JP2006120346A - 燃料電池システム - Google Patents
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Abstract
【課題】燃料電池スタックの積層間面圧を正確に測定して、積層間面圧を均一にすることができる燃料電池システムの提供を目的とする。
【解決手段】固体高分子電解質膜をアノード側電極及びカソード側電極で狭持してなる単位燃料電池セル10とセパレータとを交互に積層した燃料電池スタック1であって、単位燃料電池セル10の面圧を検出する面圧センサを有する模擬的なセパレータを、当該単位燃料電池セル10で狭持することによって少なくとも一つ以上積層し、燃料電池スタック1に対して積層方向に圧力を与えることによって、当該燃料電池スタック1の単位燃料電池セル10の面圧を調整する圧力調整装置15とを備え、面圧センサが測定した面圧に基づいて、燃料電池スタック1の面圧分布を算出する面圧算出回路2と、面圧算出回路2が算出した面圧分布に基づいて適正面圧分布を算出し、当該適正面圧分布に基づいて圧力調整装置15を制御する面圧演算回路3と、を備える。
【選択図】図2
【解決手段】固体高分子電解質膜をアノード側電極及びカソード側電極で狭持してなる単位燃料電池セル10とセパレータとを交互に積層した燃料電池スタック1であって、単位燃料電池セル10の面圧を検出する面圧センサを有する模擬的なセパレータを、当該単位燃料電池セル10で狭持することによって少なくとも一つ以上積層し、燃料電池スタック1に対して積層方向に圧力を与えることによって、当該燃料電池スタック1の単位燃料電池セル10の面圧を調整する圧力調整装置15とを備え、面圧センサが測定した面圧に基づいて、燃料電池スタック1の面圧分布を算出する面圧算出回路2と、面圧算出回路2が算出した面圧分布に基づいて適正面圧分布を算出し、当該適正面圧分布に基づいて圧力調整装置15を制御する面圧演算回路3と、を備える。
【選択図】図2
Description
本発明は、燃料電池システムに関する。特に、固体高分子型燃料電池スタックにおける面圧の制御に関する。
従来の燃料電池システムとして、以下のようなものが知られている。
電池セル積層体の上面に、第1ないし第3の圧力発生部材が配設され、各圧力発生部材は、オイルの給排を通して制御された押圧力を電池セル積層体に個別に及ぼす。第1圧力発生部材は、電池セルにおけるセル面の中央領域CRに亘って押圧力を及ぼす方形状の圧力袋として構成されている。第2圧力発生部材はこの第1圧力発生部材を取り囲むよう、第3圧力発生部材は第2圧力発生部材を取り囲むようそれぞれ環状の圧力袋として構成されている。そして、第1ないし第3の圧力発生部材及ぼす押圧力f1、f2、f3は、f1>f2>f3の関係を維持して、それぞれ増減制御或いは保持制御される(例えば、特許文献1、参照。)。
または、発電セルの積層方向両端に配置されるエンドプレートに設けられ、前記発電セルを一体的に締め付け固定する締め付けボルトと、前記締め付けボルトの軸力を検出する軸力検出手段と、検出された前記軸力に基づいて、前記締め付けボルトの締め付け力を調整する締め付け力調整手段とを備える(例えば、特許文献2、参照。)。
特開2001−93564号公報
特開2001−325985号公報
このような燃料電池スタックにおいて、単位燃料電池セル内の接触抵抗が増大すると、内部損失が増大して端子電圧が低下する。このため、接触抵抗を低減させるべく電極面に付与される面圧が適正かつ均一になるように、各単位燃料電池セルに所望の面圧を付与する必要がある。
しかしながら、上記背景技術では、燃料電池スタックの外枠、又は、燃料電池スタックを締め付けるロッドに面圧を測定するセンサが取り付けられているため、燃料電池スタックの積層間における実際の面圧分布と異なる面圧を測定しているか、又は、積層間の面圧を測定しておらず、実際の面圧分布に対する適正な荷重調整を行っていないという問題があった。
そこで本発明は、燃料電池スタックの積層間面圧を正確に測定して、積層間面圧を均一にすることができる燃料電池システムの提供を目的とする。
本発明は、固体高分子電解質膜をアノード側電極及びカソード側電極で狭持してなる単位燃料電池セルとセパレータとを交互に積層した燃料電池スタックであって、前記単位燃料電池セルの面圧を検出する面圧センサを有する模擬的なセパレータを、当該単位燃料電池セルで狭持することによって少なくとも一つ以上積層し、前記燃料電池スタックに対して積層方向に圧力を与えることによって、当該燃料電池スタックの前記単位燃料電池セルの面圧を調整する圧力調整装置とを備え、前記面圧センサが測定した面圧に基づいて、前記燃料電池スタックの面圧分布を算出する面圧算出回路と、前記面圧算出回路が算出した面圧分布に基づいて適正面圧分布を算出し、当該適正面圧分布に基づいて前記圧力調整装置を制御する面圧演算回路と、を備える。
