JP5643726B2 - 燃料電池ユニット - Google Patents

Description

本発明は、電解質膜の両側に一対の電極を設けた第１電解質膜・電極構造体及び第２電解質膜・電極構造体と、第１セパレータ部及び第２セパレータ部とを有する燃料電池ユニットに関する。

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、車載用燃料電池スタックとして使用されている。

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に開示されている固体高分子電解質膜型燃料電池が知られている。

この燃料電池は、図１２に示すように、電解質層１Ａの両面に、燃料電極１Ｂと酸化剤電極１Ｃが配設される燃料電池セル１を、セパレータ２Ａ、２Ｂにより挟持して構成される単電池３を備えている。セパレータ２Ａ及び２Ｂには、保持ピン挿入側保持孔４ａ及び止め輪挿入側保持孔４ｂが形成されるとともに、電解質層１Ａには、これらに同軸的に孔部５が形成されている。

保持ピン６は、保持ピン挿入側保持孔４ａ、孔部５及び止め輪挿入側保持孔４ｂに向かって挿入されるとともに、先端部には、止め輪７が装着されることにより、単電池３が一体的に保持されている。

特開２０００−１２０６７号公報

ところで、上記の単電池３では、セパレータ２Ａ及び２Ｂに、それぞれ段付き形状の保持ピン挿入側保持孔４ａ及び止め輪挿入側保持孔４ｂが形成されるため、孔加工作業が相当に煩雑なものとなる。

しかも、保持ピン６及び止め輪７が使用されており、特に単電池３を保持するために、多数の保持ピン６及び多数の止め輪７が必要になっている。このため、部品点数が増大し、設備費が高騰するとともに、組み立て作業全体が煩雑化するという問題がある。

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、２つの電解質膜・電極構造体を有する燃料電池ユニットを、確実に位置決め保持することができ、組み立て作業性を有効に向上させることが可能な燃料電池ユニットを提供することを目的とする。

本発明に係る燃料電池ユニットは、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る第１電解質膜・電極構造体及び第２電解質膜・電極構造体と、前記第１電解質膜・電極構造体と前記第２電解質膜・電極構造体との間に配置されるとともに、前記第１電解質膜・電極構造体に対向する面に一方の反応ガスを流通させる第１反応ガス流路が形成され、且つ前記第２電解質膜・電極構造体に対向する面に他方の反応ガスを流通させる第２反応ガス流路が形成される第１セパレータ部と、前記第２電解質膜・電極構造体の前記第１セパレータ部とは反対側に配置され、該第２電解質膜・電極構造体に対向する面に前記第１反応ガス流路が形成され、且つ該第２電解質膜・電極構造体に対向する面とは反対の面に前記第２反応ガス流路が形成される第２セパレータ部とを備えている。

この燃料電池ユニットでは、第１電解質膜・電極構造体は、額縁状樹脂枠に一体に設けられる凸状樹脂部を有するとともに、第１セパレータ部、第２電解質膜・電極構造体及び第２セパレータ部には、前記凸状樹脂部が挿入される孔部が形成されている。

また、この燃料電池ユニットでは、凸状樹脂部は、各孔部に一体に挿入された状態で、端部が変形されることにより、一体化されることが好ましい。

さらに、この燃料電池ユニットでは、第１電解質膜・電極構造体の額縁状樹脂枠には、第１反応ガス流路の外周を周回して内側シール部と前記内側シール部の外周を周回して外側シール部とが設けられるとともに、凸状樹脂部は、前記内側シール部と前記外側シール部との間に配設されることが好ましい。

さらにまた、この燃料電池ユニットでは、第１セパレータ部は、単一の第１セパレータを有する一方、第２セパレータ部は、第１反応ガス流路が形成される第２セパレータと、第２反応ガス流路が形成されるとともに、前記第２セパレータに重なり合って冷却媒体を流通させる冷却媒体流路が形成される第３セパレータとを備えることが好ましい。

また、この燃料電池ユニットでは、第１セパレータ部及び第２セパレータ部は、それぞれ第１反応ガス流路が形成される第１セパレータと、第２反応ガス流路が形成されるとともに、前記第１セパレータに重なり合って冷却媒体を流通させる冷却媒体流路が形成される第２セパレータとを備えることが好ましい。

