JP2007059180A - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】運転中であっても締付荷重を適切な値に維持することができ、電極の接触抵抗が増加することがなく、燃料ガスのリークが生じることがなく、部材が損傷を受けることがなく、出力特性が良好で、信頼性が高いようにする。
【解決手段】電解質層を燃料極と酸素極とで挟持した燃料電池が、前記燃料極に沿って燃料ガス流路が形成されたセパレータを挟んで積層されている燃料電池スタック２０を有する燃料電池システムであって、前記燃料電池スタック２０を燃料電池の積層方向の両端から挟み込む第１保持部材及び第２保持部材と、該第１保持部材と第２保持部材との間に任意の締付荷重を付与して前記燃料電池スタック２０を締め付ける締付荷重調整装置と、前記締付荷重が所定値になるように前記締付荷重調整装置を制御する制御装置とを有する。
【選択図】図１

Description

本発明は、燃料電池システムに関するものである。

従来、燃料電池は、発電効率が高く、有害物質を排出しないので、産業用、家庭用の発電装置として、又は、人工衛星や宇宙船などの動力源として実用化されてきたが、近年は、乗用車、バス、トラック等の車両用の動力源として開発が進んでいる。そして、前記燃料電池は、アルカリ水溶液型、リン酸型、溶融炭酸塩型、固体酸化物型、直接型メタノール等のものであってもよいが、反応温度が低く、小型化に有利な固体高分子型燃料電池が一般的である。

この場合、固体高分子電解質膜を２枚のガス拡散電極で挟み、一体化させて接合したＭＥＡ（Ｍｅｍｂｒａｎｅ Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ Ａｓｓｅｍｂｌｙ：膜電極接合体）が使用される。そして、前記ガス拡散電極の一方を燃料極（アノード極）とし、その表面に燃料としての水素ガスを供給すると、水素が水素イオン（プロトン）と電子とに分解され、水素イオンが固体高分子電解質膜を透過する。また、前記ガス拡散電極の他方を酸素極（カソード極）とし、その表面に酸化剤としての空気を供給すると、空気中の酸素と、前記水素イオン及び電子とが結合して、水が生成される。このような電気化学反応によって起電力が生じるようになっている。

そして、固体高分子型燃料電池は、ＭＥＡの外側に燃料ガスとしての水素ガスや酸素等の酸化剤ガスのような反応ガスの供給通路を形成するセパレータを配設した積層構造を有する。前記セパレータは、積層方向に隣り合うＭＥＡへの反応ガスの透過を防止するとともに、発生した電流を外部へ取り出すための集電を行う。このように、ＭＥＡとセパレータとから成る単位セルを多数積層して燃料電池スタックが構成される（例えば、特許文献１参照。）。

図２は従来の燃料電池スタックの構成を示す図である。

図において、１０１は燃料電池スタックの燃料電池セル集合体であり、ＭＥＡとセパレータとから成る単位セルが、図における上下方向に多数積層されている。そして、前記燃料電池セル集合体１０１は、第１エンドプレート１０２及び第２エンドプレート１０３を有し、積層された単位セルは、積層方向の両端から第１エンドプレート１０２及び第２エンドプレート１０３によって挟み込まれた状態になっている。また、第２エンドプレート１０３の上方には締付プレート１０４が配設され、該締付プレート１０４は、締付用シャフト１０５によって第１エンドプレート１０２と接続されている。ここで、第１エンドプレート１０２は、第２エンドプレート１０３より大きく、締付プレート１０４と同程度の大きさであり、該締付プレート１０４に対向する他方の締付プレートとしても機能する。

そして、前記締付プレート１０４には、先端が第２エンドプレート１０３に当接するプレッシャボルト１０６が螺（ら）合されており、該プレッシャボルト１０６を締め込むことによって締付プレート１０４と第２エンドプレート１０３との間隔を調整し、第１エンドプレート１０２及び第２エンドプレート１０３が燃料電池セル集合体１０１を締め付ける締付荷重を調整する。
特開平１１−３１７２３５号公報

しかしながら、前記従来の燃料電池スタックにおいては、あらかじめプレッシャボルト１０６の締め込むことによって燃料電池セル集合体１０１を締め付ける締付荷重を調整するので、燃料電池システムの運転中に締付荷重を調整することができなかった。そのため、燃料電池システムの運転中に温度や湿度が変化し、各単位セルが膨張したり収縮した場合に、締付荷重を適切な値に維持することができず、燃料電池セル集合体１０１内の電極の接触抵抗が増加したり、燃料ガスのリークが生じたり、部材が損傷を受けたりしてしまう。

