JP5638448B2 - 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、外周部に額縁状樹脂枠が設けられた長方形状の電解質膜・電極構造体と、長方形状のセパレータとが積層される燃料電池ユニットを備え、複数の前記燃料電池ユニットが積層される燃料電池に関する。

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ている。この燃料電池は、通常、所定の数だけ積層されることにより、例えば、車載用燃料電池として使用されている。

その際、セパレータとして金属セパレータが使用される場合、アノード側金属セパレータの一方の面に燃料ガス流路用の凹部を設けると、前記金属セパレータの他方の面には、前記凹部の裏面形状である凸部が形成される。さらに、カソード側金属セパレータの一方の面に酸化剤ガス流路用の凹部を設けると、前記金属セパレータの他方の面には、前記凹部の裏面形状である凸部が形成される。

例えば、特許文献１に開示されているように、固体電解質の両側に電極を配した燃料電池セル（燃料電池ユニット）が複数積層されてなる燃料電池スタックにおいて、前記燃料電池セルの間に介挿されて用いられ、一方の側面には、隣接する一方の燃料電池セルに燃料ガスを供給するための燃料ガス流路溝を備えるとともに、他方の側面には、隣接する他方の燃料電池セルに酸化剤ガスを供給するための酸化剤ガス流路溝を備えた燃料電池用セパレータが知られている。

特開平８−２２２２３７号公報

ところで、燃料電池スタックでは、所定数の燃料電池セル間に冷却媒体流路が形成される、所謂、間引き冷却構造を採用する場合がある。この種の間引き冷却構造を有する燃料電池スタックに、上記の従来技術を採用すると、燃料電池ユニット間に冷却媒体流路を形成するために、互いに隣接するセパレータの流路位相を反転させる必要がある。

これにより、流路位相の異なる２種類の第１及び第２燃料電池セルを用意し、前記第１燃料電池セルと前記第２燃料電池セルとを交互に積層した燃料電池スタックを採用することになる。しかしながら、例えば、２つの電解質膜・電極構造体を有する燃料電池セルを構成する場合、各燃料電池セル毎に、３枚の金属セパレータが使用されるため、６枚の形状の異なる金属セパレータを製造しなければならず、金型数が増加して経済的では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、簡単且つ経済的な構成で、燃料電池ユニットを確実に位置決め保持するとともに、セパレータの共用化を図ることが可能な燃料電池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、外周部に額縁状樹脂枠が設けられた長方形状の電解質膜・電極構造体と、長方形状のセパレータとが積層される燃料電池ユニットを備え、複数の前記燃料電池ユニットが積層される燃料電池に関するものである。

この燃料電池では、互いに隣接する燃料電池ユニットは、一方の前記燃料電池ユニットが、他方の該燃料電池ユニットと同一の姿勢から、電極面に垂直な軸回りに１８０°回転して他方の前記燃料電池ユニットと交互に積層されている。そして、燃料電池ユニットは、互いに対向する２つの長辺に、それぞれ複数の締結部材が設けられ、前記締結部材により前記燃料電池ユニットが一体に保持されるとともに、一方の前記長辺に設けられた複数の前記締結部材と他方の前記長辺に設けられた複数の前記締結部材とは、互いに半ピッチずれており、一方の前記燃料電池ユニットが軸回りに１８０°回転した際に、一方の前記燃料電池ユニットの一方の長辺に設けられる前記締結部材は、一方の前記燃料電池ユニットが回転しなかったと仮定した際の仮想上の他方の長辺に設けられる前記締結部材同士の間に配置されている。

また、この燃料電池では、締結部材は、額縁状樹脂枠と一体成形される樹脂製凸状部であり、前記樹脂製凸状部は、他の構成部材に設けられる孔部に挿入されてかしめ処理されることが好ましい。

さらに、この燃料電池では、隣接する燃料電池ユニットは、一方の該燃料電池ユニットが、軸回りに１８０°回転した状態で、他方の該燃料電池ユニットに積層されるとともに、電解質膜・電極構造体には、回転姿勢検出用識別部が設けられることが好ましい。

