JP6123773B2

JP6123773B2 - 燃料電池装置

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Publication number: JP6123773B2
Application number: JP2014225762A
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Inventors: 誠武山
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Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2014-11-06
Filing date: 2014-11-06
Publication date: 2017-05-10
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Description

本発明は、燃料電池装置に関する。

従来から、積層された複数の単セルを有するセルスタックが燃料電池において用いられている。セルスタックを有する燃料電池は、セルスタックの積層構造を維持するために、積層方向に荷重が加えられた状態でケースに収容される。特許文献１には、ケース内に燃料電池が収容された状態においてセルスタックの底面に沿って配置されたテンションシャフトを備える燃料電池装置が記載されている。このテンションシャフトは、一端がセルスタックの積層方向の端面と対向するケース側面に固定され、他端がセルスタックを挟んで上述のケース側面の反対側に位置するエンドプレートに固定されて、ケースとセルスタックとエンドプレートとを締結する。

特開２０１３−０１２３２５号公報

特許文献１に記載の燃料電池装置において、ケースとテンションシャフトとは、互いに鋼等の同一種類の金属材料により形成されている。また、テンションシャフトは棒状の部材であるため、積層方向と垂直な方向に沿ったテンションシャフトの断面積は、積層方向と垂直な方向に沿ったケースの断面積よりも小さい。したがって、積層方向に垂直な方向において、テンションシャフトの剛性は、ケースの剛性よりも低い。ところで、セルスタックは、発電時には高温となり熱膨張して圧縮荷重が増加する。このため、特許文献１に記載の燃料電池装置では、圧縮荷重の増加に伴って、剛性の低いテンションシャフトの寸法変化が剛性の高いケースの寸法変化よりも大きくなり、セルスタックにおいてテンションシャフト側（底面側）の締結力が弱まる。これにより、セルスタックの底面側が上面側に比べて積層方向に伸びて各単セル間の平行度が低下する。このように各単セルの平行度が低下すると、各単セルの面圧が不均一となるために燃料電池装置の発電性能が低下するという問題があった。このため、燃料電池装置が発電時に高温となった際における各単セル間の平行度の低下を抑制可能な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。
本発明の一形態によれば、燃料電池装置が提供される。この燃料電池装置は、積層された複数の単セルを有するセルスタックと；前記複数の単セルの積層方向に沿った前記セルスタックの側面のうちの１つの側面を覆うカバー部を有するケースと；前記カバー部の前記積層方向の一方の端部に接続され、前記セルスタックに対して前記積層方向の外側に配置されているエンドプレートと；前記セルスタックを挟んで前記カバー部とは反対側において前記積層方向と平行に延設され、前記積層方向の一方の端部が前記エンドプレートに接続され、前記積層方向の他方の端部が前記ケースに接続され、前記セルスタックと前記エンドプレートと前記ケースとを前記積層方向に締結する締結部材と；を備え；前記締結部材の剛性は、前記カバー部の剛性よりも低く；前記カバー部の熱膨張係数は、前記締結部材の熱膨張係数よりも大きい。この形態の燃料電池装置によれば、締結部材の剛性はカバー部の剛性よりも低く、且つ、締結部材は、カバー部と比べて熱膨張係数が小さいので、剛性の差に起因するセルスタックにおける締結部材側とカバー部側との積層方向の寸法変化の差を低減できる。このため、各単セル間の平行度の低下を抑制できる。

（１）本発明の一形態によれば、燃料電池装置が提供される。この燃料電池装置は、積層された複数の単セルを有するセルスタックと；前記複数の単セルの積層方向に沿った前記セルスタックの側面のうちの１つの側面を覆うカバー部を有するケースと；前記カバー部の前記積層方向の一方の端部に接続され、前記セルスタックに対して前記積層方向の外側に配置されているエンドプレートと；前記セルスタックを挟んで前記カバー部とは反対側において前記積層方向と平行に延設され、前記積層方向の一方の端部が前記エンドプレートに接続され、前記積層方向の他方の端部が前記ケースに接続され、前記セルスタックと前記エンドプレートと前記ケースとを前記積層方向に締結する締結部材と；を備え；前記カバー部の熱膨張係数は、前記締結部材の熱膨張係数よりも大きい。この形態の燃料電池装置によれば、締結部材は、カバー部と比べて熱膨張係数が小さいので、カバー部の剛性に比べて締結部材の剛性が低い場合に、かかる剛性の差に起因する、セルスタックにおける締結部材側とカバー部側との積層方向の寸法変化の差を低減できる。このため、各単セル間の平行度の低下を抑制できる。

