JP6307542B2 - 燃料電池システム - Google Patents

Description

本発明は、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を有し、複数の前記発電セルが積層された燃料電池スタックと、前記燃料電池スタックが収容されるスタックケースとを備える燃料電池システムに関する。

例えば、固体高分子型燃料電池は、高分子イオン交換膜からなる電解質膜の一方の面にアノード電極が、他方の面にカソード電極が、それぞれ配設された電解質膜・電極構造体（ＭＥＡ）を備えている。電解質膜・電極構造体は、セパレータによって挟持されることにより、発電セルを構成している。燃料電池は、通常、所定の数の発電セルが積層されることにより、例えば、車載用燃料電池スタックとして燃料電池車両（燃料電池電気自動車等）に組み込まれている。

車載用燃料電池スタックでは、揺れや振動の他、外部荷重が付与され易い。従って、燃料電池スタック全体の剛性を確保するため、前記燃料電池スタックをボックス内に収容する構成が採用されている。そして、容易に軽量化を図るとともに、外部荷重を確実に受けることができ、燃料電池スタックを良好に保護することを可能にするために、車載用燃料電池システムが提供されている（特許文献１）。

この車載用燃料電池システムは、燃料電池スタックと、前記燃料電池スタックを収容するボックスとを備えている。ボックスは、２枚のサイドプレート、アッパープレート、ダウンプレート及び一対のエンドプレートを有している。少なくともアッパープレート又はダウンプレートは、矩形状を有し、一方の対角を構成する一対の角部が、一対のエンドプレートに結合されるとともに、他方の対角を構成する一対の角部が、一対のサイドプレートに結合されている。

特開２０１４−０９６２８５号公報

本発明は、この種の技術に関連してなされたものであり、簡単な構成で、所望のシール性を確実に得ることが可能な燃料電池システムを提供することを目的とする。

本発明に係る燃料電池システムは、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を有し、複数の前記発電セルが積層された燃料電池スタックと、前記燃料電池スタックが収容されるスタックケースとを備えている。

スタックケースは、発電セルの積層方向両端に配置される一対のエンドプレートを備えている。スタックケースは、さらに発電セルの側面に沿って配置される一対のサイドプレート、前記発電セルの上方に配置される上プレート及び前記発電セルの下方に配置される下プレートを備えている。

この燃料電池システムでは、エンドプレート及びサイドプレートと上プレート及び下プレートとには、互いに接合される第１接合面と第２接合面とが設けられている。第１接合面と第２接合面とは、互いに重なり合った状態で、締結部材により一体に接合されている。そして、第１接合面には、第２接合面から離間する方向に切り欠いてシール部材が配設される段差部が設けられ、且つ、前記締結部材は、前記第１接合面において前記シール部材の外側に配置されている。

また、この燃料電池システムでは、段差部は、エンドプレート及びサイドプレートの燃料電池スタック側の内面まで延在していることが好ましい。

さらに、この燃料電池システムでは、締結部材の座面は、シール部材の外側に配置されていることが好ましい。

本発明によれば、エンドプレート及びサイドプレートの第１接合面に設けられた段差部にシール部材が配設されるとともに、前記シール部材の外側に締結部材が配置されている。このため、シール部材の内側にガスを気密に保持することができ、前記ガスが締結部材から外方に漏れることを可及的に抑制することが可能になる。従って、簡単な構成で、所望のシール性を確実に得ることができる。

本発明の実施形態に係る燃料電池システムを搭載する燃料電池電気自動車の概略平面説明図である。 前記燃料電池システムを構成するスタックケースの一部分解斜視説明図である。 前記燃料電池システムの前記スタックケースの一部を省略した要部分解斜視説明図である。 燃料電池スタックを構成する発電セルの要部分解斜視説明図である。 前記スタックケースの、図２中、Ｖ−Ｖ線断面図である。 前記スタックケースの一部を省略した前記燃料電池スタックの平面説明図である。

図１に示すように、本発明の実施形態に係る燃料電池システム１０は、燃料電池電気自動車（燃料電池車両）１２のフロントボックス（所謂、モータルーム）１２ｆに搭載される。なお、燃料電池システム１０の収容場所は、フロントボックス１２ｆに限定されるものではなく、例えば、車両中央部床下や後部トランク近傍であってもよい。

