JP4623274B2

JP4623274B2 - 燃料電池現象の測定方法、燃料電池および燃料電池現象の測定装置

Info

Publication number: JP4623274B2
Application number: JP2004277246A
Authority: JP
Inventors: 清市松本; 博行河木
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2004-09-24
Filing date: 2004-09-24
Publication date: 2011-02-02
Anticipated expiration: 2024-09-24
Also published as: JP2006092918A

Description

本発明は、燃料電池現象の測定技術に関するものである。

従来から、燃料電池の内部抵抗が、燃料電池内部の電解質膜の湿潤度の影響を受けることが知られている。例えば、電解質膜が比較的乾燥状態にある場合には、内部抵抗が大きくなり燃料電池の出力電圧が低下する。また、電解質膜が比較的湿潤状態にある場合には、反応物質である酸素と水素との拡散層における拡散が阻害され、やはり出力電圧が低下する。したがって、燃料電池内を流れる生成水の状態変化を把握し、燃料電池の構造や運転条件にフィードバックして、燃料電池の効率的な運用を図ることが望まれている。
ここで、従来の、燃料電池現象を把握するための手法の一例としては、燃料電池の複素インピーダンスを測定し、これに基づき燃料電池内部の水分状態を把握する発明が挙げられる（例えば、特許文献１。）。

特開２００３−８６２２０号公報（〔請求項１〕、図１、図４、図８）

さて、燃料電池の効率的な運用を図るためには、燃料電池内部の生成水に生じている現象（以下、「燃料電池現象」）を、可能な限り詳細に把握する必要がある。しかしながら、従来の手法は、燃料電池の運転中に時々刻々と変化する生成水の状態を、十分に把握するまでには至っていなかった。
本発明は上記課題に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、運転中の燃料電池内部に生じている燃料電池現象を、立体的に把握することが可能な測定技術を提供し、燃料電池の運転効率の向上を図ることにある。

上記課題を解決するための、本発明の請求項１に係る燃料電池は、燃料電池内部を流れる生成水を急速冷凍するための冷媒流通路と、前記生成水の流通路に対し中性子ビームを照射するためのビーム通路となる空間部とを備えるものである。
本発明によれば、冷媒流通路に液体窒素等の冷媒を流通させ、運転状態にある燃料電池内部を流れる生成水を急速冷凍させることにより、運転中の燃料電池現象を凍結時の状態に固定する。そして、空間部を通して、凍結された生成水に中性子ビームを照射することにより、運転中の燃料電池内部のある一瞬における燃料電池現象を正確に把握することが可能となる。

また、本発明の請求項２に係る燃料電池は、請求項１記載の燃料電池において、前記生成水の流通路が、電解質膜と、前記冷媒流通路および前記空間部を備える冷却プレートとの間に配置されていることとした。
この構成によれば、冷却プレートの冷媒流通路を流れる冷媒を介して、生成水の流通路を流れる生成水から急速に熱を奪い、生成水を効率的に冷凍することが可能となる。そして、冷却プレートの空間部を介して、冷凍された生成水に中性子ビームを照射することにより、冷凍された生成水に中性子ビームが到達するまでの間における、中性子の吸収を可能な限り少なくし、冷凍された生成水における中性子の吸収効率を高めることができる。

また、上記課題を解決するための、本発明の請求項３に係る燃料電池現象の測定装置は、請求項１または２記載の燃料電池の、燃料電池現象の測定装置であって、前記冷媒流通路に生成水冷凍用冷媒を供給する冷媒供給手段と、前記冷媒流通路に温冷水を供給する温冷水供給手段と、前記冷媒供給手段および前記温冷水供給手段のいずれか一方を前記冷媒流通路と連通させる切替弁と、中性子ラジオグラフィとを備えることを特徴とするものである。
本発明によれば、冷媒供給手段により燃料電池の冷媒流通路に生成水冷凍用冷媒を供給することで、燃料電池内部を流れる生成水を急速冷凍させることができる。そして、凍結された生成水に対し中性子ビームを照射して、当該凍結された生成水を複数の角度から撮影することにより、当該凍結された生成水の状態を三次元で把握し、測定することができる。また、切替弁を切替えて、温冷水供給手段から燃料電池の冷媒流通路に温冷水を供給することで、凍結された生成水を解凍させることができる。

