JP6450978B2 - 燃料電池スタック - Google Patents

Description

本発明は、燃料電池スタックに関するものである。

車両等に搭載される燃料電池スタックは、燃料電池積層体（以下、単に積層体という。）と、積層体を収納するケーシングと、を有している（例えば、下記特許文献１参照）。
積層体は、複数の単位セルが積層されて構成されている。単位セルは、固体高分子電解質膜をアノード電極とカソード電極とで両側から挟んで構成された膜電極構造体（ＭＥＡ）と、膜電極構造体を挟持するセパレータと、を備えている。

ケーシングは、積層体を積層方向の両側から挟持する一対のエンドプレートと、一対のエンドプレート間を架け渡す連結バーと、積層体の周囲を積層方向に交差する方向から取り囲むサイドパネルと、を有している。
エンドプレート及び連結バーは、積層体の積層方向に互いに突き合わされた状態で、エンドプレート側取付孔及び連結バー側取付孔内に挿通された締結部材によって締結されている。例えば下記特許文献２には、エンドプレート側取付孔及び連結バー側取付孔内に、筒状ノックが配設された構成が開示されている。筒状ノックは、エンドプレート側取付孔及び連結バー側取付孔間を跨って配設されるとともに、締結部材に外挿されている。

上述した燃料電池スタックでは、アノード電極に燃料ガスとして水素ガスを供給するとともに、カソード電極に酸化剤ガスとして空気を供給する。これにより、アノード電極で触媒反応により発生した水素イオンが固体高分子電解質膜を透過してカソード電極まで移動し、カソード電極で空気中の酸素と電気化学反応を起こして発電が行われる。

特開２０１４−２１６２６９号公報 特開２０１３−１７９０３２号公報

ところで、従来の燃料電池スタックでは、積層体内を流れる反応ガス（燃料ガスや酸化剤ガス）が各単位セル間の隙間等を通して積層体の外部に漏れ出る場合がある。この場合、積層体の外部に漏れ出た反応ガスは、例えばエンドプレート側取付孔及び連結バー側取付孔内を通してケーシングの外部に漏れ出るおそれがある。特に、燃料ガスに用いられる水素ガスは、分子が小さいため、上述した課題が顕著になる。
また、ケーシングの外部に存在する水が、エンドプレート側取付孔や連結バー側取付孔内に進入すると、筒状ノック等の腐食に繋がるおそれがある。

そこで、本発明は、上述した事情に考慮してなされたもので、反応ガスがケーシングの外部に漏れ出るのを抑制できるとともに、ケーシングの外部からの水の進入を抑制できる燃料電池スタックを提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、請求項１に記載した発明は、複数の燃料電池セル（例えば、実施形態における単位セル２）が第１方向に積層された燃料電池積層体（例えば、実施形態における積層体３）と、前記燃料電池積層体を収納するケーシング（例えば、実施形態におけるケーシング４）と、前記ケーシングの一部を構成し、前記燃料電池積層体を前記第１方向に沿う両側から挟持する一対のエンドプレート（例えば、実施形態における第１エンドプレート８１及び第２エンドプレート８２）と、前記一対のエンドプレート間に架け渡された連結バー（例えば、実施形態における第１連結バー８３及び第２連結バー８４）と、前記エンドプレートと前記連結バーとを前記第１方向で締結する締結部材（例えば、実施形態における締結部材１００）と、前記エンドプレート及び前記連結バーのうち、前記締結部材が挿通されたエンドプレート側取付孔（例えば、実施形態におけるエンドプレート側取付孔１０１）及び連結バー側取付孔（例えば、実施形態における連結バー側取付孔１０２）内を前記第１方向に跨って配設されるとともに、前記エンドプレート側取付孔及び前記連結バー側取付孔内で前記締結部材に外挿された筒状ノック（例えば、実施形態における筒状ノック１１０）と、を備え、前記エンドプレート側取付孔内において、前記第１方向で前記筒状ノックと前記締結部材との間に位置する部分には、少なくとも前記エンドプレート側取付孔の内周面及び前記締結部材に密接する第１シール部材（例えば、実施形態におけるシール部材１１５）が介在していることを特徴とする。

請求項２に記載した発明では、複数の燃料電池セルが第１方向に積層された燃料電池積層体と、前記燃料電池積層体を収納するケーシング（例えば、実施形態におけるケーシング４）と、前記ケーシングの一部を構成し、前記燃料電池積層体を前記第１方向に沿う両側から挟持する一対のエンドプレートと、前記一対のエンドプレート間に架け渡された連結バーと、前記エンドプレートと前記連結バーとを前記第１方向で締結する締結部材と、前記エンドプレート及び前記連結バーのうち、前記締結部材が挿通されたエンドプレート側取付孔及び連結バー側取付孔内を前記第１方向に跨って配設されるとともに、前記エンドプレート側取付孔及び前記連結バー側取付孔内で前記締結部材に外挿された筒状ノックと、を備え、前記エンドプレート側取付孔内で前記筒状ノックに外挿され、前記エンドプレート側取付孔の内周面及び前記筒状ノックに密接する第２シール部材（例えば、実施形態における外側シール部材２１０）と、前記連結バー側取付孔内で前記筒状ノックに外挿され、前記連結バー側取付孔の内周面及び前記筒状ノックに密接する第３シール部材（例えば、実施形態における内側シール部材２１１）と、を有していることを特徴とする。

請求項１に記載した発明によれば、積層体から漏れ出てケーシング内に存在する反応ガスが各取付孔を通して燃料電池スタックの外部に放出されるのを抑制できる。
特に、第１シール部材が、エンドプレート側取付孔内において、第１方向で筒状ノックと締結部材との間に位置する部分で、少なくともエンドプレート側取付孔の内周面及び締結部材に密接している構成とした。そのため、筒状ノックの外周側及び内周側を通して流通する反応ガスを１つの第１シール部材によって塞き止めることができる。したがって、簡素化を図った上で、反応ガスが外部に漏れ出るのを確実に抑制できる。
また、ケーシングの外部に存在する水がエンドプレート側取付孔を通してケーシング内に進入するのを、第１シール部材によって塞き止めることができる。この場合、エンドプレートと連結バーとの境界部分よりもエンドプレート側で水を塞き止めることができるので、特に筒状ノックのうち、エンドプレートと連結バーとの境界部分に相当する部分（以下、せん断部分という。）の腐食を抑制できる。

