JP4862264B2 - 燃料電池システム - Google Patents

Description

本発明は、水素と酸素との電気化学反応により電気エネルギを発生させる燃料電池を備える燃料電池システムに関するもので、車両、船舶およびポータブル発電機等の移動体用発電機、あるいは家庭用発電機に適用して有効である。

従来より、燃料電池の冷却水入口側と出口側で冷却水の温度を測定して、これらの冷却水温度に差があった場合には、燃料電池内の温度を均一化するために、冷却水ポンプの駆動力を増加させるように冷却水流量を制御する燃料電池システムが提案されている。（例えば、特許文献１参照）。

また、燃料電池の冷却水入口側と出口側で冷却水の温度を測定して、低温起動時にこれらの冷却水温度差をみて燃料電池内の冷却水の流通方向を切り替える燃料電池システムが提案されている（例えば、特許文献２参照）。
特開平１０−３４０７３４号公報 特開２００４−６３１１８号公報

しかしながら、上記特許文献１および上記特許文献２に記載の発明では、燃料電池の冷却水入口側と出口側の冷却水温度を検出するためには、温度センサが２個必要となり、構成が複雑化するという問題がある。

ところで、本出願人は、先に電気エネルギを放出するセルを備える電力機器のセル内の局所電流を測定可能にする局所電流測定装置を提案している（特願２００３−３３１７１３）。このような局所電流測定装置は、ホール素子等を用いて磁束密度を検出して電圧出力する方式になっており、温度依存性がある。このため、温度補正を行うために温度センサを併用して用いることが多い。

しかしながら、燃料電池のセル面内は発電位置により温度が異なるため、複数位置の電流を検出する際、複数の温度センサが必要となり構成が複雑化するという問題がある。

本発明は、上記点に鑑み、セル面内の温度分布を推定することが可能な燃料電池システムを提供することを目的とする。

さらに、簡易な構成で局所電流測定装置の温度補正をすることが可能な燃料電池システムを提供することを他の目的とする。

上記目的を達成するため、請求項１に記載の発明では、酸化剤ガスと燃料ガスとの電気化学反応により電気エネルギを発生させるとともに、冷却媒体が通過する冷却媒体流路（１３０）が設けられたセル（１００）を有する燃料電池（１０）と、冷却媒体流路（１３０）に冷却媒体を送り出す冷却媒体ポンプ（４１）と、冷却媒体流路（１３０）に流入する冷却媒体または冷却媒体流路（１３０）から流出する冷却媒体のどちらか一方の温度を検出する冷却媒体温度検出手段（４６）と、燃料電池（１０）の発電量と冷却媒体ポンプ（４１）の回転数とから、冷却媒体流路（１３０）に流入する冷却媒体と冷却媒体流路（１３０）から流出する冷却媒体との温度差を推定する冷却媒体温度差推定手段（５０）と冷却媒体温度差推定手段（５０）により推定された温度差と冷却媒体温度検出手段（４６）により検出された冷却媒体の温度とから、冷却媒体流路（１３０）内における冷却媒体温度分布を推定する冷却媒体温度分布推定手段（５０）とを備え、セル（１００）は、電解質膜を有するＭＥＡ（１０１）と、酸化ガスが流れる酸化ガス流路（Ａ）が一方の面側に形成されるとともにＭＥＡ（１０１）の一方の面側に酸化ガス流路（Ａ）を対向させて配置された酸化ガス側セパレータ（１１０）と、燃料ガスが流れる燃料ガス流路（Ｂ）が一方の面側に形成されるとともにＭＥＡ（１０１）の他方の面側に燃料ガス流路（Ｂ）を対向させて配置された燃料ガス側セパレータ（１２０）とを有しており、冷却媒体流路（１３０）は、酸化ガス側セパレータ（１１０）の他方の面側および燃料ガス側セパレータ（１２０）の他方の面側に形成されているとともに、当該冷却媒体流路（１３０）内の冷却媒体が一定の傾きをもつ温度勾配を伴うように構成されており、冷却媒体温度差推定手段（５０）は、温度勾配、冷却媒体温度差推定手段（５０）により推定された温度差、および冷却媒体温度検出手段（４６）により検出された冷却媒体の温度から、冷却媒体流路（１３０）内における冷却媒体温度分布を推定することを特徴としている。

