(57)【要約】【課題】ＭＥＡ構成のセルを複数積層してなる燃料電池スタックにおいて、接触抵抗の分布を小さくすることにより、セル電圧の分布を小さくする。【解決手段】アノード側電極１２とカソード側電極１３のそれぞれに配置されるガス拡散層２０を、加圧変形度の大きな第１ガス拡散層２０ａと、加圧変形度の小さな第２ガス拡散層２０ｂとからなる二層構造とし、且つ、第１ガス拡散層２０ａの厚みと、第２ガス拡散層２０ｂの厚みを、燃料電池スタックの積層方向に沿って変化させた構成とする。【選択図】    図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電解質膜の両面にアノード側電極とカソード側電極とを接合して単位電池を構成し、当該単位電池をセパレータを介して複数個積層してなる燃料電池スタックにおいて、
前記アノード側電極と前記カソード側電極のそれぞれに配置されるガス拡散層を、加圧変形度の大きなガス拡散層と、加圧変形度の小さなガス拡散層とからなる二層構造とし、且つ、前記加圧変形度の大きなガス拡散層の厚みと、加圧変形度の小さなガス拡散層の厚みを、前記燃料電池スタックの積層方向に沿って変化させたことを特徴とする燃料電池スタック。
【請求項２】
電解質膜の両面にアノード側電極とカソード側電極とを接合して単位電池を構成し、当該単位電池をセパレータを介して複数個積層してなる燃料電池スタックにおいて、
前記アノード側電極と前記カソード側電極のそれぞれに配置されるガス拡散層を、加圧変形度の大きなガス拡散層と、加圧変形度の小さなガス拡散層とからなる二層構造とし、且つ、前記加圧変形度の大きなガス拡散層の厚みと、加圧変形度の小さなガス拡散層の厚みを、前記単位電池の面内において変化させたことを特徴とする燃料電池スタック。
【請求項３】
前記加圧変形度の小さなガス拡散層の厚みのみを変化させたことを特徴とする請求項１又は２に記載の燃料電池スタック。
【請求項４】
前記加圧変形度の大きなガス拡散層の厚みのみを変化させたことを特徴とする請求項１又は２に記載の燃料電池スタック。
【請求項５】
電解質膜の両面にアノード側電極とカソード側電極とを接合して単位電池を構成し、当該単位電池をセパレータを介して複数個積層してなる燃料電池スタックにおいて、
前記アノード側電極と前記カソード側電極のそれぞれに配置されるガス拡散層を、加圧変形度の大きなガス拡散層と、加圧変形度の小さなガス拡散層とからなる二層構造とし、且つ、前記燃料電池スタックの積層方向に沿って、前記加圧変形度の大きなガス拡散層の厚みのみを前記単位電池の面内において変化させたことを特徴とする燃料電池スタック。
【請求項６】
電解質膜の両面にアノード側電極とカソード側電極とを接合して単位電池を構成し、当該単位電池をセパレータを介して複数個積層してなる燃料電池スタックにおいて、
前記アノード側電極と前記カソード側電極のそれぞれに配置されるガス拡散層を、加圧変形度の大きなガス拡散層と、加圧変形度の小さなガス拡散層とからなる二層構造とし、且つ、前記燃料電池スタックの積層方向に沿って、前記加圧変形度の小さなガス拡散層の厚みのみを前記単位電池の面内において変化させたことを特徴とする燃料電池スタック。
【請求項７】
前記燃料電池スタックの積層方向の中心部分に配置される前記単位電池は、加圧変形度の大きなガス拡散層の厚みが、加圧変形度の小さなガス拡散層の厚みよりも大きいことを特徴とする請求項１又は４に記載の燃料電池スタック。
【請求項８】
前記単位電池の面内の中央部分において、加圧変形度の大きなガス拡散層の厚みが、加圧変形度の小さなガス拡散層の厚みよりも大きいことを特徴とする請求項２又は４に記載の燃料電池スタック。
【請求項９】
