專利名稱：用于監(jiān)控燃料電池的內(nèi)部狀態(tài)的裝置和方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于監(jiān)控燃料電池的內(nèi)部狀態(tài)的技術(shù)。
技術(shù)背景例如在JP-A-2003-77515、 JP-A-9-223512以及JP-A-2004-152501 中所描述的，已經(jīng)在燃料電池中針對(duì)諸如流路設(shè)計(jì)評(píng)估、故障檢測(cè)和質(zhì) 量保障等各種目的尋求用于監(jiān)控燃料電池的內(nèi)部狀態(tài)的技術(shù)。例如，在聚合物電解質(zhì)燃料電池中，膜電極組件的電解質(zhì)的含水量作為燃料電池 的內(nèi)部狀態(tài)量是重要的。這是因?yàn)檩敵鲭娏﹄S著電解質(zhì)的含水量的減少 而顯著減少的緣故。然而，即使當(dāng)電解質(zhì)的含水量足夠多時(shí)，也會(huì)發(fā)生輸出電力的減少。 通常，電解質(zhì)中所產(chǎn)生的水通過設(shè)置在電解質(zhì)附近的氣體流路排出，但 是氣體流路可能由于氣體流路通風(fēng)不足或其他原因而被水阻塞。此狀態(tài) 稱為"溢流"。因?yàn)闅怏w無法順利地流過氣體流路，所以向電解質(zhì)供應(yīng) 的氣體減少，導(dǎo)致輸出電力減少。如上所述，當(dāng)溢流發(fā)生時(shí)，盡管電解 質(zhì)的含水量高，輸出電力也會(huì)減少。當(dāng)如上所述地在聚合物電解質(zhì)燃料 電池中發(fā)生輸出電力減少時(shí)，難以分析是由于電解質(zhì)的含水量減少造成 的還是由于水過量引起的溢流造成的。因?yàn)橛捎陔娊赓|(zhì)的含水量減少造 成時(shí)或者由于水過量引起的溢流造成時(shí)需要進(jìn)行的對(duì)于以上故障的處 理正相反，所以這個(gè)問題是非常重要的。除此之外，這不是聚合物電解 質(zhì)燃料電池所特有的問題，而是具有取決于諸如"活化極化"、"擴(kuò)散極 化，，以及"電阻極化"等不同內(nèi)部狀態(tài)量而改變的損耗元件的燃料電池 中所需解決的共同問題。發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明提供一種在用于監(jiān)控燃料電池的內(nèi)部狀態(tài)的內(nèi)部狀態(tài)監(jiān)控裝置 和方法中監(jiān)控電P且極化的狀態(tài)量的分布狀態(tài)的技術(shù)。本發(fā)明的第一方面是一種內(nèi)部狀態(tài)監(jiān)控裝置，所述內(nèi)部狀態(tài)監(jiān)控裝置 用于監(jiān)控具有電解質(zhì)和將所述電解質(zhì)夾在中間的多個(gè)隔離件的燃料電池的內(nèi)部狀態(tài)，所述內(nèi)部狀態(tài)監(jiān)控裝置包括多個(gè)電極，所述電極用于通過 在所述燃料電池中的指定接觸點(diǎn)處與所述多個(gè)隔離件中的第一隔離件的 表面上的多個(gè)區(qū)域相接觸而與所述多個(gè)區(qū)域電導(dǎo)通；匯集部，所述匯集部 用于匯集流過所述多個(gè)電極的電流以賦予所述電^目同的電勢(shì)；傳感器， 所述傳感器用于測(cè)量流過所述多個(gè)電極的電極電流；負(fù)載裝置，所述負(fù)載 裝置經(jīng)由所述匯集部和所述多個(gè)隔離件中的第二隔離件連接到所述燃料 電池，所述負(fù)載裝置用于可變地控制施加在所述匯集部和所述多個(gè)隔離件 中的所述第二隔離件之間的負(fù)載；以及提取監(jiān)控裝置，所述提取監(jiān)控裝置 用于提取響應(yīng)于所述負(fù)載的變化而產(chǎn)生的、包含在各個(gè)測(cè)得的電極電流中 的交變電流分量，并基于所提取的各個(gè)交變電流分量來監(jiān)控所述燃料電池 中的電阻極化的狀態(tài)量的分布。釆用本發(fā)明第一方面的監(jiān)控裝置，用于可變地控制負(fù)載的負(fù)栽裝置 連接到燃料電池，并且響應(yīng)于負(fù)載中的變化產(chǎn)生的交變電流分量被提取 出，進(jìn)而能夠基于所提取的各個(gè)交變電流分量來監(jiān)控燃料電池中的電阻 極化的狀態(tài)量分布。因此，例如，電解質(zhì)的狀態(tài)可以通過監(jiān)控電阻極化 來進(jìn)行估計(jì)。在上述內(nèi)部狀態(tài)監(jiān)控裝置中，燃料電池可以具有膜電極組件，并且 提取監(jiān)控裝置可以基于單獨(dú)監(jiān)控的電阻極化的狀態(tài)量的分布狀態(tài)來估 計(jì)膜電極組件的含水量分布狀態(tài)。因?yàn)樵谀る姌O組件中，在電解質(zhì)和電極之間形成有雙層電容，所以 膜電極組件具有相當(dāng)高的電容，可以容易地將電解質(zhì)電阻與反應(yīng)電阻分 開。因此，可以獲得顯著的效果。除此之外，因?yàn)橛捎诎l(fā)生流路阻塞或 電解質(zhì)含水量過多而發(fā)生故障時(shí)需要進(jìn)行的對(duì)于以上故障的處理(例 如，流路設(shè)計(jì)或控制操作)正相反，所以對(duì)流路阻塞狀態(tài)和電解質(zhì)含水 量的估計(jì)的區(qū)分也是十分重要的。