(57)【要約】      （修正有）【課題】適正かつ均一な面圧を得ることにより、耐久性を向上させ、発電効率を高く保つことが可能となる燃料電池、及び燃料電池システムを提供する。【解決手段】ユニットセル１０１，１０２とセパレータ１０３，１０４，１０５，１０６とを交互に積層した積層体１００を備え、該積層体１００の両端が固定された燃料電池において、保水量の増減により積層方向の面圧を変化させる、加圧手段６０を備える。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ユニットセルとセパレータとを交互に積層した積層体を備え、該積層体の両端が固定された燃料電池であって、
保水量の増減により前記積層方向の面圧を変化させる、加圧手段を備えたことを特徴とする燃料電池。
【請求項２】
前記加圧手段は、前記ユニットセルのガス流路上流側から下流側に沿って複数設けられてい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】
前記加圧手段は、前記セパレータ背部に配設されたことを特徴とする請求項１又は２に記載の燃料電池。
【請求項４】
前記加圧手段に燃料電池の生成水を供給することを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の燃料電池。
【請求項５】
前記加圧手段は、高吸水性ポリマーを含むことを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の燃料電池。
【請求項６】
請求項１〜５のいずれか１項に記載の燃料電池に、
さらに前記加圧手段の保水量を制御することにより、前記面圧を制御する面圧制御手段を備えたことを特徴とする燃料電池システム。
【請求項７】
前記面圧制御手段は、燃料電池運転温度が所定温度範囲外にあるとき、及び、前記ユニットセルがドライな環境にあるとき、前記面圧を加圧し、
燃料電池運転温度が所定温度範囲内にあるとき、前記ユニットセルがウエットな環境にあるとき、及び前記燃料電池が運転停止したときに前記面圧を減圧する制御を行うことを特徴とする請求項６に記載の燃料電池システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池、及び燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池のユニットセルが発生する理論起電力は１．２３ボルトであるため、たとえば自動車の動力源として所定の電圧を得るために、燃料電池は、ユニットセルの積層体として構成される。すなわち、ユニットセルとセパレータとを交互にかつ直列に繰り返し積層させることにより、モジュールを構成し、モジュールを積層してモジュール積層体として必要な電圧を得ている。かかる構造においては、ユニットセルとセパレータとの間に界面が存在するため、この界面に良好な電気の流通を得るべく、積層方向に面圧を付加することを余儀なくされている。
【０００３】
図６は、ユニットセルを多数積層して構成される燃料電池積層体１５０の部分概略側面図である。この積層体においては、複数のユニットセル５１、５１、…を積層し（図６においてはセパレータが省略されて表されている。）、その両端に集電板５２、５２を配置し、さらにその外側に電気絶縁性を有する絶縁板５３、５３を配置している。そして、締付板５４、５４で挟み、締付ボルト５５、皿バネ５６および締付ナット５７を用いて締付板５４、５４で積層体を締め付け、加圧しながら保持している。
【０００４】
この技術分野に関連して、特許文献１には、固体電解質とそれを挟む燃料電極及び空気電極を備えるセルと、夫々の前記電極に燃料ガス及び空気を送る通路と、前記セルを挟み離隔するセパレータと、このセパレータの間に設置され熱膨張物質を内包する耐熱性シール部材とを有することを特徴とする燃料電池が開示されている。この燃料電池によれば、燃料電池の運転により発生する熱により熱膨張物質が膨張して、燃料電池のガスシール性が高まるとされている。
