特開 2024-35955 燃料電池および移動体

(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】P2024035955

(43)【公開日】2024-03-15

(54)【発明の名称】燃料電池および移動体

(51)【国際特許分類】

   H01M 8/0271 20160101AFI20240308BHJP

   H01M 8/0206 20160101ALI20240308BHJP

   H01M 8/0267 20160101ALI20240308BHJP

   H01M 8/2483 20160101ALI20240308BHJP

   H01M 8/00 20160101ALI20240308BHJP

【ＦＩ】

H01M8/0271

H01M8/0206

H01M8/0267

H01M8/2483

H01M8/00 Z

【審査請求】未請求

【請求項の数】5

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2022140611

(22)【出願日】2022-09-05

(71)【出願人】

【識別番号】000005348

【氏名又は名称】株式会社ＳＵＢＡＲＵ

(74)【代理人】

【識別番号】110000419

【氏名又は名称】弁理士法人太田特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】布川 拓未

【テーマコード（参考）】

5H126

【Ｆターム（参考）】

5H126AA11

5H126AA12

5H126AA13

5H126AA23

5H126BB02

5H126DD05

5H126EE03

5H126EE11

5H126GG02

5H126JJ03

(57)【要約】

【課題】一方のセパレータに平板を用い、気体導入口を大きくして圧損を低減しつつ薄型化も両立させた燃料電池およびこの燃料電池を搭載する移動体を提供する。
【解決手段】本開示の一形態における燃料電池は、平面セパレータと流路付きセパレータからなる複数の金属板セパレータを含んで構成されて、アノードガス流路、カソードガス流路及び冷却水流路がそれぞれ形成された燃料電池において、一方の面側が前記冷却水流路となる流路が形成された流路付きセパレータのマニホールド周縁に、他方の面側に配置される気体導入口の高さが広がるように当該マニホールド周縁を囲む段差部が設けられ、前記段差部の上には、前記マニホールド周縁以外の領域に設けられる周辺シール材に比して厚さの薄い短縮シール材が、前記マニホールド周縁を囲むように配置されてなる。
【選択図】 図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

平面セパレータと流路付きセパレータからなる複数の金属板セパレータを含んで構成されて、アノードガス流路、カソードガス流路及び冷却水流路がそれぞれ形成された燃料電池において、
一方の面側が前記冷却水流路となる流路が形成された流路付きセパレータのマニホールド周縁に、他方の面側に配置される気体導入口の高さが広がるように当該マニホールド周縁を囲む段差部が設けられ、
前記段差部の上には、前記マニホールド周縁以外の領域に設けられる周辺シール材に比して厚さの薄い短縮シール材が、前記マニホールド周縁を囲むように配置されてなる、
燃料電池。

【請求項2】

前記一方の面側から順に、前記冷却水流路、前記カソードガス流路、及び、前記アノードガス流路の順で積層されている、
請求項１に記載の燃料電池。

【請求項3】

前記他方の面側から順に、前記カソードガス流路、前記冷却水流路、及び、前記アノードガス流路の順で積層される、
請求項１に記載の燃料電池。

【請求項4】

前記段差部上に配置された前記短縮シール材の厚みは、当該短縮シール材の周囲に配置されたシール材の厚みから前記段差部の厚み分を減じた値となるように設定されてなる、
請求項１に記載の燃料電池。

【請求項5】

請求項１～３のいずれか一項に記載の燃料電池を備えた移動体。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本開示は、燃料電池とこの燃料電池を搭載する燃料電池車などの移動体に関する。

【背景技術】

【0002】

一般的に燃料電池を利用した燃料電池システムでは、一方の電極（燃料極）に対して水素ガスを供給するとともに、他方の電極（空気極）に対して酸素ガスを供給し、これらが反応することで電気エネルギーを得ている。

【0003】

かような燃料電池を搭載する燃料電池車においては、燃料電池スタックとして例えばセパレータを介して区分けされた数百個程度の単セルが積層（スタック）されて搭載される。セパレータは、それぞれ隣接する単セルのカソードやアノードとの電気的接続を担う機能と、表面に設けられたガス流路から目的の極に対してそれぞれカソードガス（空気）やアノードガス（水素）を供給する機能と、を備える。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【特許文献1】特開２００７－１２３１８１号公報

