燃料電池ユニット
【課題】簡単且つ経済的な構成で、電解質膜・電極構造体及びセパレータを有する燃料電池ユニットを、確実に位置決め保持することができ、組み立て作業性を有効に向上させることを可能にする。
【解決手段】燃料電池１０を構成する燃料電池ユニット１２は、外周部に額縁部２８が設けられる第１電解質膜・電極構造体１４ａ、第１セパレータ１６、外周部に額縁部２８が設けられる第２電解質膜・電極構造体１４ｂ、第２セパレータ１８及び第３セパレータ２０を備える。第１電解質膜・電極構造体１４ａの額縁部２８には、複数の樹脂ピン部１０４ａが一体成形される。各樹脂ピン部１０４ａは、第１セパレータ１６の孔部７４ａ、第２電解質膜・電極構造体１４ｂの孔部１１６ａ、第２セパレータ１８の孔部９８ａ及び第３セパレータ２０の孔部４８ａに一体的に挿入される。
【解決手段】燃料電池１０を構成する燃料電池ユニット１２は、外周部に額縁部２８が設けられる第１電解質膜・電極構造体１４ａ、第１セパレータ１６、外周部に額縁部２８が設けられる第２電解質膜・電極構造体１４ｂ、第２セパレータ１８及び第３セパレータ２０を備える。第１電解質膜・電極構造体１４ａの額縁部２８には、複数の樹脂ピン部１０４ａが一体成形される。各樹脂ピン部１０４ａは、第１セパレータ１６の孔部７４ａ、第２電解質膜・電極構造体１４ｂの孔部１１６ａ、第２セパレータ１８の孔部９８ａ及び第３セパレータ２０の孔部４８ａに一体的に挿入される。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電解質膜の両側に一対の電極を設け、外周部に額縁状樹脂枠が設けられた長方形状の電解質膜・電極構造体と、長方形状のセパレータとが積層される燃料電池ユニットに関する。
【背景技術】
【０００２】
例えば、固体高分子型燃料電池は、高分子イオン交換膜からなる電解質膜の両側に、それぞれアノード側電極及びカソード側電極を配設した電解質膜・電極構造体（ＭＥＡ）を、セパレータによって挟持している。この燃料電池は、通常、所定の数だけ積層されることにより、例えば、車載用燃料電池スタックとして使用されている。
【０００３】
燃料電池では、通常、数十〜数百の燃料電池を積層して燃料電池スタックを構成している。その際、燃料電池自体及び前記燃料電池同士を正確に位置決めする必要があり、例えば、特許文献１に開示されている固体高分子電解質膜型燃料電池が知られている。
【０００４】
この燃料電池は、図１０に示すように、電解質層１Ａの両面に、燃料電極１Ｂと酸化剤電極１Ｃが配設される燃料電池セル１を、セパレータ２Ａ、２Ｂにより挟持して構成される単電池３を備えている。セパレータ２Ａ及び２Ｂには、保持ピン挿入側保持孔４ａ及び止め輪挿入側保持孔４ｂが形成されるとともに、電解質層１Ａには、これらに同軸的に孔部５が形成されている。
【０００５】
保持ピン６は、保持ピン挿入側保持孔４ａ、孔部５及び止め輪挿入側保持孔４ｂに向かって挿入されるとともに、先端部には、止め輪７が装着されることにより、単電池３が一体的に保持されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２０００−１２０６７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
ところで、上記の単電池３では、セパレータ２Ａ及び２Ｂに、それぞれ段付き形状の保持ピン挿入側保持孔４ａ及び止め輪挿入側保持孔４ｂが形成されている。従って、孔加工作業が相当に煩雑なものとなるとともに、部品点数が増大して製造コストが高騰するという問題がある。
【０００８】
しかも、締結部材として、保持ピン６及び止め輪７が使用されているが、外部から衝撃荷重が付与された際、この衝撃荷重を確実に受け止めることができないおそれがある。このため、単電池３にせん断方向の荷重が付与されると、燃料電池セル１とセパレータ２Ａ及び２Ｂとにせん断方向のずれが惹起し、シール性が低下するという問題がある。
【０００９】
本発明は、この種の問題を解決するものであり、簡単且つ経済的な構成で、燃料電池ユニットを容易に位置決めして組み立て作業性を向上させるとともに、衝撃荷重を確実に保持することができ、シール性及び発電性を良好に確保することが可能な燃料電池ユニットを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明は、電解質膜の両側に一対の電極を設け、外周部に額縁状樹脂枠が設けられた長方形状の電解質膜・電極構造体と、長方形状のセパレータとが積層される燃料電池ユニットに関するものである。
【００１１】
この燃料電池ユニットでは、少なくとも１つの電解質膜・電極構造体は、互いに対向する長辺側に、それぞれ複数の樹脂製凸状部が設けられる一方、セパレータを含む他の構成部材には、前記樹脂製凸状部が挿入される孔部が形成されている。
【００１２】
そして、樹脂製凸状部は、孔部の内周面に隙間なく嵌合し且つ少なくとも１つの電解質膜・電極構造体及び他の構成部材を一体に結合している。
【００１３】
また、この燃料電池ユニットでは、電解質膜・電極構造体及びセパレータには、それぞれ互いに対向する長辺側に、リビルトピン挿入用孔部が形成されることが好ましい。
【００１４】
ここで、リビルトピンは、個別に用意されており、一旦組み立てた燃料電池ユニットを分解した後、使用不能になった樹脂製凸状部に代えて使用されるピンである。このリビルトピンは、電解質膜・電極構造体及びセパレータに設けられたリビルトピン挿入用孔部に挿入されることにより、燃料電池ユニットが、再度、組み立て可能になる。
【発明の効果】
【００１５】
本発明に係る燃料電池ユニットでは、少なくとも１つの電解質膜・電極構造体の互いに対向する長辺側に、それぞれ複数の樹脂製凸状部が設けられている。各樹脂製凸状部は、他の構成部材に形成された各孔部の内周面に隙間なく一体に嵌合している。このため、長辺側から衝撃荷重が付与された際、電解質膜・電極構造体及びセパレータより前記衝撃荷重を確実に受けることができる。従って、各構成部材は、互いにせん断方向にずれることがなく、所望のシール性及び発電性を確保することが可能になる。
【００１６】
しかも、専用の締結部材を個別に構成する必要がなく、部品点数が有効に削減されるとともに、設備費を削減することができる。これにより、簡単且つ経済的な構成で、電解質膜・電極構造体及びセパレータを有する燃料電池ユニットを、確実に位置決め保持するとともに、組み立て作業性を有効に向上させることが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本発明の実施形態に係る燃料電池ユニットの要部分解斜視説明図である。
【図２】前記燃料電池ユニットが積層された燃料電池の、図１中、ＩＩ−ＩＩ線断面図である。
【図３】前記燃料電池ユニットを構成する第３セパレータの正面説明図である。
【図４】前記燃料電池ユニットを構成する第１セパレータの正面説明図である。
【図５】前記燃料電池ユニットを構成する第２セパレータの正面説明図である。
【図６】前記燃料電池ユニットを構成する第１電解質膜・電極構造体の正面説明図である。
【図７】前記燃料電池ユニットを構成する第２電解質膜・電極構造体の正面説明図である。
【図８】前記燃料電池ユニットの、図７中、ＶＩＩＩ−ＶＩＩＩ線断面図である。
【図９】前記燃料電池ユニットをリビルトピンにより一体化する際の断面説明図である。
【図１０】特許文献１に開示されている燃料電池の分解説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
図１に示すように、燃料電池１０は、本発明の実施形態に係る燃料電池ユニット１２を備えるとともに、複数の前記燃料電池ユニット１２が水平方向（矢印Ａ方向）又は重力方向（矢印Ｃ方向）に積層されてスタックが構成される。
