(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
電解質の両面にそれぞれアノード電極とカソード電極とを配してなる電極構造体を一対の金属セパレータで挟持した燃料電池において、
前記各金属セパレータに、厚さ方向に貫通し、挿入される位置決めピンにより前記金属セパレータどうしを面方向に位置決めする位置決め穴が設けられ、
該位置決め穴の縁の周方向の少なくとも一部に、該位置決め穴を前記厚さ方向に延長するガイド部が設けられ、
前記ガイド部の前記厚さ方向の寸法は、前記金属セパレータの板厚寸法よりも大きく形成され、
前記ガイド部の先端は、隣り合う前記金属セパレータから離間した状態で配置されていることを特徴とする燃料電池。
【請求項２】
前記ガイド部がバーリング加工により形成されている請求項１記載の燃料電池。
【請求項３】
前記ガイド部は、前記金属セパレータとは別個に構成された円環状部材である請求項１記載の燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、電極構造体を一対のセパレータで挟持した燃料電池に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
燃料電池には、固体高分子電解質膜の両側にそれぞれアノード電極およびカソード電極を配置してなる電極構造体を、一対のセパレータで挟持することにより平板状に構成されたものがある。このように構成された燃料電池は、その厚さ方向に複数積層されることにより燃料電池スタックを構成するようになっている。
【０００３】
各燃料電池では、アノード電極に対向配置されるアノード側セパレータの一面に燃料ガス（例えば、水素）の流路が設けられ、カソード電極に対向配置されるカソード側セパレータの一面に酸化剤ガス（例えば、酸素を含む空気）の流路が設けられている。また、隣接する燃料電池の隣接するセパレータ間には、冷却媒体（例えば、純水）の流路が設けられている。
【０００４】
そして、アノード電極の電極反応面に燃料ガスを供給すると、ここで水素がイオン化され、固体高分子電解質膜を介してカソード電極に移動する。こ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。カソード電極においては、酸化剤ガスが供給されているため、水素イオン、電子、および酸素が反応して、水が生成される。電極反応面では、水が生成される際に熱が発生するので、セパレータ間に流通させられる冷却媒体によって冷却されるようになっている。
【０００５】
各燃料電池を構成するセパレータどうし、および燃料電池スタックを構成する複数の燃料電池の全てのセパレータどうしは、固体高分子電解質膜、および、各流路を液密または気密状態に仕切るシール部材を、セパレータの所定の部位によって適正に挟むことが必要であるために、それぞれ精度よく位置決めされなければならない。
【０００６】
積層状態のセパレータどうしを位置決めする方法としては、例えば、特開平８−２０３５４３号公報、特開平９−７６２７号公報および特開平９−１３４７３４号公報に示されているように、各セパレータに厚さ方向に沿って貫通形成したノック穴に、積層状態の複数のセパレータの全てのノック穴を貫通するようにノックピンを挿入する方法が採用されている。
【０００７】
これら刊行物に示されているように、従来のセパレータは、カーボンによって製造されており、それ自体の強度を確保するために、十分な厚さを有していた。したがって、ノックピンを挿入するノック穴も十分な長さを有し、ノックピンとノック穴とが比較的大きな接触面積を確保できるので、セパレータどうしが精度よく位置決めされるようになっていた。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
近年、燃料電池の量産に向けた改良により、小型軽量化およびコスト低減を図るために、セパレータの材質として厚肉のカーボンに代えて、薄肉の金属を使用することが考えられている。
しかしながら、金属セパレータは、上述したようにカーボン製セパレータに比較してその厚さが非常に薄く、したがって、図８に示されるように、金属セパレータ６０に設けたノック穴６１にノックピン６２を挿入しても、各金属セパレータ６０のノック穴６１とノックピン６２との接触長さが短いために、金属セパレータ６０に対して倒れる方向のノックピン６２の変位を抑制することが困難である。このため、金属セパレータ６０どうしをノックピン６２によって精度よく位置決めすることが困難であるという不都合があった。
【０００９】
