燃料電池用温度センサ
【課題】燃料電池の発電性能を悪化させることを防止すると共に検出精度の向上を図る。
【解決手段】熱電対式温度センサ５０は、熱電対素線５１，５２を接合し、全体を被覆層５４にて被覆したものである。被覆層５４は、熱電対素線５１，５２の外周を被覆する第１の被覆層５４ａと、第１の被覆層５４ａの外周をさらに被覆する第２の被覆層５４ｂとから構成される。第１の被覆層５４ａは、ポリイミド膜により形成されており、絶縁性を有するとともに、固体高分子型である燃料電池１０の動作温度下で３．０ＭＰａの応力を受けても損傷しない程度の機械的強度を維持する構成となっている。第２の被覆層５４ｂは、ガス不透過な緻密部材によって形成されており、Ｃｒ（クロム）膜により形成されている。
【解決手段】熱電対式温度センサ５０は、熱電対素線５１，５２を接合し、全体を被覆層５４にて被覆したものである。被覆層５４は、熱電対素線５１，５２の外周を被覆する第１の被覆層５４ａと、第１の被覆層５４ａの外周をさらに被覆する第２の被覆層５４ｂとから構成される。第１の被覆層５４ａは、ポリイミド膜により形成されており、絶縁性を有するとともに、固体高分子型である燃料電池１０の動作温度下で３．０ＭＰａの応力を受けても損傷しない程度の機械的強度を維持する構成となっている。第２の被覆層５４ｂは、ガス不透過な緻密部材によって形成されており、Ｃｒ（クロム）膜により形成されている。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池に用いられる燃料電池用温度センサに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、燃料電池に内蔵される温度センサとして熱電対式のものが知られている。熱電対式の温度センサとしては、耐熱合金であるシースの内部にマグネシアなどの無機絶縁物を充填して熱電対線を配置したシース型のものがある（例えば、特許文献１，２）。
【０００３】
【特許文献１】特開２００６−４７２６１号公報
【特許文献２】特開２００６−４７２２０号公報
【０００４】
しかしながら、上記シース型の熱電対式温度センサは、シースを備えていることから外形が大きく、このために次の問題を備えていた。まず第１に、外形が大きいと、燃料電池の発電反応部へのガスの流れを阻害したり、生成水の排出を阻害したりすることから、燃料電池の発電性能を悪化させるという問題を発生した。第２に、外形が大きいと、シースは金属材料であることからその周辺部分の温度を低下させ、本来得るべき温度を高精度に検出することができないという問題を発生した。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明は、上述した従来の課題を解決するためになされたものであり、外形を小さくして、燃料電池の発電性能を悪化させることを防止すると共に検出精度の向上を図ることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
前記目的を達成するために、本発明の第１の燃料電池用温度センサは、
燃料電池に用いられる温度センサであって、
熱電対を構成する素線と、
前記素線の外周を被覆する第１の被覆層と、
前記第１の被覆層の外周を被覆する第２の被覆層と
を備え、
前記第１の被覆層は、絶縁性を有するとともに、前記燃料電池の動作温度下で３．０ＭＰａの応力を受けても損傷しない程度の機械的強度を有し、
前記第２の被覆層は、緻密質でガス不透過である
ことを特徴としている。
【０００７】
前記構成の燃料電池用温度センサによれば、外側に位置する第２の被覆層は、緻密質でガス不透過であることからガスの侵入を防止する。内側に位置する第１の被覆層は、熱電対を構成する素線を電気的に絶縁するとともに、燃料電池の動作温度下で３．０ＭＰａの応力を受けても損傷しない程度の高い強度（ここで言う「強度」は機械的強度であり、以下、単に「強度」と言うときは、機械的強度を意味する）を有する。従来のシース型の熱電対式温度センサでは、シースと素線との間に充填される無機絶縁物は、粉末状であり、センサ全体の強度に寄与することはなく、センサ全体はシースで強度を維持している。これに対して、本発明の第１の燃料電池用温度センサは、前述したように、第１の被覆層により高強度を維持することができることから、シースに対応する第２の被覆層は強度が低くてもよい。このために、第２の被覆層を従来の熱電対式温度センサのシースと比べて薄くすることができる。換言すれば、第１の被覆層に強度を担う役割を持たせることで、第２の被覆層を薄くすることができる。第１の被覆層については、従来、無機絶縁物が充填されており、強度を高めても厚さはそれほど変わらなくて済む。
【０００８】
したがって、本発明の第１の燃料電池用温度センサでは、第２の被覆層が薄くて済むことから、第１の被覆層および第２の被覆層で覆われた全体の外形が小さいものとなる。この結果、燃料電池の発電反応部へのガスの流れを阻害したり、生成水の排出を阻害したりすることがないことから、燃料電池の発電性能の悪化を防止することができる。また、全体の外径が小さいものとなると周辺部分の温度を低下させることが少ないことから、温度の検出精度を向上することができる。
【０００９】
前記第１の被覆層は、樹脂製としてもよい。これにより、絶縁性を実現することが容易である。また、前記第１の被覆層は、ポリイミド膜としてもよい。ポリイミドは、高い耐熱性を誇る上、機械的強度や電気絶縁性に優れた材料であることから、第１の被覆層として最適である。
【００１０】
前記第２の被覆層は、前記第１の被覆層よりも機械的強度が低い構成としてもよい。低い機械的強度で済むということは、第２の被覆層５４ｂの厚さを薄くすることが可能であるということである。したがって、燃料電池用温度センサ全体をより小さいものとすることができる。
【００１１】
前記第２の被覆層は、クロム膜としてもよい。クロムは、化学的に安定であり耐食性に優れていることから、第２の被覆層を外側面としたときに第２の被覆層として最適である。また、前記第２の被覆層は、パリレン膜としてもよい。
【００１２】
本発明の第２の燃料電池用温度センサは、
燃料電池に用いられる温度センサであって、
熱電対を構成する素線と、
前記素線の外周を被覆する第１の被覆層と、
前記第１の被覆層の外周を被覆する第２の被覆層と
を備え、
前記第１の被覆層は、絶縁性を有するとともに、前記第２の被覆層よりも高い機械的強度を有し、
前記第２の被覆層は、緻密質でガス不透過である
燃料電池用温度センサ。
ことを特徴としている。
【００１３】
前記構成の燃料電池用温度センサによれば、外側に位置する第２の被覆層は、緻密質でガス不透過であることからガスの侵入を防止する。内側に位置する第１の被覆層は、熱電対を構成する素線を電気的に絶縁するとともに第２の被覆層よりも高い強度を有する。従来のシース型の熱電対式温度センサでは、シースと素線との間に充填される無機絶縁物は、粉末状であり、センサ全体の強度に寄与することはなく、センサ全体はシースで強度を維持している。これに対して、本発明の第２の燃料電池用温度センサは、前述したように、第１の被覆層により高強度を維持することができ、シースに対応する第２の被覆層は強度が低い。このために、第２の被覆層を従来の熱電対式温度センサのシースと比べて薄くすることができる。換言すれば、第１の被覆層に強度を担う役割を持たせることで、第２の被覆層を薄くすることができる。第１の被覆層については、従来、無機絶縁物が充填されており、強度を高めても厚さはそれほど変わらなくて済む。
【００１４】
