JP2004152501A

JP2004152501A - 燃料電池の電流密度測定装置

Info

Publication number: JP2004152501A
Application number: JP2002313261A
Authority: JP
Inventors: Masahiro Mouri; 昌弘毛里; Yosuke Fujii; 洋介藤井; Katsumi Hayashi; 勝美林; Toshiya Wakahoi; 俊哉若穂囲
Original assignee: Honda Motor Co Ltd
Current assignee: Honda Motor Co Ltd
Priority date: 2002-10-28
Filing date: 2002-10-28
Publication date: 2004-05-27
Anticipated expiration: 2022-10-28
Also published as: JP4048097B2; US20040095127A1; US6949920B2

Abstract

【課題】簡単な構成で、電極面内の電流密度分布を効率的かつ確実に得ることを可能にする。
【解決手段】燃料電池システム１１には、燃料電池１２が組み込まれており、この燃料電池１２のカソード側に電流密度測定装置１０が配設される。この電流密度測定装置１０は、電極面内の各測定位置に対応して配置される複数のホール素子６４を備え、前記ホール素子６４は、フェライトコア６０に取り付けられてセンサマウントプレート５６のポール部５８に装着される。フェライトコア６０、ホール素子６４およびポール部５８によって電流センサ６６が構成される。
【選択図】図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電解質の両側に一対の電極を設けた電解質・電極構造体を、セパレータで挟持して構成される燃料電池において、電極面内の電流密度を測定するための電流密度測定装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
例えば、固体高分子型燃料電池は、高分子イオン交換膜（陽イオン交換膜）からなる電解質膜の両側にそれぞれアノード側電極およびカソード側電極を配置した電解質膜（電解質）・電極構造体を、セパレータによって挟持することにより構成されている。この種の燃料電池は、通常、電解質膜・電極構造体およびセパレータを所定数だけ積層することにより、燃料電池スタックとして使用されている。
【０００３】
燃料電池において、アノード側電極に供給された燃料ガス、例えば、水素含有ガスは、電極触媒上で水素イオン化され、適度に加湿された電解質膜を介してカソード側電極側へと移動し、その移動の間に生じた電子が外部回路に取り出され、直流の電気エネルギとして利用される。カソード側電極には、酸化剤ガス、例えば、空気等の酸素含有ガスが供給されているために、このカソード側電極において、前記水素イオン、前記電子および酸素が反応して水が生成される。
【０００４】
上記の燃料電池では、セパレータの面内に、アノード側電極に対向して燃料ガスを流すための燃料ガス流路（反応ガス流路）と、カソード側電極に対向して酸化剤ガスを流すための酸化剤ガス流路（反応ガス流路）とが設けられている。また、セパレータ間には、必要に応じて冷却媒体を流すための冷却媒体流路が前記セパレータの面に沿って設けられている。
【０００５】
ところで、上記の発電（反応）時には生成水が生じており、この生成水は反応ガス流路の出口側に滞留し易くなる。このため、反応ガス流路の出口側では電解質膜が過剰に加湿される、所謂、フラッディングが惹起され、電極面に対して反応ガスの供給量が不十分になるおそれがある。
【０００６】
そこで、電極面内における電流密度を監視し、フラッディングによる局所的な電流密度の低下を検知することが行われている。例えば、特許文献１の「燃料電池の異常監視方法およびその装置」では、アノード側電極の面内における燃料ガス中の還元剤ガス成分の濃度分布、あるいは、カソード側電極の面内における空気中の酸化剤ガス成分の濃度分布のいずれか一つを測定することにより、燃料電池の異常状態を検知する技術が開示されている。
