JP2011086476A - 検出装置および燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】積層された複数のセルの磁界分布をより詳細に検出すること。
【解決手段】本発明は、電解質膜と前記電解質膜を挟むアノード電極およびカソード電極とを有する複数のセルが積層された燃料電池２０に起因した磁界分布を検出する検出装置５０であって、前記複数のセル１０に平行な方向の磁界分布を検出する磁界検出部３０を具備する検出装置５０である。本発明によれば、積層された複数のセルの磁界分布を検出することができる。
【選択図】図１

Description

本発明は検出装置および燃料電池システムに関し、特に、燃料電池内の磁界分布を検知する検出装置および燃料電池システムに関する。

燃料電池は、電解質膜と前記電解質膜を挟むアノード電極およびカソード電極とを有する複数のセルが積層された構造を有している。燃料電地の検査または診断方法として様々な方法が知られている。例えば、燃料電池の陰極と陽極間に交流電流を印加した状態で負荷インピーダンスを測定し、負荷インピーダンスから燃料電池システムを検査する装置が知られている（例えば、特許文献１）。また、等価回路モデルから燃料電池の定電流印加時の出力電圧式を模擬して行う燃料電池診断方法が知られている（例えば、特許文献２）。

さらに、外部から電圧を印加した状態で燃料電池周辺部分の磁界を測定する方法が知られている（例えば、特許文献３）。また、センサユニットのセンサ面に燃料電池の陰極を平行に設置することが知られている。これにより、燃料電池に電流が流れている状態でセルに欠陥があるか否かを判定する（例えば、特許文献４）。

特開２００５−４４７１５号公報 特開２００９−１１７１１０号公報 特開２００８−１０３６７号公報 特開２００６−３２９６４２号公報

このように、特許文献３および４においては、例えば燃料電池の検査または診断のため、磁界を検出することが知られている。特許文献３の方法では、外部から電圧を印加した状態で磁界を測定しており、燃料電池の運転状態での燃料電池の検査または診断ができない。また、磁力線センサがセルの一端にのみ設けられている。特許文献４の方法では、１つのセルの欠陥を診断できるが、積層された複数のセルの診断はできない。このように、特許文献３および４の技術においては、積層された複数のセルの磁界分布をより詳細に検出することはできない。

本発明は、上記課題を解決するためになされたものであり、積層された複数のセルの磁界分布をより詳細に検出することを目的とする。

本発明は、電解質膜と前記電解質膜を挟むアノード電極およびカソード電極とを有する複数のセルが積層された燃料電池に起因した磁界分布を検出する検出装置であって、前記複数のセルに平行な方向の磁界分布を検出する磁界検出部を具備することを特徴とする検出装置である。本発明によれば、積層された複数のセルに平行な方向の磁界分布を検出することができる。よって、積層された複数のセルの磁界分布をより詳細に検出することができる。

上記構成において、前記燃料電池は、前記複数のセル間のうち隣接するセルのアノード電極とカソード電極とを電気的に接続する接続部を備え、前記接続部の間に前記複数のセルの前記平行な方向に延伸する孔が設けられ、磁界検出部は、前記孔内に設けられ前記孔内の磁界を検出する磁気センサを有し、前記磁気センサを用い、前記磁界分布を検出する構成とすることができる。この構成によれば、積層された複数のセル間のセルに平行な方向の磁界分布を簡単に検出することができる。

上記構成において、前記磁界検出部は、前記磁気センサを、前記孔内を移動させることにより、前記孔の延伸方向の磁界分布を検出する構成とすることができる。この構成によれば、簡単にセルに平行な方向の磁界分布を検出することができる。

上記構成において、前記磁気センサが前記平行な方向であって前記孔の前記延伸方向に交差する方向に配列された複数の前記孔内の磁界を検出することにより、前記磁界検出部は前記平行な方向の磁界分布を検出する構成とすることができる。この構成によれば、セルに平行な平面の磁界分布を検出することができる。

上記構成において、前記磁気センサが前記複数のセルの積層方向に配列された複数の前記孔内の磁気を検出することにより、前記磁界検出部は前記積層方向の磁界分布を検出する構成とすることができる。

上記構成において、前記孔は前記複数のセルを冷却する空冷用孔である構成とすることができる。この構成によれば、燃料電池の小型化が可能となる。

上記構成において、前記磁気センサは、前記平行な方向であって互いに交差する２つの方向の磁界を検出する構成とすることができる。この構成によれば、接続部を流れる電流の分布を検出することができる。