【特許文献１】特開平６−３０２３３１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかし、従来の燃料電池では、適正な面圧を得るために、上記締め付けナット及び皿バネで一定の面圧が掛かるように所定の位置に固定して締め付けてはいるが、燃料電池の運転により水が生成されると、電解質が含水して膨張し、急速に面圧が過大なまでに上昇する一方で、運転停止すると急速に面圧が低下するということが繰り返されている。また、生成水が存在する量が流路の上流側と下流側とで異なるので、不均一な面圧が発生しがちである。かかる状況が原因となって、燃料電池の耐久性や発電効率を悪化させるという問題があった。また、締め付けナットや皿バネは、使用とともに次第に緩んでくるという問題もあった。さらに、特許文献１に開示されている構造では、過大な面圧によって、電解質膜が破損するという問題があった。
【０００６】
そこで本発明は、適正かつ均一な面圧を得ることにより、耐久性を向上させ、発電効率を高く保つことが可能となる燃料電池、及び燃料電池システムを提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記課題を解決するために、本発明は以下の手段をとる。すなわち、
請求項１に記載の発明は、ユニットセルとセパレータとを交互に積層した積層体を備え、該積層体の両端が固定された燃料電池であって、保水量の増減により積層方向の面圧を変化させる、加圧手段を備えたことを特徴とする燃料電池である。
【０００８】
請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の燃料電池において、加圧手段はユニットセルのガス流路上流側から下流側に沿って複数設けられていることを特徴とする。
【０００９】
請求項３に記載の発明は、請求項１又は２に記載の燃料電池において、加圧手段はセパレータ背部に配設されたことを特徴とする。
【００１０】
請求項４に記載の発明は、請求項１〜３のいずれか１項に記載の燃料電池において、加圧手段に燃料電池の生成水を供給することを特徴とする。
【００１１】
請求項５に記載の発明は、請求項１〜４のいずれか１項に記載の燃料電池において、加圧手段は、高吸水性ポリマーを含むことを特徴とする。
【００１２】
請求項６に記載の発明は、請求項１〜５のいずれか１項に記載の燃料電池に、さらに加圧手段の保水量を制御することにより面圧を制御する面圧制御手段を備えたことを特徴とする燃料電池システムである。
【００１３】
請求項７に記載の発明は、請求項６に記載の燃料電池システムにおいて、面圧制御手段は、燃料電池運転温度が所定温度範囲外にあるとき、及びユニットセルがドライな環境にあるとき面圧を加圧し、燃料電池運転温度が所定温度範囲内にあるとき、ユニットセルがウエットな環境にあるとき、及び燃料電池が運転停止したときに面圧を減圧する制御を行うことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１４】
請求項１に記載の発明によれば、簡単な構造で燃料電池積層方向に面圧をかけることができる。
【００１５】
請求項２に記載の発明によれば、ユニットセルのガス流路上流側と下流側とで異なる面圧をかけることができる。
【００１６】
請求項３に記載の発明によれば、発生する面圧を燃料電池の積層方向に有効に負荷でき、かつ燃料電池の発電作用に影響の出ない部位に加圧手段を配設することができる。
【００１７】
請求項４に記載の発明によれば、加圧手段に水を供給する水供給手段を別途設ける必要がない。
【００１８】
請求項５に記載の発明によれば、安価な入手しやすい材料にて加圧手段を構成することができる
【００１９】
請求項６、または７に記載の発明によれば、状況に応じて適正な面圧を燃料電池の積層方向に負荷することが可能な、発電効率の高い燃料電池システムを提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
