JP5078573B2 - 燃料電池システム - Google Patents

Description

本発明は、電解質の両側に一対の電極が配設される電解質・電極構造体を有し、前記電解質・電極構造体とセパレータとを有する発電セルが積層される燃料電池スタックと、前記燃料電池スタック内に配設され、前記発電セルの面圧を測定するための面圧測定装置とを備える燃料電池システムに関する。

例えば、固体高分子型燃料電池は、高分子イオン交換膜からなる電解質膜（電解質）の両側に、それぞれアノード側電極及びカソード側電極を対設した電解質膜・電極構造体（以下、ＭＥＡと略す）を、セパレータによって挟持した発電セルを備えている。この種の燃料電池は、通常、所定の数の発電セルを積層するとともに、積層方向両端には、ターミナルプレート、絶縁プレート及びエンドプレートが配置されることにより、燃料電池スタックを構成している。

この燃料電池スタックでは、エンドプレート間に、締め付けボルトやケーシング等によって発電セルの積層方向に締め付け荷重を付与している。その際、発電セルの電極面の面圧にばらつき（面圧分布）が発生すると、接触抵抗が増大して端子電圧が低下するおそれがある。

そこで、燃料電池スタック内の面圧を測定する必要があり、例えば、特許文献１に開示されている燃料電池スタックが知られている。この燃料電池スタックは、図１１に示すように、面圧センサモジュール１を備えており、前記面圧センサモジュール１が、図示しない燃料電池の積層方向の任意の位置、例えば、略中央に設けられている。面圧センサモジュール１は、一対のセパレータ２間に凹部３を介して面圧センサ４が配置されている。

この面圧センサ４は、コンデンサー型又は歪みゲージのセンサ５を樹脂６で被覆して構成されている。面圧センサ４は、セパレータ２間に、例えば、２つ挟持されており、前記面圧センサ４を介して燃料電池内の面圧分布を測定することができる、としている。

特開２００６−１２０３４６号公報

しかしながら、上記の特許文献１では、面圧センサモジュール１を構成する一対のセパレータ２には、面圧センサ４を配置するために凹部３を設けており、他の燃料電池に用いられるセパレータとは異なる構成を有している。従って、面圧センサモジュール１に対して、専用のセパレータ２を用意しなければならず、経済的ではないという問題がある。

さらに、セパレータ２の面内には、２以上の面圧センサ４を配置することが記載されているものの、この種の面圧センサ４は、センサ５を樹脂６で被覆するとともに、リード線７が設けられている。このため、セパレータ２の面内には、多数の面圧センサ４を配置することが実質的に困難であり、発電面内の面圧を高精度に測定することができないという問題がある。

一方、通常、多数のセンサを配置すると、発電時の正常な電流の分布が阻害される。その結果、局所的に大電流が印加される可能性があり、ジュール熱による損傷が発生する可能性がある。

本発明はこの種の問題を解決するものであり、発電時に正常な電流の阻害がなく、燃料電池スタック内の面圧分布を高精度且つ確実に測定することができ、高性能な燃料電池スタックを得ることが可能な燃料電池システムを提供することを目的とする。

本発明は、電解質の両側に一対の電極が配設される電解質・電極構造体を有し、前記電解質・電極構造体とセパレータとを有する発電セルが積層される燃料電池スタックと、前記燃料電池スタック内に配設され、前記発電セルの面圧を測定するための面圧測定装置とを備える燃料電池システムに関するものである。

面圧測定装置は、発電セルの発電面内に対応して設けられる複数の圧力検出素子と、前記発電セルの発電面方向に沿って延在し、前記圧力検出素子を配置するとともに、前記圧力検出素子間に積層方向に向かって電流を流す通電部材とを備えている。

また、面圧測定装置は、静電容量式センサを構成するとともに、圧力検出素子は、誘電体を有することが好ましい。

さらに、面圧測定装置は、同一面内に配置される複数の誘電体を一体に挟持する第１及び第２電極シートを備え、前記第１電極シートは、互いに平行に延在する複数の第１電極を有し、前記第２電極シートは、前記第１電極に交差する方向に互いに平行に延在する複数の第２電極を有することが好ましい。

