JP7091787B2

JP7091787B2 - 燃料電池の発電評価装置

Info

Publication number: JP7091787B2
Application number: JP2018071687A
Authority: JP
Inventors: 修平新田
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2018-04-03
Filing date: 2018-04-03
Publication date: 2022-06-28
Anticipated expiration: 2038-04-03
Also published as: JP2019185890A

Description

本発明は、燃料電池の発電評価装置に関するものである。

積層して使用される燃料電池セルの性能評価は、使用時の環境を再現した状態で行うことが好ましい。特許文献１には、燃料電池セルに荷重を掛けた状態で燃料電池セルの発電評価を行うことができる装置の構成が開示されている。

特開２０１３－１２２９０８号公報

特許文献１に係る装置においては、燃料電池セルを中間プレートと接するように配置するため、発電に伴う燃料電池セルの熱が中間プレートに放出されやすい。したがって、発電評価時における燃料電池セルの温度を、実際の使用時における温度と等しく保つことが難しいという問題があった。

本発明は、このような事情に鑑みなされたものであって、荷重をかけて燃料電池の発電評価を行う際に燃料電池の温度低下を抑制できる、燃料電池の発電評価装置を提供するものである。

本発明に係る燃料電池の発電評価装置は、前記燃料電池の発電評価時に前記燃料電池を加熱する加熱面を有する加熱プレートを備え、前記加熱プレートは、前記加熱面のうち第１の領域を形成する面を有するステンレス製の筐体と、前記加熱面のうち前記第１の領域とは異なる第２の領域を形成する面を有する伝熱セメントと、前記伝熱セメントを加熱するヒータと、を備えている。

本発明に係る燃料電池の発電評価装置が備える加熱プレートは、発電評価時に燃料電池を加熱する加熱面を有する。加熱面のうち第１の領域はステンレス製の筐体の面である。したがって、加熱プレートは耐荷重性を備えており、燃料電池に荷重を伝えることができる。
また、加熱プレートの加熱面のうち第２の領域は伝熱セメントの面であり、伝熱セメントはヒータで加熱される。したがって、燃料電池はヒータから伝熱セメントを介して加熱される。このため、発電評価時における燃料電池セルの温度低下を抑制できる。

本発明により、荷重をかけて燃料電池の発電評価を行う際に燃料電池の温度低下を抑制できる、燃料電池の発電評価装置を提供することができる。

第１の実施形態に係る発電評価装置の概略を示す断面図である。第１の実施形態に係る加熱プレートの斜視図である。第１の実施形態に係る加熱プレートの分解図である。第２の実施形態に係る発電評価装置の概略を示す断面図である。

以下、本発明を適用した具体的な実施形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。ただし、本発明が以下の実施形態に限定される訳ではない。また、説明を明確にするため、以下の記載および図面は、適宜、簡略化されている。
なお、当然のことながら、図１およびその他の図面に示した右手系ｘｙｚ座標は、構成要素の位置関係を説明するための便宜的なものである。通常、ｚ軸正向きが鉛直上向き、ｘｙ平面が水平面であり、図面間で共通である。

以下に説明される複数の構成例は、独立に実施されることもできるし、適宜組み合わせて実施されることもできる。これら複数の実施形態は、互いに異なる新規な特徴を有している。したがって、これら複数の実施形態は、互いに異なる目的又は課題を解決することに寄与し、互いに異なる効果を奏することに寄与する。

［第１の実施形態］
まず、第１の実施形態における発電評価装置１の全体的な構成について、図１を用いて説明する。図１は、発電評価装置１の概略を示すｘｙ平面における断面図である。発電評価装置１は、燃料電池ＦＣの発電評価を行う装置である。

次に、発電評価装置１の全体的な構成について、図１を用いて説明する。図１に示すように、発電評価装置１は、本体部１０と、加熱プレート２０と、電流検知板３１と、中間板３２と、ターミナル４１、４２と、絶縁板５１、５２と、加圧部材６１と、ロードセル６２と、加圧プレート６３と、免震板６４と、マニホールド７１、７２と、を備える。
なお、図面の便宜上、加圧プレート６３と、免震板６４と、絶縁板５１と、ターミナル４１と、電流検知板３１と、中間板３２と、加熱プレート２０と、燃料電池ＦＣと、ターミナル４２と、絶縁板５２と、マニホールド７１は離間して示されているが、実際に燃料電池ＦＣの発電評価をする際には、それぞれが全て当接している。