（２）上記形態の燃料電池装置において、前記積層方向と垂直な方向に沿った前記締結部材の断面積は、前記積層方向と垂直な方向に沿った前記カバー部の断面積よりも小さくてもよい。この形態の燃料電池装置によれば、締結部材とカバー部とでヤング率が等しい条件では、カバー部の剛性が締結部材の剛性よりも高い。しかしながら、締結部材とカバー部との熱膨張係数の差により、各単セル間の平行度の低下を抑制できる。

（３）上記形態の燃料電池装置において、前記ケースは、アルミニウムにより形成され、前記締結部材は、鉄により形成されていてもよい。この形態の燃料電池装置によれば、ケースの熱膨張係数が、締結部材の熱膨張係数よりも約２倍大きいので、締結部材とカバー部との断面積の差が大きい場合であっても、寸法変化の差を低減できる。したがって、締結部材の断面積を小さくでき、燃料電池装置の大型化を抑制できる。

（４）上記形態の燃料電池装置において、前記締結部材は、互いに離れて配置された複数の棒状の部材を有してもよい。この形態の燃料電池装置によれば、互いに離れて配置された複数の棒状の部材を有するので、複数の棒状の部材と同一の断面積を有する板状の部材により締結部材が形成される構成と比べて、セルスタックの圧縮荷重により耐えることができる。また、締結部材が１本の棒状の部材からなる構成と比べて荷重を分散することができ、セルスタックを安定して締結できると共に、１本あたりの断面積を小さくすることができ、燃料電池装置の大型化を抑制できる。

本発明は、種々の形態で実現することも可能である。例えば、燃料電池装置を備えた燃料電池システム、その燃料電池システムを搭載した車両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装置の概略構成を示す断面図である。燃料電池装置の積層方向に垂直な方向の断面を示す断面図である。燃料電池装置１０の組付け工程を模式的に示す断面図である。燃料電池装置１０の組付け工程を模式的に示す断面図である。

Ａ．実施形態：
Ａ−１．装置構成：
図１は、本発明の一実施形態としての燃料電池装置の概略構成を示す断面図である。図２は、燃料電池装置の積層方向に垂直な方向の断面を示す断面図である。図２では、図１におけるＡ−Ａ断面を示している。燃料電池装置１０は、いわゆる固体高分子型燃料電池を有し、反応ガス（燃料ガスおよび酸化剤ガス）の供給部や、冷却媒体の供給部等と共に燃料電池システムを構成する。このような燃料電池システムは、例えば、駆動用電源を供給するためのシステムとして、燃料電池自動車等に搭載されて用いられる。なお、燃料電池自動車に代えて、他の任意の移動体に搭載されてもよく、定置型燃料電池として用いられてもよい。

図１に示すように、燃料電池装置１０は、セルスタック１０２Ｓと、第１の集電板１６０Ｅと、第２の集電板１６０Ｆと、プレッシャープレート１７０と、スタックマニホールド１８０と、エンドプレート１９０と、テンションシャフト３００と、ケース５００と、ロアカバー５５０とを備える。

セルスタック１０２Ｓは、複数の単セル１０２が積層方向ＳＤに沿って積層された構造を有する。単セル１０２は、膜電極接合体および膜電極接合体を挟む一対のガス拡散層と、膜電極接合体およびガス拡散層の積層体を挟む一対のセパレータとで構成されている。図２に示すように、単セル１０２は、厚さ方向に貫通する複数の流路形成孔１０５を有する。これにより、セルスタック１０２Ｓの内部には、積層方向ＳＤに沿って、単セル１０２に反応ガスおよび冷却媒体をそれぞれ供給するための図示しない流路と、単セル１０２から反応ガスおよび冷却媒体をそれぞれ排出するための図示しない流路とが形成される。なお、本実施形態では、Ｘ−Ｙ平面が水平面と平行となるようにＸ軸およびＹ軸を定めている。また、Ｙ軸およびＺ軸は、それぞれＸ軸と互いに垂直な方向である。＋Ｚ方向は鉛直上方に、−Ｚ方向は鉛直下方に、それぞれ相当する。図１に示すように、燃料電池装置１０は、積層方向ＳＤがＸ軸と平行となるように載置されている。

