JP2015088250A - 燃料電池 - Google Patents

Abstract

【課題】面圧分布を均一化できる押圧構造を用いた燃料電池を提供する。【解決手段】燃料電池４５０は、複数の発電セル４５１を積層し構成される発電セル積層ユニット４５２と、前記発電セル積層ユニット４５２を収容する筐体４５５と、前記発電セル積層ユニット４５２と前記筐体４５５との間に配置され、前記発電セル積層ユニット４５２及び前記筐体４５５に対して圧力を加える押圧構造３００と、を備え、前記押圧構造３００が、前記発電セル積層ユニット４５２を押圧する中央部と、それぞれが前記筐体４５５を押圧する２つの端部と、それぞれが前記中央部から異なる前記端部に向かって延在する２つの腕部と、を有する第１のばね部材と、前記筐体を押圧する中央部と、それぞれが前記発電セル積層ユニットを押圧する２つの端部と、それぞれが前記中央部から異なる前記端部に向かって延在する２つの腕部と、を有する第２のばね部材と、を備えることを特徴とする。【選択図】図１６

Description

本発明は、燃料電池に関する。

第１の被押圧体と第２の被押圧体の間に設置され、その一方もしくは双方を加圧する押圧構造が知られている。押圧構造は、様々な装置に用いられている。例えば、燃料電池において、複数の板ばねを並べて配置した押圧構造により単位発電セルの積層体を押圧して、複数の単位発電セルを互いに密着させる技術が知られている（例えば、特許文献１参照）。

図１７Ａは、従来の押圧構造における板ばねの配置例を示す平面図である。図１７Ｂは、図１７Ａに示す従来の押圧構造を用いた押圧ユニットの側面図である。

図１７Ａに示すように、従来の押圧構造５００は、複数の板ばね５０１を長手方向が平行となるように並べて配置して構成される。この押圧構造５００は、図１７Ｂに示すように第１の被押圧体５０２と第２の被押圧体５０３との間に配置され、両部材もしくは一方に圧力を加える。

板ばね５０１は、第１の被押圧体５０２に接触する中央部と、それぞれが第２の被押圧体５０３にスライド可能に接触する端部と、中央部とそれぞれの端部を連結し、中央部を中心に互いに向かい合うように湾曲もしくは折れ曲がっている腕部と、を備える。被加圧部材である第１の被押圧体５０２に圧力を加える加圧領域ＰＰは、図１７Ａ及び図１７Ｂに示すように、板ばね５０１の中央部に位置する。

特開２００９−４３０８号公報

従来の押圧構造５００は、図１７Ａに示すように、複数の板ばね５０１の中央部が全て第１の被押圧体５０２に当接するように配置されており、面圧分布が第１の被押圧体５０２の中央部のみに集中し、偏りが生じてしまう。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、面圧分布を均一化できる押圧構造を用いた燃料電池を提供することを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明にかかる燃料電池は、複数の発電セルを積層して構成される発電セル積層ユニットと、前記発電セル積層ユニットを収容する筐体と、前記発電セル積層ユニットと前記筐体との間に配置され、前記発電セル積層ユニット及び前記筐体に対して圧力を加える押圧構造と、を備え、前記押圧構造が、前記発電セル積層ユニットを押圧する中央部と、それぞれが前記筐体を押圧する２つの端部と、それぞれが前記中央部から異なる前記端部に向かって延在する２つの腕部と、を有する第１のばね部材と、前記筐体を押圧する中央部と、それぞれが前記発電セル積層ユニットを押圧する２つの端部と、それぞれが前記中央部から異なる前記端部に向かって延在する２つの腕部と、を有する第２のばね部材と、を備えることを特徴とする。

本発明に係る燃料電池は、上記発明において、前記第１のばね部材と、前記第２のばね部材が、幅方向に交互に配列されることを特徴とする。

本発明に係る燃料電池は、上記発明において、前記第１のばね部材と、前記第２のばね部材が、前記発電セル積層ユニットから見て、前記中央部において一部が重なり合うように幅方向に交互に配列され、前記第１のばね部材及び前記第２のばね部材が、それぞれ前記腕部において、少なくとも非荷重時に互いに干渉しない形状を有することを特徴とする。

本発明に係る燃料電池は、上記発明において、前記第１のばね部材及び前記第２のばね部材が、それぞれ前記腕部において、前記中央部の幅よりも狭い幅の部分を有することを特徴とする。

本発明に係る燃料電池は、上記発明において、前記第１のばね部材及び前記第２のばね部材が、それぞれ前記腕部の幅が前記中央部から前記端部にかけて減少する形状を有することを特徴とする。

本発明に係る燃料電池は、上記発明において、前記第１のばね部材及び前記第２のばね部材が、同一形状であることを特徴とする。

本発明に係る燃料電池は、上記発明において、前記第１のばね部材及び前記第２のばね部材の位置決めをする位置決め手段をさらに備えることを特徴とする。

本発明に係る燃料電池は、上記発明において、前記位置決め手段が、前記第１のばね部材の前記中央部と前記第２のばね部材の前記中央部との間に形成される空間に挿入されることを特徴とする。

