JP2015522917A - 燃料電池用冷却回路 - Google Patents

Abstract

本発明は、燃料電池用の冷却回路であって、この冷却回路は、燃料電池のバイポーラ板に形成されていて冷却流体を循環させることができる少なくとも１つのチャネルを含むと共に冷却流体流量センサを更に含む、冷却回路において、冷却回路は、流量センサと同一の機械的支持体に取り付けられた冷却流体導電率センサを更に含むことを特徴とする冷却回路に関する。本発明は又、燃料電池の管理方法及び燃料電池に関する。

Description

本発明は、燃料電池に関する。特に、本発明は、燃料電池の冷却システムに関する。

燃料電池により機械エネルギーへの中間変換ステップなしで、水素（燃料）と酸素（酸化剤）に基づく電気酸化‐還元反応によって電気エネルギーを直接生じさせることができるということが知られている。この技術は、特に自動車用途について大いに期待できる。燃料電池は、主要構成要素として、単位要素又はセルのスタックを有し、セルの各々は、本質的に、ポリマーメンブレンによって互いに隔てられたアノード（負極）とカソード（正極）で構成され、それによりイオンがアノードからカソードに移ることができる。

セル内で起こる電気化学反応は、発熱反応であり、したがって、セル中に温度の上昇を生じさせる。したがって、種々のセルのコンポーネントを保護するために、化学電気反応により生じた熱を放散しなければならない。

既存の燃料電池では、この熱は、典型的には、空冷セルの場合、スタックのところで周囲空気中に直接放散されるか、熱伝達流体、例えば中に水が流れる冷却回路によって伝達され、ラジエータ特にこの目的のために設けられているラジエータのところで周囲空気中に放散されるかのいずれかが行われる。

セルの劣化を阻止することを目的として、そしてセルの有効寿命を延ばす目的で、セル内の種々の量をモニタするための種々の装置が存在している。このモニタは、例えば、種々のセルの端子のところの電圧、アノード及びカソードの圧力及び含水量、セルのコア温度、並びに燃料及び酸化流体の温度に関する。これらモニタ装置は、主として、燃料及び酸化ガス供給回路と関連している。

しかしながら、特にセルの過剰発熱が温度の上昇によって明らかになる前であってもかかる過剰発熱の恐れを検出するために冷却回路の作動をモニタすることも又有用であることが判明した。

したがって、本発明は、冷却回路の作動のリアルタイムモニタを行う手段を提案することによってこの目的を達成するよう設計されている。事実、冷却回路中の様々な不良は、セルの有効寿命に悪影響を及ぼす場合がある。回路中の液体の流量が不十分であると、結果として、冷却効率が低くなる。流れが例えば冷却ポンプの故障に起因して中断された場合、ホットスポットがセルのコア中に現れる恐れが高く、場合によっては、それにより極めて迅速且つ非可逆的な劣化が生じる。したがって、この流量をリアルタイムでモニタして万一流量が不十分になった場合、必要ならばセルを作動停止させることができるようにすることが有用であることが判明した。

また、冷却液の過度の導電率が望ましくない漏れ電流を生じさせる場合があり、その結果、セルの幾つかの要素の腐食及びその結果としての問題のセルの劣化が生じることも又判明した。これは、冷却液が燃料電池の個々のセルと接触状態にあるからであり、セルの各々は、積み重ね原理により他のセルとは異なる電位の状態にある。１００個のセルから成る燃料電池の末端に位置するセル相互間の電位差は、１００ボルトという大きい差である場合がある。効率的な冷却を維持する必要性に鑑みて、セルを冷却液から電気的に絶縁することができない。スタック全体は、同一の冷却液中に浸漬されているので、冷却液の導電率を最小限に抑えて冷却中を流れる漏れ電流を制限することが重要である。したがって、冷却液の導電性は、液体が回路中を流れているときに液体がイオンを帯びた状態になるということに起因している。このイオン伝達を完全になくすことはできないので、導電率のレベルをリアルタイムでモニタし、万一導電率が高すぎるようになった場合、必要ならばセルを作動停止させることができるようにすることが有用であることが判明した。脱イオン化カートリッジが通常、冷却回路内に配置される。過剰の導電率を明らかにする情報は、このカートリッジを交換する必要のある指標でもある。

