JP6229851B2 - 燃料電池スタック及び燃料電池スタックのメンテナンス時期の判定方法 - Google Patents

Description

本発明は、燃料電池スタック及び燃料電池スタックのメンテナンス時期の判定方法に関するものである。

車両等に搭載される燃料電池スタックは、燃料電池積層体（以下、単に積層体という）と、エンドプレートと、を備えている（例えば、下記特許文献１参照）。
積層体は、複数の単位セルが積層されて構成されている。単位セルは、固体高分子電解質膜をアノード電極とカソード電極とで両側から挟んで構成された膜電極構造体（以下、単にＭＥＡという。）と、この膜電極構造体を挟持するセパレータと、を備えている。
エンドプレートは、積層体を単位セルの積層方向の両側から挟持する。エンドプレート同士は、積層体を間に挟んだ状態で互いに締結されている。したがって、単位セルには、積層方向に沿って締結荷重が作用している。

上述した燃料電池スタックでは、アノード電極に燃料ガスとして水素ガスを供給するとともに、カソード電極に酸化剤ガスとして空気を供給する。これにより、アノード電極で触媒反応により発生した水素イオンが固体高分子電解質膜を透過してカソード電極まで移動し、カソード電極で空気中の酸素と電気化学反応を起こして発電が行われる。

燃料電池スタックでは、積層体の劣化（例えば、ＭＥＡの機械劣化や化学劣化等）に伴い各単位セルに作用する締結荷重が低下する。締結荷重が低下すると、例えば単位セル間（隣り合う単位セルのセパレータ間）の接触抵抗が増加し、抵抗過電圧が増加する。これにより、単位セルで発生した電力の取出し効率が低下し、発電性能が低下することになる。また、各単位セル間のシール性が低下し、反応ガスのリーク等を引き起こすおそれがある。
そこで、例えば下記特許文献１には、固体高分子電解質膜を介在しない２つの構成部品（例えば、冷却板と空気極）間の電圧降下を測定することで、単位セルに作用する荷重の低下を判定する構成が開示されている。この構成によれば、荷重低下に伴う構成部品間の接触抵抗の増加によって電圧降下が増大することで、荷重の低下を判定できると考えられる。

特開平８−３１５８４６号公報

ところで、単位セルは、面内方向の中央部が発電面として機能し、外周部分が発電面を取り囲むシール面として機能する。この場合、特許文献１の構成にあっては、構成部品が単位セルの全面に亘って接触しているため、単位セルの各所で作用する荷重（例えば、発電面に作用する電極荷重や、シール面に作用するシール荷重）をそれぞれ検出することが難しい。その結果、燃料電池スタックのメンテナンス時期や、荷重低下の要因を特定することが難しかった。

そこで、本発明は、上述した事情に考慮してなされたもので、メンテナンス性を向上させることができる燃料電池スタック及び燃料電池スタックのメンテナンス時期の判定方法を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、請求項１に記載した発明は、複数の燃料電池セル（例えば、実施形態における単位セル２）が第１方向に積層された燃料電池積層体（例えば、実施形態における積層体３）と、前記燃料電池積層体を前記第１方向に沿う両側から挟持する一対のエンドプレート（例えば、実施形態におけるエンドプレート４，５）と、前記一対のエンドプレートのうち、少なくとも一方の前記エンドプレートと前記燃料電池積層体との間に配置され、前記燃料電池セルの発電面に作用する前記第１方向の電極荷重を検出する荷重計測部（例えば、実施形態における荷重計測部８）と、を備え、前記荷重計測部は、第１導電材（例えば、実施形態におけるカーボンプレート９１）と、前記第１導電材を前記第１方向で挟持するとともに、前記第１導電材に接触する接触部（例えば、実施形態における山部９４及び谷部９５）を有する第２導電材（例えば、実施形態における金属プレート９２，９３）と、を有し、前記第１導電材を間に挟んで前記第１方向で対向する前記第２導電材間での電圧降下を検出する検出部（例えば、実施形態における検出部８７）を有し、前記一方のエンドプレートと前記荷重計測部との間には、インシュレータ（例えば、実施形態における第２インシュレータ６７）が配設され、前記インシュレータのうち、前記第１方向で前記発電面に対向する部分には、前記第１方向における前記燃料電池積層体側から前記荷重計測部を収容する収容部（例えば、実施形態における収容部７１）が形成されていることを特徴とする。

請求項２に記載した発明は、上記本発明の燃料電池スタックのメンテナンス時期の判定方法であって、前記検出部で検出された前記電圧降下に基づいてメンテナンス時期を判定する判定工程を有し、前記判定工程では、前記電圧降下が閾値以上である場合に前記メンテナンス時期であることを判定することを特徴とする。

