JP5567352B2 - 燃料電池スタック - Google Patents

Description

本発明は、電解質膜の両側に一対の電極を設けた電解質膜・電極構造体と、金属プレートを波板状に成形した金属セパレータとが積層されるとともに、前記電解質膜・電極構造体と前記金属セパレータとの間に、電極面に沿って反応ガスを流通させる反応ガス流路が形成される燃料電池を備え、複数の前記燃料電池が積層される燃料電池スタックに関する。

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、一対のセパレータによって挟持した発電ユニットを備えている。この種の燃料電池は、通常、所定の数（例えば、数百）の発電ユニットを積層することにより、例えば、車載用燃料電池スタックとして使用されている。

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ユニットの積層方向に締め付け荷重を付与している。その際、発電ユニット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。このため、燃料電池スタック内の面圧を測定する必要がある。

例えば、特許文献１に開示されている電池セルスタックが知られている。この電池セルスタックは、図１０に示すように、ＭＥＡとセパレータとが積層される複数の電池反応セル１を備えるとともに、前記電池反応セル１の積層方向両端には、締め付け板２、３が配設されている。締め付け板２、３間には、複数本のボルトと皿ばね（図示せず）とにより積層方向に締め付け荷重が付与されている。そして、複数のボルト４の中、所定のボルト４ａの軸部には、歪みセンサ５が設けられている。

これにより、電池セルスタックの充放電操作時の性能の低下や、積層されてなる電池反応セル１からの電解液の液漏れが生じる前に、電池セルスタックの異常を検出することができる、としている。

特開平６−２５１７９４号公報

しかしながら、上記の特許文献１では、複数のボルト４の中から選ばれた１本又は複数本のボルト４ａの軸部に、歪みセンサ５が設けられている。このため、特に発電面内の面圧分布を高精度に測定することができないという問題がある。

本発明はこの種の問題を解決するものであり、コンパクトな構成で、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とともに、発電時の正常な高電流の透過に影響を与えることがない、高性能な燃料電池スタックを提供することを目的とする。

本発明は、電解質膜の両側に一対の電極を設けた電解質膜・電極構造体と、金属プレートを波板状に成形した金属セパレータとが積層されるとともに、前記電解質膜・電極構造体と前記金属セパレータとの間に、電極面に沿って反応ガスを流通させる反応ガス流路が形成される燃料電池を備え、複数の前記燃料電池が積層される燃料電池スタックに関するものである。

この燃料電池スタックは、金属セパレータには、波板状の凹部又は凸部の断面形状に沿って貼り付けられる歪みゲージを有する締め付け荷重測定装置が設けられている。

また、歪みゲージは、反応ガス流路面とは反対の面に貼り付けられることが好ましい。

さらに、反応ガス流路面とは反対の面は、冷却媒体面であり、前記冷却媒体面に歪みゲージが貼り付けられることが好ましい。

さらにまた、反応ガス流路は、平面視で蛇行流路を構成するとともに、前記蛇行流路の屈曲部又は直線部の裏面に歪みゲージが貼り付けられることが好ましい。

本発明によれば、歪みゲージは、金属セパレータの面において、波板状の凹部又は凸部を跨ぐ任意の部位に容易に設けることができる。このため、歪みゲージの設置自由度が向上するとともに、コンパクトな構成で、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る。

しかも、歪みゲージは、通電部に干渉しない位置に貼り付けられている。従って、発電時の正常な高電流の透過に影響を与えることがなく、高性能な燃料電池スタックを得ることができる。

本発明の実施形態に係る燃料電池スタックの斜視説明図である。 前記燃料電池スタックの概略側面説明図である。 前記燃料電池スタックを構成する燃料電池の要部分解斜視説明図である。 前記燃料電池スタックの断面説明図である。 前記燃料電池スタックを構成する締め付け荷重測定装置の説明図である。 前記燃料電池の要部拡大説明図である。 前記締め付け荷重測定装置を構成する歪みゲージの取り付け位置の説明図である。 スタック締め付け荷重と歪みとの関係説明図である。 エンボス形状部に前記歪みゲージが貼り付けられる際の概略斜視説明図である。 特許文献１に開示されている電池セルスタックの斜視説明図である。

