(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
セルの積層方向を互いに沿わせて複数の燃料電池スタックを並設し、前記セルの積層方向における両側に前記複数の燃料電池スタックに対し共通の端板をそれぞれ配置してなるとともに、一方の前記端板側に、前記複数の燃料電池スタックのそれぞれに個別に締付荷重を付与する荷重付与部を設けてなる燃料電池に対して、前記荷重付与部を締め付ける締付手段と該締付手段を制御する制御手段とを備えた締結装置で前記荷重付与部の締め付けを行う燃料電池の締結システムであって、
前記制御手段は、すべての前記荷重付与部を一回ずつ順に前記締付手段で締め付ける締付工程を繰り返し行う燃料電池の締結システム。
【請求項２】
前記複数の燃料電池スタックそれぞれに、加わった締付荷重を検出する締付荷重検出手段が設けられており、
前記制御手段は、各荷重付与部の締め付け時にすべての前記締付荷重検出手段で検出される荷重の差が所定値内となるように前記締付手段を制御する請求項１記載の燃料電池の締結システム。
【請求項３】
セルの積層方向を互いに沿わせて複数の燃料電池スタックを並設し、前記セルの積層方向における両側に前記複数の燃料電池スタックに対し共通の端板をそれぞれ配置してなるとともに、一方の前記端板側に、前記複数の燃料電池スタックのそれぞれに個別に締付荷重を付与する荷重付与部を設けてなる燃料電池の締結方法であって、
すべての前記荷重付与部を一回ずつ順に締め付ける締付工程を繰り返し行う燃料電池の締結方法。
【請求項４】
前記複数の燃料電池スタックそれぞれに、加わった締付荷重を検出する締付荷重検出手段が設けられており、
各荷重付与部の締め付け時にすべての前記締付荷重検出手段で検出される荷重の差が所定値内となるように前記荷重付与部を締め付ける請求項３記載の燃料電池の締結方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、複数の燃料電池スタックを並設し共通の端板で支持する構造の燃料電池の締結システム及び締結方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、燃料ガスと酸化ガスとの電気化学反応によって発電する燃料電池をエネルギ源とした燃料電池自動車等が注目されている。このような燃料電池では、通常、燃料ガスと酸化ガスとの電気化学反応によって発電するセルを所要数積層した燃料電池スタックが用いられることになるが、高い出力を得るためには、セルの積層数を増大させる必要がある。
【０００３】
そして、このようなセルの積層数の増大化を全体の大型化等を抑制しながら行うために、燃料電池スタックを複数に分割し、これらをセルの積層方向を互いに沿わせて並設するものがある（例えば、特許文献１参照。）。この燃料電池では、複数の燃料電池スタックを支持するための一方の端板を複数の燃料電池スタックに対し共通化するとともに、他方の端板を各燃料電池スタックそれぞれに対し個別で設け、隣り合う他方の端板同士を連結して一体化するようになっている。
【特許文献１】特開平５−４７４０６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、上記のように、隣り合う燃料電池スタックの端板同士を連結して一体化する場合も含み、並設された複数の燃料電池スタックを共通の端板で支持する構造では、複数の燃料電池スタックに締付荷重を付与する最中に、一時的にでも各燃料電池スタックへの締付荷重の荷重差が大きくなってしまうと、端板に傾きを生じ、その結果、セルに倒れ変形を生じさせることになって、後の性能に影響を及ぼしてしまう可能性があった。