【００１９】
燃料電池ユニット１２は、第１電解質膜・電極構造体（ＭＥＡ）１４ａ、第１セパレータ１６、第２電解質膜・電極構造体（ＭＥＡ）１４ｂ、第２セパレータ１８及び第３セパレータ２０の順に積層される。第１電解質膜・電極構造体１４ａ、第１セパレータ１６、第２電解質膜・電極構造体１４ｂ、第２セパレータ１８及び第３セパレータ２０は、それぞれ長方形状を有しており、例えば、横長形状に配置される。
【００２０】
第１セパレータ１６、第２セパレータ１８及び第３セパレータ２０は、例えば、鋼板、ステンレス鋼板、アルミニウム板、めっき処理鋼板、あるいはその金属表面に防食用の表面処理を施した金属板により構成される。第１セパレータ１６、第２セパレータ１８及び第３セパレータ２０は、金属製薄板を波形状にプレス加工することにより、断面凹凸形状を有する。
【００２１】
第２セパレータ１８の外周部と第３セパレータ２０の外周部とは、溶接、接着、ロウ付け又はかしめ等の接合手段により接合され、内部である冷却媒体流路５２（後述する）が気密に密閉される。なお、第１セパレータ１６、第２セパレータ１８及び第３セパレータ２０は、金属セパレータに換えて、カーボンセパレータ等を使用してもよい。
【００２２】
第１電解質膜・電極構造体１４ａ及び第２電解質膜・電極構造体１４ｂは、例えば、パーフルオロスルホン酸の薄膜に水が含浸された固体高分子電解質膜２２と、前記固体高分子電解質膜２２を挟持するアノード側電極２４及びカソード側電極２６とを備える（図２参照）。
【００２３】
アノード側電極２４及びカソード側電極２６は、カーボンペーパ等からなるガス拡散層（図示せず）と、白金合金が表面に担持された多孔質カーボン粒子が前記ガス拡散層の表面に一様に塗布されて形成される電極触媒層（図示せず）とを有する。電極触媒層は、固体高分子電解質膜２２の両面に形成される。
【００２４】
固体高分子電解質膜２２は、アノード側電極２４及びカソード側電極２６よりも大きな表面積に設定される。この固体高分子電解質膜２２の外周端縁部には、樹脂製の額縁部（額縁状樹脂枠）２８が、例えば、射出成形により一体成形される。樹脂材としては、汎用プラスチックの他、エンジニアリングプラスチックやスーパーエンジニアリングプラスチック等が採用される。
【００２５】
図１に示すように、額縁部２８の矢印Ｂ方向の一端縁部には、矢印Ａ方向に互いに連通して、酸化剤ガス、例えば、酸素含有ガスを供給するための酸化剤ガス入口連通孔３０ａ、冷却媒体を排出するための冷却媒体出口連通孔３４ｂ及び燃料ガス、例えば、水素含有ガスを排出するための燃料ガス出口連通孔３２ｂが、矢印Ｃ方向（鉛直方向）に配列して設けられる。
【００２６】
額縁部２８の矢印Ｂ方向の他端縁部には、矢印Ａ方向に互いに連通して、燃料ガスを供給するための燃料ガス入口連通孔３２ａ、冷却媒体を供給するための冷却媒体入口連通孔３４ａ及び酸化剤ガスを排出するための酸化剤ガス出口連通孔３０ｂが、矢印Ｃ方向に配列して設けられる。
【００２７】
第１セパレータ１６、第２セパレータ１８及び第３セパレータ２０の外周部は、酸化剤ガス入口連通孔３０ａ、冷却媒体入口連通孔３４ａ、燃料ガス出口連通孔３２ｂ、燃料ガス入口連通孔３２ａ、冷却媒体出口連通孔３４ｂ及び酸化剤ガス出口連通孔３０ｂの内側に配置される。
【００２８】
図１及び図３に示すように、第３セパレータ２０の第１電解質膜・電極構造体１４ａに対向する面２０ａには、酸化剤ガス入口連通孔３０ａと酸化剤ガス出口連通孔３０ｂとを連通する第１酸化剤ガス流路３６が形成される。第１酸化剤ガス流路３６は、矢印Ｂ方向に延在する複数の波状流路溝を有するとともに、前記第１酸化剤ガス流路３６の入口及び出口近傍には、それぞれ複数のエンボスを有する入口バッファ部３８及び出口バッファ部４０が設けられる。
【００２９】
第３セパレータ２０の矢印Ｂ方向両端には、酸化剤ガス入口連通孔３０ａ及び酸化剤ガス出口連通孔３０ｂに対応して突出する突起部４２ａ、４２ｂが設けられる。突起部４２ａには、酸化剤ガス入口連通孔３０ａを第１酸化剤ガス流路３６に連通する入口流路４４ａが波状に形成される一方、突起部４２ｂには、酸化剤ガス出口連通孔３０ｂを前記第１酸化剤ガス流路３６に連通する出口流路４４ｂが波状に形成される。
【００３０】
第３セパレータ２０の矢印Ｃ方向両端部には、矢印Ｂ方向に長尺形状を有して外方（矢印Ｃ方向）に突出する突出部４６ａ、４６ｂが形成される。突出部４６ａには、矢印Ｂ方向に沿って複数の孔部４８ａと複数のリビルトピン挿入用孔部５０ａとが、例えば、１つずつ交互に貫通形成される。
【００３１】
なお、２つの孔部４８ａと１つのリビルトピン挿入用孔部５０ａとを交互に配列してもよい。以下に説明する各孔部も、同様である。突出部４６ｂには、同様に、矢印Ｂ方向に沿って複数の孔部４８ｂと複数のリビルトピン挿入用孔部５０ｂとが、例えば、１つずつ交互に貫通形成される。
【００３２】
第３セパレータ２０の面２０ｂには、冷却媒体入口連通孔３４ａと冷却媒体出口連通孔３４ｂとを連通する冷却媒体流路５２が形成される。この冷却媒体流路５２は、第１酸化剤ガス流路３６の裏面形状である。
【００３３】
図４に示すように、第１セパレータ１６の第１電解質膜・電極構造体１４ａに対向する面１６ａには、燃料ガス入口連通孔３２ａと燃料ガス出口連通孔３２ｂとを連通する第１燃料ガス流路５４が形成される。第１燃料ガス流路５４は、矢印Ｂ方向に延在する複数の波状流路溝を有する。第１燃料ガス流路５４の入口及び出口近傍には、入口バッファ部５６及び出口バッファ部５８が設けられる。
【００３４】
第１セパレータ１６の矢印Ｂ方向両端には、燃料ガス入口連通孔３２ａ及び燃料ガス出口連通孔３２ｂに対応して突出する突起部５８ａ、５８ｂと、酸化剤ガス入口連通孔３０ａ及び酸化剤ガス出口連通孔３０ｂに対応して突出する突起部６０ａ、６０ｂとが設けられる。面１６ａにおいて、突起部５８ａには、燃料ガス入口連通孔３２ａを第１燃料ガス流路５４に連通する入口流路６２ａが波状に形成される一方、突起部５８ｂには、燃料ガス出口連通孔３２ｂを前記第１燃料ガス流路５４に連通する出口流路６２ｂが波状に形成される。
【００３５】
図１に示すように、第１セパレータ１６の第１電解質膜・電極構造体１４ｂに対向する面１６ｂには、酸化剤ガス入口連通孔３０ａと酸化剤ガス出口連通孔３０ｂとを連通する第２酸化剤ガス流路６４が形成される。第２酸化剤ガス流路６４は、矢印Ｂ方向に延在する複数の波状流路溝を有するとともに、前記第２酸化剤ガス流路６４の入口及び出口近傍には、入口バッファ部６６及び出口バッファ部６８が設けられる。
【００３６】
面１６ｂにおいて、突起部６０ａには、酸化剤ガス入口連通孔３０ａを第２酸化剤ガス流路６４に連通する入口流路７０ａに波状に形成される一方、突起部６０ｂには、酸化剤ガス出口連通孔３０ｂを前記第２酸化剤ガス流路６４に連通する出口流路７０ｂが波状に形成される。
【００３７】
第１セパレータ１６の矢印Ｃ方向両端部には、矢印Ｂ方向に長尺形状を有して外方（矢印Ｃ方向）に突出する外方に突出する突出部７２ａ、７２ｂが形成される。図４に示すように、突出部７２ａには、矢印Ｂ方向に沿って複数の孔部７４ａと複数のリビルトピン挿入用孔部７６ａとが、例えば、１つずつ交互に貫通形成される。突出部７２ｂには、同様に、矢印Ｂ方向に沿って複数の孔部７４ｂと複数のリビルトピン挿入用孔部７６ｂとが、例えば、１つずつ交互に貫通形成される。
【００３８】
図５に示すように、第２セパレータ１８の第２電解質膜・電極構造体１４ｂに対向する面１８ａには、燃料ガス入口連通孔３２ａと燃料ガス出口連通孔３２ｂとを連通する第２燃料ガス流路７８が形成される。第２燃料ガス流路７８は、矢印Ｂ方向に延在する複数の波状流路溝を有する。第２燃料ガス流路７８の入口及び出口近傍には、入口バッファ部８０及び出口バッファ部８２が設けられる。
