燃料電池スタックとそれを用いた燃料電池
【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、しかも冷却しやすい燃料電池スタックとそれを用いた燃料電池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。そして第１板ばね１１の連結部と膜電極接合体３５、エンドプレート１７、１８との間の空間２０Ａを第１冷却用送風路としている。
【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。そして第１板ばね１１の連結部と膜電極接合体３５、エンドプレート１７、１８との間の空間２０Ａを第１冷却用送風路としている。
【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用などの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開発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を互いに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い。エンドプレートやセパレータには、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いる。そのため、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緊密に積層する必要がある。一般に、セルスタックは、以下のようにして締結される。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セルスタックの積層両端に重ねる。そして、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。
【０００４】
また燃料電池を小型化するために、一面が開放された直方体の筐体中にセルスタックを挿入し、対向する内壁面の一方から他方へ向かってセルスタックを押し付ける押圧部材を設けた構造が提案されている（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】
【０００５】
しかしながら上述のように一面が開放された直方体の筐体中にセルスタックを挿入した場合、押圧部材がセルスタックの積層方向の寸法を大きくするため、特にノートパソコンなどの小型電子機器に用いる可搬型の燃料電池には不向きである。また発電に伴って発生する熱が筐体内に篭る。その結果、セルスタックの温度を制御しにくい。
【０００６】
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、充分に冷却することが可能な燃料電池スタックとそれを用い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】
【０００７】
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。そして第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の空間を第１冷却用送風路としている。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。しかも第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の空間を第１冷却用送風路として利用することができるため、燃料電池セルを冷却することができる。
【発明の効果】
【０００８】
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。また燃料電池セルの温度を制御しやすい。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
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。そして第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の空間を第１冷却用送風路としている。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。しかも第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の空間を第１冷却用送風路として利用することができるため、燃料電池セルを冷却することができる。
【００１０】
本発明の第２の発明は、第１の発明において、エンドプレートの第１板ばねに対向する側面にフィンを設けた燃料電池スタックである。このようにフィンを設けることにより燃料電池セルの冷却効果がさらに高まる。
【００１１】
本発明の第３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。
【００１２】
本発明の第４の発明は、第３の発明において、セパレータの第１板ばねに対向する側面にフィンを設けた燃料電池スタックである。このようにフィンを設けることにより燃料電池セルの冷却効果がさらに高まる。
【００１３】
本発明の第５の発明は、第１の発明において、第１板ばねを複数個備え、第１板ばね同士の間を連結するシール部をさらに有する燃料電池スタックである。これにより第１板ばね同士の間から冷却風が漏れ出ることを抑制できる。そのため冷却風の下流側に位置する第１板ばねの内側にまで冷却風を流すことができる。
【００１４】
本発明の第６の発明は、第１の発明において、エンドプレートの、第１冷却用送風路の入り口側に、膜電極接合体の積層方向において第１板ばねの２つの腕部よりも上下方向の外側に位置する壁部を設けた燃料電池スタックである。これによりエンドプレートが露出する面へ優先的に冷却風を送ることができる。
【００１５】
本発明の第７の発明は、第１から第６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。また第２板ばねの連結部と膜電極接合体、エンドプレートとの間の空間を第２冷却用送風路とすることで、燃料電池セルの対向する２つの面から冷却することができる。
【００１６】
本発明の第８の発明は、第１から第６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。
【００１７】
本発明の第９の発明は、第８の発明において、バッキングプレートの、第１冷却用送風路の入り口側に、膜電極接合体の積層方向において第１板ばねの２つの腕部よりも上下方向の外側に位置する壁部を設けた燃料電池スタックである。これにより第６の発明と同様に、エンドプレートが露出する面へ優先的に冷却風を送ることができる。
【００１８】
本発明の第１０の発明は、第８、第９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、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。この構成により第７の発明と同様の効果を奏する。
【００１９】
本発明の第１１の発明は、第１から第１０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。
