燃料電池
【課題】膜電極接合体の均一な加圧を可能とするとともに、加工性の向上を可能とし、安定して十分な出力が得られる燃料電池を提供することを目的とする。
【解決手段】アノード１３とカソード１６との間に電解質膜１７を挟持した構成の膜電極接合体２と、膜電極接合体のアノード側に配置されアノードに向けて燃料を供給する燃料供給機構３と、膜電極接合体のカソード側に配置され折り曲げ加工によって燃料供給機構に締結されたカバープレート２１と、膜電極接合体とカバープレートとの間に配置されカバープレートより高い剛性の剛性部材４０と、を備えたことを特徴とする燃料電池。
【解決手段】アノード１３とカソード１６との間に電解質膜１７を挟持した構成の膜電極接合体２と、膜電極接合体のアノード側に配置されアノードに向けて燃料を供給する燃料供給機構３と、膜電極接合体のカソード側に配置され折り曲げ加工によって燃料供給機構に締結されたカバープレート２１と、膜電極接合体とカバープレートとの間に配置されカバープレートより高い剛性の剛性部材４０と、を備えたことを特徴とする燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、液体燃料を用いた燃料電池の技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、ノートパソコンや携帯電話等の各種携帯用電子機器を長時間充電なしで使用可能とするために、これら携帯用電子機器の電源に燃料電池を用いる試みがなされている。燃料電池は燃料と空気（特に酸素）を供給するだけで発電することができ、燃料を補給することにより連続して長時間発電することが可能であるという特徴を有している。このため、燃料電池は、小型化により携帯用電子機器の電源として極めて有利なシステムとなりえる。
【０００３】
特に、メタノールを燃料として用いた直接メタノール型燃料電池（Ｄｉｒｅｃｔ Ｍｅｔｈａｎｏｌ Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ：ＤＭＦＣ）は小型化が可能であり、さらに燃料の取り扱いも容易であるため、携帯用電子機器の電源として有望視されている。
【０００４】
例えば、特許文献１によれば、燃料収容部のフランジ部に膜電極接合体を重ね、膜電極接合体の空気極側から金属製のカバープレートを取り付けるとともにカバープレートの周縁部を膜電極接合体の外周、フランジ部の外周及び背面周縁部に沿って折り曲げ、膜電極接合体及びフランジ部をカバープレートの周縁部で挟みつけることにより、燃料収容部を膜電極接合体に対して固定する構造が提案されている。
【０００５】
また、特許文献２によれば、カバープレートの端部を折り曲げて燃料供給部にかしめる構造と、カバープレート及び燃料供給部を締結固定する構造とを組み合わせた構成が開示されている。
【０００６】
さらに、特許文献３によれば、集電体を膜電極接合体に押し付ける押圧板として、燃料極支持板とフロントカバーとを備えた構成が開示されている。
【０００７】
燃料電池において、発電性能を維持するためには、積層された複数のＤＭＦＣ構成部品が全面にわたって均一且つ適度な圧力で加圧された状態で固定されている必要がある。
【０００８】
固定手法として、ネジ止めあるいはリベット継手があるが、これらの手法を適用する場合には、ネジ類が貫通する貫通孔を確保する必要がある。このため、体積効率及び組立作業効率の観点から、燃料電池の全周にわたってこれらの手法を適用することは望ましくない。一方、板材を折り曲げ加工により締結する手法は、体積効率及び作業効率ともに適している。しかしながら、折り曲げ加工が可能な板材は剛性が低い。このため、膜電極接合体から離れる方向に膨らむような撓みが生じやすく、加圧が不十分となるとともに面内で圧力が不均一となり、発電性能の低下を招くおそれがある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】国際公開第２００６／１２０９６６号パンフレット
【特許文献２】特開２００８−２１８０５４号公報
【特許文献３】特開２００８−２２６４８６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
この発明の目的は、膜電極接合体の均一な加圧を可能とするとともに、加工性の向上を可能とし、安定して十分な出力が得られる燃料電池を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
この発明の一態様によれば、
アノードとカソードとの間に電解質膜を挟持した構成の膜電極接合体と、
前記膜電極接合体のアノード側に配置され、前記アノードに向けて燃料を供給する燃料供給機構と、
前記膜電極接合体のカソード側に配置され、折り曲げ加工によって前記燃料供給機構に締結されたカバープレートと、
前記膜電極接合体と前記カバープレートとの間に配置され、前記カバープレートより高い剛性の剛性部材と、
を備えたことを特徴とする燃料電池が提供される。
【発明の効果】
【００１２】
この発明によれば、膜電極接合体の均一な加圧を可能とするとともに、加工性の向上を可能とし、安定して十分な出力が得られる燃料電池を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】図１は、この発明の一実施の形態に係る燃料電池のカソード側の外観を示す平面図である。
【図２】図２は、図１に示した燃料電池を第１方向に沿って切断した断面構造を概略的に示す図である。
【図３】図３は、図１に示した燃料電池を第２方向に沿って切断した断面構造を概略的に示す図である。
【図４】図４は、図１に示した燃料電池に適用可能な燃料供給部を構成する容器の外観を示す斜視図である。
【図５】図５は、実施例の燃料電池の概略断面図である。
【図６】図６は、比較例１の燃料電池の概略断面図である。
【図７】図７は、比較例２の燃料電池の概略断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、この発明の一実施の形態に係る燃料電池について図面を参照して説明する。
【００１５】
図１は、この実施の形態に係る燃料電池（ＤＭＦＣ）１のカソード側の外観を示す平面図である。
【００１６】
この燃料電池１は、矩形平板状に形成されている。図１に示す平面図では、燃料電池１は、長方形状であり、第１方向Ｘに沿って延びた一対の長辺Ｌ１及び長辺Ｌ２と、第１方向Ｘに直交する第２方向Ｙに沿って延びた一対の短辺Ｓ１及び短辺Ｓ２と、を有している。
【００１７】
また、燃料電池１のカソード側の表面には、カバープレート２１が配置されている。カバープレート２１は、外観が略矩形状のものであり、例えばステンレス鋼（ＳＵＳ）によって形成されている。このカバープレート２１には、主として酸化剤である空気の取り込みを可能とする複数の開口部（貫通孔）２１Ａが形成されている。
【００１８】
図２は、図１に示した燃料電池１を第１方向Ｘに沿って切断した断面を示す図であり、図３は、図１に示した燃料電池１を第２方向Ｙに沿って切断した断面を示す図である。
【００１９】
燃料電池１は、起電部を構成する膜電極接合体（ＭＥＡ）２、及び、膜電極接合体２に燃料を供給する燃料供給機構３を備えている。
【００２０】
すなわち、膜電極接合体２は、アノード触媒層１１とアノードガス拡散層１２とが積層されたアノード（燃料極）１３と、カソード触媒層１４とカソードガス拡散層１５とが積層されたカソード（空気極／酸化剤極）１６と、アノード１３のアノード触媒層１１とカソード１６のカソード触媒層１４とで挟持されたプロトン（水素イオン）伝導性の電解質膜１７と、を備えて構成されている。このような膜電極接合体２は、集電体１８によって挟持されている。
【００２１】
