(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
一対の電極が電解質の両側に設けられた電解質・電極構造体を、セパレータにより挟持した単位セルを備え、前記単位セルが水平方向に複数積層された積層体を一対のエンドプレート間に挟持する燃料電池スタックであって、
前記積層体の重力方向下方側の膨潤により、前記エンドプレート間の前記重力方向下方側の間隔が前記積層体の重力方向上方側の間隔よりも大きく変動することを規制するスタック変形防止構造を備え、
前記スタック変形防止構造は、少なくとも前記電解質又は前記セパレータの前記重力方向下方側の厚さを、前記重力方向上方側の厚さよりも小さく設定することを特徴とする燃料電池スタック。
【請求項２】
一対の電極が電解質の両側に設けられた電解質・電極構造体を、セパレータにより挟持した単位セルを備え、前記単位セルが水平方向に複数積層された積層体を一対のエンドプレート間に挟持する燃料電池スタックであって、
前記積層体の重力方向下方側の膨潤により、前記エンドプレート間の前記重力方向下方側の間隔が前記積層体の重力方向上方側の間隔よりも大きく変動することを規制するスタック変形防止構造を備え、
前記スタック変形防止構造は、少なくとも前記エンドプレート間又は前記エンドプレートに隣接するインシュレータ間の前記重力方向下方側の間隔を、前記重力方向上方側の間隔よりも大きく設定することを特徴とする燃料電池スタック。
【請求項３】
一対の電極が電解質の両側に設けられた電解質・電極構造体を、セパレータにより挟持した単位セルを備え、前記単位セルが水平方向に複数積層された積層体を一対のエンドプレート間に挟持する燃料電池スタックであって、
前記積層体の重力方向下方側の膨潤により、前記エンドプレート間の前記重力方向下方側の間隔が前記積層体の重力方向上方側の間隔よりも大きく変動することを規制するスタック変形防止構造を備え、
前記スタック変形防止構造は、前記積層体を構成するシール部材の前記重力方向上方側の弾性率を、前記重力方向下方側の弾性率よりも高く設定することを特徴とする燃料電池スタック。
【請求項４】
一対の電極が電解質の両側に設けられた電解質・電極構造体を、セパレータにより挟持した単位セルを備え、前記単位セルが水平方向に複数積層された積層体を一対のエンドプレート間に挟持し且つ前記積層体を周回する複数のパネル部材を有するケーシングを備える燃料電池スタックであって、
前記積層体の重力方向下方側の膨潤により、前記エンドプレート間の前記重力方向下方側の間隔が前記積層体の重力方向上方側の間隔よりも大きく変動することを規制するスタック変形防止構造を備え、
前記スタック変形防止構造は、前記重力方向下方側に配置される前記パネル部材の弾性率を、前記重力方向上方側に配置される前記パネル部材の弾性率よりも高く設定することを特徴とする燃料電池スタック。
【請求項５】
一対の電極が電解質の両側に設けられた電解質・電極構造体を、セパレータにより挟持した単位セルを備え、前記単位セルが水平方向に複数積層された積層体を一対のエンドプレート間に挟持し且つ前記積層体を周回する複数のパネル部材を有するケーシングを備える燃料電池スタックであって、
前記積層体の重力方向下方側の膨潤により、前記エンドプレート間の前記重力方向下方側の間隔が前記積層体の重力方向上方側の間隔よりも大きく変動することを規制するスタック変形防止構造を備え、
前記スタック変形防止構造は、前記積層体の側方に配置される前記パネル部材の重力方向下方側の弾性率を、重力方向上方側の弾性率よりも高く設定することを特徴とする燃料電池スタック。
【請求項６】
一対の電極が電解質の両側に設けられた電解質・電極構造体を、セパレータにより挟持した単位セルを備え、前記単位セルが水平方向に複数積層された積層体を一対のエンドプレート間に挟持する燃料電池スタックであって、
前記積層体の重力方向下方側の膨潤により、前記エンドプレート間の前記重力方向下方側の間隔が前記積層体の重力方向上方側の間隔よりも大きく変動することを規制するスタック変形防止構造を備え、
