(57)【要約】【課題】熱膨張が異なる積層面の面圧を適切に付与することのできる燃料電池を提供する。【解決手段】電解質膜と、電解質膜の両側に配置された一対の電極と、電極の一方に接触して燃料ガスを供給するガス流路を具備したアノードセパレータと、電極のもう一方に接触して酸化剤ガスを供給するガス流路を具備したカソードセパレータとからなる単位電池を複数個積層し締結部材により締結してなる燃料電池において、燃料電池の積層方向に面圧を発生させて、単位電池に荷重を付与する荷重付与手段を備え、荷重付与手段は、発電中の積層面の温度分布に基づいて締結時の初期荷重が設定され、当該初期荷重によって単位電池に荷重を付与する。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電解質膜と、前記電解質膜の両側に配置された一対の電極と、前記電極の一方に接触して燃料ガスを供給するガス流路を具備したアノードセパレータと、前記電極のもう一方に接触して酸化剤ガスを供給するガス流路を具備したカソードセパレータとからなる単位電池を複数個積層し締結部材により締結してなる燃料電池において、
前記燃料電池の積層方向に面圧を発生させて、前記単位電池に荷重を付与する荷重付与手段を備え、
前記荷重付与手段は、発電中の積層面の温度分布に基づいて締結時の初期荷重が設定され、当該初期荷重によって前記単位電池に荷重を付与することを特徴とする燃料電池。
【請求項２】
前記荷重付与手段は、燃料電池の発電中の積層面の温度が高くなる領域の初期荷重を、燃料電池の発電中の積層面の温度が低い領域に比して低く設定されることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池。
【請求項３】
前記荷重付与手段は、前記積層面を複数の領域に分割した各々の領域に面圧を発生させる複数の弾性体によって構成され、
前記弾性体は、前記分割された領域の発電中の温度に基づいて、当該領域への初期荷重が設定されることを特徴とする燃料電池。
【請求項４】
電解質膜と、前記電解質膜の両側に配置された一対の電極と、前記電極の一方に接触して燃料ガスを供給するガス流路を具備したアノードセパレータと、前記電極のもう一方に接触して酸化剤ガスを供給するガス流路を具備したカソードセパレータとからなる単位電池を複数個積層し締結部材により締結してなり、前記積層された単位電池に冷却水路を備えた燃料電池において、
前記燃料電池の積層方向に面圧を発生させて、前記単位電池に荷重を付与する荷重付与手段を備え、
前記荷重付与手段は、冷却水路出口近傍の積層面の初期荷重が、冷却水路入口近傍の積層面の初期荷重に比して低く設定され、当該初期荷重によって前記単位電池に荷重を付与することを特徴とする燃料電池。
【請求項５】
前記荷重付与手段は、燃料電池が発電中の冷却水の入口温度と出口温度との差に基づいて、冷却水路出口近傍の積層面の初期荷重と冷却水路入口近傍の積層面の初期荷重との差が設定されることを特徴とする請求項４の記載の燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、固体高分子電解質膜を用いた燃料電池に関し、熱膨張が異なる積層面の面圧を適切に付与し、発電効率を高めることのできる燃料電池に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来の燃料電池は、アノード側に燃料ガス（例えば水素ガス）、カソード側に酸化剤ガス（例えば空気）を供給し、固体高分子電解質膜によって電気化学反応を生起させる単位電池（セル）を多数積層させ、所望の電力を得るように構成されている。
【０００３】
このような固体高分子電解質膜をもちいた燃料電池では、各単位電池内の構成部材の接触抵抗が増大すると、起電力を生成する電気化学反応の進行が損なわれ、燃料電池全体の発電効率が悪化する。そのため、各単位電池の接触抵抗を低減するような締め付け方法が提案されている。
