燃料電池とセル締結ピン
【課題】 燃料電池の軽量化と、単位セルの締結を容易にする。
【解決手段】 固体高分子電解質膜の両側に一対の電極が設けられた膜電極構造体５４を、アノード側セパレータ５５とカソード側セパレータ５６で挟んで単位セルとする燃料電池であって、アノード側セパレータ５５とカソード側セパレータ５６の外周部の複数箇所には両セパレータ５５，５６に対し同軸に配置されたピン挿入孔６３ａ，６４ａが設けられ、同軸上の両セパレータ５５，５６のピン挿入孔６３ａ，６４ａに亘って単一の樹脂製のセル締結ピン１０の脚部１１が挿入され、この脚部１１の一端に形成されたフランジ部１２がカソード側セパレータ５６に係止し、脚部１１の他端に形成されたフック部１３がアノード側セパレータ５５に係止して単位セルが締結される。
【解決手段】 固体高分子電解質膜の両側に一対の電極が設けられた膜電極構造体５４を、アノード側セパレータ５５とカソード側セパレータ５６で挟んで単位セルとする燃料電池であって、アノード側セパレータ５５とカソード側セパレータ５６の外周部の複数箇所には両セパレータ５５，５６に対し同軸に配置されたピン挿入孔６３ａ，６４ａが設けられ、同軸上の両セパレータ５５，５６のピン挿入孔６３ａ，６４ａに亘って単一の樹脂製のセル締結ピン１０の脚部１１が挿入され、この脚部１１の一端に形成されたフランジ部１２がカソード側セパレータ５６に係止し、脚部１１の他端に形成されたフック部１３がアノード側セパレータ５５に係止して単位セルが締結される。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、燃料電池と、この燃料電池を構成する単位セルを締結するためのセル締結ピンに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池には、固体高分子電解質膜をアノード電極とカソード電極とで両側から挟んで膜電極構造体を形成し、この膜電極構造体の両側に一対のセパレータを配置して単位セルとするものがある。一般的には、この単位セルを複数積層し、燃料電池スタックとして使用される。
ところで、この種の燃料電池では、ハンドリング性（取り扱い易さ）、作業性、生産性等を考えて、単位セル毎に、膜電極構造体とその両側のセパレータとが分離しないように締結してユニット化する場合がある。
例えば、特許文献１には、単位セルの周縁の複数箇所を、断面略コ字形をなす金属製の弾性クリップで挟持する技術が開示されている。
【特許文献１】特開２００４−２４１２０８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかしながら、前記弾性クリップを用いて単位セルを締結しユニット化する場合には、単位セルの周縁に弾性クリップを装着するときに弾性クリップの挟み口を弾性に抗して拡幅しながら取り付けなければならず、そのための専用の治具や工具等が必要で、面倒であり、また、費用もかかり、生産コストにも影響を及ぼす。
また、金属製の弾性クリップは軽量化に限界があり、特に、数十〜数百の単位セルを積層して燃料電池スタックを構成した場合には、弾性クリップの総重量が大きくなり、燃料電池スタックの軽量化を妨げてしまう。
そこで、この発明は、軽量化が可能な締結構造を備え、その締結も容易に行うことができる燃料電池と、単位セル締結用のセル締結ピンを提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
上記課題を解決するために、請求項１に係る発明は、電解質膜（例えば、後述する実施例における固体高分子電解質膜５１）の両側に一対の電極（例えば、後述する実施例におけるアノード電極５２、カソード電極５３）が設けられた膜電極構造体（例えば、後述する実施例における膜電極構造体５４）を、第１セパレータ（例えば、後述する実施例におけるカソード側セパレータ５６）と第２セパレータ（例えば、後述する実施例におけるアノード側セパレータ５５）で挟んで単位セル（例えば、後述する実施例における単位セル５０，５０Ａ，５０Ｂ）とする燃料電池であって、前記第１セパレータと第２セパレータの外周部の複数箇所には両セパレータに対し同軸に配置されたピン挿入孔（例えば、後述する実施例におけるピン挿入孔６３ａと６４ａ、６３ｂと６４ｂ）が設けられ、同軸上の両セパレータのピン挿入孔に亘って単一の樹脂製のセル締結ピン（例えば、後述する実施例におけるセル締結ピン１０）の脚部（例えば、後述する実施例における脚部１１）が挿入され、この脚部の一端に形成されたフランジ部（例えば、後述する実施例におけるフランジ部１２）が前記第１セパレータに係止し、前記脚部の他端に形成されたフック部（例えば、後述する実施例におけるフック部１３）が前記第２セパレータに係止して前記単位セルが締結されていることを特徴とする燃料電池である。
このように構成することにより、第１セパレータと第２セパレータと膜電極構造体を樹脂製のセル締結ピンで締結することができ、燃料電池の軽量化を達成することができる。
【０００５】
請求項２に係る発明は、請求項１に記載の発明において、互いに積層される一対の前記単位セル（例えば、後述する実施例における単位セル５０Ａ，５０Ｂ）を備え、一方の単位セルに取り付けられた前記セル締結ピンと、他方の単位セルに取り付けられた前記セル締結ピンとが、単位セルの面内方向に位置をずらして配置されていることを特徴とする。
このように構成することにより、単位セルを積層した状態において、一方の単位セルのセル締結ピンと他方の単位セルのセル締結ピンとが重なるのを防止することができる。
【０００６】
請求項３に係る発明は、請求項２に記載の発明において、前記第１セパレータのピン挿入孔（例えば、後述する実施例におけるピン挿入孔６４ａ，６４ｂ）は第２セパレータのピン挿入孔（例えば、後述する実施例におけるピン挿入孔６３ａ，６３ｂ）よりも大径にされていて、前記セル締結ピンの脚部には前記フランジ部側に大径部（例えば、後述する実施例における大径部１１ａ）が設けられ、この大径部が前記第１セパレータのピン挿入孔に挿入されていることを特徴とする。
このように構成することにより、積層される一方の単位セルのセル締結ピンの先部を積層される他方の単位セルの第１セパレータのピン挿入孔に挿入することができるので、前記一方の単位セルのセル締結ピンと前記他方の単位セルとが干渉することを防止することができる。また、ピン挿入孔の大きさから第１セパレータと第２セパレータとを一見して容易に区別することができる。また、セル締結ピンが第１セパレータの大径なピン挿入孔から挿入されるため、このピン挿入孔がセル締結ピンを案内する機能を果たす。
【０００７】
請求項４に係る発明は、請求項３に記載の発明において、前記各セパレータにはそれぞれのピン挿入孔と対をなす同一形態のピン挿入孔が設けられており、前記一方の単位セルでは前記対をなすピン挿入孔の一方のピン挿入孔（例えば、後述する実施例におけるピン挿入孔６３ａ，６４ａ）に前記セル締結ピンが取り付けられ、前記他方の単位セルでは前記対をなすピン挿入孔の他方のピン挿入孔（例えば、後述する実施例におけるピン挿入孔６３ｂ，６４ｂ）に前記セル締結ピンが取り付けられていることを特徴とする。
このように構成することにより、単位セルを積層したときに、一方の単位セルから突出するセル締結ピンのフック部を、他方の単位セルにおける第１セパレータのピン挿入孔に挿入することができる。また、締結された単位セルにおいてセル締結ピンが取り付けられていないピン挿入孔の大きさから、一見して第１セパレータと第２セパレータとを容易に区別することができる。さらに、一方の単位セルと他方の単位セルの第１セパレータと第２セパレータをそれぞれ共通部品にすることができる。
【０００８】
請求項５に係る発明は、請求項１から請求項４のいずれか１項に記載された燃料電池に使用されるセル締結ピンであって、前記脚部と前記フランジ部と前記フック部からなるピン本体部（例えば、後述する実施例におけるピン本体部２１）と、前記フランジ部に連続して設けられた柄部（例えば、後述する実施例における柄部２２）と、を備えることを特徴とするセル締結ピンである。
このように構成することにより、柄部を把持してセル締結ピンを取り扱うことができる。
【０００９】
請求項６に係る発明は、請求項５に記載の発明において、射出成形により成形され、前記フランジ部と前記柄部とが接続する部位にゲート部（例えば、後述する実施例におけるゲート部２３）が設けられ、単位セルを締結した後に前記ゲート部で切り離されることを特徴とする。
