(57)【要約】【課題】  カソード側集電板及びアノード側集電板に十分な加圧力を与え、ガス拡散層の全体に対して十分な押圧力をかける。【解決手段】  電解質膜を挟んでカソード側集電板２１とアノード側集電板２２がカソード体及びアノード体に固定された際に、カソード側集電板２１及びアノード側集電板２２の面内変位を阻止する高応力部位２５を備え、高応力部位２５によりカソード側集電板２１及びアノード側集電板２２に十分な加圧力を与え、電解質膜側のガス拡散層に対して十分な押圧力をかける。【選択図】図５
2012064384.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電気化学反応により発電を行う電解質膜と、
前記電解質膜のカソード面側に配され、カソード体に固定されるカソード側集電板と、
前記電解質膜のアノード面側に配され、アノード体に固定されるアノード側集電板と、
前記電解質膜を挟んでカソード側集電板とアノード側集電板が前記カソード体及び前記アノード体に固定された際に、前記カソード側集電板及び前記アノード側集電板の少なくとも一方の面内変位を阻止する支え部とを備えた
ことを特徴とする燃料電池。
【請求項２】
請求項１に記載の燃料電池において、
前記支え部は、
前記カソード側集電板及び前記アノード側集電板の少なくとも一方に、曲げ応力が高い高応力部位が面方向に連続して形成されている
ことを特徴とする燃料電池。
【請求項３】
請求項２に記載の燃料電池において、
前記カソード側集電板及び前記アノード側集電板の少なくとも一方に開口が設けられ、
前記高応力部位とそれ以外の部位とは、前記開口の空孔率を異ならせることで構成されている
ことを特徴とする燃料電池。
【請求項４】
請求項３に記載の燃料電池において、
前記開口は、第１開口と前記第１開口に比べて空孔率が小さい第２開口で構成され、
前記第２開口が形成される部位を帯状に延ばして形成することで、前記第２開口が形成される部位が前記高応力部位とされる
ことを特徴とする燃料電池。
【請求項５】
請求項２から請求項４のいずれか一項に記載の燃料電池において、
前記高応力部位は、
前記カソード側集電板及び前記アノード側集電板の少なくとも一方の、前記カソード体もしくは前記アノード体に固定される部分を含む部位に形成されている
ことを特徴とする燃料電池。
【請求項６】
請求項５に記載の燃料電池において、
前記高応力部位は、
前記カソード側集電板及び前記アノード側集電板の少なくとも一方の、前記カソード体もしくは前記アノード体に固定される部位の複数箇所に亘って形成されている
ことを特徴とする燃料電池。
【請求項７】
請求項２から請求項６のいずれか一項に記載の燃料電池において、
前記カソード体側と前記カソード側集電板の間、及び、前記アノード体側と前記アノード側集電板の間の少なくともいずれか一方の間で、曲げ応力が高い高応力部位を支えるボスを備えた
ことを特徴とする燃料電池。
【請求項８】
請求項７に記載の燃料電池において、
前記ボスは、
前記カソード体側及び前記カソード側集電板の間、及び、前記アノード体側と前記アノード側集電板の間の対向位置にそれぞれ備えられている
ことを特徴とする燃料電池。
【請求項９】
請求項２から請求項６のいずれか一項に記載の燃料電池において、
前記カソード側集電板及び前記アノード側集電板の少なくとも一方が、湾曲した板ばねで形成され、前記カソード側集電板と前記アノード側集電板が前記カソード体及び前記アノード体に固定された際に、前記カソード側集電板及び前記アノード側集電板の少なくとも一方が、ばね力に抗して面内変形が阻止される状態に保持される
ことを特徴とする燃料電池。
【請求項１０】
請求項２から請求項６のいずれか一項に記載の燃料電池において、
前記カソード側集電板及び前記アノード側集電板の少なくとも一方の前記電解質膜との対向面に膨らみ部が設けられ、前記カソード側集電板と前記アノード側集電板が前記カソード体及び前記アノード体に固定された際に、前記カソード側集電板及び前記アノード側集電板の少なくとも一方の前記膨らみ部が前記電解質膜から離れる側に相対的に変位し、面方向の変位が阻止された状態に保持される
ことを特徴とする燃料電池。
【請求項１１】
請求項１から請求項１０のいずれか一項に記載の燃料電池において、
前記電解質膜と前記カソード側集電板との間、及び、前記電解質膜と前記アノード側集電板との間には、導電性繊維製の流体拡散層部材が備えられている
ことを特徴とする燃料電池。
【請求項１２】
