JP2014164827A - 燃料電池及びその組み付け方法 - Google Patents

Abstract

【課題】簡単な構成及び工程で、燃料電池を確実且つ迅速に組み付けることを可能にする。
【解決手段】燃料電池１０を構成する発電ユニット１２は、第１セパレータ１４、第２セパレータ１８及び第３セパレータ２０の外周縁部に、樹脂部材１１０ａ、１１０ｂ及び１１０ｃを設ける。樹脂部材１１０ａには、連結ピン部１１２が一体成形される一方、樹脂部材１１０ｂ及び樹脂部材１１０ｃには、連結ピン部１１２が挿入される第１挿入孔部１２４ａ及び第２挿入孔部１２４ｂが形成される。各連結ピン部１１２の分割面は、第１セパレータ１４の面方向中心に対して対称形状に構成される。
【選択図】図１

Description

本発明は、電解質膜の両側に一対の電極を設けた電解質膜・電極構造体とセパレータとが積層される燃料電池及びその組み付け方法に関する。

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の一方にアノード電極が、前記電解質膜の他方にカソード電極が、それぞれ配設された電解質膜・電極構造体（ＭＥＡ）を、セパレータによって挟持している。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。

この燃料電池では、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に開示された燃料電池が知られている。

この燃料電池は、図１０に示すように、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１を、アノード側セパレータ２ａｎとカソード側セパレータ２ｃａで挟んで構成されている。アノード側セパレータ２ａｎとカソード側セパレータ２ｃａの外周部の複数箇所には、ピン挿入孔３ａｎ、３ｃａが設けられ、前記ピン挿入孔３ａｎ、３ｃａに亘って樹脂製セル締結ピン４の複数の脚部４ａが一体に挿入されている。

脚部４ａの一端に形成されたフランジ部４ｂは、カソード側セパレータ２ｃａに係止し、脚部４ａの他端に形成されたフック部４ｃは、アノード側セパレータ２ａｎに係止して燃料電池が締結されている。

セル締結ピン４は、射出成形によりピン成形体５に一体成形されている。そして、セル締結ピン４がピン挿入孔３ａｎ、３ｃａに挿入された後、ゲート部５ａが破断され、スタンプ部５ｂが前記セル締結ピン４から分離されている。

また、特許文献２に開示された燃料電池では、図１１に示すように、第１セパレータ６ａ、第２セパレータ６ｂ及び第３セパレータ６ｃが、図示しない電解質膜・電極構造体を介装して積層されている。第１セパレータ６ａには、樹脂部材７ａが設けられるとともに、前記樹脂部材７ａには、積層方向に突出して連結ピン部８が一体成形されている。第２セパレータ６ｂと第３セパレータ６ｃとには、樹脂部材７ｂと樹脂部材７ｃとが設けられている。樹脂部材７ｂと樹脂部材７ｃとには、連結ピン部８が一体に挿入される孔部９ａと孔部９ｂとが形成されている。

特開２００６−１４７４６０号公報 特開２０１０−２７２３１３号公報

上記の特許文献１では、セル締結ピン４がピン挿入孔３ａｎ、３ｃａに挿入された後、ゲート部５ａを破断する作業が必要になっている。この破断時には、熱等が用いられており、加熱及び冷却してスタンプ部５ｂを離脱させる設備が必要とされている。

また、上記の特許文献２では、連結ピン部８が孔部９ａ、９ｂに一体に挿入された後、溶接チップｗｔを介して前記連結ピン部８の先端を熱により溶融させている。このため、溶接チップｗｔによる溶接作業が必要になっている。

本発明はこの種の技術に関連してなされたものであり、簡単な構成及び工程で、燃料電池を確実且つ迅速に組み付けることが可能な燃料電池及びその組み付け方法を提供することを目的とする。

本発明は、電解質膜の両側に一対の電極を設けた電解質膜・電極構造体とセパレータとが積層される燃料電池及びその組み付け方法に関するものである。

この燃料電池では、複数のセパレータの外周縁部又は複数の電解質膜・電極構造体の外周縁部には、第１の樹脂部材と第２の樹脂部材とが個別に設けられるとともに、前記第１の樹脂部材には、積層方向に突出して複数の樹脂製係止部が一体に設けられる一方、前記第１の樹脂部材に前記積層方向に隣接して配列される前記第２の樹脂部材には、前記樹脂製係止部が挿入される複数の係止部挿入孔が形成されている。

