JP6493549B2 - 燃料電池スタック - Google Patents

Description

本発明は、セパレータを有する燃料電池を積層することにより構成される燃料電池スタックに関する。

特開２０１５−２２８０２号公報には、隣接する燃料電池において一方の燃料電池のアノードセパレータと他方の燃料電池のカソードセパレータとを溶接することで、両セパレータを接合することが開示されている。セパレータは膜電極接合体に当接する底部と当該底部から突出する突出部とが繰り返し配列されることで形成される流体流路を複数備えており、隣接する２枚のセパレータは突出部同士を溶接することで接合されている。

このようなセパレータの接合は、燃料電池スタックを製造する際にセパレータ同士の位置ずれ等を防止するために行われるものである。そのため、セパレータの全ての突出部を溶接するわけではなく、複数存在する突出部のうちの一部の突出部がセパレータ溶接位置として選定されることとなる。

一部の突出部のみを利用してセパレータを溶接した場合、複数の燃料電池をスタッキングする時に、溶接位置における突出部の突出高さが、溶接ビードの厚みに起因して他の突出部の突出高さよりも高くなってしまう。このようにセパレータの流体流路の一部が他の部分よりも高くなると、燃料電池スタック構成時にセパレータに作用する接触面圧がばらついてしまう。そうすると、セパレータと膜電極接合体とが接触面内において均一に接触できず、燃料電池スタック内における接触抵抗が増加してしまう。また、セパレータにおいて高くなった部分が膜電極接合体に強く押し付けられることとなるため、膜電極接合体が劣化するという懸念もある。

本発明の目的は、セパレータと膜電極接合体との接触面圧のばらつきを低減可能な燃料電池スタックを提供することである。

本発明のある態様によれば、電解質膜を一対の電極で挟んで構成される膜電極接合体と、膜電極接合体に供給するためのガスが流れるガス流路を有しており、当該膜電極接合体を挟むように配置される一対のセパレータと、からなる燃料電池を積層することにより構成される燃料電池スタックが提供される。この燃料電池スタックは、燃料電池の積層方向に隣り合うセパレータ同士を溶接する溶接部を備える。そして、溶接部における積層方向のセパレータの高さは、当該溶接部以外のセパレータの高さよりも低くなっている。

図１は、本発明の第１実施形態による燃料電池スタックの概略構成図である。 図２は、燃料電池を構成する膜電極接合体の正面図である。 図３は、燃料電池を構成するアノードセパレータの正面図である。 図４は、燃料電池を構成するカソードセパレータの正面図である。 図５は、燃料電池スタックの一部縦断面図である。 図６Ａは、２枚のセパレータを溶接したセパレータ接合体を示す図である。 図６Ｂは、燃料電池スタッキング時におけるセパレータ接合体の状態を示す図である。 図６Ｃは、燃料電池スタック構成時におけるセパレータ接合体の状態を示す図である。 図７は、セパレータ溶接時に形成される溶接ビードの一例を示す図である。 図８は、セパレータ溶接時に形成される溶接ビードの一例を示す図である。 図９Ａは、本発明の第２実施形態によるセパレータを溶接したセパレータ接合体を示す図である。 図９Ｂは、事前圧縮加工時のセパレータ接合体の状態を示す図である。 図９Ｃは、燃料電池スタック構成時におけるセパレータ接合体の状態を示す図である。 図１０は、第１及び第２実施形態の一変形例による燃料電池スタックの積層方向断面を示す図である。 図１１は、第１及び第２実施形態の他の変形例による燃料電池スタックの積層方向断面を示す図である。 図１２は、燃料電池スタックのセパレータ構造におけるその他の変形例について説明する図である。

以下、図面等を参照し、本発明の実施形態について説明する。

（第１実施形態）
燃料電池は、燃料極としてのアノード電極と酸化剤極としてのカソード電極とによって電解質膜を挟んで構成されている。燃料電池は、アノード電極に供給される水素を含有するアノードガス及びカソード電極に供給される酸素を含有するカソードガスを用いて発電する。アノード電極及びカソード電極の両電極において進行する電極反応は、以下の通りである。

アノード電極：２Ｈ₂ → ４Ｈ⁺＋４ｅ^- ・・・（１）
カソード電極：４Ｈ⁺＋４ｅ^-＋Ｏ₂ → ２Ｈ₂Ｏ ・・・（２）
これら（１）、（２）の電極反応によって、燃料電池は１Ｖ（ボルト）程度の起電力を生じる。

