(57)【要約】【課題】燃料電池スタックを構成する構成部材の劣化を低減する。【解決手段】燃料電池システムは、所定方向に積層された複数の単セルを含む燃料電池スタックと、所定方向に沿って燃料電池スタックに荷重を印加する荷重印加部と、燃料電池スタック内部に形成されたガス通路に、ガス通路内の水分を除去するためのパージガスを供給するためのパージガス供給部と、荷重印加部とパージガス供給部とを制御するための制御部と、を備える。制御部は、燃料電池システムの運転を停止させる際に、荷重印加部を制御して、燃料電池スタックに印加される荷重を、燃料電池システムの運転期間中に燃料電池スタックに印加される標準の荷重よりも低減させ、燃料電池スタックに印加される荷重が低減された状態で、パージガス供給部を制御して、燃料電池スタック内部のガス通路にパージガスを供給させる。【選択図】図６
2007305328.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池システムであって、
所定方向に積層された複数の単セルを含む燃料電池スタックと、
前記所定方向に沿って前記燃料電池スタックに荷重を印加する荷重印加部と、
前記燃料電池スタック内部に形成されたガス通路に、前記ガス通路内の水分を除去するためのパージガスを供給するためのパージガス供給部と、
前記荷重印加部と前記パージガス供給部とを制御するための制御部と、
を備え、
前記制御部は、前記燃料電池システムの運転を停止させる際に、
前記荷重印加部を制御して、前記燃料電池スタックに印加される荷重を、前記燃料電池システムの運転期間中に前記燃料電池スタックに印加される標準の荷重よりも低減させ、
前記燃料電池スタックに印加される荷重が低減された状態で、前記パージガス供給部を制御して、前記燃料電池スタック内部の前記ガス通路に前記パージガスを供給させることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
請求項１記載の燃料電池システムであって、
前記荷重印加部は、
前記燃料電池スタックを押圧する押圧部と、
前記押圧部によって前記燃料電池スタックに印加される荷重を減少させる荷重低減部と、
を備える、燃料電池システム。
【請求項３】
請求項２記載の燃料電池システムであって、
前記荷重低減部は、
前記制御部に制御され、前記押圧部の押圧力と逆向きの力を発生させる圧電アクチュエータを含む、燃料電池システム。
【請求項４】
請求項３記載の燃料電池システムであって、
前記押圧部は、
前記制御部に制御されず、前記燃料電池スタックを締結するためのネジ式の締結手段を含む、燃料電池システム。
【請求項５】
請求項１記載の燃料電池システムであって、
前記荷重印加部は、
前記燃料電池スタックを押圧する可変押圧部であって、前記制御部に制御されて前記燃料電池スタックを押圧する押圧力を変更可能な前記可変押圧部を備える、燃料電池システム。
【請求項６】
請求項１ないし５のいずれかに記載の燃料電池システムであって、さらに、
前記燃料電池スタックに印加される荷重を検出するためのセンサを備え、
前記制御部は、前記燃料電池システムの運転を停止させる際に、前記センサの検出結果を用いて、前記荷重印加部を制御する、燃料電池システム。
【請求項７】
請求項６記載の燃料電池システムであって、
前記制御部は、前記燃料電池スタック内部に形成された前記ガス通路の気密性が損なわれないように、前記センサの検出結果が所定値以上になるように、前記荷重印加部を制御する、燃料電池システム。
【請求項８】
請求項１ないし７のいずれかに記載の燃料電池システムであって、
前記制御部は、前記燃料電池システムの運転を開始させる際に、前記燃料電池スタックに印加される荷重が前記標準の荷重よりも低く設定されるように、前記荷重印加部を制御する、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、燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池システムは、通常、積層された複数の単セルを含む燃料電池スタックを備えている。燃料電池スタックの内部抵抗を低減させるため、燃料電池スタックには、通常、荷重が印加されている。
【０００３】
なお、特許文献１では、燃料電池システムの運転停止時に、燃料電池スタックを押圧する押圧力を低減させることにより、燃料電池スタックを構成する構成部材の劣化が抑制されている。
【０００４】
【特許文献１】特開２００２−１１７８８９号公報
【特許文献２】特開平９−７３９１４号公報
【特許文献３】特開平７−３０２６０７号公報
【特許文献４】特開２００１−３１９６７３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、従来では、燃料電池スタックの周囲の温度が低い場合に、燃料電池スタックの構成部材が劣化してしまう虞があった。具体的には、燃料電池スタックの内部では発電により水（生成水）が生成されるため、燃料電池スタックの周囲の温度が低い場合には、燃料電池スタックの運転停止中に生成水が凍結する虞がある。上述のように、燃料電池システムの運転停止時に押圧力を低減させる場合には、燃料電池システムの運転開始時に押圧力を増大させる必要があるが、生成水が凍結した状態で押圧力を再度増大させると、燃料電池スタックに過度に高い荷重が印加され、燃料電池スタックの構成部材が劣化してしまう虞がある。また、燃料電池システムの運転停止時に押圧力を低減させない場合にも、生成水の凍結に起因して、燃料電池スタックに過度に高い荷重が印加され、燃料電池スタックの構成部材が劣化してしまう虞がある。
