JP2007103357A - 燃料電池スタックのセル電圧測定装置及びこれを利用した燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】各電池セルに接続される電線を簡単な構造で保護し、配線構造を単純化させた燃料電池スタックのセル電圧測定装置を提供すること。
【解決手段】複数の膜−電極アセンブリ１１０と、膜−電極アセンブリ１１０間に積層される複数のセパレータ１２０と、膜−電極アセンブリ１１０とセパレータ１２０の積層構造を積層方向の両端にて支持する一対のエンドプレート１３０ａ，１３０ｂと、一対のエンドプレートを相互に連結する締結手段１４０ａ〜１４０ｄとを具備した燃料電池スタック１００の各電池セルの電圧を測定する燃料電池スタックのセル電圧測定装置において；複数のセパレータ１２０に電気的にそれぞれ接続される複数の端子１５０と、締結手段のうちの少なくとも一つに結合されて複数の端子１５０に電気的にそれぞれ接続される複数の電線１６０と、を含むようにした。
【選択図】図１

Description

本発明は、燃料電池スタックのセル電圧測定装置及びこれを利用した燃料電池システムに関する。

燃料電池（ｆｕｅｌ ｃｅｌｌ）は、燃料が持っている化学エネルギーを電気化学的反応によって電気エネルギーに直接変換する発電システムである。例えば、燃料電池では、水素と酸素から水が生成される反応、すなわち水素の燃焼反応を利用して、電気エネルギーを得ることができる。

燃料電池には様々な種類があり、各燃料電池は基本的に同じ原理によって作動するが、使用される燃料の種類、運転温度、触媒、電解質などが燃料電池の種類によって異なる。例えば、燃料電池は、使用される電解質（ｅｌｅｃｔｒｏｌｙｔｅ）の種類によって、燐酸燃料電池、溶融炭酸塩燃料電池、固体酸化物燃料電池、高分子電解質燃料電池、アルカリ燃料電池などに分類することができる。

このうちの高分子電解質燃料電池（Ｐｏｌｙｍｅｒ Ｅｌｅｃｔｒｏｌｙｔｅ Ｍｅｍｂｒａｎｅ Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ：ＰＥＭＦＣ）は、他の燃料電池と比較すると、出力特性がかなり高く、作動温度が低くて、同時に早い始動特性及び応答特性を有するといった特徴を有する。また、このような高分子電解質燃料電池は、ポータブル電磁機器用のような移動用（ｔｒａｎｓｐｏｒｔａｂｌｅ）電源や、自動車用動力源のような輸送用電源として用いることができるのは勿論、住宅または公共建物などの停止型発電所のような分散用電源として用いることもでき、その応用範囲が広いという長所を有する。

また、高分子電解質を使用するといった観点からすると、直接メタノール型燃料電池（Ｄｉｒｅｃｔ Ｍｅｔｈａｎｏｌ Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ：ＤＭＦＣ）も高分子電解質燃料電池の一種として分類することができる。かかる直接メタノール型燃料電池は、メタノールのような液状の燃料を直接スタックに供給することができるため、燃料から水素を得るために改質器を使用しなければならない一般的な高分子電解質型燃料電池よりも、小型化にさらに有利であるという長所を有する。

高分子電解質型燃料電池や直接メタノール型燃料電池は、基本的にスタックからなる。スタックは、電池セルで一つの単位燃料電池を構成する膜−電極アセンブリと、この膜−電極アセンブリのアノード電極とカソード電極にそれぞれ燃料と酸化剤を供給するための流路を具備したセパレータまたはバイポーラープレートとが、交互に積層された構造を有する。

このような積層された複数の電池セルからなる燃料電池スタックには、長期間の使用において劣化が発生する。このとき、それぞれの電池セルは、その構造的な差または設置された位置の差によって互いに異なる劣化特性を示す。例えば、アノード流入口側に設置された電池セルと、アノード流出口側に設置された電池セルとを簡単に比較してみると、アノード流入口側に設置された電池セルは、アノード流出口側に設置された電池セルよりも高い圧力で燃料供給がなされる。従って、アノード流出口側の電池セルよりもさらに大きいストレスを受けることになるので、アノード流入口側に設置された電池セルの方が劣化が容易に生じやすい。

上記のような従来の燃料電池スタックでは、個々の電池セルの劣化の差によって、電池スタック全体としての寿命が短縮されるという短所があった。例えば、従来の燃料電池スタックでは、特定の電池セルの劣化が他の電池セルの劣化よりも著しい場合でも、燃料電池スタックの出力電圧が一定値以上であれば、燃料電池スタックをそのまま運転して使用する場合が多い。このような場合、他の電池セルよりも劣化の程度が大きい電池セルが急に正常に動作しなくなって、燃料電池スタックの運転が突如停止してしまう恐れがあるという問題があった。

上記のような問題点を解決するために、従来技術として、燃料電池スタックに含まれる個々の電池セルの電圧を測定するための多様な方法が研究されている（例えば、特許文献１参照。）。

特許文献１による従来技術では、セパレータの一側面に開口部を形成し、セパレータから電圧を検出するための端子の末端部にクリップ型の狭持部を形成した燃料電池用セル電圧検出端子装置が開示されている。かかる燃料電池用セル電圧検出端子装置は、上記端子がセパレータの開口部に収容された状態で良好な接続状態を維持することができる。

特開２００１−２５６９９２号公報

しかし、特許文献１に記載された従来技術は、各電池セルの電圧を測定するためにクリップ型狭持部を有する端子を設置しなければならないため、構造が複雑であるという短所がある。また、上記従来技術は、おおよそ６０〜９０℃の運転温度を有する燃料電池スタックに用いられるため、上記端子に連結されて燃料電池スタックに接触する恐れのある電線には、高耐熱性及び絶縁性を有する材料で被服された別途のケーブルを使用している。このような高価な電線を使用するため、製造コストが増加し、更に、各端子をなるべくスタックに接触させないように配線しなければならないので、配線が難しいといった短所がある。

