JP2007515050A - Ｒｆｉｄデバイスを用いた燃料電池モニタリング - Google Patents

Abstract

無線周波数識別（ＲＦＩＤ）デバイスは、燃料電池の様々な動作パラメータをモニターするために使われ得る。例えば、ＲＦＩＤデバイスは、燃料電池スタックの個々のセル電圧をモニターし、こうして、スタック動作中の電圧反転状況をチェックするために使われ得る。この燃料電池は、カソード、アノード、電解質、および、ＲＦＩＤトランスポンダーを備える。トランスポンダーは燃料電池の動作パラメータに関する情報を感知し、送信するように設計されており、例えば、動作パラメータがある閾値未満に下がったとき、あるいは、超えたときに、それを識別し、送信する。

Description

本発明は、一般的に、燃料電池内に無線周波数識別（ＲＦＩＤ）デバイスを使うことに関する。より特定的には、固体高分子電解質燃料電池スタックにおいて、セル電圧などの動作パラメータをモニターすることに関する。

電気化学燃料電池は、燃料と酸化剤を変換して、電力と反応生成物とを生成する。燃料電池の代表的なタイプは、固体高分子イオン交換膜電解質を用いる固体高分子電解質燃料である。膜電解質は、一般的に、２つの電極層（カソード層とアノード層）の間に置かれ、膜電極接合体（ＭＥＡ）を形成する。典型的な固体高分子電解質燃料電池において、ＭＥＡは２つの導電性あるセパレータあるいは流体フローフィールドプレートの間に配置されている。流体フローフィールドプレートは、少なくとも１つの流路をその中に有し、流体の反応剤（燃料または酸化剤）を適切な電極層、すなわち燃料側上のアノードおよび酸化剤側上のカソードに導くためである。フローフィールドプレートまたはセパレータプレートも、また、カレントコレクタとして機能し、ＭＥＡの機械的サポートを提供する。

単一の燃料セルの出力電圧は、比較的低い（例えば、負荷時に１ボルト未満）ので、燃料電池電源は、典型的には、直列または並列に、一緒に接続された多数のセルを含む。これは、供給電源の全体の出力電圧と出力電力とを高めるためである。直列配置において、燃料電池のセルは、典型的にはスタックに並んでおり、いずれのフローフィールドプレートも、片側が一つのセルのアノード側プレートとして機能し、そのプレートのもう片側が隣接するセルのカソード側プレートとして機能する。このようなフローフィールドプレートは、バイポーラプレートと見なされる。多数の燃料セルからなるスタックは、典型的には、タイロッド（ｔｉｅ ｒｏｄ）およびエンドプレートによって、そのアセンブリされた状態で一緒に保たれている。内部のスタックマニフォールドとフローフィールドの周りの密閉性を確保するために、さらに、また、プレートの表面とＭＥＡとの間で適切な電気的接触を確保するために、圧縮機構が一般に必要とされる。

アプリケーションによっては、大きなサブシステムや制御機器が、燃料電池スタックを実用的な電源とするため、必要とされ得る。例えば、サブシステムは、一般的に、印加された電気負荷に従い、適切な圧力と速度で反応剤をスタックに提供しなくてはならない。このように、完全な燃料電池システムの実際の動作は非常に複雑になり得るし、満足いく制御を行うフィードバックを提供し、および／または、問題状況が差し迫りそうな場合において警告を発するため、様々なプロセスや動作のパラメータがモニターされる必要が生じ得る。

直列スタックにおける重大な潜在的な問題状況の例は、１つ（または複数）のセル内の電圧反転である。（電圧反転は、、スタック内の他のセルと同じレベルで電流を提供できなくなったときに、直列スタックでの弱いセルにおいて起こり得る。このような状況において、スタック内の他のセルによって生成した十分に大きな電流が、その弱いセルを強行に通過し、そのセルを電圧反転する。）出力電力の低下に関連するのみならず、また、結果として、電圧反転は、電圧反転したセルとスタックに内部損傷を与え得る。したがって、個々のセル電圧をモニターすること、および、動作中の異常な低電圧を検出することは、電圧反転の状況を前もって警告するためにも有用である。次いで、セルが電圧反転を起こさないように、是正措置が取られ得ることで、いかなる電圧反転関連の損傷の発生をも防ぎ得る。

しかしながら、この目的に対し、適切なセル電圧モニター（ＣＶＭ）を開発することは、困難であることが分かってきた。典型的なＣＶＭは、個々のセルとの適切な電気接続を介して、電圧データを収集する。セル電圧を示す信号は、こうして生成し、プロセッサに供給される。次いで、プロセッサが問題状況の有無を判断し、適切なアクションを開始する。典型的なプロセッサは、高い共通モード電圧（すなわち、共通電圧または共通グラウンドに対する電圧）を扱うことができないので、また、典型的な直列スタックで体験する電圧は非常に高く（例えば、セル間で数百ボルトまで）なり得るので、生成した信号は、通常、適切な絶縁回路網を介して、セル自身から電気的に絶縁されている。それでも、セルとなされた電気的接続や、セル電圧を示す電気的に絶縁された信号を生成する回路網において、問題が生じてきた。

セルに電気的接続を行う点に関していえば、そのアセンブリは非常に労働集中的で、燃料電池の設計が進化するに伴い、また、セパレータプレートが次第に薄くなり、その間隔がより近接するに伴い、コンタクトを位置合わせし、組み込むことは、ますます困難になっている。さらに、セル間間隔のばらつき（製造許容範囲とスタック動作中の伸縮による）を調整しなくてはならない。さらに、また、燃料電池スタックは、振動の影響を受けやすいので、信頼性ある接続を行って、振動の影響を受けたときにも、コンタクトを維持できるようにしなくてはならない。