請求項１１に記載の燃料電池と、前記燃料電池の発電に用いられる燃料を貯蔵する燃料貯蔵手段と、前記燃料貯蔵手段と前記燃料電池の電解質膜のアノード面とアノード体との間を接続する燃料供給系とを備えたことを特徴とする燃料電池装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は燃料電池及び燃料貯蔵源を備えた燃料電池装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池として、電解質部材の両面側にカソード側触媒及びアノード側触媒が備えられた固体高分子電解質膜を有し、固体高分子電解質膜の両面側にカソード側集電板及びアノード側集電板が配される構成のものが知られている（例えば、特許文献１参照）。カソード側触媒及びアノード側触媒とカソード側集電板及びアノード側集電板の間には、導電性繊維状部材製のガス拡散層が介装されている。
【０００３】
カソード側集電板及びアノード側集電板で挟まれた固体高分子電解質膜は、カソード流体が供給されるカソード体及び燃料が供給されるアノード体により固定され、一つのセルが構成されている。そして、単一のセルもしくは積層された複数のセルがエンドプレートにより挟まれ、エンドプレート同士を固定することで燃料電池が形成されている。
【０００４】
上述した燃料電池では、カソード体から空気など酸素を含む酸化剤ガスがカソード側触媒に供給され、アノード体から燃料がアノード側触媒に供給される。酸化剤ガス及び燃料が供給されることで、固体高分子電解質膜での電気化学反応により電力が発生する。尚、燃料としては、水素ガスやメタノール、水素化ホウ素化合物の水溶液が適用される。
【０００５】
従来から提案されている燃料電池では、エンドプレートの周囲同士を締結することで一つの燃料電池を構成している。このため、セルが面内で均一に締め付けられるように、エンドプレートの中央部位を内側に湾曲させ、エンドプレート同士を締結した時に集電板に十分な加圧力が与えられるようになっている。
【０００６】
セルが面内で均一に締め付けられ、集電板に十分な加圧力が与えられることにより、発電面全体に十分な押圧力をかけることができ、面内での発電性能が均一になり、空気や水素の漏れが防止されると共に、安定した導電状態を得ることができる。このため、発電効率を維持して燃料電池の破損を防止することができ、電池寿命を延ばすことが可能になる。
【０００７】
特に、カソード側触媒及びアノード側触媒とカソード側集電板及びアノード側集電板の間にガス拡散層が介在している構造では、集電板に十分な加圧力を与えることができ、十分な圧縮荷重がガス拡散層に加わることにより導電性が向上する。従って、セルが面内で均一に締め付けられることにより、電極の役割を効率よく果たすことが可能になり、発電効率を一層向上させることができる。
【０００８】
しかし、エンドプレートで押圧力を調整する構成となっているので、複数のセルが積層されている場合、積層されるセルが多くなるほど中央部側のセルの押圧を十分に行えず、集電板の加圧状態にばらつきが生じているのが現状であった。
【０００９】
また、カソード側集電板及びアノード側集電板で固体高分子電解質膜が挟まれ、カソード体及びアノード体によりカソード側集電板及びアノード側集電板が固定される燃料電池には、アノード体とアノード側集電板との間に、電気化学反応により生じた水や空気中の不純物（窒素等）を排出するための空間が設けられているものが知られている。
【００１０】
このような燃料電池では、エンドプレートで押圧力を調整しても、空間が存在しているので、カソード側集電板及びアノード側集電板を均等に加圧することができず、エンドプレートの中央部位を内側に湾曲させる構造を採用しても中央部には適切な押圧力をかけることができないのが現状である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１１】
【特許文献１】特開２００９−１６３９０７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
本発明は上記状況に鑑みてなされたもので、セルの構造や積層状況に拘わらず、セルの面内で集電板に十分な加圧力を与えて発電面全体に十分な押圧力をかけることができる燃料電池を提供することを目的とする。
【００１３】
また、本発明は上記状況に鑑みてなされたもので、セルの構造や積層状況に拘わらず、セルの面内で集電板に十分な加圧力を与えて発電面全体に十分な押圧力をかけることができる燃料電池を備えた燃料電池装置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】
【００１４】
上記目的を達成するための請求項１に係る本発明の燃料電池は、電気化学反応により発電を行う電解質膜と、前記電解質膜のカソード面側に配され、カソード体に固定されるカソード側集電板と、前記電解質膜のアノード面側に配され、アノード体に固定されるアノード側集電板と、前記電解質膜を挟んでカソード側集電板とアノード側集電板が前記カソード体及び前記アノード体に固定された際に、前記カソード側集電板及び前記アノード側集電板の少なくとも一方の面内変位を阻止する支え部とを備えたことを特徴とする。
