JP2010140755A - 燃料電池 - Google Patents

Abstract

【課題】簡単且つ経済的な構成で、単位セルを高精度且つ容易に組み付けることを可能にする。
【解決手段】単位セル１２は、電解質膜・電極構造体１４と、前記電解質膜・電極構造体１４を挟持するカソード側セパレータ１６及びアノード側セパレータ１８とを備える。カソード側セパレータ１６には、セパレータ面に複数の位置決めピン部材４２が一体に設けられる。位置決めピン部材４２は、同心円上に配列される４つの弾性片部４４を備えるとともに、各弾性片部４４は、カソード側セパレータ１６から離間する方向に向かって外方に傾斜する傾斜面４４ａを有する。アノード側セパレータ１８には、セパレータ積層方向に沿って各位置決めピン部材４２に対応する位置に、前記位置決めピン部材４２を挿入するための位置決め孔部４６が設けられる。
【選択図】図１

Description

本発明は、一対の電極が電解質の両側に設けられた電解質・電極構造体をセパレータにより挟持する単位セルを備える燃料電池に関する。

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（電解質）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（電解質・電極構造体）（ＭＥＡ）を、セパレータによって挟持した単位セルを備えている。

その際、単位セルでは、電解質膜・電極構造体とセパレータとを一体化する場合、前記電解質膜・電極接合体と前記セパレータとを互いに正確に位置決めする必要がある。電解質膜・電極構造体がセパレータの所定の位置からずれると、接触抵抗が増加して発電性能が低下したり、反応ガスのシール性が低下したしするおそれがあるからである。

そこで、例えば、特許文献１に開示されている固体高分子電解質型燃料電池では、図１２に示すように、ＭＥＡ１をセパレータ２、３で挟持するとともに、保持装置４を備えた単電池体５が複数積層されている。保持装置４は、６角穴つきの頭部６ａと溝６ｂとが形成された円柱体６と、前記溝６ｂに装着される止め輪７とにより構成されている。セパレータ２、３には、各円柱体６を挿入するための段付き孔部８ａ、８ｂが複数個所に形成されている。

特開平８−３７０１２号公報

しかしながら、上記の特許文献１では、各単電池体５毎に複数本の円柱体６を段付き孔部８ａ、８ｂに挿入するとともに、前記円柱体６の溝６ｂに止め輪７を装着する作業が必要である。このため、特に多数の単電池体５を積層する際には、上記の作業が相当に煩雑化し、作業性が著しく低下するという問題がある。しかも、多数の円柱体６及び止め輪７を用意しなければならず、製造コストが高騰するという問題がある。

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、単位セルを高精度且つ容易に組み付けることが可能な燃料電池を提供することを目的とする。

本発明は、一対の電極が電解質の両側に設けられた電解質・電極構造体をセパレータにより挟持する単位セルを備える燃料電池に関するものである。

単位セルを構成する１つのセパレータには、セパレータ面に位置決めピン部材が一体に設けられるとともに、前記単位セルを構成する他のセパレータには、セパレータ積層方向に沿って前記位置決めピン部材に対応する位置に、該位置決めピン部材を挿入するための位置決め孔部が設けられている。

また、位置決めピン部材は、位置決め孔部を貫通して他のセパレータに係止される係止部を有することが好ましい。

さらに、燃料電池は、複数の単位セルが積層されるとともに、互いに隣接する前記単位セルは、一方の前記単位セルに設けられる位置決めピン部材と、他方の前記単位セルに設けられる位置決めピン部材とが、積層方向に互いに位置をずらして配置されることが好ましい。

さらにまた、一方の単位セルには、他方の単位セルに設けられる位置決めピン部材に積層方向に沿って対応する位置に、逃げ用孔部が形成されるとともに、他方の単位セルには、一方の前記単位セルに設けられる位置決めピン部材に前記積層方向に沿って対応する位置に、逃げ用孔部が形成されることが好ましい。