図１は、第１実施形態による燃料電池スタック１００の概略構成を示す分解図である。

図１に示す燃料電池スタック１００は、電気自動車やハイブリッド自動車等の移動車両に用いられる燃料電池スタックである。但し、燃料電池スタック１００は、自動車等での使用に限られず、各種電気機器の電源として使用されてもよい。

燃料電池スタック１００は、単位セルとしての燃料電池１０を複数積層することにより構成される積層電池である。

燃料電池スタック１００を構成する燃料電池１０は、膜電極接合体（ＭＥＡ）２０と、ＭＥＡ２０の一方の面に配置されるアノードセパレータ３０と、ＭＥＡ２０の他方の面に配置されるカソードセパレータ４０と、を備えている。このように、燃料電池スタック１００では、ＭＥＡ２０を挟むように一対のセパレータ３０，４０が配置される。

図２及び図５に示すように、ＭＥＡ２０は、電解質膜２１と、電解質膜２１の一方の面に配置されるアノード電極２２と、電解質膜２１の他方の面に配置されるカソード電極２３と、から構成される。なお、図２は燃料電池１０を構成するＭＥＡ２０の正面図であり、図５は図２のＶ−Ｖ位置における燃料電池１０の一部縦断面図である。

図５に示すように、電解質膜２１は、フッ素系樹脂により形成されたプロトン伝導性のイオン交換膜である。アノード電極２２は、電解質膜２１の側から順に、白金等の合金からなる電極触媒層と、フッ素樹脂等からなる撥水層と、カーボンクロス等からなるガス拡散層とが配置されて構成される。カソード電極２３も、アノード電極２２と同様に、電解質膜２１の側から順に、電極触媒層と、撥水層と、ガス拡散層とが配置されて構成される。

ＭＥＡ２０には、接合体外周に沿って樹脂製のフレーム部５０が設けられている。フレーム部５０は、合成樹脂等からなる枠体であって、ＭＥＡ２０に一体形成される。フレーム部５０は、剛性を有する板状部材として構成されてもよいし、柔軟性を有するシート状部材として構成されてもよい。

図２に示すように、フレーム部５０の一端側（図２中左側）には、上から順に、アノードガス供給マニホールド５１Ａ、冷却水供給マニホールド５２Ａ、カソードガス供給マニホールド５３Ａが形成される。また、フレーム部５０の他端側（図２中右側）には、上から順に、アノードガス排出マニホールド５１Ｂ、冷却水排出マニホールド５２Ｂ、カソードガス排出マニホールド５３Ｂが形成される。

図３及び図５に示すように、アノードセパレータ３０は、金属等の導電性材料で形成された板状部材である。アノードセパレータ３０は、ＭＥＡ側の面にアノードガスを流すアノードガス流路３４を有しており、ＭＥＡ側とは反対側の面に冷却水を流す冷却水流路３５を有している。

図３に示すように、アノードセパレータ３０の一端側（図３中左側）には、上から順にアノードガス供給マニホールド３１Ａ、冷却水供給マニホールド３２Ａ、カソードガス供給マニホールド３３Ａが形成される。また、アノードセパレータ３０の他端側（図３中右側）には、上から順にアノードガス排出マニホールド３１Ｂ、冷却水排出マニホールド３２Ｂ、カソードガス排出マニホールド３３Ｂが形成される。

アノードガス供給マニホールド３１Ａから供給されたアノードガスは、アノードガス流路３４を通って、アノードガス排出マニホールド３１Ｂに流出する。冷却水供給マニホールド３２Ａから供給された冷却水は、冷却水流路３５を通って、冷却水排出マニホールド３２Ｂに流出する。

図４及び図５に示すように、カソードセパレータ４０は、金属等の導電性材料で形成された板状部材である。カソードセパレータ４０は、ＭＥＡ側の面にカソードガスを流すカソードガス流路４４を有し、ＭＥＡ側とは反対側の面に冷却水を流す冷却水流路４５を有している。

図４に示すように、カソードセパレータ４０の一端側（図４中左側）には、上から順にアノードガス供給マニホールド４１Ａ、冷却水供給マニホールド４２Ａ、カソードガス供給マニホールド４３Ａが形成される。また、カソードセパレータ４０の他端側（図４中右側）には、上から順にアノードガス排出マニホールド４１Ｂ、冷却水排出マニホールド４２Ｂ、カソードガス排出マニホールド４３Ｂが形成される。

