JP6082340B2 - 燃料電池 - Google Patents

Description

本発明は、固体高分子電解質膜の両側にそれぞれ電極が配設される電解質膜・電極構造体を有し、前記電解質膜・電極構造体の外周を周回して樹脂枠部材が設けられる枠付き電解質膜・電極構造体と、金属セパレータとが積層される燃料電池に関する。

一般的に、固体高分子型燃料電池は、高分子イオン交換膜からなる固体高分子電解質膜を採用している。この燃料電池は、固体高分子電解質膜の一方側にアノード電極が、前記固体高分子電解質膜の他方側にカソード電極が、それぞれ配設された電解質膜・電極構造体（ＭＥＡ）を備えている。電解質膜・電極構造体は、セパレータ（バイポーラ板）によって挟持されることにより、燃料電池が構成されている。この燃料電池は、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燃料電池電気自動車に搭載されている。

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型燃料電池の製造方法が知られている。

この製造方法では、アノード側のガスケットに弾性変形可能な突出部が設けられており、前記突出部は、前記ガスケットの内側に向けて突出している。ガスケットは、セパレータに装着されており、ＭＥＡが前記セパレータに載置される際、突出部を圧縮変形させながらアノードが前記ガスケットの内側に嵌め込まれている。これにより、アノードは、ガスケットの内側領域に配置されている。

また、カソード側のガスケットに弾性変形可能な突出部が設けられており、前記突出部は、前記ガスケットの内側に向けて突出している。ガスケットは、セパレータに装着されており、ＭＥＡが前記セパレータに載置される際、突出部を圧縮変形させながらカソードが前記ガスケットの内側に嵌め込まれている。このため、カソードは、ガスケットの内側領域に配置されている。これにより、各セル内でのＭＥＡの位置決めを容易に行うことが可能になる、としている。

特開２００６−３２４１７０号公報

ところで、上記の特許文献１では、アノード側及びカソード側の各ガスケットに、弾性変形可能な突出部が設けられるため、前記ガスケットの製造作業が煩雑化するとともに、製造コストが高騰するという問題がある。

しかも、アノード及びカソードは、弾性変形可能な突出部を圧縮変形させながらガスケットの内側領域に配置されている。従って、アノード及びカソードの位置決め精度が低下し、ＭＥＡをセパレータに対して正確に位置決めすることが困難になるおそれがある。

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、枠付き電解質膜・電極構造体と金属セパレータとを正確且つ確実に位置決めすることが可能な燃料電池を提供することを目的とする。

本発明に係る燃料電池は、固体高分子電解質膜の両側にそれぞれ電極が配設される電解質膜・電極構造体を有し、前記電解質膜・電極構造体の外周を周回して樹脂枠部材が設けられる枠付き電解質膜・電極構造体を備えている。枠付き電解質膜・電極構造体は、金属セパレータと積層されることにより、燃料電池を構成している。

この燃料電池は、枠付き電解質膜・電極構造体と金属セパレータとを互いに位置決めする位置決め機構を備えている。位置決め機構は、樹脂枠部材に設けられ、当該樹脂枠部材の外周に沿って互いに間隔を置いて配置された複数の凸部と、金属セパレータに設けられ、前記複数の凸部が嵌合するとともに前記複数の凸部の配置に対応して互いに間隔を置いて配置された複数の凹部と、を備えている。

また、この燃料電池では、凸部は、樹脂枠部材に一体成形されるとともに、凹部は、金属セパレータにプレス成形されることが好ましい。

さらに、本発明では、位置決め機構は、前記樹脂枠部材に設けられ、当該樹脂枠部材の外周に沿って互いに間隔を置いて配置された複数の凹部と、金属セパレータに設けられ、前記複数の凹部に嵌合するともに前記複数の凹部の配置に対応して互いに間隔を置いて配置された複数の凸部と、を備えている。

本発明によれば、樹脂枠部材に設けられる複数の凸部又は凹部が、金属セパレータに設けられる複数の凹部又は凸部に嵌合することにより、枠付き電解質膜・電極構造体と前記金属セパレータとが互いに位置決めされている。このため、例えば、金属セパレータには、射出成形（ＬＩＭ成形）によりゴム製のＭＥＡ位置決め用リブを設ける必要がない。

従って、金属セパレータの射出成形回数を削減させることができ、コストの低減を図ることが可能になる。これにより、簡単且つ経済的な構成で、枠付き電解質膜・電極構造体と金属セパレータとを正確且つ確実に位置決めすることができる。

