(57)【要約】【課題】本発明は、位置決め孔を備える燃料電池の構成部材において、膨張時の損傷の発生を抑制することを目的とする。【解決手段】燃料電池において、膜電極接合体を支持するために使用される樹脂フレームは、燃料電池の製造時に位置決めピンを貫通させるための位置決め孔と、位置決め孔の内側に配置され、位置決めピンの位置決め孔に対する相対的な移動を規制するための移動規制部材と、を備え、移動規制部材は、燃料電池の製造時に樹脂フレームの膨張にともなう位置決めピンの位置決め孔に対する相対的な移動によって、変形または破損するように構成されている。【選択図】図２
2012204001.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池において、膜電極接合体を支持するために使用される樹脂フレームであって、
前記燃料電池の製造時に位置決めピンを貫通させるための位置決め孔と、
前記位置決め孔の内側に配置され、前記位置決めピンの前記位置決め孔に対する相対的な移動を規制するための移動規制部材と、を備え、
前記移動規制部材は、前記燃料電池の製造時に前記樹脂フレームの膨張にともなう前記位置決めピンの前記位置決め孔に対する相対的な移動によって、変形または破損するように構成されている樹脂フレーム。
【請求項２】
請求項１に記載の樹脂フレームにおいて、
前記移動規制部材は、前記樹脂フレームを構成する樹脂により形成され、
前記位置決めピンと接触するためのピン受け部と、
柱状の外形を有し、前記位置決め孔の内周面に一方の端部が接続され、他方の端部が前記ピン受け部に接続されている変位許容部と、を備えている、樹脂フレーム。
【請求項３】
請求項２に記載の樹脂フレームにおいて、
前記変位許容部は、前記位置決め孔の内周面に等間隔に複数配置され、
前記ピン受け部は、前記位置決め孔に挿入された前記位置決めピンの外周部に沿うように湾曲した形状を備えている、樹脂フレーム。
【請求項４】
請求項１に記載の樹脂フレームにおいて、
前記移動規制部材は、前記位置決めピンを貫通させるための開口部を有する環状の弾性部材のみによって形成されている、樹脂フレーム。
【請求項５】
燃料電池であって、
膜電極接合体と、
請求項１ないし請求項４のいずれかに記載の樹脂フレームと、備える燃料電池。
【請求項６】
燃料電池において、膜電極接合体の両側に配置されるセパレータであって、
前記燃料電池の製造時に位置決めピンを貫通させるための位置決め孔と、
前記位置決め孔の内側に配置され、前記位置決めピンの前記位置決め孔に対する相対的な移動を規制するための移動規制部材と、を備え、
前記移動規制部材は、前記燃料電池の製造時に前記セパレータの膨張にともなう前記位置決めピンの前記位置決め孔に対する相対的な移動によって、変形または破損するように構成されているセパレータ。
【請求項７】
樹脂フレームを備える燃料電池の製造方法であって、
前記樹脂フレームは、位置決め孔と、位置決めピンの前記位置決め孔に対する相対的な移動を規制するための移動規制部材とを備え、
前記製造方法は、
前記位置決め孔に位置決めピンを貫通させる工程と、
前記位置決め孔に位置決めピンを貫通させた状態で前記樹脂フレームを加熱して、前記樹脂フレームの膨張にともなう前記位置決めピンの前記位置決め孔に対する相対的な移動によって、前記移動規制部材を変形または破損させる工程と、を備える製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池において膜電極接合体を支持するために使用される樹脂フレーム、燃料電池において膜電極接合体の両側に配置されるセパレータ、燃料電池、および、燃料電池の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般的に、燃料電池の製造工程には、樹脂フレームやセパレータなどの燃料電池の構成部材を互いに接着させるために、これらを積層した状態で加熱する工程が含まれている。
【０００３】
この工程において、構成部材を加熱したときに、熱膨張等によって構成部材の互いの位置が相対的にずれることがあった。構成部材の互いの位置がずれると、燃料電池の組み立て精度が低下して燃料電池の発電効率が低下するなどの問題があった。この問題を解決するために、各構成部材に位置決め孔を設け、位置決め孔に治具の位置決めピンを貫通させることによって各構成部材の位置を固定して加熱時の位置のずれを抑制する技術が知られている（特許文献１）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００５−０７９０２４号公報
【特許文献２】特開２００８−１２３８１９号公報
【特許文献３】特開２００７−２４２４８７号公報
【特許文献４】特開２００８−５１２８２９号公報
