(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、前記誘電体間に積層方向に向かって電流を流す格子状導電部と、
を備えるとともに、
前記格子状導電部は、少なくともいずれかの格子交差部に、厚さ方向に肉薄な薄肉部位が設けられることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
請求項１記載の燃料電池システムにおいて、前記格子状導電部は、一方の面側から切り欠いて前記薄肉部位が設けられる第１格子交差部と、
他方の面側から切り欠いて前記薄肉部位が設けられる第２格子交差部と、
を有することを特徴とする燃料電池システム。
【請求項３】
請求項２記載の燃料電池システムにおいて、前記格子状導電部は、前記第１格子交差部と前記第２格子交差部とが互いに隣接して交互に設けられ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（ＭＥＡ）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、燃料電池電気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、一対の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分布を測定する必要があり、例えば、特許文献１に開示されている積層型電池の面圧分布検出装置が知られている。この面圧分布検出装置は、図９に示すように、単位セル１の積層方向に弾性変形可能な内側絶縁部２と、前記内側絶縁部２の一方の側面に複数設けられる第１電極３ａと、前記内側絶縁部２の他方の側面に複数設けられ、前記第１電極３ａと対向する第２電極３ｂと、前記第１電極３ａと第１電極側単位セル１との間及び前記第２電極３ｂと第２電極側単位セル１との間に設けられる一対の外側絶縁部４と、積層方向に弾性変形可能に構成され、前記第１電極３ａ及び前記第２電極３ｂに対して電気絶縁した状態で、前記第１電極側単位セル１と前記第２電極側単位セル１とを電気的に接続する複数の導電部５とを備えている。
【０００５】
そして、面圧分布測定部は、第１電極３ａと第２電極３ｂとの対向距離に応じて変化する静電容量に基づいて積層面圧を算出し、積層面圧分布を求めている。これにより、第１電極側単位セル１と第２電極側単位セル１とを通過する電流の電流密度の偏りを抑制することができ、電流密度に起因する発電性能の悪化を抑制しつつ、単位セル１における面圧分布を検出することが可能となる、としている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２０１０−２７６５２０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、ダイアフラムとして機能する面圧検出構造であり、形状が複雑になるとともに、大型化するという問題がある。しかも、導電部の剛性が高いため、カーボンペーパ等の導電性且つ弾力性を有する部材を介装する必要があり、作業が煩雑化するとともに、経済的ではないという問題がある。
【０００８】
本発明はこの種の問題を解決するものであり、コンパクト且つ経済的な構成で、良好な密着性を確保して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】
【０００９】
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。
【００１０】
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、前記誘電体間に積層方向に向かって電流を流す格子状導電部とを備えるとともに、前記格子状導電部は、少なくともいずれかの格子交差部に、厚さ方向に肉薄な薄肉部位が設けられている。
【００１１】
また、この燃料電池システムでは、格子状導電部は、一方の面側から切り欠いて薄肉部位が設けられる第１格子交差部と、他方の面側から切り欠いて前記薄肉部位が設けられる第２格子交差部とを有することが好ましい。
【００１２】
さらに、この燃料電池システムでは、格子状導電部は、第１格子交差部と第２格子交差部とが互いに隣接して交互に設けられることが好ましい。
【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、誘電体間に積層方向に向かって電流を流す格子状導電部を備えるとともに、前記格子状導電部は、少なくともいずれかの格子交差部に、厚さ方向に肉薄な部位が設けられている。このため、格子交差部は、肉薄な部位にばね性を持たせることができ、格子状導電部は、燃料電池スタックの面圧測定部位に対して良好に密着することが可能になる。
【００１４】
従って、静電容量型面圧測定装置は、測定感度が有効に向上し、安定した測定を良好且つ確実に行うことができる。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り、コンパクト且つ経済的な構成で、前記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断面側面図である。
【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を構成する格子状導電部の一部拡大斜視説明図である。
【図６】前記静電容量型面圧測定装置の要部斜視図である。
【図７】前記静電容量型面圧測定装置の回路説明図である。
【図８】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９】特許文献１に開示されている面圧分布検出装置の断面説明図である。
【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、図示しない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、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及び図５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格子状導電部５２と、前記誘電体５０を両側から一体に挟持するそれぞれ複数の第１電極５４及び第２電極５６と、前記第１電極５４及び前記第２電極５６の外側にそれぞれ絶縁部材５８ａ、５８ｂに囲繞されて積層される第１シールド部材６０及び第２シールド部材６２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、ＰＩ（ポリイミド）、ＬＣＰ（液晶ポリマー）、ＰＥＴ（ポリエチレンテレフタレート）、シリコーン等の絶縁体で形成される複数の誘電体５０を設ける。
【００２９】
格子状導電部５２は、発電セル１６の発電面方向に沿って延在するとともに、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）、又はカーボンペーパ、カーボンクロス、導電性樹脂等により構成される。格子状導電部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】
