JP2020129438A - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】外周ケース部内のセル積層体の上方で電力導出部を外部接続部にねじ締結する際に切粉がセル積層体に落下することを防止することができる燃料電池システムを提供する。【解決手段】燃料電池システム１０の第１ターミナルプレート６２ａに接続される第１電力導出部９０ａは、外周ケース部８２内のセル積層体２２の上方の位置で第１接合部９４ａを介して第１外部接続部９２ａに電気的に接続される。第１接合部９４ａは、第１電力導出部９０ａと第１外部接続部９２ａとを互いにねじ締結するための締結部材１１２と、締結部材１１２のねじ締結部１５９を下方から覆うカバー部１１４と、を備える。【選択図】図３

Description

本発明は、燃料電池システムに関する。

例えば、特許文献１には、電解質膜・電極構造体とセパレータとを有する発電セルが複数積層されてなるセル積層体を備えた燃料電池システムが開示されている。セル積層体の積層方向の端部には、ターミナルプレートが配設されている。ターミナルプレートには、発電セルで発電した電力を外部に取り出すための電力導出部が電気的に接続される。

特許第４１７４０２５号公報

ところで、セル積層体を覆う外周ケース部内のセル積層体の上方において、特許文献１の図１２のように、電力導出部と外部接続部とを締結部材でねじ締結する場合、ねじ締結の際に発生する切粉がセル積層体に落下するおそれがある。

本発明は、このような課題を考慮してなされたものであり、外周ケース部内のセル積層体の上方で電力導出部を外部接続部にねじ締結する際に切粉がセル積層体に落下することを防止することができる燃料電池システムを提供することを目的とする。

本発明の一態様は、電解質膜・電極構造体とセパレータとを有する発電セルが複数積層されてなるセル積層体と、前記セル積層体を覆う外周ケース部と、前記セル積層体の積層方向の端部に配設されたターミナルプレートと、を備え、前記ターミナルプレートには、前記発電セルが発電した電力を外部に取り出すための電力導出部が電気的に接続された燃料電池システムであって、前記電力導出部は、前記外周ケース部内の前記セル積層体の上方の位置で接合部を介して外部接続部に電気的に接続され、前記接合部は、前記電力導出部と前記外部接続部とを互いにねじ締結するための締結部材と、前記締結部材のねじ締結部を下方から覆うカバー部と、を備える、燃料電池システムである。

本発明によれば、締結部材のねじ締結部を下方から覆うカバー部を備えているため、ねじ締結の際に発生する切粉をカバー部で受けることができる。これにより、外周ケース部内のセル積層体の上方で電力導出部を外部接続部にねじ締結する際に切粉がセル積層体に落下することを防止することができる。

本発明の一実施形態に係る燃料電池システムの一部断面平面図である。 発電セルの分解斜視図である。 図１のＩＩＩ−ＩＩＩ線に沿った一部省略断面図である。 第１内側インシュレータ及び第１ターミナルプレートの積層方向内側からの平面図である。 図１のＶ−Ｖ線に沿った一部省略断面図である。 第２内側インシュレータ及び第２ターミナルプレートの積層方向内側からの平面図である。 図７Ａは、カバー部の第２導体部に対する係合を示す第１の説明図であり、図７Ｂは、カバー部の第２導体部に対する係合を示す第２の説明図である。 変形例に係る第１電力導出部の断面説明図である。

以下、本発明に係る燃料電池システムについて好適な実施形態を挙げ、添付の図面を参照しながら説明する。

図１に示す燃料電池システム１０は、例えば、図示しない燃料電池電気自動車に搭載されるものである。ただし、燃料電池システム１０は、定置型としても用いることができる。

図１に示すように、燃料電池システム１０は、燃料電池スタック１２、燃料電池用補機１４、補機ケース１６及びコンタクタユニット１８（図３及び図５参照）を備える。

燃料電池スタック１２は、複数の発電セル２０が水平方向（矢印Ａ方向）に積層されてなるセル積層体２２を備える。発電セル２０は、燃料ガスと酸化剤ガスとの電気化学反応により発電する。発電セル２０は、例えば、横長（又は縦長）の長方形状の固体高分子型燃料電池である。

図２に示すように、発電セル２０の矢印Ｂ方向（水平方向）の一端縁部には、酸化剤ガス入口連通孔２４ａ、冷却媒体入口連通孔２６ａ及び燃料ガス出口連通孔２８ｂが矢印Ｃ方向（上下方向）に沿って設けられている。酸化剤ガス入口連通孔２４ａは、酸素含有ガス等の酸化剤ガスを供給する。冷却媒体入口連通孔２６ａは、純水、エチレングリコール、オイル等の冷却媒体を供給する。燃料ガス出口連通孔２８ｂは、水素含有ガス等の燃料ガスを排出する。

各発電セル２０に設けられた酸化剤ガス入口連通孔２４ａは、積層方向（矢印Ａ方向）に互いに連通する。各発電セル２０に設けられた冷却媒体入口連通孔２６ａは、積層方向に互いに連通する。各発電セル２０に設けられた燃料ガス出口連通孔２８ｂは、積層方向に互いに連通する。

発電セル２０の矢印Ｂ方向の他端縁部には、燃料ガス入口連通孔２８ａ、冷却媒体出口連通孔２６ｂ及び酸化剤ガス出口連通孔２４ｂが矢印Ｃ方向に沿って設けられている。燃料ガス入口連通孔２８ａは、燃料ガスを供給する。冷却媒体出口連通孔２６ｂは、冷却媒体を排出する。酸化剤ガス出口連通孔２４ｂは、酸化剤ガスを排出する。