【特許文献５】特開平０８−００７６２７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかし、各構成部材の位置を位置決めピンによって固定した場合、加熱時の膨張等によって、位置決め孔が位置決めピンに対して相対的に移動し、位置決め孔の内周部が位置決めピンから応力を受けることで構成部材にひびなどの損傷が生じることがあった。
【０００６】
本発明は、上記の課題を解決するためになされたものであり、位置決め孔を備える燃料電池の構成部材において、膨張時の損傷の発生を抑制することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記課題の少なくとも一部を解決するために、本願発明は、以下の態様または適用例として実現することが可能である。
【０００８】
［適用例１］
燃料電池において、膜電極接合体を支持するために使用される樹脂フレームであって、
前記燃料電池の製造時に位置決めピンを貫通させるための位置決め孔と、
前記位置決め孔の内側に配置され、前記位置決めピンの前記位置決め孔に対する相対的な移動を規制するための移動規制部材と、を備え、
前記移動規制部材は、前記燃料電池の製造時に前記樹脂フレームの膨張にともなう前記位置決めピンの前記位置決め孔に対する相対的な移動によって、変形または破損するように構成されている樹脂フレーム。
【０００９】
この構成によれば、燃料電池の製造時に樹脂フレームの膨張にともなう位置決めピンの位置決め孔に対する相対的な移動によって、位置決め孔の内側に配置されている移動規制部材が変形または破損するように構成されているため、位置決め孔を備える燃料電池の樹脂フレームにおいて、膨張時の損傷の発生を抑制することができる。
【００１０】
［適用例２］
適用例１に記載の樹脂フレームにおいて、
前記移動規制部材は、前記樹脂フレームを構成する樹脂により形成され、
前記位置決めピンと接触するためのピン受け部と、
柱状の外形を有し、前記位置決め孔の内周面に一方の端部が接続され、他方の端部が前記ピン受け部に接続されている変位許容部と、を備えている、樹脂フレーム。
【００１１】
この構成によれば、移動規制部は、ピン受け部によって位置決めピンの位置決め孔に対する相対的な移動を規制することができ、燃料電池の製造時に樹脂フレームが膨張すると、変位許容部が変形または破損することによって、樹脂フレームの他の部分の損傷の発生を抑制することができる。
【００１２】
［適用例３］
適用例２に記載の樹脂フレームにおいて、
前記変位許容部は、前記位置決め孔の内周面に等間隔に複数配置され、
前記ピン受け部は、前記位置決め孔に挿入された前記位置決めピンの外周部に沿うように湾曲した形状を備えている、樹脂フレーム。
【００１３】
この構成によれば、移動規制部は、変位許容部が位置決め孔の内周面に等間隔に複数配置されているため、燃料電池の組み立て時に、位置決めピンの位置決め孔に対する相対的な移動を移動方向に関わらず規制することができる。また、ピン受け部が位置決めピンの外周部に沿って湾曲した形状を備えていため、位置決めの精度を向上させることができる。
【００１４】
［適用例４］
適用例１に記載の樹脂フレームにおいて、
前記移動規制部材は、前記位置決めピンを貫通させるための開口部を有する環状の弾性部材のみによって形成されている、樹脂フレーム。
【００１５】
この構成によれば、環状の弾性部材によって位置決めピンの位置決め孔に対する相対的な移動を規制することができ、燃料電池の製造時に樹脂フレームが膨張すると、弾性部材が変形することによって、樹脂フレームの他の部分の損傷の発生を抑制することができる。
【００１６】
［適用例５］
燃料電池であって、
膜電極接合体と、
適用例１ないし適用例４のいずれかに記載の樹脂フレームと、備える燃料電池。
【００１７】
この構成によれば、燃料電池は、燃料電池の製造時に樹脂フレームの膨張にともなう位置決めピンの位置決め孔に対する相対的な移動によって、位置決め孔の内側に配置されている移動規制部材が変形または破損するように構成されているため、製造時の損傷の発生を抑制することができる。
【００１８】
［適用例６］
燃料電池において、膜電極接合体の両側に配置されるセパレータであって、
前記燃料電池の製造時に位置決めピンを貫通させるための位置決め孔と、
前記位置決め孔の内側に配置され、前記位置決めピンの前記位置決め孔に対する相対的な移動を規制するための移動規制部材と、を備え、
前記移動規制部材は、前記燃料電池の製造時に前記セパレータの膨張にともなう前記位置決めピンの前記位置決め孔に対する相対的な移動によって、変形または破損するように構成されているセパレータ。
【００１９】
