(57)【要約】【課題】燃料電池に用いる燃料電池スタックとして、占有体積を小さくするとともに燃料電池セルまたはセルスタックを均等に締結した燃料電池スタックを提供することを目的とする。【解決手段】本発明による燃料電池スタック１では、膜電極接合体３５とセパレータ３４とを積層し、積層方向の両側から一対のエンドプレート１７、１８で挟んで構成したセルスタック１６を、第１板ばね１１で積層方向に締め付けて締結している。第１板ばね１１は、エンドプレート１７、１８を押圧する２つの腕部と、これらの腕部をつなぐ連結部とを有し、断面がＣ字型形状である。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
アノード電極と、カソード電極と、前記アノード電極と前記カソード電極との間に介在する電解質膜とを積層した膜電極接合体と、
前記膜電極接合体を、前記膜電極接合体の積層方向両側から挟む一対のエンドプレートと、
前記膜電極接合体と前記エンドプレートとを前記積層方向に締め付ける第１板ばねと、を備え、
前記第１板ばねは、前記エンドプレートを押圧する２つの腕部と、前記２つの腕部をつなぐ連結部とを有し、断面がＣ字型形状であることを特徴とする燃料電池スタック。
【請求項２】
前記膜電極接合体を複数有するとともに、複数の前記膜電極接合体同士の間にセパレータを設けてセルスタックを構成した請求項１記載の燃料電池スタック。
【請求項３】
前記第１板ばねは、前記腕部に、前記断面Ｃ字型の内側に突出する凸部を有する請求項１、２のいずれか一項に記載の燃料電池スタック。
【請求項４】
前記第１板ばねの前記腕部の先端は、前記エンドプレートから離れている請求項１から３のいずれか一項に記載の燃料電池スタック。
【請求項５】
前記エンドプレートは、前記膜電極接合体と前記エンドプレートとの積層方向外側へ突出する突起を有し、前記第１板ばねの前記腕部の先端を前記突起に当接させた請求項１から４のいずれか一項に記載の燃料電池スタック。
【請求項６】
前記突起に切り欠き部を設けた請求項５記載の燃料電池スタック。
【請求項７】
前記第１板ばねの前記断面Ｃ字型の内側に絶縁層を設けた請求項１から６のいずれか一項に記載の燃料電池スタック。
【請求項８】
前記第１板ばねの前記断面Ｃ字型の内側における少なくとも前記腕部に、前記第１板ばねを構成するばね材よりも前記エンドプレートとの摩擦の小さい滑り層を設けた請求項１から７のいずれか一項に記載の燃料電池スタック。
【請求項９】
前記第１板ばねの前記連結部は、前記第１板ばねを前記エンドプレートから外した状態で平面形状を有する請求項１から８のいずれか一項に記載の燃料電池スタック。
【請求項１０】
前記第１板ばねの前記連結部と前記膜電極接合体、前記エンドプレートとの間に空間を設けた請求項１から９のいずれか一項に記載の燃料電池スタック。
【請求項１１】
前記膜電極接合体と前記エンドプレートとの積層方向に対して直交する方向に、前記第１板ばねに対向するように配置した第２板ばねをさらに備え、前記第２板ばねは、前記エンドプレートを押圧する２つの腕部と、前記２つの腕部をつなぐ連結部とを有し、断面がＣ字型形状である請求項１から１０のいずれか一項に記載の燃料電池スタック。
【請求項１２】
前記膜電極接合体と前記エンドプレートとの積層方向における前記エンドプレートの外側に、一対のバッキングプレートをさらに備え、前記第１板ばねは前記バッキングプレートを介して前記エンドプレートを押圧する請求項１から３のいずれか一項に記載の燃料電池スタック。
【請求項１３】
前記第１板ばねの前記腕部の先端は、前記バッキングプレートから離れている請求項１２に記載の燃料電池スタック。
【請求項１４】
前記バッキングプレートは、前記膜電極接合体と前記エンドプレートとの積層方向外側へ突出する突起を有し、前記第１板ばねの前記腕部の先端を前記突起に当接させた請求項１２、１３のいずれか一項に記載の燃料電池スタック。
【請求項１５】
前記突起に切り欠き部を設けた請求項１４記載の燃料電池スタック。
【請求項１６】
前記第１板ばねの前記断面Ｃ字型の内側における少なくとも前記連結部に絶縁層を設けた請求項１２から１５のいずれか一項に記載の燃料電池スタック。
【請求項１７】
前記第１板ばねの前記断面Ｃ字型の内側における少なくとも前記腕部に、前記第１板ばねを構成するばね材よりも前記バッキングプレートとの摩擦の小さい滑り層を設けた請求項１２から１６のいずれか一項に記載の燃料電池スタック。
【請求項１８】
前記第１板ばねの前記連結部は、前記第１板ばねを前記バッキングプレートから外した状態で平面形状を有する請求項１２から１７のいずれか一項に記載の燃料電池スタック。