さらにまた、この燃料電池では、額縁状樹脂枠には、燃料ガスを燃料電池ユニットの積層方向に流通させる燃料ガス入口連通孔と燃料ガス出口連通孔とが、酸化剤ガスを前記積層方向に流通させる酸化剤ガス入口連通孔と酸化剤ガス出口連通孔とが、冷却媒体を前記積層方向に流通させる冷却媒体入口連通孔と冷却媒体出口連通孔とが、それぞれ点対称位置に設けられることが好ましい。

また、この燃料電池では、燃料電池ユニットは、第１の電解質膜・電極構造体、第１のセパレータ、第２の前記電解質膜・電極構造体、第２の前記セパレータ及び第３の前記セパレータの順に積層され、締結部材により一体に保持されることが好ましい。

本発明では、隣接する燃料電池ユニットは、互いに１８０°回転した状態で積層されるため、各燃料電池ユニットには、同一形状のセパレータを組み込むことができる。各燃料電池ユニットでは、セパレータの流路位相が反転するからである。従って、セパレータの共用化を図ることが可能になり、部品点数が良好に削減され、燃料電池全体の製造コストを削減することができる。

しかも、燃料電池ユニットは、各長辺側に設けられたそれぞれ複数の締結部材により一体に保持されている。その際、各長辺に設けられた締結部材は、互いに１８０°回転した状態で、実質的に半ピッチずれている。このため、各燃料電池ユニット毎にセパレータを所望の姿勢で確実且つ容易に組み込むことができ、前記セパレータの誤組が可及的に阻止される。これにより、簡単且つ経済的な構成で、燃料電池ユニットを確実に位置決め保持することが可能になる。

本発明の実施形態に係る燃料電池の斜視説明図である。 前記燃料電池を構成する燃料電池ユニットの要部分解斜視説明図である。 前記燃料電池の、図２中、ＩＩＩ−ＩＩＩ線断面図である。 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第１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第２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第１電解質膜・電極構造体の正面説明図である。 前記燃料電池を構成する第２電解質膜・電極構造体の正面説明図である。 前記燃料電池の、図８中、ＩＸ−ＩＸ線断面図である。

図１に示すように、本発明の実施形態に係る燃料電池１０は、交互に積層される燃料電池ユニット１２Ａ、１２Ｂを備えるとともに、前記燃料電池ユニット１２Ａ、１２Ｂは、水平方向（矢印Ａ方向）又は重力方向（矢印Ｃ方向）に積層されてスタック化される。

図２に示すように、燃料電池ユニット１２Ａは、第１電解質膜・電極構造体（ＭＥＡ）１４ａ、第１セパレータ１６、第２電解質膜・電極構造体（ＭＥＡ）１４ｂ、第２セパレータ１８及び第３セパレータ２０の順に積層される。第１電解質膜・電極構造体１４ａ、第１セパレータ１６、第２電解質膜・電極構造体１４ｂ、第２セパレータ１８及び第３セパレータ２０は、それぞれ長方形状を有しており、例えば、横長形状に配設される。

第１セパレータ１６、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１６、第２セパレータ１８及び第３セパレータ２０は、それぞれ点対称形状を有するとともに、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。

第２セパレータ１８の外周部と第３セパレータ２０の外周部とは、溶接、接着、ロウ付け又はかしめ等の接合手段により接合され、内部である冷却媒体流路５２（後述する）が気密に密閉される。なお、第１セパレータ１６、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１４ａ及び第２電解質膜・電極構造体１４ｂは、それぞれ点対称形状を有するとともに、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（図３参照）。

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。

固体高分子電解質膜２２は、アノード側電極２４及びカソード側電極２６よりも大きな表面積に設定される。この固体高分子電解質膜２２の外周端縁部には、樹脂製の額縁部（額縁状樹脂枠）２８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、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等が採用される。

図２に示すように、額縁部２８の矢印Ｂ方向の一端縁部には、矢印Ａ方向に互いに連通して、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、冷却媒体を排出するための冷却媒体出口連通孔３４ｂ及び燃料ガス、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３２ｂが、矢印Ｃ方向（鉛直方向）に配列して設けられる。

額縁部２８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３２ａ、冷却媒体を供給するための冷却媒体入口連通孔３４ａ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、矢印Ｃ方向に配列して設けられる。