前記スタック変形防止構造は、前記セパレータの前記重力方向下方側の積層方向の弾性率が、前記重力方向上方側の積層方向の弾性率よりも小さく設定さ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１〜６のいずれか１項に記載の燃料電池スタックにおいて、前記電解質・電極構造体及び前記セパレータは、縦長形状を有す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、一対の電極が電解質の両側に設けられた電解質・電極構造体を、セパレータにより挟持した単位セルを備え、前記単位セルが水平方向に複数積層された積層体を一対のエンドプレート間に挟持す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（電解質）を採用している。この電解質膜の両側にアノード側電極及びカソード側電極を配設した電解質膜・電極構造体を、セパレータによって挟持することにより、燃料電池が構成されている。通常、この燃料電池は、所望の発電力を得るために、所定数（例えば、数十〜数百）だけ積層した燃料電池スタックとして使用されている。
【０００３】
この場合、燃料電池の発電時には、水素と酸素との電気化学反応により生成水が発生している。このため、燃料電池は、内部の生成水の状態によって発電性能が変動し易く、前記生成水の状態を良好に確保する必要がある。
【０００４】
そこで、例えば、特許文献１に開示されている燃料電池装置が知られている。この従来技術では、図１６に示すように、水素供給装置１からの水素と酸素供給装置２からの酸素とを燃料として発電する燃料電池スタック３と、前記燃料電池スタック３の圧縮応力を調節する圧縮応力調節機構４とを備えている。
【０００５】
圧縮応力調節機構４は、燃料電池スタック３の端部に取り付けられ、前記燃料電池スタック３に面圧を作用させる面圧作用部材５と、前記面圧作用部材５に均等な軸力を作用させる球体６と、前記球体６に軸力を付与するねじ７と、前記ねじ７を回転駆動するモータ８とを備えている。
【０００６】
そして、圧縮応力調節機構４の駆動作用下に圧縮応力を調節することにより、燃料電池スタック３の内部における水の移動スペースを調節し、前記燃料電池スタック３の内部の水含有状態を適正な状態とする、としている。
【０００７】
【特許文献１】特開２００１−３１９６７３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
ところで、上記の燃料電池スタック３では、電解質膜が生成水により膨潤するとともに、特に、重力方向下側部分で膨潤が大きくなり、前記電解質膜内に重力方向に沿って膨潤差が発生してしまう。
【０００９】
しかしながら、上記の従来技術では、燃料電池スタック３の端部に取り付けられた面圧作用部材５の略中央部を球体６により押圧しており、電解質膜の重力方向の膨潤差を解消することができない。これにより、例えば、燃料電池スタック３がケーシング（ボックス）内に収容される際、膨潤差による偏荷重が前記ケーシングに発生し、該ケーシングが変形するという問題がある。
【００１０】
本発明はこの種の問題を解決するものであり、電解質の重力方向の膨潤差によるスタック変形を良好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】
【００１１】
本発明は、一対の電極が電解質の両側に設けられた電解質・電極構造体を、セパレータにより挟持した単位セルを備え、前記単位セルが水平方向に複数積層された積層体を一対のエンドプレート間に挟持する燃料電池スタックに関するものである。
【００１２】
燃料電池スタックは、積層体の重力方向下方側の膨潤により、エンドプレート間の前記重力方向下方側の間隔が前記積層体の重力方向上方側の間隔よりも大きく変動することを規制するスタック変形防止構造を備えている。
【００１３】
ここで、積層体の重力方向下方側とは、前記積層体の重力方向中央部に対して下方であることをいう。一方、積層体の重力方向上方側とは、前記積層体の重力方向中央部に対して上方であることをいう。
【００１４】
また、スタック変形防止構造は、少なくとも電解質又はセパレータの重力方向下方側の厚さを、重力方向上方側の厚さよりも小さく設定することが好ましい。