【請求項１９】
前記膜電極接合体と前記エンドプレートとの積層方向に対して直交する方向に、前記第１板ばねに対向するように配置した第２板ばねをさらに備え、前記第２板ばねは、前記バッキングプレートを押圧する２つの腕部と、前記２つの腕部をつなぐ連結部とを有し、断面がＣ字型形状である請求項１２から１８のいずれか一項に記載の燃料電池スタック。
【請求項２０】
請求項１から１９のいずれか一項に記載の燃料電池スタックと、
前記アノード電極に燃料を供給する燃料供給部と、
前記カソード電極に酸化剤を供給する酸化剤供給部と、を備えた燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池スタックとそれを用いた燃料電池に関し、特に燃料電池スタックを締結する構造に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、電子機器のポータブル化、コードレス化が急速に進んでおり、これらの駆動用電源として、小型かつ軽量で、高エネルギー密度を有する二次電池への要望も高まっている。また、小型民生用途のみならず、電力貯蔵用や電気自動車といった長期に渡る耐久性や安全性が要求される大型の二次電池に対する技術展開も加速してきている。さらに、充電の必要な二次電池よりも燃料供給によって長時間連続使用が可能な燃料電池が注目されている。
【０００３】
燃料電池は、セルスタックを含む燃料電池スタックと、このセルスタックに燃料を供給する燃料供給部と、酸化剤を供給する酸化剤供給部とを有する。セルスタックはアノード電極とカソード電極とこれらの電極の間に介在する電解質膜とからなる膜電極接合体と、セパレータとを積層し、積層方向両端にエンドプレートを配して構成されている。セルスタックにおいて、アノード電極とカソード電極と電解質膜とは緊密に積層する必要がある。これは、電気化学反応を均等に行わせるためだけではなく、エンドプレートやセパレータに燃料と酸化剤である酸素（空気）を流通させる溝が設けられており、エンドプレートやセパレータとアノード電極、カソード電極との間から燃料や酸素が漏れないようにするためである。一般に、セルスタックは、一部がセルスタックとの接触面がセルスタックより大きいバッキングプレートを積層両端に重ね、両バッキングプレートのはみ出し部分の全周を複数のボルトとナットの組で締め付けることで締結される（例えば、特許文献１）。
【特許文献１】特開２００６−２９４３６６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながらこのようにバッキングプレートをボルトとナットで締め付ける場合、ボルトとナットを組み付ける分だけセルスタックに対して燃料電池スタックが大きくなる。そのため、小型電子機器に用いる際の占有体積が大きくなる。またセルスタックの外側でバッキングプレートをボルトとナットで締め付けるため、バッキングプレートが反ってセルスタック中央部の締結力が小さくなる。これを防ぐために端板を厚くするとさらに燃料電池スタックが大きくなる。
【０００５】
本発明は、これらの問題点を解決し、占有体積を小さくするとともに膜電極接合体、または膜電極接合体とセパレータやエンドプレートを均等に締結した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】
【０００６】
上記目的を達成するために、本発明による燃料電池スタックは、膜電極接合体と、一対のエンドプレートと、第１板ばねとを有する。膜電極接合体とエンドプレートとは燃料電池セルを構成している。膜電極接合体はアノード電極と、カソード電極と、アノード電極とカソード電極との間に介在する電解質膜とを積層して構成されている。エンドプレートは膜電極接合体を、膜電極接合体の積層方向両側から挟むように配置されている。第１板ばねは膜電極接合体とエンドプレートとを積層方向に締め付けている。第１板ばねは、エンドプレートを押圧する２つの腕部と、２つの腕部をつなぐ連結部とを有し、断面がＣ字型形状である。このように断面がＣ字型形状の第１板ばねで燃料電池セルを締結することにより、ボルトとナットで締結する場合に比べ燃料電池スタックを小さくすることができる。また燃料電池セルを膜電極接合体の面方向において、中央部を含め均等に締結することができる。
【発明の効果】
【０００７】
本発明によれば、燃料電池スタック全体としての占有体積を小さくすることができるとともに、燃料電池セルを均等に締結することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