本発明によれば、面圧分布を均一化できる押圧構造を用いた燃料電池を提供することができる。

図１は、本発明の実施の形態１による押圧構造を用いた押圧ユニットを模式的に示す側面図である。 図２Ａは、図１に示す押圧構造の平面図である。 図２Ｂは、図１に示す押圧構造の側面図である。 図３Ａは、ばね部材を１枚のみ使用した場合の配置面積を模式的に示す平面図である。 図３Ｂは、実施の形態１におけるばね部材を５枚並べた場合の配置面積を模式的に示す平面図である。 図４は、本発明の実施の形態２による押圧構造を用いた押圧ユニットを模式的に示す側面図である。 図５は、本発明の実施の形態２による第１の被押圧体の斜視図である。 図６Ａは、図４に示す押圧構造を第１の被押圧体に設置した状態の斜視図である。 図６Ｂは、図６Ａに示す押圧構造を第１の被押圧体に設置した状態のＡ−Ａ線断面図である。 図７Ａは、本発明の実施の形態２によるばね部材の斜視図である。 図７Ｂは、図７Ａに示すばね部材の矢視Ｂ方向の平面図である。 図７Ｃは、図７Ａに示すばね部材の矢視Ａ方向の側面図である。 図８Ａは、取り付け時における第１のばね部材と第２のばね部材が干渉する位置を表す平面図及び側面図である。 図８Ｂは、たわみ時における第１のばね部材と第２のばね部材が干渉する位置を表す平面図及び側面図である。 図９Ａは、第１のばね部材と第２のばね部材が干渉しない条件を説明するための平面図である。 図９Ｂは、第１のばね部材と第２のばね部材が干渉しない条件を説明するための平面図である。 図１０は、実施の形態２におけるばね部材を９枚並べた場合の配置面積を模式的に示す平面図である。 図１１は、本発明の実施の形態２の変形例によるばね部材の上面視での形状を示す平面図である。 図１２は、実施の形態３による押圧構造を用いた押圧ユニットを模式的に示す側面図である。 図１３は、実施の形態３による位置決め用チューブの斜視図である。 図１４は、実施の形態３による押圧構造の斜視図である。 図１５Ａは、実施の形態３による押圧構造を上面から見た平面図である。 図１５Ｂは、実施の形態３による押圧構造の側面図である。 図１６は、本発明の実施の形態４による燃料電池の要部の構成を示す模式図である。 図１７Ａは、従来の押圧構造における板ばねの配置例を示す平面図である。 図１７Ｂは、図１７Ａに示す従来の押圧構造を用いた押圧ユニットの側面図である。

以下の説明では、本発明を実施するための形態（以下、「実施の形態」という）として、板ばねを用いた押圧構造について説明する。また、この実施の形態により、この発明が限定されるものではない。さらに、図面の記載において、同一部分には同一の符号を付している。さらにまた、図面は、模式的なものであり、各部材の厚みと幅との関係、各部材の比率等は、現実と異なることに留意する必要がある。また、図面の相互間においても、互いの寸法や比率が異なる部分が含まれている。

（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１による押圧構造を用いた押圧ユニットを模式的に示す側面図である。図２Ａは、図１に示す押圧構造の平面図である。図２Ｂは、図１に示す押圧構造の側面図である。

本発明の実施の形態１による押圧構造１００は、第１のばね部材１と、第２のばね部材２とを、幅方向に交互に配列して構成される。実施の形態１による押圧ユニットは、対向する第１の被押圧体１０１と第２の被押圧体１０２の間に押圧構造１００を配置する。押圧構造１００は、第１のばね部材１及び第２のばね部材２の弾性力により、第１の被押圧体１０１と第２の被押圧体１０２の双方に対して圧力を加える。

第１の被押圧体１０１又は第２の被押圧体１０２のいずれか一方には、第１のばね部材１と第２のばね部材２との間の所定間隔を保ち、第１のばね部材１と第２のばね部材２とが幅方向にずれることを防止するための位置決め手段が設けられている。位置決め手段として、第１の被押圧体１０１又は第２の被押圧体１０２のいずれか一方に位置決め用の突起を設け、第１のばね部材１と第２のばね部材２にその突起をはめ込む溝を設けてもよいし、第１の被押圧体１０１又は第２の被押圧体１０２のいずれか一方に等間隔のリブを設けて、その間に第１のばね部材１と第２のばね部材２を配置するようにしてもよい。また、後述する実施の形態２又は実施の形態３による位置決め手段を用いることもできる。

第１のばね部材１は、例えば、ばね鋼等の金属材料もしくは樹脂材料を用いて形成される板ばねである。第１のばね部材１は、第１の被押圧体１０１に接触する中央部１１と、それぞれが第２の被押圧体１０２にスライド可能に接触する２つの端部１３と、それぞれが中央部１１から異なる端部１３に向かって延在し、中央部１１と端部１３とを連結する二つの腕部１２と、を備える。第１のばね部材１は、上面から見ると中央部１１、腕部１２、両端部１３の幅が均一な長方形であり、側面から見ると、中央部１１を中心に、腕部１２が互いに向かい合うように湾曲もしくは折れ曲がっている形状である。第１のばね部材１は、そのばね高さが両端部１３の第２の被押圧体１０２との接触点（加圧領域ＰＰ）において最高となり、中央部１１の第１の被押圧体１０１との接触点（加圧領域ＰＰ）において最低となる形状をしている。第１の被押圧体１０１に圧力を加える加圧領域ＰＰは、図２Ａ及び図２Ｂに示すように、第１のばね部材１の中央部１１に位置する。また、第２の被押圧体１０２に圧力を加える加圧領域ＰＰは、第１のばね部材１の端部１３に位置する。