この構成によれば、燃料電池の製造時にセパレータの膨張にともなう位置決めピンの位置決め孔に対する相対的な移動によって、位置決め孔の内側に配置されている移動規制部材が変形または破損するように構成されているため、位置決め孔を備える燃料電池のセパレータにおいて、膨張時の損傷の発生を抑制することができる。
【００２０】
［適用例７］
樹脂フレームを備える燃料電池の製造方法であって、
前記樹脂フレームは、位置決め孔と、位置決めピンの前記位置決め孔に対する相対的な移動を規制するための移動規制部材とを備え、
前記製造方法は、
前記位置決め孔に位置決めピンを貫通させる工程と、
前記位置決め孔に位置決めピンを貫通させた状態で前記樹脂フレームを加熱して、前記樹脂フレームの膨張にともなう前記位置決めピンの前記位置決め孔に対する相対的な移動によって、前記移動規制部材を変形または破損させる工程と、を備える製造方法。
【００２１】
この構成によれば、燃料電池の製造時に樹脂フレームの膨張にともなう位置決めピンの位置決め孔に対する相対的な移動によって、位置決め孔の内側に配置されている移動規制部材が変形または破損するように構成されているため、製造時における損傷の発生を抑制しつつ、燃料電池の組み立て精度の向上を図ることができる。
【００２２】
なお、本発明は、種々の態様で実現することが可能であり、例えば、ガス拡散層基材に撥水層を形成するための形成方法や、上述したガス拡散層の製造方法を工程の一部に含む燃料電池の製造方法や、ガス拡散層や燃料電池を製造するための製造装置、および、これらの方法を装置に実行させるための制御プログラムなどの形態で実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】第１実施例における燃料電池の概略構成を説明するための説明図である。
【図２】樹脂フレーム３００に形成されている位置決め孔の概略構成を説明するための説明図である。
【図３】燃料電池製造時の熱圧着工程を説明するための説明図である。
【図４】本実施例の樹脂フレームにおける熱圧着時の位置決め孔と位置決めピンの状態を説明するための説明図である。
【図５】従来例の樹脂フレームにおける熱圧着時の位置決め孔と位置決めピンの状態を説明するための説明図である。
【図６】変形例１の樹脂フレームにおける位置決め孔の形状を例示した説明図である。
【図７】変形例２の樹脂フレームにおける位置決め孔の形状を例示した説明図である。
【図８】変形例３の樹脂フレームにおける位置決め孔の形状を例示した説明図である。
【図９】変形例４の樹脂フレームにおける位置決め孔の形状を例示した説明図である。
【図１０】変形例５の樹脂フレームにおける位置決め孔の形状を例示した説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００２４】
Ａ．第１実施例：
図１は、第１実施例における燃料電池の概略構成を説明するための説明図である。燃料電池１０は、固体高分子型燃料電池であり、複数の単セル１４が積層されたスタック構造を有している。単セル１４は、燃料電池１０における発電を行う単位モジュールであり、水素ガスと空気に含まれる酸素との電気化学反応により発電を行う。各単セル１４は、膜電極接合体（以後、「ＭＥＡ」とも呼ぶ）２００と、一対の樹脂フレーム３００と、一対のセパレータ４００と、を備えている。
【００２５】
ＭＥＡ２００は、電解質膜２１０の各面に触媒電極層２２０（アノード２２０ａｎおよびカソード２２０ｃａ）が形成され、さらにその両側にガス拡散層２４０（アノード側拡散層２４０ａｎおよびカソード側拡散層２４０ｃａ）が配置されている。
【００２６】
電解質膜２１０は、固体高分子材料としてのフッ素系スルホン酸ポリマーにより形成された高分子電解質膜であり、湿潤状態において良好なプロトン伝導性を有する。電解質膜２１０としては、フッ素系スルホン酸膜の他に、フッ素系ホスホン酸膜、フッ素系カルボン酸膜、フッ素炭化水素系グラフト膜、炭化水素系グラフト膜、芳香族膜等を用いることができる。また、ＰＴＦＥ、ポリイミド等の補強材を含む機械的特性を強化した複合高分子膜を用いてもよい。
【００２７】
触媒電極層２２０（アノード２２０ａｎおよびカソード２２０ｃａ）は、例えば、電気化学反応を進行する触媒金属（例えば、白金）を担持した触媒担持担体（例えば、カーボン粒子）と、プロトン伝導性を有する高分子電解質（例えばフッ素系樹脂）を含んで構成されている。触媒担持担体としては、カーボン粒子の他に、例えば、カーボンブラック、カーボンナノチューブ、カーボンナノファイバーなどの炭素材料のほか、炭化ケイ素などに代表される炭素化合物等を用いることができる。また、触媒金属としては、白金の他に、例えば、白金合金、パラジウム、ロジウム、金、銀、オスミウム、イリジウム等を使用することができる。
【００２８】