請求項１に記載した発明によれば、荷重計測部おける第２導電材間の電圧降下を検出することで、第１導電材と第２導電材との間の接触抵抗の増加に伴う電極荷重の低下を検出できる。この場合、例えば発電面及びシール面を含む燃料電池セルの全面に積層方向に作用する締結荷重を検出する構成に比べ、燃料電池セルの発電面に作用する電極荷重を正確かつ簡単に検出できる。また、エンドプレートから燃料電池セルに作用する締結荷重を検出した場合には、締結荷重と電極荷重とに基づいて燃料電池セルのシール面に作用するシール荷重を検出できる。その結果、燃料電池セルの各所に作用する荷重を検出することができるので、荷重低下のメンテナンス時期や、荷重低下の要因が特定し易くなり、メンテナンス性を向上させることができる。
しかも、荷重計測部において、各第２導電材間に第１導電材を介在させることで、各導電材を直接接触させる場合に比べて荷重低下時の電圧降下を大きくすることができる。

また、燃料電池セルの面内方向において、燃料電池セルに対する荷重計測部の位置ずれを抑制し、燃料電池セルの発電面と荷重計測部との導通を確保できる。また、荷重計測部の追加に伴う燃料電池スタックの積層方向への拡大を抑制できる。

請求項２に記載した発明によれば、判定工程において、電圧降下が閾値以上である場合にメンテナンス時期であると判定することで、その後の発電性能やシール性の低下を未然に防止し、動作信頼性を確保できる。

本実施形態の燃料電池スタックを第１エンドプレート側から見た斜視図である。 図１に示す単位セルの分解斜視図である。 図１のＩＩＩ−ＩＩＩ線に相当する断面図である。 燃料電池スタックの分解斜視図である。 接触抵抗と電極荷重との関係を示すグラフである。 メンテナンス時期の判定方法を説明するためのフローチャートである。 時間と、発電性能、シール性、電極荷重及びシール荷重と、の関係を示すグラフである。 メンテナンス方法を説明するための説明図であって、図３に相当する燃料電池スタックの断面図である。 メンテナンス方法を説明するための説明図であって、図３に相当する燃料電池スタックの断面図である。

次に、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
［燃料電池スタック］
図１は本実施形態の燃料電池スタック１を第１エンドプレート４側から見た斜視図である。
図１に示すように、本実施形態の燃料電池スタック１は、図示しない車両の前部に画成されたモータルームやフロア下に搭載されている。燃料電池スタック１は、例えば駆動用モータに電力を供給するのに用いられる。なお、本実施形態の燃料電池スタック１は、例えば図中のＡ方向（第１方向）が車両の幅方向、Ｂ方向が車両の前後方向、Ｃ方向が車両の上下方向となるようにして車両に搭載される。

燃料電池スタック１は、積層体（燃料電池積層体）３と、エンドプレート（第１エンドプレート４及び第２エンドプレート５）と、梁部材（第１梁部材６及び第２梁部材７）と、荷重計測部８（図３参照）と、制御部９（図３参照）と、を主に備えている。
積層体３は、複数の単位セル（燃料電池セル）２がＡ方向に積層されて構成されている。なお、以下の説明では、上述したＡ方向、Ｂ方向及びＣ方向において、積層体３の中央部に近づく向きを内側といい、積層体３の中央部から離間する向きを外側という場合がある。

＜単位セル＞
図２は単位セル２の分解斜視図である。
図２に示すように、単位セル２は、例えば一対のセパレータ２１，２２と、各セパレータ２１，２２間に挟持されたＭＥＡ２３と、を備えている。ＭＥＡ２３は、固体高分子電解質膜３１と、固体高分子電解質膜３１をＡ方向の両側から挟持するアノード電極３２及びカソード電極３３と、を備えている。
アノード電極３２及びカソード電極３３は、カーボンペーパ等からなるガス拡散層と、白金合金が表面に担持された多孔質カーボン粒子をガス拡散層の表面に一様に塗布して形成された電極触媒層と、を有している。
固体高分子電解質膜３１は、例えばペルフルオロスルホン酸ポリマーに水を含浸させた素材により形成されている。固体高分子電解質膜３１は、Ａ方向から見た正面視外形がアノード電極３２及びカソード電極３３よりも大きくなっている。図２の例において、固体高分子電解質膜３１は、中央部にアノード電極３２及びカソード電極３３が重ね合わされ、外周部がアノード電極３２及びカソード電極３３に対して額縁状にはみ出している。すなわち、上述したＭＥＡ２３の中央部は、固体高分子電解質膜３１、アノード電極３２及びカソード電極３３が積層された発電面として機能する。

図２に示すように、各セパレータ２１，２２は、ＭＥＡ２３のアノード電極３２側に配置された第１セパレータ２１と、ＭＥＡ２３のカソード電極３３側に配置された第２セパレータ２２と、を有している。なお、以下の説明では、各セパレータ２１，２２において、同一の構成については同様の符号を付してまとめて説明する。

