JP6315845B2 - 燃料電池スタック - Google Patents

Description

本発明は、収納ケースの開口部を貫通して設けられたセル電圧検出用フラットケーブルを備えた燃料電池スタックに関する。

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両側に、それぞれアノード側電極及びカソード側電極を配設した電解質膜・電極構造体（ＭＥＡ）を、セパレータによって挟持した発電セル（単位燃料電池）を備えている。

この種の燃料電池は、通常、所望の発電力を得るために、所定数（例えば、数十〜数百）の発電セルを積層した燃料電池スタックとして使用されている。この種の燃料電池スタックでは、各発電セルが所望の発電性能を有しているか否かを検出する必要がある。このため、一般的には、セパレータに設けられたセル電圧検知用端子を電圧検出装置（セル電圧モニタ）に接続して、発電時の発電セル毎のセル電圧を検出することが行われている（例えば、下記特許文献１参照）。

特開２０００−２２３１４１号公報

ところで、燃料電池スタックでは、安全に関する法規により、水素がスタック外部に漏れ出ないようにするためのガスバリア構造を設けることが求められている。このような法規要求を満たすため、燃料電池スタックでは、発電セルが複数積層されてなるセル積層体を収納ケース内に収納することで、上記ガスバリア構造を実現している。

一方、収納ケースによる上記ガスバリア構造を維持しつつ、セパレータに設けられたセル電圧検知用端子を電圧検出装置に接続するために、収納ケースに設けた開口部にグロメットを配置して、当該グロメットに設けた孔にケーブルを通してシールすることが考えられる。しかしながら、燃料電池スタックは例えば数百もの発電セルから構成される場合があり、数百本の単体ケーブルを個別にグロメット孔に通してシールする手法では、グロメットが巨大化してしまうためスペースが十分に取れない。

そこで、並列配置された複数の導線（単線）を有するフラットケーブル（フラットハーネス）を用いることで、ケーブル集約による小型化を図ることが考えられる。この場合、フラットケーブルは、収納ケースの所望のシール性を確保しつつ、収納ケースの開口部に設けられたグロメットを介して外部に導出されることが求められる。

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、フラットケーブルの採用によるグロメットの小型化が可能であるとともに、収納ケースからのガス漏れのないシール構造を実現することが可能な燃料電池スタックを提供することを目的とする。

上記の目的を達成するため、本発明は、電解質膜の両側に電極が設けられる電解質膜・電極構造体とセパレータとが積層された発電セルと、前記発電セルが複数積層されたセル積層体を収納する収納ケースとを備え、前記セパレータにはセル電圧検知用端子が設けられ、前記セル電圧検知用端子にはフラットケーブルが接続され、前記フラットケーブルは前記収納ケースに設けられた開口部を貫通して前記収納ケースの外部に導出されている燃料電池スタックであって、前記開口部には、厚み方向に貫通するスリットを有するグロメットが設けられており、前記フラットケーブルは、前記スリットに挿通されるとともに、前記グロメットに隣接して設けられたポッティング部により密封されており、前記グロメットは、前記スリットが設けられたケーブル挿通部と、前記ケーブル挿通部の外側を周回するとともに前記開口部の貫通方向に沿って並ぶ突起状の複数列のシールとを有することを特徴とする。

上記の燃料電池スタックにおいて、前記複数列のシールは、非圧縮状態で、互いの断面形状が異なることが好ましい。

上記の燃料電池スタックにおいて、前記複数列のシールにおいて互いに隣接するシールは、非圧縮状態で、横断面における突出高さと、前記突出高さと直交する方向の幅において、前記ポッティング部から遠い側に設けられたシールの方が前記ポッティング部に近い側に設けられたシールよりも大きいことが好ましい。

上記の燃料電池スタックにおいて、前記開口部と前記グロメットとの間には、前記ポッティング部を収納したシールプレートが介装されており、前記複数列のシールは、前記シールプレートに密着していることが好ましい。

上記の燃料電池スタックにおいて、前記ケーブル挿通部は、前記シールプレートに向かって突出した嵌合凸部として構成されており、前記シールプレートは、前記嵌合凸部が嵌合する嵌合凹部を有し、前記嵌合凹部の外周面に設けられた前記複数列のシールが、前記嵌合凹部の内周面に密着していることが好ましい。

本発明の燃料電池スタックによれば、収納ケースの開口部を貫通するフラットケーブルの外周部がポッティング部により密封されている。このため、フラットケーブルの採用によるグロメットの小型化が可能であるとともに、収納ケースからのガス漏れのないシール構造を実現することが可能である。また、グロメットには、開口部の貫通方向に沿って並ぶ複数列のシールが設けられているため、シールの傾きによる組付け不良を抑制し、所望のシール性を得ることが可能となる。

本発明の実施形態に係る燃料電池スタックの斜視図である。 上記燃料電池スタックの概略図である。 フラットケーブルのシール構造の斜視図である。 上記シール構造の断面図である。 上記シール構造を構成するグロメットの斜視図である。 第１シール突起の拡大断面図である。 組付状態の第１シール突起及びその周辺部の断面図である。 図８Ａは、上記シール構造を構成するシールプレートの上面側からの斜視図であり、図８Ｂは、シールプレートの下面側からの斜視図である。 変形例に係る第１シール突起の拡大断面図である。 変形例に係るポッティング部を備えたシール構造の断面図である。

