(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
電解質の両側に一対の電極が配設される電解質・電極構造体を有し、前記電解質・電極構造体とセパレータとを有する発電セルが積層される燃料電池スタックと、前記燃料電池スタック内に配設され、前記発電セルの面圧を測定するための静電容量型面圧測定装置とを備える燃料電池システムであって、
前記静電容量型面圧測定装置は、前記発電セルの発電面内に位置して設けられる複数の誘電体と、
前記発電セルの発電面方向に沿って延在するとともに、前記誘電体の積層方向の厚さよりも薄肉状に設定され、前記誘電体間に積層方向に向かって電流を流す導電部と、
前記発電面内の面圧測定を開始する際に、前記燃料電池スタックに前記積層方向に荷重を付与し、前記誘電体の厚さを前記導電部の厚さと同一の厚さに圧縮させる初期荷重付与機構と、
を備えることを特徴とする燃料電池システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電解質の両側に一対の電極が配設される電解質・電極構造体を有し、前記電解質・電極構造体とセパレータとを有する発電セルが積層される燃料電池スタックと、前記燃料電池スタック内に配設され、前記発電セルの面圧を測定するための静電容量型面圧測定装置とを備える燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
例えば、固体高分子型燃料電池は、高分子イオン交換膜からなる電解質膜（電解質）の両側に、それぞれアノード側電極及びカソード側電極を配設した電解質膜・電極構造体（以下、ＭＥＡともいう）を、セパレータによって挟持した発電セルを備えている。この種の燃料電池は、通常、所定の数の発電セルを積層するとともに、積層方向両端には、ターミナルプレート、絶縁プレート及びエンドプレートが配置されることにより、燃料電池スタックを構成している。燃料電池スタックは、例えば、燃料電池自動車等の燃料電池車両に搭載されている。
【０００３】
この燃料電池スタックでは、エンドプレート間に、締め付けボルトやケーシング等によって発電セルの積層方向に締め付け荷重を付与している。その際、発電セルの電極面の面圧にばらつき（面圧分布）が発生すると、接触抵抗が増大して端子電圧が低下するおそれがある。
【０００４】
そこで、燃料電池スタック内の面圧を測定する必要があり、例えば、特許文献１に開示されている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は、図１０に示すように、面圧センサモジュール１を備えており、前記面圧センサモジュール１が、図示しない燃料電池の積層方向の任意の位置、例えば、略中央に設けられている。面圧センサモジュール１は、一対のセパレータ２間に凹部３を介して面圧センサ４が配置されている。
【０００５】
この面圧センサ４は、コンデンサー型又は歪みゲージのセンサ５を樹脂６で被覆して構成されている。面圧センサ４は、セパレータ２間に、例えば、２つ挟持されており、前記面圧センサ４を介して燃料電池内の面圧分布を測定することができる、としている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００６−１２０３４６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、上記の特許文献１では、面圧センサモジュール１を構成する一対のセパレータ２には、面圧センサ４を配置するために凹部３が設けられており、他の燃料電池に用いられるセパレータとは異なる構成を有している。従って、面圧センサモジュール１に対して、専用のセパレータ２を用意しなければならず、経済的ではないという問題がある。
【０００８】
さらに、セパレータ２の面内には、２以上の面圧センサ４を配置することが記載されているものの、この種の面圧センサ４は、センサ５を樹脂６で被覆するとともに、リード線７が設けられている。このため、セパレータ２の面内には、多数の面圧センサ４を配置することが実質的に困難であり、発電面内の面圧を高精度に測定することができないという問題がある。
【０００９】
一方、通常、多数のセンサを配置すると、発電時の正常な電流の分布が阻害される。その結果、局所的に大電流が印加される可能性があり、ジュール熱による損傷が発生する可能性がある。
