(57)【要約】【課題】  本発明は、一対の電極により挟まれる電解質からなる接合体とセパレータを交互に積層させた発電部を均一に加圧することができる締結装置及び発電部が均一に加圧された燃料電池を提供することを課題とする。【解決手段】  本発明は、発電部を挟む枠体と、枠体に取り付ける加圧板とからなる締結装置を提供することにより、加圧板の反発力を利用して、発電部への均一な加圧を実現することができる。また、この締結装置を用いて作成される燃料電池は、発電部が均一に加圧され、発電に関与する電解質と電極が均一に加圧されていることにより、効率良く発電することができる。【選択図】図９
2005235713.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
一対の電極により挟まれる電解質からなる接合体とセパレータとを交互に積層させた発電部を挟む枠体と、
該枠体に取り付けられ該発電部を押圧し導電性材料により形成される加圧板と、
からなることを特徴とする締結装置。
【請求項２】
上記枠体は、上記加圧板を取り付ける溝を有することを特徴とする請求項１の締結装置。
【請求項３】
上記加圧板は、板バネであることを特徴とする請求項１の締結装置。
【請求項４】
上記導電性材料は、リン青銅又はステンレス鋼であることを特徴とする請求項１の締結装置。
【請求項５】
一対の電極により挟まれる電解質からなる接合体とセパレータとを交互に積層させた発電部を挟む枠体と、
該枠体に取り付けられ該発電部を押圧し良熱伝導性材料により形成される加圧板と、
からなることを特徴とする締結装置。
【請求項６】
上記枠体は、上記加圧板を取り付ける溝を有することを特徴とする請求項５の締結装置。
【請求項７】
上記加圧板は、板バネであることを特徴とする請求項５の締結装置。
【請求項８】
一対の電極により挟まれる電解質からなる接合体とセパレータとを交互に積層させた発電部を挟む枠体と、
該枠体に取り付けられ該発電部を押圧し導電性材料により形成される加圧板と、
からなる締結装置により該発電部を締結することを特徴とする燃料電池。
【請求項９】
上記接合体は、該接合体の周縁部よりも厚い中央部を有することを特徴とする請求項８の燃料電池。
【請求項１０】
一対の電極により挟まれる電解質からなる接合体とセパレータとを交互に積層させた発電部を挟む枠体と、
該枠体に取り付けられ該発電部を押圧し良熱伝導性材料により形成される加圧板と、
からなる締結装置により該発電部を締結することを特徴とする燃料電池。
【請求項１１】
上記接合体は、該接合体の周縁部よりも厚い中央部を有することを特徴とする請求項１０の燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池用締結装置に関するものであり、さらには、この締結装置を用いた燃料電池に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は、水素ガス等の燃料気体と酸素ガス等の酸化剤ガスを電気化学的に反応させることにより発電を行う発電素子である。燃料電池は、発電により生成される生成物が水であることから環境を汚染することがない発電素子として注目されており、例えば、自動車を駆動するための駆動電源として使用する試みが行われている。
【０００３】
燃料電池は、電解質の違い等により様々なタイプのものに分類されるが、代表的なものに、電解質に固体高分子電解質を用いた燃料電池が知られている。固体高分子電解質型燃料電池は、低コスト化が可能で、小型化、軽量化も容易であり、電池性能の点でも高い出力密度を有することから、例えば、ノート型パソコン、携帯電話及びＰＤＡなどの携帯型電子機器の駆動電源として有望である。また、複数の発電セルとセパレータを交互に積層することにより構成するスタックセル型の燃料電池も提案されている。
【０００４】
従来のスタックセル型燃料電池の一例として、図１２に示すような、ベースプレート９２上に電解質膜と電極とを一体化した電極電解質接合体９３０と、一方の面に燃料ガス、他方の面に酸化剤ガスの流路を有する平板状セパレータ９３１とを交互に積層させ、最上部に平面締結板９４を重ね、積層方向に貫通されたボルト穴にボルトを通し加圧締結する構造を有するものがある。この電解質膜と電極との間には触媒層が形成されており、触媒層と電解質膜との界面で発電反応が行われる。
【０００５】
しかしながら、上記ようなスタックセル型燃料電池において、電極電解質接合体９３０とセパレータ９３１との積層体に働く圧力は、ボルトに近い位置で大きくなり、ボルトから離れるに従って小さくなっている。このため、発電セルを均一に加圧していないことになり、電解質膜と触媒層との界面が均一に密着していないことを示している。これは、反応効率の低下や電気抵抗の悪化を招き、発電効率が低下する原因となっている。特に、燃料電池の小型化において、使用するボルトも小さくなることから、積層体への均一加圧は困難となる。積層体への均一加圧を行うために、ボルトの数量を増やすことで対応することはできるが、発電に寄与する触媒面積が減少し、ボルトの数量を増やす前と同等の発電出力を得るためには、電極電解質接合体９３０とセパレータ９３１とを大きくする、又は、積層する数を増やす必要がある。これは、積層体の体積の増加をもたらすものであり、燃料電池の小型化に対し相反するものであるため、採用することはできない。
