(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
電解質を一対の電極で挟み込んで形成した電極構造体を、さらに一対のセパレータで挟持した燃料電池セルを複数積層してなる燃料電池であって、
外形が略多角形状に形成されたセパレータの隣接する２辺に位置決め部を設けて、各セパレータを前記位置決め部によって少なくとも３カ所で位置決め可能とし、
前記一対のセパレータのうち、一方のセパレータと他方のセパレータとで、前記位置決め部を、積層方向から見て相互に位置がずれるように設けたことを特徴とする燃料電池。
【請求項２】
前記位置決め部がセパレータの外周端面から突出した突起であることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電極構造体とこれを挟持するセパレータとを有した燃料電池セルが積層されてなる燃料電池に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、自動車等の車両駆動用動力源として燃料電池が注目されている。燃料電池は、固体高分子電解質膜の両側に一対の電極を配設した膜電極構造体（ＭＥＡ）を、さらに一対のセパレータで挟持した燃料電池セルを備えている。この燃料電池セルを用いて発電する場合には、燃料電池セルの一方の電極（アノード電極）に燃料ガス（例えば、水素ガス）を、他方の電極（カソード電極）に酸化剤ガス（例えば、酸素を含む空気）を供給することで、電気化学反応により起電力を発生させる。この発電時に生成されるのは基本的には無害な水だけであるため、環境への影響や発電効率の観点から燃料電池が注目されている。
【０００３】
ところで、車両を駆動するのに十分な電力を得るために、車載用の燃料電池は複数の燃料電池セルを積層して構成されるが、この燃料電池セルの積層時には、燃料電池を構成する各燃料電池セルが所定位置に積層されるように、各燃料電池セルごとに位置決めを行う必要がある。従来においては、特開平９−７６２７号公報や特開平９−１３４７３４号公報に示されているように、セパレータ内にノック孔を設けて、このノック孔にノックピンを挿入することで位置決めを行う方法が提案されている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、実車への搭載に向けた実用化の動きの中で、燃料電池の小型軽量化、低コスト化が大きな課題となっている。燃料電池を小型化するためには、燃料電池を構成する各燃料電池セルを薄くすること、具体的には、各燃料電池セル内部に形成されている反応ガスの流路を十分に確保しながら、セパレータ間の間隔寸法を小さくすることや、セパレータを薄肉化することが考えられる。しかしながら、薄肉化したセパレータに上記したノックピンを使用する場合には、ノックピンのガイド長さを十分に確保することが出来ないので、ノックピンが傾いてセパレータに干渉し、セパレータが変形するおそれがある。このような場合には、燃料電池セルに設けられたシール部材とセパレータとの間に若干の隙間が発生してシール性が損なわれたり（シール不良）、セパレータ同士が接触して短絡するおそれがある。また、ノックピンはセパレータの内側に設けられるため、シール不良や短絡等が発生した場合には、外部からその発生箇所（不良箇所）を特定するのが困難であるという問題があった。
本発明は、このような事情に鑑みてなされたもので、燃料電池セルの積層時の位置決めを確実に行うことができるとともに、不良箇所の特定を容易にすることができる燃料電池を提供することを目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するためになされた請求項１に記載した発明は、電解質（例えば、実施の形態における固体高分子電解質膜３）とこれを挟み込む一対の電極（例えば、実施の形態におけるアノード電極４およびカソード電極５）とで形成された電極構造体（例えば、実施の形態における膜電極構造体６）を、一対のセパレータ（例えば、実施の形態におけるセパレータ７，８）で挟持してなる燃料電池セル（例えば、実施の形態における燃料電池セル２）が複数積層された燃料電池（例えば、実施の形態における燃料電池１）であって、前記セパレータの外形が略多角形状であるとともに、このセパレータの隣接する２つの辺に位置決め部（例えば、実施の形態における突起部１５〜１７、１８〜２０）を設けて、少なくとも３カ所で位置決め可能とし、前記一対のセパレータのうち、一方のセパレータと他方のセパレータとで、前記位置決め部を、積層方向から見て相互に位置がずれるように設けたことを特徴とする燃料電池である。
【０００６】