本発明の第１の実施形態に係る燃料電池を構成する発電ユニットの分解斜視説明図である。 前記発電ユニットの、図１中、ＩＩ−ＩＩ線断面図である。 前記発電ユニットを構成する第１金属セパレータの正面説明図である。 本発明の第２の実施形態に係る燃料電池を構成する発電ユニットの分解斜視説明図である。 前記発電ユニットの、図４中、Ｖ−Ｖ線断面図である。 前記発電ユニットを構成する第１金属セパレータの正面説明図である。 前記発電ユニットを構成する第２金属セパレータの正面説明図である。 本発明の第３の実施形態に係る燃料電池を構成する発電ユニットの断面説明図である。

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、複数の発電ユニット１２を矢印Ａ方向（水平方向）又は矢印Ｃ方向（重力方向）に積層して構成される。燃料電池１０は、例えば、車載用燃料電池スタックを構成し、図示しない燃料電池車両に搭載される。

図１及び図２に示すように、発電ユニット１２は、枠付き電解質膜・電極構造体１４を第１金属セパレータ１６及び第２金属セパレータ１８で挟持する。第１金属セパレータ１６及び第２金属セパレータ１８は、横長（又は縦長）の長方形状を有する。

第１金属セパレータ１６及び第２金属セパレータ１８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薄板状金属プレートにより構成される。金属プレートは、平面が矩形状を有するとともに、波形状にプレス加工することにより、断面凹凸形状に成形される。

図１に示すように、発電ユニット１２は、第１金属セパレータ１６及び第２金属セパレータ１８の長辺方向（矢印Ｂ方向）の一端縁部に、酸化剤ガス入口連通孔２２ａ及び燃料ガス出口連通孔２４ｂが設けられる。酸化剤ガス入口連通孔２２ａ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一方、燃料ガス出口連通孔２４ｂは、矢印Ａ方向に互いに連通して、燃料ガス、例えば、水素含有ガスを排出する。

発電ユニット１２は、第１金属セパレータ１６及び第２金属セパレータ１８の長辺方向（矢印Ｂ方向）の他端縁部に、燃料ガス入口連通孔２４ａ及び酸化剤ガス出口連通孔２２ｂが設けられる。燃料ガス入口連通孔２４ａは、矢印Ａ方向に互いに連通して、燃料ガスを供給する一方、酸化剤ガス出口連通孔２２ｂは、矢印Ａ方向に互いに連通して、酸化剤ガスを排出する。

発電ユニット１２の短辺方向（矢印Ｃ方向）の両端縁部には、酸化剤ガス入口連通孔２２ａ側に近接し、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一対の冷却媒体入口連通孔２６ａが設けられる。発電ユニット１２の短辺方向（矢印Ｃ方向）の両端縁部には、燃料ガス入口連通孔２４ａ側に近接し、冷却媒体を排出するための一対の冷却媒体出口連通孔２６ｂが設けられる。

図３に示すように、第１金属セパレータ１６の枠付き電解質膜・電極構造体１４に向かう面１６ａには、酸化剤ガス入口連通孔２２ａと酸化剤ガス出口連通孔２２ｂとに連通する酸化剤ガス流路２８が形成される。酸化剤ガス流路２８は、矢印Ｂ方向に延在する複数の直線状流路溝部（波状流路溝部でもよい）を有する。

酸化剤ガス流路２８の入口近傍と出口近傍とには、発電領域の外方に位置して、入口バッファ部３０ａと出口バッファ部３０ｂとが設けられる。入口バッファ部３０ａ及び出口バッファ部３０ｂは、それぞれ複数のエンボスを有する。入口バッファ部３０ａと酸化剤ガス入口連通孔２２ａとの間には、複数本の入口連結溝３２ａが形成される。出口バッファ部３０ｂと酸化剤ガス出口連通孔２２ｂとの間には、複数本の出口連結溝３２ｂが形成される。

図１に示すように、第１金属セパレータ１６の面１６ｂには、一対の冷却媒体入口連通孔２６ａと一対の冷却媒体出口連通孔２６ｂとを連通する冷却媒体流路３４の一部が形成される。冷却媒体流路３４は、酸化剤ガス流路２８の裏面形状と後述する燃料ガス流路３６の裏面形状とが重なり合って形成される。

