JP7337730B2 - 燃料電池スタック及びセパレータ - Google Patents

Description

本発明は、燃料電池スタック、及び燃料電池スタックに適用されるセパレータに関する。

燃料電池は、アノード電極、電解質膜、カソード電極を積層した電解質膜・電極構造体（ＭＥＡ）を有し、またバイポーラ板である一対のセパレータによりＭＥＡを挟持して構成される。燃料電池は、単位発電セルを複数積層することで燃料電池スタックに構成される。

この種の燃料電池の中には、セパレータに荷重受け部を備えたものがある（例えば、特許文献１参照）。すなわち、燃料電池スタックに外部から衝撃荷重がかかった際に、荷重受け部は、スタックケースの内面から内方に突出した突出部に接触することにより、燃料電池の積層方向と直交する方向に当該燃料電池が移動することを抑制する。

米国特許出願公開第２０１６／００７２１４５号明細書

ところで、セパレータは、金属製のプレートに対して荷重受け部を溶接により接合しており、セパレータ製造後のプレート及び荷重受け部には溶融した金属が固まった溶接加工部が設けられる。この溶接加工部は、プレート又は荷重受け部の表面から積層方向に突出するように隆起して形成される場合がある。このように溶接加工部が積層方向に突出していると、電解質膜・電極構造体を挟んで設けられる一対のセパレータが、各々の溶接加工部同士の接触によって短絡する可能性がある。

本発明は、上記の技術に関連するものであり、簡単な構成によって溶接加工部による短絡を抑制することができる燃料電池スタック及びセパレータを提供することを目的とする。

前記の目的を達成するために、本発明の第１の態様は、電解質膜・電極構造体とセパレータ部材とをそれぞれ複数備え、前記電解質膜・電極構造体と前記セパレータ部材とが交互に積層された燃料電池スタックであって、各前記セパレータ部材は、前記電解質膜・電極構造体に対向する反応ガス流路が形成されたセパレータ本体と、前記セパレータ本体の外周部に重なるとともに前記外周部から外方に突出し、前記外周部に重なる部分にて前記セパレータ本体と溶接により接合された荷重受け部とを有し、前記セパレータ部材と前記荷重受け部との溶接により形成された溶接加工部は、前記セパレータ部材と前記荷重受け部とを厚さ方向に貫通しており、互いに隣接する前記セパレータ部材の前記溶接加工部は、前記セパレータ本体の面方向に互いにずれて配置されている。

また前記の目的を達成するために、本発明の第２の態様は、発電セルを構成する電解質膜・電極構造体の両面に各々積層されるセパレータのうち一方面に積層されるセパレータであって、当該セパレータは、前記電解質膜・電極構造体に対向する反応ガス流路が形成されたセパレータ本体と、前記セパレータ本体の外周部に重なるとともに前記外周部から外方に突出し、前記外周部に重なる部分にて前記セパレータ本体と溶接により接合された荷重受け部とを有し、前記セパレータ本体と前記荷重受け部との溶接により形成された溶接加工部は、前記セパレータ本体と前記荷重受け部とを厚さ方向に貫通しており、前記溶接加工部は、前記電解質膜・電極構造体の他方面に積層される他のセパレータの溶接加工部に対して前記セパレータ本体の面方向に位置がずれている。

上記の燃料電池スタック及びセパレータは、隣接するセパレータ部材の溶接加工部の位置がセパレータ本体の面方向に互いにずれて配置されることで、溶接加工部同士の接触を回避することができる。従って燃料電池スタック及びセパレータは、簡単な構成によって溶接加工部による短絡を抑制することができる。

本発明の一実施形態に係るセパレータを備えた燃料電池スタックの一部分解斜視図である。 図１の燃料電池スタックの模式的横断面図である。 図１の燃料電池スタックを構成する発電セルの要部分解斜視図である。 セパレータの荷重受け部の形成部分を拡大して示す平面図である。 図２のＶ－Ｖ線に沿った一部省略断面図である。 溶接加工部を押圧する製造方法の説明図である。

以下、本発明について好適な実施形態を挙げ、添付の図面を参照して詳細に説明する。

図１に示すように、本発明の一実施形態に係る燃料電池スタック１０は、複数の発電セル１２が積層された積層体１４を備える。燃料電池スタック１０は、例えば、複数の発電セル１２の積層方向（矢印Ａ方向）が燃料電池自動車の水平方向（車幅方向又は車長方向）に沿うように燃料電池自動車に搭載される。なお、燃料電池スタック１０は、複数の発電セル１２の積層方向が燃料電池自動車の鉛直方向（車高方向）に沿うように燃料電池自動車に搭載されてもよい。

積層体１４の積層方向（矢印Ａ方向）の一端には、ターミナルプレート１６ａ、インシュレータ１８ａ及びエンドプレート２０ａが、外方に向かって、順次、配設される。積層体１４の積層方向の他端には、ターミナルプレート１６ｂ、インシュレータ１８ｂ及びエンドプレート２０ｂが、外方に向かって、順次、配設される。

ターミナルプレート１６ａには、出力端子２２ａが電気的に接続されている。ターミナルプレート１６ｂには、出力端子２２ｂが電気的に接続されている。各インシュレータ１８ａ、１８ｂは、電気的絶縁性を有する絶縁プレートである。

各エンドプレート２０ａ、２０ｂは、横長の長方形状を有する。図１及び図２に示すように、エンドプレート２０ａ、２０ｂの各辺間には、連結部材２４ａ～２４ｄ（連結バー）が配置される。各連結部材２４ａ～２４ｄの両端は、ボルト２６によりエンドプレート２０ａ、２０ｂの内面に固定されている（図１参照）。これにより、連結部材２４ａ～２４ｄは、燃料電池スタック１０（積層体１４）に積層方向（矢印Ａ方向）の締付荷重を付与する。

