積層されることにより、例えば、車載用の燃料電池スタックとして使用されている（例えば、下記特許文献１）。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【文献】特開２０１０－０２１０９６号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

発電セルでは、発電反応に伴って水が生成され、また、反応ガス中の蒸気が凝縮して凝縮水が生成される。反応ガス流路での液体の水の滞留は様々な問題を惹き起こす。例えば、このような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。

【0005】

本発明は、発電セルの反応ガス流路における液体の水の有無を検出することが可能なセパレータ、発電セル、燃料電池スタック及び液体検出装置を提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0006】

本発明の第１の態様のセパレータは、第１のガスと第２のガスとを化学反応させることにより発電を行う発電セルにおいて電解質膜・電極構造体に積層されるセパレータであって、前記第１のガスが流通する第１の流路を備える第１の面と、前記第１の流路に備えられ、流路方向に離間して配置された２つを１つの組とする少なくとも１組の第１の電極部と、を有する。

【0007】

本発明の第２の態様の発電セルは、電解質膜・電極構造体と、前記電解質膜・電極構造体に積層された上記第１の態様のセパレータと、を有する。

【0008】

本発明の第３の態様の燃料電池スタックは、電解質膜・電極構造体と、前記電解質膜・電極構造体に積層された上記第１の態様のセパレータと、を有する。

【0009】

本発明の第４の態様の液体検出装置は、上記第１の態様のセパレータと、前記少なくとも１組の第１の電極部の間が通電したときに、前記第１の流路内に液体状の水があると判定する液体判定部と、を有する。

【0010】

本発明の第５の態様の液体検出装置は、上記第１の態様のセパレータと、前記少なくとも１組の第１の電極部の間が通電したときに、前記第１の流路内に液体状の水があると判定し、且つ、前記少なくとも１組の第２の電極部の間が通電したときに、前記第２の流路内に液体状の水があると判定する液体判定部と、を有する。

【発明の効果】

【0011】

本発明により、発電セルの反応ガス流路における液体の水の有無を検出することができる。

【図面の簡単な説明】

【0012】

【図1】発電セルユニットの分解斜視図である。

【図2】燃料電池スタックの模式図である。

【図3】Ｂセパレータのアノード面の部分拡大図である。

【図4】Ｂセパレータのカソード面の部分拡大図である。

【図5】液体検出装置の模式図である。

【図6】Ｂセパレータのアノード面を示す図である。

【図7】Ｂセパレータのカソード面を示す図である。

【図8】図３及び図４におけるＶＩＩＩ－ＶＩＩＩ断面図である。

【図9】図３におけるＩＸ－ＩＸ断面図である。

【図10】図４におけるＸ－Ｘ断面図である。

【図11】Ｂセパレータの製造方法について説明する図である。

【図12】Ｂセパレータの製造方法について説明する図である。

【図13】Ｂセパレータの製造方法について説明する図である。

【図14】Ｂセパレータの製造方法について説明する図である。

【図15】Ｂセパレータの製造方法について説明する図である。

【発明を実施するための形態】

【0013】

〔第１実施形態〕
図１は、発電セルユニット１０の分解斜視図である。発電セルユニット１０は、第１発電セル１２ａと第２発電セル１２ｂとを有している。第１発電セル１２ａは、金属により形成されたＡセパレータ１４ａ、樹脂フィルム１６に貼着された電解質膜・電極構造体（以下、Ａ－ＭＥＡ）１８ａ、金属及びカーボンにより形成されたＢセパレータ１４ｂを有している。第２発電セル１２ｂは、第１発電セル１２ａと共用のＢセパレータ１４ｂ、樹脂フィルム２０に貼着された電解質膜・電極構造体（以下、Ｂ－ＭＥＡ）１８ｂ、金属により形成されたＣセパレータ１４ｃを有している。

【0014】

図２は、燃料電池スタック２２の模式図である。第１発電セル１２ａと第２発電セル１２ｂを１組とする発電セルユニット１０が複数組積層されるとともに、積層方向に締結荷重（圧縮荷重）が付与されて、燃料電池スタック２２が構成される。燃料電池スタック２２は、例えば、図示しない燃料電池電気自動車に搭載される。

