JP4224527B2 - 燃料電池 - Google Patents

Description

本発明は燃料電池に関する。

固体高分子型燃料電池（以下、「燃料電池」と略す）は、イオン伝導性を有する高分子膜を電解質として用いている。

ところで、燃料電池の発電時には、単電池のカソード側導電性セパレータ板のガス流路に、空気などの酸化剤ガスが流れ、単電池のアノード側導電性セパレータ板のガス流路に、水素ガスなどの燃料ガスが流れる。

単電池とは、電池を作る最小単位を意味し、燃料電池では、高分子電解質膜、燃料極および空気極から構成されるＭＥＡと称される部材と、導電性セパレータ板とを含む。このような単電池の詳細な構成については後述する。

水素ガスの一部は、ガス流路を流れる際に、アノード側のガス拡散電極中の拡散層を拡散して、ガス拡散電極中の触媒反応層に達する。そして、この触媒反応層において、水素ガス中の水素分子が、ここから電子が剥ぎ取られ、水素イオン（Ｈ⁺；プロトン）に電離かつ解離する。水素分子から放出された電子は、外部回路を通じてカソード側に移動する。電離かつ解離された水素イオンは、高分子電解質膜を透過し、カソード側のガス拡散電極中の触媒反応層に達する。

一方、空気中の酸素ガスの一部は、ガス流路を流れる際に、カソード側のガス拡散電極中の拡散層を拡散し、ガス拡散電極中の触媒反応層に達する。そして、この触媒反応層において、酸素分子が電子と反応し酸素イオンになり、さらに、この酸素イオンは水素イオンと反応して水が生成される。

つまり、高分子電解質膜およびガス拡散電極において、酸化剤ガス（空気；反応ガス）と燃料ガス（反応ガス）とが反応することにより水が生成される際に、両者間で電子の授受がなされ、反応熱により燃料電池ＦＣの内部温度が上昇する。このようにして、アノード側から電子が外部に取り出され、電流として外部回路を流れるとともに、導電性セパレータ板に水などを流すことにより上述の反応熱が水を介して外部に運び出される。よって、燃料電池は、水素ガスなどの燃料ガスと空気などの酸化剤ガスを電気化学的に反応させることにより、電気と熱とを同時に発生させる電熱併給装置である。

次に、以上に述べた単電池を、直列に複数個積層させた従来の燃料電池スタックの構成例について概説する。

燃料電池スタックの両端には、燃料電池により生成される電気を集める目的で導電性の一対の集電板および一対の絶縁板が設けられている。そして、燃料電池スタックおよび集電板並びに絶縁板を挟み込むようにして、絶縁板の両端には一対のエンドプレートが設けられている。この一対のエンドプレートは、絶縁板、集電板および燃料電池スタックの四隅を貫通する締結ボルトにより、燃料電池スタックに所定の押圧力を与えて互いに固定され、これにより、上述の燃料電池スタック内の反応ガスシール用のガスケット（後述）および水シール用のガスケット（後述）の適切なシール性が確保されている。

ところで、燃料電池スタックに押圧力を与える場合に、燃料電池スタックの電極部（ガス拡散電極の領域）面内の荷重ばらつきを可能な限り少なくして、燃料電池スタックの電極部が、エンドプレートにより均一に押圧されることが重要である。

そこで、燃料電池スタックとの間に弾性部材（バネ）を介在させたＸ形のエンドプレートを用い、締結ボルト、バネの配置およびバネ定数の選定を工夫することにより、燃料電池スタックの面内の荷重ばらつきを抑えることを意図した従来技術が提案されている（特許文献１参照）。
特開昭６２−２７１３６４号公報（図２）

しかしながら、上述の特許文献１記載の燃料電池スタックの締結技術には、以下のような問題があった。

Ｘ形のエンドプレートを締結する締結ボルトを四隅に配置した構成の場合には、各締結ボルト間の距離は長くなり、Ｘ形のエンドプレートの曲げ剛性が低下する。このため、エンドプレートの変形が促進されることになり、却って燃料電池スタックの電極部面内の荷重のばらつきが増す可能性がある。

特に、燃料電池スタックＳＴの周囲（環状の外周部）の適所には、反応ガスや冷却水の供給用または排出用の複数のマニホールドが形成されていることから、燃料電池スタックのうちの外周部内側の電極部に直接に押圧力を与えられるように、バネを配置することが好ましい。そうであれば、上述の締結ボルトを四隅に配置した構成の場合、バネと締結ボルトとの間の距離がその分長めになり、バネの弾性反力によるエンドプレートの変形は無視できなくなる。その結果、燃料電池スタックの電極部の荷重ばらつき増大による燃料電池の発電分布の不均一性が顕著化する。そして、燃料電池スタックの電極部面内への最大荷重がある一定レベルを超えると、電極部の電流集中によるマイクロショートの発生や燃料電池の性能低下を招きかねないと考えられている。

つまり、特許文献１記載の燃料電池スタックの締結技術には、バネの弾性反力によるエンドプレートの変形の影響が何等考慮されてなく、このようなエンドプレートの変形を適切に改善できるように、燃料電池スタックの締結構造を見直すことが必要である。

本発明は、以上の事情に鑑みてなされたものであり、燃料電池スタックの電極部面内に与えられる荷重ばらつきを改善できる燃料電池を提供することを目的とする。

上記課題を解決するため、本発明は、
電解質膜と電極とを接合させた１以上の膜電極接合体と、
前記膜電極接合体を挟持するように配置された２以上のセパレータと、
前記電極に対向する電極対向領域と、前記電極対向領域を囲み、開口部が形成された環状の外縁領域を有し、前記１以上の膜電極接合体と前記２以上のセパレータとを含む積層体の両端を挟持するように配置された矩形状の一対の第１エンドプレートおよび第２エンドプレートと、
前記積層体の一端と前記第１エンドプレートの内面との間に配置された第１集電板と、
前記積層体の他端と前記第２エンドプレートの内面との間に配置された第２集電板と、
前記第１エンドプレートの前記開口部および前記第２エンドプレートの前記開口部を貫通するように、前記積層体の積層方向に延びている第１締結ロッド、第２締結ロッド、第３締結ロッドおよび第４締結ロッドと、
前記第１、第２、第３および第４締結ロッドのそれぞれの両端に配置され、前記第１および第２エンドプレートに挟持された前記積層体への、前記第１、第２、第３および第４締結ロッドによる締結力を調整可能な締結部と、
前記第１エンドプレートの内面と前記第１集電板との間に配置された複数の第１弾性部材と、
前記第２エンドプレートの内面と前記第２集電板との間に配置された複数の第２弾性部材と、
を備え、
前記第１エンドプレートの外面を前記積層方向に見て、前記外面の四隅に対応する前記第１エンドプレートの頂点を、右回りに第１頂点、第２頂点、第３頂点、第４頂点とし、前記第１頂点と前記第２頂点とを結ぶ前記第１エンドプレートの辺を第１辺、前記第２頂点と前記第３頂点とを結ぶ前記第１エンドプレートの辺を第２辺、前記第３頂点と前記第４頂点とを結ぶ前記第１エンドプレートの辺を第３辺、前記第４頂点と前記第１頂点とを結ぶ前記第１エンドプレートの辺を第４辺とし、前記第１辺の中点と前記第３辺の中点とを通る直線を第１軸、前記第２辺の中点と前記第４辺の中点とを通る直線を第２軸とした場合、
前記第１締結ロッドが前記第１辺と前記電極対向領域との間の前記外縁領域内の第１軸上に配置され、
前記第２締結ロッドが前記第２辺と前記電極対向領域との間の前記外縁領域内の第２軸上に配置され、
前記第３締結ロッドが前記第３辺と前記電極対向領域との間の前記外縁領域内の第１軸上に配置され、
前記第４締結ロッドが前記第４辺と前記電極対向領域との間の前記外縁領域内の第２軸上に配置され、
前記第１エンドプレートの前記電極対向領域内には、
前記第１および第２締結ロッドを通る第１直線上に、前記第１弾性部材が１以上配置され、
前記第２および第３締結ロッドを通る第２直線上に、前記第１弾性部材が１以上配置され、
前記第３および第４締結ロッドを通る第３直線上に、前記第１弾性部材が１以上配置され、
前記第４および第１締結ロッドを通る第４直線上に、前記第１弾性部材が１以上配置されている、
燃料電池を提供する。なお、この場合、前記第１直線上、前記第２直線上、前記第３直線上、および前記第４直線上に代えて、前記第１直線、前記第２直線、前記第３直線、および前記第４直線に対して線対称に一対の前記第１弾性部材を配置してもよい。

これにより、各締結ボルトのうちの隣接するボルト同士を結んだ直線部分の第１エンドプレートは、曲げ剛性が高くなり、このような第１エンドプレートの電極対向領域の高剛性面内（直線部分）に第１弾性部材を配置することができる。よって、第１弾性部材の弾性反力により第１エンドプレートが変形し難くなり、第１エンドプレートの変形に依拠した燃料電池スタック（積層体）の電極部面内の荷重のばらつきを改善できる。

また、本発明の燃料電池においては、前記第１弾性部材は、前記第１および第２締結ロッド間の前記第１直線の間隔、前記第２および第３締結ロッド間の前記第２直線の間隔、前記第３および第４締結ロッド間の前記第３直線の間隔、および、前記第４および第１締結ロッド間の前記第４直線の間隔を、等間隔に区切るように配置されていることが好ましい場合がある。

また、前記第１直線、前記第２直線、前記第３直線および前記第４直線上にそれぞれ配置される前記第１弾性部材の個数が同じであることが好ましい場合がある。

また、前記第１エンドプレートの前記電極対向領域内の前記第１軸上に、前記第１弾性部材が１以上配置されていることが好ましい場合がある。

また、前記第１エンドプレートの前記電極対向領域内の前記第２軸上に、前記第１弾性部材が１以上配置されていることが好ましい場合がある。

また、前記第１軸と前記第２軸との間の交点に、前記第１弾性部材が配置されていることが好ましい場合がある。

このような各種の好適と考えられる第１弾性部材の配置の採用により、第１弾性部材による燃料電池スタック（積層体）の電極部への荷重の均一化が図れる。

つまり、本発明によれば、電極対向領域内の均等な第１弾性部材の配置と、電極対向領域の高剛性面内への第１弾性部材の配置との間の適切なバランスにより、第１エンドプレートの変形による燃料電池スタック（積層体）の電極部面内の荷重ばらつきの増大が抑制される。その結果、電極部面内の荷重ばらつき増大による燃料電池の発電分布の不均一性を改善できる。また、電極部への最大荷重を低く抑えることができ、電極部の電流集中によるマイクロショートの発生および燃料電池の性能低下を防止できる。

また、本発明の燃料電池においては、前記第１エンドプレートと前記第２エンドプレートとが、前記積層体を含む直方体の両端に対向するように配置され、
前記第２エンドプレートの外面を前記積層方向に見て、前記外面の四隅に対応する前記第２エンドプレートの頂点を、左回りに第５頂点、第６頂点、第７頂点、第８頂点とし、前記第５頂点は前記第１頂点に対向する位置にあり、前記第６頂点は前記第２頂点に対向する位置にあり、前記第７頂点は前記第３頂点に対向する位置にあり、前記第８頂点は前記第４頂点に対向する位置にあり、前記第５頂点と第６頂点を結ぶ前記第２エンドプレートの辺を第５辺、第６頂点と第７頂点とを結ぶ前記第２エンドプレートの辺を第６辺、第７頂点と第８頂点とを結ぶ前記第２エンドプレートの辺を第７辺、第８頂点と第５頂点とを結ぶ前記第２エンドプレートの辺を第８辺とし、前記第５辺の中点と前記第７辺の中点とを通る直線を第３軸、前記第６辺の中点と前記第８辺の中点とを通る直線を第４軸とした場合、
前記第１締結ロッドが前記第５辺と前記電極対向領域との間の前記外縁領域内の第３軸上に配置され、
前記第２締結ロッドが前記第６辺と前記電極対向領域との間の前記外縁領域内の第４軸上に配置され、
前記第３締結ロッドが前記第７辺と前記電極対向領域との間の前記外縁領域内の第３軸上に配置され、
前記第４締結ロッドが前記第８辺と前記電極対向領域との間の前記外縁領域内の第４軸上に配置され、
前記第２エンドプレートの前記電極対向領域内には、
前記第１および第２締結ロッドを通る第５直線上に、前記第２弾性部材が１以上配置され、
前記第２および第３締結ロッドを通る第６直線上に、前記第２弾性部材が１以上配置され、
前記第３および第４締結ロッドを通る第７直線上に、前記第２弾性部材が１以上配置され、
前記第４および第１締結ロッドを通る第８直線上に、前記第２弾性部材が１以上配置されていることが好ましい。

