(57)【要約】【課題】燃料電池スタックにおける面圧分布を均一に保ちつつ、燃料電池スタックの更なる小型化・軽量化を図る。【解決手段】燃料電池は、表面に電極を備える電解質層を含む複数の薄板状部材を積層して成ると共に、両端部にエンドプレート２０を備える積層体と、エンドプレート２０を介して積層体の内部側に向かって積層の方向に作用する圧力を加えて積層体を締結する締結部と、を備える。積層体を構成する複数の薄板状部材の少なくとも一部は、積層体の積層面において締結部によって加えられる面圧の分布を均一化するように積層面内で厚みが変化する形状を有する。【選択図】図１
2008171598.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池であって、
表面に電極を備える電解質層を含む複数の薄板状部材を積層して成ると共に、両端部にエンドプレートを備える積層体と、
前記エンドプレートを介して前記積層体の内部側に向かって前記積層の方向に作用する圧力を加えて前記積層体を締結する締結部と
を備え、
前記積層体を構成する前記複数の薄板状部材の少なくとも一部は、前記積層体の積層面において前記締結部によって加えられる面圧の分布を均一化するように積層面内で厚みが変化する形状を有する
燃料電池。
【請求項２】
請求項１記載の記載の燃料電池であって、
前記積層体を構成する前記複数の薄板状部材の少なくとも一部は、前記積層体の積層面において前記締結部によって加えられる面圧の分布を均一化する凸形状を有する
燃料電池。
【請求項３】
請求項１または２記載の記載の燃料電池であって、
前記エンドプレートは、前記積層体を構成する他の薄板状部材よりも単位体積当たりの質量密度が大きい金属材料によって形成されている
燃料電池。
【請求項４】
請求項１ないし３いずれか記載の燃料電池であって、
前記凸形状は、前記積層面において前記締結部の締結部位から遠い領域ほど厚みを厚くした形状である
燃料電池。
【請求項５】
請求項１ないし３いずれか記載の燃料電池であって、
前記凸形状は、前記エンドプレートから前記積層体の内側に向かって作用する圧力がより小さくなる領域ほど、厚みを厚くした形状である
燃料電池。
【請求項６】
請求項１ないし５いずれか記載の燃料電池であって、
エンドプレートの厚みは、該エンドプレートを構成する材料から成る部材において、該部材の厚みと、該部材が弾性変形する範囲で生じる変形量の最大値との合計が、最小となるときの前記部材の厚みに形成されている
燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、燃料電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
複数の単セルを積層して成る燃料電池スタックは、一般に、剛性を有するエンドプレートを両端に備え、締結部材によってエンドプレートの外側から積層方向に締結圧を加えることによって、その積層構造を維持している。このような積層体では、エンドプレートが充分な剛性を有することにより、エンドプレートに締結圧を加えたときには、積層面全体に対して充分な圧力を加えることができ、各単セルにおけるガスシール性や、積層された部材間の接触抵抗の低減を図ることができる。
【０００３】
ここで、例えば燃料電池を駆動用電源として車両などの移動体に搭載する場合には、搭載可能なスペースに限りがあるため、更なる小型化・軽量化が求められる。燃料電池を小型化・軽量化するために、エンドプレートを薄型化する方策が考えられるが、エンドプレートを薄型化すると、エンドプレートの剛性が低下するため、エンドプレートによって積層面全体に対して加えられる圧力が不均一になる。具体的には、通常はエンドプレートの周辺部において締結力が加えられるため、エンドプレートの剛性が不十分であると、積層体からエンドプレートに加えられる反力によって、締結位置から遠いエンドプレートの中央部が、積層体の外側方向に変形する。そのため、積層面の中央部付近では加えられる締結圧が相対的に小さくなり、積層面において面圧（単位面積当たりに加えられる圧力）の分布が不均一となる可能性がある。面圧の分布が不均一になると、部分的にガスシール性が不十分となったり、部分的に接触抵抗が大きくなることにより、電池性能の低下を伴う不都合が生じる可能性がある。このような面圧分布の不均一性を解消するために、エンドプレートを、燃料電池スタックとの接触面側に予め湾曲させて、締結圧が小さくなる領域である積層面の中央部付近の面圧を高める構成が提案されている（例えば、特許文献１参照）。
【０００４】
【特許文献１】特開２００４−２８８５３９号公報
【特許文献２】特開２００４−２１４０４０号公報
【特許文献３】特開２００１−９３５６４号公報
