JP2002367624A

JP2002367624A - 燃料電池

Info

Publication number: JP2002367624A
Application number: JP2001177086A
Authority: JP
Inventors: Shigetoshi Sugita; 成利杉田; Takayuki Ogawa; 隆行小川; Hideaki Kikuchi; 英明菊池
Original assignee: Honda Motor Co Ltd
Current assignee: Honda Motor Co Ltd
Priority date: 2001-06-12
Filing date: 2001-06-12
Publication date: 2002-12-20
Anticipated expiration: 2021-06-12
Also published as: JP4889880B2

Abstract

(57)【要約】【課題】燃料電池を構成する金属セパレータどうしの
高精度の位置決めを可能とする。【解決手段】電解質７の両面にそれぞれアノード電極
８とカソード電極９とを配してなる電極構造体２を一対
の金属セパレータ３，４で挟持した燃料電池１におい
て、各金属セパレータ３，４に、厚さ方向に貫通し、挿
入される位置決めピン２１により金属セパレータ３，４
どうしを位置決めする位置決め穴２０が設けられ、位置
決め穴２０の縁の周方向の少なくとも一部に、該位置決
め穴２０を長さ方向に延長するガイド部２２が設けられ
ている燃料電池１を提供する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、電極構造体を一
対のセパレータで挟持した燃料電池に関するものであ
る。

【０００２】

【従来の技術】燃料電池には、固体高分子電解質膜の両
側にそれぞれアノード電極およびカソード電極を配置し
てなる電極構造体を、一対のセパレータで挟持すること
により平板状に構成されたものがある。このように構成
された燃料電池は、その厚さ方向に複数積層されること
により燃料電池スタックを構成するようになっている。

【０００３】各燃料電池では、アノード電極に対向配置
されるアノード側セパレータの一面に燃料ガス（例え
ば、水素）の流路が設けられ、カソード電極に対向配置
されるカソード側セパレータの一面に酸化剤ガス（例え
ば、酸素を含む空気）の流路が設けられている。また、
隣接する燃料電池の隣接するセパレータ間には、冷却媒
体（例えば、純水）の流路が設けられている。

【０００４】そして、アノード電極の電極反応面に燃料
ガスを供給すると、ここで水素がイオン化され、固体高
分子電解質膜を介してカソード電極に移動する。この間
に生じた電子は外部回路に取り出され、直流の電気エネ
ルギとして利用される。カソード電極においては、酸化
剤ガスが供給されているため、水素イオン、電子、およ
び酸素が反応して、水が生成される。電極反応面では、
水が生成される際に熱が発生するので、セパレータ間に
流通させられる冷却媒体によって冷却されるようになっ
ている。

【０００５】各燃料電池を構成するセパレータどうし、
および燃料電池スタックを構成する複数の燃料電池の全
てのセパレータどうしは、固体高分子電解質膜、およ
び、各流路を液密または気密状態に仕切るシール部材
を、セパレータの所定の部位によって適正に挟むことが
必要であるために、それぞれ精度よく位置決めされなけ
ればならない。

【０００６】積層状態のセパレータどうしを位置決めす
る方法としては、例えば、特開平８−２０３５４３号公
報、特開平９−７６２７号公報および特開平９−１３４
７３４号公報に示されているように、各セパレータに厚
さ方向に沿って貫通形成したノック穴に、積層状態の複
数のセパレータの全てのノック穴を貫通するようにノッ
クピンを挿入する方法が採用されている。

【０００７】これら刊行物に示されているように、従来
のセパレータは、カーボンによって製造されており、そ
れ自体の強度を確保するために、十分な厚さを有してい
た。したがって、ノックピンを挿入するノック穴も十分
な長さを有し、ノックピンとノック穴とが比較的大きな
接触面積を確保できるので、セパレータどうしが精度よ
く位置決めされるようになっていた。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】近年、燃料電池の量産
に向けた改良により、小型軽量化およびコスト低減を図
るために、セパレータの材質として厚肉のカーボンに代
えて、薄肉の金属を使用することが考えられている。し
かしながら、金属セパレータは、上述したようにカーボ
ン製セパレータに比較してその厚さが非常に薄く、した
がって、図７に示されるように、金属セパレータ６０に
設けたノック穴６１にノックピン６２を挿入しても、各
金属セパレータ６０のノック穴６１とノックピン６２と
の接触長さが短いために、金属セパレータ６０に対して
倒れる方向のノックピン６２の変位を抑制することが困
難である。このため、金属セパレータ６０どうしをノッ
クピン６２によって精度よく位置決めすることが困難で
あるという不都合があった。