第２のばね部材２は、第１のばね部材１と同一の材料からなり、同一形状の部材である。第２のばね部材２は、第１のばね部材１を上下逆さにした向き（湾曲の向きを逆にした向き）で配置される。なお、本明細書では、第１のばね部材１の配置を上向きと呼び、第２のばね部材２の配置を下向きと呼ぶ。第２のばね部材２は、下向きに配置されるため、第１の被押圧体１０１に圧力を加える加圧領域ＰＰは、図２Ａ及び図２Ｂに示すように、第２のばね部材２の両端部２３に位置する。また、第２の被押圧体１０２に圧力を加える加圧領域ＰＰは、第２のばね部材２の中央部２１に位置する。

実施の形態１では、図２Ａに示すように、上向きの第１のばね部材１と下向きの第２のばね部材２を交互に幅方向に並べている。なお、第１のばね部材１と第２のばね部材２は、実際には図３Ｂに示すように所定間隔（クリアランスα）をあけて配置される。なお、上向きの第１のばね部材１と下向きの第２のばね部材２は、必ずしも１つずつ交互に並べられる必要はなく、例えば、それぞれを二つずつ交互に並べたり、双方のばね部材の数を異ならせて並べたりして、所望の面圧分布を得られるように適宜それぞれのばね部材の数及び配列を変更することができる。

第１のばね部材１による第１の被押圧体１０１に対する加圧領域ＰＰは、第１の被押圧体１０１の中央部に位置し、一方、第２のばね部材２による第１の被押圧体１０１に対する加圧領域ＰＰは、第１の被押圧体１０１の両端部に位置する。また、第１のばね部材１による第２の被押圧体１０２に対する加圧領域ＰＰは、第２の被押圧体１０２の両端部に位置し、一方、第２のばね部材２による第２の被押圧体１０２に対する加圧領域は、第２の被押圧体１０２の中央部に位置する。

実施の形態１では、上向きの第１のばね部材１と下向きの第２のばね部材２を交互に並べることにより、第１の被押圧体１０１及び第２の被押圧体１０２に対する加圧領域ＰＰが中央部と両端部に分散され、面圧分布が均一化される。なお、第１のばね部材１及び第２のばね部材２の幅を狭くすることで、第１のばね部材１及び第２のばね部材２の数を増やし、加圧領域ＰＰの間隔を狭くして、面圧分布の均一性をさらに高めることができる。

実施の形態１では、第１のばね部材１及び第２のばね部材２の幅を狭くして同一面積中のばね部材の数（分割数）を増やすことで、面圧分布の均一性をさらに高めることができる。しかしながら、複数のばね部材１及び２を並べて配置する場合、隣接するばね部材間には、所定の間隔（クリアランスα）を設けることが必要となる。そのため、ばね部材１及び２の数（分割数）を多くすると、クリアランスαの合計値が大きくなり、複数のばね部材１及び２を配置した押圧構造１００における単位面積当たりの荷重が小さくなる。

図３Ａは、ばね部材を１枚のみ使用した場合の配置面積を模式的に示す平面図である。押圧構造の幅（この場合は、ばね部材１の幅と等しい）をＢ_１、押圧構造の全長（ばね部材の全長と等しい）をＬとした場合、この押圧構造におけるばね部材１の配置面積Ｓ_１は、以下の式（１）で求められる。
Ｓ_１＝Ｌ×Ｂ_１ …（１）
また、単位面積当たりの荷重Ｐ_１は、押圧構造全体のばね荷重をＦ_０とした場合、以下の式（２）で求められる。
Ｐ_１＝Ｆ_０／Ｓ_１ …（２）

ここで、図３Ａに示すばね部材１の幅Ｂ_１を１００ｍｍ、全長Ｌを５０ｍｍ、全体のばね荷重Ｆ_０を５０００Ｎとすると、単位面積当たりの荷重Ｐ_１［Ｎ／ｍｍ^２］は、以下の式（３）により、１．００［Ｎ／ｍｍ^２］であることが分かる。
Ｐ_１＝５０００／（１００×５０）＝１．００［Ｎ／ｍｍ^２］ …（３）

図３Ｂは、実施の形態１におけるばね部材を５枚並べた場合の配置面積を模式的に示す平面図である。図３Ｂに示す押圧構造１００では、３枚の第１のばね部材１と２枚の第２のばね部材２を、幅方向に交互に並べている。なお、第１のばね部材１と第２のばね部材２の間には所定の間隔（クリアランスα）が設けられている。