面圧センサを有する模擬セパレータを、単位セルの間に狭持して燃料電池スタック内に積層する。これにより、燃料電池スタックの積層間面圧を正確に測定して、燃料電池スタックへの押圧力を調整し、積層間面圧を均一化することができる。
第1の実施形態について説明する。本実施形態は固体高分子型燃料電池に関するものであり、例えば燃料電池自動車に搭載する。ただし、自動車以外に用いてもよい。
図1に燃料電池1の概略構成を示す。ここでは、起電力を生じる単位燃料電池としてのセル10を複数積層することにより燃料電池1を構成するが、面圧センサモジュール30を狭持できれば二つのセル10により燃料電池1を構成してもよい。
燃料電池1を、セル10の積層方向両端に、それぞれ集電板11、絶縁板12を配置する。集電板11を、ガス不透過な導電性部材、例えば、緻密質カーボンや銅板などにより構成する。集電板11にはそれぞれ、燃料電池1で生じた起電力の取り出し部となる出力端子110を設ける。絶縁板12を、絶縁性部材、例えば、ゴムや樹脂などにより構成する。
絶縁板12の積層方向外側の一端にはエンドプレート13A、もう一端に集電板12からエンドプレート13B、13Cの順で配置して構成する。エンドプレート13Cは、エンドプレート13Bから所定の間隔を開けて配置されており、エンドプレート13B及び13Cの間には、圧力調整装置15(図2参照)を設ける。
エンドプレート13A〜13Cを、剛性を備えた材料、例えば、鋼などの金属材料により構成する。エンドプレート13Aは、燃料電池1内に燃料ガス(水素ガス又は水素含有ガス)を供給するための燃料ガス入口130i、燃料電池1から燃料ガスを排出するための燃料ガス出口130o、燃料電池1内に酸化剤ガス(酸素含有ガス又は空気)を供給するための酸化剤ガス入口131i、燃料電池1から酸化剤ガスを排出するための酸化剤ガス出口131o、燃料電池1内に冷却媒体を導入するための冷却媒体入口132i、及び、燃料電池1から冷却媒体を排出するための冷却媒体出口132oを備える。
また、燃料電池1は、積層方向の任意の位置において、二つのセル10で面圧センサモジュール30を狭持して備える。図1では積層方向の略中央に、一つの面圧センサモジュール30を設けるが、複数の面圧センサモジュール30を設けてもよい。
面圧センサモジュール30は、燃料電池1内の任意の位置において、二つのセル10で狭持することによって積層して設けられる。そして、当該設けられた位置の面圧を検出する。
積層したセル10、面圧センサモジュール30、集電板11、絶縁板12及びエンドプレート13A〜13Cは、積層面の内部四隅に燃料電池1を積層方向に貫通した貫通孔に、タイロッド14を挿通して、タイロッド14の端部にナット20を螺合することによって締結する。締結方法は、燃料電池1の内部にタイロッド14を貫通する方法に限られず、積層した単位セル10の外部において、エンドプレート13A〜13Cの四隅を4本のタイロッド14で縦貫してもよい。
タイロッド14を、剛性を備えた材料、例えば、鋼などの金属材料により構成する。タイロッド14の表面は絶縁処理を行っており、セル10同士の電気的短絡を防止する。
タイロッド14を、剛性を備えた材料、例えば、鋼などの金属材料により構成する。タイロッド14の表面は絶縁処理を行っており、セル10同士の電気的短絡を防止する。
図2は、燃料電池1の面圧を制御するための燃料電池システムの構成を示す。
本実施形態の燃料電池システムを、複数の単位セル10を積層してなる燃料電池1、面圧算出回路2、及び、面圧演算回路3で構成する。
前述したように、エンドプレート13Bとエンドプレート13Cの間に配置した圧力調整装置15は、弾性体、例えば、バネなどから構成する。
個々のバネを変位させることで、エンドプレート13Bを介して燃料電池1に付与する押圧力を制御する。なお、圧力調整装置15は、弾性体に限られず、油圧シリンダーを用いた装置を用いてもよい。また、図2では、二つのバネで構成された一つの圧力調整装置15を設けるが、エンドプレート13B、13Cの面中央部に一つだけ圧力調整装置15を設けてもよく、又は、当該面に対して複数の圧力調整装置15を設けてもよい。
燃料電池1内に設けた面圧センサモジュール30は、積層された面における面圧を測定して、当該測定した面圧を面圧算出回路2に出力する。面圧算出回路2は、面圧センサモジュール30から出力された面圧測定値から、平均面圧を算出して面圧分布データに変換する。
面圧算出回路2で変換された面圧分布データは、面圧演算回路3に出力される。そして、当該面圧分布データと予め定めた適正な面圧分布データとを比較して、圧力調整装置15に出力するデータを算出する。つまり、実際の面圧分布データを適正面圧分布データに近づけるために、圧力調整装置15による押圧力を上げる位置と圧力調整装置15による押圧力を下げる位置とを算出する。