【００３９】
第２セパレータ１８の矢印Ｂ方向両端には、燃料ガス入口連通孔３２ａ及び燃料ガス出口連通孔３２ｂに対応して突出する突起部８４ａ、８４ｂと、冷却媒体入口連通孔３４ａ及び冷却媒体出口連通孔３４ｂに対応して突出する突起部８６ａ、８６ｂとが設けられる。
【００４０】
面１８ａにおいて、突起部８４ａには、燃料ガス入口連通孔３２ａを第２燃料ガス流路７８に連通する入口流路８８ａが波状に形成される一方、突起部８４ｂには、燃料ガス出口連通孔３２ｂを前記第２燃料ガス流路７８に連通する出口流路８８ｂが波状に形成される。
【００４１】
図１に示すように、面１８ｂにおいて、突起部８６ａには、冷却媒体入口連通孔３４ａを冷却媒体流路５２に連通する入口流路９０ａが波状に形成される一方、突起部８６ｂには、冷却媒体出口連通孔３４ｂを前記冷却媒体流路５２に連通する出口流路９０ｂが波状に形成される。
【００４２】
面１８ｂは、面１８ａ側の第２燃料ガス流路７８の裏面形状である。この面１８ｂと第３セパレータ２０の面２０ｂとが重なり合うことにより、冷却媒体流路５２が形成される。冷却媒体流路５２の入口及び出口近傍には、入口バッファ部９２及び出口バッファ部９４が設けられる。
【００４３】
図１及び図５に示すように、第２セパレータ１８の矢印Ｃ方向両端には、矢印Ｂ方向に長尺形状を有して外方（矢印Ｃ方向）に突出する突出部９６ａ、９６ｂが形成される。突出部９６ａには、矢印Ｂ方向に沿って複数の孔部９８ａと複数のリビルトピン挿入用孔部１００ａとが、例えば、１つずつ交互に貫通形成される。突出部９６ｂには、同様に、矢印Ｂ方向に沿って複数の孔部９８ｂと複数のリビルトピン挿入用孔部１００ｂとが、例えば、１つずつ交互に貫通形成される。
【００４４】
図１に示すように、第１電解質膜・電極構造体１４ａの額縁部２８には、第１シール部材１０２が一体成形される。第１シール部材１０２としては、例えば、ＥＰＤＭ、ＮＢＲ、フッ素ゴム、シリコーンゴム、フロロシリコーンゴム、ブチルゴム、天然ゴム、スチレンゴム、クロロプレーン又はアクリルゴム等のシール材、クッション材、あるいはパッキン材が用いられる。なお、以下に説明する第２シール部材１１４は、同様の材料が使用される。
【００４５】
この第１シール部材１０２は、図２に示すように、第３セパレータ２０側の面に、前記第３セパレータ２０の外周縁部を周回して摺接する第１シール部１０２ａを有する。
【００４６】
図２及び図６に示すように、第１シール部材１０２の第１セパレータ１６側の面には、前記第１セパレータ１６の外周部縁部を周回して摺接する第２シール部１０２ｂと、前記第１セパレータ１６の外周部外方に位置し、隣接する第２電解質膜・電極構造体１４ｂの額縁部２８に摺接する第３シール部１０２ｃとが設けられる。
【００４７】
図６に示すように、第３シール部１０２ｃは、第１電解質膜・電極構造体１４ａの矢印Ｃ方向両端側で、矢印Ｂ方向に比較的広範囲にわたって、それぞれ外方に迂回するように形成される。上方の第３シール部１０２ｃの迂回部と第２シール部１０２ｂとの間には、複数の樹脂ピン部（樹脂製凸状部）１０４ａと複数のリビルトピン挿入用孔部１０６ａとが、例えば、１つずつ交互に設けられる。下方の第３シール部１０２ｃの迂回部と第２シール部１０２ｂとの間には、複数の樹脂ピン部（樹脂製凸状部）１０４ｂと複数のリビルトピン挿入用孔部１０６ｂとが、例えば、１つずつ交互に設けられる。
【００４８】
第１電解質膜・電極構造体１４ａの長辺側にのみ樹脂ピン部１０４ａ、１０４ｂを設けることにより、前記樹脂ピン部１０４ａ、１０４ｂの数を多く設定することができるとともに、短辺側に酸化剤ガス入口連通孔３０ａ、酸化剤ガス出口連通孔３０ｂ、燃料ガス入口連通孔３２ａ、燃料ガス出口連通孔３２ｂ、冷却媒体入口連通孔３４ａ及び冷却媒体出口連通孔３４ｂを配置するためのスペースを確保することが可能になる。
【００４９】
樹脂ピン部１０４ａ、１０４ｂは、第３シール部１０２ｃの迂回部と第２シール部１０２ｂとの間に位置して、すなわち、二重シール（リビルトピン挿入用孔部１０６ａ、１０６ｂの周囲をシールすることができるシール）の間に位置して設けられる。樹脂ピン部１０４ａ、１０４ｂは、額縁部２８と一体成形されるとともに、第２電解質膜・電極構造体１４ｂ側に突出する（図１参照）。
【００５０】
第１電解膜・電極構造体１４ａの各長辺の両側には、樹脂製ガイド部材１０８ａが額縁部２８と一体成形される。なお、樹脂製ガイド部材１０８ａは、額縁部２８と別体に構成することもできる。樹脂製ガイド部材１０８ａの外周端部１１０ａには、前記外周端部１１０ａから内方に離間する凹状の逃げ部１１２が形成される。
【００５１】
図２及び図７に示すように、第２電解質膜・電極構造体１４ｂの額縁部２８には、第２シール部材１１４が一体成形される。この第２シール部材１１４は、第２セパレータ１８側の面に、前記第２セパレータ１８の外周縁部を周回して周接する第１シール部１１４ａと、前記第２セパレータ１８の外周部外方に位置し、隣接する第１電解質膜・電極構造体１４ａの額縁部２８に周接する第２シール部１１４ｂとを有する。
【００５２】
図７に示すように、第２シール部１１４ｂは、第２電解質膜・電極構造体１４ｂの矢印Ｃ方向両端側で、矢印Ｂ方向に比較的広範囲にわたって、それぞれ外方に迂回するように形成される。上方の第２シール部１１４ｂの迂回部と第１シール部１１４ａとの間には、複数の孔部１１６ａと複数のリビルトピン挿入用孔部１１８ａとが、例えば、１つずつ交互に貫通形成される。下方の第２シール部１１４ｂの迂回部と第１シール部１１４ａとの間には、複数の孔部１１６ｂと複数のリビルトピン挿入用孔部１１８ｂとが、例えば、１つずつ交互に貫通形成される。
【００５３】
第１セパレータ１６の孔部７４ａ、第２電解質膜・電極構造体１４ｂの孔部１１６ａ、第２セパレータ１８の孔部９８ａ及び第３セパレータ２０の孔部４８ａは、同一直径で且つ同一個数に設定される。第１セパレータ１６の孔部７４ｂ、第２電解質膜・電極構造体１４ｂの孔部１１６ｂ、第２セパレータ１８の孔部９８ｂ及び第３セパレータ２０の孔部４８ｂは、同一直径で且つ同一個数に設定される。
【００５４】
第１電解質膜・電極構造体１４ａのリビルトピン挿入用孔部１０６ａ、第１セパレータ１６のリビルトピン挿入用孔部７６ａ、第２電解質膜・電極構造体１４ｂのリビルトピン挿入用孔部１１８ａ、第２セパレータ１８のリビルトピン挿入用孔部１００ａ及び第３セパレータ２０のリビルトピン挿入用孔部５０ａは、同一直径で且つ同一個数に設定される。
【００５５】
第１電解質膜・電極構造体１４ａのリビルトピン挿入用孔部１０６ｂ、第１セパレータ１６のリビルトピン挿入用孔部７６ｂ、第２電解質膜・電極構造体１４ｂのリビルトピン挿入用孔部１１８ｂ、第２セパレータ１８のリビルトピン挿入用孔部１００ｂ及び第３セパレータ２０のリビルトピン挿入用孔部５０ｂは、同一直径で且つ同一個数に設定される。
【００５６】
図７に示すように、第２電解質膜・電極構造体１４ｂの額縁部２８には、樹脂製ガイド部材１０８ｂが一体成形される。樹脂製ガイド部材１０８ｂは、外周端部１１０ｂを設けるとともに、この外周端部１１０ｂは、第１電解質膜・電極構造体１４ａの樹脂製ガイド部材１０８ａに設けられた逃げ部１１２から外方に露呈している（図６参照）。
【００５７】
図８に示すように、第１電解質膜・電極構造体１４ａの額縁部２８に設けられている複数の樹脂ピン部１０４ａは、第１セパレータ１６の孔部７４ａ、第２電解質膜・電極構造体１４ｂの孔部１１６ａ、第２セパレータ１８の孔部９８ａ及び第３セパレータ２０の孔部４８ａに一体に挿入される。
【００５８】