したがって、本発明の第２の燃料電池用温度センサでは、本発明の第１の燃料電池用温度センサと同様に、燃料電池の発電性能を悪化させることを防止すると共に検出精度の向上を図ることのできる効果を奏する。
【００１５】
前述した第１または第２の燃料電池用温度センサにおいて、ガス拡散層がカーボンクロスにより形成されている燃料電池にあってガス拡散層と触媒層との間に挟んだ状態で装着されるとともに、外径が、前記ガス拡散層の厚さの１／３以下の大きさである構成としてしてもよい。また、前述した第１または第２の燃料電池用温度センサにおいて、ガス拡散層がカーボンペーパにより形成されている燃料電池にあってガス拡散層と触媒層との間に挟んだ状態で装着されるとともに、外径が、前記ガス拡散層の厚さの１／５以下の大きさである構成としてしてもよい。
【００１６】
これらの構成によれば、燃料電池用温度センサは、ガス拡散層に十分に埋没して、触媒電極とガス拡散電極１５ｂとの間の密着を妨害することはない。したがって、燃料電池用温度センサを装着したことによる燃料電池性能の悪化を防止することができる。
【００１７】
この構成によれば、燃料電池用温度センサは、ガス拡散層に十分に埋没して、触媒電極１５ａとガス拡散電極１５ｂとの間の密着を妨害することはない。したがって、燃料電池用温度センサを装着したことによる燃料電池性能の悪化を防止することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
次に、本発明を実施するための最良の形態を、実施例を用いて以下に説明する。
【００１９】
１．燃料電池の全体構成：
図１は、本発明の一実施例としての燃料電池用温度センサを備える燃料電池１０を分解して表す説明図である。図２は、図１のＡ−Ａ線矢視図である。燃料電池１０は、固体高分子型燃料電池であって、図１では、縦断面が示されている。燃料電池１０は、主として、固体高分子電解質膜（以下、単に「電解質膜」と呼ぶ）１３の両面に電極１４，１５が配置された膜電極接合体(Membrane Electrode Assembly、以下ＭＥＡという)１２と、このＭＥＡ１２を両面から挟み込む一対のセパレータ１６，１７とを備えている。この燃料電池１０は、単電池と呼ばれるものであり起電力が０．６〜０．８Ｖ程度である。このため、例えば車両の駆動モータの供給電源として使用する場合には、多数の燃料電池１０を緊密に積層することで数百Ｖの直流電源とする。
【００２０】
ＭＥＡ１２は、電解質膜１３を二つの電極、つまり燃料極であるアノード１４と酸素極であるカソード１５とで挟みこんだものである。本実施例のＭＥＡ１２は、電解質膜１３の面積がアノード１４やカソード１５の面積よりも大きい。ここで、電解質膜１３は、湿潤状態で良好なプロトン伝導性を有する固体高分子材料で作製された膜であり、具体的にはフッ素系樹脂により形成された膜（デュポン社製のナフィオン膜等）などが挙げられる。
【００２１】
また、アノード１４及びカソード１５は、それぞれ触媒電極（触媒層）１４ａ，１５ａとガス拡散電極（ガス拡散層）１４ｂ，１５ｂとによって構成されている。触媒電極１４ａ，１５ａは、電解質膜１３に接触する側に位置し、白金微粒子を担持させた導電性カーボンブラックにより形成されている。一方、ガス拡散電極１４ｂ，１５ｂは、触媒電極１４ａ，１５ａに積層され、炭素繊維からなる糸で織成したカーボンクロスにより形成されている。なお、触媒電極１４ａ，１５ａに含まれる白金は、水素をプロトンと電子に分けるのを促進したり酸素とプロトンと電子から水を生成する反応を促進する作用を有するものであるが、同様の作用を有するものであれば白金以外のものを用いてもよい。また、ガス拡散電極１４ｂ，１５ｂは、カーボンクロスのほか、炭素繊維からなるカーボンペーパまたはカーボンフェルトによって形成してもよく、十分なガス拡散性および導電性を有していればよい。
【００２２】
一対のセパレータ１６，１７のそれぞれには、複数の凹部が形成されている。この凹部によってＭＥＡ１２との間に、電気化学反応に供される反応ガスの流路が形成される。すなわち、アノード１４側のセパレータ１６とＭＥＡ１２との間には、水素を含有する燃料ガスが通過する単電池内燃料ガス流路１６ａが形成される。また、カソード１５側のセパレータ１７とＭＥＡ１２との間には、空気などの酸素を含有する酸化ガスが通過する単電池内酸化ガス流路１７ａが形成される。
【００２３】
２．燃料電池用温度センサの構成：
こうした構成の燃料電池１０に燃料電池用温度センサとしての熱電対式温度センサ５０が装着される。熱電対式温度センサ５０は、熱電対を構成する一対の素線（以下、「熱電対素線」）５１，５２を接合し、略Ｕ字状となった全体を被覆層５４にて被覆したものである。図２中、５３は、熱電対素線５１，５２の接合点である。熱電対素線５１，５２は、導線５６，５７によって熱起電力測定回路５７と接続されている。熱起電力測定回路５７は、熱電対素線５１，５２の間の電位差（熱起電力）を測定する。
【００２４】
図３は、熱電対素線５１，５２を被覆する被覆層５４の断面図である。図示するように、被覆層５４は、熱電対素線５１，５２の外周を被覆する第１の被覆層５４ａと、第１の被覆層５４ａの外周をさらに被覆する第２の被覆層５４ｂとから構成される。
【００２５】
第１の被覆層５４ａは、ポリイミド膜により形成されており、絶縁性を有するとともに、固体高分子型である燃料電池１０の動作温度（−２０〜１２０℃）下で２００ＭＰａ以上の機械的強度を維持する構成となっている。２００ＭＰａ以上の機械的強度とは、２００ＭＰａの応力を受けても損傷しない程度の機械的強度である。ポリイミドは、高い耐熱性（５００℃まで）を誇る上、機械的強度（２００〜６００ＭＰａ）や電気絶縁性に優れた材料であることから、第１の被覆層５４ａとして用いた。
【００２６】
第２の被覆層５４ｂは、ガス不透過な緻密部材によって形成されており、具体的には、Ｃｒ（クロム）膜により形成されている。上記ポリイミド膜、Ｃｒ膜の被覆は気相成長法により行われる。
【００２７】
なお、第１の被覆層５４ａは、ポリイミド膜に換えて、ポリアセタール、ポリエチレン、ポリメチルペンテン、ポリエチレンテレフタレート、ポリカーボネート、パリレン、パリレンＨＴ、エポキシ変性シリコーン等の他の種類の樹脂製とすることもできる。また、樹脂製に限る必要もなく、酸化ジルコニア、酸化セリアなどのセラミック等であってもよい。要は、第１の被覆層５４ａは、絶縁性を有するとともに、固体高分子型である燃料電池１０の動作温度（−２０〜１２０℃）下で３．０ＭＰａの応力を受けても損傷しない程度の機械的強度を有する構成とすることができれば、いずれの材料を用いてもよい。ここで、損傷とは、破断や亀裂、摩耗等である。一般に燃料電池においては、セパレータとＭＥＡの間、ガス拡散電極と触媒電極との間等は、接触抵抗低減のため、１．５ＭＰａ程度の比較的高面圧を印加し、併せて電解質膜の膨潤や熱膨張等によりより高い応力がかかる。そこで、第１の被覆層５４ａは、絶縁性を有するとともに、燃料電池の動作温度下で３．０ＭＰａの応力を受けても損傷しない程度の機械的強度を有する構成とした。
【００２８】
なお、熱電対素線５１への第１の被覆層５４ａの被覆方法は、上記気相成長法に限る必要もなく、それぞれの材料に適したものであればいずれの方法としてもよく、液相からの含浸法やスプレー法・固相粉末の電着法やフィルムのホットプレスあるいはこれらを組み合わせた方法としてもよい。
【００２９】
第２の被覆層５４ｂは、Ｃｒ膜に換えて、ＴｉＮ（窒化チタン）、ＣｒＮ（窒化クロム）、Ｔｉ（チタン）、ＳｉＯ２（二酸化ケイ素）、ＳＩ３Ｎ４（窒化ケイ素）、Ａｌ２Ｏ３（酸化アルミナ）等の金属、金属窒化物または金属酸化物とすることもできる。緻密質でガス不透過なものであれば、いずれの金属、金属窒化物または金属酸化物に換えてもよい。なお、第２の被覆層５４ｂは第１の被覆層５４ａに対して密着性に優れたものが好ましい。Ｃｒ膜は第１の被覆層５４ａであるポリイミド膜に対して密着性に優れている。
