(57)【要約】【課題】燃料電池システムにおいて、スペース効率を低下することなく電力を蓄積できる機能を提供する。【解決手段】  電動機２と、回転力を受けることにより所定の中心軸の周りに回転可能な燃料電池１と、前記電動機２の回転力を前記燃料電池１に遮断可能に接続するクラッチ部４と、前記燃料電池の負荷からの要求電力を検出する手段１３と、前記燃料電池の出力電力が前記要求電力を超える場合に、前記要求電力を超える出力電力を前記電動機に入力することにより前記クラッチ部によって接続された燃料電池の回転エネルギとして余剰電力を蓄積し、前記燃料電池の出力電力が前記要求電力を満たさない場合に、前記クラッチ部によって接続された燃料電池の回転エネルギにより前記電動機を駆動して発電し、発生した電力を前記出力電力とともに負荷に供給する制御手段３、５とを備える。【選択図】図１
2006333638.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電動機と、
回転力を受けることにより所定の中心軸の周りに回転可能な燃料電池と、
前記電動機の回転力を前記燃料電池に遮断可能に接続するクラッチ部と、
前記燃料電池の負荷からの要求電力を検出する手段と、
前記燃料電池の出力電力が前記要求電力を超える場合に、前記要求電力を超える余剰電力を前記電動機に入力することにより前記クラッチ部によって接続された燃料電池の回転エネルギとして余剰電力を蓄積し、前記燃料電池の出力電力が前記要求電力を満たさない場合に、前記クラッチ部によって接続された燃料電池の回転エネルギにより前記電動機を駆動して発電し、発生した電力を前記出力電力とともに負荷に供給する制御手段とを備える燃料電池システム。
【請求項２】
前記燃料電池システムは、移動体に搭載され、移動体による衝突を検知する手段を備え、
前記燃料電池は、前記中心軸の周りに回転可能な複数のセル部分と、前記セル部分を前記中心軸方向に締結する締結手段と、前記衝突が検知されたときに前記締結を弛緩させて各セル部分に分解する締結弛緩手段とを有する請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項３】
前記燃料電池は、
前記中心軸の周りに回転可能な複数のセル部分と、
前記セル部分と締結可能であり、締結力を弛緩させたときに前記セル部分と摺動可能に構成され、前記中心軸の周りに回転可能な摩擦体と、
前記摩擦体の前記セル部分への締結力を制御する締結制御手段と、
前記摩擦体の回転を抑制する回転抑制手段と、を有する請求項１に記載の燃料電池システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、燃料電池の余剰電力を蓄積し、電力の有効利用を図るため、燃料電池と二次電池を組み合わせたシステムが提案されている（例えば、特許文献１参照）。この文献に記載の技術では、車両に燃料電池と二次電池を搭載し、制動時等に発生する回生電力および余剰電力を二次電池に蓄積している。また、特許文献２に記載の技術では、燃料電池にフライホイールを設け、余剰電力を回転エネルギとして蓄積している。これら従来の技術では、電力を有効活用し、投入する燃料ガス量に対して利用できる電力量比率、すなわち、燃料利用率を高めることができる。
【０００３】
しかし、これら従来技術によるシステムでは、燃料電池以外に二次電池あるいはフライホールといったエネルギを蓄積する装置のスペースが必要となる。したがって、このような技術は、積載効率を向上する必要がある車両には不向きなものであった。
【特許文献１】特開２００２−１１８９７９号公報
【特許文献２】特開平５−２１７５８８号公報
【特許文献３】特開２００２−２０８４２３号公報
【特許文献４】特開平２０００−３４８７５３号公報
【特許文献５】特開平２００３−２０８９１７号公報
【特許文献６】特開平２００１−１０２０８１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