【００１５】
さらに、スタック変形防止構造は、少なくともエンドプレート間又は前記エンドプレートに隣接するインシュレータ間の重力方向下方側の間隔を、重力方向上方側の間隔よりも大きく設定することが好ましい。
【００１６】
さらにまた、スタック変形防止構造は、積層体を構成するシール部材の重力方向上方側の弾性率を、重力方向下方側の弾性率よりも高く設定することが好ましい。
【００１７】
また、燃料電池スタックは、積層体を収容するケーシングを備え、前記ケーシングは、前記積層体を周回する複数のパネル部材を有し、スタック変形防止構造は、重力方向下方側に配置される前記パネル部材の弾性率を、重力方向上方側に配置される前記パネル部材の弾性率よりも高く設定することが好ましい。
【００１８】
さらに、燃料電池スタックは、積層体を収容するケーシングを備え、前記ケーシングは、前記積層体を周回する複数のパネル部材を有し、スタック変形防止構造は、前記積層体の側方に配置される前記パネル部材の重力方向下方側の弾性率を、重力方向上方側の弾性率よりも高く設定することが好ましい。
【００１９】
さらにまた、スタック変形防止構造は、セパレータの重力方向下方側の積層方向の弾性率が、重力方向上方側の積層方向の弾性率よりも小さく設定されることが好ましい。
【００２０】
また、電解質・電極構造体及びセパレータは、縦長形状を有することが好ましい。
【発明の効果】
【００２１】
本発明では、スタック変形防止構造を介して、積層体の重力方向下方側の膨潤によってエンドプレート間の前記重力方向下方側の間隔が前記積層体の重力方向上方側の間隔よりも大きく変動することを規制することができる。このため、電解質の膨潤によるスタック変形が良好に抑制される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２２】
図１は、本発明の第１の実施形態に係る燃料電池スタック１０の一部分解概略斜視図であり、図２は、前記燃料電池スタック１０の一部断面側面図である。
【００２３】
燃料電池スタック１０は、複数の単位セル１２が水平方向（矢印Ａ方向）に積層された積層体１４を備える。積層体１４の積層方向（矢印Ａ方向）一端には、ターミナルプレート１６ａ、絶縁プレート１８ａ及びエンドプレート２０ａが外方に向かって、順次、配設される。積層体１４の積層方向他端には、ターミナルプレート１６ｂ、絶縁プレート１８ｂ（絶縁性スペーサ部材を用いてもよい）及びエンドプレート２０ｂが外方に向かって、順次、配設される。燃料電池スタック１０は、縦長の長方形状に構成されるエンドプレート２０ａ、２０ｂを端板として含む箱状のケーシング２４により一体的に保持される。
【００２４】
図２及び図３に示すように、各単位セル１２は、電解質膜・電極構造体（電解質・電極構造体）３０と、前記電解質膜・電極構造体３０を挟持する薄板波形状の第１及び第２金属セパレータ３２、３４とを備える。電解質膜・電極構造体３０と第１及び第２金属セパレータ３２、３４とは、縦長の長方形状に構成される。なお、第１及び第２金属セパレータ３２、３４に代えて、カーボンセパレータを用いてもよい。
【００２５】
単位セル１２の長辺方向（図３中、矢印Ｃ方向）の一端縁部（上端縁部）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３６ａ、及び燃料ガス、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３８ａが設けられる。
【００２６】
単位セル１２の長辺方向の他端縁部（下端縁部）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３８ｂ、及び酸化剤ガスを排出するための酸化剤ガス排出連通孔３６ｂが設けられる。
【００２７】
単位セル１２の短辺方向（矢印Ｂ方向）の一端縁部には、冷却媒体を供給するための冷却媒体供給連通孔４０ａが設けられるとともに、前記単位セル１２の短辺方向の他端縁部には、前記冷却媒体を排出するための冷却媒体排出連通孔４０ｂが設けられる。
【００２８】