【特許文献2】特開２０１３－５４８７２号公報

【特許文献3】国際公開第２０１５／０７２５８４号公報

【特許文献4】特開２０１７－１６９４２号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

しかしながら上述した各特許文献に限らず現在の技術では以下に述べる課題が存在する。
例えば上記した燃料電池を積層して燃料電池スタックとして利用する場合、例えば車載用途では数百程度の積層数となることもあり、燃料電池を構成する部材を可能な限り薄型化することが好ましい。この点、例えば燃料電池のセパレータとして金属の平板を用いることは、上記した薄型化にも資するものであると言える。

【0006】

より具体的に特許文献３では、流路とガス拡散層が表面上に形成された平板（主面が概ね平面の金属板）をセパレータとして用い、シール材を介して一対のセパレータで膜電極接合体（ＭＥＡ）を挟持する構成が提案されている。しかしながら一方のセパレータを平板とした場合、この平板とＭＥＡの間で一方のガス（例えば水素）が流通すると共に、他方のセパレータで冷却水と他方のガス（例えば空気）を流通させねばならない。このとき、ＭＥＡとの間で形成される空気導入口の厚さはガス拡散層の厚み相当と小さくなってしまうため、マニホールドから導入される空気の圧損が大きくなるという課題を内包している。

【0007】

本開示は、上記した課題を一例に鑑みて為されたものであり、一方のセパレータに平板を用い、気体導入口を大きくして圧損を低減しつつ薄型化も両立させた燃料電池およびこの燃料電池を搭載する燃料電池車などの移動体を提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0008】

上記課題を解決するため、本開示の一形態における燃料電池は、平面セパレータと流路付きセパレータからなる複数の金属板セパレータを含んで構成されて、アノードガス流路、カソードガス流路及び冷却水流路がそれぞれ形成された燃料電池において、一方の面側が前記冷却水流路となる流路が形成された流路付きセパレータのマニホールド周縁に、他方の面側に配置される気体導入口の高さが広がるように当該マニホールド周縁を囲む段差部が設けられ、前記段差部の上には、前記マニホールド周縁以外の領域に設けられる周辺シール材に比して厚さの薄い短縮シール材が、前記マニホールド周縁を囲むように配置されてなる。

【0009】

また、上記課題を解決するため、本開示の他の形態における移動体は、本開示の燃料電池が搭載されてなる。

【発明の効果】

【0010】

本開示によれば、一方のセパレータに平板を用いたとしても、気体導入口を大きくして圧損を低減しつつ薄型化も両立させることが可能となる。

【図面の簡単な説明】

【0011】

【図1】第１実施形態に係る燃料電池スタックの模式図と、この燃料電池スタックを搭載する燃料電池車の機能ブロック図である。

【図2】第１実施形態に係る燃料電池スタックを構成する燃料電池の一部を抜粋した斜視図である。

【図3】第１実施形態の燃料電池のうち流路付きセパレータの一部を示した上面図である。

【図4】第１実施形態の燃料電池のうち流路付きセパレータの一部を示した斜視図である。

【図5】第１実施形態の燃料電池のうち膜電極接合体（ＭＥＡ）の一部を抜粋して示した上面図である。

【図6】第１実施形態の燃料電池のうち膜電極接合体（ＭＥＡ）の一部を抜粋して示した斜視図である。

【図7】第１実施形態の燃料電池のうち平面セパレータの一部を抜粋して示した上面図である。

【図8】第１実施形態の燃料電池のうち平面セパレータの一部を抜粋して示した斜視図である。

【図9】図３などにおけるＡ－Ａ断面を模式的に示す断面図である。

【図10】図３などにおけるＢ－Ｂ断面を模式的に示す断面図である。

【図11】図３などにおけるＣ－Ｃ断面を模式的に示す断面図である。

【図12】第２実施形態に係る燃料電池スタックを示した模式図である。

【図13】第２実施形態に係る燃料電池スタックの一部に関する上面図である。

【図14】図１３におけるＤ－Ｄ断面を模式的に示す断面図である。

【発明を実施するための形態】

【0012】

次に本開示を実施するための好適な実施形態について説明する。また、詳述する以外の構成については、上記した特許文献を含む公知の燃料電池、燃料電池スタックおよびその駆動も含む燃料電池システムに関する要素技術や構成を適宜補完して実施することができる。