これにより、各締結ボルトのうちの隣接するボルト同士を結んだ直線部分の第２エンドプレートは、曲げ剛性が高くなり、このような第２エンドプレートの電極対向領域の高剛性面内（直線部分）に第２弾性部材を配置することができる。よって、第２弾性部材の弾性反力により第２エンドプレートが変形し難くなり、第２エンドプレートの変形に依拠した燃料電池スタック（積層体）の電極部面内の荷重ばらつきを改善できる。

更に、本発明の燃料電池においては、前記第２弾性部材は、前記第１および第２締結ロッド間の前記第５直線の間隔、前記第２および第３締結ロッド間の前記第６直線の間隔、前記第３および第４締結ロッド間の前記第７直線の間隔、および、前記第４および第１締結ロッド間の前記第８直線の間隔を、等間隔に区切るように配置されていることが好ましい場合がある。

また、前記第５直線、前記第６直線、前記第７直線および前記第８直線上にそれぞれ配置される前記第２弾性部材の個数が同じであることが好ましい場合がある。

また、前記第２エンドプレートの前記電極対向領域内の前記第３軸上に、前記第２弾性部材が１以上配置されていることが好ましい場合がある。

前記第２エンドプレートの前記電極対向領域内の前記第４軸上に、前記第２弾性部材が１以上配置されていることが好ましい場合がある。

また、前記第３軸と前記第４軸との間の交点に、前記第２弾性部材が配置されていることが好ましい場合がある。

このような各種の好適と考えられる第２弾性部材の配置の採用により、第２弾性部材による燃料電池スタック（積層体）の電極部への荷重の均一化が図れる。

つまり、本発明によれば、電極対向領域内の均等な第２弾性部材の配置と、電極対向領域の高剛性面内への第２弾性部材の配置との間の適切なバランスにより、第２エンドプレートの変形による燃料電池スタック（積層体）の電極部面内の荷重ばらつきの増大が抑制される。その結果、電極部面内の荷重ばらつき増大による燃料電池の発電分布の不均一性を改善できる。また、電極部への最大荷重を低く抑えることができ、電極部の電流集中によるマイクロショートの発生および燃料電池の性能低下を防止できる。

なお、前記第１集電板と前記第１エンドプレートとの間に、第１絶縁板が配置され、前記第１弾性部材は、前記第１エンドプレートと前記第１絶縁板との間に配置されても良い。

また、前記第１集電板と前記第２エンドプレートとの間に、第２絶縁板が配置され、前記第２弾性部材は、前記第２エンドプレートと前記第２絶縁板との間に配置されても良い。

また、前記第１および第２弾性部材はバネであっても良い。

本明細書において「弾性部材」とは、少なくとも第１および第２エンドプレートや絶縁板に比べて弾性変形し易いような物体を指すが、このような「弾性部材」の一典型例としてバネがある。

また、前記締結ロッドは棒状のボルトであり、前記締結部は前記ボルトの両端に螺合するナットであっても良い。

前記第１エンドプレートの前記開口部および前記第２エンドプレートの前記開口部を貫通して前記積層体の積層方向に延びている１以上の締結補助ロッドと、前記１以上の締結補助ロッドのそれぞれの両端に配置され、前記第１および第２エンドプレートに挟持された前記積層体への、前記締結補助ロッドによる締結力を調整可能な締結補助部と、を備えても良い。

また、本発明は、電解質膜と電極とを接合させた１以上の膜電極接合体と、
前記膜電極接合体を挟持するように配置された２以上のセパレータと、
前記電極に対向する電極対向領域と、前記電極対向領域を囲み、開口部が形成された環状の外縁領域を有し、前記１以上の膜電極接合体と前記２以上のセパレータとを含む積層体の両端を挟持するように配置された矩形状の一対の第１エンドプレートおよび第２エンドプレートと、
前記積層体の一端と前記第１エンドプレートの内面との間に配置された第１集電板と、
前記積層体の他端と前記第２エンドプレートの内面との間に配置された第２集電板と、
前記第１エンドプレートの前記開口部および前記第２エンドプレートの前記開口部を貫通するように、前記積層体の積層方向に延びている複数の締結ロッドと、
前記第１エンドプレートの内面と前記第１集電板との間に配置された複数の第１弾性部材と、
前記第２エンドプレートの内面と前記第２集電板との間に配置された複数の第２弾性部材と、
前記複数の締結ロッドのそれぞれの両端に配置され、前記第１および第２エンドプレートに挟持された前記積層体への、前記複数の締結ロッドによる締結力を調整可能な締結部と、を有し、
前記締結ロッドのそれぞれは、前記電極の中心に対して回転対称となる前記外縁領域内の位置であって、前記電極の各辺の垂直２等分線上に、前記各辺に対応するように配置され、
前記第１エンドプレートの前記電極対向領域内において、隣り合う前記複数の締結ロッド同士の間を結ぶ直線上に前記第１弾性部材が配置されている、燃料電池を提供する。なお、この場合、前記直線上に代えて、前記直線に対して線対称に一対の前記第１弾性部材を配置してもよい。

これにより、隣接する締結ボルト同士の間の第１エンドプレートは、曲げ剛性が高くなり、このような第１エンドプレートの電極対向領域の高剛性面内に第１弾性部材を配置することができる。よって、第１弾性部材の弾性反力により第１エンドプレートが変形し難くなり、第１エンドプレートの変形に依拠した燃料電池スタック（積層体）の電極部面内の荷重のばらつきを改善できる。

本発明の上記目的、他の目的、特徴、及び利点は、添付図面参照の下、以下の好適な実施態様の詳細な説明から明らかにされる。

本発明によれば、燃料電池スタックの電極部面内に与えられる荷重ばらつきを改善できる燃料電池が得られる。

以下、本発明の好ましい実施の形態を、図面を参照しながら説明する。
［第一実施形態］
図１は、本発明の第一実施形態による燃料電池の単電池の構成例を示した断面図である。なお、説明の便宜上、燃料電池ＦＣのうちの水素ガスなどの燃料ガス（還元剤ガス）の関与する側をアノードと呼び、参照番号には「ａ」を付随させて表し、その空気などの酸化剤ガスの関与する側をカソードと呼び、参照番号には「ｃ」を付随させて表している。また、図面において、燃料電池ＦＣの各部品が重なる積層方向を「左右方向」として示している。図２は、第一実施形態による燃料電池の側面図である。なお、図２（後述の図３も同じ）では、図面の簡素化を図る趣旨から、燃料電池スタックＳＴに含まれる導電性セパレータ板１０７ａ、１０７ｃ（後述）の個数をそれぞれ５個にするとともに、ＭＥＡ１０５（後述）の図示が省かれている。

燃料電池ＦＣは、図２に示すように、単電池２０１を複数段に積層させてなる直方形の燃料電池スタックＳＴ（以下、「積層体ＳＴ」と略す）と、この積層体ＳＴの両端に配置され、燃料電池ＦＣにより生成される電気を集める機能および積層体ＳＴを固定する機能を果たす燃料電池ＦＣの支持構造体ＦＸと、を備える。

まず、燃料電池ＦＣ（単電池２０１）の構成について図１および図２を参照しながら説明し、支持構造体ＦＸの構成については後述する。

燃料電池ＦＣの単電池２０１は、図１に示すように、水素イオン（Ｈ⁺；プロトン）を選択的に輸送する高分子電解質膜１０１およびその両面に配置された一対のガス拡散電極１０４ａ、１０４ｃを備える。これらのガス拡散電極１０４ａ、１０４ｃは、電極触媒（例えば白金）を担持したカーボン粉末に水素イオン伝導性を有する高分子電解質を混合した触媒反応層（図示せず）と、この触媒反応層の外面に形成された、通気性と電子伝導性を併せ持つ、例えば撥水処理を施したカーボンペーパーからなる拡散層（図示せず）と、から主として構成されている。つまり、ガス拡散電極１０４ａが、単電池２０１のアノード電極に相当し、ガス拡散電極１０４ｃが、単電池２０１のカソード電極に相当する。そして、両ガス拡散電極１０４ａ、１０４ｃと高分子電解質膜１０１とにより、膜電極接合体１０５（「ＭＥＡ１０５」と略す）が構成されている。

また、燃料電池ＦＣの単電池２０１は、図１に示すように、ＭＥＡ１０５の両側に、導電性セパレータ板１０７ａ、１０７ｃを更に備え、この導電性セパレータ板１０７ａ、１０７ｃにより、ＭＥＡ１０５が、後記の支持構造体ＦＸの締結力により機械的に固定されるとともに、隣接するＭＥＡ１０５同士が互いに電気的に直列に接続されている。

このような単電池２０１のアノードを構成する導電性セパレータ板１０７ａおよび単電池２０１のカソードを構成する導電性セパレータ板１０７ｃは、カーボン製または金属製の矩形状の平板で製造され、図１に示すように、ガス拡散電極１０４ａ、１０４ｃに接触する矩形状の電極接触部３０１ａ、３０１ｃと、この電極接触部３０１ａ、３０１ｃを囲む環状の外周部３０２ａ、３０２ｃ（後述のＭＥＡガスケット１１０ａ、１１０ｃと接触する部分）とからなる。

導電性セパレータ板１０７ａ、１０７ｃのガス拡散電極１０４ａ、１０４ｃと接する電極接触部３０１ａ、３０１ｃの表面（以下、「主面３０３ａ、３０３ｃ」と略す）には、凹部（溝）が設けられている。そして、この凹部とガス拡散電極１０４ａ、１０４ｃにより仕切られた空間が、燃料ガスまたは酸化剤ガスをガス拡散電極１０４ａ、１０４ｃの面内に均等に供給可能なガス流路１０６ａ、１０６ｃに相当する。

また、導電性セパレータ板１０７ａ、１０７ｃの背面（主面３０３ａ、３０３ｃの裏面）同士は互いに接触してなり、この背面の電極接触部３０１ａ、３０１ｃにも凹部（溝）が設けられている。そして、この凹部が重なり合うよう仕切られた空間が、燃料電池ＦＣ（ＭＥＡ１０５）を面内で均一に冷却する冷却液体（例えば冷却水）を通水可能な冷却液体流路１０８に相当する。

なお、ガス拡散電極１０４ａ、１０４ｃの周囲を囲むようにして、ガス流路１０６ａ、１０６ｃを流れる反応ガスの外部への漏れなどを防止可能な環状のＭＥＡガスケット１１０ａ、１１０ｃ（ガスシール材）が高分子電解質膜１０１と導電性セパレータ板１０７ａ、１０７ｃとの間に設けられている。このＭＥＡガスケット１１０ａ、１１０ｃは、ガス拡散電極１０４ａ、１０４ｃおよび高分子電解質膜１０１ともに、ＭＥＡ１０５の一部として一体化されている。

また、冷却液体流路１０８の周囲を囲むようにして、導電性セパレータ板１０７ａ、１０７ｃ同士の間には、冷却液体流路１０８を流れる冷却液体の外部への漏水を防止可能な環状のセパレータガスケット１１１が設けられている。

導電性セパレータ板１０７ａ、１０７ｃの外周部３０２ａ、３０２ｃの適所には、ガス流路１０６ａへの燃料ガス供給用の燃料ガス入口側マニホールドを構成する貫通孔（図示せず）が設けられ、ガス流路１０６ａからの燃料ガス排出用の燃料ガス出口側マニホールドを構成する貫通孔（図示せず）が設けられている。つまり、単電池２０１が積層された形態で、これらの貫通孔は順に繋がり、これにより積層体ＳＴの積層方向（左右方向）に延びる、筒状の燃料ガス入口側マニホールドおよび燃料ガス出口側マニホールドが形成される。そして、上述のガス流路１０６ａが、燃料ガス入口側マニホールドと、燃料ガス出口側マニホールドとの間を連通するように導電性セパレータ板１０７ａの主面３０３ａの面内をサーペンタイン状に形成されている。