カソードガス供給マニホールド４３Ａから供給されたカソードガスは、カソードガス流路４４を通って、カソードガス排出マニホールド４３Ｂに流出する。冷却水供給マニホールド４２Ａから供給された冷却水は、冷却水流路４５を通って、冷却水排出マニホールド４２Ｂに流出する。

ＭＥＡ２０、アノードセパレータ３０、及びカソードセパレータ４０を有する燃料電池１０が積層されて燃料電池スタック１００が構成された場合、アノードガス供給マニホールド３１Ａ，４１Ａ，５１Ａは、積層方向に並んで、一のアノードガス供給用通路として機能する。この時、冷却水供給マニホールド３２Ａ，４２Ａ，５２Ａは一の冷却水供給用通路として機能し、カソードガス供給マニホールド３３Ａ，４３Ａ，５３Ａは一のカソードガス供給用通路として機能する。同様に、アノードガス排出マニホールド３１Ｂ，４１Ｂ，５１Ｂ、冷却水排出マニホールド３２Ｂ，４２Ｂ，５２Ｂ、及びカソードガス排出マニホールド３３Ｂ，４３Ｂ，５３Ｂは、アノードガス排出用通路、冷却水排出用通路、及びカソードガス排出用通路としてそれぞれ機能する。

なお、図５に示すように、隣接する２つの燃料電池１０において、一方の燃料電池１０のアノードセパレータ３０と他方の燃料電池１０のカソードセパレータ４０とに設けられたそれぞれの冷却水流路３５，４５は、互いに向き合うように配置される。このように配置される冷却水流路３５，４５によって、一の冷却通路が構成される。

燃料電池１０は、アノードセパレータ３０及びカソードセパレータ４０を接着剤６０によりフレーム部５０に接着することにより形成される。アノードセパレータ３０及びカソードセパレータ４０がフレーム部５０に接着された状態では、アノードセパレータ３０はアノードガス流路３４側の面がＭＥＡ２０の一方側の面に隣接するように配置され、カソードセパレータ４０はカソードガス流路４４側の面がＭＥＡ２０の他方側の面に隣接するように配置される。

これらセパレータ３０，４０においては、接着剤６０は、セパレータ外縁及び各マニホールドの周囲を取り囲むように配置される。接着剤６０は、各部材同士を接着する機能だけでなく、各部材間をシールするシール材としての機能も有する。したがって、接着剤６０には、接着機能及びシール機能を有するオレフィン系接着剤やシリコン系接着剤等が採用される。これら接着剤は、硬化前はゲル状態であるが、硬化後には弾性を有する固体状態となる。

次に、図６Ａ〜図６Ｃを参照して、本実施形態による燃料電池スタック１００のアノードセパレータ３０及びカソードセパレータ４０の構成をさらに詳細に説明する。

隣接する２つの燃料電池１０においては、図６Ａに示すように、一方の燃料電池１０のアノードセパレータ３０と他方の燃料電池１０のカソードセパレータ４０とが溶接により接合される。このように２枚のセパレータ３０，４０を溶接してセパレータ接合体を形成することにより、両セパレータ３０，４０が相互に位置決めされる。このように形成されたセパレータ接合体とＭＥＡ２０とを交互に積み上げてスタッキングすることで、燃料電池スタック１００が構成される。

カソードセパレータ４０は、ＭＥＡ２０に当接する平板状の底部４６、及び底部４６から燃料電池積層方向に突出する矩形状の突出部４７がセパレータ面内における短手方向（図４の上下方向）に順次配列されることで、凹凸状部材として構成されている。カソードセパレータ４０は、凹凸状構造を有することにより、一方側の面に複数のアノードガス流路４４を備え、他方側の面に複数の冷却水流路４５を備える。

アノードセパレータ３０も、ＭＥＡ２０に当接する平板状の底部３６、及び底部３６から燃料電池積層方向に突出する矩形状の突出部３７がセパレータ短手方向（図３の上下方向）に順次配列されることで、凹凸状部材として構成されている。このような構成により、アノードセパレータ３０の一方側の面には複数のアノードガス流路３４が形成され、アノードセパレータ３０の他方側の面には複数の冷却水流路３５が形成される。

