JP2016095920A - 燃料電池、および燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】複数の単位電池を積層した積層構造を成す燃料電池において、積層体に付与される圧縮荷重の低減を抑制する技術を提供する。【解決手段】燃料電池であって、複数の単位電池を積層して成る積層体と、積層体の積層方向の少なくとも一端に配置されるエンドプレート１７０Ｆと、複数の角部を備える略多角形状の外周形状を成す開口部を備え、積層体を内部に収容する燃料電池ケースと、エンドプレート１７０Ｆを、燃料電池ケースの開口部を閉塞した状態で、燃料電池ケースに固定する締結具であって、それぞれ、耐荷重が異なる複数種類の締結具１７８、１７９と、を備え、複数種類の締結具１７８、１７９のうち、最も耐荷重が高い種類の締結具１７９は、開口部の複数の角部のうち少なくとも一つの角部に配置される。【選択図】図４

Description

本発明は、燃料電池および燃料電池システムに関する。

単位電池を複数積層して成る積層体の両端にエンドプレートを備える燃料電池が知られている。このような燃料電池において、燃料電池ケース内に積層体を収納して、一方のエンドプレートにて開口部を閉塞した状態で、エンドプレートを燃料電池ケースにボルトにて固定する構成が提案されている（例えば、特許文献１参照）。

特開２０１３−００４３５２号公報 特開２０１０−２６７４６５号公報 特開２００６−３３１８０５号公報

単位電池を積層した積層構造を成す燃料電池では、積層状態を維持すると共に、単位電池間の接触状態を良好に保つために、積層方向に圧縮荷重がかけられている。上記のように、エンドプレートが燃料電池ケースにボルトによって固定される構成において、従来、スペース効率の観点から、軸径（呼び径）の小さいボルトが採用されている。積層体に付与される圧縮荷重は、エンドプレートと燃料電池ケースとを締結するボルトによって保持されているため、軸径の小さいボルトでは、圧縮荷重に伴う反力によってボルトの軸が伸び（塑性変形し）、エンドプレートと燃料電池ケース間に隙間が生じ、積層体の圧縮状態を良好に維持できず、積層体に付与される圧縮荷重が低減するおそれがある。そこで、複数の単位電池を積層した積層構造を成す燃料電池において、積層体に付与される圧縮荷重の低減を抑制する技術が望まれていた。

本発明は、上述の課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、以下の形態として実現することが可能である。

（１）本発明の一形態によれば、燃料電池が提供される。この燃料電池は、複数の単位電池を積層して成る積層体と、前記積層体の積層方向の少なくとも一端に配置されるエンドプレートと、複数の角部を備える略多角形状の外周形状を成す開口部を備え、前記積層体を内部に収容する燃料電池ケースと、前記エンドプレートを、前記燃料電池ケースの前記開口部を閉塞した状態で、前記燃料電池ケースに固定する締結具であって、それぞれ、耐荷重が異なる複数種類の締結具と、を備え、前記複数種類の締結具のうち、最も前記耐荷重が高い種類の前記締結具は、前記開口部の前記複数の角部のうち、少なくとも一つの前記角部に配置される。

この形態の燃料電池によれば、最も耐荷重が高い種類の締結具は、燃料電池ケースの開口部の角部に配置される。燃料電池ケースの開口部の角部は剛性が高いため、角部に配置される締結具には、積層体に付与される圧縮荷重に伴い、締結具の軸方向に大きな力（以下、軸力とも称する）が作用する。最も耐荷重が高い種類の締結具が、燃料電池ケースの開口部の角部に配置されるため、締結具に大きな軸力が作用しても、耐荷重が低い種類の締結具を配置する場合に比べて締結具の軸方向の変形（延伸）を抑制することができ、エンドプレートと燃料電池ケースとの間の隙間の発生を抑制することができ、積層体に付与される圧縮荷重の低減を抑制することができる。同一材料による締結具の場合、締結具の軸径が大きい程耐荷重が高い。そのため、締結具に大きな軸力が作用する箇所に、耐荷重が高い締結具を配置し、他の箇所には耐荷重が低い（耐荷重が高い締結具に比較して）締結具を配置することにより、締結具の配置スペースを抑制しつつ、効率よく、エンドプレートと燃料電池ケースとの締結強度を確保して、積層体に付与される圧縮荷重の低減を抑制することができる。耐荷重が異なる複数種類の締結具として、軸径を統一し、材料の強度を変えた締結具を用いると、さらに締結具の配置スペースを抑制することができる。

（２）上記形態の燃料電池において、前記最も耐荷重が高い種類の締結具が配置される前記角部は、前記積層体の近傍の前記角部であってもよい。積層体の一端に配置されたエンドプレートにおいて、積層体の近傍は、積層体に付与される圧縮荷重に伴う反力が大きく作用する。そのため、燃料電池ケースの開口部の角部に配置されたボルトのうち、積層体の近傍の角部に配置されたボルトにはより大きな軸力が作用する。そのため、積層体の近傍の角部（より大きな軸力が作用する箇所）に、耐荷重が高い締結具が配置されると、効率よく、エンドプレートに作用する反力を押さえることができ、エンドプレートと燃料電池ケースとの間の隙間の発生をより抑制することができ、積層体に付与される圧縮荷重の低減をよりよく抑制することができる。

（３）上記形態の燃料電池において、前記複数種類の締結具は、呼び径がＭ６のボルト、および呼び径がＭ８のボルトの２種類であって、前記最も耐荷重が高い種類の締結具は、前記呼び径がＭ８のボルトでもよい。このようにすると、締結具の配置スペースを抑制しつつ、効率よく、エンドプレートと燃料電池ケースとの締結強度を確保して、積層体に付与される圧縮荷重の低減を抑制することができる。