また、本発明の請求項４に係る燃料電池現象の測定装置は、請求項３記載の燃料電池現象の測定装置において、前記切替弁がヒータを備えることとしたものである。
この構成によれば、燃料電池の冷媒流通路に対し、冷媒供給手段によって冷媒を供給した状態から、温冷水供給手段によって温冷水を供給する状態へと切替えを行う際に、冷媒により冷却された切替弁を、ヒータによって加熱することで、切替弁の切替え動作の円滑性を確保することができる。

さらに、本発明の請求項５に係る燃料電池現象の測定装置は、請求項３または４記載の燃料電池現象の測定装置において、前記中性子ラジオグラフィによる凍結された生成水の三次元測定結果を、生成水の熱膨張係数に基づく体積変化の影響を考慮して補正を行う補正手段を備えるものであであり、運転中の燃料電池のある一瞬における実際の燃料電池現象を、正確に把握することが可能となる。

また、上記課題を解決するための、本発明の請求項６に係る燃料電池現象の測定方法は、請求項３から５のいずれか１項記載の燃料電池現象の測定装置を用いた、燃料電池現象の測定方法であって、運転中の燃料電池内を流れる生成水を急速冷凍させ、中性子ラジオグラフィにより、凍結された生成水に対し中性子ビームを照射して、当該凍結された生成水を複数の角度から撮影した画像に基づき、生成水を三次元測定することを特徴とするものである。
本発明は、燃料電池内を流れる生成水を急速冷凍させて、運転中の燃料電池現象を凍結時の状態に固定する。そして、凍結された生成水に対し、中性子ラジオグラフィにより、中性子ビームを照射し、凍結された生成水を複数の角度から撮影する。そして、複数の画像に基づき、凍結された生成水の状態を三次元で把握し、測定することができる。

また、本発明の請求項７に係る燃料電池現象の測定方法は、請求項６記載の燃料電池現象の測定方法において、前記撮影の後、燃料電池の生成水を解凍し、条件を変更して燃料電池の運転を行い、前記生成水の冷凍および前記撮影を行うこととしたものである。
この構成によれば、燃料電池現象についての測定データの豊富化を図ることが可能となる。
さらに、本発明の請求項８に係る燃料電池現象の測定方法は、請求項６または７記載の燃料電池現象の測定方法において、前記凍結された生成水の三次元測定結果に、生成水の熱膨張係数に基づく体積変化の影響を考慮して補正を行うものであり、運転中の燃料電池のある一瞬における実際の燃料電池現象を、正確に把握することが可能となる。

また、上記課題を解決するための、本発明の請求項９に係る燃料電池現象の測定方法は、請求項１または２記載の燃料電池の、燃料電池現象の測定方法であって、運転中の燃料電池内を流れる生成水を急速冷凍させ、中性子ラジオグラフィにより、凍結された生成水に対し中性子ビームを照射して、当該凍結された生成水を複数の角度から撮影した画像に基づき、生成水を三次元測定することを特徴とするものである。
本発明は、燃料電池内を流れる生成水を急速冷凍させて、運転中の燃料電池現象を凍結時の状態に固定する。そして、凍結された生成水に対し、中性子ラジオグラフィにより、中性子ビームを照射し、凍結された生成水を複数の角度から撮影する。そして、複数の画像に基づき、凍結された生成水の状態を三次元で把握し、測定することができる。

また、本発明の請求項１０に係る燃料電池現象の測定方法は、請求項９記載の燃料電池現象の測定方法において、前記撮影の後、燃料電池の生成水を解凍し、条件を変更して燃料電池の運転を行い、前記生成水の冷凍および前記撮影を行うこととしたものである。
この構成によれば、燃料電池現象についての測定データの豊富化を図ることが可能となる。
さらに、本発明の請求項１１に係る燃料電池現象の測定方法は、請求項９または１０記載の燃料電池現象の測定方法において、前記凍結された生成水の三次元測定結果に、生成水の熱膨張係数に基づく体積変化の影響を考慮して補正を行うものであり、運転中の燃料電池のある一瞬における実際の燃料電池現象を、正確に把握することが可能となる。

本発明はこのように構成したので、運転中の燃料電池内部に生じている燃料電池現象を、立体的に把握することが可能な燃料電池現象の測定技術を提供し、燃料電池の効率の向上を図ることが可能となる。

