(57)【要約】      （修正有）【課題】燃料電池スタックに加わる締結荷重の変化を軽減する技術を提供する。【解決手段】燃料電池スタックにおいて、電解質膜２０を含む発電部２００に締結荷重を加える発電部締結部材１２ａと、電解質膜２０を含まない非発電部３００に締結荷重を加える非発電部締結部材１２ｂとを異なる構成部材で構成する。発電部締結部材１２ａの線膨張係数αｃｅを発電部２００を構成する各層の構成部材の線膨張係数を各層の厚みにより重み付き平均することによって得た平均線膨張係数αｅより低くなるように構成する。非発電部締結部材１２ｂの線膨張係数αｃｎと非発電部３００の平均線膨張係数αｎとを同じかほぼ等しくなるように構成する。【選択図】図６
2008047321.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池スタックであって、
単セルを積層したセルスタックと、
前記セルスタックを両側から挟持するエンドプレートと、
前記セルスタックと前記エンドプレートとを締結するための締結具と、
を備え、
前記単セルは、電解質膜を含む発電部位と電解質膜を含まない非発電部位とを有し、
前記締結具は、発電部締結具と非発電部締結具とを含み、
前記発電部締結具は前記非発電部締結具よりも前記発電部位に近い部位に設けられており、
前記非発電部締結具の線膨張係数は前記非発電部位を構成する部材の線膨張係数の厚み方向の平均である非発電部線膨張係数とほぼ同じ値であり、
前記発電部締結具の線膨張係数は前記非発電部締結具の線膨張係数より大きい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であって、
前記燃料電池スタックの起動前から運転継続時までに発生する前記発電部位の熱膨張量と前記電解質膜の膨潤による膨張量との合計が、前記発電部締結具の熱膨張量とほぼ同じであることを特徴とする燃料電池スタック。
【請求項３】
請求項１または請求項２記載の方法であって、
前記発電部締結具は、前記発電部位に囲まれた部位に設けられてい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】
この発明は、燃料電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は、通常は単セルを積層したセルスタックを有している。単セルとは、電解質膜を２つの電極層で挟持した膜電極接合体（ＭＥＡ；Ｍｅｍｂｒａｎｅ  Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ  Ａｓｓｅｍｂｌｙ）をさらにセパレータで挟持した発電モジュールである。セルスタックは、両側からエンドプレートによって挟持された状態で締結部材によって積層方向に締結荷重がかけられ燃料電池スタックとなる。
【０００３】
ところで、そうした燃料電池スタックにおいては、燃料電池スタックの環境温度や使用状態の変化によって、エンドプレート及び締結部材によって加えられる締結荷重が大きく変化する場合がある。例えば、燃料電池スタックの運転を継続し作動温度が上昇した場合に、セルスタックの積層方向への熱膨張量と締結部材の同方向への熱膨張量との差によって締結荷重は増加又は減少する傾向がある。
【０００４】
そのような締結荷重が増加しすぎると最悪の場合、燃料電池スタックの構成部材の破損を引き起こす可能性がある。また、締結荷重が減少しすぎると、燃料電池スタックの構成部材間の密着度が低下しガスの漏洩などを引き起こすなど、燃料電池スタックの出力低下の原因となる場合がある。従って、燃料電池スタックにかかる締結荷重は一定していることが好ましい。