燃料電池システム１０は、図２及び図３に示すように、複数の発電セル１４が積層された燃料電池スタック１６と、前記燃料電池スタック１６が収容されるスタックケース１８とを備える。発電セル１４は、電極面を立位姿勢にして燃料電池電気自動車１２の車長方向（車両前後方向）（矢印Ａ方向）に交差する車幅方向（矢印Ｂ方向）に積層される。なお、発電セル１４は、鉛直方向（車高方向）（矢印Ｃ方向）に積層されてもよい。

複数の発電セル１４が矢印Ｂ方向に積層されて積層体１４ａｓが構成される。積層体１４ａｓの積層方向一端には、第１ターミナルプレート２０ａ、第１絶縁プレート２２ａ及び第１エンドプレート２４ａが、外方に向かって、順次、配設される。積層体１４ａｓの積層方向他端には、第２ターミナルプレート２０ｂ、第２絶縁プレート２２ｂ及び第２エンドプレート２４ｂが、外方に向かって、順次、配設される。

横長形状（長方形状）の第１エンドプレート２４ａの略中央部（中央部から偏心してもよい）からは、第１ターミナルプレート２０ａに接続された第１電力出力端子２６ａが外方に向かって延在する。横長形状（長方形状）の第２エンドプレート２４ｂの略中央部からは、第２ターミナルプレート２０ｂに接続された第２電力出力端子２６ｂが外方に向かって延在する（図２参照）。

第１エンドプレート２４ａと第２エンドプレート２４ｂとの各辺間には、それぞれ各辺の中央位置に一定の長さを有する連結バー２８が配置される。連結バー２８の両端は、ねじ３０により第１エンドプレート２４ａと第２エンドプレート２４ｂとに固定され、複数の積層された発電セル１４（積層体１４ａｓ）に積層方向（矢印Ｂ方向）の締め付け荷重を付与する。

図４に示すように、発電セル１４は、電解質膜・電極構造体（ＭＥＡ）３２と、前記電解質膜・電極構造体３２を挟持するカソードセパレータ３４及びアノードセパレータ３６とを備える。発電セル１４の４つの角部は、それぞれ湾曲形状を有する。

カソードセパレータ３４及びアノードセパレータ３６は、例えば、鋼板、ステンレス鋼板、チタン板、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製薄板により構成される。カソードセパレータ３４及びアノードセパレータ３６は、平面が矩形状を有するとともに、金属製薄板を波形状にプレス加工することにより、断面凹凸形状に成形される。なお、カソードセパレータ３４及びアノードセパレータ３６は、金属セパレータに代えて、例えば、カーボンセパレータを使用してもよい。

カソードセパレータ３４及びアノードセパレータ３６は、横長形状を有するとともに、長辺が水平方向（矢印Ａ方向）に延在し且つ短辺が重力方向（矢印Ｃ方向）に延在する。

発電セル１４の長辺方向（矢印Ａ方向）の一端縁部には、それぞれ矢印Ｂ方向に個別に連通して、酸化剤ガス供給連通孔３８ａ及び燃料ガス供給連通孔４０ａが設けられる。酸化剤ガス供給連通孔３８ａは、酸化剤ガス、例えば、酸素含有ガスを供給する一方、燃料ガス供給連通孔４０ａは、燃料ガス、例えば、水素含有ガスを供給する。

発電セル１４の長辺方向の他端縁部には、それぞれ矢印Ｂ方向に個別に連通して、燃料ガスを排出するための燃料ガス排出連通孔４０ｂと、酸化剤ガスを排出するための酸化剤ガス排出連通孔３８ｂとが設けられる。

発電セル１４の短辺方向（矢印Ｃ方向）の両端縁部には、水平方向一端側に、すなわち、酸化剤ガス供給連通孔３８ａ及び燃料ガス供給連通孔４０ａ側に、２つの冷却媒体供給連通孔４２ａが設けられる。２つの冷却媒体供給連通孔４２ａは、冷却媒体を供給するために、それぞれ矢印Ｂ方向に個別に連通しており、対向する辺に上下に設けられる。

発電セル１４の短辺方向の両端縁部には、水平方向他端側に、すなわち、燃料ガス排出連通孔４０ｂ及び酸化剤ガス排出連通孔３８ｂ側に、２つの冷却媒体排出連通孔４２ｂが設けられる。２つの冷却媒体排出連通孔４２ｂは、冷却媒体を排出するために、それぞれ矢印Ｂ方向に個別に連通しており、対向する辺に上下に設けられる。

電解質膜・電極構造体３２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固体高分子電解質膜４４と、前記固体高分子電解質膜４４を挟持するカソード電極４６及びアノード電極４８とを備える。