電解質膜・電極構造体３０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４２と、前記固体高分子電解質膜４２を挟持するアノード側電極４４及びカソード側電極４６とを備える。
【００２９】
アノード側電極４４及びカソード側電極４６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４２の両面に形成される。
【００３０】
第１金属セパレータ３２の電解質膜・電極構造体３０に向かう面３２ａには、燃料ガス供給連通孔３８ａと燃料ガス排出連通孔３８ｂとを連通する燃料ガス流路４８が矢印Ｃ方向に沿って形成される。第１金属セパレータ３２の面３２ｂには、冷却媒体供給連通孔４０ａと冷却媒体排出連通孔４０ｂとを連通する冷却媒体流路５０が矢印Ｂ方向に沿って形成される。
【００３１】
第２金属セパレータ３４の電解質膜・電極構造体３０に向かう面３４ａには、矢印Ｃ方向に沿って酸化剤ガス流路５２が設けられるとともに、この酸化剤ガス流路５２は、酸化剤ガス供給連通孔３６ａと酸化剤ガス排出連通孔３６ｂとに連通する。第２金属セパレータ３４の面３４ｂには、第１金属セパレータ３２の面３２ｂと重なり合って冷却媒体流路５０が一体的に形成される。
【００３２】
第１金属セパレータ３２の面３２ａ、３２ｂには、この第１金属セパレータ３２の外周端縁部を周回して第１シール部材５４が一体成形される。第２金属セパレータ３４の面３４ａ、３４ｂには、この第２金属セパレータ３４の外周端縁部を周回して第２シール部材５６が一体成形される。
【００３３】
図２に示すように、第１及び第２シール部材５４、５６間には、固体高分子電解質膜４２の外周が、直接、ケーシング２４に接触することを阻止するために、シール５７が介装される。
【００３４】
図１に示すように、ターミナルプレート１６ａ、１６ｂの中央部上方側には、積層方向に突出する棒状の端子部５８ａ、５８ｂが設けられる。端子部５８ａ、５８ｂは、エンドプレート２０ａ、２０ｂの長手方向及び短手方向の中央部に形成された孔部５９ａ、５９ｂを通って外部に突出するとともに、前記端子部５８ａ、５８ｂには、例えば、車両走行用モータ等の負荷が接続される。
【００３５】
ケーシング２４は、端板であるエンドプレート２０ａ、２０ｂと、積層体１４の側部に配置される複数の側板６０ａ〜６０ｄと、前記側板６０ａ〜６０ｄの互いに近接する端部同士を連結するアングル部材６２ａ〜６２ｄと、前記エンドプレート２０ａ、２０ｂと前記側板６０ａ〜６０ｄとを連結するそれぞれ長さの異なる連結ピン６４ａ、６４ｂとを備える。
【００３６】
側板６０ａ〜６０ｄは、例えば、薄板金属製プレートで構成される。側板６０ａ〜６０ｄは、アングル部材６２ａ〜６２ｄ及びボルト６５を介して互いに固定され、ケーシング２４が構成される（図４参照）。
【００３７】
エンドプレート２０ａ、２０ｂの上下各辺（短辺）には、それぞれ１つの第１支持部６６ａ、６６ｂが突出形成されるとともに、両側の各辺（長辺）には、それぞれ２つの第１支持部６６ｃ、６６ｄが突出形成される。
【００３８】
積層体１４の矢印Ｂ方向両側に配置される側板６０ａ、６０ｃの長手方向（矢印Ａ方向）両端には、第２支持部７０ａ、７０ｂが３つずつ形成される。積層体１４の上下両側に配置される側板６０ｂ、６０ｄの長手方向両端には、第２支持部７２ａ、７２ｂが２つずつ形成される。
【００３９】
図４に示すように、側板６０ａ、６０ｃの各第２支持部７０ａ、７０ｂ間には、エンドプレート２０ａ、２０ｂの両側の各辺の第１支持部６６ｃ、６６ｄが配置されるとともに、これらに長尺な連結ピン６４ａが一体的に挿入される。
【００４０】
同様に、側板６０ｂ、６０ｄの第２支持部７２ａ、７２ｂは、エンドプレート２０ａ、２０ｂの上辺及び下辺の第１支持部６６ａ、６６ｂと交互に配置されるとともに、これらに短尺な連結ピン６４ｂが一体的に挿入される。
【００４１】
図１に示すように、エンドプレート２０ａには、酸化剤ガス供給連通孔３６ａに連通する酸化剤ガス入口７６ａ、燃料ガス供給連通孔３８ａに連通する燃料ガス入口７８ａ、酸化剤ガス排出連通孔３６ｂに連通する酸化剤ガス出口７６ｂ及び燃料ガス排出連通孔３８ｂに連通する燃料ガス出口７８ｂが設けられる。
