JP2006127838A - 燃料電池の物理量測定装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】 燃料電池の局所電流あるいは局所温度のような燃料電池に関する物理量を測定するための柱状部を有する物理量測定装置において、測定精度を向上させる。
【解決手段】 燃料電池10の発電面に対向するように配置される板状部材500を有し、燃料電池10の物理量を測定する物理量測定装置において、溝501によって囲まれて板状部材500に設けられ、導電性を有するとともに燃料電池の発電面と電気的に接続された1以上の柱状部502と、柱状部502における物理量を測定する物理量測定手段503、504、506と、板状部材500の内部に形成され、外部に連通して柱状部501に空気を流動させる空気通路500gとを設ける。物理量測定手段は、柱状部502に流れる電流を測定して燃料電池10の局所電流を測定するように構成でき、あるいは柱状部502の温度を測定して燃料電池10の局所温度を測定するように構成できる。
【選択図】 図7
【解決手段】 燃料電池10の発電面に対向するように配置される板状部材500を有し、燃料電池10の物理量を測定する物理量測定装置において、溝501によって囲まれて板状部材500に設けられ、導電性を有するとともに燃料電池の発電面と電気的に接続された1以上の柱状部502と、柱状部502における物理量を測定する物理量測定手段503、504、506と、板状部材500の内部に形成され、外部に連通して柱状部501に空気を流動させる空気通路500gとを設ける。物理量測定手段は、柱状部502に流れる電流を測定して燃料電池10の局所電流を測定するように構成でき、あるいは柱状部502の温度を測定して燃料電池10の局所温度を測定するように構成できる。
【選択図】 図7
Description
本発明は、燃料電池に関する物理量を測定する物理量測定装置に関する。
燃料電池の電極面内の電流密度を測定する電流密度測定装置として、板状の母材に電極面内の各測定部位に対応して突出する柱状部を一体的に設けたものが提案されている(特許文献1参照)。この電流密度測定装置では、柱状部に流れる電流を燃料電池の局所電流として測定し、複数箇所の局所電流を測定することで電流密度を測定するように構成されている。
特開2004−152501号公報
しかしながら、上記特許文献1の装置では、柱状部に電流を集中させるので、ジュール熱が発生する。このジュール熱により電流密度測定装置の温度上昇を招いて隣接する燃料電池セルの電流−電圧特性を変えてしまうおそれがあり、この結果電流センサの測定精度に影響がでる可能性がある。
また、電極面の各測定部位に対応して突出する柱状部を母材に一体的に設け、柱状部の温度を測定し、燃料電池の局所温度を測定する構成の温度測定装置においても、同様の問題が生じる可能性がある。
本発明は上記点に鑑み、燃料電池の局所電流あるいは局所温度のような燃料電池に関する物理量を測定するための柱状部を有する物理量測定装置において、物理量の測定精度を向上させることを目的とする。
上記目的を達成するため、請求項1に記載の発明では、燃料電池の発電面に対向するように配置される板状部材(500)を有し、燃料電池の物理量を測定する物理量測定装置であって、溝(501)によって囲まれて板状部材(500)に設けられ、導電性を有するとともに燃料電池の発電面と電気的に接続された1以上の柱状部(502)と、柱状部(502)における物理量を測定する物理量測定手段(503、504、506)と、板状部材(500)の内部に形成され、外部と連通して柱状部(501)に空気を供給する空気通路(500g)とを備えることを特徴としている。
このような構成により、外部から板状部材(500)の内部に空気が流入し、板状部材(500)の内部に流入した空気は、空気通路(500g)内を流動した後で、外部に排出される。これにより、板状部材(500)の内部において、柱状部(502)の周囲では空気が流動するため、柱状部(502)を電流が流れることに伴う柱状部(502)および板状部材(500)全体の温度上昇を抑制することができ、物理量測定手段(503、504、506)による燃料電池の物理量の測定精度を向上させることができる。
物理量測定手段は、請求項2に記載の発明のように、柱状部(502)に流れる電流を測定するように構成でき、請求項3に記載の発明のように、柱状部(502)の温度を測定するように構成でき、請求項4に記載の発明のように、柱状部(502)に流れる電流と柱状部(502)の温度を測定するように構成することができる。
なお、上記各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示すものである。
