(57)【要約】【課題】  スタック化の際セル積層体に締結荷重をかけた時に位置決めピンがスタック端部から飛び出すことを防止できる燃料電池の位置決め構造の提供。【解決手段】（１）燃料電池スタックにセル面内方向に異なる複数の位置に全セルを貫通するピン孔３４が設けられており、各ピン孔３４にはスタック長より短い位置決めピン３５が複数本互いに直列にかつ互いに間隔をおいて挿入されており、燃料電池スタックの何れのセルもセル面内方向に異なる位置にある２本以上の位置決めピン３５と嵌合している燃料電池の位置決め構造。（２）各位置決めピン３５は何れか一つのセルに固定されており、他のセルとはセル積層方向に変位可能である。（３）特定セルの表裏に位置決めピンが設けられ互いに反対方向に延びている。【選択図】        図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池スタックにセル面内方向に異なる複数の位置に全セルを貫通するピン孔が設けられており、各ピン孔にはスタック長より短い位置決めピンが複数本互いに直列にかつ互いに間隔をおいて挿入されており、燃料電池スタックの何れのセルも、該セルのセル面内方向に異なる複数の位置にあるピン孔のうちの２以上のピン孔にて、位置決めピンと嵌合している燃料電池の位置決め構造。
【請求項２】
各位置決めピンは何れか一つのセルに固定されており、他のセルとはセル積層方向に変位可能である請求項１記載の燃料電池の位置決め構造。
【請求項３】
特定セルの表裏に位置決めピンが設けられ互いに反対方向に延びている請求項１記載の燃料電池の位置決め構造。
【請求項４】
燃料電池スタックのセル面内方向の第１の位置にある第１のピン孔に挿入されている第１の位置決めピンと、前記第１の位置とは燃料電池スタックのセル面内方向に異なる第２の位置にある第２にピン孔に挿入されている第２の位置決めピンとは、燃料電池スタックのセル積層方向に、ピン長を一部重ね合わせ、ピン端部位置を互いにずらして、配置されている、請求項１記載の燃料電池の位置決め構造。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は燃料電池の位置決め構造に関する。
【背景技術】
【０００２】
単位燃料電池（単セル）は、膜−電極アッセンブリとセパレータを重ねて構成される。単位燃料電池を複数積層して（積層方向は任意）燃料電池スタックとされる。単位燃料電池間の接触抵抗を小とするとともに、車両衝突時にずれを防止するために、燃料電池スタックにはセル積層方向に締結荷重がかけられる。
【０００３】
単位燃料電池のモジュール化、スタック化時には、セル間接触抵抗を小さくするとともに燃料ガス、酸化ガスのパスカットを防止するために、セル同士を互いに位置決めしなければならない。従来は、通常、セルのセパレータの端面を基準に押し当ててセル間の位置決めを行っている。しかし、薄いカーボンセパレータやプレス成形のメタルセパレータでは、セパレータ端面の強度が弱いため、セパレータの変形によって、位置決めが困難になるおそれがある。
【０００４】
これに対して、特開平９−７６２７号公報は、別の、スタック化時のセル同士の位置決め方法を開示している。特開平９−７６２７号公報の方法では、スタック全長を貫通するノックピン（位置決めピン）を、セルの四隅に設けたピン孔に挿通してセル同士を位置決めする。
【０００５】
しかし、特開平９−７６２７号公報の、ピンをピン孔に通す位置決め方法では、単セルを積層してスタック化するする際に、セル積層体に締結荷重をかけるとセル積層体のセル積層方向長さが短縮して、元の長さを維持するノックピンがスタックの端部からセル積層方向に突び出すという問題があった。
【特許文献１】特開平９−７６２７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明が解決しようとする問題点は、スタック化時に位置決めピンがスタック端部から飛び出すという問題である。
【０００７】
