(57)【要約】【課題】本発明は、燃料電池スタックにおける締結荷重の計測精度を向上させることを目的とする。【解決手段】燃料電池ユニットは、膜電極接合体を含む積層体を一対の押圧板により挟持してなる燃料電池スタックと、燃料電池スタックが設置される被設置部に燃料電池スタックを固定する固定部材と、固定部材に配置され、固定部材の歪みを検出する検出器と、を備える。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
歪みを検出する検出器であって、
膜電極接合体を含む積層体を一対の押圧板により挟持してなる燃料電池スタックを固定する固定部材に配置される検出器。
【請求項２】
燃料電池ユニットであって、
膜電極接合体を含む積層体を一対の押圧板により挟持してなる燃料電池スタックと、
前記燃料電池スタックが設置される被設置部に前記燃料電池スタックを固定する固定部材と、
前記固定部材に配置され、前記固定部材の歪みを検出する検出器と、を備える燃料電池ユニット。
【請求項３】
請求項２に記載の燃料電池ユニットにおいて、
前記固定部材は、前記押圧板の外周部と接続している燃料電池ユニット。
【請求項４】
請求項３に記載の燃料電池ユニットにおいて、
前記固定部材は、前記押圧板と前記固定部材とを接続する第１の締結部材を備え、
前記検出器は、前記第１の締結部材に設置されている燃料電池ユニット。
【請求項５】
請求項３または請求項４に記載の燃料電池ユニットにおいて、
前記固定部材は、前記被設置部と前記固定部材とを接続する第２の締結部材を備え、
前記検出器は、前記第２の締結部材に設置されている燃料電池ユニット。
【請求項６】
請求項２ないし請求項５に記載の燃料電池ユニットにおいて、
前記検出器は歪みゲージであり、
前記歪みゲージは、前記固定部材を介して対向する位置にそれぞれ設置されている燃料電池ユニット。
【請求項７】
燃料電池スタックの締結荷重を計測する方法であって、
膜電極接合体を含む積層体を一対の押圧板により挟持してなり、固定部材により被設置部に固定されている燃料電池スタックを準備する工程と、
前記固定部材に前記固定部材の歪みを検出する検出器を配置する工程と、
前記検出器により検出された歪みから前記燃料電池スタックの締結加重を計測する工程と、を備える燃料電池スタックの締結荷重の計測方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、歪みを検出する検出器および燃料電池ユニットに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、膜電極接合体を含む単位セルを複数積層した燃料電池スタックが知られている。この燃料電池スタックには、各構成部材間の接触抵抗を低減するため、エンドプレート等の押圧部材により積層方向に所定の締結荷重が加えられている。燃料電池スタックは、運転を継続すると、構成部材の熱膨張や電解質膜の膨潤により、加えられている締結荷重が変化し、発電領域において面圧が不均一になる等により、発電効率が低下する虞があった。そのため、締結荷重の状態を把握することは発電効率の低下を抑制する上で重要であり、締結荷重を計測するための方法として、燃料電池スタックの構成部材の歪みを利用した計測方法が知られている。（特許文献１）。
【０００３】
【特許文献１】特開２００４−１２７８０９号
【特許文献２】特開２００１−３２５９８５号
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかし、締結荷重を燃料電池スタックの構成部材の歪みに基づいて計測する場合、構成部材の歪みには、締結荷重の変化に伴うものだけではなく、発熱による構成部材の温度変化に起因するものも含まれることから、締結荷重の計測精度を低下させることがあった。
【０００５】
本発明は、上記した従来の課題の少なくとも一部を解決するためになされた発明であり、燃料電池スタックにおける締結荷重の計測精度を向上させることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記課題の少なくとも一部を解決するために本願発明は以下の態様を採る。
【０００７】