【0013】

［第１実施形態］
＜燃料電池車３００＞
まず本開示における移動体の一例としての燃料電池車３００の構成について、図１（ａ）を参照しながら説明する。
本実施形態における燃料電池車３００は、燃料電池スタック２００、ＤＣ／ＤＣコンバータ２１０、インバータ２２０、負荷（電気モータなど）２３０、及び制御装置２４０を含んで構成されている。これにより、一例として、制御装置２４０による制御の下で、燃料電池スタック２００で発電される電力がＤＣ／ＤＣコンバータ２１０及びインバータ２２０を介して負荷２３０としての電気モータに供給される。なお本実施形態における燃料電池車３００は、例えば水素タンクや気体供給機構（アノードガス供給装置、カソードガス供給装置、冷媒供給装置等）など燃料電池車に搭載される公知の種々の装備をさらに含んで構成されてもよい。

【0014】

燃料電池スタック２００は、後述する単セルとしての燃料電池セル１００が積層方向に数十～数百程度だけ積層されて構成されている。個々の燃料電池セル１００は、燃料ガス（水素ガス）と酸化ガス（空気中の酸素）とを反応させることにより発電する機能を備えている。

【0015】

ＤＣ／ＤＣコンバータ２１０は、燃料電池スタック２００の発電電力を所望の電圧まで昇圧してインバータ２２０に供給する公知の変圧機器である。一例として、ＤＣ／ＤＣコンバータ２１０は、公知のチョッパ回路を介して上記した昇圧処理が実行される。

【0016】

インバータ２２０は、上記したＤＣ／ＤＣコンバータ２１０で昇圧して得られた直流電力を、後段の負荷２３０である電気モータの駆動に適した交流電力に変換する機能を有して構成されている。インバータ２２０としては、上記機能を発揮する限りにおいて特に制限はなく、例えば三相ブリッジ回路を含む公知の種々のインバータが適用できる。

【0017】

負荷２３０は、例えば燃料電池車３００の駆動輪（不図示）を駆動させるための動力を出力可能な公知の電気モータを含んで構成されている。なお本実施形態では負荷２３０の一例として駆動輪に必要な動力を発生する電気モータを例示するが、負荷２３０としては燃料電池車３００に搭載される他の電気機器であってもよい。また、電気モータとしては、一例として、公知の三相交流式の電気モータが例示できる。

【0018】

制御装置２４０は、電動車に車載される公知のＥＵＣ（Electronic Control Unit）であり、演算処理装置である公知のＣＰＵ、このＣＰＵが使用するプログラムや演算パラメータ等を記憶する記憶素子である公知のＲＯＭ、及び各種の情報を一時記憶する記憶素子である公知のＲＡＭ等を含んで構成されている。また、制御装置２４０は、バッテリーの状態を監視たり制御したりする公知のＢＭＵ（Battery Management Unit）をさらに含んで構成されていてもよい。なお制御装置２４０は、燃料電池車３００に搭載される他の公知のＥＵＣや各種のセンサ（不図示）と通信可能に構成されていてもよい。

【0019】

なお以下では移動体の一例として燃料電池車を用いて説明するが、本開示は、例えば船舶や航空機あるいは電車など燃料電池システムを駆動源として搭載して移動可能な公知の種々の移動体に適用が可能である。すなわち、本開示の燃料電池スタックは燃料電池車だけに適用されるに留まらず、船舶や航空機など他の移動体に対しても適用が可能である。

【0020】

＜燃料電池スタック２００＞
次に図１（ｂ）を参照しつつ、本実施形態における燃料電池スタック２００の構成を説明する。同図から理解されるとおり、本実施形態における燃料電池スタック２００は、積層方向に積層された複数の燃料電池セル１００が一対のエンドプレート２０１で挟持されて構成される。また、それぞれのエンドプレート２０１の内側には集電板２０２が配置されることで、燃料電池セル１００で発電された電力が当該集電板２０２の取出電極２０２ｅを介して取出し可能となっている。

【0021】

また、同図から理解されるとおり、一方のエンドプレート２０１ａにおけるセルの積層方向の一側には、それぞれ酸化ガス供給ポート２０３ａ、冷媒供給ポート２０４ａ及び燃料ガス供給ポート２０５ａが設けられている。これらの供給ポートを介して燃料電池セル１００に酸化ガス、冷媒および燃料ガスが供給される。同様に一方のエンドプレート２０１ａにおける長手方向の他側には、それぞれ酸化ガス排出ポート２０３ｂ、冷媒排出ポート２０４ｂ及び燃料ガス排出ポート２０５ｂが設けられている。