そこで、本発明は、このような問題に鑑みてなされたもので、本発明の目的とするところは、燃料電池スタックの各電池セルに電気的に接続される複数の電線を簡単な構造で保護することができ、配線構造を単純化することができる燃料電池スタックのセル電圧測定装置及びこれを利用した燃料電池システムを提供することにある。

上記課題を解決するために、本発明のある観点によれば、複数の膜−電極アセンブリと、上記膜−電極アセンブリと膜−電極アセンブリとの間にそれぞれ積層される複数のセパレータと、上記膜−電極アセンブリと上記セパレータの積層構造を積層方向の両端にて支持する一対のエンドプレートと、上記一対のエンドプレートを相互に連結する締結手段とを具備した燃料電池スタックの各電池セルの電圧を測定する燃料電池スタックのセル電圧測定装置において；上記複数のセパレータに電気的にそれぞれ接続される複数の端子と、上記締結手段のうちの少なくとも一つに結合されて上記複数の端子に電気的にそれぞれ接続される複数の電線と、を含むことを特徴とする燃料電池スタックのセル電圧測定装置が提供される。

このような本発明にかかる燃料電池スタックのセル電圧測定装置によれば、上記締結手段のうちの少なくとも一つに上記電線を結合させるようにしたことにより、上記電線が高熱を発する燃料電池スタックに接触するのを防止することができる。このように、上記電線が燃料電池スタックの高熱から保護されるので、上記セル電圧測定装置は安定的に燃料電池スタックの各電池セルの電圧を測定することができる。更に、上記電線に高耐熱性を有する別個の電線を使用しなくてもよくなるため、製造コストを抑制することもできる。

このとき、上記複数の電線が結合された上記締結手段は、上記複数の電線が通過する中空部及び、上記複数の電線のうちの少なくとも一本の電線が通過する複数の穴を具備した締結棒であるのがよい。例えば、上記電線は、上記セパレータに電気的に接続されるように設けられた端子に接続されて、上記締結棒の穴から上記締結棒の中空部に入って上記中空部を通過するように配線されることができる。

または、上記複数の電線が結合された上記締結手段は、上記複数の電線が挿入されるようにその延長方向の側面に形成された側面開口部を具備した締結棒であってもよい。このとき、上記締結棒は、上記セパレータに対応して設けられ、上記側面開口部から延長形成されて、上記複数の電線のうちの少なくとも一本の電線が通過する複数のスリットを具備するのがよい。例えば、上記電線は、上記セパレータに電気的に接続されるように設けられた端子に接続されて、上記締結棒の側面開口部の開口部内を通過するように配線されることができる。このとき、上記端子に接続された電線は、上記側面開口部に形成されたスリットに挿入されてその位置が固定されつつ、上記側面開口部の開口部に挿入されて上記開口部に沿って配線されることができる。

ここで、上記締結棒は、金属または複合材料の材質からなることができる。上記複合材料は、金属、セラミックス、高分子材料などを複合して、強度、耐久性などの物性を向上させた材料であることができる

上記燃料電池スタックのセル電圧測定装置は、上記複数の端子と電気的に接続されて上記締結手段から引き出される上記複数の電線に電気的に接続されて、上記複数の電線に印加される電圧を感知する電圧感知部を更に含むことができる。

このとき、上記電圧感知部は、複数の入力端子と一つの出力端子をそれぞれ具備し、上記複数の入力端子より選択されたいずれか一つの入力端子と上記出力端子とをそれぞれ電気的に接続する少なくとも二つのスイッチング部と；上記少なくとも二つのスイッチング部のそれぞれの出力端子に印加される電圧を感知して、上記少なくとも二つのスイッチング部を制御するスイッチング制御部とを具備することができる。

ここで、上記スイッチング制御部は、デジタル信号処理装置であるのがよい。

また、上記セパレータに電気的に接続される端子は、上記セパレータの側面に位置する溝に挿入される電極ピンであるのがよい。このように、上記端子を単純な構成としたことにより、製造が容易になり、製造コストを抑制することができる。

上記課題を解決するために、本発明の別の観点によれば、電解質膜と、上記電解質膜の両面にそれぞれ配置されるアノード電極及びカソード電極とをそれぞれ具備する複数の膜−電極アセンブリと、上記膜−電極アセンブリと膜−電極アセンブリとの間にそれぞれ積層される複数のセパレータと、上記膜−電極アセンブリと上記セパレータの積層構造を積層方向の両端にて支持する一対のエンドプレートと、上記一対のエンドプレートを相互に連結する締結手段とを具備する燃料電池スタックと；上記複数のセパレータに電気的にそれぞれ接続される複数の端子と、上記締結手段のうちの一つに結合されて上記複数の端子に電気的にそれぞれ接続される複数の電線とを具備したセル電圧測定装置と；を含むことを特徴とする燃料電池システムが提供される。

このような本発明にかかる燃料電池システムによれば、上記締結手段のうちの少なくとも一つに上記電線を結合させるようにしたことにより、上記電線が高熱を発する燃料電池スタックに接触するのを防止することができる。このように、上記電線が燃料電池スタックの高熱から保護されるので、上記セル電圧測定装置は安定的に燃料電池スタックの各電池セルの電圧を測定することができる。更に、上記電線に高耐熱性を有する別個の電線を使用しなくてもよくなるため、製造コストを抑制することもできる。また、上記燃料電池システムを、特定電池セルの電圧が基準電圧以下になったことが検知された際に、燃料電池スタックの運転を中止したり、電池セルにかかる負荷を分離させるように運用すれば、燃料電池システムが急に停止されるような事態を防止することができる。

