(57)【要約】【課題】この発明は、燃料電池ユニットに関し、燃料電池スタックを構成するセルの位置ずれを容易に修正する構成を実現することを目的とする。【解決手段】ハウジング２８の中に、積層された複数のセル１４を含む燃料電池スタック１２を配置する。燃料電池スタック２８の積層方向に積層方向荷重発生機構４０を設ける。燃料電池スタック１２の側面に、その側面を平坦化させるための側面荷重を発生する側面荷重発生板２４，２６を配置する。セル１４に位置ずれが生じた場合は、圧力室４８の圧力を下げて、側面方向荷重によりその位置ずれを修正する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
積層された複数のセルを含む燃料電池スタックと、
前記燃料電池スタックの積層方向に作用する積層方向荷重を発生する積層方向荷重発生手段と、
前記積層方向荷重を低減させる荷重低減手段と、
前記燃料電池スタックの少なくとも一つの側面に、当該側面を平坦化させるための側面荷重を作用させる側面荷重発生手段と、
を備えることを特徴とする燃料電池ユニット。
【請求項２】
前記側面荷重発生手段は、前記少なくとも一つの側面を覆うように配置された弾性体を含むことを特徴とする請求項１記載の燃料電池ユニット。
【請求項３】
前記側面荷重発生手段は、前記少なくとも一つの側面を覆うように配置され、指令に応じて膨張及び収縮することのできる膨張収縮体を含むことを特徴とする請求項１記載の燃料電池ユニット。
【請求項４】
前記積層方向荷重発生手段は、前記燃料電池スタックに所望の積層方向荷重を与えた後に、当該燃料電池スタックの端面位置を一定に維持するための端面位置維持手段を含むことを特徴とする請求項１乃至３の何れか１項記載の燃料電池ユニット。
【請求項５】
前記積層方向荷重発生手段及び前記荷重低減手段は、
前記燃料電池スタックの積層方向に膨張及び収縮することのできる圧力室と、
前記圧力室に通じるノズルと、
前記ノズルを閉塞するノズル閉塞手段と、
を含んで構成されることを特徴とする請求項１乃至４の何れか１項記載の燃料電池ユニット。
【請求項６】
前記セルは、隣接するセルとのシールを得るためのビードを有し、
前記圧力室には、前記ビードによるシールを確保する上で必要な最低積層方向荷重を保証するための弾性体が配置されていることを特徴とする請求項５記載の燃料電池ユニット。
【請求項７】
請求項５又は６記載の燃料電池ユニットと、
前記ノズルを介して前記圧力室に所望の圧力を供給するための加圧手段と、
前記ノズルを介して前記圧力室の圧力を所望の圧力に減圧する減圧手段と、
を備えることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項８】
前記燃料電池スタックの修復条件の成否を判定する修復条件判定手段と、
前記修復条件の成立時に、前記積層方向荷重が、前記最低積層方向荷重以上の所定圧力まで低下するように、前記減圧手段を制御する減圧制御手段と、
前記減圧制御手段による減圧の後に、前記積層方向荷重が、通常荷重まで上昇するように前記加圧手段を制御する加圧制御手段と、
を備えることを特徴とする請求項７記載の燃料電池システム。
【請求項９】
前記修復条件判定手段は、前記燃料電池スタックが非発電中であり、前記燃料電池内部の圧力が判定値以下であり、かつ、前記燃料電池の温度が判定温度以下である場合に前記修復条件の成立を判定することを特徴とする請求項８記載の燃料電池システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、燃料電池ユニット及び燃料電池システムに係り、特に、車両に搭載するうえで好適な燃料電池ユニット及び燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、例えば特開２００３−１５１６１２号公報に開示されるように、複数のセルを積層させることで構成された燃料電池スタックを有する燃料電池ユニットが知られている。このユニットは、燃料電池スタックに対して、積層方向の荷重を与えるためのベルトを有している。
【０００３】
燃料電池スタックが、適正に機能するためには、複数のセルが、適正な積層方向荷重を受けて正常に積層されていることが必要である。上記従来のユニットによれば、ベルトを用いることにより、必要な積層方向荷重を、簡単な構成で発生させることが可能である。また、この構成によれば、上記の積層方向荷重により、個々のセルの間に摩擦力を発生させることができ、セルのずれを有効に防止することができる。
【０００４】
【特許文献１】特開２００３−１５１６１２号公報
【特許文献２】特開２００４−２５３２６９号公報
【特許文献３】特開２００３−２０３６７０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、車両に搭載される燃料電池ユニットには、種々の振動が伝達される。このため、ベルトによる積層方向荷重を受けていても、セルには、積層位置にずれが生ずることがある。そして、上記従来の構成によれば、このようなずれが発生した場合には、燃料電池ユニットを一旦車両から取り外したうえで、セルの積層位置を修正することが必要であった。
【０００６】