また、位置決めピン部材は、弾性変形可能な樹脂材料で形成されることが好ましい。

本発明によれば、１つのセパレータに一体に設けられた位置決めピン部材が、他のセパレータに設けられた位置決め孔部に挿入されるだけで、単位セルを位置決め保持することができる。従って、単位セルの組み付け作業が簡素化され、特に多数の前記単位セルを積層する際に、組み付け作業性が一挙に向上する。しかも、部品点数が大幅に削減されるため、製造コストを良好に削減することが可能になる。これにより、簡単且つ経済的な構成で、単位セルを高精度且つ容易に組み付けることができる。

図１は、本発明の第１の実施形態に係る燃料電池１０の分解斜視説明図であり、図２は、前記燃料電池１０の、図１中、ＩＩ−ＩＩ線断面図である。

燃料電池１０は、複数の単位セル１２が水平方向（矢印Ａ方向）に積層されたスタックを構成する。各単位セル１２は、電解質膜・電極構造体（電解質・電極構造体）１４と、前記電解質膜・電極構造体１４を挟持するカソード側セパレータ１６及びアノード側セパレータ１８とを備える。カソード側セパレータ１６及びアノード側セパレータ１８は、金属セパレータで構成されているが、例えば、カーボンセパレータで構成してもよい。

単位セル１２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供給連通孔２０ａ、冷却媒体を供給するための冷却媒体供給連通孔２２ａ、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排出連通孔２４ｂが設けられる。

単位セル１２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供給連通孔２４ａ、冷却媒体を排出するための冷却媒体排出連通孔２２ｂ、及び酸化剤ガスを排出するための酸化剤ガス排出連通孔２０ｂが設けられる。

図１及び図２に示すように、カソード側セパレータ１６の電解質膜・電極構造体１４側の面１６ａには、例えば、矢印Ｂ方向に延在する酸化剤ガス流路２６が設けられる。酸化剤ガス流路２６は、酸化剤ガス供給連通孔２０ａ及び酸化剤ガス排出連通孔２０ｂに連通する。カソード側セパレータ１６の面１６ａとは反対の面１６ｂには、冷却媒体流路２８が形成される。冷却媒体流路２８は、冷却媒体供給連通孔２２ａ及び冷却媒体排出連通孔２２ｂと連通する。

アノード側セパレータ１８の電解質膜・電極構造体１４側の面１８ａには、燃料ガス供給連通孔２４ａと燃料ガス排出連通孔２４ｂとに連通し、矢印Ｂ方向に延在する燃料ガス流路３０が形成される。燃料ガス流路３０は、燃料ガス供給連通孔２４ａ及び燃料ガス排出連通孔２４ｂと連通する。アノード側セパレータ１８の面１８ａとは反対の面１８ｂには、冷却媒体供給連通孔２２ａと冷却媒体排出連通孔２２ｂとに連通する冷却媒体流路２８が形成される。

カソード側セパレータ１６は、金属薄板上に第１シール部材３２が一体に射出成形されるとともに、アノード側セパレータ１８は、金属薄板上に第２シール部材３４が一体に射出成形される。

電解質膜・電極構造体１４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３６と、前記固体高分子電解質膜３６を挟持するカソード側電極３８及びアノード側電極４０とを備える。

カソード側電極３８及びアノード側電極４０は、カーボンペーパ等からなるガス拡散層と、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ることにより形成される電極触媒層とを有する。電極触媒層は、固体高分子電解質膜３６の両面に形成されている。

単位セル１２を構成する１つのセパレータ、例えば、カソード側セパレータ１６には、セパレータ面に複数の位置決めピン部材４２が一体に設けられる。位置決めピン部材４２は、第１シール部材３２と同一の材料で形成してもよく、耐薬品性に優れる樹脂部材で形成することが好ましい。具体的には、ポリエチレン（ＰＥ）、ポリプロピレン（ＰＰ）、ＡＢＳ樹脂、ポリフェニレンサルファイド（ＰＰＳ）又はポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）等の弾性変形可能な樹脂材料が使用される。

位置決めピン部材４２は、カソード側セパレータ１６のセパレータ面（面１６ａ）にインジェクション成形、インジェクションプレス成形により一体成形する方式の他、インサート成形、アウトサート成形又はモールド成形等により成形される。また、位置決めピン部材４２は、カソード側セパレータ１６のセパレータ面に、溶接（ＦＭＳ）やねじ締結等により固定してもよい。