各セパレータ２１，２２は、セパレータプレート３５と、セパレータプレート３５の外周部を被覆するシール部材３６と、を有している。
セパレータプレート３５は、Ｂ方向を長手方向とする長方形状の金属板、又はカーボン板により構成されている。なお、図２の例において、セパレータプレート３５は、Ａ方向から見た正面視外形が固体高分子電解質膜３１と同等に形成されている。セパレータプレート３５は、Ａ方向から見てＭＥＡ２３に重なり合っている。

図３は図１のＩＩＩ−ＩＩＩ線に相当する断面図である。
図３に示すように、シール部材３６は、ゴム等の弾性変形可能な材料により形成されている。シール部材３６は、Ａ方向に突出する突起部３６ａを有している。突起部３６ａは、ＭＥＡ２３の外周部において固体高分子電解質膜３１にＡ方向で密接している。すなわち、ＭＥＡ２３の外周部は、シール部材３６に密接するシール面２３ａとして機能する。

図２に示すように、単位セル２（固体高分子電解質膜３１及び各セパレータ２１，２２）におけるＢ方向の一端部（図２における右側）には、酸化剤ガス入口連通孔４１ｉ、冷媒入口連通孔４２ｉ及び燃料ガス出口連通孔４３ｏがＣ方向に並設されている。酸化剤ガス入口連通孔４１ｉ、冷媒入口連通孔４２ｉ及び燃料ガス出口連通孔４３ｏは、単位セル２をＡ方向に貫通している。図２に示す例では、酸化剤ガス入口連通孔４１ｉ、冷媒入口連通孔４２ｉ及び燃料ガス出口連通孔４３ｏが上方から下方に順番に並んでいる。

酸化剤ガス入口連通孔４１ｉは、カソード電極３３に供給される酸化剤ガス（空気等）が流通する。
冷媒入口連通孔４２ｉは、純水やエチレングリコール等の冷媒が流通する。
燃料ガス出口連通孔４３ｏは、アノード電極３２を通過した使用済みの燃料ガス（例えば、水素等）が流通する。

単位セル２におけるＢ方向の他端部（図２における左側）には、燃料ガス入口連通孔４３ｉ、冷媒出口連通孔４２ｏ及び酸化剤ガス出口連通孔４１ｏがＣ方向に並設されている。燃料ガス入口連通孔４３ｉ、冷媒出口連通孔４２ｏ及び酸化剤ガス出口連通孔４１ｏは、単位セル２をＡ方向に貫通している。図２に示す例では、燃料ガス入口連通孔４３ｉ、冷媒出口連通孔４２ｏ及び酸化剤ガス出口連通孔４１ｏが上方から下方に順番に並んでいる。

燃料ガス入口連通孔４３ｉは、アノード電極３２に供給される燃料ガスが流通する。
冷媒出口連通孔４２ｏは、単位セル２との間で熱交換され、温度が上昇した冷媒が流通する。
酸化剤ガス出口連通孔４１ｏは、カソード電極３３を通過した使用済みの酸化剤ガスが流通する。

図示の例では、単位セル２において、酸化剤ガス入口連通孔４１ｉ及び酸化剤ガス出口連通孔４１ｏ同士、並びに燃料ガス入口連通孔４３ｉ及び燃料ガス出口連通孔４３ｏ同士は、それぞれ対角の位置に形成されている。単位セル２において、冷媒入口連通孔４２ｉは、酸化剤ガス入口連通孔４１ｉと燃料ガス出口連通孔４３ｏとの間に位置している。また、単位セル２において、冷媒出口連通孔４２ｏは、酸化剤ガス出口連通孔４１ｏと燃料ガス入口連通孔４３ｉとの間に位置している。

各セパレータ２１，２２（セパレータプレート３５）の中央部は、プレス成形等によって凹凸形状とされている。セパレータ２１，２２のうち、ＭＥＡ２３と対向する面は、ＭＥＡ２３との間にそれぞれガス流路４５，４６（図２中では矢印で示す。）を形成している。
具体的に、第１セパレータ２１のうち、アノード電極３２に対向する面側には、ＭＥＡ２３のアノード電極３２との間に燃料ガス流路４５が形成されている。燃料ガス流路４５は、燃料ガス入口連通孔４３ｉ及び燃料ガス出口連通孔４３ｏにそれぞれ連通している。

第２セパレータ２２のうち、カソード電極３３に対向する面側には、ＭＥＡ２３のカソード電極３３との間に酸化剤ガス流路４６が形成されている。酸化剤ガス流路４６は、酸化剤ガス入口連通孔４１ｉ及び酸化剤ガス出口連通孔４１ｏにそれぞれ連通している。

図３に示すように、積層体３は、一の単位セル２の第１セパレータ２１と、一の単位セル２に隣接する他の単位セル２の第２セパレータ２２と、が重ね合わされた状態で、Ａ方向に積層されて構成される。そして、一の単位セル２の第１セパレータ２１と、他の単位セル２の第２セパレータ２２と、の間には、冷媒流路５５が形成されている。図２に示すように、冷媒流路５５は、冷媒入口連通孔４２ｉ及び冷媒出口連通孔４２ｏにそれぞれ連通している。

