JP2007141720A - 電流測定装置 - Google Patents

Abstract

【課題】燃料電池におけるフラッディングを解消することができる電流測定装置を提供する。
【解決手段】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ーを発生させるセル１００が複数積層された燃料電池１０の電流を測定する電流測定装置において、積層されたセル間に配置された板状部材５００と、板状部材５００に少なくとも１つ設けられ、板状部材５００を両側から挟み込むセル１００を電気的に接続する電流経路５０１と、電流経路５０１を流れる電流を測定する電流センサ５０３と、電流センサ５０３の近傍に設けられたヒータ５０５と、ヒータ５０５の加熱制御を行う制御部４０を設ける。さらに電流経路５０１を、少なくともセル１００における水分過剰となりやすい部位に対応する部位に設け、制御部４０で電流センサ５０３で測定した電流値に基づいてヒータ５０５による加熱を行う。
【選択図】図２

Description

本発明は、電気エネルギーを放出するセルを備える燃料電池の局所電流を測定する電流測定装置に関する。

水素と酸素との電気化学反応を利用して発電を行う燃料電池システムでは、電気化学反応による生成水が燃料電池内部で発生するため、水分が過剰となりやすい。このように水分が過剰になった場合、電極が水に覆われてガスの透過が阻害されるフラッディングと呼ばれる状態となって、燃料電池の電力出力が低下する。

このような問題に対し、燃料電池に電極面内の電流密度分布を測定する電流密度測定装置を設け、電極面内のフラッディングの発生を検出することが提案されている（特許文献１参照）。
特開２００４−１５２５０１号公報

しかしながら、上記特許文献１に記載の電流測定装置は、フラッディングの発生を検出するだけであり、フラッディングを解消するものではない。

また、燃料電池に供給される反応ガスの供給圧を変動させ、反応ガス流路に滞留している過剰な水分を強制的に外部に排出することも考えられるが、水分と共に燃料ガスも外部に排出されるので、燃費の点で好ましくない。

本発明は上記点に鑑み、燃料電池におけるフラッディングを解消することができる電流測定装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明の第１の特徴は、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ーを発生させるセル（１００）が複数積層された燃料電池（１０）の電流を測定する電流測定装置であって、積層されたセル間に配置された板状部材（５００）と、板状部材（５００）に少なくとも１つ設けられ、板状部材（５００）を両側から挟み込むセル（１００）を電気的に接続する電流経路（５０１）と、電流経路（５０１）を流れる電流を測定する電流センサ（５０３）と、電流センサ（５０３）の近傍に設けられたヒータ（５０５）と、ヒータ（５０５）の加熱制御を行う制御部（４０）を備え、電流経路（５０１）は、少なくともセル（１００）における水分過剰となりやすい部位に対応する部位に設けられており、制御部（４０）は、電流センサ（５０３）で測定した電流値に基づいてヒータ（５０５）による加熱を行うことである。

このように、積層されたセル（１００）の間に挿入されて用いられる電流測定装置において、フラッディングが発生しやすい箇所にヒータ（５０５）を設け、ヒータ（５０５）による加熱を適宜行うことで、燃料電池（１０）で発生したフラッディングを解消することができる。

本発明の第２の特徴は、電流経路（５０１）は、セル（１００）における酸化剤ガスが流出する酸化剤ガス出口部（１０２ｂ）の近傍に設けられており、制御部（４０）は、電流センサ（５０３）で測定した電流値が予め設定された所定電流値を下回った場合に、ヒータ（５０５）による加熱を開始することである。これにより、燃料電池におけるフラッディングの発生を確実に検出することができ、ヒータ（５０５）による加熱を適切に行うことができる。

本発明の第３の特徴は、電流経路（５０１）は、セル（１００）における酸化剤ガスが流入する酸化剤ガス入口部（１０２ａ）の近傍と酸化剤ガスが流出する酸化剤ガス出口部（１０２ｂ）の近傍に設けられており、制御部（４０）は、電流センサ（５０３）で測定した酸化剤ガス入口部（１０２ａ）の近傍の電流値が予め設定された第１の所定電流値を下回り、酸化剤ガス出口部（１０２ｂ）の近傍の電流値が予め設定された第２の所定電流値を下回た場合に、ヒータ（５０５）による加熱を開始することである。これにより、燃料電池におけるフラッディングの発生を確実に検出することができ、ヒータ（５０５）による加熱を適切に行うことができる。