したがって、本発明は、これらパラメータをモニタするシステムを備えた燃料電池用の冷却回路を提案することを目的としている。本発明は、燃料電池用の冷却回路であって、冷却回路は、燃料電池のバイポーラ板に形成されていて冷却流体の流れを可能にするようになった少なくとも１つのチャネルを含むと共に冷却流体の流量のためのセンサを更に含む、冷却回路において、冷却回路は、流量センサと同一の機械的支持体に取り付けられた冷却流体の導電率のためのセンサを更に含むことを特徴とする冷却回路に関する。この機械的支持体上に形成された二重センサは、バイポーラ板に形成されたチャネル内を流れる冷却液に対して測定を行うことができるよう位置決めされる。

同一の機械的支持体に両方のセンサを取り付けることによって、燃料電池に関して全体的寸法が小さくあるべきという要件を満たすと共に更にセルの端子板へのセンサの良好な一体的取り付けを提供することが可能である。

本発明の有利な実施形態では、センサは、流量及び導電率の測定をリアルタイムで行うようになっている。これは、上述したように、セルの劣化を阻止するために冷却液をリアルタイムでモニタすることができるようにすることが有用だからである。

流体の流量を測定する種々の公知の技術が存在する。本発明の有利な実施形態では、冷却流体の流量のためのセンサは、２つのフィン及び２つのフィン相互間の温度差を測定する手段を有する。

本発明の別の有利な実施形態では、導電率センサは、２つの電極及び２つの電極相互間のインピーダンスを測定する手段を有する。

本発明の別の有利な実施形態では、冷却回路は、センサにより行われた測定の結果を冷却回路が納められている燃料電池の制御装置に送る手段を含む。

本発明は又、本発明の冷却回路によって冷却される燃料電池を制御する方法であって、
流量センサから出力された流量測定値を第１の所定のしきい値とリアルタイムで比較するステップと、
流量の値が第１のしきい値を下回っている場合、燃料電池を作動停止させるステップと、を備えていることを特徴とする方法に関する。

本発明は又、本発明の冷却回路によって冷却される燃料電池を制御する方法であって、
導電率センサから出力された導電率測定値を第２の所定のしきい値とリアルタイムで比較するステップと、
導電率の値が第２のしきい値を上回っている場合、燃料電池を作動停止させるステップと、を備えていることを特徴とする方法に関する。

本発明は又、本発明の冷却回路を備えた燃料電池に関する。

本発明の他の目的及び他の利点は、以下の図に示された好ましいが非限定的な実施形態についての以下の説明から明確に明らかになろう。

流量センサ及び導電率センサが取り付けられた機械的支持体を示す図である。 本発明のセンサ及び燃料電池制御装置の機能ブロック図である。 図１に示されているような機械的支持体の別の実施形態を示す図である。

本発明は、燃料電池用の冷却回路に関する。この冷却回路は、同一の機械的支持体２に取り付けられた流量センサ及び導電率センサに対応する二重センサ１を含む。この機械的支持体は、冷却回路を挿通させている燃料電池の端子板に取り付けられる。

流量センサは、熱伝導率の変化に敏感である（その影響を受けやすい）センサであり、このセンサは、特に制御された状態で加熱を行う手段及びこの支持体の温度をモニタする手段を備えた支持体を有する。安定した状態では、この温度は、加熱手段からの熱の供給と支持体からの熱のその周囲環境への放散の両方に依存している。熱放散は、それ自体、一方において支持体の温度と周囲環境の温度の差に依存し、他方において、冷却液の熱伝導率に依存している。