在上述內(nèi)部狀態(tài)監(jiān)控裝置中，所述提取監(jiān)控裝置可以不經(jīng)由匯集部 而是直接地測(cè)量燃料電池的輸出電壓，并且可以基于所輸出的電壓來監(jiān) 控各輸出狀態(tài)下燃料電池中的電阻極化的狀態(tài)量的分布。在此情況下，可以去除由包括匯集部的測(cè)量工具所引起的電阻并且可 以準(zhǔn)確地測(cè)量燃料電池的輸出，進(jìn)而可以估計(jì)各種狀態(tài)下燃料電池的內(nèi)部 狀態(tài)。在上述內(nèi)部狀態(tài)監(jiān)控裝置中，可以根據(jù)作為所述燃料電池中的指定接觸點(diǎn)之間的電阻值的接觸點(diǎn)間電阻Rb、作為所述指定接觸點(diǎn)與所述匯集 部之間的合成電阻值的電路電阻值Rc以及各個(gè)所測(cè)得的電極電流來測(cè)量 各個(gè)所述交變電流分量。而且當(dāng)將所述指定接觸點(diǎn)之間的所述燃料電池的 電流輸出比的所期望的最大值定義為最大輸出比Pr并且將容許誤差定義 為Er時(shí)，各個(gè)所述交變電流分量滿足以下關(guān)系，并且將在所述多個(gè)電極 處測(cè)得的電流視為所述電極與所述多個(gè)隔離件中的所述第 一 隔離件相接 觸的接觸點(diǎn)處輸出的電流Er > ABS(l-((Pr + 1) x Rc + Rb)/(2 x Rc +卿 其中，ABS (自變量)是返回所述自變量的絕對(duì)值的函數(shù)。在此情況下，可以將由于在多個(gè)電極之間流動(dòng)的泄漏電流所引起的 測(cè)量誤差減小到所期望的容許水平，可以提高測(cè)量的可靠性。這樣的構(gòu)造可以通過"增加接觸點(diǎn)間電阻Rb"和"減小電路電阻 值Rc"至少其中之一來實(shí)現(xiàn)。"增加接觸點(diǎn)間電阻Rb"可以通過例如 增加燃料電池或具有接觸點(diǎn)的測(cè)量夾具的電阻值或是增加接觸點(diǎn)間的 間距來實(shí)現(xiàn)。"減小電路電阻值Rc"可以通過例如通過集成測(cè)量裝置的 電路來消除接觸電阻或是通過在接觸面上施用液態(tài)金屬來減小接觸電 阻而實(shí)現(xiàn)，這些將在下面描述。在上述監(jiān)控裝置中，所述電路電阻值Rc可以等于或小于所述接觸 點(diǎn)間電阻Rb的五分之一，并且將在所述多個(gè)電極處測(cè)得的電流簡(jiǎn)化地 視為所述電極與所述多個(gè)隔離件中的所述第一隔離件相接觸的接觸點(diǎn) 處輸出的電流。在此情況下，由于由在多個(gè)電極間流動(dòng)的泄漏電流所引起的測(cè)量誤 差可以減小到電流密度分布中通常所需的精度，所以可容易地提高測(cè)量 可靠性。在上述監(jiān)控裝置中，可以將所述電路電阻值Rc視為所述燃料電池 中的所述指定接觸點(diǎn)與所述電極之間的接觸電阻和所述電極與所述匯 集部之間的接觸電阻的合成電阻來測(cè)量所述電流密度分布。在此情況下，由于電路電阻值Rc大部分由接觸電阻引起，所以當(dāng) 將接觸電阻的總和視為電路電阻值Rc時(shí)，可以實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單且實(shí)用的監(jiān)控裝置。在上述監(jiān)控裝置中，多個(gè)電極和匯集部可以一體地形成，并且可以將電路電阻值Rc視為指定接觸點(diǎn)與電極間的接觸電阻來測(cè)量電流密度 分布。當(dāng)電極和匯集部為 一體以消除如上所述的電極與匯集部之間的接 觸電阻時(shí)，可以減小電路電阻值Rc。在上述監(jiān)控裝置中，可以在多個(gè)電極與燃料電池之間施用液態(tài)金屬 以減小多個(gè)電極中每一個(gè)與燃料電池間的接觸電阻。還可以通過如上所述地在接觸表面上施用液態(tài)金屬來減小接觸電 阻的方法來減小電路電阻值Rc。在上述監(jiān)控裝置中，液態(tài)金屬可以是包含鎵和銦的合金。因?yàn)闆]有 什么毒性且具有低的電阻值，所以包含鎵和銦的合金適于此用途。在上述監(jiān)控裝置中，所述燃料電池可以包括具有反應(yīng)性氣體流路的 電池電極，并且所述多個(gè)電極與所述燃料電池之間的接觸表面之間的距 離等于或小于所述反應(yīng)性氣體流路的寬度方向的間距的兩倍。在此情況下，可以防止由于電池電極在反應(yīng)性氣體流路上的壓力的 不均勻性所導(dǎo)致的在電池電極與反應(yīng)性氣體流路之間的接觸電阻增大。在上述監(jiān)控裝置中，所述傳感器可以在所述多個(gè)電極的軸向方向上 彼此偏置，使得所述多個(gè)電極間的間距能夠小于所述傳感器在沿著垂直 于所述多個(gè)電極的軸向的方向上的尺寸。在此情況下，在傳感器尺寸相當(dāng)大的情況下可以增加測(cè)量點(diǎn)的密度 以維持感測(cè)精度。在上述監(jiān)控裝置中，所述燃料電池可以包括具有反應(yīng)性氣體流路的 電池電極，所述多個(gè)電極中的每一個(gè)都具有用于將電流導(dǎo)引至所述匯集 部的電極桿和面積大于所述電極的橫截面面積的、用于接觸所述燃料電 池中指定接觸點(diǎn)的接觸端子，并且所述提取監(jiān)控裝置可以進(jìn)一步包括用 于將所有所述接觸端子壓靠于所述燃料電池上的壓力板。