JP4210534B2 - 燃料電池 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電解質の両側に一対の電極を設けた電解質・電極構造体を、金属製セパレータで挟持して構成される燃料電池に関する。
【０００２】
【従来の技術】
例えば、固体高分子型燃料電池は、高分子イオン交換膜（陽イオン交換膜）からなる固体高分子電解質膜の両側に、それぞれアノード側電極およびカソード側電極を対設した電解質膜・電極構造体（電解質・電極構造体）を、セパレータによって挟持することにより単位セルとして構成されている。
【０００３】
この単位セルにおいて、アノード側電極に供給された燃料ガス、例えば、主に水素を含有するガス（以下、水素含有ガスともいう）は、電極触媒上で水素がイオン化され、電解質膜を介してカソード側電極側へと移動する。その間に生じた電子は外部回路に取り出され、直流の電気エネルギとして利用される。なお、カソード側電極には、酸化剤ガス、例えば、主に酸素を含有するガスあるいは空気（以下、酸素含有ガスともいう）が供給されているために、このカソード側電極において、水素イオン、電子および酸素が反応して水が生成される。
【０００４】
ところで、燃料電池は、通常、数十〜数百の単位セルを積層してスタックを構成している。その際、各単位セル同士を正確に位置決めする必要があり、このため、前記単位セルに形成された位置決め用孔部にノックピンを挿入する作業が行われている。しかしながら、単位セルの積層数が増加するのに伴って、ノックピンの挿入作業が困難なものとなり、作業性が低下するとともに、部材の位置ずれが惹起し易く、シール機能が低下するという問題がある。
【０００５】
そこで、上記の問題を解決するために、特許文献１には、固体高分子電解質型燃料電池が開示されている。具体的には、図８に示すように、燃料電池１は、単位セル２と、この単位セル２を挟んで配置されるセパレータ３ａ、３ｂとを備えている。単位セル２は、固体高分子電解質膜２ａと、この固体高分子電解質膜２ａの一面に設けられるアノード側電極２ｂと、前記固体高分子電解質膜２ａの他面に設けられるカソード側電極２ｃとにより構成されている。
【０００６】
燃料電池１のセパレータ３ａには、積層方向に貫通して保持ピン挿入用保持孔４が形成されるとともに、セパレータ３ｂには、止め輪挿入用保持孔５が形成されている。保持ピン挿入用保持孔４には、保持ピン６が挿入されており、この保持ピン６の止め輪挿入溝６ａには、止め輪挿入用保持孔５に配置されている止め輪７が取り付けられる。保持ピン６の先端には、面取り加工が施されたピン先端６ｂが設けられる一方、前記保持ピン６の後端には、他の保持ピン６のピン先端６ｂが嵌合される挿入穴６ｃが形成されている。
【０００７】
このような構成において、保持ピン６が燃料電池１の保持ピン挿入用保持孔４に挿入されるとともに、止め輪挿入用保持孔５から止め輪７が挿入される。そして、この止め輪７が、保持ピン６の止め輪挿入溝６ａに嵌め込まれることにより、燃料電池１が積層状態で保持される。
【０００８】
その際、保持ピン６のピン先端６ｂは、セパレータ３ｂの外面よりも突出している。このため、ピン先端６ｂが、他の燃料電池１を保持している保持ピン６の挿入穴６ｃに嵌合することにより、互いに隣接する燃料電池１同士の位置決めが行われる、としている。
【０００９】
【特許文献１】
特開２０００−１２０６７号公報（段落［００１６］、図１）
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記の特許文献１では、各単位セル２毎に複数本の保持ピン６を保持ピン挿入用保持孔４に挿入するとともに、この保持ピン６の止め輪挿入溝６ａに止め輪７を嵌め込む作業が必要となっている。このため、特に、多数の単位セル２を積層する際に、保持ピン６と止め輪７の組み付け作業が相当に繁雑かつ困難なものとなっており、作業性が低下するという問題が指摘されている。
【００１１】
さらに、保持ピン６自体の加工精度とセパレータ３ａ、３ｂの加工精度とを高く設定する必要がある。これにより、加工作業が繁雑になるとともに、経済的ではないという問題がある。
【００１２】
本発明はこの種の問題を解決するものであり、簡単かつ安価な構成で、セパレータ同士の位置決めが容易かつ効率的に遂行されるとともに、組み立て作業性に優れる燃料電池を提供することを目的とする。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
本発明の請求項１に係る燃料電池では、互いに対向する第１および第２金属製セパレータの外周部に、第１および第２シール部材が一体的に設けられるとともに、前記第１および第２シール部材は、互いに嵌合する嵌合部を備えている。この嵌合部は、４以上の凹部と、前記４以上の凹部に嵌合する４以上の凸部とを設け、第１および第２金属製セパレータは、前記凸部が対向する前記凹部の底面にセパレータ面が露出している。このため、凹部の深さ寸法を確保しながら、第１および第２シール部材の厚さが薄肉化される。従って、凸部と凹部とが良好に嵌合して第１および第２金属製セパレータ同士を確実に位置決め保持することが可能になる。
【００１４】
そして、第１および第２金属製セパレータを重ね合わせるだけで、４以上の凹部に４以上の凸部が嵌合し、前記第１および第２金属製セパレータ同士が相対的に位置決めされる。これにより、簡単かつ迅速な作業で、第１および第２金属製セパレータを正確に位置決めするとともに、部品点数を大幅に削減することが可能になる。その上、凹部および凸部は、比較的容易に変形し易いため、寸法誤差が発生していても前記凸部と前記凹部とは、互いの形状に倣って良好に嵌合する。このため、凹部および凸部の加工精度を高く設定する必要がなく、経済的である。
【００１５】
しかも、第１および第２金属製セパレータ同士は、４以上の凹部と４以上の凸部とにより強固に位置決め支持される。従って、第１および第２金属製セパレータは、車載用燃料電池に組み込まれる際に、積層方向（例えば、車両の進行方向）に交差する横方向から剪断荷重が付与されても、位置ずれを確実に阻止することができる。特に多数の燃料電池が積層される際に、各燃料電池同士間に位置ずれが惹起することがなく、多数の燃料電池を高精度かつ効率的に位置決めすることが可能になり、所望のシール性を確保してスタックを構成することができる。
【００１６】
また、本発明の請求項２に係る燃料電池では、第１および第２金属製セパレータは、少なくとも反応ガスまたは冷却媒体を流すための複数の連通孔を設けるとともに、互いに隣接する前記連通孔の間には、凹部または凸部が配置される。これにより、比較的幅狭で強度の低い連通孔間を確実に保持することが可能になり、前記連通孔間のシール性の低下を阻止することができる。
【００１７】
さらに、本発明の請求項３に係る燃料電池では、第１および第２金属製セパレータは、両端側にそれぞれ３つの連通孔が設けられるとともに、前記両端側には、それぞれ３つの前記連通孔同士の間に対応して、それぞれ２つの凹部または凸部が配置される。従って、簡単な構成で、それぞれ３つの連通孔同士を確実にシールすることが可能になる。
【００１８】