本発明の第１の発明は、膜電極接合体と、一対のエンドプレートと、第１板ばねとを有する燃料電池スタックである。膜電極接合体とエンドプレートとは燃料電池セルを構成している。膜電極接合体はアノード電極と、カソード電極と、アノード電極とカソード電極との間に介在する電解質膜とを積層して構成されている。エンドプレートは膜電極接合体を、膜電極接合体の積層方向両側から挟むように配置されている。第１板ばねは膜電極接合体とエンドプレートとを積層方向に締め付けている。第１板ばねは、エンドプレートを押圧する２つの腕部と、２つの腕部をつなぐ連結部とを有し、断面がＣ字型形状である。このように断面がＣ字型形状の第１板ばねで燃料電池セルを締結することにより、ボルトとナットで締結する場合に比べ燃料電池スタックを小さくすることができる。また燃料電池セルを膜電極接合体の面方向において、中央部を含め均等に締結することができる。
【０００９】
本発明の第２の発明は、第１の発明において、膜電極接合体を複数有するとともに、複数の膜電極接合体同士の間にセパレータを設けてセルスタックを構成した燃料電池スタックである。このように構成したセルスタックを第１板ばねで締結する場合にも第１の発明と同様の効果が得られる。
【００１０】
本発明の第３の発明は、第１、第２の発明において、第１板ばねが、腕部に、断面Ｃ字型の内側に突出する凸部を有する燃料電池スタックである。この凸部で燃料電池セルまたはセルスタックの積層方向両側から押圧することにより、腕部全体の面で押圧する場合に比べて押圧点が確定し、燃料電池セルまたはセルスタックを安定に締結することができる。また腕部の先端で押圧する場合に比べて押圧力のばらつきが低減できる。
【００１１】
本発明の第４の発明は、第１から第３の発明において、第１板ばねの腕部の先端が、エンドプレートから離れている燃料電池スタックである。このような形状の第１板ばねを用いることにより、燃料電池セルまたはセルスタックに第１板ばねを嵌め込む際の作業性が向上する。
【００１２】
本発明の第５の発明は、第１から第４の発明において、エンドプレートは、膜電極接合体とエンドプレートとの積層方向外側へ突出する突起を有し、第１板ばねの腕部の先端を突起に当接させた燃料電池スタックである。第１板ばねを嵌め込む際、エンドプレートに設けた突起に第１板ばねの腕部の先端を当接させることにより、燃料電池セルまたはセルスタックに対する第１板ばねの嵌め込み位置を安定させることができる。特に、第３の発明のように腕部に凸部を設ける場合、エンドプレートに設けた突起の寸法と腕部先端から凸部までの寸法を適切に設計することによって、凸部を最適な押圧位置に確実に配置することができる。
【００１３】
本発明の第６の発明は、第５の発明において、エンドプレートに設けた突起に切り欠き部を設けた燃料電池スタックである。第１板ばねを嵌め込む際、第１板ばねの先端を治具で保持して腕部を広げる必要があるが、突起に切り欠き部を設ければ治具の一部をこの切り欠き部に収容することができる。そのためセルスタックに第１板ばねを嵌め込む際の作業性が向上する。
【００１４】
本発明の第７の発明は、第１から第６の発明において、第１板ばねの断面Ｃ字型の内側に絶縁層を設けた燃料電池スタックである。燃料電池セルまたはセルスタックに対し積層方向とは異なる方向のずれ力が加わると、膜電極接合体がエンドプレートやセパレータからずれて第１板ばねに接触し、セルスタック内でショートが発生する可能性がある。これに対し、上述のように絶縁層を設けることによりこのようなショートの発生を防止することができる。またエンドプレートを直接第１板ばねで押圧する場合に第１板ばねが金属製だと必然的にショートが発生する。このような材料構成の場合には第１板ばねの断面Ｃ字型の内側に絶縁層を設ける必要がある。
【００１５】
本発明の第８の発明は、第１から第７の発明において、第１板ばねの断面Ｃ字型の内側における少なくとも腕部に、第１板ばねを構成するばね材よりもエンドプレートとの摩擦の小さい滑り層を設けた燃料電池スタックである。このように滑り層を設けることによって第１板ばねを嵌め込む際の作業性が向上する。また嵌め込んだ後に第１板ばねの位置を微調整しやすくなる。
【００１６】
本発明の第９の発明は、第１から第８の発明において、第１板ばねの連結部は、第１板ばねをエンドプレートから外した状態で平面形状を有する燃料電池スタックである。一般に、断面Ｃ字型形状の板ばねは嵌め込む際に曲げやすくするため、連結部を曲面で構成している。これに対し本発明では、連結部は外した状態で平面形状を有する。このような形状の板ばねは製造しやすい。またエンドプレートに嵌め込んだ際の連結部の内側への突出が小さくなり、その結果、連結部と腕部との間の湾曲部分が外側へ突出する寸法が小さくなる。その結果、燃料電池スタックの占有体積をより小さくすることができる。