【００１０】
本発明はこの種の問題を解決するものであり、燃料電池スタック内の面圧分布を高精度且つ確実に測定することができ、高性能な燃料電池スタックを得ることが可能な燃料電池システムを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明は、電解質の両側に一対の電極が配設される電解質・電極構造体を有し、前記電解質・電極構造体とセパレータとを有する発電セルが積層される燃料電池スタックと、前記燃料電池スタック内に配設され、前記発電セルの面圧を測定するための静電容量型面圧測定装置とを備える燃料電池システムに関するものである。
【００１２】
この燃料電池システムでは、静電容量型面圧測定装置は、発電セルの発電面内に位置して設けられる複数の誘電体と、前記発電セルの発電面方向に沿って延在するとともに、前記誘電体の積層方向の厚さよりも薄肉状に設定され、前記誘電体間に積層方向に向かって電流を流す導電部と、前記発電面内の面圧測定を開始する際に、燃料電池スタックに前記積層方向に荷重を付与し、前記誘電体の厚さを前記導電部の厚さと同一の厚さに圧縮させる初期荷重付与機構とを備えている。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、静電容量型面圧測定装置は、誘電体の積層方向の厚さが導電部の前記積層方向の厚さよりも厚肉状に設定されている。このため、初期荷重付与機構を介して、燃料電池スタックに積層方向に初期荷重が付与されると、誘導体が圧縮変形される。従って、誘電体の厚さが、導電部の厚さと同一の厚さになった状態では、前記誘電体の厚さ変化による出力感度が向上するとともに、導電部は積層方向に向かって電流を確実に流すことができる。
【００１４】
これにより、燃料電池スタックの使用荷重領域を網羅して、発電面内の面圧を良好に測定することが可能になる。このため、発電時に正常な電流が阻害されることがなく、燃料電池スタック内の面圧分布を高精度且つ確実に測定することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明の実施形態に係る燃料電池システムの斜視説明図である。
【図２】前記燃料電池システムの一部断面説明図である。
【図３】前記燃料電池システムを構成する発電セルの分解斜視説明図である。
【図４】前記燃料電池システムを構成する静電容量型面圧測定装置の要部分解斜視図である。
【図５】前記静電容量型面圧測定装置の要部斜視図である。
【図６】前記静電容量型面圧測定装置の、図５中、ＶＩ−ＶＩ線断面図である。
【図７】前記静電容量型面圧測定装置を構成する誘電体の厚さと使用可能領域との関係説明図である。
【図８】前記誘電体のヤング率と使用可能領域との関係説明図である。
【図９】前記静電容量型面圧測定装置の要部分解斜視図である。
【図１０】特許文献１に開示されている燃料電池システムの要部断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
図１及び図２に示すように、本発明の実施形態に係る燃料電池システム１０は、燃料電池スタック１２と、前記燃料電池スタック１２内に配設される静電容量型面圧測定装置１４とを備える。この燃料電池システム１０は、例えば、燃料電池自動車等の燃料電池車両に搭載されている。
【００１７】
燃料電池スタック１２は、複数の発電セル１６が矢印Ａ方向に積層されるとともに、積層方向両端には、ターミナルプレート１７ａ、１７ｂ及び絶縁プレート１８ａ、１８ｂを介装してエンドプレート２０ａ、２０ｂが配置される（図２参照）。
【００１８】
エンドプレート２０ａ、２０ｂは、初期荷重付与機構２１を構成する、例えば、複数の締め付けボルト２１ａにより積層方向に締め付けられる。なお、エンドプレート２０ｂには、締め付けボルト２１ａがねじ込まれるねじ孔（図示せず）が形成されている。あるいは、エンドプレート２０ｂに貫通孔を形成し、締め付けボルト２１ａの先端にナット（図示せず）を螺合してもよい。
【００１９】
また、エンドプレート２０ａ、２０ｂ間にプレート（図示せず）を介装して前記エンドプレート２０ａ、２０ｂ間の距離を調整することにより締め付け荷重を付与してもよい。さらに、エンドプレート２０ａと絶縁プレート１８ａとの間、又はエンドプレート２０ｂと絶縁プレート１８ｂとの間に、皿ばね（図示せず）を介装して荷重を加えてもよい。
