KR20160056798A - 연료 전지 및 연료 전지 시스템 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 과제는, 복수의 단위 전지를 적층한 적층 구조를 이루는 연료 전지에 있어서, 적층체에 부여되는 압축 하중의 저감을 억제하는 기술을 제공하는 것이다.
연료 전지이며, 복수의 단위 전지를 적층하여 이루어지는 적층체와, 적층체의 적층 방향의 적어도 일단부에 배치되는 엔드 플레이트와, 복수의 코너부를 구비하는 대략 다각 형상의 외주 형상을 이루는 개구부를 구비하고, 적층체를 내부에 수용하는 연료 전지 케이스와, 엔드 플레이트를, 연료 전지 케이스의 개구부를 폐색한 상태에서, 연료 전지 케이스에 고정하는 체결구이며, 각각, 내하중이 다른 복수 종류의 체결구를 구비하고, 복수 종류의 체결구 중, 내하중이 가장 높은 종류의 체결구는, 개구부의 복수의 코너부 중 적어도 하나의 코너부에 배치된다.

Description

연료 전지 및 연료 전지 시스템 {FUEL CELL AND FUEL CELL SYSTEM}
본원은, 2014년 11월 12일에 출원된 출원 번호 제2014-229648호의 일본 특허 출원에 기초하는 우선권을 주장하고, 그 개시 내용 전부가 참조에 의해 본원에 포함된다.
본 발명은, 연료 전지 및 연료 전지 시스템에 관한 것이다.
단위 전지를 복수 적층하여 이루어지는 적층체의 양단부에 엔드 플레이트를 구비하는 연료 전지가 알려져 있다. 이러한 연료 전지에 있어서, 연료 전지 케이스 내에 적층체를 수납하여, 한쪽의 엔드 플레이트에서 개구부를 폐색한 상태에서, 엔드 플레이트를 연료 전지 케이스에 볼트에 의해 고정하는 구성이 제안되어 있다(JP2013-228192A).
단위 전지를 적층한 적층 구조를 이루는 연료 전지에서는, 적층 상태를 유지함과 함께, 단위 전지간의 접촉 상태를 양호하게 유지하기 위해, 적층 방향으로 압축 하중이 가해진다. 상기한 바와 같이 엔드 플레이트가 연료 전지 케이스에 볼트에 의해 고정되는 구성에 있어서, 종래, 스페이스 효율의 관점에서, 축 직경(호칭 지름)이 작은 볼트가 채용되고 있다. 적층체에 부여되는 압축 하중은, 엔드 플레이트와 연료 전지 케이스를 체결하는 볼트에 의해 유지되고 있으므로, 축 직경이 작은 볼트에서는, 압축 하중에 수반되는 반력에 의해 볼트의 축이 연신될(소성 변형될) 우려가 있다. 볼트의 축이 연신되면, 엔드 플레이트와 연료 전지 케이스 사이에 간극이 발생하여, 적층체의 압축 상태를 양호하게 유지할 수 없어, 적층체에 부여되는 압축 하중이 저감될 우려가 있다. 따라서, 복수의 단위 전지를 적층한 적층 구조를 이루는 연료 전지에 있어서, 적층체에 부여되는 압축 하중의 저감을 억제하는 기술이 요망되고 있었다.
본 발명은, 상술한 과제 중 적어도 일부를 해결하기 위해 이루어진 것이며, 이하의 형태로서 실현하는 것이 가능하다.
(1) 본 발명의 일 형태에 따르면, 연료 전지가 제공된다. 이 연료 전지는, 복수의 단위 전지를 적층하여 이루어지는 적층체와, 상기 적층체의 적층 방향의 적어도 일단부에 배치되는 엔드 플레이트와, 복수의 코너부를 구비하는 대략 다각 형상의 외주 형상을 갖는 개구부를 구비하고, 상기 적층체를 내부에 수용하는 연료 전지 케이스와, 상기 엔드 플레이트를, 상기 연료 전지 케이스의 상기 개구부를 폐색한 상태에서, 상기 연료 전지 케이스에 고정하는 복수 종류의 체결구이며, 각각, 내하중이 다른 상기 복수 종류의 체결구를 구비하고, 상기 복수 종류의 체결구 중, 상기 내하중이 가장 높은 종류의 상기 체결구는, 상기 개구부의 상기 복수의 코너부 중 적어도 하나의 상기 코너부에 배치된다.
이 형태의 연료 전지에 따르면, 내하중이 가장 높은 종류의 체결구는, 연료 전지 케이스의 개구부 코너부에 배치된다. 연료 전지 케이스의 개구부 코너부는 강성이 높기 때문에, 코너부에 배치되는 체결구에는, 적층체에 부여되는 압축 하중에 수반하여, 체결구의 축방향으로 큰 힘(이하, 축력이라고도 칭함)이 작용한다. 내하중이 가장 높은 종류의 체결구가, 연료 전지 케이스의 개구부 코너부에 배치되므로, 체결구에 큰 축력이 작용해도, 내하중이 낮은 종류의 체결구를 배치하는 경우에 비해 체결구의 축방향의 변형(연신)을 억제할 수 있고, 엔드 플레이트와 연료 전지 케이스 사이의 간극의 발생을 억제할 수 있어, 적층체에 부여되는 압축 하중의 저감을 억제할 수 있다. 동일 재료에 의한 체결구의 경우, 체결구의 축 직경이 클수록 내하중이 높다. 그로 인해, 체결구에 큰 축력이 작용하는 개소에, 내하중이 높은 체결구를 배치하고, 다른 개소에는 내하중이 낮은(내하중이 높은 체결구와 비교하여) 체결구를 배치함으로써, 체결구의 배치 스페이스를 억제하면서, 효율적으로, 엔드 플레이트와 연료 전지 케이스의 체결 강도를 확보하여, 적층체에 부여되는 압축 하중의 저감을 억제할 수 있다. 내하중이 다른 복수 종류의 체결구로서, 축 직경을 통일하고, 재료의 강도를 바꾼 체결구를 사용하면, 체결구의 배치 스페이스를 더욱 억제할 수 있다.
(2) 상기 형태의 연료 전지에 있어서, 상기 내하중이 가장 높은 종류의 체결구가 배치되는 상기 코너부는, 상기 적층체의 근방의 상기 코너부여도 된다. 적층체의 일단부에 배치된 엔드 플레이트에 있어서, 적층체의 근방은, 적층체에 부여되는 압축 하중에 수반되는 반력이 크게 작용한다. 그로 인해, 연료 전지 케이스의 개구부의 코너부에 배치된 볼트 중, 적층체의 근방의 코너부에 배치된 볼트에는 보다 큰 축력이 작용한다. 그로 인해, 적층체의 근방 코너부(보다 큰 축력이 작용하는 개소)에, 내하중이 높은 체결구가 배치되면, 효율적으로, 엔드 플레이트에 작용하는 반력을 억제할 수 있고, 엔드 플레이트와 연료 전지 케이스 사이의 간극의 발생을 보다 억제할 수 있어, 적층체에 부여되는 압축 하중의 저감을 보다 잘 억제할 수 있다.
(3) 상기 형태의 연료 전지에 있어서, 상기 복수 종류의 체결구는 호칭 지름이 M6인 볼트, 및 호칭 지름이 M8인 볼트의 2종류이며, 상기 내하중이 가장 높은 종류의 체결구는 상기 호칭 지름이 M8인 볼트여도 된다. 이와 같이 하면, 체결구의 배치 스페이스를 억제하면서, 효율적으로, 엔드 플레이트와 연료 전지 케이스의 체결 강도를 확보하여, 적층체에 부여되는 압축 하중의 저감을 억제할 수 있다. 본 명세서 중에 있어서의 「호칭 지름이 M∼」는, 「ISO(국제 표준화 기구) 미터 나사」 규격을 따른 수나사의 외경 치수(축 직경이라고도 칭함)를 나타낸다. 예를 들어, 「호칭 지름이 M6」이라 함은, 수나사의 외경이 대략 6㎜를 의미한다.
