(57)【要約】  【課題】  単セル同士を十分に密着させて、電池性能及び安全性の向上を図ることができる燃料電池スタックを提供すること。  【解決手段】  本願発明の燃料電池スタック１によれば、モジュールユニット２又は単セルユニット３とモジュールユニット２又は単セルユニット３とが互いに磁力により挟持されているので、モジュールユニット２又は単セルユニット３とモジュールユニット２又は単セルユニット３とを磁力により密着させることができる。これにより、電気伝導性及び伝熱性が低下すること及び水素ガスが漏出することを防止して、電池性能及び安全性の向上を図ることができる。  【選択図】        図１
2007080659.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
単セルとその単セルの一端面に配設されて空気を供給する空気供給路と前記単セルの他端面に配設されて水素ガスを供給する水素供給路とを有する単セルユニットがセパレータを介して順次積層されることで構成される燃料電池スタックにおいて、
複数の前記単セルユニットを積層させて形成されるモジュールユニット又は前記単セルユニットと前記モジュールユニット又は前記単セルユニットとが互いに磁力により挟持されていることを特徴とする燃料電池スタック。
【請求項２】
複数の前記モジュールユニット又は前記単セルユニットの空気排出口が同一端面に配置されており、その端面と当接する磁性材料からなる載置面を有する載置部材を備え、その載置部材は前記空気排出口から排出されるガスを外部に排出する空気排出路を有することを特徴とする請求項１記載の燃料電池スタック。
【請求項３】
前記モジュールユニット又は前記単セルユニットは、積層方向と直交する方向の少なくとも両端部に磁性を有し、これらの端部と前記載置部材とがなす形状が前記積層方向視において略Ｕ字状に形成されていることを特徴とする請求項２記載の燃料電池スタック。
【請求項４】
前記モジュールユニット又は前記単セルユニットは磁性を有する板状部材を挟んで積層されており、その板状部材と前記載置部材とがなす形状が前記モジュールユニット又は前記単セルユニットの積層方向と直交する方向視において略Ｕ字状に形成されていることを特徴とする請求項２又は３に記載の燃料電池スタック。
【請求項５】
前記セパレータは磁性を有し、前記モジュールユニット又は前記単セルユニットの積層方向と直交する方向視において略Ｕ字状に形成されていることを特徴とする請求項２から４のいずれか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】
本発明は、燃料電池スタックに関し、特に、単セル同士を十分に密着させて、電池性能及び安全性の向上を図ることができる燃料電池スタックに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
一般に、燃料電池スタックとは、固体高分子膜を空気極と燃料極とで挟持した単セルが数十から数百層に積層されて構成されるものであり、そのスタッキングは、積層された複数の単セルをボルトで締め付けることで行われる。
【０００３】
例えば、図８に示すように、積層された複数のモジュールユニット５０２がエンドプレート５０３に挟持され、その挟持された状態で、ボルト５０４により締め付け固定される。
【０００４】
しかしながら、かかる組み立て方法では、ボルト５０４の締結力により、単セル（モジュールユニット５０２）の積層面に対してボルト５０４周辺の圧力が局所的に大きくなる、即ち、圧力の分布が不均一となるため、単セルの撓みや変形を引き起こす。
【０００５】
その結果、単セル同士の密着性が低下して、電気伝導性及び伝熱性の低下による電池性能の低下や、水素ガスの漏出による安全性の低下を引き起こす。
【０００６】
そこで、特開２００３−２２９１３９号公報には、電池セル（単セル）とセパレータとを磁石で密着させる技術が記載されている。この技術によれば、電池セルに形成されるガス拡散層及びセパレータに形成されるガス流路（空気供給路、水素供給路）が磁石を備えて構成されており、電池セル及びセパレータが磁石で密着されることで、単セルにかかる圧力分布を均一化して、電池性能の低下及び安全性の低下を抑制することができる。
【特許文献１】特開２００３−２２９１３９号公報（段落［００２９］、図２など）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、上述した燃料電池スタックでは、磁石がガス拡散層及びガス流路に配設されているため、ガス流路内を流通するガス（空気、水素）の流量を確保するために磁力を十分に確保できない。
【０００８】
即ち、特許文献１の図２に示すように、ガス流路の内壁に沿って磁石が配設される場合では、ガス流路を流通するガスの流量を確保するために、ガス流路内の隙間を確保する必要があり、その結果、磁石の大きさが制限される。
【０００９】
また、特許文献１の図３に示すように、板状の磁石にガス流路が凹設される場合では、ガス流路を形成するために、磁石のガス拡散層側の表面積が減少する。
【００１０】
以上のことから、ガスの流量を確保するために磁石の大きさ及び表面積が制限されるため、磁力を十分に確保することができない。その結果、単セルとセパレータとを十分に密着させることができず、電気伝導性及び伝熱性の低下による電池性能の低下や、水素ガスの漏出による安全性の低下を十分に抑制できないという問題点があった。
【００１１】
本発明は上述した問題点を解決するためになされたものであり、単セル同士を十分に密着させて、電池性能及び安全性の向上を図ることができる燃料電池スタックを提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