【０００５】
そうした締結荷重を一定に保つために、セルスタックとエンドプレートとの間にロードセルなどのバネ機構を設けた燃料電池スタックが一般に知られている。また、燃料電池スタックの構成部材及び締結部材の線膨張係数に着目して締結荷重を燃料電池スタックの温度変化に対し一定に保つ技術が提案されている（特許文献１）。
【０００６】
【特許文献１】特開２００２−５０３９３
【０００７】
しかし、ロードセルなどを設けた燃料電池スタックの場合は、燃料電池スタックの部品数増加によるコストアップや重量増／体積増といった問題がある。また、特許文献１に示された技術においては、燃料電池スタックの環境温度のみに着目しているため根本的な解決には至っていない。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本発明は、燃料電池スタックに加わる締結荷重の変化を軽減する技術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】
上記目的を達成するために、本発明は、燃料電池スタックであって、単セルを積層したセルスタックと、前記セルスタックを両側から挟持するエンドプレートと、前記セルスタックと前記エンドプレートとを締結するための締結具とを備え、前記単セルは、電解質膜を含む発電部位と電解質膜を含まない非発電部位とを有し、前記締結具は、発電部締結具と非発電部締結具とを含み、前記発電部締結具は前記非発電部締結具よりも前記発電部位に近い部位に設けられており、前記非発電部締結具の線膨張係数は前記非発電部位を構成する部材の線膨張係数の厚み方向の平均である非発電部線膨張係数とほぼ同じ値であり、前記発電部締結具の線膨張係数は前記非発電部締結具の線膨張係数より大きいことを特徴とする。
【００１０】
この構成によれば、燃料電池スタックを運転したときに、発電部位が各構成部材の熱膨張及び電解質膜の膨潤などによりスタック積層方向に膨張した場合でも、発電部締結具の膨張量が発電部位の膨張量より大きいため、発電部位にかかる締結荷重が増加することを防げる。また、非発電部位における各構成部材の単セルの厚み方向の熱膨張量と非発電部締結具の膨張量がほぼ等しくなり、非発電部位にかかる締結荷重をほぼ一定にすることができる。従って、燃料電池スタック全体で見たときに、燃料電池スタックにかかる締結荷重の変化を軽減できる。
【００１１】
前記燃料電池スタックの起動前から運転継続時までに発生する前記発電部位の熱膨張量と前記電解質膜の膨潤による膨張量との合計が、前記発電部締結具の熱膨張量とほぼ同じであることを特徴とするものとしても良い。
【００１２】
この構成によれば、各構成部材の熱膨張や電解質膜の膨潤によって発電部に加わる締結荷重の変化を低減することをできる。
【００１３】
前記発電部締結具は、前記発電部位に囲まれた部位に設けられていることを特徴とするものとしても良い。
【００１４】
この構成によれば、発電部締結具によって直接発電部位に締結荷重を加えることができるため、より燃料電池スタックに加わる締結荷重の変化を軽減することができる。
【００１５】
なお、本発明は、種々の形態で実現することが可能であり、例えば燃料電池、その燃料電池を使用した燃料電池システム、その燃料電池を備えた車両等の形態で実現することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
次に、本発明の実施の形態を実施例に基づいて以下の順序で説明する。
Ａ．参考例：
Ｂ．第１実施例：
Ｃ．第２実施例：
Ｄ．変形例：
【００１７】
Ａ．参考例：