【０００９】金属セパレータ６０どうしが精度よく位置
決めされない場合には、電極構造体５３の両面における
該電極構造体６３と金属セパレータ６０との接触位置が
ずれるため、これら金属セパレータ６０および電極構造
体６３の積層体が厚さ方向に締め付けられると電極構造
体６３に偏力が作用し、電極構造体６３の寿命が低下し
たり、発電性能が低下したりする不都合が考えられる。

【００１０】この発明は、上述した事情に鑑みてなされ
たものであって、金属セパレータの使用により小型軽量
化およびコスト低減を図りつつ、金属セパレータどうし
の高精度の位置決めを可能として、組立容易な燃料電池
を提供することを目的としている。

【００１１】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、この発明は、以下の手段を提案している。請求項１
に記載した発明は、電解質の両面にそれぞれアノード電
極とカソード電極とを配してなる電極構造体を一対の金
属セパレータで挟持した燃料電池において、前記各金属
セパレータに、厚さ方向に貫通し、挿入される位置決め
ピンにより金属セパレータどうしを位置決めする位置決
め穴が設けられ、該位置決め穴の縁の周方向の少なくと
も一部に、該位置決め穴を長さ方向に延長するガイド部
が設けられている燃料電池を提案している。

【００１２】この発明に係る燃料電池によれば、電極構
造体を挟んで一対の金属セパレータを積層し、各金属セ
パレータに設けられた位置決め穴を貫通して位置決めピ
ンを挿入することにより、金属セパレータどうしが位置
決めされた状態に配置される。この場合に、位置決め穴
には、周方向の少なくとも一部に、位置決め穴を長さ方
向に延長するガイド部が設けられているので、位置決め
ピンは、その側面をガイド部に接触させることにより、
ガイド部によって側面から支持され、金属セパレータに
対して倒れる方向への変位を抑制される。

【００１３】したがって、位置決めピンを位置決め穴内
に挿入することにより、金属セパレータの位置ずれを防
止して、精度よく位置決めすることができる。すなわ
ち、金属セパレータを精度よく配置することによって、
該金属セパレータの適正な部位によって電極構造体を挟
み、燃料ガス等を供給する流路を確実に画定することが
できるので、燃料電池を容易に組み立てることが可能と
なる。

【００１４】また、請求項２に係る発明は、請求項１に
係る燃料電池において、前記ガイド部がバーリング加工
により形成されている燃料電池を提案している。この発
明に係る燃料電池によれば、バーリング加工によりガイ
ド部を構成することによって、位置決め穴の周縁に全周
にわたって円筒状のガイド部が形成される。このような
ガイド部は、プレス加工の一環としてのバーリング加工
により、容易に製造することができるとともに、位置決
め穴に挿入される位置決めピンの側面を全周にわたって
支持するので、金属セパレータの全方向の位置ずれを防
止して、位置決め精度をさらに向上することが可能とな
る。

【００１５】

【発明の実施の形態】以下、本発明の第１の実施形態に
係る燃料電池１ついて、添付図面を参照しながら説明す
る。本実施形態に係る燃料電池１は、図１および図２に
示されるように、電極構造体２を一対の金属セパレータ
（第１セパレータ３と第２セパレータ４）で挟持し、電
極構造体２の外周を取り囲む位置で、第１セパレータ３
と電極構造体２との間を第１シール部材５で密封し、第
２セパレータ４と電極構造体２外周との間を第２シール
部材６で密封することにより構成されている。