連結部材２４ａは、エンドプレート２０ａ、２０ｂの一方の長辺の中央から一端側にずれて位置している。連結部材２４ｂは、エンドプレート２０ａ、２０ｂの他方の長辺の中央から他端側にずれて位置している。連結部材２４ｃ、２４ｄは、エンドプレート２０ａ、２０ｂの各短辺の中央に位置している。

燃料電池スタック１０は、積層体１４を積層方向と直交する方向から覆うカバー部２８を備えている。カバー部２８は、エンドプレート２０ａ、２０ｂの短手方向（矢印Ｃ方向）の両端の２面を構成する横長プレート形状の一組のサイドパネル３０ａ、３０ｂと、エンドプレート２０ａ、２０ｂの長手方向（矢印Ｂ方向）の両端の２面を構成する横長プレート形状の一組のサイドパネル３０ｃ、３０ｄとを有する。各サイドパネル３０ａ～３０ｄは、ボルト３２によりエンドプレート２０ａ、２０ｂの側面に固定されている。カバー部２８は、必要に応じて用いればよく、不要にすることもできる。カバー部２８は、サイドパネル３０ａ～３０ｄを一体の鋳物又は一体の押出材で筒状に形成してもよい。なお、上記の連結部材２４ａ、２４ｂは、カバー部２８に対して一体的に形成されてもよい。

図３に示すように、発電セル１２は、外周に樹脂枠を有する樹脂枠付きＭＥＡ３４と、樹脂枠付きＭＥＡ３４を挟持する一対のセパレータとを備える。一対のセパレータは、樹脂枠付きＭＥＡ３４の一方面に積層されるカソードセパレータ３６と、樹脂枠付きＭＥＡ３４の他方面に積層されるアノードセパレータ３８とで構成される。

発電セル１２の長辺方向である矢印Ｂ方向の一端縁部には、酸化剤ガス入口連通孔４２ａ、冷却媒体入口連通孔４４ａ及び燃料ガス出口連通孔４６ｂが、矢印Ｃ方向に配列して設けられる。各発電セル１２の酸化剤ガス入口連通孔４２ａは、複数の発電セル１２の積層方向（矢印Ａ方向）に互いに連通し、酸化剤ガス、例えば、酸素含有ガスを供給する。各発電セル１２の冷却媒体入口連通孔４４ａは、矢印Ａ方向に互いに連通し、冷却媒体、例えば、水やエチレングリコール、オイル等を供給する。各発電セル１２の燃料ガス出口連通孔４６ｂは、矢印Ａ方向に互いに連通し、燃料ガス、例えば、水素含有ガスを排出する。

発電セル１２の矢印Ｂ方向の他端縁部には、燃料ガス入口連通孔４６ａ、冷却媒体出口連通孔４４ｂ及び酸化剤ガス出口連通孔４２ｂが、矢印Ｃ方向に配列して設けられる。各発電セル１２の燃料ガス入口連通孔４６ａは、矢印Ａ方向に互いに連通し、燃料ガスを供給する。各発電セル１２の冷却媒体出口連通孔４４ｂは、矢印Ａ方向に互いに連通し、冷却媒体を排出する。各発電セル１２の酸化剤ガス出口連通孔４２ｂは、矢印Ａ方向に互いに連通し、酸化剤ガスを排出する。

なお、酸化剤ガス入口連通孔４２ａ及び酸化剤ガス出口連通孔４２ｂと燃料ガス入口連通孔４６ａ及び燃料ガス出口連通孔４６ｂと冷却媒体入口連通孔４４ａ及び冷却媒体出口連通孔４４ｂのそれぞれは、エンドプレート２０ａにも形成されている（図１参照）。

酸化剤ガス入口連通孔４２ａ、酸化剤ガス出口連通孔４２ｂ、燃料ガス入口連通孔４６ａ、燃料ガス出口連通孔４６ｂ、冷却媒体入口連通孔４４ａ、冷却媒体出口連通孔４４ｂのそれぞれの大きさ、位置、形状及び数は、本実施形態に限定されず、要求される仕様に応じて適宜設定すればよい。

樹脂枠付きＭＥＡ３４は、電解質膜・電極構造体（以下、「ＭＥＡ４８」という）と、ＭＥＡ４８の外周部に接合されるとともにこの外周部を周回する樹脂枠部材５０（枠部、樹脂フィルム）とを備える。ＭＥＡ４８は、電解質膜５２と、電解質膜５２の一方の面に設けられたカソード電極５４と、電解質膜５２の他方の面に設けられたアノード電極５６とを有する。

電解質膜５２は、例えば、固体高分子電解質膜（陽イオン交換膜）である。固体高分子電解質膜は、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。電解質膜５２は、フッ素系電解質の他、ＨＣ（炭化水素）系電解質を使用することができる。電解質膜５２は、カソード電極５４及びアノード電極５６に挟持される。

図示は省略するが、カソード電極５４は、電解質膜５２の一方の面に接合される第１電極触媒層と、当該第１電極触媒層に積層される第１ガス拡散層とを有する。第１電極触媒層は、白金合金が表面に担持された多孔質カーボン粒子が、第１ガス拡散層の表面に一様に塗布されて形成される。アノード電極５６は、電解質膜５２の他方の面に接合される第２電極触媒層と、当該第２電極触媒層に積層される第２ガス拡散層とを有する。第２電極触媒層は、白金合金が表面に担持された多孔質カーボン粒子が、第２ガス拡散層の表面に一様に塗布されて形成される。第１ガス拡散層及び第２ガス拡散層のそれぞれは、カーボンペーパ、カーボンクロス等からなる。

