(57)【要約】【課題】  使用温度範囲の広い燃料電池では積層体積層方向の伸縮量が大きいためこれを吸収するためのバネ等の弾性部材が大型化する。【解決手段】  燃料電池積層体に介装される冷媒層１３を積層体積層方向に弾性を有しかつ導電性を有する材料で形成する。積層体締結状態で該弾性により生じる荷重をF1、前記冷媒の供給圧力により積層体の積層方向に生じる荷重をF2とするとき、F1＜F2となるように前記締結力および冷媒供給圧力を設定する。燃料電池にかかる荷重がF1とF2の双方で担われているため、冷媒層の弾性による荷重は、全荷重から冷媒圧力による荷重を差し引いた荷重を負担すればよく、冷媒層の弾性が担う荷重が小さいほど弾性材料の積層長は短くできるので燃料電池を小型化できる。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
冷媒が循環供給される冷媒層を多数の単位燃料電池セル間に介装した積層体を備え、
前記積層体の両側から締結具により所定の荷重を付与した燃料電池であって、
前記冷媒層を前記積層方向に弾性を有しかつ導電性を有する材料で形成すると共に、
前記締結状態で該弾性により生じる荷重をF1、前記冷媒の供給圧力により積層体の積層方向に生じる荷重をF2とするとき、F1＜F2となるように前記締結力および冷媒供給圧力を設定したことを特徴とする燃料電池。
【請求項２】
前記荷重F2が得られるように前記冷媒層内の冷媒圧力および冷媒流量を調整する荷重調整手段を備える請求項１に記載の燃料電池。
【請求項３】
前記燃料電池の冷媒層は、その冷媒流路を形成するリブを導電性の弾性材料で形成した請求項１または請求項２の何れかに記載の燃料電池。
【請求項４】
前記冷媒層は、その層内に冷媒導入マニホールドと冷媒排出マニホールドとを連通する中空の冷媒通路を有する構成とした請求項１または請求項２の何れかに記載の燃料電池。
【請求項５】
前記燃料電池の冷媒層は、ゴム系の弾性材料と導電性を有する金属メッシュ材料との混成材料で形成した請求項１または請求項２の何れかに記載の燃料電池。
【請求項６】
前記単位燃料電池セルを、前記冷媒層に比較して高剛性を有する一対のセパレータの間に電解質膜を挟持した構成とすると共に、前記セパレータ上に冷媒層を形成した請求項１または請求項２の何れかに記載の燃料電池。
【請求項７】
前記冷媒層は、隣接する他の単位燃料電池セルとの積層時に当該他の単位燃料電池セルのセパレータに接着するものとした請求項請求項１または請求項２の何れかに記載の燃料電池。
【請求項８】
前記荷重調整手段は、
冷媒層内の冷媒圧力を検出する圧力検出手段と、
冷媒層の冷媒流量を検出する流量検出手段と、
冷媒層に供給する冷媒圧力を調整する圧力調整手段と、
冷媒層に供給する冷媒流量を調整する流量調整手段と、
前記検出した冷媒圧力と冷媒流量とに基づき前記圧力調整手段と流量調整手段とを制御する制御手段とを備え、
前記制御手段は、冷媒流量上昇時には流量を絞ると共に圧力を上昇させ、冷媒流量減少時には流量を増やすと共に冷媒圧力を低下させることにより、冷媒層内を前記荷重F2に相当する圧力範囲に維持するように構成されている請求項２に記載の燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は燃料電池に関し、特に燃料電池の積層体（スタック）を構成する単位燃料電池セルの構造的改良に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は、電解質膜をアノード電極とカソード電極とで挟んで構成される単位燃料電池セルを複数積層してなり、また発電に伴う発熱を冷却するため、前記積層体に冷媒を循環させるための冷媒層を備えている。また、一般的な燃料電池はガス拡散層に均一な荷重をかけることで、積層方向の電気的な導電性を保持する。しかし荷重が大きすぎるとガス拡散層が潰れ、セパレータに備えられたガス流路が閉塞し、ガスが十分に拡散できなくなるおそれがある。そのためガス拡散層にかかる荷重が適切に保持されるよう、積層体に荷重をかける必要がある。しかし運転に伴う高分子膜の膨潤やセパレータの熱による伸縮、また高分子膜、ガス拡散層のへたりなどの積層体材料の経時的な収縮により、燃料電池は積層方向に伸縮する。この対策として、一般的な燃料電池の構成として、ロッドやベルト等を用いて積層体の両端に備えられたエンドプレートを締結し、またエンドプレートとエンドプレートの内側に設けられたプレッシャープレート間に備えたバネを用いて積層体を加重する構造が知られている。