図１は参考例として燃料電池スタック１００の構成を示す概略図である。燃料電池スタック１００は、単セル１０を積層したセルスタック１００ｓを両側から２つのエンドプレート１１ａ、１１ｂによって挟持した構成である。単セル１０については後述する。
【００１８】
２つのエンドプレート１１ａ、１１ｂはセルスタック１００ｓと重ねたときにセルスタック１００ｓと接しない外縁部１１ｅを有している。２つのエンドプレート１１ａ、１１ｂの四隅には外縁部１１ｅを貫通する締結部材１２が設けられている。締結部材１２によって２つのエンドプレート１１ａ、１１ｂは、セルスタック１００ｓを締め付け、セルスタック１００ｓの積層方向に締結荷重をかけている。
【００１９】
締結部材１２は、セルスタック１００ｓの積層方向に延びたシャフト部１２ｓを備えている。また、シャフト部１２ｓの両端にはナット部１２ｎが設けられている。なお、締結部材１２は他の形状のものとしても良く、また、２つのエンドプレート１１ａ、１１ｂの四隅以外の部位にさらに複数の締結部材１２が設けられているものとしても良い。
【００２０】
図２（Ａ）は、燃料電池スタック１００を構成する単セル１０の断面を示す概略図である。単セル１０は、膜電極接合体ＭＥＡが２つのセパレータＳＰ（後述）で挟持された発電モジュールである。膜電極接合体ＭＥＡは、湿潤状態で良好なプロトン伝導性を示す電解質膜２０を２つの電極層２１、２２で挟持したものであり、その外周縁にはシールガスケット３０が成形されている。
【００２１】
２つの電極層２１、２２の電解質膜２０と接しない外面には燃料ガス及び酸化ガス（両者を併せて「反応ガス」と呼ぶ）を電極層２１、２２の全体に供給するためのガス拡散層２５がそれぞれ設けられている。ガス拡散層２５は、膜電極接合体ＭＥＡがセパレータＳＰによって挟持されたときに電極層２１、２２と接しない外面がセパレータＳＰと接するように設けられている。また、２つの電極層２１、２２には電気化学反応を促進するための触媒層が、例えば白金などを担持することによって設けられていることが好ましい。
【００２２】
シールガスケット３０は、膜電極接合体ＭＥＡに供給された反応ガスの単セル１０の外部への漏洩やクロスリークを防ぐためのものである。ここで「クロスリーク」とは、アノード電極層２１に供給された燃料ガスの一部が燃料電池反応に供されることなく、そのまままカソード電極層２２へと漏洩することをいう。さらにシールガスケット３０には反応ガス及び冷媒をセルスタック１００ｓ（図１）の各単セル１０に供給するための複数の貫通孔であるマニホールド孔Ｍ１〜Ｍ６が設けられている。
【００２３】
マニホールド孔Ｍ１〜Ｍ６は、反応ガス及び冷媒の供給用マニホールド孔Ｍ１〜Ｍ３と排出用マニホールド孔Ｍ４〜Ｍ６とを含む。より具体的には、供給用マニホールド孔Ｍ１〜Ｍ３は、燃料ガスの供給用マニホールド孔Ｍ１と、酸化ガスの供給用マニホールド孔Ｍ２と、冷媒の供給用マニホールド孔Ｍ３とで構成される。排出用マニホールド孔Ｍ４〜Ｍ６は、燃料ガスの排出用マニホールド孔Ｍ４と、酸化ガスの排出用マニホールド孔Ｍ５と、冷媒の排出用マニホールド孔Ｍ６とで構成される。供給用マニホールド孔Ｍ１〜Ｍ３と排出用マニホールド孔Ｍ４〜Ｍ６とは、電解質膜２０を挟んで対向する部位にそれぞれ設けられている。なお、マニホールド孔Ｍ１〜Ｍ６は他の構成であっても良い。
【００２４】
セパレータＳＰは、アノード電極層２１側のガス拡散層２５に接するアノードプレート４１と、カソード電極層２２側のガス拡散層２５に接するカソードプレート４３とを備える。また、セパレータＳＰは、２つのプレート４１、４３に挟持される冷却プレート４２を備えている。セパレータＳＰには膜電極接合体ＭＥＡと同様に貫通孔であるマニホールド孔Ｍ１〜Ｍ６が設けられている。セパレータＳＰのマニホールド孔Ｍ１〜Ｍ６は、膜電極接合体ＭＥＡのマニホールド孔Ｍ１〜Ｍ６に接続している。