樹脂ピン部１０４ａの先端は、溶着ダイを構成する溶着チップ１２０により成形される。この溶着チップ１２０は、所定温度に加熱される成形面１２０ａを有するとともに、前記成形面１２０ａには、略円錐状に突出するかしめ機能部１２２が形成される。
【００５９】
溶着チップ１２０は、所定温度に加熱された状態で、樹脂ピン部１０４ａの先端に押圧される。このため、溶着チップ１２０の成形面１２０ａを介して所定の形状、例えば、大径な頭部１２４が形成されるとともに、かしめ機能部１２２を介してかしめ凹部１２６が形成される。
【００６０】
従って、樹脂ピン部１０４ａは、軸方向に押し潰されるように変形し、すなわち、径方向外方に膨出し、各孔部７４ａ、１１６ａ、９８ａ及び４８ａの内周面に隙間なく一体に嵌合している。なお、樹脂ピン部１０４ｂは、上記の樹脂ピン部１０４ａと同様である。
【００６１】
第１セパレータ１６、第２電解質膜・電極構造体１４ｂ、第２セパレータ１８及び第３セパレータ２０は、第１電解質膜・電極構造体１４ａの額縁部２８と樹脂ピン部１０４ａ、１０４ｂの頭部１２４との間で、保持されている。
【００６２】
このように構成される燃料電池１０の動作について、以下に説明する。
【００６３】
図１に示すように、酸化剤ガス入口連通孔３０ａに供給された酸素含有ガス等の酸化剤ガスは、第３セパレータ２０の突起部４２ａに形成されている入口流路４４ａを介して第１酸化剤ガス流路３６に供給される。同様に、酸化剤ガスは、第１セパレータ１６の突起部６０ａに形成されている入口流路７０ａを介して第２酸化剤ガス流路６４に供給される。
【００６４】
第１酸化剤ガス流路３６を流通した酸化剤ガスは、第３セパレータ２０の突起部４２ｂに形成されている出口流路４４ｂから酸化剤ガス出口連通孔３０ｂに排出される。同様に、第２酸化剤ガス流路６４を流通した酸化剤ガスは、第１セパレータ１６の突起部６０ｂに形成されている出口流路７０ｂから酸化剤ガス出口連通孔３０ｂに排出される。
【００６５】
一方、燃料ガス入口連通孔３２ａに供給された水素含有ガス等の燃料ガスは、第１セパレータ１６の突起部５８ａに形成されている入口流路６２ａから第１燃料ガス流路５４に供給される。同様に、燃料ガスは、第２セパレータ１８の突起部８４ａに形成されている入口流路８８ａから第２燃料ガス流路７８に供給される。
【００６６】
第１燃料ガス流路５４を流通した燃料ガスは、第１セパレータ１６の突起部５８ｂに形成されている出口流路６２ｂから燃料ガス出口連通孔３２ｂに排出される。同様に、第２燃料ガス流路７８を流通した燃料ガスは、第２セパレータ１８の突起部８４ｂに形成されている出口流路８８ｂから燃料ガス出口連通孔３２ｂに排出される。
【００６７】
また、冷却媒体入口連通孔３４ａに供給された純水やエチレングリコール、オイル等の冷却媒体は、第２セパレータ１８の突起部８６ａに形成されている入口流路９０ａから冷却媒体流路５２に供給される。この冷却媒体は、冷却媒体流路５２を流通した後、突起部８６ｂに形成されている出口流路９０ｂから冷却媒体出口連通孔３４ｂに排出される。
【００６８】
この場合、本実施形態では、第１電解質膜・電極構造体１４ａの額縁部２８には、矢印Ｂ方向に配列して複数の樹脂ピン部１０４ａ、１０４ｂが一体成形されている。各樹脂ピン部１０４ａ、１０４ｂは、他の構成部材である第１セパレータ１６の孔部７４ａ、７４ｂ、第２電解質膜・電極構造体１４ｂの孔部１１６ａ、１１６ｂ、第２セパレータ１８の孔部９８ａ、９８ｂ及び第３セパレータ２０の孔部４８ａ、４８ｂにそれぞれ一体的に挿入された後、溶着処理により大径な頭部１２４及びかしめ凹部１２６が形成されている。
【００６９】
従って、各樹脂ピン部１０４ａ、１０４ｂは、他の構成部材に形成された各孔部７４ａ、７４ｂ、１１６ａ、１１６ｂ、９８ａ、９８ｂ及び４８ａ、４８ｂの各内周面に隙間なく一体に嵌合している。このため、燃料電池ユニット１２は、長辺側から衝撃荷重が付与された際、前記衝撃荷重を確実に受けることができる。
【００７０】
これにより、燃料電池ユニット１２の構成部材（第１電解質膜・電極構造体１４ａ、第１セパレータ１６、第２電解質膜・電極構造体１４ｂ、第２セパレータ１８及び第３セパレータ２０）同士がせん断方向にずれることがなく、所望のシール性及び発電性を確保することが可能になるという効果が得られる。
【００７１】
しかも、専用の締結部材を個別に構成する必要がなく、部品点数が有効に削減されるとともに、設備費を削減することができる。従って、簡単且つ経済的な構成で、第１電解質膜・電極構造体１４ａ、第１セパレータ１６、第２電解質膜・電極構造体１４ｂ、第２セパレータ１８及び第３セパレータ２０を有する燃料電池ユニット１２を、確実に位置決め保持することが可能になり、組み立て作業性を有効に向上させることができる。
【００７２】
このため、複数の燃料電池ユニット１２が積層される燃料電池１０（燃料電池スタック）の製造工程の簡素化を図るとともに、前記燃料電池ユニット１２及び前記燃料電池１０の組み立て作業性が良好に向上するという効果が得られる。
【００７３】
次に、組み立て後の燃料電池１０が、故障等による部品交換や解析等のために分解される際には、先ず、各樹脂ピン部１０４ａ、１０４ｂが破断されて各燃料電池ユニット１２が互いに分離される。一方、個別に構成されているリビルトピン１３０ａ、１３０ｂが用意される。
【００７４】
そして、図９に示すように、リビルトピン１３０ａ、１３０ｂは、第１電解質膜・電極構造体１４ａ、第１セパレータ１６、第２電解質膜・電極構造体１４ｂ、第２セパレータ１８及び第３セパレータ２０の各リビルトピン挿入用孔部１０６ａ、１０６ｂ、７６ａ、７６ｂ、１１８ａ、１１８ｂ、１００ａ、１００ｂ及び５０ａ、５０ｂに一体に挿入されて溶着処理される。これにより、燃料電池ユニット１２が再度組み立てられる。
【００７５】
なお、本実施形態では、燃料電池ユニット１２は、２枚のＭＥＡと３枚のセパレータとにより構成されているが、これに限定されるものではない。例えば、１枚のＭＥＡと２枚のセパレータとにより構成される燃料電池ユニットや、３枚のＭＥＡと４枚のセパレータとにより構成される燃料電池ユニット等を使用してもよい。
【符号の説明】
【００７６】
１０…燃料電池 １２…燃料電池ユニット
１４ａ、１４ｂ…電解質膜・電極構造体 １６、１８、２０…セパレータ
２２…固体高分子電解質膜 ２４…アノード側電極
２６…カソード側電極 ２８…額縁部
３０ａ…酸化剤ガス入口連通孔 ３０ｂ…酸化剤ガス出口連通孔
３２ａ…燃料ガス入口連通孔 ３２ｂ…燃料ガス出口連通孔
３４ａ…冷却媒体入口連通孔 ３４ｂ…冷却媒体出口連通孔
３６、６４…酸化剤ガス流路
４６ａ、４６ｂ、７２ａ、７２ｂ、９６ａ、９６ｂ…突出部
４８ａ、４８ｂ、５０ａ、５０ｂ、７４ａ、７４ｂ、７６ａ、７６ｂ、９８ａ、９８ｂ、１００ａ、１００ｂ、１０６ａ、１０６ｂ、１１６ａ、１１６ｂ、１１８ａ、１１８ｂ…孔部
５２…冷却媒体流路 ５４、７８…燃料ガス流路
１０２、１１４…シール部材 １０４ａ、１０４ｂ…樹脂ピン部
１３０ａ、１３０ｂ…リビルトピン
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電解質膜の両側に一対の電極を設け、外周部に額縁状樹脂枠が設けられた長方形状の電解質膜・電極構造体と、長方形状のセパレータとが積層される燃料電池ユニットに関する。
【背景技術】
【０００２】
例えば、固体高分子型燃料電池は、高分子イオン交換膜からなる電解質膜の両側に、それぞれアノード側電極及びカソード側電極を配設した電解質膜・電極構造体（ＭＥＡ）を、セパレータによって挟持している。この燃料電池は、通常、所定の数だけ積層されることにより、例えば、車載用燃料電池スタックとして使用されている。
【０００３】