このように構成すると、セパレータを３カ所で位置決めすることによりセパレータを拘束した状態で所定位置に保持することができ、燃料電池セルを確実に位置決めした状態で積層することができる。また、積層時における燃料電池セルのがたつきを防止することができる。すなわち、セパレータの対向する２つの辺に位置決め部を設けると、セパレータの加工精度が必ずしも高くない場合には、セパレータの位置決め精度を十分とることができないため、燃料電池セルにがたつきが生じるおそれがある。これに対して、本発明は、セパレータの隣接する２つの辺に位置決め部を設けるので、該位置決め部にプレートを突き当ててセパレータの位置決めをすることができ、セパレータの加工精度が高くない場合であっても、積層時における燃料電池セルのがたつきを防止することができる。また、積層方向の位置決め部同士の間隔を確保できるため、積層方向に隣合う燃料電池セルのセパレータに設けられた位置決め部同士の接触を防止できる。
【０００７】
なお、各セパレータに設けられる位置決め部は、上記した隣合う２つの辺に、合わせて３カ所以上設けることが好ましいが、上記したように少なくとも３カ所で位置決め可能であればこれに限らない。なお、燃料電池としては、固体高分子型、固体電解質型、アルカリ型、リン酸型、溶融炭酸塩型のうち、いずれであってもよい。
【０００９】
請求項２に記載した発明は、前記位置決め部がセパレータの外周端面から突出した突起であることを特徴とする燃料電池である。
このように構成すると、位置決め部同士が接触等して発生した不良箇所を、外部から容易に特定することができる。すなわち、位置決め部がセパレータ外周を窪ませて形成した凹部である場合には、これらの位置決め部同士が接触等して不良箇所が発生しても、外部から判別しにくいため、不良箇所を特定するのが困難である。これに対し、本発明においては位置決め部がセパレータの外周端面から突出した突起であるため、前記不良箇所を外部から容易に特定することができ、また、セパレータに曲がりが発生したり、傾いた場合でも、このセパレータを外部から見て容易に特定することができる。したがって、不良箇所を早期に発見して正常な状態に修正することができるため、燃料電池の製造歩留まりを高めることができる。ここで、突起には切り欠き部を形成しておくと、この切り欠き部に位置決めロッドを挿入して位置決めできるため好ましいが、切り欠き部を形成しなくてもよい。また、位置決め部に電圧検出用端子を備えておくと、部品点数やコストを低減できるため好ましい。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態における燃料電池を図面と共に説明する。
図４は本発明の第１の実施の形態における燃料電池１の断面図である。図４において６は膜電極構造体を示し、この膜電極構造体６は、固体高分子電解質膜３と、その両側に設けた電極（アノード電極とカソード電極）４，５で構成されている。前記固体高分子電解質膜３と、それぞれの電極４，５の間には触媒層（図示せず）が形成してある。この膜電極構造体６の両面には、一対のセパレータ７，８が配設され、各セパレータ７，８同士の対向面周縁側にリング状のシール部材２１をセットして、このシール部材２１により固体高分子電解質膜３を挟持し、その状態で両セパレータ７，８で膜電極構造体６を挟持して、燃料電池セル２を構成している。両セパレータ７，８には燃料ガスや酸化ガス、冷却媒体を供給するためのガス通路２２，２３、冷却媒体通路２４が形成してある。
【００１１】
上記のように構成した燃料電池セル２においては、前記ガス通路２２を通してアノード電極４の反応面に燃料ガス（例えば、水素ガス）を供給すると、触媒層で水素がイオン化され、固体高分子電解質膜３を介してカソード電極５側に移動する。この間に生じた電子が外部回路に取り出され、外部の駆動用モータ（図示せず）を作動するための直流の電気エネルギーとして利用される。カソード電極５においては前記ガス通路２３を通してカソード電極５の反応面に酸化ガス（例えば、酸素を含む空気）が供給されているため、水素イオン、電子、及び酸素が反応して水が生成される。なお、前記冷却媒体通路２４には冷却水が供給され、これにより燃料電池セル２を一定以内の温度に抑制して発電させるようにしている。
【００１２】
図１および図２は、本実施の形態におけるセパレータ７およびセパレータ８の平面図である。図１、図２に示したように、セパレータ７、８には、燃料ガス連通孔９，１０、酸化剤ガス連通孔１１，１２、冷却媒体連通孔１３，１４が両側に形成され、これらの連通孔において一方（図示下側）が供給口９、１１、１３とされ、他方（図示上側）が排出口１０、１２、１４とされている。このように形成したセパレータ７，８が膜電極構造体６を挟持して、燃料電池セル２を構成するのである（図４参照）。なお、図４は図１のＡＡ方向から見た断面図であり、図４においては図示都合上突起部１５〜２０を省略している。本実施の形態におけるセパレータ７，８にはカーボン材料を切削加工して形成したものを用いているが、これに限らず、金属薄板等をプレス成形して形成したものであってもよい。
【００１３】