【０００６】
この発明は、従来技術における上述の課題を解決するためになされたものであり、燃料電池スタックを構成する構成部材の劣化を低減することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上述の課題の少なくとも一部を解決するため、本発明の装置は、燃料電池システムであって、
所定方向に積層された複数の単セルを含む燃料電池スタックと、
前記所定方向に沿って前記燃料電池スタックに荷重を印加する荷重印加部と、
前記燃料電池スタック内部に形成されたガス通路に、前記ガス通路内の水分を除去するためのパージガスを供給するためのパージガス供給部と、
前記荷重印加部と前記パージガス供給部とを制御するための制御部と、
を備え、
前記制御部は、前記燃料電池システムの運転を停止させる際に、
前記荷重印加部を制御して、前記燃料電池スタックに印加される荷重を、前記燃料電池システムの運転期間中に前記燃料電池スタックに印加される標準の荷重よりも低減させ、
前記燃料電池スタックに印加される荷重が低減された状態で、前記パージガス供給部を制御して、前記燃料電池スタック内部の前記ガス通路に前記パージガスを供給させることを特徴とする。
【０００８】
この装置では、燃料電池システムの運転を停止させる際に、燃料電池スタックに印加される荷重が標準の荷重よりも低減され、その後、ガス通路にパージガスが供給されるため、ガス通路内の水分を効率よく除去することができ、この結果、燃料電池スタックを構成する構成部材の劣化を低減することができる。
【０００９】
上記の装置において、
前記荷重印加部は、
前記燃料電池スタックを押圧する押圧部と、
前記押圧部によって前記燃料電池スタックに印加される荷重を減少させる荷重低減部と、
を備えるようにしてもよい。
【００１０】
上記の装置において、
前記荷重低減部は、
前記制御部に制御され、前記押圧部の押圧力と逆向きの力を発生させる圧電アクチュエータを含むようにしてもよい。
【００１１】
こうすれば、荷重低減部を小型化することができ、この結果、燃料電池システムを小型化することができる。
【００１２】
上記の装置において、
前記押圧部は、
前記制御部に制御されず、前記燃料電池スタックを締結するためのネジ式の締結手段を含むようにしてもよい。
【００１３】
こうすれば、簡単な構成で押圧部を構成することができる。
【００１４】
上記の装置において、
前記荷重印加部は、
前記燃料電池スタックを押圧する可変押圧部であって、前記制御部に制御されて前記燃料電池スタックを押圧する押圧力を変更可能な前記可変押圧部を備えるようにしてもよい。
【００１５】
上記の装置において、さらに、
前記燃料電池スタックに印加される荷重を検出するためのセンサを備え、
前記制御部は、前記燃料電池システムの運転を停止させる際に、前記センサの検出結果を用いて、前記荷重印加部を制御することが好ましい。
【００１６】
こうすれば、燃料電池スタックに印加される低減後の荷重を適切な荷重に設定することができる。
【００１７】
上記の装置において、
前記制御部は、前記燃料電池スタック内部に形成された前記ガス通路の気密性が損なわれないように、前記センサの検出結果が所定値以上になるように、前記荷重印加部を制御することが好ましい。
【００１８】
こうすれば、燃料電池スタックに印加される低減後の荷重が過度に小さな荷重に設定されずに済み、ガス通路の気密性を確保することができる。
【００１９】
上記の装置において、
前記制御部は、前記燃料電池システムの運転を開始させる際に、前記燃料電池スタックに印加される荷重が前記標準の荷重よりも低く設定されるように、前記荷重印加部を制御するようにしてもよい。
【００２０】
こうすれば、燃料電池スタックの内部抵抗が大きくなるため、運転開始時におけるスタック１００の内部温度を比較的短時間で上昇させることができる。
【００２１】
この発明は、種々の形態で実現することが可能であり、例えば、燃料電池システム、該燃料電池システムを搭載する車両等の移動体、該燃料電池システムのための制御装置および方法、これらの方法または装置の機能を実現するためのコンピュータプログラム、そのコンピュータプログラムを記録した記録媒体、そのコンピュータプログラムを含み搬送波内に具現化されたデータ信号、等の形態で実現することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２２】
次に、本発明の実施の形態を実施例に基づいて以下の順序で説明する。
Ａ．第１実施例：
Ａ−１．燃料電池システムの概略構成：
Ａ−２．燃料電池スタックの構成：
Ａ−３．燃料電池システムの要部：
Ａ−４．燃料電池システムの制御：
Ｂ．第２実施例：
Ｃ．第３実施例：
【００２３】
Ａ．第１実施例：
Ａ−１．燃料電池システムの概略構成：
図１は、燃料電池システムの概略構成を示す説明図である。図示するように、燃料電池システムは、燃料電池スタック（以下、単に「スタック」とも呼ぶ）１００と、燃料ガス供給部１１０と、酸化ガス供給部１２０と、冷却液循環部１３０と、各部１１０，１２０，１３０を制御するコントローラ１９０と、を備えている。
【００２４】
燃料ガス供給部１１０は、燃料ガス（水素ガス）をスタック１００に供給する機能を有しており、例えば、水素タンクと減圧弁とを含んでいる。酸化ガス供給部１２０は、酸化ガス（空気）をスタック１００に供給する機能を有しており、例えば、図示しないブロワを含んでいる。冷却液循環部１３０は、スタック１００内部で冷却液を循環させる機能を有しており、例えば、図示しない循環ポンプと熱交換機とを含んでいる。