さらにまた、誘電体は、複数に分割されるとともに、積層方向に対して第１電極及び第２電極が互いに重なり合う部位に前記各誘電体が配置されることが好ましい。

また、誘電体は、第１電極又は第２電極に対応して互いに平行に延在するとともに、一体化されることが好ましい。

さらに、通電部材は、複数の圧力検出素子が配置される格子状導電部材であることが好ましい。

さらにまた、格子状導電部材は、一方の面に圧力検出素子よりも積層方向一方に突出する第１突起部を有し、他方の面に前記圧力検出素子よりも積層方向他方に突出する第２突起部を有することが好ましい。

また、面圧測定装置は、導電性シートを介装して一対のセパレータ間に挟持されることが好ましい。

本発明によれば、面圧測定装置は、発電セルの発電面方向に沿って延在し、複数の圧力検出素子間に積層方向に向かって電流を流す通電部材が配置されるため、この面圧測定装置全体として平板状に構成することが可能になる。従って、面圧測定装置は、例えば、ＭＥＡと同等の厚さに設定することができ、燃料電池を構成するセパレータ間に前記面圧測定装置を配置して使用することが可能になる。これにより、面圧測定装置を挟持するために、専用のセパレータ部材を用いる必要がなく、経済的である。

しかも、通電部材の平板状面内に、複数の圧力検出素子を配置することができる。このため、燃料電池スタック内の面圧分布を高精度且つ確実に測定することが可能になり、高性能な燃料電池スタックを得ることができる。

さらに、通電部材の設置により、大電流発電時にも、局所的な電流分布の偏りを防止することが可能になり、ジュール発熱の影響を排除することができる。

図１は、本発明の第１の実施形態に係る燃料電池システム１０の斜視説明図である。

燃料電池システム１０は、燃料電池スタック１２と、前記燃料電池スタック１２内に配設される面圧測定装置１４とを備える。

燃料電池スタック１２は、複数の発電セル１６が矢印Ａ方向に積層されるとともに、積層方向両端には、ターミナルプレート１７ａ、１７ｂ及び絶縁プレート１８ａ、１８ｂを介装してエンドプレート２０ａ、２０ｂが配置される（図２参照）。エンドプレート２０ａ、２０ｂは、例えば、図示しない締め付けボルトにより積層方向に締め付けられる。この燃料電池システム１０は、例えば、自動車等の車両に搭載されている。

図２及び図３に示すように、各発電セル１６は、ＭＥＡ２２と、前記ＭＥＡ２２を挟持する第１及び第２セパレータ２４、２６とを備える。第１及び第２セパレータ２４、２６は、例えば、カーボンセパレータで構成されているが、金属セパレータを使用してもよい。第１及び第２セパレータ２４、２６間には、ＭＥＡ２２を収容してガスケット２７が介装される。

図３に示すように、発電セル１６の矢印Ｂ方向の一端縁部には、矢印Ａ方向に互いに連通して、酸化剤ガス、例えば、酸素含有ガス（空気等）を供給するための酸化剤ガス供給連通孔２８ａ、冷却媒体、例えば、純水やエチレングリコール等を供給するための冷却媒体供給連通孔３０ａ、及び燃料ガス、例えば、水素含有ガスを排出するための燃料ガス排出連通孔３２ｂが設けられる。

発電セル１６の矢印Ｂ方向の他端縁部には、矢印Ａ方向に互いに連通して、燃料ガスを供給するための燃料ガス供給連通孔３２ａ、冷却媒体を排出するための冷却媒体排出連通孔３０ｂ、及び酸化剤ガスを排出するための酸化剤ガス排出連通孔２８ｂが設けられる。

ＭＥＡ２２は、例えば、パーフルオロスルホン酸の薄膜に水が含浸された固体高分子電解質膜３４と、前記固体高分子電解質膜３４を挟持するアノード側電極３６及びカソード側電極３８とを備える。