【００４２】
エンドプレート２０ｂには、冷却媒体供給連通孔４０ａに連通する冷却媒体入口８０ａと、冷却媒体排出連通孔４０ｂに連通する冷却媒体出口８０ｂとが設けられる。
【００４３】
ケーシング２４には、積層体１４の重力方向下方側の膨潤により、エンドプレート２０ａ、２０ｂ間の前記重力方向下方側の間隔が変動することを規制するスタック変形防止構造８２が設けられる。
【００４４】
ここで、積層体１４の重力方向下方側とは、前記積層体１４の重力方向中央部に対して下方であることをいう。一方、積層体１４の重力方向上方側とは、前記積層体１４の重力方向中央部に対して上方であることをいう。積層体１４の重力方向下方側が膨潤することにより、エンドプレート２０ａ、２０ｂ間の間隔は、重力方向上方側から下方側に向かって互いに離間する方向に傾斜するように変動する。
【００４５】
積層体１４の膨潤によるエンドプレート２０ａ、２０ｂ間の間隔の変動は、各単位セル１２を構成する電解質膜・電極構造体３０の固体高分子電解質膜４２が水により膨潤した際に、複数の前記固体高分子電解質膜４２の積層方向（矢印Ａ方向）の総変形量に起因する。
【００４６】
スタック変形防止構造８２は、積層体１４の重力方向下方側に配置される側板６０ｄの積層方向の弾性率を、重力方向上方側に配置される側板６０ｂの積層方向の弾性率よりも高く設定する。具体的には、側板６０ｄは、底面側に矢印Ａ方向に延在する複数本の肉厚部（個別の板部材でもよい）８４を設ける。また、下方側の側板６０ｄの板厚を、上方側の側板６０ｂの板厚よりも厚く設定してもよい。
【００４７】
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。
【００４８】
図４に示すように、エンドプレート２０ａの酸化剤ガス入口７６ａに酸素含有ガス等の酸化剤ガスが供給されるとともに、燃料ガス入口７８ａに水素含有ガス等の燃料ガスが供給される。さらに、エンドプレート２０ｂの冷却媒体入口８０ａに純水やエチレングリコール等の冷却媒体が供給される。
【００４９】
このため、積層体１４では、矢印Ａ方向に重ね合わされた複数の単位セル１２に対し、酸化剤ガス供給連通孔３６ａ、燃料ガス供給連通孔３８ａ及び冷却媒体供給連通孔４０ａに、それぞれ酸化剤ガス、燃料ガス及び冷却媒体が矢印Ａ方向に供給される。
【００５０】
図３に示すように、酸化剤ガスは、酸化剤ガス供給連通孔３６ａから第２金属セパレータ３４の酸化剤ガス流路５２に導入され、電解質膜・電極構造体３０のカソード側電極４６に沿って移動する。一方、燃料ガスは、燃料ガス供給連通孔３８ａから第１金属セパレータ３２の燃料ガス流路４８に導入され、電解質膜・電極構造体３０のアノード側電極４４に沿って移動する。
【００５１】
従って、各電解質膜・電極構造体３０では、カソード側電極４６に供給される酸化剤ガスと、アノード側電極４４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、発電が行われる。
【００５２】
次いで、カソード側電極４６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３６ｂに沿って流動した後、エンドプレート２０ａの酸化剤ガス出口７６ｂから外部に排出される（図４参照）。同様に、アノード側電極４４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３８ｂに排出されて流動し、エンドプレート２０ａの燃料ガス出口７８ｂから外部に排出される。
【００５３】
また、冷却媒体は、冷却媒体供給連通孔４０ａから第１及び第２金属セパレータ３２、３４間の冷却媒体流路５０に導入され、矢印Ｂ方向に沿って流動する。この冷却媒体は、電解質膜・電極構造体３０を冷却した後、冷却媒体排出連通孔４０ｂを移動してエンドプレート２０ｂの冷却媒体出口８０ｂから排出される（図１参照）。
【００５４】
この場合、上記のように、燃料電池スタック１０において発電が行われると、各単位セル１２を構成する電解質膜・電極構造体３０では、固体高分子電解質膜４２が生成水により膨潤する。その際、生成水は、重力方向に沿って移動するため、固体高分子電解質膜４２の重力方向下方側に大きな膨潤が発生する。特に、縦長形状を有する電解質膜・電極構造体３０では、重力方向の膨潤差が相当に大きくなる。