また、導電性セパレータ板１０７ａ、１０７ｃの外周部３０２ａ、３０２ｃの適所には、ガス流路１０６ｃへの酸化剤ガス供給用の酸化剤ガス入口側マニホールドを構成する貫通孔（図示せず）が設けられ、ガス流路１０６ｃからの酸化剤ガス排出用の酸化剤ガス出口側マニホールドに構成する貫通孔（図示せず）が設けられている。つまり、単電池２０１が積層された形態で、これらの貫通孔は順に繋がり、これにより積層体ＳＴの積層方向（左右方向）に延びる、筒状の酸化剤ガス入口側マニホールドおよび酸化剤ガス出口側マニホールドが形成される。そして、上述のガス流路１０６ｃが、酸化剤ガス入口側マニホールドと、酸化剤ガス出口側マニホールドとの間を連通するように導電性セパレータ板１０７ｃの主面３０３ｃの面内をサーペンタイン状に形成されている。

更に、導電性セパレータ板１０７ａ、１０７ｃの外周部３０２ａ、３０２ｃの適所には、冷却液体流路１０８への冷却液供給用の冷却液体入口側マニホールドを構成する貫通孔（図示せず）が設けられ、冷却液体流路１０８からの冷却液体排出用の冷却液体出口側マニホールドを構成する貫通孔（図示せず）が設けられている。つまり、単電池２０１が積層された形態で、これらの貫通孔は順に繋がり、これにより積層体ＳＴの積層方向（締結方向）に延びる、筒状の冷却液体入口側マニホールドおよび冷却液体出口側マニホールドが形成される。そして、上述の冷却液体流路１０８が、冷却液体入口側マニホールドと、冷却液体出口側マニホールドとの間を連通するように導電性セパレータ板１０７ａ、１０７ｃの裏面の面内をサーペンタイン状に形成されている。

以上に述べたガス流路１０６ａ、１０６ｃは、導電性セパレータ板１０７ａ、１０７ｃと別体の部材に形成することもできるが、本実施形態（図１）に示したように、導電性セパレータ板１０７ａ、１０７ｃの主面３０３ａ、３０３ｃに、ガス流路１０６ａ、１０６ｃ用の凹部を直接形成すれば部品点数が減らせる。

このようにして、上述のＭＥＡ１０５と上述の導電性セパレータ板１０７ａ、１０７ｃとにより、単電池２０１が構成され、このようなＭＥＡ１０５と導電性セパレータ板１０７ａ、１０７ｃとが交互に複数個（例えば単電池２０１が１０〜２００個）積層され、最終的には、図２に示した積層体ＳＴが製作されている。

次に、積層体ＳＴを固定する支持構造体ＦＸの構成について、図２、図３および図４を参照しながら説明する。

図３は、第一実施形態による燃料電池の斜視図である。図４は、第一実施形態による燃料電池の正面図であり、図４（ａ）は、図３の矢印Ｘの向きに、燃料電池の左エンドプレート（後述）の外面を見た図であり、図４（ｂ）は、図３の矢印Ｙの向きに、燃料電池の右エンドプレート（後述）の外面を見た図である。但し、図面を簡略化する趣旨から、図４では、配管（後述）の図示を省略している。

支持構造体ＦＸは、導電性かつ矩形状の一対の集電板２２（左右集電板２２Ｌ、２２Ｒ）と、矩形状の一対の絶縁板２３（左右絶縁板２３Ｌ、２３Ｒ）と、矩形状の一対のエンドプレート３０（左右エンドプレート３０Ｌ、３０Ｒ）とを主たる構成要素として備え、棒状の締結ボルト３５（締結ロッド）が、左右エンドプレート３０Ｌ、３０Ｒの開口部（図示せず）を貫通するように、積層体ＳＴの積層方向に延びている。

ここでは、図示を省略しているが、積層体ＳＴ、集電板２２および絶縁板２３には、締結ボルト３５の貫通用の孔や凹状の切り欠きが形成されている。

本明細書において、矩形状とは、厳密な直角４辺形でなくても良い。例えば、この矩形状には、図３に示す如く、直角４辺形の四隅の４つの頂点を面取りした形状（例えば、これらの頂点のテーパカット等）も含まれるものとする。

左右集電板２２Ｌ、２２Ｒは、金属などにより構成され、積層体ＳＴを積層方向から挟むように積層体ＳＴの両端に接触して配置され、燃料電池ＦＣにより生成される電気を集電する機能を有する。

左右絶縁板２３Ｌ、２３Ｒは、樹脂などにより構成され、左右集電板２２Ｌ、２２Ｒのそれぞれに当接してなり、積層体ＳＴの絶縁性を確保する機能を有する。

左右エンドプレート３０Ｌ、３０Ｒは、樹脂などにより構成され、左右エンドプレート３０Ｌ、３０Ｒの内面と左右絶縁板２３Ｌ、２３Ｒとの間に複数のバネ３７（弾性部材）を介在させることにより、締結ボルト３５を介してバネ３７のバネ力（押圧力）に基づき積層体ＳＴに所定の荷重を与える機能を有する。つまり、左右エンドプレート３０Ｌ、３０Ｒは、この積層体ＳＴを含み左右集電板２２Ｌ、２２Ｒおよび左右絶縁板２３Ｌ、２３Ｒとともに構成される直方体を、その両端（左右方向）から左右エンドプレート３０Ｌ、３０Ｒの内面によりバネ３７のバネ力に基づいて挟み、かつ固定するように構成されている。

左エンドプレート３０Ｌには、図２および図３に示すように、上述の燃料ガス入口側マニホールド、酸化剤ガス入口側マニホールドおよび冷却液体入口側マニホールドの各マニホールドの、積層体ＳＴの端部における流体の流入口（図示せず）のそれぞれに接続される燃料ガス用供給配管２４、酸化剤ガス用供給配管２６および冷却液体用供給配管２８が、積層体ＳＴの積層方向に略平行な方向に延びるような形態で設けられている。

また、右エンドプレート３０Ｒには、図２に示すように、上述の燃料ガス出口側マニホールド、酸化剤ガス出口側マニホールドおよび冷却液体出口側マニホールドの各マニホールドの、積層体ＳＴの端部における流体の流出口（図示せず）のそれぞれに接続される燃料ガス用排出配管（図示せず）、酸化剤ガス用排出配管２７および冷却液体用排出配管２９が、積層体ＳＴの積層方向（左右方向）に略平行な方向に延びるような形態で設けられている。

なお、左右エンドプレート３０Ｌ、３０Ｒは、ＳＵＳなどの金属材料により製造することも可能であるが、燃料電池ＦＣの軽量化や量産性を考慮すれば樹脂材料を用いて金型成型により製造する方が好ましい。つまり、左右エンドプレート３０Ｌ、３０Ｒを樹脂成型により製造すれば、上述の各種の配管２４、２６、２７、２８、２９を左右エンドプレート３０Ｌ、３０Ｒと一体に作れることになり、量産性の面で優れている。左右エンドプレート３０Ｌ、３０Ｒの好適な樹脂材料例としては、ガラス繊維入りポリフェニルサルファイド（ＰＰＳ）、ポリカーカーボネート、ポリスルフォン、ポリブチレンテレフタレート（ＰＢＴ）などのエンジニアリングプラスチックがある。なおこの場合、上述の各種のマニホールドが、導電性セパレータ板１０７ａ、１０７ｃの外周部３０２ａ、３０２ｃ（図１参照）に形成されていることから、これらのマニホールドに接続される配管２４、２６、２７、２８、２９が一体成型された左右エンドプレート３０Ｌ、３０Ｒの平面視（図２の左右方向から見た場合）した形状は、ガス拡散電極１０４ａ、１０４ｃ（図１参照）より一回り大きくなっている。

次に、本実施形態の特徴部である支持構造体ＦＸによる左右エンドプレート３０Ｌ、３０Ｒを用いた積層体ＳＴの締結構造について、図面を参照しながら詳しく説明する。

左右エンドプレート３０Ｌ、３０Ｒの内面（バネ３７との間の当接面）には、図４（ａ）、（ｂ）に示す如く、仮想の境界ライン５００に区画された、ガス拡散電極１０４ａ、１０４ｃ（図１参照）に対向する正方形の電極対向領域４０１と、この電極対向領域４０１を囲む環状の外縁領域４０２と、がある。つまり、電極対向領域４０１の形状は、導電性セパレータ板１０７ａ、１０７ｃの電極接触部３０１ａ、３０１ｃの平面視した形状と同一であり、外縁領域４０２は、左右エンドプレート３０Ｌ、３０Ｒの外寸が導電性セパレータ板１０７ａ、１０７ｃの外寸と同じであれば、導電性セパレータ板１０７ａ、１０７ｃの外周部３０２ａ、３０２ｃの平面視した形状と同一である。

左右エンドプレート３０Ｌ、３０Ｒの外縁領域４０２には各々、図示しない４つの開口部が設けられている。これらの開口部に４本の締結ボルト３５（締結ロッド）が貫通している。そして、これらの締結ボルト３５の両端に螺合された８個のナット３６（締結部）を用いて左右エンドプレート３０Ｌ、３０Ｒを左右方向に近づけるように左右エンドプレート３０Ｌ、３０Ｒを締め付けることができる。このナット３６の左右エンドプレート３０Ｌ、３０Ｒへの締め付け具合により、左右エンドプレート３０Ｌ、３０Ｒに挟持された積層体ＳＴへの、締結ボルト３５による締結力が調整される。つまり、左右エンドプレート３０Ｌ、３０Ｒと左右絶縁板２３Ｌ、２３Ｒとの間に配置されたバネ３７のバネ力を、ナット３６の左右エンドプレート３０Ｌ、３０Ｒへの締め付けにより調整でき、これにより、積層体ＳＴの固定用の荷重は、バネ３７のバネ力（押圧力）に基づいて積層体ＳＴに与えられる。なお、左右エンドプレート３０Ｌ、３０Ｒに、適宜の溝やくぼみ（図示せず）を設け、当該溝やくぼみに、バネ３７が嵌め込まれている。

ここで、左エンドプレート３０Ｌ側の締結ボルト３５の配置およびバネ３７の配置を適切に特定する趣旨から、左エンドプレート３０Ｌの頂点や辺を以下の如く定義する。

図３および図４（ａ）に示すように、左エンドプレート３０Ｌの外面を積層体ＳＴの積層方向に見て（つまり、図３に示した矢印Ｘの向きに見て）、左エンドプレート３０Ｌの内面の四隅に対応する各頂点を、時計回り（右回り）に第１頂点Ｐ１、第２頂点Ｐ２、第３頂点Ｐ３、第４頂点Ｐ４とする。

また、左エンドプレート３０Ｌの内面において、第１頂点Ｐ１と第２頂点Ｐ２とを結ぶ左エンドプレート３０Ｌの辺を第１辺Ｌ１、第２頂点Ｐ２と第３頂点Ｐ３とを結ぶ左エンドプレート３０Ｌの辺を第２辺Ｌ２、第３頂点Ｐ３と第４頂点Ｐ４とを結ぶ左エンドプレート３０Ｌの辺を第３辺Ｌ３、第４頂点Ｐ４と第１頂点Ｐ１とを結ぶ左エンドプレート３０Ｌの辺を第４辺Ｌ４とし、第１辺Ｌ１の中点と第３辺Ｌ３の中点とを通る直線を第１軸Ｙ１とし、第２辺Ｌ２の中点と第４辺Ｌ４の中点とを通る直線を第２軸Ｘ１とする。

なお、上述の第１軸Ｙ１（第２軸Ｘ１も同じ）は、締結ボルト３５の配置位置を特定する目的で、左エンドプレート３０Ｌの内面において第１辺Ｌ１の中点と第３辺Ｌ３の中点とを通るように引かれた仮想の直線であり、本技術を具現化した製品に実在するものでは無い。

