JP4901910B2 - 燃料電池 - Google Patents

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ユニットセルを備え、前記ユニットセルが接合ピンにより一体化される燃料電池及びその製造方法に関する。

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（ＭＥＡ）を、セパレータによって挟持した単位セル（ユニットセル）を構成している。この種の燃料電池（単位セル）は、通常、所定の数だけ積層されることにより、燃料電池スタックとして使用されている。

この種の燃料電池では、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。

この従来の燃料電池は、第１及び第２セパレータの外周を、複数個所で保持する複数の金属クリップ部材を備え、前記金属クリップ部材は、側板部と、前記側板部の端部で屈曲して前記第１及び第２セパレータの外周を把持する第１及び第２舌片部とを有し、前記第１及び第２舌片部は、前記側板部よりも長尺に構成されるとともに、ばね性を備えている。

特開２００４−２４１２０８号公報

上記の燃料電池では、各燃料電池毎に複数箇所に金属クリップ部材を装着する作業が必要である。このため、金属クリップ部材の装着作業が煩雑化し、特に数百の燃料電池を積層して燃料電池スタックを組み立てる際に、作業に相当の時間と手間がかかってしまう。これにより、効率的な組み立て作業が遂行されないという問題がある。

本発明はこの種の問題を解決するものであり、複数の燃料電池を容易且つ迅速に組み立てることができ、前記燃料電池の組み立て作業を効率的に行うことが可能な燃料電池及びその製造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交互に積層されて構成されるセルユニットを備え、前記セパレータの周縁部に形成された孔部に挿入される接合ピンにより前記セルユニットが一体化される燃料電池に関するものである。

接合ピンは、セルユニットの一端側（セパレータ）に係合する大径フランジ部と、前記大径フランジ部から延在する柱体部と、前記柱体部の先端部に設けられ前記セルユニットの他端側（セパレータ）に係合する頭部とを有するとともに、前記大径フランジ部には、接合ピン吸引保持用の凹部が形成されている。

また、凹部は、接合ピン軸方向内方に向かって縮径するテーパ形状に設定されることが好ましい。

さらに、接合ピンは、樹脂材で形成されるとともに、頭部は、柱体部の端部を溶融により拡径させて構成されることが好ましい。

本発明によれば、接合ピンの大径フランジ部に凹部が設けられるため、この凹部を吸引することにより、前記接合ピンを位置決め保持することができる。従って、複数の接合ピンをそれぞれ確実に位置決め保持した状態で、セルユニットを各接合ピンに対して一体に配設させることが可能になる。

これにより、特に小型で且つ多数の接合ピンが使用される際に、前記接合ピンを介してセルユニットを一体化させる作業が正確且つ迅速に遂行され、作業性の向上が容易に図られる。

また、本発明によれば、接合ピンは、凹部が吸引されることにより組み立て位置に確実に位置決め保持された状態で、セルユニットの孔部に前記接合ピンが挿入されている。このため、接合ピンをセルユニットの孔部に挿入する作業が簡素化される。

次いで、セルユニットから外部に露呈する接合ピンの端部が拡径されることにより、前記接合ピンを介して前記セルユニットを一体化させることができる。これにより、セルユニットの製造作業が簡単且つ迅速に遂行可能になる。

本発明の第１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。 前記燃料電池を構成する第１セパレータの一方の面側の説明図である。 前記燃料電池を構成する第２セパレータの一方の面側の説明図である。 前記燃料電池を構成する第３セパレータの正面説明図である。 前記燃料電池を構成する樹脂製締結部の、図１中、Ｖ−Ｖ線断面図である。 前記樹脂製締結部に接合ピンが挿入される際の、図１中、ＶＩ−ＶＩ線断面図である。 溶着装置の概略斜視説明図である。 前記樹脂製締結部により燃料電池を組み立てる際の説明図である。 成形装置の概略説明図である。 前記成形装置が離型された状態の説明図である。 前記成形装置から接合ピンが離型される際の説明図である。 吸着作業台上に前記接合ピンが吸着保持される際の説明図である。 前記接合ピンに燃料電池が配置される際の説明図である。 本発明の第２の実施形態に係る燃料電池の要部分解斜視説明図である。 前記燃料電池を構成する樹脂製締結部の断面説明図である。 本発明の第３の実施形態に係る燃料電池を構成するセルユニットの要部断面説明図である。