【００２５】
３枚のプレート４１、４２、４３は導電性のある金属板で構成されているため、セパレータＳＰは燃料電池反応で生じた電気を集電する機能を有している。また、冷却プレート４２には冷却プレート４２を厚み方向に貫通し、冷媒供給用マニホールド孔Ｍ３から冷媒排出用マニホールド孔Ｍ６に向かう方向に複数の冷媒流路（図示せず）が並列に設けられている。冷媒流路は、マニホールド孔Ｍ３、Ｍ６と接続しており、冷媒が流入することによって単セル１０を冷却する機能を有している。
【００２６】
シールガスケット３０の表面にはリップと呼ばれる突起部（図示せず）が設けられている。リップはシールライン（図示せず）を形成しており、リップがセパレータＳＰに押圧されることによって、シールガスケット３０と２つのプレート４１、４３との間に、マニホールド孔Ｍ１、Ｍ２、Ｍ４、Ｍ５からガス拡散層２５に反応ガスを供給するための流路が形成される。即ち、セパレータＳＰは、膜電極接合体ＭＥＡに反応ガスを供給する機能を有している。
【００２７】
なお、セパレータＳＰは３枚のプレート４１、４２、４３を備えた３層型セパレータでなくとも良い。例えば、セパレータＳＰは、膜電極接合体ＭＥＡとの接触面に反応ガスの流路となる溝が設けられたものとしても良い。
【００２８】
図２（Ｂ）は、単セル１０を燃料電池スタック１００として組み付けエンドプレート１１ａ側から見たときの概略図である。エンドプレート１１ａにも単セル１０と同様に貫通孔であるマニホールド孔Ｍ１〜Ｍ６が設けられている。エンドプレート１１ａのマニホールド孔Ｍ１〜Ｍ６は単セル１０に設けられたマニホールド孔Ｍ１〜Ｍ６と接続している。マニホールド孔Ｍ１〜Ｍ６は、燃料電池スタック１００の外部にある反応ガスや冷媒を供給するための反応ガス供給部（図示せず）や冷媒供給部（図示せず）と接続する。
【００２９】
なお、本明細書において単セル１０の電解質膜２０を含み、主に燃料電池反応の行われる部位を「発電部２００」と呼び、電解質膜２０をほとんど含まず、燃料電池反応の行われない部位を「非発電部３００」と呼ぶ。即ち、発電部２００は、主に電解質膜２０と、電極層２１、２２と、ガス拡散層２５とが積層された構成であり、非発電部３００は主にシールガスケット３０とセパレータＳＰとが積層された構成である。
【００３０】
燃料電池は一般に、使用状況によって温度変化が著しい。具体的には、その作動温度が−３０℃〜６０℃にまで変化する場合がある。また、燃料電池は一般に、湿潤状態で作動させることが好ましいため、起動時に乾燥状態であっても、運転動作中は湿潤状態に保たれる。
【００３１】
燃料電池スタックの各構成部材は、燃料電池スタックの作動温度が上昇すれば、その線膨張係数に応じた量の膨張をする。また、電解質膜を構成する電解質膜は、湿度による膨潤が著しいことが一般に知られている。ここで、燃料電池スタックの単セルの各構成部材の積層方向への膨張量の合計を「スタック膨張量」と呼ぶ。スタック膨張量は、熱による膨張量と湿潤化による膨張量との和である。また、燃料電池スタックを締結する締結部材の単セルの積層方向への膨張量を「締結部材膨張量」と呼ぶ。
【００３２】
燃料電池スタックの起動前から継続運転時までに発生するスタック膨張量と締結部材膨張量との間で差が生じると、その分だけ締結部材によって燃料電池スタックにかかる締結荷重（以下、単に「締結荷重」と呼ぶ）は変化する。より具体的には、スタック膨張量より締結部材膨張量が小さい場合には、締結荷重は増加し、スタック膨張量より締結部材膨張量が大きい場合には、締結荷重は減少する。
【００３３】
