KR102256951B1 - 연료 전지 장치 - Google Patents

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Abstract

연료 전지 장치는, 적층된 복수의 단셀을 갖는 셀 스택과, 복수의 단셀의 적층 방향을 따른 셀 스택의 측면 중 1개의 측면을 덮는 커버부를 갖는 케이스와, 커버부의 적층 방향의 한쪽의 단부에 접속되고, 셀 스택에 대해 적층 방향의 외측에 배치되어 있는 엔드 플레이트와, 셀 스택을 사이에 두고 커버부와는 반대측에 있어서 적층 방향과 평행하게 연장 설치되고, 적층 방향의 한쪽의 단부가 엔드 플레이트에 접속되고, 적층 방향의 다른 쪽의 단부가 케이스에 접속되고, 셀 스택과 엔드 플레이트와 케이스를 적층 방향으로 체결하는 체결 부재를 구비하고, 커버부의 열팽창 계수는, 체결 부재의 열팽창 계수보다도 크다.

Description

연료 전지 장치{FUEL CELL DEVICE}
본 발명은, 연료 전지 장치에 관한 것이다.
종래부터, 적층된 복수의 단셀을 갖는 셀 스택이 연료 전지에 있어서 사용되고 있다. 셀 스택을 갖는 연료 전지는, 셀 스택의 적층 구조를 유지하기 위해, 적층 방향으로 하중이 가해진 상태에서 케이스에 수용된다. 일본 특허 공개 제2013-012325에는, 케이스 내에 연료 전지가 수용된 상태에 있어서 셀 스택의 저면을 따라서 배치된 텐션 샤프트를 구비하는 연료 전지 장치가 기재되어 있다. 이 텐션 샤프트는, 일단부가 셀 스택의 적층 방향의 단부면과 대향하는 케이스 측면에 고정되고, 타단부가 셀 스택을 사이에 두고 상술한 케이스 측면의 반대측에 위치하는 엔드 플레이트에 고정되어, 케이스와 셀 스택과 엔드 플레이트를 체결한다.
일본 특허 공개 제2013-012325에 기재된 연료 전지 장치에 있어서, 케이스와 텐션 샤프트는, 서로 강 등의 동일 종류의 금속 재료에 의해 형성되어 있다. 또한, 텐션 샤프트는 막대 부재이므로, 적층 방향과 수직인 방향을 따른 텐션 샤프트의 단면적은, 적층 방향과 수직인 방향을 따른 케이스의 단면적보다도 작다. 따라서, 적층 방향으로 수직인 방향에서, 텐션 샤프트의 강성은 케이스의 강성보다도 낮다. 그런데, 셀 스택은, 발전 시에는 고온으로 되어 열팽창하여 압축 하중이 증가된다. 이로 인해, 일본 특허 공개 제2013-012325에 기재된 연료 전지 장치에서는, 압축 하중의 증가에 수반하여, 강성이 낮은 텐션 샤프트의 치수 변화가 강성이 높은 케이스의 치수 변화보다도 커져, 셀 스택에 있어서 텐션 샤프트측(저면측)의 체결력이 약해진다. 이에 의해, 셀 스택의 저면측이 상면측에 비해 적층 방향으로 신장되어 각 단셀간의 평행도가 저하된다. 이와 같이 각 단셀의 평행도가 저하되면, 각 단셀의 면압이 불균일해지기 때문에 연료 전지 장치의 발전 성능이 저하될 우려가 있다. 이로 인해, 연료 전지 장치가 발전 시에 고온으로 되었을 때에서의 각 단셀간의 평행도의 저하를 억제 가능한 기술이 요망되고 있다.
본 발명은, 각 단셀간의 평행도의 저하를 억제 가능한 연료 전지 장치를 제공한다.
본 발명의 일 형태에 의하면, 연료 전지 장치가 제공된다. 이 연료 전지 장치는, 적층된 복수의 단셀을 갖는 셀 스택과, 상기 복수의 단셀의 적층 방향을 따른 상기 셀 스택의 측면 중 1개의 측면을 덮는 커버부를 갖는 케이스와, 상기 커버부의 상기 적층 방향의 한쪽의 단부에 접속되고, 상기 셀 스택에 대해 상기 적층 방향의 외측에 배치되어 있는 엔드 플레이트와, 상기 셀 스택을 사이에 두고 상기 커버부와는 반대측에 있어서 상기 적층 방향과 평행하게 연장 설치되고, 상기 적층 방향의 한쪽의 단부가 상기 엔드 플레이트에 접속되고, 상기 적층 방향의 다른 쪽의 단부가 상기 케이스에 접속되고, 상기 셀 스택과 상기 엔드 플레이트와 상기 케이스를 상기 적층 방향으로 체결하는 체결 부재를 구비하고, 상기 커버부의 열팽창 계수는, 상기 체결 부재의 열팽창 계수보다도 크다.
이 구성의 연료 전지 장치에 의하면, 체결 부재는, 커버부와 비교해서 열팽창 계수가 작으므로, 커버부의 강성에 비해 체결 부재의 강성이 낮은 경우에, 이러한 강성의 차에 기인하는, 셀 스택에 있어서의 체결 부재측과 커버부측과의 적층 방향의 치수 변화의 차를 저감할 수 있다. 이로 인해, 각 단셀간의 평행도의 저하를 억제할 수 있다.