請求項２に記載した発明によれば、積層体から漏れ出てケーシング内に存在する反応ガスが各取付孔を通して燃料電池スタックの外部に放出されるのを抑制できる。
特に、第２シール部材がエンドプレート側取付孔の内周面及び筒状ノックに密接しているため、取付孔内に進入した反応ガスが筒状ノックの外周側を通して燃料電池スタック外部へ漏れ出るのを抑制できる。
また、ケーシングの外部に存在する水がエンドプレート側取付孔を通してケーシング内に進入するのを、第２シール部材によって塞き止めることができる。この場合、エンドプレートと連結バーとの境界部分よりもエンドプレート側で水を塞き止めることができるので、特に筒状ノックのせん断部分の腐食を抑制できる。
また、第３シール部材が連結バー側取付孔の内周面及び筒状ノックに密接しているため、取付孔内に進入した反応ガスが筒状ノックにおける第１方向の積層体側から回り込んで筒状ノックの内周側に進入するのを抑制できる。

第１実施形態の燃料電池スタックを第１エンドプレート側から見た分解斜視図である。 図１に示す単位セルの分解斜視図である。 図１のＩＩＩ−ＩＩＩ線に相当する断面図である。 図５のＩＶ−ＩＶ線に相当する断面図である。 第１実施形態の燃料電池スタックを第２エンドプレート側から見た分解斜視図である。 図１のＶＩ−ＶＩ線に相当する断面図である。 第１実施形態の変形例に係る図６に相当する断面図である。 第２実施形態における図６に相当する断面図である。

次に、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
（第１実施形態）
［燃料電池スタック］
図１は本実施形態の燃料電池スタック１を第１エンドプレート８１側から見た分解斜視図である。
図１に示すように、本実施形態の燃料電池スタック１は、図示しない車両の前部に画成されたモータルームやフロア下に搭載されている。燃料電池スタック１は、例えば駆動用モータに電力を供給するのに用いられる。なお、本実施形態の燃料電池スタック１は、例えば図中のＡ方向（第１方向）が車両の幅方向、Ｂ方向（第２方向）が車両の前後方向、Ｃ方向（第２方向）が車両の上下方向となるようにして車両に搭載される。

燃料電池スタック１は、積層体（燃料電池積層体）３と、積層体３を収納するケーシング４と、を主に備えている。
積層体３は、複数の単位セル（燃料電池セル）２がＡ方向（積層方向）に積層されて構成されている。なお、以下の説明では、上述したＡ方向、Ｂ方向及びＣ方向（重力方向）において、積層体３の中央部に近づく向きを内側といい、積層体３の中央部から離間する向きを外側という場合がある。

＜単位セル＞
図２は単位セル２の分解斜視図である。
図２に示すように、単位セル２は、例えば一対のセパレータ２１，２２と、各セパレータ２１，２２間に挟持された膜電極構造体２３（以下、単にＭＥＡ２３という。）と、を備えている。ＭＥＡ２３は、固体高分子電解質膜３１と、固体高分子電解質膜３１をＡ方向の両側から挟持するアノード電極３２及びカソード電極３３と、を備えている。
アノード電極３２及びカソード電極３３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た電極触媒層と、を有している。
固体高分子電解質膜３１は、例えばペルフルオロスルホン酸ポリマーに水を含浸させた素材により形成されている。固体高分子電解質膜３１は、Ａ方向から見た正面視外形がアノード電極３２及びカソード電極３３よりも大きくなっている。図２の例において、固体高分子電解質膜３１の中央部には、アノード電極３２及びカソード電極３３が重ね合わされている。固体高分子電解質膜３１の外周部は、アノード電極３２及びカソード電極３３に対して額縁状にはみ出している。

単位セル２の各セパレータ２１，２２は、ＭＥＡ２３のアノード電極３２側に配置された第１セパレータ２１、及びＭＥＡ２３のカソード電極３３側に配置された第２セパレータ２２である。なお、以下の説明では、各セパレータ２１，２２において、同一の構成については同様の符号を付してまとめて説明する。

各セパレータ２１，２２は、セパレータプレート３５と、セパレータプレート３５の外周部を被覆する被覆部材３６と、を有している。
セパレータプレート３５は、Ｂ方向を長手方向とする長方形状の金属板、又はカーボン板により構成されている。なお、図２の例において、セパレータプレート３５は、正面視外形が固体高分子電解質膜３１と同等に形成されている。セパレータプレート３５は、Ａ方向から見てＭＥＡ２３に重なり合っている。

図３は図１のＩＩＩ−ＩＩＩ線に相当する断面図である。
図３に示すように、被覆部材３６は、ゴム等の弾性変形可能な材料により形成されている。被覆部材３６は、固体高分子電解質膜３１の外周部にＡ方向で密接している。

図２に示すように、単位セル２（固体高分子電解質膜３１及び各セパレータ２１，２２）の各角部には、入口側ガス連通孔（酸化剤ガス入口連通孔４１ｉ及び燃料ガス入口連通孔４２ｉ）と、出口側ガス連通孔（酸化剤ガス出口連通孔４１ｏ及び燃料ガス出口連通孔４２ｏ）と、が形成されている。各連通孔４１ｉ，４１ｏ，４２ｉ，４２ｏは、単位セル２をＡ方向に貫通している。図２に示す例において、単位セル２の右上角部には、酸化剤ガス（例えば、空気等）を供給するための酸化剤ガス入口連通孔４１ｉが形成されている。単位セル２の右下角部には、燃料ガス（例えば、水素等）を供給するための燃料ガス入口連通孔４２ｉが形成されている。また、単位セル２の左下角部には使用済みの酸化剤ガスを排出するための酸化剤ガス出口連通孔４１ｏが形成されている。単位セル２の左上角部には、使用済みの燃料ガスを排出するための燃料ガス出口連通孔４２ｏが形成されている。