このように構成することにより、ピン本体部とゲート部と柄部とを一体化して一度に成形することができる。また、ゲート部は小径となっているため、単位セルを締結した後に、このゲート部に剪断力を加えて容易に破断することができ、ピン本体部だけを単位セルに残すことができる。
【発明の効果】
【００１０】
請求項１に係る発明によれば、第１セパレータと第２セパレータと膜電極構造体を樹脂製のセル締結ピンで締結することができるので、燃料電池の軽量化を達成することができる。
請求項２に係る発明によれば、単位セルを積層した状態において、一方の単位セルのセル締結ピンと他方の単位セルのセル締結ピンとが重なるのを防止することができるので、燃料電池の積層方向の寸法を短くすることができ、燃料電池の小型化を達成することができる。
【００１１】
請求項３に係る発明によれば、積層される一方の単位セルのセル締結ピンの先部を積層される他方の単位セルの第１セパレータのピン挿入孔に挿入することができるので、前記一方の単位セルのセル締結ピンと前記他方の単位セルとが干渉することを防止することができる。また、ピン挿入孔の大きさから第１セパレータと第２セパレータとを一見して容易に区別することができるので、単位セルをユニット化する際に第１セパレータと第２セパレータとの組み合わせミスを防止することができる。また、セル締結ピンが第１セパレータの大径なピン挿入孔から挿入されるため、このピン挿入孔がセル締結ピンを案内する機能を果たし、作業性が向上する。
【００１２】
請求項４に係る発明によれば、単位セルを積層したときに、一方の単位セルから突出するセル締結ピンのフック部を、他方の単位セルにおける第１セパレータのピン挿入孔に挿入することができるので、燃料電池の積層方向の寸法を短くすることができ、燃料電池の小型化を達成することができる。また、締結された単位セルにおいてセル締結ピンが取り付けられていないピン挿入孔の大きさから、一見して第１セパレータと第２セパレータとを容易に区別することができるので、締結された単位セルを複数積層する場合に、同極側のセパレータ同士を隣接させて積層させるような積層ミスを確実に防止することができる。さらに、一方の単位セルと他方の単位セルの第１セパレータと第２セパレータをそれぞれ共通部品にすることができるので、部品種類を少なくすることができ、部品管理も容易になり、その結果、生産性が向上する。
【００１３】
請求項５に係る発明によれば、柄部を把持してセル締結ピンを取り扱うことができるので、締結作業のときのハンドリング性が向上し、生産性が向上する。
請求項６に係る発明によれば、ピン本体部とゲート部と柄部とを一体化して一度に成形することができる。また、ゲート部は小径となっているため、単位セルを締結した後に、このゲート部に剪断力を加えて容易に破断することができ、ピン本体部だけを単位セルに残すことができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
以下、この発明に係る燃料電池とセル締結ピンの実施例を図１から図１０の図面を参照して説明する。
この燃料電池は固体高分子電解質膜型の燃料電池であり、図１に示すように、例えばフッ素系電解質材料等からなる固体高分子電解質膜（電解質膜）５１の両側にアノード電極５２とカソード電極５３を設けて膜電極構造体５４を形成し、膜電極構造体５４の一方の側にアノード側セパレータ（第２セパレータ）５５を、他方の側にカソード側セパレータ（第１セパレータ）５６を密接して配置して単位セル（単位燃料電池）５０が構成されている。そして、この単位セル５０を複数積層して燃料電池スタックが構成される。単位セル５０は、複数積層して燃料電池スタックに組み立てるときのハンドリング性向上等を図るために、単位セル５０毎に締結されてユニット化されている。単位セル５０の締結構造については、後で詳述する。
【００１５】
セパレータ５５，５６は金属プレート６０を所定にプレス成形して形成されている。金属製のセパレータは、カーボン製のセパレータよりも薄くでき燃料電池スタックの積層方向寸法を短くすることができる。
アノード電極５２に面して配置されるアノード側セパレータ５５は、アノード電極５２に対向して配置される面に燃料流路５７を備えており、カソード電極５３に面して配置されるカソード側セパレータ５６は、カソード電極５３に対向して配置される面に空気流路５８を備えていて、単位セル５０を複数積層したときに、互いに隣接して配置される両セパレータ５５，５６間に、冷却液が流通する冷媒流路５９が形成される。燃料流路５７と空気流路５８と冷媒流路５９はいずれも、膜電極構造体５４の両電極５２，５３に対応する領域に設けられている。
【００１６】
セパレータ５５，５６の左右端部の上下には開口７１，７２，７３，７４が設けられており、セパレータ５５，５６の上下端部中央部分にはそれぞれ左右一対の開口７５ａ，７５ｂ，７６ａ，７６ｂが設けられている。ここで、左端部上側の開口は燃料供給開口７１、左端部下側の開口は空気排出開口７２、右端部上側の開口は空気供給開口７３、右端部下側の開口は燃料排出開口７４、中央部上側の左右の開口は冷媒供給開口７５ａ，７５ｂ、中央部下側の左右の開口は冷媒排出開口７６ａ，７６ｂとされている。
【００１７】
セパレータ５５，５６の金属プレート６０の両面には絶縁樹脂（例えば、シリコン樹脂）からなるシール層６１が、例えばモールド成形により一体的に設けられている。
アノード側セパレータ５５においてアノード電極５２に面する側に設けられたシール層６１は、燃料流路５７を囲繞し、且つ、燃料流路５７と燃料供給開口７１と燃料排出開口７４とを連通させるように形成されている。カソード側セパレータ５６においてカソード電極５３に面する側に設けられたシール層６１は、空気流路５８を囲繞し、且つ、空気流路５８と空気供給開口７３と空気排出開口７２とを連通させるように形成されている。また、アノード側セパレータ５５およびカソード側セパレータ５６において膜電極構造体５４に面しない側に設けられたシール層６１は、冷媒流路５９を囲繞し、且つ、冷媒流路５９と冷媒供給開口７５ａ，７５ｂと冷媒排出開口７６ａ，７６ｂとを連通させるように形成されている。
【００１８】
これら開口７１〜７４，７５ａ，７５ｂ，７６ａ，７６ｂは膜電極構造体５４とセパレータ５５，５６を積層した状態（すなわち、単位セル５０としてユニット化された状態）、および、単位セル５０を複数積層して燃料電池スタックとして組み立てられた状態において、各開口毎に連通し、分配流路もしくは集合流路として機能する。
すなわち、燃料供給開口７１同士が連通して燃料分配流路が形成され、空気排出開口７２同士が連通して空気集合流路が形成され、空気供給開口７３同士が連通して空気分配流路が形成され、燃料排出開口７４同士が連通して燃料集合流路が形成され、冷媒供給開口７５ａ，７５ｂ同士が連通して冷媒分配流路が形成され、冷媒排出開口７６ａ，７６ｂ同士が連通して冷媒集合流路が形成される。
【００１９】
この単位セル５０では、燃料ガスとしての水素ガスは、前記燃料分配流路から燃料供給開口７１を介して燃料流路５７に導入され、燃料流路５７を図１において左側から右側に流通した後、燃料排出開口７４を介して前記燃料集合流路に排出される。
また、酸化剤ガスとしての酸素を含む空気は、前記空気分配流路から空気供給開口７３を介して空気流路５８に導入され、空気流路５８を図１において右側から左側に流通した後、空気排出開口７２を介して前記空気集合流路に排出される。
また、冷却液は、前記冷媒分配流路から冷媒供給開口７５ａ，７５ｂを介して冷媒流路５９に導入され、冷媒流路５９を図１において上側から下側に流通した後、冷媒排出開口７６ａ，７６ｂを介して前記冷媒集合流路に排出される。
【００２０】
このように構成された単位セル５０では、アノード電極５２で触媒反応により発生した水素イオンが、固体高分子電解質膜５１を透過してカソード電極５３まで移動し、カソード電極５３で酸素と電気化学反応を起こして発電し、その際に水を生成する。この発電に伴う発熱により単位セル５０が所定の作動温度を越えないように、冷媒流路５９を流れる冷却液で熱を奪い冷却する。
【００２１】
次に、単位セル５０の締結構造について説明する。
セパレータ５５，５６の外周部には、金属プレート６０の外周縁に設けた切欠部を絶縁樹脂で塞いでなる締結基部６２が複数設けられている。締結基部６２は、予め絶縁樹脂で成形したものを、かしめや接着などの適宜の手段で金属プレート６０の前記切欠部に固定してもよいし、あるいは、金属プレート６０の前記切欠部に絶縁樹脂を射出成形して構成してよい。