図２に示すように、各単セル１０２の積層方向ＳＤと垂直な面の形状は、略矩形であり、長手方向がＹ軸と平行となるように配置されている。略矩形の平面視形状の四隅と下辺の中央とには凹部１０６が形成されている。各単セル１０２の凹部１０６が積層方向ＳＤに並ぶことで、セルスタック１０２Ｓの上面および側面の境界と、底面および側面の境界と、底面中央とには、積層方向ＳＤに沿った溝が形成される。上辺の両隅の凹部１０６により形成される溝は、ケース５００の突出部５０１，５０２との干渉を抑制し、下辺の両隅の凹部１０６により形成される溝および下辺の中央の凹部１０６により形成される溝は、テンションシャフト３００や図示しない電圧監視ユニットに接続するためのコネクタとの干渉を抑制する。

図１に示すように、第１の集電板１６０Ｅは、セルスタック１０２Ｓの＋Ｘ方向の端面に接して配置されている。本実施形態において、第１の集電板１６０Ｅは、チタン層・アルミニウム層・チタン層の３層構造を有し、外縁がゴムで覆われている。第２の集電板１６０Ｆは、セルスタック１０２Ｓの−Ｘ方向の端面に接して配置されている。第２の集電板１６０Ｆは、上述の単セル１０２と同様に、厚さ方向に貫通する複数の流路形成孔を有する。本実施形態において、第２の集電板１６０Ｆは、アルミニウムにより形成されている。第１の集電板１６０Ｅおよび第２の集電板１６０Ｆは、各単セル１０２の発電電力を集電して図示しない端子から外部へ出力する。なお、第２の集電板１６０Ｆは、第１の集電板１６０Ｅと同様に３層構造により形成されてもよい。また、２つの集電板１６０Ｅ，１６０Ｆは、アルミニウムおよびチタン以外の任意の導電材料により形成されてもよい。なお、２つの集電板１６０Ｅ，１６０Ｆは、各単セル１０２と同様に略矩形の平面視形状を有する。

プレッシャープレート１７０は、第１の集電板１６０Ｅに対し積層方向ＳＤの外側（＋Ｘ方向）に配置されている。なお、プレッシャープレート１７０と第１の集電板１６０Ｅとの間には、図示しないインシュレータが配置されている。プレッシャープレート１７０は、ケース５００に形成された複数の貫通孔５１０に挿入される複数の荷重調整ねじ２５０により固定され、セルスタック１０２Ｓを−Ｘ方向に押圧する。なお、貫通孔５１０の内周表面にはねじ山が形成されており、貫通孔５１０は雌ねじとして機能する。なお、プレッシャープレート１７０は、各単セル１０２と同様に略矩形の平面視形状を有する。

スタックマニホールド１８０は、第２の集電板１６０Ｆの−Ｘ方向の面に接して配置されている。スタックマニホールド１８０の内部には、セルスタック１０２Ｓに反応ガスおよび冷却媒体を供給するための流路と、セルスタック１０２Ｓから反応ガスおよび冷却媒体を排出するための流路とが形成されている。なお、スタックマニホールド１８０には、燃料ガス供給系の構成部品として、循環配管や気液分離器等が取り付けられている。

エンドプレート１９０は、セルスタック１０２Ｓに対して積層方向ＳＤの外側に配置されており、スタックマニホールド１８０の−Ｘ方向の面と当接している。エンドプレート１９０は、アルミニウムにより形成され、ケース５００の−Ｘ方向の側面に形成された開口を塞いでいる。エンドプレート１９０は、−Ｚ方向の端部の近傍において、複数のナット４５０によりテンションシャフト３００の端部に接続されている。テンションシャフト３００のエンドプレート１９０と接続された端部とは反対側の端部は、ナット４５０によりケース５００に接続されている。したがって、エンドプレート１９０は、テンションシャフト３００を介してケース５００に接続されている。また、エンドプレート１９０は、ケース５００の−Ｘ方向の側面に形成された開口の周囲において、複数のボルト４６０によりケース５００と固定されている。