この目的を達成するために、請求項１記載の燃料電池スタックは、単セルとその単セルの一端面に配設されて空気を供給する空気供給路と前記単セルの他端面に配設されて水素ガスを供給する水素供給路とを有する単セルユニットがセパレータを介して順次積層されることで構成されるものであり、複数の前記単セルユニットを積層させて形成されるモジュールユニット又は前記単セルユニットと前記モジュールユニット又は前記単セルユニットとが互いに磁力により挟持されている。
【００１３】
請求項２記載の燃料電池スタックは、請求項１記載の燃料電池スタックにおいて、複数の前記モジュールユニット又は前記単セルユニットの空気排出口が同一端面に配置されており、その端面と当接する磁性材料からなる載置面を有する載置部材を備え、その載置部材は前記空気排出口から排出されるガスを外部に排出する空気排出路を有する。
【００１４】
請求項３記載の燃料電池スタックは、請求項２記載の燃料電池スタックにおいて、前記モジュールユニット又は前記単セルユニットは、積層方向と直交する方向の少なくとも両端部に磁性を有し、これらの端部と前記載置部材とがなす形状が前記積層方向視において略Ｕ字状に形成されている。
【００１５】
請求項４記載の燃料電池スタックは、請求項２又は３に記載の燃料電池スタックにおいて、前記モジュールユニット又は前記単セルユニットは磁性を有する板状部材を挟んで積層されており、その板状部材と前記載置部材とがなす形状が前記モジュールユニット又は前記単セルユニットの積層方向と直交する方向視において略Ｕ字状に形成されている。
【００１６】
請求項５記載の燃料電池スタックは、請求項２から４のいずれかに記載の燃料電池スタックにおいて、前記セパレータは磁性を有し、前記モジュールユニット又は前記単セルユニットの積層方向と直交する方向視において略Ｕ字状に形成されている。
【発明の効果】
【００１７】
請求項１記載の燃料電池スタックによれば、燃料電池スタックは、空気供給路と水素供給路とを有する単セルユニットがセパレータを介して順次積層されるものであり、複数の単セルユニットを積層させて形成されるモジュールユニット又は単セルユニットとモジュールユニット又は単セルユニットとが互いに磁力により挟持されているので、モジュールユニット又は単セルユニットとモジュールユニット又は単セルユニットとを磁力により密着させることができる。
【００１８】
その結果、モジュールユニット又は単セルユニットとモジュールユニット又は単セルユニットとの間から水素ガスが漏出することを防止して、安全性の向上を図ることができるという効果がある。
【００１９】
また、モジュールユニット又は単セルユニットとモジュールユニット又は単セルユニットとが互いに磁力により挟持されているので、従来のボルトで締め付け固定する場合のように、モジュールユニット又は単セルユニットに大きな面圧がかかることを防止することができる。
【００２０】
その結果、モジュールユニット又は単セルユニットにかかる面圧の均一化を図り、モジュールユニット又は単セルユニットとモジュールユニット又は単セルユニットとを確実に密着させることができるので、単セル間の電気伝導性及び伝熱性の低下の抑制を図り、電池性能の低下を抑制することができるという効果がある。
【００２１】
また、モジュールユニット又は単セルユニットとモジュールユニット又は単セルユニットとが互いに磁力により挟持されているので、モジュールユニット又は単セルユニットごとに取り扱うことができる。
【００２２】
ここで、従来の燃料電池スタックでは、単セルユニットが積層された状態でボルトにより締め付け固定されているため、例えば、単セルユニットの不具合による単セルユニットの交換作業を行う場合に、ボルトを外して積層された全ての単セルユニットをばらす必要がある。
【００２３】
しかしながら、本発明の燃料電池スタックは、モジュールユニット又は単セルユニットごとに取り扱うことができるので、単セルユニットの不具合が生じた場合に不具合を有する単セルユニットを含むモジュールユニット又は不具合を有する単セルユニットのみを取り外すことができ、その結果、全てのモジュールユニット又は単セルユニットをばらすことを不要として、作業能率の向上を図ることができるという効果がある。
【００２４】
請求項２記載の燃料電池スタックによれば、請求項１記載の燃料電池スタックの奏する効果に加え、複数のモジュールユニット又は単セルユニットの空気排出口が同一端面に配置されると共に、その端面と当接する磁性材料からなる載置面を有する載置部材を備えて構成されているので、モジュールユニット又は単セルユニットを挟持する磁力が載置面に対して作用することで、複数のモジュールユニット又は単セルユニットを載置部材上に保持して、モジュールユニット又は単セルユニットがスタックから脱落することを確実に防止することができるという効果がある。
【００２５】
また、複数のモジュールユニット又は単セルユニットの空気排出口が同一端面に配置されると共に、その空気排出口から排出されるガスを外部に排出する空気排出路が載置部材に配設されているので、単セルから排出される空気流路を確保、即ち、単セルに供給される空気量を確保して、単セルに供給される空気量低下による電池性能の低下を抑制することができるという効果がある。
【００２６】
また、上述したように、載置部材に空気排出路が配設されているので、カソード反応により生成する生成水の排出路を確保して、生成水を単セルの外部に確実に排出することができるという効果がある。
【００２７】
請求項３記載の燃料電池スタックによれば、請求項２記載の燃料電池スタックの奏する効果に加え、モジュールユニット又は単セルユニットは、積層方向と直交する方向の少なくとも両端部に磁性を有し、これらの端部と載置部材とがなす形状が積層方向視において略Ｕ字状に形成されているので、モジュールユニット又は単セルユニットの両端部上端から載置部材へ向けて傾斜する磁気勾配を形成することができる。
【００２８】
その結果、常磁性である酸素が磁気勾配により単セルに引きつけられるので、カソード極に供給される空気中の酸素濃度を実質的に上昇させて、電池性能の向上を図ることができるという効果がある。