【００１７】
本発明の第１０の発明は、第１から第９の発明において、第１板ばねの連結部と、膜電極接合体、エンドプレートとの間に空間を設けた燃料電池スタックである。この空間は燃料電池セルまたはセルスタックを冷却する風路として活用できる。
【００１８】
本発明の第１１の発明は、第１から第１０の発明において、膜電極接合体とエンドプレートとの積層方向に対して直交する方向に、第１板ばねに対向するように配置した第２板ばねをさらに有し、第２板ばねは、第１板ばねと同様、エンドプレートを押圧する２つの腕部と、２つの腕部をつなぐ連結部とを有し、断面がＣ字型形状である燃料電池スタックである。このように第１板ばねに加え、第２板ばねを用いることにより燃料電池スタックを著しく大きくせずに確実に膜電極接合体の面方向において燃料電池セルまたはセルスタックを均等に締結することができる。
【００１９】
本発明の第１２の発明は、第１から第３の発明において、膜電極接合体とエンドプレートとの積層方向におけるエンドプレートの外側に、一対のバッキングプレートをさらに設け、第１板ばねはバッキングプレートを介してエンドプレートを押圧する燃料電池スタックである。このようにバッキングプレートを設け、エンドプレートと異なる材料でバッキングプレートを構成することにより、第１板ばねの押圧力を直接受けるバッキングプレートと燃料や酸化剤の流路を兼ねるエンドプレートとを最適化することができる。例えばエンドプレートより硬い材料でバッキングプレートを構成することで第１板ばねの押圧力によるバッキングプレートの変形を抑制することができ、膜電極接合体の面方向において燃料電池セルまたはセルスタックをより均等に締結することができる。またバッキングプレートを絶縁材料で構成することにより第１板ばねの腕部による短絡を考慮する必要がなくなる。
【００２０】
本発明の第１３の発明は、第１２の発明において、第１板ばねの腕部の先端がバッキングプレートから離れている燃料電池スタックである。この構成は第４の発明と同様の効果を奏する。
【００２１】
本発明の第１４の発明は、第１２、第１３の発明において、バッキングプレートが膜電極接合体とエンドプレートとの積層方向外側へ突出する突起を有し、第１板ばねの腕部の先端を突起に当接させた燃料電池スタックである。この構成は第５の発明と同様の効果を奏する。
【００２２】
本発明の第１５の発明は、第１４の発明において、突起に切り欠き部を設けた燃料電池スタックである。この構成は第６の発明と同様の効果を奏する。
【００２３】
本発明の第１６の発明は、第１２から第１５の発明において、第１板ばねの断面Ｃ字型の内側における少なくとも連結部に絶縁層を設けた燃料電池スタックである。燃料電池セルまたはセルスタックに対し積層方向とは異なる方向のずれ力が加わると、膜電極接合体やエンドプレートやセパレータがバッキングプレートからずれて第１板ばねに接触し、セルスタック内でショートが発生する可能性がある。これに対し、上述のように絶縁層を設けることによりこのようなショートの発生を防止することができる。
【００２４】
本発明の第１７の発明は、第１２から第１６の発明において、第１板ばねの断面Ｃ字型の内側における少なくとも腕部に、第１板ばねを構成するばね材よりもバッキングプレートとの摩擦の小さい滑り層を設けた燃料電池スタックである。この構成は第８の発明と同様の効果を奏する。
【００２５】
本発明の第１８の発明は、第１２から第１７の発明において、第１板ばねの連結部は、第１板ばねをバッキングプレートから外した状態で平面形状を有する燃料電池スタックである。この構成は第９の発明と同様の効果を奏する。
【００２６】
本発明の第１９の発明は、第１２から第１８の発明において、膜電極接合体とエンドプレートとの積層方向に対して直交する方向に、第１板ばねに対向するように配置した第２板ばねをさらに有し、第２板ばねは、第１板ばねと同様に、バッキングプレートを押圧する２つの腕部と、２つの腕部をつなぐ連結部とを有し、断面がＣ字型形状である燃料電池スタックである。この構成は第１１の発明と同様の効果を奏する。
【００２７】
本発明の第２０の発明は、第１から第１９の発明による燃料電池スタックと、アノード電極に燃料を供給する燃料供給部と、カソード電極に酸化剤を供給する酸化剤供給部とを有する燃料電池である。
【００２８】
以下、本発明の実施の形態について、直接メタノール型燃料電池（ＤＭＦＣ）を例に、図面を参照しながら説明する。なお、本発明は、本明細書に記載された基本的な特徴に基づく限り、以下に記載の内容に限定されるものではない。