第２金属セパレータ１８の電解質膜・電極構造体１４に向かう面１８ａには、燃料ガス入口連通孔２４ａと燃料ガス出口連通孔２４ｂとを連通する燃料ガス流路３６が形成される。燃料ガス流路３６は、矢印Ｂ方向に延在する複数の直線状流路溝部（波状流路溝部でもよい）を有する。

燃料ガス流路３６の入口近傍と出口近傍とには、発電領域の外方に位置して、入口バッファ部３８ａと出口バッファ部３８ｂとが設けられる。入口バッファ部３８ａ及び出口バッファ部３８ｂは、それぞれ複数のエンボスを有する。

入口バッファ部３８ａと燃料ガス入口連通孔２４ａとの間には、複数本の供給連結路４０ａが形成される。出口バッファ部３８ｂと燃料ガス出口連通孔２４ｂとの間には、複数本の排出連結路４０ｂが形成される。複数の供給連結路４０ａは、蓋部材４２ａにより覆われる一方、複数の排出連結路４０ｂは、蓋部材４２ｂにより覆われる。

第１金属セパレータ１６の面１６ａ、１６ｂには、この第１金属セパレータ１６の外周端縁部を周回して第１シール部材４４が一体成形される。第２金属セパレータ１８の面１８ａ、１８ｂには、この第２金属セパレータ１８の外周端縁部を周回して第２シール部材４６が一体成形される。

第１シール部材４４及び第２シール部材４６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等の弾性を有するシール材が用いられる。

図２及び図３に示すように、第１シール部材４４は、第１金属セパレータ１６の面方向に沿って均一な厚さを有する平面シール部（シールベース）４４ｆを有する。第１シール部材４４の平面シール部４４ｆには、酸化剤ガス、燃料ガス及び冷却媒体を気密及び液密にシールする凸状シール部４４ａが一体に膨出形成される。

図１及び図２に示すように、第２シール部材４６は、第２金属セパレータ１８の面方向に沿って均一な厚さを有する平面シール部（シールベース）４６ｆを有する。第２シール部材４６の平面シール部４６ｆには、酸化剤ガス、燃料ガス及び冷却媒体を気密及び液密にシールする凸状シール部４６ａが一体に膨出形成される。

図１及び図２に示すように、枠付き電解質膜・電極構造体１４は、電解質膜・電極構造体４８と、前記電解質膜・電極構造体４８の外周を周回して設けられる樹脂枠部材５０とを備える。

図２に示すように、電解質膜・電極構造体４８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（陽イオン交換膜）５２を備える。固体高分子電解質膜５２は、カソード電極５４及びアノード電極５６により挟持される。

カソード電極５４は、アノード電極５６及び固体高分子電解質膜５２の平面寸法よりも小さな平面寸法を有する、所謂、段差型ＭＥＡを構成している。なお、カソード電極５４、アノード電極５６及び固体高分子電解質膜５２は、同一の平面寸法に設定してもよい。また、アノード電極５６は、カソード電極５４及び固体高分子電解質膜５２の平面寸法よりも小さな平面寸法を有してもよい。

カソード電極５４及びアノード電極５６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、例えば、固体高分子電解質膜５２の両面に形成される。

図１及び図２に示すように、電解質膜・電極構造体４８は、カソード電極５４の終端部外方に位置して、固体高分子電解質膜５２の外周縁部に樹脂枠部材５０が一体化される。樹脂枠部材５０を構成する樹脂材としては、例えば、電気的絶縁性を有する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。樹脂枠部材５０は、例えば、フィルム等により構成してもよい。

樹脂枠部材５０は、酸化剤ガス入口連通孔２２ａ、燃料ガス入口連通孔２４ａ、冷却媒体入口連通孔２６ａ、酸化剤ガス出口連通孔２２ｂ、燃料ガス出口連通孔２４ｂ及び冷却媒体出口連通孔２６ｂの内側に配置される寸法に設定される。樹脂枠部材５０の外形形状は、酸化剤ガス流路２８及び燃料ガス流路３６の形状並びにバッファ部形状等に対応して設定されることが好ましい。

第１の実施形態では、燃料電池１０は、枠付き電解質膜・電極構造体１４と第１金属セパレータ１６とを互いに位置決めする位置決め機構６０を設ける。なお、燃料電池１０は、位置決め機構６０に代えて、枠付き電解質膜・電極構造体１４と第２金属セパレータ１８とを互いに位置決めする位置決め機構（図示せず）を設けてもよい。