格子状導電部５２は、矢印Ｂ方向に互いに平行して延在する複数の第１板状部６４と、矢印Ｃ方向に互いに平行して延在する複数の第２板状部６６とを有する。第１板状部６４と第２板状部６６とは、互いに直交するとともに、各格子交差部６８で一体化される。
【００３１】
図４及び図６に示すように、格子状導電部５２は、少なくともいずれかの格子交差部６８に、厚さ方向（矢印Ａ方向）に肉薄な薄肉部位７０が設けられる。格子状導電部５２は、第１電極５４に対向する面（一方の面）側から切り欠いて薄肉部位７０ａが設けられる第１格子交差部６８ａと、第２電極５６に対向する面（他方の面）側から切り欠いて薄肉部位７０ｂが設けられる第２格子交差部６８ｂとを有する。
【００３２】
格子状導電部５２は、好ましくは、第１格子交差部６８ａと第２格子交差部６８ｂとを互いに隣接して交互に設けている。すなわち、格子状導電部５２は、全体として均一な厚さに設定されるため、例えば、平板をプレスにより形成することが可能である。
【００３３】
格子状導電部５２の第１電極５４に向かう面には、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７２ａが形成される。格子状導電部５２の第２電極５６に向かう面には、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７２ｂが形成される。第１溝部７２ａと第２溝部７２ｂ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７４が設けられる。
【００３４】
第１電極５４は、格子状導電部５２の第１溝部７２ａに収容されるとともに、矢印Ｂ方向に長尺状に形成される。第１電極５４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。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してもよい。
【００３５】
第２電極５６は、上記の第１電極５４と同様に、格子状導電部５２の第２溝部７２ｂに収容されるとともに、矢印Ｃ方向（矢印Ｂ方向に直交する方向）に長尺状に形成される。第２電極５６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。
【００３６】
絶縁部材５８ａは、第１溝部７２ａに収容されて矢印Ｂ方向に延在する長尺状を有するとともに、内部に第１電極５４と第１シールド部材６０とを互いに絶縁した状態で収容する。絶縁部材５８ｂは、第２溝部７２ｂに収容されて矢印Ｃ方向に延在する長尺状を有し、内部に第２電極５６と第２シールド部材６２とを互いに絶縁した状態で収容する。絶縁部材５８ａ、５８ｂは、例えば、ＰＩ（ポリイミド）、ＬＣＰ（液晶ポリマー）、ＰＥＴ（ポリエチレンテレフタレート）シリコーン等で形成される。
【００３７】
第１シールド部材６０及び第２シールド部材６２は、第１溝部７２ａ及び第２溝部７２ｂに収容されて互いに直交する方向（矢印Ｂ方向及び矢印Ｃ方向）に延在する長尺状の金属薄板、例えば、Ｃｕ（銅）やＡｌ（アルミニウム）等で構成される。全ての第１シールド部材６０と全ての第２シールド部材６２は、電気的に接続されるとともに、後述するアンプ９６のアースに接地される。
【００３８】
図５に示すように、格子状導電部５２の各開口部７４に誘電体５０が配置され、第１溝部７２ａに収容される第１電極５４と、第２溝部７２ｂに収容される第２電極５６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。
【００３９】
図７に示すように、制御装置７６では、第１電極５４の端部には、第１回路パターン７８が設けられる一方、第２電極５６の端部には、第２回路パターン８０が設けられる。第１回路パターン７８は、各第１電極５４の端部に接続される配線部８２を備え、前記配線部８２は、Ａ／Ｄ変換器８４を介して第１コネクタ８６に接続される。第２回路パターン８０は、各第２電極５６の端部に接続される配線部８８を備え、前記配線部８８は、Ａ／Ｄ変換器９０を介して第２コネクタ９２に接続される。
【００４０】
Ａ／Ｄ変換器８４及び９０は、外部ノイズの影響を回避するために、それぞれ格子状導電部５２の面内に近接して配置される。第１コネクタ８６及び第２コネクタ９２は、アンプ９６に接続される。
【００４１】
第１回路パターン７８は、複数の配線部８２が互いに同一長さで且つ同一表面積に設定される一方、第２回路パターン８０は、複数の配線部８８が互いに同一長さで且つ同一表面積に設定される。
【００４２】
図８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）９８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２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。このため、燃料電池スタック１２に積層方向に初期荷重が付与され、誘電体５０が圧縮変形される。
【００４６】
次に、図１に示すように、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４〜図６に示すように、格子状導電部５２は、少なくともいずれかの格子交差部６８に、厚さ方向（矢印Ａ方向）に肉薄な薄肉部位７０が設けられている。従って、薄肉部位７０では、剛性が低下してばね性の向上が図られ、面圧測定部位の形状に容易に倣うことができる。
【００５２】
しかも、格子状導電部５２は、第１電極５４に対向する面側から切り欠いて薄肉部位７０ａが設けられる第１格子交差部６８ａと、第２電極５６に対向する面側から切り欠いて薄肉部位７０ｂが設けられる第２格子交差部６８ｂとを有している。さらに、格子状導電部５２は、第１格子交差部６８ａと第２格子交差部６８ｂとを互いに隣接して交互に設けている。
【００５３】
このため、格子状導電部５２は、全体として所望のばね性を有することができ、燃料電池スタック１２の面圧測定部位に対して良好に密着することが可能になるという効果が得られる。
【００５４】
従って、静電容量型面圧測定装置１４は、測定感度が有効に向上し、安定した測定を良好且つ確実に行うことができる。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り、コンパクト且つ経済的な構成で、前記燃料電池スタック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。
【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
２２…電解質膜・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…格子状導電部
５４、５６…電極                        ５８ａ、５８ｂ…絶縁部材
６０、６２…シールド部材                ６４、６６…板状部
６８、６８ａ、６８ｂ…格子交差部        ７０、７０ａ、７０ｂ…薄肉部位
７４…開口部
【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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