(57)【要約】【課題】格別に複雑な構成、コスト増を招かずに適正に高分子電解質膜の湿潤状態を測定する。【解決手段】燃料ガスが供給される燃料極７と酸化剤ガスが供給される酸化剤極８とにより狭持された高分子電解質膜６を備えた単位セル２を多数積層して、その両端に配置したエンドプレート３ａ，３ｂ間に締結ボルト４を介して積層単位セル２を狭圧する。締結ボルト４の軸力を検出する手段１４と、湿潤状態に応じてセル積層方向に変位する前記高分子電解質膜の湿潤度を前記軸力に基づいて推定する湿潤推定手段１６とを備る。【選択図】　　図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料ガスが供給される燃料極と酸化剤ガスが供給される酸化剤極とにより狭持された高分子電解質膜を備えた単位セルを多数積層して、その両端に配置したエンドプレート間に締結ボルトを介して積層単位セルを狭圧した燃料電池スタックにおいて、
前記締結ボルトの軸力を検出する手段と、
湿潤状態に応じてセル積層方向に変位する前記高分子電解質膜の湿潤度を前記軸力に基づいて推定する湿潤推定手段とを備えたことを特徴とする燃料電池スタック。
【請求項２】
前記軸力の検出手段として、締結ボルトの歪み量を測定する歪みゲージを備えた請求項１に記載の燃料電池スタック。
【請求項３】
前記軸力の検出手段として、締結ボルトの座面の面圧を測定する座面圧センサを備えた請求項１に記載の燃料電池スタック。
【請求項４】
前記締結ボルトの温度を検出する温度センサを備え、
前記湿潤推定手段は、前記締結ボルトの軸力を温度により補正するようになっている請求項１〜３のいずれか一つに記載の燃料電池スタック。
【請求項５】
前記単位セルの温度を検出する手段を備え、
前記湿潤推定手段は、前記軸力とセル温度とに基づいて高分子電解質膜の湿潤度を推定するようになっている請求項１〜４のいずれか一つに記載の燃料電池スタック。
【請求項６】
前記湿潤推定手段は、前記セル温度に基づいて設定した基準値と前記軸力とを比較し、前記軸力が基準値よりも大きいときは湿潤状態、同じく小さいときは乾燥状態にあると判定する請求項５に記載の燃料電池スタック。
【請求項７】
前記複数の締結ボルトに対して設けた複数の前記軸力の検出手段を備え、
前記湿潤推定手段は、それぞれの軸力の平均値に基づいて前記高分子電解質膜の湿潤度を推定する請求項１〜６のいずれか一つに記載の燃料電池スタック。
【請求項８】
前記複数の締結ボルトに対して設けた複数の前記軸力の検出手段を備え、
前記湿潤推定手段は、それぞれの軸力検出手段の位置に対応しての前記高分子電解質膜の湿潤度を判断し、これらに基づいて高分子電解質膜の湿潤度の面内分布を推定する請求項１〜６のいずれか一つに記載の燃料電池スタック。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は燃料電池スタックに関する。
【０００２】
【従来の技術】
プロトン伝導性を有する高分子電解質膜を用い、燃料ガス及び酸化剤ガスを供給しながら発電を行う燃料電池が知られている。この場合、燃料電池スタックは多数の単位セルを積層して構成されている（特許文献１参照）。
【０００３】
【特許文献１】
特開２０００−２２８０２７号公報
【０００４】
【発明の解決すべき課題】
燃料電池の発電効率を維持するには、常に高分子電解質膜が乾燥しないように水分により適切な湿潤状態に維持される必要がある。
【０００５】
高分子電解質膜の湿潤状態を例えば導電率計により測定し、燃料ガスや酸化剤ガスの水分による加湿量の制御を行うことが考えられるが、このためには各高分子電解質膜に導電率計を設置する必要があり、この場合、とくに多数の単位セルが積層されている関係から、非常に多くの導電率計をそなえなければならない。このことは、単にコストの上昇を招くだけでなく、セル間に巡らされる導電率計からの配線処理など新たな問題も招来する。
【０００６】
