JP2005222718A - 燃料電池体 - Google Patents

Abstract

【課題】部品点数を削減することが可能な燃料電池体を提供する。
【解決手段】燃料電池体２は、電解質体の一側方に正極を他側方に負極を設けた構造体４と、構造体４の正極側に配置され正極に酸化剤を供給する酸化剤供給部１２ａ，１４，１２ｂを備えている正極セパレータ６と、構造体４の負極側に配置され負極に燃料を供給する燃料供給部２６，３０を備えた負極セパレータ２０とを有する。この燃料電池体２は、正極セパレータ６と負極セパレータ２０とを相対的に移動して正極セパレータ６と負極セパレータ２０とによって構造体４を挟持させ押圧させる押圧機構３８，４０，４２をさらに有する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、セル体に所定の面圧を付与する燃料電池体に関する。

従来の燃料電池７３では、図１１に示されるように、複数のセル体７４ａ，７４ｂ，７４ｃが用いられている。各セル体７４ａ，７４ｂ，７４ｃは、電解質体７６の一方に正極７８を配設し、他方に負極７９を配設することにより形成されている構造体４を有する。この構造体４は、正極７８側の正極セパレータ８０と、負極７９側の負極セパレータ８１とによって挟持されている。そして、各セル体７４ａ，７４ｂ，７４ｃを直列に積層することにより、積層セル体８３が形成されている。なお、構造体４間の正極セパレータ８０と負極セパレータ８１とは、一体的に形成され、双極セパレータをなしている。

正極７８及び負極７９には触媒が付与されており、正極セパレータ８０には酸化剤供給路８２が、負極セパレータ８１には燃料供給路８４が夫々形成されている。酸化剤供給路８２から正極７８に酸化剤（空気、あるいは純酸素等）が供給され、燃料供給路８４から負極７９に燃料が供給される。燃料と酸化剤とが電解質を介して反応し、この化学反応エネルギーが電気エネルギーに変換される。このようにして発電が行われる。

燃料電池７３の発電性能は、電解質体７６、正極７８、負極７９、正極セパレータ８０、負極セパレータ８１の各々間の面圧に大きく影響を受ける。このため、積層セル体８３を付勢して所定の面圧を与えるために、付勢機構が使用されている。

この付勢機構は、積層セル体８３の両端に絶縁体９７を介して夫々配設されているエンドプレート８６を有する。これらエンドプレート８６は、積層セル体８３に沿って配設されている複数のボルト８８によって互いに連結されている。これらボルト８８の一端側はエンドプレート８６を貫通して突出されており、これら突出端部にはナット８９が螺着されている。これらナット８９を締め込むことにより、積層セル体８３の両端のエンドプレート８６を互いに付勢して、積層セル体８３に所定の面圧を付与することが可能となっている。

このような付勢機構の他の一例が、特許文献１で開示されている。特許文献１の燃料電池７３は、図１２に示されるように、積層セル体８３を収容するスタック容器９０を有する。このスタック容器９０には蓋体９１が装着されている。スタック容器９０の内面にはスタック容器ねじ部９２が形成されており、蓋体９１にはスタック容器９０のスタック容器ねじ部９２に螺合する蓋体ねじ部９４が形成されている。蓋体９１の底面には積層セル体８３の一端面を押圧する蓋体押圧部９６が配設されており、スタック容器９０の底壁上面には積層セル体８３の他端面を押圧するスタック容器押圧部９８が配設されている。即ち、蓋体９１をスタック容器９０に捻じ込むことによって、積層セル体８３の両端面を付勢して、積層セル体８３に所定の面圧を付与することが可能となっている。なお、蓋体９１の頭部とスタック容器９０との間には、燃料漏れを防止するためのＯ−リング１００が配設されている。また、スタック容器９０には、燃料及び空気を供給するための孔９９が設けられている。
特開平１０−２１４６３４号公報

特許文献1の燃料電池７３は、所定の面圧を付与するために蓋体９１が使用されており、また、外部に燃料及び空気を供給する部材を設ける必要があるため、燃料電池７３を構成する部品点数が多くなってしまっている。このため、燃料電池７３を小型化するのが困難であり、また、組み立て工数が多くなっている。

本発明は、上記課題に着目してなされたもので、その目的とするところは、部品点数を削減することが可能な燃料電池体を提供することである。

請求項１の発明は、電解質体の一側方に正極を他側方に負極を設けた構造体と、前記構造体の正極側に配置され前記正極に酸化剤を供給する酸化剤供給部を有する正極セパレータと、前記構造体の負極側に配置され前記負極に燃料を供給する燃料供給部を有する負極セパレータと、前記正極セパレータと前記負極セパレータとを相対的に移動させて前記正極セパレータと前記負極セパレータとによって前記構造体を挟持させ押圧させる押圧機構と、を具備することを特徴とする燃料電池体である。

そして、本請求項１の発明では、押圧機構によって正極セパレータと負極セパレータとを相対的に移動させ、正極セパレータと負極セパレータとによって構造体を挟持させ押圧させて、電解質体、正極、負極、正極セパレータ及び負極セパレータの各々間に所定の面圧を付与し、そして、酸化剤供給部から正極に酸化剤を供給し、燃料供給部から負極に燃料を供給して発電を行うようにしたものである。

請求項２の発明は、前記押圧機構は、前記構造体を収容し内周面に雌ねじが形成されている筒状部と、前記正極セパレータと前記負極セパレータとの少なくとも一方の外周面に形成され前記雌ねじに螺合する雄ねじとを有することを特徴とする請求項1の燃料電池体である。

そして、本請求項２の発明では、正極セパレータと負極セパレータとの少なくとも一方を筒状部に捻じ込むことにより、構造体を押圧させるようにしたものである。

請求項３の発明は、前記正極セパレータと前記負極セパレータとの内の前記雄ねじが形成されている内の少なくとも１つの前記雄ねじの軸方向に垂直な断面は、前記筒状部の内腔の軸方向に垂直な断面よりも小さいことを特徴とする請求項２の燃料電池体である。