第１セパレータ１６、第２セパレータ１８及び第３セパレータ２０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、燃料ガス出口連通孔３２ｂ、燃料ガス入口連通孔３２ａ、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。

図２及び図４に示すように、第３セパレータ２０の第１電解質膜・電極構造体１４ａに対向する面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１酸化剤ガス流路３６が形成される。第１酸化剤ガス流路３６は、矢印Ｂ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酸化剤ガス流路３６の入口及び出口近傍には、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３セパレータ２０の矢印Ｂ方向両端には、酸化剤ガス入口連通孔３０ａ及び酸化剤ガス出口連通孔３０ｂに対応して突出する突起部４２ａ、４２ｂが設けられる。突起部４２ａには、酸化剤ガス入口連通孔３０ａを第１酸化剤ガス流路３６に連通する入口流路４４ａが波状に形成される一方、突起部４２ｂには、酸化剤ガス出口連通孔３０ｂを前記第１酸化剤ガス流路３６に連通する出口流路４４ｂが波状に形成される。

第３セパレータ２０の矢印Ｃ方向両端部には、矢印Ｂ方向に長尺形状を有して外方（矢印Ｃ方向）に突出する突出部４６ａ、４６ｂが形成される。突出部４６ａには、複数の孔部４８ａが矢印Ｂ方向に沿って等間隔ずつ離間して貫通形成される。突出部４６ｂには、同様に、複数の孔部４８ｂが矢印Ｂ方向に沿って等間隔ずつ離間して貫通形成される。

図４に示すように、第３セパレータ２０の電極面に垂直な軸Ｏを通る長辺の中心線Ｌは、一方の長辺側で、複数の孔部４８ａのいずれかの中心を通るとともに、他方の長辺側で、孔部４８ｂ同士の間を通る。すなわち、第３セパレータ２０が軸Ｏ回りに１８０°回転した際に、一方の長辺側に設けられる孔部４８ａは、回転前の他方の長辺側に設けられる孔部４８ｂ同士の間に位置して、換言すれば、半ピッチずらした状態で、配設される。

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５２が形成される。この冷却媒体流路５２は、第１酸化剤ガス流路３６の裏面形状である。

図５に示すように、第１セパレータ１６の第１電解質膜・電極構造体１４ａに対向する面１６ａ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５４が形成される。第１燃料ガス流路５４は、矢印Ｂ方向に延在する複数の波状流路溝を有する。第１燃料ガス流路５４の入口及び出口近傍には、入口バッファ部５６及び出口バッファ部５８が設けられる。

第１セパレータ１６の矢印Ｂ方向両端には、燃料ガス入口連通孔３２ａ及び燃料ガス出口連通孔３２ｂに対応して突出する突起部５８ａ、５８ｂと、酸化剤ガス入口連通孔３０ａ及び酸化剤ガス出口連通孔３０ｂに対応して突出する突起部６０ａ、６０ｂとが設けられる。面１６ａにおいて、突起部５８ａには、燃料ガス入口連通孔３２ａを第１燃料ガス流路５４に連通する入口流路６２ａが波状に形成される一方、突起部５８ｂには、燃料ガス出口連通孔３２ｂを前記第１燃料ガス流路５４に連通する出口流路６２ｂが波状に形成される。

図２に示すように、第１セパレータ１６の第１電解質膜・電極構造体１４ｂに対向する面１６ｂ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６４が形成される。第２酸化剤ガス流路６４は、矢印Ｂ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酸化剤ガス流路６４の入口及び出口近傍には、入口バッファ部６６及び出口バッファ部６８が設けられる。

面１６ｂにおいて、突起部６０ａには、酸化剤ガス入口連通孔３０ａを第２酸化剤ガス流路６４に連通する入口流路７０ａに波状に形成される一方、突起部６０ｂには、酸化剤ガス出口連通孔３０ｂを前記第２酸化剤ガス流路６４に連通する出口流路７０ｂが波状に形成される。