また、図３および図４（ａ）の如く、矩形状の左エンドプレート３０Ｌの四隅が面取り（例えばテーパカット）されている場合には、左エンドプレート３０Ｌを形作る各辺Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３、Ｌ４の延長線の仮想の交点を、第１、第２、第３および第４頂点Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３、Ｐ４として、上述の各辺Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３、Ｌ４、各直線軸Ｙ１、Ｘ１を特定するものとする。

最初に、バネ３７の配置の基準となる４本の締結ボルト３５（正確には締結ボルト３５の一方端）の、左エンドプレート３０Ｌの面内の配置の位置を、電極対向領域４０１および外縁領域４０２、各辺Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３、Ｌ４、各直線軸Ｙ１、Ｘ１を用いて特定する。

４本の締結ボルト３５のうちの第１締結ボルト３５Ａは、図４（ａ）に示す如く、第１辺Ｌ１と電極対向領域４０１との間の外縁領域４０２内の第１軸Ｙ１上に配置されている。つまり、この第１締結ボルト３５Ａの一方端は、電極対向領域４０１と外縁領域４０２との間を区画する仮想の境界ライン５００より外側に位置する左エンドプレート３０Ｌの外縁領域４０２における第１辺Ｌ１の中点付近を貫通している。

なお、この第１締結ボルト３５Ａは、正方形のガス拡散電極１０４ａ、１０４ｃ（図４（ａ）の境界ライン５００と同形状）を基準にすると、ガス拡散電極１０４ａ、１０４ｃの中心に対して回転対称となる（具体的には、９０°、１８０°、２７０°および３６０°で回転対称となる）、外縁領域４０２内の位置であって、上述の第１辺Ｌ１と平行なガス拡散電極１０４ａ、１０４ｃの辺の垂直２等分線（つまり、第１軸Ｙ１）上に、当該辺に対応するように配置されている。

また、４本の締結ボルト３５のうちの第２締結ボルト３５Ｂは、図４（ａ）に示す如く、第２辺Ｌ２と電極対向領域４０１との間の外縁領域４０２内の第２軸Ｘ１上に配置されている。つまり、この第２締結ボルト３５Ｂの一方端は、電極対向領域４０１と外縁領域４０２との間を区画する仮想の境界ライン５００より外側に位置する左エンドプレート３０Ｌの外縁領域４０２における第２辺Ｌ２の中点付近を貫通している。

なお、この第２締結ボルト３５Ｂは、正方形のガス拡散電極１０４ａ、１０４ｃ（図４（ａ）の境界ライン５００と同形状）を基準にすると、ガス拡散電極１０４ａ、１０４ｃの中心に対して回転対称となる（具体的には、９０°、１８０°、２７０°および３６０°で回転対称となる）、外縁領域４０２内の位置であって、上述の第２辺Ｌ２と平行なガス拡散電極１０４ａ、１０４ｃの辺の垂直２等分線（つまり、第２軸Ｘ１）上に、当該辺に対応するように配置されている。

また、４本の締結ボルト３５のうちの第３締結ボルト３５Ｃは、図４（ａ）に示す如く、第３辺Ｌ３と電極対向領域４０１との間の外縁領域４０２内の第１軸Ｙ１上に配置されている。つまり、この第３締結ボルト３５Ｃの一方端は、電極対向領域４０１と外縁領域４０２との間を区画する仮想の境界ライン５００より外側に位置する左エンドプレート３０Ｌの外縁領域４０２における第３辺Ｌ３の中点付近を貫通している。

なお、この第３締結ボルト３５Ｃは、正方形のガス拡散電極１０４ａ、１０４ｃ（図４（ａ）の境界ライン５００と同形状）を基準にすると、ガス拡散電極１０４ａ、１０４ｃの中心に対して回転対称となる（具体的には、９０°、１８０°、２７０°および３６０°で回転対称となる）、外縁領域４０２内の位置であって、上述の第３辺Ｌ３と平行なガス拡散電極１０４ａ、１０４ｃの辺の垂直２等分線（つまり、第１軸Ｙ１）上に、当該辺に対応するように配置されている。

また、４本の締結ボルト３５のうちの第４締結ボルト３５Ｄは、図４（ａ）に示す如く、第４辺Ｌ４と電極対向領域４０１との間の外縁領域４０２内の第２軸Ｘ１上に配置されている。つまり、この第４締結ボルト３５Ｄの一方端は、電極対向領域４０１と外縁領域４０２との間を区画する仮想の境界ライン５００より外側に位置する左エンドプレート３０Ｌの外縁領域４０２において第４辺Ｌ４の中点付近を貫通している。

なお、この第４締結ボルト３５Ｄは、正方形のガス拡散電極１０４ａ、１０４ｃ（図４（ａ）の境界ライン５００と同形状）を基準にすると、ガス拡散電極１０４ａ、１０４ｃの中心に対して回転対称となる（具体的には、９０°、１８０°、２７０°および３６０°で回転対称となる）、外縁領域４０２内の位置であって、上述の第４辺Ｌ４と平行なガス拡散電極１０４ａ、１０４ｃの辺の垂直２等分線（つまり、第２軸Ｘ１）上に、当該辺に対応するように配置されている。

このように、第１、第２、第３および第４締結ボルト３５Ａ、３５Ｂ、３５Ｃ、３５Ｄを、各辺Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３、Ｌ４の中点近傍に置くことにより、第１締結ボルト３５Ａと第２締結ボルト３５Ｂとの間の距離、第２締結ボルト３５Ｂと第３締結ボルト３５Ｃとの間の距離、第３締結ボルト３５Ｃと第４締結ボルト３５Ｄとの間の距離、および、第４締結ボルト３５Ｄと第１締結ボルト３５Ａとの間の距離が、左エンドプレート３０Ｌの四隅近傍に締結ボルトを配置した場合の従来の締結ボルト間距離に比べて短くできる。各締結ボルト３５Ａ、３５Ｂ、３５Ｃ、３５Ｄ間距離が短くなったことにより、左エンドプレート３０Ｌの各締結ボルト３５Ａ、３５Ｂ、３５Ｃ、３５Ｄ間の曲げ剛性が、従来のエンドプレートの締結ボルト間の曲げ剛性より高くなり好適である。

ところで、左エンドプレート３０Ｌの電極対向領域４０１にバネ３７が直接に当たるように、これらのバネ３７を均等に配置すれば、燃料電池スタックＳＴ（積層体ＳＴ）のガス拡散電極１０４ａ、１０４ｃに均等な荷重がバネ３７のバネ力（押圧力）に基づいて与えられ、これにより、単電池２０１の発電分布がガス拡散電極１０４ａ、１０４ｃの面内で均一化すると期待できる。

また、左エンドプレート３０Ｌの曲げ剛性の高い箇所に、バネ３７を配置可能であれば、左エンドプレート３０Ｌが、バネ３７による弾性反力を受けた場合に変形に難くなり、左エンドプレート３０Ｌの変形による燃料電池スタックＳＴ（積層体ＳＴ）の電極部（（ガス拡散電極１０４ａ、１０４ｃの領域）面内の荷重ばらつき増加が解消され好適である。

つまり、左エンドプレート３０Ｌのバネ３７の具体的な配置の設計に当たっては、電極対向領域４０１面内の均等なバネ配置と、電極対向領域４０１の高剛性面内へのバネ配置との間の適切なバランスが取れる構成を案出する必要がある。

そこで、本実施形態では、上述の４本の締結ボルト３５の位置を基準にして、左エンドプレート３０Ｌの電極対向領域４０１には、以下の１３個のバネ３７が配置されている。なお、各バネ３７のバネ定数は同じである。

第１締結ボルト３５Ａおよび第２締結ボルト３５Ｂを通る第１直線Ｈ１上の電極対向領域４０１内には、左エンドプレート３０Ｌおよび左絶縁板２３Ｌ間で圧縮された状態の２個のバネ３７Ａが、第１および第２締結ボルト３５Ａ、３５Ｂの間の第１直線Ｈ１の間隔を３等分（等間隔）に区切りように配置されている。

なお、この第１直線Ｈ１（以下の第２、第３および第４直線Ｈ２、Ｈ３、Ｈ４も同じ）は、バネ３７Ａの配置の位置を特定する目的で、第１締結ボルト３５Ａおよび第２締結ボルト３５Ｂに交差（ここでは直交）して、左エンドプレート３０Ｌの内面において第１締結ボルト３５Ａおよび第２締結ボルト３５Ｂを通るように引かれた仮想の直線であり、本技術を具現化した製品に実在するものでは無い。

また、第２締結ボルト３５Ｂおよび第３締結ボルト３５Ｃを通る第２直線Ｈ２上の電極対向領域４０１内には、左エンドプレート３０Ｌおよび左絶縁板２３Ｌ間で圧縮された状態の２個のバネ３７Ａが、第２および第３締結ボルト３５Ｂ、３５Ｃの間の第２直線Ｈ２の間隔を３等分（等間隔）に区切りように配置されている。

また、第３締結ボルト３５Ｃおよび第４締結ボルト３５Ｄを通る第３直線Ｈ３上の電極対向領域４０１内には、左エンドプレート３０Ｌおよび左絶縁板２３Ｌ間で圧縮された状態の２個のバネ３７Ａが、第３および第４締結ボルト３５Ｃ、３５Ｄの間の第３直線Ｈ３の間隔を３等分（等間隔）に区切りように配置されている。

また、第４締結ボルト３５Ｄおよび第１締結ボルト３５Ａを通る第４直線Ｈ４上の電極対向領域４０１内には、左エンドプレート３０Ｌおよび左絶縁板２３Ｌ間で圧縮された状態の２個のバネ３７Ａが、第４および第１締結ボルト３５Ｄ、３５Ａの間の第４直線Ｈ４の間隔を３等分（等間隔）に区切りように配置されている。

また、第１軸Ｙ１と第２軸Ｘ１との間の交点（電極対向領域４０１の中心）には、左エンドプレート３０Ｌおよび左絶縁板２３Ｌ間で圧縮された状態の１個のバネ３７Ｃが配置されている。

そして、この第１軸Ｙ１上の電極対向領域４０１内には、上述の１個のバネ３７Ｃの他、更に、左エンドプレート３０Ｌおよび左絶縁板２３Ｌ間で圧縮された状態の２個のバネ３７Ｂが、第１および第３締結ボルト３５Ａ、３５Ｃの間の第１軸Ｙ１の間隔を３等分（等間隔）に区切るように配置されている。

また、この第２軸Ｘ１上の電極対向領域４０１内には、上述の１個のバネ３７Ｃの他、更に、左エンドプレート３０Ｌおよび左絶縁板２３Ｌ間で圧縮された状態の２個のバネ３７Ｂが、第２および第４締結ボルト３５Ｂ、３５Ｄの間の第２軸Ｘ１の間隔を３等分（等間隔）に区切るように配置されている。

このように、本実施形態では、左エンドプレート３０Ｌおよび左絶縁板２３Ｌ間に配置される弾性部材として伸縮自在なバネ３７Ａ、３７Ｂ、３７Ｃを使用していることから、仮に積層体ＳＴの経時変化により積層体ＳＴの左右方向の長さが変化しても、圧縮されたバネ３７Ａ、３７Ｂ、３７Ｃがこの変化に追従するようにして、バネ３７Ａ、３７Ｂ、３７Ｃによる適度のバネ力で積層体ＳＴを押圧できる。但し、バネに代えて、例えばゴムも使用しても良い。つまり、本明細書において「弾性部材」とは、少なくともエンドプレート３０や左絶縁板２３Ｌに比べて弾性変形し易いような物体を指すものとする。

次に、右エンドプレート３０Ｒ側の締結ボルト３５の配置およびバネ３７の配置を適切に特定する趣旨から、右エンドプレート３０Ｒの頂点や辺を以下の如く定義する。

図３および図４（ｂ）に示すように、右エンドプレート３０Ｒの外面を積層体ＳＴの積層方向に見て（つまり、図３に示した矢印Ｙの向きに見て）、右エンドプレート３０Ｒの内面の四隅に対応する各頂点を、半時計回り（左回り）に第５頂点Ｐ５、第６頂点Ｐ６、第７頂点Ｐ７、第８頂点Ｐ８とする。

