(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
電解質膜の両側に一対の電極を設けた電解質膜・電極構造体とセパレータとが水平方向に積層される横長矩形形状の発電セルである燃料電池を複数備え、複数の前記燃料電池は水平方向に積層されており、複数の前記燃料電池の積層方向一端には、横長矩形形状の第１エンドプレートが設けられ、複数の前記燃料電池の積層方向他端には、横長矩形形状の第２エンドプレートが設けられる燃料電池スタックであって、
前記燃料電池の一方の長辺側と他方の長辺側の各々に設けられ、前記第１エンドプレートの長辺と前記第２エンドプレートの長辺とを連結して前記燃料電池の積層方向に延在する第１締結部材と、
前記燃料電池の一方の短辺側と他方の短辺側の各々に設けられ、前記第１エンドプレートの短辺と前記第２エンドプレートの短辺とを連結して前記燃料電池の積層方向に延在する第２締結部材と、
を備えるとともに、
前記燃料電池は、一方の前記長辺側の側部及び他方の前記長辺側の側部に凸状部がそれぞれ形成され、複数の前記燃料電池が積層されることで各前記燃料電池に設けられる前記凸状部が前記燃料電池の積層方向に配列される一方、
前記第１締結部材には、複数の前記凸状部が一体に係合する凹状部が前記燃料電池の積層方向に延在して設けられ、
前記燃料電池は、一方の前記短辺側の側部及び他方の前記短辺側の側部に凹部がそれぞれ形成され、複数の前記燃料電池が積層されることで各前記燃料電池に設けられる前記凹部が前記燃料電池の積層方向に配列される一方、
前記第２締結部材には、複数の前記凹部が一体に係合する凸部が前記燃料電池の積層方向に延在して設けられ、
前記燃料電池は、長辺方向両端部には、燃料ガス、酸化剤ガス及び冷却媒体を前記積層方向に個別に流通させる複数の流体連通孔が設けられるとともに、短辺方向中央部位には、前記流体連通孔の間に位置して前記凹部が配置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記載の燃料電池スタックにおいて、
前記燃料電池スタックは、燃料電池自動車に搭載されるものであり、
前記燃料電池の長辺は、前記燃料電池自動車の前後方向に沿い、
前記燃料電池の短辺は、前記燃料電池自動車の重力方向に沿うことを特徴とする燃料電池スタック。
【請求項３】
請求項１又は２記載の燃料電池スタックにおいて、前記燃料電池は、長辺方向中央部位に前記凸状部が配置されることを特徴とする燃料電池スタック。
【請求項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、一方の前記第１締結部材の外面位置は、前記燃料電池の一方の前記長辺側の外面位置よりも内側に配置され、他方の前記第１締結部材の外面位置は、前記燃料電池の他方の前記長辺側の外面位置よりも内側に配置されることを特徴とする燃料電池スタック。
【請求項５】
請求項２記載の燃料電池スタックにおいて、
前記凸状部の、前記燃料電池の長辺に沿った幅は、前記凹部の、前記燃料電池の短辺に沿った幅よりも大きいことを特徴とする燃料電池スタック。
【請求項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、前記第１エンドプレート及び前記第２エンドプレートと前記第１締結部材の両端部とは、それぞれ２本のねじ部材により締結されるとともに、前記ねじ部材の外周には、リング部材が同心状に設けられる一方、
前記第１エンドプレート及び前記第２エンドプレートと前記第２締結部材の両端部とは、それぞれ２本のねじ部材により締結されるとともに、前記ねじ部材の外周には、リング部材が同心状に設けられることを特徴とする燃料電池スタック。
【請求項７】
請求項６記載の燃料電池スタックにおいて、前記第１エンドプレート及び前記第２エンドプレートに設けられる孔部と前記第１締結部材の両端部に設けられる孔部とに跨って前記リング部材が同心状に嵌合する一方、
前記第１エンドプレート及び前記第２エンドプレートに設けられる孔部と前記第２締結部材の両端部に設けられる孔部とに跨って前記リング部材が同心状に嵌合することを特徴とする燃料電池スタック。
【請求項８】
請求項１〜７のいずれか１項に記載の燃料電池スタックにおいて、前記第１エンドプレート及び前記第２エンドプレートは、それぞれ横方向中央部位に、一対の前記第１締結部材間に位置して他の部位よりも厚さ寸法の大きな厚肉部を設け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、電解質膜の両側に一対の電極を設けた電解質膜・電極構造体とセパレータとが水平方向に積層される燃料電池を備え、複数の前記燃料電池の積層方向両端には、横長形状の第１エンドプレート及び第２エンドプレートが設けられる燃料電池スタックに関する。
