JP3844676B2 - 燃料電池 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、電極構造体とこれを挟持するセパレータとを有した燃料電池セルが積層されてなる燃料電池に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
近年、自動車等の車両駆動用動力源として燃料電池が注目されている。燃料電池は、固体高分子電解質膜の両側に一対の電極を配設した膜電極構造体(MEA)を、さらに一対のセパレータで挟持した燃料電池セルを備えている。この燃料電池セルを用いて発電する場合には、燃料電池セルの一方の電極(アノード電極)に燃料ガス(例えば、水素ガス)を、他方の電極(カソード電極)に酸化剤ガス(例えば、酸素を含む空気)を供給することで、電気化学反応により起電力を発生させる。この発電時に生成されるのは基本的には無害な水だけであるため、環境への影響や発電効率の観点から燃料電池が注目されている。
【0003】
ところで、車両を駆動するのに十分な電力を得るために、車載用の燃料電池は複数の燃料電池セルを積層して構成されるが、この燃料電池セルの積層時には、燃料電池を構成する各燃料電池セルが所定位置に積層されるように、各燃料電池セルごとに位置決めを行う必要がある。従来においては、特開平9−7627号公報や特開平9−134734号公報に示されているように、セパレータ内にノック孔を設けて、このノック孔にノックピンを挿入することで位置決めを行う方法が提案されている。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、実車への搭載に向けた実用化の動きの中で、燃料電池の小型軽量化、低コスト化が大きな課題となっている。燃料電池を小型化するためには、燃料電池を構成する各燃料電池セルを薄くすること、具体的には、各燃料電池セル内部に形成されている反応ガスの流路を十分に確保しながら、セパレータ間の間隔寸法を小さくすることや、セパレータを薄肉化することが考えられる。しかしながら、薄肉化したセパレータに上記したノックピンを使用する場合には、ノックピンのガイド長さを十分に確保することが出来ないので、ノックピンが傾いてセパレータに干渉し、セパレータが変形するおそれがある。このような場合には、燃料電池セルに設けられたシール部材とセパレータとの間に若干の隙間が発生してシール性が損なわれたり(シール不良)、セパレータ同士が接触して短絡するおそれがある。また、ノックピンはセパレータの内側に設けられるため、シール不良や短絡等が発生した場合には、外部からその発生箇所(不良箇所)を特定するのが困難であるという問題があった。
本発明は、このような事情に鑑みてなされたもので、燃料電池セルの積層時の位置決めを確実に行うことができるとともに、不良箇所の特定を容易にすることができる燃料電池を提供することを目的とする。
【0005】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するためになされた請求項1に記載した発明は、電解質(例えば、実施の形態における固体高分子電解質膜3)とこれを挟み込む一対の電極(例えば、実施の形態におけるアノード電極4およびカソード電極5)とで形成された電極構造体(例えば、実施の形態における膜電極構造体6)を、一対のセパレータ(例えば、実施の形態におけるセパレータ7,8)で挟持してなる燃料電池セル(例えば、実施の形態における燃料電池セル2)が複数積層された燃料電池(例えば、実施の形態における燃料電池1)であって、前記セパレータの外形が略多角形状であるとともに、このセパレータの隣接する2つの辺に位置決め部(例えば、実施の形態における突起部15〜17、18〜20)を設けて、少なくとも3カ所で位置決め可能とし、前記一対のセパレータのうち、一方のセパレータと他方のセパレータとで、前記位置決め部を、積層方向から見て相互に位置がずれるように設けたことを特徴とする燃料電池である。
【0006】
このように構成すると、セパレータを3カ所で位置決めすることによりセパレータを拘束した状態で所定位置に保持することができ、燃料電池セルを確実に位置決めした状態で積層することができる。また、積層時における燃料電池セルのがたつきを防止することができる。すなわち、セパレータの対向する2つの辺に位置決め部を設けると、セパレータの加工精度が必ずしも高くない場合には、セパレータの位置決め精度を十分とることができないため、燃料電池セルにがたつきが生じるおそれがある。これに対して、本発明は、セパレータの隣接する2つの辺に位置決め部を設けるので、該位置決め部にプレートを突き当ててセパレータの位置決めをすることができ、セパレータの加工精度が高くない場合であっても、積層時における燃料電池セルのがたつきを防止することができる。また、積層方向の位置決め部同士の間隔を確保できるため、積層方向に隣合う燃料電池セルのセパレータに設けられた位置決め部同士の接触を防止できる。
