(57)【要約】【課題】  セルまたはサブスタックとモニタとの間の配線なしに電圧を測定することのできる燃料電池システムを提供する。【解決手段】  サブスタック３に設けられたＩＣチップ５，５′の内部には、電圧測定素子が埋め込まれている。そして、電圧測定素子が測定したデータは、無線によって電圧モニタ４に送信される。一方、電子制御ユニット６は、電圧モニタ４から送信されたデータに基づいて、燃料電池に送られる反応ガスの圧力および流量を制御する。これにより、反応ガスの圧力および流量を常に最適値とすることができるので、燃料電池を効率よく且つ安全に運転することが可能となる。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数のセルが積層された構造を有する燃料電池スタックと、
前記燃料電池スタックに設けられた電圧測定素子と、
前記電圧測定素子が測定したデータを無線で受信する電圧計測器とを備えたことを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
前記電圧測定素子は、前記セル毎に少なくとも１つ設けられている請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項３】
前記セルは複数積層されてサブスタックを形成しており、
前記燃料電池スタックは、複数の前記サブスタックが積層された構造を有していて、
前記電圧測定素子は、前記サブスタック毎に少なくとも１つ設けられている請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項４】
前記燃料電池スタックはケースの中に収容されており、
前記電圧計測器は前記ケースの外部に配置される請求項１〜３のいずれか１に記載の燃料電池システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池システムに関し、より詳しくは、セルまたはサブスタックの電圧を測定する機能を有する燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は、アノードとカソードが、電解質膜を挟んでそれぞれ配置された構造を有している。そして、アノードに水素を含む燃料ガスが接触し、カソードに空気などの酸素を含む酸化ガスが接触することによって、両電極間で電気化学反応が起こり起電力を生じる。このため、燃料電池システムでは、高圧水素タンクから供給される燃料ガスを燃料電池のアノードに供給する一方で、コンプレッサによって外気から取り込んだ空気をカソードに供給することが行われている。
【０００３】
燃料電池の効率を大きくするには、コンプレッサの負荷を低減したり、燃料ガスを必要最小限の量で供給したりすることによって、燃料電池に供給する反応ガスを低圧および低流量とするのがよい。しかし、反応ガスの圧力および流量が所定値以下になると、燃料電池に損傷を与えるおそれがある。そこで、従来より、スタック電圧またはセル電圧をモニタすることによって、燃料電池を効率よく且つ安全に運転することが行われてきた。
【０００４】
例えば、モニタによってセル電圧を監視し、モニタが出力するセル電圧信号を基に演算した標準偏差の値を所定値と比較することによって、スタックの動作状態を判断する方法が提案されている（特許文献１参照。）。
【０００５】
【特許文献１】特開２０００−２０８１６１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、上記従来法では、セル毎にモニタの端子が必要となるために、端子数が多くなって配線が複雑になるという問題があった。さらに、配線を考慮して、各端子をセルの外周に配置しなければならないという制約もあった。
【０００７】
一方、複数のセルが積層されてサブスタックを形成している場合には、サブスタック毎にモニタの端子を配置してサブスタック電圧を測定すればよい。しかし、燃料電池の小型化の要求に伴って、サブスタックは薄型化される傾向にある。薄型化されたサブスタックでは、引き回しの際に配線が無理な形状をとらざるを得ないために、サブスタックと端子の間に接点が生じて導通が不安定となり易い。これにより、サブスタック電圧を正確に測定することができなくなって、燃料電池の運転が停止してしまうという問題もあった。
