(57)【要約】【課題】簡便に燃料電池スタックの締結荷重を測定することを目的とする。【解決手段】  燃料電池１０であって、複数の発電ユニット１００と、前記燃料電池に供給される反応ガスを加圧するポンプ４００と、前記発電ユニットの少なくとも１つにおける反応ガス流路から前記反応ガスを外部に導く弁であって、前記発電ユニットを締結する締結荷重の大きさに基づいて開弁の有無が変わる１つ以上の弁５８５と、前記弁の開閉を検知するセンサ５８０とを備える。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池であって、
複数の発電ユニットと、
前記燃料電池に供給される反応ガスを加圧するポンプと、
前記発電ユニットの少なくとも１つにおける反応ガス流路から前記反応ガスを外部に導く弁であって、前記発電ユニットを締結する締結荷重の大きさに基づいて開弁の有無が変わる１つ以上の弁と、
前記弁の開閉を検知するセンサと、
を備える、燃料電池。
【請求項２】
請求項１に記載の燃料電池において、
前記弁は、前記弁が開くときの締結荷重の値を変えるための調整部を備えている、燃料電池。
【請求項３】
請求項２に記載の燃料電池において、
前記弁が開くときの締結荷重の値を変えた複数の前記弁が配置されている、燃料電池。
【請求項４】
請求項１から請求項３のいずれかに記載の燃料電池において、
前記弁は、燃料電池の通常運転時の反応ガスの圧力よりも大きな圧力状態下で開くように設定されている、燃料電池。
【請求項５】
請求項１から請求項４のいずれかに記載の燃料電池において、
前記反応ガスは酸化ガスである、燃料電池。
【請求項６】
請求項１から請求項５のいずれかに記載の燃料電池において、さらに、
締結荷重調整機構と、
通常運転時に前記弁から反応ガスが漏れたときに前記締結荷重調整機構による締結荷重を増大させる制御部と、
を備える、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する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池スタックには、発電性能の向上や外部リーク防止のため、締結荷重が加えられている。締結荷重が大きすぎると燃料電池スタックが壊れる恐れがあるため、締結加重を測定して締結荷重の大きさを調整することが行われている。従来、燃料電池スタックの締結荷重を測定するものとして、ロードセルを用いて燃料電池スタックの締結荷重を測定するものが知られている。また、圧力を検知するピエゾ素子を単セルの内部に配置しているものも知られている（特許文献１）。
【０００３】
【特許文献１】特開２００６−２６０９０７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかし、燃料電池スタックの締結荷重測定に関しては、従来から、部品点数、搭載スペース、重量、コストが課題となっている。
【０００５】
本発明は上記課題の少なくとも１つを解決し、簡便に燃料電池スタックの締結荷重を測定することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記課題の少なくとも一部を解決するために、本発明は以下の態様をとる。
【０００７】
本発明の第１の態様は、燃料電池であって、複数の発電ユニットと、前記燃料電池に供給される反応ガスを加圧するポンプと、前記発電ユニットの少なくとも１つにおける反応ガス流路から前記反応ガスを外部に導く弁であって、前記発電ユニットを締結する締結荷重の大きさに基づいて開弁の有無が変わる１つ以上の弁と、前記弁の開閉を検知するセンサとを備える。この態様によれば、弁の開閉を検知して締結荷重の大きさを知ることができる。そのため、簡便に燃料電池スタックの締結荷重を測定することが可能となる。
【０００８】
本発明の第１の態様において、前記弁は、前記弁が開くときの締結荷重の値を変えるための調整部を備えていてもよい。この態様によれば、締結荷重の値を細かく求めることが可能となる。
【０００９】
