JP4539069B2

JP4539069B2 - Fuel cell

Info

Publication number: JP4539069B2
Application number: JP2003350299A
Authority: JP
Inventors: 友和林; 三喜男和田
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2003-10-09
Filing date: 2003-10-09
Publication date: 2010-09-08
Anticipated expiration: 2023-10-09
Also published as: JP2005116378A

Description

本発明は燃料電池に関する。 The present invention relates to fuel cells.

単位燃料電池（単セル）は、膜−電極アッセンブリとセパレータを重ねて構成される。単位燃料電池を複数積層して（積層方向は任意）燃料電池スタックとされる。単位燃料電池間の接触抵抗を小とするとともに、車両衝突時にずれを防止するために、燃料電池スタックにはセル積層方向に締結荷重がかけられる。 A unit fuel cell (single cell) is formed by stacking a membrane-electrode assembly and a separator. A plurality of unit fuel cells are stacked (arbitrary stacking direction) to form a fuel cell stack. A fastening load is applied to the fuel cell stack in the cell stacking direction in order to reduce the contact resistance between the unit fuel cells and to prevent displacement at the time of a vehicle collision.

単位燃料電池のモジュール化、スタック化時には、セル間接触抵抗を小さくするとともに燃料ガス、酸化ガスのパスカットを防止するために、セル同士を互いに位置決めしなければならない。従来は、通常、セルのセパレータの端面を基準に押し当ててセル間の位置決めを行っている。しかし、薄いカーボンセパレータやプレス成形のメタルセパレータでは、セパレータ端面の強度が弱いため、セパレータの変形によって、位置決めが困難になるおそれがある。 When unit fuel cells are modularized and stacked, the cells must be positioned with respect to each other in order to reduce the contact resistance between the cells and prevent the path cut of the fuel gas and the oxidizing gas. Conventionally, positioning between cells is usually performed by pressing the end face of the separator of the cell as a reference. However, in the case of a thin carbon separator or a press-formed metal separator, the strength of the separator end face is weak, so that positioning may be difficult due to deformation of the separator.

これに対して、特開平９−７６２７号公報は、別の、スタック化時のセル同士の位置決め方法を開示している。特開平９−７６２７号公報の方法では、スタック全長を貫通するノックピン（位置決めピン）を、セルの四隅に設けたピン孔に挿通してセル同士を位置決めする。 On the other hand, Japanese Patent Application Laid-Open No. 9-7627 discloses another method for positioning cells at the time of stacking. In the method disclosed in Japanese Patent Laid-Open No. 9-7627, knock pins (positioning pins) penetrating the entire stack length are inserted into pin holes provided at the four corners of the cells to position the cells.

しかし、特開平９−７６２７号公報の、ピンをピン孔に通す位置決め方法では、単セルを積層してスタック化するする際に、セル積層体に締結荷重をかけるとセル積層体のセル積層方向長さが短縮して、元の長さを維持するノックピンがスタックの端部からセル積層方向に突び出すという問題があった。
特開平９−７６２７号公報 However, in the positioning method of passing a pin through a pin hole in Japanese Patent Application Laid-Open No. 9-7627, when a single cell is stacked and stacked, if a fastening load is applied to the cell stack, the cell stack direction of the cell stack There is a problem that the knock pins that maintain the original length are protruded from the end of the stack in the cell stacking direction by shortening the length.
Japanese Patent Laid-Open No. 9-7627

本発明が解決しようとする問題点は、スタック化時に位置決めピンがスタック端部から飛び出すという問題である。 The problem to be solved by the present invention is that the positioning pin jumps out from the stack end when stacking.

本発明の目的は、スタック化の際セル積層体に締結荷重をかけた時に位置決めピンがスタック端部から飛び出すことを防止できる燃料電池を提供することにある。 An object of the present invention is that the positioning pins when multiplied by the fastening load in the cell stack when the stack of can provide fuel cells that can prevent the jumping out from the stack end.