締結荷重の増加が著しいときには、電解質膜の破壊など各構成部材の破損の可能性が増し、締結荷重の低下が著しいときには、燃料電池スタックの出力低下や、ガスの漏洩の原因となる場合がある。従って、締結荷重は一般に燃料電池スタックの環境温度や動作状態に関わらず一定していることが好ましい。
【００３４】
図３（Ａ）は、燃料電池スタック１００の動作温度の変化に対する締結荷重の変化を示したグラフである。グラフＧ１は、燃料電池スタック１００が乾燥状態で−３０℃〜６０℃の温度変化をした場合を示し、グラフＧ２は、燃料電池スタック１００が湿潤状態で−３０℃〜６０℃の変化をした場合を示している。即ち、これらのグラフＧ１、Ｇ２における締結荷重の変化は、スタック膨張量のうち熱膨張によるもの（以下「スタック熱膨張量」と呼ぶ）と締結部材膨張量の差によって生じていることを示している。
【００３５】
なお、スタック熱膨張量及び締結部材膨張量の差は、燃料電池スタックの線膨張係数αｓ及び締結部材の線膨張係数αｃの差によって発生する。ここで、一般に積層体の積層方向の線膨張係数は、各層の線膨張係数を、各層の厚みで重み付き平均することによって求めることができる。燃料電池スタックの線膨張係数αｓも、各層の構成部材の線膨張係数とその厚みによって求めることができる。
【００３６】
２つのグラフＧ１、Ｇ２からも理解できるように、この燃料電池スタック１００では、スタック熱膨張量より締結部材膨張量が大きく、作動温度が上昇するに従い締結荷重が低下する。これは乾燥状態においても湿潤状態においても同様である。ただし、湿潤状態の燃料電池スタック１００では電解質膜２０の膨潤による膨張量が加わるため、締結荷重は乾燥状態の燃料電池スタック１００より高くなる。後述するように、燃料電池スタック１００では、起動時（作動温度−３０℃；乾燥状態）の締結荷重と運転動作継続時（作動温度６０℃；湿潤状態）の締結荷重がほぼ一致するように部材が選択される。
【００３７】
図３（Ｂ）は、燃料電池スタック１００の各構成部材の線膨張係数及び燃料電池スタックの線膨張係数αｓと膨張量の計算結果の一例を示した表である。なお、膨張量の計算にあたっては、燃料電池スタック１００を起動前から継続運転時までに、その作動温度が−３０℃から６０℃に変化した場合の単セル１０あたりの発電部２００（図２（Ｂ））における厚み方向の膨張量を計算する。
【００３８】
参考例の単セル１０は、セパレータＳＰがチタン（厚み４６００μｍ、線膨張係数８．２×１０−６／℃）で構成され、ガス拡散層２５はカーボンクロス（厚み１５０μｍ×２層、線膨張係数９６×１０−６／℃）で構成されているものとする。また、電極層２１、２２を含んだ電解質膜２０を、ゴア膜（厚み３０μｍ、線膨張係数４６×１０−６／℃）として計算する。すると、燃料電池スタック１００の線膨張係数αｓは１３．８×１０−６／℃となり、−３０℃〜６０℃の温度変化量９０℃に対する単セル１０の熱膨張量Ｅ１０Ｄを求めと、約６．１μｍとなる。
【００３９】
電解質膜２０は、燃料電池スタック１００の起動時の乾燥状態から運転を継続した湿潤状態では、膨潤によりその厚みに対して約２割程度の膨張量を示すことが知られている。そこで、上で求めた膨張量Ｅ１０Ｄに対して電解質膜２０の膨潤による膨張量６．０μｍを加算することによって、湿潤状態における単セル１０の膨張量Ｅ１０Ｗを求めると、約１２．１μｍとなる。
【００４０】
一方、締結部材１２の構成部材としてガラスエポキシ樹脂（線膨張係数２８×１０−６／℃）を採用した場合における締結部材１２の単セル１０の厚み（４９３０μｍ）あたりの温度変化量９０℃に対する膨張量Ｅ１２は、約１２．４μｍとなる。これは上記の湿潤状態における単セル１０の膨張量Ｅ１０Ｗ（＝１２．１μｍ）とほぼ一致する。