上記したアノードセパレータ３０及びカソードセパレータ４０は、突出部３７と突出部４７とが付き合わせられるように位置決めされた状態で溶接され、相互に接合される。セパレータ接合体を形成する場合、全ての突出部３７，４７が溶接位置として選定されるわけではなく、複数存在する突出部３７，４７のうちの一部の突出部３７，４７が溶接位置として選定される。本実施形態では、中央の底部３６，４６の両サイドに連接する突出部３７，４７が溶接位置となっている。

セパレータ接合体を形成するための溶接は、アノードセパレータ３０とカソードセパレータ４０とを重ね合わせた状態で、一方のセパレータ側からレーザを突出部３７，４７に照射することで行われる。これにより、両セパレータ３０，４０は、溶接ビード７０（溶接部）を介して接合される。

なお、アノードセパレータ３０及びカソードセパレータ４０において、溶接位置である２つの突出部３７，４７に連接する中央の底部３６，４６は、中央以外の他の底部３６，４６よりも低く形成されている。つまり、カソードセパレータ４０は、溶接ビード７０が形成される突出部４７の突出量ｈ１が、溶接位置以外における突出部４７の突出量ｈ２よりも低くなるように構成される。アノードセパレータ３０も同様に、溶接ビード７０が形成される突出部３７の突出量が、溶接位置以外における突出部３７の突出量よりも低くなるように構成される。このように低く設定された溶接位置における突出部３７，４７が、燃料電池スタッキング時にセパレータ３０，４０に作用する面圧のばらつきを低減する面圧調整部として機能する。

燃料電池スタッキング時には、セパレータ接合体とＭＥＡ２０とを交互に積み上げた積層体に対して、積層方向から所定の押圧力が付加される。図６Ａに示すセパレータ接合体は溶接ビード７０の存在に起因して両セパレータ３０，４０間に隙間があいているが、スタッキング時の押圧力により、アノードセパレータ３０及びカソードセパレータ４０は、図６Ｂに示すように突出部３７と突出部４７とが当接するように重なり合うこととなる。

全ての突出部３７，４７の突出量が同じに設定されている場合には、溶接ビード７０の存在に起因して中央の底部３６，４６が図６Ｂの破線で示す通り積層方向に突出してしまう。

しかしながら、本実施形態では、溶接位置における突出部３７，４７の突出量が他の突出部３７，４７の突出量よりも低く構成されているため、燃料電池スタック１００の構成時においても、溶接位置における突出部３７，４７の突出高さＨ１は他の突出部３７，４７の突出高さＨ２よりも低くなる。その結果、燃料電池スタック１００の構成時には図６Ｃに示すように全ての底部３６，４６がほぼ同一平面上にそろうこととなる。なお、燃料電池スタック１００の構成時における突出部３７，４７の突出高さは、ＭＥＡ２０から突出部３７，４７の先端面までの距離を意味している。

燃料電池スタック１００においてアノードセパレータ３０の底部３６を同一平面上にそろえ、かつカソードセパレータ４０の底部４６を同一平面上にそろえるためには、溶接位置における突出部３７，４７の突出高さＨ１が溶接位置以外の突出部３７，４７の突出高さＨ２よりも溶接ビード７０の高さ（厚さ）分だけ低く設定されることが望ましい。

上記の通りセパレータ３０，４０を接合する溶接ビード７０は、例えば図７に示すように、突出部３７，４７の間においてガス流路３４，４４（流体流路）の延設方向に沿って形成される。このように、溶接ビード７０は、ライン形状ビード（ライン溶接部）として構成される。

なお、溶接ビード７０は、図８に示すように、ガス流路３４，４４（流体流路）の延設方向に所定間隔ｄをあけてスポット的に形成される溶接ビード（スポット溶接部）として構成されてもよい。この場合には、ガス流路延設方向に、複数の溶接ビード７０が設けられる。

所定間隔ｄは、燃料電池スタッキング時にセパレータ３０，４０に作用する押圧力によって、ガス流路延設方向に配置された溶接ビード７０間の突出部３７，４７が積層方向に撓むことがないような間隔に設定されている。例えば、所定間隔ｄは、以下の（１）式を満たすように設定されることが望ましい。

上記した第１実施形態の燃料電池スタック１００によれば、以下の効果を得ることができる。

燃料電池スタック１００では、アノードセパレータ３０及びカソードセパレータ４０の少なくとも一つの突出部３７，４７が溶接位置となり、溶接位置における突出部３７，４７の突出高さ（積層方向のセパレータ高さ）が溶接位置以外の突出部３７，４７の突出高さよりも低くなっている。