燃料電池ＦＣは、発電評価装置１を用いて評価される燃料電池であり、例えば、外部から供給される水素と酸素（空気）を反応させることで発電する燃料電池セルである。燃料電池ＦＣは平板形状を有している。本実施形態では、ｘ軸負方向側に燃料電池ＦＣの負極を配置し、ｘ軸正方向側に燃料電池ＦＣの正極を配置している。この場合、発電時において、燃料電池ＦＣのｘ軸負方向側の面からは電子が放出され、ｘ軸正方向側の面には電子が流入する。

本体部１０は、発電評価装置１の各部材を収容する筐体である。燃料電池ＦＣの発電評価時には、本体部１０に対してｘ軸方向に荷重がかかるため、本体部１０は耐荷重性を有する部材で形成されていることが好ましい。例えば、本体部１０はＳＵＳ３０４のステンレス等で形成される。

加熱プレート２０は、燃料電池ＦＣの発電評価時に燃料電池ＦＣを加熱するプレートである。加熱プレート２０は、燃料電池ＦＣの発電評価時において、燃料電池ＦＣを加熱する加熱面２００を有している。本実施形態においては、加熱面２００は燃料電池ＦＣと当接している。したがって、燃料電池ＦＣの発電評価時には、燃料電池ＦＣから加熱面２００を介して、加熱プレート２０に電子が流入する。加熱プレート２０に流入した電子は、ｘ軸負方向側の面から中間板３２に移動する。加熱プレート２０の詳細な構造については後述する。

電流検知板３１は、電子を検知する複数の素子がｙｚ平面内に配置された板状の装置であり、ｘ軸方向に流れる電流のｙｚ平面内における分布を検知する。発電評価装置１のユーザは、電流検知板３１を図示しない検査装置に接続することで、燃料電池ＦＣが放出する電子の面内分布を測定することができる。
中間板３２は、導電性を有する板である。中間板３２のうち、少なくとも燃料電池ＦＣ側に配置された面には、ガスが通り抜けられるような溝が設けられている。中間板３２の当該溝に流入した水素や空気等のガスは、燃料電池ＦＣに供給される。
中間板３２には、ｘ軸正方向側の面から電子が流入する。その後、中間板３２に流入した電子は電流検知板３１を通り、電流検知板３１のｘ軸負方向側の面からターミナル４１に移動する。

ターミナル４１及び４２は、一対の電極板であり、図示しない電流計や電圧計、抵抗器等を介して接続されている。ターミナル４１及び４２は、例えば金や銅等の導電性を有する金属でできた板状部材である。ターミナル４１には、燃料電池ＦＣから加熱プレート２０、中間板３２、及び電流検知板３１を介して電子が流入する。また、ターミナル４２は燃料電池ＦＣに電子を放出する。
したがって、発電評価装置１のユーザは、例えばターミナル４１及び４２を通過する電流の大きさを測定することで、燃料電池ＦＣが生成した電子の量、すなわち燃料電池ＦＣの発電量を評価することができる。また、ターミナル４１とターミナル４２との間に接続される抵抗器の有する抵抗の大きさを変更しながら電流値や電圧値を計測することで、負荷が掛かったときの燃料電池ＦＣの性能を評価することができる。

絶縁板５１、５２は、プラスチックや樹脂等の絶縁体で形成された板である。絶縁板５１、５２は、電気絶縁性を有するため、燃料電池ＦＣを流れる電流が本体部１０等に漏電するのを抑制する。

加圧部材６１、ロードセル６２、加圧プレート６３、及び免震板６４は、絶縁板５１、ターミナル４１、電流検知板３１、中間板３２、及び加熱プレート２０を介して燃料電池ＦＣを押圧するための装置である。
加圧部材６１及びロードセル６２は、図示しない加圧装置に接続されている。加圧部材６１は、加圧プレート６３の面上に備えられたロードセル６２をｘ軸正方向側に加圧する。ロードセル６２は、加圧部材６１から加えられた圧力の大きさを電気信号に変換し、加圧装置に送信する。加圧装置は、ロードセル６２から受信した電気信号に基づいてロードセル６２に掛けられた圧力の大きさの情報を取得し、加圧部材６１の押圧力を調節する。
加圧プレート６３は、ロードセル６２を介して加圧部材６１から加えられた圧力を分散させて免震板６４に伝達する。免震板６４は、加圧部材６１が圧力を加える際の振動を抑制するとともに、加圧プレート６３に加えられた圧力を絶縁板５１に伝達する。