(4) 상기 형태의 연료 전지에 있어서, 상기 내하중이 가장 높은 종류의 체결구를 적어도 2개 구비하고, 2개의 상기 코너부에 각각 배치된 상기 내하중이 가장 높은 종류의 체결구의 축심을 직선으로 연결한 경우에, 상기 단위 전지가 적층되는 면인 적층면을, 상기 직선이 횡단해도 된다. 내하중이 높은 체결구에 의해 체결된 개소는, 엔드 플레이트와 연료 전지 케이스의 간극의 발생이 억제되므로, 2개의 내하중이 높은 체결구의 축심을 연결한 직선이 단위 전지의 적층면을 횡단하도록, 내하중이 높은 체결구를 배치하면, 2개의 내하중이 높은 체결구의 축심을 연결한 직선이 단위 전지의 적층면을 횡단하지 않는 경우와 비교하여, 엔드 플레이트와 연료 전지 케이스 사이의 간극의 발생을, 보다 잘 억제할 수 있다.
(5) 본 발명의 다른 형태에 따르면, 연료 전지 시스템이 제공된다. 이 연료 전지 시스템은, 상기 형태의 연료 전지와, 상기 연료 전지를 작동시키기 위한 보조 기계와, 상기 보조 기계를 내부에 수용하는 보조 기계 커버이며, 상기 엔드 플레이트에 고정되는 보조 기계 커버를 구비하고, 상기 내하중이 가장 높은 종류의 체결구는 상기 보조 기계 커버 내에 배치된다. 이 형태의 연료 전지 시스템에 따르면, 적어도 2개의, 체결구의 축심을 연결한 직선이 단위 전지의 적층면을 횡단하도록 배치된 내하중이 가장 높은 종류의 체결구가, 보조 기계 커버 내에 배치된다. 따라서, 예를 들어 유저에 의해, 실수로 보조 기계 커버의 외부에 배치되는 체결구가 빠졌다고 해도, 내하중이 가장 높은 종류의 체결구에 의해, 엔드 플레이트와 연료 전지 케이스의 체결 상태가 확보되므로, 적층체의 압축 상태가 해제될 가능성이 저감된다.
(6) 본 발명의 일 형태에 따르면, 연료 전지가 제공된다. 이 연료 전지는, 복수의 단위 전지를 적층하여 이루어지는 적층체와, 상기 적층체의 적층 방향의 적어도 일단부에 배치되는 엔드 플레이트와, 개구부를 구비하고, 상기 적층체를 내부에 수용하는 연료 전지 케이스와, 상기 엔드 플레이트를, 상기 연료 전지 케이스의 상기 개구부를 폐색한 상태에서, 상기 연료 전지 케이스에 고정하는 복수 종류의 체결구이며, 각각, 내하중이 다른 상기 복수 종류의 체결구를 구비하고, 상기 연료 전지 케이스의 상기 개구부는, 상기 개구부의 다른 부분과 비교하여 강성이 높은 고강성부를 적어도 하나 구비하고, 상기 복수 종류의 체결구 중, 가장 상기 내하중이 높은 종류의 상기 체결구는, 상기 개구부의 상기 고강성부에 배치된다.
이 연료 전지에 따르면, 내하중이 가장 높은 종류의 체결구는, 연료 전지 케이스의 개구부의 고강성부에 배치된다. 연료 전지 케이스의 개구부의 고강성부에 배치되는 체결구에는, 적층체에 부여되는 압축 하중에 수반하여, 체결구의 축방향으로 큰 축력이 작용한다. 내하중이 가장 높은 종류의 체결구가, 연료 전지 케이스의 개구부의 고강성부에 배치되므로, 체결구에 큰 축력이 작용해도, 내하중이 낮은 종류의 체결구를 배치하는 경우에 비해 체결구의 축방향의 변형(연신)을 억제할 수 있고, 엔드 플레이트와 연료 전지 케이스 사이의 간극의 발생을 억제할 수 있어, 적층체에 부여되는 압축 하중의 저감을 억제할 수 있다. 동일 재료에 의한 체결구의 경우, 체결구의 축 직경이 클수록 내하중이 높다. 그로 인해, 체결구에 큰 축력이 작용하는 개소에, 내하중이 높은 체결구를 배치하고, 다른 개소에는 내하중이 낮은(내하중이 높은 체결구와 비교하여) 체결구를 배치함으로써, 체결구의 배치 스페이스를 억제하면서, 효율적으로, 엔드 플레이트와 연료 전지 케이스의 체결 강도를 확보하여, 적층체에 부여되는 압축 하중의 저감을 억제할 수 있다.
(7) 상기 형태의 연료 전지에 있어서, 상기 연료 전지 케이스의 상기 개구부가 복수의 상기 고강성부를 구비하는 경우, 상기 내하중이 가장 높은 종류의 체결구는, 상기 적층체의 근방의 상기 고강성부에 배치되어도 된다. 적층체의 일단부에 배치된 엔드 플레이트에 있어서, 적층체의 근방은, 적층체에 부여되는 압축 하중에 수반되는 반력이 크게 작용한다. 그로 인해, 연료 전지 케이스의 개구부의 고강성부에 배치된 볼트 중, 적층체의 근방의 고강성부에 배치된 볼트에는 보다 큰 축력이 작용한다. 그로 인해, 적층체의 근방의 고강성부(보다 큰 축력이 작용하는 개소)에, 내하중이 높은 체결구가 배치되면, 효율적으로, 엔드 플레이트에 작용하는 반력을 억제할 수 있고, 엔드 플레이트와 연료 전지 케이스의 사이의 간극의 발생을 보다 억제할 수 있어, 적층체에 부여되는 압축 하중의 저감을 보다 잘 억제할 수 있다.
또한, 본 발명은 다양한 형태로 실현하는 것이 가능하다. 예를 들어, 연료 전지 시스템을 탑재한 이동체 등의 형태로 실현할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시 형태로서의 연료 전지 시스템의 개략 구성을 설명하기 위한 설명도.
도 2는 연료 전지 시스템의 일부의 개략 구성을 도시하는 분해 사시도.
도 3은 연료 전지 케이스의 개략 구성을 도시하는 평면도.
도 4는 전단부측 엔드 플레이트의 개략 구성 및 볼트의 배치를 도시하는 평면도.
A. 실시 형태:
A1. 연료 전지 시스템의 구성:
도 1은 본 발명의 일 실시 형태로서의 연료 전지 시스템의 개략 구성을 설명하기 위한 설명도이다. 본 실시 형태의 연료 전지 시스템(10)은, 연료 전지(200)와, 연료 가스로서의 수소를 급배하는 수소 급배계(30)와, 산화제 가스로서의 공기를 급배하는 공기 급배계(40)와, 연료 전지(200)를 냉각하는 냉각계(50)와, 연료 전지 시스템(10)을 제어하는 제어부(60)를 주로 구비한다.
연료 전지(200)는, 비교적 소형이고 발전 효율이 우수한 고체 고분자형 연료 전지이며, 연료 가스로서의 순수소와, 산화제 가스로서의 공기 중의 산소가, 각 전극에 있어서 전기 화학 반응을 일으킴으로써 기전력을 얻는 것이다. 연료 전지(200)는, 단위 전지(도시하지 않음)를, 복수 적층하여 이루어지는 스택 구조를 이루고, 그 적층수는, 연료 전지(200)에 요구되는 출력에 따라서 임의로 설정 가능하다.