そして、各樹脂製係止部は、先端側に拡縮自在な分割部位を有し、各分割部位の分割面は、セパレータ又は電解質膜・電極構造体の面方向中心に対して対称形状に構成されている。

また、この燃料電池では、分割部位は、積層方向に延在する２本以上のスリットを有し、前記スリットが面方向中心に対して対称に設けられることが好ましい。

さらにこの組み付け方法は、電解質膜・電極構造体とセパレータとが積層された積層体を組み付け治具に配置する工程と、前記積層体の面内中心部に荷重を付与することにより、複数の樹脂製係止部を複数の係止部挿入孔に同時に挿入する工程と、を有している。

本発明によれば、各樹脂製係止部の先端側には、拡縮自在な分割部位が設けられるとともに、各分割部位の分割面は、セパレータ又は電解質膜・電極構造体の面方向中心に対して対称形状に構成されている。このため、電解質膜・電極構造体とセパレータとが積層された積層体の面内中心部に荷重が付与されると、各樹脂製係止部の各分割部位には、同一の条件で、すなわち、各分割面に均等方向に、荷重を加えることができる。

従って、複数の樹脂製係止部は、各係止部挿入孔に確実に挿入されるとともに、係止状態が均等になって燃料電池を良好に保持することが可能になる。これにより、簡単な構成及び工程で、燃料電池を確実且つ迅速に組み付けることが可能になる。

本発明の第１の実施形態に係る燃料電池を構成する発電ユニットの要部分解斜視説明図である。 前記発電ユニットの、図１中、ＩＩ−ＩＩ線断面図である。 前記発電ユニットを構成する第１セパレータの一方の面側の説明図である。 前記第１セパレータを構成する連結ピン部の斜視説明図である。 前記発電ユニットを組み付ける組み付け装置の概略説明図である。 前記第１セパレータに荷重が付与された際の動作説明図である。 本発明の第２の実施形態に係る燃料電池を構成する発電ユニットの要部分解斜視説明図である。 前記発電ユニットの、図７中、ＶＩＩＩ−ＶＩＩＩ線断面図である。 他の連結ピンの斜視説明図である。 特許文献１に開示された燃料電池の断面説明図である。 特許文献２に開示された燃料電池の断面説明図である。

図１及び図２に示すように、本発明の第１の実施形態に係る燃料電池１０は、複数の発電ユニット１２を水平方向（矢印Ａ方向）又は重力方向（矢印Ｃ方向）に積層して構成される。発電ユニット１２は、第１セパレータ１４、第１電解質膜・電極構造体（ＭＥＡ）１６ａ、第２セパレータ１８、第２電解質膜・電極構造体（ＭＥＡ）１６ｂ及び第３セパレータ２０を設ける。

第１セパレータ１４、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１４、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。なお、第１セパレータ１４、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。

第１電解質膜・電極構造体１６ａ及び第２電解質膜・電極構造体１６ｂは、それぞれ、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電極２４及びカソード電極２６とを備える。

アノード電極２４は、カソード電極２６よりも小さな表面寸法（平面寸法）を有する、所謂、段差型ＭＥＡを構成している。なお、アノード電極２４は、カソード電極２６よりも大きな表面寸法に設定されてもよく、また、前記アノード電極２４と前記カソード電極２６とは、同一の表面寸法に設定されてもよい。固体高分子電解質膜２２、アノード電極２４及びカソード電極２６は、それぞれ矢印Ｂ方向両端部上下に切り欠きが設けられて表面寸法が縮小されているが、前記切り欠きを設けない構成を採用してもよい。

アノード電極２４及びカソード電極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。

図１に示すように、発電ユニット１２の長辺方向（矢印Ｃ方向）の上端縁部には、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、及び燃料ガス、例えば、水素含有ガスを供給するための燃料ガス入口連通孔３２ａが設けられる。

発電ユニット１２の長辺方向（矢印Ｃ方向）の下端縁部には、矢印Ａ方向に互いに連通して、燃料ガスを排出するための燃料ガス出口連通孔３２ｂ、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が設けられる。

発電ユニット１２の短辺方向（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、冷却媒体を供給するための冷却媒体入口連通孔３４ａが設けられる。発電ユニット１２の短辺方向の他端縁部には、冷却媒体を排出するための冷却媒体出口連通孔３４ｂが設けられる。

