JP2008235105A - 燃料電池の含水量検出方法およびその装置 - Google Patents

Abstract

【課題】装置の構成が複雑になるのを抑えつつ燃料電池内部の含水量を検出する。
【解決手段】複数のセルからなるセル積層体と、該セル積層体の端セル２のセル積層方向外側に配置される集電板５とを備えた燃料電池における端セル２の含水量を検出する場合に、集電板５に接続された周波数分析装置を用い、端セル２におけるＧＤＬ３２の周波数応答特性の変化を測定して当該ＧＤＬ３２内の含水量を検出する。周波数分析装置が接続されている集電板５を分割して測定用端子として用いることが好ましい。また、端部セル２における測定対象部位を跨ぐように集電板５を分割することがさらに好ましい。
【選択図】図３

Description

本発明は、燃料電池の含水量検出方法およびその装置に関する。さらに詳述すると、本発明は、特に掃気終了判定に有用な技術に関する。

一般に、燃料電池（例えば高分子電解質形燃料電池）は電解質をセパレータで挟んだセルを複数積層することによって構成されている。また、このようにセルが積層されることによって構成されるセル積層体（セルスタック）の積層方向外側には、発電した電気を取り出すための部材として集電板（ターミナルプレート）が設けられている。

このような燃料電池においては、生成水や凝縮水がセパレータ内の流路等に残っていると低温時に凍結して場合によっては電解質膜やセパレータを破損してしまうことがある。そこで、例えば運転終了の際には乾燥した空気を送り込む等して燃料電池内に水分が残らないようにするいわゆる掃気処理が重要となっている。また、従来、燃料電池の含水量を検出しあるいは制御するための技術として、水検知手段を用いたり電気抵抗値を測定したりといったものが提案されている（特許文献１〜３参照）。具体的には、例えば特許文献３においてはセル内に４箇所の端子を設け、ＧＤＬ（ガス拡散層）の水量、ＭＥＡ（膜−電極アッセンブリ）の水量を測定するという技術が提案されている（特許文献３参照）。
特開２００４−１４６２６７号公報 特開２００５−３４７２１８号公報 特開２００４−２０７１３９号公報

しかしながら、従来の水分検出技術や制御技術の場合、装置の構成が複雑になりやすい。

そこで、本発明は、装置の構成が複雑になるのを抑えつつ燃料電池内部の含水量を検出することが可能な燃料電池の含水量検出方法およびその装置を提供することを目的とする。

従来の水分検出技術ないしは制御技術においては全セルを検出対象としている場合があり、その分だけ構成が複雑になることがあった。また、検出対象たるセルを適宜変更しつつ測定を行うとすれば構成がさらに複雑になることもある。このような点に着目して検討を重ねた本発明者は、かかる課題の解決に結び付く新たな知見を得るに至った。

本発明の燃料電池の含水量検出方法はかかる知見に基づくもので、複数のセルからなるセル積層体と、該セル積層体の端セルのセル積層方向外側に配置される集電板とを備えた燃料電池における端セルの含水量を検出するための方法であって、集電板に接続された周波数分析装置を用い、端セルにおけるＧＤＬの周波数応答特性の変化を測定して当該ＧＤＬ内の含水量を検出することを特徴としている。

この検出方法においてはＧＤＬをキャパシタのように扱い、当該ＧＤＬに含まれる水分による影響をパラメータを利用して測定する。具体的には、ＧＤＬのキャパシタ成分（容量成分）の大きさは含水量に依存する傾向があるため、当該ＧＤＬの周波数応答特性の変化を測定することによって含水量を検出することが可能である。これによれば、集電板に隣接している端セル（またはそのＧＤＬ）の含水量を検出することができる。

このような含水量検出方法においては、周波数分析装置が接続されている集電板を分割して測定用端子として用いることが好ましい。分割された集電板はそれぞれが測定用端子として機能する。この場合、周波数分析装置が発振する正弦波信号を端セルに効率よく加え、当該端セルのＧＤＬの周波数応答特性の変化をより効率的に測定することが可能である。

この場合、端部セルにおける測定対象部位を跨ぐように集電板を分割することが好ましい。こうした場合、測定対象とする部位の周波数特性応答をさらに精度よく測定することが可能である。

集電板を分割するにあたっては、当該集電板の分割片のうち周波数分析装置が接続される部分を当該集電板の外周部に配置していてもよい。あるいは、集電板の分割片のうち周波数分析装置が接続される部分を当該集電板の中央部に配置していてもよい。