本発明の目的は、スタック化の際セル積層体に締結荷重をかけた時に位置決めピンがスタック端部から飛び出すことを防止できる燃料電池の位置決め構造を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記目的を達成する本発明はつぎの通りである。
（１）燃料電池スタックにセル面内方向に異なる複数の位置に全セルを貫通するピン孔が設けられており、各ピン孔にはスタック長より短い位置決めピンが複数本互いに直列にかつ互いに間隔をおいて挿入されており、燃料電池スタックの何れのセルも、該セルのセル面内方向に異なる複数の位置にあるピン孔のうちの２以上のピン孔にて、位置決めピンと嵌合している燃料電池の位置決め構造。
（２）各位置決めピンは何れか一つのセルに固定されており、他のセルとはセル積層方向に変位可能である（１）記載の燃料電池の位置決め構造。
（３）特定セルの表裏に位置決めピンが設けられ互いに反対方向に延びている（１）記載の燃料電池の位置決め構造。
（４）燃料電池スタックのセル面内方向の第１の位置にある第１のピン孔に挿入されている第１の位置決めピンと、前記第１の位置とは燃料電池スタックのセル面内方向に異なる第２の位置にある第２にピン孔に挿入されている第２の位置決めピンとは、燃料電池スタックのセル積層方向に、ピン長を一部重ね合わせ、ピン端部位置を互いにずらして、配置されている、請求項１記載の燃料電池の位置決め構造。
【発明の効果】
【０００９】
上記（１）〜（４）の何れかの燃料電池の位置決め構造によれば、各ピン孔にはスタック長より短い位置決めピンが複数本互いに直列にかつ互いに間隔をおいて挿入されているので、セル積層体に締結荷重をかけた時のセル積層体の短縮分を、位置決めピン間の間隔が短縮することで吸収でき、位置決めピンがスタック端部から飛び出すことを防止することができる。
また、何れのセルもセル面内方向で２本以上の位置決めピンが嵌合しているので、各セルが位置決め可能であるとともに、車両衝突時の横力がかかってもセル間のずれが生じにくい。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
以下に、本発明の燃料電池の位置決め構造を、図１〜図５を参照して説明する。
本発明の位置決め構造が適用される燃料電池は、低温型燃料電池であり、たとえば、固体高分子電解質型燃料電池１０である。該燃料電池１０は、たとえば燃料電池自動車に搭載される。ただし、自動車以外に用いられてもよい。
【００１１】
固体高分子電解質型燃料電池１０は、図４、図５に示すように、膜−電極アッセンブリ（ＭＥＡ：Membrane-Electrode Assembly ）とセパレータ１８との積層体からなる。積層方向は上下方向に限るものではなく、任意の方向でよい。
膜−電極アッセンブリは、イオン交換膜からなる電解質膜１１とこの電解質膜の一面に配置された触媒層１２からなる電極（アノード、燃料極）１４および電解質膜の他面に配置された触媒層１５からなる電極（カソード、空気極）１７とからなる。膜−電極アッセンブリとセパレータ１８との間には、アノード側、カソード側にそれぞれ拡散層１３、１６が設けられる。
【００１２】
セパレータ１８には、アノード１４、カソード１７に燃料ガス（水素）および酸化ガス（酸素、通常は空気）を供給するための反応ガス流路２７、２８（燃料ガス流路２７、酸化ガス流路２８）と、その裏面に冷媒（通常、冷却水）を流すための冷媒流路２６が形成されている。また、セパレータ１８には、燃料ガス流路２７に燃料ガスを供給、排出するための燃料ガスマニホールド３０、酸化ガス流路２８に酸化ガスを供給、排出するための酸化ガスマニホールド３１、冷媒流路２６に冷媒を供給、排出するための冷媒マニホールド２９が形成されている。流体流路２６、２７、２８、２９、３０、３１をシールするために、ゴムガスケット３２や接着剤シール３３が設けられている。