本発明は、前記従来の問題点を解決して、運転中であっても締付荷重を適切な値に維持することができ、電極の接触抵抗が増加することがなく、燃料ガスのリークが生じることがなく、部材が損傷を受けることがなく、出力特性が良好で、信頼性の高い燃料電池システムを提供することを目的とする。

そのために、本発明の燃料電池システムにおいては、電解質層を燃料極と酸素極とで挟持した燃料電池が、前記燃料極に沿って燃料ガス流路が形成されたセパレータを挟んで積層されている燃料電池スタックを有する燃料電池システムであって、前記燃料電池スタックを燃料電池の積層方向の両端から挟み込む第１保持部材及び第２保持部材と、該第１保持部材と第２保持部材との間に任意の締付荷重を付与して前記燃料電池スタックを締め付ける締付荷重調整装置と、前記締付荷重が所定値になるように前記締付荷重調整装置を制御する制御装置とを有する。

本発明の他の燃料電池システムにおいては、さらに、前記制御装置は、前記第１保持部材と第２保持部材との間に付与される締付荷重、前記燃料電池スタック内の温度、又は、前記燃料電池スタック内の湿度の少なくともいずれか１つを測定し、この測定値に基づいて前記締付荷重調整装置を制御する。

本発明の更に他の燃料電池システムにおいては、さらに、前記締付荷重調整装置は、油圧シリンダ装置、空圧シリンダ装置又は電動モータとボールねじ伝動装置との組み合わせを備える。

本発明によれば、燃料電池システムは、電解質層を燃料極と酸素極とで挟持した燃料電池が、前記燃料極に沿って燃料ガス流路が形成されたセパレータを挟んで積層されている燃料電池スタックを有する燃料電池システムであって、前記燃料電池スタックを燃料電池の積層方向の両端から挟み込む第１保持部材及び第２保持部材と、該第１保持部材と第２保持部材との間に任意の締付荷重を付与して前記燃料電池スタックを締め付ける締付荷重調整装置と、前記締付荷重が所定値になるように前記締付荷重調整装置を制御する制御装置とを有する。

この場合、燃料電池スタックの各部材に寸法変化が発生しても、セルモジュールに付与される締付荷重をあらかじめ設定された所定値となるように維持することができる。したがって、セルモジュール内の電極の接触抵抗を低く維持することができ、燃料ガスや酸素のリークを確実に防止することができ、各部材が損傷を受けることがなく、出力特性を良好に維持することができ、信頼性を向上させることができる。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照しながら詳細に説明する。

図３は本発明の実施の形態における燃料電池スタックの構成を示す図、図４は本発明の実施の形態における燃料電池のセルモジュールの構成を示す図、図５は本発明の実施の形態における燃料電池の単位セルの構成を示す模式断面図である。

図３において、２０は燃料電池（ＦＣ）装置としての燃料電池スタックであり、乗用車、バス、トラック、乗用カート、荷物用カート等の車両用の動力源として使用される。ここで、前記車両は、照明装置、ラジオ、パワーウィンドウ等の車両の停車中にも使用される電気を消費する補機類を多数備えており、また、走行パターンが多様であり動力源に要求される出力範囲が極めて広いので、動力源としての燃料電池スタック２０と図示されない蓄電手段としての二次電池とを併用して使用することが望ましい。

そして、燃料電池スタック２０は、アルカリ水溶液型（ＡＦＣ）、リン酸型（ＰＡＦＣ）、溶融炭酸塩型（ＭＣＦＣ）、固体酸化物型（ＳＯＦＣ）、直接型メタノール（ＤＭＦＣ）等のものであってもよいが、固体高分子型燃料電池（ＰＥＭＦＣ）であることが望ましい。

なお、更に望ましくは、水素ガスを燃料ガス、すなわち、アノードガスとし、酸素又は空気を酸化剤、すなわち、カソードガスとするＰＥＭＦＣ（Ｐｒｏｔｏｎ Ｅｘｃｈａｎｇｅ Ｍｅｍｂｒａｎｅ Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ）型燃料電池、又は、ＰＥＭ（Ｐｒｏｔｏｎ Ｅｘｃｈａｎｇｅ Ｍｅｍｂｒａｎｅ）型燃料電池と呼ばれるものである。ここで、該ＰＥＭ型燃料電池は、一般的に、プロトン等のイオンを透過する電解質層としての固体高分子電解質膜の両側に触媒、電極及びセパレータを結合した燃料電池としてのセル（Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ）を複数及び直列に結合したスタック（Ｓｔａｃｋ）から成る。