面圧演算回路3は、演算の結果を電気信号として圧力調整装置15に出力して、個々のバネの変位を管理することによって燃料電池スタック1への付与圧力を制御する。なお、燃料電池スタック1への付与圧力は、バネの変位が大きいときは大きく、バネの変位が小さいときは小さい。
図3は、燃料電池1を構成する固体高分子型燃料電池セル10の概略的な構造を示す斜視図である。
セル10は、電解質膜100の両側に、アノード側電極101a及びカソード側電極101cを配置してなる膜−電極接合体を備える。
電解質膜100としては、固体高分子材料、例えばフッ素系樹脂によりなるプロトン伝導性のイオン交換膜を用いる。この電解質膜100は、湿潤状態で良好な電気伝導性を示す。
アノード側電極101a及びカソード側電極101cを、電解質膜100側から電極触媒層、撥水層、及び、ガス拡散層とで構成する。
電極触媒層は、触媒、例えば、白金又は白金と他の金属からなる合金が表面に担持された多孔質カーボン粒子を、前記撥水層の表面に一様に塗布してなる。電極触媒層は、互いに電解質膜100を介装して対向するように、電解質膜100の両面に接合する。
撥水層は、撥水性を調整すると共に、ガス拡散層の表面の平滑性を向上させる。撥水層は、撥水材と導電材とを含んでおり、撥水材としては、フッ素樹脂、例えば、ポリテトラフルオロエチレンやテトラフルオロエチレン−ヘキサフルオロプロピレン共重合体(FEP)等からなる。
ガス拡散層は、十分なガス拡散性及び導電性を有する部材、例えば、炭素繊維からなる糸で織成したカーボンクロス、カーボンペーパ、又は、カーボンフエルト等からなる。
アノード側電極101a及びカソード側電極101cは、触媒面へのガス拡散機能と電極としての機能を有する。なお、電極触媒層は、撥水層に担持されて電極を形成する場合に限られず、電解質膜100の表面に担持されて電極を形成してもよい。その場合、ガス拡散層は、表面に積層した撥水層とガス拡散層接合体を形成する。
アノード側電極101a及びカソード側電極101cの外周には、ガスケット材102a、102cをそれぞれ配置する。ガスケット材102a、102cは、ゴム状弾性材料、例えば、シリコーンゴム、EPDM又はフッ素ゴムなどを用いる。ガスケット材102a、102cは、セパレータ103a、103cと一体化していてもよい。また、弾性係数の大きい薄板材料、例えば、ポリカーボネ-ト、ポリエチレンテレフタレートなどと一体化していてもよい。ガスケット材102a、102cは、前記各部品を積層した際に、電解質膜100とセパレータ103a、103cの隙間を保持し、膜−電極接合体とセパレータ103a、103cの間のガスをシールする役割を担う。
アノード側電極101a、カソード側電極101cの外側には、それぞれセパレータ103a、103cを配置する。セパレータ103a、103cを、十分な導電性、強度及び耐食性を有する材料、例えば、カーボン材料をプレスすることにより形成する。セパレータ103a、103cは、十分な耐食性が実現可能であれば、金属などの他の材料を用いてもよい。
セパレータ103aの表面には、アノード側電極101aとの間に燃料ガス(水素含有ガス)を供給するための、燃料ガス流路104a(図示省略)を設ける。セパレータ103aのもう一方の表面には、必要に応じて冷却媒体流路105aを設ける。
セパレータ103cの表面には、カソード側電極101cとの間に酸化剤ガス(酸素含有ガス又は空気)を供給するための、酸化剤ガス流路104cを設ける。セパレータ103cのもう一方の表面には、必要に応じて冷却媒体流路105c(図示省略)を設ける。
なお、図3では、酸化剤ガス流路104c及び冷却媒体流路105aをサーペンタイン形状で図示するが、これらの流路形状はサーペンタイン形状に限られず、直線的な形状でもよい。
単位セル10における発電反応は次のようになる。
燃料ガスを、燃料ガス入口130iから燃料電池1内に導入すると、導入した燃料ガスは、各セル10のセパレータ103aから燃料ガス流路を介してアノード側電極101aに供給される。そして、アノード側電極101aにおける発電反応により、プロトン及び電子を生成する。プロトンは電解質膜100を透過してカソード側へ移動し、電子は外部回路へ流れる。反応に利用されなかった余剰の燃料ガスは、燃料ガス出口130oから排出される。
一方、酸化剤ガスを、酸化剤ガス入口131iから燃料電池1内に導入すると、導入した酸化剤ガスは、各セル10のセパレータ103cから酸化剤ガス流路を介してカソード側電極101cに供給される。そして、アノード側の発電反応により生じたプロトン及び外部回路からの電子と、酸化剤ガスに含まれる酸素とが反応して水が生成される。反応に利用されなかった余剰の酸化剤ガスは、反応により生じた生成水とともに、酸化剤ガス出口131oから排出される。
