JP2007141721A - 電流測定装置 - Google Patents

Abstract

【課題】電流センサをセル面内における適切な位置に配置することで、燃料電池の発電状態を把握することが可能な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からなる反応ガス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、セル１００間に配置され、セル１００間を電流が流れる複数の電流経路５０１を有する板状部材５００と、板状部材５００における電流経路５０１に対応する位置に設けられ、電流経路５０１に流れる電流を測定する複数の電流センサ５０３とを設け、複数の電流経路５０１をセル１００における反応ガスが流れる反応ガス流路に沿って反応ガス流路に対向する位置に配置する。
【選択図】図８

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。

燃料電池の電極面内の電流密度を測定する電流密度測定装置として、板状の母材に電極面内の各測定部位に対応して突出する柱状部を一体的に設けたものが提案されている（特許文献１参照）。この電流密度測定装置では、柱状部に流れる電流を燃料電池の局所電流として測定し、複数箇所の局所電流を測定することで電流密度を測定するように構成されている。
特開２００４−１５２５０１号公報

ところで、燃料電池での発電に伴い反応ガス（酸化剤ガス、燃料ガス）が消費されるので、反応ガス流路中の反応ガス濃度は一定ではなく、反応ガス流路中の反応ガス濃度に応じてセル面内での電流密度分布が変動する。

しかしながら、上記特許文献１に記載の燃料電池システムでは、電流センサによるセル面内での電流測定箇所について規定されておらず、電流測定箇所と発電電流との関係については、何ら考慮されていない。このため、電流センサの測定結果と電流測定箇所との関係から燃料電池の発電状態を知ることができないという問題がある。

本発明は上記点に鑑み、電流センサをセル面内における適切な位置に配置することで、燃料電池の発電状態を把握することが可能な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、本発明は以下の手段を採用している。

本発明の第１の特徴は、酸化剤ガスと燃料ガスとからなる反応ガス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、セル（１００）間に配置され、セル（１００）間を電流が流れる複数の電流経路（５０１）を有する板状部材（５００）と、板状部材（５００）における電流経路（５０１）に対応する位置に設けられ、電流経路（５０１）に流れる電流を測定する複数の電流センサ（５０３）とを備え、複数の電流経路（５０１）は、セル（１００）における反応ガスが流れる反応ガス流路に沿って反応ガス流路に対向する位置に配置されていることである。

このように、複数の電流経路をセルの反応ガス流路に沿って配置することで、セル面内における電流の測定結果と電流測定箇所との関係から燃料電池の発電状態を把握することができる。また、複数の電流経路をセルの反応ガス流路に沿って配置することで、測定電流値の傾きから燃料電池の発電状態を正確に把握でき、燃料電池に対する反応ガス供給量などの適切な制御を行うことができる。

本発明の第２の特徴は、電流経路（５０１）におけるセル（１００）に対向する部位には電極（５０４）が設けられており、電極（５０４）におけるセル（１００）に対向する面の反応ガス流れ方向の幅は反応ガス流路の流路幅より小さいことである。これにより、複数の電流センサでセルにおける空気流路に沿った部位の電流を正確に測定することができる。

また、反応ガス流路は、酸化剤ガスが流れる酸化剤ガス流路（１０２ｃ）とすることができる。この場合には、電流センサにて測定した電流値に基づいて、酸化剤ガスの供給量を適切に制御することができる。

また、反応ガス流路は、燃料ガスが流れる燃料ガス流路とすることができる。電流センサにて測定した電流値に基づいて、燃料ガスの供給量を適切に制御することができる。

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。

本発明の一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。

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２１１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〜図１０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、空気流路１０２ｃが本発明の酸化剤ガス流路に相当している。

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。また、電流測定装置５０の電極５０４の幅Ｗ１を空気流路１０２ｃの幅Ｗ２より小さくなるように構成しているので、空気流路１０２ｃを跨いで電流を測定することを回避でき、セル１００における空気流路１０２ｃに沿った部位の電流を正確に測定することができる。