【背景技術】
【０００２】
例えば、固体高分子型燃料電池は、高分子イオン交換膜からなる電解質膜の両側に、それぞれアノード電極及びカソード電極を配設した電解質膜・電極構造体（ＭＥＡ）を、セパレータによって挟持した発電セルを備えている。この種の燃料電池は、通常、所定の数の発電セルを積層することにより、例えば、車載用燃料電池スタックとして使用されている。
【０００３】
この種の燃料電池スタックでは、特に車載用として使用される際、相当に多数の発電セルを積層する必要がある。このため、各発電セル同士を正確且つ強固に位置決め保持しなければならない。
【０００４】
そこで、例えば、特許文献１に開示されている燃料電池スタックが知られている。この燃料電池スタックでは、図８に示すように、多角形状の燃料電池セルが複数積層された燃料電池積層体の両端に、外方に向かって集電板、絶縁板及びエンドプレート１が配置され、全体として多角柱状に形成されている。
【０００５】
燃料電池スタックの角部２の外側に沿って、前記角部２の稜線Ｒに跨るように断面略く字状の角部覆い部分３を形成した荷重支持部材４が設けられている。荷重支持部材４には、両端のエンドプレート１、１間に付加する荷重を保持する荷重保持手段５が設けられている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００６−４０８４５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
上記の特許文献１では、燃料電池スタックの四隅にアングル部材である荷重支持部材４が設けられている。しかしながら、燃料電池スタックの四隅には、通常、流体（燃料ガス、酸化剤ガス又は冷却媒体）用連通孔が設けられており、強度が不足し易い。これにより、特に車載用燃料電池スタックとして使用される際、外部からの衝撃荷重を十分に受けることができないという問題がある。
【０００８】
本発明は、この種の問題を解決するものであり、簡単且つコンパクトな構成で、燃料電池に付与される外部荷重を確実に受けることができ、前記燃料電池の位置ずれを可及的に抑制することが可能な燃料電池スタック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】
【０００９】
本発明は、電解質膜の両側に一対の電極を設けた電解質膜・電極構造体とセパレータとが水平方向に積層される横長矩形形状の発電セルである燃料電池を複数備え、複数の前記燃料電池は水平方向に積層されており、複数の前記燃料電池の積層方向一端には、横長矩形形状の第１エンドプレートが設けられ、複数の前記燃料電池の積層方向他端には、横長矩形形状の第２エンドプレートが設けられる燃料電池スタックに関するものである。
【００１０】
この燃料電池スタックは、燃料電池の一方の長辺側と他方の長辺側の各々に設けられ、第１エンドプレートの長辺と第２エンドプレートの長辺とを連結して燃料電池の積層方向に延在する第１締結部材と、燃料電池の一方の短辺側と他方の短辺側の各々に設けられ、前記第１エンドプレートの短辺と前記第２エンドプレートの短辺とを連結して燃料電池の積層方向に延在する第２締結部材とを備えている。そして、燃料電池は、一方の長辺側の側部及び他方の長辺側の側部に凸状部がそれぞれ形成され、複数の燃料電池が積層されることで各燃料電池に設けられる凸状部が燃料電池の積層方向に配列される一方、第１締結部材には、複数の前記凸状部が一体に係合する凹状部が前記燃料電池の積層方向に延在して設けられている。また、燃料電池は、一方の短辺側の側部及び他方の短辺側の側部に凹部がそれぞれ形成され、複数の燃料電池が積層されることで各燃料電池に設けられる凹部が燃料電池の積層方向に配列される一方、第２締結部材には、複数の凹部が一体に係合する凸部が燃料電池の積層方向に延在して設けられる。さらに、燃料電池は、長辺方向両端部には、燃料ガス、酸化剤ガス及び冷却媒体を積層方向に個別に流通させる複数の流体連通孔が設けられるとともに、短辺方向中央部位には、流体連通孔の間に位置して凹部が配置される。
【００１１】
また、この燃料電池スタックでは、燃料電池スタックは、燃料電池自動車に搭載されるものであり、燃料電池の長辺は、燃料電池自動車の前後方向に沿い、燃料電池の短辺は、燃料電池自動車の重力方向に沿うことが好ましい。
