JP2009048949A - 燃料電池 - Google Patents

Abstract

【課題】燃料電池の締結荷重及び／又は発電領域における面圧の変化をより高い精度で計測することができる技術を提供する。
【解決手段】燃料電池１００は、膜電極接合体１０とセパレータ２０とが交互に積層された積層体３０と、積層体３０をその積層方向から挟持する２枚のエンドプレート４１，４２を含む上部底面部及び下部底面部と、燃料電池１００の歪みを計測するための歪み検出部として歪みゲージ２００とを備えている。歪みゲージ２００は、燃料電池１００の上部底面部と下部底面部の少なくとも一方に設けられている。
【選択図】図１

Description

この発明は、燃料電池に関する。

燃料電池は、通常、膜電極接合体とセパレータとを交互に積層した積層体によって構成される。燃料電池は、各構成部材間の接触抵抗を低減することによって発電効率を向上させることができる。そのため、燃料電池は、所定の締結荷重が加えられるとともに、膜電極接合体の発電領域に対して面圧がほぼ均一に付与されることが好ましい。

しかし、燃料電池は運転を継続すると、構成部材の熱膨張や電解質膜の膨潤により、その締結荷重が変化し、発電領域に付与される面圧も不均一に変化してしまうことが知られている。これまで、締結荷重及び発電領域における面圧の均一性を保つための種々の技術が提案されてきた（特許文献１等）。

特開２００２−１２４２９１号公報 特開２００６−１４７５０１号公報 特開２００６−１２０３４６号公報 特開２００５−３２２５７７号公報

ところで、燃料電池の締結荷重及び発電領域における面圧の均一性を保つには、それらの変化をより正確に計測することが好ましい。しかし、これまで締結荷重及び面圧の変化の計測技術について十分な工夫がなされてこなかったのが実情であった。

本発明は、燃料電池の締結荷重及び／又は発電領域における面圧の変化をより高い精度で計測することができる技術を提供することを目的とする。

本発明は、上述の課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、以下の形態又は適用例として実現することが可能である。

［適用例１］燃料電池であって、膜電極接合体とセパレータとが交互に積層された積層体と、前記積層体をその積層方向から挟持する２枚のエンドプレートを含む上部底面部及び下部底面部と、前記燃料電池の歪みを計測するための歪み検出部とを備え、前記歪み検出部は、前記上部底面部と下部底面部の少なくとも一方に設けられている燃料電池。この燃料電池によれば、歪み検出部は、歪み量の大きい燃料電池の底面部において歪みを検出するため、歪み検出部の歪み検出量は増大する。従って、当該歪み量に応じて変化する燃料電池の締結荷重及び／又は発電領域における面圧の変化をより高い精度で計測することが可能である。

［適用例２］適用例１記載の燃料電池であって、前記歪み検出部は、前記積層体の積層方向に沿って見たときに、前記膜電極接合体の発電領域と重なる領域に設けられている燃料電池。この燃料電池によれば、歪み検出部は、より歪み量の大きい発電領域において計測を行うため、その計測精度が向上する。

［適用例３］適用例１又は適用例２記載の燃料電池であって、前記エンドプレートは、薄肉化された薄肉部を有しており、前記歪み検出部は、前記薄肉部に設けられている燃料電池。この燃料電池によれば、エンドプレートが薄肉化されたことによって剛性が低下して歪み量が増大する部位に歪み検出部が設けられるため、歪み量の検出精度を向上させることができる。また、薄肉部に歪み検出部が収納されるため、歪み検出部のために燃料電池が大型化することを抑制することができる。

［適用例４］適用例１ないし適用例３記載の燃料電池であって、前記歪み検出部は、前記エンドプレートの外面に設けられている燃料電池。この燃料電池によれば、歪み検出部は、エンドプレートの歪みを計測できるため、高い精度で発電領域に付与される面圧の変化を検出することが出来る。

［適用例５］適用例１または適用例２に記載の燃料電池であって、前記歪み検出部は、前記エンドプレートに接続する部材に設けられている燃料電池。この燃料電池によれば、歪み検出部は、エンドプレートに連動して歪みを生じる部材の歪みを計測することによって、エンドプレートの歪みを検出し、発電領域に付与される面圧の変化を検出することが出来る。