かくして、この二重センサ１は、第１の対をなすフィンを有し、各フィンは、冷却液中に浸漬されると共に参照符号４で示されていて、流量測定を行う白金抵抗（サーミスタ）を収容している。第１のフィンのところでは、抵抗を加熱するために電圧が抵抗に印加され、冷却流体の流れがこの抵抗を冷却し、抵抗の冷却度は、流量が増大するにつれて大きくなる。第２のフィンは、冷却流体の温度を測定するために用いられる。印加電圧は、第１の抵抗と冷却流体との一定の温度差を維持するよう調節される。印加電圧の値を測定してこれを用いて流量を定量化する。

しかしながら、幾つかの状況では、可変電圧の印加が電位に関連付けられたガルバニック腐食の問題を生じさせる場合がある。これを回避するため、好ましい実施形態では、ゼロの平均値を有する交番電圧が分圧器ブリッジを介して２つの抵抗に印加される。分圧器ブリッジの２つの側部相互間の電圧差を測定してこれを用いて流量を定量化する。

二重センサ１は、参照符号３で示されていて、導電率を測定する第２の対をなす広いフィンを更に有する。この測定は、電極を形成する２つのフィン相互間のインピーダンスを各時点において測定することによって行われる。２枚の板４が互換性のある機能を有しているので、この場合、これら板には同一の参照符号が与えられている。

図３に示されている別の実施形態では、インピーダンスを測定するために用いられる２つの電極が単一のフィン３‐２に組み込まれている。この形態は、流量測定原理を改変するものではなく、この形態は、システムの一体化又は集積化を容易にする。

流量センサと導電率センサの両方に関し、腐食を生じさせる恐れのある電位の抑制を最大にするために測定を中断させることが可能である。

流量センサと導電率センサの両方について較正が必要である。

好ましくは、二重センサは、フィン３とフィン４が冷却液の動きに対して最小限の抵抗をもたらすよう配向されるように設けられるべきであり、即ち、フィンは、冷却液の流れ方向に整列するよう位置決めされる。

一実施形態では、二重センサの機械的支持体は、外部への冷却液の漏れを阻止するようガスケットを備えている。また、冷却液の漏れを阻止するようフィン３，４と１組の電子コンポーネントの間にシールが設けられるべきである。図１の場合、この封止バリヤは、シリコーンで作られる。フィン３，４は、フィンの敏感な部分が冷却液と接触状態のままであるよう自由にされた状態でこのシリコーン封止バリヤ５に組み込まれている。

幾つかの形態では、このシリコーンガスケットは、完全なシールをもたらさないということが判明している。好ましい実施形態では、シールは、ガスケットが納められている回路に直接印刷された物理的バリヤを用いることによって提供される。

図２は、燃料電池の端子板１０に取り付けられた二重センサ１のブロック図である。この図は、図１ではフィン３又は３‐２中に組み込まれた電極に対応している２つの電極４０及び図１において板４に対応した２つの抵抗３０を示している。

端子板１０は、測定装置３，４から出力された信号を整形するための１組の電子コンポーネントを有する。この組１１により、電極４０相互間で行われるインピーダンス測定結果を信号１１′の状態に整形することができる。組１２により、抵抗３０に印加された電圧の測定結果を信号１２′の状態に整形することができる。

このように状態調節された後、信号１１′，１２′は、セル制御装置内に設けられたマイクロコントローラ１３に送られる。次に、このマイクロコントローラ１３は、流量測定値に対応した信号１２′を１つ又は２つ以上の所定の値と比較する。一実施例では、信号１２′の値が第１の所定の値を下回っている場合、マイクロコントローラは、警報器をトリガして流量の減少をユーザに知らせる。流量が増大しておらず、信号１２′の値がセルの適正な冷却をもたらすために必要な最小流量を表す第２の所定の値を下回っている場合、このことは、セルの劣化の恐れがあることを意味している。と言うのは、冷却がもはや正しく実施されないからである。例示の実施形態では、マイクロコントローラは、この場合、燃料電池を作動停止させる。特定の実施形態では、第１の所定の値は、毎分約１０リットルであり、第２の所定の値は、毎分約５リットルである。

