JP2018506143A - 燃料電池におけるイオン交換膜の湿度を測定するシステム - Google Patents

Abstract

本発明は、バイポーラプレートによって分離した、自然数をＮとするＮ個の電気化学セルを含む燃料電池スタックにおけるイオン交換膜の含水量を測定するシステムであって、− 燃料電池スタックに電流を付与することができる電流発生器と、− セルの電圧を測定する装置と、− 電流発生器によって電流が付与された時に、測定装置によって測定された対応するセルの端子の電圧リップルに従って膜のインピーダンスを求める手段と、を備え、上記手段が、セルの電圧を測定する装置内に取り付けられたシステムに関する。【選択図】図２

Description

本発明は、燃料電池スタックの分野に関し、特にこのようなスタックをモニタするシステムに関する。具体的には、本発明は、燃料電池スタックにおける電圧を測定する装置に関する。

燃料電池スタックは、数多くの用途においてますます成果を上げている。これらは、バッテリタイプの電気化学的蓄電池よりも軽量のクリーンな発電器を構成して高い効率レベルを示すので、電気車両の開発に関連して自動車業界の関心が特に高い。

燃料電池スタックでは、一方の電極における水素などの燃料の酸化と、もう一方の電極における酸素などの酸化剤の還元とが相まった二重化学反応によって電気が生み出される。従って、一般に燃料電池スタックは陽極と陰極とを含み、これらの間に膜が位置して膜電極接合体（ＭＥＡ）を形成する。様々なタイプの膜を使用することができ、例えばフッ素化高分子膜が知られている。

化学反応を生じさせるには、膜がプロトンを良好に伝導することが必要である。ところで、このプロトン伝導は、膜の含水量が増えるにつれて向上する。しかしながら、液体水は気体の通過を妨げることがあるので、この水分が過剰にならないように保証することも必要である。従って、これらの側面を踏まえると、燃料電池スタックの動作中の膜の含水量をモニタできることが有利と思われる。

さらに、燃料電池スタックを極低温条件下で使用する際には、その後の低温始動を容易にするように、燃料電池スタックの停止時に膜を乾燥させると有利であることが観察されている。具体的に言えば、膜は、スタックが非常に寒い環境内に存在する際に水が凍結しない唯一の「隠れ家」をスタック内に構成する。水は、スタックコアの他の全ての構成要素に接触すると直ちに凍結して、スタックの動作を妨げる閉塞物を形成する。この蓄電池を利用できるようにするには、水分を吸収できることが必要である（膜には、「吸水能力［ｍｇ／ｃｍ²］」と呼ばれる限られた吸水容量、従って低温始動前に膜を乾燥させるという要件がある）。従って、燃料電池スタックの停止後に膜の含水量を測定できることも有利である。

先行技術では、燃料電池スタックの含水量を測定する様々な手段が知られている。しかしながら、これらの既知の手段は、他のあらゆる機能と無関係であり、従って既に多くの測定装置及び／又は管理装置を含んでいる燃料電池スタックシステムに追加的に導入する必要がある。

従って、本発明の目的は、この短所を改善できる測定システムを提供することである。

従って、本発明は、バイポーラプレートによって分離した、自然数をＮとするＮ個の電気化学セルを含む燃料電池スタックにおけるイオン交換膜の含水量を測定するシステムであって、
− 燃料電池スタックに電流を付与することができる電流発生器と、
− セルの電圧を測定する装置と、
− 電流発生器によって電流が付与された時に、測定装置によって測定された対応するセルの端子の電圧リップルに従って膜のインピーダンスを求める手段と、
を含み、この手段が、セルの電圧を測定する装置内に取り付けられたシステムに関する。

燃料電池スタックの、具体的にはＰＥＭＦＣタイプの膜は、固体高分子層である。また、固体の含水量が高ければ高いほど、そのインピーダンスは低くなることが分かっている。従って、膜に電流を通して、結果として得られる電圧リップルを測定することにより、膜の抵抗、従ってその含水量を求めることができる。

さらに、セルの電圧を測定する装置内にインピーダンスを求める手段を直接取り付けることによって取り付けが単純になり、従って燃料電池スタックシステムの構成を過度に複雑にすることなく同一のシステム内に複数の機能を組み込むことができる。

１つの有利な実施形態では、電流発生器が、１０００ヘルツの周波数の電流を付与する。この実施形態では、活性表面積が２００ｃｍ²のセルにつき、膜の抵抗が約２．５ミリオームである場合、すなわち１６個のセルのスタックでは４０ミリオームである場合に、膜の含水量は十分に低い。