在此情況下，可以減小由于電池電極在反應(yīng)性氣體流路的突起部上的壓力的不均勻性所導(dǎo)致的電池電極與反應(yīng)性氣體流路之間的接觸電 阻以及電流匯集電極與隔離件之間的接觸電阻的不均勻性。監(jiān)控裝置可以進(jìn)一步包括設(shè)置在各個(gè)接觸端子與壓力板之間的推 壓部。在此情況下，可以進(jìn)一步減小電池電極與反應(yīng)性氣體流路之間的接 觸電阻的不均勻性以及電流匯集電極與隔離件之間的接觸電阻的不均 勻性，從而可以改善測(cè)量精度。在上述監(jiān)控裝置中，所述多個(gè)電極中的每一個(gè)可以進(jìn)一步包括接觸 表面，所述接觸表面具有用于通過接觸而電導(dǎo)通的中央?yún)^(qū)域以及環(huán)繞所 述中央?yún)^(qū)域的封閉的周邊區(qū)域，并且所述周邊區(qū)域是絕緣的。在此情況下，可以減小接觸點(diǎn)之間的距離，并且可以增加接觸點(diǎn)間的電阻Rb。本發(fā)明的第二方面是一種內(nèi)部狀態(tài)監(jiān)控方法，所述內(nèi)部狀態(tài)監(jiān)控方法 用于監(jiān)控具有電解質(zhì)和將所述電解質(zhì)夾在中間的多個(gè)隔離件的燃料電池 的內(nèi)部狀態(tài)，所述方法包括下列步驟準(zhǔn)備匯集部和多個(gè)電極，所述電極 用于通過在所述燃料電池中的指定接觸點(diǎn)處與所述多個(gè)隔離件中的第一 隔離件的表面上的多個(gè)區(qū)域相接觸而與所述多個(gè)區(qū)域電導(dǎo)通，所述匯集部 用于匯集流過所述多個(gè)電極的電流以賦予所述電^W目同的電勢(shì)；測(cè)量流過 所述多個(gè)電極的電流；^使用經(jīng)由所述匯集部和所述多個(gè)隔離件中的第二隔 離件連接到所述燃料電池的負(fù)載裝置來可變地控制施加在所述匯集部和 所述多個(gè)隔離件中的所述第二隔離件之間的負(fù)載；以及提取響應(yīng)于所述負(fù) 載的變化而產(chǎn)生的、包含在各個(gè)所測(cè)得的電極電流中的交變電流分量，并 且隨后基于所提取的各個(gè)交變電流分量來監(jiān)控所述燃料電池中的電阻極 化的狀態(tài)量的分布。本發(fā)明的上述方面可以采用包括電流密度分布測(cè)量方法和諸如具 有內(nèi)部狀態(tài)監(jiān)控裝置的燃料電池控制裝置和燃料電池系統(tǒng)等裝置的多 種形式實(shí)現(xiàn)。


參照附圖，從以下優(yōu)選實(shí)施方式的描述中將明確本發(fā)明的前述和進(jìn) 一步目的、特征以及優(yōu)點(diǎn)，其中類似的標(biāo)號(hào)用于表示類似的元件，并且其中圖l是本發(fā)明第一實(shí)施方式中內(nèi)部狀態(tài)監(jiān)控裝置和燃料電池的總體 構(gòu)造圖；圖2是用于測(cè)量從隔離件的不同區(qū)段輸出的電流值的多個(gè)測(cè)量電極 的放大視圖；圖3是示出本發(fā)明第一實(shí)施方式中位于隔離件上的電流匯集電極的 布置的說明圖；圖4是示出包括內(nèi)部狀態(tài)監(jiān)控裝置和燃料電池的電路的等效電路的 說明圖；圖5是示出包括內(nèi)部狀態(tài)監(jiān)控裝置和燃料電池的電路的等效電路的 一部分的說明圖；圖6是示出作為監(jiān)控對(duì)象的燃料電池的一段的等效電路的示例的說 明圖；圖7是示出電流匯集板與多個(gè)測(cè)量電極一體設(shè)置的一體式測(cè)量電極 的"i兌明圖；圖8是示出第一變型例中多個(gè)測(cè)量電極的說明圖；圖9是第二變型例中內(nèi)部狀態(tài)監(jiān)控裝置的總體構(gòu)造圖；圖IO是第三變型例中內(nèi)部狀態(tài)監(jiān)控裝置的總體構(gòu)造圖；圖11是示出第四變型例中內(nèi)部狀態(tài)監(jiān)控裝置的電流匯集電極的接 觸表面的說明圖；圖12是示出第四變型例中防止的泄漏電流的說明圖；圖13是示出第四變型例中防止泄漏電流的方式的說明圖；并且圖14是第五變型例中內(nèi)部狀態(tài)監(jiān)控裝置和燃料電池的總體構(gòu)造圖。
具體實(shí)施方式
下文參照附圖根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方式進(jìn)行描述。圖1是本發(fā)明第一實(shí)施方式中內(nèi)部狀態(tài)監(jiān)控裝置100和燃料電池 201的總體構(gòu)造圖。內(nèi)部狀態(tài)監(jiān)控裝置100具有多個(gè)測(cè)量電極120、電 流匯集板lll、作為測(cè)量工具的端板109和端子板107、電子負(fù)載裝置 110和釋能密度分布測(cè)量裝置210。在此實(shí)施方式中，燃料電池201是 內(nèi)部狀態(tài)監(jiān)控裝置100的監(jiān)控對(duì)象。在此實(shí)施方式中，燃料電池201是聚合物電解質(zhì)燃料電池，具有膜 電極組件202以及從兩側(cè)夾著膜電極組件202的兩個(gè)碳隔離件203和 204。