【特許文献４】特開２００３−１５１６１１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、エンドプレートを湾曲させることによってエンドプレートに生じる弾性力を利用して、積層面における面圧分布を均一化しようとすると、湾曲させることで生じる弾性力を維持できるように、エンドプレートの厚みをある程度厚くして、エンドプレートの強度を確保する必要がある。エンドプレートを薄くしすぎると、エンドプレートの強度が低下するため、積層面の中央部付近では、締結力に対して積層体で発生する反力によってエンドプレートの変形が引き起こされ、面圧分布を充分に均一化できなくなってしまうためである。したがって、エンドプレートを湾曲させることによって面圧分布の均一化を図る場合には、エンドプレートの薄型化に限界があり、燃料電池の小型化・軽量化を充分に行なうことができない可能性がある。
【０００６】
本発明は、上述した従来の課題を解決するためになされたものであり、燃料電池スタックにおける面圧分布を均一に保ちつつ、燃料電池スタックの更なる小型化・軽量化を図ることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記目的を達成するために、本発明は、燃料電池であって、表面に電極を備える電解質層を含む複数の薄板状部材を積層して成ると共に、両端部にエンドプレートを備える積層体と、前記エンドプレートを介して前記積層体の内部側に向かって前記積層の方向に作用する圧力を加えて前記積層体を締結する締結部と、を備え、前記積層体を構成する前記複数の薄板状部材の少なくとも一部は、前記積層体の積層面において前記締結部によって加えられる面圧の分布を均一化するように積層面内で厚みが変化する形状を有することを要旨とする。
【０００８】
以上のように構成された本発明の燃料電池によれば、積層体を構成する複数の薄板状部材の少なくとも一部が、積層面内で厚みが変化する形状を有することによって、積層体の積層面において締結部によって加えられる面圧の分布が均一化されるため、燃料電池において面圧分布の不均一に起因して生じる問題を抑制することができる。また、このように、積層体を構成する薄板状部材が有する形状によって面圧分布を均一化するため、エンドプレートから積層体に加えられる圧力分布の不均一化を引き起こすエンドプレートの変形を許容することができる。そのため、積層体の締結時にエンドプレートが変形する程度にエンドプレートを薄型化することができるため、燃料電池全体を小型化・軽量化することができる。
【０００９】
本発明の燃料電池において、前記積層体を構成する前記複数の薄板状部材の少なくとも一部は、前記積層体の積層面において前記締結部によって加えられる面圧の分布を均一化する凸形状を有することとしても良い。このような構成とすれば、エンドプレートの変形により引き起こされる積層面内における圧力分布の不均一化を、薄板状部材に設けた凸形状により抑えることができる。
【００１０】
本発明の燃料電池において、前記エンドプレートは、前記積層体を構成する他の薄板状部材よりも単位体積当たりの質量密度が大きい金属材料によって形成されていることとしても良い。このような構成とすれば、積層体を構成する薄板状部材において所定の凸形状を設けることにより、この薄板状部材の重量が増加したとしても、この薄板状部材よりも単位体積当たりの質量密度が大きい金属材料からなるエンドプレートを薄型化することによる軽量化の効果の方が大きくなり、燃料電池全体を効果的に軽量化できる。
【００１１】
本発明の燃料電池において、前記凸形状は、前記積層面において前記締結部の締結部位から遠い領域ほど厚みを厚くした形状であることとしても良い。締結部の締結部位から遠い領域ほど、エンドプレートから積層体の内部側に向かって積層の方向に作用する圧力が小さくなるため、このような領域ほど凸形状の厚みを厚くすることで、積層面内での面圧分布を効果的に均一化できる。
【００１２】
本発明の燃料電池において、前記凸形状は、前記エンドプレートから前記積層体の内側に向かって作用する圧力がより小さくなる領域ほど、厚みを厚くした形状であることとしても良い。エンドプレートから積層体の内側に向かって作用する圧力がより小さくなる領域ほど、凸形状の厚みを厚くすることで、このような領域の面圧を高め、面圧分布を均一化することができる。
【００１３】
本発明の燃料電池において、エンドプレートの厚みは、該エンドプレートを構成する材料から成る部材において、該部材の厚みと、該部材が弾性変形する範囲で生じる変形量の最大値との合計が、最小となるときの前記部材の厚みに形成されていることとしても良い。このような構成とすれば、エンドプレートを効果的に薄型化し、燃料電池全体を小型化する効果を高めることができる。
【００１４】
本発明は、上記以外の種々の形態で実現可能であり、例えば、燃料電池における積層面の面圧分布均一化方法などの形態で実現することが可能である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
Ａ．装置の全体構成：
図１は、本発明の好適な一実施例である燃料電池１０の概略構成を表わす断面模式図であり、図２は、燃料電池１０の外観を表わす斜視図である。本実施例の燃料電池１０は、セル積層体３０と、セル積層体３０の両端に配置された集電板２６と、各々の集電板上に配置された絶縁板２４と、これらを積層した積層体の両端に配置されたエンドプレート２０と、上記積層体の上部と下部とに配置され、上記積層体の積層方向にわたって積層体の側面の一部を覆う２枚のテンションプレート２８と、を備えている。