そして、本請求項３の発明では、前記正極セパレータと前記負極セパレータとの内の前記雄ねじが形成されている内の少なくとも１つを、筒状部に対して筒状部の軸方向に移動自在としたものである。

請求項４の発明は、前記雄ねじのねじ径が、前記雄ねじの軸方向に一様であることを特徴とする請求項３の燃料電池体である。

そして、本請求項４の発明では、雄ねじのねじ径を雄ねじの軸方向に一様にしたものである。

請求項５の発明は、前記正極セパレータと前記負極セパレータとは前記雄ねじを有し、前記正極セパレータと前記負極セパレータとの前記雄ねじの軸方向に垂直な断面は、前記筒状部の内腔の軸方向に垂直な断面よりも小さいことを特徴とする請求項３の燃料電池体である。

そして、本請求項５の発明では、正極セパレータと負極セパレータとを筒状部に対して筒状部の軸方向に移動自在とし、正極セパレータと負極セパレータとを筒状部に捻じ込むことにより、構造体を押圧させるようにしたものである。

請求項６の発明は、前記正極セパレータの前記雄ねじの軸方向の長さと、前記構造体の前記正極から前記負極へと向かう方向の長さと、前記負極セパレータの前記雄ねじの軸方向の長さとの和は、前記筒状部の軸方向の長さよりも小さいことを特徴とする請求項４の燃料電池体である。

そして、本請求項６の発明では、正極セパレータ、構造体及び負極セパレータを筒状部の内部に収容可能としたものである。

請求項７の発明は、前記正極セパレータと前記負極セパレータとの内の前記雄ねじが形成されているセパレータは、前記雄ねじの軸方向を対称軸とする回転対称形であることを特徴とする請求項２の燃料電池体である。

そして、本請求項７の発明では、正極セパレータと負極セパレータとの内の雄ねじが形成されているセパレータを、対称軸を基準として構造体、筒状部に位置合せするようにしたものである。

請求項８の発明は、前記回転対称形は、前記対称軸を中心軸とする円柱形状であることを特徴とする請求項７の燃料電池体である。

そして、請求項８の発明では、正極セパレータと負極セパレータとの内の雄ねじが形成されているセパレータを対称軸を中心軸とする円柱形状としたものである。

請求項９の発明は、前記構造体は、前記正極から前記負極へと向かう方向に平行な軸を対称軸とする回転対称形であることを特徴とする請求項２の燃料電池体。

そして、本請求項９の発明では、正極セパレータと負極セパレータとの内の雄ねじが形成されている内の少なくとも一つを筒状部に捻じ込む場合には、構造体の回転対称軸を、正極セパレータと負極セパレータとの内の雄ねじが形成されている内の少なくとも一つの回転軸にほぼ一致させるようにするものである。

請求項１０の発明は、前記回転対称形は、前記対称軸を中心軸とする円柱形状であることを特徴とする請求項９の燃料電池体である。

そして、本請求項１０の発明では、構造体を対称軸を中心軸とする円柱形状としたものである。

請求項１１の発明は、電解質体の一側方に正極を他側方に負極を設けた構造体と、前記構造体の前記正極側に配置され前記正極に酸化剤を供給する酸化剤供給部を備える正極セパレータと、前記構造体の前記負極側に配置され前記負極に燃料を供給する燃料供給部を備える負極セパレータと、を有するセル体と、前記セル体を収容し内周面に雌ねじが形成されている筒状部と、前記雌ねじに螺合する雄ねじが外周面に形成され、前記雄ねじの軸方向に垂直な任意の断面は前記筒状部の内腔の軸方向に垂直な断面よりも小さく、前記正極セパレータと前記負極セパレータとの一方を押圧する第1の蓋体と、前記筒状部に設けられ、前記正極セパレータと前記負極セパレータとの他方を押圧し、前記第1の蓋体と共同して前記セル体を挟持して押圧する第２の蓋体と、を具備することを特徴とする燃料電池体である。

そして、本請求項１１の発明では、筒状部に対して筒状部の軸方向に移動自在な第１の蓋体を筒状部に捻じ込むことにより、第１の蓋体と第２の蓋体とによってセル体を挟持して押圧し、電解質体、正極、負極、正極セパレータ及び負極セパレータの各々間に所定の面圧を付与し、そして、酸化剤供給部から正極に酸化剤を供給し、燃料供給部から負極に燃料を供給して発電を行うようにしたものである。

請求項１２の発明は、前記第２の蓋体は、前記雌ねじに螺合する雄ねじを有し、前記雄ねじの軸方向に垂直な任意の断面は前記筒状部の内腔の軸方向に垂直な断面よりも小さいことを特徴とする請求項１１の燃料電池体である。

そして、本請求項１２の発明では、第２の蓋体を筒状部に対して筒状部の軸方向に移動自在とし、第１の蓋体と第２の蓋体とを筒状部に捻じ込むことにより、セル体を押圧させるようにしたものである。

請求項１３の発明は、前記第1の蓋体の前記雄ねじの軸方向の長さと、前記セル体の前記正極セパレータから前記負極セパレータへと向かう方向の長さと、前記第２の蓋体の前記雄ねじの軸方向の長さのとの和は、前記筒状部の軸方向の長さよりも小さいことを特徴とする請求項１２の燃料電池体である。

そして、本請求項１３の発明では、第１及び第２の蓋体、並びにセル体を筒状部の内部に収容可能としたものである。

請求項１４の発明は、前記第１の蓋体は、前記雄ねじの軸方向を対称軸とする回転対称形であることを特徴とする請求項１１の燃料電池体である。

そして、本請求項１４の発明では、第１の蓋体を、対称軸を基準としてセル体、筒状部に位置合せするようにしたものである。

請求項１５の発明は、前記セル体は、前記正極から前記負極へと向かう方向に平行な軸を対象軸とする回転対称形であることを特徴とする請求項１１の燃料電池体である。

そして、本請求項１５の発明では、第１の蓋体を筒状部に捻じ込む場合には、セル体の回転対称軸を、第１の蓋体の回転軸にほぼ一致させるようにするものである。

請求項１６の発明は、前記正極セパレータと前記負極セパレータとの前記一方と前記第1の蓋体とは一体的に形成されていることを特徴とする請求項１１の燃料電池体である。

そして、本請求項１６の発明では、第1の蓋体と正極セパレータ及び負極セパレータの一方とを一体的に筒状部に捻じ込むようにしたものである。

請求項１７の発明は、前記正極セパレータと前記負極セパレータとの前記一方と前記第1の蓋体とは一体的に形成されており、前記正極セパレータと前記負極セパレータとの前記他方と前記第２の蓋体とは一体的に形成されていることを特徴とする請求項１２の燃料電池体である。