上記目的を達成する本発明はつぎの通りである。
（１）燃料電池スタックのセル面内方向に異なる複数の位置に全セルを貫通するピン孔が設けられており、各ピン孔にはスタック長より短い位置決めピンが複数本互いに直列にかつ互いに間隔をおいて挿入されており、各位置決めピンは何れか一つのセルに、該一つのセルのピン孔に対して摺動不能とすることにより固定されており、燃料電池スタックの何れのセルも、該セルのセル面内方向に異なる複数の位置にあるピン孔のうちの２以上のピン孔にて、位置決めピンと嵌合しており、位置決めピンが燃料電池スタックから飛び出していない燃料電池。
（２）各位置決めピンは何れか一つのセルに、該一つのセルのピン孔に対して摺動不能とすることにより固定されており、他のセルとはピン孔に対して摺動可能とすることによりセル積層方向に変位可能である（１）記載の燃料電池。
（３）セル積層体のセル積層方向の端部に位置しないセルからなる特定セルの表裏に位置決めピンが設けられ互いに反対方向に延びている（１）記載の燃料電池。
（４）燃料電池スタックのセル面内方向の第１の位置にある第１のピン孔に挿入されている第１の位置決めピンと、前記第１の位置とは燃料電池スタックのセル面内方向に異なる第２の位置にある第２のピン孔に挿入されている第２の位置決めピンとは、燃料電池スタックのセル積層方向に、第１の位置決めピンの長さの一部と第２の位置決めピンの長さの一部とを互いに重ね合わせ、ピン端部位置を互いにずらして、配置されている、（１）記載の燃料電池。 The present invention for achieving the above object is as follows.
(1) A plurality of pin holes penetrating all the cells are provided at different positions in the cell plane direction of the fuel cell stack, and each pin hole has a plurality of positioning pins shorter than the stack length in series and spaced from each other. Each positioning pin is fixed to any one cell by making it non-slidable with respect to the pin hole of the one cell, and any cell of the fuel cell stack is A fuel cell which is fitted with a positioning pin at two or more pin holes among a plurality of pin holes at different positions in the cell plane direction of the cell, and the positioning pin does not protrude from the fuel cell stack.
(2) Each positioning pin is fixed to any one cell by making it non-slidable with respect to the pin hole of the one cell, and can be slid with respect to the pin hole with other cells. The fuel cell according to (1), which is displaceable in the cell stacking direction.
(3) The fuel cell according to (1), wherein positioning pins are provided on the front and back surfaces of the specific cell including cells that are not located at the end of the cell stack in the cell stacking direction and extend in opposite directions.
(4) The first positioning pin inserted into the first pin hole at the first position in the cell plane direction of the fuel cell stack, and the first position are in the cell plane direction of the fuel cell stack. differs from the second second second positioning pin is inserted into the pin hole in the position, in the cell stacking direction of the fuel cell stack, a portion of the length of the first positioning pin second positioning pins The fuel cell according to (1), wherein a part of the length of the fuel cell is overlapped with each other and the pin end positions are shifted from each other.

上記（１）〜（４）の何れかの燃料電池によれば、各ピン孔にはスタック長より短い位置決めピンが複数本互いに直列にかつ互いに間隔をおいて挿入されているので、セル積層体に締結荷重をかけた時のセル積層体の短縮分を、位置決めピン間の間隔が短縮することで吸収でき、位置決めピンがスタック端部から飛び出すことを防止することができる。
また、何れのセルもセル面内方向で２本以上の位置決めピンが嵌合しているので、各セルが位置決め可能であるとともに、車両衝突時の横力がかかってもセル間のずれが生じにくい。 According to any of fuel cells of the above (1) to (4), since the shorter the positioning pins from the stack length to each pin hole is inserted at a plurality of series and intervals from each other, the cell stack The shortened portion of the cell stack when the fastening load is applied to the body can be absorbed by shortening the interval between the positioning pins, and the positioning pins can be prevented from jumping out from the stack end.
In addition, since each cell is fitted with two or more positioning pins in the cell plane direction, each cell can be positioned, and even if a lateral force is applied in the event of a vehicle collision, displacement between the cells occurs. Hateful.

以下に、本発明の燃料電池を、図１〜図５を参照して説明する。
本発明の燃料電池は、低温型燃料電池であり、たとえば、固体高分子電解質型燃料電池１０である。該燃料電池１０は、たとえば燃料電池自動車に搭載される。ただし、自動車以外に用いられてもよい。 Hereinafter, the fuel cells of the present invention will be described with reference to FIGS.
Fuel cell of the present invention is a low-temperature fuel cells, for example, a solid polymer electrolyte fuel cell 10. The fuel cell 10 is mounted on, for example, a fuel cell vehicle. However, it may be used other than an automobile.