兩個(gè)隔離件203和204中的每一個(gè)都具有氣體流路(圖未示)，反 應(yīng)性氣體經(jīng)由氣體流路流入膜電極組件202側(cè)。燃料電池201通過反應(yīng) 性氣體的反應(yīng)產(chǎn)生電力并將電力通過兩個(gè)隔離件203和204輸出到外 部。電子負(fù)載裝置IIO配置為能夠周期性地以可變頻率改變負(fù)載。電子 負(fù)載裝置110電連接在電流匯集板111與端子板107之間。釋能密度分 布測(cè)量裝置210基于兩個(gè)隔離件203與204之間的電勢(shì)差以及流過測(cè)量 電極120的電流來測(cè)量釋能密度分布。響應(yīng)于附裝在各個(gè)測(cè)量電極120 上的電流傳感器126的輸出來測(cè)量流過各個(gè)測(cè)量電極120的電流。在此實(shí)施方式中，基于釋能密度分布來估計(jì)夾在兩個(gè)隔離件203和 204之間的膜電極組件202的電解質(zhì)(圖未示)中各個(gè)區(qū)段的含水量(或 含水量分布)。以下描述測(cè)量方法的詳細(xì)內(nèi)容。基于釋能密度分布進(jìn)行 所述測(cè)量，從而可以估計(jì)出各種電力輸出狀態(tài)中的含水量分布。也可以 直接根據(jù)電流密度分布來估計(jì)含水量分布。圖2是用于測(cè)量從隔離件204的不同區(qū)段輸出的電流值的多個(gè)測(cè)量 電極120。每個(gè)測(cè)量電極120都具有桿128、連接于桿128相對(duì)端的兩 個(gè)電流匯集電極124和125、以及電流傳感器126。在此實(shí)施方式中，電流傳感器126是使用能夠以高靈敏度測(cè)量磁場(chǎng) 中的變化的霍爾(Hall)元件的傳感器。電流傳感器126根據(jù)取決于流 過對(duì)應(yīng)桿128的電流而變化的磁場(chǎng)輸出電信號(hào)。圖3是示出本發(fā)明第一實(shí)施方式中位于隔離件204上的電流匯集電極125的布置的說明圖。在此實(shí)施方式中，電流匯集電極125之間的距 離為3mm。電流匯集電極125之間的距離優(yōu)選地等于或小于隔離件204 的流路的寬度方向的間距的兩倍。這是因?yàn)?，在這種構(gòu)造中，來自多個(gè) 電流匯集電極125的壓力被均勻地傳遞到所有流路。圖4是示出包括內(nèi)部狀態(tài)測(cè)量裝置100和燃料電池201的電路的等 效電路的"i兌明圖。所述等效電路具有產(chǎn)生電力的燃料電池201;電阻 Rb;接觸電阻Rcl;導(dǎo)線電阻Rc2以及電子負(fù)載裝置110。電阻Rb是 隔離件204在相鄰的電流匯集電極125之間的電阻。接觸電阻Rcl是由 于電流匯集電極125與隔離件204間的接觸所導(dǎo)致的接觸電阻。導(dǎo)線電 阻Rc2是整個(gè)內(nèi)部狀態(tài)監(jiān)控裝置100中的導(dǎo)線電阻。為了便于理解，圖5是示出所述等效電路的一部分的說明圖。如之 前所述的，在此實(shí)施方式中，測(cè)量從隔離件204的不同區(qū)段輸出的電流 值以估計(jì)膜電極組件202中在區(qū)段Fcl和Fc2處的反應(yīng)性氣體的反應(yīng)狀 態(tài)。通過測(cè)量流過測(cè)量電極120的電流值進(jìn)行所述測(cè)量。更具體而言， 通過測(cè)量流過兩個(gè)測(cè)量電極120的電流值i3和i4來測(cè)量分別根據(jù)在隔 離件204的不同區(qū)段中所產(chǎn)生的電勢(shì)vl和v2而輸出的電流值il和i2。然而，電流值il和i2并不是簡(jiǎn)單地分別與電流值i3和i4成比例。 這是因?yàn)?，由于電流還在隔離件204中流動(dòng)，電流從所產(chǎn)生電勢(shì)為v2 的區(qū)段泄漏到電流i3流經(jīng)的測(cè)量電極120那側(cè)。下文描述考慮了這樣 的泄漏的定量分析的測(cè)量方法。圖6是示出燃料電池201的區(qū)段Fcl的等效電路的示例的說明圖。 為了便于理解，所述等效電路包括具有反應(yīng)電阻Rdifl和雙層電容 Cdl的單一并聯(lián)電路；與所述并聯(lián)電路串聯(lián)連接的電解質(zhì)電阻Rsoll。 在此，"反應(yīng)電阻Rdifl對(duì)應(yīng)于由反應(yīng)性氣體向膜電極組件202的供應(yīng) 和7jc從膜電極組件202的排出所引起的損耗。"雙層電容Cdl"對(duì)應(yīng)于 由膜電極組件202的活化極化所引起的損耗。"電解質(zhì)電阻Rsoll是膜 電極組件202的電解質(zhì)(圖未示)的導(dǎo)電率的倒數(shù)。已知導(dǎo)電率很大程 度上依賴于電解質(zhì)的含水量。在下面所描述的實(shí)施方式中，基于此依賴 性估計(jì)電解質(zhì)的含水量。在此實(shí)施方式中，測(cè)量電解質(zhì)電阻Rsoll以估計(jì)電解質(zhì)的不同區(qū)段 中的含水量分布。通過將反應(yīng)電阻Rdifl與可測(cè)量的電阻值(燃料電池201的區(qū)段Fcl的內(nèi)部電阻)分離而進(jìn)行電解質(zhì)電阻Rsoll的測(cè)量。