【０００３】
しかしこの構成では、プレッシャープレートやバネが必要となるため、燃料電池の積層長が増大し、また積層長の変化に伴う加重の変化を小さくするためにバネ定数を小さくすると、バネが大型化する問題がある。この問題に対し、燃料電池を構成する既存の材料の一部を弾性材料で構成することで、プレッシャープレートやバネを用いない燃料電池が提案されている。例えば、特許文献１では弾性材料をセル間に挿入し、弾性材料のすきまに冷媒を流す燃料電池を提案している。
【特許文献１】特開２００２−２９８９０２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
前記構成では、弾性材料の反力が主要な荷重を担うため、弾性材料は、燃料電池の構成材料が最も収縮し、またガス拡散層が消耗した状態、すなわち弾性材料の潰れが最も少ない状態で、燃料電池の積層方向の電気的な接触が確保できる反力を生じ、かつ燃料電池が最も膨張、膨潤した、すなわち弾性材料がもっとも潰れている状態で、ガス拡散層が潰れてセパレータに備えられたガス流路が閉塞しない反力に収まるよう、バネ定数が定められる。
【０００５】
そのため、例えば燃料電池に高圧の燃料ガスと酸化ガスを用いるなど、燃料電池に大きな荷重がかかる場合、前記理由によりバネ定数には上限があるため、弾性材料の潰れ代を大きくする必要があり、その結果として弾性材料が大型化してしまう。
【０００６】
また、燃料電池が広い温度範囲、例えば-20℃〜80℃の温度範囲で使用され、燃料電池の積層方向の伸縮が大きい場合、弾性材料は許容される荷重範囲で伸縮を吸収できるだけの小さなバネ定数にする必要があることからも弾性材料は大型化する。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明では、燃料電池積層体に介装される冷媒層を前記積層体の積層方向に弾性を有しかつ導電性を有する材料で形成する。また、前記締結状態で該弾性により生じる荷重をF1、前記冷媒の供給圧力により積層体の積層方向に生じる荷重をF2とするとき、F1＜F2となるように前記締結力および冷媒供給圧力を設定する。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、燃料電池にかかる荷重は弾性冷媒層の持つ反力による積層方向の荷重F1と冷媒圧力による積層方向の荷重F2の双方で担われているため、冷媒層の弾性による荷重は、全荷重から冷媒圧力による荷重を差し引いた荷重を負担すればよく、冷媒層の弾性が担う荷重が小さいほど弾性材料の積層長は短くできるので、それだけ燃料電池を小型化することができる。
【０００９】
また、冷媒層の冷媒圧は一般に燃料電池の補機により制御されるため、燃料電池が伸縮した場合の荷重の変化は弾性材料による反力のみ考えればよく、そのため冷媒圧によって担われる荷重の分だけ弾性材料を小さくできるので、燃料電池の伸縮が大きい場合でも燃料電池の小型化を図ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
以下、本発明の実施形態について図面に基づいて説明する。
【００１１】
図1は本発明の実施形態に係る燃料電池を示している。この燃料電池は、積層方向に弾性を有する冷媒層を持つ単位燃料電池セル１が多数積層された燃料電池積層体２、集電板３、絶縁板４、エンドプレート５、テンションプレート６で構成される。燃料電池には燃料ガス、酸化ガス、冷媒を単位燃料電池セル１に供給するためのマニホールド７が設けられている。燃料電池積層体２の両端に備えられたエンドプレート５はテンションプレート６を介してボルトやベルト等の締結具を用いて所定の締結荷重が生じるように締めつけられている。エンドプレート５には燃料ガス、酸化ガス、冷媒の導入用または排出用の貫通孔７が設けられている。燃料ガス、酸化ガス、冷媒は、一般にそれぞれ水素ガス、空気、純水が用いられる。前記各貫通孔は後述する単位燃料電池セル１の燃料ガス、酸化ガス、冷媒のマニホールドと連通している。