図１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、セルユニット１２を備え、前記セルユニット１２が接合ピン１３により一体化される。セルユニット１２は、第１セパレータ１４、第１電解質膜・電極構造体（電解質・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１６ｂ及び第３セパレータ２０を設け、これらが水平方向（矢印Ａ方向）又は重力方向（矢印Ｃ方向）に積層される。

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、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は、第２電解質膜・電極構造体１６ｂよりも小さな表面積に設定される。第１及び第２電解質膜・電極構造体１６ａ、１６ｂ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２２と、前記固体高分子電解質膜２２を挟持するアノード側電極２４及びカソード側電極２６とを備える。

アノード側電極２４は、カソード側電極２６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。固体高分子電解質膜２２、アノード側電極２４及びカソード側電極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積が縮小されている。

アノード側電極２４及びカソード側電極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。

セルユニット１２の長辺方向の（矢印Ｃ方向）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。

セルユニット１２の長辺方向の（矢印Ｃ方向）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。

セルユニット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が設けられるとともに、前記セルユニット１２の短辺方向の他端縁部には、前記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２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３８及び出口バッファ部４０が設けられる。

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。

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、図３に示すように、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５２及び出口バッファ部５４が設けられる。

図１に示すように、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６０及び出口バッファ部６２が設けられる。

図４に示すように、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６８及び出口バッファ部７０が設けられる。

第３セパレータ２０の面２０ｂには、図１に示すように、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（波形状）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が一体成形されるとともに、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〜第３シール部材７４、７６及び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が用いられる。

図１及び図２に示すように、第１セパレータ１４には、燃料ガス入口連通孔３２ａと第１燃料ガス流路３６とを連通する入口側第１連結流路８０ａと、燃料ガス出口連通孔３２ｂと前記第１燃料ガス流路３６とを連通する出口側第１連結流路８０ｂとが設けられる。入口側第１連結流路８０ａは、複数の外側供給孔部８２ａと複数の内側供給孔部８２ｂとを有する。

図１に示すように、面１４ａ側には、燃料ガス入口連通孔３２ａと各外側供給孔部８２ａとを連通する複数の通路８４ａが設けられる。図２に示すように、面１４ｂ側には、外側供給孔部８２ａと内側供給孔部８２ｂとを連通する複数の通路８４ｂが形成される。出口側第１連結流路８０ｂは、同様に、複数の外側排出孔部８６ａと複数の内側排出孔部８６ｂとを有する。

面１４ａ側には、燃料ガス出口連通孔３２ｂと各外側排出孔部８６ａとを連通する複数の通路８８ａが形成される。面１４ｂ側には、外側排出孔部８６ａと内側排出孔部８６ｂとを連通する複数の通路８８ｂが形成される（図２参照）。

図３に示すように、酸化剤ガス入口連通孔３０ａ及び酸化剤ガス出口連通孔３０ｂと第１酸化剤ガス流路５０との連通部分には、複数の入口側連結流路８９ａ及び複数の出口側連結流路８９ｂを形成する複数の受け部９０ａ、９０ｂが設けられる。

第２セパレータ１８には、燃料ガス入口連通孔３２ａと第２燃料ガス流路５８とを連通する入口側第２連結流路９２ａと、燃料ガス出口連通孔３２ｂと前記第２燃料ガス流路５８とを連通する出口側第２連結流路９２ｂとが設けられる。入口側第２連結流路９２ａは、供給孔部９４を有する。面１８ａ側には、燃料ガス入口連通孔３２ａと供給孔部９４とを連通する通路９６ａが形成される。

出口側第２連結流路９２ｂは、同様に、複数の排出孔部９８を有する。面１８ａ側には、排出孔部９８を燃料ガス出口連通孔３２ｂに連通する複数の通路１００ａが形成される。

図４に示すように、第３セパレータ２０には、酸化剤ガス入口連通孔３０ａ及び酸化剤ガス出口連通孔３０ｂと第２酸化剤ガス流路６６の連通部分には、複数の入口側連結流路１０１ａ及び複数の出口側連結流路１０１ｂを形成する複数の受け部１０２ａ、１０２ｂが設けられる。

図１に示すように、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、樹脂製締結部１１０ａ、１１０ｂ及び１１０ｃがそれぞれ複数設けられる。樹脂製締結部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樹脂等で構成される。