ＣＶＭ内の信号生成／電気的絶縁回路網は、セルへの電気的接続に近い位置に、したがって、スタックに近い位置にあることが望ましい。（これによって、要求される高電圧ハードウェアを最小化し、システムにおける危険電圧領域のサイズを最小化できる。また、ＣＶＭを介するスタック内のセルを不注意でショートする可能性も減らされ得る。）しかしながら、スタックのすぐ近傍において、その環境が多湿、高温、および、酸性またはアルカリ性であり得る。例えば、固体高分子電解質燃料電池において、カーボンセパレータプレートは、幾分か多孔性であり得る。それゆえ、そのプレートすぐ近傍の環境は、セル内の環境に幾分か類似し得る。その結果、スタックすぐ近傍の任意の金属製ハードウェアは、腐食や故障の影響を受けやすくなり得る。特に、大きな電圧を分離する導電性トレース（例えば、絶縁回路網ベースのプリント回路基板）は、腐食やデンドライト形成によるブリッジによる影響を受けやすい。このようなタイプの故障を防ぐために、このようなハードウェアは、腐食環境から離すために、カプセルに包まれること、あるいは、ケースに入れられることがあり得る。それでも、このような方法で、満足いく包括的で耐久性ある保護コーティングを提供することは、些細なことではない。

したがって、この分野での進歩は見られるが、燃料電池スタック用に、簡単で信頼性あるセル電圧モニターに対する必要性は相変わらず残っている。本発明は、こうしたニーズに応えるものであり、更なる関連する利点をも提供する。

（本発明の概要）
無線周波数識別（ＲＦＩＤ）デバイスは、燃料電池の様々な動作パラメータをモニターするために使われ得る。例えば、そのパラメータには燃料電池スタック内の個々のセル電圧を含む。このように、ＲＦＩＤシステムは、スタック動作中における個々のセルの電圧反転状況をチェックする改善されたセル電圧モニターとして機能し得る。

動作パラメータをモニターするために、ＲＦＩＤトランスポンダーが燃料電池内に提供され、そのトランスポンダーはその動作パラメータに関する情報を感知して、送信するように構成されている。

一つの実施形態において、トランスポンダーは動作パラメータがある一定の閾値（例えば、そのパラメータがその閾値未満に下がったとき、あるいは、閾値を超えたとき）に到達したときのみ、その識別を送信するように構成され得る。別の実施形態において、その代わりに、トランスポンダーは動作パラメータの現在値を送信するように構成され得る。

上述のように、モニターされる動作パラメータはセル電圧であり得る。しかしながら、セルのインピーダンスなどの他の動作パラメータをモニターすることも、また可能である。セルの電圧とインピーダンスの双方が、トランスポンダーにセンサを組み込むことによって、感知され得る。このトランスポンダーは、燃料電池のカソードとアノードに、それぞれ電気的接続されたカソードコンタクトとアノードコンタクトを有する。

適切な基準電極が燃料電池で用いられるなら、半セル電圧（すなわち、適切な基準電極と、カソードまたはアノードの一方の電圧との間の電圧）がモニターされ得る。トランスポンダーは、基準電極を含む電圧センサを備える。

モニターされ得るパラメータには、他にも、セル温度、反応剤圧力および／または流速（ｆｌｏｗ ｒａｔｅ）、スタック圧縮度、および、不純物濃度を含む。トランスポンダーに適切なセンサを組み込み、本発明性ある装置を用いれば、１つを超すパラメータが、同時に感知され得るし、それゆえ、モニターされ得る。

所望の動作パラメータを感知するための適切なセンサと同時に、感知したパラメータを送信用にデジタル形式に変換し得るＡ／Ｄ変換器を、トランスポンダーは備え得る。トランスポンダーは能動的（内部電源）または受動的（外部電源、典型的にはＲＦＩＤ読み取り機との相互作用による）であり得る。

ＲＦＩＤでモニターされる燃料電池システムは、典型的には、上記トランスポンダーを装備した複数の燃料電池の直列スタックを備え、それと同時に、そのトランスポンダーから送信された情報を読み取るための読み取り機も同時に備える。

例示的な実施形態において、本システムは固体高分子電解質燃料電池システムである。このシステムで、本発明は電圧反転を防止するためのセル電圧モニターとして機能する。燃料電池スタックにおいて、それぞれのセルは膜電極接合体を備え、それぞれの膜電極接合体はカソード、アノード、電解質、および、電気化学的に不活性なマニフォールド部を備える。スタックは、各燃料セルのアノードとカソードとに隣接するフローフィールドプレートをさらに備える。各セルは、膜電極接合体のマニフォールド部に置かれたトランスポンダーを備える。トランスポンダーは、カソード圧コンタクトパッドとアノード圧コンタクトパッド有する電圧センサーを備える。両パッドは、マニフォールド部の向かい合う面に取り付けられており、カソードとアノードに隣接するフローフィールドプレートと、それぞれ電気的にコンタクトしている。マニフォールド部は、熱可塑性プラスチックであり、トランスポンダーは製造時に熱可塑性プラスチックの中に成形され得る。