本発明の目的は、格別に複雑な構成、コスト増を招かずに適正に高分子電解質膜の湿潤状態を測定することのできる燃料電池スタックを提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明は、燃料ガスが供給される燃料極と酸化剤ガスが供給される酸化剤極とにより狭持された高分子電解質膜を備えた単位セルを多数積層して、その両端に配置したエンドプレート間に締結ボルトを介して積層単位セルを狭圧した燃料電池スタックにおいて、前記締結ボルトの軸力を検出する手段と、湿潤状態に応じてセル積層方向に変位する前記高分子電解質膜の湿潤度を前記軸力に基づいて推定する湿潤推定手段とを備えている。
【０００８】
【作用・効果】
積層単位セルは高分子電解質膜の湿潤状態に応じてセル積層方向に伸縮し、湿潤度が高いほど伸長量が大きくなる。したがって、積層単位セルを狭圧する締結ボルトには高分子電解質膜の湿潤状態に応じて軸力が変化し、この軸力に基づいて高分子電解質膜の湿潤度を的確に推定することができる。締結ボルトの軸力の検出手段は簡単でかつ配置数も少なくてすむので、全体構成の簡略化と低コスト化が可能となる。
【０００９】
【実施の形態】
以下、本発明の実施形態を図面を参照しながら詳細に説明する。
【００１０】
まず、第１の実施形態を図１〜図３に示す。
【００１１】
図１に示すように、燃料電池スタック１は、多数の単位セル２を積層して構成され、単位セル２の積層方向の両端にはエンドプレート３ａ、３ｂが配置され、エンドプレート３ａ、３ｂの四隅を縦貫するように配置した４本の締結ボルト４及びナット５により、多数の積層した単位セル２が締め付け固定される。
【００１２】
各単位セル２は図２のように構成されている。
【００１３】
高分子電解質膜６の両面には、アノード側触媒電極となる燃料極７と、カソード側触媒電極となる酸化剤極８とが配置される。燃料極７の他面には燃料ガス、例えば水素リッチな改質ガスの通路９を画成した導電性の集電板９が、また酸化剤極８の他面には酸化剤ガス、例えば空気の通路１０ａを画成した通電性の集電板１０が備えられる。これらガス通路９ａ、１０ａが形成された集電板９と１０の各反対面には、冷却水を通流させる通路９ｂ、１０ｂがそれぞれ形成される。
【００１４】
そして、集電板９の燃料ガス通路９ａには図示しない燃料ガス供給手段から水素リッチガスが供給され、また集電板１０の酸化剤ガス通路１０ａには図示しないコンプレッサから酸化剤ガスとして空気が供給され、これらにより発熱を伴う発電反応が生じる。また集電板９、１０の冷却水通路９ｂ、１０ｂには図示しない冷却水ポンプから冷却水が供給され、燃料電池スタック１の温度を発電に適した温度に維持する。
【００１５】
この場合、供給された燃料ガスは、燃料極７で水素がイオン化され、高分子電解質膜６のイオン交換基（スルホン酸基）を介して酸化剤極８へ移動する。このイオン交換基は、水分を含むことによりイオン伝導性を持つので、高分子電解質膜６は十分な湿潤状態に維持される必要があり、このため、供給される燃料ガス、酸化剤ガスは予め加湿器などにより加湿された状態で各単位セル２に送り込まれるようになっている。
【００１６】
図１にあるように、前記締結ボルト４には、各締結ボルト軸力を検出する手段として歪みゲージ１１が取り付けられている。さらにこの歪みゲージ１１により検出された歪み量の温度による補正を行うための温度センサ１２が、歪みゲージ１１の近傍の締結ボルト４に設けられる。
【００１７】
歪みゲージ１１の出力は動歪み測定回路１３に入力され、またこの動歪み測定回路１３の出力は、前記温度センサ１２の出力と共に軸力演算回路１４に入力され、ここで後述するように締結ボルト４の軸力が演算される。
【００１８】
単位セル２のうち積層方向の中央部に位置する単位セル２にはセル温度センサ１５が取り付けられ、セル温度を測定する。
【００１９】
そして、前記軸力演算回路１４の出力とともにセル温度センサ１５の出力が湿潤状態推定演算部１６に入力され、前記締結ボルト４の軸力とセル温度とに基づいて単位セル２の湿潤状態が後述するように推定される。