【００５５】
これにより、各単位セル１２は、重力方向下方側の厚さ（矢印Ａ方向の寸法）が重力方向上方側の厚さよりも大きくなり、積層体１４全体として鉛直方向下方と鉛直方向上方とで、積層方向に大きな寸法差が発生し易い。
【００５６】
ここで、第１の実施形態では、ケーシング２４にスタック変形防止構造８２が設けられている。このスタック変形防止構造８２は、底板を構成する側板６０ｄの弾性率を天板を構成する側板６０ｂの弾性率よりも高く設定している。従って、積層体１４の重力方向下方側に、各固体高分子電解質膜４２の膨潤差により重力方向上方側に比べて大きな応力が作用しても、側板６０ｄの弾性率を介して該応力に耐え得ることができる。
【００５７】
これにより、簡単な構成で、エンドプレート２０ａ、２０ｂ間の間隔の変動を良好に規制し、ケーシング２４の変形による破損や劣化等を良好に防止することが可能になるという効果が得られる。
【００５８】
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９０の一部分解概略斜視図である。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〜第８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。
【００５９】
燃料電池スタック９０では、ケーシング２４を構成する側板６０ａ、６０ｃにスタック変形防止構造９２が設けられる。側板６０ａ、６０ｃは、それぞれ２枚のプレート部材９４ａ、９４ｂを有する。スタック変形防止構造９２は、プレート部材９４ａの厚さをプレート部材９４ｂの厚さよりも厚く設定することにより、積層体１４の重力方向下方側に、各固体高分子電解質膜４２の膨潤差により重力方向上方側に比べて大きな応力が作用しても、プレート部材９４ａの弾性率を介して該応力に耐え得ることができる。
【００６０】
従って、このように構成される第２の実施形態では、上記の第１の実施形態と同様の効果が得られる。なお、第２の実施形態では、側板６０ａ、６０ｃは、それぞれ２枚のプレート部材９４ａ、９４ｂで構成されているが、それぞれ１枚のプレートで構成するとともに、前記プレートの厚さが、積層体１４の重力方向上方側から下方側に向かって連続的又は段階的に大きくなるように設定してもよい。
【００６１】
図６は、本発明の第３の実施形態に係る燃料電池スタック１００の一部断面側面図である。
【００６２】
燃料電池スタック１００では、各単位セル１２にスタック変形防止構造１０２が設けられる。スタック変形防止構造１０２は、第１及び第２シール部材５４、５６の重力方向上方側端部５４ａ、５６ａの弾性率を、重力方向下方側の端部５４ｂ、５６ｂの弾性率よりも高く設定する。具体的には、第１及び第２シール部材５４、５６のシール断面積を変更させたり、材質を変更させたりすることにより設定される。
【００６３】
このように構成される第３の実施形態では、第１及び第２シール部材５４、５６の重力方向上方側の端部５４ａ、５６ａの弾性率が、重力方向下方側の端部の５４ｂ、５６ｂの弾性率よりも高く設定されるため、前記端部５４ａ、５６ａのシール分担荷重が増加している。
【００６４】
従って、各単位セル１２の重力方向下方側の膨潤が大きくなる際、第１及び第２金属セパレータ３２、３４の重力方向下方側の間隔が大きくなることを有効に規制することができる。第１及び第２金属セパレータ３２、３４の重力方向上方側の間隔は、高弾性率に設定された端部５４ａ、５６ａに規制されて収縮することがないからである。これにより、燃料電池スタック１００全体として積層方向の変形が有効に阻止され、上記の第１の実施形態と同様の効果が得られる。
【００６５】
図７は、本発明の第４の実施形態に係る燃料電池スタック１１０を構成する単位セル１２の側面説明図である。
【００６６】
燃料電池スタック１１０では、各単位セル１２にスタック変形防止構造１１２が設けられる。スタック変形防止構造１１２は、第１及び第２金属セパレータ３２、３４の重力方向下方側の厚さ（ｔ１）を重力方向上方側の厚さ（ｔ２）よりも小さく設定する（ｔ１＜ｔ２）。
