JP4547177B2

JP4547177B2 - 燃料電池

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Publication number: JP4547177B2
Application number: JP2004096567A
Authority: JP
Inventors: 誠治杉浦; 修平後藤; 龍吾鈴木; 成利杉田; 吉宏中西
Original assignee: Honda Motor Co Ltd
Current assignee: Honda Motor Co Ltd
Priority date: 2004-03-29
Filing date: 2004-03-29
Publication date: 2010-09-22
Anticipated expiration: 2024-03-29
Also published as: US8148032B2; US20050249995A1; JP2005285497A

Description

本発明は、電解質を一対の電極間に配設した電解質・電極構造体と、セパレータとが積層されるとともに、シール部材が介装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両側に、それぞれ電極触媒と多孔質カーボンとからなるアノード側電極及びカソード側電極を対設した電解質膜・電極構造体を、セパレータ（バイポーラ板）によって挟持した単位セルを備えている。

この種の燃料電池において、アノード側電極には、燃料ガス（反応ガス）、例えば、主に水素を含有するガス（以下、水素含有ガスともいう）が供給される一方、カソード側電極には、酸化剤ガス（反応ガス）、例えば、主に酸素を含有するガスあるいは空気（以下、酸素含有ガスともいう）が供給されている。アノード側電極に供給された燃料ガスは、電極触媒上で水素がイオン化され、電解質膜を介してカソード側電極側へと移動する。そ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。

ところで、燃料電池は、通常、数十〜数百の単位セルを積層してスタックを構成している。その際、各単位セル同士を正確に位置決めする必要があり、このため、前記単位セルに形成された位置決め用孔部にノックピンを挿入する作業が行われている。しかしながら、単位セルの積層数が増加するのに伴って、ノックピンの挿入作業が困難なものとなり、作業性が低下するとともに、部材の位置ずれが惹起し易く、シール機能が低下するという問題がある。

そこで、上記の問題を解決するために、特許文献１には、固体高分子電解質型燃料電池が開示されている。具体的には、図１５に示すように、燃料電池１は、単位セル２と、この単位セル２を挟んで配置されるセパレータ３ａ、３ｂとを備えている。単位セル２は、固体高分子電解質膜２ａと、この固体高分子電解質膜２ａの一面に設けられるアノード側電極２ｂと、前記固体高分子電解質膜２ａの他面に設けられるカソード側電極２ｃとにより構成されている。

燃料電池１には、積層方向に貫通して保持ピン挿入用保持孔４が形成されるとともに、セパレータ３ｂには、止め輪挿入用保持孔５が形成されている。保持ピン挿入用保持孔４には、保持ピン６が挿入されており、この保持ピン６の止め輪挿入溝６ａには、止め輪挿入用保持孔５に配置されている止め輪７が取り付けられる。保持ピン６の先端には、面取り加工が施されたピン先端６ｂが設けられる一方、前記保持ピン６の後端には、他の保持ピン６のピン先端６ｂが嵌合される挿入穴６ｃが形成されている。

このような構成において、保持ピン６が燃料電池１の保持ピン挿入用保持孔４に挿入されるとともに、止め輪挿入用保持孔５から止め輪７が挿入される。そして、この止め輪７が、保持ピン６の止め輪挿入溝６ａに嵌め込まれることにより、燃料電池１が積層状態で保持される。

その際、保持ピン６のピン先端６ｂは、セパレータ３ｂの外面よりも突出している。このため、ピン先端６ｂが、他の燃料電池１を保持している保持ピン６の挿入穴６ｃに嵌合することにより、互いに隣接する燃料電池１同士の位置決めが行われる、としている。

特開２０００−１２０６７号公報（図１）

しかしながら、上記の特許文献１では、各単位セル２毎に複数本の保持ピン６を保持ピン挿入用保持孔４に挿入するとともに、この保持ピン６の止め輪挿入溝６ａに止め輪７を嵌め込む作業が必要となっている。このため、特に、多数の単位セル２を積層する際に、保持ピン６と止め輪７の組み付け作業が相当に繁雑なものとなっており、作業性が低下するという問題が指摘されている。