수소 급배계(30)에서는, 고압 수소가 저장된 수소 탱크(31)로부터 수소가 방출되고, 인젝터(32)에 의해 유량이 제어되고, 배관(33)을 통해, 연료 전지(200)의 애노드에 수소가 공급된다. 애노드 배기 가스는, 배관(34)에 도입되어, 기액 분리기(도시하지 않음)에 있어서 수분이 분리된 후, 배관(37)을 통해 배관(33)으로 복귀된다. 기액 분리기에 의해 분리된 애노드 배기 가스 중의 수분은, 배관(35)을 통해 대기 중으로 배출된다. 배관(35) 상에는, 셧 밸브(39)가 설치되어 있고, 애노드 배기 가스 중의 수분은, 셧 밸브(39)가 개방되었을 때 배출된다. 배관(37) 상에는, 수소 펌프(140)가 설치되어 있어, 상기한 애노드 배기 가스 중의 수소의 순환 유량을 조정한다.
공기 급배계(40)에서는, 에어 컴프레서(44)에 의해 압축된 압축 공기가, 배관(41)을 통해, 연료 전지(200)의 캐소드에 공급된다. 캐소드 배기 가스는 배관(42)을 통해, 대기 중으로 방출된다. 배관(41) 상에는, 에어 컴프레서(44)의 상류측에 에어 플로우 미터(43)가 설치되어 있어, 에어 컴프레서(44)가 도입하는 외기의 양을 계측하고 있다. 에어 컴프레서(44)에 의한 공기의 공급량은, 에어 플로우 미터(43)에 의한 계측값에 기초하여 제어되고 있다. 배관(42) 상에는, 압력계(도시하지 않음)와 압력 조절 밸브(46)가 설치되어 있고, 압력계에 의한 캐소드 배기 가스의 압력 계측값에 기초하여, 압력 조절 밸브(46)의 개방도가 조정된다.
냉각계(50)는, 배관(51)과, 냉각수 펌프(53)와, 라디에이터(54)를 주로 구비한다. 냉각수는, 냉각수 펌프(53)에 의해, 배관(51)을 흘러, 연료 전지(200) 내를 순환하여 연료 전지(200)를 냉각한 후, 라디에이터(54)에 의해 냉각되어, 다시, 연료 전지(200)에 공급된다.
제어부(60)는, 중앙 처리 장치와 주기억 장치를 구비하는 마이크로컴퓨터에 의해 구성되어 있다. 제어부(60)는, 외부 부하(84)로부터의 출력 전력의 요구를 접수하고, 그 요구에 따라서, 상술한 연료 전지 시스템(10)의 각 구성부 및 PCU(Power Control Unit: 파워 컨트롤 유닛)(82)를 제어하여, 연료 전지(200)에 발전시킨다. 상기 구성 이외에, 압력계, 온도계, 전류계, 전압계 등을 구비해도 된다.
도 2는, 연료 전지 시스템의 일부의 개략 구성을 도시하는 분해 사시도이다. 도시하는 바와 같이, 본 실시 형태의 연료 전지 시스템(10)은, 연료 전지(200)와, 수소 펌프(140)와, 3개의 텐션 샤프트(131, 132, 133)[3개의 텐션 샤프트를 통합하여 텐션 샤프트(130)라고도 칭함]와, 연료 전지 케이스(120)와, 보조 기계 커버(150)를 구비한다. 이하의 설명에 있어서, 도 2에 있어서의 z축 플러스 방향을 전, z축 마이너스 방향을 후, y축 플러스 방향을 상, y축 마이너스 방향을 하로 표현한다. 실시 형태에 있어서의 수소 펌프(140)가, 청구항에 있어서의 보조 기계에 상당한다. 본 실시 형태에 있어서의 연료 전지(200)와 연료 전지 케이스(120)가 청구항에 있어서의 연료 전지에 상당한다.
연료 전지(200)는, 단위 전지(100)가 복수 z축 방향(이하, 「적층 방향」이라고도 칭함)으로 적층된 적층체(110)의 전방측에 집전판(160F), 전단부측 엔드 플레이트(170F)가, 그 순서로 적층되고, 적층체(110)의 후방측에, 집전판(160E), 절연판(165E), 후단부측 엔드 플레이트(170E)가, 그 순서로 적층된 적층 구조를 이룬다. 이하의 설명에 있어서, 전단부측 엔드 플레이트(170F)를 제외한, 집전판(160F), 적층체(110), 집전판(160E), 절연판(165E), 후단부측 엔드 플레이트(170E)가, 그 순서로 적층된 부분을, 연료 전지 본체(115)라고도 칭한다. 또한, 집전판(160F, 160E)을 구별할 필요가 없는 경우에는, 집전판(160)이라고 칭한다. 실시 형태에 있어서의 전단부측 엔드 플레이트(170F)가, 청구항에 있어서의 엔드 플레이트에 상당한다.
단위 전지(100)는, 애노드측 세퍼레이터(도시하지 않음)와 캐소드측 세퍼레이터(도시하지 않음)와 시일 부재 일체형 MEA(Membrane Electrode Assembly: 막 전극 접합체)(도시하지 않음)를 구비한다. 단위 전지(100)는, 그 주연에, 연료 가스 공급 구멍, 애노드 배기 가스 배출 구멍, 6개의 산화제 가스 공급 구멍, 7개의 캐소드 배기 가스 배출 구멍, 3개의 냉각수 공급 구멍, 및 3개의 냉각수 배출 구멍을 구비한다. 이하, 이들 공급 구멍 및 배출 구멍을 통합하여, 「급배 구멍」이라고도 칭한다. 이들 급배 구멍은, 집전판(160F) 및 전단부측 엔드 플레이트(170F)에 있어서의 각 급배 구멍(후술함)과 연결된다. 단위 전지(100)를 복수 적층하여, 연료 전지(200)를 구성하면, 이들 급배 구멍에 의해, 각 단위 전지(100)에 연료 가스로서의 수소, 산화제 가스로서의 공기 및 냉각수를 공급하는 매니폴드나, 각 단위 전지(100)로부터 애노드 배기 가스, 캐소드 배기 가스 및 냉각수를 배출시키는 매니폴드가 형성된다. 또한, 상술한 급배 구멍의 주위에는, 도시하지 않는 시일부가 형성되어 있고, 시일부에 의해, 단위 전지(100)가 적층되었을 때의 세퍼레이터 사이, 및 세퍼레이터와 집전판(160) 사이에 있어서의 매니폴드의 시일성이 확보되어 있다.
전단부측의 집전판(160F) 및 후단부측의 집전판(160E)은, 각 단위 전지(100)의 발전 전력을 집전하고, 집전 단자(161)를 통해 외부로 출력한다. 전단부측의 집전판(160F)은, 그 주연에, 단위 전지(100)와 마찬가지의 급배 구멍을 구비한다. 후단부측의 집전판(160E)은, 이들 급배 구멍을 구비하지 않는다. 절연판(165E)은, 절연성의 수지판, 후단부측 엔드 플레이트(170E)는, 알루미늄제의 금속판이다. 절연판(165E)과 후단부측 엔드 플레이트(170E)는, 집전판(160E)과 마찬가지로, 상술한 단위 전지(100)가 구비하는 급배 구멍에 상당하는 급배 구멍을 구비하지 않는다. 이것은, 반응 가스(수소, 공기) 및 냉각수를 전단부측의 전단부측 엔드 플레이트(170F)로부터 각각의 단위 전지(100)에 대해 공급 매니폴드를 통해 공급하면서, 각각의 단위 전지(100)로부터의 배출 가스 및 배출수(냉각수)를 전단부측 엔드 플레이트(170F)로부터 외부에 대해 배출 매니폴드를 통해 배출하는 타입의 연료 전지인 것에 의한다. 단, 이것에 한정되는 것은 아니며, 예를 들어 전단부측 엔드 플레이트(170F)로부터 반응 가스 및 냉각수를 공급하고, 후단부측 엔드 플레이트(170E)로부터 배출 가스 및 배출수(냉각수)가 외부로 배출되는 타입 등의 다양한 타입으로 할 수 있다.