本発明に係る燃料電池ユニットでは、第１電解質膜・電極構造体の額縁状樹脂枠に、ユニット一体化用の凸状樹脂部が一体成形されている。このため、凸状樹脂部を各孔部に挿入するだけで、第１電解質膜・電極構造体、第１セパレータ部、第２電解質膜・電極構造体及び第２セパレータ部を一体的に組み立てることができる。

従って、専用の帯付部材を個別に構成する必要がなく、製造工程の簡素化が図られる。これにより、簡単且つ経済的な構成で、２つの電解質膜・電極構造体を有する燃料電池ユニットを、確実に位置決め保持することができ、組み立て作業性を有効に向上させることが可能になる。

本発明の第１の実施形態に係る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１中、ＩＩ−ＩＩ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７中、ＶＩＩＩ−ＶＩＩＩ線断面図である。 前記燃料電池の、図７中、ＩＸ−ＩＸ線断面図である。 本発明の第２の実施形態に係る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。 前記燃料電池ユニットの図１０中、ＸＩ−ＸＩ線断面説明図である。 特許文献１に開示されている燃料電池の分解説明図である。

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

燃料電池ユニット１２は、第１電解質膜・電極構造体（ＭＥＡ）１４ａ、第１セパレータ部１５ａ、第２電解質膜・電極構造体（ＭＥＡ）１４ｂ及び第２セパレータ部１５ｂの順に積層される。

第１セパレータ部１５ａは、単一の第１セパレータ１６を有する一方、第２セパレータ部１５ｂは、互いに積層される第２セパレータ１８及び第３セパレータ２０を有する。

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、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、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２参照）。

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１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１及び図３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直線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。入口バッファ部３８は、酸化剤ガス入口連通孔３０ａから面内に酸化剤ガスを均一に分配する機能を有する一方、出口バッファ部４０は、前記酸化剤ガスを面内から均一に排出する機能を有する。

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が断面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が断面波状に形成される。

第３セパレータ２０の矢印Ｂ方向両端部中央には、外方に突出する突出部４６ａ、４６ｂが対向する辺に形成される。突出部４６ａには、ノック孔４８ａと、前記ノック孔４８ａを挟んで両側に一対の孔部５０ａとが貫通形成される。突出部４６ｂには、ノック孔４８ｂと、前記ノック孔４８ｂの両側に位置して一対の孔部５０ｂとが貫通形成される。

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４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直線状流路溝を有する。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が断面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が断面波状に形成される。

図１に示すように、第１セパレータ１６の第２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直線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に断面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が断面波状に形成される。

第１セパレータ１６の矢印Ｂ方向両端部中央には、外方に突出する突出部７２ａ、７２ｂが対向する辺に形成される。図４に示すように、突出部７２ａには、ノック孔７４ａと、前記ノック孔７４ａの両側に位置して一対の孔部７６ａとが貫通形成される。突出部７２ｂには、ノック孔７４ｂと、前記ノック孔７４ｂの両側に位置して一対の孔部７６ｂとが貫通形成される。

図５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直線状流路溝を有する。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が断面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が断面波状に形成される。

図１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が断面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が断面波状に形成される。

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１及び図５に示すように、第２セパレータ１８の矢印Ｂ方向両端中央には、外方に突出する突出部９６ａ、９６ｂが対向する辺に形成される。突出部９６ａには、ノック孔９８ａと、前記ノック孔９８ａの両側に位置して一対の孔部１００ａとが貫通形成される。突出部９６ｂには、ノック孔９８ｂと、前記ノック孔９８ｂの両側に位置して一対の孔部１００ｂとが貫通形成される。

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シール部材は、同様の材料が使用される。

この第１シール部材１０２は、図２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２及び図６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６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方向両端側中央で、それぞれ外方に迂回するように形成される。第３シール部１０２ｃの迂回部と第２シール部１０２ｂとの間には、ノック孔１０４ａ、１０４ｂが対辺に貫通形成される。