상기 형태의 연료 전지 장치에 있어서, 상기 적층 방향과 수직인 방향을 따른 상기 체결 부재의 단면적은, 상기 적층 방향과 수직인 방향을 따른 상기 커버부의 단면적보다도 작아도 된다.
이 구성의 연료 전지 장치에 의하면, 체결 부재와 커버부에서 영률이 동등한 조건에서는, 커버부의 강성이 체결 부재의 강성보다도 높다. 그러나, 체결 부재와 커버부와의 열팽창 계수의 차에 의해, 각 단셀간의 평행도의 저하를 억제할 수 있다.
상기 형태의 연료 전지 장치에 있어서, 상기 케이스는, 알루미늄에 의해 형성되고, 상기 체결 부재는, 철에 의해 형성되어 있어도 된다.
이 구성의 연료 전지 장치에 의하면, 케이스의 열팽창 계수가, 체결 부재의 열팽창 계수보다도 약 2배 크므로, 체결 부재와 커버부와의 단면적의 차가 큰 경우라도, 치수 변화의 차를 저감할 수 있다. 따라서, 체결 부재의 단면적을 작게 할 수 있어, 연료 전지 장치의 대형화를 억제할 수 있다.
상기 형태의 연료 전지 장치에 있어서, 상기 체결 부재는, 서로 이격되어 배치된 복수의 막대 형상의 부재를 가져도 된다.
이 구성의 연료 전지 장치에 의하면, 서로 이격되어 배치된 복수의 막대 부재를 가지므로, 복수의 막대 부재와 동일한 단면적을 갖는 판 부재에 의해 체결 부재가 형성되는 구성과 비교하여, 셀 스택의 압축 하중에 의해 견딜 수 있다. 또한, 체결 부재가 1개의 막대 부재로 이루어지는 구성과 비교해서 하중을 분산할 수 있어, 셀 스택을 안정적으로 체결할 수 있음과 함께, 1개당의 단면적을 작게 할 수 있어, 연료 전지 장치의 대형화를 억제할 수 있다.
본 발명의 예시적 실시예의 기술적 및 산업적 중요성, 특징, 장점에 대하여 첨부 도면을 참조하여 이하에 설명한다.　 상기 도면에서 유사한 부호는 유사한 구성요소를 지칭한다.
도 1은 본 발명의 일 실시 형태로서의 연료 전지 장치의 개략 구성을 도시하는 단면도이다.
도 2는 연료 전지 장치의 적층 방향으로 수직인 방향의 단면을 도시하는 단면도이다.
도 3a, 도 3b는 연료 전지 장치(10)의 조립 공정을 모식적으로 도시하는 단면도이다.
도 4a, 도 4b는 연료 전지 장치(10)의 조립 공정을 모식적으로 도시하는 단면도이다.
먼저, 본 발명의 실시 형태를 설명한다. 도 1은, 본 발명의 일 실시 형태로서의 연료 전지 장치의 개략 구성을 도시하는 단면도이다. 도 2는, 연료 전지 장치의 적층 방향으로 수직인 방향의 단면을 도시하는 단면도이다. 도 2에서는, 도 1에 있어서의 II-II 단면을 도시하고 있다. 연료 전지 장치(10)는, 소위 고체 고분자형 연료 전지를 갖고, 반응 가스(연료 가스 및 산화제 가스)의 공급부나, 냉각 매체의 공급부 등과 함께 연료 전지 시스템을 구성한다. 이와 같은 연료 전지 시스템은, 예를 들어, 구동용 전원을 공급하기 위한 시스템으로서, 연료 전지 자동차 등에 탑재되어 사용된다. 또한, 연료 전지 자동차 대신에, 다른 임의의 이동체에 탑재되어도 되고, 정치형 연료 전지로서 사용되어도 된다.
도 1에 도시하는 바와 같이, 연료 전지 장치(10)는, 셀 스택(102S)과, 제1 집전판(160E)과, 제2 집전판(160F)과, 압력판(170)과, 스택 매니폴드(180)와, 엔드 플레이트(190)와, 텐션 샤프트(300)와, 케이스(500)와, 로어 커버(550)를 구비한다.
셀 스택(102S)은, 복수의 단셀(102)이 적층 방향 SD를 따라서 적층된 구조를 갖는다. 단셀(102)은 막 전극 접합체와, 막 전극 접합체를 끼우는 한 쌍의 가스 확산층과, 막 전극 접합체 및 가스 확산층의 적층체를 끼우는 한 쌍의 세퍼레이터로 구성되어 있다. 도 2에 도시하는 바와 같이, 단셀(102)은 두께 방향으로 관통하는 복수의 유로 형성 구멍(105)을 갖는다. 이에 의해, 셀 스택(102S)의 내부에는 적층 방향 SD를 따라서, 단셀(102)에 반응 가스 및 냉각 매체를 각각 공급하기 위한 도시하지 않은 유로와, 단셀(102)로부터 반응 가스 및 냉각 매체를 각각 배출하기 위한 도시하지 않은 유로가 형성된다. 또한, 본 실시 형태에서는, X-Y 평면이 수평면과 평행해지도록 X축 및 Y축을 정하고 있다. 또한, Y축 및 Z축은, 각각 X축과 서로 수직인 방향이다. ＋Z방향은 연직 상방에, －Z방향은 연직 하방에, 각각 상당한다. 도 1에 도시하는 바와 같이, 연료 전지 장치(10)는 적층 방향 SD가 X축과 평행해지도록 적재되어 있다.