연료 전지 케이스(120)는, 도시하는 바와 같이, 전방측이 개구되어 있고, 후방측은 케이스 단부면(도시하지 않음)에 의해 폐색되어 있다. 연료 전지 본체(115)는, 연료 전지 케이스(120) 내에 수용되고, 전단부측 엔드 플레이트(170F)는, 연료 전지 케이스(120)의 전방측의 개구를 폐색하는 상태에서, 볼트에 의해 고정된다. 이 상태에서, 전단부측 엔드 플레이트(170F), 집전판(160F), 적층체(110), 집전판(160E), 절연판(165E), 후단부측 엔드 플레이트(170E)가, 그 순서로 적층된 연료 전지(200)가 구성된다.
연료 전지 본체(115)의 하측(도 2에 있어서의 y축 마이너스 방향)에는, 텐션 샤프트(130)가 배치되고, 연료 전지 본체(115)에 의한 하중을 받고 있다. 텐션 샤프트(130)는, 전방측이 전단부측 엔드 플레이트(170F)에 접속되고, 후방측이 케이스 단부면에 접속되어 있다. 연료 전지 케이스(120)의 하측은, 개구되어 있고, 내부에 연료 전지 본체(115)가 수용된 상태에서, 케이스 덮개부(도시하지 않음)에 의해 폐색된다.
연료 전지 케이스(120)의 후방측의 케이스 단부면에는, 프레스용 관통 구멍(도시하지 않음)이 형성되어 있다. 연료 전지 케이스(120) 내부에 연료 전지 본체(115)가 수용되고, 전단부측 엔드 플레이트(170F)가 연료 전지 케이스(120)에 체결된 상태에서, 연료 전지 케이스(120)의 외부로부터, 상술한 프레스용 관통 구멍을 통해, 프레스 샤프트(도시하지 않음)에 의해, 연료 전지(200)의 적층 방향의 압박력이, 후단부측 엔드 플레이트(170E)에 가해져, 하중 조정 나사(도시하지 않음)에 의해, 후단부측 엔드 플레이트(170E)가 압박된 상태에서 고정됨으로써, 적층체(110)에 대해 적층 방향의 압박력(압축 하중)이 가해진다. 적층체(110)에 부여되는 압축 하중은, 전단부측 엔드 플레이트(170F)와 연료 전지 케이스(120)를 체결하는 볼트(후술함)에 의해 유지되고 있다. 이에 의해, 연료 전지(200)의 각 구성 부재의 적층 상태가 유지됨과 함께, 각 구성 부재 사이의 접촉 상태가 양호하게 유지된다.
수소 펌프(140)는, 상술한 바와 같이, 연료 전지(200)로부터 배출된 애노드 배기 가스 중의 수소의 순환 유량을 조정하여, 연료 전지(200)에 공급한다. 수소 펌프(140)는, 도시하는 바와 같이, 전단부측 엔드 플레이트(170F)에 고정되어 있다.
보조 기계 커버(150)는 후방측이 개구되어 있고, 내부에 수소 펌프(140)를 수용한 상태에서, 후방측의 개구가 전단부측 엔드 플레이트(170F)에 의해 폐색되도록, 전단부측 엔드 플레이트(170F)에 고정된다. 본 실시 형태에 있어서, 보조 기계 커버(150)는, 내부에 수소 펌프(140)를 수용하고 있지만, 에어 컴프레서(44), 냉각수 펌프(53) 등, 다른 보조 기계를 내부에 수용해도 된다. 또한, 수소 펌프(140)는, 전단부측 엔드 플레이트(170F)에 고정되어 있지만, 보조 기계 커버(150)에 고정되는 구성으로 해도 된다.
A2. 연료 전지 케이스의 구성:
도 3은, 연료 전지 케이스의 개략 구성을 도시하는 평면도이다. 도 3에서는, 연료 전지 케이스(120)의 개구부(121)를 도시하고 있다. 도시하는 바와 같이, 연료 전지 케이스(120)의 개구부(121)는, 코너부(122, 123, 124, 125, 126, 127, 128, 129)를 구비하는 대략 팔각형의 외주 형상을 이룬다. 개구부(121)의 상기 코너부(122∼129)는, 각각 코너가 둥글게(모따기) 형성되어 있다. 이와 같이, 코너에 모따기가 형성되어 있으므로, 「대략」 팔각형이라고 칭한다. 도 2에 도시하는 바와 같이, 연료 전지 케이스(120)의 개구부(121)의 형상은, 연료 전지 케이스(120)의 개구부(121) 근방의 단면 형상과 대략 일치하고 있다. 연료 전지 케이스(120)의 개구부(121)의 코너부(122, 126, 및 128)에는, 호칭 지름이 M6인 볼트가 나사 결합되는 나사 구멍(138)이 형성되고, 코너부(124 및 129)에는, 호칭 지름이 M8인 볼트가 나사 결합되는 나사 구멍(139)이 형성되어 있다. 연료 전지 케이스(120)의 개구부(121)의 상변(x축과 평행한 변)에는, 6개의 나사 구멍(138)(호칭 지름이 M6인 볼트가 나사 결합됨)이 형성되고, 개구부(121)의 하변(x축과 평행한 변)에는, 4개의 나사 구멍(138)(호칭 지름이 M6인 볼트가 나사 결합됨)이 형성되어 있다.
본 실시 형태의 연료 전지 케이스(120)는, 폴리프로필렌(PP)에 의해 형성되어 있다. 연료 전지 케이스(120)는, 도 2에 도시하는 바와 같이, xy 단면이, 개구부(121)와 같은, 복수의 코너부를 갖는 대략 다각 형상을 이루고, 그 형상으로부터, 그들 코너부는 다른 부분(면)과 비교하여 강성이 높다. 마찬가지로, 연료 전지 케이스(120)의 개구부(121)에 있어서, 코너부(122∼129)는, 다른 부분(코너부 이외의 각 변)과 비교하여 강성이 높다. 또한, 연료 전지 케이스(120)를 형성하는 재료는, PP에 한정되지 않는다. 예를 들어, 폴리에틸렌(PE), 폴리스티렌(PS) 등, 다른 수지를 사용해도 된다.
A3. 전단부측 엔드 플레이트의 구성 및 볼트의 배치:
도 4는, 본 발명의 일 실시 형태로서의 전단부측 엔드 플레이트의 개략 구성 및 볼트의 배치를 도시하는 평면도이다. 도 4에서는, 수소 펌프(140)가 고정되는 면(이하, 펌프면이라고도 칭함)을 도시하고 있다. 상술한 바와 같이, 전단부측 엔드 플레이트(170F)는, 집전판(160F)을 통해, 적층체(110)의 전단부측에 배치된다. 도 4에서는, 전단부측 엔드 플레이트(170F)와 적층체(110)의 위치 관계를 나타내기 위해, 적층체(110)가 배치되는 위치를, 배치 프레임(W)으로서 일점 쇄선으로 나타내고 있다. 또한, 상술한 바와 같이, 전단부측 엔드 플레이트(170F)에는, 텐션 샤프트(131, 132, 133)가 접속된다. 도 4에서는, 텐션 샤프트(131, 132, 133)의 배치를 파선으로 도시하고 있다.