この発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、燃料電池スタックを構成するセルの位置ずれを容易に修正することのできる燃料電池ユニット及び燃料電池システム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】
【０００７】
第１の発明は、上記の目的を達成するため、燃料電池ユニットであって、
積層された複数のセルを含む燃料電池スタックと、
前記燃料電池スタックの積層方向に作用する積層方向荷重を発生する積層方向荷重発生手段と、
前記積層方向荷重を低減させる荷重低減手段と、
前記燃料電池スタックの少なくとも一つの側面に、当該側面を平坦化させるための側面荷重を作用させる側面荷重発生手段と、
を備えることを特徴とする。
【０００８】
また、第２の発明は、第１の発明において、前記側面荷重発生手段は、前記少なくとも一つの側面を覆うように配置された弾性体を含むことを特徴とする。
【０００９】
また、第３の発明は、第１の発明において、前記側面荷重発生手段は、前記少なくとも一つの側面を覆うように配置され、指令に応じて膨張及び収縮することのできる膨張収縮体を含むことを特徴とする。
【００１０】
また、第４の発明は、第１乃至第３の発明の何れかにおいて、前記積層方向荷重発生手段は、前記燃料電池スタックに所望の積層方向荷重を与えた後に、当該燃料電池スタックの端面位置を一定に維持するための端面位置維持手段を含むことを特徴とする。
【００１１】
また、第５の発明は、第１乃至第４の発明において、
前記積層方向荷重発生手段及び前記荷重低減手段は、
前記燃料電池スタックの積層方向に膨張及び収縮することのできる圧力室と、
前記圧力室に通じるノズルと、
前記ノズルを閉塞するノズル閉塞手段と、
を含んで構成されることを特徴とする。
【００１２】
また、第６の発明は、第５の発明において、
前記セルは、隣接するセルとのシールを得るためのビードを有し、
前記圧力室には、前記ビードによるシールを確保する上で必要な最低積層方向荷重を保証するための弾性体が配置されていることを特徴とする。
【００１３】
また、第７の発明は、燃料電池システムであって、
第５又は第６の発明である燃料電池ユニットと、
前記ノズルを介して前記圧力室に所望の圧力を供給するための加圧手段と、
前記ノズルを介して前記圧力室の圧力を所望の圧力に減圧する減圧手段と、
を備えることを特徴とする。
【００１４】
また、第８の発明は、第７の発明において、
前記燃料電池スタックの修復条件の成否を判定する修復条件判定手段と、
前記修復条件の成立時に、前記積層方向荷重が、前記最低積層方向荷重以上の所定圧力まで低下するように、前記減圧手段を制御する減圧制御手段と、
前記減圧制御手段による減圧の後に、前記積層方向荷重が、通常荷重まで上昇するように前記加圧手段を制御する加圧制御手段と、
を備えることを特徴とする。
【００１５】
また、第９の発明は、第８の発明において、前記修復条件判定手段は、前記燃料電池スタックが非発電中であり、前記燃料電池内部の圧力が判定値以下であり、かつ、前記燃料電池の温度が判定温度以下である場合に前記修復条件の成立を判定することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１６】
第１の発明によれば、燃料電池スタックに対する積層方向荷重を低減させることができる。積層方向荷重が小さくなると、セル間に作用する摩擦力が小さくなり、セルが積層方向に垂直な方向に移動し易くなる。本発明によれば、この状態で、燃料電池スタックの少なくとも一つの側面に対して、側面荷重を加えることができる。このため、本発明によれば、燃料電池スタックのセルにずれが発生した場合に、そのずれを容易に消滅させることができる。
【００１７】
第２の発明によれば、燃料電池スタックの少なくとも一つの側面が覆われるように弾性体を配置することにより、簡単な構成により、セルの位置ずれを消滅させるための側面荷重を発生させることができる。
【００１８】
第３の発明によれば、燃料電池スタックの少なくとも一つの側面が覆われるように配置された膨張収縮体により、セルのずれを消滅させる側面荷重を発生させることができる。この構成によれば、側面荷重が可変となるため、簡単な構成で、必要な大きさの側面荷重を発生させることが可能である。
【００１９】
第４の発明によれば、所望の積層方向荷重を発生させた後に、燃料電池スタックの端面位置を一定に維持することができる。このため、本発明によれば、燃料電池スタックの包丁収縮力に関わらず、個々のセルの積層方向位置を一定に維持することができる。その結果、個々のセルと側面荷重発生手段との摺動が防止され、側面荷重発生手段の劣化が抑制される。
【００２０】
第５の発明によれば、ノズルを介して圧力室に流体を流入させることにより積層方向荷重を増大させ、圧力室から流体を流出させることにより積層方向荷重を低減させることができる。また、所望の状態でノズルを閉じることにより、所望の積層方向荷重を維持することができる。このように、本発明によれば、積層方向荷重塞を任意に調整することのできる積層方向荷重発生手段を、圧力室を用いて簡単に実現することができる。
【００２１】
