(57)【要約】【課題】計測精度に優れる電流密度分布センサ及びその製造方法並びに燃料電池システムを提供する。【解決手段】燃料電池スタック１に介装され、検知対象セルの電流密度分布を検知する電流密度分布センサ２０であって、電気絶縁性のベースプレート２１と、ベースプレート２１の検知対象セルへの対向面に設けられ、導電体で形成され、相互は電気的に独立するとともに、相互間が反応ガス流路となるように複数列配置された表面のガス流路形成体２２−１と、ベースプレート２１の反対面に設けられ、導電体で形成され、相互は電気的に独立するとともに、相互間が反応ガス流路となるように複数列配置された裏面のガス流路形成体２２−２と、ベースプレート２１に内蔵され、表面のガス流路形成体２２−１と裏面のガス流路形成体２２−２とを相互に導通する複数個の電流センサ２３と、を備える。【選択図】図２
2009081117.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池スタックに介装され、検知対象セルの電流密度分布を検知する電流密度分布センサであって、
電気絶縁性のベースプレートと、
前記ベースプレートの前記検知対象セルへの対向面に設けられ、導電体で形成され、相互は電気的に独立するとともに、相互間が反応ガス流路となるように複数列配置された表面のガス流路形成体と、
前記ベースプレートの反対面に設けられ、導電体で形成され、相互は電気的に独立するとともに、相互間が反応ガス流路となるように複数列配置された裏面のガス流路形成体と、
前記ベースプレートに内蔵され、前記表面のガス流路形成体と前記裏面のガス流路形成体とを相互に導通する複数個の電流センサと、
を備える電流密度分布センサ。
【請求項２】
請求項１に記載の電流密度分布センサにおいて、
前記複数列配置された裏面のガス流路形成体を相互に導通する導電プレートを備える、
ことを特徴とする電流密度分布センサ。
【請求項３】
請求項２に記載の電流密度分布センサにおいて、
前記導電プレートは、隣設セルのセパレータである、
ことを特徴とする電流密度分布センサ。
【請求項４】
燃料電池セルスタックに介装され、検知対象セルの電流密度分布を検知する電流密度分布センサであって、
電気絶縁性のベースプレートと、
前記ベースプレートの前記検知対象セルへの対向面に設けられ、導電体で形成され、相互は電気的に独立するとともに、相互間が反応ガス流路となるように複数列配置された表面のガス流路形成体と、
前記ベースプレートの反対面に形成された導電層と、
前記導電層に形成された裏面のガス流路形成体と、
前記ベースプレートに内蔵され、前記表面のガス流路形成体と前記導電層とを相互に導通する複数個の電流センサと、
を備える電流密度分布センサ。
【請求項５】
請求項１から請求項４までのいずれか１項に記載の電流密度分布センサにおいて、
前記ガス流路形成体は、列の長さ方向に並び、相互に電気的に独立した複数の導電性リブを含み、
前記電流センサは、前記導電性リブごとに設けられる、
ことを特徴とする電流密度分布センサ。
【請求項６】
請求項１から請求項５までのいずれか１項に記載の電流密度分布センサにおいて、
前記電流センサは、シャント抵抗である、
ことを特徴とする電流密度分布センサ。
【請求項７】
請求項１から請求項６までのいずれか１項に記載の電流密度分布センサにおいて、
前記ベースプレートは、冷媒マニホールドを流れる冷媒を分岐する分岐部を有し、
前記ガス流路形成体は、中空状であり、内部を前記分岐部で分岐した冷媒が通流する、
ことを特徴とする電流密度分布センサ。
【請求項８】
請求項７に記載の電流密度分布センサにおいて、
前記分岐部は、
冷媒マニホールドを流れる冷媒が分岐して流れる分岐流路と、
前記分岐流路を流れた冷媒が流れる中空ジョイントと、
一端が前記中空ジョイントに挿入され、他端が前記中空状のガス流路形成体に挿入される中空パッキンと、
を含むことを特徴とする電流密度分布センサ。
【請求項９】
請求項８に記載の電流密度分布センサにおいて、
前記中空ジョイントは、前記ベースプレートに設けられた孔に圧入固定される脚を備える、
を含むことを特徴とする電流密度分布センサ。
【請求項１０】
請求項１から請求項９までのいずれか１項に記載の電流密度分布センサにおいて、
前記ベースプレートは、冷媒マニホールドを流れる冷媒が分岐して通流する冷媒通路を有する、
ことを特徴とする電流密度分布センサ。
【請求項１１】
請求項１から請求項１０までのいずれか１項に記載の電流密度分布センサにおいて、
前記ベースプレートは、前記ガス流路形成体よりも幅狭の挟持部を有し、
前記ガス流路形成体は、前記挟持部に圧入固定される、
ことを特徴とする電流密度分布センサ。
【請求項１２】
請求項１から請求項１０までのいずれか１項に記載の電流密度分布センサにおいて、
前記ベースプレートは、前記ガス流路形成体を挿入する穴部を有し、
前記ガス流路形成体は、段付脚部を有し、その段付脚部が前記ベースプレートの穴部に挿入されて固定される、
ことを特徴とする電流密度分布センサ。
【請求項１３】
請求項１から請求項１２までのいずれか１項に記載の電流密度分布センサにおいて、
前記複数個の電流センサに対応する複数個の温度センサをさらに有する、
ことを特徴とする電流密度分布センサ。
【請求項１４】
請求項１から請求項１３までのいずれか１項に記載の電流密度分布センサを製造する製造方法において、
多層プリント基板製造プロセスによって前記ベースプレートを製造するベースプレート製造工程と、
前記ベースプレート製造工程で製造されたベースプレートに、前記電流センサとなる抵抗素子を実装する抵抗素子実装工程と、
前記抵抗素子実装工程で実装された抵抗素子の電極をベースプレート表層面に導通させるスルーホール処理工程と、
前記スルーホール処理工程で処理されたベースプレートの片面に前記表面ガス流路形成体を接合して前記抵抗素子に導通させるとともに、ベースプレートの裏面に前記裏面ガス流路形成体を接合してその抵抗素子に導通させる導通工程と、