このとき、上記複数の電線が結合された上記締結手段は、上記複数の電線が通過する中空部及び、上記複数の電線のうちの少なくとも一本の電線が通過する複数の穴を具備した締結棒であるのがよい。例えば、上記電線は、上記セパレータに電気的に接続されるように設けられた端子に接続されて、上記締結棒の穴から上記締結棒の中空部に入って上記中空部を通過するように配線されることができる。

または、上記複数の電線が結合された上記締結手段は、上記複数の電線が挿入されるようにその延長方向の側面に形成された側面開口部を具備した締結棒であってもよい。このとき、上記締結棒は、上記セパレータに対応して設けられ、上記側面開口部から延長形成されて、上記複数の電線のうちの少なくとも一本の電線が通過する複数のスリットを具備するのがよい。例えば、上記電線は、上記セパレータに電気的に接続されるように設けられた端子に接続されて、上記締結棒の側面開口部の開口部内を通過するように配線されることができる。このとき、上記端子に接続された電線は、上記側面開口部に形成されたスリットに挿入されてその位置が固定されつつ、上記側面開口部の開口部に挿入されて上記開口部に沿って配線されることができる。

上記燃料電池システムは、上記複数の端子と電気的に接続されて上記締結手段から引き出される上記複数の電線に電気的に接続されて、上記複数の電線に印加される電圧を感知する電圧感知部を更に含むことができる。

このとき、上記電圧感知部は、複数の入力端子と一つの出力端子をそれぞれ具備し、上記複数の入力端子より選択されたいずれか一つの入力端子と上記出力端子とをそれぞれ電気的に接続する少なくとも二つのスイッチング部と；上記少なくとも二つのスイッチング部のそれぞれの出力端子に印加される電圧を感知して、上記少なくとも二つのスイッチング部を制御するスイッチング制御部とを具備することができる。

上記燃料電池システムは、上記アノード電極に水素を含む燃料を供給する燃料供給部を更に含むことができる。そして、上記燃料電池システムは、上記カソード電極に酸化剤を供給する酸化剤供給部を更に含むことができる。

また、上記電解質膜は、固体高分子膜であるのがよい。

以上説明したように本発明によれば、燃料電池スタックのセル電圧測定装置の電線が、燃料電池スタックのエンドプレートを相互に連結する締結手段に結合されて、燃料電池スタックの各セパレータに設けた端子と電気的に接続されるように構成したことにより、燃料電池スタックで発生する熱によって電線が短絡したり断線されることを防止することができる燃料電池スタックのセル電圧測定装置を提供できるものである。更に、上記構成としたことにより、配線を単純化させることができ、各電池セルの電圧を安定的に測定することができる燃料電池スタックのセル電圧測定装置を提供できるものである。このように、燃料電池スタックの各電池セルの電圧を安定的に測定することができると、特定電池セルの電圧が基準電圧以下になったことが検知された際に、燃料電池スタックの運転を中止したり、電池セルにかかる負荷を分離させるなどの対応をとることができるので、燃料電池スタックが急に停止されることを防止することができる。

以下に添付図面を参照しながら、本発明の好適な実施の形態について詳細に説明する。なお、本明細書及び図面において、実質的に同一の機能構成を有する構成要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略する。

先ず、本発明の第１の実施の形態にかかる燃料電池スタックのセル電圧測定装置について説明する。第１の実施の形態にかかるセル電圧測定装置は、燃料電池スタックの締結手段のうちの少なくとも一つを利用して燃料電池スタックに結合されて、燃料電池スタック内の各電池セルの電圧を安定的に測定することができる。

図１は、第１の実施の形態にかかる燃料電池スタックのセル電圧測定装置の構成を示す斜視図である。図１には、電池セルを構成する膜−電極アセンブリ１１０と、膜−電極アセンブリ１１０の両面に結合されるセパレータ１２０と、エンドプレート１３０ａ、１３０ｂと、締結手段１４０ａ、１４０ｂ、１４０ｃ、１４０ｄとを含む燃料電池スタック１００が示されている。そして、セル電圧測定装置は、燃料電池スタック１００の締結手段１４０ａ、１４０ｂ、１４０ｃ、１４０ｄのうちの少なくとも一つを利用して燃料電池スタック１００に結合されて、燃料電池スタック１００内の各電池セルの電圧を安定的に測定することができる。

図１に示されたセル電圧測定装置は、燃料電池スタック１００の各セパレータ１２０に挿入固定される複数の端子（ｔｅｒｍｉｎａｌ）１５０及び、各端子１５０に電気的に接続される複数の電線１６０を備え、かかる複数の電線１６０が上記締結手段の一つに結合される。そして、上記締結手段の一つは、複数の電線１６０が通過する中空部１４６と、複数の電線１６０のうちの少なくとも一本の電線が通過する穴１４７を具備する締結棒１４１ａを有し、上記複数の電線１６０は上記のような締結棒１４１ａに結合される。また、上記セル電圧測定装置は、複数の電線１６０に電気的に連結されて電線１６０に印加される電圧を検出する電圧感知部１７０を具備する。

第1の実施の形態をより具体的に説明すれば、膜−電極アセンブリ１１０は、高分子電解質膜の一方の面にアノード電極（“燃料極”または“酸化電極”とも言う）と、他方の面にカソード電極（“空気極”または“還元電極”とも言う）とが付着された構造を有する。アノード電極は、燃料を酸化反応させるための触媒層を具備する。また、カソード電極は、酸化剤を還元反応させるための触媒層を具備する。

セパレータ１２０は、アノード電極に燃料を供給するための第１チャンネルと、カソード電極に酸化剤を供給するための第２チャンネルを備えた、既存の多様なバイポーラプレートにより具現することができる。

