JP7082499B2

JP7082499B2 - 燃料電池スタック用の金属製インターコネクタを製造するための方法、およびこの方法によって製造される金属製インターコネクタ

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Publication number: JP7082499B2
Application number: JP2018036072A
Authority: JP
Inventors: マイアンドレアス; デンツラーローランド; フェリックスフライシュハウアー
Original assignee: Hexis AG
Current assignee: Hexis AG
Priority date: 2017-03-16
Filing date: 2018-03-01
Publication date: 2022-06-08
Anticipated expiration: 2038-03-01
Also published as: JP2018156934A; EP3376575B1; US11165070B2; US20180269495A1; EP3376575A1

Description

本発明は、燃料電池スタック用の金属製インターコネクタを製造するための方法に関する。加えて、本発明は、この方法によって製造することができる金属製インターコネクタに関する。最後に本発明は、この方法によって製造することができる金属製インターコネクタを備えた燃料電池スタックに関する。

金属製インターコネクタは、高温の燃料電池スタックの重要な構成要素である。インターコネクタの機能は、燃料電池の電気接触と、反応ガスの供給である。反応ガスを供給するために、インターコネクタは、第１のガス分配構造を備えた空気案内面と、第２のガス分配構造を備えた燃料ガス案内面とを有する。燃料電池のカソードには、第１のガス分配構造を介して空気が供給され、燃料電池のアノードには、第２のガス分配構造を介して燃料ガスが供給される。

現行の高温の燃料電池スタックでは、シートメタル形成または粉末冶金プロセスに基づいて製造されたインターコネクタが圧倒的に利用されている。

１）シートメタル形成による製造：
ここでは平坦な金属シート、通常はフェライトクロム鋼の金属シートが形成される。この方法で製造されたインターコネクタは、例えばＥＰ１２７８２５８Ｂ１に出現しており、波形のシートメタルの形状を有する。換言すれば、第１のガス分配構造および第２のガス分配構造は各々、互いに相補的（ｃｏｍｐｌｅｍｅｎｔａｒｙ）になるように配置された山と谷とを有する。シートメタル形成によって製造されるインターコネクタの最も重要な利点は、その簡素で、コスト効果の高い製造である。しかしながらこの方法で製造されるインターコネクタの最も重要な欠点は、それらが、シートメタル形成プロセスによって規定されるその相対的に薄い厚み（＜１．５ｍｍ）に起因して耐用寿命が短くなることである。さらに、シートメタル形成によってインターコネクタ上にいかなるシール面も形成することができない。その理由は、そのような面を形成するには、波形のシートメタルから逸脱する必要があるためである。よって別のプロセス段階において、例えば溶接作業によって、シール面を空気案内面および燃料ガス案内面に取り付ける必要がある。

２)チッピング（チップ加工）プロセスによる製造：
ここでは、第１のガス分配構造および第２のガス分配構造が、例えばフライス加工によって空気案内面または燃料ガス案内面に導入されるため、より厚みのある金属シートを出発原料として使用することができる。そのようなインターコネクタは、例えばＤＥ１０１２６７２３Ａ１に出現している。この方法で製造されるインターコネクタは、その厚み（＞１.５ｍｍ）に起因して高い機械的安定度と耐食性を有するため、耐用寿命はより長くなる。このインターコネクタはまた、この製造工程によってシール面を容易に備えることができる。しかしながらこのような機械的に加工されたインターコネクタの製造は、多くの時間を必要とし、材料の除去によって材料の利用率が低下する。結果として、このようなタイプのインターコネクタは、製造するのに相対的に費用がかかる。

３)粉末冶金プロセスによる製造：
代替として、粉末冶金プロセスを利用して製造されるインターコネクタが知られている。そのようなインターコネクタは、例えばＥＰ１０７５０３３Ｂ１およびＥＰ１２６８８６８Ｂ１に出現しており、とりわけその厚み(＞１.５ｍｍ)に起因して高い機械的安定度と耐食性を有するため、高温の燃料電池内で使用するのに有利であることがかくして証明されている。またこの製造プロセスでは、インターコネクタはシール面を容易に備えることができる。しかしながら粉末冶金プロセスによって製造されたインターコネクタもまた費用がかかる。