本実施の形態において、燃料電池スタック２０は、図３に示されるように、複数のセルモジュール１０を有する。なお、図３における矢印は、燃料ガスとしての水素ガスの流れを示している。セルモジュール１０は、図４に示されるように、燃料電池としての単位セル（ＭＥＡ）１０Ａと、該単位セル１０Ａ同士を電気的に接続するとともに、単位セル１０Ａに導入される水素ガスの流路と空気とを分離するセパレータ１０Ｂと、単位セル１０Ａ及びセパレータ１０Ｂを１セットとして、板厚方向に複数セット重ねて構成されている。セルモジュール１０は、単位セル１０Ａ同士が所定の間隙（げき）を隔てて配置されるように、単位セル１０Ａとセパレータ１０Ｂとが、多段に重ねられて積層されている。

単位セル１０Ａは、電解質層としての固体高分子電解質膜１１の側に設けられた酸素極としての空気極１２及び他側に設けられた燃料極１３で構成されている。前記空気極１２は、反応ガスを拡散しながら透過する導電性材料から成る電極拡散層と、該電極拡散層上に形成され、固体高分子電解質膜１１と接触させて支持される触媒層とから成る。また、単位セル１０Ａの空気極１２側の電極拡散層に接触して集電するとともに空気と水との混合流を透過する多数の開口が形成された網目状の集電体としての空気極側コレクタ１４と、単位セル１０Ａの燃料極１３側の電極拡散層に接触して同じく電流を外部に導出するための網目状の集電体としての燃料極側コレクタ１５とを有する。

そして、単位セル１０Ａにおいては、図５に示されるように、水が移動する。図５において、４８は燃料ガス流路としての燃料室であり、４９は空気流路としての酸素室である。この場合、燃料極側コレクタ１５の燃料室４８内に燃料ガス、すなわち、アノードガスとしての水素ガスを供給すると、水素が水素イオン（プロトン）と電子とに分解され、水素イオンがプロトン同伴水を伴って、固体高分子電解質膜１１を透過する。また、前記空気極１２をカソード極とし、酸素室４９内に酸化剤、すなわち、カソードガスとしての空気を供給すると、空気中の酸素と、前記水素イオン及び電子とが結合して、水が生成される。なお、水分が逆拡散水として固体高分子電解質膜１１を透過し、燃料極側コレクタ１５の燃料室４８内に移動する。ここで、逆拡散水とは、酸素室４９において生成される水が固体高分子電解質膜１１内に拡散し、該固体高分子電解質膜１１内を前記水素イオンと逆方向に透過して燃料室４８にまで浸透したものである。

次に、燃料電池システムの全体構成について説明する。

図６は本発明の実施の形態における燃料電池システムの構成を示す図である。

図において、燃料電池スタック２０に燃料ガスとしての水素ガス及び酸化剤としての空気を供給する装置が示される。なお、図示されない改質装置によってメタノール、ガソリン等を改質して取り出した燃料である水素ガスを燃料電池スタック２０に直接供給することもできるが、車両の高負荷運転時にも安定して十分な量の水素ガスを供給することができるようにするためには、燃料貯蔵手段７３に貯蔵した水素ガスを供給することが望ましい。これにより、該水素ガスがほぼ一定の圧力で、常に、十分に供給されるので、前記燃料電池スタック２０は車両の負荷の変動に遅れることなく追随して、必要な電流を供給することができる。

水素ガスは、水素吸蔵合金を収納した容器、デカリンのような水素吸蔵液体を収納した容器、水素ガスボンベ等の燃料貯蔵手段７３から、燃料供給管路としての第１燃料供給管路２１、及び、該第１燃料供給管路２１に接続された燃料供給管路としての第２燃料供給管路３３を通って、燃料電池スタック２０の燃料ガス流路の入口に供給される。そして、前記第１燃料供給管路２１には、燃料貯蔵手段元開閉弁２４、圧力センサ２７、第１燃料圧力調整弁２５ａ、第２燃料圧力調整弁２５ｂ及び燃料供給電磁弁２６が配設される。また、前記第２燃料供給管路３３には、安全弁３３ａ及び前記燃料ガス流路内の圧力を検出する圧力センサ７８が配設される。この場合、前記燃料貯蔵手段７３は、十分に大きな容量を有し、常に、十分に高い圧力の水素ガスを供給することができる能力を有するものである。