本発明は、上記従来技術の問題点に鑑みてなされた。すなわち、本発明の目的は、燃料電池を動力源とする燃料電池システムにおいて、スペース効率を低下することなく電力を蓄積できる機能を提供することにある。また、本発明の目的は、そのようなスペース効率の低下を抑制した上で、緊急の場合には、安全に蓄積したエネルギを消滅させる技術を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明は前記課題を解決するために、以下の手段を採用した。すなわち、本発明は、電動機と、回転力を受けることにより所定の中心軸の周りに回転可能な燃料電池と、前記電動機の回転力を前記燃料電池に遮断可能に接続するクラッチ部と、前記燃料電池の負荷からの要求電力を検出する手段と、前記燃料電池の出力電力が前記要求電力を超える場合に、前記要求電力を超える余剰電力を前記電動機に入力することにより前記クラッチ部によって接続された燃料電池の回転エネルギとして余剰電力を蓄積し、前記燃料電池の出力電力が前記要求電力を満たさない場合に、前記クラッチ部によって接続された燃料電池の回転エネルギにより前記電動機を駆動して発電し、発生した電力を前記出力電力とともに負荷に供給する制御手段とを備える燃料電池システムである。
【０００６】
本発明によれば、燃料電池の出力電力が前記要求電力を超える場合に、前記要求電力を超える余剰電力を前記電動機に入力することにより前記クラッチ部によって接続された燃料電池の回転エネルギとして余剰電力を蓄積する。また、前記燃料電池の出力電力が前記要求電力を満たさない場合に、前記クラッチ部によって接続された燃料電池の回転エネルギにより前記電動機を駆動して発電し、発生した電力を前記出力電力とともに負荷に供給する。すなわち、燃料電池自体の回転を利用し、それ以外にエネルギ蓄積手段を設けることなく、余剰エネルギを利用することができる。
【０００７】
前記燃料電池システムは、移動体に搭載され、移動体による衝突を検知する手段を備え、前記燃料電池は、前記中心軸の周りに回転可能な複数のセル部分と、前記セル部分を前記中心軸方向に締結する締結手段と、前記衝突が検知されたときに前記締結を弛緩させて各セル部分に分解する締結弛緩手段とを有するようにしてもよい。本発明によれば、移動体の衝突が検知されたときに、燃料電池が各セル部分に分解され、燃料電池の回転エネルギを小さな単位に分散でき、安全性を向上できる。
【０００８】
前記燃料電池は、前記中心軸の周りに回転可能な複数のセル部分と、前記セル部分と締結可能であり、締結力を弛緩させたときに前記セル部分と摺動可能に可能に構成され、前記中心軸の周りに回転可能な摩擦体と、前記摩擦体の前記セル部分への締結力を制御する締結制御手段と、前記摩擦体の回転を抑制する回転抑制手段と、を有するものでもよい。本発明によれば、セル部分とセル部分とに挟まれた摩擦体とセル部分との摩擦により熱を発生させるので、効率的にセル部分を加熱することができる。
【発明の効果】
【０００９】
燃料電池システムのスペース効率を低下することなく、電力として再利用可能なエネルギを蓄積できる。また、そのようなスペース効率の低下を抑制した上で、緊急の場合には、蓄積したエネルギを速やかに低減させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
以下、図面を参照して本発明を実施するための最良の形態（以下、実施形態という）に係る燃料電池システムについて説明する。以下の実施形態の構成は例示であり、本発明は実施形態の構成に限定されない。
《第１実施形態》
図１は、本発明の第１実施形態に係る燃料電池システムの構成図である。この燃料電池システムは、車両として実現されている。この燃料電池システムは、車両の各部に電力を供給する燃料電池本体１を有している。この燃料電池は、所定の中心軸の周りに回転可能に構成されている。
【００１１】
この燃料電池システムは、電力ケーブル１０を通じて燃料電池本体から発電電力を受け入れ、車両の各部に給電するＰＣＵ（電力制御ユニット、Power Control Unit）３と、ＰＣＵ３から電力を供給され車輪２０を駆動するとともに、電力余剰時に回生電力としてＰＣＵ３に送り返す駆動・回生モータ７と、ＰＣＵ３から余剰な電力の供給を受けて燃料電池本体１を中心軸周りに回転させるとともに、電力不足時に燃料電池本体１の回転エネルギを電気エネルギに変換してＰＣＵ３に送り返すモータ２と、モータ２の駆動軸９と燃料電池本体１を回転させる駆動軸８とを接続するクラッチ４と、車両の運転席に設けられ運転者の加速・減速操作を検知するアクセルペダル１３（本発明の要求電力を検出する手段に相当）と、運転者の減速・停車指示を検知するブレーキペダル１４と、車両の衝突事故発生時等に加速度を検知する加速度センサ５０（本発明の衝突を検知する手段に相当）と、アクセルペダル１３、ブレーキペダル１４、加速度センサ５０等による運転操作を検知し、燃料電池システムの運転状態を制御するＥＣＵ（Electronic Control Unit）５とを有している。