ガス拡散層２４０（アノード側拡散層２４０ａｎおよびカソード側拡散層２４０ｃａ）は、電極反応に用いられる反応ガス（アノードガスおよびカソードガス）を電解質膜２１０の面方向に沿って拡散させる層であり、多孔質のガス拡散層基材により構成されている。ガス拡散層基材としては、例えば、カーボンペーパーやカーボンクロス等のカーボン多孔質体や、金属メッシュや発泡金属等の金属多孔質体を用いることができる。また、ガス拡散層２４０は、撥水性を得るために、ガス拡散層基材が、撥水ペーストによりコーティング（撥水処理）され、撥水層が形成されていてもよい。なお、撥水ペーストとしては、例えば、カーボン粉末と撥水性樹脂（ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）、ポリエチレン、ポリプロピレン等）との混合溶液を用いることができる。
【００２９】
樹脂フレーム３００（アノード側樹脂フレーム３００ａｎおよびカソード側樹脂フレーム３００ｃａ）は、ＭＥＡ２００を支持するための部材であって、ＭＥＡ２００のアノード側（図１下方側）にアノード側樹脂フレーム３００ａｎが配置され、ＭＥＡ２００のカソード側（図１上方側）にカソード側樹脂フレーム３００ｃａが配置されている。樹脂フレーム３００は、ＭＥＡ用開口部３１０と、アノードガス供給マニホールド用開口部３２１と、アノードガス排出マニホールド用開口部３２２と、カソードガス供給マニホールド用開口部３３１と、カソードガス排出マニホールド用開口部３３２と、冷媒供給マニホールド用開口部３４１と、冷媒排出マニホールド用開口部３４２と、位置決め孔３５０と、供給側接続流路３６１（アノード供給側接続流路３６１ａｎまたはカソード供給側接続流路３６１ｃａ）と、排出側接続流路３６２（アノード排出側接続流路３６２ａｎまたはカソード排出側接続流路３６２ｃａ）と、を備えている。
【００３０】
樹脂フレーム３００は、フェノール樹脂やエポキシ樹脂などの熱硬化性樹脂により形成されている。樹脂フレーム３００は、フェノール樹脂やエポキシ樹脂以外にも、例えば、メラミン樹脂、ユリア樹脂、不飽和ポリエステル樹脂、ポリイミド樹脂、ジアリルフタレート樹脂、シリコン、ポリウレタン、等により形成されていてもよい。
【００３１】
樹脂フレーム３００は、矩形の長板状の外形を備え、中央部にＭＥＡ用開口部３１０が形成され、両端部に、上述した６つのマニホールド用開口部３２１、３２２、３３１、３３２、３４１、３４２が形成されている。アノード側樹脂フレーム３００ａｎとカソード側樹脂フレーム３００ｃａは、ＭＥＡ２００をその両側から挟み込むことによって、互いのＭＥＡ用開口部３１０の開口端３１０ｅによってＭＥＡ２００の外周部２００ｅを把持する。これにより、樹脂フレーム３００は、アノード側樹脂フレーム３００ａｎのＭＥＡ用開口部３１０からＭＥＡ２００のアノード側を露出させ、カソード側樹脂フレーム３００ｃａのＭＥＡ用開口部３１０からＭＥＡ２００のカソード側を露出させた状態でＭＥＡ２００を支持する。
【００３２】
アノードガス供給マニホールド用開口部３２１は、セパレータ４００のアノードガス供給マニホールド用開口部４２１と連通して、燃料電池１０に供給された水素を含有するガス（アノード供給ガス）を各単セル１４に分配するためのアノードガス供給マニホールドを構成する。アノードガス排出マニホールド用開口部３２２は、セパレータ４００のアノードガス排出マニホールド用開口部４２２と連通して、各単セル１４から排出される発電に利用されなかった水素を含有するガス（アノード排ガス）を集めて燃料電池１０の外部に排出するためのアノードガス排出マニホールドを構成する。
【００３３】
カソードガス供給マニホールド用開口部３３１は、セパレータ４００のカソードガス供給マニホールド用開口部４３１と連通して、燃料電池１０に供給された酸素を含む空気（カソード供給ガス）を各単セル１４に分配するためのカソードガス供給マニホールドを構成する。カソードガス排出マニホールド用開口部３３２は、セパレータ４００のカソードガス排出マニホールド用開口部４３２と連通して、各単セル１４から排出される発電に利用されなかった酸素を含む空気（カソード排ガス）を集めて燃料電池１０の外部に排出するためのカソードガス排出マニホールドを構成する。
【００３４】
冷媒供給マニホールド用開口部３４１は、セパレータ４００の冷媒供給マニホールド用開口部４４１と連通して、燃料電池１０に供給された冷媒を各単セル１４に分配するための冷媒供給マニホールドを構成する。冷媒排出マニホールド用開口部３４２は、セパレータ４００の４冷媒排出マニホールド用開口部４４２と連通して、各単セル１４から排出される冷媒を集めて燃料電池１０の外部に排出するための冷媒排出マニホールドを構成する。
【００３５】