【0007】
なお、各セパレータに設けられる位置決め部は、上記した隣合う2つの辺に、合わせて3カ所以上設けることが好ましいが、上記したように少なくとも3カ所で位置決め可能であればこれに限らない。なお、燃料電池としては、固体高分子型、固体電解質型、アルカリ型、リン酸型、溶融炭酸塩型のうち、いずれであってもよい。
【0009】
請求項2に記載した発明は、前記位置決め部がセパレータの外周端面から突出した突起であ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と、位置決め部同士が接触等して発生した不良箇所を、外部から容易に特定することができる。すなわち、位置決め部がセパレータ外周を窪ませて形成した凹部である場合には、これらの位置決め部同士が接触等して不良箇所が発生しても、外部から判別しにくいため、不良箇所を特定するのが困難である。これに対し、本発明においては位置決め部がセパレータの外周端面から突出した突起であるため、前記不良箇所を外部から容易に特定することができ、また、セパレータに曲がりが発生したり、傾いた場合でも、このセパレータを外部から見て容易に特定することができる。したがって、不良箇所を早期に発見して正常な状態に修正することができるため、燃料電池の製造歩留まりを高めることができる。ここで、突起には切り欠き部を形成しておくと、この切り欠き部に位置決めロッドを挿入して位置決めできるため好ましいが、切り欠き部を形成しなくてもよい。また、位置決め部に電圧検出用端子を備えておくと、部品点数やコストを低減できるため好ましい。
【0010】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態における燃料電池を図面と共に説明する。
図4は本発明の第1の実施の形態における燃料電池1の断面図である。図4において6は膜電極構造体を示し、この膜電極構造体6は、固体高分子電解質膜3と、その両側に設けた電極(アノード電極とカソード電極)4,5で構成されている。前記固体高分子電解質膜3と、それぞれの電極4,5の間には触媒層(図示せず)が形成してある。この膜電極構造体6の両面には、一対のセパレータ7,8が配設され、各セパレータ7,8同士の対向面周縁側にリング状のシール部材21をセットして、このシール部材21により固体高分子電解質膜3を挟持し、その状態で両セパレータ7,8で膜電極構造体6を挟持して、燃料電池セル2を構成している。両セパレータ7,8には燃料ガスや酸化ガス、冷却媒体を供給するためのガス通路22,23、冷却媒体通路24が形成してある。
【0011】
上記のように構成した燃料電池セル2においては、前記ガス通路22を通してアノード電極4の反応面に燃料ガス(例えば、水素ガス)を供給すると、触媒層で水素がイオン化され、固体高分子電解質膜3を介してカソード電極5側に移動する。この間に生じた電子が外部回路に取り出され、外部の駆動用モータ(図示せず)を作動するための直流の電気エネルギーとして利用される。カソード電極5においては前記ガス通路23を通してカソード電極5の反応面に酸化ガス(例えば、酸素を含む空気)が供給されているため、水素イオン、電子、及び酸素が反応して水が生成される。なお、前記冷却媒体通路24には冷却水が供給され、これにより燃料電池セル2を一定以内の温度に抑制して発電させるようにしている。
【0012】
図1および図2は、本実施の形態におけるセパレータ7およびセパレータ8の平面図である。図1、図2に示したように、セパレータ7、8には、燃料ガス連通孔9,10、酸化剤ガス連通孔11,12、冷却媒体連通孔13,14が両側に形成され、これらの連通孔において一方(図示下側)が供給口9、11、13とされ、他方(図示上側)が排出口10、12、14とされている。このように形成したセパレータ7,8が膜電極構造体6を挟持して、燃料電池セル2を構成するのである(図4参照)。なお、図4は図1のAA方向から見た断面図であり、図4においては図示都合上突起部15〜20を省略している。本実施の形態におけるセパレータ7,8にはカーボン材料を切削加工して形成したものを用いているが、これに限らず、金属薄板等をプレス成形して形成したものであってもよい。
【0013】
前記燃料電池セル2のセパレータ7,8には、位置決め用部材である突起部15〜17、18〜20がそれぞれ設けられている。本実施の形態における突起部15〜20は、それぞれ外側端面が平坦(フラット)に形成されている。このように、突起部15〜20の形状を簡易にしたため、製造が容易化される。これらの端面に、位置決めロッド31〜36を突き当てることにより、セパレータ7,8の位置決めを行うのである。
【0014】