燃料電池では、通常、数十〜数百の燃料電池を積層して燃料電池スタックを構成している。その際、燃料電池自体及び前記燃料電池同士を正確に位置決めする必要があり、例えば、特許文献１に開示されている固体高分子電解質膜型燃料電池が知られている。
【０００４】
この燃料電池は、図１０に示すように、電解質層１Ａの両面に、燃料電極１Ｂと酸化剤電極１Ｃが配設される燃料電池セル１を、セパレータ２Ａ、２Ｂにより挟持して構成される単電池３を備えている。セパレータ２Ａ及び２Ｂには、保持ピン挿入側保持孔４ａ及び止め輪挿入側保持孔４ｂが形成されるとともに、電解質層１Ａには、これらに同軸的に孔部５が形成されている。
【０００５】
保持ピン６は、保持ピン挿入側保持孔４ａ、孔部５及び止め輪挿入側保持孔４ｂに向かって挿入されるとともに、先端部には、止め輪７が装着されることにより、単電池３が一体的に保持されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２０００−１２０６７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
ところで、上記の単電池３では、セパレータ２Ａ及び２Ｂに、それぞれ段付き形状の保持ピン挿入側保持孔４ａ及び止め輪挿入側保持孔４ｂが形成されている。従って、孔加工作業が相当に煩雑なものとなるとともに、部品点数が増大して製造コストが高騰するという問題がある。
【０００８】
しかも、締結部材として、保持ピン６及び止め輪７が使用されているが、外部から衝撃荷重が付与された際、この衝撃荷重を確実に受け止めることができないおそれがある。このため、単電池３にせん断方向の荷重が付与されると、燃料電池セル１とセパレータ２Ａ及び２Ｂとにせん断方向のずれが惹起し、シール性が低下するという問題がある。
【０００９】
本発明は、この種の問題を解決するものであり、簡単且つ経済的な構成で、燃料電池ユニットを容易に位置決めして組み立て作業性を向上させるとともに、衝撃荷重を確実に保持することができ、シール性及び発電性を良好に確保することが可能な燃料電池ユニットを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明は、電解質膜の両側に一対の電極を設け、外周部に額縁状樹脂枠が設けられた長方形状の電解質膜・電極構造体と、長方形状のセパレータとが積層される燃料電池ユニットに関するものである。
【００１１】
この燃料電池ユニットでは、少なくとも１つの電解質膜・電極構造体は、互いに対向する長辺側に、それぞれ複数の樹脂製凸状部が設けられる一方、セパレータを含む他の構成部材には、前記樹脂製凸状部が挿入される孔部が形成されている。
【００１２】
そして、樹脂製凸状部は、孔部の内周面に隙間なく嵌合し且つ少なくとも１つの電解質膜・電極構造体及び他の構成部材を一体に結合している。
【００１３】
また、この燃料電池ユニットでは、電解質膜・電極構造体及びセパレータには、それぞれ互いに対向する長辺側に、リビルトピン挿入用孔部が形成されることが好ましい。
【００１４】
ここで、リビルトピンは、個別に用意されており、一旦組み立てた燃料電池ユニットを分解した後、使用不能になった樹脂製凸状部に代えて使用されるピンである。このリビルトピンは、電解質膜・電極構造体及びセパレータに設けられたリビルトピン挿入用孔部に挿入されることにより、燃料電池ユニットが、再度、組み立て可能になる。
【発明の効果】
【００１５】
本発明に係る燃料電池ユニットでは、少なくとも１つの電解質膜・電極構造体の互いに対向する長辺側に、それぞれ複数の樹脂製凸状部が設けられている。各樹脂製凸状部は、他の構成部材に形成された各孔部の内周面に隙間なく一体に嵌合している。このため、長辺側から衝撃荷重が付与された際、電解質膜・電極構造体及びセパレータより前記衝撃荷重を確実に受けることができる。従って、各構成部材は、互いにせん断方向にずれることがなく、所望のシール性及び発電性を確保することが可能になる。
【００１６】
しかも、専用の締結部材を個別に構成する必要がなく、部品点数が有効に削減されるとともに、設備費を削減することができる。これにより、簡単且つ経済的な構成で、電解質膜・電極構造体及びセパレータを有する燃料電池ユニットを、確実に位置決め保持するとともに、組み立て作業性を有効に向上させることが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本発明の実施形態に係る燃料電池ユニットの要部分解斜視説明図である。
【図２】前記燃料電池ユニットが積層された燃料電池の、図１中、ＩＩ−ＩＩ線断面図である。
【図３】前記燃料電池ユニットを構成する第３セパレータの正面説明図である。
【図４】前記燃料電池ユニットを構成する第１セパレータの正面説明図である。
【図５】前記燃料電池ユニットを構成する第２セパレータの正面説明図である。
【図６】前記燃料電池ユニットを構成する第１電解質膜・電極構造体の正面説明図である。
【図７】前記燃料電池ユニットを構成する第２電解質膜・電極構造体の正面説明図である。
【図８】前記燃料電池ユニットの、図７中、ＶＩＩＩ−ＶＩＩＩ線断面図である。
【図９】前記燃料電池ユニットをリビルトピンにより一体化する際の断面説明図である。
【図１０】特許文献１に開示されている燃料電池の分解説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
図１に示すように、燃料電池１０は、本発明の実施形態に係る燃料電池ユニット１２を備えるとともに、複数の前記燃料電池ユニット１２が水平方向（矢印Ａ方向）又は重力方向（矢印Ｃ方向）に積層されてスタックが構成される。
【００１９】
燃料電池ユニット１２は、第１電解質膜・電極構造体（ＭＥＡ）１４ａ、第１セパレータ１６、第２電解質膜・電極構造体（ＭＥＡ）１４ｂ、第２セパレータ１８及び第３セパレータ２０の順に積層される。第１電解質膜・電極構造体１４ａ、第１セパレータ１６、第２電解質膜・電極構造体１４ｂ、第２セパレータ１８及び第３セパレータ２０は、それぞれ長方形状を有しており、例えば、横長形状に配置される。
【００２０】
第１セパレータ１６、第２セパレータ１８及び第３セパレータ２０は、例えば、鋼板、ステンレス鋼板、アルミニウム板、めっき処理鋼板、あるいはその金属表面に防食用の表面処理を施した金属板により構成される。第１セパレータ１６、第２セパレータ１８及び第３セパレータ２０は、金属製薄板を波形状にプレス加工することにより、断面凹凸形状を有する。
【００２１】
第２セパレータ１８の外周部と第３セパレータ２０の外周部とは、溶接、接着、ロウ付け又はかしめ等の接合手段により接合され、内部である冷却媒体流路５２（後述する）が気密に密閉される。なお、第１セパレータ１６、第２セパレータ１８及び第３セパレータ２０は、金属セパレータに換えて、カーボンセパレータ等を使用してもよい。
【００２２】
第１電解質膜・電極構造体１４ａ及び第２電解質膜・電極構造体１４ｂは、例えば、パーフルオロスルホン酸の薄膜に水が含浸された固体高分子電解質膜２２と、前記固体高分子電解質膜２２を挟持するアノード側電極２４及びカソード側電極２６とを備える（図２参照）。
【００２３】
アノード側電極２４及びカソード側電極２６は、カーボンペーパ等からなるガス拡散層（図示せず）と、白金合金が表面に担持された多孔質カーボン粒子が前記ガス拡散層の表面に一様に塗布されて形成される電極触媒層（図示せず）とを有する。電極触媒層は、固体高分子電解質膜２２の両面に形成される。
【００２４】
固体高分子電解質膜２２は、アノード側電極２４及びカソード側電極２６よりも大きな表面積に設定される。この固体高分子電解質膜２２の外周端縁部には、樹脂製の額縁部（額縁状樹脂枠）２８が、例えば、射出成形により一体成形される。樹脂材としては、汎用プラスチックの他、エンジニアリングプラスチックやスーパーエンジニアリングプラスチック等が採用される。