前記セパレータは、少なくとも前記アノード側電極に供給される燃料ガスの流路と、前記燃料電池スタック内部を冷却するための冷却媒体の流路とを有し、前記単位電池の面内において、前記セパレータの前記燃料ガスの流路と前記冷却媒体の流路とが平行する領域では前記加圧変形度の大きなガス拡散層の厚みを小さくし、前記燃料ガスの流路と前記冷却媒体の流路とが直交する領域では、前記前記加圧変形度の大きなガス拡散層の厚みを大きくすることを特徴とする請求項４、６又は８のいずれか１項に記載の燃料電池スタック。
【請求項１０】
前記加圧変形度の大きなガス拡散層は、前記電解質膜側に配置されることを特徴とする請求項１乃至９のいずれか１項に記載の燃料電池スタック。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、電解質膜をアノード側電極とカソード側電極とで挟んで単位電池を構成し、この単位電池をセパレータを介して複数積層してなる燃料電池スタックに関する。
【背景技術】
【０００２】
固体高分子型燃料電池は、高分子イオン交換膜（陽イオン交換膜）の両側に、それぞれ触媒層及びガス拡散層からなるアノード側電極及びカソード側電極を対設した単位燃料電池セルを、セパレータによって挟持することにより構成されている。固体高分子型燃料電池は、通常、単位燃料電池セル及びセパレータを所定数だけ積層することにより、燃料電池スタックとして使用されている。
【０００３】
上記燃料電池スタックにおいて、触媒層及びガス拡散層からなるアノード側電極に供給された燃料ガス（水素含有ガス）は、ガス拡散層中に拡散し触媒層上で水素イオン化され、適度に加湿された電解質膜を介してカソード側電極側へと移動する。その間に生じた電子が外部回路に取り出され、直流の電気エネルギとして利用される。触媒層及びガス拡散層からなるカソード側電極には、酸化剤ガス、例えば、酸素含有ガスあるいは空気が供給されているために、このカソード側電極において、前記水素イオン、前記電子及び酸素ガスが反応して水が生成される。
【０００４】
ところで、積層されている各単位燃料電池セルに所望の締め付け力が均一に付与されず、燃料電池スタック内に配置されているガス拡散層の変位が不均一となる場合、燃料電池スタック内の接触抵抗の増加や電流密度分布が不均一になる恐れがあり、また、燃料電池スタック内の温度分布が不均一になる恐れがあるため、スタック内のガス拡散層にかかる面圧力分布（ばらつき）を均一に保持する必要がある。
【０００５】
そこで、従来の技術として、セル積層の端にプレッシャプレート、エンドプレートを設け、プレッシャプレートとエンドプレートとの間の何れか少なくとも１箇所に、締結荷重方向に直列に荷重変動低減機構を設ける燃料電池が提案されている（例えば、特許文献１参照）。また、複数層の導電性材料を組み合わせた多層構造を構成し、集電性を向上する構造が提案されている（例えば、特許文献２乃至４参照）。
【特許文献１】特開２００２−１２４２９１号公報
【特許文献２】特開２００１−１６７７７２号公報
【特許文献３】特開２００１−１６７７８５号公報
【特許文献４】特開２００１−１６７７８６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、特許文献１に開示されている燃料電池スタックの構造では、積層セル数が多くなるにしたがって、スタック中央部分の面圧力が低くなるため、積層方向における面圧力分布が大きくなる。このように面圧力分布が大きくなると、例えばカーボンのような導電性材料で構成されるガス拡散層の変位に不均一性が生じ、スタック内で接触抵抗の分布が大きくなるため、セル電圧の分布も大きくなるおそれがある。スタック中央部分の面圧力が低下する原因には、スタック内の各部品の歪、摩擦等による各セル間の圧力伝播の不均一性等が考えられる。また、特許文献２乃至４に開示されている導電性材料の多層構造では、積層方向あるいは単位電池セルの面内に生じる面圧力分布に対して電気伝導性を均一とするには不十分であるため、スタック内で接触抵抗の分布を小さくすることは難しく、セル電圧の分布も大きくなることは避けられない。