以下、本発明に係る燃料電池スタック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に示す本発明の実施形態に係る燃料電池スタック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。燃料電池スタック１０は、複数の発電セル１２（単位燃料電池）が積層されてなるセル積層体１３と、セル積層体１３を収納する収納ケース１４とを備える。図１では、複数の発電セル１２が電極面を立位姿勢にして水平方向（矢印Ｂ方向）に積層されている。なお、複数の発電セル１２は、重力方向（矢印Ｃ方向）に積層されてもよい。

図２に示すように、発電セル１２は、電解質膜・電極構造体１６と、電解質膜・電極構造体１６を挟持する第１セパレータ１８及び第２セパレータ２０とを備える。第１セパレータ１８及び第２セパレータ２０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により構成される。

第１セパレータ１８及び第２セパレータ２０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、第１セパレータ１８及び第２セパレータ２０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。

電解質膜・電極構造体１６は、例えば、炭化水素系又はパーフルオロスルホン酸の薄膜に水が含浸された固体高分子電解質膜２２と、固体高分子電解質膜２２を挟持するアノード電極２４及びカソード電極２６とを備える。

詳細は図示しないが、アノード電極２４及びカソード電極２６は、カーボンペーパ等からなるガス拡散層と、白金合金が表面に担持された多孔質カーボン粒子をガス拡散層の表面に一様に塗布して形成される電極触媒層とを有する。電極触媒層は、例えば、固体高分子電解質膜２２の両面に形成されている。

セル積層体１３には、酸化剤ガス（例えば、酸素含有ガス）を供給するための図示しない酸化剤ガス供給連通孔と、酸化剤ガスを排出するための図示しない酸化剤ガス排出連通孔とが設けられている。複数の発電セル１２において、酸化剤ガス供給連通孔及び酸化剤ガス排出連通孔は、積層方向である矢印Ｂ方向に互いに連通している。

また、セル積層体１３には、燃料ガス（例えば、水素含有ガス）を供給するための図示しない燃料ガス供給連通孔と、燃料ガスを排出するための図示しない燃料ガス排出連通孔とが設けられている。複数の発電セル１２において、燃料ガス供給連通孔及び燃料ガス排出連通孔は、積層方向である矢印Ｂ方向に互いに連通している。

さらに、セル積層体１３には、冷却媒体を供給するための冷却媒体供給連通孔３２ａと、冷却媒体を排出するための冷却媒体排出連通孔３２ｂとが設けられている（図１参照）。複数の発電セル１２において、冷却媒体供給連通孔３２ａ及び冷却媒体排出連通孔３２ｂは、積層方向である矢印Ｂ方向に互いに連通している。

図２において、第１セパレータ１８の電解質膜・電極構造体１６に向かう面１８ａには、例えば、矢印Ｂ方向に延在する燃料ガス流路２８が形成される。燃料ガス流路２８は、上述した燃料ガス供給連通孔と燃料ガス排出連通孔とに連通する。

一方、第２セパレータ２０の電解質膜・電極構造体１６に向かう面２０ａには、例えば、矢印Ｂ方向に延在する酸化剤ガス流路３０が設けられる。酸化剤ガス流路３０は、上述した酸化剤ガス供給連通孔と酸化剤ガス排出連通孔とに連通する。

互いに隣接する発電セル１２における一方の第１セパレータ１８の面１８ｂと他方の第２セパレータ２０の面２０ｂとの間には、冷却媒体供給連通孔３２ａ及び冷却媒体排出連通孔３２ｂ（図１参照）に連通する冷却媒体流路３４が形成される。冷却媒体流路３４は、燃料ガス流路２８の裏面形状と酸化剤ガス流路３０の裏面形状とが重なり合って形成される。

本実施形態では、２枚のセパレータで１枚のＭＥＡを挟持するセルを積層するとともに、各セル間に冷却媒体を流通させる各セル冷却構造が採用されている。なお、複数のセル毎に冷却媒体を流通させる、所謂、間引き冷却構造が採用されてもよい。その際、セルは、３枚以上のセパレータと２枚以上のＭＥＡを備えている。

発電セル１２の積層方向一端には、第１ターミナルプレート３６ａ、第１絶縁プレート３８ａ及び第１エンドプレート４０ａが、外方に向かって、順次、配設される。発電セル１２の積層方向他端には、第２ターミナルプレート３６ｂ、第２絶縁プレート３８ｂ及び第２エンドプレート４０ｂが、外方に向かって、順次、配設される。

図示していないが、第１エンドプレート４０ａには、上述した酸化剤ガス供給連通孔に連通する酸化剤ガス供給マニホールド部材、上述した酸化剤ガス排出連通孔に連通する酸化剤ガス排出マニホールド部材、上述した燃料ガス供給連通孔に連通する燃料ガス供給マニホールド部材及び上述した燃料ガス排出連通孔に連通する燃料ガス排出マニホールド部材が取り付けられている。