【００４１】
従って、燃料電池スタック１００は図３（Ａ）において矢印で示すように、締結荷重がほぼ一定に保たれる。なお、単セル１０の線膨張係数（１３．８×１０−６／℃）は、ガラスエポキシ樹脂の線膨張係数（２８×１０−６／℃）より低い値である。
【００４２】
ところで、上述した単セル１０の膨張量Ｅ１０Ｗは、発電部２００の構成に従って求めた線膨張係数を基に計算を行っている。しかし、図２（Ｂ）に示すように、単セル１０は電解質膜２０をほとんど含まない非発電部３００を有しており、発電部２００と非発電部３００とでは、積層方向への膨張量及び線膨張係数が異なる。従って、締結部材１２が発電部２００に近い部位に設けられた場合と非発電部３００に近い部位に設けられた場合とでは締結荷重の変化に差が生じてしまう。
【００４３】
そこで、以下に、参考例に示した考え方をもとにして、締結荷重をより安定した値に維持することができる燃料電池スタックの構成を本発明の実施例として説明する。
【００４４】
Ｂ．第１実施例：
図４は、本発明の第１実施例としての燃料電池スタック１００Ａを示す斜視図である。第１実施例の燃料電池スタック１００Ａは、締結部材１２に替えて２種類の締結部材１２ａ、１２ｂが設けられている点以外は参考例の燃料電池スタック１００とほぼ同じである。
【００４５】
第１実施例の燃料電池スタック１００Ａは、構成部材の異なる２種類の板状の締結部材１２ａ、１２ｂが設けられている。締結部材１２ａ、１２ｂは、対向する２つの端面がそれぞれエンドプレート１１ａ、１１ｂの各辺に接するように配置され、エンドプレート１１ａ、１１ｂを貫通するネジ１３によって固定されることによって燃料電池スタック１００ａを締結している。
【００４６】
締結部材１２ａ、１２ｂのうち、単セル１０の発電部２００に近い部位に設けられたものを発電部締結部材１２ａと呼び、非発電部３００に近い部位に設けられたものを非発電部締結部材１２ｂと呼ぶ。より具体的には、エンドプレート１１ａのマニホールド孔Ｍ１〜Ｍ６の設けられていない２辺に接するように配置された１組の締結部材が発電部締結部材１２ａであり、残りの２辺に接するように配置された１組の締結部材が非発電部締結部材１２ｂである。
【００４７】
なお、発電部締結部材１２ａ及び非発電部締結部材１２ｂは、板形状のものでなくとも良く、燃料電池スタックに締結荷重をかけることができるのであれば他の構成であっても良い。
【００４８】
図５は、第１実施例の燃料電池スタック１００Ａの各構成部材の線膨張係数及び燃料電池スタック１００Ａの線膨張係数と膨張量の計算結果の一例を示した表である。上述したように発電部２００と非発電部３００とでは層構造が異なるため、図５に示す表では、上段に発電部２００について示し、下段に非発電部３００について示してある。なお、膨張量の計算にあたっては、参考例と同様に、燃料電池スタック１００Ａを起動前から継続運転時までに、その作動温度が−３０℃から６０℃に変化した場合の単セル１０あたりの厚み方向の膨張量を計算する。
【００４９】
発電部２００の層構造は、図３（Ｂ）に示した燃料電池スタック１００の層構造と同じであるため、発電部２００の線膨張係数αｅは図３（Ｂ）に示した燃料電池スタック１００の線膨張係数αｓと同じである。また、膨張量Ｅ１０Ｄ、Ｅ１０Ｗについても同じである。発電部締結部材１２ａは、参考例の締結部材１２と同じくガラスエポキシ樹脂で構成することができる。従って、発電部締結部材１２ａの線膨張係数αｃｅは参考例の締結部材１２の線膨張係数αｃと同じとなる。
【００５０】