【００１６】
セル積層体３０は、燃料電池の基本単位である単セル３５によって構成されている。図３は、単セル３５の概略構成を表わす断面模式図である。本実施例の燃料電池は、固体高分子型燃料電池であり、単セル３５は、電解質膜４０、アノード４１、カソード４２、ガス拡散層４３，４４、ガスセパレータ４５，４６によって構成されている。
【００１７】
電解質膜４０は、固体高分子材料、例えば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り、湿潤状態で良好なプロトン伝導性を示す。アノード４１およびカソード４２は、電解質膜４０上に形成されており、電気化学反応を進行する触媒としての白金または白金と他の金属からなる合金を備える層である。ガス拡散層４３，４４は、ガス透過性および電子伝導性を有する部材によって構成されており、例えば、発泡金属や金属メッシュなどの金属製部材や、カーボンクロスやカーボンペーパなどのカーボン製部材により形成することができる。このようなガス拡散層４３，４４は、電気化学反応に供されるガスを拡散させると共に、触媒を備える電極との間で集電を行なう。
【００１８】
ガスセパレータ４５，４６は、ガス不透過な導電性部材によって形成されている。ガスセパレータ４５，４６は、例えば、カーボンを圧縮してガス不透過とした緻密質カーボン等のカーボン製部材によって形成することができる。また、プレス成形したアルミニウムなどの金属部材によって形成しても良い。ガスセパレータ４５，４６は、その表面に、単セル内のガス流路を形成するための凹凸形状を有している。ガスセパレータ４５は、ガス拡散層４３との間に、水素を含有する燃料ガスが通過する単セル内燃料ガス流路４７を形成する。また、ガスセパレータ４６は、ガス拡散層４４との間に、酸素を含有する酸化ガスが通過する単セル内酸化ガス流路４８を形成する。
【００１９】
なお、単セル３５の外周部には、単セル内燃料ガス流路４７および単セル内酸化ガス流路４８におけるガスシール性を確保するために、ガスケット等のシール部材が配設されている。また、単セル３５の外周部には、単セル３５の積層方向と平行であって燃料ガスあるいは酸化ガスが流通する複数のガスマニホールドが設けられている（図示せず）。これら複数のガスマニホールドのうちの燃料ガス供給マニホールドを流れる燃料ガスは、各単セル３５に分配され、電気化学反応に供されつつ各単セル内燃料ガス流路４７内を通過し、その後、燃料ガス排出マニホールドに集合する。同様に、酸化ガス供給マニホールドを流れる酸化ガスは、各単セル３５に分配され、電気化学反応に供されつつ各単セル内酸化ガス流路４８内を通過し、その後、酸化ガス排出マニホールドに集合する。
【００２０】
セル積層体３０は、このような単セル３５を複数積層することによって形成される。このようにセル積層体３０を形成する場合には、各ガスセパレータは、例えば、表裏両面に、単セル内ガス流路を形成するための凹凸形状を有することとすればよい。すなわち、ガスセパレータの一方の面では、ガスセパレータ４５としてガス拡散層４３との間で単セル内燃料ガス流路４７を形成し、他方の面では、ガスセパレータ４６として隣接する単セルにおけるガス拡散層４４との間で単セル内酸化ガス流路４８を形成すればよい。あるいは、セル積層体３０において、各単セル間や、所定数の単セルを積層する毎に、燃料電池の内部温度を調節するための冷媒が流れる冷媒流路を設けることとしても良い。なお、上記したセル積層体３０を構成する各部材は、いずれも矩形の薄板状部材であり、これらの部材を積層して成るセル積層体３０は、略直方体となる。
【００２１】
セル積層体３０の両端に配置された集電板２６は、導電性の高い材料、例えば銅などにより形成されている。このような集電板２６には、燃料電池からの出力を取り出すための図示しない出力端子が、各集電板の表面から延出して設けられている。集電板２６上に配置される絶縁板２４は、絶縁性材料、例えばゴムや樹脂などにより形成されている。なお、本実施例の燃料電池１０は、この集電板２６の形状に特徴を有しているが、集電板２６の形状については後に詳述する。また、セル積層体３０の両端部に配置されるエンドプレート２０は、剛性の高い材料、例えばステンレス鋼などの鋼（鉄含有金属）により形成されている。本実施例では、エンドプレート２０を薄型化することにより燃料電池全体の小型化を図っているが、このエンドプレート２０の薄型化については後に詳述する。これらの集電板２６、絶縁板２４およびエンドプレート２０は、いずれも、ガスセパレータ４５と略同一の矩形に形成された薄板状部材である。また、略直方体に形成されたセル積層体３０の積層方向を長手方向とする２つの対向する側面上に配置されたテンションプレート２８は、エンドプレート２０と同様の、鋼などの剛性の高い材料によって、上記側面を覆う略矩形に形成されている。