アノード側電極３６及びカソード側電極３８は、カーボンペーパ等からなるガス拡散層（図示せず）と、白金合金が表面に担持された多孔質カーボン粒子が前記ガス拡散層の表面に一様に塗布されて形成される電極触媒層（図示せず）とを有する。電極触媒層は、固体高分子電解質膜３４の両面に形成される。

第１セパレータ２４は、ＭＥＡ２２に向かう面２４ａに燃料ガス流路４０を設ける。燃料ガス流路４０は、矢印Ｂ方向に延在する複数の流路溝を有し、燃料ガス供給連通孔３２ａ及び燃料ガス排出連通孔３２ｂに連通する。第１セパレータ２４の面２４ｂには、冷却媒体流路４２が形成される。この冷却媒体流路４２は、矢印Ｂ方向に延在する複数の流路溝を有し、冷却媒体供給連通孔３０ａ及び冷却媒体排出連通孔３０ｂに連通する。

第２セパレータ２６には、ＭＥＡ２２に向かう面２６ａに酸化剤ガス流路４４が形成される。この酸化剤ガス流路４４は、矢印Ｂ方向に延在する複数の流路溝を有し、酸化剤ガス供給連通孔２８ａ及び酸化剤ガス排出連通孔２８ｂに連通する。第２セパレータ２６の面２６ｂは、平坦状に構成される。

面圧測定装置１４は、燃料電池スタック１２内に積層されている発電セル１６の積層方向略中央に配置される。図４に示すように、面圧測定装置１４は、複数の誘電体（圧力検出素子）５０を、発電セル１６の発電面内に対応し矢印Ｂ方向及び矢印Ｃ方向に配列して収容する通電部材５２と、前記誘電体５０を一体に挟持する第１電極シート５４及び第２電極シート５６とを備える。

面圧測定装置１４は、静電容量式センサを構成しており、例えば、ポリプロピレンやポリエステル等で形成され、厚さが０．５ｍｍ以下の複数の誘電体５０を設ける。通電部材５２は、格子状導電部材であり、各誘電体５０を配置するための開口部（升目）５８を設ける。通電部材５２は、例えば、銀、銀合金、金、金合金、銅、銅合金、アルミニウム又はアルミニウム合金等の低電気抵抗材料（電気抵抗率２×１０^-7Ωｍ以下）により構成される。

図５及び図６に示すように、通電部材５２の第１電極シート５４側の面には、矢印Ｂ方向に延在し且つ前記第１電極シート５４側に突出する第１突起部６０ａが設けられる。通電部材５２の第２電極シート５６側の面には、矢印Ｃ方向に延在し且つ前記第２電極シート５６側に突出する第２突起部６０ｂが設けられる。通電部材５２の表面には、必要に応じて酸化防止用の金、又は金合金によるメッキ処理が施される。

第１電極シート５４は、通電部材５２の第１突起部６０ａに対応して矢印Ｂ方向に延在するとともに、矢印Ｃ方向に所定間隔ずつ離間する複数の溝部６２ａを設ける。図６に示すように、第１電極シート５４は、高分子材料製の絶縁シート６４を有し、この絶縁シート６４の一方の面である誘電体５０側の面には、矢印Ｂ方向に延在して第１電極６６ａが設けられる。第１電極６６ａは、例えば、銅又は金等で構成されており、厚さが０．１ｍｍ以下に設定される。

絶縁シート６４の一方の面には、第１電極６６ａを囲繞して高分子材料製の絶縁膜６８ａが設けられるとともに、この絶縁シート６４の他方の面には、高分子材料製の絶縁膜６８ｂが設けられる。

第２電極シート５６は、上記の第１電極シート５４と同様に、絶縁シート６４を有し、この絶縁シート６４の誘電体５０側の面には、矢印Ｃ方向に延在する第２電極６６ｂが設けられる。絶縁シート６４の一方の面には、第２電極６６ｂを囲繞して絶縁膜６８ａが設けられるとともに、この絶縁シート６４の他方の面には、絶縁膜６８ｂが設けられる。第１電極シート５４と第２電極シート５６とは、それぞれ誘電体５０を挟んで互いに直交する方向に、所謂、井桁状に配列される。