ここで、図３Ｂに示す第１のばね部材１と第２のばね部材２のそれぞれの幅を２０ｍｍとし、クリアランスαを０．４ｍｍとした場合、一般に、分割数をｎとした場合、押圧構造１００の幅Ｂ_２は、Ｂ_２＝Ｂ_１＋（ｎ−１）α）であるので、Ｂ_２＝（２０×５）＋（４×０．４）＝１０１．６ｍｍとなる。また、押圧構造１００の全長Ｌを５０ｍｍ、全体のばね荷重Ｆ_０を５０００Ｎ（第１のばね部材１と第２のばね部材２のそれぞれのばね荷重Ｆは１０００Ｎ）とすると、単位面積当たりの荷重Ｐ_２［Ｎ／ｍｍ^２］は、以下の式（４）により、０．９８［Ｎ／ｍｍ^２］であることが分かる。
Ｐ_２＝５０００／（１０１．６×５０）＝０．９８［Ｎ／ｍｍ^２］ …（４）

なお、分割数を１０として、５枚の第１のばね部材１と５枚の第２のばね部材２を、幅方向に交互に並べた場合には、接触領域の数を増加させることが出来るので、面圧分布はさらに均一化することができるが、以下に示すように、単位面積当たりの荷重がさらに低下する。第１のばね部材１と第２のばね部材２のそれぞれの幅を１０ｍｍとし、クリアランスαを０．４ｍｍとした場合、一般に、分割数をｎとした場合、押圧構造１００の幅Ｂ_２は、Ｂ_２＝Ｂ_１＋（ｎ−１）α）であるので、Ｂ_２＝（１０×１０）＋（９×０．４）＝１０３．６ｍｍとなる。また、押圧構造１００の全長Ｌを５０ｍｍ、全体のばね荷重Ｆ_０を５０００Ｎ（第１のばね部材１と第２のばね部材２のそれぞれのばね荷重Ｆは５００Ｎ）とすると、単位面積当たりの荷重Ｐ_２［Ｎ／ｍｍ^２］は、以下の式（５）により、約０．９７［Ｎ／ｍｍ^２］であることが分かる。
Ｐ_２＝５０００／（１０３．６×５０）＝０．９６５［Ｎ／ｍｍ^２］ …（５）

実施の形態１のように、３枚の第１のばね部材１と２枚の第２のばね部材２を、幅方向に交互に並べて用いると、第１のばね部材１と第２のばね部材２の間にクリアランスαが必要となる。したがって、ばね部材を分割しない場合（１枚のばね部材で押圧構造を構成する場合）には、単位面積当たりの荷重Ｐ_１は１．００［Ｎ／ｍｍ^２］であったのに対して、図３Ｂに示す５分割の例では、面圧分布は均一化することができるが、単位面積当たりの荷重Ｐ₂が０．９８［Ｎ/ｍｍ²］に低下している。１０分割では５分割よりもさらに面圧分布を均一化することができるが、単位面積当たりの荷重Ｐ_２［Ｎ／ｍｍ^２］は、５分割の例よりもさらに低下して約０．９７［Ｎ／ｍｍ^２］となっている。

（実施の形態２）
上述したように、実施の形態１では面圧分布の均一化を図ることはできるが、単位面積当たりの荷重が低下してしまう。そこで、実施の形態２では、同一面積内に配置するばね部材の数を増加させて、単位面積当たりの荷重を低下させずに、面圧分布の均一化を実現する。

図４は、本発明の実施の形態２による押圧構造を用いた押圧ユニットを模式的に示す側面図である。図５は、本発明の実施の形態２による第１の被押圧体の斜視図である。図６Ａは、図４に示す押圧構造を第１の被押圧体に設置した状態の斜視図である。図６Ｂは、図６Ａに示す押圧構造を第１の被押圧体に設置した状態のＡ−Ａ線断面図である。図７Ａは、本発明の実施の形態２によるばね部材の斜視図である。図７Ｂは、図７Ａに示すばね部材の矢視Ｂ方向の平面図である。図７Ｃは、図７Ａに示すばね部材の矢視Ａ方向の側面図である。

本発明の実施の形態２による押圧ユニットは、図４に示すように、対向する第１の被押圧体２０１と第２の被押圧体１０２の間に押圧構造２００を配置して構成される。押圧構造２００は、第１のばね部材３及び第２のばね部材４の弾性力により、第１の被押圧体２０１と第２の被押圧体１０２の双方に対して圧力を加える。

図５に示すように、第１の被押圧体２０１には、第１のばね部材３と第２のばね部材４との間の所定間隔を保ち、第１のばね部材３と第２のばね部材４とが幅方向にずれることを防止するための位置決め手段として位置決め溝２０１ａ及び２０１ｂが設けられている。なお、位置決め用の溝２０１ａ及び２０１ｂは、第２の被押圧体１０２上に設けてもよい。

図６Ａに示すように、位置決め溝２０１ａは、所定の深さの溝であり、第１の被押圧体２０１の第２の被押圧体１０２と対向する面において、第２のばね部材４の端部４３が当接する領域に形成されている。位置決め溝２０１ａは、第２のばね部材４の端部４３が、当該位置決め溝２０１ａ内で長手方向にスライド可能なサイズに設定される。

図６Ａに示すように、位置決め溝２０１ｂは、所定の深さの溝であり、第１の被押圧体２０１の第２の被押圧体１０２と対向する面において、第１のばね部材３の中央部３１が当接する領域に形成されている。位置決め溝２０１ｂは、第１のばね部材３の中央部３１が、当該位置決め溝２０１ｂ内に嵌合可能なサイズに設定される。

