JP2008123960A - Fuel cell - Google Patents
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Abstract
【課題】発電能力の低下を招くさまざまな異常を局所レベルで早期に検知することができ、異常原因の特定や対処を速やかに行なうことが可能となる燃料電池を提供する。
【解決手段】燃料および酸化剤の反応により発電を行なう燃料電池セルを有する燃料電池であって、
前記燃料電池セルは、該燃料電池セル内に複数個の温度センサ601が配置された構造を備え、該複数個の温度センサによって該燃料電池セル内の複数の個所における発電状況に応じた温度を検出する構成とする。
その際、前記燃料電池セル内に配置された温度センサの少なくとも2箇所の配置関係を、前記燃料電池セルに供給される燃料経路の上流と下流の関係、
または、前記燃料電池セル中の前記酸化剤の取り入れ口からの距離の遠近の関係、
または、前記燃料電池セルの内部で発生した水の排出経路の上流と下流の関係とすることができる。
【選択図】 図8Provided is a fuel cell that can detect various abnormalities that cause a decrease in power generation capability at a local level at an early stage, and can quickly identify and cope with the cause of the abnormality.
A fuel cell having a fuel cell that generates power by a reaction between a fuel and an oxidant,
The fuel cell has a structure in which a plurality of temperature sensors 601 are arranged in the fuel cell, and the temperature according to the power generation situation at a plurality of locations in the fuel cell by the plurality of temperature sensors. The configuration is to detect.
At that time, the relationship between the upstream and downstream of the fuel path supplied to the fuel cell, the arrangement relationship of at least two temperature sensors arranged in the fuel cell,
Or a distance relationship from the oxidant intake in the fuel cell,
Or it can be set as the upstream and downstream relationship of the discharge path | route of the water which generate | occur | produced inside the said fuel cell.
[Selection] Figure 8
Description
本発明は、燃料電池に関し、特に燃料電池セルの温度検知を可能とした燃料電池に関するものである。 The present invention relates to a fuel cell, and more particularly to a fuel cell capable of detecting the temperature of a fuel cell.
従来、使用されている電池として、乾電池と言われている一次電池や、車のバッテリーなどに使われる鉛蓄電池、モバイル機器などで使われるリチウム電池などの二次電池がある。
一次電池は、内部に反応物質を保持しており、反応物質の化学反応により電流を生じるが、反応物質がすべて消費されてしまうと使用できなくなる。
また、近年における電子機器の高性能・多機能化に伴う電力消費量の拡大により十分なエネルギー量を供給出来なくなってきている。
二次電池は、内部に反応物を設け、電流を発生させることで反応物が減少するが、充電することによって逆反応が起こり、生成物質がもとの反応物質に戻ることで繰り返し使用することができる。
しかしながら、一回の充電で使用できるエネルギーは一次電池のものよりも少なく、また、充電するために外部電力を必要し、充電するのに数十分から数時間の充電時間を必要としている。
Conventionally used batteries include primary batteries called dry batteries, lead-acid batteries used for car batteries, and secondary batteries such as lithium batteries used for mobile devices.
The primary battery holds the reactants therein and generates a current due to the chemical reaction of the reactants, but cannot be used when all of the reactants are consumed.
In addition, due to the increase in power consumption accompanying the recent increase in performance and functionality of electronic devices, a sufficient amount of energy cannot be supplied.
A secondary battery has reactants inside and generates a current to reduce the reactants. However, the reverse reaction occurs when charging, and the product is returned to the original reactants so that it can be used repeatedly. Can do.
However, the energy that can be used in one charge is less than that of the primary battery, and external power is required for charging, and a charging time of several tens of minutes to several hours is required for charging.
これに対し、近年、地球環境に対して低公害で電力を発生させる燃料電池が注目されている。
燃料電池は従来、宇宙衛星で実用化され、それから、省エネルギー性・環境に対し低公害であることから、発電装置や自動車用の駆動源として開発が進められてきた。
また、燃料電池は単位面積当りで、従来の電池に比べ数倍から十倍近い電気出力が得られることから、さらなる小型、軽量に可能性があるため電気機器の分野でも開発が行われている。
さらに、燃料のみを交換すれば連続して使用が可能であるため、二次電池の様に充電に時間がかかることもない。
On the other hand, in recent years, fuel cells that generate electric power with low pollution to the global environment have attracted attention.
Conventionally, fuel cells have been put to practical use in space satellites, and since then they have been developed as drive sources for power generators and automobiles because they are energy-saving and have low environmental pollution.
In addition, since fuel cells can produce electrical outputs that are several to ten times higher than conventional batteries per unit area, they are also being developed in the field of electrical equipment because they can be even smaller and lighter. .
Furthermore, since it can be used continuously if only the fuel is replaced, it does not take time to charge unlike a secondary battery.
燃料電池には、様々な方式のものがあるが、常温から100℃の範囲で作動し、起動時間が短く、単位面積当りの電力が他の燃料電池よりも優れている点から、小型電気機器、とりわけ持ち運びして使用する機器に対しては、固体高分子型燃料電池が適している。
また、大きな出力を得るための燃料電池には、水素を燃料に使用するのが効果的である。
常圧下において気体である水素を貯蔵する方法として、つぎのような方法が挙げるられる。
第一の方法としては、水素を圧縮して高圧ガスとして保存する方法である。
第二の方法としては、水素を低温にして、液体として貯蔵する方法である。
第三の方法としては、水素吸蔵合金を使用して水素を貯蔵する方法である。
第四の方法として、メタノールやガソリンなどを燃料タンクに積み、改質して水素に変換し使用するという方法がある。
また、最近、第五の方法としてカーボンナノチューブ、グラファイトナノファイバー、カーボンナノホーンなどの炭素系材料が注目されている。これらの炭素系材料では、重量当たり約10wt%の水素を吸蔵できる可能性があるためである。
There are various types of fuel cells, but they operate in the range from room temperature to 100 ° C, start-up time is short, and power per unit area is superior to other fuel cells. In particular, a polymer electrolyte fuel cell is suitable for a device to be carried and used.