図４に示すように、第１電極シート５４の一方の端部には、第１電極６６ａに電気的に接続される第１端子７０ａが設けられ、第２電極シート５６の他方の端部には、第２電極６６ｂに電気的に接続される第２端子７０ｂが設けられる。第１端子７０ａ及び第２端子７０ｂは、図示しないコネクタを介して外部の制御装置７２に接続される（図１参照）。

図７に示すように、面圧測定装置１４は、両面に導電性シート（例えば、カーボンペーパやカーボンクロス等）を介装して第１セパレータ２４と第２セパレータ２６とに挟持される。面圧測定装置１４は、実質的に、図３に示すＭＥＡ２２と同一の寸法（厚さを含む）を有しており、第１及び第２セパレータ２４、２６間に挟持されることにより、発電セル１６と同一の寸法及び形状に構成される。

面圧測定装置１４は、燃料ガスや酸化剤ガスに曝されることがないように、第１セパレータ２４の前記面圧測定装置１４側の面には、燃料ガス供給連通孔３２ａ及び燃料ガス排出連通孔３２ｂを樹脂シール（図示せず）で周回する一方、第２セパレータ２６の前記面圧測定装置１４側の面には、酸化剤ガス供給連通孔２８ａ及び酸化剤ガス排出連通孔２８ｂを樹脂製シール（図示せず）で周回する。

このように構成される燃料電池システム１０の動作について、以下に説明する。

先ず、図１に示すように、酸化剤ガスは、燃料電池スタック１２の酸化剤ガス供給連通孔２８ａに供給される一方、燃料ガスは、燃料電池スタック１２の燃料ガス供給連通孔３２ａに供給される。また、冷却媒体は、燃料電池スタック１２の冷却媒体供給連通孔３０ａに供給される。

燃料電池スタック１２内では、図３に示すように、酸化剤ガスが、酸化剤ガス供給連通孔２８ａから第２セパレータ２６の酸化剤ガス流路４４に導入され、ＭＥＡ２２のカソード側電極３８に沿って移動する。一方、燃料ガスは、燃料ガス供給連通孔３２ａから第１セパレータ２４の燃料ガス流路４０に導入され、ＭＥＡ２２のアノード側電極３６に沿って移動する。

従って、各ＭＥＡ２２では、カソード側電極３８に供給される酸化剤ガスと、アノード側電極３６に供給される燃料ガスとが、電極触媒層内で電気化学反応により消費され、発電が行われる。

次いで、カソード側電極３８に供給されて消費された酸化剤ガスは、酸化剤ガス排出連通孔２８ｂに沿って流動した後、エンドプレート２０ａに排出される。同様に、アノード側電極３６に供給されて消費された燃料ガスは、燃料ガス排出連通孔３２ｂに排出されて流動し、エンドプレート２０ａに排出される。

また、純水やエチレングリコール等の冷却媒体は、第１及び第２セパレータ２４、２６間の冷却媒体流路４２に導入された後、矢印Ｂ方向に沿って流動する。この冷却媒体は、ＭＥＡ２２を冷却した後、冷却媒体排出連通孔３０ｂに移動し、エンドプレート２０ａに排出されて循環使用される。

この場合、第１の実施形態では、燃料電池スタック１２内で積層されている発電セル１６の積層方向略中央部に面圧測定装置１４が配設される。この面圧測定装置１４は、通電部材５２が第１電極シート５４及び第２電極シート５６に挟持されるとともに、前記通電部材５２の第１突起部６０ａが、前記第１電極シート５４の溝部６２ａを通過して外部に露呈している。一方、通電部材５２の第２突起部６０ｂは、第２電極シート５６の溝部６２ｂを通過して外部に露呈している（図５及び図６参照）。

従って、図７に示すように、通電部材５２は、第１突起部６０ａが導電性シート７４を介して第１セパレータ２４に電気的に接続されるとともに、第２突起部６０ｂが導電性シート７４を介して第２セパレータ２６に電気的に接続される。これにより、燃料電池スタック１２内では、面圧測定装置１４の両側に隣接する発電セル１６間には、前記面圧測定装置１４を構成する通電部材５２を介して積層方向に向かって電流が流れ、燃料電池スタック１２全体から所望の出力電流を得ることができる。