【０００７】
また、特許文献２の「燃料電池の異常監視方法およびその装置」では、燃料電池の負荷電流を時間的に変化させ、燃料電極基材または酸化剤電極基材、反応ガス通流溝、電解質層からなる群から選ばれるいずれかの面内の任意位置における温度を測定し、前記負荷電流の時間的変化に追従する温度の時間変化量から、該任意位置における発生熱量を求めることにより、電極面内における発電電流密度分布を計測して、燃料電池の異常を検知する技術が開示されている。
【０００８】
【特許文献１】
特開平８−２２２２６０号公報（段落［０００９］、［００２６］、図１）
【特許文献２】
特開平９−２２３５１２号公報（段落［００１１］、図１）
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
上記の特許文献１では、ステンレス細管が可変リークバルブを介して真空室に連通するとともに、この真空室には、四重極質量分析器の測定子が配置されている。そして、ステンレス細管を燃料ガス通流溝に挿入した状態で、前記ステンレス細管が配置された前記燃料ガス通流溝の水素濃度が測定される。次いで、ステンレス細管を次なる燃料ガス通流溝に挿入して、上記の工程を順次繰り返すことによって、各燃料ガス通流溝の水素濃度が測定される。
【００１０】
しかしながら、多数の燃料ガス通流溝が設けられている際には、各燃料ガス通流溝にステンレス細管を、順次、配置してそれぞれの水素濃度を測定しなければならない。これにより、燃料電池の異常監視作業が、相当に煩雑でかつ時間のかかるものになるという問題が指摘されている。
【００１１】
一方、上記の特許文献２では、負荷電流の時間的変化に追従する温度の時間変化量から、電極面内の任意位置における発生熱量を求めている。このため、発電電流密度分布の計測作業全体に相当な時間がかかってしまい、効率的な異常監視方法を実施することができないという問題がある。
【００１２】
本発明はこの種の問題を解決するものであり、簡単な構成で、電極面内の電流密度分布を効率的かつ確実に得ることが可能な燃料電池の電流密度測定装置を提供することを目的とする。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
本発明の請求項１に係る燃料電池の電流密度測定装置では、電極面内の各測定位置に対応して配置される複数のホール素子と、燃料電池の発電時に、各ホール素子から出力される電圧を測定して電流密度分布を得るための出力電圧測定機構とを備えている。
【００１４】
このため、燃料電池が発電して電流が流れることにより、ホール素子に磁界が作用するとともに、前記ホール素子から出力電圧（ホール出力電圧）が発生する。ホール素子の出力電圧は、燃料電池の発電電流値に比例しており、各出力電圧に基づいて、電極面内の電流密度分布が効率的かつ正確に得られる。これにより、例えば、電極面内でのフラッディングの発生を確実に検出することができる。
【００１５】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明の実施形態に係る電流密度測定装置１０を組み込む燃料電池システム１１の要部分解斜視説明図であり、図２は、前記電流密度測定装置１０により電流密度が測定される燃料電池１２の要部分解斜視説明図である。
【００１６】
燃料電池１２は、図２に示すように、電解質膜・電極構造体（電解質・電極構造体）１４と、前記電解質膜・電極構造体１４を挟持する第１および第２セパレータ１６、１８とを備える。電解質膜・電極構造体１４と第１および第２セパレータ１６、１８との間には、後述する連通孔の周囲および電極面（発電面）の外周を覆って、ガスケット等のシール部材１９が介装されている。
【００１７】
燃料電池１２の積層方向（矢印Ａ方向）に交差する矢印Ｂ方向の一端縁部には、積層方向に互いに連通して、酸化剤ガス、例えば、酸素含有ガスを供給するための酸化剤ガス供給側連通孔２０ａと、燃料ガス、例えば、水素含有ガスを排出するための燃料ガス排出側連通孔２２ｂとが設けられる。