マニホールド７１、７２は、燃料電池ＦＣに供給される水素や空気等のガスや、燃料電池ＦＣの冷却水を外部から送り込むための装置である。
図１に示すように、マニホールド７２、本体部１０、マニホールド７１、絶縁板５２、ターミナル４２には連続した貫通孔７２１、７２２が形成されている。水素や空気等のガスや冷却水は、貫通孔７２１を通って外部から流入される。流入されたガスは燃料電池ＦＣの内部に供給され、発電の燃料として用いられる。また、冷却水は貫通孔７２１を通って燃料電池ＦＣの表面を流れ、貫通孔７２２を通って外部に流出される。

次に、図２、図３を用いて、加熱プレート２０の詳細な構造について説明する。図２は、加熱プレート２０の斜視図である。図２に示すように、加熱プレート２０は、ステンレス製の筐体２１と、複数の伝熱セメント２２と、複数のヒータ２３と、を備えている。

図２に示すように、加熱プレート２０の加熱面２００は、筐体２１のｘ軸正方向側の面２１１と、伝熱セメント２２のｘ軸正方向側の面２２１とで形成されている。換言すると、筐体２１は加熱面２００のうち第１の領域を形成する面２１１を有し、伝熱セメント２２は加熱面２００のうち第１の領域とは異なる第２の領域を形成する面２２１を有する。すなわち、本実施形態の発電評価時において、燃料電池ＦＣは筐体２１の面２１１と伝熱セメント２２の面２２１とに当接する。

筐体２１は、ＳＵＳ３０４等のステンレスで形成されている。このため、筐体２１は、導電性と耐荷重性とを有する。したがって、燃料電池ＦＣの発電時に、筐体２１は、加熱面２００を介してｘ軸に平行な方向に電流を流すことができる。また、筐体２１に対して外部から荷重を掛けることで、燃料電池ＦＣに荷重を伝えることができる。

伝熱セメント２２は、筐体２１よりも高い熱伝導率を有するセメントで形成された平板部材である。伝熱セメント２２の面２２１は、筐体２１の面２１１と同一平面であって、筐体２１の面２１１と共に加熱面２００を形成する。

ヒータ２３は、外部からの通電により発熱するヒータである。ヒータ２３には、例えばニクロム線を絶縁カバーで保護したシースヒータが用いられる。ヒータ２３は、筐体２１のｙ軸正方向側の面、ｙ軸負方向側の面、及びｚ軸正方向側の面に設けられた複数のヒータ挿入口２１２に挿入されている。

ここで、図３を用いて、加熱プレート２０の内部構造について説明する。図３は加熱プレート２０の分解図である。なお、図３において、伝熱セメント２２及びヒータ２３の一部は省略されている。

図３に示すように、筐体２１の面２１１には、伝熱セメント２２の形状に沿った複数の開口部２１３が設けられている。伝熱セメント２２は、それぞれの開口部２１３を充填するように嵌合される。

それぞれの開口部２１３のうち、伝熱セメント２２のｘ軸負方向側の面と当接する面には、加熱口２１４が設けられている。加熱口２１４は、いずれかのヒータ挿入口２１２と内部空間２１５を介して接続されている。内部空間２１５には、ヒータ２３がヒータ挿入口２１２から挿入される。

ヒータ２３は、燃料電池ＦＣの発電評価時に通電されて発熱する。このとき、ヒータ２３は、内部空間２１５の内部の気体を加熱し、伝熱セメント２２は、加熱口２１４を介して加熱される。このようにして、ヒータ２３は伝熱セメント２２を加熱する。
伝熱セメント２２が加熱されると、伝熱セメント２２の面２２１と当接する燃料電池ＦＣは、ヒータ２３から伝熱セメント２２を介して加熱される。したがって、燃料電池ＦＣの温度低下が抑制される。

以上のように、本発明に係る加熱プレート２０を備えた発電評価装置１においては、荷重をかけて燃料電池ＦＣの発電評価を行う際に、燃料電池ＦＣの温度低下を抑制することができる。

なお、各ヒータ２３は、内部空間２１５の形状に合わせて曲げることが可能であることが好ましい。この場合は、ヒータ２３が加熱口２１４の近傍まで到達することができるため、より効率よく伝熱セメント２２を加熱することができる。

また、燃料電池ＦＣの発電評価方法に合わせて、発電評価装置１の構成は適宜変更することができる。例えば、燃料電池ＦＣの面における電流分布を測定しない場合は、電流検知板３１及び中間板３２を省略してもよい。

