(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
それぞれ中央部と周辺部を備えた２枚の端部プレートと、
前記２枚の端部プレートの各中央部の間に位置する電池スタックと、
前記２枚の端部プレートの周辺部の間に設けられ、前記２枚の端部プレートの間に電池スタックを位置決めする締め付け装置と、
前記電池スタックといずれか一方の端部プレートの間に配置された少なくとも１つの加圧ベローズからなる均一加圧装置とから構成され、
前記一方の端部プレートの前記電池スタックに面する側には、前記加圧ベローズを収納し、位置決めする凹部が形成されている燃料電池。
【請求項２】
前記均一加圧装置は２個の加圧ベローズを含み、一方のベローズは電池スタックと一方の端部プレートの間に位置しており、また他方のベローズは電池スタックと他方の端部プレートの間に位置している請求項１記載の燃料電池。
【請求項３】
前記均一加圧装置は、電池スタックに９５ｐｓｉから１０５ｐｓｉの圧力範囲内の圧力を常に印加する請求項１記載の燃料電池。
【請求項４】
各端部プレートには、加圧ベローズを収納し、位置決めする凹部が形成されている請求項２記載の燃料電池。
【請求項５】
少なくとも１つの加圧ベローズは金属材で構成されている請求項１記載の燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料電池に関し、特に、電池スタックへ一定の分散した作用接触圧を常時印加し、燃料電池の導電性及び作動効率を向上させる均一加圧装置を具備する水素燃料電池に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
人類文明の急速な発達に伴い、石炭、石油、天然ガスといった従来のエネルギー源の消費が急速に増大している。この結果、地球環境に深刻な汚染が発生し、地球規模の温暖化や酸性雨などといった様々な環境問題を引き起こしている。既存の天然エネルギー資源に限りがあることは今では周知のことである。このため、現在の割合のエネルギー消費が継続すると、近未来にはすべての現存の天然エネルギー源が枯渇してしまうであろう。従って、先進国の多くは代替エネルギー源の研究開発に専念している。燃料電池は、最も重要かつ手頃な価格のエネルギー源の一つである。従来の内燃機関よりも燃料電池はエネルギー変換効率、清浄な排気ガス、低い騒音、従来のガソリンを消費しないといった点で優れている。
【０００３】
つまり、燃料電池は水素と酸素の電気化学反応による発電装置である。基本的には、この反応は水の電気分解反応の逆で化学エネルギーを電気エネルギーにするものである。燃料電池、例えばプロトン交換膜燃料電池の基本構造は複数の電池ユニットで構成されている。各電池ユニットは中央にプロトン交換膜（ｐｒｏｔｏｎ  ｅｘｃｈａｎｇｅ  ｍｅｍｂｒａｎｅ，  ＰＥＭ）を備え、その両側にそれぞれ触媒層が設けられており、さらに各触媒層の各面にはガス拡散層（ｇａｓ  ｄｉｆｆｕｓｉｏｎ  ｌａｙｅｒ，  ＧＤＬ）が形成されている。ガス拡散層に隣接した各最外層に陽極プレートと陰極プレートが設けられている。これらの要素を一体に組み立てて電池ユニットを作製する。
【０００４】
燃料電池の実際の利用に関しては、前記電池ユニットを複数積層し、十分な電力を出力させるため直列に接続させて図１に示すような電池スタックを構成する。電池スタックの長手方向両端に位置する二枚の端部プレート１２，１３の間に電池スタック１０が配置されている。複数のタイロッド１４のような締め付け装置（ｔｉｇｈｔｅｎｉｎｇ  ｄｅｖｉｃｅ）を各端部プレート１２，１３の周辺部に貫通し、端部プレート１２，１３の間に電池スタック１０を配置する。
【０００５】
化学エネルギーを電気エネルギーへ変換するため水の電気分解反応の上記の逆反応を行っている間は、確実に水の電気分解反応と逆の反応を最適圧力条件で行わせて化学エネルギーから電気エネルギーへの変換効率を向上させるため、電池スタックを一定の圧力範囲に維持する必要がある。
【０００６】
図２は、前記燃料スタック１０、２枚の端部プレート１２、及び１３、複数のタイロッド１４からなる従来の燃料電池を示している。この従来の燃料電池は、下側端部プレート１３と各タイロッド１４の間に固定されたバネのような複数の弾性部材５０をさらに具備している。各タイロッド１４を端部プレートに固定する程度は、各弾性部材５０から下側端部プレート１３に印加される反発力が各電池ユニットの導電性を最適化するのに必要な接触圧に略等しくなるよう調整することができる。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
各弾性部材５０が位置する下側端部プレート１３の部分に印加される圧力を調整することで、こうした従来の圧力維持手段の目的を達成してきたのは明らかである。こうした従来の手段では、弾性部材５０の周辺に作用する圧力を要求範囲に維持することはできるが、弾性部材（あるいはタイロッド１４）から離れた位置に作用する圧力を効果的に制御することはできない。
【０００８】