In addition, it is effective to use hydrogen as a fuel for a fuel cell for obtaining a large output.
Examples of a method for storing hydrogen which is a gas under normal pressure include the following methods.
As a first method, hydrogen is compressed and stored as a high-pressure gas.
The second method is a method of storing hydrogen as a liquid at a low temperature.
As a third method, hydrogen is stored using a hydrogen storage alloy.
As a fourth method, there is a method in which methanol, gasoline or the like is loaded on a fuel tank, reformed and converted into hydrogen for use.
Recently, carbon-based materials such as carbon nanotubes, graphite nanofibers, and carbon nanohorns have attracted attention as a fifth method. This is because these carbon-based materials may be able to occlude about 10 wt% of hydrogen per weight.
また、固体高分子型燃料電池の発電は以下の様にして行われる。
高分子電解質膜には、パーフルオロスルホン酸系の陽イオン交換樹脂がよく用いられる。
例えば、このような膜としては、デュポン社のナフィオンなどがよく知られている。
固体高分子電解質膜を、白金などの触媒を担持した一対の多孔質電極、すなわち、燃料極と酸化剤極とで狭持した膜電極複合体が発電セルとなる。
この発電セルに対して、酸化剤極には酸化剤を、燃料極には燃料を供給することにより、高分子電解質膜中をプロトンが移動し、発電が行われる。
The power generation of the polymer electrolyte fuel cell is performed as follows.
A perfluorosulfonic acid cation exchange resin is often used for the polymer electrolyte membrane.
For example, Nafion from DuPont is well known as such a membrane.
A pair of porous electrodes carrying a catalyst such as platinum, that is, a membrane electrode assembly sandwiched between a fuel electrode and an oxidizer electrode, serves as a power generation cell.
By supplying an oxidant to the oxidant electrode and a fuel to the fuel electrode, protons move through the polymer electrolyte membrane to generate electricity.
燃料電池における発電反応は発熱反応であり、反応場の温度が60℃以上であると効率がよい。
一方、固体高分子電解質膜等の、燃料電池を構成する部材の材質にもよるが、通常は100℃以下の温度に制御することが安定的な発電を行なうために必要とされている。
したがって、発電反応が効率よく行なわれていること、および部材に問題が発生するような高温になっていないことを確認するためには、発電反応が行なわれる部位またはその近傍にて温度を測定することの重要性は高いものといえる。
また、固体高分子型燃料電池に限らず、他の形式の燃料電池においても、発電反応に伴い発熱し、また発電反応に適した温度範囲は各々決まっていることから、同様の課題は共通して存在する。
The power generation reaction in the fuel cell is an exothermic reaction, and it is efficient when the temperature of the reaction field is 60 ° C. or higher.
On the other hand, although it depends on the material of the member constituting the fuel cell, such as a solid polymer electrolyte membrane, it is usually necessary to control the temperature to 100 ° C. or lower for stable power generation.
Therefore, in order to confirm that the power generation reaction is performed efficiently and that the temperature is not high enough to cause a problem in the member, the temperature is measured at or near the site where the power generation reaction is performed. The importance of this is high.
In addition, not only solid polymer fuel cells, but also other types of fuel cells generate heat with the power generation reaction, and the temperature range suitable for the power generation reaction is determined. Exist.
このような課題に対処するため、特許文献1では電解質膜の温度の監視を行なう方法が提案されている。
また、特許文献2では、つぎのようにして出力変動の要因を推定可能にする燃料電池システムが提案されている。
ここでは、多数のセルからなる燃料電池システムにおいて、複数のセルグループに分けてグループ毎の出力電圧を計測して運転状態を診断するシステムなどによって、燃料電池の発電状況を逐次監視し、発電性能の変化(低下)を捉える手法が採られている。
Patent Document 2 proposes a fuel cell system that makes it possible to estimate the cause of output fluctuation as follows.
Here, in a fuel cell system consisting of a large number of cells, the power generation status of the fuel cell is sequentially monitored by a system that diagnoses the operating state by measuring the output voltage for each group divided into a plurality of cell groups. The method of catching the change (decrease) is taken.
ところで、上記従来例における特許文献1、2のいずれのものにおいても、温度検知の手段をスタックもしくはセルに組み込んで監視することで、燃料電池内部の異常の検出を行なうものである。
それらは、単独セルの特定エリアの異常検出を行なえるものではなく、燃料電池全体あるいはセル単位での異常検出にとどまるものである。
しかしながら、燃料電池の発電能力の低下は、各セルの特定エリアで起こりうる様々の故障よっても招かれる。
例えば、各セルの特定エリアにおける、発電時の生成ガスの滞留、燃料および大気の流入量の低下、さらには構成部材の熱による膨張、収縮に伴う、接触抵抗の局所的増加、等によっても発電能力の低下が生じる。
これに対して、上記従来例のものでは、単独セルの特定エリアの異常検出を行なえないことから、これらの問題に対処することが困難である。
By the way, in any of Patent Documents 1 and 2 in the above-described conventional example, an abnormality in the fuel cell is detected by incorporating temperature monitoring means into the stack or cell and monitoring.
They are not capable of detecting an abnormality in a specific area of a single cell, but are limited to detecting an abnormality in the entire fuel cell or in units of cells.