【００２９】
（実施の形態）
図１は、本発明の実施の形態における燃料電池の構成を示すブロック図である。図２、図３は、それぞれ本発明の実施の形態における燃料電池スタックの斜視図と断面図、図４は同燃料電池スタックの要部の概略構成を示す拡大断面図である。
【００３０】
この燃料電池は、燃料電池スタック１と、燃料タンク４と、燃料ポンプ５と、空気ポンプ６と、制御部７とを有する。燃料電池スタック１は起電部を有し、発電された電力は正極端子２と負極端子３から出力される。燃料ポンプ５は燃料タンク４の中の燃料を燃料電池スタック１のアノード電極３１に供給する。空気ポンプ６は酸化剤である空気を燃料電池スタック１のカソード電極３２に供給する。制御部７は燃料ポンプ５と空気ポンプ６に電力を供給し、これらの駆動を制御する。すなわち、燃料タンク４と燃料ポンプ５と制御部７は、燃料電池スタック１内のアノード電極３１に燃料を供給する燃料供給部を構成し、空気ポンプ６と制御部７、燃料電池スタック１内のカソード電極３２に酸化剤を供給する酸化剤供給部を構成している。図４に示すように、アノード電極３１には燃料であるメタノール水溶液が供給され、カソード電極３２には空気が供給される。なお、燃料供給部、酸化剤供給部は上述の構成に限定されない。
【００３１】
図２、図３に示すように、燃料電池スタック１は、セルスタック１６と、バッキングプレート１４、１５と、第１板ばね１１と第２板ばね１２とを有する。セルスタック１６は、起電部である膜電極接合体（ＭＥＡ）３５と、ＭＥＡ３５を挟むように配置されたセパレータ３４と、一対のエンドプレート１７、１８を有する。エンドプレート１７、１８はＭＥＡ３５の積層方向両端、すなわちＭＥＡ３５とセパレータ３４との積層方向両端からＭＥＡ３５とセパレータ３４を挟んでいる。図４に示すようにＭＥＡ３５は、アノード電極３１と、カソード電極３２と、アノード電極３１とカソード電極３２との間に介在する電解質膜３３とを積層して構成されている。アノード電極３１はセパレータ３４の側から順に、拡散層３１Ａ、微多孔層（ＭＰＬ）３１Ｂ、触媒層３１Ｃを積層して構成されている。カソード電極３２もまた、セパレータ３４の側から順に、拡散層３２Ａ、微多孔層（ＭＰＬ）３２Ｂ、触媒層３２Ｃを積層して構成されている。正極端子２はカソード電極３２に、負極端子３はアノード電極３１に、それぞれ電気的に接続されている。拡散層３１Ａ、３２Ａは、例えばカーボンペーパー、カーボンフェルト、カーボンクロスなどからなる。ＭＰＬ３１Ｂ、３２Ｂは、例えばポリテトラフルオロエチレンまたはテトラフルオロエチレン・ヘキサフルオロプロピレン共重合体とカーボンとからなる。触媒層３１Ｃ、３２Ｃは白金やルテニウムなど、各電極反応に適した触媒を炭素表面に高分散させ、この触媒体をバインダーで結着させることで形成されている。電解質膜３３は水素イオンを透過するイオン交換膜、例えばパーフルオロスルホン酸・テトラフルオロエチレン共重合体で構成されている。エンドプレート１７、１８、セパレータ３４は、カーボン材やステンレス鋼で構成され、燃料や空気をアノード電極３１、カソード電極３２へ供給するための溝が設けられている。
【００３２】
バッキングプレート１４はセルスタック１６におけるアノード電極３１の側に配置され、バッキングプレート１５は同カソード電極３２側に配置されている。バッキングプレート１４、１５は絶縁性の樹脂やセラミック、あるいはガラス繊維を含む樹脂、絶縁膜をコーティングされた金属板などで構成されている。
【００３３】
第１板ばね１１、第２板ばね１２は、バッキングプレート１４、１５を介してセルスタック１６をそのばね弾性力によって締め付けている。第２板ばね１２は第１板ばね１１に対向するように配置されている。第１板ばね１１、第２板ばね１２は、ばね鋼材などで構成されている。
【００３４】
図５（ａ）は燃料電池スタック１に用いる第１板ばね１１の側面図である。第１板ばね１１は、セルスタック１６を押圧する２つの腕部１１Ｂと、これらをつなぐ連結部１１Ｃとを有し、断面がＣ字型形状である。なお第２板ばね１２は第１板ばね１１と同じ形状を有するので説明を省略する。
【００３５】
次に、燃料電池スタック１における動作について簡単に説明する。図１、図４に示すように、アノード電極３１にはメタノールを含む水溶液が燃料ポンプ５によって供給され、カソード電極３２には空気ポンプ６によって加圧された空気が供給される。アノード電極３１に供給された燃料であるメタノール水溶液とこれに由来するメタノールと水蒸気は拡散層３１ＡにてＭＰＬ３１Ｂの全面に拡散する。これらはさらにＭＰＬ３１Ｂを通過して触媒層３１Ｃに達する。