【００１５】
請求項１に係る本発明では、電解質膜を挟んでカソード側集電板とアノード側集電板がカソード体及びアノード体に固定された際、支え部により少なくとも一方の集電板に十分な加圧力が与えられ、集電板による電解質膜側への押圧力を十分に与えることができる。
【００１６】
この結果、セルの構造や積層状況に拘わらず、セルの面内で集電板に十分な加圧力を与えて発電面全体に十分な押圧力をかけることが可能になる。
【００１７】
そして、請求項２に係る本発明の燃料電池は、請求項１に記載の燃料電池において、前記支え部は、前記カソード側集電板及び前記アノード側集電板の少なくとも一方に、曲げ応力が高い高応力部位が面方向に連続して形成されていることを特徴とする。
【００１８】
請求項２に係る本発明では、高応力部位が面方向に連続して形成されているので、高応力部位で集電板自体の変位が阻止され、集電板がカソード体及びアノード体に固定された際に、集電板による電解質膜側への押圧力を十分に与えることができる。
【００１９】
また、請求項３に係る本発明の燃料電池は、請求項２に記載の燃料電池において、前記カソード側集電板及び前記アノード側集電板の少なくとも一方に開口が設けられ、前記高応力部位とそれ以外の部位とは、前記開口の空孔率を異ならせることで構成されていることを特徴とする。
【００２０】
請求項３に係る本発明では、空孔率が異なる開口を設けることにより、相対的に空孔率が小さい部位の範囲を高応力部位とすることができる。
【００２１】
また、請求項４に係る本発明の燃料電池は、請求項３に記載の燃料電池において、前記開口は、第１開口と前記第１開口に比べて空孔率が小さい第２開口で構成され、前記第２開口が形成される部位を帯状に延ばして形成することで、前記第２開口が形成される部位が前記高応力部位とされることを特徴とする。
【００２２】
請求項４に係る本発明では、空孔率が小さい第２開口の部位を帯状に伸ばして形成することで、高応力部位を帯状に配することができる。
【００２３】
また、請求項５に係る本発明の燃料電池は、請求項２から請求項４のいずれか一項に記載の燃料電池において、前記高応力部位は、前記カソード側集電板及び前記アノード側集電板の少なくとも一方の、前記カソード体もしくは前記アノード体に固定される部分を含む部位に形成されていることを特徴とする。
【００２４】
請求項５に係る本発明では、高応力部位がカソード体もしくはアノード体に固定される部位を含むので、高応力部位を固定部位で支えることができ、集電板自体の変位を確実に阻止することができる。
【００２５】
また、請求項６に係る本発明の燃料電池は、請求項５に記載の燃料電池において、前記高応力部位は、前記カソード側集電板及び前記アノード側集電板の少なくとも一方の、前記カソード体もしくは前記アノード体に固定される部位の複数箇所に亘って形成されていることを特徴とする。
【００２６】
請求項６に係る本発明では、高応力部位がカソード体もしくはアノード体に固定される部位の複数箇所を含むので、高応力部位を複数箇所の固定部位で支えることができ、集電板自体の変位をより確実に阻止することができる。
【００２７】
また、請求項７に係る本発明の燃料電池は、請求項２から請求項６のいずれか一項に記載の燃料電池において、前記カソード体側と前記カソード側集電板の間、及び、前記アノード体側と前記アノード側集電板の間の少なくともいずれか一方の間で、曲げ応力が高い高応力部位を支えるボスを備えたことを特徴とする。
【００２８】
また、請求項８に係る本発明の燃料電池は、請求項７に記載の燃料電池において、前記ボスは、前記カソード体側及び前記カソード側集電板の間、及び、前記アノード体側と前記アノード側集電板の間の対向位置にそれぞれ備えられていることを特徴とする。
【００２９】
請求項７及び請求項８に係る本発明では、面積が広い集電板であっても、変位を均等に阻止することができる。
【００３０】
また、請求項９に係る本発明の燃料電池は、請求項２から請求項６のいずれか一項に記載の燃料電池において、前記カソード側集電板及び前記アノード側集電板の少なくとも一方が、湾曲した板ばねで形成され、前記カソード側集電板と前記アノード側集電板が前記カソード体及び前記アノード体に固定された際に、前記カソード側集電板及び前記アノード側集電板の少なくとも一方が、ばね力に抗して面内変形が阻止される状態に保持されることを特徴とする。
【００３１】
また、請求項１０に係る本発明の燃料電池は、請求項２から請求項６のいずれか一項に記載の燃料電池において、前記カソード側集電板及び前記アノード側集電板の少なくとも一方の前記電解質膜との対向面に膨らみ部が設けられ、前記カソード側集電板と前記アノード側集電板が前記カソード体及び前記アノード体に固定された際に、前記カソード側集電板及び前記アノード側集電板の少なくとも一方の前記膨らみ部が前記電解質膜から離れる側に相対的に変位し、面方向の変位が阻止された状態に保持されることを特徴とする。