次に、本実施形態を実現するための面圧センサモジュール31の構造を、図4を用いて説明する。
面圧センサモジュール31を、セル10と縦横が同一寸法の模擬的なセパレータ304で、コンデンサ型又は歪ゲージのセンサ301を狭持することによって形成する。第1の実施形態では、センサ301として、模擬セパレータ304の面に対してその一部の面圧を測定することができる小型のセンサを用いる。
図4(a)は、絶縁型面圧センサ300の断面図である。絶縁型面圧センサ300を、樹脂302で被覆したセンサ301及び出力リード線303とで構成する。樹脂302は、絶縁性を有する樹脂であって、センサ301と模擬セパレータ304との通電を遮断する。出力リード線303は、測定した面圧を面圧算出回路2に出力する。
図4(b)は模擬セパレータ304の平面図である。模擬セパレータ304を、十分な導電性、強度及び耐食性を有する材料、例えば、カーボン材料をプレスすることにより形成する。模擬セパレータ304は、センサ301を構成する材料と弾性係数がほぼ同じ、好ましくは同一の材料を用いることが望ましい。
これによって、模擬セパレータ304によってセンサ301を狭持して面圧センサモジュール31を形成した場合に、面圧センサモジュール31の弾性が均一化され、圧力調整装置15による押圧力に対して、面圧センサモジュール31の各部品が一定の変形を行う。つまり、面圧センサモジュール31において弾性係数の異なる部品が混在した場合に生じる面圧のむらを防止し、燃料電池スタック1の積層間の面圧分布をより正確に把握することができる。
模擬セパレータ304に、積層時に燃料電池1内を貫通するタイロッド14を通す貫通孔306を複数設ける。また、模擬セパレータ304に、燃料電池1内を流動する燃料ガス、酸化剤ガス、又は、冷却媒体が移動するための流体用経路307を複数設ける。
貫通孔306、流体用経路307は、それぞれセル10の電解質膜100、ガスケット材102a、102c、及び、セパレータ103a、103cに設ける貫通孔106、流体用経路107と連通する位置に設ける。そして、セル10と面圧センサモジュール31との積層時に、貫通孔106及び貫通孔306が各々連通して、タイロッド14の貫通孔を構成する。また、セル10と面圧センサモジュール31との積層時に、マニフォールド107及び流体用経路307が各々連通して、燃料ガス、酸化剤ガス、又は、冷却媒体の連通孔を構成する。
模擬セパレータ304に、それぞれが絶縁型面圧センサ300を格納することができる二つの窪み305を設ける。窪み305は、絶縁型面圧センサ300と同一の形状で構成され、窪みの深さは絶縁型面圧センサ300の厚さの略半分に構成する。このように構成することによって、窪み305に絶縁型面圧センサ300が十分に収まり、かつ、絶縁型面圧センサ300の位置が窪み305内で変動しない。窪み305は、出力リード線303を格納する溝を有し、当該溝は模擬セパレータ304の中心部からその外周へ連通している。よって、絶縁型面圧センサ300を模擬セパレータ304に格納した場合に、出力リード線303を面圧センサモジュール31の外部へ取り出すことができる。
窪み305に絶縁型面圧センサ300を格納した状態を図4(c)に示す。絶縁型面圧センサ300は、窪み305を内側に向けて対峙する模擬セパレータ304で狭持する。このとき、図4(a)に示す絶縁型面圧センサ300の面A及び面Bは、窪み305の底面に接触する。なお、対峙する模擬セパレータ304は、窪み305以外の面において相互に接触する。
図4(d)は、絶縁型面圧センサ300を狭持する模擬セパレータ304、つまり、第1の実施形態の面圧センサモジュール31の断面図(C−C断面)である。
面圧センサモジュール31を、対峙する模擬セパレータ304の中央に絶縁型面圧センサ300を配置して構成する。このとき、面圧センサモジュール31は、対峙する二つの模擬セパレータ304のそれぞれの厚さを合計した厚さを有する。
模擬セパレータ304は、その中央において絶縁型面圧センサ300を格納することによって接触しており、かつ、対峙する模擬セパレータ304同士も接触している。このように、対峙する模擬セパレータ304が、その一部において接触することによって、接触部分において相互に通電することができ、燃料電池スタック1の発電性能に影響を与えることなく、積層間の面圧を測定することができる。
絶縁型面圧センサ300が備える出力リード線303は、相対峙する模擬セパレータ304の間から外部に取り出し、面圧算出回路2に接続する。模擬セパレータ304の積層方向外側には、燃料電池1内を流動する冷却媒体の流路308を設ける。