【００２２】
燃料電池１０を組み立てる際には、以上説明したセル積層体３０、集電板２６，絶縁板２４およびエンドプレート２０を所定の順序で積層し、両端に配置されたエンドプレート２０の外側からセル積層体３０方向に向かって締結圧を加える。また、このとき、上記各部材を積層した積層体の対向する２つの側面上にテンションプレート２８を配置する。そして、テンションプレート２８の端部近傍において、テンションプレート２８を、エンドプレート２０に対して、ネジ２９を用いて複数箇所でねじ止めする。図２では、図中の上側に配置したエンドプレート２０において、積層体の両端に配置したエンドプレート２０の各々に対して、３箇所でねじ止めした様子を表わしている。図中の下側に配置したエンドプレート２０においても、各々のエンドプレート２０に対する同様のねじ止めが行なわれている。
【００２３】
このように、積層体の両端部および側面に、剛性を有するエンドプレート２０およびテンションプレート２８をそれぞれ配置し、積層体に締結圧を加えつつ両者を止め付けることにより、締結圧を加えた状態で積層体を保持している。上記のように所定の締結圧を加えつつ保持されることにより、燃料電池１０においては、充分なガスシール性が確保されると共に、各部材間の接触抵抗が充分に抑えられる。
【００２４】
なお、図２では記載を省略しているが燃料電池１０では、エンドプレート２０において、集電板２６および絶縁板２４を介して既述したガスマニホールドと連通する開口部が設けられている。これらの開口部は、図示しない燃料ガス供給装置や酸化ガス供給装置あるいは燃料ガス排出用配管や酸化ガス排出用配管と接続される。
【００２５】
Ｂ．エンドプレート２０の厚み
エンドプレート２０は、既述したように、鋼などの剛性の高い材料によって構成されているが、本実施例の燃料電池１０では、このエンドプレート２０を、より薄く形成して、各部材を積層した積層体を締結する際におけるエンドプレート２０の変形を許容している。ここで、エンドプレートを充分に厚く形成した場合には、エンドプレートに対して締結圧を加えたときに、エンドプレートはほとんど変形することが無く、エンドプレート全体から積層体の積層面に対して略均一に締結圧が加わり、積層面全体において面圧分布をほぼ均一にすることができる。これに対して、エンドプレートを薄く形成した場合には、エンドプレートに対して締結力を加える締結位置（実施例ではねじ止め位置）から離れた部位ほど締結圧が弱くなり、積層体を圧縮する力が弱くなる（いわゆる荷重抜けが生じる）。そのため、このような部位では、積層体からの反力がかかることによって、エンドプレートは積層体の外側方向に変形することになる。
【００２６】
エンドプレートを薄型化することによって積層体の締結時にエンドプレートが変形する様子を、図４に示す。図４に示すように、締結位置から離れた部位ほど、荷重抜けの程度がより大きくなり、積層体からの反力による変形量が大きくなる。積層体内において、このように締結圧が弱く、変形量が大きくなる部分に対応する領域では、ガスシール性が不十分となったり、接触抵抗が部分的に高まる可能性がある。本実施例の燃料電池１０は、このようなエンドプレート２０の変形を許容して、エンドプレート２０を薄型化し、燃料電池全体の小型化・軽量化を図りつつ、後述するように絶縁板２４の形状によって面圧を確保することにより、積層面における面圧分布の不均一化を抑制している。
【００２７】
エンドプレート２０のような板状部材は、薄く形成するほど、弾性変形する範囲で生じる変形量（ひずみ）の最大値が大きくなる。そのため、エンドプレート２０は、その厚みを、弾性変形する範囲で生じる変形量の最大値と厚みの合計がより小さくなる厚みに設定することにより、エンドプレートを薄型化する効果を高めることができる。図５は、エンドプレート２０を構成するステンレス鋼から成る板状部材において、その板状部材の厚みおよびその板状部材が弾性変形する範囲で生じる変形量の最大値の合計と、上記板状部材の厚みとの関係を表わす説明図である。上記したように、板状部材の厚みが薄いほど変形量の最大値は大きくなるため、変形量の最大値と厚みとの合計も大きくなる。また、厚みが厚いと、変形量は少なくなるが、部材の厚みそのものが厚いために、変形量の最大値と厚みとの合計も大きくなる。そのため、図５に示すように、板状部材は、その厚みが、その構成材料に応じた所定の値となるときに、変形量の最大値と厚みとの合計が最小値を示す。図５では、変形量の最大値と厚みとの合計が最小となるときの部材の厚みを、ＴAと示している。本実施例では、エンドプレート２０の厚みを、エンドプレート２０の構成材料に応じた上記ＴAの値とほぼ等しい値にすることによって、エンドプレート２０を薄型化することによる燃料電池全体の小型化の効果を高めている。
【００２８】
Ｃ．絶縁板２４の形状：