このようにセパレータ３０，４０を構成することで、図６Ｃに示すように、燃料電池スタック１００の構成時にアノードセパレータ３０の全ての底部３６がほぼ同一平面上にそろい、カソードセパレータ４０の全ての底部４６がほぼ同一平面上にうこととなる。これにより、セパレータ３０，４０とＭＥＡ２０との接触面圧のばらつきを抑制でき、燃料電池スタック１００内における接触抵抗を低減することが可能となる。さらに、セパレータ３０，４０の底部３６，４６がＭＥＡ２０に強く押し付けられることがないため、ＭＥＡ２０の劣化を抑制することが可能となる。

アノードセパレータ３０及びカソードセパレータ４０では、溶接位置における突出部３７，４７の突出高さが、溶接ビード７０の高さ分だけ他の突出部３７，４７の突出高さよりも低く設定されている。このように溶接ビード７０の高さを考慮することで、燃料電池スタック１００におけるセパレータ３０，４０とＭＥＡ２０との接触面圧のばらつきをより確実に抑制することが可能となる。

アノードセパレータ３０及びカソードセパレータ４０を接合する溶接ビード７０は、突出部３７，４７の間においてガス流路３４，４４の延設方向に沿って形成されるライン形状ビードとして構成される。このように溶接ビード７０をライン形状とすることで、アノードセパレータ３０とカソードセパレータ４０とをより確実に接合することができる。

なお、アノードセパレータ３０及びカソードセパレータ４０を接合する溶接ビード７０は、ガス流路３４，４４の延設方向に所定間隔ｄをあけて形成されるスポット溶接ビードとして構成されてもよい。このように溶接する場合、必要最低限の溶接位置でアノードセパレータ３０及びカソードセパレータ４０を接合するため、溶接作業工数を低減することができる。所定間隔ｄを、燃料電池スタッキング時にセパレータ３０，４０に作用する押圧力によって溶接ビード７０間の突出部３７，４７が積層方向に撓むことがないような間隔に設定することで、燃料電池スタッキング時におけるセパレータ３０，４０の変形を抑制することが可能となる。

（第２実施形態）
次に、図９Ａ〜図９Ｃを参照して、本発明の第２実施形態による燃料電池スタック１００について説明する。本実施形態による技術思想は、必要に応じて第１実施形態の技術思想と組み合わせることができる。以下の実施形態では、第１実施形態と同じ機能を果たす構成等には同一の符号を用い、重複する説明を適宜省略する。

第２実施形態では、燃料電池スタック１００を構成する前のアノードセパレータ３０及びカソードセパレータ４０は、全ての突出部３７，４７が同じ突出量に設定されている。これらセパレータ３０，４０を溶接により接合すると、図９Ａに示すように溶接位置以外の突出部３７，４７間に溶接ビード７０の高さ分だけの隙間を有したセパレータ接合体が形成される。

カソードセパレータ４０について見ると、溶接ビード７０は、ガス流路４４の配列方向において異なる突出部４７に形成されている。図９Ａに示すように、本実施形態では中央の突出部４７の隣に位置する二つの突出部４７が溶接位置として設定されている。このように、溶接位置となる突出部４７，４７の間には、ガス流路４４の配列方向において溶接がされない突出部４７が少なくとも一つ以上（本実施形態では一つ）存在することとなる。なお、カソードセパレータ３０についても同様である。

このように構成されたセパレータ接合体をそのまま用いて燃料電池スタッキングを行うと、溶接位置の内側に位置する底部３６，４６が溶接ビード７０の存在に起因して積層方向に突出し、セパレータ３０，４０とＭＥＡ２０との接触面圧がばらつくこととなる。

そこで、本実施形態のアノードセパレータ３０及びカソードセパレータ４０では、溶接位置における突出部３７，４７は、プレス加工されることで塑性変形する変形部３７Ａ，４７Ａを有している。変形部３７Ａ，４７Ａは底部３６，４６と突出部３７，４７の端面とをつなぐ側壁部位であり、これら変形部３７Ａ，４７Ａが面圧調整部として機能する。

本実施形態では、セパレータ接合体とＭＥＡ２０のスタッキングを行う前段階において、セパレータ接合体に対して事前圧縮加工（プレス加工）が施される。この事前圧縮加工について、図９Ｂを参照して説明する。