この実施の形態においては、図３に示すように、膜電極接合体２は、単一の電解質膜１７における一方の面１７Ａの上に間隔をおいて配置された複数のアノード１３と、電解質膜１７における他方の面１７Ｂの上においてアノード１３のそれぞれと間隔をおいて配置された複数のカソード１６とを有している。
【００２２】
これらのアノード１３とカソード１６との各組み合わせは、それぞれ電解質膜１７を挟持し、単セルを構成している。ここでは、単セルのそれぞれは、同一平面上において、第１方向Ｘに沿って延在し、第２方向Ｙに間隔をおいて並んで配置されている。なお、膜電極接合体２の構造は、この例に限らず他の構造であっても良い。
【００２３】
ここに示した例では、膜電極接合体２は、単一の電解質膜１７の一方の面１７Ａの上に配置された４個のアノード１３１〜１３４と、電解質膜１７の他方の面１７Ｂに配置された４個のカソード１６１〜１６４と、を有している。アノード１３１とカソード１６１とがそれぞれ対向するように配置されており、１組の単セルを構成している。同様に、アノード１３２とカソード１６２とがそれぞれ対向するように配置され、アノード１３３とカソード１６３とがそれぞれ対向するように配置され、アノード１３４とカソード１６４とがそれぞれ対向するように配置されており、４組の単セルが同一平面上に配列されている。各単セルは、集電体１８によって電気的に直列に接続されている。
【００２４】
集電体１８のアノード集電体Ａ１はアノード１３１のアノードガス拡散層１２に積層され、同様に、アノード集電体Ａ２はアノード１３２のアノードガス拡散層１２に積層され、アノード集電体Ａ３はアノード１３３のアノードガス拡散層１２に積層され、アノード集電体Ａ４はアノード１３４のアノードガス拡散層１２に積層されている。
【００２５】
集電体１８のカソード集電体Ｃはカソード１６１のカソードガス拡散層１５に積層され、同様に、カソード集電体Ｃ２はカソード１６２のカソードガス拡散層１５に積層され、カソード集電体Ｃ３はカソード１６３のカソードガス拡散層１５に積層され、カソード集電体Ｃ４はカソード１６４のカソードガス拡散層１５に積層されている。
【００２６】
膜電極接合体２は、電解質膜１７のアノード側及びカソード側にそれぞれ配置されたゴム製のＯリング等のシール部材１９によってシールされている。これにより、膜電極接合体２からの燃料漏れや酸化剤漏れが防止されている。
【００２７】
膜電極接合体２のカソード１６側には、絶縁材料によって形成された板状体２０が配置されている。この板状体２０は、主に保湿層として機能する。すなわち、この板状体２０は、カソード触媒層１４で生成された水の一部が含浸されて水の蒸散を抑制するとともに、カソード触媒層１４への空気の取入れ量を調整し且つ空気の均一拡散を促進するものである。
【００２８】
上述した膜電極接合体２のアノード１３側には、燃料供給機構３が配置されている。つまり、膜電極接合体２は、アノード側に配置された燃料供給機構３とカソード側に配置されたカバープレート２１との間に配置されている。
【００２９】
燃料供給機構３は、膜電極接合体２のアノード１３に対して燃料を供給するように構成されているが、特に、特定の構成に限定されるものではない。以下に、燃料供給機構３の一例について説明する。
【００３０】
燃料供給機構３は、向かい合う膜電極接合体２のアノード１３の面方向に燃料を分散並びに拡散させつつ供給する燃料供給部３Ｘを備えている。この燃料供給部３Ｘは、箱状に形成された容器３０及び容器３０の底面３５に配置された燃料分配板３１を備えている。このような燃料供給機構３は、液体燃料を収容する燃料収容部４と流路５を介して接続されている。
【００３１】
容器３０については、後に詳細に説明するが、燃料を導入するための燃料導入口３０Ａが側壁３６Ａに形成されている。この燃料導入口３０Ａは、燃料収容部４に繋がる流路５に接続されている。
【００３２】
燃料分配板３１は、１つの燃料注入口３２と、複数の燃料排出口３３とを有しており、細管３４のような燃料通路を介して燃料注入口３２と各燃料排出口３３とを接続した構成である。燃料注入口３２は、燃料導入口３０Ａと直接接続されているが、他の燃料通路を介して接続されていても良い。の燃料排出口３３は、膜電極接合体２のアノード１３に対向している。
【００３３】
燃料収容部４には、膜電極接合体２に応じた液体燃料が収容されている。液体燃料としては、各種濃度のメタノール水溶液や純メタノール等のメタノール燃料が挙げられる。なお、液体燃料は、必ずしもメタノール燃料に限られるものではない。液体燃料は、例えば、エタノール水溶液や純エタノール等のエタノール燃料、プロパノール水溶液や純プロパノール等のプロパノール燃料、グリコール水溶液や純グリコール等のグリコール燃料、ジメチルエーテル、ギ酸、その他の液体燃料であってもよい。いずれにしても、燃料収容部４には、膜電極接合体２に応じた液体燃料が収容される。
【００３４】
さらに、燃料供給機構３において、燃料収容部４に繋がる流路５、あるいは、燃料導入口３０Ａと燃料注入口３２との間の燃料通路には、ポンプ６が介在していても良い。ポンプ６は、燃料を循環させる循環ポンプではなく、あくまでも燃料収容部４から燃料供給部３Ｘに液体燃料を送液する燃料供給ポンプである。燃料供給部３Ｘから膜電極接合体２に供給された燃料は、発電反応に使用され、その後に循環して燃料収容部４に戻されることはない。
【００３５】
ポンプ６の種類は、特に限定されるものではないが、少量の液体燃料を制御性よく送液することができ、さらに小型軽量化が可能なものが好ましい。
【００３６】
この実施の形態の燃料電池１は、燃料を循環しないことから、従来のアクティブ方式とは異なるものであり、装置の小型化等を損なうものではない。また、液体燃料の供給にポンプ６を使用しており、従来の内部気化型のような純パッシブ方式とも異なる。図１に示す燃料電池１は、例えばセミパッシブ型と呼称される方式を適用したものである。
【００３７】
また、燃料供給機構３において、ポンプ６と直列に燃料遮断バルブを配置してもよい。また、燃料収容部４や流路５には、燃料収容部４内の圧力を外気とバランスさせるバランスバルブを装着してもよい。
【００３８】
上述したように、燃料供給部３Ｘから排出された燃料は、膜電極接合体２のアノード１３に供給される。膜電極接合体２内において、燃料は、アノードガス拡散層１２を拡散してアノード触媒層１１に供給される。液体燃料としてメタノール燃料を用いた場合、アノード触媒層１１で下記の（１）式に示すメタノールの内部改質反応が生じる。なお、メタノール燃料として純メタノールを使用した場合には、カソード触媒層１４で生成した水や電解質膜１７中の水をメタノールと反応させて（１）式の内部改質反応を生起させる。あるいは、水を必要としない他の反応機構により内部改質反応を生じさせる。
【００３９】
ＣＨ3ＯＨ＋Ｈ2Ｏ → ＣＯ2＋６Ｈ+＋６ｅ- …（１）
この反応で生成した電子（ｅ-）は、集電体１８を経由して外部に導かれ、いわゆる電気として携帯用電子機器等を動作させた後、集電体１８を経由してカソード１６に導かれる。（１）式の内部改質反応で生成したプロトン（Ｈ+）は、電解質膜１７を経てカソード１６に導かれる。カソード１６には、酸化剤として空気が供給される。カソード１６に到達した電子（ｅ-）とプロトン（Ｈ+）は、カソード触媒層１４で空気中の酸素と下記の（２）式にしたがって反応し、この反応に伴って水が生成する。
【００４０】
６ｅ-＋６Ｈ+＋（３／２）Ｏ2 → ３Ｈ2Ｏ …（２）
上述した燃料電池１の発電反応において、発電する電力を増大させるためには触媒反応を円滑に行わせるとともに、膜電極接合体２の電極全体に均一に燃料を供給し、電極全体をより有効に発電に寄与させることが重要となる。
【００４１】