図３に示すように、第１セパレータ１４の第１電解質膜・電極構造体１６ａに向かう面１４ａ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３６が形成される。第１燃料ガス流路３６は、矢印Ｃ方向に延在する複数の波状流路溝（又は直線状流路溝）を有するとともに、前記第１燃料ガス流路３６の入口（上端部）及び出口（下端部）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３８ａ及び出口バッファ部３８ｂが設けられる。

燃料ガス入口連通孔３２ａと入口バッファ部３８ａとは、複数本の入口連結通路４０ａにより連通するとともに、前記入口連結通路４０ａは、ブリッジ部である蓋体４１ａにより覆われている。燃料ガス出口連通孔３２ｂと出口バッファ部３８ｂとは、複数本の出口連結通路４０ｂにより連通するとともに、前記出口連結通路４０ｂは、ブリッジ部である蓋体４１ｂにより覆われている。

図１及び図３に示すように、第１セパレータ１４の面１４ｂ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４４が形成される。冷却媒体流路４４は、第１燃料ガス流路３６の裏面形状である。

図１に示すように、第２セパレータ１８の第１電解質膜・電極構造体１６ａに向かう面１８ａ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５０が形成される。第１酸化剤ガス流路５０は、矢印Ｃ方向に延在する複数の波状流路溝（又は直線状流路溝）を有する。第１酸化剤ガス流路５０の入口（上端部）及び出口（下端部）近傍には、入口バッファ部５２ａ及び出口バッファ部５２ｂが設けられる。

第２セパレータ１８の第２電解質膜・電極構造体１６ｂに向かう面１８ｂ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５８が形成される。第２燃料ガス流路５８は、矢印Ｃ方向に延在する複数の波状流路溝（又は直線状流路溝）を有するとともに、前記第２燃料ガス流路５８の入口（上端部）及び出口（下端部）近傍には、入口バッファ部６０ａ及び出口バッファ部６０ｂが設けられる。

燃料ガス入口連通孔３２ａと入口バッファ部６０ａとは、複数本の入口連結通路６２ａにより連通するとともに、前記入口連結通路６２ａは、ブリッジ部である蓋体６４ａにより覆われている。燃料ガス出口連通孔３２ｂと出口バッファ部６０ｂとは、複数本の出口連結通路６２ｂにより連通するとともに、前記出口連結通路６２ｂは、ブリッジ部である蓋体６４ｂにより覆われている。

第３セパレータ２０の第２電解質膜・電極構造体１６ｂに向かう面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２酸化剤ガス流路６６が形成される。

第２酸化剤ガス流路６６は、矢印Ｃ方向に延在する複数の波状流路溝（又は直線状流路溝）を有する。第２酸化剤ガス流路６６の入口（上端部）及び出口（下端部）近傍には、入口バッファ部６８ａ及び出口バッファ部６８ｂが設けられる。

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４４が形成される。冷却媒体流路４４は、第１燃料ガス流路３６及び第２酸化剤ガス流路６６の裏面形状の重ね合わせにより形成される。

第１セパレータ１４の面１４ａ、１４ｂには、この第１セパレータ１４の外周端縁部を周回して第１シール部材７４が一体成形される。第２セパレータ１８の面１８ａ、１８ｂには、この第２セパレータ１８の外周端縁部を周回して第２シール部材７６が一体成形される。第３セパレータ２０の面２０ａ、２０ｂには、この第３セパレータ２０の外周端縁部を周回して第３シール部材７８が一体成形される。

第１シール部材７４、第２シール部材７６及び第３シール部材７８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等の弾性を有するシール部材が用いられる。

第１セパレータ１４、第２セパレータ１８及び第３セパレータ２０の外周縁部には、樹脂部材１１０ａ、１１０ｂ及び１１０ｃがそれぞれ複数設けられる。樹脂部材１１０ａ、１１０ｂ及び１１０ｃは、ＰＰＳ（ポリフェニレンサルファイド）、ＰＯＭ（ポリアセタール）、ＰＢＴ（ポリブチレンテレフタレート）、ＰＥＥＫ（ポリエーテルエーテルケトン）、ＬＣＰ（液晶ポリマー）、ポリイミド又はＡＢＳ樹脂や、スーパーエンジニアリングプラスチック、ガラス入り強化繊維等で構成される。

