特開 2024-145357 燃料電池スタック

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2024145357

(43)【公開日】2024-10-15

(54)【発明の名称】燃料電池スタック

(51)【国際特許分類】

   H01M 8/2465 20160101AFI20241004BHJP

   H01M 8/0228 20160101ALI20241004BHJP

   H01M 8/0247 20160101ALI20241004BHJP

   H01M 8/0206 20160101ALI20241004BHJP

   H01M 8/0271 20160101ALI20241004BHJP

   H01M 8/10 20160101ALN20241004BHJP

【ＦＩ】

H01M8/2465

H01M8/0228

H01M8/0247

H01M8/0206

H01M8/0271

H01M8/10 101

【審査請求】未請求

【請求項の数】4

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2023057671

(22)【出願日】2023-03-31

(71)【出願人】

【識別番号】000005326

【氏名又は名称】本田技研工業株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100154380

【弁理士】

【氏名又は名称】西村 隆一

(74)【代理人】

【識別番号】100081972

【弁理士】

【氏名又は名称】吉田 豊

(72)【発明者】

【氏名】田中 直樹

(72)【発明者】

【氏名】坂野 雅章

【テーマコード（参考）】

5H126

【Ｆターム（参考）】

5H126AA12

5H126AA13

5H126AA15

5H126AA22

5H126BB06

5H126DD05

5H126EE03

5H126EE06

5H126EE11

5H126EE22

5H126GG02

(57)【要約】

【課題】燃料電池スタックを安価に構成する。
【解決手段】燃料電池スタック１００のセパレータ３は、それぞれ凹凸状に形成された前プレート３２と後プレート３３とを有し、凹部側の端面３２ｂ，３３ａ同士を当接した状態で一体に接合して形成される。積層方向端部のセパレータ３Ａとターミナルプレート４との間には、中間部材７Ａ，７Ｂが介装される。中間部材７Ａは、凹部側の端面３３ａがターミナルプレート４に当接された後プレート３３により構成され、中間部材７Ｂは、凹部側の端面３２ｂがターミナルプレート４に当接された前プレート３２により構成される。
【選択図】図６

【特許請求の範囲】

【請求項1】

電解質膜と電極との接合体を含む構造体と、セパレータとを、所定方向に交互に積層して構成され、複数の構造体と複数のセパレータとを有するセル積層体と、
前記セル積層体の前記所定方向における外側に配置されたターミナルプレートと、
前記セル積層体と前記ターミナルプレートとの間に介装された中間部材と、を備え、
前記セパレータは、それぞれ凹凸状に形成された第１プレートと第２プレートとを有するとともに、前記第１プレートの凸部が前記第２プレートの反対方向を向き、かつ、前記第２プレートの凸部が前記第１プレートの反対方向を向くように前記第１プレートに対し前記第２プレートを反転し、前記第１プレートの凹部側の端面である第１端面と前記第２プレートの凹部側の端面である第２端面とを互いに当接した状態で、前記第１プレートと前記第２プレートとが一体に接合して構成され、
前記複数のセパレータのうち、前記所定方向の端部に配置されるセパレータは、前記第１プレートの凸部が前記ターミナルプレートに向けて突出する端部セパレータであり、
前記中間部材は、前記第２端面が前記ターミナルプレートに当接された前記第２プレートにより構成されることを特徴とする燃料電池スタック。

【請求項2】

請求項１に記載の燃料電池スタックにおいて、
前記セパレータおよび前記ターミナルプレートはそれぞれ金属により構成され、
前記第２端面は前記ターミナルプレートに溶接されていることを特徴とする燃料電池スタック。

【請求項3】

請求項１または２に記載の燃料電池スタックにおいて、
前記構造体は、前記接合体と、前記接合体の周縁部を支持する支持プレートと、を有し、
前記第１プレートの凸部および前記第２プレートの凸部はいずれも、前記接合体に向けて突設された内側凸部と、前記内側凸部の外側に設けられ、前記支持プレートに向けて突設された外側凸部と、を有することを特徴とする燃料電池スタック。

【請求項4】

請求項３に記載の燃料電池スタックにおいて、
前記支持プレートの前記所定方向における厚さは、前記接合体の前記所定方向における厚さよりも薄く、
前記外側凸部の先端部と前記支持プレートとの間に、シール部が設けられることを特徴とする燃料電池スタック。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、電解質膜と電極との接合体を含む構造体と、セパレータとを、交互に積層して構成された燃料電池スタックに関する。

【背景技術】

【0002】

近年、より多くの人が手ごろで信頼でき、持続可能かつ先進的なエネルギへのアクセスを確保できるようにするため、エネルギの効率化に貢献する燃料電池に関する技術開発が行われている。この種の燃料電池に用いられる燃料電池スタックに関する技術として、従来、積層方向端部に配置された端部セパレータと、端部セパレータの積層方向外側に配置されたターミナルプレートとの間に、波形状の断熱プレートを介在するようにした燃料電池スタックが知られている（例えば特許文献１参照）。特許文献１記載の断熱プレートには、端部セパレータの凸部に交差する方向に延在するような複数の凸部が設けられる。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】特許第４３５１４３１号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