第１セパレータ１６の矢印Ｃ方向両端部には、矢印Ｂ方向に長尺形状を有して外方（矢印Ｃ方向）に突出する外方に突出する突出部７２ａ、７２ｂが形成される。図５に示すように、突出部７２ａには、複数の孔部７４ａが矢印Ｂ方向に沿って等間隔ずつ離間して貫通形成される。突出部７２ｂには、同様に、複数の孔部７４ｂが矢印Ｂ方向に沿って等間隔ずつ離間して貫通形成される。

第１セパレータ１６の電極面に垂直な軸Ｏを通る長辺の中心線Ｌは、一方の長辺側で、複数の孔部７４ａのいずれかの中心を通るとともに、他方の長辺側で、孔部７４ｂ同士の間を通る。すなわち、第１セパレータ１６が軸Ｏ回りに１８０°回転した際に、一方の長辺側に設けられる孔部７４ａは、回転前の他方の長辺側に設けられる孔部７４ｂ同士の間に位置して、換言すれば、半ピッチずらした状態で、配設される。

図６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１４ｂに対向する面１８ａ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７８が形成される。第２燃料ガス流路７８は、矢印Ｂ方向に延在する複数の波状流路溝を有する。第２燃料ガス流路７８の入口及び出口近傍には、入口バッファ部８０及び出口バッファ部８２が設けられる。

第２セパレータ１８の矢印Ｂ方向両端には、燃料ガス入口連通孔３２ａ及び燃料ガス出口連通孔３２ｂに対応して突出する突起部８４ａ、８４ｂと、冷却媒体入口連通孔３４ａ及び冷却媒体出口連通孔３４ｂに対応して突出する突起部８６ａ、８６ｂとが設けられる。

面１８ａにおいて、突起部８４ａには、燃料ガス入口連通孔３２ａを第２燃料ガス流路７８に連通する入口流路８８ａが波状に形成される一方、突起部８４ｂには、燃料ガス出口連通孔３２ｂを前記第２燃料ガス流路７８に連通する出口流路８８ｂが波状に形成される。

図２に示すように、面１８ｂにおいて、突起部８６ａには、冷却媒体入口連通孔３４ａを冷却媒体流路５２に連通する入口流路９０ａが波状に形成される一方、突起部８６ｂには、冷却媒体出口連通孔３４ｂを前記冷却媒体流路５２に連通する出口流路９０ｂが波状に形成される。

面１８ｂは、面１８ａ側の第２燃料ガス流路７８の裏面形状である。この面１８ｂと第３セパレータ２０の面２０ｂとが重なり合うことにより、冷却媒体流路５２が形成される。冷却媒体流路５２の入口及び出口近傍には、入口バッファ部９２及び出口バッファ部９４が設けられる。

図２及び図６に示すように、第２セパレータ１８の矢印Ｃ方向両端には、矢印Ｂ方向に長尺形状を有して外方（矢印Ｃ方向）に突出する突出部９６ａ、９６ｂが形成される。突出部９６ａには、複数の孔部９８ａが矢印Ｂ方向に沿って等間隔ずつ離間して貫通形成される。突出部９６ｂには、同様に、複数の孔部９８ｂが矢印Ｂ方向に沿って等間隔ずつ離間して貫通形成される。

第２セパレータ１８の電極面に垂直な軸Ｏを通る長辺の中心線Ｌは、一方の長辺側で、複数の孔部９８ａのいずれかの中心を通るとともに、他方の長辺側で、孔部９８ｂ同士の間を通る。すなわち、第２セパレータ１８が軸Ｏ回りに１８０°回転した際に、一方の長辺側に設けられる孔部９８ａは、回転前の他方の長辺側に設けられる孔部９８ｂ同士の間に位置して、換言すれば、半ピッチずらした状態で、配設される。

第１電解質膜・電極構造体１４ａの額縁部２８には、第１シール部材１０２が一体成形される。第１シール部材１０２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。なお、以下に説明する第２シール部材１１４は、同様の材料が使用される。

この第１シール部材１０２は、図３に示すように、第３セパレータ２０側の面に、前記第３セパレータ２０の外周縁部を周回して摺接する第１シール部１０２ａを有する。

図３及び図７に示すように、第１シール部材１０２の第１セパレータ１６側の面には、前記第１セパレータ１６の外周部縁部を周回して摺接する第２シール部１０２ｂと、前記第１セパレータ１６の外周部外方に位置し、隣接する第２電解質膜・電極構造体１４ｂの額縁部２８に摺接する第３シール部１０２ｃとが設けられる。