【００２０】
図２及び図３に示すように、各発電セル１６は、電解質膜・電極構造体２２と、前記電解質膜・電極構造体２２を挟持する第１セパレータ２４及び第２セパレータ２６とを備える。第１セパレータ２４及び第２セパレータ２６は、例えば、カーボンセパレータで構成されているが、金属セパレータを使用してもよい。第１セパレータ２４及び第２セパレータ２６間には、電解質膜・電極構造体２２を収容してガスケット２７が介装される。
【００２１】
図３に示すように、発電セル１６の矢印Ｂ方向の一端縁部には、矢印Ａ方向に互いに連通して、酸化剤ガス、例えば、酸素含有ガス（空気等）を供給するための酸化剤ガス供給連通孔２８ａ、冷却媒体、例えば、純水やエチレングリコール等を供給するための冷却媒体供給連通孔３０ａ、及び燃料ガス、例えば、水素含有ガスを排出するための燃料ガス排出連通孔３２ｂが設けられる。
【００２２】
発電セル１６の矢印Ｂ方向の他端縁部には、矢印Ａ方向に互いに連通して、燃料ガスを供給するための燃料ガス供給連通孔３２ａ、冷却媒体を排出するための冷却媒体排出連通孔３０ｂ、及び酸化剤ガスを排出するための酸化剤ガス排出連通孔２８ｂが設けられる。
【００２３】
電解質膜・電極構造体２２は、例えば、パーフルオロスルホン酸の薄膜に水が含浸された固体高分子電解質膜３４と、前記固体高分子電解質膜３４を挟持するアノード側電極３６及びカソード側電極３８とを備える。
【００２４】
アノード側電極３６及びカソード側電極３８は、カーボンペーパ等からなるガス拡散層（図示せず）と、白金合金が表面に担持された多孔質カーボン粒子が前記ガス拡散層の表面に一様に塗布されて形成される電極触媒層（図示せず）とを有する。電極触媒層は、固体高分子電解質膜３４の両面に形成される。
【００２５】
第１セパレータ２４は、電解質膜・電極構造体２２に向かう面２４ａに燃料ガス流路４０を設ける。燃料ガス流路４０は、矢印Ｂ方向に延在する複数の流路溝を有し、燃料ガス供給連通孔３２ａ及び燃料ガス排出連通孔３２ｂに連通する。第１セパレータ２４の面２４ｂには、冷却媒体流路４２が形成される。この冷却媒体流路４２は、矢印Ｂ方向に延在する複数の流路溝を有し、冷却媒体供給連通孔３０ａ及び冷却媒体排出連通孔３０ｂに連通する。
【００２６】
第２セパレータ２６には、電解質膜・電極構造体２２に向かう面２６ａに酸化剤ガス流路４４が形成される。この酸化剤ガス流路４４は、矢印Ｂ方向に延在する複数の流路溝を有し、酸化剤ガス供給連通孔２８ａ及び酸化剤ガス排出連通孔２８ｂに連通する。第２セパレータ２６の面２６ｂは、平坦状に構成される。
【００２７】
静電容量型面圧測定装置１４は、図２に示すように、燃料電池スタック１２内に積層されている発電セル１６の積層方向略中央に配置される。図４に示すように、静電容量型面圧測定装置１４は、複数の誘電体５０を、発電セル１６の発電面内に位置し矢印Ｂ方向及び矢印Ｃ方向に配列して収容する導電部５２と、前記誘電体５０を両側から一体に挟持する第１電極部５４及び第２電極部５６とを備える。
【００２８】
静電容量型面圧測定装置１４は、静電容量式センサを構成しており、例えば、ポリプロピレンやポリエステル等の絶縁体で形成される複数の誘電体５０を設ける。
【００２９】
導電部５２は、発電セル１６の発電面方向に沿って延在する長方形状導電部材であり、例えば、銀、銀合金、金、金合金、銅、銅合金、アルミニウム又はアルミニウム合金等の低電気抵抗材料（電気抵抗率２×１０−７Ωｍ以下）により構成される。導電部５２の表面には、必要に応じて酸化防止用の金、又は金合金によるメッキ処理が施される。
【００３０】
導電部５２の第１電極部５４に向かう面５２ａには、矢印Ｂ方向に延在し且つ矢印Ｃ方向に配列される複数の第１溝部５８ａが形成される。導電部５２の第２電極部５６に向かう面５２ｂには、矢印Ｃ方向に延在し且つ矢印Ｂ方向に配列される複数の第２溝部５８ｂが形成される。
【００３１】
第１溝部５８ａと第２溝部５８ｂとの合計深さは、導電部５２の厚さよりも大きな寸法に設定される。第１溝部５８ａと第２溝部５８ｂとが交差する部位には、各誘電体５０を配置するための開口部６０が設けられる。
【００３２】
第１電極部５４は、導電部５２の第１溝部５８ａに収容される複数の長尺状第１電極６２を設ける。第１電極６２は、例えば、銅又は金等で構成されており、厚さが０．１ｍｍ以下に設定されるとともに、必要に応じて、図示しない高分子材料製の絶縁膜により囲繞される。