【００２５】
図１に示すように、額縁部２８の矢印Ｂ方向の一端縁部には、矢印Ａ方向に互いに連通して、酸化剤ガス、例えば、酸素含有ガスを供給するための酸化剤ガス入口連通孔３０ａ、冷却媒体を排出するための冷却媒体出口連通孔３４ｂ及び燃料ガス、例えば、水素含有ガスを排出するための燃料ガス出口連通孔３２ｂが、矢印Ｃ方向（鉛直方向）に配列して設けられる。
【００２６】
額縁部２８の矢印Ｂ方向の他端縁部には、矢印Ａ方向に互いに連通して、燃料ガスを供給するための燃料ガス入口連通孔３２ａ、冷却媒体を供給するための冷却媒体入口連通孔３４ａ及び酸化剤ガスを排出するための酸化剤ガス出口連通孔３０ｂが、矢印Ｃ方向に配列して設けられる。
【００２７】
第１セパレータ１６、第２セパレータ１８及び第３セパレータ２０の外周部は、酸化剤ガス入口連通孔３０ａ、冷却媒体入口連通孔３４ａ、燃料ガス出口連通孔３２ｂ、燃料ガス入口連通孔３２ａ、冷却媒体出口連通孔３４ｂ及び酸化剤ガス出口連通孔３０ｂの内側に配置される。
【００２８】
図１及び図３に示すように、第３セパレータ２０の第１電解質膜・電極構造体１４ａに対向する面２０ａには、酸化剤ガス入口連通孔３０ａと酸化剤ガス出口連通孔３０ｂとを連通する第１酸化剤ガス流路３６が形成される。第１酸化剤ガス流路３６は、矢印Ｂ方向に延在する複数の波状流路溝を有するとともに、前記第１酸化剤ガス流路３６の入口及び出口近傍には、それぞれ複数のエンボスを有する入口バッファ部３８及び出口バッファ部４０が設けられる。
【００２９】
第３セパレータ２０の矢印Ｂ方向両端には、酸化剤ガス入口連通孔３０ａ及び酸化剤ガス出口連通孔３０ｂに対応して突出する突起部４２ａ、４２ｂが設けられる。突起部４２ａには、酸化剤ガス入口連通孔３０ａを第１酸化剤ガス流路３６に連通する入口流路４４ａが波状に形成される一方、突起部４２ｂには、酸化剤ガス出口連通孔３０ｂを前記第１酸化剤ガス流路３６に連通する出口流路４４ｂが波状に形成される。
【００３０】
第３セパレータ２０の矢印Ｃ方向両端部には、矢印Ｂ方向に長尺形状を有して外方（矢印Ｃ方向）に突出する突出部４６ａ、４６ｂが形成される。突出部４６ａには、矢印Ｂ方向に沿って複数の孔部４８ａと複数のリビルトピン挿入用孔部５０ａとが、例えば、１つずつ交互に貫通形成される。
【００３１】
なお、２つの孔部４８ａと１つのリビルトピン挿入用孔部５０ａとを交互に配列してもよい。以下に説明する各孔部も、同様である。突出部４６ｂには、同様に、矢印Ｂ方向に沿って複数の孔部４８ｂと複数のリビルトピン挿入用孔部５０ｂとが、例えば、１つずつ交互に貫通形成される。
【００３２】
第３セパレータ２０の面２０ｂには、冷却媒体入口連通孔３４ａと冷却媒体出口連通孔３４ｂとを連通する冷却媒体流路５２が形成される。この冷却媒体流路５２は、第１酸化剤ガス流路３６の裏面形状である。
【００３３】
図４に示すように、第１セパレータ１６の第１電解質膜・電極構造体１４ａに対向する面１６ａには、燃料ガス入口連通孔３２ａと燃料ガス出口連通孔３２ｂとを連通する第１燃料ガス流路５４が形成される。第１燃料ガス流路５４は、矢印Ｂ方向に延在する複数の波状流路溝を有する。第１燃料ガス流路５４の入口及び出口近傍には、入口バッファ部５６及び出口バッファ部５８が設けられる。
【００３４】
第１セパレータ１６の矢印Ｂ方向両端には、燃料ガス入口連通孔３２ａ及び燃料ガス出口連通孔３２ｂに対応して突出する突起部５８ａ、５８ｂと、酸化剤ガス入口連通孔３０ａ及び酸化剤ガス出口連通孔３０ｂに対応して突出する突起部６０ａ、６０ｂとが設けられる。面１６ａにおいて、突起部５８ａには、燃料ガス入口連通孔３２ａを第１燃料ガス流路５４に連通する入口流路６２ａが波状に形成される一方、突起部５８ｂには、燃料ガス出口連通孔３２ｂを前記第１燃料ガス流路５４に連通する出口流路６２ｂが波状に形成される。
【００３５】
図１に示すように、第１セパレータ１６の第１電解質膜・電極構造体１４ｂに対向する面１６ｂには、酸化剤ガス入口連通孔３０ａと酸化剤ガス出口連通孔３０ｂとを連通する第２酸化剤ガス流路６４が形成される。第２酸化剤ガス流路６４は、矢印Ｂ方向に延在する複数の波状流路溝を有するとともに、前記第２酸化剤ガス流路６４の入口及び出口近傍には、入口バッファ部６６及び出口バッファ部６８が設けられる。
【００３６】
面１６ｂにおいて、突起部６０ａには、酸化剤ガス入口連通孔３０ａを第２酸化剤ガス流路６４に連通する入口流路７０ａに波状に形成される一方、突起部６０ｂには、酸化剤ガス出口連通孔３０ｂを前記第２酸化剤ガス流路６４に連通する出口流路７０ｂが波状に形成される。
【００３７】
第１セパレータ１６の矢印Ｃ方向両端部には、矢印Ｂ方向に長尺形状を有して外方（矢印Ｃ方向）に突出する外方に突出する突出部７２ａ、７２ｂが形成される。図４に示すように、突出部７２ａには、矢印Ｂ方向に沿って複数の孔部７４ａと複数のリビルトピン挿入用孔部７６ａとが、例えば、１つずつ交互に貫通形成される。突出部７２ｂには、同様に、矢印Ｂ方向に沿って複数の孔部７４ｂと複数のリビルトピン挿入用孔部７６ｂとが、例えば、１つずつ交互に貫通形成される。
【００３８】
図５に示すように、第２セパレータ１８の第２電解質膜・電極構造体１４ｂに対向する面１８ａには、燃料ガス入口連通孔３２ａと燃料ガス出口連通孔３２ｂとを連通する第２燃料ガス流路７８が形成される。第２燃料ガス流路７８は、矢印Ｂ方向に延在する複数の波状流路溝を有する。第２燃料ガス流路７８の入口及び出口近傍には、入口バッファ部８０及び出口バッファ部８２が設けられる。
【００３９】
第２セパレータ１８の矢印Ｂ方向両端には、燃料ガス入口連通孔３２ａ及び燃料ガス出口連通孔３２ｂに対応して突出する突起部８４ａ、８４ｂと、冷却媒体入口連通孔３４ａ及び冷却媒体出口連通孔３４ｂに対応して突出する突起部８６ａ、８６ｂとが設けられる。
【００４０】
面１８ａにおいて、突起部８４ａには、燃料ガス入口連通孔３２ａを第２燃料ガス流路７８に連通する入口流路８８ａが波状に形成される一方、突起部８４ｂには、燃料ガス出口連通孔３２ｂを前記第２燃料ガス流路７８に連通する出口流路８８ｂが波状に形成される。
【００４１】
図１に示すように、面１８ｂにおいて、突起部８６ａには、冷却媒体入口連通孔３４ａを冷却媒体流路５２に連通する入口流路９０ａが波状に形成される一方、突起部８６ｂには、冷却媒体出口連通孔３４ｂを前記冷却媒体流路５２に連通する出口流路９０ｂが波状に形成される。
【００４２】
面１８ｂは、面１８ａ側の第２燃料ガス流路７８の裏面形状である。この面１８ｂと第３セパレータ２０の面２０ｂとが重なり合うことにより、冷却媒体流路５２が形成される。冷却媒体流路５２の入口及び出口近傍には、入口バッファ部９２及び出口バッファ部９４が設けられる。
【００４３】
図１及び図５に示すように、第２セパレータ１８の矢印Ｃ方向両端には、矢印Ｂ方向に長尺形状を有して外方（矢印Ｃ方向）に突出する突出部９６ａ、９６ｂが形成される。突出部９６ａには、矢印Ｂ方向に沿って複数の孔部９８ａと複数のリビルトピン挿入用孔部１００ａとが、例えば、１つずつ交互に貫通形成される。突出部９６ｂには、同様に、矢印Ｂ方向に沿って複数の孔部９８ｂと複数のリビルトピン挿入用孔部１００ｂとが、例えば、１つずつ交互に貫通形成される。
【００４４】
図１に示すように、第１電解質膜・電極構造体１４ａの額縁部２８には、第１シール部材１０２が一体成形される。第１シール部材１０２としては、例えば、ＥＰＤＭ、ＮＢＲ、フッ素ゴム、シリコーンゴム、フロロシリコーンゴム、ブチルゴム、天然ゴム、スチレンゴム、クロロプレーン又はアクリルゴム等のシール材、クッション材、あるいはパッキン材が用いられる。なお、以下に説明する第２シール部材１１４は、同様の材料が使用される。