図９Ｂに示すように、事前圧縮加工は、アノードセパレータ３０の突出部３７の端面及びカソードセパレータ４０の突出部４７の端面に平板金型８０を当接させ、これらセパレータ３０，４０を積層方向に圧縮させることにより行われる。事前圧縮加工においてセパレータ３０，４０に作用させる圧縮荷重は、燃料電池スタッキング時においてセパレータ３０，４０等に作用させるスタッキング荷重（押圧力）よりも高く設定されている。事前圧縮加工における圧縮荷重は、セパレータ形状や溶接ビード形状等を考慮して決定されている。

このように事前圧縮加工を行うと、溶接位置における突出部３７，４７の変形部３７Ａ，４７Ａに応力が集中し、当該変形部３７Ａ，４７Ａが内側に窪むように塑性変形する。このように変形部３７Ａ，４７Ａを変形させることで、セパレータ接合体は、溶接ビード７０が存在しないアノードセパレータの突出部３７とカソードセパレータ４０の突出部４７とが当接する。その結果、カソードセパレータ４０は溶接ビード７０が形成される突出部４７の突出高さＨ１が溶接位置以外における突出部４７の突出高さＨ２よりも低くなり、アノードセパレータ３０も同様に溶接ビード７０が形成される突出部３７の突出高さが溶接位置以外における突出部３７の突出高さよりも低くなる。

このように事前圧縮加工により成形されたセパレータ接合体においては、燃料電池スタック１００の構成時には図９Ｃに示すように溶接位置における突出部３７，４７の突出高さＨ１が他の突出部３７，４７の突出高さＨ２よりも低くなり、全ての底部３６，４６がほぼ同一平面上にそろうこととなる。したがって、事前圧縮加工により成形されたセパレータ接合体を用いて燃料電池スタック１００を構成する場合には、セパレータ３０，４０とＭＥＡ２０との接触面圧のばらつきを抑制することが可能となる。

上記した第２実施形態の燃料電池スタック１００によれば、以下の効果を得ることができる。

燃料電池スタック１００では、アノードセパレータ３０及びカソードセパレータ４０は、溶接位置における突出部３７，４７の突出高さ（積層方向のセパレータ高さ）が、溶接位置以外における突出部３７，４７の突出高さよりも低くなっている。セパレータ３０，４０の溶接位置における突出部３７，４７の側壁部位が塑性変形可能な変形部３７Ａ，４７Ａとして構成されており、これら変形部３７Ａ，４７Ａを予め変形させておくことにより、溶接位置における突出部３７，４７の突出高さが、溶接部以外における突出部３７，４７の突出高さより低く設定される。

このように事前圧縮加工等により成形したセパレータ３０，４０を用いて燃料電池スタック１００を構成することで、図９Ｃに示すように、燃料電池スタック１００の構成時にアノードセパレータ３０の全ての底部３６がほぼ同一平面上にそろい、カソードセパレータ４０の全ての底部４６がほぼ同一平面上にうこととなる。これにより、セパレータ３０，４０とＭＥＡ２０との接触面圧のばらつきを抑制でき、燃料電池スタック１００内における接触抵抗を低減することが可能となる。さらに、セパレータ３０，４０の底部３６，４６がＭＥＡ２０に強く押し付けられることがないため、ＭＥＡ２０の劣化を抑制することが可能となる。

また、燃料電池スタック１００では、溶接位置である突出部３７，４７と突出部３７，４７との間に、ガス流路３４，４４の配列方向において溶接がされない突出部３７，４７が少なくとも一つ以上存在している。このように、ガス流路３４，４４の配列方向において溶接位置間隔を適度に離すことで、事前圧縮加工時における変形部３７Ａ，４７Ａでの曲げモーメントを高めることができる。したがって、事前圧縮加工時の圧縮荷重をそれほど大きくしなくても、突出部３７，４７の変形部３７Ａ，４７Ａを塑性変形させることが可能となり、事前圧縮加工時におけるセパレータ３０，４０の破損を防止することができる。

事前圧縮加工において使用される金型は、平板金型８０として説明したが、平板金型以外の金型であってもよい。例えば、金型は、セパレータ形状に対応して凹凸状に形成され、加工時に突出部３７，４７の変形部３７Ａ，４７Ａを変形させるように構成された金型であってもよい。