単位セル２において、各入口連通孔４１ｉ，４２ｉに対してＢ方向の内側に位置する部分には、冷媒入口連通孔４３ｉがそれぞれ形成されている。
単位セル２において、各出口連通孔４１ｏ，４２ｏに対してＢ方向の内側に位置する部分には、冷媒出口連通孔４３ｏがそれぞれ形成されている。なお、一対の冷媒入口連通孔４３ｉ同士及び一対の冷媒出口連通孔４３ｏ同士は、アノード電極３２及びカソード電極３３を間に挟んでそれぞれＣ方向で対向する位置に配置されている。

各セパレータ２１，２２（セパレータプレート３５）の中央部は、プレス成形等によって凹凸形状とされている。セパレータ２１，２２のうち、ＭＥＡ２３と対向する面は、ＭＥＡ２３との間にそれぞれガス流路４５，４６（図２中では矢印で示す）を形成している。
具体的に、第１セパレータ２１のアノード電極３２を向く面と、ＭＥＡ２３のアノード電極３２と、の間には、燃料ガス流路４５が形成されている。燃料ガス流路４５は、燃料ガス入口連通孔４２ｉ及び燃料ガス出口連通孔４２ｏにそれぞれ連通している。

第２セパレータ２２のカソード電極３３を向く面と、ＭＥＡ２３のカソード電極３３と、の間には、酸化剤ガス流路４６が形成されている。酸化剤ガス流路４６は、酸化剤ガス入口連通孔４１ｉ及び酸化剤ガス出口連通孔４１ｏにそれぞれ連通している。

図３に示すように、積層体３は、一の単位セル２の第１セパレータ２１と、一の単位セル２に隣接する他の単位セル２の第２セパレータ２２と、が重ね合わされた状態で、Ａ方向に積層されて構成される。そして、一の単位セル２の第１セパレータ２１と、他の単位セル２の第２セパレータ２２と、の間には、冷媒流路５５が形成されている。図２に示すように、冷媒流路５５は、冷媒入口連通孔４３ｉ及び冷媒出口連通孔４３ｏにそれぞれ連通している。なお、冷媒流路５５を流通する冷媒として、例えば純水やエチレングリコール等が好適に用いられる。

なお、単位セル２の積層構造は、上述の構成に限定されるものではない。例えば、３枚のセパレータと、各セパレータ間に挟持された２枚のＭＥＡと、により単位セルを構成しても構わない。また、各連通孔のレイアウトについても適宜設計変更が可能である。

図４は、図５のＩＶ−ＩＶ線に相当する断面図である。
図３、図４に示すように、積層体３に対してＡ方向の両側には、ターミナルプレート（第１ターミナルプレート６１及び第２ターミナルプレート６２）がそれぞれ配置されている。各ターミナルプレート６１，６２は、正面視の外形がセパレータ２１，２２よりも小さくなっている。図３に示すように、第１ターミナルプレート６１は、積層体３（各単位セル２）のうち、Ａ方向の一方側に位置する単位セル（以下、第１端部セル２ａという。）のアノード電極３２に第１セパレータ２１を介して導通している。図１に示すように、第１ターミナルプレート６１には、Ａ方向の外側に向けて突出する出力端子６３（図１参照）が形成されている。

第１ターミナルプレート６１に対してＡ方向の外側には、第１インシュレータ６６が配置されている。第１インシュレータ６６は、正面視外形が第１ターミナルプレート６１よりも大きくなっている。また、第１インシュレータ６６は、Ａ方向の厚さが第１ターミナルプレート６１よりも厚くなっている。

第１インシュレータ６６の中央部には、Ａ方向の外側に向けて窪む収容部７１が形成されている。収容部７１内には、上述した第１ターミナルプレート６１が収容されている。
第１インシュレータ６６の外周部（収容部７１の外側に位置する部分）は、第１端部セル２ａにおける第１セパレータ２１（被覆部材３６）にＡ方向の外側から密接している。第１インシュレータ６６の外周部には、上述した各ガス入口連通孔４１ｉ，４２ｉに各別に連通する酸化剤ガス入口接続孔７２及び燃料ガス入口接続孔（不図示）が形成されている。また、第１インシュレータ６６の外周部には、上述した各ガス出口連通孔４１ｏ，４２ｏに各別に連通する図示しない酸化剤ガス出口接続孔及び燃料ガス出口接続孔が形成されている。

図４に示すように、上述した第２ターミナルプレート６２は、各単位セル２のうち、Ａ方向の他方側に位置する単位セル（以下、第２端部セル２ｂという。）のカソード電極３３に第２セパレータ２２を介して導通している。第２ターミナルプレート６２には、Ａ方向の外側に向けて突出する出力端子６４（図５参照）が形成されている。

第２ターミナルプレート６２に対してＡ方向の外側には、第２インシュレータ６７が配置されている。第２インシュレータ６７は、正面視外形が第２ターミナルプレート６２よりも大きくなっている。また、第２インシュレータ６７は、Ａ方向の厚さが第２ターミナルプレート６２よりも厚くなっている。

第２インシュレータ６７の中央部には、Ａ方向の外側に向けて窪む収容部７３が形成されている。収容部７３内には、上述した第２ターミナルプレート６２が収容されている。
第２インシュレータ６７の外周部（収容部７３の外側に位置する部分）は、第２端部セル２ｂにおける第２セパレータ２２（被覆部材３６）にＡ方向の外側から密接している。また、第２インシュレータ６７の外周部には、上述した各冷媒連通孔４３ｉ，４３ｏに各別に連通する冷媒入口接続孔７４及び冷媒出口接続孔（不図示）が形成されている。

＜ケーシング＞
図１に示すように、ケーシング４は、積層体３よりも一回り大きい箱型に形成されている。ケーシング４は、その内部に積層体３を収納している。具体的に、ケーシング４は、４枚のサイドパネル８０と、一対のエンドプレート（第１エンドプレート８１及び第２エンドプレート８２）と、連結バー（エンドプレート８１，８２のうち対向する２辺に各別に設けられる一対の第１連結バー８３及び一対の第２連結バー８４）と、を備えている。
サイドパネル８０は、積層体３の周囲（Ｂ方向の両側及びＣ方向の両側）を取り囲んでいる。