図６Ａに示すように、押圧構造２００は、第１のばね部材３と、第２のばね部材４とを、上面視で中央部３１及び４１の一部が重なり合うように、幅方向に交互に配列して構成される。第１のばね部材３は、例えば、ばね鋼等の金属材料もしくは樹脂材料を用いて形成される板ばねである。図７Ａ〜図７Ｃに示すように、第１のばね部材３は、第１の被押圧体２０１に接触する中央部３１と、それぞれが第２の被押圧体１０２にスライド可能に接触する端部３３と、それぞれが中央部３１から異なる端部３３に向かって延在し、中央部３１と端部３３とを連結する二つの腕部３２と、を備える。

図６Ａに示すように、第１のばね部材３と、第２のばね部材４とを上面視で中央部３１及び４１の一部が重なり合うように、幅方向に交互に配列した場合に、第２のばね部材４の腕部４２と干渉する領域を除去した形状をしている。例えば、上面視で、第１のばね部材３の中央部３１は最も幅が大きく四角形をなし、腕部３２は中央部３１との境界部分から端部３３との境界部分にかけて連続的に幅を減少させ、端部３３との境界部分において最小幅となる等脚台形形状もしくは中央部３１との境界を底辺とし端部３３に頂点を有し、端部３３との境界部分において頂角部分を切断した二等辺三角形形状をなしている。端部３３は、中央部３１と同等の幅を有する。中央部３１と端部３３とが同等の幅を有し、腕部３２は中央部３１から端部３３にかけて幅を減少させるので、腕部３２と端部３３の境界部分に括れ部分が生じる。第１のばね部材３の腕部３２の幅は、上面視で一部が重なって配置される第２のばね部材４の腕部４２と、所定の荷重を加えてたわんだ状態（想定される荷重をかけた時）でも干渉しないように設定される。なお、この腕部３２の幅については後述する。

図７Ｃに示すように、第１のばね部材３は、側面から見ると、中央部３１を中心に、腕部３２が互いに向かい合うように湾曲もしくは折れ曲がっている形状である。すなわち、第１のばね部材３は、そのばね高さが両端部３３の第２の被押圧体１０２との接触点において最高となり、中央部３１の第１の被押圧体２０１との接触点において最低となる形状をしている。被加圧部材である第１の被押圧体２０１に圧力を加える加圧領域は、実施の形態１の第１のばね部材１と同様に、第１のばね部材３の中央部３１に位置する。

第２のばね部材４は、例えば、ばね鋼等の金属材料もしくは樹脂材料を用いて形成される板ばねである。図４及び図６Ｂに示すように、第２の被押圧体１０２に接触する中央部４１と、それぞれが第１の被押圧体２０１にスライド可能に接触する端部４３と、それぞれが中央部４１から異なる端部４３に向かって延在し、中央部４１と端部４３とを連結する二つの腕部４２と、を備える。

第２のばね部材４も、第１のばね部材３と同一形状であり、第１のばね部材３と、第２のばね部材４とを上面視で中央部３１及び４１の一部が重なり合うように、幅方向に交互に配列した場合に、第１のばね部材３の腕部３２と干渉する領域を除去した形状をしている。被加圧部材である第１の被押圧体２０１に圧力を加える加圧領域は、実施の形態１の第２のばね部材２と同様に、第２のばね部材４の両端部４３に位置する。

第２のばね部材４は、第１のばね部材３を上下逆さにした向き（湾曲の向きを逆にした向き）で配置される。第２のばね部材４は、下向きに配置されるため、被加圧部材である第１の被押圧体２０１に圧力を加える加圧領域は、実施の形態１の第２のばね部材２と同様に、第２のばね部材４の両端部４３に位置する。

図８Ａは、取り付け時における第１のばね部材と第２のばね部材が干渉する位置を表す平面図及び側面図である。図８Ｂは、たわみ時における第１のばね部材と第２のばね部材が干渉する位置を表す平面図及び側面図である。

隣接して配置された第１のばね部材３と第２のばね部材４が腕部３２及び４２において干渉しうる箇所は、第１のばね部材３と第２のばね部材４のばね高さＨが１／２になる場所である。以下、図８Ａに示すように、取り付け時（非荷重時）において、ばね高さＨが１／２となる場所（Ｈ／２）の、第１のばね部材３又は第２のばね部材４の長手方向の中心からの距離をＬとする。また、この距離Ｌにおける第１のばね部材３又は第２のばね部材４の板幅を幅Ｂとする。

また、図８Ｂに示すように、たわみ時（想定される荷重をかけた時）において、ばね高さＨ´が１／２となる場所（Ｈ´／２）の、第１のばね部材３又は第２のばね部材４の長手方向の中心からの距離をＬ´とする。この時、距離Ｌよりも距離Ｌ´が常に大きくなる。したがって、たわみ時において干渉しないためには、少なくとも長手方向の中心からの距離Ｌよりも遠い地点で第１のばね部材３及び第２のばね部材４の板幅Ｂ´を所定値（幅Ｂ）より小さくすればよい。好ましくは、距離Ｌから距離Ｌ´の間において、第１のばね部材３及び第２のばね部材４の板幅を所定値（幅Ｂ）よりも細くする。