樹脂部材１１０ａ、１１０ｂ及び１１０ｃは、予め、絶縁樹脂で成形した成形品を、かしめや接着等によって第１セパレータ１４、第２セパレータ１８及び第３セパレータ２０を構成する金属プレートに設けられた切り欠き部に固定し、あるいは、前記金属プレートの前記切り欠き部に絶縁樹脂を一体で射出成形してもよい。

第１セパレータ１４、第２セパレータ１８及び第３セパレータ２０は、樹脂部材１１０ａ、１１０ｂ及び１１０ｃが設けられた後、第１シール部材７４、第２シール部材７６及び第３シール部材７８を射出成形等により一体成形することが好ましい。

図１〜図３に示すように、第１セパレータ１４に設けられる樹脂部材１１０ａは、面１４ａ側に突出する連結ピン部（樹脂製係止部）１１２を一体成形する。連結ピン部１１２は、図２に示すように、基底板部１１６を有する。基底板部１１６は、樹脂部材１１０ａの面１４ｂ側に凹部１１４を設けることにより形成される。基底板部１１６から４本の脚部（分割部位）１１８が膨出するとともに、各脚部１１８の先端には、係止部（フック部）１２０が拡径形成される（図２及び図４参照）。

各脚部１１８の基端部は、基底板部１１６と同一面上すなわち、樹脂部材１１０ａの平垣面である基準面１１０ａｓと同一面上に位置する底面１１８ａを有する（図２参照）。基底板部１１６を構成する凹部１１４の深さは、発電ユニット１２が組み付けられた際、前記発電ユニット１２に隣接する他の発電ユニット１２に設けられた連結ピン部１１２の先端部が干渉しない寸法に設定される。

係止部１２０は、先端に湾曲面（又はテーパ面）１２０ａが設けられる。係止部１２０の内面側、すなわち、脚部１１８の内面先端側には、先端に向かって外方に傾斜する傾斜面１２０ｂが形成される。

図４に示すように、連結ピン部１１２は、直径方向を通過し且つ互いに直交する２つのスリット１２２ａ、１２２ｂにより周方向に４分割される。スリット１２２ａは、第１分割面Ｄ１を有するとともに、スリット１２２ｂは、前記第１分割面Ｄ１に直交する第２分割面Ｄ２を有する。図３に示すように、各連結ピン部１１２は、係止部１２０の第１分割面Ｄ１同士及び第２分割面Ｄ２同士が、第１セパレータ１４の面方向中心Ｏに対して対称形状に構成される。

図１及び図２に示すように、樹脂部材１１０ｂ及び１１０ｃには、連結ピン部１１２が挿入される第１挿入孔部（係止部挿入孔）１２４ａ及び第２挿入孔部（係止部挿入孔）１２４ｂが形成される。図２に示すように、第２挿入孔部１２４ｂは、第１挿入孔部１２４ａよりも開口径が小径に構成される。第１挿入孔部１２４ａの内径は、係止部１２０の外径寸法と同等に設定される一方、第２挿入孔部１２４ｂの内径は、前記係止部１２０の外径寸法よりも小径に且つ脚部１１８の外径寸法よりも大径に設定される。

このように構成される燃料電池１０を組み付ける方法について、以下に説明する。

各発電ユニット１２を組み付ける際には、図５に示すように、組み付け装置１３０が使用される。組み付け装置１３０は、基台治具１３２と可動治具１３４とを備えるとともに、前記可動治具１３４は、例えば、４本のガイドバー１３６に沿って前記基台治具１３２に対して進退自在である。

可動治具１３４の押圧面１３４ａ側は、発電ユニット１２に当接する。可動治具１３４は、好ましくは、可撓性を有し、その中央部が発電ユニット１２のセパレータ面方向中心Ｏをメインに、全面及び係止部周辺に亘って押圧力を付与する。また、組み付け装置１３０では、単一の発電ユニット１２を組み付ける場合について説明するが、複数の発電ユニット１２を積層して同時に組み付け処理を行うことも可能である。

先ず、基台治具１３２上には、第１セパレータ１４、第１電解質膜・電極構造体１６ａ、第２セパレータ１８、第２電解質膜・電極構造体１６ｂ及び第３セパレータ２０の順に積層されて、積層体１２ａが得られる。そして、可動治具１３４が下降されると、前記可動治具１３４は、積層体１２ａのセパレータ面方向中心Ｏに荷重を付与する。