【０００６】
そこで、スタックセル型燃料電池において、電極電解質接合体とセパレータとを均一に加圧させた燃料電池として、固体高分子電解質膜と触媒反応層を有する一対の電極による電極電解質接合体をセパレータを介して複数積層させ、その積層体をエンドプレートと板バネ機能を有するエンドプレートとにより挟まれる燃料電池がある。（例えば、特許文献１参照）また、電解質を一対の電極で挟持した電極電解質接合体を一対のセパレータを介して複数積層し、その積層体を一対の板バネ機能を有するエンドプレートで挟み、筺体に収容することにより発電セルとセパレータとを均一に加圧した燃料電池がある。（例えば、特許文献２参照）
【０００７】
【特許文献１】特開２０００−０６７８８７号公報
【０００８】
【特許文献２】特開２００３−１５１６１１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかしながら、上記特許文献１の燃料電池は、電極電解質接合体とセパレータとの積層体をエンドプレートで挟み、ボルトによって締結しているため、ここで用いるエンドプレートは、ボルトによる締結に耐えられる強度を有していなければならない。そのため、肉厚のエンドプレートや剛性の高いエンドプレートを用いる必要があり、軽量化を図ることが困難となる。
【００１０】
一方、上記特許文献２の燃料電池は、周縁側よりも内側の肉厚を厚くしてなるエンドプレートを用いて積層体を挟み筺体に入れることで、積層体に均一な締結圧力を伝えるものであるが、このエンドプレートは加工が難しく、また、その加工費用も高くなる。そして、この燃料電池においては、締結するための筺体を使用しなければならず、部品点数が多くなる。
【００１１】
また、燃料電池は、水素と酸素の化学反応によって発電を行うため、化学反応による損失分や電極電解質接合体を構成する材料の電気抵抗などによって熱が発生し、燃料電池内の温度を上昇させる。この温度上昇は、固体高分子電解質膜に含まれる水分量が減少し、ドライアップと呼ばれる不具合を招く等、燃料電池を安定して作動させるためには好ましくない。
【００１２】
そこで、本発明は、そのような従来の実情に鑑み、安定して効率的に発電することを目的とし、容易に締結可能で電極電解質接合体とセパレータ、より詳しくは、電極と電解質とを均一に加圧することができる締結装置の提供を目的とする。さらに、その装置を備えた燃料電池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】
【００１３】
本発明の締結装置は、一対の電極により挟まれる電解質からなる接合体とセパレータとを交互に積層させた発電部を挟む枠体と、該枠体に取り付けられ該発電部を押圧し導電性材料により形成される加圧板とからなることを特徴とする。
【００１４】
本発明に係る締結装置によれば、加圧板の反発力を利用して、一対の電極により挟まれる電解質からなる接合体とセパレータとを交互に積層させた発電部を挟むことにより、発電部に均一な加圧力を与えることができる。また、加圧板を取り付ける部材を枠体にすることにより、軽量化を図ることができる。さらに、導電性材料で加圧板を形成することで、加圧板は発電部で発電した電力を集電し、外部に電力を伝えることができる。
【００１５】
また、本発明の締結装置は、一対の電極により挟まれる電解質からなる接合体とセパレータとを交互に積層させた発電部を挟む枠体と、該枠体に取り付けられ該発電部を押圧し良熱伝導性材料により形成される加圧板とからなることを特徴とする。
【００１６】
本発明に係る締結装置によれば、加圧板の反発力を利用して、一対の電極により挟まれる電解質からなる接合体とセパレータとを交互に積層させた発電部を挟むことにより、発電部に均一な加圧力を与えることができる。また、加圧板を取り付ける部材を枠体にすることにより、軽量化を図ることができる。さらに、良熱伝導性材料で加圧板を形成することにより、加圧板は、発電部で発生する熱を放出することができ、発熱により生じる発電部への悪影響、例えば、上記のドライアップ等の現象を予防することができる。
【００１７】
本発明の燃料電池は、一対の電極により挟まれる電解質からなる接合体とセパレータとを交互に積層させた発電部を挟む枠体と、該枠体に取り付けられ該発電部を押圧し導電性材料により形成される加圧板とからなる締結装置により該発電部を締結することを特徴とする。
【００１８】
本発明の燃料電池によれば、上記締結装置で締結することにより、発電部への均一加圧が実現される。したがって、発電部への不均一な加圧により生じる、反応効率の低下や電気抵抗の悪化といった問題を解決し、効率良く発電できる燃料電池を提供することができる。また、導電性材料により形成される加圧板は、集電機能を有しているため、発電された電力を集電するための集電板を新たに搭載する必要がなく、部品点数を減らすことができる。
【００１９】
また、本発明の燃料電池は、一対の電極により挟まれる電解質からなる接合体とセパレータとを交互に積層させた発電部を挟む枠体と、該枠体に取り付けられ該発電部を押圧し良熱伝導性材料により形成される加圧板とからなる締結装置により該発電部を締結することを特徴とする。