電解質膜５２の平面寸法は、カソード電極５４及びアノード電極５６のそれぞれの平面寸法よりも小さい。カソード電極５４の外周部とアノード電極５６の外周部とは、樹脂枠部材５０の内周部を挟持している。樹脂枠部材５０は、電気的絶縁性を有するとともに、反応ガス（酸化剤ガス及び燃料ガス）を不透過に構成されている。樹脂枠部材５０は、ＭＥＡ４８の外周に設けられている。

樹脂枠付きＭＥＡ３４は、樹脂枠部材５０を用いることなく、電解質膜５２を外方に突出させるように形成してもよい。また、樹脂枠付きＭＥＡ３４は、外方に突出した電解質膜５２の両側に枠形状のフィルムを設けるように形成してもよい。

図３において、カソードセパレータ３６及びアノードセパレータ３８は、長方形状（四角形状）に形成されている。カソードセパレータ３６及びアノードセパレータ３８のセパレータ本体４０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、或いはその金属表面に防食用の表面処理を施した金属薄板の断面を波形にプレス成形して構成される。カソードセパレータ３６とアノードセパレータ３８とは、互いに重ねた状態で外周を溶接、ろう付け、かしめ等により一体に接合され、接合セパレータ３９（セパレータ部材）を構成する。

カソードセパレータ３６のＭＥＡ４８に向かう面３６ａには、酸化剤ガス入口連通孔４２ａと酸化剤ガス出口連通孔４２ｂとに連通する酸化剤ガス流路５８が設けられる。酸化剤ガス流路５８は、矢印Ｂ方向に直線状に延在する複数の酸化剤ガス流路溝６０を有する。各酸化剤ガス流路溝６０は、矢印Ｂ方向に波状に延在してもよい。

カソードセパレータ３６には、カソードセパレータ３６の外周部を周回してＭＥＡ４８とカソードセパレータ３６との間からの酸化剤ガス（反応ガス）の外部への漏れを防止する第１シール部６２が設けられている。第１シール部６２は、カソードセパレータ３６に一体成形された第１金属ビード部６４を有する。第１金属ビード部６４は、カソードセパレータ３６からＭＥＡ４８を挟んで反対側に位置するアノードセパレータ３８側に突出している。第１シール部６２は、第１金属ビード部６４の突出端面に塗布等により固着された弾性を有する樹脂材を有してもよい。当該樹脂材は、例えば、ポリエステル繊維で構成される。

第１シール部６２は、セパレータ厚さ方向から見て波状に延在している。第１シール部６２の波の間隔及び振幅は、良好なシール特性が得られるように適宜設定すればよい。なお、第１シール部６２は、直線状に延在してもよい。

アノードセパレータ３８のＭＥＡ４８に向かう面３８ａには、燃料ガス入口連通孔４６ａと燃料ガス出口連通孔４６ｂとに連通する燃料ガス流路７４が設けられる。燃料ガス流路７４は、矢印Ｂ方向に延在する複数の燃料ガス流路溝７６を有する。各燃料ガス流路溝７６は、矢印Ｂ方向に波状に延在してもよい。

アノードセパレータ３８には、アノードセパレータ３８の外周部を周回してＭＥＡ４８とアノードセパレータ３８との間からの燃料ガス（反応ガス）の外部への漏れを防止する第２シール部８０が設けられている。第２シール部８０は、アノードセパレータ３８に一体成形された第２金属ビード部８２を有する。第２金属ビード部８２は、アノードセパレータ３８からＭＥＡ３４を挟んで反対側に位置するカソードセパレータ３６側に突出している。第２シール部８０は、第２金属ビード部８２の突出端面に印刷又は塗布等により固着された弾性を有する樹脂材を有してもよい。当該樹脂材は、例えば、ポリエステル繊維で構成される。

第２シール部８０は、セパレータ厚さ方向から見て波状に延在している。第２シール部８０の波の間隔及び振幅は、良好なシール特性が得られるように適宜設定すればよい。なお、第２シール部８０は、直線状に延在してもよい。

第１シール部６２及び第２シール部８０は、セパレータ厚さ方向（積層方向）から見て互いに重なるように配置されている。そのため、燃料電池スタック１０に締付荷重が付与された状態で、第１金属ビード部６４及び第２金属ビード部８２のそれぞれが弾性変形（圧縮変形）する。また、この状態で、第１シール部６２の突出端面が樹脂枠部材５０の一方の面５０ａに接触するとともに第２シール部８０の突出端面が樹脂枠部材５０の他方の面５０ｂに接触する。

カソードセパレータ３６の面３６ｂとアノードセパレータ３８の面３８ｂとの間には、冷却媒体入口連通孔４４ａと冷却媒体出口連通孔４４ｂとに連通する冷却媒体流路８８が設けられる。冷却媒体流路８８は、矢印Ｂ方向に直線状に延在する複数の冷却媒体流路溝９０を有する。冷却媒体流路８８は、酸化剤ガス流路５８の裏面形状と燃料ガス流路７４の裏面形状とによって形成される。

図２～図４に示すように、カソードセパレータ３６は、上記の酸化剤ガス流路５８を構成するセパレータ本体４０と、セパレータ本体４０の外周部に荷重受け部９４ａ、９４ｂを備える。荷重受け部９４ａは、セパレータ本体４０に形成された支持部９２ａに設けられている。荷重受け部９４ｂは、セパレータ本体４０に形成された支持部９２ｂに設けられている。なお、支持部９２ａ、９２ｂ、荷重受け部９４ａ、９４ｂは、セパレータ本体４０に１つ設けられるだけでもよく、或いは３以上設けられてもよい。