さらに、燃料電池１を組み付けた際に、保持ピン６のピン先端６ｂがセパレータ３ｂの外面よりも突出している。これにより、ピン先端６ｂから電気の漏れが発生し易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、簡単な構成で、セパレータ同士の位置決めが容易且つ効率的に遂行されるとともに、組み付け作業性に優れる燃料電池を提供することを目的とする。

本発明は、電解質を一対の電極間に配設した電解質・電極構造体を、第１及び第２セパレータで挟持する燃料電池である。燃料電池は、第１又は第２セパレータに設けられ、電解質・電極構造体の外周部を前記第１又は第２セパレータに対して位置決めするための位置決めリブと、前記第１及び第２セパレータに設けられる第１及び第２位置決め用孔部に挿入され、該第１及び第２セパレータ同士を位置決めするための第１及び第２絶縁性位置決め部材と、前記第１及び第２セパレータの外周を、複数個所で一体的に保持する複数の金属固定部材とを備え、前記金属固定部材は、前記位置決めリブに近接し、且つ前記第１及び第２セパレータを介して前記電解質・電極構造体を挟持した際に、前記電解質・電極構造体の前記位置決めリブへの乗り上げ及び該電解質・電極構造体の脱落を阻止する位置に配置されている。

また、金属固定部材は、絶縁性位置決め部材の近傍に配置されることが好ましい。

さらにまた、第１及び第２セパレータは、金属セパレータであり、前記金属セパレータの変形し易い個所に対応して金属固定部材が配置されることが好ましい。また、金属固定部材は、金属クリップ部材又は折曲可能な金属止め部材であることが好ましい。

本発明に係る燃料電池では、位置決めリブを介して電解質・電極構造体が第１又は第２セパレータに対して位置決めされ、さらに第１及び第２絶縁性位置決め部材を介して前記第１及び第２セパレータ同士が位置決めされた後、金属固定部材を介して前記第１及び第２セパレータが前記電解質・電極構造体を挟持した状態で一体的に固定される。これにより、燃料電池の組み付け作業が簡単且つ高精度に遂行され、前記燃料電池の組み付け作業性が有効に向上する。

図１は、本発明の実施形態に係る燃料電池１０の要部分解斜視図であり、図２は、前記燃料電池１０を積層したスタックの、図１中、ＩＩ−ＩＩ線断面図である。

燃料電池１０は、電解質膜・電極構造体１２とセパレータ１３とを交互に積層して構成されるとともに、このセパレータ１３は、互いに積層される第１及び第２金属プレート１４、１６を備える。

図１に示すように、燃料電池１０の矢印Ｂ方向の一端縁部には、積層方向である矢印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２０ａ、冷却媒体を供給するための冷却媒体入口連通孔２２ａ、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２４ｂが、矢印Ｃ方向（鉛直方向）に配列して設けられる。

燃料電池１０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２４ａ、冷却媒体を排出するための冷却媒体出口連通孔２２ｂ、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２０ｂが、矢印Ｃ方向に配列して設けられる。

図１及び図３に示すように、電解質膜・電極構造体１２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２６と、該固体高分子電解質膜２６を挟持するアノード側電極２８及びカソード側電極３０とを備える。アノード側電極２８は、カソード側電極３０よりも小さな表面積に設定されるとともに、前記カソード側電極３０は、固体高分子電解質膜２６の全周を覆って設けられる。

アノード側電極２８及びカソード側電極３０は、カーボンペーパ等からなるガス拡散層と、白金合金が表面に担持された多孔質カーボン粒子を前記ガス拡散層の表面に一様に塗布した電極触媒層とをそれぞれ有する。電極触媒層は、固体高分子電解質膜２６の両面に接合されている。

電解質膜・電極構造体１２は、全体として略四角形状に構成されるとともに、前記電解質膜・電極構造体１２の４つの角部には、各対角位置に対応して外方に突出する４つの突出形状部１２ａ〜１２ｄが設けられる。突出形状部１２ａ〜１２ｄは、後述するバッファ部の形状に対応して先端が傾斜する略三角形状に形成される。