金属セパレータ６０どうしが精度よく位置決めされない場合には、電極構造体６３の両面における該電極構造体６３と金属セパレータ６０との接触位置がずれるため、これら金属セパレータ６０および電極構造体６３の積層体が厚さ方向に締め付けられると電極構造体６３に偏力が作用し、電極構造体６３の寿命が低下したり、発電性能が低下したりする不都合が考えられる。
【００１０】
この発明は、上述した事情に鑑みてなされたものであって、金属セパレータの使用により小型軽量化およびコスト低減を図りつつ、金属セパレータどうしの高精度の位置決めを可能として、組立容易な燃料電池を提供することを目的としている。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、この発明は、以下の手段を提案している。
請求項１に記載した発明は、電解質の両面にそれぞれアノード電極とカソード電極とを配してなる電極構造体を一対の金属セパレータで挟持した燃料電池において、前記各金属セパレータに、厚さ方向に貫通し、挿入される位置決めピンにより前記金属セパレータどうしを面方向に位置決めする位置決め穴が設けられ、該位置決め穴の縁の周方向の少なくとも一部に、該位置決め穴を前記厚さ方向に延長するガイド部が設けられ、前記ガイド部の前記厚さ方向の寸法は、前記金属セパレータの板厚寸法よりも大きく形成され、前記ガイド部の先端は、隣り合う前記金属セパレータから離間した状態で配置されていることを特徴とする燃料電池を提案している。
【００１２】
この発明に係る燃料電池によれば、電極構造体を挟んで一対の金属セパレータを積層し、各金属セパレータに設けられた位置決め穴を貫通して位置決めピンを挿入することにより、金属セパレータどうしが位置決めされた状態に配置される。この場合に、位置決め穴には、周方向の少なくとも一部に、位置決め穴を長さ方向に延長するガイド部が設けられているので、位置決めピンは、その側面をガイド部に接触させることにより、ガイド部によって側面から支持され、金属セパレータに対して倒れる方向への変位を抑制される。
【００１３】
したがって、位置決めピンを位置決め穴内に挿入することにより、金属セパレータの位置ずれを防止して、精度よく位置決めすることができる。すなわち、金属セパレータを精度よく配置することによって、該金属セパレータの適正な部位によって電極構造体を挟み、燃料ガス等を供給する流路を確実に画定することができるので、燃料電池を容易に組み立てることが可能となる。
【００１４】
また、請求項２に係る発明は、請求項１に係る燃料電池において、前記ガイド部がバーリング加工により形成されている燃料電池を提案している。
この発明に係る燃料電池によれば、バーリング加工によりガイド部を構成することによって、位置決め穴の周縁に全周にわたって円筒状のガイド部が形成される。このようなガイド部は、プレス加工の一環としてのバーリング加工により、容易に製造することができるとともに、位置決め穴に挿入される位置決めピンの側面を全周にわたって支持するので、金属セパレータの全方向の位置ずれを防止して、位置決め精度をさらに向上することが可能となる。
また、請求項３に係る発明は、請求項１に係る燃料電池において、前記ガイド部は、前記金属セパレータとは別個に構成された円環状部材である燃料電池を提案している。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の第１の実施形態に係る燃料電池１ついて、添付図面を参照しながら説明する。
本実施形態に係る燃料電池１は、図１および図２に示されるように、電極構造体２を一対の金属セパレータ（第１セパレータ３と第２セパレータ４）で挟持し、電極構造体２の外周を取り囲む位置で、第１セパレータ３と電極構造体２との間を第１シール部材５で密封し、第２セパレータ４と電極構造体２外周との間を第２シール部材６で密封することにより構成されている。
【００１６】
前記電極構造体２は、例えば、図３に示されるように、ペルフルオロスルホン酸ポリマーからなる固体高分子電解質膜７（以下、単に電解質膜という。）と、この電解質膜７の両面を挟むアノード電極８およびカソード電極９とを有している。
アノード電極８およびカソード電極９は、例えば、多孔質カーボンクロスまたは多孔質カーボンペーパーからなるガス拡散層の電解質膜７と接する一表面に、Ｐｔを主体とする合金からなる触媒層を積層させることにより構成されている。
【００１７】
前記第１セパレータ３および第２セパレータ４は、いずれも板厚０．２〜０．５ｍｍのステンレス製板材をプレス成形することにより、図３に示すように、一定の高さを有する凹凸が一定のパターンで多数形成された波板部１０と、図１および図２に示されるように、該波板部１０に流通させる燃料ガス（例えば、水素ガス）、酸化剤ガス（例えば、酸素を含む空気）および冷却媒体（例えば、純水）をそれぞれ供給、排出させるように各セパレータ３，４を貫通する燃料ガス供給口１１、酸化剤ガス供給口１２、冷却媒体供給口１３、燃料ガス排出口１４、酸化剤ガス排出口１５および冷却媒体排出口１６と、これら供給口１１〜１３、排出口１４〜１６および前記波板部１０をそれぞれ取り囲むように配置される平面部１７とを具備している。