【００１６】前記電極構造体２は、例えば、図３に示さ
れるように、ペルフルオロスルホン酸ポリマーからなる
固体高分子電解質膜７（以下、単に電解質膜という。）
と、この電解質膜７の両面を挟むアノード電極８および
カソード電極９とを有している。アノード電極８および
カソード電極９は、例えば、例えば、多孔質カーボンク
ロスまたは多孔質カーボンペーパーからなるガス拡散層
の電解質膜７と接する一表面に、Ｐｔを主体とする合金
からなる触媒層を積層させることにより構成されてい
る。

【００１７】前記第１セパレータ３および第２セパレー
タ４は、いずれも板厚０．２〜０．５ｍｍのステンレス
製板材をプレス成形することにより、図３に示すよう
に、一定の高さを有する凹凸が一定のパターンで多数形
成された波板部１０と、図１および図２に示されるよう
に、該波板部１０に流通させる燃料ガス（例えば、水素
ガス）、酸化剤ガス（例えば、酸素を含む空気）および
冷却媒体（例えば、純水）をそれぞれ供給、排出させる
ように各セパレータ３，４を貫通する燃料ガス供給口１
１、酸化剤ガス供給口１２、冷却媒体供給口１３、燃料
ガス排出口１４、酸化剤ガス排出口１５および冷却媒体
排出口１６と、これら供給口１１〜１３、排出口１４〜
１６および前記波板部１０をそれぞれ取り囲むように配
置される平面部１７とを具備している。

【００１８】前記冷却媒体供給口１３および冷却媒体排
出口１６は、図１および図２に示されるように、セパレ
ータ３，４の幅方向のほぼ中央に配置されている。ま
た、前記燃料ガス供給口１１と酸化剤ガス供給口１２
は、前記冷却媒体供給口１３を挟んでセパレータ３，４
の幅方向の両側に配置されている。さらに、前記燃料ガ
ス排出口１４と酸化剤ガス排出口１５は、前記冷却媒体
排出口１６を挟んでセパレータ３，４の幅方向の両側に
配置されている。これら燃料ガス排出口１４および酸化
剤ガス排出口１５は、それぞれ燃料ガス供給口１１およ
び酸化剤ガス供給口１２に対して対角位置となるように
配置されている。

【００１９】図１および図２において、符号１８，１９
は、第１セパレータ３と第２セパレータ４との間に挟ま
れて、各種供給口１１〜１３、および排出口１４〜１６
の周囲を密封する第３シール部材および第４シール部材
を示している。また、図３において、符号２４は、隣接
する燃料電池１間を密封する第５シール部材を示してい
る。なお、各種供給口１１〜１３、および排出口１４〜
１６は、図示しない連通部によって、上記波板部１０に
画定される各流路に連通し、電極構造体２の周囲に燃料
ガス、酸化剤ガスおよび冷却媒体を流通させることがで
きるようになっている。

【００２０】前記平面部１７には、一の燃料電池１を構
成する一対の金属セパレータ３，４どうし、および、積
層配置された複数の燃料電池１どうしを位置決めするた
めのノック穴２０（位置決め穴）が設けられている。ノ
ック穴２０は、金属セパレータ３，４の両端に１カ所ず
つ、２カ所に設けられている。これにより、図３に示さ
れるように、これらのノック穴２０に、ノックピン２１
が挿入されると、金属セパレータ３，４どうしの相対的
な並進移動が防止されるとともに、金属セパレータ３，
４どうしの相対的な回転移動も防止されるようになって
いる。図３においては、明確化のために、ノック穴２０
周囲に配されている第３，第４シール部材１８，１９の
記載を省略している。

【００２１】前記ノック穴２０には、図３に示されるよ
うにバーリング加工が施されることにより、該ノック穴
２０の周縁全周にわたって円筒状のガイド部２２が形成
されている。すなわち、平板状の金属セパレータ３，４
への、波板部１０、各種供給口１１〜１３および排出口
１４〜１６の形成は、プレス加工により行われるが、こ
のプレス加工工程において打ち抜かれたノック穴２０用
の下穴にパンチを押し込んで穴径を広げながら円筒状フ
ランジを形成するバーリング加工によってガイド部２２
が形成される。