도 2에 도시하는 바와 같이, 각 단셀(102)의 적층 방향 SD와 수직인 면의 형상은, 대략 직사각형이며, 길이 방향이 Y축과 평행해지도록 배치되어 있다. 대략 직사각형의 평면에서 본 형상의 네 코너와 하변의 중앙에는 오목부(106)가 형성되어 있다. 각 단셀(102)의 오목부(106)가 적층 방향 SD로 배열됨으로써, 셀 스택(102S)의 상면 및 측면의 경계와, 저면 및 측면의 경계와, 저면 중앙에는, 적층 방향 SD를 따른 홈이 형성된다. 상변의 양쪽 코너의 오목부(106)에 의해 형성되는 홈은, 케이스(500)의 돌출부(501, 502)와의 간섭을 억제하고, 하변의 양쪽 코너의 오목부(106)에 의해 형성되는 홈 및 하변의 중앙 오목부(106)에 의해 형성되는 홈은, 텐션 샤프트(300)나 도시하지 않은 전압 감시 유닛에 접속하기 위한 커넥터와의 간섭을 억제한다.
도 1에 도시하는 바와 같이, 제1 집전판(160E)은 셀 스택(102S)의 ＋X방향의 단부면에 접하여 배치되어 있다. 본 실시 형태에 있어서, 제1 집전판(160E)은 티타늄층, 알루미늄층 및 티타늄층의 3층 구조를 갖고, 외측 테두리가 고무로 덮여져 있다. 제2 집전판(160F)은 셀 스택(102S)의 －X방향의 단부면에 접하여 배치되어 있다. 제2 집전판(160F)은, 상술한 단셀(102)과 마찬가지로, 두께 방향으로 관통하는 복수의 유로 형성 구멍을 갖는다. 본 실시 형태에 있어서, 제2 집전판(160F)은 알루미늄에 의해 형성되어 있다. 제1 집전판(160E) 및 제2 집전판(160F)은, 각 단셀(102)의 발전 전력을 집전해서 도시하지 않은 단자로부터 외부로 출력한다. 또한, 제2 집전판(160F)은, 제1 집전판(160E)과 마찬가지로 3층 구조에 의해 형성되어도 된다. 또한, 2개의 집전판(160E, 160F)은 알루미늄 및 티타늄 이외의 임의의 도전 재료에 의해 형성되어도 된다. 또한, 2개의 집전판(160E, 160F)은, 각 단셀(102)과 마찬가지로 대략 직사각형의 평면에서 본 형상을 갖는다.
압력판(170)은, 제1 집전판(160E)에 대해 적층 방향 SD의 외측(＋X방향)에 배치되어 있다. 또한, 압력판(170)과 제1 집전판(160E) 사이에는, 도시하지 않은 인슐레이터가 배치되어 있다. 압력판(170)은 케이스(500)에 형성된 복수의 관통 구멍(510)에 삽입되는 복수의 하중 조정 나사(250)에 의해 고정되고, 셀 스택(102S)을 －X방향으로 가압한다. 또한, 관통 구멍(510)의 내주 표면에는 나사산이 형성되어 있고, 관통 구멍(510)은 암나사로서 기능한다. 또한, 압력판(170)은, 각 단셀(102)과 마찬가지로 대략 직사각형의 평면에서 본 형상을 갖는다.
스택 매니폴드(180)는, 제2 집전판(160F)의 －X방향의 면에 접하여 배치되어 있다. 스택 매니폴드(180)의 내부에는 셀 스택(102S)에 반응 가스 및 냉각 매체를 공급하기 위한 유로와, 셀 스택(102S)으로부터 반응 가스 및 냉각 매체를 배출하기 위한 유로가 형성되어 있다. 또한, 스택 매니폴드(180)에는 연료 가스 공급계의 구성 부품으로서, 순환 배관이나 기액 분리기 등이 설치되어 있다.
엔드 플레이트(190)는 셀 스택(102S)에 대해 적층 방향 SD의 외측에 배치되어 있고, 스택 매니폴드(180)의 －X방향의 면과 접촉되어 있다. 엔드 플레이트(190)는 알루미늄에 의해 형성되고, 케이스(500)의 －X방향의 측면에 형성된 개구를 막고 있다. 엔드 플레이트(190)는 －Z방향의 단부의 근방에서, 복수의 너트(450)에 의해 텐션 샤프트(300)의 단부에 접속되어 있다. 텐션 샤프트(300)의 엔드 플레이트(190)와 접속된 단부와는 반대측의 단부는, 너트(450)에 의해 케이스(500)에 접속되어 있다. 따라서, 엔드 플레이트(190)는 텐션 샤프트(300)를 통하여 케이스(500)에 접속되어 있다. 또한, 엔드 플레이트(190)는 케이스(500)의 －X방향의 측면에 형성된 개구의 주위에서, 복수의 볼트(460)에 의해 케이스(500)와 고정되어 있다.