（４）上記形態燃料電池において、前記最も耐荷重が高い種類の締結具を、少なくとも２つ備え、２つの前記角部にそれぞれ配置された前記最も耐荷重が高い種類の締結具の軸心を直線で結んだ場合に、前記単位電池が積層される面である積層面を、前記直線が横断してもよい。耐荷重が高い締結具によって締結された箇所は、エンドプレートと燃料電池ケースとの隙間の発生が抑制されるため、２本の耐荷重が高い締結具の軸心を結んだ直線が単位電池の積層面を横断するように、耐荷重が高い締結具を配置すると、２本の耐荷重が高い締結具の軸心を結んだ直線が単位電池の積層面を横断しない場合と比較して、エンドプレートと燃料電池ケースとの間の隙間の発生を、よりよく抑制することができる。

（５）本発明の他の形態によれば、燃料電池システムが提供される。この燃料電池システムは、上記形態の燃料電池と、前記燃料電池を作動させるための補機と、前記補機を内部に収容する補機カバーであって、前記エンドプレートに固定される補機カバーと、を備え、前記最も耐荷重が高い種類の締結具は、前記補機カバー内に配置される。この形態の燃料電池システムによれば、少なくとも２本の、締結具の軸心を結んだ直線が単位電池の積層面を横断するように配置された最も耐荷重が高い種類の締結具が、補機カバー内に配置される。したがって、例えば、ユーザによって、誤って補機カバーの外に配置される締結具が外されたとしても、最も耐荷重が高い種類の締結具によって、エンドプレートと燃料電池ケースとの締結状態が確保されるため、積層体の圧縮状態が解除される可能性が低減される。

（６）本発明の一形態によれば、燃料電池が提供される。この燃料電池は、複数の単位電池を積層して成る積層体と、前記積層体の積層方向の少なくとも一端に配置されるエンドプレートと、開口部を備え、前記積層体を内部に収容する燃料電池ケースと、前記エンドプレートを、前記燃料電池ケースの前記開口部を閉塞した状態で、前記燃料電池ケースに固定する締結具であって、それぞれ、耐荷重が異なる複数種類の締結具と、を備え、前記燃料電池ケースの前記開口部は、前記開口部の他の部分と比較して剛性の高い高剛性部を少なくとも一つ備え、前記複数種類の締結具のうち、最も前記耐荷重が高い種類の前記締結具は、前記開口部の前記高剛性部に配置される。

この燃料電池によれば、最も耐荷重が高い種類の締結具は、燃料電池ケースの開口部の高剛性部に配置される。燃料電池ケースの開口部の高剛性部に配置される締結具には、積層体に付与される圧縮荷重に伴い、締結具の軸方向に大きな軸力が作用する。最も耐荷重が高い種類の締結具が、燃料電池ケースの開口部の高剛性部に配置されるため、締結具に大きな軸力が作用しても、耐荷重が低い種類の締結具を配置する場合に比べて締結具の軸方向の変形（延伸）を抑制することができ、エンドプレートと燃料電池ケースとの間の隙間の発生を抑制することができ、積層体に付与される圧縮荷重の低減を抑制することができる。同一材料による締結具の場合、締結具の軸径が大きい程耐荷重が高い。そのため、締結具に大きな軸力が作用する箇所に、耐荷重が高い締結具を配置し、他の箇所には耐荷重が低い（耐荷重が高い締結具に比較して）締結具を配置することにより、締結具の配置スペースを抑制しつつ、効率よく、エンドプレートと燃料電池ケースとの締結強度を確保して、積層体に付与される圧縮荷重の低減を抑制することができる。

（７）上記形態の燃料電池において、前記最も耐荷重が高い種類の締結具が配置される前記高剛性部は、前記積層体の近傍の前記高剛性部であってもよい。積層体の一端に配置されたエンドプレートにおいて、積層体の近傍は、積層体に付与される圧縮荷重に伴う反力が大きく作用する。そのため、燃料電池ケースの開口部の高剛性部に配置されたボルトのうち、積層体の近傍の高剛性部に配置されたボルトにはより大きな軸力が作用する。そのため、積層体の近傍の高剛性部（より大きな軸力が作用する箇所）に、耐荷重が高い締結具が配置されると、効率よく、エンドプレートに作用する反力を押さえることができ、エンドプレートと燃料電池ケースとの間の隙間の発生をより抑制することができ、積層体に付与される圧縮荷重の低減をよりよく抑制することができる。

なお、本発明は、種々の態様で実現することが可能である。例えば、燃料電池システムを搭載した移動体等の形態で実現することができる。

本発明の一実施形態としての燃料電池システムの概略構成を説明するための説明図である。 燃料電池システムの一部の概略構成を示す分解斜視図である。 燃料電池ケースの概略構成を示す平面図である。 前端側エンドプレートの概略構成およびボルトの配置を示す平面図である。

Ａ．実施形態：
Ａ１．燃料電池システムの構成：

図１は本発明の一実施形態としての燃料電池システムの概略構成を説明するための説明図である。本実施形態の燃料電池システム１０は、燃料電池２００と、燃料ガスとしての水素を給排する水素給排系３０と、酸化剤ガスとしての空気を給排する空気給排系４０と、燃料電池２００を冷却する冷却系５０と、燃料電池システム１０を制御する制御部６０と、を主に備える。

燃料電池２００は、比較的小型で発電効率に優れる固体高分子型燃料電池であり、燃料ガスとしての純水素と、酸化剤ガスとしての空気中の酸素が、各電極において電気化学反応を起こすことによって起電力を得るものである。燃料電池２００は、単位電池（不図示）を、複数積層して成るスタック構造を成し、その積層数は、燃料電池２００に要求される出力に応じて任意に設定可能である。

水素給排系３０では、高圧水素が貯蔵された水素タンク３１から水素が放出され、インジェクタ３２によって流量が制御され、配管３３を介して、燃料電池２００のアノードに水素が供給される。アノード排ガスは、配管３４に導入され、気液分離器（不図示）において水分が分離された後、配管３７を介して配管３３へ戻される。気液分離器によって分離されたアノード排ガス中の水分は、配管３５を介して大気中に排出される。配管３５上には、シャット弁３９が設けられており、アノード排ガス中の水分は、シャット弁３９が開弁された際に排出される。配管３７上には、水素ポンプ１４０が設けられており、上記したアノード排ガス中の水素の循環流量を調整する。