本発明の第１の態様において、前記弁が開くときの締結荷重の値を変えた複数の前記弁が配置されていてもよい。この態様によれば、締結荷重測定作業中に弁が開くときの締結荷重の調整をする必要がない。
【００１０】
本発明の第１の態様において、前記弁は、燃料電池の通常運転時の反応ガスの圧力よりも大きな圧力状態下で開くように設定されていてもよい。この態様によれば、締結荷重測定時以外の通常運転時には反応ガスをリークさせずに済む。
【００１１】
本発明の第１の態様において、前記反応ガスは酸化ガスであってもよい。一般に燃料電池では酸化ガスとして空気を用いている。したがって、この態様によれば、燃料電池は締結荷重測定時に開いた弁から反応ガスを漏らしても、漏れる反応ガスが酸化ガスであれば、環境への影響やコスト面で有利である。
【００１２】
本発明の第１の態様において、さらに、締結荷重調整機構と、通常運転時に前記弁から反応ガスが漏れたときに前記締結荷重調整機構による締結荷重を増大させる制御部とを備えていてもよい。この態様によれば、通常運転時における反応ガスのリークを抑制することが可能となる。
【００１３】
なお、本発明は種々の形態で実現することが可能であり、例えば、燃料電池の他、締結荷重の測定方法、反応ガスのリーク抑制方法等な形態で実現することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
図１は、本発明の第１の実施例に係る燃料電池システムの概略構成図である。燃料電池システムは、燃料電池１０と、燃料タンク３００と、エアポンプ４００と、締結荷重検知部５００を備える。燃料電池１０は、発電ユニット１００と、第１、第２のエンドプレート２００、２０５と、第１、第２の荷重プレート２１０、２１５と、バネ２２０と、テンションロッド２３０と、ナット２４０と、ボールネジ機構２５０と、モータ２６０と、フレーム２７０と、コントローラ２８０を備える。
【００１５】
発電ユニット１００は複数あり、積層して燃料電池スタック１０１を形成している。燃料電池スタック１０１の両側には第１、第２のエンドプレート２００、２０５が配置されている。第２のエンドプレート２０５の外側にはバネ２２０を介して第１の荷重プレート２１０が配置されている。第１の荷重プレート２１０の外側にはボールネジ機構２５０を介して第２の荷重プレート２１５が配置されている。第１、第２のエンドプレート２００、２０５と、第１、第２の荷重プレート２１０、２１５は、四隅をテンションロッド２３０が貫通している。第１のエンドプレート２００と第２の荷重プレート２１５は、それぞれナット２４０によりテンションロッド２３０と固定されている。また、第１のエンドプレート２００と第２の荷重プレート２１５はフレーム２７０に固定されている。ボールネジ機構２５０はモータ２６０によって駆動される。すなわち、コントローラ２８０からの信号によりモータ２６０が回転すると、ボールネジ機構２５０により第１の荷重プレート２１０はテンションロッド２３０に沿って移動する。これにより発電ユニット１００にかかる締結荷重を変えることが可能である。
【００１６】
燃料タンク３００は配管３２０を介して燃料電池１０に接続されている。なお、燃料ガスとしては、例えば水素を用いることが可能である。エアポンプ４００は空気取り入れ部４１０から取り入れた空気を圧縮し、配管４２０を介して燃料電池１０に供給する。すなわち、本実施例では、酸化ガスとして空気を用いている。締結荷重検知部５００は燃料電池スタック１０１の締結荷重を測定するための装置である。本実施例では、締結荷重検知部５００は発電ユニット１００ごとに設けられているが、燃料電池１０に少なくとも１つあればよい。なお、締結荷重検知部５００の構成については後述する。
【００１７】