【００１２】
駆動・回生モータ７は、加速時には、ＰＣＵ３から電力供給を受けて車輪２０を駆動して車両を加速する。一方、駆動・回生モータ７は、車両の減速時には、発電機として機能し、回生電力をＰＣＵ３に供給する。
【００１３】
同様に、モータ２は、電力余剰時には、駆動軸９、クラッチ４および駆動軸８を介して燃料電池本体１と回転可能に接続され、燃料電池本体１を中心軸の周りに回転する。一方、電力の不足時には、モータ２は、回転している燃料電池本体１により駆動軸９を駆動されて発電機として機能する。この場合には、モータ２は、電力をＰＣＵ３に供給する。
【００１４】
クラッチ４（本発明のクラッチ部に相当）は、単板摩擦式のもの、多板摩擦式のもの、電磁流体を利用するもの、あるいは、流体結合のように連続的に回転を結合制御する形式のもの等を使用できる。
【００１５】
燃料電池本体１（本発明の燃料電池に相当）は、円盤状の単セルを複数枚重ね合わせた略円筒状の回転可能なスタックと、その円筒部分の中心付近に配置された酸化剤用配管および燃料ガス用配管を組み合わせた接合パイプとを有している。接合パイプを通じて、酸化剤および燃料ガスが供給される。一方、排気、廃熱、および生成水は、円筒外周部から排出される。
【００１６】
ＰＣＵ３は、例えば、ＤＣＤＣコンバータおよびインバータを含む。ＤＣＤＣコンバータは、入力端子（燃料電池側との接続端子）に入力された電圧を高電圧または低電圧に変換して出力端子に供給する。インバータは、ＤＣＤＣコンバータの出力を交流に変換にしてモータ２あるいは駆動・回生モータ７に供給する。これにより、ＰＣＵ３は、燃料電池の発電電力をモータ２あるいは駆動・回生モータ７に供給する。
【００１７】
一方、燃料電池本体１からＤＣＤＣコンバータへの入力がない場合またはその入力が燃料電池本体１を含むモータ２等の回転エネルギより少ない場合には、燃料電池本体１の回転によってモータ２が回転を強制されることにより起電力が発生し、交流電力がＰＣＵ３のインバータに送り返される。ＰＣＵ３は、インバータに送り返された電力を駆動・回生モータ７に供給する。このようにして、ＰＣＵ３は、モータ２と駆動・回生モータ７との間で、電力を授受できる。
【００１８】
図２に、燃料電池本体１の断面概要図を示す。燃料電池本体１は、概略円筒状に構成される。燃料電池本体１の円筒部の中心軸上には、燃料ガスを供給する燃料ガス配管３０Ａと酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス配管３０Ｂとを組み合わせて構成した配管３０が貫通している。配管３０の一方の端部（図２で右側端部）は、所定の固定壁に固定されている。
【００１９】
燃料電池本体１を構成する単セル１５は概略円盤状であり、配管３０が貫通する中心付近に孔部を有している。単セル１５は、配管３０の長さ方向に積層され、スタックを構成している。
【００２０】
配管３０の右側端部付近には、ストッパ３１およびベアリング２４が備えられている。さらに、ストッパ３１およびベアリング２４に隣接して右側のエンドプレート３７Ｂおよび右端部の単セル１５Ｂが配置されている。
【００２１】
一方、燃料電池本体１の左側には、油圧ピストン等の締結力調整機構２３（本発明の提携手段に相当）の駆動部が備えられている。締結力調整機構２３は、ベアリング２４を介してスタックを図面左側から右方向に押圧する。スタックの左端部には、左側のエンドプ
レート３７Ａおよび左端部の単セル１５Ａが配置されている。図２では、省略されているが、左端部の単セル１５Ａから右端部の単セル１５Ｂまで、複数層に渡ってスタックが構成されている。以下、個々の単セルを総称する場合に、単セル１５という。
【００２２】
各単セル１５および左右のエンドプレート３７Ａ、３７Ｂは、配管３０の外周の周りを摺動しつつ回転可能に構成されている。また、各単セル１５同士は、締結力調整機構２３の押圧力により、左右のエンドプレート３７Ａ、３７Ｂの間で一体化されている。ただし、締結力調整機構２３の押圧力を緩めることにより、各単セル１５を離間させることもできる。