【００１８】
前記冷却媒体供給口１３および冷却媒体排出口１６は、図１および図２に示されるように、セパレータ３，４の幅方向のほぼ中央に配置されている。また、前記燃料ガス供給口１１と酸化剤ガス供給口１２は、前記冷却媒体供給口１３を挟んでセパレータ３，４の幅方向の両側に配置されている。さらに、前記燃料ガス排出口１４と酸化剤ガス排出口１５は、前記冷却媒体排出口１６を挟んでセパレータ３，４の幅方向の両側に配置されている。これら燃料ガス排出口１４および酸化剤ガス排出口１５は、それぞれ燃料ガス供給口１１および酸化剤ガス供給口１２に対して対角位置となるように配置されている。
【００１９】
図１および図２において、符号１８，１９は、第１セパレータ３と第２セパレータ４との間に挟まれて、各種供給口１１〜１３、および排出口１４〜１６の周囲を密封する第３シール部材および第４シール部材を示している。また、図３において、符号２４は、隣接する燃料電池１間を密封する第５シール部材を示している。
なお、各種供給口１１〜１３、および排出口１４〜１６は、図示しない連通部によって、上記波板部１０に画定される各流路に連通し、電極構造体２の周囲に燃料ガス、酸化剤ガスおよび冷却媒体を流通させることができるようになっている。
【００２０】
平面部１７には、ひとつの燃料電池１を構成する一対の金属セパレータ３，４どうし、および、積層配置された複数の燃料電池１どうしを位置決めするためのノック穴２０（位置決め穴）が設けられている。ノック穴２０は、金属セパレータ３，４の両端に１カ所ずつ、２カ所に設けられている。これにより、図３に示されるように、これらのノック穴２０に、ノックピン２１が挿入されると、金属セパレータ３，４どうしの相対的な並進移動が防止されるとともに、金属セパレータ３，４どうしの相対的な回転移動も防止されるようになっている。図３においては、明確化のために、ノック穴２０周囲に配されている第３，第４シール部材１８，１９の記載を省略している。
【００２１】
前記ノック穴２０には、図３に示されるようにバーリング加工が施されることにより、該ノック穴２０の周縁全周にわたって円筒状のガイド部２２が形成されている。すなわち、平板状の金属セパレータ３，４への、波板部１０、各種供給口１１〜１３および排出口１４〜１６の形成は、プレス加工により行われるが、このプレス加工工程において打ち抜かれたノック穴２０用の下穴にパンチを押し込んで穴径を広げながら円筒状フランジを形成するバーリング加工によってガイド部２２が形成される。
【００２２】
円筒状のガイド部２２は、ノック穴２０の内径を長さ方向に延長した円筒内面２２ａを有しており、ノックピン２１がノック穴２０に挿入されると、該ノックピン２１の側面が円筒状のガイド部２２の円筒内面２２ａに密着するように構成されている。
【００２３】
また、ガイド部２２は、第１セパレータ３と第２セパレータ４との電気的な短絡を回避するために、両セパレータ３，４間の間隔寸法よりも小さい高さ寸法を有している。すなわち、図３に示されるように、第１セパレータ３と第２セパレータ４とによって電極構造体２を挟んだときに、第１セパレータ３に形成されているノック穴２０と第２セパレータ４に形成されているノック穴２０とが一列に並んで配置されることになるが、ガイド部２２の高さ寸法が両セパレータ３，４の間隔寸法より小さく形成されているので、一方の金属セパレータ３のガイド部２２の先端が他方の金属セパレータ４に接触することが防止され、両セパレータ３，４は離間した状態に保持されるようになっている。
【００２４】
このように構成された本実施形態に係る燃料電池１は、厚さ方向に複数重ねられて燃料電池スタック２３を構成する。各燃料電池１の金属セパレータ３，４に形成されたノック穴２０は一列に並んで配されるので、これらノック穴２０全てを貫通するノックピン２１を挿入することにより、複数の金属セパレータ３，４が相互に位置決め状態に配置される。ノックピン２１は、金属セパレータ３，４どうしの電気的導通を防止するために、例えば、樹脂のような絶縁性材料から構成されていることが好ましい。
【００２５】
この場合において、本実施形態に係る燃料電池１では、ノック穴２０の周縁に円筒状のガイド部２２が設けられているので、ノック穴２０に挿入されたノックピン２１の側面が、全周にわたってガイド部２２の円筒内面２２ａに密着する。ガイド部２２の円筒内面２２ａは、金属セパレータ３，４の板厚寸法よりも十分に長い長さを有しているので、ノックピン２１は、あたかも肉厚の厚いセパレータのノック穴に挿入されているかのように、大きな接触面積で金属セパレータ３，４に接触することができる。