図４は、燃料供給部３Ｘを構成する容器３０の外観を示す斜視図である。容器３０は、第１方向Ｘに長い長方形状の底面３５と、この底面３５の四方から立ち上がった側壁３６Ａ乃至３６Ｄと、を有している。より具体的には、側壁３６Ａは、燃料電池１の短辺Ｓ１に沿って延在している。側壁３６Ｂは、燃料電池１の短辺Ｓ２に沿って延在している。側壁３６Ｃは、燃料電池１の長辺Ｌ１に沿って延在している。側壁３６Ｄは、燃料電池１の長辺Ｌ２に沿って延在している。これらの側壁３６Ａ乃至３６Ｄの高さは、実質的に同一である。
【００４２】
側壁３６Ａの側面のほぼ中央（つまり、短辺Ｓ１の中点付近）には、燃料導入口３０Ａが形成されている。また、図４に示した例では、側壁３６Ａには、高さ方向に貫通した複数の貫通孔Ｈ１が形成されている。これらの貫通孔Ｈ１は、燃料導入口３０Ａを避けて形成されている。この燃料導入口３０Ａには、燃料収容部に繋がる流路が接続される。
【００４３】
側壁３６Ｂには、高さ方向に貫通した複数の貫通孔Ｈ２が形成されている。側壁３６Ｃ及び側壁３６Ｄは、側壁３６Ａ及び側壁３６Ｂよりも小さな幅に形成され、貫通孔は形成されていない。
【００４４】
このような容器３０は、例えば樹脂材料を用いて成型することによって形成されている。
【００４５】
この実施の形態においては、図２及び図３に示したように、燃料電池１は、膜電極接合体２とカバープレート２１との間に配置された剛性部材４０を備えている。この剛性部材４０は、カバープレート２１より高い剛性を有している。このような剛性部材４０は、例えば平板状に形成され、膜電極接合体２の上に配置された板状体２０に重ねられている。また、剛性部材４０の周辺部は、容器３０の側壁３６Ａ乃至３６Ｄのそれぞれの上に重なっている。つまり、剛性部材４０は、燃料供給機構３との間で膜電極接合体２を保持している。
【００４６】
カバープレート２１は、上述した容器３０を備えた燃料供給機構３との間に膜電極接合体２を保持した剛性部材４０に重なり、燃料供給機構３と締結されている。特に、燃料電池１の小型化あるいは組立作業性の改善を図る上では、カバープレート２１は、燃料電池１の少なくとも１辺、もしくは、対向する２辺については、折り曲げ加工（カシメ）により燃料供給機構３と締結されることが望ましい。
【００４７】
図４に示した容器３０を適用する場合、燃料電池１の長辺Ｌ１及び長辺Ｌ２においては、カバープレート２１は、折り曲げ加工により燃料供給機構３を構成する容器３０と締結されている。つまり、長辺Ｌ１及び長辺Ｌ２に沿ったカバープレート２１の端部は、膜電極接合体２の外周、容器３０の側壁３６Ｃ及び側壁３６Ｄに沿ってそれぞれ折り曲げられ、さらに、容器３０の背面側に折り曲げられる。
【００４８】
また、短辺Ｓ１及び短辺Ｓ２においては、カバープレート２１は、ネジ止めあるいはリベット継手などの手法により容器３０と締結されている。つまり、短辺Ｓ１及び短辺Ｓ２に沿ったカバープレート２１の端部は、容器３０の側壁３６Ａ及び側壁３６Ｂにそれぞれ重ねられ、貫通孔Ｈ１及びＨ２を利用して、ネジ止めまたはリベット継手により締結されている。なお、剛性部材４０についても、容器３０の側壁３６Ａ及び側壁３６Ｂに重なる位置に貫通孔Ｈ１及びＨ２とそれぞれ連通する貫通孔が形成されており、ネジ止めまたはリベット継手によりカバープレート２１とともに容器３０に締結されている。
【００４９】
このような構成によれば、比較的剛性が低い材料つまり折り曲げ加工が容易な材料を用いてカバープレート２１を形成し、カバープレート２１よりも剛性が高い材料を用いて剛性部材４０を形成している。そして、剛性部材４０によって燃料供給機構３との間に積層された複数のＤＭＦＣの構成部品を保持した状態で、剛性部材４０を覆うようにカバープレート２１を取り付け、カバープレート２１の端部を折り曲げ加工により燃料供給機構３と締結している。
【００５０】
これにより、剛性部材４０は、カバープレート２１により適度に加圧される。このため、剛性部材４０は、膜電極接合体２を含むＤＭＦＣ構成部品を全面にわたって均一且つ適度な圧力で加圧する。カバープレート２１が燃料供給機構３に締結されているため、剛性部材４０による加圧状態が維持される。
【００５１】
したがって、締結のための加工性の向上を可能としつつ、膜電極接合体２を均一且つ適度に加圧することができる。このため、安定して十分な出力が得られる燃料電池１を提供できる。また、たとえカバープレート２１が折り曲げ加工によってその中央部付近が剛性部材４０から離間する方向に撓んだとしても、カバープレート２１の周辺部で剛性部材４０を押圧している限り、剛性部材４０によって均一且つ適度に膜電極接合体２を加圧した状態を維持することができる。
【００５２】
なお、カバープレート２１は、少なくとも一辺で容器３０に対して折り曲げ加工により締結されることが望ましく、燃料電池１の４辺について、折り曲げ加工により燃料供給機構３に締結しても良い。
【００５３】
また、折り曲げ加工が困難な構成、あるいは、折り曲げ加工よりも締結強度を必要とする場合には、カバープレート２１は、少なくとも一辺で容器３０に対して、ネジ止めまたはリベット継手により締結されても良い。
【００５４】
上述した剛性部材４０は、カバープレート２１の開口部２１Ａに連通した開口部（貫通孔）４０Ａを有している。開口部４０Ａは、開口部２１Ａと略同一の形状で且つ同一の間隔で形成されている。
【００５５】
このような構成によれば、剛性部材４０の開口部４０Ａ及びカバープレート２１の開口部２１Ａにより、燃料電池１のカソード側の通気性が確保されている。このため、発電に必要な酸素の取り込み及び発電に伴って生成されたガスの排出が阻害されず、燃料電池１の発電に適した環境に維持することが可能となる。
【００５６】
上述した燃料供給機構３は、その剛性がカバープレート２１より高くなるように形成されている。ここでは、燃料供給機構３のうち、剛性部材４０との間で膜電極接合体２を含むＤＭＦＣ構成部品を挟持する燃料分配板３１及び容器３０を合わせた総合的な剛性がカバープレート２１よりも高くなるように形成されている。
【００５７】
すなわち、例えば燃料分配板３１及び容器３０の剛性が低い場合には、カバープレート２１との締結により撓んでしまうおそれがある。つまり、膜電極接合体２を含むＤＭＦＣ構成部品は、相互を密着した状態を維持する必要があり、比較的剛性の高い一対の部材で面状に挟持することが望ましい。したがって、剛性部材４０のみならず、燃料供給機構３の剛性もカバープレート２１より高いことが望ましい。
【００５８】
上述した剛性部材４０は、単一の板材によって構成されている。ここでは、例えば、剛性部材４０は、比較的厚板のステンレス鋼（ＳＵＳ）によって形成されているが、これに限定されるものではない。
【００５９】
なお、剛性部材４０は、２枚以上の板材を積層することによって構成されても良い。すなわち、比較的低剛性の薄い板材を複数枚積層した構成においても、剛性部材４０として総合的な剛性がカバープレート２１よりも高く形成されていれば良い。
【００６０】
なお、ここでの剛性とは、以下の方法によって定義されるものである。
【００６１】
まず、剛性部材およびカバープレートの端部（端部から平面方向他端までの距離の１０％以下の位置）を固定し、それらの平面における中央部をそれぞれ押下し、中央部が１ｍｍ変位するのに要した荷重を測定する。その１ｍｍ変位するのに要した荷重が大きい方が剛性が高いと判断される。なお、カバープレートの端部が折り曲げられている場合には、折り曲げられた部分を端部とする。
【００６２】
一例として、カバープレート２１と剛性部材４０とが同一材料例えばステンレス鋼（ＳＵＳ）によって形成されている場合、厚いほど剛性が高いため、剛性部材４０は、カバープレート２１よりも厚く形成されている。
【００６３】