を備えることを特徴とする電流密度分布センサ製造方法。
【請求項１５】
請求項１から請求項１３までのいずれか１項に記載の電流密度分布センサを製造する製造方法において、
多層プリント基板製造プロセスによって前記ベースプレートを製造するベースプレート製造工程と、
前記ベースプレート製造工程で製造されたベースプレートに、前記電流センサとなる抵抗素子を実装する抵抗素子実装工程と、
前記抵抗素子実装工程で抵抗素子が実装されたベースプレートに、前記抵抗素子の電極が表出するように穴を形成する削穴工程と
前記削穴工程で形成された穴に、導電ロッドを挿入するロッド挿入工程と、
前記ロッド挿入工程で導電ロッドが挿入されたベースプレートの表面を、前記導電ロッドとともに表面研磨する研磨工程と、
を備えることを特徴とする電流密度分布センサ製造方法。
【請求項１６】
請求項１から請求項１３までのいずれか１項に記載の電流密度分布センサを製造する製造方法において、
多層プリント基板製造プロセスによって前記ベースプレートを製造するベースプレート製造工程と、
前記ベースプレート製造工程で製造されたベースプレートに、前記電流センサとなる抵抗素子を実装する抵抗素子実装工程と、
前記抵抗素子実装工程で実装された抵抗素子の電極に導通する配線を、前記ベースプレートの表裏面に配置する配線配置工程と、
前記配線配置工程で配置された配線に導通するように、ベースプレートの表面に前記表面ガス流路形成体を配置し、ベースプレートの裏面に前記裏面ガス流路形成体を配置するガス流路形成体配置工程と、
前記ガス流路形成体配置工程でガス流路形成体が配置されたベースプレートをメス型に納めて加圧して、前記ベースプレートにガス流路形成体を一体化させるダイキャスト成型工程と、
を備えることを特徴とする電流密度分布センサ製造方法。
【請求項１７】
請求項１３に記載の電流密度分布センサを使用する燃料電池システムにおいて、
前記温度センサによって対応する電流センサの検知値を補償する、
ことを特徴とする燃料電池システム。
【請求項１８】
請求項１３に記載の電流密度分布センサを使用する燃料電池システムにおいて、
カソードガス供給側における電流密度が低下し、温度が上昇するときには、ドライアウトを判定する、
ことを特徴とする燃料電池システム。
【請求項１９】
請求項１３に記載の電流密度分布センサを使用する燃料電池システムにおいて、
カソードガス排出側における電流密度が低下し、温度が低下するときには、フラッディングを判定する、
ことを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２０】
請求項１３に記載の電流密度分布センサを使用する燃料電池システムにおいて、
運転時間が所定時間を超え、電流密度分布及び温度分布が所定範囲であるときには、燃料電池セルの劣化を判定する、
ことを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２１】
請求項１３に記載の電流密度分布センサを使用する燃料電池システムにおいて、
低温下での起動が可能か否かを、電流密度分布及び温度分布が所定範囲であるか否かによって判定する、
ことを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２２】
請求項１８から請求項２１までのいずれか１項に記載の燃料電池システムにおいて、
前記温度センサによって対応する電流センサの検知値を補償する、
ことを特徴とする燃料電池システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、電流密度分布センサ及びその製造方法並びに燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、燃料電池の流路設計評価や故障検知、品質保証といった種々の目的のために、その電極における電流密度分布を計測する方法が提案されている。たとえば特許文献１には、反応ガス流路に電位測定線や熱電対を挿入して各部分の抵抗電位降下や温度を計測して電流密度分布を推定する方法が開示されている。なお他に関連する特許文献としては、特許文献２、特許文献３、特許文献４がある。
【特許文献１】特開平９−２２３５１２号公報
【特許文献２】特開２００６−２３４５６６号公報
【特許文献３】特開２００４−１５２５０１号公報
【特許文献４】特開２００６−１９６２１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかし、前述した従来の方法では、電流値を直接計測するのではなく推定するので、計測精度に劣る。
【０００４】
本発明は、このような従来の問題点に着目してなされたものであり、計測精度に優れる電流密度分布センサ及びその製造方法並びに燃料電池システムを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明は以下のような解決手段によって前記課題を解決する。なお、理解を容易にするために本発明の実施形態に対応する符号を付するが、これに限定されるものではない。
【０００６】
本発明は、燃料電池スタック(１)に介装され、検知対象セルの電流密度分布を検知する電流密度分布センサ(２０)であって、電気絶縁性のベースプレート(２１)と、前記ベースプレート(２１)の前記検知対象セルへの対向面に設けられ、導電体で形成され、相互は電気的に独立するとともに、相互間が反応ガス流路となるように複数列配置された表面のガス流路形成体(２２−１)と、前記ベースプレート(２１)の反対面に設けられ、導電体で形成され、相互は電気的に独立するとともに、相互間が反応ガス流路となるように複数列配置された裏面のガス流路形成体(２２−２)と、前記ベースプレート(２１)に内蔵され、前記表面のガス流路形成体(２２−１)と前記裏面のガス流路形成体(２２−２)とを相互に導通する複数個の電流センサ(２３)と、を備えることを特徴とする。
【発明の効果】
【０００７】