【0015】

Ａセパレータ１４ａ及びＣセパレータ１４ｃ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をプレス成形して形成される。一の発電セルユニット１０の第１発電セル１２ａのＡセパレータ１４ａと、一の発電セルユニット１０と隣接する他の発電セルユニット１０の第２発電セル１２ｂのＣセパレータ１４ｃ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る。なお、Ｂセパレータ１４ｂの製造に関しては、後に詳述する。

【0016】

Ａセパレータ１４ａの一方の面である冷却面１４ａ１（Ｚ軸方向負側の面）には、冷却媒体が流通する冷却媒体流路２４ａが複数本形成されている。冷却媒体は、例えば、水である。なお、冷却媒体は、エチレングリコール、オイル等であってもよい。冷却媒体流路２４ａは、Ａセパレータ１４ａの長手方向（Ｘ軸方向）に対して蛇行する波形状に形成されている。Ａセパレータ１４ａの他方の面であるカソード面１４ａ２（Ｚ軸方向正側の面）には、酸化剤ガスが流通する酸化剤ガス流路２６ａが複数本形成されている。酸化剤ガスは、例えば、酸素含有ガスである。酸化剤ガス流路２６ａは、Ａセパレータ１４ａの長手方向（Ｘ軸方向）に対して蛇行する波形状に形成されている。

【0017】

Ｂセパレータ１４ｂの一方の面であるアノード面１４ｂ１（Ｚ軸方向負側の面）には、燃料ガスが流通する燃料ガス流路２８ｂが複数本形成されている。燃料ガスは、例えば、水素含有ガスである。燃料ガス流路２８ｂは、Ｂセパレータ１４ｂの長手方向（Ｘ軸方向）に対して蛇行する波形状に形成されている。Ｂセパレータ１４ｂの他方の面であるカソード面１４ｂ２（Ｚ軸方向正側の面）には、酸化剤ガスが流通する酸化剤ガス流路２６ｂが複数本形成されている。酸化剤ガス流路２６ｂは、Ｂセパレータ１４ｂの長手方向（Ｘ軸方向）に対して蛇行する波形状に形成されている。

【0018】

Ｃセパレータ１４ｃの一方の面であるアノード面１４ｃ１（Ｚ軸方向負側の面）には、燃料ガスが流通する燃料ガス流路２８ｃが複数本形成されている。燃料ガス流路２８ｃは、Ｃセパレータ１４ｃの長手方向（Ｘ軸方向）に対して蛇行する波形状に形成されている。Ｃセパレータ１４ｃの他方の面である冷却面１４ｃ２（Ｚ軸方向正側の面）には、冷却媒体が流通する冷却媒体流路２４ｃが複数本形成されている。冷却媒体流路２４ｃは、Ｃセパレータ１４ｃの長手方向（Ｘ軸方向）に対して蛇行する波形状に形成されている。

【0019】

発電セルユニット１０の長手方向（Ｘ軸方向）の一端縁部（Ｘ軸方向負側の縁部）には、隣接する他の発電セルユニット１０と積層方向に連通する、燃料ガス入口連通孔２８ｉ、冷却媒体出口連通孔２４ｏ及び酸化剤ガス出口連通孔２６ｏが形成されている。燃料ガス入口連通孔２８ｉ、冷却媒体出口連通孔２４ｏ及び酸化剤ガス出口連通孔２６ｏは、Ｙ軸方向に並んで配置されている。

【0020】

発電セルユニット１０の長手方向（Ｘ軸方向）の他端縁部（Ｘ軸方向正側の縁部）には、隣接する発電セルユニット１０と積層方向に連通する、酸化剤ガス入口連通孔２６ｉ、冷却媒体入口連通孔２４ｉ及び燃料ガス出口連通孔２８ｏが形成されている。酸化剤ガス入口連通孔２６ｉ、冷却媒体入口連通孔２４ｉ及び燃料ガス出口連通孔２８ｏは、Ｙ軸方向に並んで配置されている。

【0021】

燃料ガス入口連通孔２８ｉは、Ｂセパレータ１４ｂの燃料ガス流路２８ｂ、及び、Ｃセパレータ１４ｃの燃料ガス流路２８ｃに燃料ガスを供給し、燃料ガス出口連通孔２８ｏは、Ｂセパレータ１４ｂの燃料ガス流路２８ｂ、及び、Ｃセパレータ１４ｃの燃料ガス流路２８ｃを通過した燃料ガスを排出する。