図３、図４に示すように、エンドプレート８１，８２は、積層体３をＡ方向の両側から挟持している。各エンドプレート８１，８２は、正面視外形が単位セル２よりも大きい長方形状に形成されている。図３に示すように、第１エンドプレート８１は、積層体３との間に第１ターミナルプレート６１及び第１インシュレータ６６を挟み込んだ状態で、積層体３に対してＡ方向の一方側に配置されている。第１エンドプレート８１の周囲は、上述したサイドパネル８０に取り囲まれている。

図１に示すように、第１エンドプレート８１には、ガス入口孔（酸化剤ガス入口孔８５ｉ及び燃料ガス入口孔８６ｉ）及びガス出口孔（酸化剤ガス出口孔８５ｏ及び燃料ガス出口孔８６ｏ）が形成されている。ガス入口孔８５ｉ，８６ｉは、第１インシュレータ６６の対応する各ガス入口接続孔（例えば、酸化剤ガス入口接続孔７２）を通してガス入口連通孔４１ｉ，４２ｉにそれぞれ連通している。ガス出口孔８５ｏ，８６ｏは、第１インシュレータ６６の対応する各ガス出口接続孔を通してガス出口連通孔４１ｏ，４２ｏにそれぞれ連通している。

第１エンドプレート８１には、複数のガスマニホールド９１ｉ，９１ｏ，９２ｉ，９２ｏが接続されている。各ガスマニホールド９１ｉ，９１ｏ，９２ｉ，９２ｏは、酸化剤ガス入口マニホールド９１ｉ、酸化剤ガス出口マニホールド９１ｏ、燃料ガス入口マニホールド９２ｉ及び燃料ガス出口マニホールド９２ｏである。各ガスマニホールド９１ｉ，９１ｏ，９２ｉ，９２ｏは、第１エンドプレート８１からＡ方向の外側に向けて延びる筒状に形成されている。

酸化剤ガス入口マニホールド９１ｉは、第１エンドプレート８１の右上角部に配設されている。酸化剤ガス入口マニホールド９１ｉは、酸化剤ガス入口孔８５ｉ及び酸化剤ガス入口接続孔７２（図３参照）を通して積層体３の酸化剤ガス入口連通孔４１ｉ（図３参照）に連通している。酸化剤ガス入口マニホールド９１ｉには、図示しない酸化剤ガス入口配管が接続される。
酸化剤ガス出口マニホールド９１ｏは、第１エンドプレート８１の左下角部に配設されている。酸化剤ガス出口マニホールド９１ｏは、第１エンドプレート８１の酸化剤ガス出口孔８５ｏ及び第１インシュレータ６６の酸化剤ガス出口接続孔を通して積層体３の酸化剤ガス出口連通孔４１ｏ（図２参照）に連通している。酸化剤ガス出口マニホールド９１ｏには、図示しない酸化剤ガス出口配管が接続される。

燃料ガス入口マニホールド９２ｉは、第１エンドプレート８１の右下角部に配設されている。燃料ガス入口マニホールド９２ｉは、第１エンドプレート８１の燃料ガス入口孔８６ｉ及び第１インシュレータ６６の燃料ガス入口接続孔を通して積層体３の燃料ガス入口連通孔４２ｉ（図２参照）に連通している。燃料ガス入口マニホールド９２ｉには、図示しない燃料ガス入口配管が接続される。
燃料ガス出口マニホールド９２ｏは、第１エンドプレート８１の左上角部に配設されている。燃料ガス出口マニホールド９２ｏは、第１エンドプレート８１の燃料ガス出口孔８６ｏ及び第１インシュレータ６６の燃料ガス出口接続孔を通して積層体３の燃料ガス出口連通孔４２ｏ（図２参照）に連通している。燃料ガス出口マニホールド９２ｏには、図示しない燃料ガス出口配管が接続される。

図４に示すように、第２エンドプレート８２は、積層体３との間に第２ターミナルプレート６２及び第２インシュレータ６７を挟み込んだ状態で、積層体３に対してＡ方向の他方側に配置されている。第２エンドプレート８２の周囲は、上述したサイドパネル８０に取り囲まれている。したがって、積層体３、ターミナルプレート６１，６２及びインシュレータ６６，６７は、ケーシング４（エンドプレート８１，８２及び４枚のサイドパネル８０）によって全体が取り囲まれている。

図５は、燃料電池スタック１を第２エンドプレート８２側から見た分解斜視図である。
図５に示すように、第２エンドプレート８２には、一対の冷媒入口孔９５ｉ及び一対の冷媒出口孔９５ｏが形成されている。冷媒入口孔９５ｉは、第２インシュレータ６７の対応する冷媒入口接続孔７４（図４参照）を通して冷媒入口連通孔４３ｉに連通している。冷媒出口孔９５ｏは、第２インシュレータ６７の対応する冷媒出口接続孔を通して冷媒出口連通孔４３ｏに連通している。

第２エンドプレート８２には、複数の冷媒マニホールド（冷媒入口マニホールド９６ｉ及び冷媒出口マニホールド９６ｏ）が接続されている。冷媒入口マニホールド９６ｉは、Ｂ方向から見た側面視でアーチ状に形成されている。冷媒入口マニホールド９６ｉは、Ｃ方向における両側の開口部が第２エンドプレート８２の各冷媒入口孔９５ｉのうち、対応する冷媒入口孔９５ｉにそれぞれ連通している。これにより、冷媒入口マニホールド９６ｉは、冷媒入口孔９５ｉ及び冷媒入口接続孔７４（図３参照）を通して積層体３の冷媒入口連通孔４３ｉに連通している。冷媒入口マニホールド９６ｉにおけるＣ方向の中央部には、入口ポート９８が突設されている。なお、入口ポート９８には、図示しない冷媒入口配管が接続される。

冷媒出口マニホールド９６ｏは、Ｂ方向から見た側面視でアーチ状に形成されている。冷媒出口マニホールド９６ｏは、Ｃ方向における両側の開口部が第２エンドプレート８２の各冷媒出口孔９５ｏのうち、対応する冷媒出口孔９５ｏにそれぞれに連通している。これにより、冷媒出口マニホールド９６ｏは、冷媒出口孔９５ｏ及び第２インシュレータ６７の図示しない冷媒出口接続孔を通して積層体３の冷媒出口連通孔４３ｏに連通している。冷媒出口マニホールド９６ｏにおけるＣ方向の中央部には、出口ポート９９が突設されている。出口ポート９９には、図示しない冷媒出口配管が接続される。

