JP2006294366A - 燃料電池装置 - Google Patents

Abstract

【課題】燃料電池装置を小型化、軽量化し、単位体積あたりの発電効率を向上させる。
【解決手段】筐体１１０の内空にセルスタック１０を収納し、筐体１１０の内壁面に設けた押付部材１１７〜１１９と、筐体の押付部材が設けられた内壁面の対向面との間にセルスタック１０を配し、さらに押付部材１１７〜１１９によりセルスタック１０を対向面に向かって押し付けることでセルスタック１０を固定する燃料電池装置１００である。セルスタック１０の外周部に締結用のボルトを設ける空間が不要となり、燃料電池装置１００を小型化、軽量化し、単位体積あたりの発電効率を向上させることができる。
【選択図】図３

Description

本発明は、燃料電池装置に関する。

近年では、高いエネルギー利用効率を実現できる燃料電池についての研究・開発が盛んにおこなわれている。燃料電池は、アノードガス中の水素ガスと空気中の酸素ガスとを電気化学的に反応させて化学エネルギーから電気エネルギーを直接取り出すものであり、将来性に富む有望な電池であると位置付けられている。

従来の燃料電池は膜電極接合体とセパレータとを交互に積層することでスタック化されており、二つのセパレータとその間に挟持された膜電極接合体とにより構成される燃料電池セルが直列に接続されている。膜電極接合体は固体高分子電解質膜の両面にガス拡散層を積層するとともに、ガス拡散層を囲繞するように枠状のガスケットが設けられたものである。セパレータは両面に流路を形成したものであり、セパレータの一方の面に形成された流路にはアノードガスが流れ、他方の面に形成された流路にはカソードガスが流れる。

膜電極接合体及びセパレータを交互に積層した状態を保持するために、従来は、膜電極接合体及びセパレータの外周部にボルト挿入穴を設け、両端部のエンドプレートを締め付けボルトで締め付けて固定していた（例えば特許文献１参照）。
特開２００２−３５８９９３号公報

しかし、ボルト挿入穴を外周部に設けると、膜電極接合体及びセパレータが大きくなるため、発電装置が重くなる、小型化が困難になる、単位体積あたりの発電効率が低下する等の問題があった。

本発明の課題は、小型化、軽量化し、単位体積あたりの発電効率を向上させることができる燃料電池容器及び燃料電池装置を提供することである。

以上の課題を解決するため、請求項１に記載の発明は、筐体の内空にセルスタックを収納し、前記筐体の内壁面に押付部材を設け、前記押付部材と前記筐体の前記押付部材が設けられた内壁面の対向面との間に前記セルスタックを配し、さらに前記押付部材により前記セルスタックを前記対向面に向かって押し付けることを特徴とする燃料電池装置である。

請求項１に記載の発明によれば、筐体の内空にセルスタックを収納し、筐体の内壁面に設けた押付部材と、筐体の押付部材が設けられた内壁面の対向面との間にセルスタックを配し、さらに押付部材によりセルスタックを対向面に向かって押し付けることでセルスタックを固定するため、セルスタックの外周部に締結用のボルトを設ける空間が不要となり、燃料電池装置を小型化、軽量化し、単位体積あたりの発電効率を向上させることができる。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の燃料電池装置において、前記押付部材は弾性材の弾性力により前記セルスタックを前記対向面に向かって押し付けることを特徴とする。

請求項３に記載の発明は、壁面を貫通するネジ孔が設けられた筐体の内空にセルスタックを収納し、前記ネジ孔には押付ネジが螺合し、前記押付ネジは先端を前記筐体の内壁面よりも内側に突出させることで前記セルスタックを前記ネジ孔が設けられた壁面の対向面に向かって押し付けることを特徴とする燃料電池装置である。

請求項３に記載の発明によれば、壁面を貫通するネジ孔が設けられた筐体の内空にセルスタックを収納し、ネジ孔に螺合した押付ネジを前記筐体の内壁面よりも内側に突出させることで前記セルスタックを前記ネジ孔が設けられた壁面の対向面に向かって押し付けることでセルスタックを固定するため、セルスタックの外周部に締結用のボルトを設ける空間が不要となり、燃料電池装置を小型化、軽量化し、単位体積あたりの発電効率を向上させることができる。

請求項４に記載の発明は、請求項３に記載の燃料電池装置において、前記筐体は円筒状であり、前記ネジ孔は前記円筒の上面又は下面のいずれか一方を開口して設けられていることを特徴とする。

本発明によれば、燃料電池装置を小型化、軽量化し、単位堆積あたりの発電効率を向上させることができる。

以下に、本発明を実施するための最良の形態について図面を用いて説明する。但し、以下に述べる実施形態には、本発明を実施するために技術的に好ましい種々の限定が付されているが、発明の範囲を以下の実施形態及び図示例に限定するものではない。