剛性部材４０として必要な剛性を確保する上で、剛性部材４０の厚さは、０．５ｍｍ以上であることが望ましい。このような厚さの剛性部材４０を適用した場合、カバープレート２１の厚さや剛性にかかわらず、剛性部材４０自身の変形が抑制され、面内で均一且つ適度な圧力でＤＭＦＣ構成部品を加圧することが可能となる。
【００６４】
一方で、剛性部材４０の厚さが厚すぎると、燃料電池１の重量が増加し、また、燃料電池１の厚さも増してしまう。このため、剛性部材４０の厚さは、１．０ｍｍ以下であることが望ましい。総合すると、剛性部材４０の厚さは、０．６ｍｍ〜０．８ｍｍの範囲であることがより望ましい。
【００６５】
（実施例）
実施例として、図５に示すように、容器３０に収容した膜電極接合体２のカソード１６側に板状体２０を配置し、さらにこの板状体２０の上に剛性部材４０を配置した。この剛性部材４０は、ステンレス鋼によって形成されており、その厚さは０．７ｍｍとした。
【００６６】
剛性部材４０及び容器３０を覆うようにカバープレート２１を配置した。このカバープレート２１は、折り曲げ加工により容器３０に締結した。このようなカバープレート２１は、ステンレス鋼によって形成されており、その厚さは０．３ｍｍとした。
【００６７】
使用した剛性部材４０及びカバープレート２１の剛性について既述の方法によって確認した。その結果、カバープレート２１の中央部を１ｍｍ変位させるのに要した荷重を１とした場合、剛性部材４０の中央部を１ｍｍ変位させるのに要した荷重は４であった。
【００６８】
このような実施例においては、カバープレート２１の折り曲げ加工が容易にでき、しかも、折り曲げ加工後においてカバープレート２１および剛性部材４０により膜電極接合体２を均一に加圧することができた。
【００６９】
比較例１として、図６に示すように、容器３０に収容した膜電極接合体２のカソード１６側に板状体２０を配置し、さらにこの板状体２０の上にカバープレート２１を配置した。このカバープレート２１は、ステンレス鋼によって形成されており、その厚さは１．０ｍｍとした。また、このカバープレート２１の剛性を記述の方法によって確認した結果、実施例で使用した厚さ０．３ｍｍのカバープレートの中央部を１ｍｍ変位させるのに要した荷重を１とした場合、比較例１のカバープレート２１の中央部を１ｍｍ変位させるのに要した荷重は６であった。
【００７０】
このような比較例１においては、高い剛性が得られるものの、折り曲げ加工が困難となり、カバープレート２１と容器３０との締結ができなかった。当然のことながら、膜電極接合体２を均一に加圧することができなかった。
【００７１】
比較例２として、図７に示すように、容器３０に収容した膜電極接合体２のカソード１６側に板状体２０を配置し、さらにこの板状体２０の上に実施例で使用したカバープレート２１を配置した。このカバープレート２１は、ステンレス鋼によって形成されており、その厚さは０．３ｍｍとした。
【００７２】
このような比較例２においては、折り曲げ加工が容易にでき、カバープレート２１と容器３０との締結ができたものの、カバープレート２１の剛性が不十分であり、折り曲げ加工の後、膜電極接合体２から離間する方向に撓んでしまった。当然のことながら、膜電極接合体２を均一に加圧することができなかった。
【００７３】
以上説明したように、この実施の形態によれば、膜電極接合体の均一な加圧を可能とするとともに、加工性の向上を可能とし、安定して十分な出力が得られる燃料電池を提供できる。
【００７４】
上述した実施形態の燃料電池１は、各種の液体燃料を使用した場合に効果を発揮し、液体燃料の種類や濃度は限定されるものではない。ただし、燃料を面方向に分散させつつ供給する燃料供給部３Ｘは、特に燃料濃度が濃い場合に有効である。このため、実施形態の燃料電池１は、濃度が８０ｗｔ％以上のメタノールを液体燃料として用いた場合に、その性能や効果を特に発揮することができる。したがって、実施形態は、メタノール濃度が８０ｗｔ％以上のメタノール水溶液や純メタノールを液体燃料として用いた燃料電池１に好適である。
【００７５】
さらに、上述した実施形態は、本発明をセミパッシブ型の燃料電池１に適用した場合について説明したが、本発明はこれに限られるものではなく、内部気化型の純パッシブ型の燃料電池に対しても適用可能である。
【００７６】
なお、本発明は液体燃料を使用した各種の燃料電池に適用することができる。また、燃料電池の具体的な構成や燃料の供給状態等も特に限定されるものではなく、ＭＥＡに供給される燃料の全てが液体燃料の蒸気、全てが液体燃料、または一部が液体状態で供給される液体燃料の蒸気等、種々形態に本発明を適用することができる。実施段階では本発明の技術的思想を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化することができる。さらに、上記実施形態に示される複数の構成要素を適宜に組み合わせたり、また実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除したりする等、種々の変形が可能である。本発明の実施形態は本発明の技術的思想の範囲内で拡張もしくは変更することができ、この拡張、変更した実施形態も本発明の技術的範囲に含まれるものである。
【符号の説明】
【００７７】
１…燃料電池
２…膜電極接合体 ３…燃料供給機構 ３Ｘ…燃料供給部
１３…アノード １６…カソード １７…電解質膜
１８…集電体
２１…カバープレート
３０…容器 ３０Ａ…燃料導入口
３６Ａ乃至Ｄ…側壁
４０…剛性部材
【技術分野】
【０００１】
この発明は、液体燃料を用いた燃料電池の技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、ノートパソコンや携帯電話等の各種携帯用電子機器を長時間充電なしで使用可能とするために、これら携帯用電子機器の電源に燃料電池を用いる試みがなされている。燃料電池は燃料と空気（特に酸素）を供給するだけで発電することができ、燃料を補給することにより連続して長時間発電することが可能であるという特徴を有している。このため、燃料電池は、小型化により携帯用電子機器の電源として極めて有利なシステムとなりえる。
【０００３】
特に、メタノールを燃料として用いた直接メタノール型燃料電池（Ｄｉｒｅｃｔ Ｍｅｔｈａｎｏｌ Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ：ＤＭＦＣ）は小型化が可能であり、さらに燃料の取り扱いも容易であるため、携帯用電子機器の電源として有望視されている。
【０００４】
例えば、特許文献１によれば、燃料収容部のフランジ部に膜電極接合体を重ね、膜電極接合体の空気極側から金属製のカバープレートを取り付けるとともにカバープレートの周縁部を膜電極接合体の外周、フランジ部の外周及び背面周縁部に沿って折り曲げ、膜電極接合体及びフランジ部をカバープレートの周縁部で挟みつけることにより、燃料収容部を膜電極接合体に対して固定する構造が提案されている。
【０００５】
また、特許文献２によれば、カバープレートの端部を折り曲げて燃料供給部にかしめる構造と、カバープレート及び燃料供給部を締結固定する構造とを組み合わせた構成が開示されている。
【０００６】
さらに、特許文献３によれば、集電体を膜電極接合体に押し付ける押圧板として、燃料極支持板とフロントカバーとを備えた構成が開示されている。
【０００７】
燃料電池において、発電性能を維持するためには、積層された複数のＤＭＦＣ構成部品が全面にわたって均一且つ適度な圧力で加圧された状態で固定されている必要がある。
【０００８】