本発明の第１の態様は、歪みを検出する検出器を提供する。本発明の第１の態様に係る検出器は、膜電極接合体を含む積層体を一対の押圧板により挟持してなる燃料電池スタックを固定する固定部材に配置される。
【０００８】
本発明の第１の態様に係る検出器によれば、燃料電池スタックを固定する固定部材に配置されているため、構成部材内の温度差に起因する歪みの影響が抑制された歪みを検出することができ、締結荷重の計測精度を向上させることができる。
【０００９】
本発明の第２の態様は、燃料電池ユニットを提供する。本発明の第２の態様に係る燃料電池ユニットは、膜電極接合体を含む積層体を一対の押圧板により挟持してなる燃料電池スタックと、前記燃料電池スタックが設置される被設置部に前記燃料電池スタックを固定する固定部材と、前記固定部材に配置され、前記固定部材の歪みを検出する検出器と、を備える。
【００１０】
本発明の第２の態様に係る燃料電池ユニットによれば、検出器が固定部材に配置されているため、構成部材内の温度差に起因する歪みの影響が抑制された歪みを出力することができ、締結荷重の計測精度を向上させることができる。
【００１１】
本発明の第２の態様に係る燃料電池ユニットにおいて、前記固定部材は、前記押圧板の外周部と接続していてもよい。この場合、構成部材内の温度差に起因する歪みの影響が抑制され、燃料電池スタックの締結荷重に起因する歪みの影響が良好に反映された歪みを出力することができるため、締結荷重の計測精度を向上させることができる。
【００１２】
本発明の第２の態様に係る燃料電池ユニットにおいて、前記固定部材は、前記押圧板と前記固定部材とを接続する第１の締結部材を備え、前記検出器は、前記第１の締結部材に設置されていてもよい。この場合、第１の締結部材の歪みを出力することにより、良好に締結荷重を計測することができる。
【００１３】
本発明の第２の態様に係る燃料電池ユニットにおいて、前記固定部材は、前記被設置部と前記固定部材とを接続する第２の締結部材を備え、前記検出器は、前記第２の締結部材に設置されていてもよい。この場合、第２の締結部材の歪みを出力することにより、良好に締結荷重を計測することができる。
【００１４】
本発明の第２の態様に係る燃料電池ユニットにおいて、前記検出器は歪みゲージであり、前記歪みゲージは、前記固定材を介して対向する位置にそれぞれ設置されていてもよい。この場合、固定部材の歪みの検出精度を向上させ、良好に締結荷重の計測することができる。
【００１５】
なお、本発明は、種々の形態で実現することが可能であり、例えば、燃料電池ユニットを備える燃料電池システム、その燃料電池システムを搭載した移動体等の形態で実現できるほか、適宜、組合せたり、一部を省略して適用することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
以下、本発明に係る燃料電池について、図面を参照しつつ、実施例に基づいて説明する。
【００１７】
Ａ．第１の実施例
Ａ１．燃料電池ユニットの構成：
図１は、本発明の第１の実施例に係る燃料電池ユニットの概略構成を例示した説明図である。本実施例に係る燃料電池ユニット１０は、燃料電池スタック１００と、燃料電池ケース１５０と、マウント部１６０と、歪みゲージ２００とを備える。燃料電池ユニット１０は、例えば、燃料電池車等に搭載され、燃料電池車に電力を供給するユニットとして用いられる。
【００１８】
燃料電池スタック１００は、水素および空気の供給を受け電気化学反応により発電する固体高分子型の燃料電池を構成する。燃料電池スタック１００は、積層体１１０と、エンドプレート１３０と、締結ボルト１４０と、テンションシャフト１４５とを備える。本実施例では、燃料電池スタック１００は、固体高分子型燃料電池としたが、これ以外の燃料電池であってもよい。
【００１９】
積層体１１０は、燃料電池セル１２０を複数積層した構成を備える。燃料電池セル１２０は、電解質膜１２１の両面にアノードおよびカソードとして機能する触媒層１２２がそれぞれ配置されたＭＥＡ（Ｍｅｍｂｒａｎｅ‐Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ  Ａｓｓｅｍｂｌｙ：膜電極接合体）と、このＭＥＡの両側にそれぞれ配置された拡散層１２３と、さらに、この拡散層１２３の両側にそれぞれ配置されたセパレータ１２４により構成される。
