(57)【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る一対の触媒層と、前記触媒層の外側に配置される一対の拡散層と、前記拡散層の外側に配置される一対のセパレータとからなるセルが複数積層された燃料電池であって、
前記セルを構成する電解質膜に加わる荷重を検出するための荷重検出手段が、前記拡散層と前記触媒層とを介して前記電解質膜と対向する前記セパレータ内に埋め込まれていることを特徴とする燃料電池。
【請求項２】
請求項１記載の燃料電池において、前記セパレータは、ガス通路となる凹部と、該凹部に対して突出し前記拡散層と接する凸部とを備え、
前記セパレータ内に埋め込まれている荷重検出手段の少なくとも一部は、前記凸部と前記拡散層とが接する面と対峙するように前記セパレータ内に配置されることを特徴とする燃料電池。
【請求項３】
請求項１又は２記載の燃料電池において、前記荷重検出手段の検出結果に基づき、前記電解質膜に加わる荷重を制御する手段を備えることを特徴とする燃料電池。
【請求項４】
請求項１から請求項３のいずれか一項記載の燃料電池において、前記荷重検出手段の検出結果が所定値以上となったときに警報を発する荷重アラームを有することを特徴とする燃料電池。
【請求項５】
請求項１から請求項４のいずれか一項記載の燃料電池において、前記荷重検出手段の近くにセルの温度を測定する温度測定手段を配置し、前記温度測定手段により測定された温度により前記荷重検出手段の温度特性を補正することを特徴とする燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は燃料電池、特に固体高分子型燃料電池の改良に関する。
【０００２】
【従来の技術】
燃料電池は、通常複数のセルが積層された燃料電池スタックとして構成されている。このような燃料電池スタックにおいては、セルの積層方向両端に配置されるエンドプレートを締め付けボルトにより締め付けてセルが固定される。この場合に、各セルに加わる荷重は、上記締め付けボルトに貼り付けられた歪みゲージ等により、締め付けボルトの軸力として検出される。このような例が、特開２００１−３２５９８５号公報に記載されている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、上記従来の荷重検出方法においては、締め付けボルトの軸力を検出するものであり、各セルに直接加わる荷重あるいは圧力ではない。このため、各セルに加わる荷重を正確に知ることができず、燃料電池スタックの締結力を正確に調整することができないという問題があった。このため、燃料電池スタックの締結力が低すぎて、セパレータと拡散層との間等の接触抵抗が増大したりガスリークが発生しやすくなるという問題ある。また、逆に締結力が大きくなりすぎると固体高分子型燃料電池を構成する電解質膜が破損するおそれが生じる。
【０００４】
本発明は、上記従来の課題に鑑みなされたものであり、その目的は、セルの締結力を正確に検出することができる燃料電池を提供することにある。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明は、電解質膜と、前記電解質膜の両側に配置される一対の触媒層と、前記触媒層の外側に配置される一対の拡散層と、前記拡散層の外側に配置される一対のセパレータとからなるセルが複数積層された燃料電池であって、前記セルを構成する電解質膜に加わる荷重を検出するための荷重検出手段が、前記拡散層と前記触媒層とを介して前記電解質膜と対向する前記セパレータ内に埋め込まれていることを特徴とする。
【０００７】
また、上記燃料電池において、前記セパレータは、ガス通路となる凹部と、該凹部に対して突出し前記拡散層と接する凸部とを備え、前記セパレータ内に埋め込まれている荷重検出手段の少なくとも一部は、前記凸部と前記拡散層とが接する面と対峙するように前記セパレータ内に配置されることを特徴とする。
【０００８】
上記構成によれば、荷重検出手段が、拡散層と触媒層とを介して電解質膜と対向するセパレータ内に埋め込まれているので、電解質膜に加わる荷重を正確に検出することができる。
【０００９】
また、上記燃料電池において、荷重検出手段の検出結果に基づき、電解質膜に加わる荷重を制御する手段を備えることを特徴とする。