【００２０】
本発明の燃料電池によれば、上記締結装置で締結することにより、発電部への均一加圧が実現される。これにより、発電部への不均一な加圧により生じる、反応効率の低下や電気抵抗の悪化といった問題を解決し、効率良く発電できる燃料電池を提供することができる。また、良熱伝導性材料により形成される加圧板は、放熱機能を有しているため、発生した熱を放出するための放熱板を新たに搭載する必要がなく、部品点数を減らすことができる。
【発明の効果】
【００２１】
本発明の締結装置によれば、枠体に取り付ける加圧板の反発力を利用して、一対の電極により挟まれる電解質からなる接合体とセパレータとを交互に積層させた発電部を挟むことにより、発電部に均一な加圧力を与えることができる。また、加圧板を取り付ける部材を枠体にすることにより、軽量化を図ることができる。さらに、導電性材料により形成されている加圧板は、発電部で発電した電力を集電し、外部装置に伝えることができる。また、良熱伝導性材料により形成されている加圧板は、発電部で発生した熱の放熱を行うことができ、ドライアップ等の発熱により生じる問題を解決することができる。
【００２２】
また、本発明の燃料電池によれば、上記締結装置を用いることにより、燃料電池内の発電部を均一に加圧することができる。さらには、発電部内の一対の電極により挟まれる電解質からなる接合体とセパレータを均一に加圧することができ、発電反応に関与する電解質と電極を均一に密着させることができる。これにより、不均一な加圧に生じる反応効率の低下や電気抵抗の悪化といった問題を解決し、電解質と電極との接触面積を増加させ、効率良く発電を行うことができる。また、上記締結装置は、導電性材料又は良熱伝導性材料により形成されている加圧板を有していることから、集電機能又は放熱機能を有している。当該締結装置を燃料電池に用いることによって、発電した電力を集電する集電板、又は、発生した熱を放熱する放熱板を新たに搭載する必要がなくなり、部品点数を少なくすることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２３】
以下、本発明の締結装置及び締結装置を用いた燃料電池について、図面を参照しながら詳細に説明する。なお、本発明においては、以下の記述に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において適宜変更可能である。
【００２４】
図１に本発明の実施の形態として、本発明の燃料電池の構成例を示す。図１に示すように、燃料電池１は、燃料電池本体とされる本体部１０と、本体部１０に発電を行わせるための各種機器として筐体６０、燃料電池１を作動させるのに必要な各種回路が形成された制御基板６１と、本体部１０を冷却するための冷却ファン７０１と、本体部１０に対して空気を供給する２つの空気供給ファン７０２、７０３と、本体部１０に滞留した水を排出するための水素パージバルブ７１０と、水素の圧力制御を行うレギュレータ７１１と、水素を本体部１０に供給するための手動バルブ７１２とを基台２に搭載したものである。冷却ファン７０１、空気供給ファン７０２、７０３は本体部１０の側面に沿って隣り合うように配設されると共に、水素パージバルブ７１０、レギュレータ７１１及び手動バルブ７１２が本体部１０の後述する端面に沿って隣り合うように配設されている。燃料電池１は、燃料としての水素を吸蔵させた水素吸蔵カートリッジ７２から手動バルブ７１２によって開かれた流路を介して水素を受け取り、発電を行う。また、レギュレータ７１１は、水素吸蔵カートリッジ７２から供給される水素の圧力を調整し、水素を所要の圧力で本体部１０に供給する。水素パージバルブ７１２は、水素の流れる流路に水分が蓄積された場合に、水素をパージして水分を排出し流路を確保する。なお、本発明に係る燃料電池１は、本体部１０に特徴を有することから、本体部１０については、下記に詳細に述べる。
【００２５】
図２は、図１に示される筺体６０の外形を示す図である。筐体６０は、図１及び図２に示すように、略直方体状の外形とし、燃料電池１に搭載される各種部材を覆うように、内部が空洞とされると共に、底面が開放された構造である。また、筐体６０には、３つの排気口６０１、６０２、６０３と、２つの吸気口６０４、６０５とが形成される。
【００２６】
排気口６０１、６０２、６０３は、図２（ａ）に示すように、筐体６０の１つ側面において隣り合うように設けられている。排気口６０１、６０２、６０３はそれぞれ、側面の中央から上下方向に向かって順次長手方向の寸法が短くなるように形成され、全体形状が略々円形になるように形成されている。排気口６０１は、後述する放熱フィンを介して放熱するための空気の出口として設けられている。また、排気口６０２、６０３は、燃料電池１から空気を排出するために設けられている。
【００２７】
吸気口６０４、６０５は、図２（ｂ）に示すように、筐体６０における排気口６０１、６０２、６０３が形成された側面の対面に隣り合うように形成され、略長方形状の開口が、上下方向に複数配列形成されている。吸気口６０４は、後述する放熱フィンを介して放熱する空気を取り入れるために設けられている。吸気口６０５は、発電反応に使われる酸素を含む空気を、燃料電池１の内部に取り込むために設けられている。