固定手法として、ネジ止めあるいはリベット継手があるが、これらの手法を適用する場合には、ネジ類が貫通する貫通孔を確保する必要がある。このため、体積効率及び組立作業効率の観点から、燃料電池の全周にわたってこれらの手法を適用することは望ましくない。一方、板材を折り曲げ加工により締結する手法は、体積効率及び作業効率ともに適している。しかしながら、折り曲げ加工が可能な板材は剛性が低い。このため、膜電極接合体から離れる方向に膨らむような撓みが生じやすく、加圧が不十分となるとともに面内で圧力が不均一となり、発電性能の低下を招くおそれがある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】国際公開第２００６／１２０９６６号パンフレット
【特許文献２】特開２００８−２１８０５４号公報
【特許文献３】特開２００８−２２６４８６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
この発明の目的は、膜電極接合体の均一な加圧を可能とするとともに、加工性の向上を可能とし、安定して十分な出力が得られる燃料電池を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
この発明の一態様によれば、
アノードとカソードとの間に電解質膜を挟持した構成の膜電極接合体と、
前記膜電極接合体のアノード側に配置され、前記アノードに向けて燃料を供給する燃料供給機構と、
前記膜電極接合体のカソード側に配置され、折り曲げ加工によって前記燃料供給機構に締結されたカバープレートと、
前記膜電極接合体と前記カバープレートとの間に配置され、前記カバープレートより高い剛性の剛性部材と、
を備えたことを特徴とする燃料電池が提供される。
【発明の効果】
【００１２】
この発明によれば、膜電極接合体の均一な加圧を可能とするとともに、加工性の向上を可能とし、安定して十分な出力が得られる燃料電池を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】図１は、この発明の一実施の形態に係る燃料電池のカソード側の外観を示す平面図である。
【図２】図２は、図１に示した燃料電池を第１方向に沿って切断した断面構造を概略的に示す図である。
【図３】図３は、図１に示した燃料電池を第２方向に沿って切断した断面構造を概略的に示す図である。
【図４】図４は、図１に示した燃料電池に適用可能な燃料供給部を構成する容器の外観を示す斜視図である。
【図５】図５は、実施例の燃料電池の概略断面図である。
【図６】図６は、比較例１の燃料電池の概略断面図である。
【図７】図７は、比較例２の燃料電池の概略断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、この発明の一実施の形態に係る燃料電池について図面を参照して説明する。
【００１５】
図１は、この実施の形態に係る燃料電池（ＤＭＦＣ）１のカソード側の外観を示す平面図である。
【００１６】
この燃料電池１は、矩形平板状に形成されている。図１に示す平面図では、燃料電池１は、長方形状であり、第１方向Ｘに沿って延びた一対の長辺Ｌ１及び長辺Ｌ２と、第１方向Ｘに直交する第２方向Ｙに沿って延びた一対の短辺Ｓ１及び短辺Ｓ２と、を有している。
【００１７】
また、燃料電池１のカソード側の表面には、カバープレート２１が配置されている。カバープレート２１は、外観が略矩形状のものであり、例えばステンレス鋼（ＳＵＳ）によって形成されている。このカバープレート２１には、主として酸化剤である空気の取り込みを可能とする複数の開口部（貫通孔）２１Ａが形成されている。
【００１８】
図２は、図１に示した燃料電池１を第１方向Ｘに沿って切断した断面を示す図であり、図３は、図１に示した燃料電池１を第２方向Ｙに沿って切断した断面を示す図である。
【００１９】
燃料電池１は、起電部を構成する膜電極接合体（ＭＥＡ）２、及び、膜電極接合体２に燃料を供給する燃料供給機構３を備えている。
【００２０】
すなわち、膜電極接合体２は、アノード触媒層１１とアノードガス拡散層１２とが積層されたアノード（燃料極）１３と、カソード触媒層１４とカソードガス拡散層１５とが積層されたカソード（空気極／酸化剤極）１６と、アノード１３のアノード触媒層１１とカソード１６のカソード触媒層１４とで挟持されたプロトン（水素イオン）伝導性の電解質膜１７と、を備えて構成されている。このような膜電極接合体２は、集電体１８によって挟持されている。
【００２１】
この実施の形態においては、図３に示すように、膜電極接合体２は、単一の電解質膜１７における一方の面１７Ａの上に間隔をおいて配置された複数のアノード１３と、電解質膜１７における他方の面１７Ｂの上においてアノード１３のそれぞれと間隔をおいて配置された複数のカソード１６とを有している。
【００２２】
これらのアノード１３とカソード１６との各組み合わせは、それぞれ電解質膜１７を挟持し、単セルを構成している。ここでは、単セルのそれぞれは、同一平面上において、第１方向Ｘに沿って延在し、第２方向Ｙに間隔をおいて並んで配置されている。なお、膜電極接合体２の構造は、この例に限らず他の構造であっても良い。
【００２３】
ここに示した例では、膜電極接合体２は、単一の電解質膜１７の一方の面１７Ａの上に配置された４個のアノード１３１〜１３４と、電解質膜１７の他方の面１７Ｂに配置された４個のカソード１６１〜１６４と、を有している。アノード１３１とカソード１６１とがそれぞれ対向するように配置されており、１組の単セルを構成している。同様に、アノード１３２とカソード１６２とがそれぞれ対向するように配置され、アノード１３３とカソード１６３とがそれぞれ対向するように配置され、アノード１３４とカソード１６４とがそれぞれ対向するように配置されており、４組の単セルが同一平面上に配列されている。各単セルは、集電体１８によって電気的に直列に接続されている。
【００２４】
集電体１８のアノード集電体Ａ１はアノード１３１のアノードガス拡散層１２に積層され、同様に、アノード集電体Ａ２はアノード１３２のアノードガス拡散層１２に積層され、アノード集電体Ａ３はアノード１３３のアノードガス拡散層１２に積層され、アノード集電体Ａ４はアノード１３４のアノードガス拡散層１２に積層されている。
【００２５】
集電体１８のカソード集電体Ｃはカソード１６１のカソードガス拡散層１５に積層され、同様に、カソード集電体Ｃ２はカソード１６２のカソードガス拡散層１５に積層され、カソード集電体Ｃ３はカソード１６３のカソードガス拡散層１５に積層され、カソード集電体Ｃ４はカソード１６４のカソードガス拡散層１５に積層されている。
【００２６】
膜電極接合体２は、電解質膜１７のアノード側及びカソード側にそれぞれ配置されたゴム製のＯリング等のシール部材１９によってシールされている。これにより、膜電極接合体２からの燃料漏れや酸化剤漏れが防止されている。
【００２７】
膜電極接合体２のカソード１６側には、絶縁材料によって形成された板状体２０が配置されている。この板状体２０は、主に保湿層として機能する。すなわち、この板状体２０は、カソード触媒層１４で生成された水の一部が含浸されて水の蒸散を抑制するとともに、カソード触媒層１４への空気の取入れ量を調整し且つ空気の均一拡散を促進するものである。
【００２８】
上述した膜電極接合体２のアノード１３側には、燃料供給機構３が配置されている。つまり、膜電極接合体２は、アノード側に配置された燃料供給機構３とカソード側に配置されたカバープレート２１との間に配置されている。
【００２９】
燃料供給機構３は、膜電極接合体２のアノード１３に対して燃料を供給するように構成されているが、特に、特定の構成に限定されるものではない。以下に、燃料供給機構３の一例について説明する。
【００３０】
燃料供給機構３は、向かい合う膜電極接合体２のアノード１３の面方向に燃料を分散並びに拡散させつつ供給する燃料供給部３Ｘを備えている。この燃料供給部３Ｘは、箱状に形成された容器３０及び容器３０の底面３５に配置された燃料分配板３１を備えている。このような燃料供給機構３は、液体燃料を収容する燃料収容部４と流路５を介して接続されている。