【００３６】
一方、カソード電極３２に供給された空気に含まれる酸素は、拡散層３２ＡにてＭＰＬ３２Ｂの全面に拡散する。酸素はさらにＭＰＬ３２Ｂを通過して触媒層３２Ｃに達する。触媒層３１Ｃに達したメタノールは（１）式のように反応し、触媒層３２Ｃに達した酸素は（２）式のように反応する。
【００３７】
【数１】
2008311165.tif 000003
【００３８】
【数２】
2008311165.tif 000004
【００３９】
その結果、電力が発生するとともに、アノード電極３１側には二酸化炭素が、カソード電極３２側には水が、それぞれ反応生成物として生成する。二酸化炭素は、燃料電池外へと排気される。またカソード電極３２で反応しない窒素などの気体や未反応の酸素もまた燃料電池外へと排気される。なお、アノード電極３１側では水溶液中のメタノールが全て反応するわけではないので、図１に示すように排出された水溶液を燃料ポンプ５へ戻すのが一般的である。またアノード電極３１の反応では水が消費されるため、図１に示すようにカソード電極３２で生成した水をアノード電極３１側へ戻してもよい。
【００４０】
本実施の形態では、第１板ばね１１と第２板ばね１２とを用い、バッキングプレート１４、１５を介してセルスタック１６を締結している。第１板ばね１１、第２板ばね１２は図３に示すように、セルスタック１６の外形に沿うように極めてコンパクトにセルスタック１６を締結している。すなわち、セルスタック１６の側面においてデッドスペースが極めて小さくなり、従来のボルトとナットで締結する場合に比べ燃料電池スタック１を小さくすることができる。
【００４１】
また、従来のボルトとナットで締結する場合にはセルスタックの外側に押圧点があるが、本実施の形態では、第１板ばね１１、第２板ばね１２は、セルスタック１６の比較的中央寄りを押圧点としている。このため、バッキングプレート１４、１５の面方向においてセルスタック１６に均等に押圧力が作用する。このような押圧力によりセルスタック１６全体を均等に締結することができ、（１）式、（２）式に示す電気化学反応がＭＥＡ３５の面方向において均等に進行する。その結果、燃料電池スタック１の電流電圧特性が向上する。
【００４２】
なお図５（ａ）に示すように、第１板ばね１１は、腕部１１Ｂにそれぞれ、断面Ｃ字型の内側に突出する凸部１１Ｄを有することが好ましい。凸部１１Ｄでセルスタック１６の積層方向両側からセルスタック１６を押圧することにより、腕部１１Ｂの全体の面で押圧する場合に比べて押圧点が確定し、セルスタック１６を安定に締結することができる。また腕部１１Ｂの先端で押圧する場合に比べて押圧力のばらつきが低減できる。なお、凸部１１Ｄの形状は図５（ａ）に示すように、円筒形であることが好ましい。これにより第１板ばね１１を嵌め込む際の作業性が向上する。
【００４３】
具体的には、セルスタック１６の積層方向の長さが１９．１ｍｍ、バッキングプレート１４、１５の厚さが１．５ｍｍのとき、第１板ばね１１、第２板ばね１２を厚さ０．５ｍｍのばね鋼材で構成し、その曲げ弾性率を２０６，０００ＭＰａとすれば、ＭＥＡ３５に平均０．２１ＭＰａの押圧力を作用させることができる。またＭＥＡ３５の面方向の圧力ばらつきは４％以下となる。この構成のセルスタック１６では、ＭＥＡ３５の押圧力が０．１５ＭＰａ以上であれば発電特性が低下しないことが実験的にわかっている。したがってこのような第１板ばね１１、第２板ばね１２を用いることで必要な押圧力を確保することができる。
【００４４】
次に、第１板ばね１１、第２板ばね１２の好ましい形態について、図５（ａ）から図５（ｃ）を用いて説明する。図５（ｂ）は第１板ばね１１の連結部１１Ｃの拡大図、図５（ｃ）は第１板ばね１１の腕部１１Ｂの拡大図である。なお前述のように、第２板ばね１２は第１板ばね１１と同じ構造であるので、ここでは代表して第１板ばね１１を例に説明する。
【００４５】
図５（ａ）に示すように、第１板ばね１１の連結部１１Ｃは、第１板ばね１１をバッキングプレート１４、１５から外した状態で平面形状を有することが好ましい。すなわち、第１板ばね１１を変形させる初期状態において連結部１１Ｃが平面形状を有することが好ましい。一般に、断面Ｃ字型形状の板ばねは嵌め込む際に曲げやすくするため、連結部を曲面で構成している。これに対し本実施の形態では、連結部１１Ｃはセルスタック１６、バッキングプレート１４、１５から外した状態で平面形状を有する。このような形状の第１板ばね１１は製造しやすい。またバッキングプレート１４、１５に嵌め込んだ際の連結部１１Ｃの内側への突出が小さくなり、その結果、連結部１１Ｃと腕部１１Ｂとの間の湾曲部分が外側へ突出する寸法が小さくなる。そのため、燃料電池スタック１の占有体積をより小さくすることができる。