例 如通過在所指定的足夠短的周期內(nèi)(也就是說，以指定的高頻率)改變 由電子負(fù)載裝置110所施加的負(fù)載并且從采用適于所指定周期的帶通濾 波器從流過對(duì)應(yīng)測(cè)量電極120的電流值中提取交變電流分量來進(jìn)行反應(yīng) 電阻Rdifl的分離。由釋能密度分布測(cè)量裝置210來執(zhí)行提取過程?？梢赃M(jìn)行分離的原因在于，由于來自于燃料電池的輸出電流的交變 電流分量不流過反應(yīng)電阻Rdifl,而是流過在高頻時(shí)具有低阻抗的雙層 電容Cdl，所以當(dāng)頻率高時(shí)，可測(cè)量的電阻值(燃料電池201的區(qū)段 Fcl的內(nèi)部電阻)變得更為接近電解質(zhì)電阻Rsoll。具體來說，膜電極 組件202是優(yōu)選的，原因?yàn)樗纬呻p層電容且具有幾法拉的相當(dāng)高的電 容。由于當(dāng)變化負(fù)載的頻率越高時(shí)交變電流分量在越低的阻抗情況下流 過雙層電容Cdl，但是當(dāng)頻率過高時(shí)內(nèi)部狀態(tài)監(jiān)控裝置100和燃料電池 的電路的自感分量的影響是不可避免的。因此，優(yōu)選地，考慮在權(quán)衡這 種自感分量的情況下來確定變化負(fù)載的頻率。除此之外，在此實(shí)施方式中，由于^f吏用兩個(gè)隔離件203與204之間 的電勢(shì)差來測(cè)量釋能密度分布，所以釋能密度測(cè)量裝置210可以估計(jì)燃 料電池201的各種輸出狀態(tài)下的含水量分布。如上所述，在第一實(shí)施方式中，可以基于包含在來自于燃料電池201 的輸出電力中的交流電力分量(或交變電流分量)的分布來監(jiān)控膜電極 組件202的電解質(zhì)(圖未示)中的含水量分布。本發(fā)明的第二實(shí)施方式與第一實(shí)施方式的不同之處在于，基于以下 分析從交變電流密度分布去除在隔離件204中的泄漏電流的影響。以下示出圖5所示等效電路的電路方程式。在此，為了易于理解這 些電路方程式，將接觸電阻Rcl與導(dǎo)線電阻Rc2的合成電阻定義為電 路電阻Rc。如果v2>vl，則才艮據(jù)基爾霍夫(Kirchhoff)定律推導(dǎo)出以 下方程式(1)方禾呈式1: il+i2=i3+i4 (2 )方程式2: i3=il+i5 (3)方程式3: i4=i2-i5此外，當(dāng)關(guān)注各區(qū)段的電勢(shì)時(shí)，可以推導(dǎo)出以下方程式(1)方程式4: vl=v2-Rbxi5 (2 )方程式5: vO=vl-Rcxi3 (3 )方程式6: vO=v2-Rcxi4當(dāng)聯(lián)立方程式l-6求解時(shí)，則推導(dǎo)出以下方程式(1)方程式7: il=i3+Rc/Rb(i3-i4) (2 )方程式8: i2=i4+Rc/Rb(-i3+i4)在此，電流il和i2是將要測(cè)量的電流，電流B和i4是由電流傳感 器126測(cè)得的電流。方程式7和8的右手側(cè)中的第二項(xiàng)對(duì)應(yīng)于在隔離件 204中泄漏的電流。第二實(shí)施方式的測(cè)量方法是本發(fā)明發(fā)明人考慮到方程式7和8的第 二項(xiàng)可以由內(nèi)部狀態(tài)監(jiān)控裝置100的硬件配置所控制而建立的具有很高 實(shí)用性的測(cè)量方法。采用這種方法，可以獲得能夠以筒單的配置將由在 多個(gè)電極之間流動(dòng)的泄漏電流所引起的測(cè)量誤差減小到所期望的容許 水平的優(yōu)點(diǎn)。例如，當(dāng)將"電流值i5/電流值i2"(圖5 )定義為容許誤差Er并將 在測(cè)量點(diǎn)處的電流輸出比的所期望的最大值定義為最大輸出比Pr時(shí)， 可以理解，所需要的是配置內(nèi)部狀態(tài)監(jiān)控裝置100的硬件，使得通過 聯(lián)立方程式1 - 6求解滿足以下不等式9。不等式9: Er > ABS(1 _ + 1) x Rc + Rb)/(2 x Rc +卿其中，ABS (自變量)意味著返回所述自變量的絕對(duì)值的函數(shù)?？梢酝ㄟ^"增加接觸點(diǎn)間電阻Rb"和"減小電路電阻值Rc"至少 其中之一來實(shí)現(xiàn)這樣的硬件配置。"增加接觸點(diǎn)間電阻Rb"可以通過例 如增加燃料電池或具有接觸點(diǎn)的測(cè)量夾具的電阻值或是增加接觸點(diǎn)間 的間距來實(shí)現(xiàn)。"減小電路電阻值Rc"可以通過例如集成測(cè)量裝置的電 路來消除接觸電阻或是通過在接觸面上施用液態(tài)金屬來減小接觸電阻 而實(shí)現(xiàn)，這些將在下面描述。更具體而言，"減小電路電阻值Rc"可以通過在電流匯集電極125和隔離件204之間施用指定金屬來實(shí)現(xiàn)。可施用的金屬包括韌性金屬， 諸如銦和鉛，還包括液態(tài)金屬，諸如鎵-銦合金、水4艮和鈉。從減少接 觸電阻的角度考慮，液態(tài)金屬是優(yōu)選的。從安全角度考慮，諸如鎵-銦 合金之類包含鎵和銦的合金是優(yōu)選的。當(dāng)通過將多個(gè)測(cè)量電極120和電 流匯集板lll 一體設(shè)置而形成一體式的測(cè)量電極120a (圖7)以消除多 個(gè)測(cè)量電極120和電流匯集板111之間的接觸電阻時(shí)，也可以實(shí)現(xiàn)"減 小電路電阻值Rc"?？