However, a decrease in the power generation capability of the fuel cell is also caused by various failures that can occur in a specific area of each cell.
For example, in a specific area of each cell, power is also generated due to stagnation of product gas during power generation, decrease in the amount of inflow of fuel and air, and local increase in contact resistance due to expansion and contraction of components due to heat. A decline in capacity occurs.
On the other hand, in the above conventional example, it is difficult to cope with these problems because it is impossible to detect an abnormality in a specific area of a single cell.
本発明は、上記課題に鑑み、発電能力の低下を招くさまざまな異常を局所レベルで早期に検知することができ、異常原因の特定や対処を速やかに行なうことが可能となる燃料電池を提供することを目的とするものである。 In view of the above problems, the present invention provides a fuel cell that can detect various abnormalities that cause a decrease in power generation capability at a local level at an early stage, and can quickly identify and deal with the cause of the abnormality. It is for the purpose.
本発明は、次のように構成した燃料電池を提供するものである。
本発明の燃料電池は、燃料および酸化剤の反応により発電を行なう燃料電池セルを有する燃料電池であって、
前記燃料電池セルは、該燃料電池セル内に複数個の温度センサが配置された構造を備え、該複数個の温度センサによって該燃料電池セル内の複数の個所における発電状況に応じた温度を検出することを特徴とする。
また、本発明の燃料電池は、前記複数個の温度センサは、前記燃料電池セル内に配置された温度センサの少なくとも2箇所の配置関係が、前記燃料電池セルに供給される燃料経路の上流と下流の関係にあることを特徴とする。
また、本発明の燃料電池は、前記複数個の温度センサは、前記燃料電池セル内に配置された温度センサの少なくとも2箇所の配置関係が、前記燃料電池セル中の前記酸化剤の取り入れ口からの距離の遠近の関係にあることを特徴とする。
また、本発明の燃料電池は、前記複数個の温度センサは、前記燃料電池セル内に配置された温度センサの少なくとも2箇所の配置関係が、前記燃料電池セルの内部で発生した水の排出経路の上流と下流の関係にあることを特徴とする。
また、本発明の燃料電池は、前記燃料電池セルは、両面に反応層を形成した電解質膜と、発電時にガス拡散および集電するための部材と、を少なくとも含む燃料電池部材が、電力を取り出すための電極上に積層された構造を有する燃料電池セルであって、
前記電極は、該電極を構成する電極基板によって形成された、燃料ガスを流入させることによって前記燃料電池部材に面圧を印加するための閉鎖空間を備え、
前記複数個の温度センサが、前記閉鎖空間を形成する前記基板に配置されていることを特徴とする。
また、本発明の燃料電池は、上記したいずれかに記載の燃料電池セルが複数積層され、燃料電池スタックとして構成されていることを特徴とする。
また、本発明の燃料電池は、上記したいずれかに記載の燃料電池セル、または上記した燃料電池スタックが、筐体内に収容され構成されていることを特徴とする。
The present invention provides a fuel cell configured as follows.
The fuel cell of the present invention is a fuel cell having a fuel cell that generates power by reaction of fuel and oxidant,
The fuel cell has a structure in which a plurality of temperature sensors are arranged in the fuel cell, and the temperature according to the power generation situation at the plurality of locations in the fuel cell is detected by the plurality of temperature sensors. It is characterized by doing.
Further, in the fuel cell of the present invention, the plurality of temperature sensors are arranged such that the arrangement relationship of at least two positions of the temperature sensors arranged in the fuel cell is upstream of the fuel path supplied to the fuel cell. It is characterized by a downstream relationship.
Further, in the fuel cell of the present invention, the plurality of temperature sensors are arranged such that the arrangement relationship of at least two positions of the temperature sensors arranged in the fuel cell is determined from the intake of the oxidant in the fuel cell. It is characterized by the relationship of the distance of the distance.
In the fuel cell according to the present invention, the plurality of temperature sensors are arranged such that the arrangement relationship of at least two of the temperature sensors arranged in the fuel cell is a discharge path of water generated inside the fuel cell. It is characterized by having a relationship between upstream and downstream.
Further, in the fuel cell of the present invention, the fuel cell includes a fuel cell member including at least an electrolyte membrane having reaction layers formed on both surfaces and a member for gas diffusion and current collection at the time of power generation. A fuel cell having a structure laminated on an electrode for
The electrode includes a closed space formed by an electrode substrate constituting the electrode for applying a surface pressure to the fuel cell member by flowing a fuel gas,
The plurality of temperature sensors are arranged on the substrate forming the closed space.
A fuel cell according to the present invention is characterized in that a plurality of the fuel cells described above are stacked to form a fuel cell stack.
The fuel cell according to the present invention is characterized in that any one of the above-described fuel cells or the above-described fuel cell stack is accommodated in a housing.
本発明の燃料電池によれば、発電能力の低下を招くさまざまな異常を局所レベルで早期に検知することができ、異常原因の特定や対処を速やかに行なうことが可能となる。 According to the fuel cell of the present invention, various abnormalities that cause a decrease in power generation capacity can be detected at a local level at an early stage, and the cause of the abnormality can be identified and dealt with promptly.
本発明を実施するための最良の形態を、以下の実施例により説明する。 The best mode for carrying out the present invention will be described by the following examples.
つぎに、本発明の実施例について説明する。
[実施例1]
実施例1においては、本発明を適用した燃料および酸化剤の反応により発電を行なう燃料電池セルを有する燃料電池について説明する。
本発明は、図2に示すような構造の燃料電池セルに適用することで、より大きな効果をもたらすが、まず、図2の構造を模式的にあらわした図1を用いて概略の説明する。
なお、図1は、後に詳しく説明する図2の閉鎖空間208を中心に機能を模式的にあらわした横断面図である。図1の括弧内には、図2の電池セル構造における対応部の符号を付し、以下に説明する。
Next, examples of the present invention will be described.