図１及び図４に示すように、第１金属プレート１４の電解質膜・電極構造体１２に向かう面１４ａには、酸化剤ガス流路３２が設けられるとともに、この酸化剤ガス流路３２は、酸化剤ガス入口連通孔２０ａと酸化剤ガス出口連通孔２０ｂとに連通する。酸化剤ガス流路３２は、酸化剤ガス入口連通孔２０ａに近接して設けられる略直角三角形状の入口バッファ部３４と、酸化剤ガス出口連通孔２０ｂに近接して設けられる略直角三角形状の出口バッファ部３６とを備える。入口バッファ部３４及び出口バッファ部３６は、互いに略対称形状に構成されるとともに、複数のエンボス３４ａ、３６ａが設けられている。

入口バッファ部３４と出口バッファ部３６とは、酸化剤ガス流路３２を構成する複数の酸化剤ガス流路溝３８を介して連通している。各酸化剤ガス流路溝３８は、互いに平行して矢印Ｂ方向に蛇行しながら矢印Ｃ方向に延在している。入口バッファ部３４及び出口バッファ部３６は、電解質膜・電極構造体１２の突出形状部１２ａ、１２ｂが前記入口バッファ部３４及び前記出口バッファ部３６の形状に対応している。

酸化剤ガス流路３２は、第１金属プレート１４の面１４ａ内に偶数回、例えば、２回の折り返し部位を有するサーペンタイン流路を構成するとともに、突出形状部１２ａ、１２ｂは、前記サーペンタイン流路の折り返し幅寸法と略同一の幅寸法に設定されている。

第１金属プレート１４の面１４ａには、酸化剤ガス入口連通孔２０ａ、酸化剤ガス出口連通孔２０ｂ及び酸化剤ガス流路３２を覆って酸化剤ガスのシールを行う平面状シール４０ａが設けられる。平面状シール４０ａの内方側端部には、電解質膜・電極構造体１２の外周部を位置決めするための位置決めリブ４１が複数個所、例えば、６個所に設けられる（図４参照）。

第１金属プレート１４と第２金属プレート１６との互いに対向する面１４ｂ、１６ａ間には、冷却媒体流路４２が一体的に形成される。図５に示すように、冷却媒体流路４２は、冷却媒体入口連通孔２２ａの矢印Ｃ方向の両端近傍に設けられる、例えば、略三角形状の第１及び第２の入口バッファ部４４、４６と、冷却媒体出口連通孔２２ｂの矢印Ｃ方向の両側近傍に設けられる、例えば、略三角形状の第１及び第２の出口バッファ部４８、５０とを備える。

第１の入口バッファ部４４と第２の出口バッファ部５０とは、互いに略対称形状に構成されるとともに、第２の入口バッファ部４６と第１の出口バッファ部４８とは、互いに略対称形状に構成される。第１の入口バッファ部４４、第２の入口バッファ部４６、第１の出口バッファ部４８及び第２の出口バッファ部５０は、複数のエンボス４４ａ、４６ａ、４８ａ及び５０ａにより構成されている。

冷却媒体入口連通孔２２ａと第１及び第２の入口バッファ部４４、４６とは、第１及び第２の入口連絡流路５２、５４を介して連通する一方、冷却媒体出口連通孔２２ｂと第１及び第２の出口バッファ部４８、５０とは、第１及び第２の出口連絡流路５６、５８を介して連通する。

冷却媒体流路４２は、矢印Ｂ方向に延在する複数の直線状流路溝６０と、矢印Ｃ方向に延在する複数の直線状流路溝６２とを有する。この冷却媒体流路４２は、第１金属プレート１４と第２金属プレート１６とに振り分けられており、前記第１及び第２金属プレート１４、１６を互いに重ね合わせることによって、前記冷却媒体流路４２が形成される。図６に示すように、第１金属プレート１４の面１４ｂには、面１４ａ側に形成される酸化剤ガス流路３２を避けるようにして冷却媒体流路４２の一部が形成される。

なお、面１４ｂには、面１４ａに形成された酸化剤ガス流路３２が凸状に突出しているが、冷却媒体流路４２を分かり易くするために、該凸状部分の図示は省略する。また、図７に示す面１６ａでも同様に、面１６ｂに形成された燃料ガス流路６６（図８参照）の凸状部分の図示は省略する。

