JP2006120346A - 燃料電池システム - Google Patents

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

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。

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。

燃料電池の構造を示す斜視図である。 燃料電池システムを示す構成図である。 単位セルの構造を示す斜視図である。 第１の実施形態に用いる面圧センサモジュールの構成図である。 第２の実施形態に用いる面圧センサモジュールの構成図である。 第３の実施形態に用いる面圧センサモジュールの構成図である。

符号の説明

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

Claims (5)

1. 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。
2. 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。
3. 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。
4. 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。
5. 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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