(57)【要約】【課題】簡単且つ経済的な構成で、枠付き電解質膜・電極構造体とセパレータとを正確且つ確実に位置決めすることを可能にする。【解決手段】燃料電池１０を構成する発電ユニット１２は、枠付き電解質膜・電極構造体１４をカソード側セパレータ１６及びアノード側セパレータ１８で挟持する。樹脂枠部材５０の外周には、成形時に溶融樹脂材料供給口で該樹脂枠部材５０と一体に硬化した樹脂体５０ａが設けられる。一方、アノード側セパレータ１８には、樹脂体５０ａが嵌合する位置決め用凹部４６ｂｒ、４６ｃｒが設けられる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項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成形される枠付き電解質膜・電極構造体と、セパレータとが積層される燃料電池であって、
前記樹脂枠部材の外周には、成形時に溶融樹脂材料供給口で該樹脂枠部材と一体に硬化した樹脂体が設けられるとともに、
前記セパレータには、前記樹脂体が嵌合する位置決め用凹部が設けられることを特徴とする燃料電池。
【請求項２】
請求項１記載の燃料電池において、前記凹部は、前記セパレータに一体成形されるシール部材を切り欠いて設けられることを特徴とする燃料電池。
【請求項３】
請求項２記載の燃料電池において、前記セパレータは、一方のセパレータ面に沿って燃料ガスを流通させる燃料ガス流路を設けるとともに、
前記シール部材は、前記燃料ガス流路を周回し且つ前記樹脂枠部材に当接する内側シールと、
前記樹脂枠部材の外方を周回する外側シールと、
を有し、
前記外側シールには、前記樹脂体が嵌合する前記凹部が形成されることを特徴とする燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
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、セパレータとが積層される燃料電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
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。
【０００３】
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、燃料電池を構成するＭＥＡとセパレータとの間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。
【０００４】
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。
【０００５】
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。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００６−３２４１７０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
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。
【０００８】
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。
【０００９】
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。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
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成形さ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、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。
【００１１】
この燃料電池では、樹脂枠部材の外周には、成形時に溶融樹脂材料供給口で該樹脂枠部材と一体に硬化した樹脂体が設けられている。一方、セパレータには、樹脂体が嵌合する位置決め用凹部が設けられている。
【００１２】
また、この燃料電池では、凹部は、セパレータに一体成形されるシール部材を切り欠いて設けられることが好ましい。
【００１３】
さらに、この燃料電池では、セパレータは、一方のセパレータ面に沿って燃料ガスを流通させる燃料ガス流路を設けることが好ましい。シール部材は、燃料ガス流路を周回し且つ樹脂枠部材に当接する内側シールと、前記樹脂枠部材の外方を周回する外側シールとを有し、前記外側シールには、樹脂体が嵌合する凹部が形成されることが好ましい。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、樹脂枠部材には、前記樹脂枠部材を成形する際に溶融樹脂材料供給口で硬化した樹脂体が一体に設けられている。樹脂体は、セパレータに設けられている凹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、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。
【００１５】
従って、専用の位置決め部材が不要になり、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。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明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。
【図２】前記発電ユニットの、図１中、ＩＩ−ＩＩ線断面図である。
【図３】前記発電ユニットの、図１中、ＩＩＩ−ＩＩＩ線断面図である。
【図４】前記発電ユニットを構成する枠付き電解質膜・電極構造体とアノード側セパレータとが重ねられた状態の正面説明図である。
【図５】前記枠付き電解質膜・電極構造体と前記アノード側セパレータとの位置決め構造の斜視説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
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、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。
【００１８】
図１〜図３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をカソード側セパレータ１６及びアノード側セパレータ１８で挟持する。カソード側セパレータ１６及びアノード側セパレータ１８は、横長（又は縦長）の長方形状を有する。
【００１９】
カソード側セパレータ１６及びアノード側セパレータ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。なお、カソード側セパレータ１６及びアノード側セパレータ１８は、金属セパレータに代えて、例えば、カーボンセパレータにより構成してもよい。
【００２０】
図１に示すように、発電ユニット１２は、カソード側セパレータ１６及びアノード側セパレータ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を設ける。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。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。
【００２１】
発電ユニット１２は、カソード側セパレータ１６及びアノード側セパレータ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を設ける。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。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。
【００２２】
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。
【００２３】
カソード側セパレータ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。
【００２４】
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（又は直線状凸部）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。
【００２５】
カソード側セパレータ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。
【００２６】
アノード側セパレータ１８の枠付き電解質膜・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。
【００２７】
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（又は直線状凸部）を有する。
【００２８】
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。
【００２９】