本発明によれば、電気絶縁性のベースプレートの表裏面に導電体のガス流路形成体を設け、そのガス流路形成体に電流センサを接続したので、電流はベースプレートの内部を流れることがない。このため電流密度分布センサで検知した電流密度分布は、ベースプレートが導電性である場合に比較して、局所的な電流密度分布を正確に検出できるようになったのである。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
以下では図面等を参照して本発明を実施するための最良の形態について説明する。
（第１実施形態）
図１は、本発明による電流密度分布センサを使用する燃料電池を示す図であり、図１(Ａ)は全体斜視図、図１(Ｂ)は電流密度分布センサの単品を抜き出して示す斜視図、図１(Ｃ)は燃料電池の一部の断面を拡大して示す図である。
【０００９】
燃料電池スタック１は、複数の発電セル１０を積層し、その両側からエンドプレート４０で挟持する構成である。
【００１０】
発電セル１０は、燃料電池の単位セルである。各発電セル１０は、１ボルト(Ｖ)程度の起電圧を生じる。
【００１１】
発電セル１０は、図１(Ｃ)に示すように、膜電極接合体(Membrane Electrode Assembly；以下「ＭＥＡ」という)１１の表裏面にセパレータ１２が積層された構造である。
【００１２】
ＭＥＡ１１は、イオン交換膜からなる電解質膜１１ａの両面に電極触媒層１１ｂが形成されている。この電極触媒層１１ｂに、セパレータ１２が重なる。
【００１３】
セパレータ１２は、表裏面に凹凸が形成され、その凹部がガス流路１２ａとなる。片面のガス流路１２ａにカソードガスが流れ、裏面のガス流路１２ａにアノードガスが流れる。なお反応ガスの漏出を防止するためにシール１３が配置されている。セパレータ１２の内部には冷却水流路１２ｂが形成される。
【００１４】
セパレータのうち、一部(図１では一枚)がセパレータ兼用電流密度分布センサ２０となっている。
【００１５】
電流密度分布センサ２０も基本形状は、セパレータ１２と同様である。すなわち表裏面に凹凸が形成され、その凹部がガス流路２０ａとなる。片面のガス流路２０ａにカソードガスが流れ、裏面のガス流路２０ａにアノードガスが流れる。さらに詳しく説明すると、電流密度分布センサ２０は、ベースプレート２１に、ガス流路形成体２２が形成される。
【００１６】
ベースプレート２１は、電気絶縁性である。ベースプレート２１には、コネクタエッジ２１ａが突出形成される。そのためベースプレート２１は凸形である。ベースプレート２１には、電流センサ２３が内蔵される。詳細は後述する。
【００１７】
ガス流路形成体２２は、導電性である。ガス流路形成体２２は、複数列配置される。ガス流路形成体２２は、列ごとに１本の四角柱形状である。その複数列のガス流路形成体２２は、相互に電気的に独立である。複数列のガス流路形成体２２の相互間が、反応ガス流路２０ａになる。
【００１８】
ＭＥＡ１１、セパレータ１２及び電流密度分布センサ２０には、それぞれ孔４１ａ，４１ｂ，４２ａ，４２ｂ，４３ａ，４３ｂが形成されており、これらが重ねられて、アノード供給口４１ａ、アノード排出口４１ｂ、カソード供給口４２ａ、カソード排出口４２ｂ、冷却水供給口４３ａ及び冷却水排出口４３ｂが形成される。
【００１９】
エンドプレート４０は、積層された発電セル１０の最外部分に配置される。エンドプレート４０は、剛性のある金属材料、たとえば鋼などで形成される。
【００２０】
一方のエンドプレート４０(図１では、左手前のエンドプレート４０)には、アノード供給口４１ａと、アノード排出口４１ｂと、カソード供給口４２ａと、カソード排出口４２ｂと、冷却水供給口４３ａと、冷却水排出口４３ｂとが設けられている。本実施形態では、カソード供給口４２ａ、冷却水供給口４３ａ及びカソード供給口４２ａは図中右側に設けられている。またアノード排出口４１ｂ、冷却水排出口４３ｂ及びカソード排出口４２ｂは図中左側に設けられている。
【００２１】
なお図示を省略するが、エンドプレート４０の四隅付近には、ナットがそれぞれ配置される。燃料電池スタック１は内部に貫通した孔(不図示)が形成されている。この貫通孔にはテンションロッド(不図示)が挿通される。テンションロッドは、剛性のある金属材料、たとえば鋼などで形成される。テンションロッドは、発電セル同士の電気短絡を防止するため、表面には絶縁処理されている。このテンションロッドの両端に上述したナットが螺合する。ナットとテンションロッドとが燃料電池スタック１を積層方向に締め付ける。
【００２２】
アノード供給口４１ａにアノードガスとしての水素を供給する方法としては、例えば水素ガスを水素貯蔵装置から直接供給する方法、又は水素を含有する燃料を改質して改質した水素含有ガスを供給する方法などがある。なお、水素貯蔵装置としては、高圧ガスタンク、液化水素タンク、水素吸蔵合金タンク等がある。水素を含有する燃料としては、天然ガス、メタノール、ガソリン等がある。また、カソード供給口４２ａに供給するカソードガスとしては、一般的に空気が利用される。
【００２３】
（電流密度分布センサの構造の第１実施形態）
図２は、本発明による電流密度分布センサの構造の第１実施形態を示す図である。なおこの図は電流密度分布センサの一部分の拡大図である。
【００２４】
上述のように、電流密度分布センサ２０は、セパレータを兼用する。電流密度分布センサ２０は、ベースプレート２１に、ガス流路形成体２２が形成されている。
【００２５】
ベースプレート２１は、電気絶縁性である。ベースプレート２１には、コネクタエッジ２１ａが突出形成されている。
【００２６】
ガス流路形成体２２は、導電性である。ガス流路形成体２２は、ベースプレート２１の表裏面に複数列配置される。本実施形態では、ベースプレート２１の表面(図２では上面)に、３列のガス流路形成体２２が配置される。またベースプレート２１の裏面(図２では下面)にも、３列のガス流路形成体２２が配置される。また本実施形態では、ベースプレート２１の表裏面に対向してそれぞれの３列のガス流路形成体２２が配置されている。
【００２７】