面圧センサモジュール31を積層方向に貫通する流体用経路307の周囲を、ガスケット309でシールする。ガスケット309は、ゴム状弾性材料、例えば、シリコーンゴム、EPDM又はフッ素ゴムなどを用いる。
なお、図4では、二つの絶縁型面圧センサ300を設ける面圧センサモジュール31を示したが、絶縁型面圧センサ300は二つ以上であれば複数設けてよい。また、絶縁型面圧センサ300は、模擬セパレータ304の面上において中央付近に限られず、任意の位置に設けてよい。
このようにセンサ301を備える面圧センサモジュール31を、セル10で狭持して燃料電池1内の任意の位置に設けることによって、燃料電池1内の面圧分布を測定することができる。センサ301による測定結果は、面圧算出回路2に出力され、当該出力信号は面圧分布データに変換される。この面圧分布データは、面圧演算回路3に送信され、面圧調整の為の演算が行われる。そして、この面圧演算回路3からの信号に基づいて、圧力調整装置15の変位が制御され、燃料電池1に対する付与面圧の制御が行われる。
次に、本実施形態の効果について説明する。
固体高分子電解質膜100をアノード側電極101a及びカソード側電極101cで狭持してなる単位燃料電池セル10とセパレータ103a、103cとを交互に積層した燃料電池スタック1であって、単位燃料電池セル10の面圧を検出する面圧センサ301を有する模擬的なセパレータ304を、当該単位燃料電池セル10で狭持することによって少なくとも一つ以上積層し、燃料電池スタック1に対して積層方向に圧力を与えることによって、当該燃料電池スタック1の単位燃料電池セル10の面圧を調整する圧力調整装置15とを備え、面圧センサ301が測定した面圧に基づいて、燃料電池スタック1の面圧分布を算出する面圧算出回路2と、面圧算出回路2が算出した面圧分布に基づいて適正面圧分布を算出し、当該適正面圧分布に基づいて圧力調整装置15を制御する面圧演算回路3と、を備える。
このように、面圧センサモジュール31を燃料電池スタック1の任意の位置に積層することによって、発電性能に影響を及ぼすことなく、燃料電池スタック1の積層間面圧分布を測定することができる。また、燃料電池スタック1の積層間面圧を正確に測定して、燃料電池スタック1への押圧力を調整し、積層間面圧を均一化することができる。
また、模擬セパレータ304は、面圧センサ301を構成する材料の弾性係数と近い弾性係数を有する材料で形成する。これにより、模擬セパレータ304によってセンサ301を狭持して面圧センサモジュール31を形成した場合に、面圧センサモジュール31の弾性が均一化され、圧力調整装置15による押圧力に対して面圧センサモジュール31の各部品が一定の変形を行うため、燃料電池スタック1の積層間の面圧分布をより正確に把握することができる。
次に、第2の実施形態について説明する。以下、第1の実施形態と異なる部分を中心に説明する。
図5は、本実施形態を実現するための面圧センサモジュール32の構造を示したものである。
面圧センサモジュール32を、セル10と縦横が同一寸法の模擬的なセパレータ314で、コンデンサ型又は歪ゲージのセンサ311を狭持することによって形成する。第2の実施形態では、センサ311として、模擬セパレータ314のほぼ全体の面圧を測定することができる面上のセンサを用いる。
図5(a)は、絶縁型面圧センサ310の平面図である。絶縁型面圧センサ310を、樹脂312で被覆したセンサ311と枠部315、及び、出力リード線313とで構成する。
センサ311は、模擬セパレータ314の四辺に設ける流体用経路317の内側の領域に収まる領域であって、当該流体用経路317に重ならない程度にできる限り大きい四辺形を構成する。つまり、当該四辺形は、単位セル10を構成するアノード側電極101a又はカソード側電極101cが、電解質膜100の両側に配置された領域とほぼ同一の領域に対応する。このように、センサ311を電極101a、101cが配置される領域と重なる領域に配置することによって、単位セル10における発電反応がなされる領域の面圧を測定することができる。
また、センサ311は出力リード線313を備える。出力リード線313は、測定した面圧を面圧算出回路2に出力する。
センサ311の四辺には、樹脂などによって形成した枠部315を設ける。枠部315は、センサ311を構成する材料と弾性係数がほぼ同じ、好ましくは同一の材料を用いることが望ましい。
これによって、模擬セパレータ314によって絶縁型面圧センサ310を狭持して面圧センサモジュール32を形成した場合に、面圧センサモジュール32の弾性が均一化され、圧力調整装置15による押圧力に対して、面圧センサモジュール32の各部品が一定の変形を行う。つまり、面圧センサモジュール32において弾性係数の異なる部品が混在した場合に生じる面圧のむらを防止し、燃料電池スタック1の積層間の面圧分布をより正確に把握することができる。