【００１２】
さらに、この燃料電池スタックでは、燃料電池は、長辺方向中央部位に凸状部が配置されることが好ましい。
【００１３】
さらにまた、この燃料電池スタックでは、一方の第１締結部材の外面位置は、燃料電池の一方の長辺側の外面位置よりも内側に配置され、他方の第１締結部材の外面位置は、燃料電池の他方の長辺側の外面位置よりも内側に配置されることが好ましい。
【００１４】
また、この燃料電池スタックでは、前記凸状部の、燃料電池の長辺に沿った幅は、前記凹部の、燃料電池の短辺に沿った幅よりも大きいことが好ましい。
【００１５】
さらに、この燃料電池スタックでは、第１エンドプレート及び第２エンドプレートと第１締結部材の両端部とは、それぞれ２本のねじ部材により締結されるとともに、前記ねじ部材の外周には、リング部材が同心状に設けられる一方、前記第１エンドプレート及び前記第２エンドプレートと第２締結部材の両端部とは、それぞれ２本のねじ部材により締結されるとともに、前記ねじ部材の外周には、リング部材が同心状に設けられることが好ましい。
【００１６】
さらにまた、この燃料電池スタックでは、第１エンドプレート及び第２エンドプレートに設けられる孔部と第１締結部材の両端部に設けられる孔部とに跨ってリング部材が同心状に嵌合する一方、前記第１エンドプレート及び前記第２エンドプレートに設けられる孔部と第２締結部材の両端部に設けられる孔部とに跨ってリング部材が同心状に嵌合することが好ましい。
【００１７】
また、この燃料電池スタックでは、第１エンドプレート及び第２エンドプレートは、それぞれ横方向中央部位に、一対の第１締結部材間に位置して他の部位よりも厚さ寸法の大きな厚肉部を設けることが好ましい。
【発明の効果】
【００１８】
本発明によれば、第１締結部材は、第１エンドプレートと第２エンドプレートとを連結するとともに、前記第１締結部材に設けられている凹状部には、各燃料電池の長辺側の側部に形成されている各凸状部が一体に係合している。
【００１９】
このため、燃料電池スタックに外部荷重が付与された際、凹状部と凸状部との係合作用下に、前記外部荷重を確実に受けることができる。従って、簡単且つコンパクトな構成で、燃料電池の位置ずれを可及的に抑制することが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る燃料電池スタックの概略斜視説明図である。
【図２】前記燃料電池スタックを構成する燃料電池の要部分解斜視説明図である。
【図３】前記燃料電池スタックを構成するエンドプレートと第１締結部材及び第２締結部材の分解斜視説明図である。
【図４】前記燃料電池スタックの、図１中、ＩＶ−ＩＶ線断面図である。
【図５】本発明の第２の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分解斜視説明図である。
【図６】前記燃料電池スタックの一部断面図である。
【図７】本発明の第３の実施形態に係る燃料電池スタックを構成するエンドプレートと第１締結部材及び第２締結部材の分解斜視説明図である。
【図８】特許文献１に開示されている燃料電池スタックの説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
図１に示すように、本発明の第１の実施形態に係る燃料電池スタック１０は、燃料電池自動車に搭載される。燃料電池スタック１０は、複数の燃料電池１２が、立位姿勢で燃料電池自動車の走行方向（矢印Ｂ方向）に交差する車両幅方向（矢印Ａ方向）に積層される。
【００２２】
燃料電池１２の積層方向両端には、ターミナルプレート１４ａ、１４ｂと絶縁プレート１６ａ、１６ｂとを介装して第１エンドプレート１８ａ及び第２エンドプレート１８ｂが配設される。第１エンドプレート１８ａの中央部からは、ターミナルプレート１４ａに接続された出力端子１９ａが延在する一方、第２エンドプレート１８ｂの中央部からは、ターミナルプレート１４ｂに接続された出力端子１９ｂが延在する。
【００２３】
第１エンドプレート１８ａ及び第２エンドプレート１８ｂは、横長の長方形状を有するとともに、各長辺間には、第１締結部材（連結バー）２０ａ、２０ａが配置される。第１エンドプレート１８ａ及び第２エンドプレート１８ｂの各短辺間には、第２締結部材（連結バー）２０ｂ、２０ｂが配置される。
【００２４】
図２に示すように、燃料電池１２は、電解質膜・電極構造体２２と、前記電解質膜・電極構造体２２を挟持する第１金属セパレータ２４及び第２金属セパレータ２６とを備える。
【００２５】