以下、本発明の実施の形態を添付図面に基づいて説明する。
本発明の実施の形態に係る燃料電池１０は、図１、図２に示すように、電解質膜１２を中心として、拡散層１４、生成水流路兼集電対１６、面圧調整プレート１８、支持台２０、冷却プレート２２、キャップ２４が対称をなすように配置され、各構成部材の間には、適宜、シール材２６、２８、３０、３２が配置された構造を有している。図示の例では、電解質膜１２はフッ素系材料、拡散層１４はカーボン材料、生成水流路兼集電対１６は銅に金メッキを施した材料、シール材２６、２８、３０、３２はフッ素樹脂で構成され、その他の部材は、放射化防止のためにアルミニウムにより構成されている。

ここで、生成水流路兼集電対１６は、図３、図４に示すように、その中央部に生成水の流通路１６ａが形成されている。なお、生成水の流通路１６ａの形状は、必要に応じ様々な形状を採用するものである。
また、図１、図２に示すように、冷却プレート２２の中央には突起部２２ａが形成され、突起部２２ａに空間部２２ｂが、空間部の両側に冷媒流通路２２ｃが各々形成されている。
さらに、支持台２０には、冷却プレート２２の突起部２２ａに対応した凹部２０ａが形成され、かつ、支持台２０の脚部２０ｂにはヒータ３４が内蔵されている。また、支持台２０の脚部２０ｂには、ヒータ３４の放射化を防止するための遮蔽板３６が取り付けられている。図示の例では、遮蔽板はゴムプレートである。
また、記各部を固定するためのボルト３８は、放射化防止のためアルミニウム製であり、ボルト３８と共に用いられるナット、ワッシャーもアルミニウム製である。なお、図１（ａ）にのみ示す回転テーブル４０は、後述するように、中性子ラジオグラフィにより、燃料電池１０に中性子ビームを照射する際に、様々な角度から燃料電池１０の内部を撮影することができるように、燃料電池１０を回転させるものである。

図５には、図１、図２に示す燃料電池１０の、燃料電池現象の測定装置４２の構成を概略的に示している。測定装置４２は、燃料電池１０の冷媒流通路２２ｃ（図１、図２）に生成水冷凍用冷媒を供給する冷媒供給手段４４と、冷媒流通路２２ｃに温冷水を供給する温冷水供給手段４６と、冷媒供給手段４４および温冷水供給手段４６のいずれか一方を、冷媒流通路２２ｃと連通させる切替弁４８と、中性子ラジオグラフィ５０とを備えている。冷媒供給手段４４は、具体的には液体窒素タンク等が該当する。温冷水供給手段は、温冷水タンク等が該当する。
また、切替弁４８にはヒータ５２が設けられている。さらに、中性子ラジオグラフィ５０による、凍結された生成水の三次元測定結果に、生成水の熱膨張係数に基づく体積変化の影響を考慮して補正を行う補正手段５４を備えている。補正手段５４は、具体的には中性子ラジオグラフィや、回転テーブル４０の動作を制御する電子計算機に、かかる補正機能を付加したものである。

ここで、測定装置４２を用いて、燃料電池１０の燃料電池現象を三次元測定する手順を説明する。
（１）まず、燃料電池１０を運転させた状態とし、冷媒供給手段４４が燃料電池１０の冷媒流通路２２ｃと連通するように、切替弁４８を切替える。
（２）そして、冷却プレート２２の冷媒流通路２２ｃに冷媒である液体窒素を流通させ、燃料電池内の生成水の流通路１６ａ（図３、図４）を流れる生成水を、急速冷凍させる。
（３）ここで、中性子ラジオグラフィ５０により、凍結された生成水に対し中性子ビームＰ（図１）を照射して、凍結された生成水を撮影する。この際、回転テーブル４０を回転させて、複数の角度から中性子ビームＰを照射し、複数の角度から撮影を行う。そして、複数の画像を合成することによって、凍結された生成水の状態を立体的に表し、三次元測定する。
（４）なお、ラジオグラフィ５０による凍結された生成水の三次元測定結果は、補正手段５４によって、生成水の熱膨張係数に基づく体積変化の影響を考慮した補正が施される。
（５）また、燃料電池現象についての測定データの豊富化を図る必要がある場合には、ステップ（３）の撮影の後、切替弁４８を、温冷水供給手段４６が燃料電池１０の冷媒流通路２２ｃと連通するように切替える。なお、切替弁４８の切替を行う前に、ヒータ５２によって切替弁４８を加熱しておく。
（６）そして、冷却プレート２２の冷媒流通路２２ｃに温冷水を流通させ、燃料電池内の生成水の流通路１６ａ（図３、図４）内で冷凍された生成水を、解凍させる。
（７）続いて、条件（燃料流量、負荷等）を変更して、燃料電池１０の運転を行い、ステップ（１）〜（４）を繰返す。

