JP5622650B2 - Fuel cell system - Google Patents

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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静電容量型面圧測定装置とを備える燃料電池システムに関する。   The present invention includes a fuel cell stack having an electrolyte / electrode structure in which a pair of electrodes are disposed on both sides of an electrolyte, and a power generation cell having the electrolyte / electrode structure and a separator, and the fuel cell. The present invention relates to a fuel cell system including a capacitance-type surface pressure measuring device disposed in a stack and measuring a surface pressure of the power generation cell.

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配設した電解質膜・電極構造体(MEA)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。燃料電池スタックは、例えば、燃料電池電気自動車等の燃料電池車両に搭載されている。   For example, in a polymer electrolyte fuel cell, an electrolyte membrane / electrode structure (MEA) in which an anode side electrode and a cathode side electrode are disposed on both sides of an electrolyte membrane (electrolyte) made of a polymer ion exchange membrane is used as a separator. A power generation cell sandwiched between the two. In this type of fuel cell, a predetermined number of power generation cells are usually stacked, and a terminal plate, an insulating plate, and an end plate are disposed at both ends in the stacking direction to constitute a fuel cell stack. The fuel cell stack is mounted on a fuel cell vehicle such as a fuel cell electric vehicle.

この燃料電池スタックでは、一対の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。   In this fuel cell stack, a clamping load is applied between the pair of end plates in the stacking direction of the power generation cells by a clamping bolt, a casing, or the like. At that time, if the surface pressure of the electrode surface of the power generation cell varies (surface pressure distribution), the contact resistance may increase and the terminal voltage may decrease.

そこで、燃料電池スタック内の面圧分布を測定する必要があり、例えば、特許文献1に開示されている積層型電池の面圧分布検出装置が知られている。この面圧分布検出装置は、図9に示すように、単位セル1の積層方向に弾性変形可能な内側絶縁部2と、前記内側絶縁部2の一方の側面に複数設けられる第1電極3aと、前記内側絶縁部2の他方の側面に複数設けられ、前記第1電極3aと対向する第2電極3bと、前記第1電極3aと第1電極側単位セル1との間及び前記第2電極3bと第2電極側単位セル1との間に設けられる一対の外側絶縁部4と、積層方向に弾性変形可能に構成され、前記第1電極3a及び前記第2電極3bに対して電気絶縁した状態で、前記第1電極側単位セル1と前記第2電極側単位セル1とを電気的に接続する複数の導電部5とを備えている。   Therefore, it is necessary to measure the surface pressure distribution in the fuel cell stack. For example, a surface pressure distribution detection device for a stacked battery disclosed in Patent Document 1 is known. As shown in FIG. 9, the surface pressure distribution detection device includes an inner insulating portion 2 that can be elastically deformed in the stacking direction of the unit cells 1, and a plurality of first electrodes 3 a provided on one side surface of the inner insulating portion 2. A plurality of second electrodes 3b provided on the other side surface of the inner insulating portion 2 and opposed to the first electrode 3a; between the first electrode 3a and the first electrode unit cell 1; and the second electrode A pair of outer insulating portions 4 provided between 3b and the second electrode side unit cell 1, and configured to be elastically deformable in the stacking direction, and electrically insulated from the first electrode 3a and the second electrode 3b. In the state, a plurality of conductive portions 5 that electrically connect the first electrode side unit cell 1 and the second electrode side unit cell 1 are provided.

そして、面圧分布測定部は、第1電極3aと第2電極3bとの対向距離に応じて変化する静電容量に基づいて積層面圧を算出し、積層面圧分布を求めている。これにより、第1電極側単位セル1と第2電極側単位セル1とを通過する電流の電流密度の偏りを抑制することができ、電流密度に起因する発電性能の悪化を抑制しつつ、単位セル1における面圧分布を検出することが可能となる、としている。   Then, the surface pressure distribution measuring unit calculates the lamination surface pressure based on the capacitance that changes according to the facing distance between the first electrode 3a and the second electrode 3b, and obtains the lamination surface pressure distribution. Thereby, the deviation of the current density of the current passing through the first electrode side unit cell 1 and the second electrode side unit cell 1 can be suppressed, and the deterioration of the power generation performance due to the current density can be suppressed, while the unit The surface pressure distribution in the cell 1 can be detected.

特開2010−276520号公報JP 2010-276520 A

しかしながら、上記の特許文献1では、ダイアフラムとして機能する面圧検出構造であり、形状が複雑になるとともに、大型化するという問題がある。しかも、導電部の剛性が高いため、カーボンペーパ等の導電性且つ弾力性を有する部材を介装する必要があり、作業が煩雑化するとともに、経済的ではないという問題がある。   However, the above-described Patent Document 1 has a surface pressure detection structure that functions as a diaphragm, and has a problem that the shape is complicated and the size is increased. In addition, since the conductive portion has high rigidity, it is necessary to interpose a conductive and elastic member such as carbon paper, which complicates the operation and is not economical.