【００２３】
本実施形態の燃料電池システムでは、図１に示したように、加速度センサ５０が車両に加わる加速度を検知し、ＥＣＰ５に通知する。ＥＣＵ５は、所定値以上の加速度が検知された場合には、衝突事故が発生したと判断し、かつスタックの回転エネルギが所定値以上である場合に、締結力調整機構２３の押圧力を解除する（この処理を実行するＥＣＵ５が締結弛緩手段に相当）。その結果、エンドプレート３７Ａの各単セル１５への圧力が消滅し、エンドプレート３７Ａ、３７Ｂおよびエンドプレート３７Ａ、３７Ｂ間の各単セルがそれぞれ切り離される。その結果、所定値以上の大きな回転エネルギを有していたスタックが分解され、それぞれの部分が小さな運動エネルギを有する物体となり、運動エネルギが分散される。
【００２４】
左側のエンドプレート３７Ａは、配管３０の外周を摺動回転するパイプ材３３を通じてギア２１に接続されている。ギア２１は、ギア８Ａと咬み合っている。ギア８Ａは、クラッチ４（図１参照）を通じてモータ２に接続される駆動軸８と直結されている。したがって、モータ２により、ギア２１、パイプ材３３、左右のエンドプレート３７Ａ、３７Ｂ、およびスタック（単セル１５）が配管３０の周りに回転可能に構成されている。
【００２５】
さらに、スタック全体を被覆するガスシール３４がスタックとは分離して配管３０およびストッパ３１に固定されている。ガスシール３４の一端には、開口３５が設けられ、反応後のオフガスが排出される。
【００２６】
図３に、ガスシール３４を省略した燃料電池本体１の断面構造図を示す。図３のように、単セル１５は、水素極セパレータ２５、ＭＥＡ（Membrane Electrode Assembly）２６、および空気極セパレータ２７を有している。
【００２７】
水素極セパレータ２５は、中心軸付近を貫通する円筒状の孔部を有し、その孔部の内壁が配管３０の外周に摺動可能に接している。一方、配管３０を構成する燃料ガス配管３０Ａには、水素極セパレータ２５に接する位置にて、外周上に所定の間隔で開口２８Ａが設けられている。そして、この開口２８Ａに対向する水素極セパレータ２５の円筒状の孔部内壁には、配管３０を取り巻く円周状のスリット２８Ｂが設けられている。このスリット２８Ｂは、水素極セパレータ２５内の燃料ガス通路によって水素極側の電極に接続されている。
【００２８】
したがって、水素極セパレータ２５が配管３０の周りに回転しても、開口２８Ａは、常時スリット２８Ｂと接続された状態を維持する。さらに、水素極セパレータ２５の円筒状の孔部内壁面および配管３０の外周面には、封止部材が付加されている。封止部材は、例えば、シリコンゴムである。シリコンゴムの代わりに多数のひだを有する迷宮シール（ラビリンスシール）を添付してもよい。このような封止部材により、開口２８Ａとスリット２８Ｂは、気密が維持された状態で接続される。
【００２９】
その結果、燃料ガスである水素は、配管３０と水素極セパレータ２５との接続部から漏
れることなく、開口２８Ａから円周状のスリット２８Ｂに向けて放出されることになる。スリット２８Ｂに放出された水素は、水素極セパレータ２５の回転に伴い、水素極セパレータ２５内の燃料ガス通路を移動し、水素極側の電極に達する。
【００３０】
同様に、空気極セパレータ２７は、中心軸付近を貫通する円筒状の孔部を有し、その孔部の内壁が配管３０の外周に摺動可能に接している。また、配管３０を構成する酸化剤ガス配管３０Ｂにおいてもまた、空気極セパレータ２７に接する位置にて、外周上に所定の間隔で開口２９Ａが設けられている。そして、この開口２９Ａに対向する空気極セパレータ２７の円筒状の孔部内壁には、配管３０を取り巻く円周状のスリット２９Ｂが設けられている。このスリット２９Ｂは、空気極セパレータ２７内の酸化剤ガス通路によって空気極側の電極に接続されている。
【００３１】
したがって、空気極セパレータ２７が配管３０の周りに回転しても、開口２９Ａは、常時スリット２９Ｂと接続された状態を維持する。さらに、空気極セパレータ２７の円筒状の孔部内壁面および配管３０の外周面にも、上述と同様の封止部材が付加されている。このような封止部材により、開口２９Ａとスリット２９Ｂは、気密が維持された状態で接続される。
【００３２】