そして、本請求項１７の発明では、第1の蓋体と正極セパレータ及び負極セパレータの一方とを一体的に、かつ、第２の蓋体と正極セパレータ及び負極セパレータの他方とを一体的に筒状部に捻じ込むようにしたものである。

本発明によれば、燃料電池を構成する部品点数を削減することができる。

以下、本発明の第１実施形態を図１乃至図５を参照して説明する。図１に示されるように、本実施形態の燃料電池体２は構造体４を有する。この構造体４は、電解質体の一側方に正極を配設し、他側方に負極を配設することにより形成されている。また、この構造体４は、正極から負極に向かう方向を中心軸とする円柱形状を有する。

構造体４の正極側には、正極セパレータ６が配置されている。この正極セパレータ６は両端壁を備えた円筒形状を有し、正極セパレータ６の中心軸は構造体４の中心軸とほぼ一致している。ここで、正極セパレータ６は、一端壁を備えた円筒形状を有する生成液収容部材８に、他端壁をなすように正極プレート１０を圧入固定することにより形成されている。

生成液収容部材８の端壁には、正極セパレータ６の外部と内部とを連通する第１の酸化剤供給路１２ａが複数形成されている。また、正極プレート１０には、正極セパレータ６の外部と内部とを連通する第２の酸化剤供給路１２ｂが形成されている。即ち、第１の酸化剤供給路１２ａ、正極セパレータ６の内部、及び、第２の酸化剤供給路１２ｂによって、正極に酸化剤を供給する酸化剤供給部が形成されている。

ここで、正極セパレータ６の内部は、正極で生成される生成液を第２の酸化剤供給路１２ｂを介して収容することが可能である。また、第１の酸化剤供給路１２ａを介して、正極セパレータ６の内部に収容された生成液を回収することが可能である。以下では、正極セパレータ６の内部を、生成液収容部１４と称する。

また、正極プレート１０には、正極を押圧するための正極押圧部１６が配設されている。さらに、生成液収容部材８の端壁の外面には、正電極１８が突設されている。この正電極１８は、正極セパレータ６の中心軸に沿って突出している凸形状を有している。

構造体４の負極側には、負極セパレータ２０が配置されている。この負極セパレータ２０は正極セパレータ６と同様な形状を有し、負極セパレータ２０の中心軸は構造体４及び正極セパレータ６の中心軸とほぼ一致している。負極セパレータ２０は、生成液収容部材８及び正極プレート１０と同様な形状の燃料収容部材２２及び負極プレート２４を有する。

負極セパレータ２０の内部には、燃料を貯蔵する燃料収容部２６が形成されている。燃料収容部材２２の端壁には、負極セパレータ２０の外部と内部とを連通するねじ穴２７が形成されている。このねじ穴２７は、燃料収容部２６に燃料を補給するためのものである。また、ねじ穴２７には、着脱されてねじ穴２７を連通可能あるいは連通不能とするねじ２８が螺着されている。そして、負極プレート２４には、負極セパレータ２０の外部と燃料収容部２６とを連通する燃料供給路３０が形成されている。この燃料供給路３０は、燃料収容部２６から負極へと燃料を供給するためのものである。即ち、燃料収容部２６、燃料供給路３０によって負極に燃料を供給するための燃料供給部が形成されている。

また、負極プレート２４には、負極を押圧するための負極押圧部３２が配設されている。一方、燃料収容部材２２の端壁の外面には、負電極３４が突設されている。この負電極３４は、負極セパレータ２０の中心軸に沿って突出している凸形状を有している。

このようにして、構造体４、正極セパレータ６及び負極セパレータ２０によって、セル体３６が形成されている。そして、セル体３６は円筒状の外環（筒状部）３８の内部に嵌入されており、外環３８の中心軸はセル体３６の中心軸とほぼ一致している。また、外環３８は、正極セパレータ６と負極セパレータ２０との間の電気的な短絡を防止するような絶縁材料によって形成されている。

図２に示されるように、外環３８の内周面には、雌ねじ形状のねじ部４０が形成されている。また、正極セパレータ６及び負極セパレータ２０の外周面には、夫々、ねじ部４０に螺合する雄ねじ形状のセパレータねじ部４２が形成されている。正極セパレータ６及び負極セパレータ２０のセパレータねじ部４２は、外環３８のねじ部４０に螺着されている。ここで、セパレータねじ部４２がねじ部４０に螺着されている場合に、正極セパレータ６あるいは負極セパレータ２０を捻じることにより正極セパレータ６あるいは負極セパレータ２０が進退する方向をセパレータねじ部４２の軸方向と定義する。

構造体４の最大外径Φｄ１は、外環３８の内部に収容可能なように、外環３８のねじ山径ΦＤ２以下の径である必要がある。さらに、構造体４の最大外径Φｄ１は、外環３８の内部に容易に収容可能なように、正極セパレータ６及び負極セパレータ２０のねじ谷径ΦＤ１以下の径であることが好ましい。本実施形態では、構造体４の最大外径Φｄ１は、ねじ谷径ΦＤ１よりも僅かに小さくなっている。

また、負極プレート２４の外径Φｄ２は、構造体４の外径Φｄ１よりも小さく、燃料収容部材２２の内径Φｄ３は、負極プレート２４の外径Φｄ２よりも小さい。このため、燃料収容部２６からの燃料漏れが防止されるようになっている。