【００２０】
電解質膜１２１は、フッ素系樹脂により形成された高分子電解質膜により形成されている。触媒層１２２は、触媒として白金および白金合金を担持したカーボン担体より形成されている。拡散層１２３は、カーボンペーパーにより形成されている。セパレータ１２４は、ＭＥＡにおいて発電された電気を集電する導電性部材であり、例えば、ステンレス鋼製の薄板により形成できる。燃料電池セル１２０の構成についてはこれに限られず、これと異なる構成であってもよい。また、積層体１１０は、構成の異なる２種類以上の燃料電池セル１２０を積層してもよい。
【００２１】
エンドプレート１３０は、積層体１１０における燃料電池セル１２０の積層方向（以後単に「積層方向」と呼ぶ）の両端にインシュレータ１２５およびターミナルプレート１２６を介して、それぞれ配置されている。エンドプレート１３０は、積層体１１０と突き合わせた際、外周部付近に積層体１１０と接触しないフランジ部１３２が形成されている。
【００２２】
積層体１１０の両端にそれぞれ配置されたエンドプレート１３０のフランジ部１３２間には、テンションシャフト１４５が積層方向に沿って配置されている。テンションシャフト１４５の両端は、フランジ部１３２を貫通した締結ボルト１４０により螺合されている。締結ボルト１４０を締めることで、エンドプレート１３０は、積層体１１０を両側から押圧し、積層方向に所定の締結荷重を加えた状態で積層体１１０を挟持する。
【００２３】
燃料電池ケース１５０は略筺形状を備え、内部に燃料電池スタック１００を格納している。本実施例では、燃料電池ケース１５０は、燃料電池スタック１００を設置する被設置部（底面）と燃料電池スタック１００を覆う被覆部（側面、上面）とが一体的な構成となっているが、別個の部材として構成してもよい。燃料電池ケース１５０は樹脂や金属等により形成することができる。
【００２４】
マウント部１６０は、ステンレス鋼等の金属やゴム等の絶縁弾性体の組み合わせにより構成されている。マウント部１６０は、積層体１１０の両端に配置されたエンドプレート１３０の下にそれぞれ配置されて燃料電池スタック１００を支持する架台部材である。また、マウント部１６０は、フランジ部１３２と接続することにより燃料電池スタック１００を燃料電池ケース１５０に固定する固定部材であり、燃料電池スタック１００と燃料電池ケース１５０とを絶縁している。マウント部１６０の構成については後に詳述する。マウント部１６０は特許請求の範囲における「固定部材」に該当する。
【００２５】
歪みゲージ２００は、薄板状のセンサでありマウント部１６０に配置されている。マウント部１６０における配置位置については後述する。歪みゲージ２００は、歪みゲージ２００はマウント部１６０に貼り付けられることでマウント部１６０に生じる歪みに追従して変形し、変形により内部の抵抗値を変化させる。歪みゲージ２００に接続されている導電線２０１から歪みゲージ２００に電圧を印加することで、この抵抗値の変化を検出し、その出力値によってマウント部１６０の歪み量を計測できる。
【００２６】
動歪測定回路２１０は、歪みゲージ２００と接続され、歪みゲージ２００の出力値からマウント部１６０の歪み量を計測する回路である。動歪測定回路２１０は一般に市販されている動歪測定器を用いることができる。
【００２７】
軸力演算回路２２０は、動歪測定回路２１０に接続され、動歪測定回路２１０から出力されたマウント部１６０の歪み量から燃料電池スタック１００の締結荷重を測定する。軸力演算回路２２０は、歪み量についての温度補正のために、テンションシャフト１４５や積層体１１０の温度を測定する温度センサと接続され、これらの温度情報が入力される構成としてもよい。なお、本実施例では、動歪測定回路２１０および軸力演算回路２２０は燃料電池ユニット１０と別の構成として表したが、燃料電池ユニット１０の一部として構成してもよい。
【００２８】
Ａ２．マウント部の構成：