インターコネクタは、燃料電池の加熱器のコストのかなりの部分を担っているため、インターコネクタの製造コストを下げ、またこれにより燃料電池スタックの製造コストを下げるために莫大な取り組みが行われている。

ＥＰ１２７８２５８Ｂ１ＤＥ１０１２６７２３Ａ１ＥＰ１０７５０３３Ｂ１ＥＰ１２６８８６８Ｂ１

したがって本発明の目的は、金属製インターコネクタを製造するための簡素で安価な方法、および簡素で費用が安い方法によって製造される金属製インターコネクタまたは燃料電池スタックを提案することであり、この方法では、シートメタルブランクが出発原料として使用され、シール面を形成するのが容易であり、この方法によって製造される金属製インターコネクタは長い耐用寿命を有する。

本発明によれば、この問題は、請求項１による金属製インターコネクタを製造するための方法、請求項１４による金属製インターコネクタ、および請求項１５による燃料電池スタックによって対処される。

従属請求項２から１３は、本発明のとりわけ有利な実施形態に関する。

それゆえ本発明は、第１のガス分配構造を備えた空気案内面と、第２のガス分配構造を備えた燃料ガス案内面とを有する、燃料電池スタック用の金属製インターコネクタを製造するための方法に関する。第１のガス分配構造および第２のガス分配構造はそれぞれ、溝およびウェブによって形成され、この方法は、
シートメタルブランクを提供するステップと、
プラスチック成型プロセスによってシートメタルブランクを形成するステップであって、第１のガス分配構造の溝およびウェブが、少なくとも５０％であり最大で９９％である空気案内面と燃料案内面の面積の事前決定可能な割合で、第２のガス分配構造の溝およびウェブに対して相補的に配置されるように、第１のガス分配構造および第２のガス分配構造が形成されるステップと
を含む。

本発明の構成の範囲内で、プラスチック成型プロセスは、例えば以下の成型プロセス、すなわち広範囲のエンボス加工、ＤＩＮ８５８３による加圧形成、具体的にはＤＩＮ８５８４による引っ張り・圧縮形成、単軸加圧形成、軌道上の加圧形成またはその後の較正加圧形成と組み合わせた別の好適な加圧方法として理解されてよい。

シートメタルブランクの厚みは、材料のマイグレーション（移動）の結果として一部の領域では拡大され、プラスチック形成プロセスにおいてその他の領域では縮小される。換言すれば、プラスチック形成プロセスを利用して製造されるインターコネクタは、インターコネクタの厚みがシートメタルブランクの厚みより大きくなる領域と、インターコネクタの厚みがシートメタルブランクの厚みより小さくなる領域の両方を有する。これは、シートメタルの形成中にシートメタルブランクの厚みが継続的に縮小される、すなわちシートメタル形成を利用して製造されるインターコネクタが一貫してシートメタルブランクの厚みより小さい厚みを有する最新技術とは対照的である。

さらに本発明の構成の範囲内で、第１のガス分配構造および第２のガス分配構造は、第１のガス分配構造の溝とウェブが、少なくとも５０％の、また最大で９９％の、空気案内面と燃料案内面の事前決定可能な面積割合で、第２のガス分配構造の溝とウェブに対して相補的に配置されるように形成される。「相補的」という用語は、第１のガス分配構造のウェブと第２のガス分配構造の溝、または第１のガス分配構造の溝と第２のガス分配構造のウェブが、空気案内面または燃料ガス案内面に垂直に延びる共通の面内にあることを意味している。

換言すれば、本発明の構成の範囲内で、第１のガス分配構造および第２のガス分配構造は、少なくとも１％の空気案内面と燃料案内面の事前決定可能な面積割合で、第１のガス分配構造の溝およびウェブが第２のガス分配構造の溝およびウェブに対して相補的でなく配置されるように形成される。これは、第１のガス分配構造の溝およびウェブが、シートメタル形成を利用して、第２のガス分配構造の溝およびウェブと完璧に相補的に配置される最新技術とは対照的である。

さらに本発明の構成の範囲内で、「ウェブ」という用語は、その進行方向において細長くなった、切れ目のない、または断続的な隆起（ｅｌｅｖａｔｉｏｎ）を意味する。「ウェブ」はまた、ドームまたはノブなどの円形で形成することもできる。加えて、本発明の構成の範囲内で、シートメタルブランクが、例えば円形ディスクなどの円形に形成される、または例えば矩形のプレートなどの角があるように形成される場合もある。