本発明はこの種の問題を解決するものであり、コンパクト且つ経済的な構成で、良好な密着性を確保して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な燃料電池システムを提供することを目的とする。   The present invention solves this type of problem, and it is possible to measure the surface pressure distribution in the fuel cell stack with high accuracy and reliability with a compact and economical configuration and ensuring good adhesion. An object is to provide a fuel cell system.

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静電容量型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。   The present invention includes a fuel cell stack having an electrolyte / electrode structure in which a pair of electrodes are disposed on both sides of an electrolyte, and a power generation cell having the electrolyte / electrode structure and a separator, and the fuel cell. The present invention relates to a fuel cell system including a capacitance type surface pressure measuring device disposed in a stack and measuring the surface pressure of the power generation cell.

この燃料電池システムでは、静電容量型面圧測定装置は、発電セルの発電面内に位置して設けられる複数の誘電体と、前記発電セルの発電面方向に沿って延在するとともに、前記誘電体間に積層方向に向かって電流を流す格子状導電部とを備えるとともに、前記格子状導電部は、少なくともいずれかの格子交差部に、厚さ方向に肉薄な薄肉部位が設けられている。   In this fuel cell system, the capacitance-type surface pressure measuring device includes a plurality of dielectrics provided in the power generation surface of the power generation cell, and extends along the power generation surface direction of the power generation cell. And a lattice-shaped conductive portion that allows current to flow in the stacking direction between the dielectrics, and the lattice-shaped conductive portion is provided with a thin portion that is thin in the thickness direction at at least one of the lattice intersections. .

また、この燃料電池システムでは、格子状導電部は、一方の面側から切り欠いて薄肉部位が設けられる第1格子交差部と、他方の面側から切り欠いて前記薄肉部位が設けられる第2格子交差部とを有することが好ましい。   Further, in this fuel cell system, the grid-like conductive portion is cut out from one surface side to provide a thin portion, and the second lattice portion is cut from the other surface side to provide the thin portion. It is preferable to have a lattice intersection.

さらに、この燃料電池システムでは、格子状導電部は、第1格子交差部と第2格子交差部とが互いに隣接して交互に設けられることが好ましい。   Further, in this fuel cell system, it is preferable that the grid-like conductive portion is provided alternately with the first grid intersection and the second grid intersection adjacent to each other.

本発明によれば、静電容量型面圧測定装置は、誘電体間に積層方向に向かって電流を流す格子状導電部を備えるとともに、前記格子状導電部は、少なくともいずれかの格子交差部に、厚さ方向に肉薄な部位が設けられている。このため、格子交差部は、肉薄な部位にばね性を持たせることができ、格子状導電部は、燃料電池スタックの面圧測定部位に対して良好に密着することが可能になる。   According to the present invention, the capacitance-type surface pressure measuring device includes a grid-like conductive part that allows current to flow in the stacking direction between the dielectrics, and the grid-like conductive part includes at least one grid crossing part. Further, a thin portion is provided in the thickness direction. For this reason, the lattice crossing portion can impart spring properties to a thin portion, and the lattice-like conductive portion can be satisfactorily adhered to the surface pressure measurement portion of the fuel cell stack.

従って、静電容量型面圧測定装置は、測定感度が有効に向上し、安定した測定を良好且つ確実に行うことができる。これにより、燃料電池スタックの使用荷重領域を網羅して、発電面内の面圧を良好に測定することが可能になり、コンパクト且つ経済的な構成で、前記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る。   Therefore, the capacitance-type surface pressure measuring device can effectively improve the measurement sensitivity and perform stable measurement well and reliably. As a result, it is possible to satisfactorily measure the surface pressure in the power generation surface, covering the use load region of the fuel cell stack, and to reduce the surface pressure distribution in the fuel cell stack with a compact and economical configuration. Highly accurate and reliable measurement can be performed.

