JP4781682B2

JP4781682B2 - 燃料電池の電流監視装置

Info

Publication number: JP4781682B2
Application number: JP2005028244A
Authority: JP
Inventors: 功児玉
Original assignee: 日本テクノプラス株式会社
Priority date: 2005-02-03
Filing date: 2005-02-03
Publication date: 2011-09-28
Anticipated expiration: 2025-02-03
Also published as: JP2006216390A

Description

本発明は、電解質・電極構造体を導電セパレータで挟持してスタック状に構成されるとともに、上記導電セパレータに発電反応物質流路が形成された燃料電池において、スタック方向に流れる発電電流の積層面方向での分布状態を観測する燃料電池の電流監視装置に関する。

燃料電池は、電解質膜、およびその両側に触媒層、ガス拡散層、さらにその外側にあるセパレータによって構成されている。電解質膜とそれを挟む触媒層、およびガス拡散層を一体化した電解質・電極構造体はＭＥＡ(Membrane Electrolyte Assembly)と呼ばれている。

たとえば、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ＭＥＡ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、ＭＥＡ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。

セパレータは導電性であって、ＭＥＡとの対向面には、発電反応物質すなわち燃料と酸化剤を供給するための流路（発電反応物質流路）が形成されている。この場合、アノード側電極に対向する側の流路には、燃料としては水素ガスあるいはメタノールなどの水素含有液体が供給される。また、カソード側電極に対向する側の流路には、酸化剤としては空気等の酸素含有ガスが供給される。

アノード側電極に供給された燃料ガス、たとえば、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電極側へ移動し、直流の電気エネルギとして外部回路に取り出される。カソード側電極では、酸化剤ガス、たとえば、空気等の酸素含有ガスが供給されていることにより、このカソード側電極において、上記水素イオン、上記電子および酸素が反応して水が生成される。

上記燃料電池においては、発電反応時による生成水が発電反応物質流路（反応流路）の出口側に滞留し易い。このため、反応流路の出口側では電解質膜が過剰に加湿される、いわゆる、フラッディングが惹起されることにより、電極面に対して反応ガス（発電反応物質）の供給量が不十分になるおそれがある。

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。たとえば、特許文献１には、電極面上に複数のホール素子を配置し、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監視するようにした「燃料電池の電流密度測定装置」が開示されている。

特開２００４−１５２５０１

特許文献１に開示された装置は、電流センサとしてのホール素子を、導電セパレータの反応流路と反対側の面にそって分布配置することにより、その導電セパレータの厚み方向に流れる発電電流を測定、この測定によって発電電流の積層面方向での分布状態を監視しようとするものであるが、この電流監視装置には、次のような問題のあることが判明した。

すなわち、図６に部分拡大したモデル図を示すように、ＭＥＡ１０は導電セパレータ２０の間に挟持される。導電セパレータ２０のＭＥＡ１０側面には反応流路２２が形成されている。発電反応物質（ガス）はその流路２２に供給されて流れるが、その発電反応物質の反応により生じる発電電流は、導電セパレータ２０の対電極接触部２１を、その導電セパレータ２０の厚み方向（矢印方向）に流れる。

ところが、従来の電流監視装置では、その導電セパレータ２０の厚み方向に流れる電流を測定する電流センサ（ホール素子）３０が、その導電セパレータ２０の厚み方向に介在することにより、本来は厚み方向にだけ流れるべき発電電流が面方向に迂回し、これがその電流センサ３０の測定に誤作を生じさせる原因になることが判明した。

発電電流の電流密度分布を適正に監視するためには、導電セパレータ２０の厚み方向（スタック方向）に流れる電流を正確に測定する必要があるが、その測定対象である電流に異方向成分が含まれると、本来の発電電流を高精度に測定できず、発電電流の積層面方向での分布状態を的確に監視することができなくなってしまうという問題を生じることが判明した。

本発明は、以上のような問題に着目したものであって、その目的は、電解質・電極構造体を導電セパレータで挟持してスタック状に構成されるとともに、上記導電セパレータに発電反応物質流路が形成された燃料電池において、スタック方向に流れる発電電流の積層面方向での分布状態を的確に監視することができる燃料電池の電流監視装置を提供することにある。

