JP2002117889A - 燃料電池の運転方法及び燃料電池 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 セルの発電性能を安定に維持し得る燃料電池
の運転方法及び燃料電池を提供する。 【解決手段】 電解質層の両側に酸素極及び燃料極が振
り分け配置されてセルＣが構成され、そのセルＣと流路
形成部材Ｓとが交互に配置された状態で並置された燃料
電池であって、並置されているセルＣ及び流路形成部材
Ｓの全体に対して隣接するもの同士を近接させる方向に
押し付け力を作用させると共に、その押し付け力を駆動
手段Ｄにて調節自在な駆動式の押し付け手段Ｐが設けら
れている燃料電池。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、電解質層の両側に
酸素極及び燃料極が振り分け配置されてセルが構成さ
れ、そのセルと流路形成部材とが交互に配置された状態
で並置された燃料電池の運転方法、及び、電解質層の両
側に酸素極及び燃料極が振り分け配置されてセルが構成
され、そのセルと流路形成部材とが交互に配置された状
態で並置された燃料電池に関する。

【０００２】

【従来の技術】かかる燃料電池においては、電解質層の
両側に酸素極及び燃料極が振り分け配置されて構成され
るセルと、流路形成部材とが交互に配置された状態で並
置された状態において、セル及び流路形成部材の各部材
間において、気密にする必要がある各部材間は気密にす
ると共に、電流経路となる各部材間の接触抵抗を小さく
するために、並置されているセル及び流路形成部材の全
体（以下、セル集合体と略記する場合がある）に対し
て、隣接するセル及び流路形成部材同士を近接させる方
向に押し付け力を作用させて、隣接するセル及び流路形
成部材を密着させる必要がある。

【０００３】かかる燃料電池において、従来は、各部材
間を気密にすると共に、各部材間の接触抵抗を小さくし
てセルの発電状態を適正にするように（例えば、セル集
合体における定電流発電時の出力電圧が極力高くなるよ
うに）、押し付け力を作用させた状態にセル集合体を組
み付けて（以下、初期組み付け状態と略記する場合があ
る）、以後、セル集合体は、その初期組み付け状態に保
持していた。セル集合体を初期組み付け状態に組み付け
る構造としては、種々のものがあるが、例えば、セル集
合体に、セル及び流路形成部材の並置方向に貫通する貫
通孔を形成して、その貫通孔にボルトを挿通して、ナッ
トにて締め付ける構造や、セル集合体における前記並置
方向の両端にガイド板を設け、それら両ガイド板にボル
トを挿通して、ナットにて両ガイド板の間隔を狭めるよ
うに締め付ける構造が、一般的に用いられていた。

【０００４】ところで、かかる燃料電池では、一般に
は、運転及び停止が繰り返されるものであり、特に、家
庭用の燃料電池では、一般には、運転及び停止が毎日繰
り返されることになる。運転及び停止が繰り返される
と、従来では、セル集合体は常に初期組み付け状態に保
持されているので、停止中も、各部材に対して強い圧縮
力がかかったままであり、又、運転中は、セル集合体に
作用させる押し付け力が調整されることがなかった。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】従って、従来の燃料電
池の運転方法及び燃料電池においては、停止中も各部材
に対して強い圧縮力がかかった状態となっているので、
運転時間の経過に伴って、各部材の性能が劣化し易い
（特に、電解質層は運転時間の経過に伴ってクリープが
起こり易くなって性能が劣化し易い）ため、セルの発電
性能が早く低下し易かった。又、運転中、セル集合体に
作用させる押し付け力が調整されることがないので、運
転時間の経過に伴って各部材の性能が変化すると、押し
付け力がセルを適正に発電させるためには不適性になり
易く、セルの発電性能が低下し易かった。従って、従来
の燃料電池の運転方法及び燃料電池においては、セルの
発電性能を安定に維持できないという問題があった。

【０００６】本発明は、かかる実情に鑑みてなされたも
のであり、その目的は、セルの発電性能を安定に維持し
得る燃料電池の運転方法及び燃料電池を提供することに
ある。

【０００７】

【課題を解決するための手段】〔請求項１記載の発明〕
請求項１に記載の燃料電池の運転方法の特徴は、運転時
には、並置されている前記セル及び流路形成部材の全体
に対して隣接するもの同士を近接させる方向に押し付け
力を作用させる押し付け手段により、隣接する前記セル
及び流路形成部材を運転のために密着させるように前記
押し付け力を作用させ、停止時には、前記押し付け手段
による前記押し付け力を緩めることにある。請求項１に
記載の運転方法によれば、運転時には、押し付け手段に
よって、セル集合体に対して、隣接するセル及び流路形
成部材を運転のために密着させるように押し付け力を作
用させて、気密にする必要がある各部材間を気密にする
と共に、電流経路となる各部材間の接触抵抗を小さくし
て、セルにて適性に発電できるようにし、セルにて発電
を行わない停止時には、押し付け手段による押し付け力
を緩めて、各部材にかかる圧縮力を弱くする、又は、各
部材に圧縮力がかからないようにする。つまり、運転及
び停止が繰り返されても、運転中は、セルにて適性に発
電できるようにしながら、停止中は、各部材にかかる圧
縮力を弱くする、又は、各部材に圧縮力がかからないよ
うにするので、停止中は各部材の性能の劣化が抑制され
ることとなり、その停止中の各部材の性能劣化抑制によ
り、セルの発電性能の劣化を抑制することができるので
ある。従って、長期間にわたって発電性能を安定に維持
し得る燃料電池の運転方法を提供することができるよう
になった。