図１に示すように、第２エンドプレート４０ｂには、一対の冷却媒体供給連通孔３２ａに連通する冷却媒体供給マニホールド部材４２ａと、一対の冷却媒体排出連通孔３２ｂに連通する冷却媒体排出マニホールド部材４２ｂとが取り付けられている。

収納ケース１４は、車幅方向（矢印Ｂ方向）両端の２辺（面）が第１エンドプレート４０ａ及び第２エンドプレート４０ｂにより構成される。収納ケース１４の車長方向（矢印Ａ方向）両端の２辺（面）は、横長プレート形状の前方サイドパネル４４ａ及び後方サイドパネル４４ｂにより構成される。収納ケース１４の車高方向（矢印Ｃ方向）両端の２辺（面）は、上方サイドパネル４６ａ及び下方サイドパネル４６ｂにより構成される。上方サイドパネル４６ａ及び下方サイドパネル４６ｂは、横長プレート形状を有する。

前方サイドパネル４４ａ及び後方サイドパネル４４ｂが、ネジ４８により第１エンドプレート４０ａ及び第２エンドプレート４０ｂに気密及び液密に固定されるとともに、上方サイドパネル４６ａ及び下方サイドパネル４６ｂが、ネジ４８により第１エンドプレート４０ａ、第２エンドプレート４０ｂ、前方サイドパネル４４ａ及び後方サイドパネル４４ｂに気密及び液密に固定されている。これにより、第１エンドプレート４０ａ、第２エンドプレート４０ｂ、前方サイドパネル４４ａ、後方サイドパネル４４ｂ、上方サイドパネル４６ａ及び下方サイドパネル４６ｂが一体化した収納ケース１４が組み立てられている。

上記のように構成される収納ケース１４は、水素等の反応ガスが収納ケース１４から外部に漏れ出ないようにするためのガス隔離構造（ガスバリア）として機能する。

図２に示すように、各発電セル１２には、セル電圧検知用端子５０が設けられている。セル電圧検知用端子５０は、上述した第１セパレータ１８（又は第２セパレータ２０）の下辺から下方に突出して設けられている。セル電圧検知用端子５０は、上述した第１セパレータ１８（又は第２セパレータ２０）のどの位置に設けられてもよい。なお、３枚のセパレータを有する間引き冷却構造が採用される場合には、セル電圧検知用端子５０は、例えば、中間のセパレータに設けられる。

各セル電圧検知用端子５０には、コネクタ５２を介してフラットケーブル５４（フラットハーネス）が接続されている。なお、セル電圧検知用端子５０とフラットケーブル５４を電気的に接続すればよく、特に構造は限定されない。本実施形態に係る燃料電池スタック１０では、複数のフラットケーブル５４が設けられている。コネクタ５２は、収納ケース１４の内面（具体的には、下方サイドパネル４６ｂの内面）に固定されている。フラットケーブル５４は、並列に配置された複数の導線を一体で有するとともに、厚さ方向の両側の面が略フラットな形状を有する帯状ケーブルである。

複数のフラットケーブル５４は、収納ケース１４の内部で、厚み方向に互いに積層されている。図２及び図３に示すように、複数のフラットケーブル５４は、収納ケース１４（具体的には、下方サイドパネル４６ｂ）に設けられた開口部１４ａを介して、収納ケース１４の外部に導出されている。複数のフラットケーブル５４は、収納ケース１４の外部で、図示しないセル電圧検出装置に接続されている。セル電圧検出装置は、例えば、収納ケース１４の外面に固定されている。セル電圧検出装置は、発電時の発電セル１２毎のセル電圧（起電力）を個別に検出する。

図３及び図４に示すように、収納ケース１４（下方サイドパネル４６ｂ）の開口部１４ａには、ポッティング部６２によって複数のフラットケーブル５４の外周部を密封するシール構造５６が設けられている。図４に示すように、シール構造５６は、開口部１４ａに設けられたグロメット５８及びシールプレート６０と、ポッティング部６２とを有する。

グロメット５８は、下方サイドパネル４６ｂの外面４６ｂ１側（下面側）に、開口部１４ａを覆うように配置されている。グロメット５８には、該グロメット５８の厚み方向に貫通するスリット６４が複数設けられている。

図５に示すように、複数のスリット６４は、グロメット５８の厚み方向と直交する方向に互いに間隔を置いて設けられている。グロメット５８は、厚み方向と直交する一方向に長尺な形状を有しており、複数のスリット６４は、グロメット５８の長尺方向に沿って互いに平行に延在している。

スリット６４の貫通方向一端部（開口部１４ａ側の端部）には、幅狭部６８が設けられている。幅狭部６８により、スリット６４における他の部分よりも狭い狭窄部が形成されている。図４において、幅狭部６８は、フラットケーブル５４の両面に接触している。