冷却媒体流路（１３０）内の冷却媒体温度とセル（１００）面内の温度は、ほぼ同じであると考えられる。このため、冷却媒体流路（１３０）内における冷却媒体温度分布を推定することで、これに対応するセル（１００）面内の温度分布を推定することができる。

また、燃料電池（１０）の発電量と冷却媒体ポンプ（４１）の回転数から、冷却媒体流路（１３０）に流入する冷却媒体と流出する冷却媒体との温度差を推定することで、冷却媒体温度検出手段（４６）を冷却媒体流路（１３０）の入口側または出口側のどちらか一方のみに設けるだけで、冷却媒体流路（１３０）内の冷却媒体温度分布を推定することができる。このため、簡易な構成でセル（１００）面内の温度分布を推定することが可能となる。

また、請求項２に記載の発明では、セル（１００）内の冷却媒体流路（１３０）における一部の部位の電流である局所電流を測定する局所電流測定手段（６０）と、冷却媒体流路（１３０）内における冷却媒体温度分布に基づいて、局所電流測定手段（６０）が局所電流を測定する部位の温度を推定する局所電流測定部位温度推定手段（５０）と局所電流測定部位温度推定手段（５０）により推定された局所電流測定部位の温度を用いて、局所電流測定手段（６０）にて測定した局所電流の値を補正する局所電流値補正手段（５０）とを備え、局所電流測定手段（６０）は、磁気センサ（６０４）を有しているとともに、局所電流が流れることによって発生した磁界の強さを磁気センサ（６０４）にて測定することにより局所電流を測定することを特徴としている。

これにより、温度補正用の温度センサを別に設ける必要がなくなるため、簡易な構成で局所電流測定手段（６０）の温度補正をすることが可能となる。

なお、上記各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示すものである。

以下、本発明の一実施形態について図１〜図８に基づいて説明する。図１は本実施形態に係る燃料電池システムを示す模式図で、この燃料電池システムは例えば電気自動車に適用される。

図１に示すように、本実施形態の燃料電池システムは、水素と酸素との電気化学反応を利用して電力を発生する燃料電池１０を備えている。この燃料電池１０は、電気負荷（図示せず）等の電気機器に電力を供給するものである。因みに、電気自動車の場合、車両走行駆動源としての電動モータが電気負荷に相当している。

本実施形態では燃料電池１０として固体高分子電解質型燃料電池を用いており、基本単位となる燃料電池セル１００が複数個積層され、且つ電気的に直列接続されている。燃料電池１０では、以下の水素と酸素の電気化学反応が起こり電気エネルギが発生する。

（負極側）Ｈ_２→２Ｈ^＋＋２ｅ⁻
（正極側）２Ｈ^＋＋１／２Ｏ_２＋２ｅ⁻→Ｈ_２Ｏ
そして、各セル毎の出力電圧を検出する電圧センサ１１と出力電流値を検出する電流センサ１２が設けられている。電圧センサ１１および電流センサ１２は、それぞれのセンサ信号を後述する燃料電池制御部５０に出力する。

燃料電池システムには、燃料電池１０の空気極（正極）側に空気（酸素）を供給するための空気流路２０と、燃料電池１０の水素極（負極）側に水素を供給するための水素流路３０が設けられている。ここで、空気流路２０における燃料電池１０より上流側を空気供給流路２０ａといい、下流側を空気排出流路２０ｂという。また、水素流路３０における燃料電池１０より上流側を水素供給流路３０ａといい、下流側を水素循環流路３０ｂという。なお、空気は本発明の酸化剤ガスに相当し、水素は本発明の燃料ガスに相当している。