固体高分子電解質型燃料電池１０は、図４、図５に示すように、膜−電極アッセンブリ（ＭＥＡ：Membrane-Electrode Assembly ）とセパレータ１８との積層体からなる。積層方向は上下方向に限るものではなく、任意の方向でよい。
膜−電極アッセンブリは、イオン交換膜からなる電解質膜１１とこの電解質膜の一面に配置された触媒層１２からなる電極（アノード、燃料極）１４および電解質膜の他面に配置された触媒層１５からなる電極（カソード、空気極）１７とからなる。膜−電極アッセンブリとセパレータ１８との間には、アノード側、カソード側にそれぞれ拡散層１３、１６が設けられる。 As shown in FIGS. 4 and 5, the solid polymer electrolyte fuel cell 10 includes a laminate of a membrane-electrode assembly (MEA) and a separator 18. The stacking direction is not limited to the vertical direction, and may be any direction.
The membrane-electrode assembly includes an electrolyte membrane 11 made of an ion exchange membrane, an electrode (anode, fuel electrode) 14 made up of a catalyst layer 12 arranged on one surface of the electrolyte membrane, and a catalyst layer 15 arranged on the other surface of the electrolyte membrane. Electrode (cathode, air electrode) 17. Between the membrane-electrode assembly and the separator 18, diffusion layers 13 and 16 are provided on the anode side and the cathode side, respectively.

セパレータ１８には、アノード１４、カソード１７に燃料ガス（水素）および酸化ガス（酸素、通常は空気）を供給するための反応ガス流路２７、２８（燃料ガス流路２７、酸化ガス流路２８）と、その裏面に冷媒（通常、冷却水）を流すための冷媒流路２６が形成されている。また、セパレータ１８には、燃料ガス流路２７に燃料ガスを供給、排出するための燃料ガスマニホールド３０、酸化ガス流路２８に酸化ガスを供給、排出するための酸化ガスマニホールド３１、冷媒流路２６に冷媒を供給、排出するための冷媒マニホールド２９が形成されている。流体流路２６、２７、２８、２９、３０、３１をシールするために、ゴムガスケット３２や接着剤シール３３が設けられている。
セパレータ１８は、カーボンセパレータであってもよいし、メタルセパレータであってもよいし、導電性樹脂セパレータであってもよいし、メタルセパレータと樹脂フレームの組合せであってもよいし、あるいは、これらのセパレータの組合せであってもよい。 In the separator 18, reaction gas channels 27 and 28 (fuel gas channel 27, oxidizing gas channel 28) for supplying fuel gas (hydrogen) and oxidizing gas (oxygen, usually air) to the anode 14 and cathode 17. ) And a refrigerant flow path 26 for flowing a refrigerant (usually cooling water) is formed on the back surface thereof. Further, the separator 18 has a fuel gas manifold 30 for supplying and discharging fuel gas to and from the fuel gas channel 27, an oxidizing gas manifold 31 for supplying and discharging oxidizing gas to the oxidizing gas channel 28, and a refrigerant channel. A refrigerant manifold 29 for supplying and discharging refrigerant is formed at 26. In order to seal the fluid flow paths 26, 27, 28, 29, 30 and 31, a rubber gasket 32 and an adhesive seal 33 are provided.
The separator 18 may be a carbon separator, a metal separator, a conductive resin separator, a combination of a metal separator and a resin frame, or these A combination of separators may be used.

膜−電極アッセンブリとセパレータ１８を重ねて単位燃料電池（「単セル」ともいう）１９を構成し、少なくとも１つのセル（たとえば、１〜３個のセルから１モジュールを構成する）からモジュールを構成し、モジュールを積層してセル積層体とし、セル積層体のセル積層方向両端に、ターミナル２０、インシュレータ２１、エンドプレート２２を配置し、セル積層体をセル積層方向に締め付け、セル積層体の外側でセル積層方向に延びる締結部材（たとえば、テンションプレート２４）、ボルト・ナット２５により固定して、燃料電池スタック２３を構成する。燃料電池スタック２３にかけられるセル積層方向の締結荷重により、単位燃料電池間の接触抵抗は小に維持され、車両衝突時においてもずれが防止される。 A unit fuel cell (also referred to as “single cell”) 19 is configured by stacking the membrane-electrode assembly and the separator 18, and a module is configured from at least one cell (for example, one module is composed of 1 to 3 cells). Then, modules are stacked to form a cell stack, and terminals 20, insulators 21 and end plates 22 are arranged at both ends of the cell stack in the cell stacking direction, and the cell stack is clamped in the cell stacking direction. The fuel cell stack 23 is configured by fixing with fastening members (for example, tension plates 24), bolts and nuts 25 extending in the cell stacking direction. Due to the fastening load applied to the fuel cell stack 23 in the cell stacking direction, the contact resistance between the unit fuel cells is kept small, and displacement is prevented even in the event of a vehicle collision.