各発電セル２０に設けられた燃料ガス入口連通孔２８ａは、積層方向に互いに連通する。各発電セル２０に設けられた冷却媒体出口連通孔２６ｂは、積層方向に互いに連通する。各発電セル２０に設けられた酸化剤ガス出口連通孔２４ｂは、積層方向に互いに連通する。

図２及び図３に示すように、発電セル２０は、枠付き電解質膜・電極構造体（以下、「枠付きＭＥＡ３０」という。）と、枠付きＭＥＡ３０の両側に配置された第１セパレータ３２及び第２セパレータ３４とを備える。

枠付きＭＥＡ３０は、電解質膜・電極構造体（以下、「ＭＥＡ３６」という。）と、ＭＥＡ３６の外周部に設けられた枠部材３８とを備える。ＭＥＡ３６は、電解質膜４０と、電解質膜４０の一方の面４０ａに設けられたカソード電極４２と、電解質膜４０の他方の面４０ｂに設けられたアノード電極４４とを有する。

電解質膜４０は、例えば、固体高分子電解質膜（陽イオン交換膜）である。固体高分子電解質膜は、例えば、水分を含んだパーフルオロスルホン酸の薄膜である。電解質膜４０は、カソード電極４２及びアノード電極４４に挟持される。電解質膜４０は、フッ素系電解質の他、ＨＣ（炭化水素）系電解質を使用することができる。

枠部材３８は、四角環状（四角枠状）に形成されている。枠部材３８の内周端部は、カソード電極４２の外周端部とアノード電極４４の外周端部に挟持されている。ただし、枠部材３８は、電解質膜４０に対して一体的に設けられていてもよい。

カソード電極４２は、電解質膜４０の一方の面４０ａに接合される第１電極触媒層と、第１電極触媒層に積層される第１ガス拡散層とを有する。アノード電極４４は、電解質膜４０の他方の面４０ｂに接合される第２電極触媒層と、第２電極触媒層に積層される第２ガス拡散層とを有する。

第１セパレータ３２及び第２セパレータ３４は、横長（又は縦長）の長方形状を有する。第１セパレータ３２及び第２セパレータ３４のそれぞれは、導電性を有する材料によって構成されている。具体的には、第１セパレータ３２及び第２セパレータ３４のそれぞれは、例えば、鋼板、ステンレス鋼板、アルミニウム板、めっき処理鋼板、あるいはその金属表面に防食用の表面処理を施した金属板や、カーボン部材等で構成される。

第１セパレータ３２の枠付きＭＥＡ３０に向かう面（以下、「表面３２ａ」という。）には、酸化剤ガス入口連通孔２４ａと酸化剤ガス出口連通孔２４ｂとに連通する酸化剤ガス流路４６が設けられる。

第１セパレータ３２の表面３２ａには、流体（酸化剤ガス、燃料ガス及び冷却媒体）の外部への漏れを防止するため、第１シールライン４８が設けられている。

図２において、第１シールライン４８は、酸化剤ガス入口連通孔２４ａ、酸化剤ガス流路４６及び酸化剤ガス出口連通孔２４ｂを周回し且つこれらを連通させる。また、第１シールライン４８は、冷却媒体入口連通孔２６ａ、冷却媒体出口連通孔２６ｂ、燃料ガス入口連通孔２８ａ及び燃料ガス出口連通孔２８ｂを個別に周回する。

図３において、第１シールライン４８は、枠付きＭＥＡ３０の枠部材３８に気密及び液密に当接する。第１シールライン４８は、第１ビードシール５０及び第１樹脂材５２を含む。第１ビードシール５０は、プレス成形によって、第１セパレータ３２の表面３２ａから枠付きＭＥＡ３０に向かって膨出成形される。第１樹脂材５２は、第１ビードシール５０の突出端面に印刷又は塗布等により固着される。

第１樹脂材５２は、枠部材３８に固着されていてもよい。第１樹脂材５２は、設けられていなくてもよい。この場合、第１ビードシール５０は、枠付きＭＥＡ３０の枠部材３８に直接当接する。第１シールライン４８は、第１ビードシール５０に代えて、枠付きＭＥＡ３０の枠部材３８に向かって突出する弾性体からなる凸状シール部を含んでいてもよい。

図２及び図３に示すように、第２セパレータ３４の枠付きＭＥＡ３０に向かう面（以下、「表面３４ａ」という。）には、燃料ガス入口連通孔２８ａと燃料ガス出口連通孔２８ｂとに連通する燃料ガス流路５４が設けられる。

第２セパレータ３４の表面３４ａには、流体（酸化剤ガス、燃料ガス及び冷却媒体）の外部への漏れを防止するため、第２シールライン５６が設けられている。

図２において、第２シールライン５６は、燃料ガス入口連通孔２８ａ、燃料ガス流路５４及び燃料ガス出口連通孔２８ｂを周回し且つこれらを連通させる。第２シールライン５６は、冷却媒体入口連通孔２６ａ、冷却媒体出口連通孔２６ｂ、酸化剤ガス入口連通孔２４ａ及び酸化剤ガス出口連通孔２４ｂを個別に周回する。

図３において、第２シールライン５６は、枠付きＭＥＡ３０の枠部材３８に気密及び液密に当接する。第２シールライン５６は、第２ビードシール５８及び第２樹脂材６０を含む。第２ビードシール５８は、プレス成形によって、第２セパレータ３４の表面３４ａから枠付きＭＥＡ３０に向かって膨出成形されている。第２樹脂材６０は、第２ビードシール５８の突出端面に印刷又は塗布等により固着される。