アノード側樹脂フレーム３００ａｎに形成されたアノード供給側接続流路３６１ａｎは、アノードガス供給マニホールドからＭＥＡ２００のアノード側にアノード供給ガスを供給するための流路である。アノード側樹脂フレーム３００ａｎに形成されたアノード排出側接続流路３６２ａｎは、ＭＥＡ２００のアノード側からアノードガス排出マニホールドにアノード排ガスを排出するための流路である。
【００３６】
カソード側樹脂フレーム３００ｃａに形成されたカソード供給側接続流路３６１ｃａは、カソードガス供給マニホールドからＭＥＡ２００のカソード側にカソード供給ガスを供給するための流路である。カソード側樹脂フレーム３００ｃａに形成されたカソード排出側接続流路３６２ｃａは、ＭＥＡ２００のカソード側からカソードガス排出マニホールドにカソード排ガスを排出するための流路である。
【００３７】
位置決め孔３５０は、燃料電池１０の製造工程において、位置決めをおこなうときに、治具の位置決めピンを貫通させるための開口部であり、樹脂フレーム３００とセパレータ４００とを積層させたときに、セパレータ４００の位置決め孔４５０と連通するように構成されている。位置決め孔３５０の詳細については、図２を用いて後述する。
【００３８】
セパレータ４００（アノード側セパレータ４００ａｎおよびカソード側セパレータ４００ｃａ）は、ガス遮断性および電子伝導性を有する部材によって構成されており、例えば、カーボンを圧縮してガス不透過とした緻密質カーボン等のカーボン製部材や、プレス成形したステンレス鋼などの金属部材によって形成されている。アノード側セパレータ４００ａｎは、ＭＥＡ２００を支持した樹脂フレーム３００のアノード側に配置され、カソード側セパレータ４００ｃａは、その樹脂フレーム３００のカソード側に配置されている。
【００３９】
セパレータ４００は、アノードガス供給マニホールド用開口部４２１と、アノードガス排出マニホールド用開口部４２２と、カソードガス供給マニホールド用開口部４３１と、カソードガス排出マニホールド用開口部４３２と、冷媒供給マニホールド用開口部４４１と、冷媒排出マニホールド用開口部４４２と、位置決め孔４５０と、ガス流路４６１（アノード側ガス流路４６１ａｎまたはカソード側ガス流路４６１ｃａ）と、冷媒流路４６２と、シール部４７０と、を備えている。
【００４０】
アノード側セパレータ４００ａｎの一方の主面に形成されたアノード側ガス流路４６１ａｎは、凹凸形状を有し、アノード供給側接続流路３６１ａｎから流入したアノード供給ガスをＭＥＡ２００のアノード側に供給し、アノード排ガスをアノード排出側接続流路３６２ａｎに排出する。カソード側セパレータ４００ｃａの一方の主面に形成されたカソード側ガス流路４６１ｃａは、凹凸形状を有し、カソード供給側接続流路３６１ｃａから流入したカソード供給ガスをＭＥＡ２００のカソード側に供給し、カソード排ガスをカソード排出側接続流路３６２ｃａに排出する。アノード側セパレータ４００ａｎおよびカソード側セパレータ４００ｃａの他方の主面に形成された冷媒流路４６２は、凹凸形状を有し、冷媒供給マニホールドから流入した冷媒を冷媒排出マニホールドに排出する。
【００４１】
図２は、樹脂フレーム３００に形成されている位置決め孔の概略構成を説明するための説明図である。図２の一部には、位置決め孔３５０を拡大して示している。図２では、樹脂フレーム３００の一例としてカソード側樹脂フレーム３００ｃａが示されているが、アノード側樹脂フレーム３００ａｎについてもカソード側樹脂フレーム３００ｃａと同様の位置決め孔３５０が同様の位置に形成されている。
【００４２】
位置決め孔３５０は、樹脂フレーム３００の長手方向の両端部にそれぞれ一箇所ずつ配置されている。本実施例では、２つの位置決め孔３５０は、樹脂フレーム３００の長手方向の一方の端辺である端辺３０１ｅ１に沿ってそれぞれ配置されているが、位置決め孔３５０の位置は、任意に設定することができる。例えば、一方の位置決め孔３５０を端辺３０１ｅ１側に配置し、他方の位置決め孔３５０を端辺３０１ｅ１と異なる長手方向の端辺３０１ｅ２側に配置してもよい。位置決め孔３５０は、樹脂フレーム３００の主面の対角線上に配置するなど、位置決め孔３５０同士の互いの距離ができるだけ離れるようにすることが望ましい。また、位置決め孔３５０の数は、２つに限られず、樹脂フレーム３００に３つ以上配置されていてもよい。
【００４３】
位置決め孔３５０は、樹脂フレーム３００の本体部３０１に形成された略円形状の開口部であって、開口部の内周面３５０ｅには、移動規制部３５１が形成されている。移動規制部３５１は、それぞれ略Ｔ字状の外形を備え、内周面３５０ｅに沿って等間隔に複数（ここでは５つ）形成されている。これにより、複数の移動規制部３５１は、位置決め孔３５０の内側において、内周面３５０ｅから開口部の中心に向かって放射状に形成される。移動規制部３５１は、樹脂フレーム３００の本体部３０１と同じ樹脂によって形成され、ピン受け部３５３と、変位許容部３５５とを備えている。本実施例の移動規制部３５１は、樹脂フレーム３００の製造時に本体部３０１と一体的に形成される。