【００３１】
容器３０については、後に詳細に説明するが、燃料を導入するための燃料導入口３０Ａが側壁３６Ａに形成されている。この燃料導入口３０Ａは、燃料収容部４に繋がる流路５に接続されている。
【００３２】
燃料分配板３１は、１つの燃料注入口３２と、複数の燃料排出口３３とを有しており、細管３４のような燃料通路を介して燃料注入口３２と各燃料排出口３３とを接続した構成である。燃料注入口３２は、燃料導入口３０Ａと直接接続されているが、他の燃料通路を介して接続されていても良い。の燃料排出口３３は、膜電極接合体２のアノード１３に対向している。
【００３３】
燃料収容部４には、膜電極接合体２に応じた液体燃料が収容されている。液体燃料としては、各種濃度のメタノール水溶液や純メタノール等のメタノール燃料が挙げられる。なお、液体燃料は、必ずしもメタノール燃料に限られるものではない。液体燃料は、例えば、エタノール水溶液や純エタノール等のエタノール燃料、プロパノール水溶液や純プロパノール等のプロパノール燃料、グリコール水溶液や純グリコール等のグリコール燃料、ジメチルエーテル、ギ酸、その他の液体燃料であってもよい。いずれにしても、燃料収容部４には、膜電極接合体２に応じた液体燃料が収容される。
【００３４】
さらに、燃料供給機構３において、燃料収容部４に繋がる流路５、あるいは、燃料導入口３０Ａと燃料注入口３２との間の燃料通路には、ポンプ６が介在していても良い。ポンプ６は、燃料を循環させる循環ポンプではなく、あくまでも燃料収容部４から燃料供給部３Ｘに液体燃料を送液する燃料供給ポンプである。燃料供給部３Ｘから膜電極接合体２に供給された燃料は、発電反応に使用され、その後に循環して燃料収容部４に戻されることはない。
【００３５】
ポンプ６の種類は、特に限定されるものではないが、少量の液体燃料を制御性よく送液することができ、さらに小型軽量化が可能なものが好ましい。
【００３６】
この実施の形態の燃料電池１は、燃料を循環しないことから、従来のアクティブ方式とは異なるものであり、装置の小型化等を損なうものではない。また、液体燃料の供給にポンプ６を使用しており、従来の内部気化型のような純パッシブ方式とも異なる。図１に示す燃料電池１は、例えばセミパッシブ型と呼称される方式を適用したものである。
【００３７】
また、燃料供給機構３において、ポンプ６と直列に燃料遮断バルブを配置してもよい。また、燃料収容部４や流路５には、燃料収容部４内の圧力を外気とバランスさせるバランスバルブを装着してもよい。
【００３８】
上述したように、燃料供給部３Ｘから排出された燃料は、膜電極接合体２のアノード１３に供給される。膜電極接合体２内において、燃料は、アノードガス拡散層１２を拡散してアノード触媒層１１に供給される。液体燃料としてメタノール燃料を用いた場合、アノード触媒層１１で下記の（１）式に示すメタノールの内部改質反応が生じる。なお、メタノール燃料として純メタノールを使用した場合には、カソード触媒層１４で生成した水や電解質膜１７中の水をメタノールと反応させて（１）式の内部改質反応を生起させる。あるいは、水を必要としない他の反応機構により内部改質反応を生じさせる。
【００３９】
ＣＨ3ＯＨ＋Ｈ2Ｏ → ＣＯ2＋６Ｈ+＋６ｅ- …（１）
この反応で生成した電子（ｅ-）は、集電体１８を経由して外部に導かれ、いわゆる電気として携帯用電子機器等を動作させた後、集電体１８を経由してカソード１６に導かれる。（１）式の内部改質反応で生成したプロトン（Ｈ+）は、電解質膜１７を経てカソード１６に導かれる。カソード１６には、酸化剤として空気が供給される。カソード１６に到達した電子（ｅ-）とプロトン（Ｈ+）は、カソード触媒層１４で空気中の酸素と下記の（２）式にしたがって反応し、この反応に伴って水が生成する。
【００４０】
６ｅ-＋６Ｈ+＋（３／２）Ｏ2 → ３Ｈ2Ｏ …（２）
上述した燃料電池１の発電反応において、発電する電力を増大させるためには触媒反応を円滑に行わせるとともに、膜電極接合体２の電極全体に均一に燃料を供給し、電極全体をより有効に発電に寄与させることが重要となる。
【００４１】
図４は、燃料供給部３Ｘを構成する容器３０の外観を示す斜視図である。容器３０は、第１方向Ｘに長い長方形状の底面３５と、この底面３５の四方から立ち上がった側壁３６Ａ乃至３６Ｄと、を有している。より具体的には、側壁３６Ａは、燃料電池１の短辺Ｓ１に沿って延在している。側壁３６Ｂは、燃料電池１の短辺Ｓ２に沿って延在している。側壁３６Ｃは、燃料電池１の長辺Ｌ１に沿って延在している。側壁３６Ｄは、燃料電池１の長辺Ｌ２に沿って延在している。これらの側壁３６Ａ乃至３６Ｄの高さは、実質的に同一である。
【００４２】
側壁３６Ａの側面のほぼ中央（つまり、短辺Ｓ１の中点付近）には、燃料導入口３０Ａが形成されている。また、図４に示した例では、側壁３６Ａには、高さ方向に貫通した複数の貫通孔Ｈ１が形成されている。これらの貫通孔Ｈ１は、燃料導入口３０Ａを避けて形成されている。この燃料導入口３０Ａには、燃料収容部に繋がる流路が接続される。
【００４３】
側壁３６Ｂには、高さ方向に貫通した複数の貫通孔Ｈ２が形成されている。側壁３６Ｃ及び側壁３６Ｄは、側壁３６Ａ及び側壁３６Ｂよりも小さな幅に形成され、貫通孔は形成されていない。
【００４４】
このような容器３０は、例えば樹脂材料を用いて成型することによって形成されている。
【００４５】
この実施の形態においては、図２及び図３に示したように、燃料電池１は、膜電極接合体２とカバープレート２１との間に配置された剛性部材４０を備えている。この剛性部材４０は、カバープレート２１より高い剛性を有している。このような剛性部材４０は、例えば平板状に形成され、膜電極接合体２の上に配置された板状体２０に重ねられている。また、剛性部材４０の周辺部は、容器３０の側壁３６Ａ乃至３６Ｄのそれぞれの上に重なっている。つまり、剛性部材４０は、燃料供給機構３との間で膜電極接合体２を保持している。
【００４６】
カバープレート２１は、上述した容器３０を備えた燃料供給機構３との間に膜電極接合体２を保持した剛性部材４０に重なり、燃料供給機構３と締結されている。特に、燃料電池１の小型化あるいは組立作業性の改善を図る上では、カバープレート２１は、燃料電池１の少なくとも１辺、もしくは、対向する２辺については、折り曲げ加工（カシメ）により燃料供給機構３と締結されることが望ましい。
【００４７】
図４に示した容器３０を適用する場合、燃料電池１の長辺Ｌ１及び長辺Ｌ２においては、カバープレート２１は、折り曲げ加工により燃料供給機構３を構成する容器３０と締結されている。つまり、長辺Ｌ１及び長辺Ｌ２に沿ったカバープレート２１の端部は、膜電極接合体２の外周、容器３０の側壁３６Ｃ及び側壁３６Ｄに沿ってそれぞれ折り曲げられ、さらに、容器３０の背面側に折り曲げられる。
【００４８】
また、短辺Ｓ１及び短辺Ｓ２においては、カバープレート２１は、ネジ止めあるいはリベット継手などの手法により容器３０と締結されている。つまり、短辺Ｓ１及び短辺Ｓ２に沿ったカバープレート２１の端部は、容器３０の側壁３６Ａ及び側壁３６Ｂにそれぞれ重ねられ、貫通孔Ｈ１及びＨ２を利用して、ネジ止めまたはリベット継手により締結されている。なお、剛性部材４０についても、容器３０の側壁３６Ａ及び側壁３６Ｂに重なる位置に貫通孔Ｈ１及びＨ２とそれぞれ連通する貫通孔が形成されており、ネジ止めまたはリベット継手によりカバープレート２１とともに容器３０に締結されている。
【００４９】
このような構成によれば、比較的剛性が低い材料つまり折り曲げ加工が容易な材料を用いてカバープレート２１を形成し、カバープレート２１よりも剛性が高い材料を用いて剛性部材４０を形成している。そして、剛性部材４０によって燃料供給機構３との間に積層された複数のＤＭＦＣの構成部品を保持した状態で、剛性部材４０を覆うようにカバープレート２１を取り付け、カバープレート２１の端部を折り曲げ加工により燃料供給機構３と締結している。