【００３０】
また、第２の被覆層５４ｂは、第１の被覆層５４ａの機械的強度に比べて低い機械的強度となっているのが好ましい。本実施例の第２の被覆層５４ｂを構成するＣｒ膜の機械的強度は１０Ｍｐａ以下であり、第１の被覆層５４ａを構成するポリイミド膜の機械的強度は２００〜６００ＭＰａであることから、第２の被覆層５４ｂの機械的強度は第１の被覆層５４ａに比べて低くなっている。第２の被覆層５４ｂが低い機械的強度で済むことから、第２の被覆層５４ｂの厚さを薄くすることが可能である。なお、第１の被覆層５４ａへの第２の被覆層５４ｂの被覆方法は、上記気相成長法に限る必要もなく、それぞれの材料に適したものであればいずれの方法としてもよく、液相からの含浸法やスプレー法・固相粉末の電着法やフィルムのホットプレスあるいはこれらを組み合わせた方法としてもよい。
【００３１】
図１、図２に示すように、熱電対式温度センサ５０は、カソード１５を構成する触媒電極１５ａとガス拡散電極１５ｂとの間に設けられている。詳細には、熱電対素線５１，５２の接合点５３がカソード１５の面方向の中心付近に位置するように、触媒電極１５ａとガス拡散電極１５ｂとの間に設けられている。
【００３２】
被覆層５４により覆われた熱電対素線５１，５２の全体の直径Ｄ（図３参照、すなわち外径）は、熱電対式温度センサ５０が存在しない領域での触媒電極１５ａとガス拡散電極１５ｂとの間の密着を妨害しない程度であることが好ましい。この程度は、ガス拡散電極１５ｂの柔軟性に依存するが、ガス拡散電極１４ｂ，１５ｂがカーボンクロスである場合には、直径Ｄがガス拡散電極１５ｂの厚さの１／３以下であれば触媒電極１５ａとガス拡散電極１５ｂとの間の密着を妨害することはない。すなわち、被覆層５４により覆われた熱電対素線５１，５２の全体の直径Ｄが、ガス拡散電極１５ｂの厚さに比較して十分に小さいときには、熱電対素線５１，５２は、ガス拡散電極１５ｂに十分に埋没して、触媒電極１５ａとガス拡散電極１５ｂとの間の密着を妨害することはない。
【００３３】
ガス拡散電極１４ｂ，１５ｂがカーボンペーパにより形成されている場合には、直径Ｄがガス拡散電極１５ｂの厚さの１／５以下であれば触媒電極１５ａとガス拡散電極１５ｂとの間の密着を妨害することはない。なお、触媒電極１５ａとガス拡散電極１５ｂとの間の密着が一部領域で妨害されてもよい場合には、上記の直径Ｄとガス拡散電極１５ｂの厚さとの関係は不要で、直径Ｄを上記関係以上に大きくすることも可能である。
【００３４】
３．燃料電池システムの構成：
図４は、上述した熱電対式温度センサ５０が装着された燃料電池１０を搭載する燃料電池システム１００の概略構成を示すブロック図である。この燃料電池システム１００は電気自動車用として構成される。図示するように、燃料電池システム１００は、上述した熱電対式温度センサ５０が装着された燃料電池１０を備える。また、燃料電池１０の周辺装置として、水素供給装置１１０、ブロワ１２０、冷却装置１３０を備えている。
【００３５】
水素供給装置１１０は、内部に水素を貯蔵し、水素ガスを燃料ガスとして燃料電池１０のアノードに供給する装置である。例えば、水素供給装置１１０は、水素ボンベや、水素吸蔵合金を内部に有する水素タンクを備えることとすればよい。また、燃料電池１０のカソードには、ブロワ１２０が取り込んだ空気が、酸化ガスとして供給される。
【００３６】
冷却装置１３０は、燃料電池１０内部を通過するように形成された冷却水流路１３２と、ラジエータ１３４と、ポンプ１３６とを備えている。ポンプ１３６を駆動することで、冷却水流路１３２内で冷却水を循環させることができる。燃料電池１０では、電気化学反応の進行と共に熱が生じるため、発電中は、燃料電池１０内に冷却水を循環させ、この冷却水をラジエータ１３４で冷却することによって、燃料電池１０の内部温度を所定の範囲内に保つ。
【００３７】
燃料電池システム１００は、燃料電池１０の他に、補助電源としての２次電池（バッテリ）１４０を備えている。２次電池１４０は、ＤＣ／ＤＣコンバータ１５０を介して燃料電池１０と並列に接続されている。インバータ１６０は、これらの直流電源から三相交流電源を生成して、車両駆動用のモータ１７０に供給し、モータ１７０の回転数とトルクとを制御する。
【００３８】
燃料電池システム１００は、電子制御ユニット１８０を備える。電子制御ユニット１８０は、マイクロコンピュータを中心とした論理回路として構成され、燃料電池システム１００の各部の動きを制御している。すなわち、電気自動車に設けられた種々のセンサやスイッチから信号を受信すると共に、水素供給装置１１０、ブロワ１２０やポンプ１３６に制御信号を出力して、燃料電池１０の運転を制御し、あるいはＤＣ／ＤＣコンバータ１５０やインバータ１６０に制御信号を出力して、モータ１７０の運転を制御する。
【００３９】
電子制御ユニット１８０には、前述した熱起電力測定回路５７が電気的に接続されている。電子制御ユニット１８０は、熱起電力測定回路５７により測定された燃料電池１０の温度Ｔを取り込み、燃料電池１０の運転制御の一つとして、異常高温防止制御を行なう。異常高温防止制御は、上記取り込んだ燃料電池１０の温度Ｔが所定値Ｔ０（例えば、８０℃）を超えるか否かを判定して、超えると判定されたときに、次の（ａ）〜（ｃ）の少なくとも一つを実行することにより、燃料電池１０の温度を低下させる処理を行う。
【００４０】
（ａ）ＤＣ／ＤＣコンバータ１５０に制御信号を出力して、モータ１７０の出力トルクを低下させる処理を行う。これによって、燃料電池１０の負荷が低下することになり、燃料電池１０の温度が低下する。
【００４１】
（ｂ）冷却装置１３０の備えるポンプ１３６に制御信号を出力して、冷却水の流量を増加する処理を行う。これにより、燃料電池１０の温度が低下する。また、冷却装置１３０の備えるラジエータ１３４に制御信号を出力して、ラジエータの備える冷却ファンの回転速度を高めることにより、冷却の程度を高めて燃料電池１０の温度を低下する構成としてもよい。
【００４２】
（ｃ）水素供給装置１１０の供給量を増加する処理を行う。これにより、ガスで持ち去る顕熱が増加し、燃料電池１０の温度が低下する。また、ブロワ１２０に制御信号を出力して、燃料電池１０に供給する空気を増量する構成としてもよい。
【００４３】
４．作用効果：
以上のように構成された本実施例の熱電対式温度センサ５０によれば、外側に位置する第２の被覆層５４ｂは、緻密質でガス不透過であることからガスの侵入を防止する。このために、熱電対式温度センサ５０は、ガス・水分・酸に対して耐性が高いものとなる。一方、内側に位置する第１の被覆層５４ａは、熱電対素線５１，５２を電気的に絶縁するとともに、燃料電池１０の動作温度下で３．０ＭＰａの応力を受けても損傷しない程度の機械的強度を維持する。従来のシース型の熱電対式温度センサでは、シースと素線との間に充填される無機絶縁物は、粉末状であり、センサ全体の強度に寄与することはなく、センサ全体はシースで強度を維持している。これに対して、熱電対式温度センサ５０は、前述したように、第１の被覆層５４ａにより高強度を維持することができることから、シースに対応する第２の被覆層５４ｂは強度が低くてもよい。このために、第２の被覆層５４ｂを従来の熱電対式温度センサのシースと比べて薄くすることができる。
【００４４】