セパレータ１８は、カーボンセパレータであってもよいし、メタルセパレータであってもよいし、導電性樹脂セパレータであってもよいし、メタルセパレータと樹脂フレームの組合せであってもよいし、あるいは、これらのセパレータの組合せであってもよい。
【００１３】
膜−電極アッセンブリとセパレータ１８を重ねて単位燃料電池（「単セル」ともいう）１９を構成し、少なくとも１つのセル（たとえば、１〜３個のセルから１モジュールを構成する）からモジュールを構成し、モジュールを積層してセル積層体とし、セル積層体のセル積層方向両端に、ターミナル２０、インシュレータ２１、エンドプレート２２を配置し、セル積層体をセル積層方向に締め付け、セル積層体の外側でセル積層方向に延びる締結部材（たとえば、テンションプレート２４）、ボルト・ナット２５により固定して、燃料電池スタック２３を構成する。燃料電池スタック２３にかけられるセル積層方向の締結荷重により、単位燃料電池間の接触抵抗は小に維持され、車両衝突時においてもずれが防止される。
【００１４】
各セル１９の、アノード側１４では、水素を水素イオン（プロトン）と電子にする反応が行われ、水素イオンは電解質膜１１中をカソード側に移動し、カソード１７側では酸素と水素イオンおよび電子（隣りのＭＥＡのアノードで生成した電子がセパレータを通してくる、またはセル積層方向一端のセルのアノードで生成した電子が外部回路を通して他端のセルのカソードにくる）から水を生成する反応が行われ、かくして発電が行われる。
アノード側：Ｈ2 →２Ｈ+ ＋２ｅ- 
カソード側：２Ｈ+ ＋２ｅ- ＋（１／２）Ｏ2 →Ｈ2 Ｏ
単位燃料電池のモジュール化時およびスタック化時には、セル間接触面積を大にして接触抵抗を小さくするとともに、燃料ガス、酸化ガスのパスカットを防止するために、セル同士を互いにセル面内方向（セル積層方向と直交する方向）に位置決めしなければならない。
セパレータ１８の端面を基準に押しつけて、セパレータ１８の外形基準でセル同士の位置決めを行う方法では、セパレータ端面の変形などにより位置決め精度が出ないので、セル１９にピン孔を設け、そこに位置決めピンを通す方法でセル同士の位置決めを行う。その場合、特開平９−７６２７号公報のようにスタック全長を貫通するピンを用いるとピンがスタック端部から突出してスタックの取扱を著しく困難にするので、本発明では、つぎの構造をとることにより、位置決めピンがスタック端部（エンドプレート端面）からセル積層方向外側に突出しないようにする。
【００１５】
本発明の燃料電池の位置決め構造では、図１〜図３に示すように、燃料電池スタック２３にセル面内方向に異なる複数（２以上、望ましくは３以上、より望ましくは４以上）の位置に、全セル１９を貫通するピン孔３４が設けられており、各ピン孔３４にはスタック長より短い位置決めピン３５が複数本互いに直列にかつ互いに間隔をおいて挿入されており、位置決めピン３５は、燃料電池スタック２３の何れのセル１９も２本以上の位置決めピン３５が嵌合するように、配置されている。すなわち、燃料電池スタックの何れのセル１９も、該セルのセル面内方向に異なる複数の位置にあるピン孔３４のうちの２以上のピン孔３４にて、位置決めピン３５と嵌合している
各位置決めピン３５は何れか一つのセル１９に固定されており、他のセル１９とはセル積層方向に変位可能（軸方向に摺動可能）である。図中、位置決めピン３５が固定されるセル１９に符号１９Ａが付してあり、位置決めピン３５が固定されず摺動可能なセル１９に符号１９Ｂが付してある。
【００１６】
燃料電池スタックのセル面内方向の第１の位置（セル面内方向に複数あるピン孔３４のうちの何れか１つがある位置）にある第１のピン孔３４に挿入されている第１の位置決めピン３５と、第１の位置とは燃料電池スタックのセル面内方向に異なる第２の位置にある第２にピン孔３４に挿入されている第２の位置決めピン３５とは、燃料電池スタックのセル積層方向に、ピン長を一部重ね合わせ（ただし、第１、第２の位置決めピン３５はセル面内方向に互いに離れているから互いに接触していない）、ピン端部位置（第１の位置決めピンの端部がピン上端位置とすると第２の位置決めピンの端部もピン上端位置）を互いにずらして、配置されている。