第２樹脂材６０は、枠部材３８に固着されていてもよい。第２樹脂材６０は、設けられていなくてもよい。この場合、第２ビードシール５８は、枠付きＭＥＡ３０の枠部材３８に直接当接する。第２シールライン５６は、第２ビードシール５８に代えて、枠付きＭＥＡ３０の枠部材３８に向かって突出する弾性体からなる凸状シール部を含んでいてもよい。

図２及び図３に示すように、互いに隣接する第１セパレータ３２の面３２ｂと第２セパレータ３４の面３４ｂとの間には、冷却媒体入口連通孔２６ａと冷却媒体出口連通孔２６ｂとに連通する冷却媒体流路６１が矢印Ｂ方向に延在して形成されている。冷却媒体流路６１は、燃料ガス流路５４の裏面形状と酸化剤ガス流路４６の裏面形状とによって形成される。

図１及び図３に示すように、セル積層体２２の積層方向一端（矢印Ａ１方向の端）には、第１ターミナルプレート６２ａ、第１内側インシュレータ６４ａ、第１外側インシュレータ６６ａ及び第１エンドプレート６８ａが外方に向かって順次配設される。

第１ターミナルプレート６２ａは、導電性を有する材料、例えば、銅、アルミニウム、ステンレス鋼、チタン、又はこれらを主成分とする金属により構成される。第１ターミナルプレート６２ａは、四角形状に形成されている（図４参照）。

第１内側インシュレータ６４ａ及び第１外側インシュレータ６６ａは、例えば、ポリカーボネート（ＰＣ）やフェノール樹脂等で形成される。第１内側インシュレータ６４ａ及び第１外側インシュレータ６６ａは、横長（又は縦長）の長方形状に形成されている（図４参照）。

第１内側インシュレータ６４ａと第１外側インシュレータ６６ａとは、互いに同一の材料、形状、大きさ等で構成されていてもよいし、互いに異なる材料、形状、大きさ等で構成されていてもよい。

図４において、第１内側インシュレータ６４ａ及び第１外側インシュレータ６６ａの矢印Ｂ方向の一端縁部には、酸化剤ガス入口連通孔２４ａ、冷却媒体入口連通孔２６ａ及び燃料ガス出口連通孔２８ｂが矢印Ｃ方向に沿って設けられている。第１内側インシュレータ６４ａ及び第１外側インシュレータ６６ａの矢印Ｂ方向の他端縁部には、燃料ガス入口連通孔２８ａ、冷却媒体出口連通孔２６ｂ及び酸化剤ガス出口連通孔２４ｂが矢印Ｃ方向に沿って設けられている。

図３及び図４に示すように、第１内側インシュレータ６４ａのうち積層方向内側に向かう面６４ａｉには、第１ターミナルプレート６２ａが配置される四角形状の第１凹部７０ａが形成されている。

第１内側インシュレータ６４ａのセル積層体２２に対向する面６４ａｉには、第１ターミナルプレート６２ａを周回するように流体（燃料ガス、酸化剤ガス、冷却媒体）の漏れを防止するための第１シール部７２ａが設けられている。第１シール部７２ａは、セル積層体２２の積層方向の一端（矢印Ａ１方向の端）に位置する第２セパレータ３４の第２シールライン５６に当接する。

図４において、第１シール部７２ａは、第１ターミナルプレート６２ａを周回する。また、第１シール部７２ａは、酸化剤ガス入口連通孔２４ａ、酸化剤ガス出口連通孔２４ｂ、冷却媒体入口連通孔２６ａ、冷却媒体出口連通孔２６ｂ、燃料ガス入口連通孔２８ａ及び燃料ガス出口連通孔２８ｂを個別に周回する。

図３及び図４に示すように、第１シール部７２ａは、第１内側インシュレータ６４ａの面６４ａｉに形成された第１シール凹部７４ａに配置される。第１シール部７２ａは、例えば、横断面が矩形状に形成されており、弾性を有する高分子材料からなる。このような高分子材料としては、例えば、シリコーンゴム、アクリルゴム、ニトリルゴム等が挙げられる。第１シール部７２ａは、第１シール凹部７４ａの底面に対して接合されている。第１シール部７２ａの位置、大きさ、形状等は、適宜設定可能である。

図１及び図５に示すように、セル積層体２２の積層方向他端（矢印Ａ２方向の端）には、第２ターミナルプレート６２ｂ、第２内側インシュレータ６４ｂ、第２外側インシュレータ６６ｂ及び第２エンドプレート６８ｂが外方に向かって順次配設される。

第２ターミナルプレート６２ｂは、導電性を有する材料、例えば、銅、アルミニウム、ステンレス鋼、チタン、又はこれらを主成分とする金属により構成される。第２ターミナルプレート６２ｂは、四角形状に形成されている（図６参照）。

第２内側インシュレータ６４ｂ及び第２外側インシュレータ６６ｂは、例えば、ポリカーボネート（ＰＣ）やフェノール樹脂等で形成される。第２内側インシュレータ６４ｂ及び第２外側インシュレータ６６ｂは、横長（又は縦長）の長方形状に形成されている（図６参照）。

第２内側インシュレータ６４ｂと第２外側インシュレータ６６ｂとは、互いに同一の材料、形状、大きさ等で構成されていてもよいし、互いに異なる材料、形状、大きさ等で構成されていてもよい。

図５及び図６に示すように、第２内側インシュレータ６４ｂのうち積層方向内側に向かう面６４ｂｉには、第２ターミナルプレート６２ｂが配置される四角形状の第２凹部７０ｂが形成されている。

第２内側インシュレータ６４ｂのセル積層体２２に対向する面６４ｂｉには、第２ターミナルプレート６２ｂを周回するように流体（燃料ガス、酸化剤ガス、冷却媒体）の漏れを防止するための第２シール部７２ｂが設けられている。第２シール部７２ｂは、セル積層体２２の積層方向の他端（矢印Ａ２方向の端）に位置する第１セパレータ３２の第１シールライン４８に当接する。第２シール部７２ｂは、第２ターミナルプレート６２ｂを周回する。