【０００５】
そこで、本発明は、セルに生じる倒れ変形を抑制することができ、安定した性能を付与することができる燃料電池の締結システム及び締結方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記目的を達成するため、本発明の燃料電池の締結システムは、セルの積層方向を互いに沿わせて複数の燃料電池スタックを並設し、前記セルの積層方向における両側に前記複数の燃料電池スタックに対し共通の端板をそれぞれ配置してなるとともに、一方の前記端板側に、前記複数の燃料電池スタックのそれぞれに個別に締付荷重を付与する荷重付与部を設けてなる燃料電池に対して、前記荷重付与部を締め付ける締付手段と該締付手段を制御する制御手段とを備えた締結装置で前記荷重付与部の締め付けを行う燃料電池の締結システムであって、前記制御手段は、すべての前記荷重付与部を一回ずつ順に前記締付手段で締め付ける締付工程を繰り返し行うことを特徴とする。
【０００７】
かかる構成とすることによって、すべての荷重付与部を一回ずつ順に締付手段で締め付ける締付工程を繰り返し行うため、複数の燃料電池スタックのそれぞれに個別に締付荷重を付与する際に、各燃料電池スタック同士の締付荷重の差を小さく抑えることができる。なお、締付手段にて全ての荷重付与部を一回ずつ締め付ける順番は、必ずしも毎回同じ順番である必要はなく、１回目とそれ以降とで順番が相違していてもよい。
【０００８】
この場合、前記複数の燃料電池スタックそれぞれに、加わった締付荷重を検出する締付荷重検出手段を設け、前記制御手段は、各荷重付与部のそれぞれの締め付け時にすべての前記締付荷重検出手段で検出される荷重の差が所定値内となるように前記締付手段を制御するのが好ましい。
【０００９】
かかる構成とすることによって、各荷重付与部のそれぞれの締め付け時にすべての締付荷重検出手段で検出される荷重の差が所定値内となるように締付手段が制御されるため、各燃料電池スタック同士の締付荷重の差を所定値内に小さく抑えることができる。
【００１０】
また、本発明の燃料電池の締結方法は、セルの積層方向を互いに沿わせて複数の燃料電池スタックを並設し、前記セルの積層方向における両側に前記複数の燃料電池スタックに対し共通の端板をそれぞれ配置してなるとともに、一方の前記端板側に、前記複数の燃料電池スタックのそれぞれに個別に締付荷重を付与する荷重付与部を設けてなる燃料電池の締結方法であって、すべての前記荷重付与部を一回ずつ順に締め付ける締付工程を繰り返し行うことを特徴とする。
【００１１】
かかる構成とすることによって、すべての荷重付与部を一回ずつ順に締め付ける締付工程を繰り返し行うため、複数の燃料電池スタックのそれぞれに個別に締付荷重を付与する際に、各燃料電池スタック同士の締付荷重の差を小さく抑えることができる。
【００１２】
この場合、前記複数の燃料電池スタックそれぞれに、加わった締付荷重を検出する締付荷重検出手段を設け、各荷重付与部の締め付け時にすべての前記締付荷重検出手段で検出される荷重の差が所定値内となるように前記荷重付与部を締め付けるのが好ましい。
【００１３】
かかる構成とすることによって、各荷重付与部のそれぞれの締め付け時にすべての締付荷重検出手段で検出される荷重の差が所定値内となるように締め付けるため、各燃料電池スタック同士の締付荷重の差を所定値内に小さく抑えることができる。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、燃料電池スタック同士の締付荷重の差を小さく抑えることができ、セルに生じる倒れ変形を抑制できるため、燃料電池に安定した性能を付与することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