梢詫㈦娏鲄R集電極125與隔離件204之間的接觸電阻和測(cè)量電極 120與電流匯集板111之間的合成接觸電阻視為電路電阻值Rc來進(jìn)行 配置硬件時(shí)的電路電阻值Rc的測(cè)量。這是因?yàn)?，大部分的電路電阻?Rc是由接觸電阻引起的緣故。然而，當(dāng)測(cè)量電極120和電流匯集板111 構(gòu)成為一體式的結(jié)構(gòu)時(shí)，可以將電路電阻值Rc視為電流匯集電極125 與隔離件204之間的接觸電阻。"增加接觸點(diǎn)間電阻Rb，，可以通過制造高電阻材料的隔離件204、 通過提供諸如碳板之類具有大電阻值的板作為隔離件204與電流匯集電 極125之間的測(cè)量工具、或通過提供后述的第四變型例的配置來實(shí)現(xiàn)。除此之外，本發(fā)明發(fā)明人已經(jīng)從多種實(shí)際測(cè)量中發(fā)現(xiàn)在將硬件配置 為電路電阻值Rc小于接觸點(diǎn)間電阻Rb的五分之一時(shí)能夠以在實(shí)用上 令人滿意的精度測(cè)得電流密度分布的 一種較筒單的配置。如上所述，在第二實(shí)施方式中，由于可以通過內(nèi)部狀態(tài)監(jiān)控裝置100 的硬件配置來減少泄漏電流，所以能夠獲得可以抑制由泄漏電流引起的 測(cè)量誤差以利于電流密度分布的測(cè)量的優(yōu)點(diǎn)。盡管已經(jīng)描述了本發(fā)明的一些實(shí)施方式，但是本發(fā)明不限于這些實(shí) 施方式，而是可以在不脫離本發(fā)明范圍的情況下以多種形式實(shí)施。例如， 以下變型例是可行的。盡管在上述實(shí)施方式中電流傳感器126在測(cè)量電極120的軸向方向 上設(shè)置在相同位置，但是，電流傳感器126也可以例如圖8所示在測(cè)量 電極120的軸向方向上彼此偏置，使得測(cè)量電極120的間距可以小于電 流傳感器126在垂直于測(cè)量電極120的方向上的尺寸。在此情況下，在 傳感器的尺寸足夠大以維持感測(cè)精度的情況下可以增加測(cè)量點(diǎn)的密度。盡管在上述實(shí)施方式中電流匯集板111將多個(gè)測(cè)量電極120壓靠于 燃料電池201上(圖1),但是，可以例如圖9所示提供壓力板130，用 于將所有電流匯集電極125壓靠于燃料電池201上。在此情況下，可以 減少由于測(cè)量電極120的長(zhǎng)度上的制造公差所引起的在測(cè)量電極120上 的壓力的變化。壓力板130在表面壓力方向上必須具有比電流匯集板llla高的剛 性。當(dāng)壓力板130由導(dǎo)電材料制成時(shí)，必須在壓力板130與電流匯集電 極125之間提供絕緣體130n,以防止電流匯集電極125之間短路。此外，可以在壓力板130與電流匯集電極125之間設(shè)置推壓彈簧 125s，例如圖10所示。在此情況下，可以進(jìn)一步減小電池電極與反應(yīng) 性氣體流路之間的接觸電阻的變化，從而提高測(cè)量精度。盡管在上述實(shí)施方式中電流匯集電極125的整個(gè)接觸表面電導(dǎo)通， 但是，可以例如圖ll所示地形成接觸表面。圖ll是示出電流匯集電極 125的接觸表面的說明圖。接觸表面具有絕緣區(qū)域125n (帶有陰影線) 和電導(dǎo)通的導(dǎo)電區(qū)域125c，在絕緣區(qū)域125n中形成有搪瓷涂層以進(jìn)行 絕緣。在導(dǎo)電區(qū)域125c中涂覆有液態(tài)金屬。絕緣區(qū)域125n形成為環(huán)繞 導(dǎo)電區(qū)域125c的封閉區(qū)域。在此配置中，由于可以防止通過圖12所示的線路泄漏電流，所以 可以減小接觸點(diǎn)間的距離以使壓力均勻，進(jìn)而可以增加如圖13所示的 接觸點(diǎn)間電阻Rb。盡管在上述實(shí)施方式中從一側(cè)測(cè)量燃料電池201的單元電池輸出的 釋能密度分布，但是可以例如圖14所示在燃料電池組的中間內(nèi)插設(shè)測(cè) 量電極120。本發(fā)明也可以采用包括內(nèi)部狀態(tài)監(jiān)控方法和諸如具有內(nèi)部 狀態(tài)監(jiān)控裝置的燃料電池之類裝置的各種其它方式實(shí)施。盡管在上述實(shí)施方式中估計(jì)固體聚合物電解質(zhì)燃料電池的電解質(zhì) 的含水量，但是本發(fā)明不限于聚合物電解質(zhì)燃料電池。當(dāng)本發(fā)明應(yīng)用于 具有取決于諸如"活化極化"、"擴(kuò)散極化，，以及"電阻極化"等不同內(nèi)部狀態(tài)參數(shù)而改變的損耗元件的燃料電池時(shí)，可以將燃料電池中的電阻 極化的狀態(tài)量分布與其他損耗(例如"活化極化"和"擴(kuò)散極化")分 開并對(duì)燃料電池中的電阻極化的狀態(tài)量分布進(jìn)行監(jiān)控。本發(fā)明總體上配置為提取響應(yīng)于負(fù)載變化所產(chǎn)生的、包含在電極電 流中的交變電流分量，并基于所提取的各個(gè)交變電流分量來監(jiān)控代表燃 料電池的電阻極化狀態(tài)的物理量(即，狀態(tài)量)的分布。