【００２５】
Ａ−２．燃料電池スタックの構成：
図２は、図１の燃料電池スタック１００の部分断面図である。図示するように、スタック１００は、複数の単セル（単電池）２０が積層された構造を有しており、隣り合う２つの単セル２０間には、セパレータ５０が設けられている。
【００２６】
単セル２０は、膜−電極−ガス拡散層アセンブリ（以下、「ＭＥＧＡ」（Membrane Electrode Gas diffusion layer Assembly）と呼ぶ）２２と、ＭＥＧＡ２２の両側に設けられた多孔質体２４ａ，２４ｃと、ＭＥＧＡ２２の周囲に設けられたガスケット２６と、を含んでいる。
【００２７】
ＭＥＧＡ２２は、電解質膜３０を含んでおり、電解質膜３０の一方の面には、触媒電極層（アノード）３１ａとガス拡散層３２ａとがこの順に形成されており、電解質膜３０の他方の面には、触媒電極層（カソード）３１ｃとガス拡散層３２ｃとがこの順に形成されている。
【００２８】
なお、電解質膜３０としては、フッ素系樹脂などの固体高分子材料で形成された膜を用いることができる。また、触媒電極層３１ａ，３１ｃとしては、カーボン粒子に白金などの触媒を担持させた触媒層を用いることができる。ガス拡散層３２ａ，３２ｃは、カーボンペーパなどのガス透過性および導電性を有する材料で形成されている。
【００２９】
多孔質体２４ａ，２４ｃは、ＭＥＧＡ２２とセパレータ５０との間に形成される空間に配置されている。具体的には、アノード側の多孔質体２４ａは、ガス拡散層３２ａと、ガス拡散層３２ａに対向するセパレータ５０との間に形成される空間に配置されている。カソード側の多孔質体２４ｃは、カソード側のガス拡散層３２ｃと、ガス拡散層３２ｃに対向するセパレータ５０との間に形成される空間に配置されている。アノード側のガス拡散層３２ａと多孔質体２４ａとは、触媒電極層（アノード）３１ａに供給される燃料ガスが通るセル内燃料ガス通路に設けられている。また、カソード側のガス拡散層３２ｃと多孔質体２４ｃとは、触媒電極層（カソード）３１ｃに供給される酸化ガスが通るセル内酸化ガス通路に設けられている。なお、セル内通路は、図２に示すように、各単セル２０内部において、電解質膜３０と平行に設けられた通路である。
【００３０】
なお、多孔質体２４ａ，２４ｃは、ガス透過性および導電性を有する板状部材であり、例えば、チタン等の金属や、カーボンなどを用いて形成される。金属多孔質体としては、例えば、発泡金属焼結体や、球状あるいは繊維状の微小な金属片を焼結させた焼結体を用いることができる。
【００３１】
ガスケット２６は、ＭＥＧＡ２２と一体的に形成されている。なお、ＭＥＧＡ２２とガスケット２６とを含む構造体を以下では「セルアセンブリ」と呼ぶ。
【００３２】
図３は、ＭＥＧＡ２２とガスケット２６とを含むセルアセンブリを示す平面図である。図示するように、セルアセンブリは、略矩形の外形形状を有しており、枠状のガスケット２６の内側に、矩形のＭＥＧＡ２２が設けられている。図中、ＭＥＧＡ２２は、ハッチを付して示されている。なお、図３のセルアセンブリのＡ−Ａ断面が図２に示されている。
【００３３】
ガスケット２６には、セル間酸化ガス通路を構成する第１および第２の長孔６１ｇ，６２ｇと、セル間燃料ガス通路を構成する第３および第４の長孔６３ｇ，６４ｇと、セル間冷却液通路を構成する第５および第６の長孔６５ｇ，６６ｇと、が形成されている。なお、セル間通路は、図２に示すように、スタック１００内部を貫通し、複数の単セル２０の積層方向に沿った通路である。
【００３４】
ガスケット２６は、図２に示すように、セパレータ５０と接触する凸部を有している。凸部は、図２，図３に示す一点鎖線ＳＬに沿って設けられている。具体的には、凸部は、６つの長孔６１ｇ〜６６ｇの周囲に設けられている。また、凸部は、ＭＥＧＡ２２の周囲に設けられている。スタック１００は、通常、積層方向に押圧されるため、ガスケット２６の凸部によって、各セル間通路のシール性（気密性）が確保されると共に、各セル内通路のシール性が確保される。
【００３５】
なお、セルアセンブリは、例えば、射出成形処理によって形成可能である。具体的には、周囲に空間が設けられた金型内にＭＥＧＡ２２を配置し、該金型内の空間に樹脂材料を射出することによって形成される。樹脂材料としては、例えば、シリコンゴム、ブチルゴム、フッ素ゴムなどの絶縁性を有する樹脂材料が用いられる。
【００３６】
セパレータ５０（図２）は、カソード側の多孔質体２４ｃに接するカソード側プレート５２と、アノード側の多孔質体２４ａに接するアノード側プレート５６と、２つのプレート５２，５６に挟まれた中間プレート５４と、を備えている。
【００３７】
図４は、セパレータ５０を構成する各プレート５２，５４，５６の平面図である。図４（Ａ）〜（Ｃ）は、それぞれ、カソード側プレート５２と、中間プレート５４と、アノード側プレート５６と、を示している。なお、図４（Ａ）〜（Ｃ）の各プレート５２，５４，５６のＡ−Ａ断面が、図２に示されている。
【００３８】
カソード側プレート５２（図４（Ａ））には、セル間酸化ガス通路を構成する第１および第２の長孔６１ｃ，６２ｃと、セル間燃料ガス通路を構成する第３および第４の長孔６３ｃ，６４ｃと、セル間冷却液通路を構成する第５および第６の長孔６５ｃ，６６ｃと、が形成されている。また、カソード側プレート５２には、第１の長孔６１ｃ付近に、セル内酸化ガス通路の入口を構成する複数の小孔７１ｃが形成されていると共に、第２の長孔６２ｃ付近に、セル内酸化ガス通路の出口を構成する複数の小孔７２ｃが形成されている（図２参照）。