上記構成において、前記磁気センサは、前記複数のセルの前記積層方向と、前記２つの方向と、の３つの方向の磁界を検出することができる。この構成によれば、セルに平行な方向に流れる電流の影響も検出することができる。

上記構成において、磁界検出部は、前記複数のセルの周辺に移動自在に設けられ前記複数のセルの周辺の磁界を検出する磁気センサを有し、前記磁気センサを用い、前記磁界分布を検出する構成とすることができる。この構成によれば、燃料電池内の磁界分布を検出することができる。

上記構成において、前記複数のセルの前記磁界分布に基づき、前記燃料電池のセルの異常を検出する異常検出部を具備する構成とすることができる。

本発明は、電解質膜と前記電解質膜を挟むアノード電極およびカソード電極とを有する複数のセルが積層された燃料電池と、上記検出装置と、を具備することを特徴とする燃料電池システムである。

本発明によれば、積層された複数のセルの磁界分布を検出することができる。

図１は、実施例１に係る燃料電池システムのブロック図である。 図２（ａ）および図２（ｂ）は、積層されたセルを示す図である。 図３は、セルの断面模式図である。 図４（ａ）から図４（ｄ）は、実施例１の検出装置で検出された磁束密度分布を示す図である。 図５（ａ）および図５（ｂ）は、実施例２に係る燃料電池システムの図である。

以下、図面を参照に本発明の実施例について説明する。

図１は、実施例１に係る燃料電池システムのブロック図である。図１を参照し、燃料電池システムは、燃料電池２０と検出装置５０を備えている。燃料電池２０においては複数の発電セル１０がＺ方向（積層方向）に積層されている。Ｘ方向およびＹ方向は複数のセル１０に平行な方向となる。複数のセル１０のうち左端（Ｚの正方向）のセル１０ａの外側の電極が正極端子２２に接続されている。複数のセル１０のうち右端（Ｚの負方向）のセル１０ｂの外側の電極が負極端子２４に接続されている。正極端子２２と負極端子２４との間に負荷４８が接続されている。燃料電池２０の発電時には、正極端子２２から負荷を介し負極端子２４に電流が流れる。

検出装置５０は、燃料電池２０に起因した磁界分布を検出する。検出装置５０は、磁界検出部３０、インターフェース４２、コンピュータ４４および表示部４６を有している。磁界検出部３０は、磁気センサ３２および移動部３４を有している。磁気センサ３２は、磁界の強さをアナログの電気信号に変化するセンサである。磁気センサ３２は、例えば、３軸電子コンパス素子であり、３軸方向（例えばＸ、ＹおよびＺ方向）の磁界を検出することができる。移動部３４は磁気センサ３２を移動させる。例えば、移動部３４は磁気センサ３２をＸ方向、Ｙ方向およびＺ方向に自在に移動させることができる。また、移動部３４は、磁気センサ３２の位置を電気信号としてインターフェース４２に出力する。以上により、磁界検出部３０は、複数のセル１０の積層方向（Ｚ方向）および水平方向（Ｘ、Ｙ方向）の磁界分布を検出することができる。

インターフェース４２は、磁気センサ３２からの信号を増幅し、デジタル信号に変換しコンピュータ４４に出力する。また、インターフェース４２は、移動部３４が出力した磁気センサ３２の位置情報をデジタル信号に変換し、コンピュータ４４に出力する。コンピュータ４４は、磁気センサ３２が検出した磁界の強さを示す磁界情報と、移動部３４が出力した磁気センサ３２の位置を示す位置情報と、から、積層されたセル１０内の磁界の積層方向（Ｚ方向）およびセル１０に平行な方向（Ｘ、Ｙ方向）の分布を可視化するための画像を生成する。例えば、任意のＸＹ平面の磁界の強さを示す画像を生成する。また、表示部３６は、例えば液晶画面であり、コンピュータ４４が生成した画像を表示する。

図２（ａ）および図２（ｂ）は、積層されたセル１０を示す図である。図２（ａ）は、Ｙ方向から見た上面図、図２（ｂ）は、図２（ａ）のＡ−Ａ断面図である。図２（ａ）および図２（ｂ）を参照し、隣接するセル１０の間には空冷用孔２８が設けられている。図２（ｂ）のように、空冷用孔２８には空気が送り込まれる。これにより、セル１０を冷却することができる。また、隣接するセル１０のアノード電極とカソード電極とは接続部２６を用い電気的に接続されている。これにより、複数のセル１０は直列に接続される。接続部２６は、Ｙ方向に連続的に形成されていてもよいし、Ｙ方向に断片的に形成されていてもよい。空冷用孔２８には、磁気センサ３２が挿入される。磁気センサ３２は移動部３４により移動可能である。