然而，在電解 質(zhì)與電極之間形成雙層電容的固體聚合物電解質(zhì)燃料電池具有相當(dāng)高 的電容。除此之外，由于對(duì)含水量和阻塞狀態(tài)進(jìn)行處理的途徑正相反， 所以對(duì)含水量和阻塞狀態(tài)的估計(jì)是十分重要的。因此，本發(fā)明具有顯著 的效果。一般地，燃料電池由對(duì)應(yīng)于"活化極化"的電容、對(duì)應(yīng)于"擴(kuò)散極 化，，的電阻以及對(duì)應(yīng)于"電阻極化"的電阻構(gòu)成，且燃料電池具有其中 多個(gè)電容和電阻并聯(lián)電路串聯(lián)連接的電路以及與所述電路串聯(lián)連接的 電阻。此外，在此情況下，可以采用與上述相同的方式使用變化的負(fù)載 將"電阻極化"與"擴(kuò)散極化"分開。在此，"活化極化"是由燃料電 池的電極等的活化對(duì)能量的需求所引起的損耗。"電阻極化"是由電解 質(zhì)電阻或電解質(zhì)電阻與電極之間的電阻所引起的損耗。"擴(kuò)散極化"是本發(fā)明中的"監(jiān)控"具有廣泛的含義，并且包括獲取與燃料電池中 的電阻極化的狀態(tài)量(例如，電流密度分布)非常相關(guān)的測(cè)量值。
權(quán)利要求
1.一種內(nèi)部狀態(tài)監(jiān)控裝置，所述內(nèi)部狀態(tài)監(jiān)控裝置用于監(jiān)控具有電解質(zhì)和將所述電解質(zhì)夾在中間的多個(gè)隔離件的燃料電池的內(nèi)部狀態(tài)，所述內(nèi)部狀態(tài)監(jiān)控裝置的特征在于包括多個(gè)電極，所述電極用于通過在所述燃料電池中的指定接觸點(diǎn)處與所述多個(gè)隔離件中的第一隔離件的表面上的多個(gè)區(qū)域相接觸而與所述多個(gè)區(qū)域電導(dǎo)通；匯集部，所述匯集部用于匯集流過所述多個(gè)電極的電流以賦予所述電極相同的電勢(shì)；傳感器，所述傳感器用于測(cè)量流過所述多個(gè)電極的電極電流；負(fù)載裝置，所述負(fù)載裝置經(jīng)由所述匯集部和所述多個(gè)隔離件中的第二隔離件連接到所述燃料電池，所述負(fù)載裝置用于可變地控制施加在所述匯集部和所述多個(gè)隔離件中的所述第二隔離件之間的負(fù)載；以及提取監(jiān)控裝置，所述提取監(jiān)控裝置用于提取響應(yīng)于所述負(fù)載的變化而產(chǎn)生的、包含在各個(gè)測(cè)得的電極電流中的交變電流分量，并基于所提取的各個(gè)交變電流分量來監(jiān)控所述燃料電池中的電阻極化的狀態(tài)量的分布。
2. 如權(quán)利要求1所述的內(nèi)部狀態(tài)監(jiān)控裝置，其中，所述燃料電池具 有膜電極組件，并且所述提取監(jiān)控裝置基于所監(jiān)控到的電阻極化的狀態(tài) 量的分布狀態(tài)來估計(jì)所述膜電極組件的含水量分布狀態(tài)。
3. 如權(quán)利要求1或2所述的內(nèi)部狀態(tài)監(jiān)控裝置，其中，所述提取監(jiān) 控裝置不經(jīng)由所述匯集部而是直接地測(cè)量所述燃料電池的輸出電壓，并化的狀態(tài)量的分布。
4. 如權(quán)利要求1至3中任一項(xiàng)所述的內(nèi)部狀態(tài)監(jiān)控裝置，其中，所 述提取監(jiān)控裝置根據(jù)作為所述燃料電池中的指定接觸點(diǎn)之間的電阻值 的接觸點(diǎn)間電阻Rb、作為所述指定接觸點(diǎn)與所述匯集部之間的合成電 阻值的電路電阻值Rc以及各個(gè)所測(cè)得的電極電流來測(cè)量各個(gè)所述交變 電流分量，當(dāng)將所述指定接觸點(diǎn)之間的所述燃料電池的電流輸出比的所 期望的最大值定義為最大輸出比Pr并且將容許誤差定義為Er時(shí)，各個(gè) 所述交變電流分量滿足以下關(guān)系，并且將在所述多個(gè)電極處測(cè)得的電流視為所述電極與所述多個(gè)隔離件中的所述第一隔離件相接觸的接觸點(diǎn)處輸出的電流Er > ABS(1-+ 1) x Rc + Rb)/(2 x RC + Rb))其中，ABS (自變量)是返回所述自變量的絕對(duì)值的函數(shù)。
5. 如權(quán)利要求4所述的內(nèi)部狀態(tài)監(jiān)控裝置，其中，所述電路電阻值 Rc等于或小于所述接觸點(diǎn)間電阻Rb的五分之一，并且將在所述多個(gè)電 極處測(cè)得的電流視為所述電極與所述多個(gè)隔離件中的所述第一隔離件 相接觸的接觸點(diǎn)處輸出的電流。
6. 如權(quán)利要求4或5所述的內(nèi)部狀態(tài)監(jiān)控裝置，其中，將所述電路 電阻值Rc視為所述燃料電池中的所述指定接觸點(diǎn)與所述電極之間的接 觸電阻和所述電極與所述匯集部之間的接觸電阻的合成電阻來測(cè)量所 述電流密度分布。
7. 如權(quán)利要求4至6中任一項(xiàng)所述的內(nèi)部狀態(tài)監(jiān)控裝置，其中，所 述多個(gè)電極和所述匯集部一體地形成，并且將所述電路電阻值Rc視為 所述燃料電池中的所述指定接觸點(diǎn)與所述電極之間的接觸電阻來測(cè)量 所述電流密度分布。