第２シール部７２ｂは、第２内側インシュレータ６４ｂの面６４ｂｉに形成された第２シール凹部７４ｂに配置される。第２シール部７２ｂは、例えば、横断面が矩形状に形成されており、弾性を有する高分子材料からなる。このような高分子材料としては、例えば、シリコーンゴム、アクリルゴム、ニトリルゴム等が挙げられる。第２シール部７２ｂは、第２シール凹部７４ｂの底面に対して接合されている。第２シール部７２ｂの位置、大きさ、形状等は、適宜設定可能である。

図１、図３及び図５に示すように、燃料電池スタック１２は、スタック本体７９（セル積層体２２、第１ターミナルプレート６２ａ、第１内側インシュレータ６４ａ、第１外側インシュレータ６６ａ、第２ターミナルプレート６２ｂ、第２内側インシュレータ６４ｂ及び第２外側インシュレータ６６ｂ）を収容するスタックケース８０を有する。

スタックケース８０は、外周ケース部８２、第１エンドプレート６８ａ及び第２エンドプレート６８ｂを有する。外周ケース部８２は、セル積層体２２の積層方向と直交する方向からスタック本体７９の側面を覆う。外周ケース部８２は、四角筒状に形成されている。外周ケース部８２は、下壁部（図示せず）、上壁部８２ｕ、左右の側壁部８２ｓを有する。上壁部８２ｕとセル積層体２２との間には、隙間Ｓが形成されている（図３及び図５参照）。

第１エンドプレート６８ａは、外周ケース部８２の一端にねじ部材等の複数の図示しない締結部材によって連結されている。第２エンドプレート６８ｂは、外周ケース部８２の他端にねじ部材等の複数の締結部材８４によって連結されている。第１エンドプレート６８ａ及び第２エンドプレート６８ｂは、セル積層体２２に積層方向内側の締付荷重を付与する。

図１において、燃料電池用補機１４は、インジェクタ、エゼクタ、水素ポンプ、バルブ類等の燃料ガス系補機（燃料ガス供給デバイス）を有する。補機ケース１６は、燃料電池用補機１４を保護する保護ケースであって、第１エンドプレート６８ａに連結されている。

図３及び図５において、コンタクタユニット１８は、上壁部８２ｕの外面（例えば、上面）に配置されている。コンタクタユニット１８は、スイッチボックスであって、コンタクタ８６（開閉器）と、コンタクタ８６を収容した状態で外周ケース部８２の外面に配置されたコンタクタケース８８とを含む。

図３に示すように、コンタクタ８６の図示しない入力端子には、第１外部接続部９２ａが電気的に接続されている。第１外部接続部９２ａは、コンタクタ８６の端子に電気的に接続する帯状のプレート（バスバー）である。第１外部接続部９２ａは、導電性を有する材料、例えば、銅、アルミニウム、ステンレス鋼、チタン、又はこれらを主成分とする金属によって形成されている。第１外部接続部９２ａは、第１ターミナルプレート６２ａに電気的に接続された第１電力導出部９０ａに対して第１接合部９４ａを介して電気的に接続されている。

第１電力導出部９０ａは、発電セル２０が発電した電力を外部に取り出すための電力線である。第１電力導出部９０ａは、第１導体部９６及び第２導体部９８を有する。第１導体部９６は、第１内側インシュレータ６４ａを積層方向に貫通するように積層方向に沿って延在した円柱部材である。

第１導体部９６は、円柱部材に限定されず、角柱部材、筒状部材等であってもよい。第１導体部９６は、導電性を有する材料、例えば、銅、アルミニウム、ステンレス鋼、チタン、又はこれらを主成分とする金属によって形成されている。第１導体部９６は、金属以外の導電性を有する材料で形成されていてもよい。

図３において、第１導体部９６のうちセル積層体２２側の端面９６ｉは、第１ターミナルプレート６２ａのうちセル積層体２２とは反対側の面に接合されている。第１導体部９６と第１ターミナルプレート６２ａとの接合手段は、溶接が好適であるが、ボルト、リベット、かしめ、接着剤等であってもよい。

図４において、第１導体部９６は、第１ターミナルプレート６２ａの中央よりも上方且つ側方にずれて位置している。第１導体部９６のうちセル積層体２２とは反対側の端面９６ｏには、ねじ穴１００が形成されている（図３参照）。

第１導体部９６の第１ターミナルプレート６２ａに対する接合位置は、適宜設定可能である。第１導体部９６及び第１ターミナルプレート６２ａは、一体成形品であってもよい。

図３に示すように、第２導体部９８は、帯状のプレート（バスバー）である。第２導体部９８は、導電性を有する材料、例えば、銅、アルミニウム、ステンレス鋼、チタン、又はこれらを主成分とする金属によって形成されている。第２導体部９８は、第１内側インシュレータ６４ａのセル積層体２２とは反対側（矢印Ａ１方向）に配置された状態で第１導体部９６から第１内側インシュレータ６４ａの外周端よりも外側に延出している。第２導体部９８は、第１エンドプレート６８ａよりもセル積層体２２の積層方向内側で第１接合部９４ａにより第１外部接続部９２ａに電気的に接続される。

第２導体部９８は、Ｌ字状の一体成形品であり、第１延出部１０２及び第２延出部１０４（延出部）を含む。第１延出部１０２は、第１内側インシュレータ６４ａに沿って矢印Ｃ方向（上下方向）に沿って延びている。具体的には、第１延出部１０２は、第１内側インシュレータ６４ａと第１外側インシュレータ６６ａとの間に配置されている。第１延出部１０２は、第１外側インシュレータ６６ａの面６６ａｉに形成された凹部１０５内に配置されている。