図２は、発電ユニット１００の構成を示す説明図である。発電ユニット１００は、電解質膜１２０と、第１、第２のセパレータプレート１３０、１４０と、フレーム１５０を備える。電解質膜１２０として、例えば、パーフルオロカーボンスルホン酸ポリマなどのフッ素系樹脂や炭化水素系樹脂からなるプロトン伝導性のイオン交換膜を用いることが可能である。電解質膜１２０の各面には触媒層（図示せず）が形成されている。ここで、触媒として、例えば、白金触媒、あるいは白金と他の金属とからなる白金合金触媒を用いることが可能である。触媒は、例えばカーボン粒子上に担持され電解質膜上に塗布される。フレーム１５０は電解質膜１２０の外縁を囲うように形成されている。フレーム１５０は、例えば、射出成形により電解質膜１２０と一体に成形することが可能である。第１、第２のセパレータプレート１３０、１４０と、電解質膜１２０との間にはそれぞれ第１、第２の反応ガス流路１６０、１７０が形成されている。各発電ユニット１００の第２の反応ガス流路１７０には、締結荷重検知部５００ａ〜５００ｄが接続されている。
【００１８】
図３は、フレーム１５０の平面図である。フレーム１５０の外縁部には開口部１０２〜１１２が形成されている。発電ユニット１００が積層されることにより、これらの開口部１０２〜１１２は隣接する発電ユニット１００（図１）の開口部１１０〜１２０と連結し、反応ガス、冷媒を供給、排出するためのマニホールドを形成する。フレーム１５０の中央部には、電解質膜１２０が配置されている。電解質膜１２０の回り及び開口部１０２〜１１２の回りには、シールライン１５２が形成されている。シールライン１５２は、例えば、フレーム１５０の凸部を用いて形成されていてもよい。ここで、電解質膜１２０の回りのシールライン１５２の内側は、第２の反応ガス流路となっている。締結荷重検知部５００は、配管５７０によりフレーム１５０の外縁部に接続されており、シールライン１５２の内側の第２の反応ガス流路１７０と連通している。
【００１９】
図４は、締結荷重検知部５００の構成を示す説明図である。この図では、第１、第２のセパレータプレート１３０、１４０と、フレーム１５０の一部が見えている。締結荷重検知部５００は、第１、第２のシリンダ５１０、５１５と、排気管５２０と、第１、第２の弁体５２５、５３０と、第１、第２のピストン５３５、５４０と、第１、第２のバネ５４５、５５０と、センサ５８０を備える。
【００２０】
第１のシリンダ５１０は、配管５７０を介して第２の反応ガス流路１７０と連通している。第１のシリンダ５１０と第２のシリンダ５１５は、細管５６５を介して連通している。第１のシリンダ５１０と排気管５２０とは細管５６０を介して連通している。
【００２１】
第１のシリンダ５１０内には、第１の弁体５２５と第１のピストン５３５とバネ５４５が配置されている。第１の弁体５２５は、細管５６０の第１のシリンダ５１０側を閉じるための弁体である。第１の弁体５２５の内部は第１の空間Ｐ１になっており、第１の空間Ｐ１の中にバネ５４５が配置されている。バネ５４５は、第１の弁体５２５を細管５６０方向に押している。空間Ｐ１は、第２のシリンダ５１５及び排気管５２０と連通している。第１のピストン５３５は、第１の弁体５２５の回りに配置されている。第１の弁体５２５と第１のピストン５３５とは一体となっており、一緒に動く。第１のピストン５３５は、第１のシリンダ５１０の内部の空間を第２の空間Ｐ２と第３の空間Ｐ３に分けている。第２の空間Ｐ２と第３の空間Ｐ３は、第１のピストン５３５内に形成された細管５３７により連通している。なお、第１の空間Ｐ１と、第２、第３の空間Ｐ２、Ｐ３とは、間に第１の弁体５２５があるため連通していない。
【００２２】
第２のシリンダ５１５内には、第２の弁体５３０と第２のピストン５４０とバネ５５０とが配置されている。第２の弁体５３０は細管５６５を閉じるための弁体である。第２のバネ５５０は第２の弁体５３０と第２のピストン５４０の間にあり、第２の弁体５３０を細管５６０方向に押している。第２のピストン５４０は第２のバネ５５０の弾性力を調整する。すなわち、第２のピストン５４０の位置を変えることにより、第２のバネ５５０の長さを変えることが出来る。これにより、第２の弁体５３０の細管５６５を閉じる力を調整することが可能となっている。なお、第２のピストン５４０の位置は、ハンドル５９０により動かすことが可能である。なお、第２のシリンダ５１５内の空間を空間Ｐ４と言う。
