(57)【要約】【課題】発電可能面積が広い燃料電池及び作業性の良い燃料電池の組み立て方法を提供する。【解決手段】少なくとも一面が開口している絶縁性の筐体２と、セパレータ１７と、膜電極接合体１６と、を有し、前記セパレータ１７は、前記筐体２の内面に密接し且つ内面に沿って積層されることを特徴とする。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも一面が開口している絶縁性の筐体と、
セパレータと、
膜電極接合体と、を有し、
前記セパレータは、前記筐体の内面に密接し且つ内面に沿って積層されることを特徴とする燃料電池。
【請求項２】
前記膜電極接合体は、前記筐体の内面に沿って積層されることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池。
【請求項３】
前記セパレータは、前記筐体の内面に対して締まり嵌め状態で積層されることを特徴とする請求項１又は２のいずれか１項に記載の燃料電池。
【請求項４】
前記セパレータは、外周部が積層方向へ折り曲げられていることを特徴とする請求項３に記載の燃料電池。
【請求項５】
前記セパレータは、折り曲げられた外周部が更に積層方向へ折り曲げられることを特徴とする請求項４に記載の燃料電池。
【請求項６】
前記セパレータの外周に沿って溝が設けられ、当該溝でセパレータが折り曲げられることを特徴とする請求項４又は５に記載の燃料電池。
【請求項７】
前記筐体の開口が絶縁プレートで覆われていることを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載の燃料電池。
【請求項８】
少なくとも一面が開口している絶縁性の筐体に、セパレータを筐体の内面に密接し且つ内面に沿って積層する燃料電池の組立方法。
【請求項９】
膜電極接合体を前記筐体の内面に沿って積層するように、前記開口している一面よりセパレータを挿入するようにしたことを特徴とする請求項８に記載の燃料電池の組立方法。
【請求項１０】
前記セパレータの外周部以外を押圧し、セパレータを筐体の内面に対して締まり嵌め状態で筐体内に積層することを特徴とする請求項８又は９のいずれか１項に記載の燃料電池の組立方法。
【請求項１１】
前記セパレータの外周部を積層方向へ折り曲げることを特徴とする請求項１０に記載の燃料電池の組立方法。
【請求項１２】
前記折り曲げた外周部を更に積層方向へ折り曲げることを特徴とする請求項１１に記載の燃料電池の組立方法。
【請求項１３】
前記セパレータの外周部に溝を設け、当該溝でセパレータを折り曲げることを特徴とする請求項１１又は１２に記載の燃料電池の組立方法。
【請求項１４】
前記筐体の開口を絶縁プレートで覆うことを特徴とする請求項８〜１３のいずれか１項に記載の燃料電池の組立方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池及び燃料電池の組立方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は、板状の膜電極接合体（ＭＥＡ：Ｍｅｍｂｒａｎｅ  Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ  Ａｓｓｅｍｂｌｙ）の両面に挟むようにセパレータを配置した燃料電池単セルを複数積層して構成される。
【０００３】
セパレータ及び膜電極接合体の積層方法として、セパレータの周辺にピン穴をあけ、冶具に備えられたピンをセパレータの穴に挿通し、セパレータの位置決めを行いながらセパレータを積層する方法が開示されている（例えば特許文献１参照）。
【０００４】
しかし、このようなセパレータの積層方法を用いた燃料電池の組立では、位置決めのためにセパレータにピン穴を設けるため、その分、セパレータの発電可能な面積が小さくなるという問題がある。
【０００５】
また、発電面積を大きく、かつ精度良く積層しようとするとセパレータのピン穴を小さくする必要があるが、ピン穴が小さいと組立後にピンが抜けづらく、作業性が悪くなる問題がある。