第１延出部１０２の一端部（下端部）には、ねじ部材である締結部材１０６が挿通する孔１０８が形成されている。締結部材１０６は、ねじ穴１００に螺合することにより、第１導体部９６と第２導体部９８とを互いに接合する。

締結部材１０６は、ねじ部材に限定されず、加締め、リベット等であってもよい。第１導体部９６及び第２導体部９８は、一体成形品であってもよい。第２導体部９８は、第１導体部９６に対して溶接又は接着されていてもよい。

第１延出部１０２の他端部（上端部、延出端部）は、上壁部８２ｕと第１外側インシュレータ６６ａとの間の隙間Ｓに位置している。第２延出部１０４は、第１延出部１０２の延出端部からセル積層体２２が位置する側（矢印Ａ２方向）に延出している。第２延出部１０４とセル積層体２２とは、互いに離間している。

第２延出部１０４の延出端部は、セル積層体２２と上壁部８２ｕとの間に位置している。第２延出部１０４の延出端部は、第１接合部９４ａを介して第１外部接続部９２ａに接続される。第２導体部９８は、第１延出部１０２に第２延出部１０４を接合することによって形成されていてもよい。

図３に示すように、第１接合部９４ａは、導電部材１１０、締結部材１１２及びカバー部１１４を有する。導電部材１１０は、例えば、銅、アルミニウム、ステンレス鋼、チタン、又はこれらを主成分とする金属によって形成されている。導電部材１１０は、円筒状に形成された導電部本体１１６と、導電部本体１１６に設けられた回り止め部１１８とを含む。

導電部本体１１６は、外周ケース部８２の上壁部８２ｕに形成された第１開口部１２０とコンタクタケース８８の下壁部８８ｌに形成された第２開口部１２２とを挿通するように上下方向に延在している。すなわち、導電部本体１１６の一端部はスタックケース８０内に位置し、導電部本体１１６の他端部はコンタクタケース８８内に位置している。

第１開口部１２０には、導電部本体１１６の外周面と第１開口部１２０を形成する壁面との間を気密にシールする第１環状シール部材１２４が設けられている。第２開口部１２２には、導電部本体１１６の外周面と第２開口部１２２を形成する壁面との間を気密にシールする第２環状シール部材１２６が設けられている。

導電部本体１１６の径方向外方には、外周ケース部８２の上面とコンタクタケース８８の下面との間を気密にシールする第３環状シール部材１２８が設けられている。第１環状シール部材１２４、第２環状シール部材１２６及び第３環状シール部材１２８は、セル積層体２２から漏出した燃料ガス（水素ガス）が外部に流出することを防止する。第１環状シール部材１２４、第２環状シール部材１２６及び第３環状シール部材１２８のそれぞれは、弾性を有する部材であり、例えば、ゴム部材から形成される。

導電部本体１１６の一端面（下端面）は、第１電力導出部９０ａの第２延出部１０４の上面に当接している。導電部本体１１６の他端面（上端面）は、第１外部接続部９２ａの下面に当接している。これにより、第１電力導出部９０ａと第１外部接続部９２ａとが導電部材１１０を介して互いに電気的に繋がる。導電部本体１１６は、円筒状に限定されず、角筒状に形成されていてもよい。

回り止め部１１８は、第２延出部１０４に対する導電部本体１１６の周方向の回転を阻止する。回り止め部１１８は、導電部本体１１６の一端面から下方に突出し、第２延出部１０４の延出端部に形成された孔１３０に挿入されている。ただし、第２延出部１０４の上面には、孔１３０に代えて回り止め部１１８が挿入される図示しない凹部が形成されていてもよい。

締結部材１１２は、第１電力導出部９０ａと第１外部接続部９２ａとを互いにねじ締結する。具体的には、締結部材１１２は、第２延出部１０４に固着されたナット１３２と、ナット１３２に螺合することにより第１外部接続部９２ａを下方に締め付けるボルト１３４とを有する。

ナット１３２は、第２延出部１０４の延出端部に形成された貫通孔１３６に圧入されている。ただし、ナット１３２は、貫通孔１３６を形成する壁面に溶接等によって接合されていてもよい。

ボルト１３４は、ボルト本体１３８と、ボルト本体１３８に設けられた押圧部１４０とを含む。ボルト本体１３８は、第２延出部１０４の貫通孔１３６と導電部本体１１６の内孔１４２と第１外部接続部９２ａに形成された貫通孔１４４とを挿通するように上下方向に延在している。ボルト本体１３８は、導電部本体１１６の全長よりも長い。ボルト本体１３８には、第１雄ねじ部１４６、大径部１４８及び第２雄ねじ部１５０が設けられている。また、ボルト本体１３８には、ボルト１３４を締め付けるための工具（スパナ）を掛けるための工具掛け部（スパナ掛け部）が設けられている。

第１雄ねじ部１４６は、ボルト本体１３８の一端部に形成されており、ナット１３２の雌ねじ部１５２に螺合する。大径部１４８は、ボルト本体１３８の長手方向の中央よりも一端側に位置するとともに第１雄ねじ部１４６に対して上方に隣接している。大径部１４８の外周面は、導電部本体１１６の内周面に接触（又は近接）している。大径部１４８の外周面には、大径部１４８と導電部本体１１６との間を気密にシールする環状のシール部材１５４が配設される環状溝１５６が形成されている。