その際、第１の実施形態では、図３に示すように、各連結ピン部１１２は、係止部１２０の第１分割面Ｄ１同士及び第２分割面Ｄ２同士が、第１セパレータ１４の面方向中心Ｏに対して対称形状に構成されている。このため、図６に示すように、面方向中心Ｏに付与された荷重が外方に放射状に伝達されると、各連結ピン部１１２の各係止部１２０には、同一の条件で、すなわち、各第１分割面Ｄ１及び第２分割面Ｄ２に均等方向に荷重が加えられる。従って、各係止部１２０は、第１挿入孔部１２４ａ及び第２挿入孔部１２４ｂに確実に挿入される。

さらに、各係止部１２０の分割方向は、面方向中心Ｏに対して対称となっている。これにより、発電ユニット１２が組み付けられた際、各係止部１２０に作用する抵抗（係止部１２０が第３セパレータ２０の第２挿入孔部１２４ｂの周縁部に引っかかっている状態の抵抗）が均等化される。このため、いずれかの係止部１２０が第３セパレータ２０から外れることがなく、発電ユニット１２を良好に保持することが可能になる。

従って、第１の実施形態では、簡単な構成及び工程で、発電ユニット１２を、さらには燃料電池１０を、確実且つ迅速に組み付けることが可能になるという効果が得られる。

次に、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、酸化剤ガス入口連通孔３０ａに酸素含有ガス等の酸化剤ガスが供給されるとともに、燃料ガス入口連通孔３２ａに水素含有ガス等の燃料ガスが供給される。さらに、冷却媒体入口連通孔３４ａ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、酸化剤ガス入口連通孔３０ａから第２セパレータ１８の第１酸化剤ガス流路５０及び第３セパレータ２０の第２酸化剤ガス流路６６に導入される。この酸化剤ガスは、第１酸化剤ガス流路５０に沿って矢印Ｃ方向（重力方向）に移動し、第１電解質膜・電極構造体１６ａのカソード電極２６に供給されるとともに、第２酸化剤ガス流路６６に沿って矢印Ｃ方向に移動し、第２電解質膜・電極構造体１６ｂのカソード電極２６に供給される。

一方、燃料ガスは、燃料ガス入口連通孔３２ａから第１セパレータ１４の第１燃料ガス流路３６及び第２セパレータ１８の第２燃料ガス流路５８に導入される。この燃料ガスは、第１燃料ガス流路３６に沿って重力方向（矢印Ｃ方向）に移動し、第１電解質膜・電極構造体１６ａのアノード電極２４に供給されるとともに、第２燃料ガス流路５８に沿って矢印Ｃ方向に移動し、第２電解質膜・電極構造体１６ｂのアノード電極２４に供給される。

従って、第１電解質膜・電極構造体１６ａ及び第２電解質膜・電極構造体１６ｂでは、カソード電極２６に供給される酸化剤ガスと、アノード電極２４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て発電が行われる。

次いで、第１電解質膜・電極構造体１６ａ及び第２電解質膜・電極構造体１６ｂの各カソード電極２６に供給されて消費された酸化剤ガスは、酸化剤ガス出口連通孔３０ｂに沿って矢印Ａ方向に排出される。

第１電解質膜・電極構造体１６ａ及び第２電解質膜・電極構造体１６ｂの各アノード電極２４に供給されて消費された燃料ガスは、燃料ガス出口連通孔３２ｂに沿って矢印Ａ方向に排出される。

一方、冷却媒体入口連通孔３４ａに供給された冷却媒体は、第１セパレータ１４と第３セパレータ２０との間に形成された冷却媒体流路４４に導入された後、矢印Ｂ方向に流通する。この冷却媒体は、第１電解質膜・電極構造体１６ａ及び第２電解質膜・電極構造体１６ｂを冷却した後、冷却媒体出口連通孔３４ｂに排出される。

図７は、本発明の第２の実施形態に係る燃料電池１４０を構成する発電ユニット１４２の要部分解斜視説明図である。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。

発電ユニット１４２は、第１電解質膜・電極構造体１４４ａ、第１金属セパレータ１４６ａ、第２電解質膜・電極構造体１４４ｂ及び第２金属セパレータ１４６ｂを矢印Ａ方向に積層して構成される。