【００２２】円筒状のガイド部２２は、ノック穴２０の
内径を長さ方向に延長した円筒内面２２ａを有してお
り、ノックピン２１がノック穴２０に挿入されると、該
ノックピン２１の側面が円筒状のガイド部２２の円筒内
面２２ａに密着するように構成されている。

【００２３】また、ガイド部２２は、第１セパレータ３
と第２セパレータ４との電気的な短絡を回避するため
に、両セパレータ３，４間の間隔寸法よりも小さい高さ
寸法を有している。すなわち、図３に示されるように、
第１セパレータ３と第２セパレータ４とによって電極構
造体２を挟んだときに、第１セパレータ３に形成されて
いるノック穴２０と第２セパレータ４に形成されている
ノック穴２０とが一列に並んで配置されることになる
が、ガイド部２２の高さ寸法が両セパレータ３，４の間
隔寸法より小さく形成されているので、一方の金属セパ
レータ３のガイド部２２の先端が他方の金属セパレータ
４に接触することが防止され、両セパレータ３，４は離
間した状態に保持されるようになっている。

【００２４】このように構成された本実施形態に係る燃
料電池１は、厚さ方向に複数重ねられて燃料電池スタッ
ク２３を構成する。各燃料電池１の金属セパレータ３，
４に形成されたノック穴２０は一列に並んで配されるの
で、これらノック穴２０全てを貫通するノックピン２１
を挿入することにより、複数の金属セパレータ３，４が
相互に位置決め状態に配置される。ノックピン２１は、
金属セパレータ３，４どうしの電気的導通を防止するた
めに、例えば、樹脂のような絶縁性材料から構成されて
いることが好ましい。

【００２５】この場合において、本実施形態に係る燃料
電池１では、ノック穴２０の周縁に円筒状のガイド部２
２が設けられているので、ノック穴２０に挿入されたノ
ックピン２１の側面が、全周にわたってガイド部２２の
円筒内面２２ａに密着する。ガイド部２２の円筒内面２
２ａは、金属セパレータ３，４の板厚寸法よりも十分に
長い長さを有しているので、ノックピン２１は、あたか
も肉厚の厚いセパレータのノック穴に挿入されているか
のように、大きな接触面積で金属セパレータ３，４に接
触することができる。

【００２６】すなわち、ノックピン２１は、金属セパレ
ータ３，４に設けたガイド部２２によって、全周にわた
って側方から支持され、金属セパレータ３，４に対して
倒れないように保持されることになる。したがって、一
方の金属セパレータ３を他方の金属セパレータ４に対し
て面方向にずらす力が作用しても、ノックピン２１の倒
れがガイド部２２によって抑制されるので、金属セパレ
ータ３，４間に位置ずれが発生することがない。

【００２７】また、本実施形態に係る燃料電池１によれ
ば、金属セパレータ３，４のノック穴２０の周縁をバー
リング加工により湾曲させて形成された円筒状のガイド
部２２は、ノック穴２０の縁部を補強するリブとして機
能するので、ノックピン２１の挿入時における該ノック
ピン２１との接触によるノック穴２０の縁部の変形を防
止することができる。すなわち、ノック穴２０の変形に
よる位置決め精度の低下を防止することができる。

【００２８】次に、この発明の第２の実施形態に係る燃
料電池３０について、図４を参照して説明する。なお、
以下の説明において、上述した第１の実施形態に係る燃
料電池１と構成を共通とする箇所には、同一符号を付し
て説明を簡略化することにする。

【００２９】本実施形態に係る燃料電池３０は、ガイド
部３１の構造において第１の実施形態に係る燃料電池１
と相違している。本実施形態の燃料電池３０におけるガ
イド部３１は、金属セパレータ３，４とは別個に構成さ
れた円環状の部材である。該ガイド部３１は、厚さ方向
に大径部３１ａと小径部３１ｂとを有し、該小径部３１
ｂが、金属セパレータ３，４に形成された貫通穴３２に
ぴったりと嵌合する外径寸法に形成されている。一方、
大径部３１ａは、前記小径部３１ｂが貫通穴３２に完全
に嵌合された状態で金属セパレータ３，４の表面に当接
し、ガイド部３１を厚さ方向に位置決めするように構成
されている。