【００１８】
燃料電池１２の矢印Ｂ方向の他端縁部には、矢印Ａ方向に互いに連通して、燃料ガスを供給するための燃料ガス供給側連通孔２２ａと、酸化剤ガスを排出するための酸化剤ガス排出側連通孔２０ｂとが設けられる。
【００１９】
燃料電池１２の下端縁部には、純水やエチレングリコールやオイル等の冷却媒体を供給するための冷却媒体供給側連通孔２４ａが２つ設けられるとともに、前記燃料電池１２の上端縁部には、冷却媒体を排出するための冷却媒体排出側連通孔２４ｂが２つ設けられる。
【００２０】
電解質膜・電極構造体１４は、例えば、パーフルオロスルホン酸の薄膜に水が含浸されてなる固体高分子電解質膜（電解質）２６と、該固体高分子電解質膜２６を挟持するアノード側電極２８およびカソード側電極３０とを備える。アノード側電極２８およびカソード側電極３０は、カーボンペーパ等からなるガス拡散層と、白金合金が表面に担持された多孔質カーボン粒子が前記ガス拡散層の表面に一様に塗布された電極触媒層とをそれぞれ有する。
【００２１】
第１セパレータ１６のカソード側電極３０に向き合う面１６ａには、前記カソード側電極３０に沿って酸化剤ガスを供給するための酸化剤ガス流路（反応ガス流路）３２が形成される。酸化剤ガス流路３２は、酸化剤ガス供給側連通孔２０ａおよび酸化剤ガス排出側連通孔２０ｂに連通するとともに、矢印Ｂ方向に蛇行する複数本のサーペンタイン流路溝を備える。
【００２２】
第２セパレータ１８のアノード側電極２８に向き合う面１８ａには、前記アノード側電極２８に沿って燃料ガスを供給するための燃料ガス流路（反応ガス流路）３４が形成される。燃料ガス流路３４は、酸化剤ガス流路３２と同様に構成されており、燃料ガス供給側連通孔２２ａおよび燃料ガス排出側連通孔２２ｂに連通するとともに、矢印Ｂ方向に蛇行する複数本のサーペンタイン流路溝を備える。
【００２３】
第２セパレータ１８の面１８ａとは反対の面１８ｂには、直線状の冷却媒体流路３６が設けられる。この冷却媒体流路３６は、鉛直方向（矢印Ｃ方向）に平行に延在する所定本数の流路溝を設けており、前記流路溝の両端は、冷却媒体供給側連通孔２４ａと、冷却媒体排出側連通孔２４ｂとに連通している。
【００２４】
図１に示すように、燃料電池システム１１は、燃料電池１２を単位セルとして、あるいは、複数積層してスタックとして設けている。なお、燃料電池システム１１において、燃料電池１２と同一の構成要素には同一の参照符号を付して、その詳細な説明は省略する。
【００２５】
燃料電池１２のアノード側である第２セパレータ１８に隣接して、銅製のターミナルプレート４０ａ、絶縁プレート４２ａおよび第１エンドプレート４４ａが積層される。第１エンドプレート４４ａの略中央部には、絶縁プレート４２ａに一体的に設けられる円筒部４６ａが貫通しており、前記円筒部４６ａ内には、ターミナルプレート４０ａに一体的に設けられる円柱状のアノード端子４８ａが挿入される。
【００２６】
燃料電池１２のカソード側である第１セパレータ１６に隣接して、カーボンターミナル５０が配置され、前記カーボンターミナル５０には、絶縁プレート５２を介装して電流密度測定装置１０が配置される。
【００２７】
この電流密度測定装置１０には、銅製のターミナルプレート４０ｂ、絶縁プレート４２ｂおよび第２エンドプレート４４ｂが積層される。第２エンドプレート４４ｂの略中央部には、絶縁プレート４２ｂに一体的に設けられる円筒部４６ｂが挿入されており、前記円筒部４６ｂにターミナルプレート４０ｂに一体的に設けられる円柱状のカソード端子４８ｂが挿入される。アノード端子４８ａとカソード端子４８ｂとは、電子負荷装置５４に接続されている。
【００２８】
図３および図４に示すように、電流密度測定装置１０は、センサマウントプレート５６を備える。このセンサマウントプレート５６は、銅製の母材に金メッキ処理を施しており、カーボンターミナル５０に向かって突出する複数のポール部５８が一体的に設けられる。このポール部５８は、電極面内の各測定位置に対応して、具体的には、矢印Ｂ方向に６個ずつかつ矢印Ｃ方向に４個ずつ設けられており、合計２４個に設定される。