支持部９２ａは、セパレータ本体４０に一体的に設けられ、セパレータ本体４０の一方の長辺から外方（矢印Ｃ方向）に向かって突出している。支持部９２ａは、連結部材２４ａに対向するようにセパレータ本体４０の一方の長辺の中央から一端側にずれた位置にある。なお、支持部９２ａは、セパレータ本体４０に対して接合されてもよい。支持部９２ａは、セパレータ本体４０の一方の長辺から外方に突出していなくてもよい。

図４に示すように、荷重受け部９４ａは、発電セル１２の積層方向に直交した方向（矢印Ｂ方向）の外部荷重（衝撃荷重）を受けるための板状部材である。荷重受け部９４ａは、支持部９２ａから矢印Ｃ方向に向かって外方に突出した凸部９６と、支持部９２ａに接合された取付部９８とを備える。また、荷重受け部９４ａは、凸部９６と取付部９８にわたって延在する板部１０２と、凸部９６において板部１０２を覆う絶縁性被覆部１０４とにより構成される。換言すれば、荷重受け部９４ａにおいて、凸部９６は、板部１０２及び絶縁性被覆部１０４からなる部分であり、取付部９８は、板部１０２が露出した部分である。

板部１０２は、ステンレス等の金属材料により構成される。板部１０２は、セパレータ本体４０と同じ材料により構成されてもよい。板部１０２は、平面形状が扁平な略六角形状の被埋設部１０２ａを有する。一方、板部１０２は、取付部９８において、平面形状が略長方形状（四角形状）の露出部１０２ｂを有する。

板部１０２の板厚は、セパレータ本体４０の板厚よりも厚く設定されている。板部１０２の板厚は、例えばセパレータ本体４０の板厚の２倍以上であるとよい。なお、板部１０２の板厚は、発電セル１２の厚さ等を勘案して適宜設定されればよい。

絶縁性被覆部１０４は、絶縁性樹脂材料により構成され、例えば、板部１０２に対してインサート成形することで板部１０２に一体化される。絶縁性被覆部１０４は、被埋設部１０２ａの両面（板部１０２の面１０２ｓ１、１０２ｓ２）を一体的に被覆する。

絶縁性被覆部１０４は、セパレータ厚さ方向から見て被埋設部１０２ａよりも一回り大きい略六角形状に形成されている。すなわち凸部９６において、絶縁性被覆部１０４の外縁部は、被埋設部１０２ａの外縁部よりも外側を周回している。

荷重受け部９４ａの凸部９６は、連結部材２４ａに形成された凹部１００ａの内周と係合する（図２参照）。図４及び図５に示すように、凸部９６の中央部には、燃料電池スタック１０の製造時に各発電セル１２の位置決め用のロッド１０６を挿通するための位置決め孔１０８が形成されている。位置決め孔１０８は、板部１０２（被埋設部１０２ａ）及び絶縁性被覆部１０４を厚さ方向（矢印Ａ方向）に貫通している。なお、ロッド１０６は、各発電セル１２の位置決めが完了した後で位置決め孔１０８から抜き取られてもよいし、位置決め孔１０８に残されてもよい。

取付部９８は、支持部９２ａの矢印Ｂ方向の中央部に位置している。取付部９８は、支持部９２ａの面（カソードセパレータ３６の面３６ａ）に重ねられた状態で溶接（例えばレーザ溶接）により支持部９２ａに対して接合されている。接合によって、露出部１０２ｂにおける板部１０２の面１０２ｓ１が、カソードセパレータ３６のセパレータ本体４０の面３６ａに密着する。

図２に示すように、支持部９２ｂは、カソードセパレータ３６に一体的に設けられ、カソードセパレータ３６の他方の長辺から外方（矢印Ｃ方向）に向かって突出している。支持部９２ｂは、連結部材２４ｂに対向するようにカソードセパレータ３６の他方の長辺の中央から他端側にずれた位置にある。なお、支持部９２ｂは、カソードセパレータ３６に対して接合されてもよい。支持部９２ｂは、カソードセパレータ３６の他方の長辺から外方に突出していなくてもよい。

荷重受け部９４ｂは、発電セル１２の積層方向に直交した方向（矢印Ｂ方向）の外部荷重（衝撃荷重）を受けるための板状部材である。荷重受け部９４ｂは、上記した荷重受け部９４ａと同様に構成されている。換言すれば、荷重受け部９４ｂは、荷重受け部９４ａを上下反転した形状を有する。そのため、荷重受け部９４ｂの詳細な構成の説明については省略する。なお、荷重受け部９４ｂの凸部９６は、連結部材２４ｂに形成された凹部１００ｂの内周と係合する（図２参照）。

また図２～図４に示すように、カソードセパレータ３６の面３６ａには、第１リブ１１８ａ、１１８ｂが樹脂枠付きＭＥＡ３４に向かって一体で突出形成されている。第１リブ１１８ａは、第１シール部６２と荷重受け部９４ａとの間に位置し、第１シール部６２の延在方向（矢印Ｂ方向）に沿って取付部９８と略同じ長さだけ矢印Ｂ方向に延在している。第１リブ１１８ｂは、第１シール部６２と荷重受け部９４ｂとの間に位置し、第１シール部６２の延在方向（矢印Ｂ方向）に沿って取付部９８と略同じ長さだけ矢印Ｂ方向に延在している。

