JP2006019144A - 膜電極接合体の押圧機構を有する燃料電池及びこれを搭載した電子機器 - Google Patents

Abstract

【課題】 燃料電池において、発電素子である膜電極接合体（ＭＥＡ：Membrance Electrode Assembly）に付与される押圧力を最適化して、高効率発電を実現する燃料電池における膜電極接合体の押圧機構等を提供することを課題とする。
【解決手段】 液体燃料４０を消費して発電する膜電極接合体モジュール２０と、内部に充填した液体燃料４０を開口部３１から膜電極接合体モジュール２０に供給する燃料室３０と、を有する燃料電池１０Ａにおいて、膜電極接合体モジュール２０の上面に配置される押付部材６０と、この押付部材６０及び燃料室３０を固定する締結部材５３と、押圧力を膜電極接合体モジュール２０の厚み方向に発揮する弾性部材とを課題の解決手段として備えることを特徴とする。
【選択図】 図１

Description

本発明は、燃料電池に関し、特に、発電素子である膜電極接合体（ＭＥＡ：Membrance Electrode Assembly）に付与される押圧力が調節可能な押圧機構に関する。

近年、液体燃料であるメタノールを直接用いて発電するダイレクトメタノール型燃料電池（ＤＭＦＣ：Direct Methanol Fuel Cell）が、小型で高出力で長時間の連続使用が可能であるとして、携帯用の電子機器における電源としての利用に衆目が集まっている。

図１３は、従来の燃料電池を示す断面図であり、（ａ）は燃料電池全体の縦断面図を示し、（ｂ）は膜電極接合体の部分拡大断面図を示す。
従来の燃料電池６は、両面に集電板１１，１１が設けられた膜電極接合体４（カソード極１、電解質膜２、アノード極３の各層からなる）が、液体燃料（メタノール水溶液）の充填されている燃料室５に配置されている。そして、燃料室５の膜電極接合体４と接する一面には、複数の貫通孔１３が形成され、メタノール水溶液がこれらの貫通孔１３を通ってアノード極３に接触する。すると、電極反応により、アノード極３とカソード極１との間に電位差を発生させ、集電板１１を経由して外部負荷に対して電力が出力される（例えば、特許文献１参照）。

ここで、前記した膜電極接合体４と燃料室５とは、押付部材７と対面部材８との間に締結部材９を介して挟持されている。すなわち、膜電極接合体４は、その厚み方向に押圧力を押付部材７と対面部材８とから受けることにより燃料室５の一面に押し付けられて固定されている。
特開２００４−７９５０６号公報（段落００２２〜段落００４９、図１）

しかし、前記した従来の燃料電池６においては、次のような問題を抱えていた。すなわち、膜電極接合体４の一面に付与される押圧力と発電出力との関係において、この押圧力が高いことは、膜電極接合体４を構成する前記各層の界面の接触性を向上させ電気的な接触抵抗を低下させる作用が得られ、発電効率の向上に寄与することになる。しかし、押圧力が高いことは、膜電極接合体４を構成する触媒層（カソード極１、アノード極３）の空隙もつぶされることとなり、電極反応生成物（二酸化炭素、水）等の円滑な移動を妨げる作用を与え電極反応が抑制され発電効率の低下を招く。

このため、高効率の発電を実現させるためには、前記した二つの作用が均衡する適切な押圧力が膜電極接合体４に付与されることが望ましい。
ところで、従来の燃料電池６では、膜電極接合体４に付与される押圧力を所定の値にあわせこむことは、その構造上、極めて困難であった。

また、適切な押圧力が膜電極接合体４の各部位に均一に付与されていることも、高効率な発電を得る上で重要なことである。しかし、図１３に示す構成では、膜電極接合体４に接触する部分（押付部材７、燃料室３の一面等）が撓んでしまうと、均一な押圧力が付与されないこともある。
本発明は、係る問題を解決することを目的とし、発電素子である膜電極接合体に付与する押圧力を適切なものとし、かつ、押圧力を膜電圧接合体の全面に亘って均一に付与することができる、膜電極接合体の押圧機構を有する燃料電池及び電子機器を提供することを課題とするものである。

本発明は、前記した課題を解決するために創案されたものであり、請求の範囲に記載された発明では、燃料室に配置されている弾性部材が、その手段の要部となる。この手段により、弾性部材のバネ定数または変位量が、適宜、適切なものに交換されれば、膜電極接合体に付与される押圧力を高効率発電が可能な最適値に調節することができる。また、配置される弾性部材を複数とすることにより、押圧力が膜電極接合体の全面に亘って均一に付与されることになる。