再び図１を参照すると、正極セパレータ６と負極セパレータ２０との外径は、外環３８の内径よりも小さくなっている。このため、正極セパレータ６と負極セパレータ２０とは、外環３８の軸方向に移動自在となっている。また、正極セパレータ６、構造体４及び負極セパレータ２０の中心軸方向の長さの和は、外環３８の中心軸方向の長さより僅かに小さくなっている。

図３（Ａ）に示されるように、正極セパレータ６の生成液収容部材８の端壁には、複数の第１の酸化剤供給路１２ａが形成されている。そして、生成液収容部材８の端壁の外面には、正極ねじ締め用溝４４が直径方向に延設されている。また、図３（Ｂ）に示されるように、燃料収容部材２４の端壁の外面には、負極ねじ締め用溝４６が直径方向に延設されている。正極ねじ締め用溝４４又は負極ねじ締め用溝４６に代わって、蟹目、六角ねじ等のようなねじ溝を用いてもよい。

なお、正極セパレータ６と負極セパレータ２０とは、以下に述べるように構造体４を挟持して所定の面圧を付与するものであるため、充分に剛性が高いことが好ましい。

次に、上記構成の本実施形態の燃料電池体２の作用について説明する。本実施形態の燃料電池体２の組立工程では、マイナスドライバ、コイン等を使用して、正極セパレータ６あるいは負極セパレータ２０を外環３８に螺着する（以下では、負極セパレータ２０が螺着されたとして説明する）。そして、外環３８内に構造体４を収容して、図４に示されるように、構造体４をその中心軸が外環３８及び負極セパレータ２０の中心軸と一致するように位置合わせする。この後、正極セパレータ６を外環３８に螺着して、正極セパレータ６と負極セパレータ２０とによって構造体４を挟持する。

この後、正極セパレータ６又は負極セパレータ２０をさらに捻じ込んで、正極押圧部１６と負極押圧部３２とによって構造体４を押圧する。正極セパレータ６又は負極セパレータ２０の捻じ込み量を調節することにより、電解質体、正極、負極、正極セパレータ６及び負極セパレータ２０の各々間に所定の面圧を付与する。ここで、正極セパレータ６と負極セパレータ２０とは外環３８の軸方向に移動自在となっている。このため、構造体４が薄い場合には、図５に示されるように、正極セパレータ６及び負極セパレータ２０を外環３８内まで捻じ込んで構造体４を押圧することが可能である。

さらに、負極セパレータ２０のねじ２８をねじ穴２７から外し、ねじ穴２７を介して燃料収容部２６に燃料を補給する。そして、負極セパレータ２０のねじ２８をねじ穴２７に捻じ込んで、燃料を燃料収容部２６に保持する。この状態で、正電極１８と負電極３４とを外部回路に接続する。

構造体４の正極には、外部から第１の酸化剤供給路１２ａ、生成液収容部１４、第２の酸化剤供給路１２ｂを介して空気が供給される。一方、負極には、燃料収容部２６から燃料供給路３０を介して燃料が供給される。空気中の酸素と燃料とが電解質を介して反応し、外部回路に電流が流れる。生成液収容部１４には、正極で発した生成液が第２の酸化剤供給路１２ｂを介して収容される。生成液収容部１４に収容された生成液は、必要に応じて、第１の酸化剤供給路１２ａを介して回収される。

従って、上記構成のものにあっては次の効果を奏する。正極セパレータ６は、正極に酸化剤を供給する酸化剤供給部を有し、負極セパレータ２０は、負極に燃料を供給する燃料供給部を有する。一方、構造体４を収容する外環３８の内周面には雌ねじ形状のねじ部４０が形成され、正極セパレータ６と負極セパレータ２０との外周面にはねじ部４０に螺合する雄ねじ形状のセパレータねじ部４２が形成されている。即ち、正極セパレータ６と負極セパレータ２０とは、構造体４に酸化剤あるいは燃料を供給する機能と、相対的に移動されて、電解質体、正極、負極、正極セパレータ６及び負極セパレータ２０の各々間に所定の面圧を付与する機能との両方を有する。従って、燃料電池体２を構成する部品点数が削減されている。この結果、燃料電池体２の小型化が可能となり、また、組立工数を減少することが可能となっている。

さらには、燃料電池体２の構造体４に一様な押圧力を容易に作用させることができる。

また、正極セパレータ６には、正極で生成された生成液を収容する生成液収容部１４が形成されている。そして、負極セパレータ２０には、負極に供給される燃料を収容する燃料収容部２６が形成されている。即ち、正極セパレータ６は正極で生成された生成液を収容する機能をさらに有し、負極セパレータ２０は負極に供給される燃料を収容する機能をさらに有する。従って、燃料電池体２を構成する部品点数がさらに削減され、燃料電池体２のさらなる小型化と組立工数の減少が可能となっている。

そして、負極セパレータ２０は、一端壁を備えた円筒形状を有する燃料収容部材２２に、他端壁をなすように負極プレート２４を圧入固定することにより形成されている。そして、負極プレート２４の外径Φｄ２は、構造体４の外径Φｄ１よりも小さく、燃料液収容部材の内径Φｄ３は、負極プレート２４の外径Φｄ２よりも小さくなっている。このため、Ｏ−リング等の特別なシールを用いることなく、燃料収容部２６からの燃料漏れを防止することが可能となっている。従って、燃料電池体２を構成する部品点数がさらに一層削減されている。

さらに、正極セパレータ６と負極セパレータ２０との外径は外環３８の内径よりも小さく、正極セパレータ６と負極セパレータ２０とは外環３８に対して外環３８の中心軸方向に移動自在となっている。このため、構造体４、正極セパレータ６、負極セパレータ２０の厚みのばらつきによらず、電解質体、正極、負極、正極セパレータ６及び負極セパレータ２０の各々間に所定の面圧を付与することが可能となっている。従って、燃料電池体２を構成する部材に要求される製造精度を緩和することが可能となっている。