〔第１の実施の形態〕
図１は、本発明の第１の実施の形態に係る発電装置２００のブロック図である。この発電装置２００は、ノート型パーソナルコンピュータ、携帯電話機、ＰＤＡ（Personal Digital Assistant）、電子手帳、腕時計、デジタルスチルカメラ、デジタルビデオカメラ、ゲーム機器、遊技機、その他の電子機器に備え付けられたものであり、電子機器本体を動作させるための電源として用いられる。

発電装置２００は、メタノール等の燃料と水を別々に又は混合した状態で貯留した燃料容器２０１と、燃料容器２０１から供給された燃料と水を気化させる気化器２０３と、燃料容器２０１から燃料と水を吸引するとともに吸引した燃料と水を気化器２０３に供給する燃料ポンプ２０２と、気化器２０３から供給された燃料と水の混合気を水素ガスと二酸化炭素ガス等を化学反応式（１）、（２）のように生成する改質器２０４と、改質器２０４から供給された混合気中の一酸化炭素を化学反応式（３）のように酸化させることで混合気から一酸化炭素を除去する一酸化炭素除去器２０５と、一酸化炭素除去器２０５から供給された混合気のうち水素ガスと外気の酸素ガスとの電気化学反応により電気エネルギーを生成する燃料電池装置１００と、外気の空気を吸引するとともに吸引した空気を一酸化炭素除去器２０５及び燃料電池装置１００に供給する空気ポンプ２０６と、を備える。

ＣＨ₃ＯＨ＋Ｈ₂Ｏ→３Ｈ₂＋ＣＯ₂ …（１）
２ＣＨ₃ＯＨ＋Ｈ₂Ｏ→５Ｈ₂＋ＣＯ＋ＣＯ₂ …（２）
２ＣＯ＋Ｏ₂→２ＣＯ₂ …（３）

なお、燃料容器２０１に貯留された燃料は、メタノールの代わりに、エタノール等のアルコール類やガソリンといった水素原子を含む化合物が適用可能である。

図２は、スタック型の燃料電池装置１００の斜視図であり、図３は図２のIII−III切断線の矢視断面図である。図２及び図３に示すように、この燃料電池装置１００は、片面セパレータ１、膜電極接合体２、両面セパレータ３、膜電極接合体４、両面セパレータ５、膜電極接合体６、両面セパレータ７、膜電極接合体８、片面セパレータ９がこの順に積層されたセルスタック１０と、セルスタック１０の陰極側の集電板１０１と、陽極側の集電板１０２と、絶縁板１０５と、これらを収納する燃料電池容器１１０とを備える。

セルスタック１０は、複数の燃料電池セルが電気的に直列に接続されるように積層されたものである。ここで、各燃料電池セルは、膜電極接合体２が片面セパレータ１及び両面セパレータ３によって挟まれた構造、膜電極接合体４が両面セパレータ３，５によって挟まれた構造、膜電極接合体６が両面セパレータ５，７によって挟まれた構造、又は膜電極接合体８が両面セパレータ７及び片面セパレータ９によって挟まれた構造である。両面セパレータ３，５，７は隣接する燃料電池セルの双方の構造を兼ね、隣接する燃料電池セルは両面セパレータ３，５，７により直列に接続される。燃料電池セルの数は、各膜電極接合体２，４，６，８の起電力と、燃料電池装置１００に要求される出力電圧によって定まる。

図４及び図５を用いて膜電極接合体２，４，６，８について説明する。なお、いずれの膜電極接合体２，４，６，８も同様に構成されている。図４は、膜電極接合体２の平面図であり、図５は、図４に示された切断線V−Vに沿った矢視断面図である。図４、図５に示すように、この膜電極接合体２は、固体高分子電解質膜２１と、ガス拡散層２２，２３と、触媒２４，２５と、ガスケット２６，２７とを備えて構成されている。

固体高分子電解質膜２１は、矩形状又は正方形状に形成された膜であって、水素イオン（Ｈ⁺）を選択的に透過させるものである。固体高分子電解質膜２１の両面であってそれぞれの中央部には、触媒２４，２５が矩形状又は正方形状に成膜されている。触媒２４上には、ガス透過性と電気伝導性を有するガス拡散層２２が成膜され、触媒２５上には、ガス透過性と電気伝導性を有するガス拡散層２３が成膜されている。ガス拡散層２２はアノード（水素極）として機能し、ガス拡散層２３はカソード（酸素極）として機能する。