次に、本発明に係る燃料電池の締結システム及び締結方法の一実施形態を図面を参照しつつ説明する。
【００１６】
図１は、燃料電池１０を示すものである。この燃料電池１０は、燃料電池自動車の車載発電システムや船舶、航空機、電車あるいは歩行ロボット等のあらゆる移動体用の発電システム、さらには、建物（住宅、ビル等）用の発電設備として用いられる定置用発電システム等に適用可能であるが、具体的には自動車用となっている。
【００１７】
燃料電池１０は、燃料ガス及び酸化ガスの供給を受けて発電するセル１１を所要数積層してなる複数、具体的には車両搭載時にそれぞれフロント側およびリヤ側に位置する２つの燃料電池スタック１２Ａ，１２Ｂを有しており、これら燃料電池スタック１２Ａ，１２Ｂは、共通の左側部端板（端板）１３の上に、共にセル１１の積層方向（以下、セル積層方向）を車両搭載時の車幅方向に沿わせて隣り合うように並設されている。燃料電池スタック１２Ａ，１２Ｂは、同一形状のセル１１を同じ枚数積層して構成されている。
【００１８】
そして、これら燃料電池スタック１２Ａ，１２Ｂのセル積層方向一端側には、これら燃料電池スタック１２Ａ，１２Ｂに共通の右側部端板（端板，一方の端板）１４が左側部端板１３と平行をなすようにこの左側部端板１３に複数の図示略のタイロッドで連結されている。つまり、セル積層方向における両側に複数の燃料電池スタック１２Ａ，１２Ｂに対し共通の右側部端板１４および左側部端板１３がそれぞれ配置されている。
【００１９】
右側部端板１４は、複数の燃料電池スタック１２Ａ，１２Ｂの一端側を共通で覆う端板本体１７を有しており、端板本体１７には、各燃料電池スタック１２Ａ，１２Ｂのそれぞれの車両進行方向における中央部にセル積層方向に貫通する貫通穴１８Ａ，１８Ｂが形成されていると共に、これら貫通穴１８Ａ，１８Ｂと同軸をなして貫通穴１８Ａ，１８Ｂよりも大径の支持段部１９Ａ，１９Ｂが形成されている。
【００２０】
そして、貫通穴１８Ａ，１８Ｂの内側にはネジ穴２１Ａ，２１Ｂが形成された段付き円筒状のネジ穴形成部材２２Ａ，２２Ｂが嵌合固定され、このネジ穴形成部材２２Ａ，２２Ｂと端板本体１７の支持段部１９Ａ，１９Ｂの周面との間には略テーパ円板状の支持部材２３Ａ，２３Ｂが取り付けられている。
【００２１】
これらネジ穴形成部材２２Ａ，２２Ｂおよび支持部材２３Ａ，２３Ｂも右側部端板１４を構成するものであり、よって、右側部端板１４には、各燃料電池スタック１２Ａ，１２Ｂの車両進行方向における中央部にそれぞれセル積層方向に貫通するネジ穴２１Ａ，２１Ｂが形成されている。
【００２２】
右側部端板１４の各ネジ穴２１Ａ，２１Ｂには、外周側にネジ２５Ａ，２５Ｂが形成されたナット部材（荷重付与部）２６Ａ，２６Ｂがネジ２５Ａ，２５Ｂにおいて螺合されている。これらのナット部材２６Ａ，２６Ｂには、工具を一体回転可能に嵌合させる工具嵌合穴２７Ａ，２７Ｂが一端側にそれぞれ形成されている。これにより、一つの燃料電池スタック１２Ａに対して一つのナット部材２６Ａが、一つの燃料電池スタック１２Ｂに対して一つのナット部材２６Ｂが、それぞれ設けられている。
【００２３】
各ナット部材２６Ａ，２６Ｂの他端側には、それぞれ個別のロードセル（締付荷重検出手段）３０Ａ，３０Ｂを介して、個別の締付板３１Ａ，３１Ｂが設けられており、各ロードセル３０Ａ，３０Ｂと締付板３１Ａ，３１Ｂとの間には皿バネ３２Ａ，３２Ｂが介装されている。