以下の実施形態において、トランスポンダーはセル電圧に関する情報を感知し、読み取り機にその情報を送信し得る。しかしながら、本アプリケーションでの任意の「衝突」問題（多数のトランスポンダーからの信号が互いに干渉し合い得る）を避けるために、セル電圧に電圧反転が差し迫ることを示す相応の閾値未満に下がらない限り、各燃料セルにあるトランスポンダーが休止状態の（サイレントな）ままとすることも可能である。このように、トランスポンダーは、セル電圧がこの閾値未満に下がったときにのみ、読み取り機にその識別を送信するように構成されている。

（本発明の詳細な説明）
無線周波数識別（ＲＦＩＤ）機器は、品物を識別し、その履歴を追うために、様々な産業で利用されている。典型的な履歴追跡の応用としては、履歴追跡されるべき各商品がＲＦＩＤトランスポンダーを備え、商品はＲＦＩＤ読み取り機を使って、識別される。このＲＦＩＤ読み取り機は、無線でトランスポンダーと通信し、その識別を判断する。ＲＦＩＤデバイスは、その技術が進化し続き、小型化と低価格化が進むにつれ、徐々にバーコードに置き換わってきている。ＲＦＩＤデバイスは、目で見える必要がない点（すなわち、物体内に埋め込み得る）やメモリ機能を備え得る点などで、バーコードより優れた利点を幾つか有している。

ＲＦＩＤシステムは、少なくとも１つのＲＦＩＤトランスポンダー（タグと称されることも多く、典型的には集積回路と適切なコイル／アンテナとを備える）と、少なくとも１つの読み取り機（トランシーバと適切なコイル／アンテナとを備える）を有する。通信は、トランスポンダーと読み取り機の間で、そのコイル（すなわち、空芯変成器のように機能するコイルとともに）間の磁気的カップリングを介して行われる。典型的な動作の周波数帯は、約３０ｋＨｚ〜２．５ＧＨｚの範囲である。

燃料電池産業において、ＲＦＩＤ技術は、部品および／または製品の識別と履歴追跡を行うのに有益であるのみならず、燃料電池スタック動作中に燃料電池スタック自体の様々なパラメータをモニターする上でも有益である。使用中の強力な燃料電池スタックの近傍では、顕著な電磁気ノイズが発生し得るが、一般的には、この環境の下、ＲＦＩＤデバイスが通信を成功裏に行うことは可能である。（しかしながら、以下の実施例１に示すように、特定の場におけるノイズレベルは許容範囲外であり得る。）
数多くのパラメータが、スタック動作中にモニターされることが望ましいが、電圧反転状況が差し迫っていることを事前に警告するために、個々のセル電圧をモニター可能とすることが特に有効である。図１は、セル電圧モニターを含む典型的な固体高分子電解質燃料電池システムの模式図を示す。ここで、ＲＦＩＤデバイスのセル電圧モニターは、スタック中の各セルをモニターするために使われている。

図１において、スタック１は、直列スタック内に複数の燃料セルユニット２を備える（簡略化のために、３つのユニットのみが、図１に詳細に示されている）。スタック内の各ユニット２は、膜電極接合体（ＭＥＡ）３を備える。ＭＥＡ３は、電気化学的に活性部分４と不活性部分５とを備える。活性部分４は、カソード、アノード、および、電極（特に図示せず）を備える。図に示す実施形態において、不活性部分５は、反応剤および／または冷却材の内部マニフォールド形成に作用し得る。それぞれの燃料セルユニット２は、また、カソードフローフィールドとアノードフローフィールド７を有するバイポーラセパレータプレート６を備える。カソードフローフィールドとアノードフローフィールド７は、ＭＥＡ３に隣接するカソードとアノードに隣接するように、それぞれ形成されている。このように、バイポーラプレート６のフローフィールド７は、酸化剤をカソードに、燃料反応剤をアノードに、それぞれ向かわせるような役目を果たす。

本発明に従うと、集積回路８とコイル９とを備えたＲＦＩＤトランスポンダー１０は、各燃料セルユニット２の中に組み込まれている。セル電圧を感知するために、トランスポンダー１０は、不活性部分５の互いに向かい合う側で、ただし、活性部分４に近いところで、カソードコンタクトパッド１１とアノードコンタクトパッド１２とをさらに含む。パッド１１と１２とは、隣接するバイポーラプレート６のカソード側とアノード側に、それぞれ物理的に接触し、感知ライン１３を介して、集積回路８の電圧入力に電気的に接続されている。

図１のセル電圧モニターは、トランスポンダー１０と、トランスポンダー１０の通信範囲に置かれている読み取り機１４を備える。読み取り機１４は、トランシーバ１５とコイル１６を備える。個々のセル電圧を表す情報は、トランスポンダー１０によって、読み取り機１４に通信される。それと引き換えに、読み取り機１４は、ライン１７経由でセル電圧情報をプロセッサ（図示せず）に転送する。プロセッサは、その情報を分析し、問題状況の有無を判断し、そして、適切なアクションを開始する。