図３に示すように、アノードセパレータ３８の面３８ｂには、第２リブ１２０ａ、１２０ｂが樹脂枠付きＭＥＡ３４に向かって突出形成されている。第２リブ１２０ａは、第２シール部８０よりも外周側に位置するとともに第１リブ１１８ａに対向し、第２シール部８０の延在方向（矢印Ｂ方向）に沿って第１リブ１１８ａと略同じ長さだけ延在している。第２リブ１２０ｂは、第２シール部８０よりも外周側に位置するとともに第１リブ１１８ｂに対向し、第２シール部８０の延在方向（矢印Ｂ方向）に沿って第１リブ１１８ｂと略同じ長さだけ延在している。

第１リブ１１８ａと第２リブ１２０ａは、樹脂枠部材５０を間に挟んで互いに対向する。同様に、第１リブ１１８ｂと第２リブ１２０ｂは、樹脂枠部材５０を間に挟んで互いに対向する。第１リブ１１８ａ、１１８ｂは、アノードセパレータ３８のうち荷重受け部９４ａ、９４ｂを支持する部位の剛性を向上させる。

図３及び図４に示すように、アノードセパレータ３８は、カソードセパレータ３６の支持部９２ａ、９２ｂの対向位置に、セパレータ本体４１から突出する突出部１１０ａ、１１０ｂを備える。突出部１１０ａは、セパレータ本体４１に一体的に設けられ、セパレータ本体４１の一方の長辺の中央から一端側にずれた位置で外方（矢印Ｃ方向）に向かって突出している。突出部１１０ａは、積層方向に対向する支持部９２ａと同形状に形成されている。また突出部１１０ｂは、セパレータ本体４１に一体的に設けられ、セパレータ本体４１の他方の長辺の中央から他端側にずれた位置で外方（矢印Ｃ方向）に向かって突出している。突出部１１０ｂは、積層方向に対向する支持部９２ｂと同形状に形成されている。

さらに、本実施形態に係る樹脂枠部材５０は、その平面形状がカソードセパレータ３６のセパレータ本体４０の平面形状よりも若干大きく形成され、カソードセパレータ３６の外周から突出している。なお、アノードセパレータ３８のセパレータ本体４１の平面形状は、カソードセパレータ３６と同一である。つまり、樹脂枠部材５０の外周部は、カソードセパレータ３６の外周部及びアノードセパレータ３８の外周部よりも若干外側に突出している。

樹脂枠部材５０は、カソードセパレータ３６の支持部９２ａ、９２ｂ（及びアノードセパレータ３８の）の対向位置に突出部１１２ａ、１１２ｂを備える。突出部１１２ａは、樹脂枠部材５０に一体的に設けられ、樹脂枠部材５０の一方の長辺の中央から一端側にずれた位置で外方（矢印Ｃ方向）に向かって突出している。突出部１１２ａは、積層方向に対向する支持部９２ａよりも一回り大きな相似形状に形成されている。また突出部１１２ｂは、樹脂枠部材５０に一体的に設けられ、樹脂枠部材５０の他方の長辺の中央から他端側にずれた位置で外方（矢印Ｃ方向）に向かって突出している。突出部１１２ｂは、積層方向に対向する支持部９２ｂよりも一回り大きな相似形状に形成されている。

上記したように、燃料電池スタック１０は、発電セル１２の積層前に、カソードセパレータ３６とアノードセパレータ３８を接合した接合セパレータ３９を形成する。図４及び図５に示すように、接合セパレータ３９において、カソードセパレータ３６の支持部９２ａとアノードセパレータ３８の突出部１１０ａとが互いに重なる。また図示は省略するが、接合セパレータ３９において、カソードセパレータ３６の支持部９２ｂとアノードセパレータ３８の突出部１１０ｂとが互いに重なる。荷重受け部９４ａ、９４ｂは、接合セパレータ３９において、支持部９２ａ、９２ｂが突出部１１０ａ、１１０ｂに重なる面と反対側の面（カソードセパレータ３６の面３６ａ）に溶接される。

セパレータ本体４０と荷重受け部９４ａ、９４ｂとの溶接により形成される溶接加工部１１４は、取付部９８を構成する板部１０２の長手方向（矢印Ｂ方向）に沿って延在している。図５に示すように、溶接加工部１１４は、板部１０２の他に、接合セパレータ３９（カソードセパレータ３６及びアノードセパレータ３８の各セパレータ本体４０、４１）を厚さ方向に貫通するように形成される。溶接加工部１１４は、溶接によりカソードセパレータ３６及びアノードセパレータ３８の各セパレータ本体４０、４１、及び板部１０２が溶融して接合した金属材料から構成される。

溶接加工部１１４は、荷重受け部９４ａ、９４ｂの板部１０２の面１０２ｓ２から露出し、反対側のアノードセパレータ３８の面３８ａから露出する。溶接加工部１１４において溶接ビームの入射方向の両側の端部は、溶接工程においてそれぞれ板部１０２の面１０２ｓ２、アノードセパレータ３８の面３８ａから厚さ方向（矢印Ａ方向）に隆起する、所謂溶接スパッタが形成される。

このため、溶接加工部１１４は、溶接後において、図６に示すように押圧装置２００の押圧体２０２によって押圧されることで、溶接加工部１１４の両側の端部は、押圧によって平坦状の押圧部１１５に形成されていることが好ましい。或いは、溶接加工部１１４の端部は、押圧装置２００とは異なる機械加工手段（切削、研磨等）によって平坦状に形成されてもよい。なお図５中において、押圧部１１５は、板部１０２の面１０２ｓ２及びアノードセパレータ３８の面３８ａに対して面一に形成されている。