そうすると、第５頂点Ｐ５は、第１頂点Ｐ１に対向する位置にあり、第６頂点Ｐ６は、第２頂点Ｐ２に対向する位置にあり、第７頂点Ｐ７は第３頂点Ｐ３に対向する位置にあり、第８頂点Ｐ８は第４頂点Ｐ４に対向する位置にある。

また、図４（ｂ）の右エンドプレート３０Ｒの内面において、第５頂点Ｐ５と第６頂点Ｐ６を結ぶ辺を第５辺Ｌ５、第６頂点Ｐ６と第７頂点Ｐ７とを結ぶ辺を第６辺Ｌ６、第７頂点Ｐ７と第８頂点Ｐ８とを結ぶ辺を第７辺Ｌ７、第８頂点Ｐ８と第５頂点Ｐ５とを結ぶ辺を第８辺Ｌ８とし、第５辺Ｌ５の中点と第７辺Ｌ７の中点とを通る直線を第３軸Ｙ２、第６辺Ｌ６の中点と第８辺Ｌ８の中点とを通る直線を第４軸Ｘ２とする。

更に、右エンドプレート３０Ｒの内面において、第１締結ボルト３５Ａおよび第２締結ボルト３５Ｂを通る第５直線Ｈ５は、上述の第１直線Ｈ１に対向して平行に延び、第２締結ボルト３５Ｂおよび第３締結ボルト３５Ｃを通る第６直線Ｈ６は、上述の第２直線Ｈ２に対向して平行に延び、第３締結ボルト３５Ｃおよび第４締結ボルト３５Ｄを通る第７直線Ｈ７は、上述の第３直線Ｈ３に対向して平行に延び、第４締結ボルト３５Ｄおよび第１締結ボルト３５Ａを通る第８直線Ｈ８は、上述の第４直線Ｈ４に対向して平行に延びている。

なお、図４（ｂ）の如く、矩形状の右エンドプレート３０Ｒの四隅が面取り（例えばテーパカット）されている場合には、右エンドプレート３０Ｒを形作る各辺Ｌ５、Ｌ６、Ｌ７、Ｌ８の延長線の仮想の交点を、第５、第６、第７および第８頂点Ｐ５、Ｐ６、Ｐ７、Ｐ８として、上述の各辺Ｌ５、Ｌ６、Ｌ７、Ｌ８、各直線軸Ｙ２、Ｘ２を特定するものとする。

このようにして、バネ３７の配置の基準となる４本の締結ボルト３５（正確には締結ボルト３５の他方端）の、右エンドプレート３０Ｒの面内の配置の位置が、電極対向領域４０１および外縁領域４０２、各辺Ｌ５、Ｌ６、Ｌ７、Ｌ８、各直線軸Ｙ２、Ｘ２を用いて特定される。また、上述の４本の締結ボルト３５の位置を基準にして、右エンドプレート３０Ｒの電極対向領域４０１には、１３個のバネ３７が配置されている。なお、各バネ３７のバネ定数は同じである。

但しここでは、この具体的な配置は、図４（ｂ）および以上の左エンドプレート３０Ｌ側の締結ボルトおよびバネの配置の説明を参酌すれば容易に理解できることから、その詳細な説明を省略する。

以上に述べた第１、第２、第３および第４締結ボルト３５Ａ、３５Ｂ、３５Ｃ、３５Ｄの配置によれば、左右エンドプレート３０Ｌ、３０Ｒを締結する各締結ボルト３５Ａ、３５Ｂ、３５Ｃ、３５Ｄの両端がそれぞれ、各辺Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３、Ｌ４、Ｌ５、Ｌ６、Ｌ７、Ｌ８の中点近傍の外縁領域４０２内に置かれている。これにより、各締結ボルト３５Ａ、３５Ｂ、３５Ｃ、３５Ｄのうちの隣接するボルト同士を結んだ直線部分の左右エンドプレート３０Ｌ、３０Ｒは、曲げ剛性が高くなり、このような左右エンドプレート３０Ｌ、３０Ｒの電極対向領域４０１の高剛性面内（直線部分）にバネ３７Ａを配置することができる。よって、バネ３７Ａの弾性反力により左右エンドプレート３０Ｌ、３０Ｒが変形し難くなる。

また、バネ３７Ｂおよびバネ３７Ｃは、上述のバネ３７Ａの高剛性面内（直線部分）への配置によるバネ３７の配置の不均一性を解消する役割を果たし、これにより、左右エンドプレート３０Ｌ、３０Ｒの電極対向領域４０１面内の均等なバネ配置が実現される。

よって、本実施形態の燃料電池ＦＣによれば、電極対向領域４０１内の均等なバネ配置と、電極対向領域４０１の高剛性面内へのバネ配置との間の適切なバランスにより、左右エンドプレート３０Ｌ、３０Ｒの変形による燃料電池スタックＳＴ（積層体ＳＴ）の電極部面内の荷重ばらつきの増大が抑制される。その結果、電極部面内の荷重ばらつき増大による燃料電池ＦＣの発電分布の不均一性を改善できる。また、電極部への最大荷重を低く抑えることができ、電極部の電流集中によるマイクロショートの発生および燃料電池ＦＣの性能低下を防止できる。

なお、第一実施形態（後述の第二および第三実施形態でも同じ）では、４本の第１、第２、第３および第４締結ボルト３５Ａ、３５Ｂ、３５Ｃ、３５Ｄ、および、これらの締結ボルト３５Ａ、３５Ｂ、３５Ｃ、３５Ｄの両端に螺合された８個のナット３６を用いて、左右エンドプレート３０Ｌ、３０Ｒに挟持された積層体ＳＴへの締結力を与える例を述べたが、これは飽くまで一例に過ぎない。例えば、左右エンドプレート３０Ｌ、３０Ｒの適所の開口部を貫通する締結補助ボルト（図示せず）、および、この締結補助ボルトの両端に螺合された締結補助ナット（図示せず）を更に付加することにより、左右エンドプレート３０Ｌ、３０Ｒに挟持された積層体ＳＴへの締結力の微調整を図っても良い。また、第一実施形態の如く、第１、第２、第３および第４締結ボルト３５Ａ、３５Ｂ、３５Ｃ、３５Ｄを配する各箇所に当該締結ボルトを１本ずつ設置する形態の他、各箇所に複数本の締結ボルトを近接して集中設置してもよい。

また、第一実施形態（後述の第二および第三実施形態でも同じ）では、弾性部材（バネ）を隣り合う締結ボルト同士の間を結ぶ直線上に配置する例を述べたが、弾性部材の位置は、必ずしもこれに限定されない。例えば、弾性部材を上述の直線上に配する代わりに、この直線に近接する一対の弾性部材を、当該直線に対して線対称に配置してもよい。
［第二実施形態］
図５は、第二実施形態による燃料電池の正面図である。図５（ａ）は、図４（ａ）に対応する図であり、燃料電池の左エンドプレートの外面を見た図であり、図５（ｂ）は、図４（ｂ）に対応する図であり、燃料電池の右エンドプレートの外面を見た図である。但しここでは、本実施形態の燃料電池ＦＣの構成は、左右エンドプレート３０Ｒ、３０Ｌの電極対向領域４０１内のバネ１３７の配置以外は、第一実施形態の構成と同じであるため、両者に共通する構成要素には同一の参照符号を付して、その説明は省く。更に、左エンドプレート３０Ｌ側の締結ボルトおよびバネの配置の説明および、図５（ｂ）を参酌すれば、右エンドプレート３０Ｒの構成を容易に理解できることから、その説明も省略する。

左エンドプレート３０Ｌの電極対向領域４０１には、以下の９個のバネ１３７が配置されている。なお、各バネ１３７のバネ定数は同じである。

第１締結ボルト３５Ａおよび第２締結ボルト３５Ｂを通る第１直線Ｈ１上の電極対向領域４０１内には、左エンドプレート３０Ｌおよび左絶縁板２３Ｌ間で圧縮された状態の１個のバネ１３７Ａが、第１および第２締結ボルト３５Ａ、３５Ｂの間の第１直線Ｈ１の間隔を２等分（等間隔）に区切りように配置されている。

なお、この第１直線Ｈ１（以下の第２、第３および第４直線Ｈ２、Ｈ３、Ｈ４も同じ）は、バネ１３７Ａの配置位置を特定する目的で、第１締結ボルト３５Ａおよび第２締結ボルト３５Ｂに交差（ここでは直交）して、左エンドプレート３０Ｌの内面において第１締結ボルト３５Ａおよび第２締結ボルト３５Ｂを通るように引かれた仮想の直線であり、本技術を具現化した製品に実在するものでは無い。

また、第２締結ボルト３５Ｂおよび第３締結ボルト３５Ｃを通る第２直線Ｈ２上の電極対向領域４０１内には、左エンドプレート３０Ｌおよび左絶縁板２３Ｌ間で圧縮された状態の１個のバネ１３７Ａが、第２および第３締結ボルト３５Ｂ、３５Ｃの間の第２直線Ｈ２の間隔を２等分（等間隔）に区切りように配置されている。

また、第３締結ボルト３５Ｃおよび第４締結ボルト３５Ｄを通る第３直線Ｈ３上の電極対向領域４０１内には、左エンドプレート３０Ｌおよび左絶縁板２３Ｌ間で圧縮された状態の１個のバネ１３７Ａが、第３および第４締結ボルト３５Ｃ、３５Ｄの間の第３直線Ｈ３の間隔を２等分（等間隔）に区切りように配置されている。

また、第４締結ボルト３５Ｄおよび第１締結ボルト３５Ａを通る第４直線Ｈ４上の電極対向領域４０１内には、左エンドプレート３０Ｌおよび左絶縁板２３Ｌ間で圧縮された状態の１個のバネ１３７Ａが、第４および第１締結ボルト３５Ｄ、３５Ａの間の第４直線Ｈ４の間隔を２等分（等間隔）に区切りように配置されている。

また、第１軸Ｙ１と第２軸Ｘ１との間の交点（電極対向領域４０１の中心）には、左エンドプレート３０Ｌおよび左絶縁板２３Ｌ間で圧縮された状態の１個のバネ１３７Ｃが配置されている。

そして、この第１軸Ｙ１上の電極対向領域４０１内には、左エンドプレート３０Ｌおよび左絶縁板２３Ｌ間で圧縮された状態の２個のバネ１３７Ｂと、上述の１個のバネ１３７Ｃと、が、第１および第３締結ボルト３５Ａ、３５Ｃの間の第１軸Ｙ１の間隔を４等分（等間隔）に区切るように配置されている。

また、この第２軸Ｘ１上の電極対向領域４０１内には、左エンドプレート３０Ｌおよび左絶縁板２３Ｌ間で圧縮された状態の２個のバネ１３７Ｂと、上述の１個のバネ１３７Ｃが、第２および第４締結ボルト３５Ｂ、３５Ｄの間の第２軸Ｘ１の間隔を４等分（等間隔）に区切るように配置されている。

以上に述べた第１、第２、第３および第４締結ボルト３５Ａ、３５Ｂ、３５Ｃ、３５Ｄの配置によれば、左右エンドプレート３０Ｌ、３０Ｒを締結する各締結ボルト３５Ａ、３５Ｂ、３５Ｃ、３５Ｄの両端がそれぞれ、各辺Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３、Ｌ４、Ｌ５、Ｌ６、Ｌ７、Ｌ８の中点近傍の外縁領域４０２内に置かれている。これにより、各締結ボルト３５Ａ、３５Ｂ、３５Ｃ、３５Ｄのうちの隣接するボルト同士を結んだ直線部分の左右エンドプレート３０Ｌ、３０Ｒは、曲げ剛性が高くなり、このような左右エンドプレート３０Ｌ、３０Ｒの電極対向領域４０１の高剛性面内（直線部分）にバネ１３７Ａを配置することができる。よって、バネ１３７Ａの弾性反力により左右エンドプレート３０Ｌ、３０Ｒが変形し難くなる。