本発明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。1 is an explanatory perspective view of a fuel cell system according to an embodiment of the present invention. 前記燃料電池システムの断面側面図である。It is a cross-sectional side view of the fuel cell system. 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。It is a disassembled perspective explanatory drawing of the electric power generation cell which comprises the said fuel cell system. 前記燃料電池システムを構成する静電容量型面圧測定装置の要部分解斜視図である。It is a principal part disassembled perspective view of the electrostatic capacitance type surface pressure measuring apparatus which comprises the said fuel cell system. 前記静電容量型面圧測定装置を構成する格子状導電部の一部拡大斜視説明図である。FIG. 4 is a partially enlarged perspective explanatory view of a grid-like conductive portion constituting the capacitance type surface pressure measuring device. 前記静電容量型面圧測定装置の要部斜視図である。It is a principal part perspective view of the said electrostatic capacitance type surface pressure measuring apparatus. 前記静電容量型面圧測定装置の回路説明図である。It is circuit explanatory drawing of the said electrostatic capacitance type surface pressure measuring apparatus. 前記静電容量型面圧測定装置の要部分解斜視図である。It is a principal part disassembled perspective view of the said capacitance-type surface pressure measuring apparatus. 特許文献1に開示されている面圧分布検出装置の断面説明図である。FIG. 10 is a cross-sectional explanatory diagram of a surface pressure distribution detection device disclosed in Patent Document 1.

図1及び図2に示すように、本発明の実施形態に係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内に配設される静電容量型面圧測定装置14とを備える。この燃料電池システム10は、例えば、図示しない燃料電池自動車等の燃料電池車両に搭載されている。   As shown in FIGS. 1 and 2, a fuel cell system 10 according to an embodiment of the present invention includes a fuel cell stack 12, and a capacitance type surface pressure measuring device 14 disposed in the fuel cell stack 12. Is provided. The fuel cell system 10 is mounted on a fuel cell vehicle such as a fuel cell vehicle (not shown), for example.

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)。   In the fuel cell stack 12, a plurality of power generation cells 16 are stacked in the direction of arrow A, and end plates 20a and 20b are arranged at both ends in the stacking direction with terminal plates 17a and 17b and insulating plates 18a and 18b interposed therebetween. (See FIG. 2).

エンドプレート20a、20bは、例えば、複数の締め付けボルト21aにより積層方向に締め付けられる。なお、エンドプレート20bには、締め付けボルト21aがねじ込まれるねじ孔(図示せず)が形成されている。あるいは、エンドプレート20bに貫通孔を形成し、締め付けボルト21aの先端にナット(図示せず)を螺合してもよい。   The end plates 20a and 20b are fastened in the stacking direction by a plurality of fastening bolts 21a, for example. The end plate 20b is formed with a screw hole (not shown) into which the fastening bolt 21a is screwed. Alternatively, a through hole may be formed in the end plate 20b, and a nut (not shown) may be screwed to the tip of the fastening bolt 21a.

また、エンドプレート20a、20b間にプレート(図示せず)を介装して前記エンドプレート20a、20b間の距離を調整することにより、締め付け荷重を付与してもよい。さらに、エンドプレート20aと絶縁プレート18aとの間、又はエンドプレート20bと絶縁プレート18bとの間に、皿ばね(図示せず)を介装して荷重を加えてもよい。   Further, a clamping load may be applied by interposing a plate (not shown) between the end plates 20a and 20b and adjusting the distance between the end plates 20a and 20b. Further, a load may be applied between the end plate 20a and the insulating plate 18a or between the end plate 20b and the insulating plate 18b via a disc spring (not shown).

図2及び図3に示すように、各発電セル16は、電解質膜・電極構造体22と、前記電解質膜・電極構造体22を挟持する第1セパレータ24及び第2セパレータ26とを備える。第1セパレータ24及び第2セパレータ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セパレータ24及び第2セパレータ26間には、電解質膜・電極構造体22を収容してガスケット27が介装される。   As shown in FIGS. 2 and 3, each power generation cell 16 includes an electrolyte membrane / electrode structure 22, and a first separator 24 and a second separator 26 that sandwich the electrolyte membrane / electrode structure 22. Although the 1st separator 24 and the 2nd separator 26 are comprised by the carbon separator, for example, you may use a metal separator. Between the first separator 24 and the second separator 26, the electrolyte membrane / electrode structure 22 is accommodated and a gasket 27 is interposed.

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。   As shown in FIG. 3, an oxidant for supplying an oxidant gas, for example, an oxygen-containing gas (such as air) to one end edge of the power generation cell 16 in the direction of arrow B and communicating with each other in the direction of arrow A. A gas supply communication hole 28a, a cooling medium supply communication hole 30a for supplying a cooling medium such as pure water or ethylene glycol, and a fuel gas discharge communication hole 32b for discharging a fuel gas such as a hydrogen-containing gas are provided. Provided.

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。   The other end edge of the power generation cell 16 in the direction of the arrow B communicates with each other in the direction of the arrow A, the fuel gas supply communication hole 32a for supplying the fuel gas, and the cooling medium discharge communication hole for discharging the cooling medium. 30b and an oxidant gas discharge communication hole 28b for discharging the oxidant gas are provided.