[Example 1]
In Example 1, a fuel cell having a fuel cell that generates electric power by reaction of a fuel and an oxidant to which the present invention is applied will be described.
When the present invention is applied to a fuel battery cell having a structure as shown in FIG. 2, a greater effect can be obtained. First, an outline will be described with reference to FIG. 1 schematically showing the structure of FIG.
FIG. 1 is a cross-sectional view schematically showing functions centering on the
図2に示される閉鎖空間208が構成された燃料電池セル201はフレキシブル基板で構成されている。
そのため、図1に模式的に示すように基板106(212)および基板105(209)によって形成された閉鎖空間107(208)に至った燃料ガスの圧力により、基板106および基板105の上下面が膨らむ。
これにより、積層したガス拡散層101(213)、MEA103(218)およびガス拡散層102(214)を筐体104(222)内壁に押し付けて締結力を発生させることができる。
このような構成によれば、面全体で均一な圧力を加えられるため、接触抵抗を低減させることができる。
The
Therefore, as schematically shown in FIG. 1, the upper and lower surfaces of the
Thereby, the laminated | stacked gas diffusion layer 101 (213), MEA103 (218), and gas diffusion layer 102 (214) can be pressed against the inner wall of the housing | casing 104 (222), and a fastening force can be generated.
According to such a configuration, a uniform pressure can be applied to the entire surface, so that the contact resistance can be reduced.
つぎに、図2を用いて、上記本実施例の燃料電池セルの詳細な構成について説明する。
図2において、202は電極、209及び212は基板である。
213、214はガス拡散層、215及び216は反応層、217は電解質膜、218は両面に反応層が形成された電解質膜からなるMEAである。
219は金属層、220はスペーサ、221は固定材、222は筐体である。
また、206、207、210、211は通流口、203、204、205は流路、208は面圧発生のための流路である。
Next, the detailed configuration of the fuel battery cell of the present embodiment will be described with reference to FIG.
In FIG. 2, 202 is an electrode, and 209 and 212 are substrates.
213 and 214 are gas diffusion layers, 215 and 216 are reaction layers, 217 is an electrolyte membrane, and 218 is an MEA made of an electrolyte membrane having reaction layers formed on both sides.
219 is a metal layer, 220 is a spacer, 221 is a fixing material, and 222 is a housing.
本実施例の燃料電池セル201において、電力を取り出すための電極202は、つぎのような構造を備えている。
すなわち、燃料ガスが流れる流路203、204、通流口206、207、面圧発生のための閉鎖空間208を構成するための流路が形成されている基板209に、基板212を貼り合わさって構成されている。
基板209、212の材料としては、例えば、両面に導電層を形成したフレキシブル基板、セラミック基板、アルミ基板、シリコン基板等に流路もしくは配線パターンを形成したものが挙げられる。
本実施例では、フレキシブルで安価なフレキシブル基板が好ましいものとして用いられている。
また、これらを貼り合わせる方法としては、ろう接、超音波接合、接着等が挙げられるが、安価で後に解体が容易な、ろう接のはんだ接合が好ましい。
これにより、シール部材、気密を保持するための部品精度が必要なくなる。
また、基板の両面の電通は、図示しないスルーホールとビアで取られている。
In the
That is, the
Examples of the material of the
In the present embodiment, a flexible and inexpensive flexible substrate is preferably used.
In addition, as a method of bonding them together, brazing, ultrasonic bonding, adhesion, and the like can be mentioned, but soldering by brazing which is inexpensive and easy to disassemble later is preferable.
This eliminates the need for component accuracy for maintaining the sealing member and hermeticity.
In addition, electrical conduction on both sides of the substrate is taken by through holes and vias (not shown).
ガス拡散層213、214は、流入してきたガスの拡散と、集電材としての機能を有するので、材料としてはカーボン材が挙げられる。
両面に反応層215、216が形成された電解質膜217には、電極202より流入してきた燃料ガスを外気にリークするのを防ぐため、電解質膜217の外周辺に金属膜219が形成されている。
この金属膜219は、めっき、スパッタなどにより金属層が形成されたものか、薄い金属箔をかしめた構造が挙げられる。
スペーサ220は、電極202とMEA218との高さを調整するための部材である。
Since the gas diffusion layers 213 and 214 have a function of a diffusion of the flowing gas and a current collector, a carbon material can be used as the material.
In the
Examples of the
The
本実施例の燃料電池セル201は、以上のように構成された電極202上に、ガス拡散層213、MEA218、スペーサ220、ガス拡散層214を積層した積層体によって構成される。
電極202、スペーサ220、MEA218は、それぞれ上記で挙げた接合もしくは接着により貼り合わせることができる。
これにより、シールに必要な部品を必要とせず、これらの部品精度を考慮する必要を省くことができる。
固定材221としては、接着剤等が用いられ、積層した部材を更に固定する。
The
The
This eliminates the need for parts necessary for sealing, and eliminates the need to consider the accuracy of these parts.