【0022】

これにより、例えば酸化ガスが、酸化ガス供給ポート２０３ａから複数の燃料電池セル１００内に供給された後に、酸化ガス排出ポート２０３ｂから排出される。同様に燃料ガスは、燃料ガス供給ポート２０５ａから複数の燃料電池セル１００内に供給された後に、燃料ガス排出ポート２０５ｂから排出される。また、冷媒（一例として公知の冷却水）は、上記した冷媒供給ポート２０４ａから燃料電池スタック２００内を循環した後に、冷媒排出ポート２０４ｂから排出される。

【0023】

なお本実施形態では一方のエンドプレート２０１ａ側にそれぞれ酸化ガス供給ポート２０３ａ、冷媒供給ポート２０４ａ及び燃料ガス供給ポート２０５ａが設けられているが、この形態に限られない。すなわち、上記した各供給ポートは、エンドプレート２０１ａ側でなくエンドプレート２０１ｂ側に設けられる形態であってもよい。

【0024】

＜燃料電池セル１００＞
次に図２～１１を適宜参照しつつ、本実施形態における燃料電池セル１００の構成について説明する。図２などに示すように、本実施形態の燃料電池セル１００は、それぞれ後述する平面セパレータ１０と流路付きセパレータ２０からなる複数の金属板セパレータ３０を含んで構成される。
なお以下では燃料電池セル１００にそれぞれ気体や液体が流入する導入孔周辺の構造について説明するが、これらの気体や液体が排出される排出孔周辺の構造についても同様に適用できることは言うまでもない。

【0025】

これら平面セパレータ１０及び流路付きセパレータ２０並びに後述するシール材４０によって、アノードガス流路１１、冷却水流路２２及びカソードガス流路２３がそれぞれ形成される。なお本実施形態においては、一方の面２０ａ側（流路付きセパレータ２０のうち燃料電池セル１００の外側に相当する面）から順に、冷却水流路２２、カソードガス流路２３、及び、アノードガス流路１１の順で積層されているが、本開示の構成はこの形態には限られない。

【0026】

１－１．冷却水に関する流路構造
次に図２～図４及び図９などを参照しつつ、燃料電池セル１００における冷却水に関する流路構造について説明する。同図から明らかなように、燃料電池セル１００における冷却水流路２２は、流路付きセパレータ２０のうち上記した一方の面２０ａ上に設けられる。なお燃料電池スタック２００では燃料電池セル１００は複数積層されることから、この流路付きセパレータ２０のうち上記した一方の面２０ａの上方には隣接する他の燃料電池セル１００の平面セパレータが配置されることになる。

【0027】

図３及び図４に示すように、流路付きセパレータ２０は、周縁を第１シール材４１で囲繞されてなる。また、流路付きセパレータ２０のうち長手方向の端部には、それぞれアノードガスが流入する水素排出孔１１_ｏｕｔ（Ｈ_２マニホールド）、冷媒（冷却水など）が流入する冷媒導入孔２２_ｉｎ（冷媒マニホールド）、及び、カソードガスが流入する空気導入孔２３_ｉｎ（空気マニホールド）が設けられている。なお、本実施形態では冷媒マニホールドがＨ_２マニホールドと空気マニホールドの間に位置しているが、この導入孔の配置形態は上記に限らず適宜入れ替えてもよい。なお図示されるように本実施形態では空気導入孔２３_ｉｎと水素排出孔１１_ｏｕｔの間に冷媒導入孔２２_ｉｎが配置される形態となっているが、例えば空気導入孔２３_ｉｎと水素導入孔１１_ｉｎの間に冷媒導入孔２２_ｉｎが配置される形態となっていてもよい。

【0028】

また、水素排出孔１１_ｏｕｔ、冷媒導入孔２２_ｉｎ及び空気導入孔２３_ｉｎは、上記した第１シール材４１で区分けされている。また、上述したとおり流路付きセパレータ２０のうち上記した一方の面２０ａ上には冷却水流路２２が形成されることから、冷媒導入孔２２_ｉｎ周囲のうち冷却水流路２２側には冷却水を流通可能な第１補強部材６１が配置されている。
第１補強部材６１は、冷媒導入孔２２_ｉｎから流入する冷媒（本例では冷却水）を流通すると共に、流路付きセパレータ２０と第３シール材４３間および、第１補強部材６１と積層方向に連なって配置された他のシール面のシール性能を確保可能な強度を有して構成される。かような第１補強部材６１の具体例としては、樹脂材や金属材料などで形成された公知多孔質（ポーラス）状の部材や金属プレス部材が例示できる。