【０００８】
本発明は、こうした問題点に鑑みてなされたものである。すなわち、本発明の目的は、セルまたはサブスタックとモニタとの間の配線なしに電圧を測定することのできる燃料電池システムを提供することにある。
【０００９】
本発明の他の目的および利点は以下の記載から明らかとなるであろう。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明の燃料電池システムは、複数のセルが積層された構造を有する燃料電池スタックと、この燃料電池スタックに設けられた電圧測定素子と、この電圧測定素子が測定したデータを無線で受信する電圧計測器とを備えたことを特徴とするものである。
【００１１】
本発明における電圧測定素子は、セル毎に少なくとも１つ設けられているものとすることができる。
【００１２】
また、本発明において、セルが複数積層されてサブスタックを形成していて、燃料電池スタックが、複数のサブスタックが積層された構造を有している場合には、電圧測定素子は、サブスタック毎に少なくとも１つ設けられているものとすることができる。
【００１３】
さらに、本発明においては、燃料電池スタックがケースの中に収容されており、電圧計測器はこのケースの外部に配置されるものとすることができる。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、電圧測定素子が測定したデータを電圧計測器が無線で受信するので、従来法で必要としていた配線をなくすことができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
実施の形態１．
図１は、本実施の形態における燃料電池システムの構成図である。
【００１６】
図１に示すように、燃料電池システム１は、スタックケース２の中に、サブスタック３および電圧モニタ４を有している。スタックケース２は、電磁波シールド機能を備えたものであることが好ましい。
【００１７】
サブスタック３は、図示しないセルが複数個（例えば、２０個）積層されることによって形成される。ここで、セルは、アノードとカソードからなる一対の電極の間に電解質膜が挟持された構造を有する。尚、図では、１つのサブスタックのみが示されているが、実際には、複数のサブスタックが積層されて燃料電池スタックを構成している。但し、本発明における燃料電池スタックは、複数のセルが積層された構造を有していればよく、必ずしもサブスタックが複数積層された構造を有している必要はない。
【００１８】
セルは、膜−電極アッセンブリ（ＭＥＡ：Ｍｅｍｂｒａｎｅ−Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ  Ａｓｓｅｍｂｌｙ）とセパレータとが積層されてなる。膜−電極アッセンブリは、イオン交換樹脂からなる電解質膜と、この電解質膜の一方の面に設けられた触媒層からなるアノードと、電解質膜の他方の面に設けられた触媒層からなるカソードとからなる。そして、膜−電極アッセンブリのアノード側およびカソード側のそれぞれに、拡散層を介してセパレータが設けられる。ここで、アノード側のセパレータには、アノードに燃料ガスを供給する燃料ガス流路が形成されている。一方、カソード側のセパレータには、酸化ガスを供給する酸化ガス流路が形成されている。そして、このようなセルが複数積層されてサブスタックが構成される。
【００１９】
また、複数のサブスタックを積層した後、積層方向の両端にターミナル、インシュレータおよびエンドプレートを配置し、締結部材とボルトおよびナットとでこれらを固定することによって燃料電池スタックが構成される。
【００２０】
本発明においては、セル毎またはサブスタック毎に、少なくとも１つの電圧測定素子が設けられる。電圧測定素子は、セルまたはサブスタックの電圧を測定するための素子である。電圧測定素子としては、例えば、磁気平衡式の電流電圧センサなどを用いることができる。そして、電圧測定素子を埋め込んだＩＣチップを作製し、このＩＣチップをセルまたはサブスタックの適当な位置に取り付けることによって、本発明の構造とすることができる。この場合、ＩＣチップが発信する無線信号を後述する電圧計測器が受信することによって、電圧測定素子が測定したデータが電圧計測器に伝達される。また、個々のＩＣチップに識別信号を設定することによって、電圧計測器で受信された信号が何れのセルまたはサブスタックのものであるかを判別することが可能となる。