As the fixing
以上のように構成した燃料電池セル201を、図3に示すように、通流口223、開口224が形成された、中空状の筐体222に収容することで、燃料電池となる。
筐体222に入れた後、筐体222から燃料電池セル201がはみ出ないように、筐体222の側面穴に、例えば、テープ、着脱可能な蓋、金属板かしめ、接着剤、溶接などで塞ぐことができる。
その際、後に燃料電池セル201を取り出すことができる、テープ、着脱可能な蓋などが好ましい。
As shown in FIG. 3, the
After being put in the
At that time, a tape, a detachable lid, or the like from which the
また、図5に示すように、このような燃料電池セル201を複数積層して燃料電池スタック307を構成し、筐体308に収容して燃料電池を構成することができる。
但し、このように燃料電池スタックとした場合には、図2の燃料電池セル上面開口部224から空気取り込みが出来なくなるので、空気取り込み及びガス拡散のため、図4に示すように、ガス拡散層301を、MEA218上に積層する構成を採ることができる。
In addition, as shown in FIG. 5, a plurality of such
However, in the case of the fuel cell stack as described above, air cannot be taken in from the fuel cell upper surface opening 224 in FIG. 2, and therefore, as shown in FIG. The structure which laminates 301 on
つぎに、図6、図7(a)、(b)を用いて、本実施例における燃料電池セルの温度検知を可能とする構成例について説明する。
図6は、燃料電池セルの電極202の部分構成を示す図である。
各部の機能等は上記したとおりであるが、ここで特に追記説明しているのは、基板209および基板212に関する構成である。
前述したように、これらの基板はフレキシブル基板で構成されているが、実際には、図6に示ように銅箔部401がポリイミド402を挟む構成になっている。
また、図7(a)は温度センサの出力回路の構成例を示す図であり、図7(b)は図6に示す燃料電池セルの閉鎖空間208に、温度センサの出力回路を実装した構成例の概要を説明するための斜視図である。
Next, a configuration example that enables temperature detection of the fuel cell in this embodiment will be described with reference to FIGS. 6, 7A, and 7B.
FIG. 6 is a diagram showing a partial configuration of the
The functions and the like of each part are as described above, but what is specifically described here is the configuration related to the
As described above, these substrates are made of flexible substrates. Actually, however, the
7A is a diagram showing a configuration example of the output circuit of the temperature sensor, and FIG. 7B is a configuration in which the output circuit of the temperature sensor is mounted in the
図7(b)においても、各部の機能等は上記したとおりであるが、ここで異なるのは、基板209の銅箔部401を加工して温度センサ実装用および信号取り出し用の配線パターン501、502および503を構成していることである。
温度センサ自体は公知のものを用いることができ、原理としては温度の変化により電気抵抗値が変わるものであればよい。
種類としては熱電対、サーミスタ、白金測温抵抗体、等を用いることができ、それぞれ感度、分解能や線形性など特徴が異なるが、内部に組み込みも可能なものであれば特に制限はない。
しかし、図2で説明した燃料電池セルはフレキシブル基板を用いていることから、実装が容易なチップ状のものが広く出回っているチップ・サーミスタが好ましい。
ただし、種類によっては温度と抵抗値が必ずしもリニアの関係にないことから、補正手段が必要となる場合もあり得る。
また、分解能なども必要とする精度にかなうものを選択しなければならない。
Also in FIG. 7B, the function of each part is as described above, but the difference here is that the
As the temperature sensor itself, a known sensor can be used, and in principle, any sensor can be used as long as its electric resistance value changes with temperature.
As types, thermocouples, thermistors, platinum resistance thermometers, etc. can be used, and there are no particular limitations as long as they can be incorporated inside, although their characteristics such as sensitivity, resolution and linearity are different.
However, since the fuel cell described in FIG. 2 uses a flexible substrate, a chip thermistor in which chip-shaped ones that can be easily mounted are widely available is preferable.
However, since the temperature and the resistance value do not necessarily have a linear relationship depending on the type, a correction unit may be necessary.
In addition, it is necessary to select a resolution that meets the required accuracy.
ここで、燃料電池セルが発電を開始すれば、それに伴い発熱を生じるため温度センサ504の抵抗値が変化する。
この変化をとらえる回路としては様々であるが、簡易的なものとしては図7(a)に示すような回路を用いることができる。
図7(a)の回路で検出した電圧値をA/Dやマイコン、記憶部などで構成された測定・制御回路に取り込んで演算処理を施せば、温度−抵抗値の関係から容易にその時点での温度を検出することができる。
また温度データのプロファイルを記憶しておけば、その経時変化の傾向をつかむことも可能となる。
Here, when the fuel cell starts to generate power, heat is generated accordingly, and the resistance value of the
There are various circuits that can capture this change, but as a simple circuit, a circuit as shown in FIG. 7A can be used.
If the voltage value detected by the circuit of FIG. 7A is taken into a measurement / control circuit composed of an A / D, a microcomputer, a storage unit, etc., and subjected to arithmetic processing, the time point can be easily determined from the temperature-resistance value relationship. The temperature at can be detected.
If a profile of temperature data is stored, the tendency of the change with time can be grasped.
ここで、温度センサの出力回路として、温度センサ504を実装した端子部分から引き出された配線501、502および503には、それぞれリニアライズ用の抵抗505、出力電圧測定回路506、電源電圧507に接続した構成とすることができる。
なお、抵抗505は温度センサ504の温度−抵抗値特性を線形化するためのものである。
測定回路506で測定された値をVoutとした時、抵抗505の値をR1、電源電圧507をVc、そのときの温度センサの抵抗値をRTとすれば
Vout=R1/( RT−R1) Vc
の関係が成立する。
この検出された値と温度−抵抗値の関係から簡単な計算によってその時点での発電部直近の温度を求めることができる。この方法を利用して当該セルでの当該エリアの発電状況を検出するわけである。
Here, as an output circuit of the temperature sensor,
The
If the value measured by the
The relationship is established.
From the relationship between the detected value and the temperature-resistance value, the temperature closest to the power generation unit at that time can be obtained by simple calculation. This method is used to detect the power generation status of the area in the cell.
