(57)【要約】【課題】燃料電池における燃料電池ユニットの締結力計測の簡便化をもたらす新たな手法を提供する。【解決手段】燃料電池１０は、対向する一対のエンドプレート１０ａの間に、燃料電池ユニット４０を積層して挟持し、燃料電池ユニット４０の各コーナ部位に締結シャフト１００を配設する。締結シャフト１００は、エンドプレート１０ａの貫通孔１２とシャフト先端の雌ネジ穴を重ねており、ボルト１０２は、エンドプレート１０ａの外側から貫通孔１２に挿入されて締結シャフト１００の雌ネジ穴に螺合して締め付けられ、燃料電池ユニット４０に積層方向の締結力を及ぼす。そして、このボルト１０２には、そのボルト頂上面に、ボルト１０２の長さ方向への超音波ビーム発射とボルト先端端面から反射した超音波ビーム受信を行う超音波探触子１１０を装着している。【選択図】図１
2010211992.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池であって、
対向する一対のエンドプレートと、
該一対のエンドプレートの間に積層挟持され、水素と酸素の電気化学反応によって発電する燃料電池ユニットと、
前記積層された燃料電池ユニットの周囲において前記一対のエンドプレートの間に配設され、両端にネジ穴を有するシャフトと、
前記エンドプレートの外側から前記エンドプレートの貫通孔に挿入されて前記シャフトのネジ穴に螺合し、前記エンドプレートの間の前記積層された燃料電池ユニットに積層方向の締結力を及ぼすボルトと、
該ボルトに装着され、超音波を利用してボルト軸力を計測する超音波ボルト軸力計測探触子と、
該超音波ボルト軸力計測探触子を、締結力計測の際に超音波を利用した計測のために駆動する計測制御手段とを備える
燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、対向する一対のエンドプレートの間に燃料電池ユニットを複数積層して締結した燃料電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は、発電電力を得るに当たり、積層済みのそれぞれの燃料電池ユニットに水素ガスや酸素含有ガス（例えば、空気）を供給する都合上、燃料電池ユニットを積層した上で気密な状態とすることが不可欠である。積層された燃料電池ユニットの気密化は、積層済みの燃料電池ユニットに積層方向の締結力を及ぼすことでなされており、締結力は気密性に大きな影響を与える。このため、締結力を歪みセンサーにて計測する技術が提案されている（特許文献１）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００８−１３５３３１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
歪みゲージは、歪みを電気信号に変換するという機構上、その装着対象物に歪みが生じるたびにその歪みに応じた検出信号を出力する。そして、例えば燃料電池を車両に搭載した場合には、車両走行に伴う振動が常時起きるため、燃料電池にもこうした振動が伝搬して、歪みゲージは継続して検出信号を出力する。つまり、歪みゲージは、その機構の特性上、耐久性に限界があり、定期的な点検や交換といった保守作業を要し煩雑であった。
【０００５】
本発明は、上記した課題を踏まえ、燃料電池における燃料電池ユニットの締結力計測の簡便化をもたらす新たな手法を提供することをその目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記した目的の少なくとも一部を達成するために、本発明では、以下の構成を採用した。
【０００７】
燃料電池であって、
対向する一対のエンドプレートと、
該一対のエンドプレートの間に積層挟持され、水素と酸素の電気化学反応によって発電する燃料電池ユニットと、
前記積層された燃料電池ユニットの周囲において前記一対のエンドプレートの間に配設され、両端にネジ穴を有するシャフトと、
前記エンドプレートの外側から前記エンドプレートの貫通孔に挿入されて前記シャフトのネジ穴に螺合し、前記エンドプレートの間の前記積層された燃料電池ユニットに積層方向の締結力を及ぼすボルトと、
該ボルトに装着され、超音波を利用してボルト軸力を計測する超音波ボルト軸力計測探触子と、
該超音波ボルト軸力計測探触子を、締結力計測の際に超音波を利用した計測のために駆動する計測制御手段とを備える
ことを要旨とする。
【０００８】
上記構成の燃料電池では、対向する一対のエンドプレートの間に積層挟持した燃料電池ユニットの締結力の計測に、その締結力を及ぼすボルトに装着した超音波ボルト軸力計測探触子を用い、当該探触子を計測制御手段により、締結力計測の際に超音波を利用した計測のために駆動する。よって、ボルト装着済みの超音波ボルト軸力計測探触子は、燃料電池が置かれた環境により生じる振動等の影響を受けて駆動するようなことがないので、耐久性の上から好ましい。このことは、保守点検の頻度の低減を意味し、作業の簡便化をもたらす。また、超音波ボルト軸力計測探触子の装着に際しては、エンドプレートの外側からシャフトのネジ穴に螺合したボルトの適宜箇所、例えばボルト頂上やボルトヘッド周壁に超音波ボルト軸力計測探触子を装着すればよいので、探触子装着のための特段の機械加工が不要となり、簡便である。この他、次のような利点もある。