第６の発明によれば、圧力室に配置された弾性体により、ビードによるシールを維持するために必要な最低積層方向荷重を保証することができる。このため、本発明によれば、圧力室の圧力が如何に低下したとしても、セル間のシールを確実に確保しておくことができる。
【００２２】
第７の発明によれば、加圧手段及び減圧手段によって、圧力室の内圧を任意の変化させ得るシステムを実現することができる。
【００２３】
第８の発明によれば、燃料電池スタックの修復条件が成立した場合に、自動的に積層方向荷重を低減させてセルの位置ずれを消滅させることができる。そして、その位置ずれが消滅した後に、積層方向荷重を上昇させて、通常の状態を自動的に復活させることができる。
【００２４】
第９の発明によれば、燃料電池スタックが非発電中であり、燃料電池内部の圧力が十分に低く、かつ、燃料電池の温度が十分に低い場合に限って積層方向荷重の低減処理を開始させることができる。つまり、本発明によれば、燃料電池ユニットの機能に何ら悪影響が生じない条件が整っている場合に限って、積層方向荷重の低下を許可することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２５】
実施の形態１．
［燃料電池ユニットの構造］
図１は、本発明の実施の形態１の燃料電池ユニット１０の構成を示す図である。燃料電池ユニット１０は、車両に搭載して用いるのに適したユニットである。図１は、車載状態での燃料電池ユニット１０を上方から見た場合に得られる構成を表している。
【００２６】
燃料電池ユニット１０は、燃料電池スタック１２を備えている。燃料電池スタック１２は、積層された複数のセル１４を備えている。個々のセルは、プロトン（H＋）を搬送する電解質、電解質を挟み込むように配置されるアノード側及びカソード側の電極、それらの電極の更に外側に配置されるセパレータ等を備えている。セパレータは導電性を有しており、燃料電池スタック１２は、個々のセル１４が直列接続された状態を実現している。
【００２７】
燃料電池スタック１２の両端には、ターミナル１６，１８が配置されている。ターミナル１６，１８の更に外側には、絶縁版２０，２２が配置されている。また、燃料電池スタック１２の側方には、それらの２つの側面を覆うように、側面荷重発生板２４，２６が配置されている。
【００２８】
側面荷重発生板２４，２６には、絶縁性、弾力性、優れた熱耐性、及び優れた耐久性が求められる。本実施形態では、これらの要求を満たすために、側面荷重発生板２４，２６を、発砲シリコンの板により構成している。側面荷重発生板２４，２６は、上記の特性を有することから、セル１４間での短絡を防ぐと共に、全てのセル１４の側面に、均一な弾性力を安定的に作用させることができる。つまり、側面荷重発生板２４，２６によれば、セル１４の直列接続を損なうことなく、燃料電池スタック１２の側面を平坦化させるための側面荷重を、安定的に発生することができる。
【００２９】
図１は、上述した通り、燃料電池スタック１２を上面から見た場合の構成を示している。このため、図１には、燃料電池スタック１２の底面付近の構成も、その上面付近の構成も示されていない。本実施形態において、燃料電池ユニット１０は、それらの底面及び上面にも、上記の側面荷重を発生するための側面荷重発生板が配置されているものとする。尚、本明細書において、「側面」とは、上記の「底面」及び「上面」を含む概念であるものとする。
【００３０】
燃料電池ユニット１０は、上述した燃料電池スタック１２、ターミナル１６，１８、絶縁版２０，２２、及び側面荷重発生板２４，２６を収納するハウジング２８を備えている。ハウジング２８は、燃料電池スタック１２の積層方向に、互いに対向して配置される２枚のエンドプレート３０，３２と、燃料電池スタック２４の４つの側面を覆うように配置されるサイドプレート（図１には、３４，３６のみを示す）とを有している。これらのエンドプレート３０，３２及びサイドプレート３４，３６には、十分な剛性が与えられている。
【００３１】
ハウジング２８の内部には、燃料電池スタック１２等と共に、積層方向荷重発生機構４０が収納されている。積層方向荷重発生機構４０は、互いに対向して配置された固定板４２及び可動板４４を備えている。固定板４２は、エンドプレート３２に固定されており、燃料電池ユニット１０の内部において、その位置が固定されている。他方、可動板４４は、絶縁板２２と固定板４２との間で、ハウジング２８の内部を動くことができるように構成されている。
【００３２】
固定板４２と可動板４４との間には、変位吸収体４６が配置されている。変位吸収体４６は、燃料電池スタック１２の積層方向に伸縮可能な構造物であり、固定板４２及び可動板４４の双方に、それらの全周において密着している。その結果、固定板４２、可動板４４、及び変位吸収体４６の内部には、外部空間から隔絶された圧力室４８が形成されている。
【００３３】
圧力室４８には、ノズル５０が挿入されている。ノズル５０は、固定板４２及びエンドプレート３２を貫通して外部空間に突出している。ノズル５０の内部には、閉塞機構がもうけられている。この閉塞機構は、ノズル５０に所定のアタッチメントが装着されることにより開状態となり、そのアタッチメントが外されると閉状態となる。従って、図１に示す状態では、ノズル５０は閉塞機構によって閉じられた状態となっている。
【００３４】