【特許文献１】特開２００５−７９０２４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明は、上記従来技術に伴う課題を解決するためになされたものであり、発電可能面積が広い燃料電池を提供することを目的とする。
【０００７】
また、本発明の目的は、作業性の良い燃料電池の組み立て方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記目的を達成するための請求項１に記載の発明は、少なくとも一面が開口している絶縁性の筐体と、セパレータと、膜電極接合体と、を有し、前記セパレータは、前記筐体の内面に密接し且つ内面に沿って積層されることを特徴とする燃料電池である。
【０００９】
請求項８に記載の発明は、少なくとも一面が開口している絶縁性の筐体に、セパレータを筐体の内面に密接し且つ内面に沿って積層する燃料電池の組立方法である。
【発明の効果】
【００１０】
請求項１に記載の発明によれば、セパレータは、筐体の内面により位置決めされているため、位置決めのためのピン穴を有さず、ピン穴による位置決め方法で作成された燃料電池に比べ、発電可能面積を大きくとることができる。
【００１１】
請求項８に記載の発明によれば、筐体の内面を基準としてセパレータの位置を決めながら積層するため、セパレータの積層後にピンを抜く作業を省くことができ、作業効率を上げることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
本発明の実施形態を、図面を参照しつつ説明する。
【００１３】
＜第１実施形態＞
図１は、第１実施形態に係る燃料電池１の外観を示す斜視図、図２は、第１実施形態に係る燃料電池１のＩ―Ｉ線に沿う断面図を示す。図３は、第１実施形態に係る燃料電池１の部分断面図を示す。図４ａ〜図４ｃは、第１実施形態に係るセパレータ１７を示す。図５は、第１実施形態に係る燃料電池１の組立方法を説明するための断面図を示す。
【００１４】
本実施形態に係る燃料電池１は、図１に示すように、相対する２面に開口を備える、例えば樹脂のような絶縁材で形成された箱体状の筐体２を有する。なお、筐体２の開口は、１面にだけ備えられてもよい。
【００１５】
筐体の開口にはエンドプレート３が配置され、このエンドプレート３により、筐体２の開口は閉じられている。
【００１６】
エンドプレート３は、剛性を備えた材料、例えば鋼などの金属材料から形成される。一方のエンドプレート３は、燃料ガス（例えば、水素）、酸化ガス（例えば、酸素）および冷却媒体（例えば冷却水）を流通させるために、燃料ガス導入口５、燃料ガス排出口１０、酸化ガス導入口７、酸化ガス排出口８、冷媒導入口６、及び冷媒排出口９を有する。また、エンドプレート３は、燃料電池内部で生じた起電力を出力するための出力端子１１を取り出す端子口を有する。
【００１７】
筐体２の開口に対して垂直な側面には、エンドプレート３を保持する保持プレート４が備えられる。具体的には、エンドプレート３を保持する保持プレート４は、燃料電池単セル１５の積層方向に垂直なつば部３２を有し、つば部３２には、つば部３２が突出する方向に挿通穴が備えられる。同様に、エンドプレート３の相対する一対の側面にも、積層方向に垂直にねじ穴が設けられる。筐体２の側面には、保持プレート４のつば部３２を挿入するための挿入口が備えられ、この挿入口に保持プレート４のつば部３２を挿入し、保持プレート４のつば部３２の挿通穴にねじを通しつつ、エンドプレート３の側面のねじ穴にねじを螺合して、保持プレート４及びエンドプレート３は締結され、燃料電池１の両端の開口に配置されたエンドプレート３は保持される。
【００１８】
図２に示すように、筐体２内の燃料電池単セル１５を積層した積層体１２は、出力端子１１を備え積層体１２に電気的に接続された集電板１４及び外部と積層体１２を絶縁するための絶縁プレート１３で挟まれ、積層方向の両端からエンドプレート３により押し圧状態で保持される。絶縁プレート１３とエンドプレート３との間には、発電時の内部部品の膨張、膨潤による筐体２内部の圧力の増加を緩和する皿バネ（図示せず）が介在する。
【００１９】
図３に示すように、筐体２内に収納された積層体１２を構成する燃料電池単セル１５は、膜電極接合体１６をセパレータ１７で挟んだ構成を有する。