【００３２】
請求項９及び請求項１０に係る本発明では、カソード体及びアノード体に集電板が固定された際に、集電板が、電解質膜と接する表面が固定される前と比較して相対的に平面に近い形状に変位した状態にされる。
【００３３】
また、請求項１１に係る本発明の燃料電池は、請求項１から請求項１０のいずれか一項に記載の燃料電池において、前記電解質膜と前記カソード側集電板との間、及び、前記電解質膜と前記アノード側集電板との間には、導電性繊維製の流体拡散層部材が備えられていることを特徴とする。
【００３４】
請求項１１に係る本発明では、セルの面内で集電板に十分な加圧力を与え、流体拡散層部材に対する集電板の押圧力を十分にして発電面全体に十分な押圧力をかけることが可能になる。
【００３５】
上記目的を達成するための請求項１２に係る本発明の燃料電池装置は、請求項１１に記載の燃料電池と、前記燃料電池の発電に用いられる燃料を貯蔵する燃料貯蔵手段と、前記燃料貯蔵手段と前記燃料電池の電解質膜のアノード面とアノード体との間を接続する燃料供給系とを備えたことを特徴とする。
【００３６】
請求項１２に係る本発明では、セルの構造や積層状況に拘わらず、セルの面内で集電板に十分な加圧力を与えて発電面全体に十分な押圧力をかけることができる燃料電池を備えた燃料電池装置となる。
【発明の効果】
【００３７】
本発明の燃料電池は、セルの構造や積層状況に拘わらず、セルの面内で集電板に十分な加圧力を与えて発電面全体に十分な押圧力をかけることが可能になる。
【００３８】
また、本発明の燃料電池装置は、セルの構造や積層状況に拘わらず、セルの面内で集電板に十分な加圧力を与えて発電面全体に十分な押圧力をかけることができる燃料電池を備えた燃料電池装置となる。
【図面の簡単な説明】
【００３９】
【図１】本発明の一実施例に係る燃料電池装置の全体の概略構成図である。
【図２】燃料電池の外観を表す全体構成図である。
【図３】燃料電池の分解斜視図である。
【図４】燃料電池の断面図である。
【図５】集電板の平面図である。
【図６】集電板の平面図である。
【図７】集電板の平面図である。
【図８】集電板の平面図である。
【図９】集電板の平面図である。
【図１０】集電板の平面図である。
【図１１】燃料電池の断面図である。
【図１２】集電板の平面図である。
【図１３】燃料電池の断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００４０】
図１から図４に基づいて燃料電池装置の実施例を説明する。
【００４１】
図１には本発明の一実施例に係る燃料電池装置の全体の概略構成、図２には燃料電池の外観を表す全体構成、図３には燃料電池の分解斜視状態、図４には燃料電池の断面視状態を示してある。図２に示した燃料電池は、複数の電池セルを積層して一つのスタックを構成している例であるが、図３、図４は、説明の便宜上、一つの電池セルを有する燃料電池の状態を示してある。
【００４２】
図１に示すように、燃料電池装置１は、発電セルを備えた燃料電池２と、燃料電池２のアノード側に供給される燃料を貯蔵する燃料貯蔵手段としての燃料貯蔵源３を備えている。燃料としては、水素ガスやメタノール、水素化ホウ素化合物の水溶液を適用することができる。燃料貯蔵源３は、内部で水素を発生させる機能を備えたものや、外部からの水素が貯蔵されるものを適用することが可能である。
【００４３】
燃料貯蔵源３は燃料供給系４により燃料電池２に接続され、詳細は後述するが、燃料電池２の電解質膜のアノード面とアノード体との間に燃料が供給されるようになっている。燃料電池装置１には燃料電池２の発電状況及び発電した電力の出力状況を制御する制御回路５が備えられ、燃料電池装置１は、制御回路５を介して使用機器６に接続される。
【００４４】
図２に示すように、燃料電池２は、複数の電池セル１１が一対の支持板１２に挟まれて固定されることで、一つのスタックとして構成されている。即ち、複数の電池セル１１が積層され、積層された複数の電池セル１１の上下に支持板１２が配されている。支持板１２同士が締結部材１３（例えば、ボルト、リベット、金属ベルト等）により締結固定され、積層された複数の電池セル１１が一対の支持板１２に挟まれて保持される。
【００４５】
図３、図４に示すように、電池セル１１は、カソード体１５とアノード体１６の間に電解質膜としての固体高分子膜１７が配されて構成されている。固体高分子膜１７の両面側にはガス拡散層１８が配されている。ガス拡散層１８とカソード体１５との間にはカソード側集電板２１が設けられ、ガス拡散層１８とアノード体１６との間にはアノード側集電板２２が設けられている。
【００４６】