【００１７】
位置決めピン３５は電気的に絶縁性のピン（たとえば、樹脂（たとえば、四フッ化エチレン）製ピン）である。
位置決めピン３５は、すべてのセパレータの等しい位置に設けられ、矩形板状セパレータの場合は、望ましくは四隅に、設けられる。ただし、四隅でなくてもよい。
【００１８】
位置決めピン３５の長さは、セル数枚分（図示例ではセル４枚分）とし、位置決めピン３５の配置は数セルおき（図示例では４セルおき）配置とする。すなわち、各位置決めピン３５は、数セルおきに（図示例では４セルおきに）設けられ、軸方向に隣り合う位置決めピン３５間に数セル分（図示例では４セル分）、位置決めピン３５が設けられない部位がある。
【００１９】
スタック２３に締結荷重を付与した後は、セル厚はＭＥＡやシール材が圧縮されることによって薄くなるが、位置決めピン３５は各セル１９Ｂのピン孔３４をすべり、セル積層体内にとどまり、エンドプレートからセル積層方向外側に突出するようなことはない。
スタック締結荷重を付与してセル厚が薄くなった時、セル数枚分を貫通している位置決めピン３５は、隣りのセル数枚分の、位置決めピン３５が設けられていないピン孔３４に突入するかもしれないが、そこは位置決めピン３５が設けられていない部分であるため、位置決めピン３５同士が長手方向に干渉し合うことはない。ピン列の外側端にある位置決めピン３５は、スタック締結荷重を付与してセル厚が薄くなった時、ターミナルやインシュレータに設けたピン孔に突入するかもしれないが、そこは位置決めピン３５が設けられていない部分であるため、位置決めピン３５同士が長手方向に干渉し合うことはない。また、各ピン孔３４に挿入されたピン列の位置決めピン３５間には間隔があって、そこでスタック締結荷重付与時のセル積層厚の変化（短縮）を分けて均等に吸収するので、従来のように全セルを貫通する「１本もの」のピンのように、スタック締結荷重付与時、セル積層厚が変化した時に、エンドプレートから突出するようなことはない。
【００２０】
位置決めピン３５が、燃料電池スタック２３の何れのセル１９も２本以上の位置決めピン３５が嵌合するように、配置される場合、各セル１９は位置決めピン３５にセパレータ１８の対角線上にある２つの位置決めピン３５に嵌合するように配置されることが望ましい。これによって、最も精度の高い、安定したセルの位置決めが得られる。
ただし、位置決めピン３５が、燃料電池スタック２３の何れのセル１９も２本以上の位置決めピン３５が嵌合するように、配置される場合、各セル１９は位置決めピン３５にセパレータ１８の同じ辺上にある２つの位置決めピン３５に嵌合するように配置されてもよい。
【００２１】
図１〜図３は位置決めピン３５の配置の一例を示す。そこでは、位置決めピン３５が特定のセル１９Ａ（ピン３５が固定されるセル）に互いに異なる位置で固定される場合、位置決めピン３５は特定セル１９Ａの表裏に互いに反対方向に延びるように設けられている。
ただし、位置決めピン３５の配置はこれに限るものではなく、たとえば、位置決めピン３５が特定セル１９Ａの同じ側の表面から同じ方向に延びるように設けられてもよい。
【００２２】
図１〜図３は、位置決めピン３５の配置の一例を示す。
図１〜図３の例では、４セルおきに位置決めピン３５が固定されるセル１９Ａが設けられ、この特定セル１９Ａは矩形状セル１９であり、位置決めピン３５が矩形状セル１９の四隅に設けられている。
一つのグループの４セル分では、２本の位置決めピン３５が、特定セル１９Ａの同じ辺に、セル表裏に互いに反対方向に延びるように固定されている。隣りのグループの４セル分では、特定セル１９Ａの同じ辺（ただし、上記一つのグループの４セル分の特定セル１９Ａのピン３５が固定された辺と対向する辺）に、セル表裏に互いに反対方向に延びるように固定されている。
この配置によって、一つのグループの４セル分のうちピン３５が固定されない３つのセル１９は、対角線上にある２本の位置決めピン３５（１本は上記一つのグループの４セル分のピン３５、もう１本は上記隣りのグループの４セル分のピン３５）に摺動可能に嵌合し、位置決めされる。