位置決めピン部材４２は、同心円上に配列される４つの弾性片部４４を備える。図２及び図３に示すように、各弾性片部４４は、カソード側セパレータ１６から離間する方向に向かって外方に傾斜する傾斜面（係止部）４４ａを有するとともに、前記弾性片部４４の大径側の開放端部には、内方に屈曲する折り返し部４４ｂが設けられる。

単位セル１２を構成する他のセパレータ、例えば、アノード側セパレータ１８には、セパレータ積層方向（矢印Ａ方向）に沿って各位置決めピン部材４２に対応する位置に、前記位置決めピン部材４２を挿入するための位置決め孔部４６が設けられる。位置決め孔部４６の開口直径Ｄ１は、位置決めピン部材４２の最大仮想直径Ｄ２よりも小径（Ｄ１＜Ｄ２）に設定される（図３参照）。

電解質膜・電極構造体１４を構成する固体高分子電解質膜３６には、位置決め孔部４６と同一径又は大径な孔部４８が、前記位置決め孔部４６と同軸上に形成される。

このように構成される燃料電池１０を組み付ける作業について、以下に説明する。

先ず、図１及び図３に示すように、電解質膜・電極構造体１４を挟んでカソード側セパレータ１６及びアノード側セパレータ１８が配置される。そして、カソード側セパレータ１６及びアノード側セパレータ１８を互いに押圧することにより、前記カソード側セパレータ１６に設けられている各位置決めピン部材４２が、固体高分子電解質膜３６に設けられている各孔部４８及び前記アノード側セパレータ１８に設けられている各位置決め孔部４６に挿入される。

その際、位置決め孔部４６の開口直径Ｄ１は、位置決めピン部材４２の最大仮想直径Ｄ２よりも小径に設定されている。このため、位置決めピン部材４２を構成する各弾性片部４４は、予め互いに半径内方向に弾性変形させた状態で、位置決め孔部４６内に押し込まれる。

次いで、各弾性片部４４への押圧力を解除すると、各弾性片部４４の傾斜面４４ａは、各位置決め孔部４６の内周面に係止される。従って、各位置決めピン部材４２及び各位置決め孔部４６を介して、単位セル１２が位置決め保持されて組み付けられる（図２参照）。

この場合、第１の実施形態では、カソード側セパレータ１６に一体に設けられた位置決めピン部材４２が、アノード側セパレータ１８に設けられた位置決め孔部４６に挿入されるだけで、単位セル１２を正確に組み付けることができる。このため、単位セル１２の組み付け作業が簡素化され、特に多数の前記単位セル１２を積層して燃料電池１０を組み付ける際に、組み付け作業性が一挙に向上する。

しかも、燃料電池１０は、部品点数が大幅に削減されるため、製造コストを良好に削減することが可能になる。これにより、簡単且つ経済的な構成で、単位セル１２を高精度且つ容易に組み付けることができるという効果が得られる。

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。

先ず、図１に示すように、酸化剤ガス供給連通孔２０ａに酸素含有ガス等の酸化剤ガスが供給されるとともに、燃料ガス供給連通孔２４ａに水素含有ガス等の燃料ガスが供給される。さらに、冷却媒体供給連通孔２２ａに純水やエチレングリコール、オイル等の冷却媒体が供給される。

このため、酸化剤ガスは、酸化剤ガス供給連通孔２０ａからカソード側セパレータ１６に設けられている酸化剤ガス流路２６に導入される。酸化剤ガスは、酸化剤ガス流路２６を矢印Ｂ方向に移動しながら、電解質膜・電極構造体１４を構成するカソード側電極３８に供給される。

一方、燃料ガスは、燃料ガス供給連通孔２４ａからアノード側セパレータ１８に設けられている燃料ガス流路３０に導入される。燃料ガス流路３０に導入された燃料ガスは、矢印Ｂ方向に移動しながら、電解質膜・電極構造体１４を構成するアノード側電極４０に供給される。