また、バネ１３７Ｂおよびバネ１３７Ｃは、上述のバネ１３７Ａの高剛性面内（直線部分）への配置によるバネ１３７の配置の不均一性を解消する役割を果たし、これにより、左右エンドプレート３０Ｌ、３０Ｒの電極対向領域４０１面内の均等なバネ配置が実現される。

よって、本実施形態の燃料電池ＦＣによれば、電極対向領域４０１面内の均等なバネ配置と、電極対向領域４０１の高剛性面内へのバネ配置との間の適切なバランスにより、左右エンドプレート３０Ｌ、３０Ｒの変形による燃料電池スタックＳＴ（積層体ＳＴ）の電極部面内の荷重ばらつきの増大が抑制される。その結果、電極部面内の荷重ばらつき増大による燃料電池ＦＣの発電分布の不均一性を改善できる。また、電極部への最大荷重を低く抑えることができ、電極部の電流集中によるマイクロショートの発生および燃料電池の性能低下を防止できる。
［第三実施形態］
図６は、第三実施形態による燃料電池の正面図である。図６（ａ）は、図４（ａ）に対応する図であり、燃料電池の左エンドプレートの外面を見た図であり、図６（ｂ）は、図４（ｂ）に対応する図であり、燃料電池の右エンドプレートの外面を見た図である。但しここでは、本実施形態の燃料電池ＦＣの構成は、左右エンドプレート３０Ｌ、３０Ｒの電極対向領域４０１内のバネ２３７の配置以外は、第一実施形態の構成と同じであるため、両者に共通する構成要素には同一の参照符号を付して、その説明は省く。更に、左エンドプレート３０Ｌ側の締結ボルトおよびバネの配置の説明および、図６（ｂ）を参酌すれば、右エンドプレート３０Ｒの構成を容易に理解できることから、その説明も省略する。

左エンドプレート３０Ｌの電極対向領域４０１に、以下の１２個のバネ２３７が配置されている。なお、各バネ２３７のバネ定数は同じである。

第１締結ボルト３５Ａおよび第２締結ボルト３５Ｂを通る第１直線Ｈ１上の電極対向領域４０１内には、左エンドプレート３０Ｌおよび左絶縁板２３Ｌ間で圧縮された状態の２個のバネ２３７Ａが、第１および第２締結ボルト３５Ａ、３５Ｂの間の第１直線Ｈ１の間隔を３等分（等間隔）に区切りように配置されている。

なお、この第１直線Ｈ１（以下の第２、第３および第４直線Ｈ２、Ｈ３、Ｈ４も同じ）は、バネ２３７Ａの配置位置を特定する目的で、第１締結ボルト３５Ａおよび第２締結ボルト３５Ｂに交差（ここでは直交）して、左エンドプレート３０Ｌの内面において第１締結ボルト３５Ａおよび第２締結ボルト３５Ｂを通るように引かれた仮想の直線であり、本技術を具現化した製品に実在するものでは無い。

また、第２締結ボルト３５Ｂおよび第３締結ボルト３５Ｃを通る第２直線Ｈ２上の電極対向領域４０１内には、左エンドプレート３０Ｌおよび左絶縁板２３Ｌ間で圧縮された状態の２個のバネ２３７Ａが、第２および第３締結ボルト３５Ｂ、３５Ｃの間の第２直線Ｈ２の間隔を３等分（等間隔）に区切りように配置されている。

また、第３締結ボルト３５Ｃおよび第４締結ボルト３５Ｄを通る第３直線Ｈ３上の電極対向領域４０１内には、左エンドプレート３０Ｌおよび左絶縁板２３Ｌ間で圧縮された状態の２個のバネ２３７Ａが、第３および第４締結ボルト３５Ｃ、３５Ｄの間の第３直線Ｈ３の間隔を３等分（等間隔）に区切りように配置されている。

また、第４締結ボルト３５Ｄおよび第１締結ボルト３５Ａを通る第４直線Ｈ４上の電極対向領域４０１内には、左エンドプレート３０Ｌおよび左絶縁板２３Ｌ間で圧縮された状態の２個のバネ２３７Ａが、第４および第１締結ボルト３５Ｄ、３５Ａの間の第４直線Ｈ４の間隔を３等分（等間隔）に区切りように配置されている。

また、この第１軸Ｙ１上の電極対向領域４０１内には、左エンドプレート３０Ｌおよび左絶縁板２３Ｌ間で圧縮された状態の２個のバネ２３７Ｂが、第１および第３締結ボルト３５Ａ、３５Ｃの間の第１軸Ｙ１の間隔を３等分（等間隔）に区切るように配置されている。

また、この第２軸Ｘ１上の電極対向領域４０１内には、左エンドプレート３０Ｌおよび左絶縁板２３Ｌ間で圧縮された状態の２個のバネ２３７Ｂが、第２および第４締結ボルト３５Ｂ、３５Ｄの間の第２軸Ｘ１の間隔を３等分（等間隔）に区切るように配置されている。

以上に述べた第１、第２、第３および第４締結ボルト３５Ａ、３５Ｂ、３５Ｃ、３５Ｄの配置によれば、左右エンドプレート３０Ｌ、３０Ｒを締結する各締結ボルト３５Ａ、３５Ｂ、３５Ｃ、３５Ｄの両端がそれぞれ、各辺Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３、Ｌ４、Ｌ５、Ｌ６、Ｌ７、Ｌ８の中点近傍の外縁領域４０２内に置かれている。これにより、各締結ボルト３５Ａ、３５Ｂ、３５Ｃ、３５Ｄのうちの隣接するボルト同士を結んだ直線部分の左右エンドプレート３０Ｌ、３０Ｒは、曲げ剛性が高くなり、このような左右エンドプレート３０Ｌ、３０Ｒの電極対向領域４０１の高剛性面内（直線部分）にバネ２３７Ａを配置することができる。よって、バネ２３７Ａの弾性反力により左右エンドプレート３０Ｌ、３０Ｒが変形し難くなる。

また、バネ２３７Ｂは、上述のバネ２３７Ａの高剛性面内（直線部分）への配置によるバネ２３７の配置の不均一性を解消する役割を果たし、これにより、左右エンドプレート３０Ｌ、３０Ｒの電極対向領域４０１内の均等なバネ配置が実現される。

よって、本実施形態の燃料電池ＦＣによれば、電極対向領域４０１内の均等なバネ配置と、電極対向領域４０１の高剛性面内へのバネ配置との間の適切なバランスにより、左右エンドプレート３０Ｌ、３０Ｒの変形による燃料電池スタックＳＴ（積層体ＳＴ）の電極部面内の荷重ばらつきの増大が抑制される。その結果、電極部面内の荷重ばらつき増大による燃料電池ＦＣの発電分布の不均一性を改善できる。また、電極部への最大荷重を低く抑えることができ、電極部の電流集中によるマイクロショートの発生および燃料電池の性能低下を防止できる。
［構造解析シミュレーションによる締結ボルトとバネの配置例の妥当性検証］
本件発明者等は、支持構造体ＦＸの構成をＣＡＤによりコンピュータ上にモデル化した。そして、以下に詳述する構造解析シミュレーションを使用した応力計算により、第一実施形態、第二実施形態で述べた、締結ボルトおよびバネの配置例（以下、「締結ボルト／バネ配置例」と略す）の、電極部面内の荷重ばらつき抑制効果を検証した。つまり、第一実施形態（図４）に対応する支持構造体ＦＸの締結ボルト／バネ配置例および第二実施形態（図５）に対応する支持構造体ＦＸの締結ボルト／バネ配置例が、後述のようにモデル化されている。

また、９個のバネが中央に寄った支持構造体の締結ボルト／バネ配置例が第一比較例としてモデル化されている。

更に、特許文献１の図２に対応するＸ形のエンドプレートに有する支持構造体の締結ボルト／バネ配置例が第二比較例としてモデル化されている。但し、この第二比較例のシミュレーションでは、第一および第二実施形態のバネ定数との間の整合性を取る趣旨から、各バネのバネ定数は同じに設定されている。

＜構造解析シミュレータ＞
構造解析シミュレーションは、汎用の構造解析ソフトウェア『ＡＢＡＱＵＳ（商標）Ｖｅｒ６．５』を使用にして実行された。

このＡＢＡＱＵＳ（商標）では、有限要素法と称される離散化手法が使用され、解析対象領域を所定の要素（メッシュ）からなる細かい空間に適切に区分することにより、多種多様な線形と非線形現象が高精度に解析される。
＜解析モデル＞
以下、第一および第二実施形態の支持構造体の解析モデルＭ１、Ｍ２、並びに第一および第二比較例の支持構造体の解析モデルＭ３、Ｍ４について、図面を参照しながら説明する。

なお、以下に述べる解析シミュレーションについては、あくまで、解析モデルＭ１、Ｍ２（第一および第二実施形態）と、解析モデルＭ３、Ｍ４（第一および第二比較例）との間の電極部面内の荷重ばらつきの相違を検証することに主眼が置かれている。よって、以下の各解析モデルでは、両者間の相違の検証評価に影響を及ぼさないようなモデリングの詳細な説明は、ここでは省略する。
（１）第一および第二実施形態の支持構造体の解析モデル
図７は、第一実施形態の燃料電池の支持構造体について数値計算用に３次元モデリングした解析モデル図である。図８は、第二実施形態の燃料電池の支持構造体について数値計算用に３次元モデリングした解析モデル図である。

なお、第一および第二実施形態（図２、図３、図４、図５）で示した支持構造体ＦＸの構成要素に対応する図７および図８のメッシュ領域には、各解析モデルＭ１、Ｍ２において同じ参照符号が付されて、既に述べた内容と重複する説明は省略する。

図７および図８では、支持構造体ＦＸの１３個のバネ３７または９個のバネ１３７の配置を理解に易いように、エンドプレート３０や締結ボルト３５がメッシュ状に切られていない形態が図示されているが、構造解析シミュレーション用の実際の各解析モデルＭ１、Ｍ２では、エンドプレート３０や締結ボルト３５のモデリングもなされている。

なお、数値計算に影響を及ぼさない範囲内で、実際の支持構造体に比較して図７および図８に示した各解析モデルＭ１、Ｍ２のメッシュ領域は簡素化されている。これにより、数値計算用の単位領域に相当するメッシュ数を減らすことができ、コンピュータの記憶容量の節約や計算時間の短縮を図れる。

例えば、図７および図８に示した各解析モデルＭ１、Ｍ２は、１／８モデル（メッシュの総数が１／８）になっている。つまり、図７および図８のＸ、ＹおよびＺ方向について、各解析モデルＭ１、Ｍ２が対称であると見做して、Ｘ方向の対称面に存在するメッシュにＸ方向の拘束条件を入れ、Ｙ方向の対称面に存在するメッシュにＹ方向の拘束条件を入れ、Ｚ方向の対称面に存在するメッシュにＺ方向の拘束条件を入れている。これにより、各解析モデルＭ１、Ｍ２の解析領域が、Ｘ、ＹおよびＺ方向について半分に減らせる。

但し、第一および第二実施形態（図２、図３、図４、図５）に示したエンドプレート３０には、実際には、各種の配管やリブと称する把手が存在することから、図７および図８の各解析モデルＭ１、Ｍ２は、正確にはＸ、ＹおよびＺ方向について非対称である。このため、各解析モデルＭ１、Ｍ２では、例えば、このようなリブを取り除き、取り除いた部分の剛性を弱めるよう、各解析モデルＭ１、Ｍ２のメッシュに設定する入力条件を調整することにより、各解析モデルＭ１、Ｍ２の対称性が担保されている。

更に、バネ３７、１３７と集電板２２との間に存在する樹脂製（ＰＰＳ）の絶縁板２３は、絶縁板２３と同じ材料により構成された樹脂製のエンドプレート３０に含めるようにして簡略化してモデリングされている。