加えて、正極セパレータ６、構造体４及び負極セパレータ２０の中心軸方向の長さの和は、外環３８の中心軸方向の長さより小さくなっている。このため、正極セパレータ６、構造体４及び負極セパレータ２０を外環３８の内部に収容することが可能となっている。従って、外環３８の長さによって、燃料電池体２の大きさを管理することが可能となっている。

そしてまた、外環３８は円筒形状を有し、正極セパレータ６、負極セパレータ２０及び構造体４は円柱形状を有する。そして、燃料電池体２の組立工程の際には、外環３８、正極セパレータ６、負極セパレータ２０及び構造体４の各々の中心軸を所定の一軸上に配置するようになっている。従って、燃料電池体２の組立工程において各部材を方向合わせする必要がなくなっている。また、正極セパレータ６又は負極セパレータ２０を外環３８に捻じ込む際の正極セパレータ６又は負極セパレータ２０の回転の回転軸は、構造体４の中心軸と一致している。このため、正極セパレータ６又は負極セパレータ２０と構造体４との間の摩擦により、構造体４に連れ回りが発生しても影響がない。以上から、組立工程が簡単となっている。

さらにまた、外環３８は円筒形状を有し、構造体４は円柱形状を有する。そして、構造体４の最大外径Φｄ１は、外環３８のねじ部４０のねじ谷径ΦＤ２よりも僅かに小さくなっている。即ち、構造体４は外環３８の中心軸方向に垂直な断面の断面積を最大限利用している。燃料電池体２の出力は電極面積の増大により増大するので、所定の出力を得るための燃料電池体２を小型化することが可能となっている。

加えてまた、正極セパレータ６及び負極セパレータ２０には、夫々、正極ねじ締め用溝４４及び負極ねじ締め用溝４６が形成されている。このため、特別なねじ締め用工具を使用することなく、マイナスドライバ、コイン等によって正極セパレータ６及び負極セパレータ２０を外環３８に捻じ込むことが可能となっている。

このように、本実施形態における燃料電池体２は、部品点数が少なく、また特別な工具を使用することなく組立や分解が可能であるため、メンテナンスやリサイクルが容易である。

本実施形態では、正極セパレータ６と負極セパレータ２０との両方を外環３８に対して移動可能な構成としたが、どちらか一方を外環３８と一体的に形成してもよい。また、構造体４は円柱形状としたが、四角板形状等の他の形状でもかまわない。この場合には、外環３８の内面に、上述した構造体４の連れ回りを防止するための規制部材を設けるようにしてもよい。

図６は、本発明の第１実施形態の第１変形例を示す。第１実施形態と同様な機能を有する構成には、同一の参照符号を付して説明を省略する。本変形例は、正極セパレータ６及び負極セパレータ２０（図１参照）の構造体４に押圧される面に面取り４８を施したものである。このように面取り４８を施すことで構造体４が傷つきにくくなるので、構造体４を極めて柔らかい材料で形成することが可能である。従って、構造体４の材料の選択の自由度が増大されている。

図７は、本発明の第１実施形態の第２変形例を示す。第１実施形態と同様な機能を有する構成には、同一の参照符号を付して説明を省略する。図７に示されるように、本変形例の燃料電池体２の正極セパレータ６は、円板形状の生成液収容部材８に、一端壁を備えた円筒形状を有する正極プレート１０を並設することにより形成されている。即ち、生成液収容部材８と正極プレート１０とが別体となっている。同様に、負極セパレータ２０は、円板形状の燃料収容部材２２に、一端壁を備えた円筒形状を有する負極プレート２４を並設することにより形成されている。

本変形例では、軸方向の長さが異なる複数の正極セパレータ６からいずれかを選択することにより、正極セパレータ６の軸方向の長さ及び生成液収容部１４の容積を変化させることが可能である。同様に、負極セパレータ２０の軸方向の長さ及び燃料収容部２６の容積を変化させることが可能である。このように、本変形例の燃料電池体２は、フレキシブルなものとなっている。

図８は、本発明の第２実施形態を示す。第１実施形態と同様な機能を有する構成には、同一の参照符号を付して説明を省略する。本実施形態の燃料電池５０は、円筒状の外枠５２を有する。この外枠５２の内部に、第1実施形態の複数の燃料電池体２が嵌入され、外枠５２の軸方向に並設されている。本実施形態では、第1乃至第３の３つの燃料電池体２ａ，２ｂ，２ｃが用いられている。

第１の燃料電池体２ａの正電極１８ａは、外枠５２の一端側に配置されている。そして、第１の燃料電池体２ａの負電極３４ａは、第２の燃料電池体２ｂの正電極１８ｂに当接され、電気的に接続されている。同様に、第２の燃料電池体２ｂの負電極３４ｂは、第３の燃料電池体２ｃの正電極１８ｃに当接され、電気的に接続されている。そして、第３の燃料電池体２ｃの負電極３４ｃは、外枠５２の他端側に配置されている。

ここで、第１の燃料電池体２ａの負電極３４ａと第２の燃料電池体２ｂの正電極１８ｂとによって、第１の燃料電池体２ａと第２の燃料電池体２ｂとの間に第１の空間部５４ａが形成されている。同様に、第２の燃料電池体２ｂの負電極３４ｂと第３の燃料電池体２ｃの正電極１８ｃとによって、第２の燃料電池体２ｂと第３の燃料電池体２ｃとの間に第２の空間部５４ｂが形成されている。また、外枠５２には、第１及び第２の空間部５４ａ，５４ｂと外部とを夫々連通する第１及び第２の連通孔５５ａ，５５ｂが形成されている。

一方、外枠５２には、軸方向に離間して複数の固定ねじ穴５６が形成されている。これら固定ねじ穴５６には固定ねじ５８が螺着されている。これら固定ねじ５８によって、第１乃至第３の燃料電池体２ａ，２ｂ，２ｃが外枠５２に押圧固定されている。即ち、固定ねじ５８は、外枠５２に対する第１乃至第３の燃料電池体２ａ，２ｂ，２ｃの外枠５２の軸方向への移動を規制している。