ただし、押圧部１１５は、板部１０２やアノードセパレータ３８に対して積層方向にわずかに突出していることがある（図５中の２点鎖線も参照）。例えば、溶接加工部１１４において積層方向に突出する端部（押圧部１１５）の位置は、絶縁性被覆部１０４の積層方向の端面よりも低く形成される。

上記したように、燃料電池スタック１０は、荷重受け部９４ａ、９４ｂを有する接合セパレータ３９と、樹脂枠付きＭＥＡ３４とを交互に積層することで構成される。以下、樹脂枠付きＭＥＡ３４を挟んで互いに隣接し合う２つの接合セパレータ３９のうち一方を第１接合セパレータ３９ａといい、他方を第２接合セパレータ３９ｂという。第１接合セパレータ３９ａのアノードセパレータ３８と、第２接合セパレータ３９ｂのカソードセパレータ３６と、これらに挟まれた樹脂枠付きＭＥＡ３４とにより発電セル１２が形成される。

図５において、第１接合セパレータ３９ａのアノードセパレータ３８と、第２接合セパレータ３９ｂのカソードセパレータ３６と、その間に挟まれた樹脂枠付きＭＥＡ３４とで構成される発電セル１２を第１発電セル１２ａという。第１接合セパレータ３９ａのカソードセパレータ３６と、第２接合セパレータ３９ｂのアノードセパレータ３８と、その間に挟まれた樹脂枠付きＭＥＡ３４とで構成される発電セル１２を第２発電セル１２ｂという。

また上記したように、樹脂枠部材５０の平面形状は、カソードセパレータ３６及びアノードセパレータ３８の平面形状よりも一回り大きい。このため、第１接合セパレータ３９ａの荷重受け部９４ａ、９４ｂの取付部９８と、第２接合セパレータ３９ｂの荷重受け部９４ａ、９４ｂの取付部９８との間は、樹脂枠部材５０の突出部１１２ａ、１１２ｂが隙間を介して配置されている。

そして、第１接合セパレータ３９ａの取付部９８が溶接される溶接加工部１１４と、第２接合セパレータ３９ｂの取付部９８が溶接される溶接加工部１１４とは、互いにセパレータ本体４０、４１及び板部１０２の面方向に互いにずれて千鳥状に設けられている。以下、第１接合セパレータ３９ａの溶接加工部１１４を第１溶接加工部１１４ａといい、第２接合セパレータ３９ｂの溶接加工部１１４を第２溶接加工部１１４ｂという。

具体的には、第１溶接加工部１１４ａは、第１接合セパレータ３９ａの荷重受け部９４ａ、９４ｂにおいて取付部９８の端部寄り（図５中の下側）に設けられる。その一方で、第２溶接加工部１１４ｂは、第２接合セパレータ３９ｂの荷重受け部９４ａ、９４ｂにおいて取付部９８の凸部９６寄り（図５中の上側）に設けられる。換言すれば、第１溶接加工部１１４ａと、第２溶接加工部１１４ｂとは、積層方向において互いにずれて重ならない位置にある。

燃料電池スタック１０は、第１接合セパレータ３９ａと第２接合セパレータ３９ｂが積層方向に交互に繰り返して積層されることで、第１溶接加工部１１４ａと第２溶接加工部１１４ｂとが積層方向に千鳥状に配置される。このため、第１溶接加工部１１４ａ及び第２溶接加工部１１４ｂが溶接によってアノードセパレータ３８の面３８ａや板部１０２の面１０２ｓ２から突出するように形成されても、第１溶接加工部１１４ａと第２溶接加工部１１４ｂの接触が回避される。

本実施形態に係る燃料電池スタック１０及びセパレータ１１は、基本的には以上のように構成されるものであり、以下その動作について説明する。

図１に示すように、酸化剤ガスは、エンドプレート２０ａの酸化剤ガス入口連通孔４２ａに供給される。燃料ガスは、エンドプレート２０ａの燃料ガス入口連通孔４６ａに供給される。冷却媒体は、エンドプレート２０ａの冷却媒体入口連通孔４４ａに供給される。

酸化剤ガスは、図３に示すように、酸化剤ガス入口連通孔４２ａからカソードセパレータ３６の酸化剤ガス流路５８に導入される。酸化剤ガスは、酸化剤ガス流路５８に沿って矢印Ｂ方向に移動し、ＭＥＡ４８のカソード電極５４に供給される。一方、燃料ガスは、燃料ガス入口連通孔４６ａからアノードセパレータ３８の燃料ガス流路７４に導入される。燃料ガスは、燃料ガス流路７４に沿って矢印Ｂ方向に移動し、ＭＥＡ４８のアノード電極５６に供給される。従って、各ＭＥＡ４８では、カソード電極５４に供給される酸化剤ガスと、アノード電極５６に供給される燃料ガスとが、電気化学反応により消費されて、発電が行われる。

カソード電極５４に供給されて消費された酸化剤ガスは、酸化剤ガス出口連通孔４２ｂに沿って矢印Ａ方向に排出される。同様に、アノード電極５６に供給されて消費された燃料ガスは、燃料ガス出口連通孔４６ｂに沿って矢印Ａ方向に排出される。

また、冷却媒体入口連通孔４４ａに供給された冷却媒体は、カソードセパレータ３６とアノードセパレータ３８との間に形成された冷却媒体流路８８に導入された後、矢印Ｂ方向に流通する。この冷却媒体は、ＭＥＡ４８を冷却した後、冷却媒体出口連通孔４４ｂから排出される。

燃料電池スタック１０は、外部から矢印Ｂ方向の衝撃荷重が加わると、荷重受け部９４ａが連結部材２４ａの凹部１００ａを構成する壁面に接触するとともに荷重受け部９４ｂが連結部材２４ｂの凹部１００ｂを構成する壁面に接触する。これにより、発電セル１２が矢印Ｂ方向に位置ずれすることが抑えられる。