전단부측 엔드 플레이트(170F)는, 연료 전지 케이스(120)의 전방측의 개구(도 2)와 거의 동일한 외주 형상을 이룬다. 전단부측 엔드 플레이트(170F)는, 도 4에 도시하는 바와 같이, 배치 프레임(W) 내의 주연 근방에, 연료 가스 공급 구멍(172IN), 애노드 배기 가스 배출 구멍(172OT), 산화제 가스 공급 구멍(174IN), 캐소드 배기 가스 배출 구멍(174OT), 냉각수 공급 구멍(176IN), 냉각수 배출 구멍(176OT)이 형성되어 있다. 전단부측 엔드 플레이트(170F)가, 집전판(160F)을 통해 적층체(110)의 전단부측에 적층된 경우에, 각 급배 구멍이, 적층체(110)에 형성된 각 매니폴드와 연통된다.
전단부측 엔드 플레이트(170F)는, 연료 전지 케이스(120)의 나사 구멍(138)과 대응하는 위치에, 호칭 지름이 M6인 볼트(178)가 나사 결합되는 나사 구멍(도시하지 않음)이 형성되고, 나사 구멍(139)과 대응하는 위치에, 호칭 지름이 M8인 볼트(179)가 나사 결합되는 나사 구멍(도시하지 않음)이 형성되어 있다. 도 4에서는, 전단부측 엔드 플레이트(170F)에 형성된 상기 나사 구멍 각각에 호칭 지름 M6의 볼트(178)와, 호칭 지름 M8의 볼트(179)가 나사 결합된 상태를 도시하고 있다. 또한, 도 4에서는, 전단부측 엔드 플레이트(170F)가 연료 전지 케이스(120)에 고정되었을 때의 연료 전지 케이스(120)의 개구부(121)에 있어서의 코너부(122∼129)를 괄호쓰기로 도시하고 있다.
볼트(178 및 179)는 탄소강으로 이루어지는 플랜지가 형성된 육각 볼트이다. 상술한 바와 같이, 볼트(178)는 축의 호칭 지름이 M6, 볼트(179)는 축의 호칭 지름이 M8이며, 볼트(179)의 축 직경이 볼트(178)의 축 직경보다도 크기 때문에, 볼트(179)의 쪽이 볼트(178)보다도 내하중이 높다.
연료 전지 케이스(120)의 개구부(121)를 폐색하도록, 전단부측 엔드 플레이트(170F)가 배치되고, 복수의 볼트(178 및 179)가 전단부측 엔드 플레이트(170F)와 연료 전지 케이스(120)에 형성된 복수의 나사 구멍(138 및 139)에 각각 나사 결합되고, 전단부측 엔드 플레이트(170F)와 연료 전지 케이스(120)가 복수의 볼트(178 및 179)에 의해 체결됨으로써, 전단부측 엔드 플레이트(170F)가 연료 전지 케이스(120)에 고정된다.
본 실시 형태에 있어서, 연료 전지 케이스(120)의 개구부(121)의 코너부(122, 124, 및 129)(도 4에 괄호쓰기로 도시)에 각각 배치되는 볼트(178) 또는 볼트(179)는, 적층체(110)의 근방에 배치되어 있다. 연료 전지 케이스(120)의 개구부(121)에 배치되는 볼트에 작용하는 축력은, 적층체(110)에 부여되는 압축 하중에 수반하여 전단부측 엔드 플레이트(170F)에 작용하는 반력에 의해 발생한다. 그로 인해, 적층체(110)로부터 이격된 위치에 배치되는 볼트와 비교하여, 적층체(110)의 근방에 배치되는 볼트에 작용하는 축력이 커진다. 또한, 암나사가 형성된 나사 구멍이 배치되는 연료 전지 케이스(120)의 개구부(121)에 있어서, 강성이 높은 개소에 배치된 볼트에는, 강성이 낮은 개소에 배치된 볼트와 비교하여 높은 축력이 작용한다. 상술한 바와 같이, 연료 전지 케이스(120)의 개구부(121)에 있어서는 코너부의 강성이 높기 때문에, 연료 전지 케이스(120)의 개구부(121)에 배치되는 모든 볼트(178, 179) 중, 개구부(121)의 코너부이며, 적층체(110)의 근방에 배치되는 볼트에는, 다른 볼트와 비교하여 큰 축력이 작용한다.
본 명세서에 있어서, 적층체(110)의 근방이라 함은, 적층체(110)의 외주면과의 거리가, 적층체(110)에 있어서의 적층면[단위 전지(100)를 적층하는 면]의 짧은 변의 길이 H(도 4 참조)의 20％ 이하의 범위를 말한다. 도 4에 도시하는 바와 같이, 연료 전지 케이스(120)의 개구부(121)의 코너부(122, 124, 126, 128, 129)에 각각 배치되는 볼트(178) 또는 볼트(179)의 축심과, 적층체(110)의 측면의 거리를, L1, L2, L3, L4, L5로 하고, 적층체(110)의 적층면(xy 평면)에 있어서의 짧은 변의 길이를 H로 한 경우에, 거리 L1, L2, L5는, 짧은 변의 길이 H의 20％ 이하이고, 거리 L3, L4는, 짧은 변의 길이 H의 20％보다 크다. 즉, 본 실시 형태에 있어서, 연료 전지 케이스(120)의 개구부(121)의 코너부이며, 적층체(110)의 근방의 코너부(122, 124 및 129)에 배치되는 볼트(178, 179)에는, 다른 볼트(178)와 비교하여 큰 축력이 작용한다. 또한, 본 실시 형태에 있어서, 단위 전지(100)는 장방형의 4코너를 절결한 대략 직사각 형상을 이루지만, 적층체(110)와 볼트의 거리를 고려할 때에는, 단위 전지(100)의 외주 형상의 절결을 제외하고, 장방 형상으로 간주하여 각 볼트와의 거리를 측정하는 것으로 한다. 절결 부분의 면적은, 단위 전지(100)의 적층면(xy면)의 면적과 비교하여 작고, 또한 전단부측 엔드 플레이트(170F)는, 적층체(110)에 부여되는 압축 하중을 받기 위해 높은 강성을 가지므로, 적층체(110)에 부여되는 압축 하중에 수반하여, 볼트에 작용하는 축력을 고려할 때, 절결 부분의 영향은 미소하기 때문이다.
본 실시 형태에 있어서, 연료 전지 케이스(120)의 개구부(121)의 코너부(124 및 129)에는, 내하중이 높은 볼트(179)가 배치되어 있다. 상술한 바와 같이, 연료 전지 케이스(120)의 개구부(121)의 코너부(124 및 129)에 배치되는 볼트(179)에는, 큰 축력이 작용하지만, 볼트(179)는 내하중이 높기 때문에, 축력에 의한 볼트(179)의 축 변형(연신)을 억제할 수 있다. 또한, 본 실시 형태에서는, 적층체(110)의 하변 근방에 텐션 샤프트(130)가 배치되고, 텐션 샤프트(130)의 일단부는 연료 전지 케이스(120)에, 타단부는 전단부측 엔드 플레이트(170F)에 접속되어 있다. 즉, 적층체(110)의 하변 근방에 있어서 적층체(110)에 부여되는 압축 하중을, 텐션 샤프트(130)가 유지하고 있으므로, 코너부(126)에 배치된 볼트(178)에는, 큰 축력은 작용하지 않는다.