텐션 샤프트(300)는, 셀 스택(102S)의 연직 하방에 있어서 적층 방향 SD와 평행하게 연장 설치되어 있다. 환언하면, 텐션 샤프트(300)는 셀 스택(102S)을 사이에 두고 케이스(500)의 ＋Z방향의 측면[이하, 상면부(503)라고도 칭함]과는 반대측에 배치되어 있다. 도 2에 도시하는 바와 같이, 텐션 샤프트(300)는, 제1 샤프트(310)와, 제2 샤프트(320)와, 제3 샤프트(330)를 구비한다. 제1 샤프트(310)와 제2 샤프트(320)와 제3 샤프트(330)는, 모두 적층 방향 SD로 수직인 방향을 따른 단면 형상이 원형이며, 적층 방향 SD를 길이 방향으로 하는 막대 형상의 외관 형상을 갖는다. 제1 샤프트(310)는 셀 스택(102S)의 저면 중앙의 적층 방향 SD를 따라서 형성된 홈에 수용되어 있다. 제2 샤프트(320) 및 제3 샤프트(330)는 셀 스택(102S)의 저면과 측면과의 경계에서, 적층 방향 SD를 따라서 형성된 홈에 각각 수용되어 있다. 제1 샤프트(310)와 제2 샤프트(320)와 제3 샤프트(330)는, Y축을 따른 방향으로 서로 소정의 거리만큼 이격되어 배치되어 있다. 텐션 샤프트(300)는 －X방향의 단부가 엔드 플레이트(190)에 접속되고, ＋X방향의 단부가 케이스(500)에 접속됨으로써, 셀 스택(102S)과 엔드 플레이트(190)와 케이스(500)를 체결하여 셀 스택(102S)의 적층 구조를 유지한다. 본 실시 형태에 있어서, 텐션 샤프트(300)를 구성하는 3개의 샤프트(310 내지 330)는, 모두 철에 의해 형성되어 있다. 또한, 제1 샤프트(310)의 직경은, 제2 샤프트(320) 및 제3 샤프트(330)의 직경보다도 크다. 또한, 제2 샤프트(320)의 직경은, 제3 샤프트(330)의 직경과 동등하다.
케이스(500)는 상자 형상의 외관 형상을 갖고, 셀 스택(102S)을 포함하는 연료 전지에 추가하여, 도시하지 않은 전압 감시 유닛 및 기액 분리기 등의 보조 기계를 내측에 수용한다. 케이스(500)의 상면부(503)는 판 형상의 외관 형상을 갖고 셀 스택(102S)의 상면을 덮는다. 상면부(503)의 －Y 방향의 단부에는, 적층 방향 SD를 따라서 연장 설치된 제1 돌출부(501)가 형성되어 있다. 제1 돌출부(501)는 셀 스택(102S)을 향하여 돌출되어 있고, 셀 스택(102S)의 상면과 측면과의 경계에 형성된 홈에 수용되어 있다. 제1 돌출부(501)는 적층 방향 SD로 수직인 방향에의 각 단셀(102)의 위치 어긋남을 억제한다. 제2 돌출부(502)는 상면부(503)의 ＋Y 방향의 단부에 형성되어 있는 점에서 돌출부(501)와 다르며, 다른 구성은 제1 돌출부(501)와 동일하므로, 상세한 설명을 생략한다. 본 실시 형태에 있어서, 적층 방향 SD와 수직인 방향을 따른 상면부(503)의 단면적은, 텐션 샤프트(300)의 단면적[즉, 3개의 샤프트(310 내지 330)의 단면적 합계]보다도 크다.
도 1에 도시하는 바와 같이, 케이스(500)는 －X방향의 측면 및 －Z방향의 측면에 각각 개구가 형성되어 있다. －X방향의 측면 개구는, 엔드 플레이트(190)에 의해 막아진다. －Z방향의 측면 개구는, 로어 커버(550)에 의해 막아진다. 케이스(500)의 ＋X방향의 측면에는, 상술한 복수의 관통 구멍(510)과, 연료 전지 장치(10)의 조립 시에 가압 부재를 삽입하기 위한 가압 부재 삽입구(520)와, 텐션 샤프트(300)를 삽입하기 위한 3개의 텐션 샤프트 삽입구(530)가 형성되어 있다. 또한, 케이스(500)에 있어서의, 그 밖의 측면(＋Y 방향의 측면 및 －Y 방향의 측면)은, 모두 판 형상의 외관 형상을 갖는다. 본 실시 형태에 있어서, 케이스(500)는 알루미늄제의 다이캐스트로 형성되어 있다.
로어 커버(550)는 셀 스택(102S)의 연직 하방에 배치되고, 케이스(500)의 －Z방향의 측면 개구를 막고 있다. 로어 커버(550)는, 대략 직사각형의 평면에서 본 형상을 갖는 판 부재이며, 케이스(500)의 －Z방향의 측면과 동등한 크기를 갖고, 복수의 볼트(470)에 의해 케이스(500)에 고정되어 있다. 본 실시 형태에서는, 로어 커버(550)는 철에 의해 형성되지만, 철 대신에, 강 등의 다른 임의의 금속에 의해 형성되어도 된다.