【００２６】
すなわち、ノックピン２１は、金属セパレータ３，４に設けたガイド部２２によって、全周にわたって側方から支持され、金属セパレータ３，４に対して倒れないように保持されることになる。したがって、一方の金属セパレータ３を他方の金属セパレータ４に対して面方向にずらす力が作用しても、ノックピン２１の倒れがガイド部２２によって抑制されるので、金属セパレータ３，４間に位置ずれが発生することがない。
【００２７】
また、本実施形態に係る燃料電池１によれば、金属セパレータ３，４のノック穴２０の周縁をバーリング加工により湾曲させて形成された円筒状のガイド部２２は、ノック穴２０の縁部を補強するリブとして機能するので、ノックピン２１の挿入時における該ノックピン２１との接触によるノック穴２０の縁部の変形を防止することができる。すなわち、ノック穴２０の変形による位置決め精度の低下を防止することができる。
【００２８】
次に、この発明の第２の実施形態に係る燃料電池３０について、図４を参照して説明する。なお、以下の説明において、上述した第１の実施形態に係る燃料電池１と構成を共通とする箇所には、同一符号を付して説明を簡略化することにする。
【００２９】
本実施形態に係る燃料電池３０は、ガイド部３１の構造において第１の実施形態に係る燃料電池１と相違している。本実施形態の燃料電池３０におけるガイド部３１は、金属セパレータ３，４とは別個に構成された円環状の部材である。該ガイド部３１は、厚さ方向に大径部３１ａと小径部３１ｂとを有し、該小径部３１ｂが、金属セパレータ３，４に形成された貫通穴３２にぴったりと嵌合する外径寸法に形成されている。一方、大径部３１ａは、前記小径部３１ｂが貫通穴３２に完全に嵌合された状態で金属セパレータ３，４の表面に当接し、ガイド部３１を厚さ方向に位置決めするように構成されている。
【００３０】
ガイド部３１の厚さ寸法は、金属セパレータ３，４の厚さ寸法と比較して十分に長く形成されており、その円筒内面３１ｃは、ノックピン２１の外面に接触するノック穴２０を構成している。
ガイド部３１は、金属セパレータ３，４に、接着、溶接、ロウ付け等の任意の接合方法によって取り付けられている。また、ガイド部３１は、ノックピン２１が第１の実施形態と同様の絶縁性材料からなるノックピン２１である場合には、その材質に制限はないが、導電性材料からなるノックピン２１を使用する場合には、樹脂等の絶縁性材料により構成されている必要がある。
【００３１】
このように構成された本実施形態に係る燃料電池３０によれば、第１の実施形態におけるバーリング加工されたガイド部２２と同様に、ノック穴２０の周方向の全周に設けられたガイド部３１によってノック穴２０を長さ方向に延長することにより、ノックピン２１とノック穴２０との嵌合長さを大幅に増大させることができ、ノックピン２１の側面を全周にわたって支持することができるので、金属セパレータ３，４に対するノックピン２１の倒れを防止して、金属セパレータ３，４どうしを精度よく位置決めすることができる。
また、このような位置決め精度の向上を、円環状のガイド部材３０という極めて簡易な構成により達成できる。
【００３２】
次に、この発明の第３の実施形態に係る燃料電池４０について、図５を参照して説明する。
この実施形態に係る燃料電池４０も、ガイド部４１の構造において、第１および第２の実施形態に係る燃料電池１，３０と相違している。本実施形態に係る燃料電池４０のガイド部４１は、円環状に形成され、その外面の厚さ方向の中央に一段窪んだ周溝４２を有している。周溝４２の溝幅寸法は、金属セパレータ３，４の厚さ寸法に一致し、金属セパレータ３，４に形成された貫通穴２０の縁を該周溝４２内に収容することにより、ガイド部４１が金属セパレータ３，４に固定されるようになっている。
【００３３】
ガイド部４１は、例えば、樹脂製であり、金属セパレータ３，４の貫通穴４３の縁部に、接着等によって取り付けられ、または、金属セパレータ３，４に一体成形されていてもよい。
このように構成された本実施形態に係る燃料電池４０によれば、第１および第２の実施形態に係る燃料電池１，３０と同様に、金属セパレータ３，４に対するノックピン２１の倒れを防止して、金属セパレータ３，４どうしを精度よく位置決めすることができる。
【００３４】
次に、この発明の第４の実施形態に係る燃料電池５０について、図６を参照して説明する。
この実施形態に係る燃料電池５０は、金属セパレータ３，４に形成された貫通穴２０の周縁を湾曲させてガイド部５１を形成している点で第１の実施形態に係る燃料電池１と共通するが、該第１の実施形態に係る燃料電池１がバーリング加工により、貫通穴２０の全周にわたって金属セパレータ３，４の一面側に突出する円筒状のガイド部２２を形成しているのに対し、金属セパレータ３，４の両面側に突出するガイド部５１を有している点において相違している。