なお、単位セル２の積層構造は、上述の構成に限定されるものではない。例えば、３枚のセパレータと、各セパレータ間に挟持された２枚のＭＥＡと、により単位セルを構成しても構わない。また、各連通孔のレイアウトについても適宜設計変更が可能である。

＜ターミナルプレート及びインシュレータ＞
図４は、燃料電池スタック１の分解斜視図である。
図４に示すように、積層体３に対してＡ方向の両側には、ターミナルプレート（第１ターミナルプレート６１及び第２ターミナルプレート６２）がそれぞれ配置されている。各ターミナルプレート６１，６２は、Ａ方向から見た正面視外形がセパレータ２１，２２よりも小さくなっている。各ターミナルプレート６１，６２には、Ａ方向の外側に向けて突出する出力端子６３，６４が各別に形成されている。なお、各出力端子６３，６４には、絶縁性を有する筒体６５ａ，６５ｂが外挿されている。

各ターミナルプレート６１，６２に対してＡ方向の外側には、インシュレータ（第１インシュレータ６６及び第２インシュレータ６７）が配置されている。
第１インシュレータ６６は、Ａ方向から見た正面視外形が第１ターミナルプレート６１よりも大きくなっている。また、第１インシュレータ６６は、Ａ方向の厚さが第１ターミナルプレート６１よりも厚くなっている。第１インシュレータ６６の中央部には、Ａ方向の外側に向けて窪む収容部７０が形成されている。収容部７０内には、上述した第１ターミナルプレート６１が収容されている。

第１インシュレータ６６の外周部６６ａ（収容部７０の外側に位置する部分）は、各単位セル２のうち、Ａ方向の一方側に位置する単位セル（以下、第１端部セル２ａという。）の第１セパレータ２１（シール部材３６）にＡ方向の外側から密接している。第１インシュレータ６６の外周部６６ａには、上述した各ガス入口連通孔４１ｉ，４３ｉ、ガス出口連通孔４１ｏ，４３ｏ及び冷媒連通孔４２ｉ，４２ｏに各別に連通するガス入口接続孔（酸化剤ガス入口接続孔７２ｉ及び燃料ガス入口接続孔７３ｉ）、ガス出口接続孔（酸化剤ガス出口接続孔７２ｏ及び燃料ガス出口接続孔７３ｏ）及び冷媒接続孔（冷媒入口接続孔７４ｉ及び冷媒出口接続孔７４ｏ）が形成されている。

第２インシュレータ６７の中央部には、Ａ方向の外側に向けて窪む収容部７１が形成されている。収容部７１内には、上述した第２ターミナルプレート６２が収容されている。図３に示すように、第２インシュレータ６７の外周部６７ａ（収容部７１の外側に位置する部分）は、各単位セル２のうち、Ａ方向の他方側に位置する単位セル（以下、第２端部セル２ｂという。）における第２セパレータ２２（シール部材３６）にＡ方向の外側から密接している。

＜エンドプレート＞
図４に示すように、エンドプレート４，５は、Ａ方向から見た正面視外形が単位セル２よりも大きい長方形状に形成されている。第１エンドプレート４は、積層体３との間に第１ターミナルプレート６１及び第１インシュレータ６６を挟み込んだ状態で、積層体３に対してＡ方向の一方側に配置されている。第１エンドプレート４には、上述したガス入口接続孔７２ｉ，７３ｉ、ガス出口接続孔７２ｏ，７３ｏ及び冷媒接続孔７４ｉ，７４ｏに各別に連通するガス入口孔（酸化剤ガス入口孔７５ｉ及び燃料ガス入口孔７６ｉ）、ガス出口孔（酸化剤ガス出口孔７５ｏ及び燃料ガス出口孔７６ｏ）、冷媒入口孔７７ｉ及び冷媒出口孔７７ｏが形成されている。
第１エンドプレート４及び第１インシュレータ６６の中央部には、これらをＡ方向に貫通する引出孔８１，８２がそれぞれ形成されている。上述した第１ターミナルプレート６１の出力端子６３は、引出孔８１，８２を通して第１エンドプレート４に対してＡ方向の外側に引き出されている。

第２エンドプレート５は、積層体３との間に第２ターミナルプレート６２及び第２インシュレータ６７を挟み込んだ状態で、積層体３に対してＡ方向の他方側に配置されている。
第２エンドプレート５及び第２インシュレータ６７の中央部には、これらをＡ方向に貫通する引出孔８３，８４が形成されている。上述した第２ターミナルプレート６２の出力端子６４は、引出孔８３，８４を通して第２エンドプレート５に対してＡ方向の外側に引き出されている。