図１のシステムは、従来のセル電圧モニタリングシステムに比し、多数の利点を提供する。トランスポンダー１０と読み取り機１４の間の通信は、無線で、外部の電気的接続は必要とされない。それゆえ、複雑さも低減され、セル間での電気的短絡の可能性も低くなる。トランスポンダー１０は、読み取り機１４から電気的に絶縁されており、読み取り機１４と関連する高電圧絶縁の問題は生じない。さらに、読み取り機１４と燃料電池スタックの間に、ラインオブサイト（ｌｉｎｅ ｏｆ ｓｉｇｈｔ）は必要とされないので、読み取り機１４はスタック周りの腐食環境から、より絶縁され得る。別の利点として、トランスポンダー１０は独立に機能するので、１つのトランスポンダーが故障しても、セル電圧モニターの残りの機能性に影響することはない。また、さらに、図１に示されるセル電圧モニターに必要とされる構成部品は比較的安価で、小さく、その大部分は、工業的に容易に利用可能な汎用部品であるという利点もある。最後に、ＲＦＩＤシステムは、追加機能を実施するために、用いられ得る。ここに示されたスタックの製造中に、構成部品ＭＥＡは、埋め込まれたトランスポンダーを従来式に使って、識別され、履歴追跡され得る。さらに、ただ単に、トランスポンダーに適切な追加センサを組み込み、かつ、他の既存のハードウェア（例えば、読み取り機１４）と共用するだけで、セル電圧以外の動作パラメータも同時にモニターされ得る。

どの情報が望まれるかによって、トランスポンダーは、問題状況が存在するときにのみ情報を送信するように構成され得るし、あるいは、代替的に、測定されたパラメータに関する情報を連続的に送信するようにも構成され得る。このアプリケーションが許されるとき、前者が好まれ得る。なぜなら、トランスポンダーが送信する送信量および／または回数が減れば、「タグ衝突」（すなわち、トランスポンダーが同時に信号を送る場合、読み取り機に混乱が生じる）に関する心配も減るからである。しかしながら、後者の場合、標準的な工業的技法を使って、「タグ衝突」問題を解決するような対応も取られ得る（例えば、衝突防止ソフトウェアを用いて）。図２ａと図２ｂは、そのそれぞれの場合にふさわしい一般的なトランスポンダーの構成の模式図を示す。例えば、図２ａにおいて、トランスポンダーは、感知したパラメータが閾値と交わったときのみ、その識別を送信するように設計されている。図２ｂにおいて、トランスポンダーは、パラメータの値そのものを示すデータを送信するように構成されている。

図２ａにおいて、トランスポンダー２０は、従来型ＲＦＩＤ集積回路２１を用いている。この回路２１は、読み取り機によってクエリされたとき、トランスポンダーの識別を送信する。また、模式図に示されているのは、従来型トランスポンダーコイル２２、および、同調用可変コンデンサ２３である。（同調用可変コンデンサ２３は、選択的に、集積回路２１の内部に含まれ得る。）動作パラメータに関する情報を感知し、送信するためのトランスポンダー２０を有効にするために、トランスポンダー２０は、さらにセンサ２４とサイレンシング回路２５を備える。センサ２４は、モニターされるべきパラメータを感知し、サイレンシング回路２５に代表的な信号を提供する。測定されたパラメータが正常な範囲のとき、サイレンシング回路２５は、集積回路２１の動力源を電気的に断ち、読み取り機によってクエリされたとき、トランスポンダー２０が識別を送信するのを妨げる（こうして、トランスポンダー２０をサイレントにする）。しかしながら、測定されたパラメータが所定の閾値と交わったとき、サイレンシング回路２５は無効にされる。そこで、トランスポンダー２０がクエリされたときに応答可能となる。このように、トランスポンダー２０は、問題状況が感知されるまで、休止状態である。その感知されるのは、読み取り機によってクエリされたとき、トランスポンダー２０がその識別を送信する時点においてである。

図２ａに示されたような構成は、電圧反転状況が迫りつつあるとの警告のみを必要とするようなセル電圧モニターにふさわしい。このような場合、セル電圧がある閾値未満に下がったとき、サイレンシング回路２５は、無効にされ得る。このように、この閾値未満の電圧を有するセル（単数または複数）は、読み取り機によって読まれたとき、応答する。こうして、「タグ衝突」を避けることができる。図１に示す実施形態において、カソードコンタクトパッド１１とアノードコンタクトパッド１２は、センサ２４として機能する。サイレンシング回路２５は、適切に構成されたトランジスタとコンデンサとをシンプルに備え得る（以下の実施例に記載のように）。別の実施形態において、トランスポンダー２０は、２つの異なる閾値で送信するように構成され得る。第一の閾値は事前警告を通信し、第二の閾値は燃料電池スタックのシャットダウンを開始するためである。これを行うためには、同様のサイレンシング回路網と一緒に、識別の２つのレベルが要求される。

図２ａにおいて、従来型ＲＦＩＤ集積回路２１は典型的に受動的である。すなわち、その回路に電気を供給し、トランスポンダーの識別を送信するのに適度の電力は、読み取り機との相互作用から得られる。センサ２４とサイレンシング回路２５は、そのセル（セル電圧がモニターされるとき）から、あるいは、可能であれば他の回路から電力を獲得し得る。代替的に、電力は、読み取り機との相互作用からも獲得され得る（コイル２２、コンデンサ２３、および、集積回路２１を備えるループ、または、図２ａでなく、図２ｂに示されるような二次コイル回路のいずれかより）。しかしながら、トランスポンダー２０は、コンデンサや電池などの代替エネルギ貯蔵を組み込み得ることで、受動的でなく、能動的にもされ得る。

図２ｂは、モニターされている動作パラメータの現在値が読み取り機に提供される代替のトランスポンダー３０を示す。ここで、カスタム集積回路３１が使われ、これは動作パラメータの値に関するコード化された情報と一緒にセル（すなわち、トランスポンダー）の識別を送信する。ここで、センサ３４は、動作パラメータを感知し、信号をＡ／Ｄ変換器３６に供給する。Ａ／Ｄ変換器３６は、次いで、このアナログデータをデジタル信号に変換し、これをカスタム集積回路３１に供給する。最後に、集積回路３１は、送信のために、動作パラメータをコード化する。