樹脂製締結部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。

図１、図２及び図５に示すように、第１セパレータ１４に設けられる樹脂製締結部１１０ａは、面１４ａ側に突出する連結ピン部１１２を一体形成する。連結ピン部１１２の両側には、接合ピン（リビルトピン）１３を選択的に配置可能な、少なくとも第１孔部１１４ａ及び第２孔部１１４ｂが形成される。

図１に示すように、第２及び第３セパレータ１８、２０に設けられた樹脂製締結部１１０ｂ、１１０ｃには、中央に連結ピン部１１２が挿入される新規組み付け時締結用の孔部１１６が形成されるとともに、前記孔部１１６の両側には、少なくとも第１孔部１１４ａ及び第２孔部１１４ｂが形成される。

図１及び図６に示すように、連結ピン部１１２に代えて用いられる接合ピン１３は、樹脂製締結部１１０ａ〜１１０ｃと同様に、絶縁樹脂で構成される。この接合ピン１３は、第１セパレータ１４の第１孔部１１４ａ及び第２孔部１１４ｂよりも大径に設定されて前記第１セパレータ１４の面１４ｂ側に当接する大径フランジ部１１８ａを有する。

大径フランジ部１１８ａには、接合ピン吸引保持用の凹部１２０が形成される。凹部１２０は、接合ピン軸方向（矢印Ａ方向）内方に向かって縮径するテーパ形状に設定される。大径フランジ部１１８ａから膨出する柱体部１１８ｂは、各第１孔部１１４ａ又は第２孔部１１４ｂに選択的に挿入される。柱体部１１８ｂの先端は、後述する溶着処理によって大径化された頭部１１８ｃを構成し、この頭部１１８ｃは、第３セパレータ２０の面２０ｂ側に係止される。

図７に示すように、連結ピン部１１２及び接合ピン１３に溶着処理を施す溶着装置１３０は、架台１３２上に配置される吸着作業台１３４を備える。吸着作業台１３４には、第１孔部１１４ａ及び第２孔部１１４ｂの位置に対応して、６つずつの吸引孔１３６ａ、１３６ｂが形成される。吸引孔１３６ａ、１３６ｂは、それぞれ図示しない負圧発生源に個別に連通する。

吸着作業台１３４の外方には、複数の支柱１３８が立設されるとともに、前記支柱１３８の上部には、昇降アクチュエータ（例えば、リニアモータ等）１４０が装着される。この昇降アクチュエータ１４０には、昇降ベース１４２が取り付けられる。昇降ベース１４２には、連結ピン部１１２及び接合ピン１３に対応して、例えば、６台の溶着チップ１４４が設けられる。溶着チップ１４４は、所定の温度、例えば、２５０℃〜３００℃の温度に加熱されるとともに、前記溶着チップ１４４の先端側には、所定の形状を有する成形面１４４ａが設けられる（図８参照）。

図９は、接合ピン１３を成形する成形装置１５０の概略説明図である。成形装置１５０は、固定型１５２と可動型１５４とを備え、これらの間には、キャビティ１５６が形成される。固定型１５２には、コアピン１５８が配設されるとともに、イジェクトピン１６０が設けられる。コアピン１５８の先端には、接合ピン１３の凹部１２０に対応するテーパ面１５８ａが形成される。

成形装置１５０では、固定型１５２と可動型１５４とが型締めされた状態で、キャビティ１５６に溶融樹脂が充填される。キャビティ１５６内で溶融樹脂が凝固して接合ピン１３が成形された後、可動型１５４が固定型１５２から離間する方向に移動する（図１０参照）。

その際、接合ピン１３は、射出樹脂の収縮により大径フランジ部１１８ａの凹部１２０にコアピン１５８のテーパ面１５８ａが密接している。従って、接合ピン１３は、コアピン１５８に確実に保持されて可動型１５４から離型される。次いで、イジェクトピン１６０が大径フランジ部１１８ａ側に押し込まれることにより、接合ピン１３が固定型１５２から離型される（図１１参照）。このため、接合ピン１３の成形性が良好に向上するという利点がある。

このように構成される燃料電池１０を組み立てる作業について、以下に説明する。

各セルユニット１２の新規組み立て時には、図８に示すように、第１セパレータ１４の樹脂製締結部１１０ａに設けられている連結ピン部１１２が、第２及び第３セパレータ１８、２０の樹脂製締結部１１０ｂ、１１０ｃに設けられている各孔部１１６に一体に挿入される。