面１４ｂには、図６に示すように、冷却媒体入口連通孔２２ａに第１の入口連絡流路５２を介して連通する第１の入口バッファ部４４と、冷却媒体出口連通孔２２ｂに第２の出口連絡流路５８を介して連通する第２の出口バッファ部５０とが設けられる。面１４ｂには、直線状流路溝６０の一部を構成する複数の溝６０ａが矢印Ｂ方向に延在して設けられるとともに、直線状流路溝６２の一部を構成する複数の溝６２ａが矢印Ｃ方向に延在して設けられる。

第１金属プレート１４の面１４ｂには、冷却媒体入口連通孔２２ａ、冷却媒体出口連通孔２２ｂ及び冷却媒体流路４２を覆って冷却媒体のシールを行う平面状シール４０ｂが設けられる。平面状シール４０ａ、４０ｂは、第１金属プレート１４の外周端部を覆って一体的に設けられる第１シール部材４０を構成している（図２参照）。

図７に示すように、第２金属プレート１６の面１６ａには、後述する燃料ガス流路６６を避けるようにして冷却媒体流路４２の一部が形成される。具体的には、冷却媒体入口連通孔２２ａに連通する第２の入口バッファ部４６と、冷却媒体出口連通孔２２ｂに連通する第１の出口バッファ部４８とが設けられる。

面１６ａには、直線状流路溝６０の一部を構成する複数の溝６０ｂが矢印Ｂ方向に延在して設けられるとともに、直線状流路溝６２の一部を構成する複数の溝６２ｂが矢印Ｃ方向に延在して設けられる。

図８に示すように、第２金属プレート１６の電解質膜・電極構造体１２に向かう面１６ｂには、燃料ガス流路６６が設けられる。燃料ガス流路６６は、燃料ガス入口連通孔２４ａに近接して設けられる略直角三角形状の入口バッファ部６８と、燃料ガス出口連通孔２４ｂに近接して設けられる略直角三角形状の出口バッファ部７０とを備える。

入口バッファ部６８及び出口バッファ部７０は、互いに略対称形状に構成されるとともに、複数のエンボス６８ａ、７０ａを設けている。入口バッファ部６８と出口バッファ部７０とは、燃料ガス流路６６を構成する複数の燃料ガス流路溝７２を介して連通している。各燃料ガス流路溝７２は、互いに平行して矢印Ｂ方向に蛇行しながら矢印Ｃ方向に延在している。入口バッファ部６８及び出口バッファ部７０は、電解質膜・電極構造体１２の突出形状部１２ｃ、１２ｄが前記入口バッファ部６８及び前記出口バッファ部７０の形状に対応している。

燃料ガス流路６６は、面１６ｂ内に偶数回、例えば、２回の折り返し部位を有するサーペンタイン流路を構成するとともに、突出形状部１２ｃ、１２ｄは、前記サーペンタイン流路の折り返し幅寸法と略同一の幅寸法に設定されている。

第２金属プレート１６の外周端部を覆って第２シール部材７４が一体成形される。この第２シール部材７４は、図７に示すように、面１６ａに設けられて冷却媒体入口連通孔２２ａ、冷却媒体出口連通孔２２ｂ及び冷却媒体流路４２を覆って冷却媒体のシールを行う線状シール７４ａを有する。第２シール部材７４は、図８に示すように、面１６ｂに設けられて燃料ガス入口連通孔２４ａ、燃料ガス出口連通孔２４ｂ及び燃料ガス流路６６を覆って燃料ガスのシールを行う線状シール７４ｂを有する。

図１に示すように、第１金属プレート１４は、冷却媒体入口連通孔２２ａと燃料ガス出口連通孔２４ｂとの間、及び、燃料ガス入口連通孔２４ａと冷却媒体出口連通孔２２ｂとの間に、それぞれ第１位置決め用孔部７６を設ける。第２金属プレート１６は、第１金属プレート１４と同様に、冷却媒体入口連通孔２２ａと燃料ガス出口連通孔２４ｂとの間、及び、燃料ガス入口連通孔２４ａと冷却媒体出口連通孔２２ｂとの間に、それぞれ第２位置決め用孔部７８を設ける。