さらにまた、本発明の請求項４に係る燃料電池では、第１金属製セパレータは、第１シール部材の凹部と凸部とを近接して設けるとともに、第２金属製セパレータは、第２シール部材の凸部と凹部とを近接して設ける。このため、第１および第２金属製セパレータは、それぞれの凹部同士が近接することがなく、第１および第２シール部材は、互いに確実かつ強固に密着して所望のシール性および強度を確保することができる。
【００２０】
さらに、本発明の請求項５に係る燃料電池では、少なくとも互いに対向する第１および第２金属製セパレータの外周部に、第１および第２シール部材が一体的に設けられるとともに、前記第１および第２シール部材は、互いに嵌合する嵌合部を備えている。
【００２１】
この嵌合部は、少なくとも２以上の凹部と、前記２以上の凹部に嵌合する少なくとも２以上の凸部とを設けている。これにより、簡単かつ迅速な作業で、第１および第２金属製セパレータを正確に位置決めするとともに、部品点数を大幅に削減することが可能になる。
【００２２】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明の実施形態に係る燃料電池１０の要部分解斜視説明図であり、図２は、前記燃料電池１０の端部断面説明図である。
【００２３】
図１に示すように、燃料電池１０は、電解質膜・電極構造体（電解質・電極構造体）１２が、第１および第２金属製セパレータ１４、１６に挟持されて構成される。第１および第２金属製セパレータ１４、１６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ている。
【００２４】
燃料電池１０の矢印Ｂ方向（図１中、水平方向）の一端縁部には、積層方向である矢印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２０ａ、冷却媒体を排出するための冷却媒体出口連通孔２２ｂ、および燃料ガス、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２４ｂが、矢印Ｃ方向（鉛直方向）に配列して設けられる。
【００２５】
燃料電池１０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２４ａ、冷却媒体を供給するための冷却媒体入口連通孔２２ａ、および酸化剤ガスを排出するための酸化剤ガス出口連通孔２０ｂが、矢印Ｃ方向に配列して設けられる。
【００２６】
電解質膜・電極構造体１２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てなる固体高分子電解質膜２６と、前記固体高分子電解質膜２６を挟持するアノード側電極２８およびカソード側電極３０とを備える。アノード側電極２８は、カソード側電極３０よりも大きな表面積を有している。
【００２７】
アノード側電極２８およびカソード側電極３０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てなる電極触媒層とを有する。電極触媒層は、互いに固体高分子電解質膜２６を介装して対向するように、前記固体高分子電解質膜２６の両面に接合されている。
【００２８】
第１金属製セパレータ１４のカソード側電極３０に対向する面１４ａには、酸化剤ガス入口連通孔２０ａと酸化剤ガス出口連通孔２０ｂとに連通し、例えば、矢印Ｂ方向に延在する直線状の酸化剤ガス流路３２が設けられる。第２金属製セパレータ１６のアノード側電極２８に対向する面１６ａには、燃料ガス入口連通孔２４ａと燃料ガス出口連通孔２４ｂとに連通し、矢印Ｂ方向に延在する直線状の燃料ガス流路３４が形成される。
【００２９】
第１金属製セパレータ１４の面１４ｂと第２金属製セパレータ１６の面１６ｂとの間には、冷却媒体入口連通孔２２ａと冷却媒体出口連通孔２２ｂとに連通する冷却媒体流路３６が形成される。この冷却媒体流路３６は、矢印Ｂ方向に直線状に延在する。
【００３０】
第１金属製セパレータ１４の面１４ａ、１４ｂには、この第１金属製セパレータ１４の外周端部を周回して第１シール部材４０が、例えば、焼き付け等により一体化される。第１シール部材４０は、例えば、ＥＰＤＭ、ＮＢＲ、フッ素ゴム、シリコンゴム、フロロシリコンゴム、ブチルゴム、天然ゴム、スチレンゴム、クロロプレーン、また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を使用する。
【００３１】
図１〜図３に示すように、第１金属製セパレータ１４の面１４ａには、この第１金属製セパレータ１４の外周端部に近接して第１シール部材４０を構成する第１突部４６ａが一体化される。面１４ａには、この第１突部４６ａから内方に所定の距離だけ離間した位置に第１シール部材４０を構成する第２突部４６ｂが一体化される。
【００３２】
第１および第２突部４６ａ、４６ｂは、先端先細り形状（リップ形状）、台形状または蒲鉾形状等、種々の形状に選択可能である。この第２突部４６ｂは、電解質膜・電極構造体１２を構成する固体高分子電解質膜２６に直接接触する（図２および図３参照）。
【００３３】
図１および図４に示すように、第１および第２突部４６ａ、４６ｂは、酸化剤ガス流路３２を囲繞するとともに、前記酸化剤ガス流路３２と酸化剤ガス入口連通孔２０ａおよび酸化剤ガス出口連通孔２０ｂとを連通する。第１金属製セパレータ１４の面１４ａには、燃料ガス入口連通孔２４ａ、冷却媒体入口連通孔２２ａ、冷却媒体出口連通孔２２ｂおよび燃料ガス出口連通孔２４ｂを囲繞してシール部材４７が設けられる。
【００３４】
図２および図４に示すように、第１金属製セパレータ１４の面１４ｂには、この第１金属製セパレータ１４の外周端部に近接して第３突部４６ｃが設けられ、この第３突部４６ｃから内方に所定の距離だけ離間して第４突部４６ｄが設けられる。第３および第４突部４６ｃ、４６ｄは、上記の第１および第２突部４６ａ、４６ｂと同様の形状を有している。
【００３５】
図１、図２および図５に示すように、第２金属製セパレータ１６の面１６ａ、１６ｂには、この第２金属製セパレータ１６の外周端部を周回して第２シール部材４８が一体化される。この第２シール部材４８は、上記の第１シール部材４０と同一の材料で構成される。第２金属製セパレータ１６の面１６ａには、この第２金属製セパレータ１６の外周端部に近接して第２シール部材４８を構成する第１平面部５４が一体化される。第２金属製セパレータ１６の面１６ｂには、第１平面部５４よりも長尺な第２平面部５６が一体化される。
【００３６】
第１平面部５４は、第１シール部材４０の第１突部４６ａと密着するとともに、第２平面部５６は、第１シール部材４０の第３および第４突部４６ｃ、４６ｄと密着可能である。
【００３７】
第１平面部５４は、電解質膜・電極構造体１２の外周端部に摺接する位置を周回する一方、第２平面部５６は、アノード側電極２８に所定の範囲にわたって重合する位置を周回する。図１に示すように、第１平面部５４は、燃料ガス入口連通孔２４ａおよび燃料ガス出口連通孔２４ｂを燃料ガス流路３４に連通する。第２平面部５６は、図５に示すように、冷却媒体入口連通孔２２ａおよび冷却媒体出口連通孔２２ｂを冷却媒体流路３６に連通する。
【００３８】