この実施例においては、各セパレータ５５，５６に対して締結基部６２が８箇所設けられている。詳述すると、セパレータ５５，５６の左右縁部のそれぞれ中央に１箇所ずつと、上下縁部にそれぞれ３箇所ずつ設けられており、いずれの締結基部６２も、互いに隣り合う開口７１〜７４，７５ａ，７５ｂ，７６ａ，７６ｂの間に対応する位置に配置されている。
【００２２】
アノード側セパレータ５５の各締結基部６２には、アノード側セパレータ５５の外周方向に互いに離間して、一対の同径のピン挿入孔６３ａ，６３ｂが設けられている。カソード側セパレータ５６の各締結基部６２にも、カソード側セパレータ５６の周方向に互いに離間して、一対の同径のピン挿入孔６４ａ，６４ｂが設けられている。ただし、図２および図５に示すように、カソード側セパレータ５６のピン挿入孔６４ａ，６４ｂの内径は、アノード側セパレータ５５のピン挿入孔６３ａ，６３ｂの内径よりも大きい。
【００２３】
アノード側セパレータ５５のピン挿入孔６３ａとカソード側セパレータ５６のピン挿入孔６４ａ（以下、説明の都合上、Ａサイドのピン挿入孔６３ａ，６４ａという）は、単位セル５０としてユニット化したときに同軸上に位置するように配置されており、アノード側セパレータ５５のピン挿入孔６３ｂとカソード側セパレータ５６のピン挿入孔６４ｂ（以下、説明の都合上、Ｂサイドのピン挿入孔６３ａ，６４ａという）は、単位セル５０としてユニット化したときに同軸上に位置するように配置されている。換言すると、Ａサイドのピン挿入孔６３ａ，６４ａ、およびＢサイドのピン挿入孔６３ｂ，６４ｂは、それぞれ両セパレータ５５，５６に対して同軸に配置されている。
なお、この締結基部６２においては、金属プレート６０との連結部周縁にのみ前述したシール層６１が形成されており、ピン挿入孔６３ａ，６３ｂ，６４ａ，６４ｂの周囲にはシール層６１が形成されていない（図２、図５等参照）。
【００２４】
そして、膜電極構造体５４を間に挟んだアノード側セパレータ５５とカソード側セパレータ５６は、両セパレータ５５，５６に設けられた位置決め用の凹凸係合部６５，６６を互いに係合させ、各締結基部６２のＡサイドのピン挿入孔６３ａ，６４ａまたはＢサイドのピン挿入孔６３ｂ，６４ｂのいずれかに、樹脂製のセル締結ピン１０を取り付けることによって分離不能に締結され、単位セル５０としてユニット化されている。セル締結ピン１０を樹脂製にしたことにより、金属製の締結部材で単位セル５０を締結した場合に比べて、単位セル５０を軽量にすることができる。
【００２５】
なお、セル締結ピン１０がＡサイドとＢサイドのいずれのピン挿入孔に装着されるかは、単位セル５０毎にいずれか一方のサイドのピン挿入孔と決められている。以下の説明では、総ての締結基部６２においてＡサイドのピン挿入孔６３ａ，６４ａにセル締結ピン１０が装着された単位セル５０をＡタイプの単位セル５０Ａと称し、総ての締結基部６２においてＢサイドのピン挿入孔６３ｂ，６４ｂにセル締結ピン１０が装着された単位セル５０をＢタイプの単位セル５０Ｂと称して、区別する。
【００２６】
以下、Ａタイプの単位セル５０Ａの場合で説明するが、Ｂタイプの単位セル５０Ｂも構造は同じである。
図２〜図５に示すように、セル締結ピン１０は、両セパレータ５５，５６のピン挿入孔６３ａ，６４ａに亘って挿入される脚部１１と、脚部１１の一端に形成され脚部１１よりも大径のフランジ部１２と、脚部１１の他端に形成されたフック部１３と、を備えている。脚部１１は、フランジ部１２との接続部分が大径部１１ａにされていて、大径部１１ａよりもフック部１３側は大径部１１ａよりも外径が小さい小径部１１ｂにされている。また、小径部１１ｂは軸線方向全長に亘って周方向に４分割され、４本の脚片１４で構成されている。フック部１３はそれぞれの脚片１４の先端に設けられており、いずれの脚片１４におけるフック部１３も、脚片１４から径方向外側に膨出する係止部１３ａと、係止部１３ａから先端に進むにしたがって縮径するテーパ部１３ｂを備えている。
【００２７】
大径部１１ａの外径は、カソード側セパレータ５６のピン挿入孔６４ａの内径よりも若干小さく、且つ、アノード側セパレータ５５のピン挿入孔６３ａの内径よりも大きくされており、また、大径部１１ａの軸線方向長さ（すなわち厚み）はカソード側セパレータ５６の締結基部６２の厚みより小さくされている。この大径部１１ａは、カソード側セパレータ５６における締結基部６２のピン挿入孔６３ａ内に収められている。
小径部１１ｂの外径はアノード側セパレータ５５のピン挿入孔６３ａにほぼ隙間なく嵌入可能な大きさにされている。
また、テーパ部１３ｂの先端の外径はアノード側セパレータ５５のピン挿入孔６３ａの内径よりも若干小さくされている。
【００２８】
このセル締結ピン１０はピン挿入孔６３ａ，６４ａに装着された状態において、フランジ部１２をカソード側セパレータ５６の表面に係止し、大径部１１ａをカソード側セパレータ５６のピン挿入孔６４ａに挿入させ、小径部１１ｂを両セパレータ５５，５６のピン挿入孔６３ａ，６４ａに挿入させ、フック部１３をアノード側セパレータ５５の表面に係止して、アノード側セパレータ５５とカソード側セパレータ５６を締結している。そして、この締結状態において、互いに対面するアノード側セパレータ５５とカソード側セパレータ５６のシール層６１，６１同士および締結基部６２，６２同士が密接する。
【００２９】
セル締結ピン１０は射出成形により成形されたものであり、図６に、射出成形直後（すなわち、単位セル５０に装着する前）の形態（以下、ピン成形体２０と称す）を示す。ピン成形体２０は、セル締結ピン１０の脚部１１とフランジ部１２とフック部１３を形成するピン本体部２１と、このピン本体部２１におけるフランジ部１２に連なる柄部２２によって構成されており、さらに、柄部２２は、ピン本体部２１に連なるゲート部２３と、ゲート部２３に連なるスタンプ部２４とから構成されている。ゲート部２３は、射出成形時に溶融樹脂の流速を高めるためのゲートとなっていた部分であり、スタンプ部２４は、射出成形時にキャビティに溶融樹脂を送り込み、樹脂が硬化するまでキャビティ内に加圧力を付与するための樹脂溜め部となっていた部分である。したがって、ゲート部２３においてピン本体部２１との連結部の直径は極めて小さくされている。また、スタンプ部２４は所定の容積を確保する必要があるため、その外径はピン本体部２１とほぼ同径であるが、軸長はピン本体部２１よりも十分に長くされている。このピン成形体２０を射出成形で成形しているので、ピン本体部２１とゲート部２３と柄部２２とを一体化して一度に成形することができる。
【００３０】
次に、セル締結ピン１０による両セパレータ５５，５６の締結手順を、図７及び図８を参照して説明する。
このピン成形体２０は単位セル５０として組み込まれるまでは図６の形態に保持されており、締結作業のときには、ピン成形体２０において軸長の長いスタンプ部２４（すなわち柄部２２）を把持して取り扱う。すなわち、手作業で締結する場合はスタンプ部２４を指で持ち、機械により締結する場合は該機械のチャックでスタンプ部２４を把持する。これにより、ピン成形体２０のハンドリングが極めて容易になる。
まず、図７に示すように、膜電極構造体５４を間に挟み、位置決め用の凹凸係合部６５，６６を互いに係合させてアノード側セパレータ５５とカソード側セパレータ５６をセットする。この場合、アノード側セパレータ５５のピン挿入孔６３ａ，６３ｂの内径が、カソード側セパレータ５６のピン挿入孔６４ａ，６４ｂの内径よりも小さいので、ピン挿入孔を一目見れば、アノード側セパレータ５５かカソード側セパレータ５６かを容易に区別することができ、セパレータ５５，５６の組み合わせミスを防止することができる。
そして、セットされたカソード側セパレータ５６に対向させてピン成形体２０を位置させ、ピン本体部２１をカソード側セパレータ５６のピン挿入孔６４ａに向けて真っ直ぐに押し込んでいく。
【００３１】
すると、セル締結ピン１０のフック部１３がカソード側セパレータ５６のピン挿入孔６４ａに案内されて前進し、フック部１３のテーパ部１３ｂがアノード側セパレータ５５のピン挿入孔６３ａの開口縁に突き当たり、テーパ部１３ｂの案内作用により脚部１１の小径部１１ｂが弾性縮径しながらピン挿入孔６３ａに進入する。その後、セル締結ピン１０の大径部１１ａがカソード側セパレータ５６のピン挿入孔６４ａに進入する。さらに、フック部１３がピン挿入孔６３ａを貫通すると、小径部１１ｂが弾性復帰して拡径し、図８に示すように、フック部１３がアノード側セパレータ５５の締結基部６２の表面に係止される。これと同時に、セル締結ピン１０のフランジ部１２がカソード側セパレータ５６の締結基部６２の表面に係止される。