【0022】

酸化剤ガス入口連通孔２６ｉは、Ａセパレータ１４ａの酸化剤ガス流路２６ａ、及び、Ｂセパレータ１４ｂの酸化剤ガス流路２６ｂに酸化剤ガスを供給し、酸化剤ガス出口連通孔２６ｏは、Ａセパレータ１４ａの酸化剤ガス流路２６ａ、及び、Ｂセパレータ１４ｂの酸化剤ガス流路２６ｂを通過した酸化剤ガスを排出する。

【0023】

冷却媒体入口連通孔２４ｉは、Ａセパレータ１４ａの冷却媒体流路２４ａ、及び、Ｃセパレータ１４ｃの冷却媒体流路２４ｃに冷却媒体を供給し、冷却媒体出口連通孔２４ｏは、Ａセパレータ１４ａの冷却媒体流路２４ａ、及び、Ｃセパレータ１４ｃの冷却媒体流路２４ｃを通過した冷却媒体を排出する。

【0024】

なお、燃料ガス入口連通孔２８ｉ、燃料ガス出口連通孔２８ｏ、酸化剤ガス入口連通孔２６ｉ、酸化剤ガス出口連通孔２６ｏ、冷却媒体入口連通孔２４ｉ及び冷却媒体出口連通孔２４ｏ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。

【0025】

図２に示すように、Ａ－ＭＥＡ１８ａ及びＢ－ＭＥＡ１８ｂは、それぞれ電解質膜３０と、電解質膜３０を挟持するアノード電極３２及びカソード電極３４を有している。電解質膜３０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３０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。

【0026】

上記のように構成された発電セルユニット１０では、以下のようにして発電がおこなわれる。

【0027】

図１に示すように、水素含有ガス等の燃料ガスが燃料ガス入口連通孔２８ｉに供給され、酸素含有ガス等の酸化剤ガスが酸化剤ガス入口連通孔２６ｉに供給されるとともに、水等の冷却媒体が冷却媒体入口連通孔２４ｉに供給される。

【0028】

燃料ガスは、Ｂセパレータ１４ｂの燃料ガス流路２８ｂ、及び、Ｃセパレータ１４ｃの燃料ガス流路２８ｃ内をＸ軸方向負側から正側に向かって移動し、Ａ－ＭＥＡ１８ａ及びＢ－ＭＥＡ１８ｂのアノード電極３２に供給される。

【0029】

酸化剤ガスは、Ａセパレータ１４ａの酸化剤ガス流路２６ａ、及び、Ｂセパレータ１４ｂの酸化剤ガス流路２６ｂ内をＸ軸方向正側から負側に向かって移動し、Ａ－ＭＥＡ１８ａ及びＢ－ＭＥＡ１８ｂのカソード電極３４に供給される。

【0030】

アノード電極３２に燃料ガス内の水素（Ｈ_２）が接触すると電子（ｅ^－）が飛び出し、プロトン（Ｈ^＋）となる。電子（ｅ^－）は、アノード電極３２から外部の負荷を経由してカソード電極３４に戻ってくる。プロトン（Ｈ^＋）は、電解質膜３０を通過し、プロトン（Ｈ^＋）、酸化剤ガス（Ｏ_２）、及び、カソード電極３４に戻ってきた電子（ｅ^－）が化学反応して水（Ｈ_２Ｏ）が生成される。

【0031】

水素が消費された後の燃料ガスは、Ｂセパレータ１４ｂの燃料ガス流路２８ｂ、及び、Ｃセパレータ１４ｃの燃料ガス流路２８ｃから燃料ガス出口連通孔２８ｏに排出される。また、酸素が消費された後の酸化剤ガスは、生成された水とともに、Ａセパレータ１４ａの酸化剤ガス流路２６ａ、及び、Ｂセパレータ１４ｂの酸化剤ガス流路２６ｂから酸化剤ガス出口連通孔２６ｏに排出される。冷却媒体は、上記の化学反応が生じているときに発生する反応熱を吸収して、Ａセパレータ１４ａの冷却媒体流路２４ａ、及び、Ｃセパレータ１４ｃの冷却媒体流路２４ｃから冷却媒体出口連通孔２４ｏに排出される。