【００２９】
各ポール部５８には、略円筒状のフェライトコア６０が外装されるとともに、前記フェライトコア６０に形成されたスリット６２には、ホール素子６４が取り付けられる。ポール部５８、フェライトコア６０およびホール素子６４によって、電流センサ６６が構成される。
【００３０】
センサマウントプレート５６には、各ポール部５８の近傍にホール素子６４を位置決めするためのインデックス６８が形成されるとともに、各電流センサ６６間に絶縁樹脂製の支柱７０が配設される。この支柱７０は、面圧の均一化を図るとともに、外部からの衝撃に対する剛性を保持する機能を備えている。
【００３１】
図５に示すように、各ホール素子６４は、素子駆動電圧を印加するための第１端子部７２と、測定出力電圧を検出するための第２端子部７４と、アース用の第３端子部７６とを設ける。
【００３２】
各第１端子部７２は、第１共通配線７８を介して直流電圧供給源８０のプラス側に接続される。第３端子部７６は、第２共通配線８２を介して直流電圧供給源８０のマイナス側に接続される。第２端子部７４は、各測定出力電圧を測定することにより電極面内の電流密度分布を得るためのモニタ（出力電圧測定機構）８４に接続されるとともに、このモニタ８４は、直流電圧供給源８０のマイナス側に接続されている。
【００３３】
なお、各ホール素子６４の配線は、センサマウントプレート５６に直接設けてもよく、また、このセンサマウントプレート５６に、ポリイミドフイルムやガラスエポキシ基板等のプリント基板を形成してもよい。
【００３４】
上記の燃料電池１２の動作について、以下に説明する。
【００３５】
図２に示すように、燃料電池１２内には、水素含有ガス等の燃料ガスと、酸素含有ガスである空気等の酸化剤ガスと、純水やエチレングリコールやオイル等の冷却媒体とが供給される。矢印Ａ方向に連通している酸化剤ガス供給側連通孔２０ａに供給された酸化剤ガスは、第１セパレータ１６の酸化剤ガス流路３２に導入される。酸化剤ガスは、酸化剤ガス流路３２を介して矢印Ｂ方向に蛇行することにより、電解質膜・電極構造体１４のカソード側電極３０に供給される。
【００３６】
一方、燃料ガスは、矢印Ａ方向に連通している燃料ガス供給側連通孔２２ａから燃料ガス流路３４に導入される。燃料ガスは、燃料ガス流路３４に沿って矢印Ｂ方向に蛇行することにより、電解質膜・電極構造体１４を構成するアノード側電極２８に供給される。
【００３７】
従って、電解質膜・電極構造体１４では、カソード側電極３０に供給される酸化剤ガスと、アノード側電極２８に供給される燃料ガスとが、電極触媒層内で電気化学反応により消費され、発電が行われる。
【００３８】
次いで、カソード側電極３０に供給されて消費された酸化剤ガスは、酸化剤ガス排出側連通孔２０ｂに排出される。同様に、アノード側電極２８に供給されて消費された燃料ガスは、燃料ガス排出側連通孔２２ｂに排出される。
【００３９】
また、冷却媒体供給側連通孔２４ａに供給された冷却媒体は、第２セパレータ１８の冷却媒体流路３６に導入される。この冷却媒体は、冷却媒体流路３６に沿って鉛直上方向に移動して電解質膜・電極構造体１４を冷却した後、冷却媒体排出側連通孔２４ｂに排出される。
【００４０】
次に、電流密度測定装置１０の動作について説明する。
【００４１】
電流密度測定装置１０を構成する電流センサ６６では、ホール効果を用いてホール出力電圧Ｖ_Ｈが検出され、このホール出力電圧Ｖ_Ｈが、予め既知の電流値で作成した検量線（Ｉ∝Ｖ_Ｈ）を基準に電流値換算される。このため、燃料電池１２に発生する各測定位置の発電電流Ｉが検出される。
【００４２】
すなわち、図６に示すように、ポール部５８に電流Ｉが流れると、ホール素子６４には、フェライトコア６０を介して磁束密度Ｂの磁界が作用する。その際、ホール素子６４には、電流Ｉが流れており、この電流Ｉの流れ方向および磁界の作用する方向に直交する方向に、ホール出力電圧Ｖ_Ｈが発生する。
【００４３】
電流Ｉは、フェライトコア６０の中を通る磁束密度Ｂに比例し（Ｉ∝Ｂ）、この磁束密度Ｂはホール出力電圧Ｖ_Ｈに比例する（Ｉ∝Ｂ）。この結果、電流Ｉは、ホール出力電圧Ｖ_Ｈに比例する（Ｉ∝Ｂ）。そして、ホール出力電圧Ｖ_Ｈは、