図７に示すように、第３シール部１０２ｃは、第１電解質膜・電極構造体１４ａの矢印Ｃ方向両端側で、矢印Ｂ方向に比較的広範囲にわたって、それぞれ外方に迂回するように形成される。上方の第３シール部１０２ｃの迂回部と第２シール部１０２ｂとの間には、締結部材である複数の樹脂ピン部（樹脂製凸状部）１０４ａが、矢印Ｂ方向に沿って等間隔ずつ離間して形成される。下方の第３シール部１０２ｃの迂回部と第２シール部１０２ｂとの間には、締結部材である複数の樹脂ピン部（樹脂製凸状部）１０４ｂが、矢印Ｂ方向に沿って等間隔ずつ離間して形成される。

第１電解質膜・電極構造体１４ａの電極面に垂直な軸Ｏを通る長辺の中心線Ｌは、一方の長辺側で、複数の樹脂ピン部１０４ａのいずれかの中心を通るとともに、他方の長辺側で、樹脂ピン部１０４ｂ同士の間を通る。すなわち、第１電解質膜・電極構造体１４ａが軸Ｏ回りに１８０°回転した際に、一方の長辺側に設けられる樹脂ピン部１０４ａは、回転前の他方の長辺側に設けられる樹脂ピン部１０４ｂ同士の間に位置して、換言すれば、半ピッチずらした状態で、配設される。

樹脂ピン部１０４ａ、１０４ｂは、第３シール部１０２ｃの迂回部と第２シール部１０２ｂとの間に位置して、すなわち、二重シールの間に位置して設けられる。樹脂ピン部１０４ａ、１０４ｂは、額縁部２８と一体成形されるとともに、第２電解質膜・電極構造体１４ｂ側に突出する（図２参照）。

第１電解膜・電極構造体１４ａの各長辺の両側には、樹脂製ガイド部材１０８ａが額縁部２８と一体成形される。なお、樹脂製ガイド部材１０８ａは、額縁部２８と別体に構成することもできる。樹脂製ガイド部材１０８ａの外周端部１１０ａには、前記外周端部１１０ａから内方に離間する凹状の逃げ部１１２が形成される。

図７に示すように、第１電解質膜・電極構造体１４ａは、額縁部２８の一方の短辺側、すなわち、酸化剤ガス入口連通孔３０ａ、冷却媒体出口連通孔３４ｂ及び燃料ガス出口連通孔３２ｂが設けられる短辺２８ａの両角部（又は一方の角部）に切り欠き部（又は突起部やマーカとなる部材を設けてもよい）（回転姿勢検出用識別部）１１３ａ、１１３ｂが形成される。

図３及び図８に示すように、第２電解質膜・電極構造体１４ｂの額縁部２８には、第２シール部材１１４が一体成形される。この第２シール部材１１４は、第２セパレータ１８側の面に、前記第２セパレータ１８の外周縁部を周回して周接する第１シール部１１４ａと、前記第２セパレータ１８の外周部外方に位置し、隣接する第１電解質膜・電極構造体１４ａの額縁部２８に周接する第２シール部１１４ｂとを有する。

図８に示すように、第２シール部１１４ｂは、第２電解質膜・電極構造体１４ｂの矢印Ｃ方向両端側で、矢印Ｂ方向に比較的広範囲にわたって、それぞれ外方に迂回するように形成される。上方の第２シール部１１４ｂの迂回部と第１シール部１１４ａとの間には、複数の孔部１１６ａが矢印Ｂ方向に沿って等間隔ずつ離間して貫通形成される。下方の第２シール部１１４ｂの迂回部と第１シール部１１４ａとの間には、複数の孔部１１６ｂが矢印Ｂ方向に沿って等間隔ずつ離間して貫通形成される。

第２電解質膜・電極構造体１４ｂの電極面に垂直な軸Ｏを通る長辺の中心線Ｌは、一方の長辺側で、複数の孔部１１６ａのいずれかの中心を通るとともに、他方の長辺側で、孔部１１６ｂ同士の間を通る。すなわち、第２電解質膜・電極構造体１４ｂが軸Ｏ回りに１８０°回転した際に、一方の長辺側に設けられる孔部１１６ａは、回転前の他方の長辺側に設けられる孔部１１６ｂ同士の間に位置して、換言すれば、半ピッチずらした状態で、配設される。