【０００４】
このような方法として、例えば、第１燃料電池スタックは、横長の長方形状に構成されるとともに、横寸法Ｈ１が縦寸法Ｈ２の２倍以上、例えば、横寸法Ｈ１と縦寸法Ｈ２の比が略３：１に設定され、加圧手段は、第１燃料電池スタックの縦横比に対応して横方向に１列に配置される３個の皿ばねを備える燃料電池（例えば特許文献１参照。）が提案されている。
【０００５】
また、電池セル積層体の上面の側には、第１ないし第３の圧力発生部材が配設され、各圧力発生部材は、オイルの給排を通して制御された押圧力を電池セル積層体に個別に及ぼし、第１圧力発生部材は、電池セルにおけるセル面の中央領域ＣＲに亘って押圧力を及ぼす方形状の圧力袋として構成され、第２圧力発生部材はこの第１圧力発生部材を取り囲むよう、第３圧力発生部材は第２圧力発生部材を取り囲むようそれぞれ環状の圧力袋として構成され、第１ないし第３の圧力発生部材の及ぼす押圧力ｆ１、ｆ２、ｆ３は、ｆ１＞ｆ２＞ｆ３の関係を維持して、それぞれ増減制御或いは保持制御される燃料電池（例えば、特許文献２参照。）が提案されている。
【特許文献１】特開２００１−１４３７４１号公報
【特許文献２】特開２００１−０９３５６４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、前記特許文献１に記載の発明では、スタックの形状に応じて荷重付与手段を配置するのみの構成であるので、発電により温度が上昇した際、面内の温度分布によって温度の高い部分はスタックの熱膨張量が大きいため、面圧が他の部分に比べて高くなり、面圧の不均一を招くという問題点があった。
【０００７】
また、前記特許文献２に記載の発明では、スタックの面圧を測定して荷重付与手段を制御するという構成であるので、面圧センサおよび荷重制御装置が必要となり、装置が大型化し、かつコストも増大するという問題点があった。
【０００８】
本発明は上記の問題点に鑑みてなされたものであり、熱膨張が異なる積層面の面圧を適切に付与し、発電効率を高めることのできる燃料電池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、電解質膜と、電解質膜の両側に配置された一対の電極と、電極の一方に接触して燃料ガスを供給するガス流路を具備したアノードセパレータと、電極のもう一方に接触して酸化剤ガスを供給するガス流路を具備したカソードセパレータとからなる単位電池を複数個積層し締結部材により締結してなる燃料電池において、燃料電池の積層方向に面圧を発生させて、単位電池に荷重を付与する荷重付与手段を備え、荷重付与手段は、発電中の積層面の温度分布に基づいて締結時の初期荷重が設定され、当該初期荷重によって単位電池に荷重を付与することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、燃料電池の積層方向に面圧を発生させる荷重付与手段によって、発電中の積層面内の温度分布に応じて締結時の初期荷重を付与する構成のため、積層面内の温度分布により燃料電池の熱膨張量が異なる発電時にも、適正な面圧を発生させることができ、燃料電池の発電効率を高められる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
以下に、本発明の実施の形態の燃料電池を図面を参照して説明する。
【００１２】
図１は、本発明の第１の実施の形態の燃料電池の構成を示すブロック図であり、図２は、同じく燃料電池の側方の断面図を示すブロック図である。
【００１３】
単位電池２０を積層して成るセル部３は、積層方向の両端に第１エンドプレート１と第２エンドプレート５を備える。第１エンドプレートにはカソードガス入口１１、カソードガス出口１６、アノードガス入口１４、アノードガス出口１３、冷却水入口１２及び冷却水出口１５が設けられている。これらの出入口はセル部３の内部に連通しており、単位電池２０に各流体が供給され、又は排出される。