図１（ａ）は本発明の基本的構成を示す第１実施形態の燃料電池１００、（ｂ）は比較のために燃料電池１００に対応する従来の燃料電池１００ａを示す断面図である。なお、燃料電池１００は、複数のユニットセルとセパレータが積層されて構成されているが、説明の便宜のため、各図には２つのユニットセル、およびその両側のセパレータのみが示されている。又、各図は、ユニットセル積層方向に平行な平面に沿った断面を概略的に示したものである。
【００２１】
図１（ａ）には、燃料電池１００を構成する複数のユニットセルのうち、互いに隣接する２つのユニットセル１０１、１０２が表されている。ユニットセル１０１は２枚のセパレータ１０３、及び１０４に、ユニットセル１０２は２枚のセパレータ１０５、及び１０６に夫々に狭持されている。各ユニットセル１０１、１０２は、中央に電解質１０が配置されその両側に触媒層２０、２０、さらにその両側に拡散層３０、３０が配設されている。そして拡散層３０、３０のさらに外側の面は各セパレータ１０３〜１０６の内側の面に当接されている。２つのユニットセル１０１、１０２の間には冷却用の水あるいはガスが流通される流路５０が形成されている。そして流路５０とセパレータ１０４、１０５との間には、加圧手段６０、６０が配設されている。
【００２２】
加圧手段６０は、その保水量の増減により積層方向の面圧を変化させる機能を備えている。すなわち加圧手段６０に水を供給することにより、加圧手段６０はたとえば図の左右方向に膨張してセパレータ１０４、１０５を外側方向に押圧する。本発明において、加圧手段はその保水量の増減により面圧を変化させるものであれば特に限定されないが、加圧手段に高吸水性ポリマーが含まれていることが好ましい。高吸水性ポリマーは、水を吸収すると、自らその体積を増大させ、一定容積の間に充填しておけば、吸水による体積の増大を利用して、簡易な構成のみで面圧を増加させることができる。又吸水により一度体積が増大した高吸水性ポリマーは、たとえば電圧をかけることにより、吸収した水を放出して体積を減少させ、これによって面圧を元のレベルに戻すことも可能である。このような高吸収性ポリマーとしては、デンプン系、セルロース系、合成ポリマー系のものを使用することができる。デンプン系とセルロース系としては、グラフト重合系、カルボキシメチル系を使用することができる。合成ポリマー系としては、アクリル系、ポバール系、アクリルアミド系、ポリオキシエチレン系を使用することができる。
【００２３】
燃料電池１００の積層体は、図６を用いて説明したような、左右両端から挟みこむような構成をとっているため、加圧手段６０に発生した押圧力はそのまま積層体全体に負荷される積層方向の面圧となる。したがって、加圧手段６０に水を供給するという単純な操作を加えることで、燃料電池１００を構成する積層体全体の面圧を変化させることができる。
【００２４】
なお、図１（ｂ）は、図１（ａ）の燃料電池１００に加圧手段６０、６０を備える前の燃料電池１００ａを示しており、これらの差異は加圧手段６０、６０の有無だけであるので、その説明は省略する。
【００２５】
図２は、本発明の第２実施形態の燃料電池２００を示す図である。なお、図２において、図１に示されている部材と同一の部材については、図１におけるものと同一の参照符号を付してその説明を省略することがある。以下の各図においても同様とする。
【００２６】
図示の燃料電池２００は、流路５０の両側に配設されている加圧手段が上下２つに分かれている。図の上部に表されている加圧手段７０ａ、７０ａは、セパレータ１０４、１０５に刻設されているガス流路２０１、２０１…；２０２、２０２、…の上流側に配置されたものである。一方、図の下部に表されている加圧手段７０ｂ、７０ｂは、セパレータ１０４、１０５に刻設されているガス流路２０１、２０１…；２０２、２０２、…の下流側に配置されたものである。このように、加圧手段をガス流路の上流側（７０ａ）と下流側（７０ｂ）とに別々に設けることにより、上流側と下流側とに異なる面圧を付加することが可能となる。
【００２７】
図３（ａ）は本発明の第３実施形態の燃料電池３００、（ｂ）は本発明の第４実施形態の燃料電池４００を示す図である。
【００２８】