【００４６】
また図５（ｂ）に示すように、第１板ばね１１の断面Ｃ字型の内側における少なくとも連結部１１Ｃにおいて、ばね材１１Ｅの上に絶縁層１１Ｆを設けることが好ましい。セルスタック１６に対し積層方向とは異なる方向のずれ力が加わると、セルスタック１６がバッキングプレート１４、１５からずれて第１板ばね１１に接触し、セルスタック１６内でショートが発生する可能性がある。これに対し、上述のように絶縁層１１Ｆを設けることによりこのようなショートの発生を防止することができる。
【００４７】
また図５（ｃ）に示すように、第１板ばね１１の断面Ｃ字型の内側における少なくとも腕部１１Ｂに、第１板ばね１１を構成するばね材１１Ｅよりもバッキングプレート１４、１５との摩擦の小さい滑り層１１Ｇを設けることが好ましい。凸部１１Ｄを設けた場合には図５（ｃ）のように、少なくとも凸部１１Ｄに滑り層１１Ｇを設ければよい。このように滑り層１１Ｇを設けることによってセルスタック１６に第１板ばね１１を嵌め込む際の作業性が向上する。また嵌め込んだ後に第１板ばね１１の位置を微調整しやすくなる。
【００４８】
次に、図６を用いてバッキングプレート１４、１５に挟まれたセルスタック１６に第１板ばね１１、第２板ばね１２を嵌め込む手順について説明する。図６はセルスタック１６に第１板ばね１１、第２板ばね１２を嵌め込むための治具の斜視図である。なお、ここでも代表して第１板ばね１１を嵌め込む手順のみ説明する。
【００４９】
治具４１は、爪部４２と、爪部４２をそれぞれ有する保持部４３Ａ、４３Ｂと、保持部４３Ａを上下動させる駆動部４４と、支持部４５とを有する。まず駆動部４４により保持部４３Ａを下げ、２つの爪部４２に第１板ばね１１の先端１１Ａを引っ掛けるようにして支持部４５に第１板ばね１１を装着する。次に駆動部４４により保持部４３Ａを引き上げ、第１板ばね１１の腕部１１Ｂ同士の間を広げる。
【００５０】
一方、バッキングプレート１４、１５に挟まれたセルスタック１６を圧縮する。拡散層３１Ａ、３２Ａはカーボンペーパーなど嵩高い材料で構成されているため、圧縮することでセパレータ３４がＭＥＡ３５に密着する。この状態で、治具４１を用いて第１板ばね１１を腕部１１Ｂの側からバッキングプレート１４、１５に挟まれたセルスタック１６に被せる。そして駆動部４４により保持部４３Ａを下げることで、腕部１１Ｂがそれぞれバッキングプレート１４、１５に当接する。このようにしてバッキングプレート１４、１５で挟まれたセルスタック１６に対し第１板ばね１１を嵌め込むことができる。この作業は、従来のボルトとナットを用いた締結作業に比べ極めて短時間で行うことができる。またボルトの締め込みばらつきによる押圧力のばらつきも生じない。
【００５１】
なお、このように第１板ばね１１を装着した際に、第１板ばね１１の腕部１１Ｂの先端１１Ａが、バッキングプレート１４、１５から離れるように、先端１１Ａを形成することが好ましい。このような形状の第１板ばね１１を用いることにより、腕部１１Ｂがそれぞれバッキングプレート１４、１５に当接した際に、先端１１Ａを爪部４２から外しやすくなる。そのため作業性が向上する。
【００５２】
またバッキングプレート１４、１５は、セルスタック１６におけるＭＥＡ３５とエンドプレート１７、１８との積層方向外側へ突出する突起１４Ａ、１５Ａをそれぞれ有し、第１板ばね１１の先端１１Ａを突起１４Ａ、１５Ａに当接させることが好ましい。セルスタック１６に対し第１板ばね１１を嵌め込む際、バッキングプレート１４、１５に設けた突起１４Ａ、１５Ａに第１板ばね１１の先端１１Ａを当接させることにより、セルスタック１６に対する第１板ばね１１の嵌め込み位置を安定させることができる。特に、腕部１１Ｂに凸部１１Ｄを設ける場合、バッキングプレート１４、１５に設けた突起１４Ａ、１５Ａの寸法と先端１１Ａから凸部１１Ｄまでの寸法を適切に設計することによって、凸部１１Ｄを最適な押圧位置に確実に配置することができる。
【００５３】
またバッキングプレート１４、１５に設けた突起１４Ａ、１５Ａは第１板ばね１１と第２板ばね１２とが対向する第１方向と直交する第２方向に延び、突起１４Ａ、１５Ａに第２方向に平行な切り欠き部１４Ｂ、１５Ｂをそれぞれ設けることが好ましい。突起１４Ａ、１５Ａに切り欠き部１４Ｂ、１５Ｂを設けることにより、保持部４３Ａ、４３Ｂを切り欠き部１４Ｂ、１５Ｂに収容することができる。そのためセルスタック１６に第１板ばね１１、第２板ばね１２を嵌め込む際の作業性が向上する。
【００５４】