【００２０】
本発明の第１２の発明は、第１１の発明において、第１冷却用送風路に送風する第１送風部をさらに有する燃料電池である。
【００２１】
本発明の第１３の発明は、第７または第１０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、第１冷却用送風路に送風する第１送風部と、第２冷却用送風路に送風する第２送風部とを有する燃料電池である。
【００２２】
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。
【００２３】
（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。
【００２４】
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、蓄電部８と、ＤＣ／ＤＣコンバータ９と、第１送風部１０Ａと、第２送風部１０Ｂ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。出力された電力はＤＣ／ＤＣコンバータ９に入力される。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の駆動を制御するとともに、ＤＣ／ＤＣコンバータ９を制御して外部への出力と蓄電部８への充放電を制御する。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ている。一方、空気ポンプ６と制御部７は、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。
【００２５】
また制御部７は第１送風部１０Ａと、第２送風部１０Ｂの運転を制御する。なお図示していないが、ＤＣ／ＤＣコンバータ９が燃料ポンプ５、空気ポンプ６、第１送風部１０Ａおよび第２送風部１０Ｂに電力を供給する。この電力は燃料電池スタック１で発電された電力または蓄電部８からの電力である。
【００２６】
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。
【００２７】
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。
【００２８】
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構成されている。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。
【００２９】
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。
【００３０】
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。
【００３１】
図５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。
【００３２】
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によって供給される。一方、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。
【００３３】
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。
【００３４】
【化１】
【００３５】
【化２】
【００３６】
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。
【００３７】
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。
【００３８】
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、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。
【００３９】
なお図５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する。そのため、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を低減できる。なお、凸部１１Ｄの形状は図５に示すように、円筒面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。
【００４０】
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のばね鋼材で構成する。そして、それらの曲げ弾性率を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。
【００４１】
なお図５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字型形状の板ばねの連結部は嵌め込む際に曲げやすくするため、解放状態で曲面に構成されている。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に嵌め込んだ際に連結部１１Ｃの内側への突出が小さくなる。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。
【００４２】
また図２、図３に示すように、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をそれぞれ有することが好ましい。そして、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。
【００４３】
また図２、図３に示すように、バッキングプレート１４、１５に設けた突起１４Ａ、１５Ａには切り欠き部１４Ｂ、１５Ｂをそれぞれ設けることが好ましい。切り欠き部１４Ｂ、１５Ｂ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方向に平行に設けられている。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。
【００４４】
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２０Ａ、２０Ｂを設けることが好ましい。空間２０Ａ、２０Ｂはセルスタック１６を冷却する風路として活用できる。すなわち、空間２０Ａは第１板ばね１１の連結部１１ＣとＭＥＡ３５、エンドプレート１７、１８との間に設けられた第１冷却用送風路である。同様に、空間２０Ｂは第２板ばね１２の連結部とＭＥＡ３５、エンドプレート１７、１８との間に設けられた第２冷却用送風路である。そして図１に示す第１送風部１０Ａ、第２送風部１０Ｂを用いて、図２に示す方向から送風する。この構造により第１送風部１０Ａは空間２０Ａに、第２送風部１０Ｂは空間２０Ｂに、それぞれ冷却風を送り込むことができる。そのためセルスタック１６を冷却することができる。
【００４５】
なお、図３に示すように、エンドプレート１７、１８の第１板ばね１１、第２板ばね１２に対向する側面にそれぞれフィン１７Ａ、１８Ａを設けることが好ましい。またセパレータ３４の第１板ばね１１、第２板ばね１２に対向する側面にそれぞれにもフィン３４Ａを設けることが好ましい。このようにすることでセルスタック１６をより効果的に冷却することができる。