【００２０】
多数の単位セル２を積層した燃料電池スタック１は、高分子電解質膜６の湿潤状態に応じて積層方向に伸縮し、湿潤状態が高いほどセルの積層方向の伸長力が大きくなる。このことはセル温度が上昇しても同じように起き、温度が高いほどやはり伸長力は大きくなる。
【００２１】
したがって、高分子電解質膜６の湿潤状態によって単位セル２が伸長すると、これに応じて締結ボルト４にかかる軸力が大きくなるので、軸力からセルの湿潤状態が把握できるのであり、この場合、同じ湿潤状態でもセル温度が高ければ、その温度膨張分によって伸長力が変化するので、セル温度に基づいて補正することで、正確に高分子電解質膜６の湿潤度が推定できるのである。
【００２２】
湿潤状態推定演算部１６の出力は燃料電池運転状態制御装置１７に入力され、ここでは推定した湿潤度に応じて高分子電解質膜６が常に適正な湿潤を保つように、燃料ガス、酸化剤ガスの加湿量や、その温度、圧力、流量などを制御するのである。
【００２３】
図３は前記動歪み測定回路、軸力演算回路、湿潤状態推定演算部などで行われる、高分子電解質膜６の湿潤状態の判定ルーチンの一例を示すフローチャートであり、このルーチンは例えば３０秒ごとに繰り返し実行される。
【００２４】
ステップＳ１００で歪みゲージ１１からの各締結ボルト毎の歪み量の検出信号を受けると、ステップＳ１０１でこの歪み信号を平均化する。ステップＳ１０２では各締結ボルト４に設けた軸温度センサ１２からの各締結ボルト毎の温度信号を受け、これをステップＳ１０３で平均化する。
【００２５】
ステップＳ１０４では前記平均化された歪み信号を平均化された温度値で補正する。この場合、温度による歪み量は温度が高くなるほど大きくなるので、この分を補償するように補正が行われる。
【００２６】
ステップＳ１０５でセル温度センサ１５からの温度信号を読み取り、ステップＳ１０６で、軸温度補正後の軸力Ｆｔと、そのときのセル温度ｔとに基づき、図４に示すようなマップから、高分子電解質膜６の湿潤状態を算出する。
【００２７】
このマップにおいて、軸力Ｆｔが大きくなるほど膜湿潤度は高く（湿潤）なり、逆に軸力が小さいほど膜湿潤度は低く（乾燥）なる。また軸力Ｆｔはセル温度ｔによって変動し、セル温度が高いほど、同一の軸力に対する実際の膜湿潤度は低下するので、この分について温度補正することでより精度よく膜湿潤度が検出できる。
【００２８】
本実施形態では、この場合、標準湿潤状態との比較において高分子電解質膜の湿潤状態を判定するようになっており、このためステップＳ１０７において、前記マップによりそのときのセル温度ｔｏに基づいて予め設定された軸力基準値Ｆｏを、軸力Ｆｔと比較し、もし軸力Ｆｔが軸力基準値Ｆｏよりも小さければ、ステップＳ１０８に進んで高分子電解質膜６が乾燥状態であると判断し、これに対して、軸力Ｆｔが軸力基準値Ｆｏよりも大きければ、ステップＳ１０９に進んで、同じく湿潤状態であると判断する。
【００２９】
なお、軸力基準値Ｆｏについては、予め基準温度のときの標準湿潤状態となる軸力と、温度の変化に応じて修正した軸力とを設定しておき、各温度において標準湿潤状態が得られる値を、軸力基準値Ｆｏとしてある。
【００３０】
すなわち、図４に示されるように、標準セル温度ｔｏでの標準湿潤状態が得られる軸力をＦｏとすると、例えばセル温度がｔｌ（＜ｔｏ）のときには、ＦｏはＦｏ’の位置まで減少し、一方ｔｈ（＞ｔｏ）のときにはＦｏはＦｏ”の位置まで増加する。したがって軸力Ｆｔが図４に示されたような値として検出された場合、セル温度がｔｌやｔｏであれば、標準湿潤状態を越えた湿潤状態にあると判断され、またセル温度がｔｈであった場合には、十分な湿潤状態が得られていないと判断される。
【００３１】
そしてステップＳ１１０では、乾燥、湿潤のいずれについても、軸力Ｆｔと軸力基準値Ｆｏとの差に応じた信号を出力し、これに基づいて燃料電池運転状態制御装置では、高分子電解質膜６の湿潤状態を、標準湿潤状態となるように、燃料ガス、酸化剤ガスの加湿量、温度、圧力、流量などを調整する。