図４及び図５に示すように、グロメット５８は、開口部１４ａ側（シールプレート６０側）に向かって突出する嵌合凸部７４（ケーブル挿通部）と、嵌合凸部７４の外側に設けられ嵌合凸部７４の周囲を周回するフランジ部７６と、嵌合凸部７４とフランジ部７６との間を構成する中間部７８とを有する。嵌合凸部７４に、上述した複数のスリット６４が形成されている。

図５に示すように、嵌合凸部７４は、グロメット５８の長尺方向に沿って延在するとともに、嵌合凸部７４の外周面７４ｂ（側周面）には、外方に突出する複数例の第１シール突起８０（複数列のシール）が設けられている。第１シール突起８０は、嵌合凸部７４の外周面７４ｂの全周に亘って延在（周回）するとともに、嵌合凸部７４の突出方向（スリット６４の貫通方向、開口部１４ａの貫通方向）に沿って並んで設けられている。第１シール突起８０同士の間には、間隔が設けられている。

図４において、複数列の第１シール突起８０は、嵌合凸部７４の外周面７４ｂから、シールプレート６０の後述する嵌合凹部８８ｂの内周面に向かって、突出している。すなわち、複数列の第１シール突起８０は、嵌合凸部７４に一体成形されている。複数列の第１シール突起８０は、嵌合凹部８８ｂの内周面と全周に亘って接触（密着）している。これにより、嵌合凸部７４の外周面７４ｂと嵌合凹部８８ｂの内周面との間には、気密及び液密のシール部が形成されている。

本実施形態では、第１シール突起８０は２列設けられている。なお、第１シール突起８０は３列以上設けられてもよい。第１シール突起８０の先端部（突出端部）は、突出方向に膨らむ丸みを帯びていてもよい。以下、本実施形態において、２列の第１シール突起８０の一方と他方を区別して説明する場合には、上側（ポッティング部６２に近い側）の第１シール突起８０を「上側シール８０ａ」と呼び、下側（ポッティング部６２から遠い側）の第１シール突起８０を「下側シール８０ｂ」と呼ぶ。

図４に示すように、中間部７８は、嵌合凸部７４の開口部１４ａと反対側の端部から外方に広がるとともに、開口部１４ａ側に向かって屈曲している。このため、嵌合凸部７４と中間部７８との間には、嵌合凸部７４の周囲を一周囲む溝部８２が形成されている。

フランジ部７６は、中間部７８の外周縁から外方に延出している。フランジ部７６と収納ケース１４との間には、フランジ部７６に沿って周回する複数列の第２シール突起８４が設けられている。本実施形態では、第２シール突起８４は２列設けられている。なお、第２シール突起８４は、１列のみ設けられてもよく、あるいは３列以上設けられてもよい。第２シール突起８４の先端部（突出端部）は、突出方向に膨らむ丸みを帯びていてもよい。

複数列の第２シール突起８４は、フランジ部７６の、収納ケース１４（下方サイドパネル４６ｂ）に対向する面７６ａから、収納ケース１４の外面（下方サイドパネル４６ｂの外面４６ｂ１）に向かって突出している。すなわち、複数列の第２シール突起８４は、フランジ部７６に一体成形されている。図５に示すように、複数列の第２シール突起８４は、フランジ部７６の全周に亘って延在するとともに、面７６ａに沿う方向に互いに間隔を置いて設けられている。

図４において、第２シール突起８４は、収納ケース１４の外面（外面４６ｂ１）と全周に亘って接触（密着）している。これにより、フランジ部７６と収納ケース１４の外面との間には、気密及び液密のシール部が形成されている。

図６に示すように、複数列の第１シール突起８０は、非圧縮状態において、互いの断面形状（大きさ）が異なる。このため、複数列の第１シール突起８０は、非圧縮状態において、断面積が互いに異なる。ここで、第１シール突起８０について、「非圧縮状態」とは、第１シール突起８０に外力が作用しておらず初期形状からの弾性変形が生じていない状態（グロメット５８が収納ケース１４及びシールプレート６０に組み付けられていない状態、すなわち、収納ケース１４及びシールプレート６０へのグロメット５８の取付け前、あるいは収納ケース１４及びシールプレート６０からグロメット５８が取り外された状態）のことを言う。また、第１シール突起８０について、「断面積」とは、第１シール突起８０の延在方向に垂直な断面（横断面）における面積のことを言う。

本実施形態では、第１シール突起８０の非圧縮状態において、下側シール８０ｂ（複数列の第１シール突起８０において互いに隣接する第１シール突起８０のうちポッティング部６２から遠い側に設けられたシール）の横断面における突出高さｈ２は、第１シール突起８０の延在方向の全体に亘って（全周に亘って）、上側シール８０ａ（複数列の第１シール突起８０において互いに隣接する第１シール突起８０のうちポッティング部６２に近い側に設けられたシール）の横断面における突出高さｈ１よりも高い。ここで、上側シール８０ａ及び下側シール８０ｂについて「突出高さ」とは、これらが設けられた面（本実施形態では、嵌合凸部７４の外周面７４ｂ）からの突出高さを言う。