본 실시 형태에 있어서, 내하중이 높은 볼트(179)를 배치하는 개소(코너부)는, 각 볼트에 작용하는 하중(축력)을 CAE(Computer Aided Engineering) 시스템에 의해 시뮬레이트한 결과에 기초하여, 결정하고 있다. 연료 전지 케이스(120)의 개구부(121)의 코너부(122)는, 적층체(110)의 근방의 코너부이지만, 시뮬레이션 결과에 따르면, 코너부(122)에 배치되는 볼트에 작용하는 하중은, 호칭 지름 M6의 볼트(178)에서도 견딜 수 있는 하중이었으므로, 스페이스 효율을 고려하여, 볼트(178)를 배치하고 있다. 볼트(179)의 개수를 적게 함으로써, 볼트의 배치 스페이스를 작게 할 수 있다.
또한, 전단부측 엔드 플레이트(170F)의 펌프면(17)에는, 보조 기계 커버(150)가 고정된다. 도 4에 있어서, 전단부측 엔드 플레이트(170F)와 보조 기계 커버(150)의 위치 관계를 나타내기 위해, 보조 기계 커버(150)의 배치를, 이점 쇄선으로 나타내고 있다. 본 실시 형태에 있어서, 연료 전지 케이스(120)의 개구부(121)의 코너부(122, 124, 126, 128 및 129)에 배치되는 볼트(178 및 179)는, 보조 기계 커버(150)의 내부에 수용된다.
전단부측 엔드 플레이트(170F)는, 알루미늄을 사용하여 고압 주조에 의해 제조된 알루미늄 다이캐스트품이며, 집전판(160F)과 접촉하는 면에는, 절연성의 수지가 코팅되어 있다. 그로 인해, 전단부측 엔드 플레이트(170F)를 집전판(160F)에 접촉시켜 배치하면, 전단부측 엔드 플레이트(170F)와 연료 전지 본체(115)는, 전기적으로 절연된다. 또한, 알루미늄 대신에, 티타늄, 스테인리스강, 그들의 합금, 알루미늄과 그들의 합금 등을 사용해도 된다. 또한, 절연성 수지에 의한 코팅을 실시하지 않고, 전단부측 엔드 플레이트(170F)와 집전판(160F) 사이에, 절연판(165E)과 마찬가지의 절연판을 구비하는 구성으로 해도 된다.
A4. 실시 형태의 효과:
실시 형태의 연료 전지(200)에서는, 호칭 지름 M6의 볼트(178)와, 호칭 지름 M8의 볼트(179)에 의해, 전단부측 엔드 플레이트(170F)가 연료 전지 케이스(120)에 고정되어 있다. 상술한 바와 같이, 적층체(110)에는, 적층 방향의 압축 하중이 부여되어 있고, 전단부측 엔드 플레이트(170F)에는, 적층 방향으로 압축 하중의 반력이 작용한다. 그로 인해, 전단부측 엔드 플레이트(170F)와 연료 전지 케이스(120)를 체결하는 볼트(178, 179)에는, 축방향으로 힘이 작용한다. 전단부측 엔드 플레이트(170F)의 xy 평면에 있어서, 적층체(110)의 윤곽[도 4에 있어서의 배치 프레임(W)] 근방은, 압축 하중의 반력이 크게 작용한다. 또한, 연료 전지 케이스(120)의 개구부(121)에 있어서, 코너부는 강성이 높기 때문에, 볼트(178, 179)에 작용하는 축력이 높다. 따라서, 볼트(178, 179)에 작용하는 축력은, 연료 전지 케이스(120)의 개구부(121)의 코너부(강성이 높은 개소)이며, 적층체(110)의 근방에 있어서, 보다 높아진다. 실시 형태의 연료 전지(200)에서는, 연료 전지 케이스(120)의 코너부 중, 적층체(110)의 윤곽의 근방의 코너부(124)와 코너부(129)에 배치되는 볼트를, 볼트(178)보다도 내하중이 높은 호칭 지름 M8의 볼트(179)로 하고 있다. 그로 인해, 볼트(178)를 배치한 경우와 비교하여, 볼트(179)가 적층 방향으로 연신되는(변형되는) 것이 억제되어, 전단부측 엔드 플레이트(170F)와 연료 전지 케이스(120) 사이의 간극의 발생을 억제할 수 있다. 그 결과, 적층체(110)에 부여되는 압축 하중의 저감을 억제할 수 있다.
연료 전지(200)에서는, 상술한 바와 같이, 볼트에 높은 축력이 가해지는 개소에 대해서는, 내하중이 높은 볼트(179)를 사용하고, 다른 개소에는, 볼트(179)보다도 내하중이 낮고, 축 직경이 작은 볼트(178)를 사용하고 있다. 그로 인해, 체결구의 배치 스페이스를 억제하면서, 효율적으로, 엔드 플레이트와 연료 전지 케이스의 체결 강도를 확보하여, 적층체(110)의 압축 상태를 양호하게 유지하여, 적층체(110)에 부여되는 압축 하중의 저감을 억제할 수 있다.
연료 전지(200)에 있어서, 2개의 볼트(179)의 축심을 직선으로 연결하면, 그 직선은, 적층체(110)의 적층면을 횡단한다. 그로 인해, 적층체(110)에 부여되는 압축 하중에 수반하여 전단부측 엔드 플레이트(170F)에 작용하는 반력을, 2개의 내하중이 높은 볼트(179)에 의해, 충분히 받을 수 있어, 다른 개소를 내하중이 낮은 볼트(178)로 해도, 전단부측 엔드 플레이트(170F)와 연료 전지 케이스(120) 사이의 간극의 발생을, 보다 잘 억제할 수 있다.
또한, 실시 형태의 연료 전지 시스템(10)에서는, 연료 전지 케이스(120)의 개구부(121)의 코너부(122, 124, 126, 128, 129)에 배치되는 볼트(178, 179)가, 수소 펌프(140)를 내부에 수용하는 보조 기계 커버(150) 내에 배치된다. 예를 들어, 수소 펌프(140) 등의 보조 기계의 점검 등을 위해, 유저가 보조 기계 커버(150)를 제거하는 경우가 있다. 그 경우에, 개구부(121)의 코너부(122, 124, 126, 128, 129)에 배치되는 볼트(178, 179)는, 보조 기계 커버(150) 내에 배치되어 있으므로, 유저가 실수로 그들 볼트를 제거하는 것을 방지할 수 있다. 실시 형태의 연료 전지 시스템(10)에서는, 2개의 내하중이 높은 볼트(179)가, 보조 기계 커버(150) 내에 배치되어 있으므로, 가령, 보조 기계 커버(150) 외부에 배치되어 있는 볼트(178)가 유저에 의해 실수로 제거되었다고 해도, 전단부측 엔드 플레이트(170F)가 연료 전지 케이스(120)로부터 빠져, 연료 전지 본체(115)가 연료 전지 케이스(120)로부터 튀어나올 우려가 경감된다.
B. 변형예:
또한, 본 발명은 상기한 실시 형태에 한정되는 것은 아니며, 그 요지를 일탈하지 않는 범위에 있어서 다양한 형태로 실시하는 것이 가능하다. 예를 들어, 발명의 내용의 란에 기재된 각 형태 중의 기술적 특징에 대응하는 실시 형태의 기술적 특징은, 상술한 과제의 일부 또는 전부를 해결하기 위해, 혹은 상술한 효과의 일부 또는 전부를 달성하기 위해, 적절하게 바꾸거나 조합을 행하는 것이 가능하다. 또한, 그 기술적 특징이 본 명세서 중에 필수인 것으로서 설명되어 있지 않으면, 적절하게 삭제하는 것이 가능하다. 예를 들어 다음과 같은 변형도 가능하다.