固体高分子電解質膜２１の外周部であって、一方の面には、ガス拡散層２２を囲繞するよう矩形枠型又は正方形枠型のガスケット２６が設けられており、他方の面には、ガス拡散層２３を囲繞するよう矩形枠型又は正方形枠型のガスケット２７が設けられている。ガスケット２６，２７は絶縁体であり、かつ弾性体である。ガスケット２６，２７は膜電極接合体２を挟む片面セパレータ１と両面セパレータ３との間に、ガス拡散層２２，２３及び触媒２４，２５を配置するためのスペーサーとして機能するとともに、片面セパレータ１より供給されるアノードガス及び両面セパレータ３より供給されるカソードガスが燃料電池装置１００から漏れ出すことを防ぐガスシールとしても機能する。このようなガスケット２６，２７は、例えばイソブチレンゴムを用いて形成することができる。

さらに、膜電極接合体２には、ガス拡散層２２，２３の外周部にアノードガス導入孔３１、アノードガス排出孔３２、カソードガス導入孔３３及びカソードガス排出孔３４が形成されている。アノードガス導入孔３１、アノードガス排出孔３２、カソードガス導入孔３３及びカソードガス排出孔３４は、それぞれ固体高分子電解質膜２１及びガスケット２６，２７を貫通している。

なお、アノードガスとは、水素ガスを含むガスを意味し、具体的には改質器２０４で生成された水素ガスやその他の副生成ガス（例えば、二酸化炭素ガス）等を含むガスを意味する。カソードガスとは、酸素ガスを含むガスを意味し、具体的には空気を意味する。アノードガスは上述の一酸化炭素除去器２０５から供給され、カソードガスは空気ポンプ２０６によって供給される。

図６及び図７を用いて両面セパレータ３，５，７について説明する。なお、いずれ両面セパレータ３，５，７も同様に構成されている。
図６は、両面セパレータ３の両面のうちガス拡散層２３に接する面の平面図であり、図７は、図６に示された切断面VII−VIIに沿った矢視断面図である。

両面セパレータ３は矩形板又は正方形板に形成した金属板を積層し、表面に低抵抗の金メッキを施したものである。ここで、金属板の素材としては、アルミニウムやステンレス等を用いることができる。両面セパレータ３には、その一方の面から他方の面まで貫通したアノードガス導入孔４１、アノードガス排出孔４２、カソードガス導入孔４３及びカソードガス排出孔４４が形成されている。ここで、アノードガス導入孔４１、アノードガス排出孔４２、カソードガス導入孔４３及びカソードガス排出孔４４はそれぞれ、膜電極接合体２のアノードガス導入孔３１、アノードガス排出孔３２、カソードガス導入孔３３、カソードガス排出孔３４と相対する位置に形成されている。

両面セパレータ３の上面（膜電極接合体２のガス拡散層２３に接する面）であってその中央部には、図６に示すように、葛折り状の蛇行溝４５が形成されている。蛇行溝４５の一端部はカソードガス導入孔４３に導かれ、他端部はカソードガス排出孔４４に導かれている。蛇行溝４５がガス拡散層２３により蓋されることで、カソードガス導入孔４３からカソードガス排出孔４４まで連なったカソードガス流路が形成される。

両面セパレータ３の下面（膜電極接合体４のガス拡散層２２に接する面）であってその中央部には、図６に破線で示すように、葛折り状の蛇行溝４６が形成されている。蛇行溝４６の一端部はアノードガス導入孔４１に導かれ、他端部はアノードガス排出孔４２に導かれている。蛇行溝４６がガス拡散層２２により蓋されることで、アノードガス導入孔４１からアノードガス排出孔４２まで連なったアノードガス流路が形成される。

図３を用いて片面セパレータ１，９及び集電板１０１，１０２について説明する。
片面セパレータ１は、上面で集電板１０１と接触しており、複数の金属板を積層し表面に金メッキを施してなる。片面セパレータ１には、アノードガス導入孔５１、アノードガス排出孔５２（図示せず）、カソードガス導入孔５３（図示せず）及びカソードガス排出孔５４が形成されている。

アノードガス導入孔５１は、膜電極接合体２のアノードガス導入孔３１に相対する位置に形成され、アノードガス排出孔５２は、膜電極接合体２のアノードガス排出孔３２に相対する位置に形成され、カソードガス導入孔５３は、膜電極接合体２のカソードガス導入孔３３に相対する位置に形成され、カソードガス排出孔５４は、膜電極接合体２のカソードガス排出孔３４に相対する位置に形成されている。

また、片面セパレータ１の下面（膜電極接合体２のガス拡散層２２に接する面）には、両面セパレータ３，５，７の蛇行溝４６と同様に、一端部がアノードガス導入孔５１に導かれ、他端部はアノードガス排出孔５２に導かれる蛇行溝６６が設けられている。