第１金属セパレータ２４及び第２金属セパレータ２６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、あるいはその金属表面に防食用の表面処理を施した金属板により構成される。第１金属セパレータ２４及び第２金属セパレータ２６は、平面が矩形状を有するとともに、金属製薄板を波形状にプレス加工することにより、断面凹凸形状に成形される。なお、第１金属セパレータ２４及び第２金属セパレータ２６に代えて、例えば、カーボンセパレータを使用してもよい。
【００２６】
第１金属セパレータ２４及び第２金属セパレータ２６は、横長形状を有するとともに、長辺が水平方向（矢印Ｂ方向）に延在し且つ短辺が重力方向（矢印Ｃ方向）に延在するように構成される（水平方向の積層）。なお、短辺が水平方向に延在し且つ長辺が重力方向に延在するように構成してもよい。
【００２７】
燃料電池１２の長辺方向（矢印Ｂ方向）の一端縁部には、矢印Ａ方向に互いに連通して、酸化剤ガス、例えば、酸素含有ガスを供給するための酸化剤ガス供給連通孔（流体連通孔）２８ａと、燃料ガス、例えば、水素含有ガスを供給するための燃料ガス供給連通孔（流体連通孔）３０ａとが設けられる。
【００２８】
燃料電池１２の長辺方向の他端縁部には、矢印Ａ方向に互いに連通して、燃料ガスを排出するための燃料ガス排出連通孔（流体連通孔）３０ｂと、酸化剤ガスを排出するための酸化剤ガス排出連通孔（流体連通孔）２８ｂとが設けられる。
【００２９】
燃料電池１２の短辺方向（矢印Ｃ方向）の両端縁部一方側（反応ガス入口側）には、矢印Ａ方向に互いに連通して、冷却媒体を供給するための２つの冷却媒体供給連通孔（流体連通孔）３２ａが、対向する辺に設けられる。燃料電池１２の短辺方向の両端縁部他方側（反応ガス出口側）には、冷却媒体を排出するための２つの冷却媒体排出連通孔（流体連通孔）３２ｂが、対向する辺に設けられる。
【００３０】
燃料電池１２は、長辺方向一端部に、酸化剤ガス供給連通孔２８ａ、燃料ガス供給連通孔３０ａ及び一対の冷却媒体供給連通孔３２ａが設けられるとともに、長辺方向他端部に、燃料ガス排出連通孔３０ｂ、酸化剤ガス排出連通孔２８ｂ及び一対の冷却媒体排出連通孔３２ｂが設けられる。
【００３１】
電解質膜・電極構造体２２は、例えば、パーフルオロスルホン酸の薄膜に水が含浸された固体高分子電解質膜３４と、前記固体高分子電解質膜３４を挟持するカソード電極３６及びアノード電極３８とを備える。
【００３２】
カソード電極３６及びアノード電極３８は、カーボンペーパ等からなるガス拡散層（図示せず）と、白金合金が表面に担持された多孔質カーボン粒子が前記ガス拡散層の表面に一様に塗布されて形成される電極触媒層（図示せず）とを有する。電極触媒層は、固体高分子電解質膜３４の両面に形成される。
【００３３】
第１金属セパレータ２４の電解質膜・電極構造体２２に向かう面２４ａには、酸化剤ガス供給連通孔２８ａと酸化剤ガス排出連通孔２８ｂとを連通する酸化剤ガス流路４０が形成される。酸化剤ガス流路４０は、矢印Ｂ方向に延在する複数本の波状流路溝により形成される。
【００３４】
第２金属セパレータ２６の電解質膜・電極構造体２２に向かう面２６ａには、燃料ガス供給連通孔３０ａと燃料ガス排出連通孔３０ｂとを連通する燃料ガス流路４２が形成される。燃料ガス流路４２は、矢印Ｂ方向に延在する複数本の波状流路溝により形成される。
【００３５】
第２金属セパレータ２６の面２６ｂと第１金属セパレータ２４の面２４ｂとの間には、冷却媒体供給連通孔３２ａ、３２ａと冷却媒体排出連通孔３２ｂ、３２ｂとに連通する冷却媒体流路４４が形成される。この冷却媒体流路４４は、電解質膜・電極構造体２２の電極範囲にわたって冷却媒体を流通させる。
【００３６】
第１金属セパレータ２４の面２４ａ、２４ｂには、この第１金属セパレータ２４の外周端縁部を周回して第１シール部材４６が一体成形される。第２金属セパレータ２６の面２６ａ、２６ｂには、この第２金属セパレータ２６の外周端縁部を周回して第２シール部材４８が一体成形される。
【００３７】
第１シール部材４６及び第２シール部材４８としては、例えば、ＥＰＤＭ、ＮＢＲ、フッ素ゴム、シリコーンゴム、フロロシリコーンゴム、ブチルゴム、天然ゴム、スチレンゴム、クロロプレーン又はアクリルゴム等のシール材、クッション材、あるいはパッキン材等の弾性を有するシール部材が用いられる。
【００３８】