枠部315は、センサ311と同一の厚さに形成する。また、枠部315は、センサ311と一体になって、模擬セパレータ314と縦横同一の寸法に形成する。
枠部315には、模擬セパレータ314と積層した状態で同一の位置に、タイロッド14を通す貫通孔316、及び、燃料電池1内を流動する燃料ガス、酸化剤ガス、又は、冷却媒体が移動するための流体用経路317を設ける。このように枠部315に貫通孔316及び流体用経路317を設けることによって、セル10と面圧センサモジュール32との積層時に、貫通孔106及び貫通孔316が各々連通して、タイロッド14の貫通孔を構成する。また、セル10と面圧センサモジュール32との積層時に、マニフォールド107及び流体用経路317が各々連通して、燃料ガス、酸化剤ガス、又は、冷却媒体の連通孔を構成する。
図5(b)は、図5(a)に示す絶縁型面圧センサ310の断面図(D−D断面)である。センサ311は、その外周に枠部315を備え、模擬セパレータ314との通電を遮断するために、全体を絶縁性を有する樹脂312で被覆して絶縁型面圧センサ310を構成する。
また、絶縁型面圧センサ310を積層方向に貫通する流体用経路317の周囲を、ガスケット319でシールする。ガスケット319は、ゴム状弾性材料、例えば、シリコーンゴム、EPDM又はフッ素ゴムなどを用いる。
図5(c)は模擬セパレータ314の平面図である。模擬セパレータ314を、十分な導電性、強度及び耐食性を有する材料、例えば、カーボン材料をプレスすることにより形成する。模擬セパレータ314は、センサ311を構成する材料と弾性係数がほぼ同じ、好ましくは同一の材料を用いることが望ましい。
これによって、模擬セパレータ314によってセンサ311を狭持して面圧センサモジュール32を形成した場合に、面圧センサモジュール32の弾性が均一化され、圧力調整装置15による押圧力に対して、面圧センサモジュール32の各部品が一定の変形を行う。つまり、面圧センサモジュール32において弾性係数の異なる部品が混在した場合に生じる面圧のむらを防止し、燃料電池スタック1の積層間の面圧分布をより正確に把握することができる。
模擬セパレータ314に、貫通孔316、及び、流体用経路317を複数設ける。貫通孔316を第1の実施形態の貫通孔306と、流体用経路317を第1の実施形態の流体用経路307と同様の構成とする。
模擬セパレータ314に、いずれか一辺にツメ部320を設ける。ツメ部は320は、後述する導電板321を装着するための薄板上の突起であって、模擬セパレータ314の一辺から外側に向けて構成する。ツメ部320を、模擬セパレータ314と同様に、十分な導電性、強度及び耐食性を有する材料、例えば、カーボン材料により形成する。
図5(d)は、絶縁型面圧センサ310を狭持する模擬セパレータ314、つまり、第2の実施形態の面圧センサモジュール32の平面図であって、図5(f)は、第2の実施形態の面圧センサモジュール32の断面図(E−E断面)である。
面圧センサモジュール32を、対峙する模擬セパレータ314で絶縁型面圧センサ310を狭持して構成する。模擬セパレータ314は、その全面において絶縁型面圧センサ310と接触しているが、絶縁型面圧センサ310を狭持しているため、対峙する模擬セパレータ314同士は接触しない。このとき、面圧センサモジュール32は、対峙する二つの模擬セパレータ314及び絶縁型面圧センサ310のそれぞれの厚さを合計した厚さを有する。
このように、模擬セパレータ314で面圧センサモジュール310を狭持することによって、模擬セパレータ314に面圧センサモジュール310を格納するために必要かつ十分な寸法の窪みを形成する労力を省くことができる。
模擬セパレータ314に備えるツメ部320に、図5(e)に示す導電板321を装着する。導電板321は、十分な導電性を有する材料、例えば、白金、銅などを材料とする。導電板321は、ツメ部320を挿入するのに十分な大きさの二つの切り込み部を有する。そして、絶縁型面圧センサ310を狭持する各々の模擬セパレータ314に備えられた、相対峙するツメ部320を、当該切り込み部に挿入することによって、ツメ部320を通じて模擬セパレータ314同士の電気伝導を行う。
このように、対峙する模擬セパレータ314を導電板321を用いて接続することによって、対峙する模擬セパレータ314同士が通電するため、燃料電池スタック1の発電性能に影響を与えることなく、積層間の面圧を測定することができる。
絶縁型面圧センサ310が備える出力リード線313は、絶縁型面圧センサ310から外部に取り出し、面圧算出回路2に接続する。模擬セパレータ314の積層方向外側には、燃料電池1内を流動する冷却媒体の流路318を設ける。