また、各部材の物性条件としては、銅製の集電板２２に相当するメッシュ領域にはヤング率（Ｅ＝１３０ＧＰａ）およびポアッソン比（ν＝０．３）が設定され、積層体ＳＴのカーボン（導電性セパレータ板１０７）に相当するメッシュ領域にはヤング率（Ｅ＝９ＧＰａ）およびポアッソン比（ν＝０．３）が設定され、積層体ＳＴのＭＥＡに相当するメッシュ領域にはヤング率（Ｅ＝１．１７ＭＰａ）およびポアッソン比（ν＝０．３）が設定され、締結ボルト３５に相当するメッシュ領域にはヤング率（Ｅ＝２０５ＧＰａ）およびポアッソン比（ν＝０．３）が設定され、樹脂製（ＰＰＳ）のエンドプレート３０に相当するメッシュ領域にはヤング率（Ｅ＝１３．５ＧＰａ）およびポアッソン比（ν＝０．４）が設定されている。

更に、同じバネ定数を有する円筒形の１３個のバネ３７および９個のバネ１３７が１４ｍｍから５ｍｍ圧縮した際に８４０ｋｇｆの反力が発生するよう、これらのバネ３７、１３７のヤング率が設定されている。
（２）第一比較例の支持構造体の解析モデル
図９は、第一比較例の燃料電池の支持構造体について数値計算用に３次元モデリングした解析モデル図である。なお、第一および第二実施形態（図２、図３、図４、図５）で示した支持構造体ＦＸの構成要素に対応する図９のメッシュ領域には、解析モデルＭ３において同じ参照符号が付されて、既に述べた内容と重複する説明は省略する。

図９では、支持構造体Ｍ３の９個のバネ６１の配置を理解に易いように、エンドプレート３０や締結ボルト３５がメッシュ状に切られていない形態が図示されているが、構造解析シミュレーション用の実際の解析モデルＭ３では、エンドプレート３０や締結ボルト３５のモデリングもなされている。

この解析モデルＭ３は、図９に示す如く、締結ボルト３５間を通る直線上の電極対向領域４０１内にバネ６１を配置するようには構成されていない。また、９個のバネ６１が中央に寄り集まり、これらのバネ６１は電極対向領域４０１内で均等に配置するようにも構成されていない。

なお、同じバネ定数を有する円筒形の９個のばね６１が１４ｍｍから５ｍｍ圧縮した際に８４０ｋｇｆの反力が発生するよう、これらのバネ６１のヤング率が設定されている。

解析モデルＭ１と同様に、数値計算に影響を及ぼさない範囲内で、実際の支持構造体に比較して図９に示した解析モデルＭ３の構成は簡略化されている。また、解析モデルＭ３の各部材の物性条件は、解析モデルＭ１の物性値と同じである。
（４）第二比較例の支持構造体の解析モデル
図１０は、第二比較例の燃料電池の支持構造体について数値計算用に３次元モデリングした解析モデル図であり、従来例（特許文献１）の図２に記載のＸ形のエンドプレートに有する支持構造体の締結ボルト／バネ配置例をコンピュータ上に再現したモデル図である。なお、第一および第二実施形態（図３、図４、図５）で示した支持構造体ＦＸの構成要素に対応する図１０のメッシュ領域には、解析モデルＭ４において同じ参照符号が付されて、既に述べた内容と重複する説明は省略する。

解析モデルＭ４は、図１０に示す如く、樹脂製（ＰＰＳ）の絶縁板６７および銅製の集電板２２を介して、積層体ＳＴとの間に複数のバネ６２、６３を介在させたアルミ製のＸ形のエンドプレート６４を備える。Ｘ形のエンドプレート６４の主部６４ｂから四方に延びる４本の枝６４ｂの端部が、締結ボルト６５とナット６６により固定されている。そして、１個のバネ６３が、Ｘ形のエンドプレート６４の主部６４ａにおいて積層体ＳＴ（正確には絶縁板６７）との間に介在され、４個のバネ６２が、Ｘ形のエンドプレート６４の主部６４ａと各枝６４ｂの端部との間の中央部分において積層体ＳＴ（正確には絶縁板６７）との間に介在されている。

各部材の物性条件としては、銅製の集電板２２に相当するメッシュ領域にはヤング率（Ｅ＝１３０ＧＰａ）およびポアッソン比（ν＝０．３）が設定され、積層体ＳＴのカーボン（導電性セパレータ板１０７）に相当するメッシュ領域にはヤング率（Ｅ＝９ＧＰａ）およびポアッソン比（ν＝０．３）が設定され、積層体ＳＴのＭＥＡに相当するメッシュ領域にはヤング率（Ｅ＝１．１７ＭＰａ）およびポアッソン比（ν＝０．３）が設定され、締結ボルト３５に相当するメッシュ領域にはヤング率（Ｅ＝２０５ＧＰａ）およびポアッソン比（ν＝０．３）が設定され、樹脂製（ＰＰＳ）の絶縁板６７に相当するメッシュ領域にはヤング率（Ｅ＝１３．５ＧＰａ）およびポアッソン比（ν＝０．４）が設定され、アルミ製のＸ形のエンドプレート６４に相当するメッシュ領域にはヤング率（Ｅ＝７３ＧＰａ）およびポアッソン比（ν＝０．３）が設定されている。

また、同じバネ定数を有する円筒形の各バネ６２、６３が２５ｍｍから４．１ｍｍ圧縮した際に１０００ｋｇｆの反力が発生するよう、これらのバネ６２、６３のヤング率が設定されている。
＜解析結果＞
図１１は、図７に示した解析モデル（第一実施形態）について構造解析シミュレーションによる解析結果の一例を示した図である。図１１（ａ）は、エンドプレート３０の、境界ライン５００内側に位置する電極対向領域４０１におけるバネ３７Ａ、３７Ｂ、３７Ｃの配置パターンを示した模式図であり、図１１（ｂ）は、図１１（ａ）に示した解析出力領域ＳＩＭ内のＭＥＡ１０５（図１参照）の最上表面に対応する各メッシュに対して出力されたバネ３７Ａ、３７Ｂ、３７Ｃによる荷重の分布を示したコンター図（等高図）である。

図１２は、図８に示した解析モデル（第二実施形態）について構造解析シミュレーションによる解析結果の一例を示した図である。図１２（ａ）は、エンドプレート３０の、境界ライン５００内側に位置する電極対向領域４０１におけるバネ１３７Ａ、１３７Ｂ、１３７Ｃの配置パターンを示した模式図であり、図１２（ｂ）は、図１２（ａ）に示した解析出力領域ＳＩＭ内のＭＥＡ１０５（図１参照）の最上表面に対応する各メッシュに対して出力されたバネ１３７Ａ、１３７Ｂ、１３７Ｃによる荷重の分布を示したコンター図（等高図）である。

図１３は、図９に示した解析モデル（第一比較例）について構造解析シミュレーションによる解析結果の一例を示した図である。図１３（ａ）は、エンドプレート３０の、境界ライン５００内側に位置する電極対向領域４０１におけるバネ６１の配置パターンを示した模式図であり、図１３（ｂ）は、図１３（ａ）に示した解析出力領域ＳＩＭ内のＭＥＡ１０５（図１参照）の最上表面に対応する各メッシュに対して出力されたバネ６１による荷重の分布を示したコンター図（等高図）である。

図１４は、図１０に示した解析モデル（第二比較例）について構造解析シミュレーションによる解析結果の一例を示した図である。図１４は、バネ６２、６３を含む解析出力領域（図示せず）内のＭＥＡ１０５（図１参照）の最上表面に対応する各メッシュに対して出力されたバネ６２、６３による荷重の分布を示したコンター図（等高図）である。

なお、図１１（ｂ）、図１２（ｂ）、図１３（ｂ）および図１４では、上述の荷重（接触圧力）の大小を、グレイスケールで表示しており、濃いグレイ領域は、高荷重領域Ｈおよび低荷重領域Ｌを表し、淡いグレイ領域は、高荷重領域Ｈと低荷重領域Ｌとの間の中間の荷重の領域を表している。

図１１（ｂ）に示したコンター図のメッシュ毎の荷重の出力値を確認したところ、高荷重領域Ｈにおける最大荷重を示すメッシュの出力値は、約０．５３ＭＰａであり、低荷重領域Ｌにおける最小荷重を示すメッシュの出力値は、約０．２６ＭＰａであった。

また、図１２（ｂ）に示したコンター図のメッシュ毎の荷重の出力値を確認したところ、高荷重領域Ｈにおける最大荷重を示すメッシュの出力値は、約０．５７ＭＰａであり、低荷重領域Ｌにおける最小荷重を示すメッシュの出力値は、約０．２９ＭＰａであった。

また、図１３（ｂ）に示したコンター図のメッシュ毎の荷重の出力値を確認したところ、高荷重領域Ｈにおける最大荷重を示すメッシュの出力値は、約１．１ＭＰａであり、低荷重領域Ｌにおける最小荷重を示すメッシュの出力値は、約０．２５ＭＰａであった。

また、図１４に示したコンター図のメッシュ毎の荷重の出力値を確認したところ、高荷重領域Ｈにおける最大荷重を示すメッシュの出力値は、約１．４ＭＰａであり、低荷重領域Ｌにおける最小荷重を示すメッシュの出力値は、約０．１０ＭＰａであった。

以上の解析結果によれば、図７の解析モデルＭ１（第一実施形態）および図８の解析モデルＭ２（第二実施形態）では、最大荷重が低く抑えられている（０．６ＭＰａ未満）。一方、図９の解析モデルＭ３（第一比較例）および図１０の解析モデルＭ４（第二比較例）では、最大荷重が高くなっている（１．０ＭＰａ以上）。つまり、解析モデルＭ１、Ｍ２の構造解析シミュレーション結果によれば、解析モデルＭ３、Ｍ４に比較して、燃料電池スタックＳＴ（積層体ＳＴ）の電極部面内の荷重ばらつきが改善され、かつ最大荷重が低減されている。これにより、第一および第二実施形態の燃料電池ＦＣについては、電極部面内の荷重ばらつき増大による燃料電池ＦＣの発電分布の不均一性を改善できると期待される。また、電極部への最大荷重を低く抑えることができ、電極部の電流集中によるマイクロショートの発生および燃料電池の性能低下を防止できると期待される。

上記説明から、当業者にとっては、本発明の多くの改良や他の実施形態が明らかである。従って、上記説明は、例示としてのみ解釈されるべきであり、本発明を実行する最良の態様を当業者に教示する目的で提供されたものである。本発明の精神を逸脱することなく、その構造及び／又は機能の詳細を実質的に変更できる。

本発明によれば、燃料電池スタックの電極部面内に与えられる荷重ばらつきを改善でき、例えば、家庭用の燃料電池システムに利用に利用できる。

図１は、本発明の第一実施形態による燃料電池の単電池の構成例を示した断面図である。 図２は、第一実施形態による燃料電池の側面図である。 図３は、第一実施形態による燃料電池の斜視図である。 図４は、第一実施形態による燃料電池の正面図である。 図５は、第二実施形態による燃料電池の正面図である。 図６は、第三実施形態による燃料電池の正面図である。 図７は、第一実施形態の燃料電池の支持構造体について数値計算用に３次元モデリングした解析モデル図である。 図８は、第二実施形態の燃料電池の支持構造体について数値計算用に３次元モデリングした解析モデル図である。 図９は、第一比較例の燃料電池の支持構造体について数値計算用に３次元モデリングした解析モデル図である。 図１０は、第二比較例の燃料電池の支持構造体について数値計算用に３次元モデリングした解析モデル図であり、 図１１は、図７に示した解析モデル（第一実施形態）について構造解析シミュレーション技術による解析結果の一例を示した図である。 図１２は、図８に示した解析モデル（第二実施形態）について構造解析シミュレーションによる解析結果の一例を示した図である。 図１３は、図９に示した解析モデル（第一比較例）について構造解析シミュレーションによる解析結果の一例を示した図である。 図１４は、図１０に示した解析モデル（第二比較例）について構造解析シミュレーションによる解析結果の一例を示した図である。