図８に示すように、第２電解質膜・電極構造体１４ｂの額縁部２８には、樹脂製ガイド部材１０８ｂが一体成形される。樹脂製ガイド部材１０８ｂは、外周端部１１０ｂを設けるとともに、この外周端部１１０ｂは、第１電解質膜・電極構造体１４ａの樹脂製ガイド部材１０８ａに設けられた逃げ部１１２から外方に露呈している。

第２電解質膜・電極構造体１４ｂは、額縁部２８の一方の短辺側、すなわち、酸化剤ガス入口連通孔３０ａ、冷却媒体出口連通孔３４ｂ及び燃料ガス出口連通孔３２ｂが設けられる短辺２８ａの両角部（又は一方の角部）に切り欠き部（又は突起部やマーカとなる部材を設けてもよい）（回転姿勢検出用識別部）１１３ａ、１１３ｂが形成される。

図９に示すように、第１電解質膜・電極構造体１４ａの額縁部２８に設けられている複数の樹脂ピン部１０４ａは、第１セパレータ１６の孔部７４ａ、第２電解質膜・電極構造体１４ｂの孔部１１６ａ、第２セパレータ１８の孔部９８ａ及び第３セパレータ２０の孔部４８ａに一体に挿入される。

樹脂ピン部１０４ａの先端は、溶着ダイを構成する溶着チップ１２０により成形される。この溶着チップ１２０は、所定温度に加熱される成形面１２０ａを有するとともに、前記成形面１２０ａには、略円錐状に突出するかしめ機能部１２２が形成される。

溶着チップ１２０は、所定温度に加熱された状態で、樹脂ピン部１０４ａの先端に押圧される。このため、溶着チップ１２０の成形面１２０ａを介して所定の形状、例えば、大径な頭部１２４が形成されるとともに、かしめ機能部１２２を介してかしめ凹部１２６が形成される。

従って、樹脂ピン部１０４ａは、軸方向に押し潰されるように変形し、すなわち、径方向外方に膨出し、各孔部７４ａ、１１６ａ、９８ａ及び４８ａの内周面に隙間なく一体に嵌合している。なお、樹脂ピン部１０４ｂは、上記の樹脂ピン部１０４ａと同様である。

第１セパレータ１６、第２電解質膜・電極構造体１４ｂ、第２セパレータ１８及び第３セパレータ２０は、第１電解質膜・電極構造体１４ａの額縁部２８と樹脂ピン部１０４ａ、１０４ｂの頭部１２４との間で、保持されている。

燃料電池ユニット１２Ｂは、上記の燃料電池ユニット１２Ａと同一に構成されるとともに、前記燃料電池ユニット１２Ａに対して軸Ｏ回りに１８０°回転し、前記燃料電池ユニット１２Ａと交互に積層される。図３に示すように、燃料電池ユニット１２Ａと燃料電池ユニット１２Ｂとでは、それぞれの流路位相が反転する。

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。

図１及び図２に示すように、酸化剤ガス入口連通孔３０ａに供給された酸素含有ガス等の酸化剤ガスは、第３セパレータ２０の突起部４２ａに形成されている入口流路４４ａを介して第１酸化剤ガス流路３６に供給される。同様に、酸化剤ガスは、第１セパレータ１６の突起部６０ａに形成されている入口流路７０ａを介して第２酸化剤ガス流路６４に供給される。

第１酸化剤ガス流路３６を流通した酸化剤ガスは、第３セパレータ２０の突起部４２ｂに形成されている出口流路４４ｂから酸化剤ガス出口連通孔３０ｂに排出される。同様に、第２酸化剤ガス流路６４を流通した酸化剤ガスは、第１セパレータ１６の突起部６０ｂに形成されている出口流路７０ｂから酸化剤ガス出口連通孔３０ｂに排出される。