【００２０】
膜電極接合体１６は、電解質膜１８がアノード極（アノード触媒層１９ａ及びアノードガス拡散層２０ａ）とカソード極（カソード触媒層１９ｂ及びカソードガス拡散層２０ｂ）で挟持された構成を有する。更に、ガスのリークを防止するために、電解質膜１８の両面の電極の外周部に、額縁状のガスケット２１、２２がそれぞれ配置される。
【００２１】
セパレータ１７は、例えばカーボンペーパー、カーボンクロス、緻密カーボングラファイト、炭素板等のカーボン製や、ステンレス等の金属製のものなど従来公知のものを用いることができる。セパレータ１７の両面には、面内方向に広がる、断面が矩形の流路が複数形成される。膜電極接合体１６のアノード極側に相対する流路は、燃料ガス（例えば、水素）を流通させるための燃料流路２６であり、カソード極に相対する流路は、酸化ガス（例えば酸素）を流通させるための酸化剤流路２４である。これらの背面に形成される流路は、冷却媒体（例えば冷却水）を流通させるための冷媒流路２５である。セパレータ１７とセパレータ１７とが接する面での冷却媒体の漏れを防止するために、シール部材２３が、セパレータ１７の片面の外周に沿って配置される。
【００２２】
燃料流路２６は、エンドプレート３に設けられる燃料ガス導入口５及び燃料ガス排出口１０に連絡され、酸化剤流路２４は、エンドプレート３に設けられる酸化剤ガス導入口７及び酸化剤ガス排出口８に連絡され、冷媒流路２５は、エンドプレート３に設けられる冷媒導入口６及び冷媒排出口９に連絡されている。
【００２３】
セパレータ１７は、図４ａに示すように、筐体２の開口とほぼ同一の例えば四辺形の形を有し、セパレータ１７の外寸は、筐体２の開口の内寸よりも０．２〜１．０ｍｍ程度大きい。
【００２４】
セパレータ１７の四隅は、例えば、一辺が５ｍｍ程度の長さを有する四辺形状に、切り欠かれており、切り欠いたことにより各隅に形成される２辺を延長した仮想線上に、折り目２７が形成される。この折り目２７は、例えば断面が長方形の溝で形成される。
【００２５】
セパレータ１７は、筐体２の内面に密接し且つ内面に沿って積層されており、セパレータ１７の外縁と折り目２７の間で形成される４つの外周部２８が、各々、折り目２７において、複数のセパレータ１７で同じ積層方向へ折り曲げられている。従って、セパレータ１７は、筐体２の内面に対して締まり嵌め状態で積層されている。折り目２７で囲まれる面３３は、筐体２内で平らで、積層方向に垂直である。
【００２６】
膜電極接合体１６は、セパレータ１７の面３３に配置され、筐体２の内面に沿って積層されている。
【００２７】
以上のように、筐体２の内面とセパレータ１７の外周部２８は、積層方向に垂直な面内でのセパレータ１７の位置を決定することができる。また、セパレータ１７の面３３により、膜電極接合体１６の位置を決定し、筐体２の内面に沿って積層することができる。
【００２８】
従って、本発明の燃料電池は、位置決めのためのジグを必要とせず部品点数を減らせるとともに、ピン穴をセパレータ１７に形成して位置決めする場合に比べ発電領域を広く形成できる。
【００２９】
なお、セパレータ１７は、図４ｂに示すように、相対する辺に対して平行な一対の折り目２７を有するものや、図４ｃに示すように、４隅を切り欠かず、セパレータ１７の外周に沿って溝２７が設けられ、この溝２７でセパレータ１７が折り曲げられたものであってもよい。
【００３０】
次に、燃料電池の組立方法を説明する。
【００３１】
図５に示すように、本実施形態の燃料電池１の組立方法は、少なくとも一面が開口している絶縁性の筐体２に、セパレータ１７を筐体２の内面に密接し且つ内面に沿って積層する。
【００３２】
セパレータ１７の筐体２への積層は、プレス機を使用して行われる。図５に示すように、プレス機は、加重を加えるためのポンチ３０と、筐体２を載置するダイス３１を有する。
【００３３】
プレス機のポンチ３０の押圧面は、セパレータ１７及び筐体２の開口と同様の、例えば、四辺形の形を有し、プレス機のポンチ３０の押圧面の大きさは、セパレータ１７の面３３とほぼ同じである。
【００３４】