その結果、酸化剤ガスである空気は、開口２９Ａから円周状のスリット２９Ｂに向けて放出されることになる。スリット２９Ｂに放出された空気は、空気極セパレータ２７の回転に伴い、空気極セパレータ２７内の酸化剤ガス通路を移動し、空気極側の電極に達する。
【００３３】
水素極セパレータ２５と空気極セパレータ２７の間には、円盤状のＭＥＡ２６が設けられている。ＭＥＡ２６も、円筒状の孔部を有し、配管３０の外周に摺動回転可能に接している。水素極セパレータ２５に供給された水素は、水素極側の電極にて電子を奪われてプロトンとなり、ＭＥＡ２６を拡散し、空気極側に達する。
【００３４】
空気極側の電極では、外部回路を通った電子と、ＭＥＡ２６を拡散したプロトンと、空気中の酸素が結合して水が生成される。このような反応を継続することにより、単セル１５内の電極両端に起電力が発生し、単セル１５を積層したスタックが燃料電池として機能する。
【００３５】
上記反応で生成された水、反応に寄与しなかった燃料ガスおよび空気（以下、オフガス等という）は、それぞれ水素極セパレータ２５と空気極セパレータ２７の外周に設けた不図示の開口からガスシール３４で被覆された空間に放出される。そして、オフガス等は、ガスシール３４に設けた開口３５から排出される。
【００３６】
なお、図２の断面図において、左側のエンドプレート３７Ａとガスシール３４との接触部分３４Ａにも、シリコンゴム、あるいは、迷宮シールのような封止部材が付加されている。したがって、ガスシール３４内のオフガスの大半は、エンドプレート３７Ａとガスシール３４との接触部分３４Ａから漏れることなく、開口３５から排出される。
【００３７】
図１により、本燃料電池システムを制御するＥＣＵ５の処理を説明する。ＥＣＵ５は、アクセルペダル１３の傾きの変化に伴うセンサ信号を検知して、要求電力を計算する。要求電力が燃料電池本体１の最低発電電力よりもさらに小さい場合には、ＥＣＵ５は、ＰＣＵ３に指令して、発電電力の一部を駆動・回生モータ７に送り、車両を走行させるとともに、余剰電力をモータ２に供給する（以下の処理を実行するＥＣＵ５およびＰＣＵ３が本発明の制御手段に相当する）。
【００３８】
そして、ＥＣＵ５は、クラッチ４を接続し、モータ２により、駆動軸８、ギア８Ａ、２１を駆動し（図２および図３参照）、燃料電池本体１を配管３０の周りに回転させる。その結果、要求電力以上の余剰電力は、燃料電池本体１の回転エネルギとして蓄積される。
【００３９】
一方、要求電力が燃料電池本体１の最低発電電力より大きい場合には、ＥＣＵ５は、クラッチ４を切断して燃料電池本体１への回転力の投入を停止する。さらに、ＥＣＵ５は、不図示の燃料ガス系のバルブのおよび酸化剤系のバルブおよびエアーコンプレッサ等を制御して、水素ガスおよび空気の供給量を増加させ、発電電力を増加させる。そして、要求電力が燃料電池本体１の最高発電電力より大きい場合には、ＥＣＵ５は、ＰＣＵ３を制御してモータ２へのモータ駆動電力の供給を停止し、その状態でクラッチ４を接続する。
【００４０】
すると、モータ２は、クラッチ４を介して燃料電池本体１の回転エネルギにより駆動され、発電機として機能する。このとき、ＰＣＵ３は、モータ２で発電された電力を駆動・回生モータ７に供給する。その結果、燃料電池本体１で発電された電力に加えて、燃料電池本体１の回転エネルギから変換されたモータ２の発電電力により駆動・回生モータ７が駆動されることになる。
【００４１】
また、ＥＣＵ５は、ブレーキペダル１４の傾きの変化に伴うセンサ信号を検知して、駆動・回生モータ７を減速する。減速の結果、回生電力が生成され、ＰＣＵ３を通じてモータ２に供給される。この場合も、ＥＣＵ５は、クラッチ４を接続し、モータ２により、燃料電池本体１を配管３０の周りに回転させる。その結果、減速時の回生電力は、燃料電池本体１の回転エネルギとして蓄積される。
【００４２】
以上述べたように、本実施形態の燃料電池システムは、燃料電池本体１自体に回転構造を有しつつ、当該燃料電池が畜エネルギ媒体として機能する。したがって、燃料電池本体１が余剰電力を発電する場合には、余剰電力がＰＣＵ３およびモータ２を通じて燃料電池本体１の回転エネルギとして蓄積される。また、駆動・回生モータ７減速時に発生される回生電力がＰＣＵ３およびモータ２を通じて燃料電池本体１の回転エネルギとして蓄積される。
【００４３】