第１および第２シール部材４０、４８は、互いに嵌合して第１および第２金属製セパレータ１４、１６を相対的に位置決めするための嵌合部６０を備える。図１に示すように、嵌合部６０は、４以上の凹部と４以上の凸部、本実施の形態では、第１シール部材４０に設けられる第１凹部６２ａ、第２凹部６２ｂ、第１凸部６４ａおよび第２凸部６４ｂと、第２シール部材４８に設けられる第３凹部６２ｃ、第４凹部６２ｄ、第３凸部６４ｃおよび第４凸部６４ｄとを備える。
【００３９】
図４に示すように、第１凹部６２ａは、酸化剤ガス入口連通孔２０ａと冷却媒体出口連通孔２２ｂとの間に配置されており、第１凸部６４ａは、前記冷却媒体出口連通孔２２ｂと燃料ガス出口連通孔２４ｂとの間に配置されている。第２凸部６４ｂは、燃料ガス入口連通孔２４ａと冷却媒体入口連通孔２２ａとの間に配置されるとともに、第２凹部６２ｂは、前記冷却媒体入口連通孔２２ａと酸化剤ガス出口連通孔２０ｂとの間に配置されている。
【００４０】
図６に示すように、第１凹部６２ａは、第１シール部材４０の両面に形成されるリング状突部６６内に設けられるとともに、この第１凹部６２ａの底面には、第１金属製セパレータ１４の面１４ａ、１４ｂが露呈する。第１凸部６４ａは、第１シール部材４０の両面から突出形成されている。
【００４１】
図１および図４に示すように、第２凹部６２ｂおよび第２凸部６４ｂは、第１凹部６２ａおよび第１凸部６４ａと同様に構成されており、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。
【００４２】
図５に示すように、第３凸部６４ｃは、酸化剤ガス入口連通孔２０ａと冷却媒体出口連通孔２２ｂとの間に配置されており、第３凹部６２ｃは、前記冷却媒体出口連通孔２２ｂと燃料ガス出口連通孔２４ｂとの間に配置されている。第４凹部６２ｄは、燃料ガス入口連通孔２４ａと冷却媒体入口連通孔２２ａとの間に配置されるとともに、第４凸部６４ｄは、前記冷却媒体出口連通孔２２ｂと酸化剤ガス出口連通孔２０ｂとの間に配置されている。
【００４３】
図６に示すように、第３凸部６４ｃは、第２シール部材４８の両面から突出形成されており、第１シール部材４０の第１凹部６２ａに嵌合自在である。第３凹部６２ｃは、第２シール部材４８の両面に形成されるリング状突部６８内に設けられるとともに、この第３凹部６２ｃの底面には、第２金属製セパレータ１６の面１６ａ、１６ｂが露呈する。第３凹部６２ｃには、第１シール部材４０の第１凸部６４ａが嵌合する。
【００４４】
図１および図５に示すように、第４凹部６２ｄには、第１シール部材４０の第２凸部６４ｂが挿入されるととともに、第４凸部６４ｄは、第１金属製セパレータ１６の第２凹部６２ｂに嵌合自在である。第４凹部６２ｄおよび第４凸部６４ｄは、第３凹部６２ｃおよび第３凸部６４ｃと同様に構成されており、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。
【００４５】
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。
【００４６】
まず、図１に示すように、酸化剤ガス入口連通孔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、燃料ガス入口連通孔２４ａに水素含有ガス等の燃料ガスが供給される。さらに、冷却媒体入口連通孔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。
【００４７】
このため、酸化剤ガスは、酸化剤ガス入口連通孔２０ａから第１金属製セパレータ１４の酸化剤ガス流路３２に導入され、矢印Ｂ方向に移動しながら電解質膜・電極構造体１２を構成するカソード側電極３０に供給される。一方、燃料ガスは、燃料ガス入口連通孔２４ａから第２金属製セパレータ１６の燃料ガス流路３４に導入され、矢印Ｂ方向に移動しながら電解質膜・電極構造体１２を構成するアノード側電極２８に供給される。
【００４８】
従って、電解質膜・電極構造体１２では、カソード側電極３０に供給される酸化剤ガスと、アノード側電極２８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。
【００４９】
カソード側電極３０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２０ｂに沿って矢印Ａ方向に排出される。同様に、アノード側電極２８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２４ｂに沿って矢印Ａ方向に排出される。
【００５０】
また、冷却媒体入口連通孔２２ａに供給された冷却媒体は、第１および第２金属製セパレータ１４、１６間の冷却媒体流路３６に導入された後、矢印Ｂ方向に流通する。この冷却媒体は、電解質膜・電極構造体１２を冷却した後、冷却媒体出口連通孔２２ｂから排出される。
【００５１】
この場合、本実施形態では、第１および第２金属製セパレータ１４、１６の外周部に第１および第２シール部材４０、４８が一体的に設けられるとともに、前記第１および第２シール部材４０、４８は、互いに嵌合する嵌合部６０を備えている。この嵌合部６０は、第１シール部材４０に設けられる第１凹部６２ａ、第１凸部６４ａ、第２凹部６４ｂおよび第２凸部６４ｂと、第２シール部材４８に設けられる第３凹部６２ｃ、第３凸部６４ｃ、第４凹部６２ｄおよび第４凸部６４ｄとを備える。
【００５２】
そして、第１および第２金属製セパレータ１４、１６は、電解質膜・電極構造体１２を介装して重ね合わされるだけで、第１凹部６２ａと第３凸部６４ｃ、第１凸部６４ａと第３凹部６２ｃ、第２凹部６２ｂと第４凸部６４ｄおよび第２凸部６４ｄと第４凹部６２ｄとが、それぞれ嵌合し、前記第１および第２金属製セパレータ１４、１６同士が相対的に位置決め保持される。
【００５３】
このように、簡単かつ迅速な作業で、第１および第２金属製セパレータ１４、１６同士を正確に位置決めするとともに、燃料電池１０全体の部品点数を大幅に削減することが可能になるという効果が得られる。しかも、第１〜第４凹部６２ａ〜６２ｄおよび第１〜第４凸部６４ａ〜６４ｄは、第１および第２シール部材４０、４８に設けられている。
【００５４】
第１〜第４凹部６２ａ〜６２ｄおよび第１〜第４凸部６４ａ〜６４ｄは、比較的容易に変形し易く、これらに寸法誤差が発生していても、互いの形状に倣って良好に嵌合する。これにより、第１〜第４凹部６２ａ〜６２ｄおよび第１〜第４凸部６４ａ〜６４ｄは、加工精度を高く設定する必要がなく、経済的であるという利点がある。
【００５５】
さらに、第１および第２金属製セパレータ１４、１６同士は、第１〜第４凹部６２ａ〜６２ｄと、第１〜第４凸部６４ａ〜６４ｄとにより強固に位置決め支持される。従って、燃料電池１０が車載用として用いられる際、この燃料電池１０の横方向（矢印Ｂ方向）から剪断荷重が付与されても、第１および第２金属製セパレータ１４、１６の位置ずれを確実に阻止することができる。
【００５６】
その際、図７に示すように、多数の燃料電池１０が、例えば、車両の進行方向に沿って積層される際、隣り合う各燃料電池１０同士間では、第１〜第４凹部６２ａ〜６２ｄと第１〜第４凸部６４ａ〜６４ｄが嵌合支持されている。これにより、多数の燃料電池１０を高精度かつ強固に位置決めすることが可能になり、所望のシール製を確保して良好なスタックを構成することができる。