図８に示すように、第１電解質膜・電極構造体１４４ａ及び第２電解質膜・電極構造体１４４ｂを構成する固体高分子電解質膜２２は、アノード電極２４及びカソード電極２６と同一の表面寸法、又はこれらよりも大きな表面寸法に設定される。第１電解質膜・電極構造体１４４ａは、固体高分子電解質膜２２の外周端縁部に樹脂製の第１額縁部（樹脂部材）１４８ａが、例えば、射出成形により一体成形される。第２電解質膜・電極構造体１４４ｂは、固体高分子電解質膜２２の外周端縁部に樹脂製の第２額縁部（樹脂部材）１４８ｂ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、例えば、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、強化繊維等が採用される。

図７に示すように、第１額縁部１４８ａ及び第２額縁部１４８ｂの矢印Ｃ方向の一端縁部（上端縁部）には、矢印Ａ方向に互いに連通して、酸化剤ガス入口連通孔３０ａ、冷却媒体入口連通孔３４ａ及び燃料ガス入口連通孔３２ａが、矢印Ｂ方向（水平方向）に配列して設けられる。

第１額縁部１４８ａ及び第２額縁部１４８ｂの矢印Ｃ方向の他端縁部（下端縁部）には、矢印Ａ方向に互いに連通して、燃料ガス出口連通孔３２ｂ、冷却媒体出口連通孔３４ｂ及び酸化剤ガス出口連通孔３０ｂが、矢印Ｂ方向に配列して設けられる。

第１金属セパレータ１４６ａ及び第２金属セパレータ１４６ｂ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、燃料ガス入口連通孔３２ａ、燃料ガス出口連通孔３２ｂ、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。

第１金属セパレータ１４６ａ及び第２金属セパレータ１４６ｂは、同一に構成されており、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薄板状の金属板を折り返して構成される。

第１金属セパレータ１４６ａ及び第２金属セパレータ１４６ｂのアノード電極２４に対向する面には、波形状にプレス加工して断面凹凸形状を有する燃料ガス流路１５０が形成される。第１金属セパレータ１４６ａ及び第２金属セパレータ１４６ｂのカソード電極２６に対向する面には、波形状にプレス加工して断面凹凸形状を有する酸化剤ガス流路１５２が形成される。第１金属セパレータ１４６ａ及び第２金属セパレータ１４６ｂには、酸化剤ガス流路１５２の上下両側に、それぞれ複数の冷却媒体供給孔部１５４ａと冷却媒体排出孔部１５４ｂとが形成される。

第１金属セパレータ１４６ａ及び第２金属セパレータ１４６ｂの内部には、冷却媒体供給孔部１５４ａ及び冷却媒体排出孔部１５４ｂに連通して冷却媒体を矢印Ｃ方向に流通させる冷却媒体流路１５６が形成される。冷却媒体流路１５６は、燃料ガス流路１５０の裏面形状と酸化剤ガス流路１５２の裏面形状との重なり形状により構成される。

第１額縁部１４８ａには、第１シール部材１５８ａが一体成形されるとともに、第２額縁部１４８ｂには、第２シール部材１５８ｂが一体成形される。第１シール部材１５８ａ及び第２シール部材１５８ｂ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等の弾性を有するシール部材が用いられる。

図７及び図８に示すように、第１額縁部１４８ａには、複数の連結ピン部１１２が一体成形される。第２額縁部１４８ｂには、各連結ピン部１１２が挿入される複数の挿入孔部（係止部挿入孔）１２４が形成される。各連結ピン部１１２の分割面（第１分割面Ｄ１及び第２分割面Ｄ２）は、第１電解質膜・電極構造体１４４ａの面方向中心に対して対称形状に構成される。

連結ピン部１１２は、第１電解質膜・電極構造体１４４ａと第２電解質膜・電極構造体１４４ｂとの間に、第１金属セパレータ１４６ａが介装された状態で、前記第２電解質膜・電極構造体１４４ｂの挿入孔部１２４に挿入される。このため、第１電解質膜・電極構造体１４４ａ、第１金属セパレータ１４６ａ及び第２電解質膜・電極構造体１４４ｂは、一体に保持される。