【0029】

また、流路付きセパレータ２０のうち上記した一方の面２０ａ上には冷却水流路２２が形成されることから、この一方の面２０ａ側において水素排出孔１１_ｏｕｔは上記した第１シール材４１で囲まれている。同様に一方の面２０ａ上にカソードガスが流入しないように、この一方の面２０ａ側において空気導入孔２３_ｉｎは第１シール材４１とは異なる第２シール材４２で囲まれている。

【0030】

すなわち図３及び図４を対比して理解できるとおり、一方の面２０ａ側が冷却水流路となる流路が形成された流路付きセパレータ２０のうち気体（空気）マニホールド周縁には段差部２５が形成されている。この段差部２５は、流路付きセパレータ２０における一方の面２０ａ側が膨出する（凸部となる、突出する）ようにセパレータの主面から盛り上がった段部となっている。

【0031】

換言すれば、本実施形態の燃料電池セル１００においては、この段差部２５の裏面側である他方の面２２ｂ側に、上記膨出の分だけ高さ（間口）が拡大された気体導入口２４が形成されることになる。このように本実施形態の燃料電池セル１００は、一方の面側が冷却水流路２２となる流路が形成された流路付きセパレータのマニホールド周縁に、他方の面側に配置される気体導入口２４の高さが広がるように当該マニホールド周縁を囲む段差部２５が設けられている。

【0032】

さらに本実施形態の燃料電池セル１００では、上記した段差部２５の上に、この気体（空気）マニホールド周縁以外の領域に設けられる周辺シール材（第１シール材４１）に比して厚さ（積層方向における高さ）の薄い短縮シール材（第２シール材４２）が、気体（空気）マニホールド周縁を囲むように配置されている。より具体的に図９に示すように、本実施形態の第２シール材４２の厚み（高さｈ２）は、上記した第１シール材４１の厚み（高さｈ１）よりも段差部２５の高さ分だけ小さく設定されていてもよい。これにより図９などに示すように、燃料電池セル１００として積層された状態において、流路付きセパレータ２０における流路溝２２ａの頂部、段差部２５上に配置された第２シール材４２の頂部、及び、冷却水流路２２の周囲を囲む第１シール材４１の頂部は、互いに面一となっている。

【0033】

なお第１シール材４１及び第２シール材４２並びに後述する第３シール材４３～第６シール材４６の材質については、それぞれ本実施形態で説明する機能を発揮する限りにおいて例えばシリコンゴムを基材に添加剤が適宜添加された公知の種々の樹脂材や、熱接着もしくは感圧接着など種々の接着方法が可能な種々の樹脂素材、および、こうした樹脂素材が塗布された複合部材などが例示できる。また、本実施形態では第１シール材４１と第２シール材４２は同じ材料を用いて形成されているが、上記した厚みを異ならせることが可能な限りにおいてこれらシール材を互いに異なる材料で形成してもよく、また、一体型となっていてもよい。さらに第１シール材４１及び第２シール材４２並びに後述する第３シール材４３～第６シール材４６は、組み立て性を考慮すると、例えばシリコンゴムなどのようにある程度形状を自己保持できる公知の材料で形成されていることが好適である。
また、本実施形態では上記した第２シール材４２を用いているが、この第２シール材４２の代わりとして例えばレーザ溶接など公知の溶接手段で代用してもよい。

【0034】

また、外側シール材（第１シール材４１、第３シール材４３あるいは第５シール材４５）の内側に位置して特定の流路の周囲に配置される内側シール材（第２シール材４２、第４シール材４４、第６シール材４６）については、例えば２液性シール材など公知の液体型シール材にするなどして外側シール材よりも流動性の高い材料で構成してもよい。

【0035】

１－２．カソードガス（空気）に関する流路構造
次に図２、図５～図６及び図９などを参照しつつ、燃料電池セル１００におけるカソードガス（空気）に関する流路構造について説明する。同図から明らかなように、燃料電池セル１００におけるカソードガス流路２３は、流路付きセパレータ２０のうち他方の面２２ｂ側に設けられる。換言すれば、カソードガス流路２３は、ＭＥＡ５０と流路付きセパレータ２０の間に設けられる。