図示の燃料電池３００は、そのセパレータ１０４、１０５にセル面に直交する方向の貫通孔３０１、３０２、３０３、３０４を備えている。各貫通孔の一の開口は、セパレータリブ部が拡散層３０に当接されている部分に配置されている。又、他の開口はセパレータ背側の加圧手段７０ａ、７０ｂと当接されている部分に配置されている。このように構成された貫通孔３０１〜３０４により、セル内の生成水を加圧手段７０ａ、７０ｂに供給することができる。特に過剰な生成水により、いわゆるフラッディングが生じやすい流路下流側に貫通孔３０２、３０４を配置すれば、フラッディングを防止して発電効率が低下することを抑制することができるという利点を得ることができる。又、面圧を考慮しつつ、生成水量に応じて上流側貫通孔３０１、３０３と、下流側貫通孔３０２、３０４との大きさに差を設けるようにしてもよい。さらに夫々発生する面圧の異なる加圧手段を図の上下方向に３つ以上設けても良く、また、図の紙面厚さ方向に複数設けるようにしてもよい。
【００２９】
図３（ｂ）に示される燃料電池４００においては、加圧手段７０ａ、７０ｂに供給する水として燃料電池の生成水を使用せず、別途水の供給系統を設けている。すなわち給水タンク４０１と不図示の給水ポンプとを備え、該給水タンク４０１から、配水ライン４０２を経て上流側加圧手段７０ａ、７０ａに、配水ライン４０３を経て下流側加圧手段７０ｂ、７０ｂに水が供給される。供給される水量は、夫々の加圧手段に求められる発生面圧に応じて調整の上供給されることが望ましい。
【００３０】
図４は、本発明の燃料電池システムの構成を示す図である。この燃料電池システム１０００は、燃料電池５００と制御装置６００とを備えている。燃料電池５００の基本構成は上述した燃料電池４００と同様であるが、燃料電池５００は燃料電池４００に、さらに以下の構成が付加されている。
配水ライン４０２、及び４０３に設けた開閉手段５０１、５０２；５０３、５０４
加圧手段７０ａ、７０ａ；７０ｂ、７０ｂの水を除去する減圧手段５１１、５１２；５１３、５１４
及び、
各ユニットセルの発生電圧を感知するセル電圧計５２１、５２２
各ユニットセルの温度を感知する温度センサ５３１、５３２
各ユニットセルの湿潤状態を感知するウエットセンサ５４１、５４２
【００３１】
一方、制御装置６００は、あらかじめ設定されたプログラムに従って動作制御を行うＣＰＵ６０１と、記憶手段であるＲＯＭ６０２及びＲＡＭ６０３を備えている。制御装置６００のＲＯＭ６０２には、燃料電池システムの全般の動作制御についての制御プログラムが格納されている。
【００３２】
制御装置６００が制御信号を発生するために必要な入力信号を発生する主要な入力信号発生手段としては、各ユニットセルの発生電圧を感知するセル電圧計５２１、５２２、各ユニットセルの温度を感知する温度センサ５３１、５３２、及びウエットセンサ５４１、５４２等がある。また、必要に応じて面圧センサなどを設けてもよい。これらは、入力ポート６０４を介してＣＰＵ６０１に接続されている。
【００３３】
一方、配水ライン４０２、４０３の開閉を司る開閉手段５０１、５０２；５０３、５０４、及び各加圧手段７０ａ、７０ａ；７０ｂ、７０ｂの水を除去する減圧手段５１１、５１２；５１３、５１４は、ＣＰＵ６０１から出力される駆動指令などの制御信号を受けて制御されている。これらは、出力ポート６０５を介してＣＰＵ６０１の出力部に接続されている。
【００３４】
本発明の燃料電池システム１０００は、加圧手段７０ａ、７０ａ；７０ｂ、７０ｂの保水量を制御することにより面圧を制御する面圧制御手段６００を備えたことを特徴としている。すなわち、燃料電池運転温度が所定温度範囲外にあるとき、及びユニットセルがドライな環境にあるとき面圧を加圧し、燃料電池運転温度が所定温度範囲内にあるとき、ユニットセルがウエットな環境にあるとき、及び燃料電池が運転停止したときには面圧を減圧する制御を行う。これらの面圧制御により燃料電池５００の発生電力を高く保ち、かつ高い耐久性を実現することが可能になる。
【００３５】