【００２９】
更に、反磁性である窒素が磁気勾配により単セルに対して反発するので、カソード極に供給される空気中の窒素濃度を実質的に減少させる、即ち、カソード極に供給される空気中の酸素濃度を実質的に上昇させて、電池性能の向上を図ることができるという効果がある。
【００３０】
また、水は反磁性であるので、カソード反応により生成する生成水を磁気勾配により空気排出口側へ排出させて、カソード極の反応面が生成水により被覆されることを防止することができ、その結果、カソード極の反応面を確保して、電池性能の向上を図ることができるという効果がある。
【００３１】
請求項４記載の燃料電池スタックによれば、請求項２又は３に記載の燃料電池スタックの奏する効果に加え、モジュールユニット又は単セルユニットは磁性を有する板状部材を挟んで積層されており、その板状部材と載置部材とがなす形状がモジュールユニット又は単セルユニットの積層方向と直交する方向視において略Ｕ字状に形成されているので、板状部材の上端から載置部材へ向けて傾斜する磁気勾配を形成することができる。
【００３２】
その結果、常磁性である酸素が磁気勾配により板状部材に引きつけられる、即ち、単セルに引きつけられるので、カソード極に供給される空気中の酸素濃度を実質的に上昇させて、電池性能の向上を図ることができるという効果がある。
【００３３】
更に、反磁性である窒素が磁気勾配により板状部材に対して反発する、即ち、単セルに対して反発する。その結果、カソード極に供給される空気中の窒素濃度を実質的に減少させる、即ち、カソード極に供給される空気中の酸素濃度を実質的に上昇させて、電池性能の向上を図ることができるという効果がある。
【００３４】
また、水は反磁性であるので、カソード反応により生成する生成水を磁気勾配により空気排出口側へ排出させて、カソード極の反応面が生成水により被覆されることを防止することができ、その結果、カソード極の反応面を確保して、電池性能の向上を図ることができるという効果がある。
【００３５】
また、モジュールユニット又は単セルユニットは、磁性を有する板状部材を挟んで積層されている、即ち、板状部材により挟持されているので、モジュールユニット又は単セルユニットの積層面が反ることを防止することができる。
【００３６】
その結果、モジュールユニット又は単セルユニットとモジュールユニット又は単セルユニットとの間に隙間が生じることを防止することができるので、電気伝導性及び伝熱性の低下による電池性能の低下及び水素ガスの漏出による安全性の低下を抑制することができるという効果がある。
【００３７】
請求項５記載の燃料電池スタックによれば、請求項２から４のいずれかに記載の燃料電池スタックの奏する効果に加え、セパレータは磁性を有し、モジュールユニット又は単セルユニットの積層方向と直交する方向視において略Ｕ字状に形成されているので、セパレータの上端から載置部材へ向けて傾斜する磁気勾配を形成することができる。
【００３８】
その結果、常磁性である酸素が磁気勾配によりセパレータに引きつけられる、即ち、単セルに引きつけられるので、カソード極に供給される空気中の酸素濃度を実質的に上昇させて、電池性能の向上を図ることができるという効果がある。
【００３９】
更に、反磁性である窒素が磁気勾配によりセパレータに対して反発する、即ち、単セルに対して反発する。その結果、カソード極に供給される空気中の窒素濃度を実質的に減少させる、即ち、カソード極に供給される空気中の酸素濃度を実質的に上昇させて、電池性能の向上を図ることができるという効果がある。
【００４０】
また、水は反磁性であるので、カソード反応により生成する生成水を磁気勾配により空気排出口側へ排出させて、カソード極の反応面が生成水により被膜されることを防止することができ、その結果、カソード極の反応面を確保して、電池性能の向上を図ることができるという効果がある。
【００４１】
また、単セルユニットは、磁性を有するセパレータを介して積層される、即ち、セパレータにより挟持されているので、単セルユニットの積層面が反ることを防止することができる。
【００４２】
その結果、単セルユニット同士の間に隙間が生じることを防止することができるので、電気伝導性及び伝熱性の低下による電池性能の低下及び水素ガスの漏出による安全性の低下を抑制することができるという効果がある。
【発明を実施するための最良の形態】
【００４３】
以下、本発明の好ましい実施の形態について、添付図面を参照して説明する。図１は、本発明の第１実施の形態における燃料電池スタック１を示す図であり、（ａ）は、上面視における燃料電池スタック１の模式図であり、（ｂ）は、図１（ａ）のＩｂ部分の断面を示す拡大断面図である。図２は、単セルユニット３を示す図であり、（ａ）、（ｂ）はそれぞれ、単セルユニット３の表面及び裏面を示す正面図である。図３（ａ）は、燃料電池スタック１の側面図であり、図３（ｂ）は、図１（ａ）のＩＩＩｂ−ＩＩＩｂ線における燃料電池スタック１の断面図である。図４は、燃料電池スタック１を模式的に示した斜視図である。
【００４４】
なお、図１（ａ）では、１つのモジュールユニット２のみが図示されており、その他のモジュールユニット２の図示が省略されている。また、図１（ａ）及び図３（ａ）では、燃料電池スタック１の積層方向（図１（ａ）上下方向及び図３（ａ）左右方向）長さの図示が省略されている。また、理解を容易とするために、各単セルユニット３同士の間に介在するセパレータ３４の図示が省略されている。
【００４５】
また、図４では、理解を容易とするために、各モジュールユニット２同士の間に隙間が形成されているが、実際は、各モジュールユニット２同士は密着されている。
【００４６】
図１（ａ）に示すように、燃料電池スタック１は、後述する単セルユニット３がセパレータ３４（図１（ｂ）参照）を介して順次積層されることで構成されるものであり、本実施の形態における燃料電池スタック１は、１０個の単セルユニット３を積層させて形成されるモジュールユニット２が１０個（即ち、単セルユニット３が１００個）積層されることで構成されている。