【0032】

図３は、Ｂセパレータ１４ｂのアノード面１４ｂ１（Ｚ軸方向負側の面）の部分拡大図である。燃料ガス流路２８ｂには、電極部３６及び熱電対等の温度センサ３８が設置されている。図３において、電極部３６は白丸で示され、温度センサ３８は黒丸で示されている。

【0033】

電極部３６は、それぞれの燃料ガス流路２８ｂに複数設置されており、それぞれの燃料ガス流路２８ｂ上で隣り合う２つの電極部３６を１組として複数組設置されている。温度センサ３８は、それぞれの燃料ガス流路２８ｂに複数設置されている。温度センサ３８は、Ｂセパレータ１４ｂの燃料ガス流路２８ｂが形成される側の面の温度を検出する。なお、電極部３６は、Ｂセパレータ１４ｂの燃料ガス流路２８ｂが形成される側の面に１組設置されていてもよい。ただし、その１組の電極部３６は、同一の燃料ガス流路２８ｂ上に配置されている必要がある。また、温度センサ３８は、Ｂセパレータ１４ｂの燃料ガス流路２８ｂが形成される側の面に１つ設置されていてもよい。

【0034】

図４は、Ｂセパレータ１４ｂのカソード面１４ｂ２（Ｚ軸方向正側の面）の部分拡大図である。酸化剤ガス流路２６ｂには、電極部４０及び温度センサ４２が設置されている。図４において、電極部４０は白丸で示され、温度センサ４２は黒丸で示されている。

【0035】

電極部４０は、それぞれの酸化剤ガス流路２６ｂに複数設置されており、それぞれの酸化剤ガス流路２６ｂ上で隣り合う２つの電極部４０を１組として複数組設置されている。温度センサ４２は、それぞれの酸化剤ガス流路２６ｂに複数設置されている。温度センサ４２は、Ｂセパレータ１４ｂの酸化剤ガス流路２６ｂが形成される側の面の温度を検出する。なお、電極部４０は、Ｂセパレータ１４ｂの酸化剤ガス流路２６ｂが形成される側の面に１組設置されていてもよい。ただし、その１組の電極部４０は、同一の酸化剤ガス流路２６ｂ上に配置されている必要がある。また、温度センサ４２は、Ｂセパレータ１４ｂの酸化剤ガス流路２６ｂが形成される側の面に１つ設置されていてもよい。

【0036】

電極部３６は、燃料ガス流路２８ｂ内の液体の水の有無を検出するために用いられ、電極部４０は、酸化剤ガス流路２６ｂ内の液体の水の有無を検出するために用いられる。図５は、液体検出装置４４の模式図である。液体検出装置４４は、液体判定部４６及びＢセパレータ１４ｂから構成される。液体判定部４６は、電源４６ａと電流計４６ｂを有し、Ｂセパレータ１４ｂの１組の電極部３６又は１組の電極部４０の間で通電した場合には、電流計４６ｂにより電流を検知し、燃料ガス流路２８ｂ又は酸化剤ガス流路２６ｂ内に液体の水が存在すると判定する。

【0037】

図６は、Ｂセパレータ１４ｂのアノード面１４ｂ１（Ｚ軸方向負側の面）を示す図である。発電セルユニット１０は、燃料ガスと酸化剤ガスとを化学反応させることによって発電を行う。このとき、発電セルユニット１０は発熱するため、冷却媒体により発電セルユニット１０を冷却する必要がある。図１に示されるように、冷却媒体はＸ軸方向正側から負側に向かって流れるため、図６に示すＢセパレータ１４ｂの燃料ガス流路２８ｂが形成される側の面では、Ｘ軸方向負側の端に位置する領域Ｓａ１の温度が最も高く、Ｘ軸方向正側の端に位置する領域Ｓｃ１の温度が最も低い。そして、領域Ｓａ１と領域Ｓｃ１とに挟まれた領域Ｓｂ１の温度は、領域Ｓａ１の温度と領域Ｓｃ１の温度の中間の温度となる。