Ｖ_Ｈ＝Ｂ・μＨ・Ｗ／Ｌ・Ｖ_{ＣＯＮＳＴ}（＝Ｖ_ＨＭ−Ｖ_Ｕ）
から算出される。
【００４４】
ここで、Ｖ_Ｈはホール出力電圧、Ｂは磁束密度、μＨは電子移動度、Ｖ_{ＣＯＮＳＴ}は素子駆動電圧、Ｗは受感部の幅、Ｌは受感部の長さ、Ｖ_ＨＭは測定出力電圧、Ｖ_Ｕは不平衡電圧である。
【００４５】
従って、本実施形態では、ホール素子６４を備えた複数（例えば、２４個）の電流センサ６６が駆動され、発電中の燃料電池１２のカソード側電極３０から流れる電流Ｉにより各ホール出力電圧Ｖ_Ｈが検出される。このホール出力電圧Ｖ_Ｈがモニタ８４により検出されることによって、燃料電池１２の電極面内の各測定位置における発電電流値（電流Ｉ）が検出される。
【００４６】
ここで、図７は、電流密度測定装置１０による検出直後の電極面内における電流密度分布（Ａ／ｃｍ^２）が示されており、図８は、図７の電流密度測定から所定時間、例えば、１０分経過した後の前記電極面内の電流密度分布（Ａ／ｃｍ^２）が示されている。
【００４７】
このため、ホール素子６４を組み込む各電流センサ６６を用いることにより、前記電流センサ６６の各出力電圧に基づいて、電極面内の電流密度分布が効率的かつ正確に得られるという効果がある。従って、例えば、電極面内でのフラッディングの発生を確実に検出して、燃料電池１２の発電状況が容易に検出されるという利点が得られる。
【００４８】
また、本実施形態では、燃料電池システム１１に複数の燃料電池１２を積層した燃料電池スタックを配設することができる。これにより、燃料電池スタック全体での発電面内における電流密度分布が得られ、フラッディングの検出等が容易かつ確実に遂行される。
【００４９】
【発明の効果】
本発明に係る燃料電池の電流密度測定装置では、前記燃料電池が発電して電流が流れることにより、電極面内の各測定位置に対応して配置される複数のホール素子に磁界が作用するとともに、前記ホール素子から出力電圧が発生する。これにより、各出力電圧に基づいて、電極面内の電流密度分布が効率的かつ正確に得られ、前記電極面内でのフラッディングの発生を確実に検出することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態に係る燃料電池の電流密度測定装置を組み込む燃料電池システムの要部分解斜視図である。
【図２】前記燃料電池の要部分解斜視説明図である。
【図３】前記電流密度測定装置の一部分解斜視説明図である。
【図４】前記電流密度測定装置の正面説明図である。
【図５】前記電流密度測定装置の配線説明図である。
【図６】前記電流密度測定装置に用いられるホール素子の説明図である。
【図７】前記電流密度測定装置による検出直後における電極面内の電流密度分布図である。
【図８】図７の状態から１０分経過後の前記電極面内の電流密度分布図である。
【符号の説明】
１０…電流密度測定装置１２…燃料電池
１４…電解質膜・電極構造体１６、１８…セパレータ
２６…固体高分子電解質膜２８…アノード側電極
３０…カソード側電極３２…酸化剤ガス流路
３４…燃料ガス流路３６…冷却媒体流路
４０ａ、４０ｂ…ターミナルプレート
４２ａ、４２ｂ、５２…絶縁プレート４４ａ、４４ｂ…エンドプレート
４８ａ…アノード端子４８ｂ…カソード端子
５４…電子負荷装置５６…センサマウントプレート
５８…ポール部６０…フェライトコア
６２…スリット６４…ホール素子
６６…電流センサ６８…インデックス
７０…支柱７２、７４、７６…端子部
８０…直流電圧供給源８４…モニタ

Claims

電解質の両側に一対の電極を設けた電解質・電極構造体を、セパレータで挟持して構成される燃料電池において、電極面内の電流密度を測定するための電流密度測定装置であって、
前記電極面内の各測定位置に対応して配置される複数のホール素子と、
前記燃料電池の発電時に、各ホール素子から出力される電圧を測定する出力電圧測定機構と、
を備え、
前記出力電圧測定機構により測定された各出力電圧に基づいて、前記電極面内の電流密度分布を得ることを特徴とする燃料電池の電流密度測定装置。