燃料電池１２では、第１金属セパレータ２４及び第２金属セパレータ２６の長辺側の両側部（図２中、上端部及び下端部）中央に、それぞれ内部に切り欠いて切り欠き部５０ａ、５０ｂが形成されるとともに、前記切り欠き部５０ａ、５０ｂの略中央部位に凸状部５２ａ、５２ｂが一体又は別個に設けられる。凸状部５２ａ、５２ｂは、例えば、絶縁性を有する樹脂材で形成され、第１金属セパレータ２４及び第２金属セパレータ２６に一体構成される。また、凸状部５２ａ、５２ｂは、第１金属セパレータ２４及び第２金属セパレータ２６と一体の金属板からなり、表面に絶縁処理を施してもよい。
【００３９】
凸状部５２ａ、５２ｂは、積層方向に配列されるとともに、複数の前記凸状部５２ａ同士及び複数の前記凸状部５２ｂ同士は、後述するように、各第１締結部材２０ａの凹状部６４（後述する）に一体に係合（嵌合）する。凸状部５２ａ、５２ｂの矢印Ｃ方向の外面位置は、燃料電池１２の長辺の外面５４ａ、５４ｂの位置よりも内方（内側）に配置される。
【００４０】
第１金属セパレータ２４及び第２金属セパレータ２６の短辺側の両端部（図２中、左右両側部）の略中央には、それぞれ凹部５６ａ、５６ｂが一体又は別個に形成される。凹部５６ａは、凸状部５２ａ、５２ｂと同様に絶縁性を有する樹脂材で形成され、酸化剤ガス供給連通孔２８ａと燃料ガス供給連通孔３０ａとの間に配置される一方、凹部５６ｂは、前記凸状部５２ａ、５２ｂと同様に絶縁性を有する樹脂材で形成され、酸化剤ガス排出連通孔２８ｂと燃料ガス排出連通孔３０ｂとの間に配置される。各凹部５６ａ同士及び各凹部５６ｂ同士は、積層方向に配列されており、後述するように、各第２締結部材２０ｂの凸部７６が一体に係合（嵌合）する。
【００４１】
図３に示すように、第１締結部材２０ａは、押し出し成形された板状部６０ａと、前記板状部６０ａの長尺方向両端部に固着される取り付け部６２ａとを設ける。板状部６０ａと取り付け部６２ａとは、例えば、溶接により一体化され、又は一体に削り出している。なお、板状部６０ａと取り付け部６２ａとは、鋳造又は鍛造により一体に形成してもよい。
【００４２】
板状部６０ａは、図４に示すように、断面屈曲形状を有し、燃料電池１２の凸状部５２ａ（５２ｂ）が係合する凹状部６４が積層方向に延在して設けられる。凸状部５２ａ（５２ｂ）の頂部と凹状部６４の底部とは、互いに接触していてもよく、又は、互いに所定の隙間を有していてもよい。
【００４３】
第１締結部材２０ａの外面６４ａの位置は、燃料電池１２の長辺の外面５４ａ、５４ｂの位置よりも内側に配置される。板状部６０ａは、外面６４ａの両側に窪みが設けられており、軽量化を図ることができる。なお、曲げ強度を高めるためには、窪みがなくてもよい。
【００４４】
取り付け部６２ａは、板状部６０ａよりも肉厚に構成され、第１エンドプレート１８ａ及び第２エンドプレート１８ｂに対向する端面には、それぞれ２つのねじ穴６６と位置決め孔部６８とが同軸上に形成される（図３参照）。各位置決め孔部６８には、位置決め用リング７０が嵌合するとともに、前記リング７０は、後述する２つの孔部７２に嵌合する。リング７０は、位置決め孔部６８と孔部７２とに跨って嵌合する。このため、リング７０を介して剪断荷重を受けることができる。
【００４５】
第１エンドプレート１８ａ及び第２エンドプレート１８ｂには、それぞれの長辺の中央部位に、２つの孔部７２が形成される。各孔部７２に挿入される各ボルト７４は、各リング７０に挿入されて先端部がねじ穴６６に螺合する。ボルト７４は、３本以上でもよい。
【００４６】
第２締結部材２０ｂは、押し出し成形された板状部６０ｂと、前記板状部６０ｂの長尺方向両端部に固着される取り付け部６２ｂとを設ける。板状部６０ｂの厚さは、取り付け部６２ｂの厚さよりも薄く設定される。板状部６０ｂと取り付け部６２ｂとは、例えば、溶接により一体化され、又は一体に削り出している。なお、板状部６０ｂと取り付け部６２ｂとは、鋳造又は鍛造により一体に形成してもよい。
【００４７】
板状部６０ｂは、図４に示すように、燃料電池１２に対向する側面に、燃料電池１２の凹部５６ａ（５６ｂ）に係合する凸部７６が積層方向に延在して設けられる。第２締結部材２０ｂは、スタック外側において、厚さ方向（矢印Ｂ方向）の寸法を可及的に薄肉状に構成される。
【００４８】
取り付け部６２ｂは、上記の第１締結部材２０ａの取り付け部６２ａと同様に構成されており、同一の構成要素には、同一の参照符号を付して、その詳細な説明は省略する。
【００４９】
図１に示すように、第１エンドプレート１８ａには、酸化剤ガス供給連通孔２８ａ、燃料ガス供給連通孔３０ａ、酸化剤ガス排出連通孔２８ｂ、燃料ガス排出連通孔３０ｂ、冷却媒体供給連通孔３２ａ及び冷却媒体排出連通孔３２ｂが形成されるとともに、これらには、図示しないマニホールド部材が連結される。