カソード側セパレータ１６の面１６ａ、１６ｂには、このカソード側セパレータ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。アノード側セパレータ１８の面１８ａ、１８ｂには、このアノード側セパレータ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。
【００３０】
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。
【００３１】
図１〜図３に示すように、第１シール部材４４は、カソード側セパレータ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。面１６ｂでは、第１シール部材４４の平面シール部４４ｆに、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。凸状シール部４４ａは、隣接するアノード側セパレータ１８の面１８ｂに当接する。
【００３２】
図１〜図４に示すように、第２シール部材４６は、アノード側セパレータ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、燃料ガス流路３６を周回し且つ枠付き電解質膜・電極構造体１４を構成する樹脂枠部材（後述する）５０に当接する内側シール４６ａが設けられる。
【００３３】
平面シール部４６ｆには、枠付き電解質膜・電極構造体１４の外方を周回し、隣接するカソード側セパレータ１６の平面シール部４４ｆに当接する外側シール４６ｂが設けられる。平面シール部４６ｆには、アノード側セパレータ１８の外周を周回する外周シール（外側シール）４６ｃが設けられる。平面シール部４６ｆには、面１８ｂ側にシール４６ｄが設けられる。なお、第１シール部材４４において、平面シール部４４ｆの外周部には、必要に応じて外周シールを設けてもよい。
【００３４】
図１〜図３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の外周を周回して成形される樹脂枠部材５０とを備える。
【００３５】
図２及び図３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。
【００３６】
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。
【００３７】
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。
【００３８】
図１〜図３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。
【００３９】
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。
【００４０】
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を成形する成形型には、キャビティ（成形用空間）に溶融樹脂を充填させるために、複数個の溶融樹脂部材供給口が形成されている。
【００４１】
樹脂成形された樹脂枠部材５０には、溶融樹脂部材供給口で硬化した樹脂体５０ａが一体に設けられている。樹脂体５０ａは、外形形状長方形の樹脂枠部材５０の各長辺及び各短辺に、少なくともそれぞれ１個ずつ設けられる。樹脂体５０ａは、樹脂枠部材５０が成形されて離型された後、所望の長さ毎に切断することが好ましい。なお、樹脂枠部材５０の各長辺には、それぞれ２個の樹脂体５０ａを設けることができ、前記樹脂体５０ａの個数は、キャビティ形状等に応じて設定される。
【００４２】
図３〜図５に示すように、アノード側セパレータ１８の面１８ａでは、樹脂体５０ａが嵌合する位置決め用凹部４６ｂｒ、４６ｃｒが形成される。凹部４６ｂｒは、第２シール部材４６の外側シール４６ｂの一部を切り欠いて形成されるとともに、凹部４６ｃｒは、前記第２シール部材４６の外周シール４６ｃの一部を切り欠いて形成される。凹部４６ｂｒと凹部４６ｃｒとは、樹脂体５０ａに対応して互いに直線上に配置され、アノード側セパレータ１８の各辺に少なくとも１個ずつ設けられる。
【００４３】
図３に示すように、カソード側セパレータ１６の面１６ａでは、各樹脂体５０ａが嵌合する凹部４４ｆｒが形成される。凹部４４ｆｒは、第１シール部材４４の平面シール部４４ｆの一部を切り欠いて形成される。なお、樹脂体５０ａの厚さが、樹脂枠部材５０の厚さよりも小さく、平面シール部４４ｆ側に間隙が形成されている際には、凹部４４ｆｒを設けなくてもよい。
【００４４】
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。
【００４５】
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。
【００４６】
酸化剤ガスは、酸化剤ガス入口連通孔２２ａからカソード側セパレータ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。
【００４７】
一方、燃料ガスは、燃料ガス入口連通孔２４ａからアノード側セパレータ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。
【００４８】
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。
【００４９】
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。
【００５０】
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を構成するカソード側セパレータ１６と、他方の発電ユニット１２を構成するアノード側セパレータ１８との間に形成された冷却媒体流路３４に導入される。
【００５１】
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。
【００５２】
この場合、本実施形態では、図３〜図５に示すように、枠付き電解質膜・電極構造体１４を構成する樹脂枠部材５０には、前記樹脂枠部材５０を成形する際に溶融樹脂材料供給口で硬化した樹脂体５０ａが一体に設けられている。一方、アノード側セパレータ１８には、第２シール部材４６の外側シール４６ｂ、外周シール４６ｃの一部を切り欠いて凹部４６ｂｒ、４６ｃｒが形成されている。
【００５３】
そして、樹脂枠部材５０に一体成形されている各樹脂体５０ａは、アノード側セパレータ１８の各凹部４６ｂｒ、４６ｃｒに一体に嵌合している。このため、枠付き電解質膜・電極構造体１４とアノード側セパレータ１８とは、互いに位置決めされている。従って、例えば、アノード側セパレータ１８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。
【００５４】
これにより、専用の位置決め部材が不要になり、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とアノード側セパレータ１８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。
【００５５】
また、カソード側セパレータ１６には、第１シール部材４４の平面シール部４４ｆの一部を切り欠いて凹部４４ｆｒが形成されている。従って、樹脂体５０ａが、凹部４４ｆｒに嵌合することにより、枠付き電解質膜・電極構造体１４とカソード側セパレータ１６とを正確且つ確実に位置決めすることが可能になる。これにより、発電ユニット１２を迅速に一体化することができ、燃料電池１０の組み立て作業が一挙に効率的に遂行されるという利点がある。
【００５６】
なお、本実施形態では、樹脂体５０ａが嵌合する凹部４６ｂｒ、４６ｃｒが、第２シール部材４６を部分的に切り欠いて形成されるが、これに限定されるものではない。例えば、アノード側セパレータ１８を構成する金属プレート自体に凹部を成形し、樹脂体５０ａが嵌合する位置決め用凹部として用いてもよい。
【符号の説明】
【００５７】
１０…燃料電池                      １２…発電ユニット
１４…枠付き電解質膜・電極構造体    １６…カソード側セパレータ
１８…アノード側セパレータ          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…酸化剤ガス流路
３４…冷却媒体流路                  ３６…燃料ガス流路
４４、４６…シール部材              ４４ａ…凸状シール部
４４ｆ、４６ｆ…平面シール部        ４４ｆｒ、４６ｂｒ、４６ｃｒ…凹部
４６ａ…内側シール                  ４６ｂ…外側シール
４６ｃ…外周シール                  ４８…電解質膜・電極構造体
５０…樹脂枠部材                    ５０ａ…樹脂体
５２…固体高分子電解質膜            ５４…カソード電極
５６…アノード電極
【図１】
2015146230.tif 000003
【図２】
2015146230.tif 000004
【図３】
2015146230.tif 000005
【図４】
2015146230.tif 000006
【図５】
2015146230.tif 000007