そして、燃料電池スタック２０の燃料ガス流路の出口から未反応成分として排出される水素ガスは、燃料排出管路３１を通って燃料電池スタック２０の外部に排出される。前記燃料排出管路３１には、回収容器としての水回収ドレインタンク６０が配設されている。そして、該水回収ドレインタンク６０には水と分離された水素ガスとを排出する燃料排出管路３０が接続され、該燃料排出管路３０にはポンプとしての吸引循環ポンプ３６が配設されている。また、前記燃料排出管路３０には水素循環電磁弁３４が配設されている。また、前記燃料排出管路３０における水回収ドレインタンク６０と反対側の端部は、第２燃料供給管路３３に接続されている。これにより、燃料電池スタック２０の外部に排出された水素ガスを回収し、燃料電池スタック２０の燃料ガス流路に供給して再利用することができる。

また、前記水回収ドレインタンク６０には、起動用燃料排出管路５６が接続され、該起動用燃料排出管路５６には水素起動排気電磁弁６２が配設され、燃料電池スタック２０の起動時に燃料ガス流路から排出される水素ガスを大気中に排出することができるようになっている。なお、起動用燃料排出管路５６の出口端は排気マニホールド７１に接続されている。また、起動用燃料排出管路５６に、必要に応じて水素燃焼器を配設することもできる。そして、該水素燃焼器によって排出される水素ガスを燃焼させ、水にしてから大気中に排出することができる。

ここで、前記第１燃料圧力調整弁２５ａ及び第２燃料圧力調整弁２５ｂは、バタフライバルブ、レギュレータバルブ、ダイヤフラム式バルブ、マスフローコントローラ、シーケンスバルブ等のものであるが、前記第１燃料圧力調整弁２５ａ及び第２燃料圧力調整弁２５ｂの出口から流出する水素ガスの圧力をあらかじめ設定した圧力に調整することができるものであれば、いかなる種類のものであってもよい。なお、該圧力の調整は、手動によってなされてもよいが、電気モータ、パルスモータ、電磁石等から成るアクチュエータによってなされることが望ましい。

また、前記燃料供給電磁弁２６、水素循環電磁弁３４及び水素起動排気電磁弁６２は、いわゆる、オン−オフ式のものであり、電気モータ、パルスモータ、電磁石等から成るアクチュエータによって作動させられる。なお、前記燃料貯蔵手段元開閉弁２４は手動又は電磁弁を用いて自動的に作動させられる。さらに、前記吸引循環ポンプ３６は、水素ガスとともに逆拡散水を強制的に排出し、燃料ガス流路内を負圧の状態にすることができるポンプであれば、いかなる種類のものであってもよい。

一方、酸化剤としての空気は、空気供給ファン、空気ボンベ、空気タンク等の酸化剤供給源７５から、酸化剤供給管路７７及び吸気マニホールド７４を通って、燃料電池スタック２０の空気流路に供給される。この場合、供給される空気の圧力は大気圧程度の常圧である。なお、酸化剤として、空気に代えて酸素を使用することもできる。そして、空気流路から排出される空気は、マニホールドとしての排気マニホールド７１、凝縮器７２、出口側排気マニホールド２２及び排気口２２ａを通って大気中へ排出される。

また、前記酸化剤供給管路７７には、水をスプレーして、燃料電池スタック２０の空気極１２を湿潤な状態に維持するための水供給ノズル７６が配設される。また、スプレーされた水によって前記空気極１２及び燃料極１３を冷却することができる。さらに、前記排気マニホールド７１の端部に配設された凝縮器７２は、前記燃料電池スタック２０から排出される空気に含まれる水分を凝縮して除去するためのもので、前記凝縮器７２によって凝縮された水は凝縮水排出管路７９を通って水タンク５２に回収される。なお、前記凝縮水排出管路７９には排水ポンプ５１が配設され、前記水タンク５２にはレベルゲージ（水位計）５２ａが配設されている。

そして、前記水タンク５２内の水は、給水管路５３を通って水供給ノズル７６に供給される。なお、前記給水管路５３には、給水ポンプ５４及び水フィルタ５５が配設されている。ここで、前記排水ポンプ５１及び給水ポンプ５４は、水を吸引して吐出することができるポンプであれば、いかなる種類のものであってもよい。また、前記水フィルタ５５は、水に含まれる塵埃（じんあい）、不純物等を除去するものであれば、いかなる種類のものであってもよい。