複数列のガス流路形成体２２は、相互に電気的に独立である。すなわちベースプレート２１の上面に配置された３列のガス流路形成体２２は、相互に電気的に独立である。またベースプレート２１の下面に配置された３列のガス流路形成体２２も、相互に電気的に独立である。複数列のガス流路形成体２２の相互間が、反応ガス流路２０ａになる。
【００２８】
ベースプレート２１には、電流センサ２３が内蔵されている。電流センサ２３は、たとえばシャント抵抗である、電流センサ２３の電極は、ベースプレート２１の表裏面に対向する一対のガス流路形成体２２にそれぞれ接続される。また電流センサ２３の電極に信号線２４が接続され、その信号線２４がコネクタエッジ２１ａまで延設される。信号線２４の端部が端子２４ａである(図３(Ａ)参照)。端子間の電圧Ｖｃに基づいて電流センサ２３に流れる電流が求まる。
【００２９】
（電流密度分布センサの製造方法の第１実施形態）
図３は、本発明による電流密度分布センサの製造方法の第１実施形態を説明する図であり、図３(Ａ)は斜視図、図３(Ｂ)は断面図である。
【００３０】
信号線２４をプリントしたベースプレート２１を、多層プリント基板製造プロセスによって製造する(ベースプレート製造工程＃１０１)。
【００３１】
次にベースプレート２１に、電流センサとなる抵抗素子２３を実装する(抵抗素子実装工程＃１０２)。
【００３２】
続いて、実装された抵抗素子２３の電極をベースプレート２１の表層面に導通させる(スルーホール処理工程＃１０３)。具体的には銅メッキを堆積さて柱状にすることで導通させる。
【００３３】
そして、そのベースプレート２１の片面に表面ガス流路形成体２２−１を接合して抵抗素子２３に導通させるとともに、ベースプレート２１の裏面に裏面ガス流路形成体２２−２を接合してその抵抗素子２３に導通させる(導通工程＃１０４)。
【００３４】
以上の工程によって電流密度分布センサが完成する。ガス流路形成体２２の接合は、たとえば導電性の接着剤などを使用すればよい。
【００３５】
図４及び図５は、本実施形態の効果を説明する図である。各図において図(Ａ)は断面モデルを示す。また図(Ｂ)、図(Ｃ)は、電流密度の大きさを棒グラフで示す。図(Ｂ)は電流密度分布の実際値であり、図(Ｃ)は電流密度分布センサでの検知値である。ｘｙ軸は平面方向を示し、これによりｘｙ平面における電流密度の分布が分かる。
【００３６】
上述のように、本発明は、セパレータを兼用する電流密度分布センサ２０を、電気絶縁性のベースプレート２１と、導電性のガス流路形成体２２と、によって、構成した点に特徴がある。
【００３７】
図４に示すように仮にベースプレート２１も導電性である場合に、電流i0が図４(Ａ)に示すように燃料電池の中心に流れたときについて説明する。このとき実際の電流密度分布は、図４(Ｂ)のように局所的な電流密度分布である。しかしベースプレート２１が導電性である場合には、電流がベースプレート２１の内部を流れてしまい、電流密度分布センサで検知した電流密度分布は、図４(Ｃ)のようになり、局所的な電流密度分布を必ずしも正確には検出できない。
【００３８】
これに対して、本発明のベースプレート２１は、電気絶縁性である。電流i0が図５(Ａ)に示すように燃料電池の中心に流れた場合で説明する。この場合も実際の電流密度分布は、図５(Ｂ)のように局所的な電流密度分布である。そしてベースプレート２１が電気絶縁性であるので、電流はベースプレート２１の内部を流れることがない。このため電流密度分布センサ２０で検知した電流密度分布は、図５(Ｃ)のようになり、ベースプレート２１が導電性である場合に比較して、局所的な電流密度分布を正確に検出できるようになる。
【００３９】
（電流密度分布センサの構造の第２実施形態）
図６は、本発明による電流密度分布センサの構造の第２実施形態を示す図である。なおこの図は電流密度分布センサの一部分の拡大図である。
【００４０】
上述の実施形態においては、ガス流路形成体２２は、列ごとに１本の四角柱形状である。本実施形態では、一列のガス流路形成体２２を、複数の導電性リブ２２１で形成するようにした。図６においては、４つの導電性リブ２２１を並べて一列のガス流路形成体２２を構成する。それらの導電性リブ２２１は、電気絶縁性の接着剤で互いに接着されており、相互に電気的に独立である。電流センサ２３は、導電性リブ２２１ごとに設けられる。すなわち図６においては、４つの導電性リブ２２１に対応して、導電性リブ２２１ごとに電流センサ２３が設けられている。
【００４１】
図７は、本実施形態の効果を説明する図であり、図４，図５に対応する図である。
【００４２】
本実施形態は、一列のガス流路形成体２２を、相互に電気的に独立な複数の導電性リブ２２１で形成するように構成した点に特徴がある。
【００４３】
電流i0が図７(Ａ)に示すように燃料電池の中心に流れた場合で説明する。実際の電流密度分布は、図７(Ｂ)のように局所的な電流密度分布である。一列のガス流路形成体２２が、相互に電気的に独立な複数の導電性リブ２２１で形成されているので、電流は導電性リブ間に流れることがない。このため電流密度分布センサ２０で検知した電流密度分布は、図７(Ｃ)のようになり、ガス流路形成体２２が一本で一体的に形成されている場合に比較して、局所的な電流密度分布を正確に検出できるようになる。
【００４４】
（電流密度分布センサの構造の第３実施形態）
図８は、本発明による電流密度分布センサの構造の第３実施形態を示す図であり、図８(Ａ)は断面図、図８(Ｂ)は図８(Ａ)のＢ部拡大図である。
【００４５】
上述の実施形態においては、ガス流路形成体２２を接着剤で接合した。本実施形態では、ベースプレート２１にガス流路形成体２２よりも幅狭の挟持溝２１ｂを凹設し、その挟持部２１ｂにガス流路形成体２２を圧入して固定する。なおガス流路形成体２２は電流センサ２３の電極に導通している。
【００４６】
このように構成すれば、接着剤を使用しないので軽量であり、製造コストが安価である。また接着剤成分が溶出するとＭＥＡが劣化する可能性があるが、本実施形態によればそのような問題も生じない。さらにリペアも容易になる。