本実施例の燃料電池１０が備える絶縁板２４は、既述したように外形が略矩形に形成されている。そして、その中央部近傍、より具体的には、締結位置からより遠く、エンドプレート２０側から積層体へと加えられる締結圧がより弱くなる領域における厚みが、締結位置により近い外周部近傍の厚みよりも厚く形成されていることを特徴としている。図６は、絶縁板２４の形状の概略を表わす説明図である。図６（Ａ）は、絶縁板２４の外観を表わす斜視図であり、図６（Ｂ）は、絶縁板２４の断面図である。図４に示したような、エンドプレート２０で生じる荷重抜けの程度や変形の程度は、例えば、用いる各部材の形状や締結位置および加える締結荷重の大きさ、あるいは用いる各部材の構成材料を考慮してシミュレーションを行なうことにより、予め予測することができる。このような、エンドプレートから積層体の内側に向かって作用する圧力がより小さくなる領域ほど、絶縁板２４の厚みを厚くすることで、燃料電池１０の内部では、より厚く形成された中央部近傍の領域における面圧を高め、積層面における面圧分布を均一化することができる。
【００２９】
このように、絶縁板２４の中央部をより厚く形成することによる面圧分布の均一化の様子を、以下に、積層体をモデル化することによって説明する。以下の説明では、積層体を構成する各部が、締結圧を加えられて圧縮される際に、加えられた締結圧に応じた変形量を示すことに基づいて、積層体を構成する各部をばね体とみなしている。
【００３０】
図７は、集電板２６とセル積層体３０とを合わせた積層体全体や、エンドプレート２０をばね体とみなした場合の、締結時の力の釣り合いの様子を表わす説明図である。図７（Ａ）は、集電板２６とセル積層体３０とを合わせた積層体全体の、締結荷重がかかっていないときの様子を表わす。図７（Ｂ）は、絶縁板２４を無視して上記積層体だけに着目した場合の、エンドプレート２０端部の締結位置における様子を表わしている。締結位置における面圧をＰ1、積層される部材の積層面の面積をＳ、上記積層体をばね体とみなした場合のばね定数をｋ、上記積層体の変形量（圧縮量）をδとすると、力の釣り合い状態は、以下の（１）式で表わすことができる。
【００３１】
Ｐ1Ｓ＝ｋδ      …（１）
【００３２】
図７（Ｃ）は、図７（Ｂ）と同じく絶縁板２４を無視した場合であって、締結位置から離れたエンドプレート２０中央部（絶縁板２４に設けた凸部の頂上部）における様子を表わしている。この場合には、締結荷重が比較的弱くエンドプレート２０が変形して外側に膨らむため、エンドプレート２０もばね体として表わしている。このような中央部における面圧をＰ2、エンドプレート２０をばね体とみなした場合のばね定数をＫ、エンドプレート２０の変形量をｘ1とすると、力の釣り合い状態は、以下の（２）式および（３）式で表わすことができる。
【００３３】
Ｐ2Ｓ＝ｋ（δ−ｘ1）      …（２）
ｋ（δ−ｘ1）＝Ｋｘ1      …（３）
【００３４】
図７（Ｄ）は、凸部を設けた絶縁板２４を配置した場合であって、エンドプレート２０端部の締結位置における様子を表わしている。なお、この図７（Ｄ）は、中央部には凸部が設けられているが端部には凸部が形成されていない実際のエンドプレート２０端部の様子を表わすものではなく、凸部を設けたことによって積層体の変形量が変化する様子を、エンドプレート２０の変形の影響を除外して仮想的に表わすものである。このような場合の面圧をＰ3、絶縁板２４に設ける凸部の高さをＬとすると、力の釣り合い状態は、以下の（４）式で表わすことができる。
【００３５】
Ｐ3Ｓ＝ｋ（δ＋Ｌ）        …（４）
【００３６】
図７（Ｅ）は、凸部を設けた絶縁板２４を配置した場合であって、締結位置から離れたエンドプレート２０中央部における様子を表わしている。この場合には、締結荷重が比較的弱くエンドプレート２０が変形して外側に膨らむため、図７（Ｃ）と同様にエンドプレート２０もばね体として表わしている。このような中央部における面圧をＰ4、エンドプレート２０の変形量をｘ2とすると、力の釣り合い状態は、以下の（５）式および（６）式で表わすことができる。
【００３７】
Ｐ4Ｓ＝ｋ（δ＋Ｌ−ｘ2）      …（５）
ｋ（δ＋Ｌ−ｘ2）＝Ｋｘ2      …（６）
【００３８】
以上説明したモデルにおいて、絶縁板２４を無視した場合の、エンドプレート２０の変形による、エンドプレート２０端部の面圧（Ｐ1）に比べて中央部の面圧（Ｐ2）が低下する量は、（１）式、（２）式、（３）式に基づいて、以下の（７）式で表わすことができる。
【００３９】
【数１】
2008171598.tif 000003
【００４０】
また、絶縁板２４を配置した場合の、エンドプレート２０の変形による、エンドプレート２０端部の面圧（Ｐ1）に比べて中央部の面圧（Ｐ4）が低下する量は、（４）式、（５）式、（６）式に基づいて、以下の（８）式で表わすことができる。なお、ここでは、締結荷重が充分にかかる端部においては、エンドプレート２０の変形の影響が無いものとして、エンドプレート２０端部の面圧としてＰ1を用いている。
【００４１】
【数２】
2008171598.tif 000004
【００４２】