最初に、筐体２は、一方の開口がプレス機のダイス３１に面するように、ダイス３１上に載置される。筐体２が一つの開口しか有さない場合は、開口がポンチ３０に相対するように、筐体２がダイス３１に載置される。
【００３５】
この後、ポンチ３０を昇降させるプレス機の加圧機構２９により、ポンチ３０が、筐体２の開口に向かって下降される。ポンチ３０により、セパレータ１７は、外周部以外が押圧され、筐体２の内面に対して締まり嵌め状態で筐体内に積層される。
【００３６】
セパレータ１７は筐体２の開口よりも大きいため、セパレータ１７が圧入されるとき、筐体２の内壁により、セパレータ１７の外周部２８は押され、折り目２７で積層方向へ折り曲げられる。
【００３７】
セパレータ１７は、表面に複数の流路が形成されているため、反りを生じ易いが、圧入と同時に上述のようにプレス機のポンチ３０で面３３に加重を付加するため、セパレータ１７の反りを平らに矯正することができる。
【００３８】
また、セパレータ１７は、折り曲げられた外周部２８がかえりとしての役割を果たし、外端が保持されるため、反り返りが防止される。
【００３９】
セパレータ１７を筐体２内に圧入した後、膜電極接合体１６が、セパレータ１７の面３３上に配置される。セパレータ１７は、面３３が筐体２の内面に沿って形成されているため、膜電極接合体１６も、筐体２の内面に沿って積層される。
【００４０】
この後、セパレータ１７を、最初にセパレータ１７を圧入した方法と同様の方法で、筐体２内に圧入する。以上の工程により、燃料電池単セル１５は、筐体２内に形成される。
【００４１】
以後、同様の作業を繰り返すことで、筐体２内に燃料電池単セル１５を積層し、積層体１２を形成する。なお、積層する燃料電池単セル１５の枚数は、燃料電池１の所望の容量に応じて決定される。
【００４２】
筐体２内に、燃料電池単セル１５を、所望の枚数積層した後、筐体２の両端の開口に集電板１４を配置し、積層体１２に電気的に接続する。この後、絶縁プレート１３を集電板１４の外側に配置し、皿ばね（図示せず）を介してエンドプレート３で開口の両側から筐体２内のものを挟む。
【００４３】
最後に、保持プレート４のつば部３２を、筐体２の相対する一対の側面に設けられた挿入口から挿入し、保持プレート４のつば部３２でエンドプレート３を挟む。この後、エンドプレート３の側面及び保持プレート４のつば部３２に備えられたねじ穴にねじを螺合して、エンドプレート３を保持することにより燃料電池１を組み立てる。
【００４４】
本実施形態の燃料電池１の組立方法によれば、筐体２の内面により、セパレータ１７の位置決めがされ、セパレータ１７の面３３により膜電極接合体の位置決めがされる。
【００４５】
このため、位置決めのためのジグを必要とせず部品点数を減らせるとともに、ピンによる位置決め方法で必要な積層後のピンの引き抜き工程が必要なく、作業効率を上げることができる。
【００４６】
また、絶縁性の筐体２内にセパレータ１７および膜電極接合体１６を積層するため、積層後に積層体１２の周囲を安全のために絶縁材で覆う工程が無く、作業効率を上げることができる。
【００４７】
＜第２実施形態＞
図６は、筐体２内への圧入前の第２実施形態に係る燃料電池１のセパレータ３５を示す平面図である。図７は、第２実施形態に係る燃料電池１の部分断面図であり、セパレータ３５と集電板１４が接する部分を示している。なお、第１実施形態と同様の機能を有する部位については同一の符号を使用し、重複を避けるため、その説明を省略する。
【００４８】
第２実施形態に係る燃料電池１のセパレータ３５は、図６に示すように、折り目２７から伸びる、例えば四辺形の外周部３６を有する。外周部３６上には、折り目２７に平行に、例えば断面が矩形の溝で形成される第２折り目３４が形成される。なお、本実施形態では、外周部３６に第２折り目３４を一つだけ設けたが、外周部３６に複数の折り目を設けてもよい。
【００４９】
図７に示すように、第２実施形態に係る燃料電池１は、セパレータ３５の外周部３６が、折り目２７において、一方の集電板１４に向かう積層方向に折り曲げられ、第２折り目において、折り目２７において曲げられた方向と反対の方向に更に折り曲げられている。なお、外周部３６に折り目を複数設け、折り曲げる方向を交互にして、外周部３６を折り目で複数回折り曲げてもよい。