この後、ゲート部２３を破断し、柄部２２を除去すると、図２および図５に示すように、セル締結ピン１０だけが両セパレータ５５，５６を締結した状態で残る。前述したようにゲート部２３は極めて小径であるので、曲げたり捩ったりして剪断力を加えることにより、小さな力で容易に破断することができる。
【００３２】
この実施例では、両セパレータ５５，５６においてセル締結ピン１０を装着する部分を樹脂製の締結基部６２としており、しかも、締結基部６２においてピン挿入孔６３ａ，６３ｂ，６４ａ，６４ｂの周囲にはシール層６１が形成されていないので、セル締結ピン１０の取付中および締結後において、シール層６１が傷つけられることがなく、セパレータ５５，５６の絶縁性を良好に保持することができる。
【００３３】
この実施例では、大径部１１ａの外径がアノード側セパレータ５５のピン挿入孔６３ａの内径よりも大きいので、両セパレータ５５，５６をセル締結ピン１０で締結する際に、ピン成形体２０をアノード側セパレータ５５側から挿入することはできない。したがって、締結後の単位セル５０は、フランジ部１２が突出している方がカソード側セパレータ５６であり、フック部１３が突出している方がアノード側セパレータ５５であることが一目で分かる。また、セル締結ピン１０が装着されなかったピン挿入孔６３ｂ，６４ｂの内径の大きさを見ても、アノード側セパレータ５５とカソード側セパレータ５６を一目で区別することができる。これにより、単位セル５０を複数積層するときに、同極側のセパレータ同士を隣接して積層させるような積層ミスを確実に防止することができる。また、セパレータ５５，５６の判別が迅速にできるので、単位セル５０Ａ，５０Ｂの積層作業を迅速に行うことができ、生産性が向上する。
【００３４】
セル締結ピン１０で締結された単位セル５０を複数積層して燃料電池スタックとする場合には、図９に示すように、総ての締結基部６２においてＡサイドのピン挿入孔６３ａ，６４ａにセル締結ピン１０が装着されたＡタイプの単位セル５０Ａと、総ての締結基部６２においてＢサイドのピン挿入孔６３ｂ，６４ｂにセル締結ピン１０が装着されたＢタイプの単位セル５０Ｂを交互に積層する。これにより、Ａタイプの単位セル５０Ａに取り付けられたセル締結ピン１０と、Ｂタイプの単位セル５０Ｂに取り付けられたセル締結ピン１０とを、単位セル５０Ａ，５０Ｂの面内方向に位置をずらして配置することができる。
【００３５】
このようにすると、Ａタイプの単位セル５０Ａに装着されたセル締結ピン１０とＢタイプの単位セル５０Ｂに装着されたセル締結ピン１０とが重なるのを防止することができる。特に、この実施例では、Ａタイプの単位セル５０Ａのフック部１３はＢタイプの単位セル５０Ｂのカソード側セパレータ５６のピン挿入孔６４ｂに収容され、Ｂタイプの単位セル５０Ｂのフック部１３はＡタイプの単位セル５０Ａのカソード側セパレータ５６のピン挿入孔６４ａに収容されるので、積層したときにフック部１３が隣接する単位セル５０と干渉するのを防止することができる。その結果、、燃料電池スタックの積層方向の長さを短くすることができ、燃料電池スタックの小型化を図ることができる。
また、セル締結ピン１０が樹脂製であるので、金属製の締結部材で締結された単位セルを積層した場合に比べて、燃料電池スタックを軽量にすることができる。
【００３６】
また、この実施例では、アノード側セパレータ５５の各締結基部６２に一対のピン挿入孔６３ａ，６３ｂを設け、カソード側セパレータ５６の各締結基部６２に一対のピン挿入孔６４ａ，６４ｂを設け、Ａタイプの単位セル５０Ａを組み立てるときにはＡサイドのピン挿入孔６３ａ，６４ａにセル締結ピン１０を装着し、Ｂタイプの単位セル５０Ｂを組み立てるときにはＢサイドのピン挿入孔６３ｂ，６４ｂにセル締結ピン１０を装着しているので、アノード側セパレータ５５およびカソード側セパレータ５６は、いずれのタイプの単位セル５０Ａ，５０Ｂに対しても共通部品とすることができる。したがって、部品種類を少なくすることができ、部品管理も容易になり、その結果、生産性が向上する。
【００３７】
なお、図１０に示すように、アノード側セパレータ５５のピン挿入孔６３ａ，６３ｂ、およびカソード側セパレータ５６のピン挿入孔６４ａ，６４ｂを総て同一径とし、セル締結ピン１０のフック部１３をワッシャ４０を介してアノード側セパレータ５５に係止することも可能である。
【００３８】
〔他の実施例〕
なお、この発明は前述した実施例に限られるものではない。
例えば、各セパレータ５５，５６における締結基部６２の数および配置は、前述した実施例に限るものではない。セル締結ピン１０の形状も、この実施例に限るものではなく、例えば、小径部１１ｂを周方向に４等分ではなく、２等分にしてもよい。
【００３９】
また、前述した実施例では、カソード側セパレータ５６を第１セパレータとし、アノード側セパレータ５５を第２セパレータとしているが、これを逆にし、アノード側セパレータ５５を第１セパレータとし、カソード側セパレータ５６を第２セパレータとして、アノード側セパレータ５５のピン挿入孔６３ａ，６３ｂの内径をカソード側セパレータ５６のピン挿入孔６４ａ，６４ｂの内径よりも大きくし、セル締結ピン１０をアノード側セパレータ５５の側から挿入し、セル締結ピン１０のフランジ部１２をアノード側セパレータ５５のピン挿入孔６３ａに挿入するようにしてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００４０】
【図１】この発明に係る燃料電池（単位セル）の１実施例における分解斜視図である。
【図２】前記実施例の単位セルにおける締結部の断面図であり、図３のII−II断面図である。
【図３】前記締結部の背面図である。
【図４】前記締結部の正面図である。
【図５】前記締結部の断面図であり、図４のＶ−Ｖ断面図である。
【図６】射出成形直後のセル締結ピンの断面図である。
【図７】前記実施例の単位セルの締結手順を説明する図（その１）である。
【図８】前記実施例の単位セルの締結手順を説明する図（その２）である。
【図９】前記実施例の単位セルを複数積層して燃料電池スタックとした場合の締結部の断面図である。
【図１０】別の実施例の単位セルを複数積層して燃料電池スタックとした場合の締結部の断面図である。
【符号の説明】
【００４１】
１０ セル締結ピン
１１ 脚部
１１ａ 大径部
１２ フランジ部
１３ フック部
２１ ピン本体部
２２ 柄部
２３ ゲート部
５０，５０Ａ，５０Ｂ 単位セル（燃料電池）
５１ 固体高分子電解質膜（電解質膜）
５２ アノード電極
５３ カソード電極
５４ 膜電極構造体
５５ アノード側セパレータ（第２セパレータ）
５６ カソード側セパレータ（第１セパレータ）
６３ａ，６３ｂ，６４ａ，６４ｂ ピン挿入孔
【技術分野】
【０００１】
この発明は、燃料電池と、この燃料電池を構成する単位セルを締結するためのセル締結ピンに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池には、固体高分子電解質膜をアノード電極とカソード電極とで両側から挟んで膜電極構造体を形成し、この膜電極構造体の両側に一対のセパレータを配置して単位セルとするものがある。一般的には、この単位セルを複数積層し、燃料電池スタックとして使用される。
ところで、この種の燃料電池では、ハンドリング性（取り扱い易さ）、作業性、生産性等を考えて、単位セル毎に、膜電極構造体とその両側のセパレータとが分離しないように締結してユニット化する場合がある。
例えば、特許文献１には、単位セルの周縁の複数箇所を、断面略コ字形をなす金属製の弾性クリップで挟持する技術が開示されている。
【特許文献１】特開２００４−２４１２０８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかしながら、前記弾性クリップを用いて単位セルを締結しユニット化する場合には、単位セルの周縁に弾性クリップを装着するときに弾性クリップの挟み口を弾性に抗して拡幅しながら取り付けなければならず、そのための専用の治具や工具等が必要で、面倒であり、また、費用もかかり、生産コストにも影響を及ぼす。
また、金属製の弾性クリップは軽量化に限界があり、特に、数十〜数百の単位セルを積層して燃料電池スタックを構成した場合には、弾性クリップの総重量が大きくなり、燃料電池スタックの軽量化を妨げてしまう。
そこで、この発明は、軽量化が可能な締結構造を備え、その締結も容易に行うことができる燃料電池と、単位セル締結用のセル締結ピンを提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