空気給排系４０では、エアコンプレッサ４４によって圧縮された圧縮空気が、配管４１を介して、燃料電池２００のカソードに供給される。カソード排ガスは配管４２を介して、大気中に放出される。配管４１上には、エアコンプレッサ４４の上流側にエアフロメータ４３が設けられており、エアコンプレッサ４４が取り込む外気の量を計測している。エアコンプレッサ４４による空気の供給量は、エアフロメータ４３による計測値に基づいて制御されている。配管４２上には、圧力計（不図示）と調圧弁４６とが設けられており、圧力計によるカソード排ガスの圧力計測値に基づいて、調圧弁４６の開度が調整される。

冷却系５０は、配管５１と、冷却水ポンプ５３と、ラジエータ５４と、を主に備える。冷却水は、冷却水ポンプ５３によって、配管５１を流れ、燃料電池２００内を循環して燃料電池２００を冷却した後、ラジエータ５４によって冷却され、再度、燃料電池２００に供給される。

制御部６０は、中央処理装置と主記憶装置とを備えるマイクロコンピュータによって構成されている。制御部６０は、外部負荷８４からの出力電力の要求を受け付け、その要求に応じて、上述の燃料電池システム１０の各構成部およびＰＣＵ（Ｐｏｗｅｒ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｕｎｉｔ：パワーコントロールユニット）８２を制御し、燃料電池２００に発電させる。上記構成以外に、圧力計，温度計，電流計，電圧計等を備えてもよい。

図２は、燃料電池システムの一部の概略構成を示す分解斜視図である。図示するように、本実施形態の燃料電池システム１０は、燃料電池２００と、水素ポンプ１４０と、３本のテンションシャフト１３１，１３２，１３３（３本のテンションシャフトをまとめてテンションシャフト１３０とも称する）と、燃料電池ケース１２０と、補機カバー１５０と、を備える。以下の説明において、図２におけるｚ軸プラス方向を前，ｚ軸マイナス方向を後ろ，ｙ軸プラス方向を上，ｙ軸マイナス方向を下と表現する。実施形態における水素ポンプ１４０が、請求項における補機に相当する。本実施形態における２００と燃料電池ケース１２０とが、請求項における燃料電池に相当する。

燃料電池２００は、単位電池１００が複数ｚ軸方向（以下、「積層方向」とも称する。）に積層された積層体１１０の前側に集電板１６０Ｆ，前端側エンドプレート１７０Ｆが、その順に積層され、積層体１１０の後ろ側に、集電板１６０Ｅ，絶縁板１６５Ｅ，後端側エンドプレート１７０Ｅが、その順に積層された積層構造を成す。以下の説明において、前端側エンドプレート１７０Ｆを除いた、集電板１６０Ｆ，積層体１１０，集電板１６０Ｅ，絶縁板１６５Ｅ，後端側エンドプレート１７０Ｅが、その順に積層された部分を、燃料電池本体１１５とも称する。また、集電板１６０Ｆ，１６０Ｅを区別する必要のない場合には、集電板１６０と称する。実施形態における前端側エンドプレート１７０Ｆが、請求項におけるエンドプレートに相当する。

単位電池１００は、アノード側セパレータ（不図示）とカソード側セパレータ（不図示）とシール部材一体型ＭＥＡ（Ｍｅｍｂｒａｎｅ Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ Ａｓｓｅｍｂｌｙ:膜電極接合体）（不図示）とを備える。単位電池１００は、その周縁に、燃料ガス供給孔，アノード排ガス排出孔，６つの酸化剤ガス供給孔，７つのカソード排ガス排出孔，３つの冷却水供給孔，および３つの冷却水排出孔を備える。以下、これらの供給孔および排出孔をまとめて、「給排孔」とも称する。これら給排孔は、集電板１６０Ｆおよび前端側エンドプレート１７０Ｆにおける各給排孔（後述する）と繋がる。単位電池１００を複数積層して、燃料電池２００を構成すると、これらの給排孔により、各単位電池１００に燃料ガスとしての水素、酸化剤ガスとしての空気、および冷却水を供給するマニホールドや、各単位電池１００からアノード排ガス、カソード排ガス、および冷却水を排出させるマニホールドが形成される。なお、上述の給排孔の周囲には、図示せざるシール部が形成されており、シール部によって、単位電池１００が積層された際のセパレータ間およびセパレータと集電板１６０間におけるマニホールドのシール性が確保されている。

前端側の集電板１６０Ｆおよび後端側の集電板１６０Ｅは、各単位電池１００の発電電力を集電し、集電端子１６１を介して外部へ出力する。前端側の集電板１６０Ｆは、その周縁に、単位電池１００と同様の給排孔を備える。後端側の集電板１６０Ｅは、これらの給排孔を備えない。絶縁板１６５Ｅは、絶縁性の樹脂板、後端側エンドプレート１７０Ｅは、アルミニウム製の金属板である。絶縁板１６５Ｅと後端側エンドプレート１７０Ｅは、集電板１６０Ｅと同様に、上述の単位電池１００が備える給排孔に相当する給排孔を備えない。これは、反応ガス（水素，空気）および冷却水を前端側の前端側エンドプレート１７０Ｆからそれぞれの単位電池１００に対して供給マニホールドを介して供給しつつ、それぞれの単位電池１００からの排出ガスおよび排出水を前端側エンドプレート１７０Ｆから外部に対して排出マニホールドを介して排出するタイプの燃料電池であることによる。ただし、これに限定されるものではなく、例えば、前端側エンドプレート１７０Ｆから反応ガスおよび冷却水を供給し、後端側エンドプレート１７０Ｅから排出ガスおよび排出水が外部へ排出されるタイプ等の種々のタイプとすることができる。