電解質膜・電極構造体22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。   The electrolyte membrane / electrode structure 22 includes, for example, a solid polymer electrolyte membrane 34 in which a perfluorosulfonic acid thin film is impregnated with water, and an anode side electrode 36 and a cathode side electrode 38 that sandwich the solid polymer electrolyte membrane 34. With.

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。   The anode side electrode 36 and the cathode side electrode 38 are uniformly coated on the surface of the gas diffusion layer with a gas diffusion layer (not shown) made of carbon paper or the like and porous carbon particles carrying a platinum alloy on the surface. And an electrode catalyst layer (not shown) formed. The electrode catalyst layers are formed on both surfaces of the solid polymer electrolyte membrane 34.

第1セパレータ24は、電解質膜・電極構造体22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。   The first separator 24 is provided with a fuel gas flow path 40 on a surface 24 a facing the electrolyte membrane / electrode structure 22. The fuel gas channel 40 has a plurality of channel grooves extending in the direction of arrow B, and communicates with the fuel gas supply communication hole 32a and the fuel gas discharge communication hole 32b. A cooling medium flow path 42 is formed on the surface 24 b of the first separator 24. The cooling medium flow path 42 has a plurality of flow path grooves extending in the direction of arrow B, and communicates with the cooling medium supply communication hole 30a and the cooling medium discharge communication hole 30b.

第2セパレータ26には、電解質膜・電極構造体22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。   In the second separator 26, an oxidant gas flow path 44 is formed on the surface 26 a facing the electrolyte membrane / electrode structure 22. The oxidant gas flow path 44 has a plurality of flow path grooves extending in the direction of arrow B, and communicates with the oxidant gas supply communication hole 28a and the oxidant gas discharge communication hole 28b. The surface 26b of the second separator 26 is configured to be flat.

静電容量型面圧測定装置14は、図2に示すように、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及び図5に示すように、静電容量型面圧測定装置14は、複数の誘電体50を、発電セル16の発電面内に位置し矢印B方向及び矢印C方向に配列して収容する格子状導電部52と、前記誘電体50を両側から一体に挟持するそれぞれ複数の第1電極54及び第2電極56と、前記第1電極54及び前記第2電極56の外側にそれぞれ絶縁部材58a、58bに囲繞されて積層される第1シールド部材60及び第2シールド部材62とを備える。   As shown in FIG. 2, the capacitance-type surface pressure measuring device 14 is arranged at the approximate center of the power generation cells 16 stacked in the fuel cell stack 12. As shown in FIGS. 4 and 5, the capacitance-type surface pressure measuring device 14 accommodates a plurality of dielectrics 50 that are located in the power generation surface of the power generation cell 16 and arranged in the directions of arrows B and C. Grid-like conductive portions 52, a plurality of first electrodes 54 and second electrodes 56 that sandwich the dielectric 50 integrally from both sides, and insulating members on the outside of the first electrodes 54 and the second electrodes 56, respectively. A first shield member 60 and a second shield member 62 are provided so as to be surrounded by 58a and 58b and stacked.

静電容量型面圧測定装置14は、静電容量式センサを構成しており、例えば、PI(ポリイミド)、LCP(液晶ポリマー)、PET(ポリエチレンテレフタレート)、シリコーン等の絶縁体で形成される複数の誘電体50を設ける。   The capacitance type surface pressure measuring device 14 constitutes a capacitance type sensor, and is formed of an insulator such as PI (polyimide), LCP (liquid crystal polymer), PET (polyethylene terephthalate), or silicone. A plurality of dielectrics 50 are provided.

格子状導電部52は、発電セル16の発電面方向に沿って延在するとともに、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)、又はカーボンペーパ、カーボンクロス、導電性樹脂等により構成される。格子状導電部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。 The grid-like conductive part 52 extends along the direction of the power generation surface of the power generation cell 16 and is, for example, a low electrical resistance material such as silver, silver alloy, gold, gold alloy, copper, copper alloy, aluminum, or aluminum alloy ( Electrical resistivity 2 × 10 −7 Ωm or less), or carbon paper, carbon cloth, conductive resin, or the like. The surface of the grid-like conductive portion 52 is subjected to a plating treatment with anti-oxidation gold or gold alloy as necessary.