【０００８】〔請求項２記載の発明〕請求項２に記載の
燃料電池の運転方法の特徴は、並置されている前記セル
及び流路形成部材の全体に対して隣接するもの同士を近
接させる方向に押し付け力を作用させる押し付け手段の
押し付け力を、発電状態検出手段にて検出される前記セ
ルの発電状態が適正になるように変更調節することにあ
る。請求項２に記載の運転方法によれば、セル集合体に
対して押し付け手段により作用させる押し付け力を、発
電状態検出手段にて検出されるセルの発電状態が適正に
なるように変更調節するので、セルの発電性能をできる
だけ高くすることができる。ちなみに、発電状態検出手
段としては、例えば、セルの出力電圧又はセル集合体の
出力電圧を発電状態として検出する電圧計を用いること
ができる。つまり、運転経過に伴って押し付け力が不適
性になって発電状態が低下すると、発電状態が低下した
ことを発電状態検出手段によって知ることができ、その
発電状態検出手段の検出情報に基づいて、発電状態が適
正になるように押し付け力を調節するのである。例え
ば、運転経過に伴って、各部材が収縮して、各部材間の
接触抵抗が高くなったり、各部材の導電特性が変化し
て、各部材間の接触抵抗が高くなったりした場合には、
各部材間の接触抵抗をできるだけ低くして、セルの発電
状態が適正になるように、例えば、セルの出力電圧が高
くなるように、押し付け手段による押し付け力を強くす
る。従って、セルの発電性能をできるだけ高くする状態
で安定に維持し得る燃料電池の運転方法を提供すること
ができるようになった。

【０００９】〔請求項３記載の発明〕請求項３に記載の
燃料電池の特徴構成は、並置されている前記セル及び流
路形成部材の全体に対して隣接するもの同士を近接させ
る方向に押し付け力を作用させると共に、その押し付け
力を駆動手段にて調節自在な駆動式の押し付け手段が設
けられていることにある。請求項３に記載の特徴構成に
よれば、駆動手段によって、押し付け手段にてセル集合
体に対して作用させる押し付け力を、迅速且つ簡単に変
更調節することができる。例えば、運転時には、隣接す
るセル及び流路形成部材を運転のために密着させるよう
に、即ち、気密にする必要がある各部材間を気密にする
と共に、電流経路となる各部材間の接触抵抗を小さくし
て、セルにて適性に発電できるように、駆動手段によっ
て、押し付け手段による押し付け力を迅速且つ簡単に調
節し、セルにて発電を行わない停止時には、駆動手段に
よって、迅速且つ簡単に、押し付け手段による押し付け
力を緩めて、各部材にかかる圧縮力を弱くする、又は、
各部材に圧縮力がかからないようにする。このように、
運転時及び停止時に応じて、駆動手段によって、押し付
け手段による押し付け力を調節すると、運転中はセルに
て適性に発電できるようにしながら、停止中は各部材の
劣化を抑制することができるので、その停止中の各部材
の性能劣化抑制により、セルの発電性能の低下を抑制す
ることができることとなり、しかも、押し付け力の調節
を、駆動手段によって迅速且つ簡単に行うことができ
る。あるいは、駆動手段によって、押し付け手段による
押し付け力を、発電状態検出手段にて検出されるセルの
発電状態が適正になるように変更調節して、セルの発電
性能をできるだけ高くすることができ、しかも、押し付
け力の調節を、駆動手段によって迅速且つ簡単に行うこ
とができる。従って、セルの発電性能を安定に維持し得
ると共に、そのための押し付け力の調節を迅速且つ簡単
に行い得る燃料電池を提供することができるようになっ
た。

【００１０】〔請求項４記載の発明〕請求項４に記載の
燃料電池の特徴構成は、前記駆動手段を制御する制御手
段が設けられ、その制御手段は、運転開始指令に基づい
て、前記押し付け手段により、隣接する前記セル及び流
路形成部材を運転のために密着させるように前記押し付
け力を作用させるべく、前記駆動手段を制御し、且つ、
停止指令に基づいて、前記押し付け手段による前記押し
付け力を緩めるべく、前記駆動手段を制御するように構
成されていることにある。請求項４に記載の特徴構成に
よれば、運転開始指令に基づいて、隣接するセル及び流
路形成部材を運転のために密着させるように押し付け力
を作用させるように、即ち、気密にする必要がある各部
材間を気密にすると共に、電流経路となる各部材間の接
触抵抗を小さくして、セルにて適性に発電できるよう
に、駆動手段によって、押し付け手段による押し付け力
が自動調節され、停止指令に基づいて、駆動手段によっ
て、押し付け手段による押し付け力が自動的に緩められ
る。つまり、運転及び停止が繰り返されても、運転中は
セルにて適性に発電できるようになり、停止中は、各部
材にかかる圧縮力を弱くする、又は、各部材に圧縮力が
かからないように、押し付け手段による押し付け力が自
動調節されて、停止中は各部材の性能の劣化が抑制され
ることとなり、その停止中の各部材の性能劣化抑制によ
り、セルの発電性能の劣化を抑制することができるので
ある。従って、人為的な操作なしに、長期間にわたって
発電性能を安定に維持し得る燃料電池を提供することが
できるようになった。