燃料電池ケース１２０は、図示するように、前側が開口しており、後側はケース端面(不図示)により閉塞されている。燃料電池本体１１５は、燃料電池ケース１２０内に収容され、前端側エンドプレート１７０Ｆは、燃料電池ケース１２０の前側の開口を閉塞する状態で、ボルトにて固定される。この状態で、前端側エンドプレート１７０Ｆ，集電板１６０Ｆ，積層体１１０，集電板１６０Ｅ，絶縁板１６５Ｅ，後端側エンドプレート１７０Ｅが、その順に積層された燃料電池２００が構成される。

燃料電池本体１１５の下側（図２におけるｙ軸マイナス方向）には、テンションシャフト１３０が配置され、燃料電池本体１１５による荷重を受けている。テンションシャフト１３０は、前側が前端側エンドプレート１７０Ｆに接続され、後側がケース端面に接続されている。燃料電池ケース１２０の下側は、開口しており、内部に燃料電池本体１１５が収容された状態で、ケース蓋部（不図示）によって閉塞される。

燃料電池ケース１２０の後側のケース端面には、プレス用貫通孔(不図示)が形成されている。燃料電池ケース１２０の外から、上述のプレス用貫通孔を介して、プレスシャフト(不図示)によって、燃料電池２００の積層方向の押圧力が、後端側エンドプレート１７０Ｅに加えられ、荷重調整ねじ(不図示）にて、後端側エンドプレート１７０Ｅが押圧された状態で固定されることにより、積層体１１０に対して、積層方向の押圧力（圧縮荷重）が加えられる。積層体１１０に付与される圧縮荷重は、前端側エンドプレート１７０Ｆと燃料電池ケース１２０とを締結するボルト(後述する）によって保持されている。これにより、燃料電池２００の各構成部材の積層状態が維持されると共に、各構成部材間の接触状態が良好に維持される。

水素ポンプ１４０は、上述の通り、燃料電池２００から排出されたアノード排ガス中の水素の循環流量を調整して、燃料電池２００に供給する。水素ポンプ１４０は、図示するように、前端側エンドプレート１７０Ｆに固定されている。

補機カバー１５０は、後ろ側が開口しており、内部に水素ポンプ１４０を収容した状態で、後ろ側の開口が前端側エンドプレート１７０Ｆによって閉塞されるように、前端側エンドプレート１７０Ｆに固定される。本実施形態において、補機カバー１５０は、内部に水素ポンプ１４０を収容しているが、エアコンプレッサ４４，冷却水ポンプ５３等、他の補機を内部に収容してもよい。また、水素ポンプ１４０は、前端側エンドプレート１７０Ｆに固定されているが、補機カバー１５０に固定される構成にしてもよい。

Ａ２．燃料電池ケースの構成：
図３は、燃料電池ケースの概略構成を示す平面図である。図３では、燃料電池ケース１２０の開口部１２１を図示している。図示するように、燃料電池ケース１２０の開口部１２１は、角部１２２，１２３，１２４，１２５，１２６，１２７，１２８，１２９を備える略八角形の外周形状を成す。開口部１２１の上記角部１２２〜１２９は、それぞれ角に丸み（面取り）が付されている。図２に示すように、燃料電池ケース１２０の開口部１２１の形状は、燃料電池ケース１２０の開口部１２１近傍の断面形状と略一致している。燃料電池ケース１２０の開口部１２１の角部１２２，１２６，および１２８には、呼び径がＭ６のボルトが螺合されるねじ孔１３８が形成され、角部１２４および１２９には、呼び径がＭ８のボルトが螺合されるねじ孔１３９が形成されている。燃料電池ケース１２０の開口部１２１の上辺（ｘ軸に平行な辺）には、６つのねじ孔１３８（呼び径がＭ６のボルトが螺合される）が形成され、開口部１２１の下辺（ｘ軸に平行な辺）には、４つのねじ孔１３８（呼び径がＭ６のボルトが螺合される）が形成されている。

本実施形態の燃料電池ケース１２０は、ポリプロピレン（ＰＰ）によって形成されている。燃料電池ケース１２０は、図２に示すように、ｘｙ断面が、開口部１２１のような、複数の角部を有する略多角形状を成し、その形状から、それらの角部は他の部分(面)に比較して剛性が高い。同様に、燃料電池ケース１２０の開口部１２１において、角部１２２〜１２９は、他の部分（角部以外の各辺）に比較して、剛性が高い。なお、燃料電池ケース１２０を形成する材料は、ＰＰに限定されない。例えば、ポリエチレン（ＰＥ）、ポリスチレン（ＰＳ）等、他の樹脂を用いてもよい。

Ａ３．前端側エンドプレートの構成およびボルトの配置：
図４は、本発明の一実施形態としての前端側エンドプレートの概略構成およびボルトの配置を示す平面図である。図４では、水素ポンプ１４０が固定される面(以下、ポンプ面とも称する。）を図示している。上述の通り、前端側エンドプレート１７０Ｆは、集電板１６０Ｆを介して、積層体１１０の前端側に配置される。図４では、前端側エンドプレート１７０Ｆと積層体１１０との位置関係を示すために、積層体１１０が配置される位置を、配置枠Ｗとして一点鎖線で示している。また、上述の通り、前端側エンドプレート１７０Ｆには、テンションシャフト１３１，１３２，１３３が接続される。図４では、テンションシャフト１３１，１３２，１３３の配置を破線で図示している。

前端側エンドプレート１７０Ｆは、燃料電池ケース１２０の前側の開口(図２)とほぼ同一の外周形状を成す。前端側エンドプレート１７０Ｆは、図４に示すように、配置枠Ｗ内の周縁近傍に、燃料ガス供給孔１７２ＩＮ，アノード排ガス排出孔１７２ＯＴ，酸化剤ガス供給孔１７４ＩＮ，カソード排ガス排出孔１７４ＯＴ，冷却水供給孔１７６ＩＮ，冷却水排出孔１７６ＯＴが形成されている。前端側エンドプレート１７０Ｆが、集電板１６０Ｆを介して積層体１１０の前端側に積層された場合に、各給排孔が、積層体１１０に形成された各マニホールドと連通する。