【００２４】
ここで、一方の締付板３１Ａは、一方の燃料電池スタック１２Ａのセル積層方向一端側にその一端側のみを覆うように配置され、そのセル積層方向外側に皿バネ３２Ａを介してロードセル３０Ａが配置され、さらにそのセル積層方向外側にナット部材２６Ａが配置されている。他方の締付板３１Ｂも、他方の燃料電池スタック１２Ｂのセル積層方向他端側にその他端側のみを覆うように配置され、そのセル積層方向外側に皿バネ３２Ｂを介してロードセル３０Ｂが配置され、さらにそのセル積層方向外側にナット部材２６Ｂが配置されている。
【００２５】
以上により、右側部端板１４側に設けられた一方のナット部材２６Ａが締め付けられると一方の締付板３１Ａが一方の燃料電池スタック１２Ａを左側部端板１３とで締め付けて燃料電池スタック１２Ａに締付荷重を付与することになり、右側部端板１４側に設けられた他方のナット部材２６Ｂが締め付けられると他方の締付板３１Ｂが他方の燃料電池スタック１２Ｂを左側部端板１３とで締め付けて燃料電池スタック１２Ｂに締付荷重を付与することになる。
【００２６】
言い換えれば、一方の右側部端板１４側に、複数の燃料電池スタック１２Ａ，１２Ｂのそれぞれに個別に締付荷重を付与するナット部材２６Ａ，２６Ｂが設けられている。
【００２７】
また、以上により、一方の右側部端板１４と各燃料電池スタック１２Ａ，１２Ｂそれぞれとの間に、燃料電池スタック１２Ａ，１２Ｂを他方の左側部端板１３とで締め付ける締付板３１Ａ，３１Ｂと、締付板３１Ａ，３１Ｂに締付荷重（スラスト方向の荷重）を付与するナット部材２６Ａ，２６Ｂと、加わった締付荷重を検出するロードセル３０Ａ，３０Ｂとが設けられている。
【００２８】
そして、本実施形態の締結システムは、図２に示すように、上記した燃料電池１０に設けられた各ロードセル３０Ａ，３０Ｂと、各ロードセル３０Ａ，３０Ｂの検出結果をモニタリングしつつナット部材２６Ａ，２６Ｂを締め付ける締結装置３５とで構成される。
【００２９】
締結装置３５は、ナット部材２６Ａ，２６Ｂの工具嵌合穴２７Ａ，２７Ｂに対し嵌脱自在な工具３６Ａ，３６Ｂを有し工具３６Ａ，３６Ｂを回転駆動することでナット部材２６Ａ，２６Ｂを締め付ける、各ナット部材２６Ａ，２６Ｂに対し個別のナットランナ（締付手段）３７Ａ，３７Ｂと、各ナットランナ３７Ａ，３７Ｂを個別に制御可能な制御装置（制御手段）３８と、燃料電池１０の各ロードセル３０Ａ，３０Ｂに接続される個別のコネクタ３９Ａ，３９Ｂと、各コネクタ３９Ａ，３９Ｂを介して接続されたロードセル３０Ａ，３０Ｂの検出結果を増幅して制御装置３８に出力する個別のロードセルアンプ４０Ａ，４０Ｂとを有している。
【００３０】
そして、締め付け時に、例えば作業者が、ナット部材２６Ａ，２６Ｂの締め付けを行う前の仮組状態の燃料電池１０に設けられた一方のナット部材２６Ａの工具嵌合穴２７Ａに、締結装置３５の一方のナットランナ３７Ａの工具３６Ａを嵌合させるとともに、この燃料電池１０に設けられた一方のロードセル３０Ａに一方のコネクタ３９Ａを接続させる。同様に、他方のナット部材２６Ｂの工具嵌合穴２７Ｂに、締結装置３５の他方のナットランナ３７Ｂの工具３６Ｂを嵌合させるとともに、他方のロードセル３０Ｂに他方のコネクタ３９Ｂを接続させる。
【００３１】
そして、作業者がスタートボタンを押すと、制御装置３８は、ロードセル３０Ａ，３０Ｂの検出データをリアルタイムで常時モニタリングしながら、以下の制御を行う。
【００３２】