さらに、面圧測定装置１４では、通電部材５２が格子状に構成されるとともに、発電セル１６の発電面積に対応して、具体的には、燃料ガス流路４０及び酸化剤ガス流路４４の流路面積に対応して矩形状に設定されている。従って、通電部材５２の各開口部５８に誘電体５０が配置されることにより、前記誘電体５０は、発電セル１６の発電面全面にわたって緻密に且つ均一に配列される。このため、発電セル１６の発電面全体にわたって面圧分布を高精度且つ確実に測定することが可能になり、高性能な燃料電池スタック１２を得ることが可能になるという効果がある。

さらにまた、面圧測定装置１４は、全体として平板状に、すなわち、ＭＥＡ２２と同等の寸法及び形状に設定することができる。これにより、面圧測定装置１４は、発電セル１６を構成する第１及び第２セパレータ２４、２６にシールを追加するだけでよく、専用のセパレータを用いる必要がない。従って、燃料電池システム１０全体を経済的に構成することが可能になるという利点がある。

また、特に、燃料電池スタック１２での高電流の透過に際しては、通電部材５２が平面上に十分な面積で均等に配置される形状を有するため、電流集中によるジュール発熱を抑制することが可能になる。しかも、面圧測定装置１４を導電性シート７４により挟持することで、より一層の導電性が確保されるため、さらに電流集中によるジュール発熱を抑制することが可能になる。この導電性シート７４は、低剛性であるため、面圧測定装置１４内の部品間の剛性差や厚さの差異による荷重測定精度及び通電ばらつきへの影響を低減することができる。

図８は、本発明の第２の実施形態に係る燃料電池システムを構成する面圧測定装置８０の要部分解斜視図である。なお、第１の実施形態に係る燃料電池システム１０を構成する面圧測定装置１４と同一の構成要素には同一の参照符号を付して、その詳細な説明は省略する。また、以下に説明する第３の実施形態においても同様にその詳細な説明は省略する。

面圧測定装置８０は、第１電極シート５４と第２電極シート５６との間に、誘電体８２及び通電部材８４を挟持して構成される。誘電体８２には、第１電極シート５４と同様に、矢印Ｂ方向に延在する複数の溝部８６が形成され、全体として一体化されている。

通電部材８４は、格子状に構成され、第１電極シート５４側の面には、この第１電極シート５４の溝部６２ａ及び誘電体８２の溝部８６に一体に挿入される第１突起部８８ａが矢印Ｂ方向に延在して突出形成される。通電部材８４の第２電極シート５６側の面には、この第２電極シート５６の溝部６２ｂに挿入される第２突起部８８ｂが矢印Ｃ方向に延在して設けられる。

第１突起部８８ａは、誘電体８８の溝部８６及び第１電極シート５４の溝部６２ａに挿入されて前記第１電極シート５４から外方に突出する一方、第２突起部８８ｂは、第２電極シート５６の溝部６２ｂに挿入されて前記第２電極シート５６から外方に突出する。第１突起部８８ａの積層方向への突出量（長さ）は、第２突起部８８ｂの積層方向への突出量（長さ）よりも大きく設定される。

このように構成される第２の実施形態では、上記の第１の実施形態と同様の効果が得られる他、誘電体８２が一体化されており、この誘電体８２の取り扱い作業性が向上するという利点がある。

図１０は、本発明の第３の実施形態に係る燃料電池システムを構成する面圧測定装置９０の外観斜視図である。

面圧測定装置９０は、円柱状（又は角柱状）の１以上の通電部材９２が、許容電流分布差等に応じてセンサ面９０ａの任意の位置に設けられている。具体的には、第１電極と第２電極とのねじれ位置（すなわち、センサの誘電体が配置されて２つの電極に挟持されている部位）以外の部位を打ち抜き、銅等の抵抗の低い金属を埋め込むことにより通電性を確保している。これにより、特に、センサ設置数が少ない場合に、通電部の形状が容易になるという効果が得られる。