【００４７】
図１（ｂ）に示すように、単セルユニット３は、メンブレン・エレクトロード・アッセンブリ（以下、「ＭＥＡ」と称す）３１と、そのＭＥＡ３１の一端側（図１（ｂ）下側）に連設される空気極側コレクタ３２と、ＭＥＡ３１の他端側（図１（ｂ）上側）に連設される燃料極側コレクタ３３と、それらＭＥＡ３１、空気極側コレクタ３２及び燃料極側コレクタ３３を支持する２種類の第１及び第２フレーム３５，３６とを主に備えて構成されており、各単セルユニット３同士の間にセパレータ３４が配設される。
【００４８】
ＭＥＡ３１は、固体高分子膜３１ａと、その固体高分子膜３１ａの一端面（図１（ｂ）下面）に積層される空気極３１ｂと、固体高分子膜３１ａの他端面（図１（ｂ）上面）に積層される燃料極３１ｃとを備えて構成されるものであり、空気極側コレクタ３２を介して供給される空気中の酸素と燃料極側コレクタ３３を介して供給される水素とが反応させられて電流及び水が発生する。
【００４９】
なお、空気極３１ｂ及び燃料極３１ｃの固体高分子膜３１ａと当接する面には、酸素と水素との反応を促進するために、カーボンに、白金系触媒及び固体高分子を混合してペースト状とした物質がある程度の厚さで均一に分散させられ、触媒層（図示せず）が形成される。
【００５０】
空気極側コレクタ３２は、網目状の開口を有するエキスパンドメタル板材からなり、プレス加工により凸部３２ａ及び凹部３２ｂが単セルユニット３の幅方向（図１（ｂ）左右方向）に沿って等間隔に形成される。
【００５１】
そして、空気極側コレクタ３２は、凸部３２ａが空気極３１ｂと当接すると共に凹部３２ｂがセパレータ３４と当接することで、空気極３１ｂとセパレータ３４との間に第１縦枠部３５ａの厚み寸法と略同等の寸法を有する隙間を形成させて、単セルユニット３の高さ方向（図１（ｂ）紙面垂直方向）に連通するスリット状の空気流路が形成される。
【００５２】
その結果、空気は、空気極側コレクタ３２の上端側（図１（ｂ）紙面手前側）に形成される空気流入口から流入され、空気極側コレクタ３２の下端側（図１（ｂ）紙面奥側）に形成される空気排出口から排出される。
【００５３】
燃料極側コレクタ３３は、空気極側コレクタ３２と同様の寸法で網目状の開口を有するエキスパンドメタル板材からなり、プレス加工により凸部３３ａ及び凹部３３ｂが単セルユニット３の高さ方向（図１（ｂ）紙面垂直方向）に沿って等間隔に形成される。
【００５４】
そして、燃料極側コレクタ３３は、凸部３３ａが燃料極３１ｃと当接すると共に凹部３３ｂがセパレータ３４と当接することで、燃料極３１ｃとセパレータ３４との間に隙間を形成させて、単セルユニット３の幅方向（図１（ｂ）左右方向）に連通するスリット状の水素流路が形成される。
【００５５】
その結果、後述する長孔３５ａ１，３６ａ１を介して供給される水素が単セルユニット３の幅方向に沿って連通可能となる。
【００５６】
第１縦枠部３５ａは、空気極側コレクタ３２の左右両端側に配置されて後述する第１フレーム３５の左右両端を形成する支持部材であり、一端面（図１（ｂ）上面）が固体高分子膜３１ａ及び空気極３１ｂと当接すると共に他端面（図１（ｂ）下面）がセパレータ３４と当接する。
【００５７】
そして、空気極３１ｂ及び燃料極３１ｃの左右両端から突出した固体高分子膜３１ａの左右両端部が第１縦枠部３５ａとバックアッププレート３６ｂとにより挟持されることで、後述する長孔３５ａ１，３６ａ１と空気極３１ｂとの連通を遮断する。
【００５８】
第２縦枠部３６ａは、燃料極３１ｃと燃料極側コレクタ３３とにより挟持されつつ後述する第２フレーム３６の左右両端を形成する支持部材であり、その一端面（図１（ｂ）上面）とセパレータ３４との間に燃料極側コレクタ３３の厚み寸法と略同等の隙間が形成されて、長孔３５ａ１，３６ａ１と燃料極３１ｃとを連通させる。
【００５９】
そして、これら第１及び第２縦枠部３５ａ，３６ａは、ネオジウム磁石、アルニコ磁石及びフェライト磁石等の磁性部材で構成され、第１縦枠部３５ａと第２縦枠部３６ａとの間に生じる磁力によりＭＥＡ３１、空気極側コレクタ３２及び燃料極側コレクタ３３が挟持固定される。
【００６０】
セパレータ３４は、空気極側コレクタ３２と燃料極側コレクタ３３との間に介在しつつ相互に通電させる板状部材であり、導電性と耐食性を備えた金属薄板で構成されている。この構成金属としては、例えば、ステンレス鋼、ニッケル合金及びチタン合金等に金メッキ等の耐食導電処理を施したものが挙げられる。
【００６１】
図２（ａ）に示すように、第１フレーム３５は、空気極側コレクタ３２の左右両端側に配設される第１縦枠部３５ａと、空気極側コレクタ３２の上下両端側に配設されて第１縦枠部３５ａを相互に連結する第１連結部３５ｂとにより形成される枠状部材であり、隣接する単セルユニット３の第２フレーム３６がセパレータ３４（図１（ｂ）参照）を介して積層される。
【００６２】
第１縦枠部３５ａには、略楕円形状の長孔３５ａ１が穿設され、その長孔３５ａ１の周縁にリング溝３５ａ２が凹設されている。かかるリング溝３５ａ２には、ゴム状弾性体から構成されるＯ−リング（図示せず）が嵌着され、第１フレーム３５がセパレータ３４に積層された際に、Ｏ−リングが弾性変形することで第１フレーム３５とセパレータ３４との密着性が確保される。
【００６３】
図２（ｂ）に示すように、第２フレーム３６は、燃料極側コレクタ３３の左右両端側に配設される第２縦枠部３６ａと、燃料極側コレクタ３３の上下両端側に配設されて第２縦枠部３６ａを相互に連結する第２連結部３６ｃとにより形成される枠状部材であり、上述したようにセパレータ３４を介して隣接する単セルユニット３の第１フレーム３５に積層される。
【００６４】
第２縦枠部３６ａには、長孔３５ａ１と同形状の長孔３６ａ１が穿設され、水素の流路経路を形成する。