一方、燃料電池本体１の発電量がユーザの要求電力に達しない場合、燃料電池本体１の回転エネルギがモータ２により電力に変換され、ＰＣＵ３を通じて駆動・回生モータ７に供給され、車両の走行に寄与する。このような機能の達成において、本燃料電池システムでは、二次電池等の蓄電装置、フライホイール等のエネルギ蓄積手段を必要としない。したがって、車両のようなスペースの限られたシステムにおいて、極めて有効な蓄電機能を提供する。
【００４４】
さらに、上述のように、本燃料電池システムは、車両の加速度を検知し、スタックの回転エネルギが所定値以上の状態で、所定値以上の大きな加速度を検知する。そして、衝突事故の発生を認識した場合には、ＥＣＵ５は、締結力調整機構２３の押圧力を解除することで、スタックの単セル１５を分解し、回転エネルギを小さな値に分散させる。
【００４５】
＜変形例＞
なお、上記実施形態では、二次電池またはコンデンサのような蓄電装置を設けなかったが、上記構成（図１〜図３参照）にさらに、蓄電装置を組み合わせてもよい。そして、例えば、生成水の排出等のため、燃料電池本体１の最低回転数を維持することが必要な場合において、燃料電池本体１の出力、および駆動・回生モータ７の出力だけでは、燃料電池本体１の最低回転数を維持することができな場合、蓄電装置からＰＣＵ３を介して、モータ２を駆動するようにしてもよい。
【００４６】
上記第１実施形態では、油圧ピストン等の締結力調整機構２３により単セル１５を押圧してスタックを一体化した。しかし、本発明の実施はそのような構成に限定されるものではない。
【００４７】
図４に、可動片４１を有するボルト４３と、ナット４２とによりスタックを締結する変形例を示す。図４の場合も、ガスシール３４は省略されている。
【００４８】
可動片４１は、例えば、電磁力等により、開閉可能に構成される。例えば、可動片４１は、２つの棒材の端部を軸止めして開閉可能なＶ字形状に構成し、２つの棒材の他の端部同士を取り外し自在の支持部材で接続して三角形状を構成すればよい。支持部材には電磁力を加えることで、支持部材がＶ字形状の２つの棒材から外れるように構成すればよい。なお、上記電磁力と逆方向の弾性力でＶ字形状を維持する板バネによって上記支持部材を構成してもよい。
【００４９】
可動片４１が開いた状態で、ナット４２を締めることにより、単セルを含むスタックを締結することができる。また、電磁力により可動片４１を畳む（Ｖ字形状が閉じる）方向に移動することで、エンドプレート３７Ａと３７Ｂとの間は、相対距離が拡がる。その結果、単セル間の締結を緩めることができる。そして、可動片４１を完全に畳んでしまうと、エンドプレート３７Ａには、もはや締結力が作用しなくなり、エンドプレート３７Ａは、ボルト４３から外れる。その結果、単セル１５をそれぞればらばらに分離することができる。
【００５０】
したがって、上記実施形態と同様に、ＥＣＵ５が車両の加速度を示す加速度センサ５０の出力を監視しておき、スタックの回転エネルギが所定値以上の状態で所定値以上の大きな加速度を検知し衝突事故の発生を認識した場合には、可動片４１を畳むことにより、スタックをそれぞれの単セル１５に分解し、回転エネルギを小さな値に分散できる。
【００５１】
なお、ここでは、可動片４１は、電磁力により開閉するとしたが、例えば、油圧等の機構系により開閉するようにしてもよい。また外部から給電してモータにより可動片４１を駆動してもよい。
【００５２】
《第２実施形態》
以下、図５から図８の図面を参照して本発明の第２実施形態に係る燃料電池システムを説明する。本実施形態の燃料電池システムも、第１形態の場合と同様、モータ２により単セル１５が中心軸の周りに回転する構造を有する。これにより、本実施形態においても、燃料電池システムは、車両として実現され、余剰電力あるいは回生電力をスタックの回転エネルギとして蓄積する。
【００５３】
ただし、そのようなフライホイールとしての機能に加えて、本燃料電池システムは、単セル１５の間に摩擦板を有し、摩擦板と単セル１５との間で熱を発生させる機能を有する。本燃料電池システムの他の構成および作用は、第１実施形態の場合と同様である。そこで、同一の構成要素については、同一の符号を付してその説明を省略する。また、必要に応じて、図１から図４の図面を参照する。
【００５４】