テンションシャフト３００は、セルスタック１０２Ｓの鉛直下方において積層方向ＳＤと平行に延設されている。換言すると、テンションシャフト３００は、セルスタック１０２Ｓを挟んでケース５００の＋Ｚ方向の側面（以下、上面部５０３とも呼ぶ）とは反対側に配置されている。図２に示すように、テンションシャフト３００は、第１のシャフト３１０と、第２のシャフト３２０と、第３のシャフト３３０とを備える。第１のシャフト３１０と第２のシャフト３２０と第３のシャフト３３０とは、いずれも積層方向ＳＤに垂直な方向に沿った断面形状が円形であり、積層方向ＳＤを長手方向とする棒状の外観形状を有する。第１のシャフト３１０は、セルスタック１０２Ｓの底面中央の積層方向ＳＤに沿って形成された溝に収容されている。第２のシャフト３２０および第３のシャフト３３０は、セルスタック１０２Ｓの底面と側面との境界において、積層方向ＳＤに沿って形成された溝にそれぞれ収容されている。第１のシャフト３１０と第２のシャフト３２０と第３のシャフト３３０とは、Ｙ軸に沿った方向に互いに所定の距離だけ離れて配置されている。テンションシャフト３００は、−Ｘ方向の端部がエンドプレート１９０に接続され、＋Ｘ方向の端部がケース５００に接続されることにより、セルスタック１０２Ｓとエンドプレート１９０とケース５００とを締結してセルスタック１０２Ｓの積層構造を維持する。本実施形態において、テンションシャフト３００を構成する３つのシャフト３１０〜３３０は、いずれも鉄により形成されている。また、第１のシャフト３１０の径は、第２のシャフト３２０および第３のシャフト３３０の径よりも大きい。なお、第２のシャフト３２０の径は、第３のシャフト３３０の径と等しい。

ケース５００は、箱状の外観形状を有し、セルスタック１０２Ｓを含む燃料電池に加えて、図示しない電圧監視ユニットおよび気液分離器等の補機を内側に収容する。ケース５００の上面部５０３は、板状の外観形状を有しセルスタック１０２Ｓの上面を覆う。上面部５０３の−Ｙ方向の端部には、積層方向ＳＤに沿って延設された第１の突出部５０１が形成されている。第１の突出部５０１は、セルスタック１０２Ｓに向かって突出しており、セルスタック１０２Ｓの上面と側面との境界に形成された溝に収容されている。第１の突出部５０１は、積層方向ＳＤに垂直な方向への各単セル１０２の位置ずれを抑制する。第２の突出部５０２は、上面部５０３の＋Ｙ方向の端部に形成されている点において突出部５０１と異なり、他の構成は第１の突出部５０１と同じであるので、詳細な説明を省略する。本実施形態において、積層方向ＳＤと垂直な方向に沿った上面部５０３の断面積は、テンションシャフト３００の断面積（すなわち、３つのシャフト３１０〜３３０の断面積の合計）よりも大きい。

図１に示すように、ケース５００は、−Ｘ方向の側面および−Ｚ方向の側面にそれぞれ開口が形成されている。−Ｘ方向の側面の開口は、エンドプレート１９０により塞がれる。−Ｚ方向の側面の開口は、ロアカバー５５０により塞がれる。ケース５００の＋Ｘ方向の側面には、上述の複数の貫通孔５１０と、燃料電池装置１０の組み付けの際に押圧部材を挿入するための押圧部材挿入口５２０と、テンションシャフト３００を挿入するための３つのテンションシャフト挿入口５３０とが形成されている。なお、ケース５００における、その他の側面（＋Ｙ方向の側面および−Ｙ方向の側面）は、いずれも板状の外観形状を有する。本実施形態において、ケース５００は、アルミニウム製のダイカストで形成されている。

ロアカバー５５０は、セルスタック１０２Ｓの鉛直下方に配置され、ケース５００の−Ｚ方向の側面の開口を塞いでいる。ロアカバー５５０は、略矩形の平面視形状を有する板状の部材であり、ケース５００の−Ｚ方向の側面と同等の大きさを有し、複数のボルト４７０によりケース５００に固定されている。本実施形態では、ロアカバー５５０は、鉄により形成されるが、鉄に代えて、鋼等の他の任意の金属により形成されてもよい。