また、各電池ユニットが確実に一定の圧力となるようにするため、タイロッドの締め付け作業中に各タイロッド１４を正確に測定する必要があるが、こうした作業は作業を複雑にし、さらに燃料電池製造費用を増大させることになる。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明の第一の目的は、従来の圧力維持装置の短所を克服し、電池スタックに一定の圧力を常に印加できる均一加圧装置を提供することにある。また、こうした圧力維持装置は熱膨張で発生した圧力変動を調整し、電池スタック内に電池ユニットを積層する際に発生する高さのばらつきを補償して燃料電池の作動効率を向上させることができる。
【００１０】
本発明の主な技術内容は、電池スタックと端部プレートの一方の間に金属加圧ベローズを実装することにある。加圧ベローズは金属材料からなるため、圧力遺漏の傾向を低減させる。また、加圧ベローズは電池スタックに一定の圧力を「平面的に」印加して、従来の圧力維持装置で必要であった複雑な工程を不要とすることができる。加圧ベローズは、電池スタックに印加されていた圧力がタイロッド位置毎に異なるのを防止する。
【００１１】
【発明の実施の形態】
添付図面と好適実施態様の説明を参照して本発明の構造および特性を実現することができる。
【００１２】
図４に示すように、燃料電池は、燃料電池スタック１０，上側端部プレート１２，下側端部プレート１３，複数のタイロッド１４，均一加圧装置１００とから構成される。
【００１３】
図４に示すように、それぞれが中央部と周辺部を有する端部プレート１２，１３が電池スタック１０の長手方向の両端に配置されている。これら２枚の端部プレート１２，１３の周辺部にはタイロッド１４が貫通され、ボルト１５で二枚の端部プレート１２，１３の中央部分に電池スタック１０を配置している。
【００１４】
図３（ａ）は、本発明の均一加圧装置１００を示す斜視図であり、図３（ｂ）は図３（ａ）のＡ−Ａ線に沿った断面図であり、前記均一加圧装置１００は金属製加圧ベローズ（ｂｅｌｌｏｗｓ）から構成されている。
【００１５】
下側端部プレート１３と電池スタック１０の間に均一加圧装置１００を設置し易くするため、均一加圧装置１００を収容しやすくした凹部１３２を下側端部プレート１３の電池スタック１０に面する側に形成するのが好ましい。
【００１６】
図５は、本発明の代替的な好適実施態様を示す断面概略図である。本実施態様では、上側端部プレート１２と電池スタック１０の間にさらに別の加圧ベローズが設けられている。図５に示すように、均一加圧装置１０２を収容しやすくした凹部１２２を上側端部プレート１２の電池スタック１０に面する側に形成するのが好ましい。
【００１７】
要求圧力範囲に電池スタック１０を保持する圧力を維持するため、加圧ベローズに注入する圧力の概算に以下の式を利用することができる。ここで、Ｐは圧力を、またＡは面積を示す。
【００１８】
Ｐｃｅｌｌ ｕｎｉｔ  Ｘ  Ａｃｅｌｌ ｕｎｉｔ  ＝Ｐｐｒｅｓｓｕｒｅ ｂｅｌｌｏｗｓ  Ｘ  Ａｐｒｅｓｓｕｒｅ ｂｅｌｌｏｗｓ
【００１９】
Ａｃｅｌｌ ｕｎｉｔ  とＡｐｒｅｓｓｕｒｅ ｂｅｌｌｏｗｓは周知の値であるため、電池スタック１０を９５ｐｓｉ〜１０５ｐｓｉの圧力範囲に維持したいのであれば、Ｐｐｒｅｓｓｕｒｅ ｂｅｌｌｏｗｓの値は、Ａｃｅｌｌ ｕｎｉｔ  、Ａｐｒｅｓｓｕｒｅ ｂｅｌｌｏｗｓ、Ｐｐｒｅｓｓｕｒｅ ｂｅｌｌｏｗｓ（例えば、１００ｐｓｉ）の値を上記式へ代入して簡単に求められる。
【００２０】
本発明の均一加圧装置１００，１０２は金属加圧ベローズからなるため、圧力漏出の傾向が低下する。また、加圧ベローズは常に一定の対称的な圧力を電池スタック１０に「平面的に」印加するが、熱膨張で生じた圧力変動をこうした均一加圧装置で調整し、また電池スタック内に電池ユニットを積層する際に発生する高さ変動を補償して燃料電池の作動効率を向上させることができる。
【００２１】
本発明は従来技術をブレークスルーする新規な創作に関する。上記説明は本発明の好適実施態様の説明である。しかしながら、本発明の技術概念の範囲内において当業者は様々な変更や具体化を行うことができる。本発明は好適実施態様に関する特定の詳細事項に限定されるものではないため、本発明の全般的な基本機能を変更することなく好適実施態様の特定の機能に加える変更を添付特許請求の範囲内で考えられる。
【図面の簡単な説明】
【図１】燃料電池の斜視図である。
【図２】従来の圧力維持装置付き燃料電池を示す。
【図３】本発明の均一加圧装置を示す。図３（ａ）は斜視図である。図３（ｂ）は、図３（ａ）のＡ−Ａ線に沿う断面図である。
【図４】本発明の好適実施態様に係る均一加圧装置付き燃料電池を示す断面概略図である。
【図５】本発明の他の好適実施態様に係る均一加圧装置付き燃料電池を示す断面概略図である。
【符号の説明】
１０  電池スタック
１２  上側端部プレート
１３  下側端部プレート
１４  タイロッド
５０  弾性部材
１００，１０２  均一加圧装置／加圧ベローズ
１２２，１３２  凹部
【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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