図２ｂは、選択的なデュアルコンデンサ同調コイル配置を示す。この配置は、コイル３２、第一のコンデンサ３３、第二のコンデンサ３５を備える。この配置は、２つの異なる周波数を送信することもできる。（代替的に、図２ａに示される単一のコンデンサ同調コイルと同様の配置も、この代わりに使われ得る。）
図２ｂに示されるように、トランスポンダー内の様々な構成要素用の電力が、二次コイル配置を介して、獲得され得る。この二次コイル配置は、二次コイル３７、同調コンデンサ３８、および、全波整流器または半波整流器３９を備える。こうして、電力は、別の周波数で、読み取り機と一緒の相互作用を介して、獲得され得る。しかしながら、図示された二次コイル配置の代わりに、電力供給の他の選択肢として、構成要素も、用いられれ得る（例えば、電池）。

いかなるトランスポンダーの設計が選択されるにせよ、トランスポンダーと読み取り機は、電磁気ノイズがその動作と干渉し得ない場所に置かれるべきである。以下の実施例のように、本発明のＲＦＩＤシステムは非常に頑強であって、典型的な高電力の燃料電池システムにおいて、おそらく最も騒々しい場所（例えば、強力なインバータの付近）を除くと、どのような位置でも正常に動作し得る。

セル電圧のモニターを目的として、固体高分子電解質燃料電池４０内のトランスポンダー向けに可能な実装配列が、図３ａと図３ｂに示される。（図３ａは、アセンブリした図を、図３ｂは分解図を、それぞれ示す。）これらの図において、集積回路４１とコイル４２とは、ＭＥＡ４９の端にあるプラスチックの電気化学的に不活性なマニフォールド部４９ｂに埋め込まれている。（燃料電池スタック内の反応剤と冷却材とを運ぶための内部マニフォールドは、ＭＥＡ４９のマニフォールドの開口部を整列させることで、燃料電池スタックの他の構成要素と一緒に、形成される。）電圧感知カソード圧コンタクトパッド５０とアノード圧コンタクトパッド（図示せず）は、不活性部分４９ｂの向かい合う面に装着されており、バイポーラプレート５１のカソードフローフィールド側と、アセンブリされたセル内の隣接するバイポーラプレート５１のアノードフローフィールド側に対して、押し付けている。カソードパッドとアノードパッドは、その局所電圧がセル電圧を代表するのに十分である面積（ａｒｅａ）内にある電気化学的に活性な部分４９ａの近くに置かれている。（電気的負荷が大きいとき、燃料電池の活性部分に沿って電圧に大きな変動が生じ得る。）このパッドは、セル環境での使用にふさわしい材料で作られるべきである。例えば、バイポーラプレート５１で使われているような材料などである（例えば、カーボン）。カソードパッドとアノードパッドとを集積回路４１に接続する導体も、この導体をセル環境から保護するために、プラスチックのマニフォールド部４９ｂに埋め込まれ得る。ここに示されたトランスポンダー構成部材は、製造中に、マニフォールド部４９ｂ内に、容易にモールド成形され（ｍｏｌｄｅｄ ｉｎｔｏ）得る。圧コンタクトパッドは、燃料電池スタックをアセンブリする前に、コンタクト表面が露出したまま残るようなモールド成形作業中に、覆われ得る（例えば、取り外し可能なテープで）。

本発明にとって、ふさわしいアプリケーションの一つは、セル電圧モニターとしての使用であるが、他の動作パラメータをモニターすることも同様に望ましいことであり得る。典型的には、必要とされる改変は、センサの種類とその配列、および／または、集積回路の内部詳細においてである。例えば、電解質の水和をその場（ｉｎ ｓｉｔｕ）チェックするために、セルのインピーダンス（主として、電解質インピーダンス）をモニターする場合、上述されたのと同様のハードウェアが使われ得る。適切な電流信号が、典型的には、燃料電池スタック全体に、重ねて印加され、セルのインピーダンスは、測定されたセル内に結果として生じる電圧差から決定される。半セル電圧（すなわち、基準電極とカソードまたはアノードの一方との電圧差）は、セル内の適切な位置に基準電極を組み込んで、同様の様式でなされ得る（例えば、反応剤ポートの近傍など敏感なエリア内の膜電解質内で）。

セル温度は、センサ（例えば、熱電対、サーミスタ）など様々な温度測定機器を用いて、モニターされ得る。反応剤圧力（例えば、妨害物や「浸水」を検出するため）あるいはスタック圧縮度（スタック圧縮度の突然低下を監視）をモニターするには、歪みゲージブリッジを備える圧力センサが使われ得る。前者においては、センサにとって適切な位置は、マニフォールドまたは反応剤のフローフィールドプレートの中であり得る。後者においては、センサはロードセル（ｌｏａｄ ｃｅｌｌ）として機能し、スタック内のセルの一端または両端における大きく圧縮を受ける領域に置かれ得る。モニターされ得るべき他のパラメータとしては、反応剤の流速（それゆえ、流速センサを必要とする)、あるいは、おそらくは、反応剤ストリーム内の不純物濃度（例えば、燃料ストリーム内のＣＯ、または、酸化剤ストリーム内の水素、それゆえ、不純物種に応じた濃度センサを必要とする）を含む。