【００５７】
また、図１、図４および図５に示すように、酸化剤ガス入口連通孔２０ａと冷却媒体出口連通孔２２ｂとの間に、第１凹部６２ａと第３凹部６４ｃとが設けられ、前記冷却媒体出口連通孔２２ｂと燃料ガス出口連通孔２４ｂとの間に、第１凸部６４ａと第３凹部６２ｃが設けられる。一方、燃料ガス入口連通孔２４ａと冷却媒体出口連通孔２２ｂとの間に、第２凸部６４ｂと第４凹部６２ｄとが設けられ、前記冷却媒体入口連通孔２２ａと酸化剤ガス出口連通孔２０ｂとの間に、第２凹部６２ｂと第４凸部６４ｄとが設けられている。
【００５８】
このため、比較的幅狭で強度の低い連通孔間、すなわち、酸化剤ガス入口連通孔２０ａと冷却媒体出口連通孔２２ｂとの間、前記冷却媒体出口連通孔２２ｂと燃料ガス出口連通孔２４ｂとの間、燃料ガス入口連通孔２４ａと冷却媒体入口連通孔２２ａとの間、および前記冷却媒体入口連通孔２２ａと酸化剤ガス出口連通孔２０ｂとの間を確実に保持することが可能になり、これらの間のシール性を良好に維持することができるという効果が得られる。
【００５９】
さらにまた、第１金属製セパレータ１４では、第1および第２凹部６２ａ、６２ｂ同士並びに第1および第２凸部６４ａ、６４ｂ同士の間隔よりも、前記第１凹部６２ａと前記第１凸部６４ａとの間隔、および、前記第２凹部６２ｂと前記第２凸部６４ｂとの間隔が、短尺に設定される。従って、凹部同士や凸部同士が互いに近接して設けられる構成に比べ、第１および第２シール部材４０、４８は、互いに確実かつ強固に密着して所望のシール性および強度を確保することが可能になる。
【００６０】
また、第１〜第４凹部６２ａ〜６２ｄの底面には、第１および第２セパレータ１４、１６の各面１４ａ、１４ｂ、１６ａおよび１６ｂに露出している。このため、第１〜第４凹部６２ａ〜６２ｄの深さ寸法を確保しながら、第１および第２シール部材４０、４８の厚さが薄肉化される。これにより、燃料電池１０全体の薄肉化を図るとともに、第１および第２金属製セパレータ１４、１６同士を確実に位置決め保持することができる。
【００６１】
なお、本実施形態では、第１および第２金属製セパレータ１４、１６を位置決め保持するために、第１〜第４凹部６２ａ〜６２ｄおよび第１〜第４凸部６４ａ〜６４ｄを設けているが、これに限定されるものではない。例えば、２または３の凹部と２または３の凸部とを設けてもよく、あるいは、５以上の凹部と５以上の凸部とを設けてもよい。
【００６２】
また、第１〜第４凹部６２ａ〜６２ｄおよび第１〜第４凸部６４ａ〜６４ｄは、第１および第２シール部材４０、４８に一体的に設けているが、この第１〜第４凹部６２ａ〜６２ｄおよび第１〜第４凸部６４ａ〜６４ｄに対応する部分を他の部分に比べて硬度の高い材質で構成してもよい。
【００６３】
さらに、燃料電池１０は、２枚のセパレータとして第１および第２金属製セパレータ１４、１６を備えているが、これに限定されるものではなく、３枚以上のセパレータを備える場合も同様に、各セパレータ間に嵌合部６０を設けることができる。
【００６４】
【発明の効果】
本発明に係る燃料電池では、第１および第２金属製セパレータは、凸部が対向する凹部の底面にセパレータ面が露出しているため、前記凹部の深さ寸法を確保しながら、前記第１および第２シール部材の厚さが薄肉化される。従って、凸部と凹部とが良好に嵌合して第１および第２金属製セパレータ同士を確実に位置決め保持することが可能になる。さらに、第１および第２金属製セパレータを重ね合わせるだけで、２以上あるいは４以上の凹部に２以上あるいは４以上の凸部が嵌合し、前記第１および第２金属製セパレータ同士が位置決め保持される。これにより、簡単かつ迅速な作業で、第１および第２金属製セパレータを正確に位置決めするとともに、部品点数を大幅に削減することが可能になる。その上、凹部および凸部は、比較的容易に変形し易いため、寸法誤差が発生していても前記凸部と前記凹部とは、互いの形状に倣って良好に嵌合する。このため、凹部および凸部の加工精度を高く設定する必要がなく、経済的である。
【００６５】
しかも、第１および第２金属製セパレータ同士は、複数の凹部と複数の凸部とにより強固に位置決め支持される。従って、第１および第２金属製セパレータは、車載用燃料電池に組み込まれる際に、積層方向（例えば、車両の進行方向）に交差する横方向から剪断荷重が付与されても、位置ずれを確実に阻止することができる。特に多数の燃料電池が積層される際に、各燃料電池同士間に位置ずれが惹起することがなく、多数の燃料電池を高精度かつ効率的に位置決めすることが可能になり、所望のシール性を確保してスタックを構成することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態に係る燃料電池の要部分解斜視説明図である。
【図２】前記燃料電池の端部断面説明図である。
【図３】前記燃料電池の要部断面斜視図である。
【図４】前記燃料電池を構成する第１金属製セパレータの正面説明図である。
【図５】前記燃料電池を構成する第２金属製セパレータの正面説明図である。
【図６】前記燃料電池の要部断面説明図である。
【図７】前記燃料電池を複数積層した状態を示す要部断面説明図である。
【図８】特許文献１に係る燃料電池の要部分解断面図である。
【符号の説明】
１０…燃料電池 １２…電解質膜・電極構造体
１４、１６…金属製セパレータ ２０ａ…酸化剤ガス入口連通孔
２０ｂ…酸化剤ガス出口連通孔 ２２ａ…冷却媒体入口連通孔
２２ｂ…冷却媒体出口連通孔 ２４ａ…燃料ガス入口連通孔
２４ｂ…燃料ガス出口連通孔 ２６…固体高分子電解質膜
２８…アノード側電極 ３０…カソード側電極
３２…酸化剤ガス流路 ３４…燃料ガス流路
３６…冷却媒体流路 ４０、４８…シール部材
４６ａ〜４６ｄ…突部 ５４、５６…平面部
６０…嵌合部 ６２ａ〜６２ｄ…凹部
６４ａ〜６４ｄ…凸部
【発明の属する技術分野】
本発明は、電解質の両側に一対の電極を設けた電解質・電極構造体を、金属製セパレータで挟持して構成される燃料電池に関する。
【０００２】
【従来の技術】
例えば、固体高分子型燃料電池は、高分子イオン交換膜（陽イオン交換膜）からなる固体高分子電解質膜の両側に、それぞれアノード側電極およびカソード側電極を対設した電解質膜・電極構造体（電解質・電極構造体）を、セパレータによって挟持することにより単位セルとして構成されている。
【０００３】
この単位セルにおいて、アノード側電極に供給された燃料ガス、例えば、主に水素を含有するガス（以下、水素含有ガスともいう）は、電極触媒上で水素がイオン化され、電解質膜を介してカソード側電極側へと移動する。その間に生じた電子は外部回路に取り出され、直流の電気エネルギとして利用される。なお、カソード側電極には、酸化剤ガス、例えば、主に酸素を含有するガスあるいは空気（以下、酸素含有ガスともいう）が供給されているために、このカソード側電極において、水素イオン、電子および酸素が反応して水が生成される。
【０００４】