図１〜図３に示すように、位置決め機構６０は、樹脂枠部材５０の外周部に設けられる複数の凸部６２ａと、第１金属セパレータ１６の酸化剤ガス流路２８の周囲に設けられる複数の凹部６２ｂとを備える。各凸部６２ａと各凹部６２ｂとは、積層方向に沿って互いに一致する位置に設けられ、例えば、発電ユニット１２の短手方向（矢印Ｃ方向）両側に、それぞれ３カ所で且つ長手方向（矢印Ｂ方向）両側に、それぞれ１カ所に設けられる。なお、凸部６２ａ及び凹部６２ｂの個数は、限定されるものではない。

凸部６２ａは、図１及び図２に示すように、第１金属セパレータ１６に向かって突出するとともに、所定の長さを有するライン状に形成される。凸部６２ａは、樹脂枠部材５０に一体成形されるが、別体の凸部材を前記樹脂枠部材５０に接合して構成してもよい。樹脂枠部材５０及び第１金属セパレータ１６は、凸部６２ａが凹部６２ｂに嵌合した際、前記樹脂枠部材５０の面と前記第１金属セパレータ１６の面１６ａとが当接して当接部位６４を構成する（図２参照）。

凹部６２ｂは、樹脂枠部材５０から離間する方向に凹形状を有するとともに、所定の長さを有するライン状に形成される。凹部６２ｂは、第１金属セパレータ１６にプレス成形される。凸部６２ａは、先端に向かって先細りの形状を有してもよく、凹部６２ｂも、深さ方向に向かって先細りの溝形状を有してもよい。

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。

先ず、図１に示すように、酸化剤ガス入口連通孔２２ａ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、一対の冷却媒体入口連通孔２６ａ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。

酸化剤ガスは、図３に示すように、酸化剤ガス入口連通孔２２ａから第１金属セパレータ１６の酸化剤ガス流路２８に導入される。酸化剤ガスは、酸化剤ガス流路２８に沿って矢印Ｂ方向（水平方向）に移動し、電解質膜・電極構造体４８のカソード電極５４に供給される。

一方、燃料ガスは、図１に示すように、燃料ガス入口連通孔２４ａから第２金属セパレータ１８の燃料ガス流路３６に導入される。燃料ガスは、燃料ガス流路３６に沿って水平方向（矢印Ｂ方向）に移動し、電解質膜・電極構造体４８のアノード電極５６に供給される。

従って、電解質膜・電極構造体４８では、カソード電極５４に供給される酸化剤ガスと、アノード電極５６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、電解質膜・電極構造体４８のカソード電極５４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２２ｂに沿って矢印Ａ方向に排出される。電解質膜・電極構造体４８のアノード電極５６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。

一方、上下一対の冷却媒体入口連通孔２６ａに供給された冷却媒体は、一方の発電ユニット１２を構成する第１金属セパレータ１６と、他方の発電ユニット１２を構成する第２金属セパレータ１８との間に形成された冷却媒体流路３４に導入される。

各冷却媒体入口連通孔２６ａから冷却媒体流路３４に供給される冷却媒体は、一旦矢印Ｃ方向（重力方向）内方に沿って流動した後、矢印Ｂ方向（水平方向）に移動して電解質膜・電極構造体４８を冷却する。この冷却媒体は、矢印Ｃ方向外方に移動した後、一対の冷却媒体出口連通孔２６ｂに排出される。

この場合、第１の実施形態では、図１〜図３に示すように、枠付き電解質膜・電極構造体１４と第１金属セパレータ１６とを互いに位置決めする位置決め機構６０を設けている。位置決め機構６０は、樹脂枠部材５０の外周部に設けられる複数の凸部６２ａと、第１金属セパレータ１６の酸化剤ガス流路２８の周囲に設けられる複数の凹部６２ｂとを備えている。そして、各凸部６２ａと各凹部６２ｂとは、積層方向に沿って互いに一致する位置に設けられている。

このため、樹脂枠部材５０に設けられる複数の凸部６２ａが、第１金属セパレータ１６に設けられる複数の凹部６２ｂに嵌合することにより、枠付き電解質膜・電極構造体１４と前記第１金属セパレータ１６とが互いに位置決めされている。従って、例えば、第１金属セパレータ１６には、射出成形（ＬＩＭ成形）によりゴム製のＭＥＡ位置決め用リブを設ける必要がない。

これにより、第１金属セパレータ１６の射出成形回数を削減させることができ、コストの低減を図ることが可能になる。このため、簡単且つ経済的な構成で、枠付き電解質膜・電極構造体１４と第１金属セパレータ１６とを正確且つ確実に位置決めすることができるという効果が得られる。