従って、本発明は、バイポーラプレートによって分離した、自然数をＮとするＮ個の電気化学セルを含む燃料電池スタックにおけるセルの電圧を測定する装置であって、このシステムは、
− 少なくとも２つの電圧測定モジュールと、
− 電子コンピュータと、
− 少なくとも２つの測定装置をコンピュータに直列に接続する有線通信バスと、
を含み、電圧測定モジュールの各々が、燃料電池スタックの隣接セルの組のＭ個の電圧を測定することができ、ＭはＮ／２以下の自然数であり、第１のモジュールによって測定される一群のセルは、第２のモジュールによって測定される一群のセルに隣接し、測定モジュールの各々が、
− モジュールを燃料電池スタックに締結する機械的手段と、
− 電圧を測定する電子的手段と、
− バイポーラプレートを、電圧を測定する少なくとも１つの電子的手段に接続する電気的手段と、
− 電圧を測定する電子的手段を通信バスに接続する手段と、
を含む装置に関する。

また、モジュールを燃料電池スタックに締結する機械的手段と、電気的接続手段とは、組み合わされることが好ましい。従って、１つの特定の実施形態では、これらの手段が、機械的接続と電気的接続の両方を形成できる、例えばＦａｓｔｏｎ（登録商標）タイプの雌端子などの端子を含む。これらの雌端子は、スタックのバイポーラプレート上に形成された、接続を行うことができる金属ラグを把持するように構成された２つの金属部分を含む。

本発明の１つの特定の実施形態では、電圧を測定する各電子的手段が、２つの隣接セルの電圧を測定する。具体的には、燃料電池スタックの電気化学セルの厚みが小さいことを考えると、各セルの個々の電圧を測定する手段を取り付けることは人間工学的に実施が困難であると分かっている。さらに、測定手段は、２つのセルに対して測定を行えば各セルの状態のモニタリングが可能になるほど十分に高感度であることが分かっている。従って、１つの特定の実施形態では、１つのモジュールが、１６個のセルの組について８回の電圧測定を達成する。

本発明の１つの特定の実施形態では、有線通信バスが、本発明の装置などの装置の文脈において有用なロバスト性の特徴を示すＣＡＮＲ（コントローラエリアネットワーク）シリアルバスである。別の特定の実施形態では、１２Ｃバスが使用される。

さらに、本発明の別の特定の実施形態では、測定装置が、有線通信バスと燃料電池スタックとの間に少なくとも１つのガルバニック絶縁装置を含む。このような装置は、例えばオプトカプラを含む。具体的に言えば、燃料電池スタックは、直列に接続されたセルで構成され、従って各測定モジュールは、その燃料電池スタック上の位置に依存して、燃料電池スタックの陰極に対して異なる電位にある。従って、測定手段と共通の通信バスとの間にガルバニック絶縁を実装する必要がある。

本発明の別の特定の実施形態では、各測定モジュールが、他のモジュールとは異なるアドレス又はコードを含む。具体的には、後述するように、これによって電子コンピュータが、様々なモジュールに測定を求める要求を処理できるようになる。

電子コンピュータは、装置によって行われる測定を管理するために使用される。電子コンピュータは、これを行うために、有線通信バスを介してモジュールと通信し、同じ手段による測定結果を受け取る。本出願の残り全体を通じて、このコンピュータをコントローラと呼ぶが、この用語の範囲を特定のタイプの構成要素に限定するものではない。

以下の図に示す以下の好ましい、ただし非限定的な実施形態についての説明では、本発明の他の目的及び利点が明らかになるであろう。

本発明による装置との関連で使用するモジュールのブロック図である。 本発明による、４つの測定モジュールを含む装置を示す図である。

図１に、本発明によるシステムに実装される電圧測定装置の機能的アーキテクチャの例を示す。

モジュール１は、９つのバイポーラプレートに接続されることによって９つの電位Ｖ０〜Ｖ８の測定を可能にする。これらの測定結果は、アナログ−デジタル変換器１１によって受け取られる。この変換器は、例えば０．５ボルトに等しい基準値１２に関連することにより、アセンブリ１０によって送信された測定結果の比較を可能にする。その後、マイクロコントローラ１６が２つの連続する電圧測定値の差分を求めることによって、測定されたセルの端子に存在する８つの電圧が計算される。

アナログ−デジタル変換器１１は、正電圧しか変換することができない。しかしながら、本発明の１つの実施形態では、負電圧も同様に測定できることによって、特に水素の供給が不十分なことに起因するセルの逆転を検出できることが望ましい。これを克服ために、変換器１１は、変換前に測定電圧にオフセット電圧が適用されるようにする装置１３にも接続される。