このように、各セパレータ7,8の隣接する2辺に3つの突起部15〜17、18〜20を設けたことにより、位置決めロッド31〜36を突き当てて位置決めすることができるため、燃料電池セル2のがたつきを防止することができ、積層時に燃料電池セル2の位置がずれる不具合を防止することができる。
【0015】
図1、図2に示したように、突起部15〜17、18〜20は、セパレータ7、8の隣合う2辺に形成されている。そして、セパレータ7に形成した突起部15〜17と、セパレータ8に形成した突起部18〜20は、積層方向(図の平面視方向)から見てずれた位置に形成されている。
【0016】
図3は本実施の形態における燃料電池1の概略正面図であり、図1および図2に示したセパレータ7,8を積層してなる燃料電池1のBB矢視図である。なお、矢印Zは燃料電池セル2の積層方向を示している。セパレータ7の突起部15〜17と、セパレータ8の突起部18〜20とは積層方向から見てずらして配置されている。
【0017】
このようにしたため、 積層方向に隣合う突起部15、18(16,19または17、20)同士の間隔を接触防止可能な間隔に維持できるため、積層方向に隣合う燃料電池セル2のセパレータ7,8に設けられた突起部15,18(16,19または17、20)同士の接触を防止できこれにより短絡の発生を防止することができる。したがって、積層される燃料電池セル2が小型化して互いの間隔を小さくした場合であっても、位置決め部である突起部15〜21を使用することができる。
【0018】
なお、本実施の形態においては、セパレータ7の突起部17とセパレータ8の突起部20とを積層方向から見て異なる辺に設けたが、同一辺上に突起部17、20を設けると(例えばセパレータ8の突起部20を図2の下側の辺に移動)、セパレータ7,8の他の辺(例えば、図1および図2の上側のセパレータ7,8の辺)には突起部を設ける必要がなくなるため、燃料電池の前記他の辺側には、他の機器(たとえば制御装置(ECU)など)を配置するスペースを確保することができる。
【0019】
以下、本発明の他の実施の形態について説明する。なお、第1の実施形態と同様の構成部材については、同一の番号を付して適宜その説明を省略する。図5、図6は、第2の実施の形態における燃料電池を構成するセパレータを示す平面図であり、それぞれ図1、図2に相当する。本実施の形態における突起部41〜46には、それぞれ弧状の切り欠き凹部25〜30が形成されている点が第1の実施の形態と異なっている。このようにしたため、燃料電池セル2を積層する時に、切り欠き凹部25〜30に位置決めロッド31〜36を突き当てることで、セパレータ7,8を拘束して所定位置に保持することができる。よって、燃料電池セル2を確実に位置決めした状態で積層することができるため、確実にセパレータ7,8を所定位置に保持しつつ積層することができる。また、本実施の形態においても、第1の実施の形態と同様に、燃料電池セル2のがたつきを防止することができ、積層時に燃料電池セル2の位置がずれる不具合を防止することができる。
【0020】
図7は、第3の実施の形態における燃料電池を構成するセパレータを示す平面図であり、図1に相当する。なお、図2に相当するセパレータも切り欠き凹部を同様に構成しているが、図示を省略する(以下の実施の形態においても同様)。本実施の形態においては、突起部56〜58の切り欠き凹部53〜55を矩形状に形成するとともに、位置決めロッド50〜52を円柱ではなく角柱にした点が異なっている。このようにしても、第2の実施の形態と同様に、燃料電池セル2を確実に位置決めした状態で積層することができるため、確実にセパレータ7,8を所定位置に保持しつつ積層することができる。また、本実施の形態においても、第1の実施の形態と同様に、燃料電池セル2のがたつきを防止することができ、積層時に燃料電池セル2の位置がずれる不具合を防止することができる。
【0021】
図8は、第4の実施の形態における燃料電池を構成するセパレータを示す平面図であり、図1に相当する。
本実施の形態においては、前実施の形態と同様に、突起部59〜61の切り欠き凹部53〜55を矩形状に形成しているが、位置決めロッド31〜33よりも幅寸法を大きく形成している。セパレータ8においても同様である。このため、位置決めロッド31〜33を切り欠き凹部53〜55に突き当てる際の自由度が増し、セパレータ7,8のラフな位置決めを容易に行うことができるため、組み付け性が向上する。また、本実施の形態においても、第1の実施の形態と同様に、燃料電池セル2のがたつきを防止することができ、積層時に燃料電池セル2の位置がずれる不具合を防止することができる。
【0022】
図9は、第5の実施の形態における燃料電池を構成するセパレータを示す平面図であり、図1に相当する。