カソード電極４６及びアノード電極４８は、カーボンペーパ等からなるガス拡散層（図示せず）と、白金合金が表面に担持された多孔質カーボン粒子が前記ガス拡散層の表面に一様に塗布されて形成される電極触媒層（図示せず）とを有する。電極触媒層は、固体高分子電解質膜４４の両面に形成される。

カソードセパレータ３４の電解質膜・電極構造体３２に向かう面３４ａには、酸化剤ガス供給連通孔３８ａと酸化剤ガス排出連通孔３８ｂとを連通する酸化剤ガス流路５０が形成される。酸化剤ガス流路５０は、矢印Ａ方向に延在する複数本の波状流路溝（又は直線状流路溝）により形成される。

アノードセパレータ３６の電解質膜・電極構造体３２に向かう面３６ａには、燃料ガス供給連通孔４０ａと燃料ガス排出連通孔４０ｂとを連通する燃料ガス流路５２が形成される。燃料ガス流路５２は、矢印Ａ方向に延在する複数本の波状流路溝（又は直線状流路溝）により形成される。なお、酸化剤ガス流路５０と燃料ガス流路５２とは、互いに同一の流れ方向を有する並行流を構成しているが、これに限定されるものではなく、互いに異なる流れ方向を有する対向流を構成してもよい。

互いに隣接するアノードセパレータ３６の面３６ｂとカソードセパレータ３４の面３４ｂとの間には、一対の冷却媒体供給連通孔４２ａと一対の冷却媒体排出連通孔４２ｂとに連通する冷却媒体流路５４が形成される。冷却媒体流路５４は、水平方向に延在しており、電解質膜・電極構造体３２の電極範囲に亘って冷却媒体を流通させる。

カソードセパレータ３４の面３４ａ、３４ｂには、このカソードセパレータ３４の外周端縁部を周回して第１シール部材５６が一体成形される。アノードセパレータ３６の面３６ａ、３６ｂには、このアノードセパレータ３６の外周端縁部を周回して第２シール部材５８が一体成形される。

第１シール部材５６及び第２シール部材５８としては、例えば、ＥＰＤＭ、ＮＢＲ、フッ素ゴム、シリコーンゴム、フロロシリコーンゴム、ブチルゴム、天然ゴム、スチレンゴム、クロロプレーン又はアクリルゴム等のシール材、クッション材、あるいはパッキン材等の弾性を有するシール部材が用いられる。

図２及び図３に示すように、第１エンドプレート２４ａには、酸化剤ガス供給マニホールド部材６０ａ、酸化剤ガス排出マニホールド部材６０ｂ、燃料ガス供給マニホールド部材６２ａ及び燃料ガス排出マニホールド部材６２ｂが取り付けられる。

酸化剤ガス供給マニホールド部材６０ａと酸化剤ガス排出マニホールド部材６０ｂとは、酸化剤ガス供給連通孔３８ａと酸化剤ガス排出連通孔３８ｂとに連通する。燃料ガス供給マニホールド部材６２ａ及び燃料ガス排出マニホールド部材６２ｂは、燃料ガス供給連通孔４０ａ及び燃料ガス排出連通孔４０ｂに連通する。

図１に示すように、第２エンドプレート２４ｂには、一対の冷却媒体供給連通孔４２ａに連通する冷却媒体供給マニホールド部材６３ａが取り付けられる。第２エンドプレート２４ｂには、一対の冷却媒体排出連通孔４２ｂに連通する冷却媒体排出マニホールド部材６３ｂが取り付けられる。

図２及び図３に示すように、第１エンドプレート２４ａ及び第２エンドプレート２４ｂの上部には、後述する上プレート７６に接合される第１上接合面６４ｕが設けられる。第１上接合面６４ｕの車長方向両端部には、各角部にそれぞれ内側に湾曲する湾曲面６４ｕｆ、６４ｕｂが形成される。

第１上接合面６４ｕには、積層体１４ａｓ側の上面を上プレート７６から離間する方向（下方向）に所定の深さだけ切り欠いて、上段差部６６ｕが矢印Ａ方向全面に亘って設けられる。上段差部６６ｕは、第１エンドプレート２４ａ及び第２エンドプレート２４ｂの燃料電池スタック１６側の内面まで延在して、すなわち、片側溝形状を有して形成される。図２、図３及び図５に示すように、第１上接合面６４ｕには、上段差部６６ｕの外方に位置して所定数の座面６８が形成され、各座面６８には、ねじ穴６８ａが設けられる。