図３は、セル１０の断面模式図である。図３を参照し、セル１０は、電解質膜１１、カソード電極１２、アノード電極１３およびセパレータ１５を備えている。電解質膜１１は、固体高分子膜である。カソード電極１２には、空気孔１６より空気（例えば酸素）が供給される。アノード電極１３には燃料孔１７より燃料ガス（例えば水素）が供給される。これにより、アノード電極１３において、水素ガスが電子と水素イオンに分離する。分離した水素イオンが電解質膜１１内をカソード電極１２に移動する。カソード電極１２において、水素イオンと酸素と電子により水が生成される。このようにして、アノード電極１３とカソード電極１２との間に電流が流れる。実施例１では、図２（ａ）に示された接続部２６を介し、積層されたセル１０を電流が流れる。複数のセル１０が接続部２６を介し直列に接続されているため、図１の正極端子２２と負極端子２４との間には大きな電圧が供給できる。

図４（ａ）から図４（ｄ）は、実施例１の検出装置で検出された磁束密度分布を示す図である。磁束密度の検出には、磁気センサ３２として、アイチマイクロインテリジェント社製の３軸電子コンパスＡＭＩ３０２をフレキシブル基板上に実装したものを用いた。燃料電池２０としては、Ballard Power Systems社製の空冷式１．２ｋＷ固体高分子型燃料電池を用いた。この燃料電池は、４７個のセルで構成されている。また、Ｙ方向に１４個の空冷用孔２８が配列されている。図４（ａ）から図４（ｄ）は、それぞれ図２（ａ）のＮｏ．３３〜３６に対応するＸＹ平面の磁束密度を示している。ここで、Ｎｏ．３３〜３６は、図１の正極端子２２側から、それぞれ３３〜３６番目の空冷用孔２８であることを示している。図４（ａ）から図４（ｄ）において、濃淡の変化は磁束密度の変化を示している。外側の磁束密度が最も小さく、濃淡が変化するにつれ磁束密度が高くなっていることを示している。矢印は磁界密度の向きを示している。このように、コンピュータ４４は、磁界検出部３０が検出した磁界分布を可視化した画像を生成し、表示部３６に磁界分布の画像を表示することができる。

図４（ａ）および図４（ｂ）のように、表示部４６が各セル１０間の磁束密度分布を表示することにより、セル１０間を流れる電流の分布を視覚的に認識することができる。例えば、磁束密度の大きい箇所は電流が多く流れている箇所である。

実施例１によれば、磁束密度分布から燃料電池２０の異常を判定することができる。例えば、セル１０間の接触不良、セル１０自体の不良が生じると、磁界分布に不均一が生じる。そこで、例えば、コンピュータ４４は、磁界（または磁束密度分布）がある範囲外となった場合（例えばある値より大きくなった場合または小さくなった場合）、燃料電池２０内（例えばある接続部２６）に異常な電流が流れているとして、燃料電池２０の異常を検出してもよい。また、正常な磁界分布のパターンを記憶しており、磁界検出部３０が検出した磁界分布が、正常な磁界分布のパターンでない場合、コンピュータ４４は、燃料電池２０の異常を検出してもよい。このように、コンピュータ４４は、複数のセル１０内の磁界分布に基づき、燃料電池２０の異常を検出する異常検出部として機能することもできる。

このように、実施例１によれば、磁界検出部３０により、複数のセル１０のセル１０に平行な向の磁界分布を検出することができる。よって、積層された複数のセルの磁界分布をより詳細に検出することができる。

図２（ａ）および図２（ｂ）のように、燃料電池２０は、接続部２６の間に複数のセル１０に平行な方向（例えばＹ方向）に延伸する空冷用孔２８が設けられている。磁気センサ３２は、空冷用孔２８内に設けられ、空冷用孔２８内の磁界を検出する。このように、空冷用孔２８を用いることにより、セル１０間の磁界分布を検出することができる。よって、積層された複数のセル１０間のセル１０に平行な方向の磁界分布を簡単に検出することができる。特に、接続部２６にはセル１０間を流れる電流が流れており、接続部２６間の空冷用孔２８に磁気センサ３２を設けることにより、燃料電池２０内の電流の分布をより正確に検出することができる。また、燃料電池２０が運転している状態（電源を供給している状態）における燃料電池２０内の磁界分布（すなわち電流分布）を検出することができる。