【0036】

ＭＥＡ５０は、電解質膜を中心として両面に配置される一対の触媒層を備えた公知の膜電極接合体である。図２及び図６から理解されるとおり、本実施形態のＭＥＡ５０のうち一方の面５０ａ側にはさらに公知のガス拡散層であるＧＤＬ１が配置されるとともに、他の面５０ｂ側にはさらに公知のガス拡散層であるＧＤＬ２が配置されている。なお本実施形態ではＧＤＬ１及びＧＤＬ２をＭＥＡ５０とは別個のものとして説明したが、これらＧＤＬを含めて膜電極接合体と定義してもよい。

【0037】

図５及び図６に示すように、ＭＥＡ５０のうち一方の面５０ａ側においては、第３シール材４３がカソードガス流路２３を密封するように周縁を囲繞している。そして水素排出孔１１_ｏｕｔおよび冷媒導入孔２２_ｉｎは上記した第３シール材４３で互いに区分けされており、アノードガスや冷媒がカソードガス流路２３へ流入することが防止されている。
またＭＥＡ５０の一方の面５０ａと流路付きセパレータ２０の他方の面２２ｂの間にはカソードガス流路２３が形成されることから、空気導入孔２３_ｉｎ周囲のうちカソードガス流路２３側は上記した気体導入口２４が形成されている。

【0038】

このとき上記した気体導入口２４には、カソードガス（空気）を流通可能な第２補強部材６２が配置されている。第２補強部材６２は、空気導入孔２３_ｉｎから流入するカソードガスを流通すると共に、流路付きセパレータ２０と第２シール材４２間および、第２補強部材６２と積層方向に連なって配置された他のシール面のシール性能を確保可能な強度を有して構成される。かような第２補強部材６２の具体例としては、樹脂材や金属材料などで形成された公知多孔質（ポーラス）状の部材や金属プレス部材が例示できる。

【0039】

また、本実施形態では、空気導入孔２３_ｉｎの周囲のうち上記した第２補強部材６２以外の領域には、第４シール材４４が配置されている。図９に示すように、第４シール材４４の厚みは、上記した段差部２５の高さ分だけ上記した第３シール材４３よりも高くなり、上記した第２補強部材６２と略同じ高さとなるように設定してもよい。このようにＭＥＡ５０のうち一方の面５０ａ側において、上記した第４シール材４４と第２補強部材６２は、互いの頂部がほぼ同じ高さとなって上記段差部２５に覆われるように空気導入孔２３_ｉｎの周囲を囲んでいてもよい。

【0040】

また、図９に示すように、本実施形態の燃料電池セル１００においては、段差部２５上（膨出する側）にある第２シール材４２の厚み（高さ）は、第１シール材４１の厚み（高さ）から段差部２５の厚み分を減じた値（すなわち段差分だけ減じた値）となるように設定されていてもよい。同様に図１１から理解されるとおり、段差部２５の下方に配置された第４シール材４４の厚み（高さ）は、第３シール材４３の厚み（高さ）に段差部２５の厚み分を加算した値となるように設定されていてもよい。

【0041】

１－３．アノードガス（水素）に関する流路構造
次に図２、図７～図９などを参照しつつ、燃料電池セル１００におけるアノードガス（水素）に関する流路構造について説明する。同図から明らかなように、燃料電池セル１００におけるアノードガス流路１１は、平面セパレータ１０のうち一方の面１０Ａ側に設けられる。換言すれば、アノードガス流路１１は、ＭＥＡ５０と平面セパレータ１０の間に設けられる。

【0042】

図７及び図８に示すように、平面セパレータ１０のうち一方の面１０Ａ側（ＭＥＡ５０のうち他方の面５０ｂ側）においては、第５シール材４５がアノードガス流路１１を密封するように周縁を囲繞している。そして冷媒導入孔２２_ｉｎは、上記した第５シール材４５で水素排出孔１１_ｏｕｔと区分けされており、冷媒がアノードガス流路１１へ流入することが防止されている。同様に、空気導入孔２３_ｉｎは、上記した第５シール材４５と略同じ厚みの第６シール材４６で水素排出孔１１_ｏｕｔと区分けされており、空気がアノードガス流路１１へ流入することが防止されている。

【0043】

このように本実施形態では、上記した第５シール材４５とは異なる第６シール材４６で空気導入孔２３_ｉｎが囲繞されてシールされているが、第６シール材４６を第５シール材４５に繋げるようにして第５シール材４５と第６シール材４６を一体で構成してもよい。