また図５に示すように、第１接合セパレータ３９ａの荷重受け部９４ａ、９４ｂを接合している第１溶接加工部１１４ａと、第２接合セパレータ３９ｂの荷重受け部９４ａ、９４ｂを接合している第２溶接加工部１１４ｂとが互いに面方向にずれている。燃料電池スタック１０は、樹脂枠付きＭＥＡ３４を挟んで第１接合セパレータ３９ａと第２接合セパレータ３９ｂが積層方向に交互に積層されることで、第１溶接加工部１１４ａと第２溶接加工部１１４ｂが千鳥状に配置されている。

ここで、図５中に２点鎖線で示すように、溶接加工部１１４（第１溶接加工部１１４ａ、第２溶接加工部１１４ｂ）の端部は、溶接によって板部１０２の面１０２ｓ１やアノードセパレータ３８の面３８ａから積層方向に突出形成される場合がある。本実施形態において第１溶接加工部１１４ａと第２溶接加工部１１４ｂの間には、薄膜の樹脂枠部材５０の突出部１１２ａ、１１２ｂが介在することで、第１溶接加工部１１４ａと第２溶接加工部１１４ｂの接触を防止する効果がある。

ただし、突出した第１溶接加工部１１４ａや第２溶接加工部１１４ｂは、樹脂枠部材５０を変形又は損傷して積層方向に突出する可能性がある。これに対し、面方向にずれて千鳥状に配置された第１溶接加工部１１４ａと第２溶接加工部１１４ｂとは、互いに接触することが回避される。従って、第１溶接加工部１１４ａと第２溶接加工部１１４ｂの接触による、第１接合セパレータ３９ａのアノードセパレータ３８と第２接合セパレータ３９ｂのカソードセパレータ３６の短絡を効果的に防止することができる。

また、溶接加工部１１４（第１溶接加工部１１４ａ、第２溶接加工部１１４ｂ）の端部は、溶接後の加工により平坦状の押圧部１１５を有する。そのため、第１溶接加工部１１４ａと第２溶接加工部１１４ｂの接触をより確実に回避することができる。

なお、本発明は、上記の実施形態に限定されず、発明の要旨に沿って種々の改変が可能である。例えば、第１溶接加工部１１４ａと第２溶接加工部１１４ｂは、互いに面方向にずれて配置されていればよく、複数の発電セル１２を積層した形態で積層方向に千鳥状に配置されることに限定されない。また、荷重受け部９４ａ、９４ｂは、カソードセパレータ３６の面３６ａ側に接合されるだけでなく、アノードセパレータ３８の面３８ａ側に接合されてもよい。

上記の実施形態から把握し得る技術的思想及び効果について、以下に記載する。

本発明の第１の態様は、電解質膜・電極構造体４８とセパレータ部材（接合セパレータ３９）とをそれぞれ複数備え、電解質膜・電極構造体４８とセパレータ部材とが交互に積層された燃料電池スタック１０であって、各セパレータ部材は、電解質膜・電極構造体４８に対向する反応ガス流路が形成されたセパレータ本体４０と、セパレータ本体４０の外周部に重なるとともに外周部から外方に突出し、外周部に重なる部分にてセパレータ本体４０と溶接により接合された荷重受け部９４ａ、９４ｂとを有し、セパレータ部材と荷重受け部９４ａ、９４ｂとの溶接により形成された溶接加工部１１４は、セパレータ部材と荷重受け部９４ａ、９４ｂとを厚さ方向に貫通しており、互いに隣接するセパレータ部材の溶接加工部１１４は、セパレータ本体４０の面方向に互いにずれて配置されている。

上記によれば、燃料電池スタック１０は、隣接するセパレータ部材（接合セパレータ３９）の溶接加工部１１４同士が互いに接触することを回避して、電解質膜・電極構造体４８を挟んで配置されるセパレータ部材同士の短絡を防ぐことができる。従って、燃料電池スタック１０は、発電セル１２の発電をより安定的に行うことが可能となる。

また、溶接加工部１１４は、電解質膜・電極構造体４８とセパレータ部材（接合セパレータ３９）の積層方向に沿って千鳥状に配置されている。これにより、燃料電池スタック１０は、複数の発電セル１２全体で溶接加工部１１４の短絡を簡単に防止することができる。さらに、セパレータ本体４０と荷重受け部９４ａ、９４ｂの溶接では、位置をずらした溶接加工部１１４を２種類製造すればよいため、製造効率の低下を抑制することができる。

また、電解質膜・電極構造体４８の外周部には、絶縁性を有する樹脂枠部材５０が設けられ、互いに隣接するセパレータ部材（接合セパレータ３９）の溶接加工部１１４の間には、樹脂枠部材５０が配置されている。これにより、燃料電池スタック１０は、溶接加工部１１４による短絡を一層確実に防止することができる。

また、荷重受け部９４ａ、９４ｂは、セパレータ本体４０に溶接される取付部９８と、取付部９８からセパレータ本体４０の外方に突出する凸部９６とを有し、凸部９６は、複数の発電セル１２の側方を延在する部材（連結部材２４ａ、２４ｂ）の凹部１００ａ、１００ｂに収容されている。すなわち、荷重受け部９４ａ、９４ｂの取付部９８は、溶接加工部１１４を介してセパレータ本体４０に強固に接合される。そして、燃料電池スタック１０は、取付部９８から突出した凸部９６を部材の凹部１００ａ、１００ｂに収容した荷重受け部９４ａ、９４ｂによって、積層方向に直交する方向に荷重を受けた際に複数の発電セル１２がずれることを良好に抑制することができる。