図１に示すように、第１連結バー８３及び第２連結バー８４は、Ａ方向に沿って延在する板状に形成されている。各連結バー８３，８４は、Ａ方向の両端面が各エンドプレート８１，８２におけるＡ方向の内側端面に突き合わされた状態で、一対の締結部材１００によってエンドプレート８１，８２にそれぞれ締結されている。具体的に、第１連結バー８３は、積層体３に対してＣ方向の両側において各エンドプレート８１，８２の長辺部分同士を連結している。第２連結バー８４は、積層体３に対してＢ方向の両側において、各エンドプレート８１，８２の短辺部分同士を連結している。なお、締結部材１００は、各連結バー８３，８４ごとに３本以上設けられていても構わない。

次に、各エンドプレート８１，８２と各連結バー８３，８４との締結構造について詳述する。但し、各エンドプレート８１，８２と各連結バー８３，８４との締結構造は、何れも同様の構成である。そのため、以下の説明では第１エンドプレート８１と第１連結バー８３との締結構造について主に説明し、その他の部分の締結構造については説明を省略する。

図６は、図１のＶＩ−ＶＩ線に相当する断面図である。
図６に示すように、第１エンドプレート８１のうち、Ａ方向で第１連結バー８３と重なる部分には、エンドプレート側取付孔１０１が形成されている。エンドプレート側取付孔１０１は、第１エンドプレート８１をＡ方向に貫通する円形の貫通孔である。エンドプレート側取付孔１０１は、Ａ方向の内側に位置するものほど内径が小さい多段形状になっている。具体的に、エンドプレート側取付孔１０１は、Ａ方向の外側に位置するエンドプレート側大径部１０１ａと、エンドプレート側大径部１０１ａに対してＡ方向の内側に連なるエンドプレート側小径部１０１ｂと、を有している。エンドプレート側大径部１０１ａにおけるＡ方向の長さは、エンドプレート側小径部１０１ｂよりも短くなっている。なお、本実施形態において、エンドプレート側取付孔１０１は、Ｂ方向に間隔をあけて２つ形成されている。

第１連結バー８３におけるＡ方向の外側端面において、Ａ方向でエンドプレート側取付孔１０１と重なる部分には、連結バー側取付孔１０２が形成されている。連結バー側取付孔１０２は、Ａ方向に沿って延びるとともに、第１連結バー８３のＡ方向の外側端面上で開口している。連結バー側取付孔１０２におけるＡ方向の外側開口部は、エンドプレート側取付孔１０１に連通している。

連結バー側取付孔１０２は、Ａ方向の内側に位置するものほど内径が小さい多段形状になっている。具体的に、連結バー側取付孔１０２は、Ａ方向の外側に位置する連結バー側大径部１０２ａと、連結バー側大径部１０２ａに対してＡ方向の内側に連なる連結バー側小径部１０２ｂと、を有している。
連結バー側大径部１０２ａの内径は、エンドプレート側小径部１０１ｂの内径と同等になっている。図６に示す例において、連結バー側大径部１０２ａの内周面と、エンドプレート側小径部１０１ｂの内周面と、は面一に配置されている。
連結バー側取付孔１０２のうち、少なくとも連結バー側小径部１０２ｂは、雌ねじ孔になっている。

各取付孔１０１，１０２内には、筒状ノック１１０が挿入されている。筒状ノック１１０は、第１エンドプレート８１と第１連結バー８３との位置決めを行うとともに、第１エンドプレート８１と第１連結バー８３との間に作用するせん断荷重を受けるものである。筒状ノック１１０は、Ａ方向に延びる筒状に形成されている。

筒状ノック１１０におけるＡ方向の長さは、エンドプレート側小径部１０１ｂ及び連結バー側大径部１０２ａそれぞれのＡ方向の長さよりも長く、エンドプレート側小径部１０１ｂ及び連結バー側大径部１０２ａにおけるＡ方向の合計長さよりも短くなっている。筒状ノック１１０は、エンドプレート側小径部１０１ｂ内と連結バー側大径部１０２ａ内に跨って配置されている。本実施形態において、筒状ノック１１０は、Ａ方向の内側端面が連結バー側大径部１０２ａと連結バー側小径部１０２ｂとの連結バー側境界面１０２ｃにＡ方向の外側から突き当たっている。したがって、筒状ノック１１０におけるＡ方向の外側端面は、エンドプレート側大径部１０１ａとエンドプレート側小径部１０１ｂとのエンドプレート側境界面１０１ｃよりもＡ方向の内側に位置している。
なお、筒状ノック１１０の外径は、エンドプレート側小径部１０１ｂ及び連結バー側大径部１０２ａの内径よりも小さくなっている。また、筒状ノック１１０の内径は、連結バー側小径部１０２ｂの内径以上になっている。

締結部材１００は、エンドプレート側取付孔１０１を通して連結バー側取付孔１０２内で螺着されている。具体的に、締結部材１００の頭部１００ａは、ワッシャ１１２を間に挟んでエンドプレート側境界面１０１ｃにＡ方向の外側から当接している。この場合、ワッシャ１１２及び頭部１００ａの一部は、エンドプレート側大径部１０１ａ内に収容されている。これにより、第１エンドプレート８１からの頭部１００ａのＡ方向の外側への突出量が抑えられている。なお、本実施形態の締結部材１００は、例えば六角ボルトが好適に用いられている。但し、締結部材１００は、六角ボルトに限らず、六角穴付きボルトであっても構わない。この場合には、レンチ等を用いて締結部材１００を組み付けることができるので、ドライバー等を用いて締結部材を組み付ける場合に比べて、組付時に必要なスペースを縮小できる。

締結部材１００の軸部１００ｂは、外径が筒状ノック１１０の内径よりも小さくなっている。軸部１００ｂは、各取付孔１０１，１０２内において、筒状ノック１１０内を貫通している。軸部１００ｂの先端部は、連結バー側小径部１０２ｂ内に螺着されている。