図５は、本発明の第２実施形態に係る燃料電池システムの概念図である。この燃料電池システムは、第１実施形態の場合と同様、配管３０の周りに単セル１５が回転可能に構成されている。各単セル１５は、油圧ピストン等の締結力調整機構２３により一体化されてスタックを構成している。なお、図５では、省略されているが、第１実施形態の場合と同様、スタックは、ガスシール３４で被覆されている。
【００５５】
図５のように、本実施形態では、単セル１５と単セル１５との間には、円盤状の摩擦板３３が挿入されている。それぞれの摩擦板３３は、他の摩擦板３３と左右方向（摩擦板３３の円盤面に垂直な方向）の連結部材により連結され一体化されている。
【００５６】
また、摩擦板３３には、ブレーキ４０により回転を阻止する制動を加えることができる。その結果、摩擦板３３と単セル１５との間で、接触面が摺動し、摩擦熱が発生する。単セル１５の表面には、温度センサ４６が設けられ、単セルの温度をＥＣＵ５に通知する。
【００５７】
これにより、ＥＣＵ５は、スタックの温度をコントロールすることが可能である。例えば、燃料電池の起動時には、摩擦板３３と単セル１５との間の摺動により熱を発生させるとともに、単セル１５の温度を監視する。そして、単セルの温度が十分に高温に達した場合には、ブレーキ４０による制動を緩和し、熱の発生を停止させる。
【００５８】
図６に、ガスシール３４を省略した燃料電池本体１の断面構造図を示す。図６のように、単セル１５と単セル１５との間には、摩擦板３３が挿入されている。摩擦板３３も円盤状であり、中心部付近の孔部内壁で配管３０に摺動回転可能に接している。
【００５９】
温度センサ４６は、単セル内に挿入されている。温度センサ４６は、回転しない配管３０の外周上に設けられたブラシ部４６Ｂおよびセンサケーブル４６Ｃを通じて検出信号をＥＣＵ５へ通知する。
【００６０】
図７に、摩擦板３３の平面図を示す。図７のように、摩擦板３３は、略円盤状であり、中心部付近に孔部３３Ａを有している。この孔部３３Ａには、配管３０が摺動可能に貫通する。また、摩擦板３３の外周部には、切り欠き部３３Ｂが形成されている。切り欠き部３３Ｂには、複数の摩擦板３３を締結する連結部材がはめ込まれる。
【００６１】
本実施形態において、摩擦板３３の材質に限定はないが、セル間の導通を確保するため摩擦板３３は導電性材料が望ましい。
図６に示すように、複数の摩擦板３３は、連結部材３２により着脱可能に連結されている。連結部材３２は、金属または樹脂性の板状部材であり、摩擦３３の切り欠き部３３Ｂに挿入される。
【００６２】
さらに、スタック全体は、両端に位置するエンドプレート３７Ａ、３７Ｂにより挟まれている。エンドプレート３７Ａ、３７Ｂも円盤状である。エンドプレート３７Ａ、３７Ｂの円盤状の中心部付近には、孔部が設けられ、孔部の内面は、配管３０の外周と接触して摺動する。連結部材３２は、図６において、右端部がエンドプレート３７Ｂに固定されている。一方、連結部材３２の左端部は、エンドプレート３７Ａの孔部に摺動自在にはめ込まれている（図６のＡ円部分参照）。
【００６３】
図８に、図６のＡ円部分の拡大断面図を示す。図８のように、エンドプレート３７Ａには、連結部材３２を挿入可能な孔部３６が、連結部材３２を挿入する右側面から所定深さまで形成されている。孔部３６の断面寸法は、連結部材３２の断面寸法よりやや大きく、孔部３６には、連結部３２を挿抜可能にはめ込むことができる。
【００６４】
図６に示すように、右側のエンドプレート３７Ｂの外側面（図６で右側面）は、ベアリング２４を挟んでストッパ３１と対面している。また、エンドプレート３７Ａは、ベアリング２４を介して締結力調整機構２３により、図６の左方から押圧可能となっている。
【００６５】
したがって、ＥＣＵ５の制御により、締結力調整機構２３により、エンドプレート３７Ａを十分に押圧することで、エンドプレート３７Ａ、３７Ｂの間に単セル１５および摩擦
板３３を含むスタックを挟み込んだ状態で一体化することができる。すなわち、エンドプレート３７Ａ、３７Ｂ間のスタックは、ベアリング２４を介してストッパ３１に押圧されることになる。このような状態で、第１実施形態と同様に、モータ２を駆動することで、ＥＣＵ５は、クラッチ４を介して摩擦板３３を含むスタックを配管３０の周りに回転することができる。
【００６６】