【００２８】
また、筐体６０には、図１、図２（ｃ）及び図２（ｄ）に示すように、１つの端面に、燃料電池１と外部との間で各種信号を送受信するための配線が通される接続穴６０６が形成されている。さらに、筺体６０の他の端面にも接続穴６０７が形成される。
【００２９】
制御基板６１には、燃料電池１を構成する各種部材を制御するための制御回路を含む各種回路が形成される。制御基板６１は、本体部１０の上側に設けられる。なお、この制御基板６１に形成される制御回路の詳細については、特に図示しないが、例えば、冷却ファン７０１及び空気供給ファン７０２、７０３の駆動を制御する制御回路、水素パージバルブ７１０、レギュレータ７１１及び手動バルブ７１２の開閉動作を制御する制御回路、本体部１０から出力される電圧を昇圧するＤＣ／ＤＣ（Ｄｉｒｅｃｔ  Ｃｕｒｒｅｎｔ  ｔｏ  Ｄｉｒｅｃｔ  Ｃｕｒｒｅｎｔ）コンバータといった電圧変換回路、本体部１０の出力電圧および出力電流を測定する電流電圧検出装置、センサによって検知された温度や湿度等の各種環境条件を取得することによって各種部材の駆動に関する指示を与える制御回路等が実装されていてもよい。なお、ここでは、この制御基板６１が、燃料電池１の内部に設けられるものとして説明するが、この制御基板６１は、燃料電池１の外部に設けてもよく、例えば、燃料電池１から駆動用の電力が提供される各種電子機器が備えるようにしてもよい。
【００３０】
次に、燃料電池１の本体部１０について、図３乃至図１２を参照にしながら説明する。図３は、本発明に係る本体部１０を構成する部材を示す分解斜視図である。本体部１０は、略平板状の基台２上に、電解質３００を挟み込む電極３０１、３０２を張り合わせてなる接合体３０と、発電のために供給される気体の流路を備えるセパレータ３１とを交互に積層した発電部３を搭載し、さらに、発電部３の上に、発電部３を挟む枠体４０と、枠体４０に取り付けられ発電部３を押圧する加圧板４１とからなる締結装置４が搭載されている。枠体４０には、締結装置４と、発電部３と、基台２とを貫通して締結する締結用ボルト５１を通す締結用ボルト穴５０が枠体外周付近に複数設けられている。また、加圧板４１、発電部３及び基台２には、枠体４０に設けられた締結用ボルト穴５０と対応する位置に締結用ボルト穴５０が設けられている。
【００３１】
略平板状からなる基台２は、下記で説明する接合体３０、セパレータ３１、締結装置４よりも外形が大きく、発電部３を介して締結装置４の反対側に配され、締結装置４の締結用ボルト穴５０の対応する位置に締結用ボルト穴５０が設けられている。また、例えば、基台２は、燃料ガスを供給する供給口や本体部１０から燃料ガスを取り出す取出口が設けられていてもよい。さらに、発電部３を冷却するための冷却ファン７０１や発電部３に対して空気を供給する空気供給ファン７０２、７０３を固定する螺子穴を設けてもよい。基台２は、締結用ボルト５１による螺子締めによって簡単に変形しない程度の剛性を有する材質によって形成される。
【００３２】
接合体３０は、プロトンを透過させる略長方形膜状の電解質３００、発電反応における触媒を有する電極３０１及び３０２からなり、電解質３００を電極３０１及び３０２により挟み、張り合わせて形成される。プロトンを透過させる電解質３００は、透過性と耐酸化性と耐熱性とを兼ね備えた材質で形成され、その材質の一例として、パーフルオロスルホン酸ポリマー等の固体高分子が挙げられる。電極３０１、３０２は、金属材料や炭素材料、導電性を有する不繊布などを用いて構成され、例えば、炭素材料を用いる場合、炭素材料の多孔質表面に白金などの触媒を担持させても良い。また、接合体３０の電極３０１、３０２とセパレータ３１との接触面には、カーボンペーパー等からなるガス透過性と電気伝導性とを兼ね備えた拡散層を配してもよい。電解質３００、電極３０１及び３０２の大きさ及び形状は、要求される発電能力や後述するセパレータ３１の大きさ及び形状等により適宜変更される。
【００３３】
接合体３０を介して積層するセパレータ３１は、備えられた流路により、セパレータ３１ａとセパレータ３１ｂに分類される。セパレータ３１ａは、略直方体の平たい板材からなり、接合体３０と接する面の一方に水素を供給するための燃料ガス流路３１０及び燃料ガス流路３１０に接続された燃料ガス流入口３１１と燃料ガス排出口３１２が設けられている。また、接合体３０と接するもう一方の面に酸化剤ガス流路３１５が設けられている。一方、セパレータ３１ｂは、セパレータ３１ａと略同じ形状であり、セパレータ３１ａの酸化剤ガス流路３１５のみが設けられている。セパレータ３１には、発電により発生する熱を放出し、セパレータ３１の接合体３０との接触部分から飛び出した放熱フィン３１９を有している。そして、セパレータ３１の接合体３０との接触部分には、締結装置４の枠体４０に設けられている締結用ボルト穴５０と対応する位置に、締結用ボルト穴５０が設けられている。セパレータ３１に使用される材質としては、電気伝導性が良好で、且つ水素と空気との混合を防止するような気密性の高い材質により形成される。
【００３４】