【００３０】ガイド部３１の厚さ寸法は、金属セパレー
タ３，４の厚さ寸法と比較して十分に長く形成されてお
り、その円筒内面３１ｃは、ノックピン２１の外面に接
触するノック穴２０を構成している。ガイド部３１は、
金属セパレータ３，４に、接着、溶接、ロウ付け等の任
意の接合方法によって取り付けられている。また、ガイ
ド部３１は、ノックピン２１が第１の実施形態と同様の
絶縁性材料からなるノックピン２１である場合には、そ
の材質に制限はないが、導電性材料からなるノックピン
２１を使用する場合には、樹脂等の絶縁性材料により構
成されている必要がある。

【００３１】このように構成された本実施形態に係る燃
料電池３０によれば、第１の実施形態におけるバーリン
グ加工されたガイド部２２と同様に、ノック穴２０の周
方向の全周に設けられたガイド部３１によってノック穴
２０を長さ方向に延長することにより、ノックピン２１
とノック穴２０との嵌合長さを大幅に増大させることが
でき、ノックピン２１の側面を全周にわたって支持する
ことができるので、金属セパレータ３，４に対するノッ
クピン２１の倒れを防止して、金属セパレータ３，４ど
うしを精度よく位置決めすることができる。また、この
ような位置決め精度の向上を、円環状のガイド部材３０
という極めて簡易な構成により達成できる。

【００３２】次に、この発明の第３の実施形態に係る燃
料電池４０について、図５を参照して説明する。この実
施形態に係る燃料電池４０も、ガイド部４１の構造にお
いて、第１および第２の実施形態に係る燃料電池１，３
０と相違している。本実施形態に係る燃料電池４０のガ
イド部４１は、円環状に形成され、その外面の厚さ方向
の中央に一段窪んだ周溝４２を有している。周溝４２の
溝幅寸法は、金属セパレータ３，４の厚さ寸法に一致
し、金属セパレータ３，４に形成された貫通穴２０の縁
を該周溝４２内に収容することにより、ガイド部が４１
金属セパレータ３，４に固定されるようになっている。

【００３３】金属セパレータは、例えば、樹脂製であ
り、金属セパレータ３，４の貫通穴４３の縁部に、接着
等によって取り付けられ、または、金属セパレータ３，
４に一体成形されていてもよい。このように構成された
本実施形態に係る燃料電池４０によれば、第１および第
２の実施形態に係る燃料電池１，３０と同様に、金属セ
パレータ３，４に対するノックピン２１の倒れを防止し
て、金属セパレータ３，４どうしを精度よく位置決めす
ることができる。

【００３４】次に、この発明の第４の実施形態に係る燃
料電池５０について、図６を参照して説明する。この実
施形態に係る燃料電池５０は、金属セパレータ３，４に
形成された貫通穴２０の周縁を湾曲させてガイド部５１
を形成している点で第１の実施形態に係る燃料電池１と
共通するが、該第１の実施形態に係る燃料電池１がバー
リング加工により、貫通穴２０の全周にわたって金属セ
パレータ３，４の一面側に突出する円筒状のガイド部２
２を形成しているのに対し、金属セパレータ３，４の両
面側に突出するガイド部５１を有している点において相
違している。

【００３５】本実施形態の燃料電池５０では、図６に示
されるように、金属セパレータ３，４に形成された貫通
穴２０の周縁から半径方向に沿う複数の切り込み５２が
形成され、該切り込み５２によって区画された複数の分
割片５３が、図７に示されるように、金属セパレータ
３，４の一面側と他面側とに交互に折り曲げられること
により、全周にわたるガイド部５１を有するノック穴２
０が形成されている。

【００３６】このように構成されたガイド部５１は、各
分割片５３の長さの約２倍の長さを有することになるの
で、ノック穴２０を長さ方向に延長し、ノック穴２０に
挿入されるノックピン２１の側面に、該ノックピン２１
の長さ方向の広い範囲にわたって接触することができ
る。その結果、ノックピン２１の倒れをより効果的に防
止して、高い位置決め精度を達成することができる。