前端側エンドプレート１７０Ｆは、燃料電池ケース１２０のねじ孔１３８と対応する位置に、呼び径がＭ６のボルト１７８が螺合されるねじ孔（不図示）が形成され、ねじ孔１３９と対応する位置に、呼び径がＭ８のボルト１７９が螺合されるねじ孔（不図示）が形成されている。図４では、前端側エンドプレート１７０Ｆに形成された上記ねじ孔それぞれに呼び径Ｍ６のボルト１７８と、呼び径Ｍ８のボルト１７９とが螺合された状態を、図示している。なお、図４では、前端側エンドプレート１７０Ｆが燃料電池ケース１２０に固定された際の燃料電池ケース１２０の開口部１２１における角部１２２〜１２９を、括弧書きで図示している。

ボルト１７８および１７９は、炭素鋼から成るフランジ付き六角ボルトである。上述の通り、ボルト１７８は軸の呼び径がＭ６、ボルト１７９は軸の呼び径がＭ８であり、ボルト１７９の軸径がボルト１７８の軸径よりも大きいため、ボルト１７９の方がボルト１７８よりも耐荷重が高い。

燃料電池ケース１２０の開口部１２１を閉塞するように、前端側エンドプレート１７０Ｆが配置され、複数のボルト１７８および１７９が、前端側エンドプレート１７０Ｆと燃料電池ケース１２０に形成された複数のねじ孔１３８および１３９にそれぞれ螺合され、前端側エンドプレート１７０Ｆと燃料電池ケース１２０とが複数のボルト１７８および１７９によって締結されることにより、前端側エンドプレート１７０Ｆが燃料電池ケース１２０に固定される。

本実施形態において、燃料電池ケース１２０の開口部１２１の角部１２２，１２４，および１２９（図４に括弧書きで図示）にそれぞれ配置されるボルト１７８またはボルト１７９は、積層体１１０の近傍に配置されている。燃料電池ケース１２０の開口部１２１に配置されるボルトに作用する軸力は、積層体１１０に付与される圧縮荷重に伴い前端側エンドプレート１７０Ｆに作用する反力によって生じる。そのため、積層体１１０から離れた位置に配置されるボルトと比較して、積層体１１０の近傍に配置されるボルトに作用する軸力が大きくなる。また、雌ねじが形成されたねじ孔が配置される燃料電池ケース１２０の開口部１２１において、剛性の高い箇所に配置されたボルトには、剛性の低い箇所に配置されたボルトに比較して高い軸力が作用する。上述の通り、燃料電池ケース１２０の開口部１２１においては角部の剛性が高いため、燃料電池ケース１２０の開口部１２１に配置される全てのボルト１７８，１７９うち、開口部１２１の角部であって、積層体１１０の近傍に配置されるボルトには、他のボルトに比較して大きな軸力が作用する。

本明細書において、積層体１１０の近傍とは、積層体１１０の外周面との距離が、積層体１１０における積層面（単位電池１００を積層する面）の短辺の長さＨ（図４参照）の２０％以下の範囲をいう。図４に示すように、燃料電池ケース１２０の開口部１２１の角部１２２，１２４，１２６，１２８，１２９にそれぞれ配置されるボルト１７８またはボルト１７９の軸心と、積層体１１０の側面との距離を、Ｌ１，Ｌ２，Ｌ３，Ｌ４，Ｌ５とし、積層体１１０の積層面（ｘｙ平面）における短辺の長さをＨとした場合に、距離Ｌ１，Ｌ２，Ｌ５は、短辺の長さＨの２０％以下であり、距離Ｌ３，Ｌ４は、短辺の長さＨの２０％より大きい。すなわち、本実施形態において、燃料電池ケース１２０の開口部１２１の角部であって、積層体１１０の近傍の角部１２２，１２４および１２９に配置されるボルト１７８，１７９には、他のボルト１７８と比較して大きな軸力が作用する。なお、本実施形態において、単位電池１００は、長方形の四隅を切り欠いた略長方形状を成すが、積層体１１０とボルトとの距離を考える際には、単位電池１００の外周形状の切り欠きを除いて、長方形状とみなして各ボルトとの距離を測るものとする。切り欠き部分の面積は、単位電池１００の積層面（ｘｙ面）の面積に比較して小さく、また、前端側エンドプレート１７０Ｆは、積層体１１０に付与される圧縮荷重を受けるために高い剛性を有するため、積層体１１０に付与される圧縮荷重に伴い、ボルトに作用する軸力を考える際に、切り欠き部分の影響は微少だからである。

本実施形態において、燃料電池ケース１２０の開口部１２１の角部１２４および１２９には、耐荷重が高いボルト１７９が配置されている。上述の通り、燃料電池ケース１２０の開口部１２１の角部１２４および１２９に配置されるボルト１７９には、大きな軸力が作用するが、ボルト１７９は耐荷重が高いため、軸力によるボルト１７９の軸の変形（延伸）を抑制することができる。なお、本実施形態では、積層体１１０の下辺近傍にテンションシャフト１３０が配置され、テンションシャフト１３０の一端は燃料電池ケース１２０に、他端は前端側エンドプレート１７０Ｆに接続されている。すなわち、積層体１１０の下辺近傍において積層体１１０に付与される圧縮荷重を、テンションシャフト１３０が維持しているため、角部１２６に配置されたボルト１７８には、大きな軸力は作用しない。

本実施形態において、耐荷重が高いボルト１７９を配置する箇所（角部）は、各ボルトに作用する荷重（軸力）をＣＡＥ（Ｃｏｍｐｕｔｅｒ Ａｉｄｅｄ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ）システムによりシミュレートした結果に基づいて、決定している。すなわち、燃料電池ケース１２０の開口部１２１の角部１２２は、積層体１１０の近傍の角部であるが、シミュレーション結果によると、角部１２２に配置されるボルトに作用する荷重は、呼び径Ｍ６のボルト１７８でも耐えうる荷重であったため、スペース効率を考慮して、ボルト１７８を配置している。ボルト１７９の本数を少なくすることにより、ボルトの配置スペースを小さくすることができる。