(1) 상기 실시 형태에 있어서, 전단부측 엔드 플레이트(170F)를 연료 전지 케이스(120)에 고정하는 볼트로서, 플랜지가 형성된 육각 볼트를 예시하였지만, 이것에 한정되지 않는다. 예를 들어, 플랜지가 형성되어 있지 않은 육각 볼트, 육각 구멍이 형성된 볼트 등의 다른 볼트류, 작은 나사류 등의 나사여도 되고, 리벳 등의 나사산이 없는 체결구여도 된다.
(2) 상기 실시 형태에 있어서, 호칭 지름이 M6인 볼트(178)와 호칭 지름이 M8인 볼트(179)를 사용하는 예를 나타냈지만, 이것에 한정되지 않고, 내하중이 다른 2종류 이상의 체결구를 사용하면 된다. 예를 들어, 호칭 지름이 M5인 볼트와 호칭 지름이 M6인 볼트를 사용해도 되고, 호칭 지름이 M8인 볼트와 호칭 지름이 M10인 볼트를 사용해도 된다. 볼트에 작용하는 축력과, 볼트를 배치하는 스페이스 등을 고려하여, 적절하게 설정할 수 있다. 상대적으로 내하중이 높은 볼트를, 개구부의 코너부(강성이 높은 개소)에 배치하고, 내하중이 낮은(축 직경이 가느다란) 볼트를, 그 밖의 개소에 배치함으로써, 볼트의 배치 스페이스를 억제하면서, 적층체(110)에 부여되는 압축 하중의 저감을 억제할 수 있다.
(3) 상기 실시 형태에 있어서, 축 직경이 다른 2종류의 볼트를 사용하는 예를 나타냈지만, 재료가 다른 2종류의 볼트를 사용해도 된다. 이와 같이 해도, 내하중이 다른 2종류의 볼트를 형성할 수 있다. 예를 들어, 볼트(179) 대신에, 스테인리스강제의 호칭 지름 M6의 볼트[볼트(178)보다도 내하중이 높은]를 사용해도 된다. 또한, 볼트(178)를 구성하는 탄소강에 대해 탄소를 증량한 탄소강제의 호칭 지름 M6의 볼트를, 볼트(179) 대신에 사용해도 된다. 또한, 볼트(178)의 축에 대해 열처리를 실시함으로써 내하중을 올린 볼트를, 볼트(179) 대신에 사용해도 된다. 이와 같이 해도, 볼트의 배치 스페이스를 억제하면서, 적층체(110)에 부여되는 압축 하중의 저감을 억제할 수 있다.
(4) 상기 실시 형태에 있어서, 2개의 볼트(179)는, 연료 전지 케이스(120)의 개구부(121)에 있어서, 적층체(110)의 근방의 코너부(124, 129)에 배치되는 예를 나타냈지만, 이것에 한정되지 않는다. 적층체(110)의 근방이 아니어도, 연료 전지 케이스(120)의 개구부(121)의 코너부에 배치되면 된다. 연료 전지 케이스(120)의 개구부(121)의 코너부는, 다른 부분(변)과 비교하여 강성이 높기 때문에, 볼트에 큰 축력이 가해지기 쉽다. 그로 인해, 내하중이 높은 볼트(179)를, 연료 전지 케이스(120)의 개구부(121)의 코너부에 배치함으로써, 볼트(178)만을 사용하여 전단부측 엔드 플레이트(170F)를 연료 전지 케이스(120)에 고정하는 경우와 비교하여, 볼트의 축 변형(연신)이 억제되어, 적층체(110)에 부여되는 압축 하중의 저감을 억제할 수 있다. 단, 적층체(110)의 근방에 배치되는 볼트는, 보다 높은 축력이 가해지므로, 연료 전지 케이스(120)의 개구부(121)의 코너부이며, 적층체(110)의 근방에 배치되는 볼트를, 내하중이 높은 볼트로 하는 것이 바람직하다.
(5) 상기 실시 형태에 있어서, 내하중이 높은 볼트(179)를 2개 사용하고 있지만, 적어도 1개 사용하면 된다. 1개라도 내하중이 높은 볼트를, 연료 전지 케이스(120)의 개구부(121)의 코너부에 배치함으로써, 볼트(178)만을 사용하여 전단부측 엔드 플레이트(170F)를 연료 전지 케이스(120)에 고정하는 경우와 비교하여, 볼트의 축 변형(연신)이 억제되어, 적층체(110)에 부여되는 압축 하중의 저감을 억제할 수 있다. 단, 상기 실시 형태와 같이, 내하중이 높은 볼트를 2개 이상 사용하여, 배치된 내하중이 높은 볼트의 축심 사이를 연결하는 직선이, 단위 전지(100)의 적층면을 횡단하도록 배치하면, 보다 양호하게, 전단부측 엔드 플레이트(170F)에 작용하는 반력을 억제할 수 있으므로 바람직하다. 또한, 내하중이 높은 볼트(179)를 3개 이상, 연료 전지 케이스(120)의 개구부(121)의 코너부 수(상기 실시 형태에 있어서 「8」)보다도 적은 수 사용해도 된다. 모든 볼트(179)를 각각 코너부에 배치함으로써, 스페이스 효율을 확보하면서, 전단부측 엔드 플레이트(170F)와 연료 전지 케이스(120)의 간극의 발생을 억제할 수 있어, 적층체(110)에 있어서의 압축 하중의 저감을 억제할 수 있다.
(6) 상기 실시 형태에 있어서, 연료 전지 케이스(120)의 개구부(121)의 코너부(122, 124, 126, 128, 129)에 배치되는 볼트(178, 179)가, 수소 펌프(140)를 내부에 수용하는 보조 기계 커버(150) 내에 배치되는 예를 나타냈지만, 적어도, 내하중이 높은 2개의 볼트(179)가 보조 기계 커버(150) 내에 배치되어 있으면 된다. 내하중이 높은 2개의 볼트(179)에 의해, 전단부측 엔드 플레이트(170F)가 연료 전지 케이스(120)에 고정되어 있으면, 가령, 다른 볼트(178)가 제거되었다고 해도, 전단부측 엔드 플레이트(170F)의 고정 상태가 유지될 가능성이 높다. 따라서, 전단부측 엔드 플레이트(170F)와 연료 전지 케이스(120)의 고정 상태가 해제되는 것에 의한, 연료 전지 본체(115)의 연료 전지 케이스(120)로부터의 튀어나옴 가능성을 저감시킬 수 있다.
(7) 상기 실시 형태에서는, 내하중이 높은 볼트(179)가 연료 전지 케이스(120)의 개구부(121)의 코너부에 배치되는 예를 나타냈지만, 코너부에 한정되지 않는다. 예를 들어, 연료 전지 케이스(120)의 개구부(121)에 있어서, 판 두께가 두꺼운 등 강성이 높은 개소에 배치해도 된다. 연료 전지 케이스(120)의 개구부(121)에 있어서 강성이 높은 개소에 배치되는 볼트에는, 큰 축력이 가해지므로, 연료 전지 케이스(120)의 개구부(121)에 있어서 강성이 높은 개소에, 내하중이 높은 볼트를 배치함으로써, 볼트가 적층 방향으로 연신되는(변형되는) 것이 억제되어, 전단부측 엔드 플레이트(170F)와 연료 전지 케이스(120) 사이의 간극의 발생을 억제할 수 있다. 그 결과, 적층체(110)에 부여되는 압축 하중의 저감을 억제할 수 있다. 또한, 연료 전지 케이스(120)의 개구부(121)에 있어서, 적층체(110)의 근방이며, 강성이 높은 개소에, 내하중이 높은 볼트(179)를 배치하는 것이 더욱 바람직하다. 본 변형예에 있어서의 강성이 높은 개소가, 청구항에 있어서의 고강성부에 상당한다.