【００６５】
図３（ａ）に示すように、１００個の単セルユニット３（１０個のモジュールユニット２）が積層された燃料電池スタック１は、空気極側コレクタ３３の空気排出口側（図１（ａ）下側）に配置される板状の載置部材３７に載置される。また、かかる載置状態においては、第１及び第２縦枠部３５ａ，３６ａの下端面が載置部材３７の載置面３７ａと当接する。
【００６６】
なお、載置部材３７は、３次元網目状構造を有する多孔質の発泡金属で構成されるものであり、液体及び気体の透過性を確保している。なお、発泡金属は、例えば、鉄、銅、貴金属（銀、金）及びステンレス合金等から構成される。
【００６７】
また、図３（ｂ）に示すように、載置部材３７の載置面３７ａには、単セルユニット３の積層方向（図３（ｂ）紙面垂直方向）に沿って延在しつつ、載置部材３７の幅方向（図３（ｂ）左右方向）中央に配置される空気排出路３７ｂが凹設されている。
【００６８】
以上、説明したように、燃料電池スタック１は、第１縦枠部３５ａと第２縦枠部３６ａとの間に働く磁力により単セルユニット３同士が互いに挟持される、即ち、各単セルユニット３同士が吸着される。これにより、積層された単セルユニットをボルトで締め付け固定する従来の燃料電池スタックように、ボルトの締め付け部周辺に大きな面圧がかかることを防止することができる。
【００６９】
その結果、単セルユニット３の積層面にかかる面圧の均一化を図り、単セルユニット３とセパレータ３４とを確実に密着させることができるので、単セルユニット３とセパレータ３４との間の隙間により生じる電気伝導性及び伝熱性の低下の抑制を図り、電池性能の低下を抑制することができる。
【００７０】
同様に、単セルユニット３とセパレータ３４とを確実に密着させることで、単セルユニット３とセパレータ３４との間の隙間から水素ガスが漏出することを防止して、安全性の向上を図ることができる。
【００７１】
また、単セルユニット３は、第１縦枠部３５ａと第２縦枠部３６ａとの間に働く磁力により挟持されているので、単セルユニット３ごとに取り扱うことができる。
【００７２】
即ち、従来の燃料電池スタックでは、単セルユニットが積層された状態でボルトにより締め付け固定されているため、例えば、単セルユニットの不具合による単セルユニットの交換作業を行う場合に、ボルトを外して積層された全ての単セルユニットをばらす必要がある。
【００７３】
しかしながら、本発明の燃料電池スタック１は、上述したように、単セルユニット３ごとに取り扱うことができるので、単セルユニット３の不具合が生じた場合に不具合を有する単セルユニット３のみを取り外すことができ、その結果、全ての単セルユニット３をばらすことを不要として、作業能率の向上を図ることができる。
【００７４】
また、図３（ｂ）に示すように、第１及び第２縦枠部３５ａ，３６ａの下端面と載置部材３７の載置面３７ａとが当接するので、第１及び第２縦枠部３５ａ，３６ａと載置部材３７との間に働く磁力により、単セルユニット３を載置部材３７上に確実に保持して、単セルユニット３が燃料電池スタック１から脱落することを防止することができる。
【００７５】
更に、第１及び第２縦枠部３５ａ，３６ａと載置部材３７とがなす形状が、単セルユニット３の積層方向視（図３（ｂ）紙面垂直方向視）において略Ｕ字状に形成されているので、第１及び第２縦枠部３５ａ，３６ａの上端から載置部材３７の幅方向（図３（ｂ）左右方向）中央へ向けて傾斜する磁気勾配を形成することができる。
【００７６】
その結果、常磁性である酸素が磁気力の大きな第１及び第２縦枠部３５ａ，３６ａの上端部に引きつけられつつ磁気勾配に沿って載置部材３７の幅方向中央付近へ誘導されるので、空気極３１ｂに供給される空気中の酸素濃度を実質的に上昇させて、電池性能の向上を図ることができる。
【００７７】
また、反磁性である窒素が磁気力の大きな第１及び第２縦枠部３５ａ，３６ａの上端部に対して反発するので、空気極３１ｂに供給される空気中の窒素濃度を実質的に減少させる、即ち、空気極３１ｂに供給される空気中の酸素濃度を実質的に上昇させて、電池性能の向上を図ることができる。
【００７８】
更に、水は反磁性であるので、空気極３１ｂ上で起こるカソード反応により生成する生成水が空気極側コレクタ３２を介して磁気勾配に沿いつつ載置部材３７側（図３（ｂ）下側）へ排出される。その結果、生成水が網目状に形成された空気極側コレクタ３２の開口部に詰まることを防止できるので、生成水が空気の供給を阻害することを抑制して、電池性能の低下を抑制することができる。
【００７９】
また、生成水は、磁気勾配により載置部材３７の幅方向中央へ向けて排出されるものであり、載置部材３７の幅方向中央に配置される空気排出路３７ｂにより、生成水の排出能率の向上を図っている。
【００８０】
なお、本実施の形態では、空気排出路３７ｂは、載置部材３７の幅方向中央に１本配置されて構成されているが、必ずしもこれに限られるものではなく、空気排出路３７ｂを複数本配設しても良い。これにより、生成水の排出能率を向上させることができる。ただし、磁気勾配が載置部材３７の幅方向中央に向けて傾斜することから、少なくとも載置部材３７の幅方向中央に空気排出路３７ｂを配置することが望ましい。
【００８１】
また、本実施の形態では、第１及び第２連結部３５ｂ，３６ｃは、絶縁材料で構成されているが、必ずしもこれに限られるものではなく、磁性材料で構成しても良く、また、第１及び第２連結部３５ｂ，３６ｃの積層面を覆う帯状の磁性材料を配設しても良い。
【００８２】
これにより、第１連結部３５ｂと第２連結部３６ｃとの間に磁力を発生させて、単セルユニット３をより確実に挟持すると共に、単セルユニット３同士を強固に吸着させることができる。
【００８３】
ここで、起電力を確保するために単セルユニット３の幅方向寸法を大きくした場合には、カソード及びアノード反応により発生する熱により単セルユニット３が変形し易くなり、単セルユニット３同士の間に隙間が生じる危険性がある。