【００３７】なお、上記各実施形態に係る燃料電池１，
３０，４０，５０では、ノック穴２０の周縁に全周にわ
たってガイド部２２，３１，４１，５１を設けた場合に
ついて説明したが、これに限定されるものではない。す
なわち、ガイド部は、ノック穴２０の周縁に、周方向の
一部に部分的に設けられていてもよい。例えば、ノック
穴２０の周縁の周方向に間隔をあけて数カ所に設けられ
ていてもよい。この場合には、該ガイド部が設けられて
いる方向へのノックピン２１の倒れが防止されるので、
その限りにおいて効果的である。また、この場合には金
属セパレータ３，４毎にガイド部の位相をずらすことに
すれば、ノックピン２１の倒れを全方向にわたって支持
することができる。

【００３８】

【発明の効果】以上の説明から明らかなように、本発明
は以下の効果を奏する。（１）請求項１記載の発明に係る燃料電池によれ
ば、位置決め穴の周縁の少なくとも一部に設けたガイド
部によって、位置決めピンが側面から支持されるので、
金属セパレータに対して位置決めピンが倒れないように
保持され、その結果、金属セパレータどうしを高い精度
で位置決めすることができるという効果を奏する。金属
セパレータどうしが高精度で位置決めされることによ
り、これらの金属セパレータに挟まれる電極構造体に過
大な偏力が作用することが回避されるので、電極構造体
の健全性が維持され、燃料電池の寿命低下を防止するこ
とができるとともに、発電性能の低下を防止することが
できるという効果もある。さらに、位置決めピンの倒れ
による金属セパレータの位置ずれを防止できるので、燃
料電池の外径寸法の変動を最小限に抑制することができ
るという効果を奏する。（２）請求項２の発明に係る燃料電池によれば、ガ
イド部をバーリング加工により形成するので、金属セパ
レータのプレス加工の一環として簡易にガイド部を形成
することができる。したがって、金属セパレータが高精
度に位置決めされた燃料電池を低いコストで提供するこ
とができるという効果がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施形態に係る燃料電池の
構成部品を模式的に示す分解斜視図である。

【図２】図１の燃料電池の構成部品を組み合わせた
状態を模式的に示す平面図である。

【図３】図２の燃料電池のノック穴部分近傍を示す
縦断面図である。

【図４】本発明の第２の実施形態に係る燃料電池の
ノック穴近傍を部分的に示す縦断面図である。

【図５】本発明の第３の実施形態に係る燃料電池の
ノック穴近傍を部分的に示す縦断面図である。

【図６】本発明の第４の実施形態に係る燃料電池の
ノック穴近傍を部分的に示す平図図である。

【図７】図６のノック穴近傍を部分的に示す縦断面
図である。

【図８】従来の燃料電池のノック穴近傍を部分的に
示す縦断面図である。

【符号の説明】

１，３０，４０，５０燃料電池２電極構造体３第１セパレータ（金属セパレータ）４第２セパレータ（金属セパレータ）７電解質膜（電解質）８アノード電極９カソード電極２１ノックピン（位置決めピン）２０ノック穴（位置決め穴）２２，３１，４１，５１ガイド部

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者菊池英明埼玉県和光市中央１丁目４番１号株式会社本田技術研究所内Ｆターム(参考） 5H026 AA06 CC03 EE02 HH03

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】電解質の両面にそれぞれアノード電極
とカソード電極とを配してなる電極構造体を一対の金属
セパレータで挟持した燃料電池において、前記各金属セパレータに、厚さ方向に貫通し、挿入され
る位置決めピンにより金属セパレータどうしを位置決め
する位置決め穴が設けられ、該位置決め穴の縁の周方向の少なくとも一部に、該位置
決め穴を長さ方向に延長するガイド部が設けられている
燃料電池。
【請求項２】前記ガイド部がバーリング加工により
形成されている請求項１記載の燃料電池。