【００５０】
燃料電池１の発電時、折り目２７で囲まれるセパレータ３５の平らな面３３は、燃料電池１内部で発生する水分による電解質膜１８の膨潤のため、膜電極接合体１６により積層方向に押される。膜電極接合体１６に押されて、面３３が集電板１４の方向に移動すると、セパレータ３５と集電板１４の接触部分は、集電板１４に沿って筐体２の方に移動する。集電板１４とセパレータ３５の接触部分が筐体２の方に移動すると、セパレータ３５の外縁は、筐体２の内壁に沿って、積層方向に集電板１４から遠ざかる方向に移動する。
【００５１】
燃料電池１の発電時、セパレータ３５の外周部は、上述のように変形するため、面３３の積層方向の位置は固定されず、膜電極接合体１６が圧縮されるのを防ぐ。このため、絶縁プレート１３とエンドプレート３の間の皿バネを省くことができ、部品点数を減らすことができる。
【００５２】
本発明は、上述した実施の形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲内で種々改変することができる。例えば、上述した実施形態では、燃料電池１は、セパレータ１７の外周部２８が、折り目２７で折り曲げられているが、これのみに限定されるものではなく、例えば、セパレータ１７の周縁に折り目２７がなく、外周部２８が湾曲したものであってもよい。
【００５３】
また、燃料電池１は、セパレータ１７だけでなく、膜電極接合体１６も筐体２の内壁に密接し且つ内面に沿って積層されている構成を有していてもよい。
【００５４】
本実施形態の積層方法では、セパレータ１７は、周縁部２８が、折り目２７で折り曲げられて筐体２に圧入されたが、セパレータ１７は、折り目２７を設けず、周縁部２８が湾曲されて圧入されてもよい。
【００５５】
また、セパレータ１７だけでなく、膜電極接合体１６も筐体２の内面に密接し且つ内面に沿って積層される方法であってもよい。
【図面の簡単な説明】
【００５６】
【図１】第１実施形態に係る燃料電池を示す斜視図である。
【図２】第１実施形態に係る燃料電池のＩ―Ｉ線に沿う断面図である。
【図３】第１実施形態に係る燃料電池の部分断面図である。
【図４ａ】第１実施形態に係る燃料電池のセパレータを示す平面図である。
【図４ｂ】第１実施形態に係る燃料電池のセパレータを示す平面図である。
【図４ｃ】第１実施形態に係る燃料電池のセパレータを示す平面図である。
【図５】第１実施形態に係る燃料電池の組立方法を説明するための断面図である。
【図６】第２実施形態に係る燃料電池のセパレータを示す平面図である。
【図７】第２実施形態に係る燃料電池の部分断面図である。
【符号の説明】
【００５７】
１    燃料電池、
２    筐体、
３    エンドプレート、
４    保持プレート、
１２    積層体、
１３    絶縁プレート、
１４    集電板、
１５    燃料電池単セル、
１６    膜電極接合体、
１７、３５    セパレータ、
１８    電解質膜、
１９ａ    アノード触媒層、
１９ｂ    カソード触媒層、
２０ａ    アノードガス拡散層、
２０ｂ    カソードガス拡散層、
２７    折り目、
２８、３６    外周部、
３０    ポンチ、
３１    ダイス、
３４    第２折り目。
【図１】
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【図２】
2008123962.tif 000004
【図３】
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【図４ａ】
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【図４ｂ】
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【図４ｃ】
2008123962.tif 000008
【図５】
2008123962.tif 000009
【図６】
2008123962.tif 000010
【図７】
2008123962.tif 000011