上側シール８０ａの突出高さｈ１に対する下側シール８０ｂの突出高さｈ２の割合は、例えば、１１０〜１４０％に設定される。

また、本実施形態では、第１シール突起８０の非圧縮状態において、下側シール８０ｂの幅ｗ２は、第１シール突起８０の延在方向の全体に亘って（全周に亘って）、上側シール８０ａの幅ｗ１よりも大きい。ここで、上側シール８０ａ及び下側シール８０ｂについて「幅」とは、上側シール８０ａ及び下側シール８０ｂの各付け根部における上記突出高さ方向と直交する方向（開口部１４ａの貫通方向に沿う方向）の寸法を言う。

上側シール８０ａの幅ｗ１に対する下側シール８０ｂの幅ｗ２の割合は、例えば、１２０〜２４０％に設定される。

図４に示すように、グロメット５８が収納ケース１４（下方サイドパネル４６ｂ）及びシールプレート６０に取り付けられた状態では、後述するブラケット８６（図４参照）によりグロメット５８は収納ケース１４に押し付けられる。このため、複数列の第１シール突起８０は、高さ方向に圧縮力を受け、それぞれ弾性圧縮状態とされる。この結果、図７に示すように、複数列の第１シール突起８０は、嵌合凸部７４の外周面７４ｂからの突出高さが互いに同一となっている。従って、複数列の第１シール突起８０の圧縮率は互いに異なっている。本実施形態では、大きい方のシールである下側シール８０ｂの圧縮率は、小さい方のシールである上側シール８０ａの圧縮率よりも高い。図７において、下側シール８０ｂの断面積は、上側シール８０ａの断面積よりも大きい。なお、図７では複数列の第１シール突起８０の初期形状を仮想線で示している。

グロメット５８の構成材料としては、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素材が挙げられる。

図４に示すように、グロメット５８は、ブラケット８６により収納ケース１４（下方サイドパネル４６ｂ）に固定されている。ブラケット８６は、厚さ方向に貫通する孔部８６ａを有する板状部材であり、図示しない固定部品（ネジ等）により収納ケース１４に強固に固定されている。ブラケット８６は、グロメット５８よりも硬質の材料（例えば、硬質樹脂、金属等）により構成されている。

孔部８６ａにグロメット５８の一部（上述した嵌合凸部７４及び中間部７８）が挿入されており、孔部８６ａに挿入されたグロメット５８の当該一部は、ブラケット８６の孔部８６ａから突出している。ブラケット８６は、グロメット５８のフランジ部７６に当接するとともに、当該フランジ部７６を収納ケース１４の外面に向けて押圧している。

図４、図８Ａ及び図８Ｂに示すように、シールプレート６０は、筒状周壁部８８と、筒状周壁部８８から外方に突出した外周プレート９０と、筒状周壁部８８と間隔を置いて対向するように外周プレート９０から突出した係合壁部９２とを有する。シールプレート６０は、上述したグロメット５８と同様に、一方向に長尺な形状を有する。図８Ａ及び図８Ｂに示すように、筒状周壁部８８は、シールプレート６０の長尺方向に沿って長尺である。

図４に示すように、複数のフラットケーブル５４は、筒状周壁部８８の内側に挿通されて、収納ケース１４の外部に導出されている。

筒状周壁部８８の一端側（収納ケース１４の内部側）には、ポッティング部６２が収納（充填）された収納凹部８８ａが設けられている。筒状周壁部８８の他端側（収納ケース１４の外部側）には、グロメット５８の嵌合凸部７４が嵌合した嵌合凹部８８ｂが設けられている。収納凹部８８ａと嵌合凹部８８ｂは筒状周壁部８８内で繋がっており、シールプレート６０の厚み方向に貫通する貫通孔を構成している。筒状周壁部８８の内面には、内方に突出した突出壁部８８ｃが設けられている。突出壁部８８ｃは、収納凹部８８ａと嵌合凹部８８ｂとの境界壁を構成している。

外周プレート９０は、筒状周壁部８８の上記一端側から外方に突出している。外周プレート９０の外周縁部は、下方サイドパネル４６ｂの内面４６ｂ２（開口部１４ａを囲む部分の内面）に対向している。係合壁部９２は、内側（筒状周壁部８８側）に向かって弾性変形可能に構成されるとともに、開口部１４ａに挿入されている。

係合壁部９２には、下方サイドパネル４６ｂの外面（開口部１４ａを囲む部分の外面）に係合する爪部９２ａが設けられている。外周プレート９０と爪部９２ａとの間に、下方サイドパネル４６ｂ（開口部１４ａを囲む縁部）が保持されることにより、シールプレート６０が下方サイドパネル４６ｂ（開口部１４ａ）に固定されている。

シールプレート６０は、グロメット５８よりも硬質の材料により構成される。シールプレート６０は、例えば、硬質樹脂により構成される。シールプレート６０の構成材料としては、例えば、ＰＰＳ（ポリフェニレンサルファイド樹脂）やＰＥＥＫ系（ポリエーテルエーテルケトン）等のエンプラあるいはスーパーエンプラ等が挙げられる。