また、ＥＣＵ５の制御により、締結力調整機構２３の押圧を弱めることで、エンドプレート３７Ａを図６の左方向に摺動することができる。このとき、連結部材３２は、エンドプレート３７Ａの孔部３６から引き抜かれる方向に相対的に移動する。その結果、エンドプレート３７Ａと３７Ｂとの相対的な距離が拡がり、単セル１５および摩擦板３３が緩く締結されることになる。以上の処理を実行するＥＣＵ５が締結制御手段に相当する。
【００６７】
一方、エンドプレート３７Ｂの外周付近には、ブレーキパッド４０が設けられ、油圧機構４０Ａにより押圧可能となっている。したがって、油圧機構４０Ａによりブレーキパッド４０をエンドプレート３７Ｂの外周に押圧することにより、エンドプレート３７Ａ、３７Ｂ、連結部材３２、および摩擦板３３からなる構造部分の回転運動に対して制動を加えることができる（ブレーキパッド４０、油圧機構４０Ａ、およびこれらを制御するＥＣＵ５が回転制御手段に相当する）。このとき、締結力調整機構２３により、十分な押圧力が加わっている場合には、単セル１５に対しても制動を加えることになる。
【００６８】
しかし、締結力調整機構２３により、十分な押圧力が加わっていない状態で、油圧機構４０Ａによりブレーキパッド４０をエンドプレート３７Ｂの外周に押圧すると、エンドプレート３７Ａ、３７Ｂ、連結部材３２、および摩擦板３３からなる構造部分の回転運動に対して制動を加えるが、単セル１５には制動が加わらない。そのため、スタックを構成する単セル１５と摩擦板３３とは、接触面で摺動する結果となり、単セル１５と摩擦板３３との間に摩擦熱が発生する。
【００６９】
したがって、例えば、燃料電池の起動時、締結力調整機構２３による押圧力を緩やかな値とし、単セル１５と摩擦板３３とを摺動可能とする。そして、油圧機構４０Ａにより制動をエンドプレート３７Ａ、３７Ｂ、連結部材３２、および摩擦板３３からなる構造部分に加える。この状態で、モータ２によりスタックを回転することで、単セル１５を燃料電池起動時に必要な温度まで加熱することができる。ＥＣＵ５は、温度センサ４６による検出温度を監視、単セル１５が所定の温度になった場合には、ブレーキパッド４０による制動を解除するとともに、締結力調整機構２３によるスタックの締結を強めればよい。このような制御により、定常運転できる温度状態では、単セル１５と摩擦板２３とは摺動せず、摩擦熱の発生が停止される。
【００７０】
また、例えば、燃料電池システムの運転停止時、温度センサ４６による検出温度が所定値より低い場合には、ブレーキパッド４０による制動を加えるとともに、締結力調整機構２３によるスタックの締結を弱めればよい。このような制御により、運転停止前、スタックが所定の温度になるまで、暖機運転することができる。
【００７１】
いずれにしても、本燃料電池システムの場合、摩擦熱は、単セル１５と摩擦板３３との間で発生する。すなわち、摩擦熱は、シール部材３４に被覆された燃料電池本体１のスタック内で発生し、直接スタックに伝搬することになる。このため、発生した熱を外部に散逸することが少なく、効率的に単セル１５を加熱できる。
【図面の簡単な説明】
【００７２】
【図１】本発明の第１実施形態に係る燃料電池システムの構成図である。
【図２】燃料電池本体の断面概要図である。
【図３】ガスシールを省略した燃料電池本体の断面構造図である。
【図４】変形例に係る燃料電池本体の断面構造図である。
【図５】本発明の第２実施形態に係る燃料電池システムの概念図である。
【図６】ガスシールを省略した燃料電池本体の断面構造図である。
【図７】摩擦板の平面図である。
【図８】図６のＡ円部分の拡大図である。
【符号の説明】
【００７３】
１  燃料電池本体
２  モータ
３  ＰＣＵ
４  クラッチ
５  ＥＣＵ
７  駆動・回生モータ
８、９  駆動軸
８Ａ、２１  ギア
１０、１１  電力ケーブル
１３  アクセルペダル
１４  ブレーキペダル
１５  単セル
２０  車輪
２３  締結力調整機構
２４  ベアリング
２８Ａ、２９Ａ  開口
２８Ｂ、２９Ｂ  溝部
３０  配管
３０Ａ  水素ガス配管
３０Ｂ  酸化剤ガス配管
３１  ストッパ
３３  摩擦板
３４  ガスシール
３７Ａ、３７Ｂ  エンドプレート
５０  加速度センサ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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