この状態で、溶着装置１３０を構成する６台の溶着チップ１４４は、図７に示すように、昇降アクチュエータ１４０の作用下に、昇降ベース１４２と一体に下降する。このため、各溶着チップ１４４は、成形面１４４ａを各連結ピン部１１２の先端に当接させる。

ここで、溶着チップ１４４は、例えば、２５０℃〜３００℃の温度に加熱され、連結ピン部１１２の先端部に１０秒〜３０秒間、１Ｎ〜２Ｎの圧力で押圧される。従って、各連結ピン部１１２の先端が溶融変形されて、頭部１１２ａが形成される（図５参照）。頭部１１２ａは、第３セパレータ２０の面２０ｂ側で拡径し、孔部１１６よりも大径に成形される。これによって、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を一体に組み付けることができる。

上記のように、各セルユニット１２が連結ピン部１１２により締結されて燃料電池１０が構成される。

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（図３及び図４参照）。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のカソード側電極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のカソード側電極２６に供給される（図１参照）。

一方、燃料ガスは、図２及び図３に示すように、燃料ガス入口連通孔３２ａから第１セパレータ１４と第２セパレータ１８との間に形成された通路８４ａ、９６ａに導入される。図２に示すように、通路８４ａに導入された燃料ガスは、外側供給孔部８２ａを通って第１セパレータ１４の面１４ｂ側に移動する。さらに、燃料ガスは、通路８４ｂを通って内側供給孔部８２ｂから面１４ａ側に導入される。

このため、燃料ガスは、通路８４ｂを通って入口バッファ部３８に送られ、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のアノード側電極２４に供給される。

また、通路９６ａに導入された燃料ガスは、図３に示すように、供給孔部９４を通って第２セパレータ１８の面１８ｂ側に移動する。このため、燃料ガスは、図１に示すように、面１８ｂ側で入口バッファ部６０に供給された後、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のアノード側電極２４に供給される。

従って、第１及び第２電解質膜・電極構造体１６ａ、１６ｂでは、カソード側電極２６に供給される酸化剤ガスと、アノード側電極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及び第２電解質膜・電極構造体１６ａ、１６ｂの各カソード側電極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のアノード側電極２４に供給されて消費された燃料ガスは、図２に示すように、出口バッファ部４０から内側排出孔部８６ｂを通って第１セパレータ１４の面１４ｂ側に導出される。

図１に示すように、面１４ｂ側に導出された燃料ガスは、外側排出孔部８６ａに導入され、再度、面１４ａ側に移動する。このため、図２に示すように、燃料ガスは、外側排出孔部８６ａから通路８８ａを通って燃料ガス出口連通孔３２ｂに排出される。

また、第２電解質膜・電極構造体１６ｂのアノード側電極２４に供給されて消費された燃料ガスは、出口バッファ部６２から排出孔部９８を通って面１８ａ側に移動する。この燃料ガスは、図３に示すように、通路１００ａを通って燃料ガス出口連通孔３２ｂ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、図１に示すように、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及び第２電解質膜・電極構造体１６ａ、１６ｂを冷却した後、冷却媒体出口連通孔３４ｂに排出される。

次に、組み立て後の燃料電池１０が、故障等による部品交換や解析等のために分解される際には、先ず、連結ピン部１１２の頭部１１２ａが除去されて各セルユニット１２が互いに分離される。一方、個別に構成されている接合ピン１３が用意される（図１参照）。

図１２に示すように、溶着装置１３０を構成する吸着作業台１３４上には、各接合ピン１３が、例えば、各吸引孔１３６ａに対応して配置される。そして、図示しない負圧発生源の作用下に、吸引孔１３６ａを介して接合ピン１３の凹部１２０が吸引される。このため、接合ピン１３は、吸着作業台１３４上に吸着保持される。

その際、凹部１２０は、接合ピン軸方向内方に向かって縮径するテーパ形状に設定されている。従って、凹部１２０は、求心性を有しており、この凹部１２０が吸引されることによって、接合ピン１３は、所望の作業位置に対して高精度且つ確実に位置決め保持されるという効果がある。

次いで、図１３に示すように、吸着作業台１３４上には、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が、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を挟持して積層されるとともに、接合ピン１３が、例えば、各第１孔部１１４ａに一体に挿入される。