したがって、本実施例の熱電対式温度センサ５０では、第２の被覆層５４ｂが薄くて済むことから、第１の被覆層５４ａおよび第２の被覆層５４ｂで覆われた全体の外形が小さいものとなる。この結果、燃料電池１０の発電反応部へのガスの流れを阻害したり、生成水の排出を阻害したりすることがないことから、燃料電池１０の発電性能の悪化を防止することができる。また、全体の外径が小さいものとなると周辺部分の温度を低下させることが少ないことから、温度の検出精度を向上することができる。
【００４５】
また、本実施例の熱電対式温度センサ５０を装着した燃料電池１０を備える燃料電池システム１００においては、燃料電池１０の温度を高精度に検出することができることから、異常高温防止を正確に、しかも応答性よく行うことができ、この結果、発電効率の向上、燃料電池の耐久性の向上を図ることができる。
【００４６】
５．他の実施形態：
なお、この発明は前記実施例やその変形例に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の態様において実施することが可能であり、例えば次のような変形も可能である。
【００４７】
（１）第１変形例：
前記実施例やその変形例では、第２の被覆層５４ｂは、金属、金属窒化物または金属酸化物としていたが、これに換えて、樹脂とすることもできる。
【００４８】
図５は、第１変形例としての熱電対式温度センサ２５０の断面図である。図示するように、熱電対式温度センサ２５０は、熱電対素線２５１，２５２を有し、熱電対素線２５１，２５２を被覆層２５４に被覆した構成である。熱電対素線２５１，２５２は第１実施例の熱電対素線５１，５２と同一である。被覆層２５４は、熱電対素線２５１，２５２の外周を被覆する第１の被覆層２５４ａと、第１の被覆層２５４ａの外周をさらに被覆する第２の被覆層２５４ｂとから構成される。第１の被覆層２５４ａは、第１実施例と同じポリイミド膜である。
【００４９】
第２の被覆層２５４ｂは、パリレン膜である。パリレン膜は、パラキシリレン系樹脂により形成されたコーティング膜で、ガス不透過性、電気絶縁性、耐熱性の点に優れていることから、第２の被覆層２５４ｂとして用いた。こうした構成の第１変形例によれば、前記実施例と同様に、外形を小さいものとすることができ、これにより、燃料電池１０の発電性能の悪化を防止するとともに、温度の検出精度を向上することができる。なお、第２の被覆層２５４ｂは、バリレン膜に換えて、エポキシ膜、シリコーン膜等としてもよい。緻密質でガス不透過なものであれば、いずれの樹脂膜に換えてもよい。
【００５０】
（２）第２変形例：
前記実施例では、第１の被覆層５４ａは、燃料電池の動作温度下で３．０ＭＰａの応力を受けても損傷しない程度の機械的強度を維持し、その上で、第２の被覆層５４ｂは、第１の被覆層５４ａの機械的強度に比べて低い機械的強度となっていたが、これに換えて、第１の被覆層は、燃料電池の動作温度下で３．０ＭＰａを下回る機械的強度でありながら、第２の被覆層は、第１の被覆層よりも機械的強度が低い構成としてもよい。すなわち、第１の被覆層は、絶縁性を有するとともに、第２の被覆層よりも機械的強度が高い構成であれば、第１の被覆層の機械的強度の数値に制限されない構成とすることができる。この構成によっても、第１実施例と同様に、第２の被覆層の機械的強度を低くすることができることから、第２の被覆層を従来と比べて薄くすることができる。したがって、この第２変形例によっても、前記実施例と同様に、燃料電池の発電性能を悪化させることを防止すると共に検出精度の向上を図ることのできる効果を奏する。
【００５１】
（３）第３変形例：
また、前記実施例および各変形例とは異なる種類の燃料電池に本発明を適用することとしてもよい。例えば、ダイレクトメタノール型燃料電池に適用することができる。あるいは、固体高分子以外の電解質膜を有する燃料電池、例えば、溶融炭酸形燃料電池、リン酸形燃料電池等であってもよく、本発明を適用することで同様の効果が得られる。すなわち、第１の被覆層は、それぞれの燃料電池のタイプの動作温度下で３．０ＭＰａ以上の機械的強度、すなわち、３．０ＭＰａの応力を受けても損傷しない程度の機械的強度を有する構成としてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００５２】
【図１】本発明の一実施例としての熱電対式温度センサ５０を備える燃料電池１０を分解して表す説明図である。
【図２】図１のＡ−Ａ線矢視図である。
【図３】熱電対素線５１，５２を被覆する被覆層５４の断面図である。
【図４】熱電対式温度センサ５０が装着された燃料電池１０を搭載する燃料電池システム１００の概略構成を示すブロック図である。
【図５】第１変形例としての熱電対式温度センサ２５０の断面図である。
【符号の説明】
【００５３】
１０...燃料電池
１３...電解質膜
１４...アノード
１４ａ...触媒電極
１４ｂ...ガス拡散電極
１５...カソード
１５ａ...触媒電極
１５ｂ...ガス拡散電極
１６...セパレータ
１６ａ...単電池内燃料ガス流路
１７...セパレータ
１７ａ...単電池内酸化ガス流路
５０...熱電対式温度センサ
５１，５２...熱電対素線
５３...接合点
５４...被覆層
５４ａ...第１の被覆層
５４ｂ...第２の被覆層
５６...導線
５７...熱起電力測定回路
１００...燃料電池システム
１１０...水素供給装置
１２０...ブロワ
１３０...冷却装置
１３２...冷却水流路
１３４...ラジエータ
１３６...ポンプ
１６０...インバータ
１７０...モータ
１８０...電子制御ユニット
２５０...熱電対式温度センサ
２５１，２５２...熱電対素線
２５４...被覆層
２５４ａ...第１の被覆層
２５４ｂ...第２の被覆層
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池に用いられる燃料電池用温度センサに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、燃料電池に内蔵される温度センサとして熱電対式のものが知られている。熱電対式の温度センサとしては、耐熱合金であるシースの内部にマグネシアなどの無機絶縁物を充填して熱電対線を配置したシース型のものがある（例えば、特許文献１，２）。
【０００３】
【特許文献１】特開２００６−４７２６１号公報
【特許文献２】特開２００６−４７２２０号公報
【０００４】
しかしながら、上記シース型の熱電対式温度センサは、シースを備えていることから外形が大きく、このために次の問題を備えていた。まず第１に、外形が大きいと、燃料電池の発電反応部へのガスの流れを阻害したり、生成水の排出を阻害したりすることから、燃料電池の発電性能を悪化させるという問題を発生した。第２に、外形が大きいと、シースは金属材料であることからその周辺部分の温度を低下させ、本来得るべき温度を高精度に検出することができないという問題を発生した。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明は、上述した従来の課題を解決するためになされたものであり、外形を小さくして、燃料電池の発電性能を悪化させることを防止すると共に検出精度の向上を図ることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
前記目的を達成するために、本発明の第１の燃料電池用温度センサは、
燃料電池に用いられる温度センサであって、
熱電対を構成する素線と、
前記素線の外周を被覆する第１の被覆層と、
前記第１の被覆層の外周を被覆する第２の被覆層と
を備え、
前記第１の被覆層は、絶縁性を有するとともに、前記燃料電池の動作温度下で３．０ＭＰａの応力を受けても損傷しない程度の機械的強度を有し、