このシール部材１５４によって、セル積層体２２から漏出した燃料ガスが導電部本体１１６とボルト本体１３８との間の隙間を介してコンタクタケース８８内に進入することを確実に防止することができる。第２雄ねじ部１５０は、大径部１４８からボルト本体１３８の他端部に亘って設けられている。第２雄ねじ部１５０には、押圧部１４０に形成された雌ねじ部１５８が螺合する。

押圧部１４０は、第２雄ねじ部１５０に螺合する雌ねじ部１５８が形成されたフランジナットである。押圧部１４０の最大外径は、第１外部接続部９２ａの貫通孔１４４の直径（孔径）よりも大きい。つまり、押圧部１４０は、第１外部接続部９２ａの上面に当接する。

カバー部１１４は、締結部材１１２のねじ締結部１５９（第１雄ねじ部１４６及び雌ねじ部１５２）を下方から覆う。カバー部１１４は、第２延出部１０４の下方に位置した状態で第２延出部１０４に設けられている。カバー部１１４は、樹脂材料による一体成形品である。

図３、図７Ａ及び図７Ｂに示すように、カバー部１１４は、第２延出部１０４の幅方向（矢印Ｂ方向）に延在したベース部１６０と、ベース部１６０の中央部に設けられた受け部１６２と、ベース部１６０の両端部に設けられた２つの係合部１６４とを有する。なお、図７Ａ及び図７Ｂでは、理解を容易にするため、第２延出部１０４とカバー部１１４のみを示している。

ベース部１６０は、長方形状のベース部本体１６６と、ベース部本体１６６の長手方向の両端部から上方に突出した２つの突出部１６８とを含む。ベース部本体１６６は、平板状に形成され、第２延出部１０４の下方に位置している。

図３において、ベース部本体１６６の上面と第２延出部１０４の下面との間には、シール部材１７０が設けられている。シール部材１７０は、多孔性の弾性シール部材である。つまり、シール部材１７０は、スポンジ状の発泡シール部材である。シール部材１７０は、ねじ締結部１５９（ナット１３２）を一周囲むように設けられている。

図７Ａ及び図７Ｂに示すように、突出部１６８は、ベース部本体１６６の全幅に亘って延在している。突出部１６８の突出端は、第２延出部１０４の下面よりも上方に位置する。突出部１６８の突出端部は、第２延出部１０４の側面に当接している。

図３及び図７Ａにおいて、受け部１６２は、ベース部本体１６６から下方に突出した周壁部１７２と、周壁部１７２の下端に設けられた底壁部１７４とを含む。周壁部１７２の内径は、ナット１３２の外径よりも大きい。底壁部１７４は、円形状に形成されている。底壁部１７４の中心は、ボルト１３４の軸線上に位置する。受け部１６２には、ボルト１３４及びナット１３２の一部を収容する空間１７６が形成されている。

図７Ａ及び図７Ｂにおいて、２つの係合部１６４は、第２延出部１０４の幅方向の両側に係合する。係合部１６４は、弾性変形する爪形状である。つまり、係合部１６４は、突出部１６８の突出端面から上方（ベース部本体１６６とは反対方向）に突出した脚部１７８と、脚部１７８の突出端部に設けられた爪部１８０とを有する。脚部１７８は、ベース部本体１６６の長手方向（矢印Ｂ方向）に弾性変形可能である。爪部１８０には、ベース部本体１６６に平行な平坦面１８０ａと、ベース部本体１６６から離間する方向に向かって受け部１６２が位置する側とは反対側に傾斜した傾斜面１８０ｂとが形成されている。

図５に示すように、コンタクタ８６の図示しない入力端子には、第２外部接続部９２ｂが電気的に接続されている。第２外部接続部９２ｂは、コンタクタ８６の図示しない端子に電気的に接続する帯状のプレート（バスバー）である。第２外部接続部９２ｂは、導電性を有する材料、例えば、銅、アルミニウム、ステンレス鋼、チタン、又はこれらを主成分とする金属によって形成されている。第２外部接続部９２ｂは、第２ターミナルプレート６２ｂに電気的に接続された第２電力導出部９０ｂに対して第２接合部９４ｂを介して電気的に接続されている。

第２電力導出部９０ｂ及び第２接合部９４ｂは、第１電力導出部９０ａ及び第１接合部９４ａと同様に構成されている。そのため、第２電力導出部９０ｂ及び第２接合部９４ｂの構成の説明については省略する。

次に、第１電力導出部９０ａと第１外部接続部９２ａとを第１接合部９４ａで接合する方法について説明する。なお、第２電力導出部９０ｂと第２外部接続部９２ｂとを第２接合部９４ｂで接合する方法の説明については、第１接合部９４ａの接合方法と同様であるため省略する。

図３、図７Ａ及び図７Ｂに示すように、第１電力導出部９０ａと第１外部接続部９２ａとを第１接合部９４ａで接合する場合、予めカバー部１１４を第１電力導出部９０ａの第２延出部１０４に装着しておく。具体的には、受け部１６２の底壁部１７４をナット１３２に対向させるとともに第２延出部１０４の幅方向の角部に各爪部１８０の傾斜面１８０ｂを接触させた状態でベース部１６０を第２延出部１０４側に押圧する。

そうすると、２つの脚部１７８が互いに離間するように弾性変形するとともに傾斜面１８０ｂが第２延出部１０４の角部を滑り、２つの爪部１８０が第２延出部１０４を乗り越える。これにより、カバー部１１４が第２延出部１０４に装着される。カバー部１１４を第２延出部１０４に装着した状態で爪部１８０の平坦面１８０ａは、第２延出部１０４の平面（上面）に接触している。