ここで、エンドプレート側取付孔１０１内において、ワッシャ１１２と筒状ノック１１０とで囲まれた部分（以下、シール空間Ｓという。）には、シール部材（第１シール部材）１１５が配設されている。シール部材１１５は、弾性変形可能な材料により形成されている。シール部材１１５は、Ａ方向を軸方向とする環状に形成されている。シール部材１１５は、シール空間Ｓにおいて、締結部材１００の軸部１００ｂに外挿されている。なお、図示の例において、シール部材１１５は、Ａ方向に沿う縦断面が円形状に形成されているが、これに限らず、矩形状等に形成しても構わない。

本実施形態において、シール部材１１５は、軸部１００ｂとの間に締め代を有している。したがって、シール部材１１５は、少なくともラジアル方向（Ａ方向に直交する方向）に押し潰された状態で軸部１００ｂの外周面及びエンドプレート側小径部１０１ｂの内周面に密接している。なお、シール部材１１５は、アキシャル方向（Ａ方向）に押し潰された状態でシール空間Ｓに配設されていても構わない。また、シール部材１１５は、ワッシャ１１２や筒状ノック１１０にＡ方向で密接していても構わない。

＜作用＞
次に、上述した燃料電池スタック１の作用について説明する。
図１に示すように、本実施形態の燃料電池スタック１には、図示しないコンプレッサから圧送されて高温（例えば、燃料電池スタック１の作動温度と同程度）となった酸化剤ガスが、酸化剤ガス入口マニホールド９１ｉを通して供給される。また、燃料電池スタック１には、図示しない水素タンクから送出される燃料ガスが燃料ガス入口マニホールド９２ｉを通して供給される。

酸化剤ガス入口マニホールド９１ｉ内に流入した酸化剤ガスは、酸化剤ガス入口孔８５ｉ及び酸化剤ガス入口接続孔７２（図３参照）を通して積層体３に供給される。図３に示すように、積層体３に供給された酸化剤ガスは、各単位セル２の酸化剤ガス入口連通孔４１ｉを、Ａ方向における第２エンドプレート８２側に向けて流通する。図２に示すように、酸化剤ガス入口連通孔４１ｉを流通する酸化剤ガスは、酸化剤ガス流路４６に導入されることで、ＭＥＡ２３のカソード電極３３に供給される。
一方、図１に示すように、燃料ガス入口マニホールド９２ｉ内に流入した燃料ガスは、第１エンドプレート８１の燃料ガス入口孔８６ｉ及び第１インシュレータ６６の燃料ガス入口接続孔を通して積層体３内に供給される。積層体３内に供給された燃料ガスは、各単位セル２の燃料ガス入口連通孔４２ｉを、Ａ方向における第２エンドプレート８２側に向けて流通する。図２に示すように、燃料ガス入口連通孔４２ｉを流通する燃料ガスは、燃料ガス流路４５に導入されることで、ＭＥＡ２３のアノード電極３２に供給される。
その結果、アノード電極３２で触媒反応により発生した水素イオンが、固体高分子電解質膜３１を透過してカソード電極３３まで移動し、カソード電極３３で酸化剤ガスと電気化学反応を起こして発電する。

その後、カソード電極３３で発電に供された使用済みの酸化剤ガスは、酸化剤ガス出口連通孔４１ｏ内に流入する。酸化剤ガス出口連通孔４１ｏに流入した使用済みの酸化剤ガスは、酸化剤ガス出口連通孔４１ｏをＡ方向における第１エンドプレート８１側に向けて流通する。図１に示すように、使用済みの酸化剤ガスは、第１インシュレータ６６の酸化剤ガス出口接続孔及び第１エンドプレート８１の酸化剤ガス出口孔８５ｏを通って酸化剤ガス出口マニホールド９１ｏに排出される。なお、酸化剤ガス出口マニホールド９１ｏに排出された酸化剤ガスは、図示しない酸化剤ガス出口配管を通って車外に排出される。
一方、図２に示すように、アノード電極３２で発電に供された使用済みの燃料ガスは、燃料ガス出口連通孔４２ｏに流入する。燃料ガス出口連通孔４２ｏに流入した使用済みの燃料ガスは、燃料ガス出口連通孔４２ｏ内をＡ方向における第１エンドプレート８１側に向けて流通する。その後、図１に示すように、使用済みの燃料ガスは、第１インシュレータ６６の燃料ガス出口接続孔及び第１エンドプレート８１の燃料ガス出口孔８６ｏを通って燃料ガス出口マニホールド９２ｏに排出され、再度燃料ガス入口マニホールド９２ｉに供給される。なお、燃料ガス出口マニホールド９２ｏに排出された燃料ガスの一部は、図示しない希釈器で使用済みの酸化剤ガスと混合して希釈された後、車外へ排出される。

また、図示しないウォータポンプを作動させることで、冷媒が積層体３内や駆動用モータ、ラジエータ等との間を循環する。具体的に、ウォータポンプから送出された冷媒は、図５に示す冷媒入口マニホールド９６ｉ、冷媒入口孔９５ｉ及び冷媒入口接続孔７４（図３参照）を通して積層体３の冷媒入口連通孔４３ｉに流入する。図２に示すように、冷媒入口連通孔４３ｉ内に流入した冷媒は、冷媒入口連通孔４３ｉ内をＡ方向における第１エンドプレート８１側に向けて流通する。冷媒入口連通孔４３ｉを流通する冷媒は、冷媒流路５５に供給されることで、各単位セル２との間で熱交換が行われる。その後、冷媒は冷媒出口連通孔４３ｏ内に流入し、冷媒出口連通孔４３ｏ内をＡ方向に沿う第２エンドプレート８２側に向けて流通する。そして、図５に示すように、冷媒は、第２インシュレータ６７の冷媒出口接続孔及び第２エンドプレート８２の冷媒出口孔９５ｏを通って冷媒出口マニホールド９６ｏに排出される。冷媒出口マニホールド９６ｏに排出された冷媒は、出口ポート９９及び冷媒出口配管を通ってラジエータや駆動用モータ等を流通した後、再び積層体３内に供給される。