【００１１】〔請求項５記載の発明〕請求項５に記載の
燃料電池の特徴構成は、前記駆動手段を制御する制御手
段と、前記セルの発電状態を検出する発電状態検出手段
とが設けられ、前記制御手段は、前記発電状態検出手段
の検出情報に基づいて、前記押し付け手段の押し付け力
を前記発電状態が適正になるよう変更調節すべく、前記
駆動手段を制御するように構成されていることにある。
請求項５に記載の特徴構成によれば、セルの発電状態が
適正になるように、押し付け手段による押し付け力が、
駆動手段によって自動的に変更調節される。つまり、運
転経過に伴って押し付け力が不適性になって発電状態が
低下すると、発電状態が低下したことが発電状態検出手
段によって検出されて、その発電状態検出手段の検出情
報に基づいて、発電状態が適正になるように押し付け力
が自動調節されるのである。従って、人為的な操作なし
に、セルの発電性能をできるだけ高くする状態で安定に
維持し得る燃料電池を提供することができるようになっ
た。

【００１２】

【発明の実施の形態】以下、図面に基づいて、本発明の
実施の形態を説明する。図１に示すように、燃料電池
は、セルＣと流路形成部材Ｓとを交互に配置した状態で
並置したセル集合体ＮＣ、そのセル集合体ＮＣに対して
隣接するセルＣと流路形成部材Ｓとを近接させる方向に
押し付け力を作用させると共に、その押し付け力を駆動
部Ｄにて調節自在な駆動式の押し付け部Ｐ、駆動部Ｄを
制御する制御部２２、及び、その制御部２２に対して各
種制御情報を指令する操作部２３等を備えて構成してあ
る。

【００１３】図２ないし図６に基づいて、セル集合体Ｎ
Ｃについて説明を加える。セルＣは、高分子膜にて構成
した電解質層１の両側に酸素極２及び燃料極３を振分け
配置して構成し、酸素極２を、高分子膜１側の酸素極触
媒層２ｃと、高分子膜１とは反対側の酸素極集電層２ｐ
とを備えて構成し、燃料極３を、高分子膜１側の燃料極
触媒層３ｃと、高分子膜１とは反対側の燃料極集電層３
ｐとを備えて構成してある。電解質層１は矩形板状に形
成し、酸素極２及び燃料極３は、電解質層１よりも小さ
い矩形板状に形成し、それら酸素極２及び燃料極３夫々
は、電解質層の各面に対して、外周部に四角枠状の電解
質層露出部分が形成される状態で配置する。

【００１４】電解質層１を構成する高分子膜は、プロト
ン導電性を備えたフッ素樹脂系のイオン交換膜にて形成
してある。酸素極触媒層２ｃ及び燃料極触媒層３ｃは、
互いに同様の構成であり、カーボンから成る多孔状の導
電材にて形成し、夫々、白金及び白金系合金から成る電
極触媒を担持してある。酸素極集電層２ｐ及び燃料極集
電層３ｐも、互いに同様の構成であり、カーボンペーパ
ー、カーボンフェルト等の多孔状の導電材にて形成して
ある。

【００１５】流路形成部材Ｓは、酸素極２に臨む状態で
酸素極側流路を形成する酸素極側セパレータ５と、燃料
極３に臨む状態で燃料極側流路を形成する燃料極側セパ
レータ６とから構成してある。酸素極側セパレータ５
は、酸素極２側の面に、酸素極側反応用ガスを通流させ
る酸素極側流路を形成する酸素極側ガス通流溝５ｓを形
成し、反対側の面に、冷却水流路を形成する冷却水通流
溝５ｗを形成してある。酸素極側セパレータ５における
酸素極側の面において、酸素極側ガス通流溝５ｓを形成
した部分は、酸素極２と略同形状の矩形状であり、その
酸素極側ガス通流溝５ｓの形成部分の上面部は、周辺よ
りも、酸素極２の厚さよりやや小さい程度の深さで凹ま
せてある。そして、セルＣと酸素極側セパレータ５と
を、酸素極側ガス通流溝５ｓを形成した凹部に酸素極２
を入れ込んだ状態で配置して、酸素極２を、酸素極側セ
パレータ５における酸素極側ガス通流溝５ｓの形成部分
の上面部に密着させるようにしてある。

【００１６】燃料極側セパレータ６は、燃料極３側の面
に、燃料極側反応用ガスを通流させる燃料極側流路を形
成する燃料極側ガス通流溝６ｆを形成し、反対側の面
に、酸素極側セパレータ５の冷却水通流溝５ｗと面対称
となる冷却水流路形成用の冷却水通流溝６ｗを形成して
ある。燃料極側セパレータ６における燃料極側の面にお
いて、燃料極側ガス通流溝６ｆを形成した部分は、燃料
極３と略同形状の矩形状であり、その燃料極側ガス通流
溝６ｆの形成部分の上面部は、周辺よりも、燃料極３の
厚さよりやや小さい程度の深さで凹ませてある。そし
て、セルＣと燃料極側セパレータ６とを、燃料極側ガス
通流溝６ｆを形成した凹部に燃料極３を入れ込んだ状態
で配置して、燃料極３を、燃料極側セパレータ６におけ
る燃料極側ガス通流溝６ｆの形成部分の上面部に密着さ
せるようにしてある。