本発明の第４の特徴は、電流経路（５０１）は、セル（１００）における酸化剤ガスが流出する酸化剤ガス出口部（１０２ｂ）の近傍を含む複数箇所に設けられており、制御部（４０）は、電流センサ（５０３）で測定した複数の電流値の最大値と最小値との差が予め設定された閾値を超える場合に、ヒータ（５０５）による加熱を開始することである。これにより、燃料電池におけるフラッディングの発生を確実に検出することができ、ヒータ（５０５）による加熱を適切に行うことができる。

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。

（第１実施形態）
本発明の第１実施形態に係る燃料電池システムについて説明する。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１１や２次電池（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１１に相当する。

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）Ｈ₂→２Ｈ⁺＋２ｅ^-
（正極側）２Ｈ⁺＋１／２Ｏ₂＋２ｅ^-→Ｈ₂Ｏ
そして、各セル毎の出力電圧を検出するセルモニタ１２が設けられ、セルモニタ１２で検出したセル電圧信号が後述する燃料電池制御部４０に入力されるようになっている。

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。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する。

空気流路２０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供給装置２１が設けられている。空気供給装置２１としては、例えばコンプレッサを用いることができる。空気流路２０における空気供給装置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、空気流路２０における燃料電池１０の下流側には、燃料電池１０に供給される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。

水素流路３０の最上流部には、水素が充填された水素ボンベ３１が設けられ、水素流路３０における水素ボンベ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と、水素への加湿を行う加湿器３３が設けられている。

水素流路３０における燃料電池１０の下流側は、水素調圧弁３２の下流側に接続されて水素流路３０が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、燃料電池１０での未使用水素を燃料電池１０に再供給するようにしている。そして、水素流路３０における燃料電池１０の下流側には、水素流路３０内で水素を循環させるための水素ポンプ３４が設けられている。

燃料電池制御部（ＦＣ−ＥＣＵ）４０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４０には、セルモニタ１２からのセル電圧信号や後述する電流センサからの信号が入力される。また、燃料電池制御部４０は、演算結果に基づいて、空気供給装置２１、加湿器２２、３３、空気調圧弁２３、水素調圧弁３２、水素ポンプ３４に制御信号を出力する。

図２は電流測定装置５０を装着した燃料電池１０の斜視図であり、図３は電流測定装置５０の断面図であり、図４は電流測定装置５０の斜視図である。

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。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間に電流測定装置５０が配置されている
図３に示すように、電流測定装置５０は板状部材としての電流センサ板５００を備えている。また、セル１００は、高分子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とセパレータ１０２とを有している。セパレータ１０２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り、ＭＥＡ１０１と対向する面との反対側の面に冷却水路を構成する溝が形成されている。セパレータ１０２は、第１部材１０２と第２部材１０２ｂとからなり、電流測定装置５０に対向する第２部材１０２ｂが防水用板部として構成されている。

電流測定装置５０は、両面側に位置するセル１００と電気的に接続されており、電流センサ板５００は、セパレータ１０２の第２部材１０２ｂを介して、セル１００と電気的に接続される。図３では、電流センサ板５００の左側のセル１００から電流センサ板５００の右側のセル１００に向かって電流が流れるように構成されている。なお、図３では第２部材１０２ｂと電流センサ板５００とが離れて図示されているが、実際は電流センサ板５００と第２部材１０２ｂは接触している。

セパレータ１０２の第２部材１０２ｂは、セパレータ１０２の冷却水路を流れる冷却水と、電流センサ板５００とを遮断し、電流センサ板５００を防水するためのものである。第２部材１０２ｂは、水を通さない材料（水の通りを遮断する材料）で構成されており、薄い板形状となっている。また、第２部材１０２は、全体が導電性材料で構成されており、例えばカーボンを用いることができる。

図５は電流センサ板５００の斜視図であり、図６は電流センサ板５００の部分拡大図であり、図７は図６のＡ−Ａ断面図である。

図５に示すように、電流センサ板５００は、母材となる板状部材として構成されており、複数の柱状部５０１が設けられている。電流センサ板５００は、非導電体で構成されており、例えば樹脂材料を用いることができる。柱状部５０１は、導電体で構成されており、例えば金属材料を用いることができる。燃料電池１０を車両に搭載する場合は環境温度が幅広いので、柱状部５０１として熱膨張率が小さい材料を用いることが好ましい。なお、柱状部５０１が本発明の電流経路に相当している。

電流センサ板５００には、ロの字状の溝５０２によって囲まれた直方体の柱状部５０１が複数形成され、この柱状部５０１の端部は隣り合うセル１００に接触するようになっている。柱状部５０１の電流センサ板５００に対する位置は、セル１００の電流測定領域に対応する位置である。柱状部５０１の具体的な位置については後述する。なお、図６に示す例では溝５０２をロの字状とし、柱状部５０１を直方体状としたが、これに限らず、例えば溝５０２を円状、柱状部５０１を円柱状のような他の形状にすることもできる。