また、枠付き電解質膜・電極構造体１４と第１金属セパレータ１６とが正確に位置決めされている。従って、第２金属セパレータ１８は、第１金属セパレータ１６に対してセットされるだけで、発電ユニット１２全体を良好に組み立てることが可能になる。

なお、第２金属セパレータ１８に凹部を設ける一方、樹脂枠部材５０の外周部に前記第２金属セパレータ１８に対向して凸部を設けてもよい。これにより、凹部に凸部を嵌合することによって、枠付き電解質膜・電極構造体１４と第２金属セパレータ１８とを互いに位置決めすることができる。

図４及び図５に示すように、本発明の第２の実施形態に係る燃料電池７０は、発電ユニット７２を備える。複数の発電ユニット７２は、水平方向（矢印Ａ方向）又は鉛直方向（矢印Ｃ方向）に沿って互いに積層され、例えば、燃料電池電気自動車（図示せず）に搭載される。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。

発電ユニット７２は、第１金属セパレータ７４、第１枠付き電解質膜・電極構造体（ＭＥＡ）７６ａ、第２金属セパレータ７８、第２枠付き電解質膜・電極構造体（ＭＥＡ）７６ｂ及び第３金属セパレータ８０を設ける。

図６に示すように、第１金属セパレータ７４の第１枠付き電解質膜・電極構造体７６ａに向かう面７４ａには、酸化剤ガス入口連通孔２２ａと酸化剤ガス出口連通孔２２ｂとに連通する第１酸化剤ガス流路２８ａが形成される。

図４に示すように、第１金属セパレータ７４の面７４ｂには、一対の冷却媒体入口連通孔２６ａと一対の冷却媒体出口連通孔２６ｂとを連通する冷却媒体流路３４の一部が形成される。第２金属セパレータ７８の第１枠付き電解質膜・電極構造体７６ａに向かう面７８ａには、燃料ガス入口連通孔２４ａと燃料ガス出口連通孔２４ｂとを連通する第１燃料ガス流路３６ａが形成される。

図７に示すように、第２金属セパレータ７８の第２枠付き電解質膜・電極構造体７６ｂに向かう面７８ｂには、酸化剤ガス入口連通孔２２ａと酸化剤ガス出口連通孔２２ｂとを連通する第２酸化剤ガス流路２８ｂが形成される。

図４に示すように、第３金属セパレータ８０の第２枠付き電解質膜・電極構造体７６ｂに向かう面８０ａには、燃料ガス入口連通孔２４ａと燃料ガス出口連通孔２４ｂに連通する第２燃料ガス流路３６ｂが形成される。第３金属セパレータ８０の面８０ｂには、冷却媒体流路３４の一部が形成される。

第１金属セパレータ７４の面７４ａ、７４ｂには、この第１金属セパレータ７４の外周端縁部を周回して第１シール部材８２が一体成形される。第２金属セパレータ７８の面７８ａ、７８ｂには、この第２金属セパレータ７８の外周端縁部を周回して第２シール部材８４が一体成形される。第３金属セパレータ８０の面８０ａ、８０ｂには、この第３金属セパレータ８０の外周端縁部を周回して第３シール部材８６が一体成形される。

図４及び図６に示すように、第１シール部材８２は、第１金属セパレータ７４の面方向に沿って均一な厚さを有する平面シール部（シールベース）８２ｆを設ける。第１シール部材８２の平面シール部８２ｆには、酸化剤ガス、燃料ガス及び冷却媒体を気密及び液密にシールする凸状シール部８２ａが一体に膨出形成される。

図４及び図７に示すように、第２シール部材８４は、第２金属セパレータ７８の面方向に沿って均一な厚さを有する平面シール部（シールベース）８４ｆを設ける。第２シール部材８４の平面シール部８４ｆには、酸化剤ガス、燃料ガス及び冷却媒体を気密及び液密にシールする凸状シール部８４ａが一体に膨出形成される。

図４に示すように、第３シール部材８６は、第３金属セパレータ８０の面方向に沿って均一な厚さを有する平面シール部（シールベース）８６ｆを設ける。第３シール部材８６の平面シール部８６ｆには、酸化剤ガス、燃料ガス及び冷却媒体を気密及び液密にシールする凸状シール部８６ａが一体に膨出形成される。