【００３９】
アノード側プレート５６（図４（Ｃ））には、カソード側プレート５２と同様に、第１ないし第６の長孔６１ａ〜６６ａが形成されている。ただし、アノード側プレート５６には、第３の長孔６３ａ付近に、セル内燃料ガス通路の入口を構成する複数の小孔７３ａが形成されていると共に、第４の長孔６４ａ付近に、セル内燃料ガス通路の出口を構成する複数の小孔７４ａが形成されている。
【００４０】
中間プレート５４（（図４（Ｂ））には、セル間酸化ガス通路を構成する第１の長孔６１ｍと、酸化ガスをセル内酸化ガス通路に導く複数の連通孔７１ｍと、が接続された櫛状の第１の孔が形成されている。同様に、中間プレート５４には、第２の長孔６２ｍと複数の連通孔７２ｍとが接続された櫛状の第２の孔が形成されている。また、中間プレート５４には、セル間燃料ガス通路を構成する第３の長孔６３ｍと、燃料ガスをセル内燃料ガス通路に導く複数の連通孔７３ｍと、が接続された櫛状の第３の孔が形成されている。同様に、中間プレート５４には、第４の長孔６４ｍと複数の連通孔７４ｍとが接続された櫛状の第４の孔が形成されている。さらに、中間プレート５４には、セル間冷却通路および隣接する２つの単セル２０間の冷却液通路を構成する複数の長孔７８が形成されている（図２参照）。
【００４１】
なお、３つのプレート５２，５４，５６は、例えば、ステンレス鋼や、チタン、チタン合金などの導電性を有する金属製の板材に対して、打ち抜きプレス処理を施すことによって形成される。そして、３つのプレート５２，５４，５６は、例えば拡散接合により接合され、この結果、セパレータ５０が得られる。
【００４２】
図２に示すように、スタック１００に供給された酸化ガスは、中間プレート５４の長孔６１ｍおよび連通孔７１ｍと、カソード側プレート５２の小孔７１ｃと、を通って、多孔質体２４ｃに流入する。なお、酸化ガスは、ガス拡散層３２ｃを介して触媒電極（カソード）３１ｃに到達し、電気化学反応に利用される。多孔質体２４ｃを通過した使用済みの酸化ガスは、カソード側プレート５２の小孔７２ｃと、中間プレート５４の連通孔７２ｍおよび長孔６２ｍを通って、スタック１００から排出される。
【００４３】
同様に、スタック１００に供給された燃料ガスは、中間プレート５４の長孔６３ｍおよび連通孔７３ｍと、アノード側プレート５６の小孔７３ａと、を通って、多孔質体２４ａに流入する。なお、燃料ガスは、ガス拡散層３２ａを介して触媒電極（アノード）３１ａに到達し、電気化学反応に利用される。多孔質体２４ａを通過した使用済みの燃料ガスは、アノード側プレート５６の小孔７４ａと、中間プレート５４の連通孔７４ｍおよび長孔６４ｍを通って、スタック１００から排出される。
【００４４】
また、スタック１００に供給された冷却液は、中間プレート５４の長孔７８を通って、スタック１００から排出される。
【００４５】
Ａ−３．燃料電池システムの要部：
図５は、燃料電池システムの要部を示す説明図である。前述したように、燃料電池システムは、スタック１００と、酸化ガス供給部１２０に含まれるブロワ１２２と、コントローラ１９０と、を備えている。なお、図５では、図１に示す燃料ガス供給部１１０と冷却液循環部１３０との図示は省略されている。
【００４６】
図５に示すように、スタック１００は、複数の単セル２０およびセパレータ５０を含む積層体１０１と、積層体１０１の一方の側に設けられた第１の集電プレート１７２および第１の絶縁プレート１８２と、積層体１０１の他方の側に設けられた第２の集電プレート１７４および第２の絶縁プレート１８４と、を備えている。２つの集電プレート１７２，１７４には、それぞれ図示しない出力端子が設けられており、出力端子を介して、スタック１００の発電によって生成された電力が負荷に供給される。
【００４７】
なお、集電プレート１７２，１７４は、緻密質カーボンや銅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。絶縁プレート１８２，１８４は、ゴムや樹脂などの絶縁性部材によって形成されている。
【００４８】
また、図５に示すように、燃料電池システムは、締結機構３００と、電圧発生器３６０と、複数（本実施例では４つ）の圧電アクチュエータ３７０と、を備えている。
【００４９】
締結機構３００は、スタック１００を締結するためのネジ式の締結手段であり、スタックが圧縮されるようにスタックを押圧し、スタックに荷重を印加する機能を有している。締結機構３００は、複数（本実施例では４つ）のシャフト３１０と、２つのエンドプレート３２２，３２４と、を備えている。
【００５０】
なお、第１のエンドプレート３２２には、スタック１００内部で燃料ガスと酸化ガスと冷却液とを流通させるための図示しない３つの供給口および３つの排出口が設けられている。また、第１のエンドプレート３２２は、燃料電池システムの他の構造部材に固定されているが、第２のエンドプレート３２４は他の構造部材に固定されていない。
【００５１】
各シャフト３１０は、その２つの先端付近において比較的小さな直径を有しており、中央部分において比較的大きな直径を有している。各シャフト３１０の２つの先端付近には、雄ネジが形成されている。また、各シャフト３１０の周囲には、圧電アクチュエータ３７０が設けられている。具体的には、圧電アクチュエータ３７０は、略円柱状の外形形状を有しており、略円柱状の貫通孔を有している。各シャフト３１０の第２のエンドプレート３２４側の先端部は、圧電アクチュエータ３７０の貫通孔に挿入されている。
【００５２】