さらに、本発明にかかる燃料電池の含水量検出装置は、複数のセルからなるセル積層体と、該セル積層体の端セルのセル積層方向外側に配置される集電板とを備えた燃料電池における端セルの含水量を検出するための装置であって、集電板を分割する手段と、集電板に接続される周波数分析装置と、を備え、分割手段によって分割した集電板を測定用端子として端セルにおけるＧＤＬの周波数応答特性の変化を測定し、当該ＧＤＬ内の含水量を検出するというものである。

この検出装置においては、ＧＤＬのキャパシタ成分（容量成分）を測定することによって含水量を検出することが可能である。これによれば、集電板に隣接している端セル（またはそのＧＤＬ）の含水量を検出することができる。また、この検出装置は、集電板を分割してそれぞれを測定用端子として機能させるから、正弦波信号を端セルに効率よく加えて当該端セルのＧＤＬの周波数応答特性の変化をより効率的に測定することが可能である。

この装置における分割手段は、集電板を電気的に分割させるものでもよい。あるいは、分割手段は集電板を物理的に分割させるものでもよい。

本発明によれば、装置の構成が複雑になるのを抑えつつ燃料電池内部の含水量を検出することができる。

以下、本発明の構成を図面に示す実施の形態の一例に基づいて詳細に説明する。

図１〜図８に本発明の実施形態を示す。本発明にかかる燃料電池１の含水量検出装置１０は、ターミナルプレート５を分割する分割装置１２と、ターミナルプレート５に接続される周波数分析装置１１とを備え、端セル２におけるＧＤＬ（Gas Diffusion Layer）３２の周波数応答特性の変化を測定して当該ＧＤＬ３２内の含水量を検出するというものである。以下においてはまず燃料電池１の構成の概略を説明し、その後、この燃料電池１の含水量を検出するための装置や方法について説明することとする。

図１、図２に本実施形態における燃料電池１の概略構成を示す。なお、このような燃料電池１は、例えば燃料電池車両（ＦＣＨＶ；Fuel Cell Hybrid Vehicle）の車載発電システムにおいて利用可能なものであるがこれに限られることはなく、各種移動体（例えば船舶や飛行機など）やロボットなどといった自走可能なものに搭載される発電システム、さらには定置の発電システムにおいても利用することが可能である。

燃料電池１は、複数のセル２が積層されてなるセル積層体３を備えているもので、当該セル積層体３の両端に位置する端セル２の積層方向外側には、出力端子５ａ付のターミナルプレート５、インシュレータ（絶縁プレート）６およびエンドプレート７をさらに備えた構成となっている（図１、図２参照）。セル積層体３に対しては、両エンドプレート７をつなぐように架け渡されたテンションプレート８によって積層方向への所定の圧縮力が加えられている。さらに、セル積層体３の一端側のエンドプレート７とインシュレータ６との間にはプレッシャプレート９とばね機構９ａとが設けられており、セル２に作用する荷重の変動が吸収されるようになっている。

ターミナルプレート５は集電板として機能する部材であり、例えば鉄、ステンレス、銅、アルミニウム等の金属で板状に形成されている。ターミナルプレート５のうち端セル２側の表面にはめっき処理等の表面処理が施されており、かかる表面処理により端セル２との接触抵抗が確保されている。めっきとしては、金、銀、アルミニウム、ニッケル、亜鉛、すず等を挙げることができ、例えば本実施形態では導電性、加工性および低廉性を勘案してすずめっき処理を施している。

インシュレータ６は、ターミナルプレート５とエンドプレート７とを電気的に絶縁する機能を果たす部材である。このような機能を果たすため、かかるインシュレータ６は例えばポリカーボネートなどの樹脂材料により板状に形成されている。また、インシュレータ６の材料として耐熱性に優れるエンジニアリングプラスチックを採用した場合には堅牢性の面でも有利であるし、また燃料電池１の軽量化を図るうえでも好適である。

エンドプレート７は、ターミナルプレート５と同様、各種金属（鉄、ステンレス、銅、アルミニウム等）で板状に形成されている。例えば本実施形態では銅を用いてこのエンドプレート７を形成しているがこれは一例に過ぎず、他の金属で形成されていても構わない。

また、セル（端セルを含む）２は、電解質、具体例として膜−電極アッセンブリ（ＭＥＡ；Membrane Electrode Assembly）３０、該膜−電極アッセンブリ３０を挟持する一対のセパレータ２０等で構成されている（図３参照）。また、膜−電極アッセンブリ３０は高分子材料のイオン交換膜からなる高分子電解質膜３１と、該高分子電解質膜３１を両面から挟んだ一対のガス拡散電極（アノード側拡散電極およびカソード側拡散電極）３２とで構成されている（図３参照）。