ところで、燃料電池は、通常、数十〜数百の単位セルを積層してスタックを構成している。その際、各単位セル同士を正確に位置決めする必要があり、このため、前記単位セルに形成された位置決め用孔部にノックピンを挿入する作業が行われている。しかしながら、単位セルの積層数が増加するのに伴って、ノックピンの挿入作業が困難なものとなり、作業性が低下するとともに、部材の位置ずれが惹起し易く、シール機能が低下するという問題がある。
【０００５】
そこで、上記の問題を解決するために、特許文献１には、固体高分子電解質型燃料電池が開示されている。具体的には、図８に示すように、燃料電池１は、単位セル２と、この単位セル２を挟んで配置されるセパレータ３ａ、３ｂとを備えている。単位セル２は、固体高分子電解質膜２ａと、この固体高分子電解質膜２ａの一面に設けられるアノード側電極２ｂと、前記固体高分子電解質膜２ａの他面に設けられるカソード側電極２ｃとにより構成されている。
【０００６】
燃料電池１のセパレータ３ａには、積層方向に貫通して保持ピン挿入用保持孔４が形成されるとともに、セパレータ３ｂには、止め輪挿入用保持孔５が形成されている。保持ピン挿入用保持孔４には、保持ピン６が挿入されており、この保持ピン６の止め輪挿入溝６ａには、止め輪挿入用保持孔５に配置されている止め輪７が取り付けられる。保持ピン６の先端には、面取り加工が施されたピン先端６ｂが設けられる一方、前記保持ピン６の後端には、他の保持ピン６のピン先端６ｂが嵌合される挿入穴６ｃが形成されている。
【０００７】
このような構成において、保持ピン６が燃料電池１の保持ピン挿入用保持孔４に挿入されるとともに、止め輪挿入用保持孔５から止め輪７が挿入される。そして、この止め輪７が、保持ピン６の止め輪挿入溝６ａに嵌め込まれることにより、燃料電池１が積層状態で保持される。
【０００８】
その際、保持ピン６のピン先端６ｂは、セパレータ３ｂの外面よりも突出している。このため、ピン先端６ｂが、他の燃料電池１を保持している保持ピン６の挿入穴６ｃに嵌合することにより、互いに隣接する燃料電池１同士の位置決めが行われる、としている。
【０００９】
【特許文献１】
特開２０００−１２０６７号公報（段落［００１６］、図１）
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記の特許文献１では、各単位セル２毎に複数本の保持ピン６を保持ピン挿入用保持孔４に挿入するとともに、この保持ピン６の止め輪挿入溝６ａに止め輪７を嵌め込む作業が必要となっている。このため、特に、多数の単位セル２を積層する際に、保持ピン６と止め輪７の組み付け作業が相当に繁雑かつ困難なものとなっており、作業性が低下するという問題が指摘されている。
【００１１】
さらに、保持ピン６自体の加工精度とセパレータ３ａ、３ｂの加工精度とを高く設定する必要がある。これにより、加工作業が繁雑になるとともに、経済的ではないという問題がある。
【００１２】
本発明はこの種の問題を解決するものであり、簡単かつ安価な構成で、セパレータ同士の位置決めが容易かつ効率的に遂行されるとともに、組み立て作業性に優れる燃料電池を提供することを目的とする。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
本発明の請求項１に係る燃料電池では、互いに対向する第１および第２金属製セパレータの外周部に、第１および第２シール部材が一体的に設けられるとともに、前記第１および第２シール部材は、互いに嵌合する嵌合部を備えている。この嵌合部は、４以上の凹部と、前記４以上の凹部に嵌合する４以上の凸部とを設け、第１および第２金属製セパレータは、前記凸部が対向する前記凹部の底面にセパレータ面が露出している。このため、凹部の深さ寸法を確保しながら、第１および第２シール部材の厚さが薄肉化される。従って、凸部と凹部とが良好に嵌合して第１および第２金属製セパレータ同士を確実に位置決め保持することが可能になる。
【００１４】
そして、第１および第２金属製セパレータを重ね合わせるだけで、４以上の凹部に４以上の凸部が嵌合し、前記第１および第２金属製セパレータ同士が相対的に位置決めされる。これにより、簡単かつ迅速な作業で、第１および第２金属製セパレータを正確に位置決めするとともに、部品点数を大幅に削減することが可能になる。その上、凹部および凸部は、比較的容易に変形し易いため、寸法誤差が発生していても前記凸部と前記凹部とは、互いの形状に倣って良好に嵌合する。このため、凹部および凸部の加工精度を高く設定する必要がなく、経済的である。
【００１５】
しかも、第１および第２金属製セパレータ同士は、４以上の凹部と４以上の凸部とにより強固に位置決め支持される。従って、第１および第２金属製セパレータは、車載用燃料電池に組み込まれる際に、積層方向（例えば、車両の進行方向）に交差する横方向から剪断荷重が付与されても、位置ずれを確実に阻止することができる。特に多数の燃料電池が積層される際に、各燃料電池同士間に位置ずれが惹起することがなく、多数の燃料電池を高精度かつ効率的に位置決めすることが可能になり、所望のシール性を確保してスタックを構成することができる。
【００１６】
また、本発明の請求項２に係る燃料電池では、第１および第２金属製セパレータは、少なくとも反応ガスまたは冷却媒体を流すための複数の連通孔を設けるとともに、互いに隣接する前記連通孔の間には、凹部または凸部が配置される。これにより、比較的幅狭で強度の低い連通孔間を確実に保持することが可能になり、前記連通孔間のシール性の低下を阻止することができる。
【００１７】
さらに、本発明の請求項３に係る燃料電池では、第１および第２金属製セパレータは、両端側にそれぞれ３つの連通孔が設けられるとともに、前記両端側には、それぞれ３つの前記連通孔同士の間に対応して、それぞれ２つの凹部または凸部が配置される。従って、簡単な構成で、それぞれ３つの連通孔同士を確実にシールすることが可能になる。
【００１８】
さらにまた、本発明の請求項４に係る燃料電池では、第１金属製セパレータは、第１シール部材の凹部と凸部とを近接して設けるとともに、第２金属製セパレータは、第２シール部材の凸部と凹部とを近接して設ける。このため、第１および第２金属製セパレータは、それぞれの凹部同士が近接することがなく、第１および第２シール部材は、互いに確実かつ強固に密着して所望のシール性および強度を確保することができる。
【００２０】
さらに、本発明の請求項５に係る燃料電池では、少なくとも互いに対向する第１および第２金属製セパレータの外周部に、第１および第２シール部材が一体的に設けられるとともに、前記第１および第２シール部材は、互いに嵌合する嵌合部を備えている。
【００２１】
この嵌合部は、少なくとも２以上の凹部と、前記２以上の凹部に嵌合する少なくとも２以上の凸部とを設けている。これにより、簡単かつ迅速な作業で、第１および第２金属製セパレータを正確に位置決めするとともに、部品点数を大幅に削減することが可能になる。
【００２２】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明の実施形態に係る燃料電池１０の要部分解斜視説明図であり、図２は、前記燃料電池１０の端部断面説明図である。
【００２３】