次に、上記構成の本実施形態の燃料電池５０の作用について説明する。本実施形態の燃料電池５０の組立工程では、第１乃至第３の燃料電池体２ａ，２ｂ，２ｃを外枠５２内に嵌入する。そして、第１の燃料電池体２ａの負電極３４ａを第２の燃料電池体２ｂの正電極１８ｂに当接させ、第２の燃料電池体２ｂの負電極３４ｂを第３の燃料電池体２ｃの正電極１８ｃに当接させ、第１及び第２の空間部５４ａ，５４ｂを形成する。この後、外枠５２に対して第１乃至第３の燃料電池体２ａ，２ｂ，２ｃを外枠５２の軸方向に移動させて、第１及び第２の空間部５４ａ，５４ｂが第１及び第２の連通孔５５ａ，５５ｂと連通されるように第１乃至第３の燃料電池体２ａ，２ｂ，２ｃを配置する。この後、固定ねじ５８を捻じ込んで、外枠５２に対して第１乃至第３の燃料電池体２ａ，２ｂ，２ｃを固定する。

燃料電池５０によって発電を行う場合には、所定の温度の流動体を第１及び第２の連通孔５５ａ，５５ｂを介して第１及び第２の空間部５４ａ，５４ｂに導入する。第１乃至第３の燃料電池体２ａ，２ｂ，２ｃを冷却したい場合には、低温の流動体を使用する。この結果、第１乃至第３の燃料電池体２ａ，２ｂ，２ｃの温度上昇が緩和される。一方、第１乃至第３の燃料電池体２ａ，２ｂ，２ｃの温度を高くしたい場合には、高温の流動体を使用する。

流動体として空気を用いる場合には、この空気を第２及び第３の燃料電池体２ｂ，２ｃの酸化剤として使用することが可能である。この場合には、第１及び第２の連通孔５５ａ，５５ｂ、並びに、第１及び第２の空間部５４ａ，５４ｂは、第２及び第３の燃料電池体２ｂ，２ｃの正極に酸化剤を供給する機能を兼ねる。

従って、上記構成のものにあっては次の効果を奏する。第１乃至第３の燃料電池体２ａ，２ｂ，２ｃが外枠５２内に収容され、第１の燃料電池体２ａと第２の燃料電池体２ｂとの間に第１の空間部５４ａが形成され、第２の燃料電池体２ｂと第３の燃料電池体２ｃとの間に第２の空間部５４ｂが形成されている。このため、燃料電池５０によって発電を行う際には、第１乃至第３の燃料電池体２ａ，２ｂ，２ｃが互いの発熱の影響を受けにくくなっている。

また、外枠５２には、第１及び第２の空間部５４ａ，５４ｂと外部とを夫々連通する第１及び第２の連通孔５５ａ，５５ｂが形成されている。このため、燃料電池５０によって発電を行う際には、所定の温度の流動体を第１及び第２の連通孔５５ａ，５５ｂを介して第１及び第２の空間部５４ａ，５４ｂに導入することにより、燃料電池体２を所望の温度に制御することが可能となっている。従って、燃料電池体２の発電効率を高めることが可能となっている。

そして、第１乃至第３の燃料電池体２ａ，２ｂ，２ｃは円柱形状を有しており、円筒形状の外枠５２内に嵌入され直列に接続されている。このため、外枠５２の軸方向の長さを増大させることにより、第４、第５、…の燃料電池体２ｄ，２ｅ，…をさらに接続することが可能である。従って、燃料電池５０の出力を容易に調節することが可能となっている。

本実施形態では、第１乃至第３の燃料電池体２ａ，２ｂ，２ｃの正電極１８ａ，１８ｂ，１８ｃ及び負電極３４ａ，３４ｂ，３４ｃは、第１乃至第３の燃料電池体２ａ，２ｂ，２ｃの中心軸に沿って突出している凸形状を有し、第１及び第２の空間部５４ａ，５４ｂを形成している。代わって、第１乃至第３の燃料電池体２ａ，２ｂ，２ｃに軸方向に突出する凸部を配設し、これら凸部によって第１及び第２の空間部５４ａ，５４ｂを形成するようにしてもよい。

また、固定ねじ５８によって外枠５２に対して第１乃至第３の燃料電池体２ａ，２ｂ，２ｃを位置決めすることにより、第１及び第２の空間部５４ａ，５４ｂを形成するようにしてもよい。これらの場合には、正電極１８及び負電極３４は単に第１乃至第３の燃料電池体２ａ，２ｂ，２ｃを電気的に接続する機能を有すればよい。

図９は、本発明の第２実施形態の第１変形例を示す。第２実施形態と同様な機能を有する構成には、同一の参照符号を付して説明を省略する。本変形例の外枠５２の内周面には、雌ねじ形状の外枠ねじ部６０が形成されている。そして、第１乃至第３の燃料電池体２ａ，２ｂ，２ｃの外環３８の外周面には、外枠ねじ部６０に螺合する雄ねじ形状の外側ねじ部６２が形成されている。

本変形例の燃料電池５０の組立工程では、第１乃至第３の燃料電池体２ａ，２ｂ，２ｃを外枠５２内に捻じ込む。そして、第１の燃料電池体２ａの負電極３４ａを第２の燃料電池体２ｂの正電極１８ｂに当接させ、第２の燃料電池体２ｂの負電極３４ｂを第３の燃料電池体２ｃの正電極１８ｃに当接させ、第１及び第２の空間部５４ａ，５４ｂを形成する。この際、第１及び第２の空間部５４ａ，５４ｂが第１及び第２の連通孔５５ａ，５５ｂと連通されるように、外枠５２に対して第１乃至第３の燃料電池体２ａ，２ｂ，２ｃを配置する。

本変形例では、固定ねじ５８（図８参照）を使用しておらず、構成が簡単となっており、部品点数が削減されている。

本変形例でも、外枠５２の外枠ねじ部６０と、第１乃至第３の燃料電池体２ａ，２ｂ，２ｃの外側ねじ部６２とによって、外枠５２に対して第１乃至第３の燃料電池体２ａ，２ｂ，２ｃを位置決めすることにより、第１及び第２の空間部５４ａ，５４ｂを形成するようにしてもよい。この場合には、正電極１８ａ，１８ｂ，１８ｃ及び負電極３４ａ，３４ｂ，３４ｃは単に第１乃至第３の燃料電池体２ａ，２ｂ，２ｃを電気的に接続する機能を有すればよい。