本実施形態において、テンションシャフト３００は、請求項における締結部材に相当し、第１のシャフト３１０と第２のシャフト３２０と第３のシャフト３３０とは、請求項における棒状の部材に相当する。また、ケース５００の上面部５０３は、請求項におけるカバー部に相当する。

Ａ−２．燃料電池装置の組み付け：
図３および図４は、燃料電池装置１０の組付け工程を模式的に示す断面図である。図３（Ａ）、図３（Ｂ）、図４（Ａ）、図４（Ｂ）は、この順序で時系列に沿った燃料電池装置１０の組み付け工程を示している。

図３（Ａ）に示すように、ケース５００に形成された開口から、ケース５００の内側に、セルスタック１０２Ｓと２つの集電板１６０Ｅ，１６０Ｆとプレッシャープレート１７０とスタックマニホールド１８０とが挿入されて配置される。図３（Ａ）では、セルスタック１０２Ｓが圧縮されていない状態なので、セルスタック１０２Ｓにおける−Ｘ方向の端部側の一部の単セル１０２と第２の集電板１６０Ｆとスタックマニホールド１８０とは、ケース５００に対して積層方向ＳＤの外側に位置している。

図３（Ｂ）に示すように、エンドプレート１９０が、ケース５００の−Ｘ方向の側面に形成された開口を塞ぐように配置される。このとき、図示しない加圧設備により、エンドプレート１９０が図中の白抜きの矢印で示す方向（＋Ｘ方向）に押圧され、セルスタック１０２Ｓが積層方向ＳＤに圧縮される。次に、テンションシャフト３００がテンションシャフト挿入口５３０から挿入される。ナット４５０により、テンションシャフト３００の−Ｘ方向の端部がエンドプレート１９０に固定され、＋Ｘ方向の端部がケース５００に固定される。また、エンドプレート１９０は、複数のボルト４６０によりケース５００に固定される。エンドプレート１９０がケース５００に固定されることにより、セルスタック１０２Ｓは、積層方向ＳＤに圧縮された状態でケース５００の内側に収容される。

図４（Ａ）に示すように、ケース５００の＋Ｘ方向の側面に形成された押圧部材挿入口５２０から、押圧部材６００が挿入される。押圧部材６００は、図示しない加圧設備の動力により駆動され、図中の白抜きの矢印で示す方向（−Ｘ方向）にプレッシャープレート１７０を所定荷重で押圧する。プレッシャープレート１７０は、この押圧力により、第１の集電板１６０Ｅおよびセルスタック１０２Ｓを押圧する。これにより、セルスタック１０２Ｓは、積層方向ＳＤにさらに圧縮される。

図４（Ｂ）に示すように、押圧部材６００による押圧力を維持した状態で、ケース５００の＋Ｘ方向の側面の各貫通孔５１０に、それぞれ荷重調整ねじ２５０が挿入される。各荷重調整ねじ２５０は、セルスタック１０２Ｓの積層方向ＳＤの長さのばらつきを調整する。このため、各荷重調整ねじ２５０は、プレッシャープレート１７０に接触するまでねじ込まれる。プレッシャープレート１７０が荷重調整ねじ２５０により固定されるため、セルスタック１０２Ｓの圧縮荷重は、所定の大きさに維持される。

次に、押圧部材挿入口５２０から押圧部材６００が抜き取られ、押圧部材挿入口５２０に図示しないカバーが配置される。その後、ケース５００の−Ｚ方向の側面の開口にロアカバー５５０が配置され、図１に示す燃料電池装置１０の組み付けが完了する。

Ａ−３．セルスタックの積層方向の寸法変化：
上述したように、セルスタック１０２Ｓは、テンションシャフト３００の締結力により所定の圧縮荷重を維持した状態でケース５００の内側に収容される。しかしながら、セルスタック１０２Ｓは、発電時には高温となるため各単セル１０２が熱膨張することにより積層方向ＳＤに向かって膨張する。このため、発電時において、ケース５００の内側に収容されているセルスタック１０２Ｓの圧縮荷重は、増加する。ところで、本実施形態において、積層方向ＳＤと垂直な方向に沿ったテンションシャフト３００の断面積は、ケース５００の上面部５０３の断面積よりも小さい。このため、断面積に基づくテンションシャフト３００の剛性は、断面積に基づく上面部５０３の剛性よりも低い。したがって、セルスタック１０２Ｓの圧縮荷重の増加に伴って、テンションシャフト３００の積層方向ＳＤの寸法変化は、上面部５０３の積層方向ＳＤの寸法変化よりも大きくなり易い。それゆえ、セルスタック１０２Ｓにおけるテンションシャフト３００側（底面側）の寸法変化は、セルスタック１０２Ｓにおける上面部５０３側（上面側）の寸法変化よりも大きくなり易い。