本実施の形態においては、セパレータ62を平面視略6角形状に形成しており、該セパレータ62における隣接する2辺に突起部15〜17を設け、この突起部15〜17の外側端面に、位置決めロッド31〜33を突き当てるようにしている。図2に相当するセパレータにおいても同様である。このようにしたため、第1の実施の形態と同様に、燃料電池セル2のがたつきを防止することができ、積層時に燃料電池セル2の位置がずれる不具合を防止することができる。なお、符号63はセパレータ62に形成した連通孔を示しており、反応ガスや冷却媒体の供給口または排出口となっている。
【0023】
図10は、第6の実施の形態における燃料電池を構成するセパレータを示す平面図であり、図1に相当する。
本実施の形態においては、セパレータ64を平面視略8角形状に形成しており、該セパレータ64における隣接する2辺に突起部15〜17を設け、この突起部15〜17の外側端面に、位置決めロッド31〜33を突き当てるようにしている。図2に相当するセパレータにおいても同様である。このようにしたため、第1の実施の形態と同様に、燃料電池セル2のがたつきを防止することができ、積層時に燃料電池セル2の位置がずれる不具合を防止することができる。なお、符号65はセパレータ64に形成した連通孔を示しており、反応ガスや冷却媒体の供給口または排出口となっている。
【0024】
上記した実施の形態においては、図3に示したように、位置決め部である突起部15〜17、18〜20の配列パターンをセパレータ7,8の種類に合わせて2種類としたため、突起部の配列パターンからセパレータ7,8の種類を特定できる。なお、位置決め部の配列はこれに限らず3種類以上としてもよい。例えば、2つの燃料電池セルごとに冷却媒体流路が形成されてセパレータが3種類使用されるような場合には、位置決め部の配列パターンも3種類とすると、セパレータの種類を特定できるため好ましい。また、実施の形態においては、突起部がセパレータと一体である場合について説明したが、これに限らず上記した突起部とセパレータを別体として、この突起部をセパレータに組み付けてもよい。また、セパレータに設ける突起部は、外側端面が平坦なものと、弧状の切り欠き凹部を形成したものと、矩形状の切り欠き凹部を形成したものと、のいずれかを組み合わせたものであってもよい。
【0025】
【発明の効果】
以上説明したように、請求項1に記載した発明によれば、燃料電池セルのがたつきを防止することができるうえ、積層方向に隣合う燃料電池セルのセパレータに設けられた位置決め部同士の接触を防止することができ、これにより短絡の発生を防止することができる。
請求項2に記載した発明によれば、セパレータの外部に設けられる位置決め部同士が接触等して不良箇所が発生した場合でも、この不良箇所を外部から容易に特定できるため、取扱いが容易となる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 図1は本発明の第1の実施の形態における燃料電池のセパレータを示す平面図である。
【図2】 図2は本発明の第1の実施の形態における燃料電池のセパレータを示す平面図である。
【図3】 図3は本発明の第1の実施の形態における燃料電池を示す概略正面図である。
【図4】 図4は本発明の第1の実施の形態における燃料電池を示す断面図である。
【図5】 図5は本発明の第2の実施の形態における燃料電池のセパレータを示す、図1に相当する平面図である。
【図6】 図6は本発明の第2の実施の形態における燃料電池のセパレータを示す、図2に相当する平面図である。
【図7】 図7は本発明の第3の実施の形態における燃料電池のセパレータを示す、図1に相当する平面図である。
【図8】 図8は本発明の第4の実施の形態における燃料電池のセパレータを示す、図1に相当する平面図である。
【図9】 図9は本発明の第5の実施の形態における燃料電池のセパレータを示す、図1に相当する平面図である。
【図10】 図10は本発明の第6の実施の形態における燃料電池のセパレータを示す、図1に相当する平面図である。
【符号の説明】
1 燃料電池
2 燃料電池セル
3 固体高分子電解質膜
4 アノード電極
5 カソード電極
6 膜電極構造体
7、8 セパレータ
9〜14 連通孔
15〜20 突起部
Claims (2)
- 電解質を一対の電極で挟み込んで形成した電極構造体を、さらに一対のセパレータで挟持した燃料電池セルを複数積層してなる燃料電池であって、
外形が略多角形状に形成されたセパレータの隣接する2辺に位置決め部を設けて、各セパレータを前記位置決め部によって少なくとも3カ所で位置決め可能とし、
前記一対のセパレータのうち、一方のセパレータと他方のセパレータとで、前記位置決め部を、積層方向から見て相互に位置がずれるように設けたことを特徴とする燃料電池。 - 前記位置決め部がセパレータの外周端面から突出した突起であることを特徴とする請求項1に記載の燃料電池。
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