このようにセンサ311を備える面圧センサモジュール32を、セル10で燃料電池1内の任意の位置に設ける。これによって、燃料電池1内の面圧分布を測定して、燃料電池1に対する付与面圧の制御を行う。
次に、本実施形態の効果について説明する。
電極101a、101cと重なる領域と略重なる領域の面圧を測定する面圧センサ311と、面圧センサ311と結合して模擬セパレータ314と同一の面積を形成する枠部315と、枠部315と結合した面圧センサ311を狭持する、対峙した模擬セパレータ314と、対峙した模擬セパレータ314を相互に通電する導電装置321と、を備える。
このように、センサ311を、電極101a、101cとほぼ同一の大きさとし、電極101a、101cと重なる領域に配置したことによって、広範囲に、より精度の高い面圧分布を測定できる。また、センサ311が単位セル10に対して偏った状態で接触する場合も、平均面圧を算出する範囲を変更する事によって、面圧分布の測定結果の偏りを最小限にすることができる。
また、枠部315は、面圧センサ311を構成する材料の弾性係数と近い弾性係数を有する材料で形成する。これにより、模擬セパレータ314によってセンサ311を狭持して面圧センサモジュール32を形成した場合に、面圧センサモジュール32の弾性が均一化され、圧力調整装置15による押圧力に対して面圧センサモジュール32の各部品が一定の変形を行うため、燃料電池スタック1の積層間の面圧分布をより正確に把握することができる。
次に、第3の実施形態について説明する。以下、第2の実施形態と異なる部分を中心に説明する。
図6は、本実施形態を実現するための面圧センサモジュール33の構造を示したものである。
図6(a)は、絶縁型面圧センサ330の断面図である。絶縁型面圧センサ330を、樹脂332で被覆したセンサ331及び出力リード線333とで構成する。樹脂331は、絶縁性を有する樹脂であって、センサ331と模擬セパレータ334との通電を遮断する。出力リード線313は、測定した面圧を面圧算出回路2に出力する。
図6(b)は模擬セパレータ334の平面図である。模擬セパレータ334を、十分な導電性、強度及び耐食性を有する材料、例えば、カーボン材料をプレスすることにより形成する。模擬セパレータ334は、面圧センサ333を構成する材料と弾性係数がほぼ同じ、好ましくは同一の材料を用いることが望ましい。
これによって、模擬セパレータ334によって面圧センサ333を狭持して面圧センサモジュール33を形成した場合に、面圧センサモジュール33の弾性が均一化され、圧力調整装置15による押圧力に対して、面圧センサモジュール33の各部品が一定の変形を行う。つまり、面圧センサモジュール33において弾性係数の異なる部品が混在した場合に生じる面圧のむらを防止し、燃料電池スタック1の積層間の面圧分布をより正確に把握することができる。
模擬セパレータ334に、貫通孔336、及び、流体用経路337を複数設ける。貫通孔336を第2の実施形態の貫通孔316と、流体用経路337を第2の実施形態の流体用経路317と同様の構成とする。
模擬セパレータ334に、絶縁型面圧センサ330を格納するための窪み335を設ける。窪み335は、絶縁型面圧センサ330と同一の形状で構成され、窪みの深さは絶縁型面圧センサ330の厚さの略半分に構成する。このように構成することによって、窪み335に絶縁型面圧センサ330が十分に収まり、かつ、絶縁型面圧センサ330の位置が窪み335内で変動しない。窪み335は、出力リード線333を格納する溝を有し、当該溝は模擬セパレータ334の外周へ連通している。よって、絶縁型面圧センサ330を模擬セパレータ334に格納した場合に、出力リード線333を面圧センサモジュール33の外部へ取り出すことができる。
窪み335に絶縁型面圧センサ330を格納した状態を図6(c)に示す。絶縁型面圧センサ330は、窪み335を内側に向けて対峙する模擬セパレータ334で狭持する。このとき、図6(a)に示す絶縁型面圧センサ330の面F及び面Gは、窪み335の底面に接触する。なお、対峙する模擬セパレータ334は、窪み335以外の面において相互に接触する。
図6(d)は、絶縁型面圧センサ330を狭持する模擬セパレータ334、つまり、第3の実施形態の面圧センサモジュール33の断面図(H−H断面)である。
面圧センサモジュール33を、対峙する模擬セパレータ334の中央に絶縁型面圧センサ330を配置して構成する。このとき、面圧センサモジュール33は、対峙する二つの模擬セパレータ334のそれぞれの厚さを合計した厚さを有する。
模擬セパレータ334は、その中央において絶縁型面圧センサ330を格納することによって接触しており、かつ、対峙する模擬セパレータ334同士も接触している。このように、対峙する模擬セパレータ334が、その一部において接触することによって、燃料電池スタック1の発電性能に影響を与えることなく、積層間の面圧を測定することができる。