膜−電極アセンブリ１１０とセパレータ１２０は交互に積層される。この時、燃料及び酸化剤が漏れるのを防止するために、膜−電極アセンブリ１１０とセパレータ１２０との間にガスケットを介在させることもできる。

エンドプレート１３０ａ、１３０ｂは、膜−電極アセンブリ１１０とセパレータ１２０とが積層された構造体の各端部の面にそれぞれ位置し、上記積層構造体の両側面から中心部に向けて所定の圧力をかけることができるように構成される。

締結手段１４０ａ、１４０ｂ、１４０ｃ、１４０ｄは、燃料電池スタック１００の最外郭に位置する一対のエンドプレート１３０ａ、１３０ｂを連結するように設けられ、一対のエンドプレート１３０ａ、１３０ｂに所定の締結力を付与することができる。

第１の実施の形態において、締結手段１４０ａは、その両端部１４２ａ及び１４３ａにねじ山部を具備した締結棒（棒型本体）１４１ａと、両端部１４２ａ及び１４３ａにそれぞれねじ結合されるナット１４４ａ及び１４５ａとを含んで構成される。同様に、締結手段１４０ｂ、１４０ｃ、１４０ｄも、締結棒１４１ｂ、１４１ｃ、１４１ｄと、締結棒１４１ｂ、１４１ｃ、１４１ｄの両端部１４２ｂ、１４２ｃ、１４２ｄ及び１４３ｂ、１４３ｃ、１４３ｄにそれぞれねじ結合されるナット１４４ｂ、１４４ｃ、１４４ｄ及び１４５ｂ、１４５ｃ、１４５ｄとを含んで構成される。

第1の実施の形態による少なくとも一本の電線１６０が結合される締結手段は、複数の電線１６０が挿入される中空部１４６と、いずれか一つの端子１５０と連結される電線１６０が通過してその端子１５０が電気的に接続されたセパレータ１２０に対応する位置に設置される穴１４７を具備する。穴１４７は各セパレータ１２０に対応する位置に中空部１４６を露出させる開口部として具現されることが好ましい。すなわち、上述した相互に類似した構造を有する締結手段１４０ａ、１４０ｂ、１４０ｃ、１４０ｄのうち、少なくとも１つの締結手段の締結棒は、その内部が中空であって中空部１４６をなし、その周面に後述する電線１６０が挿通可能な穴１４７を備えることができる。そして、セパレータ１２０に接続された端子１５０（詳細後述）に連結された電線１６０は、穴１４７を通じて締結手段の中空部１４６内に挿入されることができる。従って、穴１４７はセパレータ１２０の端子１５０と対応する位置に設けられるのがよい。

ここで、電線１６０が結合される締結手段１４０ａ〜１４０ｄの締結棒１４１ａ〜１４１ｄの材質は、金属または複合材料であるのがよい。上記複合材料は、金属、セラミックス、高分子材料などを複合して、強度、耐久性などの物性を向上させた材料であることができる。

端子１５０は、セパレータ１２０に電気的に接続される。端子１５０は電極ピンにより具現されることができる。電極ピンからなる端子１５０を使用すれば、アノード電極及びカソード電極を構成する炭素布（ｃａｒｂｏｎ ｃｌｏｔｈ）に、布地（ｃｌｏｔｈ）に針を刺すように端子１５０を刺すことができるので、アノード電極及びカソード電極と各端子１５０との間の安定した電気的な接続を容易に得ることができる。勿論、端子１５０として、既存のクリップ形態または接着剤を利用した面電極形態の端子を採用することも可能である。

電線１６０は、各端子１５０において発生される電圧を電圧感知部１７０に伝達する役割を果たす。電線１６０は、その一端が端子１５０に連結されて、締結棒１４０ａの穴１４７と中空部１４６を通じて延長され、その他端が電圧感知部１７０に連結される。電線１６０は、複数の電線が絶縁及び保護のための被服層で囲まれたケーブル１６０ａにより具現されることができる。

電圧感知部１７０は、複数の電線１６０を通じて燃料電池スタック１００の各電池セルに接続された複数の端子１５０に連結されて、各電池セルの電圧を測定することができる。電圧感知部１７０の具体的な構成の一例については、図３を参照した下記説明で詳しく述べる。

ここで、図１には、四つの締結手段１４０ａ、１４０ｂ、１４０ｃ、１４０ｄのうち締結手段１４０ａを介して電線１６０が電圧感知部１７０と連結される構成を示したが、電線１６０は、他の締結手段１４０ｂ、１４０ｃ、１４０ｄのいずれかを介して電圧感知部１７０と連結されることもできる。また、電線１６０は、複数の締結手段を介して電圧感知部１７０と連結されることもできる。例えば、セパレータ１２０に接続された各端子１５０にそれぞれ連結される電線１６０のうち、一部の電線１６０は締結手段１４０ａを介して電圧感知部１７０と連結され、他の電線１６０は締結手段１４０ｂを介して電圧感知部１７０と連結されるようにすることができる。

次に、本発明の第２の実施の形態にかかる燃料電池スタックのセル電圧測定装置について説明する。

図２は、第２の実施の形態にかかる燃料電池スタックのセル電圧測定装置の構成を示す斜視図である。図２には、電池セルを構成する膜−電極アセンブリ１１０と、膜−電極アセンブリ１１０の両面に積層されて電気的に結合されるセパレータ１２０と、エンドプレート１３０ａ、１３０ｂと、締結手段１４０ｂ、１４０ｃ、１４０ｄ、１４０ｅとを含む燃料電池スタック１００ａが示されている。そして、第２の実施の形態にかかるセル電圧測定装置は、燃料電池スタック１００ａの締結手段１４０ｂ、１４０ｃ、１４０ｄ、１４０ｅのうちの一つを利用して燃料電池スタック１００ａに結合されて、燃料電池スタック１００ａ内の各電池セルの電圧を安定的に測定することができる。