さらに、前記排気マニホールド７１には、燃料電池スタック２０から排出される空気の温度及び湿度を測定するための温度計６７及び湿度計６８が取り付けられている。燃料電池スタック２０から排出される空気の温度及び湿度は、燃料電池スタック２０内の温度及び湿度と同程度であると考えることができるので、前記温度計６７及び湿度計６８によって、燃料電池スタック２０内の温度及び湿度を測定することができる。

そして、前記蓄電手段としての二次電池は、いわゆる、バッテリ（蓄電池）であり、鉛蓄電池、ニッケルカドミウム電池、ニッケル水素電池、リチウムイオン電池、ナトリウム硫黄電池等が一般的である。なお、前記蓄電手段は、必ずしもバッテリでなくてもよく、電気二重層キャパシタのようなキャパシタ（コンデンサ）、フライホイール、超伝導コイル、蓄圧器等のように、エネルギを電気的に蓄積し放出する機能を有するものであれば、いかなる形態のものであってもよい。さらに、これらの中のいずれかを単独で使用してもよいし、複数のものを組み合わせて使用してもよい。

また、前記燃料電池スタック２０は図示されない負荷に接続され、発生した電流を前記負荷に供給する。ここで、該負荷は、一般的には、駆動制御装置であるインバータ装置であり、前記燃料電池スタック２０又は蓄電手段からの直流電流を交流電流に変換して、車両の車輪を回転させる駆動モータに供給する。ここで、該駆動モータは発電機としても機能するものであり、車両の減速運転時には、いわゆる、回生電流を発生する。この場合、前記駆動モータは車輪によって回転させられて発電するので、前記車輪にブレーキをかける、すなわち、車両の制動装置（ブレーキ）として機能する。そして、前記回生電流が蓄電手段に供給されて該蓄電手段が充電される。

なお、本実施の形態において、燃料電池システムは制御装置として、図示されないＦＣコントロールＥＣＵ（Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｕｎｉｔ）を有する。前記制御装置は、ＣＰＵ、ＭＰＵ等の演算手段、磁気ディスク、半導体メモリ等の記憶手段、入出力インターフェイス等を備え、水素濃度検出器、温度計６７及び湿度計６８を含む各種のセンサから燃料電池スタック２０の燃料ガス流路及び空気流路に供給される水素、酸素、空気等の流量、温度、出力電圧等を検出して、前記酸化剤供給源７５、第１燃料圧力調整弁２５ａ、第２燃料圧力調整弁２５ｂ、燃料供給電磁弁２６、水素循環電磁弁３４、吸引循環ポンプ３６、排水ポンプ５１、給水ポンプ５４、水素起動排気電磁弁６２等の動作を制御する。さらに、前記ＦＣコントロールＥＣＵは、車両に配設された他のセンサ、及び、車両の制御手段としての図示されないＥＶ（Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｖｅｈｉｃｌｅ）コントロールＥＣＵと連携して、燃料電池スタック２０に燃料ガス及び酸化剤を供給するすべての装置の動作を統括的に制御する。

次に、セルモジュール１０を締め付けるための締付装置について説明する。

図１は本発明の実施の形態における燃料電池スタックの締付装置の構成を示す図である。

図においては、複数のセルモジュール１０が上下方向に重ねられて積層され、各セルモジュール１０内においても、単位セル１０Ａ及びセパレータ１０Ｂが上下方向に重ねられて積層されている。そして、最下層のセルモジュール１０の下面は第１保持部材としての第１エンドプレート８１の上面に当接し、最上層のセルモジュール１０の上面は第２保持部材としての第２エンドプレート８２の下面に当接しており、複数のセルモジュール１０は、単位セル１０Ａ、すなわち、燃料電池の積層方向の両端から第１エンドプレート８１及び第２エンドプレート８２によって挟み込まれた状態になっている。

また、第２エンドプレート８２の上方には枠部材としての締付プレート８３が配設され、該締付プレート８３は、複数本、例えば、４本の締付用シャフト８４によって第１エンドプレート８１と接続されている。ここで、第１エンドプレート８１は、第２エンドプレート８２より大きく、締付プレート８３と同程度の大きさであり、該締付プレート８３に対向する他方の締付プレートとしても機能する。また、前記第１エンドプレート８１及び締付プレート８３は、いかなる形状の部材であってもよいが、例えば、長方形状の板材である。そして、長方形の４隅に該当する箇所に図示されない貫通孔（こう）が各々形成され、各貫通孔に締付用シャフト８４の端部が挿入され、ナット等の固定部材によって固定される。これにより、締付用シャフト８４は、第１エンドプレート８１及び締付プレート８３を締結し、第１エンドプレート８１及び締付プレート８３から引っ張り応力を受ける。