【００１０】
上記構成によれば、電解質膜に加わる荷重を正確に制御することができる。
【００１１】
また、上記燃料電池において、荷重検出手段の検出結果が所定値以上となったときに警報を発する荷重アラームを有することを特徴とする。
【００１２】
上記構成によれば、電解質膜に加わる荷重が所定値を超えないように監視することができる。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態（以下実施形態という）を、図面に従って説明する。
【００１４】
図１には、本発明にかかる燃料電池の構成例が示される。図１において、固体高分子型燃料電池スタック１は、複数のセル１１が積層されて構成されている。その積層体の片面には、固定エンドプレート１０が設けられ、他方側には、可動プレート１２が配置されている。この可動プレート１２は、セル１１の積層体の反対側からシリンダ１３により押されている。このシリンダ１３は、他の固定エンドプレート１６によって支持されたシリンダ加圧部１８によって加圧されており、この加圧力によって可動プレート１２を介して積層体を構成するセル１１が加圧される。これらの固定エンドプレート１０，１６は締結ロッド１４にボルトなどの固定手段１５によって固定されている。また、可動プレート１２は、締結ロッド１４に固定されておらず、締結ロッド１４に、その軸方向に平行に移動可能に取り付けられている。
【００１５】
上記固定エンドプレート１６には、シリンダ制御装置１７が設けられており、シリンダ制御装置１７は、ＥＣＵ２６の信号に従って上記シリンダ加圧部１８を制御する。シリンダ加圧部１８は、シリンダ制御装置１７に制御されつつシリンダ１３を締結ロッド１４と平行な方向に出し入れすることによりセル１１に荷重を加える。
【００１６】
本実施形態において特徴的な点は、複数積層されたセル１１の積層面の少なくとも一個所に、セル１１に加わる荷重を検出するための荷重検出手段１９が設けられている点である。なお、この荷重検出手段１９は、異なる積層面または同一の積層面の複数個所に配置しても良い。荷重検出手段１９の設置個数は、固体高分子型燃料電池スタック１の形状、大きさ等により適宜決定することができる。このように荷重検出手段１９を、セル１１の積層面に配置することにより、セル１１に加わる荷重を直接検出することができるので、正確な荷重を知ることができる。
【００１７】
荷重検出手段１９の出力信号は、ＥＣＵ２６に入力される。ＥＣＵ２６は、荷重検出手段１９から入力された荷重の検出結果に基づいて、シリンダ制御装置１７を制御し、シリンダ制御装置１７がシリンダ加圧部１８を駆動させてシリンダ１３の位置を適宜決定し、セル１１に加わる荷重が適宜制御される。
【００１８】
以下、図１に示された固体高分子型燃料電池スタック１におけるセル１１への荷重制御の動作について説明する。
【００１９】
燃料電池の起動時において、固体高分子型燃料電池スタック１に燃料ガスを導入する前に、シリンダ加圧部１８によってシリンダ１３を可動プレート１２に押しつけ、これによってセル１１に荷重をかける。このとき、荷重検出手段１９の検出信号に基づいて、セル１１が破損せず、かつガスシール性が確保できる程度の締結荷重になるようにシリンダ加圧部１８の加圧力を制御する。これにより、装置温度が低く部材が収縮している状態であっても、過剰な締結力をかけることなくガスシール性を確保することができる。
【００２０】
次に、燃料電池が動作状態となると、ＩＲ損失などにより電池内部で発熱するので、装置温度が上昇する。この温度上昇に伴い、電池の構成部材が膨張するので、装置の温度分布や締結ロッド１４とセル１１の積層体との熱膨張係数の差等により、締結荷重が変化する。この場合には、荷重検出手段１９によって検出された荷重に基づいて、ＥＣＵ２６からシリンダ制御装置１７に指令が出され、シリンダ制御装置１７によってシリンダ加圧部１８が制御され、シリンダ１３によるセル１１への加圧力が適宜制御される。これにより、セル１１が破損せずかつガスシール性を確保でき、さらに接触抵抗の低減が可能となる荷重を維持することができる。
【００２１】
なお、固体高分子型燃料電池セル１０の使用を継続していくと、その構成部材のクリープにより変形して締結力が減少してくるが、本実施形態によれば、この場合の荷重の変化も荷重検出手段１９によって検出でき、適宜調整して一定の締結力を維持することができる。