【００１７】酸素極側セパレータ５は、カーボンからな
る導電材にて、気密性を有するように緻密に形成し、燃
料極側セパレータ６は、カーボンからなる導電材にて、
燃料極側ガス通流溝６ｆと冷却水通流溝６ｗとの間の部
分は多孔状に、その他の部分は気密性を有するように緻
密に形成してある。そして、冷却水通流溝５ｗ，６ｗに
て形成される冷却水流路を通流する冷却水の圧力が、燃
料極側ガス通流溝６ｆにて形成される燃料極側流路を通
流する燃料極側反応用ガスの圧力よりも高くなるように
して、冷却水流路を通流する冷却水の一部を燃料極側流
路側に燃料極側セパレータ６の多孔状部分を通過させ、
そのように燃料極側セパレータ６を通過させた水によっ
て高分子膜１を湿らせるようにしてある。

【００１８】更に、高分子膜１、酸素極側セパレータ５
及び燃料極側セパレータ６の夫々には、それらを並置し
たときにそれらの並置方向に夫々が連なる状態で、厚さ
方向に貫通する６個の連通用孔１ｈ，５ｈ，６ｈ、及
び、６個の支持用孔１ｇ、５ｇ、６ｇを形成してある。
並置方向視において、高分子膜１、酸素極側セパレータ
５及び燃料極側セパレータ６の夫々に形成する６個の連
通用孔１ｈ，５ｈ，６ｈのうち、２個は酸素極側ガス通
流溝５ｓの通流経路の両端部に各別に重なり、別の２個
は燃料極側ガス通流溝６ｆの通流経路の両端部に各別に
重なり、残りの２個は冷却水通流溝５ｗ，６ｗの通流経
路の両端部に各別に重なる。高分子膜１、酸素極側セパ
レータ５及び燃料極側セパレータ６の夫々に形成する６
個の支持用孔１ｇ、５ｇ、６ｇは、各通流溝とは重なら
ない位置に形成する。

【００１９】従って、セルスタックＮＣには、高分子膜
１、酸素極側セパレータ５及び燃料極側セパレータ６夫
々の連通用孔１ｈ，５ｈ，６ｈが並置方向に連なって形
成される６本の流路連通用通路と、支持用孔１ｇ、５
ｇ、６ｇが並置方向に連なって形成される６本の支持用
通路が形成される。６本の流路連通用通路のうちの２本
は、各酸素極側ガス通流溝５ｓの通流経路の両端部に各
別に連通し、別の２本は、各燃料極側ガス通流溝６ｆの
通流経路の両端部に各別に連通し、残りの２本は、各冷
却水通流溝５ｗ，６ｗの通流経路の両端部に各別に連通
している。尚、各酸素極側ガス通流溝５ｓの通流経路の
両端部に各別に連通する２本の流路連通用通路を酸素極
側連通路Ｔｓと、各燃料極側ガス通流溝６ｆの通流経路
の両端部に各別に連通する２本の流路連通用通路を燃料
極側連通路Ｔｆと、各冷却水通流溝５ｗ，６ｗの通流経
路の両端部に各別に連通する２本の流路連通用通路を冷
却水側連通路Ｔｗと夫々称する。

【００２０】図６に示すように、セル集合体ＮＣは、セ
ルＣと、酸素極側セパレータ５及び燃料極側セパレータ
６から構成した流路形成部材Ｓとを交互に配置して並置
し、その並置方向の両端部夫々に電力取り出し用の集電
板７を配置し、更に、集電板７夫々の外側に端板９を配
置して構成する。尚、図示は省略するが、集電板７に
は、６個の連通孔を、夫々が６本の流路連通用通路夫々
に連通して、流路連通用通路を形成するように形成し、
並びに、６個の支持用孔を、夫々が６本の支持用通路夫
々に連通して、支持用通路を形成するように形成してあ
る。

【００２１】図示は省略するが、各端板９には、６個の
支持用孔を、夫々が６本の支持用通路夫々に連通して、
支持用通路を形成するように形成してある。又、一方の
端板９には、２本の酸素極側連通路Ｔｓのうちの一方の
端部に連通接続する酸素極側ガス用接続部８ｓ、２本の
燃料極側連通路Ｔｆのうちの一方の端部に連通接続する
燃料極側ガス用接続部８ｆ、及び、２本の冷却水連通路
Ｔｗのうちの一方の端部に連通接続する冷却水用接続部
８ｗを備えてある。又、他方の端板９には、２本の酸素
極側連通路Ｔｓのうちの他方の端部に連通接続する酸素
極側ガス用接続部８ｓ、２本の燃料極側連通路Ｔｆのう
ちの他方の端部に連通接続する燃料極側ガス用接続部８
ｆ、及び、２本の冷却水連通路Ｔｗのうちの他方の端部
に連通接続する冷却水用接続部８ｗを備えてある。