格子状導電部52は、矢印B方向に互いに平行して延在する複数の第1板状部64と、矢印C方向に互いに平行して延在する複数の第2板状部66とを有する。第1板状部64と第2板状部66とは、互いに直交するとともに、各格子交差部68で一体化される。   The grid-like conductive portion 52 has a plurality of first plate-like portions 64 extending in parallel with each other in the direction of arrow B, and a plurality of second plate-like portions 66 extending in parallel with each other in the direction of arrow C. . The first plate-like portion 64 and the second plate-like portion 66 are orthogonal to each other and are integrated at each lattice intersection 68.

図4及び図6に示すように、格子状導電部52は、少なくともいずれかの格子交差部68に、厚さ方向(矢印A方向)に肉薄な薄肉部位70が設けられる。格子状導電部52は、第1電極54に対向する面(一方の面)側から切り欠いて薄肉部位70aが設けられる第1格子交差部68aと、第2電極56に対向する面(他方の面)側から切り欠いて薄肉部位70bが設けられる第2格子交差部68bとを有する。   As shown in FIGS. 4 and 6, the lattice-shaped conductive portion 52 is provided with a thin portion 70 that is thin in the thickness direction (arrow A direction) at least at any lattice intersection 68. The grid-like conductive portion 52 includes a first grid intersection 68a where a thin portion 70a is provided by cutting away from a surface (one surface) facing the first electrode 54, and a surface (the other surface) facing the second electrode 56. And a second lattice intersection 68b provided with a thin portion 70b by cutting out from the surface) side.

格子状導電部52は、好ましくは、第1格子交差部68aと第2格子交差部68bとを互いに隣接して交互に設けている。すなわち、格子状導電部52は、全体として均一な厚さに設定されるため、例えば、平板をプレスにより形成することが可能である。   The grid-like conductive part 52 is preferably provided with the first grid crossing part 68a and the second grid crossing part 68b alternately adjacent to each other. That is, since the grid-like conductive portion 52 is set to a uniform thickness as a whole, for example, a flat plate can be formed by pressing.

格子状導電部52の第1電極54に向かう面には、矢印B方向に延在し且つ矢印C方向に配列される複数の第1溝部72aが形成される。格子状導電部52の第2電極56に向かう面には、矢印C方向に延在し且つ矢印B方向に配列される複数の第2溝部72bが形成される。第1溝部72aと第2溝部72bとが交差する部位には、各誘電体50を配置するための開口部74が設けられる。   A plurality of first groove portions 72a extending in the arrow B direction and arranged in the arrow C direction are formed on the surface of the grid-like conductive portion 52 that faces the first electrode 54. A plurality of second groove portions 72b extending in the arrow C direction and arranged in the arrow B direction are formed on the surface of the grid-like conductive portion 52 that faces the second electrode 56. An opening 74 for disposing each dielectric 50 is provided at a portion where the first groove 72a and the second groove 72b intersect.

第1電極54は、格子状導電部52の第1溝部72aに収容されるとともに、矢印B方向に長尺状に形成される。第1電極54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。必要に応じて、図示しない高分子材料製の絶縁膜により囲繞してもよい。   The first electrode 54 is accommodated in the first groove 72 a of the grid-like conductive part 52 and is formed in a long shape in the arrow B direction. The first electrode 54 is made of, for example, copper or gold and has a thickness set to 0.1 mm or less. If necessary, it may be surrounded by an insulating film made of a polymer material (not shown).

第2電極56は、上記の第1電極54と同様に、格子状導電部52の第2溝部72bに収容されるとともに、矢印C方向(矢印B方向に直交する方向)に長尺状に形成される。第2電極56は、例えば、銅又は金等で構成されており、厚さが0.1mm以下に設定されるとともに、必要に応じて、図示しない高分子材料製の絶縁膜により囲繞される。   Similarly to the first electrode 54 described above, the second electrode 56 is accommodated in the second groove 72b of the grid-like conductive portion 52 and is formed in a long shape in the direction of arrow C (direction perpendicular to the direction of arrow B). Is done. The second electrode 56 is made of, for example, copper or gold, and has a thickness set to 0.1 mm or less, and is surrounded by an insulating film made of a polymer material (not shown) as necessary.

絶縁部材58aは、第1溝部72aに収容されて矢印B方向に延在する長尺状を有するとともに、内部に第1電極54と第1シールド部材60とを互いに絶縁した状態で収容する。絶縁部材58bは、第2溝部72bに収容されて矢印C方向に延在する長尺状を有し、内部に第2電極56と第2シールド部材62とを互いに絶縁した状態で収容する。絶縁部材58a、58bは、例えば、PI(ポリイミド)、LCP(液晶ポリマー)、PET(ポリエチレンテレフタレート)シリコーン等で形成される。   The insulating member 58a is housed in the first groove 72a and has a long shape extending in the direction of the arrow B, and houses the first electrode 54 and the first shield member 60 in an insulated state. The insulating member 58b has a long shape that is accommodated in the second groove 72b and extends in the direction of arrow C, and accommodates the second electrode 56 and the second shield member 62 in an insulated state. The insulating members 58a and 58b are made of, for example, PI (polyimide), LCP (liquid crystal polymer), PET (polyethylene terephthalate) silicone, or the like.