次に、非発電部３００の線膨張係数αｎを基に温度変化量９０℃に対する積層方向の膨張量を計算する。非発電部３００は、セパレータＳＰがチタン（厚み４６００μｍ、線膨張係数８．２×１０−６／℃）で構成され、シールガスケット３０がシリコンゴム（厚み２０００μｍ、線膨張係数３０×１０−６／℃）で構成される。従って、非発電部線膨張係数αｎは１４．８×１０−６／℃となり、非発電部３００の温度変化量９０℃に対する積層方向の膨張量Ｅ３００は８．８μｍとなる。
【００５１】
なお、シールガスケット３０は、燃料電池１００Ａに組み付けられたときにその厚みが、発電部２００の電解質膜２０（電極層２１、２２を含む）と２つのガス拡散層２５との厚みの合計３３０μｍと等しくなるように圧縮される。但し、非発電部３００の膨張量の計算では、シールガスケット３０の非圧縮時の厚み（＝２０００μｍ）を使用して計算を実行する。
【００５２】
非発電部締結部材１２ｂは、ステンレス鋼（ＳＵＳ３０４）で構成されている。非発電部締結部材１２ｂの線膨張係数αｃｎは１４．８×１０−６／℃となり、温度変化量９０℃に対する積層方向の膨張量Ｅ１２ｂは８．８μｍとなる。非発電部３００の線膨張係数αｎと非発電部締結部材の線膨張係数αｃｎとはほぼ一致し、膨張量Ｅ３００、Ｅ１２ｂも同もほぼ一致する。従って、非発電部３００における締結荷重は一定に保つことができる。
【００５３】
このように、発電部締結部材１２ａは、発電部２００の線膨張係数αｅより低い線膨張係数αｃを有する部材を採用する。また、非発電部締結部材１２ｂは、非発電部３００の線膨張係数αｎと同じかほぼ等しい値（例えば線膨張係数αｎ±１０％程度の値）を有する部材を採用する。
【００５４】
この結果、燃料電池スタックの環境温度や動作状態に関わらず燃料電池スタックに対して、その部位ごとに締結荷重の変化を軽減することができる。従って、締結荷重の変化による燃料電池スタックの構成部材の破損やガス漏れの発生などの可能性を低減できる。
【００５５】
特に、上記の説明のように低温起動時には燃料電池スタックは乾燥状態にある場合が多い。低温起動時と運転継続時における締結荷重の差が低減されることによって、電極層と電解質膜及びガス拡散層との接触面における面圧の低下を低減することができ、さらに他の構成部材間の接触抵抗を低減することもできる。そのため燃料電池の起動をスムーズに行うことができる。
【００５６】
なお、発電部締結部材１２ａは、燃料電池スタック１００Ａの起動前から運転継続時までに発生する発電部２００の積層方向への熱膨張量と電解質膜２０の膨潤による膨張量との合計が発電部締結部材１２ａの同方向への膨張量とほぼ同じとなるように構成部材を選択するものとしても良い。ここで、「膨張量がほぼ同じ」とは、例えば一方のが他方の膨張量の０．９〜１．１倍の範囲の値を有している場合を意味する。
【００５７】
なお、発電部締結部材１２ａとしてガラスエポキシ樹脂に替えてアルミ（線膨張係数２３×１０−６／℃）を採用しても良い。その場合の締結部材１２ａの温度変化量９０℃に対する膨張量Ｅ１２ａは１０．２μｍとなる。これは、発電部２００の単セル１０の湿潤状態における単セル１０の膨張量Ｅ１０Ｗ＝１２．１μｍより低い値である。ところで、発電部締結部材１２ａに非発電部締結部材１２ｂと同じＳＵＳ３０４を採用した場合には、発電部締結部材１２ａの膨張量Ｅ１２ａは６．６μｍとなる。従って、発電部締結部材１２ａとしてアルミを採用した方が、非発電部締結部材１２ｂと同じＳＵＳ３０４を採用３０４を採用するよりも締結荷重の変化は低減されている。
【００５８】
Ｃ．第２実施例：
図６（Ａ）は、本発明の第２実施例としての燃料電池スタック１００Ｂを示す斜視図である。図６（Ａ）の燃料電池スタック１００Ｂは、２種類の締結部材１２ａ、１２ｂの形状及び位置が異なる点以外は第１実施例の燃料電池スタック１００Ａと同じである。