【0038】

電極部３６は、領域Ｓａ１、領域Ｓｂ１、領域Ｓｃ１の順に密度が高くなるように配置される。つまり、電極部３６は、温度が高い領域よりも温度が低い領域の方が密度が高くなるように配置される。換言すると、凝固して液体の水が生成され易い領域に、電極部３６の密度が高くなるように配置される。温度センサ３８は、領域Ｓｃ１、領域Ｓｂ１、領域Ｓａ１の順に密度が高くなるように配置される。つまり、温度センサ３８は、温度が低い領域よりも温度が高い領域の方が密度が高くなるように配置される。換言すると、高温異常が発生し易い領域に、温度センサ３８の密度が高くなるように配置される。

【0039】

図７は、Ｂセパレータ１４ｂのカソード面１４ｂ２（Ｚ軸方向正側の面）を示す図である。図１に示されるように、冷却媒体はＸ軸方向正側から負側に向かって流れるため、図７に示すＢセパレータ１４ｂの酸化剤ガス流路２６ｂが形成される側の面では、Ｘ軸方向負側の端に位置する領域Ｓｃ２の温度が最も高く、Ｘ軸方向正側の端に位置する領域Ｓａ２の温度が最も低い。そして、領域Ｓａ２と領域Ｓｃ２とに挟まれた領域Ｓｂ２の温度は、領域Ｓａ２の温度と領域Ｓｃ２の温度の中間の温度となる。

【0040】

電極部４０は、領域Ｓｃ２、領域Ｓｂ２、領域Ｓａ２の順に密度が高くなるように配置される。つまり、電極部４０は、温度が高い領域よりも温度が低い領域の方が密度が高くなるように配置される。換言すると、凝固して液体の水が生成され易い領域に、電極部４０の密度が高くなるように配置される。温度センサ４２は、領域Ｓａ２、領域Ｓｂ２、領域Ｓｃ２の順に密度が高くなるように配置される。つまり、温度センサ４２は、温度が低い領域よりも温度が高い領域の方が密度が高くなるように配置される。換言すると、高温異常が発生し易い領域に、温度センサ４２の密度が高くなるように配置される。

【0041】

図８は、図３及び図４におけるＶＩＩＩ－ＶＩＩＩ断面図である。図９は、図３におけるＩＸ－ＩＸ断面図である。図１０は、図４におけるＸ－Ｘ断面図である。Ｂセパレータ１４ｂは、２枚のカーボンプレート４８、５０、及び、２枚のカーボンプレート４８、５０に挟まれた金属プレート５２を有している。カーボンプレート４８と金属プレート５２、及び、カーボンプレート５０と金属プレート５２は、それぞれ銀ペースト５４により接着されている。

【0042】

カーボンプレート４８には、燃料ガス流路２８ｂが形成され、燃料ガス流路２８ｂの底部にカーボンプレート４８を厚さ方向に貫通する貫通孔４８ａが形成されている。カーボンプレート５０には、酸化剤ガス流路２６ｂが形成され、酸化剤ガス流路２６ｂの底部にカーボンプレート５０を厚さ方向に貫通する貫通孔５０ａが形成されている。

【0043】

金属プレート５２内には、電極部３６に接続される導電部材５４ａ、電極部４０に接続される導電部材５４ｂ、温度センサ３８に接続される導電部材５４ｃ、及び、温度センサ４２に接続される導電部材５４ｄが配線されている。導電部材５４ａ及び導電部材５４ｃは、電極部３６及び温度センサ３８が燃料ガス流路２８ｂに露出した状態となるように、支持部材５６ａによって支持されている。導電部材５４ｂ及び導電部材５４ｄは、電極部４０及び温度センサ４２が酸化剤ガス流路２６ｂに露出した状態となるように、支持部材５６ｂによって支持されている。また、燃料ガス流路２８ｂ及び酸化剤ガス流路２６ｂのどの箇所に液体の水が存在するかが分かるように、導電部材５４ａ及び５４ｃは、燃料ガス流路２８ｂ及び酸化剤ガス流路２６ｂの流路方向に離間して配置された２つを１つの組とする複数組の電極部３６、４０のそれぞれが別々に導通可能なように配線されている。