圧力室４８の内部には、張力発生バネ５２が配置されている。張力発生バネ５２は、固定板４２及び可動板４４の双方に固定されており、可動板４４が、不当に大きく固定板４２から離れるのを防ぐための張力を発生する。
【００３５】
圧力室４８には、また、最低積層方向荷重発生バネ５４，５６が配置されている。最低積層方向荷重バネ５４，５６は、可動板４４のみに固定されている。このため、可動板４４と固定板４２との距離が、それらのバネ５４，５６の基準長を超えると、図１に示すように、最低積層方向荷重発生バネ５４，５６は、固定板４２から離間する。そして、それらのバネ５４，５６は、固定板４２と可動板４４との距離が、上記基準長より短くなると、両者の接近を阻止するバネ力を発生する。
【００３６】
上述した構成によれば、ノズル５０を介して圧力室４８に空気を流入させることにより、圧力室４８の内圧を高めて、可動板４４により、燃料電池スタック１２に対して積層方向荷重を加えることができる。また、ノズル５０から空気を流出させることにより、圧力室４８の内圧を下げ、燃料電池スタック１２に加わる積層方向荷重を低下させることができる。そして、この構造によれば、側面荷重発生板２４，２６により、常に、燃料電池スタック１２に対して、その側面を平坦化させるための側面荷重を加えておくことができる。
【００３７】
［積層方向荷重の必要性］
燃料電池スタック１２を構成する個々のセル１４は、水素ガス及び酸化ガス（空気）の供給を受けることにより発電機能を発揮する。そして、個々のセル１４には、それらのガスを隣接するセル１４から受領して、隣接するセル１４に受け渡すための通路が設けられている。個々のセル１４に設けられた上記通路と、隣接するセル１４に設けられた上記通路との間は、シールされている必要がある。
【００３８】
本実施形態では、個々のセル１４の間に、弾性変形することでシール力を発揮するビードを配置することで上記の要求を満たすこととしている。このため、積層方向荷重発生機構４０により、燃料電池スタック１２に対して積層方向荷重が加えられると、燃料電池スタック１２の端面には、先ず、ビードの変形に起因する変位が生ずる。そして、ビードに十分な変形が生ずると、個々のセル１４のセパレータ同士が接触し、以後、セパレータ間に荷重が発生する。
【００３９】
図２は、上記の過程で生ずる変位と、ビード及びセパレータに作用する荷重との関係を表した図である。この図に示すように、積層方向荷重の増加に伴って燃料電池スタック１２の端面変位が増す過程では、先ず、ビードに対する荷重が増加する。そして、変位の増加に伴ってセパレータ同士が接触すると、その時点で、ビード荷重は上限値に達する。この上限値は、ビードが所望のシール機能を発揮するうえで十分な荷重である。
【００４０】
セパレータ同士が接触した後は、変位の増加に対して、ほぼ比例的にセパレータ荷重が増大する。燃料電池スタック１２を構成するセル１４は、互いに隣接するセル１４と電気的に接続した状態とされている。そして、燃料電池ユニット１０において良好な発電効率を得るためには、セル１４間の電気抵抗を十分に小さくしておくことが必要である。
【００４１】
セル１４間に生ずる電気抵抗は、セル１４間のセパレータ荷重が小さいほど大きくなる。従って、所望の発電効率を確保するためには、セル１４間の接触抵抗が十分に小さくなる程度に、セパレータ荷重を確保しておく必要がある。図２中に示す「発電要求値」とは、その要求を満たすために必要な最低限のセパレータ荷重である。
【００４２】
また、燃料電池ユニット１０を車両に搭載して用いる場合、個々のセル１４には、種々の加速度が作用する。従って、個々のセル１４には、それらの加速度を受けても、積層位置にずれを生じさせないことが要求される。隣接するセル１４の間には、セパレータ荷重に比例した摩擦力が発生する。そして、セル１４の位置ずれは、その摩擦力が大きいほど有効に阻止することができる。図２中に示す「安定要求値」は、車両上で想定される加速度に対して、セル１４の位置ずれを阻止するために必要な最低限のセパレータ荷重である。
【００４３】
以上説明した通り、燃料電池スタック１２に対しては、(1)ビードによるシールを確保するため、(2)セル１４間の電気抵抗を小さくするため、及び(3)セル１４の位置ずれを防ぐために、積層方向荷重を印加することが必要である。これらの要求は、セパレータ荷重が安定要求値以上となるように積層方向荷重を加えることで全て満たすことができる。このため、燃料電池ユニット１０を車両上で使用する際には、そのような積層方向荷重（以下、「通常時積層方向荷重」と称す）を確保することが必要である。
【００４４】
本実施形態の燃料電池ユニット１０によれば、圧力室４８の圧力を調整することにより、積層方向荷重を通常積層方向荷重とすることが可能である。また、本実施形態の構成によれば、通常積層方向荷重を得た後に、ノズル５０からアタッチメントを外すことにより、その荷重を維持することが可能である。このため、本実施形態の構成によれば、車両上で、燃料電池スタック１２に対して、長期安定的に通常積層方向荷重を加えることが可能である。
【００４５】
［セルの位置ずれ修正］