前記燃料電池セル２のセパレータ７，８には、位置決め用部材である突起部１５〜１７、１８〜２０がそれぞれ設けられている。本実施の形態における突起部１５〜２０は、それぞれ外側端面が平坦（フラット）に形成されている。このように、突起部１５〜２０の形状を簡易にしたため、製造が容易化される。これらの端面に、位置決めロッド３１〜３６を突き当てることにより、セパレータ７，８の位置決めを行うのである。
【００１４】
このように、各セパレータ７，８の隣接する２辺に３つの突起部１５〜１７、１８〜２０を設けたことにより、位置決めロッド３１〜３６を突き当てて位置決めすることができるため、燃料電池セル２のがたつきを防止することができ、積層時に燃料電池セル２の位置がずれる不具合を防止することができる。
【００１５】
図１、図２に示したように、突起部１５〜１７、１８〜２０は、セパレータ７、８の隣合う２辺に形成されている。そして、セパレータ７に形成した突起部１５〜１７と、セパレータ８に形成した突起部１８〜２０は、積層方向（図の平面視方向）から見てずれた位置に形成されている。
【００１６】
図３は本実施の形態における燃料電池１の概略正面図であり、図１および図２に示したセパレータ７，８を積層してなる燃料電池１のＢＢ矢視図である。なお、矢印Ｚは燃料電池セル２の積層方向を示している。セパレータ７の突起部１５〜１７と、セパレータ８の突起部１８〜２０とは積層方向から見てずらして配置されている。
【００１７】
このようにしたため、 積層方向に隣合う突起部１５、１８（１６，１９または１７、２０）同士の間隔を接触防止可能な間隔に維持できるため、積層方向に隣合う燃料電池セル２のセパレータ７，８に設けられた突起部１５，１８（１６，１９または１７、２０）同士の接触を防止できこれにより短絡の発生を防止することができる。したがって、積層される燃料電池セル２が小型化して互いの間隔を小さくした場合であっても、位置決め部である突起部１５〜２１を使用することができる。
【００１８】
なお、本実施の形態においては、セパレータ７の突起部１７とセパレータ８の突起部２０とを積層方向から見て異なる辺に設けたが、同一辺上に突起部１７、２０を設けると（例えばセパレータ８の突起部２０を図２の下側の辺に移動）、セパレータ７，８の他の辺（例えば、図１および図２の上側のセパレータ７，８の辺）には突起部を設ける必要がなくなるため、燃料電池の前記他の辺側には、他の機器（たとえば制御装置（ＥＣＵ）など）を配置するスペースを確保することができる。
【００１９】
以下、本発明の他の実施の形態について説明する。なお、第１の実施形態と同様の構成部材については、同一の番号を付して適宜その説明を省略する。図５、図６は、第２の実施の形態における燃料電池を構成するセパレータを示す平面図であり、それぞれ図１、図２に相当する。本実施の形態における突起部４１〜４６には、それぞれ弧状の切り欠き凹部２５〜３０が形成されている点が第１の実施の形態と異なっている。このようにしたため、燃料電池セル２を積層する時に、切り欠き凹部２５〜３０に位置決めロッド３１〜３６を突き当てることで、セパレータ７，８を拘束して所定位置に保持することができる。よって、燃料電池セル２を確実に位置決めした状態で積層することができるため、確実にセパレータ７，８を所定位置に保持しつつ積層することができる。また、本実施の形態においても、第１の実施の形態と同様に、燃料電池セル２のがたつきを防止することができ、積層時に燃料電池セル２の位置がずれる不具合を防止することができる。
【００２０】
図７は、第３の実施の形態における燃料電池を構成するセパレータを示す平面図であり、図１に相当する。なお、図２に相当するセパレータも切り欠き凹部を同様に構成しているが、図示を省略する（以下の実施の形態においても同様）。本実施の形態においては、突起部５６〜５８の切り欠き凹部５３〜５５を矩形状に形成するとともに、位置決めロッド５０〜５２を円柱ではなく角柱にした点が異なっている。このようにしても、第２の実施の形態と同様に、燃料電池セル２を確実に位置決めした状態で積層することができるため、確実にセパレータ７，８を所定位置に保持しつつ積層することができる。また、本実施の形態においても、第１の実施の形態と同様に、燃料電池セル２のがたつきを防止することができ、積層時に燃料電池セル２の位置がずれる不具合を防止することができる。
【００２１】
図８は、第４の実施の形態における燃料電池を構成するセパレータを示す平面図であり、図１に相当する。
本実施の形態においては、前実施の形態と同様に、突起部５９〜６１の切り欠き凹部５３〜５５を矩形状に形成しているが、位置決めロッド３１〜３３よりも幅寸法を大きく形成している。セパレータ８においても同様である。このため、位置決めロッド３１〜３３を切り欠き凹部５３〜５５に突き当てる際の自由度が増し、セパレータ７，８のラフな位置決めを容易に行うことができるため、組み付け性が向上する。また、本実施の形態においても、第１の実施の形態と同様に、燃料電池セル２のがたつきを防止することができ、積層時に燃料電池セル２の位置がずれる不具合を防止することができる。