測定値が変換されると、この結果がデータバス１４に送信される。このバスは、例えば１２Ｃ（集積回路間）バス又はＣＡＮＲバスである。このデータバス１４は、データを第２のデータバス１５に送り、その後にこのデータバス１５が汎用コントローラ２０（図２を参照）にデータを送る。バス１４及び１５が同じタイプのものでない場合には、バス１５によってサポートされるフォーマットにデータを変換できるマイクロコントローラ１６を設けることが有利である。さらに、燃料電池スタックに存在する高電圧がバス１５に伝播していくつかの構成要素に損傷を与えるのを防ぐために、例えばオプトカプラなどのガルバニック絶縁装置１７を設けることが有利である。

モジュール１全体には、バス１５によって電力が供給される。この目的のために、モジュール内には電圧−電圧変換器１８が取り付けられて、主要構成要素に接続される。１つの好ましい実施形態では、上述した問題を避けるために、この変換器もガルバニック絶縁装置を含む。

図２には、本発明による、図１の実施形態による複数の測定装置を実装するシステムの例示的な実施形態を示しており、以下、これらの装置を「モジュール」と呼ぶ。

この装置は、４つのモジュール１９ａ、１９ｂ、１９ｃ及び１９ｄを含む。各モジュールは、これらをコントローラ２０にリンクするバス１５に接続される。ここに示すモジュールの数は一例であり、限定ではない。各モジュールは、燃料電池スタック３０の８つのセルにリンクされる。これらのリンクは、単純化のために図示していない。８つの入力部を有する変換器を使用する場合、４つのモジュールを含む装置は、３２の電圧の測定を可能にする。従って、２つのセルから成るグループ毎にセル電圧を測定する場合、この装置は、６４個のセルのスタック上で使用することができる。各モジュールは、モジュール同士を区別できるアドレス２１を有する。例えば、このアドレスは、３つの状態を有する３つのビットで符号化され、各ビットを表す電気的接続を可能にする半田ポットを用いて各モジュールに物理的に刻まれる。

コントローラ２０は、測定装置の動作を管理し、特に測定を命令する部材である。具体的に言えば、電圧測定結果は、常にコントローラに送信されるのではなく、要求時にのみ送信される。

要求がない場合、モジュールは、対応するリンク２２ａ、２２ｂ、２２ｃ及び２２ｄを介してバス１５から、モジュールが要求を受け取って関連するかどうかを判断できるようにする保持電流のみを取り出す。しかしながら、要求がない場合には変換器１１は作動せず、従って変換は行われない。

測定が必要な場合、コントローラ２０は、最初にバスを介して、モジュールのアドレスと、電圧を受け取ることが望ましいセルの位置とを含む要求を送信する。アドレス指定されたモジュールは、要求を受け取ると、待機状態を離脱してバス１５から大電流を引き込む。

次に、このモジュールは、既に変換されて変換器１１に記憶されている値を読み出し、その後の要求中に使用するための新たな変換をトリガする。その後、この読み出された値は、リンク２３ａ〜２３ｄのうちの対応するリンクを介してバス１５に転送された後に、コントローラ２０に通信される。

従って、スタックのコントローラ２０は、受け取った測定値に従って、電圧がロックされておらず、従来の動作領域外には存在しないと判断することができる。障害が検出された場合には、あらゆる危険な誤動作を防ぐためにスタックを停止させることが有用となり得る。

従って、本発明による装置は、単純性及び信頼性という必要な需要を明らかに満たす。具体的に言えば、バス１５は、モジュールへのデータの通信と電力の供給の両方の役割を果たすことにより、たとえスタックが誤動作した場合でも継続的な測定値の取得を可能にする。

図２に示すシステムは、インピーダンスを測定するための、参照番号５０を有する１ｋＨｚの電流発生器を含む。この電流は、スタック３０のパワーポール（ｐｏｗｅｒ ｐｏｌｅ）に付与される。ここでは、スタックが１６個のセルを有すると仮定する。さらに大型のスタックの場合には、電流発生器が、電圧測定モジュールの数とは無関係にスタックのエンドポール（ｅｎｄ ｐｏｌｅ）に接続される。スタック３０の端子に存在し得る、電圧発生器を構成するＤＣ電圧から電流発生器５０を切り離すために、電流発生器５０とスタック３０のポールとの間にはコンデンサ４０が直列に接続される。

インピーダンスを測定するために、セルの端子に存在する１０００Ｈｚの交流電圧成分を使用する。従って、電圧測定装置は、この電圧リップルを測定できるほど十分に高速でなければならない。実際には、この電圧測定装置は、少なくとも１０ｋＨｚの周波数で測定を行えなければならない。スタックの端子において注入される１ｋＨｚの電流によって誘発される電圧リップルは、インピーダンスと共に増加する。インピーダンスは、１ｋＨｚの電圧成分を、注入された１ｋＨｚの電流値で除算することによって、電圧測定モジュール毎に求められる。その後、各モジュールが示すインピーダンスを加算することによってスタックの全体的なインピーダンスが計算される。この１ｋＨｚの電流によって誘発される電圧リップルは、スタックによって生じる直流が低い時又はゼロの時にはさらに感度が高く、測定の精度が高い。しかしながら、一般にスタックは、燃料電池スタックの非動作時又は低電流での動作時には乾燥している。