図３は、燃料電池ユニット１０のセルに位置ずれが発生した場合の様子、及びそのずれを修正する手法を説明するための図である。より具体的には、図３（Ａ）は、セル１４の位置ずれ修正を可能とする燃料電池システムの全体図を示す。また、図３（Ｂ）は、セル１４の位置ずれ部分（図３（Ａ）中に○で囲んだ部分）を拡大して表した図を示す。
【００４６】
燃料電池スタック１２に通常積層方向荷重が作用している場合であっても、想定以上の加速度、或いは外力が燃料電池ユニット１４に加わると、セル１４には、図３（Ｂ）に示すような位置ずれが生ずることがある。このような位置ずれは、セル１４間の電気抵抗の増大等、種々の不都合の原因となる。このため、このような位置ずれは、修正することが必要である。
【００４７】
図３（Ｂ）に示す状況下では、位置ずれにより他のセル１４から突出したセル１４には、側面荷重発生板２４の反力が、そのずれを修正する方向に強く作用する。しかしながら、燃料電池スタック１２に通常積層方向荷重が作用している場合は、セル１４間に十分大きな摩擦力が発生しているため、側面荷重発生板２４の反力により、セル１４の位置ずれは修正されない。
【００４８】
本実施形態では、セル１４に位置ずれが生じた場合に、車両を整備工場に持ち込んで、その位置ずれを修正する場合を説明する。図３（Ａ）に示すシステムは、整備工場に準備されている圧力回路６０を、修理の対象である燃料電池ユニット１０に装着することにより実現される。
【００４９】
図３（Ａ）に示すように、圧力回路６０は、ポンプ６２を備えている。ポンプ６２には、調圧機構６４を介して配管６６が連通している。配管６６は、その先端に備えるアタッチメント（図示略）により、燃料電池ユニット１０のノズル５０に装着される。配管６６には、また、排気弁６８が連通している。
【００５０】
配管６６がノズル５０に装着されると、閉塞機構が開いて、ノズル５０が導通状態となる。この状態でポンプ６２を作動させれば、調圧機構６４の設定値まで、圧力室４８の内圧を高めることができる。他方、配管６６をノズル５０に装着した状態で排気弁６８を開けば、圧力室４８の内圧を下げることができる。
【００５１】
図３（Ａ）は、排気弁６８を開いて圧力室４８の内圧を下げた状態を表している。燃料電池スタック１２には、可動板４４を介して、圧力室４８の内圧に応じた積層方向荷重が印加されている。このため、その内圧が下がると、燃料電池スタック１２に加わる積層方向荷重が低下し、積層燃料電池スタック１２に生じていた変位が減少する。その結果、可動板４４は、固定板４２の方向に移動する。
【００５２】
可動板４４が上記の如く移動する過程において、燃料電池スタック１２に生じていた弾性変形が徐々に解消される。具体的には、先ず、可動板４４の移動に伴って、個々のセル１４のセパレータに生じていた弾性変形が消滅する。その後、可動板４４が更に変位すると、ビードの弾性変形が消滅し始める。
【００５３】
可動板４４の変位が十分に大きくなると、図３（Ａ）に示すように、最低積層方向荷重発生バネ５４，５６が固定板４２に接触する。この接触が生ずると、固定板４２と可動板４４との間には、それらのバネ５４，５６の反力が作用し始める。そして、可動板４４は、最低積層方向荷重発生バネ５４，５６の反力と、燃料電池スタック１２の発する反力とが釣り合う位置で停止する。
【００５４】
本実施形態の燃料電池ユニット１０は、特に、セパレータの変形が消滅し、ビードのみが反力を発する状況下で、可動板４４の位置が停止するように設計されている。より具体的には、この燃料電池ユニット１０は、隣接するセパレータが実質的に離間し、かつ、個々のビードに、所望のシールを得るための最低限の積層方向荷重（最低積層方向荷重）以上の荷重が加わった状態で可動板４４の位置が均衡するように設計されている。
【００５５】
整備工場では、図３（Ａ）示すシステム構成により、圧力室４４の内圧が十分に下げられる。その結果、ビード間のシール機能が維持されたまま、セパレータ間に作用する摩擦力が十分に小さなものとなる。セパレータ間に作用する摩擦力が小さくなると、位置ずれを起こしているセル１４は、側面荷重発生板２４，２６の発する側面荷重を受けて、容易に、その位置ずれを消滅させる方向に移動することができる。
【００５６】
図３（Ａ）に示すシステムは、配管６６をノズル５０に装着するだけで、燃料電池ユニット１０を車両から取り外すことなく実現することができる。このため、このシステムによれば、燃料電池ユニット１０を車両から取り外すことなく、セル１４の位置ずれを容易に修正することができる。
【００５７】
図４は、整備工場において、圧力室４８の圧力を通常値に復帰させた状態を示している。本実施形態におけるシステムによれば、排気弁６８を閉じてポンプ６２を作動させることにより、圧力室４８の圧力を、調圧機構６４の設定値まで上昇させることができる。整備工場では、上述した手法でセル１４の位置ずれを修正した後、図４に示すように、圧力室４８の内圧を通常値に上昇させる。
【００５８】
圧力室４８の内圧が通常値に上昇すると、セパレータ間に再び安定要求値以上の荷重が発生し、原則的にセル１４の位置ずれを発生させない状態が復元される。この状態が復元された後、配管６６のアタッチメントがノズル５０から外される。その結果、ノズル５０が閉塞して、以後、燃料電池ユニット１０はセル１４に位置ずれを発生させない状態を維持することができる。
【００５９】