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記課題を解決するため、請求項１の発明は、電解質膜の両面にアノード側電極とカソード側電極とを接合したＭＥＡ構成のセルを、セパレータを介して複数個積層してなる燃料電池スタックにおいて、前記アノード側電極と前記カソード側電極のそれぞれで触媒層とともに配置されるガス拡散層を、加圧変形度の大きなガス拡散層と、加圧変形度の小さなガス拡散層とからなる二層構造とし、且つ、前記加圧変形度の大きなガス拡散層の厚みと、加圧変形度の小さなガス拡散層の厚みを、前記燃料電池スタックの積層方向に沿って部分的に変化させたことを特徴とする。
【０００８】
請求項２の発明は、電解質膜の両面にアノード側電極とカソード側電極とを接合したＭＥＡ構成のセルを、セパレータを介して複数個積層してなる燃料電池スタックにおいて、前記アノード側電極と前記カソード側電極のそれぞれで触媒層とともに配置されるガス拡散層を、加圧変形度の大きなガス拡散層と、加圧変形度の小さなガス拡散層とからなる二層構造とし、且つ、前記加圧変形度の大きなガス拡散層の厚みと、加圧変形度の小さなガス拡散層の厚みを、前記セルの面内において部分的に変化させたことを特徴とする。
【０００９】
請求項５の発明は、電解質膜の両面にアノード側電極とカソード側電極とを接合したＭＥＡ構成のセルと、セパレータを介して複数個積層してなる燃料電池スタックにおいて、前記アノード側電極と前記カソード側電極のそれぞれに配置されるガス拡散層を、加圧変形度の大きなガス拡散層と、加圧変形度の小さなガス拡散層とからなる二層構造とし、且つ、前記燃料電池スタックの積層方向に沿って、前記加圧変形度の大きなガス拡散層の厚みのみを前記セルの面内において部分的に変化させたことを特徴とする。
【００１０】
請求項６の発明は、電解質膜の両面にアノード側電極とカソード側電極とを接合したＭＥＡ構成のセルを、セパレータを介して複数個積層してなる燃料電池スタックにおいて、前記アノード側電極と前記カソード側電極のそれぞれに配置されるガス拡散層を、加圧変形度の大きなガス拡散層と、加圧変形度の小さなガス拡散層とからなる二層構造とし、且つ、前記燃料電池スタックの積層方向に沿って、前記加圧変形度の小さなガス拡散層の厚みのみを前セルの面内において部分的に変化させたことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、面圧力分布が低下する領域においてセルにかかる面圧力を増やすことができるため、スタック内での接触抵抗の分布が小さくなり、この結果、セル電圧の分布を小さくすることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
以下、本発明に係わる燃料電池スタックの実施例を図１〜図２２を参照しながら説明する。
【００１３】
まず、全実施例にわたって共通するか、又は類似する部分の基本となる構成及び作用を、図１〜３を用いて説明する。本発明に係わる燃料電池スタックは、固体高分子電解質型燃料電池（以下、燃料電池）であり、例えば、燃料電池自動車に搭載される。ただし、自動車以外の用途に用いられてもよい。
【００１４】
図１は、燃料電池スタックの概略斜視図である。燃料電池スタック（以下、適宜にスタックという）１は、起電力を生じる単位電池としてのセル１０を所定数だけ積層した積層電池の形態で形成されている。後述するように、積層されたセル１０は、スタック内部を貫通する図示しないタイロッド等により締結されている。セル１０は、それぞれ固体高分子型燃料電池として形成されており、各セルが１Ｖ程度の起電圧を生じる。
【００１５】