【００１２】
図２−１〜図２−３は前記単位燃料電池セル１の一実施形態の詳細を示し、図２−１は冷媒層１３の平面図、図２−２はそのＡ−Ａ線による端面図、図２−３はその要部拡大図である。単位燃料電池セル１はその上面が冷媒層１３となっている。冷媒層１３は全体が導電性弾性材料から形成されており、冷媒通路８を包囲するように酸化ガス導入マニホールド７ａ、酸化ガス排出マニホールド７ｂ、燃料ガス導入マニホールド７ｃ、燃料ガス排出マニホールド７ｄ、冷媒導入マニホールド７ｅ、冷媒ガス排出マニホールド７ｆが開口している。冷媒層１３は、積層方向に導電性と弾性を備えていれば、例えば非導電性の弾性材料である合成樹脂またはゴム等のゴム系材料と導電性の非弾性材料である金属メッシュ等を組み合わせた混成材料（コンポジット材）で形成したものであってもよい。
【００１３】
前記酸化ガスと燃料ガスのマニホールド７ａ〜７ｄはその周囲の冷媒通路８等にガスが漏れ出さないようにシール部１０により包囲されている。冷媒のマニホールド７ｅと７ｆは冷媒通路８に臨むように開口している。
【００１４】
各単位燃料電池セル１を積層した状態で冷媒層１３は上側に積層する他のセルとの間に密閉された冷媒通路８を構成する。この通路は、マニホールド７ｅと７ｆとの間に隆起したリブ９により形成されている。
【００１５】
単位燃料電池セル１の断面構造は図２−２または図２−３に示した通りであり、上から順に前記冷媒層１３、比較的高剛性のカーボン材料からなるセパレータ１２、触媒付電解質膜１６、第２のセパレータ１２を積層した構成となっている。１７は電解質膜１６の表面に配置されたガス拡散層１７である。電解質膜１６はシール材料１５を介して上下のセパレータ１２に挟み込まれている。
【００１６】
図３は前記燃料電池の潰れ高さと冷媒層１３による荷重の関係を示している。この燃料電池には、弾性冷媒層１３の反力による荷重F1と冷媒圧力による荷重F2とによる荷重を付与する。加重F2は後述する荷重調整手段により調整される。F2＞F1であり、燃料電池が伸縮しても燃料電池の荷重が許容面圧範囲、0.3〜3MPa、より好ましくは0.5〜2MPa内に収まるよう冷媒層１３の積層方向の反力が設定されている。また冷媒層１３の反力の変化は、積層長の伸縮１μｍあたり60kPa以下、より好ましくは10ｋPa以下とする。
【００１７】
図４は本発明の荷重調整手段に関する実施形態である。燃料電池の冷媒循環通路８ｒ１４には、例えば入口側に圧力調整手段１８を、出口側に流量調整手段１９を備え、圧力調整手段１８と流量調整手段１９とを、圧力調整手段１８と流量調整手段１９間の冷媒通路の圧力を検出する圧力センサ２０ｐと流量センサ２０ｆからの信号に基づきコントローラ２０により協調制御することで冷媒圧力および冷媒流量を制御する。２１は冷媒を冷却する放熱器、２２は冷媒を貯溜する冷媒タンクである。コントローラ２０はＣＰＵおよびその周辺装置からなるマイクロコンピュータにより構成されている。また、圧力調整手段１８と流量調整手段１９は、それぞれ例えば電動ポンプ、電磁流量制御弁で構成されている。
【００１８】
図５は前記荷重調整制御の制御ルーチンを示しており、前記コントローラ２０により一定周期で実行される。なお、図中および以下の説明において符号Ｓを付して示した数字は前記制御の処理ステップ番号を表している。
【００１９】
この制御において、燃料電池の運転状態によって冷媒流量が増大し所定の上限値を上回った場合は（Ｓ１）、冷媒流量を減らすために流量調整手段１９の開度を減じて、冷媒の流量を微小流量ΔL1減らし、圧力を微小圧力ΔＰ増圧する（Ｓ３）。次いで、圧力調整手段１８を微小圧力ΔP減るまで減圧し、冷媒流量を微小量ΔL2減らす（Ｓ４）。前記と異なり、冷媒流量が減少し所定の下限値を下回った場合は（Ｓ２）、冷媒流量を増やすために流量調整手段１９の開度を増やし、冷媒の流量を微小流量ΔL1増やし、圧力を微小圧力ΔＰ減圧する（Ｓ５）。次いで、圧力調整手段１８を微小圧力ΔP増えるまで増圧し、冷媒流量を微小量ΔL2増やす（Ｓ６）。前記の処理を設定流量に戻るまで繰り返すことで、冷媒流量を調整し、冷媒層１３内の圧力を所要値に維持する。前記ΔＰは、燃料電池にかかっている荷重に比べ十分に小さく、かつ冷媒の圧力に比べ十分に小さく、5kPa以下、望ましくは0.5kPa以下とする。