（第１及び第２実施形態の変形例）
図１０を参照して、第１及び第２実施形態の変形例による燃料電池スタック１００について説明する。

本変形例による燃料電池スタック１００は、第１又は第２実施形態で説明したセパレータ接合体を用いて構成した燃料電池スタックであり、セパレータ３０，４０を接合する溶接ビード７０の配置に特徴を有している。

燃料電池スタック１００は、複数の燃料電池１０を積層した積層体として構成される。ある一つの燃料電池１０のＭＥＡ２０を挟むように配置される二枚のセパレータ３０，４０において、アノードセパレータ３０側の溶接ビード７０と、カソードセパレータ４０側の溶接ビード７０とは、図１０に示すようにガス流路３４，４４の配列方向にずらして形成される。

溶接ビード７０が図８に示したようにスポット的に形成されるものである場合には、アノードセパレータ３０の溶接ビード７０と、カソードセパレータ４０の溶接ビード７０とを、ガス流路３４，４４の配列方向だけでなく、ガス流路３４，４４の延設方向にもずらしてもよい。

上記した変形例による燃料電池スタック１００では、以下の効果を得ることができる。

燃料電池スタック１００では、燃料電池１０のＭＥＡ２０を挟むようにアノードセパレータ３０及びカソードセパレータ４０が配置される。このように配置される二つのセパレータ３０，４０において、アノードセパレータ３０側の溶接ビード７０と、カソードセパレータ４０側の溶接ビード７０とは、ガス流路３４，４４の延設方向及びガス流路３４，４４の配列方向の少なくとも一方の方向にずらして配置される。

このように溶接ビード７０の形成位置を分散させることで、積層される燃料電池１０における溶接ビード７０（溶接位置）が積層方向に重なり合うことを抑制できる。その結果、燃料電池スタック１００の構成時にセパレータ３０，４０とＭＥＡ２０との接触面圧のばらつきをより効果的に抑制することが可能となる。

図１０に示した燃料電池スタック１００では、積層方向から見た時に、全ての溶接ビード７０が同じ位置に形成されることはないものの、一部の溶接ビード７０が重なるように形成されてしまう。そこで、図１１に示すように、燃料電池スタック１００は、積層方向から見た時に、全ての溶接ビード７０がそれぞれ異なる位置に形成されるように構成されてもよい。

このように、積層方向から見た時に、溶接ビード７０の形成位置が全て重ならないようにすることで、セパレータ３０，４０とＭＥＡ２０との接触面圧のばらつきをさらに低減することが可能となる。

以上、本発明の実施形態について説明したが、上記実施形態は本発明の適用例の一部を示したに過ぎず、本発明の技術的範囲を上記実施形態の具体的構成に限定する趣旨ではない。

第２実施形態では、アノードセパレータ３０及びカソードセパレータ４０の全面に対して事前圧縮加工して、突出部３７，４７の変形部３７Ａ，４７Ａを塑性変形させている。しかしながら、アノードセパレータ３０及びカソードセパレータ４０において接触面圧ばらつきが問題となりやすい領域に対してのみ事前圧縮加工を行うようにしてもよい。

例えば、燃料電池スタック１００ではアノードガス排出マニホールド３１Ｂ側の方がアノードガス供給マニホールド３１Ａ側よりもアノードガス圧力が高くなるため、燃料電池システム運転時にはアノードガス排出マニホールド３１Ｂ寄りの位置においてアノードセパレータ３０に作用する面圧が高くなる傾向にある。したがって、アノードセパレータ３０においては、アノードガス排出マニホールド３１Ｂ寄りの位置でのみ事前圧縮加工を行い、当該圧縮加工を実施した領域における突出部３７の変形部３７Ａを塑性変形させることで、アノードセパレータ３０とＭＥＡ２０との接触面圧ばらつきを抑制することができる。

なお、カソードセパレータ４０についても、同じ観点から、カソードガス排出マニホールド４３Ｂ寄りの位置において事前圧縮加工を行うことがよい。これにより、事前圧縮加工を実施した領域における突出部４７の変形部４７Ａを塑性変形させることで、カソードセパレータ４０とＭＥＡ２０との接触面圧ばらつきを抑制することができる。