本発明によれば、発電素子である膜電圧接合体に付与する押圧力を適切なものとし、かつ、押圧力を膜電圧接合体に均一に付与することができる。

以下、本発明の実施形態について図面を参照しつつ説明する。
（第1実施形態）
図１を参照して本発明における第1実施形態について説明する。ここで図１の（ａ）は燃料電池の縦断面図を示し、（ｂ）は同上面図を示す。
図１に示すように、燃料電池１０Ａは、概略、液体燃料４０を消費して発電する膜電極接合体モジュール２０と、液体燃料４０を膜電極接合体モジュール２０に供給する燃料室３０と、膜電極接合体モジュール２０に押圧力を付与する部材（対面部材５２、締結部材５３、押付部材６０及びコイルバネ（弾性部材）５４ａ）とから構成されている。

膜電極接合体モジュール２０は、図２に示すように、膜電極接合体２１の両面を二枚の集電板（アノード集電板２４ａ、カソード集電板２４ｃ）で挟んで構成されている。
ここで、膜電極接合体（ＭＥＡ：Membrane electrode assembly）２１は、電解質膜２２をアノード極２３ａとカソード極２３ｃとで挟んで構成されている。
そして、アノード極２３ａの反対面には、アノード集電板２４ａが配置されており、このアノード集電板２４ａの面上に複数設けられた燃料孔２６ａからは、アノード極２３ａが露出している。
一方、カソード極２３ｃの反対面には、カソード集電板２４ｃが配置されており、このカソード集電板２４ｃの面上に複数設けられた酸素孔２６ｃからは、カソード極２３ｃが露出している。なお、これら複数の燃料孔２６ａ及び酸素孔２６ｃは、図２に示すように、電解質膜２２を挟んで、それぞれが対峙する位置に設けられていることが望ましい。

ここで、燃料電池１０Ａが、ダイレクトメタノール型燃料電池（ＤＭＦＣ：Direct Methanol Fuel Cell）の場合、発電を行う膜電極接合体モジュール２０の各構成要素は、以下に示すような、機能を発揮するものである。
まず、アノード極２３ａは、接触するメタノール（液体燃料４０）を酸化させて水素イオンと電子とを発生させるものであって、ルテニウム及び白金の合金微粒子からなる触媒と、この触媒を担持する炭素粉末との混合物からなる。そして、この発生した電子は、アノード集電板２４aに移って、図示しない引出線を経由して外部に伝達される。

そして、電解質膜２２は、アノード極２３ａにおいて発生した水素イオンを反対面のカソード極２３ｃへ透過させるが、電子は透過させない機能を有するものである。電解質膜２２は、例えば、ポリパーフルオロスルホン酸樹脂から構成され、具体的には、ナフィオン（商標）、アシプレックス（商標）等が挙げられる。

また、カソード極２３ｃは、電解質膜２２を透過した水素イオンを用いて接触する酸素を還元させる機能を有するものであって、白金の微粒子からなる触媒と、この触媒を担持する炭素粉末との混合物からなる。そして、この還元に必要とされる電子は、カソード集電板２４ｃから図示しない引出線を通じて外部から調達されるものである。

以上示した、膜電極接合体２１における電極反応における反応式をまとめると次式のように示され、アノード極２３ａにおいて副生成ガスとして二酸化炭素が、カソード極２３ｃにおいて副生成物として水が発生する。
アノード極２３ａ：ＣＨ₃ＯＨ＋Ｈ₂Ｏ→ＣＯ₂＋６Ｈ⁺＋６ｅ^- …（１）
カソード極２３ｃ：Ｏ₂＋４Ｈ⁺＋４ｅ^-→２Ｈ₂Ｏ …（２）
全反応 ：ＣＨ₃ＯＨ＋３／２Ｏ₂→ＣＯ₂＋２Ｈ₂Ｏ …（３）

コイルバネ５４ａ（図１参照）は、基端部が燃料室３０の内側底面に当接し、先端部が、アノード集電板２４ａを経由して膜電極接合体モジュール２０の厚み方向に押圧力を作用させる弾性部材である。この押圧力が膜電極接合体モジュール２０（図２参照）に作用することにより、アノード極２３a及びカソード極２３ｃがそれぞれアノード集電板２４a及びカソード集電板２４ｃに接する界面における凹凸が潰され接触面積が増大して電気的な接触抵抗を低下させる作用が得られる。しかし、この押圧力が適正値を超えて大きくなると、アノード極２３ａやカソード極２３ｃにおいて、触媒を担持する炭素粉末が形成している空隙が押し潰されてしまい、その空隙を通過して排出される副生成ガス（二酸化炭素）や副生成物（水）の円滑な移動を妨げ発電効率の低下を招く。