【０００９】
燃料電池ユニットを積層させた燃料電池では、ユニットの締結力確保のみならず、機器としての強固さも必要とされる。こうした強固さは、シャフトを大径化することで達成できるが、大径化する分だけ、シャフトの歪みは起きにくく歪み程度も小さくなる。このため、歪みゲージを利用した既存技術では、締結力検出の感度低下が危惧される。しかしながら、上記構成の燃料電池での締結力計測では、ボルトに装着した超音波ボルト軸力計測探触子を用いるので、大径のシャフトであっても感度よく締結力を計測できる。そして、締結力の検出感度の向上により、締結力変化に基づく燃料電池ユニットでのガスリークや短絡の回避の実効性も高まる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明の実施例としての燃料電池１０の概略構成を示す説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下、本発明の実施の形態について、その実施例を図面に基づき説明する。図１は本発明の実施例としての燃料電池１０の概略構成を示す説明図である。
【００１２】
図示するように、燃料電池１０は、水素と酸素との電気化学反応によって発電する燃料電池ユニット４０を、一対のエンドプレート１０ａの間に複数積層させて挟持したスタック構造として備える。各燃料電池ユニット４０は、プロトン伝導性を有する電解質膜の両面に、それぞれ、アノード、および、カソードを接合してなる膜電極接合体を、セパレータによって挟持することによって構成されている。膜電極接合体において、アノード、および、カソードは、それぞれ、電解質膜の各表面に接合された触媒層と、この触媒層の表面に接合されたガス拡散層とを備えている。本実施例では、電解質膜として、ナフィオン（登録商標）等の固体高分子膜を用いるものとした。電解質膜として、固体酸化物等、他の電解質膜を用いるものとしてもよい。各セパレータには、アノードに供給すべき燃料ガスとしての水素の流路や、カソードに供給すべき酸化剤ガスとしての空気の流路や、冷却用の冷媒の流路が形成されている。なお、燃料電池ユニット４０の積層数は、燃料電池１０に要求される出力に応じて任意に設定可能である。
【００１３】
燃料電池１０は、上記したスタック構造の燃料電池ユニット４０を対向する一対のエンドプレート１０ａで挟持するに当たり、エンドプレート１０ａの側にそれぞれ絶縁板２０ａと集電板３０ａとを介在させる。そして、エンドプレート１０ａと絶縁板２０ａおよび集電板３０ａには、それぞれの燃料電池ユニット４０に水素給排、空気給排、および冷媒給排のための供給口・排出口が設けられている。また、それぞれの燃料電池ユニット４０は、水素や、空気や、冷媒の分配供給の供給マニホールド（水素供給マニホールド、空気供給マニホールド、冷媒供給マニホールド）や、各燃料電池ユニット４０のカソード・アノードから排出されるオフガスや、冷媒を集合させて燃料電池１０の外部に排出するための排出マニホールド（カソードオフガス排出マニホールド、アノード排出マニホールド、冷媒排出マニホールド）を備える（図示省略）。
【００１４】
エンドプレート１０ａは、剛性を確保するため、鋼等の金属によって形成されている。絶縁板２０ａは、ゴムや、樹脂等の絶縁性部材によって形成されている。集電板３０ａは、緻密質カーボンや、銅板などのガス不透過な導電性部材によって形成されている。集電板３０ａには、それぞれ、図示しない出力端子が設けられており、燃料電池１０で発電した電力を出力可能となっている。
【００１５】
燃料電池１０は、４本の締結シャフト１００を備える。締結シャフト１００は、その両端に図示しない雌ネジ穴を備え、当該ネジ穴がエンドプレート１０ａの貫通孔１２と重なるようにして、対向する一対のエンドプレート１０ａの間におけるスタック構造の燃料電池ユニット４０の周囲、詳しくは各コーナ部位に配設される。この場合、エンドプレート１０ａと締結シャフト１００との位置決めを図るため、締結シャフト１００の両端に貫通孔１２に入り込むボスを設けるようにすることもできる。
【００１６】
それぞれの締結シャフト１００は、上記したように配設された上で、エンドプレート端面に当接し、この状態で、ボルト１０２がエンドプレート１０ａの外側から貫通孔１２に挿入される。そして、ボルト１０２は、締結シャフト１００の図示しない雌ネジ穴に螺合して締め付けられる。このボルト締め付けにより、エンドプレート１０ａの間のスタック構造の燃料電池ユニット４０のそれぞれには、積層方向の締結力が及ぶことになる。本実施例では、ボルト１０２を六角ボルトとし、その締め付けに際しては、平座金或いはバネ座金等の座金１０３を併用した。
【００１７】