8. 如權(quán)利要求1至7中任一項(xiàng)所述的內(nèi)部狀態(tài)監(jiān)控裝置，其中，在 所述多個(gè)電極與所述燃料電池之間施用液態(tài)金屬以減小所述多個(gè)電極 中每一個(gè)與所述燃料電池之間的接觸電阻。
9. 如權(quán)利要求8所述的內(nèi)部狀態(tài)監(jiān)控裝置，其中，所述液態(tài)金屬是 包含鎵和銦的合金。
10. 如權(quán)利要求1至9中任一項(xiàng)所述的內(nèi)部狀態(tài)監(jiān)控裝置，其中，所 述燃料電池包括具有反應(yīng)性氣體流路的電池電極，并且所述多個(gè)電極與 所述燃料電池之間的接觸表面之間的距離等于或小于所述反應(yīng)性氣體 流路的寬度方向的間距的兩倍。
11. 如權(quán)利要求1至10中任一項(xiàng)所述的內(nèi)部狀態(tài)監(jiān)控裝置，其中， 所述傳感器在所述多個(gè)電極的軸向方向上彼此偏置，使得所述多個(gè)電極間的間距能夠小于所述傳感器在沿著垂直于所述多個(gè)電極的軸向的方 向上的尺寸。
12. 如權(quán)利要求1至11中任一項(xiàng)所述的內(nèi)部狀態(tài)監(jiān)控裝置，其中， 所述燃料電池包括具有反應(yīng)性氣體流路的電池電極，所述多個(gè)電極中的 每一個(gè)都具有用于將電流導(dǎo)引至所述匯集部的電極桿和面積大于所述 電極的橫截面面積的、用于接觸所述燃料電池中指定接觸點(diǎn)的接觸端 子，并且所述提取監(jiān)控裝置進(jìn)一步包括用于將所有所述接觸端子壓靠于 所述燃料電池上的壓力板。
13. 如權(quán)利要求12所述的內(nèi)部狀態(tài)監(jiān)控裝置，進(jìn)一步包括 設(shè)置在各個(gè)所述接觸端子與所述壓力板之間的推壓部。
14. 如權(quán)利要求1至13中任一項(xiàng)所述的內(nèi)部狀態(tài)監(jiān)控裝置，其中， 所述多個(gè)電極中的每一個(gè)進(jìn)一步包括接觸表面，所述接觸表面具有用于域，并且所述周邊區(qū)域是絕緣的。
15. 如權(quán)利要求1至14中任一項(xiàng)所述的內(nèi)部狀態(tài)監(jiān)控裝置，其中， 所述燃料電池具有由疊置在其中的所述電解質(zhì)和所述隔離件構(gòu)成的多 個(gè)組，并且所述多個(gè)電極置于由所述電解質(zhì)和所述隔離件構(gòu)成的所述多 個(gè)組之間。
16. —種狀態(tài)監(jiān)控方法，所述狀態(tài)監(jiān)控方法用于監(jiān)控具有電解質(zhì)和 將所述電解質(zhì)夾在中間的多個(gè)隔離件的燃料電池的內(nèi)部狀態(tài)，所述方法 的特征在于包括下列步驟準(zhǔn)備匯集部和多個(gè)電極，所述電極用于通過在所述燃料電池中的指 定接觸點(diǎn)處與所述多個(gè)隔離件中的第一隔離件的表面上的多個(gè)區(qū)域相 接觸而與所述多個(gè)區(qū)域電導(dǎo)通，所述匯集部用于匯集流過所述多個(gè)電極 的電流以賦予所述電極相同的電勢(shì)；測(cè)量流過所述多個(gè)電極的電極電流；使用經(jīng)由所述匯集部和所述多個(gè)隔離件中的第二隔離件連接到所 述燃料電池的負(fù)載裝置來可變地控制施加在所述匯集部和所述多個(gè)隔 離件中的所述第二隔離件之間的負(fù)載；以及提取響應(yīng)于所述負(fù)載的變化而產(chǎn)生的、包含在各個(gè)所測(cè)得的電極電 流中的交變電流分量，并且基于所提取的各個(gè)交變電流分量來監(jiān)控所述 燃料電池中的電阻極化的狀態(tài)量的分布。
全文摘要
本發(fā)明提供一種內(nèi)部狀態(tài)監(jiān)控裝置，所述內(nèi)部狀態(tài)監(jiān)控裝置用于具有多個(gè)隔離件和夾在所述多個(gè)隔離件之間的電解質(zhì)的燃料電池，所述內(nèi)部狀態(tài)監(jiān)控裝置包括多個(gè)電極，所述電極用于通過在燃料電池中的指定接觸點(diǎn)處與第一隔離件的表面上的多個(gè)區(qū)域電導(dǎo)通；匯集部，所述匯集部用于匯集流過電極的電流以賦予這些電極相同的電勢(shì)；傳感器，所述傳感器用于測(cè)量流過電極的電流；負(fù)載裝置，所述負(fù)載裝置經(jīng)由匯集部和第二隔離件連接到燃料電池，所述負(fù)載裝置用于可變地控制施加在匯集部和第二隔離件之間的負(fù)載；以及提取監(jiān)控裝置，所述提取監(jiān)控裝置用于提取響應(yīng)于負(fù)載中的變化產(chǎn)生的、包含在各個(gè)所測(cè)得的電極電流中的交變電流分量，并基于所提取的交變電流分量來監(jiān)控燃料電池中的電阻極化的狀態(tài)量的分布。
文檔編號(hào)H01M8/04GK101405906SQ200780009874
公開日2009年4月8日 申請(qǐng)日期2007年4月17日 優(yōu)先權(quán)日2006年4月19日
發(fā)明者外村孝直 申請(qǐng)人:豐田自動(dòng)車株式會(huì)社;株式會(huì)社日本自動(dòng)車部品綜合研究所