なお第１板ばね１１の連結部１１Ｃと、ＭＥＡ３５、エンドプレート１７、１８を含むセルスタック１６との間に空間２０を設けることが好ましい。空間２０はセルスタック１６を冷却する風路として活用できる。
【００５５】
なお、以上の説明では、複数のＭＥＡ３５を用い、ＭＥＡ３５同士の間にセパレータ３４を配し、積層方向両端にエンドプレート１７、１８を配してセルスタック１６を構成し、さらにその外側にバッキングプレート１４、１５を配した場合について説明したが、本発明はこの構成に限定されない。単一のＭＥＡ３５を、ＭＥＡ３５の積層方向両側からエンドプレート１７、１８で挟み、ＭＥＡ３５とエンドプレート１７、１８とを積層方向に第１板ばね１１だけで締め付けてもよい。この場合、第１板ばね１１はエンドプレート１７、１８の中央付近を押圧するように構成することが好ましい。もちろんこの構成にさらに第２板ばね１２を用いてもよい。また図２では第１板ばね１１、第２板ばね１２をそれぞれ複数個用いているが、セルスタック１６の大きさに応じて１個ずつ用いてもよい。このように押圧する対象は単セルでもセルスタックでもよい。板ばねは１個でも複数個でも、また１組でも複数組でもよい。
【００５６】
またこのようにバッキングプレート１４、１５を用いない場合には第１板ばね１１（および第２板ばね１２）の断面Ｃ字型の内側に絶縁膜を形成し第１板ばね１１によって短絡が発生しないようにする。すなわちバッキングプレート１４、１５は必須ではない。バッキングプレート１４、１５を用いない場合、エンドプレート１７、１８に突起１４Ａ、１５Ａに相当する突起や、切り欠き部１４Ｂ、１５Ｂに相当する切り欠き部を設けることが好ましい。また第１板ばね１１（および第２板ばね１２）の断面Ｃ字型の内側における少なくとも腕部１１Ｂに、第１板ばね１１を構成するばね材１１Ｅよりもエンドプレート１７、１８との摩擦の小さい滑り層（滑り層１１Ｇに相当）を設けることが好ましい。
【００５７】
以上、本実施の形態ではＤＭＦＣを例に説明したが、セルスタック１６と同様の発電素子を用いる燃料電池であれば本発明の構成は適用可能である。例えば、水素を燃料とする、いわゆる高分子固体電解質燃料電池やメタノール改質型の燃料電池などにも適用できる。
【産業上の利用可能性】
【００５８】
本発明の燃料電池スタックおよびそれを用いた燃料電池では、燃料電池セルまたはセルスタックを板ばねで締結している。このような簡単な構成で燃料電池スタックをコンパクトに構成できるとともに膜電極接合体、または膜電極接合体とセパレータやエンドプレートを均等に締結することができる。このような燃料電池スタックおよびそれを用いた燃料電池は、特に小型電子機器の電源として有用である。
【図面の簡単な説明】
【００５９】
【図１】本発明の実施の形態における燃料電池の構成を示すブロック図
【図２】本発明の実施の形態における燃料電池スタックの斜視図
【図３】図２に示す燃料電池スタックの断面図
【図４】図２に示す燃料電池スタックの要部の概略構成を示す拡大断面図
【図５】（ａ）図２に示す燃料電池スタックに用いる第１板ばねの側面図、（ｂ）同第１板ばねの連結部の拡大図、（ｃ）同第１板ばねの腕部の拡大図
【図６】本発明の実施の形態における燃料電池スタックに第１、第２板ばねを嵌め込むための治具の斜視図
【符号の説明】
【００６０】
１    燃料電池スタック
２    正極端子
３    負極端子
４    燃料タンク
５    燃料ポンプ
６    空気ポンプ
７    制御部
１１    第１板ばね
１１Ａ    先端
１１Ｂ    腕部
１１Ｃ    連結部
１１Ｄ    凸部
１１Ｅ    ばね材
１１Ｆ    絶縁層
１１Ｇ    滑り層
１２    第２板ばね
１４，１５    バッキングプレート
１４Ａ，１５Ａ    突起
１４Ｂ，１５Ｂ    切り欠き部
１６    セルスタック
１７，１８    エンドプレート
２０    空間
３１    アノード電極
３１Ａ，３２Ａ    拡散層
３１Ｂ，３２Ｂ    微多孔層（ＭＰＬ）
３１Ｃ，３２Ｃ    触媒層
３２    カソード電極
３３    電解質膜
３４    セパレータ
３５    膜電極接合体（ＭＥＡ）
４１    治具
４２    爪部
４３Ａ，４３Ｂ    保持部
４４    駆動部
４５    支持部
【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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【図６】
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