その後、カバー部１１４を第２延出部１０４に対して第２延出部１０４の長手方向にスライドさせることにより、ナット１３２と受け部１６２との位置を微調整する。そして、導電部材１１０の回り止め部１１８を第２延出部１０４の孔１３０に挿入し、導電部本体１１６を第２延出部１０４と第１外部接続部９２ａとで挟む。

次いで、押圧部１４０の雌ねじ部１５８をボルト１３４の第２雄ねじ部１５０に螺合させる。そして、この状態でボルト１３４を上方から導電部本体１１６の内孔１４２に通してボルト１３４の大径部１４８を導電部本体１１６の内孔１４２に配置し、ボルト１３４の第１雄ねじ部１４６をナット１３２の雌ねじ部１５２に螺合する。

これにより、押圧部１４０が第１外部接続部９２ａを下方に押圧するため、第１外部接続部９２ａと第２延出部１０４とが導電部材１１０を介して確実に接続される。この際、第１雄ねじ部１４６とナット１３２の雌ねじ部１５２とのねじ締結によって発生した金属の切粉は受け部１６２の底壁部１７４に落下する。つまり、切粉は、セル積層体２２に触れることはない。

次に、上記のように構成された燃料電池システム１０の作用を説明する。

図２に示すように、酸素含有ガス等の酸化剤ガス、例えば、空気は、酸化剤ガス入口連通孔２４ａに供給される。水素含有ガス等の燃料ガスは、燃料ガス入口連通孔２８ａに供給される。純水やエチレングリコール、オイル等の冷却媒体は、冷却媒体入口連通孔２６ａに供給される。

酸化剤ガスは、酸化剤ガス入口連通孔２４ａから第１セパレータ３２の酸化剤ガス流路４６に導入される。そして、酸化剤ガスは、酸化剤ガス流路４６に沿って矢印Ｂ方向に移動し、ＭＥＡ３６のカソード電極４２に供給される。

一方、燃料ガスは、燃料ガス入口連通孔２８ａから第２セパレータ３４の燃料ガス流路５４に導入される。そして、燃料ガスは、燃料ガス流路５４に沿って矢印Ｂ方向に移動し、ＭＥＡ３６のアノード電極４４に供給される。

従って、各ＭＥＡ３６では、カソード電極４２に供給される酸化剤ガスと、アノード電極４４に供給される燃料ガスとが、第１電極触媒層及び第２電極触媒層内で電気化学反応により消費されて、発電が行われる。

次いで、カソード電極４２に供給されて消費された酸化剤ガスは、酸化剤ガス流路４６から酸化剤ガス出口連通孔２４ｂへと流動し、酸化剤ガス出口連通孔２４ｂに沿って矢印Ａ方向に排出される。同様に、アノード電極４４に供給されて消費された燃料ガスは、燃料ガス流路５４から燃料ガス出口連通孔２８ｂへと流動し、燃料ガス出口連通孔２８ｂに沿って矢印Ａ方向に排出される。

また、冷却媒体入口連通孔２６ａに供給された冷却媒体は、互いに接合された第１セパレータ３２と第２セパレータ３４との間に形成された冷却媒体流路６１に導入された後、矢印Ｂ方向に流れる。この冷却媒体は、ＭＥＡ３６を冷却した後、冷却媒体出口連通孔２６ｂから排出される。

この場合、本実施形態に係る燃料電池スタック１２は、以下の効果を奏する。

電力導出部（第１電力導出部９０ａ及び第２電力導出部９０ｂ）は、外周ケース部８２内のセル積層体２２の上方の位置で接合部（第１接合部９４ａ及び第２接合部９４ｂ）を介して外部接続部（第１外部接続部９２ａ及び第２外部接続部９２ｂ）に電気的に接続されている。接合部（第１接合部９４ａ及び第２接合部９４ｂ）は、電力導出部（第１電力導出部９０ａ及び第２電力導出部９０ｂ）と外部接続部（第１外部接続部９２ａ及び第２外部接続部９２ｂ）とを互いにねじ締結するための締結部材１１２と、締結部材１１２のねじ締結部１５９を下方から覆うカバー部１１４と、を備える。

このような構成によれば、締結部材１１２のねじ締結部１５９を下方から覆うカバー部１１４を備えているため、ねじ締結の際に発生する切粉をカバー部１１４で受けることができる。これにより、外周ケース部８２内のセル積層体２２の上方で電力導出部（第１電力導出部９０ａ及び第２電力導出部９０ｂ）を外部接続部（第１外部接続部９２ａ及び第２外部接続部９２ｂ）にねじ締結する際に切粉がセル積層体２２に落下することを防止することができる。

外部接続部（第１外部接続部９２ａ及び第２外部接続部９２ｂ）は、外周ケース部８２の外側に位置し、接合部（第１接合部９４ａ及び第２接合部９４ｂ）は、外周ケース部８２におけるセル積層体２２の上方に位置する上壁部８２ｕに形成された開口部（第１開口部１２０）に挿通した導電部材１１０を有する。締結部材１１２は、電力導出部（第１電力導出部９０ａ及び第２電力導出部９０ｂ）と外部接続部（第１外部接続部９２ａ及び第２外部接続部９２ｂ）との間に導電部材１１０が挟持されるように電力導出部（第１電力導出部９０ａ及び第２電力導出部９０ｂ）と外部接続部（第１外部接続部９２ａ及び第２外部接続部９２ｂ）との間に締付力を付与する。

このような構成によれば、導電部材１１０を介して電力導出部（第１電力導出部９０ａ及び第２電力導出部９０ｂ）と外部接続部（第１外部接続部９２ａ及び第２外部接続部９２ｂ）とを確実に接続することができる。

カバー部１１４は、電力導出部（第１電力導出部９０ａ及び第２電力導出部９０ｂ）の下方に位置した状態で電力導出部（第１電力導出部９０ａ及び第２電力導出部９０ｂ）に設けられている。