以上説明した通り、実施の形態１の構成によれば、燃料電池ユニット１０のセル１４に位置ずれが発生した場合に、その位置ずれを、整備工場において簡単に修正することができる。このため、実施の形態１の構成によれば、燃料電池ユニット１０のメンテナンス性を著しく改善することができる。
【００６０】
ところで、上述した実施の形態１では、燃料電池スタック１２が有する４つの側面のうち、車載状態で左右の側面となる面に対して側面荷重発生板２４，２６を配置する他、車載状態で底面及び上面となる側面に対しても側面荷重発生板を配置することとしている。しかしながら、その配置の手法はこれに限定されるものではない。すなわち、左右の側面の一方だけに側面荷重発生板を配置し、また、底面及び上面の一方だけに側面荷重発生板を配置することとしてもよい。更に、上下方向には大きな加速度や外力が作用し難いことから、底面及び上面に対応する側面荷重発生板は省略することとしてもよい。この点は、後述する他の実施形態においても同様である。
【００６１】
また、上述した実施の形態１では、可動板４４の位置が、圧力室４８の圧力と、燃料電池スタック１２の発する反力とのバランスで決定される。この場合、燃料電池スタック１２の膨張収縮や、温度変化に伴う圧力室４８の内圧変化の影響で、可動板４４の位置が変化する事態が起こり得る。このような位置変動を防ぐために、可動板４４の位置が一定に維持されるように車両上で圧力室４８の内圧調整を行うこととしてもよい。或いは、燃料電池スタック１２に基準の積層方向荷重が加わるように圧力室４８の内圧を調整した後に、クランプ等により可動板４４の位置を固定することとしてもよい。可動板４４の位置が一定に維持されれば、個々のセル１４の積層方向位置が固定され、セル１４の側面と側面荷重発生板との摺動が防止できる。このため、上記の如く可動板４４の位置を一定に維持する構成とすると、側面荷重発生板の耐久性を高めることができる。この点は、後述する他の実施形態においても同様である。
【００６２】
また、上述した実施の形態１では、最低積層方向荷重発生バネ５４，５６により最低積層方向荷重を確保することとし、セル１４の位置ずれを修正する際には、圧力室４８の内圧を十分に低下させることとしているが、本発明はこれに限定されるものではない。すなわち、セル１４の位置ずれを修正する際に、圧力室４８の内圧を適当に調整することにより、燃料電池スタック１２に加わる荷重を最低積層方向荷重に調整することとしてもよい。この点は、後述する他の実施形態においても同様である。
【００６３】
また、上述した実施の形態１では、圧力室４８を正圧にすることで所望の積層方向荷重を発生させ、その圧力を低下させることにより、積層方向荷重を低減させることとしているが、積層方向荷重を増減させる手法は、これに限定されるものではない。すなわち、所望の積層方向荷重をバネ力等の弾性力で確保し、圧力室４８を負圧化させることにより、積層方向荷重を低下させることとしてもよい。この点は、後述する他の実施形態においても同様である。
【００６４】
また、上述した実施の形態１では、燃料電池スタック１２に対する側面方向荷重を、側面方向荷重発生板２４，２６により発生させることとしているが、本発明はこれに限定されるものではない。すなわち、燃料電池スタック１２とサイドプレート３４，３６との間にペレット状の弾性材を充填して、側面方向荷重発生板２４，２６ではなく、ペレット状の弾性材により側面方向荷重を発生させることとしてもよい。この点は、後述する他の実施形態においても同様である。
【００６５】
尚、上述した実施の形態１においては、積層方向荷重発生機構４０が、前記第１の発明における「積層方向荷重発生手段」に、圧力室４８及びノズル５０が前記第１の発明における「荷重低減手段」に、また、側面荷重発生板２４，２６が前記第１の発明における「側面荷重発生手段」に、それぞれ相当している。
【００６６】
また、上述した実施の形態１においては、クランプや圧力調整の手法により、可動板４４の位置を一定に維持させることにより前記第４の発明における「端面位置維持手段」を実現することができる。また、上述した実施の形態１においては、最低積層方向荷重発生バネ５４，５６が、前記第６の発明における「弾性体」に相当している。更に、ここでは、整備工場に配置されたポンプ６２及び調圧機構６４が前記第７の発明における「加圧手段」に、減圧弁６８が前記第７の発明における「減圧手段」に、それぞれ相当している。
【００６７】
実施の形態２．
［実施の形態２の構成］
次に、図５及び図６を参照して、本発明の実施の形態２について説明する。図５は、本実施形態の燃料電池システムの構成を説明するための図である。図５において、燃料電池ユニット１０は、実施の形態１の場合と同様の構成を有している。また、圧力回路６０も、構成自体は、実施の形態１の場合と同様である（図３（Ａ）参照）。但し、本実施形態において、圧力回路６０は、整備工場に配置されているのではなく、車両に搭載されているものとする。
【００６８】
図５に示すように、本実施形態のシステムは、ECU（Electronic Control Unit)７０を備えている。ECU７０は、車両に搭載されたコンピュータユニットである。本実施形態において、ECU７０には、電流センサ７２、アノード側圧力センサ７４、カソード側圧力センサ７６、及び冷却水温センサ７８が接続されている。