【００２３】
つぎに、本発明の燃料電池の位置決め構造の作用、効果を説明する。
【００２４】
各ピン孔３４にはスタック２３の全長（スタック両端のエンドプレートの外側面間の距離）より短い（図示例では、一つのグループの４セル分の厚さに対応する長さの）位置決めピン３５が複数本互いに直列にかつ互いに間隔をおいて挿入されているので、セル積層体に締結荷重をかけた時のセル積層体の短縮分を、位置決めピン３５間の間隔が短縮することで吸収でき、位置決めピン３５がスタック２３の端部から外側に突出することを防止することができる。
【００２５】
また、何れのセル１９にも２本以上の位置決めピン２３が嵌合（セル１９Ａでは固定の嵌合、セル１９Ｂでは摺動可能な嵌合）しているので、各セル１９を高精度に位置決め可能であり、かつ、車両衝突時の横力（セル積層方向と直交する方向の力）がかかってもセル１９間のずれが生じにくい。
従来は、車両衝突時の横力によるセル１９間のずれを防止する力は、スタック締結荷重がかかった時のセル面間の摩擦力であり、車両衝突時の横力によるセル１９間のずれを防止するために、スタック締結荷重を、適正なセル間電気接触抵抗を得るに必要な荷重以上に大きくしていたが、本発明では、位置決めピン２３もセル１９間のずれを防止する作用をもつので、スタック締結荷重を、適正なセル間電気接触抵抗を得るに必要な荷重まで、低減することができる。締結荷重自体を低減することによって、セパレータ、ＭＥＡにかかる荷重が低減され、燃料電池の耐久性が向上する。
【００２６】
また、セパレータ１８、セル１９の製造から、モジュール化、スタック化まで、位置決めピン３５を用いて、位置ずれを防止しながら製造することにより、セル１９内のアノード側セパレータ、カソード側セパレータの位置ずれ、さらにはセル同士の位置ずれを抑制できる。このため、セパレータ間およびセパレータとＭＥＡ間の接触面積、面圧が適正化され、パスカットや電気接触抵抗が低減し、性能が向上する。
また、積層工程においてセル１９がずれることが無いため、作業が簡素化し、生産性が向上する。
また、従来のセパレータ外形基準による位置出しと異なり、本発明ではセル１９内に基準をもつので、外形基準では端面の変形のおそれがある薄いカーボンセパレータやプレス成形のメタルセパレータでも、位置決めが可能である。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】本発明の燃料電池の位置決め構造の、位置決めピンが挿通される一つのグループの複数セル分と隣りのグループの複数セル分の分解斜視図である。
【図２】図１の燃料電池の位置決め構造の、セル積層中の、斜視図である。
【図３】図１の燃料電池の位置決め構造の、セル積層完了時と、スタック荷重付与時の、斜視図である。
【図４】燃料電池のスタックの側面図である。
【図５】図４の燃料電池の一部の断面図である。
【符号の説明】
【００２８】
１０  （固体高分子電解質型）燃料電池
１１  電解質膜
１２  触媒層
１３  拡散層
１４  電極（アノード、燃料極）
１５  触媒層
１６  拡散層
１７  電極（カソード、空気極）
１８  セパレータ
１９  セル
２０  ターミナル
２１  インシュレータ
２２  エンドプレート
２３  スタック
２４  外側部材または締結部材（テンションプレート）
２５  ボルト
２６  冷媒流路
２７  燃料ガス流路
２８  酸化ガス流路
２９  冷媒マニホールド
３０  燃料ガスマニホールド
３１  酸化ガスマニホールド
３２  シール材（ゴムガスケット）
３３  シール材（接着剤）
３４  ピン孔
３５  位置決めピン
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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