第1シールド部材60及び第2シールド部材62は、第1溝部72a及び第2溝部72bに収容されて互いに直交する方向(矢印B方向及び矢印C方向)に延在する長尺状の金属薄板、例えば、Cu(銅)やAl(アルミニウム)等で構成される。全ての第1シールド部材60と全ての第2シールド部材62は、電気的に接続されるとともに、後述するアンプ96のアースに接地される。   The first shield member 60 and the second shield member 62 are elongated metal thin plates that are accommodated in the first groove portion 72a and the second groove portion 72b and extend in directions perpendicular to each other (arrow B direction and arrow C direction), For example, it is composed of Cu (copper), Al (aluminum), or the like. All the first shield members 60 and all the second shield members 62 are electrically connected and grounded to the ground of an amplifier 96 described later.

図5に示すように、格子状導電部52の各開口部74に誘電体50が配置され、第1溝部72aに収容される第1電極54と、第2溝部72bに収容される第2電極56とは、前記誘電体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。   As shown in FIG. 5, the dielectric 50 is arrange | positioned at each opening part 74 of the grid | lattice-like electroconductive part 52, the 1st electrode 54 accommodated in the 1st groove part 72a, and the 2nd electrode accommodated in the 2nd groove part 72b. 56 are arranged in a so-called grid pattern in a direction orthogonal to each other across the dielectric 50.

図7に示すように、制御装置76では、第1電極54の端部には、第1回路パターン78が設けられる一方、第2電極56の端部には、第2回路パターン80が設けられる。第1回路パターン78は、各第1電極54の端部に接続される配線部82を備え、前記配線部82は、A/D変換器84を介して第1コネクタ86に接続される。第2回路パターン80は、各第2電極56の端部に接続される配線部88を備え、前記配線部88は、A/D変換器90を介して第2コネクタ92に接続される。   As shown in FIG. 7, in the control device 76, the first circuit pattern 78 is provided at the end of the first electrode 54, while the second circuit pattern 80 is provided at the end of the second electrode 56. . The first circuit pattern 78 includes a wiring portion 82 connected to the end portion of each first electrode 54, and the wiring portion 82 is connected to the first connector 86 via the A / D converter 84. The second circuit pattern 80 includes a wiring portion 88 connected to the end portion of each second electrode 56, and the wiring portion 88 is connected to the second connector 92 via the A / D converter 90.

A/D変換器84及び90は、外部ノイズの影響を回避するために、それぞれ格子状導電部52の面内に近接して配置される。第1コネクタ86及び第2コネクタ92は、アンプ96に接続される。   The A / D converters 84 and 90 are arranged close to each other in the plane of the grid-like conductive portion 52 in order to avoid the influence of external noise. The first connector 86 and the second connector 92 are connected to the amplifier 96.

第1回路パターン78は、複数の配線部82が互いに同一長さで且つ同一表面積に設定される一方、第2回路パターン80は、複数の配線部88が互いに同一長さで且つ同一表面積に設定される。   In the first circuit pattern 78, the plurality of wiring portions 82 have the same length and the same surface area, while in the second circuit pattern 80, the plurality of wiring portions 88 have the same length and the same surface area. Is done.

図8に示すように、静電容量型面圧測定装置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)98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。静電容量型面圧測定装置14は、実質的に、図3に示す電解質膜・電極構造体22と同一の寸法(厚さを含む)を有するとともに、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。   As shown in FIG. 8, the capacitance type surface pressure measuring device 14 includes a conductive sheet (for example, carbon paper, carbon cloth, etc.) 98 on both sides, and the first separator 24 and the second separator 26. It is pinched. The capacitance-type surface pressure measuring device 14 has substantially the same dimensions (including thickness) as the electrolyte membrane / electrode structure 22 shown in FIG. 3, and between the first and second separators 24, 26. By being sandwiched between the two, the same size and shape as the power generation cell 16 are formed.

静電容量型面圧測定装置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の前記静電容量型面圧測定装置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の前記静電容量型面圧測定装置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。   The capacitance type surface pressure measuring device 14 has a fuel gas on the surface of the first separator 24 on the side of the capacitance type surface pressure measuring device 14 so as not to be exposed to fuel gas or oxidant gas. The supply communication hole 32a and the fuel gas discharge communication hole 32b are circulated by a resin seal (not shown), while the surface of the second separator 26 on the capacitance type surface pressure measuring device 14 side is connected to the oxidant gas supply communication. The hole 28a and the oxidizing gas discharge communication hole 28b are circulated by a resin seal (not shown).