【００３５】
本実施形態の燃料電池５０では、図６に示されるように、金属セパレータ３，４に形成された貫通穴２０の周縁から半径方向に沿う複数の切り込み５２が形成され、該切り込み５２によって区画された複数の分割片５３が、図７に示されるように、金属セパレータ３，４の一面側と他面側とに交互に折り曲げられることにより、全周にわたるガイド部５１を有するノック穴２０が形成されている。
【００３６】
このように構成されたガイド部５１は、各分割片５３の長さの約２倍の長さを有することになるので、ノック穴２０を長さ方向に延長し、ノック穴２０に挿入されるノックピン２１の側面に、該ノックピン２１の長さ方向の広い範囲にわたって接触することができる。その結果、ノックピン２１の倒れをより効果的に防止して、高い位置決め精度を達成することができる。
【００３７】
なお、上記各実施形態に係る燃料電池１，３０，４０，５０では、ノック穴２０の周縁に全周にわたってガイド部２２，３１，４１，５１を設けた場合について説明したが、これに限定されるものではない。すなわち、ガイド部は、ノック穴２０の周縁に、周方向の一部に部分的に設けられていてもよい。例えば、ノック穴２０の周縁の周方向に間隔をあけて数カ所に設けられていてもよい。この場合には、該ガイド部が設けられている方向へのノックピン２１の倒れが防止されるので、その限りにおいて効果的である。また、この場合には金属セパレータ３，４毎にガイド部の位相をずらすことにすれば、ノックピン２１の倒れを全方向にわたって支持することができる。
【００３８】
【発明の効果】
以上の説明から明らかなように、本発明は以下の効果を奏する。
（１）   請求項１記載の発明に係る燃料電池によれば、位置決め穴の周縁の少なくとも一部に設けたガイド部によって、位置決めピンが側面から支持されるので、金属セパレータに対して位置決めピンが倒れないように保持され、その結果、金属セパレータどうしを高い精度で位置決めすることができるという効果を奏する。
金属セパレータどうしが高精度で位置決めされることにより、これらの金属セパレータに挟まれる電極構造体に過大な偏力が作用することが回避されるので、電極構造体の健全性が維持され、燃料電池の寿命低下を防止することができるとともに、発電性能の低下を防止することができるという効果もある。
さらに、位置決めピンの倒れによる金属セパレータの位置ずれを防止できるので、燃料電池の外径寸法の変動を最小限に抑制することができるという効果を奏する。
（２）   請求項２の発明に係る燃料電池によれば、ガイド部をバーリング加工により形成するので、金属セパレータのプレス加工の一環として簡易にガイド部を形成することができる。したがって、金属セパレータが高精度に位置決めされた燃料電池を低いコストで提供することができるという効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】   本発明の第１の実施形態に係る燃料電池の構成部品を模式的に示す分解斜視図である。
【図２】   図１の燃料電池の構成部品を組み合わせた状態を模式的に示す平面図である。
【図３】   図２の燃料電池のノック穴部分近傍を示す縦断面図である。
【図４】   本発明の第２の実施形態に係る燃料電池のノック穴近傍を部分的に示す縦断面図である。
【図５】   本発明の第３の実施形態に係る燃料電池のノック穴近傍を部分的に示す縦断面図である。
【図６】   本発明の第４の実施形態に係る燃料電池のノック穴近傍を部分的に示す平図図である。
【図７】   図６のノック穴近傍を部分的に示す縦断面図である。
【図８】   従来の燃料電池のノック穴近傍を部分的に示す縦断面図である。
【符号の説明】
１，３０，４０，５０  燃料電池
２  電極構造体
３  第１セパレータ（金属セパレータ）
４  第２セパレータ（金属セパレータ）
７電解質膜（電解質）
８  アノード電極
９  カソード電極
２１  ノックピン（位置決めピン）
２０  ノック穴（位置決め穴）
２２，３１，４１，５１  ガイド部
【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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【図６】
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【図７】
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【図８】
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