絶縁型面圧センサ330が備える出力リード線333は、相対峙する模擬セパレータ334の間から外部に取り出し、面圧算出回路2に接続する。模擬セパレータ334の積層方向外側には、燃料電池1内を流動する冷却媒体の流路338を設ける。
このようにセンサ331を備える面圧センサモジュール33を、セル10で燃料電池1内の任意の位置に設ける。これによって、燃料電池1内の面圧分布を測定して、燃料電池1に対する付与面圧の制御を行う。
次に、本実施形態の効果について説明する。
模擬セパレータ334は、面圧センサ331を格納する窪み335を備え、窪み335に面圧センサ331を格納することによって面圧センサ331と接触するとともに、面圧センサ331を格納する対峙した模擬セパレータ334が相互に接触する。
このように、模擬セパレータ334に、面圧センサ331を格納する窪み335を設けることによって、当該窪み335以外の面において、対峙する模擬セパレータ334同士が接触して通電するため、発電性能に影響を及ぼすことなく、燃料電池スタック1の積層間面圧分布を測定することができる。また、面圧センサ331を模擬セパレータ334内に格納することによって、面圧センサモジュール33の薄型化を可能とし、面圧センサモジュール33を搭載した燃料電池スタック1の全長を短くすることができる。
なお、本発明は、上記発明を実施するための最良の形態に限定されるわけではなく、特許請求の範囲に記載の技術思想の範囲内で様々な変更を為し得ることは言うまでもない。
本発明は、燃料電池システムに適用することができる。特に、燃料電池スタック内の面圧を均一に保つ必要がある固体高分子型燃料電池システムに適用することができる。
1 燃料電池スタック
2 面圧算出回路
3 面圧演算回路
10 単位燃料電池セル
13A〜C エンドプレート
15 圧力調整装置
30〜33 面圧センサモジュール
300、310、330 絶縁型面圧センサ
301、311、331 センサ
304、314、334 模擬セパレータ
2 面圧算出回路
3 面圧演算回路
10 単位燃料電池セル
13A〜C エンドプレート
15 圧力調整装置
30〜33 面圧センサモジュール
300、310、330 絶縁型面圧センサ
301、311、331 センサ
304、314、334 模擬セパレータ
Claims (5)
- 固体高分子電解質膜をアノード側電極及びカソード側電極で狭持してなる単位燃料電池セルとセパレータとを交互に積層した燃料電池スタックであって、
前記単位燃料電池セルに狭持され、単位燃料電池セルの面圧を検出する面圧センサを有する模擬的なセパレータと、
前記燃料電池スタックに対して積層方向に圧力を与えることによって、前記単位燃料電池セルの面圧を調整する圧力調整装置と、
前記面圧センサが測定した面圧に基づいて、前記燃料電池スタックの面圧分布を算出する面圧算出回路と、
前記面圧算出回路が算出した面圧分布に基づいて適正面圧分布を算出し、当該適正面圧分布に基づいて前記圧力調整装置の与圧力を制御する面圧演算回路と、
を備えることを特徴とする燃料電池システム。 - 前記電極と重なる領域と略重なる領域の面圧を測定する前記面圧センサと、
前記面圧センサと結合して前記模擬セパレータと同一の面積を形成する枠部と、
前記枠部と結合した前記面圧センサを狭持する、対峙した前記模擬セパレータと、
前記対峙した模擬セパレータを相互に通電する導電装置と、
を備えることを特徴とする請求項1に記載の燃料電池システム。 - 前記模擬セパレータは、
前記面圧センサを格納する窪みを備え、
前記窪みに前記面圧センサを格納することによって前記面圧センサと接触するとともに、
前記面圧センサを格納する対峙した前記模擬セパレータが相互に接触することを特徴とする請求項1に記載の燃料電池システム。 - 前記模擬セパレータは、前記面圧センサを構成する材料の弾性係数と近い弾性係数を有する材料で形成することを特徴とする請求項1から3のいずれか一つに記載の燃料電池システム。
- 前記枠部は、前記面圧センサを構成する材料の弾性係数と近い弾性係数を有する材料で形成することを特徴とする請求項2に記載の燃料電池システム。
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Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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-
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