【００４４】
ピン受け部３５３は、位置決め孔３５０に挿入された位置決めピン２１が位置決め孔３５０に対して相対的に移動することを規制するための部分であり、挿入された位置決めピン２１の外周面に沿うように湾曲した矩形断面の板状の外形を備えている。このように、各ピン受け部３５３は、リング形状の一部分の形状である部分リング形状を有しているため、位置決め孔３５０の内側には、５つのピン受け部３５３によって、位置決め孔３５０よりも径の小さい略円形状の開口部が形成されている。位置決め孔３５０に挿入された位置決めピン２１は、この開口部の内側に配置され、ピン受け部３５３と接触することによって樹脂フレーム３００の面と平行な方向（面内方向）における相対的な移動が規制される。
【００４５】
変位許容部３５５は、矩形断面の柱状の外形を備え、一方の端部がピン受け部３５３の中央部付近に接続され、他方の端部が内周面３５０ｅに接続されている。変位許容部３５５は、内周面３５０ｅから位置決め孔３５０の中心方向に延伸した外形を備え、延伸方向端部においてピン受け部３５３を支持している。この変位許容部３５５によって、ピン受け部３５３と、位置決め孔３５０の内周面３５０ｅとの間に所定の間隔が確保されている。
【００４６】
図３は、燃料電池製造時の熱圧着工程を説明するための説明図である。図３に示された樹脂フレーム３００は、図２のＡ−Ａ断面に対応する。燃料電池１０の製造工程には、ＭＥＡ２００と樹脂フレーム３００とを接合し、また、樹脂フレーム３００とセパレータ４００とを接合するために、ＭＥＡ２００、樹脂フレーム３００、および、セパレータ４００を積層して、治具２０により加熱しつつ圧着する熱圧着工程が含まれている。この熱圧着工程では、まず、図３（ａ）に示すように、ＭＥＡ２００、樹脂フレーム３００、および、セパレータ４００を図１に示す順番に積層した積層体１４Ｌａを治具２０にセットする。
【００４７】
治具２０は、積層体１４Ｌａをセットするための台部２２と、台部２２に形成された２つの位置決めピン２１と、台部２２にセットされた積層体１４Ｌａを上方側から加熱・押圧するための押圧部２３と、を備えている。押圧部２３には、位置決めピン２１と対向する位置に、位置決めピン２１を受けるための凹状のピン受け部２４が形成されている。台部２２にセットされた積層体１４Ｌａは、積層体１４Ｌａに含まれる樹脂フレーム３００の位置決め孔３５０と、セパレータ４００の位置決め孔４５０に、それぞれ位置決めピン２１が貫通した状態となっている。
【００４８】
図３（ｂ）に示すように、治具２０は、台部２２と押圧部２３によって積層体１４Ｌａを挟んで圧力を加えながら、台部２２や押圧部２３の内部の発熱部（図示しない）からの発熱によって積層体１４Ｌａを加熱する。これにより、ＭＥＡ２００と樹脂フレーム３００との間や、樹脂フレーム３００とセパレータ４００との間の接着剤が硬化して各部材が互いに接着される。この接着剤としては、例えば、イソブチレンやシリコーンなどを使用することができる。
【００４９】
積層体１４Ｌａが治具２０によって加熱されている間、積層体１４Ｌａの構成部材である樹脂フレーム３００やセパレータ４００は、熱によって膨張する。樹脂フレーム３００の熱膨張係数は、治具２０の熱膨張係数よりも大きいため、加熱されたときに位置決めピン２１と位置決め孔３５０との相対的な位置が変化する。
【００５０】
図４は、本実施例の樹脂フレームにおける熱圧着時の位置決め孔と位置決めピンの状態を説明するための説明図である。図４（ａ）は、積層体１４Ｌａを治具２０にセットしたときの位置決め孔３５０と位置決めピン２１との位置関係を例示した説明図である。図４（ｂ）は、積層体１４Ｌａを加熱したときの位置決め孔３５０と位置決めピン２１との位置関係を例示した説明図である。積層体１４Ｌａを治具２０にセットしたときには、図４（ａ）に示すように、治具２０の位置決めピン２１は、各位置決め孔３５０の中心付近に位置する。
【００５１】
治具２０によって樹脂フレーム３００の加熱をおこなうと、樹脂フレーム３００は、治具２０の台部２２よりも熱膨張率が大きいため、樹脂フレーム３００の膨張による２つの位置決め孔３５０の間の距離の変化量が、台部２２の膨張による２つの位置決めピン２１の間の距離の変化量よりも大きくなる。そのため、図４（ｂ）に示すように、各位置決め孔３５０において、位置決めピン２１が相対的に移動する。位置決め孔３５０は、この位置決めピン２１の相対的な移動によって、一部の移動規制部３５１に破損や変形が生じる。しかし、ピン受け部３５３と内周面３５０ｅとの間に間隔があるため、位置決めピン２１の相対的な移動によっても本体部３０１に破損や変形が生じない。