ここで、本実施形態では、エンドプレート側取付孔１０１内において、ワッシャ１１２と筒状ノック１１０とで囲まれたシール空間Ｓに、エンドプレート側小径部１０１ｂと締結部材１００の軸部１００ｂに密接するシール部材１１５が介在する構成とした。
この構成によれば、積層体３から漏れ出てケーシング４内に存在する反応ガス（特に燃料ガス）が各取付孔１０１，１０２を通して燃料電池スタック１（ケーシング４）の外部に放出されるのを抑制できる。

ところで、図６に示すように、第１エンドプレート８１と第１連結バー８３との隙間を通して取付孔１０１，１０２内に進入した反応ガスは、筒状ノック１１０の外周側を通ってＡ方向の外側に向けて流れる場合がある（図６中の矢印Ｇ１）。この場合、筒状ノック１１０の外周側を流れる反応ガスは、シール部材１１５によってＡ方向の外側への流れが塞き止められることになる。
一方、取付孔１０１，１０２内に進入した反応ガスは、筒状ノック１１０をＡ方向の内側から回り込んで筒状ノック１１０の内周側に進入し、筒状ノック１１０の内周側を通ってＡ方向の外側に向けて流れる場合がある（図６中の矢印Ｇ２）。この場合、筒状ノック１１０の内周側を流れる反応ガスについても、シール部材１１５によってＡ方向の外側への流れが塞き止められることになる。これにより、取付孔１０１，１０２と締結部材１００との間のシール性を確保し、反応ガスが取付孔１０１，１０２を通してケーシング４の外部に放出されるのをシール部材１１５によって抑制できる。

特に、本実施形態では、筒状ノック１１０の外周側及び内周側を通して流通する反応ガスを１つのシール部材１１５によって塞き止めることができる。したがって、簡素化を図った上で、反応ガスが燃料電池スタック１の外部に漏れ出るのを確実に抑制できる。

また、ケーシング４の外部に存在する水がエンドプレート側取付孔１０１を通してケーシング４内に進入するのを、シール部材１１５によって塞き止めることができる。この場合、第１エンドプレート８１と第１連結バー８３との境界部分よりもＡ方向の外側で水を塞き止めることができるので、特に筒状ノック１１０のうち、第１エンドプレート８１と第１連結バー８３との境界部分に相当する部分（以下、せん断部分という。）の腐食を抑制できる。

なお、第１エンドプレート８１と第２連結バー８４、第２エンドプレート８２と第１連結バー８３、及び第２エンドプレート８２と第２連結バー８４それぞれの締結構造についても、上述した実施形態と同様の作用効果を奏する。

（変形例）
次に、第１実施形態の変形例について説明する。図７は、第１実施形態の変形例に係る図６に相当する断面図である。本変形例では、締結部材１００の軸部１５０を段付き形状に形成した点で上述した第１実施形態と相違している。
図７に示すように、締結部材１００の軸部１５０は、Ａ方向の外側に位置する大径軸部１５０ａと、大径軸部１５０ａに対してＡ方向の内側に連なる小径軸部１５０ｂと、を有している。
大径軸部１５０ａは、エンドプレート側大径部１０１ａ及びエンドプレート側小径部１０１ｂにアキシャル方向（Ａ方向）に跨って配置されている。大径軸部１５０ａには、シール部材１１５が外挿されている。大径軸部１５０ａの外径は、シール部材１１５の内径よりも大きく、エンドプレート側小径部１０１ｂの内径よりも小さくなっている。すなわち、大径軸部１５０ａは、シール部材１１５との間に締め代を有している。これにより、シール部材１１５は、ラジアル方向に変形した状態で、エンドプレート側小径部１０１ｂ及び小径軸部１５０ｂに密接している。なお、大径軸部１５０ａには、エンドプレート側大径部１０１ａ内において、ワッシャ１１２が外挿されている。

小径軸部１５０ｂは、外径が筒状ノック１１０及びシール部材１１５それぞれの内径よりも小さくなっている。小径軸部１５０ｂは、エンドプレート側小径部１０１ｂ及び連結バー側取付孔１０２に跨って配置されている。具体的に、小径軸部１５０ｂは、各取付孔１０１，１０２内において、筒状ノック１１０を貫通している。小径軸部１５０ｂの先端部は、連結バー側小径部１０２ｂ内で螺着されている。

この構成によれば、締結部材１００の軸部１５０を段付き形状にすることで、締結部材１００の組付時において、シール部材１１５と小径軸部１５０ｂとの干渉を抑制できる。これにより、締結部材１００の組付時において、シール部材１１５の捩れ等を抑制できるので、シール部材１１５のネジ部１００ｃによる損傷を抑えることができる。したがって、長期に亘ってシール性を確保できる。

（第２実施形態）
次に、本発明の第２実施形態について説明する。図８は、第２実施形態における図６に相当する断面図である。本実施形態では、シール部材２１０，２１１を２つ用いる点で上述した第１実施形態と相違している。なお、以下の説明では、上述した第１実施形態と同様の構成については、同一の符号を付して説明を省略する。
図８に示す燃料電池スタック２００において、筒状ノック２０１におけるＡ方向の長さは、エンドプレート側小径部１０１ｂ及び連結バー側大径部１０２ａにおけるＡ方向の合計長さと同等になっている。したがって、筒状ノック２０１におけるＡ方向の内側端面は、連結バー側境界面１０２ｃにＡ方向の外側から突き当たっている。一方、筒状ノック２０１におけるＡ方向の外側端面は、エンドプレート側境界面１０１ｃとＡ方向で同等の位置に配置されている。なお、筒状ノック２０１におけるＡ方向の長さは、エンドプレート側小径部１０１ｂ及び連結バー側大径部１０２ａにおけるＡ方向の合計長さ以下であれば、適宜変更が可能である。

筒状ノック２０１の外周面には、収容溝２０５，２０６がＡ方向に間隔をあけて２つ形成されている。各収容溝２０５，２０６は、筒状ノック２０１における径方向の内側に窪むとともに、筒状ノック２０１の全周に亘って形成されている。各収容溝２０５，２０６のうち、Ａ方向の外側に位置する外側収容溝２０５は、筒状ノック２０１のうちエンドプレート側小径部１０１ｂ内に位置する部分に形成されている。一方、各収容溝２０５，２０６のうち、Ａ方向の内側に位置する内側収容溝２０６は、筒状ノック２０１のうち連結バー側大径部１０２ａ内に位置する部分に形成されている。