なお、燃料電池５０に関しては、必要に応じて、燃料タンク、生成物収容装置等を外枠５２内に配置するようにしてもよい。この場合には、燃料タンク、生成物収容装置等と燃料電池体２との間に空間を形成することが好ましい。また、燃料電池体２の構成は上記した実施形態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で様々な構成とすることが可能である。

図１０は、本発明の第３実施形態を示す。第１実施形態と同様な機能を有する構成には、同一の参照符号を付して説明を省略する。本実施形態では、正極セパレータ６４及び負極セパレータ６６には、セパレータねじ部４２（図２参照）、正極ねじ締め用溝４４及び負極ねじ締め用溝４６（図３参照）は形成されていない。

セル体３６の正極側には円柱形状の第１の蓋体６８が配置され、負極側には円柱形状の第２の蓋体７０が配置されている。これら第１及び第２の蓋体６８，７０の中心軸は、セル体３６の中心軸にほぼ一致している。そして、セル体３６、第１及び第２の蓋体６８，７０は外環３８の内部に嵌入されており、外環３８の中心軸は、セル体３６、第１及び第２の蓋体６８，７０の中心軸とほぼ一致している。

第１及び第２の蓋体６８，７０の外周面には、夫々、外環３８のねじ部４０に螺合する雄ねじ形状の蓋体ねじ部７２が形成されている。第１及び第２の蓋体６８，７０の蓋体ねじ部７２は、外環３８のねじ部４０に螺着されている。ここで、蓋体ねじ部７２がねじ部４０に螺着されている場合に、第１あるいは第２の蓋体６８，７０を捻じることにより第１あるいは第２の蓋体６８，７０が進退する方向を蓋体ねじ部７２の軸方向と定義する。

第１及び第２の蓋体６８，７０の外径は、外環３８の内径よりも小さくなっている。このため、第１及び第２の蓋体６８，７０は外環３８の軸方向に移動自在となっている。また、第１及び第２の蓋体６８，７０、並びに、セル体３６の中心軸方向の長さの和は、外環３８の中心軸方向の長さより小さくなっている。

また、第１及び第２の蓋体６８，７０は、後述するようにセル体３６を挟持して所定の面圧を付与するものであるため、充分に剛性が高いことが好ましい。

本実施形態の燃料電池体２を組み立てる場合には、第１あるいは第２の蓋体６８，７０を外環３８に螺着する（以下では、第２の蓋体７０が螺着されたとして説明する）。そして、外環３８内にセル体３６を収容して、セル体３６をその中心軸が外環３８及び第２の蓋体７０の中心軸と一致するように位置合わせする。この後、第１の蓋体６８を外環３８に螺着して、図１０で矢印により示されるように、第１の蓋体６８と第２の蓋体７０とによって構造体４を挟持して押圧する。

第１又は第２の蓋体７０の捻じ込み量を調節することにより、電解質体、正極、負極、正極セパレータ６４及び負極セパレータ６６の各々間に所定の面圧を付与する。ここで、第１及び第２の蓋体６８，７０は外環３８の軸方向に移動自在となっている。このため、セル体３６が薄い場合には、第１及び第２の蓋体６８，７０を外環３８内まで捻じ込んでセル体３６を押圧することが可能である。

従って、上記構成のものにあっては次の効果を奏する。第１の蓋体６８と第２の蓋体７０との外径は外環３８の内径よりも小さく、第１の蓋体６８と第２の蓋体７０とは外環３８に対して外環３８の中心軸方向に移動自在となっている。このため、セル体３６の厚みのばらつきによらず、電解質体、正極、負極、正極セパレータ６４及び負極セパレータ６６の各々間に所定の面圧を付与することができる。従って、燃料電池体２を構成する部材に要求される製造精度を緩和することが可能となっている。

また、第１の蓋体６８と正極セパレータ６４、第２の蓋体７０と負極セパレータ６６が夫々別体となっている。このため、正極セパレータ６４及び負極セパレータ６６は、第１及び第２の蓋体６８，７０と異なり、充分に高い剛性は必要とされない。従って、正極セパレータ６４及び負極セパレータ６６の材料の選択の幅が広くなっている。

さらに、第１及び第２の蓋体６８，７０、並びに、セル体３６の中心軸方向の長さの和は、外環３８の中心軸方向の長さより小さくなっている。このため、第１及び第２の蓋体６８，７０、並びに、セル体３６を外環３８の内部に収容することが可能となっている。従って、外環３８の長さによって、燃料電池体２の大きさを管理することが可能となっている。

加えて、外環３８は円筒形状を有し、第１及び第２の蓋体６８，７０、並びに、セル体３６は円柱形状を有する。そして、燃料電池体２の組立工程の際には、外環３８、第１及び第２の蓋体６８，７０、並びに、セル体３６の各々の中心軸を所定の一軸上に配置するようになっている。従って、燃料電池５０の組立工程において各部材を方向合わせする必要がなくなっている。また、第１又は第２の蓋体６８，７０を外環３８に捻じ込む際の第１又は第２の蓋体６８，７０の回転の回転軸は、セル体３６の中心軸と一致している。このため、第１又は第２の蓋体６８，７０とセル体３６との間の摩擦により、セル体３６に連れ回りが発生しても影響がない。以上から、組立工程が簡単となっている。

本実施形態では、第１及び第２の蓋体６８，７０の両方を外環３８に対して移動可能な構成としたが、どちらか一方を外環３８と一体的に形成してもよい。また、セル体３６は円柱形状としたが、四角板形状等の他の形状でもかまわない。この場合には、外環３８の内面に、セル体３６の連れ回りを防止するための規制部材を設けるようにしてもよい。