本発明による解決手段は次の通りである。
（１）電解質・電極構造体を導電セパレータで挟持してスタック状に構成されるとともに、上記導電セパレータに発電反応物質流路が形成された燃料電池において、スタック方向に流れる発電電流の積層面方向での分布状態を観測する燃料電池の電流監視装置であって、上記発電電流を測定する電流センサを上記導電セパレータの面に沿って分布配設するとともに、上記電流センサをそれぞれ上記発電反応物質流路の位置に重ねて配置したことを特徴とする燃料電池の電流監視装置。

上記手段（１）においては、次のような実施形態が好ましい。
（２）上記手段（１）において、上記電流センサはそれぞれ発電電流による誘導磁気をスタック方向と直交する面方向で検知することにより電流センスを行うことを特徴とする燃料電池の電流監視装置。

（３）上記手段（１）または（２）において、上記電流センサは、導電セパレータの対電極接触部に隣接して配置されるとともに、最寄りの対電極接触部に流れる発電電流だけを選択的に検知するように配置されていることを特徴とする燃料電池の電流監視装置。

（４）上記手段（１）〜（３）のいずれかにおいて、導電セパレータに通電板を積層するとともに、この通電板に上記電流センサを保持させたことを特徴とする燃料電池の電流監視装置。

（５）上記手段（１）〜（４）のいずれかにおいて、上記電流センサは、導電セパレータの特定部位に対して感度指向性を有する電流センサであることを特徴とする燃料電池の電流監視装置。

電解質・電極構造体を導電セパレータで挟持してスタック状に構成されるとともに、上記導電セパレータに発電反応物質流路が形成された燃料電池において、スタック方向に流れる発電電流の積層面方向での分布状態を的確に監視することができる。

図１は本発明の一実施形態をなす燃料電池の電流監視装置を示す。同図において、（ａ）は本発明による電流監視装置が設置された燃料電池スタックの断面図を示し、（ｂ）はその一部を拡大したモデル図を示す。

同図（ａ）に示すように、燃料電池は、電解質膜とそれを挟む触媒層、およびガス拡散層を一体化したＭＥＡ１０と、このＭＥＡ１０の両側を挟む導電セパレータ２０の積層体（スタック）により構成されている。ＭＥＡ１０の一方の面にはアノード電極、他方の面にはカソード電極がそれぞれ配置されている。

導電セパレータ２０は、ＭＥＡ１０との対向面にて、発電反応物質すなわち燃料と酸化剤を供給するための流路（発電反応物質流路）２２が形成されている。ＭＥＡ１０のアノード側電極に対向する側の流路２２には、燃料としては水素ガスあるいはメタノールなどの水素含有液体が供給される。また、ＭＥＡ１０のカソード側電極に対向する側の流路２２には、酸化剤としては空気等の酸素含有ガスが供給される。

ＭＥＡ１０のアノード側電極に供給された燃料ガス、たとえば、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移動する。その移動の間に生じた電子が直流の電気エネルギとして外部回路に取り出される。ＭＥＡ１０のカソード側電極では、酸化剤ガス、たとえば、空気等の酸素含有ガスが供給されていることにより、このカソード側電極において、上記水素イオン、上記電子および酸素が反応して水が生成される。この生成水は流路２２を通して排出される。

発電反応物質（ガス）は発電反応物質流路（反応流路）２２に供給されて流れるが、その発電反応物質の反応により生じる発電電流は、導電セパレータ２０の対電極接触部２１を、その導電セパレータ２０の厚み方向（矢印方向）に流れる。

導電セパレータ２０のＭＥＡ１０と反対側面すなわち非対向面側には、通電板２６が介装されている。この通電板２６には電流センサ３０がマトリックス状の分布配置状態で保持されている。このとき、電流センサ３０はそれぞれ、上記発電反応物質流路（反応流路２２）の位置に重なるように配置されている。つまり、発電電流が流れる導電セパレータ２０の対電極接触部２１に重ならないように配置されている。

これにより、導電セパレータ２０の対電極接触部２１に流れる発電電流は、同図（ｂ）に示すように、電流センサ３０によって遮られることなく、また電流センサ３０によって電流方向を迂回させられることなく、導電セパレータ２０の厚み方向（矢印方向）すなわち燃料電池のスタック方向に流れることができる。

上記により、各電流センサ３０は、異方向成分の電流による擾乱を回避しながら、本来の発電電流を高精度に測定することができる。したがって、各電流センサ３０の測定に基づき、発電電流の積層面方向での分布状態を的確に監視することができる。