カソード体１５は、カソード側集電板２１の周縁部の固定、及び、固体高分子膜１７のカソード側に空気（酸化剤：酸素）を供給するために配置されている。カソード体１５の側面には、固体高分子膜１７のカソード面に酸素を供給するための孔が形成されている。尚、カソード体１５としては、酸化剤が供給される入口と出口のみを有する閉構造で、ファンやポンプを利用して酸化剤を供給する構造でもよい。
【００４７】
アノード体１６は、中央部が空間にされてアノード側集電板２２の周縁部を固定する。つまり、アノード空間に燃料だけを供給するようにチャンバー構造とされ、燃料が固体高分子膜１７のアノード側に均一に行き渡るようにされている。更に、窒素等の不純物や水が移動する空間が確保されている。また、アノード体１６は、アノード空間と外部雰囲気とを遮断するため、周縁の固体高分子膜１７との接触面に密閉手段が備えられている。
【００４８】
固体高分子膜１７の両面には、例えば、白金、ルテニウム、コバルトに代表される触媒が担持され、酸化剤が供給される側がカソードとなり、燃料が供給される側がアノードとなる。ガス拡散層１８はカーボン製の繊維で構成され、流体（燃料、酸化剤）の流通を阻害しない状態で流体を拡散させるようになっている。そして、ガス拡散層１８は、固体高分子膜１７の触媒層と接触することにより電子の移動が可能になっている。
【００４９】
また、カソード側集電板２１及びアノード側集電板２２は、ガス拡散層１８と接することにより集電を行う。ガス拡散層１８は金属製の導電製材料と比べて面方向の電気抵抗が高く電子の面方向の移動が制約されるため、電子を長い距離で移動させるために、カソード側集電板２１及びアノード側集電板２２が用いられている。
【００５０】
また、カソード側集電板２１及びアノード側集電板２２は、固体高分子膜１７の触媒層への酸化剤、燃料の供給を阻害しないために、多孔質の構造となっている。カソード側集電板２１及びアノード側集電板２２としては、金属製の板に孔を複数空けたものや、発泡金属体等の導電性の部材が用いられる。
【００５１】
アノード側集電板２２はアノード体１６により外部と隔絶されているので、アノード側集電板２２と外部負荷（図１に示した使用機器６等）との通電を行うために、アノード体１６は、アルミ、ＳＵＳ等の金属、グラファイト等のカーボン材料が適用されている。
【００５２】
上述したように、両面にガス拡散層１８が配された固体高分子膜１７がカソード側集電板２１とアノード側集電板２２に挟まれ、カソード側集電板２１とアノード側集電板２２がカソード体１５とアノード体１６に挟まれる。そして、支持板１２同士が締結されることにより、カソード側集電板２１とアノード側集電板２２がカソード体１５とアノード体１６に固定され、ガス拡散層１８がカソード側集電板２１とアノード側集電板２２により所定の押圧力で挟み込まれる。
【００５３】
ガス拡散層１８が所定の押圧力でカソード側集電板２１とアノード側集電板２２に挟み込まれることで、即ち、カソード側集電板２１とアノード側集電板２２によりガス拡散層１８に圧縮荷重がかけられることで、導電性が良好に保たれた状態で集電が行われる。カソード側集電板２１及びアノード側集電板２２は図示しない外部端子（図１に示した制御回路５側）に接続され、発電電力が取り出される。
【００５４】
カソード側集電板２１及びアノード側集電板２２には、詳細は後述するが、曲げ応力が高い高応力部位２５（支え部）が面方向に連続して形成され、カソード側集電板２１とアノード側集電板２２がカソード体１５とアノード体１６に固定された際に、高応力部位２５によってカソード側集電板２１とアノード側集電板２２の自身の面内変位が阻止される。これにより、カソード側集電板２１とアノード側集電板２２に、ガス拡散層１８に対する押圧力（固体高分子膜側への押圧力）を十分に与えることができる。
【００５５】
図５に基づいて高応力部位の形成状態の実施例を説明する。図５には高応力部位２５の形成例を表すカソード側集電板２１及びアノード側集電板２２の平面視を示してある。
【００５６】
図５（ａ）に示した例は、カソード側集電板２１及びアノード側集電板２２には、高応力部位２５が中心に向かって帯状に延びて形成されている。高応力部位２５の一端は、カソード体１５とアノード体１６に固定される周縁部１０の位置に形成され、高応力部位２５の他端がカソード側集電板２１及びアノード側集電板２２の中心部位に延びている。
【００５７】
図５（ｂ）に示した例は、カソード側集電板２１及びアノード側集電板２２には、高応力部位２５が帯状に延びて形成されている。高応力部位２５の一端は、カソード体１５とアノード体１６に固定される周縁部１０の位置に形成され、高応力部位２５の他端が対向する周縁部１０の位置に形成されている。つまり、帯状の高応力部位２５が、カソード側集電板２１及びアノード側集電板２２の中心部位を通って対向する周縁部１０に跨って形成されている。
【００５８】