各セル１９の、アノード側１４では、水素を水素イオン（プロトン）と電子にする反応が行われ、水素イオンは電解質膜１１中をカソード側に移動し、カソード１７側では酸素と水素イオンおよび電子（隣りのＭＥＡのアノードで生成した電子がセパレータを通してくる、またはセル積層方向一端のセルのアノードで生成した電子が外部回路を通して他端のセルのカソードにくる）から水を生成する反応が行われ、かくして発電が行われる。
アノード側：Ｈ₂→２Ｈ⁺＋２ｅ^-
カソード側：２Ｈ⁺＋２ｅ^-＋（１／２）Ｏ₂→Ｈ₂Ｏ
単位燃料電池のモジュール化時およびスタック化時には、セル間接触面積を大にして接触抵抗を小さくするとともに、燃料ガス、酸化ガスのパスカットを防止するために、セル同士を互いにセル面内方向（セル積層方向と直交する方向）に位置決めしなければならない。
セパレータ１８の端面を基準に押しつけて、セパレータ１８の外形基準でセル同士の位置決めを行う方法では、セパレータ端面の変形などにより位置決め精度が出ないので、セル１９にピン孔を設け、そこに位置決めピンを通す方法でセル同士の位置決めを行う。その場合、特開平９−７６２７号公報のようにスタック全長を貫通するピンを用いるとピンがスタック端部から突出してスタックの取扱を著しく困難にするので、本発明では、つぎの構造をとることにより、位置決めピンがスタック端部（エンドプレート端面）からセル積層方向外側に突出しないようにする。 The reaction of converting hydrogen into hydrogen ions (protons) and electrons is performed on the anode side 14 of each cell 19, and the hydrogen ions move through the electrolyte membrane 11 to the cathode side, and oxygen, hydrogen ions, and electrons on the cathode 17 side. (The electron generated at the anode of the adjacent MEA comes through the separator, or the electron generated at the anode of the cell at one end in the cell stacking direction comes to the cathode of the other end cell through an external circuit). Thus, power generation is performed.
Anode side: H ₂ → 2H ⁺ + 2e ⁻
Cathode side: 2H ⁺ + 2e ⁻ + (1/2) O ₂ → H ₂ O
When modularizing and stacking unit fuel cells, in order to reduce the contact resistance by increasing the contact area between cells and to prevent the path cut of fuel gas and oxidant gas, the cells are mutually oriented in the cell plane ( It must be positioned in the direction perpendicular to the cell stacking direction.
In the method in which the end surfaces of the separators 18 are pressed against each other and the cells are positioned on the basis of the outer shape of the separators 18, positioning accuracy does not occur due to deformation of the end surfaces of the separators. The cells are positioned by passing them through. In that case, as shown in Japanese Patent Laid-Open No. 9-7627, if a pin that penetrates the entire length of the stack is used, the pin protrudes from the end of the stack and the stack is extremely difficult to handle. Therefore, the present invention has the following structure. Thus, the positioning pin is prevented from protruding outward from the stack end portion (end plate end surface) in the cell stacking direction.

本発明の燃料電池では、図１〜図３に示すように、燃料電池スタック２３にセル面内方向に異なる複数（２以上、望ましくは３以上、より望ましくは４以上）の位置に、全セル１９を貫通するピン孔３４が設けられており、各ピン孔３４にはスタック長より短い位置決めピン３５が複数本互いに直列にかつ互いに間隔をおいて挿入されており、位置決めピン３５は、燃料電池スタック２３の何れのセル１９も２本以上の位置決めピン３５が嵌合するように、配置されている。すなわち、燃料電池スタックの何れのセル１９も、該セルのセル面内方向に異なる複数の位置にあるピン孔３４のうちの２以上のピン孔３４にて、位置決めピン３５と嵌合している
各位置決めピン３５は何れか一つのセル１９に、該一つのセル１９のピン孔３４に摺動不能とすることにより、固定されており、他のセル１９とはセル積層方向に変位可能（軸方向に摺動可能）である。図中、位置決めピン３５が固定されるセル１９に符号１９Ａが付してあり、位置決めピン３５が固定されず摺動可能なセル１９に符号１９Ｂが付してある。 The fuel cells of the present invention, as shown in FIGS. 1 to 3, a plurality of the fuel cell stack 23 differs in the cell plane direction (2 or more, preferably 3 or more, more preferably 4 or higher) at the position of, Pin holes 34 penetrating all the cells 19 are provided. In each pin hole 34, a plurality of positioning pins 35 shorter than the stack length are inserted in series and spaced apart from each other. Each cell 19 of the fuel cell stack 23 is arranged so that two or more positioning pins 35 are fitted. That is, any cell 19 of the fuel cell stack is fitted to the positioning pin 35 at two or more of the pin holes 34 at a plurality of positions different in the cell in-plane direction of the cell. Each positioning pin 35 is fixed to one of the cells 19 by making it non-slidable in the pin hole 34 of the one cell 19, and is displaceable in the cell stacking direction with respect to the other cells 19 (axis Slidable in the direction). In the figure, reference numeral 19A is attached to the cell 19 to which the positioning pin 35 is fixed, and reference numeral 19B is attached to the slidable cell 19 in which the positioning pin 35 is not fixed.