ＲＦＩＤデバイスが、燃料電池で発電されたシステムのどこでも使えるのであれば、本発明は、可能な一体化の利点も提供する。例えば、同じ読み取り機がサブシステム（例えば、酸化剤供給サブシステムまたは燃料供給サブシステムにおいて）のパラメータをモニターするためにも、また、燃料電池の動作パラメータをモニターするためにも使われ得る。さらに、ＲＦＩＤデバイスを燃料電池構成部材に組み込むことで、構成部材および／またはアセンブリの従来型在庫目録や履歴追跡も可能となる。

前述の議論は、主として、固体高分子電解質燃料電池のタイプに向けられてきたが、本発明は、他の適切な低温燃料電池のタイプにも使われ得る。その最高温度の限界は、もちろん、そのトランスポンダーが扱え得る温度である（現在のところ、市販機器では約１２５℃まで上がっている）。

（実施例１）
セル電圧モニタリングシステムが、固体高分子電解質燃料電池スタック内で使用されるように、設計された。トランスポンダーの設計は、図２ａに一般的に示され、市販のＲＦＩＤ構成部品で使われるトランスポンダーと同様である。その構成部品は、社内でプログラムされた１２５ｋＨｚのチップおよびｍｉｃｒｏＩＤ Ｒｅａｄｅｒを備えるｍｉｃｒｏＩＤ ＭＣＲＦ２００タグを含む。（これらの構成部品は、Ｍｉｃｒｏｃｈｉｐから購入され得るｍｉｃｒｏＩＤ Ｄｅｖｅｌｏｐｅｒキットの一部をなす。）図４は、動作中のトランスポンダーのモデルを示す。図４のモデル回路において、チップ６０は、前述の１２５ｋＨｚチップを示し、コイル６１は、本キットで提供される従来型コイルである。抵抗器６２とコンデンサ６３は、モデル化された回路での抵抗と容量を示し、信号６４は、読み取り機と相互作用を介して、回路に誘導される電圧を示す。従来型回路が、シミュレーションされたセル６５からのカソード電圧入力とアノード電力入力をそれぞれ点７１と７２に提供することによって変更され、トランジスタ６８とコンデンサ６９が、サイレンシング回路として働くように付加された。セル６５の電圧が−０．３Ｖより大きいとき、トランジスタ６８／コンデンサ６９のサイレンシング回路は、デチューン（ｄｅ−ｔｕｎｅ）される。それゆえ、トランスポンダーが読み取り機によってクエリされたとき、その識別を送信できない。しかしながら、セル電圧が−０．３Ｖ未満に下がった場合（顕著な電圧反転）、トランジスタ６８は開となり、トランスポンダーはクエリされたとき、その識別に応答する。

図４のトランスポンダーの動作は、ＳＰＩＣＥ（Ｂｅｒｋｅｌｅｙから入手のオープンソースモデリングソフトウェア）を使ってシミュレーションされ、回路は計画通りに作動した。次いで、作業ユニットがアセンブリされ、１ｃｍ離れて置かれた読み取り機を使って、テストされた。シミュレーションされたテストセル電圧が閾値−０．３Ｖを超える場合、トランスポンダーはクエリされたとき、サイレントであった。電圧が、−０．３Ｖを少し下回る場合、トランスポンダーはクエリされたとき、その唯一の識別を、正常に通信した。トランスポンダーの動作は、非常に再現性が高いことが分かった。（トランスポンダーからの距離が異なる読み取り機を使い、さらなるテストにおいて、読み取り機からの距離とともに、閾値電圧が幾分か減少するのが観察された。しかしながら、この場合も、トランスポンダーの動作の再現性は非常に高かった。）次に、電磁気ノイズがトランスポンダーの動作に影響を及ぼすか否かを調査するために、トランスポンダーの動作が、動作中で負荷が１５０ｋＷと大きく（旅客バス用）、２０〜２７５アンペアが流れる固体高分子電解質燃料電池スタックの直近の様々な位置でチェックされた。システムインバータケーブルの直近を除くと、トランスポンダーからのデジタル応答は、一貫性があり、再現性が高いことが分かった。したがって、回路は、予測されたモデルのように実行された。

本例は、ＲＦＩＤベースのセル電圧モニターが燃料電池の環境で成功裏に動作したことを証明している。さらに、実用的トランスポンダーを作製するのに、従来型装置に要求される変更も最低限である。

（実施例２）
第二のセル電圧モニタリングシステムは、実施例１のシステム性能を改善するために、作製された。この場合、周波数が１３．５６ＭＨｚを超えて動作する市販のＲＦＩＤタグと読み取り機が用いられた。この高周波数システムは、データ送信の高速化と応答時間短縮を提供した。