［第２の実施形態］
次に、第２の実施形態における発電評価装置２の全体的な構成について、図４を用いて説明する。図４は、発電評価装置２の概略を示すｘｙ平面における断面図である。発電評価装置２は、燃料電池ＦＣの発電評価を行う装置である。本実施形態の発電評価装置２は、以下の点で第１の実施形態の発電評価装置１とは異なる。
本実施形態の発電評価装置２は、電流検知板３１及び中間板３２を備えていない。また、ターミナル４１とターミナル４２が燃料電池ＦＣと当接している。また、加熱プレート２０の加熱面２００は、ターミナル４１のうち、燃料電池ＦＣに接している面とは反対側の面に当接している。

本実施形態の構成であっても、加熱プレート２０の加熱面２００は、ターミナル４１を介して燃料電池ＦＣに熱を伝えることができる。したがって、荷重をかけて燃料電池ＦＣの発電評価を行う際の、燃料電池ＦＣの温度低下を抑制できる。
なお、このとき、ターミナル４１は熱伝導率の高い物質で形成されていることが好ましい。例えば、ターミナル４１は、金、銀、銅などの金属の板であることが好ましい。ターミナル４１を熱伝導率の高い物質で形成することで、加熱プレート２０からの熱を効率よく燃料電池ＦＣに伝えることができる。

また、本実施形態の構成においては、ターミナル４１及びターミナル４２と燃料電池ＦＣとが当接しているため、燃料電池ＦＣとターミナル４１の間、及び燃料電池ＦＣとターミナル４２の間における抵抗はほとんどない。したがって、発電評価装置２内における電圧降下がほとんど生じないため、燃料電池ＦＣの発電性能をより正確に評価することができる。

なお、本発明は上記の実施形態に限られたものではなく、趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更することが可能である。
例えば、図２及び図３には、伝熱セメント２２、ヒータ２３、ヒータ挿入口２１２、開口部２１３、加熱口２１４、及び内部空間２１５がそれぞれ９つずつ設けられた構成の例を示したが、もちろんこれらの数は９つに限るものではない。伝熱セメント２２等の個数は、１つ以上であればよい。

また、上記の例では、ヒータ２３が挿入された内部空間２１５が空洞である場合について説明したが、内部空間２１５のうち、ヒータ２３以外の部分は伝熱セメントで満たされていてもよい。このような構成においては、ヒータ２３は空気よりも熱伝導率の高い伝熱セメントを加熱するため、伝熱セメント２２を効率よく加熱することができる。したがって、加熱プレート２０の燃料電池ＦＣを加熱する効率を高めることができる。

また、上記の例では、ｘ軸負方向側に燃料電池ＦＣの負極を配置し、ｘ軸正方向側に燃料電池ＦＣの正極を配置したが、燃料電池ＦＣの電極の向きはこの逆であってもよい。すなわち、ｘ軸正方向側に燃料電池ＦＣの負極を配置し、ｘ軸負方向側に燃料電池ＦＣの正極を配置してもよい。この場合、燃料電池ＦＣからターミナル４２に電子が移動し、ターミナル４１から燃料電池ＦＣに電子が移動する。

また、各ヒータ２３に流す電流は、個別に制御されてもよい。この場合は、加熱プレート２０の加熱面２００の温度分布を制御することができるため、燃料電池ＦＣの温度をより詳細に制御することができる。

１、２発電評価装置
１０本体部
２０加熱プレート
２１筐体
２２伝熱セメント
２３ヒータ
３１電流検知板
３２中間板
４１、４２ターミナル
５１、５２絶縁板
６１加圧部材
６２ロードセル
６３加圧プレート
６４免震板
７１、７２マニホールド
２００加熱面
２１１、２２１面
２１２ヒータ挿入口
２１３開口部
２１４加熱口
２１５内部空間
７２１、７２２貫通孔
ＦＣ燃料電池

Claims

燃料電池の発電評価装置であって、
前記燃料電池の発電評価装置は、前記燃料電池の発電評価時に前記燃料電池を加熱する加熱面を有する加熱プレートと、
前記加熱プレートを介して前記燃料電池に荷重を掛ける加圧部材と、
前記加熱プレートを介して前記燃料電池から放出された電子を検知する電流検知板と、を備え、
前記加熱プレートは、前記加熱面のうち第１の領域を形成する面を有するステンレス製の筐体と、前記加熱面のうち前記第１の領域とは異なる第２の領域を形成する面を有する伝熱セメントと、前記伝熱セメントを加熱するヒータと、を備えている、
燃料電池の発電評価装置。