【００８４】
そこで、上述したように、第１及び第２連結部３５ｂ，３６ｃが磁気を帯びることで、単セルユニット３の幅方向一帯を挟持することができるので、単セルユニット３が変形することを抑制して、単セルユニット３同士の間に隙間が生じることを抑制できる。
【００８５】
図４に示すように、各モジュールユニット２単位においては、第１及び第２縦枠部３５ａ，３６ａが１つの磁性部を形成し、その第１及び第２縦枠部３５ａ，３６ａと載置部材３７とがなす形状が、モジュールユニット２の積層方向視（図４左右方向視）において略Ｕ字状に形成される。
【００８６】
その結果、上述したように、第１及び第２縦枠部３５ａ，３６ａの上端から空気排出路３７ｂへ向けて傾斜する磁気勾配が形成される。
【００８７】
次いで、図５及び図６を参照して第２実施の形態について説明する。第１実施の形態では、第１縦枠部３５ａと第２縦枠部３６ａとの間に働く磁力により単セルユニット３が互いに挟持されて構成されていたのに対し、第２実施の形態では、モジュールユニット１０２が板状部材１０４により挟持されて構成されている。なお、上述した第１実施の形態と同一の部分には、同一の符号を付して、その説明は省略する。
【００８８】
図５は、本発明の第２実施の形態における燃料電池スタック１０１を示す図であり、（ａ）は、上面視における燃料電池スタック１０１の模式図であり、（ｂ）は、燃料電池スタック１０１の側面図である。図６は、本発明の第２実施の形態における燃料電池スタック１０１を模式的に示した斜視図である。
【００８９】
なお、図５（ａ）及び（ｂ）では、燃料電池スタック１０１の積層方向（図５（ａ）上下方向及び図５（ｂ）左右方向）長さの図示が省略されている。また、理解を容易とするために、各単セルユニット１０３同士の間に介在するセパレータ３４の図示が省略されている。
【００９０】
また、図６では、理解を容易とするために、各モジュールユニット１０２を挟持する板状部材１０４同士の間に隙間が形成されているが、実際は、各板状部材１０４同士は密着されている。
【００９１】
図５（ａ）に示すように、１０個の単セルユニット１０３が積層されて形成されるモジュールユニット１０２は、ネオジウム磁石、アルニコ磁石及びフェライト磁石等で構成される板状部材１０４により挟持されている。
【００９２】
これにより、燃料電池スタック１０１は、板状部材１０４同士の間に働く磁力によりモジュールユニット１０２同士が互いに挟持される、即ち、各モジュールユニット１０２同士が吸着される。
【００９３】
その結果、モジュールユニット１０２を構成する各単セルユニット１０３の積層面にかかる面圧の均一化を図ることができるので、単セルユニット１０３とセパレータ３４とを確実に密着させて、単セルユニット１０３とセパレータ３４との間の隙間により生じる電気伝導性及び伝熱性の低下の抑制を図り、電池性能の低下を抑制することができる。
【００９４】
同様に、単セルユニット１０３とセパレータ３４とを確実に密着させることで、単セルユニット１０３とセパレータ３４との間の隙間から水素ガスが漏出することを防止して、安全性の向上を図ることができる。
【００９５】
また、各モジュールユニット１０２は、その両面に配置される一対の板状部材１０４同士の間に働く磁力により挟持されているので、モジュールユニット１０２ごとに取り扱うことができる。これにより、単セルユニット１０３の不具合が生じた場合に不具合を有する単セルユニット１０３を含むモジュールユニット１０２のみを取り外すことができ、その結果、全ての単セルユニット１０３をばらすことを不要として、作業能率の向上を図ることができる。
【００９６】
また、モジュールユニット１０２は、その積層面全体が板状部材１０４同士の間に働く磁力により挟持されているので、カソード及びアノード反応により発生する熱により単セルユニット１０３が変形することを抑制して、単セルユニット１０３とセパレータ３４との間に隙間が生じることを防止できる。
【００９７】
また、図５（ｂ）に示すように、１０個のモジュールユニット１０２が積層された燃料電池スタック１０１は、空気極側コレクタ３３（図１（ｂ）参照）の空気排出口側（図５（ｂ）下側）に配置されつつ発泡金属から構成される載置部材１３７に載置される。
【００９８】
かかる場合に、板状部材１０４の下端面と載置部材１３７の載置面１３７ａとが当接するので、板状部材１０４と載置部材１３７との間に働く磁力により、モジュールユニット１０２を載置部材１３７上に確実に保持して、モジュールユニット１０２が燃料電池スタック１０１から脱落することを防止することができる。
【００９９】
更に、一対の板状部材１０４と載置部材１３７とがなす形状が、燃料電池スタック１０１の側面方向視（図５（ｂ）紙面垂直方向視）において略Ｕ字状に形成されているので、板状部材１０４の上端から載置部材１３７へ向けて傾斜する磁気勾配を形成することができる。
【０１００】
その結果、常磁性である酸素が磁気力の大きな板状部材１０４の上端部に引きつけられつつ磁気勾配に沿って載置部材１３７側（図５（ｂ）下側）へ誘導されるので、空気極３１ｂ（図１（ｂ）参照）に供給される空気中の酸素濃度を実質的に上昇させて、電池性能の向上を図ることができる。
【０１０１】
また、反磁性である窒素が磁気力の大きな板状部材１０４の上端部に対して反発するので、空気極３１ｂに供給される空気中の窒素濃度を実質的に減少させる、即ち、空気極３１ｂに供給される空気中の酸素濃度を実質的に上昇させて、電池性能の向上を図ることができる。
【０１０２】
更に、水は反磁性であるので、空気極３１ｂ上で起こるカソード反応により生成する生成水が空気極側コレクタ３２を介して磁気勾配に沿いつつ載置部材１３７側（図５（ｂ）下側）へ排出される。その結果、生成水が網目状に形成された空気極側コレクタ３２の開口部に詰まることを防止できるので、生成水が空気の供給を阻害することを抑制して、電池性能の低下を抑制することができる。