【００２２】尚、２個の酸素極側ガス用接続部８ｓのう
ち、一方は酸素極側反応用ガスの供給用として、他方は
酸素極側反応用ガスの排出用として用い、２個の燃料極
側ガス用接続部８ｆのうち、一方は燃料極側反応用ガス
の供給用として、他方は燃料極側反応用ガスの排出用と
して用い、並びに、２個の冷却水用接続部８ｗのうち、
一方は冷却水の供給用として、他方は冷却水の排出用と
して用いる。

【００２３】そして、図６に示すように、上述のよう
に、セルＣ、酸素極側セパレータ５、燃料極側セパレー
タ６、集電板７及び端板９の各部材を並置した状態で、
各支持用通路にボルト１１を挿通し、各ボルト１１にナ
ット１２を締め付けることにより、セル集合体ＮＣを形
成する。

【００２４】送風機（図示省略）からの空気を酸素極側
反応用ガスとして、供給用の酸素極側ガス用接続部８ｓ
からセルスタックＮＣに供給し、炭化水素系の原燃料を
改質した水素含有ガスを燃料極側反応用ガスとして、供
給用の燃料極側ガス用接続部８ｆからセルスタックＮＣ
に供給し、並びに、冷却水ポンプ（図示省略）により、
冷却水を供給用の冷却水用接続部８ｗからセルスタック
ＮＣに供給する。

【００２５】すると、酸素極側反応ガスは、図４及び図
５において実線矢印にて示すように、一方の酸素極側連
通路Ｔｓから各セルＣの酸素極側流路に供給され、酸素
極側流路を通流してから、他方の酸素極側連通路Ｔｓに
流出し、その酸素極側連通路Ｔｓを通流して排出用の酸
素極側ガス用接続部８ｓから排出される。又、燃料極側
反応ガスは、図４及び図５において二点鎖線矢印にて示
すように、一方の燃料極側連通路Ｔｆから各セルＣの燃
料極側流路に供給され、燃料極側流路を通流してから、
他方の燃料極側連通路Ｔｆに流出し、その燃料極側連通
路Ｔｆを通流して排出用の燃料極側ガス用接続部８ｆか
ら排出される。又、冷却水は、図４及び図５において一
点鎖線矢印にて示すように、一方の冷却水連通路Ｔｗか
ら各セルＣの冷却水流路に供給され、冷却水流路を通流
してから、他方の冷却水連通路Ｔｗに流出し、その冷却
水連通路Ｔｗを通流して排出用の冷却水用接続部８ｗか
ら排出される。

【００２６】そして、各セルＣにおいては、燃料極側セ
パレータ６を燃料極側流路に通過してきた水分によって
高分子膜１が湿らされる状態で、酸素極側反応用ガス中
の酸素と燃料極側反応用ガス中の水素との電気化学反応
により発電される。又、冷却水の通流により、各セルＣ
の温度が所定の温度に維持される。

【００２７】次に、図１に基づいて、押し付け部Ｐにつ
いて説明を加える。セル集合体ＮＣにおける６本のボル
ト１１の一端側に、端板９と間隔を隔てて基台１３をナ
ット１４にて取り付けてある。そして、押し付け部Ｐを
構成する油圧ジャッキ１５を、そのピストン部分１５ａ
の先端にて、弾性付勢部１６を介して、セル集合体ＮＣ
の一端の端板９を押し付けることができるように、基台
１３に保持させてある。弾性付勢部１６は、２枚の皿バ
ネを接当配置したりして構成し、弾性付勢部１６の弾性
変形により、油圧ジャッキ１５によってセル集合体ＮＣ
に作用させる押し付け力を細かく調節できるようにして
ある。

【００２８】そして、油圧ジャッキ１５のピストン部分
１５ａを伸長させることにより、セル集合体ＮＣに対し
て、隣接するセルＣ及び流路形成部材Ｓを近接させる方
向に押し付け力を作用させて、隣接するセルＣ及び流路
形成部材Ｓを運転のために密着させるように構成してあ
る。つまり、油圧ジャッキ１５によってセル集合体ＮＣ
に押し付け力を作用させることにより、電流経路となる
酸素極側セパレータ５と酸素極２の各部材間、酸素極２
と電解質層１の各部材間、電解質層１と燃料極３の各部
材間、燃料極３と燃料極側セパレータ６の各部材間、及
び、燃料極側セパレータ６と酸素極側セパレータ５の各
部材間の接触抵抗を小さくすると共に、酸素極側セパレ
ータ５と電解質層１の各部材間、及び、燃料極側セパレ
ータ６と電解質層１の各部材間を気密にする。

【００２９】駆動部Ｄは、オイルタンク１７のオイルを
圧送するポンプ１８と、そのポンプ１８にて圧送される
オイルの流路を切り換えるソレノイド式の切り換え弁１
９を備えて構成してある。その切り換え弁１９は、Ｐ
１，Ｐ２及びＰ３の３位置切り換え式であり、そのう
ち、位置Ｐ１は、ポンプ１８にて圧送されるオイルを油
圧ジャッキ１５のオイル路１５ｂに供給して、押し付け
力を強める位置（以下、増圧位置と称する場合がある）
であり、位置Ｐ２は、油圧ジャッキ１５のオイル路１５
ｂを閉じると共に、ポンプ１８にて圧送されるオイルを
オイルタンク１７に戻して、押し付け力を一定に保持す
る位置（以下、定圧保持位置と記載する場合がある）で
あり、位置Ｐ３は、油圧ジャッキ１５のオイル路１５ｂ
からオイルをオイルタンク１７に戻して、押し付け力を
弱める位置（以下、減圧位置と称する場合がある）であ
る。尚、図１中、２０はリリーフ弁である。