第１エンドプレート２４ａ及び第２エンドプレート２４ｂの下部には、後述する下プレート７８に接合される第１下接合面６４ｄが設けられる。第１下接合面６４ｄの車長方向両端部には、各角部にそれぞれ内側に湾曲する湾曲面６４ｄｆ、６４ｄｂが形成される。

第１下接合面６４ｄには、積層体１４ａｓ側の下面を下プレート７８から離間する方向（上方向）に所定の深さだけ切り欠いて、下段差部６６ｄが矢印Ａ方向全面に亘って設けられる。図５に示すように、下段差部６６ｄは、第１エンドプレート２４ａ及び第２エンドプレート２４ｂの燃料電池スタック１６側の内面まで延在して、すなわち、片側溝形状を有して形成される。

第１下接合面６４ｄには、上段差部６６ｕと同様に、下段差部６６ｄの外方に位置して所定数の座面６８が形成され、各座面６８には、ねじ穴６８ａが設けられる。なお、湾曲面６４ｕｆ、６４ｄｆと湾曲面６４ｕｂ、６４ｄｂとは、それぞれ異なる曲率半径に設定されるが、同一の曲率半径を有してもよい。

図２及び図３に示すように、第１エンドプレート２４ａ及び第２エンドプレート２４ｂの矢印Ａ方向両端（両短辺）には、それぞれ外方に突出する肉薄の突起部６７が形成される。突起部６７の内側（積層体１４ａｓ側）には、シール面７０ａが形成される。シール面７０ａは、後述する前方サイドプレート７２及び後方サイドプレート７４に対向し且つ上下方向に平坦状に延在する。第１エンドプレート２４ａ及び第２エンドプレート２４ｂの外周面には、複数の座面６８が形成され、各座面６８には、ねじ穴６８ａが形成される。

スタックケース１８は、車幅方向（矢印Ｂ方向）両端の２面が第１エンドプレート２４ａ及び第２エンドプレート２４ｂにより構成される。スタックケース１８の車長方向（矢印Ａ方向）両端の２面は、横長プレート形状の前方サイドプレート７２及び後方サイドプレート７４により構成される。スタックケース１８の車高方向（矢印Ｃ方向）両端の２面は、上プレート７６及び下プレート７８により構成される。上プレート７６及び下プレート７８は、横長プレート形状を有する。

なお、スタックケース１８は、第１エンドプレート２４ａ及び第２エンドプレート２４ｂとは別部材で構成される一対のエンドプレートを用いてもよい。その際、最外位置に配置される一対のエンドプレートの外周部は、第１エンドプレート２４ａ及び第２エンドプレート２４ｂの外周部と同様に構成される。

前方サイドプレート７２及び後方サイドプレート７４は、例えば、押し出し成形や鋳造、又は機械加工等により形成される。前方サイドプレート７２及び後方サイドプレート７４は、鉛直方向に配置される横長プレート形状を有し、スタックケース１８の内方に膨出する上膨出部７９ｕ及び下膨出部７９ｄが上下に互いに平行に形成される。

上膨出部７９ｕには、上プレート７６に接合される第１上接合面８０ｕが設けられる。第１上接合面８０ｕには、積層体１４ａｓ側の上面を上プレート７６から離間する方向（下方向）に所定の深さだけ切り欠いて、上段差部８２ｕが矢印Ｂ方向全面に亘って設けられる。

上段差部８２ｕは、前方サイドプレート７２及び後方サイドプレート７４の燃料電池スタック１６側の内面まで延在して、すなわち、片側溝形状を有して形成される。第１上接合面８０ｕには、上段差部８２ｕの外方に位置して所定数の座面６８が形成され、各座面６８には、ねじ穴６８ａが設けられる。

下膨出部７９ｄには、下プレート７８に接合される第１下接合面８０ｄが設けられる。第１下接合面８０ｄには、積層体１４ａｓ側の下面を下プレート７８から離間する方向（上方向）に所定の深さだけ切り欠いて、下段差部８２ｄが矢印Ｂ方向全面に亘って設けられる。下段差部８２ｄは、前方サイドプレート７２及び後方サイドプレート７４の燃料電池スタック１６側の内面まで延在して、すなわち、片側溝形状を有して形成される。