なお、図7(b)は本実施例の基本的な考えを説明するものであり、実際には図8(a)、(b)で示すように、複数の温度センサを適切な数量配置して構成される。
すなわち、複数の温度センサを均等にフレキシブル基板に配置することにより構成される。
また、図8(a)、(b)には不図示ではあるが、図7と同様にそれぞれの温度センサに対して引き出し配線パターン、電源および検出回路が接続されていることは勿論である。
また、図7(b)では基板209側のみに温度センサおよび引き出し配線を構成しているが、基板212に裏面(不図示)側にも同様に構成して図8(b)の様にすれば、さらに精密な測定も可能になる。
すなわち、燃料電池セルを積層しスタックとした場合、隣接する直下のセルから伝わる反応熱を主に基板209上の温度センサで検知する一方、基板212上の温度センサでは同一セル内にある直上の反応層での発熱を直近で観測することができる。
例えば、図9に示される温度センサを配置した構成例における温度センサによる温度検出エリアのイメージを示す図において、同図に示す右上の温度センサでは、bで示したエリアの温度変化を監視する役割をになうことになる。
FIG. 7B illustrates the basic idea of the present embodiment. Actually, as shown in FIGS. 8A and 8B, an appropriate number of temperature sensors are arranged. Configured.
That is, it is configured by arranging a plurality of temperature sensors evenly on the flexible substrate.
Further, although not shown in FIGS. 8A and 8B, it goes without saying that the lead wiring pattern, the power source, and the detection circuit are connected to the respective temperature sensors in the same manner as in FIG.
In FIG. 7B, the temperature sensor and the lead-out wiring are formed only on the
That is, when stacking fuel cells, a reaction heat transmitted from an immediately adjacent cell is mainly detected by a temperature sensor on the
For example, in the figure showing the image of the temperature detection area by the temperature sensor in the configuration example in which the temperature sensor shown in FIG. 9 is arranged, the upper right temperature sensor shown in FIG. 9 has a role of monitoring the temperature change in the area indicated by b. Will be
複数の温度センサの配置の仕方により、様々な場合における異常の発生を検知することができる。
例えば、単一の燃料電池セル中での燃料ガスの流れ方向を考慮し、前記燃料電池セルに供給される燃料経路の上流と下流の関係になるように配置した場合、次の異常を判断することができる。
上流側と下流側共に反応温度の低下がみられた場合、燃料ガスの供給不足が疑われ、下流側でのみ反応温度の低下がみられたときは、燃料ガスの中に不純物ガスが流路端に滞留してきていると判断される。
また、単一の燃料電池セル中で、酸化剤ガスの取り入れ口からの距離を考慮し、燃料電池セル中の前記酸化剤の取り入れ口からの距離の、遠いところと近いところ、すなわち遠近の関係になるように配置した場合、次の異常を判断することができる。
近い側の反応温度が低下せず、遠い側の反応温度のみが低下した場合、酸化剤ガスの供給が不足していることが疑われる。
また、単一の燃料電池セル中で、発電反応に伴って発生する水の排出経路を考慮し、前記燃料電池セルの内部で発生した水の排出経路の上流と下流の関係になるように配置した場合、次の異常を判断することができる。
上流側の反応温度が低下せず、下流側の反応温度のみが低下した場合、水の排出がうまく行っておらず、下流側に水の滞留(フラッディング)が起こっていることが疑われる。
Occurrence of abnormality in various cases can be detected depending on the arrangement of the plurality of temperature sensors.
For example, in consideration of the flow direction of the fuel gas in a single fuel battery cell, the following abnormality is determined when the fuel path is arranged so as to be upstream and downstream of the fuel path supplied to the fuel battery cell. be able to.
If a decrease in reaction temperature is observed on both the upstream and downstream sides, fuel gas supply is suspected to be insufficient, and if a decrease in reaction temperature is observed only on the downstream side, impurity gas will flow into the fuel gas. It is judged that it is staying at the end.
Also, considering the distance from the oxidant gas intake in a single fuel cell, the distance from the oxidant intake in the fuel cell is close to the distance, that is, the perspective relationship. The following abnormalities can be determined.
When the reaction temperature on the near side does not decrease and only the reaction temperature on the far side decreases, it is suspected that the supply of the oxidant gas is insufficient.
In addition, in consideration of the discharge path of water generated by the power generation reaction in a single fuel battery cell, it is arranged so as to have a relationship upstream and downstream of the discharge path of water generated inside the fuel battery cell. If so, the next abnormality can be determined.
If the reaction temperature on the upstream side does not decrease and only the reaction temperature on the downstream side decreases, it is suspected that water is not discharged well and that water is flooded on the downstream side.
このようにして、温度センサを配置したエリアとそれに応じた検出値とから、その時点での異常発生エリアとその故障モードあるいは異常傾向を迅速に捉えることができる。
例えば、全体的に一律で温度が低い場合にはセルの故障もしくは燃料ガスの不足、あるエリアだけ低い場合に不要なガスの滞留、等というようにセルの構造に応じて温度パターンとその処理方法を記憶しておく。
異常時の処理としては、検出パターンに応じて、ユーザへの警告表示、あるいは燃料ガスの注入停止や注入強化、不要なガスのパージなどの処理をすることができる。
なお、本実施例ではフレキシブル基板に温度センサを実装する形態を説明したが、温度検知の観点から考えれば、必ずしもフレキシブル基板上に限られるものではない。
すなわち、理論上は配置場所が反応層に近接しているほど、より実態に即した検出が可能になるものである。
しかし、実際には温度センサの配置および引き出し配線の作り込み等考慮すると、本実施例で説明した形態が最も現実的なものである。
Thus, from the area where the temperature sensor is arranged and the detection value corresponding thereto, the abnormality occurrence area and the failure mode or abnormality tendency at that time can be quickly grasped.