ノック孔１０４ａの両側には、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、樹脂ピン部（凸状樹脂部）１０６ａが設けられる。ノック孔１０４ｂの両側には、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、樹脂ピン部１０６ｂが設けられる。樹脂ピン部１０６ａ、１０６ｂ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１参照）。

第１電解膜・電極構造体１４ａの各長辺には、ノック孔１０４ａ、１０４ｂの両側に樹脂製ガイド部材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２及び図７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７に示すように、第２シール部１１４ｂは、額縁部２８の矢印Ｂ方向両端中央で外方に迂回するように形成されるとともに、前記第２シール部１１４ｂの迂回部と第１シール部１１４ａとの間には、ノック部材１１６が前記額縁部２８と一体成形される。

図８に示すように、ノック部材１１６は、第１セパレータ１６側に膨出する外側膨出部１１８ａを備え、前記外側膨出部１１８ａは、前記第１セパレータ１６のノック孔７４ａ、第１電解質膜・電極構造体１４ａのノック孔１０４ａ及び第３セパレータ２０のノック孔４８ａに一体に挿入される。外側膨出部１１８ａの内周側には、段状部１１８ｂを介して孔部１１８ｃが形成される。

ノック部材１１６は、外側膨出部１１８ａとは反対側に膨出する内側膨出部１１８ｄを有する。内側膨出部１１８ｄは、隣接する第２電解質膜・電極構造体１４ｂのノック部材１１６の段状部１１８ｂに配置される。

図７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。

ノック部材１１６の両側には、第２シール部１１４ｂの迂回部と第１シール部１１４ａとの間に位置して、一対の孔部１２０ａが形成される。ノック部材１１６の両側には、第２シール部１１４ｂの迂回部と第１シール部１１４ａとの間に位置して、一対の孔部１２０ｂ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に設けられている樹脂ピン部１０６ａは、第１セパレータ１６の孔部７６ａ、第２電解質膜・電極構造体１４ｂの孔部１２０ａ、第２セパレータ１８の孔部１００ａ及び第３セパレータ２０の孔部５０ａに一体に挿入される。

樹脂ピン部１０６ａの先端は、溶着ダイを構成する溶着チップ１２２により成形される。この溶着チップ１２２は、所定温度に加熱された状態で、樹脂ピン部１０６ａの先端に押圧されることにより、前記溶着チップ１２２の成形面１２２ａを介して所定の形状、例えば、大径な頭部１２４が形成される。

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、第１の実施形態では、第１電解質膜・電極構造体１４ａの額縁部２８には、樹脂ピン部１０６ａ、１０６ｂが一体成形されている。この樹脂ピン部１０６ａ、１０６ｂは、第１セパレータ１６の孔部７６ａ、７６ｂ、第２電解質膜・電極構造体１４ｂの孔部１２０ａ、１２０ｂ、第２セパレータ１８の孔部１００ａ、１００ｂ及び第３セパレータ２０の孔部５０ａ、５０ｂに一体的に挿入された後、溶着処理により大径な頭部１２４が形成されている。

従って、専用の帯付部材を個別に構成する必要がなく、製造工程の簡素化が図られる。これにより、簡単且つ経済的な構成で、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を、一体のユニットとして取り扱うことができ、燃料電池ユニット１２の取り扱い作業性が良好に向上する。

このため、複数の燃料電池ユニット１２が積層される燃料電池１０（燃料電池スタック）の製造工程の簡素化を図るとともに、前記燃料電池ユニット１２及び前記燃料電池１０の組み立て作業性が良好に向上するという効果が得られる。

図１０は、本発明の第２の実施形態に係る燃料電池１３０を構成する燃料電池ユニット１３２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。

燃料電池ユニット１３２は、図１０及び図１１に示すように、第１電解質膜・電極構造体１４ａ、第１セパレータ部１３４ａ、第２電解質膜・電極構造体（ＭＥＡ）１４ｂ及び第２セパレータ部１３４ｂの順に積層される。

第１セパレータ部１３４ａ及び第２セパレータ部１３４ｂは、それぞれ互いに積層される第１セパレータ１３６及び第２セパレータ１３８を有する。第１セパレータ１３６は、第１の実施形態の第２セパレータ１８と同一に構成される一方、第２セパレータ１３８は、第１の実施形態の第３セパレータ２０と同一に構成される。