空気供給流路２０ａの最上流部には、大気中から吸入した空気を燃料電池１０に圧送するための空気ポンプ２１が設けられ、空気供給流路２０ａにおける空気ポンプ２１と燃料電池１０との間には、空気への加湿を行う加湿器２２が設けられている。空気排出流路２０ｂには、燃料電池１０内の空気の圧力を調整するための空気調圧弁２３が設けられている。

水素供給流路３０ａの最上流部には、水素が充填された高圧水素タンク３１が設けられ、水素供給流路３０ａにおける高圧水素タンク３１と燃料電池１０との間には、燃料電池１０に供給される水素の圧力を調整するための水素調圧弁３２が設けられている。

水素循環流路３０ｂは、水素供給流路３０ａにおける水素調圧弁３２の下流側に接続されて閉ループに構成されており、これにより水素流路３０内で水素を循環させて、未反応の水素を燃料電池１０に再供給するようにしている。そして、水素循環流路３０ｂには、水素流路３０内で水素を循環させるための水素ポンプ３３と、燃料電池１０から排出される窒素や水蒸気を含む未反応水素を外部に排出する排気バルブ３４が設けられている。

燃料電池１０は発電に伴い熱を生じる。このため、燃料電池システムには、燃料電池１０を冷却して作動温度が電気化学反応に適した温度（例えば８０℃程度）となるようにする冷却システム４０〜４６が設けられている。

冷却システムには、燃料電池１０に冷却水（冷却媒体）を循環させる冷却水循環流路４０、冷却水を循環させるウォータポンプ４１、ファン４２を備えたラジエータ４３が設けられている。燃料電池１０で発生した熱は、冷却水を介してラジエータ４３で系外に排出される。冷却水循環流路４０には、冷却水をラジエータ４３をバイパスさせるバイパス経路４４が設けられている。冷却水循環流路４０とバイパス経路４４との合流点には、ラジエータ４３に流れる冷却水とバイパス経４４に流れる冷却水の流量比を調整する流量調整弁４５が設けられている。冷却水循環流路４０におけるラジエータ４３の上流側には、後述する冷却水流路溝１３０から流出する冷却水温度を検出するための温度センサ４６が設けられている。なお、ウォータポンプ４１が本発明の冷却媒体ポンプに相当し、温度センサ４６が冷却媒体温度検出手段に相当している。

燃料電池制御部（ＦＣ−ＥＣＵ）５０は、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ等からなる周知のマイクロコンピュータとその周辺回路にて構成されている。そして、燃料電池制御部５０には、電圧センサ１１、電流センサ１２、温度センサ４６からのセンサ信号および後述する局所電流測定装置６０からの電流信号が入力される。

また、燃料電池制御部５０は、演算結果に基づいて、空気ポンプ２１、加湿器２２、空気調圧弁２３、水素調圧弁３２、水素ポンプ３３、排気バルブ３４、ウォータポンプ４１、ラジエータファン４２、流量調整弁４５に制御信号を出力する。なお、燃料電池制御部５０が、本発明の冷却媒体温度差推定手段、冷却媒体温度分布推定手段、冷却媒体温度分布検出手段、局所電流測定部位温度推定手段、局所電流値補正手段に相当している。

図２は本実施形態に係る局所電流測定装置６０を装着した燃料電池１０の斜視図、図３は図２の燃料電池１０の側面図である。図２に示すように、本実施形態の燃料電池１０は、固体高分子電解質膜型燃料電池であり、基本単位となるセル１００が多数積層され、且つ電気的に直列接続されている。

図３に示すように、セル１００は、電解質膜の両側面に電極が配置されたＭＥＡ（Membrane Electrode Assembly：電解質・電極接合体）１０１と、このＭＥＡ１０１を挟持する空気側セパレータ１１０および水素側セパレータ１２０で構成されている。セパレータ１１０、１２０は、カーボン材または導電性金属よりなる板状部材からなる。

図３に実線で示すように、空気側セパレータ１１０には、空気を流すための空気流路Ａが形成されており、空気流路Ａを介して酸素が各セル１００に対して並列に供給される。また、図３に一点鎖線で示すように、水素側セパレータ１２０には、水素を流すための水素流路Ｂが形成されており、水素流路Ｂを介して水素が各セル１００に対して並列に供給される。

