JP2006127838A - 燃料電池の物理量測定装置 - Google Patents

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

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。

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。

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。

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。

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。

第１実施形態に係る燃料電池システムを示す模式図である。 燃料電池の斜視図である。 図２の燃料電池の側面図である。 電流測定装置の斜視図である。 図４の電流測定装置の要部の正面図である。 図４のＡ−Ａ断面図である。 図６のＢ−Ｂ断面図である。 第２実施形態における電流測定装置の要部の正面図である。 物理量測定装置の変形例の要部の正面図である。

符号の説明

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)

1. 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。
2. 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。
3. 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。
4. 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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