【００３２】
以上のように本実施形態によれば、高分子電解質膜６が湿潤状態に応じてセル積層方向に変位する現象を利用し、積層した単位セル２を固定するための締結ボルト４に働く軸力に基づいて、高分子電解質膜６の湿潤状態を推定するようにしたので、簡単な構成でありながら、高分子電解質膜６の湿潤状態を測定することができる。
【００３３】
また、この締結ボルト４にかかる軸力は、セル温度によってもセル積層方向に変位を生じるので、セル温度により軸力を補正することで、なお一層正確な軸力、すなわち高分子電解質膜６の湿潤度を把握することが可能となる。
【００３４】
また、この締結ボルト４の軸力については、ボルト温度によってボルト軸方向の膨張量が変化することで変動するので、ボルト温度に基づく補正を行うことで、同じく正確に湿潤度を把握できる。
【００３５】
ところで上記説明において、各締結ボルト４の軸力を検出する歪みゲージ１１の検出値を平均化し、また各締結ボルト４の温度を検出する温度センサ１２の検出値を平均化して、これら平均値に基づいて４本の締結ボルト４の平均的な軸力に基づいて高分子電解質膜６の湿潤度を測定している。この代わりに、各締結ボルト４の軸力を歪みゲージ１１の出力として求め、かつ温度補正し、さらにセル温度に基づいて、各締結ボルト４に対応しての高分子電解質膜６の湿潤度を推定することもできる。
【００３６】
この場合、各締結ボルト毎に推定した高分子電解質膜６の湿潤度が異なれば、高分子電解質膜６の発電面内における湿潤状態が不均一であることを示すので、目標とする湿潤状態を実現するにあたり、発電面内の湿潤分布状態が均一となるように、つまり各締結ボルト毎の湿潤推定値が一致するように、加湿状態などを調整することも可能となる。
【００３７】
このようにすると、高分子電解質膜６の発電面内での湿潤度のバラツキを抑制して、全面的に同一の安定した発電効率を維持することが可能となる。
【００３８】
第２の実施形態について図５を参照して説明する。
【００３９】
この実施形態では、締結ボルト４の軸力を計測するために、座面圧センサ１８を各締結ボルト４の締結面に配置し、締結ボルト４に作用する軸力を座面圧センサ１８により検出し、これを座面圧測定回路１９に入力し、締結ボルト軸力を測定するようにしたものである。
【００４０】
締結ボルト４の軸力が高まるにしたがい締結ボルト４とエンドプレート３ａとの間に介在した座面圧センサ１８の検出する面圧も比例して高まり、これにより結局、ボルト軸力を計測することができ、これに基づいて高分子電解質膜６の湿潤度を推定できるのである。
【００４１】
この他の構成は第１実施形態と同じである。
【００４２】
したがってこの実施形態によれば、座面圧センサ１８を利用して簡単にボルト軸力を測定でき、コストの低減、信頼性の向上などが図れる。
【００４３】
本発明は上記した実施形態に限定されるわけではなく、特許請求の範囲に記載した技術的思想の範囲内で、当業者がなしうるさまざまな変更、改良が含まれることは明白である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施形態の構成図である。
【図２】単位セルの拡大断面図である。
【図３】制御動作を示すフローチャートである。
【図４】軸力と湿潤との関係を示す説明図である。
【図５】第２実施形態の構成図である。
【符号の説明】
１　燃料電池スタック
２　単位セル
３ａ，３ｂ　エンドプレート
４　締結ボルト
６　高分子電解質膜
７　燃料極
８　酸化剤極
１１　歪みゲージ
１２　軸温度センサ
１４　軸力演算回路
１５　セル温度センサ
１６　湿潤状態推定演算部
１８　座面圧センサ
【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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