図１に示すように、第１梁部材６及び第２梁部材７は、Ａ方向に沿って延在する板状に形成されている。各梁部材６，７のうち、Ａ方向の両端面は、各エンドプレート４，５におけるＡ方向の内側端面に突き合わされた状態でエンドプレート４，５に締結されている。具体的に、第１梁部材６は、積層体３のうち、Ｃ方向の両側において各エンドプレート４，５の長辺部分同士を連結している。第２梁部材７は、Ｂ方向の両側において、各エンドプレート４，５の短辺部分同士を連結している。なお、各梁部材６，７には、各梁部材６，７のＡ方向のひずみ量を検出する図示しないひずみゲージがそれぞれ取り付けられている。ひずみゲージは、各梁部材６，７のひずみ量に基づく電気信号（ひずみ信号）を制御部９に出力する。

＜荷重計測部＞
図３に示すように、荷重計測部８は第２インシュレータ６７の上述した収容部７１内に収容されている。すなわち、荷重計測部８は、積層体３と第２ターミナルプレート６２との間にＡ方向で挟持されている。なお、荷重計測部８は、各エンドプレート４，５と各インシュレータ６６，６７との間のうち、少なくとも一方に配置されていれば構わない。

荷重計測部８は、カーボンプレート（第１導電材）９１及び金属プレート（第２導電材）９２，９３がＡ方向に交互に積層されて構成されている。図３の例において、２枚の金属プレート９２，９３の間にカーボンプレート９１が挟持されている。但し、カーボンプレート９１及び金属プレート９２，９３の積層枚数は、適宜変更が可能である。

カーボンプレート９１は、Ａ方向を厚さ方向とする多孔質の薄板である。カーボンプレート９１は、Ａ方向から見た正面視の外形が収容部７１の内形と同等に形成されている。すなわち、カーボンプレート９１は、ＭＥＡ２３の発電面にＡ方向から見て重なり合い、ＭＥＡ２３の外周部におけるシール面２３ａにＡ方向で重なり合わない大きさに形成されている。

金属プレート９２，９３は、第１金属プレート９２及び第２金属プレート９３を有している。なお、以下の説明では、各金属プレート９２，９３において、同様の構成については同一の符号を付してまとめて説明する。

各金属プレート９２，９３は、Ｂ方向から見た断面視で波形に形成されている。具体的に、各金属プレート９２，９３は、Ａ方向の内側に屈曲された山部９４と、Ａ方向の外側に屈曲された谷部９５と、をそれぞれ有している。各金属プレート９２，９３は、第１金属プレート９２の谷部９５と、第２金属プレート９３の山部９４と、をＡ方向で対向させた状態で積層されている。

第１金属プレート９２は、山部９４が第２端部セル２ｂの第２セパレータ２２に接触し、谷部（接触部）９５がカーボンプレート９１に接触している。
第２金属プレート９３は、山部（接触部）９４カーボンプレート９１に接触し、谷部９５が第２ターミナルプレート６２に接触している。

各金属プレート９２，９３は、Ａ方向から見た正面視の外形が収容部７１の内形と同等に形成されている。すなわち、金属プレート９２，９３は、ＭＥＡ２３の発電面にＡ方向から見て重なり合い、ＭＥＡ２３の外周部におけるシール面２３ａにＡ方向で重なり合わない大きさに形成されている。なお、金属プレート９２，９３は、上述したセパレータプレート３５の外周部をそれぞれ切除することで、作成することができる。但し、金属プレート９２，９３は、導電性を有する薄板を用いてセパレータプレート３５とは別に作成しても構わない。

上述した荷重計測部８には、各金属プレート９２，９３間の電圧降下を検出する検出部８７が接続されている。検出部８７は、第１検出端子９７及び第２検出端子９８と、電圧計９９と、を備えている。
第１検出端子９７は、その一端部が第１金属プレート９２に電気的に接続されている。
第２検出端子９８は、その一端部が第２金属プレート９３に電気的に接続されている。
電圧計９９は、各検出端子９７，９８の他端部が接続されている。

＜制御部＞
制御部９は、締結荷重設定部１００と、電極荷重設定部１０１と、シール荷重設定部１０２と、メンテナンス時期判定部１０３と、を主に有している。
締結荷重設定部１００は、上述したひずみゲージから出力されるひずみ信号に基づいて締結荷重Ｆ１を設定する。なお、締結荷重とは、エンドプレート４，５から積層体３（各単位セル２）に付与されるＡ方向の荷重である。