図１に示すように、燃料電池１０は、電解質膜・電極構造体（電解質・電極構造体）１２が、第１および第２金属製セパレータ１４、１６に挟持されて構成される。第１および第２金属製セパレータ１４、１６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ている。
【００２４】
燃料電池１０の矢印Ｂ方向（図１中、水平方向）の一端縁部には、積層方向である矢印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２０ａ、冷却媒体を排出するための冷却媒体出口連通孔２２ｂ、および燃料ガス、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２４ｂが、矢印Ｃ方向（鉛直方向）に配列して設けられる。
【００２５】
燃料電池１０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２４ａ、冷却媒体を供給するための冷却媒体入口連通孔２２ａ、および酸化剤ガスを排出するための酸化剤ガス出口連通孔２０ｂが、矢印Ｃ方向に配列して設けられる。
【００２６】
電解質膜・電極構造体１２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てなる固体高分子電解質膜２６と、前記固体高分子電解質膜２６を挟持するアノード側電極２８およびカソード側電極３０とを備える。アノード側電極２８は、カソード側電極３０よりも大きな表面積を有している。
【００２７】
アノード側電極２８およびカソード側電極３０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てなる電極触媒層とを有する。電極触媒層は、互いに固体高分子電解質膜２６を介装して対向するように、前記固体高分子電解質膜２６の両面に接合されている。
【００２８】
第１金属製セパレータ１４のカソード側電極３０に対向する面１４ａには、酸化剤ガス入口連通孔２０ａと酸化剤ガス出口連通孔２０ｂとに連通し、例えば、矢印Ｂ方向に延在する直線状の酸化剤ガス流路３２が設けられる。第２金属製セパレータ１６のアノード側電極２８に対向する面１６ａには、燃料ガス入口連通孔２４ａと燃料ガス出口連通孔２４ｂとに連通し、矢印Ｂ方向に延在する直線状の燃料ガス流路３４が形成される。
【００２９】
第１金属製セパレータ１４の面１４ｂと第２金属製セパレータ１６の面１６ｂとの間には、冷却媒体入口連通孔２２ａと冷却媒体出口連通孔２２ｂとに連通する冷却媒体流路３６が形成される。この冷却媒体流路３６は、矢印Ｂ方向に直線状に延在する。
【００３０】
第１金属製セパレータ１４の面１４ａ、１４ｂには、この第１金属製セパレータ１４の外周端部を周回して第１シール部材４０が、例えば、焼き付け等により一体化される。第１シール部材４０は、例えば、ＥＰＤＭ、ＮＢＲ、フッ素ゴム、シリコンゴム、フロロシリコンゴム、ブチルゴム、天然ゴム、スチレンゴム、クロロプレーン、また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を使用する。
【００３１】
図１〜図３に示すように、第１金属製セパレータ１４の面１４ａには、この第１金属製セパレータ１４の外周端部に近接して第１シール部材４０を構成する第１突部４６ａが一体化される。面１４ａには、この第１突部４６ａから内方に所定の距離だけ離間した位置に第１シール部材４０を構成する第２突部４６ｂが一体化される。
【００３２】
第１および第２突部４６ａ、４６ｂは、先端先細り形状（リップ形状）、台形状または蒲鉾形状等、種々の形状に選択可能である。この第２突部４６ｂは、電解質膜・電極構造体１２を構成する固体高分子電解質膜２６に直接接触する（図２および図３参照）。
【００３３】
図１および図４に示すように、第１および第２突部４６ａ、４６ｂは、酸化剤ガス流路３２を囲繞するとともに、前記酸化剤ガス流路３２と酸化剤ガス入口連通孔２０ａおよび酸化剤ガス出口連通孔２０ｂとを連通する。第１金属製セパレータ１４の面１４ａには、燃料ガス入口連通孔２４ａ、冷却媒体入口連通孔２２ａ、冷却媒体出口連通孔２２ｂおよび燃料ガス出口連通孔２４ｂを囲繞してシール部材４７が設けられる。
【００３４】
図２および図４に示すように、第１金属製セパレータ１４の面１４ｂには、この第１金属製セパレータ１４の外周端部に近接して第３突部４６ｃが設けられ、この第３突部４６ｃから内方に所定の距離だけ離間して第４突部４６ｄが設けられる。第３および第４突部４６ｃ、４６ｄは、上記の第１および第２突部４６ａ、４６ｂと同様の形状を有している。
【００３５】
図１、図２および図５に示すように、第２金属製セパレータ１６の面１６ａ、１６ｂには、この第２金属製セパレータ１６の外周端部を周回して第２シール部材４８が一体化される。この第２シール部材４８は、上記の第１シール部材４０と同一の材料で構成される。第２金属製セパレータ１６の面１６ａには、この第２金属製セパレータ１６の外周端部に近接して第２シール部材４８を構成する第１平面部５４が一体化される。第２金属製セパレータ１６の面１６ｂには、第１平面部５４よりも長尺な第２平面部５６が一体化される。
【００３６】
第１平面部５４は、第１シール部材４０の第１突部４６ａと密着するとともに、第２平面部５６は、第１シール部材４０の第３および第４突部４６ｃ、４６ｄと密着可能である。
【００３７】
第１平面部５４は、電解質膜・電極構造体１２の外周端部に摺接する位置を周回する一方、第２平面部５６は、アノード側電極２８に所定の範囲にわたって重合する位置を周回する。図１に示すように、第１平面部５４は、燃料ガス入口連通孔２４ａおよび燃料ガス出口連通孔２４ｂを燃料ガス流路３４に連通する。第２平面部５６は、図５に示すように、冷却媒体入口連通孔２２ａおよび冷却媒体出口連通孔２２ｂを冷却媒体流路３６に連通する。
【００３８】
第１および第２シール部材４０、４８は、互いに嵌合して第１および第２金属製セパレータ１４、１６を相対的に位置決めするための嵌合部６０を備える。図１に示すように、嵌合部６０は、４以上の凹部と４以上の凸部、本実施の形態では、第１シール部材４０に設けられる第１凹部６２ａ、第２凹部６２ｂ、第１凸部６４ａおよび第２凸部６４ｂと、第２シール部材４８に設けられる第３凹部６２ｃ、第４凹部６２ｄ、第３凸部６４ｃおよび第４凸部６４ｄとを備える。
【００３９】
図４に示すように、第１凹部６２ａは、酸化剤ガス入口連通孔２０ａと冷却媒体出口連通孔２２ｂとの間に配置されており、第１凸部６４ａは、前記冷却媒体出口連通孔２２ｂと燃料ガス出口連通孔２４ｂとの間に配置されている。第２凸部６４ｂは、燃料ガス入口連通孔２４ａと冷却媒体入口連通孔２２ａとの間に配置されるとともに、第２凹部６２ｂは、前記冷却媒体入口連通孔２２ａと酸化剤ガス出口連通孔２０ｂとの間に配置されている。
【００４０】
図６に示すように、第１凹部６２ａは、第１シール部材４０の両面に形成されるリング状突部６６内に設けられるとともに、この第１凹部６２ａの底面には、第１金属製セパレータ１４の面１４ａ、１４ｂが露呈する。第１凸部６４ａは、第１シール部材４０の両面から突出形成されている。
【００４１】
図１および図４に示すように、第２凹部６２ｂおよび第２凸部６４ｂは、第１凹部６２ａおよび第１凸部６４ａと同様に構成されており、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。