片面セパレータ９は、下面で集電板１０２の上面と接触して固定されており、両面セパレータ３と同様に複数の金属板を積層し表面に金メッキを施してなる。片面セパレータ９には、カソードガス導入孔６３（図示せず）及びカソードガス排出孔６４が形成されている。

カソードガス導入孔６３は、膜電極接合体８のカソードガス導入孔３３に相対する位置に形成され、カソードガス排出孔６４は、膜電極接合体８のカソードガス排出孔３４に相対する位置に形成されている。

また、片面セパレータ９の上面（膜電極接合体８のガス拡散層２３に接する面）には、両面セパレータ３，５，７の蛇行溝４５と同様に、一端部がカソードガス導入孔６３に導かれ、他端部はカソードガス排出孔６４に導かれる蛇行溝４５が設けられている。

集電板１０１の上面は燃料電池容器１１０の内周面に接触しており、金属板の表面に金メッキを施してなる。集電板１０１には、アノードガス導入孔７１、アノードガス排出孔７２、カソードガス導入孔７３及びカソードガス排出孔７４が形成されている。

アノードガス導入孔７１は、片面セパレータ１のアノードガス導入孔５１に相対する位置に形成され、アノードガス排出孔７２（図示せず）は、片面セパレータ１のアノードガス排出孔５２に相対する位置に形成され、カソードガス導入孔７３（図示せず）は、片面セパレータ１のカソードガス導入孔５３に相対する位置に形成され、カソードガス排出孔７４は、片面セパレータ１のカソードガス排出孔５４に相対する位置に形成されている。また、集電板１０１の側部には、燃料電池装置１００の陰極側の端子１０３が設けられている。

集電板１０１の上下面には、図示しないが、アノードガス導入孔７１、アノードガス排出孔７２、カソードガス導入孔７３及びカソードガス排出孔７４を囲むようにパッキンが設けられている。パッキンは、アノードガス導入孔７１、アノードガス排出孔７２、カソードガス導入孔７３、カソードガス排出孔７４と、片面セパレータ１のアノードガス導入孔５１、アノードガス排出孔５２、カソードガス導入孔５３、カソードガス排出孔５４との間を封止するとともに、後述する燃料電池容器１１０のアノードガス導入孔８１、アノードガス排出孔８２、カソードガス導入孔８３、カソードガス排出孔８４との間を封止する。

集電板１０２は金属板の表面に金メッキを施してなる。集電板１０２の上面は片面セパレータ９の下面に接触しており、下面は絶縁板１０５に接触している。集電板１０２の側部には、燃料電池装置１００の陽極側の端子１０４が設けられている。絶縁板１０５は集電板１０２を押付ネジ１１７，１１８，１１９から絶縁する。なお、押付ネジ１１７，１１８，１１９の先端が絶縁されている場合には、絶縁板１０５は不要である。

燃料電池容器１１０は、セルスタック１０を絶縁板１０５とともに収納する。以下、燃料電池容器１１０について、図８〜図１１を用いて説明する。図８は図２の矢印VIII方向から見た平面図であり、図９は図２の矢印IX方向から見た底面図であり、図１０は図２の矢印X方向から見た正面図、図１１は図１０の切断線XI−XIに沿った矢視断面図である。

燃料電池容器１１０は、筐体１１１と、押付ネジ１１７，１１８，１１９とから構成される。
図８〜図１１に示すように、筐体１１１は、全体が直方体箱状であり、正面に開口１１２を有し中空に形成されている。筐体１１１の上部には、集電板１０１のアノードガス導入孔７１、アノードガス排出孔７２、カソードガス導入孔７３及びカソードガス排出孔７４と対応する位置に、アノードガス導入孔８１、アノードガス排出孔８２、カソードガス導入孔８３、カソードガス排出孔８４が形成されている。また、筐体１１１の上面には、アノードガス導入孔８１、アノードガス排出孔８２、カソードガス導入孔８３、カソードガス排出孔８４の設けられた部分が突出し、外部機器に接続するガス継手９１，９２，９３，９４が形成されている。

筐体１１１の底部には、複数のネジ孔１１４，１１５，１１６が設けられており、各ネジ孔１１４，１１５，１１６には、押付ネジ１１７，１１８，１１９がそれぞれ螺合している。ネジ孔１１４，１１５，１１６の中心線はセパレータ１，３，５，７，９及び膜電極接合体２，４，６，８の面と垂直な方向（セルスタック１０の積層方向）と平行であることが好ましいが、垂直な方向に限らず、交差する方向であれば、これに限らない。

押付ネジ１１７，１１８，１１９は、全長にわたって直径が一様となる頭がないネジである。押付ネジ１１７，１１８，１１９の頭頂面には、ネジ回し用の刷り割り溝１１７ａ，１１８ａ，１１９ａが設けられている。