【００５２】
図５は、従来例の樹脂フレームにおける熱圧着時の位置決め孔と位置決めピンの状態を説明するための説明図である。図５（ａ）は、図４（ａ）に対応している。図５（ｂ）は、図４（ｂ）に対応している。従来例の樹脂フレームに形成されている位置決め孔３５０ｂは、図５（ａ）に示すように、移動規制部３５１を備えていない。そのため、内周面３５０ｂｅによって形成される開口部の径は、本実施例の位置決め孔３５０の複数のピン受け部３５３（図４（ａ））によって形成される略円形状の開口部の径と同程度の大きさとする必要がある。よって、比較例の位置決め孔３５０ｂは、内周面３５０ｂｅによって形成される開口部の径が本実施例の位置決め孔３５０の内周面３５０ｅによって形成される開口部の径よりも小さくなり、加熱時の位置決めピン２１の相対的な移動によって、図５（ｂ）に示すように、本体部３０１に破損や変形が生じる。
【００５３】
以上説明した、本実施例の樹脂フレーム３００によれば、位置決め孔３５０に移動規制部３５１が形成されているため、燃料電池の製造時に樹脂フレーム３００が膨張しても本体部３０１の損傷の発生を抑制することができる。具体的には、移動規制部３５１は、位置決め孔３５０によって位置決めがなされている時には、ピン受け部３５３が位置決めピン２１と接触することによって、位置決め孔３５０に挿入された位置決めピン２１の相対的な移動（遊び）を制限することができるため、必要な位置決め精度を確保することができる。一方で、移動規制部３５１は、変位許容部３５５によってピン受け部３５３と、位置決め孔３５０の内周面３５０ｅとの間に所定の間隔を確保しているため、樹脂フレーム３００の膨張によって位置決め孔３５０に挿入された位置決めピン２１が相対的に移動しても、移動規制部３５１の変形や損傷にとどまり、本体部３０１の変形や損傷を抑制することができる。
【００５４】
樹脂フレーム３００の本体部３０１に変形や損傷が生じると、燃料電池１０の耐久性が低下する問題や、発電性能が低下する問題があった。一方、樹脂フレーム３００に本実施例の位置決め孔３５０を形成した場合には、膨張による本体部３０１の変形や損傷を抑制でき、圧着後には、樹脂フレーム３００および台部２２の収縮によって、位置決め孔３５０に対する位置決めピン２１の相対的な位置は膨張前の状態に戻るため、位置決めの精度は維持される。よって、組み立て精度を維持しつつ、燃料電池の耐久性の低下や発電性能の低下を抑制することができる。
【００５５】
本実施例の位置決め孔３５０には、変位許容部３５５が等間隔に配置されているため、位置決め孔３５０に挿入された位置決めピン２１の相対的な面内の移動方向によらずに、位置決めピン２１の相対的な移動を規制することができる。また、ピン受け部３５３は、挿入された位置決めピン２１の外周面に沿うように湾曲した外形を備えているため、挿入された位置決めピン２１の外周面からピン受け部３５３までの距離のばらつきを抑制することができ、位置決めに精度の向上を図ることができる。
【００５６】
Ｂ．変形例：
なお、この発明は上記の実施例や実施形態に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の態様において実施することが可能であり、例えば次のような変形も可能である。
【００５７】
Ｂ−１．変形例１：
図６は、変形例１の樹脂フレームにおける位置決め孔の形状を例示した説明図である。本実施例の位置決め孔３５０は、移動規制部３５１が内周面３５０ｅに沿って等間隔に５つ形成されているものとして説明したが、位置決め孔３５０に形成される移動規制部３５１の数や位置については実施例に限定されず、任意に設定することができる。例えば、図６に示すように、位置決め孔３５０ｃは、移動規制部３５１が内周面３５０ｅに沿って４つ形成されていてもよい。
【００５８】
Ｂ−２．変形例２：
図７は、変形例２の樹脂フレームにおける位置決め孔の形状を例示した説明図である。本実施例の位置決め孔３５０は、各変位許容部３５５にそれぞれ別個のピン受け部３５３が形成されているものとして説明したが、位置決め孔３５０に形成されるピン受け部３５３の形状ついては実施例に限定されず、任意の形状とすることができる。例えば、図７に示すように、位置決め孔３５０ｄは、１つの環状のピン受け部３５３ｄを複数の変位許容部３５５により支持する構成の移動規制部３５１ｄを備えていてもよい。
【００５９】
Ｂ−３．変形例３：
図８は、変形例３の樹脂フレームにおける位置決め孔の形状を例示した説明図である。本実施例の位置決め孔３５０は、変位許容部３５５の先端部に変位許容部３５５の形状と異なる形状のピン受け部３５３が形成されたＴ字状の移動規制部３５１を備えているものとして説明したが、位置決め孔３５０が備える移動規制部３５１の形状ついては実施例に限定されず、任意の形状とすることができる。例えば、図８に示すように、位置決め孔３５０ｆは、変位許容部３５５と同じ断面形状のピン受け部３５３ｆを備えた移動規制部３５１ｆを有していてもよい。