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スタック１０は、複数の燃料電池１２が矢印Ａ方向（水平方向又は鉛直方向）に積層されるとともに、前記燃料電池１２の積層方向一端には、ターミナルプレート１４ａ、絶縁プレート１６ａ及びエンドプレート１８ａが配設される。燃料電池１２の積層方向他端には、ターミナルプレート１４ｂ、絶縁プレート１６ｂ及びエンドプレート１８ｂが配設される。

図３及び図４に示すように、燃料電池１２は、電解質膜・電極構造体（ＭＥＡ）２０が、第１及び第２金属セパレータ２２、２４に挟持される。第１及び第２金属セパレータ２２、２４は、例えば、鋼板、ステンレス鋼板、アルミニウム板、めっき処理鋼板、あるいはその金属表面に防食用の表面処理を施した縦長形状の金属プレートにより構成される。第１及び第２金属セパレータ２２、２４は、平面が矩形状を有するとともに、金属製薄板を波板状にプレス加工することにより、断面凹凸形状に成形される。

燃料電池１２の矢印Ｃ方向（図３中、鉛直方向）の上端縁部には、積層方向である矢印Ａ方向に互いに連通して、酸化剤ガス、例えば、酸素含有ガスを供給するための酸化剤ガス入口連通孔２６ａ、冷却媒体を供給するための冷却媒体入口連通孔２８ａ、及び燃料ガス、例えば、水素含有ガスを供給するための燃料ガス入口連通孔３０ａが、矢印Ｂ方向に配列して設けられる。

燃料電池１２の矢印Ｃ方向の下端縁部には、矢印Ａ方向に互いに連通して、燃料ガスを排出するための燃料ガス出口連通孔３０ｂ、冷却媒体を排出するための冷却媒体出口連通孔２８ｂ、及び酸化剤ガスを排出するための酸化剤ガス出口連通孔２６ｂが、矢印Ｂ方向に配列して設けられる。

第１金属セパレータ２２の電解質膜・電極構造体２０に向かう面２２ａには、酸化剤ガス入口連通孔２６ａと酸化剤ガス出口連通孔２６ｂとに連通する酸化剤ガス流路３２が設けられる。酸化剤ガス流路３２は、矢印Ｃ方向に延在する複数本の蛇行流路溝３２ａを有するとともに、上流及び下流には、入口バッファ部３３ａ及び出口バッファ部３３ｂが設けられる。

第２金属セパレータ２４の電解質膜・電極構造体２０に向かう面２４ａには、燃料ガス入口連通孔３０ａと燃料ガス出口連通孔３０ｂとに連通する燃料ガス流路３４が設けられる。燃料ガス流路３４は、矢印Ｃ方向に延在する複数本の蛇行流路溝３４ａを有するとともに、上流及び下流には、入口バッファ部３５ａ及び出口バッファ部３５ｂが設けられる。

互いに隣接する燃料電池１２を構成する第１金属セパレータ２２の面２２ｂと、第２金属セパレータ２４の面２４ｂとの間には、冷却媒体入口連通孔２８ａと冷却媒体出口連通孔２８ｂとを連通する冷却媒体流路３６が設けられる。冷却媒体流路３６は、矢印Ｃ方向に延在する複数本の蛇行流路溝３６ａを有する。

第１金属セパレータ２２の面２２ａ、２２ｂには、第１シール部材３８が、一体的又は個別に設けられるとともに、第２金属セパレータ２４の面２４ａ、２４ｂには、第２シール部材４０が、一体的に又は個別に設けられる。

第１及び第２シール部材３８、４０は、例えば、ＥＰＤＭ、ＮＢＲ、フッ素ゴム、シリコンゴム、フロロシリコンゴム、ブチルゴム、天然ゴム、スチレンゴム、クロロプレーン、又はアクリルゴム等のシール材、クッション材、あるいはパッキン材を使用する。