図５（ｃ）に示した例は、カソード側集電板２１及びアノード側集電板２２には、高応力部位２５が対角線に沿って帯状に延びて形成されている。高応力部位２５の一端は、カソード体１５とアノード体１６に固定される周縁部１０の角部の位置に形成され、高応力部位２５の他端が対向する周縁部１０の角部の位置に形成されている。つまり、帯状の高応力部位２５が、カソード側集電板２１及びアノード側集電板２２の中心部位を通って対角線に沿って延び、周縁部１０の角部に跨って形成されている。
【００５９】
図５（ｄ）に示した例は、高応力部位２５が２つの対角線に沿って帯状に延びてそれぞれ形成されている。つまり、２つの帯状の高応力部位２５が、カソード側集電板２１及びアノード側集電板２２の中心部位を通って対角線に沿ってそれぞれ延び、周縁部１０の角部に跨って形成されている。
【００６０】
図５に示したように、カソード側集電板２１及びアノード側集電板２２に高応力部位２５を帯状に形成し、周縁部１０を含む部位に高応力部位２５を形成したので、高応力部位２５をカソード体１５とアノード体１６に固定される固定部位で支えることができ、カソード側集電板２１及びアノード側集電板２２の変位を確実に阻止することができる。
【００６１】
特に、図５（ｂ）（ｃ）（ｄ）に示したように、対向する周縁部１０を含む部位に亘って高応力部位２５を帯状に形成したので、即ち、カソード体１５とアノード体１６に固定される複数箇所の固定部位に亘って高応力部位２５を帯状に形成したので、高応力部位２５を複数箇所の固定部位で支えることができ、カソード側集電板２１及びアノード側集電板２２の変位をより確実に阻止することができる。
【００６２】
図６から図８に基づいて高応力部位２５を具体的に説明する。図６から図８には高応力部位２５の具体例を表すカソード側集電板２１及びアノード側集電板２２の平面視を示してある。尚、図６から図８に示した具体例は、図５（ｂ）に示した状況の具体例を示してある。
【００６３】
図６に示すように、カソード側集電板２１及びアノード側集電板２２の高応力部位２５の部位には、多数の第２開口３１が形成され、高応力部位２５以外の部位のカソード側集電板２１及びアノード側集電板２２には多数の第１開口３２が形成されている。第１開口３２及び第２開口３１は円形の孔であり、第２開口３１は第１開口３２に比べて空孔率が小さくなっている。
【００６４】
図６に示した実施例は、第１開口３２に比べて空孔率の小さい第２開口３１の部位を高応力部位２５としているので、相対的に空孔率が小さい部位の範囲を曲げ応力が高い高応力部位２５とすることができる。第１開口３２に加え高応力部位２５に空孔率が小さい第２開口３１を設けたので、酸化剤や燃料の供給の供給路を確保した状態で高応力部位２５を形成することができる。
【００６５】
また、高応力部位２５を空孔率の異なる開口で形成したので、アノード側集電板２２とアノード体１６との空間に部材が存在することがなく、水や窒素等の不純物の排出のためのスペース確保に対し高応力部位２５が影響を及ぼすことがない。尚、空孔率の異なる開口で高応力部位２５を形成したが、第１開口と同径の第２開口を適用し、第２開口を低密度状態で配置することも可能である。
【００６６】
図７に示すように、第１開口３２及び第２開口３１を四角孔で形成することも可能である。第１開口３２及び第２開口３１を四角孔で形成することで、空孔率を正確に管理することができ、高応力部位２５の曲げ応力の設計が容易となる。
【００６７】
図８に示すように、高応力部位２５以外の部位のカソード側集電板２１及びアノード側集電板２２には多数の第１開口３２が形成され、カソード側集電板２１及びアノード側集電板２２の高応力部位２５の部位は開口が形成されていない（空孔率０）。
【００６８】
図８に示した実施例は、高応力部位２５の部位の空孔率が０にされているので、曲げ応力が極めて高い部位を確実に形成することができ、カソード側集電板２１及びアノード側集電板２２の変位が確実に阻止される。
【００６９】
図９に基づいて長方形のカソード側集電板２１及びアノード側集電板２２に形成される高応力部位の形成状態の実施例を説明する。図９には高応力部位２５の形成例を表す長方形のカソード側集電板２１及びアノード側集電板２２の平面視を示してある。
【００７０】
図９（ａ）に示した例は、２つの高応力部位２５が周縁部１０の一方の短辺の上下の角部から延びて長辺の中央部の周縁部１０まで帯状に延びてそれぞれ形成されている。また、２つの高応力部位２５が周縁部１０の他方の短辺の上下の角部から延びて長辺の中央部の周縁部１０まで帯状に延びてそれぞれ形成されている。つまり、図５（ｄ）に示した２つの高応力部位２５が並列に設けられた状態にされている。そして、２つの高応力部位２５の交差部位２６は、それぞれ後述するボスにより支えられている。
【００７１】