図９及び図１０に示すように、第１位置決め用孔部７６は、第２位置決め用孔部７８よりも大径に構成される。第１位置決め用孔部７６に第１絶縁性ブッシュ（第１絶縁性位置決め部材）８０が装着されるとともに、第２位置決め用孔部７８に第２絶縁性ブッシュ（第２絶縁性位置決め部材）８２が装着される。第１及び第２絶縁性ブッシュ８０、８２は、絶縁性、射出成形性及び硬度に優れる、例えば、ＰＰＳ（ポリフェニレンサルファイド）やＬＣＰ（液晶ポリマ）等により構成される。

第１絶縁性ブッシュ８０は、略リング状に形成されており、第１金属プレート１４の面１４ｂに接触して支持する支持部８４と、前記第１金属プレート１４の第１位置決め用孔部７６に嵌合するとともに、内周壁部８６が設けられた膨出部８８とを一体的に備える。

第２絶縁性ブッシュ８２は、略リング状に形成されており、第２金属プレート１６の面１６ｂに当接して支持する支持部９０と、前記第２金属プレート１６の第２位置決め用孔部７８に嵌合する第１膨出部９２と、前記第１膨出部９２とは反対側に突出するとともに、内周壁部８６に嵌合する外周壁部９４が設けられた第２膨出部９６とを一体的に備える。

図２に示すように、第１金属プレート１４の外周縁部には、電解質膜・電極構造体１２から離間する方向に屈曲する屈曲端部９８が設けられる。第１シール部材４０は、屈曲端部９８の形状に対応して屈曲する段部４０ｃを設けており、この段部４０ｃが金属クリップ部材（金属用固定部材）１００の抜け止め機能を有する。

第２金属プレート１６の外周縁部には、図２に示すように、電解質膜・電極構造体１２から離間する方向に屈曲する屈曲端部１０２が設けられ、第２シール部材７４は、この屈曲端部１０２の形状に対応して段部７４ｃを設ける。

第１及び第２金属プレート１４、１６の屈曲端部９８、１０２は、互いに異なる方向（離間する方向）に屈曲することにより、前記第１及び第２金属プレート１４、１６の外周部の剛性が向上する。第１及び第２金属プレート１４、１６の外周は、複数の金属クリップ部材１００により複数個所で一体的に保持される。

図１１に示すように、燃料電池１０の外周には、それぞれ所定の位置にクリップ取り付け部位１０４ａ〜１０４ｋが設けられる。クリップ取り付け部位１０４ａは、幅方向（矢印Ｂ方向）に２つの金属クリップ部材１００を選択的に取り付け可能とするために、第１位置１０６ａと第２位置１０６ｂとを設ける。クリップ取り付け部位１０４ｂ〜１０４ｋは、上記のクリップ取り付け部位１０４ａと同様に、２つの金属クリップ部材１００を選択的に取り付け可能な第１位置１０６ａと第２位置１０６ｂとを設ける。

図１２に示すように、金属クリップ部材１００は、金属製薄板を折り曲げて構成されており、側板部１０８と、前記側板部１０８の両端部で屈曲する第１及び第２舌片部１１０、１１２とを一体的に備える。第１及び第２舌片部１１０、１１２の寸法Ｈ１は、側板部１０８の幅寸法Ｈ２よりも長尺に構成されており、前記側板部１０８と前記第１及び第２舌片部１１０、１１２が所望のばね性を有している。第１及び第２舌片部１１０、１１２は、側板部１０８から離間する外方側端部１１０ａ、１１２ａが互いに離間する方向に屈曲乃至湾曲している。

図１１に示すように、燃料電池１０において、第１金属プレート１４の４つの位置決めリブ４１の近傍には、クリップ取り付け部位１０４ａ、１０４ｃ、１０４ｆ及び１０４ｉが設けられ、これらに金属クリップ部材１００が取り付けられることによって、前記４つの位置決めリブ４１に近接して前記金属クリップ部材１００が配置される。