２つのエンドプレート３２２，３２４は、スタック１００の２つの端部に配置されており、複数のシャフト３１０を介して互いに接続されている。各エンドプレート３２２，３２４には、複数のシャフト３１０に対応する複数の貫通孔が設けられている。圧電アクチュエータ３７０が取り付けられた各シャフト３１０は、スタック１００を挟む２つのエンドプレート３２２，３２４の対応する２つの貫通孔に挿入されており、２つの先端部において、ナット３１２，３１４でネジ止めされている。
【００５３】
上記のように、締結機構３００は、スタック１００を押圧し、スタック１００に荷重を印加する。具体的には、各ナット３１２，３１４を所定のトルクでねじ込むことにより、２つのエンドプレート３２２，３２４には、２つのエンドプレート間の幅を小さくする向きの力（押圧力）が印加され、この結果、２つのエンドプレートに挟まれたスタック１００に所定の荷重（例えば約２００００Ｎ）が印加される。このように、スタック１００に荷重を印加することによって、スタック１００の内部抵抗を低減させることができ、この結果、スタックの出力電圧を増大させることができる。また、スタック１００内部のガス通路および冷却液通路のシール性（気密性）を確保することができる。
【００５４】
各圧電アクチュエータ３７０は、積層された複数の圧電素子を含んでいる。電圧発生器３６０は、電圧を出力して、圧電アクチュエータ３７０を駆動する。本実施例では、圧電アクチュエータ３７０は、印加電圧の値が大きくなると伸張し、印加電圧の値が小さくなると収縮する。電圧発生器３６０は、コントローラ１９０からの命令に従って出力電圧を調整する。
【００５５】
なお、締結機構３００を構成する締結部材、すなわち、エンドプレート３２２，３２４と複数のシャフト３１０と複数のナット３１２，３１４とは、例えば、ステンレス鋼などの金属によって形成されている。
【００５６】
本実施例における締結機構３００と電圧発生器３６０と圧電アクチュエータ３７０とが、本発明における荷重印加部に相当する。また、締結機構３００は、本発明における押圧部に相当し、電圧発生器３６０と複数の圧電アクチュエータ３７０とは、本発明における荷重低減部に相当する。このように、コントローラ１９０に制御されないネジ式の締結機構３００を利用すれば、簡単な構成で押圧部を構成することができる。また、圧電アクチュエータ３７０を利用すれば、荷重低減部を小型化することができ、この結果、燃料電池システムを小型化することができる。
【００５７】
なお、本実施例では、４つの圧電アクチュエータ３７０が利用されているが、圧電アクチュエータの数は、スタック１００に印加される荷重と、圧電アクチュエータの耐荷重と、に応じて決定されればよい。また、本実施例では、各圧電アクチュエータ３７０には、貫通孔が設けられているが、これに代えて、両端部にネジが設けられていてもよい。この場合には、各圧電アクチュエータの両側に２つのシャフトが接続されればよい。
【００５８】
Ａ−４．燃料電池システムの制御：
周知のように、燃料電池システムの運転期間中には、スタック１００の発電により、スタック内部において、より具体的には、カソード側の触媒電極層３１ｃにおいて、水（生成水）が生成される。このため、運転期間中には、セル内酸化ガス通路に配置されたガス拡散層３２ｃと多孔質体２４ｃとには、比較的多くの生成水が含まれている。なお、セル内酸化ガス通路において、生成水は、液体または気体の状態で存在し得る。
【００５９】
スタック１００の周囲の温度が低い場合には、燃料電池システムの運転停止中に生成水が凍結してしまう虞がある。生成水が凍結する場合には、スタック１００を構成する構成部材が劣化する虞がある。例えば、生成水の凍結に起因する膨張により、スタック１００の構成部材に過度に大きな荷重が印加され、構成部材が破損してしまう虞がある。また、生成水が凍結する場合には、セル内酸化ガス通路に配置されたガス拡散層３２ｃおよび多孔質体２４ｃのガス透過性が低下し、燃料電池システムの運転開始時に、カソード側の触媒電極層３１ｃに酸化ガスを充分に供給できず、発電効率が低下してしまう虞がある。
【００６０】
そこで、本実施例では、セル内酸化ガス通路に残留する水分を効率よく除去できるように、燃料電池システムの運転停止時の処理を工夫している。
【００６１】
図６は、燃料電池システムの運転停止時の処理を示すフローチャートである。なお、図６の処理は、例えば、燃料電池システムのユーザによって運転の停止が指示された際に実行される。
【００６２】
ステップＳ１０２では、スタック１００に印加される荷重（印加荷重）が低減される。前述したように、燃料電池システムの通常の運転期間中には、スタック１００には例えば約２００００Ｎの荷重（以下「標準荷重」と呼ぶ）が印加されている。ステップＳ１０２では、コントローラ１９０は、複数の圧電アクチュエータ３７０が伸張するように、電圧発生器３６０を制御する。このとき、２つのエンドプレート４２２，４２４には、２つのエンドプレート間の幅を大きくする向きの力（すなわち、押圧力と逆向きの力）が印加される。これにより、スタック１００の印加荷重は、標準荷重よりも小さくなる。なお、本実施例では、コントローラ１９０は、スタック１００の低減後の印加荷重が、例えば約１６０００〜約１８０００Ｎになるように、電圧発生器３６０を制御する。
【００６３】
ステップＳ１０４では、スタック１００内部の酸化ガス通路にパージガス（空気）が供給される。具体的には、コントローラ１９０は、ブロワ１２２を制御して、スタック１００内部の酸化ガス通路にパージガスを供給させる。このとき、セル内酸化ガス通路に残留する水分が押し出され、スタック１００の外部に排出される。