上記構成をなす本発明の実施の形態によれば、次のような作用効果を得ることができる。まず、本発明の実施の形態に係る燃料電池現象の測定方法によれば、燃料電池１０内を流れる生成水を急速冷凍させて、運転中の燃料電池現象を凍結時の状態に固定する。そして、凍結された生成水に対し、中性子ラジオグラフィ５０により、中性子ビームＰを照射し、凍結された生成水を複数の角度から撮影することによって、生成水の状態を三次元で把握し、測定することができる。したがって、燃料電池１０の運転中に時々刻々と変化する生成水の状態を、詳細に把握することが可能となり、燃料電池の構造や運転条件に測定結果をフィードバックして、燃料電池１０の効率的な運用を図ることが可能となる。

また、撮影（ステップ（３））の後、燃料電池の生成水を解凍し（ステップ（５））、条件を変更して燃料電池の運転を行い（ステップ（６））、生成水の冷凍および撮影（ステップ（１）〜（３））を行うことにより、燃料電池現象についての測定データの豊富化を図ることが可能となる。そして、燃料電池の構造や運転条件に測定結果をフィードバックすることにより、燃料電池１０の効率的な運用を図ることが可能となる。
しかも、凍結された生成水の三次元測定結果に、生成水の熱膨張係数に基づく体積変化の影響を考慮して補正を行う（ステップ（４））ことにより、冷凍状態の生成水から、運転中の燃料電池１０の、ある一瞬における実際の燃料電池現象を、正確に把握することが可能となる。

また、燃料電池１０は、冷媒流通路２２ｃと、中性子ビームＰを照射するためのビーム通路となる空間部２２ｂとを備えることから、冷媒流通路２２ｃに液体窒素を流通させ、運転状態にある燃料電池１０の内部を流れる生成水を急速冷凍させることができる。そして、空間部２２ｂを通して、凍結された生成水に中性子ビームＰを照射することにより、運転中の燃料電池１０内部の、ある一瞬における燃料電池現象を正確に把握することが可能となる。

しかも、図２に示すように、生成水流路兼集電対１６の生成水の流通路１６ａ（図３、図４）が、電解質膜１２と、冷媒流通路２２ｃおよび空間部２２ｂを備える冷却プレート２２との間に配置されていることから、冷却プレート２２の冷媒流通路２２ｃを流れる液体窒素を介して、生成水の流通路１６ａを流れる生成水から急速に熱を奪い、生成水を効率的に冷凍することが可能となる。そして、冷却プレート２２の空間部２２ｂを介して、冷凍された生成水に中性子ビームＰを照射することにより、冷凍された生成水に中性子ビームＰが到達するまでの間における、中性子の吸収を可能な限り少なくし、冷凍された生成水における中性子の吸収効率を高めることができる。したがって、冷凍された生成水の鮮明な画像を得ることが可能となり、高精度の測定結果を得ることが可能となる。

また、測定装置４２は、冷媒供給手段４４により燃料電池１０の冷媒流通路２２ｃに冷媒を供給することで、燃料電池１０の内部を流れる生成水を急速冷凍させることができる。そして、中性子ラジオグラフィ５０により、凍結された生成水に対し中性子ビームＰを照射して、凍結された生成水を複数の角度から撮影することにより、凍結された生成水の状態を三次元で把握し、測定することができる。また、切替弁４８を切替えて、温冷水供給手段４６から燃料電池の冷媒流通路２２ｃに温冷水を供給することで、凍結された生成水を解凍させることができる。なお、温冷水は、運転中の燃料電池１０の温度管理にも用いることが可能である。

また、燃料電池１０の冷媒流通路２２ｃに対し、冷媒供給手段４４によって冷媒を供給した状態から、温冷水供給手段４６によって温冷水を供給する状態へと切替えを行う際に、冷媒により冷却された切替弁４８を、ヒータ５２によって加熱することで、切替弁４８の切替え動作の円滑性を確保することができる。
しかも、中性子ラジオグラフィ５０による凍結された生成水の三次元測定結果を、補正手段５４によって、生成水の熱膨張係数に基づく体積変化の影響を考慮して補正を行うことにより、冷凍された生成水から、運転中の燃料電池のある一瞬における実際の燃料電池現象を、正確に把握することが可能となる。