図２は、マウント部の断面構成を例示した説明図である。図２に示すように、マウント部１６０は、第１マウント部材１６１と、第２マウント部材１６２と、第３マウント部材１６３と、第４マウント部材１６４と、エンドプレート固定ボルト１６５と、マウント固定ボルト１６６とを備える。本実施例では、第１マウント部材１６１および第３マウント部材１６３を金属とし、第２マウント部材１６２および第４マウント部材１６４を絶縁弾性体としているが、これに限らず、例えば、すべて絶縁弾性体により構成されていてもよい。第１マウント部材１６１、第２マウント部材１６２、第３マウント部材１６３および第４マウント部材１６４は、順に積層され、第１マウント部材１６１は、エンドプレート１３０のフランジ部１３２に形成された端面と当接し、第４マウント部材１６４は燃料電池ケース１５０の被設置部と当接している。
【００２９】
第１マウント部材１６１、第２マウント部材１６２、第３マウント部材１６３は、積層されることにより連通する中空部をそれぞれ有する。エンドプレート固定ボルト１６５は、この中空部分を貫通し、先端部がエンドプレート１３０に螺合される。これにより、第１マウント部材１６１、第２マウント部材１６２、第３マウント部材１６３はエンドプレート１３０に固定される。エンドプレート固定ボルト１６５は特許請求の範囲における「第１の締結部材」に該当する。
【００３０】
同様に、第３マウント部材１６３、第４マウント部材１６４は、積層されることにより連通する中空部をそれぞれ有する。マウント固定ボルト１６６は、この中空部分を貫通して先端部が第３マウント部材１６３上においてナットにより締結されている。これにより、第３マウント部材１６３、第４マウント部材１６４は、燃料電池ケース１５０に固定される。マウント固定ボルト１６６は特許請求の範囲における「第２の締結部材」に該当する。
【００３１】
上記により、燃料電池スタック１００は燃料電池ケース１５０に固定される。本実施例では、マウント固定ボルト１６６は、第３マウント部材１６３および第４マウント部材１６４と燃料電池ケース１５０とを固定するために用いられているが、さらに、燃料電池ケース１５０が設置される自動車のサイドフレームや、サイドフレームに渡されたクロスメンバを貫通することにより、燃料電池ケース１５０とこれらとを固定していてもよい。
【００３２】
Ａ３．歪みゲージの配置位置：
歪みゲージ２００は、エンドプレート固定ボルト１６５およびマウント固定ボルト１６６に２つずつ配置されている。この２つの歪みゲージ２００は、それぞれエンドプレート固定ボルト１６５およびマウント固定ボルト１６６を介して、積層方向で対向するように配置されている。エンドプレート固定ボルト１６５およびマウント固定ボルト１６６にそれぞれ配置された２つの歪みゲージ２００のうち、積層体１１０に近い方を内側歪みゲージ２００ａと呼び、積層体１１０から遠い方を外側歪みゲージ２００ｂと呼ぶ。歪みゲージ２００は、エンドプレート固定ボルト１６５およびマウント固定ボルト１６６の軸線方向における伸縮が検出できる向きに配置される。なお、本実施例では、歪みゲージ２００は、エンドプレート固定ボルト１６５およびマウント固定ボルト１６６に２つずつ配置されているが、配置される数は２つに限られず、またエンドプレート固定ボルト１６５およびマウント固定ボルト１６６で配置される数が異なっていてもよい。また、エンドプレート固定ボルト１６５およびマウント固定ボルト１６６のいずれか一方のみに配置してもよい。
【００３３】
Ａ４．締結荷重の計測：
図３は、マウント部に歪みが生じた状態を示す説明図である。電解質膜１２１は、発電を継続することにより、膨潤して膜厚が増加する。そのため、積層体１１０は積層方向に膨張し、エンドプレート１３０は、積層体１１０と接触する中央部において、燃料電池スタック１００の外側に向かって湾曲する。この際、エンドプレート固定ボルト１６５は、接続されているエンドプレート１３０から燃料電池スタック１００の外側に向かう応力Ｆを受ける。
【００３４】
応力Ｆを受けると、エンドプレート固定ボルト１６５の断面において、積層体１１０側では軸線方向に沿って引張力が生じ、反対側では圧縮力が生じる。よって、内側歪みゲージ２００ａでは引張による歪みが検出され、外側歪みゲージ２００ｂでは圧縮による歪みが検出される。また、マウント固定ボルト１６６についても、エンドプレート固定ボルト１６５が応力Ｆを受けると曲げ応力が生じ、エンドプレート固定ボルト１６５と同様に、内側歪みゲージ２００ａでは引張による歪みが検出され、外側歪みゲージ２００ｂでは圧縮による歪みが検出される。