このような構成によれば、接合部（第１接合部９４ａ及び第２接合部９４ｂ）をコンパクトに構成することができる。

電力導出部（第１電力導出部９０ａ及び第２電力導出部９０ｂ）は、セル積層体２２の端部側から積層方向に沿ってセル積層体２２の積層方向内方に延出した延出部（第２延出部１０４）を含み、カバー部１１４は、延出部（第２延出部１０４）の幅方向の両側に係合する係合部１６４を有する。

このような構成によれば、カバー部１１４の構成を簡素化することができる。

係合部１６４は、弾性変形する爪形状である。

このような構成によれば、カバー部１１４を延出部（第２延出部１０４）に対して簡単に装着することができる。

カバー部１１４と延出部（第２延出部１０４）との間には、シール部材１７０が設けられている。

このような構成によれば、カバー部１１４で受けた切粉がカバー部１１４と延出部（第２延出部１０４）との間の隙間から落下することを抑えることができる。

シール部材１７０は、多孔性の弾性シール部材である。

このような構成によれば、カバー部１１４と延出部（第２延出部１０４）との間にシール部材１７０を容易且つ確実に設けることができる。

締結部材１１２は、電力導出部（第１電力導出部９０ａ及び第２電力導出部９０ｂ）に固着されたナット１３２と、ナット１３２に螺合することにより外部接続部（第１外部接続部９２ａ及び第２外部接続部９２ｂ）を下方に締め付けるボルト１３４と、を有する。

このような構成によれば、接合部（第１接合部９４ａ及び第２接合部９４ｂ）を簡易な構成にすることができる。

本発明は、上述した構成に限定されない。図８に示すように、第１電力導出部９０ａは、第２導体部９８と同様に形成された導体部１９０が第１ターミナルプレート６２ａの上面に直接接続するように形成されていてもよい。導体部１９０は、第１シール部７２ａの裏側（積層方向外方）を通り、インシュレータ１９２の外側に延出している。そのため、第１シール部７２ａのシール性を確保することができる。

第１ターミナルプレート６２ａに対する導体部１９０の接続位置は、任意に設定可能である。導体部１９０及び第１ターミナルプレート６２ａは、一体成形品であってもよい。第２電力導出部９０ｂは、図８に示す第１電力導出部９０ａと同様に、導体部１９０を有していてもよい。

本発明に係る燃料電池システムは、上述の実施形態に限らず、本発明の要旨を逸脱することなく、種々の構成を採り得ることはもちろんである。

１０…燃料電池システム ２０…発電セル
２２…セル積層体 ３２…第１セパレータ
３４…第２セパレータ ３６…ＭＥＡ（電解質膜・電極構造体）
６２ａ…第１ターミナルプレート ６２ｂ…第２ターミナルプレート
８２…外周ケース部 ８２ｕ…上壁部
９０ａ…第１電力導出部 ９０ｂ…第２電力導出部
９２ａ…第１外部接続部 ９２ｂ…第２外部接続部
９４ａ…第１接合部 ９４ｂ…第２接合部
１０４…第２延出部（延出部） １１０…導電部材
１１２…締結部材 １１４…カバー部
１２０…第１開口部（開口部） １３２…ナット
１３４…ボルト １５９…ねじ締結部
１６４…係合部 １７０…シール部材

Claims (8)

1. 電解質膜・電極構造体とセパレータとを有する発電セルが複数積層されてなるセル積層体と、前記セル積層体を覆う外周ケース部と、前記セル積層体の積層方向の端部に配設されたターミナルプレートと、を備え、
   前記ターミナルプレートには、前記発電セルが発電した電力を外部に取り出すための電力導出部が電気的に接続された燃料電池システムであって、
   前記電力導出部は、前記外周ケース部内の前記セル積層体の上方の位置で接合部を介して外部接続部に電気的に接続され、
   前記接合部は、
   前記電力導出部と前記外部接続部とを互いにねじ締結するための締結部材と、
   前記締結部材のねじ締結部を下方から覆うカバー部と、を備える、燃料電池システム。
2. 請求項１記載の燃料電池システムであって、
   前記外部接続部は、前記外周ケース部の外側に位置し、
   前記接合部は、前記外周ケース部における前記セル積層体の上方に位置する上壁部に形成された開口部に挿通した導電部材を有し、
   前記締結部材は、前記電力導出部と前記外部接続部との間に導電部材が挟持されるように前記電力導出部と前記外部接続部との間に締付力を付与する、燃料電池システム。
3. 請求項１又は２に記載の燃料電池システムであって、
   前記カバー部は、前記電力導出部の下方に位置した状態で前記電力導出部に設けられている、燃料電池システム。
4. 請求項３記載の燃料電池システムであって、
   前記電力導出部は、前記セル積層体の端部側から前記積層方向に沿って前記セル積層体の積層方向内方に延出した延出部を含み、
   前記カバー部は、前記延出部の幅方向の両側に係合する係合部を有する、燃料電池システム。
5. 請求項４記載の燃料電池システムであって、
   前記係合部は、弾性変形する爪形状である、燃料電池システム。
6. 請求項４又は５に記載の燃料電池システムであって、
   前記カバー部と前記延出部との間には、シール部材が設けられている、燃料電池システム。
7. 請求項６記載の燃料電池システムであって、
   前記シール部材は、多孔性の弾性シール部材である、燃料電池システム。
8. 請求項１〜７のいずれか１項に記載の燃料電池システムであって、
   前記締結部材は、
   前記電力導出部に固着されたナットと、
   前記ナットに螺合することにより前記外部接続部を下方に締め付けるボルトと、を有する、燃料電池システム。

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