【００６４】
特に、本実施例では、スタック１００の印加荷重が低減されているため、セル内酸化ガス通路に設けられたガス拡散層３２ｃおよび多孔質体２４ｃのガス透過性が向上している。具体的には、通常の運転期間中には、スタック１００には標準荷重が印加されているため、ガス拡散層３２ｃおよび多孔質体２４ｃは圧縮され、この結果、ガス拡散層３２ｃおよび多孔質体２４ｃのガス透過性は、標準荷重よりも小さな荷重が印加される場合と比較して、低い。ステップＳ１０４では、スタック１００の印加荷重が標準荷重よりも小さく設定されるため、ガス拡散層３２ｃおよび多孔質体２４ｃのガス透過性が向上する。そして、この状態でセル内酸化ガス通路にパージガスを供給することにより、セル内酸化ガス通路に残留する水分を効率よく除去することができる。
【００６５】
本実施例では、ステップＳ１０４の処理後には、スタック１００の印加荷重は、低減後の荷重で維持される。しかしながら、これに代えて、低減前の標準荷重に戻されるようにしてもよい。本実施例のように、印加荷重が低減後の荷重で維持される場合には、比較的大きな荷重が長期間印加されることに起因するスタック１００の構造部材の劣化を低減することができるという利点がある。一方、印加荷重が低減前の標準荷重に戻される場合には、運転停止期間中に圧電アクチュエータ３７０に電圧を印加せずに済むため、図示しない二次電池等の消費電力を低減することができるという利点がある。
【００６６】
以上説明したように、本実施例では、燃料電池システムの運転を停止させる際に、燃料電池スタックに印加される荷重が標準の荷重よりも低減され、その後、ガス通路にパージガスが供給されるため、ガス通路内の水分を効率よく除去することができる。この結果、残留水分の凍結に起因するスタック１００を構成する構成部材の劣化を低減することができる。また、残留水分の凍結に起因するガス拡散層３２ｃおよび多孔質体２４ｃのガス透過性の低下を抑制することができ、この結果、残留水分の凍結に起因する燃料電池システムの運転開始時の発電効率の低下を抑制することができる。
【００６７】
上記の説明からも分かるように、本実施例におけるブロワ１２２を含む酸化ガス供給部１２０が、本発明におけるパージガス供給部に相当する。
【００６８】
ところで、燃料電池システムの運転開始時には、スタック１００の内部温度は、運転期間中における内部温度（例えば約８０度）よりも低い。このように、スタック１００の内部温度が低い場合には、スタックの発電効率は低い。そこで、本実施例では、燃料電池システムの運転開始時のスタック１００の内部温度を迅速に上昇させることができるように、運転開始時の処理を工夫している。
【００６９】
図７は、燃料電池システムの運転開始時の処理を示すフローチャートである。なお、図７の処理は、例えば、燃料電池システムのユーザによって運転の開始が指示された際に実行される。
【００７０】
なお、前述したように、本実施例では、図６のステップＳ１０４の処理後には、すなわち、燃料電池システムの運転停止期間中には、スタック１００の印加荷重は、低減後の荷重（例えば約１６０００〜約１８０００Ｎ）で維持されている。
【００７１】
ステップＳ１１２では、スタック１００の印加荷重は、標準荷重よりも低い荷重（本実施例では、ステップＳ１０４の処理後の低減後の荷重）で所定期間維持される。具体的には、コントローラ１９０は、運転開始の指示を受けた後、所定期間経過するまで、複数の圧電アクチュエータ３７０が伸張された状態で維持されるように、電圧発生器３６０を制御する。スタック１００の印加荷重は、標準荷重よりも小さいため、スタック１００の内部抵抗は比較的大きい。このため、スタック１００の発熱が比較的大きくなる。これにより、運転開始時におけるスタック１００の内部温度を比較的短時間で上昇させることができる。
【００７２】
なお、本実施例では、ステップＳ１１２において、スタック１００の印加荷重は、所定期間経過するまで低減後の荷重で維持されているが、これに代えて、温度センサを利用して、スタック１００の内部温度が所定値に達するまで低減後の荷重で維持されるようにしてもよい。
【００７３】
また、本実施例では、ステップＳ１１２において、スタック１００の印加荷重は、ステップＳ１０４の処理後の低減後の荷重（例えば約１６０００〜約１８０００Ｎ）で維持されているが、これに代えて、該低減後の荷重と異なる荷重で維持されるようにしてもよい。すなわち、ステップＳ１１２においてスタック１００に印加される荷重は、標準荷重よりも低く設定されればよい。
【００７４】
ステップＳ１１４では、スタック１００の印加荷重が標準荷重に変更される。具体的には、コントローラ１９０は、複数の圧電アクチュエータ３７０が収縮してステップＳ１０２の処理前の状態に戻るように、電圧発生器３６０を制御する。これにより、スタック１００には、標準荷重が印加される。このとき、スタック１００の内部抵抗は低下し、スタック１００は効率よく発電を行うことができる。
【００７５】
Ｂ．第２実施例：
図８は、第２実施例における燃料電池システムの要部を示す説明図である。図８は、図５とほぼ同じであるが、ロードセンサ２１０が追加されている。
【００７６】
ロードセンサ２１０は、スタック１００の第２の絶縁プレート１８４と、第２のエンドプレート３２４と、の間に配置されている。ロードセンサ２１０は、自己に印加される荷重を検出し、検出結果をコントローラ１９０に供給する。なお、ロードセンサ２１０に印加される荷重は、スタック１００に印加される荷重と同じである。