また、前端側エンドプレート１７０Ｆのポンプ面１７には、補機カバー１５０が固定される。図４において、前端側エンドプレート１７０Ｆと補機カバー１５０との位置関係を示すために、補機カバー１５０の配置を、二点鎖線で示している。本実施形態において、燃料電池ケース１２０の開口部１２１の角部１２２，１２４，１２６，１２８，および１２９に配置されるボルト１７８および１７９は、補機カバー１５０の内部に収容される。

前端側エンドプレート１７０Ｆは、アルミニウムを用いて高圧鋳造によって製造されたアルミダイキャスト品であって、集電板１６０Ｆと接触する面には、絶縁性の樹脂がコーティングされている。そのため、前端側エンドプレート１７０Ｆを集電板１６０Ｆに接触させて配置すると、前端側エンドプレート１７０Ｆと燃料電池本体１１５とは、電気的に絶縁される。なお、アルミニウムに換えて、チタン、ステンレス鋼、それらの合金、アルミニウムとそれらの合金等を用いてもよい。また、絶縁性の樹脂によるコーティングを施さず、前端側エンドプレート１７０Ｆと集電板１６０Ｆとの間に、絶縁板１６５Ｅと同様の絶縁板を備える構成にしてもよい。

Ａ４．実施形態の効果：
実施形態の燃料電池２００では、呼び径Ｍ６のボルト１７８と、呼び径Ｍ８のボルト１７９とによって、前端側エンドプレート１７０Ｆが燃料電池ケース１２０に固定されている。上述の通り、積層体１１０には、積層方向の圧縮荷重が付与されており、前端側エンドプレート１７０Ｆには、積層方向に圧縮荷重の反力が作用する。そのため、前端側エンドプレート１７０Ｆと燃料電池ケース１２０とを締結するボルト１７８，１７９には、軸方向に力が作用する。前端側エンドプレート１７０Ｆのｘｙ平面において、積層体１１０の輪郭（図４における配置枠Ｗ）近傍は、圧縮荷重の反力が大きく作用する。また、燃料電池ケース１２０の開口部１２１において、角部は剛性が高いため、ボルト１７８，１７９に作用する軸力が高い。したがって、ボルト１７８，１７９に作用する軸力は、燃料電池ケース１２０の開口部１２１の角部（剛性の高い箇所）であって、積層体１１０の近傍において、より高くなる。実施形態の燃料電池２００では、燃料電池ケース１２０の角部のうち、積層体１１０の輪郭の近傍の角部１２４と角部１２９に配置されるボルトを、ボルト１７８よりも耐荷重が高い呼び径Ｍ８のボルト１７９にしている。そのため、ボルト１７８を配置した場合と比較して、ボルト１７９が積層方向に伸びる(変形する）ことが抑制され、前端側エンドプレート１７０Ｆと燃料電池ケース１２０との間の隙間の発生を抑制することができる。その結果、積層体１１０に付与される圧縮荷重の低減を抑制することができる。

燃料電池２００では、上述の通り、ボルトに高い軸力がかかる箇所については、耐荷重が高いボルト１７９を用い、他の箇所には、ボルト１７９よりも耐荷重が低く、軸径の小さいボルト１７８を用いている。そのため、締結具の配置スペースを抑制しつつ、効率よく、エンドプレートと燃料電池ケースとの締結強度を確保して、積層体１１０の圧縮状態を良好に維持して、積層体１１０に付与される圧縮荷重の低減を抑制することができる。

燃料電池２００において、２本のボルト１７９の軸心を直線で結ぶと、その直線は、積層体１１０の積層面を横断する。そのため、積層体１１０に付与される圧縮荷重に伴い前端側エンドプレート１７０Ｆに作用する反力を、２本の耐荷重が高いボルト１７９によって、十分に受けることができ、他の箇所を耐荷重が低いボルト１７８にしても、前端側エンドプレート１７０Ｆと燃料電池ケース１２０との間の隙間の発生を、よりよく抑制することができる。

また、実施形態の燃料電池システム１０では、燃料電池ケース１２０の開口部１２１の角部１２２，１２４，１２６，１２８，１２９に配置されるボルト１７８，１７９が、水素ポンプ１４０を内部に収容する補機カバー１５０内に配置される。例えば、水素ポンプ１４０等の補機の点検等のために、ユーザが補機カバー１５０を外す場合がある。その場合に、開口部１２１の角部１２２，１２４，１２６，１２８，１２９に配置されるボルト１７８，１７９は、補機カバー１５０内に配置されているため、ユーザが誤ってそれらのボルトを外すことを防ぐことができる。実施形態の燃料電池システム１０では、２本の耐荷重が高いボルト１７９が、補機カバー１５０内に配置されているため、仮に、補機カバー１５０外に配置されているボルト１７８がユーザによって誤って外されたとしても、前端側エンドプレート１７０Ｆが燃料電池ケース１２０から外れて、燃料電池本体１１５が燃料電池ケース１２０から飛び出す恐れが軽減される。

Ｂ．変形例：
なお、この発明は上記の実施形態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る。例えば、発明の概要の欄に記載した各形態中の技術的特徴に対応する実施形態の技術的特徴は、上述の課題の一部又は全部を解決するために、或いは、上述の効果の一部又は全部を達成するために、適宜、差し替えや、組み合わせを行うことが可能である。また、その技術的特徴が本明細書中に必須なものとして説明されていなければ、適宜、削除することが可能である。例えば次のような変形も可能である。

（１）上記実施形態において、前端側エンドプレート１７０Ｆを燃料電池ケース１２０に固定するボルトとして、フランジ付き六角ボルトを例示したが、これに限定されない。例えば、フランジの付いていない六角ボルト、六角穴付きボルト等の他のボルト類、小ねじ類等のねじであってもよいし、リベット等のねじ山のない締結具であってもよい。