一方、燃料ガス入口連通孔３２ａに供給された水素含有ガス等の燃料ガスは、第１セパレータ１６の突起部５８ａに形成されている入口流路６２ａから第１燃料ガス流路５４に供給される。同様に、燃料ガスは、第２セパレータ１８の突起部８４ａに形成されている入口流路８８ａから第２燃料ガス流路７８に供給される。

第１燃料ガス流路５４を流通した燃料ガスは、第１セパレータ１６の突起部５８ｂに形成されている出口流路６２ｂから燃料ガス出口連通孔３２ｂに排出される。同様に、第２燃料ガス流路７８を流通した燃料ガスは、第２セパレータ１８の突起部８４ｂに形成されている出口流路８８ｂから燃料ガス出口連通孔３２ｂに排出される。

また、冷却媒体入口連通孔３４ａに供給された純水やエチレングリコール、オイル等の冷却媒体は、第２セパレータ１８の突起部８６ａに形成されている入口流路９０ａから冷却媒体流路５２に供給される。この冷却媒体は、冷却媒体流路５２を流通した後、突起部８６ｂに形成されている出口流路９０ｂから冷却媒体出口連通孔３４ｂに排出される。

この場合、本実施形態では、隣接する燃料電池ユニット１２Ａ及び燃料電池ユニット１２Ｂは、互いに１８０°回転した状態で積層されている。このため、燃料電池ユニット１２Ａ及び燃料電池ユニット１２Ｂには、同一の第１セパレータ１６、第２セパレータ１８及び第３セパレータ２０を組み込むことができる。図３に示すように、燃料電池ユニット１２Ａと燃料電池ユニット１２Ｂとでは、第１セパレータ１６、第２セパレータ１８及び第３セパレータ２０の流路位相が反転するからである。

従って、第１セパレータ１６、第２セパレータ１８及び第３セパレータ２０の共用化を図ることが可能になり、部品点数が良好に削減される。これにより、実質的にセパレータ数が半減され、燃料電池１０全体の製造コストを削減することができるという効果が得られる。

さらに、第１電解質膜・電極構造体１４ａが軸Ｏ回りに１８０°回転した際に、一方の長辺側に設けられる樹脂ピン部１０４ａは、回転前の他方の長辺側に設けられる樹脂ピン部１０４ｂ同士の間に位置して、換言すれば、半ピッチずらした状態で、配設される。

また、樹脂ピン部１０４ａが一体に挿入される孔部７４ａ、１１６ａ、９８ａ及び４８ａは、第１セパレータ１６、第２電解質膜・電極構造体１４ｂ、第２セパレータ１８及び第３セパレータ２０が軸Ｏ回りに１８０°回転した際に、回転前の孔部７４ｂ、１１６ｂ、９８ｂ及び４８ｂの位置から半ピッチずれた位置に配設される。

これにより、樹脂ピン部１０４ａは、孔部７４ｂ、１１６ｂ、９８ｂ及び４８ｂに挿入されることがなく、一方、樹脂ピン部１０４ｂは、孔部７４ａ、１１６ａ、９８ａ及び４８ａに挿入されることがない。このため、第１電解質膜・電極構造体１４ａ及び第２電解質膜・電極構造体１４ｂに対して、第１セパレータ１６、第２セパレータ１８及び第３セパレータ２０が誤組されることを可及的に阻止することができる。

しかも、第１電解質膜・電極構造体１４ａ及び第２電解質膜・電極構造体１４ｂには、額縁部２８の一方の短辺２８ａの両角部に切り欠き部１１３ａ、１１３ｂが形成されている。従って、燃料電池ユニット１２Ａと燃料電池ユニット１２Ｂとは、各切り欠き部１１３ａ、１１３ｂを矢印Ｂ方向に交互に配置するだけでよい。

これにより、燃料電池ユニット１２Ａと燃料電池ユニット１２Ｂとは、誤組を確実に防止して容易且つ効率的に積層可能であり、燃料電池１０の組み立て作業が一挙に簡素化するという効果が得られる。

さらにまた、燃料電池ユニット１２Ａ、１２Ｂは、各長辺側に設けられたそれぞれ複数の樹脂ピン部１０４ａ、１０４ｂにより一体に保持されている。これにより、簡単且つ経済的な構成で、燃料電池ユニット１２Ａ、１２Ｂを確実に位置決め保持することが可能になる。