第１下接合面８０ｄには、図示しないが、上段差部８２ｕと同様に、下段差部８２ｄの外方に位置して所定数の座面が形成され、各座面には、ねじ穴が設けられる。

前方サイドプレート７２及び後方サイドプレート７４の矢印Ｂ方向両端（両短辺）には、それぞれ薄肉部８４が形成されるとともに、前記薄肉部８４は、積層体１４ａｓに対向するシール面を構成する。薄肉部８４には、ボス部８６が設けられるとともに、前記ボス部８６は、第１エンドプレート２４ａ及び第２エンドプレート２４ｂの短辺に形成された座面６８に当接する。ボス部８６に設けられる孔部８６ａは、座面６８のねじ穴６８ａと同軸上に配置される。

第１エンドプレート２４ａ及び第２エンドプレート２４ｂのシール面７０ａと前方サイドプレート７２及び後方サイドプレート７４の薄肉部８４とは、互いに対向して合わせ面を構成する。各合わせ面には、上下方向に延在するシール部材８８が配設される。シール部材８８は、断面長方形状（又は正方形状）を有するとともに、上部にＴ形端部８８ｔが一体に設けられる。

前方サイドプレート７２及び後方サイドプレート７４の薄肉部８４に形成された孔部８６ａにボルト９０が挿入される。ボルト９０は、第１エンドプレート２４ａ及び第２エンドプレート２４ｂの側面に設けられたねじ穴６８ａに螺合される。

図２に示すように、上プレート７６は、互いに接合される一対のプレス板（プレス成形板）である外側プレート９２と内側プレート９４とを備える。外側プレート９２及び内側プレート９４間には、積層方向（矢印Ｂ方向）に沿って延在するプレート両端部（矢印Ａ方向の両端部）に対応して角柱部材９５ａ、９５ｂが介装される。角柱部材９５ａは、角柱部材９５ｂよりも矢印Ａ方向に幅広に構成されるが、同一の幅寸法を有してもよい。

内側プレート９４は、スタックケース１８の内周面を構成し、薄板状を有するとともに、発電セル１４の外周形状に沿って湾曲形状又は屈曲形状あるいは両方の形状を有する。外側プレート９２と内側プレート９４とは、ＭＩＧ溶接やＴＩＧ溶接等により固定される。

内側プレート９４の発電セル１４に対向する面には、矢印Ｂ方向両端に第２上接合面９６ｕが設けられるとともに、矢印Ａ方向両端に第２上接合面９８ｕが設けられる。第２上接合面９６ｕは、図２及び図５に示すように、第１エンドプレート２４ａ及び第２エンドプレート２４ｂの第１上接合面６４ｕに接合される。第２上接合面９８ｕは、図２に示すように、前方サイドプレート７２及び後方サイドプレート７４の第１上接合面８０ｕに接合される。

下プレート７８は、互いに接合される一対のプレス板（プレス成形板）である外側プレート１００と内側プレート１０２とを備える。外側プレート１００及び内側プレート１０２間には、積層方向（矢印Ｂ方向）に沿って延在するプレート両端部（矢印Ａ方向の両端部）に対応して角柱部材１０４ａ、１０４ｂが介装される。角柱部材１０４ａは、角柱部材１０４ｂよりも矢印Ａ方向に幅広に構成されるが、同一の幅寸法を有してもよい。

内側プレート１０２は、スタックケース１８の内周面を構成し、薄板状を有するとともに、発電セル１４の外周形状に沿って湾曲形状又は屈曲形状あるいは両方の形状を有する。外側プレート１００と内側プレート１０２とは、ＭＩＧ溶接やＴＩＧ溶接等により固定される。

内側プレート１０２の発電セル１４に対向する面には、矢印Ｂ方向両端に第２下接合面９６ｄが設けられるとともに、矢印Ａ方向両端に第２下接合面９８ｄが設けられる。第２下接合面９６ｄは、図２及び図５に示すように、第１エンドプレート２４ａ及び第２エンドプレート２４ｂの第１下接合面６４ｄに接合される。第２下接合面９８ｄは、図２に示すように、前方サイドプレート７２及び後方サイドプレート７４の第１下接合面８０ｄに接合される。なお、上プレート７６及び下プレート７８は、３枚の部材を重ねて構成しているが、これに限定されるものではなく、例えば、２枚合わせや一体構成でもよい。

上プレート７６と、第１エンドプレート２４ａ、第２エンドプレート２４ｂ、前方サイドプレート７２及び後方サイドプレート７４との間には、矩形のループ形状を有する上シール部材（矩形シール部材）１０６ｕが介装される。