上記課題を解決するために、請求項１に係る発明は、電解質膜（例えば、後述する実施例における固体高分子電解質膜５１）の両側に一対の電極（例えば、後述する実施例におけるアノード電極５２、カソード電極５３）が設けられた膜電極構造体（例えば、後述する実施例における膜電極構造体５４）を、第１セパレータ（例えば、後述する実施例におけるカソード側セパレータ５６）と第２セパレータ（例えば、後述する実施例におけるアノード側セパレータ５５）で挟んで単位セル（例えば、後述する実施例における単位セル５０，５０Ａ，５０Ｂ）とする燃料電池であって、前記第１セパレータと第２セパレータの外周部の複数箇所には両セパレータに対し同軸に配置されたピン挿入孔（例えば、後述する実施例におけるピン挿入孔６３ａと６４ａ、６３ｂと６４ｂ）が設けられ、同軸上の両セパレータのピン挿入孔に亘って単一の樹脂製のセル締結ピン（例えば、後述する実施例におけるセル締結ピン１０）の脚部（例えば、後述する実施例における脚部１１）が挿入され、この脚部の一端に形成されたフランジ部（例えば、後述する実施例におけるフランジ部１２）が前記第１セパレータに係止し、前記脚部の他端に形成されたフック部（例えば、後述する実施例におけるフック部１３）が前記第２セパレータに係止して前記単位セルが締結されていることを特徴とする燃料電池である。
このように構成することにより、第１セパレータと第２セパレータと膜電極構造体を樹脂製のセル締結ピンで締結することができ、燃料電池の軽量化を達成することができる。
【０００５】
請求項２に係る発明は、請求項１に記載の発明において、互いに積層される一対の前記単位セル（例えば、後述する実施例における単位セル５０Ａ，５０Ｂ）を備え、一方の単位セルに取り付けられた前記セル締結ピンと、他方の単位セルに取り付けられた前記セル締結ピンとが、単位セルの面内方向に位置をずらして配置されていることを特徴とする。
このように構成することにより、単位セルを積層した状態において、一方の単位セルのセル締結ピンと他方の単位セルのセル締結ピンとが重なるのを防止することができる。
【０００６】
請求項３に係る発明は、請求項２に記載の発明において、前記第１セパレータのピン挿入孔（例えば、後述する実施例におけるピン挿入孔６４ａ，６４ｂ）は第２セパレータのピン挿入孔（例えば、後述する実施例におけるピン挿入孔６３ａ，６３ｂ）よりも大径にされていて、前記セル締結ピンの脚部には前記フランジ部側に大径部（例えば、後述する実施例における大径部１１ａ）が設けられ、この大径部が前記第１セパレータのピン挿入孔に挿入されていることを特徴とする。
このように構成することにより、積層される一方の単位セルのセル締結ピンの先部を積層される他方の単位セルの第１セパレータのピン挿入孔に挿入することができるので、前記一方の単位セルのセル締結ピンと前記他方の単位セルとが干渉することを防止することができる。また、ピン挿入孔の大きさから第１セパレータと第２セパレータとを一見して容易に区別することができる。また、セル締結ピンが第１セパレータの大径なピン挿入孔から挿入されるため、このピン挿入孔がセル締結ピンを案内する機能を果たす。
【０００７】
請求項４に係る発明は、請求項３に記載の発明において、前記各セパレータにはそれぞれのピン挿入孔と対をなす同一形態のピン挿入孔が設けられており、前記一方の単位セルでは前記対をなすピン挿入孔の一方のピン挿入孔（例えば、後述する実施例におけるピン挿入孔６３ａ，６４ａ）に前記セル締結ピンが取り付けられ、前記他方の単位セルでは前記対をなすピン挿入孔の他方のピン挿入孔（例えば、後述する実施例におけるピン挿入孔６３ｂ，６４ｂ）に前記セル締結ピンが取り付けられていることを特徴とする。
このように構成することにより、単位セルを積層したときに、一方の単位セルから突出するセル締結ピンのフック部を、他方の単位セルにおける第１セパレータのピン挿入孔に挿入することができる。また、締結された単位セルにおいてセル締結ピンが取り付けられていないピン挿入孔の大きさから、一見して第１セパレータと第２セパレータとを容易に区別することができる。さらに、一方の単位セルと他方の単位セルの第１セパレータと第２セパレータをそれぞれ共通部品にすることができる。
【０００８】
請求項５に係る発明は、請求項１から請求項４のいずれか１項に記載された燃料電池に使用されるセル締結ピンであって、前記脚部と前記フランジ部と前記フック部からなるピン本体部（例えば、後述する実施例におけるピン本体部２１）と、前記フランジ部に連続して設けられた柄部（例えば、後述する実施例における柄部２２）と、を備えることを特徴とするセル締結ピンである。
このように構成することにより、柄部を把持してセル締結ピンを取り扱うことができる。
【０００９】
請求項６に係る発明は、請求項５に記載の発明において、射出成形により成形され、前記フランジ部と前記柄部とが接続する部位にゲート部（例えば、後述する実施例におけるゲート部２３）が設けられ、単位セルを締結した後に前記ゲート部で切り離されることを特徴とする。
このように構成することにより、ピン本体部とゲート部と柄部とを一体化して一度に成形することができる。また、ゲート部は小径となっているため、単位セルを締結した後に、このゲート部に剪断力を加えて容易に破断することができ、ピン本体部だけを単位セルに残すことができる。
【発明の効果】
【００１０】
請求項１に係る発明によれば、第１セパレータと第２セパレータと膜電極構造体を樹脂製のセル締結ピンで締結することができるので、燃料電池の軽量化を達成することができる。
請求項２に係る発明によれば、単位セルを積層した状態において、一方の単位セルのセル締結ピンと他方の単位セルのセル締結ピンとが重なるのを防止することができるので、燃料電池の積層方向の寸法を短くすることができ、燃料電池の小型化を達成することができる。
【００１１】
請求項３に係る発明によれば、積層される一方の単位セルのセル締結ピンの先部を積層される他方の単位セルの第１セパレータのピン挿入孔に挿入することができるので、前記一方の単位セルのセル締結ピンと前記他方の単位セルとが干渉することを防止することができる。また、ピン挿入孔の大きさから第１セパレータと第２セパレータとを一見して容易に区別することができるので、単位セルをユニット化する際に第１セパレータと第２セパレータとの組み合わせミスを防止することができる。また、セル締結ピンが第１セパレータの大径なピン挿入孔から挿入されるため、このピン挿入孔がセル締結ピンを案内する機能を果たし、作業性が向上する。
【００１２】
請求項４に係る発明によれば、単位セルを積層したときに、一方の単位セルから突出するセル締結ピンのフック部を、他方の単位セルにおける第１セパレータのピン挿入孔に挿入することができるので、燃料電池の積層方向の寸法を短くすることができ、燃料電池の小型化を達成することができる。また、締結された単位セルにおいてセル締結ピンが取り付けられていないピン挿入孔の大きさから、一見して第１セパレータと第２セパレータとを容易に区別することができるので、締結された単位セルを複数積層する場合に、同極側のセパレータ同士を隣接させて積層させるような積層ミスを確実に防止することができる。さらに、一方の単位セルと他方の単位セルの第１セパレータと第２セパレータをそれぞれ共通部品にすることができるので、部品種類を少なくすることができ、部品管理も容易になり、その結果、生産性が向上する。
【００１３】
請求項５に係る発明によれば、柄部を把持してセル締結ピンを取り扱うことができるので、締結作業のときのハンドリング性が向上し、生産性が向上する。
請求項６に係る発明によれば、ピン本体部とゲート部と柄部とを一体化して一度に成形することができる。また、ゲート部は小径となっているため、単位セルを締結した後に、このゲート部に剪断力を加えて容易に破断することができ、ピン本体部だけを単位セルに残すことができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
以下、この発明に係る燃料電池とセル締結ピンの実施例を図１から図１０の図面を参照して説明する。
この燃料電池は固体高分子電解質膜型の燃料電池であり、図１に示すように、例えばフッ素系電解質材料等からなる固体高分子電解質膜（電解質膜）５１の両側にアノード電極５２とカソード電極５３を設けて膜電極構造体５４を形成し、膜電極構造体５４の一方の側にアノード側セパレータ（第２セパレータ）５５を、他方の側にカソード側セパレータ（第１セパレータ）５６を密接して配置して単位セル（単位燃料電池）５０が構成されている。そして、この単位セル５０を複数積層して燃料電池スタックが構成される。単位セル５０は、複数積層して燃料電池スタックに組み立てるときのハンドリング性向上等を図るために、単位セル５０毎に締結されてユニット化されている。単位セル５０の締結構造については、後で詳述する。