図４に示すように、ポッティング部６２は、グロメット５８の嵌合凸部７４に隣接して収納凹部８８ａに収納（充填）されている。ポッティング部６２により、複数のフラットケーブル５４が密封されている。ポッティング部６２は、複数のフラットケーブル５４の各々の外周部に密着している。従って、ポッティング部６２は、隣接するフラットケーブル５４間にも充填されている。また、ポッティング部６２は、グロメット５８の嵌合凸部７４の天面７４ａ（突出側端面）に密着しているとともに、収納凹部８８ａの内周面に密着している。

ポッティング部６２は、グロメット５８に隣接する側の第１ポッティング層６２ａと、グロメット５８と反対側で第１ポッティング層６２ａに隣接する第２ポッティング層６２ｂとを有する。すなわち、ポッティング部６２は、開口部１４ａの貫通方向に積層した２層のポッティング層からなる。本実施形態において、第２ポッティング層６２ｂの厚みは、第１ポッティング層６２ａの厚みよりも大きい。

第１ポッティング層６２ａを構成する樹脂材料の粘度（第１ポッティング層６２ａを形成するために、収納凹部８８ａに流し込む液状（硬化前）の第１のポッティング材の粘度）は、第２ポッティング層６２ｂを構成する樹脂材料の粘度（第２ポッティング層６２ｂを形成するために、収納凹部８８ａに流し込む液状（硬化前）の第２のポッティング材の粘度）よりも高い。第１のポッティング材の硬化によって形成された第１ポッティング層６２ａの硬度は、第２のポッティング材の硬化によって形成された第２ポッティング層６２ｂの硬度よりも高い。

第１ポッティング層６２ａ及び第２ポッティング層６２ｂを構成する樹脂材料（ポッティング材）としては、例えば、シリコーン系ポッティング材、ウレタン系ポッティング材、エポキシ系ポッティング材等が挙げられる。ポッティング材は、本剤と硬化剤とを混合すると化学反応により硬化する２液式が用いられるとよい。

このように構成される燃料電池スタック１０の動作について、以下に説明する。

図２において、発電セル１２の酸化剤ガス流路３０には、図示しない酸化剤ガス供給連通孔を介して、酸素含有ガス等の酸化剤ガスが供給される。発電セル１２の燃料ガス流路２８には、図示しない燃料ガス供給連通孔を介して、水素含有ガス等の燃料ガスが供給される。さらに、発電セル１２の冷却媒体供給連通孔３２ａ（図１参照）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、酸化剤ガスは、酸化剤ガス流路３０に沿って移動し、電解質膜・電極構造体１６のカソード電極２６に供給される。一方、燃料ガスは、燃料ガス流路２８に沿って移動し、電解質膜・電極構造体１６のアノード電極２４に供給される。従って、電解質膜・電極構造体１６では、カソード電極２６に供給される酸化剤ガスと、アノード電極２４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。

次いで、電解質膜・電極構造体１６のカソード電極２６に供給されて消費された酸化剤ガスは、図示しない酸化剤ガス排出連通孔を介して排出される。一方、電解質膜・電極構造体１６のアノード電極２４に供給されて消費された燃料ガスは、図示しない燃料ガス排出連通孔を介して排出される。

また、冷却媒体流路３４に導入された冷却媒体は、冷却媒体流路３４を移動して電解質膜・電極構造体１６を冷却した後、冷却媒体排出連通孔３２ｂ（図１参照）を介して排出される。

このような燃料電池スタック１０の運転時（発電時）において、各発電セル１２は、図２に示したように、セル電圧検知用端子５０に接続されたフラットケーブル５４を介して図示しないセル電圧検出装置に接続されている。このため、セル電圧検出装置により、各発電セル１２の電圧（起電力）が測定される。

この場合、本実施形態に係る燃料電池スタック１０では、図４に示したように、収納ケース１４の開口部１４ａを貫通するフラットケーブル５４の外周部がポッティング部６２により密封されている。このため、フラットケーブル５４の採用によるグロメット５８の小型化が可能であるとともに、収納ケース１４からのガス漏れ（水素ガス等の反応ガスの漏れ）のないシール構造５６を実現することが可能となる。

図４において破線矢印で示すように、水素ガス等の反応ガスが、収納ケース１４内から、収納ケース１４（下方サイドパネル４６ｂ）とシールプレート６０との間を介してグロメット５８側に進入する可能性がある。

そこで、本実施形態では、図４に示したように、グロメット５８の嵌合凸部７４の外周部に第１シール突起８０が設けられ、第１シール突起８０がシールプレート６０の嵌合凹部８８ｂの内周部に密着している。このため、水素ガス等の反応ガスが、収納ケース１４内から、嵌合凸部７４と嵌合凹部８８ｂの間及びスリット６４を通って外部へ漏れ出ることを防止することができる。

また、本実施形態では、グロメット５８のフランジ部７６に第２シール突起８４が設けられ、第２シール突起８４が収納ケース１４の外面に密着している。このため、水素ガス等の反応ガスが、収納ケース１４内から、グロメット５８のフランジ部７６と収納ケース１４の外面との間を通って外部へ漏れ出ることを防止することができる。