【００６０】
Ｂ−４．変形例４：
図９は、変形例４の樹脂フレームにおける位置決め孔の形状を例示した説明図である。本実施例の位置決め孔３５０は、変位許容部３５５が内周面３５０ｅから位置決め孔３５０の中心方向に延伸した外形を備えているものとして説明したが、位置決め孔３５０が備える変位許容部３５５の形状ついては実施例に限定されず、任意の形状とすることができる。例えば、図９に示すように、位置決め孔３５０ｇは、開口部の径方向に対して斜めに傾いた柱状の変位許容部３５５ｇを備えた移動規制部３５１ｅを有していてもよい。なお、この変位許容部３５５ｇの構成は、本実施例の位置決め孔３５０（図４）たけでなく、変形例１〜３（図６〜８）の位置決め孔に対しても適用することができる。
【００６１】
Ｂ−５．変形例５：
図１０は、変形例５の樹脂フレームにおける位置決め孔の形状を例示した説明図である。図１０（ａ）は、図４（ａ）と対応している。図１０（ｂ）は、図１０（ａ）のＢ−Ｂ断面を例示している。樹脂フレーム３００の位置決め孔３５０は、位置決め時に位置決めピン２１の移動を規制し、樹脂フレーム３００の膨張時に本体部３０１の変形や破損を抑制できる構成であれば、実施例で示した構成と異なる移動規制部３５１を備えていてもよい。例えば、図１０に示すように、位置決め孔３５０ｈは、開口部を有する環状の弾性部材である移動規制部３５１ｈを備えていてもよい。位置決め孔３５０ｈに環状の弾性部材のみが配置された構成であっても、この弾性部材の弾性力によって、位置決め時に位置決めピン２１の相対的な移動を規制することができ、また、燃料電池の製造時に樹脂フレーム３００が膨張しても弾性部材のみが変形し、本体部３０１の損傷の発生を抑制することができる。
【００６２】
Ｂ−６．変形例６：
本実施例では、燃料電池１０は、アノード側樹脂フレーム３００ａｎとカソード側樹脂フレーム３００ｃａの２つの樹脂フレーム３００を備える構成として説明したが、燃料電池１０は、１つの樹脂フレーム３００のみを備える構成であってもよい。この場合、この１つの樹脂フレーム３００に本実施例の位置決め孔３５０が形成される。
【００６３】
また、本実施例では、移動規制部３５１は、樹脂フレーム３００の位置決め孔３５０に形成されるものとして説明したが、セパレータ４００の位置決め孔４５０にも移動規制部３５１と同様の移動規制部が形成されていてもよい。すなわち、セパレータ４００の熱膨張係数と治具２０の熱膨張係数との違いにより、セパレータ４００についても樹脂フレーム３００と同様に、位置決めピン２１と位置決め孔４５０との相対的な位置が変化する。このとき、セパレータ４００の位置決め孔４５０にも移動規制部３５１と同様の移動規制部が形成されていれば、セパレータの本体部の破損を抑制することができる。
【符号の説明】
【００６４】
１０…燃料電池
１４…単セル
２０…治具
２１…位置決めピン
２２…台部
２３…押圧部
２４…ピン受け部
２００…ＭＥＡ
２１０…電解質膜
２２０…触媒電極層
２２０ｃａ…カソード
２２０ａｎ…アノード
２４０…ガス拡散層
３００…樹脂フレーム
３０１…本体部
３１０…ＭＥＡ用開口部
３２１…アノードガス供給マニホールド用開口部
３２２…アノードガス排出マニホールド用開口部
３３１…カソードガス供給マニホールド用開口部
３３２…カソードガス排出マニホールド用開口部
３４１…冷媒供給マニホールド用開口部
３４２…冷媒排出マニホールド用開口部
３５０…位置決め孔
３５１…移動規制部
３５３…ピン受け部
３５５…変位許容部
３６１…供給側接続流路
３６２…排出側接続流路
４００…セパレータ
４２１…アノードガス供給マニホールド用開口部
４２２…アノードガス排出マニホールド用開口部
４３１…カソードガス供給マニホールド用開口部
４３２…カソードガス排出マニホールド用開口部
４４１…冷媒供給マニホールド用開口部
４４２…冷媒排出マニホールド用開口部
４５０…位置決め孔
４６１…ガス流路
４６２…冷媒流路
４７０…シール部
【図１】
2012204001.tif 000003
【図２】
2012204001.tif 000004
【図３】
2012204001.tif 000005
【図４】
2012204001.tif 000006
【図５】
2012204001.tif 000007
【図６】
2012204001.tif 000008
【図７】
2012204001.tif 000009
【図８】
2012204001.tif 000010
【図９】
2012204001.tif 000011
【図１０】
2012204001.tif 000012