図９（ｂ）に示した例は、短辺側の周縁部１０同士に跨って高応力部位２５が形成され、長辺側の周縁部１０同士に跨って３つの高応力部位２５が形成されている。そして、長辺側の周縁部１０同士に跨って形成された３つの高応力部位２５のうち、両側にある２つの高応力部位２５と短辺側の周縁部１０同士に跨って形成された高応力部位２５の交差部位２６は、それぞれ後述するボスにより支えられている。
【００７２】
図１０に基づいて長方形のカソード側集電板２１及びアノード側集電板２２に形成された高応力部位２５を具体的に説明する。図１０には高応力部位２５の具体例を表すカソード側集電板２１及びアノード側集電板２２の平面視を示してある。尚、図１０に示した具体例は、図９（ｂ）に示した状況の具体例を示してある。
【００７３】
図１０に示すように、カソード側集電板２１及びアノード側集電板２２の高応力部位２５の部位には、多数の第２開口３１が形成され、高応力部位２５以外の部位のカソード側集電板２１及びアノード側集電板２２には多数の第１開口３２が形成されている。第１開口３２及び第２開口３１は円形の孔であり、第２開口３１は第１開口３２に比べて空孔率が小さくなっている。
【００７４】
図１０に示した実施例は、第１開口３２に比べて空孔率の小さい第２開口３１の部位を高応力部位２５としているので、相対的に空孔率が小さい部位の範囲を曲げ応力が高い高応力部位２５とすることができる。第１開口３２に加え高応力部位２５に空孔率が小さい第２開口３１を設けたので、酸化剤や燃料の供給の供給路を確保した状態で高応力部位２５を形成することができる。
【００７５】
尚、空孔率が０の高応力部位２５を用いたり、四角孔の第１開口３２及び第２開口３１を用いることも可能である。
【００７６】
長方形のカソード側集電板２１及びアノード側集電板２２であっても、高応力部位２５を形成することで、高応力部位２５をカソード体１５とアノード体１６に固定される固定部位で支えることができ、長方形のカソード側集電板２１及びアノード側集電板２２の変位を確実に阻止することができる。
【００７７】
図１１に基づいて高応力部位２５を支えるボスの構成を説明する。図１１にはボスが設けられた状態の電池セルの断面を示してある。
【００７８】
図１１（ａ）に示すように、カソード体３５には図に垂直な方向にブリッジ３５ａが２本形成され、ブリッジ３５ａにはボス３６が設けられている。ボス３６は、図９に示したカソード側集電板２１及びアノード側集電板２２の高応力部位２５の交差部位２６に対応する部位に形成されている。また、ボス３６に対向して、アノード体１６にボス３７が形成され、図９に示した交差部位２６がボス３６、３７で支えられる構造となっている。
【００７９】
ボス３６、３７は、カソード側集電板２１及びアノード側集電板２２の面内の中央寄りの部位を押圧するため、カソード側集電板２１及びアノード側集電板２２の端部と接するカソード体３５及びアノード体１６の箇所と同一平面状にあるか、それよりも高いことが必要である。ボス３６、３７の高さが高い場合、カソード側集電板２１及びアノード側集電板２２の高応力部位２５自体が撓んでも、カソード側集電板２１及びアノード側集電板２２の図９に示した交差部位２６の部位を確実に支えることができる。
【００８０】
ボス３６、３７により、カソード側集電板２１及びアノード側集電板２２の図９に示した交差部位２６の部位が支えられることで、面積が広い長方形のカソード側集電板２１及びアノード側集電板２２であっても撓み量を低く抑えることができ、面内の変位を均等に阻止することが可能になる。
【００８１】
尚、図１１（ｂ）に示したように、アノード体１６だけにボス３７を形成することも可能である。
【００８２】
上述した実施例では、カソード側集電板２１及びアノード側集電板２２の両方に高応力部位２５を形成した例を挙げて説明したが、カソード側集電板２１及びアノード側集電板２２のいずれか一方に高応力部位２５を形成することも可能である。
【００８３】
また、交差部位２６以外、もしくは交差部位２６を含めた複数箇所にボスを設けることも可能である。即ち、図１２に示したカソード側集電板２１及びアノード側集電板２２に対し、カソード体３５、アノード体１６の複数箇所にボスを設けることが可能である。
【００８４】
図１２に示すように、カソード側集電板２１及びアノード側集電板２２には、図中上下方向に延びる高応力部位２５（多数の第２開口３１が形成されている部位）が互いに平行に複数箇所（図示例では３箇所）に設けられ、高応力部位２５以外のカソード側集電板２１及びアノード側集電板２２には、多数の第１開口３２が形成されている。前述同様に、第１開口３２及び第２開口３１は円形の孔であり、第２開口３１は第１開口３２に比べて空孔率が小さくなっている。
【００８５】
そして、それぞれの高応力部位２５の２箇所の部位２６ａに対応して、カソード体３５、アノード体１６にボス３６、３７（図１１参照）を設けることが可能である。
【００８６】