図９Ａ及び図９Ｂは、第１のばね部材と第２のばね部材が干渉しない条件を説明するための平面図である。

図９Ａに示すように、第１のばね部材３の中心部３１の板幅をＴ´とし、端部３３の板幅をＴとし、第１のばね部材３のばね高さＨが１／２となる場所、すなわち図８Ａ及び図８Ｂに示す距離Ｌにおける腕部３２の板幅を幅Ｂとする。同様に、第２のばね部材４の中心部４１の板幅をＴ´とし、端部４３の板幅をＴとし、第２のばね部材４のばね高さＨが１／２となる場所、すなわち図８Ａ及び図８Ｂに示す距離Ｌにおける腕部４２の板幅を幅Ｂとする。

また、図９Ｂに示すように、中心部３１及び４１において一部が重なり合うように第１のばね部材３と第２のばね部材４を並べて配置した場合の、第１のばね部材３の幅方向の中心Ｃ３と、第２のばね部材４の幅方向の中心Ｃ４とのずれ量（ピッチ）をＡとする。なお、このときクリアランスαは、α＝２Ａ−Ｔ´で求めることができる。

中心部３１及び４１において一部が重なり合うように配置された第１のばね部材３と第２のばね部材４が腕部３２及び４２において干渉しないためには、次の３つの条件を満たす必要がある。まず第１に、幅Ｂはずれ量Ａよりも小さくなければならない（Ｂ＜Ａ）。次に、端部３３及び４３の板幅Ｔの１／２は、ずれ量Ａよりも小さくなければならない（Ｔ／２＜Ａ）。さらに、中心部３１及び４１の板幅Ｔ´の１／２は、ずれ量Ａよりも小さくなければならない（Ｔ´／２＜Ａ）。

実施の形態２では、上記の条件を満たすように、腕部３２及び４２を図７Ｂに示すように中央部から端部に向かって幅が直線的に減少する形状とし、距離Ｌから距離Ｌ´の間において、第１のばね部材３及び第２のばね部材４の板幅をずれ量Ａより小さくしている。このように、設定することにより、中心部３１及び４１において一部が重なり合うように第１のばね部材３と第２のばね部材４を並べて配置することができる。

なお、腕部３２及び４２は、図７Ｂに示すように中央部から端部に向かって幅が直線的に減少する形状に限らず、距離Ｌから距離Ｌ´の間で板幅Ｂ´が幅Ｂ以下となる（ずれ量Ａよりも小さくなる）形状であればよい。例えば、腕部３２及び４２は、中央部から端部３３及び４３に向かって幅が曲線を描いて減少する形状でもよいし、距離Ｌから距離Ｌ´の間のみ幅Ｂ以下とし、距離Ｌ´から端部３３及び４３までの間で再度板幅が増加する形状であってもよい。

図１０は、実施の形態２におけるばね部材を９枚並べた場合の配置面積を模式的に示す平面図である。図１０に示す押圧構造２００では、４枚の第１のばね部材３と５枚の第２のばね部材４を、上面視で一部が重なり合うように、幅方向に交互に並べている。なお、第１のばね部材３と第２のばね部材４の間には所定の間隔（クリアランスα）が設けられている。

ここで、図１０に示す第１のばね部材３と第２のばね部材４のそれぞれの幅（最大幅）を２０ｍｍとし、クリアランスαを０．４ｍｍとした場合、押圧構造２００の幅Ｂ_３は、Ｂ_３＝（２０×５）＋（４×０．４）＝１０１．６ｍｍとなる。また、押圧構造２００の全長Ｌを５０ｍｍ、第１のばね部材１と第２のばね部材２のそれぞれのばね荷重Ｆを１０００Ｎとすると、単位面積当たりの荷重Ｐ_３［Ｎ／ｍｍ^２］は、以下の式（６）により、１．７７［Ｎ／ｍｍ^２］であることが分かる。
Ｐ_３＝（１０００×９）／（１０１．６×５０）＝１．７７［Ｎ／ｍｍ^２］ …（６）

図３Ａに示したばね部材を分割しない場合（１枚のばね部材で押圧構造を構成する場合）には、単位面積当たりの荷重Ｐ_１は１．００［Ｎ／ｍｍ^２］であったのに対して、略同等の面積において図１０に示す押圧構造２００では、単位面積当たりの荷重Ｐ_３が１．７７［Ｎ／ｍｍ^２］と格段に向上している。押圧構造２００では、単位面積当たりの荷重Ｐ_３を低下させずに、面圧の均一化を図ることができることがわかる。

また、図３Ｂに示したように、第１のばね部材１と第２のばね部材２を重ねずに配置した場合には、単位面積当たりの荷重Ｐ_２は０．９８［Ｎ／ｍｍ^２］であったのに対して、略同等の面積において図１０に示す押圧構造２００では、単位面積当たりの荷重Ｐ_３が１．７７［Ｎ／ｍｍ^２］と格段に向上している。また、図３Ｂに示す例に比べて、ばね部材の数が５枚から９枚に増加しているため、加圧領域の数も増加し、実施の形態１と比べて、さらなる面圧の均一化を図ることができた。したがって、押圧構造２００では、単位面積当たりの荷重Ｐ_３を低下させずに、面圧の均一化を図ることができることがわかる。