上記した（７）式と（８）式とを比較すると、絶縁板に凸部を設けることにより、左辺第２項に相当する値だけ、エンドプレート２０中央部における面圧低下を抑えることができるといえる。すなわち、積層体やエンドプレート２０の示す弾性の程度（ばね定数ｋおよびＫ）や積層面の面積Ｓに応じて、絶縁板２４に設ける凸部の高さを適宜設定することにより、エンドプレート２０中央部における面圧低下を抑える程度を調節することができる。
【００４３】
ここで、仮に、面圧分布が完全に均一になる場合には、エンドプレート２０端部の面圧（Ｐ1）と、絶縁板２４を配置した場合のエンドプレート２０中央部の面圧（Ｐ4）とが等しくなる。すなわち、Ｐ1−Ｐ4＝０が成り立つ。そのため、以下の（９）式が得られる。以下の（９）式を満たすように絶縁板２４の高さＬを設定する場合には、理論的には、面圧分布を均一化できることになる。また、凸部の高さを（９）式を満たす値により近い値に設定することにより、面圧分布を、より均一化することが可能になる。
【００４４】
【数３】
2008171598.tif 000005
【００４５】
なお、絶縁板２４の中央部に凸部を設けることによって、エンドプレート２０の変形量も増加する。しかしながら、この増加する量が、面圧分布の均一化をエンドプレート２０の厚型化によって実現する場合の厚みの増加量に比べて充分に小さければ良い。このように凸部に起因するエンドプレート２０の変形量が充分に小さければ、面圧分布の均一化と、エンドプレート２０の薄型化による燃料電池全体の小型化とを両立する本実施例の効果を得ることができる。絶縁板２４に凸部を設けることに起因するエンドプレート２０の変形量の増加は、以下の（１０）式で表わすことができる。
【００４６】
【数４】
2008171598.tif 000006
【００４７】
さらに具体例を挙げて説明する。図２に示す本実施例の燃料電池１０において、積層面の幅ｗが５００ｍｍ、積層面の高さｈが２５０ｍｍ、燃料電池１０の長さｌが３００ｍｍ、エンドプレート２０の厚みｔ1が１０ｍｍ、テンションプレート２８の厚みｔ2が１ｍｍであるとする。燃料電池における既述したばね定数やエンドプレート２０の変形量は、実際に用いる構成部材を組み立てて、所定の力を加えて変形量を測定することによって、燃料電池毎に求めることができる。ここで、上記燃料電池において、積層体におけるばね定数ｋが５Ｎ／ｍ、エンドプレート２０におけるばね定数Ｋが１５Ｎ／ｍであったとする。また、このとき、締結位置であるエンドプレート２０端部における面圧Ｐ1を０．４ＭＰａとすると、エンドプレート２０中央部における既述したエンドプレート２０の変形量ｘ１が０．３ｍｍになるとする。これらの値を、例えば（７）式に代入すると、絶縁板２４を無視した場合の、エンドプレート２０の変形による、エンドプレート２０端部の面圧（Ｐ1）よりも中央部の面圧（Ｐ2）が低下する量は、約０．１ＭＰａとなる。すなわち、絶縁板２４に凸部を設けない場合には、面圧はエンドプレート２０中央部において端部に比べて２５％に低下することになる。
【００４８】
このような場合に、エンドプレート２０中央部における面圧低下を無くすには、既述した値を（９）式に代入することによって、絶縁板２４に設ける凸部の高さＬを０．２ｍｍにすればよいことがわかる。また、このとき、絶縁板２４に凸部を設けることに起因するエンドプレート２０の変形量の増加量は、既述した値を（１０）式に代入することによって、０．０５ｍｍであることがわかる。
【００４９】
なお、上記した説明では、絶縁板２４に設ける凸部の高さを、エンドプレート２０の変形量が大きくなる領域に対応する中央部における高さとして説明したが、実際のエンドプレート２０の変形の程度は、図４のように滑らかに変化するものである。そのため、絶縁板２４に所定の高さの凸部を形成する際には、図６（Ａ）に示したように、エンドプレート２０の変形状態に応じて滑らかに高さが変化する凸形状として形成しており、このような凸形状とすることで、積層面全体で、面圧分布を良好に均一化できる。このような絶縁板２４を積層する際には、凸形状における凸の向きを、集電板２６と対向する向きとしても良く、また、エンドプレート２０と対向する向きとしても良い。また、絶縁板２４に設ける凸形状は、図６（Ａ）および図６（Ｂ）に示したように、絶縁板２４の一方の面においてのみ突出する形状としても良いが、図６（Ｃ）に示すように、絶縁板２４の両面に突出する形状としても良い。この場合には、既述した凸部の高さＬは、両側に突出する高さの合計とすればよい。
【００５０】
以上のように構成された本実施例の燃料電池１０によれば、エンドプレート２０を薄型化することにより、燃料電池１０全体を小型化・軽量化することが可能になる。また、このようにエンドプレート２０を薄型化して、エンドプレート２０の変形を許容しても、絶縁板２４において、エンドプレート２０における締結位置に対応する形状の凸部を設けることにより、燃料電池１０の内部において、面圧分布を均一化することができる。そのため、燃料電池１０において、面圧分布の不均一に起因する問題の発生を抑えることができる。
【００５１】