【００１５】
セパレータ５５，５６は金属プレート６０を所定にプレス成形して形成されている。金属製のセパレータは、カーボン製のセパレータよりも薄くでき燃料電池スタックの積層方向寸法を短くすることができる。
アノード電極５２に面して配置されるアノード側セパレータ５５は、アノード電極５２に対向して配置される面に燃料流路５７を備えており、カソード電極５３に面して配置されるカソード側セパレータ５６は、カソード電極５３に対向して配置される面に空気流路５８を備えていて、単位セル５０を複数積層したときに、互いに隣接して配置される両セパレータ５５，５６間に、冷却液が流通する冷媒流路５９が形成される。燃料流路５７と空気流路５８と冷媒流路５９はいずれも、膜電極構造体５４の両電極５２，５３に対応する領域に設けられている。
【００１６】
セパレータ５５，５６の左右端部の上下には開口７１，７２，７３，７４が設けられており、セパレータ５５，５６の上下端部中央部分にはそれぞれ左右一対の開口７５ａ，７５ｂ，７６ａ，７６ｂが設けられている。ここで、左端部上側の開口は燃料供給開口７１、左端部下側の開口は空気排出開口７２、右端部上側の開口は空気供給開口７３、右端部下側の開口は燃料排出開口７４、中央部上側の左右の開口は冷媒供給開口７５ａ，７５ｂ、中央部下側の左右の開口は冷媒排出開口７６ａ，７６ｂとされている。
【００１７】
セパレータ５５，５６の金属プレート６０の両面には絶縁樹脂（例えば、シリコン樹脂）からなるシール層６１が、例えばモールド成形により一体的に設けられている。
アノード側セパレータ５５においてアノード電極５２に面する側に設けられたシール層６１は、燃料流路５７を囲繞し、且つ、燃料流路５７と燃料供給開口７１と燃料排出開口７４とを連通させるように形成されている。カソード側セパレータ５６においてカソード電極５３に面する側に設けられたシール層６１は、空気流路５８を囲繞し、且つ、空気流路５８と空気供給開口７３と空気排出開口７２とを連通させるように形成されている。また、アノード側セパレータ５５およびカソード側セパレータ５６において膜電極構造体５４に面しない側に設けられたシール層６１は、冷媒流路５９を囲繞し、且つ、冷媒流路５９と冷媒供給開口７５ａ，７５ｂと冷媒排出開口７６ａ，７６ｂとを連通させるように形成されている。
【００１８】
これら開口７１〜７４，７５ａ，７５ｂ，７６ａ，７６ｂは膜電極構造体５４とセパレータ５５，５６を積層した状態（すなわち、単位セル５０としてユニット化された状態）、および、単位セル５０を複数積層して燃料電池スタックとして組み立てられた状態において、各開口毎に連通し、分配流路もしくは集合流路として機能する。
すなわち、燃料供給開口７１同士が連通して燃料分配流路が形成され、空気排出開口７２同士が連通して空気集合流路が形成され、空気供給開口７３同士が連通して空気分配流路が形成され、燃料排出開口７４同士が連通して燃料集合流路が形成され、冷媒供給開口７５ａ，７５ｂ同士が連通して冷媒分配流路が形成され、冷媒排出開口７６ａ，７６ｂ同士が連通して冷媒集合流路が形成される。
【００１９】
この単位セル５０では、燃料ガスとしての水素ガスは、前記燃料分配流路から燃料供給開口７１を介して燃料流路５７に導入され、燃料流路５７を図１において左側から右側に流通した後、燃料排出開口７４を介して前記燃料集合流路に排出される。
また、酸化剤ガスとしての酸素を含む空気は、前記空気分配流路から空気供給開口７３を介して空気流路５８に導入され、空気流路５８を図１において右側から左側に流通した後、空気排出開口７２を介して前記空気集合流路に排出される。
また、冷却液は、前記冷媒分配流路から冷媒供給開口７５ａ，７５ｂを介して冷媒流路５９に導入され、冷媒流路５９を図１において上側から下側に流通した後、冷媒排出開口７６ａ，７６ｂを介して前記冷媒集合流路に排出される。
【００２０】
このように構成された単位セル５０では、アノード電極５２で触媒反応により発生した水素イオンが、固体高分子電解質膜５１を透過してカソード電極５３まで移動し、カソード電極５３で酸素と電気化学反応を起こして発電し、その際に水を生成する。この発電に伴う発熱により単位セル５０が所定の作動温度を越えないように、冷媒流路５９を流れる冷却液で熱を奪い冷却する。
【００２１】
次に、単位セル５０の締結構造について説明する。
セパレータ５５，５６の外周部には、金属プレート６０の外周縁に設けた切欠部を絶縁樹脂で塞いでなる締結基部６２が複数設けられている。締結基部６２は、予め絶縁樹脂で成形したものを、かしめや接着などの適宜の手段で金属プレート６０の前記切欠部に固定してもよいし、あるいは、金属プレート６０の前記切欠部に絶縁樹脂を射出成形して構成してよい。
この実施例においては、各セパレータ５５，５６に対して締結基部６２が８箇所設けられている。詳述すると、セパレータ５５，５６の左右縁部のそれぞれ中央に１箇所ずつと、上下縁部にそれぞれ３箇所ずつ設けられており、いずれの締結基部６２も、互いに隣り合う開口７１〜７４，７５ａ，７５ｂ，７６ａ，７６ｂの間に対応する位置に配置されている。
【００２２】
アノード側セパレータ５５の各締結基部６２には、アノード側セパレータ５５の外周方向に互いに離間して、一対の同径のピン挿入孔６３ａ，６３ｂが設けられている。カソード側セパレータ５６の各締結基部６２にも、カソード側セパレータ５６の周方向に互いに離間して、一対の同径のピン挿入孔６４ａ，６４ｂが設けられている。ただし、図２および図５に示すように、カソード側セパレータ５６のピン挿入孔６４ａ，６４ｂの内径は、アノード側セパレータ５５のピン挿入孔６３ａ，６３ｂの内径よりも大きい。
【００２３】
アノード側セパレータ５５のピン挿入孔６３ａとカソード側セパレータ５６のピン挿入孔６４ａ（以下、説明の都合上、Ａサイドのピン挿入孔６３ａ，６４ａという）は、単位セル５０としてユニット化したときに同軸上に位置するように配置されており、アノード側セパレータ５５のピン挿入孔６３ｂとカソード側セパレータ５６のピン挿入孔６４ｂ（以下、説明の都合上、Ｂサイドのピン挿入孔６３ａ，６４ａという）は、単位セル５０としてユニット化したときに同軸上に位置するように配置されている。換言すると、Ａサイドのピン挿入孔６３ａ，６４ａ、およびＢサイドのピン挿入孔６３ｂ，６４ｂは、それぞれ両セパレータ５５，５６に対して同軸に配置されている。
なお、この締結基部６２においては、金属プレート６０との連結部周縁にのみ前述したシール層６１が形成されており、ピン挿入孔６３ａ，６３ｂ，６４ａ，６４ｂの周囲にはシール層６１が形成されていない（図２、図５等参照）。
【００２４】
そして、膜電極構造体５４を間に挟んだアノード側セパレータ５５とカソード側セパレータ５６は、両セパレータ５５，５６に設けられた位置決め用の凹凸係合部６５，６６を互いに係合させ、各締結基部６２のＡサイドのピン挿入孔６３ａ，６４ａまたはＢサイドのピン挿入孔６３ｂ，６４ｂのいずれかに、樹脂製のセル締結ピン１０を取り付けることによって分離不能に締結され、単位セル５０としてユニット化されている。セル締結ピン１０を樹脂製にしたことにより、金属製の締結部材で単位セル５０を締結した場合に比べて、単位セル５０を軽量にすることができる。
【００２５】
なお、セル締結ピン１０がＡサイドとＢサイドのいずれのピン挿入孔に装着されるかは、単位セル５０毎にいずれか一方のサイドのピン挿入孔と決められている。以下の説明では、総ての締結基部６２においてＡサイドのピン挿入孔６３ａ，６４ａにセル締結ピン１０が装着された単位セル５０をＡタイプの単位セル５０Ａと称し、総ての締結基部６２においてＢサイドのピン挿入孔６３ｂ，６４ｂにセル締結ピン１０が装着された単位セル５０をＢタイプの単位セル５０Ｂと称して、区別する。
【００２６】
以下、Ａタイプの単位セル５０Ａの場合で説明するが、Ｂタイプの単位セル５０Ｂも構造は同じである。
図２〜図５に示すように、セル締結ピン１０は、両セパレータ５５，５６のピン挿入孔６３ａ，６４ａに亘って挿入される脚部１１と、脚部１１の一端に形成され脚部１１よりも大径のフランジ部１２と、脚部１１の他端に形成されたフック部１３と、を備えている。脚部１１は、フランジ部１２との接続部分が大径部１１ａにされていて、大径部１１ａよりもフック部１３側は大径部１１ａよりも外径が小さい小径部１１ｂにされている。また、小径部１１ｂは軸線方向全長に亘って周方向に４分割され、４本の脚片１４で構成されている。フック部１３はそれぞれの脚片１４の先端に設けられており、いずれの脚片１４におけるフック部１３も、脚片１４から径方向外側に膨出する係止部１３ａと、係止部１３ａから先端に進むにしたがって縮径するテーパ部１３ｂを備えている。