【００２１】
図１の例では、１つのサブスタック３に２つのＩＣチップ５，５′が設けられている。また、ＩＣチップ５，５′には、図示しない電圧測定素子が埋め込まれている。電圧測定素子の数は適宜決定することができるが、１つのセルまたはサブスタックに取り付ける電圧測定端子の数が多くなるほど、電圧をきめ細かく測定することができるので、燃料電池をより効率よく且つ安全に運転することが可能となる。
【００２２】
図１において、電圧モニタ４は、本発明における電圧計測器であり、ＩＣチップ５，５′と無線で接続している。また、電圧モニタ４は、スタックケース２の外部に配置された電子制御ユニット（ＥＣＵ：Ｅｌｅｃｔｒｏ  Ｃｏｎｔｒｏｌ  Ｕｎｉｔ）６にも接続している。ここで、電圧モニタ４と電子制御ユニット６とは配線７で接続されている。
【００２３】
電圧モニタ４は、電圧測定素子で測定されたデータをＩＣチップ５，５′からの無線信号によって受信する。そして、受信した測定データを予め求めた基準値と比較することによって、燃料電池に供給する反応ガスの圧力および流量の適否を判定する。
【００２４】
電圧モニタ４での判定結果は、電子制御ユニット６に送信される。そして、電子制御ユニット６は、送信されたデータに基づいて、燃料電池に送る反応ガスの圧力および流量を制御する。具体的には、サブスタック３の電圧の測定値と基準値との差が所定値より大きくなった場合には、電子制御ユニット６で、上記差が所定値内に収まるように、コンプレッサの負荷および燃料ガスの供給量を変更する。このようにすることによって、反応ガスの圧力および流量を常に最適値とすることができるので、燃料電池を効率よく且つ安全に運転することが可能となる。
【００２５】
一般に、燃料電池における発電状態は、セル内で一様でなく面内分布を有する。また、この分布も一定ではなく、コンプレッサの負荷や燃料ガスの供給量によって変化する。同様のことは、サブスタックについても言える。そこで、最適な発電状態を実現する上で、セルまたはサブスタックの電圧のモニタリングに適した位置を予め把握しておき、この位置に電圧測定素子を設けることが好ましい。例えば、発電状態が活発となるガス入口付近や、燃料電池の電気化学反応によって生成した水分の影響で電圧が低下しやすいガス出口付近などに電圧測定素子を設けることが好ましい。
【００２６】
本実施の形態によれば、電圧測定素子で測定したデータを電圧モニタが無線で受信するので、従来法で必要としていたセルまたはサブスタックと電圧モニタとの間の配線を不要とすることができる。したがって、スタックケースを従来より小型化することが可能となる。また、電圧測定素子の数が多くなることによる配線の複雑化の問題を考慮する必要がないので、燃料電池を効率よく且つ安全に運転する上で最適な数の電圧測定素子をセル毎またはサブスタック毎に設けることが可能となる。
【００２７】
また、本実施の形態によれば、セルまたはサブスタックの電圧のモニタリングに最も適した位置に電圧測定素子を設けることができるので、燃料電池を一層効率よく且つ安全に運転することが可能となる。
【００２８】
さらに、本実施の形態によれば、薄型化されたサブスタックであっても、サブスタックと電圧測定素子の間に接点が生じることがないので、安定して電圧を正確に測定することが可能となる。これにより、セルの破損などと誤って認識されて燃料電池の運転が停止されるなどの問題を解消することができる。
【００２９】
実施の形態２．
図２は、本実施の形態における燃料電池システムの構成図である。本実施の形態の燃料電池システム２１では、電圧モニタ２４がスタックケース２２の外部に配置されている点で実施の形態１と異なる。
【００３０】
図２に示すサブスタック２３、電圧モニタ２４および電子制御ユニット２６は、実施の形態１と同様のものを用いることができる。但し、本実施の形態においては、電圧モニタ２４は、ノイズを遮蔽するための電磁波シールド機能を有していることが好ましい。