ところが、本実施形態の燃料電池装置１０では、テンションシャフト３００が鉄により形成され、上面部５０３（ケース５００）がアルミニウムにより形成されている。ここで、燃料電池装置１０が通常使用される温度範囲（例えば０℃〜１００℃）において、鉄の熱膨張係数は１１．７×１０^−６／℃であり、アルミニウムの熱膨張係数は２３×１０^−６／℃である。このため、発電時に高温となってセルスタック１０２Ｓの圧縮荷重が増加した際に、テンションシャフト３００は、上面部５０３と比べて膨張が抑制される。このため、上述した剛性の相違に起因する寸法変化の差を低減でき、セルスタック１０２Ｓを構成する各単セル１０２間の平行度の低下を抑制できる。したがって、各単セル１０２の面圧が不均一となることを抑制でき、燃料電池装置１０の発電性能の低下を抑制できる。なお、上述の「平行度」とは、各単セル１０２が積層方向ＳＤに沿って積層された際の、各単セル１０２Ｓ同士の平行の度合いを意味する。

また、アルミニウムは、鉄と比べて約２倍の大きさの熱膨張係数を有するので、本実施形態において、上面部５０３（ケース５００）の熱膨張係数は、テンションシャフト３００の熱膨張係数よりも十分大きい。したがって、発電時に高温となってセルスタック１０２Ｓの圧縮荷重が増加した際に、テンションシャフト３００の積層方向ＳＤの寸法変化を、上面部５０３の積層方向ＳＤの寸法変化よりも、十分に抑えることができる。それゆえ、テンションシャフト３００の断面積を小さくでき、すなわち、テンションシャフト３００を細く形成できるので、燃料電池装置１０の大型化を抑制できる。また、本実施形態のテンションシャフト３００は、３つのシャフト３１０〜３３０を備える。このため、テンションシャフト３００が１本のシャフトからなる構成と比べて荷重を分散することができ、セルスタック１０２Ｓとエンドプレート１９０とケース５００とを安定して締結することができる。また、１本あたりの断面積を小さくすることができ、燃料電池装置１０の大型化を抑制できる。また、複数のシャフトと同一の断面積を有する板状の部材により締結部材が形成される構成と比べて、セルスタックの圧縮荷重により耐えることができる。また、テンションシャフト３００を配置した後に、各シャフト３１０〜３３０間、第２のシャフト３２０とケース５００との間、および第３のシャフト３３０とケース５００との間から、ケース５００の内側に他の部品を配置できる。このため、１つの板状の部材により形成される構成と比べて、燃料電池装置１０の組み付けの作業性を向上させることができる。

Ｂ．変形例：
Ｂ−１．変形例１：
上記実施形態では、テンションシャフト３００が鉄により形成され、上面部５０３（ケース５００）がアルミニウムにより形成されていたが、本発明はこれに限定されるものではない。上面部５０３を形成する材料の熱膨張係数が、テンションシャフト３００を形成する材料の熱膨張係数よりも大きければ、上面部５０３およびテンションシャフト３００の少なくとも一方は、上記実施形態以外の、他の任意の材料により形成されてもよい。例えば、上面部５０３をアルミニウム（熱膨張係数：２３×１０^−６／℃）により形成し、テンションシャフト３００をマルテンサイト系のステンレス鋼（ＳＵＳ４１０の熱膨張係数：９．９×１０^−６／℃）やチタン（熱膨張係数：８．４×１０^−６／℃）により形成してもよい。また、例えば、上面部５０３をオーステナイト系のステンレス鋼（ＳＵＳ３０４の熱膨張係数：１７．３×１０^−６／℃）により形成し、テンションシャフト３００を鉄（熱膨張係数：１１．７×１０^−６／℃）やマルテンサイト系のステンレス鋼（ＳＵＳ４１０の熱膨張係数：９．９×１０^−６／℃）により形成してもよい。このような構成によっても、実施形態の燃料電池装置１０と同様の効果を奏する。なお、テンションシャフト３００の積層方向ＳＤの寸法変化を、上面部５０３の積層方向ＳＤの寸法変化よりも十分に抑えるために、上面部５０３は、テンションシャフト３００と比べて十分大きい熱膨張係数を有する材料により形成されることが好ましい。例えば、上面部５０３を形成する材料の熱膨張係数は、テンションシャフト３００を形成する材料の熱膨張係数と比べて１．２倍以上大きいことが好ましく、１．５倍以上大きいことがより好ましく、１．８倍以上大きいことがさらに好ましい。