次に、図１２を参照して、燃料電池スタック１００のセパレータ構造におけるその他の変形例について説明する。

図１２に示す本変形例による燃料電池スタック１００では、アノードセパレータ３０及びカソードセパレータ４０は、ガス流路３４，４４としての溝を有する平板状部材として構成されている。アノードセパレータ３０はカソードセパレータ４０と当接する面が平坦面として形成されており、カソードセパレータ４０はアノードセパレータ３０と当接する面が平坦面として形成されている。特に、カソードセパレータ４０はその平坦面に凹部４８が形成され、凹部４８内にセパレータ３０，４０を接合するための溶接ビード７０が設けられている。

このように凹部４８を設けることにより、カソードセパレータ４０は、溶接位置における積層方向のセパレータ高さＨ１が溶接位置以外のセパレータ高さＨ２よりも低くなっている。これにより、凹部４８内に形成した溶接ビード７０により隣接するカソードセパレータ４０とアノードセパレータ３０を接合しても、両セパレータ３０，４０間に隙間が形成されることなく、これらセパレータ３０，４０の平坦面同士を当接させることが可能となる。その結果、セパレータ３０，４０とＭＥＡ２０との接触面圧のばらつきを抑制でき、燃料電池スタック１００内における接触抵抗を低減することが可能となる。さらに、セパレータ３０，４０の底部３６，４６がＭＥＡ２０に強く押し付けられることがないため、ＭＥＡ２０の劣化を抑制することが可能となる。

図１２に示す燃料電池スタック１００ではカソードセパレータ４０の平坦面に凹部４８を形成したが、アノードセパレータ３０の平坦面に凹部を形成してもよい。また、セパレータ３０，４０の両方の平坦面に凹部を形成してもよい。

Claims (9)

1. 電解質膜を一対の電極で挟んで構成される膜電極接合体と、前記膜電極接合体に供給するためのガスが流れる流路を有しており、当該膜電極接合体を挟むように配置される一対のセパレータと、からなる燃料電池を積層することにより構成される燃料電池スタックであって、
   前記燃料電池の積層方向に隣り合う前記セパレータ同士を溶接する溶接部を備え、
   前記溶接部における積層方向の前記セパレータの高さは、当該溶接部以外の前記セパレータの高さよりも低い、
   燃料電池スタック。
2. 請求項１に記載の燃料電池スタックであって、
   前記セパレータの前記流路は、前記膜電極接合体に当接する底部と、当該底部から積層方向に突出する突出部とがセパレータ面内の一方向に順次配列されることにより形成され、
   前記溶接部は、隣り合う前記セパレータの前記突出部間に形成され、
   前記溶接部における前記セパレータの前記突出部の高さは、当該溶接部以外における前記セパレータの前記突出部の高さよりも低い、
   燃料電池スタック。
3. 請求項２に記載の燃料電池スタックであって、
   前記溶接部が形成される前記突出部の側壁部位は、塑性変形可能な変形部として構成されており、
   前記変形部を予め塑性変形させておくことにより、前記溶接部における前記突出部の高さが、当該溶接部以外における前記突出部の高さよりも低く設定される、
   燃料電池スタック。
4. 請求項２又は３に記載の燃料電池スタックであって、
   前記セパレータは、前記溶接部における前記突出部の高さが当該溶接部の高さ分だけ低く形成される、
   燃料電池スタック。
5. 請求項２から４のいずれか一つに記載の燃料電池スタックであって、
   前記溶接部は、前記流路の延設方向に沿って形成されるライン溶接部である、
   燃料電池スタック。
6. 請求項２から４のいずれか一つに記載の燃料電池スタックであって、
   前記溶接部は、前記流路の延設方向に所定間隔をあけて形成されるスポット溶接部である、
   燃料電池スタック。
7. 請求項５又は６に記載の燃料電池スタックであって、
   前記溶接部は、前記流路の配列方向において異なる前記突出部に形成され、
   前記溶接部が形成される前記突出部間には、前記流路の配列方向において溶接がされない前記突出部が少なくとも一つ以上存在する、
   燃料電池スタック。
8. 請求項１から７のいずれか一つに記載の燃料電池スタックであって、
   前記一対のセパレータにおいて、一方のセパレータ側に形成される前記溶接部と、他方のセパレータ側に形成される前記溶接部とは、前記流路の延設方向及び前記流路の配列方向の少なくとも一方の方向にずらして配置される、
   燃料電池スタック。
9. 請求項１から８のいずれか一つに記載の燃料電池スタックであって、
   前記燃料電池スタックに含まれる全ての前記溶接部は、積層方向から見た時にそれぞれ異なる位置に位置するように配置される、
   燃料電池スタック。

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