【００２２】
さらに、荷重検出手段１９によって検出された荷重が所定値以上となったときに、ＥＣＵ２６から警報信号を出力させ、これによって警報を発する荷重アラーム２７を設けることも好適である。
【００２３】
図２には、固体高分子型燃料電池スタック１を構成するセル１１の断面図が示される。図２において、セル１１は、電解質膜２０の両側にアノード触媒層２３とカソード触媒層２４が配置され、その外側にアノード拡散層２１とカソード拡散層２２とが配置されている。さらにその外側には、セパレータ２５が配置されている。このセパレータ２５には、ガス通路２８が形成されている。
【００２４】
荷重検出手段１９は、セパレータ２５内に埋め込まれており、図２に示された例では、セパレータ２５とカソード拡散層２２とが接する部分を介して電解質膜２０と対向する位置に配置されている。この場合、荷重検出手段１９は、セパレータ２５に設けられたガス通路２８の一つの壁も構成している。このような配置により、セパレータ２５が電解質膜２０に対して加える荷重を荷重検出手段１９により直接検出することができる。なお、この荷重検出手段１９の表面には、作用する荷重によって抵抗値が変化する材料、例えばＮｉ−Ｃｒ−アルミナサーメットが形成されている。
【００２５】
図２では、荷重検出手段１９がセパレータ２５内に埋め込まれた例が示されているが、セル１１にかかる締結荷重には通常分布があるので、最も荷重が高くなる部位などを代表点として荷重検出手段１９を配置するのが好適である。また、セルの形状、大きさ等によっては、荷重検出手段１９を同一積層面または異なる積層面に複数配置し、複数の荷重検出手段１９により各セル１１の積層面にかかる荷重を検出する構成とするのも好適である。
【００２６】
また、荷重検出手段１９は、図２に示されたように、セパレータ２５の電解質膜２０への当接部に配置するのもよいが、かならずしもこれに限定されるものではない。例えば、セパレータ２５の外側すなわち他のセル１１との接触面、あるいはセル１１の中心部位ではなく周辺部などのガスシール部位に設置しても良い。
【００２７】
燃料電池セルは、その作動時と停止時において温度変化があるので、荷重検出手段１９の温度特性を補正するために荷重検出手段１９の近くに温度測定手段を配置するのも好適である。これにより、より高精度に荷重を検出することができる。この場合の温度としては、ガス温度や冷却水温度で代用することも可能である。
【００２８】
以上のようにして、使用条件、環境条件が変化しても、セル１１の高分子膜２０にかかる荷重を常に正確に検出することができ、これに基づいて荷重を制御できるので、過大な締結荷重でセル１１特に高分子膜２０を破損することなく、かつガスシール性の確保、接触抵抗の低減を可能とする最適な締結荷重を維持することができる。
【００２９】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、セルにかかる荷重を正確に検出することができ、この検出荷重により各セルにかかる荷重を最適に制御することができる。これにより、セルを破損させずかつガスシール性を確保でき、さらに接触抵抗を低減することも可能となる。
【００３０】
また、検出された荷重が所定値以上となったときに警報を発する荷重アラームを設けることにより、燃料電池セルの動作をより安全に行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明にかかる燃料電池の構成を示す図である。
【図２】  図１に使用されるセルの断面図である。
【符号の説明】
１  固体高分子型燃料電池スタック、１０，１６  固定エンドプレート、１１セル、１２  可動プレート、１３  シリンダ、１４  締結ロッド、１５  固定手段、１７  シリンダ制御装置、１８  シリンダ加圧部、１９  荷重検出手段、２０  電解質膜、２１  アノード拡散層、２２  カソード拡散層、２３  アノード触媒層、２４  カソード触媒層、２５  セパレータ、２６  ＥＣＵ、２７  荷重アラーム、２８  ガス通路。
【図１】
0004136443.tif 000002
【図２】
0004136443.tif 000003