従って、電解質膜・電極構造体１４では、カソード側電極３８に供給される酸化剤ガスと、アノード側電極４０に供給される燃料ガスとが、電極触媒層内で電気化学反応により消費され、発電が行われる。

次いで、カソード側電極３８に供給されて消費された酸化剤ガスは、酸化剤ガス排出連通孔２０ｂに排出される。一方、アノード側電極４０に供給されて消費された使用済みの燃料ガスは、燃料ガス排出連通孔２４ｂに排出される。

また、冷却媒体は、冷却媒体供給連通孔２２ａから冷却媒体流路２８に導入された後、矢印Ｂ方向に沿って流動する。この冷却媒体は、電解質膜・電極構造体１４を冷却した後、冷却媒体排出連通孔２２ｂに排出される。

図４は、本発明の第２の実施形態に係る燃料電池５０の分解斜視説明図であり、図５は、前記燃料電池１０の、図４中、Ｖ−Ｖ線断面図である。なお、第１の実施形態に係る燃料電池１０と同一の構成要素には同一の参照符号を付して、その詳細な説明は省略する。また、第３の実施形態以降についても同様に、その詳細な説明は省略する。

燃料電池５０は、第１単位セル１２ａと第２単位セル１２ｂとを交互に積層して構成される。第１単位セル１２ａを構成するカソード側セパレータ１６には、複数の位置決めピン部材４２ａが一体に設けられる。第１単位セル１２ａを構成するアノード側セパレータ１８及び電解質膜・電極構造体１４には、それぞれ複数の位置決め孔部４６ａ及び孔部４８ａが形成される。

第２単位セル１２ｂを構成するカソード側セパレータ１６には、複数の位置決めピン部材４２ｂが一体に設けられる。第２単位セル１２ｂを構成するアノード側セパレータ１８及び電解質膜・電極構造体１４には、それぞれ複数の位置決め孔部４６ｂ及び孔部４８ｂが形成される。

第１単位セル１２ａの位置決めピン部材４２ａと、第２単位セル１２ｂの位置決めピン部材４２ｂとは、積層方向（矢印Ａ）に互いに位置をずらして（オフセットして）配置される。

第１単位セル１２ａを構成するカソード側セパレータ１６には、位置決めピン部材４２ｂに積層方向に沿って対応する位置に、逃げ用孔部５２ａが形成される。第２単位セル１２ｂを構成するカソード側セパレータ１６には、位置決めピン部材４２ａに積層方向に沿って対応する位置に、逃げ用孔部５２ｂが形成される。

第１単位セル１２ａ及び第２単位セル１２ｂは、これらを一体に位置決めするための複数のガイド孔５４を設ける。このガイド孔５４には、図示しないガイドロッドが一体に挿入されて燃料電池５０全体の位置決め保持を行う。

このように構成される第２の実施形態では、第１単位セル１２ａ及び第２単位セル１２ｂの組み立て作業が簡素化され、燃料電池５０全体の組み付け作業性が一挙に向上する等、上記の第１の実施形態と同様の効果が得られる。

しかも、第２の実施形態では、第１単位セル１２ａの位置決めピン部材４２ａと、第２単位セル１２ｂの位置決めピン部材４２ｂとは、積層方向に互いに位置をずらして配置されている。これにより、互いに積層される位置決めピン部材４２ａと位置決めピン部材４２ｂとが干渉することがなく、燃料電池５０全体の積層方向の寸法が良好に短尺化されるという利点がある。

図６は、本発明の第３の実施形態に係る燃料電池６０の一部断面説明図である。

燃料電池６０は、複数の発電ユニット（単位セル）６２を水平方向（矢印Ａ方向）に沿って互いに積層して構成される。発電ユニット６２は、第１セパレータ６４、第１電解質膜・電極構造体（電解質・電極構造体）６６ａ、第２セパレータ６８、第２電解質膜・電極構造体６６ｂ及び第３セパレータ７０を設ける。

第１及び第２電解質膜・電極構造体６６ａ、６６ｂは、固体高分子電解質膜３６ａ、３６ｂと、前記固体高分子電解質膜３６ａ、３６ｂを挟持するカソード側電極３８ａ、３８ｂ及びアノード側電極４０ａ、４０ｂとを備える。アノード側電極４０ａ、４０ｂは、カソード側電極３８ａ、３８ｂよりも小さな表面積を有する、所謂、段差型ＭＥＡを構成している。