本発明の第１の実施形態に係る燃料電池システムの斜視説明図である。 前記燃料電池システムの一部断面説明図である。 前記燃料電池システムを構成する発電セルの分解斜視説明図である。 前記燃料電池システムを構成する面圧測定装置の要部分解斜視図である。 前記面圧測定装置の要部分解斜視図である。 前記面圧測定装置の、図４中、ＶＩ−ＶＩ線断面図である。 前記面圧測定装置の要部分解斜視図である。 本発明の第２の実施形態に係る燃料電池システムを構成する面圧測定装置の要部分解斜視図である。 前記面圧測定装置のＩＸ−ＩＸ線断面図である。 本発明の第３の実施形態に係る燃料電池システムを構成する面圧測定装置の外観斜視図である。 特許文献１に開示されている燃料電池システムの要部断面図である。

符号の説明

１０…燃料電池システム １２…燃料電池スタック
１４、８０、９０…面圧測定装置 １６…発電セル
２２…ＭＥＡ ２４、２６…セパレータ
３４…固体高分子電解質膜 ３６…アノード側電極
３８…カソード側電極 ４０…燃料ガス流路
４２…冷却媒体流路 ４４…酸化剤ガス流路
５０、８２、８８…誘電体 ５２、８４、９２…通電部材
５４、５６…電極シート ５８…開口部
６０ａ、６０ｂ、８８ａ、８８ｂ…突起部 ６２ａ、６２ｂ、８６…溝部
６４…絶縁シート ６６ａ、６６ｂ…電極
６８ａ、６８ｂ…絶縁膜 ７０ａ、７０ｂ…端子
７２…制御装置 ７４…導電性シート
８０…面圧測定装置

Claims (8)

1. 電解質の両側に一対の電極が配設される電解質・電極構造体を有し、前記電解質・電極構造体とセパレータとを有する発電セルが積層される燃料電池スタックと、前記燃料電池スタック内に配設され、前記発電セルの面圧を測定するための面圧測定装置とを備える燃料電池システムであって、
   前記面圧測定装置は、前記発電セルの発電面内に対応して設けられる複数の圧力検出素子と、
   前記発電セルの発電面方向に沿って延在し、前記圧力検出素子を配置するとともに、前記圧力検出素子間に積層方向に向かって電流を流す通電部材と、
   を備えることを特徴とする燃料電池システム。
2. 請求項１記載の燃料電池システムにおいて、前記面圧測定装置は、静電容量式センサを構成するとともに、
   前記圧力検出素子は、誘電体を有することを特徴とする燃料電池システム。
3. 請求項２記載の燃料電池システムにおいて、前記面圧測定装置は、同一面内に配置される複数の前記誘電体を一体に挟持する第１及び第２電極シートを備え、
   前記第１電極シートは、互いに平行に延在する複数の第１電極を有し、
   前記第２電極シートは、前記第１電極に交差する方向に互いに平行に延在する複数の第２電極を有することを特徴とする燃料電池システム。
4. 請求項３記載の燃料電池システムにおいて、前記誘電体は、複数に分割されるとともに、積層方向に対して前記第１電極及び前記第２電極が互いに重なり合う部位に前記各誘電体が配置されることを特徴とする燃料電池システム。
5. 請求項３記載の燃料電池システムにおいて、前記誘電体は、前記第１電極又は前記第２電極に対応して互いに平行に延在するとともに、一体化されることを特徴とする燃料電池システム。
6. 請求項１〜５のいずれか１項に記載の燃料電池システムにおいて、前記通電部材は、複数の前記圧力検出素子が配置される格子状導電部材であることを特徴とする燃料電池システム。
7. 請求項６記載の燃料電池システムにおいて、前記格子状導電部材は、一方の面に前記圧力検出素子よりも積層方向一方に突出する第１突起部を有し、
   他方の面に前記圧力検出素子よりも積層方向他方に突出する第２突起部を有することを特徴とする燃料電池システム。
8. 請求項１〜７のいずれか１項に記載の燃料電池システムにおいて、前記面圧測定装置は、導電性シートを介装して一対のセパレータ間に挟持されることを特徴とする燃料電池システム。

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