なお、本発明の実施の形態においては、燃料電池１０は、一つのセル１１（図２）のみ備えるものであるが、スタック構造の燃料電池に対しても、上記と同様の冷却及び解凍機能を持たせることによって、上記と同様の測定手順で、燃料電池現象の測定を行うことが可能となる。
また、本発明の実施の形態に係る燃料電池１０は、中性子ビームＰによる放射化を防ぐために、アルミニウム材料を多用した構成を有しているが、通常の材料を用いた燃料電池についても、当然に測定対象とすることが可能となる。

本発明の実施の形態に係る燃料電池を示すものであり、（ａ）は断面図、（ｂ）は側面図である。図１に示す燃料電池の分解断面図である。図１に示す燃料電池の、生成水流路兼集電対を示す側面図である。図３のＡ−Ａ線における断面形状を、拡大して示したものである。図１示す燃料電池の、燃料電池現象の測定装置の構成を概略的に示すブロック図である。

１０：燃料電池、１２：電解質膜、１６：流路兼集電対、１６ａ：生成水の流通路、２２：冷却プレート、２２ｂ：空間部、２２ｃ：冷媒流通路、３４：ヒータ、４２：測定装置、４４：冷媒供給手段、４６：温冷水供給手段、４８：切替弁、５０：中性子ラジオグラフィ、５２：ヒータ、５４：補正手段

Claims

燃料電池内部を流れる生成水を急速冷凍するための冷媒流通路と、前記生成水の流通路に対し中性子ビームを照射するためのビーム通路となる空間部とを備えることを特徴とする燃料電池。
前記生成水の流通路が、電解質膜と、前記冷媒流通路および前記空間部を備える冷却プレートとの間に配置されていることを特徴とする請求項１記載の燃料電池。
請求項１または２記載の燃料電池の、燃料電池現象の測定装置であって、前記冷媒流通路に生成水冷凍用冷媒を供給する冷媒供給手段と、前記冷媒流通路に温冷水を供給する温冷水供給手段と、前記冷媒供給手段および前記温冷水供給手段のいずれか一方を前記冷媒流通路と連通させる切替弁と、中性子ラジオグラフィとを備えることを特徴とする燃料電池現象の測定装置。
前記切替弁がヒータを備えることを特徴とする請求項３記載の燃料電池現象の測定装置。
前記中性子ラジオグラフィによる凍結された生成水の三次元測定結果に、生成水の熱膨張係数に基づく体積変化の影響を考慮して補正を行う補正手段を備えることを特徴とする請求項３または４記載の燃料電池現象の測定装置。
請求項３から５のいずれか１項記載の燃料電池現象の測定装置を用いた、燃料電池現象の測定方法であって、運転中の燃料電池内を流れる生成水を急速冷凍させ、中性子ラジオグラフィにより、凍結された生成水に対し中性子ビームを照射して、当該凍結された生成水を複数の角度から撮影した画像に基づき、生成水を三次元測定することを特徴とする燃料電池現象の測定方法。
前記撮影の後、燃料電池の生成水を解凍し、条件を変更して燃料電池の運転を行い、前記生成水の冷凍および前記撮影を行うことを特徴とする請求項６記載の燃料電池現象の測定方法。
前記凍結された生成水の三次元測定結果に、生成水の熱膨張係数に基づく体積変化の影響を考慮して補正を行うことを特徴とする請求項６または７記載の燃料電池現象の測定方法。
請求項１または２記載の燃料電池の、燃料電池現象の測定方法であって、運転中の燃料電池内を流れる生成水を急速冷凍させ、中性子ラジオグラフィにより、凍結された生成水に対し中性子ビームを照射して、当該凍結された生成水を複数の角度から撮影した画像に基づき、生成水を三次元測定することを特徴とする燃料電池現象の測定方法。
前記撮影の後、燃料電池の生成水を解凍し、条件を変更して燃料電池の運転を行い、前記生成水の冷凍および前記撮影を行うことを特徴とする請求項９記載の燃料電池現象の測定方法。
前記凍結された生成水の三次元測定結果に、生成水の熱膨張係数に基づく体積変化の影響を考慮して補正を行うことを特徴とする請求項９または１０記載の燃料電池現象の測定方法。