筐体１１１や押付ネジ１１７，１１８，１１９の素材としては、金属等の導体や、セラミックス、エンジニアリングプラスチック等の絶縁体を用いることができる。なお、筐体１１１に導体を用いる場合には、内周面に絶縁塗装を施す必要がある。一方、押付ネジ１１７，１１８，１１９に絶縁体を用いる場合には、絶縁板１０５が不要となる。

筐体１１１によるセルスタック１０の締め付け方法について以下に説明する。
まず、押付ネジ１１７，１１８，１１９の筐体１１１の内側の先端部が内壁面より突出しないように、押付ネジ１１７，１１８，１１９を緩める。次いで、集電板１０１と、片面セパレータ１、膜電極接合体２、両面セパレータ３、膜電極接合体４、両面セパレータ５、膜電極接合体６、両面セパレータ７、膜電極接合体８、片面セパレータ９を含むセルスタック１０と、集電板１０２とを積層し、絶縁板１０５とともに、開口１１２から筐体１１１の内部空間へ挿入する。

その後、押付ネジ１１７，１１８，１１９を締め付け、押付ネジ１１７，１１８，１１９の先端を内壁面より突出させ、集電板１０１，１０２、絶縁板１０５、及びセルスタック１０を筐体１１１の上側の内壁面と押付ネジ１１７，１１８，１１９の先端との間に挟み、さらに、押付ネジ１１７，１１８，１１９を締めることで、セルスタック１０を締め付けて固定することができる。これにより、燃料電池装置１００による電力の生成をする準備が完了する。

次に、燃料電池装置１００による電力の生成について説明する。
ガス継手９１を通じて、アノードガス導入孔３１，４１，５１，７１，８１に供給されたアノードガスは、膜電極接合体２，４，６，８のガス拡散層２２により蓋をされた蛇行溝４６を流動してアノードガス排出孔３２，４２，５２，７２，８２を通り、ガス継手９２から排出される。アノードガスが蛇行溝４６を流動している時は、電気化学反応式（４）に示すように水素ガスが触媒２４の作用を受けて水素イオンと電子とに分離し、電子がガス拡散層２２により取り出され、水素イオンが固体高分子電解質膜２１を透過する。
Ｈ₂→２Ｈ⁺＋２ｅ^- …（４）

ガス拡散層２２により取り出された電子は両面セパレータ３，５，７を介して隣接する膜電極接合体２，４，６のガス拡散層２３に伝導する。あるいは、膜電極接合体２のガス拡散層２２により取り出された電子は、片面セパレータ１、集電板１０１を介して端子１０３から外部回路を通って端子１０４から集電板１０２に戻り、片面セパレータ９を介して膜電極接合体８のガス拡散層２３に伝導する。このとき、セパレータ１，３，５，７，９は筐体１１１から絶縁されているため、セパレータ同士がショートすることはない。

ガス継手９３を通じて、酸素ガスを含むカソードガス（ここでは、空気）がカソードガス導入孔３３，４３，５３，６３，７３，８３に供給され、膜電極接合体２，４，６，８のガス拡散層２３により蓋をされた蛇行溝４５を流動してカソードガス排出孔３４，４４，５４，６４，７４，８４を通り、ガス継手９４から排出される。カソードガスが蛇行溝４５を流動している時は、電気化学反応式（５）に示すように触媒２５の作用を受け、酸素が固体高分子電解質膜２１を透過した水素イオン及びガス拡散層２３に伝導した電子と反応し、水が生成される。
２Ｈ⁺＋１／２Ｏ₂＋２ｅ^-→Ｈ₂Ｏ …（５）

以上のようにして、それぞれの膜電極接合体２の両面において起電力が発生する。膜電極接合体２のガス拡散層２２，２３が導電性の両面セパレータ３や片面セパレータ１と接するようにして膜電極接合体２、両面セパレータ３及び片面セパレータ１が積層されているので、膜電極接合体２を単位セルとした場合、単位セルが両面セパレータ３により直列接続された状態となっている。

このように、燃料電池装置１００では、ガス拡散層２２，２３で電気化学反応（４）、（５）が起こり、またガス拡散層２２，２３に対応する固体高分子電解質膜２１の部分を水素イオンが透過することで、起電力を発生させる。このため、燃料電池装置１００の電気の伝導方向に垂直な断面におけるガス拡散層２２，２３の面積が、燃料電池装置１００の単位体積あたりの発電効率を決定する。