しかしながら、上記特許文献１記載の燃料電池スタックにおいては、断熱プレートを別途準備する必要があり、コストの増加を招く。

【課題を解決するための手段】

【0005】

本発明の一態様である燃料電池スタックは、電解質膜と電極との接合体を含む構造体と、セパレータとを、所定方向に交互に積層して構成され、複数の構造体と複数のセパレータとを有するセル積層体と、セル積層体の所定方向における外側に配置されたターミナルプレートと、セル積層体とターミナルプレートとの間に介装された中間部材と、を備える。セパレータは、それぞれ凹凸状に形成された第１プレートと第２プレートとを有するとともに、第１プレートの凸部が第２プレートの反対方向を向き、かつ、第２プレートの凸部が第１プレートの反対方向を向くように第１プレートに対し第２プレートを反転し、第１プレートの凹部側の端面である第１端面と第２プレートの凹部側の端面である第２端面とを互いに当接した状態で、第１プレートと第２プレートとが一体に接合して構成される。複数のセパレータのうち、所定方向の端部に配置されるセパレータは、第１プレートの凸部がターミナルプレートに向けて突出する端部セパレータであり、中間部材は、第２端面がターミナルプレートに当接された第２プレートにより構成される。

【発明の効果】

【0006】

本発明によれば、燃料電池スタックを安価に構成することができる。

【図面の簡単な説明】

【0007】

【図1】本発明の実施形態に係る燃料電池スタックの全体構成を概略的に示す斜視図。

【図2】図１の燃料電池スタックに含まれる電極アッセンブリの概略構成を示す斜視図。

【図3】図１の燃料電池スタックに含まれるセパレータの正面図。

【図4】図３のIV-IV線に沿った断面図。

【図5】本発明の参考例としての燃料電池スタックの要部構成を示す断面図。

【図6】本発明の実施形態に係る燃料電池スタックの要部構成を示す断面図。

【発明を実施するための形態】

【0008】

以下、図１～図６を参照して本発明の実施形態について説明する。本発明の実施形態に係る燃料電池スタックは、燃料電池の構成要素である。燃料電池は、例えば車両に搭載され、車両駆動用の電力を発生することができる。燃料電池スタックは、航空機や船舶等の車両以外の移動体、ロボットの他、各種産業機械に搭載することもできる。

【0009】

まず、燃料電池スタックの全体構成を概略的に説明する。図１は、本発明の実施形態に係る燃料電池スタック１００の全体構成を概略的に示す斜視図である。以下では、便宜上、図示のように互いに直交する三軸方向を、前後方向、左右方向および上下方向と定義し、この定義に従い各部の構成を説明する。これらの方向は、車両の前後方向、左右方向および上下方向と同一であるとは限らない。例えば図１の前後方向は、車両の前後方向であってもよく、左右方向であってもよく、上下方向であってもよい。

【0010】

図１に示すように、燃料電池スタック１００は、複数の発電セル１を前後方向に積層して構成されたセル積層体１０１と、セル積層体１０１の前後両端部に配置されたエンドユニット１０２とを有し、全体が略直方体形状を呈する。セル積層体１０１の左右方向の長さは、上下方向の長さよりも長い。図１には、便宜上、単一の発電セル１が示される。発電セル１は、電解質膜と電極とを含む接合体を有する電極アッセンブリ２と、電極アッセンブリ２の前後両側に配置され、電極アッセンブリ２を挟持するセパレータ３，３と、を有する。電極アッセンブリ２とセパレータ３とは、前後方向に交互に配置される。したがって、互いに隣接して配置された前後一対の発電セル（前側発電セル１、後側発電セル１）において、前側発電セル１の後側のセパレータ３が、後側発電セル１の前側のセパレータ３になる。

【0011】

セパレータ３は、断面が波板状の前後一対の金属製の薄板を有し、これら薄板の外周同士を接合して一体に構成される。セパレータ３には耐腐食性に優れた導電性の材料が用いられ、例えばチタン、チタン合金、ステンレス等を用いることができる。一対の薄板は、セパレータ３の内部に冷却媒体が流れる冷却流路を形成するようにプレス成形などによって凹凸状に形成され、冷却媒体の流れにより発電セル１の発電面が冷却される。冷却媒体としては例えば水を用いることができる。電極アッセンブリ２に対向するセパレータ３の表面（前面および後面）は、電極アッセンブリ２の接合体の表面、すなわち発電面との間にガス流路を形成するように凹凸状に構成される。

【0012】

電極アッセンブリ２の前側のセパレータ３は、例えばアノード側のセパレータ（アノードセパレータ）であり、アノードセパレータ３と電極アッセンブリ２の接合体との間に、燃料ガスが流れるアノード流路が形成される。電極アッセンブリ２の後側のセパレータ３は、例えばカソード側のセパレータ（カソードセパレータ）であり、カソードセパレータ３と電極アッセンブリ２の接合体との間に、酸化剤ガスが流れるカソード流路が形成される。燃料ガスとしては例えば水素ガスを、酸化剤ガスとしては例えば空気を用いることができる。燃料ガスと酸化剤ガスとを区別せずに、これらを反応ガスと呼ぶこともある。

【0013】

図２は、電極アッセンブリ２の概略構成を示す斜視図である。図２に示すように、電極アッセンブリ２は、略矩形状の接合体２０と、接合体２０を支持するフレーム２１と、を有する。接合体２０は膜電極接合体（いわゆるＭＥＡ；Membrane Electrode Assembly）であり、電解質膜と、電解質膜の前面に設けられたアノード電極と、電解質膜の後面に設けられたカソード電極とを有する。

【0014】

電解質膜は、例えば固体高分子電解質膜であり、水分を含んだパーフルオロスルホン酸ポリマーの薄膜を用いることができる。フッ素系電解質膜に限らず、炭化水素系電解質膜を用いることもできる。

【0015】

アノード電極は、電解質膜の前面に形成され、電極反応の反応場となる電極触媒層であり、該電極触媒層の前面には反応ガスを拡散して供給するガス拡散層が設けられる。カソード電極は、電解質膜の後面に形成され、電極反応の反応場となる電極触媒層であり、該電極触媒層の後面には反応ガスが拡散して供給するガス拡散層が設けられる。電極触媒層には、燃料ガスに含まれる水素と酸化剤ガスに含まれる酸素の電気化学反応を促進する触媒金属、プロトン伝導性を有する電解質、および電子伝導性を有するカーボン粒子等が含まれる。ガス拡散層は、ガス透過性を有する導電性部材、例えばカーボン多孔質体により構成される。