また、上記実施形態では、ケース５００は単一の材料により形成されていたが、上面部５０３とケース５００の他の部分とが、異なる材料により形成されていてもよい。かかる構成においても、上面部５０３の熱膨張係数が、テンションシャフト３００の熱膨張係数よりも大きいことにより、実施形態の燃料電池装置１０と同様の効果を奏する。すなわち、一般には、締結部材の熱膨張係数よりも大きな熱膨張係数のカバー部を、本発明の燃料電池装置１０に適用してもよい。

Ｂ−２．変形例２：
上記実施形態では、テンションシャフト３００において、第１のシャフト３１０と第２のシャフト３２０と第３のシャフト３３０とは、いずれも鉄により形成されていたが、本発明はこれに限定されるものではない。第１のシャフト３１０と第２のシャフト３２０と第３のシャフト３３０とのうち、少なくとも１つは、異なる材料により形成されていてもよい。かかる構成において、テンションシャフト３００の熱膨張係数とは、３つのシャフト３１０〜３３０の各熱膨張係数の平均値を意味する。この構成においても、テンションシャフト３００の熱膨張係数は、上面部５０３の熱膨張係数よりも小さい。なお、第１のシャフト３１０、第２のシャフト３２０、および第３のシャフト３３０の各熱膨張係数は、上面部５０３の熱膨張係数よりも、いずれも小さいことが好ましい。

Ｂ−３．変形例３：
上記実施形態におけるテンションシャフト３００の構成はあくまでも一例であり、種々変更可能である。例えば、テンションシャフト３００は、セルスタック１０２Ｓの底面の積層方向ＳＤに沿って形成された溝に収容される、２つ以上の第１のシャフト３１０を備えていてもよい。また、セルスタック１０２Ｓの底面と側面との境界において積層方向ＳＤに沿って形成された溝に収容される、２つ以上の第２のシャフト３２０および第３のシャフト３３０を備えていてもよい。また、第１のシャフト３１０と第２のシャフト３２０と第３のシャフト３３０とのうちの、いずれか１つまたは２つを省略してもよい。

また、第１のシャフト３１０と第２のシャフト３２０と第３のシャフト３３０とは、Ｙ軸に沿った方向に互いに所定の距離だけ離れて配置されていたが、Ｙ軸に沿った方向に並んで配置されていなくてもよく、互いに接して配置されていてもよい。

また、第１のシャフト３１０の断面形状と第２のシャフト３２０の断面形状と第３のシャフト３３０の断面形状とは、いずれも円形であったが、円形に代えて楕円形や多角形等の他の任意の断面形状をであってもよい。また、第１のシャフト３１０と第２のシャフト３２０と第３のシャフト３３０とのうちの、少なくとも１つは、異なる断面形状を有していてもよい。

また、実施形態において、第１のシャフト３１０の径は、第２のシャフト３２０および第３のシャフト３３０の径よりも大きかったが、第１のシャフト３１０の径は、第２のシャフト３２０および第３のシャフト３３０の径と同一でもよく、小さくてもよい。また、第２のシャフト３２０の径は、第３のシャフト３３０の径と異なっていてもよい。また、テンションシャフト３００は、１つの板状の部材により形成されていてもよい。この構成においても、テンションシャフト３００の断面積が上面部５０３の断面積よりも小さく、上面部５０３の剛性と比べてテンションシャフト３００の剛性が低い場合に、セルスタックにおけるテンションシャフト３００側と上面部５０３側との積層方向ＳＤの寸法変化の差を低減でき、各単セル１０２間の平行度の低下を抑制できる。ただし、テンションシャフト３００が複数の棒状の部材（第１のシャフト３１０と第２のシャフト３２０と第３のシャフト３３０）により形成される構成は、複数の棒状の部材と同一の断面積を有する板状の部材により形成される構成と比べて、セルスタック１０２Ｓの圧縮荷重により耐え得る点で好ましい。