【００２７】
大径部１１ａの外径は、カソード側セパレータ５６のピン挿入孔６４ａの内径よりも若干小さく、且つ、アノード側セパレータ５５のピン挿入孔６３ａの内径よりも大きくされており、また、大径部１１ａの軸線方向長さ（すなわち厚み）はカソード側セパレータ５６の締結基部６２の厚みより小さくされている。この大径部１１ａは、カソード側セパレータ５６における締結基部６２のピン挿入孔６３ａ内に収められている。
小径部１１ｂの外径はアノード側セパレータ５５のピン挿入孔６３ａにほぼ隙間なく嵌入可能な大きさにされている。
また、テーパ部１３ｂの先端の外径はアノード側セパレータ５５のピン挿入孔６３ａの内径よりも若干小さくされている。
【００２８】
このセル締結ピン１０はピン挿入孔６３ａ，６４ａに装着された状態において、フランジ部１２をカソード側セパレータ５６の表面に係止し、大径部１１ａをカソード側セパレータ５６のピン挿入孔６４ａに挿入させ、小径部１１ｂを両セパレータ５５，５６のピン挿入孔６３ａ，６４ａに挿入させ、フック部１３をアノード側セパレータ５５の表面に係止して、アノード側セパレータ５５とカソード側セパレータ５６を締結している。そして、この締結状態において、互いに対面するアノード側セパレータ５５とカソード側セパレータ５６のシール層６１，６１同士および締結基部６２，６２同士が密接する。
【００２９】
セル締結ピン１０は射出成形により成形されたものであり、図６に、射出成形直後（すなわち、単位セル５０に装着する前）の形態（以下、ピン成形体２０と称す）を示す。ピン成形体２０は、セル締結ピン１０の脚部１１とフランジ部１２とフック部１３を形成するピン本体部２１と、このピン本体部２１におけるフランジ部１２に連なる柄部２２によって構成されており、さらに、柄部２２は、ピン本体部２１に連なるゲート部２３と、ゲート部２３に連なるスタンプ部２４とから構成されている。ゲート部２３は、射出成形時に溶融樹脂の流速を高めるためのゲートとなっていた部分であり、スタンプ部２４は、射出成形時にキャビティに溶融樹脂を送り込み、樹脂が硬化するまでキャビティ内に加圧力を付与するための樹脂溜め部となっていた部分である。したがって、ゲート部２３においてピン本体部２１との連結部の直径は極めて小さくされている。また、スタンプ部２４は所定の容積を確保する必要があるため、その外径はピン本体部２１とほぼ同径であるが、軸長はピン本体部２１よりも十分に長くされている。このピン成形体２０を射出成形で成形しているので、ピン本体部２１とゲート部２３と柄部２２とを一体化して一度に成形することができる。
【００３０】
次に、セル締結ピン１０による両セパレータ５５，５６の締結手順を、図７及び図８を参照して説明する。
このピン成形体２０は単位セル５０として組み込まれるまでは図６の形態に保持されており、締結作業のときには、ピン成形体２０において軸長の長いスタンプ部２４（すなわち柄部２２）を把持して取り扱う。すなわち、手作業で締結する場合はスタンプ部２４を指で持ち、機械により締結する場合は該機械のチャックでスタンプ部２４を把持する。これにより、ピン成形体２０のハンドリングが極めて容易になる。
まず、図７に示すように、膜電極構造体５４を間に挟み、位置決め用の凹凸係合部６５，６６を互いに係合させてアノード側セパレータ５５とカソード側セパレータ５６をセットする。この場合、アノード側セパレータ５５のピン挿入孔６３ａ，６３ｂの内径が、カソード側セパレータ５６のピン挿入孔６４ａ，６４ｂの内径よりも小さいので、ピン挿入孔を一目見れば、アノード側セパレータ５５かカソード側セパレータ５６かを容易に区別することができ、セパレータ５５，５６の組み合わせミスを防止することができる。
そして、セットされたカソード側セパレータ５６に対向させてピン成形体２０を位置させ、ピン本体部２１をカソード側セパレータ５６のピン挿入孔６４ａに向けて真っ直ぐに押し込んでいく。
【００３１】
すると、セル締結ピン１０のフック部１３がカソード側セパレータ５６のピン挿入孔６４ａに案内されて前進し、フック部１３のテーパ部１３ｂがアノード側セパレータ５５のピン挿入孔６３ａの開口縁に突き当たり、テーパ部１３ｂの案内作用により脚部１１の小径部１１ｂが弾性縮径しながらピン挿入孔６３ａに進入する。その後、セル締結ピン１０の大径部１１ａがカソード側セパレータ５６のピン挿入孔６４ａに進入する。さらに、フック部１３がピン挿入孔６３ａを貫通すると、小径部１１ｂが弾性復帰して拡径し、図８に示すように、フック部１３がアノード側セパレータ５５の締結基部６２の表面に係止される。これと同時に、セル締結ピン１０のフランジ部１２がカソード側セパレータ５６の締結基部６２の表面に係止される。
この後、ゲート部２３を破断し、柄部２２を除去すると、図２および図５に示すように、セル締結ピン１０だけが両セパレータ５５，５６を締結した状態で残る。前述したようにゲート部２３は極めて小径であるので、曲げたり捩ったりして剪断力を加えることにより、小さな力で容易に破断することができる。
【００３２】
この実施例では、両セパレータ５５，５６においてセル締結ピン１０を装着する部分を樹脂製の締結基部６２としており、しかも、締結基部６２においてピン挿入孔６３ａ，６３ｂ，６４ａ，６４ｂの周囲にはシール層６１が形成されていないので、セル締結ピン１０の取付中および締結後において、シール層６１が傷つけられることがなく、セパレータ５５，５６の絶縁性を良好に保持することができる。
【００３３】
この実施例では、大径部１１ａの外径がアノード側セパレータ５５のピン挿入孔６３ａの内径よりも大きいので、両セパレータ５５，５６をセル締結ピン１０で締結する際に、ピン成形体２０をアノード側セパレータ５５側から挿入することはできない。したがって、締結後の単位セル５０は、フランジ部１２が突出している方がカソード側セパレータ５６であり、フック部１３が突出している方がアノード側セパレータ５５であることが一目で分かる。また、セル締結ピン１０が装着されなかったピン挿入孔６３ｂ，６４ｂの内径の大きさを見ても、アノード側セパレータ５５とカソード側セパレータ５６を一目で区別することができる。これにより、単位セル５０を複数積層するときに、同極側のセパレータ同士を隣接して積層させるような積層ミスを確実に防止することができる。また、セパレータ５５，５６の判別が迅速にできるので、単位セル５０Ａ，５０Ｂの積層作業を迅速に行うことができ、生産性が向上する。
【００３４】
セル締結ピン１０で締結された単位セル５０を複数積層して燃料電池スタックとする場合には、図９に示すように、総ての締結基部６２においてＡサイドのピン挿入孔６３ａ，６４ａにセル締結ピン１０が装着されたＡタイプの単位セル５０Ａと、総ての締結基部６２においてＢサイドのピン挿入孔６３ｂ，６４ｂにセル締結ピン１０が装着されたＢタイプの単位セル５０Ｂを交互に積層する。これにより、Ａタイプの単位セル５０Ａに取り付けられたセル締結ピン１０と、Ｂタイプの単位セル５０Ｂに取り付けられたセル締結ピン１０とを、単位セル５０Ａ，５０Ｂの面内方向に位置をずらして配置することができる。
【００３５】
このようにすると、Ａタイプの単位セル５０Ａに装着されたセル締結ピン１０とＢタイプの単位セル５０Ｂに装着されたセル締結ピン１０とが重なるのを防止することができる。特に、この実施例では、Ａタイプの単位セル５０Ａのフック部１３はＢタイプの単位セル５０Ｂのカソード側セパレータ５６のピン挿入孔６４ｂに収容され、Ｂタイプの単位セル５０Ｂのフック部１３はＡタイプの単位セル５０Ａのカソード側セパレータ５６のピン挿入孔６４ａに収容されるので、積層したときにフック部１３が隣接する単位セル５０と干渉するのを防止することができる。その結果、、燃料電池スタックの積層方向の長さを短くすることができ、燃料電池スタックの小型化を図ることができる。
また、セル締結ピン１０が樹脂製であるので、金属製の締結部材で締結された単位セルを積層した場合に比べて、燃料電池スタックを軽量にすることができる。
【００３６】
また、この実施例では、アノード側セパレータ５５の各締結基部６２に一対のピン挿入孔６３ａ，６３ｂを設け、カソード側セパレータ５６の各締結基部６２に一対のピン挿入孔６４ａ，６４ｂを設け、Ａタイプの単位セル５０Ａを組み立てるときにはＡサイドのピン挿入孔６３ａ，６４ａにセル締結ピン１０を装着し、Ｂタイプの単位セル５０Ｂを組み立てるときにはＢサイドのピン挿入孔６３ｂ，６４ｂにセル締結ピン１０を装着しているので、アノード側セパレータ５５およびカソード側セパレータ５６は、いずれのタイプの単位セル５０Ａ，５０Ｂに対しても共通部品とすることができる。したがって、部品種類を少なくすることができ、部品管理も容易になり、その結果、生産性が向上する。