第１及び第２絶縁性ブッシュ８０、８２の装着位置近傍には、クリップ取り付け部位１０４ｄ、１０４ｊが設けられている。このクリップ取り付け部位１０４ｄ、１０４ｊに金属クリップ部材１００が取り付けられることにより、第１及び第２絶縁性ブッシュ８０、８２に近接して前記金属クリップ部材１００が配設される。

第１及び第２金属プレート１４、１６のうねりや反り等の変形が発生し易い個所に対応して、例えば、クリップ取り付け部位１０４ｂ、１０４ｇ及び１０４ｈが設けられ、これらに金属クリップ部材１００が取り付けられている。

次に、燃料電池１０を組み付ける作業について、以下に説明する。

先ず、第１金属プレート１４の第１位置決め用孔部７６に第１絶縁性ブッシュ８０が装着されるとともに、第２金属プレート１６の第２位置決め用孔部７８に第２絶縁性ブッシュ８２が装着される。

この場合、図９に示すように、第１絶縁性ブッシュ８０は、支持部８４で第１金属プレート１４の面１４ｂを支持した状態で、膨出部８８がこの第１金属プレート１４の第１位置決め用孔部７６に嵌合する。一方、第２絶縁性ブッシュ８２は、支持部９０で第２金属プレート１６の面１６ｂを支持した状態で、第１膨出部９２が前記第２金属プレート１６の第２位置決め用孔部７８に嵌合する。

ここで、第１及び第２金属プレート１４、１６の間には、電解質膜・電極構造体１２が配置される。その際、図４に示すように、第１金属プレート１４の外周端部を周回して第１シール部材４０が設けられるとともに、この第１シール部材４０を構成する平面状シール４０ａには、位置決めリブ４１が、例えば、６個所に設けられている。

このため、燃料電池１０を組み立てる際に、電解質膜・電極構造体１２の外周部、すなわち、固体高分子電解質膜２６及びカソード側電極３０の外周端面を位置決めリブ４１の端面に当接させるだけで、電解質膜・電極構造体１２を第１金属プレート１４に対して正確かつ容易に位置決めすることができる。

さらに、第１及び第２絶縁性ブッシュ８０、８２が互いに押圧される。これにより、図９に示すように、第１絶縁性ブッシュ８０の内周壁部８６に第２絶縁性ブッシュ８２の外周壁部９４が嵌合し、第１及び第２金属プレート１４、１６の位置決めが行われる。従って、簡単かつ迅速な作業で、第１及び第２金属プレート１４、１６は、互いに絶縁性を確保しながら正確に位置決めされ、燃料電池１０の組み付け作業が一挙に効率的に遂行されるという効果が得られる。

この状態で、図１１に示すように、クリップ取り付け部位１０４ａ〜１０４ｋの各第１位置１０６ａに金属クリップ部材１００が装着される。その際、金属クリップ部材１００の第１及び第２舌片部１１０、１１２の寸法Ｈ１が、側板部１０８の幅寸法Ｈ２よりも長尺に構成されるとともに、所望のばね性が設けられる（図１２参照）。

このため、金属クリップ部材１００を第１位置１０６ａに装着した状態では、図２に示すように、比較的長尺な第１及び第２舌片部１１０、１１２を介して、第１及び第２金属プレート１４、１６の外周縁部を強固且つ確実に保持することができる。これにより、金属クリップ部材１００は、第１及び第２金属プレート１４、１６から離脱することを有効に阻止することが可能になり、燃料電池１０を確実に一体化することができる。

次いで、上記の燃料電池１０に積層される他の燃料電池１０の組み付けが行われる。図１３に示すように、他の燃料電池１０では、クリップ取り付け部位１０４ａ〜１０４ｋの各第２位置１０６ｂに金属クリップ部材１００が取り付けられる。さらに、この他の燃料電池１０に積層される別の燃料電池１０では、クリップ取り付け部位１０４ａ〜１０４ｋの各第１位置１０６ａに、金属クリップ部材１００が取り付けられる。

従って、互いに積層される燃料電池１０では、各燃料電池１０にそれぞれ装着されている金属クリップ部材１００同士が積層方向に互いに位置をずらして配置され、前記金属クリップ部材１００同士が重なり合うことがない。