図５は、この動作をするトランスポンダーのモデルを示す。(図５において、図４の構成部材と同じ構成部材は、同じ番号が付けられている。）ここで、Ｍｉｃｒｏｃｈｉｐから入手のＭＣＲＦ４５０タグ６０の表面装着バージョンが、薄いが強固である回路基板に装着されている。タグ６０に電力を与えるコイルは、基板の両側の回路基板トレース（ｔｒａｃｅ）からなる。表面実装コンデンサは、回路を共振に合わせるために使われた。実施例１のように、トランジスタベースの回路とデチューニング（ｄｅ−ｔｕｎｉｎｇ）コンデンサが、トランスポンダーによる送信を有効あるいは無効にするために使われた。しかしながら、本例において、サイレンシング回路は、１つではなく、２つの接合型電界効果トランジスタ（ＪＦＥＴ）６８、７３から構成される。これは、スイッチング性能を向上するためである。（シミュレーションされたセル６５からのカソード電圧入力とアノード電圧入力の差に注意すべきである。この差は、再び、それぞれ７１と７２で示された点で現れる。また、直列抵抗器７４がトランジスタ６８、７３を保護するために、サイレンシング回路に提供されたことにも、注意すべきである。このような抵抗器は、図４の回路でも、必要に応じて、用いられ得る。）完全なトランスポンダーアセンブリを測定すると、幅は１．２ｃｍ、高さ（ｈｅｉｇｈｔ）は５．１ｃｍ、および、深さは０．８ｍｍであった。ＭＣＲＦ４５０タグ６０は、多数のタグが互いに近接して動作できるように、ビルトインで衝突防止機構を用いている。

３つのトランスポンダーが上述のように作製され、典型的な燃料電池の設計を示すように、１．８ｍｍの間隔を空けて、一緒に装着された。次いで、各トランスポンダーの入力７１と７２は、独立して、１．５ボルトのｄｃ電源に接続された。その電源の極性はボタンを押すことで反転し得る。次いで、このトランスポンダーアレイは、Ｍｉｃｒｏｃｈｉｐ Ａｎｔｉ−Ｃｏｌｌｉｓｉｏｎ Ｉｎｔｅｒｒｏｇａｔｏｒ(読み取り機）の近くに移動された。

正の電圧が各トランスポンダーの電極の電圧入力に印加され、次いで、このシミュレーションされたセル電圧モニタリングシステムが動作された。入力の各セットにわたって正の電圧が印加されると、トランスポンダーはサイレントなままで、その個別のタグ情報（すなわち、シリアル番号）を送信しなかった。しかしながら、入力セットにわたる電圧の極性が反転されると、その関連するトランスポンダーは、個々のタグ情報を正確に送信する。次いで、この情報が解釈され、コンピュータの画面に表示された。このテストによって、典型的な燃料電池設計において、トランスポンダーが個々であっても、３つ同時であっても、互いに干渉することなく、動作し得ることが確認された。

典型的な固体高分子電解質燃料電池を直接取り巻く環境は、電子材料の多くにとって、過酷である。温度は８０℃近くとなり、相対湿度も１００％に近づき得る。この環境に耐える能力を証明するために、上述の２つのトランスポンダーを、従来型回路基板の絶縁保護コーティングであるスプレーコーティングを施し、次いで、シリコン中に浸し、加熱キュアした。次に、大きなビーカーを半分水で満たし、カバーで覆い、一定温度８０℃で保持した。一方のトランスポンダーは、水より上の蒸気のある空間に置かれ、他方のトランスポンダーは水中に置かれた。引き続き、双方のトランスポンダーを連続的に同時に読み取れるように、読み取り機がビーカーの近くに置かれた。このテストは、５日間にわたり、毎日４時間以上行われたが、何ら異常は見られなかった。

本発明の特定の要素、実施形態、および、アプリケーションが、説明のために、本明細書に示され、述べられてきたが、本発明はこれらに限定されない。なぜなら、ここに開示した精神と範囲から逸脱することなく、特に上述の教示を考慮すると、様々な変更もされ得ることは、業者なら当然理解されるからである。

図１は、ＲＦＩＤデバイスをベースとしたセル電圧モニターを含む固体高分子電解質燃料電池システムの模式図を示す。 図２ａは、感知された動作パラメータに応答して、その識別を送信するように設計されたトランスポンダーの模式図を示す。 図２ｂは、感知された動作パラメータを示すデータを送信するように設計されたトランスポンダーの模式図を示す。 図３ａおよび図３ｂは、固体高分子電解質燃料電池スタックの燃料セルユニットにおける電圧モニタリングトランスポンダー向けに可能な実装配列のアセンブリ図と分解図をそれぞれ示す。 図４は、セル電圧モニタリングトランスポンダーの実施例１に記載されたモデルを示す。 図５は、セル電圧モニタリングトランスポンダーの実施例２に記載されたモデルを示す。

Claims (45)