【００４７】
（電流密度分布センサの構造の第４実施形態）
図９は、本発明による電流密度分布センサの構造の第４実施形態を示す図であり、図９(Ａ)は断面図、図９(Ｂ)は図９(Ａ)のＢ部拡大図である。
【００４８】
上述の実施形態においては、四角柱形状のガス流路形成体２２をベースプレート２１に圧入固定した。本実施形態では、ガス流路形成体２２に段付脚部２２ａを形成し、その段付脚部２２ａをベースプレート２１の穴部に挿入することでガス流路形成体２２を固定する。
【００４９】
より具体的には、ベースプレート２１を、ベースプレートボディ２１１と、ベースプレートカバ２１２と、で構成する。ベースプレートボディ２１１には、穴部２１１ａが凹設される。ベースプレートカバ２１２には、穴部２１１ａよりも小径の孔２１２ａが穿孔されている。またこの孔２１２ａは、ガス流路形成体２２の段付脚部２２ａの段部径よりも小径である。ベースプレートカバ２１２は、ベースプレートボディ２１１に重なる。
【００５０】
このような構成になっており、ガス流路形成体２２は、段付脚部２２ａが孔２１２ａに挿入されて固定される。
【００５１】
このように構成すれば、ガス流路形成体２２を一層確実に固定可能である。
【００５２】
（電流密度分布センサの構造の第５実施形態）
図１０は、本発明による電流密度分布センサの構造の第５実施形態を示す断面図である。
【００５３】
上述の実施形態においては、ガス流路形成体２２は、中実の四角柱形であったが、本実施形態においては、図１０に示すように中空状にし、内部に冷媒(冷却水)が流れるようにした。
【００５４】
図１１は、ガス流路形成体に冷媒を流すための構造を説明する図であり、図１１(Ａ)は電流密度分布センサを示す斜視図、図１１(Ｂ)は電流密度分布センサを寝かした状態を示す部分拡大斜視図である。
【００５５】
上述の通り、ＭＥＡ１１、セパレータ１２及び電流密度分布センサ２０に形成された孔が重ねられて、冷却水供給口４３ａや冷却水排出口４３ｂなどが形成されている。なお冷却水供給口４３ａが冷媒(冷却水)の流れる冷媒マニホールドである。
【００５６】
ベースプレート２１には、この冷媒マニホールドを流れる冷却水が分岐して流れる分岐流路２１ｃが凹設されている。また分岐流路２１ｃを流れた冷却水が流れる中空ジョイント３１がベースプレート２１に取り付けられる。中空ジョイント３１は脚３１ａを備え、この脚３１ａがベースプレート２１に穿孔された孔に挿入されて固定される。そしてこの中空ジョイント３１に中空パッキン３２の一端が挿入される。中空パッキン３２の他端は、中空状のガス流路形成体２２に挿入される。中空パッキン３２はフッ素ゴムやシリコンなどで形成された弾性体である。
【００５７】
このような構成になっているので、冷却水供給口(冷媒マニホールド)４３ａを流れた冷媒(冷却水)の一部が分岐して、分岐流路２１ｃ→中空ジョイント３１→中空ジョイント３１→ガス流路形成体２２と流れる。
【００５８】
本実施形態のように構成することで、燃料電池の発電反応時に生じた熱を冷却可能である。これにより温度上昇によるドライアウトを防止できる。また冷却水流路１２ｂが内蔵されてたセパレータ１２に重なり電流密度分布センサ２０に重ならない他の発電セルとほぼ同じコンディションで電流密度分布を測定できるので、代表セル検出による燃料電池全体制御の信頼性(制御性)が高くなるのである。
【００５９】
（電流密度分布センサの構造の第６実施形態）
図１２は、本発明による電流密度分布センサの構造の第６実施形態を示す断面図である。
【００６０】
本実施形態においては、ベースプレート２１の内部にも冷媒通路２１ｄを形成した。
【００６１】
本実施形態のように構成することで、燃料電池の発電反応時に生じた熱をさらに効率よく冷却可能である。
【００６２】
（電流密度分布センサの構造の第７実施形態）
図１３は、本発明による電流密度分布センサの構造の第７実施形態を示す断面図である。
【００６３】
本実施形態においては、ベースプレート２１の下面にガス流路形成体２２−２を相互に導通する導電プレート５０を設けた。なおベースプレート２１の上面が検知対象セルに重ねられる面であり、ベースプレート２１の下面が非検知対象セルに重ねられる面である。
【００６４】
本実施形態のように構成することで、ガス流路形成体２２−２の電位がすべて略同電位となり、非検知対象セルの電流密度分布の影響を受けにくくなる。このため検知対象セルと非検知対象セルとで電流密度分布の差が生じた場合でも、検知対象セルの電流密度分布を正確に検出することができるのである。
【００６５】
なお本実施形態では、導電プレート５０をベースプレート２１に重ねたが、隣設セルのセパレータによってガス流路形成体２２−２を相互に導通する構造としてもよい。このようにすれば、専用の導電プレートが不要になるので簡易に実施可能である。
【００６６】
（電流密度分布センサの構造の第８実施形態）
図１４は、本発明による電流密度分布センサの構造の第８実施形態を示す断面図である。
【００６７】
本実施形態においては、電流センサ２３に対応する温度センサ６０を設けた。温度センサ６０の取付方法は、電流センサ２３と同様にすればよい。なお図１４ではひとつの電流センサ２３ごとにひとつの温度センサ６０を設けるようにしてあるが、複数の電流センサに対応する温度センサ６０を設けてもよい。たとえばガス流路形成体２２の一列ごとにひとつの温度センサ６０を設けてもよい。要求性能や製造コストなどを勘案して適宜決定すればよい。
【００６８】
電流センサ２３の検知値は温度影響を受ける。そこで本実施形態のように、電流センサ２３に対応する温度センサ６０を設け、温度センサ６０によって電流センサ２３の検知値を補償することで、一層正確に電流密度分布を検知できる。また電流密度分布の検出分解能を高めることができる。
【００６９】
（電流密度分布センサの製造方法の第２実施形態）
図１５は、本発明による電流密度分布センサの製造方法の第２実施形態を説明する図である。
【００７０】