上記構造の燃料電池装置１００では、セパレータ１，３，５，７，９及び膜電極接合体２，４，６，８を積層したセルスタック１０を筐体１１１に収納し、押付ネジ１１７，１１８，１１９により、セルスタック１０を筐体１１１の上側の内壁面に向かって積層方向に押し付けることでセルスタック１０を固定している。このため、従来のように、セパレータ１，３，５，７，９及び膜電極接合体２，４，６，８の外周部にボルト孔を設け、複数のボルトの引張力でセルスタック１０を締め付ける場合と比較して、ガス拡散層２２，２３を同一の大きさに保ちながらセパレータ１，３，５，７，９及び膜電極接合体２，４，６，８の大きさを小さくすることができる。したがって、燃料電池装置１００の単位体積あたりの発電効率を向上させることができる。

また、従来の締め付け方法では、セパレータ１，３，５，７，９及び膜電極接合体２，４，６，８を厚さ方向に均等に圧縮するので、外周部に長いボルトを複数設け、これらを少しずつ締め付ける必要がある。また、外周部に太いボルトを用いると、セパレータ１，３，５，７，９及び膜電極接合体２，４，６，８の外周部の面積が大きくなるため、細いボルトを用いる必要がある。細いボルトを用いると、充分な締め付け力を得るのに必要なボルトの本数が多くなり、締め付けの手間が多くなる。

これに対し、上記構造では、下面から押し付けるため、太くて短いネジを用いることができる。太いネジを用いることで少ないネジ数で充分な締め付け力を得ることができるので、ネジ数を減らして締め付けの手間を低減することができる。
〔変形例１〕

なお、筐体１１１の開口１１２を板材等で閉塞し、溶接、ロウ付け、接着剤、ネジ止めその他の手段にして固定し、筐体１１１の締め付け方向の剛性を高めてもよい。その場合、端子１０３，１０４は板材に設けた穴から外部へ突出させたり、配線等で外部へ引き出したりしてもよい。
〔変形例２〕

あるいは、筐体１１１の締め付け方向の剛性が充分にある場合には、例えば図１２の斜視図に示すように、筐体１１１の側面に開口１１３を設け、フレーム構造としてもよい。このように開口１１３を設けることで、セルスタック１０の空冷が容易になる。

〔変形例３〕
なお、上記実施の形態では、直方体状の筐体１１１を用いたが、例えば立方体状の筐体を用いてもよい。また、上記実施の形態では、押付ネジ１１７，１１８，１１９を筐体１１１の長方形状の底部に長手方向に３つ並べたが、例えば平面視正方形状の筐体の底部に２×２の４つ設けてもよいし、あるいは周囲４つに中央に１つの５つ設けてもよい。

〔変形例４〕
また、筐体１１１にネジ孔１１４，１１５，１１６及び押付ネジ１１７，１１８，１１９を設ける代わりに、筐体１１１の底部と絶縁板１０５との間にバネ材やゴム材等の弾性部材を設け、弾性部材の圧縮力により、絶縁板１０５を上方へ押圧してセルスタック１０を押し付けてもよい。

〔第２の実施の形態〕
次に、本発明の第２の実施の形態について説明する。なお、第２の実施の形態における燃料電池装置１２０は、以下に説明することを除いて、第１の実施の形態における燃料電池装置１００と同様に構成されている。

図１３は第２の実施の形態の燃料電池装置１２０を示す分解斜視図である。本実施の形態の燃料電池装置１２０は、図１３に示すように、下部に内部空間と同径の開口１３２を有する筒状の筐体１３１と、開口１３２に螺合する押付ネジ１７０とからなる燃料電池容器１３０と、円板状の集電板１４０と、円筒形のセルスタック１５０とからなる。筐体１３１には開口１３２より集電板１４０及びセルスタック１５０が挿入され、開口１３２が押付ネジ１７０により閉塞される。

筐体１３１の上部には、第１の実施の形態と同様にアノードガス導入孔８１、アノードガス排出孔８２、カソードガス導入孔８３、カソードガス排出孔８４が設けられ、ガス継手９１，９２，９３，９４が形成されている。また、筐体１３１の上部中央には、端子孔１３３が設けられている。
筐体１３１の内面であってその下部には、開口１３２の部分に押付ネジ１７０が螺合するメネジ１３４が設けられている。また、筐体１３１の内周面（メネジ１３４部分を含む）には、後述する係合突起１４２ａ，１４２ｂ，１５１ａ，１５１ｂ，１５２ａ，１５２ｂ，・・・，１５８ａ，１５８ｂ，１５９ａ，１５９ｂと係合する係合溝１３５ａ，１３５ｂが、集電板１４０及びセルスタック１５０の挿入方向に設けられている。