1. カソード、アノード、電解質、および、ＲＦＩＤトランスポンダーを備える燃料電池でであって、該トランスポンダーは、該燃料電池の動作パラメータに関する情報を感知し、送信するように構成されている、燃料電池。
2. 前記動作パラメータが閾値未満に下がるとき、前記トランスポンダーがその識別を送信するように構成されている、請求項１に記載の燃料電池。
3. 前記動作パラメータが閾値を超えるとき、前記トランスポンダーがその識別を送信するように構成されている、請求項１に記載の燃料電池。
4. 前記トランスポンダーは、前記動作パラメータの値を送信するように構成されている、請求項１に記載の燃料電池。
5. 前記動作パラメータが、セル電圧である、請求項１に記載の燃料電池。
6. 前記動作パラメータが、セルのインピーダンスである、請求項１に記載の燃料電池。
7. 前記トランスポンダーが、前記カソードと電気的に接続されたカソードコンタクトと、前記アノードと電気的に接続されたアノードコンタクトとを有するセンサを備える、請求項１に記載の燃料電池。
8. 前記動作パラメータが、基準電極と、前記カソードおよび前記アノードから選択された電極との間の半セル電圧である、請求項１に記載の燃料電池。
9. 前記トランスポンダーが、前記基準電極を備える電圧センサを備える、請求項８に記載の燃料電池。
10. 前記動作パラメータが、セル温度である、請求項１に記載の燃料電池。
11. 前記動作パラメータが、反応剤圧力である、請求項１に記載の燃料電池。
12. 前記トランスポンダーが、歪みゲージブリッジを備える圧力センサを備える、請求項１１に記載の燃料電池。
13. 前記動作パラメータが、スタック圧縮度である、請求項１に記載の燃料電池。
14. 前記トランスポンダーが、歪みゲージブリッジを備えるロードセルセンサを備える、請求項１３に記載の燃料電池。
15. 前記動作パラメータが、反応剤流速である、請求項１に記載の燃料電池。
16. 前記動作パラメータが、反応剤中の不純物濃度である、請求項１に記載の燃料電池。
17. 前記トランスポンダーが、感知された動作パラメータを送信用のデジタル形式に変換する、Ａ／Ｄ変換器を備える、請求項１に記載の燃料電池。
18. 前記燃料電池が、固体高分子電解質燃料電池である、請求項１に記載の燃料電池。
19. 前記トランスポンダーが、前記燃料電池の１つを超す動作パラメータに関する情報を感知し、送信するように構成されている、請求項１に記載の燃料電池。
20. 前記トランスポンダーが、受動的である、請求項１に記載の燃料電池。
21. 電気的に直列接続された複数の請求項１に記載の燃料電池を備える燃料電池スタックと、
    前記トランスポンダーから送信された情報を受信する読み取り機と
    を備える、燃料電池システム。
22. 前記動作パラメータが、セル電圧である、請求項２１に記載の燃料電池システム。
23. 前記セル電圧が閾値未満に下がるとき、前記トランスポンダーのそれぞれが、その識別を読み取り機に送信するように構成されている、請求項２２に記載の燃料電池システム。
24. 前記セル電圧が閾値を上回っているとき、前記トランスポンダーのそれぞれが休止状態である、請求項２３に記載の燃料電池システム。
25. 各燃料電池は、電気化学的に不活性なマニフォールド部をさらに備え、
    前記燃料電池スタックは、複数のフローフィールドプレートを備える燃料電池スタックをさらに備え、
    該複数のフローフィールドプレートは、各燃料電池が２つのフローフィールドプレートの間に置かれるように配置されている、請求項２１に記載の燃料電池システム。
26. 各トランスポンダーが、前記燃料電池の前記マニフォールド部に置かれ、
    各トランスポンダーは、カソード圧コンタクトパッドとアノード圧コンタクトパッドを有するセンサを備え、
    該カソード圧コンタクトパッドと該アノード圧コンタクトパッドは、前記マニフォールド部の互いに向き合う面に装着され、前記２つの隣接するフローフィールドプレートに電気的に接触する、請求項２５に記載の燃料電池システム。
27. 前記トランスポンダーが、前記膜電極接合体の前記マニフォールド部の中にモールド形成されている、請求項２６に記載の燃料電池システム。
28. 前記燃料電池スタックが、固体高分子電解質燃料電池スタックである、請求項２１に記載の燃料電池システム。
29. １つを超える読み取り機を備える、請求項２１に記載の燃料電池システム。
30. 燃料電池の動作パラメータをモニターする方法であって、該方法は、
    該動作パラメータに関する情報を感知し、送信するように構成されたＲＦＩＤトランスポンダーを、該燃料電池内に組み込むことと、
    該動作パラメータを感知することと、
    該動作パラメータに関する情報を読み取り機に送信することと
    を包含する、方法。
31. 前記動作パラメータが閾値未満に下がるとき、前記トランスポンダーの識別を送信することを包含する、請求項３０に記載の方法。
32. 前記動作パラメータが閾値を超えるとき、前記トランスポンダーがその識別を送信することを包含する、請求項３０に記載の方法。
33. 前記動作パラメータの値を送信することを包含する、請求項３０に記載の方法。
34. 前記動作パラメータが、セル電圧である、請求項３０に記載の方法。
35. 前記動作パラメータが、セルのインピーダンスである、請求項３０に記載の方法。
36. 前記動作パラメータが、基準電極と、前記燃料電池のカソードまたはアノードとの間の半セル電圧である、請求項３０に記載の方法。
37. 前記動作パラメータが、セル温度である、請求項３０に記載の方法。
38. 前記動作パラメータが、反応剤圧力である、請求項３０に記載の方法。
39. 前記動作パラメータが、スタック圧縮度である、請求項３０に記載の方法。
40. 前記動作パラメータが、反応剤流速である、請求項３０に記載の方法。
41. 前記動作パラメータが、反応剤の不純物濃度である、請求項３０に記載の方法。
42. 燃料電池スタックの個々の燃料電池における電圧反転を目的に、該燃料電池スタックをモニターする方法であって、該方法は、
    前記セル電圧に関する情報を感知し、送信するように構成されたＲＦＩＤトランスポンダーを、該スタック中の各燃料電池に組み込むことと、
    前記セル電圧を感知することと、
    前記セル電圧に関する情報を読み取り機に送信することと
    を包含する、方法。
43. 前記感知されたセル電圧が閾値未満に下がったとき、燃料電池の前記トランスポンダーの識別を送信することを包含する、請求項４２に記載の方法。
44. 前記セル電圧が閾値を上回っているとき、各燃料電池の前記トランスポンダーが休止状態である、請求項４３に記載の方法。
45. 前記燃料電池スタックが、固体高分子電解質燃料電池スタックである、請求項４２に記載の方法。

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