【0016】

アノード電極では、アノード流路およびガス拡散層を介して供給された燃料ガス（水素）が、触媒の作用によってイオン化され、電解質膜を通過してカソード電極側へ移動する。このとき生じた電子は、外部回路を通過し、電気エネルギとして取り出される。カソード電極では、カソード流路およびガス拡散層を介して供給された酸化剤ガス（酸素）と、アノード電極から導かれた水素イオンおよびアノード電極から移動した電子とが反応し、水が生成される。生成された水は、電解質膜に適度な湿度を与え、余剰な水は電極アッセンブリ２の外部へ排出される。

【0017】

フレーム２１は、略矩形状を呈する薄板であり、絶縁性を有する樹脂やゴム等により構成される。フレーム２１の中央部には、略矩形状の開口部２１ａが設けられる。接合体２０は、開口部２１ａの全体を覆うように設けられ、接合体２０の周縁部がフレーム２１により支持される。フレーム２１の開口部２１ａの左側には、フレーム２１を前後方向に貫通する３つの貫通孔２１１～２１３が上下方向に並んで開口され、開口部２１ａの右側には、フレーム２１を前後方向に貫通する３つの貫通孔２１４～２１６が上下方向に並んで開口される。

【0018】

図１に示すように、電極アッセンブリ２の前後のセパレータ３には、フレーム２１の貫通孔２１１～２１６に対応する位置に、セパレータ３を前後方向に貫通する貫通孔３１１～３１６がそれぞれ開口される。貫通孔３１１～３１６は、フレーム２１の貫通孔２１１～２１６にそれぞれ連通する。これら互いに連通する貫通孔２１１～２１６，３１１～３１６の集合により、セル積層体１０１を貫通して前後方向に延在する流路ＰＡ１～ＰＡ６（便宜上、矢印で示す）が形成される。流路ＰＡ１～ＰＡ６は、マニホールドと呼ばれることもある。流路ＰＡ１～ＰＡ６は、燃料電池スタック１００の外部のマニホールドに接続される。

【0019】

貫通孔２１１，３１１を介して前方に延びる流路ＰＡ１（実線矢印）は、燃料ガス供給流路である。貫通孔２１６，３１６を介して後方に延びる流路ＰＡ６（実線矢印）は、燃料ガス排出流路である。燃料ガス供給流路ＰＡ１および燃料ガス排出流路ＰＡ６は、接合体２０の前面に対向するアノード流路と連通し、燃料ガス供給流路ＰＡ１と燃料ガス排出流路ＰＡ６とを介して、実線矢印に示すように、アノード流路を左右方向に燃料ガスが流れる。アノード流路と他の流路ＰＡ２～ＰＡ５との連通は、図示しないシール部を介して遮断される。燃料ガス排出流路ＰＡ６を流れる燃料ガスは、アノード電極で一部が使用された後の燃料ガスであり、これを燃料排ガスと呼ぶことがある。

【0020】

貫通孔２１４，３１４を介して前方に延びる流路ＰＡ４（点線矢印）は、酸化剤ガス供給流路である。貫通孔２１３，３１３を介して後方に延びる流路ＰＡ３（点線矢印）は、酸化剤ガス排出流路である。酸化剤ガス供給流路ＰＡ４および酸化剤ガス排出流路ＰＡ３は、接合体２０の後面に対向するカソード流路と連通し、酸化剤ガス供給流路ＰＡ４と酸化剤ガス排出流路ＰＡ３とを介して、点線矢印に示すように、カソード流路を左右方向に酸化剤ガスが流れる。カソード流路と他の流路ＰＡ１，ＰＡ２，ＰＡ５，ＰＡ６との連通は、図示しないシール部を介して遮断される。酸化剤ガス排出流路ＰＡ３を流れる酸化剤ガスは、カソード電極で一部が使用された後の酸化剤ガスであり、これを酸化剤排ガスと呼ぶことがある。燃料排ガスと酸化剤排ガスとを区別せずに、これらを反応排ガスと呼ぶこともある。

【0021】

貫通孔２１５，３１５を介して前方に延びる流路ＰＡ５（一点鎖線矢印）は、冷却媒体供給流路である。貫通孔２１２，３１２を介して後方に延びる流路ＰＡ２（一点鎖線矢印）は、冷却媒体排出流路である。冷却媒体供給流路ＰＡ５および冷却媒体排出流路ＰＡ２は、セパレータ３の内部の冷却流路と連通しており、冷却媒体供給流路ＰＡ５と冷却媒体排出流路ＰＡ２とを介して、冷却流路を冷却媒体が流れる。冷却流路と他の流路ＰＡ１，ＰＡ３，ＰＡ４，ＰＡ６との連通は、図示しないシール部を介して遮断される。

【0022】

セル積層体１０１の前後両側に配置されたエンドユニット１０２は、それぞれターミナルプレート４と、絶縁プレート５と、エンドプレート６とを有する。なお、前側のエンドユニット１０２をドライ側エンドユニット、後側のエンドユニット１０２をウェット側エンドユニットと呼ぶこともある。前後一対のターミナルプレート４，４は、セル積層体１０１を挟んでその前後両側に配置される。前後一対の絶縁プレート５，５は、ターミナルプレート４，４を挟んでその前後両側に配置される。前後一対のエンドプレート６，６は、絶縁プレート５，５を挟んでその前後両側に配置される。