図７に示すように、柱状部５０１は、電流センサ板５００とは別部材として構成されているとともに、導電性材料から構成されている。柱状部５０１の両端は、セル１００と接触する接触電極５０４となっている。本実施形態では、接触電極５０４におけるセル１００と接触する面の形状は正方形となっている。このような構成により、電流測定装置５０の両側に位置するセル１００は、柱状部５０１を介して電気的に接続されることとなる。

さらに、柱状部５０１にはヒータ５０５が設けられている。本実施形態のヒータ５０５は、柱状部５０１に巻き付けられた巻き線ヒータとして構成されており、通電により発熱する。ヒータ５０５は、セパレータ１０２を加熱するためのものであり、できるだけセパレータ１０２の近くに配置することが望ましい。ヒータ５０５の電源としては、燃料電池１０や２次電池（図示せず）を用いることができる。ヒータ５０５に対する通電制御は、制御部４０により行われる。

また、図６に示すように、溝５０２には電流センサ５０３が配置されている。電流センサ５０３は、柱状部５０１を囲むように配置された鉄心５０３ａと、鉄心５０３ａの両端部間に配置されたホール素子５０３ｂとから構成されている。なお、本実施形態の鉄心５０３ａ、ホール素子５０３ｂが本発明の電流センサに相当している。

本実施形態では、柱状部５０１に電流が流れたときに発生する磁界をホール素子５０４で検出することで、柱状部５０１に流れる電流を測定するようになっている。そして、検出結果が、ホール素子５０４から制御部４０に向けて出力されるようになっている。なお、ホール素子５０４に限らす、ＭＲ素子、ＭＩ素子等の他の磁気センサを用いることもできる。また、磁気センサを利用して、柱状部５０１を流れる電流を間接的に測定する他に、柱状部５０１を流れる電流を直接測定しても良い。

次に、電流測定装置５０における柱状部５０１および電極５０４の位置を図８に基づいて説明する。

図８は、空気極側のセパレータ１０２の透視図である。図８に示すように、空気側セパレータ１０２は、空気流路に接続される空気入口部１０２ａおよび空気出口部１０２ｂと、空気入口部１０２ａから空気出口部１０２ｂに向かって空気を流すための空気流路１０２ｃとを備えている。なお、空気入口部１０２ａが本発明の酸化剤ガス入口部に相当し、空気出口部１０２ｂが本発明の酸化剤ガス出口部に相当している。

図８に示すように、本実施形態では、電流測定装置５０の柱状部５０１および電極５０４は、セパレータ１０２の空気流路１０２ｃに沿って複数配置されている。本実施形態では、セパレータ１０２の空気流路１０２ｃに沿って１６個の電極５０４を配置している。これにより、セル１００におけるセパレータ１０２の空気流路１０２ｃに沿った各部位の電流を測定することができる。

次に、本実施形態の燃料電池システムのフラッディング防止制御について説明する。図９は、制御部４０がＲＯＭ等に格納された制御プログラムにしたがって行うフラッディング防止制御の流れを示している。

まず、電流センサ５０３でセル１００の各部位における電流を測定する（Ｓ１０）。次に、測定した電流値に基づいて燃料電池１０でフラッディングが発生しているか否かを判定する（Ｓ１１）。フラッディングはセル１００の空気出口部１０２ｂ近傍で発生することが多いため、本実施形態では、セル１００の空気出口部１０２ｂ近傍における電流値が所定下限値を下回った場合に燃料電池１０でフラッディングが発生していると判定する。ここで、「所定下限値」とは、燃料電池１０でのフラッディング発生を判定するために予め設定された値であり、任意に設定することができる値である。

Ｓ１１の判定の結果、燃料電池１０でフラッディングが発生していると判定された場合には（Ｓ１１：ＹＥＳ）、ヒータ５０５に通電してヒータ５０５による加熱を行う（Ｓ１２）。これにより、燃料電池１０におけるフラッディング発生部位が加熱され、水分の蒸発が促進されるので、燃料電池１０でのフラッディングを解消することができる。

ヒータ５０５による長時間の加熱は、セル１００に悪影響を及ぼすことが考えられるとともに、ヒータ５０５による加熱を長時間行っても電流値が上昇しない場合には、フラッディング以外の要因で電流値が低下していることも考えられる。そこで、ヒータ５０５による加熱開始から所定時間が経過したか否かを判定し（Ｓ１３）、所定時間が経過していないと判定された場合には、Ｓ１１に戻り、所定時間が経過していると判定された場合には、ヒータ５０５への通電を停止してヒータ５０５による加熱を停止し（Ｓ１４）、本制御を終了する。