図２は、セル１０の構造を示す分解斜視図である。セル１０は、イオン交換膜からなる電解質膜１１と、この電解質膜１１の一面に接合された触媒層及びガス拡散層からなるアノード側電極（燃料極）１２と、電解質膜１１の他面に接合された触媒層及びガス拡散層からなるカソード側電極（空気極）１３とからなる膜−電極アッセンブリ（以下、ＭＥＡ）１４を主体として、このＭＥＡ１４の両側に、アノード側電極１２に燃料ガス（水素）、またカソード側電極１３に酸化ガス（酸素、通常は空気）をそれぞれ供給するための流体通路を形成するセパレータ１５を、シール材としてのガスケット１６を介して積層した構造を有している。
【００１６】
電解質膜１１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、湿潤状態で良好な電気伝導性を示す。電解質膜１１の表面には、触媒としての白金または白金と他の金属からなる合金が担持されている。アノード側電極１２及びカソード側電極１３はガス拡散電極である。これら電極は、炭素繊維からなる糸で織成したカーボンクロスや、カーボンペーパ、あるいはカーボンフエルトなど、充分なガス拡散性及び導電性を有する部材によって構成される。セパレータ１５は、充分な導電性と強度と耐食性とを有する材料によって形成される。例えば、カーボン材料をプレス成形したものや、また、充分な耐食性を実現可能であれば、金属など他の材料により形成してもよい。ガスケット１６は、シリコーンゴム、ＥＰＤＭまたはフッ素ゴム等のゴム状弾性材料によって形成されている。
【００１７】
上記セル１０において、セパレータ１５とアノード側電極１２との間には燃料ガス流路１７が、またセパレータ１５とカソード側電極１３との間には酸化剤ガス流路１８がそれぞれ形成され、更に、必要に応じて冷却媒体流路１９が形成される。
【００１８】
燃料電池スタック１は、図１に示すように、セル１０を多数積層してセル積層方向（燃料電池積層方向）の両端に、集電板２、絶縁板３、エンドプレート４を配置するとともに、セル積層体の、例えば四隅に形成した貫通孔に図示しないテンションロッドを挿通し、このテンションロッドの端部をナット４１で螺合締結することにより、セル積層方向に締め付けられる。テンションロッドは、剛性を備えた材料、例えば鋼等の金属材料によって形成され、セル１０同士の電気的短絡を防止するため、表面には絶縁処理が施されている。
【００１９】
集電板２は、緻密質カーボンや銅板などのガス不透過な導電性部材によって形成され、絶縁板３は、ゴムや樹脂等の絶縁性部材により形成されている。エンドプレート４は、剛性を備えた材料、例えば鋼等の金属材料により形成されている。また、２枚の集電板２にはそれぞれ出力端子２Ａが設けられており、燃料電池スタック１で生じた起電力は、この出力端子２Ａを介して出力される。
【００２０】
なお、燃料電池スタック１の締結機構としては、本実施例のようにスタック内部にテンションロッドを貫通させる機構のほか、燃料電池スタック１の外部でエンドプレート４間にテンションロッドを架け渡して締め付ける機構であっても良い。
【００２１】
また、図３に示すように、燃料電池スタック１のセル積層方向一端の第一エンドプレート４Ａと、このエンドプレート４Ａのセル積層方向内側に設けた絶縁板３との間に、第二エンドプレート４Ｂを配置するとともに、エンドプレート４Ａと第二エンドプレート４Ｂとの間にバネ等の加圧装置６を設置し、両エンドプレート（４Ａ、４）間をテンションロッド５によって締め付ける機構であっても良い。なお、締結機構はテンションボルトの両端部をナットで螺合する機構である必要はなく、一方のエンドプレート側に形成したねじ孔に、テンションロッドの一端に形成したねじ部を螺合締結する機構であっても良い。この場合は、テンションロッド５の他端にボルトなどの頭部を形成する。
【００２２】
次に、本発明の実施例について説明する。ただし、各実施例の図においては、図１〜図３と同等部分を同一符号で示すものとする。
【実施例１】
【００２３】
図４は、実施例１に係わる燃料電池スタックの部分断面図であり、図２に示す一つのセルについての部分断面図である（図２と同等部分を同一符号で示す）。