For example, the temperature pattern and its processing method according to the cell structure, such as cell failure or fuel gas shortage when the temperature is uniform and low as a whole, stagnation of unnecessary gas when only a certain area is low, etc. Remember.
As processing at the time of abnormality, processing such as displaying a warning to the user, stopping or injecting fuel gas, and purging unnecessary gas can be performed according to the detection pattern.
In addition, although the present Example demonstrated the form which mounts a temperature sensor on a flexible substrate, if it considers from a viewpoint of temperature detection, it will not necessarily be restricted on a flexible substrate.
That is, theoretically, the closer the arrangement location is to the reaction layer, the more realistic detection becomes possible.
However, in practice, the form described in this embodiment is the most realistic in consideration of the arrangement of the temperature sensor and the formation of the lead wiring.
以上のように、本実施例では、燃料電池セルは、該燃料電池セル内に複数個の温度センサが配置された構造により、該複数個の温度センサによって該燃料電池セル内の複数の個所における発電状況に応じた温度を検出することが可能なる。
その際、上記燃料電池セルを、両面に反応層を形成した電解質膜と、ガス拡散層と、を少なくとも含む燃料電池部材が、電力を取り出すための電極上に積層された構造を有する燃料電池セルとする構成を採ることができる。
そして、このような電極を構成する基板によって形成された、燃料ガスを流入させることによって前記燃料電池部材に面圧を印加するための閉鎖空間に、上記複数個の温度センサを配置するようにすることで、より大きな効果をもたらすことが可能となる。
As described above, in the present embodiment, the fuel battery cell has a structure in which a plurality of temperature sensors are arranged in the fuel battery cell, so that the plurality of temperature sensors at a plurality of locations in the fuel battery cell. It becomes possible to detect the temperature according to the power generation situation.
In this case, the fuel cell unit has a structure in which a fuel cell member including at least an electrolyte membrane having reaction layers formed on both sides and a gas diffusion layer is laminated on an electrode for taking out electric power. It is possible to adopt the configuration as follows.
The plurality of temperature sensors are arranged in a closed space formed by a substrate constituting such an electrode for applying a surface pressure to the fuel cell member by flowing a fuel gas. Thus, it becomes possible to bring a greater effect.
[実施例2]
実施例2においては、発電異常が起こりやすいエリア等に限定して配置された燃料電池の構成例について説明する。
図10に、本実施例の構成例を説明するための図を示す。図10(a)は温度センサの配列を示す図であり、図10(b)は温度センサが配列された燃料電池の断面模式図を示す。
なお、図10には、図1の実施例1と同じ構成に同一の符号が付されているので、共通する部分の説明は省略する。図10において、601は温度センサである。
[Example 2]
In the second embodiment, a configuration example of a fuel cell arranged limited to an area where power generation abnormality is likely to occur will be described.
FIG. 10 is a diagram for explaining a configuration example of this embodiment. FIG. 10A is a diagram showing an arrangement of temperature sensors, and FIG. 10B is a schematic cross-sectional view of a fuel cell in which temperature sensors are arranged.
In FIG. 10, the same reference numerals are given to the same components as those in the first embodiment shown in FIG. In FIG. 10,
本実施例では、実施例1で均等に配置していた温度センサが、発電異常が起こりやすいエリア、温度変化が起こりやすい(起動時などは除く)エリアに限定して配置されている。
実際には生成ガスが溜まりやすいエリア、接触抵抗に変化が現れやすいエリア、燃料ガス濃度分布に変動がおきやすいエリアなどに限定する方法である。
例えば、図10の場合は、基板の両端と中央部とでの接触抵抗の差異を監視できること、燃料ガス流入口近辺で集中的に反応が起こってしまう現象を監視できることなどを考慮して、周辺部と中央部とに温度センサを配置したものである。
本実施例によれば、温度センサの使用個数を削減できるだけでなく、温度検出・制御系も簡素化されることで、コストの削減を図ることができる。
In the present embodiment, the temperature sensors that are equally disposed in the first embodiment are disposed only in areas where power generation abnormalities are likely to occur and areas where temperature changes are likely to occur (except during startup).
In practice, the method is limited to areas where product gas tends to accumulate, areas where contact resistance tends to change, and areas where fuel gas concentration distribution tends to fluctuate.
For example, in the case of FIG. 10, in consideration of the fact that the difference in contact resistance between the both ends and the center of the substrate can be monitored, the phenomenon that the reaction occurs intensively in the vicinity of the fuel gas inlet, etc. A temperature sensor is arranged at the center and the center.
According to this embodiment, not only the number of temperature sensors used can be reduced, but also the temperature detection / control system can be simplified, thereby reducing the cost.
[実施例3]
本発明を適用した燃料電池は、図11の構造をもった燃料電池セル、またはそれを積層してスタックとした、従来から知られている図12に示されるエンドプレートをボルトと圧縮バネを用いて締め付け加圧している構造の燃料電池に対しても効果的である。
図11において、1101は電解質膜、1102a、1102bは反応層、1103a、1103bはガス拡散層、1104は酸化剤流路形成部材、1105a、1105bは電極、1106a、1106bはセパレータである。
また、1107は燃料供給口、1108a、1108bは燃料供給用パイプ、1109a、1109bは開口部である。
なお、1104の酸化剤流路形成部材は側面が不図示の酸化剤供給口に面しており、酸化剤を取り入れる。
また、図12において、1201は発電反応部、1202は支持部材、1203はセル、1204はスタック、1205は燃料電池、1206はエンドプレート、1207はボルト、1208は圧縮バネである。
[Example 3]
The fuel cell to which the present invention is applied is a fuel cell having the structure shown in FIG. 11 or a stack formed by stacking the same, and a conventionally known end plate shown in FIG. 12 is used with a bolt and a compression spring. This is also effective for a fuel cell having a structure in which it is tightened and pressurized.