そして、締付プレート８３には、セルモジュール１０に付与される締付荷重を調整する締付荷重調整装置８５が取り付けられている。該締付荷重調整装置８５は、油圧、空圧、電気等によって駆動されるアクチュエータを備え、該アクチュエータによって可動部材としての可動ロッド８６を上下方向に移動させる。そして、該可動ロッド８６の先端、すなわち、図１における下端は、荷重測定装置８７を介して、第２エンドプレート８２に当接し、該第２エンドプレート８２に締付荷重として下向きの荷重を付与する。そのため、アクチュエータの動作を制御して可動ロッド８６に付与される下向きの荷重を調整することにより、第１エンドプレート８１及び第２エンドプレート８２によって挟み込まれたセルモジュール１０に付与される締付荷重を調整することができる。

なお、前記締付荷重調整装置８５のアクチュエータは、いかなる種類のものであってもよく、例えば、油圧シリンダ装置や空圧シリンダ装置であってもよい。この場合、油圧シリンダ装置や空圧シリンダ装置のピストンに可動ロッド８６を接続して、上下方向に移動させることができる。また、前記締付荷重調整装置８５のアクチュエータは、電動モータとボールねじ伝動装置との組み合わせであってもよい。該ボールねじ伝動装置は、ナット又はねじ軸の回転運動をねじ軸又はナットの直線運動に変換する装置であり、電動モータを回転させることによって、可動ロッド８６を上下方向に移動させることができる。そして、前記締付荷重調整装置８５は、前記ＦＣコントロールＥＣＵによって動作を制御され、セルモジュール１０に付与される締付荷重を調整する。

また、前記荷重測定装置８７は、荷重を測定可能なものであれば、いかなる種類のものであってもよく、検出した荷重の値を前記ＦＣコントロールＥＣＵに送信する。これにより、ＦＣコントロールＥＣＵは、セルモジュール１０に付与されている締付荷重を把握することができる。

そして、前記荷重測定装置８７によってセルモジュール１０に付与される締付荷重は、あらかじめ設定された所定値となるように制御される。セルモジュール１０に適切な締付荷重を付与することによって、セルモジュール１０内の電極の接触抵抗、すなわち、空気極１２と空気極側コレクタ１４との接触抵抗、燃料極１３と燃料極側コレクタ１５との接触抵抗、空気極側コレクタ１４とセパレータ１０Ｂとの接触抵抗、燃料極側コレクタ１５とセパレータ１０Ｂとの接触抵抗等を低くすることができる。また、セルモジュール１０に適切な締付荷重を付与することによって、単位セル１０Ａ及びセパレータ１０Ｂと図示されないシール部材との密着力が適切な値となり、水素ガスや空気のリークを確実に防止することができる。さらに、セルモジュール１０に適切な締付荷重を付与することによって、単位セル１０Ａ、セパレータ１０Ｂ等を構成する各部材にかかる力が適切な値となり、各部材が損傷を受けることがない。

次に、前記構成の燃料電池システムの動作について説明する。まず、定常運転における動作について説明する。

本実施の形態の燃料電池システムにおける定常運転時には、第１燃料圧力調整弁２５ａ及び第２燃料圧力調整弁２５ｂの出口から流出する水素ガスの圧力をあらかじめ設定した一定の圧力に調整した後、前記第１燃料圧力調整弁２５ａ及び第２燃料圧力調整弁２５ｂは燃料電池システムの運転中には調整されることがなく、そのままの状態が保持される。また、酸化剤供給源７５は、燃料電池の出力電流に応じてあらかじめ設定された空気が供給されるように作動する。この場合、供給される空気の量は、燃料電池スタック２０の出力が最大となるために必要な空気の量よりも十分に多い量である。また、本実施の形態において、燃料電池スタック２０の単位セル１０Ａに供給される空気の圧力は大気圧程度の常圧であり、特段加圧される必要がない。そのため、前記酸化剤供給源７５、酸化剤供給管路７７、吸気マニホールド７４、排気マニホールド７１、凝縮器７２、出口側排気マニホールド２２等は、耐圧性を有する必要がないので構成を簡素化することができる。

そして、燃料電池スタック２０が運転を開始すると、該燃料電池スタック２０を構成する各単位セル１０Ａにおいて逆拡散水が発生し、該逆拡散水が固体高分子電解質膜１１を透過して燃料ガス流路にまで達し、前記固体高分子電解質膜１１の燃料極１３側を加湿する。これにより、該固体高分子電解質膜１１の燃料極１３側は湿潤な状態となり、電気化学反応によって水素から生成された水素イオンが固体高分子電解質膜１１内をスムーズに移動することができる。