【００４２】
図５に示すように、第３凸部６４ｃは、酸化剤ガス入口連通孔２０ａと冷却媒体出口連通孔２２ｂとの間に配置されており、第３凹部６２ｃは、前記冷却媒体出口連通孔２２ｂと燃料ガス出口連通孔２４ｂとの間に配置されている。第４凹部６２ｄは、燃料ガス入口連通孔２４ａと冷却媒体入口連通孔２２ａとの間に配置されるとともに、第４凸部６４ｄは、前記冷却媒体出口連通孔２２ｂと酸化剤ガス出口連通孔２０ｂとの間に配置されている。
【００４３】
図６に示すように、第３凸部６４ｃは、第２シール部材４８の両面から突出形成されており、第１シール部材４０の第１凹部６２ａに嵌合自在である。第３凹部６２ｃは、第２シール部材４８の両面に形成されるリング状突部６８内に設けられるとともに、この第３凹部６２ｃの底面には、第２金属製セパレータ１６の面１６ａ、１６ｂが露呈する。第３凹部６２ｃには、第１シール部材４０の第１凸部６４ａが嵌合する。
【００４４】
図１および図５に示すように、第４凹部６２ｄには、第１シール部材４０の第２凸部６４ｂが挿入されるととともに、第４凸部６４ｄは、第１金属製セパレータ１６の第２凹部６２ｂに嵌合自在である。第４凹部６２ｄおよび第４凸部６４ｄは、第３凹部６２ｃおよび第３凸部６４ｃと同様に構成されており、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。
【００４５】
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。
【００４６】
まず、図１に示すように、酸化剤ガス入口連通孔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、燃料ガス入口連通孔２４ａに水素含有ガス等の燃料ガスが供給される。さらに、冷却媒体入口連通孔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。
【００４７】
このため、酸化剤ガスは、酸化剤ガス入口連通孔２０ａから第１金属製セパレータ１４の酸化剤ガス流路３２に導入され、矢印Ｂ方向に移動しながら電解質膜・電極構造体１２を構成するカソード側電極３０に供給される。一方、燃料ガスは、燃料ガス入口連通孔２４ａから第２金属製セパレータ１６の燃料ガス流路３４に導入され、矢印Ｂ方向に移動しながら電解質膜・電極構造体１２を構成するアノード側電極２８に供給される。
【００４８】
従って、電解質膜・電極構造体１２では、カソード側電極３０に供給される酸化剤ガスと、アノード側電極２８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。
【００４９】
カソード側電極３０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２０ｂに沿って矢印Ａ方向に排出される。同様に、アノード側電極２８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２４ｂに沿って矢印Ａ方向に排出される。
【００５０】
また、冷却媒体入口連通孔２２ａに供給された冷却媒体は、第１および第２金属製セパレータ１４、１６間の冷却媒体流路３６に導入された後、矢印Ｂ方向に流通する。この冷却媒体は、電解質膜・電極構造体１２を冷却した後、冷却媒体出口連通孔２２ｂから排出される。
【００５１】
この場合、本実施形態では、第１および第２金属製セパレータ１４、１６の外周部に第１および第２シール部材４０、４８が一体的に設けられるとともに、前記第１および第２シール部材４０、４８は、互いに嵌合する嵌合部６０を備えている。この嵌合部６０は、第１シール部材４０に設けられる第１凹部６２ａ、第１凸部６４ａ、第２凹部６４ｂおよび第２凸部６４ｂと、第２シール部材４８に設けられる第３凹部６２ｃ、第３凸部６４ｃ、第４凹部６２ｄおよび第４凸部６４ｄとを備える。
【００５２】
そして、第１および第２金属製セパレータ１４、１６は、電解質膜・電極構造体１２を介装して重ね合わされるだけで、第１凹部６２ａと第３凸部６４ｃ、第１凸部６４ａと第３凹部６２ｃ、第２凹部６２ｂと第４凸部６４ｄおよび第２凸部６４ｄと第４凹部６２ｄとが、それぞれ嵌合し、前記第１および第２金属製セパレータ１４、１６同士が相対的に位置決め保持される。
【００５３】
このように、簡単かつ迅速な作業で、第１および第２金属製セパレータ１４、１６同士を正確に位置決めするとともに、燃料電池１０全体の部品点数を大幅に削減することが可能になるという効果が得られる。しかも、第１〜第４凹部６２ａ〜６２ｄおよび第１〜第４凸部６４ａ〜６４ｄは、第１および第２シール部材４０、４８に設けられている。
【００５４】
第１〜第４凹部６２ａ〜６２ｄおよび第１〜第４凸部６４ａ〜６４ｄは、比較的容易に変形し易く、これらに寸法誤差が発生していても、互いの形状に倣って良好に嵌合する。これにより、第１〜第４凹部６２ａ〜６２ｄおよび第１〜第４凸部６４ａ〜６４ｄは、加工精度を高く設定する必要がなく、経済的であるという利点がある。
【００５５】
さらに、第１および第２金属製セパレータ１４、１６同士は、第１〜第４凹部６２ａ〜６２ｄと、第１〜第４凸部６４ａ〜６４ｄとにより強固に位置決め支持される。従って、燃料電池１０が車載用として用いられる際、この燃料電池１０の横方向（矢印Ｂ方向）から剪断荷重が付与されても、第１および第２金属製セパレータ１４、１６の位置ずれを確実に阻止することができる。
【００５６】
その際、図７に示すように、多数の燃料電池１０が、例えば、車両の進行方向に沿って積層される際、隣り合う各燃料電池１０同士間では、第１〜第４凹部６２ａ〜６２ｄと第１〜第４凸部６４ａ〜６４ｄが嵌合支持されている。これにより、多数の燃料電池１０を高精度かつ強固に位置決めすることが可能になり、所望のシール製を確保して良好なスタックを構成することができる。
【００５７】
また、図１、図４および図５に示すように、酸化剤ガス入口連通孔２０ａと冷却媒体出口連通孔２２ｂとの間に、第１凹部６２ａと第３凹部６４ｃとが設けられ、前記冷却媒体出口連通孔２２ｂと燃料ガス出口連通孔２４ｂとの間に、第１凸部６４ａと第３凹部６２ｃが設けられる。一方、燃料ガス入口連通孔２４ａと冷却媒体出口連通孔２２ｂとの間に、第２凸部６４ｂと第４凹部６２ｄとが設けられ、前記冷却媒体入口連通孔２２ａと酸化剤ガス出口連通孔２０ｂとの間に、第２凹部６２ｂと第４凸部６４ｄとが設けられている。
【００５８】
このため、比較的幅狭で強度の低い連通孔間、すなわち、酸化剤ガス入口連通孔２０ａと冷却媒体出口連通孔２２ｂとの間、前記冷却媒体出口連通孔２２ｂと燃料ガス出口連通孔２４ｂとの間、燃料ガス入口連通孔２４ａと冷却媒体入口連通孔２２ａとの間、および前記冷却媒体入口連通孔２２ａと酸化剤ガス出口連通孔２０ｂとの間を確実に保持することが可能になり、これらの間のシール性を良好に維持することができるという効果が得られる。
【００５９】