【００２３】
排気管５２０の出口部には、センサ５８０と排気弁５８５が配置されている。センサ５８０として、例えば接触センサを用いることが可能である。排気弁５８５は反応ガスが流れたときに開く。センサ５８０はこれを検知する。
【００２４】
第２の反応ガス流路１７０から第２の空間Ｐ２に反応ガスが流れると、反応ガスは細管５３７を通り、第３の空間Ｐ３にも流れる。その結果、第２、第３の空間Ｐ２、Ｐ３、細管５３７、５６５に反応ガスの圧力が伝わる。なお、このときの圧力の大きさは、ポンプ（図１）から供給される圧力と、反応ガスが流れることによる圧力損失により決まる大きさである。圧力の大きさが第２のバネ５５０の弾性力の大きさ以上あると、反応ガスは第２の弁体５３０を押し開け、第２のシリンダ５１５、第１の空間Ｐ１に流れる。その結果、第３の空間Ｐ３の圧力が下がる。しかし、細管５３７が細いので、第２の空間Ｐ２の圧力は下がらない。そうすると第２の空間Ｐ２と第３の空間Ｐ３との間に圧力差が生じ、第１のピストン５３５は第１の弁体５２５とともに図面左方に動く。第１の弁体５２５が左方に動くと細管５６０を開放するので、第２の空間Ｐ２と排気管５２０とが連通する。そうすると、反応ガスは第２の空間Ｐ２から排気管５２０を通って外部に流れる。このとき反応ガスは排気弁５８５を開けるので、センサ５８０はこれを検知する。反応ガスが第２の空間Ｐ２から排気管５２０を通って外部に流れると、第２の空間Ｐ２の圧力が下がるので、第１の弁体５２５は右方に動き、細管５６０を閉じる。
【００２５】
図５は、エアポンプ４００出口から燃料電池１０出口までの反応ガスの圧力を示すグラフである。ここで、実線が締結荷重が小さい場合を示し、波線が締結荷重が大きい場合を示す。ここで、締結荷重の大きさにかかわらず配管４２０及び燃料電池１０内のマニホールドの長さ、太さは変わらないが、締結荷重が大きい方が、第２の反応ガス流路１７０の幅が狭まる。そのため、締結荷重が大きい方が反応ガスの流量が少ない。同じ流路であれば、反応ガスの流量が少ない方が圧力損失が小さい。すなわち、同じ圧力で反応ガスを流しても、発電ユニット１００の途中までの部分においては、反応ガスの流量が少ない方、すなわち締結荷重が大きい方が反応ガスの圧力が高く、締結荷重と反応ガスの圧力の間には一定の関係があることがわかる。本実施例において、締結荷重検知部５００は、締結荷重が大きいほど反応ガス圧力が高くなる位置に設置されている。したがって、締結荷重検知部５００における反応ガスの圧力を求めることにより、締結荷重を求めることが可能である。ここで、締結荷重検知部５００における反応ガスの圧力は、第２のバネ５５０の弾性力を調整した締結荷重検知部５００を用いることにより求めることが可能である。したがって、締結荷重を求めることも可能である。
【００２６】
以上のように、本実施例によれば、反応ガスが流れたときに排気弁５８５の開閉をセンサ５８０により検知することにより、発電ユニット１００を締結する締結荷重の大きさを簡便に求めることが可能となる。
【００２７】
本実施例によれば、第２のピストン５４０の位置を変えることにより、排気弁５８５が開くときの締結荷重の値を変えることができるので、締結荷重の値を細かく求めることが可能となる。
【００２８】
本実施例では、締結荷重検知部５００を複数備えているが、それぞれ排気弁５８５が開くときの締結荷重の値を変えてもよい。こうすれば、各締結荷重検知部５００の弁が開くときの締結荷重の調整をする必要がない。なお、この場合には、一旦開いた排気弁５８５からの反応ガスのリークを抑制するために、一旦開いた排気弁５８５が開かないようにしてもよい。一旦開いた排気弁５８５が開かないようにするためには、第２のピストン５４０の位置を調整し、例えば第２のバネ５５０を限界まで縮めてもよい。
【００２９】
排気弁５８５は、燃料電池１０の通常運転時の反応ガスの圧力よりも大きな圧力の反応ガスを流したときに開くように設定されていてもよい。こうすれば、燃料電池１０の通常運転時に反応ガスが漏れないので、燃料電池の発電効率を向上させることができる。