なお、酸化剤供給源７５から供給される空気及び水供給ノズル７６から供給される水は、燃料電池スタック２０を冷却する機能も有し、また、固体高分子電解質膜１１の空気極１２及び燃料極１３側の湿潤状態に影響を及ぼす。そのため、前記空気及び水の供給量は、温度計６７及び湿度計６８が測定した燃料電池スタック２０内の温度及び湿度に応じても制御される。

また、前記燃料ガス流路に供給されて余剰となった未反応成分としての水素ガスは、前記燃料ガス流路にまで浸透して余剰となった逆拡散水と混合して、気液混合物となる。該気液混合物となった水素ガスは、吸引循環ポンプ３６によって吸引され、燃料電池スタック２０に接続された燃料排出管路３１を通って前記燃料電池スタック２０の外部に排出される。そして、前記気液混合物は、燃料排出管路３１を通過して水回収ドレインタンク６０内に導入される。そして、比較的広い空間を備える前記水回収ドレインタンク６０内に滞留することによって、重量物である水分が重力によって下方に落下し、水素ガスから逆拡散水が分離する。該逆拡散水が分離して乾燥した状態の水素ガスは、燃料排出管路３０から水回収ドレインタンク６０外に排出される。

そして、定常運転においては、前記燃料排出管路３０から排出された水素ガスは、開いた状態になっている水素循環電磁弁３４を通過して、第２燃料供給管路３３に導入され、再び、燃料電池スタック２０の燃料ガス流路に供給されて再利用される。

次に、セルモジュール１０に付与される締付荷重を制御する動作について説明する。

ＦＣコントロールＥＣＵは、荷重測定装置８７の出力信号を受信し、前記荷重測定装置８７が測定した荷重があらかじめ設定された所定値となるように締付荷重調整装置８５の動作を制御する。これにより、燃料電池システムの運転中に、セルモジュール１０、第１エンドプレート８１、第２エンドプレート８２、締付プレート８３、締付用シャフト８４等の部材に膨張、収縮、変形等による寸法変化が発生しても、セルモジュール１０に付与される締付荷重をあらかじめ設定された所定値となるように維持することができる。

また、前記ＦＣコントロールＥＣＵは、温度計６７が測定した燃料電池スタック２０内の温度に基づいて、締付荷重調整装置８５の動作を制御することもできる。通常、セルモジュール１０は温度が上昇すると膨張し、温度が低下すると収縮する。そこで、前記ＦＣコントロールＥＣＵは、温度計６７が測定した燃料電池スタック２０内の温度が上昇すると第１エンドプレート８１と第２エンドプレート８２との間隔を広げるように締付荷重調整装置８５の動作を制御し、温度計６７が測定した燃料電池スタック２０内の温度が低下すると第１エンドプレート８１と第２エンドプレート８２との間隔を狭めるように締付荷重調整装置８５の動作を制御することによって、セルモジュール１０に付与される締付荷重を、あらかじめ設定された所定値となるように維持することができる。

さらに、前記ＦＣコントロールＥＣＵは、湿度計６８が測定した燃料電池スタック２０内の湿度に基づいて、締付荷重調整装置８５の動作を制御することもできる。通常、セルモジュール１０は、固体高分子電解質膜１１が湿潤な状態になると膨張し、固体高分子電解質膜１１が乾燥すると収縮する。そこで、前記ＦＣコントロールＥＣＵは、湿度計６８が測定した燃料電池スタック２０内の湿度が上昇すると第１エンドプレート８１と第２エンドプレート８２との間隔を広げるように締付荷重調整装置８５の動作を制御し、湿度計６８が測定した燃料電池スタック２０内の湿度が低下すると第１エンドプレート８１と第２エンドプレート８２との間隔を狭めるように締付荷重調整装置８５の動作を制御することによって、セルモジュール１０に付与される締付荷重を、あらかじめ設定された所定値となるように維持することができる。

なお、前記ＦＣコントロールＥＣＵは、荷重測定装置８７が測定した荷重に基づいて締付荷重調整装置８５の動作を制御する際に、温度計６７が測定した燃料電池スタック２０内の温度及び／又は湿度計６８が測定した燃料電池スタック２０内の湿度に基づいて、制御値を補正することもできる。これにより、締付荷重調整装置８５の動作をより精密に制御することができ、セルモジュール１０に付与される締付荷重をあらかじめ設定された所定値となるように、正確に維持することができる。