【００４６】
また、図２に示すように、複数の第１板ばね１１同士の間、複数の第２板ばね１２同士の間をそれぞれ連結するようにシール部５１を設けることが好ましい。これにより第１板ばね１１同士の間、第２板ばね１２同士の間から冷却風が漏れ出ることを抑制できる。そのため冷却風の下流側に位置する第１板ばね１１、第２板ばね１２の内側にまで冷却風を流すことができる。
【００４７】
また、第１冷却用送風路である空間２０Ａの入り口側に、セルスタック１６の積層方向において第１板ばね１１の腕部１１Ｂよりも上下方向の外側に位置する壁部１４Ｃをバッキングプレート１４、１５に設けることが好ましい。同様に、第２冷却用送風路である空間２０Ｂの入り口側に、セルスタック１６の積層方向において第２板ばね１２の腕部よりも上下方向の外側に位置する壁部１４Ｃをバッキングプレート１４、１５に設けることが好ましい。これによりエンドプレート１７、１８やセパレータ３４が露出する面へ優先的に冷却風を送ることができる。
【００４８】
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。しかしながら、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。
【００４９】
しかしながら第１板ばね１１に加え、第２板ばね１２を用いることにより燃料電池スタック１を著しく大きくせずに確実にＭＥＡ３５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。
【００５０】
またバッキングプレート１４、１５を設け、エンドプレート１７、１８と異なる材料でバッキングプレート１４、１５を構成することが好ましい。これにより、第１板ばね１１の押圧力を直接受けるバッキングプレート１４、１５と燃料や酸化剤の流路を兼ねるエンドプレート１７、１８とを最適化することができる。例えばエンドプレート１７、１８より硬い材料でバッキングプレート１４、１５を構成することで第１板ばね１１の押圧力によるバッキングプレート１４、１５の変形を抑制することができる。その結果、ＭＥＡ３５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１４、１５を絶縁材料で構成することにより第１板ばね１１の腕部１１Ｂによる短絡を考慮する必要がなくなる。
【００５１】
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）の腕部１１Ｂの先端１１Ａが、エンドプレート１７、１８から離れていることが好ましい。
【００５２】
また第１冷却用送風路である空間２０Ａの入り口側に、セルスタック１６の積層方向において第１板ばね１１の腕部１１Ｂよりも上下方向の外側に位置する壁部（壁部１４Ｃに相当）をエンドプレート１７、１８に設けることが好ましい。同様に、第２冷却用送風路である空間２０Ｂの入り口側に、セルスタック１６の積層方向において第２板ばね１２の腕部よりも上下方向の外側に位置する壁部（壁部１４Ｃに相当）をエンドプレート１７、１８に設けることが好ましい。これによりエンドプレート１７、１８やセパレータ３４が露出する面へ優先的に冷却風を送ることができる。
【００５３】
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】
【００５４】
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】
【００５５】
【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】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
【符号の説明】
【００５６】
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
８ 蓄電部
９ ＤＣ／ＤＣコンバータ
１０Ａ 第１送風部
１０Ｂ 第２送風部
１１ 第１板ばね
１１Ａ 先端
１１Ｂ 腕部
１１Ｃ 連結部
１１Ｄ 凸部
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
１４Ｃ 壁部
１６ セルスタック
１７，１８ エンドプレート
１７Ａ，１８Ａ，３４Ａ フィン
２０Ａ，２０Ｂ 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）
５１ シール部
【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用などの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開発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を互いに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い。エンドプレートやセパレータには、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いる。そのため、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緊密に積層する必要がある。一般に、セルスタックは、以下のようにして締結される。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セルスタックの積層両端に重ねる。そして、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。
【０００４】
また燃料電池を小型化するために、一面が開放された直方体の筐体中にセルスタックを挿入し、対向する内壁面の一方から他方へ向かってセルスタックを押し付ける押圧部材を設けた構造が提案されている（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】
【０００５】
しかしながら上述のように一面が開放された直方体の筐体中にセルスタックを挿入した場合、押圧部材がセルスタックの積層方向の寸法を大きくするため、特にノートパソコンなどの小型電子機器に用いる可搬型の燃料電池には不向きである。また発電に伴って発生する熱が筐体内に篭る。その結果、セルスタックの温度を制御しにくい。
【０００６】
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、充分に冷却することが可能な燃料電池スタックとそれを用い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】
【０００７】
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。そして第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の空間を第１冷却用送風路としている。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。しかも第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の空間を第１冷却用送風路として利用することができるため、燃料電池セルを冷却することができる。