【００４５】
この第１シール部材１０２は、図２に示すように、第３セパレータ２０側の面に、前記第３セパレータ２０の外周縁部を周回して摺接する第１シール部１０２ａを有する。
【００４６】
図２及び図６に示すように、第１シール部材１０２の第１セパレータ１６側の面には、前記第１セパレータ１６の外周部縁部を周回して摺接する第２シール部１０２ｂと、前記第１セパレータ１６の外周部外方に位置し、隣接する第２電解質膜・電極構造体１４ｂの額縁部２８に摺接する第３シール部１０２ｃとが設けられる。
【００４７】
図６に示すように、第３シール部１０２ｃは、第１電解質膜・電極構造体１４ａの矢印Ｃ方向両端側で、矢印Ｂ方向に比較的広範囲にわたって、それぞれ外方に迂回するように形成される。上方の第３シール部１０２ｃの迂回部と第２シール部１０２ｂとの間には、複数の樹脂ピン部（樹脂製凸状部）１０４ａと複数のリビルトピン挿入用孔部１０６ａとが、例えば、１つずつ交互に設けられる。下方の第３シール部１０２ｃの迂回部と第２シール部１０２ｂとの間には、複数の樹脂ピン部（樹脂製凸状部）１０４ｂと複数のリビルトピン挿入用孔部１０６ｂとが、例えば、１つずつ交互に設けられる。
【００４８】
第１電解質膜・電極構造体１４ａの長辺側にのみ樹脂ピン部１０４ａ、１０４ｂを設けることにより、前記樹脂ピン部１０４ａ、１０４ｂの数を多く設定することができるとともに、短辺側に酸化剤ガス入口連通孔３０ａ、酸化剤ガス出口連通孔３０ｂ、燃料ガス入口連通孔３２ａ、燃料ガス出口連通孔３２ｂ、冷却媒体入口連通孔３４ａ及び冷却媒体出口連通孔３４ｂを配置するためのスペースを確保することが可能になる。
【００４９】
樹脂ピン部１０４ａ、１０４ｂは、第３シール部１０２ｃの迂回部と第２シール部１０２ｂとの間に位置して、すなわち、二重シール（リビルトピン挿入用孔部１０６ａ、１０６ｂの周囲をシールすることができるシール）の間に位置して設けられる。樹脂ピン部１０４ａ、１０４ｂは、額縁部２８と一体成形されるとともに、第２電解質膜・電極構造体１４ｂ側に突出する（図１参照）。
【００５０】
第１電解膜・電極構造体１４ａの各長辺の両側には、樹脂製ガイド部材１０８ａが額縁部２８と一体成形される。なお、樹脂製ガイド部材１０８ａは、額縁部２８と別体に構成することもできる。樹脂製ガイド部材１０８ａの外周端部１１０ａには、前記外周端部１１０ａから内方に離間する凹状の逃げ部１１２が形成される。
【００５１】
図２及び図７に示すように、第２電解質膜・電極構造体１４ｂの額縁部２８には、第２シール部材１１４が一体成形される。この第２シール部材１１４は、第２セパレータ１８側の面に、前記第２セパレータ１８の外周縁部を周回して周接する第１シール部１１４ａと、前記第２セパレータ１８の外周部外方に位置し、隣接する第１電解質膜・電極構造体１４ａの額縁部２８に周接する第２シール部１１４ｂとを有する。
【００５２】
図７に示すように、第２シール部１１４ｂは、第２電解質膜・電極構造体１４ｂの矢印Ｃ方向両端側で、矢印Ｂ方向に比較的広範囲にわたって、それぞれ外方に迂回するように形成される。上方の第２シール部１１４ｂの迂回部と第１シール部１１４ａとの間には、複数の孔部１１６ａと複数のリビルトピン挿入用孔部１１８ａとが、例えば、１つずつ交互に貫通形成される。下方の第２シール部１１４ｂの迂回部と第１シール部１１４ａとの間には、複数の孔部１１６ｂと複数のリビルトピン挿入用孔部１１８ｂとが、例えば、１つずつ交互に貫通形成される。
【００５３】
第１セパレータ１６の孔部７４ａ、第２電解質膜・電極構造体１４ｂの孔部１１６ａ、第２セパレータ１８の孔部９８ａ及び第３セパレータ２０の孔部４８ａは、同一直径で且つ同一個数に設定される。第１セパレータ１６の孔部７４ｂ、第２電解質膜・電極構造体１４ｂの孔部１１６ｂ、第２セパレータ１８の孔部９８ｂ及び第３セパレータ２０の孔部４８ｂは、同一直径で且つ同一個数に設定される。
【００５４】
第１電解質膜・電極構造体１４ａのリビルトピン挿入用孔部１０６ａ、第１セパレータ１６のリビルトピン挿入用孔部７６ａ、第２電解質膜・電極構造体１４ｂのリビルトピン挿入用孔部１１８ａ、第２セパレータ１８のリビルトピン挿入用孔部１００ａ及び第３セパレータ２０のリビルトピン挿入用孔部５０ａは、同一直径で且つ同一個数に設定される。
【００５５】
第１電解質膜・電極構造体１４ａのリビルトピン挿入用孔部１０６ｂ、第１セパレータ１６のリビルトピン挿入用孔部７６ｂ、第２電解質膜・電極構造体１４ｂのリビルトピン挿入用孔部１１８ｂ、第２セパレータ１８のリビルトピン挿入用孔部１００ｂ及び第３セパレータ２０のリビルトピン挿入用孔部５０ｂは、同一直径で且つ同一個数に設定される。
【００５６】
図７に示すように、第２電解質膜・電極構造体１４ｂの額縁部２８には、樹脂製ガイド部材１０８ｂが一体成形される。樹脂製ガイド部材１０８ｂは、外周端部１１０ｂを設けるとともに、この外周端部１１０ｂは、第１電解質膜・電極構造体１４ａの樹脂製ガイド部材１０８ａに設けられた逃げ部１１２から外方に露呈している（図６参照）。
【００５７】
図８に示すように、第１電解質膜・電極構造体１４ａの額縁部２８に設けられている複数の樹脂ピン部１０４ａは、第１セパレータ１６の孔部７４ａ、第２電解質膜・電極構造体１４ｂの孔部１１６ａ、第２セパレータ１８の孔部９８ａ及び第３セパレータ２０の孔部４８ａに一体に挿入される。
【００５８】
樹脂ピン部１０４ａの先端は、溶着ダイを構成する溶着チップ１２０により成形される。この溶着チップ１２０は、所定温度に加熱される成形面１２０ａを有するとともに、前記成形面１２０ａには、略円錐状に突出するかしめ機能部１２２が形成される。
【００５９】
溶着チップ１２０は、所定温度に加熱された状態で、樹脂ピン部１０４ａの先端に押圧される。このため、溶着チップ１２０の成形面１２０ａを介して所定の形状、例えば、大径な頭部１２４が形成されるとともに、かしめ機能部１２２を介してかしめ凹部１２６が形成される。
【００６０】
従って、樹脂ピン部１０４ａは、軸方向に押し潰されるように変形し、すなわち、径方向外方に膨出し、各孔部７４ａ、１１６ａ、９８ａ及び４８ａの内周面に隙間なく一体に嵌合している。なお、樹脂ピン部１０４ｂは、上記の樹脂ピン部１０４ａと同様である。
【００６１】
第１セパレータ１６、第２電解質膜・電極構造体１４ｂ、第２セパレータ１８及び第３セパレータ２０は、第１電解質膜・電極構造体１４ａの額縁部２８と樹脂ピン部１０４ａ、１０４ｂの頭部１２４との間で、保持されている。
【００６２】
このように構成される燃料電池１０の動作について、以下に説明する。
【００６３】
図１に示すように、酸化剤ガス入口連通孔３０ａに供給された酸素含有ガス等の酸化剤ガスは、第３セパレータ２０の突起部４２ａに形成されている入口流路４４ａを介して第１酸化剤ガス流路３６に供給される。同様に、酸化剤ガスは、第１セパレータ１６の突起部６０ａに形成されている入口流路７０ａを介して第２酸化剤ガス流路６４に供給される。
【００６４】
第１酸化剤ガス流路３６を流通した酸化剤ガスは、第３セパレータ２０の突起部４２ｂに形成されている出口流路４４ｂから酸化剤ガス出口連通孔３０ｂに排出される。同様に、第２酸化剤ガス流路６４を流通した酸化剤ガスは、第１セパレータ１６の突起部６０ｂに形成されている出口流路７０ｂから酸化剤ガス出口連通孔３０ｂに排出される。
【００６５】
一方、燃料ガス入口連通孔３２ａに供給された水素含有ガス等の燃料ガスは、第１セパレータ１６の突起部５８ａに形成されている入口流路６２ａから第１燃料ガス流路５４に供給される。同様に、燃料ガスは、第２セパレータ１８の突起部８４ａに形成されている入口流路８８ａから第２燃料ガス流路７８に供給される。