図４及び図５に示すように、第１枠付き電解質膜・電極構造体７６ａは、第１電解質膜・電極構造体４８ａと、前記第１電解質膜・電極構造体４８ａの外周を周回して設けられる第１樹脂枠部材５０ａとを備える。第２枠付き電解質膜・電極構造体７６ｂは、第２電解質膜・電極構造体４８ｂと、前記第２電解質膜・電極構造体４８ｂの外周を周回して設けられる第２樹脂枠部材５０ｂとを備える。

図４に示すように、第１樹脂枠部材５０ａのカソード電極５４側の面には、酸化剤ガス入口連通孔２２ａと第１酸化剤ガス流路２８ａの入口側との間に位置して、入口バッファ部８８ａが設けられる。酸化剤ガス出口連通孔２２ｂと第１酸化剤ガス流路２８ａの出口側との間に位置して、出口バッファ部８８ｂが設けられる。入口バッファ部８８ａ及び出口バッファ部８８ｂは、複数本のライン状流路及び複数のエンボス部の少なくとも一方を有する。

第１樹脂枠部材５０ａのアノード電極５６側の面には、燃料ガス入口連通孔２４ａと第１燃料ガス流路３６ａとの間に位置して、入口バッファ部９０ａが設けられる。燃料ガス出口連通孔２４ｂと第１燃料ガス流路３６ａとの間に位置して、出口バッファ部９０ｂが設けられる。入口バッファ部９０ａ及び出口バッファ部９０ｂは、複数本のライン状流路及び複数のエンボス部の少なくとも一方を有する。

第２樹脂枠部材５０ｂのカソード電極５４側の面には、酸化剤ガス入口連通孔２２ａと第２酸化剤ガス流路２８ｂとの間に位置して、入口バッファ部９２ａが設けられる。酸化剤ガス出口連通孔２２ｂと第２酸化剤ガス流路２８ｂとの間に位置して、出口バッファ部９２ｂが形成される。入口バッファ部９２ａ及び出口バッファ部９２ｂは、複数本のライン状流路及び複数のエンボス部の少なくとも一方を有する。

第２樹脂枠部材５０ｂのアノード電極５６側の面には、燃料ガス入口連通孔２４ａと第２燃料ガス流路３６ｂとの間に位置して、入口バッファ部９４ａが設けられる。燃料ガス出口連通孔２４ｂと第２燃料ガス流路３６ｂとの間に位置して、出口バッファ部９４ｂが設けられる。入口バッファ部９４ａ及び出口バッファ部９４ｂは、複数本のライン状流路及び複数のエンボス部の少なくとも一方を有する。

第２の実施形態では、燃料電池７０は、第１枠付き電解質膜・電極構造体７６ａと第１金属セパレータ７４とを互いに位置決めする第１位置決め機構６０ａを設ける。燃料電池７０は、さらに第２枠付き電解質膜・電極構造体７６ｂと第２金属セパレータ７８とを互いに位置決めする第２位置決め機構６０ｂを設ける。

図４〜図６に示すように、第１位置決め機構６０ａは、第１樹脂枠部材５０ａの外周部に設けられる複数の凸部６２ａ１と、第１金属セパレータ７４の第１酸化剤ガス流路２８ａの周囲に設けられる複数の凹部６２ｂ１とを備える。各凸部６２ａ１と各凹部６２ｂ１とは、積層方向に沿って互いに一致する位置に設けられる。

図４、図５及び図７に示すように、第２位置決め機構６０ｂは、第２樹脂枠部材５０ｂの外周部に設けられる複数の凸部６２ａ２と、第２金属セパレータ７８の第２酸化剤ガス流路２８ｂの周囲に設けられる複数の凹部６２ｂ２とを備える。各凸部６２ａ２と各凹部６２ｂ２とは、積層方向に沿って互いに一致する位置に設けられる。

このように構成される第２の実施形態では、第１枠付き電解質膜・電極構造体７６ａと第１金属セパレータ７４とを互いに位置決めする第１位置決め機構６０ａを設けている。第１位置決め機構６０ａは、第１樹脂枠部材５０ａの外周部に一体成形される複数の凸部６２ａ１と、第１金属セパレータ７４の第１酸化剤ガス流路２８ａの周囲にプレス成形される複数の凹部６２ｂ１とを備えている。