【００２４】
図４に示すように、電解質膜１１の一面には、触媒層２１及びガス拡散層２０からなるアノード側電極１２が形成され、他面には、触媒層２１及びガス拡散層２０からなるカソード側電極１３が形成されている。そして、両電極のガス拡散層２０は、加圧変形度の小さな第１ガス拡散層２０ａと、加圧変形度の大きな第２ガス拡散層２０ｂとの二重構造で構成されている。図５は、ガス拡散層として使用される、加圧変形度の小さな材料と大きな材料について、荷重に対する変形量と電気抵抗の特性を示す説明図である。加圧変形量の大きな材料では、小さな荷重でも大きく変形し、また電気抵抗は小さくなる。このため、後述するように、面圧力が低下する傾向にあるスタックの中心部分に、加圧変形度の大きな第２ガス拡散層２０ｂの厚みを大きくしたセルを配置することにより、スタック内における接触抵抗の分布を小さくすることができる。また、二重構造のガス拡散層２０においては、加圧変形度が大きな第２ガス拡散層２０ｂを電解質膜１１側に配置することが好ましい。これは、加圧変形度が大きな第２ガス拡散層２０ｂをセパレータ１５側に配置すると、セパレータ１５に形成した冷却媒体流路１９を塞ぐおそれがあるからである。
【００２５】
上記のように構成されたセル１０を所定数だけ水平方向に積層することにより、図６に示すような燃料電池スタックが形成される。
【００２６】
ここで、図１に示すような燃料電池スタック１の中心貫通線Ａ−Ａ′における積層方向の面圧力分布を図７に示す。ただし、横軸はスタックの積層方向に沿って付けられたセル番号（ｎ）を示し、縦軸は各セルにおける面圧力（Ｐ）を示している。図７に示すように、従来構造の燃料電池スタックにおいては、スタックの両端部分ではセルにかかる面圧力が最大値（エンドプレート４へ加えられた荷重とほぼ同じ）となるのに対し、スタックの中心部分では、セルにかかる面圧は最小値となる傾向がある。この結果、スタック内で接触抵抗の分布が大きくなり、セル電圧の分布も大きくなる。図８は、スタックの積層方向（ガス流れ方向）に沿った各セルの電圧（セル電圧）の変化を示している。図８から明らかなように、スタックの中心部分ではセル電圧の分布にばらつきが生じている。
【００２７】
これに対し、本実施例においては、図６に示すように、面圧力が低下しないスタックの端部（図中Ａ）では、ガス拡散層２０の第１ガス拡散層２０ａ，第２ガス拡散層２０ｂの厚みがほぼ等しくなるように形成し、面圧力が低下する傾向にあるスタックの中心部分（図中Ｂ）では、ガス拡散層２０の第２ガス拡散層２０ｂの厚みを大きくし、第１ガス拡散層２０ａの厚みを小さくするように形成している。これによると、スタックの中心部分において、セルにかかる面圧を増やすことができるため、スタック内における接触抵抗の分布を小さくすることができる。図９は、スタックの積層方向に沿った各セル電圧の変化を示す説明図であり、実施例１、後述の実施例３、比較例（従来構成）における電圧変化の一例を示している。図９に示すように、実施例１では、スタック内における接触抵抗の分布が小さくなるため、比較例に比べてセル電圧の分布を小さくすることができる。
【００２８】
他の構成例としては、図１０に示すように、スタックの中心部分において、第１ガス拡散層２０ａの厚みを変えずに、第２ガス拡散層２０ｂの厚みのみを大きくするように形成してもよい。また、図１１に示すように、スタックの中心部分において、第２ガス拡散層２０ｂの厚みを変えずに、第１ガス拡散層２０ａの厚みのみを大きくするように形成してもよい。いずれの構成においても、図６と同様の効果を得ることができる。また、図１０、図１１に示すように、第１ガス拡散層２０ａ、又は第２ガス拡散層２０ｂのいずれか一方の厚みのみを変化させた場合は、両方の厚みを変化させる場合に比べて、製造工程及び工数が削減されるという効果が得られる。
【００２９】