【００５９】
２つの締結部材１２ａ、１２ｂは、参考例と同様のものであり、シャフト部１２ｓとナット部１２ｎとで構成されている。発電部締結部材１２ａは、発電部２００を貫通するように設けられており、非発電部締結部材１２ｂは、エンドプレート１１ａ、１１ｂの四隅に設けられている。なお、２つの締結部材１２ａ、１２ｂは他の構成でも良く、例えば非発電部締結部材１２ｂが第１実施例と同様に板形状として設けられていても良い。発電部締結部材１２ａは発電部２００に直接締結荷重をかけることができる構成であれば良い。
【００６０】
図６（Ｂ）は、燃料電池スタック１００Ｂを構成する単セル１０に含まれる膜電極接合体ＭＥＡ２を示す斜視図である。膜電極接合体ＭＥＡ２は、発電部締結部材１２ａが貫通する貫通孔１４と、貫通孔１４の内壁面をシールするシールガスケット３１が設けられている点以外は、参考例の膜電極接合体ＭＥＡと同じである。シールガスケット３１は、貫通孔１４におけるクロスリークを防ぐために設けられている。
【００６１】
発電部締結部材１２ａが発電部２００を貫通しているので、発電部２００に対して直接的に締結荷重が加わることになる。従って燃料電池スタック１００Ｂは、第１実施例の燃料電池スタック１００Ａよりさらに締結荷重の変化を軽減することができる。従って、燃料電池スタックの構成部材の破損やガス漏れの発生などの可能性がさらに低減される。
【００６２】
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。
【００６３】
Ｄ１．変形例１：
上記実施例における構成部材及び各層の厚みは第１実施例を説明するための一例に過ぎず、これらに限定されるものではない。構成部材としては他のものを採用しても良く、各層の厚みも構成部材に合わせて任意に変更することができる。
【００６４】
Ｄ２．変形例２：
上記実施例において、膨張量を計算する際に単セルごとに計算しているが、エンドプレートの厚み方向の膨張量を考慮し、燃料電池スタック全体の積層方向の膨張量を計算するものとしても良い。
【図面の簡単な説明】
【００６５】
【図１】参考例における燃料電池スタック１００を示す概略図。
【図２】参考例における単セル１０を説明するための説明図。
【図３】燃料電池スタックの温度変化に対する締結荷重の変化を示すグラフ及び燃料電池スタックの線膨張係数及び膨張量を示す表。
【図４】第１実施例の燃料電池スタック１００Ａを示す概略図。
【図５】第１実施例の燃料電池スタック１００Ａの線膨張係数及び膨張量を示す表。
【図６】第２実施例の燃料電池スタック１００Ｂを示す概略図。
【符号の説明】
【００６６】
１０…単セル
１１ａ…エンドプレート
１１ｅ…外縁部
１２…締結部材
１２ａ…発電部締結部材
１２ｂ…非発電部締結部材
１２ｎ…ナット部
１２ｓ…シャフト部
１３…ネジ
１４…貫通孔
２０…電解質膜
２１…アノード電極層
２２…カソード電極層
２５…ガス拡散層
３０、３１…シールガスケット
４１…アノードプレート
４２…冷却プレート
４３…カソードプレート
１００…燃料電池スタック
１００Ａ…燃料電池スタック
１００Ｂ…燃料電池スタック
１００ｓ…セルスタック
２００…発電部
３００…非発電部
Ｍ１〜Ｍ３…供給用マニホールド孔
Ｍ４〜Ｍ６…排出用マニホールド孔
ＭＥＡ、ＭＥＡ２…膜電極接合体
ＳＰ…セパレータ
【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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