(第1実施形態)
本発明の第1実施形態に係る電流測定装置を用いた燃料電池システムについて説明する。図1は第1実施形態に係る燃料電池システムを示す模式図で、この燃料電池システムは例えば電気自動車に適用される。
本発明の第1実施形態に係る電流測定装置を用いた燃料電池システムについて説明する。図1は第1実施形態に係る燃料電池システムを示す模式図で、この燃料電池システムは例えば電気自動車に適用される。
図1に示すように、本実施形態の燃料電池システムは、水素と酸素との電気化学反応を利用して電力を発生する燃料電池10を備えている。この燃料電池10は、電気負荷11や2次電池(図示せず)等の電気機器に電力を供給するものである。因みに、電気自動車の場合、車両走行駆動源としての電動モータが電気負荷11に相当する。
図2は燃料電池10の斜視図である。本実施形態では燃料電池10として固体高分子電解質型燃料電池を用いており、基本単位となる燃料電池セル100が複数個積層され、且つ電気的に直列接続されている。積層されたセル100の両端には端子板11が配置されている。燃料電池10では、以下の水素と酸素の電気化学反応が起こり電気エネルギが発生する。
(負極側)H2→2H++2e-
(正極側)2H++1/2O2+2e-→H2O
図2に示すように、ある2つのセル100の間に、燃料電池10の局所電流を測定するための電流測定装置50が配置されている。電流測定装置50で検出した局所電流信号は、後述する燃料電池制御部40に入力されるようになっている。なお、本実施形態の電流測定装置50は本発明の物理量測定装置の一具体例を示すものである。
(正極側)2H++1/2O2+2e-→H2O
図2に示すように、ある2つのセル100の間に、燃料電池10の局所電流を測定するための電流測定装置50が配置されている。電流測定装置50で検出した局所電流信号は、後述する燃料電池制御部40に入力されるようになっている。なお、本実施形態の電流測定装置50は本発明の物理量測定装置の一具体例を示すものである。
図1に戻り、燃料電池システムには、燃料電池10の空気極(正極)側に空気(酸素)を供給するための空気流路20と、燃料電池10の水素極(負極)側に水素を供給するための水素流路30が設けられている。なお、空気は本発明の酸化ガスに相当し、水素は本発明の燃料ガスに相当する。
空気流路20の最上流部には、大気中から吸入した空気を燃料電池10に圧送するための空気ポンプ21が設けられ、空気流路20における空気ポンプ21と燃料電池10との間には、空気への加湿を行う加湿器22が設けられ、空気流路20における燃料電池10の下流側には、燃料電池10に供給される空気の圧力を調整するための空気調圧弁23が設けられている。
水素流路30の最上流部には、水素が充填された水素ボンベ31が設けられ、水素流路30における水素ボンベ31と燃料電池10との間には、燃料電池10に供給される水素の圧力を調整するための水素調圧弁32と、水素への加湿を行う加湿器33が設けられている。
水素流路30における燃料電池10の下流側は、水素調圧弁32の下流側に接続されて水素流路30が閉ループに構成されており、これにより水素流路30内で水素を循環させて、燃料電池10での未使用水素を燃料電池10に再供給するようにしている。そして、水素流路30における燃料電池10の下流側には、水素流路30内で水素を循環させるための水素ポンプ34が設けられている。
燃料電池制御部(FC−ECU)40は、CPU、ROM、RAM等からなる周知のマイクロコンピュータとその周辺回路にて構成されている。そして、燃料電池制御部40には、電流測定装置50からの信号が入力される。また、燃料電池制御部40は、演算結果に基づいて、空気ポンプ21、加湿器22、33、空気調圧弁23、水素調圧弁32、水素ポンプ34に制御信号を出力する。
図3は図2の燃料電池10の側面図である。本実施形態の燃料電池10は、固体高分子電解質膜型燃料電池であり、基本単位となるセル100が多数積層され、且つ電気的に直列接続されている。
図3に示すように、セル100は、電解質膜の両側面に電極が配置されたMEA(Membrane Electrode Assembly:電解質・電極接合体)101と、このMEA101を挟持する空気側セパレータ110および水素側セパレータ120で構成されている。セパレータ110、120は、カーボン材または導電性金属よりなる板状部材からなる。
図3に実線で示すように、空気側セパレータ110には、空気を流すための空気流路Aが形成されており、空気流路Aを介して酸素が各セル100に対して並列に供給される。また、図3に一点鎖線で示すように、水素側セパレータ120には、水素を流すための水素流路Bが形成されており、水素流路Bを介して水素が各セル100に対して並列に供給される。