図９は、セパレータ１０２の空気流路１０２ｃにおける入口からの距離と、空気流路１０２ｃの内部における空気量との関係を示している。上述の燃料電池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、図９に示すように、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、セパレータ１０２の空気流路１０２ｃにおける空気量に比例する。このため、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は、セパレータ１０２の空気流路１０２ｃにおける入口からの距離と、セル１００の電流密度の計測例との関係を示している。図１０に示すように、セル１００の電流密度は若干のばらつきがあるものの、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って低下している。

本実施形態では、図９に示すセパレータ１０２の空気流路１０２ｃにおける空気量の理論値から、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密度の理論値を予め算出し、セル１００の測定部位と電流密度の理論値とを関連づけて制御部４０の記憶装置（ＲＯＭ等）にマップとして格納している。したがって、制御部４０は、セル１００の各部位における電流密度の測定値と理論値とを比較することで、セル１００の各部位における発電状態を把握することができる。

次に、本実施形態の燃料電池システムの空気供給量および供給空気に対する加湿量の制御方法について説明する。図１１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空気供給量・加湿量制御の流れを示している。

まず、燃料電池１０の運転を開始する際に、空気供給装置２１による燃料電池１０への空気供給を開始し、加湿器２２による供給空気への加湿を開始する（Ｓ１０）。次に、複数の電流センサ５０３にてセル１００の空気流路１０２ｃに沿った各部位の電流を測定する（Ｓ１１）。

次に、セル１００の空気流路１０２ｃに沿った各部位の電流が単調減少しているか否かを判定する（Ｓ１３）。ここで「単調減少」とは、電流センサ５０３で測定した電流が空気流路１０２ｃからの距離に応じて減少している状態をいう。具体的には、複数の電流センサ５０３で測定した電流がそれぞれ予め設定された理論値とほぼと一致している場合に肯定判定をし、複数の電流センサ５０３で測定した電流が予め設定された理論値とずれている場合に否定判定する。本実施形態では、セル１００の空気流路１０２ｃに沿った各部位の理論電流値と測定電流値の傾きと比較し、これらの傾きがほぼ一致していれば肯定判定し、これらの傾きがずれている場合には否定判定する。

この結果、セル１００の空気流路１０２ｃに沿った各部位の電流が単調減少していると判定された場合には（Ｓ１３：ＹＥＳ）、燃料電池１０の運転状態が良好であると推測できるので、空気供給量および加湿量を減少し（Ｓ１３）、Ｓ１１に戻る。これにより、燃料電池１０に供給される空気の過剰率を低減することができる。一方、セル１００の空気流路１０２ｃに沿った各部位の電流が単調減少していないと判定された場合には（Ｓ１３：ＮＯ）、燃料電池１０の運転状態が良好ではないと推測できる。そこで、セル１００の空気出口部１０２ｂ付近の電流が低下しているか否かを判定する（Ｓ１４）。

この結果、セル１００の空気出口部１０２ｂ付近の電流が低下していると判定された場合には（Ｓ１４：ＹＥＳ）、空気供給量が不足してセル１００の空気出口部１０２ｂ付近の空気量が不足したため電流が低下していると推測できるので、燃料電池１０に対する空気供給量を増加させ（Ｓ１５）、Ｓ１１に戻る。一方、セル１００の空気出口部１０２ｂ付近の電流が低下していないと判定された場合には（Ｓ１４：ＮＯ）、セル１００の空気入口部１０２ａ付近の電流が低下しているか否かを判定する（Ｓ１６）。

この結果、セル１００の空気入口部１０２ａ付近の電流が低下していると判定された場合には（Ｓ１６：ＹＥＳ）、供給空気への加湿量が不足してセル１００の空気入口部１０２ａ付近が乾燥したため電流が低下していると推測できるので、加湿量を増加させ（Ｓ１７）、Ｓ１１に戻る。一方、セル１００の空気入口部１０２ａ付近の電流が低下していないと判定された場合には（Ｓ１６：ＮＯ）、複数の電流センサ５０３で測定したセル１００の空気流路１０２ｃに沿った各部位の電流値が不連続であるか否かを判定する（Ｓ１８）。

この結果、電流値が不連続であると判定された場合には（Ｓ１８：ＹＥＳ）、何らかの原因で燃料電池１０の発電状態に異常が発生していると推測できるので、燃料電池１０を安全に運転するために燃料電池１０への空気供給量と加湿量を増加させ（Ｓ１９）、Ｓ１１に戻る。一方、電流値が不連続でないと判定された場合には（Ｓ１８：ＮＯ）、そのままＳ１１に戻る。