【００３１】
本実施の形態においても、実施の形態１と同様に、セル毎またはサブスタック毎に、少なくとも１つの電圧測定素子が設けられる。例えば、図２では、１つのサブスタック２３に２つのＩＣチップ２５，２５′が設けられており、各ＩＣチップには、図示しない電圧測定素子が埋め込まれている。電圧測定素子の数は適宜決定することができるが、電圧測定端子の数が多くなるほど電圧をきめ細かく測定することができるので、燃料電池をより効率よく且つ安全に運転することが可能となる。
【００３２】
図２において、電圧モニタ２４は、本発明における電圧計測器であり、スタックケース２２の外部に配置されている。また、電圧モニタ２４は、ＩＣチップ２５，２５′と無線で接続している。具体的には、電圧モニタ２４は、スタックケース２２の内部に設けられたアンテナ２８に配線２９を介して接続している。これにより、電圧モニタ２４は、ＩＣチップ２５，２５′からの無線信号をアンテナ２８を介して受信する。
【００３３】
また、電圧モニタ２４は、電子制御ユニット（ＥＣＵ：Ｅｌｅｃｔｒｏ  Ｃｏｎｔｒｏｌ  Ｕｎｉｔ）２６にも接続している。ここで、電圧モニタ２４と電子制御ユニット６とは、配線２７で接続されている。
【００３４】
電圧測定素子で測定されたデータは、ＩＣチップ２５，２５′からの無線信号によって電圧モニタ２４に送信される。電圧モニタ２４では、受信した測定データと、予め求めた基準値との比較が行われ、その結果、燃料電池に供給する反応ガスの圧力および流量の適否が判定される。
【００３５】
電圧モニタ２４での判定結果は、電子制御ユニット２６に送信される。そして、電子制御ユニット２６は、送信されたデータに基づいて、燃料電池に送る反応ガスの圧力および流量を制御する。具体的には、サブスタック２３の電圧の測定値と基準値との差が所定値より大きくなった場合には、電子制御ユニット２６で、上記差が所定値内に収まるように、コンプレッサの負荷および燃料ガスの供給量を変更する。このようにすることによって、反応ガスの圧力および流量を常に最適値とすることができるので、燃料電池を効率よく且つ安全に運転することが可能となる。
【００３６】
電圧測定素子を設ける位置は、実施の形態１と同様にすることができる。すなわち、最適な発電状態を実現する上で、セルまたはサブスタックの電圧のモニタリングに適した位置を予め把握しておき、この位置に電圧測定素子を設けることが好ましい。例えば、発電状態が活発となるガス入口付近や、燃料電池の電気化学反応によって生成した水分の影響で電圧が低下しやすいガス出口付近などに電圧測定素子を設けることが好ましい。
【００３７】
本実施の形態によれば、電圧モニタをスタックケースの外部に配置するので、実施の形態１に比較して一層スタックケースを小型化することが可能となる。また、実施の形態１で得られた効果に加えて、さらに次のような効果が得られる。
【００３８】
すなわち、本実施の形態では、湿度や温度が高く計測器に好ましくない環境であるスタックケースの外部に電圧モニタを配置するので、セルまたはサブスタックの電圧を安定して正確に測定することが可能となる。また、電圧測定素子と電圧モニタを無線で接続するので、高電圧の回路をスタックケースの外部に引き出す必要がなくなり、安全性を向上させることができる。さらに、燃料電池システムの任意の位置に電圧モニタを設置できるので、燃料電池システムを車両に搭載する際の設計幅を広げることが可能となる。
【００３９】
尚、本発明は上記各実施の形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲内において、種々変形して実施することができる。
【図面の簡単な説明】
【００４０】
【図１】実施の形態１における燃料電池システムの構成図の一例である。
【図２】実施の形態２における燃料電池システムの構成図の一例である。
【符号の説明】
【００４１】
１，２１  燃料電池システム
２，２２  スタックケース
３，２３  サブスタック
４，２４  電圧モニタ
５，２５  ＩＣチップ
６，２６  電子制御ユニット
７，２７，２９  配線
２８  アンテナ
【図１】
2007035319.tif 000003
【図２】
2007035319.tif 000004