図１１に示すように、第１電解質膜・電極構造体１４ａの額縁部２８に設けられている樹脂ピン部１０６ａは、第１セパレータ１３６の孔部１００ａ及び第２セパレータ１３８の孔部５０ａ、第２電解質膜・電極構造体１４ｂの孔部１２０ａ、第１セパレータ１３６の孔部１００ａ及び第２セパレータ１３８の孔部５０ａに一体に挿入される。樹脂ピン部１０６ａの先端は、溶着ダイを構成する溶着チップ１２２により成形される。

これにより、第２の実施形態では、簡単且つ経済的な構成で、第１電解質膜・電極構造体１４ａ、第１セパレータ部１３４ａ、第２電解質膜・電極構造体１４ｂ及び第２セパレータ部１３４ｂを、一体のユニットとして取り扱うことができ、燃料電池ユニット１３２の取り扱い作業性が良好に向上する等、上記の第１の実施形態と同様の効果が得られる。

１０、１３０…燃料電池 １２、１３２…燃料電池ユニット
１４ａ、１４ｂ…電解質膜・電極構造体
１５ａ、１５ｂ、１３４ａ、１３４ｂ…セパレータ部
１６、１８、２０、１３６、１３８…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
５０ａ、５０ｂ、７６ａ、７６ｂ、１００ａ、１００ｂ…孔部
５２…冷却媒体流路 ５４、７８…燃料ガス流路
１０２、１１４…シール部材 １０６ａ、１０６ｂ…樹脂ピン部

Claims (4)

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る第１電解質膜・電極構造体及び第２電解質膜・電極構造体と、
   前記第１電解質膜・電極構造体と前記第２電解質膜・電極構造体との間に配置されるとともに、前記第１電解質膜・電極構造体に対向する面に一方の反応ガスを流通させる第１反応ガス流路が形成され、且つ前記第２電解質膜・電極構造体に対向する面に他方の反応ガスを流通させる第２反応ガス流路が形成される第１セパレータ部と、
   前記第２電解質膜・電極構造体の前記第１セパレータ部とは反対側に配置され、該第２電解質膜・電極構造体に対向する面に前記第１反応ガス流路が形成され、且つ該第２電解質膜・電極構造体に対向する面とは反対の面に前記第２反応ガス流路が形成される第２セパレータ部と、
   を備え、
   前記第１電解質膜・電極構造体は、前記額縁状樹脂枠に一体に設けられる凸状樹脂部を有するとともに、
   前記第１セパレータ部、前記第２電解質膜・電極構造体及び前記第２セパレータ部には、前記凸状樹脂部が挿入される孔部が形成され、
   且つ前記第１電解質膜・電極構造体の前記額縁状樹脂枠には、前記第１反応ガス流路の外周を周回して内側シール部と前記内側シール部の外周を周回して外側シール部とが設けられるとともに、
   前記凸状樹脂部は、前記内側シール部と前記外側シール部との間に配設されることを特徴とする燃料電池ユニット。
2. 請求項１記載の燃料電池ユニットにおいて、前記凸状樹脂部は、各孔部に一体に挿入された状態で、端部が変形されることにより、一体化されることを特徴とする燃料電池ユニット。
3. 請求項１又は２記載の燃料電池ユニットにおいて、前記第１セパレータ部は、単一の第１セパレータを有する一方、
   前記第２セパレータ部は、前記第１反応ガス流路が形成される第２セパレータと、
   前記第２反応ガス流路が形成されるとともに、前記第２セパレータに重なり合って冷却媒体を流通させる冷却媒体流路が形成される第３セパレータと、
   を備えることを特徴とする燃料電池ユニット。
4. 請求項１又は２記載の燃料電池ユニットにおいて、前記第１セパレータ部及び前記第２セパレータ部は、それぞれ前記第１反応ガス流路が形成される第１セパレータと、
   前記第２反応ガス流路が形成されるとともに、前記第１セパレータに重なり合って冷却媒体を流通させる冷却媒体流路が形成される第２セパレータと、
   を備えることを特徴とする燃料電池ユニット。

Images