次に図５のフローチャートを参照しつつ、本発明の燃料電池システム１０００の制御動作について説明する。処理が開始されると、ＣＰＵ６０１は温度センサ５３１、５３２からの温度情報を読み込む。そして各セルの温度が所定の範囲（たとえば７０〜９０℃）からはずれているかどうかを判断する（ステップＳ１）。ここでの温度は、各温度センサ５３１、５３２から伝えられる温度の平均値でもよいし、最低温度をとってもよい。ステップＳ１において肯定判断がされた場合には、燃料電池５００の温度が望ましい範囲からはずれているので、低出力の状態にあると考えられる。よって、給水用の開閉手段５０１〜５０４を開放して（ステップＳ５）給水タンク４０１内の水を配水ライン４０２、４０３を介して、加圧手段７０ａ、７０ａ；７０ｂ、７０ｂに供給する。ここでの加圧手段７０ａ、７０ａ；７０ｂ、７０ｂには、前記した高吸水性ポリマーが含まれている。したがって、水を与えられた加圧手段７０ａ、７０ａ；７０ｂ、７０ｂは、保水量が増加して、体積を増し、燃料電池５００の面圧が上がる。これにより発生電圧を上昇させることができる。なお、上流側加圧手段７０ａと、下流側加圧手段７０ｂによる面圧をそれぞれに異なる値に調整して最適な発電状態を達成するため、あらかじめ上流側の開閉手段（バルブ）５０１、５０２と、下流側の開閉手段５０３、５０４の開度を異なるものに設定しておくことが望ましい。以下の処理においても同様である。
【００３６】
次いでステップＳ６においては、燃料電池５００の発生電圧が所定値以上となったかどうかが判断される。この判断はＣＰＵ６０１が、電圧計５２１、５２２からの情報に基づいて行う。ステップＳ５における加圧手段７０ａ、７０ａ；７０ｂ、７０ｂへの水の供給により面圧が上がって発生電圧が上昇し、それが所定値を上回った場合（ステップＳ６において肯定判断された場合）、開閉手段５０１〜５０４は閉鎖される（ステップＳ７）。ステップＳ６において否定判断された場合、すなわち面圧の上昇によってもまだ所定の電圧に達していない場合には、処理はステップＳ５に戻され、開閉手段５０１〜５０４は開放のまま保持される。
【００３７】
ステップＳ１において否定判断された場合、すなわち燃料電池５００内の温度が適正範囲にある場合、又は、ステップＳ７の後には、処理はステップＳ２へと進められる。ステップＳ２においては、燃料電池５００のセル内の状態がドライな状態であるかどうかが判断される。この判断は、ＣＰＵ６０１がウエットセンサ５４１、５４２からの情報を基に行う。セル内の状態が所定のドライな状態（一定の乾燥状態）であると判断された場合には、燃料電池５００は低出力の状態にあると考えられる。よって、給水用の開閉手段５０１〜５０４を開放して（ステップＳ８）給水タンク４０１内の水を配水ライン４０２、４０３を介して、加圧手段７０ａ、７０ａ；７０ｂ、７０ｂに供給する。水を与えられた加圧手段７０ａ、７０ａ；７０ｂ、７０ｂは、保水量が増加して、体積を増し、燃料電池５００の面圧が上がる。これにより発生電圧を上昇させることができる。
【００３８】
次いでステップＳ９においては、燃料電池５００の発生電圧が所定値以上となったかどうかが判断される。この判断もＣＰＵ６０１が、電圧計５２１、５２２からの情報に基づいて行う。ステップＳ８における加圧手段７０ａ、７０ａ；７０ｂ、７０ｂへの水の供給により面圧が上がって発生電圧が上昇し、それが所定値を上回った場合（ステップＳ９において肯定判断された場合）、開閉手段５０１〜５０４は閉鎖される（ステップＳ１０）。ステップＳ９において否定判断された場合、すなわち面圧の上昇によってもまだ所定の電圧に達していない場合には、処理はステップＳ８に戻され、開閉手段５０１〜５０４は開放状態を保たれる。
【００３９】