電極荷重設定部１０１は、上述した電圧計９９から出力される電圧信号に基づき、電極荷重Ｆ２を算出する。具体的に、電極荷重設定部１０１は、電圧計９９から出力される電圧信号に基づき、各金属プレート９２，９３及びカーボンプレート９１間での接触抵抗を算出する。続いて、電極荷重設定部１０１は、算出された接触抵抗に基づき、電極荷重を算出する。電極荷重は、例えば図５のような接触抵抗に関連付けられたマップ等に基づいて算出する。すなわち、各金属プレート９２，９３間での電圧降下は、各金属プレート９２，９３及びカーボンプレート９１間での接触抵抗に応じて変化する。この場合、仮に電極荷重が低下すると、各金属プレート９２，９３及びカーボンプレート９１間での接触抵抗が増加することで、各金属プレート９２，９３間での電圧降下が大きくなる。なお、電極荷重とは、単位セル２の発電面に対してＡ方向に作用する荷重である。

シール荷重設定部１０２は、締結荷重設定部１００で算出された締結荷重Ｆ１と、電極荷重設定部１０１で算出された電極荷重Ｆ２と、の差分をシール荷重Ｆ３として設定する（Ｆ３＝Ｆ１−Ｆ２）。なお、シール荷重Ｆ３とは、単位セル２のシール面に対してＡ方向に作用する荷重である。

メンテナンス時期判定部１０３は、シール荷重設定部１０２で算出されたシール荷重Ｆ３に基づいて燃料電池スタック１のメンテナンスが必要か否かを判定する。例えば、メンテナンス時期判定部１０３は、シール荷重Ｆ３が所定のシール荷重閾値Ｆａ以下になった場合にメンテナンスが必要であると判定する。

このように構成された燃料電池スタック１において、積層体３内に供給される酸化剤ガスは、各単位セル２の酸化剤ガス入口連通孔４１ｉを、Ａ方向における第２エンドプレート５側に向けて流通する。酸化剤ガス入口連通孔４１ｉを流通する酸化剤ガスは、酸化剤ガス流路４６に導入されることで、ＭＥＡ２３のカソード電極３３に供給される。
一方、積層体３内に供給される燃料ガスは、各単位セル２の燃料ガス入口連通孔４３ｉを、Ａ方向における第２エンドプレート５側に向けて流通する。燃料ガス入口連通孔４３ｉを流通する燃料ガスは、燃料ガス流路４５に導入されることで、ＭＥＡ２３のアノード電極３２に供給される。
その結果、アノード電極３２で触媒反応により発生した水素イオンが、固体高分子電解質膜３１を透過してカソード電極３３まで移動し、カソード電極３３で酸化剤ガスと電気化学反応を起こして発電する。

その後、カソード電極３３で発電に供された使用済みの酸化剤ガスは、酸化剤ガス出口連通孔４１ｏ内に流入する。酸化剤ガス出口連通孔４１ｏに流入した使用済みの酸化剤ガスは、酸化剤ガス出口連通孔４１ｏをＡ方向における第１エンドプレート４側に向けて流通する。その後、使用済みの酸化剤ガスは、図示しない排出路を通って車外に排出される。
一方、アノード電極３２で発電に供された使用済みの燃料ガスは、燃料ガス出口連通孔４３ｏに流入する。燃料ガス出口連通孔４３ｏに流入した使用済みの燃料ガスは、燃料ガス出口連通孔４３ｏ内をＡ方向における第１エンドプレート４側に向けて流通する。その後、使用済みの燃料ガスは、図示しない循環路を通って燃料ガス入口連通孔４３ｉに戻される。また、循環路から定期的に排出された燃料ガスは、希釈器で使用済みの酸化剤ガスと混合して希釈された後、車外へ排出される。

また、積層体３内に供給される冷媒は、冷媒入口連通孔４２ｉ内をＡ方向における第２エンドプレート５側に向けて流通する。冷媒入口連通孔４２ｉを流通する冷媒は、各単位セル２間に位置する冷媒流路５５に供給されることで、各単位セル２との間で熱交換が行われる。その後、冷媒は冷媒出口連通孔４２ｏ内に流入し、冷媒出口連通孔４２ｏ内をＡ方向における第１エンドプレート４側に向けて流通した後、積層体３から排出される。積層体３から排出された冷媒は、図示しない冷媒循環流路内を通ってラジエータや駆動用モータ等を流通した後、再び積層体３内に供給される。

＜メンテナンス時期の判定方法＞
次に、上述した燃料電池スタック１におけるメンテナンス時期の判定方法を説明する。図６は、メンテナンス時期の判定方法を説明するためのフローチャートである。なお、以下の各ルーチンは、制御部９によって主に行われる。
図６に示すように、ステップＳ１において、締結荷重設定部１００は、上述したひずみゲージから出力されるひずみ信号に基づいて締結荷重Ｆ１を設定する。
次に、ステップＳ２において、電極荷重設定部１０１は、電圧計９９から出力される電圧信号に基づいて図５に示すマップから電極荷重Ｆ２を設定する。
ステップＳ３において、シール荷重設定部１０２は、締結荷重設定部１００で算出された締結荷重Ｆ１と、電極荷重設定部１０１で算出された電極荷重Ｆ２と、の差分をシール荷重Ｆ３として設定する。