In FIG. 11, 1101 is an electrolyte membrane, 1102a and 1102b are reaction layers, 1103a and 1103b are gas diffusion layers, 1104 is an oxidant flow path forming member, 1105a and 1105b are electrodes, and 1106a and 1106b are separators.
The side surface of the oxidant flow
In FIG. 12, 1201 is a power generation reaction unit, 1202 is a support member, 1203 is a cell, 1204 is a stack, 1205 is a fuel cell, 1206 is an end plate, 1207 is a bolt, and 1208 is a compression spring.
本実施例の燃料電池では、燃料供給口1107より燃料の水素が供給され、燃料供給用パイプ1108a、1108bの開口部1109bより、ガス拡散層1103b、及び反応層1102bへと導かれる。
また、酸化剤としての酸素は、酸化剤流路形成部材1104を通じて供給され、ガス拡散層1103a、及び反応層1102aへと導かれる。
電解質膜1101を挟んで、燃料の水素と酸化剤の酸素(空気)での化学反応により、発電が行われ、それと同時に水が発生する。
反応層1102a、1102bの周辺に実施例1もしくは実施例2で説明したような配置で温度センサおよび引き出し配線を構成し、セル外部の電源および測定、制御回路に接続して温度検出すれば、それらと同様の判断することができる。すなわち、実施例1、実施例2と同様に燃料電池セル内で発生する異常の内容を判断することができる。その結果を用いた処理・制御方法等についても同様である。
また、積層型燃料電池において、各セルの隔壁および反応ガスの流路の役割を主とするセパレータについても実施例と同様に温度センサを配置し、温度検出をする構成を採ることもできる。
In the fuel cell of this embodiment, hydrogen of fuel is supplied from the
Further, oxygen as an oxidant is supplied through the oxidant flow
Electric power is generated by a chemical reaction between hydrogen as a fuel and oxygen (air) as an oxidant with the
If the temperature sensor and lead-out wiring are configured around the reaction layers 1102a and 1102b in the arrangement described in the first or second embodiment, and connected to the power supply and measurement / control circuit outside the cell, the temperature is detected. The same judgment can be made. That is, the content of the abnormality that occurs in the fuel cell can be determined in the same manner as in the first and second embodiments. The same applies to the processing / control method using the result.
In addition, in the stacked fuel cell, a temperature sensor can be arranged and temperature detection can be performed similarly to the embodiment for the separator mainly serving as the partition walls of each cell and the flow path of the reaction gas.
以上の各実施例の構成によれば、各セルの局所的な発電状況を監視することができるため、発電能力の低下を招くさまざまな異常を局所レベルで早期に検知することが可能になる。
したがって、異常原因の特定や対処を速やかに行なうことができるため、燃料電池およびそれを用いたシステムの安定的な運転を実現し、燃料電池の信頼性向上を図ることができる。
According to the configuration of each of the embodiments described above, since the local power generation state of each cell can be monitored, various abnormalities that cause a decrease in power generation capacity can be detected at an early stage at the local level.
Therefore, since the cause of the abnormality can be identified and dealt with promptly, stable operation of the fuel cell and the system using the same can be realized, and the reliability of the fuel cell can be improved.
101/102:ガス拡散層
103:MEA
104:筐体
105/106:基板
107:閉鎖空間
201:燃料電池セル
202:電極
203/204/205:流路
206/207:通流口
208:閉鎖空間(流路)
209:基板
210/211:通流口
212:基板
213/214:ガス拡散層
215/216:反応層
217:電解質膜
218:MEA
219:金属層
220:スペーサ
221:固定材
222:筐体
223:通流口
224:開口部
301:ガス拡散層
302/303/204:パイプ
305/306:流通口
307:燃料電池スタック
308:筐体
309:燃料電池
401:銅箔部
402:ポリイミド
501/502/503:引き出し配線
504:温度センサ
505:抵抗
506:出力電圧測定回路
507:電源電圧
601:温度センサ
101/102: Gas diffusion layer 103: MEA
104:
209:
219: Metal layer 220: Spacer 221: Fixing material 222: Housing 223: Flow port 224: Opening 301:
Claims (7)
前記燃料電池セルは、該燃料電池セル内に複数個の温度センサが配置された構造を備え、該複数個の温度センサによって該燃料電池セル内の複数の個所における発電状況に応じた温度を検出することを特徴とする燃料電池。 A fuel cell having a fuel cell that generates power by a reaction between a fuel and an oxidant,
The fuel cell has a structure in which a plurality of temperature sensors are arranged in the fuel cell, and the temperature according to the power generation situation at the plurality of locations in the fuel cell is detected by the plurality of temperature sensors. A fuel cell.
前記電極は、該電極を構成する基板によって形成された、燃料ガスを流入させることによって前記燃料電池部材に面圧を印加するための閉鎖空間を備え、
前記複数個の温度センサが、前記閉鎖空間を形成する前記基板に配置されていることを特徴とする請求項1乃至4のいずれか1項に記載の燃料電池。 The fuel cell is a fuel cell having a structure in which a fuel cell member including at least an electrolyte membrane having reaction layers formed on both surfaces and a gas diffusion layer is laminated on an electrode for taking out electric power. ,
The electrode includes a closed space formed by a substrate constituting the electrode for applying a surface pressure to the fuel cell member by allowing a fuel gas to flow therein.
5. The fuel cell according to claim 1, wherein the plurality of temperature sensors are arranged on the substrate forming the closed space. 6.
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