ステップＳ２において否定判断された場合、又は、ステップＳ１０の後には、処理はステップＳ３へと進められる。ステップＳ３においては、燃料電池５００のセル内の状態がウエットな状態であるかどうかが判断される。この判断は、ＣＰＵ６０１がウエットセンサ５４１、５４２からの情報を基に行う。セル内の状態が所定のウエット（過湿）な状態であると判断された場合には、燃料電池５００は高出力の状態にあると考えられる。すなわち、燃料の水素が次々に酸化されて生成水が続々と発生しているために燃料電池内の状態が過湿の状態になっているものと考えられる。この状態では、燃料電池５００の面圧は適正なレベルより高いレベルにあると考えられるので、電解質１０の耐久性等を考慮した場合面圧を下げる方向が好ましい。よって、ステップＳ３において肯定判断された場合には、加圧手段７０ａ、７０ａ；７０ｂ、７０ｂに、減圧手段５１１〜５１４により電圧を負荷する（ステップＳ１１）。加圧手段７０ａ、７０ａ；７０ｂ、７０ｂには、上記したように高吸水性ポリマーが使用されているので、減圧手段５１１〜５１４により、電圧を負荷すると抱き込んでいる水を離脱して、保水量が減少し、面圧が低化する。かくして燃料電池内の反応が適正なレベルになるまで電圧の負荷が継続される（ステップＳ１１、Ｓ１２）。加圧手段７０ａ、７０ａ；７０ｂ、７０ｂから離脱した水は専用の経路を設けて燃料電池５００外へと排水してもよいし、開閉手段５０１〜５０４を減圧手段５１１〜５１４と連動させて、配水ライン４０２、４０３を通じて給水タンク４０１に戻すように構成してもよい。
【００４０】
ステップＳ１２において肯定判断された場合、すなわち燃料電池５００の発電が適正レベルに戻ったと判断されたときには処理はステップＳ４へと進められる。ステップＳ４においては、燃料電池システム１０００の終了スイッチが操作されたかどうかが判断される。ステップＳ４において肯定判断された場合には、加圧手段７０ａ、７０ａ；７０ｂ、７０ｂにさらに電圧が負荷されて、保水量を減少させることにより、面圧をさらに低いものとして処理を終了する。すなわち燃料電池５００の停止状態においては、電池に面圧がかからないようにする。ステップＳ４において否定判断された場合には、処理はステップＳ１に戻されて上記処理が繰り返される。
【００４１】
燃料電池がセル積層体として構成されている場合、加圧手段は所定数のセルに対して１つ設けるようにすれば足りる。１つの加圧手段が膨張すれば全体の面圧が上がるからである。また、加圧手段をセル毎、あるいは、上流部と下流部に複数設けて、個々に制御することによって、全体に均一な面圧がかかるように構成してもよい。
【００４２】
なお、以上の説明では加圧手段は、水（Ｈ２Ｏ）を吸水して面圧を生じるものとして構成したが、水以外の流体、たとえば溶剤、流動パラフィン等の炭化水素油、合成油、植物油等の非水性の液体や、窒素ガス（Ｎ２）、二酸化炭素（ＣＯ２）などの気体を吸収して膨張する材料を利用した加圧手段を構成してもよい。これらの流体を使用した場合には、０℃以下の低温においても自由な作動を確保することができるという利点がある。
【図面の簡単な説明】
【００４３】
【図１】（ａ）は本発明の第１実施形態の燃料電池、（ｂ）は従来の燃料電池を示す図である。
【図２】第２実施形態の燃料電池を示す図である。
【図３】（ａ）は第３実施形態の燃料電池、（ｂ）は第４実施形態の燃料電池を示す図である。
【図４】本発明の燃料電池システム構成を示す図である。
【図５】制御装置の動作を示すフローチャートである。
【図６】ユニットセルを多数積層して構成される燃料電池積層体の部分概略側面図である。
【符号の説明】
【００４４】
１０  電解質
２０  触媒層
３０  拡散層
５０  冷却用流路
６０、７０ａ、７０ｂ  加圧手段
１００、１００ａ、２００、５００  燃料電池
１０１、１０２  ユニットセル
１０３、１０４、１０５、１０６  セパレータ
２０１  
４０１  給水タンク
４０２、４０３  配水ライン
５０１、５０２、５０３、５０４  開閉手段（バルブ）
５２１、５２２  電圧計
５３１、５３２  温度センサ
５４１、５４２  ウエットセンサ
６００  制御装置
６０１  ＣＰＵ
６０２  ＲＯＭ
６０３  ＲＡＭ
６０４  入力ポート
６０５  出力ポート
【図１】
2005294100.tif 000003
【図２】
2005294100.tif 000004
【図３】
2005294100.tif 000005
【図４】
2005294100.tif 000006
【図５】
2005294100.tif 000007
【図６】
2005294100.tif 000008