【００５０】
なお、第１エンドプレート１８ａには、酸化剤ガス供給連通孔２８ａ、燃料ガス供給連通孔３０ａ、酸化剤ガス排出連通孔２８ｂ及び燃料ガス排出連通孔３０ｂが形成される一方、第２エンドプレート１８ｂには、冷却媒体供給連通孔３２ａ及び冷却媒体排出連通孔３２ｂが形成されてもよい。
【００５１】
このように構成される燃料電池スタック１０の動作について、以下に説明する。
【００５２】
先ず、図１に示すように、第１エンドプレート１８ａの酸化剤ガス供給連通孔２８ａには、酸素含有ガス等の酸化剤ガスが供給されるとともに、燃料ガス供給連通孔３０ａには、水素含有ガス等の燃料ガスが供給される。さらに、一対の冷却媒体供給連通孔３２ａには、純水やエチレングリコール、オイル等の冷却媒体が供給される。
【００５３】
このため、図２に示すように、酸化剤ガスは、酸化剤ガス供給連通孔２８ａから第１金属セパレータ２４の酸化剤ガス流路４０に導入される。酸化剤ガスは、酸化剤ガス流路４０に沿って矢印Ｂ方向に移動し、電解質膜・電極構造体２２のカソード電極３６に供給される。
【００５４】
一方、燃料ガスは、燃料ガス供給連通孔３０ａから第２金属セパレータ２６の燃料ガス流路４２に供給される。燃料ガスは、燃料ガス流路４２に沿って矢印Ｂ方向に移動し、電解質膜・電極構造体２２のアノード電極３８に供給される。
【００５５】
従って、電解質膜・電極構造体２２では、カソード電極３６に供給される酸化剤ガスと、アノード電極３８に供給される燃料ガスとが、電極触媒層内で電気化学反応により消費されて発電が行われる。
【００５６】
次いで、電解質膜・電極構造体２２のカソード電極３６に供給されて消費された酸化剤ガスは、酸化剤ガス排出連通孔２８ｂに沿って矢印Ａ方向に排出される。一方、電解質膜・電極構造体２２のアノード電極３８に供給されて消費された燃料ガスは、燃料ガス排出連通孔３０ｂに沿って矢印Ａ方向に排出される。
【００５７】
また、一対の冷却媒体供給連通孔３２ａに供給された冷却媒体は、第１金属セパレータ２４及び第２金属セパレータ２６間の冷却媒体流路４４に導入される。冷却媒体は、一旦矢印Ｃ方向内方に沿って流動した後、矢印Ｂ方向に移動して電解質膜・電極構造体２２を冷却する。この冷却媒体は、矢印Ｃ方向外方に移動した後、一対の冷却媒体排出連通孔３２ｂに沿って矢印Ａ方向に排出される。
【００５８】
この場合、第１の実施形態では、図１、図３及び図４に示すように、一対の第１締結部材２０ａは、第１エンドプレート１８ａの長辺と第２エンドプレート１８ｂの長辺とを連結するとともに、各第１締結部材２０ａに設けられている凹状部６４には、燃料電池１２の長辺側の両側部に形成されている凸状部５２ａ、５２ｂが係合している。
【００５９】
このため、図４に示すように、燃料電池スタック１０に車両走行方向後方（矢印Ａ１方向）に向かって外部荷重Ｆが付与された際、各凹状部６４と凸状部５２ａ、５２ｂとの係合作用下に、前記外部荷重Ｆを確実に受けることができる。従って、簡単且つコンパクトな構成で、燃料電池１２が矢印Ａ方向に位置ずれを惹起することを可及的に抑制することが可能になるという効果が得られる。
【００６０】
さらに、燃料電池１２の短辺側の両側部には、酸化剤ガス供給連通孔２８ａと燃料ガス供給連通孔３０ａとの間、及び燃料ガス排出連通孔３０ｂと酸化剤ガス排出連通孔２８ｂとの間に、それぞれ積層方向に配列される凹部５６ａ、５６ｂが形成されている。一方、一対の第２締結部材２０ｂには、凹部５６ａ、５６ｂに係合する凸部７６が、積層方向に延在して設けられている。凹部５６ａ、５６ｂは、短辺の中央位置の他、例えば、向かい合う短辺で互いにオフセットした対称位置等、種々の位置に設けることができる。
【００６１】
これにより、第２締結部材２０ｂを介して燃料電池１２が矢印Ｃ方向に位置ずれを生じることがない。その上、第２締結部材２０ｂは、薄肉状で且つ外面が平坦状に構成されており、前記第２締結部材２０ｂが矢印Ｂ方向外方に突出する量が小さく、燃料電池スタック１０全体の矢印Ｂ方向の寸法を短尺化することができる。
【００６２】
さらにまた、燃料電池１２は、長辺方向一端部に、酸化剤ガス供給連通孔２８ａ、燃料ガス供給連通孔３０ａ及び一対の冷却媒体供給連通孔３２ａが設けられるとともに、長辺方向他端部に、燃料ガス排出連通孔３０ｂ、酸化剤ガス排出連通孔２８ｂ及び一対の冷却媒体排出連通孔３２ｂが設けられている。そして、燃料電池１２は、長辺側の両側部中央に、それぞれ内部に切り欠いて切り欠き部５０ａ、５０ｂが形成されるとともに、前記切り欠き部５０ａ、５０ｂの略中央部位に凸状部５２ａ、５２ｂが設けられている。