本発明は、部品点数を削減することが可能な、セル体に所定の面圧を付与する燃料電池体を提供する。

本発明の第1実施形態の燃料電池体を示す断面図。 本発明の第1実施形態の正極セパレータ及び負極セパレータと外環との締め込み状態を示す断面図。 （Ａ）は、本発明の第1実施形態の正極セパレータを示す正面図、（Ｂ）は、同実施形態の負極セパレータを示す正面図。 本発明の第1実施形態の燃料電池体の組立工程における位置合わせを説明するための図。 本発明の第1実施形態の燃料電池体を、比較的薄い構造体を用いた状態で示す断面図。 本発明の第1実施形態の第1変形例の燃料電池体を示す断面図。 本発明の第1実施形態の第２変形例の燃料電池体を示す断面図。 本発明の第２実施形態の燃料電池を示す断面図。 本発明の第２実施形態の第1変形例の燃料電池を示す断面図。 本発明の第３実施形態の燃料電池体を示す断面図。 従来の燃料電池を示す断面図。 スタック容器及び蓋体を有する従来の燃料電池を示す断面図。

符号の説明

２…燃料電池体、４…構造体、６…正極セパレータ、１２ａ，１４，１２ｂ…酸化剤供給部、２０…負極セパレータ、２６，３０…燃料供給部、３８，４０，４２…押圧機構。

Claims (17)

1. 電解質体の一側方に正極を他側方に負極を設けた構造体と、
   前記構造体の正極側に配置され前記正極に酸化剤を供給する酸化剤供給部を有する正極セパレータと、
   前記構造体の負極側に配置され前記負極に燃料を供給する燃料供給部を有する負極セパレータと、
   前記正極セパレータと前記負極セパレータとを相対的に移動させて前記正極セパレータと前記負極セパレータとによって前記構造体を挟持させ押圧させる押圧機構と、
   を具備することを特徴とする燃料電池体。
2. 前記押圧機構は、前記構造体を収容し内周面に雌ねじが形成されている筒状部と、前記正極セパレータと前記負極セパレータとの少なくとも一方の外周面に形成され前記雌ねじに螺合する雄ねじとを有することを特徴とする請求項1の燃料電池体。
3. 前記正極セパレータと前記負極セパレータとの内の前記雄ねじが形成されている内の少なくとも１つの前記雄ねじの軸方向に垂直な任意の断面は、前記筒状部の内腔の軸方向に垂直な断面よりも小さいことを特徴とする請求項２の燃料電池体。
4. 前記雄ねじのねじ径が、前記雄ねじの軸方向に一様であることを特徴とする請求項３の燃料電池体。
5. 前記正極セパレータと前記負極セパレータとは前記雄ねじを有し、前記正極セパレータと前記負極セパレータとの前記雄ねじの軸方向に垂直な任意の断面は、前記筒状部の内腔の軸方向に垂直な断面よりも小さいことを特徴とする請求項３の燃料電池体。
6. 前記正極セパレータの前記雄ねじの軸方向の長さと、前記構造体の前記正極から前記負極へと向かう方向の長さと、前記負極セパレータの前記雄ねじの軸方向の長さとの和は、前記筒状部の軸方向の長さよりも小さいことを特徴とする請求項４の燃料電池体。
7. 前記正極セパレータと前記負極セパレータとの内の前記雄ねじが形成されているセパレータは、前記雄ねじの軸方向を対称軸とする回転対称形であることを特徴とする請求項２の燃料電池体。
8. 前記回転対称形は、前記対称軸を中心軸とする円柱形状であることを特徴とする請求項７の燃料電池体。
9. 前記構造体は、前記正極から前記負極へと向かう方向に平行な軸を対称軸とする回転対称形であることを特徴とする請求項２の燃料電池体。
10. 前記回転対称形は、前記対称軸を中心軸とする円柱形状であることを特徴とする請求項９の燃料電池体。
11. 電解質体の一側方に正極を他側方に負極を設けた構造体と、前記構造体の前記正極側に配置され前記正極に酸化剤を供給する酸化剤供給部を備える正極セパレータと、前記構造体の前記負極側に配置され前記負極に燃料を供給する燃料供給部を備える負極セパレータと、を有するセル体と、
    前記セル体を収容し内周面に雌ねじが形成されている筒状部と、
    前記雌ねじに螺合する雄ねじが外周面に形成され、前記雄ねじの軸方向に垂直な任意の断面は前記筒状部の内腔の軸方向に垂直な断面よりも小さく、前記正極セパレータと前記負極セパレータとの一方を押圧する第1の蓋体と、
    前記筒状部に設けられ、前記正極セパレータと前記負極セパレータとの他方を押圧し、前記第1の蓋体と共同して前記セル体を挟持して押圧する第２の蓋体と、
    を具備することを特徴とする燃料電池体。
12. 前記第２の蓋体は、前記雌ねじに螺合する雄ねじを有し、前記雄ねじの軸方向に垂直な任意の断面は前記筒状部の内腔の軸方向に垂直な断面よりも小さいことを特徴とする請求項１１の燃料電池体。
13. 前記第1の蓋体の前記雄ねじの軸方向の長さと、前記セル体の前記正極セパレータから前記負極セパレータへと向かう方向の長さと、前記第２の蓋体の前記雄ねじの軸方向の長さのとの和は、前記筒状部の軸方向の長さよりも小さいことを特徴とする請求項１２の燃料電池体。
14. 前記第１の蓋体は、前記雄ねじの軸方向を対称軸とする回転対称形であることを特徴とする請求項１１の燃料電池体。
15. 前記セル体は、前記正極から前記負極へと向かう方向に平行な軸を対称軸とする回転対称形であることを特徴とする請求項１１の燃料電池体。
16. 前記正極セパレータと前記負極セパレータとの前記一方と前記第1の蓋体とは一体的に形成されていることを特徴とする請求項１１の燃料電池体。
17. 前記正極セパレータと前記負極セパレータとの前記一方と前記第1の蓋体とは一体的に形成されており、前記正極セパレータと前記負極セパレータとの前記他方と前記第２の蓋体とは一体的に形成されていることを特徴とする請求項１２の燃料電池体。

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