さらにまた、第１金属製セパレータ１４では、第1および第２凹部６２ａ、６２ｂ同士並びに第1および第２凸部６４ａ、６４ｂ同士の間隔よりも、前記第１凹部６２ａと前記第１凸部６４ａとの間隔、および、前記第２凹部６２ｂと前記第２凸部６４ｂとの間隔が、短尺に設定される。従って、凹部同士や凸部同士が互いに近接して設けられる構成に比べ、第１および第２シール部材４０、４８は、互いに確実かつ強固に密着して所望のシール性および強度を確保することが可能になる。
【００６０】
また、第１〜第４凹部６２ａ〜６２ｄの底面には、第１および第２セパレータ１４、１６の各面１４ａ、１４ｂ、１６ａおよび１６ｂに露出している。このため、第１〜第４凹部６２ａ〜６２ｄの深さ寸法を確保しながら、第１および第２シール部材４０、４８の厚さが薄肉化される。これにより、燃料電池１０全体の薄肉化を図るとともに、第１および第２金属製セパレータ１４、１６同士を確実に位置決め保持することができる。
【００６１】
なお、本実施形態では、第１および第２金属製セパレータ１４、１６を位置決め保持するために、第１〜第４凹部６２ａ〜６２ｄおよび第１〜第４凸部６４ａ〜６４ｄを設けているが、これに限定されるものではない。例えば、２または３の凹部と２または３の凸部とを設けてもよく、あるいは、５以上の凹部と５以上の凸部とを設けてもよい。
【００６２】
また、第１〜第４凹部６２ａ〜６２ｄおよび第１〜第４凸部６４ａ〜６４ｄは、第１および第２シール部材４０、４８に一体的に設けているが、この第１〜第４凹部６２ａ〜６２ｄおよび第１〜第４凸部６４ａ〜６４ｄに対応する部分を他の部分に比べて硬度の高い材質で構成してもよい。
【００６３】
さらに、燃料電池１０は、２枚のセパレータとして第１および第２金属製セパレータ１４、１６を備えているが、これに限定されるものではなく、３枚以上のセパレータを備える場合も同様に、各セパレータ間に嵌合部６０を設けることができる。
【００６４】
【発明の効果】
本発明に係る燃料電池では、第１および第２金属製セパレータは、凸部が対向する凹部の底面にセパレータ面が露出しているため、前記凹部の深さ寸法を確保しながら、前記第１および第２シール部材の厚さが薄肉化される。従って、凸部と凹部とが良好に嵌合して第１および第２金属製セパレータ同士を確実に位置決め保持することが可能になる。さらに、第１および第２金属製セパレータを重ね合わせるだけで、２以上あるいは４以上の凹部に２以上あるいは４以上の凸部が嵌合し、前記第１および第２金属製セパレータ同士が位置決め保持される。これにより、簡単かつ迅速な作業で、第１および第２金属製セパレータを正確に位置決めするとともに、部品点数を大幅に削減することが可能になる。その上、凹部および凸部は、比較的容易に変形し易いため、寸法誤差が発生していても前記凸部と前記凹部とは、互いの形状に倣って良好に嵌合する。このため、凹部および凸部の加工精度を高く設定する必要がなく、経済的である。
【００６５】
しかも、第１および第２金属製セパレータ同士は、複数の凹部と複数の凸部とにより強固に位置決め支持される。従って、第１および第２金属製セパレータは、車載用燃料電池に組み込まれる際に、積層方向（例えば、車両の進行方向）に交差する横方向から剪断荷重が付与されても、位置ずれを確実に阻止することができる。特に多数の燃料電池が積層される際に、各燃料電池同士間に位置ずれが惹起することがなく、多数の燃料電池を高精度かつ効率的に位置決めすることが可能になり、所望のシール性を確保してスタックを構成することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態に係る燃料電池の要部分解斜視説明図である。
【図２】前記燃料電池の端部断面説明図である。
【図３】前記燃料電池の要部断面斜視図である。
【図４】前記燃料電池を構成する第１金属製セパレータの正面説明図である。
【図５】前記燃料電池を構成する第２金属製セパレータの正面説明図である。
【図６】前記燃料電池の要部断面説明図である。
【図７】前記燃料電池を複数積層した状態を示す要部断面説明図である。
【図８】特許文献１に係る燃料電池の要部分解断面図である。
【符号の説明】
１０…燃料電池 １２…電解質膜・電極構造体
１４、１６…金属製セパレータ ２０ａ…酸化剤ガス入口連通孔
２０ｂ…酸化剤ガス出口連通孔 ２２ａ…冷却媒体入口連通孔
２２ｂ…冷却媒体出口連通孔 ２４ａ…燃料ガス入口連通孔
２４ｂ…燃料ガス出口連通孔 ２６…固体高分子電解質膜
２８…アノード側電極 ３０…カソード側電極
３２…酸化剤ガス流路 ３４…燃料ガス流路
３６…冷却媒体流路 ４０、４８…シール部材
４６ａ〜４６ｄ…突部 ５４、５６…平面部
６０…嵌合部 ６２ａ〜６２ｄ…凹部
６４ａ〜６４ｄ…凸部
Claims (5)
- 電解質の両側に一対の電極を設けた電解質・電極構造体を、金属製セパレータで挟持して構成される燃料電池であって、
少なくとも互いに対向する第１および第２金属製セパレータは、それぞれの外周部に第１および第２シール部材を一体的に設けるとともに、
前記第１および第２シール部材は、互いに嵌合して前記第１および第２金属製セパレータを相対的に位置決めする嵌合部を備え、
前記嵌合部は、４以上の凹部と、
前記４以上の凹部にそれぞれ嵌合する少なくとも４以上の凸部と、
を設け、
前記第１および第２金属製セパレータは、前記凸部が対向する前記凹部の底面にセパレータ面が露出することを特徴とする燃料電池。 - 請求項１記載の燃料電池において、前記第１および第２金属製セパレータは、少なくとも反応ガスまたは冷却媒体を流すための複数の連通孔を設けるとともに、
互いに隣接する前記連通孔の間に、前記凹部または前記凸部が配置されることを特徴とする燃料電池。 - 請求項２記載の燃料電池において、前記第１および第２金属製セパレータは、両端側にそれぞれ少なくとも３つの前記連通孔が設けられるとともに、
前記両端側には、それぞれ３つの前記連通孔同士の間に対応して、それぞれ２つの前記凹部または前記凸部が配置されることを特徴とする燃料電池。 - 請求項１乃至３のいずれか１項に記載の燃料電池において、前記第１金属製セパレータは、２以上の前記凹部と２以上の前記凸部とを設けるとともに、
前記凹部と前記凸部が、該凹部同士および該凸部同士の間隔よりも近接して設けられる一方、
前記第２金属製セパレータは、２以上の前記凸部と２以上の前記凹部とを設けるとともに、
前記凸部と前記凹部が、該凸部同士および該凹部同士の間隔よりも近接して設けられることを特徴とする燃料電池。 - 電解質の両側に一対の電極を設けた電解質・電極構造体を、金属製セパレータで挟持して構成される燃料電池であって、
少なくとも互いに対向する第１および第２金属製セパレータは、それぞれの外周部に第１および第２シール部材を一体的に設けるとともに、
前記第１および第２シール部材は、互いに嵌合して前記第１および第２金属製セパレータを相対的に位置決めする嵌合部を備え、
前記嵌合部は、少なくとも２以上の凹部と、
前記２以上の凹部にそれぞれ対応する少なくとも２以上の凸部と、
を有し、
前記凹部および前記凸部は、セパレータ面内で反応ガス流路を挟んで対向する連通孔近傍にそれぞれ設けられ、
前記第１および第２金属製セパレータは、前記凸部が対向する前記凹部の底面にセパレータ面が露出することを特徴とする燃料電池。
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