【００６７】
このように構成される第４の実施形態では、各単位セル１２は、重力方向下方側に重力方向上方側に比べて積層方向への変形が容易に行われる。第１及び第２金属セパレータ３２、３４の下方側の厚さ（ｔ１）を上方側の厚さ（ｔ２）よりも小さく設定しているからである。従って、発電により、各単位セル１２を構成する固体高分子電解質膜４２の重力方向下方側に重力方向上方側よりも大きな膨潤が発生すると、第１及び第２金属セパレータ３２、３４の重力方向下方側が積層方向に容易に変形する。
【００６８】
これにより、各固体高分子電解質膜４２の重力方向下方側の膨潤は、第１及び第２金属セパレータ３２、３４自体の変形により容易に吸収され、燃料電池スタック１１０全体としてエンドプレート２０ａ、２０ｂ間の積層方向の寸法が変動することはない。
【００６９】
図８は、本発明の第５の実施形態に係る燃料電池スタック１２０を構成する単位セル１２の側面説明図である。
【００７０】
燃料電池スタック１２０では、各単位セル１２にスタック変形防止構造１２２が設けられる。スタック変形防止構造１２２は、電解質膜・電極構造体３０を構成する固体高分子電解質膜４２の重力方向下方側の厚さ（ｔ３）を重力方向上方側の厚さ（ｔ４）よりも小さく設定する。
【００７１】
このように構成される第５の実施形態では、燃料電池スタック１２０の発電時に、固体高分子電解質膜４２が生成水を吸収して膨潤する。その際、固体高分子電解質膜４２では、重力方向下方側の厚さ（ｔ３）、すなわち、生成水量が多い側の厚さが、重力方向上方側の厚さ（ｔ４）、すなわち、生成水量の少ない側の厚さよりも小さく設定されている。
【００７２】
これにより、固体高分子電解質膜４２は、膨潤により重力方向に沿って略均一な厚さになり、スタック偏荷重を抑制することができる。
【００７３】
図９は、本発明の第６の実施形態に係る燃料電池スタック１３０の一部断面説明図である。
【００７４】
燃料電池スタック１３０は、スタック変形防止構造１３２を備える。このスタック変形防止構造１３２は、エンドプレート２０ａ、２０ｂの各内面に重力方向下方に向かって外方に傾斜するテーパ面１３４ａ、１３４ｂを設けることにより構成される。エンドプレート２０ａ、２０ｂの重力方向下方側の間隔は、重力方向上方側の間隔よりも大きく設定される（距離ｔ５参照）。
【００７５】
このように構成される第６の実施形態では、各単位セル１２の重力方向下方側が重力方向上方側よりも大きく膨潤する際に、エンドプレート２０ａ、２０ｂ間の重力方向下方側の間隔が、重力方向上方側の間隔よりも大きく設定されており、前記各単位セル１２の膨潤を吸収することができる。これにより、各単位セル１２の重力方向下方側の膨潤時に、燃料電池スタック１３０の変形を抑制することが可能になる。
【００７６】
なお、第６の実施形態では、エンドプレート２０ａ、２０ｂにテーパ面１３４ａ、１３４ｂを設けているが、これに代えて、又はこの構成と共に、絶縁プレート１８ａ、１８ｂ、あるいはターミナルプレート１６ａ、１６ｂに同様のテーパ面（図示せず）を設けてもよい。
【００７７】
図１０は、本発明の第７の実施形態に係る燃料電池スタックを構成する単位セル１４０の分解斜視説明図である。
【００７８】
単位セル１４０は、電解質膜・電極構造体３０を挟持する薄板波形状の第１及び第２金属セパレータ１４２、１４４を備える。第１金属セパレータ１４２は、波形状に成形されることにより、電解質膜・電極構造体３０側に燃料ガス流路４８を設ける一方、第２金属セパレータ１４４は、波形状に成形されることにより、前記電解質膜・電極構造体３０側に酸化剤ガス流路５２を設ける。
【００７９】
燃料ガス流路４８及び酸化剤ガス流路５２は、図１１に示す積層体１４の重力方向上方側の断面形状と、図１２に示す前記積層体１４の重力方向下方側の断面形状とを有する。燃料ガス流路４８及び酸化剤ガス流路５２は、積層体１４の重力方向下方側の積層方向の弾性率が、前記積層体１４の重力方向上方側の積層方向の弾性率よりも小さく（すなわち、変形し易く）設定される。
【００８０】