従って、コイルバネ（弾性部材）５４は、最大の発電効率が発揮され得る押圧力が膜電極接合体モジュール２０に付与されるように、そのバネ定数ならびに変位量が適宜設定されるものである。なお、図１（ａ）において、コイルバネ５４ａは、一つのみ記載されているが、膜電極接合体モジュール２０の一面全体に均一に押圧力が付与されるように、複数のコイルバネが、この一面に当接するように構成されていてもよい。
ちなみに、図１の場合は、四隅を締結部材５３で締め付けていることから、この四隅での押圧力が強く中央部での押圧力が弱い。このため中央部に配したコイルバネ５４ａにより膜電極接合体モジュール２０の中央部を押圧して押圧力の均一化を図っている。
なお、図３に示すように、弾性部材として、コイルバネ５４ａに替わり、板バネ５４ｂを燃料室３０の内部に配置して用いてもよい。この場合は、締結部材５３での押圧力が不足する部分を強く押圧できるように角板バネのバネ力が調節されているものとする。

次に、燃料室３０は、その内部空間に、液体燃料４０が充填され、膜電極接合体モジュール２０に、この液体燃料４０を供給する役目を果たす。なお、図１において省略されているが、燃料室３０には、液体燃料４０を外部から内部に注入するための燃料注入孔（図６、符号３３）が設けられていることとする。また、発電により消費された液体燃料４０を注ぎ足すための他の方式として、図示しない予備タンクを設け、所定の圧力で液体燃料４０を圧入し続ける方式や、液体燃料４０を強制循環させる方式などが考えられる。

また、燃料室３０の任意の位置には、アノード極２３ａで発生して内部に蓄積した副生成ガス（二酸化炭素）を排出するための排気孔（図示せず）も適宜設けられていることとする。さらに、燃料室３０の液体燃料４０に対する密閉性は確保しつつ、二酸化炭素のみを外部に排出することを可能にするために、この排気孔（図示せず）には、二酸化炭素を透過するが、液体燃料４０を透過させない性質を具備する多孔質膜（図示せず）が設けられていることとする。

燃料室３０の一面には複数の燃料孔２６ａが占める領域に相当する大きさの開口部３１が形成され、この開口部３１から複数の燃料孔２６ａが露出するように膜電極接合体モジュール２０が配置されている。
なお、燃料室３０が、金属等の電気良導体で形成されていれば、この燃料室３０とアノード集電板２４ａとの界面には絶縁膜（図示せず）を設ける必要がある。これは、アノード極２３ａで生成した電子が燃料室３０を経由して逃げてしまうことを防ぐためである。

押付部材６０は、膜電極接合体モジュール２０のカソード集電板２４ｃ側に配置され、押付部材６０には、複数の酸素孔２６ｃ、２６ｃ…に連通し、大気中の酸素を給気して膜電極接合体モジュール２０に取込む複数の給排孔６１，６１…が設けられている。この押付部材６０は、対面部材５２と共に、貫通する複数のボルト５３ａ、５３ａ（図では２個）とナット５３ｂ，５３ｂとの締結力により、押付部材６０と燃料室３０とを狭持し、さらに膜電極接合体モジュール２０を燃料室３０の開口部３１に押し付けて固定する作用を有する。
なお、押付部材６０が、金属等の電気良導体で形成されていれば、この押付部材６０とカソード集電板２４ｃとの界面には絶縁膜（図示せず）を設ける必要がある。これは、カソード集電板２４ｃに移動してきた水素イオンが外部からきた電子により中和されてしまうことを防ぐためである。

また、酸素孔２６ｃや給排孔６１の開口形状は、図１に示すように円形形状を示す場合もあるが、図４（ａ）に示すように膜電極接合体モジュール２０に設けられた酸素孔２６ｃの開口形状（水平断面）が、短辺と長辺との比が２以上の略矩形状を示す場合もある。そして図４（ｂ）に示すように、押付部材６０に、酸素孔２６ｃと連通して形成される給排孔６１，６１…も同様に、水平断面が短辺と長辺との比が２以上の略矩形状を示す。また、縦断面形状は、酸素孔２６ｃに接する内側よりも大気に接する外側のほうか開口面積が大きくなるように形成されている。具体的には、図４（ｂ）の縦断面図に示すように、給排孔６１ａの内壁に段差を有する場合や、図５の縦断面図に示すように、給排孔６１ｂの内壁に斜辺を有する場合が考えられる。なお、給排孔６１及びこれに連通する酸素孔２６ｃの開口形状は、図示されるような矩形状に限定されることなく、長手方向とこの長手方向に直交する方向との比が２以上であればよく、例えば、楕円形状等をとる場合もあり得る。