【００１４】
カソードガス入口１１、アノードガス入口１４及び冷却水入口１２には、それぞれ流体供給装置が接続されており、適切な量のカソードガス（酸化剤ガス）、アノードガス（燃料ガス）及び冷却水が各入口に送出される。
【００１５】
セル部３と第１エンドプレート１、及び、セル部３と第２エンドプレート５の間には、それぞれ電力取り出し用の集電板２、４が配設され、各単位電池２０の発電した電力を取り出すことができる。
【００１６】
第２エンドプレート５のセル部３と対峙する面とは反対側の面には、４個の皿バネ８（８ａ〜８ｄ）が設けられる。この皿バネ８は、セル部３に面圧を発生させるための荷重を与えるものであり、皿バネに限らず他の弾性体で代用することが可能である。また、皿バネ８の個数は、図１に示すような４個に限るものではない。
【００１７】
図２に示すように、皿バネ８の第２エンドプレート５と反対側端は、皿バネの荷重調整用ネジ９及び皿バネ保持部１７を介してプレッシャプレート６により保持される。
【００１８】
第１エンドプレート１及びプレッシャプレート６は締結プレート７により締結される。
【００１９】
荷重調整用ネジ９は、皿バネ保持部１７に勘合しており、荷重調整用ネジ９のねじ込み量を調整することによって皿バネ保持部１７が積層面方向に移動し、皿バネ８の圧縮量が変化するため、皿バネ８がエンドプレート５に付与する荷重を調整できる。
【００２０】
なお、皿バネ８の荷重を調整するためにネジ９を使用しているが、皿バネ８毎に荷重特性を変更することができる構成であればネジでなくてもよい。
【００２１】
また、図１では、締結プレート７を複数のベルト形状として例示しているが、第１エンドプレート１及びプレッシャプレート６の側面をつなぐ板形状や、第１エンドプレート１からプレッシャプレート６まで積層面を貫くロッド形状であってもよい。
【００２２】
図３は単位電池２０の構成を示すブロック図である。
【００２３】
固体高分子電解質膜２１の両側にはアノード側触媒層２２とカソード側触媒層２４が配置され、その外側にはそれぞれガス拡散層２３、２５が配設される。
【００２４】
さらにその外側にはこれらを挟み込むようにアノードセパレータ２６およびカソードセパレータ２７が配設されている。
【００２５】
アノードセパレータ２６と電解質膜２１との間、カソードセパレータ２７と固体高分子電解質膜２１との間は、それぞれシール材３１が充填され、単位電池２０の外縁へのガスの漏洩を抑制する。
【００２６】
アノードセパレータ２６のガス拡散層側にはアノードガス流路２８が設けられている。また、その反対面には隣接する単位電池２０のカソードセパレータ２７’との間に冷却水路３０が配置される。
【００２７】
またカソードセパレータ２７のガス拡散層側にはカソードガス流路２９が設けられ、その反対面にも隣接する単位電池のカソードセパレータ２６’との間に冷却水路３０が配置される。
【００２８】
アノードガス入口１４から供給されたアノードガス及びカソードガス入口１１から供給されたカソードガスが、それぞれ単位電池２０の固体高分子電解質膜２１の両側に供給される。これらのガスの供給を受けて、アノードセパレータ２６とカソードセパレータ２７との間で電子の流れが発生することによって、単位電池２０が発電する。
【００２９】
単位電池２０の発電に伴い発生した熱は、冷却水によって外部に排出される。なお、冷却水は、各単位電池２０が効率よく発電を行うために適当な熱を与える目的でも用いられる。
【００３０】
各単位電池２０の発電量は小さいため、所望の電力を得るために単位電池２０を複数積層させ、セル部３が構成される。このセル部３は、各単位電池２０のシール材３１のシール効果の保持、および、ガス拡散層２３、２５とセパレータ２６、２７の接触面圧の発生、セパレータ２６とセパレータ２７の接触面圧の発生のために、締結プレート７で締結され、皿バネ８によって各単位電池２０に荷重が付与される。