とくに、加圧変形度の大きな第２ガス拡散層２０ｂでは、セル面内の面圧力分布が大きくなると、ガス拡散層内のガス拡散性にばらつきを生じるおそれがあるが、この加圧変形度の大きな第２ガス拡散層２０ｂの厚みを大きくすることにより、ガス拡散性が向上するという効果が得られる。
【００３０】
なお、実施例１では、積層するすべてのセルを、図４のような二重構造のガス拡散層を有するセルとした例を示したが、通常の一層構造のガス拡散層を有するセルと組み合わせた構成としてもよい。この場合は、面圧力が低下しないスタックの端部に一層構造のガス拡散層を有するセルを配置し、面圧力が低下する傾向にあるスタックの中心部分に二重構造のガス拡散層を有するセルを配置することが好ましい。
【実施例２】
【００３１】
図１に示すような燃料電池スタックにおいて、１セル当たりの面内における面圧力分布の一例を図１２に示す。図１２は、図１に示す燃料電池スタック１の線Ｂ−Ｂ′における面圧力分布を示している。図１に示すようなセル積層体の両端からテンションロッドでセル積層方向に締め付ける構造の燃料電池スタックでは、図１２に示すように、セルの中央部分で面圧力が最小値となる傾向がある。要因としては、スタック内の各部品の歪等が考えられる。この結果、図１３に示すように、セル面内で接触抵抗に大きな分布を生じることになる。図１３は、図１に示す燃料電池スタック１の線Ｂ−Ｂ′における接触抵抗の分布を示している（接触抵抗の分布は面圧力にほぼ対応するため、図１３では面圧力を縦軸のパラメータとしている。図１５、図１７、図２０も同様）。
【００３２】
図１４（ａ）〜（ｃ）は、実施例２に係わる燃料電池スタックの部分断面図であり、図４と同等部分を同一符号で示している。
【００３３】
図１４（ａ）は、加圧変形度の小さな第１ガス拡散層２０ａの厚みと、加圧変形度の大きな第２ガス拡散層２０ｂの厚みを、セルの面内で変化させた形態を示している。この例では、面圧力が低下しやすいセルの中央部分において、加圧変形度の小さな第１ガス拡散層２０ａと、加圧変形度の大きな第２ガス拡散層２０ｂの厚みを、その他の部分よりも大きくなるように形成している。図１４（ｂ）は、加圧変形度の小さな第１ガス拡散層２０ａの厚みを、セル面内で変化させた形態を示している。この例では、面圧力が低下しやすいセル面内の中央部分において、加圧変形度の小さな第１ガス拡散層２０ａの厚みを、その他の部分よりも大きくなるように形成している。ただし、加圧変形度の大きな第２ガス拡散層２０ｂの厚みはセル面内で均一としている。図１４（ｃ）は、加圧変形度の大きな第２ガス拡散層２０ｂの厚みを、セル面内で変化させた形態を示している。この例では、面圧力が低下しやすいセル面内の中央部分において、加圧変形度の大きな第２ガス拡散層２０ｂの厚みを、その他の部分よりも大きくなるように形成している。ただし、加圧変形度の小さな第１ガス拡散層２０ａの厚みはセル面内で均一としている。
【００３４】
上記構成においては、いずれも、面圧力が低下しやすいセル面内の中央部分において、セルにかかる面圧を増やすことができるため、セルの面内における接触抵抗の分布を小さくすることができる。図１５は、図１に示す燃料電池スタック１の線Ｂ−Ｂ′における接触抵抗の分布を示す説明図であり、実施例２の各例と、比較例（従来構成）における接触抵抗の一例を示している。図中、一点鎖線は比較例を示し、それ以外の実線は図１４（ａ）〜（ｃ）の特性を示している。図１３に示すように、実施例２の構成では、図１４（ａ）〜（ｃ）のいずれにおいても、比較例に比べて接触抵抗の分布を小さくして、セル電圧の分布を小さくすることができる。
【００３５】
本実施例において、とくに図１４（ｂ）に示すように、加圧変形度の小さな第１ガス拡散層２０ａの厚みが、その他の部分よりも大きくなるように形成した場合は、ガス拡散層２０の気孔率分布が小さく、ガス拡散性の分布が小さくなるという効果が得られる。
【００３６】