また、ＭＥＡをスタック状に重ねた燃料電池は、その間の１枚（1ヶ所）でも不良になるとスタック全体が電池の機能をまったく果たさなくなってしまい、たとえば、燃料電池で動作していた自動車などの機器は、ＭＥＡスタックのどれか１枚でも不良になると、急停止することになってしまう。

これは、発電が化学変化を利用しているため、１流路内の部分的な異常が直ちに全体の異常へと進行することによる。したがって、その電池内部の一部の異常をいかに早くかつ的確に検出するかが、燃料電池の実用化をはかる上で非常に重要な課題である。本発明はその課題の解決に非常に有効であり、燃料電池の部分的な異常を速かつ的確に検出することにより、燃料電池の製品化を大幅に推進させることを可能にする。

上記電流センサ３０はそれぞれ、発電電流による誘導磁気をスタック方向と直交する面方向で検知することにより電流センスを行うものが適している。燃料電池の積層面に垂直に流れる発電電流は、電流方向に直行する方向に誘導磁気を生じる。この誘導磁気は、導電セパレータ２０の対電極接触部２１に重ならない側方から検知することができる。これにより、対電極接触部２１に重ならない位置にて、その対電極接触部２１をスタック方向に流れる発電電流を正確に検出・測定することができる。

また、上記電流センサ３０は、導電セパレータ２０の対電極接触部２１に隣接して配置されるとともに、最寄りの対電極接触部に流れる発電電流だけを選択的に検知するように配置されていることが望ましい。これにより、測定対象となる対電極接触部２１に流れる発電電流を、測定対象外の対電極接触部２１に流れる電流から弁別して、高ＳＮ比による電流検知を可能にする。

上記電流センサ３０は、図１に示した実施形態のように、導電セパレータ２０に積層された通電板２６に保持させてもよいが、たとえば、図２に示すように、導電セパレータ２０の背面（ＭＥＡ１０の非対向面）であって、反応流路２２の背後に沿って溝部２３を設け、この溝部２３に電流センサ３０を取り付けるようにしてもよい。この場合、電流センサ３０は帯状の保持板３１にあらかじめ取り付け、その保持板３１を上記溝部２３に嵌合させるようにすれば、各電流センサ３０の取り付けと位置決めを簡単かつ正確に行うことができる。

また、図３に示すように、電流センサ３０は導電セパレータ２０内に埋設状態で設置することも可能である。

導電セパレータ２０の厚み方向に流れる発電電流の密度分布を測定する場合、各電流センサ３０はその設置位置の最寄り部分に流れる発電電流だけを、その周囲に流れる発電電流から弁別して検知する必要があるが、このためには、特定部位に対して感度指向性を有する電流センサ３０の使用が望ましい。

図４は、本発明で使用するのに適した電流センサ２０の構成例とその配置例を示す。電流センサ３０は、超小型の磁性コア３２、この磁性コア３２に巻回されたコイル３３、および特定方向からの磁界を磁性コア３２に選択的に導く導磁コア３４によって構成され、磁性コア３２を貫通する磁場の強さによって変化するコイル３３のインダクタンスを測定することにより、その磁場を生じさせた電流（図では紙面の垂直方向に流れる発電電流）を測定することができる。導磁コア３４は軟磁性材料を用いて構成されている。

この場合、電流センサ３０は導電セパレータ２０の反応流路２２に重なる位置にそれそれ配置されて、その反応流路２２の一方側の対電極接触部２１に流れる電流を定量的に検出する。各電流センサ３０はそれぞれ、特定方向からの磁界を磁性コア３２に選択的に導く導磁コア３４により、特定の電流検知エリアを垂直方向に流れる発電電流を選択的に検出する。これにより、面状に分布配置された複数の電流センサ３０から、発電電流の面方向での分布状態を監視することができる。

図５は、上記以外の電流センサ３０の構成例を示す。同図に示す電流センサ３０はいずれも、導電セパレータの面方向に誘導される磁気を検出することにより、その導電セパレータの厚み方向に流れる発電電流を検出・測定する磁気感知型電流センサであるが、その磁気感知に指向性を持たせることにより、特定部位の発電電流を選択的に検出することができる。