【００３１】
各単位電池２０は、熱の発生に伴って熱膨張が発生する。熱の発生はセル部３の積層面では均一でないため、積層面方向の膨張率は場所により異なる。
【００３２】
そこで、異なる膨張率により発生する面圧の分布をできるだけ均一にするために、燃料電池１０の組み立て時において、セル部３を締結する際に設定するための皿バネ８の初期設定荷重を、次のように設定する。
【００３３】
まず、燃料電池１０のセル部３の積層面内で、皿バネ８が配置される４カ所について、燃料電池が発電中の温度Ｔａ〜ｄを求める。この各温度は予め実験により測定するか、シミュレーション等により算出される。
【００３４】
このとき、各温度Ｔａ〜Ｔｄは、皿バネ８が配置される箇所の中心部の温度（図４参照）を用いてもよいし、皿バネ８の個数および配置に従ってセル部３の積層面を分割し、分割した領域ごとの平均温度（図５参照）を用いてもよい。なお、積層方向の温度分布については、積層方向の平均でも良いし、ある一つの積層面の温度を用いてもよい。
【００３５】
次に、この積層面の各温度Ｔａ〜ｄを元に、積層面の温度と皿バネの初期荷重の関係を示す特性図（図６参照）を用いて、各皿バネ８の初期設定荷重を求める。
【００３６】
この特性図（図６）は、セル部３の積層面の温度が低い場合には、荷重を高く、温度が高い場合には荷重を低く設定するような特性となっている。この特性図は、予め、第１エンドプレート１、集電板２、セル部３、集電板４、第２エンドプレート５の線膨張係数、及び、皿バネ８のバネ荷重特性に基づいて算出され、決定されたものである。
【００３７】
この特性図を用いて各皿バネ８の初期設定荷重（Ｆａ〜Ｆｄ）が決定される。
【００３８】
初期荷重が決定すると、各皿バネ８の荷重調整用ネジ９を操作して、決定した荷重特性となるように設定する。
【００３９】
以上のように構成された本発明の第１の実施の形態の燃料電池は、セル部３の積層面の温度分布に基づいて、各皿バネ８の初期設定荷重を設定するので、積層面の温度分布に応じて締結時の初期荷重を付与することで適切な面圧を発生することができ、燃料電池を構成する各単位電池２０の接触抵抗を適切に保つことができる。
【００４０】
また、積層面の温度が高い領域ほど初期設定荷重を低く設定するので、温度が高く熱膨張の大きい領域では面圧が上がりすぎることがなく、適正な面圧を発生させることができる。さらに、面圧が上がりすぎることがないので、締結部材（締結プレート７）の強度を低くすることができ、燃料電池の小型軽量化及び低コスト化を図ることができる。
【００４１】
次に、本発明の第２の実施の形態の燃料電池について説明する。
【００４２】
なお、第２の実施の形態の燃料電池の構成は、第の１実施の形態の構成（図１乃至３）と同じであるためその説明は省略する。
【００４３】
本実施形態の初期設定荷重の設定について説明する。
【００４４】
まず、燃料電池１０の発電中の冷却水の入口温度（Ｔｗｉｎ）と出口温度（Ｔｗｏｕｔ）との温度差を求める。すなわち、ＴｗｉｎからＴｗｏｕｔを減算した値によって、冷却水入口出口温度差（ｄＴｗ）を求める（図７参照）。なお、入口温度及び出口温度は予め実験により測定するか、シミュレーション等により算出される。なお、図７は、燃料電池１０を、プレッシャプレート７側からエンドプレート１側へ見た透過図である。
【００４５】
また、冷却水入口近傍の皿バネ８ｄの初期荷重を、予め設定した値（Ｆｄ）に設定する。
【００４６】
そして、冷却水出口近傍の皿バネ８ａの初期荷重を、燃料電池運転時の冷却水入口出口温度差と荷重減算量との特性図（図８参照）から求める。すなわち、この特性図を用いて、冷却水入口出口温度差（ｄＴｗ）に対応した荷重減算量（ｄＦ）が求まるので、皿バネ８ｄの初期荷重（Ｆｄ）から、荷重減算量（ｄＦ）を減算した値によって、皿バネ８ａの初期荷重（Ｆａ）が決定される。