【００３５】
エンドプレート固定ボルト１６５およびマウント固定ボルト１６６にそれぞれ配置された内側歪みゲージ２００ａおよび外側歪みゲージ２００ｂから検出された歪み量に基づき、エンドプレート固定ボルト１６５およびマウント固定ボルト１６６にかかる軸方向の力（引張応力、圧縮応力）をキャンセルして燃料電池スタック１００の締結荷重を計測することができる。
【００３６】
Ａ５．熱の伝達：
燃料電池セル１２０は、発電時には高温（例えば１００°Ｃ）となるため、エンドプレート１３０においても積層体１１０に近い領域ほど高温となる。積層体１１０から生じた熱はエンドプレート１３０の中心部からフランジ部１３２に移動し、フランジ部１３２からエンドプレート固定ボルト１６５に伝達する。また、マウント固定ボルト１６６は、さらに第３マウント部材１６３等を介して伝達される。そのため、エンドプレート固定ボルト１６５およびマウント固定ボルト１６６の温度変化は、エンドプレート１３０よりも小さく、温度変化により生じる歪みはエンドプレート１３０より小さい。
【００３７】
以上説明した第１の実施例に係る歪みゲージ２００によれば、燃料電池スタック１００を固定するマウント部１６０に配置されているため、部材内の温度差に起因する歪みの影響が抑制された歪みを検出することができ、燃料電池スタック１００の締結荷重の計測精度を向上させることができる。具体的には、マウント部１６０は、燃料電池スタック１００の発熱の影響を受けにくく、温度差に起因する歪みの影響が抑制されている。そのため、燃料電池スタック１００の締結荷重の変化に起因する歪みを良好に検出することができ、燃料電池スタック１００の締結荷重の計測精度を向上させることができる。
【００３８】
また、部材内の温度差に起因する歪みの影響が抑制された歪みを検出することができるため、温度補正のためのセンサ等を用いなくても燃料電池スタック１００の締結荷重を計測でき、計測のための装置を簡略化することができる。
【００３９】
第１の実施例に係る燃料電池ユニット１０によれば、マウント部１６０に歪みゲージ２００が配置されているため、燃料電池スタック１００の締結荷重の変化に起因する歪を良好に出力することができ、締結荷重の計測精度を向上させることができる。具体的には、燃料電池の運転時においてマウント部１６０は、温度差に起因する歪みが抑制されている。そのため、マウント部１６０に歪みゲージ２００を配置することで燃料電池スタック１００の締結荷重の変化に起因する歪を良好に出力することができる。
【００４０】
第１の実施例に係る燃料電池ユニット１０によれば、歪みゲージ２００が配置されたマウント部１６０はエンドプレート１３０のフランジ部１３２に接続されているため、発熱部分からの距離を確保できるとともに、積層体１１０の両端に配置されたエンドプレート１３０に接続することにより、積層体１１０の締結荷重の変化に起因して良好に歪みが生じるため、燃料電池スタック１００の締結荷重の計測精度を向上させることができる。
【００４１】
第１の実施例に係る燃料電池ユニット１０によれば、歪みゲージ２００はエンドプレート固定ボルト１６５もしくはマウント固定ボルト１６６に配置されているため、良好に締結荷重を計測することができる。具体的には、ボルトは断面が比較的小さく、締結荷重に起因した応力に伴い良好に変形するため、歪みを検出しやすい。また、ボルトの表面上であればどこに配置してもよいため、配置する場所、個数の制約を受けにくい。さらに、燃料電池スタック１００を固定するためのボルトに貼るため、歪みゲージ２００を配置するための新たに部材を用意する必要がない。
【００４２】
第１の実施例に係る燃料電池ユニット１０によれば、歪みゲージ２００をエンドプレート固定ボルト１６５もしくはマウント固定ボルト１６６を介して対向する位置にそれぞれ配置しているため、良好に燃料電池スタック１００の締結荷重を計測することができる。具体的には、２つの歪みゲージ２００から検出された歪み量に基づき、エンドプレート固定ボルト１６５およびマウント固定ボルト１６６にかかる軸方向の力（引張応力、圧縮応力）をキャンセルできるためである。
【００４３】
Ｂ．変形例