特に、面圧分布均一化のために凸部を設ける絶縁板２４は、ゴムや樹脂などの絶縁性材料により形成されている。そのため、このような絶縁板２４の厚みを部分的に増して絶縁板２４の重量が増加したとしても、鋼により形成されるエンドプレート２０を薄型化することによる軽量化の効果の方が大きくなり、燃料電池１０全体を、効果的に軽量化することができる。
【００５２】
また、本実施例では、エンドプレート２０を薄型化する際に、その厚みを、弾性変形する範囲で生じる変形量の最大値と厚みの合計がより小さくなる厚みにより近づけて設定することにより、エンドプレートを薄型化する効果を高めることができる。板状部材が弾性変形する範囲で生じる変形量の最大値と厚みとの合計の最小値は、板状部材の構成材料が、剛性の高い鉄含有金属である場合には、他種の金属や樹脂を構成材料とする板状部材に比べて特に小さな値となる。そのため、エンドプレート２０の厚みを上記のように設定することにより、燃料電池を小型化する効果を特に高めることができる。
【００５３】
さらに、本実施例の燃料電池１０によれば、面圧分布を均一化するために、絶縁板２４のように、従来から燃料電池が備える既存の部材に凸部を設けているため、更なる特別な部材を必要とせず、簡素な構成により面圧分布均一化を図ることができる。
【００５４】
Ｄ．変形例：
なお、この発明は上記の実施例や実施形態に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の態様において実施することが可能であり、例えば次のような変形も可能である。
【００５５】
Ｄ１．変形例１：
本発明を適用する燃料電池は、実施例とは異なる形状としても良く、積層面内での面圧分布を均一化する凸形状は、絶縁板２４以外の他の積層部材に形成しても良い。他の積層部材において上記凸形状を形成する場合にも、実施例と同様の効果を得ることができる。
【００５６】
例えば、絶縁板２４に代えて、集電板２６において上記凸形状を形成しても良い。集電板を形成するために用いる銅などの導電性の特に高い金属は、一般に、エンドプレート２０の構成材料である剛性に優れた鉄含有合金に比べて、単位体積当たりの質量密度が小さい。そのため、集電板２６に凸形状を設けることによって集電板２６の重量が増加しても、エンドプレート２０を薄型化することで燃料電池全体を軽量化する効果を充分に得ることができる。また、集電板２６に凸形状を設けて集電板２６を厚く形成すると、集電板２６における抵抗が減少するため、燃料電池の性能を向上させる効果が得られる。
【００５７】
また、絶縁板２４に代えて、ガス拡散層４３，４４において上記凸形状を形成しても良い。ガス拡散層４３，４４を構成する多孔質体は、エンドプレート２０の構成材料よりも、単位体積当たりの質量密度が小さいため、同様に、燃料電池を軽量化する効果が得られる。ガス拡散層４３，４４は、燃料電池を構成するセル積層体３０において複数備えられているため、ガス拡散層４３，４４に凸形状を設ける場合には、各ガス拡散層４３，４４において少しずつ凸形状を設け、燃料電池全体として所望の高さの凸形状を形成すれば良い。これにより、燃料電池全体で、面圧分布を均一化することができる。このようにすれば、個々のガス拡散層に形成すべき凸形状の高さを抑えることができるため、燃料電池の組み立て時の各部材の位置合わせが容易になり、凸形状を設けることに起因する燃料電池組み立て操作の煩雑化を抑えることができる。また、燃料電池の構成部材の一部に凸形状が設けられている場合には、例えば低温時に積層体全体の熱膨張の程度が低下したときに、ガスリークが生じやすくなったり接触抵抗が増大しやすくなる場合がある。しかしながら、上記のように個々のガス拡散層に形成すべき凸形状の高さが抑えられることで、このような不都合を抑制することができる。
【００５８】
また、絶縁板２４に代えて、電解質膜４０において上記凸形状を形成しても良い。電解質膜４０を構成する固体高分子は、エンドプレート２０の構成材料よりも、単位体積当たりの質量密度が小さいため、同様に、燃料電池を軽量化する効果が得られる。電解質膜４０において凸形状を形成する場合にも、セル積層体３０が備える各々の電解質膜４０において少しずつ凸形状を設け、燃料電池全体として所望の高さの凸形状を形成すれば良い。
【００５９】
また、絶縁板２４に代えて、ガスセパレータ４５，４６において上記凸形状を形成しても良い。ガスセパレータをカーボンによって形成する場合には、エンドプレートを薄型化することによる燃料電池の軽量化の効果を顕著に得ることができる。また、ガスセパレータを金属にによって形成する場合であっても、ガスセパレータは、エンドプレートほどの剛性は要求されないため、エンドプレートに比べて単位体積当たりの質量密度の小さい金属（例えばアルミニウム）によって形成することができる。このような場合には、同様に、燃料電池を軽量化する効果を高めることができる。なお、ガスセパレータにおいて凸形状を形成する場合には、既述したガス拡散層の場合と同様に、セル積層体３０が備える各々のガスセパレータにおいて少しずつ凸形状を設け、燃料電池全体として所望の高さの凸形状を形成すれば良い。また、実施例では、ガスセパレータ４５，４６を溝付きセパレータとしたが、異なる形状としても良い。例えば、ガスセパレータを、表面が平坦な平板状に形成しても良い。このような場合には、平板状のガスセパレータと電極との間に、単セル内のガス流路となる空間を形成する薄板状の多孔質体を配置すれば良い。