前記第２の被覆層は、緻密質でガス不透過である
ことを特徴としている。
【０００７】
前記構成の燃料電池用温度センサによれば、外側に位置する第２の被覆層は、緻密質でガス不透過であることからガスの侵入を防止する。内側に位置する第１の被覆層は、熱電対を構成する素線を電気的に絶縁するとともに、燃料電池の動作温度下で３．０ＭＰａの応力を受けても損傷しない程度の高い強度（ここで言う「強度」は機械的強度であり、以下、単に「強度」と言うときは、機械的強度を意味する）を有する。従来のシース型の熱電対式温度センサでは、シースと素線との間に充填される無機絶縁物は、粉末状であり、センサ全体の強度に寄与することはなく、センサ全体はシースで強度を維持している。これに対して、本発明の第１の燃料電池用温度センサは、前述したように、第１の被覆層により高強度を維持することができることから、シースに対応する第２の被覆層は強度が低くてもよい。このために、第２の被覆層を従来の熱電対式温度センサのシースと比べて薄くすることができる。換言すれば、第１の被覆層に強度を担う役割を持たせることで、第２の被覆層を薄くすることができる。第１の被覆層については、従来、無機絶縁物が充填されており、強度を高めても厚さはそれほど変わらなくて済む。
【０００８】
したがって、本発明の第１の燃料電池用温度センサでは、第２の被覆層が薄くて済むことから、第１の被覆層および第２の被覆層で覆われた全体の外形が小さいものとなる。この結果、燃料電池の発電反応部へのガスの流れを阻害したり、生成水の排出を阻害したりすることがないことから、燃料電池の発電性能の悪化を防止することができる。また、全体の外径が小さいものとなると周辺部分の温度を低下させることが少ないことから、温度の検出精度を向上することができる。
【０００９】
前記第１の被覆層は、樹脂製としてもよい。これにより、絶縁性を実現することが容易である。また、前記第１の被覆層は、ポリイミド膜としてもよい。ポリイミドは、高い耐熱性を誇る上、機械的強度や電気絶縁性に優れた材料であることから、第１の被覆層として最適である。
【００１０】
前記第２の被覆層は、前記第１の被覆層よりも機械的強度が低い構成としてもよい。低い機械的強度で済むということは、第２の被覆層５４ｂの厚さを薄くすることが可能であるということである。したがって、燃料電池用温度センサ全体をより小さいものとすることができる。
【００１１】
前記第２の被覆層は、クロム膜としてもよい。クロムは、化学的に安定であり耐食性に優れていることから、第２の被覆層を外側面としたときに第２の被覆層として最適である。また、前記第２の被覆層は、パリレン膜としてもよい。
【００１２】
本発明の第２の燃料電池用温度センサは、
燃料電池に用いられる温度センサであって、
熱電対を構成する素線と、
前記素線の外周を被覆する第１の被覆層と、
前記第１の被覆層の外周を被覆する第２の被覆層と
を備え、
前記第１の被覆層は、絶縁性を有するとともに、前記第２の被覆層よりも高い機械的強度を有し、
前記第２の被覆層は、緻密質でガス不透過である
燃料電池用温度センサ。
ことを特徴としている。
【００１３】
前記構成の燃料電池用温度センサによれば、外側に位置する第２の被覆層は、緻密質でガス不透過であることからガスの侵入を防止する。内側に位置する第１の被覆層は、熱電対を構成する素線を電気的に絶縁するとともに第２の被覆層よりも高い強度を有する。従来のシース型の熱電対式温度センサでは、シースと素線との間に充填される無機絶縁物は、粉末状であり、センサ全体の強度に寄与することはなく、センサ全体はシースで強度を維持している。これに対して、本発明の第２の燃料電池用温度センサは、前述したように、第１の被覆層により高強度を維持することができ、シースに対応する第２の被覆層は強度が低い。このために、第２の被覆層を従来の熱電対式温度センサのシースと比べて薄くすることができる。換言すれば、第１の被覆層に強度を担う役割を持たせることで、第２の被覆層を薄くすることができる。第１の被覆層については、従来、無機絶縁物が充填されており、強度を高めても厚さはそれほど変わらなくて済む。
【００１４】
したがって、本発明の第２の燃料電池用温度センサでは、本発明の第１の燃料電池用温度センサと同様に、燃料電池の発電性能を悪化させることを防止すると共に検出精度の向上を図ることのできる効果を奏する。
【００１５】
前述した第１または第２の燃料電池用温度センサにおいて、ガス拡散層がカーボンクロスにより形成されている燃料電池にあってガス拡散層と触媒層との間に挟んだ状態で装着されるとともに、外径が、前記ガス拡散層の厚さの１／３以下の大きさである構成としてしてもよい。また、前述した第１または第２の燃料電池用温度センサにおいて、ガス拡散層がカーボンペーパにより形成されている燃料電池にあってガス拡散層と触媒層との間に挟んだ状態で装着されるとともに、外径が、前記ガス拡散層の厚さの１／５以下の大きさである構成としてしてもよい。
【００１６】
これらの構成によれば、燃料電池用温度センサは、ガス拡散層に十分に埋没して、触媒電極とガス拡散電極１５ｂとの間の密着を妨害することはない。したがって、燃料電池用温度センサを装着したことによる燃料電池性能の悪化を防止することができる。
【００１７】
この構成によれば、燃料電池用温度センサは、ガス拡散層に十分に埋没して、触媒電極１５ａとガス拡散電極１５ｂとの間の密着を妨害することはない。したがって、燃料電池用温度センサを装着したことによる燃料電池性能の悪化を防止することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
次に、本発明を実施するための最良の形態を、実施例を用いて以下に説明する。
【００１９】
１．燃料電池の全体構成：
図１は、本発明の一実施例としての燃料電池用温度センサを備える燃料電池１０を分解して表す説明図である。図２は、図１のＡ−Ａ線矢視図である。燃料電池１０は、固体高分子型燃料電池であって、図１では、縦断面が示されている。燃料電池１０は、主として、固体高分子電解質膜（以下、単に「電解質膜」と呼ぶ）１３の両面に電極１４，１５が配置された膜電極接合体(Membrane Electrode Assembly、以下ＭＥＡという)１２と、このＭＥＡ１２を両面から挟み込む一対のセパレータ１６，１７とを備えている。この燃料電池１０は、単電池と呼ばれるものであり起電力が０．６〜０．８Ｖ程度である。このため、例えば車両の駆動モータの供給電源として使用する場合には、多数の燃料電池１０を緊密に積層することで数百Ｖの直流電源とする。
【００２０】
ＭＥＡ１２は、電解質膜１３を二つの電極、つまり燃料極であるアノード１４と酸素極であるカソード１５とで挟みこんだものである。本実施例のＭＥＡ１２は、電解質膜１３の面積がアノード１４やカソード１５の面積よりも大きい。ここで、電解質膜１３は、湿潤状態で良好なプロトン伝導性を有する固体高分子材料で作製された膜であり、具体的にはフッ素系樹脂により形成された膜（デュポン社製のナフィオン膜等）などが挙げられる。
【００２１】
また、アノード１４及びカソード１５は、それぞれ触媒電極（触媒層）１４ａ，１５ａとガス拡散電極（ガス拡散層）１４ｂ，１５ｂとによって構成されている。触媒電極１４ａ，１５ａは、電解質膜１３に接触する側に位置し、白金微粒子を担持させた導電性カーボンブラックにより形成されている。一方、ガス拡散電極１４ｂ，１５ｂは、触媒電極１４ａ，１５ａに積層され、炭素繊維からなる糸で織成したカーボンクロスにより形成されている。なお、触媒電極１４ａ，１５ａに含まれる白金は、水素をプロトンと電子に分けるのを促進したり酸素とプロトンと電子から水を生成する反応を促進する作用を有するものであるが、同様の作用を有するものであれば白金以外のものを用いてもよい。また、ガス拡散電極１４ｂ，１５ｂは、カーボンクロスのほか、炭素繊維からなるカーボンペーパまたはカーボンフェルトによって形成してもよく、十分なガス拡散性および導電性を有していればよい。