［適用例６］適用例１，２，５のいずれかに記載の燃料電池であって、さらに、前記２枚のエンドプレートを介して前記積層体に積層方向に沿って締結荷重を加える締結部材を備え、前記歪み検出部は、前記締結部材に設けられている燃料電池。この燃料電池によれば、締結部材における締結荷重の変化を歪み検出部によって直接的に計測することができる。従って、締結荷重の変化の計測精度をより向上させることができる。

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、その燃料電池を備えた燃料電池システム、その燃料電池システムを搭載した車両等の形態で実現することができる。

A．第１実施例：
図１（Ａ）は、本発明の一実施例としての燃料電池の構成を示す概略図である。この燃料電池１００は、反応ガスとして水素と酸素の供給を受けて発電を行う固体高分子型燃料電池である。なお、燃料電池としては固体高分子型燃料電池に限られず、任意の種々のタイプの燃料電池に本発明を適用することが可能である。

燃料電池１００は、膜電極接合体１０とセパレータ２０とを交互に積層した積層体３０を備えている。膜電極接合体１０は、電解質膜（図示せず）の両面にアノード及びカソード（図示せず）が配置された発電体である。電解質膜は、湿潤状態で良好なプロトン伝導性を示すフッ素系樹脂等の高分子材料によって構成された薄膜である。

ここで、本明細書では、膜電極接合体１０の電解質膜とアノード及びカソードとを含む領域を「膜電極接合体１０の発電領域」と呼ぶ。また、燃料電池１００を積層方向に沿って見たときに、膜電極接合体１０の発電領域が投影される領域を「燃料電池の発電領域」と呼ぶ。なお、図１（Ａ）には、燃料電池の発電領域１１を一点破線で示してある。

セパレータ２０は、膜電極接合体１０と略同一形状の導電性を有する薄い金属板によって構成されている。セパレータ２０は、膜電極接合体１０において発電された電気を集電する機能を有する。また、セパレータ２０には、反応ガスのためのマニホールド孔（図示せず）と膜電極接合体１０の各電極とを連通するガス流路（図示せず）が設けられている。即ち、セパレータ２０は、反応ガスの供給／排出機能を有する。さらに、セパレータ２０には、冷媒のための流路が設けられることによって、燃料電池を冷却する機能を有するものとしても良い。

積層体３０は、その積層方向から第１と第２のエンドプレート４１，４２によって挟持されている。２つのエンドプレート４１，４２は、その外周縁４１ｅ，４２ｅが積層体３０の外周縁より突出しており、２つのエンドプレート４１，４２は、その外周縁４１ｅ，４２ｅにおいて締結部材５０によって連結されている。

締結部材５０は、締結ボルト５１と、締結シャフト５２とを有している。締結シャフト５２は、その軸方向が積層体３０の積層方向と一致するように２つのエンドプレート４１，４２の間に配置されている。締結ボルト５１は、２つのエンドプレート４１，４２の外周縁４１ｅ，４２ｅを貫通して締結シャフト５２の両端に螺合する。この構成によって、締結部材５０は、２つのエンドプレート４１，４２を介して積層体３０に対して、その積層方向に所定の締結荷重を加えている。なお、当該締結荷重は、締結ボルトに加わえる締め付けトルクによって調整することが可能である。

第２のエンドプレート４２の外面には、複数の歪みゲージ２００が設けられている。歪みゲージ２００は、第２のエンドプレート４２と接触する薄板状のセンサ部２０１と、センサ部２０１に接続する導電線２０２とを有している。歪みゲージ２００は、センサ部２０１を計測対象に接着・固定しておき、計測対象の変形に応じて生じるセンサ部２０１の歪みを、導電線２０２の電流変化から抵抗値の変化として検出し、その出力値によって計測対象の歪み量を計測するセンサである。

図１（Ｂ）は、燃料電池１００を示す概略斜視図であり、燃料電池１００の底面のうち、第２のエンドプレート４２側を正面として図示してある。なお、図１（Ｂ）には、第２のエンドプレート４２の外面における燃料電池の発電領域１１を一点破線で示してある。この図からも理解できるように、本実施例では、歪みゲージ２００は、燃料電池の発電領域１１内に配置されている。

図２（Ａ）は、発電の継続により燃料電池１００に歪みが生じた状態を示す模式図である。図２（Ａ）は、説明の便宜上、燃料電池１００の第２のエンドプレート４２側の底面部近傍のみを図示している。