Ｓ１１において、燃料電池１０でフラッディングが発生していないと判定された場合には（Ｓ１１：ＮＯ）、ヒータ５０５が通電状態か否かを判定する（Ｓ１５）。この結果、ヒータ５０５が通電状態である場合には（Ｓ１５：ＹＥＳ）、ヒータ５０５の通電を停止し（Ｓ１４）、ヒータ５０５が通電状態でない場合には（Ｓ１５：ＮＯ）、そのまま本制御を終了する。

以上のように、積層されたセル１００の間に挿入されて用いられる電流測定装置５０において、フラッディングが発生しやすい箇所に対応する電流センサ５０３近傍にヒータ５０５を設け、ヒータ５０５による加熱を適宜行うことで、燃料電池１０で発生したフラッディングを解消できる。

（第２実施形態）
次に、本発明の第２実施形態を図１０に基づいて説明する。本第２実施形態は、上記第１実施形態と比較して、フラッディング判定方法が異なっている。上記第１実施形態と同様の部分は説明を省略し、異なる部分についてのみ説明する。

図１０は、セル１００の空気入口部１０２ａからの距離と、各部位における電流値との関係を示している。図１０中の実線Ａは電流値の理論値を示している。

燃料電池１０の電気化学反応に伴って、空気流路１０２では徐々に空気が消費されていく。このため、セパレータ１０２の空気流路１０２ｃでは、空気入口部１０２ａから離れるにしたがって空気濃度が低くなり空気量が減少していく。セル１００の面内における電流密度は空気流路１０２ｃにおける空気量に比例する。このため、図１０において実線で示すように、セパレータ１０２の空気流路１０２ｃにおける空気入口部１０２ａから離れるにしたがい、空気量の減少に比例してセル１００の電流密度が低下していく。

図１０中のＸは、セル１００の空気出口部１０２ｂを含む空気流路１０２ｃに沿った各部位における理論電流値の上限値と下限値との差である変動幅を示している。本実施形態では、理論電流値の変動幅Ｘに若干の幅をプラスした閾値Ｙを予め設定している。そして、制御部４０では、セパレータ１０２の空気出口部１０２ｂを含む空気流路１０２ｃに沿った各部位における測定電流値の最大値と最小値との差が閾値Ｙを超えている場合に、燃料電池１０でフラッディングが発生していると判定する。したがって、図１０に示す測定電流値の例は、燃料電池１０でフラッディングが発生していると判定することができる。

以上の構成によっても、燃料電池１０におけるフラッディングの発生を検出することができ、上記第１実施形態と同様の効果を得ることができる。

（第３実施形態）
次に、本発明の第３実施形態を説明する。本第３実施形態は、上記各実施形態と比較して、フラッディング判定方法が異なっている。上記各実施形態と同様の部分は説明を省略し、異なる部分についてのみ説明する。

本第３実施形態では、セル１００の空気入口部１０２ａ近傍および空気出口部１０２ｂ近傍の電流値に基づいて燃料電池１０のフラッディング発生を判定する。制御部４０は、セル１００の空気入口部１０２ａ近傍の測定電流値が第１所定下限値を下回り、セル１００の空気出口部１０２ｂ近傍の測定電流値が第２所定下限値を下回った場合に、燃料電池１０でフラッディングが発生していると判定する。「第１所定下限値」と「第２所定下限値」ともに燃料電池１０でのフラッディング発生を判定するための値であり、理論電流値に基づいて設定される。

本実施形態のフラッディング判定について、図１０で示した例を用いて説明する。図１０で示した例では、セル１００の空気出口部１０２ｂを含む空気流路１０２ｃに沿った各部位における測定電流値は、空気入口部１０２ａの近傍と空気出口部１０２ｂの近傍で測定電流値が理論電流値より低下している。

空気入口部１０２ａ近傍で電流値が低下しているのは、空気入口部１０２ａ近傍における水分不足によるものと考えられ、空気入口部１０２ａ近傍における水分不足は空気供給量が多いことに起因していると考えられる。このため、空気出口部１０２ｂにおいても、空気供給量は充分であると考えられるので、空気出口部１０２ｂ近傍で電流値が低下しているのは、フラッディングが原因であると考えられる。このため、セル１００の空気入口部１０２ａ近傍および空気出口部１０２ｂ近傍の電流値に基づいて判定することで、燃料電池１０のフラッディング発生をより確実に検出することができる。
（他の実施形態）
なお、上記実施形態では、ヒータ５０５として巻き線ヒータを用いたが、これに限らず、他の種類のヒータを用いることができる。電流測定装置５０に設けられるヒータ５０５として、例えば図１１に示すような柱状部５０１の周囲に配置された面ヒータ、またはテープ状のリボンヒータを用いることができる。