【００２２】
一対のセパレータ１６，１７のそれぞれには、複数の凹部が形成されている。この凹部によってＭＥＡ１２との間に、電気化学反応に供される反応ガスの流路が形成される。すなわち、アノード１４側のセパレータ１６とＭＥＡ１２との間には、水素を含有する燃料ガスが通過する単電池内燃料ガス流路１６ａが形成される。また、カソード１５側のセパレータ１７とＭＥＡ１２との間には、空気などの酸素を含有する酸化ガスが通過する単電池内酸化ガス流路１７ａが形成される。
【００２３】
２．燃料電池用温度センサの構成：
こうした構成の燃料電池１０に燃料電池用温度センサとしての熱電対式温度センサ５０が装着される。熱電対式温度センサ５０は、熱電対を構成する一対の素線（以下、「熱電対素線」）５１，５２を接合し、略Ｕ字状となった全体を被覆層５４にて被覆したものである。図２中、５３は、熱電対素線５１，５２の接合点である。熱電対素線５１，５２は、導線５６，５７によって熱起電力測定回路５７と接続されている。熱起電力測定回路５７は、熱電対素線５１，５２の間の電位差（熱起電力）を測定する。
【００２４】
図３は、熱電対素線５１，５２を被覆する被覆層５４の断面図である。図示するように、被覆層５４は、熱電対素線５１，５２の外周を被覆する第１の被覆層５４ａと、第１の被覆層５４ａの外周をさらに被覆する第２の被覆層５４ｂとから構成される。
【００２５】
第１の被覆層５４ａは、ポリイミド膜により形成されており、絶縁性を有するとともに、固体高分子型である燃料電池１０の動作温度（−２０〜１２０℃）下で２００ＭＰａ以上の機械的強度を維持する構成となっている。２００ＭＰａ以上の機械的強度とは、２００ＭＰａの応力を受けても損傷しない程度の機械的強度である。ポリイミドは、高い耐熱性（５００℃まで）を誇る上、機械的強度（２００〜６００ＭＰａ）や電気絶縁性に優れた材料であることから、第１の被覆層５４ａとして用いた。
【００２６】
第２の被覆層５４ｂは、ガス不透過な緻密部材によって形成されており、具体的には、Ｃｒ（クロム）膜により形成されている。上記ポリイミド膜、Ｃｒ膜の被覆は気相成長法により行われる。
【００２７】
なお、第１の被覆層５４ａは、ポリイミド膜に換えて、ポリアセタール、ポリエチレン、ポリメチルペンテン、ポリエチレンテレフタレート、ポリカーボネート、パリレン、パリレンＨＴ、エポキシ変性シリコーン等の他の種類の樹脂製とすることもできる。また、樹脂製に限る必要もなく、酸化ジルコニア、酸化セリアなどのセラミック等であってもよい。要は、第１の被覆層５４ａは、絶縁性を有するとともに、固体高分子型である燃料電池１０の動作温度（−２０〜１２０℃）下で３．０ＭＰａの応力を受けても損傷しない程度の機械的強度を有する構成とすることができれば、いずれの材料を用いてもよい。ここで、損傷とは、破断や亀裂、摩耗等である。一般に燃料電池においては、セパレータとＭＥＡの間、ガス拡散電極と触媒電極との間等は、接触抵抗低減のため、１．５ＭＰａ程度の比較的高面圧を印加し、併せて電解質膜の膨潤や熱膨張等によりより高い応力がかかる。そこで、第１の被覆層５４ａは、絶縁性を有するとともに、燃料電池の動作温度下で３．０ＭＰａの応力を受けても損傷しない程度の機械的強度を有する構成とした。
【００２８】
なお、熱電対素線５１への第１の被覆層５４ａの被覆方法は、上記気相成長法に限る必要もなく、それぞれの材料に適したものであればいずれの方法としてもよく、液相からの含浸法やスプレー法・固相粉末の電着法やフィルムのホットプレスあるいはこれらを組み合わせた方法としてもよい。
【００２９】
第２の被覆層５４ｂは、Ｃｒ膜に換えて、ＴｉＮ（窒化チタン）、ＣｒＮ（窒化クロム）、Ｔｉ（チタン）、ＳｉＯ２（二酸化ケイ素）、ＳＩ３Ｎ４（窒化ケイ素）、Ａｌ２Ｏ３（酸化アルミナ）等の金属、金属窒化物または金属酸化物とすることもできる。緻密質でガス不透過なものであれば、いずれの金属、金属窒化物または金属酸化物に換えてもよい。なお、第２の被覆層５４ｂは第１の被覆層５４ａに対して密着性に優れたものが好ましい。Ｃｒ膜は第１の被覆層５４ａであるポリイミド膜に対して密着性に優れている。
【００３０】
また、第２の被覆層５４ｂは、第１の被覆層５４ａの機械的強度に比べて低い機械的強度となっているのが好ましい。本実施例の第２の被覆層５４ｂを構成するＣｒ膜の機械的強度は１０Ｍｐａ以下であり、第１の被覆層５４ａを構成するポリイミド膜の機械的強度は２００〜６００ＭＰａであることから、第２の被覆層５４ｂの機械的強度は第１の被覆層５４ａに比べて低くなっている。第２の被覆層５４ｂが低い機械的強度で済むことから、第２の被覆層５４ｂの厚さを薄くすることが可能である。なお、第１の被覆層５４ａへの第２の被覆層５４ｂの被覆方法は、上記気相成長法に限る必要もなく、それぞれの材料に適したものであればいずれの方法としてもよく、液相からの含浸法やスプレー法・固相粉末の電着法やフィルムのホットプレスあるいはこれらを組み合わせた方法としてもよい。
【００３１】
図１、図２に示すように、熱電対式温度センサ５０は、カソード１５を構成する触媒電極１５ａとガス拡散電極１５ｂとの間に設けられている。詳細には、熱電対素線５１，５２の接合点５３がカソード１５の面方向の中心付近に位置するように、触媒電極１５ａとガス拡散電極１５ｂとの間に設けられている。
【００３２】
被覆層５４により覆われた熱電対素線５１，５２の全体の直径Ｄ（図３参照、すなわち外径）は、熱電対式温度センサ５０が存在しない領域での触媒電極１５ａとガス拡散電極１５ｂとの間の密着を妨害しない程度であることが好ましい。この程度は、ガス拡散電極１５ｂの柔軟性に依存するが、ガス拡散電極１４ｂ，１５ｂがカーボンクロスである場合には、直径Ｄがガス拡散電極１５ｂの厚さの１／３以下であれば触媒電極１５ａとガス拡散電極１５ｂとの間の密着を妨害することはない。すなわち、被覆層５４により覆われた熱電対素線５１，５２の全体の直径Ｄが、ガス拡散電極１５ｂの厚さに比較して十分に小さいときには、熱電対素線５１，５２は、ガス拡散電極１５ｂに十分に埋没して、触媒電極１５ａとガス拡散電極１５ｂとの間の密着を妨害することはない。
【００３３】
ガス拡散電極１４ｂ，１５ｂがカーボンペーパにより形成されている場合には、直径Ｄがガス拡散電極１５ｂの厚さの１／５以下であれば触媒電極１５ａとガス拡散電極１５ｂとの間の密着を妨害することはない。なお、触媒電極１５ａとガス拡散電極１５ｂとの間の密着が一部領域で妨害されてもよい場合には、上記の直径Ｄとガス拡散電極１５ｂの厚さとの関係は不要で、直径Ｄを上記関係以上に大きくすることも可能である。
【００３４】
３．燃料電池システムの構成：
図４は、上述した熱電対式温度センサ５０が装着された燃料電池１０を搭載する燃料電池システム１００の概略構成を示すブロック図である。この燃料電池システム１００は電気自動車用として構成される。図示するように、燃料電池システム１００は、上述した熱電対式温度センサ５０が装着された燃料電池１０を備える。また、燃料電池１０の周辺装置として、水素供給装置１１０、ブロワ１２０、冷却装置１３０を備えている。
【００３５】
水素供給装置１１０は、内部に水素を貯蔵し、水素ガスを燃料ガスとして燃料電池１０のアノードに供給する装置である。例えば、水素供給装置１１０は、水素ボンベや、水素吸蔵合金を内部に有する水素タンクを備えることとすればよい。また、燃料電池１０のカソードには、ブロワ１２０が取り込んだ空気が、酸化ガスとして供給される。