図２（ｂ）のように、前記磁界検出部３０は、磁気センサ３２を、空冷用孔２８内をＹ方向に移動させることにより、空冷用孔２８の延伸方向（Ｙ方向）の磁界分布を検出することができる。これにより、少ない磁気センサ３２を用い、簡単にセル１０に平行な方向の磁界分布を検出することができる。

例えば、磁気センサ３２はＹ方向に複数設けられていてもよい。これにより、移動部３４は磁気センサ３２をＹ方向に動かす距離を短くできる。よって、磁界検出部３０が磁界分布を検出する時間を短縮することができる。例えば、磁気センサ３２を、空冷用孔２８内のＹ方向のうち磁界を検出する全ての位置に設けてもよい。これにより、移動部３４は、磁気センサ３２をＹ方向に移動しなくてもよくなる。

磁界センサ３２が、Ｘ方向（セル１０に平行な方向であって空冷用孔２８の延伸方向に交差する方向：図２（ａ）を参照）に配列された複数の空冷用孔２８内の磁界を検出することにより、磁界検出部３０はセル１０に平行な方向の磁界分布を検出してもよい。これにより、セル１０に平行なＸ−Ｙ平面の磁界分布を検出することができる。例えば、図２（ａ）において、移動部３４は、Ｘ方向配列された空冷用孔２８の任意の空冷用孔２８に磁気センサ３２を移動可能であり、任意の空冷用孔２８に挿入することができる。これにより、磁界検出部３０は、簡単にセル１０に平行な方向の磁界分布を検出することができる。また、磁気センサ３２を、Ｘ方向に複数設けてもよい。例えば、全てのＸ方向の空冷用孔２８に対応し設けてもよい。これにより、移動部３４が磁気センサ３２を移動する時間を短縮させることができる。

磁気センサ３２がＺ方向（複数のセル１０の積層方向：図２（ａ）参照）に配列された複数の空冷用孔２８内の磁界を検出することにより、磁界検出部３０はセル１０の積層方向の磁界分布を検出してもよい。これにより、セル１０の積層方向の磁界分布を検出することができる。例えば、図２（ａ）において、移動部３４は、Ｘ方向に配列された空冷用孔２８の任意の空冷用孔２８に磁気センサ３２を移動可能であり、任意の空冷用孔２８に挿入することができる。これにより、磁界検出部３０は、簡単にセル１０の積層方向の磁界分布を検出することができる。また、磁気センサ３２を、Ｚ方向に複数設けてもよい。例えば、全てのＺ方向の空冷用孔２８に対応し設けてもよい。これにより、移動部３４が磁気センサ３２を移動する時間を短縮させることができる。

当然のことながら、磁気センサ３２がＸ方向およびＺ方向に配列された複数の空冷用孔２８内の磁気を検出することにより、磁界検出部３０はセルの積層方向およびセルに平行な方向の磁界分布を検出することもできる。

実施例１では、接続部２６間に設けられる孔として空冷用孔２８を例に説明したが、磁気センサ３２専用の孔を設けてもよい。また、水冷用孔内に磁気センサ３２を設けてもよい。既存の空冷用孔または水冷用孔内に磁気センサ３２を設けることにより、磁気センサ３２用の孔を別に設けなくてもよく、燃料電池の小型化が可能となる。

磁気センサ３２は、セル１０に平行な方向であって互いに交差する２つの方向（例えばＸ方向およびＹ方向）の磁界を検出することが好ましい。これにより、接続部２６をＺ方向に流れる電流の分布を検出することができる。

さらに、磁気センサ３２は、複数のセル１０の積層方向（例えばＺ方向）と、セル１０に平行な方向であって互いに交差する２つの方向（例えばＸ方向およびＹ方向）と、の３つの磁界を検出することが好ましい。これにより、接続部２６をＺ方向に流れる電流だけでなく、セル１０内のカソード電極１２およびアノード電極１３内をセル１０に平行な方向に流れる電流の影響も検出することができる。

実施例２は、燃料電池の周辺の磁界を検出する例である。図５（ａ）および図５（ｂ）は、実施例２に係る燃料電池システムの図である。図５（ａ）はセル１０を正面からみた図であり図５（ｂ）はセル１０を側面から見た図である。燃料電池２０のセルの周辺に磁気センサ３２が配置され、Ｘ方向、Ｙ方向およびＺ方向に移動自在である。磁気センサ３２は、例えば実施例１と同様に３軸電子コンパス素子である。