第２の実施の形態にかかるセル電圧測定装置は、燃料電池スタック１００ａの各セパレータ１２０に挿入固定される複数の端子１５０と、各端子１５０に電気的に接続される複数の電線１６０と、複数の電線１６０に電気的に連結されて電線１６０に印加される電圧を検出する電圧感知部１７０とを具備する。そして、第２の実施の形態にかかるセル電圧測定装置は、複数の電線１６０が、複数の電線１６０が通過する側面開口部１４６ｅと、複数の電線１６０のうちの少なくとも一本の電線が通過するスリット１４７ｅを具備する上記締結手段の一つとしての締結手段１４０ｅの締結棒（棒型本体）１４１ｅに結合されることを特徴とする。

ここで、側面開口部１４６ｅは、締結棒１４１ｅと両端部１４２ｅ、１４３ｅの一側面全体に形成されることが好ましい。勿論、締結手段１４０ｅは、一端部１４３ｅに側面開口部１４６ｅが形成されない構造であってもよい。側面開口部１４６ｅは、例えば、締結手段１４０ｅが延長される方向の側面に上記延長方向に形成される開口溝であることができる。

スリット１４７ｅは、各セパレータ１２０に対応して側面開口部１４６ｅから容易にそれぞれの電線１６０を配列しながら固定させることができるように、その幅及びその長さが調節された適切な形態で設けられることが好ましい。スリット１４７ｅは、側面開口部１４６ｅから、側面開口部１４６ｅが延長される方向とは異なる方向に延長されるように形成されることができる。

本発明の第1の実施の形態及び第２の実施の形態にかかるセル電圧測定装置における複数の電線１６０が結合される締結手段は、その内部または開口部に電線が挿入される構造と、各電線１６０の引き出し部の位置を限定する構造を有する。かかる構造を有することにより、電線がスタックに直接的に触れて劣化したり損傷されることを防止して、各電池セルの電圧を測定するための端子１５０と電線１６０の末端部との結合が安定的かつ容易になされるように作用する。したがって、本発明によれば、別途の電線保護用の部材や、電線固定用または電線ガイド用の部材を必要とせず、構造を単純化することができるといった効果を奏する。

次に、本発明の第１の実施の形態及び第２の実施の形態にかかるセル電圧測定装置の電圧感知部について説明する。

図３は、セル電圧測定装置の電圧感知部の構成の概略を示すブロック図である。図３を参照すれば、セル電圧測定装置の電圧感知部１７０ａは、複数の電池セルそれぞれの電圧を測定するために、二つのスイッチング部１７２、１７４及び、二つのスイッチング部１７２、１７４を制御するスイッチング制御部１７６を具備する。

第１スイッチング部１７２は、制御信号ＣＳ１に応答してオン／オフ動作する複数のスイッチング手段１７３を具備する。複数のスイッチング手段１７３は、例えば、燃料電池スタックの複数の電池セルのうち、奇数番目の電池セルに連結された端子に順次それぞれ接続される入力端子１７３ａと、スイッチング制御部１７６にそれぞれ接続される出力端子１７３ｂ及び制御端子１７３ｃとを具備することができる。複数のスイッチング手段１７３は、スイッチング制御部１７６の制御信号ＣＳ１に応答して選択的にオン／オフ動作する。

第２スイッチング部１７４は、第１スイッチング部１７２と同様に、制御信号ＣＳ２に応答してオン／オフ動作する複数のスイッチング手段１７５を具備する。複数のスイッチング手段１７５は、例えば、燃料電池スタックの複数の電池セルのうち、偶数番目の電池セルに連結された端子に順次それぞれ接続される入力端子１７５ａと、スイッチング制御部１７６にそれぞれ接続される出力端子１７５ｂ及び制御端子１７５ｃとを具備することができる。複数のスイッチング手段１７５は、スイッチング制御部１７６の上記制御信号Ｃ１とは別の制御信号ＣＳ２に応答して選択的にオン／オフ動作する。

スイッチング手段１７３、１７５は、電界効果トランジスタなどの半導体素子により具現されることができる。また、第１スイッチング部１７２及び第２スイッチング部１７４は、半導体チップにより具現されることができる。

スイッチング制御部１７６は、第１スイッチング部１７２及び第２スイッチング部１７４の出力端子に連結される入力端１７７と、第１スイッチング部１７２及び第２スイッチング部１７４の制御端子に連結される出力端１７８とを具備する。

スイッチング制御部１７６は、第１スイッチング部１７２及び第２スイッチング部１７４の二つの出力端子に印加される電圧を感知することができる。すなわち、スイッチング制御部１７６は、制御信号ＣＳ１及び制御信号ＣＳ２を発生させ、発生された制御信号ＣＳ１及び制御信号ＣＳ２を第１スイッチング部１７２のいずれか一つのスイッチング手段１７３及び、第２スイッチング部１７４のいずれか一つのスイッチング手段１７５にそれぞれ印加して、全ての電池セルの電圧を順次感知したり、特定電池セルの電圧を感知することができる。ここで、スイッチング制御部１７６は、第１スイッチング部１７２及び第２スイッチング部１７４の二つの出力端子に印加される電圧を同時に感知することができる。また、制御信号ＣＳ１、ＣＳ２は、信号増幅を通じて制御端子１７３ｃ、１７５ｃに印加されてもよい。

入力端１７７は、アナログデジタル変換器により具現されることができる。また、スイッチング制御部１７６は、マイクロプロセッサ（ＭＰＵ：Ｍｉｃｒｏ Ｐｒｏｃｅｓｓｏｒ Ｕｎｉｔ）のようなデジタル信号処理装置（ＤＰＵ：Ｄｉｇｉｔａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）により具現されることができる。