本実施形態では、最初に、信号線２４をプリントしたベースプレート２１を、多層プリント基板製造プロセスによって製造する(ベースプレート製造工程＃１０１)。
【００７１】
次にベースプレート２１に、電流センサとなる抵抗素子２３を実装する(抵抗素子実装工程＃１０２)。
【００７２】
続いて、抵抗素子２３が実装されたベースプレート２１に、抵抗素子２３の電極が表出するように穴を形成する(削穴工程＃２０１)。
【００７３】
そして、形成された穴に、導電ロッド７０を挿入する(ロッド挿入工程＃２０２)。
【００７４】
さらに、導電ロッド７０が挿入されたベースプレート２１の表面を、導電ロッド７０とともに表面研磨する(研磨工程＃２０３)。
【００７５】
以上の工程によって電流密度分布センサ２０が完成する。
【００７６】
このように電流密度分布センサ２０の表面を研磨することで、表面の平面度を精緻に保つことができる。上述のように、燃料電池は、多くのＭＥＡ１１やセパレータ１２や電流密度分布センサ２０などを積層し、エンドプレート４０で挟持する構成であるので、平面度が悪いと、捩れ等により所望の発電性能が得られない可能性がある。本実施形態のように平面度を高く保つことで、そのような事態を回避できる。そして測定対象のＭＥＡとの接触抵抗を均一化させることができ、接触抵抗の不均一による電流密度分布の測定誤差を低減可能である。
【００７７】
（電流密度分布センサの製造方法の第３実施形態）
図１６は、本発明による電流密度分布センサの製造方法の第３実施形態を説明する図である。
【００７８】
本実施形態では、最初に、信号線２４をプリントしたベースプレート２１を、多層プリント基板製造プロセスによって製造する(ベースプレート製造工程＃１０１)。
【００７９】
次にベースプレート２１に、電流センサとなる抵抗素子２３を実装する(抵抗素子実装工程＃１０２)。
【００８０】
続いて、実装された抵抗素子２３の電極に導通する配線８１を、ベースプレート２１の表裏面に配置する(配線配置工程＃３０１)。
【００８１】
そして、その配線８１に導通するように、ベースプレート２１の表面に表面ガス流路形成体２２−１を配置し、ベースプレート２１の裏面に裏面ガス流路形成体２２−２を配置する(ガス流路形成体配置工程＃３０２)。
【００８２】
さらに、そのベースプレート２１をメス型８０に納めて加圧して、ベースプレート２１にガス流路形成体２２を一体化させる(ダイキャスト成型工程＃３０３)。
【００８３】
このようにすれば、電流密度分布センサ２０を短時間での大量生産可能であり、製造コストを低減できる。
【００８４】
（電流密度分布センサを使用する燃料電池システム）
図１７は、本発明による電流密度分布センサを使用する燃料電池システムを示す図である。
【００８５】
燃料電池システム１００の燃料電池スタック１は、上述した電流密度分布センサ２０を含む。
【００８６】
燃料電池システム１００のカソード流路１１０の上流側にはブロア１１１が設けられる。このブロア１１１によって空気(カソードガス)が燃料電池スタック１に供給される。ブロア１１１を制御することでカソードガス流量を調整できる。カソード流路１１０の下流側には排気弁１１２とカソード圧力センサ１１３とが設けられる。排気弁１１２を制御することでカソードガス圧力を調整できる。
【００８７】
燃料電池システム１００のアノード流路１２０の上流側には燃料供給バルブ１２１とアノード圧力センサ１２２とが設けられる。燃料供給バルブ１２１を制御することで発電量を調整できる。アノード流路１２０の下流側には循環ポンプ１２３とパージ弁１２４とが設けられる。循環ポンプ１２３とパージ弁１２４との間から循環流路１２０ａが分岐する。
【００８８】
燃料電池システム１００の冷媒流路１３０の上流側には流量弁１３１が設けられる。流量弁１３１を制御することで冷却量を調整できる。
【００８９】
電流密度分布センサ２０の電流密度分布信号、温度分布信号、カソード圧力信号、アノード圧力信号などに基づいて、ＦＣ運転コントローラ１５０は、ブロア１１１、排気弁１１２、燃料供給バルブ１２１、循環ポンプ１２３、流量弁１３１、電力調整装置１４０などを制御する。なおＦＣ運転コントローラ１５０は、中央演算装置(ＣＰＵ)、読み出し専用メモリ(ＲＯＭ)、ランダムアクセスメモリ(ＲＡＭ)及び入出力インタフェース(Ｉ／Ｏインタフェース)を備えたマイクロコンピュータで構成される。コントローラ１５０を複数のマイクロコンピュータで構成してもよい。
【００９０】
図１８は、本発明による燃料電池システムの制御内容をまとめた図である。
【００９１】
燃料電池システムは、この図１８に示されたような制御を実行する。具体的な内容は、図１９以降のフローチャートに沿って説明する。
【００９２】
（ドライアウト回避制御）
図１９は、本発明による燃料電池システムのドライアウト回避制御を示すフローチャートである。
【００９３】
ステップＳ１００においてコントローラは、電流密度分布及びセル温度分布を検出する。
【００９４】
ステップＳ２１０においてコントローラは、カソード入口側の電流密度が低下したか否かを判定し、ステップＳ２２０においてコントローラは、カソード入口側の温度が上昇したか否かを判定する。カソード入口側の電流密度が低下し、温度が上昇していれば、発電量が小さいのに温度が高い状態であり、カソード入口側でドライアウト状態である可能性が高い。そこでステップＳ２３０へ処理を移行しドライアウト回避制御を実行する。ステップＳ２１０及びステップＳ２２０のいずれか一方でも否であれば、ドライアウトの可能性は高くないので、ステップＳ８００へ処理を移行し通常運転制御を実行する。
【００９５】
ステップＳ２３１においてコントローラは、流量弁１３１を開く。すると冷却水の流量が増加し、セル温度が低下する。
【００９６】
ステップＳ２３２においてコントローラは、燃料供給バルブ１２１を開き、ブロア１１１の回転をアップする。するとアノードガス及びカソードガスの流量が増大する。
【００９７】