このため、第１樹脂枠部材５０ａに設けられる複数の凸部６２ａ１が、第１金属セパレータ７４に設けられる複数の凹部６２ｂ１に嵌合することにより、第１枠付き電解質膜・電極構造体７６ａと前記第１金属セパレータ７４とが互いに位置決めされている。従って、例えば、第１金属セパレータ７４には、射出成形（ＬＩＭ成形）によりゴム製のＭＥＡ位置決め用リブを設ける必要がない。

これにより、簡単且つ経済的な構成で、第１枠付き電解質膜・電極構造体７６ａと第１金属セパレータ７４とを正確且つ確実に位置決めすることができるという効果が得られる。

さらに、第２の実施形態では、第２枠付き電解質膜・電極構造体７６ｂと第２金属セパレータ７８とを互いに位置決めする第２位置決め機構６０ｂを設けている。第２位置決め機構６０ｂは、第２樹脂枠部材５０ｂの外周部に一体成形される複数の凸部６２ａ２と、第２金属セパレータ７８の第２酸化剤ガス流路２８ｂの周囲にプレス成形される複数の凹部６２ｂ２とを備えている。

このため、第２樹脂枠部材５０ｂに設けられる複数の凸部６２ａ２が、第２金属セパレータ７８に設けられる複数の凹部６２ｂ２に嵌合することにより、第２枠付き電解質膜・電極構造体７６ｂと前記第２金属セパレータ７８とが互いに位置決めされている。従って、例えば、第２金属セパレータ７８には、射出成形（ＬＩＭ成形）によりゴム製のＭＥＡ位置決め用リブを設ける必要がない。

これにより、簡単且つ経済的な構成で、第２枠付き電解質膜・電極構造体７６ｂと第２金属セパレータ７８とを正確且つ確実に位置決めすることができるという効果が得られる。

図８に示すように、本発明の第３の実施形態に係る燃料電池１００は、発電ユニット１０２を備える。複数の発電ユニット１０２は、水平方向（矢印Ａ方向）又は鉛直方向（矢印Ｃ方向）に沿って互いに積層され、例えば、燃料電池電気自動車（図示せず）に搭載される。なお、第２の実施形態に係る燃料電池７０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。

発電ユニット１０２は、第１金属セパレータ１０４、第１枠付き電解質膜・電極構造体（ＭＥＡ）１０６ａ、第２金属セパレータ１０８、第２枠付き電解質膜・電極構造体（ＭＥＡ）１０６ｂ及び第３金属セパレータ１１０を設ける。

第１枠付き電解質膜・電極構造体１０６ａは、第１電解質膜・電極構造体４８ａの外周を周回して設けられる第１樹脂枠部材１１２ａを備える。第２枠付き電解質膜・電極構造体１０６ｂは、第２電解質膜・電極構造体４８ｂの外周を周回して設けられる第２樹脂枠部材１１２ｂを備える。

第３の実施形態では、燃料電池１００は、第１枠付き電解質膜・電極構造体１０６ａと第１金属セパレータ１０４とを互いに位置決めする第１位置決め機構１１４ａを設ける。燃料電池１００は、さらに第２枠付き電解質膜・電極構造体１０６ｂと第２金属セパレータ１０８とを互いに位置決めする第２位置決め機構１１４ｂを設ける。

なお、第１枠付き電解質膜・電極構造体１０６ａと第２金属セパレータ１０８とを位置決めする第１位置決め機構と、第２枠付き電解質膜・電極構造体１０６ｂと第３金属セパレータ１１０とを位置決めする第２位置決め機構とを設けてもよい。

第１位置決め機構１１４ａは、第１金属セパレータ１０４にプレス成形されて第１樹脂枠部材１１２ａ側に突出する複数の凸部１１６ａ１と、前記第１樹脂枠部材１１２ａに設けられる複数の凹部１１６ｂ１とを備える。各凸部１１６ａ１と各凹部１１６ｂ１とは、積層方向に沿って互いに一致する位置に設けられる。

第１樹脂枠部材１１２ａの外周部には、凹部１１６ｂ１とは反対側に突出して補強用膨出部１１８ａが一体成形される。なお、補強用膨出部１１８ａは、必要に応じて設ければよく、不要にしてもよい。また、第１樹脂枠部材１１２ａには、凹部１１６ｂ１に連通する貫通孔を形成してもよい。

第２位置決め機構１１４ｂは、第２金属セパレータ１０８にプレス成形されて第２樹脂枠部材１１２ｂ側に突出する複数の凸部１１６ａ２と、前記第２樹脂枠部材１１２ｂに設けられる複数の凹部１１６ｂ２とを備える。各凸部１１６ａ２と各凹部１１６ｂ２とは、積層方向に沿って互いに一致する位置に設けられる。