第１セパレータ６４の第１電解質膜・電極構造体６６ａ側の面には、第１酸化剤ガス流路２６ａが設けられる。第２セパレータ６８の第１電解質膜・電極構造体６６ａ側の面には、第１燃料ガス流路３０ａが設けられるとともに、前記第２セパレータ６８の第２電解質膜・電極構造体６６ｂ側の面には、第２酸化剤ガス流路２６ｂが設けられる。第３セパレータ７０の第２電解質膜・電極構造体６６ｂ側の面には、第２燃料ガス流路３０ｂが設けられる。

第１セパレータ６４には、セパレータ面に複数の位置決めピン部材４２が一体に設けられる。第３セパレータ７０には、セパレータ積層方向（矢印Ａ方向）に沿って各位置決めピン部材４２に対応する位置に、前記位置決めピン部材４２を挿入するための位置決め孔部４６が設けられる。第２セパレータ６８には、位置決め孔部４６と同軸上に孔部４８が形成される。

このように構成される第３の実施形態では、第１セパレータ６４に一体に設けられた位置決めピン部材４２が、第３セパレータ７０に設けられた位置決め孔部４６に挿入されるだけで、発電ユニット６２を位置決め保持して組み付けることができる。これにより、第３の実施形態では、燃料電池６０の組み立て作業性が有効に向上するとともに、製造コストを削減することが可能になる等、上記の第１の実施形態と同様の効果が得られる。

なお、第３の実施形態は、上記の第２の実施形態と同様に構成することも可能である。また、図７に示すように、互いに隣り合う単位セル１２ａ、１２ｂの各位置決めピン部材４２が、互いに向き合い且つ互いにオフセットするように構成してもよい。以下に説明する第４の実施形態以降においても、同様である。

図８は、本発明の第４の実施形態に係る燃料電池８０の一部断面説明図である。

燃料電池８０を構成する単位セル８２では、カソード側セパレータ１６のセパレータ面に、複数の位置決めピン部材８４が一体に設けられる。位置決めピン部材８４は、図９に示すように、同心円上に配列される２つの弾性脚部８６を備える。各脚部８６の先端には、互いに対向して径方向外方に膨出する爪状の係止部８８が一体に設けられる。係止部８８の先端面は、中心側から外方に向かって傾斜する球面状ガイド面８８ａを構成する。

アノード側セパレータ１８には、爪状の係止部８８よりも小径な位置決め孔部４６が設けられるとともに、電解質膜・電極構造体１４には、孔部４８が形成される。

このように構成される第４の実施形態では、カソード側セパレータ１６とアノード側セパレータ１８とが、電解質膜・電極構造体１４を挟んで重ね合わされる際、係止部８８の先端面に設けられている球面状ガイド面８８ａの案内作用下に、前記係止部８８が互いに内方に弾性変形する。そして、各係止部８８は、位置決め孔部４６を貫通した後、互いに外方に拡開する（図８参照）。

従って、係止部８８は、位置決め孔部４６の内周面に係止されるため、各位置決めピン部材８４及び各位置決め孔部４６を介して、単位セル８２が位置決め保持されて組み付けられる。これにより、第４の実施形態は、第１〜第３の実施形態と同様の効果が得られる。

図１０は、本発明の第５の実施形態に係る燃料電池９０の一部断面説明図である。

燃料電池９０を構成する単位セル９２では、カソード側セパレータ１６のセパレータ面に、複数の位置決めピン部材（群）９４が一体に設けられる。位置決めピン部材９４は、図１１に示すように、同心円上に配列される４つの弾性支柱部９６を備え、各支柱部９６の先端には、係止球体部（係止部）９８が一体に設けられる。

アノード側セパレータ１８には、４つの係止球体部９８を介して形成される仮想円直径よりも小径な位置決め孔部４６が設けられるとともに、電解質膜・電極構造体１４には、孔部４８が形成される。