例えば、デジタル信号処理装置は、計算を遂行するためのＡＬＵ（Ａｒｉｔｈｍｅｔｉｃ Ｌｏｇｉｃ Ｕｎｉｔ）と、データ及び命令語を一時的に保存するためのレジスタと、燃料電池スタックの動作を制御するためのコントローラとを具備する既存の多様な燃料電池制御装置を含むことができる。また、上記デジタル信号処理装置は、例えば、デジタル（Ｄｉｇｉｔａｌ）社のアルファ（Ａｌｐｈａ）；ＭＩＰＳテクノロジー、ＮＥＣ、ＩＤＴ、シーメンス（Ｓｉｅｍｅｎｓ）社などのＭＩＰＳ；インテル（Ｉｎｔｅｌ）、サイリックス（Ｃｙｒｉｘ）、ＡＭＤ、ネックスゼン（Ｎｅｘｇｅｎ）を含む会社のｘ８６；ＩＢＭ、モトローラ（Ｍｏｔｏｒｏｌａ）のパワーＰＣ（Ｐｏｗｅｒ ＰＣ）；などのような、多様なアキテクチャ（Ａｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒｅ）を有するプロセッサのうちの少なくとも一つを含むことができる。

ここで、図３に示したセル電圧測定装置の電圧感知部１７０ａは、第１スイッチング部１７２と第２スイッチング部１７４に接続される電池セルを、電池セルの奇数番目／偶数番目で振り分けているが、上記以外の振り分け方で各スイッチング部に接続される電池セルを振り分けることもできる。図３に示したセル電圧測定装置は二つのスイッチング部を備えるが、スイッチング部の数は二つに限定されるものではない。例えば、三つ以上のスイッチング部を設けて、これらスイッチング部のいずれかに各電池セルが接続されるようにすることもできる。また、図３では、スイッチング部の入力端子に接続された複数の電線は１本のケーブル１６０ａにまとめられているが、複数のケーブルとしてまとめられるように構成することもできる。例えば、第１スイッチング部に接続される電線を１本のケーブルにまとめて一つの締結手段と連結させ、第２スイッチング部に接続される電線を１本のケーブルにまとめて別の締結手段と連結させることもできる。

次に、第１の実施の形態及び第２の実施の形態にかかるセル電圧測定装置を利用した燃料電池システムについて説明する。

図４は、セル電圧測定装置を利用した燃料電池システムを示す概路図である。以下の説明において、燃料電池スタック１００とセル電圧測定装置の構成は、図１または図２を参照し、その構成は前述した燃料電池スタック及びセル電圧測定装置の構成と実質的に同一であるものとする。

図４を参照すれば、燃料電池システム２００は、燃料電池スタック１００と、電線ケーブル１６０ａ及び電圧感知部１７０を具備するセル電圧測定装置と、燃料供給部と、酸化剤供給部１９０とを含む。

燃料電池スタック１００は、固体高分子膜を電解質膜として使用する膜−電極アセンブリを具備する。

電解質膜は、水素イオン伝導性に優れるパーフルオロ系高分子、ベンズイミダゾル系高分子、ポリイミド系高分子、ポリエーテルイミド系高分子、ポリフェニレンスルフィド系高分子、ポリスルホン系高分子、ポリエーテルスルホン系高分子、ポリエーテルケトン系高分子、ポリエーテルエーテルケトン系高分子、及び、ポリフェニルキノキサリン系高分子からなるグループより選択される１種以上の水素イオン伝導性高分子を含むことが好ましい。更に、ポリ（パーフルオロスルホン酸）、ポリ（パーフルオロカルボキシル酸）、スルホン酸基を含むテトラフルオロエチレンとフルオロビニルエーテルの共重合体、脱フッ素化された硫化ポリエーテルケトン、アリルケトン、ポリ（２，２’−（ｍ−フェニレン）−５，５’−バイベンズイミダゾル）（ｐｏｌｙ２，２’−（ｍ−ｐｈｅｎｙｌｅｎｅ）−５，５’−ｂｉｂｅｎｚｉｍｉｄａｚｏｌｅ）、及び、ポリ２，５−ベンズイミダゾルからなるグループより選択される１種以上の水素イオン伝導性高分子を含むことがより好ましい。

上記電解質膜の両面に位置するアノード電極及びカソード電極は、触媒層（ｃａｔａｌｙｓｔ ｌａｙｅｒ）と拡散層（ｄｉｆｆｕｓｉｎｇ ｌａｙｅｒ）を具備するのがよい。更に、上記拡散層は、微細気孔層（ｍｉｃｒｏｐｏｒｏｕｓ ｌａｙｅｒ）と支持層（ｂａｃｋｉｎｇ ｌａｙｅｒ）を具備するのがよい。

上記触媒層は、各電極に供給される燃料及び酸化剤が化学的に早く反応するように反応速度を変化させる役割を果たす。上記微細気孔層は、上記支持層上に炭素層（ｃａｒｂｏｎ ｌａｙｅｒ）をコーティングすることにより具現されることができる。かかる微細気孔層は、燃料、水、空気などの分散を均一にさせる燃料分散作用と、生産される電気を集める集電作用と、触媒層の物質が流体によって消失することを防止する保護作用とを有する。

上記支持層は、炭素布（ｃａｒｂｏｎ ｃｌｏｔｈ）、炭素ペーパ（ｃａｒｂｏｎ ｐａｐｅｒ）のような炭素基材で具現されることができる。かかる支持層は、触媒層または電極を支持する役割を果たしながら、触媒層に反応物を拡散させて反応物が触媒層に容易に接近できるようにする役割を果たす。

上記触媒層は、白金、ルテニウム、オスミウム、白金−ルテニウム合金、白金−オスミウム合金、白金−パラジウム合金、及び、白金−Ｍ合金（ＭはＧａ、Ｔｉ、Ｖ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｃｕ、及び、Ｚｎからなるグループより選択される１種以上の転移金属）からなるグループより選択される１種以上の金属触媒を含むことが好ましい。