電解質膜・電極構造体２０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４２と、前記固体高分子電解質膜４２を挟持するカソード側電極４４及びアノード側電極４６とを備える。

カソード側電極４４及びアノード側電極４６は、カーボンペーパ等からなるガス拡散層と、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とを有する。電極触媒層は、固体高分子電解質膜４２の両面に形成されている。

図１に示すように、エンドプレート１８ａ及びエンドプレート１８ｂ間には、複数本の連結部材５０が架け渡される。連結部材５０は、長尺な板状を有し、燃料電池スタック１０の長辺側に２本ずつで、且つ、前記燃料電池スタック１０の短辺側に１本ずつ配設される。連結部材５０の矢印Ａ方向の両端部は、ボルト５２を介してエンドプレート１８ａ及びエンドプレート１８ｂの側部に固定され、前記エンドプレート１８ａ、１８ｂ間には、積層方向に所定の締め付け荷重が付与される。なお、連結部材５０に代えて、長尺なボルトを使用してもよい。

エンドプレート１８ａには、酸化剤ガス入口連通孔２６ａ、燃料ガス入口連通孔３０ａ、酸化剤ガス出口連通孔２６ｂ及び燃料ガス出口連通孔３０ｂに連通する酸化剤ガス供給マニホールド５４ａ、燃料ガス供給マニホールド５６ａ、酸化剤ガス排出マニホールド５４ｂ及び燃料ガス排出マニホールド５６ｂが設けられる。エンドプレート１８ｂには、冷却媒体入口連通孔２８ａ及び冷却媒体出口連通孔２８ｂに連通する冷却媒体供給マニホールド５８ａ及び冷却媒体排出マニホールド５８ｂが設けられる。

図２に示すように、燃料電池スタック１０内には、積層方向略中央及び積層方向両端縁部に配置される燃料電池１２ｓに、それぞれ締め付け荷重測定装置６０が設けられる。燃料電池１２ｓは、図４及び図５に示すように、第２金属セパレータ２４ｓを備える。

第２金属セパレータ２４ｓは、燃料ガス流路３４側の面２４ａと反対の面２４ｂに、波板状の凹部（又は凸部）を跨いで歪みゲージ６２が貼り付けられる。歪みゲージ６２は、図６に示すように、第２金属セパレータ２４ｓのプレス断面に沿って応力が発生し易い箇所に、具体的には、凹部を跨ぐ位置又は凸部を跨ぐ位置に貼り付けられる。すなわち、歪みゲージ６２の歪み測定方向は、凹部又は凸部を跨いでいる。

図５に示すように、第２金属セパレータ２４ｓの冷却媒体流路３６は、燃料ガス流路３４の裏面形状であり、この燃料ガス流路３４を構成する蛇行流路溝３４ａの屈曲部６３ａ又は直線部６３ｂの裏面（蛇行流路溝３６ａの屈曲部又は直線部）に歪みゲージ６２が貼り付けられる（図７参照）。面２４ｂでは、冷却媒体流路３６の全領域内に所定数、例えば、左右に３列で且つ上下に５列の歪みゲージ６２が貼り付けられるとともに、各歪みゲージ６２から引き出されるリード線６４は、燃料電池スタック１０の外部で計測ユニット６６に接続される（図２参照）。

なお、歪みゲージ６２は、発電していない部位であれがよく、例えば、第２金属セパレータ２４ｓの燃料ガス流路３４側の面２４ａに、入口バッファ部３５ａ及び出口バッファ部３５ｂに貼り付けることも可能である。

このように構成される燃料電池スタック１０の動作について、以下に説明する。

先ず、図１及び図２に示すように、エンドプレート１８ａの酸化剤ガス供給マニホールド５４ａから酸化剤ガス入口連通孔２６ａに酸素含有ガス等の酸化剤ガスが供給されるとともに、燃料ガス供給マニホールド５６ａから燃料ガス入口連通孔３０ａに水素含有ガス等の燃料ガスが供給される。さらに、エンドプレート１８ｂの冷却媒体供給マニホールド５８ａから冷却媒体入口連通孔２８ａに純水やエチレングリコール、オイル等の冷却媒体が供給される。