上シール部材１０６ｕは、図２及び図６に示すように、第１エンドプレート２４ａ及び第２エンドプレート２４ｂの各上段差部６６ｕ、及び前方サイドプレート７２及び後方サイドプレート７４の各上段差部８２ｕに配置される。上シール部材１０６ｕは、断面四角形状（又は断面円形状）を有し、４つの各角部には、それぞれ長さ調整用の延長部１０８ｆＲ、１０８ｆＬ、１０８ｂＲ及び１０８ｂＬが設けられる。上シール部材１０６ｕは、第１エンドプレート２４ａ、第２エンドプレート２４ｂ、前方サイドプレート７２及び後方サイドプレート７４の各座面６８の内側に配置される。図５に示すように、上シール部材１０６ｕの外側端部は、ボルト９０の内側端部から距離Ｓだけ内方に配置される。

延長部１０８ｆＲ、１０８ｆＬ、１０８ｂＲ及び１０８ｂＬは、各角部において外周側に突出するループ形状に形成される。延長部１０８ｆＲ、１０８ｆＬ、１０８ｂＲ及び１０８ｂＬは、それぞれ異なる形状を有するが、同一形状を有してもよい。

なお、シール部位の形状に応じて、延長部１０８ｆＲ、１０８ｆＬ、１０８ｂＲ及び１０８ｂＬの中、少なくとも１つのみを設けることもできる。また、一方の対角位置、例えば、延長部１０８ｆＲ及び１０８ｂＬのみを設けることも可能である。後述する下シール部材１０６ｄでも、延長部の設置位置や設置個数は、適宜選択することができる。さらに、上シール部材１０６ｕ又は下シール部材１０６ｄの一方にのみ延長部を設けてもよい。

図２に示すように、下プレート７８と、第１エンドプレート２４ａ、第２エンドプレート２４ｂ、前方サイドプレート７２及び後方サイドプレート７４との間には、矩形のループ形状を有する下シール部材（矩形シール部材）１０６ｄが介装される。

図６に示すように、下シール部材１０６ｄは、第１エンドプレート２４ａ及び第２エンドプレート２４ｂの各下段差部６６ｄ、及び前方サイドプレート７２及び後方サイドプレート７４の各下段差部８２ｄに配置される。下シール部材１０６ｄは、断面四角形状（又は断面円形状）を有し、４つの各角部には、それぞれ長さ調整用の延長部１１０ｆＲ、１１０ｆＬ、１１０ｂＲ及び１１０ｂＬが設けられる。下シール部材１０６ｄは、第１エンドプレート２４ａ、第２エンドプレート２４ｂ、前方サイドプレート７２及び後方サイドプレート７４の各座面６８の内側に配置される。図５に示すように、下シール部材１０６ｄの外側端部は、ボルト９０の内側端部から距離Ｓだけ内方に配置される。

延長部１１０ｆＲ、１１０ｆＬ、１１０ｂＲ及び１１０ｂＬは、各角部において外周側に突出するループ形状に形成される。延長部１１０ｆＲ、１１０ｆＬ、１１０ｂＲ及び１１０ｂＬは、それぞれ異なる形状を有するが、同一形状を有してもよい。

図２に示すように、上プレート７６及び下プレート７８には、それぞれ複数のボルト挿入用の孔部８６ａが形成される。各孔部８６ａに挿入されるボルト（締結部材）９０が、ねじ穴６８ａに螺合することにより、スタックケース１８の各構成部品は、互いに固定されるとともに、第１エンドプレート２４ａ及び第２エンドプレート２４ｂに固定される。

このように構成される燃料電池システム１０の動作について、以下に説明する。

まず、図２及び図３に示すように、第１エンドプレート２４ａの酸化剤ガス供給マニホールド部材６０ａから酸化剤ガス供給連通孔３８ａには、酸素含有ガス等の酸化剤ガスが供給される。第１エンドプレート２４ａの燃料ガス供給マニホールド部材６２ａから燃料ガス供給連通孔４０ａには、水素含有ガス等の燃料ガスが供給される。

さらに、第２エンドプレート２４ｂでは、図１に示すように、冷却媒体供給マニホールド部材６３ａから一対の冷却媒体供給連通孔４２ａには、純水やエチレングリコール、オイル等の冷却媒体が供給される。