본 실시 형태에 있어서, 텐션 샤프트(300)는 체결 부재로서 기능하고, 제1 샤프트(310)와 제2 샤프트(320)와 제3 샤프트(330)는, 막대 부재로서 기능한다. 또한, 케이스(500)의 상면부(503)는 커버부로서 기능한다.
도 3a, 도 3b 및 도 4a, 도 4b는, 연료 전지 장치(10)의 조립 공정을 모식적으로 도시하는 단면도이다. 도 3a, 도 3b, 도 4a, 도 4b는, 이 순서로 시계열을 따른 연료 전지 장치(10)의 조립 공정을 도시하고 있다.
도 3a에 도시하는 바와 같이, 케이스(500)에 형성된 개구로부터, 케이스(500)의 내측에, 셀 스택(102S)과 2개의 집전판(160E, 160F)과 압력판(170)과 스택 매니폴드(180)가 삽입되어 배치된다. 도 3a에서는, 셀 스택(102S)이 압축되어 있지 않은 상태이므로, 셀 스택(102S)에 있어서의 －X방향의 단부측의 일부의 단셀(102)과 제2 집전판(160F)과 스택 매니폴드(180)는, 케이스(500)에 대해 적층 방향 SD의 외측에 위치하고 있다.
도 3b에 도시하는 바와 같이, 엔드 플레이트(190)가, 케이스(500)의 －X방향의 측면에 형성된 개구를 막도록 배치된다. 이때, 도시하지 않은 가압 설비에 의해, 엔드 플레이트(190)가 도면 중의 흰색 화살표로 나타내는 방향(＋X방향)으로 가압되고, 셀 스택(102S)이 적층 방향 SD로 압축된다. 다음에, 텐션 샤프트(300)가 텐션 샤프트 삽입구(530)로부터 삽입된다. 너트(450)에 의해, 텐션 샤프트(300)의 －X방향의 단부가 엔드 플레이트(190)에 고정되고, ＋X방향의 단부가 케이스(500)에 고정된다. 또한, 엔드 플레이트(190)는, 복수의 볼트(460)에 의해 케이스(500)에 고정된다. 엔드 플레이트(190)가 케이스(500)에 고정됨으로써, 셀 스택(102S)은 적층 방향 SD로 압축된 상태에서 케이스(500)의 내측에 수용된다.
도 4a에 도시하는 바와 같이, 케이스(500)의 ＋X방향의 측면에 형성된 가압 부재 삽입구(520)로부터, 가압 부재(600)가 삽입된다. 가압 부재(600)는, 도시하지 않은 가압 설비의 동력에 의해 구동되고, 도면 중의 흰색 화살표로 나타내는 방향(－X방향)으로 압력판(170)을 소정 하중으로 가압한다. 압력판(170)은, 이 가압력에 의해, 제1 집전판(160E) 및 셀 스택(102S)을 가압한다. 이에 의해, 셀 스택(102S)은, 적층 방향 SD로 더 압축된다.
도 4b에 도시하는 바와 같이, 가압 부재(600)에 의한 가압력을 유지한 상태에서, 케이스(500)의 ＋X방향의 측면의 각 관통 구멍(510)에, 각각 하중 조정 나사(250)가 삽입된다. 각 하중 조정 나사(250)는 셀 스택(102S)의 적층 방향 SD의 길이의 편차를 조정한다. 이로 인해, 각 하중 조정 나사(250)는 압력판(170)에 접촉할 때까지 비틀어 넣어진다. 압력판(170)이 하중 조정 나사(250)에 의해 고정되므로, 셀 스택(102S)의 압축 하중은, 소정의 크기로 유지된다.
다음에, 가압 부재 삽입구(520)로부터 가압 부재(600)가 발취되고, 가압 부재 삽입구(520)에 도시하지 않은 커버가 배치된다. 그 후, 케이스(500)의 －Z방향의 측면 개구에 로어 커버(550)가 배치되고, 도 1에 도시하는 연료 전지 장치(10)의 조립이 완료된다.
상술한 바와 같이, 셀 스택(102S)은 텐션 샤프트(300)의 체결력에 의해 소정의 압축 하중을 유지한 상태에서 케이스(500)의 내측에 수용된다. 그러나, 셀 스택(102S)은, 발전 시에는 고온으로 되므로 각 단셀(102)이 열팽창함으로써 적층 방향 SD를 향하여 팽창한다. 이로 인해, 발전 시에서, 케이스(500)의 내측에 수용되어 있는 셀 스택(102S)의 압축 하중은 증가한다. 그런데, 본 실시 형태에 있어서, 적층 방향 SD와 수직인 방향을 따른 텐션 샤프트(300)의 단면적은, 케이스(500)의 상면부(503)의 단면적보다도 작다. 이로 인해, 단면적에 기초하는 텐션 샤프트(300)의 강성은, 단면적에 기초하는 상면부(503)의 강성보다도 낮다. 따라서, 셀 스택(102S)의 압축 하중의 증가에 수반하여, 텐션 샤프트(300)의 적층 방향 SD의 치수 변화는, 상면부(503)의 적층 방향 SD의 치수 변화보다도 커지기 쉽다. 그로 인해, 셀 스택(102S)에 있어서의 텐션 샤프트(300)측(저면측)의 치수 변화는, 셀 스택(102S)에 있어서의 상면부(503)측(상면측)의 치수 변화보다도 커지기 쉽다.