【００３３】
第２電極部５６は、上記の第１電極部５４と同様に、導電部５２の第２溝部５８ｂに収容される複数の長尺状第２電極６４を設ける。第２電極６４は、例えば、銅又は金等で構成されており、厚さが０．１ｍｍ以下に設定されるとともに、必要に応じて、図示しない高分子材料製の絶縁膜により囲繞される。第１電極６２及び第２電極６４は、それぞれ図示しないコネクタを介して外部の制御装置６６に接続される（図１参照）。
【００３４】
図５に示すように、導電部５２の各開口部６０に誘電体５０が配置され、第１溝部５８ａに収容される第１電極６２と、第２溝部５８ｂに収容される第２電極６４とは、前記誘電体５０を挟んで互いに直交する方向に、所謂、井桁状に配列される。
【００３５】
図５及び図６に示すように、誘電体５０の積層方向（矢印Ａ方向）の厚さｔ１は、導電部５２の積層方向の厚さｔ２よりも厚肉状（ｔ１＞ｔ２）に設定される。誘電体５０の積層方向の両面は、導電部５２の積層方向の両面から外方に突出して配置される。
【００３６】
誘電体５０の厚さｔ１は、燃料電池スタック１２の使用荷重領域（後述する荷重Ｐｍｉｎ以上）に対応して設定される。具体的には、厚さｔ１が相当に肉厚（ｔ１＞ｔ２）に設定された静電容量型面圧測定装置１４ａ、厚さｔ１が比較的肉薄（ｔ１＞ｔ２）に設定された静電容量型面圧測定装置１４ａ、及び厚さｔ１が厚さｔ２よりも薄肉状（ｔ１＜ｔ２）に設定された静電容量型面圧測定装置１４ｃの使用可能状態は、図７に示される。
【００３７】
静電容量型面圧測定装置１４ａでは、燃料電池スタック１２の使用荷重領域の最小値（荷重Ｐｍｉｎ）を超えても、導電部５２による電流の供給が開始されないため、使用することができない。一方、静電容量型面圧測定装置１４ｃでは、誘電体５０が荷重を受けないため、面圧検出処理ができない。
【００３８】
これに対して、静電容量型面圧測定装置１４ｂでは、燃料電池スタック１２の使用荷重領域に入る前の荷重Ｐ１（＜荷重Ｐｍｉｎ）で、既に誘電体５０による面圧検出処理が可能な状態となっており、この静電容量型面圧測定装置１４ｂが採用される。
【００３９】
また、誘電体５０のヤング率が設定される。図８に示すように、誘電体５０のヤング率が低い静電容量型面圧測定装置１４ｂ１と、前記誘電体５０のヤング率が高い静電容量型面圧測定装置１４ｂ２とでは、荷重に対する各誘電体５０の変形状態が異なる。
【００４０】
静電容量型面圧測定装置１４ｂ２では、誘電体５０が変形し難く、燃料電池スタック１２の使用荷重領域の最小値（荷重Ｐｍｉｎ）を超えても、導電部５２による電流の供給が開始されないため、使用することができない。
【００４１】
これに対して、静電容量型面圧測定装置１４ｂ１では、燃料電池スタック１２の使用荷重領域に入る前の荷重Ｐ２（＜荷重Ｐｍｉｎ）で、既に誘電体５０による面圧検出処理が可能な状態となっており、この静電容量型面圧測定装置１４ｂ１が採用される。すなわち、誘電体５０は、厚さｔ１及びヤング率が所定の値（範囲）に設定される必要がある。
【００４２】
図９に示すように、静電容量型面圧測定装置１４は、両面に導電性シート（例えば、カーボンペーパやカーボンクロス等）６８を介装して第１セパレータ２４と第２セパレータ２６とに挟持される。静電容量型面圧測定装置１４は、実質的に、図３に示す電解質膜・電極構造体２２と同一の寸法（厚さを含む）を有するとともに、第１及び第２セパレータ２４、２６間に挟持されることにより、発電セル１６と同一の寸法及び形状に構成される。
【００４３】
静電容量型面圧測定装置１４は、燃料ガスや酸化剤ガスに曝されることがないように、第１セパレータ２４の前記静電容量型面圧測定装置１４側の面には、燃料ガス供給連通孔３２ａ及び燃料ガス排出連通孔３２ｂを樹脂シール（図示せず）で周回する一方、第２セパレータ２６の前記静電容量型面圧測定装置１４側の面には、酸化剤ガス供給連通孔２８ａ及び酸化剤ガス排出連通孔２８ｂを樹脂製シール（図示せず）で周回する。
【００４４】
このように構成される燃料電池システム１０の動作について、以下に説明する。
【００４５】
先ず、図１に示すように、燃料電池スタック１２は、複数の発電セル１６が矢印Ａ方向に積層されるとともに、積層方向両端には、ターミナルプレート１７ａ、１７ｂ及び絶縁プレート１８ａ、１８ｂを介装してエンドプレート２０ａ、２０ｂが配置される。そして、エンドプレート２０ａ、２０ｂは、複数の締め付けボルト２１ａにより積層方向に締め付けられて、初期荷重が付与される。