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。   The operation of the fuel cell system 10 configured as described above will be described below.

先ず、図2に示すように、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。そして、エンドプレート20a、20bは、複数の締め付けボルト21aにより積層方向に締め付けられて、初期荷重が付与される。このため、燃料電池スタック12に積層方向に初期荷重が付与され、誘電体50が圧縮変形される。   First, as shown in FIG. 2, the fuel cell stack 12 includes a plurality of power generation cells 16 stacked in the direction of arrow A, and terminal plates 17a and 17b and insulating plates 18a and 18b interposed at both ends in the stacking direction. Thus, the end plates 20a and 20b are arranged. The end plates 20a and 20b are tightened in the stacking direction by a plurality of tightening bolts 21a, and an initial load is applied. For this reason, an initial load is applied to the fuel cell stack 12 in the stacking direction, and the dielectric 50 is compressed and deformed.

次に、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。   Next, as shown in FIG. 1, the oxidant gas is supplied to the oxidant gas supply communication hole 28 a of the fuel cell stack 12, while the fuel gas is supplied to the fuel gas supply communication hole 32 a of the fuel cell stack 12. Is done. Further, the cooling medium is supplied to the cooling medium supply communication hole 30 a of the fuel cell stack 12.

燃料電池スタック12内では、図3に示すように、酸化剤ガスは、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、電解質膜・電極構造体22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、電解質膜・電極構造体22のアノード側電極36に沿って移動する。   In the fuel cell stack 12, as shown in FIG. 3, the oxidant gas is introduced into the oxidant gas flow path 44 of the second separator 26 from the oxidant gas supply communication hole 28 a, and the electrolyte membrane / electrode structure 22. It moves along the cathode side electrode 38. On the other hand, the fuel gas is introduced into the fuel gas flow path 40 of the first separator 24 from the fuel gas supply communication hole 32 a and moves along the anode side electrode 36 of the electrolyte membrane / electrode structure 22.

従って、各電解質膜・電極構造体22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。   Therefore, in each electrolyte membrane / electrode structure 22, the oxidant gas supplied to the cathode side electrode 38 and the fuel gas supplied to the anode side electrode 36 are consumed by an electrochemical reaction in the electrode catalyst layer, Power generation is performed.

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た後、エンドプレート20aに排出される。   Next, the oxidant gas supplied and consumed to the cathode side electrode 38 flows along the oxidant gas discharge communication hole 28b, and is then discharged to the end plate 20a. Similarly, the fuel gas consumed by being supplied to the anode side electrode 36 is discharged to the fuel gas discharge communication hole 32b, flows, and then discharged to the end plate 20a.

また、純水やエチレングリコール等の冷却媒体は、第1セパレータ24及び第2セパレータ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、電解質膜・電極構造体22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。   In addition, a cooling medium such as pure water or ethylene glycol is introduced into the cooling medium flow path 42 between the first separator 24 and the second separator 26 and then flows along the arrow B direction. The cooling medium cools the electrolyte membrane / electrode structure 22, then moves to the cooling medium discharge communication hole 30 b, and is discharged to the end plate 20 a for circulation.

この場合、本実施形態では、図4〜図6に示すように、格子状導電部52は、少なくともいずれかの格子交差部68に、厚さ方向(矢印A方向)に肉薄な薄肉部位70が設けられている。従って、薄肉部位70では、剛性が低下してばね性の向上が図られ、面圧測定部位の形状に容易に倣うことができる。   In this case, in the present embodiment, as shown in FIGS. 4 to 6, the lattice-shaped conductive portion 52 has at least one lattice intersection portion 68 provided with a thin portion 70 thin in the thickness direction (arrow A direction). Is provided. Therefore, in the thin portion 70, the rigidity is lowered and the spring property is improved, and the shape of the surface pressure measurement portion can be easily followed.

しかも、格子状導電部52は、第1電極54に対向する面側から切り欠いて薄肉部位70aが設けられる第1格子交差部68aと、第2電極56に対向する面側から切り欠いて薄肉部位70bが設けられる第2格子交差部68bとを有している。さらに、格子状導電部52は、第1格子交差部68aと第2格子交差部68bとを互いに隣接して交互に設けている。   In addition, the grid-like conductive portion 52 is cut from the surface facing the first electrode 54 and provided with a thin portion 70a, and the grid-like conductive portion 52 is cut from the surface facing the second electrode 56 and is thin. And a second lattice intersection 68b provided with a portion 70b. Further, the grid-like conductive portion 52 is provided with the first grid intersection 68a and the second grid intersection 68b alternately adjacent to each other.