【００５０】
これにより、剛性部材４０は、カバープレート２１により適度に加圧される。このため、剛性部材４０は、膜電極接合体２を含むＤＭＦＣ構成部品を全面にわたって均一且つ適度な圧力で加圧する。カバープレート２１が燃料供給機構３に締結されているため、剛性部材４０による加圧状態が維持される。
【００５１】
したがって、締結のための加工性の向上を可能としつつ、膜電極接合体２を均一且つ適度に加圧することができる。このため、安定して十分な出力が得られる燃料電池１を提供できる。また、たとえカバープレート２１が折り曲げ加工によってその中央部付近が剛性部材４０から離間する方向に撓んだとしても、カバープレート２１の周辺部で剛性部材４０を押圧している限り、剛性部材４０によって均一且つ適度に膜電極接合体２を加圧した状態を維持することができる。
【００５２】
なお、カバープレート２１は、少なくとも一辺で容器３０に対して折り曲げ加工により締結されることが望ましく、燃料電池１の４辺について、折り曲げ加工により燃料供給機構３に締結しても良い。
【００５３】
また、折り曲げ加工が困難な構成、あるいは、折り曲げ加工よりも締結強度を必要とする場合には、カバープレート２１は、少なくとも一辺で容器３０に対して、ネジ止めまたはリベット継手により締結されても良い。
【００５４】
上述した剛性部材４０は、カバープレート２１の開口部２１Ａに連通した開口部（貫通孔）４０Ａを有している。開口部４０Ａは、開口部２１Ａと略同一の形状で且つ同一の間隔で形成されている。
【００５５】
このような構成によれば、剛性部材４０の開口部４０Ａ及びカバープレート２１の開口部２１Ａにより、燃料電池１のカソード側の通気性が確保されている。このため、発電に必要な酸素の取り込み及び発電に伴って生成されたガスの排出が阻害されず、燃料電池１の発電に適した環境に維持することが可能となる。
【００５６】
上述した燃料供給機構３は、その剛性がカバープレート２１より高くなるように形成されている。ここでは、燃料供給機構３のうち、剛性部材４０との間で膜電極接合体２を含むＤＭＦＣ構成部品を挟持する燃料分配板３１及び容器３０を合わせた総合的な剛性がカバープレート２１よりも高くなるように形成されている。
【００５７】
すなわち、例えば燃料分配板３１及び容器３０の剛性が低い場合には、カバープレート２１との締結により撓んでしまうおそれがある。つまり、膜電極接合体２を含むＤＭＦＣ構成部品は、相互を密着した状態を維持する必要があり、比較的剛性の高い一対の部材で面状に挟持することが望ましい。したがって、剛性部材４０のみならず、燃料供給機構３の剛性もカバープレート２１より高いことが望ましい。
【００５８】
上述した剛性部材４０は、単一の板材によって構成されている。ここでは、例えば、剛性部材４０は、比較的厚板のステンレス鋼（ＳＵＳ）によって形成されているが、これに限定されるものではない。
【００５９】
なお、剛性部材４０は、２枚以上の板材を積層することによって構成されても良い。すなわち、比較的低剛性の薄い板材を複数枚積層した構成においても、剛性部材４０として総合的な剛性がカバープレート２１よりも高く形成されていれば良い。
【００６０】
なお、ここでの剛性とは、以下の方法によって定義されるものである。
【００６１】
まず、剛性部材およびカバープレートの端部（端部から平面方向他端までの距離の１０％以下の位置）を固定し、それらの平面における中央部をそれぞれ押下し、中央部が１ｍｍ変位するのに要した荷重を測定する。その１ｍｍ変位するのに要した荷重が大きい方が剛性が高いと判断される。なお、カバープレートの端部が折り曲げられている場合には、折り曲げられた部分を端部とする。
【００６２】
一例として、カバープレート２１と剛性部材４０とが同一材料例えばステンレス鋼（ＳＵＳ）によって形成されている場合、厚いほど剛性が高いため、剛性部材４０は、カバープレート２１よりも厚く形成されている。
【００６３】
剛性部材４０として必要な剛性を確保する上で、剛性部材４０の厚さは、０．５ｍｍ以上であることが望ましい。このような厚さの剛性部材４０を適用した場合、カバープレート２１の厚さや剛性にかかわらず、剛性部材４０自身の変形が抑制され、面内で均一且つ適度な圧力でＤＭＦＣ構成部品を加圧することが可能となる。
【００６４】
一方で、剛性部材４０の厚さが厚すぎると、燃料電池１の重量が増加し、また、燃料電池１の厚さも増してしまう。このため、剛性部材４０の厚さは、１．０ｍｍ以下であることが望ましい。総合すると、剛性部材４０の厚さは、０．６ｍｍ〜０．８ｍｍの範囲であることがより望ましい。
【００６５】
（実施例）
実施例として、図５に示すように、容器３０に収容した膜電極接合体２のカソード１６側に板状体２０を配置し、さらにこの板状体２０の上に剛性部材４０を配置した。この剛性部材４０は、ステンレス鋼によって形成されており、その厚さは０．７ｍｍとした。
【００６６】
剛性部材４０及び容器３０を覆うようにカバープレート２１を配置した。このカバープレート２１は、折り曲げ加工により容器３０に締結した。このようなカバープレート２１は、ステンレス鋼によって形成されており、その厚さは０．３ｍｍとした。
【００６７】
使用した剛性部材４０及びカバープレート２１の剛性について既述の方法によって確認した。その結果、カバープレート２１の中央部を１ｍｍ変位させるのに要した荷重を１とした場合、剛性部材４０の中央部を１ｍｍ変位させるのに要した荷重は４であった。
【００６８】
このような実施例においては、カバープレート２１の折り曲げ加工が容易にでき、しかも、折り曲げ加工後においてカバープレート２１および剛性部材４０により膜電極接合体２を均一に加圧することができた。
【００６９】
比較例１として、図６に示すように、容器３０に収容した膜電極接合体２のカソード１６側に板状体２０を配置し、さらにこの板状体２０の上にカバープレート２１を配置した。このカバープレート２１は、ステンレス鋼によって形成されており、その厚さは１．０ｍｍとした。また、このカバープレート２１の剛性を記述の方法によって確認した結果、実施例で使用した厚さ０．３ｍｍのカバープレートの中央部を１ｍｍ変位させるのに要した荷重を１とした場合、比較例１のカバープレート２１の中央部を１ｍｍ変位させるのに要した荷重は６であった。
【００７０】
このような比較例１においては、高い剛性が得られるものの、折り曲げ加工が困難となり、カバープレート２１と容器３０との締結ができなかった。当然のことながら、膜電極接合体２を均一に加圧することができなかった。
【００７１】
比較例２として、図７に示すように、容器３０に収容した膜電極接合体２のカソード１６側に板状体２０を配置し、さらにこの板状体２０の上に実施例で使用したカバープレート２１を配置した。このカバープレート２１は、ステンレス鋼によって形成されており、その厚さは０．３ｍｍとした。
【００７２】
このような比較例２においては、折り曲げ加工が容易にでき、カバープレート２１と容器３０との締結ができたものの、カバープレート２１の剛性が不十分であり、折り曲げ加工の後、膜電極接合体２から離間する方向に撓んでしまった。当然のことながら、膜電極接合体２を均一に加圧することができなかった。
【００７３】
以上説明したように、この実施の形態によれば、膜電極接合体の均一な加圧を可能とするとともに、加工性の向上を可能とし、安定して十分な出力が得られる燃料電池を提供できる。
【００７４】