그런데, 본 실시 형태의 연료 전지 장치(10)에서는, 텐션 샤프트(300)가 철에 의해 형성되고, 상면부(503)[케이스(500)]가 알루미늄에 의해 형성되어 있다. 여기서, 연료 전지 장치(10)가 통상 사용되는 온도 범위(예를 들어 0℃ 내지 100℃)에 있어서, 철의 열팽창 계수는 11.7×10-6/℃이고, 알루미늄의 열팽창 계수는 23×10-6/℃이다. 이로 인해, 발전 시에 고온으로 되어 셀 스택(102S)의 압축 하중이 증가되었을 때에, 텐션 샤프트(300)는 상면부(503)와 비교해서 팽창이 억제된다. 이로 인해, 상술한 강성의 상위에 기인하는 치수 변화의 차를 저감할 수 있어, 셀 스택(102S)을 구성하는 각 단셀(102)간의 평행도 저하를 억제할 수 있다. 따라서, 각 단셀(102)의 면압이 불균일해지는 것을 억제할 수 있어, 연료 전지 장치(10)의 발전 성능의 저하를 억제할 수 있다. 또한, 상술한 「평행도」란, 각 단셀(102)이 적층 방향 SD를 따라서 적층되었을 때의, 각 단셀(102)끼리의 평행 정도를 의미한다.
또한, 알루미늄은, 철과 비교해서 약 2배의 크기의 열팽창 계수를 가지므로, 본 실시 형태에 있어서, 상면부(503)[케이스(500)]의 열팽창 계수는, 텐션 샤프트(300)의 열팽창 계수보다도 충분히 크다. 따라서, 발전 시에 고온으로 되어 셀 스택(102S)의 압축 하중이 증가되었을 때에, 텐션 샤프트(300)의 적층 방향 SD의 치수 변화를, 상면부(503)의 적층 방향 SD의 치수 변화보다도, 충분히 억제할 수 있다. 그로 인해, 텐션 샤프트(300)의 단면적을 작게 할 수 있고, 즉, 텐션 샤프트(300)를 가늘게 형성할 수 있으므로, 연료 전지 장치(10)의 대형화를 억제할 수 있다. 또한, 본 실시 형태의 텐션 샤프트(300)는, 3개의 샤프트(310 내지 330)를 구비한다. 이로 인해, 텐션 샤프트(300)가 1개의 샤프트로 이루어지는 구성과 비교해서 하중을 분산할 수 있어, 셀 스택(102S)과 엔드 플레이트(190)와 케이스(500)를 안정적으로 체결할 수 있다. 또한, 1개당의 단면적을 작게 할 수 있어, 연료 전지 장치(10)의 대형화를 억제할 수 있다. 또한, 복수의 샤프트와 동일한 단면적을 갖는 판 부재에 의해 체결 부재가 형성되는 구성과 비교하여, 셀 스택의 압축 하중에 의해 견딜 수 있다. 또한, 텐션 샤프트(300)를 배치한 후에, 각 샤프트(310 내지 330)간, 제2 샤프트(320)와 케이스(500) 사이 및 제3 샤프트(330)와 케이스(500) 사이에서, 케이스(500)의 내측에 다른 부품을 배치할 수 있다. 이로 인해, 1개의 판 부재에 의해 형성되는 구성과 비교하여, 연료 전지 장치(10)의 조립 작업성을 향상시킬 수 있다.
이하, 본 발명의 실시예의 변형예를 설명한다. 상기 실시 형태에서는, 텐션 샤프트(300)가 철에 의해 형성되고, 상면부(503)[케이스(500)]가 알루미늄에 의해 형성되어 있었지만, 본 발명은 이에 한정되는 것은 아니다. 상면부(503)를 형성하는 재료의 열팽창 계수가, 텐션 샤프트(300)를 형성하는 재료의 열팽창 계수보다도 크면, 상면부(503) 및 텐션 샤프트(300) 중 적어도 한쪽은, 상기 실시 형태 이외의, 다른 임의의 재료에 의해 형성되어도 된다. 예를 들어, 상면부(503)를 알루미늄(열팽창 계수:23×10-6/℃)에 의해 형성하고, 텐션 샤프트(300)를 마르텐사이트계의 스테인리스강(SUS410의 열팽창 계수:9.9×10-6/℃)이나 티타늄(열팽창 계수:8.4×10-6/℃)에 의해 형성해도 된다. 또한, 예를 들어, 상면부(503)를 오스테나이트계의 스테인리스강(SUS304의 열팽창 계수:17.3×10-6/℃)에 의해 형성하고, 텐션 샤프트(300)를 철(열팽창 계수:11.7×10-6/℃)이나 마르텐사이트계의 스테인리스강(SUS410의 열팽창 계수:9.9×10-6/℃)에 의해 형성해도 된다. 이와 같은 구성에 의해서도, 실시 형태의 연료 전지 장치(10)와 마찬가지의 효과를 발휘한다. 또한, 텐션 샤프트(300)의 적층 방향 SD의 치수 변화를, 상면부(503)의 적층 방향 SD의 치수 변화보다도 충분히 억제하기 위해, 상면부(503)는 텐션 샤프트(300)와 비교해서 충분히 큰 열팽창 계수를 갖는 재료에 의해 형성되는 것이 바람직하다. 예를 들어, 상면부(503)를 형성하는 재료의 열팽창 계수는, 텐션 샤프트(300)를 형성하는 재료의 열팽창 계수와 비교해서 1.2배 이상 큰 것이 바람직하고, 1.5배 이상 큰 것이 보다 바람직하고, 1.8배 이상 큰 것이 더욱 바람직하다.