特に、本実施形態では、グロメット５８に複数列の第１シール突起８０が設けられているため、グロメット５８の傾きによる組付け不良を抑制し、所望のシール性を得ることが可能となる。すなわち、本実施形態と異なり、嵌合凸部７４と嵌合凹部８８ｂとの間のシールリップが１重構造の場合（第１シール突起８０が１列のみ設けられている場合）、耐久保証内の公差高さでシールを組み付けるために十分なシール高さを確保すると、組み付け方によってはグロメット５８が斜めに組み付けられる。この場合、シールリップが圧縮されないか、圧縮が不十分な部分が生じ、所望のシール性が得られない可能性が高い。

これに対し、本実施形態では、上述したようにグロメット５８に複数列の第１シール突起８０が設けられている。すなわち、嵌合凸部７４と嵌合凹部８８ｂとの間に多重シール構造が設けられている。このため、耐久保証内の公差高さでシールを組み付けるために十分なシール高さを確保した場合でも、グロメット５８が収納ケース１４に対して斜めに組み付けられることが抑制される。従って、グロメット５８の組付け不良が抑制され、所望のシール性を確実に得ることができる。

また、本実施形態では、複数列の第１シール突起８０は、非圧縮状態において、互いの断面形状が異なるため、部品公差や組立てばらつきによるシール締め代（圧縮具合）に変化が生じた場合でも、気密シール（水素シール）のロバスト性を向上させることが可能となる。すなわち、シール圧縮率は、部品公差や組付けばらつき等により、大きくばらつく。そして、このような部品公差や組付けばらつきによりシール圧縮率が高くなり過ぎると、シールが割れる懸念がある。逆にシール圧縮率が低くなり過ぎると、シールにへたりが起きて最悪の場合には水素リークが生じる可能性がある。また、シール高さが十分に取れない場合には耐久保証内の公差高さ内でシールを組み付けることが難しい。

これに対し、本実施形態では、上述したように複数列の第１シール突起８０は、非圧縮状態で、互いの断面形状が異なる。このため、部品公差や組付けばらつき等によりシール圧縮率にばらつきが生じても、少なくともいずれか１つの第１シール突起８０においては所望のシール性を確保することができる。すなわち、大きい方の第１シール突起８０（本実施形態では高さ及び幅が大きい下側シール８０ｂ）においてシール圧縮率が高くなり過ぎて割れが生じても、小さい方の第１シール突起８０（上側シール８０ａ）においてはシール圧縮率がそれ程高くはない（適度な範囲内にある）ため、割れは生じず、シール性を良好に維持できる。また、小さい方の第１シール突起８０（上側シール８０ａ）においてシール圧縮率が低くなり過ぎても、大きい方の第１シール突起８０（下側シール８０ｂ）においては適切なシール圧縮率が得られるため、シール性を良好に維持できる。

しかも、本実施形態では、複数列の第１シール突起８０において互いに隣接する第１シール突起８０（上側シール８０ａ及び下側シール８０ｂ）は、非圧縮状態で、横断面における突出高さと、当該突出高さと直交する方向の幅において、ポッティング部６２から遠い側に設けられたシール（下側シール８０ｂ）の方がポッティング部６２に近い側に設けられたシール（上側シール８０ａ）よりも大きい。このため、グロメット５８が収納ケース１４に対して斜めに組み付けられることが一層良好に抑制される。従って、グロメット５８の組付け不良が抑制され、所望のシール性を確実に得ることができる。

また、本実施形態では、開口部１４ａには、グロメット５８と密着するとともに収納凹部８８ａを有するシールプレート６０が配置されている。そして、この収納凹部８８ａにポッティング部６２が収納されている。このため、収納凹部８８ａを有するシールプレート６０によって、開口部１４ａを貫通するフラットケーブル５４の周囲にポッティング層を形成する領域が容易に確保される。このため、フラットケーブル５４の外周部を一層良好に密封することができる。

さらに、本実施形態では、図４に示したように、複数のフラットケーブル５４が、互いに間隔を置いて並設された複数のスリット６４に個別に挿通されている。これにより、複数のフラットケーブル５４は、複数のスリット６４によって間隔を置いた状態で保持される。このため、複数のフラットケーブル５４における隣接するフラットケーブル５４間もポッティング部６２によって密封されることで、良好なシール性が得られる。

しかも、本実施形態では、第１ポッティング層６２ａを構成する樹脂材料の粘度は、第２ポッティング層６２ｂを構成する樹脂材料の粘度よりも高い。このため、ポッティング部６２の形成時に、最初に充填されるポッティング材（第１ポッティング層６２ａを構成する樹脂材料）の粘度が比較的高いため、ポッティング材がスリット６４を介して流れ出ることを防止することができる。なお、ポッティング部６２の形成工程においては、シールプレート６０が開口部１４ａ（収納ケース１４）に固定され、シールプレート６０の嵌合凹部８８ｂにグロメット５８の嵌合凸部７４が嵌合され、さらに複数のスリット６４に複数のフラットケーブル５４が個別に挿通された状態で、収納凹部８８ａにポッティング材が流し込まれる。