燃料電池スタックのセル面内方向の第１の位置（セル面内方向に複数あるピン孔３４のうちの何れか１つがある位置）にある第１のピン孔３４に挿入されている第１の位置決めピン３５と、第１の位置とは燃料電池スタックのセル面内方向に異なる第２の位置にある第２のピン孔３４に挿入されている第２の位置決めピン３５とは、燃料電池スタックのセル積層方向に、ピン長を一部重ね合わせ（ただし、第１、第２の位置決めピン３５はセル面内方向に互いに離れているから互いに接触していない）、ピン端部位置（第１の位置決めピンの端部がピン上端位置とすると第２の位置決めピンの端部もピン上端位置）を互いにずらして、配置されている。 The first inserted into the first pin hole 34 at the first position in the cell plane direction of the fuel cell stack (the position where any one of the plurality of pin holes 34 exists in the cell plane direction). the positioning pin 35, and the second positioning pin 35 which is inserted into the second pin hole 34 in a different second position in the cell plane direction of the fuel cell stack first position, the fuel cell stack In the cell stacking direction, the pin lengths are partially overlapped (however, the first and second positioning pins 35 are not in contact with each other because they are separated from each other in the cell plane direction), and the pin end positions (first If the end of the positioning pin is at the upper end position of the pin, the end of the second positioning pin is also shifted from the upper end position of the pin.

位置決めピン３５は電気的に絶縁性のピン（たとえば、樹脂（たとえば、四フッ化エチレン）製ピン）である。
位置決めピン３５は、すべてのセパレータの等しい位置に設けられ、矩形板状セパレータの場合は、望ましくは四隅に、設けられる。ただし、四隅でなくてもよい。 The positioning pin 35 is an electrically insulating pin (for example, a resin (for example, tetrafluoroethylene) pin).
The positioning pins 35 are provided at equal positions of all the separators. In the case of a rectangular plate separator, the positioning pins 35 are preferably provided at the four corners. However, it does not have to be four corners.

位置決めピン３５の長さは、セル数枚分（図示例ではセル４枚分）とし、位置決めピン３５の配置は数セルおき（図示例では４セルおき）配置とする。すなわち、各位置決めピン３５は、数セルおきに（図示例では４セルおきに）設けられ、軸方向に隣り合う位置決めピン３５間に数セル分（図示例では４セル分）、位置決めピン３５が設けられない部位がある。 The length of the positioning pin 35 is set to several cells (in the illustrated example, four cells), and the positioning pin 35 is arranged every several cells (every four cells in the illustrated example). That is, each positioning pin 35 is provided every several cells (every four cells in the illustrated example), and several positioning cells 35 (four cells in the illustrated example) are provided between the positioning pins 35 adjacent in the axial direction. There is a part that is not provided.