또한, 상기 실시 형태에서는, 케이스(500)는 단일의 재료에 의해 형성되어 있었지만, 상면부(503)와 케이스(500)의 다른 부분이, 다른 재료에 의해 형성되어 있어도 된다. 이러한 구성에 있어서도, 상면부(503)의 열팽창 계수가, 텐션 샤프트(300)의 열팽창 계수보다도 큰 것에 의해, 실시 형태의 연료 전지 장치(10)와 마찬가지의 효과를 발휘한다. 즉, 일반적으로는, 체결 부재의 열팽창 계수보다도 큰 열팽창 계수의 커버부를, 본 발명의 연료 전지 장치(10)에 적용해도 된다.
상기 실시 형태에서는, 텐션 샤프트(300)에 있어서, 제1 샤프트(310)와 제2 샤프트(320)와 제3 샤프트(330)는, 모두 철에 의해 형성되어 있었지만, 본 발명은 이에 한정되는 것은 아니다. 제1 샤프트(310)와 제2 샤프트(320)와 제3 샤프트(330) 중 적어도 1개는, 다른 재료에 의해 형성되어 있어도 된다. 이러한 구성에 있어서, 텐션 샤프트(300)의 열팽창 계수란, 3개의 샤프트(310 내지 330)의 각 열팽창 계수의 평균값을 의미한다. 이 구성에 있어서도, 텐션 샤프트(300)의 열팽창 계수는 상면부(503)의 열팽창 계수보다도 작다. 또한, 제1 샤프트(310), 제2 샤프트(320) 및 제3 샤프트(330)의 각 열팽창 계수는, 상면부(503)의 열팽창 계수보다도, 모두 작은 것이 바람직하다.
상기 실시 형태에 있어서의 텐션 샤프트(300)의 구성은 어디까지나 일례이며, 다양하게 변경 가능하다. 예를 들어, 텐션 샤프트(300)는 셀 스택(102S)의 저면의 적층 방향 SD를 따라서 형성된 홈에 수용되는, 2개 이상의 제1 샤프트(310)를 구비하고 있어도 된다. 또한, 셀 스택(102S)의 저면과 측면과의 경계에서 적층 방향 SD를 따라서 형성된 홈에 수용되는, 2개 이상의 제2 샤프트(320) 및 제3 샤프트(330)를 구비하고 있어도 된다. 또한, 제1 샤프트(310)와 제2 샤프트(320)와 제3 샤프트(330) 중 어느 하나 또는 2개를 생략해도 된다.
또한, 제1 샤프트(310)와 제2 샤프트(320)와 제3 샤프트(330)는, Y축을 따른 방향으로 서로 소정의 거리만큼 이격되어 배치되어 있었지만, Y축을 따른 방향으로 나란히 배치되어 있지 않아도 되고, 서로 접하여 배치되어 있어도 된다.
또한, 제1 샤프트(310)의 단면 형상과 제2 샤프트(320)의 단면 형상과 제3 샤프트(330)의 단면 형상은, 모두 원형이었지만, 원형 대신에 타원형이나 다각형 등의 다른 임의의 단면 형상이어도 된다. 또한, 제1 샤프트(310)와 제2 샤프트(320)와 제3 샤프트(330) 중 적어도 1개는, 다른 단면 형상을 갖고 있어도 된다.
또한, 실시 형태에 있어서, 제1 샤프트(310)의 직경은, 제2 샤프트(320) 및 제3 샤프트(330)의 직경보다도 컸지만, 제1 샤프트(310)의 직경은, 제2 샤프트(320) 및 제3 샤프트(330)의 직경과 동일해도 되고, 작아도 된다. 또한, 제2 샤프트(320)의 직경은, 제3 샤프트(330)의 직경과 달라도 된다. 또한, 텐션 샤프트(300)는, 1개의 판 부재에 의해 형성되어 있어도 된다. 이 구성에 있어서도, 텐션 샤프트(300)의 단면적이 상면부(503)의 단면적보다도 작고, 상면부(503)의 강성과 비교해서 텐션 샤프트(300)의 강성이 낮은 경우에, 셀 스택에 있어서의 텐션 샤프트(300)측과 상면부(503)측과의 적층 방향 SD의 치수 변화의 차를 저감할 수 있어, 각 단셀(102)간의 평행도 저하를 억제할 수 있다. 단, 텐션 샤프트(300)가 복수의 막대 부재[제1 샤프트(310)와 제2 샤프트(320)와 제3 샤프트(330)]에 의해 형성되는 구성은, 복수의 막대 부재와 동일한 단면적을 갖는 판 부재에 의해 형성되는 구성과 비교하여, 셀 스택(102S)의 압축 하중에 의해 견딜 수 있는 점에서 바람직하다.