さらに、給排孔６１，６１…の表面には、公知の方法により撥水処理が施されていることとする。これにより、発電に伴い発生した水が給排孔６１，６１…から容易に除去することが可能になる。これにより、燃料電池の動作時間が長時間連続しても、給排孔６１に水が溜まって酸素の給気不良が生じないので、発電効率が時間経過とともに低下することがない。

本実施形態によれば、発電素子である膜電極接合体２１に付与される押圧力を、弾性部材（コイルバネ５４ａ，板バネ５４ｂ）の適切な選択により調節可能となる。しかも、押圧部材６０が締結部材の締め付けにより撓んだとしても（つまり、膜電極接合体モジュール２０の中央部における押圧力が低下しても）、中央部に配した弾性部材により押圧力が補われ膜電極接合体２１の全面に均一に付与される。これにより、高効率な発電を発揮し得る燃料電池１０Ａが提供される。
なお、第１実施形態においても、後記する間隔規定部材が配置される構成もとりうる。

（第２実施形態）
次に、図６を参照して本発明における第２実施形態について説明する。
図６に示すように、本実施形態に係る燃料電池１０Ｂは、複数の膜電極接合体モジュール２０Ｂ、２０Ｂ…が、相互に電気的に直列または並列に連結して、燃料室３０Ｂの一面に平面状に配列してなることを特徴とする。

図７（ａ）は本実施形態に係る膜電極接合体モジュール２０Ｂ，２０Ｂ…の配置を示す上面図である。図７（ａ）に示すように、隣接する膜電極接合体モジュール２０Ｂとの境界部に挿入されるボルト（締結部材５３）の挿入孔５３ａに近接する部分において、切欠２８が形成されている。これにより、複数の膜電極接合体モジュール２０Ｂ，２０Ｂ…の間隔を詰めて配置することが可能になる。ここで、図７（ｂ）の比較例と比較して明らかなように、本実施形態においては、燃料電池の一面に対する、膜電極接合体モジュール２０Ｂの実装密度を向上させることが可能になる。

なお、図６，図７に示される、複数の膜電極接合体モジュール２０Ｂ，２０Ｂ…は、電気的に直列に連結される場合も並列に連結される場合もあり得る。直列接続の場合、隣接する膜電極接合体モジュール２０Ｂのアノード集電板２４ａ（図２参照）及びカソード集電板２４ｃ同士が接続されて、直線的に連結されることとなる。そして、始端及び終端に位置する膜電極接合体モジュール２０Ｂには、発電された電力を外部に出力する引出線（図示せず）が設けられる。
なお、複数の膜電極接合体モジュール２０Ｂ，２０Ｂ…が、並列に連結される場合は、複数の膜電極接合体モジュール２０Ｂのアノード集電板２４ａ同士、及びカソード集電板２４ｃ同士が接続されることになる。

図６に戻って説明を続ける。
また、第２実施形態における燃料室３０Ｂは、側壁を形成するセル体３４と、底面を形成する底蓋３２とから形成されている。さらに、セル体３４の上面には、セル仕切３５により仕切られて形成されるセル空間３７，３７…の開口部から複数の燃料孔２６ａ（図２参照）が露出するように、膜電極接合体モジュール２０Ｂ，２０Ｂ…が配置されている。そして、連通孔３６が、セル仕切３５に貫通して設けられ、すべてのセル空間３７，３７…に液体燃料（メタノール）が行き渡るようになっている。

そして、燃料電池１０Ｂは、押付部材６０Ｂ、膜電極接合体モジュール２０Ｂ，２０Ｂ…、セル体３４、底蓋３２、対面部材５２Ｂの順番で積層され、複数のボルト（締結部材５３，５３…）が貫通して締結されている。

これらのボルト（締結部材５３）は、複数の膜電極接合体モジュール２０Ｂ，２０Ｂ…の境界に位置するセル仕切３５，３５…に挿入されている。このように、締結部材５３により、各膜電極接合体モジュール２０の周囲を対称的に押えつけることは、各膜電極接合体モジュール２０Ｂ，２０Ｂに均一な面圧が付与されるうえで重要である。このように、面圧が均一であることは、各膜電極接合体２１（図２参照）と集電板２４ａ，２４ｃとの電気的な接触抵抗を低減させたり、セル体３４の上面と膜電極接合体モジュール２０Ｂとの接触を良好にして界面から液体燃料が漏洩するのを抑制させたりする効果が期待される。