【００３０】
本実施例では、締結荷重測定時にリークさせる反応ガスとして、酸化ガスを用いている。一般に、燃料電池１０は酸化ガスとして空気を用いている。空気であれば、外気中に存在しているので、リークさせても、環境への影響やコスト面での問題が生じ難いからである。なお、酸化ガスの代わりに燃料ガスを用いてもよい。
【００３１】
第２の実施例：
図６は、第２の実施例に係る燃料電池の断面を示す説明図である。第２の実施例では、締結荷重検知部５００の代わりに配置されたゴム製の弁６００と、センサ６１０と、排気弁６２０とを備えている。弁６００は、配置される発電ユニット１００毎に、材質や硬度が変えられている。そのため、反応ガスが弁６００を通ることができるときの反応ガスの圧力は、弁６００ごとに異なる。したがって、弁６００を通り、反応ガスがリークするときの圧力を求めることが出来る。したがって、第１の実施例と同様に、燃料電池の締結荷重を求めることが可能である。なお、反応ガスがリークしたか否かはセンサ６１０と排気弁６２０を用いて検知することが可能である。
【００３２】
変形例：  
本実施例では、センサ５８０を排気管５２０の出口部に配置しているが、反応ガスのリークを検知出来る場所であれば、どこに配置してもよい。
【００３３】
上記実施例の構成に加えて、通常運転時の反応ガスのリークを検知するためのセンサを設け、コントローラ２８０は通常運転時に反応ガスが漏れたときに燃料電池１０の締結荷重を増大させるように制御してもよい。燃料電池に衝撃が加わったときに反応ガスのリークを抑制することが可能である。
【００３４】
本実施例では、図５に示すように締結荷重の大きさによらず反応ガスの圧力が変わらない位置よりも反応ガス供給側に締結荷重検知部５００を配置しているが、締結荷重の大きさによらず反応ガスの圧力が変わらない位置よりも反応ガス排出側に締結荷重検知部５００を配置してもよい。
【００３５】
以上、いくつかの実施例に基づいて本発明の実施の形態について説明してきたが、上記した発明の実施の形態は、本発明の理解を容易にするためのものであり、本発明を限定するものではない。本発明はその趣旨並びに特許請求の範囲を逸脱することなく、変更、改良され得るとともに、本発明にはその等価物が含まれることはもちろんである。
【図面の簡単な説明】
【００３６】
【図１】本発明の第１の実施例に係る燃料電池システムの概略構成図である。
【図２】発電ユニット１００の構成を示す説明図である。
【図３】フレーム１５０の平面図である。
【図４】締結荷重検知部５００の構成を示す説明図である。
【図５】エアポンプ４００出口から燃料電池１０出口までの反応ガスの圧力を示すグラフである。
【図６】第２の実施例に係る燃料電池の断面を示す説明図である。
【符号の説明】
【００３７】
１０…燃料電池
１００…発電ユニット
１０１…燃料電池スタック
１０２〜１１２…開口部
１２０…電解質膜
１３０、１４０…セパレータプレート
１５０…フレーム
１５２…シールライン
１６０、１７０…反応ガス流路
２００、２０５…エンドプレート
２１０、２１５…荷重プレート
２２０…バネ
２３０…テンションロッド
２４０…ナット
２５０…ボールネジ機構
２６０…モータ
２７０…フレーム
２８０…コントローラ
３００…燃料タンク
３２０…配管
４００…エアポンプ
４１０…空気取り入れ部
４２０…配管
５００、５００ａ〜５００ｄ…締結荷重検知部
５１０、５１５…シリンダ
５２０…排気管
５２５、５３０…弁体
５３５、５４０…ピストン
５３７…細管
５４５、５５０…バネ
５６０、５６５…細管
５７０…配管
５８０…センサ
５８５…排気弁
５９０…ハンドル
６００…弁
６１０…センサ
６２０…排気弁
【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】
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