【0044】

図１１～図１５は、Ｂセパレータ１４ｂの製造方法について説明する図である。まず、平板状のカーボンプレート４８（図１１）を加工して、燃料ガス流路２８ｂ及び貫通孔４８ａを形成する（図１２）。次に、カーボンプレート４８の貫通孔４８ａに銀ペースト５４を充填するとともに、カーボンプレート４８の燃料ガス流路２８ｂが形成される側の面の背面に銀ペースト５４を塗布する（図１３）。同様にして、カーボンプレート５０を加工し、カーボンプレート５０に銀ペースト５４を塗布する（図１４）。

【0045】

カーボンプレート４８及びカーボンプレート５０の加工とは別工程において、金属プレート５２の加工を行う。金属プレート５２に、電極部３６が接続された導電部材５４ａ、電極部４０が接続された導電部材５４ｂ、温度センサ３８が接続された導電部材５４ｃ、及び、温度センサ４２が接続された導電部材５４ｄを配線する。また、導電部材５４ａ及び導電部材５４ｃに支持部材５６ａを取り付けるとともに、導電部材５４ｂ及び導電部材５４ｄに支持部材５６ｂを取り付ける（図１４）。

【0046】

電極部３６、温度センサ３８、電極部４０及び温度センサ４２が取り付けられた金属プレート５２に、カーボンプレート４８及びカーボンプレート５０が装着して、Ｂセパレータ１４ｂが完成する（図１５）。

【0047】

本実施形態のＢセパレータ１４ｂ、第１発電セル１２ａ又は第２発電セル１２ｂ、燃料電池スタック２２、及び、液体検出装置４４では、以下の効果を得ることができる。

【0048】

本実施形態のＢセパレータ１４ｂでは、アノード面１４ｂ１に形成された燃料ガス流路２８ｂに、２つを１つの組とする電極部３６が設けられている。これにより、Ｂセパレータ１４ｂ内に、電極部３６を組み込むことができるため、電極部３６の耐久性の向上を図ることができる。また、燃料ガス流路２８ｂ内に配置される電極部３６の個数を増大させることができ、液体の水の有無の検出ポイントを増大させることができる。

【0049】

また、本実施形態のＢセパレータ１４ｂでは、電極部３６が燃料ガス流路２８ｂに露出した状態となるように、電極部３６に接続される導電部材５４ａを支持する支持部材５６ａが設けられている。これにより、電極部３６を燃料ガス流路２８ｂ内に露出させることができる。

【0050】

また、本実施形態のＢセパレータ１４ｂでは、カーボンプレート４８及び支持部材５６ａは、導電部材５４ａから形成される。これにより、Ｂセパレータ１４ｂのアノード面１４ｂ１において均一に発電することができる。

【0051】

また、本実施形態のＢセパレータ１４ｂでは、燃料ガスと酸化剤ガスとが化学反応している状態において、アノード面１４ｂ１上の温度が相対的に低い領域の電極部３６の密度が、温度が相対的に高い領域の電極部３６の密度よりも高くなるように、電極部３６が配置される。これにより、温度が低く液体の水が生成され易い領域において、液体の水の有無の検出精度を向上させることができる。

【0052】

また、本実施形態のＢセパレータ１４ｂでは、燃料ガスが流通する燃料ガス流路２８ｂに、アノード面１４ｂ１の温度を検出する温度センサ３８が設けられる。また、温度センサ３８が燃料ガス流路２８ｂに露出した状態となるように、支持部材５６ａにより、導電部材５４ａとともに、温度センサ３８に接続される導電部材５４ｂが支持される。これにより、温度センサ３８と、電極部３６とを支持する支持部材５６ａを共通にすることができる。

【0053】

また、本実施形態のＢセパレータ１４ｂでは、燃料ガスと酸化剤ガスとが化学反応している状態において、アノード面１４ｂ１上の温度が相対的に高い領域の温度センサ３８の密度が、温度が相対的に低い領域の温度センサ３８の密度よりも高くなるように、温度センサ３８が配置される。これにより、高温異常が発生し易い領域において、温度検出を向上させることができる。