放熱フィン３１９は、略直方体の平たい板材からなるセパレータ３１の一部である。放熱フィン３１９は、セパレータ３１の接合体３０との接触部分から飛び出し、セパレータ３１の接合体３０との接触部分の厚さよりも薄くなるように設計されている。そのため、接合体３０を介して複数のセパレータ３１を積層させても、放熱フィン３１９同士は接触しない。放熱フィン３１９は、燃料電池１内に取り付けられる冷却ファン７０１により流入した空気によって、発電部３の発電により発生する熱を放出することができる。
【００３５】
冷却ファン７０１は、筺体６０に形成された排気口６０１と発電部３における放熱フィン３１９との間に設けられており、筺体６０の排気口６０１の対面に設けられた吸気口６０４から筺体６０内に空気を取り込み、排気口６０１から取り込んだ空気を排出させる。冷却ファン７０１により、放熱フィン３１９を通過するように空気を流動させることで、放熱フィン３１９を介して発電部３の放熱を行うことができる。この冷却ファン７０１を設ける位置としては、フィン３１９の近傍に限ることなく、発電部３の冷却を目的として、燃料電池１の内部全体の空気を流動させるような位置に設けるようにしてもよい。また、冷却ファン７０１を逆回転させることにより、空気を逆向きに送風するようにしてもよい。
【００３６】
セパレータ３１ａには、燃料ガス流路３１０と酸化剤ガス流路３１５とが設けられている。また、セパレータ３１ｂには、酸化剤ガス流路３１５が設けられている。図４は、そのセパレータ３１の流路の形状を示す平面図であり、図４（ａ）は、燃料ガス流路３１０を、図４（ｂ）は酸化剤ガス流路３１５を示している。
【００３７】
燃料ガス流路３１０は、図４（ａ）のとおり、セパレータ３１ａの接合体３０と接触する一方の面に、蛇行するように設計され、その燃料ガス流路３１０の末端に燃料ガス流入口３１１と燃料ガス排出口３１２が設けられている。また、燃料ガス流入口３１１と燃料ガス排出口３１２は、燃料ガス流路３１０に配した面の裏面側に貫通するように設計されている。この燃料ガス流路３１０は、要求される発電能力に合わせて設計される。水素は、水素吸蔵カートリッジ７２を利用し、燃料ガス流入口３１１を介して燃料ガス流路３１０に流れ、流路を通り、燃料ガス排出口３１２から排出される。
【００３８】
一方、酸化剤ガス流路３１５は、図４（ｂ）のとおり、セパレータ３１ａの燃料ガス流路３１０を有する面の裏面側に複数の略直線状の溝が設けられている。また、セパレータ３１ｂも同様の流路が設けられている。酸化剤ガス流路３１５は、セパレータ３１の側面に酸化剤ガス流路３１５の開口を有し、またその開口を有する側面の対面にも、同様に開口を有している。この酸化剤ガス流路３１５も、燃料ガス流路３１０と同様に、要求される発電能力に合わせて設計される。例えば、酸化剤ガス流路３１５の断面は四角形だけではなく、半円や四角形以外の多角形でもよい。また、図４（ｂ）のとおり、各流路の開口は、各流路の中央部分の断面積よりも広い断面積を有していてもよい。空気は、空気供給ファン７０２、７０３により側面の開口から酸化剤ガス流路３１５に供給され、供給された開口の対面の開口より排出される。
【００３９】
発電部３は、図３のとおり、セパレータ３１ａの燃料ガス流路３１０と別のセパレータ３１ａの酸化剤ガス流路３１５とを向かい合わせるように、接合体３０を介して、セパレータ３１ａが積層され、積層された複数のセパレータ３１ａの最も上面にあるセパレータ３１ａの燃料ガス流路３１０とセパレータ３１ｂの酸化剤ガス流路３１５とを向かい合わせるように、接合体３０を介して、セパレータ３１ｂが重ねられている。本実施の形態において、８枚の接合体３０とそれを挟むセパレータから構成されているが、これらの枚数は要求される電圧によって、適宜変更することができる。
【００４０】
セパレータ３１を積層することにより、各セパレータ３１ａに設けられている燃料ガス流入口３１１が互いに連通する。そのため、水素吸蔵カートリッジ７２等で水素を発電部３の外部から連通する燃料ガス流入口３１１に供給することで、全ての燃料ガス流路３１０に水素が供給される。同じくセパレータ３１ａの積層により連通する燃料ガス排出口３１２から水素を排出することができる。また、発電部３は、気密を保持するための図示されていない気密部材が配置されており、燃料ガス流路３１０から水素が漏洩しない構造となっている。一方、酸化剤ガス流路３１５は、セパレータ３１の側面すなわち発電部３の側面に開口を有していることから、基台２に配置する空気供給ファン７０２、７０３等を用いて、酸化剤ガス流路３１２に空気を供給することができる。
【００４１】
空気供給ファン７０２、７０３は、それぞれ筺体６０に形成された排気口６０２、６０３と発電部３の酸化剤ガス流路３１５の開口を有する側面との間に設けられており、筺体６０の排気口６０２、６０３の対面に設けられた吸気口６０５から筺体６０内に空気を取り込み、排気口６０２、６０３から空気を排出させる。空気供給ファン７０２、７０３により筺体６０に流入した空気は、酸化剤ガス流路３１５に供給される。なお、燃料電池１においては、冷却ファン７０１と同様に、空気供給ファン７０２、７０３のそれぞれを逆回転させることにより、空気を逆向きに流動させるようにしてもよい。また、これら空気供給ファン７０２、７０３のそれぞれによって形成される空気の流れは、冷却ファン７０１によって形成される空気の流れとは独立させることもできる。