また、図１４（ｂ）、（ｃ）に示すように、第１ガス拡散層２０ａ、又は第２ガス拡散層２０ｂのいずれか一方の厚みのみを変化させた場合は、両方の厚みを変化させる場合に比べて、製造工程及び工数が削減されるという効果が得られる。
【００３７】
とくに、加圧変形度の大きな第２ガス拡散層２０ｂでは、セル面内の面圧力分布が大きくなると、ガス拡散層内のガス拡散性にばらつきを生じるおそれがあるが、この加圧変形度の大きな第２ガス拡散層２０ｂの厚みを大きくすることにより、ガス拡散性が向上するという効果が得られる。
【００３８】
なお、本実施例においても、積層するすべてのセルを、図１４（ａ）〜（ｃ）のような二重構造のガス拡散層を有するセルとする必要はなく、通常の一層構造のガス拡散層を有するセルと組み合わせた構成としてもよい。また、本実施例においても、加圧変形度が大きな第２ガス拡散層２０ｂを電解質膜１１側に配置することが好ましい。
【００３９】
ちなみに、図３に示すようなバネ等による加圧装置を有する燃料電池スタックにおいては、図１３とは異なる面圧力分布を示すため、本実施例のように、ガス拡散層の厚みの分布をセルの中央部分で大きくした構造とした場合でも、必ずしも有効とは限らない。
【実施例３】
【００４０】
図１６は、実施例３に係わる燃料電池スタックの概略斜視図である。本実施例では、面圧力の低下しないスタックの端部（図中Ａ）において、第１ガス拡散層２０ａの厚みを大きくし、且つ、第２ガス拡散層２０ｂの厚みを、セル面内の中央部分が他の部分よりも大きくなるように形成している。また、面圧力が低下する傾向にあるスタックの中心部分（図中Ｂ）では、第１ガス拡散層２０ａの厚みを小さくし、且つ、第２ガス拡散層２０ｂの厚みを、セル面内の中央部分が他の部分よりも大きくなるように形成している（ただし、中央部分の厚みは図中左側の第２ガス拡散層２０ｂと同じとする）。
【００４１】
上記構成によれば、スタックの中心部分（図中Ｂ）において、セルにかかる面圧を増すことができるため、スタック内における接触抵抗の分布を小さくすることができる。すなわち、図９に示したように、実施例３の構成では比較例よりも接触抵抗の分布を小さくできるため、図１７に示すように、比較例よりもセル電圧の分布を小さくすることが可能となる。図１７は、図１に示す燃料電池スタック１の線Ｂ−Ｂ′における接触抵抗の分布を示す説明図であり、実施例３の比較例（従来構成）における接触抵抗の一例を示している。
【００４２】
他の構成例としては、図１８に示すように、面圧力が低下する傾向にあるスタックの中心部分（図中Ｂ）において、第１ガス拡散層２０ａの厚みを変えずに、第２ガス拡散層２０ｂの厚みを、セル面内の中央部分が他の部分よりも小さくなるように形成してもよい。このような構成とした場合でも、図１６と同様の効果を得ることができる。
【実施例４】
【００４３】
図１９は、セパレータ１５（図２）に形成される燃料ガス流路１７と、冷却媒体流路１９との配置を示す概念図である。図１９（ａ）は、燃料ガス流路１７と冷却媒体流路１９とが平行になる領域を示し、図１９（ｂ）は、燃料ガス流路１７と冷体媒体流路１９とが直交する領域を示している。セパレータ１５には、図１９（ａ）、（ｂ）のような領域が混在しており、２つの流路が平行になる領域ではセパレータ１５が変形しやすく、２つの流路が直交する領域ではセパレータ１５の変形が小さい。したがって、セル面内で面圧力分布にばらつきが生じることになる。そこで、本実施例では、図２０に示すように、セパレータ１５の変形量が小さく面圧力分布が低下するおそれのある領域（図中Ａ）では、加圧変形量の大きな第２ガス拡散層２０ｂの厚みが大きくなるように形成し、セパレータ１５の変形量が大きく面圧力分布が低下しない領域（図中Ｂ）では、加圧変形量の大きな第２ガス拡散層２０ｂの厚みが小さくなるように形成している。なお、図２０の右側に示す部分断面図では、第１ガス拡散層２０ａ、第２ガス拡散層２０ｂのみを示している。