（２）上記実施形態において、呼び径がＭ６のボルト１７８と呼び径がＭ８のボルト１７９とを用いる例を示したが、これに限定されず、耐荷重が異なる２種類以上の締結具を用いればよい。例えば、呼び径がＭ５のボルトと呼び径がＭ６のボルトを用いてもよいし、呼び径がＭ８のボルトと呼び径がＭ１０のボルトを用いてもよい。ボルトに作用する軸力と、ボルトを配置するスペース等を考慮して、適宜設定することができる。相対的に耐荷重が高いボルトを、開口部の角部（剛性の高い箇所）に配置し、耐荷重が低い(軸径の細い）ボルトを、その他の箇所に配置することにより、ボルトの配置スペースを抑制しつつ、積層体１１０に付与される圧縮荷重の低減を抑制ことができる。

（３）上記実施形態において、軸径が異なる２種類のボルトを用いる例を示したが、材料が異なる２種類のボルトを用いてもよい。このようにしても、耐荷重が異なる２種類のボルトを形成することができる。例えば、ボルト１７９に換えて、ステンレス鋼製の呼び径Ｍ６のボルト（ボルト１７８よりも耐荷重が高い）を用いてもよい。また、ボルト１７８を構成する炭素鋼に対して炭素を増量した炭素鋼製の呼び径Ｍ６のボルトを、ボルト１７９に換えて用いてもよい。また、ボルト１７８の軸に対して熱処理を施すことにより耐荷重を上げたボルトを、ボルト１７９に換えて用いてもよい。このようにしても、ボルトの配置スペースを抑制しつつ、積層体１１０に付与される圧縮荷重の低減を抑制することができる。

（４）上記実施形態において、２本のボルト１７９は、燃料電池ケース１２０の開口部１２１において、積層体１１０の近傍の角部１２４、１２９に配置される例を示したが、これに限定されない。積層体１１０の近傍でなくても、燃料電池ケース１２０の開口部１２１の角部に配置されればよい。燃料電池ケース１２０の開口部１２１の角部は、他の部分(辺)に比較して、剛性が高いため、ボルトに大きな軸力がかかりやすい。そのため、耐荷重が高いボルト１７９を、燃料電池ケース１２０の開口部１２１の角部に配置することにより、ボルト１７８のみを用いて前端側エンドプレート１７０Ｆを燃料電池ケース１２０に固定する場合と比較して、ボルトの軸の変形（伸び）が抑制され、積層体１１０に付与される圧縮荷重の低減を抑制することができる。但し、積層体１１０の近傍に配置されるボルトは、より高い軸力がかかるため、燃料電池ケース１２０の開口部１２１の角部であって、積層体１１０の近傍に配置されるボルトを、耐荷重が高いボルトにするのが好ましい。

（５）上記実施形態において、耐荷重が高いボルト１７９を、２本用いているが、少なくとも１本用いればよい。１本でも耐荷重が高いボルトを、燃料電池ケース１２０の開口部１２１の角部に配置することにより、ボルト１７８のみを用いて前端側エンドプレート１７０Ｆを燃料電池ケース１２０に固定する場合と比較して、ボルトの軸の変形（伸び）が抑制され、積層体１１０に付与される圧縮荷重の低減を抑制することができる。但し、上記実施形態のように、耐荷重が高いボルトを、２本以上用い、配置された耐荷重が高いボルトの軸心間を結ぶ直線が、単位電池１００の積層面を横断するように配置すると、より良好に、前端側エンドプレート１７０Ｆに作用する反力を押さえることができるため、好ましい。また、耐荷重が高いボルト１７９を、３本以上、燃料電池ケース１２０の開口部１２１の角部の数（上記実施形態において「８」）よりも少ない数用いてもよい。全てのボルト１７９を、それぞれ、角部に配置することにより、スペース効率を確保しつつ、前端側エンドプレート１７０Ｆと燃料電池ケース１２０との隙間の発生を抑制することができ、積層体１１０における圧縮荷重の低減を抑制することができる。

（６）上記実施形態において、燃料電池ケース１２０の開口部１２１の角部１２２，１２４，１２６，１２８，１２９に配置されるボルト１７８，１７９が、水素ポンプ１４０を内部に収容する補機カバー１５０内に配置される例を示したが、少なくとも、耐荷重が高い２本のボルト１７９が補機カバー１５０内に配置されていればよい。耐荷重が高い２本のボルト１７９によって、前端側エンドプレート１７０Ｆが燃料電池ケース１２０に固定されていれば、仮に、他のボルト１７８が取り外されたとしても、前端側エンドプレート１７０Ｆの固定状態が維持される可能性が高い。したがって、前端側エンドプレート１７０Ｆと燃料電池ケース１２０との固定状態が解除されることにより、燃料電池本体１１５が燃料電池ケース１２０から飛び出す可能性を低減することができる。

（７）上記実施形態では、耐荷重が高いボルト１７９が燃料電池ケース１２０の開口部１２１の角部に配置される例を示したが、角部に限定されない。例えば、燃料電池ケース１２０の開口部１２１において、板厚が厚い等剛性の高い箇所に配置してもよい。燃料電池ケース１２０の開口部１２１において剛性の高い箇所に配置されるボルトには、大きな軸力がかかるため、燃料電池ケース１２０の開口部１２１において剛性の高い箇所に、耐荷重が高いボルトを配置することにより、ボルトが積層方向に伸びる(変形する）ことが抑制され、前端側エンドプレート１７０Ｆと燃料電池ケース１２０との間の隙間の発生を抑制することができる。その結果、積層体１１０に付与される圧縮荷重の低減を抑制することができる。なお、燃料電池ケース１２０の開口部１２１において、積層体１１０の近傍であって、剛性が高い箇所に、耐荷重が高い１７９を配置するのが、さらに好ましい。本変形例における剛性の高い箇所が、請求項における高剛性部に相当する。

（８）上記実施形態では、耐荷重が異なる２種類のボルト１７８，１７９を用いて、前端側エンドプレート１７０Ｆを燃料電池ケース１２０に固定する例を示したが、耐荷重が異なる３種類以上のボルトを用いてもよい。その場合には、最も耐荷重が高いボルトを、燃料電池ケース１２０の開口部１２１の角部（剛性の高い箇所）に配置すればよい。