なお、本実施形態では、回転姿勢検出用識別部として、切り欠き部１１３ａ、１１３ｂを採用しているが、これに限定されるものではない。例えば、額縁部２８の一部に、凹部、開口部又はスリット等を形成してもよく、あるいは、印字や彩色等の処理を施すこともできる。

また、本実施形態では、燃料電池ユニット１２Ａ、１２Ｂは、２枚のＭＥＡと３枚のセパレータとにより構成されているが、これに限定されるものではない。例えば、１枚のＭＥＡと２枚のセパレータとにより構成される燃料電池ユニットや、３枚のＭＥＡと４枚のセパレータとにより構成される燃料電池ユニット等を使用してもよい。

１０…燃料電池 １２Ａ、１２Ｂ…燃料電池ユニット
１４ａ、１４ｂ…電解質膜・電極構造体 １６、１８、２０…セパレータ
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 ２８…額縁部
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、６４…酸化剤ガス流路
４６ａ、４６ｂ、７２ａ、７２ｂ、９６ａ、９６ｂ…突出部
４８ａ、４８ｂ、７４ａ、７４ｂ、９８ａ、９８ｂ、１１６ａ、１１６ｂ…孔部
５２…冷却媒体流路 ５４、７８…燃料ガス流路
１０２、１１４…シール部材 １０４ａ、１０４ｂ…樹脂ピン部

Claims (5)

1. 電解質膜の両側に一対の電極を設け、外周部に額縁状樹脂枠が設けられた長方形状の電解質膜・電極構造体と、長方形状のセパレータとが積層される燃料電池ユニットを備え、複数の前記燃料電池ユニットが積層される燃料電池であって、
   互いに隣接する前記燃料電池ユニットは、一方の該燃料電池ユニットが、他方の該燃料電池ユニットと同一の姿勢から、電極面に垂直な軸回りに１８０°回転して他方の該燃料電池ユニットと交互に積層され、
   前記燃料電池ユニットは、互いに対向する２つの長辺に、それぞれ複数の締結部材が設けられ、前記締結部材により該燃料電池ユニットが一体に保持されるとともに、一方の前記長辺に設けられた複数の前記締結部材と他方の前記長辺に設けられた複数の前記締結部材とは、互いに半ピッチずれており、
   一方の前記燃料電池ユニットが前記軸回りに１８０°回転した際に、一方の前記燃料電池ユニットの一方の長辺に設けられる前記締結部材は、一方の前記燃料電池ユニットが回転しなかったと仮定した際の仮想上の他方の長辺に設けられる前記締結部材同士の間に配置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、前記締結部材は、前記額縁状樹脂枠と一体成形される樹脂製凸状部であり、
   前記樹脂製凸状部は、他の構成部材に設けられる孔部に挿入されてかしめ処理されることを特徴とする燃料電池。
3. 請求項１又は２記載の燃料電池において、隣接する前記燃料電池ユニットは、一方の該燃料電池ユニットが、前記軸回りに１８０°回転した状態で、他方の該燃料電池ユニットに積層されるとともに、
   前記電解質膜・電極構造体には、回転姿勢検出用識別部が設けられることを特徴とする燃料電池。
4. 請求項１〜３のいずれか１項に記載の燃料電池において、前記額縁状樹脂枠には、燃料ガスを前記燃料電池ユニットの積層方向に流通させる燃料ガス入口連通孔と燃料ガス出口連通孔とが、酸化剤ガスを前記積層方向に流通させる酸化剤ガス入口連通孔と酸化剤ガス出口連通孔とが、冷却媒体を前記積層方向に流通させる冷却媒体入口連通孔と冷却媒体出口連通孔とが、それぞれ点対称位置に設けられることを特徴とする燃料電池。
5. 請求項１〜４のいずれか１項に記載の燃料電池において、前記燃料電池ユニットは、第１の前記電解質膜・電極構造体、第１の前記セパレータ、第２の前記電解質膜・電極構造体、第２の前記セパレータ及び第３の前記セパレータの順に積層され、前記締結部材により一体に保持されることを特徴とする燃料電池。

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