【0023】

ターミナルプレート４は、金属製の略矩形状の板状部材であり、セル積層体１０１で電気化学反応により生成された電力を取り出すための端子部を有する。絶縁プレート５は、非導電性を有する樹脂製またはゴム製の略矩形状の板状部材であり、ターミナルプレート４とエンドプレート６とを電気的に絶縁する。エンドプレート６は、金属製または高強度に構成された樹脂製の板状部材であり、エンドプレート６には、例えば前後方向細長の連結部材がボルトにより固定され連結部材を介して前後のエンドプレート６，６同士が連結される。燃料電池スタック１００は、連結部材を介してエンドプレート６，６により前後方向に押圧された状態で、保持される。セル積層体１０１を包囲するケースを連結部材として用いてよく、ケースの前端面および後端面にそれぞれエンドプレート６，６が固定されてもよい。

【0024】

後側のエンドユニット１０２には、エンドユニット１０２を前後方向に貫通する複数の貫通孔１０２ａ～１０２ｆが開口される。なお、貫通孔１０２ａ～１０２ｆは、それぞれターミナルプレート４を貫通する貫通孔、絶縁プレート５を貫通する貫通孔およびエンドプレート６を貫通する貫通孔を含むが、図１では、便宜上、これらをまとめて貫通孔１０２ａ～１０２ｆとして示す。貫通孔１０２ａは、燃料ガス供給流路ＰＡ１の延長線上に開口され、燃料ガス供給流路ＰＡ１に連通する。貫通孔１０２ｂは、冷却媒体排出流路ＰＡ２の延長線上に開口され、冷却媒体排出流路ＰＡ２に連通する。貫通孔１０２ｃは、酸化剤ガス排出流路ＰＡ３の延長線上に開口され、酸化剤ガス排出流路ＰＡ３に連通する。貫通孔１０２ｄは、酸化剤ガス供給流路ＰＡ４の延長線上に開口され、酸化剤ガス供給流路ＰＡ４に連通する。貫通孔１０２ｅは、冷却媒体供給流路ＰＡ５の延長線上に開口され、冷却媒体供給流路ＰＡ５に連通する。貫通孔１０２ｆは、燃料ガス排出流路ＰＡ６の延長線上に開口され、燃料ガス排出流路ＰＡ６に連通する。

【0025】

より詳しくは、貫通孔１０２ａには、エジェクタ、インジェクタなどを介して、高圧の燃料ガスが貯留された燃料ガスタンクが接続され、燃料ガスタンク内の燃料ガスが貫通孔１０２ａを介して燃料電池スタック１００に供給される。貫通孔１０２ｆには、気液分離機が接続され、貫通孔１０２ｆを介して排出された燃料ガス（燃料排ガス）は、気液分離機で燃料ガスと水とに分離される。分離された燃料ガスは、エジェクタを介して吸い込まれ、燃料電池スタック１００に再び供給される。分離された水は、ドレン流路を介して外部に排出される。

【0026】

貫通孔１０２ｄには、酸化剤ガス供給用のコンプレッサが接続され、コンプレッサで圧縮された酸化剤ガスが貫通孔１０２ｄを介して燃料電池スタック１００に供給される。貫通孔１０２ｃからは、酸化剤ガス（酸化剤排ガス）が外部に流出する。貫通孔１０２ｅには、冷却媒体供給用のポンプが接続され、貫通孔１０２ｅを介して燃料電池スタック１００に冷却媒体が供給される。貫通孔１０２ｂからは冷却媒体が排出される。排出された冷却媒体は、ラジエータでの熱交換により冷却され、貫通孔１０２ｅを介して再び燃料電池スタック１００に供給される。

【0027】

以上が燃料電池スタック１００の概略構成である。燃料電池スタック１００は略ボックス状のケースに収納され、車両に搭載される。

【0028】

セパレータ３の構成についてより詳しく説明する。図３は、セパレータ３の正面図（後方から見た図）であり、図４は、図３のIV-IV線に沿った断面図である。図３，４に示すように、セパレータ３は、略矩形状の前後一対の薄板（前プレート３２、後プレート３３）を一体に接合して構成される。より詳しくは、後プレート３３が前プレート３２に対して前後方向に反転され、前プレート３２の後面３２ｂと後プレート３３の前面３３ａとを密接状態で溶接して構成される。前プレート３２の前面３２ａは、セパレータ３の前側の電極アッセンブリ２に対向し、後プレート３３の後面３３ｂは、セパレータ３の後側の電極アッセンブリ２に対向する。

【0029】

図３は、アノード電極に対向する後プレート３３の正面図である。前プレート３２および後プレート３３の基本的な構成は等しいため、カソード電極に対向する前プレート３２の正面図（セパレータ３を前方から見た図）は示さない。

【0030】

以下では、電極アッセンブリ２の接合体２０に対向するセパレータ３の領域、すなわち発電面に対向する領域ＡＲ１を、アクティブ領域と呼び、電極アッセンブリ２のフレーム２１に対向するセパレータ３の領域ＡＲ２を、非アクティブ領域と呼ぶ。非アクティブ領域ＡＲ２は、反応ガスと冷却媒体の給排流路ＰＡ～ＰＡ６を含む領域であり、非アクティブ領域ＡＲ２では、流路同士のシールおよび外部空間とのシールが必要である。