ステップＳ４において、メンテナンス時期判定部１０３は、シール荷重設定部１０２で設定されたシール荷重Ｆ３が、シール荷重閾値Ｆａ以下であるか否かを判定する（判定工程）。
ステップＳ４における判定結果が「ＮＯ」の場合、所望のシール荷重Ｆ３が作用しており、メンテナンスの必要はないと判定する。この場合には、ステップＳ１に戻り、上述したルーチンを繰り返す。
一方、ステップＳ４の判定結果が「ＹＥＳ」の場合、シール荷重Ｆ３が低下しており、メンテナンスが必要であると判定する。

図７は、時間と、発電性能、シール性、電極荷重Ｆ２及びシール荷重Ｆ３と、の関係を示すグラフである。
図７に示すように、燃料電池スタック１では、時間経過に伴い、電極荷重Ｆ２やシール荷重Ｆ３が低下していることが分かる。電極荷重Ｆ２の低下は、時間経過に伴うＭＥＡ２３の機械劣化や化学劣化等が要因として考えられる。電極荷重Ｆ２が低下すると、各金属プレート９２，９３及びカーボンプレート９１間での接触抵抗の増加により抵抗過電圧が増加する。これにより、単位セル２で発生した電力の取出し効率が低下し、発電性能が低下することになる。
また、シール荷重Ｆ３の低下は、時間経過に伴うシール部材３６の劣化等が要因として考えられる。シール荷重Ｆ３が低下すると、隣り合う単位セル２間でシール性が低下して、反応ガスのリーク等に繋がるおそれがある。

図８は、メンテナンス方法を説明するための説明図であって、図３に相当する燃料電池スタック１の断面図である。
図８に示すように、上述したようにステップＳ４において、メンテナンスが必要であると判定された場合には、燃料電池スタック１のメンテナンスを行う。メンテナンス方法としては、例えば第２エンドプレート５と第２インシュレータ６７の間に、着脱可能なシム部材１１０を介在させることが考えられる。シム部材１１０は、Ａ方向から見た正面視外形が例えば第２インシュレータ６７と同等に形成されている。

そして、第２エンドプレート５と第２インシュレータ６７の間にシム部材１１０を介在させることで、積層体３に作用するＡ方向の締結荷重Ｆ１を増加させることができる。なお、初期状態でシム部材１１０を介在させておき、メンテナンス時にシム部材１１０の枚数を増加させたり、厚さの異なるシム部材１１０に交換したりしても構わない。また、第１エンドプレート４と第１インシュレータ６６との間にシム部材１１０を介在させても構わない。

図９は、メンテナンス方法を説明するための説明図であって、図３に相当する燃料電池スタック１の断面図である。
図９に示すように、第２インシュレータ６７の収容部７１内において、第２ターミナルプレート６２と荷重計測部８との間にシム部材１１１を介在させても構わない。シム部材１１１は、Ａ方向から見た正面視外形が単位セル２の発電面と同等に形成されている。

そして、第２ターミナルプレート６２と荷重計測部８の間にシム部材１１１を介在させることで、単位セル２の発電面に作用するＡ方向の電極荷重Ｆ２を増加させることができる。なお、初期状態でシム部材１１１を介在させておき、メンテナンス時にシム部材１１１の枚数を増加させたり、厚さの異なるシム部材１１１に交換したりしても構わない。また、第１ターミナルプレート６１と積層体３との間にシム部材１１１を介在させても構わない。

このように、本実施形態では、第２エンドプレート５と積層体３との間に、単位セル２の発電面に作用するＡ方向の電極荷重Ｆ２を検出する荷重計測部８を備える構成とした。
この構成によれば、荷重計測部８における金属プレート９２，９３間の電圧降下を検出することで、接触抵抗の増加に伴う電極荷重Ｆ２の低下を検出できる。この場合、例えば発電面及びシール面（例えば、シール面２３ａ）を含む単位セル２の全面にＡ方向に作用する締結荷重Ｆ１を検出する構成に比べ、単位セル２の発電面に作用する電極荷重Ｆ２を正確かつ簡単に検出できる。また、締結荷重Ｆ１を検出した場合には、締結荷重Ｆ１と電極荷重Ｆ２とに基づいて単位セル２のシール面（例えば、シール面２３ａ）に作用するシール荷重Ｆ３を検出できる。その結果、単位セル２の各所に作用する荷重を検出することができるので、荷重低下のメンテナンス時期や、荷重低下の要因が特定し易くなり、メンテナンス性を向上させることができる。
また、燃料電池スタック１の端部に荷重計測部８が設けられているので、積層体３の中間に荷重計測部を設ける場合等に比べて荷重計測部８に安定して荷重が作用することになり、計測精度を高めることができる。
しかも、荷重計測部８において、各金属プレート９２，９３間にカーボンプレート９１を介在させることで、各金属プレート９２，９３を直接接触させる場合に比べて荷重低下時の電圧降下を大きくすることができる。