【0054】

また、本実施形態のＢセパレータ１４ｂでは、アノード面１４ｂ１の背面であるカソード面１４ｂ２に形成された酸化剤ガス流路２６ｂに、２つを１つの組とする電極部４０が設けられている。これにより、Ｂセパレータ１４ｂ内に、電極部４０を組み込むことができるため、電極部４０の耐久性の向上を図ることができる。また、酸化剤ガス流路２６ｂ内に配置される電極部４０の個数を増大させることができ、液体の水の有無の検出ポイントを増大させることができる。

【0055】

本実施形態の第１発電セル１２ａ又は第２発電セル１２ｂは、Ａ－ＭＥＡ１８ａ又はＢ－ＭＥＡ１８ｂと、Ｂセパレータ１４ｂを有する。これにより、Ｂセパレータ１４ｂ内に、電極部３６を組み込むことができるため、電極部３６の耐久性の向上を図ることができる。また、燃料ガス流路２８ｂ内に配置される電極部３６の個数を増大させることができ、液体の水の有無の検出ポイントを増大させることができる。

【0056】

本実施形態の燃料電池スタック２２は、Ａ－ＭＥＡ１８ａ又はＢ－ＭＥＡ１８ｂと、Ｂセパレータ１４ｂを有する。これにより、Ｂセパレータ１４ｂ内に、電極部３６を組み込むことができるため、電極部３６の耐久性の向上を図ることができる。また、燃料ガス流路２８ｂ内に配置される電極部３６の個数を増大させることができ、液体の水の有無の検出ポイントを増大させることができる。

【0057】

本実施形態の液体検出装置４４は、Ｂセパレータ１４ｂの少なくとも１組の電極部３６の間が通電したときに、燃料ガス流路２８ｂ内に液体状の水があると判定する液体判定部４６を有する。これにより、燃料ガス流路２８ｂ内の液体の水の有無を判定することができる。

【0058】

本実施形態の液体検出装置４４は、Ｂセパレータ１４ｂの少なくとも１組の電極部３６の間が通電したときに、燃料ガス流路２８ｂ内に液体状の水があると判定し、Ｂセパレータ１４ｂの少なくとも１組の電極部４０の間が通電したときに、酸化剤ガス流路２６ｂ内に液体状の水があると判定する液体判定部４６を有する。これにより、燃料ガス流路２８ｂ内及び酸化剤ガス流路２６ｂ内の液体の水の有無を判定することができる。

【0059】

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。

【0060】

例えば、上述の実施形態では、Ｂセパレータ１４ｂの燃料ガス流路２８ｂに電極部３６及び温度センサ３８を設けたが、電極部３６のみを設けるようにしてもよい。

【0061】

また、上述の実施形態では、Ｂセパレータ１４ｂの酸化剤ガス流路２６ｂに電極部４０及び温度センサ４２を設けたが、電極部４０のみを設けるようにしてもよい。

【0062】

また、上述の実施形態では、Ｂセパレータ１４ｂのアノード面１４ｂ１の燃料ガス流路２８ｂに電極部３６を設けるとともに、カソード面１４ｂ２の酸化剤ガス流路２６ｂに電極部４０を設けたが、燃料ガス流路２８ｂにのみ電極部３６を設けるようにしてもよい。

【0063】

また、上述の実施形態では、Ｂセパレータ１４ｂの一の面が燃料ガス流路２８ｂが形成されたアノード面１４ｂ１であり、他の面が酸化剤ガス流路２６ｂが形成されたカソード面１４ｂ２であるが、他の面を冷却媒体通路が形成された冷却面としてもよい。その場合、冷却媒体通路には電極部は設けられていなくともよい。

【符号の説明】

【0064】

１２ａ…第１発電セル（発電セル） １２ｂ…第２発電セル（発電セル）
１４ｂ…Ｂセパレータ（セパレータ） １４ｂ１…アノード面（第１の面）
１８ａ…電解質膜・電極構造体（Ａ－ＭＥＡ）
２２…燃料電池スタック ２６ｂ…酸化剤ガス流路（第２の流路）
２８ｂ…燃料ガス流路（第１の流路） ３６、４０…電極部
３８…温度センサ ５４ａ…導電部材（第１の導電部材）
５４ｃ…導電部材（第２の導電部材） ５６ａ…支持部材

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】

【図14】

【図15】