集電板１４０には、第１の実施の形態と同様にアノードガス導入孔７１、アノードガス排出孔７２、カソードガス導入孔７３及びカソードガス排出孔７４が形成されている。また、集電板１４０の上面の中央には、上向きに突出した円筒形の端子１４１が設けられている。端子１４１は燃料電池装置１２０の陰極側の出力端子として機能する。
また、集電板１４０の側部には、係合溝１３５ａ，１３５ｂと対応する位置に、係合突起１４２ａ，１４２ｂが設けられている。

セルスタック１５０は、円板状の片面セパレータ１５１、円板状の膜電極接合体１５２、円板状の両面セパレータ１５３、円板状の膜電極接合体１５４、円板状の両面セパレータ１５５、円板状の膜電極接合体１５６、円板状の両面セパレータ１５７、円板状の膜電極接合体１５８、円板状の片面セパレータ１５９を交互に積層して形成されている。

膜電極接合体１５２，１５４，１５６，１５８は、若干形状が異なるものの、第１の実施の形態と同様に、固体高分子電解質膜２１と、ガス拡散層２２，２３と、触媒２４，２５と、ガスケット２６，２７とを備えて構成され、アノードガス導入孔３１、アノードガス排出孔３２、カソードガス導入孔３３及びカソードガス排出孔３４が形成されている。

セパレータ１５１，１５３，１５５，１５７，１５９には、若干形状が異なるものの、第１の実施の形態と同様に、アノードガス導入孔４１，５１、アノードガス排出孔４２，５２、カソードガス導入孔４３，５３，６３及びカソードガス排出孔４４，５４，６４、蛇行溝４５，４６が形成されている。

さらに、本実施の形態では、各セパレータ１５１，１５３，１５５，１５７，１５９及び膜電極接合体１５２，１５４，１５６，１５８の側部には、係合溝１３５ａ，１３５ｂと対応する位置に、係合突起１５１ａ，１５１ｂ，１５２ａ，１５２ｂ，・・・，１５８ａ，１５８ｂ，１５９ａ，１５９ｂがそれぞれ設けられている。セパレータ１５１，１５３，１５５，１５７，１５９と膜電極接合体１５２，１５４，１５６，１５８とは、係合突起１５１ａ，１５２ａ，・・・，１５８ａ，１５９ａの位置が一致し、かつ係合突起１５１ｂ，１５２ｂ，・・・，１５８ｂ，１５９ｂの位置が一致するように重ね合わせられる。

押付ネジ１７０はメネジ１３４に螺合し、集電板１４０及びセルスタック１５０を下面から積層方向に押し付ける。押付ネジ１７０は金属製のネジの表面に金メッキを施してなり、陽極側の集電板として機能する。さらに、押付ネジ１７０には、図示しない配線が接続され、燃料電池装置１２０の陰極側の出力端子としても機能する。

筐体１３１及び押付ネジ１７０によるセルスタック１５０の締め付けは以下のように行う。
まず、集電板１４０とセルスタック１５０とを、係合突起１４２ａ，１５１ａ，１５２ａ，・・・，１５８ａ，１５９ａの位置、及び係合突起１４２ｂ，１５１ｂ，１５２ｂ，・・・，１５８ｂ，１５９ｂの位置がそれぞれ一致するように重ね合わせる。これにより、アノードガス導入孔３１，４１，５１，７１，８１の位置が一致し、アノードガス排出孔３２，４２，５２，７２，８２の位置が一致し、カソードガス導入孔３３，４３，５３，６３，７３，８３の位置が一致し、カソードガス排出孔３４，４４，５４，６４，７４，８４の位置が一致する。

次いで、重ね合わせた集電板１４０とセルスタック１５０とを、係合突起１４２ａ，１５１ａ，１５２ａ，・・・，１５８ａ，１５９ａが係合溝１３５ａと係合し、かつ、係合突起１４２ｂ，１５１ｂ，１５２ｂ，・・・，１５８ｂ，１５９ｂが係合溝１３５ｂと係合するように、開口１３２から挿入する。

次いで、押付ネジ１７０を回転させてメネジ１３４に螺合させ、筐体１３１の開口１３２を閉塞するとともに、集電板１４０及びセルスタック１５０を筐体１３１の上側の内壁面に押し付ける。このとき、係合突起１４２ａ，１５１ａ，１５２ａ，・・・，１５８ａ，１５９ａが係合溝１３５ａと係合し、係合突起１４２ｂ，１５１ｂ，１５２ｂ，・・・，１５８ｂ，１５９ｂが係合溝１３５ｂと係合しているので、押付ネジ１７０を回転させても、集電板１４０、セパレータ１５１，１５３，１５５，１５７，１５９、及び接合体１５２，１５４，１５６，１５８は回転しない。したがって、アノードガス導入孔３１，４１，５１，７１，８１、アノードガス排出孔３２，４２，５２，７２，８２、カソードガス導入孔３３，４３，５３，６３，７３，８３、カソードガス排出孔３４，４４，５４，６４，７４，８４の配置がずれることがない。
以上により、燃料電池装置１２０による電力の生成をする準備が完了する。