膜−電極アッセンブリ３０を構成するガス拡散電極（以下「ＧＤＬ」ともいう）３２は、その表面に付着された白金などの触媒を担持した例えば多孔質のカーボン素材で構成されている。一対をなすＧＤＬ３２のうち一方の電極（アノード）には燃料ガス（反応ガス）としての水素ガス、他方の電極（カソード）には空気や酸化剤などの酸化ガス（反応ガス）が供給され、これら２種類の反応ガスにより膜−電極アッセンブリ３０内で電気化学反応が生じてセル２の起電力が得られるようになっている。

セパレータ２０はガス不透過性の導電性材料で構成されている。導電性材料としては、例えばカーボンや導電性を有する硬質樹脂のほか、アルミニウムやステンレス等の金属（メタル）が挙げられる。本実施形態のセパレータ２０の基材は板状のメタルで形成されているものであり（メタルセパレータ）、この基材のＧＤＬ３２側の面には耐食性に優れた膜（例えば金メッキで形成された皮膜）が形成されている。また、セパレータ２０の表面には必要に応じて複数の凹部によって構成される溝状の流路が形成されている。

続いて、燃料電池１の含水量を検出するための装置や方法について説明する（図３、図４等参照）。

本実施形態の含水量検出装置１０は、燃料電池１における端セル２の含水量を検出するための装置であり、ターミナルプレート５を分割する分割装置１２と、ターミナルプレート５に接続されるＦＲＡ（周波数分析装置）１１と、を備え、分割装置１２によって分割したターミナルプレート５を測定用端子として端セル２におけるＧＤＬ３２の周波数応答特性の変化を測定し、当該ＧＤＬ３２内の含水量を検出するというものである。

ＦＲＡ１１は被測定物（本実施形態の場合、燃料電池１またはその端セル２）に正弦波信号を与えてその周波数応答（振幅・位相）を高精度に測定する装置である（図４参照）。一般的にＦＲＡ１１はスイープ発振器１１ａと電圧計・位相計、さらにはデジタルフーリエ変換装置１１ｂを備えた構成となっており、あるひとつの周波数における測定を終えると次の周波数に移って同じ測定を自動的に繰り返す。また、一般には測定点毎に電圧測定のレンジを変えることができるようになっている。本実施形態で用いるＦＲＡ１１は通常的に使用されているこのような公知の装置で足りる。

分割装置１２はターミナルプレート５を分割するための装置である。含水量の検出時にターミナルプレート５を分割することにより、分割されたターミナルプレート５をそれぞれ測定用端子として機能させることができるから、ＦＲＡ１１が発振する正弦波信号を端セル２に効率よく加えることが可能となる（図３参照）。したがって当該端セル２のＧＤＬ３２の周波数応答特性の変化をより効率的に測定することが可能である。

このような分割装置１２の具体例としては、リレーや半導体などの素子を利用して当該ターミナルプレート５を電気的に分割するもの、アクチュエータを利用して５を物理的に分割するものを挙げることができる。前者のように電気的に分割する場合には、あらかじめ分離した状態で形成されているターミナルプレート５をこれら素子によって電気的に接続あるいは分割すればよい。また、後者のように物理的に分割する場合には、あらかじめ分離した状態で形成されているターミナルプレート５の少なくとも一部を動作させることにより電気的に接続あるいは分割すればよい。

なお、ターミナルプレート５の分割の態様は特に限定されることはない。測定対象たる端セル２のＧＤＬ３２の形態にあわせて上下方向に分割してもよいし、左右方向に分割してもよい（図５参照）。あるいは、分割後の大きさを異ならせる態様で非対称に分割してもよい。さらには、測定用端子として分割された小分割片（図６、図７において符号５ｂで示す）を当該ターミナルプレート５の中央部に配置してもよいし、当該ターミナルプレート５の外周部に配置してもよい（図６、図７参照）。小分割片５ｂを複数として例えば対角線上に配置し、互いに独立させるようにしてもよい（図７参照）。いずれにせよ、端部セル２における測定対象部位を跨ぐように当該ターミナルプレート５を分割して測定用端子を形成すれば、測定対象とする部位の周波数応答をさらに精度よく測定することが可能になるという点で好ましい（図３等参照）。