ステップＳ２３３においてコントローラは、排気弁１１２を絞る。するとカソードガスの圧力が増大し、露点が上昇し高加湿状態になる。
【００９８】
ステップＳ２３４においてコントローラは、電力調整装置１４０の出力を増大する。すると発電量が増加する。そして生成水及び高加湿により電解質膜が湿潤しドライアウトを回避できる。
【００９９】
（フラッディング回避制御）
図２０は、本発明による燃料電池システムのフラッディング回避制御を示すフローチャートである。
【０１００】
ステップＳ１００においてコントローラは、電流密度分布及びセル温度分布を検出する。
【０１０１】
ステップＳ３１０においてコントローラは、カソード出口側の電流密度が低下したか否かを判定し、ステップＳ３２０においてコントローラは、カソード出口側の温度が低下したか否かを判定する。カソード出口側の電流密度が低下し、温度が低下していれば、発電電流のわりに温度が低い状態であり、カソード出口側でフラッディング状態である可能性が高い。そこでステップＳ３３０へ処理を移行しフラッディング回避制御を実行する。ステップＳ３１０及びステップＳ３２０のいずれか一方でも否であれば、フラッディングの可能性が高くないので、ステップＳ８００へ処理を移行し通常運転制御を実行する。
【０１０２】
ステップＳ３３１においてコントローラは、排気弁１１２を開く。するとカソードガスの圧力が増大し、露点が降下し乾燥状態になる。
【０１０３】
ステップＳ３３２においてコントローラは、流量弁１３１を閉じる。すると冷却水の流量が減少し、セル温度が上昇する。
【０１０４】
ステップＳ３３３においてコントローラは、循環ポンプ１２３及びブロア１１１の回転をアップする。するとアノードガス及びカソードガスの流量が増大し、ガス流速が増してセル内の排水性が促進される。
【０１０５】
ステップＳ３３４においてコントローラは、電力調整装置１４０の出力を増大する。すると発電量が増加する。そしてセル温度上昇と供給ガス乾燥との相乗効果によって電解質膜が乾燥しフラッディングを回避できる。
【０１０６】
（劣化回復制御）
図２１は、本発明による燃料電池システムの劣化回復制御を示すフローチャートである。
【０１０７】
ステップＳ４１０においてコントローラは、運転履歴を参照する。
【０１０８】
ステップＳ４２０においてコントローラは、その運転履歴に基づいて劣化の可能性がある時期であるのか否かを判定する。劣化の可能性があればステップＳ４３０へ処理を移行し劣化回復制御を実行する。そうでなければステップＳ８００へ処理を移行し通常運転制御を実行する。
【０１０９】
ステップＳ１００においてコントローラは、電流密度分布及びセル温度分布を検出する。
【０１１０】
ステップＳ４３１においてコントローラは、電流密度分布が通常運転状態の分布であるか否かを判定する。そのような状態でなければステップＳ４３２へ処理を移行し、そのような状態であればステップＳ４３３へ処理を移行する。
【０１１１】
ステップＳ４３２においてコントローラは、電流密度分布が通常運転状態の分布から外れている原因を補正するための補正制御を行い、再度ステップＳ１００へ処理を移行する。なお補正制御としてはたとえば１００Ａ[アンペア]等の一定負荷での継続運転などがある。
【０１１２】
ステップＳ４３３においてコントローラは、セル温度分布が通常運転状態の分布であるか否かを判定する。そのような状態でなければステップＳ４３４へ処理を移行し、そのような状態であれば一旦処理を抜ける。
【０１１３】
ステップＳ４３２においてコントローラは、セル温度分布が通常運転状態の分布から外れている原因を補正するための補正制御を行い、再度ステップＳ１００へ処理を移行する。なお補正制御としてはたとえば１００Ａ[アンペア]等の一定負荷での継続運転などがある。
【０１１４】
（起動制御）
図２２は、本発明による燃料電池システムの起動制御を示すフローチャートである。
【０１１５】
ステップＳ５１０においてコントローラは、冷却水を微少量だけ流す。
【０１１６】
ステップＳ５２０においてコントローラは、ガス圧を大気圧に制御する。
【０１１７】
ステップＳ５３０においてコントローラは、アノードガス及びカソードガスの流量制御を開始する。
【０１１８】
ステップＳ５４０においてコントローラは、微少発電での発電量制御を開始する。
【０１１９】
ステップＳ５５０においてコントローラは、起動が可能であるか否かを判定する。具体的には、電流密度分布及びセル温度分布を検出し(ステップＳ１００)、電流密度分布が所定分布であるか否かを判定し(ステップＳ５５１)、セル温度分布が所定分布であるか否かを判定し(ステップＳ５５２)、いずれも肯であれば起動を許可し(ステップＳ５５３)、いずれか一方でも否であればまだ起動可能な状態に達していないと判定する(ステップＳ５５４)。
【０１２０】
ステップＳ５６０においてコントローラは、起動許可されたか否かを判定し、起動許可されたのであればステップＳ９００へ処理を移行して起動運転制御を実行する。
【０１２１】
このように本発明による電流密度分布センサ２０を使用することで、電流密度分布や温度分布を正確に検知することができ、そのような検知結果を使用して燃料電池の最適な運転状態を維持することが可能である。なお上記制御において電流センサの検知値を温度センサで補正すればさらに一層精緻な制御が可能になる。
【０１２２】
また燃料電池内部のドライアウトやフラッディングへの移行傾向をリアルタイムに検知できるので、ドライアウトやフラッディングへの移行を回避する制御を迅速に実行でき、実際にドライアウトやフラッディングに至ってしまうことを防止できる。このため燃料電池システムの出力異常を未然に防止できる。また燃料電池システムの故障や消耗を防止・低減することができ、その結果、耐久性を向上できるのである。
【０１２３】
また劣化傾向についても、発電累積時間などの運転履歴情報だけに頼らず、燃料電池システムの実際の劣化傾向を判定できるので、たとえば燃料電池スタックの製造上の個体差や、使用状態の違いによる劣化速度の変化があったとしても、正しく劣化傾向の検知が可能となる。そのため実際の劣化傾向に応じて、劣化を回復するための運転を制御でき、効果的に回復できる。さらには使用頻度の低い燃料電池については、不必要に劣化回復運転制御を行わなくてよい。このように使い勝手や、エネルギ消費(燃費)の悪化を防止できるのである。