この場合、本実施形態では、電解質膜・電極構造体１２は、第１金属プレート１４に設けられている複数の位置決めリブ４１を介して、この第１金属プレート１４に対して正確に位置決めされる。さらに、第１及び第２金属プレート１４、１６同士は、第１及び第２絶縁性ブッシュ８０、８２を介して位置決めされた後、前記第１及び第２金属プレート１４、１６は、電解質膜・電極構造体１２を挟持した状態で複数の金属クリップ部材を介して一体的に固定されている。

これにより、本実施形態では、燃料電池１０の組み付け作業が簡単且つ高精度に遂行され、前記燃料電池１０の組み付け作業性が有効に向上するという効果が得られる。

さらに、四隅の位置決めリブ４１の近傍には、それぞれ金属クリップ部材１００が配置されており、各金属クリップ部材１００は、前記位置決めリブ４１の近傍で、第１及び第２金属プレート１４、１６を介して電解質膜・電極構造体１２を挟持することができる。このため、位置決めリブ４１に電解質膜・電極構造体１２が乗り上げたり、前記電解質膜・電極構造体１２が脱落したりすることを確実に阻止することが可能になる。

さらにまた、それぞれ２箇所に設けられている第１及び第２絶縁性ブッシュ８０、８２の近傍には、それぞれ金属クリップ部材１００が配置されている。従って、第１及び第２絶縁性ブッシュ８０、８２の離脱を確実に阻止し、第１及び第２金属プレート１４、１６同士を正確に位置決めすることができる。

また、第１及び第２金属プレート１４、１６が変形し易い個所に対応して金属クリップ部材１００が配置されている。これにより、第１及び第２金属プレート１４、１６に反りやうねり等の変形が発生することがなく、電解質膜・電極構造体１２を所望の位置に確実に挟持するとともに、第１及び第２絶縁性ブッシュ８０、８２の離脱等を一層確実に防止し得るという効果がある。

次いで、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２０ａ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、冷却媒体入口連通孔２２ａ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、酸化剤ガス入口連通孔２０ａから第１金属プレート１４の酸化剤ガス流路３２に導入される。酸化剤ガス流路３２では、図４に示すように、酸化剤ガスが一旦入口バッファ部３４に導入された後、複数の酸化剤ガス流路溝３８に分散される。このため、酸化剤ガスは、各酸化剤ガス流路溝３８を介して蛇行しながら、電解質膜・電極構造体１２のカソード側電極３０に沿って移動する。

一方、燃料ガスは、燃料ガス入口連通孔２４ａから第２金属プレート１６の燃料ガス流路６６に導入される。この燃料ガス流路６６では、図８に示すように、燃料ガスが一旦入口バッファ部６８に導入された後、複数の燃料ガス流路溝７２に分散される。さらに、燃料ガスは、各燃料ガス流路溝７２を介して蛇行し、電解質膜・電極構造体１２のアノード側電極２８に沿って移動する。

従って、電解質膜・電極構造体１２では、カソード側電極３０に供給される酸化剤ガスと、アノード側電極２８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、発電が行われる。

次いで、カソード側電極３０に供給されて消費された酸化剤ガスは、出口バッファ部３６から酸化剤ガス出口連通孔２０ｂに排出される（図１参照）。同様に、アノード側電極２８に供給されて消費された燃料ガスは、出口バッファ部７０から燃料ガス出口連通孔２４ｂに排出される（図８参照）。

一方、冷却媒体入口連通孔２２ａに供給された冷却媒体は、第１及び第２金属プレート１４、１６間に形成された冷却媒体流路４２に導入される。この冷却媒体流路４２では、図５に示すように、冷却媒体入口連通孔２２ａから矢印Ｃ方向に延在する第１及び第２の入口連絡流路５２、５４を介して第１及び第２の入口バッファ部４４、４６に冷却媒体が一旦導入される。