【００４７】
この皿バネ８ｄの初期荷重（Ｆｄ）と、図８の特性図は、予め、第１エンドプレート１、集電板２、セル部３、集電板４、第２エンドプレート５の線膨張係数、及び、皿バネ８のバネ荷重特性に基づいて算出され、決定されたものである。
【００４８】
さらに、皿バネ８ａと８ｄとの間に配置されている皿バネ８ｂ及び８ｃの初期設定荷重は、皿バネ８ａ及び８ｄそれぞれの初期設定荷重の間の値に設定する。
【００４９】
具体的には、前述のように算出された皿バネ８ａの初期設定荷重（Ｆａ）と皿バネ８ｄの初期設定荷重（Ｆｄ）との平均値に設定する。または、皿バネ８ａ及び８ｄの間隔と、皿バネ８ｄから皿バネ８ｂの間隔、並びに皿バネ８ｄから８ｃまでの間隔の、それぞれの比を求め、それぞれの比で荷重減算量ｄＦを分割した値を、皿バネ８ｄの初期設定荷重（Ｆｄ）から減算した値に設定してもよい。
【００５０】
以上のように構成された本発明の第２の実施の形態の燃料電池は、冷却水入口側と出口側との温度の差を求め、冷却水入口側の皿バネ８ｄの初期設定加重を冷却水出口側の皿バネ８ａに比べて高く設定するので、発電中に温度が高くなる冷却水出口近傍においても面圧が上がり過ぎることがなく、適切な面圧を付与することができる。さらに、面圧が上がりすぎることがないので、締結部材（締結プレート７）の強度を低くすることができ、燃料電池の小型軽量化及び低コスト化を図ることができる。
【００５１】
さらに、発電直後の低温状態においては冷却水出口近傍の面圧が他の領域よりも低く面内の総接触抵抗が大きくなるため、発熱量が大きくなり燃料電池の暖機を促進することができる。さらに、発電直後の低温状態においては冷却水入口近傍の面圧が他の領域よりも高く接触抵抗が低いため、電流が流れやすく発熱量が増加する。これによって、冷却水入口近傍で発生した熱の一部を冷却水により下流の領域に伝えることができるので、燃料電池全領域の暖機を促進することができ、燃料電池の発電効率が高まる。
【００５２】
また、積層面の冷却水路出口近傍の初期荷重を冷却水路入口近傍に比して低く設定し、かつ、その荷重差は冷却水の入口出口温度差に応じて設定する構成のため、熱膨張後の面圧がより精度良く均一化される。
【図面の簡単な説明】
【００５３】
【図１】本発明の燃料電池の構成を示すブロック図である。
【図２】本発明の燃料電池の燃料電池の側方の断面図を示すブロック図である。
【図３】本発明の単位電池の構成を示すブロック図である。
【図４】本発明の第１の実施の形態の燃料電池の、積層面内の温度の一例を示す図である。
【図５】本発明の第１の実施の形態の燃料電池の、積層面内の温度の他の例を示す図である。
【図６】本発明の第１の実施の形態の燃料電池の、積層面内温度と設定荷重の関係を示す特性図である。
【図７】本発明の第２の実施の形態の燃料電池の、冷却水出入口と皿バネとの関係を示す説明図である。
【図８】本発明の第２の実施の形態の燃料電池の、冷却水入口出口温度差と荷重減算量との関係を示す特性図である。
【符号の説明】
【００５４】
１、５  エンドプレート
２、４  集電板
３  セル部
６  プレッシャプレート
７  締結プレート
８  皿バネ
９  荷重調整ネジ
１０  燃料電池
１１  カソードガス入口
１２  冷却水入口
１３  アノードガス出口
１４  カソードガス出口
１５  冷却水出口
１６  アノードガス入口
１７  皿バネ保持部
２０  単位電池
【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】
2006185722.tif 000008
【図７】
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【図８】
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