なお、この発明は上記の実施例や実施形態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、例えば以下のような実施も可能である。
【００４４】
Ｂ１．変形例１：
図４は変形例に係るマウント部の断面構成を例示した説明図である。第１の実施例では、歪みゲージ２００はエンドプレート固定ボルト１６５およびマウント固定ボルト１６６に配置されているが、マウント部１６０上であれば、例えば、第１マウント部材１６１や第４マウント部材１６４等に配置してもよい。この場合であっても、燃料電池スタック１００の発熱の影響を受けにくく、温度差に起因する歪みの影響が抑制されている。また、積層体１１０の両端に配置されたエンドプレート１３０を介して積層体１１０の伸縮の影響を良好に受けることができ、燃料電池スタック１００の締結荷重の計測精度を向上させることができる。
【００４５】
Ｂ２．変形例２：
第１の実施例では、マウント部１６０は、エンドプレート１３０下に配置されるとしたが、これに限らず、例えば、テンションシャフト１４５下に配置されていてもよい。また、マウント部１６０は、エンドプレート固定ボルト１６５とマウント固定ボルト１６６の一方もしくは両方の代わりにロック機構等を備える構成としてもよい。
【００４６】
Ｂ３．変形例３：
第１の実施例では、マウント部１６０は、第１マウント部材１６１と、第２マウント部材１６２と、第３マウント部材１６３と、第４マウント部材１６４とを備えているが、これらの一部を備えない構成であってもよいし、または、他の部材を備える構成であってもよい。また、エンドプレート１３０下に配置されるマウント部１６０の数については、特に限定はなく、エンドプレート１３０ごとに１つ、もしくは２つであってもよいし、１つのマウント部１６０により両端のエンドプレート１３０が接続されていてもよい。
【００４７】
Ｂ４．変形例４
第１の実施例では、説明されていないが、燃料電池ユニット１０は、さらに、締結荷重を制御可能な電動アクチュエータと、燃料電池スタック１００に予め対応して設定された軸力の適正値が記憶された比較回路とを備え、測定された締結荷重と適正値とを比較し、締結荷重が所定となるように電動アクチュエータにより制御する機能を備えていてもよい。これにより、例えば、発電領域における面圧の不均一等原因とした発電効率の低下を抑制できる。
【００４８】
Ｂ５．変形例５
本実施例では、本発明の実施例として燃料電池ユニット１０を用いて説明したが、他に、例えば、マウント部１６０に固定されている燃料電池スタック１００を準備する工程と、マウント部１６０に歪みゲージ２００を配置する工程と、前記ゲージ２００により検出された歪みから燃料電池スタック１００の締結加重を計測する工程と、を備える燃料電池スタック１００の締結荷重の計測方法や、この計測方法を用いる計測装置として実現することが可能である。
【００４９】
以上、本発明の実施例について説明したが、本発明はこれらの実施例に限定されず、その趣旨を逸脱しない範囲で種々の構成をとることができることは言うまでもない。
【図面の簡単な説明】
【００５０】
【図１】本発明の第１の実施例に係る燃料電池ユニットの概略構成を例示した説明図である。
【図２】マウント部の断面構成を例示した説明図である。
【図３】マウント部に歪みが生じた状態を示す説明図である。
【図４】変形例に係るマウント部の断面構成を例示した説明図である。
【符号の説明】
【００５１】
１０…燃料電池ユニット
１００…燃料電池スタック
１１０…積層体
１２０…燃料電池セル
１３０…エンドプレート
１３２…フランジ部
１４０…締結ボルト
１４５…テンションシャフト
１５０…燃料電池ケース
１６０…マウント部
１６１…第１マウント部材
１６２…第２マウント部材
１６３…第３マウント部材
１６４…第４マウント部材
１６５…エンドプレート固定ボルト
１６６…マウント固定ボルト
２００…歪みゲージ
２０１…導電線
２１０…動歪測定回路
２２０…軸力演算回路
【図１】
2010010049.tif 000003
【図２】
2010010049.tif 000004
【図３】
2010010049.tif 000005
【図４】
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