【００３６】
冷却装置１３０は、燃料電池１０内部を通過するように形成された冷却水流路１３２と、ラジエータ１３４と、ポンプ１３６とを備えている。ポンプ１３６を駆動することで、冷却水流路１３２内で冷却水を循環させることができる。燃料電池１０では、電気化学反応の進行と共に熱が生じるため、発電中は、燃料電池１０内に冷却水を循環させ、この冷却水をラジエータ１３４で冷却することによって、燃料電池１０の内部温度を所定の範囲内に保つ。
【００３７】
燃料電池システム１００は、燃料電池１０の他に、補助電源としての２次電池（バッテリ）１４０を備えている。２次電池１４０は、ＤＣ／ＤＣコンバータ１５０を介して燃料電池１０と並列に接続されている。インバータ１６０は、これらの直流電源から三相交流電源を生成して、車両駆動用のモータ１７０に供給し、モータ１７０の回転数とトルクとを制御する。
【００３８】
燃料電池システム１００は、電子制御ユニット１８０を備える。電子制御ユニット１８０は、マイクロコンピュータを中心とした論理回路として構成され、燃料電池システム１００の各部の動きを制御している。すなわち、電気自動車に設けられた種々のセンサやスイッチから信号を受信すると共に、水素供給装置１１０、ブロワ１２０やポンプ１３６に制御信号を出力して、燃料電池１０の運転を制御し、あるいはＤＣ／ＤＣコンバータ１５０やインバータ１６０に制御信号を出力して、モータ１７０の運転を制御する。
【００３９】
電子制御ユニット１８０には、前述した熱起電力測定回路５７が電気的に接続されている。電子制御ユニット１８０は、熱起電力測定回路５７により測定された燃料電池１０の温度Ｔを取り込み、燃料電池１０の運転制御の一つとして、異常高温防止制御を行なう。異常高温防止制御は、上記取り込んだ燃料電池１０の温度Ｔが所定値Ｔ０（例えば、８０℃）を超えるか否かを判定して、超えると判定されたときに、次の（ａ）〜（ｃ）の少なくとも一つを実行することにより、燃料電池１０の温度を低下させる処理を行う。
【００４０】
（ａ）ＤＣ／ＤＣコンバータ１５０に制御信号を出力して、モータ１７０の出力トルクを低下させる処理を行う。これによって、燃料電池１０の負荷が低下することになり、燃料電池１０の温度が低下する。
【００４１】
（ｂ）冷却装置１３０の備えるポンプ１３６に制御信号を出力して、冷却水の流量を増加する処理を行う。これにより、燃料電池１０の温度が低下する。また、冷却装置１３０の備えるラジエータ１３４に制御信号を出力して、ラジエータの備える冷却ファンの回転速度を高めることにより、冷却の程度を高めて燃料電池１０の温度を低下する構成としてもよい。
【００４２】
（ｃ）水素供給装置１１０の供給量を増加する処理を行う。これにより、ガスで持ち去る顕熱が増加し、燃料電池１０の温度が低下する。また、ブロワ１２０に制御信号を出力して、燃料電池１０に供給する空気を増量する構成としてもよい。
【００４３】
４．作用効果：
以上のように構成された本実施例の熱電対式温度センサ５０によれば、外側に位置する第２の被覆層５４ｂは、緻密質でガス不透過であることからガスの侵入を防止する。このために、熱電対式温度センサ５０は、ガス・水分・酸に対して耐性が高いものとなる。一方、内側に位置する第１の被覆層５４ａは、熱電対素線５１，５２を電気的に絶縁するとともに、燃料電池１０の動作温度下で３．０ＭＰａの応力を受けても損傷しない程度の機械的強度を維持する。従来のシース型の熱電対式温度センサでは、シースと素線との間に充填される無機絶縁物は、粉末状であり、センサ全体の強度に寄与することはなく、センサ全体はシースで強度を維持している。これに対して、熱電対式温度センサ５０は、前述したように、第１の被覆層５４ａにより高強度を維持することができることから、シースに対応する第２の被覆層５４ｂは強度が低くてもよい。このために、第２の被覆層５４ｂを従来の熱電対式温度センサのシースと比べて薄くすることができる。
【００４４】
したがって、本実施例の熱電対式温度センサ５０では、第２の被覆層５４ｂが薄くて済むことから、第１の被覆層５４ａおよび第２の被覆層５４ｂで覆われた全体の外形が小さいものとなる。この結果、燃料電池１０の発電反応部へのガスの流れを阻害したり、生成水の排出を阻害したりすることがないことから、燃料電池１０の発電性能の悪化を防止することができる。また、全体の外径が小さいものとなると周辺部分の温度を低下させることが少ないことから、温度の検出精度を向上することができる。
【００４５】
また、本実施例の熱電対式温度センサ５０を装着した燃料電池１０を備える燃料電池システム１００においては、燃料電池１０の温度を高精度に検出することができることから、異常高温防止を正確に、しかも応答性よく行うことができ、この結果、発電効率の向上、燃料電池の耐久性の向上を図ることができる。
【００４６】
５．他の実施形態：
なお、この発明は前記実施例やその変形例に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の態様において実施することが可能であり、例えば次のような変形も可能である。
【００４７】
（１）第１変形例：
前記実施例やその変形例では、第２の被覆層５４ｂは、金属、金属窒化物または金属酸化物としていたが、これに換えて、樹脂とすることもできる。
【００４８】
図５は、第１変形例としての熱電対式温度センサ２５０の断面図である。図示するように、熱電対式温度センサ２５０は、熱電対素線２５１，２５２を有し、熱電対素線２５１，２５２を被覆層２５４に被覆した構成である。熱電対素線２５１，２５２は第１実施例の熱電対素線５１，５２と同一である。被覆層２５４は、熱電対素線２５１，２５２の外周を被覆する第１の被覆層２５４ａと、第１の被覆層２５４ａの外周をさらに被覆する第２の被覆層２５４ｂとから構成される。第１の被覆層２５４ａは、第１実施例と同じポリイミド膜である。
【００４９】
第２の被覆層２５４ｂは、パリレン膜である。パリレン膜は、パラキシリレン系樹脂により形成されたコーティング膜で、ガス不透過性、電気絶縁性、耐熱性の点に優れていることから、第２の被覆層２５４ｂとして用いた。こうした構成の第１変形例によれば、前記実施例と同様に、外形を小さいものとすることができ、これにより、燃料電池１０の発電性能の悪化を防止するとともに、温度の検出精度を向上することができる。なお、第２の被覆層２５４ｂは、バリレン膜に換えて、エポキシ膜、シリコーン膜等としてもよい。緻密質でガス不透過なものであれば、いずれの樹脂膜に換えてもよい。
【００５０】
（２）第２変形例：
前記実施例では、第１の被覆層５４ａは、燃料電池の動作温度下で３．０ＭＰａの応力を受けても損傷しない程度の機械的強度を維持し、その上で、第２の被覆層５４ｂは、第１の被覆層５４ａの機械的強度に比べて低い機械的強度となっていたが、これに換えて、第１の被覆層は、燃料電池の動作温度下で３．０ＭＰａを下回る機械的強度でありながら、第２の被覆層は、第１の被覆層よりも機械的強度が低い構成としてもよい。すなわち、第１の被覆層は、絶縁性を有するとともに、第２の被覆層よりも機械的強度が高い構成であれば、第１の被覆層の機械的強度の数値に制限されない構成とすることができる。この構成によっても、第１実施例と同様に、第２の被覆層の機械的強度を低くすることができることから、第２の被覆層を従来と比べて薄くすることができる。したがって、この第２変形例によっても、前記実施例と同様に、燃料電池の発電性能を悪化させることを防止すると共に検出精度の向上を図ることのできる効果を奏する。