【００６９】
電流センサ７２は、燃料電池ユニット１０によって発電されている電流値(A)を計測するためのセンサである。アノード側圧力センサ７４は、個々のセル１４のアノード側に水素ガスを供給するための系の圧力(Pa)を検出するためのセンサである。カソード側圧力センサ７６は、個々のセル１４のカソード側に酸化ガス（空気）を供給するための系の圧力(Pc)を検出するためのセンサである。そして、冷却水温センサ７８は、燃料電池ユニット１０の内部を流れる冷却水の温度(Tw)を計測するためのセンサである。
【００７０】
ECU７０は、上述した各種センサの出力に基づいて、車両上で圧力回路６０を制御するためのユニットである。具体的には、ECU７０は、車両上で、ポンプ６２のON・OFFを切り換え、調圧機構６４の導通状態及び設定値を制御し、また、排気弁６８の開閉状態を切り換えることができる。
【００７１】
［実施の形態２における具体的処理］
図６は、ECU７０が、燃料電池システムの状態を制御するために実行するルーチンのフローチャートである。図６に示すルーチンは、セル１４の位置ずれを修正するための処理を車両上で定期的に実行するためのルーチンである。ここでは、先ず、燃料電池ユニット１０が非発電中であるかが判別される（ステップ１００）。具体的には、電流センサ７２により何らかの電流が計測されているか否かが判別される。
【００７２】
本実施形態においても、実施の形態１の場合と同様に、圧力室４８の圧力を下げて積層方向荷重を低下させることによりセル１４の位置ずれの修正を図る。燃料電池ユニット１０の発電中は、車両が走行中であること、つまり、燃料電池ユニット１０に種々の走行振動が加わることが予想される。また、燃料電池ユニット１０の発電中は、セル１４間の接触抵抗を抑えるために発電要求値以上の積層方向荷重を確保しておくことが必要である。このため、燃料電池ユニット１０の発電中は、積層方向荷重を低下させないこと、つまり、セル１４の位置ずれ修正を行わないことが望ましい。
【００７３】
図６に示すルーチンでは、ステップ１００において、燃料電池ユニット１０が発電中であると判別されると、以後、位置ずれを修正するための処理が実行されることなく、速やかに今回の処理サイクルが終了される。他方、燃料電池ユニット１０が非発電中であると判別された場合は、次に、燃料電池ユニット１０の冷却水温Twが判定値α以下であるかが判別される（ステップ１０２）。
【００７４】
冷却水温Twが判定値αを超えている場合は、燃料電池ユニット１０が未だに高温であり、その内部に高い圧力が残存している可能性があると判断できる。このような状況下では、燃料電池スタック１２に対する積層方向荷重を十分に確保しておくことが適切である。このため、Tw≦αが不成立であった場合も、位置ずれ処理を行うことなく、速やかに今回の処理が終了される。
【００７５】
冷却水温Twが判定値α以下であると判別された場合は、アノード側の圧力Pa、並びにカソード側の圧力Pcが、何れも判定値β以下であるかが判別される（ステップ１０４）。それらの圧力Pa，Pcが判定値βを超えている場合は、セル１４間に十分なシール性を確保しておくために、積層方向荷重を通常値に維持しておくことが望ましい。このため、この場合は、以後速やかに今回の処理サイクルが終了される。
【００７６】
他方、Pa，Pcがβ以下であると判別された場合は、何ら不都合を伴わずに積層方向荷重を下げ得る状況が形成されていると判断できる。この場合は、次に、圧力室４８を減圧するべく減圧弁６８が開かれる（ステップ１０６）。その結果、燃料電池スタック１２にかかる積層方向荷重が、最低積層方向荷重まで低下する。そして、位置ずれの生じているセル１４が存在する場合は、側面方向荷重によってそのセル１４の位置ずれが修正される。
【００７７】
図６に示すルーチンでは、次に、セル１４の位置ずれ修正に必要な時間が経過したかが判別される（ステップ１０８）。そして、その時間の経過が判別されると、積層方向荷重を通常値に復帰させる処理、具体的には、排気弁６８を閉じて、ポンプ６２を作動させ、圧力室４８の圧力が既定の通常圧力となるように調圧機構６４を制御する処理が実行される（ステップ１１０）。
【００７８】
以上の処理によれば、セル１４の位置ずれを修正するための処理を、何らの不都合を伴うことなく、車両上で、定期的に、かつ自動的に実行させることができる。このため、本実施形態のシステムによれば、燃料電池ユニット１０のメンテナンス性を、画期的に向上させることができる。
【００７９】
尚、上述した実施の形態２においては、車両に搭載されたポンプ６２及び調圧機構６４が前記第７の発明における「加圧手段」に、減圧弁６８が前記第７の発明における「減圧手段」に、それぞれ相当している。
【００８０】
また、上述した実施の形態２においては、ECU７０が、上記ステップ１００〜１０４の処理を実行することにより前記第８の発明における「修復条件判定手段」が、上記ステップ１０６及び１０８の処理を実行することにより前記第８の発明における「減圧制御手段」が、上記ステップ１１０の処理を実行することにより前記第８の発明における「加圧制御手段」が、それぞれ実現されている。
【００８１】
実施の形態３．
［実施の形態３の構成］