このため、図４に示すように、酸化剤ガスは、酸化剤ガス供給連通孔３８ａからカソードセパレータ３４の酸化剤ガス流路５０に導入される。酸化剤ガスは、酸化剤ガス流路５０に沿って矢印Ａ方向に移動し、電解質膜・電極構造体３２のカソード電極４６に供給される。

一方、燃料ガスは、燃料ガス供給連通孔４０ａからアノードセパレータ３６の燃料ガス流路５２に供給される。燃料ガスは、燃料ガス流路５２に沿って矢印Ａ方向に移動し、電解質膜・電極構造体３２のアノード電極４８に供給される。

従って、電解質膜・電極構造体３２では、カソード電極４６に供給される酸化剤ガスと、アノード電極４８に供給される燃料ガスとが、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。これにより、燃料電池電気自動車１２は、燃料電池システム１０からの電力により走行する。

次いで、電解質膜・電極構造体３２のカソード電極４６に供給されて一部が消費された酸化剤ガスは、酸化剤ガス排出連通孔３８ｂに沿って矢印Ｂ方向に排出される。一方、電解質膜・電極構造体３２のアノード電極４８に供給されて一部が消費された燃料ガスは、燃料ガス排出連通孔４０ｂに沿って矢印Ｂ方向に排出される。

また、一対の冷却媒体供給連通孔４２ａに供給された冷却媒体は、カソードセパレータ３４及びアノードセパレータ３６間の冷却媒体流路５４に導入される。冷却媒体は、一旦矢印Ｃ方向内方に沿って流動した後、矢印Ａ方向に移動して電解質膜・電極構造体３２を冷却する。この冷却媒体は、矢印Ｃ方向外方に移動した後、一対の冷却媒体排出連通孔４２ｂに沿って矢印Ｂ方向に排出される。

この場合、本実施形態では、図２及び図５に示すように、第１エンドプレート２４ａ及び第２エンドプレート２４ｂの上部には、第１上接合面６４ｕが設けられている。一方、上プレート７６には、第２上接合面９６ｕが設けられている。そして、第１上接合面６４ｕと第２上接合面９６ｕとは、互いに重なり合った状態で、締結部材であるボルト９０により一体に接合されている。

その際、第１上接合面６４ｕには、上段差部６６ｕが形成され、前記上段差部６６ｕに上シール部材１０６ｕが配設されるとともに、前記上シール部材１０６ｕの外側に、ボルト９０が配置されている。

さらに、第１エンドプレート２４ａ及び第２エンドプレート２４ｂの下部には、第１下接合面６４ｄが設けられている。一方、下プレート７８には、第２下接合面９６ｄが設けられている。そして、第１下接合面６４ｄと第２下接合面９６ｄとは、互いに重なり合った状態で、締結部材であるボルト９０により一体に接合されている。

その際、第１下接合面６４ｄには、下段差部６６ｄが形成され、前記下段差部６６ｄに下シール部材１０６ｄが配設されるとともに、前記下シール部材１０６ｄの外側に、ボルト９０が配置されている。

また、図２及び図３に示すように、前方サイドプレート７２及び後方サイドプレート７４の上部には、第１上接合面８０ｕが設けられている。一方、上プレート７６には、第２上接合面９８ｕが設けられている。そして、第１上接合面８０ｕと第２上接合面９８ｕとは、互いに重なり合った状態で、締結部材であるボルト９０により一体に接合されている。

その際、第１上接合面８０ｕには、上段差部８２ｕが形成され、前記上段差部８２ｕに上シール部材１０６ｕが配設されるとともに、前記上シール部材１０６ｕの外側に、ボルト９０が配置されている。

さらに、前方サイドプレート７２及び後方サイドプレート７４の下部には、第１下接合面８０ｄが設けられている。一方、下プレート７８には、第２下接合面９８ｄが設けられている。そして、第１下接合面８０ｄと第２下接合面９８ｄとは、互いに重なり合った状態で、締結部材であるボルト９０により一体に接合されている。

その際、第１下接合面８０ｄには、下段差部８２ｄが形成され、前記下段差部８２ｄに下シール部材１０６ｄが配設されるとともに、前記下シール部材１０６ｄの外側に、ボルト９０が配置されている。

このため、上シール部材１０６ｕ及び下シール部材１０６ｄの内側にガス、特に燃料ガスを気密に保持することができ、前記燃料ガスがボルト締結部（ねじ穴６８ａ等）から外方に漏れることを可及的に抑制することが可能になる。従って、簡単な構成で、所望のシール性を確実に得ることができるという効果が得られる。