(8) 상기 실시 형태에서는, 내하중이 다른 2종류의 볼트(178, 179)를 사용하여, 전단부측 엔드 플레이트(170F)를 연료 전지 케이스(120)에 고정하는 예를 나타냈지만, 내하중이 다른 3종류 이상의 볼트를 사용해도 된다. 그 경우에는, 내하중이 가장 높은 볼트를, 연료 전지 케이스(120)의 개구부(121)의 코너부 또는 강성이 높은 개소에 배치하면 된다.
(9) 상기 실시 형태에서는, 전단부측 엔드 플레이트(170F)가 연료 전지 케이스(120)에 볼트에 의해 고정되는 예를 나타냈지만, 이것에 한정되지 않는다. 연료 전지 케이스가, 후단부측에도 개구부를 구비하고, 후단부측 엔드 플레이트(170E)가 후단부측의 개구부에 볼트에 의해 고정되는 구성으로 해도 된다. 이 경우, 후단부측 엔드 플레이트(170E)를, 전단부측 엔드 플레이트(170F)와 마찬가지의 구성으로 해도 된다. 이와 같이 하면, 후단부측 엔드 플레이트에 있어서도, 스페이스 효율을 확보하면서, 볼트의 축 변형(연신)을 억제하여, 후단부측 엔드 플레이트와 연료 전지 케이스의 간극의 발생을 억제할 수 있다.
(10) 연료 전지 케이스(120)의 개구부(121)의 형상은 상기 실시 형태에 한정되지 않는다. 예를 들어, 대략 삼각형, 대략 사각형(장방형), 대략 오각형, 대략 육각형 등(코너에 모따기가 이루어진 형상을 포함함)이어도 된다. 이러한 경우라도, 내하중이 높은 종류의 볼트를, 코너부에 배치함으로써, 스페이스 효율을 확보하면서, 볼트의 축 변형(연신)을 억제하여, 엔드 플레이트와 연료 전지 케이스의 간극의 발생을 억제할 수 있다.
(11) 상기 실시 형태에 있어서, 전단부측 엔드 플레이트(170F)는, 연료 전지 케이스(120)의 개구부(121)와 거의 동일한 외주 형상을 이루는 예를 나타냈지만, 이것에 한정되지 않는다. 엔드 플레이트는, 연료 전지 케이스(120)의 개구부(121)를 폐색 가능한 형상이면 되고, 그 외주 형상은 다양하게 성형 가능하다. 엔드 플레이트의 외주 형상이, 연료 전지 케이스(120)의 개구부(121)와 다른 경우에도, 엔드 플레이트를 연료 전지 케이스(120)의 개구부(121)를 폐색하도록 배치하여, 개구부(121)의 코너부에, 내하중이 높은 볼트(179)를 배치하면 된다.
10 : 연료 전지 시스템
17 : 펌프면
30 : 수소 급배계
31 : 수소 탱크
32 : 인젝터
33, 34, 35, 37 : 배관
39 : 셧 밸브
40 : 공기 급배계
41, 42 : 배관
43 : 에어 플로우 미터
44 : 에어 컴프레서
46 : 압력 조절 밸브
50 : 냉각계
51 : 배관
53 : 냉각수 펌프
54 : 라디에이터
60 : 제어부
84 : 외부 부하
100 : 단위 전지
110 : 적층체
115 : 연료 전지 본체
120 : 연료 전지 케이스
121 : 개구부
122∼129 : 코너부
131, 132, 133 : 텐션 샤프트
140 : 수소 펌프
150 : 보조 기계 커버
160E : 집전판
160F : 집전판
161 : 집전 단자
165E : 절연판
170E : 후단부측 엔드 플레이트
170F : 전단부측 엔드 플레이트
172IN : 연료 가스 공급 구멍
172OT : 애노드 배기 가스 배출 구멍
174IN : 산화제 가스 공급 구멍
174OT : 캐소드 배기 가스 배출 구멍
176IN : 냉각수 공급 구멍
176OT : 냉각수 배출 구멍
178, 179 : 볼트
200 : 연료 전지
W : 배치 프레임

Claims (8)

  1. 연료 전지이며,
    복수의 단위 전지를 적층하여 이루어지는 적층체와,
    상기 적층체의 적층 방향의 적어도 일단부에 배치되는 엔드 플레이트와,
    복수의 코너부를 구비하는 대략 다각 형상의 외주 형상을 갖는 개구부를 구비하고, 상기 적층체를 내부에 수용하는 연료 전지 케이스와,
    상기 엔드 플레이트를, 상기 연료 전지 케이스의 상기 개구부를 폐색한 상태에서, 상기 연료 전지 케이스에 고정하는 복수 종류의 체결구이며, 각각, 내하중이 다른 상기 복수 종류의 체결구를 구비하고,
    상기 복수 종류의 체결구 중, 상기 내하중이 가장 높은 종류의 상기 체결구는, 상기 개구부의 상기 복수의 코너부 중 적어도 하나의 상기 코너부에 배치되는, 연료 전지.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 내하중이 가장 높은 종류의 체결구가 배치되는 상기 코너부는, 상기 적층체의 근방의 상기 코너부인, 연료 전지.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 복수 종류의 체결구는,
    호칭 지름이 M6인 볼트, 및 호칭 지름이 M8인 볼트의 2종류이며,
    상기 내하중이 가장 높은 종류의 체결구는, 상기 호칭 지름이 M8인 볼트인, 연료 전지.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 내하중이 가장 높은 종류의 체결구를, 적어도 2개 구비하고,
    2개의 상기 코너부에 각각 배치된 상기 내하중이 가장 높은 종류의 체결구의 축심을 직선으로 연결한 경우에, 상기 단위 전지가 적층되는 면인 적층면을, 상기 직선이 횡단하는, 연료 전지.
  5. 제4항에 기재된 연료 전지와, 상기 연료 전지를 작동시키기 위한 보조 기계와, 상기 보조 기계를 내부에 수용하는 보조 기계 커버이며, 상기 엔드 플레이트에 고정되는 보조 기계 커버를 구비하는 연료 전지 시스템에 있어서,
    상기 내하중이 가장 높은 종류의 체결구는, 상기 보조 기계 커버 내에 배치되는, 연료 전지 시스템.
  6. 연료 전지이며,
    복수의 단위 전지를 적층하여 이루어지는 적층체와,
    상기 적층체의 적층 방향의 적어도 일단부에 배치되는 엔드 플레이트와,
    개구부를 구비하고, 상기 적층체를 내부에 수용하는 연료 전지 케이스와,
    상기 엔드 플레이트를, 상기 연료 전지 케이스의 상기 개구부를 폐색한 상태에서, 상기 연료 전지 케이스에 고정하는 복수 종류의 체결구이며, 각각, 내하중이 다른 상기 복수 종류의 체결구를 구비하고,
    상기 연료 전지 케이스의 상기 개구부는, 상기 개구부의 다른 부분과 비교하여 강성이 높은 고강성부를 적어도 하나 구비하고,
    상기 복수 종류의 체결구 중, 상기 내하중이 가장 높은 종류의 상기 체결구는, 상기 개구부의 상기 고강성부에 배치되는, 연료 전지.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 연료 전지 케이스의 상기 개구부가 복수의 상기 고강성부를 구비하는 경우,
    상기 내하중이 가장 높은 종류의 체결구는, 상기 적층체의 근방의 상기 고강성부에 배치되는, 연료 전지.
  8. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 복수 종류의 체결구는, 동일한 재료로 형성되고, 수나사의 외형 치수가 다른 볼트인, 연료 전지.
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