燃料電池は、一般に高温（例えば１００°Ｃ）で動作する。特に、発電領域の中央部に近い領域ほど高温となることが知られている。また、電解質膜は発電を継続すると、膨潤によって膜厚が増加することが知られている。従って、この燃料電池１００においても、発電の継続によって、燃料電池の発電領域１１の中央に近い領域ほど積層方向に膨張し、第２のエンドプレート４２は、その中央部において、燃料電池１００の外側に向かって湾曲する（図中の白矢印）。なお、図示されていない第１のエンドプレート４１においても同様である。

このように、燃料電池の構成部材の膨張によって、締結部材５０から加えられていた燃料電池１００の締結荷重は変化してしまう。また、エンドプレート４１，４２が湾曲してしまうため、積層体３０が、燃料電池の発電領域１１においてエンドプレート４１，４２から付与される面圧は不均一となってしまう。すると、燃料電池各構成部材間の接触抵抗が変化してしまい、部位によっては接触抵抗が著しく増加してしまう可能性がある。接触抵抗が増加すると、燃料電池の発電効率は低下してしまう。

そこで、歪みゲージ２００を、歪み量が大きい燃料電池の発電領域１１内における第２のエンドプレート４２の外表面に配置して、その歪み量を計測する。計測された歪み量から、燃料電池１００の締結荷重の変化及び燃料電池の発電領域に付与される面圧の変化を検出することが可能である。

締結荷重及び面圧の変化量を歪みゲージ２００よって計測した後、その計測値に応じて、例えば、締結ボルト５１の締め付けトルクを調整して燃料電池１００が受ける締結荷重を調整するものとしても良い。また、２つのエンドプレート４１，４２に外力を加えて、その歪みを低減させて燃料電池の発電領域１１における面圧が均一化するように調整するものとしても良い。

図２（Ｂ）は、比較例としての燃料電池１００Ａの一部を拡大して示す概略図である。比較例の燃料電池１００Ａは、歪みゲージ２００の設置場所が異なる点以外は、第１実施例の燃料電池１００とほぼ同じである。

この燃料電池１００Ａは、歪みゲージ２００が締結部材５０の締結シャフト５２の側面に配置されている。従って、この燃料電池１００Ａでは、歪みゲージ２００によって、燃料電池１００Ａの積層方向に沿った締結シャフト５２の歪みを計測することができ、これによって燃料電池１００Ａの締結荷重及び面圧の変化を検出することが可能である。

しかし、図２（Ａ）で説明したように、燃料電池は、発電領域の中央に近いほど歪み量が大きくなるため、発電領域から離れた場所に設けられている締結シャフト５２は歪み量が小さい。また、締結シャフト５２は、締結力を確保するために剛性の高い部材で構成されることが好ましく、この場合には、さらに締結シャフト５２には歪みが生じにくい。従って、この比較例の燃料電池１００Ａより第１実施例の燃料電池１００の方が、歪みゲージ２００の出力が増大するため、その測定精度が向上する。

また、図２（Ｂ）に示すように、締結シャフト５２と積層体３０の側壁の間には、外部拘束材６０が設けられている。外部拘束材６０は、積層体３０をその側面から拘束して膜電極接合体１０及びセパレータ２０の位置ずれを抑制するとともに、締結シャフト５２と積層体３０との間を絶縁するためのものである。なお、図１（Ａ），（Ｂ）及び図２（Ａ）では便宜のため、図示が省略されているが、第１実施例の燃料電池１００にも外部拘束材６０が設けられている。

しかし、この燃料電池１００Ａでは、締結シャフト５２に歪みゲージ２００を装着するために、外部拘束材６０の一部を削除することによってその設置のための空間６１が設けられている。従って、歪みゲージ２００の設置空間６１において、膜電極接合体１０等が位置ずれを引きおこす可能性が増大し、締結シャフト５２と積層体３０との間で短絡が発生する可能性が増大する。一方、第１実施例の燃料電池１００であれば、外部拘束材６０の一部を削除することなく、歪みゲージ２００を燃料電池１００に設置することが可能である。

このように、本実施例の構成によれば、燃料電池の歪み量の大きい部位に歪みゲージ（歪み検出部）を設けているため、歪み検出部の出力値から、燃料電池の締結荷重及びその発電領域における面圧の変化をより高い精度で検出することが可能である。