マイクロコントローラ１３は又、導電率測定値に対応した信号１１′を１つ又は２つ以上の所定の値と比較する。かくして、一実施例では、信号１１′の値が第３の所定の値を上回っている場合、マイクロコントローラは、警報器をトリガして導電率の増大をユーザに知らせる。この導電率が減少しておらず、信号１１′の値が燃料電池要素の過度の腐食を回避するための最大許容導電率を表す第４の所定の値を上回っている場合、マイクロコントローラは、例示の実施形態では、燃料電池を作動停止させる。特定の実施例では、第３の値は、１センチメートル当たり約１２マイクロシーメンスであり、第４の値は、１センチメートル当たり約１６マイクロシーメンスである。

本発明により、冷却回路中の動作上の異常を検出し、かくして燃料電池を何らかの損傷が起こる前に作動停止させるよう使用できる燃料電池の冷却回路をモニタできる装置を提案することができる。

Claims (11)

1. 燃料電池用の冷却回路であって、前記冷却回路は、前記燃料電池のバイポーラ板に形成されていて冷却流体の流れを可能にするように構成された少なくとも１つのチャネルを備えると共に前記冷却流体の流量のためのセンサを更に備えている冷却回路において、前記冷却回路は、前記流量センサと同一の機械的支持体に取り付けられた前記冷却流体の導電率のためのセンサを更に備え二重センサが形成されている、
   ことを特徴とする冷却回路。
2. 前記センサは、流量及び導電率の測定をリアルタイムで行うようになっている、
   請求項１記載の冷却回路。
3. 前記冷却流体の前記流量のための前記センサは、２つのフィンと、前記２つのフィン相互間の温度差を測定する手段とを備えている、
   請求項１又は２記載の冷却回路。
4. 前記導電率センサは、２つの電極及び前記２つの電極相互間のインピーダンスを測定する手段を有する、
   請求項１ないし３のいずれか１項に記載の冷却回路。
5. 前記センサにより行われた測定の結果を前記冷却回路が納められている燃料電池の制御装置に送る手段を備えている、
   請求項１ないし４のいずれか１項に記載の冷却回路。
6. 前記二重センサの前記機械的支持体は、外部への冷却流体の漏れを阻止するようガスケットを備えている、
   請求項１ないし５のいずれか１項に記載の冷却回路。
7. 前記センサの前記フィンと前記電極と１組の電子コンポーネントとの間に配置された封止ガスケットを備えている、
   請求項３又は４記載の冷却回路。
8. 前記封止ガスケットは、シリコーンで作られている、
   請求項７記載の冷却回路。
9. 請求項１ないし８のいずれか１項に記載の冷却回路によって冷却される燃料電池を制御する方法であって、
   前記流量センサから出力された流量測定値を第１の所定のしきい値とリアルタイムで比較するステップと、
   前記流量の値が前記第１のしきい値を下回っている場合、前記燃料電池を作動停止させるステップと、を備えている方法。
10. 請求項１ないし５のいずれか１項に記載の冷却回路によって冷却される燃料電池を制御する方法であって、
    前記導電率センサから出力された導電率測定値を第２の所定のしきい値とリアルタイムで比較するステップと、
    前記導電率の値が前記第２のしきい値を上回っている場合、前記燃料電池を作動停止させるステップと、を備えている方法。
11. 燃料電池であって、請求項１ないし８のいずれか１項に記載の冷却回路を有すると共に請求項９又は１０記載の制御方法を実施するようになった制御装置を有する燃料電池。

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