【００２２】
図９は、第５の実施の形態における燃料電池を構成するセパレータを示す平面図であり、図１に相当する。
本実施の形態においては、セパレータ６２を平面視略６角形状に形成しており、該セパレータ６２における隣接する２辺に突起部１５〜１７を設け、この突起部１５〜１７の外側端面に、位置決めロッド３１〜３３を突き当てるようにしている。図２に相当するセパレータにおいても同様である。このようにしたため、第１の実施の形態と同様に、燃料電池セル２のがたつきを防止することができ、積層時に燃料電池セル２の位置がずれる不具合を防止することができる。なお、符号６３はセパレータ６２に形成した連通孔を示しており、反応ガスや冷却媒体の供給口または排出口となっている。
【００２３】
図１０は、第６の実施の形態における燃料電池を構成するセパレータを示す平面図であり、図１に相当する。
本実施の形態においては、セパレータ６４を平面視略８角形状に形成しており、該セパレータ６４における隣接する２辺に突起部１５〜１７を設け、この突起部１５〜１７の外側端面に、位置決めロッド３１〜３３を突き当てるようにしている。図２に相当するセパレータにおいても同様である。このようにしたため、第１の実施の形態と同様に、燃料電池セル２のがたつきを防止することができ、積層時に燃料電池セル２の位置がずれる不具合を防止することができる。なお、符号６５はセパレータ６４に形成した連通孔を示しており、反応ガスや冷却媒体の供給口または排出口となっている。
【００２４】
上記した実施の形態においては、図３に示したように、位置決め部である突起部１５〜１７、１８〜２０の配列パターンをセパレータ７，８の種類に合わせて２種類としたため、突起部の配列パターンからセパレータ７，８の種類を特定できる。なお、位置決め部の配列はこれに限らず３種類以上としてもよい。例えば、２つの燃料電池セルごとに冷却媒体流路が形成されてセパレータが３種類使用されるような場合には、位置決め部の配列パターンも３種類とすると、セパレータの種類を特定できるため好ましい。また、実施の形態においては、突起部がセパレータと一体である場合について説明したが、これに限らず上記した突起部とセパレータを別体として、この突起部をセパレータに組み付けてもよい。また、セパレータに設ける突起部は、外側端面が平坦なものと、弧状の切り欠き凹部を形成したものと、矩形状の切り欠き凹部を形成したものと、のいずれかを組み合わせたものであってもよい。
【００２５】
【発明の効果】
以上説明したように、請求項１に記載した発明によれば、燃料電池セルのがたつきを防止することができるうえ、積層方向に隣合う燃料電池セルのセパレータに設けられた位置決め部同士の接触を防止することができ、これにより短絡の発生を防止することができる。
請求項２に記載した発明によれば、セパレータの外部に設けられる位置決め部同士が接触等して不良箇所が発生した場合でも、この不良箇所を外部から容易に特定できるため、取扱いが容易となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  図１は本発明の第１の実施の形態における燃料電池のセパレータを示す平面図である。
【図２】  図２は本発明の第１の実施の形態における燃料電池のセパレータを示す平面図である。
【図３】  図３は本発明の第１の実施の形態における燃料電池を示す概略正面図である。
【図４】  図４は本発明の第１の実施の形態における燃料電池を示す断面図である。
【図５】  図５は本発明の第２の実施の形態における燃料電池のセパレータを示す、図１に相当する平面図である。
【図６】  図６は本発明の第２の実施の形態における燃料電池のセパレータを示す、図２に相当する平面図である。
【図７】  図７は本発明の第３の実施の形態における燃料電池のセパレータを示す、図１に相当する平面図である。
【図８】  図８は本発明の第４の実施の形態における燃料電池のセパレータを示す、図１に相当する平面図である。
【図９】  図９は本発明の第５の実施の形態における燃料電池のセパレータを示す、図１に相当する平面図である。
【図１０】  図１０は本発明の第６の実施の形態における燃料電池のセパレータを示す、図１に相当する平面図である。
【符号の説明】
１  燃料電池
２  燃料電池セル
３  固体高分子電解質膜
４  アノード電極
５  カソード電極
６  膜電極構造体
７、８  セパレータ
９〜１４  連通孔
１５〜２０  突起部
【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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【図９】
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【図１０】
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