【００３０】図１中、Ｌは、セル集合体ＮＣから出力さ
れる電力を消費する負荷手段である。セル集合体ＮＣに
は、セル集合体ＮＣの出力電圧を検出する電圧計２１を
設けてある。つまり、電圧計２１は、セル集合体ＮＣの
出力電圧をセルＣの発電状態として検出する発電状態検
出手段として機能することとなる。本実施形態において
は、負荷手段Ｌの電流値が一定になるように通電させる
状態で、電圧計２１の検出電圧が極力高くなる状態を、
セルＣの発電状態が適正な状態として設定して、その適
正な状態になるように、駆動部Ｄを後述の如く制御す
る。ちなみに、セルＣの発電状態が適正な状態として
は、上述のものの他に、予めセル集合体ＮＣの出力電圧
の適正値を設定出力電圧として設定しておいて、電圧計
２１の検出電圧が前記設定出力電圧以上になる状態を、
設定することができる。

【００３１】そして、油圧ジャッキ１５による押し付け
力を作用させない状態で、セル集合体ＮＣを、定電流に
て発電させ、その状態で、電圧計２１による検出電圧が
最大になるように、６個のナット１２を締め付けて、そ
の時の出力電圧を目標電圧値として制御部２２に記憶さ
せておく。次に、発電を停止して、電解質層１、酸素極
２、燃料極３、酸素極側セパレータ５、燃料極側セパレ
ータ６、集電板７及び端板９の各部材間の位置関係を保
持する状態を維持しながら、各部材にかかる圧縮力が、
各部材の特性を劣化させることが無い程度にまで弱めら
れるか、又は、各部材に圧縮力がかからない状態となる
程度にまで、ナット１２を緩めて、停止状態にする。

【００３２】以降は、運転時には、油圧ジャッキ１５に
より、セル集合体ＮＣに対して、隣接するセルＣ及び流
路形成部材Ｓを運転のために密着させるように、押し付
け力を作用させて運転状態とし、停止時には、油圧ジャ
ッキ１５による押し付け力を作用させないようにして、
停止状態にする。

【００３３】次に、燃料電池の制御構成について説明す
る。制御部２２は、操作部２３からの制御情報、及び、
電圧計２１の検出情報に基づいて、油圧ジャッキ１５に
よる押し付け力を調節するように、駆動部Ｄ、具体的に
は切り換え弁１９を制御する。

【００３４】制御部２３の制御動作について説明する。
操作部２３から運転開始指令が指令されると、切り換え
弁１９を増圧位置Ｐ１に切り換えて、押し付け力を作用
させ、電圧計２１の検出電圧が目標電圧値を含む設定範
囲内になると、切り換え弁１９を定圧保持位置Ｐ２に切
り換えて、押し付け力を一定に維持する。尚、予め、電
圧計２１の検出誤差等を考慮して、目標電圧値に加える
上限設定値、及び、目標電圧値から減じる下限設定値を
設定して、制御部２３に記憶させてあり、制御部２３
は、それら上限設定値及び下限設定値に基づいて前記設
定範囲を設定する。以降、操作部２３から停止指令が指
令されるまで、一定の設定時間間隔おきに、後述する加
圧調節制御を実行し、操作部２３から停止指令が指令さ
れると、記憶している目標電圧値を、その時点の電圧計
２１の検出電圧に更新した後、切り換え弁１９を減圧位
置Ｐ３に切り換えて、セル集合体ＮＣに押し付け力が作
用しないようにする。従って、運転開始時には、前回の
運転停止時に更新された目標電圧値を目標にして、押し
付け力が調節されることになる。

【００３５】次に、図７に示すフローチャートに基づい
て加圧調節制御について説明する。尚、制御部２２に
は、予め、押し付け力を微小な値だけ増減するための制
御用時間を加圧調節用設定時間として、記憶させてあ
る。切り換え弁１９を、加圧調節用設定時間だけ、減圧
位置Ｐ３に切り換えた後、定圧保持位置Ｐ２に戻して、
押し付け力を微妙に弱める減圧動作を行った後、電圧計
２１の検出電圧を調べる（ステップ＃１〜＃３）。検出
電圧が低下したときは、加圧調節用設定時間だけ、切り
換え弁１９を、増圧位置Ｐ１に切り換えた後、定圧保持
位置Ｐ２に戻して、押し付け力を微妙に増加させる増圧
動作を行って、電圧計２１の検出電圧を調べ、検出電圧
が増加すると再度、増圧動作を実行するというように、
電圧計２１の検出電圧が増加しなくなるまで増圧動作を
繰り返し、検出電圧が増加しなくなると、以降は、切り
換え弁１９を定圧保持位置Ｐ２に保持して、押し付け力
を一定に維持する（ステップ＃２、＃４、＃５）。