以上のように、実施の形態２によれば、押圧構造２００は、上向きの第１のばね部材３と、下向きの第２のばね部材４とを、上面視で一部が重なり合うように、幅方向に交互に配列して構成される。したがって、第１の被押圧体２０１及び第２の被押圧体１０２に対する加圧領域が中央部と両端部に分散され、面圧分布が均一化される。また、上向きの第１のばね部材３と、下向きの第２のばね部材４とを、上面視で一部（最大幅を有する中央部３１及び４１の一部）が重なるように配置するので、同一面積に配置するばね部材の数を増加させ、単位面積当たりのばね荷重の低下を防ぐことができる。

(実施の形態２の変形例)
図１１は、本発明の実施の形態２の変形例によるばね部材の上面視での形状を示す平面図である。実施の形態２の変形例によるばね部材５は、実施の形態２における第１のばね部材３又は第２のばね部材４として用いることができる。

実施の形態２による第１のばね部材３及び第２のばね部材４は、第１の被押圧体２０１又は第２の被押圧体１０２の破損を避けるため、端部３３及び端部４３の幅を中央部３１及び中央部４１の幅と同等として、端部３３及び端部４３と第１の被押圧体２０１又は第２の被押圧体１０２との接触面における単位面積当たりの圧力を減少させたが、第１の被押圧体２０１又は第２の被押圧体１０２が堅牢である場合には、その必要がないため、実施の形態２の変形例によるばね部材５の端部５３のように、中央部５１の幅よりも端部５３の幅を狭くすることができる。

図１１の例では、端部５３の幅を腕部５２の幅が最も狭くなった部分（端部５３との境界部分）と同等にしている。実施の形態２のように端部３３及び端部４３の幅が中央部３１及び中央部４１の幅と同等である場合は、押圧構造２００の組み立て時に、第１のばね部材３と第２のばね部材４とを交互に配置する必要があるが、第１のばね部材３及び第２のばね部材４のいずれか一方を、この実施の形態２の変形例によるばね部材５として、端部５３の幅を腕部５２の幅が最も狭くなった部分（端部５３との境界部分）と同等にすると、他方のばね部材を全て配置した後に、その隙間を通してばね部材５を配置すること
が可能となり、押圧構造の組み立てが容易となる。

なお、図１１に示す形状のばね部材５の端部５３に、別体の金属又は樹脂材料からなる端部用部材を装着してもよい。端部用部材は、例えば、実施の形態２の第１のばね部材３の端部３３と同様の形状とする。

（実施の形態３）
実施の形態２では、第１のばね部材３及び第２のばね部材４の位置決めを行うために、第１の被押圧体２０１又は第２の被押圧体１０２側に、位置決め溝２０１ａ及び２０１ｂを設けたが、この実施の形態３では、位置決め手段として位置決め用チューブを用いる。

この実施の形態３で用いる第１のばね部材６及び第２のばね部材７は、それぞれ実施の形態２による第１のばね部材３及び第２のばね部材４と同等の部材であるので、その説明は省略する。また、第１のばね部材６及び第２のばね部材７のいずれか一方を実施の形態２の変形例によるばね部材５とすることもできる。

図１２は、実施の形態３による押圧構造を用いた押圧ユニットを模式的に示す側面図である。図１３は、実施の形態３による位置決め用チューブの斜視図である。図１４は、実施の形態３による押圧構造の斜視図である。図１５Ａは、実施の形態３による押圧構造を上面から見た平面図である。図１５Ｂは、実施の形態３による押圧構造の側面図である。

本発明の実施の形態３による押圧ユニットは、図１２に示すように、対向する第１の被押圧体３０１と第２の被押圧体１０２の間に押圧構造３００を配置して構成される。押圧構造３００は、第１のばね部材６及び第２のばね部材７の弾性力により、第１の被押圧体３０１と第２の被押圧体１０２の双方に対して圧力を加える。

位置決め用チューブ８は、例えば、ゴム材料や可撓性の樹脂材料等で形成され、中空部１０が形成された管状の部材であり、表面に第１のばね部材６及び第２のばね部材７の位置決め用の突起（リブ）９を有する。突起９は、位置決め用チューブ８の上面及び下面の双方に等間隔で設けられる。突起９は第１のばね部材６及び第２のばね部材７の中央部６１及び７１の長手方向に平行に延在し、隣接する２つの突起９で第１のばね部材６又は第２のばね部材７を挟むことにより、第１のばね部材６又は第２のばね部材７が幅方向に移動することを抑制する。そのため隣接する突起９の間隔は、その間に配置される第１のばね部材６又は第２のばね部材７の幅よりも若干広く設定される。また、突起９の幅は第１のばね部材６と第２のばね部材７との間隔と同一に設定される。また、位置決め用チューブ８は、第１のばね部材６及び第２のばね部材７によるばね荷重に影響が生じないように、中空部１０を有する。位置決め用チューブ８は、第１のばね部材６の中央部６１及び第２のばね部材７の中央部７１の間に形成される空間に挿入される。

この実施の形態３においても、図１４及び図１５Ａに示すように、押圧構造３００は、上向きの第１のばね部材６と、下向きの第２のばね部材７とを、上面視で一部が重なり合うように、幅方向に交互に配列して構成される。そのため、実施の形態２と同様に、面圧の均一化を図ることができるとともに、ばね部材の数を増加させても単位面積当たりのばね荷重の低下を防ぐことができる。