【０１２４】
さらに起動運転についても、零下起動時など、燃料電池スタックが正常に起動できるか否かを直接的に検知できるので、制御の信頼性を高めることができるのである。
【０１２５】
以上説明した実施形態に限定されることなく、その技術的思想の範囲内において種々の変形や変更が可能であり、それらも本発明の技術的範囲に含まれることが明白である。
【０１２６】
たとえば、図１においては燃料電池に電流密度分布センサ２０を一枚だけ使用しているが、要求性能や製造コストを考慮して使用枚数を適宜決定すればよい。
【０１２７】
また、電流センサとしては、検出精度(分解能)に優れるシャント抵抗を使用することが望ましいが、それに限らずホール素子を使用するタイプであっても同様の構成で同様の効果を得ることが可能である。
【０１２８】
さらに電流密度分布センサの構造の第２実施形態においては、隣設する導電性リブ同士を電気絶縁性の接着剤で相互に接着するという一例を挙げたが、そのような構造以外にもたとえば、電流密度分布センサの構造の第５実施形態(図１１)の中空パッキン３２のような絶縁性パッキンを用いて隣設する導電性リブ同士を連結してもよい。このような構造にして接着剤を使用しなければ、接着剤成分が溶出するおそれがなく、ＭＥＡの劣化要因を排除できる。
【０１２９】
さらにまた、電流密度分布センサの構造の第６実施形態においては、ベースプレート２１の内部及びガス流路形成体２２の両方に冷媒通路を形成したが、ベースプレート２１の内部にのみ冷媒通路２１ｄを形成し、ガス流路形成体２２には、中実構造を使用してもよい。要求性能や製造コストを考慮して適宜決定すればよい。
【０１３０】
またベースプレート２１の裏面に導電層を形成した場合には、その裏面に配置するガス流路形成体２２を導電体で形成しても非導電体で形成しても、電流密度分布センサの構造の第７実施形態(図１３)と同様の効果を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【０１３１】
【図１】本発明による電流密度分布センサを使用する燃料電池を示す図である。
【図２】本発明による電流密度分布センサの構造の第１実施形態を示す図である。
【図３】本発明による電流密度分布センサの製造方法の第１実施形態を説明する図である。
【図４】電流密度分布センサが非導電体であった場合について説明する図である。
【図５】本実施形態の効果を説明する図である。
【図６】本発明による電流密度分布センサの構造の第２実施形態を示す図である。
【図７】第２実施形態の効果を説明する図である。
【図８】本発明による電流密度分布センサの構造の第３実施形態を示す図である。
【図９】本発明による電流密度分布センサの構造の第４実施形態を示す図である。
【図１０】本発明による電流密度分布センサの構造の第５実施形態を示す断面図である。
【図１１】ガス流路形成体に冷媒を流すための構造を説明する図である。
【図１２】本発明による電流密度分布センサの構造の第６実施形態を示す断面図である。
【図１３】本発明による電流密度分布センサの構造の第７実施形態を示す断面図である。
【図１４】本発明による電流密度分布センサの構造の第８実施形態を示す断面図である。
【図１５】本発明による電流密度分布センサの製造方法の第２実施形態を説明する図である。
【図１６】本発明による電流密度分布センサの製造方法の第３実施形態を説明する図である。
【図１７】本発明による電流密度分布センサを使用する燃料電池システムを示す図である。
【図１８】本発明による燃料電池システムの制御内容をまとめた図である。
【図１９】本発明による燃料電池システムのドライアウト回避制御を示すフローチャートである。
【図２０】本発明による燃料電池システムのフラッディング回避制御を示すフローチャートである。
【図２１】本発明による燃料電池システムの劣化回復制御を示すフローチャートである。
【図２２】本発明による燃料電池システムの起動制御を示すフローチャートである。
【符号の説明】
【０１３２】
１  燃料電池スタック
１０  発電セル
１１  膜電極接合体(ＭＥＡ)
１１ａ  電解質膜
１１ｂ  電極触媒層
１２  セパレータ
２０  電流密度分布センサ
２０ａ  ガス流路
２１  ベースプレート
２１ａ  コネクタエッジ
２２  ガス流路形成体
２２１  導電性リブ
２３  電流センサ
４０  エンドプレート
【図１】
2009081117.tif 000003
【図２】
2009081117.tif 000004
【図３】
2009081117.tif 000005
【図４】
2009081117.tif 000006
【図５】
2009081117.tif 000007
【図６】
2009081117.tif 000008
【図７】
2009081117.tif 000009
【図８】
2009081117.tif 000010
【図９】
2009081117.tif 000011
【図１０】
2009081117.tif 000012
【図１１】
2009081117.tif 000013
【図１２】
2009081117.tif 000014
【図１３】
2009081117.tif 000015
【図１４】
2009081117.tif 000016
【図１５】
2009081117.tif 000017
【図１６】
2009081117.tif 000018
【図１７】
2009081117.tif 000019
【図１８】
2009081117.tif 000020
【図１９】
2009081117.tif 000021
【図２０】
2009081117.tif 000022
【図２１】
2009081117.tif 000023
【図２２】
2009081117.tif 000024