符号の説明

２２ 集電板
２２Ｒ 右集電板
２２Ｌ 左集電板
２３、６７ 絶縁板
２３Ｒ 右絶縁板
２３Ｌ 左絶縁板
２４ 燃料ガス用供給配管
２６ 酸化剤ガス用供給配管
２７ 酸化剤ガス用排出配管
２８ 冷却液体用供給配管
２９ 冷却液体用排出配管
３０ エンドプレート
３０Ｒ 右エンドプレート
３０Ｌ 左エンドプレート
３５、６５ 締結ボルト
３５Ａ 第１締結ボルト
３５Ｂ 第２締結ボルト
３５Ｃ 第３締結ボルト
３５Ｄ 第４締結ボルト
３６、６６ ナット
３７、１３７、２３７、６１、６２、６３ バネ
１０１ 高分子電解質膜
１０４ａ、１０４ｃ ガス拡散電極
１０５ ＭＥＡ
１０６ａ、１０６ｃ ガス流路
１０７、１０７ａ、１０７ｃ 導電性セパレータ板
１０８ 冷却液体流路
１１０ａ、１１０ｃ ＭＥＡガスケット
１１１ セパレータガスケット
２０１ 単電池
３０１ａ、３０１ｃ 電極接触部
３０２ａ、３０２ｃ 外周部
３０３ａ、３０３ｃ 主面
４０１ 電極対向領域
４０２ 外縁領域
５００ 境界ライン
ＦＣ 燃料電池
ＳＴ 燃料電池スタック（積層体）
ＦＸ 支持構造体
Ｍ１、Ｍ２、Ｍ３、Ｍ４ 解析モデル
Ｌ１ 第１辺
Ｌ２ 第２辺
Ｌ３ 第３辺
Ｌ４ 第４辺
Ｐ１ 第１頂点
Ｐ２ 第２頂点
Ｐ３ 第３頂点
Ｐ４ 第４頂点
Ｈ１ 第１直線
Ｈ２ 第２直線
Ｈ３ 第３直線
Ｈ４ 第４直線
Ｈ５ 第５直線
Ｈ６ 第６直線
Ｈ７ 第７直線
Ｈ８ 第８直線
Ｙ１ 第１軸
Ｘ１ 第２軸
Ｙ２ 第３軸
Ｘ２ 第４軸
ＳＩＭ 解析出力領域

Claims (20)

1. 電解質膜と電極とを接合させた１以上の膜電極接合体と、
   前記膜電極接合体を挟持するように配置された２以上のセパレータと、
   前記電極に対向する電極対向領域と、前記電極対向領域を囲み、開口部が形成された環状の外縁領域を有し、前記１以上の膜電極接合体と前記２以上のセパレータとを含む積層体の両端を挟持するように配置された矩形状の一対の第１エンドプレートおよび第２エンドプレートと、
   前記積層体の一端と前記第１エンドプレートの内面との間に配置された第１集電板と、
   前記積層体の他端と前記第２エンドプレートの内面との間に配置された第２集電板と、
   前記第１エンドプレートの前記開口部および前記第２エンドプレートの前記開口部を貫通するように、前記積層体の積層方向に延びている第１締結ロッド、第２締結ロッド、第３締結ロッドおよび第４締結ロッドと、
   前記第１、第２、第３および第４締結ロッドのそれぞれの両端に配置され、前記第１および第２エンドプレートに挟持された前記積層体への、前記第１、第２、第３および第４締結ロッドによる締結力を調整可能な締結部と、
   前記第１エンドプレートの内面と前記第１集電板との間に配置された複数の第１弾性部材と、
   前記第２エンドプレートの内面と前記第２集電板との間に配置された複数の第２弾性部材と、
   を備え、
   前記第１エンドプレートの外面を前記積層方向に見て、前記外面の四隅に対応する前記第１エンドプレートの頂点を、右回りに第１頂点、第２頂点、第３頂点、第４頂点とし、前記第１頂点と前記第２頂点とを結ぶ前記第１エンドプレートの辺を第１辺、前記第２頂点と前記第３頂点とを結ぶ前記第１エンドプレートの辺を第２辺、前記第３頂点と前記第４頂点とを結ぶ前記第１エンドプレートの辺を第３辺、前記第４頂点と前記第１頂点とを結ぶ前記第１エンドプレートの辺を第４辺とし、前記第１辺の中点と前記第３辺の中点とを通る直線を第１軸、前記第２辺の中点と前記第４辺の中点とを通る直線を第２軸とした場合、
   前記第１締結ロッドが前記第１辺と前記電極対向領域との間の前記外縁領域内の第１軸上に配置され、
   前記第２締結ロッドが前記第２辺と前記電極対向領域との間の前記外縁領域内の第２軸上に配置され、
   前記第３締結ロッドが前記第３辺と前記電極対向領域との間の前記外縁領域内の第１軸上に配置され、
   前記第４締結ロッドが前記第４辺と前記電極対向領域との間の前記外縁領域内の第２軸上に配置され、
   前記第１エンドプレートの前記電極対向領域内には、
   前記第１および第２締結ロッドを通る第１直線上に、前記第１弾性部材が１以上配置され、
   前記第２および第３締結ロッドを通る第２直線上に、前記第１弾性部材が１以上配置され、
   前記第３および第４締結ロッドを通る第３直線上に、前記第１弾性部材が１以上配置され、
   前記第４および第１締結ロッドを通る第４直線上に、前記第１弾性部材が１以上配置されている、燃料電池。
2. 前記第１弾性部材は、前記第１および第２締結ロッド間の前記第１直線の間隔、前記第２および第３締結ロッド間の前記第２直線の間隔、前記第３および第４締結ロッド間の前記第３直線の間隔、および、前記第４および第１締結ロッド間の前記第４直線の間隔を、等間隔に区切るように配置されている、請求項１に記載の燃料電池。
3. 前記第１直線、前記第２直線、前記第３直線および前記第４直線上にそれぞれ配置される前記第１弾性部材の個数が同じである、請求項２に記載の燃料電池。
4. 前記第１エンドプレートの前記電極対向領域内の前記第１軸上に、前記第１弾性部材が１以上配置されている、請求項１に記載の燃料電池。
5. 前記第１エンドプレートの前記電極対向領域内の前記第２軸上に、前記第１弾性部材が１以上配置されている、請求項４に記載の燃料電池。
6. 前記第１軸と前記第２軸との間の交点に、前記第１弾性部材が配置されている、請求項５に記載の燃料電池。
7. 前記第１エンドプレートと前記第２エンドプレートとが、前記積層体を含む直方体の両端に対向するように配置され、
   前記第２エンドプレートの外面を前記積層方向に見て、前記外面の四隅に対応する前記第２エンドプレートの頂点を、左回りに第５頂点、第６頂点、第７頂点、第８頂点とし、前記第５頂点は前記第１頂点に対向する位置にあり、前記第６頂点は前記第２頂点に対向する位置にあり、前記第７頂点は前記第３頂点に対向する位置にあり、前記第８頂点は前記第４頂点に対向する位置にあり、前記第５頂点と第６頂点を結ぶ前記第２エンドプレートの辺を第５辺、第６頂点と第７頂点とを結ぶ前記第２エンドプレートの辺を第６辺、第７頂点と第８頂点とを結ぶ前記第２エンドプレートの辺を第７辺、第８頂点と第５頂点とを結ぶ前記第２エンドプレートの辺を第８辺とし、前記第５辺の中点と前記第７辺の中点とを通る直線を第３軸、前記第６辺の中点と前記第８辺の中点とを通る直線を第４軸とした場合、
   前記第１締結ロッドが前記第５辺と前記電極対向領域との間の前記外縁領域内の第３軸上に配置され、
   前記第２締結ロッドが前記第６辺と前記電極対向領域との間の前記外縁領域内の第４軸上に配置され、
   前記第３締結ロッドが前記第７辺と前記電極対向領域との間の前記外縁領域内の第３軸上に配置され、
   前記第４締結ロッドが前記第８辺と前記電極対向領域との間の前記外縁領域内の第４軸上に配置され、
   前記第２エンドプレートの前記電極対向領域内には、
   前記第１および第２締結ロッドを通る第５直線上に、前記第２弾性部材が１以上配置され、
   前記第２および第３締結ロッドを通る第６直線上に、前記第２弾性部材が１以上配置され、
   前記第３および第４締結ロッドを通る第７直線上に、前記第２弾性部材が１以上配置され、
   前記第４および第１締結ロッドを通る第８直線上に、前記第２弾性部材が１以上配置されている、請求項１に記載の燃料電池。
8. 前記第２弾性部材は、前記第１および第２締結ロッド間の前記第５直線の間隔、前記第２および第３締結ロッド間の前記第６直線の間隔、前記第３および第４締結ロッド間の前記第７直線の間隔、および、前記第４および第１締結ロッド間の前記第８直線の間隔を、等間隔に区切るように配置されている、請求項７に記載の燃料電池。
9. 前記第５直線、前記第６直線、前記第７直線および前記第８直線上にそれぞれ配置される前記第２弾性部材の個数が同じである、請求項８に記載の燃料電池。
10. 前記第２エンドプレートの前記電極対向領域内の前記第３軸上に、前記第２弾性部材が１以上配置されている、請求項７に記載の燃料電池。
11. 前記第２エンドプレートの前記電極対向領域内の前記第４軸上に、前記第２弾性部材が１以上配置されている、請求項１０に記載の燃料電池。
12. 前記第３軸と前記第４軸との間の交点に、前記第２弾性部材が配置されている、請求項１１に記載の燃料電池。
13. 前記第１集電板と前記第１エンドプレートとの間に、第１絶縁板が配置され、前記第１弾性部材は、前記第１エンドプレートと前記第１絶縁板との間に配置されている、請求項１に記載の燃料電池。
14. 前記第１集電板と前記第２エンドプレートとの間に、第２絶縁板が配置され、前記第２弾性部材は、前記第２エンドプレートと前記第２絶縁板との間に配置されている、請求項１に記載の燃料電池。
15. 前記第１および第２弾性部材はバネである、請求項１に記載の燃料電池。
16. 前記締結ロッドは棒状のボルトであり、前記締結部は前記ボルトの両端に螺合するナットである、請求項１に記載の燃料電池。
17. 前記第１エンドプレートの前記開口部および前記第２エンドプレートの前記開口部を貫通して前記積層体の積層方向に延びている１以上の締結補助ロッドと、
    前記１以上の締結補助ロッドのそれぞれの両端に配置され、前記第１および第２エンドプレートに挟持された前記積層体への、前記締結補助ロッドによる締結力を調整可能な締結補助部と、
    を備える、請求項１に記載の燃料電池。
18. 前記第１直線上、前記第２直線上、前記第３直線上、および前記第４直線上に代えて、前記第１直線、前記第２直線、前記第３直線、および前記第４直線に対して線対称に一対の前記第１弾性部材が配置されている、請求項１に記載の燃料電池。
19. 電解質膜と電極とを接合させた１以上の膜電極接合体と、
    前記膜電極接合体を挟持するように配置された２以上のセパレータと、
    前記電極に対向する電極対向領域と、前記電極対向領域を囲み、開口部が形成された環状の外縁領域を有し、前記１以上の膜電極接合体と前記２以上のセパレータとを含む積層体の両端を挟持するように配置された矩形状の一対の第１エンドプレートおよび第２エンドプレートと、
    前記積層体の一端と前記第１エンドプレートの内面との間に配置された第１集電板と、
    前記積層体の他端と前記第２エンドプレートの内面との間に配置された第２集電板と、
    前記第１エンドプレートの前記開口部および前記第２エンドプレートの前記開口部を貫通するように、前記積層体の積層方向に延びている複数の締結ロッドと、
    前記第１エンドプレートの内面と前記第１集電板との間に配置された複数の第１弾性部材と、
    前記第２エンドプレートの内面と前記第２集電板との間に配置された複数の第２弾性部材と、
    前記複数の締結ロッドのそれぞれの両端に配置され、前記第１および第２エンドプレートに挟持された前記積層体への、前記複数の締結ロッドによる締結力を調整可能な締結部と、を有し、
    前記締結ロッドのそれぞれは、前記電極の中心に対して回転対称となる前記外縁領域内の位置であって、前記電極の各辺の垂直２等分線上に、前記各辺に対応するように配置され、
    前記第１エンドプレートの前記電極対向領域内において、隣り合う前記複数の締結ロッド同士の間を結ぶ直線上に前記第１弾性部材が配置されている、燃料電池。
20. 前記直線上に代えて、前記直線に対して線対称に一対の前記第１弾性部材が配置されている、請求項１９に記載の燃料電池。

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