また、本実施形態では、第２インシュレータ６７のうち、第２端部セル２ｂの発電面にＡ方向で対向する位置に、荷重計測部８を収容する収容部７１が形成されている構成とした。
この構成によれば、単位セル２の面内方向（Ｂ方向及びＣ方向）において、単位セル２に対する荷重計測部８の位置ずれを抑制し、単位セル２の発電面と荷重計測部８との導通を確保できる。また、荷重計測部８の追加に伴う燃料電池スタック１のＡ方向への拡大を抑制できる。

さらに、第２インシュレータ６７と荷重計測部８との間にシム部材１１０，１１１が設けられるため、シム部材１１０，１１１の厚さや枚数を調整するだけで、締結荷重Ｆ１や電極荷重Ｆ２をより簡単に調整できる。その結果、更なるメンテナンス性の向上を図ることができる。

本実施形態では、シール荷重Ｆ３がシール荷重閾値Ｆａ以下であるか否かに基づいてメンテナンス時期を判定することで、その後の発電性能やシール性の低下を未然に防止し、動作信頼性を確保できる。

なお、本発明の技術範囲は、上述した各実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において、上述した実施形態に種々の変更を加えたものを含む。すなわち、上述した実施形態で挙げた構成等はほんの一例に過ぎず、適宜変更が可能である。
例えば、上述した実施形態では、第１導電材及び第２導電材としてカーボンプレート９１及び金属プレート９２，９３を用いる構成について説明したが、これに限らず、導電性を有する異種材料であれば適宜設計変更が可能である。
上述した実施形態では、波形に形成された各金属プレート９２，９３のうち、第１金属プレート９２の谷部９５と、第２金属プレート９３の山部９４と、を接触部として構成した場合について説明したが、これに限られない。金属プレート９２，９３の接触部は、カーボンプレート９１に接触可能な構成であれば、適宜変更が可能である。

上述した実施形態では、メンテナンス時において、シム部材１１０，１１１を介在させて荷重を調整する構成について説明したが、これに限らず、ねじ機構等、種々の方法でメンテナンスを行うことが可能である。
上述した実施形態では、シール荷重に基づいてメンテナンス時期を判定する構成について説明したが、これに限られない。例えば、電極荷重Ｆ２のみに基づいてメンテナンス時期を判定しても構わない。この場合には、各金属プレート９２，９３間の電圧降下が閾値以上の場合に電極荷重Ｆ２が所望の値よりも低下し、メンテナンスが必要であると判定することが可能である。また、電極荷重Ｆ２及びシール荷重Ｆ３の少なくとも一方に基づいてメンテナンス時期を判定しても構わない。

上述した実施形態では、メンテナンス時期の判定を制御部９により判定する構成について説明したが、これに限られない。検出部８７で検出された電圧降下に基づいて手動で判定しても構わない。

その他、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で、上述した実施形態における構成要素を周知の構成要素に置き換えることは適宜可能であり、また、上述した変形例を適宜組み合わせてもよい。

１…燃料電池スタック
２…単位セル（燃料電池セル）
３…積層体（燃料電池積層体）
４…第１エンドプレート（エンドプレート）
５…第２エンドプレート（エンドプレート）
８…荷重計測部
６７…第２インシュレータ（インシュレータ）
７１…収容部
８７…検出部
９１…カーボンプレート（第１導電材）
９２…第１金属プレート（第２導電材）
９３…第２金属プレート（第２導電材）

Claims (2)

1. 複数の燃料電池セルが第１方向に積層された燃料電池積層体と、
   前記燃料電池積層体を前記第１方向に沿う両側から挟持する一対のエンドプレートと、
   前記一対のエンドプレートのうち、少なくとも一方の前記エンドプレートと前記燃料電池積層体との間に配置され、前記燃料電池セルの発電面に作用する前記第１方向の電極荷重を検出する荷重計測部と、を備え、
   前記荷重計測部は、
   第１導電材と、
   前記第１導電材を前記第１方向で挟持するとともに、前記第１導電材に接触する接触部を有する第２導電材と、を有し、
   前記第１導電材を間に挟んで前記第１方向で対向する前記第２導電材間での電圧降下を検出する検出部を有し、
   前記一方のエンドプレートと前記荷重計測部との間には、インシュレータが配設され、
   前記インシュレータのうち、前記第１方向で前記発電面に対向する部分には、前記第１方向における前記燃料電池積層体側から前記荷重計測部を収容する収容部が形成されていることを特徴とする燃料電池スタック。
2. 請求項１に記載の燃料電池スタックのメンテナンス時期の判定方法であって、
   前記検出部で検出された前記電圧降下に基づいてメンテナンス時期を判定する判定工程を有し、
   前記判定工程では、前記電圧降下が閾値以上である場合に前記メンテナンス時期であることを判定することを特徴とする燃料電池スタックのメンテナンス時期の判定方法。

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