Ｂ−４．変形例４：
上記実施形態では、上面部５０３は、積層方向ＳＤに沿って延設された第１の突出部５０１および第２の突出部５０２を備えていたが、本発明はこれに限定されるものではない。２つの突出部５０１，５０２のうちの、少なくとも一方を省略してもよく、−Ｙ方向の端部および＋Ｙ方向の端部にそれぞれ複数の突出部５０１，５０２を備えていてもよい。

Ｂ−５．変形例５：
上記実施形態では、積層方向ＳＤと垂直な方向に沿ったテンションシャフト３００の断面積は、上面部５０３の断面積よりも小さかったが、本発明はこれに限定されるものではない。テンションシャフト３００を形成する材料のヤング率が、上面部５０３を形成する材料のヤング率よりも小さい構成においては、積層方向ＳＤと垂直な方向に沿ったテンションシャフト３００の断面積は、上面部５０３の断面積と同じまたは大きくてもよい。例えば、ケース５００をオーステナイト系のステンレス鋼（ＳＵＳ３０４のヤング率：１９７ＧＰａ）により形成し、テンションシャフト３００をチタン（ヤング率：１０６ＧＰａ）により形成してもよい。この構成においても、テンションシャフト３００の剛性が上面部５０３の剛性よりも低くなり得る。この場合であっても、テンションシャフト３００と上面部５０３との寸法変化の差を低減できるので、セルスタック１０２Ｓにおけるテンションシャフト３００側と上面部５０３側との積層方向ＳＤの寸法変化の差を低減でき、各単セル１０２間の平行度の低下を抑制できる。

本発明は、上述の実施形態や変形例に限られるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲において種々の構成で実現することができる。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、変形例中の技術的特徴は、上述の課題の一部又は全部を解決するために、あるいは、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。

１０…燃料電池装置
１０２…単セル
１０２Ｓ…セルスタック
１０５…流路形成孔
１６０Ｅ…第１の集電板
１６０Ｆ…第２の集電板
１７０…プレッシャープレート
１８０…スタックマニホールド
１９０…エンドプレート
２５０…荷重調整ねじ
３００…テンションシャフト
３１０…第１のシャフト
３２０…第２のシャフト
３３０…第３のシャフト
４５０…ナット
４６０…ボルト
４７０…ボルト
５００…ケース
５０１…第１の突出部
５０２…第２の突出部
５０３…上面部
５１０…貫通孔
５２０…押圧部材挿入口
５３０…テンションシャフト挿入口
５５０…ロアカバー
６００…押圧部材
ＳＤ…積層方向

Claims

燃料電池装置であって、
積層された複数の単セルを有するセルスタックと、
前記複数の単セルの積層方向に沿った前記セルスタックの側面のうちの１つの側面を覆うカバー部を有するケースと、
前記カバー部の前記積層方向の一方の端部に接続され、前記セルスタックに対して前記積層方向の外側に配置されているエンドプレートと、
前記セルスタックを挟んで前記カバー部とは反対側において前記積層方向と平行に延設され、前記積層方向の一方の端部が前記エンドプレートに接続され、前記積層方向の他方の端部が前記ケースに接続され、前記セルスタックと前記エンドプレートと前記ケースとを前記積層方向に締結する締結部材と、
を備え、
前記締結部材の剛性は、前記カバー部の剛性よりも低く、
前記カバー部の熱膨張係数は、前記締結部材の熱膨張係数よりも大きい、
燃料電池装置。
請求項１に記載の燃料電池装置であって、
前記積層方向と垂直な方向に沿った前記締結部材の断面積は、前記積層方向と垂直な方向に沿った前記カバー部の断面積よりも小さい、
燃料電池装置。
請求項１または請求項２に記載の燃料電池装置であって、
前記ケースは、アルミニウムにより形成され、前記締結部材は、鉄により形成される、
燃料電池装置。
請求項１から請求項３までのいずれか一項に記載の燃料電池装置であって、
前記締結部材は、互いに離れて配置された複数の棒状の部材を有する、
燃料電池装置。