【００３６】ステップ＃１〜＃３の制御で、電圧計２１
の検出電圧が増加したときは、電圧計２１の検出電圧が
増加しなくなるまで減圧動作を繰り返し、検出電圧が増
加しなくなると、以降は、切り換え弁１９を定圧保持位
置Ｐ２に保持して、押し付け力を一定に維持する（ステ
ップ＃６、＃７）。ステップ＃１〜＃３の制御で、電圧
計２１の検出電圧が変化しなかったときは、電圧計２１
の検出電圧が微妙に変化するまで減圧動作を繰り返し、
検出電圧が微妙に変化すると、以降は、切り換え弁１９
を定圧保持位置Ｐ２に保持して、押し付け力を一定に維
持する（ステップ＃８、＃９）。尚、電圧計２１の検出
電圧が変化したか、増加したか、あるいは、低下したか
の判断は、検出電圧値そのもので判断するようにしても
良いし、電圧計２１の検出電圧の誤差等を考慮して、所
定の幅以上変化すると変化したと判断するように、不感
帯を設けても良い。

【００３７】上述のような加圧調節制御を実行すること
により、押し付け力が過度にならない状態で、出力電圧
を可及的に高くすることができる。

【００３８】次に、燃料電池を上述のように構成するこ
とにより、セルＣの発電性能を安定に維持することがで
きることを検証した検証試験について説明する。尚、検
証試験に当たっては、油圧ジャッキ１５を設けずに、セ
ル集合体ＮＣを、定電流にて発電させ、その状態で、電
圧計２１による検出電圧が最大になるように、６個のナ
ット１２を締め付けた状態に固定した、従来の燃料電池
に相当する比較用の燃料電池を用意した。そして、本発
明の燃料電池及び比較用の燃料電池を、一日サイクルで
運転と停止を繰り返して、両者で、セルＣの出力電圧
（以下、セル電圧と称する場合がある）を比較した。
尚、１サイクルは、起動時間が０．５時間、運転時間が
１１．５時間、停止時間が１２時間であり、運転時に
は、セルＣの温度が７０°Ｃ程度になり、電子負荷装置
を用いて、電流密度が３０００Ａ／ｍ² の定電流負荷を
かけた条件で運転した。本発明の燃料電池は、上述のよ
うに、制御部２２により、運転時及び停止時夫々におい
て、押し付け力を調節した。

【００３９】図８に示すように、本発明の燃料電池及び
比較用の燃料電池とも、初期は、７００ｍＶを越えるセ
ル電圧が得られて、セルＣの性能が適正であると共に、
両者に初期性能の差が無いと考えられる。しかしなが
ら、運転時間の経過に伴うセル電圧の低下は、本発明の
燃料電池の方が比較用の燃料電池よりも小さく、本発明
の燃料電池では、従来の燃料電池よりも、発電性能を安
定に維持することができるようになったことが分かる。

【００４０】〔別実施形態〕次に別実施形態を説明す
る。 （イ） 押し付け部Ｐ、及び、その押し付け部Ｐの押し
付け力を調節する駆動部Ｄの具体構成は、上記の実施形
態において例示した構成に限定されるものではない。例
えば、図９に示すように、押し付け部Ｐは、ネジ軸２４
ｂとそれに螺合したナット２４ｎから構成されて、基台
１３に対して支持されたボールネジ２４と、ナット２４
ｎに連結されて、ナット２４ｎの移動に基づいて、セル
集合体ＮＣに対して押し付け力を作用させる押圧板２５
にて構成することができる。この場合、駆動部Ｄは、ネ
ジ軸２４ｂを正逆方向に回転駆動するように、基台１３
に取り付けられた電動モータ２６にて構成する。あるい
は、図示を省略するが、押し付け部Ｐを、従属節にて、
セル集合体ＮＣに対して押し付け力を作用させるよう
に、基台１３に対して支持したカム機構にて構成し、駆
動部Ｄを、そのカム機構の回転部を正逆方向に回転駆動
する電動モータにて構成することができる。

【００４１】（ロ） セル集合体ＮＣにおいて、電解質
層１、酸素極２、燃料極３、酸素極側セパレータ５、燃
料極側セパレータ６、集電板７及び端板９の各部材を並
置した状態において、停止状態に保持するための構成、
即ち、各部材にかかる圧縮力を弱めた状態で、各部材間
の位置関係がずれない程度にて保持するための構成とし
ては、上記の実施形態において例示したボルト１１とナ
ット１２に限定されるものではない。例えば、セル集合
体の外周部をガイドする枠体でも良い。

【００４２】（ハ） セルＣの発電状態を検出する発電
状態検出手段の具体構成としては、上記の実施形態にお
いて例示した電圧計２１に限定されるものではない。例
えば、セル集合体ＮＣの出力電力を発電状態として検出
する電力計、あるいは、セル集合体ＮＣの内部抵抗を発
電状態として検出する抵抗計でも良い。あるいは、１個
のセルＣの出力電圧を検出する電圧計でも良い。

【００４３】（ニ） 上記の実施形態においては、運転
開始指令が指令されると、切り換え弁１９を増圧位置Ｐ
１に切り換えて、電圧計２１の検出電圧が目標電圧値を
含む設定範囲内になると、切り換え弁１９を定圧保持位
置Ｐ２に切り換えるように構成する場合について例示し
た。これに代えて、押し付け部Ｐにてセル集合体ＮＣに
対して作用される押し付け力を検出する圧力センサを設
けて、運転開始指令が指令されると、切り換え弁１９を
増圧位置Ｐ１に切り換えて、圧力センサの検出圧力が目
標圧力になると、切り換え弁１９を定圧保持位置Ｐ２に
切り換えるように構成しても良い。この場合、停止指令
が指令される毎に、前記目標圧力を、停止指令が停止さ
れた時点の圧力センサの検出圧力に更新する。