【発明の効果】
【０００８】
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。また燃料電池セルの温度を制御しやすい。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
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。そして第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の空間を第１冷却用送風路としている。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。しかも第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の空間を第１冷却用送風路として利用することができるため、燃料電池セルを冷却することができる。
【００１０】
本発明の第２の発明は、第１の発明において、エンドプレートの第１板ばねに対向する側面にフィンを設けた燃料電池スタックである。このようにフィンを設けることにより燃料電池セルの冷却効果がさらに高まる。
【００１１】
本発明の第３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。
【００１２】
本発明の第４の発明は、第３の発明において、セパレータの第１板ばねに対向する側面にフィンを設けた燃料電池スタックである。このようにフィンを設けることにより燃料電池セルの冷却効果がさらに高まる。
【００１３】
本発明の第５の発明は、第１の発明において、第１板ばねを複数個備え、第１板ばね同士の間を連結するシール部をさらに有する燃料電池スタックである。これにより第１板ばね同士の間から冷却風が漏れ出ることを抑制できる。そのため冷却風の下流側に位置する第１板ばねの内側にまで冷却風を流すことができる。
【００１４】
本発明の第６の発明は、第１の発明において、エンドプレートの、第１冷却用送風路の入り口側に、膜電極接合体の積層方向において第１板ばねの２つの腕部よりも上下方向の外側に位置する壁部を設けた燃料電池スタックである。これによりエンドプレートが露出する面へ優先的に冷却風を送ることができる。
【００１５】
本発明の第７の発明は、第１から第６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。また第２板ばねの連結部と膜電極接合体、エンドプレートとの間の空間を第２冷却用送風路とすることで、燃料電池セルの対向する２つの面から冷却することができる。
【００１６】
本発明の第８の発明は、第１から第６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。
【００１７】
本発明の第９の発明は、第８の発明において、バッキングプレートの、第１冷却用送風路の入り口側に、膜電極接合体の積層方向において第１板ばねの２つの腕部よりも上下方向の外側に位置する壁部を設けた燃料電池スタックである。これにより第６の発明と同様に、エンドプレートが露出する面へ優先的に冷却風を送ることができる。
【００１８】
本発明の第１０の発明は、第８、第９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、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。この構成により第７の発明と同様の効果を奏する。
【００１９】
本発明の第１１の発明は、第１から第１０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。
【００２０】
本発明の第１２の発明は、第１１の発明において、第１冷却用送風路に送風する第１送風部をさらに有する燃料電池である。
【００２１】
本発明の第１３の発明は、第７または第１０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、第１冷却用送風路に送風する第１送風部と、第２冷却用送風路に送風する第２送風部とを有する燃料電池である。
【００２２】
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。
【００２３】
（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。
【００２４】
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、蓄電部８と、ＤＣ／ＤＣコンバータ９と、第１送風部１０Ａと、第２送風部１０Ｂ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。出力された電力はＤＣ／ＤＣコンバータ９に入力される。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の駆動を制御するとともに、ＤＣ／ＤＣコンバータ９を制御して外部への出力と蓄電部８への充放電を制御する。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ている。一方、空気ポンプ６と制御部７は、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。
【００２５】
また制御部７は第１送風部１０Ａと、第２送風部１０Ｂの運転を制御する。なお図示していないが、ＤＣ／ＤＣコンバータ９が燃料ポンプ５、空気ポンプ６、第１送風部１０Ａおよび第２送風部１０Ｂに電力を供給する。この電力は燃料電池スタック１で発電された電力または蓄電部８からの電力である。
【００２６】
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。
【００２７】
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。
【００２８】
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構成されている。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。
【００２９】
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。
【００３０】
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。
【００３１】
図５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。
【００３２】
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によって供給される。一方、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。
【００３３】
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。
【００３４】
【化１】
【００３５】
【化２】
【００３６】
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。
【００３７】