【０１０３】
なお、本実施の形態における燃料電池スタック１０１では、空気極側コレクタ３２から排出される生成水及び空気が発泡金属である載置部材１３７を通過して外部に排出されるように構成されているが、必ずしもこれに限られるものではなく、例えば、空気極側コレクタ３２の下方に位置する空気排出路を載置部材１３７に凹設しても良い。これにより、生成水及び空気の排出能率を向上させることができる。
【０１０４】
また、本実施の形態における第１及び第２縦枠部（図示せず）は、絶縁材料で構成されているが、板状部材１０４と同様に磁性材料から構成しても良い。
【０１０５】
これにより、第１及び第２縦枠部同士の間に働く磁力により各単セルユニット１０３を互いに挟持しつつモジュールユニット１０２を板状部材１０４の磁力により挟持して、単セルユニット１０３同士を強固に吸着させることができる。
【０１０６】
また、第１及び第２縦枠部と載置部材１３７とがなす形状が、モジュールユニット１０２の積層方向視（図５（ｂ）左右方向視）において略Ｕ字状に形成されるので、第１及び第２縦枠部の上端から載置部材１３７へ向けて傾斜する磁気勾配を形成することができる。
【０１０７】
その結果、板状部材１０４、第１及び第２縦枠部からモジュールユニット１０２の上方視における略中央へ向けて傾斜する磁気勾配が形成されるので、空気極３１ｂに供給される酸素濃度及び生成水の排出能率を相乗的に向上させて、電池性能を相乗的に向上させることができる。
【０１０８】
図６に示すように、各モジュールユニット１０２は、その積層面が一対の板状部材１０４に挟持され、その板状部材１０４と載置部材１３７とがなす形状が、燃料電池スタック１０１の側面方向視において略Ｕ字状に形成される。
【０１０９】
その結果、上述したように、板状部材１０４の上端から載置部材１３７へ向けて傾斜する磁気勾配が形成される。
【０１１０】
次いで、図７を参照して第３実施の形態について説明する。第１実施の形態では、セパレータ３４が金属薄板で構成されていたのに対し、第３実施の形態では、セパレータ２３４が磁性を有して構成されている。なお、上述した第１及び第２実施の形態と同一の部分には、同一の符号を付して、その説明は省略する。
【０１１１】
図７は、本発明の第３実施の形態における燃料電池スタック２０１を示す図であり、（ａ）は、上面視における燃料電池スタック２０１の断面図であり、（ｂ）は、図７（ａ）のＶＩＩｂ−ＶＩＩｂ線における燃料電池スタック２０１の断面図である。
【０１１２】
なお、図７（ａ）及び（ｂ）では、燃料電池スタック２０１の一部のみが図示されている。また、図７（ｂ）では、理解を容易とするために燃料極３３が模式的に図示されている。
【０１１３】
図７（ａ）に示すように、第１及び第２フレーム２３５，２３６の左右両端を形成する第１及び第２縦枠部２３５ａ，２３６ａは、絶縁材料で構成されている。
【０１１４】
また、各単セルユニット２０３同士の間に介在するセパレータ２３４は、ネオジウム磁石、アルニコ磁石及びフェライト磁石等の金属薄板で構成されている。
【０１１５】
これにより、燃料電池スタック２０１は、各セパレータ２３４同士の間に働く磁力により単セルユニット２０３同士が互いに挟持される、即ち、各単セルユニット２０３同士が吸着される。
【０１１６】
その結果、単セルユニット２０３の積層面にかかる面圧の均一化を図ることができるので、単セルユニット２０３とセパレータ２３４とを確実に密着させて、単セルユニット２０３とセパレータ２３４との間の隙間により生じる電気伝導性及び伝熱性の低下の抑制を図り、電池性能の低下を抑制することができる。
【０１１７】
同様に、単セルユニット２０３とセパレータ２３４とが確実に密着することで、単セルユニット２０３とセパレータ２３４との間の隙間から水素ガスが漏出することを防止して、安全性の向上を図ることができる。
【０１１８】
また、各単セルユニット２０３同士は、各セパレータ２３４同士の間に働く磁力により挟持されているので、単セルユニット２０３ごとに取り扱うことができる。これにより、単セルユニット２０３の不具合が生じた場合に不具合を有する単セルユニット２０３のみを取り外すことができ、その結果、全ての単セルユニット２０３をばらすことを不要として、作業能率の向上を図ることができる。
【０１１９】
また、単セルユニット２０３は、その積層面全体が各セパレータ２３４同士の間に働く磁力により挟持されているので、カソード及びアノード反応により発生する熱により単セルユニット２０３が変形することを抑制して、単セルユニット２０３とセパレータ２３４との間に隙間が生じることを防止することができる。
【０１２０】
また、図７（ｂ）に示すように、空気極側コレクタ３２の空気流入側（図７（ｂ）上側）に位置する第１連結部３５ｂには空気流入口３５ｂ１が穿設されると共に、空気極側コレクタ３２の空気排出側（図７（ｂ）下側）に位置する第１連結部３５ｂには空気排出口３５ｂ２が穿設され、その空気排出口３５ｂ２と対向して配置されつつ発泡金属から構成される載置部材１３７に単セルユニット２０３が載置される。
【０１２１】
かかる場合に、セパレータ２３４の下端面と載置部材１３７の載置面１３７ａとが当接するので、セパレータ２３４と載置部材１３７との間に働く磁力により、単セルユニット２０３を載置部材１３７上に確実に保持して、単セルユニット２０３が燃料電池スタック２０１から脱落することを防止することができる。
【０１２２】
更に、対向する２つのセパレータ２３４と載置部材１３７とがなす形状が、単セルユニット２０３の側面方向視（図７（ｂ）紙面垂直方向視）において略Ｕ字状に形成されているので、セパレータ２３４の上端から載置部材１３７へ向けて傾斜する磁気勾配を形成することができる。
【０１２３】
その結果、常磁性である酸素が磁気力の大きなセパレータ２３４の上端部に引きつけられつつ磁気勾配に沿って載置部材１３７側（図７（ｂ）下側）へ誘導されるので、空気極３１ｂに供給される空気中の酸素濃度を実質的に上昇させて、電池性能の向上を図ることができる。