スタック２３に締結荷重を付与した後は、セル厚はＭＥＡやシール材が圧縮されることによって薄くなるが、位置決めピン３５は各セル１９Ｂのピン孔３４をすべり、セル積層体内にとどまり、エンドプレートからセル積層方向外側に突出するようなことはない。
スタック締結荷重を付与してセル厚が薄くなった時、セル数枚分を貫通している位置決めピン３５は、隣りのセル数枚分の、位置決めピン３５が設けられていないピン孔３４に突入するかもしれないが、そこは位置決めピン３５が設けられていない部分であるため、位置決めピン３５同士が長手方向に干渉し合うことはない。ピン列の外側端にある位置決めピン３５は、スタック締結荷重を付与してセル厚が薄くなった時、ターミナルやインシュレータに設けたピン孔に突入するかもしれないが、そこは位置決めピン３５が設けられていない部分であるため、位置決めピン３５同士が長手方向に干渉し合うことはない。また、各ピン孔３４に挿入されたピン列の位置決めピン３５間には間隔があって、そこでスタック締結荷重付与時のセル積層厚の変化（短縮）を分けて均等に吸収するので、従来のように全セルを貫通する「１本もの」のピンのように、スタック締結荷重付与時、セル積層厚が変化した時に、エンドプレートから突出するようなことはない。 After the fastening load is applied to the stack 23, the cell thickness is reduced by compressing the MEA or the sealing material. However, the positioning pin 35 slides in the pin hole 34 of each cell 19B, stays in the cell stack, and the end plate. No projecting outward from the cell stacking direction.
When the stack fastening load is applied and the cell thickness is reduced, the positioning pins 35 penetrating several cells enter the pin holes 34 where the positioning pins 35 are not provided for the adjacent cells. However, since this is a portion where the positioning pins 35 are not provided, the positioning pins 35 do not interfere with each other in the longitudinal direction. The positioning pin 35 at the outer end of the pin row may enter a pin hole provided in a terminal or an insulator when the cell is thinned by applying a stack fastening load, but the positioning pin 35 is provided there. Since the portion is not formed, the positioning pins 35 do not interfere with each other in the longitudinal direction. In addition, there is a gap between the positioning pins 35 of the pin row inserted in each pin hole 34, and the change (shortening) of the cell stack thickness when the stack fastening load is applied is divided and absorbed evenly. Thus, unlike a “single” pin penetrating all the cells, when the stack fastening load is applied, the cell stack thickness does not protrude from the end plate.

位置決めピン３５が、燃料電池スタック２３の何れのセル１９も２本以上の位置決めピン３５が嵌合するように、配置される場合、各セル１９は位置決めピン３５にセパレータ１８の対角線上にある２つの位置決めピン３５に嵌合するように配置されることが望ましい。これによって、最も精度の高い、安定したセルの位置決めが得られる。
ただし、位置決めピン３５が、燃料電池スタック２３の何れのセル１９も２本以上の位置決めピン３５が嵌合するように、配置される場合、各セル１９は位置決めピン３５にセパレータ１８の同じ辺上にある２つの位置決めピン３５に嵌合するように配置されてもよい。 When the positioning pins 35 are arranged so that two or more positioning pins 35 are fitted in any cell 19 of the fuel cell stack 23, each cell 19 is located on the diagonal of the separator 18 with respect to the positioning pins 2. It is desirable that the two positioning pins 35 be disposed so as to be fitted. This provides the most accurate and stable cell positioning.
However, when the positioning pins 35 are arranged so that two or more positioning pins 35 are fitted in any cell 19 of the fuel cell stack 23, each cell 19 is placed on the same side of the separator 18 with the positioning pins 35. The two positioning pins 35 may be disposed so as to be fitted to each other.

図１〜図３は位置決めピン３５の配置の一例を示す。そこでは、位置決めピン３５が特定のセル１９Ａ（ピン３５が固定されるセル）に互いに異なる位置で固定される場合、位置決めピン３５は特定セル１９Ａの表裏に互いに反対方向に延びるように設けられている。
ただし、位置決めピン３５の配置はこれに限るものではなく、たとえば、位置決めピン３５が特定セル１９Ａの同じ側の表面から同じ方向に延びるように設けられてもよい。 1 to 3 show an example of the arrangement of the positioning pins 35. In this case, when the positioning pin 35 is fixed to a specific cell 19A (cell to which the pin 35 is fixed) at different positions, the positioning pin 35 is provided on the front and back of the specific cell 19A so as to extend in opposite directions. Yes.
However, the arrangement of the positioning pins 35 is not limited to this. For example, the positioning pins 35 may be provided so as to extend in the same direction from the surface on the same side of the specific cell 19A.

図１〜図３は、位置決めピン３５の配置の一例を示す。
図１〜図３の例では、４セルおきに位置決めピン３５が固定されるセル１９Ａが設けられ、この特定セル１９Ａは矩形状セル１９であり、位置決めピン３５が矩形状セル１９の四隅に設けられている。
一つのグループの４セル分では、２本の位置決めピン３５が、特定セル１９Ａの同じ辺に、セル表裏に互いに反対方向に延びるように固定されている。隣りのグループの４セル分では、特定セル１９Ａの同じ辺（ただし、上記一つのグループの４セル分の特定セル１９Ａのピン３５が固定された辺と対向する辺）に、セル表裏に互いに反対方向に延びるように固定されている。
この配置によって、一つのグループの４セル分のうちピン３５が固定されない３つのセル１９は、対角線上にある２本の位置決めピン３５（１本は上記一つのグループの４セル分のピン３５、もう１本は上記隣りのグループの４セル分のピン３５）に摺動可能に嵌合し、位置決めされる。 1 to 3 show an example of the arrangement of the positioning pins 35.
In the example of FIGS. 1 to 3, the cells 19 </ b> A to which the positioning pins 35 are fixed are provided every four cells, the specific cells 19 </ b> A are the rectangular cells 19, and the positioning pins 35 are provided at the four corners of the rectangular cells 19. It has been.
In one group of four cells, two positioning pins 35 are fixed to the same side of the specific cell 19A so as to extend in opposite directions on the front and back of the cell. In the four cells of the adjacent group, the same side of the specific cell 19A (however, the side opposite to the side where the pin 35 of the specific cell 19A for the four cells of the one group is fixed) is opposite to the cell front and back It is fixed to extend in the direction.
With this arrangement, the three cells 19 in which the pin 35 is not fixed among the four cells in one group have two positioning pins 35 on the diagonal line (one is the pin 35 for the four cells in the one group, The other is slidably fitted and positioned on the pins 35) of the four cells in the adjacent group.