第１及び第２の入口バッファ部４４、４６に導入された冷却媒体は、複数の直線状流路溝６０に分散されて水平方向（矢印Ｂ方向）に移動するとともに、その一部が複数の直線状流路溝６２に供給されて鉛直方向（矢印Ｃ方向）に移動する。従って、冷却媒体は、電解質膜・電極構造体１２の電極面全面にわたって供給された後、第１及び第２の出口バッファ部４８、５０に一旦導入され、さらに第１及び第２の出口連絡流路５６、５８を介して冷却媒体出口連通孔２２ｂに排出される。

なお、本実施形態では、金属固定部材として金属クリップ部材１００を用いて説明したが、これに限定されるものではない。例えば、図１４に示すように、折り曲げ可能な金属止め部材１２０をクリップ取り付け部位１０４ａ〜１０４ｋの第１位置１０６ａと第２位置１０６ｂとに選択的に取り付けてもよい。

この金属止め部材１２０は、通常、略コ字状に形成されており、２本の脚部を第１及び第２金属プレート１４、１６に差し入れた後、互いに近接する方向に折り曲げることによって、燃料電池１０を一体的に固定することができる。

本発明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。前記燃料電池を積層したスタックの、図１中、ＩＩ−ＩＩ線断面図である。前記燃料電池を構成する電解質膜・電極構造体の斜視図である。前記燃料電池を構成する第１金属プレートの一方の面の説明図である。セパレータ内に形成される冷却媒体流路の斜視説明図である。前記第１金属プレートの他方の面の説明図である。第２金属プレートの一方の面の説明図である。前記第２金属プレートの他方の面の説明図である第１及び第２絶縁性ブッシュの断面説明図である。前記第１及び第２絶縁性ブッシュの一部断面分解斜視図である。前記燃料電池の正面説明図である。金属クリップ部材の斜視説明図である。前記燃料電池を積層する際の斜視説明図である。前記金属クリップ部材に代替して金属止め部材が使用される際の前記燃料電池の正面説明図である。特許文献１の燃料電池の断面説明図である。

符号の説明

１０…燃料電池１２…電解質膜・電極構造体
１３…セパレータ１４、１６…金属プレート
２６…固体高分子電解質膜２８…アノード側電極
３０…カソード側電極３２…酸化剤ガス流路
４０、７４…シール部材４０ａ、４０ｂ…平面状シール
４１…位置決めリブ４２…冷却媒体流路
６６…燃料ガス流路７４ａ、７４ｂ…線状シール
７６、７８…位置決め用孔部８０、８２…絶縁性ブッシュ
９８、１０２…屈曲端部１００…金属クリップ部材
１０４ａ〜１０４ｋ…クリップ取り付け部位
１２０…金属止め部材

Claims

電解質を一対の電極間に配設した電解質・電極構造体を、第１及び第２セパレータで挟持する燃料電池であって、
前記第１又は第２セパレータに設けられ、前記電解質・電極構造体の外周部を前記第１又は第２セパレータに対して位置決めするための位置決めリブと、
前記第１及び第２セパレータに設けられる第１及び第２位置決め用孔部に挿入され、該第１及び第２セパレータ同士を位置決めするための第１及び第２絶縁性位置決め部材と、
前記第１及び第２セパレータの外周を、複数個所で一体的に保持する複数の金属固定部材と、
を備え、
前記金属固定部材は、前記位置決めリブに近接し、且つ前記第１及び第２セパレータを介して前記電解質・電極構造体を挟持した際に、前記電解質・電極構造体の前記位置決めリブへの乗り上げ及び該電解質・電極構造体の脱落を阻止する位置に配置されることを特徴とする燃料電池。
請求項１記載の燃料電池において、前記金属固定部材は、前記絶縁性位置決め部材の近傍に配置されることを特徴とする燃料電池。
請求項１又は２記載の燃料電池において、前記第１及び第２セパレータは、金属セパレータであり、前記金属セパレータの変形し易い個所に対応して前記金属固定部材が配置されることを特徴とする燃料電池。
請求項１〜３のいずれか１項に記載の燃料電池において、前記金属固定部材は、金属クリップ部材又は折曲可能な金属止め部材であることを特徴とする燃料電池。
請求項１〜４のいずれか１項に記載の燃料電池において、前記位置決めリブは、複数個有するとともに、各辺毎に設けられることを特徴とする燃料電池。