実施例２のように、例えば、図５（ａ）において、移動部３４が磁気センサ３２をセル１０に沿ってＸ方向およびＹ方向に移動させることにより、磁気検出部３０は、セル１０に平行なＸ−Ｙ平面の磁界分布を検出することができる。実施例２によれば、セル１０間に孔を設けなくとも、燃料電池２０内の磁界分布を検出することができる。図５（ａ）では、４つの磁気センサ３２を用いる例を示したが、移動部３４が１つの磁気センサ３２をセル１０の４辺に沿って移動させてもよい。

また、例えば、図５（ｂ）において、移動部３４が磁気センサ３２をＺ方向に移動させることにより、磁気検出部３０は、セル１０の積層方向（Ｚ方向）の磁界分布を検出することができる。

さらに、移動部３４は磁気センサ３２を積層されたセル１０に沿ってＸ、Ｙ、Ｚ方向に移動させることにより、磁気検出部３０は、セル１０の積層方向およびセル１０に平行な方向の磁界分布を検出することができる。

実施例１および２においては、燃料電池として、固体高分子膜型燃料電池を例に説明したが、本発明は、固体酸化物型燃料電池、溶融炭酸塩型燃料電池、リン酸型燃料電池等のその他の燃料電池に用いることができる。

以上、発明の好ましい実施例について詳述したが、本発明は係る特定の実施例に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。

１０ セル
１１ 電解質膜
１２ カソード電極
１３ アノード電極
２０ 燃料電池
２６ 接続部
２８ 空冷用孔
３０ 磁界検出部
３２ 磁気センサ
３４ 移動部
４４ コンピュータ

Claims (11)

1. 電解質膜と前記電解質膜を挟むアノード電極およびカソード電極とを有する複数のセルが積層された燃料電池に起因した磁界分布を検出する検出装置であって、
   前記複数のセルに平行な方向の磁界分布を検出する磁界検出部を具備することを特徴とする検出装置。
2. 前記燃料電池は、前記複数のセル間のうち隣接するセルのアノード電極とカソード電極とを電気的に接続する接続部を備え、前記接続部の間に前記平行な方向に延伸する孔が設けられ、
   磁界検出部は、前記孔内に設けられ前記孔内の磁界を検出する磁気センサを有し、前記磁気センサを用い、前記磁界分布を検出することを特徴とする請求項１記載の検出装置。
3. 前記磁界検出部は、前記磁気センサを、前記孔内を移動させることにより、前記孔の延伸方向の磁界分布を検出することを特徴とする請求項２記載の検出装置。
4. 前記磁気センサが前記平行な方向であって前記孔の前記延伸方向に交差する方向に配列された複数の前記孔内の磁界を検出することにより、前記磁界検出部は前記平行な方向の磁界分布を検出することを特徴とする請求項２または３記載の検出装置。
5. 前記磁気センサが前記複数のセルの積層方向に配列された複数の前記孔内の磁気を検出することにより、前記磁界検出部は前記積層方向の磁界分布を検出することを特徴とする請求項４記載の検出装置。
6. 前記孔は前記複数のセルを冷却する空冷用孔であることを特徴とする請求項２から５のいずれか一項記載の検出装置。
7. 前記磁気センサは、前記平行な方向であって互いに交差する２つの方向の磁界を検出することを特徴とする請求項２から６のいずれか一項記載の検出装置。
8. 前記磁気センサは、前記複数のセルの前記積層方向と、前記２つの方向と、の３つの方向の磁界を検出することを特徴とする請求項７記載の検出装置。
9. 磁界検出部は、前記複数のセルの周辺に移動自在に設けられ前記複数のセルの周辺の磁界を検出する磁気センサを有し、前記磁気センサを用い、前記磁界分布を検出することを特徴とする請求項１記載の検出装置。
10. 前記複数のセルの前記磁界分布に基づき、前記燃料電池のセルの異常を検出する異常検出部を具備することを特徴とする請求項１から９のいずれか一項記載の検出装置。
11. 電解質膜と前記電解質膜を挟むアノード電極およびカソード電極とを有する複数のセルが積層された燃料電池と、
    請求項１から１０のいずれか一項記載の検出装置と、
    を具備することを特徴とする燃料電池システム。

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