この第２の実施形態では、簡単な構成及び工程で、発電ユニット１４２を、さらには燃料電池１４０を、確実且つ迅速に組み付け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１及び第２の実施形態では、連結ピン部１１２が２本のスリット１２２ａ、１２２ｂにより周方向に４分割されているが、これに限定されるものではない。例えば、図９に示すように、連結ピン部１６０を採用してもよい。連結ピン部１６０は、中心から径方向外方に３本のスリット１６２ａ、１６２ｂ及び１６２ｃが等角度間隔ずつ離間して形成されることにより、３本の脚部（分割部位）１６４ａ、１６４ｂ及び１６４ｃを有する。

連結ピン部１６０は、３本のスリット１６２ａ、１６２ｂ及び１６２ｃにより３つの分割面を有する。図示しないセパレータには、複数個の連結ピン部１６０が設けられるとともに、各連結ピン部１６０の任意の分割面同士が、前記セパレータの面方向中心Ｏに対して対称形状に構成される。これにより、連結ピン部１６０は、上記の連結ピン部１１２と同様の効果が得られる。

１０、１４０…燃料電池 １２、１４２…発電ユニット
１４、１８、２０…セパレータ
１６ａ、１６ｂ、１４４ａ、１４４ｂ…電解質膜・電極構造体
２２…固体高分子電解質膜 ２４…アノード電極
２６…カソード電極 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、５８、１５０…燃料ガス流路
４４、１５６…冷却媒体流路 ５０、６６、１５２…酸化剤ガス流路
７４、７６、７８、１５８ａ、１５８ｂ…シール部材
１１０ａ〜１１０ｃ…樹脂部材 １１２、１６０…連結ピン部
１１４…凹部 １１６…基底板部
１１８、１６４ａ〜１６４ｃ…脚部 １１８ａ…底面
１２０…係止部 １２０ａ…湾曲面
１２０ｂ…傾斜面
１２２ａ、１２２ｂ、１６２ａ〜１６２ｃ…スリット
１２４、１２４ａ、１２４ｂ…挿入孔部
１４６ａ、１４６ｂ…金属セパレータ
１４８ａ、１４８ｂ…額縁部

Claims (3)

1. 電解質膜の両側に一対の電極を設けた電解質膜・電極構造体とセパレータとが積層される燃料電池であって、
   複数の前記セパレータの外周縁部又は複数の前記電解質膜・電極構造体の外周縁部には、第１の樹脂部材と第２の樹脂部材が個別に設けられるとともに、
   前記第１の樹脂部材には、積層方向に突出して複数の樹脂製係止部が一体に設けられる一方、前記第１の樹脂部材に前記積層方向に隣接して配列される前記第２の樹脂部材には、前記樹脂製係止部が挿入される複数の係止部挿入孔が形成され、
   各樹脂製係止部は、先端側に拡縮自在な分割部位を有し、各分割部位の分割面は、前記セパレータ又は前記電解質膜・電極構造体の面方向中心に対して対称形状に構成さ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、前記分割部位は、前記積層方向に延在する２本以上のスリットを有し、前記スリットが前記面方向中心に対して対称に設けられることを特徴とする燃料電池。
3. 電解質膜の両側に一対の電極を設けた電解質膜・電極構造体とセパレータとが積層される燃料電池の組み付け方法であって、
   複数の前記セパレータの外周縁部又は複数の前記電解質膜・電極構造体の外周縁部には、第１の樹脂部材と第２の樹脂部材とが個別に設けられるとともに、
   前記第１の樹脂部材には、積層方向に突出して複数の樹脂製係止部が一体に設けられる一方、前記第１の樹脂部材に前記積層方向に隣接して配列される前記第２の樹脂部材には、前記樹脂製係止部が挿入される複数の係止部挿入孔が形成され、
   各樹脂製係止部は、先端側に拡縮自在な分割部位を有し、各分割部位の分割面は、前記セパレータ又は前記電解質膜・電極構造体の面方向中心に対して対称形状に構成されており、
   前記組み付け方法は、前記電解質膜・電極構造体と前記セパレータとが積層された積層体を組み付け治具に配置する工程と、
   前記積層体の面内中心部に荷重を付与することにより、複数の前記樹脂製係止部を複数の前記係止部挿入孔に同時に挿入する工程と、
   を有することを特徴とする燃料電池の組み付け方法。

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