【0031】

後プレート３３のアクティブ領域ＡＲ１には、上下方向所定間隔で後方に向けて複数の凸部３３１が突設される。複数の凸部３３１はそれぞれ左右方向に延在し、上下方向に隣り合う凸部３３１，３３１の間に凹部３３２が設けられる。凹部３３２と接合体２０の前面との間には、図４に二点鎖線で示すようなアノード流路ＰＡｎが形成される。同様に、前プレート３２のアクティブ領域ＡＲ１には、上下方向所定間隔で後方に向けて複数の凸部３２１が突設される。複数の凸部３２１はそれぞれ左右方向に延在し、上下方向に隣り合う凸部３２１，３２１の間に凹部３２２が設けられる。凹部３２２と接合体２０の後面との間には、図４に二点鎖線で示すようなカソード流路ＰＣａが形成される。このような凹部３２２，３３２と凸部３２１，３３１は、プレート３２，３３のプレス加工によって形成される。

【0032】

図４に示すように、前プレート３２は、凸部３２１の前面３２ａおよび凹部３２２の後面３２ｂが、それぞれ鉛直面に沿った平坦面となるように構成される。後プレート３３は、凸部３３１の後面３３ｂおよび凹部３３２の前面３３ａが、それぞれ鉛直面に沿った平坦面となるように構成される。前プレート３２と後プレート３３とは、例えば周縁部３２ｃ，３３ｃ同士が溶接されて接合される。このとき、前プレート３２の凹部３２２の後面３２ｂと後プレート３３の凹部３３２の前面３３ａとが互いに当接し、前プレート３２の凸部３２１と後プレート３３の凸部３３１との間に、冷却媒体が流れる冷却流路ＰＣｏが形成される。

【0033】

図３に示すように、後プレート３３の後面３３ｂの非アクティブ領域ＡＲ２には、フレーム２１に向けて後方に突出したシール用のビード部３３５が設けられる。ビード部３３５は、外周ビード部３３６と、内周ビード部３３７と、中間ビード部３３８とを有する。外周ビード部３３６は、全ての貫通孔３１１～３１６を包囲するように後プレート３３の周縁に沿って略矩形状に延在する。内周ビード部３３７は、アクティブ領域ＡＲ１を包囲するように略矩形状に延在するとともに、燃料ガスの給排用の貫通孔３１１，３１６を包囲するように、一部が外周ビード部３３６の近傍まで延在する。

【0034】

中間ビード部３３８は、酸化剤ガス給排用の貫通孔３１３，３１４および冷却媒体供排用の貫通孔３１２，３１５に対応して複数設けられる。これら中間ビード部３３８は、外周ビード部３３６と内周ビード部３３７との間で、貫通孔３１２～３１５を独立して個別に包囲するように略矩形状に延在する。

【0035】

前プレート３２の前面３２ａの非アクティブ領域ＡＲ２にも同様に、フレーム２１に向けて前方に突出したシール用のビード部３２５が設けられる。すなわち、外周ビード部と、内周ビード部と、中間ビード部とが設けられる。但し、内周ビード部は、アクティブ領域ＡＲ１を包囲するように略矩形状に延在するとともに、後プレート３３の内周ビード部３３７とは異なり、酸化剤ガスの給排用の貫通孔３１３，３１４を包囲するように、一部が外周ビード部の近傍まで延在する。また、中間ビード部は、貫通孔３１１，３１２，３１５，３１６を独立して個別に包囲するように設けられる。これらビード部３２５，３３５は、プレート３２，３３のプレス加工によって形成される。

【0036】

図４に示すように、前プレート３２のビード部３２５（外周ビード部、内周ビード部、中間ビード部）の前面３２ａは、鉛直面に沿った平坦面となるように構成される。後プレート３３のビード部３３５（外周ビード部３３６、内周ビード部３３７、中間ビード部３３８）の後面３３ｂも、鉛直面に沿った平坦面となるように構成される。ビード部３２５、３３５は、それぞれ前方および後方に突出した凸部である。前プレート３２の非アクティブ領域ＡＲ２におけるビード部３２５以外を、凹部３２９と呼び、後プレート３３のアクティブ領域ＡＲ２におけるビード部３３５以外を、凹部３３９と呼ぶことがある。

【0037】

前プレート３２の凹部３２９の後面３２ｂおよび後プレート３３の凹部３３９の前面は、それぞれ鉛直面に沿った平坦面となるように構成される。アクティブ領域ＡＲ１の凹部３２２の後面３２ｂおよび凹部３３２の前面３３ａと、非アクティブ領域ＡＲ２の凹部３２９の後面３２ｂおよび凹部３３９の前面３３ａとは、同一面上に位置する。

【0038】

非アクティブ領域ＡＲ２では、前プレート３２の凹部３２９の後面３２ｂと後プレート３３の凹部３３９の前面３３ａとが互いに当接し、ビード部３２５とビード部３３５との間に空間ＳＰが形成される。複数のビード部３２５の前方への突出量および複数のビード部３３５の後方への突出量は同一である。これらビード部３２５，３３５の突出量は、アクティブ領域ＡＲ１の凸部３２１の前面３２ａが接合体２０の後面に密接し、凸部３３１の後面３３ｂが接合体２０の前面に密接するように、凸部３２１，３３１の突出量を基準にして設定される。例えばビード部３２５，３３５の突出量は、凸部３２１，３３１の突出量よりも小さい値に設定される。

【0039】

ビード部３２５の前面３２ａおよびビード部３３５の後面３３ｂには、図４に二点鎖線で示すようにシール材４０が固着される。シール材４０には、ゴムや樹脂材等の弾力性を有する構成材が用いられる。前側のシール材４０は、電極アッセンブリ２のフレーム２１（図２）の後面に押圧され、後側のシール材４０は、フレーム２１の前面に押圧される。