また、板バネ（弾性部材）５４ｂ，５４ｂ…が、それぞれのセル空間３７，３７…に配置され、基端部が底蓋３２の内側面に当接し、先端部が膜電極接合体モジュール２０Ｂ，２０Ｂ…を当接して面全体に均一な押圧力を付与している。ちなみに、図６の構成において、締結部材５３で、押付部材６０Ｂを締め付けると、この押付部材６０Ｂが撓んで第1実施形態のような押圧力の差が生じるが、板バネ５４ｂ，５４ｂ…により押圧力は均一化されるとともに調整される。

なお、本実施形態に係る燃料電池が、直接メタノール型燃料電池であるとすると、セル空間３７内で発生する副生成ガス（二酸化炭素）を排気するための手段が必須の構成要素である。ここでは、詳述を避けるが、この副生成ガスの排気手段としては、液体燃料を強制循環させることにより外部に排気させる方法や、液体燃料は通過しないが副生成ガスのみ通過し得る特殊な膜から形成される窓を燃料室に設けたりしてもよい。

図８は、第２実施形態に係る押圧機構を有する燃料電池１０Ｂを装着可能な携帯端末Ｐ（電子機器）を示す斜視図である。膜電極接合体モジュール２０Ｂ（図６参照）の複数を平面状に隙間なく配列することにより、燃料電池の高出力化・薄型化を図ることができる。これにより、軽量・コンパクトであることが要求され、かつ、消費電力が大きく、長時間の連続使用が求められる携帯端末Ｐにとって、燃料電池１０Ｂは最適の電源となり得る。ここで、本発明に係る電子機器とは、図示される携帯端末Ｐ（例えば、携帯電話、ＰＤＡ、ノート型パソコン）をはじめとして、ゲーム機器等のような屋外で使用可能な電子機器を広く含める概念である。

このように、第２実施形態では、膜電極接合体２１に付与される押圧力が適切に調整可能な膜電極接合体モジュール２０の複数が隙間なく配置されて燃料電池１０Ｂが構成される。これにより、高効率でかつ高出力な発電を維持しつつ燃料電池の全体の小型化も達成される。もって、消費電力の大きな電子機器であっても長時間の使用を可能にする。

（第３実施形態）
次に、図９を参照して本発明における第３実施形態について説明する。
図９（ａ）に示す燃料電池１０Ｃと、第1実施形態の燃料電池１０Ａとを比較しての相違点は、まず第1に、燃料室３０Ｃの一面に複数の貫通孔３８，３８…が、複数の燃料孔２６ａ，２６ａにそれぞれ対応して連通するように形成されていること、第２に、コイルバネ（弾性部材）５４ｃの基端部が押付部材６０に当接し、他端部がカソード集電板２４ｃを当接して、押圧力を膜電極接合体モジュール２０の厚み方向に付与していることである。また、必要に応じて、間隔規定部材５７ａが設けられている。その他、第３実施形態の燃料電池１０Ｃに関し、第1実施形態の燃料電池１０Ａの場合に対応する要素部品に関しては、同一の符号を付して重複する説明を省略することとする。

第３実施形態に係る燃料電池１０Ｃによれば、締結部材（ボルトとナット）の締込量を変化させることにより、適宜、押付部材６０及び燃料室３０Ｃの間隔を変化させることができる。この間隔の変化に応じて、コイルバネ（弾性部材）５４ｃも変位し、膜電極接合体モジュール２０に付与される押圧力を調節（均一化等）することができる。

間隔規定部材５７ａは、その両端がそれぞれ押付部材６０及び燃料室３０Ｃの一部（図中、対面部材５２も含む）に当接し、前記間隔を規定するものである。この間隔規定部材５７ａが存在することにより、燃料電池１０Ｃの組み立ての際、特殊な治具を必要とすることなく、押付部材６０及び燃料室３０Ｃの間隔を一定にさせることができ、もって、膜電極接合体モジュール２０に付与される押圧力が過度なものとならないようにすることができる。

また、図９（ａ）において間隔規定部材５７ａは、ボルト（締結部材５３）に貫通するようにして構成されているが、このような形態にとらわれることなく、例えば、図９（ｂ）に示すように、間隔規定部材５７ｂが、押付部材６０または燃料室３０ｃのいずれか一方（図では、押付部材６０）に固定され、その先端が他方（図では、燃料室３０ｃ）に当接するように設けられていてもよい。また、図９（ｃ）に示すように間隔規定部材５７ｃは、二つに分割され、一方が押付部材６０の一部として一体化して形成され、他方が燃料室３０ｃの一部として一体化して形成されていてもよい。そして、ナット（締結部材５３）を締めこむと、分割して一体化された間隔規定部材５７ｃの先端が互いに当接して押付部材６０及び燃料室３０ｃの間隔を規定する。