このため、格子状導電部52は、全体として所望のばね性を有することができ、燃料電池スタック12の面圧測定部位に対して良好に密着することが可能になるという効果が得られる。   For this reason, the grid-like conductive part 52 can have a desired spring property as a whole, and an effect that it can be satisfactorily adhered to the surface pressure measurement portion of the fuel cell stack 12 is obtained.

従って、静電容量型面圧測定装置14は、測定感度が有効に向上し、安定した測定を良好且つ確実に行うことができる。これにより、燃料電池スタック12の使用荷重領域を網羅して、発電面内の面圧を良好に測定することが可能になり、コンパクト且つ経済的な構成で、前記燃料電池スタック12内の面圧分布を高精度且つ確実に測定することができる。   Therefore, the capacitance-type surface pressure measuring device 14 can effectively improve measurement sensitivity and perform stable measurement well and reliably. As a result, it is possible to satisfactorily measure the surface pressure in the power generation surface covering the use load region of the fuel cell stack 12, and the surface pressure in the fuel cell stack 12 can be achieved with a compact and economical configuration. The distribution can be measured with high accuracy and reliability.

10…燃料電池システム 12…燃料電池スタック
14…静電容量型面圧測定装置 16…発電セル
22…電解質膜・電極構造体 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…誘電体 52…格子状導電部
54、56…電極 58a、58b…絶縁部材
60、62…シールド部材 64、66…板状部
68、68a、68b…格子交差部 70、70a、70b…薄肉部位
74…開口部
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 ... Fuel cell system 12 ... Fuel cell stack 14 ... Capacitance type surface pressure measuring device 16 ... Power generation cell 22 ... Electrolyte membrane and electrode structure 24, 26 ... Separator 34 ... Solid polymer electrolyte membrane 36 ... Anode side electrode 38 ... Cathode side electrode 40 ... Fuel gas flow path 42 ... Cooling medium flow path 44 ... Oxidant gas flow path 50 ... Dielectric material 52 ... Lattice-like conductive parts 54, 56 ... Electrodes 58a, 58b ... Insulating members 60, 62 ... Shield members 64, 66 ... plate-like parts 68, 68a, 68b ... lattice crossing parts 70, 70a, 70b ... thin-walled parts 74 ... openings

Claims (3)

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静電容量型面圧測定装置とを備える燃料電池システムであって、
前記静電容量型面圧測定装置は、前記発電セルの発電面内に位置して設けられる複数の誘電体と、
前記発電セルの発電面方向に沿って延在するとともに、前記誘電体間に積層方向に向かって電流を流す格子状導電部と、
を備えるとともに、
前記格子状導電部は、少なくともいずれかの格子交差部に、厚さ方向に肉薄な薄肉部位が設けられることを特徴とする燃料電池システム。
A fuel cell stack having an electrolyte / electrode structure in which a pair of electrodes are disposed on both sides of the electrolyte, and a power generation cell having the electrolyte / electrode structure and a separator, and a fuel cell stack disposed in the fuel cell stack; A fuel cell system provided with a capacitance type surface pressure measuring device for measuring the surface pressure of the power generation cell,
The capacitance-type surface pressure measuring device includes a plurality of dielectrics provided in a power generation surface of the power generation cell,
A grid-like conductive part that extends along the power generation surface direction of the power generation cell and flows a current between the dielectrics in the stacking direction;
With
In the fuel cell system, the grid-like conductive portion is provided with a thin portion that is thin in the thickness direction at least at any grid intersection.
請求項1記載の燃料電池システムにおいて、前記格子状導電部は、一方の面側から切り欠いて前記薄肉部位が設けられる第1格子交差部と、
他方の面側から切り欠いて前記薄肉部位が設けられる第2格子交差部と、
を有することを特徴とする燃料電池システム。
2. The fuel cell system according to claim 1, wherein the grid-like conductive portion is cut out from one surface side and the thin-walled portion is provided;
A second lattice intersection where the thinned portion is provided by cutting out from the other surface side;
A fuel cell system comprising:
請求項2記載の燃料電池システムにおいて、前記格子状導電部は、前記第1格子交差部と前記第2格子交差部とが互いに隣接して交互に設けられることを特徴とする燃料電池システム。   3. The fuel cell system according to claim 2, wherein the grid-like conductive portion is provided with the first grid intersection and the second grid intersection alternately adjacent to each other.
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