図２に示すように、積層されたセル１００の両端には端子板１１が配置されている。図２中の斜線で示すように、ある２つのセル１００間に局所電流測定装置６０が配置されている。

図４は、局所電流測定装置６０近傍の燃料電池１０の側面図である。図４では図示を省略しているが、空気側セパレータ１１０のＭＥＡ１０１に対向する面側には、空気を流すための空気流路溝が形成され、水素側セパレータ１２０のＭＥＡ１０１に対向する面側には、水素を流すための水素流路溝が形成されている。空気側セパレータ１１０および水素側セパレータ１２０のＭＥＡ１０１と対向していない面側には、それぞれ冷却水が流れる冷却水流路溝１３０が形成されている。また、２つのセル１００の間には局所電流測定装置６０が配置され、そのセル内の局所電流値を測定するようになっている。なお、冷却水流路溝１３０が、本発明の冷却媒体流路に相当している。

図５は局所電流測定装置６０の斜視図であり、図６は図５の局所電流測定装置６０の要部の正面図である。図５に示すように、局所電流測定装置６０は板状部材６００を備えている。板状部材６００には、空気入口側通路６００ａ、空気出口側通路６００ｂ、水素入口側通路６００ｃ、水素出口側通路６００ｄが形成されている。

図５、図６に示すように、板状部材６００には、ロの字状の溝６０１によって囲まれた直方体の柱状部６０２が形成され、この柱状部６０２の端部は隣り合うセル１００に接触するようになっている。なお、図５、図６に示す例では溝６０１をロの字状とし、柱状部６０２を直方体状としたが、これに限らず、例えば溝６０１を円状、柱状部６０２を円柱状のような他の形状にすることもできる。

図６に示すように、溝６０１には、柱状部６０２を囲むようにして鉄心６０３が配置され、鉄心６０３の両端部間に磁気センサとしてのホール素子６０４が配置されている。鉄心６０３とホール素子６０４は、局所電流センサを構成している。なお、鉄心６０３とホール素子６０４とが、本発明の局所電流測定手段に相当している。また、磁気センサとしてホール素子の他にＭＲ素子、ＭＩ素子、フラックスゲート等を用いることができる。さらに、シャント抵抗を用いた電流センサ等を用いることもできる。

上記構成において、セル１００における柱状部６０２に対向する部位から放電される局所電流が柱状部６０２に流れると、その電流に比例した磁界が柱状部６０２の周囲に発生する。ホール素子６０４は、局所電流によって発生した磁界を検出し、電圧に変換する。したがって、鉄心６０３部の磁界の強さをホール素子６０４にて測定することにより、柱状部６０２を流れる電流、ひいてはセル１００の局所電流を検出することができる。

図７は、図４の左側から見た空気側セパレータ１１０の透視図である。図７に示すように、空気側セパレータ１１０は、冷却水入口部１３１および冷却水出口部１３２と、冷却水入口部１３１から冷却水出口部１３２に向かって冷却水を流すための冷却水流路溝１３０とを備えている。

上述の図５で示した局所電流測定装置６０の柱状部６０２は、冷却水流路溝１３０中の局所電流を測定したい位置（本実施形態では、図７において符号ＣおよびＤで示す領域で、以下、電流検出位置Ｃ、Ｄという）に対応する部位に設けられており、図６で示した局所電流センサ６０３、６０４は電流検出位置ＣおよびＤにおける局所電流を測定できるように構成されている。

以下、本第１実施形態における燃料電池システムの作動を説明する。

まず、燃料電池１０の発電量およびウォータポンプ４１の回転数から、数式１を用いて冷却水温度差ΔＴを算出する。燃料電池１０の冷却水への放熱量Ｑは次の数式１で与えられる。
（数式１）
Ｑ＝ρ×Ｃ_ｐ×Ｆ×ΔＴ
但し、ρ：冷却水密度、Ｃ_ｐ：冷却水比熱、Ｆ：冷却水流量、ΔＴ：冷却水入口部１３１と冷却水出口部１３２の冷却水温度差（以下、冷却水温度差という）とする。