【００６３】
各第１締結部材２０ａの凹状部６４に燃料電池１２の凸状部５２ａ、５２ｂが係合した状態で、第１締結部材２０ａの外面６４ａの位置は、燃料電池１２の長辺の外面５４ａ、５４ｂの位置よりも内側に配置されている。このため、第１締結部材２０ａは、燃料電池１２の外面５４ａ、５４ｂから外方に突出することがなく、燃料電池スタック１０全体の高さ方向（矢印Ｃ方向）の寸法を可及的に短尺化することが可能になる。
【００６４】
また、第１エンドプレート１８ａ及び第２エンドプレート１８ｂと第１締結部材２０ａの両端部とは、それぞれ２本のボルト７４により締結されるとともに、前記ボルト７４の外周には、リング７０が同心状に設けられている。リング７０は、第１エンドプレート１８ａ及び第２エンドプレート１８ｂと第１締結部材２０ａとに跨って設けられる。一方、第１エンドプレート１８ａ及び第２エンドプレート１８ｂと第２締結部材２０ｂの両端部とは、それぞれ２本のボルト７４により締結されるとともに、前記ボルト７４の外周には、リング７０が同心状に設けられている。リング７０は、第１エンドプレート１８ａ及び第２エンドプレート１８ｂと第２締結部材２０ｂとに跨って設けられる。
【００６５】
従って、第１締結部材２０ａ及び第２締結部材２０ｂと、第１エンドプレート１８ａ及び第２エンドプレート１８ｂとは、互いに正確且つ強固に位置決め保持されるとともに、前記第１締結部材２０ａ及び前記第２締結部材２０ｂが回転することを確実に抑制することができる。
【００６６】
図５は、本発明の第２の実施形態に係る燃料電池スタック８０を構成する燃料電池８２の分解斜視説明図である。なお、第１の実施形態に係る燃料電池スタック１０と同一の構成要素には、同一の参照符号を付して、その詳細な説明は省略する。また、以下に説明する第３の実施形態においても同様に、その詳細な説明は省略する。
【００６７】
燃料電池８２は、金属セパレータ８４と電解質膜・電極構造体８６とを備える。図６に示すように、電解質膜・電極構造体８６を構成する固体高分子電解質膜３４は、カソード電極３６及びアノード電極３８と同一の表面積、又はこれらよりも大きな表面積に設定される。固体高分子電解質膜３４の外周端部には、樹脂製の額縁部（額縁状樹脂部材）８８が、例えば、射出成形により一体成形される。樹脂材としては、例えば、汎用プラスチックの他、エンジニアリングプラスチックやスーパーエンジニアリングプラスチック等が採用される。
【００６８】
額縁部８８の一方の面、例えば、アノード電極３８（又はカソード電極３６）側の面には、外周縁部を周回して厚肉部８８ａが厚さ方向に膨出形成される。厚肉部８８ａは、所定の幅寸法を有しており、先端面には、矢印Ａ方向に突出する突起部（樹脂部）８８ｂが一体成形される。突起部８８ｂは、厚肉部８８ａの先端面に額縁部８８を周回して設けられる。
【００６９】
図５に示すように、額縁部８８には、酸化剤ガス供給連通孔２８ａ、燃料ガス供給連通孔３０ａ、酸化剤ガス排出連通孔２８ｂ、燃料ガス排出連通孔３０ｂ、冷却媒体供給連通孔３２ａ及び冷却媒体排出連通孔３２ｂが形成される一方、金属セパレータ８４には、これらの連通孔が設けられていない。額縁部８８の長辺側の両端部中央には、切り欠き部５０ａ、５０ｂを介して凸状部５２ａ、５２ｂが一体に設けられる。額縁部８８の短辺側の両端部の略中央には、凹部５６ａ、５６ｂが直接形成される。
【００７０】
金属セパレータ８４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、あるいはその金属表面に防食用の表面処理を施した薄板状の金属板により構成される。図５及び図６に示すように、金属セパレータ８４は、単一の金属板を折り返し、又は、２枚の金属板を接合して形成される。
【００７１】
金属セパレータ８４のカソード側の面９０には、波形状にプレス加工して断面凹凸形状を有する酸化剤ガス流路４０が形成される。金属セパレータ８４のアノード側の面９２には、波形状にプレス加工して断面凹凸形状を有する燃料ガス流路４２が形成される。酸化剤ガス流路４０と燃料ガス流路４２とは、波形状の位相が互いに反転しており、金属セパレータ８４の内部には、これらの位相間に冷却媒体流路４４が形成される。図５に示すように、カソード側の面９０には、酸化剤ガス流路４０の上下両側に、それぞれ複数の冷却媒体供給孔部９４ａと冷却媒体排出孔部９４ｂとが形成される。
【００７２】