本実施の形態によれば、第１の実施の形態と同様に、燃料電池装置１２０の単位体積あたりの発電効率を向上させることができる。また、１つの押付ネジ１７０のみでセルスタック１５０の締め付けを行うので、締め付けの手間を大幅に低減することができる。さらに、押付ネジ１７０によりセルスタック１５０の全面を押圧するので、セルスタック１５０の全面に一様に押圧力を作用させることができる。

〔変形例５〕
なお、押付ネジ１１７，１１８，１１９や押付ネジ１７０の頭頂面形状を、例えば図１４（ａ）に示すように五角形状にするとともに、これに対応する五角形状の穴を有するレンチを作成してもよい。また、ネジ頭頂面を図１４（ｂ）に示すように中央に孔１１７ｂを有する筒状にするとともに刷り割り溝１１７ｃ，１１７ｃを有する形状にし、これに対応して、筒状の孔１１７ｂに挿入される太さの棒状で外周部に刷り割り溝１１７ｃ，１１７ｃに係合する突起を有するレンチを作成してもよい。あるいは、ネジ頭頂面に図１４（ｃ）に示すように角部が内側に凹んだ四角形状の溝１１７ｄを設け、この溝１１７ｄと同形状の先端部を有し、溝１１７ｄに係合するレンチを作成してもよい。そしてレンチをメーカーが管理することで、燃料電池装置のユーザが市販のドライバーや六角レンチを用いて分解できなくなり、ユーザに対する安全性を確保することができる。

〔変形例６〕
また、押付ネジ１１７，１１８，１１９や押付ネジ１７０を筐体１１１や筐体１３１の上部に螺合させ、セルスタック１０，１５０を上方から下側の内壁面に押し付けてもよい。この場合、集電板１０１，１４０が筐体１１１，１３１から離隔するので、ガスが漏れないようにガス継手９１，９２，９３，９４を集電板１０１，１４０と一体に設け、筐体１１１，１３１に挿通させる必要がある。

〔変形例７〕
以上の実施の形態においては、水素を改質して燃料電池装置１００に供給したが、これに限らず、気化器２０３、改質器２０４、一酸化炭素除去器２０５を設けることなしにメタノール等の燃料を気化した状態で燃料電池装置１００に供給して発電する直接型燃料電池に利用してもよい。その場合、固体高分子電解質膜２１をダイレクトメタノール型用の電解質膜に変更する。

発電装置２００のブロック図である。 燃料電池装置１００の斜視図である。 図２のIII−III切断線の矢視断面図である。 膜電極接合体２の平面図である。 図４の切断線V−Vに沿った矢視断面図である。 両面セパレータ３の両面のうちガス拡散層２３に接する面の平面図である。 図６の切断面VII−VIIに沿った矢視断面図である。 図２の矢印VIII方向から見た平面図である。 図２の矢印IX方向から見た底面図である。 図２の矢印X方向から見た正面図である。 図１０の切断線XI−XIに沿った矢視断面図である。 筐体１１１の変形例を示す斜視図である。 燃料電池装置１２０を示す分解斜視図である。 押付ネジ１１７，１１８，１１９，１７０の頭頂面の形態例を示す図である。

符号の説明

１００，１２０ 燃料電池装置
１１０，１３０ 燃料電池容器
１１１，１３１ 筐体
１１７，１１８，１１９，１７０ 押付ネジ
１，９ 片面セパレータ
３，５，７ 両面セパレータ
２，４，６，８ 膜電極接合体

Claims (4)

1. 筐体の内空にセルスタックを収納し、
   前記筐体の内壁面に押付部材を設け、
   前記押付部材と前記筐体の前記押付部材が設けられた内壁面の対向面との間に前記セルスタックを配し、
   さらに前記押付部材により前記セルスタックを前記対向面に向かって押し付けることを特徴とする燃料電池装置。
2. 前記押付部材は弾性材の弾性力により前記セルスタックを前記対向面に向かって押し付けることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池装置。
3. 壁面を貫通するネジ孔が設けられた筐体の内空にセルスタックを収納し、
   前記ネジ孔には押付ネジが螺合し、
   前記押付ネジは先端を前記筐体の内壁面よりも内側に突出させることで前記セルスタックを前記ネジ孔が設けられた壁面の対向面に向かって押し付けることを特徴とする燃料電池装置。
4. 前記筐体は円筒状であり、
   前記ネジ孔は前記円筒の上面又は下面のいずれか一方を開口して設けられていることを特徴とする請求項３に記載の燃料電池装置。

Images