本発明による方法の重要な利点は、拡大された厚み（＞１．５ｍｍ）を有するシートメタルブランクを容易に加工してインターコネクタにすることができることである。これによりインターコネクタは、妥当な価格で製造することができ、長い耐用寿命を有する。インターコネクタの製造は、シートメタル形成で使用されるものなどの従来式の加圧力を利用することによって実現することができる。よってインターコネクタは、従来式の工具によって、すなわち特殊な工具を使用せずに製造することができる。本発明による方法のさらなる利点は、形成プロセスの過程でシール面をインターコネクタ上に直接形成することができることである。

実際の利用に関する極めて重要な実施形態において、第１のガス分配構造の溝およびウェブと、第２のガス分配構造の溝およびウェブとが相補的になるように形成される、空気案内面と燃料案内面の面積割合は、５５～９８％であり、好ましくは６５～９５％であり、とりわけ好ましくは７５～９０％である。これにより、最適な方法で、シール面のための局所化された重なり部分を形成することが可能になる。

インターコネクタが、ディスク軸線と、ディスク軸線と同心である開口とを備える環状ディスクとして形成される場合が有利であることも証明されている。このようなケースでは、第２のガス分配構造は、ディスク軸線と同心の第１の環状面と、ディスク軸線と同心の第２の環状面とを有し、この場合第１の環状面と第２の環状面は、リング溝によって隔てられている。さらに、第２のガス分配構造は、ディスク軸線に対して半径方向の少なくとも１つの方向を有し、第１の環状面および第２の環状面は各々、この半径方向に沿って延在する少なくとも１つの第１の半径方向のウェブを有する。第１の環状面および第２の環状面はまた各々、半径方向に沿って延在する少なくとも１つの第１の半径方向の溝を有する場合もある。インターコネクタを環状ディスクとして設計するおかげで、インターコネクタに短いシール面を与えることが可能になる。これに加えて、第１の半径方向ウェブまたは第１の半径方向溝を利用して、燃料ガス案内面において燃料ガスの改善された流れが達成される。第１の半径方向ウェブまたは第１の半径方向溝によって、燃料ガスをシール面の裏側に直接案内することもでき、これは同種の燃料ガス供給に対してプラスの効果を有する。

さらに第１の環状面および第２の環状面は各々、第１の半径方向ウェブに対して平行に延在する少なくとも１つの第２の半径方向ウェブを有する場合が有利である。第１の環状面および第２の環状面は各々、第１の半径方向溝に平行に延在する少なくとも１つの第２の半径方向溝を有する場合もある。第２の半径方向ウェブまたは第２の半径方向溝を利用して、燃料ガスの流れを燃料ガス案内面においてさらに改善することができる。

実際には、シートメタルブランクが、材料番号１．４７６０のフェライト鋼で作製された場合、詳細には材料番号１．４５０９のフェライト鋼、または８％≦クロム≦４０％、詳細には２２％のクロム、０．０５％≦マンガン≦２０％、および４０％≦鉄≦９１.９５%であるフェライト鋼で作製された場合、有利であることも証明されている。このような材料のおかげで、空気案内面および燃料ガス案内面における酸化クロムの形成の低下が達成され、これは結果として、個々の電池の汚染、詳細にはカソードの汚染が低下することになる。よってインターコネクタの耐用寿命を延ばすことができる。

さらにシートメタルブランクの外径が５０～２５０ｍｍである、詳細には７０～２００ｍｍ、９０から１４０ｍｍ、とりわけ好ましくは１２０ｍｍである場合が有利である。これは、燃料電池スタックに必要とされる設置空間の大きさに対してプラスの効果を有する。

実際の利用に関する別の極めて重要な実施形態において、シートメタルブランクの厚みは、０．５～３．５ｍｍであり、特に１．５～２．５ｍｍである。これは、インターコネクタの耐用寿命に対してプラスの効果を有する。

溝の幅は０．５～２ｍｍであり、特に１ｍｍである場合もまた有利である。

実際には、多層シートメタルブランクがシートメタルブランクとして使用される場合が有利であることが証明されている。例えばシートメタルブランクは、異なる材料の層で構成することができる。これによりシートメタルブランクは、第１の層と、第２の層を有する場合があり、これらの層は同一の材料で作製され、その各々に第１のガス分配構造と第２のガス分配構造が導入される。さらに、シートメタルブランクは、異なる材料の別の層を有する場合もあり、この層が第１の層と第２の層を隔てている。