また、締結シャフト１００は、少なくとも一つのボルト１０２に超音波探触子１１０を備える。この超音波探触子１１０は、ボルト１０２のボルトヘッド頂上面に、適宜な接着剤にて密着して装着・固定されている。超音波探触子１１０は、燃料電池１０の種々の制御を司る制御ユニット２００と接続され、制御ユニット２００からの制御信号を受けて、探触子端面からボルト１０２の長さ方向へ超音波ビームを発射し、ボルト１０２のボルト先端端面から反射した超音波ビームを受信して、その受信信号を制御ユニット２００に出力する。つまり、超音波探触子１１０は、制御ユニット２００による締結力計測の際に限り、上記した超音波ビームの発射と、反射した超音波ビームの受信信号出力を行う。そして、制御ユニット２００は、論理演算を行うＣＰＵやＲＯＭ、ＲＡＭを備えたコンピューターとして構成され、超音波探触子１１０からの超音波ビーム発射から反射超音波ビーム受信までの時間（計測時間）に基づいて、ボルト１０２の軸力、即ちボルト１０２の締め付け締結による締結力を演算する。ボルト１０２は、締め付けによりボルトの伸びを起こし、その伸びはボルト軸力と高い相関を持つと共に、反射超音波ビームの受信までの計測時間にも高い相関を持つので、この原理を利用して、制御ユニット２００は、ボルト１０２のボルト径や上記の計測時間を変数としてボルト軸力、即ち締結力を演算する。なお、制御ユニット２００は、ボルト１０２がシャフト先端の雌ネジ穴に螺合しただけで締結力を及ばしていない状況での上記した計測時間（基準計測時間）を記憶しており、この基準計測時間と上記した計測の都度の計測時間との時間差を、締結力演算に用いる。
【００１８】
制御ユニット２００は、超音波探触子１１０からのセンサー入力（反射超音波ビーム受信信号）を経て、上記したように締結力を演算し、その演算した締結力が、予め定めた所定の大きさの基準締結力を下回ると、ランプ２１０を点灯制御したり、水素ガスや空気の供給系のバルブ２２０の開弁制御を行う。
【００１９】
以上説明したように、本実施例の燃料電池１０によれば、対向する一対のエンドプレート１０ａの間にスタック構造で積層挟持した燃料電池ユニット４０の締結力の計測に、その締結力を及ぼすボルト１０２に装着した超音波探触子１１０を用い、当該探触子は、制御ユニット２００により、締結力計測の際に、例えば、図示しないイグニッションキー操作時や、所定期間ごとの定期計測時においてのみ、超音波ビームの発射・反射超音波ビームの受信を行う。よって、ボルト１０２に装着済みの超音波探触子１１０は、燃料電池１０が置かれた環境、例えば燃料電池搭載車両の走行に伴い生じる振動等の影響を受けて、超音波ビームの発射・反射超音波ビームの受信を行うようなことがない。この結果、本実施例の燃料電池１０によれば、締結力計測を行う上での耐久性が高まり、好ましい。しかも、超音波探触子１１０の保守点検の頻度を低減できるので、作業の簡便化を図ることができる。
【００２０】
また、超音波探触子１１０の装着に際しては、エンドプレート１０ａの外側から締結シャフト１００の先端のネジ穴に螺合したボルト１０２のボルト頂上面に超音波探触子１１０を密着させて装着固定すれば済む。よって、超音波探触子１１０の装着のための特段の機械加工、例えば締結シャフト１００が丸棒である場合のセンサー装着面のフライス加工が不要となり、簡便である。
【００２１】
また、燃料電池１０では、締結シャフト１００を燃料電池全体としての強度確保のために必要な太さにしても、ボルト１０２に装着した超音波探触子１１０による超音波を利用した締結力計測に影響を与えない。しかしながら、既述した既存技術のように歪みゲージを締結シャフト１００に装着する手法では、シャフトが太くなる分だけシャフトの歪みは起きにくく歪み程度も小さくなるので、締結力検出の感度低下が危惧される。よって、本実施例の燃料電池１０によれば、締結シャフト１００を装置強度確保の上から大径としても、高い感度で締結力を計測できる。そして、締結力の検出感度の向上により、締結力変化に基づく燃料電池ユニット４０でのガスリークや短絡を、ランプ２１０での点灯報知やバルブ２２０の開弁制御を経て高い実効性で回避できる。
【００２２】
本発明は上記した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、種々の態様で実施可能である。例えば、超音波探触子１１０を、ボルト長さ方向への探触子端面からの超音波ビーム発射と、ボルト先端端面からの反射超音波ビームの受信とを行うものとしたが、これに限られるものではない。六角ボルトのヘッドにおいて対向する周壁の一方の周壁から発射した超音波ビームを他方の周壁において受信する場合、この透過超音波ビームの受信状況は、ボルトの軸力並びにボルトの伸びに依存する。よって、ボルト１０２のボルトヘッドにおける周壁から超音波ビームを発射し、対向する他方の周壁において透過超音波ビームを受信する超音波探触子を用いることもできる。
【００２３】
また、超音波探触子１１０を締結力計測の際にボルト１０２に装着して、制御ユニット２００による超音波ビーム発射・受信を行って、締結力を計測する方法としても適用できる。
【符号の説明】
【００２４】
１０…燃料電池
１０ａ…エンドプレート
１２…貫通孔
２０ａ…絶縁板
３０ａ…集電板
４０…燃料電池ユニット
１００…締結シャフト
１０２…ボルト
１０３…座金
１１０…超音波探触子
２００…制御ユニット
２１０…ランプ
２２０…バルブ
【図１】
2010211992.tif 000003