図4は電流測定装置50の斜視図であり、図4に示すように、電流測定装置50は、導電体よりなる板状部材500を備えている。板状部材500としては、例えばカーボン材料を用いることができる。板状部材500には、空気入口側通路500a、空気出口側通路500b、水素入口側通路500c、水素出口側通路500dが形成されている。さらに、板状部材500には、内部に空気を導入するための空気導入口500eと、内部に導入された空気を排出するための空気排出口500fが設けられている。
板状部材500における燃料電池セル100の発電面に接する面には、ロの字状の溝501によって囲まれた直方体の柱状部502が複数形成され、この柱状部502の端部は隣り合うセル100に接触するようになっている。板状部材500に形成する柱状部502の数や位置は、任意に設定できる。本実施形態では、板状部材500の全面をマトリックス状に区画し、各部位に合計15個(=3個×5個)の柱状部502を設け、燃料電池セル100の発電面の全体に渡って柱状部502が配置されるように構成している。なお、図4に示す例では溝501をロの字状とし、柱状部502を直方体状としたが、これに限らず、例えば溝501を円状、柱状部502を円柱状のような他の形状にすることもできる。
図5は、図4の電流測定装置50の要部の正面図である。図5に示すように、溝501には、柱状部502を囲むようにして鉄心503が配置され、鉄心503の両端部間に磁気センサとしてのホール素子504が配置されている。なお、鉄心503とホール素子504とにより、本発明の電流センサを構成している。なお、磁気センサとしてホール素子の他にMR素子、MI素子、フラックスゲート等を用いることができる。さらにシャント抵抗を用いた電流センサ等を用いることもできる。
上記構成において、セル100における柱状部502に対向する部位から放電される局所電流が柱状部502に流れると、その電流に比例した磁界が柱状部502の周囲に発生する。ホール素子504は、局所電流によって発生した磁界を検出し、電圧に変換してセンサ信号として燃料電池制御部40に出力する。したがって、鉄心503部の磁界の強さをホール素子504にて測定することにより、柱状部502を流れる電流、ひいてはセル100における柱状部502に対応する部位の局所電流を検出することができる。本実施形態の電流測定装置50のように、柱状部502を燃料電池セル100の発電面の全体に渡って配置して、各部位における局所電流を測定することで、燃料電池10の発電分布を測定することができる。
図6は図4のA−A断面図であり、図7は図6のB−B断面図である。図6、図7に示すように、板状部材500の内部には冷却用空気通路500gが形成されている。冷却用空気通路500gは、空気導入口500eおよび空気排出口500fを介して外部と連通しており、空気導入口500eから板状部材500の内部に流入した空気は、冷却用空気通路500g内を流動して柱状部502に供給され、空気排出口500fから外部に排出される。これにより、板状部材500の内部において、柱状部502の周囲では空気が流動することとなる。
燃料電池10の運転時には、柱状部502に集中して電流が流れ、柱状部502がジュール熱により温度上昇し、さらには板状部材500全体が温度上昇するが、板状部材500内部に外部から空気が流入し、空気通路500g内を空気が流動することで、柱状部502を冷却することができる。これにより、柱状部502および板状部材500全体の温度上昇を抑制することができ、電流センサ503、504による局所電流の測定精度を向上させることができる。
(第2実施形態)
次に、本発明の第2実施形態について図8に基づいて説明する。本実施形態では、本発明の物理量測定装置の具体例として、燃料電池10の局所電流と局所温度を測定する電流温度測定装置51を用いている。上記第1実施形態と同様の部分は同一の符号を付して説明を省略し、異なる部分についてのみ説明する。
次に、本発明の第2実施形態について図8に基づいて説明する。本実施形態では、本発明の物理量測定装置の具体例として、燃料電池10の局所電流と局所温度を測定する電流温度測定装置51を用いている。上記第1実施形態と同様の部分は同一の符号を付して説明を省略し、異なる部分についてのみ説明する。
図8は、本第2実施形態における電流温度測定装置51の要部の正面図であり、上記第1実施形態の図5に対応している。図8に示すように、柱状部502には凹部505が形成され、凹部503には温度センサ506が配置されている。温度センサ506は、鉄心503とホール素子504とからなる局所電流センサの近傍の温度を検出するためのものである。温度センサ506としては、例えばサーミスタを用いることができる。