シートメタルブランクが、その円周において隆起の形態で配向要素を有する場合もまた有利であり、これは好ましくは、シートメタルブランクの円周ラインに対して垂直に延出している。この配向要素のおかげで、加圧工具内でのインターコネクタの配向を容易に決めることができる。配向要素は予めシートメタルブランクの構成要素であってもよく、または形成プロセスにおいてシートメタルブランクに導入されてもよい。

本発明はさらに、請求項１から１３までのいずれか一項による方法に従ってシートメタルブランクから作製される、燃料電池スタック用の金属製インターコネクタに関する。インターコネクタは、第１のガス分配構造を備える空気案内面と、第２のガス分配構造を備える燃料ガス案内面とを有し、この場合第１のガス分配構造および第２のガス分配構造は溝とウェブによって各々形成され、第１のガス分配構造の溝とウェブは、少なくとも５０％、最大でも９９％の空気案内面と燃料ガス案内面の事前決定可能な面積割合で第２のガス分配構造の溝とウェブに対して相補的に配列される。

最後に、本発明は、請求項１４による金属製インターコネクタを有する燃料電池スタックに関する。

以下、本発明を概略的な図面を参照してより詳細に説明する。

本発明によるインターコネクタの燃料ガス案内面の図である。本発明によるインターコネクタの空気案内面の図である。図１によるＸの部分的な側面図である。図１によるＹの部分的な側面図である。

図１は、本発明によるインターコネクタ１の燃料ガス案内面２を示しており、これは本発明による方法によって製造されている。インターコネクタ１は、ディスク軸線６と、ディスク軸線６と同心の開口７とを有する環状ディスクの形状で形成される。環状ディスクは、１２０ｍｍの外径１４を有する。燃料ガス案内面２は、第１のガス分配構造２０１を有し、これはウェブ４と溝５によって形成される。ウェブ４は、細長い隆起の形状を有し、その間に溝５を形成する。これに加えて、第１のガス分配構造２０１は、第１の環状面８と、第２の環状面９とを有し、これらは、ディスク軸線６に対して同心に各々配置され、環状溝１０によって隔てられている。環状ディスクの半径方向１３に延在する第１の半径方向ウェブ１１が、各々のケースにおいて第１の環状面８および第２の環状面９上に配置される。さらに、第１の半径方向ウェブ１１に平行して延在する第２の半径方向ウェブ１２が、各々のケースにおいて第１の環状面８および第２の環状面９上に配置される。図１に示される実施形態と似た別の示されない実施形態では、環状ディスクの半径方向１３に延在する第１の半径方向溝が、各々のケースにおいて第１の環状面８および第２の環状面９上に配置される。これに加えて、第１の半径方向溝に対して平行して延在する第２の半径方向溝が、各々のケースにおいて第１の環状面８および第２の環状面９上に配置される。

これに加えて、環状ディスクには、その円周に隆起の形態の配向要素１７が備わっている。配向要素１７は、インターコネクタ１を加圧工具内に位置決め、またはその中での配向の補助をする。燃料ガス案内面２０１はまた密閉要素１８も有する。

図２は、図１によるインターコネクタ１の空気案内面３を示している。空気案内面３は、燃料ガス案内面２と同様に、第１のガス分配構造３０１を有し、これはウェブ４と、溝５によって形成される。ウェブ４はここでもまた細長い隆起の形状を有し、その間に溝５を形成する。空気案内面３もまた、密閉要素１８を有する。

図３は、図１によるＸの部分的な側面図である。この図を基にすると、第１のガス分配構造３０１の溝５およびウェブ４は、空気案内面３と燃料ガス案内面２の事前決定可能な面積割合で、第２のガス分配構造２０１の溝５およびウェブ４に対して相補的になるように配列されることが明らかになる。換言すれば、第１のガス分配構造３０１のウェブ４と、第２のガス分配構造２０１の溝５、または第１のガス分配構造３０１の溝５と、第２のガス分配構造３０１のウェブ４は、空気案内面３または燃料ガス案内面２に直交して延在する共通の面内にある。