以上のように、複数の柱状部５０１、電流センサ５１３、電極５０４をセル１００の空気流路１０２ｃに沿って配置することで、セル１００の面内における電流センサ５１３の測定結果と電流測定箇所との関係から燃料電池１０の発電状態を知ることができる。さらに、複数の柱状部５０１等をセル１００の空気流路１０２ｃに沿って配置することで、測定電流値の傾きから燃料電池１０の発電状態を正確に把握でき、燃料電池１０に対する空気供給量などの適切な制御を行うことができる。

また、燃料電池１０の発電状態に応じて空気供給量を制御することで、空気過剰率を低減でき、空気供給装置２１の消費電力および作動音を低減できる。

（他の実施形態）
なお、上記実施形態では、複数の柱状部５０１等をセル１００の空気流路１０２ｃに沿って、空気入口部１０２ａから空気出口部１０２ｂに渡って連続的に配置したが、これにかぎらず、柱状部５０１等はセル１００の空気流路１０２ｃに沿って複数配置されていればよい。例えば、複数の柱状部５０１等をセル１００の空気流路１０２ｃに沿って、空気入口部１０２ａ近傍のみに配置してもよく、空気出口部１０２ｂ近傍のみに配置してもよい。

また、上記実施形態では、複数の柱状部５０１等をセル１００の空気流路１０２ｃに沿って配置したが、これに限らず、複数の柱状部５０１等をセル１００における水素（燃料ガス）が流れる水素流路（燃料ガス流路）に沿って配置してもよい。セル１００の水素流路においても、燃料電池１０の電気化学反応の伴い、流路の下流側に向かって水素濃度が低くなり、水素量が少なくなる。このため、セル１００の水素流路の上流側では電流密度が高くなり、下流側では電流密度が低くなる。

したがって、上記実施形態におけるセル１００の水素入口部からの距離と電流値との関係は、上記実施形態におけるセル１００の空気入口部１０２ａからの距離と電流値との関係と同様である。このため、複数の柱状部５０１等をセル１００の水素流路（燃料ガス流路）に沿って配置して電流値を測定し、図１１で示した制御処理と同様の処理を行うことで、燃料電池１０の発電状態を的確に把握することができる。これにより、適切な水素（燃料ガス）の供給制御を行うことができる。

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。 セパレータの空気流路における入口からの距離と、空気流路の内部における空気量との関係を示す特性図である。 セパレータの空気流路における入口からの距離と、セルの電流密度の計測例との関係を示す特性図である。 上記実施形態に係る空気供給量・加湿量制御の流れを示すフローチャートである。

符号の説明

１０…燃料電池、１００…セル、１０２…セパレータ、１０２ｃ…空気流路、２１…空気供給装置、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。

Claims (4)

1. 酸化剤ガスと燃料ガスとからなる反応ガス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、
   前記セル（１００）間に配置され、前記セル（１００）間を電流が流れる複数の電流経路（５０１）を有する板状部材（５００）と、
   前記板状部材（５００）における前記電流経路（５０１）に対応する位置に設けられ、前記電流経路（５０１）に流れる電流を測定する複数の電流センサ（５０３）とを備え、
   前記複数の電流経路（５０１）は、前記セル（１００）における前記反応ガスが流れる反応ガス流路に沿って前記反応ガス流路に対向する位置に配置されていることを特徴とする電流測定装置。
2. 前記電流経路（５０１）における前記セル（１００）に対向する部位には電極（５０４）が設けられており、前記電極（５０４）における前記セル（１００）に対向する面の反応ガス流れ方向の幅は前記反応ガス流路の流路幅より小さいことを特徴とする請求項１に記載の電流測定装置。
3. 前記反応ガス流路は、酸化剤ガスが流れる酸化剤ガス流路（１０２ｃ）であることを特徴とする請求項１または２に記載の電流測定装置。
4. 前記反応ガス流路は、燃料ガスが流れる燃料ガス流路であることを特徴とする請求項１または２に記載の電流測定装置。
   

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