上述した実施形態の燃料電池１は、各種の液体燃料を使用した場合に効果を発揮し、液体燃料の種類や濃度は限定されるものではない。ただし、燃料を面方向に分散させつつ供給する燃料供給部３Ｘは、特に燃料濃度が濃い場合に有効である。このため、実施形態の燃料電池１は、濃度が８０ｗｔ％以上のメタノールを液体燃料として用いた場合に、その性能や効果を特に発揮することができる。したがって、実施形態は、メタノール濃度が８０ｗｔ％以上のメタノール水溶液や純メタノールを液体燃料として用いた燃料電池１に好適である。
【００７５】
さらに、上述した実施形態は、本発明をセミパッシブ型の燃料電池１に適用した場合について説明したが、本発明はこれに限られるものではなく、内部気化型の純パッシブ型の燃料電池に対しても適用可能である。
【００７６】
なお、本発明は液体燃料を使用した各種の燃料電池に適用することができる。また、燃料電池の具体的な構成や燃料の供給状態等も特に限定されるものではなく、ＭＥＡに供給される燃料の全てが液体燃料の蒸気、全てが液体燃料、または一部が液体状態で供給される液体燃料の蒸気等、種々形態に本発明を適用することができる。実施段階では本発明の技術的思想を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化することができる。さらに、上記実施形態に示される複数の構成要素を適宜に組み合わせたり、また実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除したりする等、種々の変形が可能である。本発明の実施形態は本発明の技術的思想の範囲内で拡張もしくは変更することができ、この拡張、変更した実施形態も本発明の技術的範囲に含まれるものである。
【符号の説明】
【００７７】
１…燃料電池
２…膜電極接合体 ３…燃料供給機構 ３Ｘ…燃料供給部
１３…アノード １６…カソード １７…電解質膜
１８…集電体
２１…カバープレート
３０…容器 ３０Ａ…燃料導入口
３６Ａ乃至Ｄ…側壁
４０…剛性部材
【特許請求の範囲】
【請求項１】
アノードとカソードとの間に電解質膜を挟持した構成の膜電極接合体と、
前記膜電極接合体のアノード側に配置され、前記アノードに向けて燃料を供給する燃料供給機構と、
前記膜電極接合体のカソード側に配置され、折り曲げ加工によって前記燃料供給機構に締結されたカバープレートと、
前記膜電極接合体と前記カバープレートとの間に配置され、前記カバープレートより高い剛性の剛性部材と、
を備えたことを特徴とする燃料電池。
【請求項２】
前記燃料供給機構の剛性は、前記カバープレートより高いことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池。
【請求項３】
前記剛性部材は、単一の板材によって構成されたことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池。
【請求項４】
前記剛性部材は、２枚以上の板材を積層することによって構成されたことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池。
【請求項５】
前記剛性部材は、前記カバープレートと同一材料によって形成され、前記カバープレートよりも厚いことを特徴とする請求項1に記載の燃料電池。
【請求項６】
前記剛性部材の厚さは、０．５ｍｍ以上であることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池。
【請求項７】
前記剛性部材の厚さは、１．０ｍｍ以下であることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池。
【請求項８】
前記燃料供給機構は、箱状に形成された容器を備え、
前記カバープレートは、少なくとも一辺で前記容器に対して折り曲げ加工により締結されたことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池。
【請求項９】
前記カバープレートは、少なくとも一辺で前記容器に対して、ネジ止めまたはリベット継手により締結されたことを特徴とする請求項８に記載の燃料電池。
【請求項１０】
前記剛性部材及び前記カバープレートは、互いに連通した貫通孔を有することを特徴とする請求項１に記載の燃料電池。
【請求項１】
アノードとカソードとの間に電解質膜を挟持した構成の膜電極接合体と、
前記膜電極接合体のアノード側に配置され、前記アノードに向けて燃料を供給する燃料供給機構と、
前記膜電極接合体のカソード側に配置され、折り曲げ加工によって前記燃料供給機構に締結されたカバープレートと、
前記膜電極接合体と前記カバープレートとの間に配置され、前記カバープレートより高い剛性の剛性部材と、
を備えたことを特徴とする燃料電池。
【請求項２】
前記燃料供給機構の剛性は、前記カバープレートより高いことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池。
【請求項３】
前記剛性部材は、単一の板材によって構成されたことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池。
【請求項４】
前記剛性部材は、２枚以上の板材を積層することによって構成されたことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池。
【請求項５】
前記剛性部材は、前記カバープレートと同一材料によって形成され、前記カバープレートよりも厚いことを特徴とする請求項1に記載の燃料電池。
【請求項６】
前記剛性部材の厚さは、０．５ｍｍ以上であることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池。
【請求項７】
前記剛性部材の厚さは、１．０ｍｍ以下であることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池。
【請求項８】
前記燃料供給機構は、箱状に形成された容器を備え、
前記カバープレートは、少なくとも一辺で前記容器に対して折り曲げ加工により締結されたことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池。
【請求項９】
前記カバープレートは、少なくとも一辺で前記容器に対して、ネジ止めまたはリベット継手により締結されたことを特徴とする請求項８に記載の燃料電池。
【請求項１０】
前記剛性部材及び前記カバープレートは、互いに連通した貫通孔を有することを特徴とする請求項１に記載の燃料電池。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【公開番号】特開２０１０−１７０７３３（Ｐ２０１０−１７０７３３Ａ）
【公開日】平成２２年８月５日（２０１０．８．５）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−１０２６８（Ｐ２００９−１０２６８）
【出願日】平成２１年１月２０日（２００９．１．２０）
【出願人】（０００００３０７８）株式会社東芝 (54,554)
【出願人】（０００２２１３３９）東芝電子エンジニアリング株式会社 (238)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２２年８月５日（２０１０．８．５）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年１月２０日（２００９．１．２０）
【出願人】（０００００３０７８）株式会社東芝 (54,554)
【出願人】（０００２２１３３９）東芝電子エンジニアリング株式会社 (238)
【Ｆターム（参考）】
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