このため、図３に示すように、酸化剤ガスは、酸化剤ガス入口連通孔２６ａから第１金属セパレータ２２の酸化剤ガス流路３２に導入される。酸化剤ガスは、矢印Ｃ方向に移動しながら、電解質膜・電極構造体２０を構成するカソード側電極４４に供給される。

一方、燃料ガスは、燃料ガス入口連通孔３０ａから第２金属セパレータ２４の燃料ガス流路３４に導入される。この燃料ガスは、矢印Ｃ方向に移動しながら、電解質膜・電極構造体２０を構成するアノード側電極４６に供給される。

従って、電解質膜・電極構造体２０では、カソード側電極４４に供給される酸化剤ガスと、アノード側電極４６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４４に供給されて消費された酸化剤ガスは、酸化剤ガス出口連通孔２６ｂに沿って矢印Ａ方向に移動し、エンドプレート１８ａの酸化剤ガス排出マニホールド５４ｂに排出される。一方、アノード側電極４６に供給されて消費された燃料ガスは、燃料ガス出口連通孔３０ｂに沿って矢印Ａ方向に移動し、燃料ガス排出マニホールド５６ｂに排出される。

また、冷却媒体入口連通孔２８ａに供給された冷却媒体は、第１及び第２金属セパレータ２２、２４間の冷却媒体流路３６に導入され、矢印Ｃ方向に流通する。この冷却媒体は、電解質膜・電極構造体２０を冷却した後、冷却媒体出口連通孔２８ｂに排出される。この冷却媒体は、エンドプレート１８ｂの冷却媒体排出マニホールド５８ｂに排出される。

この場合、本実施形態では、任意の燃料電池１２ｓを構成する第２金属セパレータ２４ｓには、複数の歪みゲージ６２を有する締め付け荷重測定装置６０が設けられている。このため、燃料電池スタック１０に付与されるスタック締め付け荷重は、各歪みゲージ６２から計測ユニット６６に入力される検出結果に基づいて、検出することができる。スタック締め付け荷重と歪みとの関係は、図８に示されている。

ここで、第２金属セパレータ２４ｓの面２４ｂ（燃料ガス流路３４側の面２４ａとは反対の面）には、波板状の凹部を跨いで歪みゲージ６２が貼り付けられている（図４及び図６参照）。従って、歪みゲージ６２は、第２金属セパレータ２４ｓの面２４ｂにおいて、凹部を跨ぐ任意の位置に容易に設けることが可能になる。これにより、歪みゲージ６２の設置自由度が向上するとともに、コンパクトな構成で、燃料電池スタック１０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。

しかも、歪みゲージ６２は、金属間接触部分（通電部）に干渉しない位置に貼り付けられている。このため、発電時の正常な高電流の透過に影響を与えることがなく、専用の通電機構を不要にして、簡単な構成で、高精度な燃料電池スタック１０を得ることが可能になるという効果が得られる。

また、歪みゲージ６２は、冷却媒体流路３６側の面２４ｂに設けられており、燃料ガス流路３４及び酸化剤ガス流路３２に前記歪みゲージ６２が設けられていない。従って、燃料ガス流路３４を流通する燃料ガスの流れや、酸化剤ガス流路３２を流通する酸化剤ガスの流れに影響を与えることがなく、良好な発電性能を確実に維持することができる。

さらにまた、歪みゲージ６２は、第２金属セパレータ２４ｓのプレス断面に沿って応力が発生し易い箇所、すなわち、波板状の凹部（又は凸部）を跨ぐ位置に貼り付けられている。これにより、第２金属セパレータ２４ｓに付与されるスタック締め付け荷重を高精度に検出することができ、燃料電池スタック１０全体の締め付け荷重の検出精度が容易に向上する。

その上、図５に示すように、第２金属セパレータ２４ｓの面内には、多数の歪みゲージ６２が貼り付けられている。このため、燃料電池１２ｓ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る。