図９（ｂ）から図９（ｅ）は、第３実施形態に係る燃料電池の他の類型を示す概念図である。図９（ｂ）に示す燃料電池１０Ｄでは、両端が固定され、中央部が凸状になるようにアーチ状に撓んだ板バネ（弾性部材）５４ｄが、その中央凸部を押付部材６０またはカソード集電板２４ｃ（図では押付部材６０）に接するように配置されている。この場合、膜電極接合体モジュール２０の中央部の押圧力が不足する場合は、板バネ５４ｄの向きを逆にすればよい。
図９（ｃ）に示す燃料電池１０Ｅでは、多孔質のクッション部材５４ｅが弾性部材として採用された例を示すものであって、クッション部材５４ｅの両面が全面に亘って接触しているので、膜電極接合体モジュール２０の全面に均一な押圧力が付与されることになる。
また、図９（ｄ）に示す燃料電池１０Ｆでは、燃料室３０Ｃの内部にさらに、支持柱４１が設けられたものである。この支持柱４１は、弾性部材５４ｃの押圧力を受けた燃料室３０ｃの一面の歪変形を防止する目的で、その一端が燃料室３０ｃの内部の側から一面に当接し、つっかえ棒のようにして、弾性部材５４ｃからの押圧力を受けるものである。特に、燃料室３０が撓みやすく膜電極接合体モジュール２０の中央部の押圧力が不足する場合は効果的である。

そして、図９（ｅ）に示す燃料電池１０Ｇでは、燃料室３０Ｅの一面を構成する主面板３３と、液体燃料が満たされる胴体部３４とが別個に構成される。主面板３３は、燃料室３０Ｅの一面のうち、複数の貫通孔３８が形成されている部分が独立し、前記支持柱４１に対応する脚部３９と一体化して形成され、さらに胴体部３４より弾性率の高い材質よりなるものである。このような、構成をとることにより、燃料室３０Ｅの膜電極接合体モジュール２０と接する一面の肉厚を薄くすることができ、燃料電池１０Ｇの全体の高さをさらに低くすることができる。

このように、第３実施形態でも、発電素子である膜電極接合体２１に付与される押圧力は、弾性部材（コイルバネ５４ｃ，板バネ５４ｄ，クッション材５４ｅ）により適切なものに調節可能であり、しかも、膜電極接合体モジュール２０が接する燃料室３０Ｃの一面が撓んだとしても、付与される押圧力は均一化されている。また、この第３実施形態では、押圧力が過度のものになったり、燃料室３０Ｃ，３０Ｅの一面が撓んで付与される押圧力が不均一になったりすることを防止することができる。

（第４実施形態）
図１０から図１２を参照して本発明の第４実施形態について説明する。各図面において、（ａ）は上面図、（ｂ）はＸ−Ｘ縦断面図を示す。
図１０において、押圧板６２Ａは、カソード集電板２４ｃに密接する形状を有し、複数の給排孔６１，６１…が、複数の酸素孔２６ｃ，２６ｃ…にそれぞれ対応して連通するように形成されている。そして、この押圧板６２Ａが貫通するように押付部材６０Ａには開穴部６３が設けられている。さらに、板バネ（弾性部材）５４ｆが、その基端部が開穴部６３の周縁（図では締結部材５３の近傍の角部）に固定され、先端部が押圧板６２Ａの周縁（図では角部）に固定されている。このようにして、押圧板６２Ａは、押付部材６０Ａに対して、膜電極接合体モジュール２０の厚み方向に弾性変位が可能な状態で支持されている。この弾性変位により生じた弾性力が、膜電極接合体モジュール２０の膜厚方向に押圧力として付与される。

ところで、レーザー装置で歪分布計測により付与される押圧力の分布を解析したところ、図１３に記載したものと比較して図１０で示される第４実施形態では、押圧力の分布が明らかに均一化されていることが認められた。

図１１は、第４実施形態に係る燃料電池の他の実施形態を示す図であって、押圧板６２Ｂは、図示するように、一枚の板部材から、梁部（弾性部材）５４ｇを除いてくり貫かれた溝部６４によって、押付部材６０Ｂと分離している。そして、この梁部５４ｇが弾性部材となり、押圧板６２Ｂは、押付部材６０Ｂに対して、膜電極接合体モジュール２０の厚み方向に弾性変位が可能な状態で支持されることになる。この場合も、図１３の場合と比較して押圧力の均一化が認められた。