【００４２】
図５は、締結装置４を示す分解斜視図である。締結装置４は、図５のとおり、発電部３を挟む枠体４０と、枠体４０に取り付けられ発電部３を押圧する加圧板４１を有している。枠体４０は、枠状の平板であり、締結装置４と発電部３とを締結する締結用ボルト５１を通す締結用ボルト穴５０が設けられている。枠体４０の材質としては、締結用ボルト５１の螺子締めによって簡単に変形しない程度の剛性を有する材質によって形成される。また、例えば、図６のように、枠体４０の加圧板４１を取り付ける面に、加圧板４１の形状に合わせた溝を設けてもよい。また、その溝の深さ４０５は、加圧板４１の厚さ寸法と同じにしてもよい。このような溝を設けることにより、発電部３に備え付ける際、溝に取り付けられた加圧板４１が加圧され、枠体４０と加圧板４１とが一様な平面となり、一体となって加圧締結することができる。また、加圧板４１を取り付ける部材として枠状のものを選択することにより、締結装置４を軽量化することができる。
【００４３】
図７は、加圧板４１の一例を示す図である。一例の加圧板４１は、図７（ａ）のように、１枚の板材からなり、図７（ｂ）のような長手方向断面を有している。加圧板４１は、図７（ａ）のとおり、枠体４０の締結用ボルト穴５０と対応する位置に締結用ボルト穴５０を設けてもよい。加圧板４１の長手方向断面は、端点４１０から極点４１１を介して結合点４１２の形状を所定の厚みを有する円の一部とし、結合点４１２から端点４１３の形状を所定の厚みを有する４１２の接線４１４に平行する直線として、これらを結合点４１２で結合させて表された形状である。加圧板４１の材質としては、導電性材料又は良熱伝導性材料であると共に、バネ用圧延材料により形成されている。例えば、リン青銅やステンレス鋼等の金属により形成されていても良く、加圧板４１は、枠体４０と接する面にゴム等の絶縁体がコーティングされていてもよい。
【００４４】
本発明において導電性材料とは、電気抵抗の低い材料のことを示し、より具体的には、銅、鉄、アルミニウム、ステンレス、ポリアセチレン等により構成されている材料のことを示す。また、本発明において良熱伝導性材料とは、熱伝導率の高い材料のことを示し、より具体的には、鉄、アルミニウム、銅、ステンレス、真鍮等により構成されている材料のことを示す。
【００４５】
締結装置４は、枠体４０に加圧板４１を取り付け、締結用ボルト穴５０に締結用ボルト５１を通し、発電部３に備え付けられる。そして、締結用ボルト５１を締めることにより、発電部３に締結力を伝えることができる。発電部３に備え付けられた加圧板４１は、枠体４０から発電部３に向かう力により、湾曲部が押され、一様な平面を形成する。これと同時に、加圧板４１に元の形状に戻ろうとする力すなわち反発力が生じる。この反発力によって、加圧されにくい中央部分への加圧が可能となり、面全体を均一に加圧することができる。
【００４６】
また、締結装置４は、加圧板４１の一部が枠体４０の外側へ飛び出した状態となっている。導電性材料により形成される加圧板４１は、発電部３で発電した電力を集電する機能を有する。そして、加圧板４１は、枠体４０より飛び出した部分を端子とすることにより、電力を外部の装置に取り出すことができる。また、良熱伝導性材料により形成される加圧板４１は、発電部３で発生した熱を放熱する機能を有する。そして、枠体４０よりこの飛び出した部分に冷却ファン７０１等で空気をあてるように流動させることにより、加圧板４１を介して発電部３を冷却することができる。発電部３の冷却により、ドライアップ等の不都合を回避することができる。また、以上の機能を有する加圧板４１を本体部１０に備えることにより、集電板又は放熱板を新たに搭載する必要がなくなり、部品点数を少なくすることができる。
【００４７】
本発明における加圧板は、上記加圧板４１に限られるものではなく、以下の変形例の如き変形することもできる。図８は、以下に示す加圧板の変形例の形状を示す図である。また、この変形例は、加圧板の形状を示す例示であって、加圧板の形状を限定するものではない。
【００４８】
［加圧板の変形例１］
変形例１は、図８（ａ）のとおり、一枚の板材の長手方向に湾曲部を複数設け、その複数の湾曲部の頂点を結ぶ線が円の一部となるように形成された加圧板４２である。この加圧板４２がこのような形状を有することにより、加圧板４２は、発電部３と枠体４０とに挟まれ、一様な平面となる。これにより複数の湾曲部で反発力が生じ、発電部３の中央部分にも締結圧力を伝えることができる。加圧板４２に使われる材質は、上記加圧板４１と同様である。
【００４９】
［加圧板の変形例２］
変形例２は、図８（ｂ）のとおり、長手寸法の異なる薄い複数の板材を、中央部分を最も厚くするように張り合わせた加圧板４３である。この加圧板４３は中央部分が外周部分に比べ厚いため、発電部３に備え付ける際、発電部３の中央部分にも圧力を加えることができる。加圧板４３に使われる複数の板材の材質は、発電部３への加圧により形状が変化しない程度の剛性をもつ材質で、上記加圧板４１と同様でもよい。また、一部を異なる材質で形成してもよい。例えば、枠体４０と接する板材には、絶縁性の材質のものを用いてもよい。
【００５０】
［加圧板の変形例３］