【００５１】
（３）第３変形例：
また、前記実施例および各変形例とは異なる種類の燃料電池に本発明を適用することとしてもよい。例えば、ダイレクトメタノール型燃料電池に適用することができる。あるいは、固体高分子以外の電解質膜を有する燃料電池、例えば、溶融炭酸形燃料電池、リン酸形燃料電池等であってもよく、本発明を適用することで同様の効果が得られる。すなわち、第１の被覆層は、それぞれの燃料電池のタイプの動作温度下で３．０ＭＰａ以上の機械的強度、すなわち、３．０ＭＰａの応力を受けても損傷しない程度の機械的強度を有する構成としてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００５２】
【図１】本発明の一実施例としての熱電対式温度センサ５０を備える燃料電池１０を分解して表す説明図である。
【図２】図１のＡ−Ａ線矢視図である。
【図３】熱電対素線５１，５２を被覆する被覆層５４の断面図である。
【図４】熱電対式温度センサ５０が装着された燃料電池１０を搭載する燃料電池システム１００の概略構成を示すブロック図である。
【図５】第１変形例としての熱電対式温度センサ２５０の断面図である。
【符号の説明】
【００５３】
１０...燃料電池
１３...電解質膜
１４...アノード
１４ａ...触媒電極
１４ｂ...ガス拡散電極
１５...カソード
１５ａ...触媒電極
１５ｂ...ガス拡散電極
１６...セパレータ
１６ａ...単電池内燃料ガス流路
１７...セパレータ
１７ａ...単電池内酸化ガス流路
５０...熱電対式温度センサ
５１，５２...熱電対素線
５３...接合点
５４...被覆層
５４ａ...第１の被覆層
５４ｂ...第２の被覆層
５６...導線
５７...熱起電力測定回路
１００...燃料電池システム
１１０...水素供給装置
１２０...ブロワ
１３０...冷却装置
１３２...冷却水流路
１３４...ラジエータ
１３６...ポンプ
１６０...インバータ
１７０...モータ
１８０...電子制御ユニット
２５０...熱電対式温度センサ
２５１，２５２...熱電対素線
２５４...被覆層
２５４ａ...第１の被覆層
２５４ｂ...第２の被覆層
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池に用いられる温度センサであって、
熱電対を構成する素線と、
前記素線の外周を被覆する第１の被覆層と、
前記第１の被覆層の外周を被覆する第２の被覆層と
を備え、
前記第１の被覆層は、絶縁性を有するとともに、前記燃料電池の動作温度下で３．０ＭＰａの応力を受けても損傷しない程度の機械的強度を有し、
前記第２の被覆層は、緻密質でガス不透過である
燃料電池用温度センサ。
【請求項２】
前記第１の被覆層は、樹脂製である請求項１に記載の燃料電池用温度センサ。
【請求項３】
前記第１の被覆層は、ポリイミド膜である請求項１に記載の燃料電池用温度センサ。
【請求項４】
前記第２の被覆層は、前記第１の被覆層よりも機械的強度が低い構成である請求項１ないし３のいずれかに記載の燃料電池用温度センサ。
【請求項５】
前記第２の被覆層は、クロム膜である請求項１ないし３のいずれかに記載の燃料電池用温度センサ。
【請求項６】
前記第２の被覆層は、パリレン膜である請求項１ないし３のいずれかに記載の燃料電池用温度センサ。
【請求項７】
燃料電池に用いられる温度センサであって、
熱電対を構成する素線と、
前記素線の外周を被覆する第１の被覆層と、
前記第１の被覆層の外周を被覆する第２の被覆層と
を備え、
前記第１の被覆層は、絶縁性を有するとともに、前記第２の被覆層よりも高い機械的強度を有し、
前記第２の被覆層は、緻密質でガス不透過である
燃料電池用温度センサ。
【請求項８】
請求項１ないし７のいずれかに記載の燃料電池用温度センサであって、
ガス拡散層がカーボンクロスにより形成されている燃料電池にあってガス拡散層と触媒層との間に挟んだ状態で装着されるとともに、
外径が、前記ガス拡散層の厚さの１／３以下の大きさである
燃料電池用温度センサ。
【請求項９】
請求項１ないし７のいずれかに記載の燃料電池用温度センサであって、
ガス拡散層がカーボンペーパにより形成されている燃料電池にあってガス拡散層と触媒層との間に挟んだ状態で装着されるとともに、
外径が、前記ガス拡散層の厚さの１／５以下の大きさである
燃料電池用温度センサ。
【請求項１】
燃料電池に用いられる温度センサであって、
熱電対を構成する素線と、
前記素線の外周を被覆する第１の被覆層と、
前記第１の被覆層の外周を被覆する第２の被覆層と
を備え、
前記第１の被覆層は、絶縁性を有するとともに、前記燃料電池の動作温度下で３．０ＭＰａの応力を受けても損傷しない程度の機械的強度を有し、
前記第２の被覆層は、緻密質でガス不透過である
燃料電池用温度センサ。
【請求項２】
前記第１の被覆層は、樹脂製である請求項１に記載の燃料電池用温度センサ。
【請求項３】
前記第１の被覆層は、ポリイミド膜である請求項１に記載の燃料電池用温度センサ。
【請求項４】
前記第２の被覆層は、前記第１の被覆層よりも機械的強度が低い構成である請求項１ないし３のいずれかに記載の燃料電池用温度センサ。
【請求項５】
前記第２の被覆層は、クロム膜である請求項１ないし３のいずれかに記載の燃料電池用温度センサ。
【請求項６】
前記第２の被覆層は、パリレン膜である請求項１ないし３のいずれかに記載の燃料電池用温度センサ。
【請求項７】
燃料電池に用いられる温度センサであって、
熱電対を構成する素線と、
前記素線の外周を被覆する第１の被覆層と、
前記第１の被覆層の外周を被覆する第２の被覆層と
を備え、
前記第１の被覆層は、絶縁性を有するとともに、前記第２の被覆層よりも高い機械的強度を有し、
前記第２の被覆層は、緻密質でガス不透過である
燃料電池用温度センサ。
【請求項８】
請求項１ないし７のいずれかに記載の燃料電池用温度センサであって、
ガス拡散層がカーボンクロスにより形成されている燃料電池にあってガス拡散層と触媒層との間に挟んだ状態で装着されるとともに、
外径が、前記ガス拡散層の厚さの１／３以下の大きさである
燃料電池用温度センサ。
【請求項９】
請求項１ないし７のいずれかに記載の燃料電池用温度センサであって、
ガス拡散層がカーボンペーパにより形成されている燃料電池にあってガス拡散層と触媒層との間に挟んだ状態で装着されるとともに、
外径が、前記ガス拡散層の厚さの１／５以下の大きさである
燃料電池用温度センサ。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【公開番号】特開２００８−１８５４３７（Ｐ２００８−１８５４３７Ａ）
【公開日】平成２０年８月１４日（２００８．８．１４）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００７−１８６８４（Ｐ２００７−１８６８４）
【出願日】平成１９年１月３０日（２００７．１．３０）
【出願人】（０００００４６９５）株式会社日本自動車部品総合研究所 (1,981)
【出願人】（０００００３２０７）トヨタ自動車株式会社 (59,920)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２０年８月１４日（２００８．８．１４）
【国際特許分類】
【出願日】平成１９年１月３０日（２００７．１．３０）
【出願人】（０００００４６９５）株式会社日本自動車部品総合研究所 (1,981)
【出願人】（０００００３２０７）トヨタ自動車株式会社 (59,920)
【Ｆターム（参考）】
[ Back to top ]