さらに、第１のガス分配構造３０１のウェブ４は、同一のウェブの高さ４０１を有し、第２のガス分配構造２０１のウェブ４は、同一のウェブの高さ４０１を有することがこの図面から明らかである。インターコネクタ１の厚みは、中核１９と、第１のガス分配構造３０１のウェブの高さ４０１と、第２のガス分配構造２０１のウェブの高さ４０１の合計である。溝５の幅１６、すなわち２つの隣接するウェブ４の間の距離は１ｍｍである。

図４は、図１によるＹの部分的な側面図である。この図には、シール面１８が例示されており、これは空気案内面３と燃料ガス案内面２の両方に配置されている。図３による相補的な配置とは対照的に、第１のガス分配構造３０１の溝とウェブは、シール面１８の領域内では第２のガス分配構造２０１の溝とウェブに対して相補的に配列されていない。反対に、第１のガス分配構造３０１のウェブと第２のガス分配構造２０１のウェブ、または第１のガス分配構造３０１の溝と第２のガス分配構造２０１の溝が、互いに反対にある。

この実施形態において（図１から図４）、第１のガス分配構造３０１の溝５とウェブ４が、第２のガス分配構造２０１の溝５とウェブ４に対して相補的に配列される空気案内面３と燃料ガス案内面２の面積の割合は、おおよそ９８％である。

（製造の例）
第１のガス分配構造を備えた空気案内面と、第２のガス分配構造を備えた燃料ガス案内面とを有するディスク形状の金属製インターコネクタを製造するために、材料番号が１．４７６０であり、外径が１２０ｍｍであり、厚みが２．５ｍｍである鋼でできた円形のシートメタルブランクが、第１のガス分配構造および第２のガス分配構造に固有の形状に調節されたスプリットエンボス加工プレス内にもたらされた。

その後、このシートメタルブランクは、周辺温度で、１０００ｋＮ/ｃｍ^２の加圧力の下で、広範囲にエンボス加工され、第１のガス分配構造の溝とウェブが、９８％の空気案内面と燃料ガス案内面の面積割合で第２のガス分配構造の溝とウェブに対して相補的に配列されるように、第１のガス分配構造および第２のガス分配構造が形成される。