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。
【００３８】
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、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。
【００３９】
なお図５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する。そのため、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を低減できる。なお、凸部１１Ｄの形状は図５に示すように、円筒面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。
【００４０】
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のばね鋼材で構成する。そして、それらの曲げ弾性率を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。
【００４１】
なお図５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字型形状の板ばねの連結部は嵌め込む際に曲げやすくするため、解放状態で曲面に構成されている。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に嵌め込んだ際に連結部１１Ｃの内側への突出が小さくなる。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。
【００４２】
また図２、図３に示すように、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をそれぞれ有することが好ましい。そして、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。
【００４３】
また図２、図３に示すように、バッキングプレート１４、１５に設けた突起１４Ａ、１５Ａには切り欠き部１４Ｂ、１５Ｂをそれぞれ設けることが好ましい。切り欠き部１４Ｂ、１５Ｂ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方向に平行に設けられている。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。
【００４４】
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２０Ａ、２０Ｂを設けることが好ましい。空間２０Ａ、２０Ｂはセルスタック１６を冷却する風路として活用できる。すなわち、空間２０Ａは第１板ばね１１の連結部１１ＣとＭＥＡ３５、エンドプレート１７、１８との間に設けられた第１冷却用送風路である。同様に、空間２０Ｂは第２板ばね１２の連結部とＭＥＡ３５、エンドプレート１７、１８との間に設けられた第２冷却用送風路である。そして図１に示す第１送風部１０Ａ、第２送風部１０Ｂを用いて、図２に示す方向から送風する。この構造により第１送風部１０Ａは空間２０Ａに、第２送風部１０Ｂは空間２０Ｂに、それぞれ冷却風を送り込むことができる。そのためセルスタック１６を冷却することができる。
【００４５】
なお、図３に示すように、エンドプレート１７、１８の第１板ばね１１、第２板ばね１２に対向する側面にそれぞれフィン１７Ａ、１８Ａを設けることが好ましい。またセパレータ３４の第１板ばね１１、第２板ばね１２に対向する側面にそれぞれにもフィン３４Ａを設けることが好ましい。このようにすることでセルスタック１６をより効果的に冷却することができる。
【００４６】
また、図２に示すように、複数の第１板ばね１１同士の間、複数の第２板ばね１２同士の間をそれぞれ連結するようにシール部５１を設けることが好ましい。これにより第１板ばね１１同士の間、第２板ばね１２同士の間から冷却風が漏れ出ることを抑制できる。そのため冷却風の下流側に位置する第１板ばね１１、第２板ばね１２の内側にまで冷却風を流すことができる。
【００４７】
また、第１冷却用送風路である空間２０Ａの入り口側に、セルスタック１６の積層方向において第１板ばね１１の腕部１１Ｂよりも上下方向の外側に位置する壁部１４Ｃをバッキングプレート１４、１５に設けることが好ましい。同様に、第２冷却用送風路である空間２０Ｂの入り口側に、セルスタック１６の積層方向において第２板ばね１２の腕部よりも上下方向の外側に位置する壁部１４Ｃをバッキングプレート１４、１５に設けることが好ましい。これによりエンドプレート１７、１８やセパレータ３４が露出する面へ優先的に冷却風を送ることができる。
【００４８】
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。しかしながら、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。
【００４９】
しかしながら第１板ばね１１に加え、第２板ばね１２を用いることにより燃料電池スタック１を著しく大きくせずに確実にＭＥＡ３５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。
【００５０】
またバッキングプレート１４、１５を設け、エンドプレート１７、１８と異なる材料でバッキングプレート１４、１５を構成することが好ましい。これにより、第１板ばね１１の押圧力を直接受けるバッキングプレート１４、１５と燃料や酸化剤の流路を兼ねるエンドプレート１７、１８とを最適化することができる。例えばエンドプレート１７、１８より硬い材料でバッキングプレート１４、１５を構成することで第１板ばね１１の押圧力によるバッキングプレート１４、１５の変形を抑制することができる。その結果、ＭＥＡ３５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１４、１５を絶縁材料で構成することにより第１板ばね１１の腕部１１Ｂによる短絡を考慮する必要がなくなる。
【００５１】
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）の腕部１１Ｂの先端１１Ａが、エンドプレート１７、１８から離れていることが好ましい。
【００５２】
また第１冷却用送風路である空間２０Ａの入り口側に、セルスタック１６の積層方向において第１板ばね１１の腕部１１Ｂよりも上下方向の外側に位置する壁部（壁部１４Ｃに相当）をエンドプレート１７、１８に設けることが好ましい。同様に、第２冷却用送風路である空間２０Ｂの入り口側に、セルスタック１６の積層方向において第２板ばね１２の腕部よりも上下方向の外側に位置する壁部（壁部１４Ｃに相当）をエンドプレート１７、１８に設けることが好ましい。これによりエンドプレート１７、１８やセパレータ３４が露出する面へ優先的に冷却風を送ることができる。
【００５３】
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】
【００５４】
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】
【００５５】