また、図２、図３及び図５に示すように、上段差部６６ｕ及び下段差部６６ｄは、第１エンドプレート２４ａ及び第２エンドプレート２４ｂの燃料電池スタック１６側の内面まで延在して、すなわち、片側溝形状を有して形成されている。同様に、上段差部８２ｕ及び下段差部８２ｄは、前方サイドプレート７２及び後方サイドプレート７４の燃料電池スタック１６側の内面まで延在して、すなわち、片側溝形状を有して形成されている。

これにより、上段差部６６ｕ、下段差部６６ｄ、上段差部８２ｕ及び下段差部８２ｄを加工する際、比較的大径な工具を用いることができ、生産性が有効に向上するという利点がある。

さらにまた、上シール部材１０６ｕ及び下シール部材１０６ｄは、第１エンドプレート２４ａ、第２エンドプレート２４ｂ、前方サイドプレート７２及び後方サイドプレート７４の各座面６８の内側に配置されている。このため、第１上接合面６４ｕ、８０ｕと第２上接合面９６ｕ、９８ｕとに、及び第１下接合面６４ｄ、８０ｄと第２下接合面９６ｄ、９８ｄとに、それぞれ所望の結合力を確実に付与することが可能になる。

１０…燃料電池システム １２…燃料電池電気自動車
１２ｆ…フロントボックス １４…発電セル
１４ａｓ…積層体 １６…燃料電池スタック
１８…スタックケース ２４ａ、２４ｂ…エンドプレート
３２…電解質膜・電極構造体 ３４…カソードセパレータ
３６…アノードセパレータ ３８ａ…酸化剤ガス供給連通孔
３８ｂ…酸化剤ガス排出連通孔 ４０ａ…燃料ガス供給連通孔
４０ｂ…燃料ガス排出連通孔 ４２ａ…冷却媒体供給連通孔
４２ｂ…冷却媒体排出連通孔 ４４…固体高分子電解質膜
４６…カソード電極 ４８…アノード電極
５０…酸化剤ガス流路 ５２…燃料ガス流路
５４…冷却媒体流路
６０ａ…酸化剤ガス供給マニホールド部材
６０ｂ…酸化剤ガス排出マニホールド部材
６２ａ…燃料ガス供給マニホールド部材
６２ｂ…燃料ガス排出マニホールド部材
６３ａ…冷却媒体供給マニホールド部材
６３ｂ…冷却媒体排出マニホールド部材
６４ｄ、８０ｄ、９６ｄ、９８ｄ…下接合面
６４ｕ、８０ｕ、９６ｕ、９８ｕ…上接合面
６６ｄ、８２ｄ…下段差部 ６６ｕ、８２ｕ…上段差部
６８…座面 ６８ａ…ねじ穴
７２…前方サイドプレート ７４…後方サイドプレート
７６…上プレート ７８…下プレート
７９ｄ…下膨出部 ７９ｕ…上膨出部
９２、１００…外側プレート ９４、１０２…内側プレート
９５ａ、９５ｂ、１０４ａ、１０４ｂ…角柱部材
１０６ｄ…下シール部材 １０６ｕ…上シール部材

Claims (3)

1. 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を有し、複数の前記発電セルが積層された燃料電池スタックと、前記燃料電池スタックが収容されるスタックケースとを備える燃料電池システムであって、
   前記スタックケースは、前記発電セルの積層方向両端に配置される一対のエンドプレート、前記発電セルの側面に沿って配置される一対のサイドプレート、前記発電セルの上方に配置される上プレート及び前記発電セルの下方に配置される下プレートにより構成され、
   前記エンドプレート及び前記サイドプレートと前記上プレート及び前記下プレートとには、互いに接合される第１接合面と第２接合面とが設けられ、
   前記第１接合面と前記第２接合面とは、互いに重なり合った状態で、締結部材により一体に接合されるとともに、
   前記第１接合面には、前記第２接合面から離間する方向に切り欠いてシール部材が配設される段差部が設けられ、且つ、前記締結部材は、前記第１接合面において前記シール部材の外側に配置されていることを特徴とす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、前記段差部は、前記エンドプレート及び前記サイドプレートの前記燃料電池スタック側の内面まで延在していることを特徴とする燃料電池システム。
3. 請求項１又は２記載の燃料電池システムであって、前記締結部材の座面は、前記シール部材の外側に配置されていることを特徴とする燃料電池システム。

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