ここで、比熱Ｃ_ｐと密度ρは冷却水の物性値であるため定数であり、冷却水への放熱量Ｑは燃料電池１０の発電量と相関がある。また、冷却水流量Ｆは、冷却システム系の圧損が既知であれば、ウォータポンプ４１の回転数から算出することができる。このため、冷却水温度差ΔＴは、燃料電池１０の発電量とウォータポンプ４１の回転数の関数となる。よって、燃料電池１０の発電量およびウォータポンプ４１の回転数から、冷却水温度差ΔＴを算出することができる。

次に、温度センサ４６により燃料電池１０の出口側の冷却水温度を検出する。ここで検出した燃料電池１０の出口側の冷却水温度は、セル１００の冷却水出口部１３２における冷却水温度（以下、冷却水出口温度Ｔ_ＯＵＴという）と等しい。

そして、算出された冷却水温度差ΔＴと、温度センサ４６によって検出された冷却水出口温度Ｔ_ＯＵＴから、冷却水入口部１３１における冷却水温度（以下、冷却水入口温度Ｔ_ＩＮという）を算出することができる。

冷却水流路溝１３０内の冷却水は、一定の傾きをもつ温度勾配を伴っていると考えられる。したがって、冷却水流路溝１３０内の冷却水温度分布は、図８に示すような冷却水流路溝１３０内の位置と冷却水温度との関係を有していると推定することができる。

そして、図８に示す冷却水流路溝１３０内の位置と冷却水温度との関係から、冷却水入口部１３１あるいは冷却水出口部１３２からの距離で特定される部位の温度を推定することができる。このとき、冷却水流路溝１３０内の冷却水温度とセル１００面内の温度は、ほぼ同じであると考えられるため、冷却水温度分布からセル１００面内の温度分布を推定することができる。

例えば、電流検出位置Ｃにおける温度はＴ_Ｃであると推定することができ、電流検出位置Ｄにおける温度はＴ_Ｄであると推定することができる。また、ここで推定された電流検出位置Ｃ、Ｄにおける温度Ｔ_Ｃ、Ｔ_Ｄを使って、局所電流センサで測定した局所電流値の温度補正をすることができる。

以上説明したように、冷却水流路溝１３０内の冷却水温度とセル１００面内の温度は、ほぼ同じであると考えられるため、冷却水流路溝１３０内における冷却水温度分布を推定することで、これに対応するセル１００面内の温度分布を推定することができる。

また、燃料電池１０の発電量とウォータポンプ４１の回転数から、冷却水温度差ΔＴを算出することができるため、温度センサ４６を冷却水循環流路４０における燃料電池１０の出口側のみに設ければよい。したがって、簡易な構成でセル１００面内の温度分布を推定することができる。

さらに、推定されたセル１００面内の温度分布より、セル１００面内における冷却水入口部１３１あるいは冷却水出口部１３２からの距離によって特定される部位の温度を推定することができる。これにより、局所電流測定装置６０の温度補正のために新たな温度センサを設けなくても、局所電流測定装置６０が設けられている位置の温度を推定することができるため、簡易な構成で局所電流測定装置６０の温度補正をすることができる。

（他の実施形態）
なお、上記実施形態において、温度センサ４６を冷却水循環流路４０における燃料電池１０の出口側に設けて冷却水出口部１３２の冷却水温度を測定していたが、燃料電池１０の入口側に設けて冷却水入口部１３１の冷却水温度を測定してもよい。

また、温度センサ４６を冷却水循環流路４０における燃料電池１０の入口側と出口側の２カ所に設けてもよい。こうすることで、冷却水温度差ΔＴを実測することができるため、より精度よくセル１００面内における冷却水入口部１３１からの距離によって特定される部位の温度を推定することができる。