また、上記触媒層は、担持体に担持された白金、ルテニウム、オスミウム、白金−ルテニウム合金、白金−オスミウム合金、白金−パラジウム合金、及び、白金−Ｍ合金（ＭはＧａ、Ｔｉ、Ｖ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｃｕ、及び、Ｚｎからなるグループより選択される１種以上の転移金属）からなるグループより選択される１種以上の金属触媒を含むことも可能である。上記担持体は、伝導性を持つ物質ならどれでも良いが、炭素担持体であることが好ましい。

上記微細気孔層は、黒鉛、炭素ナノチューブ（ＣＮＴ）、フラーレン（Ｃ６０）、活性炭素、バルカン、ケチェンブラック、カーボンブラック、及び、炭素ナノ−ホン（ｃａｒｂｏｎ ｎａｎｏ ｈｏｒｎ）からなるグループより選択される１種以上の炭素物質を含むことが好ましい。更に、上記微細気孔層は、ポリ（パーフルオロスルホン酸）、ポリ（テトラフルオロエチレン）、及び、フロリネーティドエチレン−プロピレン（フッ化エチレン−プロピレン）からなるグループより選択される１種以上のバインダをさらに含むことも可能である。

また、燃料電池スタック１００は膜−電極アセンブリと交互に積層されるセパレータを具備する。

セパレータは、燃料と、例えば空気などの酸化剤とを分離することができ、非多孔性で、電気伝導性に優れ、燃料電池の温度を制御するための十分な熱伝導率を有した任意の材料からなることができる。また、セパレータは、燃料電池スタック１００に含まれる複数の単位セルを締結させる（クラムピングする：ｃｌａｍｐｉｎｇ）際の力に耐えられるような十分な機械的強度と、水素イオンに対する耐腐食性を持った任意の材料からなることができる。

燃料電池スタック１００の製作においては、先ず、膜−電極アセンブリとセパレータとを交互に積層して、積層された構造の両側断面に一対のエンドプレートを位置させる。すなわち、積層された構造体の両端部にそれぞれエンドプレートが位置する。次に、締結手段によって一対のエンドプレートを所定の締結力で連結させることによって燃料電池スタック１００が製作される。

セル電圧測定装置は、複数のセパレータに電気的にそれぞれ接続される複数の端子と、上記複数の端子に電気的にそれぞれ接続される複数の電線と、上記一対のエンドプレートを連結させる締結手段に含まれる締結棒とを具備する。このとき、上記連結棒は、複数の電線が通過する中空部と、上記複数の電線のうちの少なくとも一本の電線が通過する穴を有することができる。また、セル電圧測定装置は、上記締結棒の中空部から引き出される複数の電線に電気的に接続されて、上記複数の電線に印加される電圧を感知する電圧感知部を具備する。上記セル電圧測定装置に対する追加的な説明は説明の重複を避けるために省略する。

燃料供給部は、燃料タンク１８０と、燃料ポンプ１８２と、改質装置１８４とを具備する。燃料タンク１８０は、水素を含む燃料を保存することができる。

燃料ポンプ１８２は、燃料タンク１８０に貯蔵された燃料を燃料電池スタック１００に供給する。改質装置１８４は、燃料を改質して、燃料電池スタック１００のアノードに水素ガスが豊富に含まれる改質ガスを供給する。改質装置１８４は、燃料電池スタック１００が液体燃料を直接使用する方式の燃料電池である場合には省略されてもよい。

酸化剤供給部１９０は、燃料電池スタック１００のカソードに例えば酸素ガスや空気などの酸化剤を供給する。酸化剤供給部１９０は、空気ポンプや送風機などにより具現することができる。

以上、添付図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明は係る例に限定されないことは言うまでもない。当業者であれば、特許請求の範囲に記載された範疇内において、各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、それらについても当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。

本発明は、燃料電池スタックのセル電圧測定装置及びこれを利用した燃料電池システムに適用可能である。

本発明の第１の実施の形態にかかる燃料電池スタックのセル電圧測定装置の構成を示す斜視図である。 本発明の第２の実施の形態にかかる燃料電池スタックのセル電圧測定装置の構成を示す斜視図である。 本発明の第１の実施の形態にかかる電圧測定装置の電圧感知部を示すブロック図である。 本発明の第１の実施の形態にかかる、セル電圧測定装置を採用した燃料電池システムを概略的に示すブロック図である。

符号の説明

１００、１００ａ 燃料電池スタック
１１０ 膜−電極アセンブリ
１２０ セパレータ
１３０ａ、１３０ｂ エンドプレート
１４０ａ、１４０ｂ、１４０ｃ、１４０ｄ、１４０ｅ 締結手段
１４１ａ、１４１ｂ、１４１ｃ、１４１ｄ、１４１ｅ 締結棒（棒型本体）
１４２ａ、１４２ｂ、１４２ｃ、１４２ｄ、１４２ｅ 端部
１４３ａ、１４３ｂ、１４３ｃ、１４３ｄ、１４３ｅ 端部
１４４ａ、１４４ｂ、１４４ｃ、１４４ｄ、１４４ｅ ナット
１４５ａ、１４５ｂ、１４５ｃ、１４５ｄ、１４５ｅ ナット
１４６ 中空部
１４６ｅ 側面開口部
１４７ 穴
１４７ｅ スリット
１５０ 端子
１６０ 電線
１６０ａ ケーブル
１７０、１７０ａ 電圧感知部
１７２ 第１スイッチング部
１７４ 第２スイッチング部
１７３、１７５ スイッチング手段
１７３ａ、１７５ａ 入力端子
１７３ｂ、１７５ｂ 出力端子
１７３ｃ、１７５ｃ 制御端子
ＣＳ１、ＣＳ２ 制御信号
１７６ スイッチング制御部
１７７ 入力端
１７８ 出力端
１８０ 燃料タンク
１８２ 燃料ポンプ
１８４ 改質装置
１９０ 酸化剤供給部