ここまで説明した本実施形態の含水量検出装置１０によれば、端セル２のＧＤＬ３２をキャパシタのように扱い、当該ＧＤＬ３２に含まれる水分による影響をパラメータ（周波数応答）を利用して検出することができる。具体的には、ＧＤＬ３２のキャパシタ成分（容量成分）の大きさは含水量に依存する傾向があるから（図８参照）、当該キャパシタ成分を測定することによって含水量を検出することが可能である。これによれば、ターミナルプレート５に隣接している端セル２（またはそのＧＤＬ３２）の含水量を検出することができる。また、本実施形態の含水量検出装置１０は、ターミナルプレート５を分割してそれぞれを測定用端子として機能させるから、正弦波信号を端セル２に効率よく加えて当該端セル２のＧＤＬ３２の周波数応答特性の変化を効率的に測定することが可能である。

また、本実施形態の含水量検出装置１０によれば、装置の構成が複雑になるのを抑えつつ燃料電池内部の含水量を検出することができる。すなわち、従来の水分検出技術ないしは制御技術においては全セルを検出対象としている場合、さらには検出対象たるセルを適宜変更しつつ測定を行う場合があり、その分だけ構成が複雑になることがあったが、本実施形態の含水量検出装置１０は燃料電池１の構成部材であるターミナルプレート５を利用するものであるから構造が複雑となるのを抑えることが可能である。

ちなみに、本発明にかかる技術が適用可能な掃気処理は、当該掃気処理を実行することで配管などに溜まった水分量を低減し、水が凍結して破損してしまう等の事態を抑制するというものである。上述した技術をかかる掃気処理に適用することで、必要な掃気処理が終了したかどうかを精度よく判定することが可能である。

なお、上述の実施形態は本発明の好適な実施の一例ではあるがこれ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変形実施可能である。例えば本実施形態では主として燃料電池１（あるいは燃料電池システム）の運転終了時に含水量検出を実施する場合について説明したが、このような運転終了時はもちろんのこと、当該燃料電池１の運転中に実施して含水量を把握することとしてもよい。

本実施形態における燃料電池の構造例を示す側面図である。 燃料電池の構造例を示す斜視図である。 含水量検出装置による検出の原理を示す概略図である。 ＦＲＡ（周波数分析装置）の構成の概略を示す図である。 ターミナルプレートを分割する際の一態様を示す図である。 小分割片が当該ターミナルプレートの中央部に位置するようにした配置例を示す図である。 小分割片が当該ターミナルプレートの外周部に位置するようにした配置例を示す図である。 ＧＤＬ内の含水量と当該ＧＤＬのキャパシタ成分（容量成分）との関係を示すグラフである。

符号の説明

１…燃料電池、２…セル、３…セル積層体、５…ターミナルプレート（集電板）、５ｂ…小分割片（測定用端子）、１０…含水量検出装置、１１…ＦＲＡ（周波数分析装置）、１２…分割装置（集電板を分割する分割手段）、３２…ガス拡散電極（ＧＤＬ）

Claims (8)

1. 複数のセルからなるセル積層体と、該セル積層体の端セルのセル積層方向外側に配置される集電板とを備えた燃料電池における前記端セルの含水量を検出するための方法であって、
   前記集電板に接続された周波数分析装置を用い、前記端セルにおけるＧＤＬの周波数応答特性の変化を測定して当該ＧＤＬ内の含水量を検出することを特徴とする燃料電池の含水量検出方法。
2. 前記周波数分析装置が接続されている集電板を分割して測定用端子として用いる請求項１に記載の燃料電池の含水量検出方法。
3. 前記端部セルにおける測定対象部位を跨ぐように前記集電板を分割する請求項２に記載の燃料電池の含水量検出方法。
4. 前記集電板の分割片のうち前記周波数分析装置が接続される部分を当該集電板の外周部に配置している請求項２または３に記載の燃料電池の含水量検出方法。
5. 前記集電板の分割片のうち前記周波数分析装置が接続される部分を当該集電板の中央部に配置している請求項２から４のいずれか一項に記載の燃料電池の含水量検出方法。
6. 複数のセルからなるセル積層体と、該セル積層体の端セルのセル積層方向外側に配置される集電板とを備えた燃料電池における前記端セルの含水量を検出するための装置であって、
   前記集電板を分割する手段と、
   前記集電板に接続される周波数分析装置と、
   を備え、
   前記分割手段によって分割した前記集電板を測定用端子として前記端セルにおけるＧＤＬの周波数応答特性の変化を測定し、当該ＧＤＬ内の含水量を検出する
   ことを特徴とする燃料電池の含水量検出装置。
7. 前記分割手段は、前記集電板を電気的に分割させるものである請求項６に記載の燃料電池の含水量検出装置。
8. 前記分割手段は、前記集電板を物理的に分割させるものである請求項６に記載の燃料電池の含水量検出装置。

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