図１３に基づいてカソード側集電板及びアノード側集電板の他の実施例を説明する。
【００８７】
図１３には他の実施例に係るカソード側集電板及びアノード側集電板を備えた電池セルの分解断面を示してある。尚、カソード側集電板及びアノード側集電板以外の部材は図４に示した部材と同一であるので同一符号を付してある。
【００８８】
図１３に示したカソード側集電板及びアノード側集電板は、高応力部位２５が形成された集電板である。流体の供給口が設けられただけの集電板に適用することも可能である。
【００８９】
図１３（ａ）に示すように、カソード側集電板４１及びアノード側集電板４２は、中央部が固体高分子膜１７側（ガス拡散層１８側）に湾曲した板ばねで形成されている。カソード側集電板４１とアノード側集電板４２がカソード体１５及びアノード体１６に固定された際、カソード側集電板４１及びアノード側集電板４２が、ばね力に抗して面内変形が阻止される状態に保持される。
【００９０】
このため、カソード体１５及びアノード体１６にカソード側集電板４１及びアノード側集電板４２が固定された際に、集電板自体が固体高分子膜１７（ガス拡散層１８）に対して十分な加圧力で接触する状態になるように変位し、固体高分子膜１７（ガス拡散層１８）をカソード側集電板４１及びアノード側集電板４２により十分な加圧力で押圧することができる。
【００９１】
図１３（ｂ）に示すように、カソード側集電板４５及びアノード側集電板４６は、中央部の厚さが漸次厚くされ、カソード側集電板４５及びアノード側集電板４６の固体高分子膜１７（ガス拡散層１８）との対向面に膨らみ部４５ａ、４６ａが形成されている。カソード側集電板４５とアノード側集電板４６がカソード体１５及びアノード体１６に固定された際、膨らみ部４５ａ、４６ａが固体高分子膜１７（ガス拡散層１８）から離れる側に変位する。
【００９２】
このため、カソード側集電板４５とアノード側集電板４６が固体高分子膜１７（ガス拡散層１８）に十分な加圧力で接触する状態になり、固体高分子膜１７（ガス拡散層１８）をカソード側集電板４５及びアノード側集電板４６により十分な加圧力で押圧することができる。
【００９３】
尚、カソード側集電板４５とアノード側集電板４６がカソード体１５及びアノード体１６に固定された際、膨らみ部４５ａ、４６ａが平面状態の固体高分子膜１７（ガス拡散層１８）に十分な加圧力で接触する状態になる例を挙げて説明したが、相対的に固体高分子膜１７（ガス拡散層１８）に十分な加圧力で接触する状態になればよく、固体高分子膜１７（ガス拡散層１８）の形状を調整することも可能である。
【００９４】
上述したように、カソード側集電板とアノード側集電板がカソード体及びアノード体に固定された際、固体高分子膜１７（ガス拡散層１８）に対してカソード側集電板とアノード側集電板を十分な加圧力で接触させることが可能になる。このため、電池セルの構造・形状や積層数に拘わらず、カソード側集電板とアノード側集電板に十分な加圧力が与えられ、固体高分子膜１７（ガス拡散層１８）の面の全体に対して十分な押圧力をかけることが可能になる。
【００９５】
このため、電池セルの面内での発電性能のばらつきをなくすことができ、燃料電池２の電池性能を向上させることが可能になる。また、電池セルの構造・形状や積層数に拘わらず、カソード側集電板とアノード側集電板に十分な加圧力が与えられ、固体高分子膜１７（ガス拡散層１８）の面の全体に対して十分な押圧力をかけることができる燃料電池２を備えた燃料電池装置１とすることが可能になる。
【産業上の利用可能性】
【００９６】
本発明は、燃料電池及び燃料電池装置の産業分野で利用することができる。
【符号の説明】
【００９７】
１  燃料電池装置
２  燃料電池
３  燃料貯蔵源
４  燃料供給系
５  制御回路
６  使用機器
１０  周縁部
１１  電池セル
１２  支持板
１３  締結部材
１５、３５  カソード体
１６  アノード体
１７  固体高分子膜
１８  ガス拡散層
２１、４１、４５  カソード側集電板
２２、４２、４６  アノード側集電板
２５  高応力部位
２６  交差部位
３１  第２開口
３２  第１開口
３６、３７  ボス
【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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【図９】
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【図１０】
2012064384.tif 000012
【図１１】
2012064384.tif 000013
【図１２】
2012064384.tif 000014
【図１３】
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