接合ピン１３は、柱体部１１８ｂが各第１孔部１１４ａに一体に挿入されるとともに、大径フランジ部１１８ａが第１セパレータ１４に当接支持される。この状態で、昇降アクチュエータ１４０の作用下に、６台の溶着チップ１４４は、昇降ベース１４２と一体に下降する。

これにより、各柱体部１１８ｂの先端には、各溶着チップ１４４を介して溶着処理が施され、頭部１１８ｃが形成される。従って、セルユニット１２は、接合ピン１３の大径フランジ部１１８ａと頭部１１８ｃとに一体的に挟持されて、燃料電池１０の再組み立てが行われる。

ここで、互いに隣接するセルユニット１２では、一方のセルユニット１２を構成する第１孔部１１４ａに接合ピン１３が挿入されるとともに、他方のセルユニット１２を構成する第２孔部１１４ｂに接合ピン１３が挿入されている。このため、互いに隣接するセルユニット１２では、各接合ピン１３同士が積層方向に沿って千鳥状に配置されることにより、前記接合ピン１３同士の干渉を阻止することができ、積層方向の寸法を可及的に短尺化することが可能になる。

上記のように、セルユニット１２の再組み立て時には、連結ピン部１１２に代えて、別体の接合ピン１３が用いられている。接合ピン１３は、各第１孔部１１４ａ又は各第２孔部１１４ｂに一体に挿入されるだけで、セルユニット１２の再組み立て作業が迅速且つ良好に遂行されるという効果が得られる。

また、セルユニット１２の再組み立て時に、接合ピン１３を各第１孔部１１４ａに一体に挿入する一方、前記燃料電池の再々組み立て時に、前記接合ピン１３を各第２孔部１１４ｂに一体に挿入することができる。これにより、セルユニット１２の組み立てが複数回にわたって容易に行われるため、前記セルユニット１２の部品交換や解析等の種々の処理が良好に遂行可能になる。

従って、第１電解質膜・電極構造体１６ａや第２電解質膜・電極構造体１６ｂの改修や交換が必要になった際にも、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を再利用することができる。このため、経済的であるとともに、セルユニット１２の分解及び再組み立て作業が一挙に簡素化されるという利点がある。

さらに、第１の実施形態では、接合ピン１３の大径フランジ部１１８ａに凹部１２０が設けられている。このため、吸着作業台１３４上で、凹部１２０を吸引することにより、接合ピン１３を確実に位置決め保持することができる。従って、複数の接合ピン１３をそれぞれ位置決め保持した状態で、セルユニット１２を各接合ピン１３に対して一体に配設させることが可能になる。

これにより、特に小型で且つ多数の接合ピン１３が使用される際に、前記接合ピン１３を介してセルユニット１２を一体化させる作業が正確且つ迅速に遂行され、燃料電池１０の製造作業性の向上が容易に図られるという効果が得られる。

図１４は、本発明の第２の実施形態に係る燃料電池１７０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。

燃料電池１７０は、複数のセルユニット１７２を積層して構成され、前記セルユニット１７２は、第１セパレータ１７４、電解質膜・電極構造体１７６及び第２セパレータ１７８を備える。

セルユニット１７２の長辺方向（矢印Ｃ方向）の上端縁部には、酸化剤ガス入口連通孔３０ａ、燃料ガス入口連通孔３２ａ及び冷却媒体入口連通孔３４ａが形成される。セルユニット１７２の長辺方向の下端縁部には、酸化剤ガス出口連通孔３０ｂ、燃料ガス出口連通孔３２ｂ及び冷却媒体出口連通孔３４ｂが形成される。

第１セパレータ１７４の電解質膜・電極構造体１７６に向かう面１４ａには、第１燃料ガス流路３６が形成され、第２セパレータ１７８の前記電解質膜・電極構造体１７６に向かう面２０ａには、第１酸化剤ガス流路５０が形成される。第１セパレータ１７４の面１４ｂと第２セパレータ１７８の面２０ｂとの間には、冷却媒体流路４４が形成される。

第１セパレータ１７４の外周縁部には、図１４及び図１５に示すように、複数の樹脂製締結部１８０ａが設けられるとともに、第２セパレータ１７８の外周縁部には、前記樹脂製締結部１８０ａに対応して樹脂製締結部１８０ｂが、複数設けられる。