【0040】

本実施形態に係る燃料電池スタック１００は、セル積層体１０１の積層方向の端部の構成に特徴がある。この点に関し、まず、本実施形態の参考例を用いて説明する。図５は、本実施形態の参考例に係る燃料電池スタック１００Ａの要部構成を示す断面図である。燃料電池スタック１００Ａは、積層された多数の電極アッセンブリ２とセパレータ３とを備えるが、図５には、便宜上、３つの電極アッセンブリ２と４つのセパレータ３とが示される。

【0041】

図５のセパレータ３の構成は、図４のセパレータ３の構成と等しく、燃料ガス排出流路ＰＡ６（貫通孔２１６，３１６）を含む断面（図３のIV-IV線に沿った断面）で示される。なお、セル積層体１０１を構成する複数のセパレータ３のうち、積層方向の最も外側（前端側、後端側）に位置するセパレータ３を、端部セパレータ３Ａと呼び、前後の端部セパレータ３Ａ，３Ａの間のセパレータ３を、中間セパレータ３Ｂと呼ぶ。

【0042】

図５に示すように、電極アッセンブリ２の接合体２０は、電解質膜２０ａと、電解質膜２０ａの前面に設けられたアノード電極２０ｂと、電解質膜２０ａの後面に設けられたカソード電極２０ｃとを有する。アノード電極２０ｂおよびカソード電極２０ｃはいずれも、触媒層とガス拡散層とを含む。接合体２０の厚さ（前後方向長さ）は、フレーム２１の厚さよりも厚い。燃料電池スタック１００Ａの組立状態では、アクティブ領域ＡＲ１において、前側の端部セパレータ３Ａの前面３２ａおよび後側の端部セパレータ３Ａの後面３３ｂを除き、セパレータ３の凸部３２１の前面３２ａが接合体２０の後面に当接し、凸部３３１の後面３３ｂが接合体２０の前面に当接する。

【0043】

このとき、非アクティブ領域ＡＲ２では、前側の端部セパレータ３Ａの前面３２ａおよび後側の端部セパレータ３Ａの後面３３ｂを除き、セパレータ３のビード部３２５とフレーム２１との間およびビード部３３５とフレーム２１との間で、それぞれシール材４０が押圧される。これにより、セパレータ３とフレーム２１との隙間を介して、アノード流路ＰＡｎ、カソード流路ＰＣａおよび冷却流路ＰＣ０が互いに連通すること、およびこれらの流路ＰＡｎ，ＰＣａ，ＰＣｏが外部空間に連通することを防止することができ、燃料ガス、酸化剤ガスおよび冷却媒体の漏れを阻止できる。

【0044】

ところで、図５の参考例では、前側の端部セパレータ３Ａの凸部３２１が前側のターミナルプレート４の後面４ｂに当接し、後側の端部セパレータ３Ａの凸部３３１が後側のターミナルプレート４の前面４ａに当接する。このため、アクティブ領域ＡＲ１のセル積層体１０１（電極アッセンブリ２、中間セパレータ３Ｂ）には、端部セパレータ３Ａ、ターミナルプレート４および絶縁プレート５を介して、エンドプレート６から前後方向の押圧力が作用する。

【0045】

一方、非アクティブ領域ＡＲ２のセパレータ３のビード部３２５，３３５には、シール材４０が設けられる。このため、前側の端部セパレータ３Ａのビード部３２５の前端面（シール材４０を含んだ前端面）は、凸部３２１の前面３２ａよりも前方に突出し、後側の端部セパレータ３Ａのビード部３３５の後端面（シール材４０を含んだ後端面）は、凸部３３１の後面３３ｂよりも後方に突出する。

【0046】

したがって、非アクティブ領域ＡＲ２でのシール性能を確保するためにはターミナルプレート４からシール材４０に十分な押圧力が作用する必要があるが、そのためには、シール材４０を含んだビード部３２５，３３５の突出量を考慮して、ターミナルプレート４の一部を薄肉化する必要がある。例えば、前側のターミナルプレート４の後面４ｂを、段部４１を境にして切削加工し、後側のターミナルプレート４の前面４ａを、段部４２を境にして切削加工する必要がある。

【0047】

このため、図５の例では、加工コストが上昇し、コストの増加を伴う。また、ターミナルプレート４を薄肉化する加工をした際の寸法誤差が大きくなると、セパレータ３に過大な力が作用し、セパレータ３が破損するおそれがある。さらに、シール材４０がターミナルプレート４に直接当接すると、ターミナルプレート４から熱の影響を受けて、シール材４０が破損するおそれもある。このような問題を解消するため、本実施形態は、以下のように燃料電池スタック１００を構成する。

【0048】

図６は、本実施形態に係る燃料電池スタック１００の要部構成を示す断面図である。図６には、便宜上、３つの電極アッセンブリ２と２つのセパレータ３とが示される。図６のセパレータ３は前側および後側の端部セパレータ３Ａであり、図６では、中間セパレータ３Ｂの図示が省略される。

【0049】

図６に示すように、セル積層体１０１の前端部には、電極アッセンブリ２が配置され、この電極アッセンブリ２とターミナルプレート４との間に前側中間部材７Ａが介装される。セル積層体１０１の後端部には、電極アッセンブリ２が配置され、この電極アッセンブリ２とターミナルプレート４との間に後側中間部材７Ｂが介装される。

【0050】

前側中間部材７Ａには、ビード部３３５にシール材４０が固着された状態の、セパレータ３の後プレート３３（端部用後プレートと呼ぶ）が用いられる。端部用後プレート３３は、端部セパレータ３Ａの後プレート３３と上下方向および左右方向の同一位置に配置される。さらに、端部用後プレート３３のアクティブ領域ＡＲ１における凹部３３２の前面３３ａおよび非アクティブ領域ＡＲ２における凹部３３９の前面３３ａが、それぞれターミナルプレート４の後面４ｂに当接され、後面４ｂに接合される。