図１２は、第４実施形態に係る燃料電池の他の実施形態を示す図であって、押圧板６２Ｃは、カソード集電板２４ｃに密接する形状を有し、複数の給排孔６１，６１…が、複数の酸素孔２６ｃにそれぞれ対応して連通するように形成されている。そして、弾性部材５４ｈは、押圧板６２Ｃの周縁（図では角部）から一体的に形成され、終端部がボルトとナット（締結部材５３）により固定されている。この終端部は、押付部材６０Ｃに対応するものであって、この押付部材６０Ｃを締結部材５３により締めこむことにより、弾性部材５４ｈが撓んで、押圧力が発生する。この場合も、図１３の場合と比較して発生する押圧力の均一化が認められた。
なお、第４実施形態においても、前記した間隔規定部材が配置される構成もとりうる。

このように、第４実施形態でも、発電素子に付与される押圧力を適切にすることが可能となる。特に、第４実施形態では、締結部材の締め込みにより、膜電極接合体モジュール２０に接する部材が撓むことが回避されるので、付与される押圧力が不均一化することがない。
なお、本発明の説明は、主にダイレクトメタノール型燃料電池（ＤＭＦＣ）を例示して行われたが、燃料電池の発電方式は、このＤＭＦＣ方式に限定されることなく適用することが可能である。特に、液体燃料に限らず気体の燃料であっても、また、燃料電池が小型であると大型であるとにかかわらず、技術思想を逸脱しない範囲で本発明を適用することが可能である。

本発明の第１実施形態に係る燃料電池の基本構成を示す（ａ）縦断面図、（ｂ）上面図である。 本発明の構成要素の膜電極接合体モジュールの分解斜視図及び全体斜視図である。 本発明の構成要素の板バネ(弾性部材)の斜視図である。 本発明の構成要素の（ａ）膜電極接合体モジュールの上面図、（ｂ）押付部材の上面図及び縦断面図である。 本発明の構成要素である押付部材の上面図及び縦断面図である。 本発明の第２実施形態に係る燃料電池の分解斜視図である。 （ａ）第２実施形態で用いる膜電極接合体モジュールの上面図である。（ｂ）比較例である。 本発明に係る電子機器の全体斜視図である。 （ａ）から（ｅ）は、本発明の第３実施形態に係る燃料電池の類型をそれぞれ示す縦断面図である。 本発明の第２実施形態に係る燃料電池の（ａ）上面図、（ｂ）Ｘ−Ｘ縦断面図である。 本発明の第２実施形態に係る燃料電池の（ａ）上面図、（ｂ）Ｘ−Ｘ縦断面図である。 本発明の第２実施形態に係る燃料電池の（ａ）上面図、（ｂ）Ｘ−Ｘ縦断面図である。 従来例の燃料電池を示す（ａ）全体縦断面図、（ｂ）部分拡大図である。

符号の説明

１０Ａ，１０Ｂ，１０Ｃ，１０Ｄ，１０Ｅ，１０Ｆ，１０Ｇ 燃料電池
２０，２０Ｂ 膜電極接合体モジュール
２１ 膜電極接合体
２２ 電解質膜
２３，２３ａ アノード極
２３ｃ カソード極
２４ａ アノード集電板
２４ｃ カソード集電板
２８ 切欠
３０，３０Ｂ，３０Ｃ，３０Ｅ 燃料室
３１ 開口部
３５ セル仕切
４０ 液体燃料
４１ 支持柱
５３ 締結部材
５４ａ，５４ｃ コイルバネ（弾性部材）
５４ｂ，５４ｈ 板バネ（弾性部材）
５４ｅ クッション部材（弾性部材）
５４ｇ 梁部（弾性部材）
５７ａ，５７ｂ，５７ｃ 間隔規定部材
６０，６０Ａ，６０Ｂ，６０Ｃ 押付部材
６１（６１ａ，６１ｂ） 給排孔
６２Ａ，６２Ｂ，６２Ｃ 押圧板
Ｐ 携帯端末（電子機器）

Claims (16)