【0044】

そして平面セパレータ１０のうち上記した一方の面１０Ａ上にはアノードガス流路１１が形成されることから、水素排出孔１１_ｏｕｔ周囲のうちアノードガス流路１１側には水素を流通可能な第３補強部材６３が配置されている。
第３補強部材６３は、水素排出孔１１_ｏｕｔへ排出される水素を流通すると共に、ＭＥＡ５０と第３シール材４３間および、第３補強部材６３と積層方向に連なって配置された他のシール面のシール性能を確保可能な強度を有して構成される。かような第３補強部材６３の具体例としては、樹脂材や金属材料などで形成された公知多孔質（ポーラス）状の部材や金属プレス部材が例示できる。

【0045】

１－４．シール材と補強部材に関する厚み（高さ）比較
次に図９～図１１を参照しつつ、本実施形態の燃料電池セル１００で用いられる各シール材や各補強部材の厚みを比較する。
上述したとおり、本実施形態の燃料電池セル１００は、少なくとも互いに異なる複数の厚みを備えたシール材４０（第１シール材４１～第６シール材４６）を含んで構成されている。なお上記した複数のシール材４０のうち第４シール材４４については、必ずしも厳密なシール性を有することを要せず、少なくとも積層方向に連なるシール面のシール性を確保可能な程度の強度を有していればよい。
また、本実施形態の燃料電池セル１００は、少なくとも互いに異なる複数の厚みを備えた補強部材６０（第１補強部材６１～第３補強部材６３）を含んで構成されている。

【0046】

これら第１シール材４１～第６シール材４６および第１補強部材６１～第３補強部材６３は、一例として、下記に示す関係の少なくとも１つを有していることが好ましい。

【0047】

（関係１）第１シール材４１の厚み（高さｈ１）＞第２シール材４２の厚み（高さｈ２）

【0048】

（関係２）第４シール材４４の厚み（高さｈ４）＞第３シール材４３の厚み（高さｈ３）

【0049】

（関係３）第５シール材４５の厚み（高さｈ５）≒第６シール材４６の厚み（高さｈ５）

【0050】

（関係４）第１シール材４１の厚み（高さｈ１）≒第１補強部材６１の厚み（高さｈ６）

【0051】

（関係５）第２補強部材６２の厚み（高さｈ７）＞第３シール材４３の厚み（高さｈ３）

【0052】

（関係６）第３補強部材６３の厚み（高さｈ８）≒第５シール材４５の厚み（高さｈ５）

【0053】

（関係７）段差部２５の厚み（高さ）≒第１シール材４１の厚み（高さｈ１）－第２シール材４２の厚み（高さｈ２）

【0054】

なお本実施形態では複数の補強部材６０（第１補強部材６１～第３補強部材６３）を用いているが、この補強部材の内部を流通する物体に応じて物理的な構造を異ならせてもよい。例えば冷却水を流通可能な第１補強部材６１は、一例として、表面が波打った形状の金属板が適用できる。一方で気体（空気、酸素）を流通可能な第２補強部材６２及び第３補強部材６３は、一例として、耐圧用のリブが所定間隔で並んで気体通過領域が形成された金属板が適用できる。

【0055】

上述したとおり、燃料電池セルの核となるＭＥＡを挟持するセパレータのうちの一方のセパレータを平板としつつ他方を流路付きセパレータで構成した場合、仮に上記した段差部が存在しないと、ＭＥＡと流路付きセパレータの間で形成される気体（本実施形態の場合は空気）の導入口における厚さ（高さ）はガス拡散層（ＧＤＬ１）程度の厚みとなってしまう。このためマニホールドから導入される空気の圧損は、気体導入口の狭さによって大きくなってしまう。

【0056】

一方で本実施形態における燃料電池セル１００は、一方の面側が冷却水流路となる流路が形成された流路付きセパレータのマニホールド周縁に、他方の面側に配置される気体導入口の高さが広がるように当該マニホールド周縁を囲む段差部が設けられると共に、この段差部の上にはマニホールド周縁以外の領域に設けられる周辺シール材（第１シール材４１）に比して厚さの薄い短縮シール材（第２シール材４２）がマニホールド周縁を囲むように配置されてなる。これにより燃料電池セル１００においては、一方のセパレータに平板を用いたとしても、上記した段差部によって上記気体導入口の間口を大きくして圧力損失を低減しながら全体としての薄型化も両立可能となっている。