【0051】

後側中間部材７Ｂには、ビード部３２５にシール材４０が固着された状態の、セパレータ３の前プレート３２（端部用前プレートと呼ぶ）が用いられる。端部用前プレート３２は、端部セパレータ３Ａの前プレート３２と上下方向および左右方向の同一位置に配置される。さらに、端部用前プレート３２のアクティブ領域ＡＲ１における凹部３２２の後面３２ｂおよび非アクティブ領域ＡＲ２における凹部３２９の後面３２ｂが、それぞれターミナルプレート４の前面４ａに当接され、前面４ａに接合される。

【0052】

端部用後プレート３３の凹部３３２，３３９の前面３３ａは、所定の鉛直面に沿って延在し、端部用前プレート３２の凹部３２２，３２９の後面３２ｂは、所定の鉛直面に沿って延在する。このため、ターミナルプレート４の前面４ａや後面４ｂに段差加工することなく、端部用後プレート３３の前面３３ａおよび端部用前プレート３２の後面３２ｂを、それぞれ前側のターミナルプレート４の後面４ｂおよび後側のターミナルプレート４の前面４ａに密接させることができる。

【0053】

端部用前プレート３２、端部用後プレート３３およびターミナルプレート４はいずれも金属により構成される。このため、端部用前プレート３２とターミナルプレート４および端部用後プレート３３とターミナルプレート４は、それぞれ溶接により接合される。端部用前プレート３２に関し、接合方法の一例を挙げると、まず、ターミナルプレート４を横置きにして、その上面に端部用前プレート３２を載置する。次いで、レーザ溶接により凹部３２２，３２９とターミナルプレート４とを接合する。端部用後プレート３３に関しても同様に、ターミナルプレート４を横置きにして、その上面に端部用後プレート３３を載置する。次いで、レーザ溶接により凹部３３２，３３９とターミナルプレート４とを接合する。これにより、中間部材７Ａ，７Ｂ（端部用後プレート３３，端部用前プレート３２）を、ターミナルプレート４に強固に固定することができる。

【0054】

中間部材７Ａ，７Ｂがターミナルプレート４に固定された状態では、中間部材７Ａ，７Ｂと電極アッセンブリ２との接続部の構成は、端部セパレータ３Ａと電極アッセンブリ２との接続部の構成と同一である。したがって、中間部材７Ａ，７Ｂと電極アッセンブリ２（接合体２０およびフレーム２１）とは、常時安定した接触状態を保つことができる。これにより、セル積層体１０１全体に、中間部材７Ａ，７Ｂを介してエンドプレート６から良好な押圧力を付与することができ、ガスや冷媒の十分なシール性能を確保することができる。

【0055】

本実施形態によれば以下のような作用効果を奏することができる。
（１）燃料電池スタック１００は、電解質膜２０ａと電極２０ｂ，２０ｃとの接合体２０を含む構造体である電極アッセンブリ２と、セパレータと３を、前後方向に交互に積層して構成されるとともに、複数の電極アッセンブリ２と複数のセパレータ３とを有するセル積層体１０１と、セル積層体１０１の前後方向における外側に配置されたターミナルプレート４と、セル積層体１０１とターミナルプレート４との間に介装された中間部材７Ａ，７Ｂと、を備える（図１，６）。セパレータ３は、それぞれ凹凸状に形成された前プレート３２と後プレート３３とを有するとともに、前プレート３２の凸部３２１およびビード部３２５が後プレート３３の反対方向（前方）を向き、かつ、後プレート３３の凸部３３１およびビード部３３５が前プレート３２の反対方向（後方）を向くように前プレート３２に対し後プレート３３を反転し、前プレート３２の凹部側の端面である後面３２ｂと後プレート３３の凹部側の端面である前面３３ａとを互いに当接した状態で、前プレート３２と後プレート３３とが一体に接合して構成される（図４）。複数のセパレータ３のうち、前端部に配置されるセパレータ３は、前プレート３２の凸部３２１およびビード部３２５が前側のターミナルプレート４に向けて突出する端部セパレータ３Ａであり、中間部材７Ａは、凹部側の端面である前面３３ａがターミナルプレート４に当接された後プレート３３により構成される（図６）。また、複数のセパレータ３のうち、後端部に配置されるセパレータ３は、後プレート３３の凸部３３１およびビード部３３５が後側のターミナルプレート４に向けて突出する端部セパレータ３Ａであり、中間部材７Ｂは、凹部側の端面である後面３２ｂがターミナルプレート４に当接された前プレート３２により構成される（図６）。

【0056】

このような構成により、中間部材７Ａ，７Ｂを別部品として別途準備する必要がないため、コストの増加を抑えることができる。すなわち、中間部材７Ａ，７Ｂとして、セパレータ３の構成部品である前プレート３２および後プレート３３を流用するので、専用の中間部材７Ａ，７Ｂを備える必要がなく、部品点数を節約できる。また、図５の参考例と異なり、ターミナルプレート４の表面に段差加工を施す必要がないため、加工コストの増加を抑えることができる。ターミナルプレート４の段差に起因してセパレータ３やシール材４０が破損することも防ぐことができ、耐久性が高まる。

【0057】

（２）セパレータ３およびターミナルプレート４はそれぞれ金属により構成される。中間部材７Ａ（後プレート３３）の凹部側の端面（前面３３ａ）はターミナルプレート４に溶接され、中間部材７Ｂ（前プレート３２）の凹部側の端面（後面３２ｂ）はターミナルプレート４に溶接される。これにより中間部材７Ａ，７Ｂをターミナルプレート４に強固に固定することができ、中間部材７Ａ，７Ｂを最適位置に保持できる。中間部材７Ａの凹部側の複数の端面は同一面上に位置し、中間部材７Ｂの凹部側の複数の端面も同一面上に位置する。このため、ターミナルプレート４の前面４ａおよび後面４ｂへの中間部材７Ａ，７Ｂの溶接が容易である。