本発明の実施形態に係る燃料電池システムを示す模式図である。 本発明の実施形態に係る局所電流測定装置６０を装着した燃料電池１０の斜視図である。 図２の燃料電池１０の側面図である。 本発明の実施形態に係る局所電流測定装置６０近傍のセル１００の側面図である。 本発明の実施形態に係る局所電流測定装置６０の斜視図である。 図５の局所電流測定装置６０の要部の正面図である。 図４の左側から見た空気側セパレータ１１０の透視図である。 本発明の実施形態に係る冷却水流路溝１３０内の位置と冷却水温度の関係を示す特性図である。

符号の説明

１０…燃料電池、４１…ウォータポンプ（冷却媒体ポンプ）、４６…温度センサ（冷却水温度検出手段）、５０…燃料電池制御部（冷却媒体温度差推定手段、冷却媒体温度分布推定手段、局所電流測定部位温度推定手段、局所電流値補正手段）、６０…局所電流測定装置、１００…セル、１３０…冷却水流路溝（冷却媒体流路）。

Claims (2)

1. 酸化剤ガスと燃料ガスとの電気化学反応により電気エネルギを発生させるとともに、冷却媒体が通過する冷却媒体流路（１３０）が設けられたセル（１００）を有する燃料電池（１０）と、
   前記冷却媒体流路（１３０）に冷却媒体を送り出す冷却媒体ポンプ（４１）と、
   前記冷却媒体流路（１３０）に流入する冷却媒体または前記冷却媒体流路（１３０）から流出する冷却媒体のどちらか一方の温度を検出する冷却媒体温度検出手段（４６）と、
   前記燃料電池（１０）の発電量と前記冷却媒体ポンプ（４１）の回転数とから、前記冷却媒体流路（１３０）に流入する冷却媒体と前記冷却媒体流路（１３０）から流出する冷却媒体との温度差を推定する冷却媒体温度差推定手段（５０）と、
   前記冷却媒体流路（１３０）内における冷却媒体温度分布を推定する冷却媒体温度分布推定手段（５０）とを備え、
   前記セル（１００）は、電解質膜を有するＭＥＡ（１０１）と、酸化ガスが流れる酸化ガス流路（Ａ）が一方の面側に形成されるとともに前記ＭＥＡ（１０１）の一方の面側に前記酸化ガス流路（Ａ）を対向させて配置された酸化ガス側セパレータ（１１０）と、燃料ガスが流れる燃料ガス流路（Ｂ）が一方の面側に形成されるとともに前記ＭＥＡ（１０１）の他方の面側に前記燃料ガス流路（Ｂ）を対向させて配置された燃料ガス側セパレータ（１２０）とを有しており、
   前記冷却媒体流路（１３０）は、前記酸化ガス側セパレータ（１１０）の他方の面側および前記燃料ガス側セパレータ（１２０）の他方の面側に形成されているとともに、当該冷却媒体流路（１３０）内の冷却媒体が一定の傾きをもつ温度勾配を伴うように構成されており、
   前記冷却媒体温度差推定手段（５０）は、前記温度勾配、前記冷却媒体温度差推定手段（５０）により推定された前記温度差、および前記冷却媒体温度検出手段（４６）により検出された冷却媒体の温度から、前記冷却媒体流路（１３０）内における冷却媒体温度分布を推定することを特徴とする燃料電池システム。
2. 前記セル（１００）内の前記冷却媒体流路（１３０）における一部の部位の電流である局所電流を測定する局所電流測定手段（６０）と、
   前記冷却媒体流路（１３０）内における前記冷却媒体温度分布に基づいて、前記局所電流測定手段（６０）が前記局所電流を測定する部位の温度を推定する局所電流測定部位温度推定手段（５０）と、
   前記局所電流測定部位温度推定手段（５０）により推定された局所電流測定部位の温度を用いて、前記局所電流測定手段（６０）にて測定した前記局所電流の値を補正する局所電流値補正手段（５０）とを備え、
   前記局所電流測定手段（６０）は、磁気センサ（６０４）を有しているとともに、前記局所電流が流れることによって発生した磁界の強さを前記磁気センサ（６０４）にて測定することにより前記局所電流を測定することを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。

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