【００２０】
図６−１と図６−２は単位燃料電池セル１に関する第２の実施形態である。この実施形態の弾性冷媒層１３は、例えばカーボン粉末と樹脂粉末を圧縮成形し作成した板を加熱処理した高剛性を有するセパレータ１２上に、ゴムとカーボンの混成材料からなる導電性弾性材料を用いて冷媒通路８を形成し、このセパレータは１２はセル積層時に上層側のセルのセパレータと、通路８外周部およびマニホールド７外周部の部分にて接着剤２３を用いて接着されている。弾性冷媒層１３は高剛性を有するセパレータ上にゴムとカーボンの混成材料を直接成形するなどして製造できるため、切削などにより溝を形成する必要がなく、製造が容易である。
【００２１】
図７は単位燃料電池セル１に関する第３の実施形態である。この実施形態の弾性冷媒層１３は例えばカーボン粉末と樹脂粉末を圧縮成形し作成した板を加熱処理した比較的高剛性を有するセパレータ１２上に、層内に冷媒導入マニホールドと冷媒排出マニホールドとを連通する中空の冷媒通路８を持つ、ゴムとカーボンの混成材料からなる冷媒層１３が重なる構造を有している。この弾性冷媒層１３の冷媒通路８は中空構造となっており、隣接する他の単位燃料電池セルのセパレータとの接合部を持たないため、冷媒漏れのおそれが少なく、組立も簡易である。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】本発明の実施形態に係る燃料電池の縦断面図。
【図２−１】本発明の第１の実施形態に係る燃料電池単位セルの平面図。
【図２−２】図２−１のＡ−Ａ断面図。
【図２−３】図２−２の要部拡大図。
【図３】前記実施形態における燃料電池の潰れ高さと荷重の関係を表した特性線図。
【図４】前記実施形態に係る調整手段の概略構成図。
【図５】前記調整手段の制御内容を表す流れ図。
【図６−１】本発明の第２の実施形態に係る燃料電池単位セルの縦断面図。
【図６−２】図６−１の要部拡大図。
【図７】本発明の第３の実施形態に係る燃料電池単位セルの縦断面図。
【符号の説明】
【００２３】
１    単位燃料電池セル
２    燃料電池積層体
３    集電板
４    絶縁板
５    エンドプレート
６    テンションプレート
７    マニホールド
８    冷媒通路
９    リブ
１０    シール部
１１    燃料電池
１２    セパレータ
１３    導電性弾性材料からなる冷媒層
１４    冷媒循環通路
１５    ガスシール部
１６    触媒付電解質膜
１７    ガス拡散層
１８    圧力調整部
１９    流量調整部
２０    コントローラ
２１    放熱器
２２    冷媒タンク
２３    接着剤
【図３】
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【図１】
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【図２−１】
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【図２−２】
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【図２−３】
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【図４】
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【図５】
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【図６−１】
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【図６−２】
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【図７】
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