樹脂製締結部１８０ａは、中央に連結ピン部１１２が一体成形されるとともに、前記連結ピン部１１２の両側に、少なくとも第１孔部１１４ａ及び第２孔部１１４ｂが形成される。樹脂製締結部１８０ｂは、中央部に孔部１１６が形成されるとともに、前記孔部１１６の両側に、接合ピン１３が選択的に挿入される少なくとも第１孔部１１４ａ及び第２孔部１１４ｂが形成される。

このように構成される第２の実施形態では、上記の第１の実施形態と同様の効果が得られる。

図１６は、本発明の第３の実施形態に係る燃料電池１９０を構成するセルユニット１９２の要部断面説明図である。

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。

セルユニット１９２を構成する第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には、それぞれ外周縁部に樹脂製締結部１９４ａ、１９４ｂ及び１９４ｃが設けられる。第１セパレータ１４に設けられた樹脂製締結部１９４ａには、積層方向に膨出して連結ピン部１９６が一体成形されるとともに、第３セパレータ２０には、孔部１１６を周回してテーパ面１９８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１４の樹脂製締結部１９４ａに一体成形された連結ピン部１９６が、第２セパレータ１８及び第３セパレータ２０の各孔部１１６に一体に挿入された後、先端部に溶着処理が施されることによって円錐状の頭部１９６ａが形成される。

この頭部１９６ａは、第３セパレータ２０のテーパ面１９８の形状に沿って成形されており、第１セパレータ１４、第２セパレータ１８及び前記第３セパレータ２０を互いに位置決めした状態で組み立てることができる。従って、この第３の実施形態は、位置決め精度が向上する他、上記の第１及び第２の実施形態と同様の効果が得られる。

１０、１７０、１９０…燃料電池 １２、１７２、１９２…セルユニット
１３…接合ピン
１４、１８、２０、１７４、１７８…セパレータ
１６ａ、１６ｂ、１７６…電解質膜・電極構造体
２２…固体高分子電解質膜 ２４…アノード側電極
２６…カソード側電極 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…燃料ガス流路
４４…冷却媒体流路 ５０、６６…酸化剤ガス流路
７４、７６、７８…シール部材
１１０ａ〜１１０ｃ、１８０ａ、１８０ｂ、１９４ａ〜１９４ｃ…樹脂製締結部
１１４ａ、１１４ｂ、１１６…孔部 １１８ａ…大径フランジ部
１１８ｂ…柱体部 １１８ｃ…頭部
１２０…凹部 １３０…溶着装置
１３２…架台 １３４…吸着作業台
１３６ａ、１３６ｂ…吸引孔 １４０…昇降アクチュエータ
１４４…溶着チップ １５０…成形装置
１５２…固定型 １５４…可動型
１５６…キャビティ

Claims (2)

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交互に積層されて構成されるセルユニットを備え、前記セパレータの周縁部に形成された孔部に挿入される接合ピンにより前記セルユニットが一体化される燃料電池であって、
   前記接合ピンは、前記セルユニットの一端側に係合する大径フランジ部と、
   前記大径フランジ部から延在する柱体部と、
   前記柱体部の先端部に設けられ前記セルユニットの他端側に係合する頭部と、
   を有し、
   前記大径フランジ部には、接合ピン吸引保持用の凹部が形成され、前記凹部は、接合ピンの軸方向内方に向かって縮径するテーパ形状である
   ことを特徴とする燃料電池。
2. 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交互に積層されて構成されるセルユニットを備え、前記セパレータの周縁部に形成された孔部に挿入される接合ピンにより前記セルユニットが一体化される燃料電池であって、
   前記接合ピンは、前記セルユニットの一端側に係合する大径フランジ部と、
   前記大径フランジ部から延在する柱体部と、
   前記柱体部の先端部に設けられ前記セルユニットの他端側に係合する頭部と、
   を有し、
   前記接合ピンは、樹脂材で前記大径フランジ部と前記柱体部と前記頭部とが一体的に形成されるとともに、
   前記大径フランジ部には、接合ピン吸引保持用の凹部が形成され、
   前記凹部は、接合ピンの軸方向内方に向かって縮径するテーパ形状であり、
   前記頭部は、前記柱体部の端部を溶融により拡径させて構成される
   ことを特徴とする燃料電池。

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