燃料電池スタック８０は、実質的に図１に示す燃料電池スタック１０と同様に、積層方向両端に第１エンドプレート１８ａと第２エンドプレート１８ｂとが配置される。第１エンドプレート１８ａ及び第２エンドプレート１８ｂは、第１締結部材２０ａと第２締結部材２０ｂとにより締め付け固定される。
【００７３】
このように構成される第２の実施形態では、各第１締結部材２０ａに設けられている凹状部６４には、電解質膜・電極構造体８６を構成する額縁部８８の長辺側の両側部に形成されている凸状部５２ａ、５２ｂが係合している。さらに、各第２締結部材２０ｂに設けられている凸部７６は、額縁部８８の短辺側の両端部に形成されている凹部５６ａ、５６ｂに係合している。
【００７４】
これにより、簡単且つコンパクトな構成で、燃料電池８２が矢印Ｂ方向に位置ずれを惹起することを可及的に抑制することが可能になる等、上記の第１の実施形態と同様の効果が得られる。
【００７５】
図７に示すように、本発明の第３の実施形態に係る燃料電池スタック１００は、第１エンドプレート１０２ａ及び第２エンドプレート１０２ｂを備える。第１エンドプレート１０２ａは、横方向（矢印Ｂ方向）中央部位に、一対の第１締結部材２０ａ、２０ａ間に位置して厚肉部１０４ａが設けられる。第１エンドプレート１０２ａは、厚肉部１０４ａ以外の他の部位が、前記厚肉部１０４ａよりも厚さ寸法の小さな薄肉部１０４ｂを構成する。なお、厚肉部１０４ａは、肉抜き１０６を設けてリブ形状に設定してもよい。
【００７６】
第２エンドプレート１０２ｂは、横方向（矢印Ｂ方向）中央部位に、一対の第１締結部材２０ａ、２０ａ間に位置して厚肉部１０８ａが設けられる。第２エンドプレート１０２ｂは、厚肉部１０８ａ以外の他の部位が、前記厚肉部１０８ａよりも厚さ寸法の小さな薄肉部１０８ｂを構成する。なお、厚肉部１０８ａは、肉抜き（図示せず）を設けてリブ形状に設定してもよい。
【００７７】
このように構成される第３の実施形態では、第１エンドプレート１０２ａ及び第２エンドプレート１０２ｂは、それぞれ横方向中央部位に厚肉部１０４ａ、１０８ａが設けられている。ここで、横長の長方形状を有する第１エンドプレート１０２ａ及び第２エンドプレート１０２ｂでは、締め付け荷重により受ける荷重に分布が発生している。特に、第１締結部材２０ａ、２０ａが取り付けられる各長辺の中央部分にかかる締結荷重の分担が大きく、第１エンドプレート１０２ａ及び第２エンドプレート１０２ｂが変形するおそれがある。
【００７８】
そこで、第１エンドプレート１０２ａ及び第２エンドプレート１０２ｂの横方向中央部位に厚肉部１０４ａ、１０８ａを設けている。これにより、第１エンドプレート１０２ａ及び第２エンドプレート１０２ｂが変形することを、確実に抑制することができる。
【００７９】
しかも、第１エンドプレート１０２ａ及び第２エンドプレート１０２ｂでは、厚肉部１０４ａ、１０８ａ以外の部分に薄肉部１０４ｂ、１０８ｂが設けられている。このため、第１エンドプレート１０２ａ及び第２エンドプレート１０２ｂ全体は、重量物となることがなく、軽量化が容易に遂行可能になる。
【符号の説明】
【００８０】
１０、８０、１００…燃料電池スタック
１２…燃料電池
１８ａ、１８ｂ、１０２ａ、１０２ｂ…エンドプレート
２０ａ、２０ｂ…締結部材
２２、８６…電解質膜・電極構造体    ２４、２６、８４…金属セパレータ
２８ａ…酸化剤ガス供給連通孔        ２８ｂ…酸化剤ガス排出連通孔
３０ａ…燃料ガス供給連通孔          ３０ｂ…燃料ガス排出連通孔
３２ａ…冷却媒体供給連通孔          ３２ｂ…冷却媒体排出連通孔
３４…固体高分子電解質膜            ３６…カソード電極
３８…アノード電極                  ４０…酸化剤ガス流路
４２…燃料ガス流路                  ４４…冷却媒体流路
５０ａ、５０ｂ…切り欠き部          ５２ａ、５２ｂ…凸状部
５４ａ、５４ｂ、６４ａ…外面        ５６ａ、５６ｂ…凹部
６０ａ、６０ｂ…板状部              ６２ａ、６２ｂ…取り付け部
６４…凹状部                        ６６…ねじ穴
６８…位置決め孔部                  ７０…リング
７４…ボルト                        ７６…凸部
８８…額縁部                        １０４ａ、１０８ａ…厚肉部
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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