【００４６】
次に、酸化剤ガスは、燃料電池スタック１２の酸化剤ガス供給連通孔２８ａに供給される一方、燃料ガスは、燃料電池スタック１２の燃料ガス供給連通孔３２ａに供給される。また、冷却媒体は、燃料電池スタック１２の冷却媒体供給連通孔３０ａに供給される。
【００４７】
燃料電池スタック１２内では、図３に示すように、酸化剤ガスは、酸化剤ガス供給連通孔２８ａから第２セパレータ２６の酸化剤ガス流路４４に導入され、電解質膜・電極構造体２２のカソード側電極３８に沿って移動する。一方、燃料ガスは、燃料ガス供給連通孔３２ａから第１セパレータ２４の燃料ガス流路４０に導入され、電解質膜・電極構造体２２のアノード側電極３６に沿って移動する。
【００４８】
従って、各電解質膜・電極構造体２２では、カソード側電極３８に供給される酸化剤ガスと、アノード側電極３６に供給される燃料ガスとが、電極触媒層内で電気化学反応により消費され、発電が行われる。
【００４９】
次いで、カソード側電極３８に供給されて消費された酸化剤ガスは、酸化剤ガス排出連通孔２８ｂに沿って流動した後、エンドプレート２０ａに排出される。同様に、アノード側電極３６に供給されて消費された燃料ガスは、燃料ガス排出連通孔３２ｂに排出されて流動した後、エンドプレート２０ａに排出される。
【００５０】
また、純水やエチレングリコール等の冷却媒体は、第１セパレータ２４及び第２セパレータ２６間の冷却媒体流路４２に導入された後、矢印Ｂ方向に沿って流動する。この冷却媒体は、電解質膜・電極構造体２２を冷却した後、冷却媒体排出連通孔３０ｂに移動し、エンドプレート２０ａに排出されて循環使用される。
【００５１】
この場合、本実施形態では、図５及び図６に示すように、誘電体５０の積層方向の厚さｔ１が、導電部５２の前記積層方向の厚さｔ２よりも厚肉状に設定されている。このため、初期荷重付与機構２１を介して、燃料電池スタック１２に積層方向に初期荷重が付与されると、誘電体５０が圧縮変形される。
【００５２】
従って、誘電体５０の厚さｔ１が、導電部５２の厚さｔ２と同一の厚さになった状態では、前記誘電体５０の厚さ変化による出力感度が向上するとともに、前記導電部５２は、積層方向に向かって電流を確実に流すことができる。
【００５３】
その際、図７に示すように、静電容量型面圧測定装置１４（１４ｂ）では、所定の厚さｔ１に設定されるため、燃料電池スタック１２の使用荷重領域に入る前の荷重Ｐ１（＜荷重Ｐｍｉｎ）で、既に誘電体５０による面圧検出処理が可能な状態となっている。しかも、図８に示すように、静電容量型面圧測定装置１４（１４ｂ１）では、所定のヤング率に設定されるため、燃料電池スタック１２の使用荷重領域に入る前の荷重Ｐ２（＜荷重Ｐｍｉｎ）で、既に誘電体５０による面圧検出処理が可能な状態になっている。
【００５４】
これにより、燃料電池スタック１２の使用荷重領域を網羅して発電面内の面圧を良好に測定することが可能になる。このため、発電時に正常な電流が阻害されることがなく、燃料電池スタック１２内の面圧分布を高精度且つ確実に測定することができるという効果が得られる。
【符号の説明】
【００５５】
１０…燃料電池システム                  １２…燃料電池スタック
１４…静電容量型面圧測定装置            １６…発電セル
２１…初期荷重付与機構                  ２１ａ…締め付けボルト
２２…電解質・電極構造体                ２４、２６…セパレータ
３４…固体高分子電解質膜                ３６…アノード側電極
３８…カソード側電極                    ４０…燃料ガス流路
４２…冷却媒体流路                      ４４…酸化剤ガス流路
５０…誘電体                            ５２…導電部
５４、５６…電極部                      ５８ａ、５８ｂ…溝部
６０…開口部                            ６２、６４…電極
６８…導電性シート
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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