また、ポッティング部６２の形成時に、次に充填されるポッティング材（第２ポッティング層６２ｂを構成する樹脂材料）の粘度が比較的低いため、複数のフラットケーブル５４における隣接するフラットケーブル５４間にポッティング材を短時間で確実に充填することができる。従って、密封性の高いポッティング部６２を良好に形成することができる。

なお、上側シール８０ａと下側シール８０ｂの大小関係は、上述した実施形態に限られない。従って、例えば、図９に示すように、上側シール８０ａが下側シール８０ｂよりも大きく形成されてもよい。すなわち、図９に示す複数列の第１シール突起８０では、非圧縮状態において、上側シール８０ａの横断面における突出高さｈ１が、下側シール８０ｂの横断面における突出高さｈ２よりも高く設定されるとともに、上側シール８０ａの横断面における幅ｗ１が、下側シール８０ｂの横断面における幅ｗ２よりも大きく設定されている。

あるいは、下側シール８０ｂの突出高さｈ２は上側シール８０ａの突出高さｈ１よりも高いが、下側シール８０ｂの幅ｗ２は上側シール８０ａの幅ｗ１よりも小さく設定されてもよい。あるいは、上側シール８０ａの突出高さｈ１は下側シール８０ｂの突出高さｈ２よりも高いが、上側シール８０ａの幅ｗ１は下側シール８０ｂの幅ｗ２よりも小さく設定されてもよい。

複数列の第１シール突起８０において互いに隣接するシールは、非圧縮状態で、高さが互いに同じであり、幅が互いに異なってもよい。あるいは、複数列の第１シール突起８０において互いに隣接するシールは、非圧縮状態で、高さが互いに異なり、幅が互いに同じでもよい。

上述した実施形態では、ポッティング部６２は、互いに異なる物性（硬度）をもつ第１ポッティング層６２ａと第２ポッティング層６２ｂとを有する２層構造からなるが、単層構造によって構成されてもよい。すなわち、図１０に示す変形例に係るシール構造５６ａのように、互いに異なる硬度をもつ複数のポッティング層を有しない単層構造からなるポッティング部６２ｃが設けられてもよい。

本発明は上述した実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において、種々の改変が可能である。

１０…燃料電池スタック １２…発電セル
１３…セル積層体 １４…収納ケース
１４ａ…開口部 １６…電解質膜・電極構造体
１８…第１セパレータ ２０…第２セパレータ
５０…セル電圧検知用端子 ５４…フラットケーブル
５８…グロメット ６２、６２ｃ…ポッティング部
６２ａ…第１ポッティング層 ６２ｂ…第２ポッティング層
６４…スリット ７６…フランジ部
８０…第１シール突起 ８０ａ…上側シール
８０ｂ…下側シール

Claims (5)

1. 電解質膜の両側に電極が設けられる電解質膜・電極構造体とセパレータとが積層された発電セルと、前記発電セルが複数積層されたセル積層体を収納する収納ケースとを備え、前記セパレータにはセル電圧検知用端子が設けられ、前記セル電圧検知用端子にはフラットケーブルが接続され、前記フラットケーブルは前記収納ケースに設けられた開口部を貫通して前記収納ケースの外部に導出されている燃料電池スタックであって、
   前記開口部には、厚み方向に貫通するスリットを有するグロメットが設けられており、
   前記フラットケーブルは、前記スリットに挿通されるとともに、前記グロメットに隣接して設けられたポッティング部により密封されており、
   前記グロメットは、前記スリットが設けられたケーブル挿通部と、前記ケーブル挿通部の外側を周回するとともに前記開口部の貫通方向に沿って並ぶ突起状の複数列のシールとを有する、
   ことを特徴とする燃料電池スタック。
2. 請求項１記載の燃料電池スタックにおいて、
   前記複数列のシールは、非圧縮状態で、互いの断面形状が異なる、
   ことを特徴とする燃料電池スタック。
3. 請求項１又は２記載の燃料電池スタックにおいて、
   前記複数列のシールにおいて互いに隣接するシールは、非圧縮状態で、横断面における突出高さと、前記突出高さと直交する方向の幅において、前記ポッティング部から遠い側に設けられたシールの方が前記ポッティング部に近い側に設けられたシールよりも大きい、
   ことを特徴とする燃料電池スタック。
4. 請求項１〜３のいずれか１項に記載の燃料電池スタックにおいて、
   前記開口部と前記グロメットとの間には、前記ポッティング部を収納したシールプレートが介装されており、
   前記複数列のシールは、前記シールプレートに密着している、
   ことを特徴とする燃料電池スタック。
5. 請求項４記載の燃料電池スタックにおいて、
   前記ケーブル挿通部は、前記シールプレートに向かって突出した嵌合凸部として構成されており、
   前記シールプレートは、前記嵌合凸部が嵌合する嵌合凹部を有し、
   前記嵌合凹部の外周面に設けられた前記複数列のシールが、前記嵌合凹部の内周面に密着している、
   ことを特徴とする燃料電池スタック。

Images