【0058】

（３）電極アッセンブリ２は、接合体２０と、接合体２０の周縁部を支持するフレーム２１と、を有する（図２）。前プレート３２は、接合体２０に向けて突設された凸部３２１と、フレーム２１に向けて突設されたビード部３２５とを有する（図６）。後プレート３３は、接合体２０に向けて突設された凸部３３１と、フレーム２１に向けて突設されたビード部３３５とを有する（図６）。これにより、アクティブ領域ＡＲ１において凸部３２１，３３１を介してガス流路を形成するとともに、非アクティブ領域ＡＲ２においてビード部３２５，３３５を介してシール機能を発揮できる。

【0059】

（４）フレーム２１の前後方向における厚さは、接合体２０の前記所定方向における厚さよりも薄く、ビード部３２５，３３５の先端部にシール材４０が設けられる（図６）。これによりビード部３２５，３３５とフレーム２１との間の隙間を、シール材４０を介して良好にシールすることができ、ガスや冷却媒体の漏れを防ぐことができる。

【0060】

なお、上記実施形態では、それぞれ凹凸状に形成された前プレート３２と後プレート３３とを一体に接合してセパレータ３を構成したが、第１プレートと第２プレートとの接合体であるセパレータ３の構成は上述したものに限らない。ここで、第１プレートは前プレート３２および後プレート３３のいずれか一方であり、第２プレートはいずれか他方である。すなわち、前プレート３２が第１プレートであるとき、後プレート３３が第２プレートとなる。このとき、前プレート３２の凹部側の端面（第１端面）と後プレート３３の凹部側の端面（第２端面）とが当接してセパレータ３が構成される。また、前プレート３２が第２プレートであるとき、後プレート３３が第１プレートとなる。このとき、前プレート３２の凹部側の端面（第２端面）と後プレート３３の凹部側の端面（第１端面）とが当接してセパレータ３が構成される。いずれの場合であっても、セル積層体１０１とターミナルプレート４との間に介装される中間部材７Ａ，７Ｂは、第２端面がターミナルプレート４に当接された第２プレートにより構成される。

【0061】

上記実施形態では、セパレータ３とターミナルプレート４とを金属により構成した上で、中間部材７Ａとしての後プレート３３または中間部材７Ｂとしての前プレート３２を、溶接によってターミナルプレート４に接合するようにしたが、溶接以外で接合してもよい。中間部材７Ａ，７Ｂを接合するのではなく、ターミナルプレート４に対して位置決めして、ターミナルプレート４の表面に当接するようにしてもよい。上記実施形態では、前プレート３２および後プレート３３のアクティブ領域ＡＲ１に、接合体２０に向けて凸部３２１，３３１（内側凸部）を設け、非アクティブ領域ＡＲ２に、支持プレートとしてのフレーム２１に向けてビード部３２５，３３５（外側凸部）を設けるようにしたが、内側凸部と外側凸部の構成は上述したものに限らない。上記実施形態では、ビード部３２５，３３５の先端部にシール材４０（シール部）を固着するようにしたが、ビード部３２５，３３５に対応する位置にあるフレーム２１に、シール部を設けるようにしてもよい。なお、シール部は、印刷や塗布により設けることができる。

【0062】

燃料電池スタック１００内の流路の個数、配置、形状は上述したものに限らない。例えば燃料ガス排出流路ＰＡ６と酸化剤ガス排出流路ＰＡ３とがそれぞれ２個であってもよい。冷却媒体供給流路ＰＡ５と冷却媒体排出流路ＰＡ２とがそれぞれ２個であってもよい。貫通孔２１１～２１６，３１１～３１６，１０２ａ～１０２ｆの形状は矩形状、三角形状、あるいは他の多角形状、円形や楕円形状等、種々の形状とすることができる。上記実施形態では、貫通孔２１１～２１３，３１１～３１３，１０２ａ～１０２ｃおよび貫通孔２１４～２１６，３１４～３１６１ａ２ｄ～１０２ｆを、それぞれ左右方向同一位置に上下方向に並べて配置したが、これらを左右方向に位置をずらして配置してもよい。

【0063】

上記実施形態では、電解質膜２０ａと電極２０ｂ，２０ｃとの接合体２０を含む構造体である電極アッセンブリ２と、セパレータ３とを、前後方向に交互に積層してセル積層体１０１を構成したが、積層方向は前後方向以外（例えば上下方向）であってもよい。上記実施形態では、電極アッセンブリ２と一対のセパレータ３とからなる発電セル１を複数積層して燃料電離スタックを構成したが、積層方向の端部に位置する発電セル１を、発電を行わないダミーセルとして用いてもよい。

【0064】

以上の説明はあくまで一例であり、本発明の特徴を損なわない限り、上述した実施形態および変形例により本発明が限定されるものではない。上記実施形態と変形例の１つまたは複数を任意に組み合わせることも可能であり、変形例同士を組み合わせることも可能である。

【0065】

３ セパレータ、３Ａ 端部セパレータ、４ ターミナルプレート、７Ａ，７Ｂ 中間部材、２０ 接合体、２０ａ 電解質膜、２０ｂ アノード電極、２０ｃ カソード電極、２１ フレーム、３２ 前プレート、３２ｂ 後面、３３ 後プレート、３３ａ 前面、４０ シール材、３２１，３３１ 凸部、３２５，３３５ ビード部、１００ 燃料電池スタック、１０１ セル積層体

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】