つぎに、本発明の燃料電池の作用、効果を説明する。 Next, action of the fuel cells of the present invention, the effect will be described.

各ピン孔３４にはスタック２３の全長（スタック両端のエンドプレートの外側面間の距離）より短い（図示例では、一つのグループの４セル分の厚さに対応する長さの）位置決めピン３５が複数本互いに直列にかつ互いに間隔をおいて挿入されているので、セル積層体に締結荷重をかけた時のセル積層体の短縮分を、位置決めピン３５間の間隔が短縮することで吸収でき、位置決めピン３５がスタック２３の端部から外側に突出することを防止することができる。 Each pin hole 34 has a positioning pin 35 shorter than the total length of the stack 23 (the distance between the outer surfaces of the end plates at both ends of the stack) (in the illustrated example, the length corresponds to the thickness of four cells in one group). Are inserted in series and spaced apart from each other, the shortened portion of the cell stack when the fastening load is applied to the cell stack can be absorbed by the shortening of the spacing between the positioning pins 35. The positioning pin 35 can be prevented from protruding outward from the end of the stack 23.

また、何れのセル１９にも２本以上の位置決めピン２３が嵌合（セル１９Ａでは固定の嵌合、セル１９Ｂでは摺動可能な嵌合）しているので、各セル１９を高精度に位置決め可能であり、かつ、車両衝突時の横力（セル積層方向と直交する方向の力）がかかってもセル１９間のずれが生じにくい。
従来は、車両衝突時の横力によるセル１９間のずれを防止する力は、スタック締結荷重がかかった時のセル面間の摩擦力であり、車両衝突時の横力によるセル１９間のずれを防止するために、スタック締結荷重を、適正なセル間電気接触抵抗を得るに必要な荷重以上に大きくしていたが、本発明では、位置決めピン２３もセル１９間のずれを防止する作用をもつので、スタック締結荷重を、適正なセル間電気接触抵抗を得るに必要な荷重まで、低減することができる。締結荷重自体を低減することによって、セパレータ、ＭＥＡにかかる荷重が低減され、燃料電池の耐久性が向上する。 Further, since each cell 19 is fitted with two or more positioning pins 23 (fixed fitting in the cell 19A and slidable fitting in the cell 19B), each cell 19 is positioned with high accuracy. This is possible, and even if a lateral force (force in a direction orthogonal to the cell stacking direction) is applied at the time of a vehicle collision, displacement between the cells 19 hardly occurs.
Conventionally, the force that prevents the displacement between the cells 19 due to the lateral force at the time of the vehicle collision is a frictional force between the cell surfaces when a stack fastening load is applied, and the displacement between the cells 19 due to the lateral force at the time of the vehicle collision. However, in the present invention, the positioning pin 23 also has an effect of preventing displacement between the cells 19. Therefore, the stack fastening load can be reduced to a load necessary to obtain an appropriate inter-cell electric contact resistance. By reducing the fastening load itself, the load applied to the separator and MEA is reduced, and the durability of the fuel cell is improved.