変形例３は、図８（ｃ）のとおり、加圧板４１と同様に湾曲させ、加圧板４１よりも薄い板材を、複数枚張り合わせた加圧板４４である。これは、上記加圧板４１と略同じ形状、機能を示す。したがって、上記加圧板４１と同様に発電部３を均一加圧することができる。加圧板４４は加圧板４３と同様に、発電部３への加圧により形状が変化しない程度の剛性をもつ材質で、上記加圧板４１と同様でもよい。また、一部を異なる材質で形成してもよい。例えば、枠体４０と接する板材には、絶縁性の材質のものを用いてもよい。
【００５１】
［加圧板の変形例４］
変形例４は、図８（ｄ）のとおり、平坦な板材４５０に球の一部を切り取った大きさの異なる突起部４５１を複数設けた加圧板４５である。また、これら突起部４５１は、最も大きい突起部４５１ａと、突起部４５１ａより小さい４５１ｂとに分けられる。４５１ａは、突起部４５１を設ける領域の中央に配され、その周辺に突起部４５１ｂが配される。すなわち、加圧板４５に突起部４５１を上記のように配することにより、発電部３の中央部分を中心に全体的に加圧することができる。加圧板４５の材質としては、発電部３への加圧により形状が容易に変形しない程度の剛性をもつ材質で、加圧板４１と同様の材質で形成してもよい。また、突起部４５１を板材４５０と同じ材質にしても、異なる材質にしてもよい。
【００５２】
図９は、基台２、発電部３及び締結装置４を締結用ボルト５１によって締結した本体部１０を示す斜視図である。本体部１０は、基台２上に発電部３を搭載し、発電部３の上に締結装置４を備え、締結用ボルト５１で締結したものである。締結装置４は、上記のとおり、均一に締結圧力を加えることができる装置であることから、締結装置４を用いて締結された発電部３は、均一に加圧される。すなわち、発電部３を構成する接合体３０とセパレータ３１を均一加圧し、その接合体を形成する電解質３００と電極３０１、３０２を均一加圧することができる。したがって、電解質３００と電極３０１、３０２とが密着し、反応効率の低下や電気抵抗の悪化という問題を解決し、より大きな接触面積を得ることで発電効率の高い燃料電池となる。
【００５３】
また、例えば、上記発電部３に積層される接合体３０の代わりに、周辺部分よりも中央部分を厚くした拡散層を接合体３０に配した接合シートを用いてもよい。この接合体シートをセパレータ３１で挟むことにより、接合体シートの中央部分が加圧され、接合体シートに反発力が生じ、この反発力により、セパレータ３１の中心部分も加圧することができる。この均一な加圧力によって、接合体シート中の電極と電解質とを均一に密着させることができる。
【００５４】
さらに、例えば、上記締結装置４を２つ用いて、発電部３と基台２の両側から挟むように配置し、発電部３を締結しても良い。両側から発電部３を挟むことにより、発電部３をより均一に加圧することができる。
【００５５】
本実施の形態における燃料電池１は、以下のように作動する。水素吸蔵カートリッジ７２により、燃料ガス供給口３１１を経由して燃料ガス流路３１０に水素を供給する。また、空気供給ファン７０２、７０３を作動させることにより、酸化剤ガス流路３１５に空気を供給する。これにより、接合体３０の燃料ガス流路３１０と接する面に水素が供給され、反対側の面に空気が供給される。供給された水素と空気により、電解質３００と電極３０１との界面において、Ｈ２→２Ｈ＋＋２ｅ−の反応及び電解質３００と電極３０２との界面において、１／２Ｏ２＋２Ｈ＋＋２ｅ−→Ｈ２Ｏの反応が起こる。電解質３００と電極３０１との界面で起こる反応において、電子とプロトン（Ｈ＋）が発生し、電子は電極３０１から外部回路を通り電極３０２へ移動し、プロトンは電解質３００を透過して電極３０２へ移動する。電解質３００と電極３０２との界面において、移動してきた電子及びプロトンと供給される空気中の酸素とによって水を生成させる。したがって、本発明の燃料電池１は、上記のように、水素を燃料ガス流路３１０に、空気を酸化剤ガス流路３１５にそれぞれ供給することにより、発電することができる。
【００５６】
上記のように、発電反応は、電解質３００と電極３０１との界面及び電解質３００と電極３０２との界面において行われる。反応効率の低下や電気抵抗の悪化を防ぎ、発電効率の向上のために、電解質３００と電極３０１、３０２とを均一に密着させることが望ましい。そのために、接合体３０を均一に加圧することが重要となる。本発明における締結装置４は、板バネである加圧板４１の反発力を利用することで、面全体による加圧が可能となる。また、接合体３０の周囲に中心部分を膨らました形状とするように拡散層を配することにより、同様の効果を得ることもできる。したがって、本発明の締結装置４は、電極３０１、３０２と電解質３００とを均一に密着させることができ、接触面積を大きくすることができる好適な締結装置であるといえる。さらに、これを用いた燃料電池１は、効率的な発電を行うことができる。
【００５７】
また、本発明の締結装置４の加圧板４１は、導電性材料又は良熱伝導性材料により形成されているため、集電機能又は放熱機能を有する。したがって、集電機能をもつ加圧板４１を有する締結装置４は、発電部３で発電した電力を集電する集電機能を有している。また、放熱機能を有する加圧板４１は、発電部３の温度上昇を防ぎ、ドライアップ等の不都合を回避することができる。したがって、本体部１０に新たに集電機能を有する集電板を搭載する必要がなく、部品点数を減らすことができる。