【００４４】又、上記実施形態においては、加圧調節制
御では、切り換え弁１９を加圧調節用設定時間だけ増圧
位置Ｐ１又は減圧位置Ｐ３に切り換えることにより、押
し付け力を微小な値だけ増減調節する場合について例示
した。これに代えて、加圧調整制御においては、圧力セ
ンサの検出圧力が設定値だけ増加又は減少するように、
切り換え弁１９を増圧位置Ｐ１又は減圧位置Ｐ３に切り
換えることにより、押し付け力を微小な値だけ増減調節
するように構成しても良い。

【００４５】（ホ） 上記の実施形態においては、駆動
部Ｄを自動制御する制御部２２を設けたが、この制御部
２２を省略して、駆動部Ｄの操作を人為的に行うように
構成しても良い。

【００４６】（ヘ） 上記の実施形態においては、本発
明を高分子型の燃料電池に適用する場合について例示し
たが、本発明は、高分子型以外にも、リン酸型、固体電
解質型等、種々の型式の燃料電池に適用することができ
る。但し、高分子型の燃料電池における電解質層１を構
成する高分子膜は、他の型式の電解質層に比べて、厚さ
が薄く（例えば、３０μｍ）、強度が弱いため、圧縮力
による性能劣化が比較的大きいので、本発明は、高分子
型の燃料電池に適用するとその効果が顕著となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】燃料電池の全体構成を示すブロック図

【図２】燃料電池のセル集合体の要部を示す分解斜視図

【図３】燃料電池のセル集合体の要部を示す分解斜視図

【図４】燃料電池のセル集合体の要部を示す分解斜視図

【図５】燃料電池のセル集合体の要部を示す分解斜視図

【図６】燃料電池のセル集合体の全体概略構成を示す図

【図７】燃料電池の制御構成のフローチャートを示す図

【図８】セル電圧の経時変化を示す図

【図９】別実施形態に係る燃料電池の押し付け部、駆動
部の構成を示す図

【符号の説明】

１ 電解質層 ２ 酸素極 ３ 燃料極 ２１ 発電状態検出手段 ２２ 制御手段 Ｃ セル Ｄ 駆動手段 Ｐ 押し付け手段 Ｓ 流路形成部材

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 越後 満秋 大阪府大阪市中央区平野町四丁目１番２号 大阪瓦斯株式会社内 Ｆターム(参考） 5H026 AA06 CC03 CX08 5H027 AA06 KK52

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 電解質層の両側に酸素極及び燃料極が振
   り分け配置されてセルが構成され、そのセルと流路形成
   部材とが交互に配置された状態で並置された燃料電池の
   運転方法であって、 運転時には、並置されている前記セル及び流路形成部材
   の全体に対して隣接するもの同士を近接させる方向に押
   し付け力を作用させる押し付け手段により、隣接する前
   記セル及び流路形成部材を運転のために密着させるよう
   に前記押し付け力を作用させ、停止時には、前記押し付
   け手段による前記押し付け力を緩める燃料電池の運転方
   法。
2. 【請求項２】 電解質層の両側に酸素極及び燃料極が振
   り分け配置されてセルが構成され、そのセルと流路形成
   部材とが交互に配置された状態で並置された燃料電池の
   運転方法であって、 並置されている前記セル及び流路形成部材の全体に対し
   て隣接するもの同士を近接させる方向に押し付け力を作
   用させる押し付け手段の押し付け力を、発電状態検出手
   段にて検出される前記セルの発電状態が適正になるよう
   に変更調節する燃料電池の運転方法。
3. 【請求項３】 電解質層の両側に酸素極及び燃料極が振
   り分け配置されてセルが構成され、そのセルと流路形成
   部材とが交互に配置された状態で並置された燃料電池で
   あって、 並置されている前記セル及び流路形成部材の全体に対し
   て隣接するもの同士を近接させる方向に押し付け力を作
   用させると共に、その押し付け力を駆動手段にて調節自
   在な駆動式の押し付け手段が設けられている燃料電池。
4. 【請求項４】 前記駆動手段を制御する制御手段が設け
   られ、 その制御手段は、運転開始指令に基づいて、前記押し付
   け手段により、隣接する前記セル及び流路形成部材を運
   転のために密着させるように前記押し付け力を作用させ
   るべく、前記駆動手段を制御し、且つ、停止指令に基づ
   いて、前記押し付け手段による前記押し付け力を緩める
   べく、前記駆動手段を制御するように構成されている請
   求項３記載の燃料電池。
5. 【請求項５】 前記駆動手段を制御する制御手段と、前
   記セルの発電状態を検出する発電状態検出手段とが設け
   られ、 前記制御手段は、前記発電状態検出手段の検出情報に基
   づいて、前記押し付け手段の押し付け力を前記発電状態
   が適正になるよう変更調節すべく、前記駆動手段を制御
   するように構成されている請求項３記載の燃料電池。