JP2006147460A - 燃料電池とセル締結ピン - Google Patents
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Abstract
【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。
【選択図】 図2
Description
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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)。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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
Claims (6)
- 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。 - 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。
- 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。
- 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。 - 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。
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