また、セパレータ１８、セル１９の製造から、モジュール化、スタック化まで、位置決めピン３５を用いて、位置ずれを防止しながら製造することにより、セル１９内のアノード側セパレータ、カソード側セパレータの位置ずれ、さらにはセル同士の位置ずれを抑制できる。このため、セパレータ間およびセパレータとＭＥＡ間の接触面積、面圧が適正化され、パスカットや電気接触抵抗が低減し、性能が向上する。
また、積層工程においてセル１９がずれることが無いため、作業が簡素化し、生産性が向上する。
また、従来のセパレータ外形基準による位置出しと異なり、本発明ではセル１９内に基準をもつので、外形基準では端面の変形のおそれがある薄いカーボンセパレータやプレス成形のメタルセパレータでも、位置決めが可能である。 Further, from the manufacture of the separator 18 and the cell 19 to the modularization and stacking, the positioning pins 35 are used to manufacture while preventing the positional deviation, so that the anode side separator and the cathode side separator in the cell 19 are misaligned. Furthermore, the positional deviation between cells can be suppressed. For this reason, the contact area and the surface pressure between the separators and between the separator and the MEA are optimized, the path cut and the electrical contact resistance are reduced, and the performance is improved.
In addition, since the cells 19 are not displaced in the stacking process, the work is simplified and the productivity is improved.
In addition, unlike the positioning based on the conventional separator outer shape reference, the present invention has a reference in the cell 19, so that positioning is possible even with a thin carbon separator or press-molded metal separator that may cause deformation of the end face according to the outer shape reference. is there.

本発明の燃料電池の、位置決めピンが挿通される一つのグループの複数セル分と隣りのグループの複数セル分の分解斜視図である。 The fuel cells of the present invention, is an exploded perspective view of a plurality of cells of a group of adjacent and plurality of cells of one group of positioning pins are inserted. 図１の燃料電池の、セル積層中の、斜視図である。In Figure 1 the fuel cells, in the cell stack, a perspective view. 図１の燃料電池の、セル積層完了時と、スタック荷重付与時の、斜視図である。In Figure 1 the fuel cells, and when the cell stack completed, the time of grant stack load is a perspective view. 燃料電池のスタックの側面図である。It is a side view of the stack of a fuel cell. 図４の燃料電池の一部の断面図である。FIG. 5 is a partial cross-sectional view of the fuel cell of FIG. 4.

１０（固体高分子電解質型）燃料電池
１１電解質膜
１２触媒層
１３拡散層
１４電極（アノード、燃料極）
１５触媒層
１６拡散層
１７電極（カソード、空気極）
１８セパレータ
１９セル
２０ターミナル
２１インシュレータ
２２エンドプレート
２３スタック
２４外側部材または締結部材（テンションプレート）
２５ボルト
２６冷媒流路
２７燃料ガス流路
２８酸化ガス流路
２９冷媒マニホールド
３０燃料ガスマニホールド
３１酸化ガスマニホールド
３２シール材（ゴムガスケット）
３３シール材（接着剤）
３４ピン孔
３５位置決めピン 10 (solid polymer electrolyte type) fuel cell 11 electrolyte membrane 12 catalyst layer 13 diffusion layer 14 electrode (anode, fuel electrode)
15 Catalyst layer 16 Diffusion layer 17 Electrode (cathode, air electrode)
18 Separator 19 Cell 20 Terminal 21 Insulator 22 End plate 23 Stack 24 Outer member or fastening member (tension plate)
25 Bolt 26 Refrigerant channel 27 Fuel gas channel 28 Oxidizing gas channel 29 Refrigerant manifold 30 Fuel gas manifold 31 Oxidizing gas manifold 32 Sealing material (rubber gasket)
33 Sealing material (adhesive)
34 Pin hole 35 Positioning pin

Claims

Pin holes penetrating all cells are provided at a plurality of different positions in the cell plane direction of the fuel cell stack, and each pin hole has a plurality of positioning pins shorter than the stack length in series and spaced from each other. Each positioning pin is fixed to one of the cells by making it non-slidable with respect to the pin hole of the one cell. A fuel cell that is fitted with a positioning pin at two or more pin holes among a plurality of pin holes at different positions in the cell in-plane direction, and the positioning pins do not protrude from the fuel cell stack.

Each locating pin is fixed to any one cell by making it non-slidable with respect to the pin hole of the one cell, and making it slidable with respect to the pin hole with other cells The fuel cell according to claim 1, wherein the fuel cell is displaceable in a cell stacking direction.

The fuel cell according to claim 1, wherein positioning pins are provided on the front and back of the specific cell composed of cells not positioned at the end of the cell stack in the cell stacking direction and extend in opposite directions.

A first positioning pin inserted into a first pin hole at a first position in the cell plane direction of the fuel cell stack, and a second position different from the first position in the cell plane direction of the fuel cell stack the second positioning pin into the second pin hole in the position which is inserted in the cell stacking direction of the fuel cell stack, the length the length of the part and a second positioning pin of the first positioning pin The fuel cell according to claim 1, wherein a part of the fuel cell is disposed so as to overlap each other and the pin end positions are shifted from each other.