【００３７】
なお、図１０に示すように、アノード側セパレータ５５のピン挿入孔６３ａ，６３ｂ、およびカソード側セパレータ５６のピン挿入孔６４ａ，６４ｂを総て同一径とし、セル締結ピン１０のフック部１３をワッシャ４０を介してアノード側セパレータ５５に係止することも可能である。
【００３８】
〔他の実施例〕
なお、この発明は前述した実施例に限られるものではない。
例えば、各セパレータ５５，５６における締結基部６２の数および配置は、前述した実施例に限るものではない。セル締結ピン１０の形状も、この実施例に限るものではなく、例えば、小径部１１ｂを周方向に４等分ではなく、２等分にしてもよい。
【００３９】
また、前述した実施例では、カソード側セパレータ５６を第１セパレータとし、アノード側セパレータ５５を第２セパレータとしているが、これを逆にし、アノード側セパレータ５５を第１セパレータとし、カソード側セパレータ５６を第２セパレータとして、アノード側セパレータ５５のピン挿入孔６３ａ，６３ｂの内径をカソード側セパレータ５６のピン挿入孔６４ａ，６４ｂの内径よりも大きくし、セル締結ピン１０をアノード側セパレータ５５の側から挿入し、セル締結ピン１０のフランジ部１２をアノード側セパレータ５５のピン挿入孔６３ａに挿入するようにしてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００４０】
【図１】この発明に係る燃料電池（単位セル）の１実施例における分解斜視図である。
【図２】前記実施例の単位セルにおける締結部の断面図であり、図３のII−II断面図である。
【図３】前記締結部の背面図である。
【図４】前記締結部の正面図である。
【図５】前記締結部の断面図であり、図４のＶ−Ｖ断面図である。
【図６】射出成形直後のセル締結ピンの断面図である。
【図７】前記実施例の単位セルの締結手順を説明する図（その１）である。
【図８】前記実施例の単位セルの締結手順を説明する図（その２）である。
【図９】前記実施例の単位セルを複数積層して燃料電池スタックとした場合の締結部の断面図である。
【図１０】別の実施例の単位セルを複数積層して燃料電池スタックとした場合の締結部の断面図である。
【符号の説明】
【００４１】
１０ セル締結ピン
１１ 脚部
１１ａ 大径部
１２ フランジ部
１３ フック部
２１ ピン本体部
２２ 柄部
２３ ゲート部
５０，５０Ａ，５０Ｂ 単位セル（燃料電池）
５１ 固体高分子電解質膜（電解質膜）
５２ アノード電極
５３ カソード電極
５４ 膜電極構造体
５５ アノード側セパレータ（第２セパレータ）
５６ カソード側セパレータ（第１セパレータ）
６３ａ，６３ｂ，６４ａ，６４ｂ ピン挿入孔
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電解質膜の両側に一対の電極が設けられた膜電極構造体を、第１セパレータと第２セパレータで挟んで単位セルとする燃料電池であって、
前記第１セパレータと第２セパレータの外周部の複数箇所には両セパレータに対し同軸に配置されたピン挿入孔が設けられ、同軸上の両セパレータのピン挿入孔に亘って単一の樹脂製のセル締結ピンの脚部が挿入され、この脚部の一端に形成されたフランジ部が前記第１セパレータに係止し、前記脚部の他端に形成されたフック部が前記第２セパレータに係止して前記単位セルが締結されていることを特徴とする燃料電池。
【請求項２】
互いに積層される一対の前記単位セルを備え、一方の単位セルに取り付けられた前記セル締結ピンと、他方の単位セルに取り付けられた前記セル締結ピンとが、単位セルの面内方向に位置をずらして配置されていることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池。
【請求項３】
前記第１セパレータのピン挿入孔は第２セパレータのピン挿入孔よりも大径にされていて、前記セル締結ピンの脚部には前記フランジ部側に大径部が設けられ、この大径部が前記第１セパレータのピン挿入孔に挿入されていることを特徴とする請求項２に記載の燃料電池。
【請求項４】
前記各セパレータにはそれぞれのピン挿入孔と対をなす同一形態のピン挿入孔が設けられており、前記一方の単位セルでは前記対をなすピン挿入孔の一方のピン挿入孔に前記セル締結ピンが取り付けられ、前記他方の単位セルでは前記対をなすピン挿入孔の他方のピン挿入孔に前記セル締結ピンが取り付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。
【請求項５】
請求項１から請求項４のいずれか１項に記載された燃料電池に使用されるセル締結ピンであって、
前記脚部と前記フランジ部と前記フック部からなるピン本体部と、前記フランジ部に連続して設けられた柄部と、を備えることを特徴とするセル締結ピン。
【請求項６】
射出成形により成形され、前記フランジ部と前記柄部とが接続する部位にゲート部が設けられ、単位セルを締結した後に前記ゲート部で切り離されることを特徴とする請求項５に記載のセル締結ピン。
【請求項１】
電解質膜の両側に一対の電極が設けられた膜電極構造体を、第１セパレータと第２セパレータで挟んで単位セルとする燃料電池であって、
前記第１セパレータと第２セパレータの外周部の複数箇所には両セパレータに対し同軸に配置されたピン挿入孔が設けられ、同軸上の両セパレータのピン挿入孔に亘って単一の樹脂製のセル締結ピンの脚部が挿入され、この脚部の一端に形成されたフランジ部が前記第１セパレータに係止し、前記脚部の他端に形成されたフック部が前記第２セパレータに係止して前記単位セルが締結されていることを特徴とする燃料電池。
【請求項２】
互いに積層される一対の前記単位セルを備え、一方の単位セルに取り付けられた前記セル締結ピンと、他方の単位セルに取り付けられた前記セル締結ピンとが、単位セルの面内方向に位置をずらして配置されていることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池。
【請求項３】
前記第１セパレータのピン挿入孔は第２セパレータのピン挿入孔よりも大径にされていて、前記セル締結ピンの脚部には前記フランジ部側に大径部が設けられ、この大径部が前記第１セパレータのピン挿入孔に挿入されていることを特徴とする請求項２に記載の燃料電池。
【請求項４】
前記各セパレータにはそれぞれのピン挿入孔と対をなす同一形態のピン挿入孔が設けられており、前記一方の単位セルでは前記対をなすピン挿入孔の一方のピン挿入孔に前記セル締結ピンが取り付けられ、前記他方の単位セルでは前記対をなすピン挿入孔の他方のピン挿入孔に前記セル締結ピンが取り付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。
【請求項５】
請求項１から請求項４のいずれか１項に記載された燃料電池に使用されるセル締結ピンであって、
前記脚部と前記フランジ部と前記フック部からなるピン本体部と、前記フランジ部に連続して設けられた柄部と、を備えることを特徴とするセル締結ピン。
【請求項６】
射出成形により成形され、前記フランジ部と前記柄部とが接続する部位にゲート部が設けられ、単位セルを締結した後に前記ゲート部で切り離されることを特徴とする請求項５に記載のセル締結ピン。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【公開番号】特開２００６−１４７４６０（Ｐ２００６−１４７４６０Ａ）
【公開日】平成１８年６月８日（２００６．６．８）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００４−３３８９７４（Ｐ２００４−３３８９７４）
【出願日】平成１６年１１月２４日（２００４．１１．２４）
【出願人】（０００００５３２６）本田技研工業株式会社 (23,863)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１８年６月８日（２００６．６．８）
【国際特許分類】
【出願日】平成１６年１１月２４日（２００４．１１．２４）
【出願人】（０００００５３２６）本田技研工業株式会社 (23,863)
【Ｆターム（参考）】
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