1. アノード極において燃料を酸化させ、カソード極において酸素を還元させて発電する膜電極接合体と、
   この膜電極接合体の前記アノード極の側に設けられ、前記酸化により発生した電子を伝達するアノード集電板と、
   前記膜電極接合体の前記カソード極の側に設けられ、前記還元に用いる電子を調達するカソード集電板と、からなる膜電極接合体モジュールと、
   この膜電極接合体モジュールの前記アノード集電板の側に設けられ、前記膜電極接合体に対し、内部空間に存在する前記燃料を供給する燃料室と、を有する燃料電池において、
   前記燃料室に設けられ、前記アノード集電板に当接して前記膜電極接合体に押圧力を付与する弾性部材と、
   締結部材と協働して、前記膜電極接合体モジュールを前記燃料室に押し付ける押付部材と、を備えること特徴とする膜電極接合体の押圧機構を有する燃料電池。
2. アノード極において燃料を酸化させ、カソード極において酸素を還元させて発電する膜電極接合体と、
   この膜電極接合体の前記アノード極の側に設けられ、前記酸化により発生した電子を伝達するアノード集電板と、
   前記膜電極接合体の前記カソード極の側に設けられ、前記還元に用いる電子を調達するカソード集電板と、からなる膜電極接合体モジュールと、
   この膜電極接合体モジュールの前記アノード集電板の側に設けられ、前記膜電極接合体に対し、内部空間に存在する前記燃料を供給する燃料室と、を有する燃料電池において、
   前記カソード集電板に当接して前記膜電極接合体に押圧力を付与する弾性部材と、
   この弾性部材が付与する前記押圧力の反力を受け、締結部材により前記燃料室に対して固定される押付部材と、を備えること特徴とする膜電極接合体の押圧機構を有する燃料電池。
3. 前記弾性部材は、コイルバネであることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の膜電極接合体の押圧機構を有する燃料電池。
4. 前記弾性部材は、板バネであることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の膜電極接合体の押圧機構を有する燃料電池。
5. 前記弾性部材は、多孔質のクッション部材であることを特徴とする請求項２に記載の膜電極接合体の押圧機構を有する燃料電池。
6. アノード極において燃料を酸化させ、カソード極において酸素を還元させて発電する膜電極接合体と、
   この膜電極接合体の前記アノード極の側に設けられ、前記酸化により発生した電子を伝達するアノード集電板と、
   前記膜電極接合体の前記カソード極の側に設けられ、前記還元に用いる電子を調達するカソード集電板と、からなる膜電極接合体モジュールと、
   この膜電極接合体モジュールの前記アノード集電板の側に設けられ、前記膜電極接合体に対し、内部空間に存在する前記燃料を供給する燃料室と、を有する燃料電池において、
   前記カソード集電板に密接して設けられる押圧板と、
   この押圧板の周縁に一端が固定され、前記膜電極接合体の膜厚方向に押圧力を付与する弾性部材と、
   この弾性部材の他端が固定され、締結部材により前記燃料室に対して固定される押付部材と、を備えること特徴とする膜電極接合体の押圧機構を有する燃料電池。
7. 両端がそれぞれ前記押付部材及び前記燃料室の一部に当接し、両者の間隔を規定する間隔規定部材が設けられていることを特徴とする請求項１から請求項６のいずれか１項に記載の膜電極接合体の押圧機構を有する燃料電池。
8. 前記間隔規定部材は、分割され、前記当接する部分においてそれぞれ前記押付部材及び前記燃料室に一体化していることを特徴とする請求項７に記載の膜電極接合体の押圧機構を有する燃料電池。
9. 前記燃料室の前記内部空間には、
   前記弾性部材が付与する前記押圧力を受ける支持柱が設けられていることを特徴とする請求項２に記載の膜電極接合体の押圧機構を有する燃料電池。
10. 前記燃料室は、
    前記膜電極接合体モジュールと接触する部分が、他の部分と分離してより弾性率の高い材質からなり、さらに前記支持柱と一体化して形成されていることを特徴とする請求項９に記載の膜電極接合体の押圧機構を有する燃料電池。
11. 前記押付部材には、前記酸素が給気され、かつ、前記還元に伴い発生した水を排出する給排孔が設けられ、この給排孔の表面には、撥水処理が行われていることを特徴とする請求項１に記載の膜電極接合体の押圧機構を有する燃料電池。
12. 前記押付部材には、前記酸素が給気され、かつ、前記還元に伴い発生した水を排出する給排孔が設けられ、この給排孔の表面には、撥水処理が行われていることを特徴とする請求項６に記載の膜電極接合体の押圧機構を有する燃料電池。
13. 前記給排孔は、水平断面の長手方向と長手方向に直交する方向との比が２以上であることを特徴とする請求項１１または請求項１２に記載の膜電極接合体の押圧機構を有する燃料電池。
14. 前記給排孔は、前記膜電極接合体モジュールに接する内側よりも大気に接する外側のほうか開口面積が大きくなるように形成されていることを特徴とする請求項１１から請求項１３のいずれか1項に記載の膜電極接合体の押圧機構を有する燃料電池。
15. 複数の前記膜電極接合体モジュールが、相互に電気的に並列または直列に連結して、前記燃料室の面に平面状に配列され、
    前記膜電極接合体モジュールには、隣接する前記膜電極接合体モジュールとの境界部に挿入される前記締結部材に近接する部分において、切欠きが形成されていることを特徴とする請求項１から請求項１４のいずれか１項に記載の膜電極接合体の押圧機構を有する燃料電池。
16. 請求項１から請求項１５のいずれか１項に記載の膜電極接合体の押圧機構を有する燃料電池を搭載していることを特徴とする電子機器。

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