【００６０】
上記のように、単セル内のガス流路となる空間を形成するために、電極とガスセパレータとの間に多孔質体を配置する場合には、このような多孔質体において、絶縁板２４に代えて、上記凸形状を形成しても良い。このような構成とすれば、多孔質体の単位体積当たりの質量密度が小さいことにより、燃料電池を軽量化する同様の効果が得られる。また、上記したガス流路を形成する多孔質体に凸形状を形成する場合にも、セル積層体が備える各々の多孔質体において少しずつ凸形状を設け、燃料電池全体として所望の高さの凸形状を形成すれば良い。
【００６１】
また、図１ないし図３では、実施例の燃料電池１０の構成を簡略化して示しているが、燃料電池は図示しない他の部材をさらに備えることとし、このような他の部材において既述した凸形状を形成しても良い。他の部材としては、例えば、エンドプレート２０と絶縁板２４との間に配置される弾性を有する薄板状部材であって、燃料電池に加えられる振動を吸収する免震ゴムを挙げることができる。このような構成としても、エンドプレートの構成材料よりも単位体積当たりの質量密度が小さい免震ゴムに凸形状を設けることで、燃料電池を軽量化する同様の効果が得られる。
【００６２】
エンドプレートは、テンションプレート２８およびネジ２９から成る締結部によって締結圧が加えられる部材であり、充分な剛性が必要であるため、一般に、単位体積当たりの質量密度が大きな、鉄を含む合金によって形成されている。そのため、このようなエンドプレートの変形を許容しつつ薄型化することにより、積層体を構成する他の部材に設ける凸形状に起因する重量増加があっても、燃料電池全体を小型化・軽量化することができる。なお、上記凸形状は、燃料電池を構成する積層体が備えるいずれか一種の薄板状部材のみに設けるのではなく、複数種類の部材に設けても良い。積層体の構成部材の少なくとも一部が、積層面内で厚みが変化する形状であることにより、燃料電池全体で面圧分布を均一化できれば良い。
【００６３】
Ｄ２．変形例２：
実施例では、テンションプレート２８と、１２箇所に設けたネジ２９によって締結部を形成したが、締結部は異なる構成としても良い。例えば、各テンションプレート２８に代えて、積層方向に延出して設けられて、両端で各エンドプレート２０とねじ止めされる３本の棒状部材を設けても良い。あるいは、テンションプレート２８とエンドプレート２０とのねじ止め箇所は、エンドプレート２０の一辺当たり３箇所ではなく、２箇所、あるいは４箇所以上としても良い。また、エンドプレート２０とテンションプレート２８との間は、ねじ止め以外の方法によって締結しても良い。いずれの場合であっても、設けた締結部の位置に応じて、積層体の構成部材に形成する凸形状を適宜設定すればよい。積層面における面圧分布を均一化するには、締結部位からより遠く、積層体に加えられる締結圧がより低い（荷重抜けの程度がより大きくなる）領域ほど、厚みを厚くした形状となるように、凸形状を形成すれば良い。
【００６４】
Ｄ３．変形例３：
実施例では、燃料電池１０は固体高分子型燃料電池としたが、異なる種類の燃料電池に本発明を適用しても良い。例えば、固体電解質型燃料電池に本発明を適用する場合には、固体酸化物から成る電解質層において、既述した凸形状を形成しても良い。燃料電池を構成する積層体において、エンドプレートの内側に配置される積層部材のいずれかの部材が、既述した凸形状を有しているならば、同様の効果を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００６５】
【図１】燃料電池１０の概略構成を表わす断面模式図である。
【図２】燃料電池１０の外観を表わす斜視図である。
【図３】単セル３５の概略構成を表わす断面模式図である。
【図４】積層体の締結時にエンドプレートが変形する様子を表わす図である。
【図５】板状部材の厚みと変形量の最大値との合計と、板状部材の厚みとの関係を表わす説明図である。
【図６】絶縁板２４の形状の概略を表わす説明図である。
【図７】締結時の力の釣り合いの様子を表わす説明図である。
【符号の説明】
【００６６】
１０…燃料電池
２０…エンドプレート
２４…絶縁板
２６…集電板
２８…テンションプレート
２９…ネジ
３０…セル積層体
３５…単セル
４０…電解質膜
４１…アノード
４２…カソード
４３，４４…ガス拡散層
４５，４６…ガスセパレータ
４７…単セル内燃料ガス流路
４８…単セル内酸化ガス流路
【図１】
2008171598.tif 000007
【図２】
2008171598.tif 000008
【図３】
2008171598.tif 000009
【図４】
2008171598.tif 000010
【図５】
2008171598.tif 000011
【図６】
2008171598.tif 000012
【図７】
2008171598.tif 000013