制御装置３８は、第１回の締付工程として、現時点で他方のナットランナ３７Ｂに対応する他方のロードセル３０Ｂで検出されている荷重に対して、荷重差が所定値内となるように今回の一方のロードセル３０Ａで検出されるべき所定の締付荷重を設定する（ステップＳ１）。ここで、ロードセル３０Ａで設定荷重が検出されてからナットランナ３７Ａを停止させてもタイムラグがあって最終的な荷重は設定荷重よりも大きくなってしまうため、このオーバー分を考慮してオーバー分が生じても荷重差が所定値内となるように検出されるべき所定の締付荷重を設定する。このようにして設定される締付荷重は、最終的に付与すべき全ての締付荷重（総締付荷重）のうちの一部である。
【００３３】
そして、一方のナットランナ３７Ａで締め付けを開始し（ステップＳ２）、一方のロードセル３０Ａで所定の締付荷重が得られると（ステップＳ３）、締め付けを停止する（ステップＳ４）。
【００３４】
次に、一方のナットランナ３７Ａによる直前に行われた上記締め付け後に一方のロードセル３０Ａで検出された最終荷重に対して、荷重差が所定値内となるように今回の他方のロードセル３０Ｂで検出されるべき所定の締付荷重を設定する（ステップＳ５）。このときも、検出から停止へのタイムラグによるオーバー分が生じても荷重差が所定値内となるように検出されるべき所定の締付荷重を設定する。このようにして設定される締付荷重は、最終的に付与すべき全ての締付荷重（総締付荷重）のうちの一部である。
【００３５】
そして、他方のナットランナ３７Ｂで締め付けを開始し（ステップＳ６）、他方のロードセル３０Ｂで所定の締付荷重が得られると（ステップＳ７）、締め付けを停止する（ステップＳ８）。このようにして第１回の締付工程を終了する。
【００３６】
場合により、制御装置３８は、第２回の締付工程として、直前に行われた他方のナットランナ３７Ｂでの締め付け後に他方のロードセル３０Ｂで検出された最終荷重に対して、荷重差が所定値内となるように今回の一方のロードセル３０Ａで検出されるべき所定の締付荷重を設定する（ステップＳ１）。このときも、検出から停止へのタイムラグによるオーバー分を考慮して検出されるべき所定の締付荷重を設定する。このようにして設定される締付荷重は、最終的に付与すべき全ての締付荷重（総締付荷重）のうちの一部である。
【００３７】
そして、一方のナットランナ３７Ａで締め付けを開始し（ステップＳ２）、一方のロードセル３０Ａで所定の締付荷重が得られると（ステップＳ３）、締め付けを停止する（ステップＳ４）。
【００３８】
次に、一方のナットランナ３７Ａによる直前に行われた上記締め付け後に一方のロードセル３０Ａで検出された最終荷重に対して、荷重差が所定値内となるように今回の他方のロードセル３０Ｂで検出されるべき所定の締付荷重を設定する（ステップＳ５）。このときも、検出から停止へのタイムラグによるオーバー分を考慮して検出されるべき所定の締付荷重を設定する。このようにして設定される締付荷重は、最終的に付与すべき全ての締付荷重（総締付荷重）のうちの一部である。
【００３９】
そして、他方のナットランナ３７Ｂで締め付けを開始し（ステップＳ６）、他方のロードセル３０Ｂで所定の締付荷重が得られると（ステップＳ７）、締め付けを停止する（ステップＳ８）。このようにして第２回の締付工程を終了する。
【００４０】
以上のような締付工程を適宜繰り返すことによって、最終締付荷重がそれぞれのロードセルで検出されるまで（ステップＳ９）、両ナットランナ３７Ａ，３７Ｂを制御する。
【００４１】