【００５８】
以上、本発明の締結装置４及び締結装置４を用いた燃料電池１に関する実施の形態である。本実施の形態で使用している燃料ガスの水素、及び酸化剤ガスの空気は、これに限られるものではなく、通常の燃料電池で使用されている燃料ガス、酸化剤ガスを利用することもできる。
【００５９】
次に、本発明に係る締結装置４の圧力分布を測定する方法について説明する。図１０は、本発明の締結装置４の締結圧力を測定する方法を示す概念図である。この測定方法は、まず、略直方体の板材８０上の締結装置４と接触する部分に感圧紙８１を備え、締結装置４をボルトによって締結する。感圧紙８１は、所定の圧力以上の力の加わる部分を着色させるものであり、これを備えることにより、締結装置から受ける圧力を色の濃淡により測定することができる。この方法は、締結装置４の発電部３への加圧方法と略同一であることから、発電部３への実質的な締結圧力の分布を測定することができる。
【００６０】
図１１は、本発明の締結装置４と、従来使用されている図１２に示される締結板９４とを、上記測定方法で測定した結果を示すものである。図１１（ａ）は、締結装置４の測定結果を、図１１（ｂ）は、締結板９４の測定結果を示す。本発明の締結装置４は、図１１（ａ）のとおり、ほぼ全面に色の濃い部分を見ることができる。このことにより、締結装置４は、板材８０を均一に加圧していることがわかる。一方、締結板９４は、図１１（ｂ）のとおり、外周部分に濃い色が見られるものの、中央部分は薄い色になっている。このことにより、締結板９４は、均一に加圧されていないことがわかる。
【００６１】
以上のように、感圧紙８１の色の濃淡により締結圧力の分布を見ることができる。この結果からも、本発明の締結装置４は、発電部３に対し均一に加圧することができる装置であることがわかり、好適な締結装置であるといえる。
【図面の簡単な説明】
【００６２】
【図１】本発明に係る燃料電池の一例を示す分解斜視図である。
【図２】燃料電池を構成する筺体の形状を示す構造図である。（ａ）は側面図、（ｂ）は他の側面を示す側面図、（ｃ）は端面図、（ｄ）は他の端面を示す端面図である。
【図３】燃料電池の本体部の一部を分解した分解斜視図である。
【図４】セパレータの燃料ガス流路及び酸化剤ガス流路を有する面を示す平面図である。（ａ）は燃料ガス流路を有する面を示す平面図、（ｂ）は酸化剤ガス流路を有する面を示す平面図である。
【図５】締結装置を分解した分解斜視図である。
【図６】枠体に設けられていてもよい溝の形状を示す斜視図である。
【図７】一例として挙げる加圧板の形状を示す図である。（ａ）は、加圧板の平面図、（ｂ）は、加圧板の長手方向断面図である。
【図８】加圧板の変形例を示す斜視図である。（ａ）変形例１の加圧板、（ｂ）変形例２の加圧板、（ｃ）変形例３の加圧板、（ｄ）変形例４の加圧板を示す斜視図である
【図９】本体部１０の外観を示す斜視図である。
【図１０】締結圧力測定方法を示す概念図である。
【図１１】締結圧力測定方法による測定結果を示す図である。（ａ）は、本発明の締結装置による測定結果、（ｂ）は、従来使用されている平板状の締結板による測定結果を示す図である。
【図１２】従来のスタックセル型燃料電池の発電を行う本体部分を示す斜視図である。
【符号の説明】
【００６３】
１  燃料電池
１０  本体部
２  基台
３  発電部
３０  接合体
３００  電解質
３０１  電極
３０２  電極
３１、３１ａ、３１ｂ  セパレータ
３１０  燃料ガス流路
３１１  燃料ガス流入口
３１２  燃料ガス排出口
３１５  酸化剤ガス流路
３１９  フィン
４  締結装置
４０  枠体
４０５  溝の深さ寸法
４１  加圧板
４１０、４１３  端点
４１１  極点
４１２  結合点
４１３  結合点の接線方向
４２  変形例１の加圧板
４３  変形例２の加圧板
４４  変形例３の加圧板
４５  変形例４の加圧板
４５０  板材
４５１、４５１ａ、４５１ｂ  突起部
５０  締結用ボルト穴
５１  締結用ボルト
６０  筺体
６０１、６０２、６０３  排気口
６０４、６０５  吸気口
６０６、６０７  接続穴
６１  制御基板
７０１  冷却ファン
７０２、７０３  空気供給ファン
７１０  水素パージバルブ
７１１  レギュレータ
７１２  手動バルブ
７２  水素吸蔵カートリッジ
８０  板材
８１  感圧紙
９２  ベースプレート
９３０  電極電解質接合体
９３１  セパレータ
９４  締結板
【図１】
2005235713.tif 000003
【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】
2005235713.tif 000010
【図９】
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【図１０】
2005235713.tif 000012
【図１１】
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【図１２】
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