また、溶接加工部１１４の端部は、溶接後に押圧された押圧部１１５を有する。これにより、溶接加工部１１４の端部（押圧部１１５）の突出が抑制され、溶接加工部１１４の短絡をより一層確実に防止することができる。

また、溶接加工部１１４の端部は、平坦状に形成されている。これにより、溶接加工部１１４の短絡をさらに確実に防止することができる。

また本発明の第２の態様は、発電セル１２を構成する電解質膜・電極構造体４８の両面に各々積層されるセパレータ１１のうち一方面に積層されるセパレータ１１（カソードセパレータ３６）であって、当該セパレータ１１は、電解質膜・電極構造体４８に対向する反応ガス流路が形成されたセパレータ本体４０と、セパレータ本体４０の外周部に重なるとともに外周部から外方に突出し、外周部に重なる部分にてセパレータ本体４０と溶接により接合された荷重受け部９４ａ、９４ｂとを有し、セパレータ本体４０と荷重受け部９４ａ、９４ｂとの溶接により形成された溶接加工部１１４は、セパレータ本体４０と荷重受け部９４ａ、９４ｂとを厚さ方向に貫通しており、溶接加工部１１４は、電解質膜・電極構造体４８の他方面に積層される他のセパレータ１１（アノードセパレータ３８）の溶接加工部１１４に対してセパレータ本体４０の面方向に位置がずれている。これによりセパレータ１１は、簡単な構成によって溶接加工部１１４による短絡を抑制することができる。

また、溶接加工部１１４の端部は、溶接後に押圧された押圧部１１５を有する構成でもよい。これにより溶接加工部１１４の短絡をより一層確実に防止することができる。

また、溶接加工部１１４の端部は、平坦状に形成されていてもよい。これにより溶接加工部１１４の短絡をさらに確実に防止することができる。

１０…燃料電池スタック １１…セパレータ
１２…発電セル １２ａ…第１発電セル
１２ｂ…第２発電セル ２４ａ～２４ｄ…連結部材
３４…樹脂枠付きＭＥＡ ３６…カソードセパレータ
３８…アノードセパレータ ３９…接合セパレータ
４０、４１…セパレータ本体 ４８…電解質膜・電極構造体
５０…樹脂枠部材 ５２…電解質膜
５４…カソード電極 ５６…アノード電極
９４ａ、９４ｂ…荷重受け部 ９６…凸部
９８…取付部 １００ａ、１００ｂ…凹部
１１４…溶接加工部 １１４ａ…第１溶接加工部
１１４ｂ…第２溶接加工部 １１５…押圧部

Claims (9)

1. 電解質膜・電極構造体とセパレータ部材とをそれぞれ複数備え、前記電解質膜・電極構造体と前記セパレータ部材とが交互に積層された燃料電池スタックであって、
   各前記セパレータ部材は、
   前記電解質膜・電極構造体に対向する反応ガス流路が形成されたセパレータ本体と、
   前記セパレータ本体の外周部に重なるとともに前記外周部から外方に突出し、前記外周部に重なる部分にて前記セパレータ本体と溶接により接合された荷重受け部とを有し、
   前記セパレータ部材と前記荷重受け部との溶接により形成された溶接加工部は、前記セパレータ部材と前記荷重受け部とを厚さ方向に貫通しており、
   互いに隣接する前記セパレータ部材の前記溶接加工部は、前記セパレータ本体の面方向に互いにずれて配置されている
   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、
   前記溶接加工部は、前記電解質膜・電極構造体と前記セパレータ部材の積層方向に沿って千鳥状に配置されている
   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、
   前記電解質膜・電極構造体の外周部には、絶縁性を有する樹脂枠部材が設けられ、
   互いに隣接する前記セパレータ部材の前記溶接加工部の間には、前記樹脂枠部材が配置されている
   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、
   前記荷重受け部は、前記セパレータ本体に溶接される取付部と、前記取付部から前記セパレータ本体の外方に突出する凸部とを有し、
   前記凸部は、複数の発電セルの側方を延在する部材の凹部に収容されている
   燃料電池スタック。
5. 請求項１～４のいずれか１項に記載の燃料電池スタックにおいて、
   前記溶接加工部の端部は、溶接後に押圧された押圧部を有する
   燃料電池スタック。
6. 請求項１～５のいずれか１項に記載の燃料電池スタックにおいて、
   前記溶接加工部の端部は、平坦状に形成されている
   燃料電池スタック。
7. 発電セルを構成する電解質膜・電極構造体の両面に各々積層されるセパレータのうち一方面に積層されるセパレータであって、
   当該セパレータは、前記電解質膜・電極構造体に対向する反応ガス流路が形成されたセパレータ本体と、
   前記セパレータ本体の外周部に重なるとともに前記外周部から外方に突出し、前記外周部に重なる部分にて前記セパレータ本体と溶接により接合された荷重受け部とを有し、
   前記セパレータ本体と前記荷重受け部との溶接により形成された溶接加工部は、前記セパレータ本体と前記荷重受け部とを厚さ方向に貫通しており、
   前記溶接加工部は、前記電解質膜・電極構造体の他方面に積層される他のセパレータの溶接加工部に対して前記セパレータ本体の面方向に位置がずれている
   セパレータ。
8. 請求項７記載のセパレータであって、
   前記溶接加工部の端部は、溶接後に押圧された押圧部を有する
   セパレータ。
9. 請求項７記載のセパレータであって、
   前記溶接加工部の端部は、平坦状に形成されている
   セパレータ。
   

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