次に、図７を参照して、本実施形態の実施の形態３について説明する。図７は、本実施形態の燃料電池システムを示す。このシステムは、車両に搭載される燃料電池ユニット８０と、整備工場に配置される圧力回路８２を備えている。
【００８２】
燃料電池ユニット８０は、側面荷重発生板２４，２６が、膨張収縮体８４，８６に置き換えられている点を除き、実施の形態１又は２で用いられた燃料電池ユニット１０と同様である。また、圧力回路８２は、膨張収縮体８４，８６に連通する配管８８と、配管８８を開閉する制御弁９０とを備えている点を除いて、実施の形態１又は２で用いられた圧力回路６０と同様である。
【００８３】
本実施形態において、膨張収縮体８４，８６は、袋状の構成を有している。膨張収縮体８４，８６は、配管８４，８６が装着されることにより、その配管８４，８６と導通した状態となり、かつ、配管８８が外されることにより、閉塞した状態となるように構成されている。
【００８４】
配管８８は、制御弁９０を介して、調圧機構６４及び排気弁６８と連通している。従って、図７に示すシステムによれば、制御弁９０を開くことにより、調圧機構６４や排気弁６８を膨張収縮体８４，８６に連通させることができる。つまり、このシステムによれば、制御弁９０を開弁状態とすることにより、膨張収縮体８４，８６の内圧を上昇、或いは低下させることができる。
【００８５】
［セルの位置ずれ修正］
本実施形態では、セル１４に位置ずれが生じた場合に、車両を整備工場に持ち込んでそのずれを修正することを前提としている。すなわち、本実施形態では、セル１４に位置ずれが発生すると、車両が整備工場に持ち込まれ、図７に示すシステムが構成される。整備工場では、実施の形態１の場合と同様の手法で、先ず、圧力室４８の内圧が減圧される。
【００８６】
次に、本実施形態では、膨張収縮体８８の内圧が上昇するように、排気弁６８が閉じられ、ポンプ６２が作動状態とされ、かつ、制御弁９０が開弁状態とされる。その結果、膨張収縮体８４，８６が均等に膨張して、全てのセル１４に対して、燃料電池スタック１２の側面を平坦化させるための側面方向荷重が均等に、かつ、十分な大きさで印加される。
【００８７】
セル１４の位置ずれが修正できる程度に膨張収縮体８４，８６の内圧が十分に上昇した後、位置ずれの修正に要する時間が経過すると、制御弁９０が閉じられる。その後、積層方向荷重が通常値になるまで、圧力室４８の内圧が高められる。圧力室４８の内圧が適正に上昇したら、ポンプ６２の停止後に配管６６がノズル５０から外され、かつ、配管８８が膨張収縮体８４，８６から外される。その結果、車両上では、燃料電池スタック１２に十分な積層方向荷重と側面方向荷重とが作用する状態が実現される。
【００８８】
本実施形態のシステムによれば、実施の形態１の場合と異なり、膨張収縮体８４，８６に加える圧力を変えることにより、側面方向荷重の大きさを任意に変化させることができる。つまり、このシステムによれば、膨張収縮体８４，８６に大きな圧力を加えることで、側面方向荷重を十分に大きな値とすることができる。このため、本実施形態の構成によれば、実施の形態１又は２の場合に比して、更に確実に、セル１４の位置ずれを修正することができる。
【００８９】
ところで、上述した実施の形態３では、圧力回路８２を整備工場に配置することとしているが、本発明はこれに限定されるものではない。すなわち、圧力回路８２は、実施の形態２の場合と同様に、車両上に準備することとしてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００９０】
【図１】本発明の実施の形態１の燃料電池ユニットの構成を表す図である。
【図２】図１に示す燃料電池スタックの端面に生ずる変位と、燃料電池スタックの各部に作用する荷重との関係を示す図である。
【図３】図１に示す燃料電池ユニットのセルに生じた位置ずれを修正するためのシステムを表した図である。
【図４】図１に示す燃料電池ユニットの圧力室の圧力を、整備工場において、セルの位置ずれの修正後に通常値に復帰させた状態を示す図である。
【図５】本発明の実施の形態２の燃料電池システムの構成を表す図である。
【図６】本発明の実施の形態２において実行されるルーチンのフローチャートである。
【図７】本発明の実施の形態３の燃料電池システムの構成を表す図である。
【符号の説明】
【００９１】
１０；８０  燃料電池ユニット
１２  燃料電池スタック
１４  セル
２４，２６  側面荷重発生板
３０，３２  エンドプレート
４０  積層方向荷重発生機構
４２  固定板
４４  可動板
５０  ノズル
５４，５６  最低積層方向荷重発生バネ
６０；８２  圧力回路
６２  ポンプ
６４  調圧機構
６６；８８  配管
６８  排気弁
７０  ECU(Electronic Control Unit)
８４，８６  膨張収縮体
９０  制御弁
【図１】
2007157419.tif 000003
【図２】
2007157419.tif 000004
【図３】
2007157419.tif 000005
【図４】
2007157419.tif 000006
【図５】
2007157419.tif 000007
【図６】
2007157419.tif 000008
【図７】
2007157419.tif 000009