상기 실시 형태에서는, 상면부(503)는 적층 방향 SD를 따라서 연장 설치된 제1 돌출부(501) 및 제2 돌출부(502)를 구비하고 있었지만, 본 발명은 이에 한정되는 것은 아니다. 2개의 돌출부(501, 502) 중 적어도 한쪽을 생략해도 되고, －Y 방향의 단부 및 ＋Y 방향의 단부에 각각 복수의 돌출부(501, 502)를 구비하고 있어도 된다.
상기 실시 형태에서는, 적층 방향 SD와 수직인 방향을 따른 텐션 샤프트(300)의 단면적은 상면부(503)의 단면적보다도 작았지만, 본 발명은 이에 한정되는 것은 아니다. 텐션 샤프트(300)를 형성하는 재료의 영률이, 상면부(503)를 형성하는 재료의 영률보다도 작은 구성에 있어서는, 적층 방향 SD와 수직인 방향을 따른 텐션 샤프트(300)의 단면적은 상면부(503)의 단면적과 동일하거나 또는 커도 된다. 예를 들어, 케이스(500)를 오스테나이트계의 스테인리스강(SUS304의 영률:197㎬)에 의해 형성하고, 텐션 샤프트(300)를 티타늄(영률:106㎬)에 의해 형성해도 된다. 이 구성에 있어서도, 텐션 샤프트(300)의 강성이 상면부(503)의 강성보다도 낮아질 수 있다. 이 경우라도, 텐션 샤프트(300)와 상면부(503)와의 치수 변화의 차를 저감할 수 있으므로, 셀 스택(102S)에 있어서의 텐션 샤프트(300)측과 상면부(503)측과의 적층 방향 SD의 치수 변화의 차를 저감할 수 있어, 각 단셀(102)간의 평행도 저하를 억제할 수 있다.
본 발명은, 상술한 실시 형태나 변형예에 한정되는 것이 아니며, 그 취지를 일탈하지 않는 범위에서 다양한 구성으로 실현할 수 있다. 예를 들어, 발명의 기술적 특징에 대응하는 실시 형태, 변형예 중의 기술적 특징은, 상술한 과제의 일부 또는 전부를 해결하기 위해, 혹은, 상술한 효과의 일부 또는 전부를 달성하기 위해, 적절히, 치환이나, 조합을 행하는 것이 가능하다. 또한, 그 기술적 특징이 본 명세서 중에 필수인 것으로서 설명되어 있지 않으면, 적절히, 삭제하는 것이 가능하다.
또한, 본 발명은, 다양한 형태로 실현하는 것도 가능하다. 예를 들어, 연료 전지 장치를 구비한 연료 전지 시스템, 그 연료 전지 시스템을 탑재한 차량 등의 형태로 실현할 수 있다.

Claims (4)

  1. 연료 전지 장치이며,
    적층된 복수의 단셀(102)을 갖는 셀 스택(102S)과,
    상기 복수의 단셀의 적층 방향을 따른 상기 셀 스택의 측면 중 1개의 측면을 덮는 커버부(503)를 갖는 케이스(500)와,
    상기 커버부의 상기 적층 방향의 한쪽의 단부에 접속되고, 상기 셀 스택에 대해 상기 적층 방향의 외측에 배치되어 있는 엔드 플레이트(190)와,
    상기 셀 스택을 사이에 두고 상기 커버부와는 반대측에 있어서 상기 적층 방향과 평행하게 연장 설치되고, 상기 적층 방향의 한쪽의 단부가 상기 엔드 플레이트에 접속되고, 상기 적층 방향의 다른 쪽의 단부가 상기 케이스에 접속되고, 상기 셀 스택과 상기 엔드 플레이트와 상기 케이스를 상기 적층 방향으로 압축 및 체결하는 체결 부재(300)를 포함하고,
    상기 체결 부재의 강성은 상기 커버부의 강성보다 낮으며,
    상기 셀 스택의 압축 하중의 증가에 수반한 상기 복수의 단셀(102) 간의 평행도 저하를 억제하도록, 상기 커버부의 열팽창 계수는, 상기 체결 부재의 열팽창 계수보다 적어도 1.2배 이상 큰 것을 특징으로 하는 연료 전지 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 적층 방향과 수직인 방향을 따른 상기 체결 부재의 단면적은, 상기 적층 방향과 수직인 방향을 따른 상기 커버부의 단면적보다도 작은 연료 전지 장치.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 케이스는, 알루미늄에 의해 형성되고,
    상기 체결 부재는, 철에 의해 형성되는 연료 전지 장치.
  4. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 체결 부재는, 서로 이격되어 배치된 복수의 막대 부재(310, 320, 330)를 갖는 연료 전지 장치.
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