本第2実施形態の電流温度測定装置51の構成では、電流センサ503、504により柱状部502の電流を燃料電池10の局所電流を測定することができるとともに、温度センサ506により柱状部502の温度を測定することで、燃料電池10における局所電流測定部位の近傍の温度(局所温度)を測定することができる。
このような構成の電流温度測定装置51では、温度センサ506による局所温度の測定精度を向上させることができる。また、温度センサ506として熱線型の温度センサを用いる場合には、センサ周辺の空気が流動していることが必要となるので特に有効である。
(他の実施形態)
なお、上記第2実施形態では、本発明の物理量測定装置として、燃料電池10の局所電流と局所温度を測定する電流温度測定装置51を用いたが、これに限らず、図9に示すように柱状部502の温度を測定する温度センサ506のみを設けた温度測定装置52として構成してもよい。このような構成の温度測定装置52においても、温度センサ506による局所温度の測定精度を向上させることができる。
なお、上記第2実施形態では、本発明の物理量測定装置として、燃料電池10の局所電流と局所温度を測定する電流温度測定装置51を用いたが、これに限らず、図9に示すように柱状部502の温度を測定する温度センサ506のみを設けた温度測定装置52として構成してもよい。このような構成の温度測定装置52においても、温度センサ506による局所温度の測定精度を向上させることができる。
また、上記実施形態の電流測定装置では、複数の柱状部502を設け、複数箇所の局所電流を測定するように構成したが、これに限らず、柱状部502は少なくとも一箇所設けられていればよい。
また、上記実施形態では、板状部対500全体を導電性部材で構成したが、これに限らず、例えば板状部材500を非導電性材料として、柱状部502のみを導電性材料から構成し、柱状部502のみに電流が流れる構成としてもよい。
また、上記実施形態では、燃料電池10を燃料電池セル100を積層して構成したが、本発明は1個の燃料電池セル100からなる燃料電池10に適用することもできる。
10…燃料電池、40…燃料電池制御部、50…電流測定装置、500…板状部材、502…柱状部、503…鉄心、504…ホール素子、506…温度センサ。
Claims (4)
- 燃料電池(10)の発電面に対向するように配置される板状部材(500)を有し、前記燃料電池の物理量を測定する物理量測定装置であって、
溝(501)によって囲まれて前記板状部材(500)に設けられ、導電性を有するとともに前記燃料電池の発電面と電気的に接続された1以上の柱状部(502)と、
前記柱状部(502)における物理量を測定する物理量測定手段(503、504、506)と、
前記板状部材(500)の内部に形成され、外部と連通して前記柱状部(501)に外部から導入した空気を供給する空気通路(500g)とを備えることを特徴とする燃料電池の物理量測定装置。 - 前記物理量測定手段(503、504)は、前記柱状部(502)に流れる電流を測定するものであることを特徴とする請求項1に記載の燃料電池の物理量測定装置。
- 前記物理量測定手段(506)は、前記柱状部(502)の温度を測定するものであることを特徴とする請求項1に記載の燃料電池の物理量測定装置。
- 前記物理量測定手段(503、504、506)は、前記柱状部(502)に流れる電流と前記柱状部(502)の温度を測定するものであることを特徴とする請求項1に記載の燃料電池の物理量測定装置。
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Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2015041522A (ja) * | 2013-08-22 | 2015-03-02 | 株式会社デンソー | 電流測定装置 |
JP2015103472A (ja) * | 2013-11-27 | 2015-06-04 | 株式会社デンソー | 電流測定装置 |
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JP2004152501A (ja) * | 2002-10-28 | 2004-05-27 | Honda Motor Co Ltd | 燃料電池の電流密度測定装置 |
-
2004
- 2004-10-27 JP JP2004312410A patent/JP2006127838A/ja active Pending
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