同図において、（ａ）は、磁気遮蔽板３５を用いて電流センサ３０の磁気感知に指向性を持たせた実施形態を示す。磁気遮蔽板３５は軟磁性材料を用いて形成される。

（ｂ）は、電流検知エリアに生じる磁界方向に湾曲した磁性コア（導磁体）３２の中間部に、ホール素子等の半導体磁気センサ３６を挟みこんだ磁気感知型電流センサ３０を示す。この電流センサ３０は、磁性コア３２の両脚方向に感知指向を有する。磁性コア３２が電流検知エリアに垂直方向に流れる発電電流により生じる磁界方向に沿って湾曲（または屈曲）することにより、その電流検知エリアに流れる発電電流だけを選択的に検出することができる。

（ｃ）は、電流検知エリアに生じる磁界方向に湾曲した磁性コア３２とコイル３３を用いたインダクタ（リアクトル）型電流センサ３０であって、感知磁気によるコイル３３のインダクタンス変化により電流変化を検出する。この電流センサ３０も湾曲磁性コア３２の湾曲方向に感知指向を有する。３３１は磁性コア３２に巻回されたコイル巻線（導線）である。

（ｄ）は、（ｃ）に示したものと同様のインダクタ（リアクトル）型電流センサ３０であるが、超小型かつ薄型に形成するため、フォトリゾグラフィ技術によりエッチング形成されたＵ字状パターンの磁性体膜３２２によって磁性コア３２を形成している。その磁性体膜３２２の上側と下側には、コイル３３を形成する導体パターン（多層配線）３３２がフォトリゾグラフィ技術により形成されている。

以上、本発明をその代表的な実施例に基づいて説明したが、本発明は上述した以外にも種々の態様が可能である。たとえば、電流センサ３０は磁気感知型以外のものも使用可能である。

また、ＭＥＡをスタック状に重ねた燃料電池は、その間の１枚（1ヶ所）でも不良になるとスタック全体が電池の機能をまったく果たさなくなり、たとえば、燃料電池で動作していた自動車などの機器は、ＭＥＡスタックのどれか１枚でも不良になると、急停止することになってしまうため、その電池内部の一部の異常をいかに早くかつ的確に検出するかが、燃料電池の実用化をはかる上で非常に重要な課題であるが、本発明はその課題の解決に非常に有効で、燃料電池の製品化を大幅に推進させることを可能にするものである。

本発明による燃料電池の電流監視装置と燃料電池の一実施形態を示す断面図とその部分拡大モデル図である。本発明の別の実施形態を示す斜視図である。本発明のさらに別の実施形態を示す斜視図である。本発明で使用するのに適した電流センサの構成例とその配置例を示す平面図である。本発明に使用可能な他の電流センサの構成例を示す図である。従来の電流監視装置における問題点を示す部分拡大モデル図である。

符号の説明

１０ＭＥＡ（電解質・電極構造体）
２０導電セパレータ
２１電極接触部
２２反応流路（発電反応物質流路）
２３溝部
２６通電板
３０電流センサ
３１帯状保持板
３５磁気遮蔽板
３２磁性コア
３２２磁性体膜
３３コイル
３３１コイルの巻線
３３２導体パターン（多層配線）
３６ホール素子等の磁気センサ

Claims

電解質・電極構造体を導電セパレータで挟持してスタック状に構成されるとともに、上記導電セパレータに発電反応物質流路が形成された燃料電池において、スタック方向に流れる発電電流の積層面方向での分布状態を観測する燃料電池の電流監視装置であって、上記発電電流を測定する電流センサを上記導電セパレータの面に沿って分布配設するとともに、上記電流センサをそれぞれ上記発電反応物質流路の位置に重なるように配置し、かつ該電流センサを発電電流が流れる導電セパレータの対電極接触部に重ならないように配置し、該配置した電流センサがそれぞれ発電電流による誘導磁気をスタック方向と直交する面方向で検知することにより電流センスを行うものであることを特徴とする燃料電池の電流監視装置。
請求項１において、上記電流センサは、導電セパレータの対電極接触部に隣接して配置されるとともに、最寄りの対電極接触部に流れる発電電流だけを選択的に検知するように配置されていることを特徴とする燃料電池の電流監視装置。
請求項１または２において、導電セパレータに通電板を積層するとともに、この通電板に上記電流センサを保持させたことを特徴とする燃料電池の電流監視装置。
請求項１〜３のいずれかにおいて、上記電流センサは、導電セパレータの特定部位に対して感度指向性を有する電流センサであることを特徴とする燃料電池の電流監視装置。