第２樹脂枠部材１１２ｂの外周部には、凹部１１６ｂ２とは反対側に突出して補強用膨出部１１８ｂが一体成形される。なお、補強用膨出部１１８ｂは、必要に応じて設ければよく、不要にしてもよい。また、第２樹脂枠部材１１２ｂには、凹部１１６ｂ２に連通する貫通孔を形成してもよい。

このように構成される第３の実施形態では、第１位置決め機構１１４ａは、第１金属セパレータ１０４にプレス成形される複数の凸部１１６ａ１と、第１樹脂枠部材１１２ａに設けられる複数の凹部１１６ｂ１とを備えている。このため、各凸部１１６ａ１が各凹部１１６ｂ１に嵌合することにより、第１枠付き電解質膜・電極構造体１０６ａと第１金属セパレータ１０４とが互いに位置決めされている。

これにより、簡単且つ経済的な構成で、第１枠付き電解質膜・電極構造体１０６ａと第１金属セパレータ１０４とを正確且つ確実に位置決めすることができるという効果が得られる。同様に、簡単且つ経済的な構成で、第２枠付き電解質膜・電極構造体１０６ｂと第２金属セパレータ１０８とを正確且つ確実に位置決めすることが可能になる。

１０、７０、１００…燃料電池 １２、７２、１０２…発電ユニット
１４、７６ａ、７６ｂ、１０６ａ、１０６ｂ…枠付き電解質膜・電極構造体
１６、１８、７４、７８、８０、１０４、１０８、１１０…金属セパレータ
２２ａ…酸化剤ガス入口連通孔 ２２ｂ…酸化剤ガス出口連通孔
２４ａ…燃料ガス入口連通孔 ２４ｂ…燃料ガス出口連通孔
２６ａ…冷却媒体入口連通孔 ２６ｂ…冷却媒体出口連通孔
２８、２８ａ、２８ｂ…酸化剤ガス流路
３４…冷却媒体流路 ３６、３６ａ、３６ｂ…燃料ガス流路
４４、４６、８２、８４、８６…シール部材
４８、４８ａ、４８ｂ…電解質膜・電極構造体
５０、５０ａ、５０ｂ、１１２ａ、１１２ｂ…樹脂枠部材
５２…固体高分子電解質膜 ５４…カソード電極
５６…アノード電極
６０、６０ａ、６０ｂ、１１４ａ、１１４ｂ…位置決め機構
６２ａ、６２ａ１、６２ａ２、１１６ａ１、１１６ａ２…凸部
６２ｂ、６２ｂ１、６２ｂ２、１１６ｂ１、１１６ｂ２…凹部

Claims (3)

1. 固体高分子電解質膜の両側にそれぞれ電極が配設される電解質膜・電極構造体を有し、前記電解質膜・電極構造体の外周を周回して樹脂枠部材が設けられる枠付き電解質膜・電極構造体と、金属セパレータとが積層される燃料電池であって、
   前記枠付き電解質膜・電極構造体と前記金属セパレータとを互いに位置決めする位置決め機構を備え、
   前記位置決め機構は、前記樹脂枠部材に設けられ、当該樹脂枠部材の外周に沿って互いに間隔を置いて配置された複数の凸部と、
   前記金属セパレータに設けられ、前記複数の凸部が嵌合するとともに前記複数の凸部の配置に対応して互いに間隔を置いて配置された複数の凹部と、
   を備え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、前記凸部は、前記樹脂枠部材に一体成形されるとともに、
   前記凹部は、前記金属セパレータにプレス成形されることを特徴とする燃料電池。
3. 固体高分子電解質膜の両側にそれぞれ電極が配設される電解質膜・電極構造体を有し、前記電解質膜・電極構造体の外周を周回して樹脂枠部材が設けられる枠付き電解質膜・電極構造体と、金属セパレータとが積層される燃料電池であって、
   前記枠付き電解質膜・電極構造体と前記金属セパレータとを互いに位置決めする位置決め機構を備え、
   前記位置決め機構は、前記樹脂枠部材に設けられ、当該樹脂枠部材の外周に沿って互いに間隔を置いて配置された複数の凹部と、
   前記金属セパレータに設けられ、前記複数の凹部に嵌合するともに前記複数の凹部の配置に対応して互いに間隔を置いて配置された複数の凸部と、
   を備えることを特徴とする燃料電池。

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