【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】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
【符号の説明】
【００５６】
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
８ 蓄電部
９ ＤＣ／ＤＣコンバータ
１０Ａ 第１送風部
１０Ｂ 第２送風部
１１ 第１板ばね
１１Ａ 先端
１１Ｂ 腕部
１１Ｃ 連結部
１１Ｄ 凸部
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
１４Ｃ 壁部
１６ セルスタック
１７，１８ エンドプレート
１７Ａ，１８Ａ，３４Ａ フィン
２０Ａ，２０Ｂ 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）
５１ シール部
【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字型形状であり、
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の空間を第１冷却用送風路としたことを特徴とする燃料電池スタック。
【請求項２】
前記エンドプレートの前記第１板ばねに対向する側面にフィンを設けた請求項１記載の燃料電池スタック。
【請求項３】
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４】
前記セパレータの前記第１板ばねに対向する側面にフィンを設けた請求項３記載の燃料電池スタック。
【請求項５】
前記第１板ばねを複数個備え、前記複数の前記第１板ばね同士の間を連結するシール部をさらに備えた請求項１記載の燃料電池スタック。
【請求項６】
前記エンドプレートの、前記第１冷却用送風路の入り口側に、前記積層方向において前記第１板ばねの前記２つの腕部よりも上下方向の外側に位置する壁部を設けた請求項１記載の燃料電池スタック。
【請求項７】
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字型形状であり、
前記第２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の空間を第２冷却用送風路とした請求項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６のいずれか一項に記載の燃料電池スタック。
【請求項９】
前記バッキングプレートの、前記第１冷却用送風路の入り口側に、前記積層方向において前記第１板ばねの前記２つの腕部よりも上下方向の外側に位置する壁部を設けた請求項８記載の燃料電池スタック。
【請求項１０】
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字型形状であり、
前記第２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の空間を第２冷却用送風路とした請求項８または９に記載の燃料電池スタック。
【請求項１１】
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。
【請求項１２】
前記第１冷却用送風路に送風する第１送風部をさらに備えた請求項１１記載の燃料電池。
【請求項１３】
請求項７または１０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、
前記第１冷却用送風路に送風する第１送風部と、
前記第２冷却用送風路に送風する第２送風部と、を備えた燃料電池。
【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字型形状であり、
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の空間を第１冷却用送風路としたことを特徴とする燃料電池スタック。
【請求項２】
前記エンドプレートの前記第１板ばねに対向する側面にフィンを設けた請求項１記載の燃料電池スタック。
【請求項３】
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４】
前記セパレータの前記第１板ばねに対向する側面にフィンを設けた請求項３記載の燃料電池スタック。
【請求項５】
前記第１板ばねを複数個備え、前記複数の前記第１板ばね同士の間を連結するシール部をさらに備えた請求項１記載の燃料電池スタック。
【請求項６】
前記エンドプレートの、前記第１冷却用送風路の入り口側に、前記積層方向において前記第１板ばねの前記２つの腕部よりも上下方向の外側に位置する壁部を設けた請求項１記載の燃料電池スタック。
【請求項７】
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字型形状であり、
前記第２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の空間を第２冷却用送風路とした請求項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６のいずれか一項に記載の燃料電池スタック。
【請求項９】
前記バッキングプレートの、前記第１冷却用送風路の入り口側に、前記積層方向において前記第１板ばねの前記２つの腕部よりも上下方向の外側に位置する壁部を設けた請求項８記載の燃料電池スタック。
【請求項１０】
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字型形状であり、
前記第２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の空間を第２冷却用送風路とした請求項８または９に記載の燃料電池スタック。
【請求項１１】
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。
【請求項１２】
前記第１冷却用送風路に送風する第１送風部をさらに備えた請求項１１記載の燃料電池。
【請求項１３】
請求項７または１０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、
前記第１冷却用送風路に送風する第１送風部と、
前記第２冷却用送風路に送風する第２送風部と、を備えた燃料電池。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【公開番号】特開２０１０−２７４７６（Ｐ２０１０−２７４７６Ａ）
【公開日】平成２２年２月４日（２０１０．２．４）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００８−１８９３００（Ｐ２００８−１８９３００）
【出願日】平成２０年７月２３日（２００８．７．２３）
【出願人】（０００００５８２１）パナソニック株式会社 (73,050)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２２年２月４日（２０１０．２．４）
【国際特許分類】
【出願日】平成２０年７月２３日（２００８．７．２３）
【出願人】（０００００５８２１）パナソニック株式会社 (73,050)
【Ｆターム（参考）】
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