広範囲のエンボス加工の後、エンボス加工プレスからのインターコネクタの排出が行われる。

Claims

燃料電池スタック用の金属製インターコネクタ（１）を製造するための方法であって、前記インターコネクタ（１）は、第１のガス分配構造（３０１）を備えた空気案内面（３）と、第２のガス分配構造（２０１）を備えた燃料ガス案内面（２）とを有し、前記第１のガス分配構造（３０１）および前記第２のガス分配構造（２０１）はそれぞれ、溝（５）およびウェブ（４）によって形成されている、方法において、
シートメタルブランクを準備するステップと、
プラスチック成型プロセスによって前記シートメタルブランクを形成するステップであって、前記第１のガス分配構造（３０１）のウェブ（４）と前記第２のガス分配構造（２０１）の溝（５）とが、または前記第１のガス分配構造（３０１）の溝（５）と前記第２のガス分配構造（２０１）のウェブ（４）とが、前記空気案内面（３）または前記燃料ガス案内面（２）に垂直に延びる共通の面内にあるように、前記第１のガス分配構造（３０１）および前記第２のガス分配構造（２０１）が形成され、それにより前記空気案内面（３）と前記燃料ガス案内面（２）の面積の少なくとも５０％であり最大で９９％である事前決定可能な割合において、前記第１のガス分配構造（３０１）の前記溝（５）およびウェブ（４）が前記第２のガス分配構造（２０１）の前記溝（５）およびウェブ（４）に対して相補的に配置されている、ステップと
を含む方法。
前記第１のガス分配構造（３０１）の前記溝（５）およびウェブ（４）と、前記第２のガス分配構造（２０１）の前記溝（５）およびウェブ（４）とが相補的に形成される、前記空気案内面（３）と前記燃料ガス案内面（２）の面積の割合が５５から９８％であり、好ましくは６５から９５％であり、特に好ましくは７５から９０％である、請求項１に記載の方法。
前記インターコネクタ（１）は、ディスク軸線（６）と、前記ディスク軸線（６）と同心である開口（７）とを備える環状ディスクとして形成され、前記第２のガス分配構造（２０１）は、前記ディスク軸線（６）と同心の第１の環状面（８）と、前記ディスク軸線（６）と同心の第２の環状面（９）とを有し、前記第１の環状面（８）と前記第２の環状面（９）は、環状溝（１０）によって互いに隔てられ、また前記第２のガス分配構造（２０１）は、前記ディスク軸線（６）に対し少なくとも１つの半径方向（１３）を有し、前記第１の環状面（８）および前記第２の環状面（９）はそれぞれ、前記半径方向（１３）に沿って延びる少なくとも１つの第１の半径方向ウェブ（１１）を有する、請求項１または２に記載の方法。
前記第１の環状面（８）および前記第２の環状面（９）はそれぞれ、前記第１の半径方向ウェブ（１１）と平行に延びる少なくとも１つの第２の半径方向ウェブ（１２）を有する、請求項３に記載の方法。
前記インターコネクタ（１）は、ディスク軸線（６）と、前記ディスク軸線（６）と同心である開口（７）とを備える環状ディスクとして形成され、前記第２のガス分配構造（２０１）は、前記ディスク軸線（６）と同心の第１の環状面（８）と、前記ディスク軸線（６）と同心の第２の環状面（９）とを有し、前記第１の環状面（８）と前記第２の環状面（９）は、環状溝（１０）によって互いに隔てられ、また前記第２のガス分配構造（２０１）は、前記ディスク軸線（６）に対し少なくとも１つの半径方向（１３）を有し、前記第１の環状面（８）および前記第２の環状面（９）はそれぞれ、前記半径方向（１３）に沿って延びる少なくとも１つの第１の半径方向溝を有する、請求項１から４までのいずれか一項に記載の方法。
前記第１の環状面（８）および前記第２の環状面（９）はそれぞれ、前記第１の半径方向溝と平行に延びる少なくとも１つの第２の半径方向溝を有する、請求項５に記載の方法。
前記シートメタルブランクは、材料番号１．４７６０のフェライト鋼で作られ、特に材料番号１．４５０９のフェライト鋼、または８％≦クロム≦４０％、特に２２％のクロム、０．０５％≦マンガン≦２０％、および４０％≦鉄≦９１．９５%であるフェライト鋼で作られる、請求項１から６までのいずれか一項に記載の方法。
前記シートメタルブランクの外径（１４）が５０から２５０ｍｍ、好ましくは７０から２００ｍｍ、特に好ましくは９０から１４０ｍｍ、特に１２０ｍｍである、請求項１から７までのいずれか一項に記載の方法。
前記シートメタルブランクの厚みが０．５から３．５ｍｍ、特に１．５から２．５ｍｍである、請求項１から８までのいずれか一項に記載の方法。
前記溝（５）の幅（１６）が０．５から２ｍｍ、特に１ｍｍである、請求項１から９までのいずれか一項に記載の方法。
多層シートメタルブランクがシートメタルブランクとして使用される、請求項１から１０までのいずれか一項に記載の方法。
前記シートメタルブランクは、その円周に隆起の形態の配向要素（１７）を有し、前記配向要素（１７）は好ましくは前記シートメタルブランクの円周ラインに垂直に延びている、請求項１から１１までのいずれか一項に記載の方法。
請求項１から１３までのいずれか一項に記載の方法に従ってシートメタルブランクから作られる燃料電池スタック用の金属製インターコネクタ（１）であって、
前記インターコネクタ（１）は、第１のガス分配構造（３０１）を備える空気案内面（３）と、第２のガス分配構造（２０１）を備える燃料ガス案内面（２）とを有し、前記第１のガス分配構造（３０１）および前記第２のガス分配構造（２０１）はそれぞれ、溝（５）およびウェブ（４）によって形成され、前記第１のガス分配構造（３０１）の前記溝（５）およびウェブ（４）は、少なくとも５０％であり最大で９９％である前記空気案内面（３）と前記燃料ガス案内面（２）の面積の事前決定可能な割合で、前記第２のガス分配構造（２０１）の前記溝（５）およびウェブ（４）に対して相補的に配置される、燃料電池スタック用の金属製インターコネクタ（１）。
請求項１３に記載の金属製インターコネクタ（１）を備えた燃料電池スタック。