以上により、制御装置３８は、一つの燃料電池１０に設けられた各燃料電池スタック１２Ａ，１２Ｂの締付用の二つのナット部材２６Ａ，２６Ｂを交互にナットランナ３７Ａ，３７Ｂで締め付けることになり、しかも、各ナット部材２６Ａ，２６Ｂの締め付け時にすべてのロードセル３０Ａ，３０Ｂで検出される荷重の差が常に所定値内となるようにナットランナ３７Ａ，３７Ｂを制御することになる。
【００４２】
なお、上記においては、二つのナット部材２６Ａ，２６Ｂが設けられているため交互に締め付けを行ったが、三つ以上のナット部材が設けられる場合も同様である。
【００４３】
つまり、一つの燃料電池に複数の燃料電池スタックが設けられ、これらの締付用の複数のナット部材が個別に設けられる場合に、すべてのナット部材を一回ずつ順にナットランナで締め付ける締付工程を繰り返し行うことになり、しかも、各ナット部材の締め付け時にすべてのロードセルで検出される荷重の差が所定値内となるようにナットランナを制御することになる。
【００４４】
以上に述べた実施形態によれば、一つの燃料電池１０に設けられた各燃料電池スタック１２Ａ，１２Ｂの締付用のすべてのナット部材２６Ａ，２６Ｂを一回ずつ順にナットランナ３７Ａ，３７Ｂで締め付ける締付工程を繰り返し行うため、複数の燃料電池スタック１２Ａ，１２Ｂのそれぞれに個別に締付荷重を付与する際に、各燃料電池スタック１２Ａ，１２Ｂ同士の締付荷重の差を常に小さく抑えることができる。
【００４５】
しかも、各ナット部材２６Ａ，２６Ｂのそれぞれの締め付け時にすべてのロードセル３０Ａ，３０Ｂで検出される荷重の差が所定値内となるようにナットランナ３７Ａ，３７Ｂが制御されるため、複数の燃料電池スタック１２Ａ，１２Ｂのそれぞれに個別に締付荷重を付与する際に、各燃料電池スタック１２Ａ，１２Ｂ同士の締付荷重の差を常に所定値内に小さく抑えることができる。
【００４６】
したがって、セル１１に生じる倒れ変形を抑制できるため、燃料電池１０に安定した性能を付与することができる。
【００４７】
なお、以上において、制御中は、ロードセルの検出結果をリアルタイムで常時モニタリングして締め付けを行うようにしたが、コスト低減の観点から、例えば、段階的に締め付けを行った際の締付荷重値をそれぞれピンポイントで確認しながら、各燃料電池スタックの荷重差が所定値内であることを保証しつつ最終締付荷重まで締め付けるようにしても良い。
【００４８】
例えば、ナットランナ側の締付トルクの管理で順にナット部材を締め付け、すべてのナット部材の締め付けが一周したところで、すべてのロードセルで検出を行い、この検出結果からすべてのロードセルで検出される荷重の差が所定値内であれば良好として、次の一周を行う等の制御を行うことができる。
【００４９】
また、右側部端板１４および左側部端板１３は、それぞれ一体化されたものであれば、例えば分割したものを連結したものであっても良い。
【図面の簡単な説明】
【００５０】
【図１】本発明に係る燃料電池の締結システム及び締結方法の一実施形態が適用される燃料電池を示す正断面図である。
【図２】同実施形態の構成を概略的に示すブロック図である。
【図３】同実施形態の制御内容を示すフローチャートである。
【符号の説明】
【００５１】
１０…燃料電池、１１…セル、１２Ａ，１２Ｂ…燃料電池スタック、１３…左側部端板（他方の端板）、１４…右側部端板（一方の端板）、２６Ａ，２６Ｂ…ナット部材（荷重付与部）、３０Ａ，３０Ｂ…ロードセル（締付荷重検出手段）、３１Ａ，３１Ｂ…締付板、３５…締結装置、３７Ａ，３７Ｂ…ナットランナ（締付手段）、３８…制御装置（制御手段）。
【図１】
0004766379.tif 000002
【図２】
0004766379.tif 000003
【図３】
0004766379.tif 000004