Claims (18)

1. 複数の膜−電極アセンブリと、
   前記膜−電極アセンブリと膜−電極アセンブリとの間にそれぞれ積層される複数のセパレータと、
   前記膜−電極アセンブリと前記セパレータの積層構造を積層方向の両端にて支持する一対のエンドプレートと、
   前記一対のエンドプレートを相互に連結する締結手段とを具備した燃料電池スタックの各電池セルの電圧を測定する燃料電池スタックのセル電圧測定装置において；
   前記複数のセパレータに電気的にそれぞれ接続される複数の端子と、
   前記締結手段のうちの少なくとも一つに結合されて前記複数の端子に電気的にそれぞれ接続される複数の電線と、
   を含むことを特徴とする燃料電池スタックのセル電圧測定装置。
2. 前記複数の電線が結合された前記締結手段は、
   前記複数の電線が通過する中空部及び、前記複数の電線のうちの少なくとも一本の電線が通過する複数の穴を具備した締結棒であることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池スタックのセル電圧測定装置。
3. 前記複数の電線が結合された前記締結手段は、
   前記複数の電線が挿入されるようにその延長方向の側面に形成された側面開口部を具備した締結棒であることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池スタックのセル電圧測定装置。
4. 前記締結棒は、
   前記セパレータに対応して設けられ、前記側面開口部から延長形成されて、前記複数の電線のうちの少なくとも一本の電線が通過する複数のスリットを具備することを特徴とする請求項３に記載の燃料電池スタックのセル電圧測定装置。
5. 前記複数の端子と電気的に接続されて前記締結手段から引き出される前記複数の電線に電気的に接続されて、前記複数の電線に印加される電圧を感知する電圧感知部を更に含むことを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の燃料電池スタックのセル電圧測定装置。
6. 前記電圧感知部は、
   複数の入力端子と一つの出力端子をそれぞれ具備し、前記複数の入力端子より選択されたいずれか一つの入力端子と前記出力端子とをそれぞれ電気的に接続する少なくとも二つのスイッチング部と、
   前記少なくとも二つのスイッチング部のそれぞれの出力端子に印加される電圧を感知して、前記少なくとも二つのスイッチング部を制御するスイッチング制御部とを具備することを特徴とする請求項５に記載の燃料電池スタックのセル電圧測定装置。
7. 前記スイッチング制御部は、
   デジタル信号処理装置であることを特徴とする請求項６に記載の燃料電池スタックのセル電圧測定装置。
8. 前記締結棒の材質は、
   金属または複合材料であることを特徴とする請求項２〜４のいずれか１項に記載の燃料電池スタックのセル電圧測定装置。
9. 前記端子は、
   前記セパレータの側面に位置する溝に挿入される電極ピンであることを特徴とする請求項１〜８のいずれか１項に記載の燃料電池スタックのセル電圧測定装置。
10. 電解質膜と、前記電解質膜の両面にそれぞれ配置されるアノード電極及びカソード電極とをそれぞれ具備する複数の膜−電極アセンブリと、
    前記膜−電極アセンブリと膜−電極アセンブリとの間にそれぞれ積層される複数のセパレータと、
    前記膜−電極アセンブリと前記セパレータの積層構造を積層方向の両端にて支持する一対のエンドプレートと、
    前記一対のエンドプレートを相互に連結する締結手段とを具備する燃料電池スタックと；
    前記複数のセパレータに電気的にそれぞれ接続される複数の端子と、
    前記締結手段のうちの一つに結合されて前記複数の端子に電気的にそれぞれ接続される複数の電線とを具備したセル電圧測定装置と；
    を含むことを特徴とする燃料電池システム。
11. 前記複数の電線が結合された前記締結手段は、
    前記複数の電線が通過する中空部及び、前記複数の電線のうちの少なくとも一本の電線が通過する複数の穴を具備した締結棒であることを特徴とする請求項１０に記載の燃料電池システム。
12. 前記複数の電線が結合された前記締結手段は、
    前記複数の電線が挿入されるようにその延長方向の側面に形成された側面開口部を具備した締結棒であることを特徴とする請求項１０に記載の燃料電池システム。
13. 前記締結棒は、
    前記セパレータに対応して設けられ、前記側面開口部から延長形成されて、前記複数の電線のうちの少なくとも一本の電線が通過する複数のスリットを具備することを特徴とする請求項１２に記載の燃料電池システム。
14. 前記複数の端子と電気的に接続されて前記締結手段から引き出される前記複数の電線に電気的に接続されて、前記複数の電線に印加される電圧を感知する電圧感知部を更に含むことを特徴とする請求項１０〜１３のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
15. 前記電圧感知部は、
    複数の入力端子と一つの出力端子をそれぞれ具備し、前記複数の入力端子より選択されたいずれか一つの入力端子と前記出力端子とをそれぞれ電気的に接続する少なくとも二つのスイッチング部と、
    前記少なくとも二つのスイッチング部のそれぞれの出力端子に印加される電圧を感知して、前記少なくとも二つのスイッチング部を制御するスイッチング制御部とを具備することを特徴とする請求項１４に記載の燃料電池システム。
16. 前記アノード電極に水素を含む燃料を供給する燃料供給部を更に含むことを特徴とする請求項１０に記載の燃料電池システム。
17. 前記カソード電極に酸化剤を供給する酸化剤供給部を更に含むことを特徴とする請求項１６に記載の燃料電池システム。
18. 前記電解質膜は、
    固体高分子膜であることを特徴とする請求項１０に記載の燃料電池システム。

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