この実施の形態３では、第１のばね部材６及び第２のばね部材７の位置決めに位置決め用チューブ８を用いるので、第１の被押圧体３０１に位置決め手段を設ける必要はない。そのため、被加圧部材に対して特別な加工等を必要としない。なお、第２の被押圧体１０２も、第１の被押圧体３０１と同様に、被加圧部材で構成してもよい。第２の被押圧体１０２にも位置決め手段を設ける必要はない。

（実施の形態４）
図１６は、本発明の実施の形態４による燃料電池の要部の構成を示す模式図である。実施の形態４では、押圧構造の適用例として、押圧ユニットである燃料電池を説明する。なお、以下の例では、上述の実施の形態３の押圧構造３００を備えたものとして説明するが、実施の形態１による押圧構造１００又は実施の形態２による押圧構造２００を用いてもよい。

燃料電池４５０は、複数の単位発電セル４５１を含む発電セル積層ユニット（第１の被押圧体）４５２と、集電体４５３と、発電セル積層ユニット４５２を一方の側面から押圧する押圧構造３００と、発電セル積層ユニット４５２と押圧構造３００との間に介在する平板状の当接板４５４と、発電セル積層ユニット４５２、集電体４５３、押圧構造３００及び当接板４５４を収容する筐体（第２の被押圧体）４５５とを備える。燃料電池４５０は、図示した以外にも、外部回路との接続を行うためのリード等を有する。

発電セル積層ユニット４５２は、複数の単位発電セル４５１を積層して構成される。発電セル積層ユニット４５２としては、周知の燃料電池スタックを用いることができる。単位発電セル４５１は、例えば、空気極と燃料極と、両極の間に配置される電解質と、他の単位発電セル４５１との間に配置されるセパレータ等を含む。単位発電セル４５１も、周知の発電セルを用いることができる。発電セル積層ユニット４５２は、押圧構造３００によりその積層方向に押圧され、複数の単位発電セル４５１は互いに密着する。

以上、実施の形態４によれば、押圧構造３００を用いることにより、発電セル積層ユニット４５２を、十分な押圧力で面内均一にその積層方向に押圧することができる。よって、複数の単位発電セル４５１が互いに密着し、接触抵抗を低減することができるので、燃料電池４５０の特性を向上させることが可能となる。

なお、上述の実施の形態１〜４では、第１のばね部材と第２のばね部材とを同一の形状としたが、異なる形状としてもよい。例えば、第１のばね部材と第２のばね部材の板幅を異ならせることができる。

１，３，６ 第１のばね部材
２，４，７ 第２のばね部材
５ ばね部材
８ 位置決め用チューブ
９ 突起
１０ 中空部
１１，２１，３１，４１，５１，６１，７１ 中央部
１２,２２，３２，４２，５２，６２，７２ 腕部
１３,２３，３３，４３，５３，６３，７３ 端部
１００，２００，３００ 押圧構造
１０１，２０１，３０１ 第１の被押圧体
２０１ａ，２０１ｂ 位置決め溝
１０２ 第２の被押圧体
４５０ 燃料電池
４５１ 単位発電セル
４５２ 発電セル積層ユニット
４５３ 集電体
４５４ 当接板
４５５ 筐体

Claims (8)

1. 複数の発電セルを積層して構成される発電セル積層ユニットと、
   前記発電セル積層ユニットを収容する筐体と、
   前記発電セル積層ユニットと前記筐体との間に配置され、前記発電セル積層ユニット及び前記筐体に対して圧力を加える押圧構造と、
   を備え、
   前記押圧構造が、
   前記発電セル積層ユニットを押圧する中央部と、それぞれが前記筐体を押圧する２つの端部と、それぞれが前記中央部から異なる前記端部に向かって延在する２つの腕部と、を有する第１のばね部材と、
   前記筐体を押圧する中央部と、それぞれが前記発電セル積層ユニットを押圧する２つの端部と、それぞれが前記中央部から異なる前記端部に向かって延在する２つの腕部と、を有する第２のばね部材と、
   を備えることを特徴とする燃料電池。
2. 前記第１のばね部材と、前記第２のばね部材が、幅方向に交互に配列されることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池。
3. 前記第１のばね部材と、前記第２のばね部材が、前記発電セル積層ユニットから見て、前記中央部において一部が重なり合うように幅方向に交互に配列され、
   前記第１のばね部材及び前記第２のばね部材が、それぞれ前記腕部において、少なくとも非荷重時に互いに干渉しない形状を有することを特徴とする請求項１又は２に記載の燃料電池。
4. 前記第１のばね部材及び前記第２のばね部材が、それぞれ前記腕部において、前記中央部の幅よりも狭い幅の部分を有することを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の燃料電池。
5. 前記第１のばね部材及び前記第２のばね部材が、それぞれ前記腕部の幅が前記中央部から前記端部にかけて減少する形状を有することを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の燃料電池。
6. 前記第１のばね部材及び前記第２のばね部材が、同一形状であることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の燃料電池。
7. 前記第１のばね部材及び前記第２のばね部材の位置決めをする位置決め手段をさらに備えることを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載の燃料電池。
8. 前記位置決め手段が、前記第１のばね部材の前記中央部と前記第２のばね部材の前記中央部との間に形成される空間に挿入されることを特徴とする請求項７に記載の燃料電池。

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