B．第２実施例：
図３（Ａ），（Ｂ）は本発明の第２実施例としての燃料電池の構成を示す概略図である。図３（Ａ）は、ガス分配器７０が第２のエンドプレート４２に接続し、ガス分配器７０に歪みゲージ２００が配置されている点以外は、図１（Ａ）とほぼ同じである。図３（Ｂ）は、図３（Ａ）に示すＹ軸方向に見たときの燃料電池１００Ｂを示す概略図である。

この燃料電池１００Ｂは、燃料電池の発電領域１１の長辺に沿って配列された複数のカソードガス供給用のマニホールド孔８１が積層体３０をその積層方向に貫通して設けられている。また、同様に、燃料電池の発電領域１１を挟んで対向する位置に、複数のカソードガス排出用のマニホールド孔８２が設けられている。なお、アノードガス用のマニホールド孔については、便宜上、図示を省略してある。

ガス分配器７０は、同一種のガスに対して設けられた複数のマニホールド孔を連結するためのものであり、カソードガス供給用及び排出用マニホールド孔８１，８２のそれぞれに対して設けられている。なお、ガス分配器７０は、カソードガスのための外部配管７１と接続する。

第１実施例の燃料電池１００では、第２のエンドプレート４２を燃料電池の計測対象部として、歪みゲージ２００によって、その歪み量を計測していた。この燃料電池１００Ｂの歪みゲージ２００は、計測対象部としてガス分配器７０の歪みを計測する。即ち、歪みゲージ２００は、ガス分配器７０の隔壁の外表面に設置されている。

このような構成であっても、第２のエンドプレート４２に歪みが生じると、ガス分配器７０も連動して歪みを生じるため、第１実施例と同様に、歪みゲージ２００によって燃料電池１００Ｂの締結荷重及び発電領域における面圧の変化を検出することが可能である。特に、ガス分配器７０の肉厚を薄く構成している場合には、薄肉化されている分だけ、その測定精度が向上する。

このように、歪みゲージ２００は、エンドプレートの歪みに連動して歪む部材に設置することによって、第１実施例と同様に高い精度でその歪みを検出することが可能である。なお、この場合であっても、より発電領域の中央部に近い部位に歪みゲージのセンサ部を設置することによって、さらに、測定精度を向上することができる。

C．第３実施例：
図４は本発明の第３実施例としての燃料電池の一部を拡大して示す概略構成図であり、エンドプレート４２及び締結部材５０の内部構造を図示している。この燃料電池１００Ｃは、歪みゲージ２００が埋設された締結ボルト５１Ａが用いられている点以外は、第１実施例の燃料電池１００とほぼ同じである。

歪みゲージ２００は、締結ボルト５１Ａの内部において、第２のエンドプレート４２を挟んで燃料電池１００Ｃの外側に配置されるボルト頭部５１Ａｈとネジ部５１Ａｓとを跨いで配置される。また、歪みゲージ２００は、その歪み測定方向と締結ボルト５１Ａの締結シャフト５２への挿入方向とが一致するように配置されている。このような構成とすることによって、歪みゲージ２００は、締結ボルト５１Ａの軸力の変化を計測可能となる。

ところで、燃料電池１００Ｃの締結荷重が変化すると、それに連動して締結ボルト５１Ａの軸力も変化する。従って、この締結ボルト５１Ａの内部に配置された歪みゲージ２００によって、燃料電池１００Ｃの締結荷重の変化を測定することが可能である。

即ち、第３実施例の燃料電池１００Ｃでは、第１実施例の燃料電池１００と同様に、外部拘束材６０の一部を削除することなく、歪みゲージ２００によって、燃料電池１００Ｃの締結荷重の変化を高精度で計測することが可能である。従って、締結荷重を調整することによって、締結荷重の変化による燃料電池１００Ｃの発電効率の低下を抑制することができる。

このように、歪みゲージ２００を、締結部材５０の燃料電池１００Ｃの底面部に配置される部位に設けることによって、燃料電池１００Ｃの締結荷重の変化の測定精度を向上することができる。

D．変形例：
なお、この発明は上記の実施例や実施形態に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の態様において実施することが可能であり、例えば次のような変形も可能である。

D1．変形例１：
上記実施例において、歪みゲージ２００は、第２のエンドプレート４２側の積層体３０の外側に設けられていたが、第１のエンドプレート４１側に設けられていても良い。あるいは、第１と第２のエンドプレート４１，４２の両方の側に同時に設けられていても良い。