【００７７】
この説明から分かるように、本実施例におけるロードセンサ２１０が本発明におけるセンサに相当する。
【００７８】
本実施例の燃料電池システムでも、第１実施例と同様に、図６，図７の処理が実行される。ただし、本実施例では、ステップＳ１０２（図６）において、コントローラ１９０は、ロードセンサ２１０から検出結果を取得し、検出結果に応じて電圧発生器３６０を制御する。
【００７９】
仮に、ステップＳ１０２において、スタック１００の印加荷重が過度に低減された場合、例えば、低減後の荷重が５０００Ｎ以下である場合には、スタック１００内部の通路のシール性の確保が困難となり、燃料ガス（水素ガス）や冷却液などがスタック１００から漏れ出す虞がある。また、仮に、ステップＳ１０２において、スタック１００の印加荷重が充分に低減されていない場合、例えば、低減後の荷重が約１９０００Ｎである場合には、セル内酸化ガス通路内の水分を充分に除去することができない虞がある。
【００８０】
そこで、本実施例では、ステップＳ１０２において、コントローラ１９０は、ロードセンサ２１０の検出結果を用いて、スタック１００に印加される低減後の荷重が比較的低い第１の閾値（例えば約１６０００Ｎ）以上および比較的高い第２の閾値（例えば約１８０００Ｎ）以下に設定されるように、電圧発生器３６０の出力電圧を制御している。これにより、スタック１００に印加される低減後の荷重を適切な荷重（例えば約１６０００〜約１８０００Ｎ）に設定することができ、この結果、各通路のシール性を確保することができると共に、セル内酸化ガス通路内の水分を充分に除去することができる。
【００８１】
なお、図７のステップＳ１１２，Ｓ１１４において、ロードセンサ２１０の検出結果が用いられるようにしてもよい。
【００８２】
Ｃ．第３実施例：
図９は、第３実施例における燃料電池スタックの要部を示す説明図である。図９は、図５とほぼ同じであるが、締結機構３００と電圧発生器３６０と複数の圧電アクチュエータ３７０とに代えて、締結機構４００と可変押圧部５００とを備えている。
【００８３】
具体的には、第１実施例の締結機構３００は、比較的大きな荷重（例えば２００００Ｎ）をスタック１００に印加しているが、本実施例の締結機構４００は、比較的小さな荷重（例えば５０００Ｎ以下）をスタック１００に印加している。すなわち、本実施例の締結機構４００は、スタック１００を保持する機能のみを有しており、スタック１００の内部抵抗を低減させる機能と各通路のシール性（気密性）を確保する機能とを有していない、と言える。
【００８４】
締結機構４００は、第１実施例と同様に、複数（本実施例では４つ）のシャフト４１０と、２つのエンドプレート４２２，４２４と、を備えている。
【００８５】
２つのエンドプレート４２２，４２４は、図５の２つのエンドプレート３２２，３２４と同様であるが、第２のエンドプレート４２４には、略円錐状の凹部４２４ｃが形成されている。シャフト４１０は、図５のシャフト３１０とほぼ同様であるが、圧電アクチュエータの省略に伴って形状が変更されている。また、シャフト４１０は、第１実施例と同様に、スタック１００を挟む２つのエンドプレート４２２，４２４の対応する２つの貫通孔に挿入されており、２つの先端部において、ナット４１２，４１４でネジ止めされている。ただし、本実施例では、スタック１００に比較的小さな荷重（例えば５０００Ｎ以下）が印加されるように、各ナット４１２，４１４は、比較的小さなトルクでねじ込まれている。
【００８６】
可変押圧部５００は、駆動系と、荷重印加系と、に区分される。駆動系は、駆動回路５１２と、モータ５１４と、モータ５１４に接続された回転軸５１６と、回転軸５１６に取り付けられた第１のギヤ５１８と、を含んでいる。また、荷重印加系は、軸体５２２と、軸体５２２の一方の端部に固定された第２のギヤ５２４と、軸体５２２の他方の端部に固定された球体５２６と、軸体５２２が挿入された固定プレート５２８と、を備えている。第２のギヤ５２４は、第１のギヤ５１８と係合している。また、軸体５２２の中央部分には雄ネジが形成されており、固定プレート５２８には雌ネジが形成されている。なお、固定プレート５２８は、燃料電池システムの他の構造部材に固定されている。
【００８７】
スタック１００に標準荷重（例えば約２００００Ｎ）を印加する際には、駆動回路５１２は、モータ５１４に電力を供給し、モータ５１４を第１の方向に回動させる。このとき、第１のギヤ５１８が回動するため、第２のギヤ５２４も回動する。そして、第２のギヤ５２４の回動に応じて、軸体５２２は、固定プレート５２８に垂直な方向に移動する。この結果、球体５２６は、第２のエンドプレート４２４に設けられた凹部４２４ｃを押圧する。これにより、スタック１００には、標準荷重が印加される。
【００８８】
上記の説明から分かるように、本実施例では、モータ５１４を第１の方向に回動させることにより、スタック１００を押圧する押圧力を増大させ、この結果、スタック１００に印加される荷重を増大させることができ、モータ５１４を第１の方向と逆の第２の方向に回動させることにより、スタック１００を押圧する押圧力を低減させ、この結果、スタック１００に印加される荷重を低減させることができる。
【００８９】
上記の説明から分かるように、本実施例における可変押圧部５００が、本発明における荷重印加部に相当する。
【００９０】