また、歪みゲージ６２は、燃料ガス流路３４を構成する蛇行流路溝３４ａの屈曲部６３ａ又は直線部６３ｂの裏面に貼り付けられている（図７参照）。従って、歪みゲージ６２は、応力が発生し易い部位の裏面に貼り付けられ、第２金属セパレータ２４ｓの応力を精度良く検出することができる。

さらに、歪みゲージ６２を用いることにより、セル面内にフラッディング等の水溜りが発生した際、この水溜りを回避する処理を行うことが可能になる。具体的には、固体高分子電解質膜４２が給水によって膨潤すると、面圧が発生し、この面圧によって第２金属セパレータ２４ｓに歪みが発生する。

これにより、第２金属セパレータ２４ｓに貼り付けられている歪みゲージ６２が、この歪みを検出し、計測ユニット６６を介して発電システムに検出結果が入力される。このため、発生面圧が規定荷重を上回った際には、ガス圧力、流量、湿度等を制御することにより、セル面内の水溜りを解消する処理が行われる。

なお、第１の実施形態では、第２金属セパレータ２４の中、任意の第２金属セパレータ２４ｓの面２４ｂ（燃料ガス流路３４の裏面形状）に複数の歪みゲージ６２を設けているが、これに限定されるものではない。例えば、任意の第１金属セパレータ２２の面２２ｂ（酸化剤ガス流路３２の裏面形状）に複数の歪みゲージ６２を貼り付けてもよい。

さらにまた、図９に示すように、入口バッファ部３５ａ及び出口バッファ部３５ｂを構成するエンボス形状部７０の凹部又は凸部を跨ぐ任意の部位に歪みゲージ６２を貼り付けてもよい。

１０…燃料電池スタック １２、１２ｓ…燃料電池
１８ａ、１８ｂ…エンドプレート ２０…電解質膜・電極構造体
２２、２４…金属セパレータ ２４ｓ…金属セパレータ
２６ａ…酸化剤ガス入口連通孔 ２６ｂ…酸化剤ガス出口連通孔
２８ａ…冷却媒体入口連通孔 ２８ｂ…冷却媒体出口連通孔
３０ａ…燃料ガス入口連通孔 ３０ｂ…燃料ガス出口連通孔
３２…酸化剤ガス流路 ３２ａ、３４ａ、３６ａ…蛇行流路溝
３３ａ、３５ａ…入口バッファ部 ３３ｂ、３５ｂ…出口バッファ部
３４…燃料ガス流路 ３６…冷却媒体流路
３８、４０…シール部材 ４２…固体高分子電解質膜
４４…カソード側電極 ４６…アノード側電極
５０…連結部材 ６０…荷重測定装置
６２…歪みゲージ ６６…計測ユニット

Claims (4)

1. 電解質膜の両側に一対の電極を設けた電解質膜・電極構造体と、金属プレートを波板状に成形した金属セパレータとが積層されるとともに、前記電解質膜・電極構造体と前記金属セパレータとの間に、電極面に沿って反応ガスを流通させる反応ガス流路が形成される燃料電池を備え、複数の前記燃料電池が積層される燃料電池スタックであって、
   前記金属セパレータには、前記波板状の凹部又は凸部の断面形状に沿って貼り付けられる歪みゲージを有する締め付け荷重測定装置が設けられることを特徴とする燃料電池スタック。
2. 請求項１記載の燃料電池スタックにおいて、前記歪みゲージは、反応ガス流路面とは反対の面に貼り付けられることを特徴とする燃料電池スタック。
3. 請求項２記載の燃料電池スタックにおいて、前記反応ガス流路面とは反対の面は、冷却媒体面であり、前記冷却媒体面に前記歪みゲージが貼り付けられることを特徴とする燃料電池スタック。
4. 請求項２又は３記載の燃料電池スタックにおいて、前記反応ガス流路は、平面視で蛇行流路を構成するとともに、
   前記蛇行流路の屈曲部又は直線部の裏面に前記歪みゲージが貼り付けられることを特徴とする燃料電池スタック。

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