さらに、前記ＦＣコントロールＥＣＵは、温度計６７が測定した燃料電池スタック２０内の温度に基づいて締付荷重調整装置８５の動作を制御する際に、湿度計６８が測定した燃料電池スタック２０内の湿度に基づいて、制御値を補正することもできる。さらに、前記ＦＣコントロールＥＣＵは、湿度計６８が測定した燃料電池スタック２０内の湿度に基づいて締付荷重調整装置８５の動作を制御する際に、温度計６７が測定した燃料電池スタック２０内の温度に基づいて、制御値を補正することもできる。

また、前記ＦＣコントロールＥＣＵは、荷重測定装置８７が測定した荷重に基づいて締付荷重調整装置８５の動作を制御する際に、温度計６７が測定した燃料電池スタック２０内の温度及び／又は湿度計６８が測定した燃料電池スタック２０内の湿度に基づいて、先行制御を行うこともできる。これにより、セルモジュール１０に付与される締付荷重をより迅速に制御することができる。

このように、本実施の形態においては、締付プレート８３に取り付けられた締付荷重調整装置８５によって第２エンドプレート８２に荷重を付与することにより、セルモジュール１０を締め付けるための締付荷重を付与するようになっている。これにより、燃料電池スタック２０の各部材に寸法変化が発生しても、セルモジュール１０に付与される締付荷重をあらかじめ設定された所定値となるように維持することができる。したがって、セルモジュール１０内の電極の接触抵抗を低く維持することができ、水素ガスや空気のリークを確実に防止することができ、各部材が損傷を受けることがなく、出力特性を良好に維持することができ、信頼性を向上させることができる。

また、締付荷重調整装置８５の動作は、荷重測定装置８７が測定した第２エンドプレート８２に付与される荷重、温度計６７が測定した燃料電池スタック２０内の温度、及び、湿度計６８が測定した燃料電池スタック２０内の湿度のうちの１つ乃至３つの測定値に基づいて制御される。そのため、セルモジュール１０に付与される締付荷重を、あらかじめ設定された所定値となるように正確に維持することができる。

さらに、締付荷重調整装置８５のアクチュエータは、油圧シリンダ装置、空圧シリンダ装置又は電動モータとボールねじ伝動装置とを組み合わせたものであるので、構造が簡単でコストが低く、動作が迅速かつ正確である。そのため、燃料電池スタック２０を簡素化することができ、小型化することができ、コストを低くすることができる。

なお、本発明は前記実施の形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨に基づいて種々変形させることが可能であり、それらを本発明の範囲から排除するものではない。

本発明の実施の形態における燃料電池スタックの締付装置の構成を示す図である。 従来の燃料電池スタックの構成を示す図である。 本発明の実施の形態における燃料電池スタックの構成を示す図である。 本発明の実施の形態における燃料電池のセルモジュールの構成を示す図である。 本発明の実施の形態における燃料電池の単位セルの構成を示す模式断面図である。 本発明の実施の形態における燃料電池システムの構成を示す図である。

符号の説明

１０ セルモジュール
１０Ａ 単位セル
１０Ｂ セパレータ
１１ 固体高分子電解質膜
１２ 空気極
１３ 燃料極
２０ 燃料電池スタック
４８ 燃料室
８１ 第１エンドプレート
８２ 第２エンドプレート
８３ 締付プレート
８５ 締付荷重調整装置

Claims (3)

1. 電解質層を燃料極と酸素極とで挟持した燃料電池が、前記燃料極に沿って燃料ガス流路が形成されたセパレータを挟んで積層されている燃料電池スタックを有する燃料電池システムであって、
   前記燃料電池スタックを燃料電池の積層方向の両端から挟み込む第１保持部材及び第２保持部材と、
   該第１保持部材と第２保持部材との間に任意の締付荷重を付与して前記燃料電池スタックを締め付ける締付荷重調整装置と、
   前記締付荷重が所定値になるように前記締付荷重調整装置を制御する制御装置とを有することを特徴とする燃料電池システム。
2. 前記制御装置は、前記第１保持部材と第２保持部材との間に付与される締付荷重、前記燃料電池スタック内の温度、又は、前記燃料電池スタック内の湿度の少なくともいずれか１つを測定し、この測定値に基づいて前記締付荷重調整装置を制御する請求項１に記載の燃料電池システム。
3. 前記締付荷重調整装置は、油圧シリンダ装置、空圧シリンダ装置又は電動モータとボールねじ伝動装置との組み合わせを備える請求項１又は２に記載の燃料電池システム。

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