【００４４】
上記構成によれば、セパレータ１５の変形量が小さく面圧力分布が低下するおそれのある領域において、セルにかかる面圧を増やすことができるため、セルの面内における面圧力分布を小さくして、接触抵抗の分布を小さくすることができる。図２１は、図１に示す燃料電池スタック１の線Ｂ−Ｂ′における接触抵抗の分布を示す説明図である。図２１に示すように、実施例４の構成では、比較例に比べて接触抵抗の分布を小さくすることができる。なお、比較例は、図２０の構成において、ガス拡散層の厚みを面内で均一にした場合を示している。図２２は、スタックの積層方向に沿った各セル電圧の変化を示す説明図である。図２２に示すように、実施例４では接触抵抗の分布が小さくなるため、比較例に比べてセル電圧の分布を小さくすることができる。
【図面の簡単な説明】
【００４５】
【図１】燃料電池スタックの概略斜視図。
【図２】セルの構造を示す分解斜視図。
【図３】燃料電池スタックの他の構造を示す概略側面図。
【図４】実施例１に係わる燃料電池スタックの部分断面図。
【図５】加圧変形度の小さな材料と大きな材料の特性を示す説明図。
【図６】実施例１に係わる燃料電池スタックとセルの部分断面を示す説明図。
【図７】燃料電池スタックの中心貫通線Ａ−Ａ′における積層方向の面圧力分布を示す説明図。
【図８】スタックの積層方向に沿った各セルの電圧の変化を示す説明図。
【図９】実施例１においてスタックの積層方向に沿った各セル電圧の変化を示す説明図。
【図１０】実施例１の他の構成例における燃料電池スタックとセルの部分断面を示す説明図。
【図１１】実施例１の更に他の構成例における燃料電池スタックとセルの部分断面を示す説明図。
【図１２】燃料電池スタックの線Ｂ−Ｂ′における面圧力分布を示す説明図。
【図１３】燃料電池スタックの線Ｂ−Ｂ′における接触抵抗の分布を示す説明図。
【図１４】実施例２に係わる燃料電池スタックの部分断面図。（ａ）は加圧変形度の小さな第１ガス拡散層の厚みと加圧変形度の大きな第２ガス拡散層の厚みをセルの面内で変化させた形態を示す部分断面図。（ｂ）は加圧変形度の小さな第１ガス拡散層の厚みをセル面内で変化させた形態を示す部分断面図。（ｃ）加圧変形度の大きな第２ガス拡散層の厚みをセル面内で変化させた形態を示す部分断面図。
【図１５】実施例２において燃料電池スタックの線Ｂ−Ｂ′における接触抵抗の分布を示す説明図。
【図１６】実施例３に係わる燃料電池スタックの概略斜視図。
【図１７】実施例３において燃料電池スタックの線Ｂ−Ｂ′における接触抵抗の分布を示す説明図。
【図１８】実施例３の他の構成例における燃料電池スタックとセルの部分断面を示す説明図。
【図１９】セパレータに形成される燃料ガス流路と冷却媒体流路との配置を示す概念図。
【図２０】実施例４に係わる燃料電池スタックのガス拡散層の形態を示す説明図。
【図２１】実施例４において燃料電池スタックの線Ｂ−Ｂ′における接触抵抗の分布を示す説明図。
【図２２】実施例４においてスタックの積層方向に沿った各セル電圧の変化を示す説明図。
【符号の説明】
【００４６】
１…燃料電池スタック
１０…セル
１１…電解質膜
１２…アノード側電極
１３…カソード側電極
１４…ＭＥＡ
１５…セパレータ
１６…ガスケット
１７…燃料ガス流路
１８…酸化剤ガス流路
１９…冷却媒体流路
２０…ガス拡散層
２０ａ…第１ガス拡散層
２０ｂ…第２ガス拡散層
２１…触媒層
【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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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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