【０１２４】
また、反磁性である窒素が磁気力の大きなセパレータ２３４の上端部に対して反発するので、空気極３１ｂに供給される空気中の窒素濃度を実質的に減少させる、即ち、空気極３１ｂに供給される空気中の酸素濃度を実質的に上昇させて、電池性能の向上を図ることができる。
【０１２５】
更に、水は反磁性であるので、空気極３１ｂ上で起こるカソード反応により生成する生成水が空気極側コレクタ３２を介して磁気勾配に沿いつつ載置部材１３７側（図７（ｂ）下側）へ排出される。その結果、生成水が網目状に形成された空気極側コレクタ３２の開口部に詰まることを防止できるので、生成水が空気の供給を阻害することを抑制して、電池性能の低下を抑制することができる。
【０１２６】
なお、本実施の形態における燃料電池スタック２０１では、生成水及び空気排出口３５ｂ２を介して排出される空気が発泡金属である載置部材１３７を通過して外部に排出されるように構成されているが、必ずしもこれに限られるものではなく、例えば、空気排出路を空気排出口３５ｂ２の下方に位置するように載置部材１３７に凹設しても良い。これにより、生成水及び空気の排出能率を向上させることができる。
【０１２７】
また、本実施の形態における第１及び第２縦枠部２３５ａ，２３６ａは、絶縁材料で構成されているが、セパレータ２３４と同様に磁性材料から構成しても良い。
【０１２８】
これにより、第１及び第２縦枠部２３５ａ，２３６ａ同士の間に磁力を発生させて、単セルユニット２０３をより確実に挟持すると共に、単セルユニット２０３同士を強固に吸着させることができる。
【０１２９】
また、第１及び第２縦枠部２３５ａ，１３６ａと載置部材１３７とがなす形状が、単セルユニット２０３の積層方向視（図７（ｂ）左右方向視）において略Ｕ字状に形成されるので、第１及び第２縦枠部２３５ａ，２３６ａの上端から載置部材１３７へ向けて傾斜する磁気勾配を形成することができる。
【０１３０】
その結果、セパレータ２３４、第１及び第２縦枠部２３５ａ，２３６ａから単セルユニット２０３の上方視における略中央へ向けて傾斜する磁気勾配が形成されるので、空気極３１ｂに供給される酸素濃度及び生成水の排出能率を相乗的に向上させて、電池性能を相乗的に向上させることができる。
【０１３１】
以上、上記各実施の形態に基づき本発明を説明したが、本発明は上記各実施の形態に何ら限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲内で種々の改良変形が可能であることは容易に推察できるものである。
【０１３２】
例えば、上記各実施の形態における載置部材３７，１３７は、発泡金属で構成される場合を説明したが、必ずしもこれに限られるものではなく、例えば、載置部材３７，１３７を発泡金属よりも液体及び気体の透過性が高い材料、例えば、スポンジや発泡ウレタン等で構成し、載置面３７ａ，１３７ａのみを発泡金属で構成しても良い。
【０１３３】
これにより、第１及び第２縦枠部３５ａ，３６ａ，２３５ａ，２３６ａ又は板状部材１０４又はセパレータ２３４と載置面３７ａ，１３７ａとが略Ｕ字状に形成されて磁気流体効果を確保しつつ、空気及び生成水の排出能率の向上を図ることができる。
【０１３４】
また、上記各実施の形態におけるモジュールユニット２，１０２は、１０個の単セルユニット３，１０３，２０３が積層されて構成されているが、必ずしもこれに限られるものではなく、１０個以上の単セルユニット３，１０３，２０３で構成しても良く、１０個以下の単セルユニット３，１０３，２０３で構成しても良い。
【図面の簡単な説明】
【０１３５】
【図１】本発明の第１実施の形態における燃料電池スタックを示す図であり、（ａ）は、上面視における燃料電池スタックの模式図であり、（ｂ）は、図１（ａ）のＩｂ部分の断面を示す拡大断面図である。
【図２】（ａ）、（ｂ）はそれぞれ、単セルユニットの表面及び裏面を示す正面図である。
【図３】（ａ）は、燃料電池スタックの側面図であり、（ｂ）は、図１（ａ）のＩＩＩｂ−ＩＩＩｂ線における燃料電池スタックの断面図である。
【図４】燃料電池スタックを模式的に示した斜視図である。
【図５】本発明の第２実施の形態における燃料電池スタックを示す図であり、（ａ）は、上面視における燃料電池スタックの模式図であり、（ｂ）は、燃料電池スタックの側面図である。
【図６】本発明の第２実施の形態における燃料電池スタックを模式的に示した斜視図である。
【図７】本発明の第３実施の形態における燃料電池スタックを示す図であり、（ａ）は、上面視における燃料電池スタックの断面図であり、（ｂ）は、図７（ａ）のＶＩＩｂ−ＶＩＩｂ線における燃料電池スタックの断面図である。
【図８】従来の燃料電池スタックの模式斜視図である。
【符号の説明】
【０１３６】
１，１０１，２０１  燃料電池スタック
２，１０２          モジュールユニット
３，１０３，２０３  単セルユニット
３１                メンブレン・エレクトロード・アッセンブリ（単セル）
３２                空気極側コレクタ（空気供給路）
３３                燃料極側コレクタ（水素供給路）
３４，２３４        セパレータ
３５ａ              第１縦枠部（両端部の一部）
３６ａ              第２縦枠部（両端部の一部）
３５ｂ２            空気排出口
３７，１３７        載置部材
３７ａ，１３７ａ    載置面
３７ｂ              空気排出路
１０４              板状部材
【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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