D2．変形例２：
上記第１実施例において、第１と第２のエンドプレート４１，４２は平坦な板状部材であったが、軽量化等のために薄肉化された部位を有しているものとしても良い。この場合には、歪みゲージ２００を当該薄肉化された部位に配置することによって、エンドプレート４１，４２の歪みの検出量をより増大させることができ、測定精度を向上させることができる。また、歪みゲージ２００のために燃料電池の体積が増加することを抑制できる。このように、歪みゲージ２００は、計測対象の歪み量が大きくなる剛性の低い部位に配置することが好ましい。

D3．変形例３：
上記第２実施例において、歪みゲージ２００は、ガス分配器７０に設けられていたが、他のエンドプレート４１，４２の接続する部材に設けられるものとしても良い。なお、当該部材は、エンドプレート４１，４２の変形に応じて歪みを生じる部材であることが好ましい。また、燃料電池の発電領域１１内に配置される部材であることが好ましい。

D4．変形例４：
上記実施例において、締結ボルトを有する締結部材が採用されていたが、他の構成の締結部材を採用するものとしても良い。例えば、積層体及びエンドプレートを巻き付ける帯状の締結部材によって締結され流ものとしても良い。この場合には、上記第３実施例の歪みゲージ２００は、締結部材のエンドプレート４１，４２の外面上に配置される部位に設けられているものとしても良い。

D5．変形例５：
上記実施例において、燃料電池には、歪みゲージ２００の計測出力に応じて、締結荷重や面圧を自動的に調整する調整機構が設けられているものとしても良い。

D6．変形例６：
上記実施例において、歪みゲージ２００は、被計測対象に直接的に接して配置することによってその歪みを計測していたが、歪みゲージ２００は、被計測対象に直接的に接していなくとも良い。例えば、光学的に被計測対象の歪みを検出する歪みゲージを用いても良い。

第１実施例の燃料電池の構成を示す概略図。 第１実施例及び比較例の歪み計測を説明するための模式図。 第２実施例の燃料電池の構成を示す概略図。 第３実施例の燃料電池の構成を示す概略図。

符号の説明

１０…膜電極接合体
１１…燃料電池の発電領域
２０…セパレータ
３０…積層体
４１，４２…エンドプレート
４１ｅ，４２ｅ…エンドプレートの外周縁
５０…締結部材
５１，５１Ａ…締結ボルト
５１Ａｈ…ボルト頭部
５１Ａｓ…ネジ部
５２…締結シャフト
６０…外部拘束材
６１…空間
７０…ガス分配器
７１…外部配管
８１，８２…カソード用マニホールド孔
１００，１００Ａ，１００Ｂ，１００Ｃ…燃料電池
２００…歪みゲージ
２０１…センサ部
２０２…導電線

Claims (6)

1. 燃料電池であって、
   膜電極接合体とセパレータとが交互に積層された積層体と、
   前記積層体をその積層方向から挟持する２枚のエンドプレートを含む上部底面部及び下部底面部と、
   前記燃料電池の歪みを計測するための歪み検出部と、
   を備え、
   前記歪み検出部は、前記上部底面部と下部底面部の少なくとも一方に設けられている、燃料電池。
2. 請求項１記載の燃料電池であって、
   前記歪み検出部は、前記積層体の積層方向に沿って見たときに、前記膜電極接合体の発電領域と重なる領域に設けられている、燃料電池。
3. 請求項１または請求項２に記載の燃料電池であって、
   前記エンドプレートは、薄肉化された薄肉部を有しており、
   前記歪み検出部は、前記薄肉部に設けられている、燃料電池。
4. 請求項１ないし請求項３のいずれかに記載の燃料電池であって、
   前記歪み検出部は、前記エンドプレートの外面に設けられている、燃料電池。
5. 請求項１または請求項２に記載の燃料電池であって、
   前記歪み検出部は、前記エンドプレートに接続する部材に設けられている、燃料電池。
6. 請求項１，２，５のいずれかに記載の燃料電池であって、さらに、
   前記２枚のエンドプレートを介して前記積層体に積層方向に沿って締結荷重を加える締結部材を備え、
   前記歪み検出部は、前記締結部材に設けられている、燃料電池。

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