【0057】

［第２実施形態］
次に本開示における第２実施形態に係る燃料電池セル１１０について、図１２～図１４を参照しながら説明する。上記した第１実施形態の燃料電池セル１００は、流路付きセパレータ２０の一方の面２０ａ側から順に、冷却水流路２２、カソードガス（空気）流路２３、及び、アノードガス（水素）流路２１の順で積層されていた。これに対して第２実施形態の燃料電池セル１１０は、流路付きセパレータ２０の他方の面２２ｂ側から順に、カソードガス（空気）流路２３、冷却水流路２２、及び、アノードガス（水素）流路２１の順で積層される点に主とした特徴がある。
よって以下の第２実施形態において、第１実施形態で既述した構成と同様の構成は、同じ参照番号を付すると共にその説明は適宜省略する。

【0058】

図１２に示すように、燃料電池セル１１０は、ＧＤＬ１とＧＤＬ２がＭＥＡ５０を挟持する第１ユニット１１０Ａと、平面セパレータ１０と流路付きセパレータ２０とが貼り合わされた第２ユニット１１０Ｂと、を含んで構成されている。これら第１ユニット１１０Ａと第２ユニット１１０Ｂが交互に積層されることで、本実施形態の燃料電池スタックが形成される。

【0059】

従って図１３及び図１４を対比すると理解されるとおり、燃料電池セル１１０では、流路付きセパレータ２０の他方の面２２ｂ側から順に、カソードガス（空気）流路２３、冷却水流路２２、及び、アノードガス（水素）流路２１の順で積層される。換言すれば、ＭＥＡ５０側から第２ユニット１１０Ｂを見た場合、平面セパレータ１０の一方の面１０Ａ側から順に、アノードガス（水素）流路２１、冷却水流路２２、及び、カソードガス（空気）流路２３の順で積層される。

【0060】

また、図１２に示すＭＥＡ５０のうちＧＤＬ２にはアノードガスが流入することになる。よって、ＭＥＡ５０のうちＧＤＬ１側には、この燃料電池セル１１０と隣り合う他の燃料電池セル１１０におけるカソードガス（空気）流路２３を流通したカソードガスが流入することになる。

【0061】

このように本開示における燃料電池セルにおいては、必ずしもＭＥＡ５０が平面セパレータ１０と流路付きセパレータ２０で挟持される必要はなく、例えば本実施形態のごとく平面セパレータ１０がＭＥＡ５０と流路付きセパレータ２０で挟持される構成であってもよい。

【0062】

以上、添付図面を参照しながら本開示の好適な実施形態について詳細に説明したが、本開示はかかる例に限定されない。本開示の属する技術の分野における通常の知識を有する者であれば、特許請求の範囲に記載された技術的思想の範疇内において、これら実施形態や変形例に対して更なる修正を試みることは明らかであり、これらについても当然に本開示の技術的範囲に属するものと了解される。

【0063】

例えば上記した各実施形態において互いに厚み（高さ）の異なる複数のシール材を用いていたが、同じ層に位置するシール材同士（例えば第１シール材４１と第２シール材４２の組み合わせや、第３シール材４３と第４シール材４４の組み合わせなど）を連続した一体のシール材として成形されていてもよい。

【0064】

また、上記した補強部材６０は、例えばアルミニウムやチタンで成形された多孔質の金属材料で構成されていてもよい。さらに、補強部材６０の周囲にリブや支柱を隣接させて耐圧性を向上させてもよい。また上記した補強部材６０は、圧力損失の低減が維持可能な限りにおいて密度の高い多孔質材料で構成されていてもよい。

【0065】

また、上記した第１実施形態において第３シール材４３の内側と第４シール材４４の外側との間には空間が形成されているが、例えば第３シール材４３と第４シール材４４の少なくとも一方を延長させてこの空隙を埋めるようにしてもよい。この空隙を充填させることで、気体導入孔付近で水分などが滞留することを抑制できる。このとき第３シール材４３や第４シール材４４との間の空隙は、第３シール材４３や第４シール材４４の材料以外の他の材料で充填されていてもよい。

【符号の説明】

【0066】

１００、１１０ 燃料電池セル
３０ セパレータ
１０ 平面セパレータ
２０ 流路付きセパレータ
４０ シール材
５０ ＭＥＡ（膜電極接合体）
６０ 補強部材
２００ 燃料電池スタック
２１０ ＤＣ／ＤＣコンバータ
２２０ インバータ
２３０ 負荷
２４０ 制御装置
３００ 燃料電池車（移動体）

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】

【図14】