このように構成される第５の実施形態では、カソード側セパレータ１６とアノード側セパレータ１８とが、電解質膜・電極構造体１４を挟んで重ね合わされる際、係止球体部９８が位置決め孔部４６の内周面に当接する。このため、各支柱部９６が互いに内方に弾性変形して位置決め孔部４６を貫通した後、互いに外方に拡開する（図１０参照）。

従って、係止球体部９８は、位置決め孔部４６の内周面に係止されるため、各位置決めピン部材９４及び各位置決め孔部４６を介して、単位セル９２が位置決め保持されて組み付けられる。これにより、第５の実施形態は、第１〜第４の実施形態と同様の効果が得られる。

本発明の第１の実施形態に係る燃料電池の分解斜視説明図である。 前記燃料電池の、図１中、ＩＩ−ＩＩ線断面図である。 前記燃料電池を構成する位置決めピン部材の斜視説明図である。 本発明の第２の実施形態に係る燃料電池の分解斜視説明図である。 前記燃料電池の、図４中、Ｖ−Ｖ線断面図である。 本発明の第３の実施形態に係る燃料電池の一部断面説明図である。 隣り合う発電ユニットの各位置決めピン部材が互いに向き合い且つ互いにオフセットした構成の説明図である。 本発明の第４の実施形態に係る燃料電池の一部断面説明図である。 前記燃料電池を構成する位置決めピン部材の斜視説明図である。 本発明の第５の実施形態に係る燃料電池の一部断面説明図である。 前記燃料電池を構成する位置決めピン部材の斜視説明図である。 特許文献１に開示されている固体高分子電解質型燃料電池の説明図である。

符号の説明

１０、５０、６０、８０、９０…燃料電池
１２、１２ａ、１２ｂ、８２、９２…単位セル
１４、６６ａ、６６ｂ…電解質膜・電極構造体
１６、１８、６４、７０…セパレータ ２６…酸化剤ガス流路
２８…冷却媒体流路 ３０…燃料ガス流路
３２、３４…シール部材 ３６…固体高分子電解質膜
３８…カソード側電極 ４０…アノード側電極
４２、４２ａ、８４、９４…位置決めピン部材
４４…弾性片部 ４４ａ…傾斜面
４６、４６ａ、４６ｂ…位置決め孔部 ４８、４８ａ、４８ｂ…孔部
６２…発電ユニット ８６…脚部
８８…係止部 ８８ａ…球面状ガイド面
９６…支柱部 ９８…係止球体部

Claims (5)

1. 一対の電極が電解質の両側に設けられた電解質・電極構造体をセパレータにより挟持する単位セルを備える燃料電池であって、
   前記単位セルを構成する１つの前記セパレータには、セパレータ面に位置決めピン部材が一体に設けられるとともに、
   前記単位セルを構成する他の前記セパレータには、セパレータ積層方向に沿って前記位置決めピン部材に対応する位置に、該位置決めピン部材を挿入するための位置決め孔部が設けられることを特徴とする燃料電池。
2. 請求項１記載の燃料電池において、前記位置決めピン部材は、前記位置決め孔部を貫通して他の前記セパレータに係止される係止部を有することを特徴とする燃料電池。
3. 請求項１又は２記載の燃料電池において、複数の前記単位セルが積層されるとともに、
   互いに隣接する前記単位セルは、一方の前記単位セルに設けられる前記位置決めピン部材と、他方の前記単位セルに設けられる前記位置決めピン部材とが、前記積層方向に互いに位置をずらして配置されることを特徴とする燃料電池。
4. 請求項３記載の燃料電池において、一方の前記単位セルには、他方の前記単位セルに設けられる前記位置決めピン部材に前記積層方向に沿って対応する位置に、逃げ用孔部が形成されるとともに、
   他方の前記単位セルには、一方の前記単位セルに設けられる前記位置決めピン部材に前記積層方向に沿って対応する位置に、逃げ用孔部が形成されることを特徴とする燃料電池。
5. 請求項１〜４のいずれか１項に記載の燃料電池において、前記位置決めピン部材は、弾性変形可能な樹脂材料で形成されることを特徴とする燃料電池。

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