本実施例の燃料電池システムでも、第１実施例と同様に、図６の処理が実行される。具体的には、ステップＳ１０２では、コントローラ１９０は、モータ５１４が第２の方向に回動するように、駆動回路５１２を制御する。このとき、球体５２６が第２のエンドプレート４２４を押圧する押圧力が低減される。これにより、スタック１００の印加荷重が標準荷重よりも小さく設定される。ステップＳ１０４では、コントローラ１９０は、第１実施例と同様に、ブロワ１２２を制御して、スタック１００内部の酸化ガス通路にパージガス（空気）を供給させる。
【００９１】
また、本実施例の燃料電池システムでも、第１実施例と同様に、図７の処理が実行される。具体的には、ステップＳ１１２では、コントローラ１９０は、運転開始の指示を受けた後、所定期間経過するまで、モータ５１４が回動しないように、駆動回路５１２を制御する。これにより、スタック１００の印加荷重は、標準荷重よりも低い荷重で所定期間維持され、この結果、スタック１００の内部温度を比較的短時間で上昇させることができる。ステップＳ１１４では、コントローラ１９０は、モータ５１４が第１の方向に回動するように、駆動回路５１２を制御する。これにより、スタック１００の印加荷重が標準荷重に戻され、スタック１００は効率よく発電を行うことができる。
【００９２】
なお、本実施例においても、第２実施例（図８）と同様に、ロードセンサ２１０が利用されるようにしてもよい。こうすれば、コントローラ１９０は、スタック１００に適切な荷重が印加されるように、駆動回路５１２を制御することができる。
【００９３】
なお、この発明は上記の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において実施することが可能であり、例えば次のような変形も可能である。
【００９４】
（１）上記実施例では、固体高分子型の燃料電池スタックが利用されているが、他のタイプの燃料電池スタックが利用されてもよい。また、上記実施例では、図２〜図４に示す構造を有する燃料電池スタック１００が利用されているが、他の種々の構造を有する燃料電池スタックが利用されてもよい。
【００９５】
（２）上記実施例では、締結機構３００，４００は、シャフト３１０，４１０を含んでおり、シャフトは、スタック１００の外部に設けられいるが、これに代えて、スタック１００の内部を貫通するように設けられていてもよい。
【００９６】
（３）第２実施例では、燃料電池スタック１００に印加される荷重は、モータを含む可変押圧部５００によって調整されているが、これに代えて、油圧シリンダやエアリシンダなどを含む可変押圧部によって調整されてもよい。
【００９７】
（４）上記実施例では、ステップＳ１０４（図６）において、酸化ガス通路のみにパージガスが供給されているが、これに代えて、あるいは、これと共に、燃料ガス通路にパージガスが供給されるようにしてもよい。
【００９８】
（５）上記実施例では、酸化ガス供給部１２０は、パージガス供給部として利用されているが、パージガス供給部が独立して設けられるようにしてもよい。また、上記実施例では、パージガスとして空気が利用されているが、他のガス（例えば窒素ガス）が利用されてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００９９】
【図１】燃料電池システムの概略構成を示す説明図である。
【図２】図１の燃料電池スタック１００の部分断面図である。
【図３】ＭＥＧＡ２２とガスケット２６とを含むセルアセンブリを示す平面図である。
【図４】セパレータ５０を構成する各プレート５２，５４，５６の平面図である。
【図５】燃料電池システムの要部を示す説明図である。
【図６】燃料電池システムの運転停止時の処理を示すフローチャートである。
【図７】燃料電池システムの運転開始時の処理を示すフローチャートである。
【図８】第２実施例における燃料電池システムの要部を示す説明図である。
【図９】第３実施例における燃料電池スタックの要部を示す説明図である。
【符号の説明】
【０１００】
２０…単セル
２２…ＭＥＧＡ
２４ａ，２４ｃ…多孔質体
２６…ガスケット
３０…電解質膜
３１ａ，３１ｃ…触媒電極層
３２ａ，３２ｃ…ガス拡散層
５０…セパレータ
５２…カソード側プレート
５４…中間プレート
５６…アノード側プレート
６１ａ〜６６ａ…長孔
６１ｃ〜６６ｃ…長孔
６１ｇ〜６６ｇ…長孔
６１ｍ〜６４ｍ…長孔
７１ｃ，７２ｃ…小孔
７１ｍ，７２ｍ…連通孔
７３ａ，７４ａ…小孔
７３ｍ，７４ｍ…連通孔
７８…長孔
１００…燃料電池スタック
１０１…積層体
１１０…燃料ガス供給部
１２０…酸化ガス供給部
１２２…ブロワ
１３０…冷却液循環部
１７２，１７４…集電プレート
１８２，１８４…絶縁プレート
１９０…コントローラ
２１０…ロードセンサ
３００…締結機構
３１０…シャフト
３１２，３１４…ナット
３２２，３２４…エンドプレート
３６０…電圧発生器
３７０…圧電アクチュエータ
４００…締結機構
４１０…シャフト
４１２，４１４…ナット
４２２，４２４…エンドプレート
４２４ｃ…凹部
５００…可変押圧部
５１２…駆動回路
５１４…モータ
５１６…回転軸
５１８…第１のギヤ
５２２…軸体
５２４…第２のギヤ
５２６…球体
５２８…固定プレート
【図１】
2007305328.tif 000003
【図２】
2007305328.tif 000004
【図３】
2007305328.tif 000005
【図４】
2007305328.tif 000006
【図５】
2007305328.tif 000007
【図６】
2007305328.tif 000008
【図７】
2007305328.tif 000009
【図８】
2007305328.tif 000010
【図９】
2007305328.tif 000011