【００６６】
第１燃料ガス流路５４を流通した燃料ガスは、第１セパレータ１６の突起部５８ｂに形成されている出口流路６２ｂから燃料ガス出口連通孔３２ｂに排出される。同様に、第２燃料ガス流路７８を流通した燃料ガスは、第２セパレータ１８の突起部８４ｂに形成されている出口流路８８ｂから燃料ガス出口連通孔３２ｂに排出される。
【００６７】
また、冷却媒体入口連通孔３４ａに供給された純水やエチレングリコール、オイル等の冷却媒体は、第２セパレータ１８の突起部８６ａに形成されている入口流路９０ａから冷却媒体流路５２に供給される。この冷却媒体は、冷却媒体流路５２を流通した後、突起部８６ｂに形成されている出口流路９０ｂから冷却媒体出口連通孔３４ｂに排出される。
【００６８】
この場合、本実施形態では、第１電解質膜・電極構造体１４ａの額縁部２８には、矢印Ｂ方向に配列して複数の樹脂ピン部１０４ａ、１０４ｂが一体成形されている。各樹脂ピン部１０４ａ、１０４ｂは、他の構成部材である第１セパレータ１６の孔部７４ａ、７４ｂ、第２電解質膜・電極構造体１４ｂの孔部１１６ａ、１１６ｂ、第２セパレータ１８の孔部９８ａ、９８ｂ及び第３セパレータ２０の孔部４８ａ、４８ｂにそれぞれ一体的に挿入された後、溶着処理により大径な頭部１２４及びかしめ凹部１２６が形成されている。
【００６９】
従って、各樹脂ピン部１０４ａ、１０４ｂは、他の構成部材に形成された各孔部７４ａ、７４ｂ、１１６ａ、１１６ｂ、９８ａ、９８ｂ及び４８ａ、４８ｂの各内周面に隙間なく一体に嵌合している。このため、燃料電池ユニット１２は、長辺側から衝撃荷重が付与された際、前記衝撃荷重を確実に受けることができる。
【００７０】
これにより、燃料電池ユニット１２の構成部材（第１電解質膜・電極構造体１４ａ、第１セパレータ１６、第２電解質膜・電極構造体１４ｂ、第２セパレータ１８及び第３セパレータ２０）同士がせん断方向にずれることがなく、所望のシール性及び発電性を確保することが可能になるという効果が得られる。
【００７１】
しかも、専用の締結部材を個別に構成する必要がなく、部品点数が有効に削減されるとともに、設備費を削減することができる。従って、簡単且つ経済的な構成で、第１電解質膜・電極構造体１４ａ、第１セパレータ１６、第２電解質膜・電極構造体１４ｂ、第２セパレータ１８及び第３セパレータ２０を有する燃料電池ユニット１２を、確実に位置決め保持することが可能になり、組み立て作業性を有効に向上させることができる。
【００７２】
このため、複数の燃料電池ユニット１２が積層される燃料電池１０（燃料電池スタック）の製造工程の簡素化を図るとともに、前記燃料電池ユニット１２及び前記燃料電池１０の組み立て作業性が良好に向上するという効果が得られる。
【００７３】
次に、組み立て後の燃料電池１０が、故障等による部品交換や解析等のために分解される際には、先ず、各樹脂ピン部１０４ａ、１０４ｂが破断されて各燃料電池ユニット１２が互いに分離される。一方、個別に構成されているリビルトピン１３０ａ、１３０ｂが用意される。
【００７４】
そして、図９に示すように、リビルトピン１３０ａ、１３０ｂは、第１電解質膜・電極構造体１４ａ、第１セパレータ１６、第２電解質膜・電極構造体１４ｂ、第２セパレータ１８及び第３セパレータ２０の各リビルトピン挿入用孔部１０６ａ、１０６ｂ、７６ａ、７６ｂ、１１８ａ、１１８ｂ、１００ａ、１００ｂ及び５０ａ、５０ｂに一体に挿入されて溶着処理される。これにより、燃料電池ユニット１２が再度組み立てられる。
【００７５】
なお、本実施形態では、燃料電池ユニット１２は、２枚のＭＥＡと３枚のセパレータとにより構成されているが、これに限定されるものではない。例えば、１枚のＭＥＡと２枚のセパレータとにより構成される燃料電池ユニットや、３枚のＭＥＡと４枚のセパレータとにより構成される燃料電池ユニット等を使用してもよい。
【符号の説明】
【００７６】
１０…燃料電池 １２…燃料電池ユニット
１４ａ、１４ｂ…電解質膜・電極構造体 １６、１８、２０…セパレータ
２２…固体高分子電解質膜 ２４…アノード側電極
２６…カソード側電極 ２８…額縁部
３０ａ…酸化剤ガス入口連通孔 ３０ｂ…酸化剤ガス出口連通孔
３２ａ…燃料ガス入口連通孔 ３２ｂ…燃料ガス出口連通孔
３４ａ…冷却媒体入口連通孔 ３４ｂ…冷却媒体出口連通孔
３６、６４…酸化剤ガス流路
４６ａ、４６ｂ、７２ａ、７２ｂ、９６ａ、９６ｂ…突出部
４８ａ、４８ｂ、５０ａ、５０ｂ、７４ａ、７４ｂ、７６ａ、７６ｂ、９８ａ、９８ｂ、１００ａ、１００ｂ、１０６ａ、１０６ｂ、１１６ａ、１１６ｂ、１１８ａ、１１８ｂ…孔部
５２…冷却媒体流路 ５４、７８…燃料ガス流路
１０２、１１４…シール部材 １０４ａ、１０４ｂ…樹脂ピン部
１３０ａ、１３０ｂ…リビルトピン
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電解質膜の両側に一対の電極を設け、外周部に額縁状樹脂枠が設けられた長方形状の電解質膜・電極構造体と、長方形状のセパレータとが積層される燃料電池ユニットであって、
少なくとも１つの前記電解質膜・電極構造体は、互いに対向する長辺側に、それぞれ複数の樹脂製凸状部が設けられる一方、
前記セパレータを含む他の構成部材には、前記樹脂製凸状部が挿入される孔部が形成され、
前記樹脂製凸状部は、前記孔部の内周面に隙間なく嵌合し且つ少なくとも１つの前記電解質膜・電極構造体及び前記他の構成部材を一体に結合することを特徴とする燃料電池ユニット。
【請求項２】
請求項１記載の燃料電池ユニットにおいて、前記電解質膜・電極構造体及び前記セパレータには、それぞれ互いに対向する長辺側に、リビルトピン挿入用孔部が形成されることを特徴とする燃料電池ユニット。
【請求項１】
電解質膜の両側に一対の電極を設け、外周部に額縁状樹脂枠が設けられた長方形状の電解質膜・電極構造体と、長方形状のセパレータとが積層される燃料電池ユニットであって、
少なくとも１つの前記電解質膜・電極構造体は、互いに対向する長辺側に、それぞれ複数の樹脂製凸状部が設けられる一方、
前記セパレータを含む他の構成部材には、前記樹脂製凸状部が挿入される孔部が形成され、
前記樹脂製凸状部は、前記孔部の内周面に隙間なく嵌合し且つ少なくとも１つの前記電解質膜・電極構造体及び前記他の構成部材を一体に結合することを特徴とする燃料電池ユニット。
【請求項２】
請求項１記載の燃料電池ユニットにおいて、前記電解質膜・電極構造体及び前記セパレータには、それぞれ互いに対向する長辺側に、リビルトピン挿入用孔部が形成されることを特徴とする燃料電池ユニット。
【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２０１２−２２７０１９（Ｐ２０１２−２２７０１９Ａ）
【公開日】平成２４年１１月１５日（２０１２．１１．１５）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−９４３４４（Ｐ２０１１−９４３４４）
【出願日】平成２３年４月２０日（２０１１．４．２０）
【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２４年１１月１５日（２０１２．１１．１５）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年４月２０日（２０１１．４．２０）
【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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