（９）上記実施形態では、前端側エンドプレート１７０Ｆが燃料電池ケース１２０にボルトにより固定される例を示したが、これに限定されない。燃料電池ケースが、後端側にも開口部を備え、後端側エンドプレート１７０Ｅが後端側の開口部にボルトにより固定される構成にしてもよい。この場合、後端側エンドプレート１７０Ｅを、前端側エンドプレート１７０Ｆと同様の構成にしてもよい。このようにすると、後端側エンドプレートにおいても、スペース効率を確保しつつ、ボルトの軸の変形（伸び）を抑制して、後端側エンドプレートと燃料電池ケースとの隙間の発生を抑制することができる。

（１０）燃料電池ケース１２０の開口部１２１の形状は上記実施形態に限定されない。例えば、三角形，四角形（長方形），五角形，六角形等であってもよい。このような場合でも、耐荷重が高い種類のボルトを、角部に配置することにより、スペース効率を確保しつつ、ボルトの軸の変形（伸び）を抑制して、エンドプレートと燃料電池ケースとの隙間の発生を抑制することができる。

（１１）上記実施形態において、前端側エンドプレート１７０Ｆは、燃料電池ケース１２０の開口部１２１とほぼ同一の外周形状を成す例を示したが、これに限定されない。エンドプレートは、燃料電池ケース１２０の開口部１２１を閉塞可能な形状であればよく、その外周形状は、種々に成形可能である。エンドプレートの外周形状が、燃料電池ケース１２０の開口部１２１と異なる場合にも、エンドプレートを燃料電池ケース１２０の開口部１２１を閉塞するように配置して、開口部１２１の角部に、耐荷重が高いボルト１７９を配置すればよい。

１０…燃料電池システム
１７…ポンプ面
３０…水素給排系
３１…水素タンク
３２…インジェクタ
３３，３４，３５，３７…配管
３９…シャット弁
４０…空気給排系
４１，４２…配管
４３…エアフロメータ
４４…エアコンプレッサ
４６…調圧弁
５０…冷却系
５１…配管
５３…冷却水ポンプ
５４…ラジエータ
６０…制御部
８４…外部負荷
１００…単位電池
１１０…積層体
１１５…燃料電池本体
１２０…燃料電池ケース
１２１…開口部
１２２〜１２９…角部
１３１，１３２，１３３…テンションシャフト
１４０…水素ポンプ
１５０…補機カバー
１６０Ｅ…集電板
１６０Ｆ…集電板
１６１…集電端子
１６５Ｅ…絶縁板
１７０Ｅ…後端側エンドプレート
１７０Ｆ…前端側エンドプレート
１７２ＩＮ…燃料ガス供給孔
１７２ＯＴ…アノード排ガス排出孔
１７４ＩＮ…酸化剤ガス供給孔
１７４ＯＴ…カソード排ガス排出孔
１７６ＩＮ…冷却水供給孔
１７６ＯＴ…冷却水排出孔
１７８，１７９…ボルト
２００…燃料電池
Ｗ…配置枠

Claims (7)

1. 燃料電池であって、
   複数の単位電池を積層して成る積層体と、
   前記積層体の積層方向の少なくとも一端に配置されるエンドプレートと、
   複数の角部を備える略多角形状の外周形状を成す開口部を備え、前記積層体を内部に収容する燃料電池ケースと、
   前記エンドプレートを、前記燃料電池ケースの前記開口部を閉塞した状態で、前記燃料電池ケースに固定する締結具であって、それぞれ、耐荷重が異なる複数種類の締結具と、
   を備え、
   前記複数種類の締結具のうち、最も前記耐荷重が高い種類の前記締結具は、前記開口部の前記複数の角部のうち、少なくとも一つの前記角部に配置される、燃料電池。
2. 請求項１に記載の燃料電池において、
   前記最も耐荷重が高い種類の締結具が配置される前記角部は、前記積層体の近傍の前記角部である、燃料電池。
3. 請求項１または請求項２に記載の燃料電池であって、
   前記複数種類の締結具は、
   呼び径がＭ６のボルト、および呼び径がＭ８のボルトの２種類であって、
   前記最も耐荷重が高い種類の締結具は、前記呼び径がＭ８のボルトである、燃料電池。
4. 請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の燃料電池において、
   前記最も耐荷重が高い種類の締結具を、少なくとも２つ備え、
   ２つの前記角部にそれぞれ配置された前記最も耐荷重が高い種類の締結具の軸心を直線で結んだ場合に、前記単位電池が積層される面である積層面を、前記直線が横断する、燃料電池。
5. 請求項４に記載の燃料電池と、前記燃料電池を作動させるための補機と、前記補機を内部に収容する補機カバーであって、前記エンドプレートに固定される補機カバーと、を備える燃料電池システムにおいて、
   前記最も耐荷重が高い種類の締結具は、前記補機カバー内に配置される、燃料電池システム。
6. 燃料電池であって、
   複数の単位電池を積層して成る積層体と、
   前記積層体の積層方向の少なくとも一端に配置されるエンドプレートと、
   開口部を備え、前記積層体を内部に収容する燃料電池ケースと、
   前記エンドプレートを、前記燃料電池ケースの前記開口部を閉塞した状態で、前記燃料電池ケースに固定する締結具であって、それぞれ、耐荷重が異なる複数種類の締結具と、
   を備え、
   前記燃料電池ケースの前記開口部は、前記開口部の他の部分と比較して剛性の高い高剛性部を少なくとも一つ備え、
   前記複数種類の締結具のうち、最も前記耐荷重が高い種類の前記締結具は、前記開口部の前記高剛性部に配置される、燃料電池。
7. 請求項６に記載の燃料電池において、
   前記最も耐荷重が高い種類の締結具が配置される前記高剛性部は、前記積層体の近傍の前記高剛性部である、燃料電池。

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