また、上記各実施形態では、セル１００の空気流路１０２ｃの全体に渡って電流測定装置５０の柱状部５０１、電流センサ５０３、ヒータ５０５を設けたが、柱状部５０１等は必要に応じて１以上設ければよい。第１実施形態の構成では、柱状部５０１等をセル１００の空気出口部１０２ｂ近傍に対応する位置に少なくとも１つ設ければよく、第２実施形態の構成では、柱状部５０１等をセル１００の空気出口部１０２ｂ近傍に対応する位置とそれ以外の位置のぞれぞれに少なくとも１つ設ければよく、第３実施形態の構成では、柱状部５０１等をセル１００の空気入口部１０２ａと空気出口部１０２ｂの近傍に対応する位置のそれぞれに少なくとも１つ設ければよい。

上記実施形態に係る燃料電池システムの概念図である。 上記実施形態に係る燃料電池の斜視図である。 上記実施形態に係る電流測定装置の断面図である。 上記実施形態に係る電流測定装置の斜視図である。 上記実施形態に係る電流測定装置の電流センサ板を示す斜視図である。 図５の電流測定装置の部分拡大図である。 図６のＡ−Ａ断面図である。 上記実施形態に係る空気極側のセパレータの透視図である。 フラッディング防止制御の流れを示すフローチャートである。 セルの空気入口部からの距離と、各部位における電流値との関係を示す特性図である。 ヒータの変形を示す図６のＡ−Ａ断面図である。

符号の説明

１０…燃料電池、１００…セル、１０２…セパレータ、１０２ｃ…空気流路、４０…制御部、５０…電流測定装置、５００…電流センサ板、５０１…柱状部、５０３ａ…鉄心、５０３ｂ…ホール素子、５０５…ヒータ。

Claims (4)

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ーを発生させるセル（１００）が複数積層された燃料電池（１０）の電流を測定する電流測定装置であって、
   積層された前記セル間に配置された板状部材（５００）と、
   前記板状部材（５００）に少なくとも１つ設けられ、前記板状部材（５００）を両側から挟み込む前記セル（１００）を電気的に接続する電流経路（５０１）と、
   前記電流経路（５０１）を流れる電流を測定する電流センサ（５０３）と、
   前記電流センサ（５０３）の近傍に設けられたヒータ（５０５）と、
   前記ヒータ（５０５）の加熱制御を行う制御部（４０）を備え、
   前記電流経路（５０１）は、少なくとも前記セル（１００）における水分過剰となりやすい部位に対応する部位に設けられており、
   前記制御部（４０）は、前記電流センサ（５０３）で測定した電流値に基づいて前記ヒータ（５０５）による加熱を行うことを特徴とする電流測定装置。
2. 前記電流経路（５０１）は、前記セル（１００）における酸化剤ガスが流出する酸化剤ガス出口部（１０２ｂ）の近傍に設けられており、
   前記制御部（４０）は、前記電流センサ（５０３）で測定した電流値が予め設定された所定電流値を下回った場合に、前記ヒータ（５０５）による加熱を開始することを特徴とする請求項１に記載の電流測定装置。
3. 前記電流経路（５０１）は、前記セル（１００）における酸化剤ガスが流入する酸化剤ガス入口部（１０２ａ）の近傍と酸化剤ガスが流出する酸化剤ガス出口部（１０２ｂ）の近傍に設けられており、
   前記制御部（４０）は、前記電流センサ（５０３）で測定した前記酸化剤ガス入口部（１０２ａ）の近傍の電流値が予め設定された第１の所定電流値を下回り、前記酸化剤ガス出口部（１０２ｂ）の近傍の電流値が予め設定された第２の所定電流値を下回た場合に、前記ヒータ（５０５）による加熱を開始することを特徴とする請求項１に記載の電流測定装置。
4. 前記電流経路（５０１）は、前記セル（１００）における酸化剤ガスが流出する酸化剤ガス出口部（１０２ｂ）の近傍を含む複数箇所に設けられており、
   前記制御部（４０）は、前記電流センサ（５０３）で測定した複数の電流値の最大値と最小値との差が予め設定された閾値を超える場合に、前記ヒータ（５０５）による加熱を開始することを特徴とする請求項１に記載の電流測定装置。
   

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