これにより、第７の実施形態では、単位セル１４０は、重力方向下方側に重力方向上方側に比べて積層方向への変形が容易に行われるため、固体高分子電解質膜４２の重力方向下方側の膨潤は、第１及び第２金属セパレータ１４２、１４４自体の変形により容易に吸収される等、上記の第４の実施形態等と同様の効果が得られる。
【００８１】
図１３は、本発明の第８の実施形態に係る燃料電池スタックを構成する単位セル１５０の分解斜視説明図である。
【００８２】
単位セル１５０は、電解質膜・電極構造体３０を挟持する薄板波形状の第１及び第２金属セパレータ１５２、１５４を備える。第１金属セパレータ１５２は、波形状に成形されることにより、電解質膜・電極構造体３０側に燃料ガス流路４８を設ける一方、第２金属セパレータ１５４は、波形状に成形されることにより、前記電解質膜・電極構造体３０側に酸化剤ガス流路５２を設ける。
【００８３】
燃料ガス流路４８及び酸化剤ガス流路５２は、図１４に示す積層体１４の重力方向上方側の断面形状と、図１５に示す前記積層体１４の重力方向下方側の断面形状とを有する。燃料ガス流路４８及び酸化剤ガス流路５２は、積層体１４の重力方向下方側の積層方向の弾性率が、前記積層体１４の重力方向上方側の積層方向の弾性率よりも小さく（すなわち、変形し易く）設定される。
【００８４】
これにより、第８の実施形態では、固体高分子電解質膜４２の重力方向下方側の膨潤は、第１及び第２金属セパレータ１５２、１５４自体の変形により容易に吸収される等、上記の第７の実施形態等と同様の効果が得られる。
【図面の簡単な説明】
【００８５】
【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一部分解概略斜視図である。
【図２】前記燃料電池スタックの一部断面側面図である。
【図３】前記燃料電池スタックを構成する単位セルの分解斜視説明図である。
【図４】前記燃料電池スタックの斜視説明図である。
【図５】本発明の第２の実施形態に係る燃料電池スタックの一部分解概略斜視図である。
【図６】本発明の第３の実施形態に係る燃料電池スタックの一部断面側面図である。
【図７】本発明の第４の実施形態に係る燃料電池スタックを構成する単位セルの側面説明図である。
【図８】本発明の第５の実施形態に係る燃料電池スタックを構成する単位セルの側面説明図である。
【図９】本発明の第６の実施形態に係る燃料電池スタックの一部断面説明図である。
【図１０】本発明の第７の実施形態に係る燃料電池スタックを構成する単位セルの分解斜視説明図である。
【図１１】前記単位セルの、図１０中、ＸＩ−ＸＩ線断面図である。
【図１２】前記単位セルの、図１０中、ＸＩＩ−ＸＩＩ線断面図である。
【図１３】本発明の第８の実施形態に係る燃料電池スタックを構成する単位セルの分解斜視説明図である。
【図１４】前記単位セルの、図１３中、ＸＩＶ−ＸＩＶ線断面図である。
【図１５】前記単位セルの、図１３中、ＸＶ−ＸＶ線断面図である。
【図１６】従来技術の燃料電池装置の説明図である。
【符号の説明】
【００８６】
１０、９０、１００、１１０、１２０、１３０…燃料電池スタック
１２、１４０、１５０…単位セル  １４…積層体
１６ａ、１６ｂ…ターミナルプレート
１８ａ、１８ｂ…絶縁プレート    ２０ａ、２０ｂ…エンドプレート
２４…ケーシング                ３０…電解質膜・電極構造体
３２、３４、１４２、１４４、１５２、１５４…金属セパレータ
４２…固体高分子電解質膜        ４４…アノード側電極
４６…カソード側電極            ４８…燃料ガス流路
５０…冷却媒体流路              ５２…酸化剤ガス流路
６０ａ〜６０ｄ…側板            ６４ａ、６４ｂ…連結ピン
８２、９２、１０２、１１２、１２２、１３２…スタック変形防止構造
８４…肉厚部                    １３４ａ、１３４ｂ…テーパ面
【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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