各収容溝２０５，２０６内には、シール部材２１０，２１１がそれぞれ収容されている。シール部材２１０，２１１は、ラジアル方向に変形した状態で、各収容溝２０５，２０６内にそれぞれ収容されている。この場合、シール部材２１０，２１１のうち、Ａ方向の外側に位置する外側シール部材（第２シール部材）２１０は、外側収容溝２０５内に収容された状態で、外側収容溝２０５の内面及びエンドプレート側小径部１０１ｂの内周面に密接している。一方、シール部材２１０，２１１のうち、Ａ方向の内側に位置する内側シール部材（第３シール部材）２１１は、内側収容溝２０６内に収容された状態で、内側収容溝２０６の内面及び連結バー側大径部１０２ａの内周面に密接している。

本実施形態では、上述したように外側収容溝２０５の内面及びエンドプレート側小径部１０１ｂの内周面に密接する外側シール部材２１０を有している。そのため、取付孔１０１，１０２内に進入した反応ガスが、筒状ノック２０１の外周側を通ってＡ方向の外側への流れるのを外側シール部材２１０によって抑制できる。
また、本実施形態では、上述したように内側収容溝２０６の内面及び連結バー側大径部１０２ａの内周面に密接する内側シール部材２１１を有している構成とした。そのため、取付孔１０１，１０２内に進入した反応ガスが、筒状ノック２０１におけるＡ方向の内側を回り込んで筒状ノック２０１の内周側に進入するのを内側シール部材２１１によって抑制できる。
これにより、取付孔１０１，１０２と締結部材１００との間のシール性を確保し、反応ガスが取付孔１０１，１０２からケーシング４の外部に放出されるのをシール部材２１０，２１１によって抑制できる。

また、ケーシング４の外部に存在する水がエンドプレート側取付孔１０１を通してケーシング４内に進入するのを、外側シール部材２１０によって塞き止めることができる。この場合、第１エンドプレート８１と第１連結バー８３との境界部分よりもＡ方向の外側で水を塞き止めることができるので、特に筒状ノック２０１のせん断部分の腐食を抑制できる。

なお、本発明の技術範囲は、上述した各実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において、上述した実施形態に種々の変更を加えたものを含む。すなわち、上述した実施形態で挙げた構成等はほんの一例に過ぎず、適宜変更が可能である。
例えば、上述した実施形態では、上述した実施形態では、シール部材を１つ又は２つ用いた場合について説明したが、３つ以上の複数用いても構わない。
上述した実施形態では、締結部材１００の頭部１００ａがエンドプレート側大径部１０１ａ内に収容された構成について説明したが、これに限られない。すなわち、締結部材１００の頭部１００ａがエンドプレート８１，８２におけるＡ方向の外側端面に当接する構成であっても構わない。
上述した実施形態では、取付孔１０１，１０２を多段形状に形成した場合について説明したが、これに限らず、全体に亘って一様な内径に形成しても構わない。

その他、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で、上述した実施形態における構成要素を周知の構成要素に置き換えることは適宜可能であり、また、上述した変形例を適宜組み合わせてもよい。

１…燃料電池スタック
２…単位セル（燃料電池セル）
３…積層体（燃料電池積層体）
４…ケーシング
８１…第１エンドプレート（エンドプレート）
８２…第２エンドプレート（エンドプレート）
８３…第１連結バー（連結バー）
８４…第２連結バー（連結バー）
１００…締結部材
１０１…エンドプレート側取付孔
１０２…連結バー側取付孔
１１０…筒状ノック
１１５…シール部材（第１シール部材）
２００…燃料電池スタック
２０１…筒状ノック
２１０…外側シール部材（第２シール部材）
２１１…内側シール部材（第３シール部材）

Claims (2)

1. 複数の燃料電池セルが第１方向に積層された燃料電池積層体と、
   前記燃料電池積層体を収納するケーシングと、
   前記ケーシングの一部を構成し、前記燃料電池積層体を前記第１方向に沿う両側から挟持する一対のエンドプレートと、
   前記一対のエンドプレート間に架け渡された連結バーと、
   前記エンドプレートと前記連結バーとを前記第１方向で締結する締結部材と、
   前記エンドプレート及び前記連結バーのうち、前記締結部材が挿通されたエンドプレート側取付孔及び連結バー側取付孔内を前記第１方向に跨って配設されるとともに、前記エンドプレート側取付孔及び前記連結バー側取付孔内で前記締結部材に外挿された筒状ノックと、を備え、
   前記エンドプレート側取付孔内において、前記第１方向で前記筒状ノックと前記締結部材との間に位置する部分には、少なくとも前記エンドプレート側取付孔の内周面及び前記締結部材に密接する第１シール部材が介在していることを特徴とする燃料電池スタック。
2. 複数の燃料電池セルが第１方向に積層された燃料電池積層体と、
   前記燃料電池積層体を収納するケーシングと、
   前記ケーシングの一部を構成し、前記燃料電池積層体を前記第１方向に沿う両側から挟持する一対のエンドプレートと、
   前記一対のエンドプレート間に架け渡された連結バーと、
   前記エンドプレートと前記連結バーとを前記第１方向で締結する締結部材と、
   前記エンドプレート及び前記連結バーのうち、前記締結部材が挿通されたエンドプレート側取付孔及び連結バー側取付孔内を前記第１方向に跨って配設されるとともに、前記エンドプレート側取付孔及び前記連結バー側取付孔内で前記締結部材に外挿された筒状ノックと、を備え、
   前記エンドプレート側取付孔内で前記筒状ノックに外挿され、前記エンドプレート側取付孔の内周面及び前記筒状ノックに密接する第２シール部材と、
   前記連結バー側取付孔内で前記筒状ノックに外挿され、前記連結バー側取付孔の内周面及び前記筒状ノックに密接する第３シール部材と、を有していることを特徴とする燃料電池スタック。

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