電圧測定は、各２つのセルから成るグループにおいて行われるので、電圧測定装置を用いてインピーダンスを求めることに関連する別の利点は、各２つのセルから成るグループの含水量レベルを特定できる点である。このことは、スタック内の含水量の均一性を求めるために有利となり得るが、一般に行われるようなスタックのポールにおける全体的なインピーダンスの測定は、含水量の均一性についての指標を何も示さない。このことは、乾燥時におけるマニホールド内の損失水頭に起因して含水量に関する均一性の欠如が起きやすい数十個のセルから成るスタックにとって特に有利である。スタック全体ではなく、含水量の最も高い２つのセルから成るグループのためのインピーダンス基準を設定することも有利となり得る。具体的に言えば、低温始動中に膜の含水量がスタック内で不均一な場合、含水量の最も高い膜は、低温始動の成功を制限する要因になるリスクを伴う。

コスト的な理由から、電圧測定装置は、スタック全体を通じて取り付けるのではなく、モニタリングを必要とする最も高感度な領域、一般的には端部のみに取り付けることができる。この構成では、電圧測定装置が設けられたセルのみでインピーダンス測定が行われる。この場合、低温始動に備えて乾燥させる際に、モニタするセルの数に目標インピーダンス基準を適合させれば十分である。単純化のために、一方ではスタックの端子において１ｋＨｚの電流を注入し、従って全てのセルを通過させることもでき、たとえこれらをモニタしていなくても特段の問題は生じない。

１５ データバス
１９ａ〜１９ｄ モジュール
２０ コントローラ
２１ アドレス
２２ａ〜２２ｄ リンク
２３ａ〜２３ｄ リンク
３０ スタック
４０ コンデンサ
５０ 電流発生器

Claims (10)

1. バイポーラプレートによって分離されたＮ個の電気化学セルを含む燃料電池スタックにおけるイオン交換膜の含水量を測定するシステムであって、Ｎは自然数であり、
   − 前記燃料電池スタックに電流を付与することができる電流発生器と、
   − 前記セルの電圧を測定する装置と、
   − 前記電流発生器によって電流が付与された時に、前記測定装置によって測定された対応するセルの端子の電圧リップルに従って膜のインピーダンスを求める手段と、
   を備え、前記手段は、前記セルの電圧を測定する前記装置内に取り付けられる、
   ことを特徴とするシステム。
2. 前記電流発生器は、１０００ヘルツの周波数の電流を付与する、
   請求項１に記載のシステム。
3. 前記セルの電圧を測定する前記装置は、
   − 少なくとも２つの電圧測定モジュール（１、２）と、
   − 電子コンピュータと、
   − 前記少なくとも２つの測定装置を前記コンピュータに直列に接続する有線通信バスと、
   を備え、前記電圧測定モジュールの各々は、前記燃料電池スタック（３２）の隣接セルの組のＭ個の電圧を測定することができ、ＭはＮ／２以下の自然数であり、前記第１のモジュールによって測定される前記一群のセルは、前記第２のモジュールによって測定される前記一群のセルに隣接し、前記測定モジュールの各々は、
   − 前記モジュールを前記燃料電池スタック（３０）に締結する機械的手段と、
   − 電圧を測定する電子的手段と、
   − 前記バイポーラプレートを、前記電圧を測定する少なくとも１つの電子的手段に接続する電気的手段と、
   − 前記電圧を測定する電子的手段を前記通信バスに接続する手段と、
   を含む、
   請求項１又は２に記載のシステム。
4. 前記電圧を測定する電子的手段の各々は、２つの隣接セルの電圧を測定する、
   請求項１から３の１項に記載のシステム。
5. 前記電気的接続手段は、機械的締結手段としても使用できる端子を含む、
   請求項１から４の１項に記載のシステム。
6. 前記電気的接続手段は、前記バイポーラプレート上に位置する金属ラグと相互作用するように構成される、
   請求項５に記載のシステム。
7. 前記有線通信バスと前記燃料電池スタックとの間に少なくとも１つのガルバニック絶縁装置をさらに備える、
   請求項１から６の１項に記載のシステム。
8. 前記ガルバニック絶縁装置は、オプトカプラを含む、
   請求項５に記載のシステム。
9. 各電圧測定モジュールは、他のモジュールとは異なるアドレスを含む、
   請求項１から８の１項に記載のシステム。
10. Ｍは８に等しい、
    請求項１から９の１項に記載のシステム。

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